具有实时热区调节能力的高温静电夹具

摘要

本发明的实施例提供用于在升高的温度下操作的静电夹具。本发明的一个实施例提供用于静电夹具的介电夹具体。介电夹具体包括基板支撑板、电极及轴，该基板支撑板具有用于接收基板的顶表面及与顶表面相对的背表面，该电极嵌入基板支撑板中，该轴具有第一端及与该第一端相对的第二端，该第一端附接于基板支撑板的背表面。第二端经设置以接触冷却底座及提供温度控制至基板支撑板。轴为中空的，具有包围中心开口的侧壁及两个或两个以上通路，该两个或两个以上通路穿过侧壁形成且自第一端延伸至第二端。

说明书

背景

领域

本发明的实施例大体而言关于用于在高温下处理基板的设备及方法。特定 言之，本发明的实施例关于用于在高温下操作的处理腔室中支撑基板的设备及 方法。

相关技术描述

静电夹具通常被用于在处理腔室中支撑及固定基板。静电夹具大体上具有 非导电体(诸如陶瓷体)，该非导电体具有用于产生夹紧力的嵌入式DC电极。 一或更多个加热组件可包括在基板支撑件中以在处理期间提供加热。RF电极 可嵌入非导电体内部。RF电极传递偏压功率以产生等离子体，同时DC电极 产生夹紧力用于将基板固定于该DC电极上。加热器可嵌入非导电体中以提供 加热。冷却底座可附接于非导电体以冷却非导电体。加热器及冷却底座共同工 作以控制静电夹具及支撑于该静电夹具上的基板的温度。

现有静电夹具大体上具有金属夹紧装置以固定非导电体及冷却底座，并使 用有机O形环以提供密封。然而，金属夹紧装置及有机O形环在升高的温度 下无法正常工作，诸如在高于350℃的温度下。在350℃下，操作温度超过高 温有机O形环的效能限制。在升高的温度下，金属夹紧装置限制非导电体及冷 却底座的热膨胀。此外，大体上由耐火金属(诸如钛)制造的金属夹紧装置也 将在处理化学下引起金属污染。

因此，存在对于在升高的温度下操作的静电夹具的需要。

概要

本发明的实施例关于用于在高温下操作的处理腔室中支撑基板的设备及 方法。特定言之，本发明的实施例提供用于在升高的温度下操作的静电夹具。

本发明的一个实施例提供用于静电夹具的介电夹具体。介电夹具体包括基 板支撑板、电极及轴，该基板支撑板具有用于接收基板的顶表面及与顶表面相 对的背表面，该电极嵌入基板支撑板内且经设置以产生用于固定顶表面上的基 板的夹紧力及/或以产生用于处理的等离子体，该轴具有第一端及与第一端相对 的第二端，该第一端附接于基板支撑板的背表面。第二端经设置以接触冷却底 座及提供温度控制至基板支撑板。轴为中空的，具有包围中心开口的侧壁及两 个或两个以上通路，该两个或两个以上通路穿过侧壁形成且自第一端延伸至第 二端。

本发明的另一实施例提供静电夹具组件。静电夹具组件包括根据本发明的 一个实施例的介电夹具体及冷却底座，该冷却底座经设置以提供温度控制至介 电夹具体。冷却底座及介电夹具体在介电夹具体的轴的第二端处耦接在一起。 在基板支撑板的背表面与冷却底座的顶表面之间形成缝隙。

本发明的另一实施例提供用于处理基板的设备。设备包括腔室外壳组件及 根据本发明的一个实施例的静电夹具组件，该腔室外壳组件界定内部容积，该 静电夹具组件安置于内部容积中且经设置以于处理期间在内部容积中固定及 支撑基板。设备进一步包括气体注入组件，该气体注入组件经设置以在安置于 静电夹具组件上的基板的上方传递一或更多种处理气体。

附图简述

因此，以可详细理解本发明的上述特征结构的方式，上文简要概述的本发 明的更特定描述可参照实施例获得，该等实施例中的一些实施例图示于附图 中。然而，应注意，附图仅图示本发明的典型实施例，且因此不欲将附图视为 本发明范畴的限制，因为本发明可允许其它同等有效的实施例。

