JP4994382B2 - 半径方向の温度制御能力を有する静電チャック - Google Patents

Description

半導体ウエハ（「ウエハ」）の加工は、しばしば、ウエハをプラズマに曝露することにより、プラズマの反応成分がウエハの表面を改変（例えば、ウエハ表面の非保護領域から材料を除去）することを可能にすることを含む。プラズマ加工処理の結果として生じるウエハの特徴は、プラズマ特性およびウエハ温度などの処理条件によって決まる。例えば、一部のプラズマ処理では、ウエハ表面上でのクリティカルディメンション（すなわち、形状の幅）が、ウエハ温度１℃当たり約１ナノメートルだけ変化しうる。ウエハ温度以外は同一のウエハ加工処理の間でのウエハ温度の差によって、ウエハ表面の特徴が変わることを理解されたい。したがって、プラズマ処理中のウエハ温度の変動によって、異なるウエハ間では処理結果が異なる場合がある。さらに、中央部から縁部へのウエハ温度の変動が、ウエハ当たりのダイ歩留まりに悪影響を与えうる。

ウエハ加工の一般的な目的は、ウエハ当たりのダイ歩留まりを最適化しつつ、できる限り同じように共通の型の各ウエハを加工することである。これらの目的を実現するには、個々のウエハにわたって、かつ、共通の型の様々なウエハの間で、プラズマ処理特性に影響する加工パラメータを制御することが必要である。プラズマ成分の反応性は、温度に比例するため、ウエハ温度は、ウエハ内およびウエハ間でのプラズマ処理結果に大きく影響しうる。したがって、プラズマ加工処理中のウエハ温度の制御を改善することが、絶えず求められている。

一実施形態では、プラズマへの曝露時に基板にわたる半径方向温度プロファイルを制御するための静電チャックが開示されている。静電チャックは、底面と上面とを有する支持部材を備える。支持部材の上面は、基板を支持するよう構成されている。静電チャックは、さらに、支持部材の下側に、支持部材から離間した関係で配置されたベースプレートを備える。ベースプレートは、内壁と外壁と底面とによってそれぞれ規定された複数の環状溝を備える。複数の断熱性の環状領域隔壁が、それぞれ、ベースプレートの複数の環状溝内に配置されている。環状領域隔壁の各々は、支持部材の底面に密閉的に結合された上面を有する。また、環状領域隔壁の各々は、環状領域隔壁が内部に配置されている環状溝の底面に密閉的に結合された底面を有する。ベースプレートおよび支持部材の間の離間した関係と、環状領域隔壁とによって、複数の半径方向に配列された（radially configured：同心円構成の）独立制御可能なガス室が、静電チャック内に規定されている。

別の実施形態では、プラズマへの曝露時に基板にわたる半径方向温度プロファイルを制御するための別の静電チャックが開示されている。その静電チャックは、基板を支持するよう構成された上面を有する支持部材を備える。支持部材は、さらに、平面領域と、複数の環状フィン構造とを備える。平面領域は、基板を支持するよう構成された上面と、底面との間に規定されている。環状フィン構造の各々は、支持部材の平面領域の底面から垂直に伸びている。静電チャックは、さらに、支持部材の下側に、支持部材から離間した関係で配置されたベースプレートを備える。ベースプレートは、複数の環状溝を備える。各環状溝は、内壁と、外壁と、底面とによって規定されている。いくつかの環状溝は、支持部材の環状フィン構造を受け入れるよう規定されている。静電チャックは、さらに、環状フィン構造を受け入れるよう規定されていないベースプレートのいくつかの環状溝内にそれぞれ配置された複数の断熱性の環状領域隔壁を備える。環状領域隔壁の各々は、支持部材の平面領域の底面に密閉的に結合された上面を有する。また、環状領域隔壁の各々は、環状領域隔壁が内部に配置されている環状溝の底面に密閉的に結合された底面を有する。ベースプレートおよび支持部材の間の離間した関係と、環状領域隔壁とによって、複数の半径方向に配列された独立制御可能なガス室が、静電チャック内に規定されている。

別の実施形態では、プラズマへの曝露時に基板にわたる半径方向温度プロファイルを制御するためのシステムが開示されている。そのシステムは、静電チャックと、ガス供給システムと、計算プラットフォームとを備える。静電チャックは、複数の独立制御可能なガス室を備えるよう構成されている。ガス室は、基板を上に支持する静電チャックの上面に対して半径方向の配列で（in a radial configuration）規定されている。ガス供給システムは、独立制御可能なガス室の各々と流体的に連絡している。ガス供給システムは、独立制御可能なガス室の各々におけるガス圧力を調節するよう構成されている。特定の独立制御可能なガス室内のガス圧力は、その特定の独立制御可能なガス室を通しての熱伝導率に影響する。計算プラットフォームは、独立制御可能なガス室の各々におけるガス圧力を監視するよう構成されている。独立制御可能なガス室の各々において監視されたガス圧力に応じて、計算プラットフォームは、静電チャックによって支持される基板にわたって、所定の半径方向温度プロファイルを維持するように、ガス供給システムを制御するよう構成されている。

本発明のその他の態様および利点については、本発明を例示した添付図面との関連で行う以下の詳細な説明から明らかになる。

以下の説明では、本発明の完全な理解を促すために、数多くの具体的な詳細事項が示されている。しかしながら、当業者には明らかなように、本発明は、これらの具体的な詳細事項の一部または全てを特定しなくても実施することが可能である。また、本発明が不必要に不明瞭となることを避けるため、周知の処理動作の説明は省略した。

