JP4435565B2 - 電極プレートの保持装置、シャワーヘッド電極アセンブリの組み立て方法及び半導体基板の処理方法 - Google Patents

Description

発明の分野
本願は、合衆国法典３５巻１１９条及び／又は３６５条に従って、2001年８月８日に米国で出願された仮出願（provisional application）第60/331,048号に基づいて優先権を主張するものであり、この出願の全ての内容は、参照により本願に組み込まれる。本発明は、半導体処理反応室において改善された熱均一性（thermal uniformity）のためのシャワーヘッド電極アセンブリに関する。特に、本発明は、柔軟（compliant）で熱伝導性の静電クランプを用いて、取り外し可能にバッキングプレート又はヒートシンクプレートにクランプされる電極プレートに関する。また、本発明は、シャワーヘッド電極アセンブリを用いてウェハ等の半導体基板を処理する方法に関する。

発明の背景
真空処理チャンバは、処理ガスを真空チャンバに供給し、ＲＦ電界をこのガスに印加することによって、基板上に材料を化学気相成長（ＣＶＤ）させたり、基板上の材料をエッチングしたりするために、一般的に用いられる。例えば、平行平板、変圧器結合プラズマ（ＩＣＰとも称されるＴＣＰ（登録商標））及び電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）反応室は、本願と同じ出願人による米国特許第4,340,462号、同4,948,458号及び同5,200,232号に開示されている。処理中では、基板は、真空チャンバ内の所定位置に基板ホルダによって保持される。従来の基板ホルダは、処理中にウェハをペデスタル（pedestal）にクランプする機械的なクランプと静電クランプ（ＥＳＣ）とを含む。ペデスタル（pedestal）は、電極及びヒートシンクの両方を形成してもよい。機械的なクランプ及びＥＳＣ基板ホルダの例は、本願と同じ出願人による米国特許第5,262,029号、同5,740,016号、同5,671,116号及び米国特許第6,292,346号に提供されている。電極形態の基板ホルダは、米国特許第4,579,618号に開示されているように、チャンバに高周波（ＲＦ）パワーを供給することができる。

静電クランプは、基板とクランプとの間に静電引力（electrostatic attractive force）を作り出すことによって、ペデスタル（pedestal）に基板を固定する。基板及び１つ以上の電極のぞれぞれに、極性が反対の電荷を誘起するために、ＥＳＣ中の１つ以上の電極に電圧がかけられる。反対の電荷は、ペデスタル（pedestal）に対して基板を引き寄せ、それによって基板を保持する。

単極構造（monopolar design）では、ＥＳＣは、電極、製造品及びこれらの間に誘電体を備える。単極ＥＳＣ用の動作の標準モードでは、電極は、ＤＣ電源の陰極に接続される。製造品は、プラズマを介して接地される。この装置によれば、製造品は、プラズマ又はその他の戻り経路（return path）に露出する前には、しっかりとクランプされない。

二極構造では、ＥＳＣは、プラズマなしでも製造品をクランプすることができる。ＥＳＣの第２の極は、戻り経路（return path）を提供する。この構成は、製造品を静電気的にクランプするために、ＤＣ電源の正負両方の電位を用いる。

三極のＥＳＣは、３つの極を含む。内側の二つの極は、二極構造と同様であり、製造品をクランプするのに用いられる。外側の極は、プラズマ遮蔽（plasma shield）又は製造品のバイアスピックアップ・ポイント（bias pickup point）のいずれかとして用いることができる。米国特許第5,572,398号は、無極性のベースに実装された、分離した正負の電極を用いた三極の静電クランプを開示している。

多極のＥＳＣは、電極の各極に位相が合わせられたＡＣ又はＤＣのいずれかを用いる。電極に印加される電圧の位相調整（phasing）によって、高速なクランピング（clamping）と解除（release）を行うことができる。ＥＳＣの多極タイプ用に必要とされる供給回路及び制御回路は、単極構造、二極構造又は三極構造よりも複雑である。多極構造は、製造品上の電荷の蓄積を最小化させるために用いられ、デクランピング（de-clamping）の問題を低減するのに役立つ。

ウェハ等の半導体基板を処理する際に用いられる材料と処理は、温度に非常に敏感である。基板における過度の温度変動は、システム性能及びその結果として半導体デバイスの特性を悪化させる場合がある。したがって、基板温度を適切に制御するためには、基板と基板ホルダとの間に優れた熱接触が必要である。

