JP5813005B2 - 広範囲ウエハ温度制御のための多機能ヒータ／冷却装置ペデスタル - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、一般に半導体処理チャンバに関し、より詳細には、半導体処理チャンバのための、被加熱支持体ペデスタルに関する。

半導体処理は複数の異なる化学プロセスおよび物理プロセスを含み、このことによって微細な集積回路を基板上に作成する。集積回路を構成する材料の層は、化学気相堆積、物理的気相堆積、エピタキシャル成長などを含むプロセスによって作成される。材料の層のいくつかは、フォトレジストマスクおよび湿式エッチング技法または乾式エッチング技法を使用してパターン形成される。集積回路を形成するために使用される基板は、シリコン、ガリウムヒ素、リン化インジウム、ガラス、または他の適切な材料であり得る。

集積回路の製造において、プラズマプロセスが、様々な材料の層の堆積またはエッチングにしばしば使用される。プラズマ処理は、熱処理に対して多くの利点がある。例えば、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）によって、類似の熱プロセスで達成可能であるものよりも、より低温かつより速い堆積速度で、堆積プロセスを実施することが可能になる。したがって、ＰＥＣＶＤは、超大規模集積回路または超々大規模集積回路（ＶＬＳＩまたはＵＬＳＩ）デバイス製造など、厳しいサーマルバジェットをもつ集積回路の製造にとって有利である。

これらのプロセスで使用される処理チャンバは、典型的には、処理の期間に基板を支持するため、処理チャンバ内に設置される基板支持体またはペデスタルを含む。いくつかのプロセスにおいて、ペデスタルは、基板の温度を制御し、かつ／またはプロセス中で使用され得る高温を提供するようになされた、埋め込みヒータを含む場合がある。基板処理の期間、基板を適切に温度制御し、均一に加熱することは、特に集積回路のサイズが減少するにつれて、非常に重要である。埋め込みヒータを備える従来型の支持体は、基板上に堆積される膜の品質に影響を及ぼす、多数のホットスポットおよびコールドスポットを有することが多い。

基板表面の平面性も、集積回路の製造全体にわたって、極めて重要である。したがって、基板を保持するペデスタルの表面は、できるだけ平面でなければならない。加熱されたとき、従来型の基板支持体ペデスタルは、ペデスタルの中心が温まり、ペデスタルの周辺が熱を失うので、上向きに湾曲する可能性が高い。撓んだ支持体ペデスタルは、支持体ペデスタル上に保持される基板の撓みをもたらす可能性があり、したがってウエハ表面の平面性を著しく損なう。

したがって、プロセスサイクル全部にわたる全ての時における能動的な温度制御をもたらすペデスタルが必要である。

本発明の実施形態は、一般に半導体処理チャンバに関し、より詳細には、半導体処理チャンバのための、被加熱支持体ペデスタルに関する。１つの実施形態において、半導体処理チャンバのためのペデスタルが提供される。ペデスタルは、導電性材料を含み、基板を受け取るための支持面を有する基板支持体と、基板支持体内に封入された抵抗ヒータと、第１の端部において基板支持体に結合され、第２の端部において整合するインターフェイスに結合する中空シャフトであって、中空コアを有するシャフト本体を備える中空シャフトと、内部冷却経路を介してペデスタルから熱を除去するための、中空コアを取り囲み、シャフト本体内に設置される冷却チャネルアセンブリとを含み、基板支持体が加熱素子とリング状冷却チャネルの間に配置される熱制御間隙を有する。

別の実施形態において、半導体処理チャンバのためのペデスタルが提供される。ペデスタルは、導電性材料を含み、基板を受け取るための支持面を有している基板支持体と、中空コアを有するシャフト本体を備える基板支持体と結合される中空シャフトと、支持面上に配置される基板の温度の能動的な制御を提供する能動冷却システムであって、基板支持体内に封入された加熱素子と、内部冷却経路を介してペデスタルから熱を除去するための、中空コアを取り囲み、シャフト本体内に設置される冷却チャネルアセンブリとを含む能動冷却システムとを備え、熱制御間隙が加熱素子とリング状冷却チャネルの間に配置される。

さらに別の実施形態において、プラズマ処理システムが提供される。プラズマ処理システムは、側壁、底壁、１対の処理領域を画定する内部側壁を有する処理チャンバ本体と、処理チャンバ本体と結合される高周波源と、処理領域の対のうちの少なくとも１つに設置されるペデスタルとを備える。ペデスタルは、導電性材料を含み、基板を受け取るための支持面を有する基板支持体と、中空コアを有するシャフト本体、および基板支持体内に封入される加熱素子を備える支持面上に配置される基板の温度の能動的な制御を提供する能動冷却システムを備える基板支持体に結合される中空シャフトと、内部冷却経路を介してペデスタルから熱を除去するための、中空コアを取り囲み、シャフト本体内に設置される冷却チャネルアセンブリとを備え、熱制御間隙が加熱素子とリング状冷却チャネルの間に配置され、高周波源が処理チャンバ本体と結合される。

本発明の上記の特徴が、詳細に理解され得るように、上で簡単に要約された本発明のより具体的な説明が実施形態を参照することによって理解でき、その一部は、添付の図面に示されている。しかし、本発明は、他の同様に有効な実施形態を容認することができるので、添付の図面は、本発明の単に代表的な実施形態を示しており、したがって本発明の範囲を限定すると考えるべきでないことに留意されたい。

