JP4477292B2 - プラズマ処理のためのエラストマ結合材と、その製造並びに利用方法 - Google Patents

Description

【０００１】
（発明の背景）
（発明の分野）
本発明は、半導体ウェハなど半導体基板のプラズマ処理用の装置に関する。
【０００２】
（関連技術の説明）
シリコン・ウェハなど半導体基板を処理するためのプラズマ処理反応装置内で使用される電極は、米国特許第５０７４４５６号および第５５６９３５６号、本明細書で参照することにより組み込まれたそれらの開示内容に開示されている。'４５６特許は、上側電極が半導体純正物からなり、接着剤、はんだ、またはろう付け層によって支持フレームに結合されている。はんだ付けまたはろう付け層は、インジウム、銀、それらの合金などの低蒸気圧金属であってよく、支持フレームと電極の結合面にはチタンやニッケルなどの金属の薄層を被覆して、結合層の濡れ性および接着性を増進することができる。Ｉｎ結合などの冶金結合が、電極と電極が結合されている部分との示差熱膨張／収縮によって電極を反らせることが判明している。また、これらの冶金結合は、高プラズマ処理電力では結合の熱疲労および／または溶融のために機能しないことも判明している。
【０００３】
半導体ウェハの化学的エッチングに関連する多数の制限を克服するために、ドライ・プラズマ・エッチング、反応性イオン・エッチング、およびイオン・ミリング技術が開発された。特にプラズマ・エッチングは、垂直エッチ・レートを水平エッチ・レートよりもはるかに大きくでき、それにより結果として得られるエッチングされたフィーチャの縦横比（すなわち結果として得られるノッチの高さと幅の比）を適切に制御することができる。実際、プラズマ・エッチングは、高い縦横比を有する非常に微細なフィーチャを厚さ１マイクロメートルにわたってフィルムに形成することを可能にする。
【０００４】
プラズマ・エッチング・プロセス中、比較的低圧でガスに大量のエネルギーを加え、それによりガスをイオン化することによって、ウェハのマスクされる表面の上方にプラズマが形成される。エッチングすべき基板の電位を調節することによって、プラズマ中の荷電物体を、ウェハにほぼ垂直に衝突するように方向付けすることができ、ウェハのマスクされていない領域にある材料が除去される。
【０００５】
上記エッチング・プロセスは、多くの場合、エッチングされる材料と化学反応性があるガスを使用することによってより効果的に行うことができる。いわゆる「反応性イオン・エッチング」は、プラズマのエネルギエッチング効果をガスの化学的エッチング効果と組み合わせる。しかし、多くの化学的な活性剤が過度の電極摩耗をもたらすことが判明している。
【０００６】
ウェハの表面全体にわたって均一なエッチング・レートを得るために、プラズマをウェハの表面にわたって均等に分布させることが望ましい。例えば、米国特許第４５９５４８４号、第４７９２３７８号、第４８２０３７１号、第４９６０４８８号は、電極の複数の穴を通してガスを分配するシャワーヘッド電極を開示する。これらの特許は一般に、半導体ウェハに対してガス蒸気の均一な流れを付与するように調整されたアパーチャの配置構成を有するガス分配プレートを記述する。
【０００７】
反応性イオン・エッチング・システムは通常、内部に上側電極または陽極、および下側電極または陰極が配置されたエッチング・チャンバからなる。陰極は、陽極および容器壁に関して負にバイアスをかけられている。エッチングすべきウェハは、適切なマスクによってカバーされ、陰極に直接配置されている。Ｏ₂、Ｎ₂、Ｈｅ、またはＡｒを伴うＣＦ₄、ＣＨＦ₃、ＣＣｌＦ₃、およびＳＦ₆などの化学反応性ガスがエッチング・チャンバ内に導入され、一般的にはミリトール範囲内の圧力で維持される。上側電極は、電極を介してチャンバ内へガスを均一に分散することを許容するガス穴を備える。陽極と陰極の間に生成された電界が、プラズマを形成する反応性ガスを分離させる。ウェハの表面は、活性イオンとの化学的相互作用によって、かつウェハの表面に当たるイオンの運動量の搬送によってエッチングされる。電極によって生成される電界は、陰極にイオンを引きつけ、イオンが主に垂直方向で表面に当たるようにし、それによりこのプロセスは、適切に画定された垂直にエッチングされた側壁を生成する。
【０００８】
単一ウェハ・エッチャ用アセンブリ内のシャワーヘッド電極１０が図１に示される。その種のシャワーヘッド電極１０は、一般に電極１０の下方に１〜２ｃｍの間隔を置いてウェハが支持される平底電極を有する静電チャックと共に使用される。この種のチャッキング構成は、ウェハとチャックの間の熱伝達率を制御する背面Ｈｅ圧力を供給することによってウェハの温度制御を可能にする。
【０００９】
電極アセンブリは、定期的に交換しなければならない消耗部品である。電極アセンブリは温度制御部材に取り付けられるため、交換を容易にするために、従来、シリコン電極１０の外縁部の上面を、融点が約１５６℃のインジウムを有するグラファイト支持リング１２に冶金的に結合している。プラズマによって吸収される高周波出力により電極が加熱されるため、そのような低い融点は、電極に加えることができる高周波出力の量を制限する。電極１０は、中心から縁部へ均一な厚さを有する平面形ディスクである。リング１２の外側フランジは、アルミニウム・クランプ・リング１６によって、水冷チャネル１３を有するアルミニウム温度制御部材１４にクランプされる。水は、水導入口／導出口接続部１３ａによって冷却チャネル１３内を循環させられる。空間を置いて離間された石英リングのスタックからなるプラズマ閉込めリング１７が、電極１０の外周縁を取り囲む。プラズマ閉込めリング１７は、誘電体環状リング１８にボルト締結され、誘電体環状リング１８は、誘電体ハウジング１８ａにボルト締結されている。閉込めリング１７の目的および機能は、反応装置内で圧力差を生じ、反応チャンバ壁とプラズマの間の電気抵抗を増大させ、それにより上部電極と下部電極の間にプラズマを閉じ込めることである。クランプ・リング１６の半径方向内側に延在するフランジが、グラファイト支持リング１２の外側フランジに嵌合する。したがって、電極１０の露出表面にクランプ圧力が直接加えられることはない。
【００１０】
ガス供給源からのプロセス・ガスは、温度制御部材１４の中心穴２０を介して電極１０に供給される。次いでガスは、１つまたは複数の垂直方向に空間を置いて離間されたバッフル板２２を通して分配され、反応チャンバ２４内にプロセス・ガスを均等に分散するための電極１０のガス分配穴（図示せず）を通過する。電極１０から温度制御部材１４への熱伝導の増大をもたらすために、温度制御部材１４と支持リング１２の対向する表面間の開いた空間を満たすようにプロセス・ガスを供給することができる。さらに、環状リング１８または閉込めリング１７内のガス経路（図示せず）に接続されたガス経路２７により、反応チャンバ２４内で圧力を監視することができるようになる。温度制御部材１４と支持リング１２の間に圧力下でプロセス・ガスを維持するために、支持リング１２の内面と温度制御部材１４の対向する表面との間に第１のＯリング・シール２８が付与され、支持リング１２の上面の外側部分と部材１４の対向する表面との間に第２のＯリング・シール２９が付与される。チャンバ２４内の真空環境を維持するために、温度制御部材１４と円筒形部材１８ｂの間、および円筒形部材１８ｂとハウジング１８ａの間に追加のＯリング３０、３２が付与される。
【００１１】
シリコン電極１０を支持リング１２に結合するプロセスは、シリコン電極１０とグラファイト・リング１２の熱膨張係数が異なるために電極の湾曲または割れを生じる可能性がある結合温度まで電極を加熱することを必要とする。また、ウェハの汚染は、電極１０とリング１２の間の接合またはリング自体に由来するはんだ粒子または気化はんだ汚染物質に起因する可能性がある。高出力プラズマ処理中、電極の温度が、はんだを溶融して、電極１０の一部または全てをリング１２から分離させるのに十分な高さになる可能性もある。しかし、電極１０がリング１２から部分的にでも分離されると、リング１２と電極１０の間の電気および熱出力伝送の局所変動が、電極１０の下方で不均一なプラズマ密度を生じる可能性がある。
【００１２】
