JP2012231157A - 静電チャックの目標メサ構成を決定する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】チャックの絶縁層のメサ構成の面密度を設定することによって静電チャックの熱伝達係数プロフィルを修正する方法や、チャックの絶縁層のメサ構成の高さを調節する方法、または静電チャックの静電容量プロフィルを修正する方法を提供する。
【解決手段】所与の箇所における熱伝達係数は、熱流束プローブを使用して測定することができ、静電容量は、静電容量プローブを使用して測定することができる。これらのプローブは、チャックの絶縁表面上に配置され、チャック全体にわたって複数回の測定を行うことで、目標メサ面密度および目標メサ高さを求めるための熱伝達係数プロフィルおよび静電容量プロフィルが得られる。目標密度は、すでに存在するメサの面密度を機械的に調節することで実現される。目標高さは、メサを作製する予定の領域の周りに低い領域を作製することで、または既に存在しているメサの周りの低領域を掘り下げることによって実現される。
【選択図】図４

Description

本発明は、静電チャックの目標メサ構成を決定する方法に関する。

半導体技術が進歩するにつれ、トランジスタを小型化するために、ウェハ処理および処理機器において精度、再現性、清浄度をさらに高めることが求められている。プラズマエッチングやプラズマ化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）、レジスト除去などプラズマの使用を伴う用途も含めて半導体処理を行うための機器には、様々なタイプがある。これらの処理に必要なタイプの機器は、プラズマチャンバ内に配置されて、一貫して適正に機能しなければならない構成要素を含む。費用効率を良くするために、こうした構成要素は、機能性および清浄度を維持したまま、しばしば数百または数千のウェハサイクルに耐えなければならない。このような構成要素の１つである静電チャックは、半導体ウェハまたはその他の被加工物を処理中に静止位置に保持するために使用される。静電チャックは、機械的にクランピングを行うチャックよりクランピングが均一で、真空チャックを使用できない真空チャンバ内でも動作することができる。しかし、クランピングの状態が変化することによって、ウェハ内で望ましくないプロセス変動が生じる可能性がある。

チャックの絶縁層のメサ構成の面密度を設定することによって静電チャックの熱伝達係数プロフィルを修正する方法を提供する。所与の箇所における熱伝導は、熱流束プローブを使用して測定することができる。プローブは、チャックの絶縁表面上に配置され、１回の測定で複数のメサを覆う。チャック表面全体にわたって複数回の測定を行うことで、目標メサ面密度を求めるための熱伝達係数プロフィルが得られる。目標面密度を用いて、チャック上のメサ構成の一箇所または複数箇所で機械的補正を行うことができる。局所メサ面密度を所望のメサ面密度に変化させる分だけ、局所測定領域内のメサの接触面積を減少させる。これは、レーザ加工やグリットブラスト加工などの既知の制御材料除去技術のいずれかをＸ−Ｙテーブル上で用いて行うことができる。

また、チャックの絶縁層のメサ構成の高さを調節する、または初期作製することによって静電チャックの静電容量プロフィルを修正する方法も提供する。目標メサ高さは、静電容量プローブを使用して決定することができる。プローブは、チャックの絶縁表面上に配置され、１つの測定箇所で複数のメサを覆う。チャック表面全体にわたって複数回の測定を行い、目標メサ高さを求めるための静電容量プロフィルを得ることができる。目標高さを用いて、各測定箇所において機械的作製または機械的補正を行うことができる。これは、既知の制御材料除去技術のいずれかを用いて行うことができる。さらに、高さの異なる領域間の変化を滑らかにすることができる。

導電性基部および絶縁層を示す、メサを備えた例示的な静電チャックの概略断面図である。 メサ構成および連続的な縁部領域を示す、図１に示すチャックの平面図である。 ヒータブロック、力を印加する機構、ＨＦＴおよびシリコン片を含む例示的な熱流束プローブを示す図である。 図１の静電チャック上に配置された図３の熱流束プローブと熱流とを示す図である。

シリコンウェハなどの半導体基板用のプラズマ処理装置は、半導体デバイス製造プロセスにおいて半導体、金属、誘電体などの材料のエッチングに使用されるプラズマエッチングチャンバを含む。プラズマ処理装置の構成要素として、静電チャックがある。静電チャックは、処理中に半導体ウェハまたはその他の被加工物を静止位置に保つために使用される。静電チャック（ＥＳＣ）は、機械式チャックよりクランピングが均一で、ウェハ表面の利用効率が高く、真空チャックを使用できない真空チャンバ内でも動作することができる。一般に、静電チャックは、チャッキング電圧が印加される１つまたは複数の電極と電気的に接触した導電体の上に、電気的絶縁層を含む。ウェハは、クーロン引力によって絶縁層に押し付けられた姿勢に維持される。チャックの形状は、プラズマエッチングシステムで一般的に使用される従来の円盤状でよく、チャックは、片持ち梁を使用するなど、様々な構成によってチャンバ内で支持することができる。絶縁層は、溝、メサ、開口、凹状領域などを有することができる。

