(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を保持するための基板支持体であって、
誘電体で覆われた電極部及び表面を有し、第１の通路を内部に有する本体部を有しており、
前記表面は、前記基板支持体と前記基板との間でガスが流れるのを可能とする複数の離間した窪み領域を有し、
前記複数の離間した窪み領域は、第１のゾーン及び第２のゾーン、並びに、これらのゾーンの間に配されたシールを画成しており、
前記第２のゾーンは、前記第１のゾーンの周囲にあり、
前記第１のゾーンと前記第２のゾーンはそれぞれ容積を有しており、前記第１のゾーンの前記容積は、前記第２のゾーンの前記容積よりも大きく、
前記第１の通路が、前記第２のゾーンの前記表面の近傍で終端して、前記第２のゾーンにガスを導入し、
前記表面では、前記基板全体に対して接触する接触領域が非接触領域よりも狭くなっている、基板支持体。
【請求項２】
前記シールが、環形状を有し、その幅が５０ｍｉｌ〜３００ｍｉｌである、請求項１に記載の基板支持体。
【請求項３】
前記シール及び前記第２のゾーンはそれぞれ幅を持っており、
前記第２のゾーンの前記幅は、前記シールの前記幅よりも広い、請求項２に記載の基板支持体。
【請求項４】
前記第１のゾーンに配された開口で終端する前記本体部内の第２の通路を更に備える、請求項３に記載の基板支持体。
【請求項５】
前記シールは、環形状を有し、前記表面の連続部分である、請求項１に記載の基板支持体。
【請求項６】
前記シールは、環形状を有し、環状シールを画成しており、前記環状シールを囲う外側シールを更に備える、請求項１に記載の基板支持体。
【請求項７】
前記本体部は、前記第１のゾーンにおいて前記シールに隣接して配された環状開口と、
前記第２のゾーンにおける環状開口と本体部の対向する主面の一つとの間に延びる第２の通路と、
を備える、請求項１に記載の基板支持体。
【請求項８】
処理チャンバ内に設けられている請求項１に記載の基板支持体であって、前記処理チャンバに取り付けられ、前記ガスの圧力を変化させる前記コントローラに結合された少なくとも一つの温度センサを更に備える、請求項１に記載の基板支持体。
【請求項９】
前記温度センサが、前記基板に直接接触している、請求項８に記載の基板支持体。
【請求項１０】
前記コントローラに接続され、コード化された命令を記憶しているメモリーを更に備えており、
前記コード化された命令が、
前記温度センサからの温度指示を読み取るための第１の命令と、
前記温度指示を、前記基板の所望温度に対応する所望温度と比較するための第２の命令と、
前記基板を前記基板の前記所望温度に近付けるよう、前記ガスの熱伝達特性を変化させるために、前記第１のゾーン及び前記第２のゾーン内での前記ガスの前記圧力を変化させるための第３の命令と、を含んでいる、請求項８に記載の基板支持体。
【請求項１１】
前記第１のゾーンに配された、複数の離間した突出部を更に備え、
前記突出部間の空間は、前記突出部の面積よりも広い面積を有する、請求項１に記載の基板支持体。
【請求項１２】
前記突出部の高さと間隔は、少なくとも一つのガス圧力に関して、前記基板と前記基板支持体との間に自由分子熱伝達を提供するための寸法である、請求項１１に記載の基板支持体。
【請求項１３】
前記空間は、前記基板支持体と前記基板との間に複数のギャップを画成し、
各ギャップは、所与の圧力に関して、前記ガスの平均自由行程の２００パーセント未満である、請求項１１記載の基板支持体。
【請求項１４】
前記電極部を覆う前記誘電体材料は、前記支持体の周縁において静電吸引力がより強く、且つ前記基板からの熱伝達がより大きくなるよう、前記支持体の周縁部分において前記支持体の中央部分よりも薄くされている、請求項１記載の基板支持体。
【請求項１５】
基板処理チャンバと、
基板を保持するよう前記チャンバ内に取り付けられた基板支持体であって、誘電体で覆われた電極部、上面及び下面を有する本体部と、前記上面の近傍で終端する前記本体部内の第１の通路とを有しており、前記上面は、複数の離間した窪み領域を有し、該複数の離間した窪み領域は、第１のゾーン及び第２のゾーン、並びに、これらのゾーンの間に配された環状シールを画成しており、前記第１の通路が前記第２のゾーンと流体連通している、前記基板支持体と、
前記第２のゾーンにガスを流せるように前記第１の通路と流体連通し、前記基板支持体と前記基板の間にガスを導入可能なガス源と、を備え、
前記環状シールは、前記基板と接触し、前記第２ゾーンの圧力を前記第１のゾーンの圧力よりも高くするように構成されており、
前記第１のゾーンの容積は、前記第２のゾーンの容積よりも大きく、
前記上面では、前記基板全体に対して接触する接触領域が非接触領域よりも狭くなっている、処理装置。
【請求項１６】
前記上面と前記基板との間の前記ガスの圧力を制御するガスコントローラと、
前記基板に近接して取り付けられ、出力部を有する少なくとも一つの温度センサと、
前記温度センサの出力部に接続された入力部と、前記温度センサの出力に応答して前記ガスの圧力を変化させるために前記ガスコントローラに接続された出力部とを有しているコントローラと、
前記コントローラに接続され、コード化された命令を記憶するメモリーと、を備え、
前記コード化された命令が、
前記温度センサからの温度指示を読み取るための第１の命令と、
前記温度指示を、前記基板の所望温度に対応する所望温度と比較するための第２の命令と、