半導体処理の分野では、通常、真空処理チャンバを使用して、真空チャンバにエッチングまたは付着ガスを供給し、ガスに高周波電界を加えてガスをプラズマ状態に励起することによって、基板上での材料のエッチングおよび化学気相成長(CVD)を行う。平行板、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）とも呼ばれる変成器結合プラズマ（ＴＣＰ（登録商標））、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）反応装置、およびその構成要素の例が、既に所有する米国特許第４３４０４６２号、第４９４８４５８号、第５２００２３２号、および第５８２０７２３号に開示されている。そのような反応装置内のプラズマ環境に腐食性があるため、ならびに粒子および／または重金属汚染を最小限に抑えることが要求されるため、そのような機器の構成要素が高い耐食性を示すことが強く望まれる。
【００１３】
半導体基板の処理中、基板は通常、機械的クランプおよび静電クランプ（ＥＳＣ）によって、真空チャンバ内部で基板ホルダ上に定位置に保持される。そのようなクランプ・システム、およびその構成要素の例は、既に所有する米国特許第５２６２０２９号および第５８３８５２９号で見ることができる。プロセス・ガスは、ガス・ノズル、ガス・リング、ガス分配プレートによるものなど様々な方法でチャンバに供給することができる。誘導結合プラズマ反応装置およびその構成要素用の温度制御ガス分配プレートの例は、既に所有する米国特許第５８６３３７６号で見ることができる。
【００１４】
一般に、プラズマ反応装置の壁にはアルミニウムおよびアルミニウム合金が使用される。壁の腐食を防止するためにアルミニウム表面に様々なコーティングを被覆する様々な技術が提案されている。例えば、米国特許第５６４１３７５号は、アルミニウム・チャンバ壁が、壁のプラズマ侵食および摩耗を低減するために陽極化されていることを開示する。'３７５特許は、最終的には、陽極化された層がスパッタリングされ、またはエッチングして除去されて、チャンバを交換しなければならないことを述べている。米国特許第５６８００１３号は、エッチング・チャンバの金属表面にＡｌ₂Ｏ₃をフレーム溶射するための技術が米国特許第４４９１４９６号に開示されていることを述べている。'０１３特許は、アルミニウムと、アルミニウム酸化物などのセラミック・コーティングとの熱膨張係数の差が、腐食性環境において、熱サイクルによるコーティングの割れ、最終的にはコーティングの破損をもたらすことを述べている。米国特許第５０８５７２７号は、プラズマ・チャンバの壁に対するカーボン・コーティングを開示し、このコーティングは、プラズマCVD(plasma assisted CVD)によって付着される。
【００１５】
上記チャンバ壁を保護するために、米国特許第５３６６５８５号、第５５５６５０１号、第５７８８７９９号、第５７９８０１６号、および第５８８５３５６号は、ライナ構成を提案する。例えば、'５８５特許は、少なくとも厚さ０．００５インチ（０．１２７ミリメートル）であり、固体アルミナから機械加工される自立式セラミック・ライナを開示する。'５８５特許はまた、基礎のアルミニウムを消耗することなく付着されるセラミック層を使用することがフレーム溶射またはプラズマ溶射された酸化アルミニウムによって可能になる場合があることに言及している。'５０１特許は、ポリマーまたは石英もしくはセラミックのプロセス適合ライナを開示する。'７９９特許は、内部に抵抗ヒータが組み込まれた温度制御セラミック・ライナを開示し、このセラミックは、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア、炭化珪素、炭化チタン、炭化ジルコニウム、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化珪素、および窒化チタンであってよい。'０１６特許は、セラミック、アルミニウム、鋼および／または石英のライナを開示し、アルミニウムは、機械加工が容易にできるため好ましく、酸化アルミニウム、Ｓｃ₂Ｏ₃またはＹ₂Ｏ₃のコーティングを有し、プラズマからのアルミニウムの保護のためにアルミニウムを被覆するのにはＡｌ₂Ｏ₃が好ましい。'３５６特許は、アルミナのセラミック・ライナと、CVDチャンバ内で使用するウェハ受台用の窒化アルミニウムのセラミック・シールドとを開示する。米国特許第５９０４７７８号は、チャンバ壁、チャンバ・ルーフ、またはウェハのまわりのカラーとして使用する自立式ＳｉＣ上のＳｉＣ CVDコーティングを開示する。米国特許第５２９２３９９号は、ウェハ受台を取り囲むＳｉＣリングを開示する。焼結されたＳｉＣを調製するための技術は、米国特許第５１８２０５９号に開示されている。
【００１６】
シャワーヘッド・ガス分配システムなどプラズマ反応装置構成要素に関し、シャワーヘッドの材料に関して様々な提案がなされている。例えば、既に所有する米国特許第５５６９３５６号は、シリコン、グラファイト、または炭化珪素のシャワーヘッドを開示する。米国特許第５８８８９０７号は、アモルファス・カーボン、ＳｉＣまたはＡｌのシャワーヘッド電極を開示する。米国特許第５００６２２０号および第５０２２９７９号は、高純度ＳｉＣの表面層を付与するために、全体がＳｉＣからなる、またはCVDによって付着されたＳｉＣで被覆されたカーボンのベースからなるシャワーヘッド電極を開示する。
【００１７】
半導体処理機器の構成要素に関する高い純度および耐食性の要求に鑑みて、本技術分野では、そのような構成要素に使用される材料および／またはコーティングの改良が必要となっている。さらに、チャンバ材料に関しては、プラズマ反応装置チャンバの耐用寿命を延ばし、それにより装置のダウンタイムを低減する任意の材料が、半導体ウェハを処理するコストを低減するのに有益である。
【００１８】
（発明の概要）
本発明は、半導体基板処理に用いられるプラズマ反応チャンバ内の部品のエラストマ接合アセンブリを提供する。部品は、基板支持体、ガス分配システム、ライナ、電極、窓、温度制御された表面などの構成要素を含む。エラストマ接合アセンブリは、結合面を有する第１の部分と、第１の部分の結合面に係合する結合面を有する第２の部分と、第１の部分と第２の部分の間のエラストマ接合とを備え、エラストマ接合が、第１の部分を第２の部分に弾性的に取り付け、それによりその温度サイクル中に第１の部分と第２の部分の間の移動を可能にする。
【００１９】
エラストマ接合は、真空環境に適合し、２００℃までの２００℃を含めた温度で熱による劣化に対する抵抗性があるポリマー材料を備えることができる。エラストマ接合は、ポリマー材料と、電気および／または熱伝導粒子のフィラーとを含むことができる。ポリマー材料は、ポリイミド、ポリケトン、ポリエチルケトン、ポリエチルスルホン、ポリエチレンテレフタル酸塩、フルオロエチレンプロピレン共重合体、セルロース、トリアセテート、またはシリコーンを備えることができる。フィラーは、５〜２０重量％のシリコンを有するアルミニウム合金などの金属粒子であってよい。エラストマ接合は、噛合いおよび／またはセルフアライニング構成を付与するような輪郭にされた結合表面間に配置することができる。
【００２０】
１つの実施形態によれば、本発明は、半導体基板処理用のプラズマ反応チャンバに用いる電極アセンブリを提供する。電極アセンブリは、結合面を有する支持部材と、高周波電極と、それらの間のエラストマ接合とを含む。電極は、反応チャンバ内で処理すべき半導体基板に面するように意図された露出面と、エラストマ接合によって支持部材の結合面に接合される電極の外縁部にある結合面とを有する。エラストマ接合は、アセンブリの温度サイクル中に支持部材に関して電極が動くことを可能にするため、熱的不一致および／または熱的勾配を補償する。
【００２１】
好ましい実施形態によれば、電極がシャワーヘッド電極を備え、電極アセンブリは、シャワーヘッド電極の背面にプロセス・ガスを供給するガス経路を有する温度制御部材に着脱可能に取り付けられる。この場合、温度制御部材は、任意選択で、キャビティと、キャビティ内に位置された１つまたは複数のバッフル板とを含むことができ、それによりガス経路は、キャビティ内にプロセス・ガスを供給し、バッフルおよびシャワーヘッド電極の出口を通って進む。エラストマ接合を収容し、電極の外縁部の周りに完全に延びるシールを提供するように、電極および／または支持部材内に凹部を配置することができる。電極は、均一または不均一な厚さの円形シリコン・ディスクを備えることができ、エラストマ接合は、金属粒子など導電性フィラーを有する導電性材料を備えることができる。フィラーは、電極と支持部材の間に直接電気的接触を付与することが好ましい。
