(57)【要約】  チャック本体と熱伝達本体の間で、外側の排気管及びヒートチョークとして機能し、取外し可能な伸縮アセンブリを有する、高温での使用に適した静電チャック。伸縮アセンブリは、チャック本体と熱伝達本体との間の熱応力差を吸収し、及び／又は、チャック本体から熱伝達本体までの直接の熱伝導を抑える。200℃を超えた温度でチャックを操作する能力によって、典型的にはプラズマエッチング、化学気相成長、スパッタリング、イオン注入、アッシング等に加えて、低揮発度のエッチング生産物を揮発させるために高い温度が必要であるプラチナ等の材料のプラズマエッチングに使用されうる。取外し可能に取り付けられた伸縮アセンブリの新しいデザインによって、チャックが、より大きい製造品のために調整可能となり、さらに熱サイクルを通して使用可能となり、経済的となりうる。
2005516379.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温真空処理チャンバに使用可能な静電チャックであって、
静電クランプ電極と随意的な加熱部とを有するチャック本体であって、該電極が当該チャック本体の外面上で基板を静電気的にクランプするように構成されるチャック本体と、
前記チャック本体及び当該熱伝達本体の離間した表面の間に配置されるプレナムによって前記チャック本体から分離される熱伝達本体であって、前記プレナム中に熱伝達ガスを通した熱伝導によって前記チャック本体から熱を移動させるように構成される熱伝達本体と、
前記チャック本体の外側の周辺部を前記熱伝達本体に接続する取外し可能に取り付けられる伸縮アセンブリであって、前記チャック本体及び前記熱伝達本体の熱膨脹差を吸収する伸縮アセンブリと、
を備えることを特徴とする静電チャック。
【請求項２】
前記伸縮アセンブリは、変形可能な環状部分を含む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】
前記変形可能な環状部分は、前記チャック本体と前記熱伝達本体との間の直接的な熱伝達を抑えることによってヒートチョークとして機能す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】
前記伸縮アセンブリは、第１、第２の搭載フランジを更に含み、
前記変形可能な環状部分は、湾曲した部分によって前記搭載フランジの１つに接続され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５】
前記伸縮アセンブリは、第１、第２の搭載フランジを更に含み、
前記変形可能な環状部分は、蝋付け又は溶接された接続部によって前記搭載フランジの１つに接続され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６】
前記チャック本体を前記伸縮アセンブリに取外し可能に取り付けるクランプ構造を含む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】
前記クランプ構造は、前記チャック本体の外側のエッジに接触し、前記チャック本体と前記伸縮アセンブリとの間で金属シールを圧縮することを特徴とする請求項６に記載の静電チャック。
【請求項８】
前記金属シールは、Ｃ−リングシールであることを特徴とする請求項７に記載の静電チャック。
【請求項９】
前記クランプ構造は、クランプリングを含むことを特徴とする請求項６に記載の静電チャック。
【請求項１０】
前記熱伝達本体は、その中に所望の温度で前記チャック本体を維持するために冷却液が循環可能な少なくとも１つの冷却液通路を有する冷却プレートを備え、
前記プレナムは、前記チャック本体の下側のうち少なくとも５０％以上に延びる環状隙間であり、
前記熱伝達本体は、前記プレナムへ流れる熱伝達ガスを通すガス供給通路を含む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】
前記伸縮アセンブリは、前記プレナムの外側の壁を規定し、かつ、前記チャック本体の熱サイクルの間に前記チャック本体及び前記熱伝達本体に対する密封シールを維持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】
前記チャック本体は、前記プレナムと前記チャック本体の外側の表面との間に延びるガス通路を含み、
前記ガス通路は、随意的に前記伸縮アセンブリに隣接して配置され、かつ、その処理中に前記プレナムから前記基板の外側の周辺部の下側に熱伝達ガスを供給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１３】
前記チャック本体は、金属材料又はセラミック材料を含む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１４】
前記チャック本体は、窒化アルミニウム、窒化シリコン、窒化ホウ素、炭化シリコン、炭化ホウ素、アルミナ及びこれらの混合物から成るグループから選択されるセラミック材料を含むことを特徴とする請求項１３に記載の静電チャック。
【請求項１５】
前記チャック本体の下側の中央部分から延びるセラミック又は金属の管状部分を含み、
前記管状部分の外側表面は、前記プレナムの壁を規定し、
前記管状部分の内部は、前記クランプ電極にパワーを供給する構造、前記加熱部にパワーを供給する構造及び／又は前記チャック本体の温度をモニタする構造を随意的に含み、
前記管状部分の内部は、雰囲気圧力に随意的に開放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１６】
真空処理チャンバ内で基板を処理するための方法であって、
請求項１に記載の前記静電チャックの外側の表面上に基板を静電気的にクランプする工程と、
前記チャック本体内の発熱体を用いて前記基板を随意的に加熱する工程と、
前記プレナムに供給される熱伝達ガスによって前記基板及び前記チャック本体の温度を制御する工程であって、該熱伝達ガスが前記チャック本体中の孔を通って前記チャック本体と前記基板の下側との間のギャップに随意的に通過可能な工程と、
前記基板を処理する工程と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１７】
前記基板は、１５０℃以上の温度まで均一に加熱され、
前記チャック本体及び前記熱伝達本体は、前記プレナム及び前記伸縮アセンブリの変形可能な環状ヒートチョーク部分によって熱的にアイソレーションされ、
