JP4768906B2 - 半導体基板の温度制御のための方法及びその装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に、半導体ウェーハ処理装置に関する。より詳細には、本発明は半導体ウェーハの直径を横切る制御可能で一定の温度分布を供給する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体ウェーハ処理において、ウェーハの表面温度は重要な処理のパラメータである。ウェーハ処理の間にウェーハ表面の変化及びそれを横切る勾配は、材料堆積、エッチング割合、機構のテーパ角、ステップ範囲等にとって有害である。ウェーハ処理の間に温度の均一性を制御し、処理を向上させ、不必要な特性を最小にすることは重要である。
【０００３】
多くのデバイスは当分野では処理中のウェーハ温度を制御するために使用されている。１つの方法は処理中にウェーハ支持台を通る冷却流体を供給する。その流体はウェーハ支持台から熱を取り除き、従って、ウェーハを冷却する。ウェーハを冷却するこの方法は２つの固有の問題を有している。第１に、ウェーハを所望の温度にするために要求される応答時間はかなり長い。そのように、急なウェーハ温度の変動を補償するためのウェーハ温度の迅速な動的制御は可能ではない。従って、ウェーハは一定温度として維持されない。
【０００４】
この方法の第２の不利益はウェーハの表面を横切る温度均一性を制御するのに無用であることである。ウェーハからウェーハ支持台への熱伝達は通常、ウェーハの中央で最大であり、端部の方では小さくなる。流体温度は通常、ウェーハ支持台内部で一定であるので、ウェーハは中央部でもっと迅速に冷却する。これはウェーハ表面に温度勾配を発生させ、増加した直径のウェーハ、例えば３００ｍｍではよりひどくなる。この温度勾配は半導体ウェーハ処理の機構の変化の主要な要因の１つである。
【０００５】
台の温度の迅速な動的制御を供給するウェーハ温度を制御する別の方法はウェーハを支持する表面（すなわち、支持表面）に埋め込まれた熱電気デバイスを使用する。これらのデバイスは台の支持表面の下方の２次元アレイで方向付けされている。しかし、そのようなアレイの内部では、熱の少量がデバイスの直近位置及びそれの間の位置で伝達されている間に温度勾配が個々のデバイス間で形成され、すなわち、各デバイスはその位置で有効に熱を伝達させる。複数のデバイス間のそのような勾配はウェーハに実質的な温度変化を生じさせ、すなわち、熱い位置と冷たい位置が形成される。その結果として、温度変化に応じてウェーハに処理変化が発生することがある。
【０００６】
最近、新種の材料、例えば銅およびイリジウムと考えられるものをエッチングする進歩はウェーハ温度及び温度均一性を制御する問題をさらに悪化させる。幾つかの新種の材料をエッチングするのに使用される静電チャックに加えられている（１０００ワットまで及びそれを超える）高いバイアスエネルギはウェーハの熱負荷に著しく寄与し、公知の手段以上に台を冷却することが要求される。さらに、幾つかの新種の材料をエッチングするのに使用される処理温度は２００から４００℃の範囲の温度を必要とする。そのような高い処理温度はウェーハを所定の処理温度まで迅速に持って来て、その温度を維持することのできる台を必要とする。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そのため、当分野では、ウェーハを迅速に所定の温度に持って来て、その温度を維持し、ウェーハ支持台のウェーハ支持表面全体に渡り均一な温度を供給することのできる装置の必要性がある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
従来技術に関連した不利益は半導体基板、すなわちウェーハを支持すると共に熱的に制御するための支持台の本発明により克服される。支持台は基板支持、アイソレータ、内部板及び外部板を有している。基板支持は静電チャック、ヒータ、セラミック本体等である。好ましくは、アイソレータはセラミック又は低熱伝達率の他の材料製であるが、内部容量を規定する内部直径を有している。アイソレータは基板支持と外部板との間に固定されている。内部板はアイソレータに固定されている。内部板及び基板支持は大気に通じる隙間を規定する。内部板及び外部板の両方は熱伝達流体を循環させるための内部流路を有している。
【０００９】
本発明の第２の実施例は支持台であり、該支持台は基板支持、アイソレータ、内部板及び外部板を有している。基板支持は静電チャック、ヒータ、セラミック本体等である。アイソレータは内部容量を規定する内部直径を有している。アイソレータは基板支持と外部板の間に固定されている。内部板は容量を規定するリング形状のセクションを有し、第１セクションを第２セクションから分離させる。第１セクションは基板支持に固定されている。内部板及び外部板の両方の第２セクションは熱伝達流体を循環させる内部流路を有している。ウェーハの熱制御のための処理がまた開示されている。ウェーハ温度の制御は、基板支持と基板支持の下方に配置された外部板内を循環する流体の間で熱を伝達させることにより容易になる。外部板はアイソレータにより基板支持から分離される。熱は外部板内を循環する流体に伝達される。さらに、熱は基板支持と基板支持の下方に配置される内部板内を循環する流体の間を伝達する。好適な方法の別の実施例は熱を流体に伝達する前に内部板のリング形状のセクションを通って熱を伝達させることを含んでいる。その方法の他の実施例はウェーハ温度を検出し、基板支持内の１以上の電極に熱を発生させる信号を供給することを含んでいる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１に示された本発明は、半導体処理システム１００の一部である。そのようなシステムの説明に役立つ例は、カリフォルニア州、サンタクララ市のApplied Materials社から入手可能なDecoupled Plasma Source（ＤＰＳ）Centura（登録商標）エッチングシステムである。システム１００は基板支持又は支持台１１６を有し、ウェーハ処理の間、半導体基板又はウェーハを所定の温度に維持する。創意に富む支持台１１６はかなり多くの半導体処理システムにおいて有用性を有し、ウェーハ１１４の温度制御及び温度の均一性が要求される。当業者は開示された教示が各種他の適用（すなわち、物理及び化学気相成長法の半導体処理システム）での使用に容易に適用可能であり、ウェーハ１１４の温度制御及び均一性が要求されることを認識するであろう。
【００１１】
システム１００はチャンバー１１０とコントローラ１４０を備えている。システム１００はガスパネル１３８、熱伝達ガス源１４８、第１電源１１８、第２電源１２２、及び流体供給装置１５４のような各種源に接続されている。チャンバー１１０は電気接地、誘電体、ドーム型天井又は蓋１２０に接続される伝達チャンバー壁１３０を有している。チャンバー壁１３０及び蓋１２０はチャンバー容量１２８を規定する。チャンバー容量１２８は通常、ウェーハ処理の間、大気圧以下である。少なくとも１つの誘導コイルアンテナセグメント１１２は蓋１２０の外側に配置されている。アンテナセグメント１１２は第１電源１１８に結合され、該第１電源は通常、約１２．５６ＭＨｚの調整可能な周波数を有するＲＦ信号を作ることができる。第１電源１１８は整合ネットワーク１１９に結合されている。
【００１２】
処理チャンバー１１０内には支持台１１６が配置されている。支持台１１６は第２電源１２２に結合されている。第２電源は通常、約１３．５６ＭＨｚの周波数を有するＲＦ信号を作ることができる。第２電源１２２は整合ネットワーク１２４を通って支持台１１６に結合される。熱伝達ガス源１４８は支持台１１６に結合されている。熱伝達ガス、すなわち、ヘリウムガスは熱伝達ガス源１４８からウェーハ１１４と支持台１１６の間の溝（図示せず）に流れる。ヘリウムガスは基板１１４と支持台１１６の間での熱伝達を促進するために使用される。
【００１３】
