用于等離子體處理的雙區式加熱器的制作方法
本申請是2016年2月5日提交的申請號為201610083040.6、優先權日為2015年2月9日、題為“用于等離子體處理的雙區式加熱器”的申請的分案申請。
本文公開的實施例一般地涉及半導體處理腔室，并且更具體地涉及具有多區溫度控制的半導體處理腔室的加熱的支撐基座。
背景技術：
半導體處理涉及大量不同的化學和物理工藝，所述工藝使得能夠在基板上形成微小的集成電路。通過化學氣相沉積、物理氣相沉積、外延生長等等形成了構成集成電路的材料層。使用光刻膠掩模以及濕式或者干式蝕刻技術來圖案化材料層中的一些材料層。用來形成集成電路的基板可以是硅、砷化鎵、磷化銦、玻璃或者其他適當的材料。
在集成電路的制造中，等離子體工藝往往用于沉積或者蝕刻各種材料層。等離子體處理提供了優于熱處理的許多優點。例如，等離子體增強化學氣相沉積(pecvd)允許在比類似的熱工藝中可實現的更低的溫度以及更高的沉積速率來執行沉積工藝。因此，pecvd對于具有嚴格的熱預算的集成電路制造(諸如，對于特大規模或者超大規模集成電路(vlsi或者ulsi)器件制造)是有利的。
用于這些工藝中的處理腔室通常包括設置在其中的基板支撐件或者基座以在處理期間支撐基板。在一些工藝中，基座可包括嵌入式加熱器，所述嵌入式加熱器適用于控制基板的溫度和/或提供可在工藝中使用的升高的溫度。常規意義上而言，基座可由陶瓷材料制成，陶瓷材料一般提供所需的器件制造結果。
然而，陶瓷基座產生了許多挑戰。這些挑戰中的一個挑戰為在處理期間對基座和基板的多區式加熱和/或準確的溫度控制。
因此，所需要的是在多個區域中溫度受控的基座。
技術實現要素：
提供了一種用于加熱的基座的方法和裝置。在一個實施例中，所述基座包括：包含陶瓷材料并且具有凸緣的主體；嵌入在主體中的一個或多個加熱元件；耦接到凸緣的第一軸，以及耦接到第一軸的第二軸，其中，第二軸包括在所述第二軸中形成的多個流體通道，所述流體通道在第二軸中終止。
在另一實施例中，提供了一種用于半導體處理腔室的基座。所述基座包括：包含陶瓷材料的主體；被封圍在主體中的多個加熱元件；耦接到主體的第一軸；以及耦接到第一軸的第二軸；其中第二軸包括在所述第二軸中形成的多個流體通道，所述流體通道的至少部分在第二軸中終止。
在又一實施例中，提供了一種用于半導體處理腔室的基座。所述基座包括：包含陶瓷材料的主體；被封圍在主體中的多個加熱元件；耦接到主體的第一軸；以及耦接到第一軸的第二軸；其中第二軸包括在所述第二軸中形成的多個流體通道，所述流體通道的至少部分在第二軸中終止，并且其中，第一軸由第一材料制成，并且第二軸由與第一材料不同的第二材料制成。
附圖說明
因此，為了可詳細地理解本公開的上述特征的方式，可參照實施例來進行對上文簡要概述內容的更特定的描述，所述實施例中的一些圖示在附圖中。然而，應當注意，附圖僅圖示典型的實施例，并且因此不應被視為限制本發明的范圍，因為本文所公開的實施例可允許其他等效的實施例。
圖1是等離子系統的一個實施例的局部剖視圖。
圖2是可用于圖1的等離子系統中的基座的一個實施例的示意性剖視圖。
圖3a是可用于圖1的等離子系統中的基座的另一實施例的示意性剖視圖。
圖3b到圖3d是圖3a的基座的第一軸的替代實施例的剖視圖。
圖4a是可用于圖1的等離子系統中的基座的另一實施例的示意性剖視圖。
圖4b是圖4a所示的基座的局部側面剖視圖。
圖4c是冷卻劑通道的一個實施例的平面圖。
圖5是可用于圖1的等離子系統中的基座的另一實施例的示意性剖視圖。
圖6是可用于圖1的等離子系統中的基座的另一實施例的示意性剖視圖。
圖7是可用于圖1的等離子系統中的基座的部分的一個實施例的示意性剖視圖。
圖8a是可用于圖1的等離子系統中的基座的部分的另一實施例的示意性剖視圖。
