多区加热器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及在半导体处理中使用的加热器，并且更具体地涉及具有多个加热区的加热器和用以检测这些加热区的热电偶。
【背景技术】
[0002]在半导体制造中，硅衬底(硅片)在升高的温度下接受处理，以用于沉积多种不同的材料。温度通常介于300°C至550°C范围内，但是有时可能高达750°C甚至更高。沉积的材料在硅片表面上的层中“生长”。这些材料中的很多种具有对温度极其敏感的生长速率，因此硅片上的温度变化能够影响薄膜的局部生长速率，导致随着薄膜在硅片上生长，薄膜厚度发生变化。
[0003]理想的是控制沉积薄膜的厚度变化。有时，理想的是在硅片中心处的薄膜更厚(如同穹顶)。有时，理想的是在边缘上的薄膜更厚(如同凹坑或者凹窝)。有时，理想的是使薄膜厚度尽量薄(在数十埃的范围内)。
[0004]最直接的用于控制硅片温度并且由此控制所沉积的薄膜的厚度分布的方法之一是将硅片放置在加热器上。通过将加热器设计成具有特定的用以在硅片上生成所需温度分布的功率密度“图”，就能够生成理想的薄膜厚度分布。下面的加热器的功率密度在硅片上需要较高温度的一个或多个部位处增加且在需要较低硅片温度的一个或多个部位处减小。
[0005]芯片制造商希望获得在同一处理室中运行不同处理的能力。用于使薄膜生长的主要设备非常昂贵(通常每个处理室超过I百万美元)，因此理想的是使所需处理室的使用最大化并且使所需处理室的数量最小化。使用不同化学品的不同温度处理在同一处理室中运行，以便生成不同的薄膜。这些不同的薄膜也可以具有不同的生长速率与温度特性。这就导致芯片制造商希望获得快速地改变指定处理室中的加热器的功率密度图以实现所需的薄膜厚度分布的能力。
[0006]另外，理想的是芯片制造商能够在多个处理室中精确运行相同的“配方”并且生产具有匹配的薄膜厚度分布(以及能够由温度影响的其它性质例如薄膜应力、折射率等)的薄膜。因此，理想的是能够生产这样的加热器，其能够在各单元之间具有高度可重复的功率密度图。
[0007]加热器能够制造成具有通过在加热器中使用多条独立的加热器电路来改变功率密度图的能力。通过改变施加到不同电路的电压和电流，就能够改变单条电路中的各部位的功率水平。这些特定电路中的各部位被称作“区(zone)”。通过针对指定区增加电压(并且由此当这些加热元件均为电阻性加热器时也增加电流)，即可升高该区中的温度。相反地，当针对一个区减小电压时，即可降低该区中的温度。以这种方式，能够通过改变针对各个区的功率而由相同的加热器生成不同的功率密度图。
[0008]至少两种限制因素会影响到芯片制造商有效使用多区加热器的能力。第一限制因素是现有技术中的加热器仅具有一个控制热电偶。因为目前用于加热器的板和轴的设计仅允许热电偶的位置位于加热板的中心处或者位于加热器中心的大约I英寸的半径以内，所以只能使用一个控制热电偶。热电偶由与硅片的处理环境不相容并且因此必须与该环境隔离开的金属制成。另外，为了热电偶(TC)的更快速的响应，最好使其在大气压力环境下而不是在典型处理室的真空环境下操作。因此，热电偶只能位于加热轴的不与处理环境相连通的中央中空区域中。如果存在位于加热轴的2英寸直径之外的加热区，则不能将热电偶安装于此以监测并帮助控制该加热区的温度。
[0009]已经通过利用“受控(slaved)”的功率比控制位于加热器中央区域以外的加热区来解决该限制。根据施加到中央区和每一个其它区以生成理想的功率密度图的功率来建立该功率比。中央控制热电偶监测中央区的温度，并且(基于中央控制热电偶的反馈)施加到中央区的功率随后通过预先建立的功率比进行调节而被施加到所有区。例如，对于双区加热器，假定施加到外区和内区的功率比为1.2比1.0的功率生成所需的温度分布。假定加热器控制系统通过读取由中央控制热电偶提供的温度数据而确定需要100VAC的电压来实现适当的温度。利用受控的比例控制方法，由此将120AVC的电压施加到外加热区并将100VAC的电压施加到内加热区。由此通过改变受控比例即可调节功率密度图。
[0010]这就导致对第二限制因素的讨论。现有技术中的加热器具有嵌入式加热器所固有的电阻变化。由于在当前陶瓷加热器的制造过程中需要高温和高压，因此所能实现的电阻容差能够接近于50%。换言之，用于半导体级陶瓷加热元件的典型电阻介于1.8欧姆至3.0欧姆的范围内(在室温条件下，加热元件的材料通常是随着运行温度的升高而电阻增大的钼)。
[0011 ] 这种变化导致的问题是:对于通过受控比方法控制的多区加热器保持各单元之间的可重复的功率密度图。对于单区加热器，电阻变化不是问题，原因在于控制热电偶被用于监测实际的运行温度，并且相应地调节供应给加热器的功率水平。但如果是多区加热器，并且加热元件的电阻变化能够接近于50%，则受控比控制方法将不能生成各单元间可重复的功率密度图。
[0012]要求是建立一种加热器设计，其允许安装多个控制热电偶，所述多个控制热电偶能够物理地位于相应的加热区中以便允许反馈和直接控制，而且仍然保持热电偶与处理室中的处理环境相隔离。
【附图说明】
[0013]本文所描述的在多个方面均为示意性的附图仅仅是为了进行图解而并非是为了限制本公开的范围。