プラズマシステムの１つの実施形態の部分断面図である。 図１に示したペデスタルの１つの実施形態の等角側面図である。 図１に示したペデスタルの１つの実施形態の等角底面図である。 図１に示したペデスタルの１つの実施形態の底面概略図である。 図３Ａの線３Ｂ−３Ｂに沿った、ペデスタルの１つの実施形態の断面側面図である。 図３Ｂのペデスタルの１つの実施形態の、断面図の拡大部分を示す図である。 図３Ａの線３Ｄ−３Ｄに沿った、断面側面図である。 図３Ｄのペデスタルの１つの実施形態の、断面図の拡大部分を示す図である。 抵抗ヒータの１つの実施形態の、概略上面図である。 抵抗ヒータの１つの実施形態の、概略側面図である。

理解しやすくするために、可能な場合は、図に共通な同一の要素を指定するため、同一の参照番号が使用されている。１つの実施形態の要素および特徴が、さらなる記述なしに、他の実施形態に有利に組み込まれ得ることが意図される。

本発明の実施形態は、一般に半導体処理チャンバに関し、より詳細には、半導体処理チャンバのための、被加熱支持体ペデスタルに関する。本発明の実施形態が、プラズマチャンバに関して、下で例示的に記載される。１つの実施形態において、プラズマチャンバは、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）システムで使用される。本明細書に記載の実施形態から恩恵を被るようになされ得るＰＥＣＶＤシステムの例として、ＰＲＯＤＵＣＥＲ（登録商標）ＳＥ ＣＶＤシステム、ＰＲＯＤＵＣＥＲ（登録商標）ＧＴ（商標）ＣＶＤシステムまたはＤＸＺ（登録商標）ＣＶＤシステムが挙げられ、これら全ては、Ｓａｎｔａ Ｃｌａｒａ、ＣａｌｉｆｏｒｎｉａのＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、Ｉｎｃ．から市販されている。ＰＲＯＤＵＣＥＲ（登録商標）ＳＥ ＣＶＤシステム（例えば、２００ｍｍまたは３００ｍｍ）は、導電膜、シラン、炭素をドープした酸化ケイ素および他の材料など、基板上に薄膜を堆積するため使用することができる、２つの分離した処理領域を有しており、ＰＲＯＤＵＣＥＲ（登録商標）ＳＥ ＣＶＤシステムは、両方が参照により組み込まれる、米国特許第５，８５５，６８１号および同第６，４９５，２３３号に記載されている。ＤＸＺ（登録商標）ＣＶＤチャンバは、やはり参照により組み込まれる、米国特許第６，３６４，９５４号に開示されている。例示的な実施形態は、２つの処理領域を含んでいるが、本明細書に記載の実施形態は、単一の処理領域または２つより多い処理領域を有するシステムで、有利に使用できることが意図されている。本明細書に記載の実施形態は、とりわけエッチチャンバ、イオン注入チャンバ、プラズマ処理チャンバ、およびストリッピングチャンバを含む、他のプラズマチャンバで、有利に使用できることも意図されている。本明細書に記載の実施形態が、他の製造業者から入手可能なプラズマ処理チャンバで、有利に使用できることが、さらに意図されている。

本明細書に記載のペデスタルの実施形態は、プロセスサイクル全部にわたる全ての時における処理期間で、基板を能動的に温度制御する必要に対処する。本明細書に記載のある種の実施形態は、４００℃を超える温度において、埋め込み加熱素子を使用して、固有の素子パターンを用い、最小の温度勾配（＜１０℃）で、より高度の温度制御を可能にする。本明細書に記載のある種の実施形態は、ペデスタルの本体を通して、能動的な冷却剤を流すことにより、ＲＦ結合のような外部発生源または埋め込み加熱素子のような内部発生源のいずれかから、（例えば、２，０００ワットを超える）より大きな熱負荷を取り除くことができる。本明細書に記載のある種の実施形態は、ヒータ素子およびペデスタルの本体を通る冷却剤の流量の能動的な制御を用いた、より小さい、所望の温度勾配を可能にする。

本明細書に記載のある種の実施形態は、基板が多数のプロセスおよびチャンバ状態（例えば、ヒータ面板、チャンバ内で受ける結合ＲＦ、プロセスガス、化学作用など）にさらされるとき、広範囲にわたって基板の温度を能動的に制御できることを可能にする。能動的な温度制御は、２つの能動的な温度の流束を介して達成することができる。第１の流束では、熱が、ろう付けされた／埋め込まれた加熱素子を介してペデスタルに提供され、第２の流束では、熱が、内部冷却剤経路を介してペデスタルから除去される。したがって、（基板が置かれる）ペデスタル表面の温度は、これら２つの流束のレベルを制御することにより、所望の温度設定点に制御することができる。加熱素子により多くの電力を送達すること、および冷却剤の流量を減少させること（または冷却剤の入り口温度を低下させること）によって、熱を増加させることができ、ペデスタルの温度をより冷たくするために、反対のことを行うことができる。熱源（加熱素子からの内部熱源またはチャンバもしくはプロセス条件からの外部熱源）と排熱路（内部の能動的な冷却剤）の間の相互作用を制御することによって、より広い温度制御範囲が達成される。１つの実施形態において、このことは、達成することができる最も高い温度を最大化するために、基板が置かれる支持面により近い支持体本体内に加熱素子を配置すること、および所望の量の熱を排出するような高さで、シャフトの下側本体に冷却チャネルを配置することによって達成される。

