JP2023548296A - ワークピースの温度均一性を改善するためのハイブリッド高温静電クランプ - Google Patents

ワークピースの温度均一性を改善するためのハイブリッド高温静電クランプ Download PDF

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Abstract

熱静電クランプは、ワークピースの中央領域に関連付けられた中央静電部分を有する。中央体はクランプ面を有し、１つ以上の電極は中央体に関連付けられている。１つ以上の電極は、電極を通過する電流に基づいて、少なくともワークピースの中央領域をクランプ面に選択的に静電的にクランプする。中央体の１つ以上の第１ヒータは、中央静電部分を第１温度まで選択的に加熱する。ワークピースの周辺領域に関連する非静電周辺部分は、ギャップによって隔離された、中央体を取り囲む周辺体を有する。周辺体は、ワークピースの周辺領域の下に配置される。周辺部分は、ワークピースの周辺領域を静電的にクランプしない。周辺体の１つ以上の第２ヒータは、非静電周辺部分を第２温度まで選択的に加熱する。

Description

発明の詳細な説明
〔関連出願へのリファレンス〕
本出願は、２０２０年１１月１１日に出願された米国特許仮出願第６３／１１２，５３８号「ワークピースの温度均一性を改善するためのハイブリッド高温静電クランプ（HYBRID HIGH-TEMPERATURE ELECTROSTATIC CLAMP FOR IMPROVED WORKPIECE TEMPERATURE UNIFORMITY）」の利益を主張し、その全ての内容は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
〔技術分野〕
本開示は、一般的には、ワークピース処理システムおよびワークピースを処理するための方法に関し、より詳細には、イオン注入システムにおける高温熱静電クランプ上のワークピースの温度を均一に制御するためのシステムおよび方法に関する。
〔背景〕
半導体処理において、イオン注入などの多くの操作がワークピースまたは半導体ウェハ上で実行されうる。イオン注入処理技術が進歩するにつれて、ワークピースにおける様々な注入特性を達成するために、ワークピースにおける様々なイオン注入温度が利用されてきた。例えば、従来のイオン注入処理において、通常では、低温注入（コールドインプラント）、高温注入（ホットインプラント）、および、いわゆる準室温注入という３つの温度レジームが考慮されている。低温注入では、ワークピースにおける処理温度が室温未満の温度に維持される。高温注入では、ワークピースにおける処理温度が通常では１００～６００℃の範囲に維持される。準室温注入では、ワークピースにおける処理温度は、室温をわずかに上回る温度に維持されるが、高温注入において使用される温度よりも低く、通常では５０～１００℃の範囲の準室温注入温度を伴う。
例えば、高温注入がより一般的になってきている。高温注入では、処理温度は、通常では加熱チャックとも称される専用の高温の静電チャック（electrostatic chuck，ＥＳＣ）によって到達させられる。加熱チャックは、注入中にワークピースを当該加熱チャックの表面に保持またはクランプする。従来の高温ＥＳＣは、例えば、ＥＳＣおよびワークピースを処理温度まで加熱するためにクランプ面の下に埋め込まれたヒータのセットを備えている（例えば、１００℃～６００℃）。これにより、従来では、ガスインターフェースは、クランプ面からワークピースの裏側への熱インターフェースを提供する。通常では、高温ＥＳＣは、バックグラウンド内のチャンバ表面へのエネルギーの放射を通じて冷却される。
〔概要〕
したがって、本開示は、静電クランプ上のワークピースをクランプし、その温度を制御するためのシステム、装置、および方法を提供する。したがって、以下では、本発明の複数の態様についての基本的な理解を提供するために、本開示の簡略化された概要を提示する。この概要は、本発明の広い概観ではない。本概要は、本発明の重要な要素を識別するものでもないし、正確に概説するものでもない。本概要の目的は、後に記載する詳細な説明の序文として、本発明の複数の概念を単純化した形で示すことにある。
本開示の一態様によれば、熱静電クランプ装置が提供され、静電クランプ部材がワークピースを熱静電クランプ部材に静電的にクランプするように構成される。静電クランプ部材は、例えばワークピースの中央領域を選択的に加熱するようにさらに構成されている。非静電部材は、例えば前記静電クランプ部材の周辺を概ね取り囲み、非静電部材は、ワークピースの周辺領域を選択的に加熱するように構成されている。さらに、非静電部材は、ワークピースを非静電部材に静電的にクランプするように構成されていない。
一例において、静電クランプ部材は、中央クランプ面を画定し、静電クランプ部材は、内部に埋め込まれた１つ以上の電極を有する中央体を備える。中央体は例えば、セラミック材料から構成され、１つ以上の電極は、選択的に通過する電流に基づいて、ワークピースの少なくとも中央領域を中央クランプ面に選択的に静電的にクランプするように構成されている。
静電クランプ部材は、前記ワークピースの前記中央領域を第１温度まで選択的に加熱するように構成された１つ以上の第１ヒータをさらに備えている、第１ヒータは、少なくとも１つの抵抗ヒータを含んでいる。
一例において、非静電部材は、静電クランプ部材を概ね取り囲む。例えば周辺体は、ギャップによって静電クランプ部材から隔離される。それにより、中央体および周辺体のうちの１つ以上の熱膨張および／または熱収縮に関連する熱応力が最小限に抑えられる。
