JP2010506381A - 基板処理システム用の不均一な断熱層を有する温度制御された基板ホルダ - Google Patents
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Abstract
処理システム内で基板を支持する基板ホルダは、第1温度を有する温度制御された支持体底部、及び、該温度制御された支持体底部に対向して前記基板を支持するように備えられている基板支持体を有する。前記基板支持体と結合して該基板支持体を前記第1温度よりも高い第2温度に加熱するように備えられている1つ以上の加熱素子、及び、前記温度制御された支持体底部と前記基板支持体との間に設けられた断熱材も含まれる。前記断熱材での熱伝導係数(W/m2-K)は空間的に不均一に変化する。
Description
本発明は基板の温度制御システムに関し、より詳細には基板温度を制御する基板ホルダに関する。
半導体の製造及びプロセスにおいては、様々なプロセス-たとえばエッチングや堆積プロセスも含まれる-は基板温度に顕著に依存することが知られている。このような理由のため、基板温度の制御及び制御可能な調節を行う能力は半導体処理システムの重要な要素となってきている。基板温度は多くのプロセスによって決定される。その多くのプロセスには、周辺環境との放射性及び/又は伝熱性の熱のやり取りだけではなく、プラズマや化学プロセスと基板との相互作用も含まれるが、これらに限定されるわけではない。基板ホルダ上面に適切な温度を供することは、基板温度の制御に利用することができる。
本発明は基板温度を制御するシステムに関する。
本発明の一の態様によると、処理システム内で基板を支持する基板ホルダは、第1温度を有する温度制御された支持体底部、及び、該温度制御された支持体底部に対向して前記基板を支持するように備えられている基板支持体を有する。前記基板支持体と結合して該基板支持体を前記第1温度よりも高い第2温度に加熱するように備えられている1つ以上の加熱素子、及び、前記温度制御された支持体底部と前記基板支持体との間に設けられた断熱材も含まれる。前記断熱材での熱伝導係数(W/m2-K)は空間的に不均一に変化する。
本発明の他の態様によると、処理システム内で基板を支持する基板ホルダは、第1温度を有する温度制御された支持体底部、及び、該温度制御された支持体底部に対向して前記基板を支持するように備えられている基板支持体を有する。1つ以上の加熱素子は前記基板支持体と結合して該基板支持体を前記第1温度よりも高い第2温度に加熱するように備えられている。また前記温度制御された支持体底部と前記基板支持体との間の熱伝導係数(W/m2-K)を空間的に不均一に変化させる手段も含まれる。
以降の記載では、限定ではない説明目的で、たとえば処理システムの具体的な幾何学的形状、並びに様々な部品及び処理の記載といった具体的詳細について説明される。しかし本発明は、これらの具体的詳細から逸脱する他の実施例でも実施可能であることに留意して欲しい。
材料処理システム1が図1に図示されている。材料処理システム1は、基板ホルダ20を有する処理装置10及び前記基板ホルダ20上で支持されている基板25を有する。基板ホルダ20は、基板温度を調節するための温度制御素子を供するように備えられている。それに加えて温度制御素子は、均一又は不均一な基板温度を保証するために空間的に配置されて良い。後述するように、制御装置55は処理装置10及び基板ホルダ20と結合して、基板温度を監視、調節、及び制御するように備えられている。
図1に図示された実施例では、材料処理システム1はエッチングチャンバを有して良い。たとえばエッチングチャンバは乾式プラズマエッチングを補助して良いし、あるいはその代わりに乾式非プラズマエッチングを補助しても良い。材料処理システム1は、フォトレジストコーティングチャンバ、フォトレジストパターニングチャンバ、誘電体コーティングチャンバ、成長チャンバ、又は急速熱処理(RTP)チャンバを有する。フォトレジストコーティングチャンバとはたとえば、塗布後ベーキング(PAB)又は露光後ベーキング(PEB)に利用可能な、フォトレジストスピンコーティングシステム内の加熱/冷却モジュールである。フォトレジストパターニングチャンバとはたとえばフォトリソグラフィシステムである。誘電体コーティングチャンバとはたとえば、スピン・オン・グラス(SOG)又はスピン・オン・誘電体システムである。成長チャンバとはたとえば、気相成長システム、化学気相成長(CVD)システム、プラズマCVD(PECVD)システム、原子層堆積(ALD)システム、プラズマALDシステム、又は物理成長(PVD)システムである。急速熱処理(RTP)チャンバとはたとえばアニーリング用のRTPシステムである。
ここで図2Aを参照すると、一の実施例による基板ホルダが記載されている。基板ホルダ100は、第1温度を有して基板110を支持するように備えられている基板支持体130、基板支持体130の下に位置していて第1温度よりも低温である第2温度（たとえば所望の基板温度よりも低い温度）となるように備えられている温度制御された支持体底部120、及び基板支持体130と温度制御された支持体底部120との間に設けられた断熱材140を有する。それに加えて、基板支持体130は、該基板支持体130と結合してその温度を昇温させる（たとえば加熱する）ように備えられている1つ以上の加熱素子を有する（図示されていない）。本発明の実施例によると、第1温度は基板支持体にわたる温度勾配の一部であって良いし、かつ第2温度は温度制御された底部にわたる温度勾配の一部であって良いことに留意して欲しい。
