(57)【要約】  半導体材料のプラズマ処理チャンバのためのシャワーヘッド電極アセンブリ用温度制御モジュールは、シャワーヘッド電極アセンブリの上部電極の上部表面に固定されるように構成され、上部電極の温度を制御するために上部電極に熱を供給する加熱プレートと、シャワーヘッド電極アセンブリの上部プレートの表面に固定され、上部プレートの表面から熱的に分離され、加熱プレートを冷却し、上部電極と加熱プレートとの間の熱伝導を制御するように構成された冷却プレートと、加熱プレートと冷却プレートとの間の熱伝導を制御するようになされた少なくとも１つのサーマルチョークとを含む。【選択図】  図１
2010541239.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体材料プラズマ処理チャンバのためのシャワーヘッド電極アセンブリ用の温度制御モジュールであって、
前記温度制御モジュールは、前記シャワーヘッド電極アセンブリの上部電極の上部表面に固定されるように構成された下部表面を有する加熱プレートを備え、前記上部電極は、プラズマに曝される下部表面を有し、前記加熱プレートは、前記上部電極の温度を制御するために前記上部電極に熱を供給するように構成された少なくとも１つのヒータを含み、
前記温度制御モジュールは、前記プラズマ処理チャンバの上部壁を形成する上部プレートの下部表面に固定され、前記上部プレートの前記下部表面から熱的に分離されるように構成された上部表面を有する冷却プレートを備え、前記冷却プレートは、前記加熱プレートの温度を制御し、前記加熱プレートと前記上部電極との間の熱伝導を制御するように構成され、
前記温度制御モジュールは、前記加熱プレートの上部表面と前記冷却プレートの下部表面との間に配置され、前記加熱プレートの前記上部表面と前記冷却プレートの前記下部表面とに接触する少なくとも１つの導電性でかつ熱伝導性のサーマルチョークを備え、前記少なくとも１つのサーマルチョークは、前記加熱プレートと前記冷却プレートとの間の熱伝導を制御するように構成される、
ことを特徴とする温度制御モジュール。
【請求項２】
前記加熱プレートは、前記加熱プレートの中に埋め込まれた加熱要素を有する金属の部片と、前記シャワーヘッド電極アセンブリのバッキング部材のガス分配プレナムとガス供給源とに流体連通するようになされたガス分配通路とを含み、前記加熱要素は、前記加熱要素に電力を供給するように動作可能な少なくとも１つの電源に接続されるように構成され、
前記冷却プレートは、前記冷却プレートの中に形成された液体チャネルを有する金属の部片を含み、前記液体チャネルは、前記冷却プレートの温度を制御するために前記液体チャネルに供給される温度制御された液体の少なくとも１つの供給源と流体連通するように構成される、
ことを特徴とする請求項１に記載の温度制御モジュール。
【請求項３】
前記冷却プレートは、前記上部プレートの前記下部表面に半径方向に離間し同心で配置された複数の第１の溝を含み、前記第１の溝の各々は第１の高さを有し、
前記少なくとも１つのサーマルチョークは、複数のサーマルチョークを含み、各サーマルチョークは、前記冷却プレートのそれぞれの第１の溝に配置されたリングであり、前記リングは、互いに対して同心で配置され、各リングは、前記リングが前記冷却プレートを前記加熱プレート上に支持するように前記サーマルチョークが配置される前記それぞれの第１の溝の前記第１の高さよりも大きい第２の高さを有し、前記冷却プレートの前記下部表面と前記加熱プレートの前記上部表面との間に間隙が画定され、前記リングを介して前記加熱プレートと前記冷却プレートとの間で熱が伝導される、
ことを特徴とする請求項１に記載の温度制御モジュール。
【請求項４】
前記複数のリングは、少なくとも１つの第１のリングと第２のリングとを含み、各第１のリングは、複数の貫通開口を含み、前記第２のリングは、非多孔質であって前記少なくとも１つの第１のリングを取り囲み、前記温度制御モジュールの外側表面を形成する、ことを特徴とする請求項３に記載の温度制御モジュール。
【請求項５】
前記複数のリングは、少なくとも１つの第１のリングと第２のリングとを含み、各第１のリングは、焼結された多孔質の金属物体であり、前記第２のリングは、非多孔質であって前記少なくとも１つの第１のリングを取り囲み、前記温度制御モジュールの外側表面を形成する、ことを特徴とする請求項３に記載の温度制御モジュール。
【請求項６】
前記冷却プレートの前記下部表面は、平坦であり、
前記加熱プレートの前記上部表面は、平坦であり、
前記少なくとも１つのサーマルチョークは、柔軟で熱伝導性かつ導電性の材料から構成されたプレートを含み、前記サーマルチョークプレートは、前記冷却プレートの前記下部表面および前記加熱プレートの前記上部表面にそれぞれ固定される平坦な向かい合う表面を有し、前記サーマルチョークプレートは、前記加熱プレートと前記冷却プレートとの間の熱伝導に対する熱抵抗をもたらす多孔質構造を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の温度制御モジュール。
【請求項７】
前記冷却プレート、前記少なくとも１つのサーマルチョークおよび前記加熱プレートは、位置合わせされた開口を含み、
前記冷却プレート、前記少なくとも１つのサーマルチョークおよび前記加熱プレートを互いに固定するために、ねじ型締結具が、前記位置合わせされた開口の各々に受け入れられ、各ねじ型締結具は、前記加熱プレートの熱サイクルに起因する前記締結具の緩みが生じにくいようになされたワッシャセットを含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の温度制御モジュール。
【請求項８】
プラズマ処理チャンバ用のシャワーヘッド電極アセンブリであって、
前記シャワーヘッド電極アセンブリは、前記プラズマ処理チャンバの上部壁を形成する上部プレートを備え、
前記シャワーヘッド電極アセンブリは、上部表面およびプラズマに曝される下部表面を含む上部電極を備え、
前記シャワーヘッド電極アセンブリは、温度制御モジュールを備え、
前記温度制御モジュールは、前記上部電極の前記上部表面に固定される下部表面を有する加熱プレートを備え、前記加熱プレートは、前記上部電極の温度を制御するために前記上部電極に熱を供給するように構成された少なくとも１つのヒータを含み、
前記温度制御モジュールは、前記上部プレートの下部表面に固定され、前記上部プレートの前記下部表面から熱的に分離された上部表面を有する冷却プレートを備え、前記冷却プレートは、前記加熱プレートの温度を制御し、前記加熱プレートと前記上部電極との間の熱伝導を制御するように構成され、
前記温度制御モジュールは、前記加熱プレートの上部表面と前記冷却プレートの下部表面との間に配置され、前記加熱プレートの前記上部表面と前記冷却プレートの前記下部表面とに熱接触する少なくとも１つの導電性かつ熱伝導性のサーマルチョークを備え、前記少なくとも１つのサーマルチョークは、前記加熱プレートと前記冷却プレートとの間の熱伝導を制御するように構成される、
ことを特徴とするシャワーヘッド電極アセンブリ。
【請求項９】
前記加熱プレートは、ガス供給源と流体連通する半径方向のガス分配通路を含み、
前記上部電極は、複数の第１のガス通路を含む内側電極部材を備え、
前記上部電極は、前記内側電極部材に固定され、前記内側電極部材を取り囲む外側電極部材を備え、前記外側電極部材は、複数の第２のガス通路を含み、
前記上部電極は、前記内側電極部材の上部表面に固定されるバッキングプレートを備え、前記バッキングプレートは、前記半径方向のガス分配通路と流体連通する半径方向に離間した複数のプレナムと、前記第１のガス通路のそれぞれと流体連通する第３のガス通路とを含み、
前記上部電極は、前記バッキングプレートを取り囲むバッキングリングを備え、前記バッキングリングは、前記半径方向のガス分配通路と流体連通する複数の第４のガス通路を含む、
ことを特徴とする請求項８に記載のシャワーヘッド電極アセンブリ。
【請求項１０】
前記内側電極部材は、前記バッキングプレート、前記外側電極部材および前記バッキングリングに結合される表面を含み、
