抗蚀刻加热器及其组件的制作方法

专利名称：抗蚀刻加热器及其组件的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及电子器件制造中使用的加热器和加热器组件。
背景技术：
制造包括集成电路(IC)、微机电系统、光电子器件、平板显示器件的电子器件的工艺包括几个主要工艺步骤，这些步骤包括受控制地沉积/生长材料，以及对之前沉积/生长的材料进行控制并且通常是有选择地除去或改变。化学气相沉积(CVD)是常见的沉积工艺，其包括低压化学气相沉积(LPCVD)、原子层化学气相沉积(ALD或ALCVD)、热化学气相沉积(TCVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、高密度等离子体化学气相沉积(HDP CVD)、扩展热等离子体化学气相沉积(ETP CVD)、热等离子体化学气相沉积(TPCVD)以及金属有机化学气相沉积(MOCVD)等。
在有些CVD工艺中，在低压高温的状态下在反应器中使用一种或多种气态反应物来在半导体晶片表面形成固态绝缘或导电层，该晶片位于设置在反应器中的基片座上。在CVD工艺中基片座/基座可以作为加热器，其一般包括至少一个用来加热晶片的加热元件；或者可以作为静电夹具(electrostatic chuck)(ESC)，其包括至少一个用来静电箝位该晶片的电极；或者可以是加热器/ESC结合体，其具有用来加热和箝位的电极。在硅晶片上沉积预定厚度的薄膜之后，在反应器内的其它暴露表面，包括反应器壁、反应器窗、气体注入器表面、排气系统表面和暴露在沉积工艺中的基片座表面上会产生一个寄生沉积(spurious deposition)。这个寄生沉积会在后来的沉积中产生问题，因此要由清洁工艺定期除去，即，在一些情况下在每个晶片加工之后以及在其它情况下在一批晶片加工之后。本领域中的通常清洁工艺包括原子氟基清洁(atomic fluorinebased cleaning)、碳氟化合物等离子体清洁、六氟化硫等离子体清洁、三氟化氮等离子体清洁和三氟化氯清洁。在该清洁工艺中，所述反应器元件，例如壁、窗、基片座和组件等有望被腐蚀/侵蚀掉。
除了在CVD工艺中的强腐蚀环境之外，这些工艺还被加热到高温，即对于硅晶片要超过1000℃。此外，在这些工艺中，所述晶片必须同时维持规定温度均匀性。在大多数应用中，在被加热的表面与加热元件直接物理接触时，热量通过传导传递到晶片。然而，在一些应用中在被加热的表面和加热元件之间建立物理接触并不实际。金属有机化学气相沉积(MOCVD)工艺广泛应用在薄膜生长中，薄膜生长是高技术微制造中的关键步骤。在MOCVD应用中，系统位于高真空的环境中，同时晶片位于旋转表面(基座)上以提高外延层的均匀性。因此，该旋转基座不能直接接触加热元件。热量不可能通过对流(由于真空状态)和传导(由于非接触)从加热元件传递到晶片。因此，辐射(或使用辐射加热元件)是唯一可以用来传热的机制。此外，其上支承所述晶片的石墨基座的所需温度范围可以高达超过1200℃。
在现有技术的一个实施方案中，抗蚀刻材料可用于例如基座/加热器/基片座的元件。在CVD工艺中的高温下，现有技术中的抗蚀刻材料的蚀刻率(erosion rate)按指数规律增加。因此，现有技术中的加热器温度斜线下降，例如从沉积可能发生的600-1000℃下降到可以进行清洁的400℃。这种方法将增加加热器的寿命，但是相当大地降低了整体产量。
为MOCVD应用设计的热模块一般使用高强度灯作为所述辐射加热元件。这些灯因为其热质量低而可以快速加热并迅速冷却。它们也可以被立刻关掉，而温度不会缓慢降低。高强度灯的加热不会总是在晶片表面达到期望的温度均匀性。可以用多区段灯来提高温度的均匀性，但是会增加成本和维护需求。此外，很多灯使用线形灯丝，这使得它们不能有效地提供均匀热量到圆形晶片。在一些用于MOCVD的热模块中，使用电阻基片加热器作为辐射加热元件来提供稳定而可重复的热源。在现有技术中大多数电阻加热器趋于具有大的热质量，这使得它们不适用于在石墨基座上＞1000℃的高温应用。
一种用于电阻基片加热器(也可用于非加热的基片座)的经常使用的抗蚀刻材料是氮化铝，其中烧结氮化铝(AlN)为最常见。不幸地是，现有技术的烧结AlN基片座受到重大的限制，也就是它们只能以＜20℃/分钟的速度加热或冷却。如果加热或冷却过快，陶瓷一般将破裂。此外，在陶瓷破裂之前在整个基片表面只能维持适当的温差。
