温控热边缘环组合件的制作方法

专利名称：温控热边缘环组合件的制作方法
温控热边缘环组合件
背景技术：
等离子体处理仪器用于通过包括蚀刻、物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积 (CVD)、离子注入以及抗蚀去除(resist removal)的技术处理基底。一类用于等离子体处 理的等离子体处理仪器包括含有顶电极和底电极的反应室。电极之间建立电场以将处理气 体激发成等离子体状态，从而处理反应室中的基底。

发明内容
根据一项实施方式，适用于环绕等离子体反应室中受到支撑的半导体基底的温控 热边缘环组合件包括具有环绕基底支撑面的环形支撑面的基底支撑件。射频(RF)联接环 叠置于环形支撑面之上。环形支撑面和RF联接环之间具有下垫片。该下垫片可导热、导电。 热边缘环叠置于RF联接环之上。该基底支撑件适用于支撑基底使得基底的外边缘悬于热 边缘环之上。该热边缘环和该RF联接环之间具有上层导热介质。根据另一实施方式，适用于环绕等离子体反应室中受到支撑的半导体基底的温控 热边缘环组合件包括具有环绕基底支撑面的环形支撑面的基底支撑件。射频(RF)联接环 被机械地夹至该环形支撑面，该环形支撑面与该RF联接环之间具有隔热介质。热边缘环被 机械地夹至该RF联接环，该热边缘环和该RF联接环之间具有导热介质。根据另一实施方式，适用于环绕等离子体反应室中受到支撑的半导体基底的温控 热边缘环组合件包括具有环绕基底支撑面的环形支撑面的基底支撑件。射频(RF)联接环 被机械地夹至该环形支撑面，该环形支撑面和该RF联接环之间具有下层导热介质。热边缘 环被机械地夹至该RF联接环，该热边缘环和该RF联接环之间具有上层导热介质。该基底 支撑件适用于支撑基底使得基底的外边缘悬于热边缘环之上。


图1A-1B示出淋浴头状电极组合件的实施方式的一部分以及等离子体处理仪器 中基底支撑件，包括热边缘环组合件。图2A-2B示出具有热边缘环、RF联接环以及含环形支撑件的基底支撑件的热边缘 环组合件的实施方式，包括下层导热介质和上层导热介质。图3A-3C示出具有热边缘环、RF联接环以及基底支撑件的热边缘环组合件的另一 实施方式，包括作为导热介质的加压传热气体。图4A-4C示出具有热边缘环、含加热元件的RF联接环以及基底支撑件的热边缘环 组合件的另一实施方式，包括作为导热介质的加压传热气体。图5示出使用不同下层导热介质和上层导热介质的多个等离子体处理循环过程 中热边缘环的温度曲线。图6A-6B示出氦传热气体的静压变化所得到的热边缘环的温度曲线。图7A-7B示出环形通道中氦传热气体的静压变化所得到的热边缘环的温度曲线。图8示出0-环对热边缘环的温度曲线的影响。图9A-9C示出使用具有不同下层导热介质和上层导热介质的热边缘环组合件进 行光刻胶的蚀刻率均勻性。
具体实施例方式集成电路设备的制造包括能够蚀刻由光刻胶开口限定的选定层的等离子体蚀刻 室的使用。当射频(RF)电源应用于处理室中一个或多个电极时，配置该处理室来接收处理气体(即蚀刻化学物质)。对特定工艺而言，该处理室内部压强也受到控制。应用所需RF 电源到电极后，室内处理气体被激活从而产生了等离子体。所生成的等离子体用于晶片等 半导体基底选定层的所需的蚀刻。然而，与晶片的等离子体处理相关的挑战之一，包括等离 子体不均勻性(即一定时间内处理性能的变化)导致的工艺漂移。为了控制晶片等半导体基底的蚀刻速率均勻性，特别是为了使晶片中央和边缘的 蚀刻速率一致，考虑到晶片边缘的化学暴露、处理压力以及RF场强，晶片边界条件优先设 计为保证整个晶片的连续性。众所周知，RF偏压可通过静电夹紧电极之下的供电电极施加 到进行等离子体处理的晶片上。然而，由于来自供电电极通过静电夹紧电极和晶片到达等 离子体的RF阻抗路径和来自外部供电电极到达等离子体的RF阻抗路径不同，晶片边缘发 生的不均勻等离子体密度会导致晶片处理的不均勻。为了尽量减小这种不均勻性，围绕晶片安装实施了热边缘环和RF联接环。通过提 供与进行等离子体处理的晶片的中央和边缘类似的RF阻抗路径可实现改善的等离子体均 勻性。通过选择RF联接环材料可控制RF阻抗路径。该叠置的热边缘环是保护RF联接环 免受等离子体侵蚀的易耗部件。可选择边缘环的材料来在晶片中央和边缘提供更均勻的RF阻抗路径，从而为整 个晶片提供更均勻的等离子体密度。