JP5523326B2 - 静電チャックアセンブリ - Google Patents

Description

発明の背景

（発明の分野）
本発明の実施形態は、概して、エッチングチャンバで使用するための静電チャックアセンブリに関する。

（関連技術の説明）
集積回路の製造において、１枚の基板内で一貫性のある結果及びどの基板についても再現性のある結果を達成するには様々な処理パラメータの精密な制御が必要である。処理中の温度及び基板全体での温度勾配における変化は、材料の堆積、エッチング速度、ステップカバレージ、特徴部テーパー角及び半導体装置のその他のパラメータに支障をきたす場合がある。

一部の処理応用例において、基板は処理中、静電チャックによって基板台座部に保持される。静電チャックは台座部のベースにクランプ、接着剤又は固締具によって連結される。チャックには、処理中に基板の温度を制御するために、埋設電気ヒータが設置され、また背面熱伝達ガスの供給源に流体的に連結される。しかしながら、慣用の基板台座部は、基板の直径全体に亘って基板の温度分布を制御するための十分な手段を有していない。基板温度の均一性を制御できないことは、基板単位及び基板間の両方についての処理均一性、デバイス歩留まり並びに処理済み基板の全体としての品質に悪影響を及ぼす。

従って、改良された静電チャックアセンブリが当該分野で必要とされている。

本発明は、概して、静電チャックベース、静電チャックアセンブリ及び静電チャックアセンブリのためのパック（ｐｕｃｋ）を含む。一実施形態において、静電チャックベースは、１本以上の冷却チャネルが内部に形成され且つその１本以上の冷却チャネルの少なくとも１つに複数の溝が形成された静電チャックベース本体を含む。

別の実施形態において、静電チャックアセンブリのためのパックは、パック本体と、このパック本体全体に少なくとも２つの異なるパターンで配列された複数のメサを含む。

別の実施形態において、静電チャックアセンブリは、パック本体及びこのパック本体全体に少なくとも２つの異なるパターンで配列された複数のメサを含むパックと、１本以上の冷却チャネルが内部に形成され且つその１本以上の冷却チャネルの少なくとも１つに複数の溝が形成された静電チャックベース本体を有する静電チャックベースとを含む。

本発明の上記の構成が詳細に理解されるように、上記で簡単に要約した本発明のより具体的な説明を実施形態を参照して行う。実施形態の一部は添付図面に図示されている。しかしながら、添付図面は本発明の典型的な実施形態しか図示しておらず、本発明はその他の同等に効果的な実施形態も含み得ることから、本発明の範囲を限定すると解釈されないことに留意すべきである。

本発明の一実施形態による処理装置１００の概略断面図である。 本発明の一実施形態による静電チャックアセンブリ２００の概略断面図である。 本発明の一実施形態による静電チャックアセンブリのベース部３００のための冷却パターンの概略図である。 本発明の一実施形態による静電チャックアセンブリのためのパック４００の概略上面図である。

円滑な理解のために、可能な限り、図面で共通する同一要素は同一参照番号を使用して表した。一実施形態において開示の要素は、特に記載することなくその他の実施形態で便宜上利用する場合がある。

詳細な説明

本発明は、概して、静電チャックベース、静電チャックアセンブリ及び静電チャックアセンブリのためのパックを含む。プラズマチャンバ内での基板の精密なエッチングは難題であるが、これはチャンバ内のプラズマによって基板全体の温度が不均一になるからである。基板全体に温度勾配があることから、基板の縁の温度は、基板の中心の温度とは異なってしまう。基板の温度が均一でないと、基板上に配置された構造体の様々な層に特徴部が均一にエッチングされない。デュアルゾーン静電チャックアセンブリは、基板表面全体での温度勾配を相殺する。

