JP2023030013A - Ｖ字型シールバンドを有するセラミック静電チャック - Google Patents

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Abstract

【課題】静電チャックと冷却プレートの接合部の劣化を抑制できるシールバンドを含む基板支持アセンブリを提供する。【解決手段】基板支持アセンブリに含まれる静電チャック（ＥＳＣ）と、冷却プレートとの間に配置され、静電チャックの底部と冷却プレートの上面とを固定し、接着層と接着層を保護するシールバンドを含む接合層において、シールバンドは、接着層を囲み保護し、リング状本体２０１を有する。リング状本体は、内面２１２と外面２１０により底面２５２に結合された上面２５４を有する。上面と底面は、内面から８５°より低い角度２２０をなす。外面は内部に形成されたインデント２３０を有する。【選択図】図２Ｂ

Description

背景
（分野）
本明細書に記載の実装形態は、一般に半導体製造に係り、より詳細には高温半導体製造に適した基板支持アセンブリに関する。
（関連技術の説明）
ナノメートル以下のフィーチャを確実に製造することは、半導体デバイスの次世代超大規模集積回路（ＶＬＳＩ）及び超々大規模集積回路（ＵＬＳＩ）のための重要な技術的課題の１つである。しかしながら、回路技術の限界が押し進められるにつれて、ＶＬＳI及びＵＬＳＩ相互接続技術の寸法の縮小は処理能力に対するさらなる要求を課している。基板上にゲート構造を確実に形成することは、ＶＬＳＩ及びＵＬＳＩの成功、及び個々の基板及びダイの回路密度及び品質を向上させるための継続的な努力にとって重要である。
製造コストを下げるために、集積チップ（ＩＣ）製造業者は、処理されるすべてのシリコン基板からより高いスループット、並びにより良いデバイス歩留まり及び性能を要求する。従来の静電チャック（ＥＳＣ）は、通常、基板支持アセンブリ内の冷却プレートに接合されている。接合はシールで保護することができる。しかしながら、シールは、ＥＳＣと冷却プレートの間の最小限の表面接触のために、わずかな保護しか提供しない。シールが劣化すると、フッ素ラジカルの浸透が接合層をエッチング除去することにより、静電チャックは基板支持アセンブリ内で接合の問題を起こす可能性がある。接合材料の損失は、冷却プレートからのＥＳＣの剥離を加速させる。更に、シールの劣化により、接合材料が処理容積内にガスを放出し、それによりチャンバ内の汚染を引き起こす可能性がある。チャンバは、基板支持アセンブリを修理又は交換するためにダウンタイムを必要とし、コスト、歩留まり及び性能に影響を及ぼす可能性がある。
従って、改良された基板支持アセンブリに対するニーズがある。
概要
本明細書に記載の実施形態は、接合層を保護するシールバンドを有する基板支持アセンブリを提供する。基板支持アセンブリは、ワークピース支持面と底面を有する静電チャックと、上面を有する冷却プレートと、静電チャックの底面と冷却プレートの上面とを固定する接合層を含む。接合層は、接着層と、接着層を囲むシールバンドを有する。シールバンドは静電チャックと冷却プレートの間にシールを提供する。シールバンドはリング状本体を有する。本体は内面と、上面と、内面により上面に接続された底面と、外面を有する。上面と底面は内面から８５°より小さな角度をなしている。外面は内部に形成されたインデントを有する。外面は上面を底面に接続する。
本発明の上記の構成を詳細に理解することができるように、上記で簡単に要約された本発明のより詳細な説明は、実装形態を参照することにより得ることができる。実装形態の幾つかは添付図面に記載されている。しかしながら、添付図面は本発明の典型的な実施形態を例示するに過ぎず、従って本発明の範囲を限定するものと解釈されず、本発明は他の同等に有効な実施形態を含み得ることに留意すべきである。
