JP2006504239A - エッジシールド及びガス排出をする静電チャックウエハポート及びトッププレート - Google Patents

Abstract

【課題】一様なエネルギーが照射される半導体ウエハの温度制御をする装置の提供。
【解決手段】半導体ウエハ１０を処理するための装置。静電チャック６は円周状ガス分配溝１４と、半導体ウエハ後面１３と静電チャック６との間に位置するガスギャップ１６を画定する。リップ３は、ウエハ１０の外側帯５をシールドするために配置される。

Description

本発明は、一般的に半導体ウエハの製造に使用される装置に関するものであり、特に、ウエハ温度を等しく維持するために使用される冷却ガス源のガス排出とエネルギー源とから、ウエハのエッジシールドを行う静電チャックウエハポート及びトッププレートに関するものである。

一般に、半導体ウエハを取り扱う高真空システムにおいて、エネルギー源はウエハを加熱する。例えば、イオン注入機において、高エネルギーイオンビームはウエハに（ガスとともに）エネルギーが伝達され、ビームからのエネルギーは熱に変換されるので、ウエハの温度を上昇させる。ウエハの温度を制御するために、後面冷却ガスは、ウエハに隣接している静電チャックに配置された圧力分配溝内に、しばしば導入される。静電チャックは、工程中、ウエハを保持している。冷却ガスは、ウエハとチャック間の狭い溝を満たし、熱伝導路を提供し、ウエハからの熱を水で冷却された基部へ伝達する。

圧力分配溝は、通常、静電チャックの端部の近くに配置され、その結果、外側のガス流は上記端部近くのガス流領域に閉じ込められる。ウエハとチャック間の溝の残りの部分は、一様な圧力Ｐ（典型的には、約１０から約２００トールの間）であり、それ故、冷却プレートへ熱をコンスタントに伝導する冷却ガスを含む。これに対して、ガス流領域内の冷却ガスの圧力は、Ｐから高真空圧（＜＜１）に変わり、そのため、冷却プレートの伝導度は減少し、ウエハの熱をエッジ（端部）へ導く。Ｓｉベースの半導体の伝導度が、冷却ガスのそれよりも高いとすれば、ホットスポットがウエハの加熱されたエッジから中央の方へ伸びるであろう。このより高いエッジの温度は、多くの工程で意味はないけれでも（フォトレジストがそのまま残っている工程では要求される）、ＳＩＭＯＸへの酸素イオン注入のような、正確な温度制御を要求する工程に対しては重要である。この場合、減少した端部冷却によって起る温度の非一様性は、半導体ウエハの仕様が信頼できないことになる。

また、これら高真空システムにおいて、ガス排出溝は、通常、処理室を冷却ガスで汚染することを避けるために、静電チャックの端部で用いられる。しかしながら、静電チャックの端部に密接して圧力分配溝を配置することによって、圧力分配溝に隣接してガス排出溝を配置することは、設計上、意義のある制限を受ける。さらに、ウエハのどちらの面でも粒子汚染の量を最小にするので、好ましいウエハハンドリングの方法はエッジグリップになっていた。これを達成するために、エッジの約１ｍｍは、ウエハの両側からアクセスできることが必要であり、さらにエッジ冷却の問題を悪化させる。最後に、もし静電チャックがウエハの上下方向の処理中に失敗すれば、従来技術では、処理室へのウエハ落下の防止するための機械的手段がない。
したがって、本発明者は静電チャックウエハポート設計での改良が必要であることがわかっている。

本発明は、半導体ウエハが一様な（平均的な）エネルギー源にさらされる高真空室において、半導体ウエハを処理するための装置を提供することによって、上記課題を達成するものである。この装置は、静電チャックを含むウエハポートフランジ、及びウエハの外側帯をシールドするリップを含むトッププレートからなる。

本発明は、特有の効果及び機能に左右されないけれども、エネルギー源からウエハをエッジシールドすることによって、トッププレート内のリップが、冷却されないエッジから熱源を取り去り、それによって、水を伝わって一様な温度を生じるということに注意されなければならない。さらに、上記リップは冷却ガス源から高真空室への流れを制限するように働くことが銘記されるべきである。さらに、ウエハのシールドバンド部は冷却されないので、リップはウエハが静電クランプの上に張り出すことを可能とし、それによって、ウエハハンドリングのために、エッジをクランプできることに、注意されなければならない。ウエハが上下する工程の取扱の中で、上記リップは「セイフティネット（safety net ）」として働き、その結果、もし、静電チャックが失敗しても、ウエハが高真空室へ落下することを機械的に防止する。