基板と基板ホルダとの間の熱伝達を促進するために、ウェハの最大の表面を物理的に基板ホルダの支持面に接触させるように、非常に大きな静電気的又は物理的な力が通常用いられる。しかしながら、基板とホルダの両方の表面ラフネスのために、２つの表面が互いに押されると、点接触だけが得られる。すなわち、小さな間隙空間（空所（void））がインタフェースの大部分を構成する。低圧の処理条件下では、このインタフェースは真空にされ、間隙が真空を構成し、非常に優れた断熱材（thermal insulator）となる。したがって、２つの表面間の熱伝達は、主に点接触に限定される。

処理中は、基板全体の温度均一性（temperature uniformity）を改善するために、ヘリウム等の不活性で高熱伝導率のガスが基板と支持面との間に形成される間隙空間に、ポンプで送られる。この熱伝達ガスは、基板と基板ホルダとの間で、それに置き換える真空よりも、熱伝達効率が高い媒体として機能する。

ＥＳＣ装置の中には、周囲の低圧雰囲気（すなわち、反応チャンバ）への熱伝達ガスの漏洩を最小化させるように設計されるものがある。そのような装置の支持面は、ウェハの直径に略等しい直径を持った、円周方向に高くなった縁（rim）と、下部のペデスタル（pedestal）の支持面を覆う屈曲回路（flex circuit）と、を持つことができる。屈曲回路は、通常、フレキシブルな（flexible）誘電体材料で覆われた導体材料（conductive material）である。導体材料（conductive material）は、パターニングされて静電電極（electrostatic electrode）を形作る。誘電体材料は、他の導電性の構成部品から導体材料（conductive material）を絶縁し、ガスケットとしても機能する。ウェハが一旦クランプされると、気密シール（gas tight seal）がウェハと縁との間で作り出される。従って、縁の所にあるウェハの下からの熱伝達ガスの漏れが最小化される。基板をクランプするためのリップシールを備える静電基板ホルダは、本願と同じ出願人による米国特許第5,805,408号に開示されている。屈曲回路を備える静電基板ホルダは、米国特許第6,278,600号及び同6,033,478号に開示されている。

上述のように、裏面のＨｅガス圧力と静電クランプ技術によって、適切なウェハ温度制御を得ることができる。しかしながら、基板温度制御に加えて、活性な処理化学物質（active process chemistry）と接触する反応室の全表面の温度制御がなされることが、処理の再現性と均一性にとって望ましい。様々な上部電極の加熱及び冷却の設計が行われ、半導体処理装置、例えば、平行平板誘電体エッチャーで用いられている。改善された温度均一性を持つ反応チャンバ構成部品は、本願と同じ出願人による米国特許第6,123,775号に開示されている。

図１に図すように、従来技術の構造では、裏当てリング120を通して、上部電極プレート150が温度制御されたヒートシンクプレート110に保持されるものがある。電極150は、センターからエッジまで均一な厚さを持つ平面のディスクである。プレート内部のチャンネル114を通して、加熱された又は冷却された液体を循環させることによって、ヒートシンクプレートの温度が維持される。ヒートシンクプレートは、ガスを処理チャンバに供給するために、処理ガス供給部134を備える。その後、ガスは、均一に処理ガスを反応チャンバに分散するために、プレナム140を通して分散され、電極中のガス分散孔（不図示）を通り抜ける。この構造によれば、電極150とヒートシンクプレート110との間の熱接触の大部分は、周囲の機械的なクランプ160からの力が直接加えられる電極の周辺部に設けられる。この技術の利点は、消費可能な部分である電極プレートがヒートシンクプレートから分離できることである。しかしながら、欠点は、電極とヒートシンクプレートとの間の限られた周囲の接触によって、電極のセンターからエッジまでの温度の不均一性が大きくなることである。

図２に示すように、主電極250に接着されるか又はろう付けされうるバッキングプレート220を用いる構造において、限られた熱接触に関して、電極のセンターからエッジまでの温度の不均一性の問題が示されている。電極プレート/バッキングプレートアセンブリは、クランピングボルト264を用いて、ヒートシンクプレート210に接触し保持される。これまでの例のように、プレート内部のチャンネル214を通して加熱された又は冷却された液体を循環させることによって、ヒートシンクプレート210の温度が維持される。ヒートシンクプレートはまた、ガスを処理チャンバに供給するために、処理ガス供給部234を備える。ガスは、処理ガスを反応チャンバに均一に分散するために、水平に離れて配置された１つ以上のプレナム240を通して分配され、バッキングプレート又は電極（不図示）のガス分散孔254を通り抜ける。しかしながら、アセンブリ全体（電極プレート250及びバッキングプレート220）は、消費可能な部分であるため、そのような手法を実行するにはコストがかかる。電極が機械的に取り外し可能にバッキングプレートに取り付けられる電極クランプアセンブリは、本願と同じ出願人による米国特許第5,569,356号に開示されている。