基板支持アセンブリの一実施形態を有する処理チャンバの概略断面側面図である。 基板支持アセンブリ用のシールの上平面図である。 図２Ａの切断線Ｂ－Ｂに沿ったシールの断面図である。 静電基板支持体と冷却プレートの間に配置されたシールの一実施形態を詳細に示す基板支持体アセンブリの部分断面概略側面図である。
理解を容易にするため、可能な場合には、図面に共通の同一要素を示すために同一参照番号が用いられる。一実施形態で開示された要素は、具体的な言及なしに、他の実施形態で有利に使用されることが意図される。
詳細な説明
本明細書に記載の実施形態は、シールバンドを含む基板支持アセンブリを提供する。シールバンドは、基板支持アセンブリの静電チャック（ＥＳＣ）と冷却プレートの間に配置される接着層を保護する。シールバンドは、高温オペレーションに曝露されるＥＳＣ用途に特に有利である。高温とは、約１５０℃を超える温度、例えば、約２５０℃を超える温度、例えば、約２５０℃～約３００℃の温度を指すことを意図している。シールバンドは接合層の外周に配置され、接合材料がガスを放出したり、過酷なチャンバ環境により攻撃されたりするのを防止する。シールバンドは、シールの完全性及び寿命を維持するために増大した接触面積を有するように構成される。基板支持アセンブリは以下でエッチング処理チャンバにおいて説明されるが、基板支持アセンブリは、他のタイプのプラズマ処理チャンバ（例えば、とりわけ、物理気相堆積チャンバ、化学気相堆積チャンバ、イオン注入チャンバ等）、及び接合層の保護が望ましい他のシステムで用いることができる。
図１は、エッチングチャンバとして構成された、基板支持アセンブリ１２６を有する例示的なプラズマ処理チャンバ１００の概略断面図である。基板支持アセンブリ１２６は、他の種類の処理プラズマチャンバ（例えば、とりわけ、プラズマ処理チャンバ、アニーリングチャンバ、物理気相堆積チャンバ、化学気相堆積チャンバ、及びイオン注入チャンバ等）、並びに、表面又は基板等のワークピースの処理均一性を制御する能力がある他のシステムで用いることができる。高温範囲での基板支持体の誘電特性tan（δ）、即ち誘電損失、又はρ、即ち体積抵抗率の制御は、基板１２４上の方位角方向の処理均一性を有利にすることができる。
プラズマ処理チャンバ１００は、処理領域１１０を囲む側壁１０４、底部１０６、及び蓋１０８を有するチャンバ本体１０２を含む。注入装置１１２は、チャンバ本体の側壁１０４及び／又は蓋１０８に結合される。ガスパネル１１４は注入装置１１２に結合され、処理ガスを処理領域１１０内に供給することを可能にする。注入装置１１２は、１以上のノズル又は入口ポート、代替的には、シャワーヘッドであってもよい。処理ガスは、処理副生成物と共に、チャンバ本体１０２の側壁１０４又は底部１０６に形成された排気口１２８を介して処理領域１１０から除去される。排気口１２８はポンピングシステム１３２に結合され、ポンピングシステム１３２は処理領域１１０内の真空レベルを制御するために用いられるスロットルバルブ及びポンプを含む。
処理ガスは、処理領域１１０内にプラズマを形成するように励起されることができる。処理ガスは、処理ガスに容量的又は誘導的に結合されたＲＦ電力により励起されることができる。図１に示される実施形態では、複数のコイル１１６がプラズマ処理チャンバ１００の蓋１０８の上方に配置され、整合回路１１８を介してＲＦ電源１２０に接続される。
基板支持アセンブリ１２６は、注入装置１１２の下方の処理領域１１０内に配置される。基板支持アセンブリ１２６は、静電チャック１７４と、冷却プレート１３０を含む。冷却プレート１３０は、ベースプレート１７６により支持される。ベースプレート１７６は、処理チャンバの側壁１０４又は底部１０６の一方により支持される。追加的に、基板支持アセンブリ１２６はヒータアセンブリ（図示せず）を含むことができる。追加的に、基板支持アセンブリ１２６は、冷却プレート１３０とベースプレート１７６の間に配置されたファシリティプレート１４５、及び／又は絶縁プレート（図示せず）を含むことができる。
