专利名称：用于半导体制造系统的加热器模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种加热器模块，其用在加工半导体晶片的半导体制造工具中，用于能热处理和冷却晶片的半导体制造设备，并且本发明涉及其中安装有所述加热器模块的半导体制造设备。
背景技术：
在半导体制造过程中，经加热处理之后晶片被冷却的过程包括利用涂敷器/显影器在光刻时热固光刻胶；加热/焙烧低介电常数即低-k绝缘薄膜；在形成金属互连和介电层中沉积CVD薄膜；在蚀刻器中的处理。
传统上，使用由铝或陶瓷制成的加热器执行这些工艺中的晶片热处理。具体来说，晶片放置在其中形成加热元件的加热器的外表面上，所述加热元件用于在晶片经历诸如热固光刻胶和加热/焙烧低-k薄膜、或沉积CVD薄膜和蚀刻等过程时控制加热。
近来，为了提高这些过程的生产率，需要提高加热后的加热器的冷却速度。出于同样的原因，用于加快经处理物件的冷却以提高它们特性的设计已变得普遍，尤其是随着晶片直径跨距的增大，对于提高冷却速度的需求增加。
迄今为止，强制液体冷却和空气冷却已被采用，以便在半导体制造设备应用中快速冷却加热器。在特定期间，冷却块安装在加热器上，通常在背侧上，作为传热介质的液体或空气循环通过所述冷却块，通过这样将热从加热器中带走，从而提高了冷却速度。
然而，由于使用这些强制液体冷却和空气冷却系统，需要用于循环传热介质和辐射热量的大型设备的事实已被证明是半导体制造中增加成本的因素。同样地，由于在加热器有限的空间中不可能增大传热介质的容量，因此很难大幅度地提高加热器冷却速度。
发明内容
考虑到目前的情况，本发明的目的是提出一种加热器模块，以及使用所述加热器模块的半导体制造设备，使得有可能显著地提高加热后的加热器的冷却速度，并且对改善和提高生产率有贡献，同时不会伴随半导体制造设备的尺寸增加以及成本增加的问题。
为了实现前述目的，对于半导体制造设备，本发明提供的加热器模块的特征在于，设有加热器部分，用于可控地加热放置在其外表面上的晶片；以及被设置为可相对加热器部分移动的块体部分，用于通过邻接加热器部分的背侧并与加热器部分的背侧分离以与加热器部分一起改变总热容。特别是，块体部分的热容是加热器部分和块体部分总热容的20％或更多。
本发明的用于半导体制造设备的前述加热器模块的优点在于，第一方面，在加热期间，使加热器部分和块体部分邻接，而在冷却期间，块体部分相对加热器部分移动并与加热器部分分离开，从而加快加热器部分的冷却速度。另一个优点在于，第二方面，在加热期间，加热器部分和块体部分分离，而在冷却期间，块体部分和加热器部分相对移动到邻接状态以将热量传导入块体部分中，从而加快加热器部分的冷却速度。
通过本发明的用于半导体制造设备的前述加热器模块，当加热器部分和块体部分邻接时，优选通过将块体部分真空装卡至加热器部分而将它固定至加热器部分。另外，优选邻接表面中的至少任意一个表面是镜面，其中加热器部分和块体部分沿着所述邻接表面彼此相邻接。
并且，通过本发明的用于半导体制造设备的前述加热器模块，块体部分可以附加到半导体制造设备的室底部，或者移动到邻接在室底部上。在那种情况下，优选室底部是水冷的。
在本发明的用于半导体制造设备的前述加热器模块中，优选加热器部分是陶瓷，其中形成有加热元件。优选陶瓷是从氧化铝、氮化铝、氮化硅、碳化硅和氮化硼中选出的至少一种。
此外，在本发明的用于半导体制造设备的前述加热器模块中，优选块体部分是从铝、镁、铜、铁、不锈钢、氧化铝、氮化铝、氮化硅、碳化硅和氮化硼中选出的至少一种。
优选本发明的用于半导体制造设备的前述加热器模块用在CVD设备、蚀刻器设备、涂敷器/显影器设备或低-k介质焙烧设备中。