【００２２】
本発明はまた、プラズマ反応チャンバで有用なシャワーヘッド電極など高周波出力電極を組み立てる方法を提供する。この方法は、電極と支持部材の１つまたは複数の結合表面にエラストマ結合材料を塗布すること、電極と支持部材を組み立てること、電極と支持部材の間にエラストマ接合を形成するために結合材料を硬化することを含む。結合表面は、好ましくは、後で硬化されるプライマで被覆され、かつ／または結合材料が、電極および／または支持部材に塗布される前にガス泡を除去するために真空環境内で高密度化工程が施される。好ましい実施形態では、エラストマ結合材料は、グラファイト支持リング内の浅い凹部に塗布され、シリコン電極は、接合の硬化中に支持リングに対して押圧される。
【００２３】
本発明はまた、プラズマ反応チャンバ内で半導体基板を処理する方法を提供する。この方法は、ウェハなど半導体基板をプラズマ反応チャンバに供給することと、プロセス・ガスをチャンバに供給することと、電力を電極アセンブリに供給することによって基板を処理することとを含む。電極アセンブリは、電極および支持部材を含み、電力は、電極を支持部材に結合するエラストマ接合を介して電極に移り、それによりアセンブリの温度サイクル中に支持部材に関して電極が動く。電極は、シャワーヘッド電極であってよく、プロセス・ガスは、プラズマ反応チャンバ内に取り付けられた温度制御部材内のガス経路を介してチャンバに供給することができ、それによりプロセス・ガスがシャワーヘッド電極の露出表面を通過する。支持部材は、温度制御部材に着脱可能に取り付けられたグラファイト・リングであってよく、電極は、単にエラストマ接合によってグラファイト・リングに接合されたシリコン・ディスクであってよい。
【００２４】
本発明は、プラズマ・チャンバ、基板支持体、ガス供給部、エネルギー源、セラミック・ライナ、および弾性支持部材を含む半導体基板を処理するためのプラズマ処理システムを提供する。プラズマ処理チャンバは、チャンバ側壁によって境界を画された内部空間を有し、基板がその上で処理される基板支持体は、内部空間内に配置される。チャンバ側壁は、基板支持体の周縁部の外側に間隔をあけて配置され、ガス供給部は、プロセス・ガスを内部空間に供給する。エネルギ源は、基板の処理中に、内部空間内のプロセス・ガスを励起してプラズマ状態にする。セラミック・ライナは、チャンバ側壁と基板支持体の周縁部との間で、弾性支持部材によって支持される。
【００２５】
好ましい実施形態によれば、弾性支持部材は、エラストマ接合または弾力的に湾曲可能な金属フレームを備え、セラミック部材は、一片セラミック・ライナ、またはセラミック・タイルのアセンブリを備える。例えば、セラミック部材は、セラミック・タイルと金属裏当て部材のアセンブリを備えることができ、弾性支持体は、各セラミック・タイルを金属裏当て部材の夫々の１つに取り付けるエラストマ接合を備えることができる。金属裏当て部材は、熱的に制御された部材によって支持された弾力的に湾曲可能な金属フレーム上に支持することができ、それによりエラストマ接続、金属裏当て部材、および湾曲可能金属フレームを介して熱的に制御された部材に延在する熱経路を介して、セラミック・タイルから熱を引き出すことができる。別法として、セラミック部材は、セラミック・タイルのアセンブリを備えることができ、弾性支持体は、各セラミック・タイルとチャンバ側壁の間にエラストマ接合を備えることができる。
【００２６】
他の実施形態によれば、ヒータは、セラミック部材を加熱することができるように湾曲可能な金属フレームによって支持される。弾性支持部材は、内側フレーム部材および外側フレーム部材を含む弾力的に湾曲可能な金属フレームを備えることができる。弾性支持部材はさらに、セラミック部材と内側フレーム部材の間にエラストマ接合を備えることができ、内側フレーム部材は、外側フレーム部材によって支持され、外側フレーム部材はチャンバによって支持され、タイルは、一連の噛み合わされたセラミック・タイルである。好ましくは、セラミック部材が、一片ＳｉＣライナまたは複数のＳｉＣタイルを備える。
【００２７】
弾性部材は、プラズマ処理システムの動作中にセラミック部材とフレーム部材に対する示差熱応力に適合可能なように構成された内側および外側金属フレーム部材を備えることができる。そのような構成では、外側フレーム部材の上側部分をチャンバの熱的に制御された部分によって支持することができ、外側フレーム部材の下側部分を、内側フレーム部材の下側部分に取り付けることができ、セラミック部材を内側フレーム部材によって支持することができる。さらに、湾曲可能な金属フレームが、連続的な上側部分と、区分化された下側部分を含むことができる。例えば、湾曲可能な金属フレームは円筒形であってよく、区分化された下側部分は、軸方向に延在するスロットによって互いに分離された軸方向延在セグメントを備えていてよい。内側および外側金属フレーム部材が円筒形であり、連続的な上側部分と区分化された下側部分を含む場合、区分化された下側部分は、軸方向に延在するスロットによって互いに分離された軸方向延在セグメントを備える。
【００２８】
本発明の他の実施形態によれば、ライナがさらに、セラミック部材の下側部分から内側に延在するセラミック・プラズマ・スクリーンを含み、セラミック・プラズマ・スクリーンは、プロセス・ガスおよび反応副生成物が基板の処理中にチャンバの内部から除去される経路を含む。例えば、セラミック・プラズマ・スクリーンは、チャンバ側壁と基板支持体の間の環状空間内に支持された複数のセグメントを備えることができ、経路は、チャンバ側壁から半径方向内側に延在するスロットを備える。セラミック・プラズマ・スクリーンは、導電エラストマ接合によって弾性支持部材に取り付けることができ、弾性支持部材は、湾曲可能な金属フレームを備え、プラズマ・スクリーンは、エラストマ接合によって湾曲可能な金属フレームに電気的に接地されている。
【００２９】
さて、本発明は、さらに図面を参照して記述されている。
【００３０】
（発明の詳細な説明）
本発明の電極アセンブリは、電極と支持部材との間の熱的不一致による応力により良く適合することを可能にして電極の寿命を延ばし、電極をより高い温度に対して露出させることを可能にして反応装置を高出力で動作させることを可能にし、電極の製造および組立てのコストを低減し、反応装置の動作中に電極の中心から外周縁へのより高い平坦性を付与して半導体基板の均一なプラズマ処理を可能にすることによって、図１に示される従来技術の電極アセンブリの欠点を克服する。プラズマ処理は、酸化物層などの材料のエッチング、フォトレジストなど材料のストリッピング、ＳｉＯ₂などの層の付着などを含む。しかし、本発明の主要な利点は、電極構成要素の熱膨張率の不一致および／または熱勾配による電極アセンブリにおける応力を低減し、プラズマ反応装置の高出力動作を可能にすることである。
【００３１】
本発明によるシャワーヘッド電極アセンブリは、電極と、支持部材と、電極を支持部材に弾性的に結合するためのエラストマ接合とを含む。したがって、本発明は、図１に示される構成に関して上述した様々な欠点をもたらす可能性がある支持リングに対する電極のはんだ結合の必要性を回避する。
【００３２】
電極アセンブリは定期的に交換しなければならない消耗部品であるため、電極は、反応装置の永久部品に機械的にクランプすることができるリングの形をした支持部材に結合されることが好ましい。例えば、電極アセンブリのリングを、プロセス・ガス（例えば、ウェハ上の二酸化珪素または他の材料の層をエッチングするための適切なプラズマ・エッチング・ガス）を供給するためのガス経路を有する温度制御部材に着脱可能に取り付けることができ、ガス経路は、バッフル板を含むキャビティ内へ、かつ電極の出口を介して外側へ進む。しかし、望むならば、電極アセンブリは、電極がシャワーヘッド電極でなく、かつ／または支持部材がリングの形でない他の構成を有することができる。例えば、電極は、電極の穴と連絡するガス分配穴を有する裏当て板に結合されたシャワーヘッド電極であってよい。他の可能性は、電極が、板、円筒体、ベース部材上の突起などの形をした支持部材に結合されることである。
