JP5417338B2 - 冷却液と構成部品本体との間の熱伝導性を制御するためにガス圧を使用する温度制御モジュール及び温度制御方法 - Google Patents
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Description
プラズマ処理装置は、エッチング、物理気相成長（ＰＶＤ）、化学気相成長（ＣＶＤ）、イオン注入、及びレジスト除去を含む技術によって基板を処理するために使用される。プラズマ処理に使用されるプラズマ処理装置の一種は、上部電極と下部電極とを含む反応チャンバを含む。反応チャンバ内においてプロセスガスをプラズマ状態に励起して基板を処理するために、これらの電極間に電場が確立される。特徴サイズの縮小及び新材料の導入ゆえに、プラズマ処理装置を改良してプラズマ処理の条件を制御することが求められている。
半導体処理チャンバのための温度制御モジュールは、熱伝導性の構成部品本体と、該構成部品本体の中の１本又は２本以上の通路と、対応する通路とそれぞれ同心の１本又は２本以上の管とを含む。各管の外表面と各通路の内表面との間の空間は、加圧された多量のガスを内包するように適応される。液体源が、管に接続され、管に液体を流れさせるように動作可能である。ガス源及び真空ポンプが、空間に接続される。ガス源は、コントローラに応答して各空間内におけるガス静圧を増大させるように動作可能であり、真空ポンプは、コントローラに応答して各空間を排気するように動作可能である。温度センサは、熱伝導性の構成部品本体と熱的に連通しているプラズマ処理構成部品の温度を測定してコントローラに情報を供給するように適応される。
半導体基板の処理において、プラズマ処理の結果を変更するためには、プラズマ化学、イオンエネルギ、密度、分布、電子温度などのプラズマパラメータを制御することが所望される。プラズマ化学を制御するために、ひいてはウエハなどの半導体基板の処理結果を制御するために、これらのプラズマパラメータ制御に加えて、プラズマを閉じ込めるプラズマチャンバの表面の温度を使用することもできる。
図１は、例えばシリコンウエハなどの半導体基板が中で処理されるプラズマ処理装置のためのシャワーヘッド電極アセンブリ１０の代表的実施形態を示している。シャワーヘッド電極アセンブリ１０は、上部電極１２を含むシャワーヘッド電極と、上部電極１２に固定された受け部材１４と、熱制御板１６とを含む。
熱制御板は、上部板１８を通って熱制御板１６内まで達する開口２２の中に適切な留め具２０（例えばボルトやネジなど）を通すことによって、上部板１６に取り付けることができる。熱制御板１６は、アルミニウムやアルミニウム合金などの金属材料で作成されることが好ましい。熱制御板１６は、受け部材１４と熱制御板１６との間のプレナム１８にプロセスガスを分配するために、半径方向に伸びる分配通路２４と、軸方向に伸びる通路２６とを含むことができる。
下部電極と随意の静電クランプ電極とを含む基板サポート３０が、プラズマ処理装置の真空処理チャンバ内において上部電極１２の下方に配置される。プラズマ処理を施される基板３２が、基板サポート３０のサポート上面３４の上に機械的に又は静電的に固定される。シャワーヘッド電極１２及び基板サポート３０の温度の制御は、温度制御モジュールを組み入れることによって実現することができる。
プラズマエッチングプロセスに使用されるシャワーヘッド電極アセンブリ１０の温度は、プラズマ処理の開始から終了までの間に、約５０℃から約４００℃まで大きく変化する可能性がある。１つのウエハプラズマエッチングチャンバ内において一連のウエハをエッチングする場合は、高周波（ＲＦ）電力を受けるシャワーヘッド電極の各部分の温度が時間とともに変化して、ＲＦ電力を受けるシャワーヘッド電極により生成される熱ゆえにシャワーヘッド電極の中心部分がエッジ部分よりも多く加熱されることが、観測されている。例えば、シャワーヘッド電極の中心とエッジとの間の温度差は、最大約１００℃に達する可能性がある。温度のこのばらつきは、更に高い電力レベル（例えば３，０００〜６，０００ワット）で電極が動作する場合に更に顕著になり、プラズマエッチングの不均一性をもたらす可能性がある。したがって、ＲＦ電力を受けるシャワーヘッド電極の温度のばらつきを抑えることによって、生産工程時におけるウエハのプラズマエッチングをより均一にすることができる。
同様に、基板３２のエッチング時に、プラズマガスの反応性イオンは、半導体ウエハの面上の材料部分と化学的に反応し、基板の中心とエッジとの間に最大約５０℃の温度差を生じさせる。局部的なウエハ温度と、ウエハ上の各地点における化学反応の速度とは、相関しているので、もしウエハの面においてあまりに大きく温度がばらつくと、ウエハの面上における材料のエッチングが不均一になる可能性がある。したがって、均一な基板温度を維持する能力を有する基板サポート３０が必要である。