図１は、本発明の一実施形態に従って、半導体ウエハ（以後、「基板」と呼ぶ）処理のためのプラズマチャンバ１００の概略構成を示す図である。チャンバ１００は、周囲の壁１０１と、上部１０２と、底部１０４とによって規定されている。チャンバ１００内には、チャック１０３が配置されており、それにより、チャンバ１００内で生成されるプラズマ１０７への曝露時に基板１０５を保持する。一実施形態では、チャック１０３は、静電チャック（ＥＳＣ）として構成されており、基板１０５をＥＳＣ１０３に固定するために帯電することができる。一実施形態では、チャンバの上方に、コイル１０９が設けられており、チャンバ内部空間でプラズマ１０７を生成するためのエネルギを供給する。

動作中、反応ガスが、ガス導入ポート（図示せず）からチャンバ１００を通ってガス排出ポート（図示せず）に流れる。次いで、高周波電力（すなわち、ＲＦ電力）が、電源（図示せず）からコイル１０９に印加されることで、ＲＦ電流がコイル１０９を流れる。コイル１０９を流れるＲＦ電流は、コイル１０９の周りに電磁場を生成する。電磁場は、エッチングチャンバ１００の内部空間で誘導電流を生成する。誘導電流は、反応ガスに作用して、プラズマ１０７を生成する。エッチング処理中、コイル１０９は、変成器内の一次コイルと同様の機能を奏し、プラズマ１０７は、変成器内の二次コイルと同様の機能を奏する。チャンバ１００は、誘導結合プラズマチャンバとして説明されているが、本明細書で開示しているＥＳＣ１０３の実施形態は、どのタイプのプラズマ処理チャンバにも適用可能であることを理解されたい。

図２Ａは、本発明の一実施形態に従って、ＥＳＣ１０３Ａを示す縦断面図である。ＥＳＣ１０３Ａは、プラズマに曝露される際に基板１０５にわたる半径方向温度プロファイルを制御するよう構成されている。後に詳述するように、ＥＳＣ１０３Ａは、基板１０５を支持するＥＳＣ１０３Ａの上面に対して半径方向の配列でそれぞれ規定された複数の独立制御可能なガス室を備える。独立制御可能なガス室は、それぞれ、発熱源を備える。基板１０５をプラズマに曝露する際に、基板１０５にわたって所定の半径方向温度プロファイルが実現されるように、各々の独立制御可能なガス室内のガス圧力および発熱がＥＳＣ１０３Ａを通しての熱伝導に影響するよう制御される。

ＥＳＣ１０３Ａは、底面２０１Ａと上面２０１Ｂとを有する支持部材２０１を備える。一実施形態では、支持部材２０１の上面から底面までの厚さは、約１ミリメートル（ｍｍ）である。ただし、別の実施形態では、その厚さが、熱伝導などの処理条件に適切である限り、支持部材２０１は、基本的に任意の厚さを有するよう構成されてよいことを理解されたい。例えば、別の実施形態では、支持部材２０１は、約１ｃｍの厚さを有してよい。本明細書で用いられる「約」という用語は、与えられた値のプラスマイナス１０パーセントの範囲であることを意味する。支持部材２０１の上面２０１Ｂは、プラズマに曝露される際に基板１０５を支持するよう構成されている。様々な実施形態において、支持部材２０１は、セラミック層、プラズマ溶射セラミックで上部を覆われた基材、ポリイミド材料、または、ポリイミド／金属積層体のいずれかで形成されてよい。さらに別の実施形態では、支持部材２０１は、第１の材料の上層と第２の材料の下層とを備えるよう形成される。例えば、上層がセラミック材料で形成され、下層がアルミニウムなどの金属で形成されてよい。さらに、支持部材２０１の上層および下層は、機械的手段または熱伝導接着によって、互いに熱的に結合されてよい。支持部材２０１は、基板１０５に適合し、プラズマへの曝露中に基板１０５を支持しつつ適切な熱伝導性能を提供する基本的に任意の材料または材料の組み合わせで構成されてよいことを理解されたい。

図２Ａの実施形態では、ＥＳＣ１０３Ａは、電気力を用いて、基板１０５を支持部材２０１の上面２０１Ｂに引き付け、プラズマ処理中に基板１０５を保持する。ただし、ＥＳＣ１０３Ａに関して本明細書で説明している半径方向の温度制御能力は、基板１０５を固定するために必ずしも電気力を利用しない他の種類のチャックにおいて実施されてもよいことを理解されたい。例えば、ＥＳＣ１０３Ａに関して説明されている半径方向の温度制御能力は、プラズマ処理中に基板１０５を保持するために機械力を用いるチャックにおいて実施されてもよい。

ＥＳＣ１０３Ａは、さらに、支持部材２０１の下側に、基板１０５の下方の領域では支持部材２０１から離間した関係で配置されたベースプレート２０５を備える。一実施形態において、ベースプレートは、約１５インチ（３８．１ｃｍ）の直径と、約２インチ（５．０８ｃｍ）の上下方向の厚さと、を有するよう構成されている。ただし、別の実施形態では、ベースプレート２０５は、他のサイズを有するよう構成されてもよいことを理解されたい。一実施形態において、ベースプレート２０５は、熱伝導率の高い材料（例えば、アルミニウム）から形成され、複数の冷却流路２１３を備えることで、ヒートシンクとして機能する。一実施形態では、水などの冷却液が、冷却流路２１３に流され、ＥＳＣ１０３Ａから熱を除去する。ただし、別の実施形態では、その種類の冷却剤が、ＥＳＣ１０３Ａの材料に対して化学適合性を有する限りは、別の種類の冷却剤を用いてもよいことを理解されたい。