此外，本发明提供一种半导体制造设备，其特征在于，在所述半导体制造设备中安装有本发明的用于半导体制造设备的上述加热器模块。
附图简述
图1是示出本发明第一方面中的加热器模块的一个特定例子的示意性剖视图；图2是示出本发明第二方面中的加热器模块的一个特定例子的示意性剖视图；和图3是示出本发明第二方面中的加热器模块的单独的特定例子的示意性剖视图。
具体实施例方式
当已被加热的加热器被冷却时，它的热容影响冷却速度。加热器的热容越大，冷却速度将越慢；相反地，热容越小，冷却速度将越快。出于提高冷却速度的目的，可以想到的一种减小加热器热容的方法是使加热器的厚度减小。
同时，晶片必须被均匀加热，相应地加热器的晶片承载表面要求高度等温，因此希望使用的加热器的厚度能在所有方向上均匀地传播加热元件产生的热量。然而，使加热器的厚度减小以便提高它的冷却速度会引起这样的问题即它的均匀传播热量方面的效果变差，并且加热器的晶片承载表面中的等温特性被破坏。
为了解决这种问题，本发明提供加热器部分，用于可控地加热放置在它的外表面上的晶片；以及可相对加热器部分移动的块体部分，所述块体部分可邻接在加热器部分的背侧上及从加热器部分的背侧分离开。利用以该方式由加热器部分和块体部分构成的加热器模块，通过块体部分与加热器部分的背侧相邻接以及与加热器部分的背侧相分离可以改变加热器部分和块体部分的总的热容，并且利用总热容的这种改变，能够改善和提高加热器的等温特性，同时提高加热器的冷却速度。
特别是，块体部分的热容是加热器部分和块体部分的总热容的20％或更多时，能使更多的热量从加热器传递至与加热器邻接的块体部分，或者能使更多的热量从与块体部分分离开的加热器传播至周围环境中，基于此有望实现很高的冷却速度。可以理解，块体的热容越大，加热器部分的冷却速度提高的越多。然而，由于块体部分的热容的增加意味着室—以及从总体上说，设备—也必须增大，因此必须考虑提高冷却速度的目标和设备总体的经济性的基础上设计块体热容。
本发明第一方面的加热器模块的一个特定例子示出在图1中。加热器模块装有加热器部分1a，加热器部分1a的内部形成有加热元件2，加热器模块还装有块体部分3a，该块体部分3a设在加热器部分1a的背侧处，可沿导轴4上下移动，其中在加热期间，加热器部分1a和块体部分3a邻接，如图1(a)所示。
当加热器模块将要加热时，加热器部分1a和块体部分3a联合以形成大热容加热器；而当它将要被冷却时，如图1(b)所示，块体3a与加热器部分1a分离开，朝向设备室的底部5下降。由此，利用加热器部分1a被单独留下、从而具有较小热容的事实，促进热辐射，并且加速加热部分1a的冷却速度。
同样地，例如在图2所示的特定例子中，作为第二方面中的加热器模块，图2(a)所示加热器部分1b和块体部分3b在加热期间分离，而在冷却期间，如图2(b)所示，块体部分3b被提升以与固定的加热器部分1b的背侧邻接。由于加热器部分1b中的热量传递至具有个体化热容的块体部分3b，因此块体1b的邻接使加热器部分1b的冷却速度加快。
在图3所示的加热器模块中，进一步在本发明的第二方面中，块体部分3c是固定的，加热器部分1c沿导轴4上下移动，除此之外，加热器模块与图2中的加热器模块相同。具体来说，在加热期间，加热器部分1c和块体部分3c如图3(a)所示是分离开的，而在冷却期间，通过使加热器部分1c下降到邻接在位于室底部5上的块体部分3c上，使加热器部分1c中的热量传递至块体部分3b。