使用時に生成される熱の結果として生じる可能性があるプラズマ処理構成部品（例えばシャワーヘッド電極アセンブリ１０又は基板サポート３０）における温度のばらつきを踏まえて、本明細書に記載される温度制御モジュールは、構成部品の中心部分及びエッジ部分を所望の温度範囲内に維持することによって、処理結果を改善することができる。好ましくは、構成部品の中心からエッジにかけての温度のばらつきは、１００℃未満である（例えば＜７５℃、＜５０℃、＜２５℃、＜１０℃、又は＜５℃）。温度制御モジュールは、シャワーヘッド電極アセンブリ１０又は基板サポート３０における温度のばらつきを最小限に抑えるために、独立に制御可能な加熱／冷却ゾーンを含むことが好ましい。
図２Ａ〜２Ｂは、ウエハサポート３０又はシャワーヘッド電極アセンブリ１０などのプラズマ曝露構成部品を均一な温度にするために加熱又は冷却される加熱／冷却ゾーン１０２Ａ、１０２Ｂ、１０２Ｃを有する温度制御モジュール１００の実施形態を示している。図２Ａは、温度制御モジュール１００の三次元切開斜視図を示している。図２Ｂは、温度制御モジュール１００の断面図を示している。図２Ｃは、温度制御モジュール１００の上面図を示している。図２Ｄ〜２Ｆは、温度制御モジュール１００の更なる実施形態の断面図を示している。
図２Ａ〜２Ｂに示されるように、温度制御モジュール１００は、円形内表面１０６Ａ、１０６Ｂ、１０６Ｃ（図２Ｂに示されている）を各自有するとともに熱伝導性の構成部品１０８の中に設けられた又は埋め込まれた複数の通路１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｃを含む。一実施形態では、熱伝導性の構成部品１０８は、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成された円形の板である。円形外表面１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃを有する管１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃが、各通路１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｃの内側に配される。通路１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｃの円形内表面１０６Ａ、１０６Ｂ、１０６Ｃと、管１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃの円形外表面１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃとの間には、環状空間１１４Ａ、１１４Ｂ、１１４Ｃ（図２Ｂに示されている）が設けられる。この構成は、熱伝達液を流れさせるように管１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃを適応させた同心管状の配置を通路１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｃ内に提供する。管１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃを取り囲むのは、加圧されて熱伝導性の構成部品１０８と熱伝達液との間の熱伝導性を増大させることができる熱伝達ガスを内包するように適応された環状空間１１４Ａ、１１４Ｂ、１１４Ｃである。
通路１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｃは、同心の加熱／冷却ゾーン１０２Ａ、１０２Ｂ、１０２Ｃを提供するために、熱伝導性の構成部品１０８の中心に対して同心状に配置することができる。冷却を達成するためには、管１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃの中に、熱伝達液が流れることができる。一実施形態では、通路１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｃは、３本の別々の同心通路であってよい。図２Ｃに示されるように、熱伝達液は、それぞれ別々の入口１１６Ａ、１１６Ｂ、１１６Ｃを通じて管１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃに入り、熱伝導性の構成部品１０８の中を所望のパターンで流れる。熱伝達液は、それぞれ別々の出口１１８Ａ、１１８Ｂ、１１８Ｃを通じて管１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃから出ていく。この実施形態の場合は、管１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃを流れる熱伝達液に伝達される熱の量を、液体の温度及び／又は流量を制御するコントローラを通じて個別に制御することができる。
