JP6076246B2 - ゾーン依存熱効率性を備えた温度制御されたプラズマ処理チャンバ部品 - Google Patents

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Description

関連出願の相互参照
本出願は、「ゾーン依存熱効率性を備えた温度制御されたプラズマ処理チャンバ部品」の名称で２０１０年６月１１日に出願された米国仮特許出願第６１／３５４，１５８号、及び、「ゾーン依存熱効率性を備えた温度制御されたプラズマ処理チャンバ部品」の名称で２０１１年５月１９日に出願された米国特許出願第１３／１１１，３８４号の利益を主張し、これら全体の内容を参照として本明細書内に援用する。
背景
１）分野
本発明の実施形態は、概してプラズマ処理装置に関し、特に、プラズマ処理チャンバ内でワークピースの処理中に温度を制御する方法に関する。
２）関連技術の説明
プラズマ処理チャンバ（例えば、プラズマエッチング又はプラズマ蒸着チャンバ）内では、チャンバ部品の温度は、しばしば処理の間に制御すべき重要なパラメータである。例えば、基板ホルダー（一般にチャック又は台座と呼ばれる）の温度は、（例えば、エッチング速度を制御するために）処理レシピの間においてワークピースを様々な制御された温度に加熱／冷却するために制御することができる。同様に、シャワーヘッド／上部電極又は他の部品の温度も、処理（例えば、エッチングレートの均一性）に影響を与えるように処理レシピの間に制御することができる。
多くの場合、プラズマ処理チャンバの設計上の様々な制約は、望まれていない部品の部分内に熱伝達をもたらすように、温度制御される部品へ熱伝達媒体を導入することが必要となる。例えば、処理ガス分配シャワーヘッド又はワークピースチャックは、別々の設定温度に独立して制御することができる、又はゾーン間で全く異なる熱負荷をうまく扱うことができる複数のゾーンを有し、第１温度ゾーン（すなわち、ターゲットゾーン）の制御用に利用される熱伝達媒体は、ターゲット温度ゾーンへ又はターゲット温度ゾーンからつながる第２温度ゾーン（すなわち、二次的なゾーン）の近傍も通過する可能性がある。このように、複数の温度ゾーンを独立して駆動することは、二次的なゾーン内にゾーン間の著しいクロストークと共に著しい温度不均一性を導入する可能性がある。
概要
プラズマ処理がプラズマ処理装置によって実行されるとき、処理又はチャンバ部品の温度を制御するための部品及びシステムが、本明細書内に記載されている。特定の実施形態では、作業面を有するプラズマ処理チャンバ部品が、プラズマ処理チャンバ内に配置される。第１熱伝導流体チャネルは、作業面の下にある部品内に配置され、作業面の第１ゾーンの下にある第１チャネルの第１長さは、作業面の第２ゾーンの下にある第１チャネルの第２長さとは異なる熱伝達率ｈ又は伝熱面積Ａを含む。例えば、第２長さが第１長さの下流にある場合、第１長さは第２長さよりも低い熱伝達率ｈを有し、これによって第１熱伝導流体は第１ゾーン温度において、第１熱伝導流体が第２ゾーンにおいて有するよりも低い効果（例えば、減少した熱伝達率
）を有する。実施形態では、異なる熱伝達率又は伝熱面積が温度ゾーンの関数として提供されており、これによって第１及び第２温度ゾーンの温度制御をより独立にする。
部品が作業面の第１ゾーンの下に配置された第２熱伝導流体チャネルを含む別の一実施形態では、第２チャネルの長さに沿った熱伝達率又は伝熱面積は、第１チャネルの第１長さのものよりも大きくされ、これによって第２チャネルを通過する第２熱伝導流体は、第１チャネルの第１長さを通過する第１熱伝導流体よりも第１ゾーン温度に大きな影響を与えることができる。部品が基板チャック又は処理ガスシャワーヘッドである例示的な一実施形態では、作業面は円形であり、第１ゾーンは第２ゾーンを囲む円形の作業面の環状部分を含む。
特定の実施形態では、熱伝導流体チャネルの長さは、熱伝達率や伝熱面積のいずれかを調節するように設計される。特定の一実施形態では、第１長さに沿った熱伝達率は、チャネルの第１長さの周りにおける熱抵抗材料のスリーブの組み込みを介して第２長さよりも低くされ、これによって第２長さに対して熱抵抗を増加させる。別の一実施形態では、第１チャネルの第１長さは、第２長さに沿った作業面よりも第１長さに沿った作業面の下により大きな距離で配置され、及び／又は第２熱伝導流体チャネルの長さよりも大きな距離で配置される。断熱層（例えば、排出（排気）空間又は非金属材料）が、更に、又は代替で、第１チャネルと、第１長さの少なくとも一部に沿った作業面との間に配置され、第２長さに対して熱抵抗を増加させてもよい。
実施形態では、第１長さに沿った伝熱面積は、第２長さよりも小さくされ、例えば、第２長さに沿って、第１長さには存在しないフィンの組み込みを介して行われる。
実施形態は、温度制御された部品がヒートシンク／ヒートソースに結合されたプラズマ処理チャンバ（例えば、プラズマエッチング又はプラズマ成膜装置）を含む。温度制御された部品は、第１熱伝導流体ループによって第１ヒートシンク／ソースに結合することができ、第１流体ループは、温度制御された部品の第１及び第２に埋め込まれたチャネルの第１及び第２長さをそれぞれ通過することができる。温度制御された部品は、第２熱伝導流体ループによって第２ヒートシンク／ソースに更に結合することができ、第２流体ループは、第１ゾーンのみに埋め込まれたチャネルの長さを通過することができる。第１チャネルの第１長さは、第２長さ及び／又は第２チャネルとは異なる熱伝達率又は伝熱面積を有することができる。
