JP4183305B2 - 半導体ウエハ処理装置のための裏面ガス急速放出装置 - Google Patents
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Description
【発明の背景】
1.発明の分野
本発明は、一般に、半導体ウエハ処理装置内でのワークピースを保持するための装置に関し、詳細にはワークピースの底面に沿って熱伝達ガス層の均一性を制御し、そしてチャック開放( dechacking )中のワークピースの飛び出し(pop off)を解消するための装置に関する。
【0002】
2.背景技術の説明
静電チャックは、コンピュータグラフィックスプロッタ内での紙の保持から半導体ウエハプロセスチャンバ内での半導体ウエハの保持に至る様々な用途で、ワークピースを保持するために利用されている。静電チャックはデザインこそ様々だが、何れもチャックの1つ以上の電極に電圧を印加して、ワークピースと電極中に極性が相反する電荷を誘起する原理に基づいている。相反する電荷間の静電引力は、ワークピースをチャックに引き付けることにより、ワークピースを保持する。
【0003】
半導体ウエハ処理設備で、静電チャックは、処理中に、ウエハをペデスタルにクランプするために用いられる。例えば、静電チャックは、エッチング、化学気相堆積(CVD)、及び物理気相堆積(PVD)での用途がある。静電チャックの1つのタイプには、アリゾナ州 チャドラー にある Rogers Corporation のような、フレキシブル回路基板メーカーから入手できる材料を用いて、従来のフレキシブル印刷回路製作技術により製作されるものがある。より具体的には、静電チャックは、導体電極を覆う誘電材料の頂部層を有する。電極の下には誘電材料の底部層がある。頂部と底部の誘電体層は、1個以上の導体電極を内部に封止する。次に、アセンブリ全体をペデスタルに接着する。誘電材料でできた頂部層は、上にワークピースを保持する支持面を形成する。電極に電圧を印加すると、導電体、またはウエハ近傍で形成されるプラズマを介した、ウエハとの導電接続により、ウエハは、電圧ソースと同一の接地基準( ground reference )に戻される。このようにして、クランプされているウエハと静電チャック間に静電力が確立される。
【0004】
ウエハの処理に用いられる材料とプロセスは、温度に対して極めて敏感である。万一、これらの材料が、処理中にウエハからの熱伝達の悪さが原因で、過度の温度変動にさらされると、ウエハ処理装置の性能が脅かされて、ウエハの損傷をもたらすことがある。上記ペデスタルは陰極とヒートシンクの双方を形成する。ウエハとチャック間の熱伝達を最適化するために、ウエハの表面を最大限、支持面に物理的に接触させることを試みる場合、非常に大きな静電力が用いられる。しかし、ウエハとチャックは両者の表面粗さにより、チャックとウエハとの間の最適な熱伝達を妨げる小さな間隙が残ってしまう。
【0005】
処理時にウエハの更なる冷却を行うために、ウエハとチャックの支持面との間に形成される間隙に、ヘリウムなどの不活性ガスを注入する。このガスは、それに代わる真空よりも良好な熱伝達特性を有する、ウエハからチャックへの熱伝達媒体として作用する。この冷却プロセスを更に向上するために、チャックは、ペデスタル内の導路を介して水冷されるのが普通である。この冷却技術は、裏側ガス冷却として知られている。
【0006】
裏側ガスはウエハに圧力を加え、これによりウエハを支持面から押し出して離す。静電チャックにより働らく静電力は、ガス圧力で生成される力よりも大きく、従って処理中は、ウエハは所定位置に留まる。しかし、これら2つの力の相互作用は、ウエハ端部が静電チャックに接触するところで、熱伝達ガスのランダムで局部的な漏れを生じさせることがある。ガス漏れは、ウエハの底面全体にわたる望ましくない非均一温度状態の一因となる。
【0007】
処理が完了すると、ウエハを迅速かつ精確にチャンバから取り出さなければならない。ウエハは、通常、静電チャックに供給される電力を切ることにより「チャック開放」される。このようにして静電力が消えると、ウエハは、もはやペデスタルの支持面にクランプされない。次に、昇降機構(即ち、ペデスタル及び/またはロボットアームの下から出るリフトピン)がウエハに係合して、チャンバからウエハを出すことができる。
