JP5222850B2 - 静電チャック支持組立体の熱伝導率を調整する方法 - Google Patents

Description

本発明は、静電チャック支持組立体の熱伝導率を調整する方法に関する。

半導体技術の進歩に伴い、トランジスタの小型化により、ウェハ処理及び処理機器に更に高レベルの精度、信頼性及び清浄度が要求される。プラズマエッチング、プラズマ化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）及びレジストストリップなどのプラズマの使用を含む用途を含めて、半導体処理には種々の機器が存在する。それらの処理に要求される機器の種類はプラズマチャンバの内部に配置される構成要素を含み、構成要素は終始一貫して高性能で機能しなければならない。費用効率を高めるため、多くの場合、それらの構成要素は、機能性及び清浄度を保持しつつ、何百回又は何千回にも及ぶウェハサイクルに耐えなければならない。そのような構成要素の１つである静電チャック支持組立体は、処理中に半導体ウェハ又は他の基板を固定位置に保持し且つ一貫して均一の温度を提供するために使用される。構体の１つの構成要素である静電チャックは、機械的クランプを採用するチャックより均一にクランプでき、真空チャックを使用できない真空チャンバの内部で動作できる。しかし、構体の熱伝導率の面における変動がウェハの内部に望ましくない作用を引き起こす可能性がある。

静電チャック（ＥＳＣ）支持組立体（アセンブリ）の熱伝導率を調整する方法が提供される。前記組立体は、温度制御ベースプレート、及び、オプションの加熱プレートを具備する。前記方法は、前記支持組立体の面上の各々の場所が所定の１つのセルと関連する複数の場所において温度を測定することと、セルごとに示唆される面積減少の割合を測定値から決定することと、各セルの熱伝導率を減少させるために、示唆された減少の割合に従ってそのセルの中の支持組立体面から材料を除去することとを含む。所定の１つのＥＳＣ支持組立体と関連する全てのセルは、まとめて「セル構造」と呼ばれる。

材料の除去の結果、チャック面における静電チャック支持組立体の平衡温度均一性を改善できるか、又は目標平衡温度プロファイルに近い又はそれを達成するＥＳＣ支持組立体の平衡温度プロファイルが得られる。

温度測定は、熱電対又はＩＲセンサなどの温度センサによって実行でき、ベースプレート又は加熱プレートの面に複数の穴を形成することにより、材料を除去できる。それらの穴は、同一の深さ又は異なる深さの同一の形状又は異なる形状を有してよい。セル構造の一例は、複数のグリッドセルを含むグリッドパターンである。各グリッドセルから除去される材料は、穴の形態であるのが好ましく、各セルに形成される穴の数は、０、１又はそれ以上であってよい。材料の除去は、数値制御機械加工装置などを使用して、ドリリング、ルーティング、レーザー加工又はグリット吹き付け加工により実行できる。静電チャック支持組立体は、静電チャックに結合されることができ、プラズマエッチチャンバなどのプラズマ処理チャンバの内部において半導体基板を支持するために使用されることができる。

目標熱伝導率プロファイルを判定するのに有用な装置は、ＥＳＣチャック組立体を保持するための支持体と、前記支持組立体面上の複数の予め決定されたポイントにセンサを位置決めすることが可能な数値制御位置決め部材と、前記位置決め部材により支持されたプローブと、前記面上の種々の位置へ前記位置決め部材を移動するように動作可能なコントローラと、前記プローブからの測定データ信号を登録及び記録し、前記データ信号から目標面積密度配置を電子的に決定することが可能なユニットとを含んでもよい。

例示的な静電チャック支持組立体を示す概略横断面図である。 穴が形成されている加熱プレートの上面の平面図の上に例示的なグリッドを重ねて示す図である。 各グリッドセルの中に多くとも１つの穴が形成されるような分解能を有する例示的なグリッドを示す図である。 欠陥を有する部分的に組み立てられたＥＳＣ支持組立体上に位置決めされた例示的なプローブを示す図である。 部分的に組み立てられたＥＳＣ支持組立体上の加熱プレートの１つのセルに形成された例示的な穴を示す図である。 穴が加熱プレートの厚さに満たない深さまで延出している修正後の加熱プレート面を含む例示的なＥＳＣ支持組立体の全体を示す図である。

シリコンウェハなどの半導体基板のためのプラズマ処理装置は、プラズマエッチチャンバを含む。半導体デバイス製造処理において、プラズマエッチチャンバは、半導体、金属及び誘電体などの材料をエッチングするために使用される。プラズマ処理装置の構成要素は、処理中にウェハなどの半導体基板を固定位置に保持するために使用される静電チャックを含む。静電チャックは、機械式チャックよりウェハの面をより均一にクランプでき且つウェハ面をより有効に利用できるようにする。静電チャックは、真空チャックの効果が低い真空チャンバの中で動作できる。処理中、基板を所定の場所に保持するために、静電チャックは静電位を使用する。基板をチャックにクランプすることにより、基板とチャックとの間の熱伝導を改善できる。基板とチャックとの間の熱伝達を向上するために、基板とチャックとの間にヘリウムなどの熱伝導率の高いガスが任意に導入されてもよい。静電チャックの例は、本出願人所有の米国特許第６，８４７，０１４号公報、第５，８８０，９２２号公報及び第５，６７１，１１６号公報において提供される。更に、本出願人所有の米国特許出願公開第２００５／０２１１３８５Ａ１号明細書を参照されたい。