本明細書に記載のある種の実施形態は、制御される温度の範囲にわたって、１０℃以内に温度均一性を制御できることを、さらに可能にする。１つの実施形態において、このことは、上に記載のように加熱素子を冷却チャネルに対して配置すること、さらに加熱素子と冷却チャネルの間に配置された空隙を使用して熱の流れの経路をさらに制御することによって達成することができる。１つの実施形態において、冷却チャネル、空隙、および加熱素子を配置することにより、処理期間に基板の滑りが起こる可能性を減少させる、１インチの１０００分の５以下の、支持面の最大平面偏位をもたらす。

１つの実施形態において、ペデスタルはアルミニウム合金を含む。１つの実施形態において、アルミニウム合金は、アルミニウム６０６１などの、マグネシウムおよびシリコンを含むアルミニウム合金である。アルミニウム合金は、３つの重要な特徴を提供する。１）熱源から冷却剤への熱の流れの相互作用に寄与する、高い熱伝導率。２）様々な機械加工技法による処理を受け入れる能力（例えば、中間の高さに冷却チャネルを組み込むためにシャフトアセンブリをろう付けすること、放射熱損失を増加させるために支持面をビードブラスティングすること、硬水を流すことを可能にするためコーティングチャネルをニッケルめっきすること）。３）製造する費用が安いこと。

図１は、本明細書に記載の実施形態による、ペデスタル１２８を有する例示的なプラズマシステム１００の、部分断面図である。本明細書に記載のように、ペデスタル１２８は能動冷却システムを備え、能動冷却システムによって、基板が多数のプロセスおよびチャンバ状態にさらされるとき、広い温度範囲にわたってペデスタル上に配置された基板の温度を能動的に制御することを可能にする。プラズマシステム１００は、一般的に、コントローラ１１０に結合される処理チャンバ本体１０２を備える。処理チャンバ本体１０２は、側壁１１２、底壁１１６ならびに１対の処理領域１２０Ａおよび１２０Ｂを画定する内部側壁１０１を有する。処理領域１２０Ａ〜Ｂのそれぞれは、同様に構成されており、簡潔にするために、処理領域１２０Ｂの中の構成要素のみを記載することとする。

ペデスタル１２８は、システム１００の底壁１１６の中に形成される通路１２２を通って、処理領域１２０Ｂの中に設置される。ペデスタル１２８は、その上面で基板（図示せず）を支持するようになされている。ペデスタル１２８は、例えば抵抗素子といった加熱素子を含み、所望のプロセス温度に基板温度を加熱し、かつ制御することができる。別法として、ペデスタル１２８を、ランプアセンブリなどの、遠隔加熱素子で加熱することができる。

ペデスタル１２８は、シャフト１２６によって電力出力または電力ボックス１０３に結合しており、電力出力または電力ボックス１０３は、処理領域１２０Ｂ内でペデスタル１２８の上昇および移動を制御する駆動システムを含むことができる。シャフト１２６は、さらに電力インターフェイスを含み、ペデスタル１２８に電力を提供する。電力ボックス１０３は、熱電対インターフェイスなど、電力および温度インジケータ用のインターフェイスも含む。シャフト１２６は、電力ボックス１０３と取り外し可能に結合するようになされる、ベースアセンブリ１２９も含む。周囲リング１３５が、電力ボックス１０３の上に示されている。１つの実施形態において、周囲リング１３５は、ベースアセンブリ１２９と電力ボックス１０３の上面の間に機械的なインターフェイスを提供するように構成された、機械的ストップまたはランドとして適合された肩部である。

ロッド１３０が、底壁１１６の中に形成された通路１２４を通って設置され、ペデスタル１２８を通って設置される基板リフトピン１６１を活動状態にするために使用される。基板リフトピン１６１は、ペデスタルから基板を選択的に離間させて、基板移送ポート１６０を通して処理領域１２０Ｂの中へかつ処理領域１２０Ｂから外に基板を移送するために使用されるロボット（図示せず）を用いて、基板を交換することを容易にする。

チャンバリッド１０４が、チャンバ本体１０２の上部と結合される。リッド１０４は、そこに結合される１つまたは複数のガス分配システム１０８を収容する。ガス分配システム１０８は、反応ガスおよび洗浄ガスを、シャワーヘッドアセンブリ１４２を通して処理領域１２０Ｂ内に分配する、ガス吸入通路１４０を含む。シャワーヘッドアセンブリ１４２は、面板１４６との中間に設置されるブロッカプレート１４４を有する、環状ベースプレート１４８を含む。高周波（ＲＦ）源１６５が、シャワーヘッドアセンブリ１４２に結合される。ＲＦ源１６５は、シャワーヘッドアセンブリ１４２に電力供給し、シャワーヘッドアセンブリ１４２の面板１４６と被加熱ペデスタル１２８の間のプラズマの発生を容易にする。１つの実施形態において、ＲＦ源１６５は、１３．５６ＭＨｚＲＦジェネレータなどの、高周波無線周波（ＨＦＲＦ）電源であり得る。別の実施形態において、ＲＦ源１６５は、ＨＦＲＦ電源および３００ｋＨｚＲＦジェネレータなどの低周波無線周波（ＬＦＲＦ）電源を含むことができる。別法として、ＲＦ源は、ペデスタル１２８などの、処理チャンバ本体１０２の他の部分に結合し、プラズマ発生を可能にすることができる。誘電体アイソレータ１５８が、リッド１０４とシャワーヘッドアセンブリ１４２の間に設置され、ＲＦ電力をリッド１０４に伝導することを防止する。シャドウリング１０６が、ペデスタル１２８の周辺に設置される場合があり、ペデスタル１２８の所望の高度で、基板と係合する。