本発明の実施形態は、詳細に指摘され、明細書の結論部分において、特許請求の範囲を明確に定めている。しかしながら、機構及び操作方法の両方に関する本発明の実施形態、更にそれらの目的、構成、及び利点は、添付図面と共に読むとき、以下の詳細な説明を参照することによって、最も理解することができる。
本発明の一実施形態に係る、複数の温度ゾーンを有する作業面を含む温度制御プラズマ処理チャンバ部品のレイアウト図である。 〜 本発明の一実施形態に係る、第１ゾーン内の作業面の温度変化を示す、図１Ａに示される温度制御されたプラズマ処理チャンバ部品の平面図である。 本発明の一実施形態に係る、図１に示された温度制御されたプラズマ処理チャンバ部品のＡ−Ａ’線に沿った断面図を示す。 本発明の一実施形態に係る、図１に示された温度制御されたプラズマ処理チャンバ部品のＢ−Ｂ’線に沿った断面図を示す。 本発明の一実施形態に係る、図１に示された温度制御されたプラズマ処理チャンバ部品のＡ−Ａ’線に沿った断面図を示す。 本発明の一実施形態に係る、図１に示された温度制御されたプラズマ処理チャンバ部品のＢ−Ｂ’線に沿った断面図を示す。 本発明の一実施形態に係る、図１に示された温度制御されたプラズマ処理チャンバ部品のＡ−Ａ’線に沿った断面図を示す。 本発明の一実施形態に係る、図１に示された温度制御されたプラズマ処理チャンバ部品のＢ−Ｂ’線に沿った断面図を示す。 本発明の一実施形態に係る、図１に示された温度制御されたプラズマ処理チャンバ部品のＡ−Ａ’線に沿った断面図を示す。 本発明の一実施形態に係る、図１に示された温度制御されたプラズマ処理チャンバ部品のＢ−Ｂ’線に沿った断面図を示す。 本発明の一実施形態に係る、図１に示された温度制御されたプラズマ処理チャンバ部品のＡ−Ａ’線に沿った断面図を示す。 本発明の一実施形態に係る、図１に示された温度制御されたプラズマ処理チャンバ部品のＢ−Ｂ’線に沿った断面図を示す。 本発明の一実施形態に係る、温度制御された処理ガスシャワーヘッドを含むプラズマエッチングシステムの概略図を示す。 本発明の一実施形態に係る、温度制御された基板支持チャックを含むプラズマエッチングシステムの概略図を示す。
詳細な説明
以下の詳細な説明において、多数の具体的な詳細が、本発明の実施形態の完全な理解を提供するために記載されている。しかしながら、他の実施形態がこれらの特定な詳細なしに実施できることを当業者は理解しているだろう。他の例では、周知の方法、手順、部品及び回路は、本発明を不明瞭にしないように詳細に説明されていない。
「結合された」及び「接続された」といった用語及びこれらの派生語は、本明細書内では、部品間の構造的関係を記述するために用いることができる。これらの用語は互いに同義語として意図されていないことを理解すべきである。むしろ、特定の実施形態において、「接続された」は、２以上の要素が互いに直接物理的に又は電気的に接触していることを示すために用いることができる。「結合された」は、２以上の要素が互いに直接的又は（間に他の介在要素を有して）間接的に、物理的に又は電気的に接触していること、及び／又は２以上の要素が（例えば、因果関係のように）互いに協働又は相互作用することを示すために用いることができる。
部品のターゲット温度ゾーンの外側に配置されたチャネルの一部が、部品のターゲットゾーン内に配置された第１チャネルの一部よりも低い熱伝達率ｈ又は伝熱面積Ａを有するように設計された第１熱伝導流体チャネルを含むプラズマチャンバ部品が本明細書内で説明される。熱伝達率ｈ及び／又は伝熱面積Ａを低減させることによって、熱力学的駆動力ΔＴがターゲット温度ゾーンの外側で最大である場合でさえ、ターゲットゾーンの外側の部品の作業面の温度への、ターゲットゾーンの外側の第１チャネル部を通って流れる熱伝導流体の効果を低減させることができる。これは、第１熱伝導流体チャネルがターゲットゾーンにアクセスするために内部を通る第２温度制御ゾーンを含むプラズマチャンバ部品にとって特に有利である。このように、第２ゾーン内の作業面の温度は、第１熱伝導流体チャネルが機能しにくくなるようにして、第２ゾーン内の表面温度の均一性を改善することができる。
一実施形態では、温度制御されたプラズマ処理チャンバ部品は、プラズマ処理チャンバ（例えば、更に図７及び図８に図示されるプラズマエッチングシステム）内に配置された作業面を含む。図１Ａは、本発明の一実施形態に係る、例示的な温度制御されたプラズマ処理チャンバ部品１００の配置図である。第１の例示的実施形態では、更に図７に示されるように、部品１００は、処理ガスをプラズマ処理チャンバに内部を通して供給することができる処理ガス分配シャワーヘッドである。第２の例示的実施形態では、更に図８に示されるように、部品１００は、プラズマ処理動作中にワークピースを載置するワークピース支持チャック又は台座である。更に別の実施形態では、例示的実施形態に対して本明細書内で説明される構成／機能を提供するように使用される温度制御されたプラズマ処理チャンバ部品は、チャンバ壁ライナーを含む。
