JP5111030B2 - 基板処理システムに用いられる耐浸食性絶縁層を有する温度制御された基板ホルダ - Google Patents

Description

本発明は、基板の温度を制御するシステムに関し、より詳細には基板の温度を制御する基板ホルダに関する。

半導体製造及びプロセスでは、たとえばエッチング及び堆積プロセスを含む様々なプロセスは基板温度に大きく依存することが知られている。このため、基板温度を制御し、基板温度を制御可能な状態で調節する能力は、半導体プロセスシステムの必須要素となっている。基板温度は、基板とプラズマとの相互作用、化学過程等、及び、放射線及び／又は電気による周辺環境との熱のやり取りを含む多くの過程によって決定される。基板の上側表面に適切な温度を供することで、基板温度が制御されて良い。
米国特許第７２３０２０４号明細書 米国特許出願公開第２００６／００８１５６４号明細書

本発明は基板温度を制御するシステムに関する。

本発明の一の態様に従うと、処理システム内で基板を支持する基板ホルダは、第１温度を有する温度制御された支持体基盤、該温度制御された支持体基盤に対向し、かつ基板を支持するように備えられた基板支持体、及び該基板支持体と結合し、かつ前記基板支持体を第１温度よりも高温である第２温度に加熱するように備えられた１以上の加熱素子、を有する。耐浸食性断熱材が、前記温度制御された支持体基盤と基板支持体との間に設けられている。前記耐浸食性断熱材は、ハロゲン含有ガスによる腐食に耐える材料組成物を有する。

本発明の第２態様は、処理システム内で基板を支持する基板ホルダに関する。当該基板ホルダは、第１温度を有する温度制御された支持体基盤、該温度制御された支持体基盤に対向し、かつ基板を支持するように備えられた基板支持体、及び該基板支持体と結合し、かつ前記基板支持体を第１温度よりも高温である第２温度に加熱するように備えられた１以上の加熱素子、を有する。断熱材が、前記温度制御された支持体基盤と基板支持体との間に設けられている。当該断熱材は、ハロゲン含有ガスによる腐食に耐える手段を有する。

以降の説明では、限定ではない説明目的で、それはたとえば基板処理システムで用いられる基板ホルダの具体的な幾何学形状、並びに様々な構成要素及びプロセスについての記述のような、特定の詳細について説明されている。しかし本発明はこれらの具体的詳細から逸脱した他の実施例でも実行可能であることに留意すべきである。

本発明の実施例に従うと、材料プロセスシステム１が図１に図示されている。当該材料プロセスシステム１は、基板ホルダ２０及び該ホルダ２０上に基板２５を有するプロセスツール１０を有する。基板ホルダ２０は、基板温度を調節する温度制御素子を供するように備えられている。それに加えて温度制御素子は、基板温度が均一又は不均一であることを保証するように、空間的に配備されて良い。制御装置５５は、プロセスツール１０及び基板ホルダ２０と結合し、かつ後述するように基板温度を監視、調節及び制御するように備えられている。

図１に図示された実施例では、材料プロセスシステム１はエッチングチャンバを有して良い。たとえばエッチングチャンバは、ドライプラズマエッチング、又はその代わりにドライである非プラズマエッチングを行うように備えられて良い。あるいはその代わりに、材料プロセスシステム１は、たとえばフォトリソグラフィシステムのようなフォトレジストコーティングチャンバ、たとえばフォトリソグラフィシステムのようなフォトレジストパターニングチャンバ、たとえばスピン・オン・グラス（ＳＯＧ）若しくはスピン・オン・誘電体（ＳＯＤ）のような誘電体コーティングチャンバ、気相成長（ＣＶＤ）システム、プラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）システム、原子層堆積（ＡＬＤ）システム、プラズマ原子層堆積（ＰＥＡＬＤ）システム若しくは物理気相成長（ＰＶＤ）システムのような堆積チャンバ、又は熱アニーリング用の急速熱処理（ＲＴＰ）チャンバを有する。

ここで図２Ａを参照して、一実施例に従った基板ホルダについて説明する。基板ホルダ１００は、第１温度を有しかつ基板１１０を支持するように備えられた基板支持体１３０、基板支持体１３０の下に位置しかつ第１温度よりも低い（つまり基板１１０の所望温度よりも低い）第２温度になるように備えられた温度制御された支持体基盤１２０、並びに、基板支持体１３０及び温度制御された支持体基盤１２０との間に設けられた断熱材１４０、を有する。それに加えて、基板支持体１３０は、該基板支持体１３０と結合しかつ前記基板支持体１３０の温度を昇温（つまり基板を加熱する）するように備えられた１以上の加熱素子を有する。第１温度は本発明の実施例に従った基板支持体にわたって温度勾配を有して良く、かつ第２温度は本発明の実施例に従った温度制御された基盤にわたって温度勾配を有して良いことに留意して欲しい。

一実施例に従うと、断熱材１４０は、基板支持体１３０及び温度制御された支持体基盤１２０の各対応する熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する。たとえば断熱材１４０の熱伝導率は１Ｗ／ｍ−Ｋ未満である。望ましくは、断熱材の熱伝導率は約０．０５Ｗ／ｍ−Ｋから約０．８ Ｗ／ｍ−Ｋの範囲である。より望ましくは、断熱材の熱伝導率は約０．２Ｗ／ｍ−Ｋから約０．８ Ｗ／ｍ−Ｋの範囲である。

断熱材１４０は、ポリマー、プラスチック又はセラミックスで作られた接着剤を有する。断熱材１４０は無機又は有機材料を有して良い。たとえば断熱材１４０は、室温硬化（ＲＴＶ）接着剤、熱可塑性であるプラスチック、熱硬化性樹脂若しくは注型用樹脂（すなわち注入可能なプラスチック又はエラストマー化合物）、又はエラストマー等を有して良い。基板支持体１３０と温度制御された支持体基盤１２０との間に熱抵抗を供するため、断熱材１４０は、基板支持体１３０と温度制御された支持体基盤１２０との間に結合層すなわち接着層を供して良い。