【００３３】
本発明の好ましい実施形態によれば、支持部材はリングの形をしており、一端に半径方向外側に延在するフランジを有し、単一ウェハ・プラズマ・エッチングに使用されるタイプのものなどプラズマ反応チャンバの内部に位置された温度制御部材に電極アセンブリを着脱可能に取り付ける。組み立てられた状態では、温度制御部材の上側表面にある冷却チャネルが、電極アセンブリを冷却する水を供給することができる。
【００３４】
電極は、プレーナ・シリコン（例えば単結晶シリコン）などの導電性材料からなり、グラファイトまたは炭化珪素電極ディスクは、その中心から外縁部へ均一な厚さを有する。しかし、本発明による電極アセンブリと共に、不均一な厚さ、異なる材料を有し、かつ／またはプロセス・ガス分配穴を有しない電極を使用することもできる。好ましい実施形態では、電極は、複数の空間を置いたガス排出路を備えるシャワーヘッド電極であり、排出路は、電極によって励起され、電極の下方の反応チャンバ内にプラズマを形成するプロセス・ガスを供給するのに適したサイズおよび分配になっている。しかし、本発明による電極アセンブリの一部として、プラズマ反応装置または真空環境で有用な任意のタイプの電極を使用することができ、そのような電極としてはスパッタ電極が挙げられる。
【００３５】
エラストマ接合は、真空環境に適合し、かつ例えば２００℃を超える高温での熱による劣化に対する抵抗性があるポリマー材料など任意の適切なエラストマ材料を備えることができる。エラストマ材料は、任意選択で、電気および／または熱伝導粒子のフィラー、またはワイヤ・メッシュ、織布または不織布導電性繊維など他の形状のフィラーを含むことができる。１６０℃を超えるプラズマ環境で使用することができるポリマー材料としては、ポリイミド、ポリケトン、ポリエチルケトン、ポリエチルスルホン、ポリエチレンテレフタル酸塩、フルオロエチレンプロピレン共重合体、セルロース、トリアセテート、シリコーン、およびゴムが挙げられる。高純度エラストマ材料の例としては、General Electric社からRTV133およびRTV167として市販されている１成分の室温で硬化する接着剤、General Electric社からTSE３２２１として市販されている１成分の流動可能であり（例えば１００℃を超えて）熱硬化可能な接着剤、Dow Corning社から「SILASTIC」として市販されている２部分付加硬化エラストマが挙げられる。特に好ましいエラストマは、Rhodia社からV217として市販されている触媒硬化、例えばＰｔ硬化エラストマなどのポリジメチルシロキサン含有エラストマ、２５０℃以上の温度で安定なエラストマである。
【００３６】
エラストマが導電性エラストマである場合、導電性フィラー材料は、導電性金属または金属合金の粒子を備えることができる。プラズマ反応チャンバの不純物感受性環境内で使用するのに好ましい金属は、５〜２０重量％シリコン含有アルミニウムベース合金などのアルミニウム合金である。例えば、アルミニウム合金は、約１５重量％のシリコンを含むことができる。
【００３７】
最終的に形成される接合の弾力性限界範囲内に留めるためには、取り付けるべき部材の少なくとも１つに１つまたは複数の凹部を提供することが有用であることが判明している。すなわち、あまりに薄い接合は、熱サイクル中に断裂する可能性があり、あまりに厚い接合は、接合された部分間の電力伝送および／または熱結合に影響を与える可能性がある。シリコン電極をグラファイト支持リングに取り付ける場合、グラファイト・リングに凹部を設けて、電極と支持リングの間に、適切な電気的結合を付与するのに十分薄く、それでも電極と支持リングの間の熱的不一致に適合させるのに十分に厚いエラストマの層を維持することができる。例として、約４５〜５５体積％のフィラー含有量であり、平均フィラー粒子サイズが０．７〜２μｍである熱伝導エラストマの場合、凹部は、約２ミル（約５０μｍ）の深さを有することができる。凹部を取り囲む接点領域では、個々の粒子が対向する接触面を橋渡しするため、エラストマは十分薄く、バルク・エラストマによって示されるよりも高い導電性を付与する。さらに、適切にサイズを取られた粒子と溝深さの組み合わせが、接合を介する高周波電流の経路を与える。接合を介するより良い直流パスを付与するためにフィラー含有量が６５〜７０体積％を超えて増大された場合、そのような高いフィラー含有量が、接合の弾力性に悪影響を及ぼす可能性がある。しかし、電極と支持部材の間の容量結合により、エラストマ接合の薄い領域を介して電極に十分な高周波出力を供給することができるため、電気および／または熱伝導エラストマを使用する必要がない。そのような薄い接合はまた、電極と支持部材の間の適切な熱伝導性を付与する。
【００３８】
電極と支持部材の結合表面は、平面または非平面であってよい。例えば、一方の結合表面が平面であってよく、他方が上述した結合材料を受け取るための凹部を含んでいてよい。別法として、結合表面は、噛合いおよび／またはセルフアライニング構成を付与するような輪郭にすることができる。エラストマ結合材料の接着性を高めるために、結合表面は、好ましくは適切なプライマで被覆される。結合材料が上述したV217材料である場合、プライマは、Phodia's社 VI-SIL V-06Cなどの脂肪族溶媒中のシロキサンであってよい。
【００３９】
プライマは、ワイピング、ブラッシング、吹き付けなど任意の適切な技法によって薄いコーティングとして塗布することができ、後に塗布される結合材料のために結合表面上に結合部位を形成する。プライマが溶媒を含有する場合、ワイピングによるプライマの塗布は、結合表面を洗浄することによって結合を高めることができる。シロキサン含有プライマは、空気と反応して、室温で空気中で硬化されるときにＳｉ結合部位を作成する。そのようなプライマは、余分なプライマ位置が粉末状に現われることで、結合部位の量の視覚的な表示が与えられる。プライマは、結合表面をコンディショニングするための簡単かつ効果的な技術を提供するが、酸素プラズマ中での表面の処理など他のコンディショニング技法を使用することもできる。
【００４０】
良質のエラストマ接合を付与するために、エラストマ結合材料を、結合表面に塗布する前に高密度化することが望ましい。例えば、エラストマ結合材料に、周囲温度または高温で、真空環境内で振動を与えることができる。１Torr未満、好ましくは５００mTorr未満の真空圧を使用して、結合材料をガス抜きすることができる。真空は、真空によって生成される泡の消散を高めるように高密度化処理中に１回または複数回排気することによって脈動させることができる。一例として、約２００mTorrの真空を、３０分間にわたって４回または５回脈動させることができる。エラストマ結合材料中のフィラーの存在もまた、真空中に形成される泡の消散を助ける。攪拌／パルス真空を用いないと、エラストマ結合材料は、真空下でその開始体積の約１０倍まで膨張し、それにより、材料中に新たなエア・ポケットをもたらす可能性がある貯蔵および洗浄の問題を引き起こす。そのようなガス部位は、結合材料の硬化中に泡を形成する可能性があり、そのため最終的に形成される接合を劣化させる。
【００４１】
結合表面のマスキングは、接合が形成された後に、取り囲む表面を保護し、余分な結合材料を除去する有用な方法を提供する。プラズマ反応装置の構成要素として使用される高純度材料として、シリコン／グラファイト適合接着剤を有するMYLARやKAPTONなどのポリエステルおよび／またはポリイミド材料を使用することができる。シリコン・シャワーヘッド電極の場合、MYLARテープを用いて電極上のガス導出口をカバーすることが望ましく、電極の外縁部は、KAPTONテープのストリップを用いてカバーすることができる。グラファイト支持リングの場合、内縁部および外縁部を、KAPTONテープのストリップを用いてカバーすることができる。接合が形成された後に余分な結合材料を除去することを助けるために、マスキング材料にプライマを塗布して、そこへのエラストマ結合材料の固着を促進することが有用である。このようにすると、マスキング材料が結合部分から除去されるとき、マスキング材料に接着された余分な結合材料も除去される。
【００４２】
