JP6538974B2 - 円筒異方性熱伝導率を備える複合デバイス - Google Patents

Description

本開示は、熱損失及び／又は他の変動を補償するために、動作中に加熱ターゲットに正確な温度プロファイルを伝達することが可能なヒータシステムを含む装置に関する。この装置は、半導体処理を含むがこれに限定されず、様々な用途に使用することができる。

このセクションの記述は、単に本開示に関連する背景情報を提供するのみであり、先行技術を構成しない場合がある。

例えば、チャック又はサセプタが、基板（又はウェハ）を保持し、処理中に基板に均一な温度プロファイルを提供するために使用される。この支持アセンブリは、埋め込まれた電極を備える静電チャックと、接着層を介して静電チャックに接合されたヒータプレートとを含むとしてもよい。ヒータは、例えば、エッチングされた薄片（foil）ヒータとすることができるヒータプレートに固定される。

このヒータアセンブリは、接着層を介して冷却プレートに接合される。基板は、静電チャック上に配置され、電極は、電圧源に接続され、静電力が生成され、基板を定位置に保持する。高周波（RF）又はマイクロ波電源は、支持アセンブリを取り囲むプラズマリアクタチャンバ内で静電チャックに結合されてもよい。したがって、ヒータは、プラズマ強化膜堆積又はエッチングを含む様々なチャンバ内プラズマ半導体処理ステップ中に基板上の温度を維持するのに必要な熱を提供する。

基板の処理の全フェーズにおいて、静電チャックの温度プロファイルは、エッチングされる基板内の処理変動を低減するために、厳密に制御されるとともに、総処理時間が短縮される。基板上の温度均一性を改善するためのデバイス及び方法は、半導体処理の分野において、他の用途の中でも絶えず求められている。

概要

本開示のある形態において、プロセスチャンバ内で基板を支持し、基板の表面温度を調節する装置が提供される。この装置は、基板を支持するように適用される表面を含むベース支持部と、基板を加熱するためにベース支持部に近接して配置されたヒータとを備える。ベース支持部は、マトリックス内に埋め込まれた複数の熱伝導性弧状部材を含む複合材で作られる。複数の熱伝導性弧状部材のそれぞれは、同心状に配置され、半径方向に所定の間隔を定め、その結果、複合材は、ベース支持部の円筒座標系における半径（ρ）方向、周（φ）方向及び軸（z）方向に異方性熱伝導率を提供する。熱伝導部材は、周方向の熱伝導率が半径方向又は軸方向よりも高くなるように配置されてもよい。ある形態において、ヒータは層状ヒータである。

熱伝導性弧状部材は、連続するリングを定めてもよい。弧状部材は、また、ゾーン内に配置された対称的なセグメントを定めてもよい。弧状部材は、同じ又は異なる材料から製造されてもよく、類似の又は異なる長さを持つとしてもよい。弧状部材は、また、変化する幅を示すか、又は、変化するトレース形状を定めてもよく、及び／又は、例えば様々な形状のポリゴン又は不連続セグメントのような弧以外の形状で提供されてもよい。

本開示の別の態様によれば、マトリックスは、限定されないが、ポリイミド材であってもよい。このポリイミド材は、ポリ−オキシジフェニレン−ピロメリットイミド（poly-oxydiphenylene-pyromellitimide）材であってもよいが、これに限定されない。

本開示のさらに別の態様によれば、熱伝導性部材はグラファイトファイバーである。ベース支持部の約１０重量％がグラファイトファイバーを含む場合、半径方向及び軸方向のある形態のベース支持部の熱伝導率は、少なくとも０．４Ｗ／ｍＫである。ベース支持部の約８８重量％がグラファイトファイバーを含む場合、半径方向及び軸方向のある形態のベース支持部の熱伝導率は、６．０Ｗ／ｍＫ未満である。

あるいは、周方向のある形態のベース支持部の熱伝導率は、ベース支持部の約８重量％がグラファイトファイバーを含む場合、少なくとも８０Ｗ／ｍＫである。ベース支持部の約８０重量％がグラファイトファイバーを含む場合、周方向のある形態のベース支持部の熱伝導率は、９００Ｗ／ｍＫ未満である。

本開示の別の形態では、ターゲット部分に熱を供給する装置が提供される。この装置は、マトリックス内に埋め込まれた少なくとも１つの熱伝導性弧状部材を含む複合材で作られたベース支持部を備え、複合材は、ベース支持部の円筒座標系における半径（ρ）方向、周（φ）方向及び軸（z）方向に異方性熱伝導率を提供する。望ましい場合に、装置は、同心状に配置され、半径方向に所定の間隔を定める複数の熱伝導性弧状部材をさらに備えるとしてもよい。これらの弧状部材は、上述したように、及び、本明細書でさらに図示及び説明されるように、連続したリング又は他の構成を定めてもよい。

