使用接触容积的有效的温度控制方法和装置

摘要

一种用于支撑基底的基底支持器，包括外支撑表面，冷却部件，位置与支撑表面相邻并且在支撑表面和冷却部件之间的加热部件，以及位于加热部件和冷却部件之间，并且由第一内表面和第二内表面形成的接触容积。当给接触容积提供流体的时候，加热部件和冷却部件之间的导热性增大。

说明书

技术领域

本发明总的涉及半导体处理系统，并且更特别地，涉及使用基底支持器中的粗糙接触或者微米级大小的间隙来控制基底的温度。

背景技术

许多处理(例如化学、等离子感应、蚀刻以及沉积)都非常依赖于基底(也称为晶片)的瞬时温度。因此，控制基底温度的能力是半导体处理系统的必要特征。另外，在相同的真空室中快速应用需要不同温度的各种处理(某些重要情况下，定期地)，就需要快速改变和控制基底温度的能力。控制基底温度的一种方法是靠加热或冷却基底支持器(也称为卡盘)。此前虽然提出和使用过能够较快加热或冷却基底支持器的方法，但是已有方法都不能提供足够快速的温度控制以满足逐渐增长的工业的需求。

例如，液体流动通过卡盘中的通道是现有系统中冷却基底的一种方法。然而，液体温度是靠冷却器控制，部分由于其噪音和大小，它通常位于距离卡盘组件很远的位置。然而，冷却单元往往很昂贵，而且由于冷却液体的庞大容积以及冷却器所提供的加热和冷却功率的限制，其快速改变温度的能力受到了限制。另外对于卡盘，要达到想要的温度设定存在额外的时间延迟，这主要取决于卡盘块的导热性和大小。这些因素限制了基底冷却到想要温度的快速程度。

也提出和使用了其他方法，包括使用嵌入基底支持器中的电加热器以实现基底的加热。嵌入的加热器增加了基底支持器的温度，但是其冷却仍然依靠冷却器控制的冷却液体。另外，可用于嵌入加热器的功率的量受到限制，因为直接接触嵌入加热器的卡盘材料会被永久性损坏。基底支持器上表面上的温度均匀性也是必要的因素，并进一步限制了加热率。所有这些因素都限制了可实现基底温度改变的快速程度。

发明内容

因此，本发明的一个目的是解决或减少常规温度控制方法存在的上述的或其它的问题。

本发明的另一个目的是提供一种用于更快加热和冷却基底的方法和系统。

本发明提供的这些和/或其它目的是通过在化学和/或等离子处理过程中快速改变和控制支撑基底的基底支持器上部的温度的方法和设备而实现的。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于支撑基底的基底支持器。基底支持器包括外支撑表面，冷却部件，位置与支撑表面相邻并且在支撑表面和冷却部件之间的加热部件。接触容积位于加热部件和冷却部件之间，并且由第一内表面和第二内表面形成。当给接触容积提供流体的时候，加热部件和冷却部件之间的导热性增大。

根据本发明的第二方面，提供了一种基底处理系统。该系统包括用于支撑基底的基底支持器，所述基底支持器包括外支撑表面，包含冷却流体的冷却部件，位置与支撑表面相邻并且在支撑表面和冷却部件之间的加热部件，以及位于加热部件和冷却部件之间，并由第一内表面和第二内表面形成的接触容积。所述系统还包括与接触容积相连的流体供应单元。布置流体供应单元从而向接触容积供应流体以及从接触容积移除流体。

根据本发明的第三方面，提供了一种用于支撑基底的基底支持器。基底支持器包括外支撑表面，冷却部件，位置与支撑表面相邻并且在支撑表面和冷却部件之间的加热部件。基底支持器还包括第一装置，用于有效减少要由加热部件加热的基底支持器的热质量以及用于增加围绕加热部件的一部分基底支持器和围绕冷却部件的一部分基底支持器之间的导热性。

根据本发明的第四方面，提供了一种用于制造基底支持器的方法。该方法包括提供外支撑表面，抛光第一内表面和/或第二内表面，连接第一内表面和第二内表面的外围部分从而形成接触容积，以及在接触容积的相反侧上提供加热部件和冷却部件。

根据本发明的第五方面，提供了一种控制基底支持器温度的方法。该方法包括增加基底支持器温度，该增加步骤包括启动加热部件，以及有效减少要由加热部件加热的基底支持器的热质量。该方法还包括降低支撑表面的温度，该降低步骤包括启动冷却部件，以及增加加热部件和冷却部件之间的导热性。