本発明の一実施形態によれば、半導体ウエハを処理するための装置は、ウエハポートフランジ及びトッププレートを含んでいる。ウエハポートフランジは静電チャックを含み、静電チャックは、円周状のガス分配溝と、静電チャックと半導体ウエハの後側との間に配置されたガスギャップを特徴としている。トッププレートは、ウエハの外側帯をシールドするように配置されるリップを含んでいる。

本発明のこれら及び他の利点は、図面と共に本発明の以下の記載から、完全に理解されるであろう。特許請求（クレーム）の範囲はその記載によって決められ、本発明に記載された特徴や利点に特に限定されるものでないことに注意されなければならない。

本発明の以下の説明は、同等の構成は同等の参照番号で示されている図面にしたがって読まれれば、よく理解できるであろう。
当業者であれば、図面内の要素は単純化、明りょう化されて説明されており、必ずしもスケールが描かれていないことは理解できる。例えば、図内の要素の、いくつかの大きさは、本発明の理解を容易にするために、他の要素に比較して誇張されている。
図１を参照すると、本発明の一実施形態に従う半導体ウエハを処理する装置が描かれている。装置は、ウエハポートフランジ２とトッププレート４を含み、それらは図１に参照番号１で示すような高真空室内に配置することができる。高真空室１は、半導体ウエハを処理するための制御された環境を備え、少なくとも１トール以下の内部圧力を有する。

ウエハポートフランジ２は、処理のための高真空室１内に、半導体ウエハ１０を保持するために使用される静電チャック６を含む。図示はされていないが、静電チャック６は、さらに温度制御される基部、絶縁体層、誘電体層、及び1対の電極を含み、これらは、ブレイク（Blake）外の名義の米国特許第5436790号明細書に記載されている静電チャックと同様であり、代表的な静電チャックの記述として、参考として本明細書に含まれる。

半導体ウエハ１０は、前面１１及び後面１３を有する。さらに、エネルギー源（図示されていない）が備えられ、半導体ウエハ１０の前面１１に、高エネルギービーム８が焦点を結ぶように形成されている。エネルギービーム８は、ウエハ１０の径方向に一様にウエハ１０の前面１１に集束され、また、イオンビーム、電子ビーム、ガスプラズマ、及びそれらの組合せから選択できる。

本発明は、種々の電位の適用に対して真空環境内で粒子の温度を制御する熱伝導を行うように形成されているけれども、イオン注入装置内での半導体ウエハのエッジシールドや、半導体ウエハの冷却に用いられるガスの排出にも特に適用可能である。したがって、本発明は、例えば、ＳＩＭＯＸイオンシャワーのようなイオン注入装置に関して、ここで記載されている。

図２を参照すると、本発明を使用する典型的なイオン注入装置の略図が示されており、一様なエネルギー源２１からのイオンは、ビームライン２４に沿って、垂直加速器コラム２３を介して、エンドステーション２５へ投射される。ここで、イオンは半導体ウエハに向けて照射される。一様なエネルギー源２１は、高電圧源２２に接続され、一様なエネルギー源２１、加速器コラム２３、ビームライン２４及びエンドステーション２５は、全て高真空室１内に収容される。高真空室１は,真空ポンプ装置２６によって、高真空下に維持される。典型的には、イオン注入装置は、イオンビームがウエハに照射されるとき、約１×１０^−５以下の圧力レベルで操作される。

図１を参照して、ウエハ１０は、静電チャック６に対して、ウエハ１０の後面１３とチャック６が面するように配置される。静電チャック６は、円周状ガス分配溝１４と、チャック６とウエハ１０の後面間に配置されるガスギャップ１６を含む。円周状ガス分配溝１４は、静電チャック６の外側周縁エッジ７から約１ｍｍのところに配置される。上記溝１４は、幅約０．１ｍｍ以上、深さ約０．２ｍｍ以下である。ガスギャップ１６は、約１μｍ以下である。

