(57)【要約】  静電チャックアセンブリ、処理チャンバ、および基板の温度を維持する方法を含む本開示の実施形態が提供される。１つの実施形態では、静電チャックと、冷却プレートと、ガスボックスとを含む静電チャックアセンブリが提供される。冷却プレートは、その中に形成されたガスチャネルを含む。ガスボックスは、ガスチャネルを通る冷却ガスの流量を制御するように動作可能である。
2018501653.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
静電チャックと、
前記静電チャックと接触して配設された冷却プレートであり、その中に形成されたガスチャネルを有する、冷却プレートと、
前記冷却プレートの前記ガスチャネルの第１の端部および第２の端部に結合されたガスボックスであり、前記ガスチャネルを通る冷却ガスの流量を制御するように動作可能である、ガスボックスと
を含む静電チャックアセンブリ。
【請求項２】
前記ガスボックスが、
前記ガスチャネルを通る前記冷却ガスの流量を制御するように動作可能な流量制御バルブ
をさらに含む、請求項１に記載の静電チャックアセンブリ。
【請求項３】
前記ガスボックスが、
前記冷却プレートの前記ガスチャネルへの前記ガスボックスによる前記冷却ガスの送出の温度を制御するように構成された熱交換器
をさらに含む、請求項１に記載の静電チャックアセンブリ。
【請求項４】
前記ガスボックスが、前記静電チャックに供給される前記冷却ガスの温度を摂氏約３９０度と摂氏約４０５度との間に維持するように動作可能である、請求項１に記載の静電チャックアセンブリ。
【請求項５】
前記ガスボックスが、前記静電チャックに供給される前記冷却ガスの温度を摂氏＋／−７．５度以内に維持するように動作可能である、請求項１に記載の静電チャックアセンブリ。
【請求項６】
前記冷却プレートが銅から製造される、請求項１に記載の静電チャックアセンブリ。
【請求項７】
前記冷却プレートに形成された前記ガスチャネルが溝を含む、請求項１に記載の静電チャックアセンブリ。
【請求項８】
前記冷却プレートに形成された前記ガスチャネルが、２００ｍｍＥＳＣの場合少なくとも約２０．０インチ長である、請求項１に記載の静電チャックアセンブリ。
【請求項９】
壁、リッド、および内部の処理容積部を画定する底部を有するチャンバ本体と、
前記チャンバ本体の前記処理容積部に配設されたガス冷却型静電チャックアセンブリであり、前記ガス冷却型静電チャックアセンブリが冷却プレートを有し、前記冷却プレートが、第１の端部および第２の端部をもつガスチャネルを有する、ガス冷却型静電チャックアセンブリと、
前記冷却プレートの前記ガスチャネルの前記第１の端部への冷却ガスの流量を制御し、前記冷却プレートの前記ガスチャネルの前記第２の端部からの前記冷却ガスを受け取るように構成されたガスボックスと
を含む処理チャンバ。
【請求項１０】
前記ガスボックスが、
前記冷却プレートの前記ガスチャネルへの前記ガスボックスによる前記冷却ガスの送出の温度を制御するように構成された熱交換器
をさらに含む、請求項９に記載の処理チャンバ。
【請求項１１】
前記ガスボックスが、前記静電チャックに供給される前記冷却ガスの温度を維持して前記静電チャック温度を摂氏約４００度と摂氏約４１０度との間に制限するように動作可能である、請求項９に記載の処理チャンバ。
【請求項１２】
前記ガスボックスが、前記静電チャックに供給される前記冷却ガスの温度を摂氏＋／−７．５度以内に維持するように動作可能である、請求項９に記載の処理チャンバ。
【請求項１３】
前記冷却プレートに形成された前記ガスチャネルが溝を含む、請求項９に記載の処理チャンバ。
【請求項１４】
前記冷却プレートに形成された前記ガスチャネルが、２００ｍｍＥＳＣの場合少なくとも約２０．０インチ長である、請求項９に記載の処理チャンバ。
【請求項１５】
ガス冷却型静電チャックアセンブリを冷却する方法であって、
冷却ガスをガスボックスに供給するステップと、
前記ガスボックスからの前記冷却ガスを静電チャックに結合された冷却プレートを通して流すステップと、
前記冷却プレートからの前記冷却ガスを前記ガスボックスにすばやく移動させるステップと、
前記冷却ガスを冷却するために前記ガス冷却ボックスの熱交換器を通して前記冷却ガスをすばやく移動させるステップと
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示の実施形態は、一般に、半導体デバイスの生産に関する。より詳細には、実施形態は、半導体デバイスの生産の間静電チャックを冷却することに関する。
【背景技術】
【０００２】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）は、世界中で様々な電子デバイスに使用されている半導体処理システムによって生産される非常に小さいデバイスである。窒化アルミニウム（ＡｌＮ）は、ＭＥＭＳデバイスで通常使用される材料であり、物理気相堆積（ＰＶＤ）プロセスは、基板に高品質ＭＥＭＳデバイスを多量に生成するために利用される好ましい生産技法の１つである。