熱伝達液は、管１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃにおける使用に適した伝熱特性を有する任意の液体であってよい。例えば、熱伝達液は、水（例えば脱イオン水）、エチレングリコールや、シリコンオイル、水とエチレングリコールとの混合などであってよい。熱伝達液の冷却性能は、異なる液体及び／若しくは異なる液体の混合を使用すること、液体流量を変化させること、並びに／又は液体の初期温度を変化させることによって、制御することができる。加熱を実現するためには、熱伝達液を加熱することができる。しかしながら、加熱及び冷却の応答時間を速くするためには、冷やした熱伝達液を管１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃに循環させ、ヒータ素子１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃを使用して各加熱／冷却ゾーン１０２Ａ、１０２Ｂ、１０２Ｃの温度を上昇させることができる。
図２Ａ〜２Ｂに示されるように、通路１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｃの内表面１０６Ａ、１０６Ｂ、１０６Ｃと、管１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃの外表面１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃとの間には、環状空間１１４Ａ、１１４Ｂ、１１４Ｃが形成される。環状空間１１４Ａ、１１４Ｂ、１１４Ｃは、例えばヘリウム、ネオン、アルゴン、又は窒素などの、加圧された熱伝達ガスを保持することができる。一実施形態では、環状空間１１４Ａ、１１４Ｂ、１１４Ｃの幅（すなわち半径方向の寸法）は、約５ｍｍから約１００ｍｍ（約０．００５から約０．１０インチ）の間であり、好ましくは約５０ｍｍ（約０．０５インチ）である。
（図２Ｂの拡大領域Ｃに示されるように、）管１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃの外表面１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃと、通路１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｃの内表面１０６Ａ、１０６Ｂ、１０６Ｃとの間には、サポート構造１２２を配することができる。サポート構造１２２は、突出、又は突出を伴うリングを含むことができる。例えば、サポート構造１２２は、管１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃの外表面１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃに一体な突出、又は通路１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｃの内表面１０６Ａ、１０６Ｂ、１０６Ｃと一体な突出であってよい。サポート構造１２２は、通路１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｃの内表面１０６Ａ、１０６Ｂ、１０６Ｃに対する管１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃの接触を阻止する。好ましくは、サポート構造１２２は、管１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃの外表面１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃと、通路１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｃの内表面１０６Ａ、１０６Ｂ、１０６Ｃとの間に実質的に均一な空間１１４Ａ、１１４Ｂ、１１４Ｃを維持する。熱伝導性の構成部品１０８と、熱伝達液との間の熱伝導を最小限に抑えるために、サポート構造１２２と、内表面１０６Ａ、１０６Ｂ、１０６Ｃとの間の表面接触が最小にされる。サポート構造１２２は、窒化シリコン又は酸化アルミニウムなどの断熱性材料で構成されてもよい。
温度制御モジュール１００は、熱伝導性の構成部品１０８に熱的に接触している独立に制御されるヒータ素子１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃを含むことが好ましい。ヒータ素子１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃは、熱伝導性の構成部品１０８の外表面に接触している、又は熱伝導性の構成部品１０８に埋め込まれているかのいずれかでよく、少なくとも１つの加熱素子１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃが、対応する加熱／冷却ゾーン内に設けられている。一実施形態では、ヒータ素子１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃは、抵抗性の加熱素子である。もし加熱が所望される場合は、空間１１４Ａ、１１４Ｂ、１１４Ｃ内におけるガス圧を減少させることによって、管１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃが熱的に隔離される。ヒータ素子は、ヒータ素子１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃの１つ又は２つ以上を作動させることによって、精密な温度制御を可能にする。
