專利名稱：熱動卡盤及用于制造熱動卡盤的方法
熱動卡盤及用于制造熱動卡盤的方法技術領域本公開總體上涉及在半導體加工中使用的熱動卡盤(thermal chuck)的 制造，并且更具體地，涉及在其中形成有冷卻通道的熱動卡盤，以及用于 制造該具有冷卻通道的熱動卡盤的方法。
背景技術：
一般來說，熱動卡盤是由具有限定的高度、寬度與厚度的單一構件所 制成。為了加工半導體基底，所以，熱動卡盤為圓形且具有一個平面狀支 撐表面。形成于這些卡盤內的冷卻通道一般具有蜿蜒的形狀，以便在使用 期間提供均勻的溫度調節與控制。為了制造具有蜿蜓形狀的冷卻通道，在 現有技術中，卡盤在其周圍徑向設置的數個邊緣位置上被鉆孔。每條直線 鉆出的通道會與另一個鉆出的通道相交，以形成蜿蜓的形狀。在蜿蜓形狀 的冷卻通道的終端上形成多個入口與出口的開口，這些開口在制造的過程 中被鉆穿過卡盤的底面。然后，卡盤的徑向邊緣周圍的這些鉆孔開口與一 個插塞(例如，二件式摩擦鎖合插塞)產生擠壓裝配。
圖1顯示一種范例性熱動卡盤10，其包括一個蜿蜒形狀的冷卻通道。 所顯示的熱動卡盤10的形狀為圓形，而且，具有一個在加工期間用于支 撐基底的平面狀支撐表面12。可以在此平面狀支撐表面12內形成多個同 心凹穴14，以提供真空吸住能力。在此范例性卡盤中，有十一條通道16 被鉆穿過卡盤的徑向邊緣18，以便共同地形成蜿蜒形狀的冷卻通道。在蜿 蜒形狀的冷卻通道的數個終端位置上，有數個入口與出口的開口 20、 22 被鉆穿過卡盤的底面。然后，此徑向邊緣18周圍的這些開口24與二件式 插塞(未顯示)產生擠壓裝配。以此方式制造冷卻通道所產生的其中一個問題在于被擠壓裝配上去 的插塞可能在操作期間發生故障，導致流體在使用期間泄漏至處理室。這 些擠壓裝配上去的插塞通常被認為適用于顯著小于熱動卡盤所暴露的操
作溫度的溫度。然而，在實際情形中，慣例地在超出這些溫度的情形下使 用卡盤，如此可能會導致插塞的熱疲勞與故障。而且，將這些插塞擠壓裝 配到開口的過程可能會導致此平面狀支撐表面12的扭曲，并且影響到卡 盤的機械完整性。雖然通常可藉由從扭曲表面銑磨掉一些過多材料來解決 此扭曲情形，以到達想要的平坦度規格，但是，與加熱循環相結合的殘余 應力集中現象則可能導致此卡盤破裂。制造蜿蜒狀的冷卻通道的方法本身所具有的另一個問題在于形成冷 卻通道的方式本身所具有的冷卻劑的過渡流/紊流。因為蜿蜓狀的冷卻通道 要求每個通道區段均從徑向邊緣位置開始直線鉆設，所以，相交的通道區 段相互的間形成一個角度，例如，可能如圖所示地為垂直。內部流體所產 生的過渡流/紊流會影響溫度的均勻性，而且可能會對此卡盤施加機械應 力。而且，以摩擦方式裝配上去的插塞具有有限的長度，此長度并不會永 遠終止于交叉點上，如此一來，導致在蜿蜒的冷卻通道內產生死角。此外， 當以加壓空氣吹掃冷卻通道時，液體會陷入這些死角部位內。當熱動卡盤 被再度加熱時，這種液體會蒸發掉，從而導致冷卻通道內的壓力過大。因此，亟須一種改善的制造方法及熱動卡盤，以克服現有技術中的這 些問題。發明內容本發明揭示內部加工有冷卻通道的熱動卡盤，以及用于制造此熱動卡 盤的方法。在一實施方案中，用于制造此熱動卡盤的方法包括以下步驟 在平面狀支撐表面部分和底面部分中所選出的一個內形成冷卻通道；將包 覆材料夾在該平面狀支撐表面部分以及該底面部分之間，以形成熱動卡 盤；以及，將該熱動卡盤加熱至使包覆材料與該平面狀支撐表面部分以及 該底面部分熔接的溫度，并且在該條件下進行所述包覆材料與所述平面狀 支撐表面部分和所述底面部分的熔接，其中，該冷卻通道被密封于內部。在另一個實施方案中，此方法包含以下步驟在平面狀支撐表面部分 及底面部分中所選出的一個內形成冷卻通道；將包覆材料夾在該平面狀支 撐表面部分以及該底面部分之間，以形成熱動卡盤組件；以及，將該平面 狀支撐表面部分、包覆材料，以及該底面部分進行真空硬釬焊接，以形成