従って、改善された熱均一性を提供する低コストの（economical）電極構造が必要とされる。

発明の開示
本発明は、２つのインタフェース間に柔軟（compliant）材料を配置することによって、バッキングプレートとシャワーヘッド電極プレートとの間の熱伝達を改善する電極装置を提供する。柔軟（compliant）材料は、２つの隣接する表面の表面凸凹に適合し、より優れた熱接触を提供する。シャワーヘッド電極は、静電プレートと電極プレートとの間に、圧縮力を加えることによって、熱接触をさらに改善する静電チャックを含む。

本発明の１つの側面によれば、プラズマ反応チャンバ内で電極プレートを保持するための装置に係り、電極プレート受取面を有するバッキングプレートと、前記電極プレート受取面に配置される静電保持装置であって、電極プレート支持面を有する静電保持装置と、処理基板に対向する下側面と上側接触面とを有する電極プレートと、を備え、前記静電保持装置は、前記上側接触面を前記電極プレート受取面に対して押し縮めるように動作可能であり、ことを特徴とする装置。前記電極の外側の周辺部を接合して前記上側接触面を前記電極プレート支持面に押し付ける機械的なクランピング部材を備える。

本発明の静電保持装置は、第１の誘電体層、前記第１の誘電体層の下に配置される導電体層、前記導電体層の下に配置される第２の誘電体層を有してもよい。前記第１の誘電体層、導電体層及び第２の誘電体層は、少なくとも１個の処理ガスポートを含んでもよい。好適には、前記第１、第２の誘電体層は、シリコーン又はポリイミド等のコンプライアントな材料を含んでもよい。前記静電保持装置の前記導電体層は、アルミニウム、銅、チタニウム、タングステン、モリブデン、ニッケル、銀、金、イリジウム、プラチナ、ルテニウム、酸化ルテニウム、黒鉛、窒化チタン、チタンアルミニウム窒化物、炭化チタン又はこれらを組合せたものを含んでもよい。
前記静電保持装置は、0.005〜0.015インチの厚さを有し、二極構造又は多極構造を有してもよい。好適には、前記静電保持装置は、前記電極プレートに抵抗加熱を与えるために、抵抗発熱体を更に備えてもよい。本発明の好適な実施の形態によれば、前記電極プレートは、シャワーヘッド電極を備え、前記バッキングプレート及び前記静電保持装置は、処理ガスが前記プラズマ反応チャンバに供給するための少なくとも１個の処理ガスポートを含んでもよい。前記電極プレートは、単結晶シリコン、黒鉛又は炭化ケイ素を含んでよい。好適には、上側接触面の面積に対する、前記静電保持装置の面積の割合は、80%以上である。

本発明はまた、プラズマ反応チャンバのシャワーヘッド電極アセンブリを組み立て方法に関する。当該方法は、前記方法は、電極プレート受取面を有するバッキングプレートを配置する工程を含み、前記静電保持装置は、前記電極プレート受取面に固着するように取り付けられる上側面を備え、前記静電保持装置は、前記上側面に対向する電極プレート支持面を有する。前記方法は、上側面が電極プレート支持面に対向するように、処理半導体基板に対向する下側面と上側接触面とを有するシャワーヘッド電極プレートを配置する工程と、機械的なクランピング部材を前記シャワーヘッド電極の外周部に係合し、前記上側面を前記電極プレート支持面に押し付ける工程と、電圧を前記静電保持装置に印加して、静電気的に前記シャワーヘッド電極プレートを前記電極プレート支持面に引き付ける工程を更に含む。

好適な方法によれば、前記静電保持装置は、第１の柔軟な誘電体層、前記第１の柔軟な誘電体層の下に配置される導電体層、前記導電体層の下に配置される第２の柔軟な誘電体層を有し、前記第２の柔軟な誘電体層は、前記シャワーヘッド電極プレートが前記電極プレート支持面に引き付けられるときに、前記電極プレート支持面が前記上側接触面に適合するように電極プレート支持面を有する。前記方法はまた、前記プラズマ反応チャンバに処理ガスを供給するために、少なくとも１個の処理ガスポートを含むように、前記バッキングプレート、前記静電保持装置及び前記シャワーヘッド電極を配置する工程を含む。好適な処理によれば、前記静電保持装置は、前記シャワーヘッド電極の抵抗加熱を提供する抵抗発熱体を更に備えてもよい。