一般に、静電チャックは、電気絶縁性セラミック支持体を具備し、当該セラミックの中に１つ以上の電極が埋め込まれる。例えば、電極は、タングステンフリット、金属ガラス又は金属セラミックのような、金属粉末とセラミック又はガラスとの混合物であってもよい。電極は、連続する金属である必要はなく、スクリーン印刷を含むいくつかの技術により塗布されてもよい。カリフォルニア州サンホセのＳｈｉｎｋｏ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ａｍｅｒｉｃａより、厚さ０．８ｍｍ〜１５ｍｍのＥＳＣが市販されている。電気接点を介して、電極にチャック電圧が印加される。チャック電圧の印加により吸引クーロン力が発生し、その結果、ウェハは、絶縁セラミック層に当接して所定の位置に維持される。チャックの形状は、プラズマエッチングシステムにおいて一般に使用される従来のディスクを含んでもよく、チャックは、チャンバの内部において、片持ち支持アームの使用を含む種々の構造により支持されてもよい。絶縁層は、溝、メサ、開口、凹部領域及び同様の特徴形状を有してもよく、約０．２ｍｍ〜約２ｍｍの厚さであってもよい。

ウェハの均一性などの処理生産に対する要求が高まるにつれて、基板支持面がより高い性能を示すことが必要とされる。例えば、エッチングが適用される重要な用途におけるプロセス制御の問題は、ウェハ全面における温度制御の向上を必要とする。いくつかのエッチング処理において、横寸法の精度の誤差は、温度の影響を受けやすく、＋／−１ｎｍ／℃にまでになる可能性がある。従って、１〜２ｎｍの横方向特徴形状の望ましい制御を実行するためには、１℃未満、好ましくは０．４℃未満の温度均一性及び再現性が要求される。基板支持面の温度均一性の改善は、更に精密に制御されるＥＳＣ支持組立体を形成することを含むのが好ましい。ＥＳＣ支持組立体は、複数の構成部品を具備し、各部品が誤差を生み出す可能性がある。例えば、支持組立体は、ＥＳＣ、薄膜ヒータが組み込まれた加熱プレートへの結合部、ベースプレートへの結合部、及び／又は、ベースプレート自体に直接結合されたＥＳＣを具備してもよい。当該構造の構成要素ごとの熱均一性の偏差は、積み重なって全体的な偏差の原因となる。複数の構成要素を具備する静電チャックに対して適用される製造処理における固有の変動を補償することが好都合であろう。

図１は、ＥＳＣ支持組立体の一例を示す。支持組立体１００は、シリコーン接着剤層１０４によって加熱プレート１０３に接着された静電チャック１０５を具備する。静電チャック１０５は、少なくとも１つの電極１０６を含む。加熱プレート１０３は、金属又は適切なセラミックなどの熱伝導性材料から成るのが好ましく、パターニング抵抗ヒータなどの薄膜ヒータ１０２と密接に接触している。例えば、薄膜ヒータ１０２は、可撓性絶縁体の層の間に積層されたエッチングされた箔抵抗要素を含んでもよい。抵抗要素は金属であってもよく、絶縁体は、ＫＡＰＴＯＮ^ＴＭなどのポリイミドであってもよい。そのような薄膜ヒータ１０２の組み合わせ厚さは、約３〜約１５ｍｉｌである。薄膜ヒータ１０２は、例えばＭｉｎｃｏ（ミネソタ州ミネアポリス）から入手できる。薄膜ヒータ１０２は、低温プレート１０７に搭載される。熱抵抗を与えるために、薄膜ヒータ１０２と低温プレート１０７との間に０．５〜４０ｍｉｌのシリコーン１０１を使用できる。プラズマ処理反応器の格納容器壁を貫通して外部電源（図示せず）に至る電気コネクタによって、薄膜ヒータ１０２及び電極１０６に電力を供給できる。

低温プレート１０７は、所定の温度プロファイルを維持するように設計された大型の熱伝導性プレートである。低温プレート１０７は、アルミニウムなどの材料から製造されてもよく、２００ｍｍ又は３００ｍｍのシリコンウェハなどの基板をプラズマ処理するプラズマ処理装置（図示せず）のＲＦ回路に電気的に接続される。温度測定のために、低温プレート１０７の内部に温度センサ１０９が組み込まれてもよい。温度制御流体又は温度制御ガスを供給するために、低温プレート１０７に同心流体流路１０８が設けられてもよい。特に、低温プレート１０７は、再循環ループを通って流れる液体の使用により、低温プレート１０７の温度を所望の温度に維持可能な温度制御ユニット（ＴＣＵ、図示せず）と協働するように構成されるのが好ましい。