美国专利No.6,140,624公开了具有外涂层的电阻加热器，该外涂层选自碳化硅和碳化硼，用于＞80％的辐射效率。然而，在温度非常高的应用中，也就是，在需要加热器温度＞1500℃的情况下，由于碳化硅在这样高的温度下分解，因此碳化硅涂层将不能正常工作。另一方面，具有碳化硼外涂层的加热器在技术上可行但是进行商业制造是不现实的。
该发明涉及改进的装置，例如陶瓷加热器或者晶片处理组件，比如使用改进加热器的热模块，该装置对于将热模块中的晶片加热到需要的高温，具有非常好的热效率。该发明的装置保持晶片上的优良的温度均匀性，且在工作中降解和分解的风险最低，以及对于工作中延长的寿命具有非常好的抗蚀刻特性。

发明内容
一方面，本发明涉及一种比如辐射加热器的装置，其可以作为热模块的一部分，在提高的加热器温度＞1500℃时具有高于70％的辐射效率。在一个实施例中，该装置包括一个包含氮化硼的基层基片、一个叠加在该基层基片一侧上并具有形成一对接触端的几何形状的热解石墨加热元件。包围该加热元件的第一外涂层由下述中的至少一种组成选自B、Al、Si、Ga、难熔硬金属、过渡金属及其组合中元素的氮化物、碳化物、氮化碳或氮氧化合物，以及包围第一外涂层的第二外涂层的辐射效率高于70％并且在提高的加热器温度＞1500℃时辐射效率优选地至少80％。
在一个实施例中，该第二外涂层的平面热传导率至少是第一外涂层的平面热传导率的3倍，因此还提高了加热器的辐射表面上的温度均匀性，从而直接提高了晶片热均匀性。在第三实施例中，第二涂层包括热解石墨。
另一方面，本发明涉及一种用于高温半导体工艺例如MOCVD的热模块。该热模块包括作为辐射加热元件的上述加热器。在一个实施例中，该模块还包括反射器堆，该反射器堆包括设置在加热器之下的高反射材料来更好地保存产生的热量。还可以增加附加管状反射器护罩和盖来更好地帮助保存加热器能量。


图1A-1C是表示加热器一个实施例的截面图，如其由多个工艺步骤形成，在该加热器的一个表面具有热解石墨外涂层。
图1D-1E是基座的不同实施例的截面图。
图1F-1I是具有线圈外形的加热器(由线圈形状的基片形成)的不同实施例的截面图。
图2A-2B是表示陶瓷加热器的第二实施例的截面图，该陶瓷加热器由多个工艺步骤形成，具有保护整个加热器结构的热解石墨外涂层。
图3A是陶瓷加热器的一个实施例的顶视图，其中除去了外涂层来表示热解石墨加热元件的几何形状。
图3B是加热器组件的另一实施例的截面图，其中该加热器组件具有基片座，基片座具有相对平坦的上和下表面，并且有基本在基片座上横向延伸的杆。
图4是表示使用现有技术的加热器的热模块的截面图，其用于在计算流体动力学(CFD)计算中以在所述晶片被加热到1500℃的温度时检验加热器表面温度。
图5是表示使用图1A-1C的加热器的热模块的截面图，其用于在计算流体动力学(CFD)计算中、在晶片被加热到1500℃的温度时检验加热器表面温度。
图6是表示不同材料在室温的NF3环境下的蚀刻率的图表。
图7是比较现有技术的其它材料(包括热解氮化硼和烧结氮化铝)与加热器上层的一个实施例在400℃时的蚀刻率的图表。
图8是在蚀刻后具有热解氮化硼涂层的现有技术加热器的照片(1/4放大)。
图9A是用于比较现有技术的加热器和本发明加热器的一个实施例即一个PG外涂层PBN加热器的加热器温度斜线上升测试的试验装置图。图9B是加热器的特写截面图。
图10A和10B是从现有技术的加热器和本发明加热器的一个实施例，即一个PG外涂层PBN加热器得到的加热器温度和达到的基座温度进行比较的图表。
图11是比较在400℃下蚀刻1小时和5小时之后本发明加热器的外涂层蚀刻率的图表。
图12是比较在600℃下持续和脉冲蚀刻1小时后本发明加热器的外涂层蚀刻率的图表。
具体实施例方式
如这里使用的，将应用近似语言来改变任何定量表述，这些定量表述可以变化但不会导致所涉及的基本功能的改变。因此，在一些情况下由比如“大约”和“基本上”的一个或者多个术语所修改的值，可能不限于所指定的精确值。
如这里使用的，术语“加热器”不局限于陶瓷加热器，还可以用来表示在热模块、间歇式加热炉、CVD处理腔或反应器中用来加热或者支承硅晶片的“基座”、“晶片座”或者“加热器/静电卡盘组合”。