周辺体は、一例において、ワークピースの中央領域が静電クランプ部材の中央クランプ面に静電的にクランプされているときに、周辺体がワークピースの周辺領域の下に配置されている。非静電部材の上面は、例えば、静電クランプ部材の中央クランプ面と概ね同一平面上にあってよく、非静電部材は、ワークピースの周辺領域に接触するように構成されている。一例において、非静電部材の上面は、静電クランプ部材の中央クランプ面に対して下方に凹んでおり、非静電部材の上面は、ワークピースの周辺領域に接触しないように構成されている。
さらに別の実施例において、非静電部材は、周辺体に関連付けられた１つ以上の第２ヒータをさらに備え、１つ以上の第２ヒータはワークピースの周辺領域を第２温度まで選択的に加熱するように構成されている。例えば、コントローラがさらに提供されている。当該コントローラは、１つ以上の第１ヒータおよび１つ以上の第２ヒータを選択的に通電するように構成されている。１つ以上の熱監視デバイスは、例えば、ワークピースが中央クランプ面上に存在しているときに、ワークピースの中央領域および周辺領域のうちの１つ以上の、１つ以上の温度を決定するようにさらに構成されている。１つ以上の熱監視デバイスは、例えば、ワークピースの表面に直接的に接触するように構成された１つ以上の直接接触熱デバイスを備えていてよい。
コントローラは例えば、１つ以上の決定された温度に少なくとも部分的に基づいて、１つ以上の第１ヒータおよび１つ以上の第２ヒータを選択的に通電するようにさらに構成されている。さらに、１つ以上の第１ヒータおよび１つ以上の第２ヒータは、ワークピースを約４００℃またはそれよりも高い温度まで選択的に加熱するように構成されており、したがって、高温静電クランプを画定する。
静電クランプ部材及び非静電部材は例えば、１つ以上のセラミックを含む。別の実施例において、静電クランプ部材および非静電部材は、互いに異なる材料から構成されている。例えば、静電クランプ部材はセラミック材料を含み、非静電部材は、グラファイト、シリコン、およびシリコンカーバイドのうちの１つを含む。さらに別の実施例において、１つ以上の機械クランプが設けられ、ワークピースの周辺と選択的に係合するように構成されている。
別の態様によれば、熱静電クランプ装置が提供されている。熱静電クランプの中央静電部分は、中央クランプ面を画定し、中央静電部分は、ワークピースの中央領域に関連付けられている。中央静電部分は、例えば、中央体の上に画定されたクランプ面を有する中央体と、中央体に関連付けられた１つ以上の電極とを備える。１つ以上の電極は、１つ以上の電極を選択的に通過する電流に少なくとも部分的に基づいて、ワークピースの少なくとも中央領域をクランプ面に選択的に静電的にクランプするように構成されている。中央静電部分は、例えば、中央体に関連する１つ以上の第１ヒータをさらに備え、１つ以上の第１ヒータは、中央静電部分を第１温度まで選択的に加熱するように構成される。
例えば、熱静電クランプの非静電周辺部は、ワークピースの周辺領域に関連付けられている。非静電周辺部は、中央体を概ね取り囲み、ギャップによって中央体から隔離された周辺体を備える。周辺体は例えば、ワークピースの中央領域がクランプ面に静電的にクランプされるときに、ワークピースの周辺領域の下に配置される。周辺体は例えば、ワークピースの周辺領域を周辺体に静電的にクランプするようには構成されていない。例えば、周辺体に関連付けられた１つ以上の第２ヒータは、非静電周辺部を第２温度まで選択的に加熱するようにさらに構成される。第１温度と第２温度とは、例えば１０℃を超えて異なりうる。別の実施例において、第１温度と第２温度とは、例えば１００℃を超えて異なりうる。
一例において、１つ以上の熱監視デバイスが中央体および周辺体のうちの１つ以上に関連する１つ以上の温度を決定するように構成されている。例えば、１つ以上の温度は、ワークピースの表面に関連する。一例において、１つ以上の熱監視デバイスは、ワークピースの表面に直接的に接触するように構成された１つ以上の直接接触熱デバイスを含む。この場合、ワークピースの表面における１つ以上の温度を測定できる。１つ以上の熱監視デバイスは、例えば、熱電対（thermocouple，ＴＣ）および抵抗温度検出器（resistance temperature detector，ＲＴＤ）のうちの１つ以上を含みうる。
別の実施例において、１つ以上の熱監視デバイスは、ワークピースに直接的に接触することなくワークピースの１つ以上の温度を測定するように構成された、１つ以上の非接触熱デバイスを含む。１つ以上の非接触熱デバイスは、例えば、ＩＲセンサおよびパイロメータのうちの１つ以上を含んでいてよい。さらに別の実施例において、１つ以上の熱監視デバイスは、中央体および／または周辺体に関連付けられ、またはその内部に配置される。これにより、１つ以上の非接触熱デバイスは、ワークピースの１つ以上の温度を監視または推定するように構成されている。別の実施例において、コントローラが設けられている。当該コントローラは、１つ以上の熱監視デバイスによって決定された１つ以上の温度に基づいて、１つ以上の第１ヒータおよび１つ以上の第２ヒータを選択的に通電するように構成されている。
いくつかの実施例において、中央体および周辺体は１つ以上のセラミックを含み、または構成されている。別の実施例において、中央体および周辺体が互いに異なる材料から構成されている。例えば、中央体は、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、および石英のうちの１つ以上のセラミック材料を含んでいていてもよいし、または構成されていてよい。周辺体は、グラファイト、シリコン、および炭化ケイ素のうちの１つを含んでいてもよいし、または構成されていてもよい。
周辺体は、例えば、クランプ面に対して下方に凹んだ上面を有し、周辺体の上面は、ワークピースに接触しないように構成されている。別の実施例において、周辺体の外径はワークピースの直径以上であり、さらに別の実施例において、周辺体の外径は、ワークピースの直径よりも小さく、例えばワークピースの直径よりも約１～３ｍｍ小さい。さらに別の例において、周辺体の形状がワークピースの形状に概ね一致する。