图1为根据本发明的一个实施例的具有静电夹具组件的等离子体处理腔 室的截面侧视图。

图2为根据本发明的一个实施例的夹具体的分解透视截面图。

图3为根据本发明的一个实施例的静电夹具组件的分解透视截面图。

为了促进理解，已在可能的情况下使用相同组件符号指代诸图中共享的相 同组件。预期在一个实施例中揭示的组件可有利地用于其它的实施例，而无需 特定详述。

详细描述

本发明的实施例关于用于在高温下操作的处理腔室中支撑基板的设备及 方法。更特定言之，本发明的实施例提供用于在升高的温度下操作的静电夹具 组件。一个实施例提供介电夹具体，该介电夹具体具有介电盘及自该介电盘延 伸的轴。轴为中空的且轴具有中心开口，该中心开口提供用于至嵌入介电盘中 的RF、DC或RF/DC组合电极及/或加热组件的连接器的通道。轴还具有一或 更多个通路，该一或更多个通路穿过侧壁沿着轴向形成。一或更多个通路可用 于提供用于冷却流体及/或基板传感器通道或连接的整合通道。藉由使用在轴的 侧壁中形成的通路，本发明的实施例避免了使用可能无法承受高温的O形环来 密封冷却流体通道。

本发明的实施例进一步提供冷却底座，该冷却底座在轴的远端处附接于介 电夹具体以提供温度控制至介电夹具体。在冷却底座与介电夹具体的支撑盘的 边缘之间不施加夹紧。藉由将冷却底座及介电夹具体附接在轴的远端处及避免 夹紧至支撑盘的边缘，本发明的实施例消除了对结构上的热膨胀的限制，且亦 减少由已知夹紧结构引起的粒子产生。

本发明的实施例包括以下步骤：使得静电夹具能够在高温下执行。举例而 言，根据本发明的实施例的静电夹具可在维持于高达约400摄氏度的温度下的 蚀刻环境中操作。本发明的某些实施例还提供双区域温度控制以达成目标基板 温度轮廓。本发明的实施例还消除与来自用于传统静电夹具中的金属夹紧结构 有关的金属污染，该金属夹紧结构将介电夹具体固定至冷却底座。本发明的实 施例还提供用于冷却流体及/或至传感器的导线的整合通道及消除使用可能无 法承受高温的密封O形环。本发明的某些实施例还提供晶圆温度监视(wafer  temperature monitoring；WTM)系统，该WTM系统改良工艺质量。

图1为根据本发明的一个实施例的具有静电夹具组件120的等离子体处理 腔室100的截面侧视图。等离子体处理腔室100包括腔室外壳组件101，该腔 室外壳组件101界定内部容积110。腔室外壳组件101包括腔室壁104、安置 于腔室壁104上方的腔室盖102及腔室底部105。

静电夹具组件120安置于外壳组件101的内部容积110中以支撑在该静电 夹具组件120上的基板112。静电夹具组件120可经由接口板108附接于外壳 组件101，且静电夹具组件120可经由穿过腔室底部105形成的底部开口106 延伸于等离子体处理腔室100外部。

衬垫130可安置于腔室侧壁104内围绕静电夹具组件120上方的一部分内 部容积110，以在基板112的上方建立处理容积132。狭缝阀开口104a穿过腔 室壁104形成，且穿过衬垫130形成对应的开口130a以允许基板及基板移送 机构的通过，该基板移送机构用于自静电夹具组件120置放及取回基板。

气体注入组件134安置于静电夹具组件120上方，以提供来自气体源136 的一或更多种处理气体至处理容积132。真空泵140可耦接至内部容积110以 经由气室138来将处理气体泵抽出等离子体处理腔室100，该气室138安置于 处理容积132的边缘区域中。

在一个实施例中，天线组件142可安置于腔室盖102外部以促进等离子体 处理。天线组件142可经由匹配网络144耦接至射频(radio-frequency；RF)等离 子体电源146。在处理期间，使用由电源146提供的RF功率激励天线组件142 以点燃处理容积132内部的处理气体的等离子体并维持该等离子体。

静电夹具组件120包括介电夹具体121及冷却底座126，该介电夹具体121 经设置以固定及支撑基板112，且该冷却底座126经设置以提供对介电夹具体 121的温度控制。介电夹具体121包括基板支撑板122，该基板支撑板122具 有用于支撑基板112的顶表面123，及与顶表面123相对的背表面125。介电 夹具体121还包括自基板支撑板122的背表面125延伸的轴124。轴124在第 一端124a处固定地附接于基板支撑板122，且在第二端124b处附接于冷却底 座126。根据本发明的一个实施例，除了在轴124的第二端124b处的连接以外， 介电夹具体121及冷却底座126不具有额外的固定连接，诸如围绕基板支撑板 122的夹紧组件。此设置允许介电夹具体121及冷却底座126在热膨胀下相对 于彼此移动，从而避免了介电夹具体121与冷却底座126之间的热应力。由于 介电夹具体121及冷却底座126在介电夹具体121的中心处连接，故介电夹具 体121自由地相对于冷却底座126在所有方向径向膨胀。第二端124b与冷却 底座126之间的接触提供冷却底座126与介电夹具体121之间的主要热交换。