加熱プレート１０３からの熱は、静電チャック１０５及び低温プレート１０７の中へ流入する。平衡状態にある場合、静電チャック１０５は、低温プレート１０７より約３０℃〜約４０℃高い温度に達することがある。この温度差は、シリコーンの熱抵抗により維持される。平衡状態が達成されると、加熱プレート１０３より上に位置する全ての層は、名目上は同一の温度である。プラズマ処理中、プラズマからのエネルギーが静電チャック１０５を加熱する場合がある。チャック熱電対又は他のセンサからの入力を使用して温度を監視することにより、ヒータ電力を調整する制御システムにフィードバックを提供できる。例えば、ウェハのプラズマ処理によって静電チャック１０５の加熱が起こった場合、静電チャック１０５を一定の温度に保持するために、ヒータ電力を減少又は遮断することができる。

ＥＳＣ支持組立体の寸法の例を挙げると、静電チャック１０５の厚さは１ｍｍ（４０ｍｉｌ）であり、接着剤層１０４は２５．４μｍ（１ｍｉｌ）未満であり、加熱プレート１０３の厚さは０．４０６ｍｍ（１６ｍｉｌ）であり、薄膜ヒータ１０２の厚さは０．３０５ｍｍ（１２ｍｉｌ）であり、熱抵抗層としてのシリコーン１０１の厚さは０．７６２ｍｍ（３０ｍｉｌ）であり、低温プレート１０７の厚さは３８．１ｍｍ（１．５インチ）である。希望に応じて、低温プレート１０７の幅を薄膜ヒータ１０２及び静電チャック１０５より広くしてもよく且つ／又は薄膜ヒータ１０２及び静電チャック１０５の大きさは、ウェハが静電チャック１０５の外側縁部を越えるように規定されてもよい。

好適な一実施形態において、垂直方向におけるＥＳＣ支持組立体の熱伝導率は、目標温度プロファイルを達成するように設定される。ＥＳＣ支持組立体の熱伝導率の設定は、チャック支持組立体の１つ以上の層、例えば低温（ベース）プレート１０７及び／又は加熱プレート１０３を修正することにより実行される。例えば、加熱プレート１０３の面又は低温プレート１０７の面から熱伝導性材料を除去することにより、当該構造の垂直方向熱伝導率は減少する。材料を選択的に除去することにより、熱伝導率が低い領域において、静電チャックからの熱は、より高い熱抵抗を示す経路を形成するので、適切な場所で材料の除去が実行されれば、チャック面における温度の均一性は向上する。

目標面積密度を達成するために、加熱プレート１０３又は低温プレート１０７の面を修正することができる。面の一部から材料が除去され、その結果、面が考慮すべき２つの領域、すなわち材料が除去されていない「高い」領域と、除去された領域の底面を構成する「低い」領域とを有するようになった場合、面積密度という測定基準が使用される。その場合、面積密度は、所定の領域の総面積で高い領域の面積を除算した値である。平坦な面に所定の深さまで複数の穴が形成された場合、２つの主な寸法、すなわち穴の密度及び穴の大きさ又は直径が面積密度に影響を及ぼすと考えられる。規定された１つの領域の中で穴の大きさ又は穴の密度が増加すると、面積密度は減少する。

熱伝導率が調整されたＥＳＣ支持組立体を製造する場合、製造処理は、静電チャック１０５の下面と穴の底面との間に間隙が形成されるように、加熱プレート１０３又は低温プレート１０７の面において約１２７μｍ（約５ｍｉｌ）〜約２５４μｍ（約１０ｍｉｌ）の深さまで材料を除去することを含むのが好ましい。穴の底面は低い領域であり、元の加熱プレート１０３の上面は高い領域である。所定の１つのＥＳＣ支持組立体と関連する全てのセル全体が「セル構造」に相当する。セル構造の各要素が既知の面積を有するように、加熱プレート１０３又は低温プレート１０７の面の上にセル構造を配置することにより、セル構造の各要素の中における高い領域の面積の割合により、セル構造のその要素の中の密度を判定することができる。セル構造の全ての要素について面積密度を判定することにより、加熱プレート１０３又は低温プレート１０７の上面の平面図における定量的評価が判定される。

穴が製造された加熱プレートの上面の例示的な平面図が図２に示される。好適な一実施形態において、穴は、一定の大きさ（直径）及び深さを有し、穴の密度はそれぞれ異なる。図２には、いくつかの穴の群が見られる。加熱プレート２２の上に、グリッド２１が重ね合わされている。穴を有するセルの場合、グリッド境界により規定される矩形領域の中に、一定の大きさの同数の穴が存在する領域と、異なる数の穴が存在する領域があることがわかる。各矩形領域２３をセルと呼ぶことができる。各セルは、セル識別子ｉにより識別でき、面積Ａ_ｉを有する。尚、添え字ｉは、セル識別子を表す。各々が面積ａ_ｎを有するｎ個の穴が占める面積の合計が面積ｎａ_ｎを成す場合、所定のセルｉの低い領域の面積の割合は、ｆ_ｉ＝ｎａ_ｎ／Ａ_ｉにより表される。例えば、セルｎ２４のｆ_ｉの値は、セルｍ２５のｆ_ｉの値より大きい。従って、ｆ_ｉを増加することは、所定のセルｉの近傍において垂直方向にＥＳＣ支持組立体の熱伝導率を低下する効果を有する。