ベースプレート２０５は、複数の環状溝を備える。各環状溝は、内壁と、外壁と、底面とによって規定されている。また、各環状溝は、実質的にＥＳＣ１０３Ａの垂直中心線を中心とするよう規定されている。例えば、図２ＡのＥＳＣ１０３Ａの一例は、４つの環状溝を示している。環状溝の内壁は、面２０９Ａ、２０９Ｄ、２０９Ｇ、および、２０９Ｊによって規定されている。環状溝の外壁は、面２０９Ｂ、２０９Ｅ、２０９Ｈ、および、２０９Ｋによって規定されている。環状溝の底面は、面２０９Ｃ、２０９Ｆ、２０９Ｉ、および、２０９Ｌによって規定されている。

複数の断熱性の環状領域隔壁２０７Ａ−２０７Ｄが、それぞれ、ベースプレート２０５の環状溝内に配置されている。環状領域隔壁２０７Ａ−２０７Ｄの各々は、支持部材２０１の底面２０３Ａに密閉的に結合された上面を有する。また、環状領域隔壁２０７Ａ−２０７Ｄの各々は、環状領域隔壁２０７Ａ−２０７Ｄが配置されている環状溝の底面（２０９Ｃ、２０９Ｆ、２０９Ｉ、２０９Ｌ）に密閉的に結合された底面を有する。環状領域隔壁２０７Ａ−２０７Ｄの各々は、環状溝の内壁（２０９Ａ、２０９Ｄ、２０９Ｇ、２０９Ｊ）および環状溝の外壁（２０９Ｂ、２０９Ｅ、２０９Ｈ、２０９Ｋ）のいずれにも接触することなく、それぞれの環状溝内に配置されていることを理解されたい。したがって、断熱性の環状領域隔壁２０７Ａ−２０７Ｄは、支持部材２０１とベースプレート２０５との間の固体間の熱伝導の量を制限するよう機能する。一実施形態において、環状領域隔壁２０７Ａ−２０７Ｄは、支持部材２０１およびベースプレート２０５の両方に接着可能なプラスチック材料から形成される。

典型的な一実施形態では、ベースプレート２０５内の環状溝の深さは、約０．５インチ（１．２７ｃｍ）から約０．７５インチ（１．９０５ｃｍ）の範囲内である。この実施形態では、環状溝は比較的深く、その結果、断熱性の環状領域隔壁は、支持部材２０１からベースプレート２０５まで比較的長い垂直距離にわたっていることを理解されたい。したがって、この実施形態では、熱伝導率の低い環状領域隔壁２０７Ａ−２０７Ｄを介して支持部材２０１とベースプレート２０５との間で、かなりの量の熱伝導が起きる可能性は低い。

ベースプレート２０５は、さらに、周辺支持構造２０６を備えており、その上に、支持部材２０１が密閉的に配置される。支持構造２０６は、支持部材２０１および基板１０５に対して構造的な支持を提供するだけでなく、ＲＦ電力が、ベースプレート２０５から支持部材２０１を介して基板１０５に流れることを可能にする。図２Ａの実施形態では、支持構造２０６は、基板２０５の延長部分として図示されている。しかしながら、他の実施形態では、支持構造２０６は、別個の熱伝導率の低い材料で形成されてもよい。例えば、一実施形態において、支持構造２０６は、十分な厚さのＲＦ導電層で被覆された絶縁材料で形成されてよい。

ベースプレート２０５および支持部材２０１の間の離間した関係と、基板プレート２０５および支持部材２０１の間に結合された環状領域隔壁２０７Ａ−２０７Ｄとの組み合わせにより、ＥＳＣ１０３Ａ内に、複数の独立制御可能なガス室２２５Ａ−２２５Ｅが規定されている。具体的には、独立制御可能なガス室２２５Ａ−２２５Ｅの各々は、ベースプレート２０５と支持部材２０１との間に規定されており、断熱性の隔壁として機能する環状領域隔壁２０７Ａ−２０７Ｄによって分離されている。ＥＳＣ１０３Ａは、さらに、複数の独立制御可能なガス室２２５Ａ−２２５Ｅ内にそれぞれ配置された複数の発熱源２１１Ａ−２１１Ｅ（薄膜ヒータなど）を備えている。発熱源２１１Ａ−２１１Ｅの各々は、支持部材２０１の底面２０３Ａに接触すると共に、ベースプレート２０５に接触しないように規定されている。独立制御可能なガス室の各々は、ＥＳＣ１０３Ａ内の半径方向温度制御領域（領域１−領域５）に対応していることを理解されたい。

図２Ｂは、図２Ａを参照して上述した領域２を示す拡大図である。図２Ｂを参照して領域２について行う代表的な説明は、図２Ａに示したＥＳＣ１０３Ａ内の他の半径方向温度制御領域にも等しく適用できることを理解されたい。図に示すように、領域２のガス室２２５Ｂは、環状領域隔壁２０７Ａおよび２０７Ｂと、支持部材２０１と、ベースプレート２０５とを境界とする。ベースプレート２０５内には、ガス導管２１５が設けられており、ガス室２２５Ｂと流体的に連絡している。プラズマ処理中には、ガス室２２５Ｂ内で指定のガス圧力を実現するために、矢印２１７で示すように、ガス導管２１５を介して、ガスを供給または排気することができる。