前記静電チャックの耐用寿命は、温度に関係する機械的なストレスが前記伸縮アセンブリによって最小化されることによって増加されることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記基板を処理する工程は、
前記処理チャンバに処理ガスを供給する工程と、
前記処理ガスをプラズマ状態に活性化する工程と、
前記プラズマを用いて前記基板の露出面をエッチングする工程と、
を含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記基板を処理する工程は、前記基板上に被膜を成膜する工程を含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記基板を処理する工程は、化学気相成長、プラズマ蒸着、スパッタリング、イオン注入又はプラズマエッチングを含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
高温真空処理チャンバに使用可能な基板支持部のための伸縮アセンブリであって、該基板支持部はチャック本体を有し、該チャック本体は前記チャック本体の外側の表面上に基板を静電気的にクランプするように構成された加熱部及び／又は電極を含み、前記基板支持部は熱伝達本体を更に含み、該熱伝達本体は前記チャック本体及び前記熱伝達本体の離間した表面の間に配置されるプレナム中の熱伝達ガスを通したコンダクタンスによって前記チャック本体から熱を移動させるように構成され、
前記チャック本体の外側の周辺部に取外し可能に取り付け可能な第１の搭載フランジと、
前記熱伝達本体に取外し可能に取り付け可能な第２の搭載フランジと、
前記搭載フランジ間に接続される変形可能な環状部分を含む伸縮接続部であって、当該伸縮アセンブリが前記チャック本体及び前記熱伝達本体の熱膨脹差を吸収する伸縮接続部と、
を備えることを特徴とする伸縮アセンブリ。
【請求項２２】
前記変形可能な環状部分は、湾曲した部分によって前記搭載フランジの１つに接続され、かつ、蝋付け又は溶接された接続部によって前記搭載フランジの他の１つに接続されることを特徴とする請求項２１に記載の伸縮アセンブリ。
【請求項２３】
前記チャック本体に前記第１の搭載フランジをクランプするように構成される前記第１の搭載フランジに取り付けられるクランプ構造を更に含むことを特徴とする請求項２１に記載の伸縮アセンブリ。
【請求項２４】
前記クランプ構造及び当該伸縮アセンブリの第１の搭載フランジは、前記チャック本体の外側の周辺部と前記第１の搭載フランジとの間で金属Ｃ−リングシールを圧縮するように構成されることを特徴とする請求項２３に記載の伸縮アセンブリ。
【請求項２５】
静電チャックのための伸縮アセンブリであって、
チャック本体に取外し可能に取り付け可能な第１の環状搭載フランジと、
第２の環状搭載フランジと、
前記第１、第２の環状搭載フランジを接続する変形可能な環状部分を含む伸縮接続部と、
を備えることを特徴とする伸縮アセンブリ。
【請求項２６】
前記第１の搭載フランジは、前記第１の搭載フランジにチャック本体をクランプするように構成されるクランプ構造と共働することを特徴とする請求項２５に記載の伸縮アセンブリ。
【請求項２７】
前記変形可能な環状部分は、湾曲した部分によって前記搭載フランジの１つに接続されることを特徴とする請求項２５に記載の伸縮アセンブリ。
【請求項２８】
前記変形可能な環状部分は、蝋付け又は溶接された接続部によって前記搭載フランジの１つに接続されることを特徴とする請求項２５に記載の伸縮アセンブリ。
【請求項２９】
前記第１、第２の環状搭載フランジ及び前記変形可能な環状部分のうちの１つは、材料の単一ピースから作られることを特徴とする請求項２５に記載の伸縮アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウエハ等の処理基板に有用な静電チャック(ＥＳＣ)に関する。ＥＳＣは、エッチング又は成膜プロセスが実行されるプラズマ反応チャンバ中の半導体基板を支持するために使用することができる。ＥＳＣは、プラチナ等の低温で不揮発性の材料を高温でプラズマエッチングするのに特に有用である。
【背景技術】
【０００２】
真空処理チャンバは、エッチングガス又は成膜ガスを真空チャンバへ供給し、このガスに高周波電界を印加してプラズマ状態にガスを活性化することによって行われる基板上の材料のエッチング及び化学気相成長(CVD)に、一般的に使用される。平行平板に関する例としては、誘導結合プラズマ(ICP)と称される変成器結合プラズマ(TCP)及び電子サイクロトロン共鳴(ECR)反応室が、本願と同じ出願人による米国特許第4,340,462号、同4,948,458号及び同5,200,232号に開示されている。真空処理チャンバは、その中で実行されるプロセスに依存した性能仕様を満たすように典型的には設計される。したがって、特別な処理チャンバに対応付けて、特別なプラズマ発生源、真空ポンピング構造及び基板支持部がカスタム設計されるか又は性能仕様を満たすように特別設計されなければならない。
【０００３】
基板は、処理中では、真空チャンバ中の所定位置に基板ホルダによって典型的には保持される。従来の基板ホルダは、機械的なクランプと静電クランプ(ＥＳＣ)とを含む。機械的なクランプとＥＳＣ基板ホルダの例は、本願と同じ出願人による米国特許第5,262,029号、同5,880,922号及び同5,671,116号に提供されている。電極の形をとった基板ホルダは、米国特許第4,579,618号に記載されているように、高周波(ＲＦ)パワーをチャンバに供給することができる。単極のタイプの静電チャックは、単一の電極を利用する。例えば、米国特許第4,665,463号を参照されたい。二極タイプの静電チャックは、誘電体層で分離される2つの電気的に帯電した電極間における互いの吸引力を利用する。例えば、米国特許第4,692,836号及び同5,055,964号を参照されたい。
【０００４】
基板ホルダは、任意の処理工程の間に、フラットパネルディスプレイとそれよりも小さな基板とを包含する基板を冷却することができる。そのような冷却は、基板ホルダと基板の対向面との間にヘリウム等のガスを加えることによって実行される。例えば、米国特許第5,160,152号；同5,238,499号；同5,350,479号及び同5,534,816号を参照されたい。冷却ガスは、基板ホルダ中のチャネル又は溝のパターンに典型的には供給されて、背圧を基板に与える。
【０００５】
