JP5546552B2 - 液体を制御された複数領域基板支持体による改良基板温度制御 - Google Patents

Description

エッチング、物理蒸着（ＰＶＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）、イオン注入、レジスト除去などの技術によって基板を処理するために、プラズマ処理装置が用いられる。プラズマ処理に用いられるプラズマ処理装置の１つのタイプは、上側および下側電極を収容する反応チャンバを備える。処理ガスをプラズマ状態に励起して、反応チャンバ内で基板を処理するために、それらの電極の間に電場が確立される。フィーチャサイズの縮小および新しい材料の導入により、プラズマ処理装置においてプラズマ処理の条件の制御を改善することが必要になっている。

一実施形態では、プラズマ処理装置の反応チャンバ内で用いる基板支持体が提供されている。基板支持体は、ベース部材と、ベース部材の上に位置する熱伝導部材とを備える。熱伝導部材は、第１の流路を内部に備えた第１の領域と、第２の流路を内部に備えた第２の領域とを少なくとも含む複数の領域を有しており、熱伝導部材の第１および第２の領域を個別に加熱および冷却するために、流路を通して液体を循環させることが可能である。熱伝導部材の上には、静電チャックが配置される。静電チャックは、プラズマ処理装置の反応チャンバ内で基板を支持するための支持面を有する。冷液源および温液源が、第１および第２の流路と流体連通している。バルブ構成は、第１および第２の流路内を循環する温液および冷液の混合比を調節することにより、第１および第２の領域内での液体の温度を独立的に制御するよう動作可能である。制御部は、第１および第２の流路内の温液および冷液の混合比を調節することにより、第１および第２の領域内の温度を独立的に制御するように、バルブ構成を制御する。

別の実施形態では、プラズマ処理中に半導体基板の温度を制御する方法が提供されている。基板は、上述の基板支持体上に支持され、複数の領域と熱的に接触する。この方法では、液体が第１および第２の流路を流れ、第１の領域の温度が測定され、第１の流路を流れる液体の温度は、（ａ）第１の領域の温度が目標温度よりも低い場合に、冷液に対する温液の混合比を高くすることによって上げられる、または、（ｂ）第１の領域の温度が目標温度よりも高い場合に、冷液に対する温液の混合比を低くすることによって下げられる。同様に、第２の領域の温度が測定され、第２の流路を流れる液体の温度は、（ａ）第２の領域の温度が目標温度よりも低い場合に、冷液に対する温液の混合比を高くすることによって上げられる、または、（ｂ）第２の領域の温度が目標温度よりも高い場合に、冷液に対する温液の混合比を低くすることによって下げられる。各領域内の方位角方向の温度差は、５℃未満であることが好ましい。

別の実施形態では、プラズマ処理装置の反応チャンバ内で用いる基板支持体が提供されている。基板支持体は、ベース部材と、ベース部材の上に位置する熱伝導部材とを備える。熱伝導部材は、第１の流路を備えた第１の領域と、第２の流路を備えた第２の領域とを有する。流路は、液体を循環させて、熱伝導部材の各領域を個別に加熱および冷却するよう適合される。第１の共通ラインが第１の流路と流体連通しており、第２の共通ラインが第２の流路と流体連通している。第１のバルブが、第１の共通ラインと温液源からの第１の供給ラインとに流体連通している。第１のバルブは、温液源から第１の共通ラインに流れる温液の流量を制御するよう動作可能である。第２のバルブが、第１の共通ラインと冷液源からの第２の供給ラインとに流体連通している。第２のバルブは、冷液源から第１の共通ラインに流れる冷液の流量を制御するよう動作可能である。第３のバルブが、第２の共通ラインと温液源からの第１の供給ラインとに流体連通している。第３のバルブは、第２の共通ラインに流れる温液の流量を制御するよう動作可能である。第４のバルブが、第２の共通ラインと冷液源からの第２の供給ラインとに流体連通している。第４のバルブは、第２の共通ラインに流れる冷液の流量を制御するよう動作可能である。制御部は、第１の流路に対する温液および冷液の第１の混合比を調節するために第１のバルブおよび第２のバルブを、そして、第２の流路に対する温液および冷液の第２の混合比を調節するために第３のバルブおよび第４のバルブを、独立的に制御するよう動作可能である。熱伝導部材の上には、静電チャックが配置される。静電チャックは、プラズマ処理装置の反応チャンバ内で基板を支持するための支持面を有する。

別の実施形態では、プラズマ処理装置の反応チャンバ内で用いる基板支持体が提供されている。基板支持体は、ベース部材と、ベース部材の上に位置する熱伝導部材とを備える。熱伝導部材は、第１の流路を内部に備えた第１の領域と、第２の流路を内部に備えた第２の領域とを有する。流路は、液体を循環させて、熱伝導部材の各領域を個別に加熱および冷却するよう適合される。供給ラインが、第１の流路および液体源と流体連通している。第１の加熱素子が、供給ラインに沿って配置されている。第１の加熱素子は、液体が第１の流路に循環される前に、液体源から流れる液体を第１の温度に加熱するよう適合されている。第１の移送ラインが、第１の流路および第２の流路と流体連通している。第１の移送ラインは、第１の流路から第２の流路に液体を流すよう適合される。第２の加熱素子が、第１の移送ラインに沿って配置されている。第２の加熱素子は、第２の流路に循環する前に、液体を第２の温度に加熱するよう適合されている。制御部は、各加熱素子への電力を調節することによって各領域の温度を独立的に制御するように各加熱素子を制御する。熱伝導部材の上には、静電チャックが配置される。静電チャックは、プラズマ処理装置の反応チャンバ内で基板を支持するための支持面を有する。