エラストマ結合材料は、結合表面の一方または両方に塗布することができる。シリコン電極とグラファイト支持リングの場合、グラファイト支持リングの方がより多くの孔が開いているため、グラファイト支持リングに結合材料を塗布することが望ましい。例えば、結合材料のビードを、支持リングの周りに完全に延在する凹部内に塗布することができる。結合材料の量は、最終的に形成される接合の体積を超えることが好ましい。一例として、結合材料を、接合を形成するために必要な量の約５倍の量だけ塗布することができる。
【００４３】
結合材料が少なくとも１つの結合表面に塗布された後、結合材料に高密度化ステップを施すことができる。例えば、グラファイト・リングを結合材料が塗布された状態で前述した真空環境内に配置して、結合材料を塗布するステップ中に導入されるガス泡を除去することができる。
【００４４】
結合材料が少なくとも１つの結合表面に塗布された後、結合表面が互いに押圧されるように部品を組み立てることができる。上述した電極および支持リングの場合、電極を取付具内に保持することができ、取付具のプラスチック・ピンを使用して支持リングを案内し、電極と正確に接触するようにすることができる。最初に、手による圧力などわずかな圧力を使用して、形成すべき接合全体にわたってエラストマを広げることができる。エラストマが広がった後、３０ポンド（約１４ｋｇ）のおもりなど静止負荷を、結合の硬化中に電極に加えることができる。
【００４５】
大気中または保護ガス環境中で、周囲温度または高温で結合を硬化することができる。例えば、アセンブリを、対流オーブン内に配置し、低温まで加熱して、接合すべき部分内に熱による歪みを誘発することなく結合の硬化を加速することができる。上述した電極および支持リングの場合、適切な時間、例えば３〜５時間、６０℃未満、例えば４５〜５０℃の温度を維持することが望ましい。
【００４６】
結合を硬化してエラストマ接合を形成した後、アセンブリが冷却され、マスキング材料が除去される。さらに、任意の追加の洗浄、および／または真空オーブン内のガス抜きなどのさらなる製造ステップを、アセンブリ動作の要件に応じて実施することができる。
【００４７】
図２は、本発明の１つの実施形態によるシャワーヘッド電極構成４０を示す。電極構成４０は、電極４２と、導電性支持リング４４とを含む。この電極アセンブリは、図１に示される電極１０および支持リング１２によって構成される電極アセンブリの代用とすることができる。電極４０は、図３に示されるように、凹部４８内に配置することができるエラストマ接合４６によって電極４２が支持リング４４に結合されているという点で、図１に示されるＩｎ結合アセンブリとは異なる。
【００４８】
本発明の１つの実施形態によれば、凹部４８は、支持リング４４の内壁（図示せず）と外壁５０の間で支持リング４４のまわりに連続的に延在する。各壁５０は、できるだけ薄く、例えば幅約３０ミルにすることができ、それによりエラストマが、各壁５０と接触した領域内に薄層（例えば、エラストマが０．７〜２μｍサイズのフィラーを含む場合には厚さ約２μｍ）を形成し、凹部４８内により薄い層（例えば約０．００２５インチ（０．０６３ｍｍ））を形成することができる。壁によって形成される凹部は、極端に浅く、例えば深さ約２ミルにすることができ、電極を支持リングに接着結合し、それでも電極アセンブリの温度サイクル中に支持リングに関して電極が動くことを可能にするのに充分な強度を有する非常に薄いエラストマ接合を提供する。さらに、凹部の壁は、反応装置内のプラズマ環境による腐食からエラストマ接合を保護することができる。
【００４９】
電極アセンブリ寸法は、電極アセンブリの所望の使用の要件を満たすように適合させることができる。一例として、電極を使用して８インチ（約２０ｃｍ）ウェハを処理する場合、電極は、９インチ（約２３ｃｍ）よりもわずかに小さい直径を有することができ、支持リングは、電極と支持リングの間の境界面で０．５インチ（約１．３ｃｍ）よりもわずかに小さい幅を有することができる。例えば、境界面にある支持リングが、内径８インチ（約２０ｃｍ）を有し、境界面での外径８．８インチ（約２２ｃｍ）を有することができる。そのような場合、電極と支持リングの間の境界面は、幅約０．４インチ（約１．０ｃｍ）を有することができ、凹部は、壁が幅０．０３０インチ（約０．７６ｍｍ）である場合に幅０．３４インチ（約０．８６ｃｍ）を有することができる。
【００５０】
接合の具体的な例を記述したが、プラズマ反応装置環境内で受ける高温およびプラズマ状態下で接合が充分な強度を有するならば、他のエラストマ接合を利用して、支持リングまたは他の構成の形の支持部材に電極を取り付けることができる。エラストマ結合は、好ましくは、真空適合性があり、十分な靭性、引張強さ、弾力性、熱による劣化に対する抵抗性、熱伝導性、および／または導電性を有する。電極がシャワーヘッド電極である場合、エラストマ接合は、電極の重量、およびシャワーヘッド電極に供給されるプロセス・ガスのガス圧に耐えられなければならない。
【００５１】
本発明によれば、電極を支持リングに取り付けるためにエラストマ材料を使用することは、インジウム結合電極と比べると、電極の破損の可能性を低減させること、熱疲労による支持リングからの電極の解離の可能性を低減させること、歪曲を減少させ、それにより電極アセンブリの温度サイクル中に支持リングと温度制御部材の熱的接触を改善すること、電極と支持リングの間での良好な容量結合／電気コンタクトを維持することによって電極に対する電力供給を改善すること、粒子または不純物からのチャンバ汚染を減少すること、および／またはより高い温度に耐えることができる電極アセンブリの能力によって電力能力を高めることに関して利点がある。
【００５２】
本発明による装置は、複数または単一のウェハ処理におけるプラズマ・エッチングや付着などのウェハ処理に有用である。例えば、この装置を使用して、BPSG、熱的二酸化珪素または熱分解酸化物などの酸化物、フォトレジスト材料をエッチングする、または付着することができる。この装置は、サブミクロンのコンタクト・プロファイル、CD、および低い粒子汚染の望ましいレベルを維持することができる。BPSGのエッチングに関しては、約８０００Å／分のエッチ・レートを達成することができ、エッチ不均一性を、３００００ＲＦ分よりも大きい電極寿命に関して約４％で維持することができ、Ｉｎ結合電極アセンブリでは、２４００ＲＦ分ほどの速さで交換を必要とする場合がある。約８０００Å／分のフォトレジスト・エッチ・レートを維持することができ、一方二酸化珪素のエッチングは約６０００Å／分である。CDライン測定に関しては、二酸化珪素にバイアを提供するために２００秒間エッチングされたウェハのSEMによる測定が、０．０２μｍ未満の中心および縁部CDを提供することができる。
【００５３】
本発明の別の実施形態によれば、セラミック・ライナが設けられ、以下の目的の１つまたは複数を達成することができる：ライナを介して接地への電気パスを提供することによって良好なプラズマ形成を維持すること、ライナの熱制御を提供することによってプロセス・ドリフトを避けること、弾性ライナ支持体を提供することによってセラミックと金属構成要素との間の示差熱膨張を克服すること、処理される基板からＡｌチャンバ壁および構成要素を遮蔽することによってＡｌ汚染を防止すること。ライナの電気的接地に関して、セラミック・ライナは導電性材料からなる。好ましいセラミック材料はＳｉまたはＳｉＣ、高純度で得ることができ、かつプラズマ・エッチング・チャンバなどのプラズマ反応装置内の腐食条件に対して高い耐性を示すことが判明している材料である。
【００５４】
本発明は、セラミック・ライナを含めた様々な構成要素がＳｉまたはＳｉＣからなるプラズマ・チャンバを提供する。そのような材料は、ＳｉまたはＳｉＣのプラズマ侵食が、基板の粒子汚染を伴わずにチャンバから排気することができるガス状ＳｉまたはＣ化合物を生成するため、プラズマ環境に適合している。熱制御に関して、ＳｉＣは非常に高い熱伝導性を示すことが判明しており、シリコン・ウェハなどの基板の処理中に所望の温度範囲までライナを加熱または冷却することが可能である。示差膨張を克服することに関して、本発明による弾性支持体は、セラミック・ライナがチャンバ内部で自由に膨張または収縮することを可能にするように設計されている。Ａｌ汚染を防止することに関して、セラミック・ライナは、ライナの内側にプラズマを閉じ込め、それによりプラズマによるＡｌ壁または構成要素の腐食を回避する。
