JPH11504760A - 真空中における被処理体の温度制御のための装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 平坦な被処理体が，真空チャンバ内で平坦プラテンと接触して載置され，平坦な被処理体とプラテンの間に圧力均一な領域を形成するべく小さい質量流量のガスが経路に沿って導入されながら，均一に分布した力によって保持される。アプラナリティまたは表面の粗さによる２つの表面の間隔はガスの平均自由行程以下であり，高速の熱移動が被処理体の領域全体にわたって均一に得られる。ガス導入経路の外側に配置された掃気口は，チャンバ内へのガス漏れ流量を減少させるために差動的にポンピングされる。好適に圧力は，静電クランプ（非絶縁基板用）または被処理体の表面をふさがない他のクランプ器具により与えられる。静電クランプ内において，例えばプラテン上の異物による接触程度をクランプ電流センサが直接検出しながら，電圧作動シーケンスが被処理体の振動を防止し，適切な警告または制御を開始する。速い冷却速度，そりまたは応力からの解放，表面領域の完全使用のすべてが達成された。

Description

【発明の詳細な説明】 真空中における被処理体の温度制御のための装置及び方法 発明の背景 本発明は，真空チャンバ内の処理ステージ上で処理中の被処理体の温度制御に 関し，特に真空内でのイオン注入のような処理中に半導体ウエハまたは平坦パネ ルディスプレイなどの被処理体のガス補助冷却，または同様の処理中の被処理体 のガス補助冷却若しくは加熱に関する。 超小形電子回路の製造においてイオン注入によるシリコンウエハのドーピング の間に，１平方センチメートル当たり約数百ジュールのエネルギーが薄いシリコ ンウエハに注入される。商業的理由で，このエネルギーは短時間の間に注入され なければならず，処理は，ウエハ温度がプロセスに依存して典型的に100℃以下 の温度領域内に制御されるべきことを要求する。したがって，ある種の熱除去手 段が一般に必要である。歴史的に，高電流イオン注入は，処理サイクルの一連の 短いサブインターバルの間に，約25枚のウエハバッチ内の各ウエハがビーム前面 に運ばれまたは回転され ながら実行されてきた。この装置は平均加熱速度を低下させ，輻射及びキャリア との伝導接触により自然に発生した穏やかな熱消失速度が，許容できる低いウエ ハ温度を維持する。しかし，いくつかのインプランターにおいて，また多くの他 のプロセスに対し，ウエハは冷却されたプラテンに対し一度に機械的にクランプ 処理される。Ｋingによる米国特許第4,261,762号に述べられるように，ウエハか らの熱除去を強化するために，しばしばウエハ背面にガスが導入され，またある プロセスにおいてはウエハは同様の手段によって積極的に加熱されることもある 。ガス冷却の間，フルリングまたはマルチポイントクランプは，ウエハをエラス トマから形成されたシールリングに押し付ける。Ｈoldenによる米国特許第4,457 ,359号に記載されているように，このタイプの１回の処理によって，冷却ガス圧 力はウエハをドーム形に変形させる。プラテンからのウエハの間隔を制御するこ とは困難でありかつガス冷却はこの間隔に非常に依存しているため，そのような ドーム変形は不所望である。さらに，ドーム変形はウエハ内にダメージを引き起 こす応力を誘導し，またウエハの湾曲のためウエハ表面でのイオン入射角度の変 化を生じさせ，続いてそれが他の不所望なプロセス変化を引き起こすことになる 。したがって，ウエハを フラットに載置しかつ維持することが好適である。 しかし，クランプはウエハの一部を処理から隠しそれによってウエハ材料の一 部が無駄になるので，ウエハの表面側がクランプと接触するのを避けることもま た所望される。クランプはまたダメージまたは損傷を導く局所応力を生成し，適 正な処理と干渉する粒子を生成し，また粒子または異物のウエハ内への埋め込み が生じ得る。表面クランプはまたイオンビームに当てられ，または他の処理にさ らされ，したがってスパッタ汚染源になる。 最も好適には，ウエハの重大な変形を生じさせることなくウエハの裏面を冷却 し，完全に均一な圧力をウエハ全面にかけ，周囲における集中する力によるクラ ンプを避けることである。しかし，本質的なのは，ウエハの裏側からのガスもれ 流量を，すでに真空の程度を弱めかつ排気装置に負荷を与えている他のガスソー スより十分下のレベルに維持することであり，もし漏れが発生したらガス漏れを 厳しく制御することも所望される。したがって概して，一方の処理効率ともう一 方のクランプまたはガス冷却の使用とはトレードオフの関係にあり，それがガス 冷却の適用をＲＦスパッタリングのような比較的高圧力の処理に限定してしまう 。 発明の開示及び目的 したがって，本発明の目的は，処理中の被処理体の側部を締め付けまたは接触 することなく，真空内で処理中の被処理体を加熱または冷却することである。 また本発明の他の目的は，被処理体とその支持体表面との間の空間から真空チ ャンバ内へのガス漏れが，ウエハ処理に逆に作用しないように，そのガス量を制 御することである。 さらに本発明の他の目的は，従来の温度調節技術に付随してきたダメージ及び 汚染の元を最小化しかつ制御することである。 本発明にしたがって，ウエハ等の被処理体の温度は，ウエハを平坦なプラテン 上に固定し，ウエハとプラテンとの間のウエハの周辺領域内に熱伝導媒体を導入 することにより真空チャンバ内で制御される。ウエハはその表面全体に分布した 低い接触圧力によりプラテンに対し押し付けられ，ウエハ及びプラテンの対向面 は両者とも滑らかかつ平坦であるため，熱伝導媒体は接触物質の表面の粗さによ り本質的に画成された空間を満たす。