金属加熱プレートの熱伝導率は、絶縁体の熱伝導率より著しく高い。熱絶縁体の例には、適切なセラミック、シリコーン及び空気などが含まれる。例えば、報告されているアルミニウムの熱伝導率は２３７Ｗ／（ｍＫ）であるが、石英の熱伝導率は約１０Ｗ／（ｍＫ）であり、シリコーンの熱伝導率は１．０Ｗ／（ｍＫ）であり、空気の熱伝導率は０．０２６Ｗ／（ｍＫ）である。従って、所定のセルの穴を絶縁体で充填しても、穴を空のままにした場合と比較して、セルの熱伝導率がほとんど変化しないことは当業者には明らかであろう。従って、穴は必要に応じて充填されるが、これは、結合が完了した後の仮想真空漏れを回避するために望ましいであろう。希望に応じて、熱絶縁材料の１つ以上の層から、穴の充填を形成できる。そのような絶縁材料の例には、窒化ケイ素、二酸化ケイ素、アルミナ、シリコーン、ガラス繊維動き嵌め、ポリウレタン、吹き付けフォーム及びシリカエアロゲルなどがあるが、それらに限定されない。

グリッドｉの目を更に細かく又は粗くできることは当業者には明らかであろう。グリッドの分解能は、指定される目標温度プロファイルを達成できる最低の分解能であるのが好ましい。言い換えれば、１辺１インチのグリッドサイズによって全ての所望の目標温度プロファイルを達成できるのであれば、１辺１インチより細かい（小さい）グリッドサイズは不要である。グリッドサイズが小さくなるほど、より多くの測定値が要求され、製造処理の効率は低下する。逆に、１辺１インチのグリッドサイズによって全ての所望の目標温度プロファイルを達成できないが、１辺１／２インチのグリッドサイズで達成できる場合、好適なグリッドサイズは、１辺１インチより小さいが、少なくとも１辺１／２インチということになる。

他の好適な実施形態において、各グリッドセルに多くとも１つの穴が形成されるような分解能のグリッドを判定することを含む方法を使用することにより、穴を形成する場所及び各場所において形成する穴の数の判定を実行できる。この方法を使用すると、各グリッドセルは、１つの穴を含むか又は全く穴を含まない。図３は、そのようなグリッドの例示的な一実施形態を示す。この場合、１つの穴３１がセル３２を占有している。セル３３のような他のセルは、穴を含まない。

他の実施形態において、穴は、殆どあらゆる大きさ、形状及び配列を有してよい。例えば、穴は、楕円形、多角形又は環状であってもよく、垂直な壁又は傾斜した壁を有してもよく、底面は凹形、平坦又は凸形であってもよく、角部は尖っているか又は丸く面取りされてもよい。穴は、部分的な球面が平坦な面に形成された「凹み」形状をとってもよい。好適な穴の形状、大きさ及び配列は、垂直な壁を有するほぼ円形であり、直径は約１２７μｍ（約５．０ｍｉｌ）〜約１．２７ｍｍ（約５０ｍｉｌ）であり、間隔は約２５．４μｍ（約１ｍｉｌ）〜約２．５４ｍｍ（約１００ｍｉｌ）である。

一実施形態において、方法は、低温プレート、シリコーン結合層、薄膜ヒータ及び加熱プレートを含むが、該加熱プレートとチャックとの間のシリコーン接着剤及び静電チャック自体は含まないように、ＥＳＣ支持組立体を部分的に組み立てることを含む。ヒータは、事前設定温度まで駆動され、構造の熱平衡が達成されるのに十分な時間が与えられる。当該構造の上面は、加熱プレートの滑らかな上面である。加熱プレートを覆う所定のグリッドに従って、加熱プレート面の最初の温度測定が実行される。別の実施形態においては、低温プレートを通して温度制御液体を循環させることにより、低温プレートは事前設定温度に設定される。

局所温度を測定するために、Ｏｍｅｇａ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（コネティカット州スタンフォード）より市販されているＨＰＳ−ＲＴ−（^＊）−１８Ｇ−１２急速応答ｋ型プローブなどの温度プローブを使用できる。他の実施形態において、非接触赤外線（ＩＲ）センサを使用することも可能であろう。抵抗温度装置（ＲＴＤ）、バイメタル温度測定装置、流体膨張温度測定装置及び状態変化温度測定装置などの他の温度プローブも使用できる。あるいは、Ｓｉｅｒｒａ Ｐａｃｉｆｉｃ Ｃｏｒｐ（ネバダ州ラスベガス）より市販されているＥｘｐｌｏｒＩＲ^ＴＭ熱赤外線撮像放射測定カメラなどのグリッドサイズの空間分解が可能なＩＲカメラを使用できる。しかし、グリッドサイズの分解能における関心範囲内の温度を測定することが可能な任意の適切な温度測定装置を使用できる。