ウェハ均一性などのプロセス出力への要求が高まるにつれ、ウェハチャックはさらに高い性能を達成することを求められている。例えば、重要なエッチング分野のプロセス制御上の問題から、ウェハ全体の温度および静電容量の制御を改善しなければならない。エッチングプロセスによっては、横方向寸法の精度の誤差が温度の影響を受ける可能性があり、最大で±１ｎｍ／℃になることもある。したがって、１〜２ｎｍの横方向フィーチャを自在に制御するためには、温度均一性および温度再現性を１℃未満にする必要がある。いくつかのタイプの静電チャックは、複数の構成部品を含み、それぞれである程度の誤差が生じる。例えば、チューナブル静電チャックは、ＥＳＣセラミックと、アルミニウム板に対する接着剤と、薄膜ヒータと、ベースプレートに対する接着剤と、ベースプレートとを含む、複雑な構造である。この構造のそれぞれの構成部品において均一状態からの偏差が生じると、全体の偏差を拡大させる要因となりうる。複数の構成部品を含むことがある静電チャックに適用される製造プロセスで生じる自然変動が補償できれば、有利である。

メサ構成を備えたチャック２１の製造では、製作プロセスは、一般に、絶縁層の表面で材料を約５μｍから約４０μｍの深さまで除去して、ウェハ１１を支持するための小面積フィーチャ（「メサ」）を形成することを含む。メサは、実質的にどのようなサイズ、形状、配置であってもよい。例えば、メサは、楕円形状、多角形状または環状にすることもでき、垂直または傾いた壁面を有してもよく、その上面は凹状、平坦または凸状にすることができ、その角部は鋭角であっても丸めてあってもよい。メサは、平坦な表面から球形部分が突き出した「バンプ」形状をとることができる。メサの好ましい形状、サイズ、配置は、垂直壁を有する円形であって、約１ｍｍの直径を有し、約５ｍｍの間隔をあけて実質的にＥＳＣ表面２１を覆っている、というものである。連続した密閉用の高い領域１２、２２は、熱伝導性を高めるために使用されるヘリウムなどの熱伝達ガスの圧力を維持するように、しばしばウェハ縁部またはその付近に保持される。このような構成では、通常はチャック表面の約３％から約１０％がメサおよび縁部の密封領域となる。メサを用いた設計は、裏面の粒子の低減を促進し、チャッキング解除を改善するので有利である。

メサおよび密封領域は、一般に、１枚または複数枚の電気絶縁材料層で形成される。このような絶縁材料の例としては、窒化珪素、二酸化珪素、アルミナ、五酸化タンタルなどがあるが、これらに限定されるわけではない。

図１および図２は、メサを使用した静電チャックアセンブリの一形態を示す図である。静電チャックアセンブリ１０は、導電性支持体１８、電気絶縁層１９、電気絶縁層の高い領域１３、２３、および電気絶縁層の低い領域１４、２４を含む。導電性支持体１８は、アルミニウムなどの導電性金属で形成され、２００ｍｍまたは３００ｍｍのウェハなどの被加工物をプラズマ処理するプラズマ処理装置（図示せず）のＲＦ回路に電気的に接続される。図１に示す静電チャックアセンブリ１０では、絶縁層１９の下側表面１５が、導電性支持体１８と接触している。絶縁層１９の高い領域１３は、半導体基板（図示せず）を支持する。導電性支持体１８には、温度を測定するために熱電対１０５が組み込まれている。導電性支持体１８には、温度制御流体または温度制御ガスを供給するために冷却チャネル１７が設けられている。特に、導電性支持体１８は、再循環ループを流れる流体を用いて導電性支持体の温度を所望の温度に維持することができる温度制御装置すなわちＴＣＵ（図示せず）を収容するようになされていることが好ましい。

アルミニウム製支持体１８は、約１．５インチの厚さを有することが好ましい。この支持体は、ウェハの下に位置するように設計され、約０．５インチの高さを有するボス１６を有する。例えば、直径２００ｍｍ以下のウェハを支持するには、ボスは直径２００ｎｍの円形であることが好ましい。絶縁層１９は、好ましくは約５ｍｍ未満、より好ましくは約１ｍｍ未満の厚さを有するアルミナやＡｌＮなどのセラミックであることが好ましい。誘電体層は、プラズマスプレー材料、例えばアルミニウム基板をアルミナで覆ったものであってもよい。このアルミナの厚さは、約２５ミル（６３５μｍ）であることが好ましいが、いずれにしても、製造プロセス中または使用中に物理的または電気的完全性を失わずに２００μｍの高さのメサを作成できるだけの厚さでなければならない。