粗さは，熱伝導速度が速くかつウエハがプ ラテンの温度に伝導的に冷却されるように，十分に低く維持される。遠心的クラ ンピング，磁石クランピ ング（強磁性被処理体用），または静電クランピング（抵抗被処理体用）が，表 面のあらゆる部分を覆うことなく被処理体の表面全体に均等な力の分布を達成す るべく採用される。プラテンの表面内に形成された真空チャネルは，ウエハの下 から漏れる多くの残留流体がチャンバ圧力を損なわないように，差動ポンピング により熱伝導流体を掃気する。好適に，平坦度は被処理体及びプラテン表面にわ たって10〜20ミクロンより良く維持され，表面の粗さは約0.8ミクロン以下に保 持される結果，一緒に締め付けられた際，被処理体とプラテンの真空チャンバへ の漏れに関する流体熱接触間隔は，実質的に他のすべての処理ソースからのスタ ティックロード以下のレベルで与えられる。静電クランプは，非動力(non-motor ing)であるがダイナミックな締め付け力パターンを与えるべく空間的配置により 異なるシーケンスで作動する複数の長くかつ薄い電極領域を含む。 図面の簡単な説明 本発明のこれら及び他の特徴は，以下の図面とともに詳細に説明される。 図１は，従来技術の冷却機構を示す。 図２は，他の従来技術の冷却機構を示す。 図３は，他の従来技術の冷却機構を示す。 図４(Ａ)は本発明の基本的実施例を示し，図４(Ｂ)はその圧力分布を示し，図 ４(Ｃ)は本発明の他の実施例を示す。 図５は，ガスの分子量の関数としてガス圧力を表す。 図６は，ガス分子量の関数としてガスの平均自由行程を表す。 図７は，本発明の差動ポンプ実施例を示す。 図８(Ａ)は本発明の静電クランプ実施例の平面図であり，図８(Ｂ)及び図８( Ｃ)は図８(Ａ)の静電クランプの構成を詳細に示したものである。 図９は，静電クランプ装置の好適実施例内で使用される電圧波形及び発生する 合力を示す。 図１０は，遠心力により被処理体が加熱流体または冷却載置部材に締め付けら れるところの本発明の実施例を示す。 詳細な説明 上記されたＫing及びＨoldenの特許である，真空内で処理中の被処理体をガス 補助加熱または冷却するための装置及び方法は，被処理体の処理表面側に接触す る機械的クランプ及び冷却ガスを閉じ込めるための周辺 シールを使用する。他にも，漏れを有する流体冷却がある種の応用に対し金属と 金属の接触よりもより効果的であることが提案されてきたが，クランプ圧力，ガ ス種類，漏れ及び冷却速度との間の複雑なトレードオフを扱ってはいない。発明 は上記２つの特許に示されたすべてのアプローチの詳細な考察に従って完全に理 解される。 図１に示される従来技術の構成において，半導体ウエハ2がリングクランプ30 により冷却平坦支持部材23に対し押し付けられる。リングクランプのちょうど反 対側の支持部材23の表面に設置されたＯリング20は，オリフィス22を通じて減圧 下で導入されたガスをウエハと支持部材の間の空間内に閉じ込めるべくシールを 与える。この技術はイオンインプランテーションにおいて使用されてきたが，こ の装置の欠点として，ウエハに対し応力を与えること，ウエハ表面にパーティク ルが生成されること，クランプリングにより覆われた半導体ウエハの使用可能部 分の損失，クランプリングからの汚染物のウエハ上へのスパッタリング，及び表 面の局所的な押しつけ及び背面の均一なガス圧力の影響によりウエハがそること で冷却効果が低減されるため冷却効果は最適ではない点，などが上げられる。 図２に示された従来技術の他の構成において，冷却 ガスがウエハをそらせる傾向が認識されかつ扱われた。この構成において，プラ テン36は緩やかなドーム形をしており，その結果，プラテン36に対しリング42で ウエハ2をその周辺で押し付ける作用により，ウエハはプラテン全体に対し緩や かに曲がり，チャネル37を通じて減圧下でガスを導入する前にほぼ均一な接触程 度でプラテンにもたれかかる。ドーム形のプラテンは，適正なガス圧力において ，ウエハとプラテンの分離を防止する。引例特許で議論されているように，分離 が大きすぎると得られる熱伝達レベルが減少することが知られ，それでこの構成 はより良い冷却特性を達成する。しかし，このアプローチの欠点として，ウエハ の湾曲によりウエハ表面に対するイオンビームの入射角度が変化し，上記したよ うにそれが不所望のプロセス変化を導く点が上げられる。他の欠点として，上記 表面クランプの一般的短所とともにすでに存在する欠点によるプレーナチャネリ ング及びウエハの破損が上げられる。 図３は図１に示された従来技術の応用であって，ステージと，クランプと，冷 却機構がウエハ保持組立体に一体化されている。この実施例において，ウエハ2 は吸気管128及び排気管129を通じる流体の流れにより積極的に冷却されるヒート シンク部材119に対向して垂直 に設置されている。部材119の表面は中央の平坦凹形床125を有し，また各々が機 構104により動く複数の小さいクリップ組立体103がヒートシンクの周辺リップに 対してウエハ2を押し付け，その結果ウエハは床面125に近接するが接触はしない 。中央ガス吸気管は圧力を上げかつ熱伝達速度を増加させるべく，ウエハとヒー トシンクの間隔へ100〜1000ミクロン気圧のアルゴンを送り出す。ウエハを加熱 するのに使用される際には，ガスは加熱される。冷却用に使用される際には，ガ ス圧力はチャンバ内の残留ガスの１０倍以上であり，スパッタリングチャンバの 通常の１０ミクロンチャンバ気圧を維持するべく一定量の熱伝導ガスがウエハの 端から漏れている。