(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
静電チャックの上面への熱伝達流体の流れを促進する構造であって、
（ａ）少なくとも一つの熱伝達流体流路を有する導体層と、
（ｂ）前記導体層の少なくとも一部分に接触し、前記導体層の少なくとも一部分を、熱伝達流体流路から隔離するように働く、少なくとも一つの隔離誘電体インサートと、
（ｃ）前記導体層の少なくとも一部の上に積層し、前記導体層からの前記熱伝達流体流路に接続された少なくとも一つの開口を備える、誘電体層と、
を備える構造。
【請求項２】
前記誘電体層も、前記隔離誘電体インサートの少なくとも一部に積層する、請求項１に記載の構造。
【請求項３】
前記導体層が、前記静電チャックの本体又はペデスタル内に配置される、請求項１に記載の構造。
【請求項４】
前記導体層が、前記静電チャックの前記ペデスタル内に配置された導体インサートを備える、請求項３に記載の構造。
【請求項５】
前記導体層が金属製である、請求項１に記載の構造。
【請求項６】
前記インサートが金属製である、請求項４に記載の構造。
【請求項７】
前記誘電体インサートがセラミックである、請求項１に記載の構造。
【請求項８】
前記セラミックが、アルミナと、アルミナ・チタニア混合物とから成るグループより選択された材料を含む、請求項７に記載の構造。
【請求項９】
前記誘電体インサートが、エンジニアリング熱可塑性樹脂、エンジニアリング熱硬化性樹脂、充填材入りエンジニアリング熱可塑性樹脂、充填材入りエンジニアリング熱硬化性樹脂、及びこれらの組み合わせから成るグループより選択された材料を含む、請求項１に記載の構造。
【請求項１０】
前記導体層の前記一部と前記誘電体インサートの前記一部との上に積層する前記誘電体層が、セラミック組成物、エンジニアリング熱可塑性樹脂、エンジニアリング熱硬化性樹脂、充填材入りエンジニアリング熱可塑性樹脂、充填材入りエンジニアリング熱硬化性樹脂、及びこれらの組み合わせから成るグループより選択された材料を含む、請求項１に記載の構造。
【請求項１１】
前記誘電体層は、火炎溶射されたアルミナである、請求項１０に記載の構造。
【請求項１２】
静電チャックの構成に有効な誘電体インサートであって、隣接する導体層の少なくとも一部についてプラズマから隔離を可能とする誘電体インサートにおいて、
前記誘電体インサートが挿入される、前記導体層内のキャビティに適合する形状を有する外側表面と、
前記外側表面の内部に少なくとも一つの流体流れ用の開口と、
を有する誘電体インサート。
【請求項１３】
前記誘電体インサートが、セラミック組成物、エンジニアリング熱可塑性樹脂、エンジニアリング熱硬化性樹脂、充填材入りエンジニアリング熱可塑性樹脂、充填材入りエンジニアリング熱硬化性樹脂、及びこれらの組み合わせから成るグループより選択された材料を含む、請求項１２に記載の誘電体インサート。
【請求項１４】
最大外側寸法が０．４００インチ（約１０ｍｍ）である、請求項１２に記載の誘電体インサート。
【請求項１５】
請求項１に記載の構造を形成する方法であって、
（ａ）誘電体インサートを中に配置することができる穴又はキャビティを包含する熱伝達流体流路を備える導体層を提供するステップと、
（ｂ）前記誘電体インサートが、前記導体層と協働して熱伝達流体流路を提供するよう、前記導体層内の前記キャビティ内に少なくとも一つの誘電体インサートを配置するステップと、
（ｃ）少なくとも一部の前記導体層の表面の上に、誘電体層を形成するステップと、
を有する方法。
【請求項１６】
前記誘電体層も、前記誘電体インサートの少なくとも一部の上に形成される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
（ｄ）前記誘電体層の表面を加工して、前記誘電体層の所望の厚さを提供する追加のステップを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記誘電体層表面の前記加工により、前記導体層内の前記熱伝達流体流路に接続する開口を露出する、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
（ｅ）前記誘電体層を貫通する開口を生成して、下にある熱伝達流体流路に接続する追加のステップを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記導体層が、前記静電チャックの本体内又はペデスタル内に配置された、請求項１５に記載の方法。
【請求項２１】
前記導体層が、前記静電チャックの前記ペデスタル内に配置された導体インサートを備える、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記導体層が金属製である、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記誘電体インサートが、セラミック組成物、エンジニアリング熱可塑性樹脂、エンジニアリング熱硬化性樹脂、充填材入りエンジニアリング熱可塑性樹脂、充填材入りエンジニアリング熱硬化性樹脂、及びこれらの組み合わせから成るグループより選択された材料を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２４】
前記誘電体層が、セラミック組成物、エンジニアリング熱可塑性樹脂、エンジニアリング熱硬化性樹脂、充填材入りエンジニアリング熱可塑性樹脂、充填材入りエンジニアリング熱硬化性樹脂、及びこれらの組み合わせから成るグループより選択された材料を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２５】
前記誘電体層の表面の平面度が少なくとも１．０ｍｉｌ（０．０２５ｍｍ）又はそれより小さい公差範囲内である、請求項１７に記載の方法。
【請求項２６】
静電チャックの上面への熱伝達流体の流れを促進する構造であって、
（ａ）少なくとも一つの熱伝達流体流路を有する導体層と、
（ｂ）前記熱伝達流体流路内に配設され、前記流路と協働して、前記流路内へプラズマの侵入を減らすように誘電体インサートと前記流路との間の間隙を調節する少なくとも一つの前記誘電体インサートと、
（ｃ）前記導体層の少なくとも一部の上に積層し、前記積層する導体層からの前記熱伝達流体流路に接続された少なくとも一つの開口を備える積層誘電体層と、を備える構造。
【請求項２７】
前記導体層が、前記静電チャックの本体内又はペデスタル内に配置された、請求項２６に記載の構造。
【請求項２８】
前記導体層が、前記静電チャックの前記ペデスタル内に配置された導体インサートを備える、請求項２７に記載の構造。
【請求項２９】
前記導体層が金属製である、請求項２６に記載の構造。
【請求項３０】
前記インサートが金属製である、請求項２８に記載の構造。
【請求項３１】
前記誘電体インサートがセラミックである、請求項２６に記載の構造。
【請求項３２】
前記セラミックが、アルミナと、アルミナ・チタニア混合物とから成るグループより選択された材料を含む、請求項３１に記載の構造。
【請求項３３】
前記誘電体インサートが、エンジニアリング熱可塑性樹脂、エンジニアリング熱硬化性樹脂、充填材入りエンジニアリング熱可塑性樹脂、充填材入りエンジニアリング熱硬化性樹脂、及びこれらの組み合わせから成るグループより選択された材料を含む、請求項２６に記載の構造。
【請求項３４】
導体層の前記一部の上に積層する前記積層誘電体層が、セラミック組成物、エンジニアリング熱可塑性樹脂、エンジニアリング熱硬化性樹脂、充填材入りエンジニアリング熱可塑性樹脂、充填材入りエンジニアリング熱硬化性樹脂、及びこれらの組み合わせから成るグループより選択された材料を含む、請求項２６に記載の構造。
【請求項３５】
前記積層誘電体層は火炎溶射されたアルミナである、請求項３４に記載の構造。
【請求項３６】
前記積層誘電体層内の前記開口の直径が少なくとも０．０６０インチ（１．５２ｍｍ）である、請求項２６に記載の構造。
【請求項３７】
前記開口の最大直径は約０．１００インチ（２．５ｍｍ）であり、前記誘電体インサート最大外径は前記開口の直径より、約 ０．００１インチ（０．０２５ｍｍ）を上回ることない大きさだけ、小さい、請求項３６に記載の誘電体インサート。
