(57)【要約】  イオンビームエッチシステム(ＩＢＥ)などの高真空処理システムにおける基体などの被支持部材の温度の制御を向上させるための装置および方法に関する。この装置は、被支持部材(２０)を支持する支持部材(４２)から液冷式熱交換部材(４４)へ熱を伝達させる、支持部材(４２)の温度を制御するための熱電デバイス(７０)を備えている。この方法は、液冷式熱交換部材(４４)へ熱を伝達する熱電デバイス(７０)を用いて、支持部材(４２)を冷却することを含む。
2009540580.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被支持部材を加熱する処理を受ける前記被支持部材の温度を制御するための装置であって、
前記装置は、
前記被支持部材を支持するよう構成された表面を有する支持部材であって、前記表面に対して移動させられた、前記被支持部材からの熱を受け取る支持部材と、
前記支持部材と結合されている熱伝導部材であって、温度制御液体の流動のために構成されたチャネルを備えている熱伝導部材と、
前記支持部材の前記表面と被支持部材との間に形成された熱伝導ガス空間と連通する前記支持および熱伝導部材を通って延在する供給通路と、
前記支持および熱伝導部材の間に配置された複数の熱電デバイスと、を具備してなり、
前記熱電デバイスのそれぞれが、前記表面に近接する前記支持部材に接触する第１の面と、前記チャネルに近接する前記熱伝導部材に接触する第２の面とを有しており、かつ前記熱電デバイスのそれぞれが、前記支持部材の温度を調節するために、前記第１および第２の面の間で熱を伝達するようになっていることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記支持部材の温度を検出し、かつ検出された温度に関連する電気信号を発生するための、少なくとも一つの温度センサを、さらに具備してなることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記電気信号を受信するための前記温度センサへと接続されており、かつ前記熱電デバイスと接続されている温度制御ユニットを、さらに具備してなり、前記温度制御ユニットは、前記支持部材の温度を制御するために、前記電気信号に基づいて前記熱電デバイスへと供給される電力を調整するよう構成さ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４】
前記熱電デバイスは、前記温度制御ユニットと直列に接続されていることを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記熱電デバイスは、前記温度制御ユニットと平行に接続されていることを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項６】
前記熱電デバイスは、前記支持部材の前記表面と、前記熱伝導部材内の前記チャネルとの間に配置さ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】
個々の前記熱電デバイスの前記第１の面は冷間面であり、かつ個々の前記熱電デバイスの前記第２の面は熱間面であり、前記支持部材を冷却するために前記冷間面から前記熱間面へと熱を伝達されるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記支持および熱伝導部材は、複数のコンパートメントに境界付けられており、前記コンパートメントのそれぞれは、前記熱電デバイスのうちの対応するものを収容していることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記支持部材は、周縁リムと、前記コンパートメントを形成するための前記周縁リムによって外接されているリブのグリッドと、を具備してなることを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記コンパートメントは、前記熱電デバイスが前記支持部材の前記表面と実質的に平行な平面内に配置されるように構成されていることを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１１】
前記熱電ガス空間と連通する排出通路をさらに具備してなり、前記排出通路は、前記供給通路から排出通路への熱伝導ガスの流動を可能とするようになっていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記支持部材は、前記第１の部材および熱伝導部材の間での直接的な熱伝導を制限するギャップによって、前記熱伝導部材から分離させ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１３】
前記熱電デバイスは、前記ギャップを形成するために、前記第１および熱伝導デバイスを分離させられていることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
被支持部材の温度を制御するための方法であって、
前記方法は、
前記被支持部材を加熱するイオンビームに対して、前記被支持部材をさらすことと、
前記被支持部材の裏面と支持部材の表面との間の熱伝導ガス空間内の裏面ガスを用いて、前記被支持部材からの熱を伝達することと、
前記支持部材から熱交換部材へと熱を伝達させる複数の熱電デバイスを用いて前記支持部材を冷却することと、
熱伝導液体の流動によって前記熱交換部材を冷却することと、
を具備することを特徴とする方法。
【請求項１５】
前記イオンビームにさらされている間中、冷却されることとなる前記被支持部材に対して基準温度を特定することと、
前記被支持部材の温度を代表する温度を測定することと、
