JP2014532987A - 半導体処理におけるエッジリングの熱管理 - Google Patents
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Abstract
半導体を処理するための装置が、本明細書に提供される。いくつかの実施形態では、基板を処理するための装置は、基板支持体の周りに同心に配置され、処理中に基板支持体上に基板を位置決めするように構成された第１リングと、基板支持体と第１リングの間に配置され、第１リングから基板支持体まで熱伝達経路を提供するように構成された第２リングを含むことができる。
Description
本発明の実施形態は、概して、半導体処理に関する。
従来の半導体処理チャンバ（例えば、エッチングチャンバなど）は、典型的には、基板支持体の上に配置され、処理中に基板を所望の位置に固定するように構成された１以上のリング（例えば、エッジリング）を有する基板支持体を利用する。しかしながら、従来使用されるエッジリングは、基板支持体と比較して異なる熱特性（例えば、異なる加熱及び冷却速度）を備えており、これによって、基板の縁部近傍に温度の不均一を引き起こし、こうして望ましくない基板の不均一な処理を引き起こす場合があることを、本発明者らは観察してきた。また、エッジリングは、処理によって又はコンポーネント（例えば、上部電極（例えば、シャワーヘッド又は天井）など）を処理することによって発生する熱のため、処理中に基板支持体よりも高い温度に加熱され、これによって更なる温度の不均一性をもたらす可能性がある。
こうして、本発明者らは、基板を処理するための改良された装置を提供してきた。
半導体を処理するための装置が、本明細書に提供される。いくつかの実施形態では、基板を処理するための装置は、基板支持体の周りに同心に配置され、処理中に基板支持体上に基板を位置決めするように構成された第１リングと、基板支持体と第１リングの間に配置され、第１リングから基板支持体まで熱伝達経路を提供するように構成された第２リングを含むことができる。
いくつかの実施形態では、処理チャンバは、内部容積を画定するチャンバ本体と、内部容積内に配置された基板支持体であって、基板支持体の周りに同心に配置され、処理中に基板支持体上に基板を位置決めするように構成された第１リングと、基板支持体と第１リングの間に配置され、第１リングから基板支持体まで熱伝達経路を提供するように構成された第２リングを含む基板支持体を含むことができる。
本発明の他の及び更なる実施形態を以下に説明する。
上記で簡潔に要約され、以下でより詳細に説明される本発明の実施形態は、添付図面に示される本発明の例示的な実施形態を参照することによって理解することができる。しかしながら、添付図面は本発明の典型的な実施形態を示しているに過ぎず、したがってこの範囲を制限されていると解釈されるべきではなく、本発明は他の等しく有効な実施形態を含み得ることに留意すべきである。
本発明のいくつかの実施形態に係る基板処理装置と共に使用するのに適した処理チャンバを示す。
本発明の少なくともいくつかの実施形態に係る基板支持体の縦断面図を示す。
〜
本発明のいくつかの実施形態に係る基板処理装置の部分の上面図を示す。
理解を促進するために、図面に共通する同一の要素を示す際には可能な限り同一の参照番号を使用している。図面は、比例して描かれているわけではなく、明確にするために簡素化されているかもしれない。一実施形態の要素及び構成を更なる説明なしに他の実施形態に有益に組み込んでもよいと理解される。
基板を処理するための装置が、本明細書に提供される。本発明の実施形態は、有利には、処理チャンバ内に配置されるエッジリングの強化された温度制御を促進する半導体処理チャンバ用の別個のドロップイン交換部品を提供し、これによって処理中における基板のより均一な加熱及び冷却を提供することができる。