プラズマ処理装置の代表的な実施形態を示す断面図。

誘導結合プラズマ処理装置を示す断面図。

基板支持体の一実施形態を示す断面図。

熱伝導部材の厚さの一部を通して伸びる熱バリアを備えた別の実施形態の基板支持体を示す断面図。

熱バリアを備えない別の実施形態の基板支持体を示す断面図。

線Ｃ−Ｃ’に沿って切り取った図３の支持体を示す断平面図。

冷液源と、温液源と、バルブ構成と、制御部とを備える熱伝導部材の一実施形態を示す部分断面図。

冷液源と、温液源と、バルブ構成と、制御部とを備える熱伝導部材の別の実施形態を示す部分断面図。

冷液源および／または温液源への戻りラインを備える図８Ａの熱伝導部材の実施形態を示す部分断面図。

液体源と、加熱素子と、移送ラインとを備える熱伝導部材の別の実施形態を示す部分断面図。

プラズマ処理中の半導体基板の中央部から縁部までの温度プロファイルについて３つの例を示す図。

プラズマ処理装置における基板のプラズマ処理の均一性を改善するには、材料の蒸着および／またはエッチングが起きる基板の露出面における温度分布を制御することが望ましい。プラズマエッチング処理では、基板の露出面における基板温度および／または化学反応速度の変動が、基板のエッチング速度、エッチング選択比および異方性の望ましくない変動を引き起こしうる。材料の蒸着処理（ＣＶＤ処理など）では、蒸着率、ならびに、基板上に蒸着される材料の組成および特性が、蒸着中の基板の温度によって大きく影響されうる。

図１は、エッチングのための代表的な半導体材料プラズマ処理装置１００を示す。プラズマ処理装置１００は、プラズマ処理中に基板１０６を支持する基板支持体１０４を含む反応チャンバ１０２を備える。反応チャンバ１０２の内部で基板１０６を支持するための基板支持体１０４は、処理中に基板支持体１０４上に基板１０６を固定するよう動作可能なクランプ装置（好ましくは、静電チャック）を備えてよい。

図１に示したプラズマ処理チャンバの一例は、反応チャンバ１０２の壁を形成するトッププレート１０８と、トッププレート１０８に取り付けられたシャワーヘッド電極１１０とを有するシャワーヘッド電極アセンブリを備える。ガス供給源１１２は、シャワーヘッド電極１１０を通して反応チャンバ１０２の内部に処理ガスを供給する。シャワーヘッド電極１１０は、シャワーヘッド電極１１０および基板支持体１０４の間に位置するプラズマ反応チャンバ１０２内の空間に処理ガスを注入するためにシャワーヘッド電極１１０の厚さを通して伸びる複数のガス流路１１４を備える。ガス供給源１１２は、２領域ガス供給構成のシャワーヘッド電極１１０の中央領域および外側領域に供給する内側および外側供給ラインを備えうる。

処理ガスは、シャワーヘッド電極１１０を通して、反応チャンバ１０２の内部に流入する。次に、処理ガスは、電源１１６Ａ（シャワーヘッド電極１１０を駆動するＲＦ源など）、および／または、約０．３から約６００ＭＨｚまでの１または複数の周波数（例えば、２ＭＨｚ、１３．５６ＭＨｚ、６０ＭＨｚなど）で基板支持体１０４内の電極を駆動する約０．３から約６００ＭＨｚまでの１または複数の周波数（例えば、２ＭＨｚ、１３．５６ＭＨｚ、６０ＭＨｚなど）の電源１１６Ｂによって、プラズマ処理装置１００内でプラズマ状態へ励起される。シャワーヘッド電極１１０に印加されるＲＦ電力は、異なるガス組成がプラズマ処理装置１００に供給される場合など、異なる処理工程を実行するために変更されてよい。別の実施形態において、シャワーヘッド電極１１０は、接地されてもよい。

一実施形態において、２つのＲＦ源からシャワーヘッド電極１１０および／または基板支持体１０４にＲＦエネルギを供給することによって、プラズマ処理装置１００の内部でプラズマを生成してもよいし、シャワーヘッド電極１１０を電気的に接地して、単一の周波数または複数の周波数のＲＦエネルギを基板支持体１０４に供給してもよい。

別の実施形態では、図２に示すように、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）処理装置２００を用いて、低圧（すなわち、１００ｍＴｏｒｒ未満）で真空チャンバ内に処理ガスを供給すると共に、高周波（ＲＦ）エネルギをガスに印加することにより、蒸着（例えば、プラズマ化学蒸着すなわちＰＥＣＶＤ）、および、基板上の材料のプラズマエッチングを実行することができる。図２は、ＩＣＰプラズマ処理装置２００の一実施形態を示す断面図である。ＩＣＰプラズマ処理チャンバの一例は、カリフォルニア州フレモント、ラムリサーチ社によって製造されたＴＣＰ（登録商標）エッチング／蒸着システムである。ＩＣＰプラズマ処理装置は、例えば、本願の権利者が所有する米国特許第４，９４８，４５８号にも記載されており、これは、参照によって全体が本明細書に組み込まれる。反応チャンバ２０２は、反応チャンバ２０２の内部で基板２０６を支持する基板支持体２０４を備える。誘電体窓２０８は、反応チャンバ２０２の上壁を形成する。処理ガスは、ガス分配部材２１０を通して反応チャンバ２０２の内部に注入される。ガス分配部材２１０の例としては、シャワーヘッド、ガスインジェクタ、または、その他の適切な構成が挙げられる。ガス供給源２１２は、ガス分配部材２１０を通して反応チャンバ２０２の内部に処理ガスを供給する。