本発明はまた、プラズマ反応チャンバ内で単一のウェハ等の半導体基板を処理する方法を提供する。前記方法は、前記プラズマ反応チャンバ内に半導体基板を搬送する工程と、前記プラズマ反応チャンバに処理ガスを供給する工程と、電圧を静電保持装置に印加して前記基板の処理中に電極プレートを電極プレート支持面に静電気的に引き付ける工程と、前記基板の上側面を処理するために、電気的なパワーを前記電極に供給して前記処理ガスがプラズマを形成する工程と、を含む。前記方法は、前記基板上の二酸化シリコン層等の材料層をエッチングするために用いられうる。前記方法はまた、前記半導体基板上に材料層を成膜するために用いられうる。前記方法はまた、前記基板の処理中に、前記電極プレートを加熱するために、電力を前記静電保持装置に供給する工程を含む。

発明の詳細な説明
本発明は、プラズマエッチャー等の半導体処理装置のための低コストのシャワーヘッド電極構造に関する。このシャワーヘッド構造は、シャワーヘッド電極の熱均一性、更に低いコスト、改善された処理均一性を提供することによって、従来技術のアセンブリの欠点を解決することができる。例えば、シャワーヘッド構造は、２つのインタフェース間に柔軟（compliant）材料を配置することによって、バッキングプレートとシャワーヘッド電極プレートとの間の熱伝達を改善することができる。圧縮力を印加する間は、柔軟（compliant）材料は、電極プレートの表面凸凹に適合し、バッキングプレートにより優れた熱接触を提供し、電極全体の温度均一性を改善する。柔軟（compliant）材料を備える静電保持装置は、電極プレートに熱接触するように、バッキングプレートを引き付ける静電気力を提供する。本発明の実施形態によれば、シャワーヘッド電極プレートは、機械的なクランプを用いるバッキングプレートに初期接触（initial contact）させ、静電保持装置の作動によってバッキングプレートに優れた熱接触をさせる。

処理半導体基板（例えば、ウェハ）に対向するシャワーヘッド電極の温度は、処理化学物質（process chemistry）を変えるか又は基板上のガス密度を局所的に変えることによって、間接的に処理結果に影響しうるため、シャワーヘッド電極上を適切な温度均一性で制御し維持することが、反応室構造にとって好適である。これは、ナローギャップ型（１〜２cm）平行平板誘電体プラズマエッチング反応室に特に望ましい。

図３は、本発明の好適な実施形態に係る静電シャワーヘッド電極アセンブリ300の断面図を示す。本装置は、例えば、平行平板誘電体プラズマエッチャー（不図示）等の半導体ウェハ処理システムの処理チャンバ内に位置する。静電シャワーヘッド電極アセンブリ300は、水冷式のアルミニウム又はステンレスプレート等の上側プレート310、高純度シリコンカーバイドバッキングプレート等の温度制御されるバッキングプレート（ヒートシンクプレート）320、及び単結晶シリコン電極プレート等の電極プレート350を含む。電極プレートには電気的にパワーが与えられうるが、上側プレート310及び電極プレート350は、電気的な接地として示されている。バッキングプレート320は、上側クランピングボルト312によって、上側プレートに対し固定される。クランピングボルトは、上側プレート310を貫通する。バッキングプレートは、電極プレート350に同延の電極受取面328を備える。図に示すように、バッキングプレート320は、電極プレート350を窪みに収容するために窪んでいてもよい。電極プレートは、上側接触面358aと処理チャンバ内に露出される下側表面358bとを有する。

電極350は、そのセンターから外側のエッジまで均一な厚さを持った、単結晶シリコン、黒鉛又は炭化ケイ素等の導電性材料から成ることが望ましい。しかしながら、不均一な厚さを有する及び／又は異なる材料を備える電極が本発明に係る電極アセンブリと共に用いられてもよい。好適な実施形態では、電極は、複数の間隙を介したガス放電通路354を備えるシャワーヘッド電極であり、電極によってエネルギが与えられ、電極の下で反応チャンバ内にプラズマを形成する処理ガスを供給するために適したサイズと配置（distribution）で作られる。