前記基板を前記基板の前記所望温度に近付けるよう、前記ガスの熱伝達特性を変化させるために、前記ガスの前記圧力を変化させるための第３の命令と、を含んでいる、請求項１５に記載の処理装置。
【請求項１７】
周縁部を有する基板を保持する基板支持体であって、
誘電体で覆われた電極部及び表面を有する本体部と、前記表面の近傍で終端する前記本体部内の第１の通路とを有しており、
前記表面は、前記基板支持体と前記基板との間でガスが流れるのを可能とする複数の離間した窪み領域を有し、
前記複数の離間した窪み領域は、第１のゾーン及び第２のゾーン、並びに、これらのゾーンの間に配されたシールを画成しており、
前記第２のゾーンは、前記周縁部に近接して配されると共に、前記第１のゾーンを囲い、前記ガスを前記第２のゾーンに導入できるように前記第１の通路と流体連通しており、
前記シール及び前記第２のゾーンはそれぞれ幅を持っており、前記第２のゾーンの前記幅は、前記シールの前記幅よりも広く、
前記表面では、前記基板全体に対して接触する接触領域が非接触領域よりも狭くなっている、基板支持体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板支持体に関し、詳細には基板の温度分布を均一化するための手段に関する。
【０００２】
【従来の技術】
基板用処理チャンバは、基板をチャンバ内で位置決めするために、ペデスタルのような基板支持体を含むのが普通である。基板は、半導体ウェーハ、液晶ディスプレイ、ガラス板、鏡等である。基板支持体は、基板の加熱や、冷却に用いることができる。チャンバ内で行われる処理は、例えば、化学蒸着（ＣＶＤ）やプラズマ促進式ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）のような、所望する任意の処理とすることができる。ＰＥＣＶＤ処理においては、基板支持体とチャンバ上部の電極との間に高周波電界（ＲＦ  ＦＩＥＬＤ）が印加される。プラズマ処理での基板支持体電極を保護するため、又は静電チャックの一部として、セラミック材料を支持体の上部に付加して誘電体を提供することができる。
【０００３】
静電チャックは、処理中のウェーハをそのままの位置に保持する装置の一つである。他の方法の場合、ウェーハの下側に真空を加えたり、又はウェーハを下へ押圧するクランプを含んでいる。クランプは力を一様には与えず、しかもウェーハの端部を覆ってしまう。他方、チャンバ間が真空状態である時、ウェーハの下側に真空を加えても効果的に保持することができる。
【０００４】
静電チャックは、高密度プラズマ反応のような製造工程中に半導体ウェーハをクランプする装置として、半導体産業では幅広く用いられてきた。静電チャックは、ウェーハをチャックに固定するために、正負にそれぞれ帯電された表面間の静電気力を用いる。ある種の静電チャックを製作する場合、アルミニウムのようなプロセスに適した金属を適切な支持ペデスタルに機械加工し、ペデスタルの上面をグリットブラスト加工（grit blasting）する。次に、セラミックのような誘電体材料層が、ペデスタル上面にプラズマ溶射され、ウェーハを支持する滑らかな平坦面になるまで研削する。代替として、数多くの著名なサプライヤから入手できる Kapton（商標）のようなポリマーフィルムを、誘電体として用いてもよい。基板の化学処理中、誘電体層の一側に正電荷を、他側に負電荷を生じさせることによって、チャンバ壁と金属ペデスタル間に、直流高電圧を印加して、チャックが機能する。この電荷が、誘電体層の両側間に実質的に均一な吸引クーロン力を発生し、誘電体層にウェーハを固定する。代替として、複数の電極をペデスタルに形成してもよい。
【０００５】
基板処理チャンバの重要な工程パラメータの一つは、ウェーハの温度である。処理中、熱は、基板とその下地である基板支持体との間の表面伝導及び／又は対流を介して、若しくは介在するバックサイドガスを介して、基板へ、あるいは基板から伝達する。基板支持体の温度は通常、基板支持体内のチャネルを介して、水やガス等の、熱交換流体を循環させることによって調節される。他に、基板支持体を加熱するために抵抗コイルを用いることができる。基板支持体はこのように、基板を加熱したり、冷却するのに用いることができる。しかし、極微レベルで、実際に２表面のほんのわずかな領域だけが互いに接触しているので、基板の裏側が基板支持体の上面と実際に接触する範囲によって、この方法による効率は一般的に制限される。基板と基板支持体との間の熱伝達を促進するには、接触点間の領域を、ヘリウム、アルゴン、酸素、ＣＦ4のようなガス分子で満たすことにより、基板と基板支持体との間の熱交換を高める。
【０００６】
静電チャックへのウェーハ保持にともなう機械的問題の一つは、平らではなく、幾分反っていたり、曲がっていたりするウェーハがあることである。米国特許第4,692,836号では、反り返って、ウェーハの中心とチャックとの間に間隙のあるウェーハを保持するのに効果的なチャックを示している。この特許では、静電チャックの中間付近で誘電体コーティングの厚みを薄くすることにより、より大きな電荷を中間部に発生させ、より強い力をウェーハの反った中央部に付与することを示している。
【０００７】
ヨーロッパ出願公開第0,452,222号では、環状の外部電極付き静電チャック用に設計した２電極を示している。この出願では、外部環状電極の幅が狭められているので、その表面積は小さく、面積当たりの電荷が大きくなる。従ってチャック周辺により強い力が提供される。このことにより、静電チャック周辺での熱交換が改善される。
【０００８】