前記外側電極部材は、前記内側電極部材および前記バッキングリングに結合される表面を含み、
前記バッキングプレートは、前記内側電極部材および前記バッキングリングに結合される表面を含み、
前記バッキングリングは、前記バッキングプレート、前記外側電極部材および前記内側電極部材に結合される表面を含む、
ことを特徴とする請求項９に記載のシャワーヘッド電極アセンブリ。
【請求項１１】
前記外側電極部材は、前記内側電極部材のプラズマに曝される下部表面から鈍角で外に向かって延びるステップを含む、ことを特徴とする請求項９に記載のシャワーヘッド電極アセンブリ。
【請求項１２】
前記内側電極部材は、前記内側電極部材のプラズマに曝される下部表面から鈍角で外に向かって延びるステップを含む、ことを特徴とする請求項９に記載のシャワーヘッド電極アセンブリ。
【請求項１３】
前記加熱プレートは、前記加熱プレートの中に埋め込まれた加熱要素を有する金属の部片を含み、前記加熱要素は、前記加熱要素に電力を供給するように動作可能な少なくとも１つの電源に接続され、かつ、
前記冷却プレートは、前記冷却プレートの中に形成された液体チャネルを有する金属の部片を含み、前記液体チャネルは、前記冷却プレートの温度を制御するために前記液体チャネルに供給される温度制御された液体の少なくとも１つの供給源と流体連通するか、または、
前記加熱プレートは、少なくとも１つの内側加熱要素を有する内側加熱プレートと、少なくとも１つの外側加熱要素を有する外側加熱プレートとを含み、前記内側および外側加熱要素に電力を供給し、前記内側および外側電極部材の温度を制御するように動作可能な別個の電源に前記内側および外側加熱要素が接続される、
ことを特徴とする請求項９に記載のシャワーヘッド電極アセンブリ。
【請求項１４】
前記冷却プレートは、下部表面と、前記下部表面に半径方向に離間し同心で配置された複数の第１の溝とを含み、前記第１の溝の各々は第１の高さを有し、
前記少なくとも１つのサーマルチョークは、複数のサーマルチョークを含み、各サーマルチョークは、前記冷却プレートのそれぞれの第１の溝に配置されたリングであり、前記リングの各々は、前記リングが前記冷却プレートを前記加熱プレート上に支持するように、前記サーマルチョークが配置される前記それぞれの第１の溝の前記第１の高さよりも大きい第２の高さを有し、前記冷却プレートの前記下部表面と前記加熱プレートの前記上部表面との間に間隙が画定され、前記リングによって前記加熱プレートと前記冷却プレートとの間で熱が伝導される、
ことを特徴とする請求項９に記載のシャワーヘッド電極アセンブリ。
【請求項１５】
前記複数のリングは、少なくとも１つの第１のリングと第２のリングとを含み、各第１のリングは、複数の貫通開口を有するか、または焼結された多孔質の金属物体であり、前記第２のリングは、非多孔質で前記少なくとも１つの第１のリングを取り囲み、前記温度制御モジュールの外側表面を形成する、ことを特徴とする請求項１４に記載のシャワーヘッド電極アセンブリ。
【請求項１６】
前記冷却プレートの前記下部表面は、平坦であり、
前記加熱プレートの前記上部表面は、平坦であり、
前記少なくとも１つのサーマルチョークは、柔軟で熱伝導性かつ導電性の材料から構成されたプレートを含み、前記プレートは、前記冷却プレートの前記下部表面および前記加熱プレートの前記上部表面にそれぞれ固定される平坦な向かい合う表面を有し、前記サーマルチョークプレートは、前記加熱プレートから前記冷却プレートへの熱伝導に対する熱抵抗をもたらすようになされた多孔質構造を有する、
ことを特徴とする請求項８に記載のシャワーヘッド電極アセンブリ。
【請求項１７】
前記冷却プレート、前記少なくとも１つのサーマルチョークおよび前記加熱プレートは、位置合わせされた開口を含み、
前記冷却プレート、前記少なくとも１つのサーマルチョークおよび前記加熱プレートを互いに固定するために、ねじ型締結具が、前記位置合わせされた開口の各々に受け入れられ、各ねじ型締結具は、前記加熱プレートの熱サイクルに起因する前記締結具の緩みが生じにくいようになされたワッシャセットを含む、
ことを特徴とする請求項８に記載のシャワーヘッド電極アセンブリ。
【請求項１８】
前記上部プレートの前記下部表面は、半径方向に離間し同心で配置された第２の溝を含み、前記第２の溝の隣接するものが前記上部プレートの前記下部表面の環状突出部によって分離され、前記上部プレートは、前記環状突出部で前記冷却プレートの前記上部表面と接触する、ことを特徴とする請求項８に記載のシャワーヘッド電極アセンブリ。
【請求項１９】
プラズマ処理チャンバのシャワーヘッド電極アセンブリの上部電極の温度を制御する方法であって、下部電極を有する基板支持体と、前記プラズマ処理チャンバの上部壁を形成する上部プレート、および、前記上部プレートと前記上部電極との間に配置され、前記上部プレートと前記上部電極とに固定される温度制御モジュールとを含み、
前記方法は、
前記プラズマ処理チャンバ内で、前記上部電極と前記基板支持体との間の間隙にプラズマを生成させる工程と、
前記上部電極を加熱するために少なくとも１つの電源からの電力を前記温度制御モジュールの加熱プレートの少なくとも１つのヒータに印加する工程と、
前記冷却プレートの温度を制御するために少なくとも１つの液体供給源から温度制御された液体を前記温度制御モジュールの冷却プレートの液体チャネルに供給する工程と、
（ｉ）前記冷却プレートを前記上部プレートから熱的に分離することによって前記冷却プレートと前記上部プレートとの間の熱伝導、（ｉｉ）前記冷却プレートと前記加熱プレートとの間に配置された少なくとも１つのサーマルチョークにより前記冷却プレートと前記加熱プレートとの間の熱伝導、および（ｉｉｉ）前記加熱プレートの温度を制御することによって前記加熱プレートと前記上部電極との間の熱伝導を制御し、それによって前記上部電極を所望の温度に維持する工程と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２０】
前記プラズマが生成されている場合および前記プラズマが生成されていない場合に、前記温度制御モジュールは、約４０℃から約２００℃の設定値の約±５℃内の温度に前記上部電極を維持し、
前記温度制御モジュールは、前記上部電極の半径方向の中心−縁部間の約±３０℃の最大温度勾配を維持する、
ことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ処理装置のためのシャワーヘッド電極アセンブリ用温度制御モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体材料処理の分野において、真空処理チャンバを含む半導体材料処理装置は、基板上の材料のエッチング等、様々なプラズマ処理を行うために使用される。これらのエッチング処理の有効性は、多くの場合、処理チャンバのいくつかの場所で温度条件を制御する能力に依存する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６，０１９，０６０号
【特許文献２】米国特許第６，９８４，２８８号
【特許文献３】米国特許出願公開第２００６／０２０７５０２号
【特許文献４】米国特許出願公開第２００６／０２８３５５２号
【特許文献５】米国特許第６，０７３，５７７号
【発明の概要】
【０００４】
例示的実施形態において、半導体材料プラズマ処理チャンバのためのシャワーヘッド電極アセンブリ用温度制御モジュールは、シャワーヘッド電極アセンブリの上部電極の上部表面に固定されるように構成された下部表面を有する加熱プレートを備え、上部電極はプラズマに曝される下部表面を有し、加熱プレートは、上部電極の温度を制御するために上部電極に熱を供給するように構成された少なくとも１つのヒータを含み、シャワーヘッド電極アセンブリ用温度制御モジュールは、プラズマ処理チャンバの上部壁を形成する上部プレートの下部表面に固定され、それから熱的に分離されるように構成された上部表面を有する冷却プレートを備え、冷却プレートは、加熱プレートの温度を制御し、加熱プレートと上部電極との間の熱伝導を制御するように構成され、シャワーヘッド電極アセンブリ用温度制御モジュールは、加熱プレートの上部表面と冷却プレートの下部表面との間に配置され、それらと接触する少なくとも１つの導電性かつ熱伝導性のサーマルチョークを備え、少なくとも１つのサーマルチョークは、加熱プレートと冷却プレートとの間の熱伝導を制御するように構成される。