一の実施例によると、断熱材140は、基板支持体130と温度制御された支持体底部120のいずれの熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する。たとえば断熱材140の熱伝導率は1W/m-K未満である。望ましくは断熱材140の熱伝導率は約0.05W/m-Kから約0.8W/m-Kの範囲で、より望ましくは断熱材140の熱伝導率は約0.2W/m-Kから約0.8W/m-Kの範囲である。
断熱材140は、ポリマー、プラスチック、又はセラミックスからなる接着剤を有して良い。断熱材140は有機又は無機材料を含んで良い。たとえば断熱材140は、室温硬化(RTV)接着剤、たとえば熱可塑性プラスチックのようなプラスチック、たとえば熱硬化性樹脂又は注型用樹脂（すなわち注入可能なプラスチック又はエラストマー化合物）のような樹脂、エラストマー等を有して良い。基板支持体130と温度制御された支持体底部120との間に熱抵抗を供することに加えて、断熱材140は、基板支持体130と温度制御された支持体底部120との間に設けられた結合層すなわち接合層を供して良い。
断熱材140の厚さ及び組成は、必要なときに、支持体底部120とプラズマとの間での適当な高周波(RF)結合が維持可能となるように選ばれなければならない。さらに断熱材140は、熱勾配及び材料特性の差異によって生じる熱力学的剪断力に耐えるように選ばれなければならない。たとえば断熱材140の厚さは約10mm（ミリメートル）以下であって良い。望ましくは断熱材140の厚さは約5mm（ミリメートル）以下-たとえば2mm以下-であって良い。
それに加えて断熱材140の材料組成は、断熱材140が利用される環境に対して腐食耐性を示すような組成であることが好ましい。たとえば乾式プラズマエッチング環境が与えられるときには、断熱材140は、エッチングシステムによる洗浄プロセス中に用いられる腐食洗浄用化学物質だけではなく、エッチングプロセス中に用いられる腐食エッチング用化学物質に対して耐性を有していなければならない。多くのエッチング用化学物質及び洗浄用化学物質では、ハロゲン含有プロセスガスが利用される。ハロゲン含有プロセスガスは、Cl2、F2、Br2、HBr、HCl、HF、SF6、NF3、ClF3等を含むが、これらに限定されるわけではない。これらの化学物質-特に洗浄用化学物質-では、たとえばフッ素原子のような反応性のハロゲン原子を高濃度にすることが望ましい。
一の実施例によると、断熱材140は腐食耐性断熱材を有する。一の実施例では、断熱材全体は腐食耐性材料で作られる。あるいはその代わりに、断熱材140の一部-たとえばハロゲン含有ガスに曝露された部分-だけが腐食耐性材料を有して良い。たとえば腐食耐性材料は断熱材の周辺の曝露部分にのみ含まれていて良い。その一方で、断熱材の残りの部分は、所望の熱伝導係数を供するように選ばれた異なる材料組成を有して良い。
腐食耐性断熱材は、たとえばアクリルをベースとする材料又はアクリラートをベースとする材料のようなアクリル型材料を有して良い。アクリルをベースとする材料及びアクリラートをベースとする材料は、適切な触媒による反応によってアクリル酸又はメタクリル酸を重合化することによって生成されて良い。表1は材料の組成に対する腐食耐性の依存性を示すデータを与えている。たとえば、シリコーン含有接着剤及び（様々な製造元X、Y、Z、Q、R及びTによって調製された）一連のアクリル/アクリラート含有接着剤についてのデータが与えられている。そのデータは、プラズマ（すなわちRF出力がオンの状態）時間（単位hr）の関数としての腐食量(mm3)-つまりmm3/hr-を含む。表1に図示されているように、アクリル/アクリラート含有接着剤は、洗浄用プラズマ（たとえばSF6ベースのプラズマ）が施されたときの腐食よりも1桁小さな腐食しか受けないことを示す。
図2Bに図示されているように、熱伝導率は、断熱材140の実質的中心領域と、断熱材140の実質的周辺領域との間を半径方向に変化して良い。たとえば熱伝導率は、約0.2W/m-Kから約0.8W/m-Kの間である第1値と、約0.2W/m-Kから約0.8W/m-Kの間である第2値との間で変化して良い。それに加えてたとえば熱伝導率は、断熱材140の実質的に中心領域付近では約0.2W/m-Kであって良く、かつ断熱材140の実質的に端部領域付近では約0.8W/m-Kであって良い。さらに加えてたとえば、断熱材140の半径の半分の領域と、断熱材140の実質的に周辺領域との間で、熱伝導率の変化が実質的に生じる。図2Bに図示されているように、温度は、中心から端部へ、第1温度(T1)から第2温度(T2)へ変化して良い。係る熱伝導率（及び温度）の変化は、基板周辺端部の過熱に対向するため、たとえば基板を取り囲むピントリングによって与えられて良い。