然而，当暴露于RF等离子体等热源时，该边缘环无法 充分冷却，导致其温度稳定上升。紧密连续处理多个晶片时，这种温度上升可导致晶片边缘 蚀刻速率的工艺漂移(即工艺不均勻性)。等离子体处理过程中，不能控制热边缘环和RF 联接环的温度会带来一些问题，导致末端晶片边缘(例如，直径300毫米的硅晶片的外部 5-7毫米)的蚀刻率下降、聚合物沉积或“第一晶片效应”。第一晶片效应是指第一处理晶片的加热间接导致的后续晶片的二级加热。具体来 说，该第一晶片的处理完成后，受热处理晶片和处理室侧壁对上部电极辐射热量。然后，该 上部电极为在该室内处理的后续晶片间接提供二级加热机制。由于在高纵横比接触孔的蚀 刻过程中晶片温度变化可影响临界尺寸(CD)，结果，该系统处理的第一晶片可表现出比该 系统处理的后续晶片更大的所需CD变化。因为室内温度的稳定性，后续处理晶片可具有与 第一处理晶片不同和/或较小的CD变化。因此，由于多个晶片处理过程中的边缘环温度的 稳定上升可导致工艺漂移，就需要能够在处理下个晶片之前改善边缘环冷却或温度控制并 从而降低蚀刻速率漂移的热边缘环组合件。图IA示出用于处理硅晶片等半导体基底的等离子体处理仪器的淋浴头状电极组 合件10的示例性实施方式。该淋浴头状电极组合件10包括含有顶电极12的淋浴头状电 极、固定于顶电极12的支撑元件14以及热控板16。包括底电极和静电夹紧电极(例如，静 电卡盘)的基底支撑件18(图1中仅显示了其一部分)位于等离子体处理仪器的真空处理 室中顶电极12之下。受等离子体处理的基底20静电地夹至基底支撑件18的基底支撑面 22上。在所示实施方式中，淋浴头状电极的顶电极12包括内电极元件24，以及可选的外 电极元件沈。该内电极元件M优先为圆柱板(例如，硅组成的板)。如果该板由硅制成， 该内电极对的直径可小于、等于或大于待处理的晶片，例如，达12英寸(300毫米)或更大。 在优选的实施方式中，淋浴头状电极组合件10足够大来处理大型基底，例如直径为300毫 米或更大的半导体晶片。然而，该淋浴头状电极组合件可按一定尺寸制作来处理其他晶片尺寸或具有非圆形结构的基底。在所示实施方式中，该内电极元件M宽于基底20。为了处理300毫米的晶片，提 供外电极元件26以扩大顶电极12的直径，从约15英寸到约17英寸。该外电极元件沈可 为连续元件(例如，连续多晶硅环)，或分段元件(例如，包括排列在环形结构中的2-6独立 分段，如硅组成的分段)。在包括多段外电极26的顶电极12的实施方式中，优选该分段具 有边缘以相互重叠来保护底部粘合材料免暴露于等离子体。该内电极元件M优选包括延伸通过多气体通道30并与之相对应的多气体通道 28,该多气体通道30在支撑元件14中形成，用于注射处理气体到顶电极12和基底支撑件 18之间的空间。支撑元件14包括分送处理气体到分别在内电极元件M和支撑元件14中 的气体通道28和30的多个箱体32。内电极元件M和外电极元件沈优选硅作为等离子体暴露面的材料。高纯度单晶 硅降低了等离子体处理过程中基底的污染并且在等离子体处理时平滑损耗，从而尽量减少 了颗粒。例如，可用于顶电极12的等离子体暴露面的供选材料包括SiC或AIN。在所示实施方式中，支撑元件包括支撑板34和围绕支撑板34的外周延伸的支撑 环36。在该实施方式中，内电极元件M与支撑板34 —起延伸，外电极元件沈与环绕的支 撑环36 —起延伸。然而，支撑板34可在内电极元件M之下延伸使得单一支撑板可以用于 支撑内电极元件M和外电极元件26。优选通过粘合材料和/或机械紧固件固定内电极元 件M和外电极元件沈到支撑元件14。该支撑板30和支撑环36优选由与用于等离子体处理室内处理半导体基底的处理 气体化学兼容的材料制成，并且能够导热、导电。可用于制造支撑元件14的示例性适合材 料包括铝、铝合金、石墨以及SiC。该顶电极12可通过适合导热、导电的弹性粘合材料固定于支撑板34和支撑环36， 该粘合材料可容纳热应力，并在顶电极12、支撑板34和支撑环36间导热、导电。例如，在共 有美国专利号6，073，577中描述了用于粘合电极组合件表面的弹性体的使用，全文引入本 文作为参考在处理300毫米晶片等大型基底的电容耦合RF等离子体室中，在地电极之外还使 用二次接地。