JP7105725B2 - 広範囲の動作温度を有するｐｅｃｖｄセラミックヒータ - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、概して、半導体処理チャンバに関し、より具体的には、半導体処理チャンバのための加熱された支持体ペデスタルに関する。

半導体処理は、多くの異なる化学的及び物理的プロセスを含み、よって極めて小さな集積回路が基板上で作り出される。集積回路を作り上げる材料の層は、化学気相堆積、物理気相堆積、エピタキシャル成長などを含む処理によって作り出される。材料の層には、フォトレジストマスク及び湿式又は乾燥エッチング技法を使用して、パターン形成されるものもある。集積回路を形成するために用いられる基板は、ケイ素、ガリウムヒ素、リン化インジウム、ガラス、又は他の適切な材料であり得る。

集積回路製作の際に、様々な材料層の堆積又はエッチングにプラズマ処理が使用されることが多い。プラズマ処理は、熱処理よりも利点が多い。例えば、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）により、堆積処理を、類似の熱処理で実現可能であるよりも低温かつ高堆積速度で行うことができる。ゆえに、ＰＥＣＶＤは、大規模又は超大規模集積回路（ＶＬＳＩ又はＵＬＳＩ）デバイス製造などの、厳しい熱収支を含む集積回路製造に有利である。

これらの処理で使用される処理チャンバは、典型的には、処理中に基板を支持するために内部に配置された基板支持体又はペデスタルを含む。いくつかの処理では、ペデスタルは、基板の温度を制御する及び／又は処理で使用され得る昇温を提供するように適合された埋め込みヒータを含み得る。基板処理中の基板の適切な温度制御及び均一の加熱は、特に集積回路のサイズが縮小するにつれ、非常に重要である。埋め込みヒータを含む従来の支持体は、基板上に堆積された膜の性質に影響を与える数多くの熱点及び冷点を有することが多い。

したがって、完全な処理サイクル中ずっと能動的温度制御を提供するペデスタルが必要とされる。

本発明の実施形態は、概して、半導体処理チャンバに関し、より具体的には、半導体処理チャンバのための加熱された支持体ペデスタルに関する。１つの実施形態では、ペデスタルは、基板を受け取るための支持体表面を含む基板支持体と、基板支持体内部にカプセル化された加熱素子と、第１の端及び第２の端を有し、第１の端が基板支持体に固定されている、第１の中空シャフトとを備える。基板支持体及び第１の中空シャフトは、セラミック材料から作られ、第１の中空シャフトは、第１の長さを有する。ペデスタルは、第１の中空シャフトの第２の端に連結された第２の中空シャフトを更に備える。第２の中空シャフトは、金属から作られ、シャフト内部に配置された冷却チャネルを有する。第２の中空シャフトは、第１の長さを約１．５倍から１０倍上回る第２の長さを有する。ペデスタルは、第１の中空シャフト及び第２の中空シャフト内部に配置されたＲＦロッドを更に備える。

別の実施形態では、半導体処理チャンバのためのペデスタルが開示される。ペデスタルは、基板を受け取るための支持体表面を含む基板支持体と、基板支持体内部にカプセル化された加熱素子と、基板支持体に固定された第１の中空シャフトであって、基板支持体及び第１の中空シャフトがセラミック材料から作られ、５０ｍｍから１００ｍｍまでの長さを有する第１の中空シャフトと、第１の中空シャフトに連結された第２の中空シャフトであって、金属から作られ、１５０ｍｍから５００ｍｍまでの長さを有する第２の中空シャフトと、第１の中空シャフト及び第２の中空シャフト内部に配置されたＲＦロッドとを備える。