図3に図示されているように、他の実施例による基板ホルダが記載されている。基板ホルダ200は、第1温度を有して基板210を支持するように備えられている基板支持体230、基板支持体230の下に位置していて第1温度よりも低温である第2温度（たとえば所望の基板温度よりも低い温度）となるように備えられている温度制御された支持体底部220、及び基板支持体230と温度制御された支持体底部220との間に設けられた断熱材240を有する。それに加えて、基板支持体230は、該基板支持体230と結合してその温度を昇温させる（たとえば加熱する）ように備えられている1つ以上の加熱素子を有する（図示されていない）。断熱材240は不均一な厚さを有する。
図示されているように、（基板210の下に設けられた）断熱材240の厚さは、実質的に中心領域で薄く、かつ基板210の下であって実質的に端部領域で相対的に厚い。あるいはその代わりに、その厚さは実質的に中心領域で厚く、かつ基板210の実質的に端部領域で相対的に薄くても良い。断熱材240の不均一な厚さは、支持体底部220上の平坦ではない上面によって、若しくは基板支持体240の平坦ではない下面によって、又はこれらの組合せによって与えられて良い。さらにあるいはその代わりに、断熱材240の熱伝導率とは異なる熱伝導率を有する材料層が、支持体底部220の上面、又は基板支持体230の下面のいずれかの一部上に設けられて良い。たとえばカプトン(Kapton)（登録商標）、ベスペル(Vespel) （登録商標）、テフロン(Teflon)（登録商標）等からなる層が、基板210の下であって実質的に中心領域上又は基板210の下であって実質的に周辺領域上に設けられて良い。
ここで図4を参照すると、他の実施例による基板ホルダが記載されている。基板ホルダ300は、第1温度を有して基板310を支持するように備えられている基板支持体330、基板支持体330の下に位置していて第1温度よりも低温である第2温度（たとえば所望の基板310の温度よりも低い温度）となるように備えられている温度制御された支持体底部320、及び基板支持体330と温度制御された支持体底部320との間に設けられた断熱材340を有する。それに加えて、基板支持体330は、該基板支持体330と結合してその温度を昇温させる（たとえば加熱する）ように備えられている1つ以上の加熱素子を有する（図示されていない）。
図4に図示されているように、支持体底部320は、複数の突起すなわち隆起部342を有する。その複数の突起部342は、断熱材340へ部分的に入り込む（又は貫通する）ように延びている。さらに突起の個数密度は、基板ホルダの実質的に中心領域344と実質的に周辺領域346との間で変化して良い。たとえば高密度の突起が周辺領域346に設けられる一方で、相対的に低密度の突起が中心領域344に設けられて良い。あるいはその代わりに、たとえば低密度の突起が周辺領域346に設けられる一方で、相対的に高密度の突起が中心領域344に設けられても良い。突起の密度変化に加えて、又は密度変化の代わりに、突起の寸法及び/又は形状が変化しても良い。
温度制御された支持体底部120(220,320)は金属材料又は非金属材料から作られて良い。たとえば支持体底部120(220,320)はアルミニウムから作られて良い。それに加えてたとえば、支持体底部120(220,320)は相対的に高い熱伝導率を有する材料で形成されて良い。それにより支持体底部の温度を相対的に一定温度に維持することが可能となる。温度制御された支持体は、たとえば冷却素子のような1つ以上の温度制御素子によって能動的に制御されることが好ましい。しかし温度制御された支持体は、たとえば周辺環境に対して表面積を増大させるによって自由対流を促進する冷却フィンを用いた受動冷却を供しても良い。支持体底部120(220,320)はさらに、該底部を貫通する通路を有して良い（図示されていない）。その通路は、電力と基板支持体の1つ以上の加熱素子との結合、電力と静電固定用電極との結合、熱輸送ガスと基板背面との圧縮空気による結合を可能にする。
基板支持体130(230,330)は金属材料又は非金属材料から作られて良い。基板支持体130(230,330)はたとえばセラミックスのような非伝導性材料から作られても良い。たとえば基板支持体130(230,330)はアルミナから作られて良い。
一の実施例によると、1つ以上の加熱素子は基板支持体130(230,330)内部に埋め込まれる。1つ以上の加熱素子は、一緒に焼成されることでモノリシック部分を形成する2つのセラミックス部分間に設けられて良い。あるいはその代わりに、セラミックスの第1層が断熱材上に熱的に噴霧される。それに続いて、第1セラミックス層上に1つ以上の加熱素子が熱的に噴霧され、その後1つ以上の加熱素子上に第2セラミックス層が熱的に噴霧される。同様の手法を用いて、他の電極又は金属層が、基板支持体130(230,330)内に挿入されて良い。たとえば静電固定用電極が、セラミックス層間に挿入され、かつ上述の焼成又は噴霧方法によって形成されて良い。1つ以上の加熱素子及び静電固定用電極は同一面内であって良いし、それぞれ別な面に存在しても良い。また1つ以上の加熱素子及び静電固定用電極は、それぞれ別個の電極として実装されて良いし、又は同一電極として実装されても良い。