基板支撑板122大体上实质上为平面的且经成形以支撑整个基板112。基 板支撑板122可为用于支撑圆形基板、矩形基板或其它形状基板的圆形、矩形 或其它适当形状。基板支撑板122可由陶瓷(诸如氮化铝、氧化铝)或掺杂陶 瓷(诸如掺杂有氮化钛或氮化铬的氧化铝、掺杂氧化铝、掺杂氮化硼等等)制 造。在一个实施例中，基板支撑板122可由纯度为约95％的氮化铝形成以提高 基板支撑板122的导热性。

介电夹具体121进一步包括嵌入基板支撑板122中的电极156。电极156 可为薄金属板或金属网格。电极156可足够大以实质上包围基板112的整个区 域。电极156可耦接至电源(诸如DC电压源)以产生用于吸引及固定顶表面 123上的基板112的静电夹紧力。视情况地，电极156还可耦接至RF电源， 用于在处理腔室100中产生电容性耦接的等离子体。

在一个实施例中，介电夹具体121进一步包括嵌入基板支撑板122中的一 或更多个加热组件160。一或更多个加热组件160可为电阻式加热器。一或更 多个加热组件160使得基板支撑板122能够加热基板112至所要温度，例如， 约200摄氏度至约400摄氏度之间的温度。在一个实施例中，一或更多个加热 组件160可形成二个独立控制的温度区域。

根据本发明的一个实施例，三个或三个以上升举销116可藉由升举销驱动 114移动穿过基板支撑板122、冷却底座126及界面板108。三个或三个以上升 举销116经设置以自基板支撑板122拾取基板112。

轴124可由陶瓷(诸如氮化铝、氧化铝)或掺杂陶瓷(诸如掺杂有氮化钛 或氮化铬的氧化铝、掺杂氧化铝、掺杂氮化硼等等)制造。在一个实施例中， 轴124可由纯度为约95％的氮化铝形成以提高导热性。在一个实施例中，轴 124及基板支撑板122可由相同材料制造。轴124可藉由接合连接至基板支撑 板122以形成整合的介电夹具体。在一个实施例中，轴124可藉由爆炸接合连 接至基板支撑板122。在一个实施例中，轴124可藉由扩散接合连接至基板支 撑板124。或者，轴124可藉由铜焊或可形成整合介电夹具体的其它适当接合 方法连接至基板支撑板124。

轴124为中空的，具有界定中心开口172的侧壁170，该中心开口172自 第一端124a延伸至第二端124b。在一个实施例中，中心开口172经设置以提 供用于连接器157、159、161的通道，该等连接器连接电极156至电源158以 及连接一或更多个加热组件160至加热电源162。

根据本发明的一个实施例，一或更多个通路174、176可穿过轴124的侧 壁170形成。一或更多个通路174、176可自第一端124a延伸至第二端124b。 当轴124连接至基板支撑板122时，一或更多个通路174、176连接基板支撑 板122中的通路178、180且一或更多个通路174、176与通路178、180变得 整合，形成用于冷却流体及/或传感器导线的一或更多个通道。轴124与基板支 撑板122之间的接合性质提供通路174、176与通路178、180之间的无泄漏接 口。在一个实施例中，通路176可为用于接收传感器(诸如热电偶)的盲孔， 无需使传感器暴露于处理容积132中的处理环境。

如图1所图示，通路174连接基板支撑板122中的通路178至冷却流体源 182。通路178在基板支撑板122的顶表面123处打开。通路174及通路178 形成用于支援冷却流体(诸如氦)自冷却流体源182至基板112的背侧以控制 基板的温度的通道。轴124中的通路176连接至基板支撑板122中的通路180 以形成用于传感器186的通道。传感器186可在基板支撑板122中接近顶表面 123定位。传感器186可经由安置于通路176及通路180中的传感器导线185 连接至控制器184。视情况地，传感器可定位于轴124的端部124b处。在一个 实施例中，传感器186为温度传感器，该温度传感器经设置以量测安置于基板 支撑板122上方的基板112的温度。