第１及び第２の例示的実施形態に対して、部品１００は、プラズマに曝されることが可能な（例えば、シャワーヘッド用の実施形態）又はワークピースを支持することが可能な（例えば、チャック用の実施形態）円形の作業面１２６を含む。図１Ａにおいて、作業面１２６は、作業面１２６の下にある（下方の）熱伝導流体チャネルを可視化する目的のために透明と見なすことができる。しかしながら、作業面１２６は、典型的には半導体（例えば、シリコン）、陽極酸化された表面（例えば、Ａｌ２Ｏ３）、セラミックス（例えば、酸化イットリウム）、又は従来のプラズマ処理装置用のその他の材料が可能である。図示されるように、温度ゾーン１０５は環状形状を有し、一方温度ゾーン１１０は円形形状であり、部品１００の「内側」及び「外側」温度ゾーンを形成するように、温度ゾーン１０５によって囲まれている。ゾーン１０５及び１１０の環状配置は、半導体／マイクロエレクトロニクス／電気光学製造技術において標準の円盤状ウェーハ基板を処理するように構成されたプラズマ処理装置の円筒対称の一機能である。他の実施形態では、２つの温度ゾーンが、単に隣接していてもよい（例えば、太陽電池製造で標準のインラインプラズマ処理装置用等）ことを理解すべきである。
一実施形態では、温度制御されたプラズマ処理チャンバ部品は、作業面１２６の下にあり、プラズマ処理装置に結合された熱伝導流体ループの一部を形成する少なくとも１つの熱伝導流体チャネルを含む。複数の温度ゾーンのうちの１以上を制御する目的のために、熱伝導流体は、部品１００（具体的には、熱負荷が配置される作業面１２６）から／へ熱を伝達する目的に適した当該技術分野で公知の任意の熱伝導流体が可能である。適切な熱伝導流体の例としては、水ベースの混合物（例えば、Ｇａｌｄｅｎ（商標名）（Ｓｏｌｖａｙ Ｓ．Ａ．から入手可能）又はＦｌｕｏｒｉｎｅｒｔ（商標名）（３Ｍ Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能））が含まれる。図示の例示的な実施形態では、第１熱伝導流体チャネルは、複数の流体チャネル長さ１１２Ａ、１１３Ａ及び１１４Ａを含む。図示されるように、熱伝導流体１は、部品１００から出て、第１チャネル長さ１１２Ａを通って、第１チャネル長さ１１２Ａの下流の第２チャネル長さ１１３Ａへ、第２チャネル長さ１１３Ａの下流の第３チャネル長さ１１４Ａへ、そして部品１００へ流れ込む。チャネル長さ１１２Ａ、１１３Ａ、１１４Ａは、作業面１２６の下になるように、部品１００内に埋め込まれている。
一実施形態では、温度制御されたプラズマ処理チャンバ部品は、複数の温度ゾーンを含む。一般に、温度ゾーンは、プラズマ処理チャンバ内に配置された作業面の隣接する／周りの領域であり、温度ゾーンは、互いに独立した設定温度に制御可能である。温度ゾーンの独立性は、（ターゲットゾーンの温度を制御するために提供されたような）異なるゾーン内の異なる熱伝導流体の流れが、別のゾーン（例えば、二次的なゾーン）の温度に影響を与えることを防ぐ。例えば、フィードバック／フィードフォワード制御のいくつかの形態が利用され、制御アルゴリズムにしたがって、第１ゾーンは大量の熱伝導流体の流れを必要とし、第２ゾーンは熱伝導流体の流れを必要としない場合、第２ゾーンを経由して第１ゾーンにアクセスする熱伝導流体チャネルを通った大量の流れは、第２ゾーンの温度を変えるべきではない。
一実施形態では、温度制御された部品内で複数の熱伝達要素を介して複数の温度ゾーンが提供される。熱伝達要素は、当該技術分野で公知の任意のもの（例えば、熱伝導流体チャネル、熱電（ＴＥ）素子、抵抗発熱体等）が可能である。第１熱伝導流体チャネルを含む例示的な実施形態では、第１熱伝導流体チャネルとの組み合わせで第２、第３等の発熱体を追加することによって、複数の温度ゾーンを提供することができる。例えば、第１熱伝導流体チャネルは、ＴＥ素子又は抵抗発熱体と組み合わせることができる。しかしながら、図１Ａに示される例示的な実施形態では、第１熱伝導流体チャネルは、複数の温度ゾーンを提供するために、第２熱伝導流体チャネル１０７Ａに結合される。具体的には、第２熱伝導流体チャネル１０７Ａは、温度ゾーン１０５の下にある。図示されるように、第２熱伝導流体チャネル１０７Ａのすべての長さ１３２Ａ、１３３Ａ及び１３４Ａは温度ゾーン１０５内にあり、これによって流体２は、別の温度ゾーンを通過することなく、部品１００内へ及び部品１００から供給される。
一実施形態では、温度制御されたプラズマ処理チャンバ部品１００は、複数の温度ゾーン内のチャネル長さを有する少なくとも１つの熱伝導流体チャネルを含む。図１Ａで示される例示的な実施形態では、第１熱伝導流体チャネルは、温度ゾーン１０５（例えば、長さは１１２Ａ及び１１４Ａ）と温度ゾーン１１０（例えば、長さは１１３Ａ）の両方のチャネル長さを有する。したがって、流体１の少なくとも供給及び／又は回収は、温度ゾーン１０５を通過する。熱伝導流体チャネルのパス構成に応じて、第１ゾーン（例えば、温度ゾーン１０５）のチャネル長さは、隣接する第２ゾーン（例えば、温度ゾーン１１０）のチャネル長さにほぼ等しい長さとすることができる。第２温度ゾーン（例えば、温度ゾーン１１０）が、第２熱伝導流体チャネルを介して制御されようとも、他のもの（例えば、ＴＥ要素）を介して制御されようとも、複数の温度ゾーン内にチャネル長さをもつ少なくとも１つの熱伝導流体チャネルを有することは、隣接する温度ゾーン間で望ましくないクロストーク（例えば、大きな
及び
の項）を誘導し、図１Ｂに示されるように、部品の作業面温度に大きな変化を誘導する可能性がある。それにもかかわらず、他のハードウェアの制約（例えば、処理ガス分配アセンブリ、リフトピンアセンブリ等）は、そのような流体チャネルのレイアウトを促す場合がある。
