JPH10116887A

JPH10116887A - ワークピースの冷却装置及び方法

Info

Publication number: JPH10116887A
Application number: JP26913497A
Authority: JP
Inventors: Vijay D Parkhe; ディーパーケヴィジャイ
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 1996-08-26
Filing date: 1997-08-26
Publication date: 1998-05-06
Also published as: KR19980018986A; EP0827187A3; TW406346B; EP0827187A2

Abstract

(57)【要約】【課題】ワークピースを冷却するための装置および方法
を提供する。【解決手段】支持面を有する熱伝導性のペデスタル２０
６を含み、その上にワークピースを静電的に保持する、
電極２２０と２２２を有する静電チャック２００が取付
けられる。ワークピースからペデスタルへの熱伝導が従
来技術に対して実質的に改善されるように、静電チャッ
クは、その支持面と熱接触してワークピースを静電的に
を保持する。このワークピースとチャック間の緊密な接
触が背面の冷却技術の使用を容易にし、更にチャックへ
の熱の伝導を促進する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する分野】本発明は、半導体処理システム内
に半導体ウェハを支持するための基板支持チャックに関
する。特に、本発明は、静電チャックを用いて冷却チャ
ンバがワークピースをそこに保持している場合、半導体
処理システム内の冷却チャンバに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年の半導体処理システムは、与えられ
た半導体ウェハを処理するために、一連のステージを用
いる。一般に、プロセスの各ステージは、個々のプロセ
スチャンバ内で行われ、ロボットの移送機構がシステム
内でステージからステージへウェハを移送する。一般
に、プロセスの各ステージは、システム内の他のステー
ジの要件とは異なる特別な環境要件を有する。非常に高
い温度、例えば、４００℃以上で操作する１つのステー
ジ内で処理を行った後、ウェハは、ウェハが次のステー
ジへ移送される前に冷却されなければならない。ある場
合、ある型式の雰囲気に“熱い”ウェハを置くことは、
ウェハを使用することができなくなる好ましくない反応
を生じる。更に、半導体処理システムの最後のステージ
における処理の後、ウェハは、プラスチックの移送カセ
ット内に置かれる前に冷却されなければならない。

【０００３】良好な環境においてウェハの冷却を容易に
するために、中間のステージが用いられる。即ち、冷却
チャンバが冷却ステージを与える。冷却チャンバは、ロ
ボットの移送機構によって、ウェハが置かれるウェハ支
持面を有する液冷アルミニウムのペデスタルを有する。
このペデスタルは、ペデスタルへの伝導およびチャンバ
環境への伝達を介してウェハを急速に冷却するために、
冷却された環境が作られるように、真空チャンバ内に配
置される。一般に、移送機構がウェハをペデスタル上に
載置すると、チャンバはシールされ、チャンバ内の圧力
は、アルゴンガスを導入することによって上昇され、２
−４トル(Torr)のチャンバ圧力を生成する。この“充填
時間”は約２０秒である。チャンバが充填されるにした
がって、気流の乱れがペデスタルの面を横切ってウェハ
を劇的に移動する。アルゴンの雰囲気が存在すると、ウ
ェハは一般的に３０−４０秒間に４５０℃から１５０℃
へ冷却される。ウェハが冷却されると、チャンバは真空
へ吸気され、冷却されたウェハを取り出すために、移送
機構が再びチャンバへ入る。ウェハの回収を早くするた
めに、冷却チャンバは真空へ形式的に吸気されるのでな
く、むしろチャンバが移送機構を含むシステムの一部へ
単に開放されるだけである。システムのこの一部は、バ
ッファチャンバとして知られている。冷却されたチャン
バの雰囲気はバッファチャンバへ“送りだされ(dumpe
d)”、低温ポンプ（クリオポンプ: cryopump)を用いて
バッファチャンバから吸気される。

【０００４】このように、冷却チャンバの雰囲気を用い
ることの１つの欠点は、雰囲気を送りだす（ダンピング
する）ことは、クリオポンプがしばしば再生されなけれ
ばならないことを要求することである。このクリオポン
プの再生は、完了するのに１２０分から３６０分を必要
とする。この動作はウェハの下側から材料を摩損して、
汚染粒子を生成する。冷却したチャンバの雰囲気をダン
ピングすることにより、繰り返されたクリオポンプの再
生の必要性を避けるために、冷却されたチャンバの雰囲
気の使用を避けて、真空においてウェハを冷却すること
は有利なことである。従って、冷却したチャンバの雰囲
気の必要性なく、半導体ウェハの改善された冷却を容易
にする半導体ウェハ処理システムの冷却チャンバ内にチ
ャックのための技術の必要性がある。

【０００５】

【本発明の概要】従来の技術に関連した欠点は、熱伝導
性ペデスタル近くにワークピース（例えば、半導体ウェ
ハ）を支持および保持するための静電チャックを含ん
で、ワークピースを冷却するための本発明の装置によっ
て、克服される。この静電チャックは、ワークピースか
らペデスタルへの熱伝導が従来の技術より実質的に改善
されるように、ペデスタルに密着してワークピースを保
持する。ウェハとチャック間の密着は背面の冷却技術の
使用を容易にし、更にワークピースからチャックへの熱
伝導を改善する。本発明の静電チャックは、熱伝導性の
取付け板に取付けられる。取付け板は、ペデスタルを低
温に維持する冷却液を流す導管（コンジット）を含む熱
伝導性ペデスタル基体に取外し自在に取り付けられる。
このペデスタル基体は、静電チャックが、例えば複数の
ボルトまたはねじによって取外し自在に取り付けられる
上部の面を有する。