附图说明

结合在并且组成说明书一部分的附图，示出了本发明的较佳实施例，并且与上面给出的总体叙述和下面给出的较佳实施例的详细叙述一起，用来解释本发明的原理。

图1是根据本发明示例实施例的半导体处理装置的示意图。

图2是图1基底支持器的截面视图。

图3是图1的基底支持器中两个粗糙内表面之间接触的示意图。

图4是根据本发明另一实施例的图1的基底支持器中两个粗糙内表面之间接触容积的示意图。

图5是根据本发明又一实施例的图1的基底支持器中两个光滑内表面之间接触容积的示意图。

图6是图5内表面上的示例性单区域凹槽图案的平面图。

图7是图5内表面上的示例性双区域凹槽图案的平面图。

具体实施方式

现在参考附图，其中在几个视图中相同的数字标记表示相同的或相应的部分，接下来叙述本发明的几个实施例。

图1示出了半导体处理系统1，例如可用于化学和/或等离子体处理。处理系统1包括真空处理室10，具有支撑表面22的基底支持器20，以及被基底支持器20支撑的基底30。处理系统1还包括用于在处理室10中提供降低了压力的大气的泵送系统40，靠电源130馈电的嵌入的电加热部件50，以及带有通道从而靠冷却器120控制液体流动的嵌入的冷却部件60。在加热部件50和冷却部件60之间提供了接触容积90。提供了流体供应单元140从而通过导管98向/从接触容积90供应和移除流体92，以便于加热和冷却基底支持器20。作为非限定性的示例，流体92可以是氦(He)气，或者可选择能够快速有效升高或降低穿过接触容积90的导热性的其他任何流体。

图2示出了与基底20相关的基底支持器20的更多细节。如图中所示，由He供给源(未示出)提供氦气后侧流70，从而加强基底支持器20和基底30之间的导热性。加强的导热性确保了包括或直接相邻于加热部件50的支撑表面22的快速温度控制，从而实现基底30的快速温度控制。表面22上的凹槽也可以用于加快He气分配。同样如图2所示，冷却部件60包括多个通道，所述通道布置用来容纳由冷却器120控制的液体流，且基底支持器20可以包括静电吸附电极(electrostatic clamping electrode)80和相应的DC电源以及将基底30静电吸附到基底支持器20上所需要的连接元件。

应当理解，图1和2中示出的系统只是作为示例，也可以包括其它的元件。例如，处理系统1也可以包括RF供电和RF馈电，用于放置和移除晶片的销，热传感器，以及现有技术已知的任何其它元件。处理系统1也可以包括进入真空室10的处理气体管线，以及第二电极(用于电容耦合型系统)或者RF线圈(用于电感耦合型系统)，用于激发真空室10中的气体成为等离子体。

图3示出了根据本发明一个实施例的接触容积90的细节。如图3所示，在基底支持器20的内部上表面93和内部下表面96之间提供了接触容积90。在这个实施例中，接触容积90布置为两个粗糙表面93和96之间的粗糙接触。如图1和2所示，各表面93和96的表面面积基本等于加热部件50和冷却部件60的工作表面面积。或者，表面93和96的表面面积可以大于或小于加热部件50和冷却部件60的工作表面面积，但是最终的接触容积90的大小应当便于支撑表面22的快速加热和冷却。另外，较佳的是，支撑表面22、冷却部件60的工作表面、加热部件50的工作表面、上表面93、以及下表面96可以相互基本平行，但也可以不是如此。对于本文的意图，“基本等于”和“基本平行”分别表示的情况是，与完全等于或者完全平行的偏差是在本领域认可的允许范围之内。用于获得表面93和96粗糙表面区域的准备步骤可以如下，或者也可以靠本领域已知的任何其它的方法使表面粗糙。

首先，表面93和96在半径R限定的区域中都抛光，其中R是基底支持器的完全半径(或者通过完全尺寸，如果它不是圆形)。随后，将用于表面粗糙化的一些技术(例如喷砂)用在半径R1限定的表面的内侧区域中(几何圆形的情况下)，其中半径R1略微小于R，因此只留下了相对较小的外围带95为抛光的。随后，对应于上表面93和下表面96的上下块相连接，从而在外围带95实现良好的机械接触，同时由于表面93和96为粗糙接触而留出了接触容积90。

粗糙接触的构思是为了显著地降低穿过接触容积90的导热性，同时保持表面93和96彼此非常接近(即，在几微米的范围之内；较佳的，在1-20微米的范围中)。在图3的实施例中，表面93和96可以在某些包括表面不平度的区域彼此接触，但是在大多地方是分开的。有了这样的构造，穿过接触容积90的导热性降低一个数量级或者更多。

如上所述，图3中的示例示出了由两个表面93和96形成的接触容积90，其中各表面都抛光并随后粗糙化。在可选实施例中，表面93和96中只有一个粗糙化，从而由一侧抛光的表面和相反侧粗糙的表面形成接触容积。这种构造，仍然可获得粗糙接触。