ここで図5を参照すると、他の実施例による基板ホルダが記載されている。基板ホルダ400は、第1温度を有して基板410を支持するように備えられている基板支持体430、基板支持体430の下に位置していて第1温度よりも低温である第2温度（たとえば所望の基板410の温度よりも低い温度）となるように備えられている温度制御された支持体底部420、及び基板支持体430と温度制御された支持体底部420との間に設けられた断熱材440を有する。それに加えて、基板支持体430は、該基板支持体430と結合してその温度を昇温させる（たとえば加熱する）ように備えられている1つ以上の加熱素子を有する（図示されていない）。さらに支持体底部420は、該支持体底部420と結合して基板支持体430の温度を降温するように備えられている1つ以上の冷却素子を有する。その降温は、断熱材440を介して基板支持体430から熱を除去することによって行われる。
1つ以上の加熱素子431は、加熱流体チャネル、抵抗加熱素子、又は熱をウエハへ輸送するようにバイアスが印加された熱電素子のうちの少なくとも1つを有する。さらに図5に図示されているように、1つ以上の加熱素子431は加熱素子制御ユニット432と結合する。加熱素子制御ユニット432は、各加熱素子の独立又は従属制御を供し、かつ制御装置450と情報のやり取りを行うように備えられている。
たとえば1つ以上の加熱素子431は1つ以上の加熱チャネルを有して良く、その加熱チャネルは、伝熱性対流加熱を供するような流体-たとえば水、フロリナート、ガルデンHT-135等-の流速を可能にする。流体温度は熱交換器によって昇温される。流体の流速及び流体の温度はたとえば、加熱素子制御ユニット432によって設定、監視、調節、及び制御可能である。
あるいはその代わりに、たとえば1つ以上の加熱素子431は、1つ以上の抵抗加熱素子-たとえばタングステン、ニッケル-クロム合金、アルミニウム-鉄合金、窒化アルミニウム等のフィラメント-を有して良い。抵抗加熱素子を作製するための市販材料には、カンタル(Kanthal)、ニクロタル(Nikrothal)、アクロタル(Akrothal)が含まれる。これらはカンタル社によって製造されている金属合金の登録商標である。カンタルファミリーは鉄合金(FeCrAl)を含み、かつニクロタルファミリーはオーステナイト合金(NiCr,NiCrFe)を有する。たとえば加熱素子は、ワトロー(Watlow)社から市販されている最大動作温度が400℃から450℃の能力を有する先付け(cast-in)ヒーター、又はワトロー社から市販されている動作温度が300℃で出力密度が最大23.25W/cm2の膜状ヒーターを有して良い。それに加えてたとえば、加熱素子は、1400W（すなわち5W/（インチ）2）の能力を有するシリコーン製ゴムヒーター（厚さ1.0mm）を有して良い。電流がフィラメントを流れるとき、電力は熱として消えるので、加熱素子制御ユニット432はたとえば制御可能なDC電源を有して良い。低温及び低出力密度に適した他のヒーターの選択肢はカプトン(Kapton)ヒーターである。カプトンヒーターは、カプトン（たとえばポリイミド）シート中に埋め込まれたフィラメントで構成される。カプトンヒーターはミンコ(Minco)社で販売されている。
あるいはその代わりにたとえば、1つ以上の加熱素子431は、各素子を流れる電流の方向に依存して基板を加熱又は冷却する能力を有する熱電素子のアレイを有して良い。よって素子431が「加熱素子」と呼ばれる一方で、これらの素子は、迅速な温度変化を与えるため、冷却する能力を有して良い。さらに加熱及び冷却機能は基板支持体430内部の各独立した素子によって供されて良い。典型的な熱電素子は、アドバンストサーモエレクトリック（Advanced Thermoelectric）社から市販されているモデルST-127-1.4-8.5Mである（72Wの最大熱輸送出力が可能な40mm×40mm×3.4mmの熱電デバイス）。従って加熱素子制御ユニット432はたとえば制御可能な電源を有して良い。
1つ以上の冷却素子421は、冷却チャネル又は熱電素子のうちの少なくとも1つを有して良い。さらに図5に図示されているように、1つ以上の冷却素子421は冷却素子制御ユニット422と結合する。冷却素子制御ユニット422は、各冷却素子の独立又は従属制御を供し、かつ制御装置450と情報のやり取りを行うように備えられている。
たとえば1つ以上の冷却素子421は1つ以上の冷却チャネルを有して良く、その冷却チャネルは、伝熱性対流冷却を供するような流体-たとえば水、フロリナート、ガルデンHT-135等-の流速を可能にする。流体温度は熱交換器によって降温される。流体の流速及び流体の温度はたとえば、冷却素子制御ユニット422によって設定、監視、調節、及び制御可能である。あるいはその代わりに、たとえば加熱中に、1つ以上の冷却素子421を流れる流体の流体温度は、1つ以上の加熱素子431による加熱を補うように昇温しても良い。あるいはその代わりにたとえば、1つ以上の冷却素子421を流れる流体の流体温度は、1つ以上の冷却素子421による冷却を補うように降温しても良い。
