用于宽范围温度控制的加热器基座组件的制作方法
在此所公开的实施方式总的来说涉及半导体处理腔室，并且更具体地涉及用于半导体处理腔室的被加热的支撑基座组件。
背景技术：
半导体处理涉及到众多不同的化学和物理工艺，由此在基板上产生微小的集成电路。构成集成电路的材料层由包括化学气相沉积、物理气相沉积、外延生长等的工艺来产生。使用光阻掩模和湿法或干法蚀刻技术来图案化所述材料层中的一些材料层。被用于形成集成电路的基板可为：硅、砷化镓、磷化铟、玻璃、或其他的适当的材料。
在集成电路的制造中，等离子体工艺经常用于各种材料层的沉积或蚀刻。等离子体处理提供了胜过热处理的许多优点。例如，等离子体增强化学气相沉积(pecvd)与在类似的热工艺中可达成的温度和沉积速率相比而言允许在更低的温度和更高的沉积速率下来执行沉积工艺。因此，pecvd对于具有严格的热预算的集成电路制造而言(例如对于超大规模集成电路或极大规模集成电路(vlsi或ulsi)设备制造而言)是有利的。
用于这些工艺中的处理腔室通常包括被设置在所述处理腔室中的基板支撑件或基座以在处理期间支撑所述基板。在一些工艺中，基座可包括嵌入式加热器，所述嵌入式加热器经调适以控制所述基板的温度和/或提供可被使用在工艺中的高温。在基板处理期间的所述基板的适当的温度控制和均匀的加热是非常重要的(特别是当集成电路的尺寸减小时)。具有嵌入式加热器的常规的支撑件通常具有影响沉积在基板上的薄膜的质量的众多热点(hotspot)和冷点(coldspot)。
因而，需要提供主动的温度控制的基座组件。
技术实现要素：
本公开文本的实施方式总的来说涉及半导体处理腔室，并且更具体地涉及用于半导体处理腔室的被加热的支撑基座。在一个实施方式中，公开了一种基座组件，且所述基座组件包括：基板支撑件，所述基板支撑件包括介电材料，并且具有用于接收基板的支撑表面；电阻加热器，所述电阻加热器被封装在所述基板支撑件内；空心轴，所述空心轴在所述轴的第一端处耦接至所述基板支撑件的支撑构件；和导热材料，所述导热材料被设置在位于所述支撑构件与所述轴的所述第一端之间的界面处。
在另一个实施方式中，公开了一种用于半导体处理腔室的基座组件，且所述基座组件包括：基板支撑件，所述基板支撑件包括介电材料，并且具有用于接收基板的支撑表面；电阻加热器，所述电阻加热器被封装在所述基板支撑件内；轴，所述轴具有中空芯，并且于所述中空芯的第一端处耦接至所述基板支撑件的支撑构件；和热中断件，所述热中断件包括：气隙，所述气隙被定位在所述加热元件与所述冷却通道组件之间。
在另一个实施方式中，公开了一种用于半导体处理腔室的基座组件，且所述基座组件包括：基板支撑件，所述基板支撑件包括介电材料，并且具有用于接收基板的支撑表面；电阻加热器，所述电阻加热器被封装在所述基板支撑件内；轴，所述轴具有中空芯，并且于所述中空芯的第一端处耦接至所述基板支撑件的支撑构件；热中断件，所述热中断件包括：气隙，所述气隙被定位在所述加热元件与所述冷却通道组件之间；和导热材料，所述导热材料被设置在位于所述支撑构件与所述中空芯的所述第一端之间的界面处。
附图简单说明
为了使得可详细地理解前文引述的本公开文本的特征的方式，可通过参照实施方式来获得于前文中简短概述的本公开文本的更为特定的描述，所述实施方式中的一些实施方式被展示于附图中。然而，应注意到：附图仅展示此公开文本的典型实施方式，所以并不被视为是对其范畴的限制，对于所述公开文本而言可允许其他的等效的实施方式。
图1是等离子体系统的一个实施方式的部分截面图。
图2a是可用于图1的等离子体系统的基座组件的一个实施方式的等距俯视图。
图2b是图2a的基座组件的等距底视图。
图3a是可被用作图1至图2b的基座组件的基座组件的另一个实施方式的截面侧视图。
图3b是图3a的基座组件的放大的截面图。
图3c是图3a的基座组件的放大的截面图。
图4a和图4b是示出了可用以将支撑构件耦接至轴的不同类型的紧固件组件的基座组件的一部分的截面图。
为了促进理解，已尽可能使用相同的元件符号来指定附图共用的相同元件。设想到，一个实施方式的元件和特征可被有利地并入其他的实施方式中，而无需进一步的叙述。
具体实施方式
本公开文本的实施方式总的来说涉及半导体处理腔室，并且更具体地涉及用于半导体处理腔室的被加热的支撑基座。参照等离子体腔室在后文中说明性地描述在此公开的实施方式。在一个实施方式中，等离子体腔室用于等离子体增强化学气相沉积(pecvd)系统中。可经调适以受益于在此描述的实施方式的pecvd系统的示例包括：
