具有一个或更多个加热器层的衬底处理系统印刷电路控制板组件的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年11月29日提交的美国实用专利申请no.15/825,682的优先权。以上引用的申请的全部公开内容通过引用合并于此。

本公开涉及衬底处理系统，更具体地，涉及衬底处理系统中的静电卡盘，还更具体地，涉及衬底处理系统中的印刷电路板组件，并且更具体地，涉及通过温度控制减少或减轻在印刷电路板组件中的焊点疲劳的设备和方法。

背景技术：

这里提供的背景描述是为了总体呈现本公开的背景的目的。在此背景技术部分以及在提交申请时不能确定为现有技术的描述的各方面中描述的范围内的当前指定的发明人的工作既不明确也不暗示地承认是针对本公开的现有技术。

衬底处理系统可以用于对衬底(例如半导体晶片)进行蚀刻和/或其他处理。可以将衬底布置在衬底处理系统的处理室中的基座上。例如，在等离子体蚀刻器中蚀刻期间，将包含一种或多种前体的气体混合物引入处理室中，并激励等离子体以蚀刻衬底。

处理室中的基座可以包括静电卡盘(esc)，以在蚀刻期间将衬底保持在适当的位置。esc可能需要安装在基座中的加热设备和其他电路，以控制esc的操作。该电路可以设置在印刷电路板组件(pcba)中。pcba可能相对复杂，其中在pcba中的单个印刷电路板上有多达250到300个部件。这些部件可以包括例如现场可编程门阵列(fpga)、中央处理器(cpu)和/或各种测量电路，例如分压器电路。pcba还可以包括多层，每层上都安装有电路。这些层中的一些可能主要是接地层；其他层可能是电源层；其他还可能是信号传输层，其提供各种类型的信号传输以控制esc的操作。

衬底处理室内的条件可能会差别很大，具体取决于所实施的工艺以及处理操作之间可能存在的条件。变化的条件包括温度，温度可能会超出pcba中电路的工作温度范围。这些温度条件可能存在足够长的时间，以至于pcba电路可能发生故障，或者停止工作。此外，温度可以在很短的时间内(例如，四分钟之内)在很宽的范围内(例如从-40℃到+70℃)连续循环经历很长的一段时间(甚至几天)。预计在pcba的整个生命周期内都将进行循环。随着温度降低(甚至达到-60℃或-80℃或-140℃)，循环范围可能会更宽。

此外，较大的温度变化会在pcba中造成材料的明显膨胀或收缩。pcba中的不同材料将具有不同的热膨胀系数，也许会有很大的不同。结果，这些可以被焊接或以其他方式彼此附接的材料会在不同程度上膨胀或收缩，从而在焊料或其他附接件上施加应变，并引起疲劳。这种疲劳会导致焊接连接断开或以其他方式松动，从而导致pcba失效，并且进而导致衬底处理室停机。

为避免诸如焊点疲劳之类的影响，希望保持pcba的温度相对恒定。但是，例如加热pcba也可能导致对衬底处理室的周围部分进行不希望有的加热。

pcba可能包含测量电路，例如电压或电流测量电路，其性能可能会随温度而大幅波动。测量结果本身会随温度而大幅变化。如果pcba上的测量电路的温度波动不受限制，则可能不清楚波动的测量值是波动值本身的结果，还是测量电路的性能变化或两者结合的结果。

鉴于上述情况，期望提供一种在不影响衬底处理室中其他地方的条件的情况下局部加热pcba的机构。还期望提供一种机构以促进将pcba或某些部件的温度维持在预定范围内。

技术实现要素：

根据一个特征，一种衬底处理系统包括：衬底处理室；布置在所述衬底处理室中的基座；以及布置在所述基座上的静电卡盘(esc)。esc包含由多个印刷电路板层组成的pcba，所述印刷电路板层用于安装控制esc的操作的电路。印刷电路板层中的一个或更多个包括加热器层，该加热器层具有一个或更多个金属迹线，所述金属迹线可以是用于覆盖该加热层的表面中的一部分或全部的铜，其足以向其余的一个或更多个印刷电路板层提供热量，以将电路维持在预定温度范围内。热量可以直接在各个其他印刷电路板层之间传导，或者可以通过印刷电路板层中的各个印刷电路板层中的通孔传导。