ＡｌＮ  ＰＶＤプロセスの間、基板は、摂氏約４００度の温度に維持されるセラミック静電チャック（ＥＳＣ）上に支持される。ＭＥＭＳデバイスを確実に生成するために、プロセスは、プロセス温度の変動が最小であることを必要とする。既存のＥＳＣアセンブリは、ＡｌＮ  ＰＶＤプロセスの温度変動を最小にするために脱イオン水（ＤＩＷ）冷却システムを使用するように設計されている。しかしながら、従来のＤＩＷ冷却システムは、高電力および高温で多数の基板を処理する製造ランの間、ＰＶＤチャンバのＥＳＣの安定した温度を維持することができなかった。ＭＥＭＳの生産の間にわずか数個の基板がＡｌＮ  ＰＶＤプロセスにかけられた後、ＥＳＣの温度の上昇傾向が始まる。製造ランにおいてその後続いて処理される基板は、前の基板よりも高温にさらされる。温度は急速に上昇し、温度のこの急速な変動は、基板に堆積された膜の応力に影響を与える。追加として、摂氏４００度以上の温度において、ＥＳＣを冷却するために脱イオン水を使用すると、熱衝撃が作り出され、セラミックＥＳＣが損傷されることがある。したがって、従来のＥＳＣは、摂氏４００度以上の温度でＭＥＭＳデバイスを確実に処理するのに適していない。
それゆえに、改善されたＥＳＣへの必要性がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
静電チャックアセンブリ、処理チャンバ、および基板の温度を維持する方法を含む本開示の実施形態が提供される。１つの実施形態では、静電チャックと、冷却プレートと、ガスボックスとを含む静電チャックアセンブリが提供される。冷却プレートは、その中に形成されたガスチャネルを含む。ガスボックスは、ガスチャネルを通る冷却ガスの流量を制御するように動作可能である。
別の実施形態では、チャンバ本体と、ガス冷却型静電チャックアセンブリと、ガスボックスとを含む処理チャンバが提供される。チャンバ本体は、壁、リッド、および内部の処理容積部を画定する底部を有する。ガス冷却型静電チャックアセンブリは、チャンバ本体の処理容積部に配設され、ガス冷却型静電チャックアセンブリは冷却プレートを有する。冷却プレートは、第１の端部および第２の端部をもつガスチャネルを有する。ガスボックスは、冷却プレートのガスチャネルの第１の端部への冷却ガスの流量を制御し、冷却プレートのガスチャネルの第２の端部からの冷却ガスを受け取るように構成される。
【０００４】
別の実施形態では、ガス冷却型静電チャックアセンブリを冷却する方法が提供され、その方法は、冷却ガスをガスボックスに供給するステップと、ガスボックスからの冷却ガスを静電チャックに結合された冷却プレートを通して流すステップと、冷却プレートからの冷却ガスをガスボックスにすばやく移動させるステップと、冷却ガスを冷却するためにガス冷却ボックスの熱交換器を通して冷却ガスをすばやく移動させるステップとを含む。
本発明の上述で列挙した特徴を詳細に理解できるように、本発明のより詳細な説明を、実施形態を参照することによって得ることができ、実施形態のいくつかが添付図面で示される。しかしながら、添付図面は、本発明の典型的な実施形態のみを示しており、それゆえに、本発明が他の効果的な実施形態を認め得るためその範囲を限定すると考えるべきではないことに留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】ガス冷却型静電チャックを有する処理チャンバの概略断面図である。
【図２】静電チャックのためのガス冷却装置の概略図である。
【図３】ガス冷却型静電チャックの冷却プレートの底面図である。
【図４】多数の製造サイクルに対応する期間にわたるガス冷却型静電チャックの温度変動を示すグラフである。
【図５】ガス冷却型静電チャックを冷却する方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
理解しやすくするために、同一の参照番号が、可能である場合、図に共通する同一の要素を指定するために使用されている。１つの実施形態の要素および特徴は、さらなる列挙なしに、他の実施形態に有利に組み込むことができることが意図されている。
しかしながら、添付図面は、本発明の例示的な実施形態のみを示しており、それゆえに、本発明が他の等しく効果的な実施形態を認め得るためその範囲を限定すると考えるべきではないことに留意されたい。
ＰＶＤチャンバ中で堆積されるＡｌＮを使用して高品質ＭＥＭＳデバイスを生産するためのスループットは、ＡｌＮ層が堆積される基板を支持するためにＰＶＤチャンバで利用される静電チャック（ＥＳＣ）の温度変動を低減することによって向上させることができる。ＥＳＣの温度変動は、ＥＳＣをガスで冷却することによって減少させることができる。ＥＳＣアセンブリおよび／またはＥＳＣが支持される冷却プレートは、制御されたガス流（とりわけ、Ｎ2または清浄乾燥空気（ＣＤＡ））およびシステムインターロックをもつガス冷却装置を利用して、ガス流を確実にし、ＥＳＣ／基板の温度変動を摂氏約±７．５度以内に制限する。追加として、摂氏４００度を超える温度およびさらに摂氏１０００度近くに上がった温度などの高温を有する他の堆積用途は、温度変動を摂氏±７．５度以内に制限するためのガス冷却をもつＥＳＣから利益を受けることが示されている。