別の実施例によれば、１つ以上の第１ヒータおよび１つ以上の第２ヒータは、ワークピースを約１５０℃以上に選択的に加熱するように構成されている。さらに別の例において、１つ以上の第１ヒータおよび１つ以上の第２ヒータは、ワークピースを約４００℃以上まで選択的に加熱するように構成される。１つ以上の機械クランプがさらに提供されていてよい。当該機械クランプは、ワークピースの周辺の補助的なクランプとして、ワークピースの周辺領域に選択的に係合するように構成されていてよい。
前述の目的および関連する目的を達成するために、本開示は、以下に十分に説明され、特許請求の範囲において特に挙示されている構成を含む。以下の記載および添付の図面は、本発明の例示的な実施形態を詳細に示している。しかし、これらの実施形態は、本発明の原理を用いる種々の方法の一部を示しているにすぎない。本発明の他の目的、利点および新規な構成は、図面を参照して、本発明の詳細な記載から明らかになるであろう。
中央および周辺クランプ電極を有する従来のＥＳＣの概略図である。 図１ＡのＥＳＣのエッジにおける温度降下のグラフである。 中央および周辺クランプ電極と周辺シールドとを有する別の従来のＥＳＣの概略図である。 図２ＡのＥＳＣのエッジにおける温度降下のグラフである。 複数の熱シールドを有するさらに別の従来のＥＳＣの模式図である。 本開示の一態様による熱チャックの実施例の平面図である。 本開示の一態様による熱チャックの周辺部および中央部の部分断面図である。 本開示の一態様による例示的な加熱イオン注入システムのブロック図を示す。 本開示の別の態様による、ワークピースの温度制御のための例示的な方法を示すブロック図である。
〔詳細な説明〕
本発明は、一般的には、ワークピース処理システムおよび装置に関する。より詳細には、本発明は、イオン注入システムに使用するための熱静電クランプ（ＥＳＣ）および静電クランプシステムおよび方法に関する。ＥＳＣは、イオン注入処理のためにＥＳＣにクランプされたワークピースを加熱するように構成されている。したがって、本発明は、図面を参照して説明され、全体を通して、同様の参照番号が同様の要素を指すために使用されうる。これらの態様の説明は、単なる例示であり、限定的な意味で解釈されるべきではないことを理解されたい。以下の説明において、説明目的のために、本発明の十分な理解を提供すべく、様々な特定の詳細が記載されている。当業者であれば、本発明は、これらの特定な詳細がなくても実施できることが明らかであろう。
高温イオン注入のための従来の静電クランプの構成は、ワークピースのエッジ近傍における大きい温度降下を被る。このことは、高温動作している間、加熱ＥＳＣの表面を越えて延在するワークピースのエッジ近傍領域からの大きい熱損失（例えば、放射熱損失）による。このような放射熱損失は、ワークピースのターゲット注入温度が４００℃を超えると顕著になりうる。この場合、温度は、
Ｔｗ ４－Ｔａ ４・・・（１）
によって増加する。Ｔｗは、エッジ近傍領域におけるワークピースの温度であり、Ｔａは、ワークピースのエッジのすぐ後ろの周辺温度である。
イオン注入におけるワークピースをイオンビームに曝露するためのＥＳＣの構成は、通常ではワークピースの直径を超えて延在する曝露表面を有することができない。例えば、セラミッククランプ表面を有するＥＳＣにおいて、イオンビームによるセラミック表面のスパッタリングからワークピース上に元素汚染が生じる可能性があり、したがって生産歩留まりが悪化する。さらに、そのようなＥＳＣの曝露表面を有することは、イオンビームによるＥＳＣへの潜在的な損傷をもたらしうる。したがって、高スループットエンドステーションにおけるワークピース配置精度に関する潜在的な問題と同様に、コストを要する修理または交換をもたらす可能性がある。
したがって、ＥＳＣの外径は、ワークピースの直径よりも約２～１５ｍｍ小さく構成されており、したがって、ＥＳＣに対するワークピースのオーバーハングをもたらす。例えば、図１Ａに示される１つの従来のクランプシステム１０において、ワークピース直径１４（例えば、１５０ｍｍ）を有するワークピース１２は、従来では、クランプ直径１８（例えば、約１４０ｍｍ）を有するクランププレート１６上に支持されている。したがって、図１Ａに示されるワークピース１２のオーバーハング２０は、高温時にワークピースまたはクランププレート１６のエッジまたは周辺部２２からの著しい熱損失を引き起こし、したがって、図１Ｂに示されるように、ワークピースの周辺部に関連する急激な温度降下２４をもたらす可能性がある。
図２Ａに示される従来のクランプシステム３０の別の例において、１つ以上の熱シールド３２は、ワークピース１２またはクランププレート１６の周辺部２２およびクランププレート１６の周辺部２６からの熱の損失を最小限に抑えるために提供されたシールド直径３４（例えば、約１４８ｍｍ）を画定する。従来のシールド直径３４は、通常では１つ以上の熱シールド３２へのビームの衝突を回避するためにクランプ直径１８よりも小さいが、ワークピース直径１４よりも大きい。しかしながら、そのような手段は、図２Ｂに示されるように、ワークピース１２のエッジまたは周辺部に関連する著しい温度降下３６を依然としてもたらす。
図３には、別の従来のクランプシステム４０が示されている。図３の例では、複数の熱シールド４４を含むマルチレベル熱シールドアセンブリ４２は、ワークピースのクランププレート４４および周辺部２２に近接して放射シールド温度をさらに増加させるために提供される。しかしながら、そのような設計は、ワークピース１０のワークピース直径１２を越えて延在する熱シールド４２を提供する。したがって、イオンビームの衝突によるシールド材料の直接的な注入および、注入中のワークピースへのバックスパッタ原子蒸着に起因して、イオン注入システムの汚染の可能性を増加させる。一般的には、複数の熱シールド４２は、例えば、クランププレート４４（例えば、周辺温度よりも高い）の温度よりも高い温度を有する。したがって、熱シールド４２は、ワークピース１０のエッジ２２付近の温度降下を低減するために、限られた能力を有しているが、状況によっては温度降下を十分に排除することができない。