【請求項３８】
請求項２６に記載の構造を形成する方法であって：
（ａ）誘電体インサートを中に配置することができる穴又はキャビティを包含する熱伝達流体流路を備える導体層を提供するステップと、
（ｂ）前記穴又はキャビティ内へ、間隙を保持するマスキングピンを挿入するステップと、
（ｃ）前記間隙を保持するマスキングピンを含め、前記導体層の少なくとも一部の表面の上に、誘電体層を形成させるステップと、
（ｄ）前記間隙を保持するマスキングピンを外すステップと、
（ｅ）前記誘電体インサートが、前記導体層と協働して熱伝達流体流路を提供するよう、前記導体層内の前記キャビティ内に少なくとも一つの誘電体インサートを配設するステップと、
を有する方法。
【請求項３９】
請求項２６に記載の構造を形成する方法であって、
（ａ）誘電体インサートを中に配置することができる穴又はキャビティを包含する熱伝達流体流路を備える導体層を提供するステップと、
（ｂ）前記穴又はキャビティ内へ間隙を保持するマスキングピンを挿入するステップと、
（ｃ）前記間隙を保持するマスキングピンを含め、前記導体層の少なくとも一部の表面の上に、誘電体層を形成するステップであって、前記間隙を保持するマスキングピンが該誘電体層より上に延び出るように該誘電体層を形成する該ステップと、
（ｄ）前記間隙を保持するマスキングピンを外すステップと、
（ｅ）前記熱伝達流体流路の限定された部分の範囲内に、ボンド材料を塗付するステップと、
（ｆ）前記誘電体インサートが、前記導体層と協働して熱伝達流体流路を提供するよう、前記熱伝達流体流路内で前記誘電体インサートを接合するようにして、前記導体層内の前記キャビティ内に少なくとも一つの誘電体インサートを配設するステップと、
を有する方法。
【請求項４０】
（ｄ）前記誘電体層の表面を加工して、前記誘電体層の所望の厚さを提供する追加のステップを含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項４１】
（ｅ）前記誘電体層を貫通する開口を生成して、下にある熱伝達流体流路に接続させる追加のステップを含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
（ｄ−２）前記誘電体層の表面を処理して、前記誘電体層の所望の厚さを提供する追加のステップ（ｄ−２）を、前記ステップ（ｄ）と前記ステップ（ｅ）との間に含む、請求項３９に記載の方法。
【請求項４３】
前記導体層が、前記静電チャックの本体内又はペデスタル内に配置された、請求項３８に記載の方法。
【請求項４４】
前記導体層が、前記静電チャックの前記ペデスタル内に配置された導体インサートを備える、請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
前記導体層が金属製である、請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
前記誘電体インサートが、セラミック組成物、エンジニアリング熱可塑性樹脂、エンジニアリング熱硬化性樹脂、充填材入りエンジニアリング熱可塑性樹脂、充填材入りエンジニアリング熱硬化性樹脂、及びこれらの組み合わせから成るグループより選択された材料を含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項４７】
前記誘電体層が、セラミック組成物、エンジニアリング熱可塑性樹脂、エンジニアリング熱硬化性樹脂、充填材入りエンジニアリング熱可塑性樹脂、充填材入りエンジニアリング熱硬化性樹脂、及びこれらの組み合わせから成るグループより選択された材料を含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項４８】
前記誘電体層の表面の平面度が少なくとも１．０ｍｉｌ（０．０２５ｍｍ）又はそれより小さい公差範囲である、請求項３９に記載の方法。
【請求項４９】
（ａ）半導体基板保持面を有し、該半導体基板保持面内に形成された水平チャネルを有する導体ペデスタルを備え、
（ｂ）前記チャネル内に封止され、ガス分配チャネルの低い方の側と前記水平チャネルとの間に前記ガス分配チャネルを形成する導体インサートを備え、複数の垂直孔が、前記導体インサートをその上側から貫通して前記水平チャネルに接続しており、更に、
（ｃ）前記垂直孔の少なくとも上部分に嵌合され、垂直に貫通する各ガス流チャネルを有する複数の誘電体インサートを備え、
（ｄ）少なくとも前記導体インサートの上に積層し、前記誘電体インサート内の前記ガス流チャネル頂部を露出させる誘電体層を備えている、
静電チャック。
【請求項５０】
前記誘電体インサートが誘電体ピンであり、前記誘電体ピンは、前記誘電体ピンが前記流体流路の少なくとも一つの境界に隣接しつつも接触しないように、前記導体層の前記流体流路内に配置され、よって流体は、前記誘電体ピンと、前記流体流路の境界との間を流れて前記静電チャックの前記上面に至るようになっている、請求項４９に記載の静電チャック。
【請求項５１】
（ａ）埋設したガス流チャネルを有する導体ペデスタルを備え、
（ｂ）前記ペデスタル上面を貫通し、前記埋設ガス流チャネルに接続する少なくとも一つの開口を備え、
（ｃ）前記ペデスタル上面を貫通する前記少なくとも一つの開口内へ挿入される少なくとも一つの誘電体ピンを備え、前記誘電体ピンが、当該ピンと、当該ピンが挿入される前記開口との間の間隙をガスが流れるのを許容する大きさであり、
（ｄ）前記導体ペデスタルの上に積層し、前記誘電体ピンの上面と、前記ピンと前記ペデスタル開口との間の間隙とを露出させる誘電体層を備え、前記埋設ガス流チャネルから、前記ペデスタルに積層する前記誘電体層の上面までガスを流すことができるようになっている、
静電チャック。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電チャックの上面への熱伝達流体の流れのための導管として機能する誘電体構造に関する。この誘電体構造は普通、静電チャックの上面を形成する誘電体層の少なくとも一部と組み合わせて使用される。誘電体構造は、静電チヤックの上面に支持されるシリコーンウエーハ等のワークピースの下面を冷却するために、静電チャックを通ってその表面に送られる熱伝達流体の分解を阻止する。また、誘電構造体は、静電チャック内の熱伝達流体開口に半導体処理プラズマが進入するのを阻止する。
【０００２】
【従来の技術】
１９９４年９月２７日に発行され、引用によりここに合体した、Collins 他の米国特許第５，３５０，４７９号明細書には、プラズマ反応チャンバ内で処理する物品（通常は半導体基板）を保持する静電チャックが記載されている。この静電チャックは、静電チャックの上面が、その上に支持される物品の下面に接触するようにして、静電チャックの上面に冷却ガスを分配させるシステムを有する、誘電体材料層で被覆された金属ペデスタルを含む。このガス分配システムは、静電チャックの上面へ全体的に形成された複数の交差溝を含み、溝の交差部を貫通する小さなガス分配孔を有する。
【０００３】
静電チャックの寿命は、熱伝達ガスの分配を容易にするために用いるガス分配孔により影響を受ける。特に、半導体基板の直上から高いパワーのＲＦフィールドと高密度プラズマに静電チャックがさらされると、アークやグロー放電が原因で冷却ガスが分解してしまう恐れがある。更に、静電チャックの誘電体上面に支持される半導体基板と、静電チャックのペデスタルを形成するアルミニウムの下地導電層との間に直接的な直線経路があるので、この経路に沿ってアークが発生する場合がある。半導体基板面でのアークやグロー放電により半導体基板は損傷し得る。その上、ガス分配孔の内部でのアークやグロー放電により、誘電体層及び下地アルミニウム層が劣化する。
【０００４】
半導体基板からアルミニウム層に至る直線経路を横断して発生するアークの可能性を減らすために、Collins 他は、誘電体層の下地のアルミニウム層を、ガス分配孔に直に隣接するところを切り込む（切り落とす）べきである、と勧めている。これはアーク発生を減少させるが、導体である静電チャックを、処理プラズマからうまく隔離することができない。
【０００５】