真空処理チャンバの基板支持部は、典型的にはチャンバ底面の壁上に搭載されるため、基板支持部の整備や取替えは困難で時間がかかる。このように底面に搭載された基板支持部に関する例は、米国特許第4,340,462号;同4,534,816号;同4,579,618号;同4,615,755号;同4,948,458号;同5,200,232号及び同5,262,029号に見られる。片持ち（cantilevered）支持構造は、本願と同じ出願人による米国特許第5,820,723号及び同5,948,704号に記載されている。クランプ電極及び加熱部を組み込んだ高温静電チャックは、化学成膜チャンバで使用されるものとして提案されている。例えば、米国特許第5,730,803号；同5,867,359号；同5,908,334号；同5,968,273号及び欧州特許出願公開第628644A2号を参照されたい。これらでは、EP'644は、穴を開けられてメッシュを形成するRF金属電極板とその中に埋め込まれた加熱器とを有する窒化アルミニウムチャック本体を開示しており、チャック本体の外側の周辺部がシリンダを超えて延びるようにチャック本体がアルミナシリンダ上に支持されている。'803特許は、その中に埋め込まれたMo、W、W-Mo及びMoのヒータコイル線の電気的なグリッド（electrical grid）を有する窒化シリコン又はアルミナのチャック本体を開示している。チャック本体は、チャック本体と冷却プレートとの間の熱膨張差を許容する熱グリースによって、チャック本体に熱的に接触する冷却プレートで冷却されたCu又はアルミ水を取り囲むMoのヒートチョークシリンダによって支えられる。‘359特許では、約500℃の温度で使用可能なチャックが記載されている。このチャックは、ニオブ電極（niobium electrode）の反対側に蝋付けされるサファイア(単結晶Ａｌ２Ｏ３)層と金属ベースプレートに蝋付けされるアセンブリを含む。‘334特許では、175℃以上の温度で使用するチャックが記載されている。このチャックは、ステンレスプラーテン（stainless steel platen）にそれ自体が付着される下部ポリイミド膜を用いた単極又は二極電極のいずれかの面上にポリイミド膜を含む。‘273特許は、アルミニウム窒化物上層、電極、アルミニウム窒化物層、金属プレート、加熱器、金属プレート及びアルミニウム混合物（aluminum composite）を含む層状チャック本体（layered chuck body）を開示している。チャック本体は、チャック本体の外側の周辺部がシリンダを越えて延びるように、シリンダによって支えられる。
【０００６】
いくつかのＥＳＣデザインでは、ウエハ支持部の隣接する表面間での熱伝導を促進するために、ヘリウム等の熱伝導ガスを使用する。例えば、米国特許第5,155,652号は、上部パイロライト窒化ホウ素層（pyrolytic boron nitride layer）又は、随意的にポリイミド、アルミナ、クォーツ又はダイヤモンドを含む層と、窒化ホウ素基板及びパイロライトグラファイトの導体パターンをその上に有する静電気的なパターン層と、窒化ホウ素基板及びパイロライトグラファイトの導体パターンをその上に有する加熱層と、KOVAR(29%のNi、17%のCoおよび55%のFeを含むNiCoFe合金)のヒートシンクベースと、を含むＥＳＣを記載している。ヒートシンクベースは、その下部にある水冷チャネルと、その上面がチャックを加熱する間に真空に維持されるか又はチャックによって支持される水の冷却を助けるヘリウムで満たされるチャンバと、を含む。米国特許第5,221,403号は、ウエハを支持する上部部材とウエハの温度制御のために液体通路を含む下部部材とからなる支持テーブルを記載しており、この上部部材は、ポリイミドシート間の銅電極によって構成されるＥＳＣを含み、上下の部材の接触面の間のギャップに熱伝導ガスが供給される。
【０００７】
本願と同じ出願人による米国特許第5,835,334号は、高温チャックを記載している。ここで、下部アルミニウム電極と下部電極にボルト締めされる電極キャップとの間の接触面にはヘリウムが導入され、電極キャップはアルマイト又はダイヤモンドをコーティングしたモリブデンを含む。保護用アルミナリングとOリングシールは電極キャップと下側の電極間の冷却液ガスの漏れを最小化する。電極キャップは、エチレングリコール、シリコンオイル、ホタル石（fluorinert）、水及びグリコールの混合物等の冷却液を循環させる液体冷却液チャネル（liquid coolant channels）を含み、下部電極は、チャックを約100〜350℃の温度まで加熱する加熱器を含む。熱膨脹差による陽極酸化時のひび割れを防止するために、電極キャップは、200℃以下の温度に維持される。ダイヤモンドがコーティングされたモリブデン（molybdenum）電極キャップの場合では、より高い温度でチャックを使用することができる。国際公開第WO 99/3695号は、白金電極層をラズマエッチングするための処理を記載している。この処理では、基板が１５０℃以上に加熱され、白金層が塩素、アルゴン、及び随意的なBCl3、HBr又はこれらの混合物を含むエッチングガスの高密度誘導結合プラズマによってエッチングされる。米国特許第5,930,639号はまた、プラチナエッチング処理を記載している。この処理では、白金は高誘電率コンデンサの電極を形成し、白金は酸素プラズマででエッチングされる。
【０００８】
高温で使用する改良されたチャックデザインを提供するいくつかの試みがあったが、高温によって異なる熱膨脹係数を持つ材料の使用に悪影響をもたらす熱応力差が障害となる。これは、アルミニウム窒化物等のセラミック材料とステンレス又はアルミニウム等の金属材料との間に密封シールを維持する場合に特に問題となる。従って、高温チャック材料に課せられる熱サイクルの要求に適合しうる改良されたチャックデザインのための技術が必要である。特に、生産性を増大させるために、そしてより大型のディスプレイ装置のために、より大きな製造品が用いられるにつれて、より大きな熱膨脹を吸収することができるデザインが必要である。
【発明の開示】
【０００９】
発明の概要
本発明は、高温真空処理チャンバに使用可能な基板支持部を提供する。好適な実施形態では、基板支持部は、チャック本体、熱伝達本体及びその間に外側の排気管を形成することができる伸縮アセンブリを含む静電チャックである。チャック本体は、静電クランプ電極と、随意的な加熱部と、電極とを含み、該電極は、前記チャック本体の外側の表面上に半導体ウエハ等の基板を静電気的にクランプするように構成される。前記熱伝達本体は、前記チャック本体と該熱伝達本体の離間した表面の間に配置されるプレナムによって、前記チャック本体から分離される。前記熱伝達本体は、プレナム中の熱伝達ガスを通した熱伝導によってチャック本体から熱を移動させるように構成される。
