JP4854056B2 - 冷却装置及びクランピング装置 - Google Patents

Description

【０００１】
関連出願
本出願は，1991年10月1日に出願された米国仮出願第60/157,398号および2000年9月15日に出願された米国仮出願第60/233,039号に基づくものである。
【０００２】
発明の分野
本発明は，ワークピースと接触する表面構造，および該表面構造を製造する方法に関し，特に，真空処理チェンバーで，半導体ウエハと接触する表面構造に関する。表面構造は，能率の高い熱移動および低パーティクル汚染に特徴付けられる。表面構造は，使用を限定するのではないがイオン注入システムにおいて使用する静電ウエハクランプにおいて，特に有用である。
【０００３】
発明の背景
集積回路において，かずかずの確立したプロセスは，真空において半導体ウエハにイオンビームを適用することである。このプロセスは，たとえば，イオン注入，イオンビームミリング（milling）および反応性イオンエッチングを含む。それぞれの場合，イオンビームはソースで発生され，ターゲットウエハへと加速される。
【０００４】
イオン注入は，ドープ材を半導体ウエハに導入するための標準的な技術となっている。所望のドープ材がイオンソースでイオン化され，イオンは所望のエネルギーをもつイオンビームを形成するために加速され，イオンビームはウエハ表面に向けられる。ビーム内のエネルギーをもつイオンは，半導体材料のバルク内に侵入し，所望の導電性の領域を形成するために，半導体材料の結晶格子に埋め込まれる。
【０００５】
ターゲット取り付けサイトは，イオン注入システムまたは他のイオンビームシステムの重要な要素である。ターゲット取り付けサイトはイオン注入のためのプラテンに半導体ウエハをしっかりとクランプし，多くの場合，ウエハを冷却するために必要となる。さらに，ウエハ取り扱いシステムがターゲット取り付けサイトにウエハをロードし，そしてイオン注入後ウエハを除去するために設けられる。
【０００６】
ウエハの冷却は，市販の半導体処理において特に重要で，単位時間当たりのウエハの処理に関し，高いスループットを達成する際の重大な障害となる。高いスループットを達成する一つの方法は，注入処理が比較的短時間で完了するように，高電流のイオンビームを使用することである。しかし，高電流のイオンビームにより，多くの熱が発生する。この熱は，ウエハにおいて所期の制限を越えて，制御できない不純物の拡散をもたらすとともに，パターン化されたフォトレジスト層の劣化をもたらす。通常，半導体の最大の温度を約100℃に制限するために,ウエハを冷却することが必要である。
【０００７】
ターゲット取り付けサイトに，半導体ウエハをクランプするための多くの技術が従来より知られている。一つの周知の技術にしたがって，ウエハは，ウエハの正面の外周と係合する周囲クランピングリングにより，プラテンにクランプされる。クランピングリングによりブロックされた領域を除き，ウエハの正面は，イオン注入のために晒される。
【０００８】
周囲クランピングリングの要件をなくし，平坦なプラテン表面の利用を可能にするウエハクラインピング技術が遠心力クランピングである。遠心力クランピングにおいて，ウエハ取り付けサイトは，回転軸のまわりを回転する。プラテン表面は，遠心力がウエハをプラテン表面に押し付けるように，回転軸に関して，角度が付けられている。しかし，遠心力クランピングのために，ウエハを回転させる要件は複雑であり，常に実施できるものではない。
【０００９】
半導体ウエハをクランピングする他の既知の技術は，静電力の利用に関するものである。半導体ウエハと伝導性支持プレートとの間に誘電層が配置される。半導体ウエハと支持プレートとの間に電圧が印加される。静電ウエハクランプは，たとえばFrutigerによる，1995年9月19日に発行された米国特許第5,452,177
号，およびLarsenによる，1999年10月19日に発行された米国特許第5,969,934号に開示されている。
【００１０】
利用されるクランピング技術に関係なく，真空中で，半導体ウエハから熱シンクへの熱移動が問題となる。ウエハからの放射による熱移動では，低電流イオンビームを除き不十分である。ウエハがプラテン表面と物理的に接触するところでは，ウエハとプラテン表面の表面不規則性のため，実際の接触は，二つの表面面積の約5%に限定され，固定対固体の熱伝導が制限される。
【００１１】
ウエハからプラテンまたは熱シンクへの高速な熱移動を確実にする種々の技術が開発されている。ウエハと熱シンクとの間の熱伝導を最適にする，形状が付けられた熱シンクがHoldenによる，1985年8月20日に発行された米国特許第4,535,835号に開示されている。熱シンクの表面は，周囲でクランプしたウエアに対して，ウエハの弾性限界に近づくストレス，および一様な接触圧力分布をもたらす負荷を課すように形状付けられている。
【００１２】
真空中での熱移動のための他の従来技術は，半導体ウエハと熱シンクとの間に，熱伝導性ポリマーを使用することに関する。ウエハと熱シンクとの間の熱接触を与えるための粘着性のある不活性なポリマー膜が，Jonesらによる，1979年2月13日に発行された米国特許第4,139,051号に開示されている。半導体ウエハと熱シンクとの間に，柔軟で，熱伝導性のある層を利用する自動ウエハクランピング機構が，Faretaによる，1981年8月11日に発行された米国特許第4,282,924号に開示されている。ウエハは，熱伝導性シリコーンラバーの層を表面に有する，凸状曲面をもつプラテンに，周囲からクランプされる。遠心力クランピング，および有効な熱移動のための，柔軟で熱伝導性ポリマー層を有する，平坦なプラテン表面を利用する熱移動技術が，Mearsによる，1989年5月23日に発行された米国特許第4,832,781号に開示されている。
【００１３】