在此描述的基座的实施方式解决了在进行处理期间并在完整的处理周期中的所有的时刻对于基板的主动的温度控制的需求。在此描述的某些实施方式使用具有最小温度梯度(<10℃)且具有独有的元件图案的嵌入式加热元件在高于400℃的温度下提供较高的温度控制。在此描述的某些实施方式可通过使得活性的冷却剂流动经过基座的主体的方式，从外部源(如rf耦合)或内部源(诸如嵌入式加热元件)移除较大的热负载(例如高于2000瓦特)。在此描述的某些实施方式通过加热器元件以及经过基座的主体的冷却剂的流动速率的主动控制来提供较低的所期望的温度梯度。
在此描述的某些实施方式提供了当基板经受众多的工艺和腔室条件(例如，加热器面板、在腔室中受冲击的耦合rf、工艺气体、化学等)的影响时主动地控制在宽范围中的基板温度的能力。基板的主动温度控制包括空间温度控制和/或瞬变温度控制。
空间温度控制包括在基板内(或在基板上)产生所期望的径向温度分布。空间温度控制通常由具有多个同心加热器区域的基座来执行。所期望的径向分布可包括：均匀的温度、边缘热(edge-hot)温度分布、或边缘冷(edge-cold)温度分布。瞬变温度控制包括：在存在有不同的外部热负载的情况下，维持基板的所期望的温度分布。瞬变温度控制通常由适当地调节加热器区域功率的方式来达成。主动的温度控制可通过两个有效的温度通量来达成；首先，通过嵌入式加热元件将热量提供至基座，并且其次，通过内部的冷却剂路径将热量从基座移除。因此，可通过控制这两个通量的水平的方式来将基座表面(其中基板静置在所述基座表面上)的温度控制到所期望的温度设定点。可通过将更多的功率传递至加热元件和减低冷却剂的流动速率(或减低冷却剂入口温度)来产生增加的热量，或可利用相反的方式来完成以达成较冷的基座温度。通过控制热源(加热元件内部或腔室或工艺条件外部)与排热(内部的活性的冷却剂)之间的相互作用的方式来达成较宽的温度控制范围。在一个实施方式中，这通过将加热元件定位在支撑本体中与支撑表面更加靠近的方式来达成，其中所述基板静置于所述支撑表面以最大化可被达成的最高温度并通过将冷却通道定位在轴的下部主体而位于一个高度处以排出所期望的量的热量。
除了准确的温度控制之外，使用者有时候要求增加的系统吞吐量。一种用以改进吞吐量的方式是：通过增加射频(rf)功率来增加沉积速率。然而，rf功率的增加产生施加在基座上的等离子体热负载的相对应的增加。对于目前所期望的rf功率水平而言，等离子体热负载可高达1000瓦特(w)。
为了要维持稳定的基板温度，进入基座的热流应与离开基座的热流相平衡。达成此平衡的困难度随着工艺温度而改变。例如，在高的操作温度(例如约650℃)下，辐射热损失是高的，并且辐射热损失多于足以抵消等离子体热负载。然而，在“中等的”温度(例如小于约400℃)下，辐射热损失低得多(例如在350℃下大约为300w)。在这些中等的温度下，可利用如同在此描述的基座组件的实施方式。
用于中等温度处理的常规基座通常对热传导作出限制。因此，热损失(辐射热损失和传导热损失)的总和不足以平衡大的等离子体热负载，这导致当在沉积工艺期间使用高的rf功率时的温度控制的损失。
在一个实施方式中，公开了一种基座组件，所述基座组件包括被耦接至轴的基座主体。所述基座主体包括介电材料(例如陶瓷材料(诸如氮化铝))。轴包括传导(导电和导热)材料(例如铝合金(诸如6061铝))。轴可包括嵌入于其中的冷却剂路径，所述冷却剂路径将热量从基座主体中移除。轴提供高的热导性，所述高的热导性有助于热流从热源至冷却剂的相互作用。
图1是具有根据在此描述的实施方式的基座组件102的示例性等离子体系统100的部分截面图。如同在此所描述的，基座组件102包括主动冷却系统，所述主动冷却系统允许：当基板经受众多工艺和腔室条件的影响时，在宽温度范围中对定位在基座组件102上的所述基板的温度进行主动控制。等离子体系统100通常包括处理腔室主体104，所述处理腔室主体104具有界定一对处理区域112a和112b的侧壁106、底壁108、和内侧壁110。处理区域112a-b中的每一个处理区域被类似地配置，并且为了简洁性的缘故仅描述处理区域112b中的元件。