図１Ａおよび図２Ａに示すように、マルチゾーンヒータ（例えば、２つの領域を有するヒータ）の使用は、ＥＳＣの外側領域における熱損失を補うために、ＥＳＣの外側領域内（例えば、ワークピースの外側エッジに近接している）をより高い温度にすることを可能にする。外側領域温度は、ウェハエッジ付近の温度低下を最小限に抑えるために、内側領域温度より少なくとも１００℃高くすべきであることが分かる。しかしながら、ＥＳＣの表面に導入される熱応力により、ワークピースを加熱するＥＳＣ表面（セラミックまたは絶縁材料からなる）において維持されうる実際の温度差には限界がある。例えば、フォン・ミーゼス（Von Mises）応力は、ＥＳＣのセラミック内の温度プロファイル／差から生じうる。１つの実験では、最大応力が１１４ＭＰａから２６７ＭＰａに増加する。そのような高い応力（例えば、＞１００ＭＰａ）は、ＥＳＣに使用される絶縁セラミックの機械的故障の重大なリスクをもたらす。
したがって、本開示は、ＥＳＣ装置の加熱された部分をワークピースの直径を超えて不適当に延在することなく、ワークピースに対する加熱ＥＳＣの熱均一性を高めるための静電クランプ装置、システム、および方法を提供する。例えば、図４～図５は、本開示の例示的な加熱ＥＳＣ１００を示し、当該加熱ＥＳＣは多コンポーネント構造（例えば、少なくとも２つのコンポーネントまたは部品）を提供することによって、従来のＥＳＣの限界を克服する。例えば、加熱ＥＳＣ１００の内部または中央部１０２（例えば、内部領域）は、ワークピース１０４を自身に静電的にクランプするように構成されている。一方、周辺部１０６（例えば、外部領域）は、ワークピースを静電的にクランプする静電クランプ能力を有さず、むしろ、高温動作（例えば、約１００℃～５００℃またはそれよりも高い範囲）と実質的に適合する材料からなる。
中央部１０２は、例えば、１つ以上の第１ヒータ１０８Ａ、１０８Ｂを備える。一方、周辺部１０６は、１つ以上の第２ヒータ１１０を備える。１つ以上の第１ヒータ１０８および１つ以上の第２ヒータ１１０は、例えば、様々な温度へと個別に制御されてよく、ＥＳＣ１００のそれぞれの中央部１０２および周辺部１０６内に様々な副領域をもたらしうる。
上述のワークピース１０４の周辺１１２に関連する熱損失を考慮して、周辺部１０６に関連する１つ以上の第２ヒータ１１０は、例えば、ＥＳＣ１００の中央部１０２に関連する１つ以上の第１ヒータ１０８よりも高い温度まで加熱されてもよい。
中央部１０２は、例えば、中央部１０２に関連する１つ以上のクランプ電極１１４をさらに有する。この場合、１つ以上のクランプ電極は、ＥＳＣ１００の中央部の材料組成物１１６と併せて、ワークピース１０４をＥＳＣ１００のクランプ面１１８に静電的にクランプするように構成されている。
ＥＳＣ１００の中央部１０２および周辺部１０６のうちの１つ以上は、例えば、１つ以上のセラミックを含んでいてもよいし、または、１つ以上のセラミックから構成されていてもよい。非限定的な例において、１つ以上のセラミックは、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、および石英のうちの１つ以上を含みうる。さらに、中央部１０２は、中央部を画定する１つ以上の中央部材を備えていてもよいことを理解されたい。同様に、周辺部１０６は、周辺部を画定する１つ以上の周辺部材を備えていてもよい。
一例において、ＥＳＣ１００の周辺部１０６は、シリコン（Ｓｉ）、シリコンカーバイド（炭化ケイ素，ＳｉＣ）、グラファイト、またはアルミナ、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、石英などの他のセラミックなどの材料、またはこれらに限定されない材料を含んでいてもよいし、または、当該材料から構成されていてもよい。例えば、周辺部１０６または外側領域加熱材料は、静電クランプ電極を有していないが、ＥＳＣ１００の周辺部の温度をＥＳＣの中央部１０２の温度よりも著しく高い温度に制御および設定することができる。したがって、ＥＳＣの周辺領域１０６についての要件の緩和（例えば、静電クランプ機能を有しない）は、ＥＳＣ１００のＥＳＣ直径１２２をワークピース１０４に関連するワークピース直径１２４よりも小さく維持するとともに、ワークピース１０４上の所望の温度均一性を達成するために、ＥＳＣ１００の周辺領域１２０におけるより高温の動作のための材料の膨大な選択肢を提供する。外側領域の温度は、ＥＳＣと同じ温度に保持されてもよいし、または、ＥＳＣ温度よりも少なくとも２５℃から＞２００℃までの高い温度に保持されてもよい。
ワークピース１０４上のモデル化された温度プロファイルおよびＥＳＣ１００のセラミック中の熱応力は、周辺部１０６を中央部１０２から隔離することによって、ＥＳＣ１００の中央部の応力が最小化されうることを示した。モデルにおける条件は、６００℃を超えるワークピース温度を目標とするように選択されており、中央部１０２（例えば、静電クランプ機能を有する内側領域）は７００℃に設定されており、周辺部１０６（例えば、静電クランプ機能を有しない外側領域）は８４０℃に維持されている。このことは、２つの領域間に有意な温度差を提供する。このクランプアセンブリの２つの部分において結果として生じた温度分布は、従来のＥＳＣよりも低いフォン・ミーゼス応力をもたらした。以上の構成により、中央部１０２の全て（例えばセラミック部）において、５０Ｍｐａ未満の応力が維持され、熱応力による破損の危険性が低減された。ワークピース上に得られた温度プロファイルは、従来のＥＳＣとは対照的に、６００℃を超えるベースワークピース温度において著しく良好な熱均一性をさらに提供した。本開示は、ワークピース１０４のエッジまたは周辺部１２０付近の温度ロールオフのさらなる改善が、周辺または外側領域の温度をわずかに高く増加させるか、または他の方法によって当該温度を最適化することで達成されることを意図する。