一枚のウェーハの異なる領域への、又は異なる領域からの熱伝達を変化させる別の方法が使用されている。米国特許第4,502,094号では、サセプタの誘電体層を超えて、前記サセプタから突出する熱伝導部を設けることによって、熱伝導率を高めている。特に、銅ピラーを設けて、ウェーハに直接接触させ、熱をより速く取り出す。また、熱伝導突出部は導電体でもある。この設計の別の利点は、チャック上にあるどんな破片の微粒子も、銅ピラー間の間隙の誘電体に吸引される傾向があることである。そのようなチャックは、非プラズマリアクタでは明らかに有効である。プラズマ反応において、誘電体は、プラズマ電極と、静電チャック内の電極との間の短絡を防ぐ必要があるので、静電チャック電極を誘電体で覆う必要がある。また、米国特許第5,160,152号にも、静電チャックの表面の上方に延在する突出部を使用するという解決手段が検討されている。この、米国特許第5,160,152号は、ウェーハの下にガスを提供するという以下に検討する構造とは異なる旨を記載している。むしろ、突出部は静電チャックの上部に備えられている。この特許は、チャックの側面を介する熱伝達、及びチャック側面の冷却ジャケットを原因として、中間がより熱くなるウェーハを扱っている。ウェーハ中心部により多く熱伝達を行うために、突出部の面積はウェーハの中央部分で広くなっている。狭い面積の突出部はウェーハ周辺部で用いられる。この特許は、これらの突出部自身を介した直接熱伝達に依存している。
【０００９】
静電チャックや他の基板支持体における熱伝達に対する別の手段では、ウェーハの下の基板支持体面に与えられるヘリウムなどのガスを用いている。静電チャック上部の静電気力に必要なセラミック誘電体は、セラミック材自体の熱伝達特性に限界があり、しかも充分滑らかに磨くことが不可能である、という両方の理由から、極微的レベルでは、均一な接触を妨げる間隙が残ってしまい、熱伝達に対して特に効率のよいものではない。しかし、それらの間隙は利点でもあり得る。ヘリウムガスを基板支持体の細孔を通して付与した場合、ヘリウムガスは基板とウェーハとの間の空間を満たし、熱伝達機構として作用する。ヘリウムガスをそのように使用する場合の問題の一つは、基板支持体周辺からチャンバ内へのヘリウムガス漏れ防止という点である。
【００１０】
解決法の一つが米国特許第5,096,536号にあり、そこでは第１のＯ−リングによって画成される領域内にあって、ウェーハの中心にあるガス源が述べられている。真空ポンプは、第１のＯ−リングと第２のＯ−リングとの間の領域が画成する第２リング領域に備えられている。これによって、第１のＯ−リングシールを通して漏れるガスはほとんど全部排除される。
【００１１】
特開昭63-78975号では、一対の同心溝が設けてあり、溝内の孔を介してウェーハの後方にヘリウムを供給する。ここで、中央のバキューム（真空引き）装置は、ヘリウムを抜くために使用されので、中央部は真空に近い低ガス圧となり、周辺部は高ガス圧になり、冷却効率が変わってしまう。既に検討を加えたヨーロッパ公開特許第0,452,222号もまた、ウェーハの下側にヘリウムを与える溝グリッドを備えている。
【００１２】
ＰＥＣＶＤプロセスのようないくつかのプロセスにおいて、基板支持体の側部を化学反応から保護するため、又は支持体上への材料堆積を防ぐために、基板端がわずかに基板支持体の側部を超えて延在するように、基板支持体が設計されている。基板端をオーバーハングさせる欠点は、基板端は基板支持体と接触せず、熱伝達に影響を与えるので、基板端がより熱くなるという点である。加えて、反応による熱は、オーバーハング部の基板の上下面側に加えられる。このことは、ウェーハ上での化学反応の均一性に問題をもたらす。ウェーハの場所によって温度が異なる場合、ウェーハ上で同一となるよう意図されたウェーハ構造は、場所によって異なる速さで形成され、構造が一貫性を欠くことになる。よって、プラズマ環境で作動可能な機構により、熱伝達に変化をもたらして、ウェーハ全域にわたって均一温度にすることが望ましい。
【００１３】
【発明の概要】
本発明は、改良された基板支持体と、多数の圧力ゾーンを基板支持体表面に提供する操作方法とを提供する。異なるゾーン内が異なるガス圧となるように、異なるゾーン間にシール領域が設けられる。より多くの熱伝達が望ましい基板領域に対応するゾーンには、より高いガス圧が加えられる。基板支持体とウェーハとの間の間隙、及びガス圧はそれぞれ、所望の熱伝達量が得られるように選択される。
【００１４】
一実施態様において、ゾーン毎に圧力を制御するために、フィードバック制御ループを使用して、基板温度を制御する。少なくとも一個の温度センサを使用して温度信号を提供し、その信号にコントローラが応答して、ガス圧を制御することにより、それに応じた加熱又は冷却を行う。
【００１５】
一実施態様において、幾つかの突出部が、熱伝達ガスの流れを基板の下側で促進する空間を提供するために、基板支持体の上部から多数の突出部が延在する。従って、熱伝達は、基板及び基板支持体の表面粗さとは実質的に無関係になる。突出部は、静電チャックの上部面全体にわたって均等な間隔を空け、突出部間の間隙の非接触面積は、前記突出部の接触面積よりも大きいことが望ましい。
【００１６】