ヒートシンクはＯリングシール121を通じて真空チャンバ壁1 02に対しシールされる背面プレート120上に載置され，動作位置にないとき壁102 の開口は圧力プレート105及びシールリング101によって覆われる。ガス導入通路 126及び熱交換プレート用の流体熱交換通路128，129の両方は，背面プレート120 を貫通する。エッジクリップ103は図１の構成におけるクランプリングによるウ エハの無駄領域を幾分削減するが，その構成に固有の問題は残されたままである 。 本発明はこれらの従来技術のアプローチと異なり，被処理体がその全表面に分 布した力により広い接触領 域にわたってプラテンに対し押し付けられた状態で，熱伝導媒体としての減圧ガ スを２つの平坦かつ相互に接触する面の間に形成されたランダムに変化する間隔 内に与えるというものである。ガスは実質的に均一な熱伝導を与えるために周辺 経路線に沿って導入される。典型的に，被処理体は薄く平坦なウエハであり，該 被処理体は実質的に均一な圧力を有する非常に平坦なプラテンに当該被処理体を 載置することにより，またウエハとプラテンの間にガスを導入することにより加 熱又は冷却される。プラテンは，以下に説明されるような伝導媒体用の穴及び溝 を除き，好適には+/-0.0005"以上に実際に平坦に作成され，かつ滑らかに磨かれ ている。 有利にも，平均圧力より多くのオーダー大きな局所圧力を要求するプラテンと ウエハとの間の局所領域内に気密シールを作成する必要がない。むしろ，プラテ ンと被処理体の両方は，均一に接触するかまたは実質的に均一に接触近接するよ うに十分に平坦に作られ，また好適には32ミクロインチを越えない微視的な粗さ で滑らかに作られる。ガスはプラテンと被処理体の表面内の微視的な谷空間を占 有する。プラテンのエッジからの小さい量のガス漏れは，ウエハのエッジに非常 に近い経路に沿って走るプラテン表面内の溝またはリ ング状の穴によって被処理体とプラテンとの間の領域内に導入されるガスの一定 流量と一致する。ガス導入の領域は，ガス排気口がないウエハ領域の中央の回り に定圧境界を形成する。このことは，伝導媒体により占められる空間が不規則な 形状でありまた非常に狭いデイメンジョンであるにも関わらず，ガスはガスの平 均自由行程以下のウエハ_-プラテンギャップ内で被処理体の下に均一に分布され たまま残ることを保証する。こうして，熱伝導が最大化される。 締め付ける力が周辺に集中した従来技術と違い，本発明に従えば，被処理体と プラテンの間に印加された圧力は低くかつプラテンの全表面にわたって実質的に 均一である。適正なクランプ力は，重力（大きな密度の被処理体及び/または十 分低いガス冷却圧力用），求心加速，磁気クランプ（強磁性被処理体用）または 静電クランプ（シリコンウエハのような適当な導電性被処理体用）により与えら れる。 図４(Ａ)はこの構成を示している。平坦で薄い被処理体2が高真空で平坦なプ ラテン201上に載置され，水などの液体がチャネル204を流れてプラテン201を通 過する。液体は，加熱，冷却またはプロセス及び使用される物体に必要なリファ レンス温度に維持される。ガスは流量制御器205によってほぼ0.25sccmに制御さ れた流 量で，リングまたは円形溝203を通じて被処理体とプラテンの間のインタフェー スへ入るコンジットまたはチャネル内へ導入される。この溝またはリング状の穴 203は以下ガス導入リングと呼ばれる。従来技術の構成では冷却ガスの圧力が制 御されるが，本発明に従えば質量流量が制御される。この重要な違いが，以下に 詳細に説明されるさまざまな効果を生み出すが，それは周辺シールが消滅してい る点及び非常に平坦な表面を使用する点に関連して，圧力及び公称熱伝導ギャッ プ間隔が非常に低く維持され，高速の熱伝導が得られることを保証する。 ウエハがイオン注入中にフォトレジストにより部分的に覆われるとき，フォト レジストのみが，有機フォトレジスト上へのイオンビーム作用により遊離した数 sccmの水素ガスのソースとなる。したがって，ウエハ冷却装置によるわずか１sc cmの水素ガスの漏れはインプランテーションプロセスに重大な影響を与えないし ，特にもし冷却により低下したウエハ温度がレジストから遊離した水素への負の 効果を補償する場合にはなおさらである。したがって，特に上記したように，も し冷却ガスの量がガス抜きを減少させる温度変化をもたらす量より少ないなら， ガス冷却装置は安全にある量のガスを導入する。この認識に基づいて，出願人 はそのように画成されたガス漏れ流量を操作するべく，熱交換プラテンに関する 構成を決定した。 もし表面が完璧に平坦であれば，そのように調整されたガス流は理論的には， ガス流がプラテンのエッジで逃げるのに十分な距離だけ被処理体をプラテンから 持ち上げる。しかし，実際には，半導体ウエハの表面は例えば従来の達成仕上げ 規格である１２ミクロインチr.m.s内の粗さを有し，数万分の１インチまでの粗 さの欠点は許容されている。有利にも出願人は，以下に詳細に説明されるように ，上記表面仕上げ特性により画成された不規則な間隙熱伝導空間に一致する低圧 及び流量のガスにより実行される付加的な熱伝導とともに，被処理体とプラテン の間の堅い接触を維持するべくこれらの表面の変化を利用する。 図４(Ｂ)は，ウエハの一方から他方への距離の関数として，ウエハ／プラテン 間隙空間内のガス圧力のグラフを示す。ガス導入経路のリング203の内側で，ガ ス圧力はガス流が開始されて直ぐに定常状態に達する。実際に，このポンプアッ プ間隔は１秒以下である。 