好ましい実施形態では、ウェハ表面全体にわたって目標エッチングプロフィルを実現するために、ＥＳＣのメサ構成の修正を行う。メサ構成は、２つの主要寸法、すなわちメサ高さおよびメサ面積を用いて表現することができる。いくつかの実施形態では、メサ面積の制御が温度を制御する機構として用いられ、メサ高さの制御が静電容量を制御する機構として用いられる。各機構の評価は、別々に行われる。メサ面積の調節によって温度を制御する方法の好ましい実施形態を実施例１で述べ、メサ高さの調節または初期作製によって静電容量を制御する方法の好ましい実施形態を、実施例２および実施例３で述べる。これらの実施例は、限定的なものではなく、例示を目的としたものである。

［実施例１］
プラズマエッチングなど通常のプラズマ処理中、プラズマはウェハを加熱するように作用する。したがって、ウェハの温度変動は、ウェハ外部の熱流によって決まる。熱流理論によれば、熱伝達は、伝導、対流および輻射の３通りの方法で起きる。以降の評価では、輻射は無視する。熱伝達係数Ｋは、２つの物体の間の単位温度差当たりの熱流として定義される。メサを有するチャック上のウェハのＫは、高い領域および低い領域を、（１）熱伝達が低い領域で起きる場合、および（２）熱伝達が高い領域（メサ）で起きる場合、の２つの場合と考えることによって決定することができる。低い領域の場合は、熱伝達は、高温のウェハからガスへ、ガスからセラミック層へとエネルギーが伝達する仕組みで起きる。このガスは自由分子流形態であることもあるが、この評価では、この熱伝達の仕組みは対流に分類される。メサの場合は、セラミックの表面粗さにより、セラミックとウェハが直接接触する領域が公称接触領域（高い領域）より小さい。ガスは接触点の隙間にも存在し、対流による熱伝達の一因となる。したがって、メサ上で起きる熱伝達は、接触（伝導）およびガス（対流）の両方によって起きる。接触による伝導は、ガスの有無にかかわらず起きるが、対流は、ガスが存在しないときには低い領域で起きない。ガスが存在するときには、高い領域では両方の仕組みが成立し、これは高い領域が拡大すると熱伝達も増大することを意味する。したがって、局所的な熱伝達率は、メサ領域を局所的に修正することによって調節することができる。つまり、メサ領域の比率を高めると熱伝達率が高くなり、メサ領域の比率を低くすると熱伝達率が低下する。

熱流束および局所ウェハ温度の両方を測定するために、熱流束プローブを使用することができる。この評価では、熱流束プローブの動作は、（１）所与の熱流束でウェハ温度を測定する、または（２）所望のウェハ温度、例えば均一な温度を達成するために必要な熱流束に熱流束を調節するという、２つの方法の一方で行うことができる。いずれの場合も、測定は複数箇所で行われ、それらの箇所は、通常は、ほぼチャックを覆う規則的なグリッドパターンに配列される。１度の測定には少なくとも１０個のメサが含まれることが好ましく、少なくとも３０個のメサが含まれることがより好ましい。第１の場合では、温度プロフィルが得られ、第２の場合では、熱流束プロフィルが得られる。

好ましい実施形態では、温度プロフィルが生成され、その情報を使用して、熱伝達係数（ＨＴＣ）プロフィルを生成する。その後、ＨＴＣプロフィルを使用して、ウェハ上の熱流束を変化させるように絶縁層を改変する。例えば、観察された温度プロフィルの変化を補償するように、絶縁層を改変することもできる。代替の実施形態では、観察された半導体ウェハのエッチングプロフィルの変化を補償するように、絶縁層を改変してもよい。

熱流束測定用の好ましいプローブ３１の例示的な実施形態を、図３に示す。このプローブは、直径約１インチの垂直円筒スタックからなるが、このプローブの断面形状は円形に限定されるわけではない。このプローブの断面は、正方形、長方形、三角形または任意の多角形であってもよい。このスタックの頂部にはヒータブロック３２が位置し、このヒータブロックは、埋め込み型の小さな調節可能ヒータと熱電対３３とを備え、ヒータの最大出力は約５０ワットである。ヒータとしては、例えば直径４分の１インチ、厚さ０．２５ｍｍの２７９２３２ ＣＩＲ−１０１６ １２０Ｖ ５０Ｗカートリッジヒータなどが、米国ペンシルバニア州ピッツバーグのＣｈｒｏｍａｌｏｘ社から入手できる。制御耐熱材料の薄膜を含む熱流計（ＨＦＴ）３４が、ヒータブロックの近傍でヒータブロックの下に取り付けられる。温度センサ３５はサーモパイルを形成し、ＨＦＴの上面および底面に取り付けられる。図３に示すような熱流計は市販されており、例えば米国バージニア州クリスチャンズバーグのＶａｔｅｌｌ社製のＢＦ−０４ＨＦＴなどがある。熱流計には様々なサイズものがあり、例えばｍＶ／（Ｗ／ｃｍ^２）単位で流束の読みを与えるものも、より低いセンサ温度の読みを与えるものもある。Ｖａｔｅｌｌ社製のＡＭＰ−１２などの増幅器（図示せず）を、ＨＦＴと連動して使用する。