【０００７】
図１は、例示的なプロセスチャンバ１００（例えば、物理気相堆積（ＰＶＤ）もしくはスパッタプロセスチャンバ、または化学堆積チャンバ（ＣＶＤ））を示している。プロセスチャンバ１００は、最小温度変動を必要とする高温動作に好適であり得る。プロセスチャンバ１００は、例えばＭＥＭＳの製造中に基板１９０に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）材料をスパッタ堆積するのに好適なＰＶＤチャンバとすることができる。しかしながら、プロセスチャンバ１００は、その中で処理される材料の温度変動を制限することが望ましい用途にとって好適なＣＶＤチャンバまたは他のチャンバとしてもよいことを理解されたい。
【０００８】
プロセスチャンバ１００は、その中に画定された処理容積部１１８を有するチャンバ本体１０８を含む。チャンバ本体１０８は、側壁１１０と底部１１２とを有する。プロセスチャンバ１００のチャンバ本体１０８および関連する構成要素の寸法は制限されず、一般に、その中で処理される基板１９０のサイズよりも比例して大きい。しかしながら、任意の好適な基板サイズを処理できるように、プロセスチャンバ１００はそれに応じてサイズ変更することができる。好適な基板サイズの例には、２００ｍｍ直径、１００ｍｍ直径、または４５０ｍｍ直径をもつ基板が含まれる。
チャンバリッドアセンブリ１０４が、チャンバ本体１０８の上部に装着される。チャンバ本体１０８は、ステンレス鋼、アルミニウム、または他の好適な材料から製造することができる。基板アクセスポート１３８は、チャンバ本体１０８の側壁１１０を貫いて形成され、プロセスチャンバ１００へのおよびプロセスチャンバ１００からの基板１９０の移送を容易にする。アクセスポート１３８は、基板処理システムの移送チャンバおよび／または他のチャンバに結合され得る。
基板支持体１５０は、チャンバ本体１０８の内部に配設される。基板支持体１５０は、基板支持体１５０の上部とチャンバリッドアセンブリ１０４との間の間隔を制御するために移動可能である。基板支持体１５０は、ガス冷却型静電チャック（ＥＳＣ）１５２と冷却プレート１７０とを含み、それらの両方について以下でさらに説明する。
【０００９】
ガス源１３２は、プロセスガスを処理容積部１１８に供給するためにチャンバ本体１０８に結合される。１つの実施形態では、プロセスガスは、不活性ガス、非反応性ガス、および必要に応じて反応性ガスを含むことができる。ガス源１３２で供給できるプロセスガスの例には、限定はしないが、とりわけ、アルゴンガス（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオンガス（Ｎｅ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）、窒素ガス（Ｎ2）、酸素ガス（Ｏ2）、水素ガス（Ｈ2）、アンモニア（ＮＨ3）、メタン（ＣＨ4）、一酸化炭素（ＣＯ）、および／または二酸化炭素（ＣＯ2）が含まれる。１つの実施形態では、ガス源１３２は、Ｎ2およびＡｒをチャンバ容積部に供給する。
【００１０】
プロセスガスがプロセスチャンバ１００に導入された後、ガスは、エネルギーを与えられてプラズマを形成する。１つまたは複数のインダクタコイルなどのアンテナ１４２をプロセスチャンバ１００に隣接して設けることができる。アンテナ電力供給装置１４０は、アンテナ１４２に電力を供給して、ＲＦエネルギーなどのエネルギーをプロセスガスに誘導結合し、それによって、基板支持体１５０とリッドアセンブリ１０４との間のプロセスチャンバ１００に画定されたプロセスゾーンにプラズマを形成することができる。代替としてまたは加えて、基板１９０の下方のカソードと基板１９０の上方のアノードとを含むプロセス電極を使用して、ＲＦ電力を結合し、それによって、プラズマを発生させることができる。プロセスチャンバ１００の他の構成要素の動作をさらに制御するコントローラ１８０は、アンテナ電力供給装置１４０の動作を制御することができる。
【００１１】
ポンピングポート１９２は、チャンバ本体１０８の底部１１２を貫いて形成される。ポンピングデバイス１９４は、処理容積部１１８に結合されて、その中の圧力を排出して制御する。ポンピングシステムおよびチャンバ冷却設計は、熱収支ニーズに適した温度、例えば、−２５℃〜＋１０００℃で高いベース真空（１Ｅ−８Ｔｏｒｒ以下）および低い上昇率（１，０００ｍＴｏｒｒ／分）を可能にする。ポンピングシステムは、プロセス圧力の精密な制御を行うように設計される。
リッドアセンブリ１０４は、一般に、ターゲット１２０と、それに結合された接地シールドアセンブリ１３０とを含む。ターゲット１２０は、ＰＶＤプロセス中にスパッタされ基板１９０の表面に堆積され得る材料源を備える。ターゲット１２０は、ＤＣスパッタリングの間プラズマ回路のカソードとして機能する。