圖8b是可用于圖1的等離子系統中的基座的部分的另一實施例的示意性剖視圖。
為了促進理解，在可能的情況下，已使用完全相同元件符號啦指定諸圖所共有的完全相同的元件。構想了在一個實施例中公開的元件可以有益地用于其他實施例，而無需提別陳述。
具體實施方式
在下文參照等離子體腔室來說明性地描述本公開的實施例，但是本文描述的實施例也可用于其他腔室類型和多種工藝中。在一個實施例中，等離子體腔室用于等離子體增強化學氣相沉積(pecvd)系統中。可經調適以受益于本公開的pecvd系統的示例包括
圖1是等離子系統100的局部剖視圖。等離子系統100一般包含處理腔室主體102，所述處理腔室主體102具有側壁112、底壁116和共享的內側壁101，所述側壁112、底壁116和共享的內側壁101界定一對處理區域120a和120b。處理區域120a、120b中的每一者類似地經配置，并且為了簡潔起見，將僅描述處理區域120b中的部件。
基座128通過通路122而設置在處理區域120b中，所述通路122在系統100中的底壁116中形成。基座128提供加熱器，所述加熱器適應于在所述加熱器的上表面上支撐基板(未示出)。基座128可包括加熱元件(例如，電阻式加熱元件)以加熱基板并將基板溫度控制在所需的工藝溫度處。或者，可由遠程加熱元件(諸如，燈組件)加熱基座128。
基座128通過凸緣133而耦接到芯柱126。芯柱126將基座128耦接到電源插座或者電力箱103。電力箱103可包括驅動系統，所述驅動系統控制基座128在處理區域120b內的上升和運動。芯柱126還包含電功率接口以將功率提供給基座128。電力箱103還包括用于電功率和溫度指示器的接口，諸如，熱電偶接口。芯柱126還包括一個或多個冷卻劑通道151。芯柱126還包括底座組件129，所述底座組件129適應于可拆卸地耦接到電力箱103。冷卻劑通道151可延伸到基座128，在芯柱126內終止，或者為延伸到基座128以及在芯柱126內終止的組合。圓周環示出為在電力箱103上方。在一個實施例中，圓周環135是改動為機械止動件或平臺(land)且配置成用于提供底座組件129與電力箱103的上表面之間的機械接口的臺肩。
桿130設置為穿過在處理區域120b的底壁116中形成的通路124，并且用于定位穿過基座128而設置的升降桿161。桿130耦接到與升降桿161接觸的升降板131。基板升降桿161選擇性地將基板與基座隔開以便于用機械手(未示出)來更換基板，所述機械手用于通過基板輸送端口160將基板進和輸送處處理區域120b。
腔室蓋104耦接到腔室主體102的頂部部分。蓋104容納耦接到所述蓋104的一個或多個氣體分配系統108。氣體分配系統108包括進氣通路140，所述進氣通路140通過噴淋頭組件142將反應物和凈化氣體傳遞到處理區域120b中。噴淋頭組件142包括環形底板148，所述環形底板148具有設置在環形底板148與面板146中間的阻擋板144。射頻(rf)源165耦接到噴淋頭組件142。rf源165為噴淋頭組件142供能以促進在噴淋頭組件142的面板146與加熱的基座128之間生成等離子體。在一個實施例中，rf源165可以是高頻射頻(hfrf)功率源，諸如，13.56mhz的rf發生器。在另一個實施例中，rf源165可包括hfrf功率源和低頻射頻(lfrf)功率源，諸如，300khz的rf發生器)。或者，rf源可耦接到處理腔室主體102的其他部分(諸如，基座128)以促進等離子體生成。電介質隔離器158設置在蓋104與噴淋頭組件142之間以防止使rf功率傳導到蓋104。遮蔽環106可設置在基座128的外周上，所述基座128以所需的基座128的高度接合基板。