発熱源２１１Ｂと、環状溝を境界とするベースプレート２０５の一部との間には、狭いギャップ２２３が存在する。具体的には、ギャップ２２３は、発熱源２１１Ｂの底面と、それと向かい合うベースプレート２０５の水平面との間の水平のギャップとして規定される。一実施形態では、ギャップの垂直方向の幅は、約０．００１インチ（０．００２５４ｃｍ）ないし約０．００３インチ（０．００７６２ｃｍ）の範囲内である。金属層２０３とベースプレート２０５との間の熱伝導の大部分は、発熱源２１１Ｂを介して水平のギャップ２２３を越えて起きる。ガス室２２５Ｂ内のガス圧力を変えることにより、ギャップ２２３を介した熱伝導率を変えることができることを理解されたい。それ故、ガス室２２５Ｂに対応する半径方向温度制御領域（領域２）の近傍におけるＥＳＣ１０３Ａを介した熱伝導を制御するために、ガス室２２５Ｂ内のガス圧力を利用することができる。したがって、ＥＳＣ１０３Ａが複数の独立制御されるガス室２２５Ａ−２２５Ｅを備えるよう構成することにより、ＥＳＣ１０３Ａは、複数の独立制御可能な半径方向温度制御領域（領域１−領域５）を有するよう構成される。図２Ａの実施形態は、５つの半径方向温度制御領域を備えるよう図示されているが、別の実施形態において、他の数の半径方向温度制御領域が備えられてもよいことを理解されたい。より多くの半径方向温度制御領域を備える実施例によると、基板１０５にわたる半径方向の温度勾配の制御に関する能力が向上する。

様々な半径方向温度制御領域（領域１−領域５）内で、ガス圧力ひいては熱伝導率を制御することにより、基板１０５の中央部から基板１０５の縁部までの所定の半径方向温度勾配を確立することができる。一実施形態では、特定のガス室２２５Ａ−２２５Ｅ内のガス圧力は、約１０ｔｏｒｒないし約１ａｔｍの範囲内に制御可能である。一実施形態では、各ガス室２２５Ａ−２２５Ｅに、ヘリウムガスが供給される。ただし、別の実施形態において、他の種類のガスまたはガス混合物（例えば、窒素）が、各ガス室２２５Ａ−２２５Ｅに供給されてもよい。さらに別の実施形態では、ガスではなく液体が、各ガス室２２５Ａ−２２５Ｅに供給されてもよい。さらに、本明細書の記載では、本発明は、半径方向に配列された温度制御領域を有するが、別の実施形態において、ＥＳＣ１０３Ａ内の様々な独立制御可能なガス室は、半径方向の配列ではない（同心円形状ではない）幾何学的構成に対応するよう規定されてもよい。例えば、別の実施形態において、ＥＳＣ１０３Ａ内の各ガス室は、六角形に分割された構成または四分円に分割された構成で規定されてもよい。

ＥＳＣ１０３Ａの特定の半径方向温度制御領域（領域１−領域５）を通しての熱伝導は、特定の領域内のガスの圧力依存の熱伝導率によって影響されるだけでなく、特定の領域内に配置された発熱源２１１Ａ−２１１Ｅの熱出力によっても影響される。具体的には、各発熱源２１１Ａ−２１１Ｅは、基板１０５からベースプレート２０５まで、ＥＳＣ１０３Ａを介して、より強い温度勾配を作るために、プラズマ熱流束を高めるよう独立制御されることができる。各発熱源２１１Ａ−２１１Ｅの熱出力は、各半径方向温度制御領域内の各ガス圧力によって規定された半径方向温度プロファイルを変えることなく、プロセスウィンドウの動的な温度範囲を調節するために、一般的な方法で増減できることを理解されたい。さらに、発熱源２１１Ａ−２１１Ｅは、各領域内の適切な温度を確実に維持するために、温度監視フィードバックまたは所定の処理レシピに基づいて、コンピュータ制御されることができる。例えば、一実施形態では、閉ループフィードバック制御を用いて、２つの領域の発熱源を制御し、他の３つの領域の発熱源については、計算に基づいて静的に設定する。この特定の実施例では、５つの領域すべての温度監視を必要とせず、閉ループフィードバック制御がなされる２つの領域の温度監視だけでよい。したがって、この実施例では、閉ループフィードバック制御されない３つの領域における温度監視に関連するコストおよび空間を節約できる。上述の実施例に加えて、様々な処理およびシステムの要件を満たすために、発熱源制御に関する多くの異なる方法を実施できることを理解されたい。

一実施形態では、各半径方向温度制御領域（領域１−領域５）に存在する発熱源２１１Ａ−２１１Ｅは、共通発熱源の一部であってよい。別の実施形態では、各半径方向温度制御領域（領域１−領域５）に存在する発熱源２１１Ａ−２１１Ｅは、独立した発熱源であってよい。この実施形態の一変形例において、発熱源２１１Ａ−２１１Ｅの各々は、共通の熱出力を供給して共通制御されるよう構成される。この実施形態の別の変形例では、発熱源２１１Ａ−２１１Ｅの各々は、独立制御されるよう構成される。さらに、図２Ａ−２Ｂの実施形態では、発熱源２１１Ａ−２１１Ｅは、ガス室２２５Ａ−２２５Ｅ内に、支持部材２０１の底面２０３Ａに接触して配置されている。しかしながら、別の実施形態では、各発熱源２１１Ａ−２１１Ｅを、それぞれの半径方向温度制御領域（領域１−領域５）の上方の位置において、支持部材２０１に埋め込んでもよい。発熱源の構成における柔軟性は、非一様なプラズマ、特に、半径方向に非一様なプラズマを補償するための幅広い能力を提供することを理解されたい。

図３Ａは、本発明の別の実施形態に従って、プラズマに曝露された際に基板１０５にわたって半径方向温度プロファイルを制御するためのＥＳＣ１０３Ｂを示す縦断面図である。ＥＳＣ１０３Ｂは、基板１０５を支持するよう構成された上面３０１Ｂを有する支持部材３０１を備える。材料の組成および構成の柔軟性に関して、図３Ａの支持部材３０１は、図２Ａおよび２Ｂを参照して上述した支持部材２０１と同等であることを理解されたい。