【０００５】
例示的実施形態において、プラズマ処理チャンバ用シャワーヘッド電極アセンブリは、プラズマ処理チャンバの上部壁を形成する上部プレートと、上部表面およびプラズマに曝される下部表面を含む上部電極と、温度制御モジュールとを備え、温度制御モジュールは、上部電極の上部表面に固定される下部表面を有する加熱プレートを有し、加熱プレートは、上部電極の温度を制御するために上部電極に熱を供給するように構成された少なくとも１つのヒータを含み、温度制御モジュールは、上部プレートの下部表面に固定され、それから熱的に分離された上部表面を有する冷却プレートを有し、冷却プレートは、加熱プレートの温度を制御し、加熱プレートと上部電極との間の熱伝導を制御するように構成され、温度制御モジュールは、加熱プレートの上部表面と冷却プレートの下部表面との間に配置され、それらと熱接触する少なくとも１つの導電性かつ熱伝導性のサーマルチョークを有し、少なくとも１つのサーマルチョークは、加熱プレートと冷却プレートとの間の熱伝導を制御するように構成される。
【０００６】
例示的実施形態において、下部電極を有する基板支持体と、プラズマ処理チャンバの上部壁を形成する上部プレート、および、上部プレートと上部電極との間に配置されそれらに固定される温度制御モジュールを含むシャワーヘッド電極アセンブリと、を含むプラズマ処理チャンバ内のシャワーヘッド電極アセンブリの上部電極の温度を制御する方法が提供される。この方法は、プラズマ処理チャンバ内において、上部電極と基板支持体との間の間隙にプラズマを生成させる工程と、上部電極を加熱するために少なくとも１つの電源から温度制御モジュールの加熱プレートの少なくとも１つのヒータに電力を供給する工程と、冷却プレートの温度を制御するために少なくとも１つの液体供給源から温度制御モジュールの冷却プレートの液体チャネルに温度制御された液体を供給する工程と、（ｉ）冷却プレートを上部プレートから熱的に分離することによって冷却プレートと上部プレートとの間の熱伝導、（ｉｉ）冷却プレートと加熱プレートとの間に配置された少なくとも１つのサーマルチョークにより冷却プレートと加熱プレートとの間の熱伝導、および、（ｉｉｉ）加熱プレートの温度を制御することによって加熱プレートと上部電極との間の熱伝導を制御し、それによって上部電極を所望の温度に維持する工程と、を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】温度制御モジュールを含むシャワーヘッド電極アセンブリの例示的実施形態を含む半導体材料処理装置のプラズマ処理チャンバの断面図である。
【図２】温度制御モジュールを含むシャワーヘッド電極アセンブリの別の例示的実施形態を含む半導体材料処理装置のプラズマ処理チャンバの断面図である。
【図３】図２に示された温度制御モジュールのサーマルチョークの例示的実施形態を示す図である。
【図４】図２に示された温度制御モジュールの別のサーマルチョークの例示的実施形態を示す図である。
【図５】温度制御モジュールを含むシャワーヘッド電極アセンブリの別の例示的実施形態を含む半導体材料処理装置のプラズマ処理チャンバの断面図である。
【図６】外側加熱プレートおよび内側加熱プレートを含む加熱プレートの別の実施形態の断面図である。
【図７】温度制御モジュールの例示的実施形態の温度対時間（昇温速度および降温速度）を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
温度制御モジュール、および、温度制御モジュールの実施形態を含むシャワーヘッド電極アセンブリが提供される。温度制御モジュールは、シャワーヘッド電極アセンブリのシャワーヘッド電極の温度を所望に制御しうる一体型加熱冷却モジュールを備える。温度制御モジュールは、シャワーヘッド電極アセンブリの選択された部分から熱的に分離することができ、所望の速い応答時間を有し、信頼性のある応答性のよい温度制御を可能にする。
【０００９】
図１は、シリコンウエハのような半導体基板が処理される容量結合高周波（ＲＦ）プラズマ処理チャンバ１００を示す。プラズマ処理チャンバ１００は、シャワーヘッド電極アセンブリ１１０と、シャワーヘッド電極アセンブリ１１０の下に配置された基板支持体１１２（部分図の）とを含み、シャワーヘッド電極アセンブリ１１０と基板支持体１１２との間のプラズマが生成される間隙を備える。シャワーヘッド電極アセンブリ１１０は、上部電極１１４と、上部電極１１４に固定される任意選択のバッキング部材１１６と、上部プレート１１８と、バッキング部材１１６と上部プレート１１８との間に配置される温度制御モジュール１２０とを含む。閉じ込めリングアセンブリ１２２は、上部電極１１４と基板支持体１１２との間の間隙を取り囲む。
【００１０】
上部プレート１１８はアルミニウムなどで製作することができる。上部プレート１１８の温度は、温度制御された液体（例えば、設定された温度および流量の水）を上部プレート１１８の中に形成された液体通路に流すことによって制御されうる。上部プレート１１８は、プラズマ処理チャンバ１００の取り外し可能な上部壁を形成することができる。
【００１１】
閉じ込めリングアセンブリ１２２は、複数のプラズマ閉じ込めリング１２４を含み、それらの垂直方向位置は、隣接するプラズマ閉じ込めリング１２４同士間の垂直方向の間隙を制御するために、１つまたは複数の昇降機構１２６の動作によって調整可能である。例えば、閉じ込めリングアセンブリ１２２は、互いに１２０°離間した３つの昇降機構１２６を含むことができる。閉じ込めリング１２４は、上部電極１１４と基板支持体１１２の上側表面１２８との間隙にプラズマを閉じ込めることを強化する。プラズマ処理チャンバ１００で使用することができる例示的な閉じ込めリングアセンブリは、例えば、本願の権利者が所有する米国特許第６，０１９，０６０号および第６，９８４，２８８号、ならびに米国特許出願公開第２００６／０２０７５０２号および第２００６／０２８３５５２号に開示されており、それらの各々は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【００１２】
基板支持体１１２は、下部電極と、基板支持体１１２の上側表面１２８でプラズマ処理が施される基板を静電クランプするための任意選択の静電クランプ電極（ＥＳＣ）とを含む。
【００１３】
この実施形態では、上部電極１１４は、内側電極部材１３０と、内側電極部材１３０を取り囲む、外側電極部材１３２または電極拡張部とを含む。内側電極部材１３０は、円形半導体基板をプラズマ処理するための円筒状プレートである。内側電極部材１３０は、単結晶シリコン、多結晶シリコンまたは炭化ケイ素などの任意の好適な材料から構成することができる。内側電極部材１３０は、上部電極１１４と基板支持体１１２との間の間隙に処理ガスを注入する複数のガス通路１３３を含む。プラズマは、上部電極１１４および／または下部電極にＲＦ電力を供給することによって間隙中に生成される。
【００１４】
外側電極部材１３２は、プラズマ処理チャンバ１００内でより大きい直径の基板をプラズマ処理するために上部電極１１４の直径を拡大するように構成される。例えば、内側電極部材１３０は、３０．４８ｃｍ（１２インチ）または３３．０２ｃｍ（１３インチ）の直径を有することができ、外側電極部材１３２は、上部電極１１４の直径を約３８．１０ｃｍ（１５インチ）から４３．１８ｃｍ（１７インチ）、またはそれよりもさらに大きく拡大する半径幅を有するリングとすることができる。
【００１５】
