JP6067705B2 - 多重ヒータ配列の温度監視及び制御のためのシステムと方法 - Google Patents
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Description
本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）に基づいて、「Ａ ＳＹＳＴＥＭ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ ＭＯＮＩＴＯＲＩＮＧ ＴＥＭＰＥＲＡＴＵＲＥＳ ＯＦ ＡＮＤ ＣＯＮＴＲＯＬＬＩＮＧ ＭＵＬＴＩＰＬＥＸＥＤ ＨＥＡＴＥＲ ＡＲＲＡＹ（多重ヒータ配列の温度監視及び制御のためのシステムと方法）」と題された２０１１年８月１７日出願の米国仮出願第６１／５２４，５４６号の優先権を主張する。該出願は、参照によってその全体を本明細書に組み込まれるものとする。
半導体技術の世代が進むにつれて、基板直径は増大し、トランジスタサイズは縮小する傾向があり、その結果、基板処理において、更にいっそう高い精度及び再現性が必要になる。シリコン基板などの半導体基板材料は、真空チャンバの使用を含む技術によって処理される。これらの技術は、電子ビーム蒸着などの非プラズマ応用はもちろん、スパッタリング蒸着、プラズマ強化式化学気相蒸着（ＰＥＣＶＤ）、レジスト剥離、及びプラズマエッチングなどのプラズマ応用も含む。
今日入手可能なプラズマ処理システムは、精度及び再現性の向上に対するニーズの高まりに見舞われている半導体製造ツールのうちの１つである。プラズマ処理システムの基準は、１つには、均一性の向上であり、これには、半導体基板表面に対する処理結果の均一性はもちろん、名目上同じ入力パラメータで処理される一連の基板の処理結果の均一性も含まれる。基板上における均一性の絶え間ない向上が望まれている。なかでも特に、均一性、一貫性、及び自己診断を向上されたプラズマチャンバが求められている。
本明細書で説明されるのは、半導体処理装置において半導体基板を支えるために使用される半導体サポートアセンブリのなかのマルチゾーン加熱板の温度測定及び制御を行うように動作可能なシステムであり、加熱板は、複数の平面ヒータゾーンと、複数のダイオードと、複数の電力供給ラインと、複数の電力戻りラインとを含み、各平面ヒータゾーンは、電力供給ラインのうちの１本と、電力戻りラインのうちの１本とに接続され、同じペアの電力供給ラインと電力戻りラインとを共有する平面ヒータゾーンは２つとしてなく、各平面ヒータゾーンと、それに接続された電力供給ラインとの間、又は各平面ヒータゾーンと、それに接続された電力戻りラインとの間には、電力戻りラインから平面ヒータゾーンを経て電力供給ラインに到る方向に電流を流れさせないようにダイオードが直列に接続されており、システムは、電流測定装置と、電流戻りラインの各ラインを、その他の電力戻りラインとは独立に、電気的接地に、電圧供給部に、又は電気絶縁端子に選択式に接続するように構成された第１のスイッチ構成と、電流供給ラインの各ラインを、その他の電力供給ラインとは独立に、電気的接地に、電力供給部に、電流測定機器に、又は電気絶縁端子に選択式に接続するように構成された第２のスイッチ構成とを含む。
基板上に所望の微小寸法（ＣＤ）均一性を達成するために半導体処理装置において基板温度を半径方向及び方位角方向に制御することが、ますます求められている。温度の僅かなばらつきでさえ、受け入れがたいほどにＣＤに影響を及ぼすかもしれず、これは、半導体製造プロセスにおいてＣＤが１００ｎｍ以下に近づくにつれて、ますます顕著になる。
処理中における、基板を支える、基板温度を調整する、及び無線周波数電力を供給するなどの多岐にわたる機能のために、基板サポートアセンブリが構成されてよい。基板サポートアセンブリは、処理中に基板サポートアセンブリに基板を静電クランプするのに有用な静電チャック（ＥＳＣ）を含むことができる。ＥＳＣは、可調整ＥＳＣ（Ｔ−ＥＳＣ）であってよい。Ｔ−ＥＳＣは、参照によって本明細書に組み込まれる同一出願人による米国特許第６，８４７，０１４号及び第６，９２１，７２４号に記載されている。基板サポートアセンブリは、セラミック製の基板ホルダと、流体冷却ヒートシンク（以下、冷却板と呼ばれる）と、半径方向における段階的な温度制御を実現するための複数の同心状平面ヒータゾーンとを含んでいてよい。通常、冷却板は、０℃から３０℃までの間に維持される。ヒータは、断熱材の層を間に挟んだ状態で、冷却板上に位置付けられる。ヒータは、基板サポートアセンブリのサポート表面を、冷却板温度よりも約０〜８０℃高い温度に維持することができる。複数の平面ヒータゾーン内におけるヒータ電力を変化させることによって、基板サポート温度分布は、中心が熱い状態と、中心が冷たい状態と、均一な状態との間で変化させることができる。更に、平均の基板サポート温度は、冷却板温度よりも０〜８０℃高い動作範囲内で段階的に変化させることができる。半導体技術の進歩に伴ってＣＤが減少するにつれて、方位角方向における温度の僅かなばらつきが、ますます大きな課題になる。
温度の制御は、幾つかの理由で容易な作業ではない。第１に、熱源及びヒートシンクの場所や、媒質の動き、材料、及び形状などの多くの要因が、熱伝達に影響を及ぼす可能性がある。第２に、熱伝達は、動的なプロセスである。問題にされているシステムが熱平衡状態にない限り、熱伝達が発生し、時間とともに温度分布及び熱伝達が変化する。第３に、プラズマ処理中に当然に常時存在するプラズマなどの非平衡現象は、任意の実際上のプラズマ処理装置の熱伝達挙動の理論的予測を、たとえ不可能ではないにしても非常に困難にする。
プラズマ処理装置における基板温度分布は、プラズマ密度分布、ＲＦ電力分布、並びにチャックのなかの各種の加熱素子及び冷却素子の詳細な構造などの多くの要因によって影響されるので、基板温度分布は、多くの場合、均一ではなく、少数の加熱素子又は冷却素子によって制御することが困難である。この欠陥は、基板全域にわたる処理速度の非均一性及び基板上におけるデバイスダイの微小寸法の非均一性につながる。