流体供給装置１５４は第１導管１５６により支持台１１６に結合されている。流体供給装置１５４はまた第２導管１５８によりチャンバー壁内の流路（図示せず）に結合されている。通常、流体供給装置１５４は８０℃で設備の水を流し、支持台１１６及びチャンバー壁１３０の温度を調整するのを補助する。他の流体は容易に設備の水に代えられてもよい。さらに、異なる処理条件が要求される時に代わりの流体温度が使用されてもよい。
【００１４】
ガスパネル１３８は処理ガス（又はガス）及び他のガスを供給し、ウェーハ１１４の処理を容易にするために使用される。処理ガス、例えば、アルゴンはガスパネル１３８からポート１２６を通ってチャンバー１１０に送られ、第２電源１２２により支持台１１６とチャンバー壁１３０の間に電力が供給される時にプラズマを形成する。チャンバー容量１２８内の圧力は、チャンバー１１０と真空ポンプ１３６の間に置かれた絞り弁１３２を使用して（処理中に、通常、大気圧以下に）制御される。
【００１５】
コントローラ１４０は中央処理装置（ＣＰＵ）１４４、メモリ１４２、及びＣＰＵ１４４の支援回路１４６を備えている。コントローラ１４０はチャンバー１１０の各種構成に結合され、ウェーハ処理の制御を容易にする。
【００１６】
支持台１１６の１実施例は図２により詳細に示されている。支持台１１６は基板支持４００、内部熱伝達板４０２、スペーサ４０４、アイソレータ４０６、外部熱伝達板４０８、ハウジング４１０、シャフト４１２及びクランプ４１４を有している。基板支持４００は静電チャック、ヒータ、セラミック本体等とすることができる。基板支持４００は第１又は基板側４７８、第２側４８０、及び円周フランジ４４６を有している。基板支持４００は通常、熱分解窒化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化珪素、アルミナ等のような蝋付け可能なセラミックである。センサ４２２は基板側４７８に最も近い基板支持４００に配置されている。センサ４２２は接続部４２８を介してコントローラ１４０（図１参照）に結合されている。クランプ４１４はアイソレータ４０６に対して基板支持４００のフランジ４４６を保持する。クランプ４１４は通常、ボルト（図示せず）によりアイソレータ４０６に固定されている。被覆リング４２６はクランプ４１４上に配置されている。被覆リング４２６はクランプ４１４及び基板支持４００の露出部分４２４をプラズマによりエッチングされるのを保護する。
【００１７】
１以上の電極が基板支持４００に埋め込まれている。１以上の電極は、１以上の電源（すなわち、電源１２２又は代わりにＤＣ電源）への接続部を介して、チャッキング、加熱、ＲＦ電力分配等を含む半導体基板処理のいろいろな要求のために使用されてもよい。１以上の電極は少なくとも第１電極４１６及び第２電極４３６を備えているのが好ましい。通常、第１電極は基板支持４００の基盤側４７８にウェーハを静電気的に保持するために使用される。第２電極４３６はウェーハ１１４を加熱するために使用される。
【００１８】
アイソレータ４０６は内径４５０及び厚さＷ’を有している。内径４５０はステップ４４８を有している。アイソレータ４０６はセラミック又は低熱伝達率を有する他の材料製である。アイソレータ４０６は基板支持４００と外部熱伝達板４０８の間に配置されている。内径４５０及び基板支持４００は内部容量を規定する。外部熱伝達板４０８は金属材料製である。外部熱伝達板４０８は中央流路４３８及び内部流路４１８を有している。外部熱伝達板４０８内の内部流路４１８は第１導管１５６により流体供給装置（図１参照）に結合され、矢印４３２で示されているように外部熱伝達板４０８を通って設備の水を循環させる。ハウジング４１０は外部熱伝達板４０８の中央流路４３８と同軸の中央流路４４０を有している。中央流路４３８及び４４０はシャフト４１２から内部容量４２０へのアクセスを容易にし、内部容量４２０をシャフト４１２を通って大気に通じさせる。螺子、ボルト及び分解を容易にする他の締め金具のような金物類は、好ましくは、支持台１１６の構成部品を固定するために使用される。しかし、クランプ、リベット、蝋付け、溶接等の他の締付け金具類が代わりに用いられてもよい。
【００１９】
支持台１１６のハウジング４１０はベローズ４５４に取付け（蝋付け）されている。ベローズ４５４はまたチャンバー壁１３０にも取付けられている。ベローズ４５４は内部容量４２０をチャンバー容量１２８から絶縁している。内部容量４２０を絶縁するためにベローズ４２０を使用することは、ここにインコーポレイテッドバイリファレンスされており、１９９６年４月３０日に発行され、譲渡された米国特許番号5,511,799により詳細に見出される。この方法では、ベローズ４５４はシステム１００の作動の間、内部容量４２０を大気に開放させる。
【００２０】
スペーサ４０４はリング形状を有し、アイソレータ４０６の段部４４８に配置されている。内部熱伝達板４０２はスペーサ４０４に配置されている。スペーサ４０４及び内部熱伝達板４０２の両方は内部容量４２０内にある。好ましくは、内部熱伝達板４０２は金属又は他の熱伝達材料製である。内部熱伝達板４０２は流路４７６及び表面４５２を有している。流路４７６は第１導管１５６により流体供給装置１５４（図１参照）に結合され、矢印４３０で示されているように設備の水を内部熱伝達板４０２を通って循環させる。内部熱伝達板４０２及び基板支持４００の第２側４８０は隙間４５６を規定する。内部容量４２０にある空気は隙間４５６を充填するので、内部熱伝達板４０２と基板支持４００の間の熱伝達は対流、伝導及び放射により隙間４５６全域に発生する。
【００２１】
システム１００の作動は図１と図２を同時に参照することにより最もよく理解される。当業者は支持台１１６がウェーハ１１の温度制御及び温度の均一性が要求されるところはどこでも都合よく使用することができ、システム１００の使用及び開示された処理範囲は例としてであり、例示だけのためである。ウェーハ１１４は支持台１１６の基板支持上に置かれている。ヘリウムはウェーハ１１４と支持台１１６の間の熱伝達ガス源１４８から供給され、ウェーハ１１４と支持台１１６との間の熱伝達を促進する。ウェーハ１１４は第２電源１２２から第２電極４３６に電力を加えることにより２００〜５００℃の範囲で所定の処理温度迄上げられる。通常、第２電極４３６により加熱されたウェーハ１１４は２０秒以下で所定温度に達するであろう。ウェーハ１１４が基板支持４００に配置され、チャンバー容量１２８がポンプ１３６により排出され、ガスパネル１３８からの処理ガスはチャンバー壁１３０のポート１２６を通ってチャンバー容量１２８に導入される。第１電源１１８からアンテナ１１２に２５００ワットまで電力を加えることにより、ガスはプラズマ１５２に励起される。第２電源１２２から第１電極４１６に１０００ワットまで電力を加えることにより、ウェーハ１１４は支持台１１６に保持される。電圧はプラズマ内のガスをイオン化し、ウェーハ１１４はエッチングされることとなる。
【００２２】
処理の間、ウェーハ１１４は各種源、すなわち、プラズマ１５２、１以上の電極（４１６及び４３６）等からの熱エネルギに晒される。ウェーハ１１４に衝突する熱エネルギを打ち消すため、それぞれ内部熱伝達板４０２及び外部熱伝達板４０８を流れる流体供給装置１５２からの設備の水により熱エネルギはウェーハ１１４から取り除かれる。当業者はエチレングリコール等のような他の冷却流体が容易に設備の水の代わりになることを認識するであろう。熱伝達の主要な経路は基板支持４００を通り、隙間４５６を横切り、ウェーハ１４から内部熱伝達板４０２及び流路４７６を流れる設備の水に至るものである。この経路に渡る熱伝達率は、基板支持４００及び内部熱伝達板４０２の材料の組成、隙間４５６の寸法、及び内部容量４３２を充填するガスの組成を変えることにより変えることができる。通常、空気が隙間４５６（すなわち、内部容量４３２の一部分である隙間）の熱伝達媒体を供給する時、隙間４５６内の圧力（及び従って空気の密度）を変えることは相応じて熱伝達率を変えるであろう。空気のため別のガス（すなわち、窒素）を代用することはまた隙間４５６を横切る熱伝達率をも変えるだろう。