外側電極部材１３２は、ポリシリコンリングなどの連続的なリング（すなわち一体型リング）とすることができる。代替として、外側電極部材１３２は、リングを形成するように配置された複数のリングセグメント、例えば２セグメントから１０セグメントを含むことができる。リングセグメントは、例えば単結晶シリコン、多結晶シリコンまたは炭化ケイ素から構成することができる。リングセグメントは、好ましくは、一緒に結合される。外側電極部材１３２に隣接するリングセグメントは、好ましくは、結合材料で互いに結合される重なり合った縁部を有する。外側電極部材１３２および内側電極部材１３０は、エラストマー材料などにより一緒に結合することができる。エラストマー材料は、熱応力に適応し、熱および電気エネルギーを移送することができる任意の好適な熱伝導性かつ導電性のエラストマー材料とすることができる。
【００１６】
図１に示されるように、外側電極部材１３２は、内側電極部材１３０よりも大きい厚みを有するかまたは垂直方向にオフセットして、内側電極部材１３０のプラズマに曝される下部表面１３６からある角度で外に向かって延びる内側ステップ１３４を形成することができる。この角度は、好ましくは、鈍角である。さらに図１に示されるように、外側電極部材１３２の内側縁部は、内側電極部材１３０に形成された凹状外側縁部１３８と重なり合い対合するように構成される。
【００１７】
この実施形態では、上部電極１１４の上部表面は、平坦な界面１４０に沿ってバッキング部材１１６の下部表面に固定される。バッキング部材１１６は、内側電極部材１３０の上部表面に固定されるバッキングプレート１４２と、バッキングプレート１４２を取り囲み、外側電極部材１３２の上部表面に固定されるバッキングリング１４４とを含む。カバーリング（ｃｏｖｅｒ  ｒｉｎｇ）１２１は、バッキングリング１４４の周辺外側表面に設けられる。この実施形態では、バッキングプレート１４２は、内側電極部材１３０よりも大きい直径を有する。バッキングプレート１４２の周辺部分１４６は、内側電極部材１３０の周囲から半径方向に外へ向かって延び、バッキングリング１４４に形成された凹状表面１４８上に支持される。
【００１８】
内側電極部材１３０および外側電極部材１３２は、それぞれバッキングプレート１４２およびバッキングリング１４４に好適な結合技法によって固定される。図１に示されるように、内側電極部材１３０は、バッキングプレート１４２、外側電極部材１３２およびバッキングリング１４４に固定される表面を含み、外側電極部材１３２は、内側電極部材１３０およびバッキングリング１４４に固定される表面を含み、バッキングプレート１４２は、内側電極部材１３０およびバッキングリング１４４に固定される表面を含み、バッキングリング１４４は、バッキングプレート１４２、外側電極部材１３２および内側電極部材１３０に固定される表面を含む。例えば、内側電極部材１３０、外側電極部材１３２、バッキングプレート１４２およびバッキングリング１４４の表面は、取り付けられる部材間にエラストマー結合を形成するエラストマー結合材料を使用して結合することができる。エラストマー材料は、熱応力に適応し、上部電極１１４およびバッキング部材１１６の結合された部材間で熱および電気エネルギーを移送することができる。内側電極部材１３０、外側電極部材１３２、バッキングプレート１４２およびバッキングリング１４４を連結させるのに好適なエラストマー結合材料および技法が、本願の権利者が所有する米国特許第６，０７３，５７７号に開示されており、それは参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【００１９】
バッキングプレート１４２およびバッキングリング１４４は様々な材料から構成することができる。バッキングプレート１４２を形成するのに好適な材料には、例えばアルミニウム（アルミニウムと、アルミニウム合金、例えば６０６１Ａｌとを含む）、グラファイト、炭化ケイ素が含まれる。アルミニウムバッキングプレートは、裸アルミニウム外側表面（すなわち自然酸化物外側表面）、または外側表面のすべてまたは一部だけの上に形成された陽極酸化外側表面を有することができる。バッキングリング１４４は、例えば石英から構成することができる。
【００２０】
この実施形態では、温度制御モジュール１２０は、バッキングプレート１４２およびバッキングリング１４４に固定される加熱プレート１５０と、上部プレート１１８に固定される冷却プレート１５２と、加熱プレート１５０と冷却プレート１５２との間に配置され、それらに固定されるサーマルチョーク１５４とを含む。冷却プレート１５２は、サーマルチョーク１５４および加熱プレート１５０に締結具１９０Ａによって取り付けられ、締結具１９０Ａは、冷却プレート１５２の凹状開口に挿入され、冷却プレート１５２、サーマルチョーク１５４および加熱プレート１５０の位置合わせされた開口を通って延びる。締結具１９０Ａは、好ましくは、加熱プレート１５０の熱サイクル中に加熱プレート１５０の熱膨張ならびに軸方向および半径方向移動に起因する締結具１９０Ａの緩みが生じにくいように構成されたロックワッシャおよびスリップワッシャによるワッシャセットを含む。
【００２１】
バッキングプレート１４２は、半径方向に離間したガス分配プレナム１５６、１５８、１６０、１６２を含む。中央プレナム１５６は、中央凹部およびカバープレート１７０によって画定され、外側プレナム１５８、１６０および１６２は、バッキングプレート１４２の環状溝およびカバープレート１７０によって画定される。隣接する対のプレナム１５６と１５８、１５８と１６０、１６０と１６２は、それぞれの環状突出部１６６によって互いに隔てられる。例えば、カバープレート１７０は、バッキングプレート１４２と同じ材料を含むことができる。中央プレナム１５６のカバープレート１７０は、好ましくは、円盤形状を有し、外側プレナム１５８、１６０および１６２のカバープレート１７０は、好ましくは、環状リング形状を有する。カバープレート１７０は、好ましくは、プレナム１５６、１５８、１６０および１６２からのガス漏洩を防止するためにバッキングプレート１４２に結合される。一実施形態では、カバープレート１７０はバッキングプレート１４２に溶接またはろう付けすることができる。
【００２２】
プレナム１５６、１５８、１６０、１６２の各々は、バッキングプレート１４２の複数のガス通路１３５と流体連通している。処理ガスはガス供給源１６９から加熱プレート１５０のガス通路１６４を介して中央プレナム１５６に供給される。ガスは、ガス供給源１６９と流体連通するガス通路１６５、１６７、ならびに、加熱プレート１５０内に形成された半径方向ガス分配チャネル１６８および軸方向通路１７１を介して外側プレナム１５８、１６０、１６２に分配される。
【００２３】
バッキングプレート１４２内のガス通路１３５は、内側電極部材１３０内のそれぞれのガス通路１３３と位置合わせされ、ガス供給源１６９からの処理ガスをプラズマ処理チャンバ１００に供給する。図示のように、バッキングプレート１４２内のガス通路１３５は、内側電極部材１３０内のガス通路１３３よりも大きい直径を有することができる。例えば、ガス通路１３５は約０．１０１６ｃｍ（０．０４インチ）の直径を有することができ、ガス通路１３３は約０．０５０８ｃｍ（０．０２０インチ）から約０．０６３５ｃｍ（０．０２５インチ）の直径を有することができる。バッキングリング１４４は、チャンバに処理ガスを供給するために加熱プレート１５０内の半径方向ガス分配チャネル１６８と外側電極部材１３２内のガス通路とに流体連通するガス通路１４７を含む。
【００２４】
温度制御モジュール１２０は、プラズマがプラズマ処理チャンバ内で生成されている（すなわちプラズマ「ＯＮ」状態の）場合およびプラズマが生成されていない（すなわちプラズマ「ＯＦＦ」状態の）場合にシャワーヘッド電極アセンブリ１１０の上部電極１１４の温度の制御を調整および維持するように構成された一体型ユニットである。温度制御モジュール１２０は、上部電極１１４を所望の温度に維持するために、上部電極１１４に制御された量の熱を供給し、かつ、上部電極１１４から熱を取り除くように構成される。温度制御モジュール１２０は、上部電極１１４のプラズマに曝される下部表面１３６の温度の、信頼性および再現性のある制御を行う。例えば、この電極では、約±３０℃またはそれよりもさらに少ない中心−縁部間の最大温度勾配を温度制御モジュール１２０により達成することができる。上部電極１１４の下部表面１３６の温度、および、上部電極１１４の下部表面１３６に亙る半径方向温度勾配をより精密に制御することによって、下部表面１３６でのプラズマ化学反応をより良好に制御することができる。