処理ガスは、反応チャンバ２０２の内部に導入されると、エネルギ源２１６が反応チャンバ２０２の内部にエネルギを供給することによって、プラズマ状態に励起される。エネルギ源２１６は、ＲＦエネルギを反応チャンバ２０２に誘導結合するために、ＲＦ源２１８ＡおよびＲＦインピーダンス整合回路２１８Ｂによって電力供給された外部平面アンテナであることが好ましい。平面アンテナにＲＦ電力を印加することによって生成された電磁場は、処理ガスを励起して、基板２０６の上方に高密度プラズマＰ（例えば、１０¹⁰〜１０¹²イオン／ｃｍ³）を形成する。

誘電体窓２０８は、平面アンテナの下に位置し、ガス分配部材２１０は、誘電体窓２０８の下方に配置される。プラズマＰは、基板２０６の蒸着またはエッチングのために、ガス分配部材２１０および基板２０６の間の領域内で生成される。

基板のプラズマ処理中に、プラズマガスの反応性イオンは、半導体基板（例えば、シリコン、ガリウムヒ素、または、リン化インジウムのウエハ）の表面上の材料の一部と化学的に反応し、基板の中央部および縁部の間で最大５０℃の温度差を引き起こす。基板上の各点における局所的な基板温度および化学反応速度は相互に関連し、その結果、表面にわたる基板の温度差が大きすぎる場合に、基板の表面上で、材料の非均一なエッチングまたは蒸着が生じうる。この状況を軽減するために、基板支持体と、基板支持体上に支持された基板との間の熱伝導を提供するべく、基板支持体において背面ガス冷却システムが利用されてきた。

基板支持体は、処理中に基板支持体から熱を除去するための冷却剤流路を備えている。かかる冷却システムでは、制御された温度と、設定された体積流量とを有する冷却剤が、冷却剤流路に導入される。基板支持体は、冷却システム内に１つの供給ラインおよび１つの戻りラインを備えている。しかしながら、基板支持体から熱が除去される際に、流路の長さに沿って流入口から流出口まで、かなりの温度勾配が生じうることがわかっていた。結果として、熱伝導ガスおよび基板と接触する基板支持体の表面における温度の均一性が制御されない。基板ホルダも、基板の背面におけるヒートシンクを提供する。結果として生じる基板から基板ホルダへの熱伝導は、周知のプラズマ処理装置において基板にわたる温度の非均一性を引き起こしていた。

ウエハまたは基板における中央部から縁部までの温度プロファイル（すなわち、半径方向の温度プロファイル）を最大４０℃変化させると共に、方位角方向（すなわち、角度または円周方向）の温度均一性を≦５℃に維持できることが、クリティカルディメンションの均一性の制御に重要である。一部のプラズマ処理工程は、他の要因（基板上の半径方向位置の関数としてのエッチング副生成物の濃度変動など）による非均一性を補償するために、最適な処理のための半径方向温度プロファイルの制御を必要とする。例えば、薄膜の積層体または多層構造（例えば、酸化物／ポリシリコン／ケイ化物／ハードマスク／反射防止膜の積層体）のエッチングの際に、ある層のエッチングが、縁部領域よりも中央部領域の温度が高いことを必要とし、別の層のエッチングが、縁部領域よりも中央領域の温度が低いことを必要とする場合がある。したがって、≦５℃の方位角方向の温度均一性を実現する能力、ウエハまたは基板における中央部から縁部までの温度プロファイルを最大４０℃変化させる能力を有する基板支持体への需要がある。方位角方向の温度均一性は、≦１℃であることが好ましく、≦０．５℃であることがより好ましい。

図３は、基板支持体３００の一実施形態を示す断面図である。基板３２６は、中央部から縁部までの温度プロファイルをより効果的に制御する能力を提供し、温度プロファイルは、≦１℃の方位角方向の温度均一性を維持しつつ、最大４０℃までの中央部−縁部の温度プロファイルに対して段階的に変更可能である。基板支持体３００は、ベース部材３１０と、ベース部材３１０の上に位置する熱伝導部材３２０と、熱伝導部材３２０の上に位置する静電チャック３２２とを備える。静電チャック３２２は、基板３２６を支持するための支持面３２４を備える。かかる静電チャックは、例えば、本願の権利者が所有する米国特許第５，８３８，５２９号にも記載されており、これは、参照によって全体が本明細書に組み込まれる。

熱伝導部材３２０は、さらに、同心の複数領域３２８Ａ〜３２８Ｅに分割されている。各領域は、１または複数の流路３３０Ａ〜３３０Ｅを含んでおり、熱伝導部材３２０の各領域３２８Ａ〜３２８Ｅを個別に加熱および冷却するために、流路を通して液体を循環させることができる。基板支持体３００の加熱は、流路３３０Ａ〜３３０Ｅを通して液体を循環させることによって達成されるため、加熱素子（例えば、抵抗ヒータまたは加熱テープ）を熱伝導部材３２０に埋め込む必要がない。液体は、水（例えば、脱イオン水）、エチレングリコール、シリコン油、水／エチレングリコール混合物、ＦＬＵＯＲＯＩＮＥＲＴ（登録商標）冷却剤（すなわち、Ｍｉｎｎｅｓｏｔａ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ（３Ｍ）社から入手可能なペルフルオロカーボン冷却流体）、ＧＡＬＤＥＮ（登録商標）流体（すなわち、Ｓｏｌｖａｙ Ｓｏｌｅｘｉｓ社から入手可能な低分子量ペルフルオロポリエーテル熱伝導流体）などであってよい。図３には、５つの領域を示しているが、領域の数は、所望の温度制御の程度に応じた２以上の数であってよいことを理解されたい。