【００２３】
熱伝達率の２番目の経路は、基板支持４００を通り、アイソレータ４０６の回りをウェーハ１１４から内部熱伝達板４０８及び流路４１８を流れる設備の水に至るものである。アイソレータ４０６の回りにより、アイソレータ４０６は低熱伝達率を有するが、２番目の経路に沿って移動する熱の大部分はアイソレータ４０６を通過しないことを意味している。内部容量４２０にある空気及び（たとえ微少でも）チャンバー容量１２８内のガスを伝達することにより、熱はアイソレータの回りを通る。熱はまた、一緒に支持台１１６を保持する金物類を通り基板支持４００から外部熱伝達板４０８に移動することにより、アイソレータの回りを通る。この経路に渡る熱伝達率は基板支持４００、アイソレータ４０６及び外部熱伝達板４０８の材料組成を変えることにより変えることができる。さらに、アイソレータの回りの熱伝達率はまたアイソレータ４０６の厚みＷ’を変えることにより変えられる。
【００２４】
主要経路の熱伝達率は２番目の経路の熱伝達率を超えているので、中央でより早くウェーハ１１４を加熱及び冷却する傾向は補償される。従って、一定の温度勾配はウェーハの直径に渡り維持される。実際の熱伝達率及び、主要及び２番目の経路の間のバランスは台／ウェーハの結合構造及びウェーハ１１４が受ける処理パラメータ次第である。
【００２５】
ウェーハ１１４で所定温度を維持するため、ウェーハ１１４間の熱伝達率はバランスされなければならない。コントローラ１４０はウェーハ１１４との間の熱伝達率のバランスを促進する。基板支持４００にあるセンサ４２２はコントローラ１４０と通じており、ウェーハ温度情報を提供する。コントローラ１４０はウェーハ１１４が加熱を要求していると決定した場合には、コントローラ１４０は第２電極４３６に信号を送信し、そのような第２電極４３６により発生され、ウェーハ１１４に伝達され、設備の水によりウェーハ１１４から取り除かれた熱（すなわち、ウェーハ１１４の熱エネルギの正味の増加量）を超える熱を発生させる。熱がウェーハ１１４から除去される必要があるとコントローラ１４０が決定した場合には、コントローラ１４０は第２電極４３６に信号を送信し、第２電極４３６により発生され、ウェーハ１１４に伝達され、設備の水によりウェーハ１１４から取り除かれた熱（すなわち、ウェーハ１１４の熱エネルギの正味の減少量）により超えられた熱を発生する。センサ４２及びコントローラ１４０はウェーハ１１４の温度を絶えず監視し、第２電極４３６に適当な信号を送信し、ウェーハ１１４を所定温度に維持するようになっている。
【００２６】
加熱及び冷却の要求はチャンバー内で行われる処理のタイプにより変わるので、上記した属性は当業者により変えられ、特定の適用のために予期されたウェーハの熱負荷の要求を最適に取扱ってもよい。
【００２７】
支持台１１６の第２の実施例は図３に示されている。支持台１１６は、基板支持４００、内部熱伝達板３００、アイソレータ４６６、外部熱伝達板４０８、ハウジング４１０、シャフト４１２及びクランプ４１４を備えている。基板支持４００は静電チャック、ヒータ、セラミック本体等とすることができる。センサ４２２は基板側４７８近くの基板支持４００に置かれている。センサ４２２はコントローラ１４０に結合されている。クランプ４１４はアイソレータ４６６に対して基板支持４００のフランジ４４６を保持している。クランプ４１４は通常、ボルト（図示せず）によりアイソレータ４６６に固定されている。被覆リング４２６はクランプ４１４と基板支持４００の露出部分４２４がプラズマによりエッチングされるのを防ぐ。
【００２８】
１以上の電極は基板支持４００に埋め込まれている。１以上の電極は、チャッキング、加熱、１以上の電源（すなわち、源１２２又は代わりのＤＣ電源）への接続部を介するＲＦパワーの分配等を含む半導体基板処理のいろいろな要求のために使用されてもよい。１以上の電極は少なくとも第１電極４１６及び第２電極４３６を備えているのが好ましい。第１電極は通常、基板支持４００の基板側４７８にウェーハを静電気的に保持するために使用される。第２電極４３６はウェーハ１１４を加熱するために使用される。
【００２９】
アイソレータ４６６は内径４６８と厚みＷ”を有している。内径４６８及び基板支持４００は内部容量４２０を規定する。アイソレータ４６６は低熱伝達率を有するセラミック又は他の材料製である。アイソレータ４６６は外部熱伝達板４０８と基板支持４００の間に配置されている。外部熱伝達板４０８は金属材料製である。外部熱伝達板４０８は中央流路４３８と内部流路４１８を有している。外部熱伝達板４０８内の内部流路４１８は第１コンジット１５６により流体供給装置１５４（図１参照）に結合され、設備の水を矢印４３２により示された外部熱伝達板４０８を通って循環させる。ハウジング４１０はシャフト４１２に固定されている。ハウジング４１０は中央流路４３８と整列された中央流路４４０を有している。流路４３８及び４４０はシャフト４１２から内部容量４２０へのアクセスを許容し、内部容量４２０をシャフト４１２を通って大気に排出させる。螺子、ボルト及び分解を容易にする他の留め金具は好ましくは、支持台１１６の構成部品を固定するために使用される。しかし、クランプ、リベット、蝋付け、溶接等のような他の固定設備が代用されてもよい。
【００３０】
支持台１１６のハウジング４１０はベローズ４５４に取付けられている（すなわち、蝋付けされている）。ベローズ４５４はまたチャンバー壁１３０に取付けられている。ベローズ４５４は内部容量４２０をチャンバー容量１２８から絶縁する。この方法では、ベローズ４５４はシステム１００の動作中、内部容量４２０を大気に排出させた状態にさせる。
【００３１】
内部熱伝達板３００は内部容量４２０内にある。内部熱伝達板３００は、図４により詳細に示されているが、制御板３０２と接触板３０４とを備えている。制御板３０２と接触板３０４は金属又は他の熱伝達材料製である。制御板３０２は第１の円板形状部分３０６と第２の円板形状部分３０８とを有している。厚みＴ及び高さＨを有するリング３１０は第１の円板形状部分３０６を第２の円板形状部分３０８に接続する。容量３１８は第１の円板形状部分３０６、第２の円板形状部分３０８及びリング３１０により規定される。第２の円板形状部分３０８は容量３１８を内部容量４２０と通じさせる通気孔３１６を有している。内部容量４２０にある空気は容量３１８を充填するので、熱伝達は対流、伝導及び放射により容量３１８を横切って起こる。第２の円板形状部分３０８はさらに流路３１２を有している。流路３１２はコンジット１５６によって流体供給装置１５４（図１参照）に結合され、図３の矢印４３０により示されているように、設備の水を第２の円板形状部分３０８を通って循環させる。
【００３２】
接触板３０４は第１側３２０及び第２側３２２を有している。第２側３２２はカウンターボア３２４を有し、それに制御板３０２の第１の円板形状部分３０６が配置される。接触板３０４の第１側３２０は基板支持４００の第２側４８０に対して配置されている。接触板３０４と制御板３０２の構成はリング３１０が内部熱伝達板３００内に配置された状態である限り容易に変更されてもよいことに読者は注目すべきである。
【００３３】
システム１００の動作は図１、図３及び図４を同時に参照することにより最もよく理解される。温度制御及びウェーハ１１４の温度の均一性が要求されるところはどこでも支持台１１６は有利に利用可能であり、システム１００での使用及び開示された処理範囲は例としてであり、例示だけのためである。ウェーハ１１４は支持台１１６の基板支持４００の上に置かれている。ヘリウムはウェーハ１１４と支持台１１６の間の熱伝達ガス源１４８から供給され、ウェーハ１１４と支持台１１６の間の熱伝達を促進する。ウェーハ１１４は第２電源１２２から第２電極４３６に電力をかけることにより２００〜５００℃の範囲の所定処理温度まで上げられる。通常、第２電極４３６により加熱されたウェーハ１１４は２０秒以下の所定温度に達するだろう。ウェーハ１１４が基板支持４００に置かれ、チャンバー容量１２８がポンプ１３６により排出された後、ガスパネル１３８からの処理ガスはチャンバー壁１３０のポート１３８を通ってチャンバー容量１２８に導入される。ガスは第１電源１１８からアンテナ１１２に約２５００ワットをかけることによりプラズマ１５２に励起される。ウェーハ１１４は第１電極４１６に１０００ワットまでかけることにより支持台１１６に保持される。結果として生じるプラズマの発火及び支持台１１６のバイアスはウェーハ１１４をエッチングさせる。