【００５５】
本発明による真空処理チャンバは、エッチング、付着、レジスト・ストリッピングなど様々な半導体プラズマ処理ステップに使用することができる。誘導結合プラズマ源を有する真空処理チャンバ２の一例が図４に示され、処理ガスは、ガス分配リング、ガス分配プレート、注入ノズルなど適切な装置によって処理チャンバ２に供給され、真空は、適切な真空ポンプ装置によってチャンバの内部４中で維持されている。チャンバ内で処理すべき基板は、基板支持体８上に支持されたシリコン半導体ウェハ６を含むことができる。基板支持体８は、静電チャックおよびフォーカスリング１０を含むことができる。真空ポンプは、プロセス・チャンバの底部など端壁にある大きな出口１２に接続することができる。真空処理チャンバは誘電体窓１４およびガス分配プレート１６を含むことができ、高周波出力を、チャンバの頂部など端壁にある誘電体窓１４の外側にあるプレーナ・コイル１８など外部高周波アンテナを介してチャンバに供給することができる。ただし、プラズマ発生源は、ECR反応装置、平行板反応装置、ヘリコン反応装置、らせん状反応装置など任意の他のタイプのプラズマ発生機器であってよい。プラズマ発生源は、チャンバの端壁に着脱可能に取り付けられる環状取付フランジなどモジュール式取付構成に取り付けることができる。
【００５６】
取付フランジとチャンバ２の間の真空密閉シールを維持するために、適切なＯリング・シールを、チャンバ２の端壁にある溝内部に嵌合することができ、高周波遮蔽部材が真空シールを取り囲むことができる。真空ポンプによって大きな真空負圧が付与される場合、取付フランジをチャンバ２に取り付けるためのファスナを利用する必要がない。その代わりに、単に取付フランジをチャンバ２の端壁に位置することができる。望みであれば、プラズマ発生源アセンブリの取付フランジまたは別の部分をチャンバ２に蝶着することができ、それによりプラズマ発生源を、チャンバ２の内部４に働くように垂直方向などの方向に枢動することができる。
【００５７】
チャンバは、シリコンや炭化珪素ライナ２０などのセラミック・ライナを含む。ウェハを取り囲む空間内にプラズマを閉じ込めるためのプラズマ・スクリーン２２は、ライナ２０の下端から内側に延在する。ライナ２０は、内側支持フレーム２４および外側支持フレーム２６を含む弾性により湾曲可能なフレームによって支持することができる。基板の処理中に所望の温度でライナを維持するために、ヒータ２８が内側フレーム支持体２４の頂部に設けられる。動作中、ヒータ２８は、ライナ２０を加熱するのに効果的であり、ライナ２０からの熱の除去は、内側および外側フレームを介してライナから熱を引き出す温度制御部材３０によって達成することができる。
【００５８】
図５に示されるように、チャンバは、そこに様々なプラズマ発生源を取り付けることを可能にするモジュラ設計を有することができる。さらに、基板支持体８を、片持ち形式で取り付けられた支持アームの一端に支持することができ、それによりチャンバの側壁にある開口３２を介してアセンブリを通すことによって、基板支持体／支持アーム・アセンブリ全体をチャンバから除去することができる。
【００５９】
本発明の第１の実施形態によれば、図６および７に示されるように、プラズマ・チャンバ・ライナ２０が、平坦タイル３４などの噛合いセラミック・ライナ要素を備える。プラズマに関する電気的接地パスを付与するために、ライナ要素は、シリコンや炭化珪素などの導電性材料であることが好ましい。そのような材料は、アルミニウムを含まず、それにより処理される基板のＡｌ汚染を低減するという点で付加的な利点を付与する。１つの好ましい実施形態によれば、ＳｉＣタイルが、アルミニウム裏当て板３６に結合されている。１つの好ましい結合材料は、ＳｉＣとＡｌの異なる熱膨張率によって生じる横方向応力を吸収することができる導電性エラストマ３８である。各タイルと裏当て板とのアセンブリは、内側フレーム４２および外側フレーム４４を含む弾性により湾曲可能なフレーム４０によってＡｌチャンバ壁に取り付けることができる。ライナの温度制御は、電気リード４９および温度制御部材５０によって電力を供給されるヒータ４８によって達成される。
【００６０】
エラストマ接合は、真空環境と適合し、かつ例えば２００℃を超える高温での熱による劣化に対して耐性のあるポリマー材料など任意の適切なエラストマ材料を備えることができる。エラストマ材料は、任意選択で、電気および／または熱伝導粒子のフィラー、またはワイヤ・メッシュ、織布または不織布導電性繊維など他の形状のフィラーを含むことができる。１６０℃を超えるプラズマ環境で使用することができるポリマー材料としては、ポリイミド、ポリケトン、ポリエチルケトン、ポリエチルスルホン、ポリエチレンテレフタル酸塩、フルオロエチレンプロピレン共重合体、セルロース、トリアセテート、シリコーン、およびゴムが挙げられる。高純度エラストマ材料の例としては、General Electric社からRTV133およびRTV167として市販されている１成分の室温で硬化する接着剤、General Electric社からTSE3221として市販されている１成分の流動可能であり（例えば１００℃を超えて）熱硬化可能な接着剤、Dow Corning社から「SILASTIC」として市販されている２部分付加硬化エラストマが挙げられる。特に好ましいエラストマは、Rhodia社からV217として市販されている触媒硬化、例えばＰｔ硬化エラストマなどのポリジメチルシロキサン含有エラストマ、２５０℃以上の温度で安定なエラストマである。
【００６１】
エラストマが導電性エラストマである場合、導電性フィラー材料は、導電性金属または金属合金の粒子を備えることができる。プラズマ反応チャンバの不純物感受性環境内で使用するのに好ましい金属は、５〜２０重量％シリコン含有アルミニウムベース合金などのアルミニウム合金である。例えば、アルミニウム合金は、約１５重量％のシリコンを含むことができる。
【００６２】
プラズマ・スクリーン５２は、タイル３４の下縁部から内側に延在する。プラズマ・スクリーン５２は、好ましくは、シリコンまたは炭化珪素などの導電性セラミック材料からなり、プラズマを閉じ込めるのに十分小さいが、プロセス・ガスおよび処理副生成物を真空ポンプによって除去することを可能にする開口５４を含む。
【００６３】
ヒータ４８は、アルミニウム鋳物内に組み込まれた電気抵抗加熱要素を備えることができる。したがって、加熱要素を介して電流を通電させることによって、アルミニウム鋳物に熱が供給され、アルミニウム鋳物は、内側フレーム４２、アルミニウム裏当て板３６、熱伝導エラストマ３８、およびタイル３４に熱を伝導する。ヒータのアルミニウム本体の加熱および冷却中、ヒータは、タイル３４によって形成されたセラミック・ライナよりも大きな度合で膨張する。エラストマ結合は、そのような膨張および収縮に適応している。さらに、内側および外側フレームを、所望の範囲内に動作温度の中心を持っていくために所望の量の熱コンダクタンスを提供するように構成することができる。
【００６４】
図８は、ウェハなどの基板を輸送スロット５５を介してチャンバに導入する、かつチャンバから除去することができるチャンバ壁の一部を示す。図８に示される構成では、いくつかのタイル３４が、スロット５５の近傍で軸方向により短くなっている。スロット５５は、セラミック材料の一体化片から形成することができる。図８は、内部支持フレームをスロット５５のまわりにどのように嵌合することができるかを詳細に示す。外側支持フレーム（図示せず）も、同様の形で構成することができる。
【００６５】
ウェハとＡｌチャンバ壁４６との間の露出を防止するために、図９に示されるように、各タイル３４が、隣接するタイルの結合縁部と噛み合う縁部５６を有することができる。
【００６６】
図１０は、本発明のさらなる実施形態を示し、セラミック・ライナが、電気および熱伝導エラストマによって裏当て板３６に結合された連続的な自立式円筒形ライナ７０を備える。図１０はまた、内側および外側フレーム４２、４４の詳細を示す。図示されるように、外側フレーム４４は、一連の軸方向に延在するスロット４５ａによって分離されたセグメント４５を含む。同様に、内側フレーム４２は、一連の軸方向に延在するスロット４３ａによって分離されたセグメント４３を含む。セグメント４３、４５は、円周方向で、個々の裏当て板３６と同じ幅を有する。図１０に示される区分化された弾性フレームは、上述の本発明の実施形態の内側および外側フレーム構成に使用することができる。
