(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体処理に用いられる伝熱装置であって、
（ａ）静電チャックの本体の表面と熱的に接する第１の面と、低温体の表面と熱的に接する第２の面とを有する少なくとも１つの伝熱用熱井筒であって、該第１の面は該伝熱用熱井筒の第１の端部の面であり、該第２の面は該伝熱用熱井筒の第２の端部の面である、該少なくとも１つの伝熱用熱井筒と、
（ｂ）前記伝熱用熱井筒の第２の面と前記低温体との間の境界接触材料である潤滑剤と、
を備え、
前記潤滑剤は、前記少なくとも１つの伝熱用熱井筒の前記第２の面が前記低温体の表面に沿って滑動することを可能とし、前記少なくとも１つの伝熱用熱井筒の前記第２の面と前記低温体の前記表面との間の間隙を満たして、前記少なくとも１つの伝熱用熱井筒の前記第２の面と前記低温体の前記表面との間の伝熱を促進する、
伝熱装置。
【請求項２】
前記潤滑剤がサーマルグリースである、請求項１に記載の伝熱装置。
【請求項３】
前記サーマルグリースが熱伝導性材料を含んでいる、請求項２に記載の伝熱装置。
【請求項４】
前記熱伝導性材料は、窒化ホウ素の粒子及びアルミニウムの粒子から成る群より選ばれたものである、請求項３に記載の伝熱装置。
【請求項５】
前記少なくとも１つの伝熱用熱井筒は、前記静電チャックの本体と熱的に接する第１の面と前記少なくとも１つの伝熱用熱井筒と接する第２の面とを有する伝熱プレートを介して、前記静電チャックの本体と熱的に接する、請求項１に記載の伝熱装置。
【請求項６】
（ａ）高電圧直流電流と高周波の電気入力を可能とする電極が埋設された静電チャックの本体であって、当該静電チャックの本体を加熱することができる加熱要素が埋設された静電チャックの本体と、
（ｂ）前記静電チャックの本体の表面と熱的に接する第１の面と、少なくとも１つの伝熱用熱井筒の第１の端部の第１の面と接する第２の面とを有する伝熱プレートを含んでいる伝熱装置と、
（ｃ）前記少なくとも１つの伝熱用熱井筒の第２の端部の第２の面と接する表面を有する低温体と、
（ｄ）前記少なくとも１つの伝熱用熱井筒の前記第２の面が前記低温体の表面に沿って滑動することを可能とし、前記少なくとも１つの伝熱用熱井筒の前記第２の面と前記低温体の前記表面との間の間隙を満たして、前記少なくとも１つの伝熱用熱井筒の前記第２の面と前記低温体の前記表面との間の伝熱を促進する潤滑剤と、
を備える、半導体処理に用いられる装置。
【請求項７】
前記少なくとも１つの伝熱用熱井筒と、前記熱井筒と熱的に接する前記低温体との間に付加的な要素として潤滑剤を含んでいる、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記潤滑剤がサーマルグリースである、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記サーマルグリースが熱伝導性材料を含んでいる、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記熱伝導性材料は、窒化ホウ素の粒子及びアルミニウムの粒子から成る群より選ばれたものである、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記静電チャックが窒化ケイ素から成る、請求項６に記載の装置。
【請求項１２】
前記伝熱プレートは円板状又はプレート状であり、前記伝熱プレートは前記静電チャックの下面にろう付けされている、請求項６に記載の装置。
【請求項１３】
前記伝熱プレートは窒化ケイ素から成る、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの伝熱用熱井筒は前記伝熱プレートに前記第１の端部でろう付けされている、請求項６に記載の装置。
【請求項１５】
前記伝熱用熱井筒は、平坦な伝熱面を有する前記第２の端部を含んでいる、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記低温体は平坦な伝熱面を有している、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記少なくとも１つの伝熱用熱井筒の前記平坦な伝熱面と、前記低温体の前記平坦な伝熱面との間に付加的な要素として潤滑剤を含んでいる、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記潤滑剤がサーマルグリースである、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記サーマルグリースが熱伝導性材料を含んでいる、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記熱伝導性材料は、窒化ホウ素の粒子及びアルミニウムの粒子から成る群より選ばれたものである、請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
（ａ）加熱要素が埋設された静電チャックの本体であって、前記加熱要素に対する電力が、前記静電チャックの本体の温度計測値、前記静電チャックの本体と熱的に接する半導体基板の温度計測値又はプロセス変量の温度計測値に応じて制御されるようになっている、前記静電チャックの本体と、
（ｂ）前記静電チャックの本体の表面と熱的に接する第１の面と、低温体と熱的に接する第２の面とを有する少なくとも１つの伝熱用熱井筒を含んでいる伝熱装置であって、該第１の面は該伝熱用熱井筒の第１の端部の面であり、該第２の面は該伝熱用熱井筒の第２の端部の面である、該伝熱装置と、