図３の実施形態では、熱伝導部材３２０は、熱伝導材料（アルミニウムまたは窒化アルミニウム）で構成されてよい。半径方向の熱伝導（すなわち、個々の領域の間の熱伝導）の制御を改善すると共に、基板にわたって所望の温度プロファイルを実現するために、熱バリア３３２が、各領域３２８Ａ〜３２８Ｅを隔てている。熱バリア３３２は、（図３に示すように）熱伝導部材３２０の厚さ全体を通して伸びていてもよいし、図４に示すように、熱伝導部材３２０の厚さの一部を通して伸びていてもよい。熱バリア３３２は、何も満たされなくてもよいし（すなわち、空隙）、約０．１W・m ^-1 K ^-1 から約４．０W・m ^-1 K ^-1 までの熱伝導率を実現するために充填材を含んでもよい。充填材の例としては、エポキシまたはシリコーンが挙げられる。充填材の熱伝導率は、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化シリコン、および、シリコンなど、添加剤を用いて調整されてよい。

別の実施形態では、図５に示すように、半径方向の熱伝導は、熱伝導部材３２０を断熱材料で構成することによって制御される。断熱材料の例としては、酸化アルミニウムまたは酸化イットリウムなどのセラミック、もしくは、ステンレス鋼など、熱伝導率の低い金属合金が挙げられる。

図３に示すように、結合材３３４が、熱伝導部材３２０とベース部材３１０との間に挿入されてよい。結合材３３４は、エポキシまたはシリコーンで構成されてよく、拡大領域Ａに示すように、１または複数の充填材３３４Ａで満たされてよい。充填材３３４Ａの例としては、酸化アルミニウム、窒化ホウ素、酸化シリコン、アルミニウム、または、シリコンが挙げられる。別の実施形態では、拡大領域Ｂに示すように、結合材は、金属ろう材３３４Ｂであってもよい。結合材３３４は、約０．１W・m ^-1 K ^-1 から約４W・m ^-1 K ^-1 までの熱伝導率を提供するよう選択され、約１ミルから約２００ミルまでの厚さを有してよい。

図６は、図３の線Ｃ−Ｃ’に沿って切り取った円板状の熱伝導部材３２０を示す断平面図である。図６からわかるように、領域３２８Ａ〜３２８Ｅは、円板の中心に対して異なる距離に同心円状に配置されており、流路３３０Ａ〜３３０Ｅは、らせん状のパターンを有する。熱バリア３３２は、各領域を隔てる環状のチャネルである。

図７は、流路３３０Ａ〜３３０Ｅと流体連通する温液源３３６および冷液源３３８と共に、熱伝導部材３２０を示す部分断面図である。領域３２８Ａ〜３２８Ｅは、熱バリア３３２によって隔てられている。バルブ構成３４０は、（温液源３３６からの）温液と（冷液源３３８からの）冷液との混合比を調節することによって、各領域３２８Ａ〜３２８Ｅにおける個々の温度を制御するよう動作可能である。制御部３４２は、各領域３２８Ａ〜３２８Ｅ内の温度センサ３４４Ａ〜３４４Ｅから入力信号を受信して、温液および冷液の適切な混合比を調節するようにバルブ構成３４０に独立的に指示する。別の実施形態では、各領域３２８Ａ〜３２８Ｅ用の温度センサが、静電チャック３２２に組み込まれてもよい。

プラズマ処理中、基板３２６は、基板支持体３００上に支持され、領域３２８Ａ〜３２８Ｅと熱的に接触する。液体が、領域３２８Ａ〜３２８Ｅに対応する流路３３０Ａ〜３３０Ｅに流れる。個々の領域３２８Ａ〜３２８Ｅの温度は、温度センサ３４４Ａ〜３４４Ｅで測定され、温度センサは、入力信号を制御部３４２に供給する。制御部３４２は、（ｉ）領域３２８Ａ〜３２８Ｅの温度が目標温度よりも低い場合に、冷液に対する温液の混合比を高くすることによって、個々の流路３３０Ａ〜３３０Ｅを流れる液体の温度を上げる、または、（ｉｉ）領域３２８Ａ〜３２８Ｅの温度が目標温度よりも高い場合に、冷液に対する温液の混合比を低くすることによって、個々の流路３３０Ａ〜３３０Ｅを流れる液体の温度を下げることができる。プラズマ処理中、熱伝導部材３２０および制御部３４２を備えた基板支持体３００は、単一のウエハのプラズマ処理中に領域３２８Ａ〜３２８Ｅの温度を独立的かつ動的に変化させることを可能にする。

図８Ａは、それぞれ対応する流路４３０Ａ〜４３０Ｅおよび温度センサ４４４Ａ〜４４４Ｅを有する領域４２８Ａ〜４２８Ｅを備えた別の実施形態の熱伝導部材４２０を示す部分断面図である。領域４２８Ａ〜４２８Ｅは、熱バリア４３２によって隔てられている。温液源４３６および冷液源４３８は、共通ライン４５０Ａ〜４５０Ｅ、バルブ４５２Ａ〜４５２Ｅ’、第１の供給ライン４５４、および、第２の供給ライン４５６を介して、流路４３０Ａ〜４３０Ｅと流体連通している。第１から第５のバルブ４５２Ａ〜４５２Ｅは、共通ライン４５０Ａ〜４５０Ｅおよび第１の供給ライン４５４と流体連通しており、第１の供給ライン４５４は、温液源４３６から温液を供給する。さらに、第６から第１０のバルブ４５２Ａ’〜４５２Ｅ’は、共通ライン４５０Ａ〜４５０Ｅおよび第２の供給ライン４５６と流体連通しており、第２の供給ライン４５６は、冷液源４３８から冷液を供給する。