支持部材３０１は、平面領域３０３Ａと、複数の環状フィン構造３０３Ｂとを備える。支持部材３０１の平面構造３０３Ａは、上面３０１Ｂと底面３０１Ａとの間に規定される。複数の環状フィン構造３０３Ｂの各々は、平面領域３０３Ａの底面３０１Ａから垂直に伸びている。一実施形態では、平面領域３０３Ａの上面から底面までの厚さは、約１ｍｍである。ただし、別の実施形態では、平面領域３０３Ａの上面から底面までの厚さは、熱伝導などの処理要件に適切である限り、基本的に任意の厚さを有するよう規定されてよいことを理解されたい。

ＥＳＣ１０３Ｂは、さらに、支持部材３０１の下側に、基板１０５の下方の領域では支持部材３０１から離間した関係で配置されたベースプレート３０５を備える。ベースプレート２０５と同様に、ベースプレート３０５は、熱伝導率の高い材料から形成され、複数の冷却流路２１３を備えることで、ヒートシンクとして機能する。図２Ａおよび２Ｂを参照して上述したベースプレート２０５と同様に、ベースプレート３０５は、複数の環状溝を備える。内側の環状溝の各々は、内壁と、外壁と、底面とによって規定されている。外側の環状溝は、内壁と、底面とによって規定されている。いくつかの環状溝は、金属部材３０３の環状フィン構造３０３Ｂを受け入れるよう規定されているまた、いくつかの環状溝は、断熱性の領域隔壁を受け入れるよう規定されている。

図３Ｂは、本発明の一実施形態に従って、半径方向温度制御領域（領域１−領域５）の範囲内で支持部材３０１およびベースプレート３０５の間の接合部分を示す拡大図である。環状フィン構造３０３Ｂを受け入れるための環状溝は、それぞれの内壁（３０９Ｄ、３０９Ｇ、３０９Ｊ）と、それぞれの外壁（３０９Ｅ、３０９Ｈ、３０９Ｋ）と、それぞれの底面（３０９Ｆ、３０９Ｉ、３０９Ｌ）とによって規定されている。同様に、環状フィン構造３０３Ｂの各々は、それぞれの内面と、それぞれの外面と、それぞれの底面とによって規定されている。ベースプレート３０５と支持部材３０１との間の離間した関係は、環状溝の内壁と、環状溝によって受け入れられた環状フィン構造の内面との間の第１のギャップ３２３Ａを形成する。ベースプレート３０５と支持部材３０１との間の離間した関係は、さらに、環状溝の外壁と、環状溝によって受け入れられた環状フィン構造の外面との間の第２のギャップ３２３Ｂを形成する。一実施形態では、第１および第２のギャップ３２３Ａおよび３２３Ｂの各々は、約０．００１インチ（０．００２５４ｃｍ）から約０．００３インチ（０．００７６２ｃｍ）の範囲内の幅を有する。

一実施形態において、支持部材３０１およびベースプレート３０５は、正確に機械加工されることができる。この実施形態では、インデックス点を用いることで、環状フィン構造３０３Ｂをベースプレート３０５内のそれぞれの環状溝内で正確に位置決めできる。さらに、特定の環状フィン構造３０３Ｂの両側のギャップの幅３２３Ａおよび３２３Ｂの変動による相殺の効果により、特定の環状フィン構造３０３Ｂからベースプレート３０５への正味の熱伝導率は、ギャップ３２３Ａおよび３２３Ｂの幅の変動による影響を実質的に受けないことを理解されたい。

ベースプレート３０５と支持部材３０１との間の離間した関係は、ベースプレート３０５と、支持部材３０１の平面領域３０３Ａの底面３０１Ａとの間の第３のギャップ３２７を形成する。ベースプレート３０５と支持部材３０１との間の離間した関係は、さらに、環状フィン構造３０３Ｂの底面と、ベースプレート３０５との間の第４のギャップ３２９を形成する。熱伝導が、主に、環状フィン構造３０３Ｂの内面および外面と、環状溝の内壁および外壁との間で、それぞれ起きるため、ギャップ３２７および３２９の幅は重要ではない。したがって、ギャップ３２７および３２９の幅は、ＥＳＣ１０３Ｂを組み立てる際に支持部材３０１がベースプレート３０５に接触しないように、比較的大きくすることができる。

ＥＳＣ１０３Ｂは、さらに、環状フィン構造３０３Ｂを受け入れるよう規定されていないベースプレート３０５内の複数の環状溝内にそれぞれ配置された複数の断熱性の環状領域隔壁２０７Ａ−２０７Ｄを備える。環状領域隔壁２０７Ａ−２０７Ｄの各々は、支持部材３０１の平面領域３０３Ａの底面３０１Ａに密閉的に結合された上面を有する。また、環状領域隔壁２０７Ａ−２０７Ｄの各々は、環状領域隔壁２０７Ａ−２０７Ｄが配置されている環状溝の底面に密閉的に結合された底面を有する。さらに、環状領域隔壁２０７Ａ−２０７Ｄの各々は、環状溝の内壁および外壁のいずれにも接触することなく、それぞれの環状溝内に配置されている。