したがって、本開示のＥＳＣ１００のハイブリッド設計（例えば、静電中央部および非静電周辺部）は、リフトピン、ワークピースピックポイントなどの、最小限の鋭い機構（例えば、応力点）を有する対称セラミック中央部１０２を用いて簡略化されることを可能にする。また、中央部または内側領域における静電クランプ機能を維持しつつ、ＥＳＣ１００が適切に機能するために材料および電気（例えば、絶縁）特性を同時に有する必要がない周辺部１０６または外側領域のためのより高温の材料の選択を可能にする。複数の加熱領域（例えば、１つより多い領域）と、周辺部１０６または環状リング内の関連付けられている第２ヒータ１１０と、を統合するように、この設計に対するさらなる改良もまた意図されている。加えて、本開示は、ＥＳＣ１００の周辺部１０６に関連付けられているシールリング１２６を介して、ワークピース１０４とクランプ面１１８との間を冷却する裏面ガスを統合することを意図する。例えば、周辺部１０６と中央部１０２とは、それらの間の応力がさらに最小化されうるように、ギャップ１２８によってさらに隔離されうる。
さらに、別の実施例において、本開示は、周辺部１０６の上面１３０が、ＥＳＣの内側領域の中央部１０２およびシールリング１２６に関連付けられているクランプ１１８の表面よりもわずかに下に位置付けられることを意図する。下側周辺部１０６は例えば、ＥＳＣ１００が湾曲されうるワークピースをより効率的に取り扱い、かつ、クランプすることを可能にする。例えば、ワークピースが上向きに凸面（例えば、伏せたボウル形状）に、ＥＳＣ１００に提示される場合、周辺部１０６またはＥＳＣ上に載っているワークピース１０４のエッジ１２０がより低くなると、従来のＥＳＣとは対照的に、中央部１０２におけるクランプ面１１８へのワークピースのさらなる近接が依然として可能になる。従来のＥＳＣでは、このような湾曲したワークピースエッジはエッジ封止リング上に載りうるが、ワークピースの中心はクランプ面からさらに退けられる。
さらに、本開示は、逆湾曲部（例えば、下に凸または上に凸のボウル）を有するワークピースのハンドリングおよび静電クランプを提供する。この場合、ワークピースの中心付近の表面が、静電クランプ面１１８に極めて近接したままとなる。
一例によれば、ワークピースまたはＥＳＣ１００の温度を決定するために、１つ以上の熱監視デバイス１３０が設けられてもよい。図示されていないが、１つ以上の熱監視デバイス１３０は、例えば、ワークピース１１８の裏面に直接的に接触するように構成されてもよい。例えば、１つ以上の直接接触型熱デバイス１３０は、例えば、熱電対（ＴＣ）および抵抗温度検出器（ＲＴＤ）のうちの１つ以上を含む。
本開示のさらに別の実施例によれば、図６は、１００℃～６００℃またはそれよりも高い範囲の処理温度までワークピースを加熱するように構成された加熱イオン注入システム２００の実施例を示す。処理温度は、例えば、イオン注入中にワークピース１０４を支持する静電クランプ１００において、部分的に達成および維持される。
本開示の様々な態様によれば、図２は、例示的なイオン注入システム２００を示す。本実施例におけるイオン注入システム２００は、例示的なイオン注入装置２０１を備えるが、プラズマ処理システムまたは他の半導体処理システムなど、様々な他のタイプの真空ベースの半導体処理システムも企図されている。イオン注入装置２０１は例えば、ターミナル２０２と、ビームラインアセンブリ２０４と、エンドステーション１０６とを備える。
一般的に言えば、ターミナル２０２内のイオン源２０８は、電源２１０に接続されており、ドーパントガスを複数のイオンにイオン化し、イオンビーム２１２を形成する。本実施例におけるイオンビーム２１２は、質量分析装置２１４を通って、開口２１６から出てエンドステーション２０６に向かうよう導かれる。エンドステーション２０６において、イオンビーム２１２は、チャック２２０に選択的にクランプまたは取り付けられた図４～図５のワークピース１０４などのワークピース２１８（例えば、シリコンウェハ、ディスプレイパネルなどの基板）に衝突する。図６のチャック２２０は、例えば、上述の図４～図５の静電クランプ（ＥＳＣ）１００を含みうる。当該チャックは、ワークピース２１８の温度を選択的に制御するように構成されている。例えば、注入されたイオンは、図６のワークピース２１８の格子に埋め込まれると、ワークピースの物理的特性および／または化学的特性を変更させる。このため、イオン注入は、半導体デバイスの製造および金属仕上げ、材料科学研究における様々な用途に用いられている。
本開示のイオンビーム２１２は、ペンシルビームまたはスポットビーム、リボンビーム、走査ビーム、またはイオンがエンドステーション２０６に向けられる任意の他の形態など、任意の形態をとりうる。全てのそのような形態は、本開示の範囲内に入るものとして意図されている。
例示的な一態様によれば、エンドステーション２０６は、真空チャンバ２２４などの処理チャンバ２２２を備え、処理環境２２６が処理チャンバに関連付けられている。処理環境２２６は、一般的には、処理チャンバ２２２内に存在しており、一例において、処理チャンバに接続され、処理チャンバを実質的に排気するように構成された真空源２２８（例えば、真空ポンプ）によって生じた真空を含む。
一例において、イオン注入装置２０１は高温イオン注入を提供するように構成されており、ワークピース２１８は処理温度（例えば、約１００～６００℃またはそれよりも高い温度）まで加熱される。したがって、本実施例において、チャック２２０は、熱チャック２３０を含む。熱チャックは、イオンビーム２１２へのワークピースの曝露前、曝露中、および／または曝露後に、処理チャンバ２２２内でワークピースをさらに加熱しながら、ワークピース２１８を支持および保持するように構成されている。
