使用比例式熱流體輸送系統的基板載具的制作方法

本發明的實施例涉及微電子制造工業，且更特定而言，涉及用于在等離子體處理期間支撐工件的溫度受控支撐件。

背景技術：

在半導體芯片的制造中，硅晶片或其他基板暴露于不同處理腔室中的多種不同工藝。腔室可將晶片暴露于等離子體、化學蒸氣、金屬、激光蝕刻以及多種沉積與酸蝕工藝以便在晶片上形成電路系統及其他結構。在這些工藝期間，硅晶片可通過靜電卡盤(electrostatic chuck；ESC)、載具、底座或多種其他結構而固持到位。ESC通過產生靜電場以將晶片背側夾持至卡盤的平坦表面或定位盤表面(puck surface)而固持晶片。其他載具使用真空壓力、黏合劑或其他技術。

隨著等離子體處理設備(如經設計以執行微電子器件等的等離子體蝕刻的那些等離子體處理設備)的制造技術進步，處理期間晶片的溫度變得更為重要。ESC已經被設計以跨基板表面提供特定熱分布，該基板有時被稱為工件。ESC也已經被設計以精確調節工件的溫度。

ESC使用液體冷卻以吸收等離子體功率熱并從卡盤移除該熱。ESC也可使用液體加熱卡盤。這允許不同的工藝及等離子體條件下的更寬的工藝窗口。熱交換器用以在液體經泵送通過卡盤之前加熱或冷卻液體，然后閥控制經泵送通過卡盤的熱流體與冷流體的流速及混合物。更精確的熱性能允許在晶片上更精確形成的結構。

技術實現要素：

一種基板載具被描述，該基板載具使用比例式熱流體輸送系統。在一個示例中，裝置包括熱交換器，以向基板載具的流體通道提供熱流體并且接收來自流體通道的熱流體，流體通道中的熱流體用以在基板處理期間控制載具的溫度。比例閥控制從熱交換器至流體通道的熱流體的流速。溫度控制器接收來自載具的熱傳感器的測得溫度，且響應于該測得溫度而控制比例閥以調整流速。

附圖說明

本發明的實施例通過示例而非限制的方式在附圖的各圖中進行說明，在這些附圖中：

圖1是根據本發明的實施例的溫度調節系統的示圖，該系統使用晶片支撐件的比例式流體流控制；

圖2是根據本發明的實施例的用于溫度調節的替代性配置，該替代性配置使用比例式流體流；

圖3是根據本發明的實施例的用于工件的等離子體處理裝置的替代性示圖，該等離子體處理裝置使用底座及比例閥流體控制系統。

具體實施方式

在下文的描述中，介紹眾多個細節，然而，對本領域技術人員而言，將顯而易見的是，本發明可在沒有這些特定細節的情況下得以實施。在一些情況下，眾所周知的方法及設備以框圖形式示出，而非詳細示出，以避免使本發明含義模糊不清。本說明書全文中對“實施例”或“一個實施例”的引用意味著聯系該實施例描述的特定特征、結構、功能或特性被包含在本發明的至少一個實施例中。由此，詞組“在實施例中”或“在一個實施例中”在本說明書全文中多處的出現并非一定是指本發明的同一個實施例。此外，特定特征、結構、功能或特性可在一個或更多個實施例中以任何適合的方式組合。例如，第一實施例可與第二實施例在與該兩個實施例相關聯的特定特征、結構、功能或特性并不互斥的任何情況下組合。

如本發明的說明書及所附權利要求書中所使用，單數形式“一(a)”、“一(an)”及“所述(the)”意欲也包括復數形式，除非上下文中明確指示并非如此。還將理解，如本文中所使用的術語“和/或”是指并包含相關列出項目中的一者或更多者的任何及全部可能的組合。

術語“耦接”和“連接”及其衍生詞可在本文中用以描述部件之間的功能關系或結構關系。應理解，這些術語并非意欲作為彼此的同義詞。相反，在特定實施例中，“連接”可用以指示兩個或多于兩個的要素彼此處于直接的實體接觸、光學接觸或電接觸。“耦接”可用以指示兩個或多于兩個的要素彼此處于直接或間接(它們之間有其他中間要素)的實體接觸、光學接觸或電接觸，和/或兩個或多于兩個的要素彼此配合或相互作用(例如以因果關系相互作用)。