影响从加热器部分至块体部分的热传递的因素包括在表面中的接触电阻，其中加热器部分和块体部分沿所述表面相邻接。如果接触电阻大，则加热器部分的等温特性和冷却速度易受影响，因为热量从加热器部分传递会花费时间。考虑到这个事实，在块体的顶部表面中或加热器部分的背面中形成通孔，并且在真空泵的抽吸作用下将两者真空装卡在一起，使加热器部分和块体部分的邻接表面紧密地粘附，从而极大地降低接触电阻，因此这对于提高加热器部分的冷却速度是有益的，特别是在第二方面中的加热器模块中。
此外，尤其在第二方面中的加热器模块中，加热期间与加热器部分分离的块体部分易于被来自加热器部分的辐射热加热。假设在这种情况下，将加热器部分和块体部分的相匹配的两个邻接表面或两个邻接表面中的任一表面加工成镜面，这样有可能将来自加热器部分的辐射热反射回去。结果，在进行加热时，加热器部分和块体部分之间的间隙可以更小，从而可以使室的尺寸变小，也可以使设备的尺寸变小。
而且，同样地，如果传递至块体部分的热被保留住，则由于在接着进行冷却时从加热器部分传递的热不能被充分地吸收，因此不能期望提高加热器部分的冷却速度。出于所述原因，优选在块体部分与加热器部分接触而经历热传递之后，使块体部分与加热器部分分离，并且与室的底部接触以将它的热送至室底部中，从而快速冷却块体部分，使它为接下来的冷却作好准备。
这里，优选在邻接和分离加热器部分和块体部分中使用油压或气压，因为这样做能使加热器部分和块体部分平滑地移动。
在本发明中的加热器部分可以是金属(例如铝)，或者可以是陶瓷，然而优选其中形成有加热元件的陶瓷。作为构成加热器部分的陶瓷，优选是从氧化铝、氮化铝、氮化硅、碳化硅和氮化硼中选出的至少一种。
因为热冲击和机械冲击均作用在与块体部分邻接的加热器部分的分界表面上，所以在是陶瓷的加热器部分中产生破裂等问题的几率较高。由于这种可能性，通过用金属覆盖由陶瓷制成的加热器部分的表面—至少是与块体部分邻接的表面一以缓解冲击，从而防止在加热器部分中发生破裂等等。
同时，热导率高的金属或陶瓷可以用于块体部分；优选例如是铝、镁、铜、铁、不锈钢、氧化铝、氮化铝、氮化硅、碳化硅和氮化硼。
还优选块体部分在形状上或者与加热器部分相同、或者相类似，并且其中它的直径在加热器部分的直径的±25％之内。可以了解，如上所述，优选块体部分的热容为加热器部分和块体部分的总热容的20％或更多。
传统加热器的冷却速度通常在1℃/min的水平，因为传统加热器的冷却速度仅仅依赖于从具有特定热容的加热器来的辐射热。作为对比，在本发明所限定的加热器模块中，虽然加热器部分的冷却速度依赖于块体部分的热容，然而加热器部分的冷却速度提高到至少为传统水平的几倍。具体来说，如果块体部分的热容设计为是加热器部分和块体部分的总热容的20％或更多，则可以获得10℃/min或更大的冷却速度，从而使生产率显著提高。并且，冷却速度的这种提高意味着可以预期就晶片而言，薄膜的粘合强度提高、机械硬度提高和蚀刻特性增强。
另一个考虑是，在利用热辐射冷却加热器的情况下，冷却速度受表面面积的影响，在加热器侧面附近的温度具有较大的下降趋势，因为与中间部分相比那里的表面面积通常较大，由于这样的影响在冷却期间等温特性质易于变差。然而，在本发明给定的加热器模块中，加热器部分以远远快于通过侧面的冷却速度的速度冷却，尤其在第二方面中的加热器模块中，这是因为热量通过热传导的方式传至块体部分，所以冷却期间的等温性质有广泛的提高余地。具体而言，通过优化加热器和块体部分的参数，在冷却期间可以获得±1％范围内的等温率。
将如上所述的本发明的加热器模块用在用于沉积金属膜和介电膜的CVD设备中、用于蚀刻金属膜和介电膜的蚀刻器设备中、用于在光刻中热固光刻胶的涂敷器/显影器设备中、以及用于加热/焙烧低-k薄膜的低-k介质焙烧设备中，由于被提高的加热器冷却速度的影响，使这样的应用尤其有效。