根据一个特征，pcba的层设置有一个或更多个金属迹线(在一方面，铜)，其响应于电流的施加以向pcba的一部分或全部提供热量。

在一个特征中，在该层上提供单个金属迹线，作为具有单个控制器的单个加热元件。在另一个特征中，在该层上提供多个金属迹线，作为与单个控制器并联的多个加热元件)。在另一特征中，一个或更多个金属迹线连接该层上的电路，作为具有多个控制器的多个加热元件。

在一个特征中，将pcba的各层的温度控制在指定的范围内。在另一特征中，将在pcba的一个或更多个区域中保持频带内的温度，但是不必对所有pcba都保持该温度。

根据详细描述、权利要求和附图，本公开内容的适用性的进一步的范围将变得显而易见。详细描述和具体示例仅用于说明的目的，并非意在限制本公开的范围。

附图说明

根据详细描述和附图将更充分地理解本公开，其中：

图1是衬底处理室的高级图。

图2是衬底处理室中的基座的高级分解图，其中包含pcba。

图3是pcba的一个视图，其以稍微分解的视图示出了多层。

图4是根据一个方面的pcba的分解更多的图；

图5是根据一个方面的示出了金属迹线的pcba的一层的视图；

图6是根据一方面的示出了金属迹线的pcba的一层的视图；

图7是根据一方面的pcba的一层的视图；

图8是根据一个方面的pcba的另一层的视图。

在附图中，可以重复使用附图标记来标识相似和/或相同的元件。

具体实施方式

图1示出了衬底处理室100，该衬底处理室100包括基座110，可以在其上安装静电卡盘(esc)115。晶片或衬底120被放置在esc115上。在室100的顶部，导管130将等离子体传递至喷头135，该喷头将等离子体分配在室100中。在图1中，仅将导管130和喷头135设置为等离子体分配设备的示例。精确的分配结构不重要。

图2示出了esc115的剖视图，其具有半部115a、115b。各种结构(包括加热器(例如，线圈加热器或像素化加热器))都包含在esc115内。在一方面，朝向esc115的底部，可以提供pcba200。为了说明的目的，示出了pcba200的几层。在一方面，如本文将更详细地讨论的，pcba200具有复杂的结构，该结构具有多层。不同的层可以在一侧或两侧具有不同的电路或其他元件(item)。一些层可以通过层中的通孔彼此连接。

图3示出了根据一方面的具有层200a、200b、200c、…、200n、200o、200p的pcba200。为了此处说明的目的，pcba200被示为包括16层。可能有更多的层，或更少的层。在一方面，如将要讨论的，除了接地层、电源层和信号传输层之外，还包括一个或更多个加热器层。如将要讨论的，各个层200a、200b和200c中的通孔250可以促进在适当的层之间的连接。

在一方面，各层之间可能存在对称性，其中例如，在整个pcba的上半部分和下半部分中的外层可以构成接地层，而内层可以包括各种电源电路或信号传输电路。这些层也可以使用各种通孔彼此连接。

在一个方面，在图4中，更仔细地观察不同层的配置和/或功能，顶层200a和底层200p可以构成信号层，其包括焊盘或覆盖区，各种部件焊接到这些焊盘或覆盖区上。层200b和200o可以是接地层。层200c、200d和层200m、200n可以是信号层。层200e和200l可以是另外的接地层。层200f和200k可以是加热器层。层200g可以是另一接地层。层200h-200j可以是功率传输层。

在一方面，在加热器层200f上方有层压板210a，在加热器层200k下方有层压板210b。这些层压板的厚度可以比pcba中其余层之间的并且未示出的层压板(例如在层200p和200o之间，在层200o和200n之间的层压板)薄。

在一方面，层200b和200e是接地平面。这些接地平面可以通过诸如通孔250之类的各种通孔彼此连接，其仅出于说明目的而在层200h和200i中示出。在pcba的任何层中可以有任意数量的通孔250，以适当地连接pcba中的各个层，并且这将被普通技术人员所理解。