【００１２】
ターゲット１２０（またはターゲットプレート）は、堆積層に利用される材料、またはプロセスチャンバ１００中で形成されるべき堆積層の元素から製造することができる。電源１４４などの高電圧電力供給装置は、ターゲット１２０に接続されて、ターゲット１２０から材料をスパッタリングしやすくする。ターゲット１２０は、ケイ素（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）金属、タンタル金属（Ｔａ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タングステン（Ｗ）金属、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、それらの合金、それらの組合せなどを含む材料から製造することができる。追加として、処理の間のターゲットからの電子放出は、ターゲットのｎ型ドーピングまたはｐ型ドーピングによって制御することができる。ターゲットは、ホウ素（Ｂ）などの導電性元素でドープされてもよい。１つの実施形態では、ターゲットは、ＡｌＮ層を形成するために基板１９０上で窒素イオンと結合するＡｌイオンを発生させるためのＡｌ合金を含むことができる。
ターゲット１２０は、一般に、周辺部分１２８と中央部分１２４とを含む。周辺部分１２８はチャンバの側壁１１０の上に配設される。ターゲット１２０の中央部分１２４は、基板支持体１５０に配設された基板１９０の表面の方にわずかに延びる湾曲表面を有することができる。ターゲット１２０と基板支持体１５０との間の間隔は、約５０ｍｍと約１５０ｍｍとの間に維持される。ターゲット１２０の寸法、形状、材料、構成、および直径は、特定のプロセスまたは基板要件に対して変更できることに留意されたい。ターゲット１２０は、一緒にしてターゲットを形成する隣接するタイルまたはセグメント化された材料をさらに含むことができる。
【００１３】
リッドアセンブリ１０４は、処理の間ターゲット１２０から材料を効率的にスパッタリングするのを強化するターゲット１２０の上方に装着されたマグネトロンカソード１０２をさらに含むことができる。マグネトロンカソード３２１は、一貫したターゲットエロージョンと基板１９０の端から端までのＡｌＮなどの膜の均一な堆積とを確実にしながら、容易で高速なプロセス制御および目的に合わせた膜特性を可能にする。マグネトロンアセンブリの例には、とりわけ、リニアマグネトロン、蛇行マグネトロン、螺旋マグネトロン、二重指状マグネトロン、矩形化螺旋マグネトロンが含まれる。
【００１４】
リッドアセンブリ１０４の接地シールドアセンブリ１３０は、接地フレーム１０６と接地シールド１２２とを含む。接地シールドアセンブリ１３０は、他のチャンバシールド部材、ターゲットシールド部材、ダークスペースシールド、およびダークスペースシールドフレームをさらに含むことができる。接地シールド１２２は、処理容積部１１８のターゲット１２０の中央部分の下方に上部処理領域１２６を画定する接地フレーム１０６によって周辺部分１２８に結合される。接地フレーム１０６は、接地シールド１２２をターゲット１２０から電気的に絶縁し、一方、プロセスチャンバ１００のチャンバ本体１０８に接地経路を側壁１１０経由で与える。接地シールド１２２は、処理の間発生されるプラズマを上部処理領域１２６内に抑制し、ターゲット１２０の限られた中央部分１２４からターゲット原材料を追い出し、それによって、追い出されたターゲット源は、主として、チャンバ側壁１１０ではなく基板表面に堆積され得る。１つの実施形態では、接地シールド１２２は、溶接、接着、高圧圧縮などの当技術分野で知られているプロセスによってボンディングする１つまたは複数のワークピース断片および／またはいくつかのこれらのピースによって形成することができる。
【００１５】
コントローラ１８０はプロセスチャンバ１００に結合される。コントローラ１８０は、中央制御装置（ＣＰＵ）１８４と、メモリ１８２と、サポート回路１８６とを含む。コントローラ１８０は、プロセスシーケンスを制御し、それにより、ガス源１３２からプロセスチャンバ１００へのガス流を調整し、ターゲット１２０のイオン衝撃を制御するために利用される。ＣＰＵ１８４は、産業環境で使用できる汎用コンピュータプロセッサの任意の形態のものとすることができる。ソフトウェアルーチンは、ランダムアクセスメモリ、読取り専用メモリ、フロッピーもしくはハードディスクドライブ、または他の形態のデジタルストレージなどのメモリ１８２に記憶することができる。サポート回路１８６は、ＣＰＵ１８４に従来通り結合され、キャッシュ、クロック回路、入力／出力サブシステム、電力供給装置などを含むことができる。ソフトウェアルーチンは、ＣＰＵ１８４によって実行されると、ＣＰＵを、プロセスが本発明に従って実行されるようにプロセスチャンバ１００を制御する特定の目的のコンピュータ（コントローラ）１８０に変換する。ソフトウェアルーチンは、さらに、プロセスチャンバ１００から遠隔に配置された第２のコントローラ（図示せず）によって記憶および／または実行されてもよい。