熱チャック２３０は、例えば、周辺環境または外部環境２３２（例えば、「大気環境」とも呼ばれる）の周辺温度または大気温度よりもかなり高い処理温度までワークピース２１８を加熱するように構成された静電チャックを含む。加熱システム２３４がさらに提供されてもよく、加熱システムは、熱チャック２３０、次いで、その上に存在するワークピース２１８を所望の処理温度まで加熱するように構成されている。加熱システム２３４は、例えば、熱チャック２３０内に配置された１つ以上のヒータ２３６によってワークピース２１８を選択的に加熱するように構成されている。１つ以上のヒータ２３６は、例えば、１つ以上の抵抗加熱素子を含んでいてよい。ある代替において、加熱システム２３４は、放射熱源を含む。この場合、１つ以上のヒータ２３６は、ワークピース２１８を選択的に加熱するように構成された、１つ以上のハロゲンランプ、発光ダイオード、および赤外線熱デバイスを備える。
何らかの高温注入のために、ワークピース２１８は、所望の温度に達するまで、処理環境２２６の真空内で熱チャック２３０上に「ソーク」してもよい。あるいは、イオン注入システム２００全体のサイクル時間を増加させるために、ワークピースは、処理チャンバ２２２に動作可能に接続された１つ以上のチャンバ２３８Ａ、２３８Ｂ（例えば、１つ以上のロードロックチャンバ）内で、予熱装置２４０によって予熱されてもよい。予熱装置２４０は例えば、熱チャック２３０と同様に構成された予熱支持体２４２を備えていてよい。
ツールアーキテクチャ、プロセス、および所望のスループットに応じて、ワークピース２１８は、予熱装置２４０によって第１温度まで予熱されてもよい。この場合、第１温度は、処理温度以下である。したがって、真空チャンバ２２４内の熱チャック２３０上での最終的な熱均等化を可能にする。このようなシナリオは、処理チャンバ２２２への移送中にワークピース２１８が幾分かの熱を失うことを許容する。この場合、処理温度への最終的な加熱が、熱チャック２３０上で実行される。あるいは、ワークピース２１８は、予熱装置２４０によって、処理温度よりも高い第１温度まで予熱されてもよい。したがって、処理チャンバ２２２への移送中のワークピース２１８の冷却が、ワークピースが熱チャック２３０上にクランプされるときにワークピースが所望の処理温度になるためにちょうど十分であるように、第１温度が最適化されるであろう。
熱応答を正確に制御および／または加速し、かつ、熱移動のための追加の機構を可能にするために、ワークピース２１８の裏面には、熱チャック２３０との導電連通がもたらされる。この導電連通は、例えば、熱チャック２３０とワークピース２１８との間の圧力制御されたガス界面（「裏面ガス」とも呼ばれる）を介して達成される。例えば、裏面ガスの圧力は、熱チャック２３０の静電力によって概ね制限され、５～２０Ｔｏｒｒの範囲内に概ね維持されうる。一例において、裏面ガス界面厚さ（例えば、ワークピース２１８と熱チャック１３０との間の距離）は、ミクロンオーダ（通常では５～２０μｍ）に制御される。したがって、この圧力領域における分子平均自由行程（the molecular mean free path）は、界面厚さがシステムを遷移的かつ分子状のガス領域に至らしめるために十分に大きくなる。
本開示の別の態様によれば、チャンバ２３８Ｂは、イオン注入工程においてイオンが注入された後、ワークピース２１８がチャンバ２３８Ｂ内に配置されたときに、ワークピースを冷却するように構成された冷却装置２４４を備える。冷却装置２４４は、例えば、冷却ワークピース支持体２４６を備えていてよい。冷却ワークピース支持体は、その上に存在するワークピース２１８を、熱伝導によって能動的に冷却するように構成されている。冷却ワークピース支持体２４６は、例えば、冷却板を備える。当該冷却板は、自身を通過する１つ以上の冷却チャネルを有する。冷却チャネルを通過する冷却流体は、冷却板の表面上に存在するワークピース２１８を実質的に冷却する。冷却ワークピース支持体２４６は、ペルチェクーラまたは当業者に知られている他の冷却機構などの他の冷却機構を備えていてよい。
別の例示的な態様によれば、コントローラ２４８がさらに提供される。コントローラ２４８は、それらの上にそれぞれ存在するワークピース２１８を選択的に加熱または冷却するために、加熱システム２３４、予熱装置２４０、および冷却装置のうちの１つ以上を動作させるように構成されている。コントローラ２４８は、例えば、予熱装置２４０によってチャンバ２３８Ａ内のワークピース２１８を加熱し、熱チャック２３０および加熱システム２３４によって処理チャンバ２２２における所定の温度までワークピースを加熱し、イオン注入装置２０１によってワークピースにイオンを注入し、冷却装置２４４によってチャンバ２３８Ｂ内のワークピースを冷却し、かつ、１つ以上のワークピース搬送装置２５０Ａ、２５０Ｂによって外部環境２３２と処理環境２２６との間においてワークピースを選択的に搬送するように構成されていてもよい。
一例において、ワークピース２１８は、処理チャンバ２２２に出入りするように搬送されてもよい。これにより、ワークピース搬送装置２５０Ｂによって、ワークピースが、選択された前面開口統一ポッド（Front Opening Unified Pod，ＦＯＵＰ）２５２Ａ、２５２Ｂとチャンバ２３８Ａ、２３８Ｂとの間において搬送される。さらに、ワークピース搬送装置２５０Ａによって、ワークピースが、チャンバ２３８Ａ、２３８Ｂと熱チャック２３０との間において移送される。コントローラ２４８は、例えば、ワークピース搬送装置２５０Ａ、２５０Ｂを制御することによって、ＦＯＵＰ２５２Ａ、２５２Ｂと、チャンバ２３８Ａ、２３８Ｂと、熱チャック２３０との間においてワークピースを選択的に搬送するようにさらに構成されている。
