一种基片支撑台及其制造方法与流程

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种用于等离子处理器反应腔内的基片支撑台。

背景技术：

等离子处理器被广泛应用在半导体工业内，用来对待处理基片进行高精度的加工如等离子刻蚀、化学气相沉积（cvd）等。等离子处理器包括一个反应腔，反应腔内底部具有一个基片支撑台用来放置并固定住基片。支撑台除了固定基片还需要对基片进行温度控制，所以需要能够带走等离子处理中产生的热量，同时支撑台还连接有射频电源，通过调节射频电源的输出功率来调节基片上的处理效果。所以基片支撑台是一个等离子处理器中核心的、多功能的装置，对基片的处理效果具有重大的影响。

随着半导体工业的发展，越来越多的等离子处理工艺被开发出来，各个工艺需要最佳温度参数不同，经常在同一个反应腔中需要对一片基片进行连续的多个工艺处理，在不同的工艺步骤中需要快速的切换其对应的最佳温度。为了实现快速变温的需要，现有机制在基片支撑台结构设计成如图1所示的结构，包括基座10，基座10内开设有用于冷却液流通的冷却液管道11以带走热量，基座上包括加热器，加热器由上下两层绝缘材料23、21和位于绝缘材料层之间的加热元件如电阻丝29组成，加热器上绝缘材料层上表面通过硅胶层32与上方的静电夹盘30结合固定。其中基座一般由金属制成如铝合金制成，电连接到至少一个射频电源。绝缘材料层21、23通常由陶瓷材料如al2o3，aln，y2o3等制成。在温度切换过程中如果需要降温则关闭加热的功率输出，由下方冷却液管道内的冷却液全力带走热量，在升温过程中加热器接受电功率产生大量热，冷却液也需要一直流通以带走上方加热器以及处理过程中等离子体和射频电源产生的热量。所以加热过程中加热器产生的热量会大量的直接被下方的基座10带走，并没有向上到达静电夹盘30上的基片。为了减少这种热量损耗也加快升温过程，需要在加热元件29和下方冷却液管道11之间具有更低的热导率，比如基座10采用具有更低热导率的金属材料钛（约20w/m.k）或者使得加热元件29下方的绝缘材料层21更厚。但是这两个方案都有问题：钛材料过于昂贵，其价格超出铝合金材料(导热系数170w/m.k)的4倍；绝缘材料层21厚度增加到超出1mm厚度时，由于下方铝合金和绝缘材料层的热膨胀系数差异过大，在频繁的温度改变过程中很快绝缘材料层21就会碎裂失效。所以现有技术中绝缘材料层21的厚度一般都在0.5-1mm之间，这样小的厚度还导致在整个平面上绝缘材料层厚度的不均匀性很难控制，因为绝缘材料层通常是喷涂的，表面粗糙度很大，常见工艺加工形成的公差都会带来绝缘材料层厚度不均匀。对于0.5mm厚的材料层来说不同部位绝缘材料厚度差达到25um时，就可以使得不同区域之间的厚度差可以达到5%，位于基片支撑台上方的基片温度也会相应的受影响而很难获得均一的温度分布。所以业内需要一种新的方法或装置解决在基片支撑台，能够快速的改变基片的温度，同时还需要能使得基片的温度更均匀。

技术实现要素：

本发明解决的问题是提供一种基片支撑台包括：静电夹盘、加热器和基座，静电夹盘安装到加热器上方，加热器固定到基座上表面；其中所述基座内包括冷却液流通管道；所述加热器包括加热元件用于产生热量，还包括位于加热元件上方的上绝缘材料层和位于加热元件下方的下绝缘材料层，所述下绝缘材料层底面固定到所述基座上表面，其特征在于：所述下绝缘材料层厚度大于1mm，下绝缘材料层中包括至少一金属层将下绝缘材料层分隔为多个绝缘材料子层。其中多个绝缘材料子层厚度小于1mm，以防止绝缘材料层在温度变化过程中破裂，较佳的厚度绝缘材料子层厚度小于0.5mm大于0.2mm。

其中本发明的金属层最佳选择为网格状，基座由铝合金制成。

进一步地，下绝缘材料层可以包括两层金属层，将下绝缘材料层分隔为第一、第二、第三绝缘材料子层。

本发明中绝缘材料层由陶瓷材料或者有机材料制成，所述陶瓷材料包括氧化铝、氮化铝、氧化钇之一，所述有机材料选自peek、vespel、kapton之一。

本发明基片支撑台的静电夹盘通过一层硅胶层与加热器顶部的上绝缘材料层相连接。

本发明同时提供一种用于基片支撑台的加热器的制造方法，包括步骤：a.在基底材料上形成约小于1mm厚的绝缘材料层；b．在绝缘材料层上形成网格状金属层；c.重复执行上述步骤a-b以形成下绝缘材料层，所述下绝缘材料层包括交替的绝缘材料层和金属层，其中顶层为绝缘材料层；d.在顶层的绝缘材料层上形成加热元件;e.在所述加热元件上形成上绝缘材料层。