图3所示实施例的另一选择是，接触容积90可以由上表面93和下表面96形成，而这些表面彼此根本不接触。在图4中示出了这种构造，其中表面93和96彼此分开小量的间隔，即其中横穿表面93和96之间的接触容积90的距离为几微米。较佳的是，横穿接触容积90的距离在1微米和50微米之间，并且更佳的是，在1微米和20微米之间。表面93和96可以是粗糙的(如图4所示)以增加表面面积以及改变流体92与表面93和96的相互作用。如图5中另一可选实施例所示，表面93和96可以都是光滑的，同时分开小量的间隔，如图4所示的实施例那样。在这两个实施例中，横穿表面93和96之间的接触容积90的距离的尺寸应当使得接触容积90的导热性可以通过引入和排出流体92而以可控制的方式发生显著地变化。在使用加压He气作为流体92的示例中，这个距离较佳的是在1微米和50微米之间，而且更佳的是，在1微米和20微米之间。

图6示出了包括孔口105和凹槽115的单区域凹槽(single-zonegroove)系统，孔口和凹槽的结合是为了改善流体92在接触容积90中的快速分配。孔口105可位于上表面93(如图6所示)和/或下表面96上。流体92通过导管98并通过孔口105供给到接触容积90中。凹槽115也可位于上表面93(例如，图5虚线所示实施例的光滑的上表面93)和/或下表面96上。当凹槽115位于表面93以及96上的时候，它们可以是相同的构造并彼此相对地对准或者彼此相互偏置。或者，各组凹槽115可以为不同构造，从而当表面93和96放在一起的时候，它们不会对准。凹槽115的宽度可以为大约0.2mm至2.0mm，深度也为相同的尺寸范围。接触容积90中的导热性取决于在凹槽115所覆盖区域(例如，面积)中的流体92的压力，可以进行导热性曲线控制的条件，以及由此的表面93和96上的温度曲线控制。

作为图6中所示单区域系统的替换，图7示出了双区域系统，其中第一区域94a包括内凹槽115和内孔口105并由其形成，而第二区域94b包括外凹槽116和外孔口106并由其形成。内凹槽115负责基底支持器第一区域94a中的压力、导热性、以及温度，而外凹槽116负责第二区域94b中的这些条件。凹槽115在表面93上的任何位置都不与凹槽116相连，产生的构造易于分别控制接触容积的不同区域。另外，可以提供多区域凹槽系统(未示出)，这种情况下可以为各个区域提供一组单独的流体孔口，并可以将不同的气压用于不同的区域。另外，凹槽115和孔口105也可以构造为其他任何形式，从而在接触容积90中获得想要的流体分配。例如，三区域接触容积可以包括内凹槽、中间半径凹槽、以及外凹槽，可以单独控制流体92的压力。

本发明的不同实施例可以如下操作。在加热阶段的过程中，向加热部件50供电，同时流体92从接触容积90中排出并输送进入流体供应单元140。这样，大大降低了穿过接触容积90的导热性，从而使得接触容积90作为热屏障。就是说，排出步骤有效地将直接围绕冷却部件60的那部分基底支持器20，与直接围绕加热部件50的那部分基底支持器20分开了。因此，要被加热部件50加热的基底支持器20的质量，有效地减少到了直接在加热部件50之上和直接围绕加热部件50的那部分基底支持器20，从而可以快速地加热支撑表面22和晶片30。或者不使用加热部件50，可以靠外部热通量进行加热，例如真空室10中产生的等离子的热通量。

在冷却阶段中，加热部件50关闭，流体92从流体供应单元140供应到接触容积90中，并且起动冷却部件60。当接触容积90被流体92充满的时候，穿过接触容积90的导热性显著增加，从而靠冷却部件60提供了支撑表面22和晶片30的快速冷却。小的外围区域或面积95(图3-5)防止流体92流出接触容积90。在某些情形下，可以不要抛光区域95，从而使得表面93和96整个区域都是粗糙的。在这种情形下，可以允许流体92从接触容积90中漏出，或者使用密封部件(例如O形环)防止流体92泄漏。

本发明可以有效地用在有效温度控制或快速温度控制很重要的不同的系统中。这种系统包括，但是不限于，使用等离子处理、非等离子处理、化学处理、蚀刻、沉积、成膜、或灰化的系统。本发明也可以用在目标物不是半导体晶片的等离子处理设备中，例如，LCD玻璃基底或类似的装置。

对于熟悉本领域的人员应当理解，本发明可以以其他特定的形式实施而不背离其精髓或必要特征。因此，目前公开的实施例从各方面来说是为了说明而不是作为限定。本发明的范围由所附的权利要求表示，而不是前面的叙述，在其含义和范围以及等价之内的所有变化都将包括在其中。