【００１０】
また、本発明は、前記チャック本体と記熱伝達本体の熱膨脹差を吸収する記基板支持部のための伸縮アセンブリを提供する。前記伸縮アセンブリは、前記チャック本体の外側の周辺部を前記熱伝達本体に取り付ける。好適な実施形態によれば、前記伸縮アセンブリは、前記チャック本体、内側管状部分及び前記熱伝達本体と組み合わせて前記プレナムを囲む外側の排気管を形成する。前記チャック本体と前記伸縮アセンブリとの間の真空シールは、前記チャック本体の熱サイクルの間に前記プレナムの密封シールを維持する。望ましくは、前記シールは圧縮性金属シールであり、最も望ましくはＣ−リングシールである。
【００１１】
好適な実施形態によれば、前記熱伝達本体は、その中に少なくとも１つの冷却液通路を有する冷却プレートを含む。この冷却液通路では、所望の温度にチャック本体を維持するために冷却液が循環することができ、前記プレナムは前記チャック本体の下側の少なくとも５０％以上に延びる環状隙間である。この実施形態では、前記熱伝達本体は、ガス供給通路を含み、該ガス供給通路を通して熱伝達が前記環状隙間の中へ流れる。好適な実施形態によれば、前記チャック本体は、前記プレナムと前記チャック本体の外側の表面との間に延びるガス通路を含む。前記ガス通路は、任意の適当な構造で提供されうる。例えば、前記チャック本体の外側の部分がその中央部分よりも熱くなりやすければ、前記ガス通路は、その処理中に前記プレナムから前記基板の外側の周辺部の下側まで熱伝達ガスが流れるように前記伸縮アセンブリに隣接して配置されうる。好適な実施形態によれば、基板は、約80℃以上、より好適には約200℃以上〜約350℃又はそれ以上に制御可能に加熱されうる。好適な実施形態では、前記伸縮アセンブリを通した前記チャック本体と前記熱伝達本体との間の熱伝導は、熱伝達が前記プレナムで熱伝達ガスの圧力を制御することによって調整されるように、伸縮接続部とヒートチョークとして機能する薄い環状部分によって制限される。さらに好適な実施形態では、前記チャック本体の外側の周囲（perifery）とチャック本体の内部との間の温度差が４〜５℃、より好適には約２℃以下であるように、伸縮アセンブリヒートチョークを通して前記チョーク本体を有する高温領域及び熱伝達本体（すなわち、冷却プレート）を有する低温領域からの直接的な熱伝導が抑えられる。
【００１２】
好適な実施形態によれば、前記チャック本体は、アルミニウム若しくはその合金等の金属材料又はアルミニウム窒化物等のセラミック材料を含む。リフトピンは、基板の昇降に使用されうる。例えば、熱伝達本体は、その上に搭載されたケーブルで駆動するリフトピン等のリフトピンを含み、前記リフトピンが前記チャック本体の孔を通って前記チャック本体から基板を昇降させるように、前記チャック本体に向かったり離れたりして移動することができる。
【００１３】
前記伸縮アセンブリは、ヒートチョークとしても機能しうるフレキシブルな（flexible）金属部分等の熱伝達本体及び伸縮接続部に取り付けるように構成される下部搭載フランジを含むことができる。前記伸縮接続部は、上部搭載フランジに湾曲した部分によって下側のフランジに接続されるか、溶接されるか又は蝋付けされる内側環状部分を含むことができるし、逆もまた同様である。前記チャック本体は、連続したクランプリング又は区分されたリング等のクランプ構造によって、前記伸縮アセンブリの上部搭載フランジに付けられてもよい。密封シールは、前記チャック本体の外側の周囲の下面と前記伸縮アセンブリの上部搭載フランジの上面との間の圧縮された金属Ｃ−リングシール等のシール部材によって、前記チャック本体と前記上部搭載フランジとの間に提供される。前記クランプリングは、前記チャック本体の熱サイクルの間、熱膨脹係数がクランプリングのストレスを最小化するために前記チャック本体のものに適合された状態で選ばれる材料で作られてもよい。
【００１４】
前記チャック本体は、前記チャック本体の下側の中央部分から延びるセラミック又は金属の管状部分であって、前記管状部分の外側の表面が前記プレナムの壁を規定するような管状部分を含み、前記管状部分は、その間の密封シールを用いて前記熱伝達本体と浮動接触で支持される。前記管状部分の内部は、ＲＦパワーとＤＣパワーをクランプ電極に供給し、ＡＣパワーを加熱部供給する電力供給部、及び／又は、前記チャック本体の温度をモニタするための温度測定構造を含むことができる。
【００１５】
発明の実施形態によれば、真空処理チャンバのための取外し可能な静電チャックであって、前記チャックが伸縮アセンブリに取り付け可能なチャック本体を含む。前記チャックは、前記チャック本体の外側の表面上に基板を静電気的にクランプするのに十分に前記電極にエネルギを与える電力供給部に取り付け可能な電気的接触を有する電極を含む。本発明の実施形態によれば、前記静電チャックは、経済的なサービスを通して前記静電チャックの耐用寿命を延ばすことができるように、取外し可能で便利な伸縮アセンブリと取外し可能で便利なチャック本体を含む。したがって、本発明はまた、本発明のチャック本体と熱伝達本体との間で取外し可能に付けられるように構成される伸縮アセンブリを提供する。
【００１６】
本発明はまた、基板がチャック本体上に静電気的にクランプされる真空処理チャンバ内で基板を処理する方法を提供する。この方法は、前記電極を活性化して本発明の前記静電チャックの外側の表面上に基板をクランプする工程と、前記チャック本体内の発熱体を用いて前記基板を加熱する工程と、前記プレナムに熱伝達ガスをプレナムに供給する工程であって、該ガスが前記チャック本体中の孔を通って前記基板の下側と前記チャック本体の上側の表面との間のギャップまで通過する工程と、前記プレナムに供給される熱伝達ガスを通した熱伝導によって前記チャック本体及び前記基板の温度を制御する工程と、前記基板を処理する工程と、を含む。
【００１７】
好適な実施形態によれば、この方法は、処理工程の間、チャンバに処理ガスを供給する工程と、この処理ガスをプラズマに活性化する工程と、このプラズマを用いて前記基板の露出表面にエッチングする工程と、をさらに含む。しかしながら、処理工程の間では、基板の露出表面をコーティングされてもよい。高周波エネルギをチャンバに誘導結合するアンテナに高周波エネルギを供給する等の任意の適当な技術によって、処理ガスがプラズマに活性化されてもよい。処理工程の間、パワーを前記チャック本体に埋め込まれた加熱部に供給することによって、前記基板が加熱されうる。基板をクランプする前に、リフトピンが前記熱伝達本体でマウントされている状態で、基板を前記チャック本体の外側の表面に下ろすことができ、前記リフトピンは前記チャック本体の外側部分の開口部を通過する。チャック本体からの熱を移動させるために、この方法は、前記熱伝達本体内に液体冷却液を循環させる工程を含むことができる。前記熱伝達本体によって支持され、前記チャック本体の孔を通って延びる温度センサーを用いて、前記基板における温度変化をモニタすることができる。処理工程の間、プラチナ層をプラズマエッチングする場合では、前記基板は２００℃以上まで加熱されうる。