【００２５】
加熱プレート１５０は、熱伝導によってバッキング部材１１６を通して上部電極１１４に熱を供給するようになされる。加熱プレート１５０は、アルミニウム、アルミニウム合金などのような金属の機械加工された部片または鋳造物とすることができる。加熱プレート１５０は、加熱プレート１５０において所望の加熱容量を備えるように動作可能な１つまたは複数のヒータを含むことができる。図１に示されるように、加熱プレート１５０は、加熱プレート１５０内の（例えば、埋め込まれた）半径方向に離間した内部加熱要素１７２を含むことができる。加熱要素１７２は、図示のように円形とし、同心で配置することができる。例えば、図１では、中央の円形加熱要素は、プレナム１５６の上に配置された加熱要素１７２の２つの断面によって示され、最も外側の円形加熱要素は、シール１８６の下に配置された２つの最も外側の加熱要素１７２によって示される。図１は６つの円形加熱要素を示している。加熱要素１７２は互いに対して対称的に配置することができる。加熱要素１７２は、加熱要素１７２に電力を供給する単一の電源１５１または複数の電源に電気的に接続される。例えば、各加熱要素１７２を別個の電源に接続することができ、または２つ以上の加熱要素１７２からなる群をそれぞれの電源に接続することができる。１つまたは複数の電源１５１は、適宜、加熱プレート１５０の異なる領域または区域の可変制御加熱を可能にするために個々の加熱要素１７２に（または加熱要素の群に）異なる量の電力を供給することができる。例えば、シャワーヘッド電極アセンブリ１１０の動作中に、加熱プレート１５０は、内側電極部材１３０および外側電極部材１３２を所望の温度、例えば温度設定値に、またはそれの十分近くに維持するために、既知量の熱を上部電極１１４に供給するように動作可能である。例えば、上部電極１１４は、温度制御モジュール１２０の動作によって温度設定値の約±５℃以下内に維持することができる。
【００２６】
シャワーヘッド電極アセンブリ１１０は、例えばバッキング部材１１６に配置された１つまたは複数の温度センサの温度センサ機構を含むことができる。それぞれの温度センサは上部電極１１４のそれぞれの部分の温度をモニタし、この温度情報を温度コントローラ１５３に供給することができる。温度コントローラ１５３は少なくとも１つの電源１５１を制御して加熱要素１７２に電力を供給し、上部電極１１４を加熱する。少なくとも１つの電源１５１は、上部電極１１４の実際の温度および所望の温度に基づいて加熱要素１７２に電力を供給するように制御される。例えば、半導体基板のプラズマエッチングに先立って、加熱プレート１５０はプラズマがＯＦＦであるとき上部電極１１４を加熱するように作動させることができる。加熱プレート１５０は、好ましくは、さらに、プラズマがＯＮであるとき必要に応じて、しかしより低い電力レベルで作動され、その結果、上部電極１１４の所望の温度を維持することができる。
【００２７】
温度制御モジュール１２０において、冷却プレート１５２は、加熱プレート１５０を冷却し、加熱プレート１５０と内側電極部材１３０および外側電極部材１３２との間の熱伝導を制御するように構成される。冷却プレート１５２は以下の理由で小さい「熱質量（thermal mass）」を有する。
【００２８】
物体を加熱または冷却することができる速度は、物体の熱容量または「熱質量」Ｃに関係する。熱質量は、物体の材料の比熱ｃと物体の質量ｍとの積、すなわちＣ＝ｃ・ｍ（式１）に等しい。したがって、物体の熱質量は、その質量を変えることによって、例えば、物体をより小さくおよび／または多孔質にすることにより物体を形成する材料の体積を変えることによって変更することができる。さらに、ΔＴの量だけ物体の温度を変化させるために、物体を加熱することより熱源から物体に加えられる、または物体を冷却することにより物体から放出される必要がある熱の量ｑは、ｑ＝ｍｃΔＴ（式２）によって与えられる。したがって、物体の熱質量が減少するにつれて、ΔＴの量だけ物体の温度を変化させるために、物体に加えなければならない、または物体から除去しなければならない熱の量ｑも減少する。
【００２９】
熱が熱源から物体に伝導によって移送されるように物体が熱源に物理的に接触している場合、物体が熱を吸収すると物体の温度が上昇するので、熱源の接触表面と物体の接触表面との間の温度差は減少することになり、その結果として、熱源から物体への伝熱速度は低下することになる。したがって、熱源から物体への伝熱速度は物体の熱質量を低減することよってより精密に制御することができる。
【００３０】
冷却プレート１５２は小さい熱質量（ΔＴの量だけ温度を変えるために冷却プレート１５２に加えられなければならないまたは冷却プレート１５２から除去されなければならない熱の量ｑが低減されるように）を有し、冷却プレート１５２は上部プレート１１８から熱的に分離されているので、冷却プレート１５２は、温度制御モジュール１２０において動的な温度制御性能を与えることができる。
【００３１】
冷却プレート１５２は、アルミニウム、アルミニウム合金などのような熱伝導性かつ導電性の材料から構成される。冷却プレート１５２は、鋳造物などの単一部片の物質とすることができる。別の実施形態では、冷却プレート１５２は、部片の対向する主面に沿って一緒に結合された２つの部片を含むことができる。冷却プレート１５２は、好ましくは、小さい体積を有する。図１に示されるように、冷却プレート１５２は、外側電極部材１３２の外径に近い直径を有することができる。例えば、冷却プレート１５２は約３８．１ｃｍ（１５インチ）から４３．１８ｃｍ（１７インチ）の直径を有することができる。冷却プレート１５２は、例えば、わずか約２．５４ｃｍ（１インチ）から約５．０８ｃｍ（２インチ）の小さい厚さを有することができる。
【００３２】
冷却プレート１５２は温度制御される。図１に示されるように、冷却プレート１５２は液体チャネル１７４を含み、そこを通って温度制御された液体が少なくとも１つの液体供給源１７５から流されて冷却プレート１５２を冷却する。液体チャネル１７４は、単一部片の冷却プレート１５２に形成された内部通路とすることができる。代替として、液体チャネル１７４は、複数部片の冷却プレート１５２の別個の部片間に画定された通路とすることができる。液体は、例えば脱イオン水とすることできる。液体供給源１７５は、好ましくは、急速な冷却を可能にするために少量の液体を液体チャネル１７４に供給する。液体は、所望の伝熱能力を冷却プレート１５２に与えるために所望の温度および流量を有する。温度制御された液体は、冷却プレート１５２を例えば、約２０℃から約４０℃の温度に維持することができる。液体チャネル１７４は、また、冷却プレート１５２の質量を減少させ、それにより冷却プレート１５２の熱質量が低減する。温度制御モジュール１２０において、冷却プレート１５２の冷却能力は、好ましくは、上部電極１１４と基板支持体との間の間隙に生成されるプラズマによって引き起こされる上部電極１１４への加熱効果を上回る。この冷却能力により、温度制御モジュール１２０は、プラズマがＯＮである場合に上部電極１１４の温度設定値のオーバーシュートの周波数および大きさを最小限にすることができる。
【００３３】