本開示のさらに別の形態では、ターゲット部分に熱を提供する方法が提供される。この方法は、複合材でできたベース支持部を提供し、隣接する構成要素を介してベース支持部に熱を加えることを含む。複合材は、マトリックス内に埋め込まれた複数の熱伝導性弧状部材を含み、複数の熱伝導性弧状部材の各々は、同心状に配置され、半径方向に所定の間隔を定める。複合材は、ベース支持部の円筒座標系において、半径（ρ）方向、周（φ）方向及び軸（z）方向に異方性熱伝導率を提供する。

適用性のさらなる領域は、本明細書で提供される説明から明らかになるであろう。説明及び特定の実施例は、例示のみを目的としており、本開示の範囲を限定するものではないことを理解されたい。

本開示が十分に理解されることができるように、添付の図面を参照しながら、例として与えられた様々な形態が本明細書で説明される。

図１は、本開示の教示にしたがって構成された装置の側断面図である。

図２Ａは、本発明の教示にしたがって構成され、マトリックス複合材内に埋め込まれた様々な形態の熱伝導性部材を示すベース支持部の平面図である。 図２Ｂは、本発明の教示にしたがって構成され、マトリックス複合材内に埋め込まれた様々な形態の熱伝導性部材を示すベース支持部の平面図である。 図２Ｃは、本発明の教示にしたがって構成され、マトリックス複合材内に埋め込まれた様々な形態の熱伝導性部材を示すベース支持部の平面図である。 図２Ｄは、本発明の教示にしたがって構成され、マトリックス複合材内に埋め込まれた様々な形態の熱伝導性部材を示すベース支持部の平面図である。

図３は、参照のために提供される円筒座標（p、φ、z）に関連する幾何学的空間のグラフ表示である。

図４は、本開示のある形態におけるグラファイトファイバー重量パーセントの関数としてプロットされた様々な方向におけるベース支持部によって示される熱伝導率を示す試験データのグラフである。

図５Ａは、マトリックス材のみを含む支持基材について測定された熱プロファイルの平面図である。

図５Ｂは、本開示の教示にしたがって調整された複合支持基材の熱プロファイルの平面図である。

図６は、本開示の教示にしたがって、ターゲット部分に熱を提供する方法の概略図である。

本明細書で記載された図面は、説明目的のみのためのものであり、決して本開示の範囲を限定するものではない。

詳細な説明

以下の説明は、事実上単に例示的なものであり、本開示、用途、又は、使用を限定するものではない。例えば、本開示の以下の形態は、半導体処理で使用するためのチャック用の支持アセンブリ、場合によっては静電チャック用の支持アセンブリに関する。しかしながら、本明細書で提供される支持アセンブリ及びシステムは、様々な用途に使用することができ、半導体処理用途に限定されないことを理解されたい。図面を通じて、対応する参照符号は、同様の又は対応する部分及び特徴を示すことが理解されるべきである。

図１を参照すると、処理チャンバ内で基板１０を支持し、基板１０の表面温度を調節するための装置２０が概ね提供される。装置２０は、基板１０を支持するために適用される表面２４を含むベース支持体２２と、基板１０を加熱するためにベース支持部２２に近接して配置されたヒータ２６とを含む。このようなヒータ及びこれらの材料のさらなる説明は、米国特許第7,196,295号及び係属中の米国特許出願番号11/475,534及び13/599,648に記載されており、これらは本出願と同一出願人であり、その開示はそれらの全体が参照により本明細書に組み込まれる。

ある形態では、ヒータは、層状ヒータでもよい。本明細書で使用されるように、層状ヒータは、層状プロセスによって形成された少なくとも１つの層を含むヒータとして定められる。言い換えれば、本明細書で使用する「層状ヒータ」という用語は、少なくとも１つの機能層（例えば、ボンドコート層、誘電体層、抵抗加熱層、保護層、オーバーコート層など）を備えるヒータを含むと解釈されるべきであり、この層は、厚層、薄層、溶射、又は、ゾル−ゲルなどに関連するプロセスを使用して、基材又は別の層に材料を塗布又は蓄積することによって形成される。これらのプロセスは、「積層（layered）プロセス」、「積層（layering）プロセス」又は「積層ヒータプロセス」とも呼ばれる。これらのタイプの層状ヒータの主な違いは、層が形成される方法にある。例えば、厚膜ヒータ用の層は、典型的には、スクリーン印刷、デカール塗布、又は、フィルム印刷ヘッドなどのプロセスを使用して形成される。薄膜ヒータ用の層は、典型的には、イオンプレーティングのような堆積プロセス、スパッタリング、化学蒸着（ＣＶＤ）、物理蒸着（ＰＶＤ）などを用いて形成される。薄膜技術及び厚膜技術とは異なる他の一連の処理は、溶射処理として知られており、例えば、フレーム溶射、プラズマ溶射、ワイヤアーク溶射、及び、ＨＶＯＦ（High Velocity Oxygen Fuel）などを含むとしてもよい。