１つ以上の直接接触熱デバイス２１２は、例えば、１つ以上のスプリング負荷デバイス（不図示）、例えばスプリング負荷ＴＣを含んでいてもよい。この場合、ワークピース２１８が熱チャック２３０上に配置されたときに、ワークピース２１８が１つ以上のスプリング負荷デバイスを押圧するが、接触圧力が最小量となるように、１つ以上のスプリング負荷デバイスは順応（コンプライアント）する。
本開示の別の態様では、図７は、ワークピースの温度を制御するための方法３００を示す。例示された方法は一連のアクト（行為）またはイベント（事象）として本明細書に例示され、説明されているが、本開示はそのようなアクトまたはイベントの例示された順序によって限定されず、いくつかの工程（ステップ）は、本開示に従って、本明細書に示され、説明されているものとは別の、異なる順序で、および／または他の工程と同時に起こりうることが理解されるべきである。さらに、本開示による方法を実装するために、図示されている全てのステップが必要とされるわけではない。さらに、これらの方法は、ここで図示されかつ記載されたシステムに関連して、また、説明されていない他のシステムとも関連して実施されてもよい。
図７に示す方法３００は、例えば、熱チャック上に配置されたワークピースの温度を制御する。アクト３０２において、例えば、ワークピースは、熱チャックの中央部に静電的に引き付けられる。アクト３０４において、熱チャックのクランプ面は、熱チャックに関連付けられた１つ以上のヒータを選択的に通電することによって選択的に加熱される。これによって、ワークピース上の１つ以上の位置を選択的に加熱できる。アクト３０６において、ワークピースまたはＥＳＣの温度は、ワークピースが熱チャックのクランプ面上に存在しているときに、測定温度を決定する熱監視デバイスによって決定される。ワークピースの温度は、ワークピースの表面を温度測定デバイスと直接的に接触させること、非接触熱デバイスによりワークピースの放射率もしくは温度を測定すること、または、両方の組合せによって、決定されてよい。アクト３０８において、１つ以上のヒータは、測定温度に基づいて選択的に通電される。これにより、ワークピース自体の正確かつ精密な温度制御が有利に達成される。
本開示は、特定の好ましい実施形態に関して示され、記載されているが、本明細書および添付の図面を読んで理解すれば、同等の変更および修正が他の当業者に想起されることは明らかである。特に、上記のコンポーネント（アセンブリ、デバイス、回路など）によって実行される様々な機能に関して、そのようなコンポーネントを説明するために使用される用語（「手段」への言及を含む）は別段の指示がない限り、本開示の本明細書に例示されている実施形態において機能を実行する開示されている構造と構造的に等価ではないが、説明されているコンポーネントの指定された機能を実行する任意のコンポーネント（すなわち、機能的に等価である）に対応することが意図されている。加えて、本開示の特定の構成は、複数の実施形態のうちの１つのみに関して開示されている場合があるが、そのような構成は任意の所与のまたは特定の用途のために所望され、かつ有利でありうるように、他の実施形態の１つ以上の他の構成と組み合わされてもよい。

Claims (29)

  1. 熱静電クランプ装置であって、
    静電クランプ部材と、非静電部材と、を備えており、
    前記静電クランプ部材は、ワークピースを前記静電クランプ部材に静電的にクランプし、かつ、前記ワークピースの中央領域を選択的に加熱するように構成されており、
    前記非静電部材は、前記静電クランプ部材の周辺を概ね取り囲み、
    前記非静電部材は、前記ワークピースの周辺領域を選択的に加熱するように構成されており、
    前記非静電部材は、前記ワークピースを前記非静電部材に静電的にクランプするように構成されていない、熱静電クランプ装置。
  2. 前記静電クランプ部材は、中央クランプ面を画定し、
    前記静電クランプ部材は、内部に埋め込まれた１つ以上の電極を有する中央体を備えており、
    前記１つ以上の電極は、選択的に通過する電流に基づいて、前記ワークピースの少なくとも前記中央領域を前記中央クランプ面に選択的に静電的にクランプするように構成されている、請求項１に記載の熱静電クランプ装置。
  3. 前記静電クランプ部材は、前記ワークピースの前記中央領域を第１温度まで選択的に加熱するように構成された１つ以上の第１ヒータをさらに備えている、請求項２に記載の熱静電クランプ装置。
  4. １つ以上の前記第１ヒータは、少なくとも１つの抵抗ヒータを含んでいる、請求項３に記載の熱静電クランプ装置。
  5. 前記非静電部材は、前記静電クランプ部材を概ね取り囲むとともに、ギャップによって前記静電クランプ部材から隔離された周辺体を含んでいる、請求項３に記載の熱静電クランプ装置。
  6. 前記ワークピースの前記中央領域が前記静電クランプ部材の前記中央クランプ面に静電的にクランプされているときに、前記周辺体が前記ワークピースの前記周辺領域の下に配置されている、請求項５に記載の熱静電クランプ装置。
  7. 前記非静電部材は、前記周辺体に関連付けられた、１つ以上の第２ヒータをさらに備えており、
    １つ以上の前記第２ヒータは、前記ワークピースの前記周辺領域を第２温度まで選択的に加熱するように構成されている、請求項５に記載の熱静電クランプ装置。
  8. １つ以上の前記第１ヒータおよび１つ以上の前記第２ヒータを選択的に通電するように構成されたコントローラをさらに備えている、請求項７に記載の熱静電クランプ装置。
  9. 前記ワークピースが前記中央クランプ面上に存在しているときに、前記ワークピースの前記中央領域および前記周辺領域のうちの１つ以上の温度を決定するように構成された１つ以上の熱監視デバイスをさらに備えており、