ビームが半導体ウエハ１０に達すると、高エネルギービーム８は熱エネルギーに変換され、半導体の温度は上昇する。半導体ウエハ１０の温度を制御するために、冷却ガスが円周状ガス分配溝１４に導入され、ウエハ１０から静電チャック６へ熱を伝達させる熱伝導を行うために、ガスギャップ１６に冷却ガスが流れ込み、満たされる。これは譲りうけられた米国特許第4514636号及び第4261762号に記載されており、それらに教示されるガス伝導冷却は参考として本明細書に含まれる。
静電チャック６に隣接するウエハポートフランジ２は、ウエハポートフランジ２内に形成される内部通路（未図示）を介して、水あるいはフレオンのような流体を循環させることによって冷却される。冷却ガス源は、約１トール以上の圧力下にあり、例えば、窒素、ネオン、ヘリウムあるいは水素のような高熱伝導性のガスからなる。冷却ガス源は、レギュレータ及びリークバルブ（未図示）を介して、離れているガス源から円周状ガス分配溝１４へ、分配可能である。

ガスギャップ１６は、また、円周状ガス分配溝１４によって囲まれている一様な熱伝導領域１７を画定している。冷却ガスは、一様な熱伝導領域１７内のガス圧が平衡に達するまで、当初、上記溝１４を介して、冷却ガス源から供給される。一度、この安定状態が達成されると、冷却ガスは円周状ガス分配溝１４と静電チャック６の外側周縁エッジ７（ウエハ１０の外側１ｍｍ）との間の領域内にのみ流れる。平衡圧に達する初期の一時的状況の後、一様な熱伝導領域１７内には冷却ガスは流れない。したがって、ガス圧は、一様な熱伝導領域１７に隣接し、そのため一定の熱伝導率を行う半導体ウエハ１０の大部分の領域で、一様になる。（ここで、圧力とギャップを考えると、熱伝導は自由な分子によるものであり、そして、熱伝導は圧力のみに比例するということである。）。しかしながら、上記溝１４とウエハエッジとの間の、圧力（ウエハエッジで処理室１の圧力（＜＜１トール）へ低下させる）内の傾きに導かれるガス流がある。これは、冷却された静電チャック６への伝導は、ウエハエッジ周縁で非常に低い値になるということを意味する。もし、水がイオンビームのような一様なエネルギー源によって一様に加熱されるならば、ウエハエッジでの熱と冷却のインバランスは、エッジを加熱することになる。半導体の熱伝導率は、ガスギャップの伝導率より高いので、ホットスポットはウエハの中心の方へ延びるであろう。半導体ウエハ上に３ｍｍのエッジ除外部があるけれども、この１ｍｍの限定された熱伝導領域の温度の影響は、この除外部を越えてよく及ぼされる。

この問題の重要性は、３００ｍｍウエハの限定要素モデルを用いて決定することができることであり、このウエハは、前面領域上で一様に加熱されているが、後面では減少領域で一様に冷却されていることである。図３を参照すると、３点すなわち、１）Ｒ_C＝147ｍｍの径で形成される冷却領域、２）Ｒ_C＝148.5ｍｍの径で形成される冷却領域、３）加熱がガードリングによって半径148.5ｍｍに制限されているウエハ、が示されている。モデルパラメータは、ＳＩＭＯＸイオンシャワーの適用では典型的である。
Ｑ＝1.2_e6Ｗ／ｍ^２ ；
ｈ_i＝2000Ｗ／ｍ^２℃ ；
ｈ_o＝０ ；及び
Ｋ＝120Ｗ／ｍ℃
ここで、Ｑは、エネルギービームによって与えられるエネルギーフラックスであり、ｈは、ウエハの内部のガス冷却領域での熱伝導係数であり、ｈ_oは、外側シールド領域熱伝導係数であり、ＫはＳiの熱伝導度である。結果は、冷却されない小領域は、ウエハのその領域で一様な温度である、という効果を示している。もし、加熱領域が冷却領域に等しく作られるならば、温度は、基本的にウエハの全域で等しくなるであろう。