任選地，冷卻通道147形成在氣體分配系統108的環形底板148中以在操作期間冷卻環形底板148。熱傳導流體(諸如，水、乙二醇、氣體等等)可通過冷卻通道147循環，使得底板148被維持在預定的溫度。
腔室襯墊組件127設置在處理區域120b內，并且非常接近腔室主體102的側壁101、112以防止所述側壁101、112暴露于處理區域120b內的處理環境。襯墊組件127包括耦接到泵送系統164的圓周泵送空腔125，所述泵送系統164配置成用于從處理區域120b排出氣體和副產物并且控制處理區域120b內的壓力。多個排出端口132可形成在腔室襯墊組件127上。排出端口132配置成用于以促進系統100內的處理的方式來允許氣體從處理區域120b到圓周泵送空腔125的流動。
本公開的實施例提供用于設計溫度受控的區域陶瓷加熱器(即，如本文所描述的基座128)并且控制其以在rf等離子體環境中實現最終的溫度均勻性和實時的溫度調諧能力的方法和裝置。在下文更詳細地描述的冷卻劑通道151的配置允許對基座128的溫度控制。基座128不限于用于cvd/pecvd處理腔室中，并且可用于pvd和蝕刻半導體處理腔室中。
具有有限的冷卻能力的常規加熱器無法在高rf功率條件的情況下來控制加熱器溫度。當將加熱器溫度控制在約260攝氏度和更高的溫度時，來自常規的加熱器的熱損耗不足以補償由rf等離子體提供的熱量。同時，在常規的雙區式加熱器中，僅一個熱電偶被封圍在陶瓷加熱器的中心。通過測量外區加熱元件來計算外區加熱器的溫度。將所需的特定功率提供給加熱器以獲得加熱元件電阻，并且隨后實現適當的溫度分辨率。此功率將升高加熱器的溫度，但是在等離子體處理期間，要求加熱器保持為是冷卻的。此外，在加熱器中充當接地板或者板電極的rf網格的配置影響對基板的rf耦合。在常規加熱器中，尤其是在所述網格中升降桿孔所位于的區域中，rf耦合是受限的。
圖2是基座200的一個實施例的示意性剖視圖，所述基座200可用作圖1的等離子系統100中的基座128。基座200包括耦接到芯柱126的加熱器主體205。加熱器主體205包括嵌入在加熱器主體205內部的加熱元件210。加熱器主體205可包含陶瓷材料，諸如，氮化鋁材料或者其他陶瓷材料。在此實施例中的芯柱126是兩段式組件，并且包括耦接到凸緣133的第一軸215以及耦接到所述第一軸215的第二軸220。第一軸215和第二軸220可由用使熱傳導離開加熱器主體205的不同材料制成。例如，第一軸215可由具有第一熱傳導性質的材料制成，所述第一熱傳導性質與第二軸220的材料的第二熱傳導性質不同。第一軸215可由氮化鋁制成，而第二軸可由鋁制成。第一軸215可擴散接合到加熱器主體205，例如，擴散接合到凸緣133。
在圖1的等離子系統100中執行的一些等離子體工藝中，在等離子體處理期間基座200的溫度為約260攝氏度。在圖1的處理區域120a和120b中的工藝期間，可通過提供到嵌入在加熱器主體205內部的加熱元件210的功率以及從等離子體獲取的熱量的組合來加熱基座200。在許多情況下，加熱器主體205的溫度無法維持，并且可升高到大于約260攝氏度的溫度。
如圖2中所示，使冷卻劑230(諸如，混有水的乙二醇、
圖3a是基座300的另一實施例的示意性剖視圖，所述基座300可用作圖1的等離子系統100中的基座128。基座300可以是圖2中示出的基座200的替代或附加的方面。根據此實施例，第一軸215的設計可適應于增強熱傳導。例如，與圖2中的第一軸215相比，第一軸215的壁305的厚度t可從約0.1英寸一直增加到約0.4英寸。增大壁305的厚度t可用于增大從加熱器主體205到第二軸220的熱通量。替代地或者附加地，第一軸215與第二軸220耦接處的接口310可配置成具有增大的表面積(例如，增大的厚度和/或橫截面)以進一步增加芯柱126的熱傳導。第一軸215與凸緣133耦接處的接口315也可配置成具有增大的表面積(例如，增大的厚度和/或橫截面)以使得使熱離開加熱器主體205的傳導最大化。增大的表面積可包括增大第一軸215和第二軸220兩者的橫截面面積，并且還可簡化軸設計并改善接口310和/或315處的機械連接。在第二軸220中還示出冷卻劑通道(諸如，導管235)。導管235可與熱交換器流體地連通。熱交換器可經冷凍以改善來自流體的熱去除，所述流體在導管235中流動。