ベースプレート３０５および支持部材３０１の間の離間した関係と、基板プレート３０５および支持部材３０１の間に結合された環状領域隔壁２０７Ａ−２０７Ｄとの組み合わせにより、ＥＳＣ１０３Ｂ内に、複数の独立制御可能なガス室が規定されている。例えば、図３Ｂは、ベースプレート３０５と支持部材３０１との間に規定された独立制御可能なガス室３２５を示しており、絶縁隔壁として機能する環状領域隔壁２０７によって分離されている。独立制御可能なガス室の各々は、ＥＳＣ１０３Ｂ内の半径方向温度制御領域（領域１−領域５）に対応することを理解されたい。様々な半径方向温度制御領域（領域１−領域５）内で、ガス圧力ひいては熱伝導率を制御することにより、基板１０５の中央部から基板１０５の縁部までの所定の半径方向温度勾配を確立することができる。図２Ａおよび２ＢのＥＳＣ１０３Ａと同様に、ＥＳＣ１０３Ｂの様々な実施形態が、様々な数の半径方向温度制御領域または様々な幾何学的構成の温度制御領域を実施してよい。また、ＥＳＣ１０３Ａと同様に、ＥＳＣ１０３Ｂの様々な実施形態は、ヘリウムガス、窒素ガス、または、他の種類のガス／ガス混合物を、各半径方向温度制御領域内のガス室に供給できる。

ＥＳＣ１０３Ｂは、さらに、複数の独立制御可能なガス室内にそれぞれ配置された複数の発熱源３１１（薄膜ヒータなど）を備えている。一実施形態では、各発熱源３１１は、隣接する環状フィン構造３０３Ｂの間で支持部材３０１の平面領域３０３Ａの底面３０１Ａに接触している。発熱源３１１の各々は、ベースプレート３０５と接触しないように規定されている。一実施形態では、各半径方向温度制御領域（領域１−領域５）に存在する発熱源３１１は、共通発熱源の一部であってよい。別の実施形態では、各半径方向温度制御領域（領域１−領域５）に存在する発熱源３１１は、独立した発熱源であってよい。この実施形態の一変形例において、発熱源３１１の各々は、共通の熱出力を供給して共通制御されるよう構成される。この実施形態の別の変形例では、発熱源３１１の各々は、独立制御されるよう構成される。さらに、別の実施形態では、各発熱源３１１を、それぞれの半径方向温度制御領域（領域１−領域５）の上方の位置において、支持部材３０１に埋め込んでもよい。

図２Ａおよび２ＢのＥＳＣ１０３Ａと同様に、ＥＳＣ１０３Ｂの特定の半径方向温度制御領域（領域１−領域５）を通しての熱伝導は、特定の領域内のガスの圧力依存の熱伝導率によって影響されるだけでなく、特定の領域内に配置された発熱源３１１の熱出力によっても影響される。ＥＳＣ１０３Ｂの様々な半径方向温度制御領域（領域１−領域５）内で、ガス圧力ひいては熱伝導率を制御することにより、基板１０５の中央部から基板１０５の縁部までの所定の半径方向温度勾配を確立することができる。一実施形態では、ＥＳＣ１０３Ｂの特定のガス室内のガス圧力は、約１０ｔｏｒｒないし約１ａｔｍの範囲内に制御可能である。また、各発熱源３１１の熱出力は、各半径方向温度制御領域内の各ガス圧力によって規定された半径方向温度プロファイルを変えることなく、プロセスウィンドウの動的な温度範囲を調節するために、一般的な方法で増減できる。

プラズマ反応物質の減少など、いくつかの理由で、プラズマ処理中に基板の縁部付近でプラズマ反応物質が少なくなる傾向がある。その結果、横方向エッチング速度が、基板の中央部と基板の縁部との間で変化する。横方向エッチング速度は、ウエハにわたって結果としてのクリティカルディメンションに直接影響する。本発明のＥＳＣによって提供される複数の半径方向温度制御領域の能力は、ウエハにわたって半径方向温度プロファイルを制御することにより、横方向エッチング速度の変動を補正することを可能にする。例えば、本発明のＥＳＣは、主にクリティカル（すなわち、横方向の）ディメンションの制御を目的とする処理調整手段として、ウエハの半径方向プロファイルを生成することができる。したがって、本発明のＥＳＣによって提供される複数の半径方向温度領域による温度調整能力は、特に基板の縁部において、クリティカルディメンションのバイアス補正データに対するより良好な適合を実現する。

ＥＳＣの特定の半径方向温度領域内のガス圧力を迅速に調節できるため、特定の半径方向温度領域を通しての熱伝導率も迅速に調節することができる。その結果、ＥＳＣは、基板にわたる半径方向温度プロファイルのリアルタイム制御を可能にする。例えば、異なる半径方向領域のガス圧力を変えることにより、基板の温度を最大４℃／秒で変えることができる。この急速な温度変化により、温度プロファイルが工程間で変化する必要がある場合に、処理工程の間で温度が安定するまでの時間を短くすることが可能であり、それは、基板のスループットを改善しうる。本発明のＥＳＣは、さらに、中央部から縁部への基板の温度勾配が３０℃を超えることを可能にする。さらに、ＥＳＣ内に存在する発熱源は、全体的な温度プロファイルを４０℃よりも大きく変化させることを可能にする。

図４は、本発明の一実施形態に従って、プラズマに曝露された際に基板にわたって半径方向温度プロファイルを制御するためのシステムを示す図である。そのシステムは、本明細書に記載したＥＳＣ１０３ＡまたはＥＳＣ１０３Ｂのいずれかを有するプラズマ処理チャンバ１００を備える。簡単のために、以下の説明では、「ＥＳＣ」という用語は、ＥＳＣ１０３ＡまたはＥＳＣ１０３Ｂのいずれかを指すこととする。ＥＳＣは、複数の独立制御可能なガス室を備えるよう構成されている。一実施形態では、これらのガス室は、基板１０５を支持するＥＳＣの上面に対して放射状の構成で規定されている。