断熱材１４０の厚さ及び材料組成は、必要なときに、基板支持体１２０とプラズマとの間で適切な高周波（ＲＦ）結合が維持できるように選択されなければならない。さらに熱勾配及び材料特性つまり熱膨張係数の差異によって駆動される熱による機械剪断に耐えるように、断熱材１４０が選択されなければならない。たとえば断熱材１４０の厚さは、約１０ｍｍ（ミリメートル）以下であって良い。望ましくは、厚さは５ｍｍ以下で、たとえば約２ｍｍ以下であって良い。

それに加えて、断熱材１４０の材料組成は、利用される環境の範囲内で浸食に対する耐性を示すようなものであることが好ましい。たとえばドライプラズマエッチング環境のときには、断熱材１４０は、エッチングプロセス中に用いられる浸食性エッチング用化学物質、及びエッチングシステムのクリーニングプロセス中に用いられる浸食性クリーニング用化学物質に対して耐性を有していなければならない。多くのエッチング用化学物質及びクリーニング用化学物質では、以下に限定されるわけではないがＣｌ_２、Ｆ_２、Ｂｒ_２、ＨＢｒ、ＨＣｌ、ＨＦ、ＳＦ_６、ＮＦ_３、ＣｌＦ_３等を含むハロゲン含有プロセスガスが利用される。これらの化学物質、特にクリーニング用化学物質では、たとえばフッ素原子等のような反応性であるハロゲン原子を高濃度にすることが望ましい。

一の実施例に従うと、断熱材１４０は、耐浸食性断熱材を有する。一の実施例では、断熱材全体が耐浸食性材料で作られる。あるいはその代わりに、たとえばハロゲン含有ガスに曝露される部分のような断熱材１４０の一部のみが耐浸食性材料を有して良い。たとえば耐浸食性材料が、断熱材の周辺である曝露された領域にのみに含まれて良い一方で、断熱材の残りの領域は、所望の伝熱係数を供するように選ばれた、耐浸食性材料とは異なる材料組成を有する。

耐浸食性断熱材は、たとえばアクリルベースの材料又はアクリラートベースの材料のようなアクリル系材料を有して良い。アクリルベース材料及びアクリラートベースの材料は、適切な触媒による反応によってアクリル酸又はメタクリル酸を重合することによって生成されて良い。表１は、材料組成に対する浸食に対する耐性の依存性を示すデータを供する。たとえばシリコン含有接着剤、及び一連のアクリル／アクリラート含有接着剤（これらは様々な製造供給社Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｑ、Ｒ及びＴによって調製された）についてのデータが供される。データは、プラズマ（すなわちＲＦ電源がオンである）時間（ｈｒ）の関数としての浸食量（ｍｍ^３）、つまりｍｍ^３／ｈｒを有する。表１に示されているように、アクリル／アクリラート含有接着剤は、クリーニング用プラズマ（たとえばＳＦ_６ベースのプラズマ）に曝露されたときよりも、２桁以上小さい浸食を示す。

さらに別な実施例に従うと、断熱材１４０は、温度制御された支持体基盤１２０と基板支持体１３０との間に設けられた断熱材１４０の伝熱係数（Ｗ／ｍ^２−Ｋ）の不均一な空間変化を有する。たとえば伝熱係数は、（基板１１０の下である）断熱材１４０の実質的に中心領域から（基板１１０の下である）断熱材１４０の実質的に端部領域までの半径方向で変化して良い。伝熱係数の空間変化は、断熱材１４０の熱伝導率（Ｗ／ｍ−Ｋ）の不均一な空間変化及び／又は断熱材１４０の厚さの不均一な空間変化を有して良い。本明細書で用いられているように、パラメータの“不均一な空間分布”という語は、そもそも存在する基板ホルダにわたるパラメータの小さな変化ではなく、むしろ設計による生じる、基板ホルダの領域にわたるパラメータの空間変化を意味する。さらに、“断熱材の実質的に中心領域”という語は、基板が基板ホルダ上に位置する場合に、その基板の中心と重なる断熱材の領域を意味する。“断熱材の実質的に端部領域”という語は、基板が基板ホルダ上に位置する場合に、その基板の端部と重なる断熱材の領域を意味する。

図２Ｂに図示されているように、熱伝導率は、基板１１０の下である断熱材１４０の実質的に中心領域から、基板１１０の下である断熱材１４０の実質的に端部領域までの半径方向で変化して良い。たとえば熱伝導率は、約０．２Ｗ／ｍ−Ｋから約０．８Ｗ／ｍ−Ｋである第１値から、約０．２Ｗ／ｍ−Ｋから約０．８Ｗ／ｍ−Ｋである第２値までの範囲で変化して良い。それに加えて、たとえば熱伝導率は、断熱材１４０の実質的に中心領域近くでは約０．２Ｗ／ｍ−Ｋで、断熱材１４０の実質的に端部領域近くでは約０．８Ｗ／ｍ−Ｋであって良い。それに加えてさらに、たとえば熱伝導率の変化は実質的には、断熱材１４０のほぼ半径方向に中間な領域と、断熱材１４０のほぼ周辺領域との間で生じる。図２Ｂに図示されているように、温度は、中心から端部にかけて、第１温度（Ｔ_１）から第２温度（Ｔ_２）へ変化して良い。係る熱伝導率（及び温度）変化が与えられることで、その変化はたとえば基板周辺のピントリングによる基板端部領域の過剰な加熱に対抗することができる。

図３に図示されているように、別な実施例に従った基板ホルダについて説明する。基板ホルダ２００は、第１温度を有しかつ基板２１０を支持するように備えられた基板支持体２３０、基板支持体２３０の下に位置しかつ第１温度よりも低い（つまり基板２１０の所望温度よりも低い）第２温度になるように備えられた温度制御された支持体基盤２２０、並びに、基板支持体２３０及び温度制御された支持体基盤２２０との間に設けられた断熱材２４０、を有する。それに加えて、基板支持体２３０は、該基板支持体２３０と結合しかつ前記基板支持体２３０の温度を昇温（つまり基板を加熱する）するように備えられた１以上の加熱素子を有する。断熱材２４０は不均一な厚さを有する。