例如，基底支撑件18可包括供应一个或多个频率的RF能量的底电极，处理气 体通过作为接地的上电极的淋浴头状电极12供应到室内部。位于基底支撑件18中的底电 极的外表面的二次接地可包括接地部分，该接地部分常在含待处理基底20的平面内延伸 但被热边缘环38隔开。热边缘环18可为导电或半导电材料，在等离子体产生过程中受热。图IB是图IA中的围绕热边缘环38的A区域的放大图。为控制基底20上的蚀刻 速率均勻性和使基底中央和基底边缘蚀刻速率一致，考虑到基底边缘的化学暴露、处理压 力以及RF场强，基底边界条件优先设计为保证整个基底的连续性。为了尽量减小基底污 染，该热边缘环38由与基底自身兼容的材料制成。在实施例中，热边缘环材料可包括硅、石 墨、碳化硅或类似材料。在另一实施例中，热边缘环材料可包括石英。热边缘环38叠置于RF联接环40之上，该联接环40位于基底支撑件18外周上环 绕基底支撑面22的环形支撑面42上。基底支撑件适用于支撑基底20，使得该基底的外边 缘悬于热边缘环38之上。基底支撑件18可通过在位于基底支撑件内部的冷却通道中循 环的冷冻液有效冷却(图IA未示出)。选择RF联接环的材料来使基底20边缘的RF场强逐渐变弱以提高蚀刻速率均勻性。例如，RF联接环40由有陶瓷(例如，石英、氧化铝、氮化 铝)或导电材料(例如，铝、硅、碳化硅)制成。环绕热边缘环38的热边缘环盖44由电介 质材料组成。热边缘环盖44叠置于聚焦环46之上，限制等离子体在基底20上的区域中， 可由石英组成。热边缘环盖44叠置于聚焦环46之上，限制等离子体在基底20上的区域中，可由 石英组成。接地环盖48进一步环绕热边缘环盖44。热边缘环盖44保护接地延伸部免受等 离子体侵袭。例如，热边缘环盖44和接地环盖48可由石英或氧化钇组成。接地延伸部49 可由铝组成。在基底20的等离子体处理过程中，热边缘环38、RF联接环40以及基底支撑件18 暴露于真空环境(即小于50毫托)。结果，真空形成于热边缘环38和RF联接环40间的界 面B和RF联接环40和基底支撑件18间的界面C处。随着该热边缘环38暴露于RF电源 过程中其温度上升，因为对应界面存在真空，通过热传导从热边缘环38到RF联接环40和 基底支撑件18的热传递极小。因此，有必要控制在基底20等离子体处理过程中热边缘环 38的温度。图2A示出温控热边缘环组合件200的一项实施方式。基底支撑件218包括在基 底支撑件218外周上环绕基底支撑面222的环状支撑面M2。RF联接环240叠置于环形支 撑面242之上，在环形支撑面242和RF联接环240之间具有下层导热介质250。热边缘环 238叠置于RF联接环240之上，在热边缘环238和RF联接环240之间具有上层导热介质 260。基底支撑件218适用于支撑基底220，使得基底220的外边缘悬于热边缘环238之上。在一项实施方式中，下层导热介质250包括下垫片252，上层导热介质260包括上 垫片沈2。下垫片252和上垫片262是可导热、导电的垫片。在优选实施方式中，下垫片 252和上垫片262是由金属或聚合材料的层合片；有机硅片(例如，λ GELR C0H-4000,由 日本东京GELTECH获得)；铝(或铝合金)和填充硅橡胶(例如，QPAD II，由明尼苏达州 Chanhassen伯奎斯特公司(The Bergquist Company)生产)的层合片；或者聚酰亚胺材料 (例如，KAPTON 聚酰亚胺薄膜，由杜邦生产)组成。下垫片252和上垫片沈2的其他示例性材料可包括填充氮化硼的硅(例如， CHO-THERM I67I，由 CH0MERICS 生产)、石墨材料(例如，eGRAF 7O5,由 GRAFTECH 生产)、 铟箔或相变材料(PCM)(例如，T-pcm HP105,由THERMAG0N生产)等热填充材料。图2B示出温控热边缘环组合件200的一项实施方式，其中热边缘环238被机械地 夹至RF联接环MO ；RF联接环240被机械地夹至环形支撑面242。通过下层螺栓270 (例如， 2-12个圆周隔开螺栓)，RF联接环240可被栓至环形支撑面M2。通过包括径向延伸凸缘 272A的夹紧环272，热边缘环238被机械地夹至RF联接环MO。热边缘环238包括外周凹缘 238A。配置径向延伸凸缘272A来与外周凹缘紧密吻合从而将热边缘环238固定于RF联接 环272。