【００３４】
処理の間、ウェーハ１１４は、各種源、すなわち、プラズマ１５２、１以上の電極（４１６及び４３６）等からの熱エネルギに晒される。ウェーハ１１４に衝突する熱エネルギを打ち消すため、熱エネルギは、流体供給装置１５２からそれぞれ内部熱伝達板３００及び外部熱伝達板４０８の流路３１２及び４１８を流れる設備の水によりウェーハ１１４から取り除かれる。ウェーハ１１４からの熱伝達の２つの主要な経路がある。第１の主要な経路は、ウェーハ１１４から基板支持４００、接触板３０４を通り、制御板３０２の第１の円板形状部分３０６に至り、容量３１８を横切って、第２の円板形状部分３０８及び流路３１２を流れる設備の水に至るものである。この経路を横切る熱伝達率は、基板支持、接触板３０４、及び制御板３０２組成、容量３１８の寸法（すなわち、高さＨを変えることによる）、及び容量３１８を充填するガスの組成を変えることにより変えることができる。通常、空気は容量３１８（すなわち、通気孔３１６を通り内部容量４３２と通じる容量３１８）内に熱伝達媒体を供給するので、容量３１８内の圧力（及び従って空気の密度）を変えることは相応じて熱伝達率を変えるだろう。別のガス（すなわち、窒素）を空気に代えることはまた容量３１８を横切る熱伝達率を変えるだろう。
【００３５】
第２の主要な熱伝達経路は、ウェーハ１１４から、基板支持４００、接触板３０４を通り、制御板３０２の第１の円板形状部分３０６に至り、リング３１０を通り、第２の円板形状部分３０８及び流路３１２を流れる設備の水に至るものである。基板支持４００、接触板３０４、制御板３０２の材料組成を変えることにより、及びリング３１０の結合構造を変えることにより（すなわち、主にリング３１０の高さＨ及び厚みＴを代えることにより）、この経路を横切る熱伝達率は変更可能である。第２の主要経路は主要経路に沿って伝達された熱の大部分を運ぶ。
【００３６】
第２の熱伝達経路は、ウェーハ１１４から、基板支持４００を通り、アイソレータ４６６を回り、外部熱伝達板４０８及び流路４１８を流れる設備の水に至るものである。熱はまた、共に支持台１１６を保持する金物類を通り、基板支持４０から外部熱伝達板４０８へのこの経路に沿って伝達されてもよい。熱伝達率はまたアイソレータ４６６の厚みＷ’を変えることによりもたらされる。
【００３７】
主要経路の熱伝達率は第２経路の熱伝達率を超えているので、ウェーハ１１４を中央でより早く加熱及び冷却する傾向は補償される。従って、一定の温度はウェーハの直径に渡り維持される。実際の熱伝達率及び第１と第２経路の間のバランスは、台／ウェーハの結合構造及びウェーハが受ける処理パラメータ次第である。
【００３８】
ウェーハ１１４を所定温度に維持するため、ウェーハ１４間の熱伝達率はバランスされなければならない。コントローラ１４０はウェーハ１１４間の熱伝達率のバランスを促進する。基板支持４００にあるセンサ４２２はコントローラ１４０と通じており、ウェーハ温度の情報を供給する。ウェーハ１１４が加熱を要求しているとコントローラ１４０が決定した場合には、コントローラ１４０は第２電極４３６に信号を送信し、そのような第２電極４３６により発生され、ウェーハ１１４に伝達され、ウェーハ１１４から除去された熱（すなわち、ウェーハ１１４の熱エネルギの正味の増加量）を超える熱を生じる。熱がウェーハ１１４から取り除かれる必要があるとコントローラ１４０が決定した場合には、コントローラ１４０は第２電極４３６に信号を送信し、第２電極４３６により発生され、ウェーハ１１４に伝達され、ウェーハ１１４から除去された熱（すなわち、ウェーハ１１４の熱エネルギの正味の減少量）により超えられる熱を生じる。センサ４２２及びコントローラ１４０は絶えずウェーハ１４の温度を監視し、第２電極４３６に適当な信号を送信し、ウェーハ１１４を所定温度に維持するようになっている。
【００３９】
加熱及び冷却の要求はチャンバー内で行われる処理のタイプにより変わるので、上述した属性は当業者により変えられてもよく、特定の適用のための予期した熱負荷要求を最適に取扱う。
【００４０】
本発明はエッチングチャンバーの静電チャックとして例示的に説明されているが、本発明の実施は半導体ウェーハの支持、ヒータ、ウェーハの温度制御が重要なもの等の他の適用に有利に適用可能であることを読者は注意すべきである。ここに詳細に示されると共に説明された本発明の教示であるが、当業者はその教示をさらに組込むと共に本発明の精神から逸脱しない他の変更実施例を容易に発明可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による熱制御台を含む半導体処理チャンバーを示す概略断面図である。
【図２】本発明の熱制御台の第１の実施例の概略断面図である。
【図３】本発明の熱制御台の第２実施例の概略断面図である。
【図４】図３の実施例の内部及び外部熱伝達板の概略断面図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に、半導体ウェーハ処理装置に関する。より詳細には、本発明は半導体ウェーハの直径を横切る制御可能で一定の温度分布を供給する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体ウェーハ処理において、ウェーハの表面温度は重要な処理のパラメータである。ウェーハ処理の間にウェーハ表面の変化及びそれを横切る勾配は、材料堆積、エッチング割合、機構のテーパ角、ステップ範囲等にとって有害である。ウェーハ処理の間に温度の均一性を制御し、処理を向上させ、不必要な特性を最小にすることは重要である。
【０００３】
多くのデバイスは当分野では処理中のウェーハ温度を制御するために使用されている。１つの方法は処理中にウェーハ支持台を通る冷却流体を供給する。その流体はウェーハ支持台から熱を取り除き、従って、ウェーハを冷却する。ウェーハを冷却するこの方法は２つの固有の問題を有している。第１に、ウェーハを所望の温度にするために要求される応答時間はかなり長い。そのように、急なウェーハ温度の変動を補償するためのウェーハ温度の迅速な動的制御は可能ではない。従って、ウェーハは一定温度として維持されない。
【０００４】
この方法の第２の不利益はウェーハの表面を横切る温度均一性を制御するのに無用であることである。ウェーハからウェーハ支持台への熱伝達は通常、ウェーハの中央で最大であり、端部の方では小さくなる。流体温度は通常、ウェーハ支持台内部で一定であるので、ウェーハは中央部でもっと迅速に冷却する。これはウェーハ表面に温度勾配を発生させ、増加した直径のウェーハ、例えば３００ｍｍではよりひどくなる。この温度勾配は半導体ウェーハ処理の機構の変化の主要な要因の１つである。
【０００５】
台の温度の迅速な動的制御を供給するウェーハ温度を制御する別の方法はウェーハを支持する表面（すなわち、支持表面）に埋め込まれた熱電気デバイスを使用する。これらのデバイスは台の支持表面の下方の２次元アレイで方向付けされている。しかし、そのようなアレイの内部では、熱の少量がデバイスの直近位置及びそれの間の位置で伝達されている間に温度勾配が個々のデバイス間で形成され、すなわち、各デバイスはその位置で有効に熱を伝達させる。複数のデバイス間のそのような勾配はウェーハに実質的な温度変化を生じさせ、すなわち、熱い位置と冷たい位置が形成される。その結果として、温度変化に応じてウェーハに処理変化が発生することがある。
【０００６】
