CN101040059B - 用于改善半导体加工均匀性的传热系统 - Google Patents

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Abstract

提供通过使用传热系统用于加工基片的等离子加工系统和方法。能够横跨基片表面产生高等级加工均匀性的传热系统包括均匀性支座,其支撑在传热构件上并且与之进行良好热接触。该均匀性支座包括提供共形的基片支撑表面(即接触表面)的销阵列,在加工过程中上述支撑表面能够共形于基片的背侧表面的轮廓。为了均匀冷却基片,在基片加工过程中在均匀性支座和传热构件之间能够建立大的热梯度。

Description

用于改善半导体加工均匀性的传热系统

背景技术

[0001] 不同夹具装置广泛用于在加工过程中保持半导体晶片或其它基片。例如机械夹具 能够通过使用臂或夹钳来抵靠支撑表面按压工件,从而紧固工件。然而,来自机械夹具的夹 持力固有地不均勻,导致在工件上不均勻的应力,这些应力会引起变形以及在工件和支撑 体之间的不均勻的热接触。

[0002] 真空夹具通过排空在工件背侧以下的空间,由此经由在加工腔和工件背侧之间的 压力差而产生夹持力,从而紧固工件。真空夹具能够比机械夹具提供更均勻的夹持力,但是 在许多半导体加工应用中需要的低压环境中,该压力差不足以产生足够的夹持力。

[0003] 静电夹具提供在真空系统中改善的夹持均勻性。静电夹具(ESC)使用静电电位在 加工过程中保持工件在适当位置上。通过将工件夹持在夹具上,能够提供在工件和夹具之 间改善的热传导性。可选的,诸如氦之类的高热传导性气体可以置于工件和夹具之间,以便 改善在工件和夹具之间的传热。机械夹具和ESC基片保持器的实例在公众所有的U. S.专 利 Nos. 5,262,029,5, 880,922 和 5,671,116 中提供。如在 U. S.专利 No. 4,579,618 中所揭 示的为电极形式的基片保持器能够将射频(RF)功率供应到腔内。

[0004] 使用ESC产生的困难在于去除在工件和夹具之间的残余静电力,以便从夹具去除 工件。该残余力源于在工件和ESC支撑表面之间的界面处积累的电荷。已经研发了几种技 术,用于将工件去除或脱离夹具。例如,电极和工件两者均能够接地或者可替换的,施加给 电极的夹具电压的极性能够反转,以便给电极放电。然而,这些技术在去除在电极和工件上 所有电荷方面并不完全有效。经常需要机械力来克服残余吸引静电力,这会损坏工件或产 生从不想要的位置收回工件的困难。在U. S.专利Nos. 5,117,121,6, 125,025,6, 236,555 和6,430,022中揭示了用于将工件脱离夹具的方法。

[0005]在 U. S.专利 Nos. 4,685,999、5,266,527 和 5,925,226 中揭示了使用弹性夹持构 件来将基片与基片支撑表面相结合的加工装置。在U. S.专利Nos. 6,431,115和6,695,946 中揭示了用于加工半导体基片的低温冷却系统。

[0006] 不论今日的发展如何,总是有兴趣于加工过程中用于支撑晶片的有效、低成本的 装置。如下将会是一种改善:提供支撑诸如半导体晶片之类基片的基片支撑体,同时提供良 好的加工均勻性而不引入与脱离夹具相关的困难。

发明内容

[0007] 提供一种适于支撑基片的传热系统,该基片用于半导体加工其上表面,包括(i) 位于传热构件上并与之热接触的销底座,所述销底座具有上壁、下壁以及在上和下壁之间 延伸并在它们之间限定腔的侧壁,其中所述上壁包括孔的阵列;(ii)基片支撑销的阵列, 其每一个可滑动地定位在相应的一个孔中,每个基片支撑销与销底座热接触,并在其上远 端包括接触尖端;以及(iii)加压气体源,其与所述腔相互流体连通,并且适于将加压气体 以足以在向上方向上移动每个支撑销的量供应到所述腔。