整體結構，其中，該冷卻通道被密封于該整體結構的內部。一種用于加工半導體基底的熱動卡盤，所述熱動卡盤包含用于支撐基底的平面狀頂表面；冷卻通道，其橫跨(span)在該平面狀頂表面的下面，且包含多個直線區段以及至少一個徑向曲線區段，該徑向曲線區段用以連 接該多個直線區段的一些相鄰區段、第一末端，以及第二末端；以及底表面，其內部具有與第一末端流體連接的入口開口以及與第二末端流體連接 的出口開口，其中，該冷卻通道被夾在該平面狀頂表面與該底表面之間。 藉由以下附圖與詳細說明作為范例，以說明上述及其它特點。附圖簡述現在，請參考附圖，這些附圖是示例性的實施方案并且圖中類似的元件均標示類似的標記圖1是現有技術中的熱動卡盤的透視圖；圖2是依據本發明一個實施方案的熱動卡盤的分解透視圖；圖3是圖2的熱動卡盤的透視圖，其中詳細地顯示用以支撐基底的平 面狀支撐表面；以及圖4是依據一個實施方案的蜿蜒狀的冷卻通道的平面圖。發明詳述以下所揭示的是一種包括冷卻通道的熱動卡盤，以及用于制造此熱動 卡盤的方法，其中現有技術中的問題得到了克服。此種制造方法一般包括 將平面狀支撐表面部分以真空硬釬焊的方式焊接至底面部分，以形成此熱 動卡盤，其中，在真空硬釬焊之前，將冷卻通道銑磨至從該平面狀支撐表 面部分以及該底面部分中所選出的一個內。因此，當進行真空硬釬焊時， 此兩個組件被結合在一起，以密封住該銑磨出的冷卻通道。以此方式，不 需要使用插塞，且可以制作出能夠在整個冷卻通道內提供層流，而沒有任 何死角的銑磨圖案。圖2與3顯示依據本發明一個實施方案的熱動卡盤100的分解圖。此 熱動卡盤100 —般包括平面狀支撐表面部分102以及底面部分104，其中， 一個所選定組件(102或104)包括銑磨于其內部的冷卻通道圖案106。優選
地，平面狀支撐表面部分102以及底面部分104是由能夠抵抗熱動卡盤所處環境引起的腐蝕的金屬制成，例如可熱處理的鋁合金、具有陽極氧化 的氧化鋁涂層的鋁或鋁合金，等。平面狀支撐表面部分102包括平面狀頂表面108，可供加工期間在此 表面上放置基底。在所顯示的實施方案中，平面狀支撐表面部分102的底 表面110被銑磨有想要的冷卻通道圖案106。雖然圖中顯示的是蜿蜒狀的 冷卻通道圖案，但是，顯然地，對本領域技術人員來說，可以將任何圖案 銑磨于其內部。就其本身而論，本發明并未打算局限于此種特定的所示圖 案。而且，顯然地，可以設置一個以上的通道(也就是說， 一個以上的入口 與出口)。此外，雖然本文中提到銑磨，但是，也可以使用例如鑄造等其它 方法來限定出冷卻通道。平面狀支撐表面部分102還可以包含在加工半導體晶片時使用的熱動 卡盤內一般所常見的特征。例如，如圖所示，此平面狀頂表面106可以包 括多個在中心軸114周圍的同心環狀凹穴112。此外，此平面狀支撐表面 部分102可以任選地包含數個開口 116，用以裝配周圍銷、加熱元件、氣 體運送孔、熱電偶等。根據想要的應用情形，也可以使用與同心環形凹穴 112—起組合的開口 1161，以提供真空到基底的背部，藉此增加基底的底 表面以及平面狀頂表面106之間的接觸點數量，例如通過基底彈性變形來 增加。假如運用真空吸引技術，由于真空而導致基底與平面狀頂表面106 之間的接觸孔數量增加，可能會增加基底到達處理溫度的速率。在此情形 中，優選地，真空吸引開口及/或真空通道(未顯示)與真空線路連接，然后 與處理室隔離閥、流動控制閥等(未顯示)的下游連接。底面部分104包括頂表面120以及底表面122。此頂表面是與平面狀 支撐表面部分102的底表面122共平面且彼此緊密配合。冷卻通道106所 用的入口 124與出口 126可以被鉆穿過此底面部分104。底面部分104可 以還包含一個以上的插塞開口 128，這些插塞開口與平面狀支撐表面部分 102內的開口或凹穴132同軸地對齊。在實施真空硬釬焊之前，將插塞132 鉆入開口 128, 130內，藉此，使平面狀表面部102與底面部分104產生適 當對位。底面部分104還可以包括數個開口 134，這些開口與平面狀支撐表面