前記基準温度と測定された温度との差を補償するために熱電デバイスの作動を制御することと、
をさらに具備することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記被支持部材の温度を代表する温度を測定することは、さらに、前記支持部材の温度を測定することを含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記イオンビームによって前記被支持部材に対して供給されるパワーを増大させることと、
増大させられた供給されるパワーを補償するために、代表温度を低下させることと、
をさらに具備することを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
さらに、前記熱電デバイスを用いて前記支持部材を加熱することと、
大気圧まで、前記支持部材を収納する真空槽を通気させることと、
を具備することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、高真空発生システムおよび方法に関するものであり、特に高真空発生システムにおけるイオンビーム処理中に、パレット上で支持される基体もしくは一つ以上の基体などの被支持部材の温度を制御するための装置および方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
基体は、基体から材料層を除去するイオンビームエッチング、反応性イオンエッチングおよびプラズマエッチングなどの方法、例えば基体上の材料層を蒸着させるイオンビーム蒸着、物理的な蒸気蒸着および化学的な蒸気蒸着などの方法、および基体表面特性を変化させる他の方法によって処理するための高真空発生システムの真空チャンバー内で、支持されている。そうした表面処理方法において、基体は、定盤、チャックまたは電極などの基体支持固定具の上に載置されているかもしくはそれに対して固定されている。処理中、処理される基体には、特にイオンビームエッチシステムにおいて、大量の熱エネルギーが伝達されている。同時に、処理される基体をある程度の温度レベル以下に保つ必要がある。そのため、熱エネルギーを基体支持固定具から伝達させ、そしてシステムの外部へ放出しなければならない。ゆえに、システムの全製品処理能力は、支持固定具の冷却能力によって著しく制限される。熱を生じるビームは、基体を被覆するポリマーもしくは有機絶縁物質から製造された基体などの温感基体材料を提供可能な最大エッチング速度を制限する。
【０００３】
磁気記憶装置のための薄手のフィルム磁気ヘッドの製造には、速度が高く、正確さが高いイオンビームエッチング処理が要求されている。例えば薄手のフィルム磁気ヘッドを形成するための反応性イオンエッチングなどの他の方法は、イオンビームエッチングよりもさらに高い速度でも可能なものであるが、イオンビームエッチング処理の正確さは欠如している。しかしながら、高いエッチング速度を実現するイオンビームエッチングを提供することは、非常に商業的に重要であり、より高いエッチング速度を提供するために基体の冷却を向上させなければならない。
【０００４】
基体と、裏面熱伝導ガス冷却を使用する従来の基体保持固定具との間の熱伝導は、ほぼ真空もしくは代わりに低圧下において、熱がこの圧力下では良好に伝達されないために非常に難しく、相対的に非効率的なものとなっている。例えば、実際の面同士の間の微小なスケールの接触が、接触面積と同一の広がりを持つごく小さい割合に制限されるため、基体固定具と同一の広がりを持つ表面と基体との間の熱の伝達は遅くかつ非効率的なものとなっている。残りの表面の領域を分離させるギャップによって、伝達が妨げられている。
【０００５】
適切な熱伝導に加えて、基体保持固定具は、基体を損傷するかまたは汚損することなく、容易に基体をクランプしかつ解放するものである必要があり、高真空の密閉状態は、基体が熱導伝ガスの漏れを制限するために、クランプされている間中、密閉媒体と真空チャンバーとの間で保持されていなければならない。効果的な熱伝導の欠如は、基体に要求されているよりもさらに低い値へと基体保持固定具の温度を低下することによって補償できる。基体保持固定具は、凝固点の直前の温度まで冷却された純粋な冷却水などの冷却した熱伝導液体を、基体固定具内の狭い流路を介して流通させることによって冷却可能である。
【０００６】
このような冷却技術を協働させたにもかかわらず、従来の基体固定具において、高出力イオンビームエッチング処理中に、基体温度が著しく上昇することが防止できなかった。多くの温感材料は、約７０℃以上の温度で損なわれることがある。結果的に、入射イオンビームの電流は、イオンビームエッチング処理中に基体を冷却可能にすることによって制限できる。より低い基体の温度は、一般的な凝固点添加剤、例えばエチレングリコールもしくはプロピレングリコールなどを熱伝導液体に付加することによって実現できる。しかしながら、これらの凝固点添加剤を使用することによって、流通液体の粘度が非常に増大させられ、そして熱伝導液体が基体固定具の狭い流路を通って流動する能力を低減させられてしまう。
【０００７】