図示されているように、（基板２１０の下である）断熱材２４０の実質的に中心領域での厚さは薄く、かつ基板２１０の下である断熱材２４０の実質的に端部領域での厚さは相対的に厚い。あるいはその代わりに、基板２１０の下である実質的に中心領域で厚く、かつ基板２１０の端部領域で相対的に薄くても良い。断熱材２４０の不均一な厚さは、支持体基盤２２０上の非平坦上側面によって与えられて良い。及び／又は断熱材２４０の不均一な厚さは、基板支持体２４０の非平坦下側面によって与えられて良い。あるいはその代わりに、断熱材２４０とは異なる熱伝導率を有する材料の層が、支持体基盤２２０の上側面の一部又は基板支持体２３０の下側面の一部に設けられて良い。たとえばカプトン（Ｋａｐｔｏｎ）（登録商標）、ベスペル（Ｖｅｓｐｅｌ）（登録商標）、テフロン（Ｔｅｆｌｏｎ）（登録商標）等の層が、基板２１０の下である実質的に中心領域に設けられて良い。又は係る層は、基板２１０の下である実質的に周辺領域に設けられて良い。

ここで図４を参照して、別な実施例に従った基板ホルダについて説明する。基板ホルダ３００は、第１温度を有しかつ基板３１０を支持するように備えられた基板支持体３３０、基板支持体３３０の下に位置しかつ第１温度よりも低い（つまり基板３１０の所望温度よりも低い）第２温度になるように備えられた温度制御された支持体基盤３２０、並びに、基板支持体３３０及び温度制御された支持体基盤３２０との間に設けられた断熱材３４０、を有する。それに加えて、基板支持体３３０は、該基板支持体３３０と結合しかつ前記基板支持体３３０の温度を昇温（つまり基板を加熱する）するように備えられた１以上の加熱素子を有する。

図４に図示されているように、支持体基盤３２０は、複数の突起物すなわち隆起物３４２を有する。その複数の隆起物３４２は、断熱材３４０へ入り込んだ状態で（又は貫通するまで）延びている。さらに突起物の個数密度は、基板ホルダの実質的に中心領域３４４と実質的に周辺領域３４６との間で変化して良い。たとえば周辺領域３４６で突起物の個数密度が高い一方で、中心領域３４４での突起物の個数密度は相対的に低くて良い。あるいはその代わりに、たとえば中心領域３４４で突起物の個数密度が高い一方で、周辺領域３４６での突起物の個数密度は相対的に低くても良い。突起物の個数密度の変化に加えて、又は密度変化の代わりに、突起物の大きさ及び／又は形状が変化しても良い。

温度制御された支持体基盤１２０（２２０，３２０）は、金属材料又は非金属材料から作製されて良い。たとえば支持体基盤１２０（２２０，３２０）は、アルミニウムで作製されて良い。それに加えて、たとえば支持体基盤１２０（２２０，３２０）は、比較的熱伝導率の高い材料で形成されて良い。それにより、支持体基盤の温度を、比較的一定の温度に保持することができる。温度制御された支持体基盤の温度は、たとえば冷却素子のような１以上の温度制御素子によって能動的に制御されることが好ましい。しかし温度制御された支持体基盤は、たとえば周辺環境と接する表面積の増大によって自由対流を増大させるクーリングフィンを用いた受動的冷却を供しても良い。支持体基盤１２０（２２０，３２０）は、電力と基板支持体が有する１以上の加熱素子との結合、電力と静電クランプ電極との結合、伝熱ガスと基板背面との空気結合等、を可能にする通路（図示されていない）をさらに有して良い。

支持体基盤１２０（２２０，３２０）は、金属材料又は非金属材料で作製されて良い。支持体基盤１２０（２２０，３２０）は、たとえばセラミックスのような非導電性材料で作製されて良い。たとえば支持体基盤１２０（２２０，３２０）はアルミナで作製されて良い。

一の実施例に従うと、１以上の加熱素子は基板支持体１３０（２３０，３３０）内部に埋め込まれる。１以上の加熱素子は２のセラミックス部位間に設けられて良い。その２のセラミックス部位は共に焼成されて、１つの部位を形成する。あるいはその代わりに、セラミックスの第１層は、断熱材上に熱的に塗布される。それに続いて１以上の加熱素子にわたって第２セラミックス層が熱的に塗布される。同様の手法を用いることで、他の電極又は金属層が、基板支持体１３０（２３０，３３０）内部に挿入されて良い。たとえば静電クランプ電極は、セラミック層間に挿入され、かつ上述したような焼成又は塗布手法によって形成されて良い。１以上の加熱素子及び静電クランプ電極は、同一面内又はそれぞれ別な面内にあって良い。また１以上の加熱素子及び静電クランプ電極は、別個の電極として実装されても良いし、又は同一の物理電極として実装されても良い。

ここで図５を参照して、別な実施例に従った基板ホルダについて説明する。基板ホルダ４００は、第１温度を有しかつ基板４１０を支持するように備えられた基板支持体４３０、該基板支持体４３０の下に位置しかつ第１温度よりも低い（つまり基板４１０の所望温度よりも低い）第２温度になるように備えられた温度制御された支持体基盤４２０、並びに、基板支持体４３０及び温度制御された支持体基盤４２０との間に設けられた断熱材４４０、を有する。それに加えて、基板支持体４３０は、該基板支持体４３０と結合しかつ前記基板支持体４３０の温度を昇温（つまり基板を加熱する）するように備えられた１以上の加熱素子を有する。さらに支持体基盤４２０は、該支持体基盤４２０と結合する１以上の冷却素子４２１を有する。その１以上の冷却素子４２１は、断熱材４４０を介して基板支持体４３０から熱を除去することによって基板支持体４３０の温度を減少させるように備えられている。

１以上の加熱素子４３１は、加熱流体チャネル、抵抗加熱素子、又はウエハへ向けて熱を輸送するように電圧印加された熱電素子のうちの少なくとも１を有して良い。さらに図５に図示されているように、１以上の加熱素子４３１は、加熱素子制御ユニット４３２と結合する。加熱素子制御ユニット４３２は、各加熱素子の独立又は従属制御を供するように備えられ、かつ制御装置４５０と情報のやり取りをする。