場合によっては、冷却チャネル１４７が、ガス分配システム１０８の環状ベースプレート１４８の中に形成され、動作期間、環状ベースプレート１４８を冷却する。水、エチレングリコール、ガスなどの伝熱流体が、冷却チャネル１４７を通って循環することができ、そのためベースプレート１４８が事前定義した温度に維持される。

チャンバライナアセンブリ１２７が、チャンバ本体１０２の側壁１０１、１１２の非常に近接した処理領域１２０Ｂ内に設置され、側壁１０１、１１２が、処理領域１２０Ｂ内の処理環境にさらされることを防止する。ライナアセンブリ１２７は、処理領域１２０Ｂからガスおよび副産物を排気し、処理領域１２０Ｂ内の圧力を制御するように構成される、ポンピングシステム１６４に結合される、周囲ポンピング空洞１２５を含む。複数の排気ポート１３１が、チャンバライナアセンブリ１２７に形成され得る。排気ポート１３１は、システム１００内の処理を促進するやり方で、処理領域１２０Ｂから周囲ポンピング空洞１２５にガスが流れることを可能にするよう、構成される。

コントローラ１１０は、本明細書に記載の能動冷却システムを含む、プロセスシーケンスを制御するよう使用される、中央処理装置（ＣＰＵ）、メモリ、および支持回路を含むことができる。ＣＰＵは、工業環境で使用することができる、任意の形式の汎用コンピュータプロセッサであって良い。ソフトウェアルーチンは、ランダムアクセスメモリ、読取り専用メモリ、フロッピ、またはハードディスクドライブ、または他の形式のデジタル記憶装置などのメモリ内に記憶することができる。支持回路は、通常ＣＰＵと結合することができ、キャッシュ、クロック回路、入出力システム、電源などを含むことができる。制御ユニット１１０とプラズマシステム１００の様々な構成要素の間の双方向通信は、総称してシグナルバスと呼ばれる多数の信号ケーブルを通って処理され、信号ケーブルのいくつかは、図１に図示されている。

図２Ａは、プラズマシステム１００で使用されるペデスタル１２８の、１つの実施形態の等角上面図である。ペデスタル１２８は、シャフト１２６および円形基板支持体２０５と対向するベースアセンブリ１２９を含む。１つの実施形態において、シャフト１２６は管状の部材または中空シャフトとして構成される。１つの実施形態において、ベースアセンブリ１２９は、電力出力または電力ボックス１０３の中または上に設置される電気接続との、着脱可能な整合する インターフェイスとして使用される。基板支持体２０５は、実質的に平面の、基板受取面または支持面２１０を含む。支持面２１０は、２００ｍｍ基板、３００ｍｍ基板、または４５０ｍｍ基板を支持するように適合することができる。１つの実施形態において、支持面２１０は、支持面２１０の平面の上に延在する隆起または突起であり得る、複数の構造２１５を含む。複数の構造２１５のそれぞれの高さは実質的に等しく、支持面２１０からわずかに高いまたは離間した、実質的に平面の基板受取面または基板受取面を提供する。１つの実施形態において、構造２１５のそれぞれは、支持面２１０の材料と異なる材料で形成され、またはコーティングされる。基板支持体２０５は、基板支持体２０５を貫通して形成され、リフトピン１６１を受け取るようになされる複数の開孔２２０も含む（図１）。

１つの実施形態において、基板支持体２０５およびシャフト１２６の本体は導電性の金属材料で作られ、一方ベースアセンブリ１２９は導電性の金属材料と絶縁材料の組合せで作られる。導電性の金属材料から基板支持体２０５を製造することが、セラミックスで作られる基板支持体と比較して、所有コストを安くする。加えて、導電性の金属材料は、ＲＦ電力から埋め込みヒータ（この図には図示せず）を保護する働きをする。このことによって、基板支持体２０５の効率および寿命が増し、所有コストが減る。

１つの実施形態において、基板支持体２０５およびシャフト１２６の本体は、アルミニウム合金など、アルミニウム材料のみで作られる。特定の実施形態において、基板支持体２０５とシャフトの両方は、６０６１アルミニウムで作られる。１つの実施形態において、ベースアセンブリ１２９は、アルミニウム部分およびベースアセンブリ１２９の中に設置されるポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂などの絶縁部分を備え、ベースアセンブリ１２９の部分を基板支持体２０５およびシャフト１２６の導電性の部分から電気的に絶縁する。１つの実施形態において、基板支持体２０５の本体はアルミニウム材料から作られ、一方支持面２１０上に設置される構造２１５のそれぞれは、酸化アルミニウムなど、セラミック材料で作られ、またはコーティングされる。

１つの実施形態において、ペデスタル１２８の支持面２１０は、肌理をつけられる。支持面２１０は、例えばビードブラスティング、エッチバックプロセス、またはこの組合せといった、当技術分野で知られた技法を使用して肌理をつけることができる。１つの実施形態において、ペデスタル１２８の肌理をつけた支持面２１０の２乗平均（「ＲＭＳ」）粗さは、例えば約１．５ミクロンと約５ミクロンの間、例えば約２ミクロンといった、約０．７５ミクロンから約６ミクロンであって良い。