如这里使用的，“加热器组件”和“热模块”、“间歇式加热炉”、“CVD处理腔”或“反应器”可以交替使用，来表示其中电子器件或者晶片被处理的组件。
在这里所使用的“晶片基片”或“基片”为复数形式，但是该术语用来表示可以使用一个或多个基片，“晶片”和“基片”或者“晶片基片”可以交替使用。类似的，“加热器”、“基座”、“电极”或者“加热元件”可以使用复数形式，但是这些术语用来表示可以使用一项或多项。
在下文中，将从加热器的最内层开始向外，也就是从基层基片、电极、第一保护涂层、到上外涂层来更加详细地说明本发明。
基层基片在一个实施例中，该装置包括由如图1A所示的单层组成的基层基片，盘形的基层基片6具有加工成需要形状所需要的完整性和可加工性。如图1F所示在另一个实施例中，基层基片6不是连续的盘形，而是成形为用于线圈形加热器5的线圈形。图1G-1I是具有线圈形基层基片的加热器的不同实施例的截面图。
基层基片6的特征在于具有非常好的物理特性，例如耐热性和强度。在一个实施例中，基层基片6包括下述中的一种石墨；难熔金属如W、过渡金属、稀土金属和合金；及它们的混合物。在另一实施例中，基层基片6是烧结材料，还包括烧结辅料、金属或者碳掺杂剂和杂质。在另一个实施例中，基层基片6包括烧结材料，该烧结材料包含选自B、Al、Si、Ga、难熔硬金属、过渡金属元素的氧化物、氮化物、碳化物、碳氮化物或氧氮化物中的至少一种；铝的氧化物、氧氮化物；及其组合。在又一个另外的实施例中，基层基片6包括这样的材料例如氮化硼和氮化铝的混合物，该材料其特征在于具有相当好的机械加工特性，使基层基片具有加工成需要的形状所需要的完整性和机械加工性。
在一个实施例中基层基片6由氮化硼烧结体及氮化硼和氮化铝的混合烧结体中的任意一个组成。在第二实施例中，基层基片6包括通过CVD工艺形成的热解氮化硼板。在图1D和1E所示的一个实施例中，其中该装置为基座形式，基层基片6包括体石墨。
在如图2A所示的又一个另外的实施例中，基层基片6包括涂有第一外涂层6B的中心基板6A。层6B至少包括选自B、Al、Si、Ga、难熔硬金属、过渡金属元素的氮化物、碳化物、碳氮化物或氧氮化物及其组合。在一个实施例中，第一外涂层6B包括在温度高于1500℃或更高时仍然稳定的作为保护层的pBN。该第一外涂层6B可以通过包括扩展热等离子体(ETP)、离子电镀法、化学气相沉积(CVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)(也称作有机金属化学气相沉积(OMCVD))、金属有机气相外延(MOVPE)、例如溅射的物理气相沉积工艺、反应电子束(e束)沉积以及等离子体喷雾的工艺沉积在基板6A上，但并不局限于使用这些工艺。典型的工艺是ETP、CVD和离子电镀法。第一外涂层6B的厚度可以根据应用和使用的工艺例如CVD、离子电镀法和ETP等来变化，并根据应用从1μm到几百μm变化。在一个实施例中，涂层6B的厚度大于或等于大约10微米(μm)。在另一个实施例中，保护涂层厚度大于或等于大约50μm。在第三实施例中，厚度大于或等于大约100μm。在又一个另外的实施例中，厚度小于或等于大约500μm。
电极层/加热元件在实施例中，其中该装置呈陶瓷加热器形式，该装置还包括如图1A所示的电极层/加热元件7。在一个实施例中，加热元件7由金、铂、银、金或铂和银的混合物、钛、钨、钽、热解石墨以及包括硼和/或碳化硼的热解石墨中的任何一种构成，可以经受1500℃或更高的温度。
在一个实施例中，电极7的厚度为大约5-500μm。在第二实施例中，其厚度为10-300μm。在第三实施例中，电极层的厚度为30-200μm。在第四实施例中，电极7的厚度在1到30μm的范围内。在第五实施例中，电极7的厚度是从1到10μm。
在一个实施例中，电极7的图形宽度在0.1到20mm的范围内。在第二实施例中，图形宽度是0.1到5mm。在第三实施例中，图形宽度是从5到20μm。
在一个实施例中，电极层7覆盖基层基片的上表面或下表面。在另一个实施例中，电极层7如图1A和1B所示同时覆盖基层基片6的上表面和下表面。
可以使用不同的方法将电极层7沉积到基层基片6上，包括物理气相沉积(PVD)、溅射、离子电镀法、等离子体支持气相沉积或者化学气相沉积。