温度制御の複雑性を踏まえると、独立制御可能な複数の平面ヒータゾーンを基板サポートアセンブリに組み込んで、装置が所望の空間的及び時間的な温度分布を能動的に作成及び維持すること、並びにＣＤの均一性に影響を及ぼすその他の有害要因を打ち消すことを可能にすることが、有利だと考えられる。
半導体処理装置における、独立制御可能な複数の平面ヒータゾーンを伴う基板サポートアセンブリのための加熱板が、参照によってその開示内容を本明細書に組み込まれる共同所有の米国特許公開第２０１１／００９２０７２号に開示されている。この加熱板は、スケーラブルな多重レイアウト配置の平面ヒータゾーンと、電力供給ラインと、電力戻りラインとを含む。平面ヒータゾーンの電力を調整することによって、処理中における温度分布は、半径方向及び方位角方向の両方に形作ることができる。この加熱板は、主に、プラズマ処理装置について記載されているが、プラズマを使用しないその他の半導体処理装置に使用することもできる。
この加熱板のなかの平面ヒータゾーンは、例えば、矩形格子、六角形格子、有極配列、同心円、又は任意の望ましいパターンなどの既定のパターンに配置されることが好ましい。各平面ヒータゾーンは、任意の適切なサイズであってよく、１つ以上のヒータ素子を有していてよい。特定の実施形態では、平面ヒータゾーンのなかの全てのヒータ素子が、いっせいにオン又はオフにされる。電気的接続の数を最少に抑えるために、電力供給ライン及び電力戻りラインは、各電力供給ラインがそれぞれ異なるグループの平面ヒータゾーンに接続されるように尚且つ各電力戻りラインがそれぞれ異なるグループの平面ヒータゾーンに接続されるように配置され、このとき、各平面ヒータゾーンは、特定の電力供給ラインに接続されたグループの１つ及び特定の電力戻りラインに接続されたグループの１つに入っている。特定の実施形態では、同じ電力供給ラインと電力戻りラインとのペアに接続される平面ヒータゾーンは、２つとしてない。したがって、平面ヒータゾーンは、この平面ヒータゾーンが接続されている電力供給ラインと電力戻りラインとのペアに電流を流れさせることによって、作動させることができる。ヒータ素子の電力は、好ましくは２０Ｗ未満であり、更に好ましくは５〜１０Ｗである。ヒータ素子は、ポリイミドヒータ、シリコーンゴムヒータ、マイカヒータ、金属ヒータ（例えば、Ｗ、Ｎｉ／Ｃｒ合金、Ｍｏ、若しくはＴａ）、セラミックヒータ（例えばＷＣ）、半導体ヒータ、又は炭素ヒータなどの、抵抗ヒータであってよい。ヒータ素子は、スクリーン印刷されたヒータ、ワイヤを巻いたヒータ、又は箔をエッチングしたヒータであってよい。一実施形態では、各平面ヒータゾーンは、半導体基板上に製造されているデバイスダイ４つ分以下、若しくは半導体基板上に製造されているデバイスダイ２つ分以下、若しくは半導体基板上に製造されているデバイスダイ１つ分以下である、又は基板上のデバイスダイに対応するように面積にして１６〜１００ｃｍ2、１〜１５ｃｍ2、又は２〜３ｃｍ2である。ヒータ素子の厚さは、２マイクロメートルから１ミリメートルまでであってよく、好ましくは５〜８０マイクロメートルである。平面ヒータゾーンどうしの間、並びに／又は平面ヒータゾーンと電力供給ライン及び電力戻りラインとの間にスペースを確保にするために、平面ヒータゾーンの総面積は、基板サポートアセンブリの上面の面積の９０％以下であってよく、例えば、該面積の５０〜９０％である。電力供給ライン又は電力戻りライン（まとめて電力ラインと呼ばれる）は、平面ヒータゾーンどうしの間の１〜１０ｍｍの隙間に配置されてよい、又は電気絶縁層によって平面ヒータゾーンの面から隔てられた別の面内に配置されてよい。大電流を運ぶため及びジュール加熱を減らすためには、電力供給ライン及び電力戻りラインは、スペースが許す限り広く作成されることが好ましい。電力ラインが平面ヒータゾーンと同じ面内にある一実施形態では、電力ラインの幅は、０．３ｍｍから２ｍｍまでの間であることが好ましい。電力ラインが平面ヒータゾーンと異なる面上にある別の実施形態では、電力ラインの幅は、平面ヒータゾーンと同程度に大きくてよく、例えば、３００ｍｍのチャックに対し、１〜２インチ（約２．５４〜５．０８センチ）であってよい。電力ラインの材料は、ヒータ素子の材料と同じでよい、又は異なっていてよい。好ましくは、電力ラインの材料は、銅Ｃｕ、アルミＡｌ、タングステンＷ、インコネル（Ｉｎｃｏｎｅｌ：登録商標）、又はモリブデンＭｏなどの、抵抗性が低い材料である。
図１〜２は、２枚の電気絶縁層１０４Ａ及び１０４Ｂに組み込まれた平面ヒータゾーン１０１の配列を有する加熱板の一実施形態を含む基板サポートアセンブリを示している。電気絶縁層は、ポリマ材料、又は無機材料、又は酸化シリコン、アルミナ、イットリア、窒化アルミニウムなどのセラミック、又はその他の適切な材料であってよい。基板サポートアセンブリは、更に、（ａ）ＤＣ電圧によって表面に基板を静電クランプするために電極１０２（例えば単極又は双極）を埋め込まれたセラミック層１０３（静電クランプ層）を有するＥＳＣと、（ｂ）熱障壁層１０７と、（ｃ）冷却剤を流すための流路１０６を内包した冷却板１０５とを含む。
図２に示されるように、各平面ヒータゾーン１０１は、電力供給ライン２０１のうちの１本と、電力戻りライン２０２のうちの１本とに接続される。同じペアの電力供給ライン２０１と電力戻りライン２０２とを共有する平面ヒータゾーン１０１は、２つとしてない。適切な電気スイッチ構成によって、ペアをなす電力供給ライン２０１と電力戻りライン２０２とを電力供給部（不図示）に接続し、それによって、このペアの電力ラインに接続された平面ヒータゾーンのみがオンにされる。各平面ヒータゾーンの時間平均加熱電力は、時間領域多重化によって、個々に調整することができる。異なる平面ヒータゾーン間における相互干渉を阻止するために、（図２に示されるように）各ヒータゾーンとそれに接続された電力供給ライン２０１との間、又は各ヒータゾーンとそれに接続された電力戻りライン２０２との間（不図示）に、電力戻りライン２０１から平面ヒータゾーン１０１を経て電力供給ライン２０２に到る方向に電流を流れさせないようにダイオード２５０が直列に接続される。ダイオード２５０は、平面ヒータゾーン内に又は平面ヒータゾーンに隣接するように物理的に位置付けられる。