図２Ｂは、ペデスタル１２８の１つの実施形態の等角底面図である。シャフト１２６は、基板支持体２０５に結合される第１の端部２１２、および基板支持体２０５と反対のベースアセンブリ１２９に結合する第２の端部２１４を含む。この実施形態において、ベースアセンブリ１２９は、誘電体プラグ２３０と結合する、かつ／または誘電体プラグ２３０を含有する、スロット付き導電性部分２２５を含む。１つの実施形態において、スロット付き導電性部分２２５は、電力ボックス１０３と対合するようになされた、プラグまたは雄型インターフェイスとして構成することができる（図１）。図２Ｂに描かれた実施形態において、導電性部分２２５は、断面が円形であり、少なくとも部分的に外面または外壁を通って形成されるスロットを有することができる。誘電体プラグ２３０は、電力ボックス１０３内の電気接続を受け取るまたは対合するようになされた、ソケットもしくは雌型インターフェイスとして構成することができ、または別法として、電力ボックス１０３内の電気接続を受け取るまたは対合するようになされた、ソケットもしくは雌型インターフェイスとして構成される部分または複数の部分を備えることができる。１つの実施形態において、スロット付き導電性部分２２５は、シャフト１２６と一体の延在部であって、アルミニウム材料で作られ、一方誘電体プラグ２３０は、ＰＥＥＫ樹脂で作られる。

ベースアセンブリ１２９は、Ｏリング２４０を受け取るようになされ、図１に描かれた電力ボックス１０３とインターフェイスする周囲リング１３５も含む。この実施形態において、スロット付き導電性部分２２５は、誘電体プラグ２３０を受け取るようになされる開孔を含み、誘電体プラグ２３０は、スロット付き導電性部分２２５と締結する。誘電体プラグ２３０は、電力ボックス１０３からの電気導線を受け取るように、誘電体プラグ２３０内に形成される開孔またはソケットも含む。

図３Ａは、ペデスタル１２８の１つの実施形態の底面概略図である。誘電体プラグ２３０は、冷却剤を冷却チャネルに送達するための冷却チャネル入り口３０２、冷却剤を冷却チャネルから除去するための冷却チャネル出口３０４、および導電性プラグ３２０を有する。

図３Ｂは、能動冷却システムを有するペデスタル１２８の１つの実施形態の、図３Ａの線３Ｂ−３Ｂに沿った断面側面図である。図３Ｃは、図３Ｂのペデスタルの１つの実施形態の、拡大断面図である。１つの実施形態において、能動冷却システムは、抵抗ヒータアセンブリ３０５、冷却チャネルアセンブリ３０６、および熱制御間隙３０８を備える。抵抗ヒータ３０５は、基板支持体２０５の導電性本体３００内に、設置または封入される。１つの実施形態において、導電性本体３００は、アルミニウムなどの導電性金属からなる材料で作られる。

冷却チャネルアセンブリ３０６は、伝熱流体または「冷却剤」を冷却チャネルアセンブリに供給するための、冷却チャネル３０７、冷却チャネル入り口３０２、冷却チャネル出口３０４、および流体再循環器３０９を有する。１つの実施形態において、冷却チャネル３０７は、シャフト１２６の本体内に配置され、シャフト１２６の中空部分を取り囲む、リング状チャネルである。図３Ｅを参照して、冷却チャネル３０７は、上壁３５０、対向する下壁３５２、内周壁３５４、外周壁３５６によって画定される。１つの実施形態において、冷却チャネル３０７は、シャフト１２６の中空部分の直径を取り囲む、連続リングである。ある種の実施形態において、冷却チャネル３０７は、シャフト１２６の中空部分の一部だけを取り囲む、部分的なリングである。

１つの実施形態において、冷却チャネル入り口３０２は、ペデスタルアセンブリ１２８のシャフト１２６を通って延在する、長手方向チャネルである。冷却チャネル入り口３０２の第１の端部は、流体再循環器３０９と結合し、冷却チャネル入り口３０２の第２の端部は、冷却チャネル３０７と流体結合する。１つの実施形態において、冷却チャネル出口３０４は、ペデスタルアセンブリ１２８のシャフト１２６を通って延在する、長手方向チャネルである。冷却チャネル出口３０４の第１の端部は、冷却チャネル３０７と結合し、冷却チャネル出口の第２の端部は、流体再循環器３０９と結合する。

動作において、伝熱流体は、流体再循環器３０９によって冷却チャネルアセンブリ３０６を通って再使用され、かつ連続的にポンプ送出することができる。ある種の実施形態において、伝熱流体は、冷却チャネル入り口３０２に入る前に、流体再循環器３０９によって、事前選択された温度に加熱または冷却することができる。例えば、流体再循環器３０９は、伝熱流体を冷却チャネルアセンブリ３０６を通してポンプ送出させるポンプ（図示せず）、伝熱流体を冷却または加熱する冷却器またはヒータ（やはり図示せず）、および伝熱流体の温度を監視し、温度を所望のレベルに維持するため冷却器またはヒータを制御するサーモスタット（やはり図示せず）を備えることができる。流体再循環器３０９は、簡潔にするために記載されていない、流体圧力を監視するための圧力計、ゲージ、流れを制御するためのバルブ、および伝熱流体の流れを制御するための他の構成要素も備えることができる。動作において、伝熱流体は、冷却チャネルアセンブリ３０６の冷却チャネル入り口３０２に供給される。伝熱流体は、冷却チャネル入り口３０２にポンプ注入され、基板支持体２０５の導電性本体３００を（伝熱流体と基板支持体２０５の相対的な温度に応じて）加熱または冷却するため、冷却チャネル３０６を通って流れ、冷却チャネル出口３０４から除去または排出される。