１９９４年５月２４日に発行され、引用によりここに合体した、Collins 他の米国特許第５，３１５，４７３号明細書には、その他の特徴の中で、静電チャックのクランプ力を改良する方法が記載されている。特に、クランプ力を決める上で不可欠な要因は、誘電体材料の組成と誘電体層の厚さである。全体的に平坦な誘電体層を作ることは、未だ実用になっておらず、克服すべきは空隙の問題である。一般的に、他の要因が一定であれば、誘電体層が薄いほど、クランプ力は大きくなる。しかし、実用上の制限により誘電体層の最終的な厚さには限度がある。誘電体層の厚さがほぼ１ｍｉｌ以下の場合、半導体基板と静電チャックの上面との間の空隙を克服するのに必要な電圧においては、誘電体材料が破壊されて絶縁特性が失われてしまうことが分かっている。
【０００６】
１９９４年６月１４日に公開され、引用によりここに合体した、Collins 他のヨーロッパ特許出願第９３３０９６０８．３号には、既に引用した米国特許第５，３５０，４７９号で開示された種類の静電チャックの構成が記載されている。静電チャックのこの構成は、アルミニウムペデスタルにグリットブラスチング加工（grit blasting）を施してから、このグリットブラスチング加工を施したアルミニウムペデスタル面に、アルミナ又はアルミナ／チタニアなどの誘電体材料を溶射（例えばプラズマ溶射）する。溶射された誘電体の厚さは、好ましい最終的な厚さよりも約１５〜２０ｍｉｌ（380〜508ミクロン）厚いのが普通である。誘電体材料を形成した後、研削により、好まし最終的な所望の厚さ、例えば約７ｍｉｌ（180ミクロン）まで薄くする。次に、誘電体層の面の上に、熱伝達ガス分配溝のパターンを提供するために処理を施す。誘電体層を貫通して貫通孔を生成し、熱伝達ガス分配溝を、静電チャックのペデスタル内のガス分配キャビティに接続する。誘電体層を形成するのに先立って、ペデスタル内のガス分配キャビティにつながる下側のアルミニウムペデスタルの上面内に貫通孔を設ける場合がある。その他の例では、アルミニウムペデスタルの上面内の貫通孔を、誘電体層の貫通孔と同時に作成する。
【０００７】
誘電体層の表面内の冷却ガス分配溝は、レーザーマイクロ加工又は研磨ホイールを用いて設けることができる。誘電体層の貫通孔は、機械的ドリル又はレーザーを用いて形成される。平均的パワーレベルで比較的短時間で作動するエキシマＵＶレーザー（すなわち、短波長の高エネルギーレーザー）が好ましい。これにより、薄い下地層からのアルミニウム切削粉が、貫通孔の壁部及び誘電体表面に再堆積することが軽減される。このようなアルミニウムが存在すると、誘電体層を横断してアークが発生する原因となる。貫通孔は、静電チャック面の外辺部周りに配置されることが多い。８インチ（２００ｍｍ）のシリコンウエーハ静電チャックとともに用いる静電チャックに関しては、そのような貫通孔の数は、約１５０〜約３００個の範囲が普通である。貫通孔の数は、熱伝達負荷の程度と、この負荷を扱うのに必要とされる熱伝達流体の流量に依存する。通常、貫通孔は静電チャックの外辺部周りに、リング状構造で構成される。典型的な貫通孔の直径は、ほぼ０．００７±０．００１インチ（０．１７５±０．０２５ｍｍ）である。
【０００８】
アルミニウムペデスタルに積層する誘電体層を貫通するマイクロ孔明け加工を行って上記貫通孔を設けることにより、満足できるガス通路が提供される一方で、誘電体アルミナコーティングとアルミニウム基板との間の境界を求めるＲＦプラズマ環境の問題は解決できない。下地のアルミニウムは、誘電体層開口の側壁に働きかけ、その開口内でアークやプラズマグローをもたらすことが多い。その上、貫通孔を明ける方法によっては、ガス通路に高アスペクト比（深さ／直径）を採用しても、孔の下側部分が金属導体（アルミニウム）になってしまう場合もある。分配孔から機械加工による微小な切り粉スラリーを除去するのは困難な作業である上に、孔明け加工中、そして後続する通路洗浄などの製造作業中、誘電体ガス分配孔を通して、アルミニウム粒子が上へ移動してしまうので、除去は更に困難になる。加工による切り粉スラリーは、マイクロエレクトロニクス環境では汚染源となり、孔を一層詰まらせて、熱伝達ガスの流れを悪化させたり、停止させてしまうかもしれない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記に鑑み、アークやグロー放電による冷却ガスの分解を大幅に減らす構造が必要となっている。更に、半導体基板と、上に半導体基板を支持する静電チャックの金属ペデスタル部分との間で発生するアークを大幅に減らす構造も必要になっている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、静電チャック面への冷却ガス又はその他の熱伝達流体の流れを促進させる２種類の構造（基本構造の範囲内での多くの変形構造を含む）の実施態様と、その構造の製作方法を開示する。本発明の実施態様は、ＲＦプラズマ環境での熱伝達ガスの分解に関する問題、そしてそのようなＲＦプラズマ環境での、半導体基板と、静電チャックの導体ペデスタル部分との間に発生するアークに関する問題、という両問題を解決しようとするものである。
【００１１】
本発明による、熱伝達流体用導管構造の第１の好ましい実施態様は、少なくとも一つの熱伝達流体（普通はガス）通路を含む下地導体層と、熱伝達流体用通路から下地導体層の少なくとも一部に接触して、それを隔離するよう働く少なくとも一つの隔離用誘電体インサーと、導体層の少なくとも一部及び、ある場合には、隔離用誘電体インサートの少なくとも一部に積層する誘電体層と、を含む。積層した誘電体層は、下地導体層と隔離用誘電体インサートの、熱伝達流体用通路とに接続した少なくとも一つの開口を備えている。基本的な構造は、静電チャックの上面として絶縁誘電体層を備えており、静電チャックの誘電体層上面と下地導体層とに共通する、ＲＦプラズマからの、静電チャックの下地導体層の隔離についての問題を改善する。
【００１２】
本発明の上記第１の好ましい実施態様のものを形成する方法は下記の通りである。熱伝達流体用通路を含む導体層を提供し、誘電体インサートが導体層と共働して、流体流路を提供するように、少なくとも一つの誘電体インサートを、導体層（普通は、静電チャックのペデスタル）中の座ぐり穴又はその他のキャビティ内へ配置し、そして、誘電体材料層を、インサートの表面及び隣接する露出導体層の表面に形成する。次に、好ましい厚さになるまで誘電体層を加工（普通は、研削又はその他のアブレーディング加工）する一方、誘電体インサートの少なくとも一部を任意に露出させる。誘電体インサートは、積層された誘電体層の加工中に露出される少なくとも一つのスルーホールを有するのが好ましい。代替として、誘電体インサートと積層した誘電体層とを貫通する開口は、誘電体層の加工に続く穴明け加工で形成することができ、あるいは誘電体層を形成している間、誘電体層が開口内に侵入するのを防ぐ着脱可能なインサート又はマスクを使って形成することができる。誘電体層の加工中にインサートが露出したとしても、誘電体層によってインサートが固定されないようなインサート形状である場合、誘電体層の材料を、その層内で特定の深さまで除去することができ、次に、誘電体層に貫通穴を明けて、インサート内の流体流路と接続することができ、ここで、この貫通孔はインサートより小さく、インサートを誘電体層の下に固定したままにする。誘電体インサートが何らの通路も持たない場合、誘電体層の貫通開口と、誘電体インサートの貫通通路を同時に生成することができる。
【００１３】
本発明の熱伝達流体用導管構造体の第２の好ましい実施態様は、少なくとも一つの熱伝達流体用通路を含む下地導体層と、熱伝達流体用通路内に配設され、下地導体層と協働して、前記通路内へのプラズマの侵入調節を減らすように、誘電体インサートと熱伝達流体用通路との間の空隙開口度を調節する少なくとも一つの誘電インサートと；導体層の一部に積層する積層誘電体層と、を含む。積層誘電体層は、下地導体層の熱伝達流体用通路に接続された少なくとも一つの開口を備える。基本的な構造は、静電チャックの上面としての絶縁誘電体層を備えており、プラズマが下地導体層を求めて侵入する空隙を調節することにより、ＲＦプラズマに対する、静電チャックの下地導体層の絶縁性を改良する。