セルごとに１回の測定が実行されるのが好ましい。測定の結果、ｘ‐ｙ位置の関数として得られるデータの集合は、温度マップを構成する。次に、測定された温度が目標温度と異なり且つ指定される許容範囲外にある各グリッドセルに対して、１つ以上の穴が形成される。加熱プレート又は低温プレートに穴を形成すると、局所熱伝導率が減少することにより、熱伝導率プロファイルが修正される。好適な一実施形態において、この修正の結果、ＥＳＣを加熱プレートに結合した後又はＥＳＣを低温プレートに直接結合した後のチャック面におけるＥＳＣ支持組立体の平衡温度均一性が改善されるので、チャック面において見られる平衡温度プロファイルは、提供された仕様の範囲内である。他の実施形態において、修正の結果、平衡温度プロファイルが提供された目標平衡温度プロファイルの仕様の範囲内になるように、平衡温度プロファイルは変更される。

好適な一実施形態において、少なくとも１つの穴を形成することによって、材料は除去される。より多くの材料除去が要求される場合、複数の穴が形成されてもよい。その場合、各穴は、名目上同一の大きさ、すなわち同一の横断面面積を有する。別の実施形態において、１つのセルの中における材料除去は、単一の穴の形成により実行される。この場合、より多くの材料除去が要求される場合、更に直径の大きい穴が形成される。更なる実施形態において、加熱プレート面又は低温プレート面の中まで延出する任意の形状の穴を形成することにより、材料除去を実行できる。

以上の説明によれば、材料の除去の結果、基板を処理するプラズマによって加熱された場合のＥＳＣと低温プレートとの間の熱流束は減少し、従って、チャック温度は上昇する。従って、材料除去のみを使用した場合、ヒータ面又は低温プレート面における目標温度を測定されたＴ_ｍのうち最高の温度と少なくとも等しい値に設定することにより、チャック温度の所望の均一性を達成できる。そこで、グリッドの全ての場所ｉについて目標温度が選択され、Ｔ_０と表される。目標温度Ｔ_０は、一般に測定されたＴ_ｍとはε_ｉにより表される量だけ異なる。尚、
ε_ｉ ＝ Ｔ_０ − Ｔ_ｍ （１）
局所に限定された材料除去の目的は、全ての場所ｉに対してε_ｉを仕様の範囲内にすることである。単位面積当たりの熱流束をｑと定義すると、一般的な熱伝達式は次のようになる。

ｑ ＝ Ｑ／ Ａ_ｉ ＝ ΔＴ × Ｋ_ｅｆｆ （２）
式中、Ｋ_ｅｆｆは、セルｉの垂直方向における基板支持組立体の有効熱伝達係数であり、ΔＴは、Ｋ_ｅｆｆが有効熱伝達係数である垂直に投射された領域の両端部を規定する２つのポイントの間の正の温度差である。

好適な一実施形態において、ΔＴは、各セル測定値とヒータ面におけるセル測定値のうち最高の測定値との測定温度差であるε_ｉと等しくなるように設定される。式２におけるΔＴは垂直方向の温度差と関連し、ε_ｉは横方向の温度差と関連するが、ε_ｉは、目標温度を達成するために必要とされるセルｉの所望の目標温度であるので、ΔＴは、ε_ｉと等しい値に設定される。Ｋ_ｅｆｆの調整は、セルｉに対して温度Ｔ_０を達成するために好適な方法である。

セルｉは、金属又はセラミック材料及び穴から構成されるので、有効熱伝達係数Ｋ_ｅｆｆは、２つの要素、すなわち材料が除去されていない領域における伝導のみの熱伝達と、材料が除去された領域における伝導＋対流熱伝達とで構成される。例えば、アルミニウム加熱プレートの場合、空気の熱伝導率は、アルミニウムの熱伝導率より著しく低いため、除去領域における熱伝導率は無視される。従って、Ｋ_ｅｆｆは、加熱プレートの熱伝導率にセルの未除去領域の割合を乗算した値であるＫ_ｈとして近似されてもよい。

加熱プレートのセルｉに、各々が面積ａ_ｈを有するｎ個の穴がある場合、好適な調整が実行された後のチャックと名目上接触している高い表面領域を有するセルｉの面積密度（「高い領域の面積の割合」）は、次の式により表される。

ａ_ｆ ＝ ［Ａ_ｉ − ｎａ_ｈ］／ Ａ_ｉ ＝ １ − ｆ_ｉ （３）
「名目上」という用語は、偶発的な面の粗さが無視され、面が平坦に近いことを意味するために使用される。言い換えれば、粗さ及び非平行度を無視すれば、ａ_ｆは、セル面積Ａ_ｉの中の表面積の割合である。そこで、各プローブ温度測定値Ｔ_ｍに対して、所望のＫ_ｅｆｆを達成するために、セルごとの目標表面積及び総除去面積を決定するように、セルごとにａ_ｆが求められる。