在一个实施例中，上或下电极层7(或者上下电极层同时)被机械加工成预定形状，例如如图2A所示的螺旋或蜿蜒的几何形，从而形成具有相对端(未示出)的延长的连续条形热解石墨形式的电流路径。电流路径可以是盘旋形、蜿蜒形、螺旋形、锯齿形、连续迷宫形、螺旋线圈形、旋涡形、任意旋绕形和其组合中的一种。形成加热带的电气图形，也就是电隔离、电阻加热器路径，可以通过现有的技术实现，包括但不局限于微加工、微角钉(micro-brading)、激光切割、化学蚀刻或者e束蚀刻。
电极层7基于与外部电源(未示出)的连接，形成加热元件。在一个实施例中，电极7为不同尺寸的独立控制的加热或冷却的对象限定了多个电极带，每个带包括一个或多个电极元件7。
保护涂层。在加热器的实施例中，如图1B和1C所示，具有电极层的基层基片接着被涂有第一保护涂层8。在如图1E所示的基座的实施例中，第一保护涂层8直接施加在基层基片6上。
保护涂层8至少包括下述中的一种选自B、Al、Si、Ga、难熔硬金属、过渡金属组成的元素的氮化物、碳化物、碳氮化物或氧氮化物及其组合；具有NaZr2(PO4)3的NZP结构的高热稳定性的磷酸锆；至少包括选自元素周期表的2a族、3a族和4a族的一种元素的玻璃-陶瓷成分SiO2和包括Y、Sc、La、Ce、Gd、Eu、Dy等的氧化物的抗等离子体材料的混合物。
在一个实施例中，氮化物选自下述中一种热解氮化硼(pBN)、碳掺杂pBN、氮化铝(AlN)、碳掺杂AlN、氧掺杂AlN、氧化铝、氧氮化铝、氮化硅或者其复合物。如这里所使用的，氮化铝指AlN、AlON或其组合物。在一个实施例中，保护涂层8是AlN、AlON、Al2O3或其组合物的单层。在另一个实施例中，保护涂层8是多层，包括相同材料例如AlN、AlON、Al2O3等的多个涂层，或者是连续涂覆AlN、AlON、pBN、SiN等的多个不同层。
保护涂层8可以由ETP、离子电镀法、CVD、PECVD、MOCVD、OMCVD、MOVPE、离子等离子体沉积、例如溅射的物理气相沉积工艺、反应电子束(e束)沉积、等离子体喷雾及其组合中的任何方法沉积。典型的工艺是ETP、CVD和离子电镀法。
保护涂层8的厚度根据应用和使用的工艺例如CVD、离子电镀法和ETP等变化。在一个实施例中，层8的变化从1μm-500μm。使用的保护层越厚通常期望使用周期就越长。在一个实施例中，保护涂层8的厚度为5-500μm。在第二实施例中，厚度为大于或等于大约100μm。在又一个另外的实施例中，厚度为小于或等于大约300μm。
上外涂层在如图1C所示的一个实施例中，该装置还涂有外涂(或者外敷)层9，其在于涂层8的上表面上形成。在如图1D所示的基座的一个实施例中，外涂(或者外敷)层9直接覆盖下面的基片8。在如图1E所示的基座的又一个另外的实施例中，基片8首先由第一涂层8随后由外敷层9涂覆。
上外涂层9的功能是散热器(thermal spreader)并在升高温度即1500℃或更高的温度下加强加热器的发射率，由此还增加辐射热转移的速率。这依次帮助降低加热器工作温度，并且从而避免加热器过早退化。外涂层9进一步具有保护电极7不受机械损坏的功能。
在图2B所示的一个实施例中，整个加热器结构涂覆有密封保护层9(上和下表面)来保护加热器结构，尤其是涂层/绝缘层8，使其免于被清洁工艺中使用的等离子体或化学产品侵蚀。
在一个实施例中，外涂层9所包含材料的平面热导率为由涂层8组成材料的热导率的至少3倍，从而提高晶片上的热均匀性。在第二实施例中，外涂层9所包含材料的平面热导率为外涂层8的热导率的至少4倍。在一个实施例中，外涂层9所包含材料的热导率大于100W/m°K。在第二实施例中，外涂层9所包含材料的热导率大于200W/m°K。在第三实施例中，外涂层9包含热解石墨(“PG”)，其在非常高的温度下性能良好并在高达2200℃的温度下保持稳定。由于CVD沉积工艺的本质，PG接近2.25的原理密度并且基本上是无孔的。
外涂层9可以由ETP、离子电镀法、CVD、PECVD、MOCVD、OMCVD、MOVPE、例如溅射的物理气相沉积工艺、反应电子束(e束)沉积、等离子体喷雾及其组合中的任何方法沉积。
外涂层9的厚度根据应用和使用的工艺例如CVD、离子电镀法和ETP等变化。在一个实施例中，层9的厚度从1μm-500μm变化。在第二实施例中，保护涂层8的厚度为5到500μm。在第三实施例中，厚度为大于或等于大约100μm。在又一个另外的实施例中，厚度为小于或等于大约300μm。