図１は、本発明のいくつかの実施形態に係る基板処理装置と共に使用するのに適した処理チャンバを示す。処理チャンバ１００は、一般に、内部に配置された基板１１０を処理するための装置１０５を有するチャンバ本体１０２を含むことができる。例示的な処理チャンバは、カリフォルニア州サンタクララのアプライドマテリアルズ社（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， Ｉｎｃ．）から入手可能な、ＤＰＳ（商標名）、ＥＮＡＢＬＥＲ（商標名）、ＳＩＧＭＡ（商標名）、ＡＤＶＡＮＴＥＤＧＥ（商標名）、又は他の処理チャンバを含むことができる。他の製造業者から入手可能なものを含む他の処理チャンバは、本明細書に提供される開示内容にしたがって適切に改変することができる。
チャンバ本体１０２は、処理容積１０４及び排気容積１０６を含むことができる内部容積１０７を有する。処理容積１０４は、例えば、処理中に上で基板１１０を支持するためのチャンバ本体１０２内に配置された基板支持体１０８と、所望の位置に提供された１以上のガス入口（例えば、シャワーヘッド１１４）及び／又はノズルとの間に画定することができる。
１以上のガス入口（例えば、シャワーヘッド１１４）は、チャンバ本体１０２の処理容積１０４内に１以上の処理ガスを供給するためのガス供給源１１６に結合することができる。シャワーヘッド１１４が図１に示されているが、追加の又は代替のガス入口（例えば、天井１４２又はチャンバ本体１０２の側壁、又は処理チャンバ１００に望み通りにガスを供給するのに適した他の位置（例えば、処理チャンバのベース、基板支持体の周辺部等）に配置されたノズル又は入口）を設けることができる。
１以上のプラズマ電源（１つのＲＦ電源１４８が図示される）が処理チャンバ１００に結合され、これによって１以上のそれぞれの整合ネットワーク（１つの整合ネットワーク１４６が図示される）を介して、シャワーヘッド１１４にＲＦ電力を供給することができる。いくつかの実施形態では、処理チャンバ１００は、処理のために、誘導結合ＲＦ電力を利用することができる。例えば、処理チャンバ１０２は、誘電材料から作られた天井１４２及び誘電体シャワーヘッド１１４を有することができる。天井１４２は実質的に平坦であることができるが、他のタイプの天井（例えば、ドーム状の天井等）もまた使用することができる。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの誘導コイル要素（図示せず）を含むアンテナを、天井１４２の上方に配置することができる。このような実施形態では、誘導コイル要素は、１以上のそれぞれの整合ネットワーク（例えば、整合ネットワーク１４６）を介して、１以上のＲＦ電源（例えば、ＲＦ電源１４８）に結合することができる。１以上のプラズマ源は、約２ＭＨｚ及び／又は約１３．５６ＭＨｚの周波数又はより高い周波数（例えば、２７ＭＨｚ及び／又は６０ＭＨｚ）で５０００Ｗまで生成することが可能であってもよい。いくつかの実施形態では、２つのＲＦ電源が、それぞれの整合ネットワークを介して誘導コイル要素に結合され、これによって約２ＭＨｚ及び約１３．５６ＭＨｚの周波数でＲＦ電力を供給することができる。
排気容積１０６は、例えば、基板支持体１０８とチャンバ本体１０２の底部との間に画定することができる。排気容積１０６は、排気システム１２０に流体結合することができる、又は排気システム１２０の一部と考えることができる。排気システム１２０は、一般に、ポンピングプレナム１２４と、ポンピングプレナム１２４を処理チャンバ１０２の内部容積１０７（一般的に、処理容積１０４）に結合する１以上の導管とを含む。
各導管は、内部容積１０７（又は、いくつかの実施形態では、排気容積１０６）に結合された入口１２２と、ポンピングプレナム１２４に流体結合された出口（図示せず）を有する。例えば、各導管は、処理チャンバ１０２の側壁の下部領域又は床に配置された入口１２２を有することができる。いくつかの実施形態では、入口は、互いに実質的に等距離離間している。
真空ポンプ１２８は、処理チャンバ１０２から排気ガスを送り出すためのポンピングポート１２６を介してポンピングプレナム１２４に結合することができる。真空ポンプ１２８は、適切な排気処理装置が要求するように排気をルーティングするための排気口１３２に流体結合することができる。バルブ１３０（例えば、ゲートバルブ等）がポンピングプレナム１２４内に配置され、これによって真空ポンプ１２８の動作と組み合わせて、排気ガスの流量の制御を促進することができる。ｚモーションゲートバルブが図示されているが、排気の流れを制御するための任意の適切なプロセス互換性のある弁を利用することができる。