さまざまな、しかし関連する基体温度を制御する問題として、非常に温度感受性が高い例えばガリウム窒化物などの特定の材料のエッチング速度が挙げられる。そのため、エッチング速度を制御するために、イオンビームエッチング処理中に、基体温度を注意深く制御しなければならない。特に、基体温度は、エッチ処理中およびさまざまな基体もしくは基体群の処理を実施する間、ある程度のセルシウス温度の範囲内で制御されることが望ましい。この処理における変化に関連する基体温度を正確に上昇させるかもしくは下降させることはできないため、このレベルの温度制御をガス補助冷却を使用して実現することは難しい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そのために、高真空処理装置に使用される従来の熱的に制御された基体固定具、ならびに基体固定具の温度を制御する従来の方法の不利な点もしくは他の不利な点が改善された高真空処理システム(例えばイオンビームエッチング(ＩＢＥ)システム)において基体温度の制御性が向上された装置および方法が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、概して、高真空処理システム(例えばイオンビームエッチング(ＩＢＥ)システム)における被支持部材(たとえば基体もしくはパレット)の温度制御を向上させた装置および方法に関するものである。本発明の実施形態によれば、基体を加熱する処理にさらされている被支持部材の温度を制御するための装置が提供される。この装置は第１の部材を有しており、これは、被支持部材および第１の部材と結合された第２の部材を支持するよう構成された表面を有している。第１の部材は、温度制御液体の流動のために構成されたチャネルを含む第２の部材へと伝達された第１の部材からの熱を受け取る。供給通路は、第１の部材の表面と被支持部材との間に形成された熱伝導ガス空間と連通する第１および第２の部材を通って延在している。熱電デバイスが、第１および第２の部材の間に配置されている。個々の熱電デバイスは、表面に近接する第１の部材と接触する第１の面と、液体保持チャネルに近接する第２の部材に接触する第２の面とを形成する。熱電デバイスは、第１の部材の温度が調整され、それによって被支持部材の温度が調整されるように、第１および第２の部材間で熱を伝達する。
【００１０】
本発明の他の実施形態によれば、被支持部材の温度を制御するための方法は、被支持部材を加熱するイオンビームに対して被支持部材をさらすことと、基体の裏面と指示部材の表面との間の熱伝導ガス空間内の裏面ガスを用いて、被支持部材から熱を伝達することと、を含んでいる。この方法は、さらに、指示部材から熱伝導部材へ熱を伝達する複数の熱電デバイスを用いて支持表面を冷却し、かつ熱伝導液体の流動によって熱伝導部材を冷却することを含んでいる。
【００１１】
本明細書に組み込まれかつその一部を構成する図面は、上述した本発明の概要および後述する実施形態の詳細とともに本発明の実施形態を示し、かつ本発明の原理を説明するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に基づく基体固定具を含む高真空処理システムの一部を示す断面図である。
【図２】図１の基体固定具のキャッププレートと熱交換プレートとの一部をより明確に示す斜視平面図である。
【図３】図１の基体固定具のキャッププレートと熱交換プレートとの一部をより明確に示す斜視底面である。
【図４】現在の熱電冷却器を備えた図２および図３の熱交換プレートの底面である。
【図５】図２および図３のキャッププレートの底面である
【図６】図１の基体固定具の平面斜視図である。
【図７】省略された基体支持パレットにおける図６の基体固定具をより明確に示す平面図である。
【図８】図７における線８−８におおむね沿った、基体固定具上に配置された基体支持パレットの断面図である。
【図９】図７における線９−９におおむね沿った、基体固定具上に配置された基体支持パレットの断面図である。
【図１０】図７における線１０−１０におおむね沿った、基体固定具上に配置された基体支持パレットの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１を参照すると、イオンビームエッチングシステムの形態の高真空処理システム１０が部分的に示されており、これは、真空排気された処理空間１５を封入する真空気密チャンバー壁１３を有する真空チャンバーすなわち槽(vessel)１２を備えている。チャンバー壁１３を通って延在する管状気器を備えるポート１４は、真空ポンプ１６と連通する処理空間１５に圧力をかける。真空ポンプ１６は、荷電粒子のイオンビーム１８を用いる一つ以上の基体２０の処理に適した真空圧に対して、真空槽１２の処理空間１５を真空排気するための有効なポンプ能力を備えた適切な構成要素を有する。イオンビーム１８における荷電粒子は、イオン化作用ガスからイオン源(図示せず)によって発生され、そし基体２０の方へ加速させられる正イオンであってもよい。意図された有益な結果を実現するために、イオンビーム１８による基体２０の衝突によって基体２０が処理される。有益な結果に加えて、イオンビーム１８は、エッチング処理によって基体２０の表面から材料を切り離すために使用することもできる。基体２０は、クランプ部材と協働することによって、パレット２２が固定された空間関係に固定されており、そしてイオンビーム１８を受ける位置における処理空間１５の内側に、その空間を占めるよう配置されている。
【００１４】
基体チャックすなわち固定具２４は、真空槽１２の内側の処理空間１５内のパレット２２およびパレット２２上の基体２０を支持する。基体固定具２４は、チャンバー壁１３の端部領域２６における密閉開口２８を通って延在する管状アクセスコラム２６に取り付けられている。アクセスコラム２６の上端部は、基体固定具２４と密封係合している。アクセスコラム２６は、基体固定具２４へと電気および流体に関する付帯設備を誘導する管状気器を封入する。
【００１５】
基体固定具２４は、圧縮ばね３０の形態を有する要素を付勢することによって付勢されており、それは、処理空間１５内部で、基体固定具２４と支持プレート３２の間で加圧されている。支持プレート３２は、アクセスコラム２６に取り付けられている。圧縮羽３０は、チャンバー壁１３の端部領域から離れる方向へ基体固定具２４を付勢する力を出している。二方向エアシリンダーを有する複数のアクチュエータ(図示せず)は、それぞれ、基体固定具２４と機械的に結合されたロッド３４を移動させるピストンを備えている。ロッド３４の動作によって、パレット２２と基体固定具２４との間に間隙を設けるために圧縮ばね３０の付勢力に対して、パレット２２関連して基体固定具２４が動かされる。処理された基体２０と処理されていない基体２０とを交換する間、パレット２２を持ち上げるかもしくは他の方法で移動させるために、パレット２２と基体固定具２４との間の間隙の中には、移送機構(図示せず)が挿入されている。
