JP2016536803A - 温度プロファイル制御装置を有する加熱基板支持体 - Google Patents

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Abstract

本明細書では、温度プロファイル制御装置を有する基板支持体の方法及び装置が提供されている。幾つかの実施形態では、基板支持体は、基板受容面と、反対側の底面とを有するプレートと、シャフトヒータを備える第1の端部と、第2の端部を有するシャフトとを含み、第1の端部が底面に結合されている。温度プロファイル制御装置を有する基板支持体を作製する方法もまた提供されている。【選択図】図1

Description

[0001]本発明の実施形態は一般に、半導体処理機器に関する。
[0002]半導体基板処理において、基板の温度はしばしば、重要なプロセスパラメータである。温度の変化、及び処理中の基板表面全体の温度勾配は多くの場合、材料の堆積、エッチング速度、特徴部のテーパー角、段差被覆等に悪影響を及ぼす。多くの場合、処理を促進し、望ましくない特性及び/又は欠陥を最小限に抑えるために、基板処理の前後、最中の基板温度プロファイルの制御装置を有することが望ましい。
[0003]基板は多くの場合、基板支持体、あるいは、基板支持体を支持するために中央に位置づけされた支持体シャフトを有する台の上に支持されている。基板支持体は多くの場合、その上に配置された基板を加熱するように適合された一又は複数の埋め込みヒータを含む。しかしながら、発明者らは、従来の埋め込みヒータで加熱された基板支持体が、基板支持体の中央領域でしばしば温度の不均一性を示し、この結果、基板の処理結果が不均一になることを観察した。発明者らは、幾つかの場合において、基板支持体の温度の不均一性は、基板支持体から熱を奪い去る支持シャフトが原因でありうることを観察した。
[0004]従って、発明者らは、温度の均一性が改善された加熱基板支持体の実施形態を提供する。
[0005]本明細書は、温度プロファイルの制御装置を有する基板支持体の方法及び装置を提供するものである。幾つかの実施形態では、基板支持体は、基板受容面と、反対側の底面とを有するプレートと、シャフトヒータを備える第1の端部と、第2の端部とを有するシャフトとを含み、第1の端部は底面に結合されている。
[0006]幾つかの実施形態では、基板支持体は、基板受容面と、反対側の底面とを有するプレートと、プレートに配置され且つコントローラに結合されたプレートヒータと、プレートに配置され且つコントローラに結合されたプレート温度センサと、コントローラに結合されたシャフトヒータを備え且つ底面に結合された第1の端部、及び第2の端部を有するシャフトと、第1の端部に配置され且つコントローラに結合されたシャフト温度センサとを含む。
[0007]幾つかの実施形態では、基板支持体を作製する方法が提供されており、この方法は、基板受容面と、反対側の底面とを有するプレートを形成することと、第1の端部と、反対側の第2の端部とを備える、セラミック材料の第1の層を形成することと、第1の端部の第1の層にヒータを配置することと、第1の層に導体(conduit)を配置して、導体の一方の端部がヒータに結合され、導体の第2の端部がセラミック材料の第2の端部を越えて延在するようにすることと、第1の層の上にセラミック材料の第2の層を形成して、第2の層が少なくとも部分的にヒータをカバーするようにすることと、第1の層と、第2の層とを処理して、シャフトを形成することと、第1の端部を前記プレートの前記底面に結合させることとを含む。
[0008]本発明の他の実施形態及び更なる実施形態について、以下で説明する。
[0009]上記に簡潔に要約し、下記により詳細に論じる本発明の実施形態は、添付の図面に示す本発明の例示的な実施形態を参照することにより理解可能である。しかしながら、本発明は他の等しく有効な実施形態も許容し得ることから、付随する図面はこの発明の典型的な実施形態のみを例示しており、従って発明の範囲を限定すると見なすべきではないことに、留意されたい。
本発明の幾つかの実施形態による、基板支持体の概略側断面図である。 本発明の幾つかの実施形態による、基板支持体の概略側断面図である。 本発明の幾つかの実施形態による、基板支持体を作製するためのフロー図である。
[0013]理解を容易にするために、図に共通する同一の要素を指し示すために、可能な場合には、同一の参照番号を使用した。図は縮尺どおりには描かれておらず、明確性のために簡略化されていることがある。一実施形態の要素及び特徴は、更なる記述がなくとも、他の実施形態に有益に組み込まれうると想定される。