基板１１０は、処理チャンバ１０２の壁の開口部１１２を介して処理チャンバ１０２に入ることができる。開口部１１２は、スリットバルブ１１８、又は開口部１１２を介してチャンバの内部へのアクセスを選択的に提供するための他の機構を介して、選択的に封止することができる。基板支持体１０８は、開口部１１２を介してチャンバの内外へ基板を搬送するのに適した（図示されるような）下方位置と、処理に適した選択可能な上方位置との間で、基板支持体１０８の位置を制御することができるリフト機構１３４に結合することができる。処理位置は、特定の処理ステップのための処理の均一性を最大にするように選択することができる。上昇した処理位置の少なくとも１つにおいて、基板支持体１０８は、対称的な処理領域を提供するように開口部１１２の上方に配置することができる。
いくつかの実施形態では、基板支持体１０８は、基板支持体１０８の表面（例えば、静電チャック１０９）上に基板１１０を保持又は支持する機構を含むことができる。いくつかの実施形態では、基板支持体１０８は、基板温度を制御するための、及び／又は基板表面に近接する種のフラックス及び／又はイオンエネルギーを制御するための機構を含むことができる。
例えば、いくつかの実施形態において、基板支持体１０８は、ＲＦバイアス電極１４０を含むことができる。ＲＦバイアス電極１４０は、１以上のそれぞれの整合ネットワーク（整合ネットワーク１３６が図示される）を介して１以上のバイアス電源（１つのバイアス電源１３８が図示される）に結合することができる。１以上のバイアス電源は、約２ＭＨｚ、又は約１３．５６ＭＨｚ、又は約６０ＭＨｚの周波数で１２０００Ｗまで生成することが可能であってもよい。いくつかの実施形態では、約２ＭＨｚ及び約１３．５６ＭＨｚの周波数で、それぞれの整合ネットワークを介して、ＲＦバイアス電極１４０にＲＦ電力を結合するために、２つのバイアス電源を提供することができる。いくつかの実施形態では、約２ＭＨｚ、約１３．５６ＭＨｚ、及び約６０ＭＨｚの周波数で、それぞれの整合ネットワークを介して、ＲＦバイアス電極１４０にＲＦ電力を結合するために、３つのバイアス電源を提供することができる。少なくとも１つのバイアス電源は、連続又はパルス電力のいずれかを供給することができる。いくつかの実施形態では、バイアス電源はＤＣ又はパルスＤＣ源であることができる。
いくつかの実施形態では、基板支持体１０８は、処理のための位置に基板１１０を固定するように構成された追加コンポーネントを含むことができる。例えば、いくつかの実施形態では、エッジリング（第１リング１５０）が、基板支持体１０８の周りに同心に配置され、基板支持体１０８上に基板を位置決めするように構成することができる。第１リング１５０は、半導体処理に適した任意の絶縁材料（例えば、石英など）から作ることができる。第１リング１５０は、存在する場合、処理中のプラズマによる損傷から基板支持体１０８の表面を保護し、基板１１０に向けたプラズマの集中を促進する。
本発明者らは、従来のエッジリングを利用した処理チャンバ内で、エッジリングが、基板支持体と比較して異なる熱特性（例えば、異なる加熱及び冷却速度）を有し、これによって基板の端部近傍で温度の不均一を引き起こし、こうして基板の望ましくない不均一な処理を引き起こす可能性があることを観察してきた。また、エッジリングは、処理又は処理コンポーネント（例えば、上部電極（例えば、上述のシャワーヘッド１１４又は天井１４２）など）によって生成された熱により、処理中に基板支持体よりも高い温度に加熱され、これによって更なる温度の不均一性につながる可能性がある。