【００１６】
基体固定具２４は、フレーム３６の内側外辺部の内部に配置されている。フレーム３６と支持プレート３２との間にわたって、支持フレーム３６を支持プレート３２から間隔を置いて位置させる支柱３８が設けられている。フレーム３６は、基体固定具２４の、切り込みされるかもしくは波形状になされたへり部に配置され固定されたリフトアーム(図示せず)を備えており、これは、図６に最も良く見えるよう示されており、かつフレーム３６の内側外辺部から内部方向へ突出している。基体固定具２４が支持プレート３２の方向へ下降させられるとき、パレット２２の角がリフトアームと接触し、それによって、パレット２２は、パレット２２と支持固定具２４との間に必要な間隙を設けるために、支持固定具２４から上昇させられる。
【００１７】
図２〜図１０を参照すると、基体固定具２４は、ベース部材すなわちベースプレート４０と、支持部材すなわちキャッププレート４２と、ベースプレート４０とキャッププレート４２との間に配置された熱交換部材すなわち熱交換プレート４４とを備えている。ベースプレート４０および熱交換プレート４４は、締結具４５(図９)によって組み立てられるように互いに固定されており、締結具４５は、ベースプレート４０におけるねじ開口４１(図９)に結合されかつ熱交換プレート４４内の間隙開孔４３を通って延在している。Ｏ−リング４６(図８〜図１０)はＯ−リング溝４８(図２)内で封止されており、Ｏ−リング溝４８は、キャッププレート４２の外辺部の周辺に延在し、かつ熱交換プレート４４の凹所が形成された上面すなわち面５０に外接している。Ｏ−リング４６は、Ｏ−リング溝４８内に位置しており、これによって、Ｏ−リング４６は、キャッププレート４２の上面すなわち面５２の上で部分的に隆起するようになる。パレット２２は、パレット２２の底側とキャッププレート４２の上面５２との間のギャップのように、外縁を密閉しかつ熱伝導ガス空間５４(図８〜図１０)を形成するために、Ｏ−リング４６に接触している。本発明は、単一基体(図示せず)を、キャッププレート４２によって支持される中間被支持部材のようにパレット２２を補助することなく処理可能とすることを意図している。パレット２２の欠如において、キャッププレート４２によって支持される被支持部材は、その外縁を密閉するＯ−リング４６と直接接触しかつ熱伝導ガス空間５４を形成する単一の基体であってもよい。
【００１８】
キャッププレートの上面５２とは反対側に位置する下面すなわち面５６は、キャッププレート４２の中央に近接する不連続部を有する複数の細いスペーサーすなわちリブ５８と薄手のスペーサーすなわちリブ６０とを備えるリブのグリッドを含んでいる。リブ５８は、複数の列に配置されており、かつ薄手のリブ６０は、リブ５８の列を二分するように配置されている。キャッププレート４２の下面５６からは、リム６４が突出しており、それは、キャッププレート４２の外縁の周囲に延在しておりかつ凹所６５を取り囲んでいる。リブ５８，６０によって、キャッププレート４２に対して構造的な支持がもたらされる。
【００１９】
ポスト６６が、キャッププレート４２の下面５６の方へ、熱交換プレート４４の上面５０から突出している。リブ５８，６０およびポスト６６は、複数(例えば１６個)の個別のコンパートメント６８となるようにコンパートメントするパーティションのグリッドを形成するためにリム６４と協働する。個々のコンパートメント６８は、それぞれ、対応する複数の熱電デバイス７０(図４)のうちの一つを収容する寸法となっているが、本発明は、熱電デバイス７０を収納する個々のコンパートメント６８は必要としない。中央に配置されたリブ５８は、近接し−隔てられて平行垂直部材となるよう分岐されており、かつリブ５８は、熱電デバイス７０に対して、経路ワイヤ１１５(図８)のための電線路を提供する溝によって区分されている。ポスト６６内の座ぐり加工されたねじ開口７２は、キャッププレート４２における間隙開口７４と位置合わせさせられる。付加され、位置合わせさせられ、座ぐり加工された一対の間隙開口７６とねじ開口７２は、それぞれ、キャッププレート４２と熱交換プレート４４内に設けられている。位置合わせさせられた開口７２，７４と位置合わせさせられた開口７６，７８とを介して延在する小さな締結具は、組み立てられたキャッププレート４２と熱伝導プレート４４を互いに固定されるよう働く。
【００２０】
キャッププレート４２の上面５２は、一般的に平面であり、それによって、熱伝導ガス空間５４(図８〜図１０)が、実質的に、Ｏ−リング４６(図８〜図１０)によって外接された外周の内側で高さが均一となる。コンパートメント６８は、熱電デバイス７０がキャッププレート４２の上面５２に対して実質的に平行な平面内に配置されるように、配置される。
【００２１】
熱交換プレート４４の上面５０と反対側に配置されている、その下面すなわち面８１は、中央液体領域８２と、熱交換プレート４４の外縁に近接する外周液体領域８４と、液体領域８２を結合する液体チャネル８６と、液体領域８２，８４と外接するリム８５と、液体チャネル８６とを備えている。液体チャネル８６は、熱交換プレート４４の下面８１によって保持されている薄壁状のパーティション８８によって形成されている。パーティション８８は、ベースプレート４０に接触しており、それによって、液体チャネル８６は、部分的に、ベースプレート４０の上面すなわち面９９によって閉じられている。ベースプレート４０のリム８５とともに密閉状態をもたらすＯ−リング９０(図８〜図１０)は、熱交換プレート４４のリム６５の周囲に延在するＯ−リング内に配置されており、かつベースプレート４０の下面９９と熱交換プレート４４との間で加圧されている。