また、図４についても参照すると、装置は、ＥＳＣ構成部品330等の静電保持装置を更に備える。ＥＳＣ構成部品330は、柔軟な（compliant）誘電体材料332a、332bの薄層の間に埋め込まれた、薄くてフレキシブルな導電性構成部品（メタルホイル）336を備える。ＥＳＣ構成部品330は、接触面338aに沿ってバッキングプレートの電極受取面328上に配置され、ＥＳＣ構成部品はまた、対向する電極支持体に338bを有する。ＥＳＣ構成部品330の接触面338aは、接着層（adhesive layer）（不図示）によって、バッキングプレートの電極受取面328に接着される。導電性構成部品336は、電気導管316によって、ＤＣ電源（不図示）に接続される。電気導管316は、電気的な絶縁体318を介して、バッキングプレート及び上側プレートを通して提供される。圧縮を受けると、柔軟な（compliant）誘電体材料は、電極プレートの表面凸凹に適合し、バッキングプレートと電極プレートとの間の熱伝達を改善する。

電極プレート350は、機械的なクランプ360等の任意の適当な技術によって、バッキングプレート320に対して所定位置で保持される。機械的なクランプ360は、周辺クランピングリング362と周辺で区切られた複数のクランピングボルト364とを備える。係合されると、クランプリング362は、電極プレートの円周を係合し、ＥＳＣ構成部品330の電極支持面338bに対し電極プレートの上側接触面358aを押し付ける。

電極とバッキングプレートとの間で、薄い柔軟（compliant）材料を使用するには、電極とバッキングプレートとの間により優れた熱伝達を提供するために、柔軟な（compliant）誘電体材料を電極の接触面358aに対向して存在する表面凸凹に適合させるのに十分な圧縮力が必要である。この圧縮力は、静電クランプを用いて発生される。従って、電極プレート350は、静電気力を用いることによって、バッキングプレート320に堅く保持される。表面間の静電クランプは、柔軟な（compliant）誘電体材料332a、332bの薄層の間に埋め込まれた、薄い導電性構成部品336に高いＤＣ電圧をかけることによって実現される。外部電源装置からの電圧が電極構成部品336にかけられると、静電気力は、薄い導電性構成部品の電極支持面と電極プレート350との間に生じる。静電気力は、電極プレートを引き付けてＥＳＣ構成部品と密接に接触する。静電気的に誘起された圧縮力を受けると、柔軟な（compliant）誘電体材料は、電極の上側接触面358aの表面凸凹に適合する。ＤＣ電圧がＥＳＣ構成部品に供給されている間、電極プレート及びバッキングプレートは、優れた熱接触を維持する。ＤＣ電圧を取り除き、機械的なクランプ360を解放すること（disengaging）によって、バッキングプレートから電極プレートを取り除くことができる。

ＥＳＣ構成部品330は、任意の適当な方法で構成される単一の構成部品又は複数の構成部品を備えることができる。好適な実施形態では、ＥＳＣ構成部品330は、電極プレートの上側接触面358aがＥＳＣ構成部品330の電極支持面338bに同延となるように構成された単一のＥＳＣ構成部品を備える。しかしながら、電極支持体面の面積の上側接触面の面積に対する割合は、同一の広がり（同延）よりは少なく、例えば、10〜95%、50%以上、望ましくは80%以上であってもよい。２つの構成部品の間に、より高い圧縮力とより優れた熱接触とを提供するために、ＥＳＣ構成部品と電極との間で、より多くの面接触（areal contact）がなされることが望ましい。

これらの目的を実現する電力供給と関連回路とは、当業者に明らかであろう。例えば、その内容が参照により本願に組み込まれる米国特許第4464223号は、電源機構、及び、製造品を支持するためにＤＣパワーとＲＦパワーをＥＳＣの電極に供給する回路の詳細を開示している。

好適な実施形態によれば、上側プレート310、バッキングプレート320、ＥＳＣ構成部品330及び電極プレート350は、それぞれチャンネル又は通路314、324、334及び354を備える。これらのチャンネル又は通路は、処理ガス供給部（不図示）から反応チャンバ380の内部までの処理ガスの通路を可能にする。

動作中では、典型的にはＣＦ_４とＣＨＦ_３等のフルオロカーボン（fluorocarbons）及び／又はフロオロハイドロカーボン（fluorohydrocarbons）と、Ａｒ及びＮ_２等の搬送ガスとの混合物となりうるプラズマエッチングガスは、上側プレートのガス通路314に供給され、上側プレートとヒートシンクプレート320との間の空間中に分散される。ガスは、バッキングプレート320、ＥＳＣ構成部品330及び電極プレート350の中の一連のチャンネル又は通路324、334、354をそれぞれ通り抜ける。この方法で、処理ガスは、例えば、均一なウェハのエッチングに作用するように、処理を受けているウェハ全体に均一に分散される。