シリコンウェハの測定をシミュレートするために、ＨＦＴとほぼ同じ面積を有する一片のシリコンウェハ３６を、ＨＦＴの近傍でＨＦＴの下に取り付ける。したがって、下側センサからの温度測定値は、ウェハ温度の測定値である。ＨＦＴへの取り付け部は両方とも、熱伝導性の高い接合材料で形成される。接触性を高めるために、下向きの力をプローブに加えてもよい。例えば、４０ＴｏｒｒなどのＥＳＣのクランピング力に近い大きさの力を使用してもよい。プローブ３１では、重り３７と下向きの力を均一に分配する機構３８とによってこの下向きの力を表現しているが、力を加えて分配するその他の機構を使用することもできる。さらに、測定中には、チャック温度は一定に保たれることが好ましい。

例示的なチャック上に配置された例示的なプローブを図４に示す。熱流束Ｑ４１は、ヒータブロックからウェハ片を通り、プローブ領域Ａ_ｐでチャック中へ流れる。この評価では、ＱおよびＡ_ｐは定数として扱う。導電性支持体とウェハの間の温度差４２はΔＴで表し、プローブ領域内の有効熱伝達係数はＫ_ｅｆｆで表す。Ｋ_ｅｆｆは、接触による伝導およびガスによる対流を別々に扱うことによって求めることができる。下付き文字「ｃ」および「ｇ」を用いてそれぞれ接触およびガスを表現すると、接触による熱伝達係数はＫ_ｃ、ガスによる熱伝達係数はＫ_ｇとなる。初期メサ面密度α_ｉ＝Ａ_ｉ／Ａ_ｐは、プローブ領域内のチャックの絶縁層の、最初の段階で隆起表面がウェハ片と名目上接触している割合であり、α_ｆは、好ましい調節が行われた後で隆起表面がウェハ片と名目上接触している状態の、最終メサ面密度である。「名目上」という言葉は、ウェハを支持するメサの最上部の表面が平面と同等であることを意味するために用いたものである。つまり、粗さおよび非平行性を無視すると、αは、ウェハの支持表面におけるプローブ領域Ａ_ｐ内のメサの総断面積となる。したがって、例えば正方形断面と円形断面、垂直壁面と傾いた壁面など、細部の幾何形状の異なるメサ構成が、異なるαを有する必要がない。所与のプローブの測定において、目標の高い領域を求め、それにより所望の温度分布を実現するために減らさなければならないプローブの下にある高い領域の面積を求めるためには、α_ｆが必要である。所与のプローブ測定面積に対するα_ｆを与える数式は、以下のように求められる。

好ましい実施形態では、メサ構成の局所領域内の目標ＨＴＣは、材料を除去することによって得る。上記の説明によれば、材料を除去すると、ウェハからの熱流束が減少することになり、その結果ウェハ温度が上昇することになる。したがって、材料を除去するだけで、最低でも測定したΔＴの中の最高温度に等しい目標ΔＴを選択して、所望のウェハ温度を達成することができる。こうしてチャック上の全ての箇所の目標ΔＴが選択され、これをΔＴ_ｏで表す。ΔＴ_ｏは一般に、ΔＴ_ｍでそれぞれ表される測定されたΔＴとεだけ異なる。

ε＝ΔＴ_ｍ−ΔＴ_ｏ （１）
調節の目的は、εをゼロにすることである。単位面積当たりの熱流束をｑと定義すると、一般的な熱伝達方程式は以下のように与えられる。

ｑ＝Ｑ／Ａ_ｐ＝ΔＴ×Ｋ_ｅｆｆ （２）
上述のように、有効熱伝達係数Ｋ_ｅｆｆは、低い領域における対流のみの熱伝達と、高い領域における伝導と対流による熱伝達という、２つの要素で構成される。接触面積が非接触面積（接触していない低い領域および高い領域をともに含む）より大幅に小さい場合には、目標とする構成のＫ_ｅｆｆは、Ｋ_ｇ＋α_ｆＫ_ｃで表すことができる。所望の熱流束Ｑは、プローブのヒータ出力を変化させ、チャック上のあらゆる箇所で明白な読みをもたらす値、および異なるメサ面密度を有する領域間で明白な差を示す値を選択することによって選択される。例示的な熱流束は、約０．２から約２．０Ｗ／ｃｍ^２であり、ヒータの温度は熱流束によって決定される。初期有効熱伝達係数をＫ_ｉ＝ｑ／ΔＴ_ｍで表し、Ｋ_ｅｆｆの目標値をｑ／ΔＴ_ｏとすると、数式１は数式２を用いて以下のように書き換えることができる。