【００１４】
本発明の熱伝達流体構造体の上記第２の好ましい実施態様のものを形成する方法は次の通りである。埋設した熱伝達流体チャネルを有する導体層を提供し、次に、導体層を貫通する少なくとも一つの開口を生成して、埋設した熱伝達流体チャネルに接続し、次に、その開口内に、間隙を保持するマスキングピンを配置し、誘電体材料層を、導体層表面とマスキングピンに形成し、マスキングピンを外し、誘電体層と導体層とを貫通する開口の直下に位置する、埋設した熱伝達流体チャネルの限定された一部分の範囲にボンド材料を塗付し、誘電体層と導体層の開口を通して、ボンド材料に達するまで誘電体ピンを挿入し、そして、埋設した熱伝達流体チャネル中へ誘電体ピンをボンド付けする。
【００１５】
普通、導体層はアルミニウムペデスタルであり、誘電体インサートはアルミナ等の材料で構成され、積層誘電体層は、アルミニウムペデスタル及び誘電体インサート（本発明の実施例によっては、間隙を保持するマスキングインサート）の表面に、アルミナ又はアルミナ・チタニア等の溶射コーティングにより形成される。電気的要件に合致し、隣接する流体の化学的条件及び物理的条件に適合性があり、相対熱膨張係数により、意図したプラズマ処理環境での多数の熱サイクルへの曝露後、静電チャックの完全性に問題が生じない限り、ここで記載した以外の他の構成材料を使用することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明は静電チャックの表面への冷却ガス又はその他の熱伝達流体の流れを容易にする構造の製作のための方法と構造に関する。この構造は、ＲＦプラズマ環境における熱伝達流体の分解の問題と、ＲＦプラズマ環境における半導体基板と静電チャックの導体ペデスタル部分との間のアーク放電の問題の両方を対象としている。
【００１７】
図１に示すように、プラズマ処理チャンバー１００は、処理中にチャンバー１００内において半導体基板１０４（一般的には、半導体ウェーハ）を所定位置に静電気によってクランプする静電チャック１０２を備えている。静電チャック１０２を貫く複数のリフトフィンガー孔１０６があるので、電力を切ってクランプ力を取り除くと、リフトフィンガー（図示せず）が静電チャック１０２を通ってその上面から半導体ウェーハを持ち上げることができる。静電チャック１０２はまた、図２に示すように静電チャック１０２の周囲の近傍で環状の（普通、導体すなわち金属製の）インサート１１０に設けた複数のガス流孔２０２を備え、インサート１１０はその下側から機械加工されたガス流チャネル（gas flow channel）１１２を有する。ガス流口の配列は環状でなくてもよいが、環状が望ましい。また、静電チャック１０２内に２個以上の環状インサートを備えることも可能である。ガス流チャネル１１２は環状金属インサート１１０を横切ってその上面の近傍の範囲内にまで達し、流チャネル１１２から誘電体層１１４を分離する薄い金属層１１３（図２の（Ｃ）に示す）を残している。環状インサート１１０は静電チャック１０２内において隣接面にシールされている。
【００１８】
図２の（Ａ）の平面図と、関連する図２の（Ｂ）の断面図に示すように、複数の貫通孔２０２が誘電体層１１４を通り、静電チャック１０２の外周の周りを通るガス流チャネル１１２につながっている。図２の（Ｂ）に示すように、冷却ガスを静電チャック１０２の底からガス流チャネル１１２を通って貫通孔２０２から出て静電チャック１０２の誘電体表面に至る通路１０８を通して、供給することができる。複数のチャネル（図示せず）を機械加工により又は別途静電チャック１０２の誘電体表面１１４に形成し、それらを貫通孔２０２に交差させると、冷却ガスは貫通孔２０２からチャネルへ流れ、チャネルが冷却ガスを静電チャック１０２の上面全体へ分配することができる。
【００１９】
図２の（Ｃ）は（普通は導体である）インサートリング１１０の部分断面斜視図であって、ガス流チャネル１１２と、熱伝達ガスの通路を提供するため、ガス流チャネル１１２の屋根（ルーフ）を形成する薄い（普通は金属である）層１１３を貫いて形成された複数の孔１１５を更に詳細に示す図である。ガス流チャネル１１２は環状インサート１１０内を上に向かい、その上面の近傍の範囲内にまで延び、流チャネル１１２から誘電体層１１４を分離する薄い金属層１１３を残している。複数の孔１１５は誘電体層１４を被せる前に薄い金属層１１３を貫いて穿孔し、ガス流路とすることができる。代替として、孔１１５は誘電体層１１４を積層した後、誘電体層１１４と薄い金属層１１３を同時に貫くように形成してもよい。
【００２０】
図４の（Ａ）は、従来技術の熱伝達ガス流システムの概略断面を示し、ここではインサート４０６（これは別個のインサートでもよいし、図２の（Ｂ)及び（Ｃ）に示したようなリング状インサートでもよい）を静電チャックのペデスタル４００（図１に１０２として示したものと同様のもの）と組み合わせてガス流チャネル４０８を提供する。
【００２１】
図３の（Ａ）は、本発明の好ましい一実施形態の概略断面を示す。円筒形の誘電体インサート３００には、その外周面にボス３０１が形成されており、また、その底部に上下方向に延びる凹部３０８が形成されている。凹部３０８は上端が閉じている。導体層３１０の上面から導体層３１０の底部に向かって機械加工された下側にある長手方向のチャネル３１２を部分的に掘り下げるソケット孔３１３が穿孔されている。導体層３１０は、図１に１０２として示した静電チャックのペデスタルであることが望ましい。ペデスタル３１０には、熱伝達流体の流れを容易にするため埋設チャネル３１２があることが望ましい。ソケット孔３１３は埋設チャネル３１２に連通するようにペデスタル３１０の上面を貫いて機械加工されている。誘電体インサート３００を、そのボス３０１の底部がソケット孔３１３の側部に載置されるとともに誘電体インサート３００の底部と埋設チャネル３１２との間に隙間が残るように、ソケット孔３１３に嵌める。そうすると、熱伝達流体（普通は冷却ガス）がガス流チャネル３１２から、誘電体インサート３００内で上下に延びる凹部３０８に流れ込むことができる。
【００２２】
誘電体インサート３００を導体層３１０のソケット孔３１３に挿入した後、誘電体層３０２を堆積又は別の方法によって誘電体インサート３００と導体層３１０（普通は静電チャック１０２のペデスタル）の両表面に被覆する。次に誘電体層３０２を図３の（Ａ）の線３０４まで逆処理（普通は研磨）するが、この位置は誘電体インサート３００の上下に延びている凹部３０８の行き止まり端より下にあるので、厚さが薄くなった誘電体層３０２′となる。そうすると、凹部３０８の上部が開放されて開口部３０６となり、冷却ガスのような熱伝達流体がガスチャネル３１２からインサート凹部３０８を通り、開口部３０６から厚さが薄くなった誘電体層３０２′の表面へと流れることができる。厚さが薄くなった誘電体層３０２′の表面をもう一度処理し、その表面上にガス分配チャネルを形成し、開口部３０６に接続することができる。環状リング３１０の内側へ向かって形成された複数のソケット孔３１３に挿入された複数の誘電体インサート３００が図２の（Ａ）に示すように円周方向に間隔をあけて開口部２０２に配置されることが望ましい。
【００２３】
図３の（Ｂ）は、本発明の第２の好ましい実施形態の概略断面図である。この実施形態は予め中心孔３２８を穿孔されたチューブ状の誘電体インサートスリーブ３２０を含む。すなわち、スリーブ３２０は軸方向通路３２８を備えた真円筒である。通路３２８は、図３の（Ａ）のインサート３００のように、誘電体スリーブ３２０を完全に貫通する孔でも、めくら孔（図示せず）でもよい。
【００２４】
導体層３３０は、図２の（Ｃ）に示したインサートリング１１０に類似のインサートリングであってもよい。（図２の（Ｃ）に示した孔１１５に類似の）第１ソケット孔３３４を導体層３３０を貫いて穿孔し、その下にある静電チャックのペデスタル３３１内にあるガス流チャネル３３８に連通させる。第２のソケット孔３３５を金属層３３０の中へ中間の深さまで穿孔し、ソケット孔３３５の底に環状の棚部３３６を形成する。誘電体インサートスリーブ３２０をソケット孔３３５に挿入し、スリーブの下端が棚部３３６に載ることが望ましい。誘電体インサートスリーブ３２０は必要に応じて金属層３３０の最上部においてインサートスリーブ３２０を取り囲んで延びる環状の溶接又はろう付け接合３２６によって、又はその位置において締まり嵌めによって金属層３３０の中に保持することができる。