代替の実施形態では、通路１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｃは、１本の連続した通路の部分であってよく、管１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃは、１本の連続した管の部分であってよい。流路は、らせん、ジグザグ、又は１つ若しくは２つ以上の入口と１つ若しくは２つ以上の出口とを有するその他のパターンであってよい。この実施形態の場合は、ヒータ素子１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃは、各加熱／冷却ゾーン１０２Ａ、１０２Ｂ、１０２Ｃの温度を制御する。
プラズマ処理時において、温度制御モジュール１００を組み込んだ構成部品の外表面温度は、表面のゾーンごとに異なる量で上昇する可能性がある。管１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃを流れる熱伝達液によって各ゾーンにおいて除去される熱の量は、空間１１４Ａ、１１４Ｂ、１１４Ｃ内における熱伝達ガスのガス静圧を個別に調整することによって、制御することができる。空間１１４Ａ、１１４Ｂ、１１４Ｃ内におけるガス静圧を変化させることによって、熱伝導性は、約６０Ｗ／ｍ2・Ｋから約６００Ｗ／ｍ2・Ｋまでの広い範囲で変化することができる。例えば、空間１１４Ａ、１１４Ｂ、１１４Ｃの半径方向寸法が約１０ｍｍ（約０．０１０インチ）である場合は、圧力が１トールのヘリウムガスの熱伝導性は、約６０Ｗ／ｍ2・Ｋである。しかしながら、ヘリウムガスの圧力を約１００トールまで上昇させることによって、熱伝導性は、約６００Ｗ／ｍ2・Ｋまで増大する。こうして、通路１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４を流れる熱伝達液が熱伝導性の構成部品１０８から熱を除去する能力を、素早く達成することができ、必要に応じて、選択的加熱とともに空間１１４Ａ、１１４Ｂ、１１４Ｃ内におけるガス圧を迅速に且つ選択的に減少させることによって、所望の局部的温度を維持することができる。
図２Ｂに示されるように、コントローラ１３０は、環状空間１１４Ａ、１１４Ｂ、１１４Ｃ内における熱伝達ガスの静圧をガス源１４０をもとに選択的に変化させて加熱／冷却ゾーン１０２Ａ、１０２Ｂ、１０２Ｃにおける冷却を選択的に制御するように、又は真空ポンプ１５０によって環状空間１１４Ａ、１１４Ｂ、１１４Ｃを真空圧（例えば５０ミリトール未満）まで選択的に排気して熱伝達液を各加熱／冷却ゾーン１０２Ａ、１０２Ｂ、１０２Ｃから断熱するように、動作可能である。同様に、コントローラ１３０は、電源１６０から加熱素子１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃへの電力を変化させることによって各加熱／冷却ゾーン１０２Ａ、１０２Ｂ、１０２Ｃにおける加熱を制御するように動作可能である。例えば、電源１６０は、交流（ＡＣ）電源又は直流（ＤＣ）電源であってよい。したがって、液体源１７０から管１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃに熱伝達液（例えば冷やした脱イオン水）を供給し、必要に応じて空間１１４Ａ、１１４Ｂ、１１４Ｃ内におけるガス圧を制御して加熱を調整することによって、各加熱／冷却ゾーン１０２Ａ、１０２Ｂ、１０２Ｃにおける局部的温度を精密に調節することができる。
一実施形態では、温度制御モジュール１００の熱伝導性の構成部品１０８は、管１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ及び加熱素子１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃを鋳型内に配置してアルミニウム又はアルミニウム合金を鋳造することによって形成することができる。或いは、アルミニウムの板を二分割した鋳型によって機械加工し、通路１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｃを各板内において半分まで到達させることができる。一方の板内に、管１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃを設置し、適切な密閉構成によって一方の板に他方の板を接着して又は機械的に取り付けて、温度制御モジュール１００を形成することができる。下側の板は、ヒータ素子１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃを収めるための凹所を通路１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｃの下方に含むように機械加工することができる。別の実施形態では、熱伝導性の構成部品１０８は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、又はその他の熱伝導性材料などを焼結させたセラミックで作成することができる。