【００１６】
処理中に、材料は、ターゲット１２０からスパッタされ、基板１９０の表面に堆積される。ターゲット１２０および基板支持体１５０は、ガス源１３２によって供給されたプロセスガスから形成されたプラズマを維持するために互いに対しておよび／または接地に対して電源１４４によってバイアスがかけられる。プラズマからのイオンは、ターゲット１２０に向かって加速され、ターゲット１２０に衝突し、それにより、ターゲット材料をターゲット１２０から追い出す。追い出されたターゲット材料と反応性プロセスガスとは、一緒に、所望の組成で基板１９０に層を形成する。ＲＦ、ＤＣ、もしくは高速スイッチングパルスＤＣ電力供給装置、またはそれらの組合せは、ＡｌＮ材料のスパッタリング組成および堆積速度の精密な制御のために、調整可能なターゲットバイアスを供給する。
【００１７】
チャンバ本体１０８の底部１１２を通って延びるシャフト１６４はリフト機構１６０に結合する。リフト機構１６０は、下側の移送位置と上側の処理位置との間で基板支持体１５０を移動させるように構成される。ベローズ１６２はシャフト１６４を囲み、基板支持体１５０に結合されて、それらの間に可撓性密閉を設け、それによって、プロセスチャンバ１００の処理容積部１１８の真空保全性を維持する。
上述で論じたように、基板支持体１５０は、チャック電極１５８を有する静電チャック（ＥＳＣ）を含む。ＥＳＣ１５２は、処理の間絶縁性基板１９０と導電性基板１９０の両方を保持するために反対の電荷の引力を使用し、ＤＣ電力供給装置１６６によって電力供給される。ＥＳＣ１５２は、誘電体本体１５３内に埋め込まれたチャック電極１５８を含む。ＤＣ電力供給装置１６６は、約２００ボルト〜約２０００ボルトのＤＣチャッキング電圧をチャック電極１５８に供給することができる。ＤＣ電力供給装置１６６は、基板１９０をチャックおよびデチャックするために電極にＤＣ電流を導くことによってチャック電極１５８の動作を制御するためのシステムコントローラ１８０をさらに含むことができる。
【００１８】
いくつかの実施形態では、層堆積プロセスの異なるフェーズの間基板１９０にバイアスを別々に印加することがさらに望ましい。それゆえに、基板支持体１５０のバイアス電極１５６（またはチャック電極１５８）に供給源１５４（例えば、ＤＣおよび／またはＲＦ供給源）からバイアスを供給することができ、その結果、基板１９０は、堆積プロセスの１つまたは複数のフェーズの間プラズマに形成されたイオンで衝撃を与えられることになる。
【００１９】
シャドウフレーム１３６が、基板支持体１５０の周辺領域に配設され、ターゲット１２０からスパッタされた原材料の堆積を基板表面の所望の部分に限定するように構成される。チャンバシールド１３４は、チャンバ本体１０８の内壁に配設され、基板支持体１５０のまわりに配設されたシャドウフレーム１３６を支持するように構成された、処理容積部１１８の内部に延びるリップを有することができる。基板支持体１５０が処理のために上部位置に持ち上げられると、基板支持体１５０に配設された基板１９０の外側エッジはシャドウフレーム１３６によって係合され、シャドウフレーム１３６は持ち上げられ、チャンバシールド１３４から離間される。基板支持体１５０を基板移送アクセスポート１３８に隣接する移送位置まで下げると、シャドウフレーム１３６はチャンバシールド１３４上に戻される。リフトピン（図示せず）を基板支持体１５０を通して選択的に移動して、基板１９０を基板支持体１５０の上方に持ち上げ、それにより、移送ロボットまたは他の好適な移送機構による基板１９０へのアクセスを容易にする。
【００２０】
上述で論じたように、基板支持体１５０は冷却プレート１７０を含むことができる。冷却プレート１７０は、ＥＳＣ１５２の下面に接触して配設される。冷却プレート１７０は、ＥＳＣ１５２、したがって、ＥＳＣ１５２上に配設された基板１９０の温度を制御するために利用される。冷却プレート１７０は、ＥＳＣ１５２に結合されてもよく、またはＥＳＣ１５２の一部としてもよい。冷却プレート１７０は、冷却ライン１７４によってガス冷却ボックス１７８に接続される。ガス冷却ボックス１７８は、ガスなどの一次伝熱流体を供給することができ、一次伝熱流体は、冷却プレート１７０を通って循環し、その後、ガス冷却ボックス１７８に戻る。冷却プレート１７０は、その中に配設された１つまたは複数の導管１７２を有することができる。隣接する導管１７２を通って流れる一次伝熱流体は、ＥＳＣ１５２と冷却プレート１７０の異なる領域との間の伝熱の局所制御を可能にするために分離することができ、それは、基板１９０の横方向温度プロファイルを制御するのを支援する。導管１７２は、冷却ライン１７４へのマニホルドに接続することができ、または各々冷却プレート１７０にまたは冷却プレート１７０から一次伝熱流体を供給するために個々の冷却ライン１７４を有することができる。
【００２１】