更に、図１Ａに示されるようには、追加の熱伝導流体チャネルを部品１００に組み込み、これによって表面温度の制御（例えば、熱伝導率の均一性）を向上させることができる。例えば、温度ゾーン１１０は、部品の中心軸１０１の周りで長さ１１２Ａ、１１３Ａ、及び１１４Ｂに（すなわち、方位θに対して）対称となるように部品１００内に配置された長さ１１２Ｂ、１１３Ｂ、及び１１４Ｂを含む第３熱伝導流体チャネルを更に含み、これによって温度ゾーン１１０内に流体１の第２平行供給源（パラレルソース）を提供する。同様に、温度ゾーン１０５は、部品の中心周りで第２対称熱伝導流体チャネル１０７Ａに対称になるように、部品１００内に配置された第４熱伝導流体チャネル１０７Ｂを更に含む。チャネル１０７Ａ及びチャネル１０７Ｂのように、「Ａ」サフィックスの付いた参照番号の特性は、「Ｂ」サフィックスの付いた同じ参照番号にも適用できることを理解した上で、議論を明瞭にするために、長さ１１２Ａ、１１３Ａ、１１４Ａ、１１２Ｂ、１１３Ｂ、及び１１４Ｂは、選択的に参照される。
実施形態では、ターゲット温度ゾーン内の熱伝導流体チャネル長さは、ターゲット温度ゾーンの外側（すなわち、二次的な温度ゾーン内）の熱伝導流体チャネル長さとは異なる熱伝達係数ｈ又は異なる伝熱面積Ａを有する。一実施形態では、作業面の第１ゾーンの下にある第１チャネルの第１長さは、作業面の第２ゾーンの下にある第１チャネルの第２長さとは異なる熱伝達係数ｈを含む。図１Ａで示される例示的な実施形態では、チャネル長１１２Ａに沿った熱伝達係数ｈは、チャネル長さ１１３Ａに沿った熱伝達係数ｈとは異なる。特定の実施形態では、チャネル長さ１１２Ａに沿った熱伝達係数ｈは、チャネル長さ１１３Ａに沿った熱伝達係数ｈよりも低い。
別の一実施形態では、作業面の第１ゾーンの下にある第１チャネルの第１長さは、作業面の第２ゾーンの下にある第１チャネルの第２長さとは異なる伝熱面積Ａを含む。図１Ａで示される例示的な実施形態では、チャネル長さ１１２Ａに沿った伝熱面積Ａは、チャネル長さ１１３Ａに沿った伝熱面積Ａとは異なる。特定の一実施形態では、チャネル長さ１１２Ａに沿った伝熱面積は、チャネル長さ１１３Ａに沿った伝熱面積よりも小さい。
更なる実施形態では、熱伝達係数ｈ及び／又は伝熱面積Ａを第２チャネル長さよりも第１チャネル長さに沿って低くする量は、２つのチャネル長さ間のΔＴのいかなる減少よりも大きく、これによってΔＴが下流長さに対してよりも大きくなることが予想される可能性のあるチャネルの上流長さに対してさえも、第１チャネル長さ内において相対的により低い熱伝達率が達成される。図１Ａに示される例示的実施形態において、チャネル長さ１１２Ａに沿った製品のｈＡは、チャネル長さ１１３Ａに沿った製品のｈＡよりも低い。
更なる一実施形態において、第２長さの下流側で、また第１ゾーンの下にある第１熱伝導流体チャネルの第３長さは、第２長さに沿ったものよりも低い熱伝達係数ｈ又は伝熱面積Ａを有する。例えば、図１Ｂに戻って参照すると、長さ１１４Ａは、長さ１１３Ａ（ターゲットゾーン１１０内の長さ）に沿ったものよりも低い熱伝達係数ｈ及び／又は伝熱面積Ａを有する。このように、非ターゲットゾーン（例えば、１０５）内に配置された第１チャネル（例えば、１１２Ａ）に対して、熱伝達係数ｈ及び／又は伝熱面積Ａのどちらか又は両方が十分低減されている場合、第１ゾーンの下に配置された第２チャネル（例えば、１０７Ａ）とのクロストークは十分に低減でき、第２チャネルが第２温度で第２熱伝導流体を伝導する場合は、第１ゾーン内の作業面（例えば、１２６）の温度は、（例えば、図１Ｃに示されるように）第１ゾーンでターゲットとされた第２熱伝導流体によって設定温度に均一に制御することができる。
図２Ａは、本発明の一実施形態に係る、図１に示される温度制御されたプラズマ処理チャンバ部品１００のＡ−Ａ’線に沿った断面図を示している。部品１００は、少なくとも第１層２２０と第２層２２５を含むマルチレベル（多平面）アセンブリである。例えば、各層２２０及び２２５は、単一レベル部品に標準の材料であってもよい。特定の実施形態では、第２層２２５は、作業面１２６全域に亘って熱拡散抵抗を低減する高い熱伝導性を有する材料でできている。しかしながら、他の実施形態では、第２層２２５は、熱伝導流体チャネルに最も近い作業面１２６の領域に熱伝達を局所化させるために低い熱伝導性を有する材料でできている。
部品１００は、層２２０内に形成されたチャネル長さ１１４Ａと、層２２５内に形成されたチャネル長さ１１３Ａとによる、複数の熱伝導流体チャネルレベルを更に含む。第１及び第２熱伝導流体レベルは、キャッピング層２２７内に形成されたコネクタ２２８を介して相互接続されている。特定の一実施形態では、部品１００の第１層２２０は、第１熱伝導流体チャネル長さ（例えば、長さ１１４Ａ）の第１パターンを形成するように加工される。その後、キャッピング層２２７が、第１熱伝導流体チャネルの位置に対応するコネクタ２２８をもつように加工され、第１レベル２００に固定（例えば、ろう付け、はんだ付け、熱結合等）され、これによって第１熱伝導流体チャネルを閉じ込める。第２層２５５も同様に、第２熱伝導流体チャネル長さ（例えば、長さ１１３Ａ）の第２パターンを形成するように加工され、第２層２２５が同様にキャッピング層２２７に固定される。例えば、より大きな距離に起因するより低い熱伝達係数及び／又はチャネル長さ１１３Ａに対して作業面１２６とチャネル長さ１１４Ａの間の（相対的により低い熱伝導性を有するように選択可能な）追加のキャッピング層２２７のために、二次的ゾーン（例えば、ゾーン１０５）の熱抵抗Ｒ１をターゲットゾーン（例えば、ゾーン１１０）内の熱抵抗Ｒ２よりも実質的に大きくすることができる。