図２Ａから図２Ｄを参照すると、ベース支持部２２は、マトリックス材３２内に埋め込まれた複数の熱伝導性弧状部材３０を備える複合材２８である。ある形態では、弧状部材３０は、図示されるように連続的なリングを定める。代替の形態における弧状部材３０は、図２Ｂ及び図２Ｃに示されるような、ゾーン内に配置された対称的なセグメントを定める。例えば、図２Ｂでは、弧状部材３０は、不連続の同心の円弧として示されており、不連続の同心の円弧は、異なるヒータゾーンを定めるように配置され、さらにゾーン間のクロストーク（連続する同心のリング／セグメントの間の望ましくない電流の伝達）を低減する。図２Ｃにおいて、弧状部材３０は、不連続の同心の円弧が半径方向に重なるように分布され、クロストークも低減する。これらの構成の各々は、熱伝導性弧状部材３０が取ることができる異なる形態の単なる例示に過ぎず、本開示の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。さらに、熱伝導性弧状部材３０は、本開示の代替形態における円弧形状に限定されない。他の幾何形状は、例として、楕円、Ｂ曲線（当技術分野ではベジエ曲線としても知られている）、線、スプライン、及びそれらの組み合わせを含むとしてもよい。したがって、本明細書に図示され説明された熱伝導性弧状部材３０の形状としての幾何学的円弧は、本開示の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。

さらに図２Ｂから図２Ｄを参照すると、熱伝導性弧状部材３０は、同じ又は異なる材料で作られてもよく、ベース支持部２２内で類似の又は異なる長さ３０ｃ，３０ｄを持つとしてもよい。熱伝導性弧状部材３０の各々は、また、変化する幅３０ａ，３０ｂを提示しってもよく、変化するトレース形状又は経路３０ｅ，３０ｆを定めてもよい。熱伝導性部材のこれらの形／幾何形状は単なる例示であり、本開示の範囲を限定するものと解釈されるべきではないことを理解されたい。

ある形態では、熱伝導性弧状部材３０は、グラファイトファイバーを含むが、本開示の範囲内に留まる限り、任意の熱伝導性材料を使用してもよい。このような材料は、例えば、導電性金属、導電性材料に被覆又は埋め込まれた非導電性材料を含むとしてもよく、例示的な形態では、一緒に織り合わされた又は接着された複数の繊維（フィラメント）又はより線（ストランド）を含むとしてもよい。これらの代替材料及びその形態は単なる例示であり、本開示の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。

マトリックス材３２は、ある形態において、ポリイミド材である。ポリイミド材は、限定されないが、ポリ−（４，４'−オキシジフェニレンピロメリトイミド）（poly-(4,4’-oxydiphenylene pyro-mellitimide)）、又は、カプトン（登録商標）（DuPont USA）のようなポリ−オキシジフェニレン ピロ−メリットイミド（poly-oxydiphenylene pyro-mellitimide）材でもよい。ポリイミド材は単なる例示であり、本開示の範囲内にある他のマトリックス材、例えばアルミニウムを使用することができることを理解されたい。そのような材料は、例として、ポリマー材料又はセラミック材料を含むとしてもよい。

本開示の教示によれば、図２Ａから図２Ｃに示すように、ある形態の弧状部材３０は、同心に配置され、半径方向において所定の間隔（Ｉ）を定め、これにより、複合材２８は、ベース支持部２２の円筒座標系における半径（ρ）方向、周（φ）方向及び軸（z）方向の異方性熱伝導率を提供する。好ましくは、熱伝導性弧状部材（３０）は、周（φ）方向の熱伝導率が半径（ρ）方向又は軸（z）方向よりも高くなるように配置されてもよい。さらに、間隔（Ｉ）は、ベース支持部２２にわたって一定又は同じである必要はなく、その代わりに、間隔（Ｉ）のサイズ又はスペースは、本開示の他の形態にしたがって変化してもよい。