【０００６】加熱素子がチャックとペデスタル間に選択
的に置かれる。この加熱素子は水蒸気を除くために冷却
チャンバを定期的に加熱するように作動される。代わり
に、外部の加熱素子、例えばランプがチャンバの外部に
取付けられて、加熱機能を達成する。本発明の好適な実
施形態において、静電チャックは、取付け板に取付けら
れた第１のポリマー誘電体層を含む。第１のポリマー誘
電体層上に、一対の同一平面の電極が堆積されるか、或
いは取付けられ、そして電極対上に第２のポリマー誘電
体層が堆積されるか、取付けられる。この第２のポリマ
ー誘電体層は半導体ウェハ処理の冷却中に、半導体ウェ
ハが配置される支持面を形成する。１００℃或いはそれ
以上の温度を有するウェハの支持を容易にするために、
ポリマー誘電体材料は高温のポリイミドである。

【０００７】チャックの電極は、ワイヤおよび真空にシ
ールされたコネクターを介して、チャンバ壁を通して高
圧ＤＣ電源（２００−２０００ボルトを供給する）の正
と負の端子へ接続される。ペデスタル基体へチャック取
外し可能な取付けを容易にするために、電極はスプリン
グを入れたコネクターアッセンブリを介してペデスタル
基体にある端子へ接続する。電圧が一対の電極へ印加さ
れると、反対極性の電荷がウェハの下側に累積される。
これらの電荷は、電極の電位に引きつけられるが、ポリ
イミドの層をとおして移動することはない。このように
して、ウェハは、全体として、静電チャック内の電極に
引きつけられる、結果として、ウェハはクーロン力によ
ってそれらの上に保持される。一旦“チャックされる”
と、ウェハは第２ポリマー誘電体層の上面に密接して保
持される。この密接はウェハから冷却されたペデスタル
への熱伝導性の通路を与える。このようにして、ウェハ
内の熱は、ポリイミド層、電極、第１のポリイミド層お
よび取付け板を通して冷却されたペデスタルへ急速に伝
わる。ウェハからの熱はペデスタルをとおして流れる冷
却液によって、熱交換器へ急速に運ばれる。

【０００８】熱伝導を更に増進するために、アルゴンの
ような冷却ガスがウェハとチャックの支持面間の隙間空
間に与えられる。ガスはペデスタルとチャックをとおし
て中央に位置した入口を介して冷却ガス源からウェハの
裏側へ供給される。分配チャネルがウェハの裏側に沿っ
てガスの分配を増大するために支持面に形成される。ポ
リマー誘電体支持面、裏側のガス冷却及び液体で冷却さ
れたペデスタルを有する静電チャックを用いて、ウェハ
は約１０─１５秒間に４５０℃から１００℃へ冷却され
る。これは、従来の技術と比較して、冷却時間において
３から４倍の改善である。更に、本発明は、優れた冷却
時間を達成するために、冷却チャンバ内の冷却する雰囲
気を必要としない。このようにして、冷却チャンバは、
ウェハの磨滅や繰り返されたクリオポンプの再生を生じ
るかもしれない冷却チャンバの雰囲気の充填や廃棄を必
要としない。

【０００９】

【実施の形態】理解を容易にするために、可能な限り、
図面に共通する同じ素子を示す場合に同じ参照番号が用
いられる。図１は、本発明を実施する少なくとも１つの
冷却チャンバ１０２を有する、マルチチャンバの半導体
ウェハ処理システム１００の簡略化した上面図である。
マルチチャンバシステム１００の商用的に利用できる一
例は、Applied Mateials,Inc.によって製造された"Endu
ra"システムである。システム１００は、例えば、４つ
の処理チャンバ１０４，１０６，１０８、１１０、移送
チャンバ１１２、事前クリーニングチャンバ１１４、バ
ッファチャンバ１１６、ウェハオリエンター(orienter)
／排ガスチャンバ１１８及び一対のロードロックチャン
バ１２０と１２２を有する。このシステムは、第２の冷
却チャンバ（点線で示されている）１０１を含んでもよ
い。各チャンバは半導体ウェハ処理の異なるステージ或
いはフェーズを表す。バッファチャンバ１１６は、ロー
ドロックチャンバ１２０と１２２、ウェハオリエンター
(orienter)／排ガスチャンバ１１８、事前クリーニング
チャンバ１１４、および冷却チャンバ１０２に関して、
中央に配置されている。これらのチャンバ間でウェハの
移送を行うために、バッファチャンバ１１６は第１のロ
ボット移送機構１２４を有する。ウェハ１２８は、ロー
ドロックチャンバ１２０又は１２２の一方に置かれたプ
ラスチックの運搬カセット１２６において、保管庫から
システムへ運ばれる。ロボット移送機構１２４はウェハ
を、ある時に１つ、カセットか１２６から３つのチャン
バ１１８，１０２，または１１４の何れかへ移送する。
一般に、与えられたウェハがウェハオリエンター／排ガ
スチャンバ１１８に先ず置かれ、その後、事前クリーン
チャンバ１１４へ移動される。冷却チャンバ１０２は、
一般に、ウェハが処理チャンバ１０４，１０６，１０
８，１１０内で処理された後まで使用されない。個々の
ウェハは、第１のロボット機構１２４の末端に配置され
ているウェハ運搬ブレード１３０上に運ばれる。