ε＝ｑ／Ｋ_ｉ−ｑ／（Ｋ_ｇ＋α_ｆＫ_ｃ） （３）
γがＫ_ｇ／Ｋ_ｃであると定義して、数式３を書き換えると、
α_ｆ＝（ε／ｑ）γＫ_ｉ＋α_ｆ［１−（ε／ｑ）Ｋ_ｉ］ （４）
複数の測定箇所に対して決定されたＫ_ｉの組、および各Ｋ_ｉのｘ−ｙ座標を使用して、ＨＴＣプロフィルを決定することができる。さらに、数式３を用いて、Ｋ_ｉの組およびεの組を併せて使用して、目標とする構成のＫ_ｅｆｆを決定することができ、したがって目標とするＨＴＣプロフィルを決定することができる。同様に、複数の測定箇所に対して決定されたα_ｆの組、および各α_ｆのｘ−ｙ座標によって、目標とするメサ構成の面積成分が決定される。

所与のチャックで、γは一定と仮定される。これは、Ｋ_ｃに固有の主要因が材料自体と材料の表面仕上げであることが明らかであり、それらがともにチャック上の任意の箇所で行う測定において定数であることが好ましいからである。Ｋ_ｇは、使用する材料およびガス圧力によって決まるが、これらも両方とも一定と仮定される。さらに、γは異なる既知のメサ面密度を有する様々な位置でＫを測定し、Ｋ_ｇおよびＫ_ｃの値をそれぞれ独立して求めることによって決定することができる。したがって、この評価では、γは既知であり、一定であると仮定される。

試験は、チャックを支持し、所望の試験条件を実現できる装置で実行することができる。適当な装置は、チャックを設定温度に維持するように構成され、熱伝導ガスのバックフィルを行うことができる真空試験チャンバを含む。この装置は、熱流束プローブを支持し、そのｘ−ｙ位置決めを数値制御することができるとともに、プローブをチャックに接触させる力を印加することができることが好ましい。また、この装置は、プローブからの測定データ信号の登録および記録を行うことができ、そのデータから目標メサ構成を電子的に決定することができることが好ましい。

測定領域は、一部重なり合うことも、一定距離だけ離れていることもある。急激な密度変化と、それによる急激なＨＴＣ変化が起きないように、測定領域どうしの間の領域は、補間的な面密度、または漸進的に変化する密度になるように調節することができる。補間は、例えば、２つの異なる密度の間で面密度を線形に変化させることによって実現することができる。一般に、ある箇所とある箇所の間の密度変化が急激すぎる場合には、より精細な測定グリッドおよび／または小さなプローブ直径が必要になることがある。測定箇所の一部を省略できるようにする、または不規則なパターンで測定を行うことにより、適当な読みを得ることができる。

こうして、α_ｆを求めるために必要な全ての要因が決定される。上記した全ての説明に基づくと、チャック上に配置されたウェハ全体にわたって目標ＨＴＣプロフィルを実現するためにＥＳＣの局所メサ領域を減少させることを含むプロセスの好ましい実施形態は、以下の実験手順を含む。

１．熱流束プローブの質量によって、例えば４０ＴｏｒｒなどのＥＳＣのクランピング力に近い力がＥＳＣに加わるように、熱流束プローブのサイズを決定する。

２．試験対象のＥＳＣを真空チャンバ内に配置し、ＴＣＵを利用して導電性支持体の温度を一定に保つ。

３．プローブをチャック表面上の測定箇所に位置決めする。

４．チャンバから排気し、例えば２０Ｔｏｒｒなど所望のヘリウム圧力になるまでバックフィルする。

５．所望の熱流束Ｑを選択する。

６．既知のＡ_ｐを用いてＱからｑを計算する。

７．得られたウェハ片の温度および導電性支持体の温度を測定および記録し、それによりグリッド上の全ての箇所についてＫ_ｉ＝ｑ／ΔＴ_ｍを決定する。

８．目標ΔＴ＝ΔＴ_ｏを選択し、各箇所のεを決定する。

９．数式４を用いて、グリッド上の全ての箇所についてα_ｆを決定する。α_ｆが常にα_ｉ未満であることを確認する。

ここで、チャックの機械的補正を行い、チャック全体にわたってさらに均一な熱伝導性を実現することができる。測定領域内のメサ面密度を調節して、局所的なα_ｉをα_ｆに変化させる分だけ接触面積を減少させる。これは、例えばルーティング、レーザ加工またはグリットブラスト加工によって除去を行い、Ｘ−Ｙテーブルを用いて座標制御を行う既知の座標制御式の材料除去のいずれかを用いて行うことができるので好都合である。面積の減少は、測定領域内の任意数のメサの面積を減少させる、またはいくつかのメサを完全に除去する、あるいはそれらを任意に組み合わせることによって行うことができる。面積減少プロセスは、各プローブ測定箇所ごとに繰り返す。

機械的補正が完了し、全ての測定箇所でα_ｆが得られた後で、プロセス全体を繰り返し、ΔＴ_ｏ前後の所定の許容帯に適合させることもできる。ロボット工学および機械制御コンピュータを使用して、この手順を自動化することもできることが分かっている。