【００２５】
誘電体インサートスリーブ３２０を導体層３３０のソケット孔３３５に挿入した後、誘電体層３２２を堆積又は別の方法によって誘電体インサートスリーブ３２０と導体層３３０の両表面に被せる。次に誘電体層３２２を線３０４まで逆処理すると厚さが薄くなった誘電体層３２２″ができ、誘電体インサートスリーブ３２０の上面にインサート３２０と開口部３３２が露出する。誘電体インサートスリーブ３２０を所定位置に保持するために溶接３２６を用いたくない場合、誘電体インサートスリーブ３２０が露出しない程度に層３２２の逆処理を行えばよい。その場合、誘電体層３２２の中へ開口部３３２を穿孔して誘電体インサートスリーブ３２０内の開口部３２８に連通しなければならない。
【００２６】
普通は、図３の（Ａ）に示す誘電体インサート３００と図３の（Ｂ）に示す誘電体インサートスリーブ３２０を複数のインサート３２０として用い、それらを図２の（Ｂ）に示す種類の静電チャック１０２の周囲に間隔をあけて配置する。複数のインサートは図２の（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）に示す種類の環状導体の周りに間隔をあけて配置することができる。
【００２７】
従来技術に対する本発明の基本構造の利点を明確に説明するため、図４〜図７を参照する。図４の（Ａ）は従来技術を示し、図４の（Ｂ）〜図７の（Ｅ）は本発明の好ましい実施形態を示す。図４〜図７は図２の（Ａ）及び（Ｂ）に示す一般的構造を有する静電チャックの概略断面図である。これらの図は図２の（Ｂ）における導体（普通は金属）インサート１１０に関して示す場所で見られるものである。図４の（Ｂ）〜図６の（Ｃ）の断面図においては、下部構造をより明瞭に図示するため静電チャックの上面を形成する上部誘電体層を図示せず、下部構造のみを示す。本発明の誘電体インサートが予め穿孔されていて、その位置を保持するのに、上にある誘電体層に依存する必要がない場合、インサートを露出させるように誘電体層を処理し、穿孔済みの孔を同時に露出させることができる。誘電体インサートを所定の位置に保持するのに上にある誘電体層に依存する場合、上にある誘電体層に穿孔して誘電体インサート内の開口部に連通させる必要がある。誘電体インサートにガス流口がない場合、普通は上にある誘電体層の孔と同時にガス流口を穿孔する。
【００２８】
図４の（Ａ）は、表面に第１環状ガス流チャネル４０２を機械加工によって備えたペデスタル４００（普通はアルミニウム製）を備えた従来技術の静電チャックの部分断面図を示す。環状チャネル４０２の幅より広い幅の第２環状チャネル４０４が、チャネル４０２にそれと同心に機械加工されている。この環状ガス流チャネル４０２と上側の環状チャネル４０４の組合せの中へ、導体（普通はアルミニウム）環状インサート４０６を嵌め込む。金属インサート４０６は、ペデスタル４００とともにガス流チャネル４０８を画成するような形状である。金属インサート４０６は、オプションとして環状インサート４０６の長さの周りに間隔をあけて上面４１２に至るように予め複数個穿孔４１０することができる。誘電体層（図示せず）を金属インサート４０６の表面４１２とペデスタル４００の表面４１４の上に被せる。この誘電体層は溶射アルミナ又は溶射アルミナ／チタニアから成ることが好ましい。この溶射層の適用は公知である。溶射工程は、プラズマ溶射、デトネーションガン溶射、高速酸素燃料（ＨＶＯＦ）溶射、及び火焔溶射など、いくつかの異なる方法から選ぶことができる。
【００２９】
誘電体層を必要な厚さまで処理し、誘電体層に穿孔して金属インサート４０６内の開口部４１０に連通させる。金属インサート４０６に孔４１０がない場合、誘電体層と金属インサートの両方に穿孔し、ガス流チャネル４０２から静電チャックの誘電体表面へガスが流れるようにする。
【００３０】
先に説明したように、この静電チャックの表面に至るガス流チャネル形成方法は、静電チャック誘電体表面層とその下にある導体層との間のインターフェイスを求めるＲＦプラズマ環境の問題に目を向けていない。下側にあるアルミニウムはしばしば誘電体層内の開口部の側壁を上って、開口部内でアークやプラズマ放電を発生する。
【００３１】
図４の（Ｂ）は、本発明の好ましい一実施形態を示し、ここでは普通はアルミナ製の誘電体インサート４１６が環状金属インサート４０６内に穿孔された凹部すなわち孔に挿入されている。誘電体インサート４１６には、ガスを金属インサート４０６のガス流チャネル４０８から表面４１２まで流すための内部流路４１８がある。誘電体層（図示せず）をペデスタル４００と金属インサート４０６の表面４１２に積層する。この誘電体層を必要な厚さにまで処理して誘電体インサート４１６の内部流路４１８を露出させる。誘電体インサート４１６はこの状態で静電チャックの誘電体表面の一部になるとともに、ガス流路４１８の上部を貫通する可能性のあるプロセスプラズマから金属インサート４０６を電気的に絶縁する。この絶縁は、冷却ガスの分解防止に役立つとともに、静電チャックの表面に保持されている半導体基板（図示せず）と冷却ガス流路を作るために用いられる導体の金属インサート４０６との間のアーク放電防止にも役立つ。
【００３２】
本発明の誘電体インサートの開発中に我々は、静電チャック（図１、図２の（Ａ）、図２の（Ｂ）及び図７の（Ｃ）〜（Ｆ）に示すが図４の（Ａ）〜図６の（Ｃ）には示さない）の誘電体上面を作るために溶射したセラミックコーティングに、堆積した誘電体層へ冷却の際、サブミクロンサイズの収縮クラックが発生することが重要であることを見い出した。これらサブミクロンサイズのクラックは、誘電体層とその下にある導体構造との間の熱膨張差に応じてコーティングが大きなクラックを生じたり下側の導体基板面から剥がれたりすることなく膨張、すなわち伸張することを可能にする。大きなクラックができるとプラズマが侵入し下側の導体基板を損傷し、セラミック誘電体コーティングを下側の導体基板から剥がれさせる可能性がある。
【００３３】
図４の（Ｃ）は本発明の別の好ましい一実施形態を示し、ここでは誘電体インサート４２０はアルミナのような多孔質誘電体であり、体積多孔性率の範囲は約１０％〜約６０％であり、孔が相互に連通して誘電体材料全体にわたって連続通路を形成する。図４の（Ｃ）に示す誘電体インサート４２０の形状では、誘電体層（図示せず）を積層した後、インサートが所定位置に固定されないので、インサートが露出するように誘電体層を処理せず、一つの孔を誘電体層に明けて多孔質インサート４２０に連通させる。インサートを通るまっすぐな視線を用いず、４２０のような多孔性インサートを用いてプラズマの侵入抵抗の改善を達成することが望ましい。多孔質インサート４２０を伝統的な成型とシンタリング（sintering）で製作する場合、成型又はシンタリングに用いる粒子のサイズは多孔性のサイズと同程度であって、ある程度無秩序な方位でボンドされ、通路構造はまっすぐな視線を避けたものとなる。
【００３４】
本発明の誘電体インサートの他の一つの実施形態を図５の（Ａ）に示す。この誘電体インサート５１０にはガス流路５０８に連通する複数の孔５１６がある。ペデスタル５００には図４の（Ａ）を参照して説明した種類の二つの環状チャネル５０２と５０４が機械加工される。図５の（Ａ）に示すように、環状リングの形の（普通は金属製の）導体インサート５０６を環状チャネル５０２と５０４に嵌める。導体インサート５０６は、静電チャックペデスタル５００と組み合わせて使用するときガス流路５０８を形成するような形状である。誘電体インサート５１０は金属インサート５０６に嵌合するような形状である。誘電体インサート５１０の上面形状はドーム状であるので、誘電体層（図示せず）を積層し、誘電体層を逆処理（研削又は切除）すると孔５１６を備えた誘電体インサート５１０の一部が露出するとともに孔５１６に隣接するインサート５１０の上面に誘電体層が積層したままになる。
【００３５】