図３には、円筒座標系における半径（ρ）方向、周（φ）方向及び軸（z）方向が参照のために示されている。 円筒座標系は、選択された基準軸からの距離、選択された基準方向に対する軸からの方向、及び、軸と垂直な選択された基準面からの距離により、点ｘの位置を指定する３次元座標系を表す。円筒座標系の点ｘは、図示されるように座標（ρ，φ，z）によって識別することができ、ρは半径座標、φは角座標又は方位角、zは高さ、縦軸又は軸座標である。

ある形態では、ベース支持部２２は、熱伝導性弧状部材２０を所望の形状又は幾何学的形状に整列又は配置することによって準備され、マトリックス材３６内に封入される。例えば、熱伝導性弧状部材３０は、マトリックス材の少なくとも１つの層上に配置され、次に少なくとも１つの別の層が熱伝導性弧状部材３０の上に配置され、複合材２８を形成する。

本開示に関連する利点をより完全に説明するために、カプトン（登録商標）ブランドのポリイミドマトリックス材を用いて、同心状に配置された熱伝導性弧状部材３０としてグラファイトファイバーを含むベース支持部２２を使用し、以下の例が提供される。上述のように、異なるパターンに成形され、代替組成物のマトリックス材内に封入された他の熱伝導性部材の組み込み及び使用は、本開示の範囲内にあると考えられる。

ここで図４を参照すると、ベース支持部２２によって周（φ）方向に提供される熱伝導率は、図２に示されるように、本開示のある形態における半径（ρ）方向又は軸（z）方向に提供される熱伝導率より大きい。より具体的には、ベース支持部２２の約１０重量％がグラファイトファイバーを含む場合、ベース支持部２２の半径方向及び軸方向の熱伝導率は、少なくとも０．４Ｗ／ｍＫである。ベース支持部２２の約８８重量％がグラファイトファイバーを含む場合、半径方向及び軸方向のベース支持部２２の熱伝導率は、６．０Ｗ／ｍＫ未満である。あるいは、ベース支持部２２の約８重量％がグラファイトファイバーを含む場合、周方向におけるベース支持部２２の熱伝導率は、少なくとも８０Ｗ／ｍＫである。ベース支持部２２の約９０重量％がグラファイトファイバーを含む場合、ベース支持部の周方向の熱伝導率は、９００Ｗ／ｍＫ未満である。これらの値は、本開示の原理を説明するための単なる例示であり、本開示の範囲を限定するものと解釈されるべきではないことを理解されたい。

図５Ａに示すように、装置を約６０℃のターゲット温度に加熱すると、カプトン（登録商標）材マトリックス（例えば、非熱伝導性部材）のみのベース支持部２２を組み込んだ装置について測定された熱分布が示される。熱分布は、より暗い/赤色の領域によって示されるように、複数のホットスポット（Ｈ）を表す。

これに対して、図５Ｂでは、カプトン（登録商標）材マトリックスに埋め込まれた同心状に整列したグラファイトファイバー（すなわち、熱伝導性弧状部材３０の一形態）の複合体を含む支持基材を組み込んだ装置に対する本開示によって提供される熱分布が示されている。熱伝導性部材によって提供される熱伝導率の増加は、図５Ａの装置と比較して支持基材が比較的均一な温度を示すことを可能にする。

本開示にしたがって調整された複合材を含む支持基材は、円筒座標系において半径方向、周方向、及び軸（z）方向に異方性熱伝導率を示す。言い換えれば、マトリックス材への伝導性ファイバーの組み込みは、半径方向、周方向及び軸方向にそって異なる熱伝導率を提供する。支持基材は、ウエハ堆積/エッチングチャンバ内で使用されるようなヒータ装置において利用される場合に、半径方向又は軸方向にそって温度プロファイルに著しい影響を及ぼすことなく、周の温度均一性を著しく改善する。

本開示の別の形態では、熱をターゲット部分に供給する装置が提供される。この装置は、マトリックス３２内に埋め込まれた少なくとも１つの熱伝導性弧状部材３０を含む複合材２８で作られたベース支持部２２を含み、複合材２８はベース支持部の半径方向、周方向及び軸方向に異方性熱伝導率を提供する。望ましくは、装置は、同心状に配置された、及び／又は、半径方向に所定の間隔を定める複数の熱伝導性弧状部材３０をさらに備えるとしてもよい。これらの弧状部材２０は、連続したリングを定めてもよい。