基板サポートアセンブリは、加熱板の一実施形態を含むことができ、加熱板の各平面ヒータゾーンは、基板温度が及びその結果としてプラズマエッチングプロセスが各デバイスダイ位置について制御されて基板からのデバイスの歩留まりを最大にすることができるように、基板上の１つのデバイスダイ又は一群のデバイスダイと同程度のサイズである、又はそれよりも小さいサイズである。加熱板は、１０〜１００、１００〜２００、２００〜３００、又はそれよりも多くの平面ヒータゾーンを含むことができる。加熱板のスケーラブル構造は、最小数の電力供給ライン、電力戻りライン、及び冷却板内のフィードスルーによって、ダイごとの基板温度制御に必要とされる平面ヒータゾーンの数（３００ｍｍの基板上に、通常は１００を超えるダイがあり、したがって、１００以上のヒータゾーンがある）に容易に適応し、それによって、基板温度を乱す障害や、製造のコスト、及び基板サポートアセンブリの複雑性を抑えることができる。図には示されていないが、基板サポートアセンブリは、基板を持ち上げるためのリフトピン、ヘリウム裏面冷却、温度フィードバック信号を提供するための温度センサ、加熱電力フィードバック信号を提供するための電圧・電流センサ、ヒータ及び／若しくはクランプ電極のための電力供給、並びに／又はＲＦフィルタなどの特徴を含むことができる。
プラズマ処理チャンバがどのように動作するかの概観として、図３は、そのなかに上方シャワーヘッド電極７０３及び基板サポートアセンブリ７０４を配されたプラズマ処理チャンバの概略を示している。基板７１２が、取り込み口７１１を通して取り込まれ、基板サポートアセンブリ７０４に載せられる。ガスライン７０９は、上方シャワーヘッド電極７０３にプロセスガスを供給し、該シャワーヘッド電極７０３は、そのプロセスガスをチャンバ内へ送り込む。ガスライン７０９には、ガス源７０８（例えば、適切なガス混合を供給する質量流コントローラ電力）が接続される。上方シャワーヘッド電極７０３には、ＲＦ電力源７０２が接続される。動作にあたっては、基板７１２と上方シャワーヘッド電極７０３との間のスペースのなかでプロセスガスを活性化させてプラズマにするために、真空ポンプ７１０によってチャンバが排気され、基板サポートアセンブリ７０４のなかの上方シャワーヘッド電極７０３と下方電極との間にＲＦ電力が容量結合される。プラズマは、基板７１２上の層内へデバイスダイ特徴をエッチングするために使用することができる。基板サポートアセンブリ７０４は、そのなかにヒータを組み込まれていてよい。なお、プラズマ処理チャンバの詳細な設計は可変であるが、ＲＦ電力は基板サポートアセンブリ７０４を通じてプラズマに結合されることが理解されるべきである。
各平面ヒータゾーン１０１に供給される電力は、所望の基板サポート温度分布を実現するために、そのゾーンの実際の温度に基づいて調節することができる。各平面ヒータゾーン１０１における実際の温度は、そのゾーンに接続されたダイオード２５０の逆飽和電流を測定することによって監視することができる。図４は、ダイオード２５０の代表的な電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ曲線）を示している。ダイオード２５０がその逆バイアス領域（網掛けされた枠４０１によって記された領域）にあるときは、ダイオード２５０を流れる電流は、ダイオード２５０にかかるバイアス電圧から基本的に独立している。この電流の大きさは、逆飽和電流Ｉｒと呼ばれる。Ｉｒの温度依存性は、次のように近似することができる。
ここで、Ａは、ダイオード２５０の接合部の面積であり、Ｔは、ケルビンで表わされたダイオード２５０の温度であり、γは、定数であり、Ｅｇは、接合部を構成している材料のエネルギギャップ（シリコンの場合はＥｇ＝１．１２ｅＶ）であり、ｋは、ボルツマン定数である。
図５は、各平面ヒータゾーン１０１に接続されたダイオード２５０の逆飽和電流Ｉｒを測定することによって加熱板を制御するように及びそのなかの各平面ヒータゾーン１０１の温度を監視するように構成されたシステム５００の回路図を示している。わかりやすくするために、４つの平面ヒータゾーンのみが示されている。このシステム５００は、任意の数の平面ヒータゾーンで動作するように構成することができる。
システム５００は、電流測定機器５６０と、スイッチ構成１０００と、スイッチ構成２０００と、随意のオン−オフスイッチ５７５と、随意の較正機器５７０とを含む。スイッチ構成１０００は、各電力戻りライン２０２を、その他の電力戻りラインとは独立に、電気的接地に、電圧源５２０に、又は電気絶縁端子に選択式に接続するように構成される。スイッチ構成２０００は、各電流供給ライン２０１を、その他の電力供給ラインとは独立に、電気的接地に、電力源５１０に、電流測定機器５６０に、又は電気絶縁端子に選択式に接続するように構成される。電圧源５２０は、非負電圧を供給する。随意の較正機器５７０は、各ダイオード２５０の逆飽和電流Ｉｒとその温度Ｔとの間の関係を較正するために提供することができる。較正機器５７０は、平面ヒータゾーン１０１及びダイオード２５０から熱的に分離された較正ヒータ５７１と、較正された温度計５７２（例えば熱電対）と、ダイオード２５０と同じタイプの（好ましくは同一の）較正ダイオード５７３とを含む。較正機器５７０は、システム５００のなかに位置付けることができる。較正ヒータ５７１及び温度計５７２は、電圧源５２０によって通電することができる。較正ダイオード５７３のカソードは、電圧源５２０に接続するように構成され、アノードは、オン−オフスイッチ５７５を通して電流測定機器５６０に接続される（すなわち、較正ダイオード５７３は、逆バイアスをかけられる）。較正ヒータ５７１は、較正ダイオード５７３を、平面ヒータゾーン１０１の動作温度に近い温度に維持する（例えば２０〜２００℃）。プロセッサ５０００（例えばマイクロコントローラユニットやコンピュータなど）は、スイッチ構成１０００及び２０００、較正機器５７０、並びにスイッチ５７５を制御し、電流測定機器５６０からの電流読み取り値を受信し、較正機器５７０からの温度読み取り値を受信する。もし必要であれば、プロセッサ５０００は、システム５００に含めることができる。