通过上层螺栓2740(例如，2-12个圆周隔开螺栓)，夹紧环272被栓至RF联接环。 为防止夹紧时对夹紧圈272和热边缘环238造成损坏，在夹紧环272和热边缘环238之间可 放置聚酰亚胺环276 (例如，KAPTON 聚酰亚胺薄膜)。扭矩为约lft. -Ib.至约10ft. -Ib. 时，热边缘环238可被夹至RF联接环M0。同样扭矩为约lft. -Ib.至约10ft. -Ib.时，RF 联接环240可被夹至环形支撑面M2。图3A示出温控热边缘环组合件300的另一实施方式，其中加压传热气体用于上层导热介质360。基底支撑件318包括在基底支撑件318外周上环绕基底支撑面322的环状 支撑面342。RF联接环340叠置于环形支撑面342之上，下垫片352作为下层导热介质350 位于在环形支撑面342和RF联接环340之间。热边缘环338叠置于RF联接环340之上， 在热边缘环338和RF联接环340之间具有上层导热介质360。上层导热介质360包括同心排列的上层内0-环363A和上层外0_环36!3B。热边 缘环338、RF联接环340、上层内0-环363A和上层外0-环36!3B限定了上层容积366。上 层容积366适用于容纳包括氦气、氖气、氩气或氮气的加压传热气体的容积。在一项实施方 式中，上层容积366中氦气的静压可高达30托。在优选的实施方式中，0-环由耐热氟橡胶 (例如，VIT0N 氟橡胶，由杜邦生产)组成。如图;3B所示，上层内0-环363A和上层外O-环36!3B可安装于热边缘环338和RF 联接环340形成的凹槽365中。在另一实施方式中，如图3C所示，上层内0-环363A、上层 外0-环36 、凹槽365以及环形通道364同心排列，使得上层内0-环363A和上层外0-环 363B环绕环形通道364。环形通道364使热边缘环338的传热气体暴露面338A和RF联接 环340的传热气体暴露面340A的接触面最小化，通过调整上层容积366中传热气体的压强 (例如，升至30托)以提供更精确的导热率控制。在一项实施方式中，环形通道364的高度 可为约1密耳到约5密耳。尽管图3A实施方式示出下层导热介质350为下垫片352 ；以及上层导热介质360 为热边缘环338、RF联接环340、上层内0-环363A和上层外0-环36 限定的上层容积 366，应理解，下层导热介质350还可为加压传热气体的下层容积(例如，由下层内0-环、下 层外0-环、环形支撑面342和RF联接环340限定)。同样，上层导热介质360可为上垫片。图3A还示出控制器380、温度传感器382、传热气体源384以及真空泵386。温度 传感器382适用于测量等离子体处理过程中热边缘环338的温度，并向控制器380提供输 入信号。传热气体源384和真空泵386与上层容积366流体连通。气体源384可用于响应 控制器380来增加上层容积366中的静压。同样，真空泵可用于响应控制器380来抽空容 积 366。通过温控热边缘环组合件300在等离子体处理室中等离子体处理基底320过程 中，基底320由基底支撑面322支撑。将处理气体引入处理室，处理气体被激发成等离子体 状态。测量热边缘环338的温度。如果热边缘环338的温度低于目标温度，降低上层容积 366中传热气体的压强。上层容积366中传热气体压强的这种降低限制了从热边缘环338 到RF联接环340 (即热阻气门)的热传递，使得暴露于RF等离子体的热边缘环338温度上 升。如果热边缘环338的温度高于目标温度，升高上层容积366中传热气体的压强。上层 容积366中传热气体压强的这种升高促进从热边缘环338到RF联接环340的热传递到温 控基底支撑件318。基底320的等离子体加工过程中，可持续监测热边缘环338的温度，相 应调整上层容积366中传热气体压强以维持热边缘环338处于理想的目标温度。基底320 的等离子体处理可包括半导体材料、金属或半导体材料的等离子体蚀刻或；导电或电介质 材料的沉积。图4A示出包括RF联接环440内嵌有加热元件490的工作温控热边缘环组合件 400。基底支撑件418包括在基底支撑件418外周上环绕基底支撑面422的环状支撑面442。 RF联接环440叠置于环形支撑面442之上，在环形支撑面442和RF联接环440之间具有下层导热介质450。