在一方面，类似于层200b和200e，层200l和200o是接地平面，它们也可以通过各种通孔(例如通孔250)彼此连接。

在一方面，层压板210a促进了从加热器层200f到接地层200e的热传递。层压板210b促进了从加热器层200k到接地层200l的热传递。这两个较薄的层压板提供了通向接地层200e、200l的更容易的热传递。来自这些层200e、200l的热量可以通过通孔被吸到其他接地层200e和200l，到达接地层200b、200o，从而来自这些接地层200b、200o的热量可以用来加热顶层和底层200a、200p。

加热器层200f包括金属迹线层，如将在下面关于图5所讨论的。在一方面，这些金属迹线层是铜。在另一方面，加热器层200f包含与例如接地层200b和200o分开的这些金属迹线层，因为接地层200b、200o必须为顶层和底层200a、200p上的信号提供接地参考。

在一方面，可以将加热器层200f合并到加热器层200b中，和/或将加热器层200k合并到加热器层200o中。结果，可以有更少的层，并且整体结构可以更有效。但是，合并的层将更加复杂。

在一方面，加热器层200f和200k具有相同的迹线。每一层可以是单个迹线，层200f迹线的末端连接到层200k迹线的末端。当将直流电流注入到层200f的迹线起点时，电流从层200f的迹线末端流出，然后流入层200k的迹线末端，最后从层200k的迹线起点返回，直至加热这两层。两个加热器层中的电流流动方向完全相反。以这种方式，可以减少对其他印刷电路板层的电磁干扰(emi)，特别是减少对在这些层中产生的信号的电磁干扰(emi)。描述这种情况的另一种方式是提高这些其他印刷电路板层的电磁能力(emc)。

图5示出了具有金属迹线300(其可以是铜)的加热器层200f。在图5中，有指向迹线300的多个箭头，但是在一方面，如图5所示，存在单个迹线300。图5示出了延伸穿过加热器层200f上的可以提供电路的各个位置的迹线300。在一方面，迹线300在诸如引脚320之类的引脚中移入、移出以及在其上移动，可以在其上安装子板(未示出)，或者可以将集成电路器件(ic)焊接到其上。迹线300覆盖印刷电路板层200f上的大量区域，使得通过施加流过迹线300的电流而产生的热量分布在整个加热器层200f的表面上。这种类型的分布将是使热量遍及层200a-200p的其他层分布的一种方式，其中带有或不带有先前讨论的通孔250。

图5示出了根据不同方面的单个金属(铜)迹线300，在加热器层200f的不同区域中可以提供多个这样的迹线300。可以以本领域普通技术人员应理解的方式分别控制不同的迹线300。在不同时间或以不同程度控制不同迹线300可以通过选择性地加热不同区域不同量或通过在不同时间选择性地加热不同区域而实现pcba200内更有效的温度控制。

图6示出了具有金属迹线300(其可以是铜)的加热器层200k。在图6中，有指向迹线300的多个箭头，但是在一方面，如图6所示，存在单个迹线300。图6示出了延伸穿过加热器层200k上的可以提供电路的各个位置的迹线300。在一方面，迹线300在诸如引脚320之类的引脚中移入、移出以及在其间移动，可以在其上安装子板(未示出)，或者可以将集成电路器件(ic)焊接到其上。迹线300覆盖印刷电路板层200k上的大量区域，使得通过施加流过迹线300的电流而产生的热量分布在整个加热器层200k的表面上。这种类型的分布将是使热量遍及层200a-200p的其他层分布的一种方式，其中带有或不带有先前讨论的通孔250。

图6示出了根据不同方面的单个金属(铜)迹线300，在加热器层200f的不同区域中可以提供多个这样的迹线300。可以以本领域普通技术人员应理解的方式分别控制不同的迹线300。在不同时间或以不同程度控制不同迹线300可以通过选择性地加热不同区域不同量或通过在不同时间选择性地加热不同区域而实现pcba200内更有效的温度控制。图5和图6示出了类似的迹线300。在图6中，存在额外的迹线310。

图7和8描绘了pcba200中的其他印刷电路板层，其示出了可以在这些印刷电路板层上提供的不同类型的电路和结构。在一方面，在图7和8中的这些印刷电路板层可以在pcba200中的任何位置未编号。

基于本文提供的公开，温度控制的各种示例对于普通技术人员将是熟悉的。仅作为示例而非作为限制，当pcba200上的温度传感器指示温度低于预定温度或在预定温度范围之外时，加热器层200f、200k可以被接通。例如，可能希望将部分或全部pcba200的温度控制在小范围内，例如1℃到5℃内，以减少pcba200上的测量装置的读数波动。