突出部の高さ、即ち、基板と基板支持体の上部との間隙は、最適化されている。先ず、自由分子熱伝達を確保して、電界によるガス分解を防ぐために、十分小さい間隙を選択する。加えて、基板上の突出部の接触点での異常形成を防ぐために、間隙の大きさは、誘電体の厚さ全体と比較して小さくしなければならない。これらの接触点の誘電値は、間隙と比べると、実質的に異なる誘電値を有し、接触点毎に電界を異ならせる。第２に、ガスの圧力分布が素早く安定状態に到達するよう、間隙は十分大きくなければならず、それによって、工程立上げ時間が影響を受けることはない。その高さは伝達ガスの平均的自由行程よりも低いことが望ましい。突出部の大きさは、ガス用空間を最大化する一方で、基板を過度に反らさないで支持するのに十分な大きさである。
【００１７】
静電チャックの他の実施態様では、誘電体の厚さに変化をもたせる。特に、誘電体は、ウェーハの周縁部周りに強い静電気力を持つように、支持体の中間を厚くしてある。このことは、端部の熱の差が原因である反りを防ぐことによって、そして、一実施態様において、ウェーハ周縁部で高圧の熱伝達ガスを逃がすことのないようにすることを可能にすることによって、ウェーハ周縁部の熱伝達を改良する。
【００１８】
本発明の特徴と利点を更に理解するために、添付図面に関連した以下の説明を参照すること。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の原理による静電チャック１４を含む代表的なウェーハ処理装置２を示す。静電チャックは一例として用いられており、静電チャック１４以外の基板支持体を用いることもできる。静電チャック１４は、装置２の高密度プラズマ反応チャンバ８内の半導体ウェーハＷを支持して電気的に保持する。
【００２０】
図１において、ウェーハ処理装置２は、チャンバのためにガスとウェーハを電気的にハンドリングしたり、他の支持する機能を提供するメインフレームユニット（図示せず）に取り付けられる。装置２は通常、例えばボルトで、メインフレームユニットへ脱着可能に取り付けられており、メンテナンスや修理のために、プラズマ反応チャンバ８を取り外すことができたり、他のチャンバと交換可能となっている。ウェーハ処理装置２の図示実施形態と互換性のあるメインフレームユニットは、現在、サンタクララ市のアプライドマテリアルインコーポレイテッドから Precision 5000（商標）、Centura 5200（商標）、Endura 5500（商標）システムとして販売されている。しかし、本発明は、マルチチャンバ処理システムでのプラズマ反応チャンバの一部として図示説明しているが、この方法に限定されるものではないことを理解すべきである。即ち、本発明は、様々な処理チャンバに用いることができる。
【００２１】
ウェーハ処理装置２は、前記プラズマ反応チャンバ８及び静電チャック１４を格納するエンクロージャアセンブリ１２を包含する。エンクロージャアセンブリ１２は、好ましくは４本のロッド（図示せず）によって静電チャック１４の上方で支持されたカバーリング２０ないしはホットプロセス（熱間プロセス）キットを包含する。カバーリング２０は誘電体材料から成り、この誘電体材料は、ウェーハＷ上方のチャンバ８内のプラズマが静電チャック１４の一部に接触することによって腐蝕するのを阻止するか最小限に抑制する。
【００２２】
静電チャック１４を採用するこのシステムは、プラズマ反応チャンバ８用に、従来の電気回路要素を包含する。電気回路要素には、直流電源２４及びＲＦ電源２７が含まれる。直流電源２４は、例えば+700ボルトや-1200ボルトの適切なクランプ電圧を、静電チャック１４と（接地された）チャンバ壁との間に供給する。電源２４は、直流電源２４をＲＦ電源２７から絶縁する低域フィルタ２６を介して、静電チャック１４に接続される。
【００２３】
ＲＦ電源は、プラズマ反応電力を提供する。ＲＦソース電源及びバイアス電源はそれぞれ、インピーダンス整合回路網２８を介してチャンバと接続され、ソース電源は誘導アンテナ３０に接続され、バイアス電源は静電チャック１４に接続される。ソースＲＦ発生器は、所望の化学反応に必要な、プラズマ状態のイオンを生じる。バイアスＲＦはそれらのイオンをウェーハ基板へ向けて駆動する。バイアス電源及び直流電圧両方の接地基準は、接地された上部電極３２である。直流電源２４は、ウェーハＷを静電保持する電界を生成させるために、クランプ電圧をペデスタルに供給する。ウェーハＷを解放したい時（つまり「チャックから外」したい時）に、ウェーハの解放を早めたい場合は、電源２４をゼロ出力電圧か、又は逆極性電圧に切り替えてもよい。
【００２４】
プラズマ反応チャンバは、高密度で低エネルギーのプラズマを発生して、それを維持するために、誘導結合ＲＦ電源を採用している。ＲＦバイアス電源は、ウェーハＷ及び静電チャック１４を介してプラズマに容量結合され、プラズマソース領域に配置した反対の接地電極３２がバイアス電流用の戻り路を提供する。図示したプラズマ反応チャンバ８のより詳細な説明と、ウェーハＷの処理における操作方法は、米国特許第5,350,479号で見出すことができる。
【００２５】
静電チャック１４は、吸水管３４及び排水管３８を包含し、両管は熱交換器３３に連結されている。ヘリウムガスの入口４７及び５２は、ウェーハの下の静電チャック面にヘリウムを供給するため、ヘリウム供給装置５３に接続されている。オプションの真空ライン３５が、ヘリウムガスを静電チャック面から排気するため、真空ポンプ３７に接続されている。配水管に加えて、静電チャックを抵抗加熱して、ウェーハを加熱するヒータ４３に接続した加熱ライン４１をオプションとして設けてもよい。
【００２６】