更に、図２Ａに示されるように、第１チャネルの長さ１１４Ａに沿った熱伝達係数ｈ及び／又は伝熱面積Ａは、第２チャネル１０７Ａの等しい長さに沿ったものよりも低い。第２チャネル１０７Ａがゾーン１０５内の作業面１２６の温度制御を提供することをターゲットとする場合、第２チャネル１０７Ａは、長さ１１４よりも作業面１２６により近接するように層２２５内に配置される。図１Ａに示されるような実施形態では、第２チャネル１０７Ａ全体がゾーン１０５と共に配置される場合、すべての長さ１３２Ａ、１３３Ａ及び１３４Ａを層２２５内に配置することができる。しかしながら、セクション１３２Ａ及び１３４Ａは、方位角θに沿った中心軸１０１の周りの対称性に影響を与える可能性があるので、層２２０内にあってもよい。
図２Ｂは、本発明の一実施形態に係る、図１に示される温度制御されたプラズマ処理チャンバ部品１００のＢ−Ｂ’線に沿った断面図を示している。更に図示されるように、例えば、より大きな距離に起因するより低い熱伝達係数及び／又は作業面１２６と第１及び第３熱伝導流体チャネル長さ１１２Ｂ及び１１４Ｂの間の（相対的により低い熱伝導性を有するように選択可能な）追加のキャッピング層２２７のために、非ターゲット温度ゾーン１０５内の熱伝導流体チャネルの第１及び第３長さ１１２Ｂ及び１１４Ｂの両方は、より大きな熱抵抗Ｒ１と結びついている。
一実施形態では、温度制御された部品は、作業面と、非ターゲット温度ゾーン内の熱伝導流体チャネルの長さとの間に配置された断熱層を含み、これによってターゲット温度ゾーン内に位置する熱伝導流体チャネルの第２長さに対して熱抵抗を増す。断熱層は、部品１００のバルクよりも相対的に低い熱伝導性の領域を含む。図３Ａは、本発明の一実施形態に係る、図１に示される温度制御されたプラズマ処理チャンバ部品１００のＡ−Ａ’線に沿った断面図を示している。図示されるように、断熱層３３０は、少なくともチャネル長さ１１４Ａの一部と作業面１２６との間に配置され、これによって作業面１２６とチャネル長さ１１３Ａ内の点との間の熱抵抗Ｒ２に対して、作業面１２６とチャネル長さ１１４Ａ内の点との間の熱抵抗をＲ１に増加させる。一実施形態において、断熱層３３０は、排気された又は希薄な空間を含む。断熱層３３０は、熱伝導流体チャネル１１３と同様に、層２２５内にチャネルとして形成することができる。しかしながら、断熱層３３０はキャッピング層２２７によって密閉され、これによって断熱層３３０の下にはコネクタ２２８は提供されず、熱伝導流体を伝導しないボイドが層２２５内に形成される。他の実施形態では、層２２５内に形成されたチャネルは、層２２５のバルクよりも低い熱伝導率を有する材料（例えば、セラミックス、プラスチック、ポリイミド、テフロン（商標名）、カプトン（商標名）等の非金属材料）で満たされている。代替の一実施形態では、キャッピング層２２７は、キャッピング層２２７の対向面（それぞれが層２２０及び２２５と結合する）の間の希薄空間を組み込むか、又は相対的により低い熱伝導率の材料を含むかのいずれかによって、更に断熱層の機能を果たすことができる。
図３Ｂは、本発明の一実施形態に係る、図１に示される温度制御されたプラズマ処理チャンバ部品１００のＢ−Ｂ’線に沿った断面図を示している。図示されるように、例えば、作業面１２６と第１及び第３熱伝導流体チャネル長さ１１２Ｂ及び１１４Ｂの間の層２２５のバルクよりも相対的に低い熱伝導性を有する断熱層に起因するより低い熱伝達係数ｈのために、非ターゲット温度ゾーン１０５内の熱伝導流体チャネルの第１及び第３長さ１１２Ｂ及び１１４Ｂの両方は、より大きな熱抵抗Ｒ１と結びついている。
一実施形態では、熱伝導流体チャネルは、ターゲット温度ゾーン内の長さに沿って、ターゲットゾーンの外側チャネル長さには存在しない多数のフィンを含み、これによってターゲットゾーン内のチャネル長さに対して伝熱面積Ａはより大きく作られる。図４Ａは、本発明の一実施形態に係る、図１に示される温度制御されたプラズマ処理チャンバ部品１００のＡ−Ａ’線に沿った断面図を示している。図示されるように、ゾーン１１０内において、チャネル長さ１１３Ａは、チャネル長さ１１４Ｂに対してチャネル長さ１１３Ａの伝熱面積／長さ（Ａ／Ｌ）を増加させる複数のトポロジカルな形状４４０（例えば、フィン）を含む。このように、チャネル長１１３Ａに沿った累積的な熱抵抗Ｒ２／長さは、チャネル長さ１１４Ｂに沿った熱抵抗Ｒ１／長さよりも小さくすることができる。特定の更なる実施形態では、トポロジカルな形状４４０は、第２熱伝導流体チャネル１０７Ａにも提供することができる。
図４Ｂは、本発明の一実施形態に係る、図１に示される温度制御されたプラズマ処理チャンバ部品１００のＢ−Ｂ’線に沿った断面図を示している。図示されるように、例えば、熱伝導流体チャネル長さ１１２Ｂ及び１１４Ｂ内にトポロジカルな形状４４０が存在しないことに起因するより低い伝熱面積／長さ（Ａ／Ｌ）のために、非ターゲット温度ゾーン１０５内の熱伝導流体チャネルの第１及び第３長さ１１２Ｂ及び１１４Ｂの両方は、より大きな熱抵抗Ｒ１と結びついている。図４Ａ及び図４Ｂに更に示されるように、熱伝導流体チャネルの長さの間の伝熱面積の調整は、層２２５及びチャネルの単一レベルのみを含む簡素化されたアセンブリを可能にする場合がある。もちろん、本明細書内に記載されるほとんどすべての実施形態は、他の実施形態と組み合わせることができるので、マルチレベルのチャネル構成（例えば、図２Ａ〜図３Ｂ）も、様々なチャネル長さ間の熱伝導率の差異を高めるために、伝熱面積の調整と組み合わせて実施することができる。