圖3b到圖3d是第一軸215的替代實施例的剖視圖，其中可單獨地改變壁305的高度h，或者可將壁305的高度h和厚度t一起改變。第一軸215的高度h的改變可用于增大從加熱器主體205到第二軸220的熱通量。附加地或者替代地，可改變接口315的形狀以增加熱傳導和/或增大從加熱器主體205到第二軸220的熱通量。
圖4a是基座400的另一實施例的示意性剖視圖，所述基座400可用作圖1的等離子系統100中的基座128。在此實施例中，基座400包括將液體或者氣體用作冷卻劑230的主動式冷卻劑進料裝置。在圖4a-4c中描述和示出的基座400的特征為閉環主動式水冷或者氣體進料裝置，所述閉環主動式水冷或者氣體進料裝置從加熱器主體205和/或基板(未示出)上去除熱。通過使冷卻劑230直接流入加熱器主體205的下部部分402，可顯著地改善基座400的冷卻。一個或多個流動通道420可形成在第一軸215和第二軸220的側壁中，并流動到冷卻劑通道425，所述冷卻劑通道425可以是在圖1中示出并描述的形成在加熱器主體205中的冷卻劑通道151中的一個。在一些實施例中，加熱器主體205可包括接合在一起的第一板405和第二板410。冷卻劑通道425可形成在第一板405和第二板410中的一者或兩者中。可通過擴散接合來結合板405、410。基座400的凸緣133還可包括臺肩415，在所述凸緣133處第一軸215耦接到加熱器主體205。臺肩415包括尺度430(例如，直徑)，所述尺度430大于第一軸215的尺度435(例如，直徑)。臺肩415可用于增強離開加熱器主體205的熱的傳導，這可減少加熱器主體205中的冷點。
圖4b是在圖4a中示出的基座400的局部側面剖視圖，圖4b示出嵌入在加熱器主體205中冷卻劑通道的替代位置。根據此實施例的冷卻劑通道425定位在第一板405和第二板410的接口440處。
圖4c是嵌入加熱器主體205中的冷卻劑通道425的一個實施例的平面圖。冷卻劑通道425包括基本上圓形的流體路徑，所述流體路徑具有進口445和出口450。第一軸215的側壁455(在圖4a中示出)以虛線示出為接近冷卻劑通道425的中心。進口445和出口450基本上與側壁455對準以形成一個或多個流動通道420(示出在圖4a中)。
圖5是基座500的另一實施例的示意性剖視圖，所述基座500可用作圖1的等離子系統100中的基座128。在此實施例中，基座500包括背側冷卻和夾持能力。基座500包括與冷卻劑230連通的內氣體通道520和外氣體通道525的一者或兩者。內氣體通道520和外氣體通道525可包含在圖1中示出并描述的冷卻劑通道151。可以包括其他氣體通道。內氣體通道520可用于將冷卻氣體提供給加熱器主體205的中央區域以冷卻基板501。外氣體通道525可用于將冷卻氣體提供給加熱器主體205的邊緣以冷卻基板501的邊緣。包含冷卻劑230的冷卻氣體可以是氦氣、氬氣或者氮氣、或者它們的組合、以及其他氣體。內氣體通道520和外氣體通道525可形成在第一軸215和第二軸220的側壁中，并且各自可形成閉環流體管線。內氣體通道520和外氣體通道525可形成為允許氣體圍繞基板501的邊緣而泄漏到真空腔室(例如，圖1的處理區域120a和120b)中。一個或多個通道505可形成在加熱器主體205的第一板405和第二板410中的一者或兩者之中或之上。基座500在處理期間提供對基板501的高度靈活的溫度可調諧性，以便使用單單個或者雙個氣體進料裝置來主動式地控制基板溫度。由內氣體通道520和外氣體通道525提供的雙區式背側氣體配置提供了用于基板501的中心到邊緣的溫度可調諧性的高效節點。