もし，ガスがウエハ／プラテン組立体の中央の穴を通じて単純に，場合によっ てある現存の商業的部品（例えば，図１のエレメント22または図３のエレメント 126のような上記従来技術に示されたエレメント）を 通じて導入されれば，機械的エッジ締め付け及びエラストマシールが存在しない 状態で，ウエハの下側の圧力プロファイルはエッジに比べ中央が高くなる。この ことは不均一な熱伝導を導入し，またガス漏れ流量はエッジでの適当な圧力を維 持するべく非常に多くなければならない。本発明に従ってプラテンのエッジに近 接した経路に沿ってガスを導入することにより，効果的熱伝導を得るのに高い圧 力を必要とせず，図４(Ｂ)の圧力プロファイルに示されるように，圧力はウエハ とプラテンの間の大部分の内側領域にわたって静的な平衡状態となる。出願人は クランプリングまたはシールを使用することなくこれに到達し，それゆえウエハ の圧力歪みを避けることができる。 図４(Ｃ)に示される他の実施例において，プラテンは図１と同様にその中心の ガス導入ホール203aを有するが，このホールはプラテンのエッジに近接した周辺 経路を占める外側溝203へ伸長するひとつまたはそれ以上の溝203b及び203cとリ ンクしている。リンクする溝203b及び203cは図示されるようにプラテンの表面下 に配置されるか，その表面内の狭いチャネルから成る。いずれかのケースにおい て，それらは被処理体の下側の圧力分布を均一化し，再び図４(Ｂ)に示されるよ うな実質的な接触圧力分布を生成しかつ最小の熱伝導流体 圧力と同時に最小の被処理体破壊をもたらす圧力分路として機能し，効果的温度 調整が処理チャンバ内への流体の極端な漏れを伴わずに達成される。 本発明の動作は以下の簡単な議論から理解できる。 平坦ウエハ及び平坦プラテンにより仕切られるガス導入リング203の外側の領 域は以下の小さいコンダクタンスを有する。 Ｃ＝２πrg²c/31 （１） ここでｇ²はウエハとプラテンの間のミーンスクエアギャップであり，１はガス 導入リング203からガス冷却領域の外側限界までの距離であり，ｒはガス導入リ ングの半径である。両表面は十分に平坦かつ平行で与えられているので，漏れは シールの必要がないほど十分に少ない。 この領域の冷却速度がＭＫＳＡ単位で以下のように示される。 Ｑ/Ａ＝0.33aγknc(Ｔw-Ｔp) （２） ここでaは表面上のガスの適応係数であり，γkは１度１分子当たりの熱容量であ り，kはボルツマン定数であり，nはガス密度であり，cは平均ガス流量であり， Ｔwはウエハ温度であり，Ｔpはプラテン温度である。ガス分子がエネルギーを伝 達しながら単位領域を普通にプラテン表面へ横切る流量は，0.33ncで与えられま た方程 式（１）に表れるが，ガス導入流量Ｆをガス導入リング外側の環状空間を通る被 処理体とプラテンの間のガス損失の流量に一致させることにより数式化される。 Ｆ＝ＰＣでＰはガス圧力を表すので，Ｐ＝nkＴからncは以下のように数式化され る。 nc＝3Ｆl/(2πrg²kＴ) （３） ここでＴは平均温度である。 冷却速度はガス流量に比例し，ガス導入リング3からプラテンエッジまでの距 離に比例し，ミーンスクエアギャップに反比例する。ミーンスクエアギャップは 被処理体及びプラテンの表面仕上げ及び平坦さにより決定される。おもしろいこ とには，これらの方程式において，ガス選択の効果はγを通じてのみ導入される 。 この議論において２つの暗黙の仮定が為されているが，ひとつは熱伝導率を最 大化するようにガスの平均自由行程がウエハとプラテンとの間のr.m.sギャップ より大きいということ，もう一つはギャップが圧力により変化しないようにガス 圧力が被処理体とプラテンの間の時間平均クランプ圧力より小さいということで ある。与えれた流量に対して生じたガス圧力はnに依存し，それは以下に示され るcに反比例する。 c²=2kＴ/Ｍ （４） ここでＭはガスの分子量である。したがって，与えら れた流量に対し，より軽いガスがより低い圧力をウエハの下側に形成する。原子 番号Ａへの圧力の依存性は図５にプロットされている。必要な圧力を最小化する ために，好適な熱伝導ガスは水素である。 図６に示されるように，平均自由行程もまた選択ガスの原子/分子番号Ａに依 存している。圧力及び平均自由行程の両方は，ここでは議論されないが，ガスの 化学的性質にも影響される。平均自由行程の重要性は，もしそれがギャップより 小さくて被処理体とプラテンの間でガスどうしの非常に多くの衝突が発生すると ，冷却速度はかなり減少するという点にある。熱伝導効果におけるギャップと平 均自由行程の間の関係の議論は上記２つの特許文献に見られる。 ウエハの周辺に導入されるガス熱伝導媒体は完全な円形ポートを通じて進入す る必要はないことが理解できる。その代わり，複数の離散的な吸気ポート203a,2 03b....がプラテンの周辺領域の閉じた経路に沿って分布している。その場合に ，ガスの拡散流は全体の分布プロファイルを滑らかにするよう作用する。それぞ れの場合において，結果は，中央領域の実質的に一定かつ安定なガスプロファイ ル及びガス導入経路の外側の薄い周辺バンド領域を横切る圧力減少プロファイル を有する小さいが平衡なガス流である。 ガス導入リング内の圧力は均一であり，かつ局所的な締め付け力が無いので， 圧力差またはピン止めエッジにより生じるそりが存在せず，被処理体は平坦なま ま維持される。図４(Ｂ)に示されるように，圧力はガス導入リングからプラテン エッジへ滑らかに下降するため，冷却速度はガス導入リングを越えてウエハのエ ッジへ均一には伸びない。しかし，この圧力下降効果の結果は，ガス導入リング とプラテンエッジの間の距離１が小さいことを要求することによって，最小化さ れる。方程式（１）に従えば，距離を減少させるためのこの形状は与えられる冷 却速度を得るのに必要なガス流を増加させ，したがって真空チャンバ内の圧力を 不所望に上昇させる。 