したがって、いくつかの実施形態では、基板１１０を処理するための装置１０５は、第１リング１５０と基板支持体１０８との間に、基板支持体１０８の周りに同心に配置された第２リング１５４を含むことができる。第２リング１５４を提供することによって、熱伝達経路が、基板支持体１０８と第１リング１５０との間に提供される。熱伝達経路を提供することによって、第１リング１５０の温度を制御可能にし、これによって前述の温度の不均一性を最小化又は排除する。例えば、基板支持体１０８が（例えば、熱伝達流体を循環させるように構成されて配置された導管を介して）積極的に冷却される実施形態において、基板支持体１０８はヒートシンクとして機能し、これによって第１リング１５０を冷却するか、又は上述のように処理又は処理コンポーネントによって発生する熱によって引き起こされる第１リング１５０の加熱を相殺することができる。
第２リング１５４は、第１リング１５０から基板支持体１０８への熱の伝達を促進するのに適した任意の材料を含むことができる。例えば、第２リング１５４は、高い熱伝導率及び高い熱容量を有する電気絶縁性材料（例えば、セラミックス（例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）））を含むことができる。電気絶縁性材料は、有利には、処理中に基板の近くで発生する電磁界に第２リング１５４が与える影響を最小限に抑える。
いくつかの実施形態では、第１リング１５０と第２リング１５４の間（及び又は第２リング１５４と基板支持体１０８の間）に層１５２を配置し、これによって第１リング１５０と基板支持体１０８との間の熱のより堅牢な伝達を促進することができる。層１５２は、低い接触熱抵抗を有する任意のプロセス適合性材料（例えば、シリコーン系材料など）を含むことができる。冷却装置の部品間の接触熱抵抗を低減させるための熱伝導性の薄い適合した材料の使用は、有利なことに、最大熱伝達効率を促進する。
いくつかの実施形態では、装置１０５は、例えば、図２に示されるように、プロセスキットリング２０８の一部（例えば、カラー２０６の内部棚など）によって支持することができる。このような実施形態では、プロセスキットリング２０８は、ペデスタル支持体２１０に結合されたプレート２１１によって支持することができる。いくつかの実施形態では、ペデスタル支持体２１０は、処理リソース（例えば、ＲＦ又はＤＣ電力、処理ガス、温度制御流体など）を基板支持体１０８に提供するように構成された１以上の導管（１つの導管２１２が図示される）を含むことができる。
いくつかの実施形態では、第１リング１５０の温度の制御を更に促進するために、第１リング１５０及び／又は第２リング１５４は、１以上の熱制御機構を含むことができる。例えば、いくつかの実施形態では、第２リング１５４は、埋め込みヒータ２０４を含むことができる。ヒータ２０４は、半導体処理に適した電気ヒータの任意のタイプ（例えば、抵抗ヒータなど）が可能である。このような実施形態では、第１リング１５０は、第１リング１５０の全域に亘る温度均一性を監視する１以上の温度センサ（１つの温度センサ２０２が図示される）を含むことができる。動作時には、電力がヒータ２０４に供給され、これによって温度センサ２０２によって提供される温度測定に応じて、ヒータ２０４の温度を上昇又は低下させる。（したがって、熱伝達を介して、第２リング１５４及び第１リング１５０の温度を上昇又は低下させる。）
代替的に、又はこれと組み合わせて、いくつかの実施形態では、第１リング１５０上の温度制御を促進するために、第１リング１５０は、熱伝達流体が第１リング１５０を通って流れることを可能にするように構成された１以上の導管（１つの導管２１４が、点線で図示される）を含むことができる。熱伝達流体は、半導体処理時の温度制御特性を維持することが可能な任意のタイプの流体であることが可能であり、例えば、液体（例えば、水又はグリコール含有クーラント）又は気体（例えば、酸素又はヘリウム）などが挙げられる。熱伝達流体は、例えば、ペデスタル支持体２１０の導管２１２を介して、供給源（図示せず）から導管２１４に供給することができる。いくつかの実施形態では、第１リング１５０と導管２１４との間の界面は真空封止され、これによって処理チャンバへの流体漏れを防ぐべきである。いくつかの実施形態では、導管２１４は、例えば、図３に示されるように、入口３０４及び出口３０６を含み、これによって導管２１４を通る熱伝達流体の流れを促進することができる。