最近、新種の材料、例えば銅およびイリジウムと考えられるものをエッチングする進歩はウェーハ温度及び温度均一性を制御する問題をさらに悪化させる。幾つかの新種の材料をエッチングするのに使用される静電チャックに加えられている（１０００ワットまで及びそれを超える）高いバイアスエネルギはウェーハの熱負荷に著しく寄与し、公知の手段以上に台を冷却することが要求される。さらに、幾つかの新種の材料をエッチングするのに使用される処理温度は２００から４００℃の範囲の温度を必要とする。そのような高い処理温度はウェーハを所定の処理温度まで迅速に持って来て、その温度を維持することのできる台を必要とする。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そのため、当分野では、ウェーハを迅速に所定の温度に持って来て、その温度を維持し、ウェーハ支持台のウェーハ支持表面全体に渡り均一な温度を供給することのできる装置の必要性がある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
従来技術に関連した不利益は半導体基板、すなわちウェーハを支持すると共に熱的に制御するための支持台の本発明により克服される。支持台は基板支持、アイソレータ、内部板及び外部板を有している。基板支持は静電チャック、ヒータ、セラミック本体等である。好ましくは、アイソレータはセラミック又は低熱伝達率の他の材料製であるが、内部容量を規定する内部直径を有している。アイソレータは基板支持と外部板との間に固定されている。内部板はアイソレータに固定されている。内部板及び基板支持は大気に通じる隙間を規定する。内部板及び外部板の両方は熱伝達流体を循環させるための内部流路を有している。
【０００９】
本発明の第２の実施例は支持台であり、該支持台は基板支持、アイソレータ、内部板及び外部板を有している。基板支持は静電チャック、ヒータ、セラミック本体等である。アイソレータは内部容量を規定する内部直径を有している。アイソレータは基板支持と外部板の間に固定されている。内部板は容量を規定するリング形状のセクションを有し、第１セクションを第２セクションから分離させる。第１セクションは基板支持に固定されている。内部板及び外部板の両方の第２セクションは熱伝達流体を循環させる内部流路を有している。ウェーハの熱制御のための処理がまた開示されている。ウェーハ温度の制御は、基板支持と基板支持の下方に配置された外部板内を循環する流体の間で熱を伝達させることにより容易になる。外部板はアイソレータにより基板支持から分離される。熱は外部板内を循環する流体に伝達される。さらに、熱は基板支持と基板支持の下方に配置される内部板内を循環する流体の間を伝達する。好適な方法の別の実施例は熱を流体に伝達する前に内部板のリング形状のセクションを通って熱を伝達させることを含んでいる。その方法の他の実施例はウェーハ温度を検出し、基板支持内の１以上の電極に熱を発生させる信号を供給することを含んでいる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１に示された本発明は、半導体処理システム１００の一部である。そのようなシステムの説明に役立つ例は、カリフォルニア州、サンタクララ市のApplied Materials社から入手可能なDecoupled Plasma Source（ＤＰＳ）Centura（登録商標）エッチングシステムである。システム１００は基板支持又は支持台１１６を有し、ウェーハ処理の間、半導体基板又はウェーハを所定の温度に維持する。創意に富む支持台１１６はかなり多くの半導体処理システムにおいて有用性を有し、ウェーハ１１４の温度制御及び温度の均一性が要求される。当業者は開示された教示が各種他の適用（すなわち、物理及び化学気相成長法の半導体処理システム）での使用に容易に適用可能であり、ウェーハ１１４の温度制御及び均一性が要求されることを認識するであろう。
【００１１】
システム１００はチャンバー１１０とコントローラ１４０を備えている。システム１００はガスパネル１３８、熱伝達ガス源１４８、第１電源１１８、第２電源１２２、及び流体供給装置１５４のような各種源に接続されている。チャンバー１１０は電気接地、誘電体、ドーム型天井又は蓋１２０に接続される伝達チャンバー壁１３０を有している。チャンバー壁１３０及び蓋１２０はチャンバー容量１２８を規定する。チャンバー容量１２８は通常、ウェーハ処理の間、大気圧以下である。少なくとも１つの誘導コイルアンテナセグメント１１２は蓋１２０の外側に配置されている。アンテナセグメント１１２は第１電源１１８に結合され、該第１電源は通常、約１２．５６ＭＨｚの調整可能な周波数を有するＲＦ信号を作ることができる。第１電源１１８は整合ネットワーク１１９に結合されている。
【００１２】
処理チャンバー１１０内には支持台１１６が配置されている。支持台１１６は第２電源１２２に結合されている。第２電源は通常、約１３．５６ＭＨｚの周波数を有するＲＦ信号を作ることができる。第２電源１２２は整合ネットワーク１２４を通って支持台１１６に結合される。熱伝達ガス源１４８は支持台１１６に結合されている。熱伝達ガス、すなわち、ヘリウムガスは熱伝達ガス源１４８からウェーハ１１４と支持台１１６の間の溝（図示せず）に流れる。ヘリウムガスは基板１１４と支持台１１６の間での熱伝達を促進するために使用される。
【００１３】
流体供給装置１５４は第１導管１５６により支持台１１６に結合されている。流体供給装置１５４はまた第２導管１５８によりチャンバー壁内の流路（図示せず）に結合されている。通常、流体供給装置１５４は８０℃で設備の水を流し、支持台１１６及びチャンバー壁１３０の温度を調整するのを補助する。他の流体は容易に設備の水に代えられてもよい。さらに、異なる処理条件が要求される時に代わりの流体温度が使用されてもよい。
【００１４】
ガスパネル１３８は処理ガス（又はガス）及び他のガスを供給し、ウェーハ１１４の処理を容易にするために使用される。処理ガス、例えば、アルゴンはガスパネル１３８からポート１２６を通ってチャンバー１１０に送られ、第２電源１２２により支持台１１６とチャンバー壁１３０の間に電力が供給される時にプラズマを形成する。チャンバー容量１２８内の圧力は、チャンバー１１０と真空ポンプ１３６の間に置かれた絞り弁１３２を使用して（処理中に、通常、大気圧以下に）制御される。
【００１５】
コントローラ１４０は中央処理装置（ＣＰＵ）１４４、メモリ１４２、及びＣＰＵ１４４の支援回路１４６を備えている。コントローラ１４０はチャンバー１１０の各種構成に結合され、ウェーハ処理の制御を容易にする。
【００１６】
支持台１１６の１実施例は図２により詳細に示されている。支持台１１６は基板支持４００、内部熱伝達板４０２、スペーサ４０４、アイソレータ４０６、外部熱伝達板４０８、ハウジング４１０、シャフト４１２及びクランプ４１４を有している。基板支持４００は静電チャック、ヒータ、セラミック本体等とすることができる。基板支持４００は第１又は基板側４７８、第２側４８０、及び円周フランジ４４６を有している。基板支持４００は通常、熱分解窒化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化珪素、アルミナ等のような蝋付け可能なセラミックである。センサ４２２は基板側４７８に最も近い基板支持４００に配置されている。センサ４２２は接続部４２８を介してコントローラ１４０（図１参照）に結合されている。クランプ４１４はアイソレータ４０６に対して基板支持４００のフランジ４４６を保持する。クランプ４１４は通常、ボルト（図示せず）によりアイソレータ４０６に固定されている。被覆リング４２６はクランプ４１４上に配置されている。被覆リング４２６はクランプ４１４及び基板支持４００の露出部分４２４をプラズマによりエッチングされるのを保護する。
【００１７】
１以上の電極が基板支持４００に埋め込まれている。１以上の電極は、１以上の電源（すなわち、電源１２２又は代わりにＤＣ電源）への接続部を介して、チャッキング、加熱、ＲＦ電力分配等を含む半導体基板処理のいろいろな要求のために使用されてもよい。１以上の電極は少なくとも第１電極４１６及び第２電極４３６を備えているのが好ましい。通常、第１電極は基板支持４００の基盤側４７８にウェーハを静電気的に保持するために使用される。第２電極４３６はウェーハ１１４を加熱するために使用される。