穴がない場合、熱伝導率は、Ｋ_ｍとして示され、穴がある場合、熱伝導率Ｋ_ｅｆｆはａ_ｆＫ_ｈとして近似することができる。絶対伝導率と比較して伝導率の変化が小さい場合（すなわち、所定のセルの総穴面積がセル面積と比較して小さい場合）、ｑは一定であると考えることができる。更に、低温プレートは、一定温度Ｔ_ｃに維持される。この場合、式１及び式２を次のように書き換えることができる。

Ｋ_ｈ（Ｔ_０ − Ｔ_ｃ） ＝ Ｋ_ｍ（Ｔ_ｍ − Ｔ_ｃ） （４）
Ｔ_ｍをＴ_０に到達させるために、Ｋ_ｍをＫ_ｈの値まで減少させなければならない。従って、ａ_ｆはＫ_ｈ／Ｋ_ｍに設定され、式４から、ｆ_ｉ＝ｎＡ_ｈ／Ａ_ｉであることがわかる。形成された穴及びセルの面積は既知であるので、示唆される穴の数ｎが決定される。セルｉの所定のプローブ測定値に対してｎを規定する式を次のように表すことができる。

ｎ ＝ （Ａ_ｉ／Ａ_ｎ）×（Ｔ_０ − Ｔ_ｍ）／（Ｔ_０ − Ｔ_ｃ） （５）
従って、セルごとの好適な穴面積の割合、すなわち所定の大きさの穴の好適な数を判定するために、複数の測定場所に対して判定されたＴ_ｍの集合を使用することができる。

別の実施形態において、ｆ_ｉが１よりはるかに小さいという近似を使用せずに、ｆ_ｉを決定することができる。グリッドの各セルが異なる数ｎの穴を有し、その数が、０から始まってセルごとに増加するような試験用加熱プレートが提供又は形成される。例えば、試験用プレートは、セル１において０個の穴を有し、セル２において１個の穴を有し、セル３において２個の穴を有するなどの構造を有することが可能である。しかし、任意の数の異なる配列により、容認できる結果が得られる。例えば、試験用プレートは、セル１において１０個の穴を有し、セル２において５個の穴を有し、セル３において１３個の穴を有するなどの構造を有してもよい。試験用加熱プレートの場合、温度データが収集される前に穴が形成されるので、加熱プレート面で温度を測定できない。その代わりに、基板支持組立体の残る部分が組み立てられる。すなわち、構造の上面がチャックの上面となるように、シリコーン接着剤層及び静電チャックが試験用加熱プレート上に配置される。

ヒータは、事前設定温度まで起動され、試験用ＥＳＣ支持組立体構造の熱平衡が達成されるのに十分な時間が与えられる。グリッドの大きさ及び横方向位置が加熱プレートに対して規定されたグリッドと同一になるようにチャックを被覆するように配列されたグリッドから決定された複数の場所で、チャック面の最初の温度測定が実行される。それらの測定値から、Ｔ’_ｍの集合が決定される。尚、プライム符号（’）は、温度が加熱プレート面ではなく、チャック面において測定されることを示すために使用される。次に、Ｔ’_ｍの値とｎとの関係がグラフに表され、データの直線フィッティングの傾きβを決定することにより、穴が増すごとのＴ’_ｍの変化の測定値が得られる。

従って、βは、穴が１つ増えることによるチャック面の温度差の実際の推定値である。ＥＳＣ支持組立体の垂直方向熱伝導率の無作為の変化に起因するチャック面温度の変化が存在するためデータにも取り入れられるが、それらの変化は、データの直線当てはめを実行する技術により、ほぼ平均されるのが好ましい。βが確定されると、１つの穴の既知の効果を温度に直接適用することにより、観測された任意のセル温度差を修正できる。そこで、先に説明した実施形態の場合のように、後に加熱プレートに装着されるＥＳＣ支持組立体のセルごとの好適な穴の数を関係式
ｎ ＝ ε_ｉ／β （６）
を使用してセルｉごとに決定することができる。この方法を経験により更に改善することは可能である。例えば、この技術を始めて適用した後、式６の使用の結果、修正過剰又は修正不足であると判定された場合、ｎの好適な値がｎ ＝ Ｃε_ｉ／βとなるように、修正係数Ｃを導入できる。

好適な方法の使用の一例を以下の解析において考慮する。部分的に組み立てられた例示的なＥＳＣ支持組立体上に配置されたプローブ４１２が図４に示される。平衡状態にある場合、熱流束Ｑ４０７は、ヒータ４０３から上向き及び下向きの両方向に流れる。上昇方向の熱は、加熱プレート４０４を通って面４０５へ流れ、下降方向の熱は、シリコーン接着剤４０２を通過し、低温プレート４０１の中へ流入する。この解析において、便宜上、図２に例示的に示されるように、１つのセルの大きさに等しい面積Ａ_ｉを有する平面図の部分４１３を考える（図２の図中符号２１を参照）。基板支持組立体を通る平面図領域Ａ_ｉ４０６の垂直方向投射を考慮し且つ支持組立体の残る部分に向かう又は残る部分からの横方向熱流を無視することにより、近似熱解析が実行される。