システムは、さらに、矢印４１３で示すように、複数の独立制御可能なガス室の各々と流体的に連絡したガス供給システム４０１を備える。ガス供給システム４０１は、ＥＳＣ内の独立制御可能なガス室の各々におけるガス圧力を調節するよう構成されている。上述のように、ＥＳＣの特定の独立制御可能なガス室内のガス圧力は、その特定の独立制御可能なガス室を通しての熱伝導率に影響する。また、上述のように、ＥＳＣは、独立制御可能なガス室の内部にそれぞれ配置された複数の発熱源を備える。さらに、ＥＳＣの独立制御可能なガス室の内の１または複数が、温度センサおよび／または圧力センサを備えてよい。

システムは、さらに、それぞれ矢印４０５および４０７で示すように、ＥＳＣの独立制御可能なガス室の内の１または複数における温度およびガス圧力を監視するよう構成された計算プラットフォームを備える。ＥＳＣの独立制御可能なガス室内で監視された温度およびガス圧力に応じて、計算プラットフォームは、基板１０５にわたって所定の半径方向温度プロファイルを維持するために必要な通りに、独立制御可能なガス室のための発熱源およびガス圧力の調節を計算するよう構成されている。次いで、計算プラットフォーム４０３は、矢印４０９で示すように、適切な発熱源制御信号をＥＳＣに送信する。また、計算プラットフォーム４０３は、矢印４１１に示すように、適切なガス圧力制御信号をガス供給システム４０１に送信する。それに応じて、ガス供給システム４０１は、ＥＳＣの独立制御可能なガス室内のガス圧力が適切に調節されるようにする。

本発明は、いくつかの実施形態に沿って説明されているが、当業者が、これまでの明細書および図面から、様々な変更、追加、置き換え、および等価物を実現することは明らかである。したがって、本発明は、本発明の真の趣旨および範囲内での変更、追加、置き換え、および等価物の全てを含むよう意図されている。

本発明の一実施形態に従って、半導体ウエハ処理のためのプラズマチャンバの概略構成を示す図。 本発明の一実施形態に従って、ＥＳＣを示す縦断面図。 図２Ａを参照して上述した領域２を示す拡大図。 本発明の別の実施形態に従って、プラズマに曝露された際に基板にわたって半径方向温度プロファイルを制御するためのＥＳＣを示す縦断面図。 本発明の一実施形態に従って、半径方向温度制御領域の範囲内で支持部材およびベースプレートの間の接合部分を示す拡大図。 本発明の一実施形態に従って、プラズマに曝露された際に基板にわたって半径方向温度プロファイルを制御するためのシステムを示す図。

Claims (19)