制御部４４２は、温度センサ４４４Ａ〜４４４Ｅから入力信号を受信して、各流路において、温液源４３６から流れる温液と冷液源４３８から流れる冷液との混合比を個別に調節するために、バルブ４５２Ａ〜４５２Ｅおよび４５２Ａ’〜４５２Ｅ’を独立的に制御する。例えば、制御部４４２は、（ｉ）共通ライン４５０Ａを通して流路４３０Ａに流れる温液対冷液の第１の混合比を調節するために、第１のバルブ４５２Ａおよび第２のバルブ４５２Ａ’を、（ｉｉ）共通ライン４５０Ｂを通して流路４３０Ｂに流れる温液対冷液の第２の混合比を調節するために、第３のバルブ４５２Ｂおよび第４のバルブ４５２Ｂ’を、（ｉｉｉ）共通ライン４５０Ｃを通して流路４３０Ｃに流れる温液対冷液の第３の混合比を調節するために、第５のバルブ４５２Ｃおよび第６のバルブ４５２Ｃ’を、（ｉｖ）共通ライン４５０Ｄを通して流路４３０Ｄに流れる温液対冷液の第４の混合比を調節するために、第７のバルブ４５２Ｄおよび第８のバルブ４５２Ｄ’を、そして、（ｖ）共通ライン４５０Ｅを通して流路４３０Ｅに流れる温液対冷液の第５の混合比を調節するために、第９のバルブ４５２Ｅおよび第１０のバルブ４５２Ｅ’を制御することができる。

図８Ａの実施形態は、個々の領域４２８Ａ〜４２８Ｅの温度を制御することによって、プラズマ処理中に基板４２６の半径に沿った温度を、単調に上昇または低下（連続的な温度の上昇または低下）、または、非単調に上昇または低下させることを可能にする。例えば、個々の領域４２８Ａ〜４２８Ｅの温度は、半径方向の温度プロファイルが放物線または逆放物線（すなわち、単調）になるように設定されうる。ただし、各領域４２８Ａ〜４２８Ｅの温度は、個別に制御できるため、別の実施形態では、半径方向の温度プロファイルが正弦曲線（すなわち、非単調）になるように設定されてもよい。

図８Ｂに示すように、流路４３０Ａ〜４３０Ｅは、戻りライン４４６と流体連通しており、戻りライン４４６は、温液源４３６および／または冷液源４３８と流体連通している。したがって、流路４３０Ａ〜４３０Ｅを出た液体は、温液源４３６および／または冷液源４３８に液体を戻すことによって再利用されうる。

温液源４３６は、温液の温度を約４０℃から約１５０℃に維持し、冷液源４３８は、冷液の温度を約−１０℃から約７０℃に維持する。このように、図８Ａおよび図８Ｂの実施形態は、プラズマ処理中に、中央部から縁部までの所望の温度プロファイルに応じて、各領域４２８Ａ〜４２８Ｅで５つの異なる温度を実現することを可能にする。図８Ａおよび図８Ｂには、５つの領域を示しているが、領域の数は、所望の半径方向の温度プロファイル制御の程度に応じた２以上の数であってよいことを理解されたい。一例では、冷液源は、≧−１０℃の温度に冷液を維持し、温液源は、≦１５０℃の温度に温液を維持し、温液の温度は、冷液の温度よりも高い。

図９は、それぞれ対応する流路５３０Ａ〜５３０Ｅおよび温度センサ５４４Ａ〜５４４Ｅを有する領域５２８Ａ〜５２８Ｅを備えた別の実施形態の熱伝導部材５２０を示す部分断面図である。領域５２８Ａ〜５２８Ｅは、熱バリア５３２によって隔てられている。液体源５３６が、供給ライン５５０、第１から第４の移送ライン５５２Ａ〜５５２Ｄ、および、戻りライン５５４と流体連通している。第１の加熱素子５３８Ａが、供給ライン５５０に沿って配置されており、第２から第５の加熱素子５３８Ｂ〜５３８Ｅが、第１から第４の移送ライン５５２Ａ〜５５２Ｄに沿って配置されている。第１から第５の加熱素子５３８Ａ〜５３８Ｅは、供給ライン５５０および第１から第４の移送ライン５５２Ａ〜５５２Ｄを流れる液体の温度を制御する。

制御部５４２は、温度センサ５４４Ａ〜５４４Ｅから入力信号を受信して、加熱素子５３８Ａ〜５３８Ｅを独立的に制御する。温度センサ５４４Ａ〜５４４Ｅによって測定された温度が、目標温度より低い場合、制御部５４２は、適切な加熱素子５３８Ａ〜５３８Ｅの内の１または複数を作動させる。第１の加熱素子５３８Ａは、液体が第１の流路５３０Ａに循環される前に、液体源５３６から流れた液体を第１の温度まで加熱する。第１の移送ライン５５２Ａは、第１の流路５３０Ａから第２の流路５３０Ｂに液体を流し、第２の加熱素子５３８Ｂは、第２の流路５３０Ｂに循環される前に、第１の移送ライン５５２Ａに沿って流れる液体を第２の温度まで加熱する。第２の移送ライン５５２Ｂは、第２の流路５３０Ｂから第３の流路５３０Ｃに液体を流し、第３の加熱素子５３８Ｃは、第３の流路５３０Ｃに循環される前に、第２の移送ライン５５２Ｂに沿って流れる液体を第３の温度まで加熱する。第３の移送ライン５５２Ｃは、第３の流路５３０Ｃから第４の流路５３０Ｄに液体を流し、第４の加熱素子５３８Ｄは、第４の流路５３０Ｄに循環される前に、第３の移送ライン５５２Ｃに沿って流れる液体を第４の温度まで加熱する。第４の移送ライン５５２Ｄは、第４の流路５３０Ｄから第５の流路５３０Ｅに液体を流し、第５の加熱素子５３８Ｅは、第５の流路５３０Ｅに循環される前に、第４の移送ライン５５２Ｄに沿って流れる液体を第５の温度まで加熱する。第５の流路を出た液体は、戻りライン５５４に沿って液体源５３６に戻される。