【００１０】移送チャンバ１１２は、事前クリーニング
チャンバ１１４と冷却チャンバ１０２ばかりでなく４つ
の処理チャンバ１０４，１０６，１０８，１１０によっ
て囲まれ、これらへアクセスする。処理チャンバと移送
チャンバ間でウェハの運搬を行うために、移送チャンバ
１１２は第２のロボット移送機構１３２を有する。この
移送機構１３２は個々のウェハを運ぶためのロボットの
末端に取付けらえたウェハ運搬ブレード１３４を有す
る。動作において、第２の移送機構１３２のウェハ運搬
ブレード１３４は事前クリーニングチャンバ１１４から
ウェハを回収し、そのウェハを処理の第１ステージ、例
えば、チャンバ１０４内での物理気相堆積（ＰＶＤ）ス
テージへ運ぶ。このステージは高温で、例えば１７５℃
を越えて動作する。ウェハが処理され、ＰＶＤステージ
がウェハ上に材料を堆積すると、ウェハは、処理の第２
ステージへ移動される。しかし、処理の第２ステージが
低温処理ステージである場合、ウェハは、処理の第２ス
テージを行うチャンバ内に置かれる前に冷却されなけれ
ばならない。結果的に、ウェハが高温チャンバ１０４か
ら回収されると、冷却チャンバ１０２又は１０１内に置
かれる。

【００１１】本発明の１つの特徴によると、冷却チャン
バ１０２（または１０１）は、ウェハを静電的に保持す
るための静電チャックを有する。静電チャックは、ウェ
ハから熱交換器へ熱を急速に取り除く液体冷却ペデスタ
ルに密接してウェハを保持する。冷却チャンバで用いら
れる静電チャックは、図２を参照して以下に詳細に記載
される。ウェハが冷却チャンバ内で冷却されると、第２
の移送機構１３２はウェハを更に処理するための低温チ
ャンバ１０６へ移す。低温チャンバ１０６は高温処理ス
テージと比較して“低い”温度で動作するけれども、チ
ャンバ内の温度は充分高いので、処理後、ウェハがチャ
ンバ１０６から直接移すことができず、バッファチャン
バ１１６へ戻される。このようにして、ウェハは、処理
後低温チャンバ１０６内で処理された後再度冷却されな
ければならない。勿論、ウェハは移送チャンバを介して
アクセスできる他のチャンバにおいて更に処理をするこ
ともできる。処理が処理チャンバ内で完了すると、移送
機構１３２はウェハを処理チャンバから移し、ウェハを
冷却チャンバ内の静電チャックへ運ぶ。冷却処理は繰り
返され、ウェハは、バッファチャンバ１１６内の第１の
移送機構１２４を用いて、冷却チャンバから取り出され
る。最後に、ウェハはロードロックチャンバ１２２内の
運搬カセット１２６に配置される。

【００１２】図２は、図１と図３の２−２ラインに沿っ
た冷却チャンバ１０２とバイポーラ静電チャック１５０
の垂直断面図を示す。図３は、図２の静電チャックの平
面図である。本発明を最も良く理解するために、読者は
図２と図３を同時に参照する必要がある。冷却チャンバ
１０２は、内部空間２０４を画定する複数の側壁２０
２、ペデスタル２０６（冷却ブロックとしても知られて
いる）、ヒーター素子２０１、静電チャック２００、電
源２０８、冷却ガス源２１０および熱交換器２１２を有
する真空シールされたエンクロージャーを含む構成要素
の組み立て体である。第１のロボット移送機構（図１の
１２４）は、チャンバの側壁に設けられた枢軸ドアを介
して空間２０４へのアクセスが与えられる。一般に、ド
ア２１４と２１６はチャンバの向かい合った側壁に配置
される。

【００１３】静電チャック２００の好適な実施の形態
は、第１のポリマー誘電体層２１８、一対の電極２２０
と２２２、および第２ポリマー誘電体層２２４を有して
いる。構造的な剛性をチャックに与えるために、第１の
誘電体層２１８は熱伝導性の取付け板２２６に取り付け
られる。より詳細には、静電チャック２００は取付け板
２２６上に取付けられる。このチャックは、板２２６に
密着した１−２ミルの厚さを有する第１の自己密着誘電
体層２１８；第１の誘電体層上に設けられた導電層（電
極２２０と２２２）（電極２２０と２２２を含む導電層
はいろいろな形状にパターン化され、第３図は２極の電
極パターンを示している）；及び１−２ミルの厚さを有
する第２の自己密着誘電体層２２４を有する。板２２６
は開口２３０を有し、そこを通して導電性延長部２３２
が電気的接触面２３４を備えるために延びており、そこ
を介して電源が電極２２０へ接続される。同様に、他の
電極２２４は開口をとおる導電性延長部により電源へ接
続される（図２には図示されていない）。これらの延長
部は、（図５に関して説明されるように）ローリポップ
型の“タブ”として形成される。タブの概略は図３に示
されている。