あるいはその代わりにたとえば、1つ以上の冷却素子421は、各素子を流れる電流の方向に依存して基板を加熱又は冷却する能力を有する熱電素子のアレイを有して良い。よって素子431が「冷却素子」と呼ばれる一方で、これらの素子は、迅速な温度変化を与えるため、加熱する能力を有して良い。さらに加熱及び冷却機能は基板支持体430内部の各独立した素子によって供されて良い。典型的な熱電素子は、アドバンストサーモエレクトリック（Advanced Thermoelectric）社から市販されているモデルST-127-1.4-8.5Mである（72Wの最大熱輸送出力が可能な40mm×40mm×3.4mmの熱電デバイス）。従って冷却素子制御ユニット422はたとえば制御可能な電源を有して良い。
それに加えて図5に図示されているように、基板ホルダ400は、基板支持体430内部に埋め込まれた1つ以上の固定用電極435を有する静電固定(ESC)をさらに有して良い。ESCは電気的接続によって固定用電極435と結合する高電圧(HV)DC電源434をさらに有する。係る固定の設計及び実装は静電固定システムの当業者には周知である。さらにHV DC電源434は制御装置450と結合して制御装置450と情報をやり取りするように備えられている。
さらに図5に図示されているように、基板ホルダ400は、少なくとも1本の気体供給ライン及び複数のオリフィスとチャネル（図示されていない）のうちの少なくとも1本を介して、伝熱気体を基板410の背面へ供給する背面気体供給システム436をさらに有して良い。伝熱気体は、たとえばヘリウム、アルゴン、キセノンのような不活性気体、又は酸素、窒素、若しくは水素のような他の気体を含む。背面気体供給システムはたとえば、2領域（中心/端部）システム、又は3領域（中心/半径の半分/端部）システムのような複数領域供給システムであって良い。背圧は、中心から端部へ半径方向に変化して良い。さらに背面気体供給システム436は、制御装置450と結合し、かつ情報のやり取りを行うように備えられている。
さらに図5に図示されているように、基板ホルダ400は、温度監視システム460と結合する1つ以上の温度センサ462をさらに有して良い。1つ以上の温度センサ462は基板410の温度を測定するように備えられていて良い。かつ/あるいは1つ以上の温度センサ462は基板支持体430の温度を測定するように備えられていて良い。たとえば1つ以上の温度センサ462は、図5に図示されているように温度が基板支持体430の下面で測定されるように、又は基板410の底部の温度が測定されるように、設置されて良い。
温度センサは、光ファイバ温度計、光パイロメータ、特許文献2に記載されたバンド端温度測定システム、又はK型熱電対のような熱電対（破線で示されている）を有して良い。光温度計の例には、アドバンストエナジー（Advanced Energy）社から市販されている型番OR2000Fの光ファイバ熱電対、ルクストロン(Luxtron)社から市販されている型番M600の光ファイバ熱電対、又は高岡電気製作所から市販されている型番FT-1420の光ファイバ熱電対が含まれる。
温度監視システム460は、プロセス前、プロセス中、又はプロセス後のいずれかの段階で、加熱素子、冷却素子、背面気体供給システム、又はESC用のHV DC電源にセンサの情報を供して良い。
制御装置450は、マイクロプロセッサ、メモリ、及びデジタルI/Oポート（場合によってはD/AやA/D変換器を含む）を有する。デジタルI/Oポートは、基板ホルダ400からの出力を監視するのみならず、基板ホルダ400の入力をやり取りし、かつ起動させるのに十分な制御電圧を発生させる能力を有する。図5に図示されているように、制御装置450は、加熱素子制御ユニット432、冷却素子制御ユニット422、HV DC電源434、背面気体供給システム436、及び温度監視システム460と結合して、これらと情報のやり取りをして良い。メモリに記憶されたプログラムは、記憶されたプロセスレシピに従って、基板ホルダ400の上記構成部品との相互作用に利用される。制御装置450の一例はデルコーポレーションから販売されているDELL PRECISION WORKSTATION610（商標）である。
制御装置450はまた、汎用コンピュータ、プロセッサ、デジタル信号プロセッサ等で実装されても良い。その制御装置は、基板処理装置に、コンピュータによる読み取りが可能な媒体から制御装置に格納されている1以上の命令に係る1以上のシーケンスを実行する制御装置450に応答して、本発明に係る処理工程の一部又は全部を実行させる。コンピュータによる読み取りが可能な媒体又はメモリは、本発明の教示に従ってプログラミングされた命令を保持し、かつ本明細書に記載されたデータ構造、テーブル、レコード又は他のデータを有する。コンピュータによる読み取りが可能な媒体の例には、コンパクトディスク（たとえばCD-ROM）若しくは他の光学式媒体、ハードディスク、フロッピーディスク、テープ、磁気光学ディスク、PROMs（EPROM、EEPROM、フラッシュEPROM）、DRAM、SRAM、SDRAM若しくは他の磁気媒体、パンチカード、紙テープ若しくは穴のパターンを有する他の物理媒体、又は搬送波（後述）若しくはコンピュータによる読み取りが可能な他の媒体がある。