これらの結果にしたがって、本発明のトッププレート４は、半導体ウエハ１０の外側帯５を高エネルギービーム８からシールドするために配置されるリップ３を含む。一方、上記ビーム８は、一様な熱伝導領域１７に隣接するウエハ１０の冷却部分に接触することは可能である。外側帯５は、半導体ウエハ１０の約３ｍｍ以下である。高エネルギービーム８から、ウエハ１０の外側帯５（限定された熱伝導領域１８に隣接している）をエッジシールドすることによって、リップ３はウエハ１０の非冷却エッジから熱源をはずすことに効果的である。リップ３は、高エネルギービーム８にさらされるウエハ１０の部分にわたって、一様な温度を提供する。このように、本発明は、一様な高エネルギー源にさらされる時、半導体ウエハのエッジシールドと関連する問題を解決する。

トッププレート４、そして特にリップ３は、液体(水)冷却することができ、その結果、高エネルギービーム８の一定の衝撃に耐えることができる。さらにリップ３及びトッププレート４は、ウエハ１０の如何なる汚染を起さないために、シリコーン被覆することができる。このシリコーン被覆は、電気伝導させるためにドープすることができ（代表的には、ボロンで）、イオンビームを、高電位及びアークの発生による荷電から防護する。

本発明にしたがって、トッププレート４は、約１ｍｍ以上であるギャップによって、静電チャック６から分離している。したがって、リップ３は、ウエハ１０の前面１１から約0.1ｍｍ以下で配置される。静電チャック６の円周状ガス分配溝１４に冷却ガスを導入することによって、ウエハ１０と静電チャック６間のギャップを介して、ポンピングチャネル９の外方へ、ガスが流れる。ポンピングチャネル９は、ウエハポートフランジ２とトッププレート４間に配置される。ポンピングチャネル９（＞幅１ｍｍ）の熱伝導は、リップ３とウエハ１０の前面と（＜0.1ｍｍ）によって決まる熱伝導より大きいので、前記ガスの多くは、高真空室１内よりも、ポンピングチャネル９から外へ流れる。この特徴は、少なくともウエハ１０のファクタによって、高真空室１へのガス流を減少させることができる。

ウエハ１０の厚さ許容値は、約0.025ｍｍ以下である。ウエハ１０の前面とリップ３間の小ギャップは、繰返し達成される。したがって、ウエハポートフランジ２の底部が、トッププレート４上に達し（bottoms out）、ウエハ１０の前面１１とリップ３との間を適切な寸法に位置決めする。「ボトムアウト（bottoms out）」とは、ウエハポートフランジ２がトッププレート４に直接配置されることを意味し、トッププレート４とウエハポートフランジ２の間にＯ―リング１９を配置して、このＯ−リング１９上にウエハポートフランジを位置させるものではない。このＯ‐リング１９は、大気のエアの流れを、フランジ２がトッププレート４に位置する境界面２０で、阻止するように形成されている。

また、本発明にしたがって、ウエハ１０の外側帯５のエッジシールドを提供することによって、リップ３はウエハが静電チャック６の上に張り出すことを可能にし、それによって、ウエハハンドリングの目的でエッジクランプを可能にする。したがって、半導体ウエハ１０の直径は、静電チャック６の直径よりも大きくすることができ、それによって、外側帯５の部分は静電チャック６の上に張り出す。この張り出しは、約１ｍｍとすることができる。

半導体ウエハの処理において、図1、２の実施形態のように、静電チャック６とウエハ１０を上下方向に配置することが、時々必要である。この配置において、もし静電チャック６が失敗すれば、リップ３はウエハ１０が高真空室１内へ落下することを防止するであろう。

本発明は、ある典型的な実施形態を参照して記載されているが、記載された本発明の概念及び精神の範囲内で多くの変更が可能である。したがって、本発明は、開示された実施形態に制限されず、特許請求の範囲の言語によって認められる全範囲を有するものと解釈される。

図１は、本発明による半導体ウエハを処理するための装置の、ウエハポートフランジとトッププレートの概略断面図である。 図２は、本発明による半導体ウエハを処理するための装置の一適用を説明する概略ブロックダイアグラムである。 図３は、前面領域上では一様に加熱され、後面上では限定された領域上が一様に冷却された３００ｍｍウエハの、温度（℃）対径方向位置（ｍ）を示すグラフである。

符号の説明

１ 高真空室
１０ 半導体ウエハ
６ 静電チャック
１４ 円周状ガス分配溝
４ トッププレート
３ リップ
５ 外側帯

Claims (32)