【００１４】図示されたチャック２００とペデスタル２
０６は円形のシリコンウェハ用であるが、このようなペ
デスタルは、長方形であってもよく、或いは半導体デバ
イスの製造に用いられる基板に有利な形状を有すること
ができる。静電チャック２００の誘電体層の少なくとも
一方、好ましくは双方は、一般にセラミックと酸化物の
誘電体材料と比較して柔軟性があり、低コストである、
例えばポリイミドのようなポリマー誘電体材料から構成
される。しかし、以下に説明されるように、静電チャッ
クの他の形状は本発明の範囲を越えることなくポリイミ
ドをベースにしたチャックで置き換えることができる。
より詳細には、下側の第１のポリイミド膜２０８は、取
付け板２２６に密着される。従来、このような取付けは
メチルメタクリ酸エステル（アクリル樹脂）をベースと
した接着層を用いて行われていた。しかし、この接着層
は高温に耐えることができない。このようなアクリル樹
脂の接着材を用いる必要性を避けるために、第１のポリ
イミド膜２１８は、それが熱および圧力の利用の下で流
れ、ペデスタルと接合することができる、充分に熱可塑
性であるポリイミド膜を用いて形成される。下側のポリ
イミド膜２１８として用いるための好適な材料は、例え
ばDePontから出されているKapton( 登録商標)KJ のよう
な疎水性の材料である。例えば、Kapton KJ は、約２２
０℃のガラス転移温度（Ｔｇ）を有する熱可塑性のポリ
イミド接着材である。Kapton KJ は０．５ミル（１２μ
ｍ）程度の薄い厚さで利用可能であり、熱膨張の比較的
に低いＺ軸の係数（ＣＴＥ，ｃａ．６５ｐｐｍ／℃）を
有し、殆どの物理的特性は、他のポリイミド膜と匹敵す
る。

【００１５】上昇した温度で、Kapton KJ は、結晶転移
（Ｔｍ）として考えられる２８０℃−３５０℃の範囲に
ある、２２０℃のＴｇより上の第２の転移温度を有する
２つの軟化点を有する。この第２の転移温度の範囲は、
例えば取付け板２２６の様な金属基板（一般的に、ステ
ンレススチールやアルミニウムで構成される）にKapton
KJ の効果的な接合に対してプロセスウインドウ(proce
ss window)として機能する。Kapton KJ は、いろいろな
金属および非金属の基板と接合するために示されてい
る。接合は、銅、スチール、セラミックおよび膜を含む
他の材料にKaptonKJ を接合するために真空アシストの
油圧或いはオートクレーブ(autoclave) を用いて、２８
０℃以上（好ましくは３５０℃）、２００或いはそれ以
上のｐｓｉ（好ましくは３００ｐｓｉ）で行われる。

【００１６】静電チャック２００の電極２２０と２２２
は、例えば、Ablestik Laboratories, Rancho Domingue
z, California から出されている、銅が表面化した被着
層のポリイミド膜、アルミニウム被着層のポリイミド
膜、およびアルミニウム充填ポリイミド膜のような多く
の材料から構成される。１つの好適な導電層は、銅箔に
接合されたポリイミド膜の接着しない複合物で、Paralu
x(登録商標)AP としてDuPontから出されている。銅は一
般には巻かれたアニールされた銅であるが、しかし電着
された銅も利用できる。静電チャック２００の構成に使
用することができる他の材料は、Kapton (登録商標)HKJ
and EKJとしてDuPontから、或いはUPILEX (登録商標)
としてUBE Industries, Ltd.から出されている。Kapton
HKJ and EKJは、熱封じ（シール）可能な／自己接着す
る複合膜で、非熱可塑性で、高いガラス転移温度（例え
ば、３５０℃のＴｇ）をもつコアのポリイミドのフィル
ム層の上部にkapton KJ の少なくとも１つの層から成っ
ている。この非熱可塑性は、例えば、一般に用いられた
Ｈポリマー（PMDA/ODA) のような材料から、又はＥポリ
マー（DuPontから利用可能な、明らかでない構成の低い
熱膨張のポリマー) から選択される。被着材料の層の厚
さは特定のニーズに合うように変えることができる。更
に、被着層の材料は、利用に応じて、非熱可塑性のコア
層の片側或いは両側に熱可塑性の接着層を持つことがで
きる。代表的には、熱可塑性の接着層の厚さは、約０．
１−０．５ミル（２．４−１２μｍ）の範囲にあるが、
一方、コア層の厚さは、約０．５−２．０ミル（１２−
４８μｍ）の範囲にある。Ｈポリマーのコアを有する被
着層の材料に対する熱膨張係数は約４５ｐｐｍ／℃、誘
電体の強度は約５６００Ｖ／ｍｉｌ、誘電体の定数は
３．２２、そして熱放散定数は０．００２である。