たとえば１以上の加熱素子４３１は、１以上の加熱チャネルを有して良い。その１以上の加熱チャネルは、たとえば水、フルオリナート（Ｆｌｕｏｒｉｎｅｒｔ）（商標）、ガルデンＨＴ−１３５（登録商標）等の流体の流速を、伝導−対流加熱を供するようにすることを可能にする。流体の温度は、熱交換器を介して上昇する。流速及び流体温度はたとえば、加熱素子制御ユニット４３２によって設定、監視、調節及び制御が可能である。

あるいはその代わりに、たとえば１以上の加熱素子４３１は、１以上の抵抗加熱素子を有して良い。抵抗加熱素子とはたとえば、たとえばタングステン、ニッケル−クロム合金、アルミニウム−鉄合金、窒化アルミニウム等である。抵抗加熱素子を製造に用いられる市販材料の例には、カンタル（Ｋａｎｔｈａｌ）、ニクロタル（Ｎｉｋｒｏｔｈａｌ）、アクロタル（Ａｋｒｏｔｈａｌ）が含まれる。これらは、カンタルコーポレーションによって製造されている金属合金に係る登録商標名である。カンタルシリーズは鉄系合金（ＦｅＣｒＡｌ）を有し、ニクロタルシリーズはオーステナイト系合金（ＮｉＣｒ、ＮｉＣｒＦｅ）を有する。たとえば加熱素子は、予め備え付けられたヒーター、又はフィルムヒーターを有して良い。予め備え付けられたヒーターは、ワトロー（Ｗａｔｌｏｗ）社から販売されている、最大４００℃から４５０℃の温度で動作する能力を有する。フィルムヒーターは、ワトロー（Ｗａｔｌｏｗ）社から販売され、窒化アルミニウムを有し、３００℃の温度及び最大で２３．２５Ｗ／ｃｍ^２の出力密度で動作する能力を有する。それに加えて、たとえば加熱素子は、１４００Ｗ（すなわち５Ｗ／ｉｎ^２の出力密度）を有する（厚さ１ｍｍの）シリコーンゴムヒーターを有して良い。電流がフィラメントを流れるとき、電力は熱として消費される。従って加熱素子制御ユニット４３２はたとえば、制御可能なＤＣ出力供給体を有して良い。低温及び低出力密度に適した他のヒーターの選択肢は、カプトンヒーターである。これは、ミンコ（Ｍｉｎｃｏ）社から販売されているカプトン（たとえばポリイミド）シート内に埋め込まれたフィラメントからなる。

あるいはその代わりに、たとえば１以上の加熱素子４３１は、熱電素子のアレイを有して良い。そのアレイは、それぞれの素子を流れる電流の方向に依存して基板を加熱又は冷却する能力を有する。よって素子４３１が“加熱素子”と呼ばれる一方で、これらの素子は、温度間の急速な遷移を供するように冷却する能力を有して良い。さらに加熱及び冷却機能は、基板支持体４３０内部の各分離した素子によって供されて良い。典型的な熱電素子は、アドバンストサーモエレクトリック（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ）社から販売されている、モデルＳＴ−１２７−１．４−８．５Ｍ（最大伝熱出力７２Ｗを有する４０ｍｍ×４０ｍｍ×３．４ｍｍの熱電素子）である。従って加熱素子制御ユニット４３２は、たとえば制御可能な電源を有して良い。

１以上の冷却素子４２１は、冷却チャネル又は熱電素子のうちの少なくとも１を有して良い。さらに図５に図示されているように、１以上の冷却素子４２１は、冷却素子制御ユニット４２２と結合する。冷却素子制御ユニット４２２は、各冷却素子４２１の従属又は独立制御を供し、かつ制御装置４５０と情報のやり取りをするように備えられている。

たとえば１以上の冷却素子４２１は、１以上の冷却チャネルを有して良い。その１以上の冷却チャネルは、たとえば水、フルオリナート（Ｆｌｕｏｒｉｎｅｒｔ）（商標）、ガルデンＨＴ−１３５（登録商標）等の流体の流速を、伝導−対流加熱を供するようにすることを可能にする。流体の温度は、熱交換器を介して降温する。流速及び流体温度はたとえば、冷却素子制御ユニット４２２によって設定、監視、調節及び制御が可能である。あるいはその代わりに、たとえば加熱中に、１以上の冷却素子４２１を流れる流体の流体温度が上昇することで、１以上の加熱素子４３１による加熱が補われて良い。あるいはその代わりに、たとえば冷却中に、１以上の冷却素子４２１を流れる流体の流体温度が減少しても良い。

あるいはその代わりに、たとえば１以上の冷却素子４２１は、熱電素子のアレイを有して良い。そのアレイは、それぞれの素子を流れる電流の方向に依存して基板を加熱又は冷却する能力を有する。よって素子４３１が“冷却素子”と呼ばれる一方で、これらの素子は、温度間の急速な遷移を供するように加熱する能力を有して良い。さらに加熱及び冷却機能は、温度制御された支持体基盤４２０内部の各分離した素子によって供されて良い。典型的な熱電素子は、アドバンストサーモエレクトリック（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ）社から販売されている、モデルＳＴ−１２７−１．４−８．５Ｍ（最大伝熱出力７２Ｗを有する４０ｍｍ×４０ｍｍ×３．４ｍｍの熱電素子）である。従って加熱素子制御ユニット４２２は、たとえば制御可能な電源を有して良い。

それに加えて図５に図示されているように、基板ホルダ４００は、基板支持体４３０内部に埋め込まれた１以上のクランプ電極４３５を有する静電クランプ（ＥＳＣ）をさらに有して良い。ＥＳＣは、電気的に接続を介してクランプ電極４３５と結合する高電圧（ＨＶ）ＤＣ電圧供給体４３４をさらに有する。係るクランプの設計及び実装は、静電クランプシステム分野の当業者には周知である。さらにＨＶ ＤＣ電圧供給体４３４は、制御装置４５０と結合し、かつ制御装置４５０と情報をやり取りするように備えられている。