如本文中所使用的術語“上方(over)”、“下方(under)”、“之間(between)”及“之上(on)”是指一個部件或材料層相對于其他部件或層的相對位置(在這種實體關系顯著的情況下)。例如，在材料層的上下文中，安置于另一層上方或下方的一個層可直接接觸該另一層或可具有一個或更多個中間層。此外，安置于兩個層之間的一個層可直接接觸該兩個層或可具有一個或更多個中間層。相較而言，位于第二層“之上”的第一層與該第二層直接接觸。部件組件的上下文中將進行類似區分。

諸如靜電卡盤(electrostatic chuck；ESC)或真空卡盤等基板支撐件的溫度可使用比例式流體輸送系統來控制。脈沖流體輸送系統使流體閥的打開和關閉迅速循環。打開占空比決定流向卡盤的流體量。這不如比例式控制系統準確或可靠。比例閥所允許的流速滿足利用高偏壓射頻(RF)功率的等離子體工藝的冷卻需求。這些工藝包括用于高深寬比蝕刻結構的那些工藝。在沒有閉合回路溫度控制系統的情況下，在晶片處理期間，卡盤溫度將隨著高射頻功率的引入而穩定增長。所述的閉合回路系統提供穩態溫度控制，從而將在晶片正在處理的同時改良蝕刻形狀性能。

圖1是用于晶片支撐件的溫度調節系統的示圖，該晶片支撐件如ESC或真空卡盤，如上所述。系統具有用于熱流體的源108及回流道109。回流道將流體饋送回到熱交換器160，該熱交換器160加熱流體至預定溫度或加熱達一調節量，且在壓力下將流體提供至供應線路108。流體溫度可被固定或基于控制信號而調整。同樣，系統具有用于冷流體的源110及回流道111。第二熱交換器162接收冷回流并將該回流冷卻至預定溫度或冷卻達一定調節量。第一及第二熱交換器可以是單一單元或是兩個單獨裝置。熱交換器可以是恒溫控制的，或它們可基于有或沒有任何特定控制的設計而施加固定量的加熱或冷卻。如下所述，通過基板載具122循環的冷卻劑120的溫度部分由所供應的熱流體108及冷流體110的溫度控制，但也由熱流體及冷流體的流速及混合物控制。系統提供泵送至載具122的流體輸出管線120及使流體從載具回流的回流管線124。

向三向閥126提供熱流體供應，該閥打開或關閉來自熱交換器的熱流體的流。類似地，向同一三向閥提供冷流體供應，該閥打開或關閉來自第二熱交換器的冷流體的流。在載具供應管線120中向基板載具122提供允許通過此閥的流體，以加熱或冷卻該基板載具。存在另外的三向閥128，該三向閥耦接至熱回流管線109及冷回流管線111。來自基板載具的流體在載具回流管線124中回流至此閥128，且被允許穿過此閥以返回該流體所來自的相應的熱交換器。三向閥在耦接至該兩個閥的溫度控制器102的控制下操作。

溫度控制器102接收來自諸如光學溫度探針等熱傳感器164的溫度信號，該熱傳感器164附接至工藝腔室中的基板或基板載具122以直接或間接地確定基板溫度。基于該所接收的溫度，控制器打開和關閉熱閥及冷閥，且控制穿過基板載具122的流速。控制器102使用探針164溫度以確定與溫度設定點的誤差并使用例如比例積分微分(Proportional Integral Derivative；PID)控制器產生輸出電壓。

控制器102確定將在基板載具流體通道120中使用的流速及冷卻介質(也即熱流體108或冷流體110)。在一些實施例中，由冷的熱交換器提供的流體在約0℃，且由熱的熱交換器提供的流體在約55℃。依據載具的當前溫度，這些流體中的任一流體被輸送至流體通道。如若載具溫度在設定點以上，則使用來自冷的冷卻器的流體。如若溫度在設定點以下，則使用來自熱的冷卻器的流體。流體輸送系統使用可變流量閥106以將溫度受控介質120控制在適當溫度范圍內。流體輸送系統還在等離子體處理期間控制溫度傾斜上升及突增。

為了控制流速，溫度控制器102產生閥控制信號，例如模擬電壓，且將該信號提供至壓力調節器104。壓力調節器基于閥控制信號產生壓力并將該壓力提供至流量控制閥106。流量控制閥打開或關閉自熱交換器160、162至基板載具122的通路達一定量，該量依據所供應的壓力而定。因此，加熱流體或冷卻流體穿過載具的流速由流量控制閥106控制。因此，流量控制閥控制施加至基板載具的加熱或冷卻的量。更高流速允許流體向載具或從載具傳遞更多熱。載具熱耦合至處理腔室中的基板。因此，冷流體的更高流速將從載具移除更多熱。熱流體的更高流速將向載具傳遞更多熱。