在一个实施例中，外涂层9的平均表面粗糙度满足Ra＜＝0.05μm，且最大表面粗糙度满足Rmax＜＝0.6μm。在又另一实施例中，该层的表面粗糙度Ra的范围在＞0.5μm并＜3μm内。在又一个另外的实施例中，外涂层的Scheroscope硬度在A方向为103，在C方向为68。
图6是表示不同材料在室温NF3环境下的蚀刻率的图表。在图7中，热解石墨(PG)与其它包括热解氮化硼(pBN)和在400℃烧结的氮化铝材料的蚀刻率相比较。与通常用于现有技术加热器中的其它材料也就是石英、热解氮化硼、烧结AlN由于腐蚀作用都显示出重量损失相比，CVD AlN和PG的蚀刻率显示出重量增加。在图8中，图8是在PG电极层上具有pBN外涂层的现有技术加热器的照片，在连续远程NF3等离子体中在400℃下蚀刻60分钟之后，迅速将pBN外涂层从下面的PG电极中除去。然而，需要注意的是PG电极在蚀刻工艺中是完整的。
除了蚀刻带来的腐蚀问题外，应该注意包括pBN外涂层的现有技术加热器具有相对软的表面，并且在硅晶片设置在其上时被一定程度地腐蚀。产生的pBN微粒将一般粘附在晶片的后侧，这会造成污染和后续的硅晶片处理步骤中的对准问题。由于外涂层也就是热解石墨(“pG”)的特征比pBN(“热解氮化硼”)、AlN等要硬得多，因此本发明的加热器很少有这样的后侧的问题。此外，该材料粒度也非常小，因而即使产生了微粒，它们的尺寸对于产生实质问题来讲仍然很小(例如小于0.1微米)。此外，这样的微粒也可以容易用臭氧或者氧气等离子体除去。
关于散热，由于在面内方向的热导率非常高，以及在穿过面方向的热导率非常低，加热器上的pG涂层会帮助“扩散”或者分散加热器形状中的任何热不均匀性，因此获得更均匀的表面温度。此外，由于pG的相比pBN(～0.4)的高发射率(＞0.7)，因此本发明的加热器是更有效的辐射加热器。
如图所示，外涂层9对现有技术做出了改进，使加热器能够更加抵抗等离子体侵袭和/或在很多半导体处理步骤中使用的用来清洁反应器腔的含氟化学清洁剂，并由此延长了加热器的寿命。在一个实施例中，由于具有热解石墨的保护外涂层的密封，加热器在600℃下NF3中的蚀刻率小于100埃/分钟(A°/min)。在第二实施例中，它在600℃下NF3中的蚀刻率小于50埃/分钟(A°/min)。由于加热器较少受腐蚀作用影响，因此有望有更少的微粒从加热器表面脱落，与现有技术的加热器相比污染问题更少。
在加热器装置的一个实施例中，加热器5可以是适于终端应用的任何形状/几何外形。在一个实施例中，它如图3A所示是圆板形。在另一个实施例中，它可以是多边板形、圆柱形、圆板形或者具有凹入或凸出部分的圆筒。在如图3B所示的又一个另外的实施例中，该加热器包括支承晶片13的平台和从平台延伸并且基本上横穿平台纵轴的杆20。至少一个加热元件7加热由平台支承的晶片13。
尽管在CVD反应器中加热器的斜率是以下的函数可利用电源、加热器结构、晶片直径和晶片间距；但本发明的加热器能够以至少20℃每分钟的斜率加热，使得通过要加热的晶片表面均匀加热。在一个实施例中，加热器的斜率为至少30℃每分钟。在具有多区加热器的一个实施例中，本发明的加热器对于直径300mm表面上的任意两个点之间整个表面上最大温度差是至少75℃。在第二实施例中，加热器对于直径300mm表面的整个表面上的最大温度差是至少100℃。
应该注意，热模块或者CVD处理腔中的其它部件需要抵抗氟等离子体，例如晶片托架舟皿(boat)、石墨线圈加热器、聚焦环、用来支承聚焦环和静电夹具的底座组件、限定在静电夹具之上的气体分布板等，能够以与本发明的加热器相似的方式构造，也就是具有包括有抗蚀刻特性的材料如pG的外涂层。
本发明还通过如下非限制性的例子说明。
例1和2进行计算流体动力学(CFD)的计算来模拟热模块(加热器组件)。第一热模块使用如图4所示的现有技术的陶瓷加热器。第二热模块使用如图5所示的本发明一个实施例的加热器。这些模块用来将单个2”英寸晶片加热到1300℃，均匀度在大约+/-3℃。在金属有机化学气相沉积(MOCVD)工艺中，对均匀性的要求非常严格。因此，在温度均匀性方面每摄氏度变化影响到沉积工艺。晶片表面上的温度均匀性被限定为由位于整个晶片表面的9个热电偶测量的最大温度和最小温度之间的差。