従来技術のシリコーンラバーの層は比較的厚いものである。このような材料は本質的に熱伝導性をもたないといる欠点がある。このことは，熱伝導性の粒子を材料に添加することにより，および/または接触点の数が，各点での限定された熱移動を保証するために増加するようにウエハに圧力を適用することにより，保証することができる。添加方法は，余分なプロセス工程を付加すること，熱伝導性粒子による粒子または成分汚染の可能性がでてくるという欠点をもつ。圧力の増加方法は，ウエハへのこのような圧力の適用が難しいことに加え，増加圧力がウエハの破損をもたらすといる欠点をもつ。機械的なクランプリングの場合のように，圧力がウエハの縁に適用されると，ウエアの中心の圧力は，ウエハの曲がりにより制限される。静電クランプのように，圧力がウエアにわたって適用されると，十分に力強いクランプを製造するすることが難しく，コストの面，さらには必要な冷却能力を達成するために高電圧を使用するという欠点がある。どの方法においても，通常有機物の，柔軟な材料の使用が，ウエハ処理において有害であると知られている有機汚染を発生させる。
【００１４】
ガス伝導の技術もまた，真空中での，ウエハ冷却のために利用されている。半導体ウエハの背後の空洞または微小な空隙内にガスが導入され，ウエハと熱シンクとの間の熱結合を有効にする。半導体ウエハにおける，ガスによる補助がある，固体対固体の熱移動がHoldenによる，1984年7月3日に発行された米国特許第4,457,359号に開示されている。
【００１５】
ガス伝導技術は，熱シンクの表面が使用される冷却ガスの圧力のもとで，分子の特徴的な移動距離を整合させるために，寸法を厳格に制御されなければならないという欠点をもつ。さらに，冷却ガスの漏れは，不均一な冷却や，漏れた領域での局部的なガス濃度により，プロセスの劣化をもたらすという問題がある。ある冷却能力では，ガス圧はウエハを曲げ，プロセスの一貫性を劣化させる。
【００１６】
半導体デバイスの幾何学形状が次第に小さく，そしてウエハのサイズが次第に大きくなってきていることから，許容できる粒子汚染の仕様がより厳しいものとなっている。ウエハクランピング機構の粒子性能は，ウエハが物理的にクランピング表面と接触することから特に関心事である。静電ウエハクランプの場合，ウエハをクランプするために採用される静電力はまた粒子を引き寄せる。
【００１７】
したがって，パーティクルの発生が低く，ワークピースへのパーティクルの汚が低いことにより特徴づけられ，ワークピースからの能率的な熱移動により特徴付けられる，ワークピース接触表面構造を提供することが望ましいことである。
【００１８】
発明の要約
本発明の一態様にしたがって，ワークピースに接触する表面構造が与えられる。表面構造は，支持要素に接着された柔軟な層，および柔軟な層上のコーティングを含む。コーティングは，その表面上にリプル（しわ）を有する。ワークピースは半導体ウエハであってもよい。
【００１９】
リプルは，コーティングの表面にパターンを形成し，典型的にはコーティング表面の局部的領域に規則的なパターンを形成することができる。好適には，リプルの波長はコーティングとワークピースとの間に導入されるガスの平均自由行程に等しいか，またはそれより小さい。しかし，リプルの波長は，リプルの振幅がガスの平均自由行程に等しいか，またはそれよりも小さいときは，ガスの平均自由行程よりも大きくてもよい。リプルはどの形状および長さを有していてもよい。特に，リプルは一次元にそって伸長してもよく，したがって，直線である必要はないが，一連の平行なチャネルであってもよく，または比較的短くともよく，したがって表面上に複数の小塊またはこぶを形成する。
【００２０】
コーティングは，良好な構造上の一貫性および良好なせん断強度をもつセラミックまたは他の安定な無機材料からなり，柔軟な層はポリマー層からなり得る。一実施例において，柔軟な層は厚さが，約5から10マイクロメートルの範囲にあるシリコーンラバーであり，コーティングは，厚さが約0.25から0.50マイクロメートルの範囲にある窒化ケイ素，炭素窒化ケイ素，二酸化ケイ素または炭素である。この実施例は，ワークピースから支持要素への効率的な熱移動を示す。他の実施例において，柔軟な層の好適な厚さは，約2.5から250マイクロメートルの範囲で，より好適には約7.5から15マイクロメートルの範囲にある。両実施例とも，低いパーティクルの発生，低いワークピースの特別な汚染により特徴付けられる。
【００２１】
表面構造は，ワークピースに適合するように選択されたコーティング上のフィルムを含む。任意の接着層が，支持要素に，柔軟な層を接着するために利用され得る。
【００２２】
本発明の他の態様において，表面構造を製造する方法が与えられる。この方法は，柔軟な層を形成する工程，柔軟な層を膨張させる行程，コーティングを膨張した柔軟層に適用する工程，およびコーティングにリプルを形成するために，柔軟層を収縮させる工程を含む。
【００２３】
柔軟層は加熱により膨張させ，冷却により収縮させてもよい。柔軟な層は，加熱される前に，支持要素上に形成されてもよく，また支持要素は別個に形成されてもよい。他のアプローチにおいて，柔軟な層は機械的に膨張，収縮させる。
【００２４】
一実施例において，コーティングは，付着（deposition）によって形成される。他の実施例において，コーティングは，膨張した柔軟な層とガスまたは他の反応性材料との反応により形成される。たとえば，シリコーン層が酸素と反応して二酸化珪素のコーティングが形成される。
【００２５】
本発明の他の態様にしたがって，真空処理システムにおいてワークピースを冷却する装置が与えられる。この装置は，ワークピース支持要素，支持要素に接触する表面構造（表面構造は，支持要素に接着された弾性層および弾性層上のコーティング（コーティングはその表面にリプルを有する）を含む），ワークピースを表面構造に押し付ける装置，およびコーティングとワークピースとの間に，選択された圧力をもつガスを導入する冷却ガスシステムを有する。
【００２６】
本発明の他の態様にしたがって，ワークピースを静電クランピングする装置が与えられる。この装置は，ワークピースを受け取り，電気的に絶縁したクランピング表面を画成するプラテン組立体（プラテン組立体はクランピング表面の下に位置し，電気的に絶縁された電極および電極とクランピング表面との間の誘電層を含む），およびワークピースをクランピング表面の固定位置に静電的にクランピングするために，クランピング電圧を電極に適用するクランピング制御回路を含む。クランピング表面は表面構造（上述したように，柔軟な層およびその表面にリプルを有するコーティングを含む）をもつ。
【００２７】