小さい質量を有することに加えて、冷却プレート１５２は、好ましくは、冷却プレート１５２と上部プレート１１８との間の熱伝導を低減するためにシャワーヘッド電極アセンブリ１１０内で上部プレート１１８から熱的に分離される。上部プレート１１８は冷却プレート１５２よりも著しく大きい熱質量を有する。この実施形態では、冷却プレート１５２は、上部プレート１１８と冷却プレート１５２との間の界面１７６での全接触表面積を低減することによって上部プレート１１８から熱的に分離される。例えば、上部プレート１１８に向き合う冷却プレート１５２の上部表面の全表面積に対する、界面１７６での接触表面積の比は約２０％から３０％とすることができる。この実施形態では、少なくとも１つの溝が上部プレート１１８の下部表面に形成される。例えば、図１に示されるように、少なくとも１つの溝は、半径方向に離間し同心で配置された複数の溝１８０を含むことができる。溝１８０は環状形状を有することができる。隣接する溝１８０は、上部プレート１１８の下部表面上で突出部１８２（環状突出部とすることができる）によって分離される。突出部１８２は冷却プレート１５２の上部表面と熱接触する。冷却プレート１５２と上部プレート１１８との間の熱伝導は主として環状突出部１８２で生じる。代替として、単一の連続的な溝（例えば同心部分をもつ）を上部プレート１１８の下部表面に形成することができる。上部プレート１１８からの冷却プレート１５２のこの熱の分離により、熱伝導は、主として、加熱プレート１５０と冷却プレート１５２よりも著しく大きい熱質量を有する上部プレート１１８との間ではなく、加熱プレート１５０と小さい冷却プレート１５２との間にあるようになる。
【００３４】
この実施形態では、サーマルチョーク１５４は加熱プレート１５０と冷却プレート１５２との間に配置され、これらのプレート間の熱伝導を制御する。サーマルチョーク１５４は、加熱プレート１５０から冷却プレート１５２への熱流に対する「熱抵抗」をもたらし、加熱プレート１５０から冷却プレート１５２への熱伝導率の制御を強化することができる。「熱抵抗」という用語の意味は以下で説明される。さらに、サーマルチョーク１５４は、シャワーヘッド電極アセンブリ１１０の動作中に熱サイクルによって引き起こされた加熱プレート１５０の半径方向および軸方向の膨張を補償するように十分に柔軟であることが好ましい。
【００３５】
一次元の定常状態伝熱条件では、材料を横切る伝熱率ｑは、ｑ＝ｋＡ（Ｔ１−Ｔ２）／Ｌ（式３）によって与えられ、ここで、ｋは材料の熱伝導率であり、Ａは伝熱の方向に垂直な方向における材料の断面積であり、Ｔ１は材料の一方の面の温度であり、Ｔ２は材料の反対の面の温度であり（ΔＴ＝Ｔ１−Ｔ２、ここでΔＴは正または負となることがある）、Ｌは伝熱が生じる材料の長さである。式３は、ｑ＝ΔＴ／（Ｌ／ｋＡ）（式４）のように再整理することができる。式４において、Ｌ／ｋＡの項は材料の「熱抵抗」と呼ばれる。式４は、所与の値のΔＴでは、材料の熱抵抗が増大すると、伝熱が生じる材料の長さに沿った伝熱率ｑが減少することを示している。熱抵抗は、Ｌを増加させる、ｋを減少させる、および／またはＡを減少させることによって増加させることができる。
【００３６】
この実施形態では、サーマルチョーク１５４は、加熱プレート１５０および冷却プレート１５２に固定される平坦な向かい合った表面を有するプレートである。これらの部材は、例えば、エラストマー結合、ろう付け、溶接、または締結具によって固定することができる。図１に示されるように、Ｏ−リングなどのシール１８６が、真空シールを行うために、上部プレート１１８と冷却プレート１５２との間、冷却プレート１５２とサーマルチョーク１５４との間、および、サーマルチョーク１５４と加熱プレート１５０との間に配置される。
【００３７】
サーマルチョーク１５４は、例えば、加熱プレート１５０および冷却プレート１５２と同じ材料から構成することができる。例えば、サーマルチョーク１５４は、陽極酸化もしくは非陽極酸化アルミニウムまたはアルミニウム合金（例えば、６０６１−Ｔ６または７０７５−Ｔ６アルミニウム）から製作することができる。サーマルチョーク１５４は、代替として、所望の熱伝導率および構造特性を有する他の金属、非金属材料、または複合材料で製作することができる。サーマルチョーク１５４は、加熱プレート１５０と冷却プレート１５２との間に所望の熱抵抗をもたらすのに効果的な構造を有する。例えば、サーマルチョーク１５４は、所望の熱抵抗をもたらすためにハニカム、多孔板、波形板、または他の好適な多孔質構造を有することができる。これらの例示的な構造は式４の「Ｌ」を増加させ、および／または「Ａ」を減少させ、それによりサーマルチョーク１５４の熱抵抗は増加する。
【００３８】
別の実施形態では、サーマルチョーク１５４は、例えば、アルミニウム層と、サーマルチョークの熱抵抗を増加させるためにアルミニウム層よりも低い「ｋ」値（式４を参照）を有する金属または非金属で熱伝導性かつ導電性の材料（例えば高分子材料またはステンレス鋼）の少なくとも１つの中間層とを含むラミネート構造とすることができる。例えば、サーマルチョーク１５４は約０．６３５ｃｍ（０．２５）インチから約２．５４ｃｍ（１インチ）の全厚さを有することができる。
【００３９】
温度制御モジュール１２０の動作によって、上部電極１１４は、連続する基板処理運転中およびその運転間に、所望の温度に維持することができ、その結果、複数の基板をより均一に処理することができ、それによって処理歩留りが改善される。例示的実施形態では、温度制御モジュール１２０は、少なくとも約１００℃、少なくとも１５０℃、または少なくとも約１８０℃等、約４０℃から約２００℃の範囲内の温度設定値に上部電極１１４を維持することができる。上部電極１１４の所望の温度は、プラズマ処理チャンバ１１０内で実行される特定のプラズマ処理によって決まることになる。例えば、誘電体材料エッチング処理は、上部電極１１４および／または下部電極への高い印加電力レベルを利用し、対応する上部電極１１４の高い温度を生成する。
【００４０】
冷却プレート１５２の小さい質量は、サーマルチョーク１５４の熱抵抗と冷却プレート１５２の上部プレート１１８からの熱分離とを組み合わせて、上部プレート１１８と直接熱接触している加熱プレート１５０と比べて、加熱プレート１５０と冷却プレート１５２との間の伝熱速度のより精密でより迅速な制御を可能にする。加熱プレート１５０と冷却プレート１５２との間の熱伝導の制御を改善することによって、加熱プレート１５０は、上部電極１１４の温度をより精密に制御することができる。温度制御モジュール１２０は、上部電極１１４の温度を制御するための所望の速い応答時間も与える。その応答時間は、それぞれ加熱プレート１５０をオンおよびオフにするときに、制御モジュール１２０が加熱中に上昇するおよび冷却中に下降する速さである。
【００４１】
図２は、シャワーヘッド電極アセンブリ２１０の別の例示的実施形態を含むプラズマ処理チャンバ２００を示す。図２に示されるように、シャワーヘッド電極アセンブリ２１０は、上部電極２１４と、上部電極２１４に固定されるバッキング部材２１６と、上部プレート２１８と、バッキング部材２１６と上部プレート２１８との間に配置される温度制御モジュール２２０とを含む。プラズマ閉じ込めリングアセンブリ２２２は、プラズマ処理チャンバ２００内で上部電極２１４を取り囲む。基板支持体２１２（部分図の）は上部電極２１４の真下に配置される。以下で説明されるように、上部電極２１４および温度制御モジュール２２０は、図１に示された上部電極１１４および温度制御モジュール１２０と異なる構造形体を有する。
【００４２】
図２に示される実施形態では、上部電極２１４は、内側電極部材２３０と、内側電極部材２３０を取り囲む外側電極部材２３２とを含む。内側電極部材２３０は、内側電極部材２３０のより薄い内側部分の下部表面２３６から外側に、好ましくは鈍角で延びる増加した厚さのステップ２３１を含む単一部片の物質である。内側電極部材２３０は、上部電極２１４と基板支持体２１２との間の空間（間隙）に処理ガスを注入する複数のガス通路２３３を含む。外側電極部材２３２は、上部電極２１４の直径を拡大するものであり、連続的なリングとするかまたは複数のリングセグメントを含むことができる。図２に示されるように、外側電極部材２３２および内側電極部材２３０は、外側電極２３２上の上側突出部に重なり合う、好ましくは噛み合う、ステップ２３１上に下側突出部をもつ噛み合い突出部２１５を含む。
【００４３】