【0008】
静電力が減ってくると、熱伝達ガスは、ウエハと支持面との間の間隙から減圧排気される。ガスをプロセスチャンバから抜くために裏側ガス入口ポートに接続されている真空ポンプが作動される。即ちガスを供給するのに使用する通路を用いてガスを除去する。ガスの圧力は、これにより低下するが、それは必ずしも静電クランプ力の低下と同率ではない。ガスの減圧排気に起因する力がクランプ力を上まわる場合、ウエハは支持面から飛び出す。ウエハが原位置から移動してしまうと、リフトピンまたはロボットアームは、ウエハと適確に接触しないことがある。その結果、ウエハは支持面から押し出されて、プロセスチャンバ内の回収不能な位置に入ってしまうことになる。ウエハはこのように汚染されて、使用可能である製品としてのウエハ全体が損失となってしまう。ウエハは、既に処理された領域で引っかかって傷が付き、これにより表面に形成された精緻な回路パターンが損傷されることもある。
【0009】
現行のウエハ処理装置と、同装置に用いられるチャック装置は、ウエハ処理時の熱伝達ガスの漏れや、チャック開放プロセス時にウエハが遭遇する均等な力の動的相互作用を解消するには十分な装備になってはいない。裏側ガスの急速除去の装備がない。結果として、ウエハの飛び出しは、先行技術が取り組まなかった状態が続いている。
【0010】
従って、ウエハ処理時の熱伝達ガスの制御をより行って、ウエハのチャック開放に先立って、ウエハの下から裏側ガスを迅速に除去する装置に対する、当該技術におけるニーズがある。
【0011】
【発明の概要】
先行技術に伴なう先の欠点は、半導体ウエハ処理装置内でワークピースを保持するための本発明の装置により克服される。この装置は、ペデスタルアセンブリ、ペデスタルアセンブリに取り付けられるコレクタ、及びワークピースの裏側上のガス層の均一性を調整し、かつそこからガス層を迅速に減圧排気するために、コレクタに接続される複数のバルブから成る。コレクタは、複数(例えば4個)の熱伝達ガス分配及び二重目的ポート( dual purpose port )を有する。熱伝達ガス分配ポートは、コレクタを貫通するボアとコレクタ入口ポートとを介して熱伝達媒体(例えばヘリウム)供給装置に接続されている。二重目的ポートは、ガス排気キャビティを介して真空ポンプに接続されている。二重目的ポートは、ペデスタル面を提供するとともに、ウエハ裏側から排気される熱伝達ガス用通路へのリフトピンによるアクセスを提供する。
【0012】
運転時、真空圧が入口制御バルブ、コレクタ、及びペデスタルを介して、供給装置から熱伝達ガスを抜く。熱伝達ガスをウエハ裏側の下に分配するために、ペデスタルを通るガス分配ポートが設けられている。処理が完了すると、排気制御バルブが開く。ウエハがチャック開放されると、高真空圧により、二重目的ポート、ガス排気キャビティ、及びコレクタを介してウエハの裏側から熱伝達ガスが抜かれる。一般には、熱伝達ガスを除去する高真空を生成するために、排気制御バルブには、チャンバのターボ分子ポンプが連結されている。
【0013】
半導体ウエハ処理装置内でウエハ底面全体にわたって熱伝達ガス層の均一性を制御する方法は、入口制御バルブを開いて熱伝達ガスをウエハ底面に導入するステップ、及び入口制御バルブを閉じて初期熱伝達ガス層を確立するステップを含む。次に、入口制御バルブまたは排気制御バルブを開いて、予め決めた熱伝達ガス層均一性パラメータに基づいて熱伝達ガス層均一性を変更し、次に、それを閉じて熱伝達ガス層を再度確立する。予め決めた熱伝達ガス層均一性パラメータを維持するために、必要に応じてバルブの開閉を繰り返してもよい。バルブは、コンピュータ制御または手動制御により開閉することができる。
【0014】