1. プラズマへの曝露時に基板の半径方向における温度プロファイルを制御するための静電チャックであって、
   底面と上面とを有する支持部材であって、前記支持部材の前記上面は、前記基板を支持するよう構成されている、支持部材と、
   前記支持部材の下側に、前記支持部材から離間した関係で配置されたベースプレートであって、内壁と外壁と底面とによってそれぞれ規定された複数の環状溝を備える、ベースプレートと、
   前記ベースプレートの前記複数の環状溝内にそれぞれ配置された複数の断熱性の環状領域隔壁であって、前記複数の環状領域隔壁の各々は、前記支持部材の前記底面に密閉的に結合された上面と、前記環状領域隔壁が配置された前記環状溝の前記底面に密閉的に結合された底面とを有する、複数の環状領域隔壁と、
   を備え、
   前記ベースプレートおよび前記支持部材の間の離間した関係と、前記ベースプレートおよび前記支持部材の間に結合された前記複数の環状領域隔壁とによって、複数の独立制御可能なガス室が規定されている、静電チャック。
2. 請求項１に記載の静電チャックであって、前記複数の環状領域隔壁の各々は、前記環状溝の前記内壁および前記環状溝の前記外壁のいずれにも接触することなく、それぞれの環状溝内に配置されている、静電チャック。
3. 請求項１に記載の静電チャックであって、前記ベースプレートは、熱伝導率の材料から形成され、複数の冷却流路を備えることで、ヒートシンクとして機能する、静電チャック。
4. 請求項１に記載の静電チャックであって、さらに、
   前記複数の独立制御可能なガス室内に前記支持部材の前記底面に接触するようにそれぞれ配置された複数の薄膜ヒータを備える、静電チャック。
5. 請求項４に記載の静電チャックであって、前記複数の薄膜ヒータの各々と、前記環状溝の内の１または複数を境界とする前記ベースプレートの一部との間に、ギャップが存在し、前記ギャップの垂直方向の幅は、０．００１インチ（０．００２５４ｃｍ）のプラスマイナス１０％から０．００３インチ（０．００７６２ｃｍ）のプラスマイナス１０％の範囲内である、静電チャック。
6. 請求項４に記載の静電チャックであって、前記複数の薄膜ヒータの各々は、閉ループフィードバックと所定の処理レシピとのいずれかに基づいて独立制御されるよう構成されている、静電チャック。
7. 請求項１に記載の静電チャックであって、さらに、
   前記複数の独立制御可能なガス室のそれぞれに対して流体的に連絡するように前記ベースプレート内に設けられた複数のガス導管を備える、静電チャック。
8. プラズマへの曝露時に基板の半径方向における温度プロファイルを制御するための静電チャックであって、
   前記基板を支持するよう構成された上面を有する支持部材であって、前記支持部材は、平面領域と、複数の環状フィン構造とを有し、前記平面領域は、前記基板を支持するよう構成された前記上面と、底面との間に規定され、前記複数の環状フィン構造の各々は、前記平面領域の前記底面から垂直に伸びている、支持部材と、
   前記支持部材の下側に、前記支持部材から離間した関係で配置されたベースプレートであって、内壁と外壁と底面とによってそれぞれ規定された複数の環状溝を備え、前記複数の環状溝の一部は、前記支持部材の前記複数の環状フィン構造を受け入れるよう構成されている、ベースプレートと、
   前記複数の環状フィン構造を受け入れるよう構成されていない前記ベースプレートの前記複数の環状溝の一部内にそれぞれ配置された複数の断熱性の環状領域隔壁であって、前記複数の環状領域隔壁の各々は、前記支持部材の前記平面領域の前記底面に密閉的に結合された上面と、前記環状領域隔壁が配置された前記環状溝の前記底面に密閉的に結合された底面とを有する、複数の環状領域隔壁と、
   を備え、
   前記ベースプレートおよび前記支持部材の間の離間した関係と、前記ベースプレートおよび前記支持部材の間に結合された前記複数の環状領域隔壁とによって、複数の独立制御可能なガス室が規定されている、静電チャック。
9. 請求項８に記載の静電チャックであって、前記複数の環状領域隔壁の各々は、前記環状溝の前記内壁および前記外壁のいずれにも接触することなく、それぞれの環状溝内に配置され、前記複数の環状フィン構造の各々は、前記環状溝の前記内壁、前記外壁、および前記底面のいずれにも接触することなく、それぞれの環状溝内に受け入れられている、静電チャック。
10. 請求項８に記載の静電チャックであって、前記ベースプレートは、熱伝導性の材料から形成され、複数の冷却流路を備えることで、ヒートシンクとして機能する、静電チャック。
11. 請求項８に記載の静電チャックであって、さらに、
    隣接する前記環状フィン構造の間において前記支持部材の前記平面領域の前記底面に接触するように前記複数の独立制御可能なガス室内にそれぞれ配置された複数の薄膜ヒータを備え、前記複数の薄膜ヒータの各々は、前記ベースプレートと接触しないように規定されている、静電チャック。
12. 請求項１１に記載の静電チャックであって、前記複数の薄膜ヒータの各々は、閉ループフィードバックと所定の処理レシピとのいずれかに基づいて独立制御されるよう構成されている、静電チャック。
13. 請求項８に記載の静電チャックであって、前記複数の環状フィン構造の各々は、内面と外面と底面とによって規定され、前記ベースプレートと前記支持部材との間の離間した関係は、前記環状溝の前記内壁と、前記環状溝によって受け入れられた前記環状フィン構造の前記内面との間の第１のギャップを形成し、前記ベースプレートと前記支持部材との間の前記離間した関係は、前記環状溝の前記外壁と、前記環状溝によって受け入れられた前記環状フィン構造の前記外面との間の第２のギャップを形成し、前記第１および第２のギャップの各々は、０．００１インチ（０．００２５４ｃｍ）のプラスマイナス１０％から０．００３インチ（０．００７６２ｃｍ）のプラスマイナス１０％の範囲内の幅を有する、静電チャック。
14. 請求項８に記載の静電チャックであって、さらに、
    前記複数の独立制御可能なガス室に対してそれぞれ流体的に連絡するように前記ベースプレート内に設けられた複数のガス導管を備える、静電チャック。
15. プラズマへの曝露時に基板の半径方向における温度プロファイルを制御するためのシステムであって、
    複数の独立制御可能なガス室を備えるよう構成された静電チャックであって、前記基板を支持するよう構成された上面を有する支持部材を備え、前記支持部材の下側に、前記支持部材から離間した関係で配置されたベースプレートをさらに備える静電チャックと、前記複数の独立制御可能なガス室は、前記ベースプレートと前記支持部材との間において前記基板を支持する前記静電チャックの上面に対して半径方向の配列で規定され、前記複数の独立制御可能なガス室の内の隣接するガス室は、前記支持部材および前記ベースプレートの両方に密閉的に結合された環状断熱性隔壁によって、互いに分離されていることと、
    前記複数の独立制御可能なガス室の各々と流体的に連絡するガス供給システムであって、前記ガス供給システムは、前記複数の独立制御可能なガス室の各々におけるガス圧力を調節するよう構成されており、特定の独立制御可能なガス室内の前記ガス圧力は、前記特定の独立制御可能なガス室を通しての熱伝導率に影響する、ガス供給システムと、
    前記複数の独立制御可能なガス室の各々におけるガス圧力を監視すると共に、前記静電チャックによって支持される前記基板にわたって所定の半径方向温度プロファイルを維持するように、前記監視されたガス圧力に応じて、前記ガス供給システムを制御するよう構成された計算プラットフォームと、を備える、システム。
16. 請求項１５に記載のシステムであって、さらに、
    前記独立制御可能なガス室内にそれぞれ配置された複数の発熱源を備え、前記複数の発熱源の各々は、閉ループフィードバックと所定の処理レシピとのいずれかに基づいて独立制御されるよう構成されている、システム。
17. 請求項１５に記載のシステムであって、前記環状断熱性隔壁の各々は、前記ベースプレート内に規定されたそれぞれの環状溝を通して垂直に伸びており、前記それぞれの環状溝は、前記環状断熱性隔壁の内面および外面が前記環状溝内で前記ベースプレートに接触しないように、前記環状の断熱性隔壁よりも広い、システム。
18. 請求項１５に記載のシステムであって、前記ベースプレートと前記支持部材との間の前記複数の独立制御可能なガス室の各々内での最短の熱伝導ギャップは、０．００１インチ（０．００２５４ｃｍ）のプラスマイナス１０％から０．００３インチ（０．００７６２ｃｍ）のプラスマイナス１０％の範囲に維持される、システム。
19. 請求項１６に記載のシステムであって、前記計算プラットフォームは、前記複数の独立制御可能なガス室の内の１または複数における温度を監視すると共に、前記静電チャックによって支持される前記基板にわたって、所定の半径方向の温度プロファイルを維持するように、前記１または複数の監視された温度に応じて、前記発熱源を制御するよう構成されている、システム。

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