しかし，小さい１での大きな流量にも関わらず，出願人は，ウエハのエッジに おいて局所シールを使用することは必要ではないと決定し，すべての表面が平坦 でありかつガス漏れ流量を小さくする適当な程度まで磨かれていることを与えた 。例えば，直径200mmのシリコンウエハの有効r.m.s.粗さが20ミクロンで，ガス 供給流量が0.25sccmで，ｌ＝33mmであるとき，γ＝1.5のガスに対する冷却速度 はウエハとプラテンの間で８０℃の温度差に関し1.895Ｗ/cm²である。 図７に示される本発明の好適実施例において，高真 空チャンバ内へのガス漏れは，吸気オリフィスと真空チャンバの間の拡散経路に 沿ってガス掃気組立体を与えることによって，流量制御器205により供給された ガス流量のほんの一部までさらに減少される。図７に示されるように，プラテン 201は高真空チャンバ（図示せず）内に配置され，被処理体（図示せず）はプラ テンの平坦表面209上に載置される。ガスは第１環状溝203を通じて導入され，溝 203から半径方向外側に配置された第２環状溝207（またはリング状ホール）が吸 気口を囲む。好適に第２溝はプラテン201の外側エッジから約１または1/2ミリメ ートル内側に配置される。第２溝207は通路を通じて差動ポンピングを与える真 空ポンプ206，すなわち吸気口203のマニホールド圧力より高くかつ周囲チャンバ 内の真空レベルに近いか同等の真空レベルまでポンピングする真空ポンプ206へ 接続されている。冷却または加熱ガスが間隙空間内で半径方向外側へ漏れるに従 い，それがこの溝に入り，その大部分がさらに外側を回ることなくまたは高真空 チャンバ内に漏れることなくポンプ206により装置から除去される。したがって ，冷却ガスはウエハが処理される高真空環境を弱めることはない。ひとつまたは それ以上の大きなコンジット207aが掃気溝207からポンプ206へ導かれ，溝207か らポンプ206への経路のコンダクタンスが 溝207から真空チャンバへのコンダクタンスより実質的に大きくなり，したがっ て外側拡散ルートに沿ったガスの掃気が好適である。 他の好適実施例が図８(Ａ)，(Ｂ)及び(Ｃ)に示されている。この装置のプラテ ンはウエハをプラテンに保持する圧力を与えるための静電クランプを含む。この 方法は導電性の被処理体に対して適している。この技術は，Ｊ.Ｂallou,Ｋ.Ｃar son,Ｗ.Ｆrutiger,Ｊ.Ｇreco及びＲ.Ｋaimにより"Ｐroceedings of the Ｉon Ｉ mplantation Ｔechnology Ｃonference IIＴ'94,Ｃanada,Ｉtaly"内で説明され たものと類似している。 図８(Ａ)の平面図で示されるように，プラテン250の被処理体接触面は，厚さ が好適に0.15〜0.2mmである平坦ランプ仕上げされかつ磨かれた酸化アルミニウ ムなどから成る誘電体シート52を含み，それはその背面に付着された金属電極パ ターンにより画成される複数の有効充電領域を形成する。金属化背面パターンは ，好適には１パーセントの４分の１以下だけ異なるほぼ等しい面積の一組の複数 の電極51を与える。図示された実施例において，渦巻き形状の４つの電極51a，5 1b，51c，51dはそれぞれ約10mmの幅と1/4mm以下の厚さを有し，また数mmの小さ い平面ギャップにより互いに電気的に絶縁され，プラテンの表面をひとまとめに 覆う 一組の近接配置された充電領域を画成する。有利にも，電極は長くかつ薄く，ま た各電極は他の電極領域と入り組む円形ウエハの分散領域に沿った経路をカバー する。しかし，渦巻き形状はそれ自身決まったものではなくそのような標準的な 電極パターンを形成するための一つのオプションを表すに過ぎず，標準的な渦巻 き形状からの逸脱もまた電極結合の調節のためまたは他の理由により為され得る 。しかし，概して標準的な電極パターンは好適には大きくはない絶縁ブロック領 域から成り，それは低次のウエハ共振のノード領域と対応せず，その結果クラン プ駆動信号により生成された力の必要な変動が大きな機械的振動を誘導できない 。図８(Ａ)において，研磨された誘電体層52の平坦な導電性被処理体2は便宜的 に消去されており，電極51が誘電体層52を通じて見え，典型的にそれは透明また は半透明である。 図８(Ｂ)はプラテン250の垂直断面図であり，半径Ｒのウエハ2が，プラテン表 面に載置され，中心から半径(Ｒ-1)の距離に配置されたガス導入吸気口203を覆 い，またウエハエッジから距離δだけ内側に設置されたガス掃気溝207を覆う。 図８(Ｃ)は断面の一部を拡大し階層構造をより明確にしたものである。被処理体 2が示されている。そのプレート接触面2aは上記したようなミク ロな粗さを有し，それがガスを通過させるひび割れのような開口2bである粗い天 井を形成し，一方アルミニウム誘電層52は概して滑らかかつ平坦な面52aを有し ，それは例えば光学的に研磨され，ガス充満空間の床として機能する。電極51は アルミニウム誘電層52と他の誘電層53にサンドイッチされ，それは層52と同様の 硬い無機材料であるか，または有機ポリマーであって，プラテン250の下側ボデ ィへ接着する。 この組立体の全頂端面は好適には0.0125mmまたはそれ以上に平坦にラップ処理 され，好適には約8マイクロインチすなわち0.2mm r.m.sはり良く磨き仕上げされ る。誘電層52は溝207により仕切られ，この溝の外壁の上側面もまたラップ処理 されかつ研磨され，層52の頂端面と同じ平坦面の一部を形成する。 