裏面ガスの圧力を減らす一時的な「急速放出(quick dump)」としてガス排気キャビティの容積部を用いることにより、本発明は、ワークピースの下側から熱伝達ガスを急速に排気できる装置に対する以前からのニーズを満たす。このようにして、裏面ガスによりウエハに加わる力は、静電クランプ力を上まわることは決してなく、これによりウエハの飛び出しが解消する。また、本発明は、ワークピース下の熱伝達ガス層の均一性を制御するための方法を提供する。予め決められたガス層パラメータを監視して調節することにより、過度のガス漏れが原因の不十分な熱伝達が解消する。
【0015】
添付図面に関連する以下の詳細な説明を考慮することにより、本発明の技術を容易に理解することができよう。
【0016】
理解を促がすよう、図に共通する同一要素を示すために、できる限り同一符号を用いた。
【0017】
【実施形態の詳細な説明】
図1は、プラズマ促進半導体ウエハ処理チャンバ100の底部分の立面図を表している。プラズマ促進反応チャンバ100と、ウエハ処理時のその動作とを詳しく理解するには、1989年6月27日に出願された米国特許第4,842,683号明細書に含まれる図面と詳細な説明を参照されたい。この特許は、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 インコーポレイテッドが製造したプラズマエッチ反応チャンバをベースにして開示されている。
【0018】
チャンバ100は、ペデスタル104と、フォーカスリング107と、静電チャックアセンブリ106とを含むペデスタルアセンブリ101を備える。図示の実施形態で、静電チャックアセンブリ106は、ペデスタル104の上面(top surface)108に接着されている。静電チャックアセンブリ106は、2枚のポリイミドのシート(Rogers が商標名UPILEXで販売している)間に銅層を挟んだものから製造される。UPILEXは、山口県の 宇部興産(UBE Industries,Ltd.)の登録商標である。
【0019】
代わりとして、埋め込み電極を有するセラミックからチャックを作ることもできる。静電チャックアセンブリ106を、ペデスタルから離さずに、ペデスタル104の一体部分とすることもできる。このようなペデスタル/静電チャックアセンブリで電極は、ペデスタルの表面に埋め込まれており、ペデスタルはセラミックまたは何らかの他の誘電材料で製造されている。
【0020】
ペデスタルアセンブリ101の下方にあって、プロセスチャンバフロア110の上方でペデスタル104を支持しているのは、熱伝達ガス急速放出コレクタ102である。このコレクタ102は、チャンバフロア110を通過するコレクタ入口ポート112を備えている。コレクタ入口ポート112は、フィルタ114と入口制御バルブ116を含む、種々の配管取り付け具と連結されており、コレクタを、外部熱伝達媒体供給装置130、例えばヘリウム供給装置に接続している。また、コレクタ102は、コレクタ入口ポート112に類似した、チャンバフロア110を通過するコレクタ排気ポート118を備えている。コレクタ排気ポート118も同様に、排気制御バルブ120を含む配管取り付け具に連結されており、コレクタ102を真空ポンプ(例えば、ターボ分子ポンプ122(ターボポンプ))に接続している。
【0021】
ターボポンプ122がチャンバに直接に連結されており、チャンバ100内の適切なウエハ処理条件を確立するように、高真空圧をつくりだす。ターボポンプ122は、チャンバ100内の差圧を監視して制御するためにゲートバルブ124とスロットルバルブ126を有する。また、チャンバフロア110の近傍には、低真空(粗引き)ポンプ入口128が設けられている。ターボポンプが作動されて、チャンバ100を高真空圧までポンプ引きするのに先立って、チャンバ100を中真空圧まで従来通りポンプ引きするために、低真空圧ポンプ(図示せず)に入口が取り付けられている。
【0022】