【００１７】図５（Ａ）−（Ｅ）は、上述のポリイミド
被着層の材料を用いて、静電チャック２００を製造する
ために用いられたプロセスステップを示す。例えば、図
５（Ａ）は、コア層の各側に熱可塑性接着層５０２と５
０４のあるコア層２１８、および各熱可塑性接着層５０
２と５０４の表面上に堆積された銅の層５０６と５０８
を有する商用の銅の表面化した被着層のポリイミド膜５
００（例えば、KaptonHKJ) を示す。図５（Ｂ）に示さ
れるように、表面の銅層５０６は、標準のホトレジスト
とウエットエッチ技術を用いて、所望の電極パターン２
２２と２２０を生成するためにパターン化され、一方、
他の表面の銅層５０８はウエットエッチプロセス中に完
全に除去される。これは、熱可塑性の自己接着ポリイミ
ド層５０２上に高温コアの中央層２１８があり、この高
温コアの中央層上に熱可塑性の接着ポリイミド層５０４
があり、そしてこの熱可塑性の接着ポリイミド層上にあ
る一表面に所望の電極パターンを有する変更された被着
層フィルムを備える。変更された被着層フィルムの下面
は取付け板２２６に直接接合される熱可塑性の自己接着
ポリイミドである。

【００１８】図５（Ｃ）に示されるように、第２のポリ
イミドを有する層２１６（高温のコア層を伴う、或いは
伴わない熱可塑性の自己接着ポリイミドを有するフィル
ム）が電極２２０と２２２上に与えられる。特に、この
フィルムは、KJの自己接着層５１４を伴うポリイミド層
２１６を有するKapton KJ である。代わりに、ポリイミ
ド層はUPILEXでもよく、KJの分離層のフィルムは電極上
に配置され、UPILEXを電極へ接着するのを容易にする。
更に、箔５１６（例えば、デュオホイル（duofoil))が
下面の接着層５０２の上に一時的に置かれる。図５
（Ｃ）に示された構造は、図５（Ｄ）に示された構造を
作るために、３５０℃と３００ｐｓｉでオートクレーブ
において接合される。この点で、もし、裏側のガス分配
溝（図示せず）が必要なら、構造５２０の上面が従来の
ポリイミドエッチング技術を用いて、エッチされる。更
に、２つの孔（それらの１つは図５（Ｄ）において、孔
５２２として示されている）が層２１６と５１４をとお
してエッチされ、電力を電極に供給する接触点を備え
る。これらの孔の必要性は以下の記載から明らかになる
であろう。

【００１９】更に、図５（Ｄ）は、アクセス孔５１０
（即ち、この孔は裏側の冷却ガスの導管２４４を形成す
る）を示し、孔開けされた領域５１２は構造を通して孔
開けされている。孔開けされた領域５１２は構造の下側
から延びるロリーポップ形の“タブ”を形成する。ダイ
がこれらの孔を開けるために用いられる。複数の静電チ
ャック構造が被着層フィルムの大きなシート上に同時に
作られるので、ダイは、タブ５１２と孔５１０が開けら
れると同時にフィルムから各チャックの円形形状を切り
取る。このタブは電極へ電力を運ぶ延長部２３２を形成
する。構造に接近した電極２２０も延長部（図示せず）
を形成するために孔開けされる。接合と孔開けの後、デ
ュオホイル５１６は下側の接着層５０２から除去される
（剥がされる）。この層は取付け板２２６に接着され
る。孔開けされた領域５１２は延長部２３２を形成する
ために孔２３０を通して延びる。延長部は、孔５２２を
介して銅の導体を露出するために折り重ねられ、導電性
延長部２３２と導電性取付け板２２６間の絶縁障壁とし
てポリアミド層２１６と２１８を用いる。代わりに、延
長部は、チャックの端から延びる“イヤー(ears:耳) と
して形成され、また取付け板の下側に銅を露出するため
に取付け板の端に折り重ねられる。図５（Ｅ）に示され
た全体のアッセンブリは、層５０２を取付け板２２６へ
接着するために３５０℃、３００ｐｓｉでオートクレー
ブにおいて再度接合されて、静電チャック２００を形成
する。

【００２０】静電チャックは、１９９５年１月３１日に
出願された、米国特許出願番号08/381,258に記載された
層にされる方法で堆積され、硬化される液体ポリイミド
材料を用いて、製造することもできる。ポリイミドベー
スの静電チャックは製造コストが安く、製造の比較的容
易な本発明の好適な実施形態として記載されたが、他の
静電チャックアッセンブリがウェハから冷却ペデスタル
２０６への熱伝導を促進するようにも機能する。例え
ば、この静電チャックは、取付け板に取付けられた埋め
込み電極を有するセラミックの材料の層を有する従来の
セラミックチャックである。このようなセラミックチャ
ックは、Watanabe他に１９９２年５月２６日に発行され
た米国特許第 5,117,121号に記載されている。更に、誘
電体チャックは、 Naomichi に１９８３年５月２４日に
発行された米国特許第 4,384,918号に記載されている。
上述のバイポーラチャックの代わりに用いることができ
るモノポーラのチャックは米国特許出願中のもの、及び
Birang他に１９９５年１０月１７日に発行された米国特
許第 5,459,632号に記載されている。これらのものは参
照によりここに取り込まれる。これらの静電チャック
は、ＡＣ或いはＤＣのチャック電圧によって駆動される
ばかりでなく、バイポーラ或いはノモポーラの何れでも
よい。本発明の重要な特徴は、冷却チャンバ内の冷却ペ
デスタルにウェハをクランプするために、如何なる形状
の静電チャックを使用することができることである。