一実施形態では、熱抵抗材料は、熱伝導流体チャネル長さの周囲にスリーブを形成し、これによってこのようなチャネルスリーブを欠いたチャネルの第２長さに対して熱抵抗を増加させる。図５Ａは、本発明の一実施形態に係る、図１に示される温度制御されたプラズマ処理チャンバ部品１００のＡ−Ａ’線に沿った断面図を示している。図示されるように、熱抵抗チャネルスリーブ５５０が、チャネル長さ１１４Ｂの少なくとも一部に沿って存在している。熱抵抗材料は、例えば、断熱層の実施形態に対して説明したものの何れかでもよいが、断熱材の実施形態と熱抵抗スリーブの実施形態の主な相違は、熱抵抗材料は、熱伝導流体チャネルと作業面との間に存在するのに加えて、熱伝導流体チャネルの側壁に隣接して配置される。図５Ａに更に示されるように、熱抵抗スリーブ５５０は、作業面の反対側のチャネルの面に更に配置され、熱抵抗材料によってチャネルを完全に取り囲む場合がある。しかしながら、他の実施形態では、熱抵抗スリーブ５５０は、（例えば、図１に示される温度制御されたプラズマ処理チャンバ部品１００のＢ−Ｂ’線に沿った断面図を示す図５Ｂに示されるように）チャネルの３面のみに存在する。
熱抵抗チャネルスリーブの実施形態は更に、部品の単一チャネルレベル構造（例えば、層２２５内に埋め込まれた構造）を可能にする場合がある。選択された熱抵抗材料に応じて、熱抵抗スリーブ５５０を形成するために、当該技術分野で公知の多くの技術を利用することができる。例えば、コーティング処理は、層２２５に加工されたチャネルの長さに／から選択的に塗布及び／又は選択的に除去することができる。他の実施形態では、熱抵抗材料に置き換えた層２２５の大きな領域は、その後、熱抵抗材料内にチャネルを形成するために加工される。図５Ｂに更に示されるように、例えば、第１及び第３熱伝導流体チャネル長さ１１２Ｂ及び１１４Ｂに沿った抵抗スリーブ５５０に起因するより低い熱伝達係数のために、非ターゲット温度ゾーン１０５内の熱伝導流体チャネルの第１及び第３長さ１１２Ｂ及び１１４Ｂの両方は、より大きな熱抵抗Ｒ１と結びついている。
別の一実施形態では、熱伝導流体チャネル長さは、第２長さの第２断面積よりも大きい第１断面積を有し、これによって稼働中に流体チャネルを通過するとき、熱伝導流体内で発生する対流の程度を調節する。図６Ａは、本発明の一実施形態に係る、図１に示される温度制御されたプラズマ処理チャンバ部品１００のＡ−Ａ’線に沿った断面図を示している。図示の例示的実施形態では、チャネル長さ１１４Ｂに沿った断面積は、チャネル長１１４Ｂの少なくとも一部に沿った熱伝導流体の層流を確保するために十分大きく、一方、チャネル長さ１１３Ｂに沿った断面積は、チャネル長さ１１３Ｂの少なくとも一部に沿った熱伝導流体の乱流を誘導するのに十分小さい。チャネル長さ１１４Ｂ及び１１３Ｂ内の熱伝導流体の速度の両方が乱流又は層流状態にある他の実施形態では、長さ１１４Ｂ及び１１３Ｂの長さ内の異なる流体の速度はそれにもかかわらず、より高い熱伝達を提供するより高い速度をもつ２つの長さの間の異なる熱伝達係数ｈをもたらす。熱伝導流体チャネルの断面積は、本明細書内に記載される他の実施形態（例えば、図２Ａ〜図５Ｂ）と組み合わせて調整することができることも理解すべきである。
図示の実施形態において、チャネル断面積は、より大きな断面積の場所（例えば、チャネル長さ１１４Ｂを覆う非ターゲット温度ゾーン内）にレリーフを有し、より小さな断面積の場所（例えば、チャンバ長さ１１３Ｂを覆うターゲット温度ゾーン内）に全キャッピング層厚さを有するようにキャッピング層２２７を機械加工することによって調整される。図６Ｂは、本発明の一実施形態に係る、図１に示される温度制御されたプラズマ処理チャンバ部品１００のＢ−Ｂ’線に沿った断面図を示している。図示されるように、例えば、熱伝導流体チャネル長さ１１２Ｂ及び１１４Ｂ内における層流の／低速の流形が低減した対流に起因するより低い熱伝達係数ｈのために、非ターゲット温度ゾーン１０５内の熱伝導流体チャネルの第１及び第３長さ１１２Ｂ及び１１４Ｂの両方は、より大きな熱抵抗Ｒ１と結びついている。図６Ａ及び図６Ｂに更に示されるように、熱伝導流体チャネルの長さの間の伝熱面積の調整は、層２２５及びチャネルの単一レベルのみを含む簡素化されたアセンブリを可能にする場合がある。より大きな断面積は、チャネルの横幅を増加させることによって提供され得ることにも留意すべきである。
図７及び図８は、本発明の一実施形態に係る温度制御された部品を含むプラズマエッチングシステムを示している。プラズマエッチングシステム７００は、当該技術分野で既知の高性能エッチングチャンバの任意のタイプが可能であり、例えば、米国カリフォルニア州のアプライドマテリアルズ（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）によって製造されるＥｎａｂｌｅｒ（商標名）、ＭｘＰ（商標名）、ＭｘＰ＋（商標名）、Ｓｕｐｅｒ−Ｅ（商標名）、ＤＰＳ ＩＩ ＡｄｖａｎｔＥｄｇｅ（商標名）Ｇ３、又はＥ−ＭＡＸ（商標名）チャンバが挙げられるが、これらに限定されない。他の市販のプラズマエッチングチャンバは、同様の温度制御された部品を含むことができる。例示的な実施形態は、プラズマエッチングシステム７００の文脈で説明されているが、本明細書内に記載される温度制御システムのアーキテクチャは、温度制御された部品に熱負荷を与える他のプラズマ処理システム（例えば、プラズマ蒸着システム等）にも適応可能であることに更に留意すべきである。