熱交換器３３、真空ポンプ３７、ヘリウム供給装置５３及びヒータ４３は全て、記憶装置４５に保存されたプログラムで作動するコントローラ３９によって制御される。コントローラ３９は、直流電源２４及びＲＦ電源２７も、図１に示されていない他のウェーハ処理システムと同じように制御する。ウェーハの温度にフィードバックを与えるため、コントローラ３９に接続した温度センサ９６も示す。
【００２７】
図２の（Ａ）及び（Ｂ）は、ウェーハの不均一加熱を示す。図２の（Ａ）は、周縁部６０が基板支持体６１からオーバーハングした状態のウェーハＷを示す。通常、このような、フッ素、スパッタリング、あるいはその他のウェーハ処理によって、基板支持体の側面及び上面のアルミナコーティングが、エッチングによって除去されてしまわないようにこれらのオーバーハングを設ける。矢印６３は、プラズマや化学反応からウェーハに伝達される熱を示している。図示のように、ウェーハの中央部６２は、上部からのみ熱を受けるが、周縁部６０は上部、側部、下部から熱を受ける。加えて、ペデスタルは、中央部６２の直下にあり、熱を奪うことができるが、周縁部からの熱を容易に直接的に奪うことはできない。
【００２８】
ウェーハＷの通常の温度分布を図２に示す。図示のように、ウェーハ周縁部が最も熱くなっている。図２の（Ｃ）は、本発明が達成に努める、基板の理想的な熱伝達プロフィルを表す。図示のように、周縁部付近の狭い領域では非常に大きな熱伝達量が必要である。熱除去の位置は、熱投入位置にほとんど一致させて横断方向の熱伝達を避けるのが理想的である。
【００２９】
図３は、本発明による静電チャック６４の一実施形態の平面図である。滑らかな上面に代わって、多数の溝を表面に設けてあり、多数の突出部６６が形成されている。これら突出部の中央ゾーン６８は、シール７２によって、周縁ゾーン７０と隔てられている。シール７２は、突出部を設けるべく溝を形成するようにはしない単なる領域であり、ウェーハと本質的に均一に接触する固体表面を形成する。外側のシール７４は、ヘリウムガスのチャンバ内への漏洩を最小化するためのバリアを提供している。
【００３０】
ヘリウムガスは、リング７６を介して周縁ゾーン７０内に入れられる。このリングは内部に、一連の孔を有する溝であり、図１の高圧ヘリウムライン４７から高圧ヘリウムをこのゾーン内に受け入れる。内側リング７８は、低圧ヘリウムライン４７から低圧ガスを中央ゾーン６８へ入れる。操作時には、中央ゾーン６８でヘリウムの初期低圧が達成されてから後、ヘリウムリング７８は、シール領域７２を通して漏れるヘリウムガスを排除して、ヘリウムを所望する低圧力に維持する。オプションとしての別の実施形態において、リフトピンホールであってもよい真空ホール８０を用いて、図１の真空ライン３５を利用して中央ゾーン内のガスをポンプ抜きして、中央ゾーンの圧力を更に低くすることが可能である。任意に、真空ホールを追加してもよい。
【００３１】
ヘリウム溝７８は、シール領域７２近傍に配置するのが望ましい。できるだけ近傍へ配置することにより、図２の（Ｃ）の所望の熱伝達のステップ状機能に近付けることができる。従って、高圧ガスは、周縁部による狭い領域に収容される。高圧ガスが、ウェーハの中心へ向かって余りにも遠くへ行き渡ってしまうと、冷たい中心はいっそう冷え、高圧ガスによって与えられた温度差の減少を部分的に相殺してしまう。
【００３２】
操作時に、ウェーハを加熱するために、低圧ヘリウム（１〜１５Torr）が中央ゾーン６８に供給され、高圧ヘリウム（１〜２０Torr）が周縁ゾーン７０に供給される。周縁ゾーンにおける高い圧力のヘリウムは、図２に記載の加熱効果を相殺するように、ウェーハの周縁部でより良好な熱伝達を与える。
【００３３】
一つの実施態様において、シール部は、静電チャック６４の上部の残部と同じくセラミックコーティングが施されている。そのようなセラミックコーティングには小さい隙間があるので、シール領域は完璧なシールを提供しない。加えて、基板又はウェーハの裏面で何らかの粗さを持ち、それは基板支持体よりも粗いかもしれない。従って、シール領域は、一方の領域から他の領域へのヘリウムの顕著な漏れを防ぐよう、十分な幅を持たなければならない。シール幅は１／１０インチ、つまり１００ｍｉｌが有効であることが実験で確かめられた。シール幅は、５０ｍｉｌから３００ｍｉｌの範囲であることが好ましい。外側シール７４については、このシールより上のウェーハの領域が、高圧ヘリウムからの熱伝導の恩恵を受けないので、幅を最小にするのが望ましい。同時に、シール幅は、チャンバ内の反応に悪影響を及ぼす、チャンバ内への顕著なヘリウム漏れを防ぐ大きさでなくてはならない。同じように１００ｍｉｌのシール幅が効果的であり、５０ｍｉｌから３００ｍｉｌのシール幅が最適であることが見出された。基板支持体及び基板の材料、滑らかさが違えば別の幅が適切な場合がある。例えば、多くの著名なサプライヤから入手できる  Kapton（商標）などのポリマーフィルムを用いる場合、そのコンプライシー（融通性）により、小さい幅とすることができる。
【００３４】
熱伝達ガスは、不活性で、比較的値段が安いことから、ヘリウムが好ましい。代わりに、アルゴン、酸素、ＣＦ4、その他のガスを用いることもでき、また、混合ガスを用いてもよい。混合ガスを用いて、例えば、追加の圧力制御を行うこともできるであろう。漏れガスが、化学反応に与える影響を最小限にするため、チャンバ内での化学処理と互換性を持つように、特定のガスを選択することができる。例えば、フッ素をエッチング核種として用いるエッチング反応において、ＣＦ4をバックサイド熱伝達ガスとして用いることが望ましい。
【００３５】