（ｃ）前記少なくとも１つの伝熱用熱井筒の前記第２の面が前記低温体の表面に沿って滑動することを可能とし、前記少なくとも１つの伝熱用熱井筒の前記第２の面と前記低温体の前記表面との間の間隙を満たして、前記少なくとも１つの伝熱用熱井筒の前記第２の面と前記低温体の前記表面との間の伝熱を促進する潤滑剤と、
を備える、半導体処理に用いられる装置。
【請求項２２】
前記加熱要素に対する電力が、前記静電チャックの本体の前記温度計測値に応じて制御される、請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
（ａ）高密度プラズマ化学的蒸着処理チャンバと、
（ｂ）加熱要素が埋設された静電チャックの本体であって、前記加熱要素に対する電力が、前記静電チャックの本体の温度計測値、前記静電チャックの本体と熱的に接する半導体基板の温度計測値又はプロセス変量の温度計測値に応じて制御されるようになっている、前記静電チャックの本体と、
（ｃ）前記静電チャックの本体の表面と熱的に接する第１の面と、低温体と熱的に接する第２の面とを有する少なくとも１つの伝熱用熱井筒を含んでいる伝熱装置であって、該第１の面は該伝熱用熱井筒の第１の端部の面であり、該第２の面は該伝熱用熱井筒の第２の端部の面である、該伝熱装置と、
（ｄ）前記少なくとも１つの伝熱用熱井筒の前記第２の面が前記低温体の表面に沿って滑動することを可能とし、前記少なくとも１つの伝熱用熱井筒の前記第２の面と前記低温体の前記表面との間の間隙を満たして、前記少なくとも１つの伝熱用熱井筒の前記第２の面と前記低温体の前記表面との間の伝熱を促進する潤滑剤と、
を備える、半導体処理に用いられる装置。
【請求項２４】
静電チャックから熱を伝える伝熱方法であって、
（ａ）熱が取り出されるべき前記静電チャックの表面を用意し、
（ｂ）前記静電チャックの前記表面と熱的に接する少なくとも１つの伝熱用熱井筒の第１の端部の第１の面を配置し、
（ｃ）低温体と熱的に接する前記少なくとも１つの伝熱用熱井筒の第２の端部の第２の面を配置し、
（ｄ）前記少なくとも１つの伝熱用熱井筒の前記第２の面が前記低温体の表面に沿って滑動することを可能とし、前記少なくとも１つの伝熱用熱井筒の前記第２の面と前記低温体の前記表面との間の間隙を満たして、前記少なくとも１つの伝熱用熱井筒の前記第２の面と前記低温体の前記表面との間の伝熱を促進する潤滑剤を提供する、
ことを備える伝熱方法。
【請求項２５】
前記少なくとも１つの伝熱用熱井筒の前記第２の面と前記低温体との間に潤滑剤を配置する工程を更に含む、請求項２４に記載の伝熱方法。
【請求項２６】
前記潤滑剤がサーマルグリースである、請求項２５に記載の伝熱方法。
【請求項２７】
半導体処理チャンバ内に配置された静電チャックから熱を伝える伝熱方法であって、
（ａ）加熱要素が埋設された静電チャックの本体を用意し、
（ｂ）前記静電チャックの本体の温度計測値、前記静電チャックの本体と熱的に接する半導体基板の温度計測値又は前記処理チャンバ内のプロセス変量の温度計測値に応じて前記加熱要素に対する電力を制御し、
（ｃ）前記静電チャックの本体の表面と熱的に接する少なくとも１つの伝熱用熱井筒の第１の端部の第１の面を配置し、
（ｄ）低温体と熱的に接する前記少なくとも１つの伝熱用熱井筒の第２の端部の第２の面を配置し、
（ｅ）前記少なくとも１つの伝熱用熱井筒の前記第２の面が前記低温体の表面に沿って滑動することを可能とし、前記少なくとも１つの伝熱用熱井筒の前記第２の面と前記低温体の前記表面との間の間隙を満たして、前記少なくとも１つの伝熱用熱井筒の前記第２の面と前記低温体の前記表面との間の伝熱を促進する潤滑剤を提供する、
ことを備える伝熱方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電チャックの高温のペディスタルから下側の低温のプレートに熱を伝達するための装置及び方法に関する。より詳細には、本発明の静電チャックの全体的な構造は、電気接続子及び幾つかの伝熱要素を含む装置の低温で大気圧の部分から、高温の真空処理チャンバを熱的に隔離することができる。
【０００２】
【従来の技術】
半導体ウェハのような物品のプラズマ処理において、一般的な問題は、エネルギが物体に伝えられるようにする物理的蒸着メカニズムにより発生される熱である。高電子密度プラズマ（ＨＤＰ）において、ＲＦエネルギがプラズマチャンバの「ソース」領域に電磁的に結合され、高電子密度のプラズマを発生させ維持する。更に、ＲＦ「バイアス」エネルギは、一般的に、物体が処理されている間に、プラズマ内で容量結合され、イオンフィールドを物体（典型的には半導体基板）の方向に導く。
【０００３】
今日、半導体処理で用いられる好適な処理方法は、「ＨＤＰ／ＣＶＤ」プロセスであり、このプロセスにおいては、高密度プラズマがＲＦバイアスとの組合せで用いられ、同時にスパッタリングと、化学的蒸着誘電体層を堆積する。この処理方法は、空孔（ボイド）を形成することなく、メタルライン全体にわたり、誘電体膜の堆積を可能とする。バイアスエネルギは、電磁チャック上に支持された半導体基板を通して、２．５ＫＷ以上であるのが典型的である。このような高密度プラズマにおいて生ずる物体へのエネルギの伝導の結果として、半導体基板の典型的な処理温度は、例えば、約３５０℃である。半導体基板（典型的にはシリコンウェハ）から離れる方向への伝熱は、深刻な問題となる。更に、半導体基板とその下側の静電チャックとの間の温度差は、数１００℃に達するおそれがある。半導体基板がシリコンウェハである場合、ウェハと下側の静電チャックとの間の温度差は、ウェハの中心からその外縁部に向って径方向に大きくなる。熱がウェハからその下側の静電チャックに伝導されるので、径方向の温度差は、ウェハ自体の表面に生ずる。ウェハ表面上のこの温度差は、ウェハ表面上で実行されるプロセスにおいて不均一性を生じさせるものである。