如图所示，晶片13设置在旋转的基座14上，因此不能直接与加热器5接触。基板30包括具有PBN涂层的石墨。PBN反射器20包括厚度为0.7mm的2个片和2个罩。Mo反射器21包括每个厚度为0.2mm的3个片和1个管。在该组件中，加热器5通过辐射加热旋转的基座14，并且这种热量随后通过传导转移到晶片。
在例1中，陶瓷加热器5是现有技术的辐射加热器，具有直径大约为95mm、厚度为2mm的PBN中心板、热解石墨的薄型电极和包括厚度15微米的PBN的外涂层。在例2中，例1中的现有技术的加热器还具有包括厚度为40μm的热解石墨的外涂层。
为例1和2的加热器组件的热模拟建立三维模型(粒度为0.87百万晶格(million cell))。在两个常规经验温度范围下在处理腔中，使用离散纵向辐射模式在热模块的不同子部件之间来模拟表面到表面的辐射1)当处理腔内的周围温度为500℃；和2)当处理腔内的周围温度为800℃。此外，使用用户子程序来模拟加热器内的焦耳加热并模拟石墨电阻率为温度的函数。
表1表示从两个例子的CFD模型得到的数据表1

在具有现有技术的加热器的实施例1A中，当晶片被加热到大约1300℃的目标温度时，加热器平均温度预计为大约1933℃。然而，PBN表面本质上不能经受高于1800℃的温度，因此完全可以预见到，在该温度点(1933℃)和超过该温度点的温度，现有技术的加热器的PBN表面开始破裂使加热器产生故障。在同样具有现有技术的加热器并且周围温度为800℃的例1B中，当加热器被加热到目标温度1300℃时，加热器平均温度达到1851℃，在现有技术的加热器中预计会达到相同的效果，PBN表面不能经受＞1800℃的温度。
在使用本发明加热器的例2A和2B中，晶片再次被加热到相同的目标温度1300℃。在例2A中，平均需要加热器温度预计为1800℃。该模型清楚地示出由于热解石墨外涂层的优良的平面热传导带来晶片表面热均匀性的改善。这种改善为2-3℃的量级，由于这种工艺对均匀性的要求严格，这在MOCVD工艺中仍然非常关键。应该注意2-3℃的变化使晶片的温度均匀性改善了大约15-20％。
在例2B中，该模型预示平均需要加热器温度为大约1743℃，这低于现有技术的pBN外涂层加热器的临界工作温度。该模型还预示晶片表面上温度均匀性改善了2-3℃的量级。
CFD数据证明PBN加热器上的PG材料的外涂层尤其适于例如MOCVD的高温应用。涂有外涂层材料例如PG的加热器可以在比没有PG外涂层的加热器低大约100-150℃的温度下工作，并且都能达到相同的基座温度。这种加热器工作温度的差非常关键，尤其是在加热器需要在最高允许温度1800℃附近工作时。
例3在该例子中，现有技术的辐射陶瓷加热器在图9A-9B所示的密封热模块90中试验性测试。在9A中，陶瓷加热器5具有直径为大约40mm且厚度为2mm的pBN中心板、热解石墨的薄型电极和包括厚度0.15mm的pBN的外涂层。密封的热模块90具有30pa的环境压力(接近真空状态)。加热器5被包括pBN 93、Mo 94和石墨95的同轴圆管(直径90mm)围绕，其功能为辐射屏蔽。在图9B中，包括pBN和Mo的反射器板97的叠层组件设置在加热器之下有助于通过向石墨基座91反射来保存热量，石墨基座91设置在加热器上表面之上3-5mm的位置。直径55mm的基座仅由热辐射加热。
晶片设置在基座91上，基座91是旋转的并且不能与加热器直接接触。在加热器机构中，使用2个热电偶，一个测量加热器中心的温度，另一个测量基座中心的温度。在该试验中，加热器的功率逐渐增加并且随着加热器功率增加直到大约1170瓦特(加热器电压＝65V并且加热器电流＝18A)，加热器温度从25℃的室温开始斜线上升。在该设定的功率下，测得加热器温度是1700℃，及测得基座温度是1100℃。
例4这个例子除了使用本发明的加热器之外与例3相同。在该例子中，直径40mm的陶瓷加热器具有直径为大约40mm厚度为2mm的pBN中心板、热解石墨的薄型电极和包括厚度为0.15mm的pBN的外涂层。在该涂层之上，加热器还具有包括大约40μm厚的热解石墨的外涂层。
表2表示从例3和4热模块将基座加热到大约1700℃的操作中得到的数据。数据还在图10A-10B示出，其比较了两种加热器的温度斜线上升测试。
表2

如表2中所示，在两个加热器都设定为1700℃相同的T时，用于本发明的加热器(例4-PG外涂层PBN加热器)的基座T比由现有技术的加热器(例3-PBN加热器)得到的基座T高出～300℃。对于相同设定的加热器温度，在一个加热器可以达到更高的基座温度时，热模块具有更高的辐射效率，这就是所观测到的。
