JPH0855905A - 改良されたウエハ温度均一性を有する静電チャック - Google Patents
改良されたウエハ温度均一性を有する静電チャックInfo
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- JPH0855905A JPH0855905A JP17641695A JP17641695A JPH0855905A JP H0855905 A JPH0855905 A JP H0855905A JP 17641695 A JP17641695 A JP 17641695A JP 17641695 A JP17641695 A JP 17641695A JP H0855905 A JPH0855905 A JP H0855905A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 静電チャック（ＥＳＣ）が、たとえば電子サ
イクロトロン共鳴化学気相成長法（ＥＣＲ−ＣＶＤ）リ
アクタ内などでの処理中に、ウエハまたはウエハ様ワー
クピースの表面の温度の均一性の向上と調節能力を提供
する。 【構成】 温度均一性は、ＥＳＣの表面の改良された溝
のパターンを介して達成され、これによって、ＥＳＣと
それによって保持されるウエハの間に、高真空であって
も不活性気体を含めることができる。ＥＳＣは、ＥＳＣ
の表面の残りの区域の表面粗さの選択によって、特定の
所望の温度範囲に適合される。その範囲内での調節能力
は、チャック面に対してウエハを保持する静電電圧の変
更によって達成される。
イクロトロン共鳴化学気相成長法（ＥＣＲ−ＣＶＤ）リ
アクタ内などでの処理中に、ウエハまたはウエハ様ワー
クピースの表面の温度の均一性の向上と調節能力を提供
する。 【構成】 温度均一性は、ＥＳＣの表面の改良された溝
のパターンを介して達成され、これによって、ＥＳＣと
それによって保持されるウエハの間に、高真空であって
も不活性気体を含めることができる。ＥＳＣは、ＥＳＣ
の表面の残りの区域の表面粗さの選択によって、特定の
所望の温度範囲に適合される。その範囲内での調節能力
は、チャック面に対してウエハを保持する静電電圧の変
更によって達成される。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、全般的には、たとえば
二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）の高品質薄膜の成膜に使用さ
れる電子サイクロトロン共鳴化学気相成長法（ＥＣＲ−
ＣＶＤ）リアクタなどで加工中に半導体ウエハを保持す
るのに使用される静電チャック（ＥＳＣ）に関し、具体
的には、そのような加工中に半導体ウエハからＥＳＣへ
の熱伝達を制御し、ウエハの熱均一性を改善するための
配置に関する。
二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）の高品質薄膜の成膜に使用さ
れる電子サイクロトロン共鳴化学気相成長法（ＥＣＲ−
ＣＶＤ）リアクタなどで加工中に半導体ウエハを保持す
るのに使用される静電チャック（ＥＳＣ）に関し、具体
的には、そのような加工中に半導体ウエハからＥＳＣへ
の熱伝達を制御し、ウエハの熱均一性を改善するための
配置に関する。
【０００２】
【従来の技術】マイクロエレクトロニクス製造業界に
は、さまざまな半導体製造ステップに関して、単一ウエ
ハ処理をめざす継続的な傾向がある。単一ウエハ・リア
クタの設計に固有の要件の１つが、加工中にウエハを邪
魔にならない形で固定すると同時に、ウエハの温度と、
ウエハの表面全体にわたる温度の均一性を制御する必要
があることである。シリコン・ウエハの温度と温度の均
一性を制御する能力は、さまざまな半導体加工技法にお
いて非常に重要である。というのは、加工には通常、冶
金学的または化学的な反応が含まれ、これがその加工が
実行される表面の温度に大きく左右されるからである。
は、さまざまな半導体製造ステップに関して、単一ウエ
ハ処理をめざす継続的な傾向がある。単一ウエハ・リア
クタの設計に固有の要件の１つが、加工中にウエハを邪
魔にならない形で固定すると同時に、ウエハの温度と、
ウエハの表面全体にわたる温度の均一性を制御する必要
があることである。シリコン・ウエハの温度と温度の均
一性を制御する能力は、さまざまな半導体加工技法にお
いて非常に重要である。というのは、加工には通常、冶
金学的または化学的な反応が含まれ、これがその加工が
実行される表面の温度に大きく左右されるからである。
【０００３】処理が行われるウエハの前面の一部に係合
する機械式ウエハ・クランプは、気体の流れに干渉し、
プラズマ分布を変化させ、ヒート・シンクとして作用す
るので、加工均一性の問題を引き起こす可能性がある。
正しく設計されていないならば、機械式ウエハ・クラン
プは、結果的にウエハを汚染する粒子の形成を引き起こ
し、リソグラフィ加工ならびに平面化加工のための焦点
合せおよび位置合せの結果的な複雑さをもたらすウエハ
のたわみに寄与する可能性もある。
する機械式ウエハ・クランプは、気体の流れに干渉し、
プラズマ分布を変化させ、ヒート・シンクとして作用す
るので、加工均一性の問題を引き起こす可能性がある。
正しく設計されていないならば、機械式ウエハ・クラン
プは、結果的にウエハを汚染する粒子の形成を引き起こ
し、リソグラフィ加工ならびに平面化加工のための焦点
合せおよび位置合せの結果的な複雑さをもたらすウエハ
のたわみに寄与する可能性もある。
【０００４】静電位を使用して加工中にウエハを定位置
に保持する静電チャック（ＥＳＣ）では、ウエハの後面
だけとの接触をもたらすことによって、ウエハの前面で
の気流との干渉やヒート・シンクの問題を回避できる。
したがって、静電クランプの使用は、前面機械式クラン
プに対する魅力的な代替案である。その結果、最近は、
上記の利点に加えて、機械式クランプや重力によるウエ
ハ位置決めよりたわみやウエハ前面の汚染の傾向を減ら
すこともできる静電チャックの使用にかなりの関心がよ
せられている（たとえば、ワードリィ（G.A. Wardl
y）、Rev. Sci. Instrum., 44, 1506 (1973)を参照され
たい）。
に保持する静電チャック（ＥＳＣ）では、ウエハの後面
だけとの接触をもたらすことによって、ウエハの前面で
の気流との干渉やヒート・シンクの問題を回避できる。
したがって、静電クランプの使用は、前面機械式クラン
プに対する魅力的な代替案である。その結果、最近は、
上記の利点に加えて、機械式クランプや重力によるウエ
ハ位置決めよりたわみやウエハ前面の汚染の傾向を減ら
すこともできる静電チャックの使用にかなりの関心がよ
せられている（たとえば、ワードリィ（G.A. Wardl
y）、Rev. Sci. Instrum., 44, 1506 (1973)を参照され
たい）。
【０００５】しかし、静電チャックもウエハの後面でヒ
ート・シンクを構成し、機械式チャックよりも程度は軽
いにせよ、ウエハの温度均一性をそこなう原因となる。
ウエハの全区域にわたる均質な薄膜加工を保証するため
には、ウエハ表面で実質的に均一のウエハ温度をもたら
し、維持しなければならない。薄膜堆積の速度、堆積さ
れる材料の物理特性、電気特性、光学特性および組成の
すべてが、堆積加工中のウエハの温度によって影響をう
ける可能性がある。同様に、エッチングの速度、エッチ
ングの選択性およびエッチングの異方性が、プラズマ・
エッチング中のウエハの温度によって影響をうける可能
性がある。
ート・シンクを構成し、機械式チャックよりも程度は軽
いにせよ、ウエハの温度均一性をそこなう原因となる。
ウエハの全区域にわたる均質な薄膜加工を保証するため
には、ウエハ表面で実質的に均一のウエハ温度をもたら
し、維持しなければならない。薄膜堆積の速度、堆積さ
れる材料の物理特性、電気特性、光学特性および組成の
すべてが、堆積加工中のウエハの温度によって影響をう
ける可能性がある。同様に、エッチングの速度、エッチ
ングの選択性およびエッチングの異方性が、プラズマ・
エッチング中のウエハの温度によって影響をうける可能
性がある。
【０００６】ウエハとウエハ・ホルダまたはウエハ・チ
ャックとの間の熱伝達の制御は、ウエハ・チャックのタ
イプに無関係に、低圧で動作しＲＦバイアスをウエハに
印加されるプラズマ・システムでは特に複雑である。熱
エネルギは、イオン衝撃によってウエハ表面に伝達さ
れ、チャックは、ウエハから大量の熱を除去する必要が
あると同時に、ウエハ表面で安定した均一の温度を維持
することが理想的である。米国特許第４２６１７６２号
明細書および米国特許第４６８００６１号明細書に記載
されたものなどのこれらのシステムでは、気体（通常は
Ｈｅ）をウエハとチャックの間に使用して、ウエハから
の熱の除去を制御する。半導体加工動作の多くが、極端
に低い圧力で実行されるので、ウエハとチャックの間の
気体の圧力は、適度な熱伝達をもたらすために、それよ
り高い圧力にしなければならないことがしばしばであ
る。このより高い圧力は、当然ながらウエハをチャック
から分離する傾向を有する。その結果、何らかのタイプ
のウエハ・クランプ（たとえば機械式や静電式）が必要
である。
ャックとの間の熱伝達の制御は、ウエハ・チャックのタ
イプに無関係に、低圧で動作しＲＦバイアスをウエハに
印加されるプラズマ・システムでは特に複雑である。熱
エネルギは、イオン衝撃によってウエハ表面に伝達さ
れ、チャックは、ウエハから大量の熱を除去する必要が
あると同時に、ウエハ表面で安定した均一の温度を維持
することが理想的である。米国特許第４２６１７６２号
明細書および米国特許第４６８００６１号明細書に記載
されたものなどのこれらのシステムでは、気体（通常は
Ｈｅ）をウエハとチャックの間に使用して、ウエハから
の熱の除去を制御する。半導体加工動作の多くが、極端
に低い圧力で実行されるので、ウエハとチャックの間の
気体の圧力は、適度な熱伝達をもたらすために、それよ
り高い圧力にしなければならないことがしばしばであ
る。このより高い圧力は、当然ながらウエハをチャック
から分離する傾向を有する。その結果、何らかのタイプ
のウエハ・クランプ（たとえば機械式や静電式）が必要
である。
【０００７】半導体加工の多くのタイプ、具体的にはプ
ラズマ加工の間に、ウエハ温度が、チャック温度よりか
なり高いことと、ウエハ／ＥＳＣ界面にまたがる熱抵抗
の制御が、ウエハ温度均一性の制御にクリティカルであ
ることがわかっている。具体的に言うと、半導体ウエハ
内の熱伝導（たとえばその厚さ方向の）とウエハ・チャ
ック本体内の熱伝導は、一般に挙動が確実であり、予測
可能である。しかし、半導体ウエハと機械式クランプ型
および静電型の両方のチャックとの間の界面は、非常に
予測が難しく、関連する多数の熱伝達機構に関するかな
りの度合の複雑さを伴うと思われていた。たとえば、上
で述べたヘリウムなどの不活性気体をチャックの表面の
円周溝を介して循環させることが一般的に実践されてい
るので、気体とチャック表面の両方の熱伝達係数を考慮
しなければならない。これらの熱伝達係数は、著しく異
なり、それぞれが大きく変動する可能性がある。さら
に、界面にまたがる熱伝達の相対的な寄与も、ウエハと
チャック表面の間の局所的および全体的な接触分数に伴
って変化する。
ラズマ加工の間に、ウエハ温度が、チャック温度よりか
なり高いことと、ウエハ／ＥＳＣ界面にまたがる熱抵抗
の制御が、ウエハ温度均一性の制御にクリティカルであ
ることがわかっている。具体的に言うと、半導体ウエハ
内の熱伝導（たとえばその厚さ方向の）とウエハ・チャ
ック本体内の熱伝導は、一般に挙動が確実であり、予測
可能である。しかし、半導体ウエハと機械式クランプ型
および静電型の両方のチャックとの間の界面は、非常に
予測が難しく、関連する多数の熱伝達機構に関するかな
りの度合の複雑さを伴うと思われていた。たとえば、上
で述べたヘリウムなどの不活性気体をチャックの表面の
円周溝を介して循環させることが一般的に実践されてい
るので、気体とチャック表面の両方の熱伝達係数を考慮
しなければならない。これらの熱伝達係数は、著しく異
なり、それぞれが大きく変動する可能性がある。さら
に、界面にまたがる熱伝達の相対的な寄与も、ウエハと
チャック表面の間の局所的および全体的な接触分数に伴
って変化する。
【０００８】チャックの表面に形成される溝のパターン
の設計は、これまでは、主に半径方向に対称のパターン
を用いた特定の接触率の達成に基づいていた。ウエハの
表面の小さい区域での温度の測定が困難なため、設計の
改良がかなり妨げられてきた。しかし、加工済みウエハ
の異なる位置の間で大きな加工の変動が検出され、ウエ
ハ面にまたがる温度均一性が、現在既知のタイプのチャ
ックによって保持されている時の半導体加工中に適切に
維持されていないことが推測される。さらに、温度制御
を実行したり温度均一性を改善するための便利な既知の
機構は、まだ見つかっていない。
の設計は、これまでは、主に半径方向に対称のパターン
を用いた特定の接触率の達成に基づいていた。ウエハの
表面の小さい区域での温度の測定が困難なため、設計の
改良がかなり妨げられてきた。しかし、加工済みウエハ
の異なる位置の間で大きな加工の変動が検出され、ウエ
ハ面にまたがる温度均一性が、現在既知のタイプのチャ
ックによって保持されている時の半導体加工中に適切に
維持されていないことが推測される。さらに、温度制御
を実行したり温度均一性を改善するための便利な既知の
機構は、まだ見つかっていない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、ウエ
ハ表面での温度均一性を高める静電チャックを提供する
ことである。
ハ表面での温度均一性を高める静電チャックを提供する
ことである。
【００１０】本発明のもう１つの目的は、半導体加工中
にかなりの範囲にわたるウエハ温度の制御を可能にする
静電チャックを提供することである。
にかなりの範囲にわたるウエハ温度の制御を可能にする
静電チャックを提供することである。
【００１１】本発明のもう１つの目的は、特定のウエハ
温度範囲に関して最適化された、複数の静電チャック表
面設計を提供することである。
温度範囲に関して最適化された、複数の静電チャック表
面設計を提供することである。
【００１２】本発明のもう１つの目的は、ウエハ表面に
またがるウエハ表面温度の実質的な均一性を維持しつ
つ、ウエハ表面温度の粗制御と微制御を独立に可能にす
る、静電チャックを提供することである。
またがるウエハ表面温度の実質的な均一性を維持しつ
つ、ウエハ表面温度の粗制御と微制御を独立に可能にす
る、静電チャックを提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、ウエハ
が維持される温度範囲が、ＥＳＣの表面の特定の範囲の
表面粗さを提供することによって決定される。ウエハの
全体的な温度は、ＥＳＣクランプ電圧（ＶESC）の値を
変更することによって大きく調節でき、この温度は、ウ
エハとチャックの間の気体（通常はＨｅ）の圧力
（ＰHe）の値を調節することによって微調整できる。所
与の熱伝達係数ｈc（シリコン・ウエハとＥＳＣの間の
物理的接触に起因する）とｈg（気体Ｈｅの存在に起因
する）に対するウエハ表面にわたる温度分布は、ＥＳＣ
の表面パターンによって決定され、高い度合の温度均一
性をもたらす新規のチャック・パターンが提供される。
が維持される温度範囲が、ＥＳＣの表面の特定の範囲の
表面粗さを提供することによって決定される。ウエハの
全体的な温度は、ＥＳＣクランプ電圧（ＶESC）の値を
変更することによって大きく調節でき、この温度は、ウ
エハとチャックの間の気体（通常はＨｅ）の圧力