冷却プレート１７０は、ＥＳＣ１５２上の基板１９０の温度を、膜が揮発性になりプロセスチャンバ１００を汚染することがある温度未満に保つことができる。冷却プレート１７０は、ＡｌＮ  ＰＶＤによってＭＥＭＳデバイスを形成するために安定温度範囲内にＥＳＣ１５２を保つ。したがって、冷却プレート１７０は、チャンバ汚染および／またはＥＳＣへの損傷に由来するプロセスチャンバ１００に関する生産の欠陥および故障時間を減少させる。
【００２２】
図２は、ＥＳＣ１５２のためのガス冷却装置２００の高水準概略図である。ガス冷却装置２００は、ガス冷却型ＥＳＣアセンブリ２５２とガス冷却ボックス１７８とを含む。ＥＳＣアセンブリ２５２は基板支持体１５０の一部であり、ＥＳＣアセンブリ２５２は冷却ライン１７４によってガス冷却ボックス１７８に接続される。ＥＳＣアセンブリ２５２は、ＥＳＣ１５２と冷却プレート１７６とを含む。冷却ライン１７４は、１つまたは複数の冷却ガス戻りラインと１つまたは複数の冷却ガス供給ラインとを含むことができる。１つの実施形態では、冷却ライン１７４は、２つのガス戻りラインと、互いに流体的に分離されている２つの対応するガス供給ラインとを有する。冷却ガス供給ラインは、本明細書では冷却ガスとも呼ぶ一次伝熱流体をガス冷却型ＥＳＣアセンブリ２５２に供給する。冷却ガスの温度は、冷却ガスがガス冷却型ＥＳＣアセンブリ２５２を通って進み、ガス冷却型ＥＳＣアセンブリ２５２から熱を取り除くにつれて上昇する。冷却ガスは、今や加熱されており、ガス冷却型ＥＳＣアセンブリ２５２から冷却ライン１７４を介してガス冷却ボックス１７８にガス戻り入口２２２を経由して戻される。
【００２３】
ガス冷却ボックス１７８は、その中で流体を接続し移動させるためのいくつかの接続部を有することができる。ガス冷却ボックス１７８はソース冷却ガス入口２１４とソース冷却ガス出口２１２とを有することができる。冷却ガス源２６０は、Ｎ2、Ｈｅ、または他の好適なガスなどの冷却ガスをソース冷却ガス入口２１４に供給することができる。冷却ガスは、摂氏約３０度の温度で供給することができる。冷却ガスは、ソース冷却ガス入口２１４でガス冷却ボックス１７８に入り、ソース冷却ガス出口２１２から出ていく。ソース冷却ガス出口２１２は、冷却ライン１７４に流体的に取り付けられ、ソース冷却ガス出口２１２を出る冷却ガスは冷却プレート１７６に入る。冷却ガスは、ガス冷却型ＥＳＣアセンブリ２５２から冷却ガスに熱を移送することによってガス冷却型ＥＳＣアセンブリ２５２の温度を調整するのに好適な温度とすることができる。
【００２４】
ガス冷却ボックス１７８は、流量制御バルブ２１０を有することができる。ソース冷却ガス入口２１４に入る冷却ガス（Ｎ２）の流量は、流量制御バルブ２１０によって制御される。流量制御バルブ２１０は、冷却ガスの流量を設定するためのデジタル入力／出力（Ｉ／Ｏ）ポートを有するセンサをもつ可変ガス流量制御バルブとすることができる。Ｉ／Ｏポートは、コントローラ１８０に取り付けられてもよい。流量制御バルブ２１０は、流量情報、ならびに冷却ガスの流量に関する設定値がない場合などのシステムエラーをコントローラ１８０に送信することができる。コントローラ１８０は、ソース冷却ガス出口２１２からガス冷却型Ｅｓｃ２５２への冷却ガスの流量を調整するために流量制御バルブ２１０を操作することができる。
ガス冷却ボックス１７８は、ガス戻り入口２２２と戻りガス出口２２４とをさらに有することができる。冷却ガスは、ガス冷却型ＥＳＣアセンブリ２５２から離れたところに熱を運ぶ。冷却ガスは、冷却ラインを介してガス冷却型ＥＳＣアセンブリ２５２を出て、ガス冷却ボックス１７８のガス戻り入口２２２に入る。冷却ガスは、ガス冷却ボックス１７８の戻りガス出口２２４を出ていき、冷却ガス源２６０によってリサイクルされるかまたは再使用されてもよい。
【００２５】
ガス冷却ボックス１７８は、追加として、冷却流体入口２３２と冷却流体出口２３４とを有することができる。冷却流体源２５０は、脱イオン水（ＤＩＷ）または他の好適な冷却流体などの二次冷却流体をガス冷却ボックス１７８の冷却流体入口２３２に供給することができる。二次冷却流体は、冷却流体出口２３４を介してガス冷却ボックス１７８を出る。冷却流体出口を出た二次冷却流体は、熱を取り除く熱処置などによる処置が行われて、冷却流体源２５０によってリサイクルされ、さらに再使用され得る。
【００２６】
ガス冷却ボックス１７８は、熱交換器２２０とオプションのサーモスタット２２６とを有することができる。熱交換器２２０は、非接触熱交換器、またはシェルアンドチューブ熱交換器のような他の好適な非接触熱交換器とすることができる。追加として、ガス冷却ボックス１７８は流量スイッチ２３０を有することができる。ガス冷却型ＥＳＣアセンブリ２５２から戻る冷却ガスは、摂氏約２００度の温度に暖められることがある。加熱された冷却ガスは、ガス戻り入口２２２でガス冷却ボックス１７８に入り、熱交換器２２０を通過する。流量スイッチ２３０は、冷却流体源２５０からの二次冷却流体の流量を調整することができる。流量スイッチ２３０は、二次冷却流体の流量を感知しコントローラ１８０と通信するために、インターロックとＩＯポートとをさらに有することができる。