【０００４】
１９９４年９月２７日にコリンズ等に対して発行された米国特許第５，３５０，４９７号明細書及び１９９４年６月１４日に公開されたコリンズ等の欧州特許出願第９３３０９６０８．３号公報には、プラズマ反応チャンバ内で処理されるべき物体を保持するための静電チャックについて開示されている。この静電チャックは、誘電体材料の層で被覆された金属製のペディスタルを備えており、この層は、冷却ガスを流通させ、静電チャックの上面とその上面に支持された物体との間に分配するための冷却ガス分配システムを含んでいる。典型的には、誘電体材料は、アルミナであり、これは、最終的な所望厚さを越える厚さ、例えば１５〜２０mils（３８０〜５０８ミクロン）を有する層を形成するよう、熱スプレープロセスにより付着される。誘電体材料が付着された後、最終の所望厚さ、例えば７mils（１８０ミクロン）の層に研削される。次いで、誘電体層の上面が、層の表面全体にわたり、冷却ガス分配溝のパターンと、下側のアルミニウムペディスタルにおける冷却ガス分配キャビティと接続する誘電体層を貫通する小孔とを形成するよう、処理される。
【０００５】
上述の米国特許第５，３５０，４９７号明細書及び欧州特許出願第９３３０９６０８．３号公開公報に開示されている種類の静電チャックは、処理される半導体基板からその下側の静電チャックへの熱伝導を可能とする。その場合、静電チャックの温度制御が問題となる。静電チャックには、チャックプラトンの温度を上昇させる目的で、加熱要素が埋設されている。また、静電チャックペディスタルは、静電チャックペディスタルの温度を下げるために、冷却流体チャネルを含んでいる。このような加熱手段と冷却手段を熱電対と共に用いることにより、静電チャックペディスタルの制御が可能となる。半導体基板が約３５０℃であり、その下側のペディスタルが約２５０℃である場合、この高温で機能する冷却流体を見いだす必要がある。水は好適な冷却流体であるが、水は、大気圧下では１００℃で沸騰してしまう。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、課題は、特別な冷却流体や高圧流体システムを用いる必要なく、２５０℃以上の温度で表面から熱を抽出する方法を見いだすことである。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
本発明は、高温の静電チャックから下側の低温プレートに熱を伝達するための装置及び方法を述べている。更に、本発明による静電チャックの全体的構造は、静電チャックの上面上の高温の真空プロセス用の部分を、その下側にある静電チャックの下面上の低温の大気圧伝熱プロセス用の部分から熱的に且つ圧力的に隔離することができる。
【０００８】
本発明による伝熱装置は、
（ａ）静電チャックの本体の表面と熱的に接する第１の面と、低温体と熱的に接する第２の面とを有する少なくとも１つの伝熱用熱溜め（heat transfer thermal well）、及び、
（ｂ）前記熱溜めの第２の面と前記低温体との間の潤滑剤、
を備えている。
【０００９】
代表的な熱井筒は、一端が開放され他端が閉鎖された薄肉の円筒体である。この円筒体はその開放端部で静電チャックの本体の表面と接している。また、円筒体の閉鎖端部は、下側の低温プレートに熱を伝達するよう設計された平坦な面となっているのが典型となる。
【００１０】
伝熱装置のより好適な実施態様において、少なくとも１つの熱井筒は、静電チャック本体及び当該熱井筒と熱的に接する伝熱プレートを介して、静電チャック本体と熱的に接している。この伝熱プレートは、伝熱流体導管又は導通路を有しており、静電チャックの上面の方向に伝熱流体を導くためのマニホールドとして機能するものである。
【００１１】
熱井筒と静電チャック本体との間の接触が、熱井筒の開放端部を静電チャック表面又は伝熱プレートに溶着又はろう付けすることにより得られた場合、大気圧が熱井筒内で確実に維持され得るよう熱井筒の閉鎖端部に開口が形成されるのが望ましい。
【００１２】
大気圧の伝熱プロセスにおいて用いられる好適な潤滑剤は、サーマルグリースである。好適なサーマルグリースは、熱伝導性材料、一般的には窒化ホウ素粒子又はアルミニウム粒子のような粒状体を含んでいる。
【００１３】
また、本発明は、
（ａ）高電圧直流電流と高周波の電気入力のための電極が埋設された静電チャックの本体であって、当該静電チャックを加熱するために用いられることができる加熱要素が埋設された静電チャックの本体と、
（ｂ）静電チャックの本体と熱的に接する第１の面と、少なくとも１つの伝熱用熱井筒と接する第２の面とを有する伝熱プレートを含んでいる制御された伝熱装置と、
（ｃ）前記少なくとも１つの伝熱用熱井筒と接する低温体と、
を備える、半導体処理に用いられる装置を含んでいる。
【００１４】