在多个印刷电路板层200a-200p中设置加热器层200f、200k尤其具有以下优点。首先，提供的热量被局限在印刷电路板层本身。当热量可能不合乎要求并且实际上会抵消室内的期望温度时，从外部施加热量的其他方法可以加热印刷电路板层外部的区域。如前所述，衬底处理室100内的温度可能会有较大波动。当温度非常低(例如-40℃)时，将需要局部加热印刷电路板层200a-200p，从而避免加热室100的其他部分。与使用pcba200外部的热源进行加热相比，局部加热的伴随效果是更高的功率效率。此外，局部加热可使得温度能在衬底处理室100中的其他位置循环，在这些位置这样的循环可能是可取的。效果是基本上将pcba200中的部件的加热与室100中的其他部件(例如，可能期望非常冷(例如，负40或更多摄氏度)的外壳)的加热去耦(decouple)。

第二，在一些印刷电路板层200a-200p中执行的功能包括各种电流和/或电压测量。这样的测量会在不同的温度条件下波动。例如，当分压器电路中的一个或更多个电阻器在温度方面上下变动时，分压器将测量的每摄氏度电流量将发生变化。通过在内部向pcba200施加热量以将其保持在预定范围内的温度，测量电路(例如，分压器)可以稳定地工作，这意味着电流的波动可归因于其他电路，而不是归因于测量电路。这种热稳定性的效果是测量的准确性和一致性更高。

第三，再次参考图4，限制pcba200内的温度范围可减少诸如焊接点240之类的焊点的疲劳，该焊点将集成电路(ic)220固定至pcba200中的印刷电路板层200a-200p中的适当的印刷电路板层。焊点疲劳的减少意味着ic220将不太可能从其所附着的印刷电路板层分离。

这个刚刚描述的优点的另一方面是不仅减少了焊点的热疲劳，而且还减少了pcba200中的其他部件的热疲劳，这些部件的热膨胀系数(tce)可能大不相同。

第四，再次看图5以及安装到诸如200f层之类的印刷电路板层的子板的示例，这种子板可具有多个引脚，例如弹簧加载的pogo引脚，大量的电流将流过该引脚。诸如冷凝和冻结之类的大气条件可能会将电路锁定在适当的位置并防止接触。当存在分离和高电流时，可能会产生电弧，这会破坏触点，以及以其他方式损坏印刷电路板。将这种印刷电路板保持在预定温度范围内可以防止这种大气条件和相应的灾难性损坏。

第五，pcba200中的一个或更多个加热器层200f、200k(其中迹线300遍及整个位置)可以作为pcba200中其他印刷电路板层的屏蔽层。

第六，如前所述，通过在一个或更多个加热器层200f、200k的不同部分设置多个迹线300，将有可能独立地控制pcba200的不同区域的加热，从而产生更高的运行效率。相关地，通过使迹线300覆盖加热器层200f、200k的大部分表面，无论是在加热器层200f，200k的区域内还是整个加热器层，加热效果都将更加均匀。特别是对于相对较大的pcba(例如，直径为10英寸)，使用分立的电阻器代替金属迹线会导致pcba的隔离区域(而不是连续区域)发热。

第七，可以使用与pcba200中其他层相同的电压为加热器层200f、200k供电。替代地，可以使用从与pcba200中的其他层中相同的电压得到的电压为加热器层200f、200k供电。

第八，加热器层200f、200k可以将整个pcba(包括pcba上的所有部件)保持在凝固点以上或在探测金属板之上，以使电路免受结露或结冰的风险。

前面的描述本质上仅仅是说明性的，并且绝不旨在限制本公开、其应用或用途。本公开的广泛教导可以以各种形式实现。因此，虽然本公开包括特定示例，但是本公开的真实范围不应当被如此限制，因为在研究附图、说明书和所附权利要求时，其他修改将变得显而易见。如本文所使用的，短语“a、b和c中的至少一个”应当被解释为意味着使用非排他性逻辑或(or)的逻辑(a或b或c)，并且不应被解释为表示“a中的至少一个、b中的至少一个和c中的至少一个”。应当理解，在不改变本公开的原理的情况下，方法中的一个或更多个步骤可以以不同的顺序(或同时地)执行。