第１ないし第５の移送ライン５５２Ａ〜５５２Ｄを流れる液体は、順方向（図９の矢印で示す方向）または逆方向（図９では図示せず）に流れることができる。液体が順方向に流れる間、第１の温度は第２の温度よりも低く、第２の温度は第３の温度よりも低く、第３の温度は第４の温度よりも低くなり、結果として、領域５２８Ｅ（すなわち、中央部の領域）の温度が最大になる。同様に、液体が逆方向に流れる間、第１の温度は第２の温度よりも高く、第２の温度は第３の温度よりも高く、第３の温度は第４の温度よりも高くなり、結果として、領域５２８Ａ（すなわち、縁部の領域）の温度が最大になる。

図９の実施形態は、プラズマ処理中に基板３２６の半径に沿って温度を単調に上昇または低下させることを可能にする。例えば、個々の領域５２８Ａ〜５２８Ｅの温度は、半径方向の温度プロファイルが放物線または逆放物線（すなわち、単調）になるように設定されうる。

プラズマ処理（例えば、半導体、金属、または、誘電体のプラズマエッチング、もしくは、導電材料または誘電材料の蒸着）の間、熱伝導部材３２０／４２０／５２０を備えた基板支持体３００は、≦１℃（より好ましくは、≦０．５℃）の方位角方向の温度均一性を維持しつつ、中央部から縁部までの半径方向の温度プロファイルを最大４０℃変化させる能力を有する。さらに、かかる熱伝導部材３２０／４２０／５２０は、（１）均一な温度分布または（２）半径方向に変化する温度分布（例えば、縁部が高温または中央部が高温）を実現するための能力を提供し、それらは共に、最適な多層処理を可能にするためにプラズマ処理中に段階的に変更可能な温度制御を行うのに有用である。図１０は、熱伝導部材３２０／４２０／５２０を用いたプラズマ処理中の中央部から縁部までの温度プロファイルの３例について、半径Ｒを有するウエハ上の半径方向位置の関数として半径方向の温度を示す図である：（Ａ）中央部領域が縁部領域よりも熱い；（Ｂ）中央部領域が縁部領域よりも冷たい；（Ｃ）ウエハ全体にわたって均一な温度分布。

本発明の具体的な実施形態を参照しつつ本発明について説明したが、添付の特許請求の範囲を逸脱することなく、様々な変更および変形を行い、等価物を用いることが可能であることは、当業者にとって明らかである。

Claims (20)