本発明をよりよく理解するために，ここに図面が添付されている。
【００２８】
詳細な説明
本発明の一つの態様にしたがって，ワークピースと接触する表面構造が与えられる。表面構造は，パーティクルの低発生およびワークピースの低い特有な汚染を示す。表面構造のいくつかの実施例は，ワークピースから支持要素への能率的な熱移動により特徴付けられる。
【００２９】
本発明の実施例にしたがったワークピース支持装置10が図１に示されている。図１の実施例において，熱移動構造が表面構造を構成する。ワークピース支持装置10は熱伝導性支持要素12，および表面18を有する熱移動構造14を含む。ワークピース16は熱移動構造14の表面18上に配置される。支持要素12はワークピースを支持するのに十分な機械的強度を有するとともに，下述するように，熱移動構造14は，ワークピース16と支持要素12との間の熱移動を強化する構成をもつ。さらに，熱移動構造14はパーティクルの低発生およびワークピースの低い特有な汚染により特徴付けられる。図１に示されたワークピース支持装置10は真空環境下で主な有用性をもつが，この実施例に限定されない。
【００３０】
冷却（クーリング）ガスソース20が，ワークピース16と熱移動構造14との間にガスを提供するために，熱移動構造14の面18に連結されている。冷却ガスは，ワークピース支持装置10にある一つの穴または複数の穴を通して導入することができる。一実施例において，冷却ガスは，支持装置10の中心と外側周囲との間の円形パターンに並べられた多数の穴を通して導入される。冷却ガスは，約0.1から50Torrの範囲にある典型的な圧力をもつエアー，窒素，ヘリウム，アルゴンまたは二酸化炭素のようなガスであってもよい。
【００３１】
一実施例において，ワークピース16は半導体ウエハで，ワークピース支持装置10は，真空処理システムにおいて，半導体ウエハを支持するために使用される。たとえば，ワークピース支持装置10は，イオン注入システムにおいて，プラテン組立体の一部であってもよい。プラテン組立体は半導体ウエハを，イオン注入の間，適所にクランプし，半導体ウエハを冷却する。プラテン組立体は，機械的なクランピング，遠心力クランピング，静電クランピング，または熱移動構造14に対して半導体ウエハを押し付ける他の安定なクランピング技術を利用することができる。ワークピース支持装置10がイオン注入システムにおいて使用することに限定されず，半導体ウエハとともに使用することに限定されず，さらに真空で使用することに限定されないことは理解されよう。さらに，一般的に，ワークピース装置10は，ワークピースと支持要素との間での熱移動を必要とする応用例において使用することができる。他の例において，ワークピース支持装置10は，半導体ウエハ取り扱いシステムにおいて，ウエハロボットのウエハ支持要素として使用される。
【００３２】
熱移動構造14の拡大部分断面図が図２，図３A，および図３Bに示されている。熱移動構造14は拡大されているが，構造の理解および動作の理解を容易にするために，一定の率で拡大されて示されてはいない。熱移動構造14は，支持要素12および化学的に不活性で，低摩擦材のコーティング32に固定された，柔軟で，弾性をもつ熱伝性層30を含む。好適な実施例において，柔軟な層30は，約5ないし10マイクロメートルの範囲にある厚さをもつシリコーンラバーからなる。コーティング32はたとえば，炭素，窒化ケイ素または，浸炭窒化ケイ素（silicon carbonitride）であってもよい。他の可能な材料は，ケイ素，アルミニウムのような金属，ケイ酸アルミニウム，二酸化ケイ素および高度の架橋重合体を含む。コーティング32は0.25ないし0.50マイクロメートルの範囲にある厚さをもつことができる。他の実施例において，コーティングは，ガスまたは他の反応性材料と，膨張した柔軟な熱伝導性層との反応により形成される。たとえば，シリコーンは，二酸化ケイ素のコーティングを形成するために，酸素と反応してもよい。上記材料および厚さは例示であり，発明の範囲を限定するものではないことは理解されよう。
【００３３】
熱移動構造の他の特徴が図２に示されている。リプル40は下述するように，コーティング32上に形成される。リプル40は，少なくとも局所部分では，規則的なパターンをもち，波長Wおよび振幅Aにより特徴付けすることができる。波長Wは，支持面に平行な方向で，リプル40の中心と中心との間の間隔で，振幅Aは，支持面に垂直な方向で，リプル40の大きさである。好適には，リプル40は，特有な汚染を制限するために，半導体ウエハまたは他のワークピースとの接触領域において，丸い頂部をもつ。半導体ウエハから支持要素12への最適な熱移動のために，リプル40の波長Wは好適には，ウエハとコーティング32との間に導入されるガスの平均自由行程に等しいかまたはそれよりも小さい。10Torrの圧力のエアーでは，平均自由行程は約4.7マイクロメートルである。したがって，リプル40の波長Wは4.7ミクロンメータに等しくまたはそれよりも小さくあるべきである。一実施例において，リプル40の波長Wは約2ないし3マイクロメートルである。最適な熱移動では，リプル40の振幅Aは比較的大きく，典型的には，半導体ウエアまたは他のワークピースの背面の表面粗さと同じオーダの大きさである。これにより，コーティング32および柔軟な層30は，半導体ウエハの背面と一致し，下述するように，熱移動を強化することができる。しかし，リプルの波長は，リプルの振幅がガスの平均自由行程に等しいかまたはそれよりも小さいとき，ガスの平均自由行程より大きくてもよい。
【００３４】
リプルはどのような形状および長さをもってもよい。特に，リプルは一次元に伸長してもよく，したがって，直線の溝である必要はないが，一連の平行なものを画成してもよく，また比較的短くてもよく，したがって，表面上に複数のドーム，小塊，またはこぶを画成してもよい。表面の局所部分における，伸長した平行なリプルをもつ表面の平面図が図３Cに示されている。図３Cにおいて，リプルは約2ないし3マイクロメートルの波長をもつ。小塊のリプルをもつ表面の平面図が図３Dに示されている。
【００３５】