在一些实现方式中，控制器是系统的一部分，该系统可以是上述示例的一部分。这样的系统可以包括半导体处理设备，半导体处理设备包括一个或更多个处理工具、一个或更多个室、用于处理的一个或更多个平台、和/或特定处理部件(晶片基座、气体流系统等)。这些系统可以与用于在半导体晶片或衬底的处理之前、期间和之后控制它们的操作的电子器件集成。电子器件可以被称为“控制器”，其可以控制一个或更多个系统的各种部件或子部件。根据处理要求和/或系统类型，控制器可以被编程以控制本文公开的任何工艺，包括处理气体的输送、温度设置(例如加热和/或冷却)、压力设置、真空设置、功率设置、射频(rf)产生器设置、rf匹配电路设置、频率设置、流率设置、流体输送设置、位置和操作设置、进出工具和其他转移工具和/或与具体系统连接或通过接口连接的加载锁的晶片转移。

概括地说，控制器可以定义为电子器件，电子器件具有接收指令、发出指令、控制操作、启用清洁操作、启用端点测量等的各种集成电路、逻辑、存储器和/或软件。集成电路可以包括存储程序指令的固件形式的芯片、数字信号处理器(dsp)、定义为专用集成电路(asic)的芯片、和/或一个或更多个微处理器、或执行程序指令(例如，软件)的微控制器。程序指令可以是以各种单独设置(或程序文件)的形式发送到控制器的指令，单独设置(或程序文件)定义用于在半导体晶片或系统上或针对半导体晶片或系统执行特定工艺的操作参数。在一些实施方式中，操作参数可以是由工艺工程师定义的配方的一部分，以在一或多个(种)层、材料、金属、氧化物、硅、二氧化硅、表面、电路和/或晶片的管芯的制造期间完成一个或更多个处理步骤。

在一些实现方式中，控制器可以是与系统集成、耦合到系统、以其它方式联网到系统或其组合的计算机的一部分或耦合到该计算机。例如，控制器可以在“云”中或是晶片厂(fab)主机系统的全部或一部分，其可以允许对晶片处理的远程访问。计算机可以实现对系统的远程访问以监视制造操作的当前进展、检查过去制造操作的历史、检查多个制造操作的趋势或性能标准，改变当前处理的参数、设置处理步骤以跟随当前的处理、或者开始新的处理。在一些示例中，远程计算机(例如服务器)可以通过网络(其可以包括本地网络或因特网)向系统提供工艺配方。远程计算机可以包括使得能够输入或编程参数和/或设置的用户界面，然后将该参数和/或设置从远程计算机发送到系统。在一些示例中，控制器接收数据形式的指令，其指定在一个或更多个操作期间要执行的每个处理步骤的参数。应当理解，参数可以特定于要执行的工艺的类型和工具的类型，控制器被配置为与该工具接口或控制该工具。因此，如上所述，控制器可以是例如通过包括联网在一起并朝着共同目的(例如本文所述的工艺和控制)工作的一个或更多个分立的控制器而呈分布式。用于这种目的的分布式控制器的示例是在与远程(例如在平台级或作为远程计算机的一部分)的一个或更多个集成电路通信的室上的一个或更多个集成电路，其组合以控制在室上的工艺。

示例系统可以包括但不限于等离子体蚀刻室或模块、沉积室或模块、旋转漂洗室或模块、金属电镀室或模块、清洁室或模块、倒角边缘蚀刻室或模块、物理气相沉积(pvd)室或模块、化学气相沉积(cvd)室或模块、原子层沉积(ald)室或模块、原子层蚀刻(ale)室或模块、离子注入室或模块、轨道室或模块、以及可以与半导体晶片的制造和/或制备相关联或用于半导体晶片的制造和/或制备的任何其它半导体处理系统。

如上所述，根据将由工具执行的一个或更多个处理步骤，控制器可以与一个或更多个其他工具电路或模块、其它工具部件、群集工具、其他工具接口、相邻工具、邻近工具、位于整个工厂中的工具、主计算机、另一控制器、或在将晶片容器往返半导体制造工厂中的工具位置和/或装载口运输的材料运输中使用的工具通信。