別の実施形態では、プラズマ処理チャンバが開示される。プラズマ処理チャンバは、処理領域を含むチャンバ本体を備える。プラズマ処理チャンバは、処理領域に配置されたペデスタルであって、基板を受け取るための支持体表面を含む基板支持体と、基板支持体内部にカプセル化された加熱素子と、第１の端及び第２の端を有し、第１の端が基板支持体に固定されている、第１の中空シャフトとを備えるペデスタルを更に備える。基板支持体及び第１の中空シャフトは、セラミック材料から作られ、第１の中空シャフトは、約５０ｍｍから１００ｍｍまでの長さを有する。プラズマ処理チャンバは、第１の中空シャフトの第２の端に連結された第２の中空シャフトを更に備える。第２の中空シャフトは、金属から作られ、シャフト内部に配置された冷却チャネルを有する。第２の中空シャフトは、第１の中空シャフトの長さを上回る長さを有する。プラズマ処理チャンバは、第１の中空シャフト及び第２の中空シャフト内部に配置されたＲＦロッドを更に備える。

したがって、本発明の上述の特徴を詳細に理解できるように、先ほど簡単に要約した発明のより詳しい説明が、実施形態を参照することによって得られ、それらの実施形態の一部が添付図面に示されている。しかし、発明は他の等しく有効な実施形態も許容しうるため、添付の図面は、本発明の典型的な実施形態のみを示しており、ゆえに発明の範囲を限定していると見なすべきではないことに留意されたい。

１つの実施形態によるプラズマ処理チャンバの概略断面図である。 １つの実施形態によるペデスタルの概略断面図である。

理解を容易にするため、可能な場合には、図に共通する同一の要素を示すのに同一の参照番号を使用した。１つの実施形態で開示する要素は、具体的な記述がなくとも、他の実施形態で有益に利用できることが企図されている。

本発明の実施形態は、概して、半導体処理チャンバに関し、より具体的には、半導体処理チャンバのための加熱された支持体ペデスタルに関する。１つの実施形態では、ペデスタルは、基板を受け取るための支持体表面を含む基板支持体と、基板支持体内部にカプセル化された加熱素子と、第１の端及び第２の端を有し、第１の端が基板支持体に固定されている、第１の中空シャフトとを備える。基板支持体及び第１の中空シャフトは、セラミック材料から作られ、第１の中空シャフトは、約５０ｍｍから１００ｍｍまでの長さを有する。ペデスタルは、第１の中空シャフトの第２の端に連結された第２の中空シャフトを更に備える。第２の中空シャフトは、第１の中空シャフトの長さを上回る長さを有する。

図１は、本発明の１つの実施形態によるプラズマ処理チャンバ１００の概略断面図である。プラズマ処理チャンバ１００は、チャンバ本体１０２を含む。チャンバ本体１０２内部には、ガス源１１２からの処理ガスがシャワーヘッド１０４を通過して処理空間１１６に侵入できるようにするために、そのシャワーヘッドを通る複数の開口１０５を有するガス分配シャワーヘッド１０４が存在する。基板は、チャンバ本体１０２を通って形成されたスリットバルブ開口１０６を介して、チャンバ本体１０２に挿入され、チャンバ本体１０２から除去される。

ペデスタル１０７は、チャンバ本体１０２の中に配置される。ペデスタル１０７は、基板支持体１０８及びステム１２６を含む。基板をその上で支持するための支持体表面１０９を有する基板支持体１０８は、実質的に平坦であり得る。支持体表面１０９は、ガス分配シャワーヘッド１０４の下面１１１に面しており、ガス分配シャワーヘッド１０４に実質的に平行であり得る。基板支持体１０８は、処理されている基板の形状次第で、実質的に円形、長方形、正方形、又は他の形状であり得る。基板支持体１０８は、セラミック、又はチャンバ本体１０２の中のプラズマ環境に耐えることができる他の非電気的導電性材料から形成され得る。１つの実施形態では、基板支持体１０８は、窒化アルミニウム又は酸化アルミニウムから成る単一のモノリス構造であり得る。基板支持体は、ステム１２６の上に配置され、ステム１２６は、第１のシャフト１４２及び第２のシャフト１４４を含む（詳しくは以下に記載される）。