ある種の実施形態において、熱電対など第１の温度センサ３６２を、基板支持体２０５内の冷却チャネル入り口３０２に隣接して配置し、伝熱流体が冷却チャネル入り口３０２に入るとき、伝熱流体の温度を監視することができる。ある種の実施形態において、熱電対など第２の温度センサ３６４を、基板支持体２０５内の冷却チャネル出口３０４に隣接して配置し、伝熱流体が冷却チャネル出口３０４を出るとき、伝熱流体の温度を監視することができる。第１の温度センサ３６２および第２の温度センサ３６４は、冷却チャネル入り口３０２および冷却チャネル出口３０４の中に配置されているが、伝熱流体の温度を監視することができる、基板支持体２０５の中または外側の任意の場所に配置することができる。さらに、２つの温度センサが示されているが、任意の数の温度センサを使用して伝熱流体の温度を監視して良い。測定された温度をコントローラ１１０が使用して、熱交換器（図示せず）に供給される電力を制御し、伝熱流体および基板支持体２０５を所望の温度に維持することができる。熱交換器が流体再循環器３０９の部分であって良く、または熱交換器が別個の構成要素であって良い。伝熱流体の測定温度に応答して、コントローラ１１０は、流体再循環器３０９からの伝熱流体の流れを増加または減少させることもできる。

１つの実施形態において、伝熱流体は、水、エチレングリコール、ガスなどを含むことができる。１つの実施形態において、伝熱流体は、例えば５０％の水と５０％のエチレングリコールの混合物といった、水とエチレングリコールの混合物を含む。ある種の実施形態において、別個の貯蔵容器が冷却チャネル出口３０４と結合し、使用された冷却剤を貯蔵することができる。図３Ｄに示されるように、冷却チャネル入り口３０２および冷却チャネル出口３０４は、シャフト１２６の本体によって、導線３１５ａ、３１５ｂから分離される。

１つの実施形態において、熱制御間隙３０８が、ペデスタル１２８の導電性本体３００内に配置され、シャフト１２６の中空部分を取り囲んで、熱の流れの経路をさらに制御する。ペデスタル１２８のシャフト１２６を通る伝熱流体の流れが、支持面２１０の中央に、局所化したコールドスポットを生成し、熱制御間隙３０８が、ペデスタルの支持面２１０の中央の周りで熱抵抗を増加させ、その結果コールドスプレッダとしての役割を果たす。図３Ｃを参照して、熱制御間隙３０８は、上壁３１２、対向する下壁３１３、および熱制御間隙３０８を囲む周壁３１４によって形成される。１つの実施形態において、周壁３１４は円形であり、したがって熱制御間隙３０８を円形の形状にする。熱制御間隙３０８は、能動冷却システムに所望の量の熱制御を可能にする、任意の他の形状も有することができる。例えば、熱制御間隙３０８は、長円、正方形、矩形、および不均一な形状などの他の形状から選択される形状を有することができる。１つの実施形態において、熱制御間隙３０８は、約２インチ（５．１ｃｍ）〜約６インチ（１５．２ｃｍ）の直径を有する。１つの実施形態において、熱制御間隙３０８は、約３インチ（７．６ｃｍ）〜約４インチ（１０．２ｃｍ）の直径を有する。熱制御間隙３０８の直径は、所望の量の熱制御を可能にするため、変更することができる。熱制御間隙３０８の上壁と下壁（例えば、高さ）の間の距離も、所望の量の熱制御を可能にするため、変更することができる。１つの実施形態において、熱制御間隙３０８の高さは、約０．１インチ（０．３ｃｍ）〜約１インチ（２．５ｃｍ）である。別の実施形態において、熱制御間隙３０８の高さは、約０．４インチ（１ｃｍ）〜約０．５インチ（１．３ｃｍ）である。

１つの実施形態において、抵抗ヒータ３０５の上面は、基板支持体２０５の支持面２１０から、約０．１０インチ（０．３ｃｍ）〜約０．８０インチ（２ｃｍ）に配置される。別の実施形態において、抵抗ヒータ３０５の上面は、基板支持体２０５の支持面２１０から、約０．１５インチ（０．４ｃｍ）〜約０．２０インチ（０．５ｃｍ）に配置される。１つの実施形態において、熱制御間隙３０８の上壁３１２は、基板支持体２０５の支持面２１０から、約０．５インチ（１．３ｃｍ）〜約１．５インチ（３．８ｃｍ）に配置される。別の実施形態において、熱制御間隙３０８の上壁は、基板支持体２０５の支持面２１０から、約０．９インチ（２．３ｃｍ）〜約１．２インチ（３．０ｃｍ）に配置される。１つの実施形態において、冷却チャネル３０７の上壁３５０は、基板支持体２０５の支持面２１０から、約３インチ（７．６ｃｍ）〜約５インチ（１２．７ｃｍ）に配置される。別の実施形態において、冷却チャネル３０７の上壁３５０は、基板支持体２０５の支持面２１０から、約４インチ（１０．２ｃｍ）〜約４．５インチ（１１．４ｃｍ）に配置される。