処理時にウエハの冷却を達成するために、ウエハ109と静電チャックアセンブリ106との間の間隙により形成される容積中に熱伝達ガス、好ましくはヘリウムが圧送される。具体的に、熱伝達ガスは、供給装置130から、入口制御バルブ116、フィルタ114及びコレクタ入口ポート112を通り継手202に至る。継手202は、コレクタ入口ポート112を、コレクタ102を横断して中心に至り、コレクタ305の頂部まで垂直に通っている「L」形ボア302(図3を参照)に接続している。コレクタ305の頂部には、複数(例えば4個)のより小さなガス分配ポート204が、ボア302の端に接続している。ポート204は、ペデスタルアセンブリの表面に熱伝達ガスを分配している。ガスが分配ポート204からウエハの裏側に流れるようにするために、ペデスタルアセンブリ101は、等しい数の開口307を備えている。更に冷却を行うために、コレクタ102の本体内に同軸に配置されたクーラントジャケット304が設けられている。クーラント(例えば水)は、クーラント入口ポート208とクーラントアウトレットポート210を介してジャケット内を循環する。
【0023】
コレクタ102は、更に、少なくとも1つの二重目的ポート206を備えている。二重目的ポート206が、ペデスタル104を貫通して熱伝達ガス排気キャビティ306内まで延びている。ガス排気キャビティ306の側壁404に沿って排気ダクト402(図4参照)が備えられている。排気ダクト402は、コレクタ排気ポート118に接続されている。
【0024】
図2と図4は、本発明のコレクタの好ましい実施形態を表している。図2は、半径外方向に位置する4個の二重目的ポート206を有し、直径が入口ポート204よりも若干大きいコレクタ102を表している。各二重目的ポートは、ベローズアセンブリ308を保持するガス排気キャビティ306に接続されている。ベローズアセンブリ308は、コレクタ102の下方から、各ガス排気キャビティ306を通り、ガス排気キャビティ306の頂部のリフトピンベース316まで延びるプッシュロッド312を含む。処理が完了したときに、静電チャックアセンブリ106からウエハを持ち上げるために、リフトピン314が、リフトピンベース316に設けられている。ガス排気キャビティ306の内側のプッシュロッド312の部分は、ベローズ310の鞘内に納まる。更にベローズ310は、ガス排気キャビティ315の底と、リフトピンベース316のところでシールされている。事実上は、各ガス排気キャビティは、リフトピン314が、ペデスタル104とコレクタ102から延びたり後退したりするときに、チャンバ内真空の完全性を維持するベローズキャビティである。図4は、図2の4−4線に沿って見たときのコレクタ102の断面図を表している。中間排気ダクト402aは、外側ガス排気キャビティ306aを内側ガス排気キャビティ306bに接続している。最終排気ダクト402bは、内側ガス排気キャビティ306bをコレクタ排気ポート118に接続している。このようにして、二重目的ポート206は、リフトピンアクセスホール及び熱伝達ガス排気ポートの役割を果たす。
【0025】
本発明の動作は、図1に関して最もよく説明されている。ウエハ109が、静電チャック106上に載置されて、真空チャンバ100はシールされている。次に、低真空ポンプ入口128に接続された低真空ポンプ(図示せず)が作動されて、チャンバ100を中真空圧までポンプ引きする。所定真空圧で、ゲートバルブ124、スロットルバルブ126、及び排気制御バルブ120が開かれる。ターボ分子ポンプ122は、チャンバ100を適切なウエハ処理のための高真空圧までポンプ引きする。所定高真空圧で排気制御バルブ120が閉じ、入口制御バルブ116が開く。真空圧は、これによりペデスタルから遮断されて、熱伝達ガスは供給装置130からポンプ引きされる。ガスの圧力が指定値に達すると、入口制御バルブ116は閉じる。処理中、リフトピン314は後退して、ペデスタル表面108の下に留まる。処理が完了すると、リフトピンアクチュエータ(図示しない)はプッシュロッド312を持ち上げて、リフトピン314を、ペデスタル面108を貫通して延ばし、ウエハに係合させる。同時に排気制御バルブ120が開く。このようにして、ターボポンプ122による高真空圧が、熱伝達ガスを二重目的ポート206を介して熱伝達ガス排気キャビティ306、排気ダクト402、及びコレクタ排気ポート118に排気して、ウエハ109の裏側から出す。このようにして、大容積の熱伝達ガスが直ちに「放出される」、つまりウエハ109の裏側から運び去られ得る。図1の矢印は、「放出された」ガス流の方向を示す。このため、裏面ガス圧力は急速に降下し、これにより、ウエハが開放されたときに、ウエハの飛び出しが生ずるおそれが解消する。ポート206は、熱伝達ガスを排気するための急速路を提供するとともに、リフトピン314の、ペデスタル面108へのアクセスも提供するので、二重目的である。