【００１８】
この方法によれば、前記チャック本体の向こう側に前記チャック本体から複数の熱通路を通して熱を移動させることによって、所望の熱分布を実現することが可能である。さらに、前記プレナム中の前記熱伝達ガスの圧力を変えることによって、これらの熱の通路を通して取り除かれる熱の量を調整することが可能である。例えば、前記チャック本体の下側の中央部分でセラミック又は金属の管状伸縮部が前記チャック本体から前記熱伝達本体まで熱を伝導するので、この方法では、前記プレナムバランス中の熱伝達ガスによって提供される第１の熱の通路を通して熱が取り除かれ、前記プレナムバランス中の熱伝達ガスによって提供される第１の熱の通路を通して熱が取り除かれ、外側の排気管中によって提供される第２の熱の通路を通して熱が取り除かれ、前記中央の管状伸縮部によって提供される第３の熱の通路を通して熱が取り除かれるように、前記プレナム中の前記熱伝達ガスの圧力を調整する工程を含むことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明は、高温真空処理チャンバに使用される基板支持部を提供する。好適な実施形態では、支持部は、プラズマエッチング反応室等の真空処理チャンバで、その処理中に半導体ウエハ等の基板をクランプするのに有用な静電チャックである。しかしながら、化学気相成長、スパッタリング、イオン注入、レジスト剥離等の間に基板をクランプする等の他の目的に用いられてもよい。
【００２０】
本発明の好適な実施の形態によれば、チャックは、クランプ電極及び随意的な発熱体を含む。この発熱体は、８０℃以上（任意の従来のチャックの上限は６０℃である）、好適には２００℃以上、例えば２５０〜５００℃の高温でチャック上に支持される基板を維持するために用いられうる。例えば、チャックは、基板を約150℃以上の温度まで加熱することが必要な材料を化学気相成長又はプラズマエッチングする間に、ウエハを支持するために使用されうる。
【００２１】
チャックにダメージを与えることなくそのような高温を実現するために、本発明は、静電チャック用の伸縮アセンブリを提供する。チャックデザイン、特に伸縮アセンブリによって、チャックは小さなパッケージ内において高温で機能することができる。
【００２２】
好適な実施形態によれば、伸縮アセンブリは、外側の排気管を形成する。この外側の排気管は、チャックの激しく加熱された部分及びチャックの激しく冷やされた部分の離間した表面の間に、プレナム（plenum）を形成する。プレナムは、チャックの加熱された部分から冷やされた部分までの熱を伝導する熱伝達性のガスで満たされる。密封シールは、伸縮アセンブリとチャック本体と間に、Ｃ−リングシール等の金属シールによって維持される。この構造では、チャックの加熱された部分で任意のエラストマシールを使用することも必要ない。その結果、チャックの加熱された部分は、エラストマシールが壊れる温度以上で動作することができる。また、伸縮アセンブリのプレナムとヒートチョーク部材のおかげで、冷却プレートは、伸縮アセンブリと冷却プレートの表面に接触する低コストのエラストマシールを用いるのに十分に低い温度で維持されうる。さらに、伸縮アセンブリのデザインは、全体の高さが小さいため、チャックを厳しいシステムパッケージ要求(設置面積)に耐えられるようにすることができる。伸縮アセンブリの更なる利点は、チャックの加熱された部分と冷やされた部分との間の熱応力を吸収することができるということである。更なる利点は、本発明に係るチャックは、200mmよりも大きい製造品、例えば300mmのウエハを収容するように調整可能であることである。さらに、チャック中に複雑なガス通路構造を用いることなく、ヘリウム等の熱伝達ガスが基板の下側の目標位置に供給されうる。
【００２３】
本発明に係るチャックを用いた好適な方法によれば、チャックによって基板が加熱されるプラズマエッチング処理によって、基板から低揮発度のエッチング生成物が取り除かれる。そのような低揮発度のエッチング生成物は、ZrO2及びHfO2、そしてhigh-k誘電材料を用いたコンデンサ又はトランジスタの電極としての使用が考えられる材料に加えて、Pt、Pd、Ru、Ir及びこれらの化合物等の貴金属（noble metals）のプラズマエッチングの間に形成されうる。基板が十分に加熱されなければ、これらの低揮発度のエッチング生成物は、基板表面に残る。例えば、プラチナのエッチング中に形成されたプラチナの塩化物（platinum chloride）は、基板を約２００℃に加熱することによってミリＴｏｒｒ圧で揮発されうる。低温エッチング処理で用いられる従来のチャックは、そのような高温環境には適していない。これらのチャックは、密封シールを裂き、及び／又は、チャック材料の不良を引き起こす有害な（damaging）熱サイクルを受けうるからである。さらに、このような従来のチャックのウエハの冷却された部分は、チャックの加熱された部分と直接熱的に接触するため、チャックからの熱によって冷却液が沸騰し、チャックの不均一な冷却及び／又はチャックの不十分な冷却をもたらす。本発明に係るチャックは、伸縮アセンブリデザインの使用によって、これらの問題を解決する。
【００２４】