并且，使用本发明的加热器模块的半导体制造设备是能用于提高生产率和降低成本的装置，通过它可以提高晶片和其他加工物体的特性和性能。
实施例实施例1准备成套的两个圆盘，直径为335mm、厚度为10mm，并且由以下表中列出的陶瓷材料制成，并且通过镀钨在每套中的一个圆盘的顶部表面上形成加热元件。每套中的剩余陶瓷圆盘覆盖在该陶瓷圆盘上，从而将加热元件置入夹层结构中，然后使用热压设备对其进行热压接合，从而制成陶瓷加热器部分。
同样，制造块体部分，所述块体部分由以下表中列出的每一金属和陶瓷材料制成，并且具有与前述加热器部分相同的直径。在这样做时，通过改变块体部分的厚度使块体部分相对于加热器和块体部分的总热容的百分比热容如以下表中所示变化。此外，在所有样本中，块体部分的顶部表面(与加热器部分邻接的表面)是通过研磨而进行加工的。
使用这些加热器部分和块体部分组装根据本发明第一方面的加热器模块。即，为它们提供这样的结构其中，在加热期间，加热器部分和块体部分邻接，而在冷却期间，块体部分下降以与加热器部分分离开。应该理解，块体部分的上升以及它与加热器部分的邻接/固定至加热器部分是通过油压或气压进行的，并且，只有在样本6中，加热器部分和块体部分是通过真空装卡而被牢固地保持的。并且应该理解，在所有样本中，冷却期间加热器部分和块体部分之间的分离距离固定在200mm。
对于每个已被加热(200℃)的样本加热器模块的等温率是这样建立的将200V电压施加至与块体部分邻接的加热器部分并加热至200℃，保持那个温度10分钟，然后测量加热器模块顶部表面(晶片承载表面)中9个点处的温度。在那以后，块体部分下降以与加热器部分分离，并且测量被留下来以辐射热量的被分离的加热器部分冷却至150℃的速度。这样做的过程中，冷却(150℃)时的等温率由顶部表面中的9个点处的温度建立，正如刚才所述的一样。这些结果被制成表列在以下的表中。
表
根据上述结果，显然，在无论哪一个作为根据本发明的加热器模块的样本中，获得几℃/min或更快的高加热器冷却速度，并且在加热和冷却时将等温率保持在±1％内。特别是，显然通过将块体部分的百分比热容设置为20％或更多，即使在保持好的等温率的同时，也能获得10℃/min或更大的极高加热器冷却速度。
对比例子准备与前述实施例1中加热器部分相同的加热器部分，由铝制成并且具有60公升/min能容的用空气冷却的冷却块体安装在加热器部分上，并且固定在加热器部分的背面上。可以了解，块体部分没有用在对比例子中。屹今使用的加热器被加热至200℃，将温度保持10分钟，然后通过使用空气冷却的冷却块体将加热器冷却至150℃。
在所述情况下，加热和冷却(150℃)时的等温率以与实施例1相同的方式建立。结果是，1℃/min的加热器冷却速度，加热时的等温率为±1.5％，而冷却时的等温率为±1.7％，这种结果远远差于上述第一实施例1中本发明的样品的结果。
实施例2使用与前述实施例1中样品4相同的加热器部分和块体部分组装加热器模块，只是AlN制成的加热器部分的背面—即，加热器部分与Al制成的块体部分相邻接的表面—被覆盖有厚度为0.2mm的铜层。
在该加热器模块上实施与实施例1相同的测试和评估，结果是，加热器冷却速度和等温率与实施例1中的样品4的相同。然而，对于实施例1中的样品4，在500个周期中在加热器部分的背面的边缘中出现直径为0.1-0.2mm的凹口，而对于本实施例2的样品，根本看不出凹口或类似缺陷。
实施例3使用与前述实施例1中样品4相同的加热器部分和块体部分组装加热器模块，只是Al制成的块体部分的顶部表面—即，块体部分与AlN制成的加热器部分相邻接的表面—经抛光处理被精加工成镜面。