電流測定機器５６０は、図６に示されるように、アンプメータ、又は演算増幅器（オペアンプ）に基づく機器などの、任意の適切な機器であってよい。測定される電流は、入力端子６０５へ流れ、この端子は、随意のコンデンサ６０２を通してオペアンプ６０１の反転入力６０１ａに接続される。オペアンプ６０１の反転入力６０１ａは、抵抗ＲＩの抵抗器６０３を通してオペアンプ６０１の出力６０１ｃにも接続される。オペアンプ６０１の非反転入力６０１ｂは、電気的接地に接続される。オペアンプ６０１の出力に接続された出力端子６０６にかかる電圧Ｖは、電流Ｉの読み取り値であり、Ｖ＝Ｉ×ＲＩである。図６に示された機器は、入力端子６０５上におけるダイオード（ダイオード２５０のうちの１つ又は較正ダイオード５７３）の電流信号を、温度読み取り値としてプロセッサ５０００に送信される出力端子６０６上における電圧信号に変換する。
加熱板の温度測定及び制御のための方法は、温度測定ステップを含み、該ステップは、平面ヒータゾーン１０１に接続された電力供給ライン２０１を電流測定機器５６０に接続することと、その他の全ての（１本以上の）電力供給ラインを電気的接地に接続することと、平面ヒータゾーン１０１に接続された電力戻りラインを電圧源５２０に接続することと、その他の全ての（１本以上の）電力戻りラインを電気絶縁端子に接続することと、平面ヒータゾーン１０１に直列に接続されたダイオード２５０の逆飽和電流の電流読み取り値を電流測定機器５６０から得ることと、式１に基づいて電流読み取り値から平面ヒータゾーン１０１の温度Ｔを算出することと、加熱板全域についての所望の温度分布から平面ヒータゾーン１０１についての設定点温度Ｔ０を推定することと、電力供給部５１０によって平面ヒータゾーン１０１を持続時間ｔにわたって通電することが平面ヒータゾーン１０１の温度をＴからＴ０に変化させるような持続時間ｔを算出することとを含む。平面ヒータゾーン１０１に接続されていない全ての電力供給ラインを電気的接地に接続することによって、平面ヒータゾーン１０１に接続されたダイオード２５０からの逆飽和電流のみが電流測定機器５６０に到達することが保証される。
この方法は、更に、温度測定ステップの後に通電ステップを含み、該通電ステップは、平面ヒータゾーン１０１に接続された電力供給ライン２０１と、電力供給部５１０との間の接続、及び平面ヒータゾーン１０１に接続された電力戻りライン２０２と、電気的接地との間の接続を、持続時間ｔにわたって維持することを含む。方法は、更に、各平面ヒータゾーン１０１に対して温度測定ステップ及び通電ステップを繰り返すことを含む。
この方法は、更に、平面ヒータゾーン１０１に対して温度測定ステップを行う前に随意の放電ステップを含むことができ、該放電ステップは、平面ヒータゾーン１０１に接続されたダイオード２５０の接合キャパシタンスを放電するために、平面ヒータゾーン１０１に接続された電力供給ライン２０１を接地することを含む。
この方法は、更に、平面ヒータゾーン１０１に対して温度測定ステップを行う前に随意の零点補正ステップを含むことができ、該零点補正ステップは、平面ヒータゾーン１０１に接続された電力供給ライン２０１を電流測定機器５６０に接続することと、その他の全ての（１本以上の）電力供給ラインを電気的接地に接続することと、平面ヒータゾーン１０１に接続された電力戻りラインを電気的接地に接続することと、その他の電力戻りラインの各ラインを電気絶縁端子に接続することと、電流測定機器５６０から電流読み取り値（零点電流）を得ることとを含む。零点電流は、平面ヒータゾーンの温度Ｔを算出する前に、温度測定ステップにおける電流読み取り値から引き算することができる。零点補正ステップは、電力供給部５１０からスイッチ構成２０００を経て生じる漏れ電流に由来する誤差を排除する。測定ステップ、零点化ステップ、及び放電ステップは、全て、コントローラ５０００又は追加の同期検出エレクトロニクスによって演算増幅器６０１の出力に対して同期検出を使用するのに十分な速度で実施されてよい。測定信号の同期検出は、測定のノイズを減少させるとともに、精度を向上させるだろう。
この方法は、更に、任意のダイオード２５０の逆飽和電流の温度依存性の時間的シフトを補正するために、随意の較正ステップを含むことができる。較正ステップは、全ての電力供給ライン２０１及び電力戻りライン２０２を電流測定機器５６０から切り離すことと、オン−オフスイッチ５７５を閉じることと、較正ヒータ５７１によって較正ダイオード５７３を好ましくはダイオード２５０の動作温度範囲内の温度に加熱することと、較正された温度計５７２によって較正ダイオード５７３の温度を測定することと、較正ダイオード５７３の逆飽和電流を測定することと、測定された温度及び測定された逆飽和電流に基づいて、各ダイオード２５０について式１におけるパラメータＡ及びγを調節することとを含む。
基板サポートアセンブリと、本明細書で説明されるシステムとを含むプラズマエッチング装置において半導体を処理する方法は、（ａ）基板サポートアセンブリ上で半導体基板を支えることと、（ｂ）加熱板のなかの平面ヒータゾーンをシステムによって通電することによって、加熱板全域にわたって所望の温度分布を形成することと、（ｃ）プロセスガスを活性化させてプラズマにすることと、（ｄ）プラズマによって半導体をエッチングすることと、（ｅ）プラズマによって半導体をエッチングする間、システムを使用して所望の温度分布を維持することとを含む。ステップ（ｅ）では、システムは、加熱板のなかの各平面ヒータゾーンの温度を測定し、その測定された温度に基づいて各平面ヒータゾーンを通電することによって、所望の温度分布を維持する。システムは、各平面ヒータゾーンの温度を、その平面ヒータゾーンに直列に接続されたダイオードの逆飽和電流の電流読み取り値を得ることによって測定する。