观察这种辐射效率的另一种方法是本发明的加热器相对于需要在1700℃工作的现有技术加热器来讲，可以提供在较低温度(例如低于1500℃或者～1400℃)下的工作来与现有技术的1100℃的基座温度相匹配。因此，为了得到相同的目标晶片温度，本发明的加热器可以在比现有技术的加热器更低的温度下工作。由于工作温度较低，这一因素还对延长陶瓷加热器的寿命有帮助。
同样观察到的是，本发明的加热器还证明在基座表面上的更加平均/均匀的温度曲线，比现有技术的加热器改进了大约15-20％。
例5。在该试验中，涂有热解石墨的加热器在400-600℃的温度范围内暴露在远端NF3等离子体下，观察到净重量增加。对于暴露区域为大约151Cm2样品，暴露在持续的远端NF3等离子体下，重量增加大约为0.02g每小时。根据对NF3蚀刻的PG样品的表面能量色散谱仪(EDS)分析；发现重量的增加来自在PG表面形成的碳氟化合物反应层。通过进一步的用高分辨C(1s)光谱的X射线光电子光谱学(XPS)分析，发现PG表面的氟反应层主要由CF2组成。在真空中加热以后，大部分碳氟化合物蒸发。
根据该试验，可以计算在碳氟化合物层的形成中每单位时间消耗的PG实际量。结果在如下的图3中表示。如所示，热解石墨涂层对151Cm2样品显示出每小时0.02g的重量增加，对应于每小时大约为0.19μ(或者31A/min)的PG消耗率。这与热解氮化硼的～1E6A/分钟的蚀刻率相对比。
表3

例6当来自试验5的一个样品通过动态XPS进行分析，也就是通过氩溅射和XPS分析之间循环的深度分析，可以发现经持续60分钟的NF3等离子体照射在热解石墨涂层上建立的碳氟化合物层的厚度超过500埃。加热之后，会发现少量的F(＜10％＝在热解石墨中。
例7来自试验5的样品(在蚀刻后)在真空中在700℃下暴露2小时，会发现碳氟化合物层的厚度实质上降低了。该结果也通过EDS和XPS分析来确认。这表示如果靠近样品表面的足够高浓度的氟原子为气相，则碳氟化合物层只在高温(400-600℃)下稳定。如果氟浓度下降，那么对碳氟化合物层的蒸发有利。
例8。重复试验5并且一个样品在400℃被连续蚀刻5小时(而不是1小时)。平均PG消耗率(蚀刻率)低于如图11所示的试验5中的上一个试验(1小时试验)。该试验说明开始时如果只有原始的PG表面，则氟化作用将迅速进行。然而，在建立起一定厚度的碳氟化合物层之后，在发现新的可以氟化的热解石墨之前，氟将需要通过该碳氟化合物层扩散。在一些点之后，氟化作用率将受到氟扩散率限制。
例9。该试验来探测氟扩散率的效果是否还限制PG氟化作用。具有PG涂层的样品在600℃被蚀刻1分钟，随后切断等离子体1分钟，同时将PG保持在600℃。将这样的循环重复60次，来确保全部的等离子体暴露时间为1小时。该试验的平均PG消耗率与前述的持续蚀刻60分钟的样品相比较。结果如图12所示，在脉冲蚀刻情况下的平均蚀刻率高于在持续蚀刻情况下的平均蚀刻率。
如下所说明。在脉冲蚀刻情况下，外涂层首先在NF3等离子体打开的1分钟期间建立碳氟化合物层。随后，一旦将NF3等离子体停止，之前形成的碳氟化合物层部分蒸发(类似于例7)。一旦等离子体再次打开，碳氟化合物层更薄、扩散更快并且从而PG的消耗更快。而在连续蚀刻的情况下，碳氟化合物层一直连续生长，因此降低了PG氟化作用率。至此对于相同的总暴露时间，脉冲试验蚀刻得更快。然而，碳氟化合物蒸发率显然足够慢，而仅造成脉冲试验或多或少地更快。
例10将在400℃和600℃下的PG的连续NF3等离子体蚀刻率进行比较(见图11和12)，在蚀刻率上只有相对较小的增加。此外，在600℃下的蚀刻率仍然明显低于50A/min。如所示，本发明的加热器允许在将加热器保持在600℃的同时清洁反应器。
例11。在不希望具有与晶片的后侧接触的碳氟化合物层的情况下，在清洁之后并且在反应器中引入新的晶片之前，在晶片腔中进行短暂的沉积操作，来调节该腔，并在壁和加热器上沉积薄涂层。可替换地，在清洁之后，反应器腔由很短暂的包括等离子体蚀刻的氧脉冲冲洗，来将碳氟化合物层从本发明的基片座的表面除去。在另一个例子中，加热器组件留在真空中一段较短的时间，使碳氟化合物层从表面自动蒸发。