冷却プレート１３０は、金属材料又は他の適切な材料から形成することができる。例えば、冷却プレート１３０は、アルミニウム（Ａｌ）で形成することができる。冷却プレート１３０は、内部に形成された冷却チャネル１９０を含むことができる。冷却チャネル１９０は、熱伝達流体源１２２に接続されることができる。熱伝達流体源１２２は、熱伝達流体（例えば、液体、気体、又はこれらの組合せ等）を提供し、これは冷却プレート１３０の内部に配置された１以上の冷却チャネル１９０を介して循環する。隣接する冷却チャネル１９０を介して流れる流体は、静電チャック１７４と冷却プレート１３０の異なる領域の間の熱伝達の局所的制御を可能にするように分離されてもよく、これにより、基板１２４の横方向温度プロファイルの制御を援助する。一実施形態では、冷却プレート１３０の冷却チャネル１９０を介して循環する熱伝達流体は、冷却プレート１３０を、約９０℃～約８０℃の温度、又は９０℃より低い温度に維持する。
静電チャック１７４は、誘電体１７５内に配置されたチャッキング電極１８６を含む。誘電体１７５は、ワークピース支持面１３７と、ワークピース支持面１３７の反対側の底面１３３を有する。静電チャック１７４の誘電体１７５は、セラミック材料（例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）又は他の適切な材料等）から製造することができる。代替的に、誘電体１７５は、ポリマー（例えば、ポリイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアリールエーテルケトン等）から製造することができる。
また、誘電体１７５は、内部に埋設された１以上の抵抗ヒータ１８８を含むことができる。抵抗ヒータ１８８は、基板支持アセンブリ１２６のワークピース支持面１３７上に配置される基板１２４の処理に適した温度まで基板支持アセンブリ１２６の温度を上昇させるために設けることができる。抵抗ヒータ１８８はファシリティプレート１４５を介してヒータ電源１８９に結合される。ヒータ電源１８９は、９００ワット以上の電力を抵抗ヒータ１８８に供給することができる。コントローラ（図示せず）はヒータ電源１８９のオペレーションを制御することができ、一般に、基板１２４を所定の温度に加熱するように設定する。一実施形態では、抵抗ヒータ１８８は、横方向に分離された複数の加熱ゾーンを含み、コントローラは、抵抗ヒータ１８８の少なくとも１のゾーンを、他のゾーンの１以上に位置する抵抗ヒータ１８８に対して優先的に加熱することを可能にする。例えば、抵抗ヒータ１８８は、複数の分離された加熱ゾーンを同心円状に配置することができる。抵抗ヒータ１８８は処理に適した温度に基板１２４を維持することができる。高い処理温度を用いる幾つかの実施形態では、抵抗ヒータ１８８は基板１２４を約１８０℃～約５００℃の温度に維持することができる。
静電チャック１７４は、一般に、誘電体１７５に埋設されたチャッキング電極１８６を含む。チャッキング電極１８６は、単極又は双極電極、又は他の適切なアレンジメントで構成することができる。チャッキング電極１８６はＲＦフィルタを介してチャッキング電源１８７に結合され、チャッキング電源１８７は基板１２４を静電チャック１７４のワークピース支持面１３７に静電的に固定するためにＲＦ又はＤＣ電力を供給する。ＲＦフィルタは、プラズマ処理チャンバ１００内でプラズマ（図示せず）を形成するために用いられるＲＦ電力が、電気機器に損傷を与えたり、チャンバの外側に電気的な危険を与えたりすることを防止する。
静電チャック１７４のワークピース支持面１３７は、基板１２４と静電チャック１７４のワークピース支持面１３７の間に画定された間隙空間に裏側熱伝達ガスを供給するためのガス通路（図示せず）を含むことができる。また、静電チャック１７４は、静電チャック１７４のワークピース支持面１３７の上方に基板１２４を上昇させるためのリフトピン（図示せず）を収容するためのリフトピン穴を含むことができ、プラズマ処理チャンバ１００内への及びプラズマ処理チャンバ１００からのロボット移送を容易にする。