好適な実施形態によれば、チャック本体は、所望の電気的及び/又は熱的特性を有する金属又はセラミック材料から作られる。例えば、チャック本体は、アルミニウム又はアルミ合金で作製することができる。一方、チャック本体は、窒化アルミニウム（aluminum nitride）、窒化ホウ素（boron nitride）、窒化シリコン（silicon nitride）等の窒化物、炭化シリコン（silicon carbide）と炭化ホウ素（boron carbide）等の炭化物、アルミナ（alumina）等の酸化物等、ウィスカー（whiskers）形状の粒子等のフィラー（fillers）を含む又は含まないもの、ファイバー（fibers）等又はシリコン等の溶浸金属（infiltrated metals）を含んだ、１つ又は複数のセラミック材料で作製することができる。セラミックチャック本体は、様々な技術によって形成されうる。例えば、セラミック材料は、粉末冶金技術（powder metallurgical technique）によってモノリシック体（monolithic body）に形成されうる。この方法では、セラミック粉末は、クランプ電極、加熱器及びその内部に埋め込まれた電源装置結線（power supply connections）を用いて、粉末を圧縮又はスリップキャスティング（slip casting ）することによって、チャック本体形状に作られる。チャック本体は、粉を焼結する（sintering）ことによってデンシファイされる（densified）。一方、セラミック本体は、セラミック材料のシートから形成されうる。これはクランプ電極用の電気的に導電性のパターンが重ねられて、その中に加熱器及びパワーフィードスルー（power feedthrough）が組み込まれている。重ねられた層は、最終的なチャック本体を形成するために複合加熱される（cofired）。
【００２５】
ここで、高温静電チャック(HTESC)アセンブリの例示的な実施形態について、図１-6を参照して説明する。HTESCアセンブリは、高温で機能すること、必要とされる電力が比較的低いこと、運転寿命が長いこと、裏面の冷却が単純であること、製造費が安いこと、デザインがコンパクトであること、及び大きい製造品への調整が可能であること等の有利な特徴を提供する。
【００２６】
本発明に係るHTESCは、より高い温度で機能すること、冷却プレートが単一ピースの（one-piece）静電チャックで統合される従来のチャックアセンブリと比べて、必要とされる電力が比較的低いこと、を提供することができる。このような従来のチャック構造では、使用可能な最大の温度は、約60℃に制限される。使用可能な最高の温度を上昇させるために、本発明のHTESCは、その中に埋め込め込まれた静電クランプ電極を有するセラミックチャック本体等のＥＳＣ部分と冷却プレート等の熱伝達本体とを含むツーピースの（two-piece）アセンブリとして設計されている。さらに、伸縮アセンブリは、ヒートチョークとして機能し、冷却プレートからＥＳＣ部分を熱的にアイソレーションするためにチャックと統合された、偏向可能な（deflectable）環状の部分（annular section）を備える。ヒートチョーク部分は、ＥＳＣ部分のエッジから冷却プレートへの熱伝導を大幅に減少させる。その結果、チャック本体に埋め込まれた加熱部に比較的大量のパワーを供給することを必要とせずに、ＥＳＣ部分が約３５０℃又はそれ以上の温度に到達することを許容する。
【００２７】
伸縮アセンブリによって、HTESCの運転寿命が延びる。特に、伸縮アセンブリの使用によって、ＥＳＣ部分は、HTESCの他の部分にダメージを与えることなく、実質的な熱膨張を受けることができる。ＥＳＣと伸縮アセンブリとの間の取外し可能なシールは、さらにHTESCの寿命を延ばす。伸縮アセンブリは、単一ピース（single-piece）又はマルチピース（multi-piece）で溶接された又は蝋付けされたアセンブリとして設計されうる。このアセンブリは、ＥＳＣ部分から冷却プレートまでの熱伝導を最小化する間にＥＳＣ部分の熱膨脹及び熱収縮を許容する薄い壁で囲まれた部分を含む。薄く壁で囲まれた環状のヒートチョーク部分は、ＥＳＣ部分と冷却プレートとの間の熱膨張差を吸収し、これによってHTESCアセンブリ中のストレスを最小化し、結果としてHTESCアセンブリの初期故障（premature failure）の可能性を低くする。さらに、ヒートチョーク部分は、HTESCアセンブリ内部の蝋付けされた接続部でストレスを低減するように設計することができる。
【００２８】
適切に基板を冷却するために、ＥＳＣ部分の内部の複雑なガス供給構造に頼る従来のチャックアセンブリと比較して、本発明に係るHTESCは、より多くの冷却が必要である基板部分を選択して対象とする単純な構造を含むことができる。例えば、HTESCアセンブリは、ＥＳＣ部分と冷却プレートとの間にプレナムを含み、プレナムに供給される熱伝達ガスによってＥＳＣ部分を冷却することができ、プレナムからＥＳＣ部分の外面まで延びる通路を通して基板の一部を選択する熱伝達ガスを供給することによって基板が温度制御されうる。プラズマエッチングに使用されるHTESCでは、基板の外側部分の冷却を促進するために、ＥＳＣ部分の外側周辺付近にガス供給孔を提供することができる。したがって、ＥＳＣ部分の支持面内の所望の位置にガス供給孔を形成することができるので、複雑なガス供給構造は必要ない。
【００２９】
他の高温チャックアセンブリと比較して、本発明のHTESCにおける伸縮アセンブリの使用は、製造コストを減少させ、及び/又は、HTESCの製造を簡略化することができる。特に、ヒートチョーク部材は、冷却プレートから熱いＥＳＣ部分を熱的にアイソレーションするため、冷却プレートに接触する位置で標準的な低コストのエラストマシール（elastomer seals）を使用することができる。さらに、取外し可能に取り付けられた伸縮アセンブリは、伸縮接続部（expansion joint）とＥＳＣ本体との間の高温真空シール部材の取替えを可能にする。
【００３０】
本発明に係るHTESCは、全体的に高さが低い（small overall height）ため、その中でチャックが片持ち（cantilevered）支持アーム上に支持される真空チャンバに使用することができる。例えば、図１〜３は、本発明のHTESCアセンブリを内部に組み込むことができる真空処理チャンバの例を示す図である。本発明は、図１-3に示されるチャンバデザインを参照して説明されるが、基板を静電気的にクランプすることが望まれる任意の真空処理チャンバで本発明のHTESCアセンブリを使用することができることは、当業者によって理解されよう。例えば、本発明のHTESCアセンブリは、エッチング、成膜、レジスト剥離等の様々な半導体プラズマ又は非プラズマ処理工程が実行されうる処理チャンバ中の基板支持部の一部として使用することができる。
【００３１】
図1に示されるように、真空チャンバ10は、チャンバの側壁から内側に延びる片持ち（cantilevered）基板支持部12と、支持部12によって支持されるHTESC14とを含む。サービス通路（service passage）１８は、支持部12の内部に開くサービス溝（service conduits）（不図示）を含む。サービス通路は、HTESCを調整するために使用することができる。例えば、DCパワーをクランプ電極に供給したり、ＲＦパワーをクランプ電極又はその処理中に基板にＲＦバイアスを印加する別々の電極に供給したり、加熱部へＡＣ電力を供給したり、リフトピンを作動させるためのケーブルを収納したり、HTESC及び／又は基板を冷却するための冷却液を供給したり、センサー又はモニタ装置から電気信号を送信する等が挙げられる。