プラズマエッチングシステム７００は、接地されたチャンバ７０５を含む。基板７１０は、開口部７１５を通してロードされ、チャック７２１にクランプされる。基板７１０は、プラズマ処理技術分野で標準的に採用される任意のワークピースが可能であり、本発明はこの点において限定されない。プラズマエッチングシステム７００は、温度制御された処理ガスシャワーヘッド７３５を含む。図示の例示的実施形態では、処理ガスシャワーヘッド７３５は、複数のゾーン１１０（中央部）及び１０５（端部）を含み、各ゾーンは設定温度に独立して制御できる。他の実施形態は、２つを超えるゾーンのいずれかを有する。複数のゾーンをもつ特定の実施形態では、ｎ個のヒーターゾーンと、ｍ個のクーラントゾーンがあり、ｎはｍに等しい必要はない。例えば、図示の実施形態では、単一のクーラントループ（ｍ＝１）は、２つの温度ゾーン（ｎ＝２）を通過する。処理ガスは、ガス供給源７４５から、マスフローコントローラ７４９を通って、シャワーヘッド７３５を通って、チャンバ７０５の内部に供給される。チャンバ７０５は、大容量真空ポンプスタック７５５に接続された排気弁７５１を通して排気される。
プラズマ電力がチャンバ７０５に印加されると、プラズマが基板７１０の上方の処理領域内に形成される。プラズマバイアス電源７２５は、チャック７２１（例えば、カソード）に結合され、プラズマを励起する。プラズマバイアス電源７２５は、通常、約２ＭＨｚ〜６０ＭＨｚの低周波数を有し、特定の実施形態では、１３．５６ＭＨｚ帯である。例示的な実施形態では、プラズマエッチングシステム７００は、プラズマバイアス電源７２５と同じＲＦ整合器７２７に接続される約２ＭＨｚ帯で動作する第２プラズマバイアス電源７２６を含む。プラズマ電源７３０は、整合器７３１を介して電源を供給するプラズマ生成要素に結合され、プラズマを誘導的に又は容量的に励起する。プラズマ電源７３０は、典型的には、プラズマバイアス電源７２５より高い周波数（例えば、１００〜１８０ＭＨｚ）を有し、特定の実施形態では、１６２ＭＨｚ帯である。
温度コントローラ７７５は、ソフトウェア又はハードウェア又はソフトウェアとハードウェア両方の組み合わせのいずれであってもよい。温度コントローラ７７５は、シャワーヘッド７３５と、ヒートソース及び／又はプラズマチャンバ７０５の外部のヒートシンクとの間の熱伝達率に影響を与える制御信号を、少なくとも温度センサ７６６及び７６７に基づいて出力することができる。例示的な実施形態では、温度コントローラ７７５は、熱交換器／冷却装置７７７及び７８２（又は熱交換器／冷却装置７７７及びＴＥ要素、抵抗ヒーター等）に、直接的又は間接的に結合されている。
熱交換器／冷却装置７７７は、シャワーヘッド７３５を熱交換器／冷却装置７７７と熱的に結合する熱伝導流体ループ７７８を介してシャワーヘッド７３５に冷却力を供給することができる。典型的な実施形態では、熱伝導流体ループ７７８は、シャワーヘッド７３５の内側ゾーン１１０及び外側ゾーン１０５の両方に埋設されたクーラントチャネルを介して（例えば、第１ゾーンに近接して入力し、他方のゾーンに近接して出力して）、液体（例えば、−１５℃の設定温度でＤＩ水に５０％のエチレングリコール）を通過させ、したがって、別々のゾーン間のチャネルの熱伝達を区別するために本明細書に記載の実施形態のいずれかを組み込むことができる。温度コントローラ７７５は、クーラント液パルス幅変調（ＰＷＭ）ドライバ７８０に結合されている。クーラント液ＰＷＭドライバ７８０は、一般的に入手可能であり、弁がデジタルである（つまり、完全に開いているか、完全に閉じているかのバイナリ状態を有する）実施形態において、温度コントローラ７７５によって送信される制御信号に応じたデューティーサイクルで弁７２０を動作させるように設定可能な任意のタイプのものが可能である。例えば、ＰＷＭ信号は、コンピュータ（例えば、コントローラ７７０）のデジタル出力ポートによって生成することができ、その信号はオン／オフの位置に弁を制御するリレーを駆動するために使用することができる。
図７に示される実施形態では、システム７００は、熱伝導流体ループ７７９を介してシャワーヘッド７３５に冷却力を供給する第２熱交換器／冷却装置７８２を含む。例示的な実施形態では、シャワーヘッド７３５の外側ゾーン１０５のみに埋設されたクーラントチャネルを介して、冷たい液体（例えば、−１５℃の設定温度でＤＩ水に５０％のエチレングリコール）を通過させた熱伝導流体ループ７７９が採用されている。温度コントローラ７７５は、クーラント液パルス幅変調（ＰＷＭ）ドライバ７８１に結合され、これによってオン／オフの位置に弁７２０を制御するリレー等を駆動する。