[0008] 还提供一种用于加工基片表面的等离子加工系统,包括真空加工腔,其适于激发

5和维持用于加工的等离子,并进一步包括放置在加工腔内的上述传热系统。

[0009] 销阵列包括密集阵列的支撑销。例如,支撑销能够不多于大约5mm分开放置(即, 在最近的相邻销的外表面之间的距离能够是大约5mm或更少),并且支撑销的直径能够在 大约0. 5mm和3mm之间。优选该销阵列包括至少1000个销并且每个支撑销包括适于在相 应一个孔内可滑动移动的圆柱销主体,该圆柱销主体具有基本恒定的外直径,每个孔具有 基本恒定的内直径,其中圆柱销主体的外直径比放置圆柱销主体的孔的内直径小大约0. 1 和5%之间。

[0010] 支撑销和销底座能够由金属或半导体制成,或者涂覆有金属或半导体。在优选实 施例中,支撑销和销底座涂覆有抵抗在等离子反应腔中等离子蚀刻的导电和/或抗溅射材 料。

[0011] 当基片支撑在支撑销上时,支撑销和销底座适于将热能从基片传递到传热构件。 为了改善在销底座和传热构件之间的热接触,该销底座能够经由软焊、硬焊或胶粘剂而结 合到传热构件上。

[0012] 在一种实施例中,该传热系统进一步包括温度传感器,其适于测量在基片背侧表 面处的温度。支撑销能够包括适于限制它们向上或向下移动的至少一个止块。

[0013] 在优选实施例中,当基片与支撑销物理接触时,接触尖端构造成最大化在基片和 基片支撑销之间的热接触。能够是基本平面或基本半球形的每个接触尖端能够包括具有小 于大约0. 3微米的平均表面粗糙度的接触表面。

[0014] 在基片重量下,每个支撑销适于通过接触基片的背侧表面而向下位移。在支撑销 上没有基片的情况下,每个支撑销适于通过腔中正的气压而向上位移。

[0015] 该传热构件能够包括与热流体源流体连通的流动通道,该热流体源适于在流动通 道中循环热流体。优选的热流体包括水(例如,去离子水)、液氦、液氮、乙二醇、丙二醇和/ 或 Fluorinet™。

[0016] 除了或代替热流体,该传热系统能够在传热构件顶部上包括多个热电元件(例 如,同心布置的热电元件)。从而,传热流体和/或热电元件能够用于提供热量到基片或者 从基片去除热量,该基片由支撑销阵列支撑。在提供底部RF电极的实施例中,热电元件优 选位于底部RF电极以下。

[0017] 优选,该传热系统进一步包括用于将加压气体流入腔内的在销底座中的供气进, 以及可选的用于从腔释放加压气体的出气口。加压气体能够是氦、氮或氩。气体供应到腔 中能够包括质量流量控制器,以便调节腔中的气压。

[0018] 在优选实施例中,传热系统进一步包括RF电极,其构造成用于在腔中产生等离 子或者施加RF偏压到基片。当传热系统包括RF电极时,优选销底座的底部表面结合到RF 电极的上表面上,并且RF电极的底部表面结合到传热构件的上表面上。软焊、硬焊或胶粘 剂能够用于将RF电极结合到销底座和/或传热构件上。优选RF电极(如果提供的话)与 位于上面的销底座和位于下面的传热构件均进行热接触。如果期望,RF电极能够由诸如石 英、氧化铝等之类的绝缘材料层与传热构件分离。RF电极能够通过提供合适的RF匹配电路 以单频或多频提供RF功率。

[0019] 在进一步实施例中,传热系统能够包括布置在RF电极上的边缘环。该边缘环构造 成用于保护RF电极和销底座免受用于加工基片的等离子。当基片由传热系统支撑时,优选的边缘环具有构造成布置在RF电极和基片之间的第一部分。而且,该传热系统能够包括布 置在RF电极和边缘环之间的阻抗匹配层,其中该阻抗匹配层结合到RF电极和/或边缘环 上。优选,阻抗匹配层构造成控制在RF电极和加工等离子之间的阻抗,以便改善横跨基片 上表面的加工均勻性。