制御装置450は、基板ホルダ400に対して局所的に設置されても良いし、又はインターネット又はイントラネットを介して基板ホルダ400に対して離れた場所に設置されても良い。よって制御装置450は、直接接続、イントラネット、インターネット及びワイヤレス接続のうちの少なくとも1を用いることによって基板ホルダ400とのデータのやり取りをして良い。制御装置450は、たとえば顧客側（つまりデバイスメーカー等）のイントラネットと結合して良いし、又はたとえば売り手側（つまり装置製造者等）のイントラネットと結合しても良い。さらに別なコンピュータ（つまり制御装置、サーバー等）が、たとえば制御装置とアクセスすることで、直接接続、イントラネット及びインターネットのうちの少なくとも1つを介してデータのやり取りをして良い。
任意で基板ホルダ400は、処理領域内であって基板410の上に存在するプラズマとRF出力とを結合させる電極を有して良い。たとえば支持体底部420は、RF発生装置からインピーダンス整合ネットワークを介して基板ホルダ400へRF出力を伝送することによって、RF電圧に電気的にバイアスが印加されて良い。RFバイアスは、電極を加熱してプラズマを生成及び維持する機能、並びに/又は基板410上に入射するイオンエネルギーを制御するための基板410にバイアスを印加する機能を果たして良い。この構成では、システムは反応性イオンエッチング(RIE)反応装置として動作して良い。チャンバ及び気体注入電極は接地電極として機能する。RFバイアスの典型的な周波数は1MHzから100MHzの範囲で、好適には13.56MHzである。
あるいはその代わりに、RF出力は、複数の周波数で基板ホルダ電極へ印加されて良い。さらにインピーダンス整合ネットワークは、反射出力を最大にすることによって、処理チャンバ内のプラズマへのRF出力の伝送を最大にするように機能して良い。様々な整合ネットワーク形態（たとえばL型、π型、T型等）及び自動制御方法が利用されて良い。
ここで図6を参照すると、他の実施例による基板ホルダが記載されている。基板ホルダ500は、第1温度を有して基板510を支持するように備えられている基板支持体530、基板支持体530の下に位置していて第1温度よりも低温である第2温度（たとえば所望の基板510の温度よりも低い温度）となるように備えられている温度制御された支持体底部520、及び基板支持体530と温度制御された支持体底部520との間に設けられた断熱材540を有する。それに加えて、基板支持体530は、該基板支持体530と結合してその温度を昇温させるように備えられている中心加熱素子533（基板510の下であって実質的に中心領域に設置されている）及び端部加熱素子531（基板510の下であって実質的に端部又は周辺領域に設置されている）を有する。さらに支持体底部520は、該支持体底部520と結合して基板支持体530の温度を降温するように備えられている1つ以上の冷却素子521を有する。その降温は、断熱材540を介して基板支持体530から熱を除去することによって行われる。
図6に図示されているように、中心加熱素子533及び端部加熱素子531は加熱素子制御ユニット532と結合する。加熱素子制御ユニット532は、各加熱素子の独立又は従属制御を供し、かつ制御装置550と情報のやり取りを行うように備えられている。
それに加えて図6に図示されているように、基板ホルダ500は、基板支持体530内部に埋め込まれた1つ以上の固定用電極535を有する静電固定(ESC)をさらに有して良い。ESCは電気的接続によって固定用電極535と結合する高電圧(HV)DC電源534をさらに有する。係る固定の設計及び実装は静電固定システムの当業者には周知である。さらにHV DC電源534は制御装置550と結合して制御装置550と情報をやり取りするように備えられている。
さらに図6に図示されているように、基板ホルダ500は、少なくとも1本の気体供給ライン及び複数のオリフィスとチャネル（図示されていない）のうちの少なくとも1本を介して、伝熱気体を基板510の背面の中心領域及び端部領域へ供給する背面気体供給システム536をさらに有して良い。伝熱気体は、たとえばヘリウム、アルゴン、キセノンのような不活性気体、又は酸素、窒素、若しくは水素のような他の気体を含む。背面気体供給システムはたとえば、図示されているように、2領域（中心/端部）システムを有して良い。2領域（中心/端部）システムでは、背圧が中心から端部へ半径方向に変化して良い。さらに背面気体供給システム536は、制御装置550と結合し、かつ情報のやり取りを行うように備えられている。
さらに図6に図示されているように、基板ホルダ500は、基板510の下であって実質的に中心領域の温度を測定する中心温度センサ562、及び基板510の下であって実質的に端部領域の温度を測定する端部温度センサ564を有する。中心温度センサ562及び端部温度センサ564は温度監視システム560と結合する。