（ＰHe）の値を調節することによって微調整できる。所
与の熱伝達係数ｈc（シリコン・ウエハとＥＳＣの間の
物理的接触に起因する）とｈg（気体Ｈｅの存在に起因
する）に対するウエハ表面にわたる温度分布は、ＥＳＣ
の表面パターンによって決定され、高い度合の温度均一
性をもたらす新規のチャック・パターンが提供される。
【００１４】したがって、前述その他の本発明の目標を
達成するために、ウエハと接触するための静電チャック
の前面上の誘電層であって、公称表面粗さと、静圧でそ
の中に配置できる気体の平均自由行程より相対的に短い
深さまで形成された溝のパターンとを有し、溝のパター
ンが、ウエハ表面に沿ったプラズマ密度のプロフィルに
従って決定される実質的に一定の公称接触面積分数また
は有効接触面積分数と、一定の公称接触面積分数より大
きいもう１つの公称接触面積分数を有する外側の環状領
域とを有する、前記誘電層と、前記静電チャックから熱
を除去するため誘電層と熱的に通じている冷却板と、前
記静電チャックの前面に対するウエハの静電引力を発生
するための電極とを含む、加工中の半導体ウエハを保持
するための静電チャックが提供される。
達成するために、ウエハと接触するための静電チャック
の前面上の誘電層であって、公称表面粗さと、静圧でそ
の中に配置できる気体の平均自由行程より相対的に短い
深さまで形成された溝のパターンとを有し、溝のパター
ンが、ウエハ表面に沿ったプラズマ密度のプロフィルに
従って決定される実質的に一定の公称接触面積分数また
は有効接触面積分数と、一定の公称接触面積分数より大
きいもう１つの公称接触面積分数を有する外側の環状領
域とを有する、前記誘電層と、前記静電チャックから熱
を除去するため誘電層と熱的に通じている冷却板と、前
記静電チャックの前面に対するウエハの静電引力を発生
するための電極とを含む、加工中の半導体ウエハを保持
するための静電チャックが提供される。
【００１５】本発明のもう１つの態様によれば、静電引
力によってウエハ様ワークピースを保持するための静電
チャック・システムであって、ワークピースを支持する
誘電層を含み、ワークピースと機械的に接触する頂面を
有し、前記頂面が、そこに含まれる気体の分子の平均自
由行程と比較して小さい公称溝深さを有する１組の気体
分配溝と、その外周にある環状のリムとを有し、気体分
配溝に接続された、気体分配溝内の気体圧力を維持する
ための気体供給手段と、誘電層の下に配置され、電極お
よび前記ワークピースに電圧を印加するために電圧供給
手段に接続された前記電極とを含み、気体分配溝の組
が、環状リム内の共通接触面を有する接触パッドの組を
形成し、気体圧力が、気体が公称溝深さと比較して大き
い平均自由行程を有するような圧力であり、誘電層が、
加工中の所期のウエハ温度に従って決定される表面粗さ
を有することを特徴とする、前記静電チャック・システ
ムが提供される。
力によってウエハ様ワークピースを保持するための静電
チャック・システムであって、ワークピースを支持する
誘電層を含み、ワークピースと機械的に接触する頂面を
有し、前記頂面が、そこに含まれる気体の分子の平均自
由行程と比較して小さい公称溝深さを有する１組の気体
分配溝と、その外周にある環状のリムとを有し、気体分
配溝に接続された、気体分配溝内の気体圧力を維持する
ための気体供給手段と、誘電層の下に配置され、電極お
よび前記ワークピースに電圧を印加するために電圧供給
手段に接続された前記電極とを含み、気体分配溝の組
が、環状リム内の共通接触面を有する接触パッドの組を
形成し、気体圧力が、気体が公称溝深さと比較して大き
い平均自由行程を有するような圧力であり、誘電層が、
加工中の所期のウエハ温度に従って決定される表面粗さ
を有することを特徴とする、前記静電チャック・システ
ムが提供される。
【００１６】本発明のもう１つの態様によれば、半導体
ウエハの所望の公称温度に従って決定される、その表面
上の気体閉込め溝の間の公称接触面積分数と、公称表面
粗さとを有する静電チャックに半導体ウエハを取り付け
るステップと、静電クランプ電圧の調節によって前記半
導体ウエハの温度を調節するステップと、溝内の気体圧
力の調節によって半導体ウエハの温度を調節するステッ
プとを含む、半導体ウエハを加工する方法が提供され
る。
ウエハの所望の公称温度に従って決定される、その表面
上の気体閉込め溝の間の公称接触面積分数と、公称表面
粗さとを有する静電チャックに半導体ウエハを取り付け
るステップと、静電クランプ電圧の調節によって前記半
導体ウエハの温度を調節するステップと、溝内の気体圧
力の調節によって半導体ウエハの温度を調節するステッ
プとを含む、半導体ウエハを加工する方法が提供され
る。
【００１７】
【実施例】本発明の下記の説明では、ＥＳＣ性能のシミ
ュレーションとその実験検証に言及する。これらのシミ
ュレーションと実験は、電子サイクロトロン共鳴化学気
相成長法（ＥＣＲ−ＣＶＤ）リアクタを前提としてまた
はこれを使用して（Lam Research Corporation社が供給
する静電チャック（ラッシグ（S.H. Lassig）およびタ
ッカー（J.D. Tucker）著、"Intermetal Dielectric De
position by ECRCVD," Lam Research technical report
#TL-019, 1993を参照されたい）を使用して）行われ
た。というのは、このような加工中のウエハに入射する
エネルギとその結果のウエハ表面での温度変動が、ほと
んどの半導体加工動作で遭遇するもののうちで最大にな
るからである。高品質ＳｉＯ2の薄膜が、ラッシグ（Las
sig）他によて前に記述された（ラッシグ（S.H. Lassi
g）、オルソン（K.A. Olson）およびパトリック（W. Pa
trick）、Proceedings from the IEEE VLSI Multilevel
Interconnect Conference, 122 (1993)）直径２００ｍ
ｍ、両面、研摩Ｓｉウエハに堆積された。ＥＳＣは、タ
ングステン電極を埋め込まれたセラミック（Ａｌ2Ｏ3）
本体からなる。このチャックの静電特性は、ワタナベに
よって前に記述されている（ワタナベ（Watanabe）、キ
タバヤシ（T. Kitabayashi）およびナカヤマ（C. Nakay
ama）、Japan J. Appl. Phys., 33, 2145 (1992)参
照）。しかし、本発明の原理は、他の加工および半導体
加工装置に適用可能であることを理解されたい。また、
以下では、
ュレーションとその実験検証に言及する。これらのシミ
ュレーションと実験は、電子サイクロトロン共鳴化学気
相成長法（ＥＣＲ−ＣＶＤ）リアクタを前提としてまた
はこれを使用して（Lam Research Corporation社が供給
する静電チャック（ラッシグ（S.H. Lassig）およびタ
ッカー（J.D. Tucker）著、"Intermetal Dielectric De
position by ECRCVD," Lam Research technical report
#TL-019, 1993を参照されたい）を使用して）行われ
た。というのは、このような加工中のウエハに入射する
エネルギとその結果のウエハ表面での温度変動が、ほと
んどの半導体加工動作で遭遇するもののうちで最大にな
るからである。高品質ＳｉＯ2の薄膜が、ラッシグ（Las
sig）他によて前に記述された（ラッシグ（S.H. Lassi
g）、オルソン（K.A. Olson）およびパトリック（W. Pa
trick）、Proceedings from the IEEE VLSI Multilevel
Interconnect Conference, 122 (1993)）直径２００ｍ
ｍ、両面、研摩Ｓｉウエハに堆積された。ＥＳＣは、タ
ングステン電極を埋め込まれたセラミック（Ａｌ2Ｏ3）
本体からなる。このチャックの静電特性は、ワタナベに
よって前に記述されている（ワタナベ（Watanabe）、キ
タバヤシ（T. Kitabayashi）およびナカヤマ（C. Nakay
ama）、Japan J. Appl. Phys., 33, 2145 (1992)参
照）。しかし、本発明の原理は、他の加工および半導体
加工装置に適用可能であることを理解されたい。また、
以下では、
【数１】
【００１８】をハットａと呼称し、
【数２】
【００１９】をベクトルａと呼称する。
【００２０】ＥＣＲ−ＣＶＤ加工が実行されるリアクタ
の形態の例を、図１に断面図の形で示す。図１に含まれ
る詳細の水準では、静電チャックの図示が、既知の静電
チャックまたは本発明による静電チャックのいずれかを
表すことが可能であるから、図１のどの部分であって
も、本発明に関して従来技術であるとは認められないこ
とを理解されたい。また、本発明による静電チャック
は、粗温度調節と微細温度調節の両方を可能にする効果
をもたらし、実行される加工またはその加工に適したリ
アクタの詳細に無関係に、ウエハの表面に沿った温度均
一性の改善をもたらすことを理解されたい。
の形態の例を、図１に断面図の形で示す。図１に含まれ
る詳細の水準では、静電チャックの図示が、既知の静電
チャックまたは本発明による静電チャックのいずれかを
表すことが可能であるから、図１のどの部分であって
も、本発明に関して従来技術であるとは認められないこ
とを理解されたい。また、本発明による静電チャック
は、粗温度調節と微細温度調節の両方を可能にする効果
をもたらし、実行される加工またはその加工に適したリ
アクタの詳細に無関係に、ウエハの表面に沿った温度均
一性の改善をもたらすことを理解されたい。
【００２１】図１からわかるように、リアクタ１００に
は、主に、ハウジング内の磁場を調整するためのコイル
によって取り巻かれた、高真空に耐えることのできるハ
ウジング（ハウジング上部１１０およびハウジング下部
１３０）と、ハウジングに供給される反応物材料やエネ
ルギなど、ハウジング内の状態を制御するための他の装
置が含まれる。具体的に言うと、ハウジングは、ハウジ
ング下部１３０の上面に置かれる静電チャック１０上で
のウエハの位置決めを簡単にするために、ハウジング上
部１１０とハウジング下部１３０に分離可能であること
が好ましい。ハウジング下部１３０の上面の残りは、当
技術分野で周知であり、本発明の実施にとってクリティ
カルではない形で水冷されることが好ましい。
は、主に、ハウジング内の磁場を調整するためのコイル
によって取り巻かれた、高真空に耐えることのできるハ
ウジング（ハウジング上部１１０およびハウジング下部
１３０）と、ハウジングに供給される反応物材料やエネ
ルギなど、ハウジング内の状態を制御するための他の装
置が含まれる。具体的に言うと、ハウジングは、ハウジ
ング下部１３０の上面に置かれる静電チャック１０上で
のウエハの位置決めを簡単にするために、ハウジング上
部１１０とハウジング下部１３０に分離可能であること
が好ましい。ハウジング下部１３０の上面の残りは、当
技術分野で周知であり、本発明の実施にとってクリティ
カルではない形で水冷されることが好ましい。
【００２２】ハウジング上部１１０には、ハウジング上
部１１０とハウジング下部１３０の間に形成される反応
室の上部の幾何形状を決定するファンネル形の水冷部分
１２０が含まれる。この面の幾何形状も、本発明の実施
にとってクリティカルではなく、単にウエハ表面付近の
反応物を閉じこめるのに役立つだけである。水冷部分１
２０の中央には、プラズマ室があり、この中で、高レベ
ルのエネルギを反応室内の低圧気体に与え、これによっ
て気体をイオン化させる。これは、窓１５０を介してマ
イクロ波エネルギを供給することによって達成されるこ
とが好ましい。こうして生成されるプラズマの動力学
は、プラズマ室を囲むコイル１４０に電流を流すことに
よって生成される磁界によって制御される。当技術分野
で周知であり、本発明の実施にとってクリティカルでは
ない形で、この磁界が、プラズマを包含して電子束およ
びイオン束をプラズマ室の壁までに制限し、それへの材
料堆積を制限するように働く。同様の形で、ミラー・コ
イルおよびカスプ・コイル１６０によって生成された磁
場が、加工中にウエハが置かれる静電チャック１０の付
近にイオンを向けるように働く。反応物材料は、通路１
７０および１８０によってリアクタ内の適切な位置に導
入される。ウエハの温度は、温度プローブ１９０によっ
て監視されることが好ましく、温度プローブ１９０は、
静電チャック１０の半径のほぼ中央に置かれることが好
ましい。チャック用の静電バイアス（たとえば直流）、
ＲＦバイアス、冷却気体および冷却液も、図２、図３お
よび図４を参照して詳細に説明するように、ハウジング
下部１３０の後面から供給される。
部１１０とハウジング下部１３０の間に形成される反応
室の上部の幾何形状を決定するファンネル形の水冷部分
１２０が含まれる。この面の幾何形状も、本発明の実施
にとってクリティカルではなく、単にウエハ表面付近の
反応物を閉じこめるのに役立つだけである。水冷部分１
２０の中央には、プラズマ室があり、この中で、高レベ
ルのエネルギを反応室内の低圧気体に与え、これによっ
て気体をイオン化させる。これは、窓１５０を介してマ
イクロ波エネルギを供給することによって達成されるこ
とが好ましい。こうして生成されるプラズマの動力学
は、プラズマ室を囲むコイル１４０に電流を流すことに
よって生成される磁界によって制御される。当技術分野
で周知であり、本発明の実施にとってクリティカルでは
ない形で、この磁界が、プラズマを包含して電子束およ
びイオン束をプラズマ室の壁までに制限し、それへの材
料堆積を制限するように働く。同様の形で、ミラー・コ
イルおよびカスプ・コイル１６０によって生成された磁
場が、加工中にウエハが置かれる静電チャック１０の付
近にイオンを向けるように働く。反応物材料は、通路１
７０および１８０によってリアクタ内の適切な位置に導
入される。ウエハの温度は、温度プローブ１９０によっ
て監視されることが好ましく、温度プローブ１９０は、
静電チャック１０の半径のほぼ中央に置かれることが好
ましい。チャック用の静電バイアス（たとえば直流）、
ＲＦバイアス、冷却気体および冷却液も、図２、図３お
よび図４を参照して詳細に説明するように、ハウジング
下部１３０の後面から供給される。
【００２３】ウエハを伴う静電チャックの幾何形状を、
図２、図３および図４に詳細に示す。本発明は、静電チ
ャックの内部構造の詳細に依存せず、図２ないし図４の
どの部分も本発明に関して従来技術であると認められな
いことを理解されたい。図２ないし図４の図示は、原寸
どおりではなく、静電チャック全般の動作ならびに静電
チャックを使用する際に以前に遭遇した温度均一性と制
御の問題の説明を明瞭にする目的のものである。
図２、図３および図４に詳細に示す。本発明は、静電チ
ャックの内部構造の詳細に依存せず、図２ないし図４の
どの部分も本発明に関して従来技術であると認められな
いことを理解されたい。図２ないし図４の図示は、原寸
どおりではなく、静電チャック全般の動作ならびに静電
チャックを使用する際に以前に遭遇した温度均一性と制
御の問題の説明を明瞭にする目的のものである。
【００２４】図２に具体的に示されているように、静電
チャック１０には、その後ろまたは少なくともＥＳＣの
前面１４から適切な距離に置かれる、銅（熱伝導性の良
い他の材料を使用することも可能である）であることが
好ましい冷却板１２が含まれる。冷却板１２には、冷却
材入口１２'および冷却材出口１２"によって示されるよ
うに、水または他の冷却液を循環させることができるマ
ニホルドまたはチャンネルが含まれることが好ましい。
この水冷板は、７０℃に維持されることが好ましいが、
この温度は、特定の加工での熱除去の要件に応じて変更