コーティング32と半導体ウエハ16との間の接触面の，拡大部分断面が図３Aおよび図３Bに示されている。コーティング32のリプル40は，ウエハ16からの非常に能率的な熱移動を与える。リプルのあるコーティング32のひとつの特徴は，リプル40がウエハ16の背面にある不規則性により変形され，したがって，表面の柔軟性のために，接触面積が増加することである。たとえば，図３Aの例において，ウエハ16の背面の突出部42および44は，その近傍のリプル40を変形させ，したがって表面の間の接触面が増加する。
【００３６】
さらに，コーティング32のリプル40は，ウエハ16の背面よりも広い面積を与える。面積の違いにより，図３Bに示されているように，ガス分子が，熱シンク表面のリプルおよびひだに，統計的に何度も跳ね返ることができる。分子の経路50の例が図示されている。分子経路50により表されるガス分子は，ウエハ16の熱エネルギーを獲得し，リプル40のひだに何度も跳ね返り，そのつどウエハ16に戻る前に，エネルギーを失う。リプル40を与えることにより，このような熱移動の増加は，熱シンク表面の適応係数を増加させると知られている。適応係数は，表面との相互作用後のガス分子の温度差と相互作用前の温度差との比として定義される。
【００３７】
熱移動係数は，ガス分子が，コーティング32の冷却表面で何度も跳ね返り，ウエハ16に戻る前にコーティング32の表面で一度だけガス分子が跳ね返る場合と比較すると，そのたびごとにウエハ16の熱い表面に戻る前に，エネルギーを失う。したがって，熱移動係数は，ウエハ16を支持するコーティング32の表領域が微細なスケールで，ウエハ16の背面よりも大きく，そして表面の不規則性がコーティング32の冷却表面で何度も分子が跳ね返ることを促進するように寸法をもつところで，高められる。
【００３８】
図２において示され，上述した熱移動構成14はさらなる効果をもつ。不活性な上面が実質的に，下に位置する柔軟な材料により，ウエハの有機汚染を減少させる。また，熱シンク表面の接触点が典型的に丸みをもって，分子レベルで，スムーズであり，パーティクルを発生させるような鋭さをもたない，熱伝導性接触点が，ち密に繰り返すネットワークを形成するように，幾何学形状付けがなされる。しかし，層全体は依然として微細なレベルで柔軟性が維持され，表面はウエハの幾何学形状と一致し，また接触面積を最大にする。
【００３９】
熱移動構造14およびここで記述する他の表面構造を製造するプロセスの実施例が図４Aないし図４Cを参照にして説明される。図４Aにおいて，支持要素12の表面は，柔軟な層30を支持要素12に接着させるために選択された任意の接着剤を適用することにより用意される。接着剤は，柔軟な層30および支持要素12と化学的に適合性をもたなければならない。シリコーンラバーの柔軟な層30の場合，接着剤は好適に窒化ケイ素である。柔軟な層，典型的にシリコーンは，支持要素にスプレーされてもよく，またかける（spin on）プロセスにより形成されてもよい。柔軟な層30はつぎに，矢印60により示されているように，支持要素12の表面に平行な方向に膨張する。柔軟な層30は典型的に加熱により膨張する。上述したように，柔軟な層30は約5ないし10マイクロメートルの範囲にある厚さをもつシリコーンラバーであってもよいが，この材料および厚さの範囲に限定されるものではない。シリコーンラバー層は，約70℃から120℃の範囲の温度に加熱することにより膨張する。
【００４０】
図４Bに示されているように，コーティング32はつぎに膨張した状態の柔軟な層30に適用される。コーティング32は，たとえば，プラズマ強化化学蒸着（PECVD）または化学蒸着（CVD）により付着されてもよい。このアプローチの利点は，柔軟な層30が，蒸着コーティング32のために使用されるチャンバーにおいて，膨張するように加熱され得ることである。上述したように，コーティング32は，好適に，約0.25から0.5マイクロメートルの範囲にある厚さをもつ炭素，窒化ケイ素，または浸炭窒化ケイ素であるが，これら材料，この厚さの範囲に限定はされない。
【００４１】
上記の実施例において，コーティング32は付着により形成される。他の実施例においては，コーティング32は，膨張した柔軟な層30とガスまたは他の反応性材料との反応により形成される。たとえば，シリコーンラバーの柔軟な層30は，二酸化ケイ素コーティングを形成するために，酸素と反応させてもよい。シリコーンラバーの層上の二酸化ケイ素の形成は，前記の米国特許第4,832,781号（ここに参考文献として組み入れられる）に記載されている。
【００４２】
図４Cに示されているように，構造は冷却され，柔軟な層30は，矢印62に示されているように，元の寸法に収縮する。コーティング32のせん断抵抗は冷却の際に，しわ32を作り，柔軟な層30から離層することなくリプルを形成する。このプロセスはウエハ支持要素12の表面を横切るように，リプル40のパターンを生成することが分かった。リプルは合理的に矛盾のない波長および振幅をもつ。
【００４３】
図４A‐図４Cのプロセスにおいて，柔軟な層30は支持要素12に適用され，コーティング32の付着のための加熱により膨張する。他の実施例において，柔軟な層30は支持要素12とは別個に形成され，膨張のために加熱されてもよい。コーティング32は膨張した柔軟な層に適用され，柔軟な層は，コーティング32にリプル40を形成するために冷却される。柔軟な層30はつぎに，支持層12に，化学的にか，または接着材かいずれかで，結合される。さらに他の実施例において，柔軟な層30は，コーティング32の適用のために必要な膨張を行わせるために，加熱を行うことなく機械的に伸張される。
【００４４】
コーティング32はかならずしも無機物または不活性である必要はない。しかし，良好な半導体ウエハの例ではこれが望ましい。熱移動構造14は，静電ウエハクランピングに使用される場合，コーティング32は必然的に，電気的に非伝導性材料となる。しかし，電気的に非伝導性材料は，機械的または遠心力クランピングが使用される場合は必要とならない。これらの場合，電荷を分散させるために，アルミニウムまたはタングステンカーバイドのような伝導性コーティングを使用することには利点がある。
【００４５】
他の実施例において，ワークピースと反応しない材料の薄膜がコーティング32の表面に適用される。薄膜は，数オングストロームの厚さをもつ。たとえば，コーティング32が窒化ケイ素であり，ワークピースがケイ素ベースである場合，炭素または浸炭窒化ケイ素の薄膜がコーティング32に適用されてもよい。