伝熱用熱井筒の好適な実施態様は、熱伝導性材料から成る薄肉の円筒体であり、この円筒体は、静電チャックから熱を伝えるよう用いられる伝熱プレートの表面に一端が熱的に接し、好ましくは取着されている。薄肉円筒体の他端は、ベースの伝熱面に取着されるのが主となる。熱井筒のベースの伝熱面にはサーマルグリースが付着され、このサーマルグリースにより、伝熱面は、それが接する低温体上を摺動できる。静電チャックは加熱されると膨張し、熱井筒を径方向外方に移動させる。低温体（例えば低温のプレート）は室温（約２０〜２５℃）に維持されるのが好ましい。熱井筒のベースの伝熱面が低温プレートの表面上を自由に摺動することができない場合、過度の熱応力が発生し、静電チャックはクラックを生ずる。低温体は、熱井筒のベースの伝熱面と極めて密に接するよう平坦な面であることが好ましく、ベースの伝熱面も平坦であることが好ましい。熱井筒のベースの伝熱面と低温体との間のより良好な伝熱は、両者間のサーマルグリースが熱伝導性を改善する添加剤、例えば金属微粒子を含む場合に達成される。
【００１５】
任意の伝熱プレート、熱井筒及び低温体から静電チャック本体（プラズマ・真空環境にさらされる半導体処理チャンバの部分内に配置されている静電チャック本体）を熱的に且つ圧力的に隔離することは、プラズマ・真空環境にさらされる静電チャックの部分に対してシール（封着）される包囲体内に、伝熱プレート、熱井筒及び低温体等の要素を収容することによって、可能とされる。なお、伝熱プレートは、それが伝熱流体マニホールドとしては必要がない場合、任意的なものである。
【００１６】
本発明の隔離という特徴の好適な実施態様において、包囲体は薄肉円筒体を用いて形成されており、この薄肉円筒体の第１の端部は、加工物処理面ではない静電チャックの表面に対してシールされ、薄肉円筒体の第２の端部は、静電チャックが動作される半導体処理チャンバの壁面に対してシールされる。薄肉円筒体の材料の線膨張係数は静電チャックの本体を構成する材料に極めて一致させるべきである。薄肉の円筒体内で囲まれる部分は、静電チャックがプラズマ・真空環境で動作されている場合、周囲の大気圧状態で維持されることができる。伝熱プレートを囲んでいる包囲体内の大気圧環境の使用は、多数の利点を与えるものである。例えば、サーマルグリースが真空システム内で使用できない（蒸発してシステム内の面を汚染する）ので、それは伝熱装置の使用を可能とする。一般的に述べるならば、高電圧は真空内で放電破壊を引き起こし、従って、真空ギャップがリード線を囲むことのない状態でソリッドな誘電体を使用すること、或は、大気圧のフィードスルーを形成することを必要とする。加熱要素に対する電源として用いられるＡＣ電線についても同様である。更に、大気圧環境の使用は、配線のような構成要素の腐食の可能性を減じる。更にまた、装置内で処理される後の半導体基板若しくは加工物を汚染し得るＮｉ、Ｆｅ、その他の処理材料による露出物のスパッタ汚染の可能性がない。包囲体を形成する半導体処理チャンバの形状に応じて、本発明の装置の少なくとも一部分を大気に開放したままとすることができ、伝熱用の接続部の保守を容易化することができる。 そして、電線が環境に対して開放された装置部分内に配置されている場合、アーク発生の危険性は大幅に減じられ、そのような電気的接続部の保守も容易化される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、高温の静電チャックからその下側の低温のプレートに熱を伝えるための本発明による装置と方法について説明する。より詳細には、本発明の伝熱装置が組み合わされた静電チャックの全体的な構造は、高温の真空プロセスチャンバを、当該伝熱装置を含む装置の低温の大気圧部分から断熱（熱的に隔離）することができるようになっている。
【００１８】
図１を参照すると、従来におけるプラズマ処理チャンバ１００が示されており、このチャンバ１００は、処理中においてチャンバ１００の内部の適所に加工物１０４（一般的には半導体ウェハ）を静電的に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は、リフトフィンガ１０７を収容するリフトフィンガ開口１０６を備えており、リフトフィンガ１０７は、電力が切られクランプ力がなくなった後、静電チャック１０２の上面から半導体ウェハを持ち上げることができる。
【００１９】
図２の（Ａ）は静電チャック１０２の平面図であり、静電チャック１０２は、その周縁部の近傍に配置された環状の金属製インサート１１０を有している。インサート１１０は、静電チャック１０２のペディスタル１１８の表面２０１に機械加工された溝ないしはチャネル１１６内に着座している。インサート１１０は、ペディスタル１１８（図２の（Ｂ）参照）のチャネル１１６と共働し、静電チャック１０２の全周にわたって伝熱流体（典型的には冷却ガス）用流路チャネル１１２を提供する。静電チャックペディスタル１１８の上面２０１は、誘電体層１１４で被覆されている。図２の（Ｃ）は、金属製インサート１１０の部分切欠き拡大斜視図である。流路チャネル１１２から誘電体層１１４を貫通しての伝熱流体の流通を可能とするために、開口１１５が、流路チャネル１１２を覆う薄い金属層１１３を貫通して形成されている。更に、図２のＢに示すように、開口２０２が、金属製インサート１１０を貫通する開口１１５、及び、金属製インサート１１０内の流路チャネル１１２と接続するように、誘電体層１１４を貫通して形成されている。
【００２０】