【００２２】
ベースプレート４０内の液体経路９４は、液体注入口９６と結合されており、これは、液体排出口９８とともに、管継手(fitting)によって形成されている。液体排出口９８は、熱交換プレート４４の外周液体領域と連通するベースプレート４０の上面９９から離れている。液体チャネル８６は、冷却剤すなわちベースプレート４０と熱交換プレート４４との間のあらかじめ選択された温度の熱伝導液体９５を方向付けるために、中央液体領域８２の周囲で、らせん状に曲がっている。液体注入口９６は、外部冷却剤源１００と導管１０１によって結合されている。ベースプレート４０内の他の流路(図示せず)は、外周液体領域８４と連通しており、かつ冷却剤排出部１０４へと延在している導管１０３を備えた排出通路１０２によって結合されている。冷却剤排出部１０４は、液体チャネル８６を通って流動することによって温度が上昇した熱的液体９５を処分するか、もしくは再流通させるために温度が上昇した熱的液体９５を冷却する。代わりに、熱伝導液体９５を、中央液体領域８２から外周液体領域８４までの方向とは反対の方向に循環させてもよい。液体チャネル８６を通って流動する熱伝導液体９５は、冷却ユニットから冷却剤源の中へ供給された５℃から１０℃に冷却された純水であってもよいが、本発明はこれに限定されない。
【００２３】
ベースプレート４０と、キャッププレート４２と、熱交換プレート４４とを介して延在しているのは中央導入ガス通路１０６であり、これは、キャッププレート４２の上面５２上に設けられている。外部ガス源１０８は、導入ガス通路１０６を備えた導管によって、パレット２２とキャッププレート４２との間に形成された熱伝導ガス空間５４に結合されている。加圧された例えばヘリウムなどの裏面ガス(backside gas)は、導入ガス通路１０６を介して移送され、かつ導入ガス通路１０６から熱伝導ガス空間５４へ完全に排出される。ガス流量は、流量制御デバイス１０９によって調整される。熱伝導位ガス空間５４を排出管路(図示せず)に結合するために、中央排出ガス通路１１０(図９)は、キャッププレート４２と熱交換プレート４４とを介して延在している。空間５４内の裏面熱伝導ガスは、当技術分野において公知の機構によってパレット２２とキャッププレート４２との間の熱の伝達を容易にする。
【００２４】
本発明において、空間５４内の熱伝導ガスの空気は、基体２０がイオンビーム１８もよって処理されている間中、静止していても、もしくは熱伝導ガス空間５４を介して動的に流動していてもよいと考えられている。一般的な動的流れデバイスが米国特許第4,949,783号明細書に開示されており、この出願は、この引用によって、その全体が本明細書中に組み込まれるものであり、かつVeeco Instruments Inc. (Woodbury, New York)からFlowcool(商標)という名で高真空処理システムとして市販されている。
【００２５】
図４，図８および図１０に最も良く示すが、それぞれの熱電デバイス７０は、下側支持プレート１１２、上側支持プレート１１４と、下側および上側支持プレート１１２，１１４の間に延在する多数の熱電要素１１６とを備えている。熱電要素１１６は、数百もの異なるｎ型およびｐ型半導体のアレイから構成されており、これは、熱的に並列に結合されかつ、結合させるためにその両端において電気的に直列に結合されたｎドープドおよびｐドープドテルル化ビスマスから形成可能である。下側および上側支持プレート１１２，１１４は、相対的に高い熱伝導率を有する薄手のセラミックウエハであってもよく、それは、熱電要素１１６に剛性および絶縁性に付与する。支持プレート１１２，１１４のうちの一つもしくは両方はともが金属被覆を備えており、それは、キャッププレート４２もしくは熱伝導プレート４４に面していない面、もしくは熱電要素１１６を電力供給部１１８のターミナルに電気的に接続するために使用される他の回路インターフェースの上に配置される。通常、これらの電気コネクタは、絶縁ワイヤ１１５からなる導体によって電力供給部１１８に結合されており、それは、熱電要素１１６へと通じている正リード(positive lead)および負リード(negative lead)を構成する。電力供給部１１８からワイヤ１１５を通じて供給された電力は、通常、直流(ＤＣ)電力である。ワイヤ１１５は、アクセスコラム２６の内腔(lumen)を通って延在しており、かつ通路１１７を占める電気フィードスルー(図示せず)は、ベースプレート４０と熱交換プレート４２とを通って延在している。
【００２６】
熱電デバイス７０の厚さは、キャッププレート４２と熱交換プレート４４が互いに固定されるとき、リブ５８，６０およびリム６４が熱交換プレート４４の上面５０に接触せず、かつポスト６６が、キャッププレート４２の下面５６に接触しないよう、リブ５８，６０およびリム６４の咬合高さに関連して選択される。熱電デバイス７０は、キャッププレート４２と熱交換プレート４４との間でクランプされ、それは、コンパートメント６８の中で熱電デバイス７０の横方向に移動するようにする。キャッププレート４２の下面５６および熱交換プレート４４の上面５０は、主に凹所６５(図３)によって形成されるギャップおよび狭いギャップによって部分的に分離させられており、それは、リブ５８，６０およびリム６４が熱交換プレート４４の上面５０に面し、かつポスト６６がキャッププレート４２の下面５６に面する場所にあるが、非常に小さいため図では見ることができない。これらのギャップは、キャッププレート４２と熱交換プレート４４との間を通る潜在的熱伝導を妨げ、それによって、これらの部材は、互いから実質的に断熱されるようになる。その熱伝導能力を制限する相対的に小さな断面を有する固定具８０は、キャッププレート４２と熱交換プレート４４との間の導電通路のみを提供する。本発明の代替的な実施形態において、固定具８０は、キャッププレート４２と熱交換プレート４４との間の熱伝導をさらに低減させるために、低い熱伝導率によって特徴付けられた非金属または断熱材から形成できる。図６および図７に最も良くしめされた環状ギャップは、さらにこれらの部材間の熱流動を妨げるために、キャッププレート４２のリム６４の周縁と熱伝導プレート４４のリム８５の対面内側縁部との間にも設けられている。