【００１８】
アイソレータ４０６は内径４５０及び厚さＷ’を有している。内径４５０はステップ４４８を有している。アイソレータ４０６はセラミック又は低熱伝達率を有する他の材料製である。アイソレータ４０６は基板支持４００と外部熱伝達板４０８の間に配置されている。内径４５０及び基板支持４００は内部容量を規定する。外部熱伝達板４０８は金属材料製である。外部熱伝達板４０８は中央流路４３８及び内部流路４１８を有している。外部熱伝達板４０８内の内部流路４１８は第１導管１５６により流体供給装置（図１参照）に結合され、矢印４３２で示されているように外部熱伝達板４０８を通って設備の水を循環させる。ハウジング４１０は外部熱伝達板４０８の中央流路４３８と同軸の中央流路４４０を有している。中央流路４３８及び４４０はシャフト４１２から内部容量４２０へのアクセスを容易にし、内部容量４２０をシャフト４１２を通って大気に通じさせる。螺子、ボルト及び分解を容易にする他の締め金具のような金物類は、好ましくは、支持台１１６の構成部品を固定するために使用される。しかし、クランプ、リベット、蝋付け、溶接等の他の締付け金具類が代わりに用いられてもよい。
【００１９】
支持台１１６のハウジング４１０はベローズ４５４に取付け（蝋付け）されている。ベローズ４５４はまたチャンバー壁１３０にも取付けられている。ベローズ４５４は内部容量４２０をチャンバー容量１２８から絶縁している。内部容量４２０を絶縁するためにベローズ４２０を使用することは、ここにインコーポレイテッドバイリファレンスされており、１９９６年４月３０日に発行され、譲渡された米国特許番号5,511,799により詳細に見出される。この方法では、ベローズ４５４はシステム１００の作動の間、内部容量４２０を大気に開放させる。
【００２０】
スペーサ４０４はリング形状を有し、アイソレータ４０６の段部４４８に配置されている。内部熱伝達板４０２はスペーサ４０４に配置されている。スペーサ４０４及び内部熱伝達板４０２の両方は内部容量４２０内にある。好ましくは、内部熱伝達板４０２は金属又は他の熱伝達材料製である。内部熱伝達板４０２は流路４７６及び表面４５２を有している。流路４７６は第１導管１５６により流体供給装置１５４（図１参照）に結合され、矢印４３０で示されているように設備の水を内部熱伝達板４０２を通って循環させる。内部熱伝達板４０２及び基板支持４００の第２側４８０は隙間４５６を規定する。内部容量４２０にある空気は隙間４５６を充填するので、内部熱伝達板４０２と基板支持４００の間の熱伝達は対流、伝導及び放射により隙間４５６全域に発生する。
【００２１】
システム１００の作動は図１と図２を同時に参照することにより最もよく理解される。当業者は支持台１１６がウェーハ１１の温度制御及び温度の均一性が要求されるところはどこでも都合よく使用することができ、システム１００の使用及び開示された処理範囲は例としてであり、例示だけのためである。ウェーハ１１４は支持台１１６の基板支持上に置かれている。ヘリウムはウェーハ１１４と支持台１１６の間の熱伝達ガス源１４８から供給され、ウェーハ１１４と支持台１１６との間の熱伝達を促進する。ウェーハ１１４は第２電源１２２から第２電極４３６に電力を加えることにより２００〜５００℃の範囲で所定の処理温度迄上げられる。通常、第２電極４３６により加熱されたウェーハ１１４は２０秒以下で所定温度に達するであろう。ウェーハ１１４が基板支持４００に配置され、チャンバー容量１２８がポンプ１３６により排出され、ガスパネル１３８からの処理ガスはチャンバー壁１３０のポート１２６を通ってチャンバー容量１２８に導入される。第１電源１１８からアンテナ１１２に２５００ワットまで電力を加えることにより、ガスはプラズマ１５２に励起される。第２電源１２２から第１電極４１６に１０００ワットまで電力を加えることにより、ウェーハ１１４は支持台１１６に保持される。電圧はプラズマ内のガスをイオン化し、ウェーハ１１４はエッチングされることとなる。
【００２２】
処理の間、ウェーハ１１４は各種源、すなわち、プラズマ１５２、１以上の電極（４１６及び４３６）等からの熱エネルギに晒される。ウェーハ１１４に衝突する熱エネルギを打ち消すため、それぞれ内部熱伝達板４０２及び外部熱伝達板４０８を流れる流体供給装置１５２からの設備の水により熱エネルギはウェーハ１１４から取り除かれる。当業者はエチレングリコール等のような他の冷却流体が容易に設備の水の代わりになることを認識するであろう。熱伝達の主要な経路は基板支持４００を通り、隙間４５６を横切り、ウェーハ１４から内部熱伝達板４０２及び流路４７６を流れる設備の水に至るものである。この経路に渡る熱伝達率は、基板支持４００及び内部熱伝達板４０２の材料の組成、隙間４５６の寸法、及び内部容量４３２を充填するガスの組成を変えることにより変えることができる。通常、空気が隙間４５６（すなわち、内部容量４３２の一部分である隙間）の熱伝達媒体を供給する時、隙間４５６内の圧力（及び従って空気の密度）を変えることは相応じて熱伝達率を変えるであろう。空気のため別のガス（すなわち、窒素）を代用することはまた隙間４５６を横切る熱伝達率をも変えるだろう。
【００２３】
熱伝達率の２番目の経路は、基板支持４００を通り、アイソレータ４０６の回りをウェーハ１１４から内部熱伝達板４０８及び流路４１８を流れる設備の水に至るものである。アイソレータ４０６の回りにより、アイソレータ４０６は低熱伝達率を有するが、２番目の経路に沿って移動する熱の大部分はアイソレータ４０６を通過しないことを意味している。内部容量４２０にある空気及び（たとえ微少でも）チャンバー容量１２８内のガスを伝達することにより、熱はアイソレータの回りを通る。熱はまた、一緒に支持台１１６を保持する金物類を通り基板支持４００から外部熱伝達板４０８に移動することにより、アイソレータの回りを通る。この経路に渡る熱伝達率は基板支持４００、アイソレータ４０６及び外部熱伝達板４０８の材料組成を変えることにより変えることができる。さらに、アイソレータの回りの熱伝達率はまたアイソレータ４０６の厚みＷ’を変えることにより変えられる。
【００２４】
主要経路の熱伝達率は２番目の経路の熱伝達率を超えているので、中央でより早くウェーハ１１４を加熱及び冷却する傾向は補償される。従って、一定の温度勾配はウェーハの直径に渡り維持される。実際の熱伝達率及び、主要及び２番目の経路の間のバランスは台／ウェーハの結合構造及びウェーハ１１４が受ける処理パラメータ次第である。
【００２５】
ウェーハ１１４で所定温度を維持するため、ウェーハ１１４間の熱伝達率はバランスされなければならない。コントローラ１４０はウェーハ１１４との間の熱伝達率のバランスを促進する。基板支持４００にあるセンサ４２２はコントローラ１４０と通じており、ウェーハ温度情報を提供する。コントローラ１４０はウェーハ１１４が加熱を要求していると決定した場合には、コントローラ１４０は第２電極４３６に信号を送信し、そのような第２電極４３６により発生され、ウェーハ１１４に伝達され、設備の水によりウェーハ１１４から取り除かれた熱（すなわち、ウェーハ１１４の熱エネルギの正味の増加量）を超える熱を発生させる。熱がウェーハ１１４から除去される必要があるとコントローラ１４０が決定した場合には、コントローラ１４０は第２電極４３６に信号を送信し、第２電極４３６により発生され、ウェーハ１１４に伝達され、設備の水によりウェーハ１１４から取り除かれた熱（すなわち、ウェーハ１１４の熱エネルギの正味の減少量）により超えられた熱を発生する。センサ４２及びコントローラ１４０はウェーハ１１４の温度を絶えず監視し、第２電極４３６に適当な信号を送信し、ウェーハ１１４を所定温度に維持するようになっている。
【００２６】
加熱及び冷却の要求はチャンバー内で行われる処理のタイプにより変わるので、上記した属性は当業者により変えられ、特定の適用のために予期されたウェーハの熱負荷の要求を最適に取扱ってもよい。
【００２７】