できる。望むならば、ＥＳＣの前面１４付近の熱伝達構
造の動作に影響を与えずに、チャックの固定または操作
もしくは他の目的のために、冷却板１２の後ろに別の構
造を使用することができる。
チャック１０には、その後ろまたは少なくともＥＳＣの
前面１４から適切な距離に置かれる、銅（熱伝導性の良
い他の材料を使用することも可能である）であることが
好ましい冷却板１２が含まれる。冷却板１２には、冷却
材入口１２'および冷却材出口１２"によって示されるよ
うに、水または他の冷却液を循環させることができるマ
ニホルドまたはチャンネルが含まれることが好ましい。
この水冷板は、７０℃に維持されることが好ましいが、
この温度は、特定の加工での熱除去の要件に応じて変更
できる。望むならば、ＥＳＣの前面１４付近の熱伝達構
造の動作に影響を与えずに、チャックの固定または操作
もしくは他の目的のために、冷却板１２の後ろに別の構
造を使用することができる。
【００２５】ＥＳＣの前面１４は、ウエハ１８が静電チ
ャック１０の前面１４と接触している時に比較的一定の
圧力でウエハ１８の裏側に接触する気体の循環のために
溝１６（図４に示されるように、流体的に互いに通じて
いるものとすることができる）を設けられた誘電層から
形成されることが好ましい。気体は、１つまたは複数の
通路２０を介して溝１６に供給される。溝１６に供給さ
れる気体は、リアクタ室内で半導体加工が実行される圧
力より高い圧力であることがしばしばであり、通常は多
少の気体の漏れが発生し、静圧を維持するためには多少
の気体の流れが必要であることに留意されたい。この流
れも、ウエハおよびチャックからの熱伝達に貢献する可
能性があるが、これは通常はわずかである。所期の気体
流量に対して漏れが十分である場合、気体の出口を設け
る必要はない。しかし、所望の気体流量をサポートする
ために、出口として１つまたは複数の通路２０を設ける
ことも可能である。
ャック１０の前面１４と接触している時に比較的一定の
圧力でウエハ１８の裏側に接触する気体の循環のために
溝１６（図４に示されるように、流体的に互いに通じて
いるものとすることができる）を設けられた誘電層から
形成されることが好ましい。気体は、１つまたは複数の
通路２０を介して溝１６に供給される。溝１６に供給さ
れる気体は、リアクタ室内で半導体加工が実行される圧
力より高い圧力であることがしばしばであり、通常は多
少の気体の漏れが発生し、静圧を維持するためには多少
の気体の流れが必要であることに留意されたい。この流
れも、ウエハおよびチャックからの熱伝達に貢献する可
能性があるが、これは通常はわずかである。所期の気体
流量に対して漏れが十分である場合、気体の出口を設け
る必要はない。しかし、所望の気体流量をサポートする
ために、出口として１つまたは複数の通路２０を設ける
ことも可能である。
【００２６】静電チャック１０とウエハ１８の間に静電
引力を発生させるために、好ましくはタングステン（耐
熱性と熱膨張特性のため）から形成される電極を、溝１
６の底の下で前面１４にできる限り近くに設ける。理論
上、電極２２は、より浅い深さに設けることができ、溝
１６がそれを貫通して網目様のパターンを形成すること
ができる。しかし、そのような構造は、網目のすべての
部分への電気的な連続性を必要とし（これは溝と気流の
パターンを複雑にする可能性がある）、それと同時に電
極の面積が減少し、本発明の原理に従う接触面積比の減
少に従って、溝１６の下の位置まで電極深さを増加した
場合よりもウエハに印加される引力がより大きく低下す
る結果となるはずである。さらに、溝深さよりも浅い深
さに電極を配置すると、室洗浄中にタングステンが露出
され、ＥＳＣに損傷を与える機構がもたらされる結果と
なる可能性がある。本発明によるＥＳＣの構成の代替方
法として、より浅い電極位置を所望する場合には、タン
グステンまたはアルミニウムの厚い電極を設け、本発明
による溝が、電極厚さ未満の深さまで電極の面に直接切
り込むようにすることができる。この場合、ＥＳＣの前
面全体を、酸化アルミニウムなどの保護絶縁被服層によ
って覆うことができる。このＥＳＣ形成の代替方法で
は、リアクタ内の金属の故意でない露出が防止される。
引力を発生させるために、好ましくはタングステン（耐
熱性と熱膨張特性のため）から形成される電極を、溝１
６の底の下で前面１４にできる限り近くに設ける。理論
上、電極２２は、より浅い深さに設けることができ、溝
１６がそれを貫通して網目様のパターンを形成すること
ができる。しかし、そのような構造は、網目のすべての
部分への電気的な連続性を必要とし（これは溝と気流の
パターンを複雑にする可能性がある）、それと同時に電
極の面積が減少し、本発明の原理に従う接触面積比の減
少に従って、溝１６の下の位置まで電極深さを増加した
場合よりもウエハに印加される引力がより大きく低下す
る結果となるはずである。さらに、溝深さよりも浅い深
さに電極を配置すると、室洗浄中にタングステンが露出
され、ＥＳＣに損傷を与える機構がもたらされる結果と
なる可能性がある。本発明によるＥＳＣの構成の代替方
法として、より浅い電極位置を所望する場合には、タン
グステンまたはアルミニウムの厚い電極を設け、本発明
による溝が、電極厚さ未満の深さまで電極の面に直接切
り込むようにすることができる。この場合、ＥＳＣの前
面全体を、酸化アルミニウムなどの保護絶縁被服層によ
って覆うことができる。このＥＳＣ形成の代替方法で
は、リアクタ内の金属の故意でない露出が防止される。
【００２７】ＤＣバイアスと特定の半導体ウエハ加工動
作に必要な高周波バイアスとを電極２２に印加すること
によって、均一な静電位をウエハとＥＳＣの間に印加し
て、ウエハとチャックの間の引力をもたらす。静電位と
引力の減少が、ウエハの縁付近のオーバーハング領域２
４で発生する。実際には、ＥＳＣの直径は、堆積処理か
らＥＳＣ表面をシールドするために、ＣＶＤ応用例では
ウエハ直径よりわずかに小さくしなければならない。
作に必要な高周波バイアスとを電極２２に印加すること
によって、均一な静電位をウエハとＥＳＣの間に印加し
て、ウエハとチャックの間の引力をもたらす。静電位と
引力の減少が、ウエハの縁付近のオーバーハング領域２
４で発生する。実際には、ＥＳＣの直径は、堆積処理か
らＥＳＣ表面をシールドするために、ＣＶＤ応用例では
ウエハ直径よりわずかに小さくしなければならない。
【００２８】静電気によって引き出された引力の大きさ
は、本発明の実施にとってクリティカルではない。ただ
し、温度制御は、下で述べるようにこの引力によって達
成される。しかし、この引力は、特定の加工動作のため
にどのような半導体加工装置が使用される場合であって
も、溝１６内の静圧が周囲の半導体加工圧力よりわずか
に高い時に静電チャック１０の前面１４に対してウエハ
１８を移動不能にするのに十分な強さでなければならな
い。
は、本発明の実施にとってクリティカルではない。ただ
し、温度制御は、下で述べるようにこの引力によって達
成される。しかし、この引力は、特定の加工動作のため
にどのような半導体加工装置が使用される場合であって
も、溝１６内の静圧が周囲の半導体加工圧力よりわずか
に高い時に静電チャック１０の前面１４に対してウエハ
１８を移動不能にするのに十分な強さでなければならな
い。
【００２９】ＥＳＣの表面には、セラミックに溝を機械
加工することによってパターンが作成され、ＳｉとＥＳ
Ｃが密な接触を形成する「接触」領域１４'と、比較的
一定の静圧で気体を収容するためにＳｉウエハとＥＳＣ
が固定間隔を有する「溝付き」領域とが作成される。２
タイプの表面パターンを分析し、実験検証に使用した。
すなわち、図４に示される円周接点からなる基準「リン
グ」パターン・タイプと、図９および図１０に示される
本発明の好ましい実施例による小さい正方形の接点から
なるワッフル・パターン・タイプである。チャック内の
溝は、どちらのＥＳＣ表面パターンでも１３μｍの深さ
である。しかし、基準「リング」パターンでは、溝が、
約０．６ｃｍの幅であり、半径方向に約０．６６ｃｍの
接触領域によって分離されている。図９および図１０の
パターンでは、矩形接触パッドが、０．３ｃｍ幅であ
り、わずかに大きい幅を有する溝によって分離されてワ
ッフル・パターンを形成する。ＥＳＣの表面上の接触領
域の面積（たとえば接触分数）は、外側の接触領域を除
いて、各パターン・タイプの複数のチャックで２４％か
ら３８％の間で変更された。どちらのパターンでも、比
較的大きい円周接触領域をＥＳＣの縁に作って、ウエハ
のＥＳＣからオーバーハングする領域での温度を下げる
ために、熱除去の強化をもたらす。
加工することによってパターンが作成され、ＳｉとＥＳ
Ｃが密な接触を形成する「接触」領域１４'と、比較的
一定の静圧で気体を収容するためにＳｉウエハとＥＳＣ
が固定間隔を有する「溝付き」領域とが作成される。２
タイプの表面パターンを分析し、実験検証に使用した。
すなわち、図４に示される円周接点からなる基準「リン
グ」パターン・タイプと、図９および図１０に示される
本発明の好ましい実施例による小さい正方形の接点から
なるワッフル・パターン・タイプである。チャック内の
溝は、どちらのＥＳＣ表面パターンでも１３μｍの深さ
である。しかし、基準「リング」パターンでは、溝が、
約０．６ｃｍの幅であり、半径方向に約０．６６ｃｍの
接触領域によって分離されている。図９および図１０の
パターンでは、矩形接触パッドが、０．３ｃｍ幅であ
り、わずかに大きい幅を有する溝によって分離されてワ
ッフル・パターンを形成する。ＥＳＣの表面上の接触領
域の面積（たとえば接触分数）は、外側の接触領域を除
いて、各パターン・タイプの複数のチャックで２４％か
ら３８％の間で変更された。どちらのパターンでも、比
較的大きい円周接触領域をＥＳＣの縁に作って、ウエハ
のＥＳＣからオーバーハングする領域での温度を下げる
ために、熱除去の強化をもたらす。
【００３０】図３からわかるように、ＥＳＣ面の表面粗
さは、公称０．２μｍないし０．５μｍであり、本発明
人は、ウエハ温度が、公称接触面積分数（たとえば、前
面１４の面積から溝１６の面積を引き、チャック面の面
積で割った値または、接触領域１４'の面積を前面１４
の面積で割った値）を変更するのとほとんど同じ形で、
表面粗さに比例する（他の条件が同じである場合、粗さ
が大きいほど、ウエハ温度が高くなる）ことを発見し
た。参考のために、この表面粗さは、研摩Ｓｉの表面粗
さよりはるかに大きく、未研摩のＳｉウエハ（約０．３
μｍ）とほぼ同一である。したがって、公称表面粗さと
共に公称接触面積分数を変更することは、異なるウエハ
温度範囲で動作するためのチャック（たとえば、低い接
触面積分数を有するチャックは、所与の動作に関してよ
り高いウエハ温度をもたらす）を製造するための良い方
法であると判定された。すなわち、本発明によれば、公
称接触面積分数と公称表面粗さの両方の関数として接触
面積分数を選択することによって、所与の組の反応条件
に関する公称ウエハ温度が決定される。
さは、公称０．２μｍないし０．５μｍであり、本発明
人は、ウエハ温度が、公称接触面積分数（たとえば、前
面１４の面積から溝１６の面積を引き、チャック面の面
積で割った値または、接触領域１４'の面積を前面１４
の面積で割った値）を変更するのとほとんど同じ形で、
表面粗さに比例する（他の条件が同じである場合、粗さ
が大きいほど、ウエハ温度が高くなる）ことを発見し
た。参考のために、この表面粗さは、研摩Ｓｉの表面粗
さよりはるかに大きく、未研摩のＳｉウエハ（約０．３
μｍ）とほぼ同一である。したがって、公称表面粗さと
共に公称接触面積分数を変更することは、異なるウエハ
温度範囲で動作するためのチャック（たとえば、低い接
触面積分数を有するチャックは、所与の動作に関してよ
り高いウエハ温度をもたらす）を製造するための良い方
法であると判定された。すなわち、本発明によれば、公
称接触面積分数と公称表面粗さの両方の関数として接触
面積分数を選択することによって、所与の組の反応条件
に関する公称ウエハ温度が決定される。
【００３１】シミュレーション中でも上で述べた実際の
堆積でも、７Ｗ／ｃｍ2のＲＦパワー密度を、ウエハに
印加した。ＥＳＣとウエハの間のＨｅの圧力（ＰHe）と
ＥＳＣクランプ電圧（ＶESC）は、それぞれ０Ｔｏｒｒ
ないし１０Ｔｏｒｒと４００Ｖないし１０００Ｖの間で
変更された。これらの条件のさまざまな組合せの下で、
平均ウエハ温度は、１８０℃から４５０℃までに制御さ
れた。本明細書に記載の実験とシミュレーションに関し
て、ウエハ温度と温度均一性は、反応性混合気体の代わ
りにＡｒプラズマを用いて、堆積と同様の条件の下でリ
アクタを動作させながら判定された。定常状態ウエハ温
度は、ウエハ上の半径のほぼ中央の１位置で、ウエハの
下に置かれた光ファイバ赤外線検出器を使用してリアル
タイムで測定された。ウエハ温度均一性は、時間−温度
露光を用いて、薄膜の抵抗率の変化に依存するマッピン
グ技法を使用して判定された（理論的には、光学特性、
厚さなど、薄膜の他の測定可能特性を使用することがで
きる）。この技法では、０．２ｃｍまでの空間分解能で
温度が測定され、相対温度感度は±１℃未満、絶対精度
は±７℃である。
堆積でも、７Ｗ／ｃｍ2のＲＦパワー密度を、ウエハに
印加した。ＥＳＣとウエハの間のＨｅの圧力（ＰHe）と
ＥＳＣクランプ電圧（ＶESC）は、それぞれ０Ｔｏｒｒ
ないし１０Ｔｏｒｒと４００Ｖないし１０００Ｖの間で
変更された。これらの条件のさまざまな組合せの下で、
平均ウエハ温度は、１８０℃から４５０℃までに制御さ
れた。本明細書に記載の実験とシミュレーションに関し
て、ウエハ温度と温度均一性は、反応性混合気体の代わ
りにＡｒプラズマを用いて、堆積と同様の条件の下でリ
アクタを動作させながら判定された。定常状態ウエハ温
度は、ウエハ上の半径のほぼ中央の１位置で、ウエハの
下に置かれた光ファイバ赤外線検出器を使用してリアル
タイムで測定された。ウエハ温度均一性は、時間−温度
露光を用いて、薄膜の抵抗率の変化に依存するマッピン
グ技法を使用して判定された（理論的には、光学特性、
厚さなど、薄膜の他の測定可能特性を使用することがで
きる）。この技法では、０．２ｃｍまでの空間分解能で
温度が測定され、相対温度感度は±１℃未満、絶対精度
は±７℃である。
【００３２】これらの実験から、ＣＶＤ堆積中のウエハ
の温度は、１）ＥＳＣクランプ電圧ＶESC、２）ＥＳＣ
とウエハの間のＨｅの圧力ＰHe、３）ウエハの表面に入
射するイオン束Ｆi、４）ＥＳＣの裏側の温度ＴESC、
５）チャックの表面粗さおよび６）シリコン・ウエハの
頂面からＥＳＣの底までの熱転送の関数であることがわ
かった。ＳｉウエハとＥＳＣの熱伝導率は、ウエハとＥ
ＳＣの間の界面領域と比較してかなり高いので、大きな
温度勾配が、ウエハ−ＥＳＣ界面付近に発生する。
の温度は、１）ＥＳＣクランプ電圧ＶESC、２）ＥＳＣ
とウエハの間のＨｅの圧力ＰHe、３）ウエハの表面に入
射するイオン束Ｆi、４）ＥＳＣの裏側の温度ＴESC、
５）チャックの表面粗さおよび６）シリコン・ウエハの
頂面からＥＳＣの底までの熱転送の関数であることがわ
かった。ＳｉウエハとＥＳＣの熱伝導率は、ウエハとＥ
ＳＣの間の界面領域と比較してかなり高いので、大きな
温度勾配が、ウエハ−ＥＳＣ界面付近に発生する。
【００３３】これらの実験の結果の分析と、静電チャッ
クの性能のシミュレーション用の数学モデルの開発を、
これから説明する。すなわち、Ｈｅ圧力とＥＳＣ電圧を
変更することによって、チャックの接触面積分数によっ
て決定される公称温度の周囲で温度を変更することがで
きる。公称接触面積分数の変更は、粗さの修正よりも良
いことがわかった。というのは、公称接触面積分数は、
高い精度で制御することができ、所与の表面粗さに対す