【0026】
上で検討したように、熱伝達ガスは、ウエハの処理時に、ウエハの端が静電チャックアセンブリ106に接触する多くの個所で漏れる。熱伝達ガスがチャンバ内に漏れると、ガス層の均一性が脅かされ、これによりウエハの底面全域が不均一な温度になる。
【0027】
本発明は、入口バルブ116と排気バルブ120を介してガスの一定制御を促進することにより、不均一な熱伝達ガス層の問題にも取り組む。具体的には、ガス層がプロセス中に不均一になった場合、入口制御バルブ116が開き、ウエハ下方のガスの圧力を増加させ、層の均一性が再度確立される。逆に、初期にウエハの下の排気ガス量が多すぎる場合、排気制御バルブ120が開放される。入口制御バルブと排気制御バルブの開閉は、所望の熱伝達ガス層均一性を維持するために、必要な回数だけ行われる。入口制御バルブと排気制御バルブの開閉は、様々な方法で行われる。例えば、ガス層均一性に関するプリセットパラメータ(即ち濃度や圧力等)を、ウエハプロセスを制御するコンピュータにより監視することができる。ガス層がプリセット値から外れた場合、コンピュータは、現在の状態に即して、バルブに信号を送ってバルブを開くか或いは閉じる。代替として、最適な温度制御またはウエハスループットのためのガス層均一性をカスタマイジングできるようにするために、バルブは手動操作される。
【0028】
即ち、従前は使用されてはいなかったか、或いは1つだけの役割であった(例えば、リフトピンの移動)ペデスタル下の空間容積部が、熱伝達ガス排気のためにも利用される。リフトピンアセンブリ等が占める大きな容積部は真空ポンプに接続される。ウエハ下の大量の熱伝達ガスは真空ポンプを介してこの容積部内へ急速に「放出」され、これによりウエハ処理の重大なチャック開放段階での裏面ガスの圧力が急速に降下する。ウエハの飛び出しの問題もなく、ウエハをペデスタルから急速かつ正確に取り除くことができる。この容積部に入る入口ラインと、出て行く排気ラインに個別に独立して動作可能なバルブが設けられているので、温度均一性もウエハ全体にわたって改善される。これらのバルブを用いて初期の熱伝達ガス層を確立する。ウエハの裏側へより多くのガスを供給したり、裏側からそのガスを除去したりするために、適切なバルブを開閉することにより、瞬間的な層変動が補正される。これらの改良のそれぞれが、ウエハスループットとチャンバ利用の向上に寄与する。
【0029】
本発明の教示を組み込んだ種々の実施形態を示し、かつ詳細に説明したが、当業者であればこれらの教示を盛り込んだ多くの他の、変形実施形態を容易に工夫することができよう。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の装置を含む、半導体ウエハ処理チャンバ底部の立面図である。
【図2】本発明の装置の底面図である。
【図3】図2の3−3線に沿った、本発明の装置の詳細な断面図である。
【図4】図2の4−4線に沿った、本発明の装置の詳細な断面図である。
Claims (15)
- ワークピース(109)を支持するための装置であって、
前記ワークピース(109)を支持するためのペデスタルアセンブリ(101)と、
前記ワークピース(109)と前記ペデスタルアセンブリ(101)との間の間隙にガスを供給するため及び前記間隙から前記ガスを急速に除去するための、前記ペデスタルアセンブリ(101)に取り付けられて前記ペデスタルアセンブリ(101)を支持しているコレクタ(102)であって、ベローズアセンブリ(308)を含む少なくとも1つのガス排気キャビティ(306)を有するコレクタと、
前記コレクタ(102)を出入するガス流を調整するための、前記コレクタ(102)に接続された複数のバルブ(116、120)と、