さらに図５に図示されているように、基板ホルダ４００は、少なくとも１のガス供給ライン及び複数のオリフィスとチャネルのうちの少なくとも１（図示されていない）を介して基板４１０の背面へ、伝熱ガスを供給する背面ガス供給システム４３６をさらに有して良い。伝熱ガスとはたとえば、ヘリウム、アルゴン、キセノン、クリプトンを含む不活性ガス、プロセスガス、又は、酸素、窒素若しくは水素を含む他のガスである。背面ガス供給システム４３６はたとえば、２領域系（中心／端部）又は３領域系（中心／半径方向の中間／端部）のような多領域供給システムであって良い。背面圧は、半径方向に中心から端部へ向けて変化して良い。さらに背面ガス供給システム４３６は、制御装置４５０と結合し、かつ制御装置４５０と情報をやり取りするように備えられている。

さらに図５に図示されているように、基板ホルダ４００は、温度監視システム４６０と結合する１以上の温度センサ４６２をさらに有して良い。１以上の温度センサ４６２は、基板４１０の温度を測定するように備えられて良い、及び／又は１以上の温度センサ４６２は、基板支持体４３０の温度を測定するように備えられて良い。たとえば１以上の温度センサ４１０は、図５に図示されているように基板支持体４３０の下側面の温度、又は基板４１０の基盤の温度が測定される、ように設置されて良い。

温度センサは、光ファイバ温度計、光学パイロメータ、特許文献５に記述されているようなバンド端温度計システム、又は（破線で示されている）Ｋ型熱電対のような熱電対を有して良い。光学温度計の例には、アドバンストエナジー社から市販されているＯＲ２０００Ｆ型光ファイバ温度計、ラクストロンコーポレーションから市販されているＭ６００型光ファイバ温度計、又は高岳製作所から市販されているＦＴ−１４２０型光ファイバ温度計が含まれる。

温度監視システム４６０は、プロセス前、プロセス中又はプロセス後に、加熱素子、冷却素子、背面ガス供給システム、又はＥＳＣ用のＨＶ ＤＣ電圧供給体のうちの少なくとも１を調節するために制御装置４５０へセンサ情報を供して良い。

制御装置４５０は、マイクロプロセッサ、メモリ、及びデジタルＩ／Ｏポート（場合によってはＤ／Ａ及び／又はＡ／Ｄコンバータを含む）を有して良い。そのデジタルＩ／Ｏポートは、基板ホルダ４００への入力を送りかつ活性化させ、及び基板ホルダ４００からの出力を監視するのに十分な制御電圧を発生させる能力を有する。図５に図示されているように、制御装置４５０は加熱素子制御ユニット４３２、冷却素子制御ユニット４２２、ＨＶ ＤＣ電圧供給体４３４、背面ガス供給システム及び温度監視システム４６０と結合して、これらと情報をやり取りして良い。プロセスを実行するためのプロセスレシピに従って、メモリ中に保存されるプログラムは、基板ホルダ４００に係る上述の構成要素と相互作用するように利用されて良い。制御装置４５０の一例は、デルコーポレーションから販売されているデル・プレシジョン・ワークステーション（ＤＥＬＬ ＰＲＥＣＩＳＩＯＮ ＷＯＲＫＳＴＡＴＩＯＮ ６１０ＴＭ）である。

制御装置４５０は汎用コンピュータ、プロセッサ、デジタル信号プロセッサ等として実装されて良い。制御装置４５０は、基板ホルダに、コンピュータによる読み取り可能な媒体内に含まれる１以上の命令に係る１以上のシーケンスを実行する制御装置４５０に応答して、本発明のプロセス工程の一部又は全部を実行させる。コンピュータによる読み取り可能な媒体又はメモリは、本発明の教示に従ってプログラムされた命令を保持するように備えられている。コンピュータによる読み取り可能な媒体又はメモリは、データ構造体、テーブル、レコード又は本明細書で述べられている他のデータを有して良い。コンピュータによる読み取り可能な媒体の例には、コンパクトディスク（たとえばＣＤ−ＲＯＭ）、ハードディスク、フロッピーディスク、テープ、磁気光学ディスク、ＰＲＯＭｓ（ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュＥＰＲＯＭ）、ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ、ＳＤＲＡＭ、他の如何なる磁気媒体、他の如何なる光学媒体、パンチカード、ペーパーテープ、穴のパターンを有する他の物理媒体、搬送波、又はコンピュータで読み取りが可能な他の如何なる媒体がある。

制御装置４５０は、基板ホルダ４００に対して局所的に設けられても良いし、又はインターネット若しくはイントラネットを介して基板ホルダ４００に対して遠くに設けられても良い。よって制御装置４５０は、直接接続、イントラネット、インターネット、及びワイヤレス接続のうちの少なくとも１を用いて、基板ホルダ４００とデータのやり取りをして良い。制御装置４５０は、たとえば顧客の側（つまり素子メーカー等）でイントラネットと接続して良いし、又は、たとえば装置供給元（つまり装置製造メーカー）の側でイントラネットと接続しても良い。さらに、別なコンピュータ（つまり制御装置、サーバ等）は、たとえば直接接続、イントラネット、インターネット、及びワイヤレス接続のうちの少なくとも１を介してデータのやり取りをする制御装置４５０へアクセスして良い。

任意で、基板ホルダ４００は電極を有して良い。その電極を介して、ＲＦ出力は、基板４１０の上にあるプロセス領域内でプラズマと結合する。たとえば支持体基盤４２０は、ＲＦ発生装置からインピーダンス整合ネットワークを通って基板ホルダ４００へ向かうＲＦ出力の透過を介したＲＦ電圧で電気的にバイアス印加されて良い。ＲＦバイアスは、電子を加熱することでプラズマの生成及び保持をする、並びに／又は基板４１０に入射するイオンエネルギーを制御するために基板４１０にバイアス印加する役割を果たして良い。この構成では、システムは反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）炉として動作して良い。チャンバ及び上側ガス注入電極は接地面として機能する。ＲＦバイアスの典型的周波数は、１ＭＨｚから１００ＭＨｚの範囲であって良く、１３．５６ＭＨｚであることが好ましい。