るウエハとＥＳＣの間の接触の緊密さは、理論上、クラ
ンプ電圧の調節によって調節可能であり、したがって、
チャックに対するウエハのクランプ力の調節によって調
節可能であるからである。
クの性能のシミュレーション用の数学モデルの開発を、
これから説明する。すなわち、Ｈｅ圧力とＥＳＣ電圧を
変更することによって、チャックの接触面積分数によっ
て決定される公称温度の周囲で温度を変更することがで
きる。公称接触面積分数の変更は、粗さの修正よりも良
いことがわかった。というのは、公称接触面積分数は、
高い精度で制御することができ、所与の表面粗さに対す
るウエハとＥＳＣの間の接触の緊密さは、理論上、クラ
ンプ電圧の調節によって調節可能であり、したがって、
チャックに対するウエハのクランプ力の調節によって調
節可能であるからである。
【００３４】本発明に従って、ＥＳＣ上に置かれたＳｉ
ウエハの温度分布を予測する数値モデルが開発された。
このモデルからの結果によって、一旦ＥＳＣの熱係数が
決定されたならば、ウエハ温度均一性の測定値と予測値
の間で優秀な一致が得られることが示された。このウエ
ハ−ＥＳＣ界面の数値モデルの開発を、図５、図６、図
７および図８を参照して詳細に説明する。
ウエハの温度分布を予測する数値モデルが開発された。
このモデルからの結果によって、一旦ＥＳＣの熱係数が
決定されたならば、ウエハ温度均一性の測定値と予測値
の間で優秀な一致が得られることが示された。このウエ
ハ−ＥＳＣ界面の数値モデルの開発を、図５、図６、図
７および図８を参照して詳細に説明する。
【００３５】ウエハとＥＳＣの間の平均熱伝達係数ｈa
の値は、ＥＳＣクランプ電圧ＶESCとＨｅ供給圧力ＰHe
のさまざまな値について堆積様条件中に半径中央でウエ
ハの温度Ｔwを測定する（図１の温度プローブ１９０を
使用して）ことによって評価される。この測定温度が、
ウエハの平均温度を表すものと仮定する。ｈaの値は、
次式から得られる。
の値は、ＥＳＣクランプ電圧ＶESCとＨｅ供給圧力ＰHe
のさまざまな値について堆積様条件中に半径中央でウエ
ハの温度Ｔwを測定する（図１の温度プローブ１９０を
使用して）ことによって評価される。この測定温度が、
ウエハの平均温度を表すものと仮定する。ｈaの値は、
次式から得られる。
【数３】
【００３６】ここで、ＴESC＝８０℃はＥＳＣの温度で
あり、Ｆi＝５．７Ｗ／ｃｍ2（プラズマのＲＦパワー密
度の８０％として採用された）が、ウエハ表面に印加さ
れる熱流束である。この値は、ＲＦパワーの８０％がイ
オンに移されることを示すラングミュア・プローブ測定
と矛盾しない。ＥＳＣの温度の８０℃という値は、ＥＳ
Ｃ温度がウエハ／ＥＳＣ界面での小さな領域を除いて均
一であることを示す熱モデルからの結果と矛盾しない。
あり、Ｆi＝５．７Ｗ／ｃｍ2（プラズマのＲＦパワー密
度の８０％として採用された）が、ウエハ表面に印加さ
れる熱流束である。この値は、ＲＦパワーの８０％がイ
オンに移されることを示すラングミュア・プローブ測定
と矛盾しない。ＥＳＣの温度の８０℃という値は、ＥＳ
Ｃ温度がウエハ／ＥＳＣ界面での小さな領域を除いて均
一であることを示す熱モデルからの結果と矛盾しない。
【００３７】図５と図６は、０Ｔｏｒｒから１０Ｔｏｒ
ｒまでのＰHeの関数として、１０００Ｖまでのさまざま
な値のＶESCについて２つのＥＳＣから得られたｈaの値
を示す図である。図５と図６に示されているとおり、指
定されたＶESCについて、平均熱伝達係数ｈaは、ＰHeに
関して線形であることがわかる。この挙動は、平行板の
間隔が気体の平均自由行程に関して小さい限り、全熱伝
達が圧力に対して線形であるというクヌーセンの平行板
の間の熱伝導理論と矛盾しない。ＶESCの変更は、平均
熱伝達係数ｈaと気体圧力ＰHeの間の線形関係の相対的
に線形な垂直シフトを引き起こす。一定のＰHe＝５Ｔｏ
ｒｒおよびＶESC＝６００Ｖという典型的な動作条件の
場合、平均熱伝達係数ｈaは、約０．０２４Ｗ／ｃｍ2・
°Ｋであり、ウエハの温度は〜４００℃である。
ｒまでのＰHeの関数として、１０００Ｖまでのさまざま
な値のＶESCについて２つのＥＳＣから得られたｈaの値
を示す図である。図５と図６に示されているとおり、指
定されたＶESCについて、平均熱伝達係数ｈaは、ＰHeに
関して線形であることがわかる。この挙動は、平行板の
間隔が気体の平均自由行程に関して小さい限り、全熱伝
達が圧力に対して線形であるというクヌーセンの平行板
の間の熱伝導理論と矛盾しない。ＶESCの変更は、平均
熱伝達係数ｈaと気体圧力ＰHeの間の線形関係の相対的
に線形な垂直シフトを引き起こす。一定のＰHe＝５Ｔｏ
ｒｒおよびＶESC＝６００Ｖという典型的な動作条件の
場合、平均熱伝達係数ｈaは、約０．０２４Ｗ／ｃｍ2・
°Ｋであり、ウエハの温度は〜４００℃である。
【００３８】図５と図６を比較すればわかるように、表
面粗さはさまざまなＥＳＣの間（たとえばＥＳＣ−１と
ＥＳＣ−２）で異なる可能性があるので、ウエハからＥ
ＳＣへの熱伝達が変化する可能性があり、ＰHeとＶESC
について同一の動作条件でも異なるウエハ温度がもたら
されることも発見された。ＥＳＣの表面仕上げの制御に
問題がある場合、チャックごとにウエハ温度が変化する
ことになる。さらに、ウエハと緊密に接触しているＥＳ
Ｃ表面の面積分数（Ｘc）を変更すると、熱伝達特性も
変化し、Ｓｉウエハの温度が変化する。この効果の類似
性から、本発明人は、ＶESCの変更によって、ＥＳＣ
（所与の度合の表面粗さの）とウエハの研摩された後面
との間の接触の緊密さが変化するという理論を立てた。
この効果を考慮に入れた特定の理論にこだわる意志はな
いが、本発明人は、ウエハの表面粗さを超えるチャック
表面粗さと、チャック表面またはウエハの後面もしくは
その両方のある程度の局所的弾性との組合せによって、
潜在的にＶESCに比例する形で静電クランプ力の変化に
伴うある程度の有効接触分数の変更が可能であると考え
る。
面粗さはさまざまなＥＳＣの間（たとえばＥＳＣ−１と
ＥＳＣ−２）で異なる可能性があるので、ウエハからＥ
ＳＣへの熱伝達が変化する可能性があり、ＰHeとＶESC
について同一の動作条件でも異なるウエハ温度がもたら
されることも発見された。ＥＳＣの表面仕上げの制御に
問題がある場合、チャックごとにウエハ温度が変化する
ことになる。さらに、ウエハと緊密に接触しているＥＳ
Ｃ表面の面積分数（Ｘc）を変更すると、熱伝達特性も
変化し、Ｓｉウエハの温度が変化する。この効果の類似
性から、本発明人は、ＶESCの変更によって、ＥＳＣ
（所与の度合の表面粗さの）とウエハの研摩された後面
との間の接触の緊密さが変化するという理論を立てた。
この効果を考慮に入れた特定の理論にこだわる意志はな
いが、本発明人は、ウエハの表面粗さを超えるチャック
表面粗さと、チャック表面またはウエハの後面もしくは
その両方のある程度の局所的弾性との組合せによって、
潜在的にＶESCに比例する形で静電クランプ力の変化に
伴うある程度の有効接触分数の変更が可能であると考え
る。
【００３９】この効果を検証するために、図７に、ＥＳ
Ｃ−３、ＥＳＣ−４およびＥＳＣ−５と称する３つの異
なるＥＳＣチャックの、ＶESC＝８００Ｖで動作する時
のＨｅ圧力ＰHeの関数としてのｈcの測定値を示す。こ
れら３つのチャックは、すべてが同様の表面パターン幾
何形状を有し、同一の「接触」面積対「溝付き」面積の
分数を有する。チャックＥＳＣ−４およびＥＳＣ−５の
表面粗さは、ＥＳＣ−１の表面粗さに類似している。Ｅ
ＳＣ−３の表面は、他のどのチャックよりもかなり滑ら
かであり、したがって、最も高い値のｈaを有する。ｈa
の値は、ＰHeに関してほとんど線形であることがわか
る。高圧での線形性からのわずかな減少は、ＥＳＣから
ウエハを分離する傾向を有するヘリウム圧力と、これら
を引き付ける静電位の間の競合に起因するものと思われ
る。この効果は、特にチャックＥＳＣ−３に顕著であ
る。
Ｃ−３、ＥＳＣ−４およびＥＳＣ−５と称する３つの異
なるＥＳＣチャックの、ＶESC＝８００Ｖで動作する時
のＨｅ圧力ＰHeの関数としてのｈcの測定値を示す。こ
れら３つのチャックは、すべてが同様の表面パターン幾
何形状を有し、同一の「接触」面積対「溝付き」面積の
分数を有する。チャックＥＳＣ−４およびＥＳＣ−５の
表面粗さは、ＥＳＣ−１の表面粗さに類似している。Ｅ
ＳＣ−３の表面は、他のどのチャックよりもかなり滑ら
かであり、したがって、最も高い値のｈaを有する。ｈa
の値は、ＰHeに関してほとんど線形であることがわか
る。高圧での線形性からのわずかな減少は、ＥＳＣから
ウエハを分離する傾向を有するヘリウム圧力と、これら
を引き付ける静電位の間の競合に起因するものと思われ
る。この効果は、特にチャックＥＳＣ−３に顕著であ
る。
【００４０】ＥＳＣの表面仕上げの制御は、したがっ
て、チャックごとのウエハ温度変動を減らし、本発明を
実施する際に一貫した性能を得るのに重要であると思わ
れる。さらに、ウエハと緊密に接触するＥＳＣ表面の公
称接触面積分数の変更または、制御された形での表面粗
さの変更のいずれかによって、チャックの熱伝達特性が
変化し、ウエハの温度が変化する。
て、チャックごとのウエハ温度変動を減らし、本発明を
実施する際に一貫した性能を得るのに重要であると思わ
れる。さらに、ウエハと緊密に接触するＥＳＣ表面の公
称接触面積分数の変更または、制御された形での表面粗
さの変更のいずれかによって、チャックの熱伝達特性が
変化し、ウエハの温度が変化する。
【００４１】ウエハ−ＥＳＣ界面の数値モデルをさらに
開発するうえで、「接触」領域の接触面積分数と表面粗
さの平均熱伝達係数ｈaに対する影響をよりよく理解す
るためには、ｈaへの２つの寄与すなわち、１）Ｓｉウ
エハとＥＳＣの間の物理的接触に起因する熱伝達
（ｈc）と、２）気体Ｈｅの存在に起因する熱伝達
（ｈg）を検討することが有用である。ＰHe≦１０Ｔｏ
ｒｒで、溝の深さと、接触領域でのウエハとＥＳＣの間
の距離との両方が、Ｈｅの平均自由行程と溝の幅に対し
て小さい場合、ｈgに起因する熱伝達は、ＥＳＣの表面
に機械加工されたパターンの詳細に依存しない。したが
って、ｈaは、次式によって記述される。
開発するうえで、「接触」領域の接触面積分数と表面粗
さの平均熱伝達係数ｈaに対する影響をよりよく理解す
るためには、ｈaへの２つの寄与すなわち、１）Ｓｉウ
エハとＥＳＣの間の物理的接触に起因する熱伝達
（ｈc）と、２）気体Ｈｅの存在に起因する熱伝達
（ｈg）を検討することが有用である。ＰHe≦１０Ｔｏ
ｒｒで、溝の深さと、接触領域でのウエハとＥＳＣの間
の距離との両方が、Ｈｅの平均自由行程と溝の幅に対し
て小さい場合、ｈgに起因する熱伝達は、ＥＳＣの表面
に機械加工されたパターンの詳細に依存しない。したが
って、ｈaは、次式によって記述される。
【数４】ｈa＝Ｘcｈc＋ｈg （２） ここで、Ｘcは、ウエハと緊密に接触するＥＳＣの局所
化された面積分数である。ｈcの値は、ＶESC、ＰHeおよ
びＥＳＣの表面粗さの関数である。ｈgの値は、ＰHeと
気体自体（すなわち、気体アルゴンは、同じ圧力で異な
るｈgをもたらす）だけに依存する。
化された面積分数である。ｈcの値は、ＶESC、ＰHeおよ
びＥＳＣの表面粗さの関数である。ｈgの値は、ＰHeと
気体自体（すなわち、気体アルゴンは、同じ圧力で異な
るｈgをもたらす）だけに依存する。
【００４２】ＰHe＝０の時、熱伝達に対するＨｅの寄与
がなくなり、式（２）は、
がなくなり、式（２）は、
【数５】ｈa＝Ｘcｈc になる。Ｘcの値は既知であるから、ウエハとＥＳＣの
間に緊密な接触が存在する領域の熱伝達の値を得ること
ができる。所与のＶESCに対して、ｈcの値を、ＥＳＣの
熱伝達特性に対するＥＳＣ表面の表面粗さの影響の直接
の尺度として使用することができる。
間に緊密な接触が存在する領域の熱伝達の値を得ること
ができる。所与のＶESCに対して、ｈcの値を、ＥＳＣの
熱伝達特性に対するＥＳＣ表面の表面粗さの影響の直接
の尺度として使用することができる。
【００４３】図８に、図５、図６および図７に記載した
５つの異なるチャックのｈcの挙動を示す。ＥＳＣ−１
とＥＳＣ−２の場合、ｈcの値は、図５および図６のデ
ータを外挿してｙ切片値を得ることによって得られ、Ｅ
ＳＣ−３ないしＥＳＣ−５の場合、ＰHe＝０のｈcの値
を測定した。ｈcの値は、表面粗さが最大のＥＳＣ（Ｅ
ＳＣ−２）で最低であり、表面粗さが最低のＥＳＣ（Ｅ
ＳＣ−３）で最大である。ｈcの値は、ＶESCの値の増加
に伴って単調に増加することがわかったが、これは、ウ
エハとＥＳＣの間の接触の緊密さの増加（たとえば、お
そらくはウエハまたはＥＳＣの弾性変形による、接触面
積分数の効果的な調節など）に起因するものと思われ
る。ｈcの値は、ＶESCの値よりもＥＳＣの表面粗さに多
少強く依存する。たとえば、ＶESC＝８００Ｖの場合、
ｈcの値は、チャックの表面粗さを変更することによっ
て０．０５４Ｗ／ｃｍ2・°Ｋから０．１１Ｗ／ｃｍ2・
°Ｋまで、２倍の倍率で変更できるが、ＶESCを５００
Ｖから１０００Ｖに増加した時には、ｈcの値は、０．
０４７Ｗ／ｃｍ2・°Ｋから０．０７９Ｗ／ｃｍ2・Ｋま
で、１．６倍の倍率でしか増加しない。上で述べたよう
に、ＥＳＣの溝パターンの所与の公称接触面積分数に対
して所与の半導体加工動作で公称ウエハ温度範囲を確立
するのにチャック表面粗さの制御が望ましいのは、この
理由のためである。
５つの異なるチャックのｈcの挙動を示す。ＥＳＣ−１
とＥＳＣ−２の場合、ｈcの値は、図５および図６のデ
ータを外挿してｙ切片値を得ることによって得られ、Ｅ
ＳＣ−３ないしＥＳＣ−５の場合、ＰHe＝０のｈcの値
を測定した。ｈcの値は、表面粗さが最大のＥＳＣ（Ｅ
ＳＣ−２）で最低であり、表面粗さが最低のＥＳＣ（Ｅ
ＳＣ−３）で最大である。ｈcの値は、ＶESCの値の増加
に伴って単調に増加することがわかったが、これは、ウ
エハとＥＳＣの間の接触の緊密さの増加（たとえば、お
そらくはウエハまたはＥＳＣの弾性変形による、接触面
積分数の効果的な調節など）に起因するものと思われ
る。ｈcの値は、ＶESCの値よりもＥＳＣの表面粗さに多
少強く依存する。たとえば、ＶESC＝８００Ｖの場合、
ｈcの値は、チャックの表面粗さを変更することによっ
て０．０５４Ｗ／ｃｍ2・°Ｋから０．１１Ｗ／ｃｍ2・
°Ｋまで、２倍の倍率で変更できるが、ＶESCを５００
Ｖから１０００Ｖに増加した時には、ｈcの値は、０．
０４７Ｗ／ｃｍ2・°Ｋから０．０７９Ｗ／ｃｍ2・Ｋま
で、１．６倍の倍率でしか増加しない。上で述べたよう
に、ＥＳＣの溝パターンの所与の公称接触面積分数に対
して所与の半導体加工動作で公称ウエハ温度範囲を確立
するのにチャック表面粗さの制御が望ましいのは、この
理由のためである。
【００４４】ｈaとｈcの値がわかったならば、Ｈｅの存
在に起因する熱伝達係数ｈgを、式（２）から得ること
ができる。図９に、ＥＳＣ−１とＥＳＣ−２に関する、
ＰHeの関数としてのｈ gの計算値を示す。ｈgの値は、Ｖ
ESCの３つの値のすべて（たとえば５００Ｖ、７００
Ｖ、９００Ｖ）についてプロットされている。これは、
ＶESCの関数としてのｈgの変動が認められないからであ
る。図１０に、ＥＳＣ−３ないしＥＳＣ−５について
の、ＶESC＝８００ＶでのＰHeの関数としてのｈgの値を
示す。ＰHe＝５Ｔｏｒｒでは、３倍のｈgの変動が、異
なるチャックの間で観察された（図９および図１０）。
この変動は、ＰHe＝０でｈaを得る際の不正確さに起因
するものと思われる。というのは、０圧力条件は理想で
あり、現実には接近することしかできないからである。
図９および図１０の両方のデータから、予想通りＰHeに
対するｈgのほぼ線形の依存性が示される。ＥＳＣ−１
についてＰHe＝１０Ｔｏｒｒでの図８および図９の結果