【００２１】図２を参照すると、チャック２００が複数
のボルト２３６（或いはねじ）によってペデスタル２０
６に取外し自在に取付けられる。取付け板２２６からペ
デスタル２０６への熱伝導を促進するために、アルミニ
ウムのシート２４２が取付け板とペデスタルの上面間に
配置される。その後、この板は、アルミニウムのシート
２４２が該板とペデスタル間にサンドイッチされるよう
に、周辺のボルト２３６によってペデスタルへ取付けら
れる。ポリイミド層の排ガスを容易にするために、排ガ
スアッセンブリが冷却チャンバから水蒸気を除去するた
めに設けられる。排ガスは、使用前にある期間チャンバ
の空間を単に真空に引くことによって行われる。しか
し、チャンバをより急速に排ガスするためには、加熱素
子が好適である。加熱素子はチャンバの外部に取付けら
れたランプアッセンブリ（図示せず）でよい。このラン
プアッセンブリからの熱がチャンバに入るようにするた
めに、クォーツの窓がエンクロージャーの側壁又は頂部
２０２に配置される。しかし、好適な排ガス技術は静電
チャックを直接加熱することである。このように、加熱
素子２０１が静電チャック取付け板２２６とペデスタル
２０６の間に配置される。加熱素子２０１は埋め込まれ
た加熱コイル２０３を含む誘電体層（例えば、セラミッ
ク材料）である。コイル２０３が電源２０８に接続さ
れ、電圧が印加されたとき熱を生成する。加熱素子２０
１を周期的に励起することは静電チャック２００を導伝
的に加熱し、ポリイミド層によって保たれた全ての水蒸
気を“加熱除去”する。

【００２２】静電チャック２００（及び、選択的に、加
熱素子２０１）を支持するペデスタルは、アルミニウム
又はステンレススチールの実質的に中空の円筒状のブロ
ックである。ペデスタルの中空内部には、冷却液、例え
ば冷たい水を運ぶためのチューブのコイル２３８があ
る。ペデスタルからコイルまでの熱伝導を促進するため
に、コイルはペデスタル２０６の内部表面（内部表面２
４０の上部）に物理的に接触している。チューブ２３８
は冷却チャンバ１０２の外部に配置された熱交換器２１
２に接続される。この熱交換器２１２はコイルを通して
冷却液をくみ出しペデスタル、そして順番に、チューブ
および冷却液へ伝えられた熱を取り除く。このように、
熱交換器はペデスタルから熱を効果的に取り除く。選択
的に、第２の誘電体層２２４の表面に保持されるワーク
ピース（図示せず）からの熱の伝達を促進するために、
熱伝達ガスが導管２４４をとおして誘電体層２２４の表
面に与えられる。導管２４４は誘電体層２２４の表面に
おいてガス分配チャネル（図示せず）へ導く。このチャ
ネルはいろいろな形状をとることができる。熱伝達ガス
は、基板／ワークピースの処理中に、ガス源２１０から
導管２４４を通してガス分配チャネルへ供給される。ポ
リイミドをエッチングするための、この分野において公
知のいろいろなプロセスがあるので、ガス分配チャネル
はポリマー誘電体層２２４に容易にエッチングすること
ができる。

【００２３】更に、任意の加熱素子２０１が熱伝導性ペ
デスタル及びその熱交換器２１２と組み合わせて用いら
れ、ウェハに対して特定の温度にする。特に、このよう
な他の実施形態において、温度制御回路２５０が熱交換
器２１２ばかりでなく加熱素子の電源に接続される。こ
の回路２５０は加熱素子２０１と熱交換器２５０を選択
的に作動して、ウェハを特定の温度に加熱／冷却する。
ウェハ温度はパイロメータ、電気光学センサー、熱電対
等を用いて、監視される。これらのセンサーの１つ以上
が閉ループの温度制御サブシステムを形成するために、
制御回路に組み込むことができる。前述のように、本発
明の静電チャックは高温、代表的には約１７５℃より高
い温度で機能することができる電気コネクターを必要と
し、約５００℃の高さに及ぶことができる。概略した１
つの電気コネクターが図４に示されている。電気コネク
ター４００は図２と図４に示された型式の電気接続延長
部２３２と接触するように設計される。これらの電気接
続延長部は、静電チャックの電極から取付け板２２６へ
延び、絶縁材料４６０によって取付け板から絶縁され
る。図５に関して上述のように、電極の延長部の両側に
ある絶縁材料４６０は、静電チャックを製造するために
用いられた絶縁層によって形成される。この延長部との
緊密な接触を確実にするために、好ましくは、スプリン
グを入れたコネクターがペデスタル基体２０６に溶接さ
れ、電気コネクター４００とペデスタル２０６間に真空
シールを与える。

【００２４】導電性の接触ボタン４１０が電気コネクタ
４００の先端から延びて、絶縁材料４６０を貫通する孔
５２２を介して導電性延長部２３２と接触する。緊密な
接触は、スプリング４２０を用いて導電性延長部と接触
ボタン間で行われ、導電性延長部２３２の導電性表面に
接触ボタン４１０を押しつける。スプリング４２０は、
固い導電性の中央コンタクト４３０の上部の導電性伸長
部分４３４へ場所４３２において接続される。周囲のペ
デスタル基体２０６から中央コンタクト４３０を絶縁す
る誘電性絶縁体４４０が導電性の中央コンタクト４３０
を取り囲んでいる。誘電性絶縁体４４０はペデスタルに
溶接される導電性クリップ４５０によって囲まれてい
る。導電性のクリップ４５０は、誘電性絶縁体４４０と
ペデスタル基体２０６の導電性材料の熱膨張係数と匹敵
する熱膨張係数を有する。ワイヤが中央コンタクト４３
０の下端に半田づけされ、コンタクトを電源へ接続す
る。