導電性構成部品336は、望ましくは、5〜500ミクロンの均一な厚さを持つ導体箔である。導電性構成部品は、望ましくは、電極パターンを形成するためにマスクされてエッチングされる。しかしながら、導電性構成部品は、例えば、アルミニウム（aluminum）、銅（copper）、チタニウム（titanium）、タングステン（tungsten）、モリブデン（molybdenum）、ニッケル（nickel）、銀（silver）、金（gold）、イリジウム（iridium）、プラチナ（platinum）、ルテニウム（ruthenium）、酸化ルテニウム（ruthenium oxide）、黒鉛（graphite）、窒化チタン（titanium nitride）、チタンアルミニウム窒化物（titanium aluminum nitride）、炭化チタン（titanium carbide）又はこれらを組合せたもの（combinations）等の任意の適当な金属又はセラミックの導体であってもよい。

柔軟(compliant)な誘電材料は、例えば、RTV、カプトン（Kapton）、シリコーン（silicone）、ポリイミド（polyimide）、ポリケトン（polyketone）、ポリエーテルケトン（polyetherketone）、ポリサルフォン（polysulfone）、ポリカーボネート（polycarbonate）、ポリスチレン（polystyrene）、ナイロン（nylon）、ポリ塩化ビニル（polyvinylchloride）、ポリプロピレン（polypropylene）、ポリエーテルケトン系溶剤（polyetherketones）、ポリエーテルスルフォン（polyethersulfone）、テレフタル酸ポリエチレン（polyethylene terephthalate）、フルオロエチレンプロピレン共重合体（fluoroethylene propylene copolymers）、セルロース（cellulose）、トリアセテート（triacetates）、ゴム（rubber）等の真空処理と適合性のある（compatible）任意の適当な電気的に絶縁性の材料であってもよい。コンフォーマルな層（conformal layers）を形成する好適な材料には、ポリイミド（polyimide）が含まれる。ポリイミドは、静電クランプ圧力の僅かに下で変形するのに十分に弾力性（resilient）があり、その結果、高められた熱伝達を供給する。また、ポリイミドは、優れた温度抵抗と素晴らしい誘電特性を提供する。例えば、3,000〜3,500ボルト／ミル（V/mil）の範囲で高い絶縁破壊強（dielectric breakdown strength）を有し、静電引力を最大にする薄層の使用を可能にする。ポリイミドは、温度100℃を超える温度、より望ましくは温度200℃を超える温度も耐久性があり、高温処理用のクランプの使用を可能にする。望ましくは、コンフォーマル誘電体材料（conformal dielectric material）はまた、電極プレートがバッキングプレートと優れた熱接触にあるように、高い熱伝導率、少なくとも約0.10W/mを有する。ＥＳＣ構成部品330の厚さは、望ましくは0.1未満、より望ましくは0.05未満、最も望ましくは、0.01インチ以下である。

本発明の更なる実施形態によれば、ＥＳＣ構成部品は、上又は下に配置されて、均一に電極プレートを加熱するＥＳＣ導電性構成部品から電気的に絶縁される加熱構成部品を隨意に含むことができる。図５を参照すると、結合したＥＳＣ構成部品／加熱構成部品530が示される。構成部品530は、薄くて柔軟な（compliant）誘電体層532aと532bとの間に挟まれる薄い導電性構成部品536を備える。さらに、ＥＳＣ構成部品は、層532bに埋め込まれる加熱構成部品538を更に備える。また、ＥＳＣ構成部品530と電極プレート550とは、それぞれ反応室チャンバへの処理ガスの通路のための通路又はチャンネル534及び554を含む。

適当な加熱電極パターンの詳細は、その内容が参照により本願に組み込まれる本願と同じ出願人による米国特許第5,880,922号に示されている。必要があれば、ヒーター電極は、１つ以上のヒーターゾーンに分割されるスパイラルコイル（spiral coil）を備えることができる。例えば、ヒーターの一方が巻線（tunrs）の内側のグループを含み、ヒーターの他方が巻線の外側のグループを含んでもよい。結合したＥＳＣ構成部品/加熱構成部品は、均一に電極プレートを所望の温度まで加熱する、及び／又は、処理中に電極プレート全体の不均一な熱分布を補うために用いることができる。柔軟な（compliant）誘電体層は、ヒーターから熱を供給し、その結果、電極プレートに間接的に抵抗加熱を与える。望ましくは、抵抗発熱体は、電極プレートの裏面全体に比較的均一な熱の流れ（heat flux）を供給するために、電極プレートのサイズに相当するようにサイズの平面形状を備える。望ましくは、結合したＥＳＣ構成部品/加熱構成部品の厚さは、0.005〜0.015インチである。抵抗発熱体は、ヒーターにパワーを与えるために、ヒーター電源装置（不図示）に電気的に接続される。