あるいはその代わりに、ＲＦ出力は、他種類の周波数で、基板ホルダ電極に与えられて良い。さらにインピーダンス整合ネットワークは、出力の反射を最小にすることによって、プロセスチャンバ内のプラズマへのＲＦ出力の付与を最大にする役割を果たして良い。様々な整合ネットワークトポロジー（たとえばＬ型、π型、Ｔ型など）及び自動制御法が利用されて良い。

ここで図６を参照して、別な実施例に従った基板ホルダについて説明する。基板ホルダ５００は、第１温度を有しかつ基板５１０を支持するように備えられた基板支持体５３０、該基板支持体５３０の下に位置しかつ第１温度よりも低い（つまり基板５１０の所望温度よりも低い）第２温度になるように備えられた温度制御された支持体基盤５２０、並びに、基板支持体５３０及び温度制御された支持体基盤５２０との間に設けられた断熱材５４０、を有する。それに加えて、基板支持体５３０は、該基板支持体５３０と結合しかつ前記基板支持体５３０の温度を昇温するように備えられた、（基板５１０の下でほぼ中心領域に位置する）中心加熱素子５３３、及び（基板５１０の下でほぼ端部すなわち周辺領域に位置する）端部加熱素子５３１を有する。さらに支持体基盤５２０は、該支持体基盤５２０と結合する１以上の冷却素子５２１を有する。その１以上の冷却素子５２１は、断熱材５４０を介して基板支持体５３０から熱を除去することによって基板支持体５３０の温度を減少させるように備えられている。

図６に図示されているように、中心加熱素子５３３及び端部加熱素子５３１は、加熱素子制御ユニット５３２と結合する。加熱素子制御ユニット５３２は、各加熱素子の従属又は独立制御を供するように備えられ、かつ制御装置５５０と情報のやり取りをする。

それに加えて図６に図示されているように、基板ホルダ５００は、基板支持体５３０内部に埋め込まれた１以上のクランプ電極５３５を有する静電クランプ（ＥＳＣ）をさらに有して良い。ＥＳＣは、電気的に接続を介してクランプ電極５３５と結合する高電圧（ＨＶ）ＤＣ電圧供給体５３４をさらに有する。係るクランプの設計及び実装は、静電クランプシステム分野の当業者には周知である。さらにＨＶ ＤＣ電圧供給体５３４は、制御装置５５０と結合し、かつ制御装置５５０と情報をやり取りするように備えられている。

さらに図６に図示されているように、基板ホルダ５００は、２のガス供給ライン及び複数のオリフィスとチャネルのうちの少なくとも２（図示されていない）を介して基板５１０の背面へ、伝熱ガスを供給する背面ガス供給システム５３６をさらに有して良い。伝熱ガスとはたとえば、ヘリウム、アルゴン、キセノン、クリプトンを含む不活性ガス、プロセスガス、又は、酸素、窒素若しくは水素を含む他のガスである。背面ガス供給システム５３６はたとえば、２領域系（中心／端部）又は３領域系（中心／半径方向の中間／端部）のような多領域供給システムであって良い。背面圧は、半径方向に中心から端部へ向けて変化して良い。さらに背面ガス供給システム５３６は、制御装置５５０と結合し、かつ制御装置５５０と情報をやり取りするように備えられている。

さらに図６に図示されているように、基板ホルダ５００は、基板５１０の下のほぼ中心領域での温度を測定する中心温度センサ５６２、及び、基板５１０の下のほぼ端部領域での温度を測定する端部温度センサ５６４をさらに有する。中心温度センサ５６２及び端部温度センサ５６４は、温度監視システム５６０と結合する。

ここで図８を参照して、別な実施例に従ったプロセスシステム内にある基板ホルダ上の基板温度を制御する方法７００を示す。たとえば温度制御手順は、図１から図６で説明されている基板ホルダのいずれか１を有するプロセスシステム中でのプロセスに係る複数のプロセス工程が付随して良い。方法７００は、工程７１０において基板ホルダ上に基板を設けることから始まる。

基板ホルダは、少なくとも基板の内側領域及び外側領域の温度、並びに／又は基板ホルダの温度を知らせる複数の温度センサを有する。それに加えて基板ホルダは、内側領域を加熱する第１加熱素子、外側領域を加熱する第２加熱素子、並びに内側領域及び外側領域を冷却する冷却素子を有する支持体基盤を有する。第１加熱素子及び第２加熱素子並びに冷却素子は温度制御システムによって制御されることで、基板ホルダを選択可能な設定温度に維持する。さらに基板ホルダは、基板支持体と支持体基盤との間に設けられた断熱材を有する。

７２０では、基板は第１温度プロファイルに設定される。温度制御システムを用いることで、第１温度プロファイル（たとえば基板温度）よりも低い支持体基盤の第１基盤温度、並びに第１内側設定温度及び第１外側設定温度が選択される。その後温度制御システムは、冷却素子並びに第１及び第２加熱素子を調節することで、上述の選択された温度を実現する。

７３０では、基板は第２温度プロファイルに設定される。温度制御システムを用いることで、支持体基盤の第２基盤温度、並びに第２内側設定温度及び第２外側設定温度が選択される。その後温度制御システムは、任意で冷却素子を調節することで第１基盤温度を変化させ、かつ第２内側及び外側設定温度が実現されるまで内側及び外側加熱素子を調節することによって、第１温度プロファイル（つまり第１内側及び外側設定温度）から第２温度プロファイル（つまり第２内側及び外側設定温度）へ基板温度を変化させる。

一例では、基板温度が、第１温度プロファイルから第２温度プロファイルへ上昇（又は減少）一方で、第２基盤温度は、第１基盤温度と同一のままである。第１温度プロファイルから第２温度プロファイルへ基板を加熱（又は冷却）するため、内側及び外側加熱素子へ供給される電力は増大（又は減少）する。