図２Ｄに示された代替の実施形態では、温度制御モジュール１００は、熱伝導性の構成部品１０８の表面に装着された独立に制御されるヒータ素子１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃを含む。例えば、ヒータ素子１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃは、ろう付け又は接着のいずれかによって装着することができる。ヒータ素子１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃを熱伝導性の構成部品１０８に装着するためには、熱応力に対応するとともに熱を伝達する上述のようなエラストマ接着材料を使用することができる。表面に装着されたヒータ素子１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃは、熱伝導性の構成部品１０８をより薄い構成部品として鋳造することを可能にし、それによってその全体の熱質量を低減させる。
図２Ｅ〜２Ｆは、２本以上の通路１０４及び／又は２つ以上の加熱素子１２０若しくは表面装着加熱素子１２４を含む少なくとも１つの加熱／冷却ゾーンに熱伝導性の構成部品１０８を区切ることができる、温度制御モジュール１００の更なる実施形態を示している。図２Ｅの実施形態では、各加熱／冷却ゾーン１０２Ａ、１０２Ｂは、複数の加熱素子１２０と、環状空間１１４に取り囲まれた同心管１１０を有する複数の通路１０４とを含む。図２Ｆの実施形態では、各加熱／冷却ゾーン１０２Ａ、１０２Ｂは、環状空間１１４に取り囲まれた同心管１１０を有する複数の通路１０４と、熱伝導性の構成部品１０８の表面に装着された表面装着ヒータ素子１２４とを含む。
図３Ａ〜３Ｂに示されるように、熱伝導性の構成部品２０８は、対応する通路２０４Ａ、２０４Ｂ、２０４Ｃと加熱素子２２０Ａ、２２０Ｂ、２２０Ｃとを各自含む複数の加熱／冷却ゾーン２０２Ａ、２０２Ｂ、２０２Ｃに区切られる。代替の実施形態（図３には示されていない）では、熱伝導性の構成部品２０８は、２本以上の通路２０４及び／又は２つ以上の加熱素子２２０を各自含む４つ以上の同心ゾーンに区切ることができる。
図３Ａは、プラズマ処理チャンバ構成部品２８０に取り付けられた温度制御モジュール２００の三次元斜視図を示している。図３Ｂは、プラズマ処理構成部品２８０に取り付けられた温度制御モジュール２００の切開断面図を示している。例えば、プラズマ処理構成部品２８０は、熱制御板１６、又はプラズマ処理時にウエハ３２を支える基板サポート３０であってよい。
プラズマ処理構成部品２８０における温度制御ゾーンは、同心領域２８２Ａ、２８２Ｂ、２８２Ｃとして定めることができる。プラズマ処理時に、各領域２８２Ａ、２８２Ｂ、２８２Ｃは、異なる温度になって、プラズマエッチングの均一性に悪影響を及ぼす可能性がある。図３Ａ及び図３Ｂに示されるように、温度制御モジュール２００の各加熱／冷却ゾーン２０２Ａ、２０２Ｂ、２０２Ｃは、対応する領域２８２Ａ、２８２Ｂ、２８２Ｃに熱的に接触している。この構成は、領域２８２Ａ、２８２Ｂ、２８２Ｃの温度を独立に制御する能力を提供する。
温度を調節するいかなるメカニズムもない状態では、プラズマ処理時に、プラズマ処理構成部品２８０の領域２８２Ｃ（中心近く）と領域２８２Ａ（エッジ近く）との間の温度差が、最大１００℃に達する可能性がある。温度を監視するためには、ゾーン２０２Ａ、２０２Ｂ、２０２Ｃ内に、温度センサ２８４Ａ、２８４Ｂ、２８４Ｃを設けることができる（図３Ｂ）。例えば、構成部品２８０に埋め込まれた温度センサ２８４Ａ、２８４Ｂ、２８４Ｃは、熱電対温度センサや光ファイバー温度センサなどであってよい。プラズマ処理構成部品２８０全体にわたってより均一な温度分布を達成するためには、後述のように、領域２８２Ｃを加熱／冷却ゾーン２０２Ｃによって選択的に冷却する且つ／又は領域２８２Ａを加熱／冷却ゾーン２０２Ａによって選択的に加熱することができる。