【００３２】
実施形態に示すように、搭載フランジ20及び支持アーム22は、例えば、Ｏリングを用いた機械的な留め具、及び、フランジ20とチャンバの対向面との間に挿入されるＲＦシールド（RF shielding）によって、チャンバ内の開口部に取外し可能に搭載されることができる一体部品（integral piece）を形成する。図1に示す構造では、チャンバ中のガスが開口部21を通して真空ポンプ23によって回収されうる。プラズマは、チャンバの上部に搭載されたエネルギ源(不図示)によってチャンバ内に生成されうる。すなわち、チャンバの上部は、容量結合（capacitive coupled）、誘導結合（inductive coupled）、マイクロ波（microwave）、マグネトロン（magnetron）、ヘリコン（helicon）又はその他の適当なプラズマ発生装置等の様々なタイプのプラズマ発生源を支持するように設計される。また、ガス供給プレート(シャワーヘッド)、１個以上のガスリング及び／又はガス入射器（gas injectors）又はその他の適当な構造等の様々なタイプのガス供給構造によって、処理ガスをチャンバに供給することができる。
【００３３】
図2は、チャックアセンブリ28が搭載された真空処理チャンバ24及び片持ち（cantilevered）基板支持部26を示す図である。図示されるように、基板30は、基板支持部26上に搭載されたHTESCアセンブリ28上に支持される。基板支持部26は、アセンブリをチャンバ24の側壁中の開口部(不図示)を通して通過させることによって、基板支持部/支持アームアセンブリ26/32全体がチャンバから取り除かれるように、片持ち（cantilever fashion）の状態で支持アーム３２（図３に図示）の一端にある。ガス供給管34又はガス供給プレート等の任意の適当な構造によって、処理ガスがチャンバに供給されうる。誘電体部材40を通してＲＦエネルギーを誘導結合する平面コイル等のアンテナ38によって、ガスがプラズマ状態に活性化されうる。従来のＲＦパワー発生器42及び整合回路（match network）44等の適当な任意の構造によって、ＲＦエネルギーをアンテナに供給することができる。ウエハ処理中では、図3に示すように、孔46を通してヘリウム等の熱伝達ガスをウエハの裏面に供給することができる。
【００３４】
図1-3に示すチャンバでは、チャンバ10、24からHTESCを含む基板支持部26を容易に取り外すことができるようにするために、HTESCの高さを最小化することが望ましい。ここで、コンパクトなデザインによって、延長された寿命、経済的な製造、メインテナンス及び操作を提供する本発明に係る例示的なHTESCの詳細が、図4-6に示す実施形態を参照して説明される。
【００３５】
図4は、本発明の第１の実施の形態に係るHTESCアセンブリ５０を示す図である。図４では、HTESCアセンブリ５０は、図1-3を参照して上述したように、真空処理チャンバ内で片持ち（cantilevered）基板支持部上に搭載されうる。図6は、HTESC50の断面斜視図を示す。HTESCアセンブリ50は、チャック本体56と熱伝達本体58とを含むツーピース（two-piece）のデザインである。チャック本体56は、クランプ電極60、随意的な加熱部62及び中央管状伸縮部66を含む。ヒートチョークとして機能し外側の排気管を形成しうる伸縮アセンブリ64は、ボルト(不図示)によって取外し可能に熱伝達本体58に取り付けられてピン70で位置決めされる（aligned）下部環状搭載フランジ（lower annular mounting flange）68を含む。上部環状搭載フランジ124は、チャック本体56を上部搭載フランジ124にクランプするものとして用いられるボルト126によって、取外し可能にリング125に取り付けられる。チャック本体56は、誘電特性（dielectric properties）を示す窒化アルミニウム（aluminum nitride）等のセラミック材料で作られるのが望ましい。伸縮アセンブリ64及び熱伝達本体58は、アルミニウム、銅、チタニウム及びこれらの合金等の熱伝導性金属で作製することができる。しかしながら、好適な材料は、ステンレス、コバルト、ニッケル、モリブデン、ジルコニウム又はこれらの合金等の熱伝導性金属である。一方、伸縮アセンブリ64及び熱伝達本体には、その中で半導体基板が処理される真空チャンバと互換性がある任意の材料で作製することができる。
【００３６】
熱伝達本体58は、冷却液通路72を含み、水又はその他の冷却液等の冷却液が適当な導管によって通路72に供給されうる。電力は、管状伸縮部６６内の電源供給線によって、クランプ電極60及び加熱部62に供給されうる。例えば、ＲＦ及びＤＣパワーは、ロッド67によってクランプ電極に供給することができる。ロッド67の下部はストラップ69に接続される。チャック本体の温度は、管状伸縮部66内の温度フィードバックアセンブリ71を用いてモニタされうる。
【００３７】
プレナム80は、チャック本体56及び熱伝達本体58の離間した表面82、84の間に提供される。ヘリウム等の熱伝達ガスが、ガス導管76によってプレナム80に供給されうる。チャック本体上の基板の温度は、金具78で支持される光ファイバー部77を用いてモニタすることができる。空気圧で作動する（pneumatically actuated）リフトピンアセンブリ等の任意のタイプのリフトピンアセンブリを使用することができるが、好適な実施の形態によれば、基板は、複数のケーブルで作動する（cable actuated）リフトピンによって昇降される。複数のケーブルで作動するリフトピンは、孔７９に設けられた金具及びケーブルで作動する（cable actuated）リフトピンをそれぞれ備える。熱伝達本体58の溝（groove）に取り付けられたエラストマシール88は、伸縮アセンブリ64と熱伝達本体58との間に真空シールを提供する。エラストマシール92は、熱伝達本体58の下側と誘電体搭載板94と間に真空シールを提供し、エラストマシール96は、搭載板94の下側と基板支持部の筺体54との間に真空シールを提供する。誘電体エッジリング98(例えば、アルミナ、窒化シリコン、クォーツ等)は搭載板94の上に横たわり、誘電体フォーカスリング100(例えば、アルミナ、窒化シリコン、炭化シリコン等)は、エッジリング98の上に横たわって、チャック本体56を取り囲む。