接合層１５０は静電チャック１７４と冷却プレート１３０の間に配置される。接合層１５０は、静電チャック１７４と冷却プレート１３０との異なる熱膨張を提供する幾つかの層から形成されてもよい。接合層１５０は接着層（図３で３０８で示される）と、シールバンド１４０を含む。シールバンド１４０は、静電チャック１７４と冷却プレート１３０の間に配置された接合層１５０の接着層を形成する接着材料を処理領域１１０内に存在するガス及びプラズマから保護するように構成される。
図２Ａは、シールバンド１４０の上面平面図である。シールバンド１４０は、リング状本体２０１を有する。リング状本体２０１は、周りにシールバンド１４０が実質的に一致する中心２０２を有する。リング状本体２０１は、内面２１２と外面２１０とを有する。リング状本体２０１の外面２１０は、シールバンド１４０の外径を画定する直径２０８を有する。一実施形態では、直径は約３０６ｍｍ～約３１０ｍｍ（例えば、約３０８ｍｍ）であってもよい。他の実施形態では直径２０８は約２０６ｍｍ～約２１０ｍｍ（例えば、約２０８ｍｍ）であってもよい。更に他の実施形態では、直径２０８は約４５６ｍｍ～約４６０ｍｍ（例えば、約４５８ｍｍ）であってもよい。
シールバンド１４０は、例えば、約６０～約８０（例えば、７２）のショアＤ硬度を有する軟質エラストマー材料から形成することができる。更に、シールバンド１４０は、約１０ＭＰａ～約１５ＭＰａ（例えば、１１．１ＭＰａ）の引張強度を有することができる。シールバンド１４０を形成するエラストマー材料は、破断前にその元のサイズの約１６０％まで延伸することができる。シールバンド１４０は、高性能エラストマー（例えば、テトラフルオロエチレン／プロピレン、Fluoritz-TR（商標名）又はPerlastG67P（商標名）等のペルフルオロエラストマー、又は他の適切な材料）から形成することができる。一実施形態では、シールバンド１４０は、Fluoritz-TR（登録商標）から形成される。シールバンド１４０の材料は充填剤を含まず、クラッキング及びプラズマラジカルに対する耐性を高めるためにフッ素及び酸素のケミストリに対して耐性がある。フィラー材料が存在しないため、ベースエラストマーがエッチング除去されたフィラー材料の境界で従来のフィラーシールに起こる早期のクラッキング形成が防止される。フィラー材料が存在しないので、材料の侵食速度が増加する可能性があるが、より大きい接触及びクラッキングがないことがシールバンド１４０の耐用年数を有利に改善する。
図２Ｂは、図２Ａの切断線Ｂ－Ｂに沿ったシールバンド１４０の断面図である。シールバンド１４０は、上面２５４と底面２５２を有する。上面２５４と底面２５２は、内面２１２により接続されている。仮想法線２５３は、内面２１２から９０°に配置することができる。角度２２０は、仮想法線２５３と底面２５２の間に形成することができる。上面２５４は、仮想法線２５３に対して底面２５２と同様に角度が付けられてもよい。角度２２０は、約１０°～約３０°（例えば２０°）であってもよい。従って、上面２５４及び底面２５２は、内面２１２から約１００°～約１２０°（例えば、約１１０°を超える角度）を有することができる。上面２５４及び底面２５２は、内面２１２と外面２１０の間の法線に沿って測定される長さ２６２を有することができる。長さ２６２は、約１．５５ｍｍ～約１．２５ｍｍ（例えば、１．４０ｍｍ）とすることができる。
外面２１０は、上面２５４と底面２５２の間に延びる高さ２６４を有することができる。高さ２６４は、約２．０７５ｍｍ～約２．１２５ｍｍ（例えば、約２．１００ｍｍ）とすることができる。外面２１０は、その中に形成されたインデント（窪み）２３０を有することができる。インデント２３０は、シールバンド１４０にＶ字形の輪郭を形成することができる。インデント２３０は、約０．３０ｍｍ～約０．５０ｍｍ（例えば、約０．４０ｍｍ）の深さ２３２を有することができる。インデント２３０は、取り付けを容易にするためにシールバンド１４０が容易に圧縮することを可能にし、基板支持アセンブリ１２７に配置される際、シール形成時に、静電チャック１７４と冷却プレート１３０の接触面積を増大させる実質的に平行な配向に上面２５４及び底面２５２を配向することを可能にする。一実施形態では、シールバンド１４０は、インデント２３０と内面２１２とを分岐する仮想線に関して対称的である。