本発明を、エッチングチャンバに関連させて以下にて説明する。しかしながら、多種多様なプラズマ堆積及びエッチングチャンバが本願で開示の教示の恩恵を受けることができ、特には、とりわけ誘電体エッチングチャンバ、例えばセンチュラ（ＣＥＮＴＵＲＡ、商標名）システム等の半導体ウェハ処理システムの一部であるイネーブラ（ＥＮＡＢＬＥＲ、商標名）エッチチャンバ、プロデューサ（ＰＲＯＤＵＣＥＲ、商標名）エッチチャンバ、イーマックス（ｅＭａｘ、商標名）エッチチャンバであり、これらは全てカリフォルニア州サンタクララ（Santa Clara, California）のアプライドマテリアルズ社（Applied Materials, Inc.）から入手可能である。その他の製造業者によるものを含め、その他のプラズマリアクタを適合させることにより本発明から利益を享受してもよい。

図１は、本発明の一実施形態による処理装置１００の概略断面図である。装置１００は、静電チャックアセンブリを有するエッチング装置１００である。ガス供給源１４０からのエッチングガスは、シャワーヘッド１３６を通ってチャンバに導入される。電源１３８はシャワーヘッド１３６にバイアスをかけることによりチャンバ内のプラズマに点火し及び／又はプラズマを維持する。静電チャックアセンブリは、ベース部１０２及びベース部１０２に連結されたパック１０４を含む。一実施形態において、パック１０４はベース部１０２に接合により連結される。基板１０６が、処理のためにパック１０４上に配置される。基板１０６は、処理チャンバの壁１１４に形成されたスリットバルブ１３０を通して処理チャンバ内に配置される。パック１０４は、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ケイ素、炭化ケイ素、窒化ケイ素、酸化チタン、酸化ジルコニウム及びこれらの混合物の少なくとも１つを含む。パック１０４は、セラミック粉末をホットプレスし、焼結し、次に焼結体に機械加工を施してパック１０４の最終形状に仕上げることによって形成されるセラミックの一枚岩的単一構造体である。一実施形態においては、パック１０４にエッチングを施すことによってパック１０４の最終形状を形成する。

真空ポンプ１０８を使用することにより、処理チャンバを所望の圧力に排気する。ベース部１０２は、電源１１０によってバイアスをかけられる。一実施形態において、電源１１０はＲＦ電源である。一実施形態においては、複数の電源１１０がベース部１０２に連結される。冷却流体が、静電チャックアセンブリのベース１０２に供給される。一実施形態において、冷却流体は水を含む。別の実施形態において、冷却流体はグリコールを含む。冷却流体は、２本のライン１１８、１２０を通してベース１０２の２つの異なる領域又は区域に供給される。バルブ１３２、１３４はメータで管理され、ベース１０２の２つの区域への冷却流体の流れを制御する。一実施形態において、各区域は分離流体供給源１１２を有する。バルブ１３２、１３４は、コントローラ（図示せず）によって開閉される。加えて、コントローラは、バルブ１３２、１３４を開放する量を制御することによって、内方区域及び外方区域に流れる冷却流体の量を制御する。内方及び外方加熱区域を加熱するための内方及び外方加熱コイルが存在してもよい。

静電チャックアセンブリのベース１０２の内方及び外方冷却区域により、内方及び外方区域の温度の独立した制御が可能になり、基板１０６の半径方向に亘って異なる処理速度又は特性が得られる。そのようなものであることから、ベース１０２の内方区域と外方区域異とで異なる温度を維持してその上の基板１０６の中央部及び周縁部の温度に影響を及ぼすことによって、基板１０６の処理中に発生するガス種分布又は熱負荷の変動に対抗する。例えば、基板１０６の周縁部のガス種が中央部のガス種より不活性な場合は、内方区域の温度を低くすることにより基板１０６全体の処理速度又は処理特性をより均一にする。