【００２５】高温の電気コネクター４００を構成する材
料は、以下のとおりである：導電性接触ボタン４１０は
ステンレススチールである；スプリング４２０はステン
レススチールである；固い導電性中央コンタクト４３０
はニアブリウム(niabrium)から作られる; 誘電性絶縁体
４４０は９５−９７％のアルミナ(alumina) から構成さ
れる；そして導電性クリップ４５０はコバール(Kovar)
から作られる。実質的に同等の、相対的な熱膨張係数、
電気的、機械的および化学的特性を有する他の構成材料
で置き換えることができる。絶縁体４４０は、約１０％
より小さくだけ、固い導電性の中央コンタクト４３０の
膨張係数と異なる熱膨張係数を持つように選ばれる。更
に、絶縁体４４０の熱膨張係数は、静電チャックの動作
温度以上で、これらの材料内でおよびこれらの材料間で
形成されるストレスを減少するために、固い導電性の中
央コンタクト４３０の熱膨張係数と導電性クリップ４５
０の熱膨張係数との間にあるようにすべきである。

【００２６】さて、上に詳細に記載された、ポリイミド
ベースのバイポーラ静電チャックに関して、冷却チャン
バの動作を説明する。第２の移送機構が第２のポリイミ
ド層２２４の上面にウェハを配置した後、高電圧電源２
０８が約２００−２，０００ボルトの直流電圧を電極対
に印加する。結果的に、電荷がウェハの下側に累積さ
れ、これらの電荷は電極に印加された電位にクーロン力
を介して引きつけられる。このように、ウェハの下側に
累積する電荷はポリイミドの絶縁層２２４を通過するこ
とができないので、ウェハは、全体として、電極に引き
つけられる。このように、ウェハはチャックの表面上に
静電的に保持される。ウェハは、高電圧電源が電極から
除かれるまで、即ち、移送機構が冷却チャンバへ戻り、
第２のポリイミド層２２４上からウェハを持ち上げるた
めに、ウェハ機構のブレードを使用するときまで、この
位置を保つ。

【００２７】ウェハがチャックされている間、ウェハ
は、熱がポリイミド層、電極および熱伝導性のペデスタ
ルへの取付け板をとおして急速に伝達されるように、上
部のポリイミド層に密着している。結果的に、熱は、熱
交換器へ運ばれ、ウェハは急速に冷却される。このよう
にして、冷却チャンバ内の雰囲気の変化はウェハを急速
に冷却するために必要でない。結果として、クリオポン
プは、従来しばしば必要とされた再生を必要としない。
しかし、もし、４トル(Torr)のアルゴンガスがウェハと
チャック間の間隙の空間へ、即ち、背面冷却技術を用い
て送られるなら、ウェハを更に早く冷却することができ
る。この背面冷却によって、熱伝導は、実質的に改善さ
れ、ウェハを非常に早く冷却する。使用する場合、本発
明に従って、背面冷却を用いて設計された冷却チャンバ
は８インチ（２０．３２センチ）のウェハを４５０℃の
温度から１００℃の温度まで、約１０−１５秒間で冷却
する。これは、従来技術によって必要とされる冷却時間
の３倍から４倍の改善となる。更に、本発明の冷却チャ
ンバは、冷却時間を改善するために存在すべき雰囲気を
必要としない。このように、ロボット移送機構によって
冷却チャンバへのアクセス前に必要な雰囲気ガスのバッ
フアリングもいらないし、必要なクリオポンプの繰り返
しの再生もいらない。

【００２８】本発明の教示を含むいろいろな実施の形態
が示され、詳細に説明されたが、当業者は、これらの教
示を含む他の多くの変更された実施の形態を直ぐに考え
ることができるであろう。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施する冷却チャンバを含むマルチチ
ャンバの半導体ウェハ処理システムの簡略化された上面
図である。