基板支持アセンブリ１２７におけるシールバンド１４０の使用について、図３に関連して説明する。図３は、静電チャック１７４と冷却プレート１３０の間に配置されたシールバンド１４０の一実施形態を詳細に示す基板支持アセンブリ１２６の部分断面概略側面図である。静電チャック１７４と冷却プレート１３０の間に配置された接合層１５０は、異なる材料から形成することができる。電気ソケット３６０は、誘電体１７５に埋設された抵抗ヒータ１８８及びチャッキング電極１８６への接続を提供することができる。抵抗ヒータ１８８は、静電チャック１７４の底部１３３を２５０℃を超える温度に加熱することができる。接合層１５０は、静電チャック１７４又は冷却プレート１３０の外径３５２まで延びることができる。接合層１５０は、静電チャック１７４と冷却プレート１３０の間の熱膨張を考慮して可撓性であり、これにより、クラッキングを実質的に防止し、静電チャック１７４が冷却プレート１３０から剥離する可能性を低減する。
接合層１５０は、少なくとも１つの接着層３０８を含む。接着層３０８は、ペルフルオロ化合物、シリコーン、多孔質グラファイト、アクリル化合物、ペルフルオロメチルビニルエーテル、アルコキシビニルエーテル、CIRLEX（商標名）、TEFZEL（商標名）、KAPTON（商標名）、ＶESPEL（商標名）、KERIMID（商標名）、ポリエチレン、又は他の適切な材料から形成することができる。接着層３０８は、約１ｍｍ～約５ｍｍ（例えば、約１．７５ｍｍ等）の厚さ３０２を有することができる。接着層３０８は、約０．１Ｗ／ｍＫ～約１Ｗ／ｍＫ（例えば、約０．１７Ｗ／ｍＫ）の熱伝導率を有することができる。
ノッチ３４２が接着層３０８の外周３５０と静電チャック１７４の外径３５２の間に形成されている。シールバンド１４０の直径２０８は、静電チャック１７４の外径３５２よりも小さい。更に、シールバンド１４０の直径２０８は冷却プレート１３０の外径よりも小さい。シールバンド１４０は接着層３０８の外周３５０の周りに配置され、即ち外接する。ノッチ３４２は、シールバンド１４０が静電チャック１７４と冷却プレート１３をシールするように係合させることができるようなサイズにすることができる。シールバンド１４０は静電チャック１７４と冷却プレート１３０の間に真空気密シールを任意に形成してもよいが、シールの主な機能は接着層３０８の露出している外周部３５０を処理領域１１０内の環境から保護することである。
一実施形態では、シールバンド１４０は、基板支持アセンブリ１２６の接合材料（接着層３０８）に対する処理ガスの曝露を防止する。即ち、シールバンド１４０は、基板支持アセンブリ１２６の内部をプラズマ環境への曝露から保護する。シールバンド１４０は、接着層３０８からの揮発ガスがプラズマ環境を汚染するのを防止する。シールバンド１４０は、接着層３０８及び基板支持アセンブリ１２７の他の内部構造をプラズマ環境から保護する。
シールバンド１４０は、Ｖ字形とすることができる。シールバンド１４０の形状は、従来のＯリングシールよりも実質的に大きいシールのための接触面３１０を提供する。更に、Ｖ字形はシールバンド１４０の取り付けをより容易にする。例えば、Ｖ字形を有するシールバンド１４０を取り付けるのに必要な力は、従来のOリングを取り付けるのに必要な力と比較して約４０％減少する。例えば、０℃では、シールバンド１４０は約０．６３Ｎ／ｍｍの取付力を有するのに対し、従来のＯリングは約１．００Ｎ／ｍｍの取付力を有する。Ｖ字形を有するシールバンド１４０の接触面３１０は、従来のＯリングの接触面積と比較して（幅において）実質的に大きい。例えば、シールバンド１４０の接触面３１０は、従来のＯリングの接触面積よりも約３０％大きい。温度が０℃から５０℃に上昇すると、シールバンド１４０の接触面３１０は約０．６２ｍｍから約０．７４ｍｍに上昇する。