熱伝導は、主にヘリウムガスを介して行われるので、突出部の大きさと数、及びシール領域を最小にすることが望ましい。従って、基板の全面積にわたり、接触面積は非接触面積よりも小さくなければならない。他方、シールはガス漏れを防ぐことが必要であり、突出部は、ウェーハを機械的に支持することのできる大きさと間隔でなければならない。加えて、最適化するために他の要因がある。突出部間の、基板と基板支持体との間隙を決める突出部の高さは、プロセス立ち上げ時間に悪影響を及ぼすことなく、ゾーン全体へ迅速にガスが分布するような高さでなければならない。通常、これは、およそ数秒オーダーでなければならず、好ましくは、１０秒以下で分布させるのが好ましい。
【００３６】
熱伝達を最適化するには、熱伝達は主として、分子を基板から基板支持体へと直接飛行させ、自由分子による熱伝達を行うように間隙を十分小さくしなければならない。従って、間隙はガスの平均自由行程（又は、混合ガスを用いる場合の平均自由行程）よりも小さくすべきである。平均自由行程は、ガス圧と分子の衝突断面の関数である。様々な圧力を用いる場合、平均自由行程も変わる。好ましい実施形態において、与えられる最大圧の平均自由行程は、間隙寸法の決定に用いられる。
【００３７】
加えて、誘電体厚さに対する間隙の比は、基板上での局所不良を避けるために小さくしておかねばならない。この比率が大きい場合、等価静電容量が、空間と突出部との間で著しく変化して、著しく異なる電界を基板に印加する。この異なる電界は、化学処理に悪影響を及ぼし、堆積、エッチング、ドーピング、その他の特性変更を行う処理中、フィルムに不均一性をもたらす。ある程度の差は必要ではあるが、最小にすることが望ましい。また、比の大きさも、誘電体材料、特に材料の誘電定数と、熱伝達ガス（主たるもの）の誘電定数との差によって変わる。２つの誘電定数が近い値である程、間隙を大きくする心配は少なくなる。
【００３８】
間隙の大きさを設定する上での別の懸念は、基板支持体とウェーハの裏面との間の熱伝達ガスによりプラズマが発生しないようにすることである。この懸念は、間隙の大きさが熱伝達ガスの平均自由行程の何倍かになると生ずるものと考えられている。
【００３９】
静電チャックの一つの実施形態では、セラミックコーティングの厚さは、７〜１０ｍｉｌのオーダーである。Kapton（商標）を使用する場合、厚さは１〜２ｍｉｌがよい。理想的には、チャックを目的とする場合、製造の一貫性を維持し、誘電破壊を防ぐ範囲内で、誘電体をできる限り薄くする。前記２つのゾーンの圧力でのヘリウムの平均自由行程は、約１〜５ｍｉｌである。（きわめて高い圧力では、平均自由行程は１未満でもよい。）従って、突出部高さを０．７〜１．２ｍｉｌに選択して、試験を行い、この高さが有効であることが判明した。間隙は、適正な圧力で熱伝達ガスの平均自由行程の２倍未満であることが好ましく、平均自由行程未満であることがより好ましい。
【００４０】
突出部間の間隔は、反りなく基板を支持する一方で、できる限り大きくする。一つの実施形態において基板は平面に保たれるが、他の実施形態では、曲がった基板を適切に支持するために、突出部の高さを変化させたり、（等しい高さの突出部を持った）基板支持体の上面を変化させたりすることができる。別の要因は、電界に局所的異常を招くおそれのある尖った点を避けることである。間隔を大きく取りすぎると、チャック解放時、電荷の移動に悪影響を及ぼし、破壊の原因となる。
【００４１】
突出部の中心から中心までの最適な間隔は、１００〜３００ｍｉｌの範囲であり、より好ましくは約３００ｍｉｌであることが分かった。突出部自身の大きさは、直径１０ｍｉｌ〜１５０ｍｉｌが好ましいが、より好適には直径約１３０ｍｉｌである。方形突出部が図示されているが、これは単に製造が容易であるという理由であり、他の形状も同じように用いることもできる。例えば、環状のものを用いてもよい。
【００４２】
図示の実施形態おいて、ガス除去用の開口は外側周縁領域には、全く示されていないが、代替の実施形態では設けてもよい。ヘリウムの圧力制御は、高圧又は低圧のヘリウムを供給することか、あるいは真空ポンプを介して更に注入するかのどちらかで行うことができる。同様に、中心領域の圧力も、上記方法のいずれか、又は両方を組み合わせて制御することができる。端部近傍にリングとして配置したヘリウム源は、支持体中間部近傍の真空と連携して、中央領域内の圧力勾配を、中心に向かって追加的に減少させる。従って、本発明の代替の実施形態は、中央部のヘリウム入口と真空排出口との配置を通して行う微調整とともに、２種類の圧力ゾーンを介した、熱伝達の荒調整を提供する。代替実施形態において、２ヶ所以上のゾーンを、ハードウェアを交換する必要もなく、微調整のために使用できるであろう。
【００４３】
図４は、誘電体８６の誘電厚に変化を持たせた静電チャック６４の一実施形態の側面図である。ウェーハ８２はチャック上に取り付けられている。チャックは、誘電体８６で覆われた電極部８４を包含する。誘電体は静電チャックの上部を横切り、側面９０に沿って延在する。図から分かるように、誘電体は中央部９２で厚く、周縁部９４で薄くなっている。この側面図には、多数の突出部７０を示し、また内側シール７２と外側シール７４も示している。
【００４４】
周縁部９４が薄い誘電体は、その部分でより強い静電気力を提供する。これは多くの理由で有益である。第１に、ウェーハをより強く保持して、静電チャック上部との良好な接触を提供することによって、より良好な熱伝達が確保される。第２に、より強い締付力により、周縁付近のシール７２と７４との間の高圧ヘリウム中での保持が助長される。更に、ウェーハの周縁部の温度が中央部の温度と差がある場合、周縁部は中央部に対して曲がってしまって、上か下に反り返り、この点は、周縁部により大きな適切な静電力をもたらすことで克服できる。