基板支持体１０８の下方には、排気プレナム１２０によって基板支持体１０８から間隔を空けたプレート１１０がある。スリーブ１２８がステム１２６とプレート１１０との間に配置され、間隙１３０がスリーブ１２８とステム１２６との間に形成される。パージガスが、パージガス源１２２から導入され、間隙１３０を通って排気プレナム１２０内へ流れ得る。パージガスが間隙１３０を通って流れる際に、第１のシャフト１４２と第２のシャフト１４４との間に配置された真空密閉Ｏリングなどの密閉構成要素が、ケミカルアタックから保護される。排気プレナム１２０の中のパージガスは、処理ガスと共に、プレート１１０に形成された開口１３２を通って底部プレナム１３４内に流れ、真空ポンプ１２４を通ってチャンバ本体１０２から流出し得る。１つの実施形態では、パージガスの流量は、約５ｓｃｃｍから約２００ｓｃｃｍである。

図２は、１つの実施形態によるペデスタル１０７の概略断面図である。図２に示されるように、基板支持体１０８は、第１のシャフト１４２に固定され、第１のシャフト１４２は、基板支持体１０８と反対の端部で、第２のシャフト１４４と連結される。基板支持体１０８は、基板支持体１０８とガス分配シャワーヘッド１０４との間でプラズマを発生させるためのＲＦ電極２０２を含む。ＲＦ電極２０２は、金属材料から形成され得、基板支持体１０８の中に埋め込まれ得る。基板支持体１０８はまた、支持体表面１０９に配置される基板を加熱するための加熱素子２０４を含み得る。１つの実施形態では、加熱素子２０４は、マルチゾーンヒータなどの複数の加熱素子を含む。動作中に、基板支持体１０８上に配置された基板の温度は、摂氏約１５０度から６５０度までとなり得る。より広い温度範囲にわたって基板の温度を能動的に制御する能力を提供するために、冷却チャネルを含む第２のシャフト１４４が、基板支持体１０８にできるだけ接近して設置される。加えて、第１のシャフト１４２及び第２のシャフト１４４を通した熱損失が増加し、冷却チャネル内の冷媒温度及び流量を変化させることによって制御可能である。

第１のシャフト１４２は、基板支持体１０８に固定されている第１の端２０６、及び第２のシャフト１４４に連結されている第２の端２０８を有する。第１のシャフト１４２は、窒化アルミニウム、炭化ケイ素又は酸化ケイ素などのセラミック材料から作られ得、基板支持体１０８と同一の材料から作られ得る。第１のシャフト１４２及び基板支持体１０８が窒化アルミニウムなどの同一材料から作られる場合、第１のシャフト１４２及び基板支持体１０８は、拡散結合の結果として強い結合を有し得る。基板支持体１０８と第２のシャフト１４４との距離を縮小するために、第１のシャフト１４２は、約５０ｍｍから約１００ｍｍの範囲にわたる長さ「Ｌ１」を有する。第１のシャフト１４２は、中空であり、ＲＦ電極２０２及び加熱素子２０４への電気配線を収容するための内部開口２１０を有する。

第２のシャフト１４４は、第１のシャフト１４２の第２の端２０８に連結される。第２のシャフト１４４は、第１のシャフト１４２の長さ「Ｌ１」を上回る長さ「Ｌ２」を有する。１つの実施形態では、長さ「Ｌ２」は、長さ「Ｌ１」を約３倍から５倍上回るなど、長さ「Ｌ１」を約１．５倍から１０倍上回る。１つの実施形態では、第２のシャフト１４４は、約３００ｍｍなど、約１５０ｍｍから５００ｍｍの長さ「Ｌ２」を有する。第２のシャフト１４４は、第１のシャフト１４２の外径を上回る外径を有し得る。第２のシャフト１４４は、アルミニウムなどの金属から作られ得、内部に配置された冷却チャネル２１２を含む。冷却チャネル２１２は、第１のシャフト１４２と第２のシャフト１４４との間のインターフェースにできるだけ接近し得る、というのは、第１のシャフト１４２と第２のシャフト１４４との間に配置された真空密閉Ｏリングが、例えば、摂氏５００度を上回る、基板支持体１０８の昇温に耐えられないからである。チャネル２１２は、冷媒源２１４に結合される。第２のシャフト１４４のチャネル２１２内部を流れるように用いられる冷媒は、摂氏約１０度から８０度の範囲にわたる温度での水など、任意の適する冷媒であり得る。第２のシャフト１４４は、中空であり、ＲＦ電極２０２への電気配線を収容するための内部開口２１６を有する。