【００４６】
上述したように，熱移動構造14は，真空中で，ワークピースから支持構造への熱移動を必要とする応用例に利用することができる。熱移動構造14は特に，イオン注入または他の真空処理の間，半導体ウエハを静電クランピングする際に，有用である。静電ウエハクランプにおいて，誘電層が半導体ウエハと伝導性支持プレートとの間に位置する。半導体ウエハと支持プレートとの間に電圧が適用され，ウエハは，静電気力により誘電層にクランプされる。種々の誘電体ウエハクランプの構成は従来技術においても知られている。静電クランプはたとえば，Frutigerによる1995年9月19日に発行された米国特許第5,452,177号，Larsenによる1999年10月19日に発行された米国特許第5,969,934号（ともに，参考文献としてここに組み込まれる）に開示されているような構造をもつことができる。このような静電ウエハクランプにおいて，図示され上記した熱移動は，半導体ウエハから上部区画絶縁体への熱の移動を高めるために，上部区画絶縁体に固定される。しかし，ここで開示された熱移動構造が電極形状を利用するどの静電ウエハクランプにおいても利用できることは理解されよう。
【００４７】
表面構造の第二の実施例が図５に示されている。表面構造は，ワークピースのパーティクル発生が低く，パーティクル汚染が低く，分子汚染に耐性をもち，さらに，必要な伝導性特性または絶縁特性のいずれかをもつように作ることができる。表面は低磨耗特性を有し，したがって，微細なスケールにおいても，ワークピースに損傷を生じさせない。表面は外的な汚染に強く，比較的耐久性もあり，必要ならば清掃もできる。
【００４８】
表面構造90はどのような材料で作ってもよいワークピース支持要素100を含む。例として，アルミニウムのように電気的かつ熱的伝導体，およびアルミナのよう電気絶縁体を含む。表面構造90はさらに，任意であるが接着インターフェイス層102，弾性のある，柔軟な層104およびコーティング106を含む。支持要素100は，柔軟な層104が支持要素100に直接適用するとき，柔軟な層104と化学的に適合性をもたなければならない。接着インターフェイス層102が利用されるとき，支持要素100はインナーフェイス層と化学的に適合性をもたなければならない。接着層102をなくすときは，支持要素100はインターフェイス層102または柔軟な層104を受け入れるように用意されてもよい。このような用意は，全体の表面積，したがって結合接着面積を増加させるために，研削またはラッピングにより，マイクロインチのレベルの表面仕上げを高めることに関連してくる。支持要素100の表面は，下に位置する層に連続的な表面を与えるために，すべてスムーズで面取りされた突起およびエッジをもつ。スムーズ化工程は，下に位置する層が十分な厚さに付着されるならば，なくしてもよい。
【００４９】
接着インターフェイス層102が任意に，支持要素100に付着される。インターフェイス層102は好適な実施例で，窒化ケイ素であってもよいが，柔軟な層104のために選択された材料に依存する。インターフェイス層102は，数千オングストロームの厚さまで，支持層100に化学的またはプラズマ蒸着される。インターフェイス層102は接着層として機能し，柔軟な層104との結合に十分な材料を与えること以外に厚さについて臨界的なものはない。インターフェイス層102のための他の適切な材料は，限定的ではないが，ケイ素，炭素，炭化ケイ素，および支持要素100と柔軟な層104と化学的に適合性をもつ他の材料を含む。
【００５０】
柔軟な層104はまず，付着されたポリマーである。柔軟な層104はスプレーされ，全表面にわたって必要な厚さおよび/または平坦の条件が維持されるようにかけられる（spin on）。続くコーティング106の添加は，柔軟な層104に化学的変化を生じさせ，ポリマー構造を破壊する熱を導入する。この時点で，柔軟な層104はもはやポリマーとは参照できない。好適には，柔軟な層104は，約2.5から250マイクロメートルの範囲にある厚さ，より好適には約7.5から15マイクロメートルの範囲にある厚さをもつシリコーンラバー（ポリジメチルシロキサン）で開始する。厚さは適用例の実際上の制限，層の付着の際の要件に依存する。柔軟な層104を形成するために使用できる他のポリマーは，制限的ではないが，Teflon，Torlon，Vespelおよび他のポリイミドを含む。柔軟な層104は，熱的および/または電気的な条件を強化するために，二酸化ケイ素のような材料でドープされまたは充填されてもよい。他の充填材は，限定的ではないが，シリコンカーバイド，窒化アルミニウムおよび炭素を含む。
【００５１】
コーティング106は，ダイヤモンド状の炭素のような，プラズマ蒸着された，低摩擦材料であってもよい。蒸着は，蒸着の間，柔軟な層104が十分ではあるが過度に膨張しないように制御される。柔軟な層104は任意ではあるが，アルゴンのような不活性ガスを使用して，イオン衝撃により，コーティング106を受け入れるように準備される。コーティング106は，接触するワークピースに対して，ミクロなレベルで強く，低摩擦の表面を与えるとともに，下に位置する柔軟な層104の微細な柔軟性を可能にするように，数千オングストロームの厚さで蒸着されてもよい。コーティング106は蒸着の後，柔軟な層102に接着されるようにデザインされるが，表面は，柔軟な層104がコーティング106の蒸着後，冷却とともに収縮したあとに，丸みのある規則的で，微細なリプルを有する。リプルの特徴は，上述したように，コーティング32と接触する。
【００５２】
図５に示されて，上述した表面構造は，低摩擦でミクロのレベルで硬い接触表面をもち，熱や振動を吸収することができる。ワークピースの加熱や振動によるいろいろな膨張がパーティクルを生じさせることは知られている。振動は，表面構造により吸収され，屈折され，さらに周波数領域がシフトされる。熱移動特徴は，少なくとも部分的に，柔軟な層104の厚さ，熱伝導性に依存する。したがって，有効な，ワークピースからの熱移動が要求される応用例の場合，比較的高い熱伝導性をもつ比較的薄い柔軟な層104を利用することができる。逆に，非常に能率的な熱移動が主要な要件でない場合，より厚い柔軟な層104を利用することができる。