この実施形態では、バッキングプレート２４２は、界面２４０に沿って内側電極部材２３０の上部表面に固定され、バッキングリング２４４は、外側電極部材２３２の上部表面に固定される。図示のように、バッキングプレート２４２は内側電極部材２３０とほぼ同じ直径を有する。内側電極部材２３０および外側電極部材２３２は、それぞれバッキングプレート２４２およびバッキングリング２４４に好適な結合技法によって固定される。図２に示されるように、内側電極部材２３０は、バッキングプレート２４２、外側電極部材２３２およびバッキングリング２４４に固定される表面を含み、外側電極部材２３２は、内側電極部材２３０およびバッキングリング２４４に固定される表面を含み、バッキングプレート２４２は、内側電極部材２３０およびバッキングリング２４４に固定される表面を含み、バッキングリング２４４は、バッキングプレート２４２、外側電極部材２３２および内側電極部材２３０に固定される表面を含む。例えば、これらの表面は、熱伝導性かつ導電性のエラストマー材料を使用して一緒に結合することができる。
【００４４】
温度制御モジュール２２０は、バッキングプレート２４２およびバッキングリング２４４に取り付けられる加熱プレート２５０と、加熱プレート２５０および上部プレート２１８に取り付けられる冷却プレート２５２とを含む。カバーリング２２１は、加熱プレート２５０およびバッキングリング２４４の半径方向外側表面に設けられる。
【００４５】
バッキングプレート２４２は複数のガス分配プレナム２５６，２５８，２６０，２６２を含み、それらの各々はバッキングプレート２４２の複数のガス通路２３５と流体連通している。中央プレナム２５６は、中央凹部およびカバープレート２７０によって画定され、プレナム２５８，２６０，２６２は、環状溝およびカバープレート２７０によって画定される。カバープレート２７０は、好ましくは、バッキングプレート２４２に結合される。一実施形態では、カバープレート２７０は、バッキングプレート２４２に溶接またはろう付けすることができる。処理ガスは、ガス通路２６４を介して中央プレナム２５６に供給される。隣接する対のプレナム２５６と２５８、２５８と２６０、２６０と２６２は、バッキングプレート２４２の環状突出部２６６によって分離される。ガスは、ガス通路２６５，２６７と加熱プレート２５０の半径方向ガス分配チャネル２６８および軸方向通路２７１とを介して外側プレナム２５８，２６０，２６２に供給される。
【００４６】
バッキングプレート２４２のガス通路２３５は、内側電極部材２３０のそれぞれのガス通路２３３と位置合わせされ、処理ガスをプラズマ処理チャンバ２００に供給する。バッキングリング２４４は、加熱プレート２５０のガス分配チャネル２６８と流体連通するプレナム２４５と、バッキングリング２４４のガス通路２４７と、外側電極部材２３２のガス通路２４９とを含む。ガスはガス通路２４９を介してチャンバに供給される。
【００４７】
加熱プレート２５０は、バッキング部材２１６を通して上部電極２１４に、制御された方法で、熱を供給するように構成された加熱要素２７２を含む。加熱プレート２５０は、内側電極部材２３０および外側電極部材２３２を所望の温度に維持するように動作可能である。加熱要素２７２は、単一の電源２５１または複数の電源に電気的に接続される。温度センサ機構は、上部電極２１４の温度をモニタし、この温度情報を温度コントローラ２５３に供給するためにバッキング部材２１６に設けることができる。温度コントローラは、電力を加熱プレート２５０に供給して内側電極部材２３０および外側電極部材２３２を加熱するために少なくとも１つの電源２５１を制御するように構成される。加熱プレート２５０は、加熱プレート１５０に関して上述した同じ方法で動作することができる。
【００４８】
上述のように、冷却プレート２５２は、加熱プレート２５０を冷却し、加熱プレート２５０と上部電極２１４との間の伝熱を制御するように構成される。冷却プレート２５２はこの伝熱率の精密制御を行うことができる。冷却プレート２５２は小さい質量を有し、熱伝導性かつ導電性の材料で製作される。図２に示されるように、冷却プレート２５２は、内側電極部材２３０および外側電極部材２３２の直径に近い直径を有することができる。例えば、冷却プレート２５２は約３８．１ｃｍ（１５インチ）から４３．１８ｃｍ（１７インチ）の直径を有し、わずか約２．５４ｃｍ（１インチ）から約５．０８ｃｍ（２インチ）の小さい厚さを有することができる。
【００４９】
冷却プレート２５２は、液体チャネル２７４を含み、その中に所望の温度を有する温度制御された液体が、単一の液体供給源２７５からまたは２つ以上の液体供給源から供給される。温度制御された液体は、冷却プレート２５２を例えば約２０℃から約４０℃の温度に維持することができる。冷却プレート２５２の冷却能力は、プラズマ加熱の影響によって引き起こされる上部電極２１４の温度のオーバーシュートを最小にするのに十分であることが好ましい。
【００５０】
冷却プレート２５２は、上部プレート２１８の下部表面に形成された少なくとも１つの溝２８０によって上部プレート２１８から熱的に分離される。１つまたは複数の溝２８０は、冷却プレート２５２の上部表面と熱接触する突出部２８２（例えば環状突出部）によって分離される。熱は、主として環状突出部２８２を介して上部プレート２１８と冷却プレート２５２との間で伝導される。突出部での上部プレート２１８と冷却プレート２５２との間の接触表面積の、上部プレート２１８に向き合う冷却プレート２５２の上部表面の全表面積に対する比は、例えば約２０％から３０％である。
【００５１】
この実施形態では、１つまたは複数のサーマルチョークが、加熱プレート２５０と冷却プレート２５２との間の熱伝導率の制御を強化するために加熱プレート２５０と冷却プレート２５２との間に配置される。図２に示されるように、複数のサーマルチョーク２５４，２５５，２５７，２５９を加熱プレート２５０と冷却プレート２５２との間に配置することができる。サーマルチョーク２５４，２５５，２５７，２５９は、冷却プレート２５２の下部表面に形成されたそれぞれの溝に配置される同心配置の環状リングである。リングは一体型の連続的なリングとすることができ、または２つ以上のリングセグメントを含むことができる。締結具２９０Ａは、上部プレート２１８、冷却プレート２５２、サーマルチョーク２５４，２５５，２５７，２５９、加熱プレート２５０ならびにバッキングプレート２４２における位置合わせされた開口に受け入れられる。サーマルチョーク２５４，２５５，２５７，２５９は、加熱プレート２５０および冷却プレート２５２と同じ材料から、または好適な熱伝導率および構造特性を有する他の金属もしくは非金属材料から構成することができる。例えば、サーマルチョーク２５４，２５５，２５７，２５９は、加熱プレート２５０および／または冷却プレート２５２で使用されるアルミニウムよりも低い熱伝導率を有するステンレス鋼から構成することができる。
【００５２】
図３はサーマルチョーク２５７の例示的実施形態を示す。サーマルチョーク２５７と異なるサイズを有するサーマルチョーク２５４，２５５は、サーマルチョーク２５７と同じ構成および構造を有することができる。図３に示されるように、サーマルチョーク２５７は、熱伝導用の断面積を低減するための半径方向の貫通開口２６１を含み、それにより、サーマルチョーク２５７の熱抵抗が増加する。別の実施形態では、サーマルチョーク２５７は、粉末冶金によって製作された多孔質焼結リング、例えばステンレス鋼リングとすることができる。サーマルチョーク２５４，２５５も多孔質焼結リングとすることができる。多孔質焼結リングは、所望の熱抵抗をもたらすために所望の孔構造で製作することができる。サーマルチョーク２５７（およびサーマルチョーク２５４，２５５）は、ねじ型締結具２９０Ａを受け入れるための円周状に離間し軸方向に延びる開口２６３をさらに含む。
【００５３】
図４は最も外側のサーマルチョーク２５９の例示的実施形態を示す。図２に示されるように、サーマルチョーク２５９は、冷却プレート２５２の半径方向外側表面の部分を形成する。サーマルチョーク２５９は、好ましくは、非多孔質である（すなわち、サーマルチョークを形成する材料の理論密度に等しい密度を有する）。内部に延びる複数の突出部は、ねじ型締結具２９０Ａを受け入れるための円周状に離間し軸方向に延びる開口２６３を含む。