図１及び図２の（Ａ）〜（Ｃ）に示される種類の静電チャックは、約１００℃よりも低い温度で用いられるのが代表的である。上述した流路チャネルを通って循環する冷却ガスのような伝熱流体は、加工物１０４から静電チャック１０２への伝熱を助け、静電チャック１０２からはこの熱が除去される必要がある。更に、静電チャック１０２に対するバイアスＲＦ（高周波）とチャック用ＨＶＤＣ（高電圧直流電流）との印加により、静電チャック１０２の温度は上昇する。この熱は、冷却水を用いて除去され、静電チャック１０２の温度は約６５℃（処理チャンバ壁と同じ温度）で動作するように制御される。静電チャック１０２が動作し得る最高温度は、冷却水の使用に基づいて約１００℃であり、約３５０℃の加工物と約６５℃〜１００℃の範囲にわたって動作される静電チャックとの間の温度差は、本質的に同じ（約２７０℃）である。この大きな温度差は、ウェハからその下側の静電チャックへ熱を移動させる相当な駆動力となる。ウェハから更に熱を取り去るのは、静電チャックの外縁部及びウェハの外縁部からの熱損失である。このような状況下で、ウェハの中心から約７５℃の縁部の方向（径方向）への温度差を見出すことは稀なことではない。高密度プラズマ化学的蒸着プロセスにおいて、加工物表面全体における温度の７５℃の変差は、加工物１０４上に形成されるデバイスの処理及び質の制御に大きな影響をもたらす。例えば、ウェハ表面上に堆積される被膜ないしはコーティングの厚さは被堆積面の温度に依存し、コーティングの厚さはデバイスの性能特性に影響を及ぼす。
【００２１】
加工物表面の温度の均一性をより向上させるために、加工物の温度に近い温度で静電チャックを動作させることが望ましいことが、明らかとなった。例えば、高密度プラズマ化学的蒸着中において、加工物の約１００℃（又は１００℃未満）以内の温度で静電チャックを動作させることは均一な膜厚の形成を可能とすることが、実験データからわかっている。しかしながら、静電チャックの温度の制御を可能とするためには、静電チャック温度の変動を減じるために、熱除去速度全体にわたる細かい制御を維持しつつ、必要な際に迅速に熱を確実に除去できる手段が見出されなければならない。
【００２２】
図３の（Ａ）は、好適な実施形態の装置３００の断面を示しており、この装置３００は、上部領域３０２と下部領域３０８とを備える静電チャック３０１を含んでいる。或はまた、静電チャック３０１は一定の直径のものとすることもできる。また、装置３００には、静電チャック３０１に伝熱ガスを供給するためのマニホールドとして機能する伝熱・マニホールドプレート３１４と、この伝熱・マニホールドプレート３１４に取り付けられた伝熱用熱井筒（heat transfer thermal wells）３１８と、冷却チャネル３３４を含む下部部材３３２にろう付けそれた上部部材３３０を有する冷却プレート３３３とが含まれている。伝熱・マニホールドプレート３１４、伝熱用熱井筒３１８及び冷却プレート３３３は、静電チャックの下部領域３０８にろう付け３４０で取り付けられた薄肉の熱チョーク円筒体（heat choke cylinder）３３６内に収容されている。薄肉の熱チョーク円筒体３３６からはフランジ３３８が延びている（又は円筒体３３６に取り付けられている）。このフランジ３３８は、内部で静電チャック３０１が動作されるプロセスチャンバ（図示せず）内の面に対してシールされる。薄肉の熱チョーク円筒体３３６の内側で、静電チャック下部領域３０８の下部ろう付け面３０９と、チョーク円筒体３３６がフランジ３３８により取り付けられる面との間に形成される第１部分は大気圧で動作され得る。この第１部分の外側の第２部分は真空下で動作される。図３の（Ｂ）は、伝熱・マニホールドプレート３１４の下側に配置される大気圧キャビティ３３９を示している。伝熱・マニホールドプレート３１４を必要としなかった用途において、第１部分の大気圧キャビティは、静電チャック３０１の下面３１１と、フランジ３３８が取り付けられる面とから延びている。
【００２３】
好適な実施形態の静電チャック３０１は、シリコンウェハの処理中において、一般的な約２５０℃〜約２７５℃の高温で使用された。伝熱・マニホールドプレート３１４と熱井筒３１８はこの温度から、低温プレート３３３の一般的な温度である約６５℃〜約７０℃に変化した。熱チョーク円筒体３３６は、頂部で高温（約２５０℃〜約２７５℃）であり、底部で低温（約６５℃〜約７０℃）であった。
【００２４】
大気圧での伝熱要素の動作は、伝熱・マニホールドプレート３１４から熱井筒３１８を介して冷却プレート３３３の方向への熱伝達率を増加させることにより特定の効果を与えた。更に、静電チャック３０１の表面近傍におけるＲＦ／ＨＶＤＣ電気グリッド３０４及び加熱コイル３１０に対する電気供給接続子（図示せず）が、伝熱・マニホールドプレート３１４及び静電チャック３０１を適当に貫通して延びるよう作られ、その電気供給接続子が第１部分内に配置され、前述したように、保守の目的で容易に接近可能とすると共にアーク発生の可能性を減じるようにされた。また、伝熱流体導通路３１６，３１２に対する接続子も大気圧キャビティ３３９内でアクセスでき、この接続子に対する保守も容易とされた。
【００２５】
伝熱ガス、一般的はヘリウムが、公称圧力、すなわち約４〜８Ｔｏｒｒで伝熱流体導通路３１６，３１２に供給された。シリコンウェハ（図示せず）から導通路３１２内へのアーク発生の可能性を減じるべく、伝熱流体導通路３１２の内部にセラミックピン３０６が取り付けられた。このようなアーク発生は、伝熱ガス、特にヘリウムの分解を引き起こすおそれがある。シリコンウェハの下面と静電チャック３０１の上面３０３との間の伝熱流体は比較的に安定であった。ヘリウムの流量は約０．５〜１．０ｓｃｃｍの範囲であった。この範囲は、シリコンウェハの周縁部に沿ってのシリコンウェハ下側からのヘリウムの漏れ流量を示すものである。