静電的にウエハを締め付けるべく誘電体と電極領域の面構成を動作させるため ，台形波形の交流電圧が約30から60Ｈzの周波数で電極51a，51b，51c，及び51d に印加される。図９は一組の信号波形とこれらのクランプ動作信号に対する好適 な位相関係を示す。各信号は上側電圧uと下側電圧lの間で上がり勾配及び下がり 勾配する台形波形を周期的に繰り返し，各々は位相を除いて互いに同一であり， 第１と第４及び第２と第３はそれぞれ逆位相であり，第１と第２信号は互いに1/ 4周期 だけずれている。層52の上端面に載置されたウエハ2は渦巻き電極アーム51a〜51 dにわたる４つのすべての誘電領域を充電するための共通電極として機能し，印 加電圧は電極とウエハ表面との間に約5ＭＶ/mまたはそれ以上の電場を生成する 。 ひとつの電極上の瞬間圧力Ｐはほぼ以下のように表される。 ここで，ε₀は真空誘電率，εは誘電材料の比誘電率（酸化アルミニウムに対し て約９から１０）Ｖは印加電圧，tは誘電体の厚さであるが，それは誘電体また は締め付けられた被処理体の背面の表面粗さより非常に大きなディメンジョンで あり，またこれらの各表面を横切る平坦さの大きなスケールの変化よりも非常に 大きい。図９の５番目の線に示されるように，ウエハへの正味の締め付け力は全 体として電圧切り替え間隔の間下がる。大きな変化を防止するため，電極の幅は 小さく好適には10mm以下である。これが振動の振幅を減少させ，ウエハまたはプ ラテン内で励起された振動モードの共振周波数を生じさせ，空間及び時間変化ク ランプ力により導入された振動がプラテンまたは被処理体 の機械的共振から完全に除去されることを保証する。 好適実施例において，渦巻きパターン形状の４つの電極が使用され，４つの位 相のa.c.台形波形が印加される。電極は一対で構成され，一つの信号が上がり勾 配のときもう一つは下がり勾配となる正確に逆位相の作用信号を受信する。さら に，誘電体の電極のひとつの領域が電圧変化を経験している間，もう一つの領域 は最大の大きさの固定電圧により締め付けられ，絶縁領域内に落ち込みが発生す る。本発明はまたより大きな偶数の電極及び位相による締め付けを意図している 。偶数の位相を与えることによって，出願人はウエハの電圧が静電クランプ信号 波形の印加により影響されないことを保証する。したがって，ウエハへの総電流 は常にゼロなので，ウエハを接地する必要がない。位相シーケンスは不連続電極 ，例えば，1-2-4-3または1-3-4-2に印加され，これがウエハへ伝えられる力から 動力(motoring)成分を除去し，一方向へウエハを動かそうとする進行波の発生を 回避する。 上記構成は効果的な冷却とある程度有効な締め付けを保証するべく，ウエハと プラテンとの間の極端な接近に依存している。しかし，パーティクルが処理環境 内に生じ，そのパーティクルがプラテン上に付着し，偶然に被処理体をプラテン から分離するような場合に は，表面間隔の変化からある結果が生じる。最初に，被処理体からプラテンまで の距離が増加するため，熱伝導が方程式(2)及び(3)に従って非常に減少する。制 御されたガス流に関し真空チャンバ内への流量は制御ガス流以上に上がらないし ，過度の漏れに関しこの流量は所望のレベルの熱伝導を維持するには不適当であ るため，差動ポンピングもまた所望の圧力をウエハの下に維持するのに有効では なくなる。さらに，ウエハと電極背面との間の付加的な空気ギャップの導入は非 常に容量を減少させるため，ウエハが誘電体と密接に接触していない時は静電ク ランプの電極への電流が減少する。出願人は後者の特徴を閾値検出器によりクラ ンプ電流をモニターすることにより利用する。閾値を跨ぐとアラームをトリガー する。すなわち，この電流の自動計測がパーティクルの存在及び／または被処理 体の不正確な配置を直接的に指示する。 これに反して従来の装置では，プラテン上にある異物により機械的クランプが ウエハを破損し，または長くダメージを与えながらプラテンの表面でパーティク ルにすりつぶし，また概してそのような問題は，多数のウエハが処理されかつ処 理が観測可能な欠陥を生じた際に始めて認識されるものである。また，出願人の ガス流の安全な結果と比較して，機械的クランプは有 しないがガス圧力が流量調節されずまた自己制限しないような装置において，高 真空チャンバへの漏れは処理器具を破壊し及び高真空ポンプをオーバーロードす る悲劇的状況を引き起こす。 図１０には本発明の他の実施例である装置400が示され，図４または図７に示 されるのと類似の一組のプラテン401が表面領域の回転ディスクまたはドラム55 上に載置され，それは，ウエハが処理ステーションを通過するに従い各ウエハに プラテン面に抗して求心力を与えるように，回転面に関して傾けられている。他 に，一組の半径方向アーム（Ｒobinsonらによる米国特許第4,733,091号）がその ような遠心力締め付け機構を与えるのに使用される。ウエハ接触面が回転軸の方 へわずかに向くようにプラテンを傾斜させることにより，求心力の成分は大きく なり，処理用に回転する際に保持しながら被処理体をプラテンへ押し付けるよう 機能する。締め付け圧力は以下のように表される。 Ｐ＝ρt_wrω²sinα （６） ここでρは被処理体の密度であり，t_wはその厚さ（均一と仮定）であり，rは回 転の平均半径であり，ωは角速度であり，αは半径と冷却／加熱面の間の角度で ある。本発明に従うガス熱伝導冷却用に十分なようにウエハを平坦に固定するに は，妥当なドラム回転速度で 角度は５度から１０度で十分である。 ここに開示された発明は，主に円形半導体ウエハに適用されるものとして説明 されたが，他の形状または他の材料，例えば，正方形または長方形のセンサーの ような平坦基板，平坦パネルディスプレイ，及び真空処理の必要な他の形状また は物質に対しても適用可能である。そのような場合に，周辺ガス導入チャネルま たはリング，及び掃気または差動ポンピングリングは，もしいずれかが使用され れば，概してそれぞれ非円形経路に配置される。主な操作は他の点において類似 であり，非円形基板に対する分布した締め付け力の利点及び均一な熱伝導性能が ，現存の商品のワークホルダ及び温度制御装置に対するより重要な改良点をもた らすと期待される。発明は開示されかつ説明されてきたが，請求の範囲に記載さ れた発明の態様の範囲内で他の変更及び修正が可能であることは当業者の知ると ころである。