热边缘环438叠置于RF联接环440之上，在热边缘环438和RF联接环 240之间具有上层导热介质460。下层导热介质450包括同心排列的下层内0-环463C和下层外0_环463D。环形 支撑面442、RF联接环440、下层内0-环463C和下层外0-环463D限定了下层容积468。 下层容积468适用于容纳包括氦气、氖气、氩气或氮气的加压传热气体的容积。如图4B所示，下层内0-环463C和下层外O-环463D可安装于RF联接环440形 成的凹槽465中。在另一实施方式中，如图4C所示，下层内0-环463C、下层外0-环463D、 凹槽465以及环形通道464同心排列，使得下层内0-环463C和下层外0-环463D环绕环 形通道464。环形通道464使环形支撑面442的传热气体暴露面442A和RF联接环440的 传热气体暴露面440A的接触面最小化，通过调整下层容积468中传热气体的压强(例如， 升至30托)以提供更精确的导热率控制。在一项实施方式中，环形通道464的高度可为约 1密耳到约5密耳。图4A还示出控制器480、温度传感器482、传热气体源484、真空泵486以及供电电 源488。温度传感器482适用于测量等离子体处理过程中热边缘环438的温度，并向控制器 480提供输入信号。传热气体源484和真空泵486与上层容积466流体连通。，气体源484 可用于响应控制器480来增加上层容积466中的静压。同样，真空泵可用于响应控制器480 来抽空容积466。供电电源488与加热元件490相连，并响应控制器480为加热元件490供 H1^ ο通过工作温控热边缘环组合件400在等离子体处理室中等离子体处理基底420过 程中，基底420由基底支撑面422支撑。将处理气体引入处理室，处理气体被激发成等离子 体状态。测量热边缘环438的温度。如果热边缘环438的温度低于目标温度，通过由供电电源488向加热元件490供 电来加热RF联接环440。在一项实施方式中，该目标温度为约40°C到约200°C。RF联接环 440和热边缘环438之间的上垫片462促进从RF联接环440到热边缘环438的热传递。供 电电源488向加热元件490供电时，下层容积468中传热气体的压强降低。下层容积468中 传热气体压强的这种降低限制了从加热元件490到温控基底支撑件418(即热阻风门)的 热传递。如果热边缘环438的温度高于目标温度，供电电源488终止供电(如果加热元件 490处于工作状态)，下层容积468中传热气体的压强升高。下层容积468中传热气体压强 的这种升高促进从热边缘环438到RF联接环440的热传递到温控基底支撑件418。基底320的等离子体加工过程中，可持续监测热边缘环438的温度，相应调整下层 容积468中传热气体压强和加热元件490的电源，维持热边缘环338处于理想的目标温度。实施例1进行一系列测试来确定图2A实施方式中等离子体处理过程中下层导热介质250 和上层导热介质260在热边缘环238散热中的效果。测试在朗姆研究公司(Lam Research Corporation，位于加利福尼亚，弗里蒙特) 生产的EXELAN FLEX 蚀刻系统中进行。每次测试中，等离子体处理四片300毫米硅片约1 分钟。向蚀刻室内引入压强为45毫托的25SCCM 02/35 SCCM C4F8/500SCCM Ar的气体混合 物。应用双频电源于底电极，频率为2兆赫的1000瓦和频率为27兆赫的1000瓦(总共2千瓦)。在等离子体处理过程中通过光纤温度传感器探针测量热边缘环238的温度。以约 21b至约61b的扭矩将热边缘环238和RF联接环240机械地夹紧。下层导热介质250和上 层导热介质260的材料包括AGELR C0H-4000垫片、QPAD II垫片以及KAPTON 垫片。图5示出总功率2千瓦时四个等离子体处理循环的热边缘环的温度-时间曲线。 图5中测量了八种导热介质(A)扭矩为21b的Q-PAD 下垫片；ΚΑΡΤ0Ν 上垫片；(B)扭矩 为41b的Q-PAD 下垫片；ΚΑΡΤ0Ν 上垫片；(C)扭矩为61b的Q-PAD 下垫片；ΚΑΡΤ0Ν 上 垫片；(D)扭矩为21b的Q-PAD 下垫片和上垫片；(E)扭矩为41b的Q-PAD 下垫片和上垫 片；(F)扭矩为61b的Q-PAD 下垫片和上垫片；(G) λ GELR 上垫片；无下层导热介质；以及 (H)无上下层导热介质。