[0014]图1是根据本发明某些实施例的在半导体处理中使用的板轴装置的视图。
[0015]图2是根据本发明某些实施例的板和轴之间的连接部的剖视图。
[0016]图3是根据本发明某些实施例的处理室中的板轴装置的视图。
[0017]图4是根据本发明某些实施例的加热器装置的视图。
[0018]图5是根据本发明某些实施例的多区加热器的示意性剖视图。
[0019]图6是根据本发明某些实施例的多区加热器的示意性仰视图。
[0020]图7是根据本发明实施例的已连接的盖板的示意图。
[0021 ]图8是根据本发明某些实施例的盖板的示意图。
[0022]图9是根据本发明某些实施例的加热器的透视图。
[0023]图10是根据本发明某些实施例的加热器的透视分解图。
[0024]图11是根据本发明某些实施例的具有多层板的加热器的示意性剖视图。
[0025]图12是根据本发明某些实施例的多层板的放大局部剖视图。
[0026]图13是根据本发明某些实施例的具有多个加热区和热电偶的加热器的示意性剖视图。
[0027]图14是根据本发明某些实施例的沿着图13中的线14-14截取的板和轴的连接区域的放大剖视图。
[0028]图15是根据本发明某些实施例的沿着图14中的线15-15截取的中央衬套的俯视图。
[0029]图16是图解了根据本发明某些实施例的沿着图15中的线16-16截取的中央衬套的各方面的局部剖视图。
[0030]图17是根据本发明的某些实施例的沿着图13中的线17-17截取的多个加热区的映像图。
【具体实施方式】
[0031]在本发明的一个实施例中，提供了具有多个热电偶的多区加热器，以使得能够独立地监测不同加热区的温度。独立的热电偶可以使它们的引线在通道或凹部中从加热器的轴分出，能够利用连接处理来闭合所述通道或凹部，所述连接处理导致适于承受处理室中的轴和处理化学品的内部气氛的气密性密封。独立的热电偶可以使它们的引线在板层之间的空间、凹部或腔中从加热器的轴分出，并且可以利用连接处理来连接各板层，所述连接处理导致适于承受处理室中的轴和处理化学品的内部气氛的气密性密封。热电偶及其引线能够通过连接处理包封，在所述连接处理中，利用任何适当的连接材料(例如铝)将能够作为底板层的第一板层或通道盖钎焊到第二板层或加热板。
[0032]图1图解了在半导体处理中使用的示例性的板轴装置100例如加热器。在一些方面中，板轴装置100由陶瓷例如氮化铝构成。加热器具有轴101，所述轴101相应地支撑板102。板102具有顶部表面103。轴101可以是中空的筒体。板102可以是平盘。可以具备其它的子部件。在本发明的某些处理中，板102可以在初始处理中单独制成，所述初始处理涉及处理炉，在所述处理炉中形成陶瓷板。在一些实施例中，可以利用如下所述的低温气密性连接处理将板连接到轴。
[0033]图2示出了剖视图，在所述剖视图中，第一陶瓷件(可以是陶瓷轴191)例如可以连接到第二陶瓷件，所述第二陶瓷件例如可以由相同或者不同材料制成并且可以是陶瓷板192。可以包括连接材料例如钎焊层190，所述连接材料能够从本文所描述的钎焊层材料的组合中选择并且可以根据本文所描述的方法输送到连接部。在一些方面中，板可以是氮化铝而轴可以是氮化铝、氧化锆、铝或者其它陶瓷。在某些方面中，理想的可以是使用具有低传导传热系数的轴材料。
[0034]关于图2中示出的连接部，轴191可以定位成使得其抵接板，其中，仅钎焊层介于所连接的表面例如轴的表面193和板的表面194之间。板192的接触表面194可以位于板中的凹部195中。为了图解清晰，放大了连接部的厚度。在示例性实施例中，板和轴均可由氮化铝制成并且均已预先使用液相烧结处理而单独形成。板的直径可以约为9-13英寸而厚度为0.5-0.75英寸。轴可以是中空的筒体，其长度为5-10英寸而壁厚为0.1英寸并且外径介于1-3英寸的范围内。板可以具有适于接收轴的第一端部的外表面的凹部。
[0035]如图3所示，加热器或其它装置上使用的连接部的钎焊材料可以桥接在两个不同的气氛之间，所述两个不同的气氛均可针对现有的钎焊材料存在显著问题。在半导体处理设备例如半导体硅片夹的加热器205的外表面207上，钎焊材料必须与正在进行的处理和使用加热器205的半导体处理室200中所存在的环境201相容。处理室200中所存在的环境201可以包括氟化学品。加热器205可以具有衬底206，所述衬底206固定到板203的顶部表面，由轴204支撑所述板203。在加热器205的内表面208上，钎焊层材料必须与不同的气氛202相容，所述气氛202可以是含氧气氛。与陶瓷一起使用的现有钎焊材料尚不能满足这两个标准。例如，包含铜、银或金的钎焊元件可以与正在处理的硅片的晶格结构发生干扰，并且因此不适用。然而，在钎焊连接部将加热板连接到加热轴的情况下，轴的内部通常会经历高温，并且在中空轴的中心内具有含氧气氛。钎焊连接部的将暴露于该气氛的部分将发生氧化，并且可以氧化到连接部中，导致连接部处的气密性失效。除了结构附接之外，在半导体制造中使用的这些装置的轴和板之间的连接部在多种(即便不是所有，也是大部分)应用中必须是气密性的。
[0036]图4示出了应用在半导体处理室中的加热器管柱的示意性视图的一个示例。可以是陶瓷加热器的加热器300能够包括射频天线3