本開示のさらに別の形態では、ターゲット部分に熱を提供する方法１００が提供される。図６を参照すると、この方法１００は、１０５で、複合材製のベース支持部を提供し、１１０で、隣接する構成要素を介してベース支持部１１０に熱を加えることを含む。複合材は、マトリックス材内に埋め込まれた複数の熱伝導性部材を含み、複数の熱伝導性部材のそれぞれは、同心状に配置され、半径方向に所定の間隔を定める。複合材は、また、ベース支持部の半径方向、周方向、及び軸方向に異方性熱伝導率を提供してもよい。

本開示は、説明され例示された実施形態に限定されないことに留意されたい。多種多様な改変が記載されており、多くは当業者の知識の一部である。本開示および本出願の保護の範囲を逸脱することなく、これらの変更及びさらなる変更ならびに技術的均等物による任意の置換が、明細書及び図面に追加されてもよい。

Claims (16)

1. 処理チャンバ内で基板を支持し、前記基板の表面温度を調節する装置であって、
   前記基板を支持するために適用される表面を含むベース支持部と、
   前記ベース支持部に近接して配置され、前記基板を加熱するためのヒータと、
   を具備し、
   前記ベース支持部は、マトリックス内に埋め込まれた複数の熱伝導性弧状部材を含む複合材で作られており、前記複数の熱伝導性弧状部材は、同心状に配置され、前記ベース支持部の周方向（φ）における熱伝導率が前記ベース支持部の半径方向（ρ）における熱伝導率及び軸方向（z）における熱伝導率よりも高くなるように、及び、前記ヒータからの熱が前記ベース支持部の前記周方向にそって均等に分布するように、半径方向の間隔で所定の間隔を定め、
   前記複数の熱伝導性弧状部材は、前記ヒータの電気回路から分離され、前記ヒータからの熱伝導によって加熱される、
   装置。
2. 前記複数の熱伝導性弧状部材は、連続するリングを定める、請求項１の装置。
3. 前記複数の熱伝導性弧状部材は、ゾーン内に配置された対称的なセグメントを定める、請求項１の装置。
4. 前記複数の熱伝導性弧状部材は、異なる長さを定める、請求項１の装置。
5. 前記複数の熱伝導性弧状部材は、異なる材料を定める、請求項１の装置。
6. 前記複数の熱伝導性弧状部材のうちの少なくとも１つは、変化する幅を定める、請求項１の装置。
7. 前記複数の熱伝導性弧状部材のうちの少なくとも１つは、変化するトレース形状を定める、請求項１の装置。
8. 前記マトリックスは、ポリイミド材である、請求項１の装置。
9. 前記ポリイミド材は、ポリ−オキシジフェニレン−ピロメリットイミド材である、請求項８の装置。
10. 前記熱伝導性弧状部材は、グラファイトファイバーである、請求項１の装置。
11. 前記半径方向及び前記軸方向の前記ベース支持部の前記熱伝導率は、前記ベース支持部の約１０重量％が前記グラファイトファイバーを含む場合に、少なくとも０．４Ｗ／ｍＫである、請求項１０の装置。
12. 前記半径方向及び前記軸方向の前記ベース支持部の前記熱伝導率は、前記ベース支持部の約８８重量％が前記グラファイトファイバーを含む場合に、６．０Ｗ／ｍＫ未満である、請求項１０の装置。
13. 前記ベース支持部の約８重量％が前記グラファイトファイバーを含む場合、前記ベース支持部の前記周方向における熱伝導率は、少なくとも８０Ｗ／ｍＫである、請求項１０の装置。
14. 前記ベース支持部の約９０重量％が前記グラファイトファイバーを含む場合、前記ベース支持部の前記周方向における熱伝導率は、９００Ｗ／ｍＫ未満である、請求項１０の装置。
15. 前記ヒータは、層状ヒータである、請求項１の装置。
16. ターゲット部分に熱を提供する方法であって、
    マトリックス内に埋め込まれた複数の熱伝導性弧状部材を含む複合材で作られているベース支持部を提供し、前記複数の熱伝導性弧状部材は、同心状に配置され、前記ベース支持部の半径方向（ρ）の間隔で所定の間隔を定める、ことと、
    隣接する構成要素を介して前記ベース支持部に熱を加えることと、
    を具備し、
    前記ベース支持部の周方向（φ）における熱伝導率は、前記ベース支持部の前記半径方向（ρ）における熱伝導率及び前記ベース支持部の軸方向（z）における熱伝導率よりも高く、前記ベース支持部へ加えられる前記熱は、前記ベース支持部の前記周方向にそって均等に分布し、
    前記複数の熱伝導性弧状部材は、ヒータの電気回路から分離され、前記ヒータからの熱伝導によって加熱される、
    方法。
    

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