【００２７】
当業者に公知のペルチェ効果によって作動している熱電デバイス７０は、電力供給部１８からヒートポンプエネルギーへと電気エネルギーを変換する。特に、下側および上側支持プレート１１２，１１４の間に供給された直流電力は、熱電デバイス１１６が電気エネルギーを熱エネルギーへと変換するように、キャッププレート４２から熱電要素１１６を介して熱交換プレート４４へと伝達された熱流量を含む。熱は、熱電要素１１６を介してかつ支持プレート１１２，１１４の間で、チャージキャリアによって伝達される。熱が上側支持プレート１１４から連続的に吸収され、かつ下側支持プレート１１２へと熱電要素１１６によって伝達される場合、熱を吸収する上側支持プレート１１４を個々の熱電デバイス７０の冷間面として規定し、下側支持プレート１２を、熱を反射する熱間面と規定する。
【００２８】
それぞれの熱電デバイス７０の上側支持プレート１１４は、熱的な接触の共用領域を横断するキャッププレート４２からの熱エネルギーすなわち熱を吸収するための熱インターフェースを確実なものとするよう、物理的かつ熱的にキャッププレート４２の下面５６と接触している。上側支持プレート１１４は、キャッププレート４２からの熱を吸収するため、キャッププレート４２の下面５６の面積の大部分と接触している。接触する面積は、キャッププレート４２の下面５６の面積の約９０％以上となっている。それぞれの熱電デバイス７０の下側支持プレート１１２は、接触の共用領域にわたる熱電デバイス７０から熱交換プレート４４への熱を排出するための熱インターフェースを確実なものとするよう、物理的かつ熱的に熱交換プレート４４の上面５０と接触している。熱電デバイス７０の下側支持プレート１１２と熱伝導プレート４４との間、および熱電デバイス７０の上側支持プレート１１４とキャッププレート４２との間には、例えば熱グリースもしくはグラファイトパッドなどの熱伝導媒体(図示せず)が、伝達性インターフェースとして作用し、かつこれによって、熱接触状態が潜在的に向上されるように配置される。
【００２９】
熱電デバイス７０の特性およびその数は、目標とされたキャッププレート４２の温度の低減を実現するために調整できる。熱電デバイス７０は、Marlow Industries Inc. (Dallas, Texas) から市販されている一連の熱電クーラーのＸＬＴの中から選択することができ、それは、広範囲の温度範囲を超える多数の連続的なサイクルを続けるために適切な耐久性を示している。本発明はこれに限定されるものではないが、本発明の使用に適した特定の熱電デバイス７０は、Marlow Industries Inc. (Dallas, Texas)から市販されているモデルＸＬＴ2385熱電クーラーであり、これは、熱間面が２７℃の温度の状態で、冷間面から熱間面へ５６.５℃−dryＮ２の負荷がかかっていない状況に関して最大温度降下を、かつ熱間面が５０℃の温度の状態で、冷間面から熱間面へ６４.０℃−dryＮ２の負荷がかかっていない状況に関して最大温度降下を実現することができる。熱電デバイス７０は、単一ステージ熱電デバイスを備えていてもよく、代わりにスタック式もしくはカスケード式熱電デバイスを備えていてもよい。
【００３０】
使用においてかつ図１〜図１０を参照して、熱交換ガスは、熱伝導ガス空間５４に対して供給され、そして熱伝導液体９５は液体チャネル８６を通って排出される。液体チャネル８６内で熱伝導液体９５の流動の冷却効果は、熱交換プレート４４およびキャッププレート４２の温度を低下させる。熱伝導液体９５の流出による温度低下は、さらに、熱交換プレート４４およびキャッププレート４２によって伝達される。熱電デバイス７０は、電力供給部１１８によって電力を供給されており、それによって、キャッププレート４２からそれぞれの熱電デバイス７０の上側支持プレート１１４の方向へ、かつ下側支持プレート１１２へ熱電デバイス１１６を介して、熱の伝達もしくは熱の流出が引き起こされる。熱電デバイス７０を介する熱伝導は、上側支持プレート１１４の温度を低下させる。下側および上側支持プレート１１２，１１４の間には温度差が存在し、それは、上側支持プレート１１４から下側支持プレート１１２の方向において増大させられる。
【００３１】
パレット２２およびパレット２２に保持される入射イオンビーム１８は、熱に変換される個々の入射イオンのイオン運動エネルギーの割合によって、熱負荷を表す。熱伝導ガス空間５４内の裏面熱伝導ガスは、基体２０およびパレット２２からキャッププレート４２へと熱を伝達させる。発生された熱の多くの部分が、そのすぐ後に、キャッププレート４２から個々の熱電デバイス７０の上側支持プレート１１４へ伝達され、それによって、キャッププレート４２が冷却される。熱電デバイス７０は、基体２０の一部から熱の吸収に対応するパレット２２の一部に関して温度変化要素として機能するものであり、それは互いに近接している。熱の一部は、キャッププレート４２の接触部分と熱交換プレート４４との間の熱伝導によって伝達される。熱は、各熱電デバイス７０の下側支持プレート１１２熱交換プレート４４と液体チャネル８６を通って流動する熱伝導液体９５とへ伝達される。熱が加熱された基体２０から熱交換プレート４４へ伝達されるため、温度勾配が存在する。熱を伝達されることによって、その流入温度から温度が高くなった熱伝導液体９５は、外部散逸のために、基体固定具２４から熱が取り除かれる。