基座500還可包括rf網格510，所述rf網510用作夾持電極。在第一板405中形成的小孔可用于允許氣體泄漏到加熱器主體205的頂表面515。靜電夾盤還允許氣體在基板501與頂表面515之間通過并且圍繞基板501的邊緣泄漏。
圖6是基座600的另一實施例的示意性剖視圖，所述基座600可用作圖1的等離子系統100中的基座128。在此實施例中，與常規的升降桿相比，升降桿161(僅示出一個)具有設有最小直徑d的軸602。升降桿161的軸602的最小化的直徑提供了加熱器主體205中的較小的(較小直徑的)升降桿導件605。升降桿導件605的最小化化的尺寸提供了在rf網格510中形成的開口610，所述開口610小于常規基座的rf網格中的開口。最小化的開口610提供增強的rf耦合，在升降桿的區域內尤其如此。在一個實施例中，直徑d小于約0.01英寸。
圖7是基座700的部分的一個實施例的示意性剖視圖，所述基座700可用作圖1的等離子系統100中的基座128。基座700包括第二軸220中耦接到底座組件129的部分。底座組件129包括管狀配合構件705，所述管狀配合構件705具有開口710，所述開口710容置第二軸220中配置為插入件715的至少部分。管狀配合構件705可以是至少部分地包裹第二軸220的套筒。在一些實施例中，管狀配合構件705完全包裹第二軸220的外周表面。管狀配合構件705可由鋁制成。
在一個實施例中，插入件715可由鋁制成。第二軸220尺寸設定為略小于開口710以提供插入件715與管狀配合構件705之間的接觸。根據此實施例，第二軸220的冷卻劑入口與冷卻基座(例如，底座組件129)的表面接觸。o形環720可用于在底座組件129與第二軸220之間提供密封。流體進料裝置的連接器725位于底座組件129的側面處，這為其他特征(如端口和過濾器(未示出))預留了空間。插入件715還可包括流體通道730，流體通道730可以是在圖1中示出并描述的冷卻劑通道151中的一個。
圖8a和8b是可用于圖1的等離子系統中的基座的部分的另一實施例的示意性剖視圖。第二軸220在所述第二軸220的側壁附近具有與冷卻基座805的表面接觸。另外，基座800包括插入件715，所述插入件715包括形成在所述插入件715中的流體通道815。在一些實施例中，與圖7的實施例類似，管狀配合構件705包括形成在所述管狀構件705的側壁中的流體通道730。流體通道815和流體通道730可以是圖1中示出并描述的冷卻劑通道151。流體通道730和流體通道815兩者都可以是閉環流體路徑(例如，耦接到分開的冷卻劑源(未示出))。或者，流體通道730和流體通道815兩者都可耦接到共同的共同的冷卻劑源(未示出)。
圖8b是圖8a的基座800的替代實施例。在此實施例中，在插入件715中形成的流體通道815流體地耦接到在插入件715中形成的、鄰近底座組件129的流體通道820。
本文描述的基座的實施例提供多區式加熱器，所述多區式加熱器提供更高效的加熱控制以及更寬范圍的溫度可調諧性。還可增強低溫維持，這增加了基座對低溫成膜工藝的適用性。
雖然上述內容針對本公開的實施例，但是可設計本公開的其他和進一步的實施例而不背離本公開的基本范圍，并且本公開的范圍由所附權利要求書來確定。
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