システム５００、並びに加熱板の温度測定及び制御を行うための方法は、その特定の実施形態を参照にして詳細に説明されてきたが、当業者にならば、添付の特許請求の範囲から逸脱することなく様々な変更及び修正がなされうること、並びに均等物が採用されうることが明らかである。例えば、本発明は以下の適用例としても実施可能である。
［適用例１］半導体処理装置において半導体基板を支えるために使用される半導体サポートアセンブリのなかのマルチゾーン加熱板の温度測定及び制御を行うように動作可能なシステムであって、前記加熱板は、複数の平面ヒータゾーンと、複数のダイオードと、複数の電力供給ラインと、複数の電力戻りラインとを含み、各平面ヒータゾーンは、電力供給ラインのうちの１本と、電力戻りラインのうちの１本とに接続され、一つの平面ヒータゾーンは、他の平面ヒータゾーンと、電力供給ラインと電力戻りラインとのペアを共有せず、各平面ヒータゾーンと、それに接続された電力供給ラインとの間、又は各平面ヒータゾーンと、それに接続された電力戻りラインとの間には、前記電力戻りラインから前記平面ヒータゾーンを経て前記電力供給ラインに到る方向に電流を流れさせないようにダイオードが直列に接続され、前記システムは、
電流測定装置と、
前記電流戻りラインの各ラインを、その他の電力戻りラインとは独立に、電気的接地に、電圧供給部に、又は電気絶縁端子に選択的に接続するように構成された第１のスイッチ構成と、
前記電流供給ラインの各ラインを、その他の電力供給ラインとは独立に、前記電気的接地に、電力供給部に、前記電流測定機器に、又は電気絶縁端子に選択的に接続するように構成された第２のスイッチ構成と、
を備えるシステム。
［適用例２］適用例１に記載のシステムであって、更に、
オンオフスイッチと、
前記オンオフスイッチを通して前記電流測定機器に接続され、前記電圧供給部に接続するように構成された較正機器と、
を備えるシステム。
［適用例３］適用例１に記載のシステムであって、
前記電圧供給部は、非負電圧を出力する、システム。
［適用例４］適用例１に記載のシステムであって、
前記電流測定機器は、アンプメータである、及び／又は演算増幅器を含む、システム。
［適用例５］適用例２に記載のシステムであって、
前記較正機器は、較正ヒータ、較正された温度計、及びそのアノードを前記オン−オフスイッを通して前記電流測定機器に接続され、そのカソードを前記電圧供給部に接続するように構成された較正ダイオードを含む、システム。
［適用例６］適用例５に記載のシステムであって、
前記較正機器の前記較正ダイオードは、前記加熱板のなかの前記平面ヒータゾーンに接続された前記ダイオードと同一である、システム。
［適用例７］適用例１に記載のシステムであって、
前記平面ヒータゾーンのそれぞれのサイズは、１６〜１００ｃｍ 2 である。システム。
［適用例８］適用例１に記載のシステムであって、
前記加熱板は、１０〜１００、１００〜２００、２００〜３００、又はそれよりも多い平面ヒータゾーンを含む、システム。
［適用例９］基板サポートアセンブリと、適用例１に記載のシステムとを備えるプラズマ処理装置であって、前記システムは、前記半導体処理装置において半導体基板を支えるために使用される前記半導体サポートアセンブリのなかの前記マルチゾーン加熱板の各ヒータゾーンの温度測定及び制御を行うように動作可能である、プラズマ処理装置。
［適用例１０］適用例９に記載のプラズマ処理装置であって、
プラズマエッチング装置であるプラズマ処理装置。
［適用例１１］適用例１のシステムの温度を測定する及び前記システム全体にわたって所望の温度分布を維持する方法であって、
温度測定ステップを備え、
前記温度測定ステップは、
前記平面ヒータゾーンの１つに接続された電力供給ラインを前記電流測定機器に接続し、
その他の全ての（１本以上の）電力供給ラインを電気的接地に接続し、
前記平面ヒータゾーンに接続された電力戻りラインを前記電圧供給部に接続し、
その他の全ての（１本以上の）電力戻りラインを電気絶縁端子に接続し、
前記平面ヒータゾーンに直列に接続された前記ダイオードの逆飽和電流の電流読み取り値を前記電流測定機器から取得し、
前記電流読み取り値から前記平面ヒータゾーンの温度Ｔを算出し、
前記加熱板全域についての所望の温度分布から前記平面ヒータゾーンについての設定点温度Ｔ０を推定し、
前記電力供給部によって前記平面ヒータゾーンを持続時間ｔにわたって通電することが前記平面ヒータゾーンの温度をＴからＴ０に変化させるような持続時間ｔを算出する
ことを含む方法。
［適用例１２］適用例１１に記載の方法であって、更に、
前記温度測定ステップの後に通電ステップを備え、
前記通電ステップは、
前記平面ヒータゾーンに接続された前記電力供給ラインと、前記電力供給部との間の接続、及び前記平面ヒータゾーンに接続された前記電力戻りラインと、前記電気的接地との間の接続を、前記持続時間ｔにわたって維持することを含む、方法。
［適用例１３］適用例１２に記載の方法であって、更に、
前記平面ヒータゾーンのそれぞれに対して前記温度測定ステップ及び／又は前記通電ステップを繰り返す、方法。
［適用例１４］適用例１１に記載の方法であって、更に、
前記平面ヒータゾーンに対して前記温度測定ステップを行う前に随意の放電ステップを備え、
前記放電ステップは、
前記平面ヒータゾーンに接続された前記ダイオードの接合キャパシタンスを放電するために、前記平面ヒータゾーンに接続された前記電力供給ラインを接地することを含む、方法。
［適用例１５］適用例１１に記載の方法であって、更に、
平面ヒータゾーンに対して前記温度測定ステップを行う前に零点補正ステップを備え、
前記零点補正ステップは、
前記平面ヒータゾーンに接続された前記電力供給ラインを前記電流測定機器に接続し、
その他の全ての（１本以上の）電力供給ラインを前記電気的接地に接続し、
前記平面ヒータゾーンに接続された前記電力戻りラインを前記電気的接地に接続し、