ここで図8を参照すると、他の実施例に従った、処理システム内で基板ホルダ上の基板温度を制御する方法を表すフローチャートが与えられる。たとえば温度制御方法は、図1-6に記載されたうちの1つのような基板ホルダを有する処理システム内でのプロセスを行うための複数の処理工程に関連すると考えられる。当該方法700は、710での基板ホルダ上に基板を設ける手順で開始される。
基板ホルダは、少なくとも基板及び/又は基板ホルダの内側領域と外側領域での温度を報告する複数の温度センサを有する。それに加えて、基板ホルダは、内側領域を加熱する第1加熱素子と外側領域を加熱する第2加熱素子を有する基板支持体、及び内側領域と外側領域を冷却する冷却素子を有する支持体底部を含む。第1加熱素子と第2加熱素子、及び冷却素子は、選択可能な設定温度に基板温度を維持するように温度制御システムによって制御される。さらに基板ホルダは、基板支持体と支持体底部との間に設けられた断熱材を有する。
手順720では、基板は第1温度プロファイルに設定される。温度制御システムを用いることによって、底部支持体の第1底部温度（第1温度プロファイル（たとえば基板温度）よりも低い）、第1内側設定温度と第1外側設定温度が選択される。その後温度制御システムは、冷却素子及び第1加熱素子と第2加熱素子を調節して、上述の選択された温度を実現する。
手順730では、基板は第2温度プロファイルに設定される。温度制御システムを用いることによって、底部支持体の第2底部温度、及び第2内側設定温度と第2外側設定温度が選択される。その後温度制御システムは、任意で冷却素子を調節して第1底部温度を第2底部温度に変更し、かつ第2内側設定温度と第2外側設定温度が実現されるまで内側加熱素子と外側加熱素子を調節することにより、基板温度を第1温度プロファイルから第2温度プロファイルへ変更する。
一の例では、基板温度は第1温度プロファイルから第2温度プロファイルへ昇温（又は降温）される一方で、第2底部温度は第1底部温度と同一のままである。内側加熱素子と外側加熱素子へ供給される出力は、基板を第1温度プロファイルから第2温度プロファイルへ加熱（又は冷却）するため、増大（又は減少）される。
他の例では、基板温度は第1温度プロファイルから第2温度プロファイルへ昇温（又は降温）される一方で、第2底部温度は第1底部温度とは異なる値に変更される。内側加熱素子と外側加熱素子へ供給される出力は、基板を第1温度プロファイルから第2温度プロファイルへ加熱（又は冷却）するため、増大（又は減少）される。その一方で、冷却素子へ供給される出力は、第1底部温度を第2底部温度へ変更するために増大（又は減少）される。よって本発明の一の実施例によると、支持体底部の温度は、基板温度を制御する際に基板支持体を補助するように変化する。本願発明者らは、支持体底部のこのような温度変化は、より正確かつ/又は迅速な基板温度遷移を供することを可能にすることを認識していた。
温度制御システムは、温度監視システムによって与えられた測定値に応答して安定的に（複数の種類の）温度を調節するため、制御アルゴリズムを利用する。制御アルゴリズムはたとえば、PID（比例、積分、微分）制御装置を有して良い。PID制御装置では、s領域（ラプラス空間）での伝達関数を以下のように表すことができる。
Gc(s)=KP+KDs+KIs-1 (1)
ここでKP、KD、及びKIは本明細書において1組のPIDパラメータと呼ばれる定数である。制御アルゴリズムの設計課題は、温度制御システムの所望の性能を実現するための1組のPIDパラメータを選択することである。
Gc(s)=KP+KDs+KIs-1 (1)
ここでKP、KD、及びKIは本明細書において1組のPIDパラメータと呼ばれる定数である。制御アルゴリズムの設計課題は、温度制御システムの所望の性能を実現するための1組のPIDパラメータを選択することである。
図7Aを参照すると、複数の典型的な温度の時間変化が図示されている。この温度変化は、どのようにして各異なる組のPIDパラメータが各異なる温度応答となるのかを示す。各条件において、温度は第1値から第2値に増大する。温度の第1時間変化601は、相対的に小さなKIの値を有する相対的に激しい制御方法を表している。この激しい制御方法では、時間変化は「オーバーシュート」を示し、そのオーバーシュートの後は一連の振動を示している。温度の第2時間変化602は、相対的に大きなKIの値を有する相対的に激しくない制御方法を表している。この激しくない制御方法では、時間変化は相対的に遅く穏やかな第2温度への上昇を示している。温度の第3時間変化603は、第1時間変化601での値と第2時間変化602での値の中間の範囲に属するKIの値を有する、所望である適度な激しさの制御方法を表している。この所望である適度な激しさの制御方法では、時間変化は、オーバーシュートすることなく相対的に速く第2温度へ上昇することを示している。しかし本願発明者らは、安定性と上昇率についての所望の条件を与えるのに、1組のPIDパラメータしか用いないのでは十分でないことを認識していた。