[0020] 该基片能够是半导体晶片。RF电极,如果提供的话,能够具有小于、大于或等于晶 片直径的直径,但是相比于晶片直径,小于不多于大约2mm或者大于不多于大约2mm。

[0021] 在包括传热系统的加工腔中加工基片的方法中,基片支撑在支撑销阵列上,其能 够引起一个或多个支撑销由于基片重力而向下移动(例如,能够设定向上推动销的气压以 便引起所有销在基片重量作用下落下并且与基片的背侧表面共形)。根据基片的重量控制 腔中的气压,使得压力足够迫使支撑销向上,使得支撑销的大部分或全部接触尖端在加工 过程中(例如等离子加工)与基片的背侧表面相接触。

[0022] 在优选方法中,加工腔是等离子蚀刻腔,并且加工包括邻接基片上表面产生等离 子以及在基片的上表面上用等离子蚀刻暴露层。可替换地,加工能够包括在基片的上表面 上形成层(例如,通过化学气相沉积、热氧化、溅射或其它沉积加工)。另外,该加工能够包 括从基片剥去光刻胶或其它材料。

[0023] 在基片加工过程中,优选腔中气压维持在如下水平:有效维持至少95%的接触尖 端与基片的背侧表面进行热接触。

[0024] 通过在传热构件中循环热流体,传热构件在加工过程中能够冷却到小于大约100K 的温度。通过在传热构件中循环热流体和/或通过供应电流到与基片支撑销传热接触的多 个热电模块,基片在加工过程中能够冷却到小于大约450K的温度。优选在传热构件和基片 之间维持大的温度梯度(例如,至少大约200K,更优选至少大约300K),以便在加工过程中 均勻冷却基片。

[0025] 基片的加工能够包括化学气相沉积、等离子气相沉积、物理气相沉积、溅射、离子 注入、等离子蚀刻或脱胶。在使用销底座时,能够支撑和加工基片,而不机械或静电夹持基 片。

附图说明

[0026] 图1是根据一种实施例的等离子反应器横截面侧视图。

[0027] 图2是根据一种实施例的传热系统的横截面的侧视图。

[0028] 图3示出示范性支撑销的几何图形。

[0029] 图4是在其上支撑基片之前的传热系统的局部的剖视图。

[0030] 图5是在其上支撑基片之后的传热系统的局部的剖视图,该基片具有非平面后侧 表面。

[0031] 图6是根据一种实施例的传热系统的横截面的侧视图。 具体实施方式

[0032] 提供改善的半导体加工设备和方法用于加工基片和改善加工均勻性。优选该加工 是在半导体装置制造中使用的等离子蚀刻。更特别地,提供一种传热系统,其能够横跨基片 的表面产生高等级的加工均勻性。该基片能够包括用于制造集成电路的半导体基片或者用于制造平板显示器的玻璃基片。该传热系统包括在传热构件上支撑并且与之良好热接触的 基片支座(均勻性支座)。该均勻性支座适于提供共形的基片支撑表面(也即,接触表面), 该表面与在加工过程中基片的背侧表面的轮廓相一致,由此提供在基片和传热构件之间的 良好传热特性。

[0033] 由可移动的支撑销阵列形成共形的支撑表面,这些可移动的支撑销可滑动地安 装在均勻性支座内。在操作中,每个销均能由正的背侧气体压力推到完全伸展的位置,但能 够在重量作用下以及通过与基片的背侧表面相接触而从伸展位置移开。在优选实施例中, 在基片加工过程中,在均勻性支座和传热构件之间建立大的热梯度,以便产生大的驱动力 来冷却基片。

[0034] 该传热系统构造成减小横跨基片表面的热和电中断,而不使用静电夹持元件以及 不使用背侧冷却(例如,氦气背侧冷却)。通过减少这些中断,充分减少在基片中心和边缘 之间发生的加工偏差。因此,多数基片能够用于生产集成电路(ic’ s),并因此能够增加装 置生产率。这里所使用的,“加工均勻性”指横跨基片表面整个加工的均勻性。如果加工高 度均勻,例如期望在基片上不同点处加工率倾向于基本相等。