図８は、本発明の一実施形態に係る、温度制御された基板支持チャックを含むプラズマエッチングシステム８００の概略図を示しており、２つの温度制御された部品を含むプラズマエッチングシステム用に、図７で示されるシャワーヘッドの実施形態と組み合わせることができる。図８に更に示されるように、チャック７２１は、内側ゾーン１１０及び外側ゾーン１０５を含み、各々は別のヒートソース／シンク（熱交換器／冷却装置７７７、７７８）に結合される。図示されるように、熱交換器／冷却装置７７７は、内側ゾーン１１０のみを通過するチャック７２１内の熱伝導流体チャネルに結合され、一方、熱交換器／冷却装置７７８は、外側ゾーン１０５と内側ゾーン１１０の両方を通過するチャック７２１内の熱伝導流体チャネルに結合され、したがって、別々のゾーン間のチャネルの熱伝達を区別するために本明細書に記載の実施形態のいずれかを組み込むことができる。
上記の説明は、限定的なものではなく、例示的であることを意図していることを理解すべきである。上記の説明を読んで理解すれば、他の多くの実施形態が当業者には明らかであろう。本発明は、特定の例示的な実施形態を参照して説明されているが、本発明は上記実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲の趣旨及び範囲内における修正及び変更とともに実施することができることが理解されるであろう。したがって、明細書及び図面は、限定的な意味ではなく、例示的の意味であると見なすべきである。したがって、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲を参照し、そのような特許請求の範囲に与えられた権利に相当するものの全範囲とともに決定されるべきである。

Claims (12)

  1. プラズマ処理チャンバ部品であって、
    プラズマ処理チャンバ内に配置された作業面と、
    作業面の下にあるに部品内に配置された第１チャネルであって、第１チャネルは、第１熱伝導流体を伝導するためのものであり、作業面の第１温度ゾーンの下にある第１チャネルの第１長さは、作業面の第２温度ゾーンの下にある第１チャネルの第２長さよりも低い熱伝達率を含み、第１チャネルの第２長さは、第１チャネルの第１長さの下流に流体連通しており、第１チャネルの第２長さは、作業面の第２温度ゾーンの温度を制御するためのものである第１チャネルと、
    作業面の第１温度ゾーンの下にある部品内に配置された第２チャネルであって、第２チャネルは、第２熱伝導流体を伝導するためのものであり、第１チャネルは、第２チャネルから分離されており、第１チャネルの第１長さに沿った熱伝達率は、第１温度ゾーン内の第２チャネルの長さに沿ったものよりも低く、第２チャネルの長さは、作業面の第１温度ゾーンの温度を制御するためのものである第２チャネルとを含むプラズマ処理チャンバ部品。
  2. 第１温度ゾーンは、第２温度ゾーンに隣接して配置される請求項１記載の部品。
  3. 第１チャネルは、第１チャネルの第２長さの下流にあり第１温度ゾーンの下にある第３長さを更に含み、第１チャネルの第３長さに沿った熱伝達率は、第１チャネルの第２長さに沿ったものよりも低い請求項２記載の部品。
  4. 第１チャネルの第１長さは、第２長さに対して熱抵抗を高める熱抵抗材料のチャネルスリーブを含む請求項１記載の部品。
  5. 第１チャネルは、第２長さに沿ってよりも第１長さに沿って作業面の下により大きな距離で配置されている請求項４記載の部品。
  6. 断熱層が、第１チャネルと、第１チャネルの第１長さの少なくとも一部に沿った作業面との間に配置され、これによって第１チャネルの第２長さに対して熱抵抗を高める請求項４記載の部品。
  7. 断熱層は、排気された空間又は非金属材料を含む請求項６記載の部品。
  8. 第１チャネルの第１長さに沿った伝熱面積は、第１チャネルの第２長さに沿ったものよりも小さい請求項１記載の部品。
  9. 第１チャネルは、第２長さに沿って第１長さには無い多数のフィンを含む請求項１記載の部品。
  10. 第１チャネルの第１長さは、第１チャネルの第２長さの第２断面積よりも大きな第１断面積を有し、これによって第１チャネルの第１長さと第２長さの間の流速を変化させる請求項１記載の部品。
  11. 処理チャンバ内に配置されたワークピースの処理中にプラズマを励起するために処理チャンバに結合されたプラズマ電源と、
    第１熱伝導流体ループによってヒートソース又はシンクに結合された温度制御された部品を含む処理チャンバであって、第１流体ループは温度制御された部品に埋め込まれた第１チャネルの第１及び第２長さを通過し、第１チャネルの第１長さは部品の第１温度ゾーンの下にあり、第１チャネルの第２長さは部品の第２温度ゾーンの下にあり、第１チャネルの第１長さは第１チャネルの第２長さよりも低い熱伝達率を含み、第１チャネルの第２長さは第１チャネルの第１長さの下流に流体連通しており、第１チャネルの第２長さは部品の第２温度ゾーンの温度を制御するためのものである処理チャンバと、
    作業面の第１温度ゾーンの下にある部品内に配置された第２チャネルを有する第２熱伝導流体ループであって、第１チャネルは第２チャネルから分離しており、第１チャネルの第１長さに沿った熱伝達率は第１温度ゾーン内の第２チャネルの長さに沿ったものよりも低く、第２チャネルの長さは部品の第１温度ゾーンの温度を制御するためのものである第２熱伝導流体ループとを含むプラズマ処理装置。
  12. 温度制御された部品は、ガス分配シャワーヘッド又は基板支持チャックであり、第１温度ゾーンは、第２温度ゾーンを囲むシャワーヘッド又はチャックの環状部分を含む請求項１１記載のプラズマ処理装置。
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