[0014]本発明の実施形態では、改善された温度均一性制御装置を有する加熱基板支持体が提供されている。本発明の実施形態を、基板に生じる温度プロファイルの制御が改善された加熱基板支持体を使用する全ての処理において、基板を支持し加熱するために使用することができる。開示の基板支持体から利益を受けうるプロセスの非限定的な例には、化学蒸着(CVD)、原子層堆積(ALD)、又はレーザアニーリング処理が挙げられる。
[0015]図1は、本発明の幾つかの実施形態による、基板支持体100の概略側断面図である。基板支持体100は、ヒータプレートを備え、プレート102は、基板受容面104と、底面106とを備える。プレート102は、セラミック材料、例えば窒化ケイ素(Si)、アルミナ(Al)、窒化アルミニウム(AlN)、又は炭化ケイ素(SiC)、及び金属材料、例えばアルミニウム及びステンレス鋼(SST)、又はシリコン−アルミニウム合金(Si−Al)等の合金を含む一又は複数の処理適合材料から形成することができる。
[0016]一又は複数のプレートヒータ108がプレート102内に埋め込まれている又は配置されている(2つのプレートヒータ108が図示されている)。プレートヒータ108は図示したように、リングの形態であってよい。あるいは、プレートヒータ108は、プレート102内に埋め込まれた個別のヒータ要素でありうる。プレートヒータ108は、例えば直流源110等の電源に導体111を介して結合され、電力をプレートヒータ108へ供給して、プレート102の加熱を促進する。
[0017]例えば抵抗温度装置(RTD)等のプレート温度センサ112をプレート102に埋め込んで又は結合して、プレート102の対象領域の温度を感知する。プレート温度センサ112を導体116を介してコントローラ114に結合させて、プレート102の温度に関するデータをコントローラ114へ送る。
[0018]直流源110も導体118を介してコントローラ114に結合される。コントローラ114は、プレート温度センサ112からの温度データに基づいてプレートヒータ108へ供給する電力の量を調整して、予め選択されたプレート温度を提供する。このように、プレートヒータ108、直流源110、プレート温度センサ112、及びコントローラ114はつながっており、第1の閉ループ制御回路として機能して、プレート102の予め選択された温度を維持する。
[0019]コントローラ114は、プレート温度センサ112によって提供されるデータからプレート102の温度を読み取り監視して、プレートヒータ108へ供給される電力の量を調整するように適合された任意の汎用コンピュータであってよい。
[0020]プレート102は、シャフト120の第1の端部126の上に置かれうる、又はそれによって支持されうる。シャフト120は、上述したように、処理適合材料から形成することができる。
[0021]例えば基板の処理又は移送において、基板受容面104に配置された時に、プレート102と、基板122を、チャンバ124内の適所に支持するために、第1の端部126が底面106に装着される。幾つかの実施形態では、シャフト120は、適切なリフトアクチュエータ、回転アクチュエータ、又はシャフト120(図示せず)に結合されたリフト及び回転アクチュエータの組み合わせによって、チャンバ124内で、プレート102と基板122の垂直方向の位置決め及び回転方向の位置決めの内の一又は複数を提供しうる。
[0022]幾つかの実施形態では、第1の端部126は、シャフト120を底面106へ装着しやすくするフランジ128を備える。フランジ128は、任意の適切な機械ファスナ、接着剤、溶接、ろう付け等を使用して、底面106に装着することができる。フランジ128は、シャフト120の一体的な構成要素、又は例えば溶接によってシャフト120に結合された個別の構成要素でありうる。幾つかの実施形態では、シャフト120の第1の端部126を、フランジなしで底面106に装着することができる。例えば、接着剤、溶接、ろう付け等を使用して、シャフト120の第1の端部126を底面106に装着することができる。シャフト120を底面106に直接結合させて、シャフト120とプレート102の底面106との間の熱抵抗を最小限に抑えることができる。