ＲＦ電極２０２は、第１のシャフト１４２の内部開口２１０及び第２のシャフト１４４の内部開口２１６に配置されたＲＦコネクタアセンブリ２１８に連結される。ＲＦコネクタアセンブリ２１８は、シャフト１４２、１４４を通って延び、マッチングネットワーク２２４を通ってＲＦ電源２２２に結合され得る。ＲＦ電源２２２は、マッチングネットワーク２２４を通って、処理チャンバ１００内部でプラズマを発生させるための処理チャンバ１００の中の一又は複数のチャンバ構成要素に結合され得る。ＲＦ電源２２２は、約１００ワットから約５０００ワットまでのＲＦ電力をＲＦ電極２０２及び一又は複数のチャンバ構成要素に供給可能である。

ＲＦコネクタアセンブリ２１８は、ＲＦ伝導ロッド２３０及びフレキシブルストラップ２３４を含む。ＲＦ伝導ロッド２３０は、中空であり得、約３ｍｍから約８ｍｍの直径を有し得る。通気孔２３２は、ＲＦ伝導ロッド２３０の中に形成され得る。ＲＦ伝導ロッド２３０は、一端がＲＦ電極２０２に、もう一端がフレキシブルストラップ２３４に直接連結される。フレキシブルストラップ２３４は、ＲＦ伝導ロッド２３０と第２のシャフト１４４の内面２４０との間に連結される。フレキシブルストラップ２３４は、ＲＦ電極２０２の端に向けられ装着され得、又はＲＦクランプ（図示されず）によってＲＦ電極２０２の端に装着され得る。第２のシャフト１４４は、マッチングネットワーク２２４に更に結合され得る。したがって、ＲＦ電極２０２は、ＲＦ接地され得るか、ＲＦ電源２２２によって、マッチングネットワーク２２４、第２のシャフト１４４、フレキシブルストラップ２３４、及びＲＦ伝導ロッド２３０を介してＲＦ電力供給が行われ得る。

加熱素子２０４は、第１のシャフト１４２の内部開口２１０の中に配置され、その内部開口２１０に沿って延びる端子ロッド２２８を介して電源２２６に結合され得る。端子ロッド２２８の一部は、図２に示されるように、第２のシャフト１４４の中に埋め込まれ得る。電源２２６は、加熱素子２０４に電力供給するためにＤＣ電圧を供給し得る。１つの実施形態では、電源２２６は、加熱素子２０４に約１００ワットから約４０００ワットの直流を供給可能であり得る。

加熱素子２０４は、ワイヤ全域に電圧を印加すると熱を発生させる電気抵抗器ワイヤなどの抵抗ヒータであり得る。例えば、加熱素子２０４は、基板支持体１０８の中心からエッジまで螺旋を形成するように同心円状に巻かれた、円筒形状の断面を有する金属ワイヤであり得る。適する金属ワイヤは、モリブデンワイヤ又はニクロムワイヤであり得る。