設置後、シールバンド１４０にかかる圧縮荷重は、シールバンド１４０の温度と共に変化する。オペレーション中、シールバンド１４０は、２０％程圧縮される可能性がある。高温でのシールバンド１４０の圧縮の増加は、いくらかの侵食後でさえもシール能力を向上させる。シールバンド１４０の侵食プロファイルは、シールバンド１４０の寿命の指標となり得る。８００ＲＦ時間及び１７００ＲＦ時間における侵食プロファイルは、シールバンド１４０の交換を必要とする磨耗がほとんどないことを示している。シールバンド１４０の熱膨張はシールバンド１４０の圧迫を増大させ、その結果、圧縮荷重が増大するので、圧縮荷重は線形ではない。同時に、シールバンド１４０の材料は熱により軟化し、その結果、圧縮荷重が減少する。例えば、０℃では、シールバンド１４０にかかる圧縮荷重は約０．２３Ｎ／ｍｍである。２５℃では、シールバンド１４０の圧縮荷重は約０．２６Ｎ／ｍｍに増大する。５０℃では、シールバンド１４０の圧縮荷重は約０．１５Ｎ／ｍｍまで減少する。
初期クラッキングに対するシールバンド１４０の耐性が金属製ドラム上で試験された。シールバンド１４０は金属ドラム上で２８％延伸された。シールバンド１４０は、１９６：４の重量比で流れるＯ２及びＣＦ４を有するプラズマに曝露された。Ｆｌｕｏｒｉｔ－ＴＲから形成されたシールバンド１４０は、Ｆｌｕｏｒｉｔｚ－Ｔ２０、透明ペルフルオロエラストマー（ＦＦＫＭ）Ｂ又はＤ、白色ＦＦＫＭ Ｆ、Ｋ又はＬ、及びＰＯＲから形成されたシールバンド１４０と比較して、クラッキングからの寿命が１００％超の増加を示した。更に、侵食による重量損失は、Ｆｕｏｒｉｔｚ－Ｔ２０を除く全ての前述の材料よりも少なかった。有利なことに、シールバンド１４０の圧縮荷重及び材料は、シールを劣化させる可能性があるクラッキングを著しく減少させた。例えば、３２０ＲＦ時間及び６００ＲＦ時間後に、Ｆｌｕｏｒｉｔｚ－ＴＲから形成されたシールバンド１４０は目に見える侵食又はクラッキングの兆候を示さなかった。
有利なことに、Ｖ字形を有するシールバンド１４０は、処理チャンバ内の過酷なラジカル化学（例えば、接合層を保護するシールを貫通してシールをエッチング除去するようなフッ素ラジカル）からシールのクラッキング又は劣化を実質的に防止する。Ｖ字形を有するシールバンド１４０は、ＥＳＣと冷却プレートの間の接合の劣化を実質的に最小限に抑えると共に、接合層から放出される揮発性物質が処理環境に入るのを実質的に防止する。従って、Ｖ字形を有するシールバンド１４０は、チャンバ内の汚染を防ぎ、プロセス歩留まり及びオペレーショコストに影響を及ぼす可能性があるチャンバのダウンタイムを短縮する。
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その基本的な範囲から逸脱することなく創作することができ、その範囲は以下の特許請求の範囲に基づいて定められる。

Claims (1)

  1. 基板支持アセンブリであって、
    ワークピース支持面と底面を有する静電チャックと、
    上面を有する冷却プレートと、
    静電チャックの底面と冷却プレートの上面とを固定する接合層であって、接合層は、
    接着層と、
    接着層を囲み、静電チャックと冷却プレートに接触し、リング状本体を有するシールバンドを含み、リング状本体は、
    内面と
    内面により接続され、内面から１１０°超の角度をなしている上面と底面と、
    内部に形成されたインデントを有し、上面を底面に接続する外面を有する、基板支持アセンブリ。
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