その他の電力戻りラインのそれぞれを電気絶縁端子に接続し、
前記電流測定機器から電流読み取り値（零点電流）を取得する
方法。
［適用例１６］適用例１５に記載の方法であって、
前記電流測定ステップは、更に、
前記平面ヒータゾーンの温度Ｔを算出する前に、前記逆飽和電流の電流読み取り値から前記零点電流を引き算することを含む、方法。
［適用例１７］適用例６に記載のシステムにおいて前記ダイオードを較正する方法であって、
全ての電力供給ライン及び電力戻りラインを前記電流測定機器から切り離し、
前記オン−オフスイッチを閉じ、
前記較正ヒータによって、前記較正ダイオードを前記ダイオードの動作温度範囲内の温度に加熱し、
前記較正された温度計によって、前記較正ダイオードの温度を測定することと、
前記較正ダイオードの逆飽和電流を測定し、
Ａが前記ダイオードの接合部の面積、Ｔがケルビンで表わされた前記ダイオードの温度、γが定数、Ｅｇが接合部を構成している材料のエネルギギャップ（シリコンの場合はＥｇ＝１．１２ｅＶ）、ｋがボルツマン定数であるとしたときに、前記測定された温度及び前記測定された逆飽和電流に基づいて、各ダイオードについて
からパラメータＡ及びγの少なくとも１つを決定する、
方法。
［適用例１８］適用例１０に記載のプラズマエッチング装置において半導体基板を処理する方法であって、下記各ステップ
（ａ）前記基板サポートアセンブリ上で半導体基板を支え、
（ｂ）前記加熱板のなかの前記平面ヒータゾーンを前記システムによって通電することによって、前記加熱板全域にわたって所望の温度分布を形成し、
（ｃ）プロセスガスを活性化させてプラズマにし、
（ｄ）前記プラズマによって前記半導体基板をエッチングし、
（ｅ）前記プラズマによって前記半導体基板をエッチングする間、前記システムを使用して前記所望の温度分布を維持する、
を備える方法。
［適用例１９］適用例１８に記載の方法であって、
ステップ（ｅ）において、前記システムは、前記加熱板のなかの各平面ヒータゾーンの温度を測定し、その測定された温度に基づいて各平面ヒータゾーンを通電することによって、前記所望の温度分布を維持する、方法。
［適用例２０］適用例１９に記載の方法であって、
前記システムは、前記平面ヒータゾーンに直列に接続された前記ダイオードの逆飽和電流の電流読み取り値を得ることによって、各平面ヒータゾーンの温度を測定する、方法。
［適用例１］半導体処理装置において半導体基板を支えるために使用される半導体サポートアセンブリのなかのマルチゾーン加熱板の温度測定及び制御を行うように動作可能なシステムであって、前記加熱板は、複数の平面ヒータゾーンと、複数のダイオードと、複数の電力供給ラインと、複数の電力戻りラインとを含み、各平面ヒータゾーンは、電力供給ラインのうちの１本と、電力戻りラインのうちの１本とに接続され、一つの平面ヒータゾーンは、他の平面ヒータゾーンと、電力供給ラインと電力戻りラインとのペアを共有せず、各平面ヒータゾーンと、それに接続された電力供給ラインとの間、又は各平面ヒータゾーンと、それに接続された電力戻りラインとの間には、前記電力戻りラインから前記平面ヒータゾーンを経て前記電力供給ラインに到る方向に電流を流れさせないようにダイオードが直列に接続され、前記システムは、
電流測定装置と、
前記電流戻りラインの各ラインを、その他の電力戻りラインとは独立に、電気的接地に、電圧供給部に、又は電気絶縁端子に選択的に接続するように構成された第１のスイッチ構成と、
前記電流供給ラインの各ラインを、その他の電力供給ラインとは独立に、前記電気的接地に、電力供給部に、前記電流測定機器に、又は電気絶縁端子に選択的に接続するように構成された第２のスイッチ構成と、
を備えるシステム。
［適用例２］適用例１に記載のシステムであって、更に、
オンオフスイッチと、
前記オンオフスイッチを通して前記電流測定機器に接続され、前記電圧供給部に接続するように構成された較正機器と、
を備えるシステム。
［適用例３］適用例１に記載のシステムであって、
前記電圧供給部は、非負電圧を出力する、システム。
［適用例４］適用例１に記載のシステムであって、
前記電流測定機器は、アンプメータである、及び／又は演算増幅器を含む、システム。
［適用例５］適用例２に記載のシステムであって、
前記較正機器は、較正ヒータ、較正された温度計、及びそのアノードを前記オン−オフスイッを通して前記電流測定機器に接続され、そのカソードを前記電圧供給部に接続するように構成された較正ダイオードを含む、システム。
［適用例６］適用例５に記載のシステムであって、
前記較正機器の前記較正ダイオードは、前記加熱板のなかの前記平面ヒータゾーンに接続された前記ダイオードと同一である、システム。
［適用例７］適用例１に記載のシステムであって、
前記平面ヒータゾーンのそれぞれのサイズは、１６〜１００ｃｍ 2 である。システム。
［適用例８］適用例１に記載のシステムであって、
前記加熱板は、１０〜１００、１００〜２００、２００〜３００、又はそれよりも多い平面ヒータゾーンを含む、システム。
［適用例９］基板サポートアセンブリと、適用例１に記載のシステムとを備えるプラズマ処理装置であって、前記システムは、前記半導体処理装置において半導体基板を支えるために使用される前記半導体サポートアセンブリのなかの前記マルチゾーン加熱板の各ヒータゾーンの温度測定及び制御を行うように動作可能である、プラズマ処理装置。
［適用例１０］適用例９に記載のプラズマ処理装置であって、
プラズマエッチング装置であるプラズマ処理装置。
［適用例１１］適用例１のシステムの温度を測定する及び前記システム全体にわたって所望の温度分布を維持する方法であって、
温度測定ステップを備え、
前記温度測定ステップは、
前記平面ヒータゾーンの１つに接続された電力供給ラインを前記電流測定機器に接続し、
その他の全ての（１本以上の）電力供給ラインを電気的接地に接続し、
前記平面ヒータゾーンに接続された電力戻りラインを前記電圧供給部に接続し、
その他の全ての（１本以上の）電力戻りラインを電気絶縁端子に接続し、