在圖示的示例中，溫度控制器102耦接至電動氣動調節器104。以受控制及通常恒定的壓力向這種調節器供應壓縮干燥空氣(Compressed Dry Air；CDA)輸入112。調節器響應于來自熱控制器的電控制信號166而調節輸入CDA以產生精確的氣動空氣壓力信號168。如若向調節器提供無級模擬信號，則調節器可提供也以無級方式變化的調節器空氣壓力。該經調節氣動控制壓力被施加于壓力調節閥106的頂部。

在一些實施例中，CDA被施加給調節器104的供氣電磁閥。隨著輸入控制電壓166增大，電磁閥打開。經由供氣閥釋放的壓力由傳感器測得并饋送至控制電路。調整供氣閥直至測得壓力與控制信號指示的壓力一致。提供排氣電磁閥以將調節器內壓力緩解回至CDA供應。

壓力調節閥106響應于來自壓力調節器104的控制壓力168而提供比例式流體控制。這允許對來自三向閥126穿過載具122的流體流120進行無級控制。與脈沖閥相比，該閥移動極微。這提供更長硬件壽命，需要更少維修。此外，對溫度變化的響應更平滑。在等離子體處理期間，通過使用沒有連續流體斷開時間的可變流速，溫度響應更平滑，溫度振蕩減少。

在一些實施例中，壓力調節閥在閥主體中具有上部腔室，該上部腔室具有上部隔膜，該隔膜響應于供應至上部腔室的空氣壓力而移動。上部腔室中的上部隔膜經由軸耦接至位于閥主體的下部腔室中的下部閥閘或隔膜。上部隔膜響應于空氣壓力，抵抗彈簧而移動，以通過連接軸移動下部閘或隔膜。下部腔室在入口接收來自三向閥126的流體，然后基于閘或下部隔膜的位置而改變前往出口的流速。通過使用流量計172，控制反饋回路可用以提供穿過比例閥的希望的流速。

熱流體回流閥140允許加熱流體自熱供應裝置繞過基板載具122流至熱回流裝置。類似的冷流體回流閥142允許冷卻流體自冷供應裝置直接流至冷回流裝置，無需穿過載具。當由于三向閥126、128的設置而未向載具提供熱供應或冷供應時，熱流體及冷流體回流閥140、142允許流體流經對應的熱交換器，而不流經載具。這允許對應的熱交換器建立穩定溫度并將流體的供應保持在希望的溫度。

如圖所示，這些流體旁通閥140、142也可以是由經調節壓縮干燥空氣(Compressed Dry Air；CDA)源112或由未調節打開/關閉CDA控制的比例閥。這些閥也可由溫度控制器控制以結合三向閥提供希望的流。

溫度調節系統還可包括多個壓力傳感器132、134、136、138及流量計172。這些可耦接至系統控制器170，該系統控制器170控制溫度控制器102、熱交換器160、162、基板載具122、以及在基板上執行的工藝的其他方面。熱供應裝置及冷供應裝置中的每一個上的壓力傳感器132、136允許測量熱交換器的操作。CDA輸入中的每一個上的壓力傳感器134允許測量CDA壓縮并相應地加以調整。

穿過載具的流體管線122、124中的流量計172允許測量流速。如果需要，測得流速可隨后使用比例閥106來調整。管線中的壓力也可利用壓力傳感器138測得，并使用比例閥調整。在圖示的示例中，在回流管線124中測量來自載具的流速及壓力。這允許在系統處于操作中時核查穿過載具的系統操作。將觀測到任何流或壓力損失，且也可測量改變比例閥位置的效應。

所描述的溫度調節系統允許將流經基板載具中的通道的流體的溫度控制在一定范圍內，該范圍例如0℃至55℃。基板載具可具有一個以上的熱流體通道，在該情況下，圖1的系統可經復制以支持每一額外通道。因為可獨立控制進入壓力調節閥106的混合物和通過壓力調節閥的流速，因此單一熱的熱交換器及單一冷的熱交換器可用以向一個以上的通道提供流體。

圖2圖示基板載具(如ESC 280)的示例配置，該基板載具具有外部熱流體通道282及內部熱流體通道284。外部通道及內部通道可用以補償基板不同位置上的不同條件。對于晶片等離子體處理而言，例如，晶片外緣比晶片內部趨于更快加熱，因為晶片外緣具有暴露于腔室的更多表面區域。在此類示例中，可向外部流體通道提供比向內部流體通道更多的冷卻流體流，以使得晶片的整個表面可維持在更一致的溫度下。圖2的原理可應用于其他類型的ESC及其他類型的基板載具，在這些基板載具中，對一個以上的流體通道使用獨立控制。