对于图5中的每条温度曲线(A)-(H)，每个局部温度最小值代表下一个等离子体 处理循环的开始。如温度曲线(H)所示(无上下层导热介质)，每个局部最小值的温度(如 图5中箭头所示)随着每个重复等离子体处理循环逐步增加。然而，对于温度曲线(A)-(G)， 每个局部温度最小值以较慢速率增加或保持不变。图5示出下层导热介质250和上层导热 介质260对热边缘环238散热和降低第一晶片效应的效果更佳。较高RF功率(例如，3千 瓦和4. 5千瓦)下的测试显示出相似趋势。实施例2进行一系列测试来确定图:3B实施方式中等离子体处理过程中上层容积366中加 压氦起在热边缘环238散热中的效果。测试在朗姆研究公司(位于加利福尼亚，弗里蒙特)生产的EXELAN FLEX 蚀刻 系统中进行。每次测试中，等离子体处理四片300毫米硅片约1分钟。接着等离子体处理 第五片硅片约6分钟。向蚀刻室内引入压强为45毫托的25SCCM 02/35 SCCMC4F8/500SCCM Ar的气体混合物。应用双频电源于底电极，其中总RF功率变化从约1千瓦到约4. 5千瓦； 氦气总压强从约0托变化到约30托。通过光纤温度传感器探针测量热边缘环338的温度。 分别以约41b和约IOlb的扭矩将热边缘环338和RF联接环340机械地夹紧。下层导热介 质350材料为QPAD II垫片。图6A示出热边缘环338的温度-总RF曲线㈧氦气静压约为0托；以及⑶氦 气静压约为30托。等离子体处理第五片硅片约6分钟后，测量热边缘环338的温度。如图 6A所示，RF功率为4. 5千瓦时，30托的加压氦气可将热边缘环338的温度降低20°C。图6B示出了随着氦气静压以5托的增量从0托增至30托时，热边缘环338的温度 响应。应用4. 5千瓦的RF功率时，最初上层容积366中氦气静压约为0托。热边缘环338 的温度超过93°C后，氦气静压升至5托作用1分钟，导致热边缘环温度降至约85°C。当该 静压升至10托作用1分钟后，温度降至约85°C。当该静压升至15托作用1分钟后，温度降 至约79°C。当该静压升至20托作用1分钟后，温度降至约73°C。当该静压升至25托作用 1分钟后，温度降至约72°C。当该静压升至30托作用1分钟后，温度降至约70°C。图6B示出热边缘环338的温度可在1分钟时间范围内调整。此外，大幅降温可在 低静压(例如，0托、5托或10托)实现。另外，图;3B实施方式通过将氦气静压从约0托变 化到约30托变化提供了在RF总功率为4. 5千瓦时调整热边缘环的温度达到约20°C至25°C 的能力。实施例3
进行一系列测试来确定图3C实施方式中等离子体处理过程中环形通道364中作 为上层导热介质360的加压氦气在热边缘环238散热中的效果。该系列测试的试验条件与 以上针对实施例2所述一样。环形通道364的高度为约为2密耳。图7A示出热边缘环338的温度-总RF功率曲线㈧氦气静压约为0托；以及⑶ 氦气静压约为30托。等离子体处理第五片硅片约6分钟后，测量热边缘环338的温度。图 7A还包括图6A实施方式的温度曲线。如图7A所示，RF功率为4. 5千瓦时，环形通道364 有效减少热边缘环338所散的热，从而与图:3B实施方式相比，升高热边缘环338的温度。如图7A和7B所示，图3C实施方式通过将氦气静压从约0托变化到约30托提供 了在总RF功率为4. 5千瓦时调整热边缘环338的温度达到约20°C至25°C的能力。另外， 与图3B实施方式相比，总RF功率为约4. 5千瓦时热边缘环338的温度增加了约20°C达到 约50°C。对于某些蚀刻应用，如果热边缘环338的温度低于约70°C至约90°C，热边缘环338 上可能形成不希望的聚合物沉积。实施例4进行一系列测试来说明等离子体处理过程中上层内0-环363A和上层外0_环 363B在热边缘环238散热中的效率。总RF功率3千瓦时，向蚀刻室内引入压强为45毫托 的25SCCM 02/35SCCM C4F8/500SCCM Ar的气体混合物。在等离子体处理300毫米硅片过程 中测量热边缘环338的温度。维持容积365中氦静压处于0托。内0-环363A和外0-环 363B由VITON 氟橡胶组成。图8示出在RF总功率为3千瓦下等离子体处理过程中热边缘环的温度-时间曲 线。