通过被形成在腔室主体104的底壁108中的通道116将基座主体114设置在处理区域112b中。基座主体114经调适以支撑在基座主体114的上表面上的基板(未示出)。基座主体114可包括加热元件(例如电阻加热元件)以在所期望的工艺温度下加热并控制基板温度。替代性地，基座主体114可由远程加热元件(例如灯组件)加热。
基座组件102包括被耦接至轴118的基座主体114。轴118耦接至功率插座或功率箱120，所述功率插座或功率箱120可以包括控制基座主体114在处理区域112b内升高和移动的驱动系统。轴118还包括用以将电功率提供至基座主体114的电功率接口。轴118还包括形成于轴118中的冷却剂通道。功率箱120还包括用于电功率和温度指示器的接口(例如热电偶接口)。轴118还包括底座组件122，所述底座组件122经调适以可拆卸地耦接至功率箱120。在电源箱120的上方示出了圆周环124。在一个实施方式中，圆周环124是肩部，所述肩部被调适作为机械挡块或垫圈，所述机械挡块或垫圈经配置以提供在底座组件122与功率箱120的上表面之间的机械界面。
杆126被设置为穿过被形成在底壁108中的通道128，并且被用以激活被设置为穿过基座主体114的基板升降杆130。基板升降杆130选择性地将基板与基座主体114间隔开，以促进：使用用于通过基板传送口132传送基板进入处理区域112b和将基板传送出处理区域112b的机器人(未示出)来交换基板。
腔室盖134被耦接至腔室主体104的顶部部分。盖134容纳与所述盖耦接的一个或多个气体分配系统136。气体分配系统136包括气体入口通道140，所述气体入口通道140通过喷头组件142将反应物和清洁气体传递至处理区域112b中。喷头组件142包括环形基板144，所述环形基板144具有被设置在面板146的中间的阻挡板148。射频(rf)源150被耦接至喷头组件142。rf源150为喷头组件142供电以促进在喷头组件142的面板146与基座主体114之间产生等离子体。在一个实施方式中，rf源150可以是高频射频(hfrf)电源(诸如13.56mhz的rf发生器)。在另一个实施方式中，rf源150可包括hfrf电源和低频射频(lfrf)电源(诸如300khz的rf发生器)。替代性地，rf源可被耦接至处理腔室主体104的其他部分(例如基座主体114)，以促进等离子体产生。电介质隔离器152被设置在盖134与喷头组件142之间以避免将rf功率传导至盖134。阴影环154可被设置在基座主体114的外围上，所述阴影环在基座主体114的所期望的高度处与基板相接合。
可任选地，冷却通道156被形成在气体分配系统136的环形基板144中以在操作期间冷却环形基板144。传热流体(诸如水、乙二醇、气体等)可通过冷却通道156循环以使得基板144被维持在预限定的温度。
腔室衬垫组件158被设置在处理区域112b内非常接近于腔室主体104的侧壁110、106处，以避免侧壁110、106暴露于在处理区域112b内的处理环境。衬垫组件158包括圆周泵送腔160，所述圆周泵送腔160被耦接至泵送系统164，所述泵送系统164经配置以从处理区域112b排出气体和副产物并控制处理区域112b内的压力。多个排气口166可被形成在腔室衬垫组件158上。排气口166经配置以利用促进在系统100内的处理的方式来允许气体从处理区域112b流动至圆周泵送腔160。
图2a是可用于图1的等离子体系统100的基座组件102的一个实施方式的等距俯视图。基座组件102包括：基座主体114、轴118、和与圆形基板支撑件205相对的底座组件122。在一个实施方式中，轴118经配置以作为管状构件或空心轴。基板支撑件205包括基本上为平面的基板接收表面或支撑表面210。支撑表面210可经调适以支撑200mm的基板、300mm的基板、或450mm的基板。在一个实施方式中，支撑表面210包括多个结构215，所述多个结构215可以是在支撑表面210的平面的上方延伸的凸块(bump)或突起部。所述多个结构215中的每一个结构的高度基本上相等，以提供从支撑表面210稍微升高的或间隔开的基本上为平坦的基板接收平面或表面。基板支撑件205还包括形成为穿过所述基板支撑件205的多个开口220，所述多个开口220经调适以接收升降杆130(图1)。
在一个实施方式中，基座主体114由陶瓷材料(例如氮化铝)制成，并且轴118由导热的金属材料(例如铝)制成。