冷供應熱交換器202向冷供應管線206提供冷卻的熱流體。冷供應經由旁通閥218饋送至冷回流歧管220，該歧管使冷供應回流穿過冷回流管線210以到達冷的熱交換器。旁通閥218可使用壓力傳感器216來控制。當冷供應管線206中的壓力高時，旁通閥由壓力傳感器打開，以緩解管線中的壓力。當冷供應管線中的壓力低時，旁通閥關閉以確保有充足的壓力以支持系統的操作。冷回流管線中的冷流量計222提供另一傳感器，該傳感器與壓力傳感器216組合，可由熱控制器(未圖示)或系統控制器(未圖示)使用以確保正確的系統操作。

旁通閥218可以是隔膜閥，該閥可手動操作或由外部控制器控制。旁通閥是基于壓力而部分自調節的，且也可由壓力傳感器控制。用于冷供應的該旁通閥及用于熱回流212的另一旁通閥226有助于在所有操作模式期間確保流速的平滑變化和持續的流。

類似地，熱供應熱交換器204向熱供應管線208提供加熱的熱流體。熱供應管線經由由壓力傳感器224控制的熱旁通閥226而饋送，以將熱供應饋送回到回流歧管228。該回流歧管中的熱的熱流體被饋送至熱回流管線并返回熱供應熱交換器204。熱回流管線也具有流量計230以測量回流管線中來自所有源的流。

冷及熱的熱流體供應被饋送至第一三向閥240，該三向閥選擇冷或熱的熱流體或兩者一起以用于外部冷卻通道282。同一冷及熱的熱流體供應也被饋送至第二三向閥242，該三向閥選擇冷或熱的熱流體或兩者一起以用于ESC 280的內部冷卻通道284。來自每一三向閥的輸出的流速由相應的比例閥260、262控制，如由如上所述的壓力調節閥控制。然而，在圖1的示例的情況下，也可使用任何其他類型的比例閥。每一比例閥具有相應的閥控制器250、252，如上文所述的壓力調節器。壓力調節器被耦接至CDA源286及來自熱控制器的控制信號(未圖示)。兩個比例閥提供對穿過每一冷卻通道的流速的獨立控制。通過使用圖2的配置，穿過每一冷卻通道的熱流體的溫度及流速得以獨立控制，同時共享熱交換器。

流速及溫度受控的流體從外部通道比例閥260被提供至外部通道供應管線270，以到達ESC 280的外部通道282。該流體流動穿過ESC的外部通道以到達外部回流管線274。同樣，流速及溫度受控的流體從內部通道比例閥262被提供至內部通道供應管線272，以到達ESC 280的內部通道284。該流體流動穿過ESC的內部通道以到達內部回流管線276。

ESC回流管線274、276被饋送回到熱交換器以待依據流體源而冷卻或加熱。外部回流274穿過流量計258，然后穿過壓力傳感器254到達三向閥244。三向閥將回流流體引導至熱交換器202、204的回流歧管220、228，該熱流體來自該熱交換器202、204。同樣，內部回流管線276穿過流量計268及壓力傳感器256以到達不同的三向閥246。該三向閥也耦接至回流歧管220、228，以使流體從內部通道回流至對應的熱交換器202、204。

四個三向閥240、242、244、246可全部被溫度控制器控制，以確保按照需求將熱流體引導至供應或回流管線。當熱交換器中的一個未耦接至任何供應管線時，可打開對應的旁通閥218、226。整個系統的流量及壓力傳感器允許在所有時間在不同點處監測系統，以確保正確操作。

圖3是依據本發明的實施例的等離子體蝕刻系統10的示意圖，該系統包括卡盤組件42。等離子體蝕刻系統10可以是本領域中已知的任何類型的高性能蝕刻腔室，例如但不限于DPSAdvantEdge^TM G3、或Mesa^TM腔室，上述所有腔室由美國加利福尼亞州應用材料公司制造。其他市售蝕刻腔室也可同樣使用本文中描述的卡盤組件。盡管在等離子體蝕刻系統10的上下文中描述示例性實施例，但本文中描述的卡盤組件也適合于其他用以執行任何等離子體制造工藝的處理系統(例如等離子體沉積系統等)。