【００３８】
図5は、伸縮アセンブリ64が取り付けられたチャック本体56の詳細を示す図である。図5に示すように、伸縮アセンブリ64は、下側搭載フランジ68と、伸縮接続部及びヒートチョークとして機能する内側環状部分102と、上部搭載フランジ124と、溶接された又は蝋付けされた接続部104と、を含む。内側環状切断部102は、湾曲した部分101によって下側フランジ68に接続され、接続部104によって上部搭載フランジ124に接続される。内側環状部分102は、環状隙間108によってフランジ68から分離される。フランジ68及び内側環状部分102は、ステンレス等の金属の単一ピースで形成することができる(例えば、機械加工、成型、溶鉄等)。
【００３９】
チャック本体56は、ボルト126によって取外し可能に上部搭載フランジに固定されるリング125等のクランプ構造によって、上部搭載フランジ124に固定される。上部搭載フランジ124の上面120とチャック本体56の下面122との間には、小さなギャップがある。上部搭載フランジの表面121とチャック本体56の下部表面122との間に配置されたＣ−リング112は、プレナム80の密封シールを維持する。
【００４０】
チャック本体56が加熱して拡がると、チャック本体56の外径は、クランプリング125を押し付けて、伸縮接続部102を弾性的に歪める。湾曲した部分101及び内側環状部分102は、チャック本体56の熱膨脹と収縮を吸収するために弾性変形を受ける。したがって、チャック本体56上の機械的ストレスは最小化される。チャック本体56の熱膨脹に適合する材料でクランプリング125を作製することができる。
【００４１】
空気圧で作動するリフトピンアセンブリ又は上述のケーブルで作動するアセンブリ等の任意の適当なリフトピン構造を用いて基板を昇降することができる。例えば、リフトピンアセンブリは、複数のリフトピン132を含むことができる。複数のリフトピン132の各々は、筺体中のスライド可能なリフトピン支持部に取り付けられたケーブル(不図示)によって昇降されうる。筺体は、密封シールを維持するために孔79に取り付けられる。ケーブルで作動するリフトピンの更なる説明は、本願と同じ出願人による米国特許第5,796,066号に見られる。リフトピン孔136は、リフトピン132の動きを許容する大きさに作られ、プレナム80中の熱伝達ガスは、リフトピン132の周囲からチャック本体56とオーバハング（overhanging）の関係で位置する基板の下側へと流れることができる。
【００４２】
熱伝達ガスは、ガス通路76を通してプレナム80に供給することができ、2〜20Ｔｏｒｒ等の任意の適当な圧力にプレナム中のガスを維持することができる。基板サイズによって、３又はそれ以上リフトピン132が基板を昇降するのに使用されうる。図4及び5に示すように、基板のエッジ周囲に均一にガスを供給するために、追加の孔４６が設けられてもよい。さらに、基板の下でガスを供給する際に役立つために、チャック本体の上面中の浅い溝(不図示)に孔を通じさせてもよい。パワーをクランプ電極と加熱部に提供するために、電力供給部が管状伸縮部66の内部設けられてもよい。また、チャック本体温度センサー71及び開口部７７に搭載される基板温度センサー(不図示)に電気信号を伝えるために、電力供給部の１つを使用することができる。
【００４３】
伸縮アセンブリの内側環状部分102の薄い断面（thin cross-section）は、HTESCアセンブリの残りからチャック本体を熱的にアイソレーションすることを可能にする。チャック本体を熱的にアイソレーションすることによって、結果としてチャック本体から離れた熱伝導による熱損失を最小化することとなり、チャック本体は、比較的大量の電力消費を必要とすることなく、約３５０℃の温度に到達することができる。さらに、内側環状伸縮接続部、ヒートチョーク102及び湾曲した部分101の形状によって、基板の処理中に、熱サイクルの結果として、接続部が伸縮するのことができる。従って、HTESCアセンブリの溶接され蝋付けされた接続部上の熱応力が最小化されるため、HTESCは、長い可使寿命（working life）を有すると考えられる。
【００４４】
HTESCアセンブリの残りからチャック本体を熱的にアイソレーションすることによって、熱伝達本体で真空シールを形成するのに標準的で低コストのエラストマ材料を使用することができる。そのような真空シールは、VITON等の低コスト材料から作製することができる。チャック本体は、セラミック材料と金属層の複合加熱層（cofired layers）から作製されてもよい。例えば、本願と同じ出願人による米国特許第5,880,922号は、セラミックチャック本体を作製するために適当な技術を記載している。例えば、これらの層は、セラミック層の間に挟まれた単極又は二極電極（ＲＦバイアス電極としても機能する）を形成する導電層を含んでもよい。１つ以上の螺旋状の抵抗加熱部等の加熱部は、追加のセラミック層間に配置されうる。パワーをクランプ電極及び加熱部に供給するための様々な導電性のフィードスルーがチャック本体に組み込まれてもよい。
【００４５】
本発明は、その好適な実施の形態を参照して説明されているが、当業者であれば本発明の範囲から逸脱しない限り、様々な変更がなされうることを理解できよう。本発明は、添付の図面を参照してより詳細に示し、図中において同様の構成には同様の参照番号を付した。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明のHTESCアセンブリを実行することができる真空処理チャンバの断面を示す。
【図２】本発明のHTESCアセンブリを実行することができる別の処理チャンバの断面を示す。
【図３】図2の片持ち基板支持部に関する斜視図である。
【図４】本発明の実施形態のHTESCアセンブリの断面を示す。
【図５】図4のHTESCの一部を詳細に示す図である。
【図６】図4のHTESCの断面斜視図である。
【図１】
2005516379.tif 000003
【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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【国際調査報告】
2005516379.tif 000009
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