を比較すると、ｈgの値は０．０２３Ｗ／ｃｍ・Ｋであ
り、これは、緊密な接触に起因する寄与であるｈcより
〜２０倍小さい。したがって、「接触」領域の寸法と粗
さの適切な選択が、正しいウエハ温度を得るためにクリ
ティカルである。
在に起因する熱伝達係数ｈgを、式（２）から得ること
ができる。図９に、ＥＳＣ−１とＥＳＣ−２に関する、
ＰHeの関数としてのｈ gの計算値を示す。ｈgの値は、Ｖ
ESCの３つの値のすべて（たとえば５００Ｖ、７００
Ｖ、９００Ｖ）についてプロットされている。これは、
ＶESCの関数としてのｈgの変動が認められないからであ
る。図１０に、ＥＳＣ−３ないしＥＳＣ−５について
の、ＶESC＝８００ＶでのＰHeの関数としてのｈgの値を
示す。ＰHe＝５Ｔｏｒｒでは、３倍のｈgの変動が、異
なるチャックの間で観察された（図９および図１０）。
この変動は、ＰHe＝０でｈaを得る際の不正確さに起因
するものと思われる。というのは、０圧力条件は理想で
あり、現実には接近することしかできないからである。
図９および図１０の両方のデータから、予想通りＰHeに
対するｈgのほぼ線形の依存性が示される。ＥＳＣ−１
についてＰHe＝１０Ｔｏｒｒでの図８および図９の結果
を比較すると、ｈgの値は０．０２３Ｗ／ｃｍ・Ｋであ
り、これは、緊密な接触に起因する寄与であるｈcより
〜２０倍小さい。したがって、「接触」領域の寸法と粗
さの適切な選択が、正しいウエハ温度を得るためにクリ
ティカルである。
【００４５】上の観察から、異なる表面パターンを有す
るＥＳＣに置かれたウエハの表面の温度を計算するため
の数値モデルを開発した。２次元方位対称シミュレーシ
ョンを使用して、円周ＥＳＣ表面パターンからもたらさ
れるウエハ温度をモデル化し、３次元シミュレーション
を使用して、ワッフル・パターンをモデル化する。この
モデル・システムは、上で述べたように開発された３つ
の層すなわち、Ｓｉウエハ、ＥＳＣおよび、ＥＳＣから
ウエハを分離する界面層からなる。界面層は、ウエハと
ＥＳＣの間の接触領域を表し、これには、ＥＳＣ上の表
面パターンの幾何形状の詳細が含まれる。
るＥＳＣに置かれたウエハの表面の温度を計算するため
の数値モデルを開発した。２次元方位対称シミュレーシ
ョンを使用して、円周ＥＳＣ表面パターンからもたらさ
れるウエハ温度をモデル化し、３次元シミュレーション
を使用して、ワッフル・パターンをモデル化する。この
モデル・システムは、上で述べたように開発された３つ
の層すなわち、Ｓｉウエハ、ＥＳＣおよび、ＥＳＣから
ウエハを分離する界面層からなる。界面層は、ウエハと
ＥＳＣの間の接触領域を表し、これには、ＥＳＣ上の表
面パターンの幾何形状の詳細が含まれる。
【００４６】ウエハは、
【数６】ｋSi＝７１．５／（Ｔ−９９）ｃａｌ／（ｃｍ
・ｓ・°Ｋ） によって与えられる温度依存熱伝導率ｋSiを用いてモデ
ル化される（ジェリソン（G.E. Jellison）およびモデ
ィン（F.A. Modine）、Appl. Phys. Lett., 41, 180 (1
982)参照）。ここで、Ｔは°Ｋの温度であり、ＥＳＣ
は、一定の熱伝導率
・ｓ・°Ｋ） によって与えられる温度依存熱伝導率ｋSiを用いてモデ
ル化される（ジェリソン（G.E. Jellison）およびモデ
ィン（F.A. Modine）、Appl. Phys. Lett., 41, 180 (1
982)参照）。ここで、Ｔは°Ｋの温度であり、ＥＳＣ
は、一定の熱伝導率
【数７】 ｋESC＝０．０１５ｃａｌ／（ｃｍ・ｓ・°Ｋ） を有する。ＥＳＣに埋め込まれた電極に起因する熱効果
は無視する。ＥＳＣの頂面とウエハの後面の間の界面層
は、熱伝達係数ｈによって考えることができ、その値
は、ＥＳＣの表面に機械加工された溝パターンに従って
空間変調されている。したがって、「接触」領域ではｈ
＝ｈc＋ｈgであり、「溝付き」領域ではｈ＝ｈgであ
る。
は無視する。ＥＳＣの頂面とウエハの後面の間の界面層
は、熱伝達係数ｈによって考えることができ、その値
は、ＥＳＣの表面に機械加工された溝パターンに従って
空間変調されている。したがって、「接触」領域ではｈ
＝ｈc＋ｈgであり、「溝付き」領域ではｈ＝ｈgであ
る。
【００４７】ｈの値は、ＥＳＣの縁の外側接触領域で修
正された。ここには、気体の漏れに起因するＨｅ圧力の
低下（最終接触領域の内側境界での静圧ＰHeから、ＥＣ
Ｒ−ＣＶＤ加工状態に対応する高真空での、接触領域の
外側境界での１ｍＴｏｒｒ程度の圧力まで）と静電クラ
ンプ電圧の減少の両方が存在する。モデルでは、ｈgの
値は、Ｈｅ圧力の低下を表すために最終接触領域の内縁
と外縁の間で線形に０まで減少させるか、タングステン
電極が終端するＥＳＣの縁付近の距離で値が０になるス
テップ関数をｈgの値に適用するかのいずれかを用い
た。どちらの方法も、満足な結果をもたらすことが判明
している。
正された。ここには、気体の漏れに起因するＨｅ圧力の
低下（最終接触領域の内側境界での静圧ＰHeから、ＥＣ
Ｒ−ＣＶＤ加工状態に対応する高真空での、接触領域の
外側境界での１ｍＴｏｒｒ程度の圧力まで）と静電クラ
ンプ電圧の減少の両方が存在する。モデルでは、ｈgの
値は、Ｈｅ圧力の低下を表すために最終接触領域の内縁
と外縁の間で線形に０まで減少させるか、タングステン
電極が終端するＥＳＣの縁付近の距離で値が０になるス
テップ関数をｈgの値に適用するかのいずれかを用い
た。どちらの方法も、満足な結果をもたらすことが判明
している。
【００４８】ウエハ内とＥＳＣの本体内での定常状態温
度分布は、エネルギ保存に関する式を解くことによって
得られる。
度分布は、エネルギ保存に関する式を解くことによって
得られる。
【数８】
【００４９】ここで、ｋa（Ｔ）は、ウエハまたはＥＳ
Ｃの熱伝導率であり、Ｔは温度であり、∇は、下記の演
算子である。
Ｃの熱伝導率であり、Ｔは温度であり、∇は、下記の演
算子である。
【数９】
【００５０】かつ
【数１０】
【００５１】ここで、ハットａxはｘ方向の単位ベクト
ル、ハットａyはｙ方向の単位ベクトル、ハットａzはｚ
方向の単位ベクトルである。
ル、ハットａyはｙ方向の単位ベクトル、ハットａzはｚ
方向の単位ベクトルである。
【００５２】下記の境界条件が、式（３）の解に課せら
れる。 １）エネルギの均一な束Ｆiが、ウエハの頂面に印加さ
れる。このエネルギは、プラズマからのイオン衝撃によ
って引き起こされ、酸化物堆積加工中に印加されるＲＦ
パワーの８０％を表す。 ２）ＥＳＣの後面では、７０℃の一定温度が維持され
る。この温度は、ＥＳＣが取り付けられる板を通って流
れる水の温度によって固定される。ＥＳＣの本体内の温
度は、ウエハ表面の温度と共に計算される。 ３）ウエハとＥＳＣの間の熱伝達は、次式の関係を満足
する
れる。 １）エネルギの均一な束Ｆiが、ウエハの頂面に印加さ
れる。このエネルギは、プラズマからのイオン衝撃によ
って引き起こされ、酸化物堆積加工中に印加されるＲＦ
パワーの８０％を表す。 ２）ＥＳＣの後面では、７０℃の一定温度が維持され
る。この温度は、ＥＳＣが取り付けられる板を通って流
れる水の温度によって固定される。ＥＳＣの本体内の温
度は、ウエハ表面の温度と共に計算される。 ３）ウエハとＥＳＣの間の熱伝達は、次式の関係を満足
する
【数１１】
【００５３】ここで、ｈ（ベクトルｒ）は、ウエハとＥ
ＳＣが緊密に接触する領域ではｈc＋ｈgに等しく、ウエ
ハとＥＳＣが溝によって分離されている領域ではｈgに
等しい。Ｔwb（ベクトルｒ）とＴef（ベクトルｒ）の値
は、それぞれ位置ベクトルｒでの、Ｓｉウエハの後面の
温度とＥＳＣの表面の温度である。上で述べたように、
ＥＳＣの縁の接触領域については、特別な検討が加えら
れる。
ＳＣが緊密に接触する領域ではｈc＋ｈgに等しく、ウエ
ハとＥＳＣが溝によって分離されている領域ではｈgに
等しい。Ｔwb（ベクトルｒ）とＴef（ベクトルｒ）の値
は、それぞれ位置ベクトルｒでの、Ｓｉウエハの後面の
温度とＥＳＣの表面の温度である。上で述べたように、
ＥＳＣの縁の接触領域については、特別な検討が加えら
れる。
【００５４】放射損失とリアクタの壁への熱損失は、こ
のモデルには含まれない。この加工で生じる最大ウエハ
温度である６５０°Ｋでは、単位面積あたりの放射損失
が、０．４の放射率を使用すると０．４Ｗ／ｃｍ2にな
る。これは、ウエハへの熱入射束の約７％を表すにすぎ
ず、１次の項に対して無視できる。伝導と対流に起因す
るリアクタ壁への熱損失は、１ｍＴｏｒｒ未満の低圧で
あることと、堆積加工中に使用される低い流量から、同
様に無視された。
のモデルには含まれない。この加工で生じる最大ウエハ
温度である６５０°Ｋでは、単位面積あたりの放射損失
が、０．４の放射率を使用すると０．４Ｗ／ｃｍ2にな
る。これは、ウエハへの熱入射束の約７％を表すにすぎ
ず、１次の項に対して無視できる。伝導と対流に起因す
るリアクタ壁への熱損失は、１ｍＴｏｒｒ未満の低圧で
あることと、堆積加工中に使用される低い流量から、同
様に無視された。
【００５５】特定のＥＳＣの熱伝達係数ｈcおよびｈgの
値を決定したならば、有限要素法を使用して式（２）お
よび式（３）を解くことによって、ウエハ内とＥＳＣ内
の両方で温度分布を計算する（米国イリノイ州Evanston
のFluid Dynamics International社から市販されている
FIDAP CFD Codeを参照されたい）。特に重要なのは、ウ
エハの表面での温度分布の計算値である。
値を決定したならば、有限要素法を使用して式（２）お
よび式（３）を解くことによって、ウエハ内とＥＳＣ内
の両方で温度分布を計算する（米国イリノイ州Evanston
のFluid Dynamics International社から市販されている
FIDAP CFD Codeを参照されたい）。特に重要なのは、ウ
エハの表面での温度分布の計算値である。
【００５６】図１１および図１３に、同一の条件の下で
動作する異なる表面パターンを有する２つの静電チャッ
クのウエハ温度分布の計算値（実線）と測定値（データ
点と折れ線）を示す。図１１のデータは、図４に類似の
円周「接触」パターンを有するＥＳＣから得られたもの
であり、図１３のデータは、図９および図１０に示され
たものに類似のワッフル「接触」パターンを有するＥＳ
Ｃから得られたものである。この両方のチャックの半径
は、ウエハより０．５ｃｍ小さい。ウエハとＥＳＣの間
の界面領域と比較してウエハとＥＳＣの熱伝導率が相対
的に高いので、ウエハ頂面とＥＳＣ底面の間の温度低下
の大半は、ウエハとＥＳＣの間の界面で発生する。調査
したどの条件の下でも、ＥＳＣの中での温度低下は、１
０℃以下であった。
動作する異なる表面パターンを有する２つの静電チャッ
クのウエハ温度分布の計算値（実線）と測定値（データ
点と折れ線）を示す。図１１のデータは、図４に類似の
円周「接触」パターンを有するＥＳＣから得られたもの
であり、図１３のデータは、図９および図１０に示され
たものに類似のワッフル「接触」パターンを有するＥＳ
Ｃから得られたものである。この両方のチャックの半径
は、ウエハより０．５ｃｍ小さい。ウエハとＥＳＣの間
の界面領域と比較してウエハとＥＳＣの熱伝導率が相対
的に高いので、ウエハ頂面とＥＳＣ底面の間の温度低下
の大半は、ウエハとＥＳＣの間の界面で発生する。調査
したどの条件の下でも、ＥＳＣの中での温度低下は、１
０℃以下であった。
【００５７】図１１に示された温度分布の計算値は、当
初は半径の増加に伴って増加し、徐々に減少した後に、
ウエハの縁付近でもう一度上昇する。ウエハの中心での
温度低下は、強力なヒート・シンクとして働くＥＳＣの
中央にある大きな「接触」領域によって引き起こされ
る。半径の増加に伴う温度の低下は、半径の増加に伴う
「接触」領域の面積分数の減少と、ＥＳＣの縁にある幅
広い半径の「接触」パッドに起因する。ウエハの縁での
温度上昇は、ＥＳＣからオーバーハングするウエハの縁
での熱伝達の減少に起因する。約１．２ｃｍごとに発生
する小さな温度の振動は、ＥＳＣ表面の「接触」領域と
「溝付き」領域の周期に直接対応し、溝と接触領域が、
ウエハの熱伝導率に対しても、チャックの接触領域と溝
に含まれる気体の相対的な熱伝達寄与を考慮しても、広
すぎることを示す（既知のＥＳＣ表面パターンに関して
図１１で観察される振動を回避するための溝の周期は、
多くの要因に依存し、ウエハ厚さが薄くなるにつれてク
リティカルになるが、シリコン・ウエハの場合、ウエハ
厚さの１０倍未満の周期によって、許容可能な均一な結
果がもたらされることが判明している。他の半導体材料
のウエハ用の溝パターンの周期は、相対的な熱伝導率に
基づいて、このガイドラインからスケーリングすること
ができる）。ウエハ温度分布を、ウエハの直径方向で測
定した。２つの実験結果の曲線が、このデータを表す。
図からわかるように、このモデルは、温度分布測定値の
基本的な特徴を捉えている。
初は半径の増加に伴って増加し、徐々に減少した後に、
ウエハの縁付近でもう一度上昇する。ウエハの中心での
温度低下は、強力なヒート・シンクとして働くＥＳＣの
中央にある大きな「接触」領域によって引き起こされ
る。半径の増加に伴う温度の低下は、半径の増加に伴う
「接触」領域の面積分数の減少と、ＥＳＣの縁にある幅
広い半径の「接触」パッドに起因する。ウエハの縁での
温度上昇は、ＥＳＣからオーバーハングするウエハの縁
での熱伝達の減少に起因する。約１．２ｃｍごとに発生
する小さな温度の振動は、ＥＳＣ表面の「接触」領域と
「溝付き」領域の周期に直接対応し、溝と接触領域が、
ウエハの熱伝導率に対しても、チャックの接触領域と溝
に含まれる気体の相対的な熱伝達寄与を考慮しても、広
すぎることを示す（既知のＥＳＣ表面パターンに関して
図１１で観察される振動を回避するための溝の周期は、
多くの要因に依存し、ウエハ厚さが薄くなるにつれてク
リティカルになるが、シリコン・ウエハの場合、ウエハ
厚さの１０倍未満の周期によって、許容可能な均一な結
果がもたらされることが判明している。他の半導体材料
のウエハ用の溝パターンの周期は、相対的な熱伝導率に
基づいて、このガイドラインからスケーリングすること
ができる）。ウエハ温度分布を、ウエハの直径方向で測
定した。２つの実験結果の曲線が、このデータを表す。
図からわかるように、このモデルは、温度分布測定値の
基本的な特徴を捉えている。
【００５８】図１２に示されたパターンに類似の接触パ
ターンまたは溝パターンを有するウエハの温度の予測
を、図１３に示す。この温度は、当初は、約６ｃｍの半
径まで半径の関数として徐々に減少し、その後、ウエハ
の縁に向かって鋭く減少する。この温度の鋭い減少は、
ＥＳＣの縁にある大きな接触領域によって引き起こされ
るヒート・シンクの強化に起因する。「接触」領域間の
間隔が小さい（図１１の０．６ｃｍに対して０．３ｃ
ｍ）ので、ウエハ温度の振動は、温度プロファイルの予
測値でも測定値でも観察されない。
ターンまたは溝パターンを有するウエハの温度の予測
を、図１３に示す。この温度は、当初は、約６ｃｍの半
径まで半径の関数として徐々に減少し、その後、ウエハ
の縁に向かって鋭く減少する。この温度の鋭い減少は、
ＥＳＣの縁にある大きな接触領域によって引き起こされ
るヒート・シンクの強化に起因する。「接触」領域間の
間隔が小さい（図１１の０．６ｃｍに対して０．３ｃ
ｍ）ので、ウエハ温度の振動は、温度プロファイルの予
測値でも測定値でも観察されない。
【００５９】この「接触」パターンを用いて温度均一性
をさらに改善するためには、最後の外側の「接触」領域
の寸法を、ウエハの縁からの熱伝達をよりよく平衡化さ
せるように選択する必要がある。すなわち、ウエハの隣
接区域の温度を上昇させるはずの、ウエハの縁がチャッ
ク面の外周からオーバーハングし、チャックと接触しな
い区域に入射するエネルギを取り除く必要がある。言い