１つの実施形態において、冷却チャネル３０７は、抵抗加熱素子３０５から距離「Ｘ」に配置される。１つの実施形態において、熱制御間隙３０８の上壁３１２は、抵抗ヒータ３０５の底面から距離「Ｙ」に配置される。１つの実施形態において、熱制御間隙３０８の下壁３１３は、冷却チャネル３０７から距離「Ｚ」に配置される。１つの実施形態において、距離「Ｘ」、「Ｙ」、および「Ｚ」は、ペデスタル１２８から所望の量の熱を排出するように選択される。

図３Ｄは、本明細書に記載の能動冷却システムを有するペデスタル１２８の１つの実施形態の、図３Ａの線３Ｄ−３Ｄに沿った断面側面図である。図３Ｂに示すように、シャフト１２６は、図１に示すように電力出力または電力ボックス１０３と結合する。抵抗ヒータ３０５は、シャフト１２６内に設置される導線３１５ａ、３１５ｂによって、電力ボックス１０３内に設置される電源３１０と結合する。シャフト１２６は、熱電対（図示せず）を受け取るようになされる、長手方向チャネルまたは孔３５０も含む。この実施形態において、誘電体プラグ２３０は、そこに設置される１つまたは複数の導電性プラグ３２０を含み、導線３１５を、電力ボックス１０３内に設置される１つまたは複数のソケット３２６ａ、３２６ｂそれぞれと結合する。１つの実施形態において、導電性プラグ３２０は、多接点プラグである。導線３１５および導電性プラグ３２０は、動作の期間、電気的にバイアスされて良いが、誘電体プラグ２３０の周壁３２５によって、スロット付き導電性部分２２５、シャフト１２６、および基板支持体２０５から電気的に分離される。

１つの実施形態において、シャフト１２６および基板支持体２０５は、アルミニウムで作られ、電気的に接地される。アルミニウム材料は、加熱素子を封入し、抵抗ヒータ３０５にとって有効なＲＦシールドの役割を果たす。アルミニウム材料によるＲＦ遮蔽によって、セラミックなどの異なる材料で作られた、加熱されるペデスタルで必要な場合がある、抵抗ヒータ３０５に結合するＲＦをフィルタ除去するための帯域通過フィルタの必要性がなくなる。抵抗ヒータ３０５のための電力端子として導電性プラグ３２０を使用する電気的なインターフェイスの設計によって、注文設計された電気コネクタとは対照的に、電力ボックス１０３からの標準的なゲージワイヤおよびコネクタが使用可能になる。導電性プラグ３２０は、ＰＥＥＫ樹脂を含む固有のベース設計上に取り付けられる。導電性プラグ３２０は、電力端子アセンブリを備え、電力端子アセンブリは、ベースアセンブリ１２９の導電性部分２２５上に締結する誘電体プラグ２３０によって、機械的に支持される。ＰＥＥＫ樹脂は、電流が流れている電力端子（導電性プラグ３２０）を、接地されたヒータ本体（基板支持体２０５およびシャフト１２６）に対して、電気的に絶縁する。したがって、ペデスタル１２８は、帯域通過フィルタの削除によりコストを最小化し、かつ安価なアルミニウム材料を使用する。このことで、所有コストを著しく低下させる。さらに、本明細書に記載のペデスタル１２８は、広範囲の再設計および／またはダウンタイムなしに、既存のチャンバ内の元のペデスタルを交換するように改装することができる。

図４Ａは、抵抗ヒータ３０５の１つの実施形態の、概略上面図である。図４Ｂは、抵抗ヒータ３０５の１つの実施形態の、概略側面図である。１つの実施形態において、抵抗ヒータ３０５は、加熱素子４１０を備える。図４Ａに示すように、加熱素子４１０は、抵抗ヒータ３０５の中心部に、中心で密集するパターンを提供するようにパターン化され、基板の熱損失と整合して補償する、放射加熱プロファイルをもたらす。例えば、図３Ｄを参照して、加熱素子４１０は、導電性支持体本体３００のエッジと比較して、導電性支持体本体３００の中央に向かって、お互いがより近い間隔となっている。シャフト１２６を通る冷却剤の流れによって、支持面２１０のエッジに対して、支持面２１０の中央でコールドスポットを作る。中央が密集するように示しているが、加熱素子４１０は、基板損失熱プロファイルのいかなる変形も包含するように適合することができることを理解されたい。例えば、加熱素子４１０は、基板損失プロファイルにより近く整合するために、加熱素子４１０のサイズ、間隔、抵抗、入力電力などを変えることによって、可変量の熱出力を可能にするように適合できる。

表１は、本明細書に記載の能動冷却システムを使用するペデスタルの、熱および構造モデリングシミュレーションを要約する。入り口温度［℃］は、伝熱流体が冷却チャネルアセンブリに入るときの、伝熱流体の入り口温度を表す。出口温度［℃］は、伝熱流体が能動冷却アセンブリを出るときの、伝熱流体の出口温度を表す。体積流量［ＧＰＭ］は、冷却チャネルアセンブリを通って流れる冷却剤の、１分当たりのガロンを表す。温度設定点［℃］は、抵抗ヒータの設定点温度を表す。温度勾配［℃］は、本明細書に記載の能動冷却システムを使用するペデスタルの支持面上での、高温と低温の間の温度差を表す。最大変形［ｍｉｌ］は、ペデスタルの最大平面偏位を表す。偏位は２つのモードを有しており、第１のモードでは、ペデスタルの支持面および導電性本体が撓む場合があり、第２のモードでは、内部の流体と外部の流体の間の温度変化に起因して、ペデスタルのシャフトが傾く場合がある。最大変形結果は、本明細書に描いた実施形態が、１インチの１０００分の５（５ミル）以下の、支持面の最大平面偏位をもたらし得ることを示す。