在该加热器模块上实施与实施例1相同的测试和评估。由于块体部分的被制成镜子状的顶部表面，从加热器部分辐射的热量被反射回去，从而防止块体部分吸收热量，因此即使加热器部分和块体部分之间的分离距离缩减至50mm，也能获得与实施例1中样品4(其中加热器部分一块体部分间分离距离设置为200mm)相同的加热器冷却速度和等温率。
实施例4使用与前述实施例1中样品4相同的加热器部分和块体部分组装图2所示的本发明的第二方面的加热器模块，只是块体部分被安装为可利用油压上下移动。即，为加热器模块提供这样的结构其中在加热期间，加热器部分和块体部分分离开，块体部分与室的底部接触并安置在其上，而在冷却期间，块体部分上升与加热器部分邻接。应该理解，加热器模块的其余方面完全与实施例1中的样品4相同。
已被加热(200℃)的加热器部分的等温率是这样建立的将加热器部分隔离加热至200℃，保持那个温度10分钟，然后测量顶部表面中9个点处的温度。随后，块体部分上升以与加热器部分邻接，使加热器部分冷却至150℃，并且测量冷却速度，建立冷却(150℃)时的等温率。
结果是，加热器冷却速度和等温率与实施例1中的样品4相同。然而，由于已下降至接触室底部的块体部分降至室温，与实施例1中的样品4相比，为加热器的下一冷却做好准备之前的时间缩短至1/3。
实施例5使用与前述实施例1中样品4相同的加热器部分和块体部分组装图3所示在本发明的第二方面中的加热器模块，只是加热器部分被安装为可利用油压上下移动。即，为加热器模块提供这样的结构其中在加热期间，加热器部分和块体部分分离开，块体部分与室的底部接触并安置在其上，而在冷却期间，加热器部分下降与加热器部分邻接。应该理解，加热器模块的其余方面完全与实施例1中的样品4相同。
已被加热(200℃)的加热器部分的等温率是这样建立的将加热器隔离加热至200℃，保持那个温度10分钟，然后测量顶部表面中9个点处的温度。随后，加热器部分下降以与块体部分邻接，使加热器部分冷却至150℃，并且测量冷却速度，建立冷却(150℃)时的等温率。
结果是，加热器冷却速度和等温率与实施例1中的样品4相同。然而，由于设置在室底部上并与室底部恒定接触的块体部分冷却至室温，与实施例1中的样品4相比，为加热器的下一冷却做好准备之前的时间缩短至1/3。
实施例6与前述实施例4和对比例子相同的加热器模块安装在低-k薄膜焙烧设备中的适当位置，其中涂敷在12英寸Si晶片上的低-k薄膜被固化的实际实施被进行。
对于固化在使用实施例4的加热器模块的焙烧设备中的低-k薄膜，与使用对比例子的加热器模块的焙烧设备的情况相比，低-k薄膜的粘合强度提高了20％。此外，与对比例子相比，加热器冷却的时间缩减至1/25。
工业应用性如本发明所给定，可以提供用于半导体制造设备的加热器模块，其中与传统的加热器模块相比，加热后的加热器的冷却速度能提高几倍或更多，优选为10倍或更多，并且能为改善和提高生产率作出贡献。并且，使用所述加热器模块使半导体制造设备的尺寸减小，可以明显地降低成本。
权利要求
1.一种用于半导体制造设备的加热器模块，其特征在于，设置有加热器部分，用于可控地加热放置在其正面表面上的晶片；以及被设置为可相对于所述加热器部分移动的块体部分，用于通过邻接所述加热器部分的背侧或与所述加热器部分的背侧分离来与所述加热器部分一起改变总的热容。
2.如权利要求1所述的用于半导体制造设备的加热器模块，其特征在于，所述块体部分的热容是所述加热器部分和所述块体部分总热容的20％或更多。
3.如权利要求1或2所述的用于半导体制造设备的加热器模块，其特征在于，在加热期间，所述加热器部分和所述块体部分邻接，而在冷却期间，所述块体部分相对于所述加热器部分移动并与所述加热器部分分离开，以便加快所述加热器部分的冷却速度。