流量スイッチは、冷却流体入口２３２から入ってきて熱交換器２２０に入る二次冷却流体を調整する。熱交換器２２０は、二次冷却流体を感知するためのインターロックをもつ流量スイッチ、ならびにコントローラ１８０と通信するためのＩ／Ｏポートをさらに有することができる。追加として、熱交換器は、熱交換器２２０に二次冷却流体の流れがない場合などの過熱状態を感知するために熱交換器２２０にバイメタル熱スイッチなどの熱スイッチを有することができる。熱交換器は、熱交換器２２０とガス冷却ボックス１７８との間の伝熱を最小にするために、ならびにガス冷却型ＥＳＣアセンブリ２５２からのＲＦ電力を絶縁するために、フルオロポリマーパッドでガス冷却ボックス１７８から分離することができる。熱交換器２２０は、加熱された冷却ガスを摂氏約３０度まで冷却することができる。今や冷却された冷却ガスは、戻りガス出口２２４を介してガス冷却ボックス１７８から排気され得る。１つの実施形態では、コントローラ１８０は、サーモスタット２２６をモニタし、流量スイッチ２３０および流量制御バルブ２１０を調整して、所望のステップ点温度の摂氏＋／−７．５度以内にガス冷却型ＥＳＣアセンブリ２５２を維持するのに好適な流量および温度で冷却プレート１７６に冷却ガスを供給する。１つの例では、所望のステップ点温度は、摂氏約４００度から摂氏約４１０度までの間とすることができる。
【００２７】
基板（図示せず）と冷却プレート１７６との間の効率的な伝熱を達成するために、ガス冷却チャネル３１０が冷却プレート１７６中に存在する。
【００２８】
図３は、ガス冷却型静電チャック２５２の冷却プレート１７６の底面図である。冷却プレート１７６は、銅（Ｃｕ）、ステンレス鋼（ＳＳＴ）、または他の熱伝導性材料もしくは材料の混合物から形成することができる。１つの実施形態では、ガス冷却チャネル３１０は、銅プレート３２０などのプレートに形成された溝とすることができる。銅プレート３２０は、ガス冷却型ＥＳＣアセンブリ２５２を形成する際、ＥＳＣ１５２にろう付けもしくはボンディングされるか、または押しつけられてもよい。交替に、銅プレート３２０は、ＥＳＣ１５２との組立てに先立ってＳＳＴプレート３４０などの第２のプレートにろう付けもしくはボンディングされるか、または押しつけられてもよい。追加として、銅プレート３２０の面とセラミックＥＳＣ１５２の裏側（下面）との間に熱伝導性ガスケット材料を置いて、熱の温度移送を銅プレート３２０により良好に結合させ、結合が不十分な熱接触に起因する温度プロファイルの変動を除去することができる。冷却プレート１７６は、計装とリード線などの他の制御線とがＥＳＣ１５２へとそこを通り抜けるための１つまたは複数の開口区域３３０を有することができる。
【００２９】
冷却プレート１７６中のガス冷却チャネル３１０は、第１の端部３１２と第２の端部３２２とを有することができる。冷却ライン１７４は、第１の端部３１２および第２の端部３２２に付くことができる。冷却ガスは、冷却ライン１７４から第１の端部３１２に流れ、第２の端部３２２を出ていくことができる。冷却プレート１７０は単一のガス冷却チャネル３１０で示されているが、冷却プレート１７０は、ガス冷却型ＥＳＣアセンブリ２５２を冷却するために、各々が第１の端部３１２と第２の端部３２２とを有するいくつかのガス冷却チャネル３１０を有することができることを理解されたい。複数のガス冷却チャネルからのそれぞれの第１の端部３１２は、マニホルドに取り付けられてもよく、または個々の冷却ライン１７４を有してもよい。それぞれの第２の端部３２２は同様に構成されてもよい。
【００３０】
銅プレート３２０に溝として形成されたガス冷却チャネル３１０を有し、ＳＳＴプレート３４０にろう付けされた冷却プレート１７０は、冷却流体とＥＳＣ１５２との間の表面接触面積を増加させる。増加した表面接触面積は、ＥＳＣ１５２と冷却プレート１７０との間の伝熱を強化する。ガス冷却型ＥＳＣ２５２の銅プレート３２０に溝として形成されたガス冷却チャネル３１０は、従来のＥＳＣで使用されている従来の水冷却ラインよりも長い、例えば、最大約８６％長い冷却経路を備えることができる。例えば、同様のサイズの２００ｍｍ静電チャックにおいて、ガス冷却チャネル３１０は約２０．０インチ長を超えることができ、例えば、約２３．１インチ長とすることができるが、一方、従来の冷却ラインは約１２．４インチ長である。それゆえに、ガス冷却チャネル３１０は、ガス冷却型ＥＳＣアセンブリ２５２に置かれた基板から熱を取り除く際の効率をより高くするために、ガス冷却型ＥＳＣアセンブリ２５２との接触面積をより大きくする。
【００３１】
１つの実施形態では、より長いガス冷却チャネル３１０が、ＥＳＣ１５２を冷却するためにＮ2ガスを運ぶ。Ｎ2ガスは摂氏約３０度とすることができ、その流量は可変ガス流量制御バルブ２１０によって制御される。流量制御バルブ２１０は、コントローラ１８０へのデジタル出力をもつセンサを有しており、Ｎ2ガスの流量を確立する。ＥＳＣから排気されるＮ2ガスは、摂氏約２００度であり、熱交換器２２０を通過する間に摂氏３０度まで冷却され、その後、実験室環境に排気される。