本発明の静電クランプ構成部品は、様々な方法で製造することができる。メタルクランプ電極及び／又はヒーター電極を有する誘電性の柔軟な（compliant）全ての層は、例えば、コンポーネント層の組み立て前のスタック（stack）を共に平衡に押しあわせることによって、互いに同時に接着することができる。別の方法は、柔軟な（compliant）誘電体層と導電体層の積層板（laminate）を形成する工程と、前記導電体層に電極パターンをパターニングしてエッチングする工程と、第２の誘電体層を電極パターンに接着して静電クランプ構成部品を形成する工程と、前記静電クランプ構成部品をバッキングプレートの電極受取面に重ねて層板にする工程と、を含む。

任意の適当な処理によって、導電性構成部品が誘電体の柔軟な（compliant）シート上に提供されうる。例えば、タングステン等の導電性ペーストは、ポリイミドシート上の所望のパターンでシルクスクリーン（silk screened）されうる。一方、導電性構成部品層は、成膜され、続いてクランプ電極又はヒーター電極の所望のパターンを提供するためにエッチングされうる。導電性構成部品層336及び536の場合では、パターンは、0.0008インチの誘電体シートの面に垂直に高さと、約10mmの誘電体シートの面に平行な幅と、を有する代替の（alternative）リングを備えることができる。

電極プレートとバッキングプレートとが分離可能な部品として維持することができることによって、本発明の静電クランプ構成部品は、上部の電極プレートに対する消費コストを有利に低減する。さらに、本発明の静電クランプ構成部品は、電極プレートとバッキングプレートとの間に優れた熱伝達を供給し、その結果、処理中に上部の電極プレート全体に優れた温度均一性を与える。さらに、本発明の静電クランプ構成部品は、上部の電極のために優れたＲＦ接地を維持する。

本発明に係る装置は、複数の又は単一のウェハ処理において、プラズマエッチング、成膜等のウェハ処理に役に立つ。例えば、本装置は、BPSG、熱二酸化シリコン或いはパイロリティック（pyrolytic）酸化物及びホトレジスト材料等の酸化物をエッチングするか又は成膜するために用いることができる。

上記のように、本発明の原理、好適な実施の形態及び動作モードを示した。しかしながら、本発明は述べられた特定の実施の形態に制限されると理解されるべきでない。したがって、上述の実施の形態は、限定的というよりはむしろ例示的なものとしてみなされるべきであり、特許請求の範囲によって定められる本発明の範囲を逸脱しない限り、様々な変形が当業者によってなされうることは自明であろう。
図面の簡単な説明
発明の様々な特徴及び利点は、添付図面に関連する好適な実施の形態の詳細な説明から明らかになるであろう。図中で同様な番号は、同様な構成部品を示す。

図１は、周辺クランプを用いてバッキングプレートに取り付けられる従来技術の電極プレートを示す図である。 図２は、ボンディング又ははんだ付けを用いてバッキングプレートに取り付けられる従来技術の電極プレートを示す図である。 図３は、本発明に係る静電シャワーヘッド電極装置の断面図を示す。 図４は、図３に示すＥＳＣ構成部品の詳細な図を示す。 図５は、結合したＥＳＣ構成部品/加熱構成部品を示す図である。

Claims (22)