支持台１１６の第２の実施例は図３に示されている。支持台１１６は、基板支持４００、内部熱伝達板３００、アイソレータ４６６、外部熱伝達板４０８、ハウジング４１０、シャフト４１２及びクランプ４１４を備えている。基板支持４００は静電チャック、ヒータ、セラミック本体等とすることができる。センサ４２２は基板側４７８近くの基板支持４００に置かれている。センサ４２２はコントローラ１４０に結合されている。クランプ４１４はアイソレータ４６６に対して基板支持４００のフランジ４４６を保持している。クランプ４１４は通常、ボルト（図示せず）によりアイソレータ４６６に固定されている。被覆リング４２６はクランプ４１４と基板支持４００の露出部分４２４がプラズマによりエッチングされるのを防ぐ。
【００２８】
１以上の電極は基板支持４００に埋め込まれている。１以上の電極は、チャッキング、加熱、１以上の電源（すなわち、源１２２又は代わりのＤＣ電源）への接続部を介するＲＦパワーの分配等を含む半導体基板処理のいろいろな要求のために使用されてもよい。１以上の電極は少なくとも第１電極４１６及び第２電極４３６を備えているのが好ましい。第１電極は通常、基板支持４００の基板側４７８にウェーハを静電気的に保持するために使用される。第２電極４３６はウェーハ１１４を加熱するために使用される。
【００２９】
アイソレータ４６６は内径４６８と厚みＷ”を有している。内径４６８及び基板支持４００は内部容量４２０を規定する。アイソレータ４６６は低熱伝達率を有するセラミック又は他の材料製である。アイソレータ４６６は外部熱伝達板４０８と基板支持４００の間に配置されている。外部熱伝達板４０８は金属材料製である。外部熱伝達板４０８は中央流路４３８と内部流路４１８を有している。外部熱伝達板４０８内の内部流路４１８は第１コンジット１５６により流体供給装置１５４（図１参照）に結合され、設備の水を矢印４３２により示された外部熱伝達板４０８を通って循環させる。ハウジング４１０はシャフト４１２に固定されている。ハウジング４１０は中央流路４３８と整列された中央流路４４０を有している。流路４３８及び４４０はシャフト４１２から内部容量４２０へのアクセスを許容し、内部容量４２０をシャフト４１２を通って大気に排出させる。螺子、ボルト及び分解を容易にする他の留め金具は好ましくは、支持台１１６の構成部品を固定するために使用される。しかし、クランプ、リベット、蝋付け、溶接等のような他の固定設備が代用されてもよい。
【００３０】
支持台１１６のハウジング４１０はベローズ４５４に取付けられている（すなわち、蝋付けされている）。ベローズ４５４はまたチャンバー壁１３０に取付けられている。ベローズ４５４は内部容量４２０をチャンバー容量１２８から絶縁する。この方法では、ベローズ４５４はシステム１００の動作中、内部容量４２０を大気に排出させた状態にさせる。
【００３１】
内部熱伝達板３００は内部容量４２０内にある。内部熱伝達板３００は、図４により詳細に示されているが、制御板３０２と接触板３０４とを備えている。制御板３０２と接触板３０４は金属又は他の熱伝達材料製である。制御板３０２は第１の円板形状部分３０６と第２の円板形状部分３０８とを有している。厚みＴ及び高さＨを有するリング３１０は第１の円板形状部分３０６を第２の円板形状部分３０８に接続する。容量３１８は第１の円板形状部分３０６、第２の円板形状部分３０８及びリング３１０により規定される。第２の円板形状部分３０８は容量３１８を内部容量４２０と通じさせる通気孔３１６を有している。内部容量４２０にある空気は容量３１８を充填するので、熱伝達は対流、伝導及び放射により容量３１８を横切って起こる。第２の円板形状部分３０８はさらに流路３１２を有している。流路３１２はコンジット１５６によって流体供給装置１５４（図１参照）に結合され、図３の矢印４３０により示されているように、設備の水を第２の円板形状部分３０８を通って循環させる。
【００３２】
接触板３０４は第１側３２０及び第２側３２２を有している。第２側３２２はカウンターボア３２４を有し、それに制御板３０２の第１の円板形状部分３０６が配置される。接触板３０４の第１側３２０は基板支持４００の第２側４８０に対して配置されている。接触板３０４と制御板３０２の構成はリング３１０が内部熱伝達板３００内に配置された状態である限り容易に変更されてもよいことに読者は注目すべきである。
【００３３】
システム１００の動作は図１、図３及び図４を同時に参照することにより最もよく理解される。温度制御及びウェーハ１１４の温度の均一性が要求されるところはどこでも支持台１１６は有利に利用可能であり、システム１００での使用及び開示された処理範囲は例としてであり、例示だけのためである。ウェーハ１１４は支持台１１６の基板支持４００の上に置かれている。ヘリウムはウェーハ１１４と支持台１１６の間の熱伝達ガス源１４８から供給され、ウェーハ１１４と支持台１１６の間の熱伝達を促進する。ウェーハ１１４は第２電源１２２から第２電極４３６に電力をかけることにより２００〜５００℃の範囲の所定処理温度まで上げられる。通常、第２電極４３６により加熱されたウェーハ１１４は２０秒以下の所定温度に達するだろう。ウェーハ１１４が基板支持４００に置かれ、チャンバー容量１２８がポンプ１３６により排出された後、ガスパネル１３８からの処理ガスはチャンバー壁１３０のポート１３８を通ってチャンバー容量１２８に導入される。ガスは第１電源１１８からアンテナ１１２に約２５００ワットをかけることによりプラズマ１５２に励起される。ウェーハ１１４は第１電極４１６に１０００ワットまでかけることにより支持台１１６に保持される。結果として生じるプラズマの発火及び支持台１１６のバイアスはウェーハ１１４をエッチングさせる。
【００３４】
処理の間、ウェーハ１１４は、各種源、すなわち、プラズマ１５２、１以上の電極（４１６及び４３６）等からの熱エネルギに晒される。ウェーハ１１４に衝突する熱エネルギを打ち消すため、熱エネルギは、流体供給装置１５２からそれぞれ内部熱伝達板３００及び外部熱伝達板４０８の流路３１２及び４１８を流れる設備の水によりウェーハ１１４から取り除かれる。ウェーハ１１４からの熱伝達の２つの主要な経路がある。第１の主要な経路は、ウェーハ１１４から基板支持４００、接触板３０４を通り、制御板３０２の第１の円板形状部分３０６に至り、容量３１８を横切って、第２の円板形状部分３０８及び流路３１２を流れる設備の水に至るものである。この経路を横切る熱伝達率は、基板支持、接触板３０４、及び制御板３０２組成、容量３１８の寸法（すなわち、高さＨを変えることによる）、及び容量３１８を充填するガスの組成を変えることにより変えることができる。通常、空気は容量３１８（すなわち、通気孔３１６を通り内部容量４３２と通じる容量３１８）内に熱伝達媒体を供給するので、容量３１８内の圧力（及び従って空気の密度）を変えることは相応じて熱伝達率を変えるだろう。別のガス（すなわち、窒素）を空気に代えることはまた容量３１８を横切る熱伝達率を変えるだろう。
【００３５】
第２の主要な熱伝達経路は、ウェーハ１１４から、基板支持４００、接触板３０４を通り、制御板３０２の第１の円板形状部分３０６に至り、リング３１０を通り、第２の円板形状部分３０８及び流路３１２を流れる設備の水に至るものである。基板支持４００、接触板３０４、制御板３０２の材料組成を変えることにより、及びリング３１０の結合構造を変えることにより（すなわち、主にリング３１０の高さＨ及び厚みＴを代えることにより）、この経路を横切る熱伝達率は変更可能である。第２の主要経路は主要経路に沿って伝達された熱の大部分を運ぶ。
【００３６】
第２の熱伝達経路は、ウェーハ１１４から、基板支持４００を通り、アイソレータ４６６を回り、外部熱伝達板４０８及び流路４１８を流れる設備の水に至るものである。熱はまた、共に支持台１１６を保持する金物類を通り、基板支持４０から外部熱伝達板４０８へのこの経路に沿って伝達されてもよい。熱伝達率はまたアイソレータ４６６の厚みＷ’を変えることによりもたらされる。
【００３７】
主要経路の熱伝達率は第２経路の熱伝達率を超えているので、ウェーハ１１４を中央でより早く加熱及び冷却する傾向は補償される。従って、一定の温度はウェーハの直径に渡り維持される。実際の熱伝達率及び第１と第２経路の間のバランスは、台／ウェーハの結合構造及びウェーハが受ける処理パラメータ次第である。