【００２６】
図３の（Ａ）及び（Ｂ）において、セラミックピン３０６は伝熱流体導通路３１６の真上で伝熱・マニホールドプレート３１４の上面に着座しているよう示されている。これは伝熱ガスがヘリウムの場合に用いられる構造であり、かかるヘリウムは、ヘリウム分子の寸法の故に、セラミックピン３０６の底部と伝熱・マニホールドプレート３１４の上面との間で容易に流通された。或はまた、セラミックピン３０６は、このセラミックピン３０６の底部と伝熱・マニホールドプレート３１４の上面との間に空間を残すように設計されてもよいが、これは、静電チャック３０１の上面３０３に伝熱ガスが流れるようにするために必要とされる場合である。図３の（Ａ）及び（Ｂ）に示されるような伝熱流体導通路３１２とセラミックピン３０６の形状は、セラミックピン３０６が捕獲され且つ静電チャック３０１の上面３０３から導通路３１２の内部キャビテイへの真っ直ぐな流路を避けるよう、設計されている。これは、高密度プラズマのキャビティ３１２内へのアーク発生を防止し、伝熱ガス（この例ではヘリウム）の同時分解を防止するのを助けるものである。
【００２７】
熱井筒３１８のベース３２０と冷却プレート３３３の上部部材３３０との間の接触は、潤滑剤・境界接触材料３２２を用いて行われるのが好適である。潤滑剤・境界接触材料３２２によって、静電チャック３０１及び伝熱・マニホールドプレート３１４が伸縮した際に熱井筒３１８のベース３２０は冷却プレートの上部部材３３０の上面３２９上を滑動することができ、更に、潤滑剤・境界接触材料３２２はベース３２０と冷却プレートの上部部材３３０の上面３２９との間の間隙を満たし、伝熱がこの境界部で容易に生ずるようにしている。この好適な実施形態においては、キャビティ３３９内の圧力が大気圧であるので、サーマルグリース（thermal grease）が潤滑剤・境界接触材料３２２として用いられた。キャビティ３３９内の圧力が大気圧よりも低いならば、潤滑剤・境界接触材料３２２は動作圧力で気体放出を起こさない材料でなければならない。好適な実施形態において潤滑剤・境界接触材料３２２として用いられたサーマルグリースは、優れた熱伝導性を与えることが分っている伝熱媒体であるアルミニウム粒子が充填されたものであった。
【００２８】
前述したように、潤滑剤・境界接触材料（好ましくはサーマルグリース）３２２により、熱井筒３１８のベース３２０は冷却プレート３３３の上部部材３３０の上面３２９上を滑動できる。従って、静電チャック３０１が冷却プレート３３３とは異なった寸法で収縮した場合、潤滑剤・境界接触材料３２２は、熱井筒３１８と冷却プレート３３３の上面３２９との間に生ずる応力を確実に最小のものとすることができる。更に、密な伝熱接触が熱井筒３１８のベース３２０と冷却プレート３３３の上面３２９との間で維持される。冷却プレート３３３が約６５〜１００℃の間の比較的一定の温度で維持される一方、プロセス条件が変えられる際に静電チャック３０１の温度が約２５０〜３５０℃の間で変化される場合、静電チャック３０１と冷却プレート３３３との間で相対的な熱収縮の差がしばしば生じた。
【００２９】
冷却プレート３３３は、冷却流体、一般的には水（図示せず）を移送する導通路３３４を備えるものであった。高密度プラズマ環境における静電チャックの典型的な動作中、冷却流体は比較的一定の割合で冷却プレート導通路３３４を流れ、静電チャックのグリッド３０４に対するＲＦ又は（より一般的には）加熱コイル３１０の電流は、熱電対３２６−３２７からの入力データを受けるコントローラに応答して増加された。熱電対３２６−３２７による温度計測は、静電チャック３０１の上面３０３の約５ｍｍ内であった。コントローラは、比例・積分・微分（ＰＩＤ）ループを有する購入可能な標準的なＳＣＲ（シリコン制御整流素子）コントローラであった。コントローラは、静電チャック表面の温度が増減する割合を計算するために、熱電対３２６−３２７の入力値を用い、この入力値に基づいて加熱コイル３１０への電力の増減のための信号を発生するももとした。この例においてコントローラに入力値を与えるために用いられた計測温度は静電チャック本体３０１の温度であるが、他の場合においては、静電チャック本体３０１と接する半導体基板（図示せず）の温度やプラズマのようなプロセス変量の温度等、他の計測された温度が用いられてもよい。
【００３０】
代表的には、静電チャックの温度はプラズマ処理温度の近傍となるよう制御され、シリコンウェハ上の過剰な蓄熱がシリコンウェハと静電チャックとの間のヘリウム伝熱流体を介して静電チャックに伝えられた。従って、静電チャックが昇温を始めると、加熱コイル３１０に対する電力は、静電チャック３０１から伝熱・マニホールドプレート３１４及び熱井筒３１８を経て冷却プレート３３３への伝熱により冷却が生ずるよう、減じられた。ウェハ処理サイクルの最終時にプラズマが停止され、そして静電チャックが冷却し始めると、加熱コイル３１０に対する電力は、静電チャックの温度が異なるウェハの処理と処理の間に必要される時間を減じるレベルに維持されるよう、増加された（すなわち、処理済みのウェハが取り出されて新しいウェハが処理のために静電チャックに置かれる度に静電チャックが再加熱される必要がなくなった）。このように、本発明の静電チャック温度制御メカニズムは、高密度プラズマＣＶＤ中における加工物（シリコンウェハ）の表面上に堆積された膜全面の質の制御を向上するばりかでなく、加工物の処理のためのサイクル時間を減じた。