【００５３】
図５に示され，静電ウエハクランプで説明した表面構造の応用例が図６に示されている。図６の実施例において，支持要素100は，静電ウエハクランプの動作に対し，適切な誘電特性をもつアルミナまたは他のセラミック材であってもよい。支持要素100は，静電ウエハクランプの主要な誘電体を構成する。支持要素100の厚さは，典型的に0.002から0.015インチで，より好適な厚さは，好適なアルミナ材で0.005インチである。他の材料が誘電定数に基づいて，種々の厚さをもつ。電極層120は，モリブデン/チタニウムまたはニオビウム，または金属性または電気伝導性材料であってもよい。電極層120は典型的に，数千オングストロームの厚さをもつが，より厚くてもよい。どの場合でも，最小の伝導性は維持されなければならない。接着層122は，支持要素100および電極層120を，下に位置する絶縁層124に結合するために使用される。接着層122は，FEP Teflonであってもよい。
【００５４】
絶縁層124（アルミナであってもよい）は，0.100インチの厚さをもつ。しかし，絶縁層124のこの厚さは重要な点ではなく，電極層120をベース130のような他の電気的伝導性材料から電気的に絶縁する程度のものである。絶縁層1240は半導体ウエハ以外のどの隣接した伝導性材料に重大な容量性結合をなすことを妨げるのに十分な厚さをもたなければならない。
【００５５】
接着層126が絶縁層124および下に位置する層をベース130に接着する。接着層126は，任意であるが，ベース130への熱伝導性を改良するために，二酸化ケイ素または他の材料で満たされる。
【００５６】
ベース130（好適にはアルミニウム）は，半導体ウエハからの熱の負荷を吸収するために水により冷却してもよい。したがって，ベース130は，熱伝導性材料で作られなければならないが，電気伝導性に関係なく，窒化アルミニウム，または他の熱伝導性材料のような電気絶縁体から作られてもよい。
【００５７】
上記した表面構造は，上記した米国特許第5,969,934号に記述されているように，傾斜した周囲エッジを利用することができる。これに代えて，ウエハクランプまたはワークピース支持装置の構造において，柔軟な層がエッジを覆うように，またはエッジに向けて傾斜するように作られるならば，傾斜したエッジはなくともよい。このことは，柔軟な層を形成するために使用する技術に依存する。さらに，柔軟な層およびコーティングの全厚さが支持要素上の，予期したエッジの特徴的な高さよりも高いと，ワークピースが，支持要素上に通常存在する，どの硬い接着物に接することができないことから，傾斜した周囲エッジはなくしてもよい。
【００５８】
半導体ウエハのようなワークピースを静電的にクランピングする装置の例が図７ないし１０に略示されている。静電ウエハクランピング装置は，プラテン210，およびワークピースのクランピングが必要なとき，クランピング電圧をプラテン210に適用するクランピング制御回路212を含む。プラテン210は，支持プレート，またはプラテンベース214，およびプラテンベース214の上面に取り付けられた六つの扇形組立体220，222，224，226，228および230を含む。プラテンベース214を含む。プラテンベース214は一般的に円形で，ウエハリフト機構（図示せず）のための中央開口部218を有してもよい。
【００５９】
扇形組立体のそれぞれは，上部扇形絶縁体と下部扇形絶縁体との間に位置する扇形電極を含む。扇形組立体220，222，224，226，228および230は扇形電極240，242，244，246，248，および250をそれぞれ含む。上部扇形絶縁体260，262，264，266，268，および270は電極240，242，244，246，248，および250をそれぞれ覆う。電極は好適に各上部扇形絶縁体の下面に形成された薄い金属層である。電極240，242，244，246，248，および250は，好適に，等しい面積をもつとともに，プラテン210の中心272に関して対称的に配置されている。電極は互いに電気的に絶縁され，好適な実施例において，図７に示されてよいうな扇形形状をもつ。扇形絶縁体260，262，264，266，268，および270は同一平面にある。上記したように，表面構造が上部扇形絶縁体を覆い，ウエハクランピング表面276を画成する。図８に示されているように，扇形組立体220は，下部扇形絶縁体280を含み，扇形組立体226は下部扇形絶縁体286を含む。残りの扇形組立体も同じ構成をとる。好適に，各扇形組立体の上部および下部扇形絶縁体は，電極とウエハとの接触を防止するために，それぞれの電極のエッジが重なる。
【００６０】
図７ないし１０の実施例において，扇形状の上部および下部絶縁体を含む個々の扇形組立体が各電極用に製造される。他の実施例において，上部絶縁体もしくは下部絶縁体，または両者は円形ディスクに形成されてもよい。複数の電極は，円形上部絶縁体の下面に形成される。このような構成は，比較的小さなプラテン用のものとしてもよい。
【００６１】
プラテンベース214および下部扇形絶縁体280，286などは各電極の下に位置し，開口部290および291は整合している。開口部290および292は各電極への電気的な接続を可能にしている。半導体ウエハ300は図３に示されているもので，クランピング表面276の上に位置している。クランピング電圧が電極240，242，244，246，248，および250に適用されると，ウエハ300はクランピング表面276に対して，固定した位置で静電的にクランプされる。
【００６２】
上部扇形絶縁体260，262，264，268および270は好適に，高い誘電強度および高い誘電率を有する硬いセラミック材であり，クランピングのために使用される周波数および電圧でも，バルク分極を示さない。好適な材料は，アルミナ，サファイア，炭化ケイ素，および窒化アルミニウムを含む。上部扇形絶縁体は，たとえば，約1,000ボルトのピーク振幅をもつ電圧で，信頼のあるクランピングを可能にするために，約100から200マイクロメートルの範囲にある厚さをもつ。上部扇形絶縁体の上面は25マイクロメートル内で平坦となっている。
【００６３】