在一个实施方式中，基座主体114的支撑表面210被纹理化(textured)。可使用本技术领域中的已知技术(例如珠光处理(beadblasting)、回蚀工艺或其组合)来纹理化支撑表面210。在一个实施方式中，基座主体114的纹理化的支撑表面210的均方根(“rms”)粗糙度可以是从约0.75微米至约6微米(例如，在约1.5微米与约5微米之间(例如约2微米))。
图2b是图2a的基座组件102的等距底视图。轴118包括第一端225，所述第一端225被耦接至基座主体114的支撑构件230。轴118还包括第二端235，所述第二端235被耦接至与基板支撑件205相对的底座组件122。在此实施方式中，底座组件122包括被耦接至电介质插头245(和/或包含电介质插头245)的开槽的导电部分240。在一个实施方式中，开槽的导电部分240可被配置为经调适以与功率箱120(图1)相配合的插头或阳型接口。在描绘于图2b中的实施方式中，导电部分240在横断面中可为圆形的，所述导电部分具有形成为至少部分地穿过外表面或壁的槽。电介质插头245可经配置为插座或阴型接口，或替代性地，电介质插头245包括被配置以作为插座或阴型接口的一部分或多个部分，所述插座或所述阴型接口经调适以接收在功率箱120内的电气连接或与在功率箱120内的电气连接相配合。在一个实施方式中，开槽的导电部分240可以是轴118的整体延伸并且由铝材料制成，而电介质插头245由peek树脂制成。
底座组件122还包括圆周环124，所述圆周环124经调适以接收o形环(未示出)，所述o形环与被描绘在图1中的功率箱120接口相接。在此实施方式中，开槽的导电部分240包括经调适以接收电介质插头245的开口，且电介质插头245紧固至开槽的导电部分240。电介质插头245还包括形成于电介质插口245中用于接收来自功率箱120(所述功率箱120被示出在图1中)的电气引线的开口或插座。
支撑构件230在热界面250处被耦接至轴118的第一端225。热界面250可以是接合件(bond)，所述接合件包括导热材料255，所述导热材料225被设置在轴118的第一端225的配合表面与支撑构件230之间。轴118的第一端225和支撑构件230可通过一个或多个紧固件组件260可拆卸地彼此耦接。
图3a是基座组件300的一个实施的截面侧视图。基座组件300可用作图1至图2b的基座组件102。图3b是图3a的基座组件300的放大的截面图。在一个实施方式中，对基座组件300上的基板(未示出)的温度控制由电阻加热器305、具有冷却通道组件306的轴118、和热中断件308、以及热界面250中的一个或多个热界面来提供。
电阻加热器305被设置或封装在基座主体114中。热中断件308被提供在基座主体114中相邻于或位于界面310(所述界面310位于基座主体114与支撑构件230之间)之处。冷却通道组件306具有：冷却通道307、冷却通道入口302、和冷却通道出口304。冷却通道入口302和冷却通道出口304可被耦接至用于将传热介质或“冷却剂”供应至冷却通道组件306的流体再循环器309。在一个实施方式中，冷却通道307是定位在轴118的主体中的环形通道，并且冷却通道307围绕轴118的中空部分318。
在一个实施方式中，热中断件308增大了在基座主体114的支撑表面210中心周围的热阻，从而充当冷扩散器(coldspreader)。这可减少可能存在于基座主体114的支撑表面210的中心处的冷点。参照图3b，热中断件308由上壁312、相对的下壁313和包围热中断件308的周围壁314来形成。热中断件308可包括由上壁312、下壁313和周围壁314所包含的气隙或空隙。
在一个实施方式中，周围壁314是圆形的，因此使得热中断件308呈现圆形。热中断件308还可具有提供所期望的热控制量的任何其他形状。例如，热中断件308可具有从其他的形状(诸如椭圆形、正方形、矩形、和非均匀的形状)中所选出的形状。在一个实施方式中，热中断件308具有在约2英寸(5.1cm)与约6英寸(15.2cm)之间的直径。在一个实施方式中，热中断件308具有在约3英寸(7.6cm)与约4英寸(10.2cm)之间的直径。热中断件308的直径可被改变，以为了提供所期望的热控制量。热中断件308的上壁与下壁之间的距离(例如高度)还可被改变，以为了提供所期望的热控制量。在一个实施方式中，热中断件308的高度是在约0.1英寸(0.3cm)与约1英寸(2.5cm)之间。在另一个实施中，热中断件308的高度是在约0.4英寸(1cm)与约0.5英寸(1.3cm)之间。