パック１０４と基板１０６との間に熱伝達流体を導入することによって、基板１０６の温度を更に制御する。一実施形態において、熱伝達流体はガスを含む。別の実施形態において、熱伝達流体はヘリウムを含む。ヘリウムは流体供給源１１６からライン１２２、１２４を通って内方区域及び外方区域の両方に導入される。バルブ１２８をライン１２２、１２４に沿って開閉することによりヘリウムを基板１０６の背面に導入する。バルブ１２８は、バルブ１２８を開閉するコントローラによって制御される。加えて、コントローラは、バルブ１２８を開放する量を制御することによって、基板１０６の背面に導入するガスの量を制御する。分断部１２６が内方区域と外方区域との間に存在し、内方区域と外方区域との境界を画成している。分断部１２６により、内方区域と外方区域とを行き来する熱伝達ガスの量が低減される。熱伝達ガスは、パック１０４と基板１０６との間での熱伝達速度を調節するように選択される。

図２は、本発明の一実施形態による静電チャックアセンブリ２００の概略断面図である。アセンブリ２００は、接合層２０４によってベース２０６に接合されるパック２０２を含む。接合層２０４によりパック２０２とベース２０６との間での熱結合（例えば、熱交換）が促進される。一つの例示的な実施形態において、接合層２０４は、パック２０２をベース２０６に機械的に接合する接着層である。或いは（図示せず）、アセンブリ２００は、パック２０２をベース２０６に固締するための金属部品（例えば、クランプ、ネジ等）を含む。パック２０２及びベース２０６の温度は、温度モニタに連結された熱電対等の複数のセンサ（図示せず）を使用してモニタされる。アセンブリ２００は、ＲＦ電源２１２によってバイアスをかけられる。

アセンブリ２００は、内方区域２２４と外方区域２２６とに分割される。内方冷却チャネル２１４は、ベース２０６の内方区域２２４内に存在する。外方冷却チャネル２１６は、ベース２０６の外方区域２２６内に存在する。冷却流体は、冷却流体供給源２１０からチャネル２１４、２１６に供給される。チャネル２１４、２１６に供給される冷却流体の量は、バルブ２２８によって制御される。一実施形態において、分離冷却流体供給源２１０は、内方冷却チャネル２１４及び外方冷却チャネル２１６のために存在する。

内方冷却チャネル２１４及び外方冷却チャネル２１６は共に、冷却チャネル２１４、２１６上方をパック２０２に向かって延びる１本以上の溝２１８を有する。溝２１８は、全体として、溝２１８を有していない場合のチャネル２１４、２１６より広い表面積を有する。表面積が増えることにより熱伝達率も上昇し、これによりアセンブリ２００の冷却流体への応答性も上昇する。内方冷却チャネル２１４の溝２１８は、外方冷却チャネル２１６の矢印Ｃによって示される高さ及び矢印Ｄによって示される幅と同じ矢印Ａによって示される高さ及び矢印Ｂによって示される幅を有する。溝２１８は冷却チャネル２１４、２１６より狭い幅を有する。加えて、内方冷却チャネル２１４上に存在する溝２１８の数は、外方冷却チャネル２１６上の溝の数に等しい。一実施形態において、溝２１８の高さＡ、Ｃは異なる。別の実施形態において、溝２１８の幅Ｂ、Ｄは異なる。溝２１８によって冷却流体はパック２０２により近い位置にまで達することができるため、ベース２０６とパック２０２との間での熱伝達がより良好となる。

パック２０２と基板（図示せず）との間での熱伝達は、基板とパック２０２との間への熱伝達ガスの導入によって制御される。熱伝達ガスは、ガス供給源２０８からパック２０２の内方区域２２４及び外方区域２２６に導入される。一実施形態において、分離ガス供給源２０８は、内方区域２２４及び外方区域２２６のそれぞれについて存在する。別の実施形態においては、異なる熱伝達ガスを内方区域２２４及び外方区域２２６に使用する。バルブ２３０が、パック２０２に導入される熱伝達ガスの量を制御する。密封バンド２２２が、内方区域２２４と外方区域２２６との境界を画成し且つ内方区域２２４と外方区域２２６との間を移動する熱伝達ガスの量を削減する。密封バンド２２２は、熱伝達ガスが処理領域に進入する又は基板背面から逃げることも防止する。