部分102中的開口 116同軸且互補。以此方式，熱動卡盤100可以與熱電 偶、周圍銷等裝配在一起，這是熱動卡盤在預定應用中所需要的。還可以 將耐熱元件鑄造于底面部分104內，從而能夠升高加工溫度，例如當進行 巨大的光致抗蝕劑條或蝕刻方法時，該升高的加工溫度可以被應用于提高 設備生產量。環狀凸緣136外切于底表面122，以便提供一種將熱動卡盤 固定于處理室的方式。可以在真空硬釬焊方法完成之前或之后，鉆設這些 開口。在一個優選實施方案中，優選地，可以根據使用具有加熱與冷卻能力 的比例-積分-微分(PID)控制器的反饋或閉合回路控制系統，來改變熱動卡 盤的操作溫度。當需要的時候，此控制器將交替地供應電流至加熱組件或 者供應冷卻流體(空氣或水)至通道106。通過在處理過程中，使用安裝在 平面狀支撐表面部分102內的溫度測量器件比如彈簧啟動熱電偶，以測量 基底的溫度，從而提供到PID控制器的反饋。例如，將一條彈簧與此熱電 偶產生操作式相通，以使此熱電偶會保持與基底的背部接觸。另一方面， 通過調整被供應到加熱元件的電流，并且允許流體(空氣或水)在處理中在 適當點流過通道106，可以使用開放回路方法(亦即，沒有反饋裝置的情況 下)來控制熱動卡盤100的溫度。優選地，支撐22是由能夠抵抗處理氣體 所致的腐蝕的金屬制成，例如所述金屬為具有陽極氧化的氧化鋁涂層的 鋁。圖4顯示蜿蜒狀的冷卻通道圖案110的平面圖。值得注意的是，此顯 示的圖案為連接基本上直的通道區段的徑向彎曲部分。以此方式，可以獲 得通過此冷卻通道110的層流。真空硬釬焊方法是一種具有充分特征化的接合方法，藉此方式，將非 鐵填充金屬和合金在真空下加熱至熔化溫度(450。C以上)，且藉由毛細作 用將它們分布于兩個以上的緊密裝配部件的間。在其液態溫度時，熔融的 填充金屬會與基礎金屬的薄層產生相互作用，從而冷卻而形成由于晶粒結 構的相互作用所致的異常強的密封接點。此硬釬焊過的接點變成具有許多 層的夾層結構，這些層彼此都冶金地連接在一起。為了適當地加工，組件 102、 104必須緊密地裝配起來，而且，基礎金屬應該要異常地清潔且無氧 化物，以便達到硬釬焊接點的最高強度。為了能夠有效運用毛細作用，典
型地推薦接點間隙為0.002到0.006英寸(50到150pm)。真空硬釬焊方法 一般包括預加熱步驟、 一系列的硬釬焊加熱步驟，以及隨后的冷卻步驟。 真空室一般保持在lxl(T3帕斯卡(Pa)以下的真空程度。當接合例如平面狀支撐表面部分102與底面部分104之類的鋁基材料 時，典型地，包覆層包括作為主要組分的鋁。其它的材料被添加至此包覆 材料內，以降低其熔點至低于欲結合的部件(piece)的熔點。因此，在真空 硬釬焊處理期間，包覆材料熔化，流到這些部件之間，然后，當其冷卻時 形成固體接點。例如，可以將硅包含于此包覆材料內，以降低熔點。此外， 典型地，包覆材料包括添加的鎂。在硬釬焊處理期間，鎂擴散，藉此，打 破外部的氧化鋁層，從而起著表面潤濕劑的作用。鎂的擴散或溢氣 (out-gassing)準許包覆材料在鋁部件之間流動，從而導致形成硬釬焊接點。 因此，為了達到此種功能，典型地，將鎂添加到包覆材料內。包覆材料通 常還可以包含其它組分，這些其它成分的選擇是本領域技術人員所熟知 的。盡管己經參考上述示例性實施方案描述了本發明，然而，要知道的是 在不背離本發明的范圍的前提下，對于本領域技術人員來說，可以產生出 不同的變化與一些元件的等效替換。而且，在不背離本發明的主要范圍的 前提下，仍可以對本發明的教導施行一些修改，以適應特殊情形或材料。 因此，本發明并未局限于上述用以實施本發明的最佳模式的特殊實施方 案，反而，本發明應該涵蓋所有落入后附權利要求書的范圍內的實施方案。
權利要求