【００３２】
処理された基体２０の温度は、キャッププレート４２の温度を反映している。熱電デバイス７０の存在によって、キャッププレート４２と基体固定具２４の熱交換プレート４４にわたる温度における純降下が増大させられ、これにより、基体２０はイオンビーム１８にさらされている間、温度が低い状態で維持される。結果的に、熱はさらに効果的に基体２０から伝達される。熱電デバイス７０によってもたらされた温度の低下がさらに向上されたため、エッチング速度およびシステムの処理能力を増大させるよう、基体２０の処理に使用される高真空処理システム１０におけるイオンビーム１８の電流を増大させてもよい。特定の温感材料(例えばガリウム窒化物)を、基体２０を損傷することなく、高真空処理システム１０において処理することができる。一般的な凝固点添加剤、例えばエチレングリコールもしくはプロピレングリコールなどを、液体チャネル８６を通って流動する熱伝導液体９５に付加することなく、基体固定具２４の温度を低下することが実現される。
【００３３】
本発明の代替的な実施形態において、基体固定具２４の全体もしくは一部を回転させかつ／または傾斜させ、それゆえパレット上に保持されるようになる基体２０は、イオンビーム１０とチャンバー壁１３に対応させるために、駆動機構(図示せず)を基体固定具２４に結合できる。駆動機構のための電気接続部を、真空槽１２内部の駆動機構へ、アクセスコラム２６を介して接続することができるが、また、アクセスコラム２６を、活動的に、ともに回転しかつ／または傾斜させることもできる。電力供給部１１８を備えた熱電デバイス７０を電気的に結合する電気インターフェースは、多くの場合、固定された構造体と、固定された構造体に対して回転する構造体との間で電気信号を伝送するための信号伝送路を設けるために使用されるスリップリング(図示せず)を備えていてもよい。一般的に、スリップリングは、通常、固定された構造体から回転する構造体へ電流を通すための導電バンドに接触する導電ブラシを備えている。
【００３４】
本発明のある実施形態において、基体固定具２４は、基体固定具２４のキャッププレート４２の温度を検出するかもしくは測定する少なくとも一つの温度センサ１２０(図８)を備えていてもよい。温度センサ１２０は、温度制御ユニットを形成するために電力供給部１１８に接続されている温度コントローラー１２２(図８)に対して、連続的なもしくは断続的な状態で信号をフィードバックするよう、測定された温度を提供する。代わりに、温度フィードバック信号は、高真空処理システム１０に関連付けられかつ電力供給部１１８に接続された他の温度制御ユニット(図示せず)へ提供されてもよい。温度センサ１２０は、図８に示すように、キャッププレート４２に組み込まれていてもよく、もしくは基体固定具２４に何らかの方法で熱的に接続されていてもよい。多数の温度センサ１２０は、キャッププレート４２の均一な温度を確実なものとするべく、電力供給部１１８に対して分散された温度情報を提供するよう、基体固定具２４におけるさまざまな位置に配置できる。適切な温度センサ１２０として、抵抗温度検出器、熱電対、サーミスタ、および赤外線デバイスが上げられるが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明のある実施形態において、温度センサ１２０は、キャッププレート４２のリブ６０に熱的に接続された熱電対であってもよい。
【００３５】
温度コントローラー１２２は、通信経路を形成する絶縁導体すなわちワイヤ１１９を通して温度センサ１２０から入力される場合に、温度に関する情報を受け取る。温度コントローラー１２２は、基体２０の温度を正確に制御する能力を向上させるために、電力供給部１１８から熱電デバイス７０へと供給される処理電力を調整するよう、温度に関するフィードバック情報を使用することができる。温度コントローラー１２２は、プログラム可能なシステム、例えば均一な温度で基体固定具２４のキャッププレート４２と基体２０の温度を制御するための有効な命令を実行するようプログラムできるマイクロプロセッサを備えていてもよい。特に、温度コントローラー１２２は、熱電デバイス７０の関する制御信号を計算し、そして電力供給部１１８へ計算された制御信号を送る。電力供給部１１８は、熱電デバイス７０に供給される電流を変化させることによって、制御信号に応答する。熱電デバイス７０を通った電流は、測定された温度および比較制御回路によって定められた温度設定ポイントとの差に対して、必要ならば、電力供給部１１８によってもしくは温度コントローラー１２２内に存在するソフトウェア制御によって増大もしくは低減させられる。測定された温度においてもしくはその近傍で、基体固定具２４のキャッププレートを保持することは、一定の温度以下で基体２０を保持するよう作用する。
【００３６】
温度コントローラー１２２によって実行されたプログラムは、時間の関数として温度を変更するために提供される可能性があり、そして処理中の温度の範囲で基体固定具２４のキャッププレート４２と基体２０とを循環することを含んでもよい。温度コントローラー１２２は、比例、比例積分(ＰＩ)、比例微分(ＰＤ)、比例積分偏差(ＰＩＤ)コントローラーであってもよく、それは、温度設定ポイントから測定された温度の偏差に応じて、基体温度を制御するために、温度センサ１２０からのフィードバックされた情報を使用する。この様式において、センサ１２０と温度コントローラー１２２とは、閉ループ制御システムを提供するために協働する。
【００３７】
さらに、温度コントローラー１２２は、熱伝導液体９５を液体注入口９６そして最終的に液体チャネル９６へ流動するよう制御するため、計算しかつ冷却源１００に対して付加的な信号を伝送する。また、温度コントローラー１２２は、熱伝導液体９５の温度を制御することができる。