先ず、管２１０Ａ、２１０Ｂ、２１０Ｃに、熱伝達液（例えば冷えた脱イオン水）が流れる。例えば、約２０℃又はそれ未満の冷えた脱イオン水などの熱伝達液が、約１ガロン毎分から約３ガロン毎分の間の流量で管２１０Ａ、２１０Ｂ、２１０Ｃを流れることができる。個別制御のために、通路２０４Ａ、２０４Ｂ、２０４Ｃは、３本の別々の同心通路であってよい。図２Ｃの実施形態に示されるように、熱伝達液は、別々の入口を通じて管２１０Ａ、２１０Ｂ、２１０Ｃに入り、所望のパターンで流れ、別々の出口を通じて出ていくことができる。熱伝達液の冷却性能は、異なる液体及び／若しくは異なる液体の混合を使用すること、液体流量を変化させること、並びに／又は管２１０Ａ、２１０Ｂ、２１０Ｃに導入される液体の温度を変化させることによって、制御することができる。
管２１０Ａ、２１０Ｂ、２１０Ｃを熱的に隔離するために、空間２１４Ａ、２１４Ｂ、２１４Ｃ内における熱伝達ガスの圧力は、空間２１４Ａ、２１４Ｂ、２１４Ｃにおける熱伝導性が約５０Ｗ／ｍ2・Ｋ未満であるように真空圧（例えば５０ミリトール未満）に維持される。例えば、空間２１４Ａ、２１４Ｂ、２１４Ｃは、真空ポンプ２５０によって、真空圧に維持することができる。
コントローラ２３０は、温度センサ２８４Ａ、２８４Ｂ、２８４Ｃからの入力信号を受信する。もし領域２８２Ａ、２８２Ｂ、２８２Ｃの任意の１つがターゲット温度を上回るときは、コントローラ２３０は、ガス源２４０を作動させて対応する空間２１４Ａ、２１４Ｂ、２１４Ｃ内における熱伝達ガスの静圧を選択的に増大させるように動作可能である。この静圧の増大は、管２１０Ａ、２１０Ｂ、２１０Ｃを流れる熱伝達液への熱伝導も増加させる。領域２８２Ａ、２８２Ｂ、２８２Ｃの温度がターゲット温度未満に落ちると、コントローラ２３０は、真空ポンプ２５０によって対応する空間２１４Ａ、２１４Ｂ、２１４Ｃを真空圧（例えば５０ミリトール未満）まで選択的に排気し、通路２０４Ａ、２０４Ｂ、２０４Ｃを流れる冷却液への熱伝導を制限する。
例えば、もし温度センサ２８４Ａによって、プラズマ処理構成部品２８０の領域２８２Ａがターゲット温度を上回る温度にあることが検出されると、温度コントローラ２３０は、加熱／冷却ゾーン２０２Ａの冷却メカニズムを作動させる。温度コントローラ２３０は、ガス源２４０によって対応する空間２１４Ａ内におけるガス圧を真空圧（例えば＜５０ミリトール）から上昇圧力（例えば約１００トールから約２００トール）まで増大させる。一実施形態では、空間２１４Ａ内におけるガス圧は、圧力センサ（例えばユニバーサル圧力コントローラ）によって測定される。好ましくは、上昇したガス圧は、対応する空間２１４Ａにおける熱伝導性を、約５００Ｗ／ｍ2・Ｋから約６００Ｗ／ｍ2・Ｋの間まで増大させる。例えば、約１０ｍｍ（約０．０１０インチ）の半径方向寸法を有する空間内において、熱伝達ガスは、圧力が１００トールのヘリウムであってよい。空間２１４における熱伝導性の増大によって、管２１０Ａを流れる熱伝達液は、領域２８２Ａから熱を奪って温度を低下させる。領域２８２Ａの温度がターゲット温度未満まで降下すると、コントローラ２３０は、真空ポンプ２５０によって空間２１４Ａを真空圧（例えば５０ミリトール未満）まで排気し、ヒータ２２０Ａは、領域２８２Ａに熱を供給するように作動される。こうして、迅速で且つ精密な温度制御を達成することができる。
もし領域２８２Ａ、２８２Ｂ、２８２Ｃのいずれかの温度がターゲット温度未満まで降下すると、コントローラ２３０は、電源２６０を作動させて１つ又は２つ以上のヒータ素子２２０Ａ、２２０Ｂ、２２０Ｃに選択的に電力を供給するように動作可能である。加熱時に、コントローラ２３０は、真空ポンプ２５０によって対応する空間２１４Ａ、２１４Ｂ、２１４Ｃを真空圧（例えば５０ミリトール未満）まで選択的に排気し、通路２０４Ａ、２０４Ｂ、２０４Ｃを流れる熱伝達液への熱伝導を制限する。
例えば、もし温度センサ２８４Ａによって、プラズマ処理構成部品２８０の領域２８２Ａがターゲット温度未満になったことが検出されると、コントローラ２３０は、加熱／冷却ゾーン２０２Ａの加熱メカニズムを作動させる。コントローラ２３０は、電源２６０によって加熱素子２２０Ａに電力を供給し、これは、領域２０２Ａを加熱する。加熱素子２２０Ａによって生成されて加熱領域２０２Ａではなく管２１０Ａを流れる熱伝達液に伝達される熱の量を最小限に抑えるために、コントローラ２３０は、真空ポンプ２５０によって約６０秒又はそれより短い時間内に空間２１４Ａを真空圧（例えば５０ミリトール未満）まで排気させることも行う。領域２０２Ａの温度がターゲット温度まで加熱されると、コントローラ２３０は、加熱素子２２０Ａへの電力を停止させる。
図４は、上述のような温度制御モジュールを含む、シャワーヘッド電極アセンブリ４１０及び基板サポート４３０の断面図を示している。シャワーヘッド電極アセンブリ４１０は、上部電極４１２と、上部電極４１２に固定された受け部材４１４と、熱制御板４１６とを含む。熱制御板４１６は、複数の加熱素子３２０と、冷えた熱伝達液を流すための同心管３１０を有する通路３０４とを含む。管３１０を取り囲む空間３１４は、加圧されて熱制御板４１６と管を流れる液体との間の熱伝導性を増大させることができる熱伝達ガスを内包するように適応される。熱制御板４１６は、別々の加熱／冷却ゾーン３０２Ａ、３０２Ｂ、３０２Ｃを含む。