【００４５】
代替実施形態において、厚さに変化を持たせた誘電体は、２種類の圧力ゾーン、又は突出部なしで用いることができる。誘電コーティングに変化を持たせるには、連続して、あるいは段階的に行うことができる。段階的に差を持って行う方が、製造は容易であり、安上がりである。
【００４６】
シール領域７４、及びウェーハ端部のより強い静電気力の別の利点は、静電チャックの上面付近の露出金属でプラズマアークが発生しないようにする点である。そのような露出金属は普通、アルミニウム電極を上へ貫通するヘリウム入口ポートにあり、よって、これらの孔を介し電極に通路を露出させる。アーク発生は、もっときついシールを設けて、静電チャックの端部から十分離してヘリウム入口ポートを配置するか、又はそこに溝を付けることによって防ぐ。
【００４７】
図４に示すように、温度センサ９６を静電チャック上面とウェーハとの間の空間に設けることができる。従って、ウェーハ温度をセンサで推測することができる。
【００４８】
図５は、温度制御を図示するフィードバック制御システムの信号の流れ図である。図５は、ヘリウム圧力を制御するための閉ループ温度制御システムを表す図である。代替として、開ループシステムを、温度センサなしで使用することができる。所望するパラメータに関し、ヘリウム圧力の適正値は従来の実験で定められているので、温度センサは代替実施形態においては不要であろう。図５は、処理装置で実行される機能、及び物理的効果の両方を含んでいる。
【００４９】
図５に示すように、設定温度は、ユーザがプログラミングした入力として、メモリー４５の制御プログラムから図１のコントローラ３９に提供される。コントローラは定数９８を、設定温度に乗算し、その結果を加算関数１０２によって示されるように、フィードバック信号１１３に加算する。加算関数は、ヘリウム供給装置内の流量絞り又はバルブを制御してヘリウム圧力を制御するよう、コントローラに使用される。これはヘリウムガスの熱伝達範囲を変化させる。好適な実施形態において、ヘリウム圧力は数式モデルに従って制御されるが、実験上の結果もまた、圧力制御の基準として用いられ得る。数式モデルを以下に述べる。ブロック１０２で示すように、ヘリウム圧力により、静電チャック（ＥＳＣ）への熱伝達が制御される。（代替として、任意のタイプの基板支持体を用いてもよい。）ＥＳＣは、熱交換器３３によって冷却されるか、又はヒータ４３によって加熱されるかのいずれかであり、ウェーハへの熱伝達量はヘリウム圧力で制御される。ＥＳＣへの熱伝達とで（ブロック１０６で示されるように）結び付く、（ブロック１０４で示されるような）プラズマから転移されるエネルギーにより生じる熱により、この熱伝達は相殺される。（ブロック１０８で示されるような）ウェーハ熱質量(thermal mass)に印加される総合的な熱伝達により、ウェーハに温度１１０を生じさせる。半導体ウェーハではない、別の基板が用いられるかもしれないことに注意すること。また、ウェーハの最終温度１１０は、フィードバックライン１１１によって示されるように、静電チャックへの熱伝達量に大きな影響を与える。ブロック１０２で示すＥＳＣとウェーハとの間の熱伝達関数は、ＥＳＣの温度と同じく、ウェーハ温度の関数である。図示したように、ＥＳＣへの熱伝達（１０２）が、ウェーハから熱を奪う一方、プラズマからの熱（１０４）がウェーハを加熱する。しかし、静電チャックがウェーハの加熱に用いられている場合、それは逆になり、よって、プラズマが低温であるという理由で、又は単にチャンバにプラズマが無いという理由で、熱が奪われる間、熱入力を提供する。
【００５０】
ブロック１１２は、温度センサによる、温度の電気信号への変換を示している。ブロック１１４は、温度信号を、フィードバックとしての設定温度と組み合わせる前に、プロセッサに与えられる変換関数を示す。そのような変換関数は、その最も簡単な形で、１（ユニティ：unity）であるかもしれない定数を乗算したものか、又は単に、アナログ信号からデジタル信号への変換であるかもしれない。
【００５１】
コントローラが実行する機能は、メモリー４５内のプログラムの制御の下で行われる。このプログラムは、様々な手順を実施するための命令、例えば、温度センサからの温度指示を読む命令、その温度を所望の設定入力温度と比較する命令、及び、圧力バルブ（又は流量絞り弁）を制御して特定の圧力ゾーン内へガス圧力を変化させる命令を含んでいる。その他の命令は、異常発生時のガス遮断命令などである。
【００５２】
単一圧力静電チャックを用いているところでは、圧力を増加したり、減らしたりすることによって、ヘリウム圧力を制御することができる。代替として、本発明の好ましい実施形態のように、２つの圧力ゾーンを使用するところでは、外側及び内側のヘリウム圧を別々に制御することができる。各範囲の温度は、例えば、２つのゾーンの境界近傍に配置した、一個の温度センサだけで推測できる。代替として、２個の温度センサを使用してもよい。他の代替実施形態において、温度センサは静電チャックの上面に取り付けることができ、また、代わりにウェーハ自身に直接接触するよう設置してもよい。温度センサを、圧力変化の原因となるゾーン間の漏れがあるようなところで、圧力を推測するのに用いてもよい。圧力レギュレータは、ウェーハから何らかの距離がある、その出力部の圧力だけを検出するのが普通であろう。温度センサは、ウェーハの下の実際の圧力を推測するのに用いることができるであろう。ウェーハの表面粗さに依存して、漏れが変化し、供給される圧力を変える必要があるかもしれない。