【００６７】
本発明のさらなる実施形態によれば、図１１に示されるように、Ａｌフランジ７２が、熱および電気伝導エラストマを用いて連続円筒形セラミック・ライナ７０の外部に結合される。薄いライナの場合、フランジは、ライナの外側を実質的にカバーする長さであることが好ましい。しかし、厚いライナの場合、フランジをより短くすることができ、例えば厚いライナに関するフランジは、図８のウェハ輸送スロット７１の下方に配置されたフランジ７３と同様に長さを比較的短くすることができる。フランジは、アルミニウムなどの金属からなることが好ましく、弾性により湾曲可能な支持フレームに取り付けるためにその底部で外側に曲げられている。支持フレームは、支持フレームおよびフランジを介してライナにヒータからの熱を伝達することによってライナの温度制御を行うことが好ましい。
【００６８】
ライナから熱を除去するために、支持フレームと熱的に接触する温度制御部材をヒートシンクとして使用して、フランジ、支持フレームを介して伝導し、温度制御部材に入る熱流路を介してライナから熱を引き出すことができる。フランジは、共に接続されていない個別片であってよく、または区分化されたリングの一部であってよい。したがって、フランジを、弾性支持体とセラミック・シリンダの間の示差熱膨張に適応するように設計することができる。シリンダに蓄積された吸収イオンエネルギによって生成される熱は、フランジと、フランジをＳｉＣシリンダに接続する支持体とを介してチャンバに通すことができる。支持体が、区分化された内側および外側金属フレームを含む場合、区分化された外側支持体は、そのチャンバに取り付けられた部分に関して半径方向に動くことができる。ただし、本発明による弾性支持体構成では、そのような半径方向運動が、フランジとセラミック・ライナの間のエラストマ結合に過大応力を加えない十分に低い半径方向力を生成する。
【００６９】
前述の実施形態では、チャンバ内のプラズマを、ガス分配プレートのＳｉまたはＳｉＣ表面、ライナ、プラズマ・スクリーン、およびプラズマ・スクリーンの内周縁を介して上に延在する基板支持体によって閉じ込めることができる。ＳｉおよびＳｉＣ表面がプラズマとチャンバのＡｌ表面との間に配置されているため、プラズマによるＡｌ表面のスパッタリングが最小限に抑えられ、処理されるウェハのＡｌによる汚染が、処理されるウェハへの露出があるＡｌ表面を有するチャンバと比べて減少する。
【００７０】
ライナが、電気および／または熱伝導エラストマ結合材料によってアルミニウム裏当て板に結合されたＳｉまたはＳｉＣタイルを備える本実施形態では、タイルを、プラズマ・チャンバの内壁の周囲をカバーする形で互いに嵌合するようにサイズとし、および／または構成することができる。適切な接近開口が、チャンバの中へ、かつその外へ個々のウェハが通ることを可能にし、プロセス監視機器など従来の付属物によって行われる様々な測定を可能にするように追加の開口を設けることができる。このタイルの実施形態では、チャンバの内壁が円筒形または多角形であってよい。円筒形内壁の場合、フレームを裏当て板と内壁の間に挿入することができる、または裏当て板が、エラストマ結合材料を用いて内壁に結合される結合湾曲面を有することができる。タイルは、チャンバの内部に面する平坦な長方形面を有することができる。別法として、タイルの露出面を、タイルがチャンバの円筒形内壁を形成するように湾曲させることができる。
【００７１】
タイルおよび裏当て板アセンブリが、チャンバの内壁の周りに延在するＡｌ内側支持フレームにボルト締結される本実施形態では、プラズマ・チャンバの始動、動作、および停止中に生成される熱応力に適応することができる。逆に、ＳｉＣの連続的なリングが支持フレームに結合されている場合、部品と結合の応力は、熱膨張率が異なるために過大になる。それに応じて、ＳｉＣタイルの数を、プラズマ・チャンバ内で生じる熱の力によって生成される部品および／または結合の応力に対する所望の制限を達成するように選択することができる。
【００７２】
内側支持フレームの下側フランジが、Ａｌ外側支持フレームの下縁部にボルト締結され、外側支持フレームの上縁部にあるフランジが、チャンバの頂部に配置された頂部プレートにボルト締結される本実施形態では、外側支持体は、外側支持フレームの下端から頂部フランジへ延在するスロットによって分離された垂直方向に延在するプレートに区分化される。ＳｉＣタイル化表面の温度制御を可能にするために、内側支持フレームの頂部フランジの上方に位置されたヒータを内側フレームにボルト締結することができる。そのような構成では、ヒータは、内側支持フレームから裏当て板およびＳｉＣタイルへ熱伝導される熱を生成することができる。ヒータは、チャンバの内壁の周り全体に延在する単一抵抗ヒータを備えることができる。別法として、ヒータは、ライナの所望の温度制御、例えば酸化珪素などの誘電体材料のプラズマ・エッチング中に８０〜１５０℃の範囲内など所望の温度でライナの内面を維持することを達成する任意の適切なヒータ構成を備えることができる。
【００７３】
チャンバは、基板支持体を取り囲むプラズマ・スクリーンを含むことができる。環状スクリーンは、任意の適切な方法によってキャリア・リングに取り付けることができる。例えば、スクリーンを、前述したエラストマ結合材料によってキャリア・リングに接着結合することができる。さらに、キャリア・リングを、内側フレームにある下側フランジにボルト締結することができ、それによりキャリア・リングとフランジの間にスクリーンがクランプされる。スクリーンは、半導体製造に関するプラズマ環境に耐えることができる任意の適切な材料からなっている。炭化珪素がスクリーン用の好ましい材料である。スクリーンは、単一のユニット式リングまたは複数の離隔されたリング・セグメントを備えることができる。例えば、円周状に離隔されたセグメントを含むことができる。
【００７４】
搬送スロットを介してチャンバ内に、かつチャンバの外にウェハが移送される本実施形態では、内側および外側フレームがカットアウトを含み、スロットを取り囲むタイルは、より小さいタイルがスロットの下方に、より大きいタイルがスロットの上方にあるように配置構成される。スロットの内部は、ウェハ経路挿入体によって形成することができる。挿入体の好ましい材料は、炭化珪素である。挿入体は、材料の単一部片または材料の複数部片のアセンブリを備えることができる。中間高さタイルおよびより短いタイルは、エラストマを用いて、同様にサイズを取られた裏当て板に接着結合されることが好ましく、裏当て板は内側フレームにボルト留めされている。
【００７５】
アルミニウム構成要素の露出表面が、ＳｉＣタイルを用いて表面をカバーすることによって避けられている本発明の実施形態によれば、タイルの縁部が、互いに重なり合うように設計されることが好ましい。例えば、タイルが結合縁部を有することができ、１つのタイル上の突起が隣接するタイルの凹部に受け入れられる。この効果は、タイルの対向する表面間に直線パスが付与されていない任意の縁部設計によって得ることができる。したがって、Ｖ字形、Ｕ字形、Ｗ字形、溝形、ノッチ形、オフセット形などのタイプの縁部など、結合湾曲または複数面縁部表面が、所望の結合タイル縁部を設けることができる。
【００７６】
噛合いタイル接合は、アルミニウム構成要素に対する露出をなくし、プラズマ反応装置の始動、動作、および／または停止中のライナ構成要素の示差熱膨張／収縮に適応する。例えば、ヒータからの熱および／またはタイル上に堆積されたプラズマ・イオン熱エネルギが、エラストマ結合を介して、外側支持体の上、およびチャンバ頂部プレート内に内側支持体によって熱伝導される。冷却チャネルを介して頂部プレートを水冷することにより、外側支持体を介して伝達される熱がチャンバから除去される。
【００７７】