【図２】図１と図３の２−２線に沿った冷却チャンバの
垂直断面図である。

【図３】本発明において使用される静電チャックの上面
図である。

【図４】チャック電極を電源に取外し自在に接続するた
めのスプリングを入れた電気コネクターの断面図であ
る。

【図５】（Ａ）−（Ｅ）は静電チャックを製造するため
のプロセスステップを示す。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プロセスチャンバの雰囲気のない中でワー
クピースを冷却するための装置であって、取付け面を有する熱伝導性ペデスタル、及び静電チャッ
クであって、前記熱伝導性ペデスタルの前記取付け面に
取外し可能に取り付けられ、前記静電チャックの支持面
と熱接触して前記ワークピースを静電的に保持するため
の静電チャック、を有することを特徴とする装置。
【請求項２】前記静電チャックは、第１のポリマー誘電体層と、前記第１のポリマー誘電体層に取付けられた一対の電極
と、前記一対の電極に取付けられ、支持面を形成する第２の
ポリマー誘電体層、を有することを特徴とする請求項１
に記載の装置。
【請求項３】前記熱伝導性ペデスタルは、空間を規定する部分と、内部空間に含まれ、前記空間内から前記空間の外の位置
へ熱を伝達するための熱交換器、を有することを特徴と
する請求項１に記載の装置。
【請求項４】更に、空間を維持することができ、熱伝導
性ペデスタルとそこに含まれる静電チャックを有するチ
ャンバを有することを特徴とする請求項１に記載の装
置。
【請求項５】前記第１のポリマー誘電体層は熱伝導性の
取付け板に取付けられていることを特徴とする請求項２
に記載の装置。
【請求項６】前記静電チャックは、取付け板に取付けら
れ、前記取付け板は熱伝導性ペデスタルの取付け面に取
外し可能に取付けられていることを特徴とする請求項１
に記載の装置。
【請求項７】前記取付け板は、前記静電チャックを支持するための実質的に円形の、立
ち上がった中央部分と、前記中央部分から放射状に延びる取付けフランジと、前記取付けフランジに取外し可能に取付けられ、前記取
付けフランジを前記熱伝導性ペデスタルの取付け面に取
付け可能に取り付けるための手段、を有することを特徴
とする請求項６に記載の装置。
【請求項８】前記取付け板は、更に、前記実質的に円形の、立ち上がった中央部分を通して形
成された開口と、前記静電チャックの電極へ第１の端において取り付けら
れ、且つ接触面を規定する第２の端を有する電極延長
部、を有することを特徴とする請求項第７に記載の装
置。
【請求項９】前記熱伝導性のペデスタルの前記取付け面
は、更に、前記電極延長部の接触面と電気的な接触を取
外し可能に形成するための手段を有することを特徴とす
る請求項８に記載の装置。
【請求項１０】前記手段は、絶縁リングによって前記取付け面における開口内に支持
される中央の導電性コンタクトと、スプリリングであって、前記中央の導電性コンタクトの
第１の端によって、第１の端に支持され、前記電極延長
部の前記接触面と接触する前記スプリングの前記第２の
端に配置されたスプリング、を有することを特徴とする
請求項９に記載の装置。
【請求項１１】更に、前記静電チャックの支持面を冷却
ガス源に接続する導管を有することを特徴とする請求項
１に記載の装置。
【請求項１２】更に、前記静電チャックを排ガスするた
めの排ガス手段を有することを特徴とする請求項１に記
載の装置。
【請求項１３】前記排ガス手段は、前記熱伝導性のペデ
スタルと前記静電チャック間に配置された加熱素子であ
ることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】更に、前記静電チャックを加熱するため
の加熱素子と、前記加熱素子と前記熱交換器に接続され、前記ワークピ
ースの温度を制御するための制御回路、を有することを
特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項１５】半導体処理チャンバ用の冷却チャンバで
あって、空間を規定する真空ヤンバと、前記空間内に配置され、取付け面を有する熱伝導性のペ
デスタルと、静電チャックであって、前記熱伝導性のペデスタルの前
記取付け面に取付けられ、前記静電チャックの支持面と
熱接触するワークピースを静電的に保持するための静電
チャック、を有することを特徴とする冷却チャンバ。
【請求項１６】前記熱伝導性のペデスタルは、ペデスタルのボリュームを画定する部分と、前記ペデスタルのボリューム内から前記チャンバのボリ
ュームの外側にある位置へ熱を伝達するための熱交換器
素子、を有することを特徴とする請求項１５に記載の冷
却チャンバ。
【請求項１７】前記静電チャックは取付け板に取付けら
れ、前記取付け板は熱伝導性のペデスタルの取付け面に
取外し可能に取付けられていることを特徴とする請求項
１５に記載の冷却チャンバ。
【請求項１８】更に、前記静電チャックを排ガスするた
めの排ガス手段を有することを特徴とする請求項１５に
記載の冷却チャンバ。
【請求項１９】更に、前記取付け板と前記熱伝導性のペ
デスタル間に配置された加熱素子を有することを特徴と
する請求項１８に記載の冷却チャンバ。
【請求項２０】更に、前記静電チャックの支持面を冷却
ガス源に接続する導管を有することを特徴とする請求項
１５に記載の冷却チャンバ。
【請求項２１】更に、前記静電チャックを加熱するため
の加熱素子と、前記加熱素子と前記熱交換器素子に接続され、前記ワー
クピースの温度を制御するための導管を有することを特
徴とする請求項１６に記載の冷却チャンバ。
【請求項２２】ワークピースを冷却する方法であって、冷却チャンバ内に静電チャックの支持面上にワークピー
スを位置するステップであって、前記静電チャックは熱
伝導性のペデスタルによって支持され、前記支持面にワークピースを静電的に保持するために、
電力を静電チャックに印加するステップを有し、それに
より、熱が前記静電チャックを通してワークピースから
熱伝導性のペデスタルへ伝導されることを特徴とする方
法。
【請求項２３】更に、前記ワークピースと前記支持面間
に冷却ガスを与え、ワークピースから支持面へ熱伝導を
促進するステップを有することを特徴とする請求項２２
に記載の方法。
【請求項２４】更に、熱交換器を用いて、前記熱伝導性
のペデスタルから熱をとるステップを有することを特徴
とする請求項２３に記載の方法。