【００５４】
図２に示されるように、冷却プレート２５２がサーマルチョーク２５４，２５５，２５７，２５９上に支持され、軸方向間隙２７１が冷却プレート２５２の下部表面と加熱プレート２５０の上部表面との間に画定されるように、サーマルチョーク２５４，２５５，２５７，２５９の各々は、冷却プレート２５２に形成されたそれぞれの溝の高さよりも大きい高さ（すなわち軸方向に）を有する。間隙２７１は、加熱プレート２５０と冷却プレート２５２との間の直接的な物理的接触を除去し、サーマルチョーク２５４，２５５，２５７，２５９を通して加熱プレート２５０と冷却プレート２５２との間に熱伝導を生じさせる。
【００５５】
サーマルチョーク２５４，２５５，２５７，２５９は、約１．２７ｃｍ（０．５インチ）等、約０．６３５ｃｍ（０．２５インチ）から約１．９０５ｃｍ（０．７５インチ）の例示的高さ、および約１．９０５ｃｍ（０．７５インチ）等、約１．２７ｃｍ（０．５インチ）から約２．５４ｃｍ（１インチ）の例示的幅を有することができる。例えば、サーマルチョーク２５４は約５．０８ｃｍ（２インチ）から約１０．１６ｃｍ（４インチ）の外径を有することができ、サーマルチョーク２５５は約１５．２４ｃｍ（６インチ）から約２０．３２ｃｍ（８インチ）の外径を有することができ、サーマルチョーク２５７は約２５．４ｃｍ（１０インチ）から約３０．４８ｃｍ（１２インチ）の外径を有することができ、サーマルチョーク２５９は約３８．１ｃｍ（１５インチ）から約４３．１８ｃｍ（１７インチ）の外径を有することができる。図示のように、Ｏ−リングなどのシール２８６が、真空シールを形成するために、冷却プレート２５２と上部プレート２１８との間、冷却プレート２５２とサーマルチョーク２５９との間、およびサーマルチョーク２５９と加熱プレート２５０との間に配置される。
【００５６】
この実施形態では、冷却プレート２５２は、ねじ型締結具２９０Ａにより加熱プレート２５０に固定される。締結具２９０Ａの各々は、好ましくは、加熱プレート２５０の温度サイクルならびに熱膨張および移動に起因する締結具２９０Ａの緩みが生じにくいようにロックワッシャおよびスリップワッシャによるワッシャセット２７３を含む。
【００５７】
したがって、この実施形態では、冷却プレート２５２の小さい質量は、サーマルチョーク２５４，２５５，２５７，２５９によって与えられた熱抵抗と冷却プレート２５２および上部プレート２１８の熱分離と組み合わせて、上部プレート２１８と直接接触している加熱プレート２５０と比べて、加熱プレート２５０と冷却プレート２５２との間の伝熱速度の制御の改善を可能にする。温度制御モジュール２２０は、上部電極２１４の温度がより精密に制御されるようにする。さらに、一体化温度制御モジュール２２０は、上部電極２１４の温度を制御するのに所望の速い応答時間を与える。
【００５８】
図５は、シャワーヘッド電極アセンブリ３１０の別の例示的実施形態を含む半導体材料プラズマ処理装置のプラズマ処理チャンバ３００を示す。図５に示されるように、シャワーヘッド電極アセンブリ３１０は、上部電極３１４と、上部電極３１４に固定されるバッキング部材３１６と、上部プレート３１８と、バッキング部材３１６と上部プレート３１８との間に配置される温度制御モジュール３２０とを含む。閉じ込めリングアセンブリ３２２は、プラズマ処理チャンバ３００内で上部電極３１４を取り囲む。下部電極および任意選択の静電クランプ電極を含む基板支持体３１２（部分図で示される）は上部電極３１４の真下に配置される。
【００５９】
図示のシャワーヘッド電極アセンブリ３１０は、バッキングプレート３４２およびバッキングリング３４４を含む。バッキングプレート３４２は、プレナム３５６，３５８，３６０，３６２を含む。シャワーヘッド電極アセンブリ３１０は、バッキングプレート３４２の構造が異なることを除いて、シャワーヘッド電極アセンブリ２１０と同じ構造を有する。図５に示されるように、プレナム３５６，３５８，３６０，３６２は軸方向に上部電極３１４に向かって増大する幅を有する。プレナムの幅のこの拡大により、プレナムからのガス漏洩を防止するためにバッキングプレート３４２と加熱プレート３５０との間にＯ−リングなどのシール３９２を配置するのに十分な面積が与えられ、また、バッキングプレート３４２の上部表面と加熱プレート３５０の下部表面との間に十分な熱接触面積が与えられる。
【００６０】
日常的な保守のために上部電極３１４からバッキングプレート３４２を取り外す間、図５のバッキングプレート３４２の形状は、上にあるカバープレート（例えば、図１および２からのカバープレート１７０／２７０）を取り除くことなく、プレナム３５６，３５８，３６０，３６２の内部表面を清浄化できるようにするのに役立つ。
【００６１】
図６は、外側電極部材６３２および内側電極部材６３０に対して独立に温度制御するために外側加熱プレート６５０Ａおよび内側加熱プレート６５０Ｂを含む加熱プレート６５０の実施形態を示す。外側加熱プレート６５０Ａは、加熱要素６７２Ａを含み、内側加熱プレート６５０Ｂは、加熱要素６７２Ｂを含み、加熱要素６７２Ａおよび６７２Ｂは同じまたは別個の電源に個別に接続される。外側加熱プレート６５０Ａは好適な締結具を使用してバッキングリング６４４に固定することができ、外側電極部材６３２はバッキングリング６４４に結合することができる。内側加熱プレート６５０Ｂは好適な締結具によってバッキングプレート６４２に固定することができ、内側電極部材６３０はバッキングプレート６４２に結合することができる。図６の実施形態では、内側電極部材６３０と無関係に外側電極バッキング部材６３２の温度制御を行う。図６の加熱プレート６５０は図１、２または５の実施形態のいずれでも使用することができることに留意すべきである。
【００６２】
図７は、内側電極部材と、外側電極部材と、内側電極部材および外側電極部材に取り付けられるバッキングプレートおよびバッキングリングと、バッキングプレートおよびバッキングリングならびに上部プレートに取り付けられる温度制御モジュールとを含む上部電極を含むシャワーヘッド電極アセンブリの例示的実施形態の場合の温度対応答時間を示す。温度制御モジュールは、冷却プレートと加熱プレートとの間にサーマルチョークリングを含んでいた。サーマルチョークリングは、中央ステンレス鋼リングと、最も外側のステンレス鋼リングと、中央リングと最も外側のリングとの間のアルミニウムリングとを含んでいた。ヒータ電力は７ｋＷであり、ある温度の冷却材は冷却プレートを通って流れ、ヒータは約１７分間オンで、約１７分間オフであった。上部電極の温度設定値は２００℃であった。数サイクルにわたって、温度制御モジュールに応答した加熱（ヒータ電力がオンにされた状態）中の昇温速度および冷却（ヒータ電力がオフにされた状態）中の降温速度が、上部電極の端から端までの異なる場所に配置された複数の熱電対ＡからＦによって測定された。
【００６３】
冷却プレートと加熱プレートとの間に配置された１つまたは複数のサーマルチョークリングを含む温度制御モジュールの実施形態の応答時間は、温度制御モジュール内のこれらのプレート間の熱伝導を制御するようにサーマルチョークリングの設計（形状および構成）を最適化することによって所望の動作範囲に最適化することができる。サーマルチョークプレートを含む温度制御モジュールの他の実施形態では、サーマルチョークプレートの形状および構成は、冷却プレートと加熱プレートとの間の熱伝導を制御するように最適化することができる。
【００６４】
本発明がそれの特定の実施形態を参照しながら詳細に説明されたが、添付の特許請求の範囲から逸脱することなく、様々な改変および変更を行うことができ、均等物を使用することができることが当業者には明らかであろう。
【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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【国際調査報告】
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