1. プラズマ処理装置の反応チャンバ内で用いる基板支持体であって、
   ベース部材と、
   前記ベース部材の上に位置する熱伝導部材であって、第１の流路を内部に備えた第１の領域と、第２の流路を内部に備えた第２の領域とを少なくとも含む複数の領域を有し、前記熱伝導部材の前記第１および第２の領域を個別に加熱および冷却するために、前記流路を通して液体を循環させることが可能である熱伝導部材と、
   前記熱伝導部材の上に位置する静電チャックであって、前記プラズマ処理装置の前記反応チャンバ内で基板を支持するための支持面を有する静電チャックと、
   前記第１および第２の流路と流体連通した冷液源および温液源と、
   前記第１および第２の流路内を循環する前記温液および前記冷液の混合比を調節することにより、前記第１および第２の領域内の前記液体の温度を独立的に制御するよう動作可能なバルブ構成と、
   前記第１および第２の流路内の前記温液および前記冷液の前記混合比を調節することによって前記第１および第２の領域内の前記温度を独立的に制御するために、前記バルブ構成を制御する制御部と
   を備える基板支持体。
2. 請求項１に記載の基板支持体であって、さらに、
   前記第１および第２の領域の温度を測定して、入力信号を前記制御部に供給するよう適合された前記第１の領域の第１の温度センサおよび前記第２の領域の第２の温度センサと、
   前記第１および第２の領域を隔てる熱バリアと、
   前記熱伝導部材と前記ベース部材との間に位置し、０．１W・m ^-1 K ^-1 から４W・m ^-1 K ^-1 までの熱伝導率を有し、１ミルから２００ミルまでの厚さを有する結合材と
   を備える基板支持体。
3. 請求項１に記載の基板支持体であって、
   前記冷液源は、≧−１０℃の温度に前記冷液を維持し、前記温液源は、≦１５０℃の温度に前記温液を維持し、前記温液の温度は、前記冷液の温度よりも高い基板支持体。
4. 請求項２に記載の基板支持体であって、前記熱伝導部材は円板であり、各領域は、前記円板の中心に対して異なる半径方向距離に同心円状に配置され、前記熱バリアは環状チャネルである基板支持体。
5. 請求項４に記載の基板支持体であって、前記環状チャネルは空であるか、もしくは、０．１から４．０W・m ^-1 K ^-1 までの熱伝導率を有するエポキシ、シリコーン、または、その他の材料で満たされる基板支持体。
   請求項２に記載の基板支持体であって、前記結合材は、シリコーンまたはエポキシで構成され、酸化アルミニウム、窒化ホウ素、酸化シリコン、アルミニウム、または、シリコンを含む１または複数の充填材を含有するか、もしくは、前記結合材は、金属ろう材で構成される基板支持体。
6. 請求項４に記載の基板支持体であって、前記環状チャネルは、前記熱伝導部材の厚さ全体を通して伸びるか、もしくは、前記熱伝導部材の厚さの一部を通して伸びる基板支持体。
7. 請求項２に記載の基板支持体であって、前記結合材は、シリコーンまたはエポキシで構成され、酸化アルミニウム、窒化ホウ素、酸化シリコン、アルミニウム、または、シリコンを含む１または複数の充填材を含有するか、もしくは、前記結合材は、金属ろう材で構成される基板支持体。
8. 請求項１に記載の基板支持体であって、前記熱伝導部材は、アルミニウムまたはアルミニウム合金で構成されるか、もしくは、ステンレス鋼、酸化アルミニウム、または、酸化イットリウムで構成される基板支持体。
9. プラズマ処理中に半導体基板の方位角方向の温度を制御する方法であって、
   請求項１の基板支持体上に前記基板を支持する工程であって、前記基板は、前記複数の領域と熱的に接触する工程と、
   前記第１および第２の流路に前記液体を流す工程と、
   前記第１の領域の温度を測定し、前記第１の領域の前記温度が前記第１の領域の目標温度よりも低い場合に、前記冷液に対する前記温液の前記混合比を高くすることによって、前記第１の流路を流れる前記液体の前記温度を上昇させ、前記第１の領域の前記温度が前記目標温度よりも高い場合に、前記冷液に対する前記温液の前記混合比を低くすることによって、前記第１の流路を流れる前記液体の前記温度を低下させる工程と、
   前記第２の領域の温度を測定し、前記第２の領域の前記温度が前記第２の領域の目標温度よりも低い場合に、前記冷液に対する前記温液の前記混合比を高くすることによって、前記第２の流路を流れる前記液体の前記温度を上昇させ、前記第２の領域の前記温度が前記目標温度よりも高い場合に、前記冷液に対する前記温液の前記混合比を低くすることによって、前記第２の流路を流れる前記液体の前記温度を低下させる工程と
   を備え、
   各領域内の方位角方向の温度差は、５℃未満である方法。
10. 請求項９に記載の方法であって、前記複数の領域にわたる前記方位角方向の温度差は、０．５℃未満であり、前記基板にわたる半径方向の温度プロファイルは、（ａ）前記基板全体にわたって温度が均一であるプロファイルと、（ｂ）前記基板にわたって温度が非均一で、前記基板の中央部領域が前記基板の縁部領域よりも熱いまたは冷たいプロファイルとの間で段階的に変更可能である方法。
11. 請求項９に記載の方法であって、前記第１の領域の前記目標温度および前記第２の領域の前記目標温度は、（ａ）基板半径に沿って単調に上昇または低下するか、もしくは、（ｂ）前記基板半径に沿って非単調に上昇または低下する方法。
12. 請求項９に記載の方法であって、さらに、
    前記反応チャンバ内に処理ガスを導入する工程と、
    前記処理ガスをプラズマ状態に励起する工程と、
    前記プラズマで前記基板を処理する工程と
    を備え、
    前記プラズマで前記基板を処理する工程は、（ａ）半導体材料、金属、または、誘電材料の層のプラズマエッチング、または、（ｂ）導電材料または誘電材料の蒸着を含む方法。
13. プラズマ処理装置であって、請求項１に記載の半導体基板支持体を備え、前記プラズマ処理装置は、半導体、金属、または、誘電材料をエッチングするよう適合されたプラズマエッチャ、もしくは、導電材料または誘電材料を蒸着するよう適合された蒸着チャンバであるプラズマ処理装置。
14. プラズマ処理装置の反応チャンバ内で用いる基板支持体であって、
    ベース部材と、
    前記ベース部材の上に位置する熱伝導部材であって、第１の流路を備えた第１の領域と、第２の流路を備えた第２の領域とを有し、前記流路は、前記熱伝導部材の各領域を個別に加熱および冷却するために液体を循環させるよう適合されている熱伝導部材と、
    前記第１の流路と流体連通する第１の共通ラインと、
    前記第２の流路と流体連通する第２の共通ラインと、
    前記第１の共通ラインと温液源からの第１の供給ラインとに流体連通し、前記温液源から前記第１の共通ラインに流れる温液の流量を制御するよう動作可能な第１のバルブと、