【００３１】
冷却プレート３３３は、伝熱プレート３１４内に延びる３本のねじ（図示せず）により熱井筒３１８のベース３２０に接した状態で適所に保持された。３本のねじは、ベース３２０と低温プレート３３３との間の間隔を制御するシム（図示せず）に手で締め付けられ、それによりそのような間隔におけるサーマルグリース３２２の厚さが制御された。
【００３２】
装置３００の構成の好適な材料は次の通りである。静電チャック３０１は、誘電体材料、好ましくは窒化ケイ素又はアルミナのような誘電体セラミックから成る。静電チャック３０１についての厚さは約１７ｍｍであるのが代表的なものである。電気グリッド３０４は導電体、例えばモリブデン、タングステン、タングステン・モリブデン合金、その他、静電チャック３０１を作るのに使用された誘電体の熱膨張率と同じ膨張利を有する材料から作られている。加熱コイル３１０は主としてモリブデンのワイヤから成る。電気グリッド３０４又は加熱コイル３１０に接続する電気接触子（図示せず）はモリブデンのような導体から作られるのが好適である。伝熱プレート・マニホールド３１４は、静電チャック３０１と同じ誘電体材料から形成されるのが好ましいが、同様な線熱膨張係数を有し且つ十分な熱伝達率のキャパビリティを呈するあらゆる材料から作ることができる。熱井筒３１８は、良好な熱伝達率を与えると共に伝熱プレート３１４の線熱膨張係数に近い線熱膨張係数を提供する材料から構成される。例えば、静電チャック３０１が窒化ケイ素から成る場合、熱井筒３１８はモリブデンから構成されるのが一般的である。熱井筒３１８は、銀／銅／チタンのようなろう付け材料を用いて、伝熱プレート３１４にろう付け３２４により取り付けられる。静電チャック３０１が窒化ケイ素であり、熱井筒３１８がモリブデンである場合、前記ろう付け材料が特に効果的である。必要とされていることは知られていないが、熱井筒３１８を伝熱プレート３１４にろう付けしている際に熱井筒３１８に真空内部空間を形成するのを防止するために、熱井筒３１８はそのベース３２０に沿って開口３２８を備えている。これは、熱井筒３１８のための平坦なベース３２０を維持する助けとなる。
【００３３】
サーマルグリース３２２は、主として、例えば窒化ホウ素やアルミニウムの粒子が添充されたシリコーンのような材料から成るが、これに限られるものではない。
【００３４】
冷却プレート３３３は、例えば銅やアルミニウムのような優れた熱伝導体である材料から成る。薄肉（代表的には約０．０２０ｉｎ．（０．５１ｍｍ）厚）の熱チョーク円筒体３３６は、静電チャック３０１の線熱膨張係数と同等の線熱膨張係数を有する材料、例えば、静電チャック３０１が窒化ケイ素である場合にはモリブデンから作られる。フランジ３３８は、薄肉の熱チョーク円筒体３３６からの延長体とすることができるが、薄肉円筒体３３６にろう付けされたより厚肉ま壁体（例えば約０．２５ｉｎ．（７．３ｍｍ）厚）であることが好ましい。また、フランジ３３８は、薄肉の熱チョーク円筒体３３６と同じ材料から作られるのが代表的であるが、ステンレス鋼のような、より延性を有する材料から作られてもよい。
【００３５】
図４の（Ａ）は静電チャック３０１の平面図を示し、図４の（Ｂ）は、静電チャック３０１の上部領域３０２及び下部領域３０８並びに電気接触子４１０をより明瞭に示した断面図である。図４の（Ａ）を参照すると、静電チャック３０１は、処理中の取扱いを容易化するために、静電チャック３０１に対して加工物（図示せず）を上下動させることができるリフトフィンガポケット４０２を備えている。伝熱流体用開口４０６は静電チャック３０１の上部領域３０２の上面４０３まで延びている。伝熱流体用開口４０６はセラミックピン３０６を囲んでおり、静電チャック３０１の上部領域３０２の上面４０３に設けられた伝熱流体導通路４０４，４０６に隣接している。伝熱流体導通路４０４，４０６は、静電チャック３０１の上面３０４全面にわたり伝熱流体（加熱又は冷却のために用いられるガス等）を分配する。前述したように、伝熱ガスは静電チャック３０１の上面４０３とシリコンウェハの下面との間で比較的に安定している。ヘリウムのような伝熱ガスの流量は約０．５〜１．０ｓｃｃｍであるが代表的であり、これは、約４〜８Ｔｏｒｒの公称圧力において８ｉｎ．（２００ｍｍ）径の加工物（図示せず）の縁部から漏れるガスを表している。
【００３６】
電気グリッド３０４は、上面４０３と、この上面４０３にフライス削りされた伝熱流体導通路４０４，４０６との下側にある。電気グリッド３０４の上側の誘電体層の厚さは、グリッド３０４と静電チャック３０１の上面３０４に置かれた加工物（図示せず）との間での電気アークの発生を防止し、少なくとも２ＫＶの放電破壊電圧を与えるのに十分なものである。
【００３７】
図５は、静電チャック３０１の下部領域３０８の上面５０３を示している。この上面５０３の下側には加熱コイル３１０が埋設されている。加熱コイル３１０と接続する電気接触子５０８が静電チャック３０１の誘電体セラミック材料内のブシュとろう付けされている。加熱コイル３１０は誘電体セラミック内に埋設されるのが代表的であり、埋設後、加熱コイル３１０の端部を配置するためにＸ線が用いられる。この後、誘電体セラミックは、加熱コイル３１０の端部を露出するためにフライス削りされ、その端部は電気接触子５０８を構成するブシュにろう付けされる。電気グリッド３０４（図示せず）に対する電気接続子５０６も同様な方法で設けられる。前述したように、熱電対３２７により、静電チャック３０１の上面の約５ｍｍ内における静電チャック３０１の温度をモニタすることができる。熱電対３２７は、図５に示すように、静電チャック３０１の下部領域３０８を貫通している。静電チャック３０１の下部領域３０８を貫通する伝熱流体用立上り管５０４により、静電チャック３０１の上面（図示せず）に伝熱流体を流通させることができる。