図５の（Ａ）の誘電体インサートの変形実施形態を図５の（Ｂ）に示す。この誘電体インサート５２０は、積層誘電体層（図示せず）を用いてそれを所定位置に保持する。誘電体層は、インサート５２０の表面、誘電体インサート５１２、及びペデスタル５１４の表面に積層される。積層誘電体層を必要な厚さにまで逆処理する。次に、積層誘電体層と誘電体インサート５２０に穿孔して誘電体層と誘電体インサート５２０を貫通するガス流孔を作り、ガス流路５０８に連通させる。
【００３６】
図５の（Ｃ）は、図５の（Ａ）に示した種類の誘電体インサート５１６に用いる代表的な孔のパターンを示す。
【００３７】
他の一連の誘電体インサートの設計を図６の（Ａ）〜（Ｃ）に示す。ここでも、図は導体ガス流路インサートの領域における静電チャックの断面を示す。図６の（Ａ）〜（Ｃ）において、静電チャックペデスタル６００は断面６０６で示される環状導体インサートを備えている。ペデスタル６００を機械加工してその上面に二つの環状チャネル６０２、６０４を設ける。環状チャネル６０２、６０４によって作られた開口部へ導体インサート６０６を嵌めてガス流路６０８を作る。
【００３８】
図６の（Ａ）において、本発明の誘電体インサート６１０は、多孔質誘電体インサート６１８を取り囲む非多孔質誘電体スリーブ６１６を備える。誘電体インサート６１０の上面はドーム状であるので、それを用いて上側の誘電体層（図示せず）を所定位置に保持することができ、上側の誘電体層を逆処理して多孔質誘電体インサート６１８を露出させることができる。このようにして、熱伝達ガスをチャネル６０８と多孔質誘電体フィルター６１８を通して流すことができる。非多孔質誘電体スリーブ６１６は隣接する導体インサート６０６の表面６１２に対する角度が小さい形状であるので、誘電体スリーブ６１６と周囲の導体インサート６０６との間にボイドやキャビティのない隣接被覆を確保することができる。誘電体インサート６１６の表面を粗くして上に積層する誘電体層を接合し易くする。多孔質誘電体インサート６１８の構造は多孔質インサート４２０に関して説明した構造と同じであることが望ましい。誘電体スリーブ６１６は誘電体インサート６１８より引っ張り強さと伸び率が実質的に大きく、構造がより均質均一な中実の誘電体材料であることが望ましい。誘電体スリーブ６１６の構造と特性は、スリーブ６１６と導体インサート６０６の間のより確実な結合を可能にする。これはまた、誘電体スリーブ６１６と導体インサート６０６にキャビティスペースのできる可能性排除に役立つ。キャビテイができると、引続き積層される誘電体コーティング（図示せず）内に欠陥を生じる。
【００３９】
図６の（Ｂ）は、類似の誘電体インサート６２０を示し、ここでは誘電体インサート６２０全体が多孔質誘電体である。インサート６２０内の小孔の量と小孔のサイズは、誘電体インサート６２０内のプラズマグローの発生防止という観点において重要である。プラズマグローが発生すると誘電体インサート６２０の表面上に支持されている半導体基板へのアーク放電を生じる可能性がある。誘電体インサート６２０の一般的組成と構造は、誘電体インサート４２０に関して説明したものと同じである。
【００４０】
図６の（Ｃ）は、本発明の誘電体インサートの更に別の好ましい実施形態を示す。誘電体インサート６３０は、誘電体スリーブ６３６と誘電体センタープラグ６３８とから成り、両者間には環状の間隙６４０がある。センタープラグ６３８は、接合剤（ボンド剤）又は溶融可能なガラスセラミック６４２のようなセラミックボンド剤で所定位置に保持され、これにより、プラグ６３８がスリーブ６３６に固定される。誘電体センタープラグ６３８の寸法を調節して、誘電体インサート６３０を通るガスの流量を調節する。ここでも、静電チャックペデスタル６００、導体インサート６０６、及び誘電体インサート６３０の表面上に誘電体層（図示せず）が積層される。続いて、上側の誘電体層を逆処理し、誘電体インサート６３０の環状開口６４０を露出させるとともに、スリーブ６３６の少なくとも一部を上側の誘電体層の下側で保持したままとする。
【００４１】
図７の（Ａ）〜（Ｆ）に、良好な製造性があるケースを提供する本発明の特に好ましい実施形態を図示する。
【００４２】
図７の（Ｆ）を参照すると、最終的には、誘電体インサート７１８を包含する少なくとも一つの熱伝達流体流チャネル７０８を、静電チャックペデスタル７００が含む構造となる。誘電体インサート７１８は、熱伝達流体流チャネル７０８と誘電体インサート７１８との間にガス流のための環状開口を備えるような大きさである。
【００４３】
また、ペデスタル７００に積層する誘電体表面層７１４も少なくとも一つの開口を有し、その開口は、熱伝達流体流チャネル７０８の上に直接積層し、層７１４の開口とインサート７１８との間に環状間隙をもって誘電体インサート７１８の挿入に供する大きさとされている。従って、熱伝達ガスは、チャネル７０８から誘電体表面層７１４の表面まで流れることができる。誘電体インサート７１８は、接着セラミック、又はセラミックボンド７２０によって熱伝達流体流チャネル７０８の底部に固定される。熱伝達ガスが、誘電体インサート７１８と開口７１６との間の間隙を介して流れることができる限り、誘電体インサート７１８を、誘電表面層７１４を貫通する開口７１６にセンタリングすることは重要ではない。
【００４４】
図７の（Ａ）〜（Ｆ）に示す好ましい実施形態の製作は以下の通りである。図７の（Ａ）に示すように、少なくとも一つの埋設した熱伝達流体流チャネル７０８を溶接やろう付け等のよく知られた技法で、ペデスタル７００内に設ける。次に、少なくとも一個の穴つまり開口７１０を、図７の（Ｂ）に示すように、ペデスタル７００の表面７０６を貫通して熱伝達流体流チャネル７０８に接続するように穴明けを行う。開口７１０の直径は、一般に約０．０８０インチ（約２ｍｍ）以上であるが、これに限定されるものではない。この直径は重要なものではないが、選定した直径の公差は、約±０．００５インチ（±０．１３ｍｍ）以内にすべきである。
【００４５】
次に、開口７１０内に誘電体材料が侵入することなく、積層表面誘電体層７１４を形成することができるように、間隙を保持するマスキングピン７１２を、開口７１０を通して、熱伝達流体流チャネル７０８中に配置する。これが、開口７１０の直径の公差を注意深く調節しなければならない理由である。マスキングピン７１２は、アルミナ誘電体コーティング又はアルミナ・チタニア誘電体コーティングが接着しない材料で作成するのが好ましい。Teflon（DuPont社の商標）製のマスキングピン７１２が、良好に働くことが分かった。間隙を保持するマスキングピン７１２の高さは一般に、直径の３倍から６倍である場合に、その調整が実用的になる。特に、マスキングピン７１２は、（図７の（Ｃ）に示すような）誘電体コーティング層７１４の形成後、把持して引き抜く（取り外す）ことができるのに十分な高さであることが好ましい。しかし、マスキングピン７１２の高さは、マスキングピン７１２の全径周りで直接接触する誘電体コーティングの形成を妨げるような影を作らない高さが好ましい。
【００４６】
誘電コーティング層７１４は普通、誘電体層７１４の最終的に望ましい厚さよりも、約１０ｍｉｌ〜２０ｍｉｌ（０．２５ｍｍ〜０．５０ｍｍ）厚く形成される。誘電体層７１４を形成してマスキングピン７１２を外した後、誘電体層７１４は最終厚さまで研磨され、静電チャックの研磨屑を洗浄する。これは、図７の（Ｄ）に示すように、表面上の全ての地点が０．００１インチ（０．０２５ｍｍ）の間隔で設けられた２つの平行平面以内に位置するものと解釈される、滑らかで、（少なくとも１．０ｍｉｌ（０．０２５ｍｍ）までの平面度の）面一な面７２２を有する誘電体層７１４を提供する。誘電体層７１４を貫通する開口７１６、及びペデスタル７００を貫通する開口７１０の直径は、前記のように、通常約０．０８０インチ（２ｍｍ）以上である。この直径により、研磨屑のような、あらゆる残留物の除去が容易になる。これは、より小さな直径の開口を有し、より掃除が難しい、本発明の別の実施形態での利点となる。
【００４７】