プラズマエッチングチャンバでは、静電チャック電極に取り付けられた電圧プローブの測定値に基づいてバイアスＲＦ電力を調節することができる。電圧測定の誤差は、エッチングプロセスに影響を及ぼす可能性がある。さらに、ウェハに対する電極のトポロジが変動すると、局所的なシース電位が変化する可能性があり、その結果エッチングプロセスの性能も変化する可能性がある。プラズマ反応器では、ＥＳＣは、プラズマが第１の導体であり、ＥＳＣの絶縁層が誘電体であり、ＥＳＣの導電体が第２の導体である容量性回路の一部を含むと考えることができる。好ましい実施形態では、ウェハ表面全体にわたってより均一なエッチング条件を実現するために、ＥＳＣのメサ構成を局所的に修正する。この局所的修正は、静電容量を制御するためのメサ高さの調節である。別の好ましい実施形態では、ウェハ表面全体にわたってより均一なエッチング条件を実現するために、ＥＳＣのメサ構成を初期作製する。

静電容量プローブをＥＳＣ上で使用して、プローブヘッドと導電体の間の静電容量を測定することが好ましい。米国ニュージャージー州フリーホールドのＴｅｓｔｅｘｔｒａ ＬＬＣ社製のＰｒｏｔｅｋ ＣＭ１１０など、±１ｐＦ以上の十分な精度を有する静電容量計を使用することができる。静電容量計は、好ましくは直径約１インチのプローブと組み合わせて使用され、頂部から延びるプラスチック製ハンドルを有する金属製シリンダを含む。静電容量プローブを使用して、ＥＳＣ上の予め選択した点で測定を行う。これらの予め選択した点が規則的なグリッドパターンになっていて、静電容量プロフィル、すなわちチャック全体にわたる静電容量プロフィルを決定できるようになっていることが好ましい。複数のメサが測定に含まれるものと仮定すると、メサ配列の高い領域および低い領域は、測定される静電容量の読みに対して異なる形で寄与することになる。

［実施例２］
この実施例は、メサを初期作製する場合であり、メサを作製する前、すなわち絶縁層の表面が平坦であるときに初期静電容量測定を行う。メサは、メサのない領域から材料を除去することによって作製する。メサ領域となる領域は未処理のまま残され、ウェハを支持する高い領域となる。深さは、メサ面密度が既知である（上記説明によって与えられる）手順に従って決定される。メサは、これからある一定高さで作製されるが、まだ作製されていない。Ａ_ｐに比べてメサ領域が小さいと仮定して、低い領域のみに関係する静電容量の式を書く。ギャップ（メサが形成されたときにそれらのメサの間となる領域）による静電容量をＣ_ｇと表し、ギャップの下の絶縁層の静電容量をＣ_ｉと表すと、目標静電容量Ｃ_Ｔ（すなわち所望のメサ高さで得られるメサ間の領域の静電容量）は、以下のように表すことができる。

１／Ｃ_Ｔ＝１／Ｃ_ｇ＋１／Ｃ_ｉ （５）
Ｃ＝εＡ／ｄであることから、以下のように書き換えることができる。

ε_０Ａ_ｐ／Ｃ_Ｔ＝ｄ_ｇ＋ｄ_ｉ／ε_ｉ （６）
ここで、ε_ｉは絶縁層の誘電率、ｄ_ｉはギャップの下の絶縁体の厚さ、ｄ_ｇはギャップの高さである。この手順の開始時に、表面が平坦なうちに静電容量を測定するので、測定静電容量Ｃ_ｍは、以下のように与えられる。

Ｃ_ｍ＝ε_０Ａ_ｐε_ｉ／（ｄ_ｇ＋ｄ_ｉ） （７）
数式６および７をｄ_ｇについて解くと、以下のようになる。

ｄ_ｇ＝ε_０Ａ_ｐ［（１／Ｃ_Ｔ−１／Ｃ_ｍ）／（１−１／ε_ｉ）］ （８）
数式８は、各測定領域内の所望のメサ高さを与え、その結果、作製前のメサが存在しない場合のＣ_ｍが求められる。複数の測定箇所について決定したＣ_Ｔの組と、各Ｃ_Ｔのｘ−ｙ座標とを使用して、目標静電容量プロフィルを決定することができる。さらに、複数の測定箇所について決定したｄ_ｇの組と、各ｄ_ｇのｘ−ｙ座標により、目標メサ構成の高さ成分が決まる。

ここで、チャック上で機械的作製を行って、チャック全体にわたって所望の静電容量プロフィルを実現することができる。次いで、メサの周囲の低い領域となる領域内の材料を、局所的なＣ_ｍをＣ_Ｔに変化させるだけの深さまで除去することによって、測定箇所内にメサを作製することが好ましい。材料を除去する深さは、５μｍから４０μｍであることが好ましく、５μｍから２０μｍであればより好ましい。これは、例えばルーティング、レーザ加工またはグリットブラスト加工によって除去を行い、Ｘ−Ｙテーブルを用いて座標制御を行う既知の座標制御式の材料除去技術のいずれかを用いて行うことができるので好都合である。加工プロセスは、各プローブ測定箇所ごとに繰り返す。