電極240，242，244，246，248，および250は好適に，各上部扇形絶縁体260，262，264，266，268および270の下面への金属蒸着により形成されている。他の実施例において，電極はニオビウムの伝導性コーティングからなる。各電極の厚さは典型的に，約１マイクロメートルのオーダにある。他の適切な伝導性金属層は，本発明の範囲で使用することができる。たとえば，チタニウム−モリブデン電極は上記米国特許第5,452,177号に記述されている。
【００６４】
下部扇形絶縁体は構成上の剛性を与え，電極を電気的に絶縁するために十分な厚さをもつ。下部扇形絶縁体は好適に，熱膨張係数を整合させるために，上部扇形絶縁体と同じまたは類似の材料で作られる。好適な実施例において，下部扇形絶縁体はアルミナで製造される。プラテンベース214は典型的にアルミニウムのような金属により製造される。
【００６５】
下面に形成される電極を有する各上部扇形絶縁体は，好適には，Teflon FEP結合材のような熱可塑性の四フッ化エチレン接着剤308（図１０）を使用して，下部扇形絶縁体の上面に結合される。
【００６６】
プラテン210の電極に適用されるクランピング電圧は，好適に，六つの異なる位相（0°，60°，°120°，180°，240°および300°）をもつ双極方形波である。プラテン210の両側にある電極に適用される電圧の位相は，位相からはずれた二分の一サイクル，または180度である。したがって，電極240および246に適用される電圧は位相からはずれた二分の一サイクルで，電極242および248に適用される電圧は位相からはずれた二分の一サイクルで，電極244および250に適用される電圧は位相からはずれた二分の一サイクルである。開示のクランピング装置は，ウエハへの電気的な接触を必要とせず，ウエハを潜在的に損傷しかねない放電電流を発生させることなく，ウエハを確かにクランピングし，そのクランピングを解く。
【００６７】
適切なクランピング制御回路212の例が図９に示されている。方形波発生器310，312および314は，低電圧の方形波を増幅器320，322および324にそれぞれ供給する。増幅器320，322および324の出力は，高電圧インバータ変圧器330，332および334にそれぞれ適用される。変圧器330，332および334は，位相からはずれた180°または二分の一のサイクルの出力を生成する。変圧器330の出力は，配線340および342において，位相からはずれた二分の一サイクルの双極方形波である。配線340および342での出力は，電極246および240にそれぞれ接続される。配線344および346における変圧器330の出力は，位相からはずれた二分の一サイクルであるとともに，変圧器330の出力に対して120°だけずれた双極方形波である。配線344および346における変圧器332の出力は，電極248および242にそれぞれ接続される。配線348および350における変圧器334の出力は，位相からはずれた二分の一サイクルであるとともに，変圧器330の出力に対して240°だけずれた双極方形波である。このような構成は，ウエハに対して六つの位相クランピングを与える。クランピング制御回路およびクランピング電圧に関する他の詳細は，ここに参考文献として組み込まれる上記米国特許第4,452,177号に提供されている。
【００６８】
本発明の静電ウエハクランプを実施する例の部分断面図が図１０に示されている。図７，図８および図１０における同様の要素には同じ符号が付されている。扇形組立体220の一部が示されている。図１０は，本発明の理解を容易にするために，一定の率で拡大されて示されてはいない。図示のように，電極240は，上部扇形絶縁体260と下部扇形絶縁体280との間に位置する。扇形絶縁体260および280は接着剤308で互いに留め付けられている。電極240は好適に，扇形組立体240の側面400から離れている。好適な実施例において，電極240は約0.1インチだけ，側面400から離れている。上部扇形絶縁体260の表面構造420が図１ないし図３Dに示された表面構造14，図５および６に示された表面構造90，または本発明の範囲内の他の表面構造に対応する。任意ではあるが，表面構造の柔軟な層を電極に接着するために接着材が使用されてもよい。この場合，柔軟な層は，静電ウエハクアンプの誘電体として機能する。したがって，柔軟な層は，クランプの動作電圧に耐える十分な厚さをもたなければならない。他の実施例において，下部扇形絶縁体は，絶縁コーティングまたはシート（ポリマーまたはセラミック材であってもよい）であってもよい。
【００６９】
上記したように，ここで開示した表面構造はどの静電ウエハクランプに利用することができる。他の適切な静電ウエハクランプは，ここに参考文献として組み入れられる，1996年5月2日に発行されたWO96/13058に開示されている。
【００７０】
ここで開示の表面構造は，静電ウエハクランプに関連して説明されてきた。表面構造は，機械的または遠心力クランピングを利用するもののような，他のタイプのウエハクランプにおいても利用することができる。さらに，表面構造は，エンドエフェクタ，グリッパパッド，および材料取扱いのために必要とされる運搬表面のために，半導体ウエハ，光学ガラス部品，医療機器，電子素子，宇宙産業における対象，低汚染，クリーンルーム環境を要求する対象のために利用することができる。表面構造はまた，汚染パーティクルの発生を防止するために，下に位置する支持要素との些細で偶然な衝突に対する保護として使用することができる。
【００７１】
本発明の好適な実施例が示され，記述されてきたが，特許請求の範囲により画成される本発明の範囲から逸脱することなく種々の変更，修正をなしうることは当業者には明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は，本発明の態様にしたがった表面構造の第一の実施例を組み込んだワークピース支持装置の断面図である。
【図２】 図２は，図１の表面構造の拡大部分断面図である。
【図３】 図３Aはワークピースと表面構造との間の接触面積の，部分拡大断面図で，図３Bは表面構造のリプルによる強化された冷却を示す，さらに拡大された部分断面図で，図３Cは拡大した，平行なリプルをもつ表面構造の平面図で，図３Dは小塊のリプルをもつ表面構造の平面図である。