上記は本発明の実施形態を対象とするが、本発明の基本的な範囲から逸脱することなく、本発明の他の更なる実施形態を考案することもでき、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、
   基板を受け取るための支持体表面を含む基板支持体と、
   前記基板支持体内部に封入された加熱素子と、
   第１の端及び第２の端を有する第１の中空シャフトであって、前記第１の端が前記基板支持体に固定されており、前記基板支持体及び前記第１の中空シャフトがセラミック材料から作られ、前記第１の中空シャフトが第１の長さを有する、第１の中空シャフトと、
   前記第１の中空シャフトの前記第２の端に連結された第２の中空シャフトであって、金属から作られ、前記第１の中空シャフトと前記第２の中空シャフトとの間のインターフェースに近い前記第２の中空シャフト内部に配置された冷却チャネルを有しており、前記第１の長さを約１．５倍から１０倍上回る第２の長さを有する、第２の中空シャフトと、
   前記第１の中空シャフト及び前記第２の中空シャフト内部に配置されたＲＦ伝導ロッドと、
   を備え、
   前記冷却チャネル内の冷媒の温度又は流量の少なくとも一方は、前記基板の温度を能動的に制御するように変化させられる、
   ペデスタル。
2. 前記第１の中空シャフトは前記基板支持体と同一の材料から作られ、前記第１の長さは約５０ｍｍから１００ｍｍであり、前記第２の長さは前記第１の長さを約３倍から５倍上回る、請求項１に記載のペデスタル。
3. 前記第１の中空シャフトは窒化アルミニウムから作られている、請求項２に記載のペデスタル。
4. 前記第２の中空シャフトはアルミニウムから作られている、請求項３に記載のペデスタル。
5. 前記ＲＦ伝導ロッドは中空である、請求項１に記載のペデスタル。
6. 前記ＲＦ伝導ロッドは約３ｍｍから約８ｍｍの範囲の直径を有する、請求項５に記載のペデスタル。
7. 半導体処理チャンバのためのペデスタルであって、
   基板を受け取るための支持体表面を含む基板支持体と、
   前記基板支持体内部に封入された加熱素子と、
   前記基板支持体に固定された第１の中空シャフトであって、前記基板支持体及び前記第１の中空シャフトがセラミック材料から作られ、前記第１の中空シャフトが５０ｍｍから１００ｍｍまでの長さを有する、第１の中空シャフトと、
   前記第１の中空シャフトに連結された第２の中空シャフトであって、金属から作られ、１５０ｍｍから５００ｍｍまでの長さを有し、前記第１の中空シャフトと前記第２の中空シャフトとの間のインターフェースに近い前記第２の中空シャフト内部に配置された冷却チャネルを有する、第２の中空シャフトと、
   前記第１の中空シャフト及び前記第２の中空シャフト内部に配置されたＲＦロッドと、
   を備え、
   前記冷却チャネル内の冷媒の温度又は流量の少なくとも一方は、前記基板の温度を能動的に制御するように変化させられる、
   ペデスタル。
8. 前記第１の中空シャフトは前記基板支持体と同一の材料から作られている、請求項７に記載のペデスタル。
9. 前記第１の中空シャフトは窒化アルミニウムから作られている、請求項７に記載のペデスタル。
10. 前記第２の中空シャフトはアルミニウムから作られている、請求項９に記載のペデスタル。
11. プラズマ処理チャンバであって、
    処理領域を有するチャンバ本体と、
    前記処理領域に配置されたペデスタルであって、
    基板を受け取るための支持体表面を含む基板支持体と、
    前記基板支持体内部に封入された加熱素子と、
    第１の端及び第２の端を有する第１の中空シャフトであって、前記第１の端が前記基板支持体に固定されており、前記基板支持体及び前記第１の中空シャフトがセラミック材料から作られ、前記第１の中空シャフトが約５０ｍｍから１００ｍｍまでの長さを有する、第１の中空シャフトと、
    前記第１の中空シャフトの前記第２の端に連結された第２の中空シャフトであって、金属から作られ、前記第１の中空シャフトと前記第２の中空シャフトとの間のインターフェースに近い前記第２の中空シャフト内部に配置された冷却チャネルを有しており、前記第１の中空シャフトの長さを上回る長さを有する、第２の中空シャフトと、
    前記第１の中空シャフト及び前記第２の中空シャフト内部に配置されたＲＦロッドと
    を備えるペデスタルと、
    前記冷却チャネル内の冷媒の温度又は流量の少なくとも一方を変化させて、前記基板の温度を能動的に制御する冷媒供給手段と、
    を備えるチャンバ。
12. 前記第１の中空シャフトは窒化アルミニウムから作られている、請求項１１に記載のプラズマ処理チャンバ。
13. 前記第２の中空シャフトはアルミニウムから作られている、請求項１２に記載のプラズマ処理チャンバ。
14. 前記第２の中空シャフトの長さは約１５０ｍｍから約５００ｍｍの範囲である、請求項１１に記載のプラズマ処理チャンバ。
15. 前記ＲＦロッドは中空であり、約３ｍｍから約８ｍｍの範囲の直径を有する、請求項１１に記載のプラズマ処理チャンバ。

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