やはり図４に示されるように、基板サポート４３０は、加熱素子３２０と、冷えた熱伝達液を流すための同心管３１０及び加圧された熱伝達ガスを内包するように適応された空間３１４を有する通路３０４とを含む。基板サポート４３０は、別々の加熱／冷却ゾーン３０２Ｄ、３０２Ｅ、３０２Ｆも含む。
実施例：
加熱素子３２０と同心管３１０を有する通路３０４とを含む熱制御板４１６の加熱速度及び冷却速度を、空間３１４内におけるガス静圧の関数として決定するために、テストが実施された。熱制御板４１６は、ステンレス製の管３１０及び抵抗性の加熱素子３２０を鋳型内に配置してアルミニウム合金を鋳造することによって形成された。ステンレス製の管３１０は、鋳型内に配置されたらせん構成を有する１本の連続した管であった。管３１０は、熱伝達液のための１つの入口と１つの出口とを有する。管３１０は、約０．３８インチ（約０．９６５センチ）の外径を有する。通路３０４の直径は、約０．５インチ（約１．２７センチ）で、空間３１４の半径方向寸法は、約０．０６インチ（約０．１５２センチ）であった。
加熱素子３２０と同心管３１０を有する通路３０４とを含む熱制御板４１６の加熱速度及び冷却速度を、空間３１４内におけるガス静圧の関数として決定するために、テストが実施された。熱制御板４１６は、ステンレス製の管３１０及び抵抗性の加熱素子３２０を鋳型内に配置してアルミニウム合金を鋳造することによって形成された。ステンレス製の管３１０は、鋳型内に配置されたらせん構成を有する１本の連続した管であった。管３１０は、熱伝達液のための１つの入口と１つの出口とを有する。管３１０は、約０．３８インチ（約０．９６５センチ）の外径を有する。通路３０４の直径は、約０．５インチ（約１．２７センチ）で、空間３１４の半径方向寸法は、約０．０６インチ（約０．１５２センチ）であった。
熱制御板４１６は、カリフォルニア州フリーモント所在のLam Research Corporationによって製造されたEXELAN（登録商標）FLEX（商標）誘電体プラズマエッチングシステムに装着された。テストでは、熱伝達液として水が使用された。約１５℃から約２０℃の間の初期温度を有する冷却水が、約１ガロン毎分から約２ガロン毎分の間の体積流量で管３１０に流し込まれた。加熱速度を決定するために、約６，９００ワットを加熱素子３２０に印加することによって熱制御板４１６を約４０℃から約２００℃まで加熱し、その間に、ヘリウム静圧は、約５０ミリトールから約２００トールの間で変化された。加熱テストの結果は、図５Ａにまとめられた。冷却速度を決定するために、熱制御板４１６は、先ず１６０℃まで加熱され、次いで６０℃まで冷却され、その間に、ヘリウム静圧は、約５０ミリトールから約２００トールの間で変化され、管３１０を流れる循環水は、１５℃から２０℃まで変化された。冷却テストの結果は、図５Ｂにまとめてある。
図５Ａは、ヘリウム静圧が約５０ミリトールのときに、熱制御板４１６が８分以内に４０℃から約２００℃まで加熱可能であること（すなわち約２０℃／分の加熱速度）を示している。ヘリウムの静圧が５０トールを超えるまで増大されると、加熱素子３２０によって生成される熱が空間３１４内のヘリウムガスを通じて伝導されるゆえに、１７０℃まで加熱するために１０分超の時間が必要であった。図５Ｂは、ヘリウム静圧が約１００トールから２００トールのときに、熱制御板４１６が約１１分で約１６０℃から約５０℃まで冷却可能であること（すなわち約１０℃／分の冷却速度）を示している。
本発明は、その具体的な実施形態への言及によって詳細に説明されてきたが、当業者ならば、添付の特許請求の範囲から逸脱することなく様々な修正及び変更が可能であること並びに均等物が用いられることが明らかである。
Claims (20)
- 半導体処理チャンバのための温度制御モジュールであって、
熱伝導性の構成部品本体と、
前記構成部品本体の中の通路であって、内表面を有する通路と、
前記通路の中の管であって、外表面を有する管と、
前記管の前記外表面と前記通路の前記内表面との間の空間であって、加圧された多量の熱伝達ガスを内包するように適応された空間と、
前記管に接続され、前記管に熱伝達液を流れさせるように動作可能である液体源と、
コントローラと、
前記空間に接続されたガス源及び真空ポンプと、
を備え、
前記ガス源は、前記コントローラに応答して前記空間内におけるガス静圧を増大させるように動作可能であり、前記真空ポンプは、前記コントローラに応答して前記空間を排気するように動作可能である、温度制御モジュール。 - 請求項１に記載の温度制御モジュールであって、更に、
前記温度制御モジュールに取り付けられたプラズマ処理構成部品と、
前記プラズマ処理構成部品の温度を測定して前記コントローラに情報を供給するように適応された温度センサと、を備える温度制御モジュール。 - 請求項１に記載の温度制御モジュールであって、
複数の加熱／冷却ゾーンを有し、
前記構成部品本体の中の複数の通路と、
各通路の中に同心状に設けられた管と、