１つ以上のメサ２２０が、処理中にその上に基板が載置されるところのパック２０２の表面上に存在する。メサ２２０は、パック２０２から上に延びる円筒形のマウンド、ポスト、ピラミッド、円錐、矩形ブロック、様々なサイズの隆起物又はこれらの組み合わせを含む。一実施形態において、メサ２２０の高さは約１０ミクロン〜約５０ミクロンであり、メサ２２０の幅（又は直径）は約５００ミクロン〜約５０００ミクロンである。一実施形態において、メサ２２０は、適切な小ささ（例えば、数十ミクロン）のビードサイズでパック２０２にビードブラスト加工を施してバック２０２の材料をエロージョンによりエッチングして成形することによって形成される。

図３は、本発明の一実施形態による静電チャックアセンブリのベース部３００のための冷却パターンの概略図である。ベース部３００は、内方冷却区域３０２及び外方冷却区域３０４を含む。複数の溝３０８が外方冷却区域３０４に存在する。１本の溝３１０は２つに分岐して昇降ピン開口部３０６を包囲する。昇降ピン開口部３０６を超えたら溝３１０は再合流する。内方冷却チャネル３０２も１本以上の溝３１２を有する。図３に示されるように、内方冷却チャネル３０２は複数回に亘って折り返される。一実施形態において、内方冷却チャネル３０２は９回に亘って折り返される。別の実施形態において、内方冷却チャネル３０２は５回に亘って折り返される。その一方で、外方冷却チャネル３０４は、内方冷却チャネル３０２を実質的に取り囲む。外方冷却チャネル３０４は１つ以上の昇降ピン開口部３０６を包囲する。

図４は、本発明の一実施形態による静電チャックアセンブリのパック４００の概略上面図である。パック４００は内方区域４０４と外方区域４０２とに分割される。内方区域４０４は内方密封バンド４０８によって外方区域４０２から隔離される。外方区域４０２は、外方密封バンド４０６によってチャンバ処理領域から隔離される。熱伝達ガス流入口４１０、４１４及び熱伝達ガス流出口４１２、４１６が、内方区域４０４及び外方区域４０２での熱伝達ガスの導入及び除去を行なうために存在する。メサ４１８が内方区域４０４及び外方区域４０２に存在して基板の裏面と接触しており、熱伝達ガスはパック４００と基板との間の領域を流れることができる。一実施形態において、外方区域４０２内のメサ４１８は、内方区域４０４内のメサ４１８とは異なるパターンで配列される。外方区域４０２内のメサ４１８は、内方区域４０４を取り囲む１列以上のメサ４１８を有するパターンに配列される。内方区域４０４内のメサ４１８は、パック４００の面全体に実質的な直線配列に配列される。内方区域４０４及び外方区域４０２内のパターンが異なることで基板背面での熱伝達ガスの流れが変化するため、基板の温度が影響を受ける。内方区域４０４及び外方区域４０２のためのパターンは、内方区域４０４及び外方区域４０２についての熱伝達率が最適化されるように既定される。加えて、メサ４１８の形状は、基板背面での熱伝達ガスの流れが制御されるように既定される。メサ４１８の形状を様々に組み合わせることは、熱伝達率が変化することから望ましい。メサ４１８の形状及びパターンは区域４０２、４０４のそれぞれの中で異なっていてもよい。一実施形態において、内方区域４０４の中心に対応する領域は、内方区域４０４の縁に対応する領域とは異なるパターン及び／又はメサ４１８形状を有する。

必要に応じて、静電チャックアセンブリは磨き直される。通常、パック表面上のメサを作り直す必要がある。時間の経過と共にメサは磨耗して、当初のようには基板背面での熱伝達ガスの流れの制御ができなくなる。このため、パック表面を実質的にメサのない平坦な表面へと機械加工することにより、アセンブリの磨き直しを行なう。次に新しいメサをパック表面上に、最初のメサと実質的に同じパターンに形成する。この結果、磨き直されたアセンブリは最初のアセンブリと実質的に同じように機能できるようになる。