図４は、多数の製造サイクルに対応する期間４１０にわたるガス冷却型静電チャック２５２の温度変動４２０を示すグラフである。グラフは３つの製造サイクルを示しており、第１の基板が、プロセスチャンバに置かれ、処理され、プロセスチャンバから取り出され、次いで、第２および第３の基板がサイクルを繰り返す。ＥＳＣの安定した温度を維持することが望ましい。図４に示したグラフの温度のサイクルは、実際に、堆積プロセス中のＥＳＣの温度を安定化しようとしている。プラズマがオンにされると、基板およびＥＳＣによって吸収された過剰な熱が、基板およびＥＳＣを加熱し続け、理想的な温度限界を超える傾向がある。ガス冷却型ＥＳＣ２５２は、温度を理想的な温度限界内に保つように温度を調整する。
【００３２】
ライン４４０はヒータ温度を示す。ヒータ温度は、摂氏約３７８度と摂氏約４４５度との間で変動する。ヒータ温度は、基板が処理の間チャンバ内にあるとき摂氏約４４５度である。ヒータ温度のライン４４０は、基板処理が完了したとき、および基板が処理チャンバにおよび／または処理チャンバから移動されることがあるとき、摂氏３７８度近くまで降下する。
比較のために、ライン４５０は、冷却されず、３つの基板を処理するために３つの製造サイクルを繰り返す従来のＥＳＣの温度を示す。従来のＥＳＣ（冷却されていない）の温度は製造サイクルの全体にわたって上昇する。ちょうど３回実施した後、従来のＥＳＣの温度変化は、所望の処理設定点温度よりも摂氏約４５度高いように見える。追加として、従来のＥＳＣの温度は、さらに、前の基板の処理の間の従来のＥＳＣの温度よりも約１０度高い。処理システムが動作し続けると、従来のＥＳＣはさらに高い温度に達し、それにより、基板の損傷およびプロセス変動がもたらされることになる。
【００３３】
ライン４６０は、ガス冷却型ＥＳＣアセンブリ２５２の温度を示す。温度上昇は、ライン４５０によって示されたものよりも非常に遅い。ガス冷却型ＥＳＣアセンブリ２５２は、約３９０℃〜４０５℃（±７．５℃）内となるように制御された温度変化を有する。３つの基板を処理する間に示された温度変化は、かなり安定した温度曲線によって明示されるように、３つの基板を処理する間一貫した温度を維持することができることを実証している。安定した温度曲線はより安定したプロセスを示し、その結果として、基板に製造されたＭＥＭＳなどのフィーチャがより一貫した品質になる。
【００３４】
図５は、ガス冷却型ＥＳＣの温度を制御する方法を示している。ガス冷却型ＥＳＣは、図２に示したガス冷却型ＥＳＣアセンブリ２５２と同様に構成することができる。方法は動作５１０で始まり、冷却ガスがガス冷却ボックスに供給される。Ｎ2または他の好適なガスなどの冷却ガスは、摂氏約３０度の温度でガス源によって供給され得る。動作５２０において、ＥＳＣへの冷却ガスの流量は、ガス冷却ボックスの内部に配設された流量制御バルブで調節される。流量制御バルブは、Ｉ／Ｏポートを有し、コントローラと通信することができる。コントローラは、エラー状態に関して流量制御バルブをモニタし、コントローラによって処理された他の情報に応じてバルブを用いて冷却ガスの流量を調節することができる。
【００３５】
動作５３０において、冷却ガスは、ＥＳＣの冷却プレートを通してすばやく移動される。冷却ガスは、流量制御バルブを出て、ガス冷却出口からガス冷却ボックスを出ていく。ガス冷却出口から、ガスは、ＥＳＣの冷却プレートのガス冷却チャネルの第１の端部に入る。ガス冷却チャネルは、長さが約２３．１インチ長である溝とすることができる。冷却ガスはＥＳＣに接触し、熱はＥＳＣから冷却ガスに移送される。ガス冷却チャネルは第２の端部を有し、今や加熱された冷却ガスが第２の端部によって冷却プレートを出る。
【００３６】
動作５４０において、冷却ガスは、ＥＳＣの冷却プレートからガス冷却ボックスに戻される。今や加熱された冷却ガスは、ガス冷却ボックスのガス戻り入口に入る。動作５５０において、冷却ガスは、冷却ガスを冷却するためにガス冷却ボックスの熱交換器を通してすばやく移動される。熱交換器は、コントローラに取り付けられたサーモスタットを有する。コントローラは、冷却流体用の流量コントローラを調節しモニタする。脱イオン水などの冷却流体は、冷却ガスから熱を取り除くために熱交換器に入る。冷却ガスは摂氏約３０℃で熱交換器を出る。冷却ガス温度は、ガス冷却ボックスから実験室環境に排気するか、または冷却もしくは他の目的のために再使用されるのに好適である。
前述は本発明の実施形態に関するが、本発明の他のおよびさらなる実施形態を、本発明の基本範囲から逸脱することなく考案することができ、本発明の範囲は以下の特許請求の範囲によって決定される。
【図１】
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【図２】
2018501653.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
2018501653.tif 000008
2018501653.tif 000009