【００３８】
ウェーハ１１４を所定温度に維持するため、ウェーハ１４間の熱伝達率はバランスされなければならない。コントローラ１４０はウェーハ１１４間の熱伝達率のバランスを促進する。基板支持４００にあるセンサ４２２はコントローラ１４０と通じており、ウェーハ温度の情報を供給する。ウェーハ１１４が加熱を要求しているとコントローラ１４０が決定した場合には、コントローラ１４０は第２電極４３６に信号を送信し、そのような第２電極４３６により発生され、ウェーハ１１４に伝達され、ウェーハ１１４から除去された熱（すなわち、ウェーハ１１４の熱エネルギの正味の増加量）を超える熱を生じる。熱がウェーハ１１４から取り除かれる必要があるとコントローラ１４０が決定した場合には、コントローラ１４０は第２電極４３６に信号を送信し、第２電極４３６により発生され、ウェーハ１１４に伝達され、ウェーハ１１４から除去された熱（すなわち、ウェーハ１１４の熱エネルギの正味の減少量）により超えられる熱を生じる。センサ４２２及びコントローラ１４０は絶えずウェーハ１４の温度を監視し、第２電極４３６に適当な信号を送信し、ウェーハ１１４を所定温度に維持するようになっている。
【００３９】
加熱及び冷却の要求はチャンバー内で行われる処理のタイプにより変わるので、上述した属性は当業者により変えられてもよく、特定の適用のための予期した熱負荷要求を最適に取扱う。
【００４０】
本発明はエッチングチャンバーの静電チャックとして例示的に説明されているが、本発明の実施は半導体ウェーハの支持、ヒータ、ウェーハの温度制御が重要なもの等の他の適用に有利に適用可能であることを読者は注意すべきである。ここに詳細に示されると共に説明された本発明の教示であるが、当業者はその教示をさらに組込むと共に本発明の精神から逸脱しない他の変更実施例を容易に発明可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による熱制御台を含む半導体処理チャンバーを示す概略断面図である。
【図２】本発明の熱制御台の第１の実施例の概略断面図である。
【図３】本発明の熱制御台の第２実施例の概略断面図である。
【図４】図３の実施例の内部及び外部熱伝達板の概略断面図である。
Claims (25)
- 基板の支持及び温度制御のための装置であって、
基板の側及び第２の側を有する基板支持部材と、
該基板支持部材の第２の側を背にして配置されたセラミックのアイソレータと、
該アイソレータを背にして、該基板支持部材とは反対側に、且つ間隔を置いて配置された外部熱伝達板と、
を備え、
該アイソレータの内径と該基板支持部材の第２の側の表面が、該基板支持部材の基板の側から分離しうる内部容量を規定し、
前記装置が、前記内部容量内に配置された内部熱伝達板をさらに備えている
ことを特徴とする装置。 - 前記内部板はスペーサによって支持され、前記内部熱伝達板と前記基板支持部材の間に隙間が規定されている、請求項１に記載の装置。
- 前記外部熱伝達板内の第１の内部熱伝達流体路と、
前記内部熱伝達板内の第２の内部熱伝達流体路と、
をさらに備えている請求項１に記載の装置。 - 前記基板支持部材はヒータを備えている請求項１に記載の装置。
- 前記基板支持部材はセラミック本体を備えている請求項１に記載の装置。
- 前記基板支持部材は静電チャックを備えている請求項１に記載の装置。
- 前記内部容量は大気に通じている請求項１に記載の装置。
- 前記内部熱伝達板は、
第１セクションと、
第２セクションと、
前記第１セクションと前記第２セクションを接続するリング形状のセクションと、
をさらに備えている請求項１に記載の装置。 - 前記内部容量に通じる前記リング形状のセクション、前記第１セクション及び前記第２セクションにより規定された容量をさらに備えている請求項８に記載の装置。
- 前記外部熱伝達板内の第１の内部熱伝達流体路と、
前記内部熱伝達板の前記第２セクション内の第２の内部熱伝達流体路と、
をさらに備えている請求項８に記載の装置。 - 基板の支持及び温度制御のための装置であって、
チャンバー容積を有するチャンバー内に配置された基板支持部材と、
該基板支持部材を背にして配置されたセラミックのアイソレータであって、該アイソレータと該基板支持部材の表面との間で、前記チャンバー容積から分離された内部容量を規定する、アイソレータと、
該アイソレータを背にして、該基板支持部材とは反対側に配置された外部熱伝達板と、
前記内部容量内に配置された内部熱伝達板と、
を備えていることを特徴とする装置。 - 前記内部熱伝達板は、
容量を規定する前記内部熱伝達板内のリング形状のセクションをさらに備えている請求項１１に記載の装置。 - 前記内部熱伝達板は、
第１の円板形状部分と、
第２の円板形状部分と、
前記第１の円板形状部分と前記第２の円板形状部分を接続するリング形状のセクションと、
をさらに備えている請求項１１に記載の装置。 - 前記容量を前記内部容量に通じさせる前記第２の円板形状部分の通気孔をさらに備えている請求項１３に記載の装置。
- 前記内部容量は大気に通じている請求項１３に記載の装置。
- 前記基板支持部材は静電チャックを備えている請求項１１に記載の装置。
- 前記基板支持部材はヒータを備えている請求項１１に記載の装置。
- 前記基板支持部材はセラミック本体を備えている請求項１１に記載の装置。
- チャンバー容積を有する処理チャンバーと、
該処理チャンバー内に配置され、１以上の埋め込まれた電極を有する基板支持部材と、前記基板支持部材の下方に配置されたアイソレータであって、該アイソレータの内径と該基板支持部材の表面により規定される、前記チャンバー容積から分離された内部容量を有する、該アイソレータと、該アイソレータの下方に配置された外部熱伝達板と、前記内部容量内に配置された内部熱伝達板とを有する支持台と、
前記センサ及び前記１以上の埋め込まれた電極に結合されたコントローラと、
を備えていることを特徴とする半導体処理システム。 - 前記内部熱伝達板はスペーサによって支持され、前記内部熱伝達板及び前記基板支持部材により隙間が規定されている、請求項１９に記載の半導体処理システム。
- 前記内部板は、
第１の円板形状部分と、
第２の円板形状部分と、
前記第１の円板形状部分と前記第２の円板形状部分を接続するリング形状のセクションと、
をさらに備えている請求項１９に記載の半導体処理システム。 - チャンバー容積を有するチャンバー内に配置された支持台の半導体ウェーハを均一な温度に維持する方法であって、前記支持台は、前記チャンバー容積から分離された内部容量を有するアイソレータに接続された基板支持部材であって、該アイソレータの内径と該基板支持部材の表面とにより該内部容量が規定される、基板支持部材と、該内部容量内に配置された内部熱伝達板と、該アイソレータに接続された外部熱伝達板とを有し、
前記基板支持部材に前記ウェーハを供給し、
前記基板支持部材と前記外部熱伝達板の間で第１の熱伝達率で熱を伝達し、そして、
前記基板支持部材と前記内部熱伝達板の間で第２の熱伝達率で熱を伝達する、
ステップを備えていることを特徴とする方法。 - 前記内部熱伝達板はスペーサによって支持されており、前記内部熱伝達板と前記基板支持部材の間で熱を伝達させるステップは、前記内部熱伝達板と前記基板支持部材との間に形成される隙間を横切って熱を伝達させるステップをさらに備えている請求項２２に記載の方法。
- 前記内部熱伝達板と前記基板支持部材の間で熱を伝達させるステップは、前記内部熱伝達板のリング形状のセクションを横切って熱を伝達させるステップをさらに備えている請求項２２に記載の方法。
- 前記基板支持部材で前記ウェーハの温度を測定し、
前記測定した温度に応じて信号を発生させ、前記内部熱伝達板と前記基板支持部材との間の熱伝達率を制御する、
さらなるステップを備えている請求項２２に記載の方法。
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