    前記第１の共通ラインと冷液源からの第２の供給ラインとに流体連通し、前記冷液源から前記第１の共通ラインに流れる冷液の流量を制御するよう動作可能な第２のバルブと、
    前記第２の共通ラインと前記温液源からの前記第１の供給ラインとに流体連通し、前記第２の共通ラインに流れる前記温液の流量を制御するよう動作可能な第３のバルブと、
    前記第２の共通ラインと前記冷液源からの前記第２の供給ラインとに流体連通し、前記第２の共通ラインに流れる前記冷液の流量を制御するよう動作可能な第４のバルブと、
    （ａ）前記第１の流路に対する前記温液および前記冷液の第１の混合比を調節するために前記第１のバルブおよび前記第２のバルブを、ならびに、（ｂ）前記第２の流路に対する前記温液および前記冷液の第２の混合比を調節するために前記第３のバルブおよび前記第４のバルブを、独立的に制御するよう動作可能な制御部と、
    前記熱伝導部材の上に位置する静電チャックであって、前記プラズマ処理装置の前記反応チャンバ内で基板を支持するための支持面を有する静電チャックと
    を備える基板支持体。
15. 請求項１４に記載の基板支持体であって、
    前記熱伝導部材は、第３の流路を備えた第３の領域と、第４の流路を備えた第４の領域と、第５の流路を備えた第５の領域とを有し、
    前記基板支持体は、さらに、
    前記第３の流路と流体連通する第３の共通ラインと、
    前記第４の流路と流体連通する第４の共通ラインと、
    前記第５の流路と流体連通する第５の共通ラインと、
    前記第３の共通ラインと前記温液源からの前記第１の供給ラインとに流体連通し、前記第３の共通ラインに流れる前記温液の流量を制御するよう動作可能な第５のバルブと、
    前記第３の共通ラインと前記冷液源からの前記第２の供給ラインとに流体連通し、前記第３の共通ラインに流れる前記冷液の流量を制御するよう動作可能な第６のバルブと、
    前記第４の共通ラインと前記温液源からの前記第１の供給ラインとに流体連通し、前記第４の共通ラインに流れる前記温液の流量を制御するよう動作可能な第７のバルブと、
    前記第４の共通ラインと前記冷液源からの前記第２の供給ラインとに流体連通し、前記第４の共通ラインに流れる前記冷液の流量を制御するよう動作可能な第８のバルブと、
    前記第５の共通ラインと前記温液源からの前記第１の供給ラインとに流体連通し、前記第５の共通ラインに流れる前記温液の流量を制御するよう動作可能な第９のバルブと、
    前記第５の共通ラインと前記冷液源からの前記第２の供給ラインとに流体連通し、前記第５の共通ラインに流れる前記冷液の流量を制御するよう動作可能な第１０のバルブと
    を備え、
    前記制御部は、さらに、
    （ｃ）前記第３の流路に対する前記温液および前記冷液の第３の混合比を調節するために前記第５のバルブおよび前記第６のバルブを、
    （ｄ）前記第４の流路に対する前記温液および前記冷液の第４の混合比を調節するために前記第７のバルブおよび前記第８のバルブを、
    （ｅ）前記第５の流路に対する前記温液および前記冷液の第５の混合比を調節するために前記第９のバルブおよび前記第１０のバルブを、独立的に制御するよう動作可能である基板支持体。
16. 請求項１４に記載の基板支持体であって、前記熱伝導部材は円板であり、各領域は、前記円板の中心に対して異なる半径方向距離に同心円状に配置されている基板支持体。
17. 請求項１６に記載の基板支持体であって、前記第１の流路、前記第２の流路、前記第３の流路、前記第４の流路、および、前記第５の流路は、戻りラインに流体連通しており、前記戻りラインは、前記温液源および／または前記冷液源に流体連通している基板支持体。
18. プラズマ処理装置の反応チャンバ内で用いる基板支持体であって、
    ベース部材と、
    前記ベース部材の上に位置する熱伝導部材であって、第１の流路を備えた第１の領域と、第２の流路を備えた第２の領域とを有し、前記流路は、前記熱伝導部材の各領域を個別に加熱および冷却するために液体を循環させるよう適合されている熱伝導部材と、
    前記第１の流路および液体源と流体連通する供給ラインと、
    前記供給ラインに沿って配置され、前記液体が前記第１の流路に循環される前に、前記液体源から流れる前記液体を第１の温度に加熱するよう適合された第１の加熱素子と、
    前記第１の流路および前記第２の流路と流体連通し、前記液体を前記第１の流路から前記第２の流路に流すよう適合された第１の移送ラインと、
    前記第１の移送ラインに沿って配置され、前記第２の流路に循環する前に、前記液体を第２の温度に加熱するよう適合された第２の加熱素子と、
    各加熱素子への電力を調節することによって各領域の温度を独立的に制御するように各加熱素子を制御する制御部と、
    前記熱伝導部材の上に位置する静電チャックであって、前記プラズマ処理装置の前記反応チャンバ内で基板を支持するための支持面を有する静電チャックと
    を備える基板支持体。
19. 請求項１８に記載の基板支持体であって、
    前記熱伝導部材は、第３の流路を備えた第３の領域と、第４の流路を備えた第４の領域と、第５の流路を備えた第５の領域とを有し、
    前記基板支持体は、さらに、
    前記第２の流路および前記第３の流路と流体連通し、前記液体を前記第２の流路から前記第３の流路に流すよう適合された第２の移送ラインと、
    前記第２の移送ラインに沿って配置され、前記第３の流路に循環する前に、前記液体を第３の温度に加熱するよう適合された第３の加熱素子と、
    前記第３の流路および前記第４の流路と流体連通し、前記液体を前記第３の流路から前記第４の流路に流すよう適合された第３の移送ラインと、
    前記第３の移送ラインに沿って配置され、前記第４の流路に循環する前に、前記液体を第４の温度に加熱するよう適合された第４の加熱素子と、
    前記第４の流路および前記第５の流路と流体連通し、前記液体を前記第４の流路から前記第５の流路に流すよう適合された第４の移送ラインと、
    前記第４の移送ラインに沿って配置され、前記第５の流路に循環する前に、前記液体を第５の温度に加熱するよう適合された第５の加熱素子と、
    前記第５の流路および前記液体源と流体連通し、前記液体を前記第５の流路から前記液体源に流すよう適合された戻りラインと
    を備える基板支持体。
20. 請求項１８に記載の基板支持体であって、さらに、各領域の温度を測定して入力信号を前記制御部に供給するよう適合された温度センサを各領域に備え、前記第１の移送ラインは、前記液体を前記第１の流路から前記第２の流路に順方向または逆方向で流すよう適合される基板支持体。

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