静電チャックアセンブリのベース部内に冷却チャネルから延びる溝を有することで、アセンブリから基板への熱伝達率をより高く制御することができる。加えて、パック上の異なるパターンは基板背面でのガス流を変化させて、基板への熱伝達率が変化する。パック上のメサのパターン及びベース内の溝のパターンを既定することにより、静電チャックアセンブリの熱伝達率を処理の特定のニーズに合わせて最適化することができる。

上記は本発明の実施形態についてのものであるが、本発明の基本的な範囲から逸脱することなく本発明のその他及び更に別の実施形態を創作することができ、本発明の範囲は以下の特許請求の範囲に基づいて定められる。

Claims (7)

1. 内方冷却チャネルと外方冷却チャネルが内部に形成された静電チャックベース本体を含み、前記外方冷却チャネルが、前記内方冷却チャネルを実質的に取り囲んでおり、１本以上の第１の溝が、前記内方冷却チャネルに連結され、前記内方冷却チャネルから延びており、前記１本以上の第１の溝とは高さ及び幅が異なる１本以上の第２の溝が、前記外方冷却チャネルに連結され、前記外方冷却チャネルから延びている静電チャックベース。
2. 前記内方冷却チャネルが第１のパターンに配列され、前記外方冷却チャネルが前記第１のパターンとは異なる第２のパターンに配列される請求項１記載のベース。
3. 前記内方冷却チャネルが前記ベースを蛇行し複数回に亘って折り返され、前記内方冷却チャネルが約５回以上に亘って折り返される請求項１記載のベース。
4. パック本体と、
   前記パック本体全体に少なくとも２つの異なるパターンで配列された複数のメサであって、前記少なくとも２つの異なるパターンは、パックの面全体に実質的な直線配列で少なくとも１つの第１の内方パターンと、前記第１の内方パターンを取り囲む１列以上を有する少なくとも１つの第２の外方パターンを含む複数のメサとを含むパックと、
   前記パックに隣接して配置され、内部に内方冷却チャネルと外方冷却チャネルが形成された静電チャックベース本体であって、前記外方冷却チャネルは前記内方冷却チャネルを実質的に取り囲み、１本以上の第１の溝が、前記内方冷却チャネルに連結され、前記内方冷却チャネルから延びており、前記１本以上の第１の溝とは高さ及び幅が異なる１本以上の第２の溝が、前記外方冷却チャネルに連結され、前記外方冷却チャネルから延びている静電チャックベース本体とを含む静電チャックアセンブリ。
5. 前記内方冷却チャネルが第１のパターンに配列され、前記外方冷却チャネルが前記第１のパターンとは異なる第２のパターンに配列される請求項４記載のアセンブリ。
6. 前記内方冷却チャネルがベースを蛇行し複数回に亘って折り返され、前記内方冷却チャネルが約５回以上に亘って折り返される請求項４記載のアセンブリ。
7. 静電チャックアセンブリを磨き直すための方法であって、
   前記静電チャックアセンブリの前記パック表面を実質的に平坦なパック表面へと機械加工する工程であって、前記静電チャックアセンブリはパック本体のパック表面全体に少なくとも２つの異なるパターンで配列された複数のメサを有し、内部に内方冷却チャネル及び外方冷却チャネルを形成した前記パック本体に静電チャックベース本体も結合し、
   前記外方冷却チャネルは前記内方冷却チャネルを実質的に取り囲み、
   １本以上の第１の溝が、前記内方冷却チャネルに連結され、前記内方冷却チャネルから延びており、
   前記１本以上の第１の溝とは高さ及び幅が異なる１本以上の第２の溝が、前記外方冷却チャネルに連結され、前記外方冷却チャネルから延びている工程と、
   前記パック表面にパターン形成加工を再度施すことにより、前記少なくとも２つの異なるパターンと実質的に同じパターンに配列された複数のメサを形成する工程を含む方法。

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