1. プラズマ反応チャンバ内で電極プレートを保持するための装置であって、
   電極プレート受取面を有するバッキングプレートと、
   前記バッキングプレートの前記電極プレート受取面に配置される静電保持装置であって、柔軟材料から成る電極プレート支持面を有する静電保持装置と、
   処理基板に対向する下側面と上側接触面とを有する電極プレートと、
   を備え、
   前記静電保持装置は、前記上側接触面を前記電極プレート受取面に対して押し縮めるように動作可能であり、
   前記柔軟材料は、前記上側接触面の表面の凹凸と適合し、前記電極プレートと前記バッキングプレートとの間の熱接触を提供するように静電クランプ圧力の下で弾性かつ変形可能であり、
   前記電極プレートは、シャワーヘッド電極を含み、
   前記バッキングプレート及び前記静電保持装置は、処理ガスが前記プラズマ反応チャンバに供給されることができる少なくとも１個の処理ガスポートを含む、ことを特徴とする装置。
2. 前記電極の外側の周辺部を係合して前記上側接触面を前記電極プレート支持面に押し付ける機械的なクランピング部材を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記静電保持装置は、第１の誘電体層、前記第１の誘電体層の下に配置される導電体層、前記導電体層の下に配置される第２の誘電体層を有し、
   前記第１、第２の誘電体層は、前記柔軟材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 前記第１、第２の誘電体層は、シリコーン又はポリイミドを含むことを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 前記導電体層は、アルミニウム、銅、チタニウム、タングステン、モリブデン、ニッケル、銀、金、イリジウム、プラチナ、ルテニウム、酸化ルテニウム、黒鉛、窒化チタン、チタンアルミニウム窒化物、炭化チタン又はこれらを組合せたものを備えることを特徴とする請求項３に記載の装置。
6. 前記少なくとも１個の処理ガスポートは、前記第１の誘電体層、前記導電体層及び前記第２の誘電体層を通って延びることを特徴とする請求項３に記載の装置。
7. 前記静電保持装置は、0.005〜0.015インチの厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
8. 前記静電保持装置は、二極構造又は多極構造を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
9. 前記静電保持装置は、抵抗発熱体を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
10. 前記バッキングプレートと前記静電保持装置とは、前記シャワーヘッド電極内のガス通路と連通するガス通路を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
11. 前記電極プレートは、単結晶シリコン、黒鉛又は炭化ケイ素を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
12. 前記静電保持装置は、前記上側接触面の全表面積の少なくとも80%と接触することを特徴とする請求項１に記載の装置。
13. プラズマ反応チャンバのシャワーヘッド電極アセンブリを組み立てる方法であって、
    上側面と下側面とを有するバッキングプレートの該下側面に静電保持装置の上側面を接合させることによって、該バッキングプレートを該静電保持装置に取り付ける工程と、
    上側面と下側面とを有するシャワーヘッド電極を該上側面が前記静電保持装置の前記下側面に対向するように配置する工程と、
    機械的なクランピング部材を前記シャワーヘッド電極の外周部に係合し、前記シャワーヘッド電極の前記上側面の外側の部分を前記静電保持装置の前記下側面の外側の部分に押し付ける工程と、
    前記シャワーヘッド電極の前記上側面の内部を前記静電保持装置の前記下側面の内部に静電気的に引き付けるように前記静電保持装置に電圧を印加する工程と、
    を含み、
    前記静電保持装置の前記下側面は、柔軟材料から成り、
    前記柔軟材料は、前記シャワーヘッド電極の前記上側接触面の表面の凹凸と適合し、前記電極プレートと前記バッキングプレートとの間の熱接触を提供するように静電吸引の間弾性かつ変形可能である、ことを特徴とする方法。
14. 前記静電保持装置は、柔軟材料から成る第１の誘電体層、前記第１の誘電体層の下に配置される導電体層、前記導電体層の下に配置され柔軟材料から成る第２の誘電体層を有し、
    前記第２の誘電体層は、前記シャワーヘッド電極の前記上側面に適合することを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 前記バッキングプレート、前記静電保持装置及び前記シャワーヘッド電極は、前記プラズマ反応チャンバに処理ガスを供給する少なくとも１個の処理ガスポートを含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
16. 前記静電保持装置は、前記シャワーヘッド電極を加熱する抵抗発熱体を更に備えることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
17. 前記静電保持装置と前記シャワーヘッド電極との間の接触面積の割合は、少なくとも80%であることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
18. プラズマ反応チャンバ内で半導体基板を処理する方法であって、
    前記プラズマ反応チャンバ内に半導体基板を搬送する工程と、
    シャワーヘッド電極を通して処理ガスを前記プラズマ反応チャンバに供給する工程と、
    前記シャワーヘッド電極を温度制御されたバッキングプレートに静電気的にクランプし前記バッキングプレートを前記シャワーヘッド電極に押し付ける静電保持装置に電圧を印加する工程と、
    含み、
    前記静電保持装置は、柔軟材料から成る下側面を有し、
    前記柔軟材料は、前記シャワーヘッド電極の上側接触面の表面の凹凸と適合し、前記電極プレートと前記バッキングプレートとの間の熱接触を提供するように静電吸引の間弾性かつ変形可能であり、
    前記バッキングプレートと前記静電保持装置とは、処理ガスが前記プラズマ反応チャンバに供給されることができる少なくとも１個の処理ガスポートを含む、ことを特徴とする方法。
19. 前記半導体基板上の材料層をエッチングする工程を含むことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
20. 前記半導体基板上の二酸化シリコン層をエッチングする工程を含むことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
21. 前記半導体基板上に材料層を成膜する工程を含むことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
22. 前記シャワーヘッド電極を加熱するように前記静電保持装置内の抵抗発熱体に電力を供給する工程を含むことを特徴とする請求項１８に記載の方法。

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