───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．真空チャンバ内での処理中に平坦な被処理体を温度制御するための装置であ って， 前記真空チャンバに対し前記被処理体の表面をさらした状態で被処理体を処理 位置で支持するための平坦で滑らかなプラテン表面を有するプラテンであって， 該プラテン表面は中央領域及び周辺領域を有するところのプラテンと， 表面にわたって実質的に均一な圧力で被処理体をプラテン表面に締め付けるた めの手段と， 定常状態で前記プラテン及び被処理体の表面の粗さにより本質的に画成された 前記中央領域内の空間をガスが満たす結果，プラテンと被処理体の間に熱伝導を 与えるように前記周辺領域内のプラテン表面において熱伝導媒体としての制御ガ ス流を導入するための手段と， ガスが熱を被処理体からプラテンへ前記中央領域にわたって効果的かつ均一に 伝導するように，プラテンの温度を制御するための手段と， から成る装置。 ２．請求項１に記載の装置であって，前記締め付け手 段は静電力によって前記被処理体を前記プラテン表面に固定するための静電クラ ンプ手段を含む， ところの装置。 ３．請求項１に記載の装置であって，さらに前記プラテン表面の前記周辺領域内 で前記導入手段の半径方向外側に配置されたガス掃気手段であって，前記プラテ ンのエッジから真空チャンバ内へのガス漏れ流量を減少させるべく導入手段によ り導入されたガスを掃気するためのガス掃気手段，から成る装置。 ４．真空チャンバ内での処理中に平坦背面の被処理体を保持するための装置であ って，多層プラテン構造から成り，それが 被処理体の背面に接触するための平坦表面を有する固体材料の第１誘電層と， ほぼ等しい面積の少なくとも４つの電極を含むパターン化された薄い金属層と ， 第２誘電層と， 前記層を順に支持する固いベースと， 前記固いベースの温度を制御するための手段と， 前記プラテンの被処理体接触面内にあって，前記プラテンの中央領域の回りの 経路に沿ってプラテンとそ の上に載置された被処理体との間にガスを導入するための少なくとも第１ガス導 入開口と， 第１誘電層内に少なくとも2ＭＶ/ｍの電場を発生させるのに十分な交流電圧を 各前記電極に印加するためのクランピング電源及び制御手段と， 制御されたガス流を前記ガス導入開口を通じて被処理体とプラテンの間の領域 内へ導入するための手段であって，被処理体の表面の粗さがその領域に導入され るガスの平均自由行程以下の大きさの間隙空間を形成するように，電場が被処理 体を固体材料から成る前記第１誘電層に接触させたまま維持し，その結果，前記 開口を通じて導入されたガスが被処理体とプラテンの間の強化熱伝導を実行する ，ところの手段と， を含むところの装置。 ５．請求項４に記載の装置であって，さらに前記ガス導入開口と前記プラテンの エッジとの間の前記プラテン構造の被処理体接触面内にあるガス排気開口から成 り，該ガス排気開口が差動ポンプに接続されており，それによって前記真空チャ ンバ内へのガス流の漏れを減少させる， ところの装置。 ６．請求項４に記載の装置であって，前記交流電圧は概して台形波形を有する， ところの装置。 ７．請求項４に記載の装置であって，前記交流電圧は等間隔の位相を有する， ところの装置。 ８．請求項４に記載の装置であって，前記電極は互いに順次隣りまで伸張し，前 記交流電圧は不連続に前記電極に印加される， ところの装置。 ９．請求項４に記載の装置であって，前記第１及び第２誘電層はそれぞれ熱伝導 性である， ところの装置。 １０．真空チャンバ内で平坦な被処理体を処理する方法であって，前記真空チャ ンバ内の処理ステーションにおいて平坦支持プレート上に被処理体を配置する工 程と，被処理体と支持プレートの間で熱を伝導させるために被処理体と支持プレ ートとの間にガスを導入する工程と，から成る方法において，さらに 被処理体を支持プレートに対し保持するべく被処理体に対し均一に分布する圧 力のソースを与える工程と， 支持プレートのエッジから半径方向内側の経路に沿って制御された前記ガス流 を導入する工程であって，その結果，ガスが当該ガスの平均自由工程以下のギャ ップを有する被処理体と支持プレートとの間の間隙空間を満たしかつ前記経路内 の前記被処理体の中央部分に圧力一定の熱伝導領域を画成する，ところの工程と ， から成る方法。 １１．請求項１０に記載の方法であって，さらに真空チャンバへ進入するガス流 を減少させるべく前記支持プレートの周辺において，被処理体とプレートの間か らガスを差動ポンピングする工程から成る， ところの方法。 １２．請求項１０に記載の方法であって，圧力を与える工程が，被処理体を支持 プレートへ静電的に締め付けることにより実行される， ところの方法。 １３．請求項１０に記載の方法であって，圧力を与える工程が，支持プレートと 被処理体を一緒にする求心力を与えることにより実行され，前記支持プレートは 回転組立体上に設置されている， ところの方法。 １４．請求項１０に記載の方法であって，圧力を与える工程は，重力が被処理体 を支持プレートに押し付けるように配置することによって実行される， ところの方法。 １５．平坦で薄い導電性被処理体と載置部材の間に実質的に均一な圧力を与える ための静電クランピング方法において，前記載置部材は，平坦な誘電体から成る 少なくとも第１層と，実質的に等しい面積の少なくとも４つの電極パターンに分 割された第２金属層と，及び誘電体の第３層とから成るところの方法であって， 電極が順番に互いに隣りの電極に伸張するよう配置する工程と， 前記各電極に接続され，振幅が等しくかつ位相が等間隔である交流電圧源を与 える工程と， 被処理体を載置部材に締め付けるための静電クランプ力のダイナミックかつ非 動力パターンを導入するた めに，前記電圧源を不連続な順番で電極に結合する工程と， から成る方法。 １６．請求項１５に記載の方法であって，配置する工程は，前記電極が概して渦 巻き形状にパターン化された電極であるような配置であり，それによって前記交 流電圧により被処理体内に誘導された循環電流及び振動の大きさを減少させる， ところの方法。 １７．請求項１５に記載の方法であって，さらに被処理体が前記載置部材上に存 在するのを検出し，またその接触程度を決定するために，接続された前記電圧源 の電流をモニターする工程， から成る方法。 １８．真空チャンバ内においてプラテン上の被処理体を熱的に調節する方法であ って， 数マイクロメーター以下のルートミーンスクエアの表面粗さを有するそれぞれ の平坦面に沿って互いに接触するように被処理体及びプラテンを配置する工程と ， プラテンが温度調節されるように配置する工程と， 前記表面粗さを満たす流体の圧力一定の中央領域を形成するべくそれぞれの平 坦な表面の間の表面粗さから成る間隙空間内へ浸透するように，流体媒体を周辺 経路に導入する工程であって，その結果，強化された効率で前記被処理体から均 一に熱を伝導するよう，被処理体と温度調節されたプラテンの間の数マイクロメ ータ以下のギャップを横切って流体が熱を伝導する，ところの工程と， から成る方法。 １９．請求項１８に記載の方法であって，さらに真空チャンバ内への流体媒体の 漏れを減少させるべく前記周辺経路を囲んで低圧掃気ポートを与える工程， から成る方法。 ２０．請求項１８に記載の方法であって，流体媒体を導入する工程が，一定の質 量流量の流体を前記周辺経路に導入することにより実行される， ところの方法。 ２１．平坦で薄い導電性被処理体を載置部材に締め付けるための装置であって， 該載置部材は，誘電材料か ら成る少なくとも頂上層と，少なくとも４つの電極のパターンに分割された導電 性中間層と，誘電体材料の下方層を有し，すべての電極は実質的に面積が等しく かつ順に互いに隣りへ伸張しているところの装置であり，さらに 非動力締め付け力を生成するべく実質的に振幅が等しくかつ等間隔位相の信号 を有する複数の電圧源を前記電極に不連続に与えるための作用手段と， 被処理体が前記載置部材上に存在する際に接触程度を決定するために前記電極 をモニターするための手段と， から成る装置。 ２２．平坦で薄い導電性被処理体と載置部材の間に実質的に均一な圧力を与える ための静電クランピング方法において，前記載置部材は，平坦な誘電体から成る 少なくとも第１層と，実質的に等しい面積の少なくとも４つの電極パターンに分 割された第２金属層と，及び誘電体の第３層とから成るところの方法であって， 電極が順番に互いに隣りの電極に伸張するよう配置する工程と， 前記各電極に接続され，振幅が等しくかつ位相が等間隔である交流電圧源を与 える工程と， 被処理体を載置部材に締め付けるための静電クランプ力を導入するべく前記電 圧源を電極に接続する工程と， から成り， 前記配置する工程は，前記電極が概して渦巻き形状にパターン化された電極で あり，それによって前記交流電圧により被処理体内に誘導された循環電流及び振 動の大きさが減少する，ように配置する工程を含む， ところの方法。 ２３．平坦で薄い導電性被処理体と載置部材の間に実質的に均一な圧力を与える ための静電クランピング方法において，前記載置部材は，平坦な誘電体から成る 少なくとも第１層と，実質的に等しい面積の少なくとも４つの電極パターンに分 割された第２金属層と，及び誘電体の第３層とから成るところの方法であって， 電極が順番に互いに隣りの電極に伸張するよう配置する工程と， 前記各電極に接続され，振幅が等しくかつ位相が等間隔である交流電圧源を与 える工程と， 被処理体を載置部材に締め付けるための静電クランプ力を導入するべく前記電 圧源を電極に接続する工程と， から成り， 前記電極は，被処理体に誘導された循環電流及び振動の大きさを効果的に制限 するべく，近接して離隔された回転経路に沿って一対で伸張する， ところの方法。 ２４．平坦で薄い導電性被処理体と載置部材の間に実質的に均一な圧力を与える ための静電クランピング方法において，前記載置部材は，平坦な誘電体から成る 少なくとも第１層と，実質的に等しい面積の少なくとも４つの電極パターンに分 割された第２金属層と，及び誘電体の第３層とから成るところの方法であって， 電極が順番に互いに隣りの電極に伸張するよう配置する工程と， 前記各電極に接続され，振幅が等しくかつ位相が等間隔である交流電圧源を与 える工程と， 被処理体を載置部材に締め付けるための静電クランプ力を導入するべく前記電 圧源を電極に接続する工程と，さらに 被処理体が前記載置部材上にある場合にその接触程度を決定するべく，前記接 続された電圧源の電流をモニターする工程と， から成る方法。