图8中测量了两种条件(A)约0托静压下具内0-环363A和外0-环36 ；以及(B)O 托静压无环。如图8所示，在RF总功率为3千瓦下的等离子体处理约3分钟后，VIT0N 氟 橡胶0-环的作用为降低热边缘环温度约25°C。实施例5进行一系列测试来确定图2A实施方式中等离子体处理过程中下层导热介质250 和上层导热介质260在300毫米硅片直径获得均勻蚀刻速率中的效果。测试在朗姆研究公司(位于加利福尼亚，弗里蒙特)生产的EXELAN FLEX 蚀刻 系统中进行。每次测试中，300毫米硅片被有机光刻胶层毯式涂覆。向蚀刻室内引入压强 为45毫托的25SCCM 02/35 SCCM C4F8/500 SCCM Ar的气体混合物。应用双频电源于底电 极，其中总RF功率变化从1千瓦到3千瓦。以约21b至约51b扭矩将热边缘环238和RF 联接环240机械地夹紧。下层导热介质250和上层导热介质沈0的材料包括SIL-PAD 垫 片、Q-PAD II垫片以及ΚΑΡΤ0Ν 衬垫。完成光刻胶毯层的蚀刻后，测量晶片直径范围内的 蚀刻速率(纳米/分钟)。图9A-9C示出总RF功率分别为约1千瓦、约2千瓦和约3千瓦时的光刻胶蚀刻 率-径向位置曲线。图9A-9C中，测试了五种导热介质(A)扭矩为21b的Q-PAD 下垫片 和上垫片；(B)扭矩为51b的Q-PAD 下垫片和上垫片；(C)扭矩为51b的两个SIL-PAD 下 垫片；ΚΑΡΤ0Ν 上垫片；(D)无下层导热介质；两个ΚΑΡΤ0Ν 上垫片；以及(E)无上下层导热 介质。如图9A-9C所示(箭头所示圈内)，下层导热介质250和/或上层导热介质260 (曲 线A-D)的出现影响了晶片边缘(即径向位置附近士 150毫米处)附近光刻胶的蚀刻速率。图9A-9C中，确定了总RF功率为2千瓦和3千瓦时扭矩为21b和51b的Q-PAD 下垫片和 上垫片产生了最均勻的光刻胶蚀刻率。 尽管已经参考特定实施方式对本发明进行详细描述，对于该领域技术人员显然的 是可进行各种变化和更改，可采用等同物而不背离所附权利要求要求范围。
权利要求
1.适用于环绕等离子体反应室中受到支撑的半导体基底的温控热边缘环组合件，该环 组合件包括具有环绕基底支撑面的环形支撑面的基底支撑件， 叠置于该环形支撑面之上的射频(RF)联接环； 该环形支撑面和该RF联接环之间的下垫片，该下垫片可导热、导电； 叠置于该RF联接环之上的热边缘环，其中该基底支撑件适用于支撑基底使得该基底 的外边缘悬于该热边缘环之上；以及该热边缘环和该RF联接环之间的上层导热介质。
2.根据权利要求1所述的组合件，其中该热传导介质包括内0-环和外0-环，该内0-环和该外0-环同心排列，其中该外0-环、内0-环、该热边 缘环和该RF联接环限定了容积，该容积适用于容纳加压传热气体，其中该加压传热气体包 括氦气、氖气、氩气或氮气。
3.根据权利要求2所述的组合件，其中该内0-环和外0-环环绕RF联接环中形成的环 形通道，该内0-环、该外0-环和该环形通道同心排列。
4.根据权利要求2所述的组合件，进一步包括 控制器；适用于测量等离子体处理过程中该热边缘环的温度并向该控制器提供输入信号的温 度传感器；与该容积相连的传热气体源和真空泵，该气体源可用于响应该控制器来增加该容积中 的气体静压以及该真空泵可用于响应该控制器来抽空该容积。
5.根据权利要求1所述的组合件，其中该导热介质为上垫片，该上垫片可导热、导电。
6.根据权利要求1所述的组合件，其中该上垫片和下垫片由如下组成 有机硅片；金属或聚合材料的层合片； (a)铝或铝合金与(b)填充硅橡胶的层合片； (a)聚酰亚胺材料与(b)填充硅橡胶的层合片； 氟橡胶。
7.根据权利要求1所述的组合件，其中该基底支撑件通过冷冻液可有效冷却。
8.根据权利要求1所述的组合件，其中该RF联接环被机械地夹至该环状支撑面；以及 该热边缘环被机械地夹至该RF联接环。
9.根据权利要求8所述的组合件，其中该RF联接环被栓至环形支撑面；以及进一步包 括具有径向延伸凸缘的夹紧环和具有外周凹缘的热边缘环，该外周凹缘配置来与该凸缘紧 密吻合并将该热边缘环紧扣该RF联接环，该夹紧环被栓至该RF联接环。
10.根据权利要求9所述的组合件，进一步包括在该夹紧环和该热边缘环之间的聚酰 亚胺环。