上記が本発明の実施形態を対象とする一方、本発明の他の実施形態およびさらなる実施形態が本発明の基本範囲から逸脱することなく考案されて良く、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によって決定される。

Claims (15)

1. 半導体処理チャンバのためのペデスタルであって、
   導電性材料を含み、基板を受け取るための支持面を有している基板支持体と、
   基板支持体内に封入された抵抗ヒータと、
   第１の端部において基板支持体に結合し、第２の端部において嵌合インターフェイスに結合する中空シャフトであって、
   中空コアを有するシャフト本体と、
   内部冷却経路を介してペデスタルから熱を除去するための中空コアを取り囲み、シャフト本体内に設置される冷却チャネルアセンブリと
   を含む中空シャフトと
   を備えるペデスタルであって、基板支持体が加熱素子とリング状冷却チャネルの間に配置される熱制御間隙を有しているペデスタル。
2. 抵抗ヒータが、中央に密集したパターンを有している加熱素子を備え、基板熱損失と整合して基板熱損失を補償する放射加熱プロファイルをもたらす、請求項１に記載のペデスタル。
3. 冷却チャネルアセンブリが、
   リング状冷却チャネルと、
   伝熱流体をリング状冷却チャネルに送達するための冷却チャネル入り口と、
   伝熱流体をリング状冷却チャネルから除去するための冷却チャネル出口と
   を有している、請求項１に記載のペデスタル。
4. 冷却チャネルアセンブリが、伝熱流体をリング状冷却チャネルに供給するために、冷却チャネル入り口および冷却チャネル出口と結合する流体再循環器をさらに備える、請求項３に記載のペデスタル。
5. 冷却チャネル入り口が、シャフト本体を通って長手方向に延在する、請求項４に記載のペデスタル。
6. 熱制御間隙が、
   上壁と、
   対向する下壁と、
   熱制御間隙を囲む周壁と
   によって形成され、周壁が円形であり、したがって熱制御間隙を円形の形状にする、請求項１に記載のペデスタル。
7. 熱制御間隙が、約７．６ｃｍ〜約１０．２ｃｍの直径、および約１ｃｍ〜約１．３ｃｍの高さを有している、請求項６に記載のペデスタル。
8. 抵抗ヒータの上部が基板支持体の支持面から約０．３ｃｍ〜約２ｃｍに配置され、熱制御間隙の上壁が支持面から約１．３ｃｍ〜約３．８ｃｍに配置される、請求項６に記載のペデスタル。
9. 嵌合インターフェイスが、
   処理チャンバ上に設置される電力出口を結合し、中空シャフトから電気的に分離される、少なくとも１つの露出した電気コネクタを含む誘電体プラグを備え、
   冷却チャネル入り口および冷却チャネル出口が誘電体プラグを横切り、少なくとも１つの露出した電気コネクタから電気的に分離される、請求項３に記載のペデスタル。
10. 冷却チャネルの上部が抵抗ヒータから距離を隔てて配置され、支持面の１インチの１０００分の５以下の最大平面偏位をもたらす、請求項１に記載のペデスタル。
11. 嵌合インターフェイスと封入された抵抗ヒータを結合する１対の導線をさらに備え、導線が中空コア内に配置される、請求項９に記載のペデスタル。
12. 側壁と、底壁と、１対の処理領域を画定する内部側壁とを有している処理チャンバ本体と、
    対の処理領域の少なくとも１つの中に設置されるペデスタルであって、当該ペデスタルは、
    導電性材料を含み、基板を受け取るための支持面を有している基板支持体と、
    中空コアを有するシャフト本体を備える基板支持体と結合される中空シャフトと、
    支持面上に配置される基板の温度の能動的な制御を提供する能動冷却システムであって、
    基板支持体内に封入された加熱素子と、
    内部冷却経路を介してペデスタルから熱を除去するための、中空コアを取り囲み、シャフト本体内に設置される冷却チャネルアセンブリと
    を備える能動冷却システムと
    を備え、前記基板支持体が加熱素子とリング状冷却チャネルの間に配置される熱制御間隙を有している、ペデスタルと、
    処理チャンバ本体と結合されている高周波源と、
    を備えるプラズマ処理システム。
13. 冷却チャネルアセンブリが
    リング状冷却チャネルと、
    伝熱流体をリング状冷却チャネルに送達するための冷却チャネル入り口と、
    伝熱流体をリング状冷却チャネルから除去するための冷却チャネル出口と
    を備える、請求項１２に記載のシステム。
14. 熱制御間隙が
    上壁と、
    対向する下壁と、
    熱制御間隙を囲む周壁と
    によって形成され、
    周壁が円形であり、したがって熱制御間隙を円形の形状にする、請求項１３に記載のシステム。
15. 加熱素子が、中央に密集したパターンを有し、基板熱損失と整合して基板熱損失を補償する放射加熱プロファイルをもたらす、請求項１２に記載のシステム。

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