【図４】 図４A−４Cは，本発明の他の態様にしたがった表面構造を製造するプロセスの実施例を略示する。
【図５】 図５Aは，表面構造の第二の実施例の部分断面図である。
【図６】 図６は，図５の表面構造を組み込んだ静電ウエハクランプの部分断面図である。
【図７】 図７は，本発明の他の態様にしたがった静電クランピング装置の略示平面図である。
【図８】 図８は，図７の線２−２にそったウエハクランピング装置の略示断面図である。
【図９】 図９は，クランピング制御回路の例を示す，静電ウエハクランピング装置の略示ブロック図である。
【図１０】 図１０は，静電ウエハクランピング装置の実施例の部分断面図である。

Claims (29)

1. 真空処理システムにおいて，ワークピースを冷却する装置であって，
   ワークピース支持要素と，
   支持要素に接着する弾性層と，弾性層上のコーティングとを含む，ワークピースと接触する表面構造と，
   ワークピースを表面構造に押し付ける装置と，
   前記コーティングとワークピースとの間に，所定の圧力のガスを導入する冷却ガスシステムと，
   を含み，
   前記コーティングはその表面にリプルを有し，
   前記リプルは，前記所定の圧力のガスの平均自由行程より小さいか，またはそれに等し，前記表面に平行な波長をもち，
   前記リプルは，前記所定の圧力のガスの平均自由行程より小さいか，またはそれに等し，前記表面に垂直な振幅をもち，
   前記コーティングは，窒化ケイ素，浸炭窒化ケイ素，および炭素からなるグループから選択される，
   ところの冷却装置。
2. 前記コーティング上の前記リプルは局部的に，規則的なパターンをもち，全ワークピース接触面を覆う，請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記リプルは，少なくともコーティングの局部的な領域に，伸長した平行なリプルを含む，請求項１に記載の冷却装置。
4. 前記リプルは，複数のこぶからなる，請求項１に記載の冷却装置。
5. 前記リプルは，前記ワークピースと接する領域のところで，丸みがつけられる，請求項１に記載の冷却装置。
6. 前記リプルは，前記表面に平行で，数マイクロメートルのオーダの波長をもつ，請求項１に記載の冷却装置。
7. 前記弾性層は，5から10マイクロメートルの範囲にある厚さをもつ，請求項１に記載の冷却装置。
8. 前記弾性層は，2.5から250マイクロメートルの範囲にある厚さをもつ，請求項１に記載の冷却装置。
9. 前記弾性層は，7.5から15マイクロメートルの範囲にある厚さをもつ，請求項１に記載の冷却装置。
10. 前記弾性層は，ポリマー層からなる，請求項１に記載の冷却装置。
11. 前記弾性層は，シリコーンラバーからなる，請求項１に記載の冷却装置。
12. 前記コーティングは，0.25から0.50マイクロメートルの範囲にある厚さをもつ，請求項１に記載の冷却装置。
13. 前記コーティングは，二酸化ケイ素からなら，請求項１に記載の冷却装置。
14. 前記表面構造は，半導体ウエハと接触する形状をもつ，請求項１に記載の冷却装置。
15. 前記表面構造はさらに，ワークピースとの適合のために選択される，前記コーティング上の膜を含む，請求項１に記載の冷却装置。
16. 前記表面構造はさらに，前記弾性層と支持層との間に，接着インターフェイス層を含む，請求項１に記載の冷却装置。
17. ワークピースを静電的にクランプする装置であって，
    ワークピースを受け入れるための，電気的に絶縁したクランピング表面を画成するプラテン組立体であって，該プラテン組立体が，前記クランピング表面に下に位置し，電気的に絶縁された電極，該電極とクランピング表面との間にある誘電層，およびクランピング表面を画成する表面構造を有し，前記表面構造は，前記誘電層に接着された弾性層および弾性層上のコーティングを含み，前記コーティングはその表面にリプルを有する，ところのプラテン組立体と，
    ワークピースをクランピング表面上の固定位置に，静電的にクランピングするために，電圧を電極に適用するクランピング制御回路と，
    前記コーティングとワークピースとの間に所定の圧力のガスを導入するための冷却ガスシステムと、
    を含み，
    前記リプルは，前記所定の圧力のガスの平均自由行程より小さいか，またはそれに等し，前記表面に平行な波長をもち，
    前記リプルは，前記所定の圧力のガスの平均自由行程より小さいか，またはそれに等し，前記表面に垂直な振幅をもち，
    前記コーティングは，窒化ケイ素，浸炭窒化ケイ素，および炭素からなるグループから選択される，
    クランピング装置。
18. 前記弾性層は熱伝導性をもつ，請求項１７に記載のクランピング装置。
19. 前記リプルは，少なくとも表面の局所的領域に，規則的なパターンをもち，前記リプルは，前記クランピング表面の全領域を覆う，請求項１７に記載のクランピング装置。
20. 前記弾性層は，5から10マイクロメートルの範囲にある厚さをもつ，請求項１７に記載のクランピング装置。
21. 前記弾性層は，シリコーンラバーからなる，請求項１７に記載のクランピング装置。
22. 前記コーティングは，0.25から0.50マイクロメートルの範囲にある厚さをもつ，請求項１７に記載のクランピング装置。
23. 前記コーティングは，二酸化ケイ素からなら，請求項１７に記載のクランピング装置。
24. 前記表面構造は，半導体ウエハと接触する形状をもつ，請求項１７に記載のクランピング装置。
25. 前記弾性層は，2.5から250マイクロメートルの範囲にある厚さをもつ，請求項１７に記載のクランピング装置。
26. 前記弾性層は，7.5から15マイクロメートルの範囲にある厚さをもつ，請求項１７に記載のクランピング装置。
27. 前記弾性層は，ポリマー層からなる，請求項１７に記載のクランピング装置。
28. 前記表面構造はさらに，ワークピースとの適合のために選択される，前記コーティング上の膜を含む，請求項１７に記載のクランピング装置。
29. 前記表面構造はさらに，前記弾性層と誘電層との間に，接着インターフェイス層を含む，請求項１７に記載のクランピング装置。

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