这些书面的说明利用例子来公开本发明，包括最佳模式，还使本领域技术人员能够制造和使用本发明。本发明可获得专利的范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域技术人员可以想到的其它例子。如果这些其他实施例不具有不同于权利要求的文字语言的结构元件，或者如果包括与权利要求的文字语言没有实质差别的等同结构元件，那么这样的其它实施例都在权利要求的范围内。
这里所有提到的引用文献在此通过参考引入本发明。
权利要求
1.一种在晶片处理腔中使用的装置，该装置包括基层基片，包括下述中一种石墨；难熔金属、过渡金属、稀土金属和其合金；烧结材料，包括选自B、Al、Si、Ga、难熔硬金属、过渡金属的元素的氧化物、氮化物、碳化物、碳氮化物或者氧氮化物中的至少一种；铝的氧化物、氧氮化物；及其组合；其中该基层基片涂有热导率大于100W/m°K的外涂层。
2.权利要求1的装置，其中该装置是加热器，还包括加热元件，包括层叠在基层基片上的热解石墨；涂在该加热元件和该基层基片上的第一层，该层包括下述中的至少一种选自B、Al、Si、Ga、难熔硬金属、过渡金属的元素的氮化物、碳化物、碳氮化物或氧氮化物及其组合；其中该第一层涂层涂有热导率大于100W/m°K的外涂层。
3.权利要求1-2中任何一个的装置，其中该外涂层的平面热导率为第一涂层的平面热导率的至少3倍。
4.权利要求1-3中任何一个的装置，其中该第一外部涂层至少包括下述中的一种热解氮化硼、氮化铝(AlN)、氧化铝、氧氮化铝、氮化硅或它们的复合物。
5.权利要求1-4中任何一个的装置，其中该装置是基座，该基层基片包括石墨，并且外涂层包括热解石墨。
6.权利要求1-5中任何一个的装置，其中该外涂层包括热导率大于200W/m°K的材料。
7.权利要求1-6中任何一个的装置，其中该外涂层包括热解石墨(“PG”)，并且其中该外涂层通过ETP、离子电镀法、离子等离子体电镀法、CVD、PECVD、MOCVD、OMCVD、MOVPE、电子束沉积、等离子体喷雾及其组合中的任何方法沉积。
8.权利要求1-7中任何一个的装置，其特征在于在NF3中600℃具有小于100埃/分钟的蚀刻率。
9.权利要求1-8中任何一个的装置，其中该装置是能够以至少20℃/每分钟的上升速率加热的加热器。
10.权利要求2-9中任何一个的装置，其中该基层基片包括石墨；层叠在该基层基片上的加热元件包括热解石墨，该第一外部涂层包括氮化硼和氮化铝中的至少一种；该外涂层包括厚度在1μm-500μm之间的热解石墨。
11.一种用来至少处理半导体晶片的等离子体处理腔，该等离子体处理腔包括至少用于加热所述晶片的陶瓷加热器；限定在静电夹具上的气体分布板；用来支承静电夹具的底座；选择性地与所述腔连通的清洁气体源；其中加热器、气体分布板和底座中的至少一个的表面涂有包括热解石墨的外涂层，并且其中清洁气体源包括NF3和Cl2。
12.权利要求11的等离子体处理腔，其中该加热器涂有包括热解石墨的外涂层，并且其中该加热器包括基层基片，包括下述中的一种石墨；难熔金属、过渡金属、稀土金属和其合金；烧结材料，至少包括一种选自B、Al、Si、Ga、难熔硬金属、过渡金属中的元素的氧化物、氮化物、碳化物、碳氮化物或者氧氮化物；铝的氧化物、氧氮化物；及其组合；加热元件，包括层叠在该基层基片上的热解石墨；第一外部涂层，该层包括选自B、Al、Si、Ga、难熔硬金属、过渡金属中的元素的氮化物、碳化物、碳氮化物或氧氮化物及其组合中的至少一种；其中该热解石墨外涂层保护下面的第一涂层、加热元件和基层基片，隔离所述清洁气体，用于使加热器在NF3中600℃下具有小于100A/分钟的蚀刻率。
13.权利要求11-12中任意一个的等离子体处理腔，其中该加热器在NF3中600℃具有小于50A/分钟的蚀刻率。
全文摘要
本发明涉及用于晶片处理组件的抗蚀刻加热器，其具有良好的至少20℃/每分钟的上升速率，在整个表面，至少是一个电极上具有最大温度差(例如在300mm最大温度差＞100℃)。该加热器涂有保护性外涂层，使加热器在提高加热器温度＞1500℃下辐射效率高于70％，并且在NF
文档编号H01L21/02GK101045990SQ20061017299
公开日2007年10月3日 申请日期2006年11月30日 优先权日2006年2月9日
发明者A·奥塔卡, T·希古奇, S·R·普拉萨德, W·樊, M·谢普肯斯, D·A·朗沃思 申请人:通用电气公司