別な例では、基板温度が、第１温度プロファイルから第２温度プロファイルへ上昇（又は減少）一方で、第２基盤温度は第１基盤温度と異なる値に変化する。第１温度プロファイルから第２温度プロファイルへ基板を加熱（又は冷却）するため、内側及び外側加熱素子へ供給される電力は増大（又は減少）する一方で、第１基盤温度から第２基盤温度へ変化させるため、冷却素子に供給される電力は増大（又は減少）する。よって本発明の一の実施例に従うと、基板温度を制御するとき、支持体基盤の温度は、基板支持体を支援するために変化する。本願発明者らは、支持体基盤に係るこの温度変化によって、基板のより正確及び／又は急速な温度遷移が供されることを理解していた。

温度制御システムは、温度監視システムによって供される測定値に応じて、温度を安定的に調節する制御アルゴリズムを利用する。その制御アルゴリズムは、たとえばＰＩＤ（比例（ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ）、積分（ｉｎｔｅｇｒａｌ）、微分（ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ））コントローラであって良い。ＰＩＤコントローラでは、ｓ領域（つまりラプラス空間）での伝達関数は、以下のように表すことができる。

Ｇ_ｃ（ｓ）＝Ｋ_Ｐ＋Ｋ_Ｄｓ＋Ｋ_Ｉｓ^−１ （１）
ここではＫ_Ｐ、Ｋ_Ｄ、Ｋ_Ｉは定数で、本明細書ではＰＩＤパラメータの組と呼ぶ。制御アルゴリズムに係る設計上の課題は、温度制御システムの所望の特性を実現するＰＩＤパラメータの組を選択することである。

図７Ａを参照すると、ＰＩＤパラメータの組が異なることで如何に温度応答が変化するのかを示す、複数の典型的な温度の時間変化が図示されている。各場合において、温度は第１値から第２値へ増加する。温度６０１の第１時間変化は、たとえば相対的に小さな値のＫ_Ｉを有する相対的に変化の大きな制御方法を示している。その時間変化は、“オーバーシュート”を示し、一連の振動がそのオーバーシュートに続く。温度６０２の第２時間変化は、たとえば相対的に大きな値のＫ_Ｉを有する相対的に変化の小さな制御方法を示している。その時間変化は相対的に遅く、徐々に第２温度へ上昇する。温度６０３の第３時間変化は、たとえば時間変化６０１に係るＫ_Ｉと時間変化６０３に係るＫ_Ｉとの間の値のＫ_Ｉを有する所望である穏やかな変化する制御方法を示している。その時間変化は、オーバーシュートすることなく、第２温度へ相対的に速く上昇する。しかし本願発明者らは、１のＰＩＤパラメータの組のみを用いるのは、安定性及び上昇速度にとっての所望条件を供するには十分ではないことを理解していた。

一の実施例に従うと、２組以上のＰＩＤパラメータの組が、初期値と最終値との間の温度の迅速かつ安定な調節を実現するのに利用される。図７Ｂは、２組のＰＩＤパラメータを利用した温度６００の典型的な時間変化を図示している。ＰＩＤパラメータの第１組は第１時間経過６２２に用いられ、ＰＩＤパラメータの第２組は第２時間経過６２４に用いられる。第１時間経過は、温度の最終値からの温度オフセット６２０を設定することによって決定されて良い。たとえば温度オフセットは、初期値と最終値との間の温度差の約５０％から９９％の範囲であって良い。それに加えて、たとえば温度オフセットは、初期値と最終値との間の温度差の約７０％から９５％の範囲であって良い。望ましくは、温度オフセットは、初期値と最終値との間の温度差の約８０％から９５％の範囲であって良い。

たとえば相対的に変化の大きいＰＩＤパラメータの組が第１時間経過６２２に用いられて良い一方で、相対的に変化の小さいＰＩＤパラメータの組は第２時間経過６２４に用いられて良い。あるいはその代わりに、たとえばＰＩＤパラメータＫ_Ｄが、第１のＰＩＤの組から第２のＰＩＤの組へ増加して良く、ＰＩＤパラメータＫ_Ｉが、第１のＰＩＤの組から第２のＰＩＤの組へ減少して良いし、両方が起こっても良い。

たとえ本発明の特定実施例のみが上で説明されたとしても、本発明の新規な教示及び利点から実質的に逸脱することなく、実施例に係る多くの修正型が可能であることは、当業者にはすぐ分かる。従ってすべての係る修正型は、本発明の技術的範囲内に含まれると解される。

本発明の実施例に従った基板処理システムのブロック図を示している。 本発明の実施例に従った基板ホルダの概略的断面図を示している。 基板ホルダの熱伝導性及び基板温度の典型的プロファイルを図示している。 本発明の別な実施例に従った基板ホルダの概略的断面図を示している。 本発明の別な実施例に従った基板ホルダの概略的断面図を示している。 本発明の別な実施例に従った基板ホルダの概略的断面図を示している。 本発明の別な実施例に従った基板ホルダの概略的断面図を示している。 典型的な温度の時間変化を図示している。 典型的な温度の時間変化を図示している。 本発明の実施例に従った基板温度の調節方法のフローチャートを図示している。