1. 一種用于制造熱動卡盤的方法，該方法包含以下步驟在平面狀支撐表面部分及底面部分中所選出的一個內形成冷卻通道；將包覆材料夾在所述平面狀支撐表面部分以及所述底面部分之間，以形成所述熱動卡盤；以及將所述熱動卡盤加熱至使所述包覆材料與所述平面狀支撐表面部分和所述底面部分熔接的溫度，并且在所述條件下進行所述包覆材料與所述平面狀支撐表面部分和所述底面部分的熔接，其中，所述冷卻通道被密封于內部。
2. 權利要求l所述的方法，其中，在真空下加熱所述熱動卡盤。
3. 權利要求l所述的方法，其中，所述包覆材料是箔材。
4. 權利要求l所述的方法，其中，加熱是在大于所述包覆材料的熔點 的溫度下實施。
5. 權利要求l所述的方法，其中，形成所述冷卻通道包括將所述冷卻 通道鑄造于所述平面狀支撐表面部分及所述底面部分中所選出的一個內。
6. 權利要求1所述的方法，其中，形成所述冷卻通道包括將所述冷卻 通道銑磨于所述平面狀支撐表面部分及所述底面部分中所選出的一個內。
7. 權利要求1所述的方法，其中，形成所述冷卻通道包括在所述平面 狀支撐表面部分的底表面中限定出蜿蜒狀形狀的圖案，其中，所述蜿蜓狀 形狀的圖案包含多個由曲線區段連接以限定出連續通道的直線區段。
8. 權利要求1所述的方法，其中，所述平面狀支撐表面部分及所述底 面部分由鋁合金形成。
9. 權利要求1所述的方法，其中，形成所述冷卻通道對于提供通過所 述冷卻通道的流體的層流是有效的。
10. —種用于制造熱動卡盤的方法，所述方法包含以下步驟 在平面狀支撐表面部分及底面部分中所選出的一個內形成冷卻通道；將包覆材料夾在所述平面狀支撐表面部分以及所述底面部分之間，以形成熱動卡盤組件；以及將所述平面狀支撐表面部分、所述包覆材料以及所述底面部分進行真空硬釬焊，以形成整體結構，其中，所述冷卻通道被密封于所述整體結構 的內部。
11. 權利要求10所述的方法，其中，所述平面狀支撐表面部分及所述 底面部分由鋁合金形成。
12. 權利要求10所述的方法，其中，形成所述冷卻通道包括將所述冷卻通道鑄造于所述平面狀支撐表面部分及所述底面部分中所選出的一個 內。
13. 權利要求10所述的方法，其中，形成所述冷卻通道包括將所述冷 卻通道銑磨于所述平面狀支撐表面部分及所述底面部分中所選出的一個 內。
14. 權利要求10所述的方法，其中，形成所述冷卻通道包括在所述平 面狀支撐表面部分的底表面中限定出蜿蜓狀形狀的圖案，其中，所述蜿蜓 狀形狀的圖案包含多個由曲線區段連接以限定出連續通道的直線區段。
15. —種用于加工半導體基底的熱動卡盤，所述熱動卡盤包含 平面狀頂表面，其用于支撐基底；冷卻通道，其橫跨在所述平面狀頂表面的下面，且包含多個直線 區段以及至少一個徑向曲線區段，所述徑向曲線區段連接所述多數直線區 段的相鄰區段、第一末端，以及第二末端；以及底表面，其內部具有與第一末端流體連接的入口開口及與第二末 端流體連接的出口開口，其中，所述冷卻通道被夾在所述平面狀頂表面與 所述底表面之間。
16. 權利要求15所述的熱動卡盤，其中，所述冷卻通道是從所述入口 開口到所述出口開口的連續通道，并且沒有任何死角。
17. 權利要求15所述的熱動卡盤，其中，所述冷卻通道形成蜿蜓狀的 形狀。
全文摘要
加工半導體基底所用的熱動卡盤包括提供層流的冷卻通道(106)。熱動卡盤可通過以下的步驟制造出來在平面狀支撐表面部分(102)及底面部分(104)中所選出的一個內形成冷卻通道；將包覆材料夾在該平面狀支撐表面部分以及該底面部分之間，以形成熱動卡盤組件；以及，將該熱動卡盤組件加熱至使包覆材料與該平面狀支撐表面部分和該底面部分熔接的溫度以及在該條件下進行包覆材料與該平面狀支撐表面部分和該底面部分的熔接，其中，冷卻通道被密封于內部。此冷卻通道可以被銑磨或鑄造，并且具有與相鄰直線區段連接以形成蜿蜒狀形狀的徑向曲線區段。
文檔編號B23K1/00GK101400470SQ200780009033
公開日2009年4月1日 申請日期2007年3月9日 優先權日2006年3月15日
發明者托馬斯·蘭德里根 申請人:艾克塞利斯科技公司