4.如权利要求1或2所述的用于半导体制造设备的加热器模块，其特征在于，在加热期间，所述加热器部分和所述块体部分分离，而在冷却期间，所述块体部分和所述加热器部分相对移动为邻接状态以将热量传导入所述块体部分中，以便加快所述加热器部分的冷却速度。
5.如权利要求1至4中任一项所述的用于半导体制造设备的加热器模块，其特征在于，当所述加热器部分和所述块体部分邻接时，通过将所述块体部分真空装卡至所述加热器部分而将所述块体部分固定至所述加热器部分。
6.如权利要求1至5中任一项所述的用于半导体制造设备的加热器模块，其特征在于，邻接表面中的至少任意一个表面是镜面，其中所述加热器部分和所述块体部分沿着所述邻接表面彼此邻接。
7.如权利要求1至6中任一项所述的用于半导体制造设备的加热器模块，其特征在于，所述块体部分附加于半导体制造设备的室底部，或者移动至与室底部邻接的状态。
8.如权利要求7所述的用于半导体制造设备的加热器模块，其特征在于，室底部是水冷的。
9.如权利要求1至8中任一项所述的用于半导体制造设备的加热器模块，其特征在于，所述加热器部分是陶瓷，在陶瓷中形成有加热元件。
10.如权利要求9所述的用于半导体制造设备的加热器模块，其特征在于，所述陶瓷是从氧化铝、氮化铝、氮化硅、碳化硅和氮化硼中选出的至少一种。
11.如权利要求9或10所述的用于半导体制造设备的加热器模块，其特征在于，至少与所述块体部分邻接的所述加热器部分的表面覆盖有金属。
12.如权利要求1至11中任一项所述的用于半导体制造设备的加热器模块，其特征在于，所述块体部分是从铝、镁、铜、铁、不锈钢、氧化铝、氮化铝、氮化硅、碳化硅和氮化硼中选出的至少一种。
13.如权利要求1至12中任一项所述的用于半导体制造设备的加热器模块，其特征在于，所述块体部分的形状或者与所加热器部分相同或者相类似，其中块体的直径在所述加热器部分的直径的±25％内。
14.如权利要求1至3中任一项所述的用于半导体制造设备的加热器模块，其特征在于，利用油压或者气压使所述加热器部分和所述块体部分中的任一个相对于另一个移动。
15.如权利要求1至4中任一项所述的用于半导体制造设备的加热器模块，其特征在于，所述加热器部分的冷却速度是10℃/min或更多。
16.如权利要求1至15中任一项所述的用于半导体制造设备的加热器模块，其特征在于，在放置在所述加热器部分上的晶片被冷却时，它的等温率在±1％之内。
17.如权利要求1至16中任一项所述的用于半导体制造设备的加热器模块，其特征在于，所述加热器模块被用在CVD设备、蚀刻器设备、涂敷器/显影器设备或低-k介质焙烧设备中。
18.一种半导体制造设备，其特征在于，在所述半导体制造设备中安装有如权利要求1至17中任一项所述的用于半导体制造设备的加热器模块。
全文摘要
一种加热器模块和使用所述加热器模块的半导体制造设备，用于相比传统加热器模块显著地提高加热后的加热器的冷却速度，并且对改善和提高生产率作出贡献，而且不会使半导体制造设备的尺寸变大、成本增加。所述加热器模块设有加热器部分(1a)，用于可控地加热放置在其顶部表面上的晶片；以及可相对于加热器部分移动的块体部分(3a)，用于通过邻接加热器部分(1a)的背面或与加热器部分(1a)的背面分离来与加热器部分(1a)一起改变总热容。通过使块体部分(1b)的热容为加热器部分(1a)和块体部分(1b)的总热容的20％或更多，可以使加热器冷却速度为10℃/min或更多。
文档编号C23C16/46GK1547760SQ03800919
公开日2004年11月17日 申请日期2003年5月19日 优先权日2002年6月5日
发明者柊平启, 仲田博彦, 平启, 彦 申请人:住友电气工业株式会社