附图说明

图1是现有技术基片支撑台示意图；

图2是本发明基片支撑台示意图。

具体实施方式

如图2所示为本发明基片支撑台示意图，本发明与图1所示的现有技术相比具体相类似的基本结构，主要区别在于本发明的基片支撑台10上包括多层的绝缘材料层21、23、25、27，这些绝缘材料层之间还埋入有两层状金属层22、24以及位于上方的加热元件29。其中金属层22、24所用材料与下方基座类似具有较好的延展性，而且整体厚度很低（小于0.1mm），覆盖面积也小所以不会增加上下方向的热导系数。绝缘材料层21~27的厚度可以和现有技术一样选择0.5-1mm或者更低，但是本发明通过不同绝缘材料层之间金属网格层22、24的设置可以使得这些绝缘材料层不会在温度变化过程中破裂。现有技术中如果整个绝缘材料层21厚度超过1mm，就会使整个21的厚度与铝合金基座之间发生的相对位移导致材料层21破裂的，本发明中每层绝缘材料层厚度都小于1mm，这些较薄的绝缘材料层21、23、25、27都只与其直接结合的基座10、网格状金属层22、24发生相对位移，所以每个绝缘材料层不易发生破裂，但是整体的绝缘材料层总厚度却远超1mm的厚度，最大可以达到约3mm，这个厚度已经足以阻挡大量热量在加热过程中向下传导。为了防止破裂，每层绝缘材料层21、23、25、27的厚度数值可以选择的更低，比如小0.5mm大于0.2mm，通过设置更多层的金属-绝缘材料层单元相叠使得加热元件下方的整体绝缘材料层厚度大于1mm,实现有效的隔热的同时避免绝缘材料层破裂。

绝缘材料层总厚度增加后，整体材料层厚度的均匀性更加容易控制，同样的的加工工艺带来的公差25um，相对采用本发明方案后具有的更大厚度，在整个加热器平面上厚度的总误差可以控制在2%以下，这对上方基片温度的均匀性带来了额外的好处。本发明中网格状金属层的设置除了可以防止绝缘材料层破裂以外，即使局部区域发生了轻微开裂，由于绝缘材料是与网格状金属结合的所以这些裂开的部分仍然会被金属材料拉住，不会发生脱落。所以采用本发明加热器结构的基片支撑台，能够在防止加热器破裂的情况下获得更厚的绝缘材料层。

本发明结构的基片支撑台对于需要获得对基片进行高温处理的工艺特别有效，在高温处理工艺过程中基片温度与下方的基座温度差可能大于50度甚至可能达到100度。因为本发明提供的隔热效果更好的加热器能够使得加热元件29中产生的热主要向上方加热静电夹盘以及静电夹盘上方的基片，不仅升温速度快，能够减少工艺切换时间，还节约能源。

本发明中网格状金属层22、24也可以是金属的圆片，同样能实现本发明目的，避免绝缘材料层破裂。本发明中绝缘材料层除了可以是前面例举的氧化铝、氮化铝等陶瓷材料也可以是有机聚合物制成的绝缘材料，这些有机绝缘材料可以是市场上可以获得的peek、vespel、kapton等，只要是绝缘且热导率低的材料都能应用于本发明。

本发明还提供了一种基片支撑台的制造工序，在基片支撑台制造过程包括：

a.采用传统机械加工工艺制造带有冷却液流通管道11的铝合金基座10;

b．喷涂绝缘材料颗粒到基底材料上形成约0.5mm厚的绝缘材料层21，固化后完成绝缘材料层21的形成，喷涂工艺可以是电弧喷涂、等离子喷涂或者除了喷涂工艺也可以采用化学气相沉积形成绝缘材料层，这样形成的绝缘材料层更致密均匀；

c．形成网格状金属层22，形成工艺可以是喷涂也可以是直接直接铺设金属薄片；

d.重复执行上述步骤b-c以分别形成材料层23、24、25；

e.在绝缘材料层25上形成加热元件29;

f.再次执行步骤b,形成绝缘材料层27。

完成加热器和基座10的制造后可以进一步在绝缘材料层上表面涂覆硅胶等粘接材料层，将静电夹盘放置到所述粘接材料层上完成整个基片支撑台的制造。上述步骤d中b-c重复执行的次数可以根据需要优化设定，重复执行次数越多则绝缘材料层和网格状金属层交叠的层数越多，直到达到工艺需要的隔热效果为止。本发明制造工序也可以是先加工制造本发明特制的加热器，再将加热器通过粘胶层粘接到下方基座上表面，其中加热器的制造过程与前述a-f类似，但是下绝缘材料层是直接在基底材料上开始制造，首先在基底上依次生长各种绝缘材料层和金属层，然后形成加热元件和上绝缘材料层，最后将加热器从基底材料上脱离固定到预先准备的铝基座上。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。