ヒータ４０３が一定温度Ｔ_０に設定された場合、熱流は、ヒータの上下における温度及び熱伝導率の関数である。ある時間の後、加熱プレート４０４の温度がヒータの温度と等しくなるまで上昇するにつれて、支持構成は、平衡状態に到達する。低温プレート４０１は、一定温度Ｔ_ｃに維持されるので、平衡状態にある場合、熱は、シリコーン４０２を通って低温プレート４０１の中へ継続的に流入する。これに伴って、加熱プレート４０４の上面４０５は自由面であり、大気が存在する場合、対流によって熱を放出し、放射又は輻射によって熱を放出可能である。熱平衡状態にある場合、加熱プレート４０４に入る熱流と、加熱プレート４０４から出る熱流とは等しく、温度は一定のままである。

シリコーン層４０２の厚さが不均一である場合、厚さが不均一である領域の近傍の熱伝導率は、その周囲の領域の熱伝導率とは異なる。例えば、シリコーンが薄くなっている場合、その領域においてはヒータから低温プレートへより多くの熱が伝達される。ヒータは、所定の面積の中で一定の量の熱を放出するので、１つの領域でヒータの一方の側からより多くの熱が引出されると、ヒータの他方の側は、その領域の中でより低温になる。従って、薄いシリコーンの領域において、上方のチャックに供給される熱が少なくなり、基板にコールドスポットが形成される。例えば、ヒータの一方の側の１つのスポットに完全に熱を伝導するヒートシンクを配置すれば、スポットの領域でヒータにより発生される全ての熱を排出することが可能になり、その結果、逆方向の熱流束をなくすことができるであろう。

図４に４１３及び４１４としてそれぞれ示されるセル領域Ａ_１及びＡ_２の温度プロファイルを比較することにより、シリコーンの厚さの不均一について考える。セル領域Ａ_１と関連する柱状ボリュームは、シリコーン厚さの不足という形態をとる欠陥４０８を含む。従って、セル領域Ａ_１と関連する柱状ボリュームの内部の垂直方向熱伝導率（「Ｋ_１」）は、セル領域Ａ_２と関連する同様のボリュームの熱伝導率（「Ｋ_２」）より高く、プラズマにさらされることによって加熱されると、領域４１３の面の温度は、領域４１４の面の温度より低くなると予測される。

そこで、支持組立体全体にわたりより均一な熱伝導率を達成するために、加熱プレートに対して機械的修正を実行できる。Ｔ_ｍ、従って、プローブ４１２から得られるＴ_０及び熱電対４１１から得られるＴ_ｃ、又は任意に以前の実験から得られたβを使用して、式５又は式６に従って、各セルの中における高い領域の目標面積割合ａ_ｆが決定される。次に、セル４１３に穴を導入することにより、Ｋ_１は、ａ_ｆＫ_１の目標熱伝導率値に調整される。この調整は、周知の座標制御材料除去技術のうち任意の技術を使用して実行できるため有利である。座標制御材料除去技術において、例えば、ドリリング、ルーティング、レーザー加工又はグリット吹き付け加工により除去が実行され、座標制御は、Ｘ‐Ｙテーブルの使用により実行される。測定場所ごとに、面積減少処理が繰返される。加熱プレート５３のセル５２における穴５１の例が図５に示される。

チャック支持組立体を支持でき且つ所望の試験条件（図示せず）を設定可能である装置において、試験が実行されるのが好ましい。適切な装置は、低温プレートを設定温度に維持するように構成された試験チャンバを具備する。装置は、温度プローブを支持し且つ温度プローブのｘ‐ｙ位置決めを数値制御することが可能であるのが好ましい。更に、装置は、プローブからの測定データ信号を登録し且つ記録すると共に、データから目標穴配置を電子的に判定することが可能であるのが好ましい。

目標穴配置は、チャック支持面の任意のポイントにおいて所望の温度プロファイルを達成するように設定されるのが好ましい。温度測定が実行される場所でのみ温度は測定されるので、所望の温度プロファイルの分解能を向上するためには、加熱プレート又は低温プレートの測定場所の数を増やすこと、すなわちグリッドの目を細かくすることが必要である。従って、グリッドの分解能は、実験的に経験を通して判定される。例えば、温度均一性仕様が所定のグリッドと適合しており、当初のグリッド上にはないポイントで追加測定が実行された場合、確定された仕様からの偏差が見られるため、より微細なグリッド分解能が好適である。