轴124及基板支撑板122可接合在一起以形成防漏密封。在一个实施例中， 轴124及基板支撑板122可经爆炸接合。通路174、176在不使用任何O形环 的情况下藉由整合连接至通路178、180，O形环可能无法承受高温。因此，经 整合的通路174、176、178、180使得静电夹具体120能够在高于O形环的最 大使用温度限制的温度下操作。

冷却底座126在内部容积110中安置于介电夹具体120下方。在一个实施 例中，冷却底座126安装在安置于腔室底部105上的接口板108上。冷却底座 126可具有主体188，该主体188具有实质上平面的顶表面187及与顶表面187 相对的圆柱形延伸部190。凹部189自顶表面187形成，用于接收介电夹具体 120的轴124且延伸进入圆柱形延伸部190中。圆柱形延伸部190可延伸穿过 腔室底部105的底部开口106。

多个冷却通路194形成在冷却底座126中，用于冷却流体的循环。冷却通 路194可与冷却流体源196流体连通。在一个实施例中，冷却底座126可由导 热材料制造，且在一个实施例中，冷却底座126由金属(诸如铝或不锈钢)制 造。

冷却底座126与轴124的接触表面例如使用多个螺钉133夹紧在一起。在 一个实施例中，可在轴124与冷却底座126之间安置垫圈131，以确保冷却底 座126与轴124之间的实体接触及良好的热交换。

当装配时，轴124的第二端124b位于冷却底座126的凹部189的底表面 192上，同时冷却底座126的顶表面187与基板支撑板122的背表面125不进 行直接接触。类似地，凹部189的侧壁191也不直接接触轴124。在冷却底座 126与介电夹具体120之间形成缝隙127以允许相对热膨胀。

视情况地，冷却底座126与介电夹具体120之间的次要热接触可藉由安置 于冷却底座126与介电夹具体120之间的接触组件128及弹簧组件129来建立。 在一个实施例中，凹槽135可形成于冷却底座126的顶表面187中。可将凹槽 135对应于基板支撑板122的边缘区域置放及成形以提供基板支撑板122的边 缘区域的温度控制。弹簧组件129安置于凹槽135中。接触组件128安置于弹 簧组件129上方。弹簧组件129推动接触组件128抵靠基板支撑板122的背表 面125。弹簧组件129及接触组件128在不于基板支撑板122与冷却底座126 之间施加任何横向及垂直运动限制的情况下，在冷却底座126与基板支撑板 122之间提供传导路径。接触组件128及弹簧组件129可由导热材料形成。在 一个实施例中，接触组件128由诸如氧化铝或氮化铝的陶瓷材料形成。弹簧组 件129可由诸如铝或不锈钢的金属形成。

根据本发明的一个实施例，边缘环组件150可安置于缝隙127的周围以将 缝隙127及189与处理容积132隔离。边缘环组件150可包括下环151及上环 152。下环151可围绕缝隙127安置于冷却底座126上方。上环152可由基板 支撑板122的边缘支撑且上环152可悬置在下环151上方。可在上环152的下 表面152a与下环151的上表面151a之间形成缝隙150a以允许冷却底座126 及介电夹具体120的热膨胀。上环152的下表面152a及下环151的上表面151a 可具有交错特征结构，诸如肋部及凹槽，该肋部及该凹槽在缝隙150a中形成 曲径式密封。缝隙150a中的曲径式密封在缝隙127与处理容积132之间提供 分离。曲径式密封实质上防止处理容积132中的处理气体进入缝隙127、189， 从而减少不良的污染。下环151及上环152可由适合于处理化学的材料形成。 在一个实施例中，下环151及上环152可由陶瓷或石英制造。遮蔽环154可在 边缘区域周围安置于基板支撑板122上方以覆盖基板112的外部区域及防止经 覆盖的区域暴露于处理化学。

图2为介电夹具体120的分解透视截面图。侧壁170中的通路174、176 形成用于冷却流体及/或传感器导线的整合通道。即使在图2中图示两个通路 174、176，可形成更多通路以适应额外的需要。轴124具有凸缘202，该凸缘 202提供用于增强与冷却底座126的热交换的增加的表面面积。

图3为包括冷却底座126及介电夹具体120的静电夹具组件的分解透视截 面图，该图图示上述部件。

虽然前述内容针对本发明的实施例，但是可在不脱离本发明的基本范畴的 情况下设计本发明的其它及进一步实施例，且本发明的范畴藉由随附的权利要 求界定。