を備える装置。 - 前記コレクタ(102)が、複数の熱伝達ガス分配ポート(204)と二重目的ポート(206)とを更に備える請求項1に記載の装置。
- 前記熱伝達ガス分配ポート(204)が、入口制御バルブ(116)を通るボア(302)、前記コレクタ(102)及びコレクタ入口ポート(112)を介して、熱伝達ガス供給装置(130)に接続されている請求項2に記載の装置。
- 前記二重目的ポート(206)が、少なくとも1つのガス排気キャビティ(306)、少なくとも1つの排気ダクト(402)、コレクタ排気ポート(118)及び排気制御バルブ(120)を介して、真空ポンプ(122)に接続されている請求項3に記載の装置。
- 前記ガス排気キャビティ(306)がベローズ(310)用のキャビティである請求項4に記載の装置。
- 更に、リフトピン(314)を作動させるために前記ベローズ用のキャビティが用いられている請求項5に記載の装置。
- ウエハ処理装置内でペデスタル(104)に取り付けられて、ウエハ(109)の裏側から所定容積のガスを急速に排気するための装置であって、
ペデスタル(104)よりも下に配置されたポート付アセンブリ(102)を備え、
前記ポート付アセンブリ(102)が、
頂部と底部と、
前記底部の入口ポート(112)と、
前記底部の排気ポート(118)と、
前記底部の前記入口ポート(112)に接続された前記頂部の複数のガス分配ポート(204)と、
前記頂部の少なくとも1つの二重目的ポート(206)と、
前記二重目的ポート(206)を、前記排気ポート(118)に接続し、内部にベローズアセンブリ(308)を含む少なくとも1つのガス排気キャビティ(306)と、
を有する装置。 - 排気制御バルブ(120)を介して前記排気ポート(118)に接続された真空ポンプ(122)を更に備える請求項7に記載の装置。
- 前記入口ポート(112)が、入口制御バルブ(116)を介して熱伝達ガス供給装置(130)に接続されている請求項7に記載の装置。
- 前記ガス排気キャビティ(306)が、リフトピン(314)のためのベローズ(310)含むキャビティである請求項7に記載の装置。
- 4個の前記二重目的ポートと4個の前記ガス排気キャビティがある請求項7に記載の装置。
- ウエハを支持するためのペデスタルアセンブリ(101)と、前記ペデスタルアセンブリに取り付けられて前記ペデスタルアセンブリを支持しているコレクタと、前記ウエハの底面に沿って熱伝達ガスを調整すると共に前記コレクタに取り付けられた入口制御バルブ(116)と排気制御バルブ(120)とを有する半導体ウエハ処理装置内で、所定の熱伝達ガス層均一性パラメータに基づいて、前記ウエハ(109)の底面全体にわたって熱伝達ガス層の均一性を制御する方法であって、
熱伝達ガスを前記ウエハ(109)に導入するために、前記入口制御バルブ(116)を開くステップと、
初期熱伝達ガス層を確立した後、前記入口制御バルブ(116)を閉じるステップと、
熱伝達ガス層均一性の測定を監視するステップと、
熱伝達ガス層の均一性を変更するために、前記所定の熱伝達ガス層均一性パラメータと比較された前記測定に応答して、前記入口制御バルブ(116)または前記排気制御バルブ(120)を開くステップと、
前記所定の熱伝達ガス層パラメータに戻るために、前記測定が前記所定の熱伝達ガス層均一性パラメータに等しい場合に、前記入口制御バルブ(116)または前記排気制御バルブ(120)を閉じるステップと、
前記ウエハへの所定の処理の後に、前記コレクタ内に配置されたベローズアセンブリを含むキャビティを介して、前記ウエハの底面から前記熱伝達ガスを除去するステップと
を含む方法。 - 前記所定の熱伝達ガス層均一性パラメータを必要に応じて維持するために、前記バルブ(116、120)の開閉を繰り返すステップを更に含む請求項12に記載の方法。
- 前記入口制御バルブ(116)が熱伝達ガス供給装置(130)に接続されている請求項12に記載の方法。
- 前記排気制御バルブ(120)が真空ポンプ(122)に接続されている請求項12に記載の方法。
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