半導体基板の処理中、プラズマがチャンバ内で生成される前にタイルをヒータによって予熱することができる。例えば、タイルをヒータによって所望の温度まで加熱することができ、熱制御システムを使用して、所望の温度でタイルを維持するようにヒータ出力を調節することができる。プラズマがチャンバ内で生成された後、制御システムは、所望の温度を維持するためにヒータ出力を自動的に減少することができる。さらに、内側および／または外側支持体の熱インピーダンスを調節して、タイル動作温度の所望の範囲を達成し、ヒータ最大温度を制限することができる。
【００７８】
図１２は、半導体ウェハのバッチのプラズマ・エッチング中の内側支持ヒータフランジ、内側支持下側フランジ、およびタイル裏当て板での測定温度を示す。エッチ・サイクル中のプラズマ・イオン・エネルギの変動から２℃の温度振動が生じた。下側フランジに関する温度設定値は１００℃であった。
【００７９】
セラミック・ライナがＳｉＣの連続的な単一片である実施形態では、ＳｉＣ円筒体が、区分化されたアルミニウム・フランジによってその下端で支持される。区分化されたアルミニウム・フランジは、チャンバによって支持された弾性により湾曲可能なフレームに取り付けられる。他の実施形態と同様に、ヒータは、内側支持体を介して、裏当て板の下側フランジを介して、エラストマ結合を介して、ＳｉＣライナ内へ進む熱を供給する。内側フレームの下側フランジは、外側支持フレームの下側フランジに取り付けられ（例えばボルト締結され）、それによりＳｉＣライナ、裏当て板、ならびに内側および外側支持フレームを含むライナ構成全体が、反応装置の水冷された頂部プレートに取り付いている外側支持フレームの上側フランジによって支持される。個々の裏当て板およびスロットを付けられた内側および外側支持フレームを設けることにより、ＳｉＣライナを、反応装置の始動、動作、および／または停止中に生成された示差熱応力に適応するような態様で支持することが可能になる。例えば、ヒータは、ヒータの温度がより高いこと、およびＳｉＣと比べてＡｌの熱膨張率がより大きいことにより、ＳｉＣ円筒体よりも多く半径方向外側に膨張することができる。相対半径方向膨張は、内側支持の薄い垂直なたわみの曲げによって適応される。同様に、垂直温度勾配による外側支持体の底部と頂部の間の差分半径方向成長は、外側支持体の薄い垂直たわみによって適応される。
【００８０】
上に本発明の原理、好ましい実施形態、および動作の形態を記述した。しかし、本発明は、前述の特定の実施形態に限定されるものと解釈すべきでない。したがって、上述の実施形態は、限定ではなく例示と見なされるべきであり、頭記の特許請求の範囲によって定義された本発明の範囲を逸脱することなく当業者がそれらの実施形態に変形を行うことができることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】単一ウェハ処理用の従来技術のシャワーヘッド電極アセンブリの側部断面図である。
【図２】本発明の１つの実施形態によるシャワーヘッド電極アセンブリの側部断面図である。
【図３】図２に示される構成の１部分の側部断面図である。
【図４】弾性フレーム上に支持されたセラミック・ライナが基板支持体を取り囲む本発明の１つの実施形態によるプラズマ反応チャンバを示す図である。
【図５】様々な構成要素がライナを含んでいない状態で図４のプラズマ反応チャンバを示す図である。
【図６】セラミック・ライナが裏当て板に取り付けられた一連のタイルを備える、本発明の１つの実施形態によるプラズマ反応チャンバを示す図である。
【図７】図６のプラズマ反応チャンバの斜視図である。
【図８】図６のプラズマ反応チャンバ内のウェハ導入スロットの詳細を示す図である。
【図９】図６のタイルの縁部が噛合い構成で互いに嵌まり合う方法を示す図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態による連続的な円筒形セラミック・ライナを支持するための弾力的に湾曲可能なフレームの詳細を示す図である。
【図１１】図１０の円筒形ライナの下縁部に取り付けられた区分化された金属フレームの詳細を示す図である。
【図１２】２００回のウェハ・ランの過程にわたって、図３に示された構成のヒータフランジ、タイル、および下側フランジの温度を示すグラフである。

Claims (12)

1. プラズマ反応チャンバに用いるアセンブリを製造する方法であって、
   第１の部材と第２の部材の１つまたは複数の結合表面にエラストマ結合材料を塗布すること、
   前記エラストマ結合材料が前記第１の部材と前記第２の部材の結合表面を接合するように、前記第１の部材と前記第２の部材のアセンブリを形成すること、
   前記第１の部材と前記第２の部材の間にエラストマ接合を形成するように前記エラストマ結合材料を硬化することを備え、前記エラストマ接合により、その温度サイクル中に前記第１の部材が前記第２の部材に対して動くことを可能にし、
   前記エラストマ結合材料が、前記第１の部材と前記第２の部材の間の十分な動作を可能にする硬化されたエラストマ接合を付与するようなサイズの凹部内に充填されて、プラズマ反応装置内でのアセンブリの使用中に前記第１の部材と前記第２の部材の示差熱膨張または収縮によって前記接合が断裂することを防止する方法。
2. 請求項１の方法であって、さらに、エラストマの少なくとも２成分を任意選択の導電性フィラーと混合することによってエラストマ結合材料を調製すること、真空環境内で前記エラストマ結合材料を高密度化することを含む。
3. 請求項１の方法であって、前記第１の部材が凹部を備え、前記エラストマ結合材料は、当該エラストマ接合が前記凹部を埋め、かつ前記第１の部材と前記第２の部材の間に熱を伝導するのに十分な薄さになるような量だけ塗布されている。
4. 請求項１の方法であって、前記エラストマ結合材料が導電性フィラーを含み、当該エラストマ結合材料は、前記第１の部材と前記第２の部材の間に実質的に直接的な電気的接触を付与するように前記結合表面に塗布されている。
5. 請求項１の方法であって、前記第１の部材がシリコンを含み、前記第２の部材がグラファイトを含み、前記シリコンが単に前記エラストマ接合によって前記グラファイトに結合されている。
6. 請求項１の方法であって、取付具内に前記第１の部材および前記第２の部材を配列すること、前記第１の部材と前記第２の部材の間の境界面の外に余分な結合材料を圧し出すのに十分な圧力を加えること、前記エラストマ結合材料の硬化を助長させるのに十分高いが、前記第１の部材または前記第２の部材の熱膨張を最小限に抑えるのに十分低い温度で、オーブン内で前記アセンブリを加熱することを含む。
7. 請求項１の方法であって、前記エラストマ結合材料が、前記結合表面上に前記結合材料をセルフレベリングし、かつ拡張することを達成するのに十分な粘度を有し、当該方法は、さらに、真空環境内に前記アセンブリを配置することによって結合材料をガス抜きすることを含む。
8. 請求項１の方法であって、さらに、前記結合表面にプライマ材料を塗布すること、あるいは前記結合表面をプラズマ処理することを含む。
9. 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、アセンブリが、エラストマ接合によって第２の部材に結合された第１の部材を含み、
   半導体基板を前記プラズマ反応チャンバに供給すること、
   前記プラズマ反応チャンバの内部にプロセス・ガスを供給すること、
   前記半導体基板の露出面の処理に用いられるプラズマを形成するプロセス・ガスを励起することを備え、前記エラストマ接合により、前記アセンブリの温度サイクル中に前記第１の部材と前記第２の部材とが各々に対して動くことを可能にし、
   前記エラストマ結合材料が、前記第１の部材と前記第２の部材の間の十分な動作を可能にする硬化されたエラストマ接合を付与するようなサイズの凹部内に充填されて、プラズマ反応装置内でのアセンブリの使用中に前記第１の部材と前記第２の部材の示差熱膨張または収縮によって前記接合が断裂することを防止する方法。
10. 請求項９の方法であって、前記半導体基板がシリコン・ウェハを備え、当該方法が、当該ウェハ上の材料の誘電または導電層をエッチングすることを含む。
11. 請求項９の方法であって、当該方法が、前記半導体基板上に材料の層を付着することを含む。
12. 請求項９の方法であって、前記第１の部材が電極を備え、前記第２の部材が温度制御部材を備える。

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