前記平面ヒータゾーンに直列に接続された前記ダイオードの逆飽和電流の電流読み取り値を前記電流測定機器から取得し、
前記電流読み取り値から前記平面ヒータゾーンの温度Ｔを算出し、
前記加熱板全域についての所望の温度分布から前記平面ヒータゾーンについての設定点温度Ｔ０を推定し、
前記電力供給部によって前記平面ヒータゾーンを持続時間ｔにわたって通電することが前記平面ヒータゾーンの温度をＴからＴ０に変化させるような持続時間ｔを算出する
ことを含む方法。
［適用例１２］適用例１１に記載の方法であって、更に、
前記温度測定ステップの後に通電ステップを備え、
前記通電ステップは、
前記平面ヒータゾーンに接続された前記電力供給ラインと、前記電力供給部との間の接続、及び前記平面ヒータゾーンに接続された前記電力戻りラインと、前記電気的接地との間の接続を、前記持続時間ｔにわたって維持することを含む、方法。
［適用例１３］適用例１２に記載の方法であって、更に、
前記平面ヒータゾーンのそれぞれに対して前記温度測定ステップ及び／又は前記通電ステップを繰り返す、方法。
［適用例１４］適用例１１に記載の方法であって、更に、
前記平面ヒータゾーンに対して前記温度測定ステップを行う前に随意の放電ステップを備え、
前記放電ステップは、
前記平面ヒータゾーンに接続された前記ダイオードの接合キャパシタンスを放電するために、前記平面ヒータゾーンに接続された前記電力供給ラインを接地することを含む、方法。
［適用例１５］適用例１１に記載の方法であって、更に、
平面ヒータゾーンに対して前記温度測定ステップを行う前に零点補正ステップを備え、
前記零点補正ステップは、
前記平面ヒータゾーンに接続された前記電力供給ラインを前記電流測定機器に接続し、
その他の全ての（１本以上の）電力供給ラインを前記電気的接地に接続し、
前記平面ヒータゾーンに接続された前記電力戻りラインを前記電気的接地に接続し、
その他の電力戻りラインのそれぞれを電気絶縁端子に接続し、
前記電流測定機器から電流読み取り値（零点電流）を取得する
方法。
［適用例１６］適用例１５に記載の方法であって、
前記電流測定ステップは、更に、
前記平面ヒータゾーンの温度Ｔを算出する前に、前記逆飽和電流の電流読み取り値から前記零点電流を引き算することを含む、方法。
［適用例１７］適用例６に記載のシステムにおいて前記ダイオードを較正する方法であって、
全ての電力供給ライン及び電力戻りラインを前記電流測定機器から切り離し、
前記オン−オフスイッチを閉じ、
前記較正ヒータによって、前記較正ダイオードを前記ダイオードの動作温度範囲内の温度に加熱し、
前記較正された温度計によって、前記較正ダイオードの温度を測定することと、
前記較正ダイオードの逆飽和電流を測定し、
Ａが前記ダイオードの接合部の面積、Ｔがケルビンで表わされた前記ダイオードの温度、γが定数、Ｅｇが接合部を構成している材料のエネルギギャップ（シリコンの場合はＥｇ＝１．１２ｅＶ）、ｋがボルツマン定数であるとしたときに、前記測定された温度及び前記測定された逆飽和電流に基づいて、各ダイオードについて
方法。
［適用例１８］適用例１０に記載のプラズマエッチング装置において半導体基板を処理する方法であって、下記各ステップ
（ａ）前記基板サポートアセンブリ上で半導体基板を支え、
（ｂ）前記加熱板のなかの前記平面ヒータゾーンを前記システムによって通電することによって、前記加熱板全域にわたって所望の温度分布を形成し、
（ｃ）プロセスガスを活性化させてプラズマにし、
（ｄ）前記プラズマによって前記半導体基板をエッチングし、
（ｅ）前記プラズマによって前記半導体基板をエッチングする間、前記システムを使用して前記所望の温度分布を維持する、
を備える方法。
［適用例１９］適用例１８に記載の方法であって、
ステップ（ｅ）において、前記システムは、前記加熱板のなかの各平面ヒータゾーンの温度を測定し、その測定された温度に基づいて各平面ヒータゾーンを通電することによって、前記所望の温度分布を維持する、方法。
［適用例２０］適用例１９に記載の方法であって、
前記システムは、前記平面ヒータゾーンに直列に接続された前記ダイオードの逆飽和電流の電流読み取り値を得ることによって、各平面ヒータゾーンの温度を測定する、方法。
Claims (20)
- 半導体処理装置において半導体基板を支えるために使用される半導体サポートアセンブリのなかのマルチゾーン加熱板の温度測定及び制御を行うように動作可能なシステムであって、前記加熱板は、複数の平面ヒータゾーンと、複数のダイオードと、複数の電力供給ラインと、複数の電力戻りラインとを含み、各平面ヒータゾーンは、電力供給ラインのうちの１本と、電力戻りラインのうちの１本とに接続され、一つの平面ヒータゾーンは、他の平面ヒータゾーンと、電力供給ラインと電力戻りラインとのペアを共有せず、各平面ヒータゾーンと、それに接続された電力供給ラインとの間、又は各平面ヒータゾーンと、それに接続された電力戻りラインとの間には、前記電力戻りラインから前記平面ヒータゾーンを経て前記電力供給ラインに到る方向に電流を流れさせないようにダイオードが直列に接続され、前記システムは、
電流測定装置と、
前記電力戻りラインの各ラインを、その他の電力戻りラインとは独立に、電気的接地に、電圧供給部に、又は電気絶縁端子に選択式に接続するように構成された第１のスイッチ構成と、
前記電力供給ラインの各ラインを、その他の電力供給ラインとは独立に、前記電気的接地に、電力供給部に、前記電流測定装置に、又は電気絶縁端子に選択式に接続するように構成された第２のスイッチ構成と、
を備えるシステム。 - 請求項１に記載のシステムであって、更に、
オン−オフスイッチと、
前記オン−オフスイッチを通して前記電流測定装置に接続され、前記電圧供給部に接続するように構成された較正機器と、
を備えるシステム。 - 請求項１に記載のシステムであって、
前記電圧供給部は、非負電圧を出力する、システム。 - 請求項１に記載のシステムであって、
前記電流測定装置は、アンプメータである、及び／又は演算増幅器を含む、システム。 - 請求項２に記載のシステムであって、