換えると、ウエハの縁からの熱伝達が、外側環状接触領
域の面積によって平衡化されるという条件が達成される
時には、その環状接触領域の内側境界の中のウエハの中
央区域が、チャック面の対応する区域を有しないウエハ
のオーバーハングに入射する「過剰」エネルギの影響を
受けなくなる。したがって、環状接触領域の最適幅は、
「過剰」入射エネルギがオーバーハングの面積に伴って
変化するので、ウエハ・オーバーハングの増加（減少）
に伴って増加（減少）することが容易に理解できる。し
たがって、この平衡を達成するには、当技術分野で既知
の他のＥＳＣ表面パターンと比較して外側接触領域の面
積を増大する必要があるが、外側接触領域は、ＥＳＣが
現在の実施に対して相対的にウエハ・オーバーハングを
減らす寸法になされることが好ましい本発明の好ましい
実施例の場合には特に、大きくなりすぎる可能性があ
る。
をさらに改善するためには、最後の外側の「接触」領域
の寸法を、ウエハの縁からの熱伝達をよりよく平衡化さ
せるように選択する必要がある。すなわち、ウエハの隣
接区域の温度を上昇させるはずの、ウエハの縁がチャッ
ク面の外周からオーバーハングし、チャックと接触しな
い区域に入射するエネルギを取り除く必要がある。言い
換えると、ウエハの縁からの熱伝達が、外側環状接触領
域の面積によって平衡化されるという条件が達成される
時には、その環状接触領域の内側境界の中のウエハの中
央区域が、チャック面の対応する区域を有しないウエハ
のオーバーハングに入射する「過剰」エネルギの影響を
受けなくなる。したがって、環状接触領域の最適幅は、
「過剰」入射エネルギがオーバーハングの面積に伴って
変化するので、ウエハ・オーバーハングの増加（減少）
に伴って増加（減少）することが容易に理解できる。し
たがって、この平衡を達成するには、当技術分野で既知
の他のＥＳＣ表面パターンと比較して外側接触領域の面
積を増大する必要があるが、外側接触領域は、ＥＳＣが
現在の実施に対して相対的にウエハ・オーバーハングを
減らす寸法になされることが好ましい本発明の好ましい
実施例の場合には特に、大きくなりすぎる可能性があ
る。
【００６０】外側環状接触領域を用いるこの過剰エネル
ギの平衡化の効果は、図１３と図１４の比較からわか
る。前述の議論から、図１３の温度プロファイルをもた
らしたパターンの外側接触領域は、過剰な幅の環状接触
領域を有すると判定されたことを想起されたい。この過
剰な幅の効果は、半径の増加（たとえば外側接触領域の
付近まで）に伴う下向きの傾斜（熱がウエハを介して半
径方向に伝えられていることを示す）と、環状接触領域
の近傍で増加する、下に凸な曲線の両方に見られる。対
照的に、図１４に示された温度プロファイルからは、環
状領域の内周まで基本的に平坦であり、ウエハの半径に
沿った最小の温度勾配と、チャックの中央部分の一定の
接触面積分数の完全な利用とが示される。本発明の好ま
しい実施例によれば、チャックは、オーバーハングを減
らすためにより大きな半径（ウエハ直径との差は１．０
ｍｍ未満）を有し（また、このオーバーハング用に最適
化された外側環状領域の幅を有する）、ウエハの外側部
分の温度上昇は、約３０℃に保たれる。ワッフル・パタ
ーンの周期も、ウエハ厚さに対して最適化されており、
既知のＥＳＣパターンに関して図１１で観察された振動
は生じない。やはり、このモデルは、温度分布の測定値
の基本的な特徴を捉えており、温度分布の測定値と予測
値の間でよい一致が認められる。この温度モデルには、
自由パラメータがない。
ギの平衡化の効果は、図１３と図１４の比較からわか
る。前述の議論から、図１３の温度プロファイルをもた
らしたパターンの外側接触領域は、過剰な幅の環状接触
領域を有すると判定されたことを想起されたい。この過
剰な幅の効果は、半径の増加（たとえば外側接触領域の
付近まで）に伴う下向きの傾斜（熱がウエハを介して半
径方向に伝えられていることを示す）と、環状接触領域
の近傍で増加する、下に凸な曲線の両方に見られる。対
照的に、図１４に示された温度プロファイルからは、環
状領域の内周まで基本的に平坦であり、ウエハの半径に
沿った最小の温度勾配と、チャックの中央部分の一定の
接触面積分数の完全な利用とが示される。本発明の好ま
しい実施例によれば、チャックは、オーバーハングを減
らすためにより大きな半径（ウエハ直径との差は１．０
ｍｍ未満）を有し（また、このオーバーハング用に最適
化された外側環状領域の幅を有する）、ウエハの外側部
分の温度上昇は、約３０℃に保たれる。ワッフル・パタ
ーンの周期も、ウエハ厚さに対して最適化されており、
既知のＥＳＣパターンに関して図１１で観察された振動
は生じない。やはり、このモデルは、温度分布の測定値
の基本的な特徴を捉えており、温度分布の測定値と予測
値の間でよい一致が認められる。この温度モデルには、
自由パラメータがない。
【００６１】外側環状接触領域の公称（局所）接触面積
分数は、１に等しいが、有効接触面積分数は、上で述べ
たように表面粗さとクランプ電圧によって影響されるこ
とを理解されたい。また、ｈcは、ｈgよりもかなり大き
く、ｈgは、クランプ電圧によって影響されず、気体圧
力のみに伴って変動することを理解されたい。したがっ
て、クランプ電圧も、「過剰」入射エネルギまたは熱の
平衡化の粗調節として使用することができ、ＥＳＣ面の
中央と外側の環状領域の間で接触面積分数が異なるの
で、気体圧力の調節によって微調節を実現できる。した
がって、外側環状接触領域の幅は、クランプ電圧と気体
圧力の許容可能な値の範囲内で平衡を達成できる公称幅
であることだけが必要である。「過剰」エネルギを平衡
化できる、外側環状領域の幅の好ましい動作値は、公称
オーバーハング寸法の約２．０倍ないし２．５倍であ
る。本発明の変形として、外側環状領域またはリムの表
面粗さは、溝パターンによって画定される中央部分の表
面粗さと同一である必要はなく、外側環状領域の幅にわ
たって一定である必要もないことに留意されたい。すな
わち、場合によっては、パターンの中央部分と比較して
減らされるか勾配を付けられた粗さを有する表面の外側
環状部分の表面粗さを設けることが望ましい場合があ
る。このような場合には、粗さを減らすことによって、
外側環状部分の幅を減らすことができ、一定温度の領域
をウエハの縁により近いところまで拡張することができ
る。本発明のこのような変形を用いると、クランプ電圧
の調節による有効接触面積の調節率を変更することがで
きる。
分数は、１に等しいが、有効接触面積分数は、上で述べ
たように表面粗さとクランプ電圧によって影響されるこ
とを理解されたい。また、ｈcは、ｈgよりもかなり大き
く、ｈgは、クランプ電圧によって影響されず、気体圧
力のみに伴って変動することを理解されたい。したがっ
て、クランプ電圧も、「過剰」入射エネルギまたは熱の
平衡化の粗調節として使用することができ、ＥＳＣ面の
中央と外側の環状領域の間で接触面積分数が異なるの
で、気体圧力の調節によって微調節を実現できる。した
がって、外側環状接触領域の幅は、クランプ電圧と気体
圧力の許容可能な値の範囲内で平衡を達成できる公称幅
であることだけが必要である。「過剰」エネルギを平衡
化できる、外側環状領域の幅の好ましい動作値は、公称
オーバーハング寸法の約２．０倍ないし２．５倍であ
る。本発明の変形として、外側環状領域またはリムの表
面粗さは、溝パターンによって画定される中央部分の表
面粗さと同一である必要はなく、外側環状領域の幅にわ
たって一定である必要もないことに留意されたい。すな
わち、場合によっては、パターンの中央部分と比較して
減らされるか勾配を付けられた粗さを有する表面の外側
環状部分の表面粗さを設けることが望ましい場合があ
る。このような場合には、粗さを減らすことによって、
外側環状部分の幅を減らすことができ、一定温度の領域
をウエハの縁により近いところまで拡張することができ
る。本発明のこのような変形を用いると、クランプ電圧
の調節による有効接触面積の調節率を変更することがで
きる。
【００６２】上で述べたＥＳＣ表面パターンの外側環状
部分の幅の公称値を決定するために、半径１０ｃｍのウ
エハに対してそれぞれ５ｍｍおよび１ｍｍのオーバーハ
ングをもたらす２つの異なる寸法のチャックを検討す
る。各ＥＳＣについて外側接触領域の幅を最適化した時
には、それぞれ３．２ｃｍおよび１．０ｃｍの最適接触
幅が得られる。したがって、オーバーハングで割った接
触幅は、それぞれ３．２および１０という値をもたら
す。
部分の幅の公称値を決定するために、半径１０ｃｍのウ
エハに対してそれぞれ５ｍｍおよび１ｍｍのオーバーハ
ングをもたらす２つの異なる寸法のチャックを検討す
る。各ＥＳＣについて外側接触領域の幅を最適化した時
には、それぞれ３．２ｃｍおよび１．０ｃｍの最適接触
幅が得られる。したがって、オーバーハングで割った接
触幅は、それぞれ３．２および１０という値をもたら
す。
【００６３】これらの比の間にオーバーハングの量に依
存する比較的大きな差が存在する理由は、 １）タングステン電極がＥＳＣの縁から約０．３ｃｍ後
退していることと、 ２）気体圧力に起因する熱伝達が、接触領域の幅に沿っ
て数Ｔｏｒｒから０まで減少すること である。第２の影響を無視でき（小さいので）、静電位
の影響の減少を近似するためにタングステン電極の半径
として有効ＥＳＣ半径を定義する（たとえば、ＥＳＣの
半径−０．３ｃｍ）場合には、２つのＥＳＣの有効ＥＳ
Ｃ半径と増加した有効オーバーハングとに基づく最適接
触面積は２．０と２．５であり、これらは比較的よく一
致している。しかし、この比率は、中央領域と特定の表
面粗さの外側環状領域の有効接触面積分数の比率（表面
粗さはこれらの領域の間で変更することができる）なら
びに所望のウエハ温度および印加されるＲＦパワーに伴
って変化する可能性がある。逆に、外側環状領域の幅
を、一定の中央接触領域公称面積分数、クランプ電圧、
表面粗さおよび気体圧力の特定の値のために、上で述べ
た数学モデルを使用して設計することができる。
存する比較的大きな差が存在する理由は、 １）タングステン電極がＥＳＣの縁から約０．３ｃｍ後
退していることと、 ２）気体圧力に起因する熱伝達が、接触領域の幅に沿っ
て数Ｔｏｒｒから０まで減少すること である。第２の影響を無視でき（小さいので）、静電位
の影響の減少を近似するためにタングステン電極の半径
として有効ＥＳＣ半径を定義する（たとえば、ＥＳＣの
半径−０．３ｃｍ）場合には、２つのＥＳＣの有効ＥＳ
Ｃ半径と増加した有効オーバーハングとに基づく最適接
触面積は２．０と２．５であり、これらは比較的よく一
致している。しかし、この比率は、中央領域と特定の表
面粗さの外側環状領域の有効接触面積分数の比率（表面
粗さはこれらの領域の間で変更することができる）なら
びに所望のウエハ温度および印加されるＲＦパワーに伴
って変化する可能性がある。逆に、外側環状領域の幅
を、一定の中央接触領域公称面積分数、クランプ電圧、
表面粗さおよび気体圧力の特定の値のために、上で述べ
た数学モデルを使用して設計することができる。
【００６４】これらのモデルの結果から、一旦ＥＳＣの
熱伝達係数が決定されたならば、ウエハ温度均一性の測
定値と予測値の間に良い一致が得られることが示され
る。したがって、この数値モデルを使用して、ウエハ温
度均一性に関するＥＳＣの動作パラメータおよび設計パ
ラメータの影響の洞察を提供することができる。このモ
デルは、ウエハ表面での温度の不均一性を減らすために
ＥＳＣ表面パターンの幾何形状を改善するための設計ツ
ールとして使用することもできる。
熱伝達係数が決定されたならば、ウエハ温度均一性の測
定値と予測値の間に良い一致が得られることが示され
る。したがって、この数値モデルを使用して、ウエハ温
度均一性に関するＥＳＣの動作パラメータおよび設計パ
ラメータの影響の洞察を提供することができる。このモ
デルは、ウエハ表面での温度の不均一性を減らすために
ＥＳＣ表面パターンの幾何形状を改善するための設計ツ
ールとして使用することもできる。
【００６５】たとえば、一定の公称接触面積分数に起因
する優秀な中央領域温度均一性をもたらすために図示の
中央ワッフル・パターンを含むチャック表面パターンを
使用する場合、チャック表面パターンの性能は、上の有
効ＥＳＣ半径の議論に従って異なる幅の外側接触領域ま
たは環を有する表面パターンをシミュレートすることに
よって、特定の熱流束およびウエハ温度に関して簡単に
最適化できる。ＥＣＲ−ＣＶＤ加工に適した熱流束のた
めのこのようなシミュレーションと最適化処理から、図
１５に示された好ましいパターンがもたらされる。この
好ましいパターンは、２０％から４０％の範囲の一定の
公称接触面積分数をもたらすための幅と間隔とを有する
交差する溝のネットワークと、約６ｍｍの幅を有する外
側環状領域によって形成されるワッフル・タイプ・パタ
ーンを有し、外側環状領域の外側境界は、保持されるウ
エハの半径より約０．１ｃｍ小さい半径に置かれる。外
側環状領域の幅は、約６．０ｍｍないし７．０ｍｍであ
る。
する優秀な中央領域温度均一性をもたらすために図示の
中央ワッフル・パターンを含むチャック表面パターンを
使用する場合、チャック表面パターンの性能は、上の有
効ＥＳＣ半径の議論に従って異なる幅の外側接触領域ま
たは環を有する表面パターンをシミュレートすることに
よって、特定の熱流束およびウエハ温度に関して簡単に
最適化できる。ＥＣＲ−ＣＶＤ加工に適した熱流束のた
めのこのようなシミュレーションと最適化処理から、図
１５に示された好ましいパターンがもたらされる。この
好ましいパターンは、２０％から４０％の範囲の一定の
公称接触面積分数をもたらすための幅と間隔とを有する
交差する溝のネットワークと、約６ｍｍの幅を有する外
側環状領域によって形成されるワッフル・タイプ・パタ
ーンを有し、外側環状領域の外側境界は、保持されるウ
エハの半径より約０．１ｃｍ小さい半径に置かれる。外
側環状領域の幅は、約６．０ｍｍないし７．０ｍｍであ
る。
【００６６】図１５のチャック表面パターンを用いて得
られたウエハの温度プロファイルのシミュレート値を、
図１４に示す。図１４では、外側接触領域の幅が異なる
モデルを使用して、ウエハ温度均一性を予測した。ウエ
ハ温度均一性は、外側接触領域の内径を増やし、したが
って、ウエハの縁でのウエハとＥＳＣの間の熱伝達を減
らすことによって改善できることがわかった。ＥＳＣの
全半径をウエハの半径に近づけ、したがって、環状接触
領域を介してＥＳＣに伝達しなければならない「過剰」
熱を最小にすることによって、さらなる改善が達成され
た。
られたウエハの温度プロファイルのシミュレート値を、
図１４に示す。図１４では、外側接触領域の幅が異なる
モデルを使用して、ウエハ温度均一性を予測した。ウエ
ハ温度均一性は、外側接触領域の内径を増やし、したが
って、ウエハの縁でのウエハとＥＳＣの間の熱伝達を減
らすことによって改善できることがわかった。ＥＳＣの
全半径をウエハの半径に近づけ、したがって、環状接触
領域を介してＥＳＣに伝達しなければならない「過剰」
熱を最小にすることによって、さらなる改善が達成され
た。
【００６７】外側接触領域を減らされ、ウエハより０．
１ｃｍ小さい半径を有するＥＳＣを使用すると、ウエハ
の温度均一性が、かなり改善された。図１４に、ワッフ
ル「接触」パターンを有し、３４０℃の平均ウエハ温度
を生じるように最適化されたＥＳＣから得られたウエハ
温度プロファイルの測定値を示す。ウエハ温度は、内側
の半径６ｃｍまでは基本的に平坦であり、その後、徐々
に上昇するが、ウエハの縁で３０℃上昇するだけであ
る。ウエハの縁付近でのウエハ温度の上昇は、主に、ウ
エハの面積の２％を表すウエハの０．１ｃｍのオーバー
ハングに起因する。
１ｃｍ小さい半径を有するＥＳＣを使用すると、ウエハ