[0023]少なくとも1つのシャフトヒータ130が、フランジ128に結合される。幾つかの実施形態では、少なくとも1つのシャフトヒータ130は、少なくとも部分的にフランジ128に埋め込まれる。幾つかの実施形態では、少なくとも1つのシャフトヒータ130は抵抗ヒータである。導体134の第1の端部133が、シャフトヒータ130に結合される。導体134の第2の端部135は、シャフト120の第2の端部127を越えて延在し、例えば直流源140等の電源に結合されて、少なくとも1つのシャフトヒータ130への電力の供給を促進し、シャフト120の第1の端部126を加熱する。
[0024]抵抗温度装置等のシャフト温度センサ132も、フランジ128に埋め込まれる又は結合される。導体138の第1の端部137は、シャフト温度センサ132に結合される。導体138の第2の端部139は、シャフト120の第2の端部127を越えて延在し、コントローラ、例えばコントローラ114に結合される。直流源140もまた、例えば導体136を介してコントローラ114に結合させることができる。上述した第1の閉ループ制御回路と同様の制御回路は、第2の閉ループ制御回路として動作するようにつながっているシャフトヒータ130、直流源140、シャフト温度センサ132、及びコントローラ114を備える。第2の閉ループ回路では、シャフト温度センサ132によって送られる温度データに応じて、コントローラ114がシャフトヒータ130への電力を調整して、シャフト120の第1の端部126の温度制御を促進する。第1の閉ループ回路と第2の閉ループ回路は、図示したように共通のコントローラ114を有することができる、又は閉ループ回路は互いに連通しうる別々のコントローラを有することができる。
[0025]幾つかの実施形態では、第1の閉ループ制御回路(プレートヒータ108、直流源110、プレート温度センサ112、及びコントローラ114)と、第2の閉ループ回路(シャフトヒータ130、直流源140、シャフト温度センサ132、及びコントローラ114)は、例えばコントローラ114を通して、互いにつながっている。第1の閉ループ制御回路と、第2の閉ループ制御回路を独立に制御して、プレート102とシャフト120とを第1及び第2の温度にそれぞれ維持するように、コントローラ114を構成することができる。第1の温度及び第2の温度は同じ温度であってよい。
[0026]図2に、本発明の一実施形態による基板支持体200の単純な概略側断面図を示す。プレート102を、上述したように構成し、明確さのために詳細(例えば、上述した第1の閉ループ制御回路の構成要素)を省略して図示している場合がある。セラミック支持体シャフト(シャフト220)は、シャフト220の第1の端部226に置かれるプレート102を支持するために提供される。幾つかの実施形態では、第1の端部226は、上述したように、プレート102の底面106に装着されるように適合されたフランジ228を含む。幾つかの実施形態では、上述したように、第1の端部226をフランジなしでプレート102の底面106に装着することができる。
[0027]図示したシャフト220は、(追加の層も使用可能であるが)セラミック材料の2つの層、第1の層202と第2の層204を備える。シャフト220は非限定的な例において、上述したセラミック材料から形成することができる。一又は複数の電気部品を、第1の層202と第2の層204との間のインターフェース212に配置することができる。
[0028]例えば、シャフトヒータ230を、インターフェース212においてフランジ228の一部に配置することができる。図1の実施形態のシャフトヒータ130と同様に、導体234の第1の端部233にシャフトヒータ230が結合される。導体234の第2の端部235はシャフト220の第2の端部227を越えて延在し、電源、例えば直流源240に結合されて、電力をシャフトヒータ230へ供給し、シャフト220の第1の端部226の加熱を促進する。導体234は、第1の層202と第2の層204との間のインターフェース212に沿って全体的に又は部分的に配置することができる。
[0029]一又は複数のシャフトヒータ230と導体234を、第1の層202又は第2の層204の面213にプリントすることができる。例えば、シャフトヒータ230と導体234の内の少なくとも1つを、タングステン、モリブデン、又は第1の層202の一部にスクリーンプリントされた適切な電気抵抗を有するその他の金属の溶液によって形成することができる。幾つかの実施形態では、シャフトヒータ230と導体234を、セラミック材料の第1の層202の外面203にプリントすることができる。例えば、セラミック材料の第1の層202を形成して、シャフトヒータ230と導体234を外面203にプリントすることができる。セラミック材料の第2の層204を、第1の層202の上に、シャフトヒータ230と導体234を少なくとも部分的にカバーするように形成することができる。組み合わされた第1及び第2の層202と204を更に、例えば焼結によって処理して、シャフトヒータ230と導体234がインターフェース212に配置された完成したシャフト220を形成することができる。