前記較正機器は、較正ヒータ、較正された温度計、及びそのアノードを前記オン−オフスイッチを通して前記電流測定装置に接続され、そのカソードを前記電圧供給部に接続するように構成された較正ダイオードを含む、システム。 - 請求項５に記載のシステムであって、
前記較正機器の前記較正ダイオードは、前記加熱板のなかの前記平面ヒータゾーンに接続された前記ダイオードと同一である、システム。 - 請求項１に記載のシステムであって、
前記平面ヒータゾーンのそれぞれのサイズは、１６〜１００ｃｍ2である。システム。 - 請求項１に記載のシステムであって、
前記加熱板は、１０〜１００、１００〜２００、２００〜３００、又はそれよりも多い平面ヒータゾーンを含む、システム。 - 基板サポートアセンブリと、請求項１に記載のシステムとを備えるプラズマ処理装置であって、前記システムは、前記半導体処理装置において半導体基板を支えるために使用される前記半導体サポートアセンブリのなかの前記マルチゾーン加熱板の各ヒータゾーンの温度測定及び制御を行うように動作可能である、プラズマ処理装置。
- 請求項９に記載のプラズマ処理装置であって、
プラズマエッチング装置であるプラズマ処理装置。 - 請求項１のシステムの温度を測定する及び前記システム全体にわたって所望の温度分布を維持する方法であって、
温度測定ステップを備え、
前記温度測定ステップは、
前記平面ヒータゾーンの１つに接続された電力供給ラインを前記電流測定装置に接続し、
その他の全ての（１本以上の）電力供給ラインを電気的接地に接続し、
前記平面ヒータゾーンに接続された電力戻りラインを前記電圧供給部に接続し、
その他の全ての（１本以上の）電力戻りラインを電気絶縁端子に接続し、
前記平面ヒータゾーンに直列に接続された前記ダイオードの逆飽和電流の電流読み取り値を前記電流測定装置から取得する電流測定ステップを実施し、
前記電流読み取り値から前記平面ヒータゾーンの温度Ｔを算出し、
前記加熱板全域についての所望の温度分布から前記平面ヒータゾーンについての設定点温度Ｔ０を推定し、
前記電力供給部によって前記平面ヒータゾーンを持続時間ｔにわたって通電することが前記平面ヒータゾーンの温度をＴからＴ０に変化させるような持続時間ｔを算出する
ことを含む方法。 - 請求項１１に記載の方法であって、更に、
前記温度測定ステップの後に通電ステップを備え、
前記通電ステップは、
前記平面ヒータゾーンに接続された前記電力供給ラインと、前記電力供給部との間の接続、及び前記平面ヒータゾーンに接続された前記電力戻りラインと、前記電気的接地との間の接続を、前記持続時間ｔにわたって維持することを含む、方法。 - 請求項１２に記載の方法であって、更に、
前記平面ヒータゾーンのそれぞれに対して前記温度測定ステップ及び／又は前記通電ステップを繰り返す、方法。 - 請求項１１に記載の方法であって、更に、
前記平面ヒータゾーンに対して前記温度測定ステップを行う前に随意の放電ステップを備え、
前記放電ステップは、
前記平面ヒータゾーンに接続された前記ダイオードの接合キャパシタンスを放電するために、前記平面ヒータゾーンに接続された前記電力供給ラインを接地することを含む、方法。 - 請求項１１に記載の方法であって、更に、
平面ヒータゾーンに対して前記温度測定ステップを行う前に零点補正ステップを備え、
前記零点補正ステップは、
前記平面ヒータゾーンに接続された前記電力供給ラインを前記電流測定装置に接続し、
その他の全ての（１本以上の）電力供給ラインを前記電気的接地に接続し、
前記平面ヒータゾーンに接続された前記電力戻りラインを前記電気的接地に接続し、
その他の電力戻りラインのそれぞれを電気絶縁端子に接続し、
前記電流測定装置から電流読み取り値（零点電流）を取得する
方法。 - 請求項１５に記載の方法であって、
前記電流測定ステップは、更に、
前記平面ヒータゾーンの温度Ｔを算出する前に、前記逆飽和電流の電流読み取り値から前記零点電流を引き算することを含む、方法。 - 請求項６に記載のシステムにおいて前記ダイオードを較正する方法であって、
全ての電力供給ライン及び電力戻りラインを前記電流測定装置から切り離し、
前記オン−オフスイッチを閉じ、
前記較正ヒータによって、前記較正ダイオードを前記ダイオードの動作温度範囲内の温度に加熱し、
前記較正された温度計によって、前記較正ダイオードの温度を測定することと、
前記較正ダイオードの逆飽和電流を測定し、
Ａが前記ダイオードの接合部の面積、Ｔがケルビンで表わされた前記ダイオードの温度、γが定数、Ｅｇが接合部を構成している材料のエネルギギャップ（シリコンの場合はＥｇ＝１．１２ｅＶ）、ｋがボルツマン定数であるとしたときに、前記測定された温度及び前記測定された逆飽和電流Ｉｒに基づいて、各ダイオードについて
方法。 - 請求項１０に記載のプラズマエッチング装置において半導体基板を処理する方法であって、下記各ステップ
（ａ）前記基板サポートアセンブリ上で半導体基板を支え、
（ｂ）前記加熱板のなかの前記平面ヒータゾーンを前記システムによって通電することによって、前記加熱板全域にわたって所望の温度分布を形成し、
（ｃ）プロセスガスを活性化させてプラズマにし、
（ｄ）前記プラズマによって前記半導体基板をエッチングし、
（ｅ）前記プラズマによって前記半導体基板をエッチングする間、前記システムを使用して前記所望の温度分布を維持する、
を備える方法。 - 請求項１８に記載の方法であって、
ステップ（ｅ）において、前記システムは、前記加熱板のなかの各平面ヒータゾーンの温度を測定し、その測定された温度に基づいて各平面ヒータゾーンを通電することによって、前記所望の温度分布を維持する、方法。 - 請求項１９に記載の方法であって、
前記システムは、前記平面ヒータゾーンに直列に接続された前記ダイオードの逆飽和電流の電流読み取り値を得ることによって、各平面ヒータゾーンの温度を測定する、方法。
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