前記構成部品本体に熱的に接触している複数の加熱素子であって、各加熱／冷却ゾーンが１本又は２本以上の通路と１つ又は２つ以上の加熱素子とを含むように構成された複数の加熱素子と、
前記コントローラに応答して前記加熱素子に選択的に電力を供給するように適応された電源と、
を備える温度制御モジュール。 - 請求項３に記載の温度制御モジュールであって、
前記複数の加熱素子は、前記熱伝導性の構成部品本体の中に含まれる、温度制御モジュール。 - 請求項３に記載の温度制御モジュールであって、
前記複数の加熱素子は、前記熱伝導性の構成部品本体の表面に接着されるか又はろう付けされる、温度制御モジュール。 - 請求項３に記載の温度制御モジュールであって、
前記熱伝導性の構成部品本体は、アルミニウム、アルミニウム合金、窒化アルミニウム、又は炭化シリコンで構成された円形の板である、温度制御モジュール。 - 請求項６に記載の温度制御モジュールであって、
前記通路及び前記加熱素子は、前記円形の板の中心に対して異なる半径方向距離にある、温度制御モジュール。 - 請求項３に記載の温度制御モジュールであって、更に、
前記通路の前記内表面と、前記管の前記外表面との間にサポート構造を備え、前記サポート構造は、前記管の前記外表面と、前記通路の対向内表面との間に実質的に均一寸法の環状空間を維持するように適応される、温度制御モジュール。 - 請求項８に記載の温度制御モジュールであって、
前記サポート構造は、前記管上若しくは前記内表面上の突出、又は、突出を伴うリングを含む、温度制御モジュール。 - 請求項６に記載の温度制御モジュールであって、
前記加熱ゾーンは、前記円形の板の中心に対して同心状に配置される、温度制御モジュール。 - 請求項３に記載の温度制御モジュールであって、
前記空間は、５ｍｍから１００ｍｍの間の半径方向寸法を有する、温度制御モジュール。 - 請求項３に記載の温度制御モジュールであって、
前記熱伝導性の構成部品本体は、シャワーヘッド電極に取り付けられ、前記半導体処理チャンバへプロセスガスを流すための１本又は２本以上のガス通路を含む、温度制御モジュール。 - 請求項３に記載の温度制御モジュールであって、
前記熱伝導性の構成部品本体は、基板サポートに取り付けられる、温度制御モジュール。 - 複数の領域を有するプラズマ処理構成部品の温度を制御する方法であって、
請求項３に記載の温度制御モジュールを含むプラズマ処理チャンバ内において半導体基板を支えることであって、前記プラズマ処理構成部品の前記複数の領域は、前記温度制御モジュールの前記加熱／冷却ゾーンに熱的に接触している、ことと、
前記温度制御モジュールの前記管に液体を流れさせることと、
前記プラズマ処理構成部品の前記複数の領域の１つ又は２つ以上の領域の温度を測定することと、
前記１つ又は２つ以上の領域の温度がターゲット温度を上回るときに、前記空間の少なくとも１つにおける熱伝達ガスの圧力を上昇圧力まで増大させ、前記１つ又は２つ以上の領域の温度が前記ターゲット温度を下回ると、前記熱伝達ガスの圧力を減少させることと、
前記１つ又は２つ以上の領域の温度が前記ターゲット温度を下回るときに、前記空間の１つ又は２つ以上における前記熱伝達ガスの圧力を維持する又は低減圧力まで減少させるとともに、前記加熱素子の１つ又は２つ以上に電力を供給し、前記１つ又は２つ以上の領域の温度が前記ターゲット温度を上回るまで上昇すると、前記１つ又は２つ以上の加熱素子への電力を停止することと、
を備え、
前記複数の領域間の温度差は、５０℃未満である、方法。 - 請求項１４に記載の方法であって、
前記熱伝達ガスの圧力を増大させることは、結果として、前記空間における熱伝導性を５００Ｗ／ｍ2Ｋから６００Ｗ／ｍ2Ｋの間まで増大させ、前記熱伝達ガスの圧力を減少させることは、結果として、前記円筒状の空間における熱伝導性を６０Ｗ／ｍ2Ｋ未満にし、前記熱伝達ガスは、ヘリウム、ネオン、アルゴン、又は窒素である、方法。 - 請求項１４に記載の方法であって、
前記熱伝達ガスは、ヘリウムであり、前記低減圧力は、１トール以下であり、前記上昇圧力は、１００トールから２００トールの間である、方法。 - 請求項１４に記載の方法であって、
前記温度差は、２５℃未満又は１０℃未満である、方法。 - 請求項１４に記載の方法であって、
前記温度差は、５℃未満である、方法。 - 請求項１４に記載の方法であって、更に、
シャワーヘッド電極アセンブリを前記温度制御モジュールに取り付けられた前記チャンバ内に、プロセスガスを導入することと、
前記チャンバの、前記シャワーヘッド電極アセンブリと前記基板との間の領域内において、前記プロセスガスからプラズマを生成することと、
前記基板を前記プラズマによって処理することと、
を備える方法。 - 請求項１９に記載の方法であって、更に、
前記温度制御モジュールに取り付けられた基板サポートで前記基板を支えることを備え、前記処理は、プラズマエッチングを含む、方法。
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