【００３８】
図６の（Ａ）及び（Ｂ）は、静電チャック３０１に関しての伝熱装置の熱井筒３１８及び伝熱プレート・マニホールド３１４を示している。図６の（Ａ）は伝熱プレート・マニホールド３１４の底面図であり、静電チャックの下部領域３０８から下方に延びている。伝熱井筒３１８のベース３２０は、当該ベース３２０の中心に開口３２８を含んでいる状態で、より明瞭に示されている。また、熱電対３２６−３２７のベース３２６とＨＶＤＣ／ＲＦ接続子５０６が示されている。図６の（Ｂ）は図６の（Ａ）の概略断面図であり、上部領域３０２と下部領域３０８とを含む静電チャック３０１、伝熱プレート・マニホールド３１４、及び、ベース３２０とその中心開口３２８とを有する熱井筒３１８も示している。また、熱電対３２６−３２７、グリッド３０４に対する電気接続子５０６、薄肉の熱チョーク円筒体３３６及び取付用フランジ３３８も示されている。
【００３９】
上述した装置３００は、窒化ケイ素の静電チャック上部部材３０２及び下部部材３０８と伝熱プレート３１４とを備えるのが好ましいが、これらの部材は、約２００℃、約１００ａｔｍ以上の圧力下で、グリーンシート（green sheet）材料から互いに焼結され得る。しかしながら、構造物内に配置された他の要素の構成やその脆さ等に応じて、より穏やかな条件下で形成された各部材が互いにろう付けされてもよい。また、当業者ならば、電気グリッド、加熱コイル、電気接続子、伝熱プレート、伝熱流体導通路、その他の要素を含む単一の窒化ケイ素製部材の形成は創案できるものであり、単一の窒化ケイ素製部材の形成の後に伝熱プレートに熱井筒をろう付けすることも創案することができる。単一部材内における種々の層及び要素は、単一部材の用意のためのモールド又は焼結プロセスの間において機械的に適所に位置合せされ保持される。セラミックの「グリーンシート」及びセラミックの粉体材料から前述の層構造を用意する方法は、周知の技術である。
【００４０】
上述した好適な実施形態は、当業者が本明細書における発明の詳細な説明の欄の記載内容から、特許請求の範囲の本発明の主題に適合するよう上記実施形態を拡張変更できるので、本発明の範囲を制限するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】典型的なプラズマ処理チャンバ内を示し、当該チャンバの適所に配置された、６５℃レンジの温度で動作される従来一般の静電チャックを示す図である。
【図２】（Ａ）は、図１に示される種類の静電チャックの概略平面図であり、静電チャックの周縁部に沿って配置された伝熱流体分配内又は分配孔を示す図である。（Ｂ）は（Ａ）の静電チャックの概略断面図である。（Ｃ）は（Ａ）に示されるガス分配インサートの一部切欠き概略斜視図である。
【図３】（Ａ）は、静電チャックと、この静電チャックから熱を除去するために用いられる本発明の伝熱装置の好適な実施形態と、静電チャックの表面を真空且つ高温で使用させることができると共に、本発明の伝熱装置及び電気接続子を大気圧且つ低温で使用させることができる本発明の真空隔離構造とを含んでいる装置の概略断面図である。（Ｂ）は、（Ａ）に示される装置の他の概略図であり、大気圧で動作される装置の部分を示す図である。
【図４】（Ａ）は、図３の（Ａ）及び（Ｂ）に示される静電チャックの上部誘電体面を見た場合の平面図であり、伝熱流体開口及び流路チャネル、誘電体面の下側のＲＦ／ＨＶＤＣ電気グリッドをも示す図である。（Ｂ）は、（Ａ）の静電チャックの概略断面図であり、静電チャックの上面近傍のＲＦ／ＨＶＤＣ電気グリッドと、必要に応じて静電チャックを加熱するために用いられる電気的加熱コイルとを示す図である。
【図５】図４の（Ｂ）に示される静電チャックの下部領域３０８の平面図であり、加熱コイル、伝熱流体の流通用開口、ＲＦ／ＨＶＤＣ電気グリッドにＲＦ及び高圧直流電流を印加するための電極、及び、温度制御のためのフィードバックに用いられる熱電対を示す図である。
【図６】（Ａ）は、本発明による好適な実施形態の伝熱装置の一部を示す底面図であり、図４の（Ｂ）に示される静電チャックの下部部分に取り付けられた伝熱プレート・マニホールドを示すと共に、伝熱プレート・マニホールドの底部に取り付けられた熱井筒であって、これと接する低温プレートに伝熱プレート・マニホールドから熱を伝えるものを示す図である。（Ｂ）は、（Ａ）の伝熱プレート・マニホールドと共に単一の構造体に組み立てられた図４の（Ａ）及び図５の（Ａ）に示される静電チャックの層を示す概略断面図であり、本発明による伝熱装置から静電チャックの基板処理面を隔離するために用いられる熱・真空隔離包囲体を示す図である。
【符号の説明】
３０１…静電チャック、３０４…電気グリッド、３１０…加熱コイル、３１４…伝熱・マニホールドプレート、３１２，３１６…伝熱流体導通路、３１８…熱井筒、３２０…ベース、３２２…潤滑剤、３２６，３２７…熱電対、３３３…冷却プレート、３３６…熱チョーク円筒体、３３８…フランジ、３３９…大気圧キャビティ。
【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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