図２を再び参照すると、代替的に、又はこれと組み合わせて、いくつかの実施形態では、第１リング１５０上の温度制御を促進するために、第２リング１５４は、第２リング１５４を通って熱伝達流体を流すように構成された１以上の導管（１つの導管２１６が、点線で図示される）を含むことができる。
いくつかの実施形態では、例えば、図４に示されるように、導管２１６は、入口４０４と、出口４０６と、第２リング１５４の上面４１０を貫通して配置され、１以上の導管の少なくとも１つ（例えば、導管２１６）に結合された複数の貫通孔４０８を含むことができる。複数の貫通孔４０８が存在すると、熱伝達流体を第１リング１５０の裏面に供給することが可能となり、これによって第１リング１５０の温度制御を促進する。熱伝達流体は、上述の熱伝達流体のいずれであってもよく、例えば、ペデスタル支持体２１０の導管２１２を介して供給源（図示せず）から導管に供給することができる。このような実施形態では、温度管理のために使用される熱伝達流体は、不活性であるべきであり、これによってチャンバ内のプラズマ処理に用いられるガスとの追加の化学反応を最小限に抑える。
このように、シリコンエッチング、アルミニウムエッチング、誘電体エッチング処理チャンバを含むがこれらに限定されない種々の処理チャンバ内で、必要に応じて冷却又は加熱装置として有利に使用することができる基板処理装置が本明細書に提供された。本発明の実施形態は、有利なことには、処理チャンバ内に配置されるエッジリングの温度制御を可能にする半導体処理チャンバ用の別個のドロップイン交換部品を提供し、これによって処理中における基板の均一な加熱及び冷却を提供することができる。例えば、本発明の実施形態は、基板支持体から第１リングへの熱の流れの方向、又は熱伝達流体と第１リングとの間の熱の流れの方向を逆転させることによって、プラズマ処理チャンバ内のエッジリングを冷却するために、又は、エッジリングを加熱するために使用することができる。
上記は本発明の実施形態を対象としているが、本発明の他の及び更なる実施形態は本発明の基本的範囲を逸脱することなく創作することができる。
Claims (14)
- 基板支持体の周りに同心に配置され、処理中に基板支持体上に基板を位置決めするように構成された第１リングと、
基板支持体と第１リングの間に配置され、第１リングから基板支持体まで熱伝達経路を提供するように構成された第２リングを含む基板処理装置。 - 第２リングは、第２リング内に埋め込まれたヒータを含み、これによって第１リングと基板支持体との間の熱伝達量を制御する請求項１記載の装置。
- 第１リングは、第１リング内に埋め込まれた温度センサを含む請求項２記載の装置。
- 第２リングは、第２リング内に配置された１以上の導管を含み、これによって第２リング内に熱伝達流体を流す請求項１記載の装置。
- 第２リングは、第２リングの表面を貫通して配置され、１以上の導管のうちの少なくとも１つに結合された複数の孔を更に含み、これによって第１リングの裏面に熱伝達流体を提供する請求項４記載の装置。
- 第１リングは、第１リング内に配置された１以上の導管を含み、これによって第１リング内に熱伝達流体を流す請求項１記載の装置。
- 第１リングと第２リングの間に配置された熱伝導層を含む請求項１記載の装置。
- 熱伝導層は、シリコーン含有材料から製造される請求項７記載の装置。
- 第２リングは、電気絶縁性材料から製造される請求項１記載の装置。
- 基板支持体の周りに配置され、少なくとも部分的に第１リングを支持するプロセスキットリングを含む請求項１記載の装置。
- 内部容積を画定するチャンバ本体と、
内部容積内に配置された前記請求項のいずれか１項に記載されるような基板を処理するための基板支持体及び装置を含む処理チャンバ。 - 基板支持体は、ＲＦバイアス電極を含む請求項１１記載の処理チャンバ。
- ＲＦバイアス電極に結合される１以上のバイアス電源を含む請求項１２記載の処理チャンバ。
- 処理チャンバの天井の上方に配置された少なくとも１つの誘導コイル要素を備えるアンテナと、
アンテナに結合されたＲＦ電源を含む請求項１１記載の処理チャンバ。
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