の温度均一性が、かなり改善された。図１４に、ワッフ
ル「接触」パターンを有し、３４０℃の平均ウエハ温度
を生じるように最適化されたＥＳＣから得られたウエハ
温度プロファイルの測定値を示す。ウエハ温度は、内側
の半径６ｃｍまでは基本的に平坦であり、その後、徐々
に上昇するが、ウエハの縁で３０℃上昇するだけであ
る。ウエハの縁付近でのウエハ温度の上昇は、主に、ウ
エハの面積の２％を表すウエハの０．１ｃｍのオーバー
ハングに起因する。
【００６８】本発明の前述の説明から、プラズマからウ
エハへの一定のエネルギ束を前提に、実質的に一定の有
効接触面積分数をもたらす溝パターンと表面粗さを使用
することによって、実質的に一定のウエハ表面温度が得
られることを諒解されたい。本発明の同一の原理を、ウ
エハの表面にわたって非均一または非対称のプラズマ密
度の場合に拡張することができる。この場合、表面粗さ
または公称接触面積分数を調節して、ウエハのさまざま
な位置での期待されるプラズマ密度プロファイルに一致
させることができる。もちろん、これによって、前に述
べたように溝パターンの中央領域と比較して接触領域の
外側環状部分の間またはその幅にわたる表面粗さの差と
ほとんど同一の形で、クランプ電圧を用いて有効接触面
積分数を差動調節することも可能である。
エハへの一定のエネルギ束を前提に、実質的に一定の有
効接触面積分数をもたらす溝パターンと表面粗さを使用
することによって、実質的に一定のウエハ表面温度が得
られることを諒解されたい。本発明の同一の原理を、ウ
エハの表面にわたって非均一または非対称のプラズマ密
度の場合に拡張することができる。この場合、表面粗さ
または公称接触面積分数を調節して、ウエハのさまざま
な位置での期待されるプラズマ密度プロファイルに一致
させることができる。もちろん、これによって、前に述
べたように溝パターンの中央領域と比較して接触領域の
外側環状部分の間またはその幅にわたる表面粗さの差と
ほとんど同一の形で、クランプ電圧を用いて有効接触面
積分数を差動調節することも可能である。
【００６９】結論として、チャックとウエハの表面の温
度感度を最小にするためには、チャック表面の大半に対
する熱伝達機構として、後面にヘリウムを有することが
望ましいことがわかった。というのは、これが表面の形
状に強く依存しないからである。接触パッド面積分数の
減少またはチャック粗さの増加もしくはこの両方によっ
てＸcｈcの影響を減らすと、重点が後面の気体熱伝達機
構に移る。この表面感度を最小にする手法には、２つの
検討点がある。まず、接触パッド面積分数は、全正味チ
ャック力（たとえば、静電引力から溝付き区域の気体圧
力に起因する力をひいた値など）がウエハを保持できな
くなる点以下に下げることができない。次に、高パワー
密度応用例では、後面ヘリウムだけで、所与の接触面積
分数に対してウエハから十分なエネルギを除去すること
ができず、したがって、公称接触面積分数の下限が確立
される。
度感度を最小にするためには、チャック表面の大半に対
する熱伝達機構として、後面にヘリウムを有することが
望ましいことがわかった。というのは、これが表面の形
状に強く依存しないからである。接触パッド面積分数の
減少またはチャック粗さの増加もしくはこの両方によっ
てＸcｈcの影響を減らすと、重点が後面の気体熱伝達機
構に移る。この表面感度を最小にする手法には、２つの
検討点がある。まず、接触パッド面積分数は、全正味チ
ャック力（たとえば、静電引力から溝付き区域の気体圧
力に起因する力をひいた値など）がウエハを保持できな
くなる点以下に下げることができない。次に、高パワー
密度応用例では、後面ヘリウムだけで、所与の接触面積
分数に対してウエハから十分なエネルギを除去すること
ができず、したがって、公称接触面積分数の下限が確立
される。
【００７０】前述に鑑みて、本発明によるチャック表面
パターンが、半導体加工動作中に静電チャックによって
保持されるウエハの表面での実質的に改善された温度均
一性を提供することがわかる。さらに、ウエハ−ＥＳＣ
界面の定量化と特性記述によって、チャックの接触部分
の表面粗さによって公称ウエハ表面温度範囲を決定でき
るようになり、界面にまたがって伝導されなければなら
ない熱流束と矛盾せずにできる限り接触面積分数を減ら
すことが可能になる。ウエハ表面温度の粗調節は、チャ
ックにウエハを保持するのに使用される静電電圧の変更
によって達成でき、温度の微調節は、チャック表面の溝
に含まれる気体の静圧の変更によって行うことができ
る。
パターンが、半導体加工動作中に静電チャックによって
保持されるウエハの表面での実質的に改善された温度均
一性を提供することがわかる。さらに、ウエハ−ＥＳＣ
界面の定量化と特性記述によって、チャックの接触部分
の表面粗さによって公称ウエハ表面温度範囲を決定でき
るようになり、界面にまたがって伝導されなければなら
ない熱流束と矛盾せずにできる限り接触面積分数を減ら
すことが可能になる。ウエハ表面温度の粗調節は、チャ
ックにウエハを保持するのに使用される静電電圧の変更
によって達成でき、温度の微調節は、チャック表面の溝
に含まれる気体の静圧の変更によって行うことができ
る。
【００７１】単一の好ましい実施例に関して本発明を説
明してきたが、当業者であれば、請求の範囲の趣旨と範
囲から逸脱せずに修正を加えて本発明を実施できること
を理解するであろう。たとえば、ウエハの表面を、ウエ
ハ加工中に適切に観察することができ、温度依存の不規
則性が検出される場合、ウエハの温度プロファイルを修
正または補償する形で変更するのに上で述べた数学モデ
ルを使用して、リアル・タイムで温度プロファイルを調
節することが可能である。
明してきたが、当業者であれば、請求の範囲の趣旨と範
囲から逸脱せずに修正を加えて本発明を実施できること
を理解するであろう。たとえば、ウエハの表面を、ウエ
ハ加工中に適切に観察することができ、温度依存の不規
則性が検出される場合、ウエハの温度プロファイルを修
正または補償する形で変更するのに上で述べた数学モデ
ルを使用して、リアル・タイムで温度プロファイルを調
節することが可能である。
【００７２】まとめとして、本発明の構成に関して以下
の事項を開示する。
の事項を開示する。
【００７３】（１）ウエハと接触するための静電チャッ
クの前面上の誘電層であって、所定の表面粗さと、静圧
でその中に配置できる気体の平均自由行程より相対的に
短い深さまで形成された溝のパターンとを有し、前記溝
のパターンが、実質的に一定の接触面積分数を前記溝の
パターンがその上に画定する中央部分と、前記一定の接
触面積分数より大きいもう１つの接触面積分数を有する
外側の環状領域とを有する、前記誘電層と、前記静電チ
ャックから熱を除去するため前記誘電層と熱的に通じて
いる冷却板と、前記静電チャックの前記前面に対する前
記ウエハの静電引力を発生するための電極とを含む、加
工中の半導体ウエハを保持するための静電チャック。 （２）前記外側の環状接触領域の幅が、ウエハ半径が前
記静電チャックの半径を超える距離に従って決定される
ことを特徴とする、上記（１）に記載の静電チャック。 （３）前記外側の環状接触領域の前記幅が、ウエハ半径
が前記静電チャックの有効半径を超える前記距離の約
２．０倍ないし２．５倍であることを特徴とする、上記
（２）に記載の静電チャック。 （４）前記外側の環状領域の熱伝達係数が、前記ウエハ
の外縁領域に入射する過剰エネルギと平衡する幅および
有効接触面積分数を有することを特徴とする、上記
（１）に記載の静電チャック。 （５）前記外側の環状接触領域の前記幅が、ウエハ半径
が前記静電チャックの有効半径を超える前記距離の約
２．０倍ないし２．５倍であることを特徴とする、上記
（４）に記載の静電チャック。 （６）前記一定の接触面積分数が、２０％から４０％ま
での範囲であることを特徴とする、上記（１）に記載の
静電チャック。 （７）前記表面粗さが、前記半導体ウエハの未研摩表面
の表面粗さの近似値であることを特徴とする、上記
（１）に記載の静電チャック。 （８）前記表面粗さが、約０．２μｍないし０．５μｍ
であることを特徴とする、上記（１）に記載の静電チャ
ック。 （９）前記溝のパターンの溝の周期が、前記半導体ウエ
ハの厚さの１０倍未満であることを特徴とする、上記
（１）に記載の静電チャック。 （１０）前記溝のパターンの溝の幅が、０．３ｃｍ未満
であることを特徴とする、上記（１）に記載の静電チャ
ック。 （１１）前記溝のパターンが、矩形接触区域のパターン
を画定することを特徴とする、上記（１）に記載の静電
チャック。 （１２）前記環状リムの表面粗さが、気体分配溝の組に
よって画定される前記中央部分の接触区域の表面粗さよ
り小さいことを特徴とする、上記（１）に記載の静電チ
ャック。 （１３）静電引力によってウエハ様ワークピースを保持
するための静電チャック・システムであって、前記ワー
クピースを支持する誘電層を含み、前記ワークピースと
機械的に接触する表面を有し、前記表面が、そこに含ま
れる気体の分子の平均自由行程と比較して小さい溝深さ
を有する１組の気体分配溝と、その外側の周囲にある環
状のリムとを有し、前記気体分配溝の組に接続された、
前記気体分配溝内の気体圧力を維持するための気体供給
手段と、前記誘電層の下に配置され、電極および前記ワ
ークピースに電圧を印加するために電圧供給手段に接続
された前記電極とを含み、前記気体分配溝の組が、前記
環状リム内の共通接触面を有する接触パッドの組を形成
し、前記気体圧力が、気体が前記溝深さと比較して大き
い平均自由行程を有するような圧力であり、前記誘電層
が、加工中の所期のウエハ温度に従って決定される表面
粗さを有することを特徴とする静電チャック・システ
ム。 （１４）前記静電チャック・システムの前記頂面の表面
粗さが、０．２ミクロンないし０．５ミクロンであるこ
とを特徴とする、上記（１３）に記載の静電チャック・
システム。 （１５）前記気体分配溝の組の深さが、１０μｍないし
２０μｍの範囲であることを特徴とする、上記（１３）
に記載の静電チャック・システム。 （１６）前記誘電層の接触面積分数が、ほぼ一定である
ことを特徴とする、上記（１３）に記載の静電チャック
・システム。 （１７）前記接触パッドの組の幅が、０．３ｃｍである
ことを特徴とする、上記（１３）に記載の静電チャック
・システム。 （１８）前記環状リムの表面粗さが、前記気体分配溝の
組によって画定される前記中央部分の接触区域の表面粗
さより小さいことを特徴とする、上記（１３）に記載の
静電チャック・システム。 （１９）半導体ウエハの所定の温度に従って決定され
る、その表面上の気体閉込め溝の間の接触面積分数と、
所定の表面粗さとを有する静電チャックに半導体ウエハ
を取り付けるステップと、静電クランプ電圧の調節によ
って前記半導体ウエハの温度を調節するステップと、前
記溝内の気体圧力の調節によって前記半導体ウエハの温
度を調節するステップとを含む、半導体ウエハを加工す
る方法。 （２０）さらに、少なくとも１つのクランプ電圧と気体
圧力との調節によって、前記半導体ウエハの半径に沿っ
た温度プロファイルを調節するステップを含む、上記
（１９）に記載の方法。 （２１）さらに、増やされた有効接触面積分数を有する
前記静電チャックの面の外側環状領域への熱伝達によっ
て、前記静電チャックの前記面からオーバーハングする
前記ウエハの領域に入射する過剰エネルギを平衡化する
ステップを含む、上記（１８）に記載の方法。 （２２）半導体ウエハと接触するための静電チャックの
前面上の誘電層であって、前記誘電層が、所定の表面粗
さと、静圧でその中に配置することのできる気体の平均
自由行程と比較して短い深さまで形成された溝のパター
ンとを有し、前記溝のパターンが、その上で前記溝のパ
ターンが接触面積分数を画定する中央部分と、もう１つ
の接触面積分数を有する外側環状領域とを有し、前記も
う１つの接触面積分数が、前記一定の接触面積分数より
大きく、前記表面粗さと前記接触面積分数とに起因する
有効接触面積分数が、前記半導体ウエハの表面に沿った
プラズマ密度プロファイルに従って決定されることを特
徴とする、前記誘電層と、前記静電チャックから熱を除
去するため、前記誘電層と熱的に通じている冷却板と、
前記静電チャックの前記前面に対する前記ウエハの静電
引力を発生するための電極とを含む、加工中に半導体ウ
エハを保持するための静電チャック。
クの前面上の誘電層であって、所定の表面粗さと、静圧
でその中に配置できる気体の平均自由行程より相対的に
短い深さまで形成された溝のパターンとを有し、前記溝
のパターンが、実質的に一定の接触面積分数を前記溝の
パターンがその上に画定する中央部分と、前記一定の接
触面積分数より大きいもう１つの接触面積分数を有する
外側の環状領域とを有する、前記誘電層と、前記静電チ
ャックから熱を除去するため前記誘電層と熱的に通じて
いる冷却板と、前記静電チャックの前記前面に対する前
記ウエハの静電引力を発生するための電極とを含む、加
工中の半導体ウエハを保持するための静電チャック。 （２）前記外側の環状接触領域の幅が、ウエハ半径が前
記静電チャックの半径を超える距離に従って決定される
ことを特徴とする、上記（１）に記載の静電チャック。 （３）前記外側の環状接触領域の前記幅が、ウエハ半径
が前記静電チャックの有効半径を超える前記距離の約
２．０倍ないし２．５倍であることを特徴とする、上記
（２）に記載の静電チャック。 （４）前記外側の環状領域の熱伝達係数が、前記ウエハ
の外縁領域に入射する過剰エネルギと平衡する幅および
有効接触面積分数を有することを特徴とする、上記
（１）に記載の静電チャック。 （５）前記外側の環状接触領域の前記幅が、ウエハ半径
が前記静電チャックの有効半径を超える前記距離の約
２．０倍ないし２．５倍であることを特徴とする、上記
（４）に記載の静電チャック。 （６）前記一定の接触面積分数が、２０％から４０％ま
での範囲であることを特徴とする、上記（１）に記載の
静電チャック。 （７）前記表面粗さが、前記半導体ウエハの未研摩表面
の表面粗さの近似値であることを特徴とする、上記
（１）に記載の静電チャック。 （８）前記表面粗さが、約０．２μｍないし０．５μｍ
であることを特徴とする、上記（１）に記載の静電チャ
ック。 （９）前記溝のパターンの溝の周期が、前記半導体ウエ
ハの厚さの１０倍未満であることを特徴とする、上記
（１）に記載の静電チャック。 （１０）前記溝のパターンの溝の幅が、０．３ｃｍ未満
であることを特徴とする、上記（１）に記載の静電チャ
ック。 （１１）前記溝のパターンが、矩形接触区域のパターン
を画定することを特徴とする、上記（１）に記載の静電
チャック。 （１２）前記環状リムの表面粗さが、気体分配溝の組に
よって画定される前記中央部分の接触区域の表面粗さよ
り小さいことを特徴とする、上記（１）に記載の静電チ
ャック。 （１３）静電引力によってウエハ様ワークピースを保持
するための静電チャック・システムであって、前記ワー
クピースを支持する誘電層を含み、前記ワークピースと
機械的に接触する表面を有し、前記表面が、そこに含ま
れる気体の分子の平均自由行程と比較して小さい溝深さ
を有する１組の気体分配溝と、その外側の周囲にある環
状のリムとを有し、前記気体分配溝の組に接続された、
前記気体分配溝内の気体圧力を維持するための気体供給
手段と、前記誘電層の下に配置され、電極および前記ワ
ークピースに電圧を印加するために電圧供給手段に接続
された前記電極とを含み、前記気体分配溝の組が、前記
環状リム内の共通接触面を有する接触パッドの組を形成
し、前記気体圧力が、気体が前記溝深さと比較して大き
い平均自由行程を有するような圧力であり、前記誘電層
が、加工中の所期のウエハ温度に従って決定される表面
粗さを有することを特徴とする静電チャック・システ