1. ウエハポートフランジとトッププレートを含む半導体ウエハを処理するための装置であって、
   上記ウエハポートフランジは静電チャックを含み、上記静電チャックは、円周状ガス分配溝と、半導体ウエハの後面と上記静電チャック間に配置されるガスギャップとを含んでおり、
   上記トッププレートはリップを含み、上記リップは上記ウエハの外側帯をシールドするために配置されている半導体ウエハを処理するための装置。
2. 上記装置は、高真空室内に配置されている請求項1記載の装置。
3. 上記高真空室は、内部圧力を含み、上記内部圧力は１トール以下である請求項２記載の装置。
4. 上記装置は、さらにエネルギー源を含み、上記エネルギー源は高エネルギービームを上記半導体ウエハの前面に集束するように形成されている請求項１記載の装置。
5. 上記高エネルギービームは、イオンビーム、電子ビーム、ガスプラズマ、及びそれらの組合せから選択される請求項４の装置。
6. 上記エネルギー源は、ＳＩＭＯＸイオンシャワーである請求項４の装置。
7. 上記高エネルギービームは、一様に上記ウエハの前面に集束する請求項４の装置。
8. 上記円周状ガス分配溝は、上記静電チャックの外側周縁エッジから約１ｍｍのところに配置される請求項１記載の装置。
9. 上記円周状ガス分配溝は、幅約0.1ｍｍ以上、深さ約0.2ｍｍ以下である請求項１記載の装置。
10. 上記ガスギャップは、厚さ約１μｍ以下である請求項１記載の装置。
11. 冷却ガス源を含み、上記冷却ガス源は、上記ガスギャップと流体連絡している請求項１記載の装置。
12. 上記冷却ガス源は、約１トール以上のガス圧である請求項１１記載の装置。
13. 上記冷却ガス源は、高熱伝導性である請求項１１の装置。
14. 上記冷却ガス源は、窒素、ネオン、ヘリウムあるいは水素である請求項１１の装置。
15. 上記ガスギャップは、さらに上記円周状ガス分配溝に囲まれた一様な熱伝導領域を画定し、
    上記一様な熱伝導領域は、これと流体連絡をする冷却ガス源を含み、
    上記冷却ガス源は、上記一様な熱伝導領域全域で一定であるガス圧を有する請求項１の装置。
16. 上記冷却ガス源は、約１トール以上のガス圧である請求項１５の装置。
17. 上記冷却ガス源は、高熱伝導性である請求項１５の装置。
18. 上記冷却ガス源は、窒素、ネオン、ヘリウムあるいは水素である請求項１５の装置。
19. 上記外側帯は、約３ｍｍ以下である請求項１の装置。
20. 上記トッププレートは、液体冷却される請求項１の装置。
21. 上記トッププレートを冷却する上記液体は、水である請求項２０の装置。
22. 上記トッププレートは、さらにシリコーン被覆を含む請求項１記載の装置。
23. 上記シリコーン被覆は、電気伝導性材料がドープされている請求項２２の装置。
24. 上記電気伝導性材料は、ボロンからなる請求項２３の装置。
25. 上記トッププレートと上記静電チャックは、約１ｍｍ以上のギャップによって分離されている請求項１記載の装置。
26. 上記リップは、上記ウエハの前面から約0.1ｍｍ以下のところに配置される請求項１記載の装置。
27. 上記ウエハポートフランジと上記トッププレート間に形成されるポンピングチャネルを、さらに含む請求項１記載の装置。
28. 上記ウエハポートフランジは、上記リップと上記ウエハ間で適切な寸法を位置決めし、上記トッププレート上に配置されるように構成される請求項１記載の装置。
29. 上記ウエハポートフランジと上記トッププレート間に位置するＯ−リングをさらに含み、上記Ｏ‐リングは上記ウエハポートフランジが上記トッププレート上に置かれるインターフェースで、大気の流れをさえぎるように形成される請求項２８の装置。
30. 上記ウエハの径は、上記静電チャックの径より大きく、それによって上記ウエハの外側帯の部分は、上記静電チャックの上に張り出している請求項１の装置。
31. 上記ウエハの外側帯は、約１ｍｍまで上記静電チャックの上に張り出している請求項３０の装置。
32. もし、上記静電チャックが上下方向に処理中に失敗しても、上記リップは上記ウエハを捕らえるように配置される請求項1記載の装置。

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