所定分量の接着セラミック又はボンドセラミック７２０を、図７の（Ｅ）に示すように、開口７１６，７１０の直下で、熱伝達流体流チャネル７０８の下部に堆積させる。接着層７２０の厚さは、表面誘電体層７１４と誘電体ピン７１８との組み合わせを含む上面の面一を維持しつつ、様々な長さの誘電体ピン７１８を補償ができる厚さである。誘電体ピン７１８は、開口７１６，７１０の穴径より約０．００３インチ〜約０．００５インチ（約０．０７６ｍｍ〜約０．１０２ｍｍ）小さい直径を有する、センターレス研削加工を施したセラミックから製作される。普通、誘電体ピン７１８は、表面誘電層７１４及びペデスタル７００を貫通し、熱伝達流体流チャネル７０８の底部７２６までの、穴径深さよりも少なくとも０．０１０インチ（０．２５ｍｍ）短く切断される。誘電体ピン７１８を、０．０４０インチ（１ｍｍ）下回る長さに切断してもよい。
【００４８】
誘電体ピン７１８は、開口７１６，７１０を介して、熱伝達流体流チャネル７０８の底部７２６上の接着剤７２０内に挿入される。前述の面一の上面７２４が提供されるように、ピン７１８を位置決めするのが重要であり、このことは、異なる長さの何れのピンをも補償するように、接着剤７２０に差し込むピン７１８侵入量を利用して行うことができる。誘電体ピン７１８を穴開口７１６及び７１６内でセンタリングすることは重要ではなく、図７の（Ｆ）に示すように、変化があってよい。普通はガスである熱伝達流体は、誘電体ピン７１８と、ペデスタル７００の開口７１０及び誘電体層７１４の開口７１６との間のを貫通する環状開口から流出する。
【００４９】
接着剤７１０を用いる代わりに、熱伝達流体流チャネル７０８の下部表面７１６に、誘電インサート７１８をしまり嵌めしたり、かしめ込んだりする開口を機械加工する方法がある。しかし、誘電体インサートの実装が一層難しくなるので、最良の方法とはいえない。
【００５０】
直径８インチの半導体ウェーハと組み合わせて用いられる静電チャックでは、静電チャックの周縁周りのリングに配置された誘電体インサートを含む、約１８０個のガス流路があり、導体インサート７００中の円形開口７１０の直径は、普通約０．０４０インチ〜約０．４００インチ（約１ｍｍ〜約１０ｍｍ径）の範囲であり、誘電体インサートの外径は、キャビティの直径よりも約０．００５インチ（０．１２３ｍｍ）小さい。これらの寸法は、使用する熱伝達流体（冷却ガス）の種類、処理チャンバ内で用いる圧力、静電チャック表面への所望ガス流量によって調節される。
【００５１】
本発明の実施形態のものを製作するには、全体としての静電チャックに対して危険ではなく、必要であれば製作の最終手順まで手直し可能である、簡単な製造手順を利用する。
【００５２】
一般的には、本発明のインサート及び本発明を構成するために用いられる製造技術は公知技術であり、材料工学に精通する者のであれば、使用される種々材料の強さを考慮に入れて、機械の必要性に応じて、調整することができる。しかし、当該技術に精通する者にとって本発明をもっと簡単に実用化する上で特に重要で、ここで説明するいくつかの技術がある。
【００５３】
先に述べたように、誘電体インサートの好ましい構成材料は、アルミナ又はアルミナ・チタニアである。その理由は、通常の静電チャックペデスタルがアルミニウムで構成されており、ガス流チャネルを備え、静電チャックに挿入される導体インサートも、アルミニウムで構成されているからである。アルミナ誘電体インサートは、直ぐに入手できる材料であるとともに、化学的適合性がある。静電チャックは、プラズマエッチング及び化学気相堆積のような処理環境で用いられるので、チャックは、約−１０℃〜約１５０℃の範囲の処理温度にさらされる。同一温度で、考慮する材料間に膨張係数の差がある場合、静電チャックの積層誘電体表面層は先に述べたように、アルミナ又はアルミナ・チタニアから作成されるのが好ましく、それによってアルミニウム基板と積層アルミナ誘電体コーティング又はアルミナ・チタニア（通常約５〜２％のチタニア）誘電体コーティングとの間の膨張差を補償する、微小クラックが提供される。この誘電体層は下地面にコーティングするのが好ましい。先に述べたように、アルミナ誘電体層が形成されるアルミニウム表面は、アルミナ誘電体層のプラズマ溶射コーティングの前にグリットブラスチング加工を用いて研削（荒面処理）されるのが普通である。荒面処理はアルミニウム表面との溶射アルミナ層の機械的結束を提供する。
【００５４】
アルミニウム表面に大きな影響を与えるグリット入射角を制御することによって、及びグリットブラスチング加工中にアルミニウムペデスタルを回転させることによって、溝を設けてアンダーカットされたアルミニウム表面に形成した後、誘電体コーティングを機械的に固定できる方法で、アルミニウム表面をアンダーカットする溝を生成できることが分かった。普通、アルミニウムペデスタルは、グリットブラスチング加工の間、回転するターンテーブルに固定され、前記ターンテーブルはアルミニウムペデスタルを中心線周りに回転させる。アルミニウムペデスタル表面に角度をもって配向され、アルミニウムペデスタルの外側端部近傍からアルミニウムペデスタルの中心に向かって進むノズルを用いて、アルミニウムペデスタルの表面に、グリットが与えられる。グリットブラスト定数によって得られる溝の深さとピッチを維持するには、ノズルがアルミニウムペデスタルの外側端部からアルミニウムペデスタルの中心に向かって移動するにつれて、ノズル進行速度を増加させる必要がある。この方法で作成されたアルミニウムペデスタルにプラズマ溶射をすることによって形成したアルミナの誘電体コーティングに関して、約２０％の以上の剥がれ強さの改善が観測された。
【００５５】
例えば、アルミニウムペデスタルを毎分約２０〜３０回転で回転するターンテーブルに固定した。アルミニウムペデスタルの表面に対するノズルの発生角は約７０度であった。グリット粒子の大きさは約６０〜８０メッシュであり、グリットブラスチング加工により塗料除去で一般に使用される類のノズルを用いた。グリットブラスチング加工後の溝の高さは、約０．００１インチ（０．０２５ｍｍ）であり、溝のピッチは約０．００３インチ（０．０７５ｍｍ）であった。この方法でアルミニウムペデスタル表面を形成してから、プラズマ溶射により、アルミナのコーティングを、約６０℃〜約８０℃の温度で、アルミニウムペデスタル表面上に形成した。アルミナのプラズマ溶射は、アルミニウムペデスタルの表面に対して約８０°〜９０°（垂直近く）の角度で行われた。プラズマ溶射アルミナコーティングは表面から飛び出る傾向があるので、アルミニウムペデスタル表面に対して適切な角度で、コーティングを施すことが重要である。冷却後、プラズマ溶射アルミナの剥がれ強さは、ＡＳＴＭ方法を用いて試験され、従来の技法を用いて得られたアルミニウムペデスタルに比べて、２０％を超す改善があった。
【００５６】
以下は、本発明を用いて最良の結果を得るように使用される方法に一般的な推奨事項である。誘電体インサートが、導体層又は導体インサート内キャビティ又は開口と近接接触状態にあるように設計され本発明の実施形態では、普通、この近接接触は、締まり嵌め又は圧入することで達成される。インサートが破壊しないように、圧入中、誘電体インサートの表面に圧力を均等に加えるよう注意を払わなければならない。誘電体インサートの表面に密着するように、そして圧入中にその表面に対して均等な圧力を加えるように設計した工具を製作するのが得策であることが分かった。インサートは、導体インサート内の受入キャビティ内へ容易に入れられるように、その下側端部に向けて抜き勾配を付けてもよい。アルミナ誘電体インサートは相対的に硬く、鋭いエッジを有するため、アルミニウムに食い込むのに十分な圧力で、下にあるアルミニウムキャビティにこのエッジを押圧することが可能である。しかし、前記のように、誘電インサートを割れたり、破砕することの無いよう、圧力を均等に加えられなければならない。
【００５７】
一般的には、固形セラミックの誘電体インサートの直径は、半導体基板処理中の温度サイクルの結果として加えられる圧縮負荷による機械的破壊を避けるために、約０．０２０インチ〜約０．４００インチという小ささでなければならない。セラミック誘電体と、静電チャックの金属構造体との間の熱膨張係数の不一致により、温度サイクル中に、前記圧縮負荷が生じる。誘電体インサートのこの小さい寸法により、締まりばめを用い、静電チャック内へ入れるインサートに圧縮予荷重を加えることができる。
【００５８】