以上の全ての説明に基づき、ＥＳＣ支持組立体に装着されたチャックの面において目標温度プロファイルを達成するために、ＥＳＣ支持組立体の局所限定熱伝導率を減少することを含む処理の好適な一実施形態は、次の実験手続きを含む。
１．加熱プレートを含めて又は含めずにＥＳＣ支持組立体を組み立てる。すなわち、該組立体の上面にチャックを結合しない。
２．加熱プレートに電力を供給するか又は低温プレートを加熱し、平衡温度に到達するのを待つ。
３．事前に確定されたグリッド密度に基づいて、加熱プレート面又は低温プレート面の各測定場所にプローブを位置決めする。
４．場所ごとの加熱プレート温度又は低温プレート温度及びｘーｙ座標を測定及び記録し、グリッド上の全ての場所に対してＴ_ｍを判定する。
５．Ｔ_ｍのうち最高の温度と少なくとも等しい温度を選択することにより、Ｔ_０を判定する。
６．式１から場所ごとのεを判定する。
７．式５を使用してｆ_ｉを判定するか、又は式６を使用して、グリッド上の全ての場所に対してｎを判定する。
８．判定された各ｆ_ｉと一致するように、各グリッドセルにｎ個の穴を形成する。

所望の温度マップを達成するために、加熱プレート面又は低温プレート面が調整された後、ＥＳＣ支持組立体の残る部分を組み立てることができる。例えば、修正済みの加熱プレート面の上にシリコーン接着剤の層が塗布され、次に、静電チャックが配置される。完成したＥＳＣ支持組立体の一例が図６に示される。図６は、低温プレート６０１、シリコーン接着剤６０２、ヒータ６０３、加熱プレート６０４、シリコーン接着剤６０５及び静電チャック６０６を示す。加熱プレート６０４の面で始まり、加熱プレートの一部を横切る深さまで延出する穴６０７を横断面で見ることができる。

種々の実施形態を説明したが、当業者には明らかであるように、変形及び変更が実施されてもよいことが理解されるべきである。そのような変形及び変更は、添付の請求の範囲の趣旨の範囲内にあると考えられるべきである。先に挙げた参考文献の全ては、個々の参考文献の内容全体が参考として本明細書に取り入れられていると特定して個別に指示された場合と同じ程度に、その内容全体が本明細書中に参考として取り入れられている。

Claims (19)

1. 静電チャックを支持する支持組立体の熱伝導率を調整する方法であって、前記支持組立体に対して複数のセルが定義されており、前記方法は、
   （ａ）各々が１つのセルと対応する前記支持組立体の表面上の複数の場所における温度を測定することと、
   （ｂ）各セルについて示唆される面積減少の割合を測定値から決定することと、
   （ｃ）各セルの熱伝導率を減少させるために、示唆された面積減少の割合に従ってそのセルの中の前記支持組立体の前記表面から材料を除去することと、を含む方法。
2. 目標温度プロファイルから前記複数のセルにそれぞれ対応する複数の目標熱伝導率の配置が決定される請求項１記載の方法。
3. 前記測定は、温度センサを使用して実行される請求項１記載の方法。
4. 前記材料の除去の結果、前記支持組立体の前記表面によって支持される前記静電チャックのチャック面における平衡温度の均一性が改善される請求項１記載の方法。
5. 前記材料は、前記支持組立体の表面に複数の穴を形成することにより除去される請求項１記載の方法。
6. 前記穴は、楕円形、多角形又は環状の形状を有する請求項５記載の方法。
7. 前記穴は垂直な壁又は傾斜した壁を有し、底面は凹形、平坦又は凸形である請求項５記載の方法。
8. 前記穴は、０．１２７ｍｍ（５．０ｍｉｌ）から１．２７ｍｍ（５０ｍｉｌ）の最大寸法を有する請求項５記載の方法。
9. １つのセルの中の前記穴は、０．０２５４ｍｍ（１ｍｉｌ）から２．５４ｍｍ（１００ｍｉｌ）の間隔を有する請求項５記載の方法。
10. １つのセルの中の前記穴は、一定の最大寸法を有する請求項５記載の方法。
11. 複数のセルがグリッドを構成するように配列されている請求項１記載の方法。
12. 前記グリッドは、１２．７ｍｍ（０．５インチ）から２５．４ｍｍ（１インチ）のグリッドサイズを有する請求項１１記載の方法。
13. 各セルに最大で１つの穴が形成される請求項５記載の方法。
14. 前記センサは、数値制御位置決め装置により移動される請求項３記載の方法。
15. 前記材料の除去は、ドリリング、ルーティング、レーザー加工又はグリットブラスティング加工により実行される請求項１記載の方法。
16. 請求項１記載の方法によって得られた前記支持組立体の前記表面に静電チャックを結合することと、
    前記静電チャックが結合された前記支持組立体をプラズマ処理チャンバの内部に装着することとを含む方法。
17. 請求項１６記載の方法によって得られた、前記静電チャックおよび前記支持組立体を含む構造体を使用して半導体ウェハを処理する方法であって、前記半導体ウェハをプラズマ処理することを含む方法。
18. 請求項１記載の方法によって低温プレートの熱伝導率を調整することと、
    前記低温プレートを含む構造体に静電チャックを結合することと、を含み、
    前記支持組立体の前記表面が前記低温プレートの表面で構成されている方法。
19. 請求項１記載の方法によって、低温プレートを含む構造体に結合された膜ヒータに結合された加熱プレートの熱伝導率を調整することと、
    前記加熱プレートを含む構造体に静電チャックを結合することと、を含み、
    前記支持組立体の前記表面が前記加熱プレートの表面で構成されている方法。