在基座主体114与支撑构件230之间的界面310包括接合件320。接合件320可包括直接接合、扩散接合、在约1200℃至约1500℃的温度下的共烧结和/或共燃(co-firing)。接合件320可延伸至热中断件308的周围壁314和/或形成热中断件308的周围壁314。
在一个实施方式中，冷却通道入口302是延伸穿过基座组件102的轴118的纵向通道。冷却通道入口302的第一端与流体再循环器309耦接，且冷却通道入口302的第二端与冷却通道307流体耦接。在一个实施方式中，冷却通道出口304是延伸穿过基座组件114的轴118的纵向通道。冷却通道出口304的第一端与冷却通道307耦接，且冷却通道出口的第二端与流体再循环器309耦接。
图3c是一部分的放大的截面图。热界面250包括支撑构件230的配合表面320a和轴118的配合表面320b。环形的o形环槽325可被包括在热界面250中。导热材料255可被设置在配合表面320a与配合表面320b之间位于约0.001英寸的厚度330处。导热材料255可具有约每米开尔文4.0瓦特(4.0w/m·k)的热导率。示例包括掺杂有导热材料(诸如铝、银、氧化铝、氮化铝、氧化铍、碳化硅或金刚石)的基于硅树脂和/或丙烯酸的热润滑胶或粘合剂。导热材料255的另一个示例包括以商品名为gapfiller4000tm来出售的间隙填充材料，所述间隙填充材料可从贝格斯(bergquist)公司购得。
再次参照图3a，热界面250可包括大约2平方英寸的表面区域335。表面区域335主要基于设计因素。例如，支撑构件230和轴118的中空部分必须是足够大的以容纳用于电阻加热器305、热电偶导线等的电连接，且必须调整支撑构件230和轴118的外形尺寸以用于整合至现有的腔室本体中。在给定表面区域335的尺寸和导热材料255的厚度的情况下，热界面250的热通量可以是约1500瓦特或更大，并且在热界面250处的温度变化量是约10℃。
在操作中，由电阻加热器305所产生的和/或来自等离子体的热量来加热基板(未示出)，并且任何多余热量通过热界面250从陶瓷的基座主体114和支撑构件230流至铝轴118。传热流体可被再使用且由流体再循环器309被连续地泵送通过冷却通道组件306。在某些实施方式中，基座主体114的温度在操作中可以是约350℃，而轴118的温度在操作中可以是约100℃(或更低)。
图4a和图4b是基座组件102的一部分的截面图，其示出可用以将支撑构件230耦接至轴118的不同类型的紧固件组件。图4a示出了作为“爪”型组件的紧固件组件400a，且图4b示出了作为“开口环”型组件的紧固件组件400b。
紧固件组件400a包括一个或多个爪夹具405，所述爪夹具405在支撑构件230与轴118之间进行夹持。一个或多个爪夹具405可包括：两个或更多个环形段，所述两个或更多个环形段经调适以在热界面250处包围支撑构件230的圆周。一个或多个紧固件410可用以将支撑构件230夹持至轴118。紧固件410和爪夹具405可被设置在凹槽415中，所述凹槽415被形成在支撑构件230中。凹槽415可以间歇式间隔被形成于支撑构件230的圆周中。
紧固件组件400b包括一个或多个环420，所述一个或多个环420在支撑构件230与轴118之间进行夹持。一个或多个环420可包括两个或更多个环形段，所述两个或更多个环形段经调适以在热界面250处包围支撑构件230的圆周。一个或多个紧固件410可用以将支撑构件230夹持至轴118。环420可抵靠支撑构件230的肩部425被紧固。一个或多个环420与一个或多个爪夹具405之间的差异在于：环420包括与支撑构件230的肩部425接触的连续向内延伸的构件，而爪夹具405具有以与凹槽415相对应的间歇式间隔来与支撑构件230的肩部425接触的向内延伸的构件。
尽管前述内容针对的是本公开文本的实施方式，但可以在不偏离本公开文本的基本范围的情况下设计本公开文本的其他和进一步的实施方式，且本公开文本的范围由所附权利要求所决定。
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