測定領域は、一部重なり合うことも、一定距離だけ離れていることもある。急激な深さの変化と、それによる急激な静電容量の変化が起きないように、測定領域どうしの間に作製される領域の深さは、補間的な深さ、または漸進的に変化する深さにすることができる。補間は、例えば、２つの異なる深さの間で深さを線形に変化させることによって実現することができる。一般に、ある箇所とある箇所の間の深さの変化が急激すぎる場合には、より精細な測定グリッドおよび／または小さなプローブ直径が必要になることがある。測定箇所の一部を省略できるようにする、または不規則なパターンで測定を行うことにより、適当な読みを得ることができる。

こうして、ｄ_ｇを求めるために必要な全ての要因が決定される。上記の説明に基づくと、チャック上に配置されたウェハ上の静電容量の変動を低減するためにＥＳＣのメサ高さを初期作製することを含むプロセスの好ましい実施形態は、以下の手順を含む。

１．メサ作製直前までのＥＳＣを作製する。

２．予め規定された測定グリッドに沿って適当なプローブを使用して導電体の表面の静電容量を測定し、Ｃ_ｍの組を求める。

３．予め規定された目標静電容量Ｃ_Ｔを求める。

４．数式８を用いて、各測定箇所の目標深さｄ_ｇの組を求める。

５．機械加工によって各箇所でメサを作製する。

６．各箇所間で漸進的に変化するように機械加工処理を連続的に調節して、所望の局所メサ高さを実現する。

［実施例３］
チャック上にすでにメサが存在している場合には、所望の静電容量プロフィルを実現するためにメサ高さを調節することが必要になることがある。１つの実施形態では、Ｃ_Ｔは、目標静電容量プロフィルがチャック全体にわたって一様になるように選択される。最終的に一様な静電容量を最も効率的に実現するには、材料除去と静電容量の間の関係を求めることが有用である。上述の数式６から、低い領域による静電容量は、ε_０Ａ_ｐ／（ｄ_ｇ＋ｄ_ｉ／ε_ｉ）で与えられる。ｄ_ｉとｄ_ｇの和は一定であるので、この静電容量は、ε_ｉε_０Ａ_ｐ／［ｄ_ｇ（ε_ｉ−１）＋ｈ］と書き換えることができる。ここで、ｈ＝ｄ_ｉ＋ｄ_ｇである。誘電体材料では、ε_ｉは１より大きいので、ε_ｉ−１は正である。このように、ギャップの深さが増加すると、静電容量が低下することが分かる。したがって、材料を除去するだけのこの好ましい実施形態では、静電容量のみを低下させることができる。したがって、この場合のＣ_Ｔの選択は、選択した全ての箇所の測定静電容量の中で最低の静電容量以下であることが好ましい。

ここで、チャックに対して機械的補正を行い、チャック全体にわたって所望の静電容量プロフィルを実現することができる。その後、局所的なＣ_ｍをＣ_Ｔに変化させる深さまでメサの周囲の材料を掘り下げることによって、測定箇所内のメサを調節することが好ましい。これは、例えばルーティング、レーザ加工またはグリットブラスト加工によって除去を行い、Ｘ−Ｙテーブルを用いて座標制御を行う既知の座標制御式の材料除去のいずれかを用いて行うことができるので好都合である。この機械加工プロセスは、各プローブ測定箇所ごとに繰り返す。

測定領域は、一部重なり合うことも、一定距離だけ離れていることもある。急激な深さの変化と、それによる急激な静電容量の変化が起きないように、測定領域どうしの間の領域は、補間的な深さ、または漸進的に変化する深さになるように調節することができる。補間は、例えば、２つの異なる深さの間で深さを線形に変化させることによって実現することができる。一般に、ある箇所とある箇所の間の深さの変化が急激すぎる場合には、より精細な測定グリッドおよび／または小さなプローブ直径が必要になることがある。測定箇所の一部を省略できるようにする、または不規則なパターンで測定を行うことにより、適当な読みを得ることができる。

上記の説明に基づくと、チャック上に配置されたウェハ上の静電容量の変動を低減するためにＥＳＣのメサ高さを調節することを含むプロセスの好ましい実施形態は、以下の手順を含む。

１．予め規定された測定グリッドに沿って適当なプローブを使用して導電体の表面の静電容量を測定する。

２．予め規定された目標静電容量Ｃ_Ｔを求める。

３．各グリッド位置ごとに深さを増加させる必要があるか、または減少させる必要があるかを判定する。

４．Ｃ_ｍがＣ_Ｔに近づくように機械加工することによって各箇所のメサ高さを調節する。

５．全ての箇所が所望のＣ_Ｔの許容範囲内になるまで必要に応じてこのプロセスを繰り返す。

６．各箇所間で滑らかに変化するように機械加工処理を連続的に調節して、所望の局所メサ高さを実現する。

上述の方法を用いれば、目標とする熱伝達係数または静電容量のプロフィルを達成するために静電チャックの電気的特性および熱的特性をカスタマイズすることができる。

本発明の実施形態について、好ましい実施形態に関連して説明した。しかし、好ましい実施形態の趣旨を逸脱することなく、上記以外の具体的な形態で本発明を実施することもできることは、当業者には明らかであろう。好ましい実施形態は例示的なものであり、いかなる意味でも制限的なものと解釈されないものとする。この実施形態の範囲は、上記の説明ではなく、添付の特許請求の範囲によって規定され、特許請求の範囲内に含まれる全ての変更および均等物は本発明に含まれるものとする。