[0030]更に処理する前に、同様な方法で、例えば抵抗温度装置(RTD)等のシャフト温度センサ232をインターフェース212に配置することもできる。シャフト温度センサ232を、第1の層202の外面203にプリントすることができる。導体238の第1の端部237を、シャフト温度センサ232に結合させることができる。導体238の第2の端部239は、第1の層202の第2の端部227を越えて延在し、コントローラ214に結合される。直流源240も、例えば導体236を介してコントローラ214に結合させることができる。
[0031]シャフトヒータ230、直流源240、シャフト温度センサ232、及びコントローラ214は、上述した第2の閉ループ回路と構成及び機能が同じ閉ループ回路を備えている。
[0032]幾つかの基板処理においては、基板受容面の温度プロファイルにより、その上に支持される基板の温度プロファイルが予測される。基板受容面全体の温度の不均一性は、その上に支持される基板の不均一な処理性能によって明らかとなる。発明者らは幾つかの場合において、シャフトの装着部位の反対側の、プレートの中央領域で熱が失われることを観察した。発明者らは、おそらくシャフトによりヒートシンクがつくられ、シャフトとプレートのインターフェースにおいて、プレートからいくらか熱が除去されるようであることに注目した。シャフトをプレートに装着すると、基板装着面において温度の途切れが生じる。
[0033]本発明の基板支持体には、シャフトの第1の端部(装着端部)に、プレートからの熱損失を低減するためのヒータと温度センサを含みうる。シャフトの第1の端部のヒータは、閉ループ制御によって更に熱を発生させて、シャフトへの熱損失を補う。シャフトヒータの閉ループ制御により、シャフトの第1の端部の温度を有用に精確な制御ができるようになることが観察されている。プレートの温度の閉ループ制御と合わせて使用すれば、プレートと、シャフトの第1の端部との温度差を最小限に抑えることができる。シャフトの第1の端部の温度がプレートの温度と同じ、又はほぼ同じである場合に、発明者らは、プレートから、又はプレートへ熱が移動しない断熱インターフェースが確立されうることに気が付いた。このような条件下において、発明者らは、基板支持面上の、又はその上に支持された基板上のシャフトの熱的誘起を観察しなかった。従って、基板の処理は、基板全体の温度をより均一に維持することによって、有利に達成することができる。加えて、(例えば、処理中の基板の熱勾配をより均一に維持するために)処理中の基板への又は基板からの熱伝達の他の発生源を補う、あるいは、(例えば処理中の基板の熱勾配を意図的に不均一に維持するために)不均一性又は搬入される不均一な基板を処理するその他の供給源を補うために、基板支持体の面全体に意図的に不均一な熱勾配を発生させる(例えば中央領域を高温に、又は中央領域を低温にする)ように、基板支持体を操作することができる。
[0034]発明者らは、従来の基板支持体における加熱されたプレートと、加熱されていないシャフトとの温度差によっても、シャフトと、プレートの底とのインターフェースに熱応力が発生しうることも観察した。熱応力により、例えばプレートとシャフトが温度の違いのために別々に膨張又は収縮する際に、シャフトとプレートとの間の付着が問題となりうる。
[0035]本発明では、上述したように、シャフトヒータにより、インターフェースにおけるシャフトとプレートとの温度差を有利に最小限に抑える、又は大幅に縮小することができる。従って、熱応力とそれに伴う不利点も、最小限に抑える又は大幅に低減することができる。
[0036]発明者らは、上述したように、本発明の加熱基板支持体を形成する新規の方法を開発した。本方法を、図3の300において開始して、プレート102(図1)及びシャフト220(図2)を参照しながら概説する。302において、基板受容面104を有するプレート102と、反対側の底面106が形成される。プレート102には、プレート102に埋め込まれた、一又は複数のプレートヒータ108と、例えば抵抗温度装置(RTD)等のプレート温度センサ112が含まれうる。上述したように、プレートヒータ108とプレート温度センサ112を直流源110とコントローラ114に結合させて、第1の閉ループ制御回路を形成することができる。