[0035] 一般,在半导体加工过程中(例如诸如等离子蚀刻、等离子辅助沉积、脱胶等之类 的等离子加工),在加工腔内在基片支撑体上提供基片。热能能够通过离子轰击传递到基片 并且基片支撑体优选从基片去除热量,而同时维持在腔中稳定和均勻的等离子以及在基片 表面处稳定和均勻的温度。特别地,在许多类型等离子加工中,基片(例如晶片)温度能够 比支撑体温度显著高,使得期望控制横跨基片/支撑体界面的热导性,以便控制基片温度 的均勻性。

[0036] 为了确保在暴露基片表面的整个区域上的均勻性加工,在基片表面处可期望基本 均勻的晶片温度。在等离子蚀刻的情况下,例如,蚀刻速率、蚀刻速率选择性和蚀刻的各向 异性全部能够受在等离子蚀刻过程中基片的温度影响。同样,基片的温度能够影响薄膜沉 积的速率以及在薄膜沉积加工过程中所沉积材料的物理、电子和光学特性。

[0037] 与等离子反应器相结合实现优选实施例,例如电容耦合的等离子反应器,如 Exelan™等离子蚀刻器,其可以从加利福尼亚的弗里蒙特的Lam Research Corporation获 得。尽管将会示出和描述电容耦合等离子反应器,但应当指出该传热系统能够与任意半导 体加工设备相结合使用,例如适合于形成等离子的设备,包括诸如电感耦合或电子回旋加 速器共振(ECR)反应器之类的高密度等离子反应器。该传热系统能够用在非等离子设备 中以便产生均勻的基片温度,例如化学气相沉积设备或者离子注入设备。

[0038] 该等离子反应器能够包括双频电容耦合等离子反应器,该反应器包括上部喷头 (showerhead)电极和底部电极,RF能量以两个不同频率(例如27MHz和2MHz)供应到底部 电极或者以不同的第一和第二频率供应给喷头电极和/或底部电极。参见例如公共所有的 U.S.专利No. 6391787,其公开内容以其全文在此结合作为参考。在等离子反应器是电容耦 合等离子蚀刻反应器的情况下,反应器能够具有带电的喷头电极和带电的底部电极,喷头 电极优选供应大约500到3000瓦特的RF能量,并且底部电极优选供应大约500到3000瓦 特的RF能量。

[0039] 图1示出根据一种实施例的等离子反应器100。该等离子反应器100 —般包括加 工腔102,在其内能够激发等离子103并且持续用于加工。在腔102内部一般布置上电极104,该上电极104经由匹配网络(未示出)可以结合到第一 RF电源106上。第一 RF电源 106—般构造成为上电极104供应RF能量。进气口 108提供在上电极104内部用于引导加 工气体例如蚀刻气体进入在上电极104和基片110之间的有效区域。加工气体也可以通过 诸如气体喷射器、气体分配板(例如喷头)、一个或多个气体环和/或其它合适装备之类的 不同类型气体供应装备而引导入腔102内。在示出实施例中,加工腔102布置成形状基本 圆柱形,并且腔壁布置成基本垂直。然而应当理解可以使用不同构造的加工腔和内部组件, 包括腔壁在内。

[0040] 基片110能够被引导入腔102内,并且布置在均勻性支座112上,该均勻性支座 112用作基片支撑体,并且可选择的在一种优选实施例中包括下电极。均勻性支座112包括 传热系统118的上部。传热构件114包括传热系统118的下部。优选该均勻性支座与传热 性构件良好地热接触。诸如胶粘剂之类的一层胶粘剂能够用于将均勻性支座112结合到传 热构件114上。该均勻性支座也能使用诸如软焊或硬焊之类的其他连接技术而连接到传热 构件上。包括传热构件114和均勻性支座112的传热系统118将在下面更详细地描述。