一の実施例によると、2組以上のPIDパラメータの組が、初期値と最終値との間での迅速で安定な温度調節を実現するのに利用される。図7Bは2組以上のPIDパラメータの組を利用する典型的な温度変化600を図示している。第1組のPIDパラメータは第1期間622で用いられ、第2組のPIDパラメータは第2期間624で用いられる。第1期間622は温度の最終値からの温度オフセット620を設定することによって決定されて良い。たとえば温度オフセットは、初期値と最終値との温度差の約50%から約99%の範囲であって良い。それに加えてたとえば、温度オフセットは、初期値と最終値との温度差の約75%から約95%の範囲であって良い。望ましくは、温度オフセットは約80%から約95%の範囲であって良い。
たとえば相対的に激しいPIDパラメータの組は第1期間622に用いられ、他方相対的に激しくないPIDパラメータの組は第2期間624に用いられて良い。あるいはその代わりにたとえば、第1組のPIDから第2組のPIDでPIDパラメータKDは増大して良く、かつ/あるいは第1組のPIDから第2組のPIDでPIDパラメータKDは減少して良い。
たとえ本発明のある典型的実施例のみが詳細に説明されたとしても、当業者は、本発明の新規な教示及び利点からほとんど逸脱することなく、多くの修正型が可能であることをすぐに理解する。従って多くの係る修正型は、本発明の技術的範囲内に含まれるものと解される。
Claims (22)
- 処理システム内で基板を支持する基板ホルダであって：
第1温度を有する温度制御された支持体底部；
該温度制御された支持体底部に対向して前記基板を支持するように備えられている基板支持体；
前記基板支持体と結合して該基板支持体を前記第1温度よりも高い第2温度に加熱するように備えられている1つ以上の加熱素子；及び
前記温度制御された支持体底部と前記基板支持体との間に設けられた断熱材であって、熱伝導係数(W/m2-K)が空間的に不均一に変化する断熱材；
を有する基板ホルダ。 - 前記熱伝導係数は、前記断熱材の実質的中心領域と前記断熱材の実質的端部領域との間を半径方向に変化する、請求項1に記載の基板ホルダ。
- 前記断熱材の熱伝導率(W/m-K)が空間的に不均一な変化をする、請求項1に記載の基板ホルダ。
- 前記熱伝導率が、前記断熱材の実質的中心領域と前記断熱材の実質的端部領域との間を半径方向に変化する、請求項1に記載の基板ホルダ。
- 前記熱伝導率は、0.2W/m-Kから0.8W/m-Kの間である第1値と、0.2W/m-Kから0.8W/m-Kの間である第2値との間で変化する、請求項4に記載の基板ホルダ。
- 前記熱伝導率が、前記断熱材の実質的中心領域では0.2W/m-Kであり、かつ前記断熱材の実質的端部領域では0.8W/m-Kである、請求項4に記載の基板ホルダ。
- 前記熱伝導率の変化が、前記断熱材の半径の半分の領域と前記断熱材の実質的に周辺領域との間で実質的に生じる、請求項4に記載の基板ホルダ。
- 前記断熱材の厚さが実質的に均一である、請求項4に記載の基板ホルダ。
- 前記断熱材の厚さが空間的に不均一な変化をする、請求項1に記載の基板ホルダ。
- 前記断熱材は、該断熱材の実質的中心領域で相対的に薄く、かつ前記断熱材の実質的端部領域で相対的に厚い、請求項9に記載の基板ホルダ。
- 前記断熱材の熱伝導率が実質的に均一である、請求項9に記載の基板ホルダ。
- 前記1つ以上の加熱素子が前記基板支持体内部に埋め込まれている、請求項1に記載の基板ホルダ。
- 前記1つ以上の加熱素子は、1つ以上の抵抗加熱素子、若しくは1つ以上の熱電素子、又は上記の結合を有する、請求項1に記載の基板ホルダ。
- 前記1つ以上の加熱素子は、前記基板支持体の実質的中心領域に設置された第1加熱素子と、前記基板支持体の実質的端部領域に設置された第2加熱素子を有する、請求項1に記載の基板ホルダ。
- 前記基板支持体は、該基板支持体内部に埋め込まれていて基板を前記基板支持体へ電気的に固定するように備えられている固定用電極を有する、請求項1に記載の基板ホルダ。
- 前記固定用電極及び前記1つ以上の加熱素子は、前記基板支持体内部に埋め込まれている、請求項15に記載の基板ホルダ。
- 前記固定用電極及び前記1つ以上の加熱素子は同一面内に存在する、請求項16に記載の基板ホルダ。
- 前記固定用電極及び前記1つ以上の加熱素子はそれぞれ別な面内に存在する、請求項16に記載の基板ホルダ。
- 前記固定用電極及び前記1つ以上の加熱素子は同一の物理電極を有する、請求項16に記載の基板ホルダ。
- 前記基板支持体は1つ以上の開口部を有し、かつ
該1つ以上の開口部を介して、伝熱気体が前記基板支持体の上面に供された基板の背面へ供給される、
請求項15に記載の基板ホルダ。 - 前記断熱材は、ポリマー、プラスチック、又はセラミックスからなる接着剤を有する、請求項1に記載の基板ホルダ。
- 処理システム内で基板を支持する基板ホルダであって：
第1温度を有する温度制御された支持体底部；
該温度制御された支持体底部に対向して前記基板を支持するように備えられている基板支持体；
前記基板支持体と結合して該基板支持体を前記第1温度よりも高い第2温度に加熱するように備えられている1つ以上の加熱素子；及び
前記温度制御された支持体底部と前記基板支持体との間の熱伝導係数(W/m2-K)を空間的に不均一に変化させる手段；
を有する基板ホルダ。
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