Claims (29)

1. 静電チャックの目標メサ構成を決定する方法であって、
   静電チャックの絶縁層の露出表面上の複数の位置における局所的測定を複数回行うステップと、
   前記測定を用いて目標メサ構成を決定するステップとを含むことを特徴とする方法。
2. 前記目標メサ構成が、目標熱伝達係数プロフィルから決定されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記目標メサ構成が、１つまたは複数の前記位置におけるメサ接触面積を減少させることによって実現されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記測定が、熱流束プローブを用いて行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記目標メサ構成が、目標静電容量プロフィルから決定されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. メサ高さが目標メサ構成に対応するように前記絶縁層の前記露出表面内にメサパターンを作製するステップをさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記目標静電容量プロフィルが、メサ構成の高さを増加させることによって実現されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
8. 前記測定が、静電容量プローブを用いて行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
9. 前記絶縁層の表面がメサパターンを含み、該方法が、絶縁性材料を除去して前記目標メサ構成に対応するメサ接触面積を実現するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
10. 前記絶縁層の表面がメサパターンを含み、少なくとも１つ、少なくとも３つ、少なくとも５つ、または少なくとも１０個のメサが、熱流束プローブによる測定に含まれることを特徴とする請求項４に記載の方法。
11. 前記目標メサ構成が、楕円形、環状、および多角形の断面形状を有するメサを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
12. 前記目標メサ構成が、約０．１ｍｍから約１０ｍｍの最大断面寸法を有するメサを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
13. 前記目標メサ構成が、メサどうしの間に約０．５ｍｍから約５ｍｍの間隔を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
14. 前記測定が、グリッドパターンに配列された複数の位置で行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
15. 前記静電チャックが、温度制御ユニットと協働して前記チャックの温度を制御するようになされた流体チャネルを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
16. 前記チャックの前記絶縁層の厚さが５ｍｍ未満であることを特徴とする請求項９に記載の方法。
17. 前記熱流束プローブが、前記絶縁体表面に１０Ｔｏｒｒから１００Ｔｏｒｒの力を加えることを特徴とする請求項４に記載の方法。
18. 前記複数回の測定が、２Ｔｏｒｒから２００Ｔｏｒｒの圧力のヘリウムでバックフィルされた真空チャンバ内で行われることを特徴とする請求項４に記載の方法。
19. 前記プローブが、前記チャックの表面の熱伝達係数プロフィルが得られるように数値制御式位置決め装置によって動かされることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
20. 前記目標メサ構成が、ルーティング、レーザ加工、および／またはグリットブラスティングによって作製されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
21. 予め存在しているメサパターンを、ルーティング、レーザ加工、および／またはグリットブラスティングによって、目標メサ構成に対応するようにカスタマイズするステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
22. 請求項２１に記載の方法を複数回適用することを特徴とする、所定の熱伝達係数許容差への適合を実現する方法。
23. 前記絶縁層の前記露出表面内の測定領域どうしの間の領域の深さが漸進的に変化することを特徴とする請求項６に記載の方法。
24. 前記絶縁層の表面がメサパターンを含み、少なくとも１つ、少なくとも３つ、少なくとも５つ、または少なくとも１０個のメサが、静電容量プローブによる測定に含まれることを特徴とする請求項８に記載の方法。
25. 前記チャックが、プラズマ処理チャンバの内部に位置することを特徴とする請求項３に記載の静電チャック。
26. 請求項６に記載の静電チャックを用いて半導体ウェハを処理する方法であって、前記チャック上の半導体ウェハをクランピングするステップと、前記半導体ウェハをプラズマ処理するステップとを含むことを特徴とする方法。
27. 目標メサ構成を決定するのに有用な装置であって、真空チャンバと、チャックを保持するチャンバと、プローブを前記チャックに接触させる力を加えることができる数値制御式位置決め部材と、前記位置決め部材によって支持されるプローブと、前記位置決め部材を前記チャックの表面上の様々な位置に移動させるように動作することができる制御装置と、前記プローブからの測定データ信号を登録および記録し、前記データ信号から前記目標メサ構成を電子的に決定し、前記目標メサ構成を決定することができるユニットとを含むことを特徴とする装置。
28. 前記プローブが熱流束プローブまたは静電容量プローブであることを特徴とする請求項２７に記載の装置。
29. ヒータと、熱流計と、シリコン片とを含むプローブであって、前記プローブの断面積の近似最大寸法が０．５インチ、１．０インチ、１．５インチ、または２．０インチであることを特徴とするプローブ。

Images