【００５３】
制御システムは特定の制約を受けるのが普通である。例えば、ウェーハが静電チャックから上へ離れてしまわないよう、ヘリウム圧力は制限されている。さもないと、更に大きな圧力差がもたらされて、熱応力によりウェーハを損傷させる熱勾配が生ずる。そのような制約を超えてしまったり、その他の明らかな故障が発生した場合、ガスフローは停止する。
【００５４】
上記のように、本発明によるシステムの好ましい実施形態において、熱伝達関数の数式モデルを用いて、ヘリウム圧力を制御する。このモデルを、図６に関連して説明する。図６に示すように、一枚のウェーハが静電チャック上に位置決めされている。モデルを図示するために、チャックとウェーハとの間に拡大した空間を示す。
【００５５】
図６に示すシステムにおいて、
ｑP  ：プラズマからの熱フラックス
ｑOUT：基板（チャック）への熱フラックス
ｑRAD：熱放射による熱フラックス
ｑGAS：自由分子熱伝導による熱フラックス
ＴWAF：ウェーハ温度（センサ温度）
ＴC  ：静電チャックの温度
αW  ：ウェーハの適応係数
εW  ：ウェーハの放射率
αC  ：チャックの適応係数
εC  ：チャックの放射率
σ   ：ステファン・ボルツマン定数
ｐ   ：ガス圧力
γ   ：局所境界条件、例えばセンサ位置、ウェーハ位置等、による補正係数
ρ   ：ウェーハ密度
ＣP  ：ウェーハの比熱
ｔ   ：ウェーハの厚さ
Λ   ：ガスの熱伝導率
である。
【００５６】
ウェーハには、エネルギーの保存を用いる。
【００５７】
【数１】
0004176848.tif 000002
【数２】
0004176848.tif 000003
【数３】
0004176848.tif 000004
【数４】
0004176848.tif 000005
【数５】
0004176848.tif 000006
ここで、
【数６】
0004176848.tif 000007
また、適応係数
【数７】
0004176848.tif 000008
定常状態では、
【数８】
0004176848.tif 000009
【数９】
0004176848.tif 000010
簡単にすると、
【数１０】
0004176848.tif 000011
である。
【００５８】
２つの圧力ゾーンのための、圧力制御システムの一つの実施形態形態を、図７に示す。基板支持体１２０は、別々のゾーンに接続された高圧ガスライン１２２と低圧ガスライン１２４を有する。高圧ヘリウムコントローラ１２６は、加圧ヘリウムタンク１２８から、高圧ライン１２２に供給する。コントローラ１２６は、その出力圧をモニターし、ヘリウムの流量を調整して所望圧力に維持する。バルブ１３０は、高圧ライン１２２と低圧ライン１２４との間に圧力低下を与える。この方法の場合、単一の圧力コントローラを用いて、両方の圧力を制御することができる。また、真空ポンプ１３２も低圧ライン１２４に接続され、バルブ１３１を介してもう一つの制御レベルを提供する。代わりに、２個の別の制御装置を用いてもよく、真空ポンプを別のラインに接続することも可能であろう。また、流量絞り弁をバルブの代わりに用いることもできるだろう。他の実施形態において、別々の圧力コントローラと流量絞り弁とを、別々の圧力ゾーンに用いることもできるだろう。
【００５９】
当業者には理解できるように、本発明は、その精神又は本質的な特徴を逸脱することなく、他の具体的な形で実施することができる。例えば、圧力ゾーンを２つの代わりに３つ使うこともできるだろう。代替として、本発明に記載の様々な特徴の異なる組み合わせを用いることができる。例えば、圧力ゾーンを用いずに、突出部を、変化をもたせた誘電体と組み合わせることができる。同様に、他の組み合わせも可能である。従って、前記実施形態は、特許請求の範囲に明記した本発明の範囲の例証となるものを意味するものであり、これに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を用いた、半導体処理装置の一実施形態を示す説明図である。
【図２】（Ａ）〜（Ｃ）は、不均一加熱による、ウェーハの温度勾配を示す説明図である。
【図３】本発明の一実施形態による、圧力ゾーン及び最小接触突出部の平面図である。
【図４】本発明の一実施形態による、厚さに変化をもたせた誘電体の側面図である。
【図５】本発明の別の実施形態による、ウェーハ温度制御用の電子制御ループのブロック図である。
【図６】ガス圧力制御システム用の数学的モデルを示す図である。
【図７】本発明によるガス圧力制御システムの一実施形態を示す説明図である。
【符号の説明】
２…ウェーハ処理装置、８…チャンバ、１４，６４…静電チャック、２０…カバーリング、２４…直流電源、２７…ＲＦ電源、２８…整合器、３２…電極、３３…熱交換器、３４…吸水管、３５…真空ライン、３７…真空ポンプ、３８…排水管、３９…コントローラ、４３…ヒータ、４５…メモリー、６０…周縁部、６１…基板支持体、６２…中央部、６６…突出部、６８…中央ゾーン、７０…周縁ゾーン、７２，７４…シール領域、７６…リング、７８…内側リング、８２…ウェーハ、 ８６…誘電体、９６…温度センサ。
【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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