符号の説明

１ 材料プロセスシステム
１０ プロセスツール
２０ 基板ホルダ
２５ 基板
５５ 制御装置
１００ 基板ホルダ
１１０ 基板
１２０ 温度制御された支持体基盤
１３０ 基盤支持体
１４０ 断熱材
２００ 基板ホルダ
２１０ 基板
２２０ 温度制御された支持体基盤
３３０ 基盤支持体
２４０ 断熱材
３００ 基板ホルダ
３１０ 基板
３２０ 温度制御された支持体基盤
３３０ 基盤支持体
３４０ 断熱材
３４２ 隆線
３４４ 中心領域
３４６ 周辺領域
４００ 基板ホルダ
４１０ 基板
４２０ 温度制御された支持体基盤
４２１ 冷却素子
４２２ 冷却素子制御ユニット
４３０ 基盤支持体
４３１ 加熱素子
４３２ 加熱素子制御ユニット
４３４ 高電圧ＤＣ電圧供給体
４３５ クランプ電極
４３６ 背面ガス供給システム
４４０ 断熱材
４５０ 制御装置
４６０ 温度監視システム
４６２ 温度センサ
５００ 基板ホルダ
５１０ 基板
５２０ 温度制御された支持体基盤
５２１ 冷却素子
５２２ 冷却素子制御ユニット
５３０ 基盤支持体
５３１ 端部加熱素子
５３２ 加熱素子制御ユニット
５３３ 中央加熱素子
５３４ 高電圧ＤＣ電圧供給体
５３５ クランプ電極
５３６ 背面ガス供給システム
５４０ 断熱材
５５０ 制御装置
５６０ 温度監視システム
５６２ 中央温度センサ
５６４ 端部温度センサ
６００ 温度
６０１ 温度
６０２ 温度
６０３ 温度
６２０ 温度オフセット
６２２ 第１時間間隔
６２４ 第２時間間隔
７００ プロセス方法
７１０ 工程
７２０ 工程
７３０ 工程

Claims (23)

1. プロセスシステム中の基板を支持する基板ホルダであって：
   第１温度を有する温度制御された支持体基盤；
   前記温度制御された支持体基盤に対向し、前記基板を支持するように備えられた基板支持体；
   前記基板支持体と結合し、該基板支持体を前記第１温度よりも高い第２温度に加熱するように備えられた１以上の加熱素子；及び
   前記温度制御された支持体基盤と前記基板支持体との間に設けられているハロゲン含有ガスの腐食に対して耐性を示す耐浸食性断熱材であって、前記温度制御された支持体基盤を前記基板支持体へ結合させるように機能し、かつハロゲン含有ガスの腐食に対して耐性を示すアクリル型の接着剤を有する耐浸食性断熱材；
   を有する基板ホルダ。
2. 前記耐浸食性断熱材がアクリル系材料又はアクリラート系材料を有する、請求項１に記載の基板ホルダ。
3. 前記耐浸食性断熱材が、ＳＦ_６を有するクリーニング用化学物質、若しくはＳＦ_６及びＯ_２を有するクリーニング用化学物質又はこれら両方による浸食に対して耐性を有するように備えられている、請求項１に記載の基板ホルダ。
4. 前記耐浸食性断熱材が、集束リングにより生じる前記基板の端部領域での加熱に対抗するように、前記温度制御された支持体基盤と前記基板支持体との間に設けられた状態で、不均一な空間変化をする伝熱係数（Ｗ／ｍ^２−Ｋ）を有する、請求項１に記載の基板ホルダ。
5. 前記伝熱係数が、前記耐浸食性断熱材の中心領域と、前記耐浸食性断熱材の端部領域との間で、半径方向に変化する、請求項４に記載の基板ホルダ。
6. 前記耐浸食性断熱材の熱伝導率が、不均一に空間変化する、請求項４に記載の基板ホルダ。
7. 前記熱伝導率が、前記耐浸食性断熱材の中心領域から端部領域の間で、半径方向に変化する、請求項６に記載の基板ホルダ。
8. 前記熱伝導率が、０．２Ｗ／ｍ−Ｋから０．８Ｗ／ｍ−Ｋである第１値から、０．２Ｗ／ｍ−Ｋから０．８Ｗ／ｍ−Ｋである第２値までの範囲で変化する、請求項７に記載の基板ホルダ。
9. 前記耐浸食性断熱材の中心領域での前記熱伝導率が、０．２Ｗ／ｍ−Ｋで、かつ、
   前記耐浸食性断熱材の端部領域での前記熱伝導率は、０．８Ｗ／ｍ−Ｋである、
   請求項７に記載の基板ホルダ。
10. 前記の熱伝導率の変化が、前記耐浸食性断熱材の半径方向に中間な領域と、前記耐浸食性断熱材の周辺領域との間で生じる、請求項７に記載の基板ホルダ。
11. 前記耐浸食性断熱材の厚さが均一である、請求項７に記載の基板ホルダ。
12. 前記耐浸食性断熱材が、前記耐浸食性断熱材の厚さの不均一な空間変化を有する、請求項４に記載の基板ホルダ。
13. 前記耐浸食性断熱材が、該耐浸食性断熱材の端部領域でよりも前記耐浸食性断熱材の中心領域で薄い、請求項１２に記載の基板ホルダ。
14. 前記の耐浸食性断熱材の熱伝導率が均一である、請求項１２に記載の基板ホルダ。
15. 前記１以上の加熱素子が、前記基板支持体内部に埋め込まれている、請求項１に記載の基板ホルダ。
16. 前記１以上の加熱素子が、１以上の抵抗加熱素子、若しくは１以上の熱電素子又はこれら両方を有する、請求項１に記載の基板ホルダ。
17. 前記１以上の加熱素子が、前記耐浸食性断熱材の中心領域に位置する第１加熱素子、及び前記耐浸食性断熱材の端部領域に位置する第２加熱素子を有する、請求項１に記載の基板ホルダ。
18. 前記基板支持体が前記基板支持体内部に埋め込まれたクランプ電極を有し、
    前記クランプ電極は前記基板を前記基板支持体へ電気的に固定するように備えられている、
    請求項１に記載の基板ホルダ。
19. 前記クランプ電極及び前記１以上の加熱素子が、前記基板支持体内部に埋め込まれている、請求項１８に記載の基板ホルダ。
20. 前記クランプ電極及び前記１以上の加熱素子が、同一面内に存在する、請求項１９に記載の基板ホルダ。
21. 前記クランプ電極及び前記１以上の加熱素子が、それぞれ別な面内に存在する、請求項１９に記載の基板ホルダ。
22. 前記クランプ電極及び前記１以上の加熱素子が、同一の物理電極を有する、請求項１９に記載の基板ホルダ。
23. 前記基板支持体が前記基板支持体の上側面に１以上の開口部を有し、
    前記１以上の開口部を介して、伝熱ガスは前記基板背面へ供給することが可能である、
    請求項１８に記載の基板ホルダ。

Images