11.根据权利要求1所述的组合件，其中该RF联接环由氧化铝、硅、碳化硅或氮化铝组 成；该热边缘环由硅、碳化硅或石英组成；该夹紧环由陶瓷材料组成。
12.—种在等离子体处理室中等离子体处理基底过程中控制权利要求4所述的热边缘 环组合件的温度的方法，所述方法包括将基底支撑于基底支撑件上； 将处理气体引入该等离子体处理室； 将该处理气体激发成等离子体状态； 测量该热边缘环的温度；如果该热边缘环的温度低于目标温度，则降低传热气体对该容积的压强；如果该热边 缘环的温度高于该目标温度，升高该传热气体对该容积的压强；以及 通过等离子体处理该基底。
13.根据权利要求12所述的方法，其中通过该等离子体处理该基底包括(a)等离子体 蚀刻半导体材料、金属或电介质材料层；或(b)导电或电介质材料的沉积。
14.包括权利要求1所述的组合件的等离子体处理仪器，其中该等离子体反应室为适 用于蚀刻半导体、金属或电介质材料的等离子体蚀刻器；或者适用于沉积导电或电介质材 料的沉积室。
15.适用于环绕等离子体反应室中受到支撑的半导体基底的温控热边缘环组合件，该 组合件包括具有环绕基底支撑面的环形支撑面的基底支撑件；环形支撑面上的射频(RF)联接环，其中该RF联接环被机械地夹至该环形支撑面； 该环形支撑面和该RF联接环之间的隔热介质‘叠置于该RF联接环之上的热边缘环，其中该热边缘环被机械地夹至该RF联接环；以及 该热边缘环和该RF联接环之间的导热介质。
16.根据权利要求15所述的组合件，其中该隔热介质包括第一内0-环和第一外0-环，该第一内0-环和该第一外0-环同心排列，其中该第一内 0-环、第一外0-环、该RF联接环以及该环形支撑面限定第一容积，该第一容积适用于容纳 减压气体；或者 下垫片。
17.根据权利要求15所述的组合件，其中该导热介质包括第二内0-环和第二外0-环，该第二内0-环和该第二外0-环同心排列，其中该第二内 0-环、第二外0-环、该热边缘环以及该RF联接环限定第二容积，该第二容积适用于容纳加 压传热气体；或者上垫片，该上垫片可导热、导电。
18.根据权利要求17所述的组合件，进一步包括 控制器；适用于测量等离子体处理过程中该热边缘环的温度并向该控制器提供输入信号的温 度传感器；与该第一容积和第二容积相连的传热气体源和真空泵，该气体源可用于响应该控制器 来增加第一容积和第二容积中的气体静压以及该真空泵可用于响应该控制器来抽空该第 一容积和该第二容积；嵌入RF联接环中的加热元件；以及适用于响应所述控制器来向加热元件供电的电源。
19.一种在等离子体处理室中等离子体处理基底过程中控制权利要求15所述的热边缘环组合件的温度的方法，所述方法包括 将基底支撑于基底支撑件上； 将处理气体引入该等离子体处理室； 测量该热边缘环的温度；如果该热边缘环的温度低于目标温度，向加热元件供电以升高该热边缘环的温度；如 果该热边缘环的温度高于高目标温度，则终止向加热元件供电并升高该容积中传热气体的 压强；将该处理气体激发成等离子体状态； 通过等离子体处理该基底。
20.适用于环绕等离子体反应室中受到支撑的半导体基底的温控热边缘环组合件，所 述组合件包括具有环绕基底支撑面的环形支撑面的基底支撑件， 该环形支撑面之上的射频(RF)联接环； 该环形支撑面和该RF联接环之间的下层导热介质，其中 该RF联接环被机械地夹至该环状支撑面；叠置于RF联接环之上的热边缘环，其中该基底支撑件适用于支撑基底使得基底的外 边缘悬于该热边缘环之上；以及该热边缘环和该RF联接环之间的上层导热介质，其中该热边缘环被机械地夹至RF联 接环。
全文摘要
提供了适用于环绕等离子体反应室中受到支撑的半导体基底的温控热边缘环组合件。具有环形支撑面的基底支撑件环绕基底支撑面。射频(RF)联接环叠置于该环形支撑面之上。该环形支撑面和该RF联接环之间具有下垫片。该下垫片可导热、导电。热边缘环叠置于该RF联接环之上。该基底支撑件适用于支撑基底使得该基底的外边缘悬于该热边缘环之上。该热边缘环和该RF联接环之间具有上层导热介质。该热边缘环、该RF联接环以及该环状支撑面可被机械地夹紧。可将加热元件嵌入该RF联接环。
文档编号H01L21/00GK102150243SQ200980131677
公开日2011年8月10日 申请日期2009年8月6日 优先权日2008年8月15日
发明者拉金德尔·德辛德萨 申请人:朗姆研究公司