[0037]プレート102を、上に列挙したようなセラミック材料から形成することができる。プレート102の形成には、セラミック材料の密度を高くするために焼結することが含まれうる。特定の材料(セラミック又は金属)に適切なその他の製造処理を、必要に応じて利用することができる。プレート102の形成を、シャフト220の形成とは別に行ってもよい。
[0038]304において、セラミック材料の第1の層202が形成され、第1の層202は、第1の端部226と、反対側の第2の端部227とを含む。第1の層202には、フランジ228に対応する領域が含まれうる。幾つかの実施形態では、第1の層202は、(フランジ228を含む、シャフトの第1の端部226に対応する)上方エッジ242と、(第2の端部227に対応する)反対側の下方エッジ244と、縦方向のエッジ(図示せず)を有するセラミック材料のシートとして形成される。
[0039]306において、シャフトヒータ230が、第1の層202の上方エッジ242に配置される。幾つかの実施形態では、上述したように、スクリーンプリント技術を使用して、シャフトヒータ230が、タングステン、モリブデン、又は適切な電気抵抗を有する別の金属を含む溶液を使用して、第1の層202の面213にプリントされる。シャフトヒータ230は、上方エッジ242において同じ又は異なる構成の複数の層をプリントすることによって形成されうる。
[0040]308において、導体234を、第1の層202の面213に配置することができる。導体234の第1の端部233を、シャフトヒータ230に結合させることができる。第2の端部235は、第1の層202の下方エッジ244に延在する。幾つかの実施形態では、第2の端部235は、下方エッジ244を越えて延在する。幾つかの実施形態では、上述したように、導体234を同様の材料を使ってプリントする、例えばスクリーンプリントすることができる。導体234が面213にプリントされた時に、追加の導体(図示せず)を、下方エッジ244において導体234に結合させて、導体234を下方エッジ244を越えて延在させることができる。
[0041]オプションとして、310において、シャフト温度センサ232、例えば抵抗温度装置(RTD)を、第1の層の上方エッジ242において第1の層202に配置することができる。シャフト温度センサ232を、導体238に結合させることができ、導体238は、シャフト温度センサ232と一体的に形成することができる、又はシャフト温度センサ232とは別に形成することができる。幾つかの実施形態では、シャフト温度センサ232、又は導体238の内の少なくとも1つを、例えばスクリーンプリントによって面213にプリントすることができる。
[0042]312において、第2の層204がシャフトヒータ230を少なくとも部分的にカバーするように、第1の層202の上にセラミック材料の第2の層204が形成される。導体234が面213にプリントされた場合、第2の層204は導体234を少なくとも部分的にカバーすることができる。第1の層202がセラミック材料のシートとして形成されている実施形態では、第2の層204も、上方エッジ242に合わせて位置調整された上方エッジ246と、下方エッジ244に合わせて位置調整された反対側の下方エッジ248と、縦方向のエッジ(図示せず)とを有するセラミック材料のシートとして形成することができる。
[0043]314において、ヒータが面213に配置された第1の層202と、第1の層の上に形成され且つ少なくとも部分的にヒータをカバーしている第2の層204とが共に処理されて、シャフト220が形成される。この処理には、セラミック材料の第1と第2の層202、204の密度を高くする手順が含まれうる。例えば、第1及び第2の層202、204を、高温及び高圧下で焼結して、シャフト220を形成することができる。
[0044]第1及び第2の層202及び204がセラミック材料のシートとして形成されている実施形態では、上方エッジ246が上方エッジ242に合わせて位置調整され、下方エッジ248が下方エッジ244に合わせて位置調整されるように、シートを開口管に形成することができる。例えば、第1及び第2の層202及び204を、第1の層202の縦方向のエッジが接合され、第2の層204の縦方向のエッジが接合されるように、管形状に丸めることができる。管形状は、円筒形又はその他の便利な形にすることができる。