ム。 （１４）前記静電チャック・システムの前記頂面の表面
粗さが、０．２ミクロンないし０．５ミクロンであるこ
とを特徴とする、上記（１３）に記載の静電チャック・
システム。 （１５）前記気体分配溝の組の深さが、１０μｍないし
２０μｍの範囲であることを特徴とする、上記（１３）
に記載の静電チャック・システム。 （１６）前記誘電層の接触面積分数が、ほぼ一定である
ことを特徴とする、上記（１３）に記載の静電チャック
・システム。 （１７）前記接触パッドの組の幅が、０．３ｃｍである
ことを特徴とする、上記（１３）に記載の静電チャック
・システム。 （１８）前記環状リムの表面粗さが、前記気体分配溝の
組によって画定される前記中央部分の接触区域の表面粗
さより小さいことを特徴とする、上記（１３）に記載の
静電チャック・システム。 （１９）半導体ウエハの所定の温度に従って決定され
る、その表面上の気体閉込め溝の間の接触面積分数と、
所定の表面粗さとを有する静電チャックに半導体ウエハ
を取り付けるステップと、静電クランプ電圧の調節によ
って前記半導体ウエハの温度を調節するステップと、前
記溝内の気体圧力の調節によって前記半導体ウエハの温
度を調節するステップとを含む、半導体ウエハを加工す
る方法。 （２０）さらに、少なくとも１つのクランプ電圧と気体
圧力との調節によって、前記半導体ウエハの半径に沿っ
た温度プロファイルを調節するステップを含む、上記
（１９）に記載の方法。 （２１）さらに、増やされた有効接触面積分数を有する
前記静電チャックの面の外側環状領域への熱伝達によっ
て、前記静電チャックの前記面からオーバーハングする
前記ウエハの領域に入射する過剰エネルギを平衡化する
ステップを含む、上記（１８）に記載の方法。 （２２）半導体ウエハと接触するための静電チャックの
前面上の誘電層であって、前記誘電層が、所定の表面粗
さと、静圧でその中に配置することのできる気体の平均
自由行程と比較して短い深さまで形成された溝のパター
ンとを有し、前記溝のパターンが、その上で前記溝のパ
ターンが接触面積分数を画定する中央部分と、もう１つ
の接触面積分数を有する外側環状領域とを有し、前記も
う１つの接触面積分数が、前記一定の接触面積分数より
大きく、前記表面粗さと前記接触面積分数とに起因する
有効接触面積分数が、前記半導体ウエハの表面に沿った
プラズマ密度プロファイルに従って決定されることを特
徴とする、前記誘電層と、前記静電チャックから熱を除
去するため、前記誘電層と熱的に通じている冷却板と、
前記静電チャックの前記前面に対する前記ウエハの静電
引力を発生するための電極とを含む、加工中に半導体ウ
エハを保持するための静電チャック。
【図１】ＥＳＣとウエハの位置に関連したリアクタの断
面図である。
面図である。
【図２】ウエハ温度に影響する処理状態の下で、ウエハ
と共に静電チャックの幾何形状を示す図である。
と共に静電チャックの幾何形状を示す図である。
【図３】図２の円部分を拡大して詳細を示した図であ
る。
る。
【図４】本発明によって著しい性能改善がもたらされ
る、チャック表面パターンの平面図である。
る、チャック表面パターンの平面図である。
【図５】１０００ＶまでのさまざまなＥＳＣクランプ電
圧値（ＶESC）についての、０から１０Ｔｏｒｒまでの
ヘリウム圧力（ＰHe）の関数としての、ＥＳＣ−１と称
する通常のＥＳＣについて得られたウエハとＥＳＣの間
の平均熱伝達係数の値（ｈa）を示す図である。
圧値（ＶESC）についての、０から１０Ｔｏｒｒまでの
ヘリウム圧力（ＰHe）の関数としての、ＥＳＣ−１と称
する通常のＥＳＣについて得られたウエハとＥＳＣの間
の平均熱伝達係数の値（ｈa）を示す図である。
【図６】１０００ＶまでのさまざまなＥＳＣクランプ電
圧値（ＶESC）についての、０から１０Ｔｏｒｒまでの
ヘリウム圧力（ＰHe）の関数としての、ＥＳＣ−２と称
するもう１つのＥＳＣについて得られたウエハとＥＳＣ
の間の平均熱伝達係数の値（ｈa）を示す図である。
圧値（ＶESC）についての、０から１０Ｔｏｒｒまでの
ヘリウム圧力（ＰHe）の関数としての、ＥＳＣ−２と称
するもう１つのＥＳＣについて得られたウエハとＥＳＣ
の間の平均熱伝達係数の値（ｈa）を示す図である。
【図７】ＶESC＝８００Ｖで動作する時の、ＥＳＣ−
３、ＥＳＣ−４およびＥＳＣ−５と称する３つの異なる
ＥＳＣについてのＨｅ圧力（ＰHe）の関数としてのＳｉ
ウエハとＥＳＣの間の物理接触に起因する平均熱伝達係
数（ｈc）の測定値を示す図である。
３、ＥＳＣ−４およびＥＳＣ−５と称する３つの異なる
ＥＳＣについてのＨｅ圧力（ＰHe）の関数としてのＳｉ
ウエハとＥＳＣの間の物理接触に起因する平均熱伝達係
数（ｈc）の測定値を示す図である。
【図８】図５、図６および図７の５つの異なるＥＳＣに
ついて測定された、４００Ｖから１０００ＶまでのＶ
ESCの関数としてのｈcの挙動を示す図である。
ついて測定された、４００Ｖから１０００ＶまでのＶ
ESCの関数としてのｈcの挙動を示す図である。
【図９】図５および図６のＥＳＣ−１およびＥＳＣ−２
のＰHeの関数としての熱伝達係数（ｈg）の計算値を示
す図である。
のＰHeの関数としての熱伝達係数（ｈg）の計算値を示
す図である。
【図１０】ＶESC＝８００Ｖでの、ＥＳＣ−３、ＥＳＣ
−４およびＥＳＣ−５に関するＰHeの関数としてのｈg
の値を示す図である。
−４およびＥＳＣ−５に関するＰHeの関数としてのｈg
の値を示す図である。
【図１１】図４に示された溝パターンを有するＥＳＣに
関するウエハ温度分布の計算値（実線）と測定値（デー
タ点と折れ線）を示す図である。
関するウエハ温度分布の計算値（実線）と測定値（デー
タ点と折れ線）を示す図である。
【図１２】本発明の好ましい実施例による、小さな正方
形の接点からなるワッフル・タイプのチャック表面パタ
ーンを示す図である。
形の接点からなるワッフル・タイプのチャック表面パタ
ーンを示す図である。
【図１３】図１１と比較するために、図１２に示された
溝パターンを有し、図１１に示されたデータを得るのに
使用されたものと同様の条件で動作したＥＳＣに関す
る、ウエハ温度分布の計算値（実線）と測定値（データ
点）を示す図である。
溝パターンを有し、図１１に示されたデータを得るのに
使用されたものと同様の条件で動作したＥＳＣに関す
る、ウエハ温度分布の計算値（実線）と測定値（データ
点）を示す図である。
【図１４】改良されたＥＳＣの温度均一性プロファイル
を示す図である。
を示す図である。
【図１５】本発明によるチャック表面パターンの好まし
い形態を示す図である。
い形態を示す図である。
１０ 静電チャック １２ 冷却板 １２' 冷却材入口 １２" 冷却材出口 １４ 前面 １４' 接触領域 １６ 溝 １８ ウエハ ２０ 通路 ２２ 電極 ２４ オーバーハング領域 １００ リアクタ １１０ ハウジング上部 １２０ 水冷部部分 １３０ ハウジング下部 １４０ コイル １５０ 窓 １６０ ミラー・コイルおよびカスプ・コイル １７０ 通路 １８０ 通路 １９０ 温度プローブ
フロントページの続き (72)発明者 カート・アンドリュー・オルソン アメリカ合衆国95472 カリフォルニア州 セバストポール イースト・ハールバット 7084 (72)発明者 アンソニー・ジョン・リッチ アメリカ合衆国12533 ニューヨーク州ホ ープウェル・ジャンクション クローブ・ ブランチ・ロード 170 (72)発明者 ステファン・エリック・ラッシグ アメリカ合衆国12603 ニューヨーク州ポ ーキープシ ストンヘッジ・ドライブ 19 (72)発明者 アンワー・ホーシン アメリカ合衆国94566 カリフォルニア州 プレザントン パセオ・サンタ・マリア 6310
Claims (22)
- 【請求項１】ウエハと接触するための静電チャックの前
面上の誘電層であって、所定の表面粗さと、静圧でその
中に配置できる気体の平均自由行程より相対的に短い深
さまで形成された溝のパターンとを有し、前記溝のパタ
ーンが、実質的に一定の接触面積分数を前記溝のパター
ンがその上に画定する中央部分と、前記一定の接触面積
分数より大きいもう１つの接触面積分数を有する外側の
環状領域とを有する、前記誘電層と、 前記静電チャックから熱を除去するため前記誘電層と熱
的に通じている冷却板と、 前記静電チャックの前記前面に対する前記ウエハの静電
引力を発生するための電極とを含む、加工中の半導体ウ
エハを保持するための静電チャック。 - 【請求項２】前記外側の環状接触領域の幅が、ウエハ半
径が前記静電チャックの半径を超える距離に従って決定
されることを特徴とする、請求項１に記載の静電チャッ
ク。 - 【請求項３】前記外側の環状接触領域の前記幅が、ウエ
ハ半径が前記静電チャックの有効半径を超える前記距離
の約２．０倍ないし２．５倍であることを特徴とする、
請求項２に記載の静電チャック。 - 【請求項４】前記外側の環状領域の熱伝達係数が、前記
ウエハの外縁領域に入射する過剰エネルギと平衡する幅
および有効接触面積分数を有することを特徴とする、請
求項１に記載の静電チャック。 - 【請求項５】前記外側の環状接触領域の前記幅が、ウエ
ハ半径が前記静電チャックの有効半径を超える前記距離
の約２．０倍ないし２．５倍であることを特徴とする、
請求項４に記載の静電チャック。 - 【請求項６】前記一定の接触面積分数が、２０％から４
０％までの範囲であることを特徴とする、請求項１に記
載の静電チャック。 - 【請求項７】前記表面粗さが、前記半導体ウエハの未研
摩表面の表面粗さの近似値であることを特徴とする、請
求項１に記載の静電チャック。 - 【請求項８】前記表面粗さが、約０．２μｍないし０．
５μｍであることを特徴とする、請求項１に記載の静電
チャック。 - 【請求項９】前記溝のパターンの溝の周期が、前記半導
体ウエハの厚さの１０倍未満であることを特徴とする、
請求項１に記載の静電チャック。 - 【請求項１０】前記溝のパターンの溝の幅が、０．３ｃ
ｍ未満であることを特徴とする、請求項１に記載の静電
チャック。 - 【請求項１１】前記溝のパターンが、矩形接触区域のパ
ターンを画定することを特徴とする、請求項１に記載の
静電チャック。 - 【請求項１２】前記環状リムの表面粗さが、気体分配溝
の組によって画定される前記中央部分の接触区域の表面
粗さより小さいことを特徴とする、請求項１に記載の静
電チャック。 - 【請求項１３】静電引力によってウエハ様ワークピース
を保持するための静電チャック・システムであって、前
記ワークピースを支持する誘電層を含み、前記ワークピ
ースと機械的に接触する表面を有し、前記表面が、そこ
に含まれる気体の分子の平均自由行程と比較して小さい
溝深さを有する１組の気体分配溝と、その外側の周囲に
ある環状のリムとを有し、 前記気体分配溝の組に接続された、前記気体分配溝内の
気体圧力を維持するための気体供給手段と、 前記誘電層の下に配置され、電極および前記ワークピー
スに電圧を印加するために電圧供給手段に接続された前
記電極とを含み、 前記気体分配溝の組が、前記環状リム内の共通接触面を
有する接触パッドの組を形成し、 前記気体圧力が、気体が前記溝深さと比較して大きい平
均自由行程を有するような圧力であり、 前記誘電層が、加工中の所期のウエハ温度に従って決定
される表面粗さを有することを特徴とする静電チャック
・システム。 - 【請求項１４】前記静電チャック・システムの前記頂面
の表面粗さが、０．２ミクロンないし０．５ミクロンで
あることを特徴とする、請求項１３に記載の静電チャッ
ク・システム。 - 【請求項１５】前記気体分配溝の組の深さが、１０μｍ
ないし２０μｍの範囲であることを特徴とする、請求項
１３に記載の静電チャック・システム。 - 【請求項１６】前記誘電層の接触面積分数が、ほぼ一定
であることを特徴とする、請求項１３に記載の静電チャ
ック・システム。 - 【請求項１７】前記接触パッドの組の幅が、０．３ｃｍ
であることを特徴とする、請求項１３に記載の静電チャ
ック・システム。 - 【請求項１８】前記環状リムの表面粗さが、前記気体分
配溝の組によって画定される前記中央部分の接触区域の
表面粗さより小さいことを特徴とする、請求項１３に記
載の静電チャック・システム。 - 【請求項１９】半導体ウエハの所定の温度に従って決定
される、その表面上の気体閉込め溝の間の接触面積分数
と、所定の表面粗さとを有する静電チャックに半導体ウ
エハを取り付けるステップと、 静電クランプ電圧の調節によって前記半導体ウエハの温
度を調節するステップと、 前記溝内の気体圧力の調節によって前記半導体ウエハの
温度を調節するステップとを含む、半導体ウエハを加工
する方法。 - 【請求項２０】さらに、少なくとも１つのクランプ電圧
と気体圧力との調節によって、前記半導体ウエハの半径
に沿った温度プロファイルを調節するステップを含む、
請求項１９に記載の方法。 - 【請求項２１】さらに、増やされた有効接触面積分数を
有する前記静電チャックの面の外側環状領域への熱伝達
によって、前記静電チャックの前記面からオーバーハン
グする前記ウエハの領域に入射する過剰エネルギを平衡
化するステップを含む、請求項１８に記載の方法。 - 【請求項２２】半導体ウエハと接触するための静電チャ
ックの前面上の誘電層であって、前記誘電層が、所定の
表面粗さと、静圧でその中に配置することのできる気体
の平均自由行程と比較して短い深さまで形成された溝の
パターンとを有し、前記溝のパターンが、その上で前記
溝のパターンが接触面積分数を画定する中央部分と、も
う１つの接触面積分数を有する外側環状領域とを有し、
前記もう１つの接触面積分数が、前記一定の接触面積分
数より大きく、前記表面粗さと前記接触面積分数とに起
因する有効接触面積分数が、前記半導体ウエハの表面に
沿ったプラズマ密度プロファイルに従って決定されるこ
とを特徴とする、前記誘電層と、 前記静電チャックから熱を除去するため、前記誘電層と
熱的に通じている冷却板と、 前記静電チャックの前記前面に対する前記ウエハの静電
引力を発生するための電極とを含む、加工中に半導体ウ
エハを保持するための静電チャック。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/277,552 US5548470A (en) | 1994-07-19 | 1994-07-19 | Characterization, modeling, and design of an electrostatic chuck with improved wafer temperature uniformity |
| US277552 | 1994-07-19 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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Family
ID=23061359
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP17641695A Expired - Fee Related JP3437883B2 (ja) | 1994-07-19 | 1995-07-12 | 静電チャック、静電チャック・システム及び半導体ウエハを加工する方法 |
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| Country | Link |
|---|---|
| US (2) | US5548470A (ja) |
| EP (1) | EP0693774A2 (ja) |
| JP (1) | JP3437883B2 (ja) |
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