    前記コントローラは、１つ以上の決定された前記温度に少なくとも部分的に基づいて、１つ以上の前記第１ヒータおよび１つ以上の前記第２ヒータを選択的に通電するように構成されている、請求項８に記載の熱静電クランプ装置。
  10. １つ以上の前記熱監視デバイスは、前記ワークピースの表面に直接的に接触するように構成された１つ以上の直接接触熱デバイスを含んでいる、請求項９に記載の熱静電クランプ装置。
  11. １つ以上の前記第１ヒータおよび１つ以上の前記第２ヒータは、前記ワークピースを約４００℃以上まで選択的に加熱するように構成されている、請求項７に記載の熱静電クランプ装置。
  12. 前記非静電部材の上面は、前記静電クランプ部材の前記中央クランプ面と概ね同一平面上にあり、
    前記非静電部材は、前記ワークピースの前記周辺領域に接触するように構成されている、請求項２に記載の熱静電クランプ装置。
  13. 前記非静電部材の上面は、前記静電クランプ部材の前記中央クランプ面に対して下方に凹んでおり、
    前記非静電部材の前記上面は、前記ワークピースの前記周辺領域に接触しないように構成されている、請求項２に記載の熱静電クランプ装置。
  14. 前記静電クランプ部材および前記非静電部材は、１つ以上のセラミックを含んでいる、請求項１に記載の熱静電クランプ装置。
  15. 前記静電クランプ部材と前記非静電部材とは、互いに異なる材料から成っている、請求項１に記載の熱静電クランプ装置。
  16. 前記静電クランプ部材は、セラミック材料を含んでおり、
    前記非静電部材は、グラファイト、シリコン、およびシリコンカーバイドのうちの１つを含んでいる、請求項１に記載の熱静電クランプ装置。
  17. 前記ワークピースの前記周辺に選択的に係合するように構成された１つ以上の機械クランプをさらに備えている、請求項１に記載の熱静電クランプ装置。
  18. 熱静電クランプ装置であって、
    中央静電部分と、非静電周辺部と、を備えており、
    前記中央静電部分は、中央クランプ面を画定し、
    前記中央静電部分は、ワークピースの中央領域と関連付けられており、
    前記中央静電部分は、中央体と、１つ以上の電極と、１つ以上の第１ヒータと、を備えており、
    前記中央体は、前記中央体に画定されたクランプ面を有し、
    １つ以上の前記電極は、前記中央体に関連付けられており、
    １つ以上の前記電極は、１つ以上の前記電極を選択的に通過する電流に少なくとも部分的に基づいて、前記ワークピースの少なくとも前記中央領域を前記クランプ面に選択的に静電的にクランプするように構成されており、
    １つ以上の前記第１ヒータは、前記中央体に関連付けられており、かつ、前記中央静電部分を第１温度まで選択的に加熱するように構成されており、
    前記非静電周辺部は、前記ワークピースの周辺領域に関連付けられており、
    前記非静電周辺部は、周辺体と、１つ以上の第２ヒータと、を備えており、
    前記周辺体は、前記中央体を概ね取り囲み、かつ、ギャップによって前記中央体から隔離されており、
    前記ワークピースの前記中央領域が前記クランプ面に静電的にクランプされているときに、前記周辺体が前記ワークピースの前記周辺領域の下に配置されており、
    前記周辺体は、前記ワークピースの前記周辺領域を前記周辺体に静電的にクランプするように構成されておらず、
    １つ以上の前記第２ヒータは、前記周辺体に関連付けられており、かつ、前記非静電周辺部を第２温度まで選択的に加熱するように構成されている、熱静電クランプ装置。
  19. 前記中央体および前記周辺体のうちの１つ以上に関連付けられている１つ以上の温度を決定するように構成された１つ以上の熱監視デバイスをさらに備えている、請求項１８に記載の熱静電クランプ装置。
  20. １つ以上の前記温度は、前記ワークピースの表面における温度であり、
    １つ以上の前記熱監視デバイスは、前記ワークピースの前記表面に直接的に接触するように構成された１つ以上の直接接触熱デバイスを含んでいる、請求項１９に記載の熱静電クランプ装置。
  21. １つ以上の前記熱監視デバイスは、前記ワークピースに直接的に接触することなく前記ワークピースの１つ以上の前記温度を測定するように構成された１つ以上の非接触熱デバイスを含んでいる、請求項１９に記載の熱静電クランプ装置。
  22. １つ以上の前記熱監視デバイスによって決定された１つ以上の前記温度に基づいて、１つ以上の前記第１ヒータおよび１つ以上の前記第２ヒータを選択的に通電するように構成されたコントローラをさらに備えている、請求項１９に記載の熱静電クランプ装置。
  23. 前記中央体および前記周辺体は、１つ以上のセラミックを含んでいる、請求項１８に記載の熱静電クランプ装置。
  24. 前記中央体と前記周辺体とは、互いに異なる材料から成っている、請求項１８に記載の熱静電クランプ装置。
  25. 前記中央体は、セラミック材料を含んでおり、
    前記周辺体は、グラファイト、シリコン、およびシリコンカーバイドのうちの１つを含んでいる、請求項１８に記載の熱静電クランプ装置。
  26. 前記周辺体は、前記クランプ面に対して下方に凹んだ上面を有しており、
    前記周辺体の前記上面は、前記ワークピースに接触しないように構成されている、請求項１８に記載の熱静電クランプ装置。
  27. 前記周辺体の外径は、前記ワークピースの直径以上である、請求項１８に記載の熱静電クランプ装置。
  28. １つ以上の前記第１ヒータおよび１つ以上の前記第２ヒータは、前記ワークピースを約４００℃以上まで選択的に加熱するように構成されている、請求項１８に記載の熱静電クランプ装置。
  29. 前記ワークピースの前記周辺領域に選択的に係合するように構成された１つ以上の機械クランプをさらに備えている、請求項１８に記載の熱静電クランプ装置。
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