請參看圖3，等離子體蝕刻系統10包括接地腔室5。將工藝氣體自連接至腔室的氣源29經由質量流量控制器49供應至腔室5的內部。腔室5經由連接至高容量真空泵堆棧55的排氣閥51排氣。當等離子體功率施加于腔室5時，等離子體在工件10上方的處理區域中形成。等離子體偏壓電源25耦接至卡盤組件42中以激勵等離子體。等離子體偏壓電源25通常具有約2MHz至60MHz之間的低頻率，且例如可位于13.56MHz頻帶中。在示例性實施例中，等離子體蝕刻系統10包括在約2MHz頻帶操作的第二等離子體偏壓電源26，該電源連接至射頻匹配電路27。等離子體偏壓電源25也耦接至射頻匹配電路，且還經由電力導管28耦接至下部電極。等離子體源電源30經由另一匹配電路(未圖示)耦接至等離子體產生元件35以提供高頻源功率從而以電感方式或電容方式激勵等離子體。等離子體源電源30可具有高于等離子體偏壓電源25的頻率，如在100與180MHz之間的頻率，且例如可處于162MHz頻帶中。

工件10被裝載穿過開口15并被夾持至腔室內側的卡盤組件42。諸如半導體晶片之類的工件10可以是任何晶片、基板或用于半導體處理技術領域中的其他材料，而且本發明并非限定于此。工件10被安置在卡盤組件的介電層或定位盤(puck)的頂表面上，該介電層或定位盤安置在卡盤組件的冷卻基座組件44的上方。夾持電極(未示出)嵌入介電層中。在特定實施例中，卡盤組件42可包括兩個或多于兩個的不同流體通道區域，如內部通道41與外部通道99。每一通道41、99可經獨立控制達到相同或不同的溫度設定點。

系統控制器70耦接至多個不同系統以控制腔室中的制造工藝。控制器70可包括溫度控制器75以執行溫度控制算法(例如溫度反饋控制)，且可以是軟件或硬件，或軟件與硬件二者的組合。系統控制器70還包括中央處理單元72、內存73與輸入/輸出接口74。溫度控制器75將輸出控制信號，該信號影響卡盤組件42與等離子體腔室5外部的熱源和/或散熱器之間針對多個流體通道41、99的熱傳遞速率。溫度控制器75可耦接至一個或更多個溫度探針43，這些探針可處于基板載具之中或之上，耦接至流體供應管線，或處于任何其他所希望的位置。

熱流體區域可包括分離的、獨立控制的熱流體熱傳遞回路，這些回路具有單獨的流量控制，該流量控制基于如上所述的區域特定溫度反饋回路而控制。在示例實施例中，溫度控制器75耦接至第一熱交換器(heat exchanger；HTX)/冷卻器77，且可取決于特定實現而按照需要進一步耦接至第二HTX/加熱器78及更多熱交換器(未示出)。穿過卡盤組件42中的導管的熱傳遞流體或冷卻劑的流速由如上所述的比例閥系統86控制。

比例閥系統86由溫度控制器75控制以獨立控制熱流體或熱傳遞流體到達每一不同流體通道的流速。溫度控制器也可控制每一熱交換器所使用的溫度設定點，以冷卻或加熱熱流體。因此，每一熱交換器可使其各自的冷卻劑通道的熱流體變化至不同溫度，然后再將該熱流體返回提供至流體通道。

熱傳遞流體可以是液體，例如但不限于去離子水/乙二醇、氟化冷卻劑，如購自3M公司的或蘇威蘇萊克斯公司的或任何其他適合的介電流體，如包含全氟化惰性聚醚的那些流體。盡管本說明書在等離子體處理腔室的上下文中描述ESC，但本文中描述的ESC可用于多種不同的腔室及多種不同的工藝。取決于特定實現，不同基板載具可用于替代ESC。

將理解，以上描述意欲進行說明，而非限制。例如，盡管附圖中的流程圖圖示由本發明的某些實施例執行的操作的特定次序，但應理解，這種次序并非必需(例如，替代性實施例可以不同次序執行操作，組合某些操作，重疊某些操作，等等)。此外，本領域技術人員在閱讀及理解以上描述之后，許多其他實施例將顯而易見。盡管已參考特定示例性實施例描述了本發明，但將認可，本發明并非限定于已描述的實施例，而是可在所附權利要求的精神及范圍內實踐修改和變化。因此，應參考所附的權利要求及這些權利要求權利覆蓋的等同內容的完整范圍來確定本發明的范圍。