[0045]316において、シャフト220の第1の端部226が、プレート102の底面106に結合されて、本発明による基板支持体が形成される。この結合は、任意の適切な機械ファスナ、例えばねじ式ファスナ又は機械的締付装置、又は接着剤等を必要に応じて使用して、行うことができる。
[0046]このように、改善された温度均一制御装置を有する加熱基板支持体の実施形態が提供されている。本発明の実施形態を利用し、基板に生じた温度プロファイルを高度に制御する加熱基板支持体を使用して、全ての処理において基板を支持し加熱することができる。開示の基板支持体が有用でありうるプロセスの非限定的な例には、化学蒸着(CVD)、原子層堆積(ALD)、又はレーザアニーリングプロセスが含まれる。
[0047]上記は本発明の実施形態を対象とするが、本発明の基本的な範囲から逸脱することなく、本発明の他の実施形態及び更なる実施形態が考案されうる。

Claims (15)

  1. 基板受容面と反対側の底面とを有するプレートと、
    シャフトヒータを備える第1の端部、及び第2の端部を有するシャフトとを備え、
    前記第1の端部が前記底面に結合されている、基板支持体。
  2. 前記第1の端部はフランジを備え、前記シャフトヒータは前記フランジ内に配置されている、請求項1に記載の基板支持体。
  3. 前記シャフトヒータが抵抗ヒータである、請求項1に記載の基板支持体。
  4. 前記シャフトヒータが、前記第1の端部の一部に埋め込まれている、請求項3に記載の基板支持体。
  5. 前記シャフトヒータが、前記シャフトに埋め込まれた導体を備える、請求項3に記載の基板支持体。
  6. 前記シャフトヒータに結合され、コントローラに結合された電源と、
    前記第1の端部に配置され、前記コントローラに結合されたシャフト温度センサとを更に備え、
    前記シャフトヒータ、前記電源、前記コントローラ、及び前記シャフト温度センサが、第1の閉ループ制御回路においてつながっている、請求項1から5のいずれか1項に記載の基板支持体。
  7. 前記プレートが更に、
    前記プレートに配置されたプレートヒータと、
    前記プレートヒータに結合され、前記コントローラに結合された電源と、
    前記プレートに配置され、前記コントローラに結合されたプレート温度センサとを備え、
    前記プレートヒータ、前記電源、前記コントローラ、及び前記プレート温度センサは、第2の閉ループ制御回路においてつながっている、請求項6に記載の基板支持体。
  8. 前記コントローラは、前記第1の閉ループ制御回路と、前記第2の閉ループ制御回路とを独立に制御して、前記プレートと前記シャフトとを予め選択された温度に維持するように構成されている、請求項7に記載の基板支持体。
  9. 前記シャフトが、セラミック材料の層から形成されている、請求項1から5のいずれか1項に記載の基板支持体。
  10. 前記セラミック材料は、窒化ケイ素(Si)、アルミナ(Al)、窒化アルミニウム(AlN)、又は炭化ケイ素(SiC)の内の一又は複数を含む、請求項9に記載の基板支持体。
  11. 前記シャフトが、セラミック材料の2以上の層から形成されている、請求項9に記載の基板支持体。
  12. 前記シャフトヒータが、セラミック材料の層に配置されている、請求項9に記載の基板支持体。
  13. 前記シャフトは更に、前記セラミック材料の層に配置され、前記シャフトヒータに結合された導体を備える、請求項9に記載の基板支持体。
  14. 基板支持体を作製する方法であって、
    基板受容面と、反対側の底面とを有するプレートを形成することと、
    第1の端部と、反対側の第2の端部とを備える、セラミック材料の第1の層を形成することと、
    前記第1の層の前記第1の端部にヒータを配置することと、
    導体の一方の端部が前記ヒータに結合され、前記導体の2番目の端部が前記セラミック材料の前記第2の端部を越えて延在するように、前記第1の層に前記導体を配置することと、
    第2の層が少なくとも部分的に前記ヒータをカバーするように、前記第1の層の上に前記セラミック材料の前記第2の層を形成することと、
    前記第1の層と、前記第2の層とを処理して、シャフトを形成することと、
    前記第1の端部を前記プレートの前記底面に結合させることと
    を含む方法。
  15. 前記ヒータが、前記セラミック材料の層にプリントされる、請求項14に記載の方法。
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