誘電体インサートが、導体表面と近接接触状態にあるべき時、組み合わせ面上に誘電体コーティングが施されていると、特にプラズマ溶射誘電体コーティングの場合、接合面にコーティングが流れるのを避けるため、インターフェイスは特に近接していることが必要である。プラズマ溶射コーティングは表面に密構造を形成することがきできないので、コーティング面に対して、約８０°〜約９０°の角度で、コーティングを行うのが好ましい。最大コーティング密度を得るには、プラズマ溶射誘電体コーティングを行う面に対して直角に行うのが好ましい。
【００５９】
固形セラミック誘電インサートの場合、インサートを配置する孔や開口への締まりばめは、圧入で行う。誘電体インサートと接触する導体材料金属を変形することによって、圧入を行う。（かしめ）また、誘電体インサートは、約０．００１インチ（０．０２５ｍｍ）以上の機械加工による締まりばめによってもその位置に保持することができ、ここではセラミックコーティングを行う前に、後続する操作で受ける力に抗して、誘電インサートを保持するのに十分な締まりばめを形成する誘電インサートと接触する導体金属は、インサートを搭載することにより切断される。インサートと周囲の導体材料との間の大きな締め代は、導体層の表面と導体層内のインサートの上に形成される積層誘電体コーティングを安定させるのに役立つ。導体層内にインサートを保持する締め代が不足すると、積層コーティングの熱膨張割れ、高バイアス電圧のプラズマ放出への負荷、インサートと導体層との間の連結部に積層する誘電体コーティングの急速な破壊を、促進してしまう。
【００６０】
本発明の誘電体インサートを（ガス流キャビティを含む）導体インサート内へ嵌合した後で、積層誘電体層が形成される。インサートの詰まりを防ぐために、インサート内のガス流又はガス圧を、積層誘電体層の形成中に用いてもよい。プラズマ溶射セラミックなどのプラズマ溶射誘電体層は均質ではない。アルミナの場合、融解アルミナ粒子が、その層形成面に接触して、冷却するにつれて収縮する。その接触表面にアルミナが結合するので、冷却するにつれてクラックないしは割れが生ずる。この割れは、ミクロン以下の大きさで、表面全体にわたって相対的に均一に分散している限り、許容できる。下地層の熱膨張によって生じた割れは、溶射層が均質でない限り増殖できない。もしチャックが、セラミック誘電体層が溶射される温度以外の処理温度に曝する必要がある場合、セラミック誘電体層における不連続性を制御していくことが必要である。普通、アルミナ誘電体コーティングは、約４０℃で形成される。アルミニウムに近い線膨張係数を持つ他の誘電体材料であってもよい。例えば、約３５体積％〜約４５体積％のガラスや鉱物の充填材料を含むエンジニアリング熱可塑性樹脂を、射出成形可能な複合材として使用してもよい。誘電体材料は、切り欠き部が脆くなく、静電チャックの操作温度で機能できる限り、熱硬化性樹脂でも熱可塑性樹脂でもよい。
【００６１】
アルミナは、ＣＯ2レーザに対して比較的に透過性があるので、ＣＯ2レーザよりもエキシマーレーザを用いて、積層アルミナ誘電体層を貫通して、開口を生成するのが好ましい。また、積層セラミック誘電体層を貫通する開口は、ダイヤモンド又は窒化ホウ素ドリルを用いた機械加工によって生成することもできる。
【００６２】
本発明の開示に鑑み、当該技術に精通した者が、以下に請求する本発明の主題に対応する実施形態を拡張できるように、前記好ましい実施形態は、本発明の限定を意図したものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】代表的なプラズマエッチ処理チャンバー内の所定位置に静電チャックを備えたものを示す図である。
【図２】（Ａ）は、代表的な静電チャックの略図で、周縁に複数のガス分配孔を備えたものを示す図であり、（Ｂ）は、図２の（Ａ）の静電チャックの側面図で、冷却ガス流路を示す図であり、（Ｃ）は、静電チャックのペデスタル内に埋設ガス流路を設けるために用いられる導体リングインサートの部分的斜視断面図である。
【図３】（Ａ）は、本発明の好ましい実施形態を示し、誘電体インサートの形状がその上にある誘電体層による保持を可能にし、また、上に積層する誘電体層の処理中にインサートを貫く通路が露出される予め穿孔されたインサートを規定することを示している図である。（Ｂ）は、本発明の第２の実施形態を示し、ここでは誘電体インサートが、その上に積層した誘電体層によって所定位置に保持されていること、誘電体層を上に積層した後、１本の冷却ガス分配孔が、上に積層される誘電体層を貫いて穿孔され、１本の通路に接続されること、及び、インサートは上に積層された誘電体層によって所定位置に保持されること、を示している図である。
【図４】（Ａ）は、従来技術の冷却ガス分配システムを示し、ガス流路は導体（普通は金属）製の予め成形された環状リングを静電チャックの導体層（普通は静電チャックのペデスタル）に挿入することによって形成されること、及び、静電チャックの誘電体表面層（図示せず）は環状導体リングの表面に積層され、誘電体表面層を貫いてガス流路に至るガス流口が誘電体層を貫いて穿孔されること、を示す図である。（Ｂ）は、本発明の好ましい一実施形態を示し、ここでは誘電体インサートが図４の（Ａ）に関連して説明した種類の金属製ガス流路と組み合わせて用いられており、誘電体表面層（図示せず）は静電チャックの表面に積層され、チャックは普通は複数の誘電体インサートを含む導体である金属製の環状リングを含み、次に誘電体表面層を逆処理して誘電体インサート内のガス流孔を露出させることを示す図である。（Ｃ）は、本発明の第２の好ましい実施形態を示し、ここでは誘電体インサートが多孔質のため、下にある金属製ガス流路からガスがインサート全体を通って流れるようになっており、誘電体表面層（図示せず）は静電チャックの表面に積層され、チャックは複数の誘電体インサートを含む導体である金属製の環状リングを含み、誘電体表面層は、必要な厚さに処理され、誘電体層を貫いて多孔性インサートに至る１本の孔が穿孔されることを示す図である。
【図５】（Ａ）は、金属製ガス流路と組み合わせた本発明の誘電体インサートを示し、誘電体インサートは複数の孔を備えていること、及び、誘電体層（図示せず）を誘電体インサートと金属製ガス流路の上に積層し、逆処理（通常、削って薄く）して誘電体インサート内の孔を露出させること、を示す図である。（Ｂ）は、図５の（Ａ）に示したものに類似の誘電体インサートを示すが、誘電体インサートには孔がなく、孔はインサート上に積層された誘電体層（図示せず）を貫くとともに誘電体インサートをも貫いて穿孔し、下にある金属製ガス流路に連通させることを示す図である。（Ｃ）は、図５の（Ａ）と図５の（Ｂ）のインサートに使用可能な３種類の孔のパターンを示す図である。
【図６】（Ａ）と（ＡＡ）は、それぞれ、冷却ガスが流通する多孔質のセンターコアを備えた中実の誘電体スリーブを備えた誘電体インサートを示す図である。（Ｂ）は、冷却ガスが下側のガス流路から全インサートを貫流するように完全に多孔性である誘電体インサートを示し、図４の（Ｃ）と極めて類似した図である。（Ｃ）は、金属製ガス流路に隣接した中実の誘電体スリーブとセンタープラグを含む誘電体インサートを示し、スリーブとセンタープラグとの間には環状ガス流間隙があること、ガス流量は、誘電体センタープラグの寸法を特定し、環状ガス流間隙の寸法を調節することができること、を示す図である。
【図７】（Ａ）〜（Ｆ）は、容易に製造できる、本発明の第２実施形態を形成する一つの方法を示す図である。
【符号の説明】
１００…プラズマ処理チャンバー、１０２…静電チャック、１０４…半導体基板、１０８…通路、１１０…誘電体、１１２…ガス流チャネル、３００，３２０…誘電体インサート、３０１…ボス、３０２，３０２′，３２２…誘電体層、３０６，３３２…開口、３０８…凹部、３１０，３３０…導体層、３３１…ペデスタル、３３８…ガス流チャネル、４００…ペデスタル、４０２…ガス流チャネル、４０４…環状チャネル、４０６…金属インサート、４１２…表面、４１６，５１０，６１０，７１８…誘電体インサート、４１８…流路、４２０…多孔質インサート。
【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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