【００３８】
拡張された温度制御に関して、温度コントローラー１２２は、電力供給部１１８から支持プレート１１２，１１４へ流れる電流を逆流することによって、熱電デバイス７０が加熱と冷却との間で切り換えられるよう構成されてもよい。温度コントローラー１２２がバイポーラ処理のために構成されるようになっているこの状態において、熱電デバイス７０は、例えば、大気に対して高真空処理システム１０の真空槽を通気させる前に、基体固定具を加熱するために使用することもできる。温度コントローラー１２２は、バイポーラ処理が可能なリレーを備えていてもよい。
【００３９】
熱電デバイス７０は、電力供給部１８に対して、図示するようにワイヤもしくは他の方法で直列に電気的に接続されている。代わりに、熱電デバイス７０は、電力供給部１１８とワイヤもしくは他の方法で並列に接続されていてもよい。本発明の代替的な実施形態において、いくつかの熱電デバイス７０は、基体固定具２４を冷却するために電力供給部１１８に連続的に接続されており、そして残りの熱電デバイス７０は、基体固定具２４を過熱するために連続的に接続されている。基体固定具２４を加熱しかつ冷却する能力は、温度制御の正確さを向上させる。電力供給部１１８は、基体２０を保持するパレット２２の一部を加熱または冷却することによって、最も近接する基体２０(もしくは基体の一部)に関して所望の温度を保持するよう熱電デバイス７０を介して電流を制御するため、温度コントローラー１２２の制御下で作動させられる。熱電デバイス７０は、イオンビーム処理からエッチ生成物を揮発させるいくつかの処理において、周囲の温度以上に調節された基体温度を確実なものとするために使用されてもよく、そして、それによって反応性エッチング速度が増大させられる。
【００４０】
〔実施例および比較例〕
実質的に基体固定具２４と同様の基体固定具は、図１〜図１０に示すように配置された１６の熱電デバイスのアレイを備えている。熱電デバイスは、Marlow Industries Inc. (Dallas, Texas)によって製造されているモデルXLT2385熱電冷却器である。この熱電冷却器は、基体固定具のキャッププレートを冷却するために、その定格出力の４分の１で作動されている。キャッププレート４２の温度は、熱電対でモニターされている。８００ボルト(Ｖ)のビーム電圧と１２００ミリアンペア(ｍＡ)のビーム電流とを有するイオンビームが、キャッププレート上に支持された基体の上へ向けられている。９６０ワットのビーム電力が供給されるイオンビームは、約５５ｎｍ/ｍｉｎのエッチ速度によって特徴付けられている。イオンビームにさらされている間、熱電対によって測定されるキャッププレートの温度は、５０℃未満である。
【００４１】
同様の状態下で、かつ比較できるように、熱電デバイスを備えていない基体固定具のキャッププレートによって支持されている基体は、７００ボルトのビーム電圧と１１００ミリアンペアのビーム電流とを有するイオンビームにさらされている。７７０ワットのビーム出力を供給されるこのイオンビームは、約４５ｎｍ/ｍｉｎのエッチ速度によって特徴付けられている。
【００４２】
さまざまな実施形態の記述によって示された本発明全体および非常に詳しく記載されたこれらの実施形態全体は、出願人の意思を制限するもの、すなわち、決して、明細書に対して付加された特許請求の範囲を制限するものではない。付加的な利点および変更は、当業者であれば容易に想到するであろう。したがって、そのより範囲の広い態様において、本発明は上記詳細な説明、代表的な装置および方法、ならびに図示しかつ説明した実施例に限定されるものではない。したがって、実施例は、出願人の主な発明のコンセプトの趣旨および範囲から外れることなくそうした細部をさまざまに変更できる。
【符号の説明】
【００４３】
１０  高真空処理システム
１２  槽
１３  チャンバー壁
１４  ポート
１５  処理空間
１６  真空ポンプ
１８  イオンビーム
２０  基体
２２  パレット
２４  基体固定具
２６  アクセスコラム
２８  密閉開口
３０  圧縮ばね
３２  支持プレート
３４  ロッド
３６  フレーム
３８  支柱
４０  ベースプレート
４１  ねじ開口
４２  キャッププレート
４３  間隙開孔
４４  熱交換プレート
４５  締結具
４６  Ｏ−リング
４８  Ｏ−リング溝
５０  上面
５２  上面
５４  熱伝導ガス空間
５６  下面
５８，６０  リブ
６４  リム
６５  凹所
６６  ポスト
６８  コンパートメント
７０  熱電デバイス
７２，７４  ねじ開口
７６，７８  間隙開口
８０  固定具
８１  下面
８２  中央液体領域
８４  外周液体領域
８５  リム
８６  液体チャネル
８８  パーティション
９０  Ｏ−リング
９４  液体経路
９５  熱伝導液体
９６  液体注入口
９８  液体排出口
９９  上面
１００  外部冷却剤源
１０１  導管
１０２  排出通路
１０３  導管
１０４  冷却剤排出部
１０６  導入ガス通路
１０８  外部ガス源
１０９  流量制御デバイス
１１０  中央排出ガス通路
１１２  下側支持プレート
１１４  上側支持プレート
１１５  絶縁ワイヤ
１１６  熱電要素
１１７  通路
１１８  電力供給部
１１９  ワイヤ
１２０  温度センサ
１２２  温度コントローラー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2009540580.tif 000011
【図１０】
2009540580.tif 000012
【国際調査報告】
2009540580.tif 000013
2009540580.tif 000014