[0041] 基片110代表将要加工的工件,该工件例如可以是半导体晶片。除了半导体晶片 之外,该基片能够包括将要加工成平板显示器的玻璃板。该基片110能够包括在加工过程 中将要去除(蚀刻)的一层或多层,可替换的,该加工能够包括在基片上形成一层或多层。

[0042] 排气端口 130优选布置在腔102的壁和传热系统118之间。该排气端口 130构 造为用于排出在加工过程中形成的气体,并且一般结合到位于加工腔102外部的涡轮分子 泵(未示出)上。在多数实施例中,该涡轮分子泵布置成维持在加工腔102内部的合适压 力。尽管排气端口示出布置在腔壁和均勻性支座之间,但是该排气端口的实际位置可以根 据等离子加工系统的具体设计而改变。例如,气体也可以从建造在加工腔的壁内的端口排 出。另外,等离子密封环装置120可以布置在上电极104和均勻性支座112之间的加工 腔102内部,以便将等离子103限定在基片110上部。例如,参见公众所有的U. S.专利 Nos. 5,534,751,5, 569,356和5,998,932,它们的全文在此结合作为参考。

[0043] 可选的下电极能够结合在均勻性支座112中,在这种情况下上电极能够是非供电 电极(例如接地电极)或者使用与下电极相同或不同的RF频率供电。如果上电极和下电 极供电的话,合适的滤波器装备能够用于为供应给供电电极的当前频率提供返回路径。下 电极优选由第二 RF电源116(也通常经由匹配网络)供电,该第二 RF电源116 —般构造成 供应下电极RF能量。在不同等离子加工中,下电极能够用于供应RF功率以便在基片上在 开放空间中产生等离子,和/或将RF偏压施加给基片。在上和/或下电极与等离子之间耦 合的能量数量一般影响用于加工基片的等离子的密度和能量。例如,如果耦合能量大,离子 能趋向于高。如果耦合能量小,离子能趋向于低。相应的,高离子能在基片加工过程中趋向 于更积极,并且低离子能在基片加工过程中趋向于较不积极。由底部电极产生的能量也可 以布置成形成邻接基片表面122的外壳电压121,其用于朝向基片110加速在等离子103中 的离子,此处它们能激发加工反应。

[0044] 优选地,下电极的外周构造成至少延伸超出基片的外边缘。将电极延伸超过基片 边缘的一个特别优点在于在基片边缘处的电特征趋向于更均勻。也即,RF能量的耦合趋向 于在基片边缘附近更均勻,并因此加工趋向于横跨基片表面更均勻。例如,下电极能够构造 成超出基片周边大约2mm来耦合能量。射频(RF)能量能够使用单个连接而应用于下RF电极的中间区域,以便横跨电极表面,改善RF能量的分布。

[0045] 上电极以及,如果提供的话,下电极优选基本上均勻、良好的RF导体,并且能够相 对于基片110基本平面。上电极能够是平面电极或非平面、阶梯上电极,正像在公众所有的 U.S.专利No. 6,391,787中所揭示的。上电极能够是穹顶形状电极。在优选实施例中,每 个RF电极是高度导电材料的连续未破裂层。RF电极能够由任意合适的导电材料制造。例 如,RF电极能够包括硅(例如,掺杂硅)、碳(例如,石墨)、碳化硅、铝等等。上电极能够包 括供电或接地的喷头电极。优选地,RF电极足够厚以便承受施加给它们的射频(RF)能量。 尽管可以提供更厚的电极,RF电极的优选厚度范围从大约0. Icm到2cm。可选择的,上电极 能够提供有支持板或保持环。例如,硅上电极能够提供有石墨支持板。

[0046] 虽然示出了均勻性支座并且其描述为耦合到RF电源116上,但会理解到可以使用 其它构造来容纳不同加工腔或者与必须用于允许能量耦合的其它外部因素相一致。例如, 在一些单个频率等离子反应器中,能量能够供应给上电极,并且均勻性支座可以接地。

[0047] 为了产生等离子103,加工气体通常通过进气口 108供应给加工腔102内。随后, 当一个或两个RF电源通电时,电场通过一个或两个RF电极在加工腔内部电容耦合。

[0048] 应当指出,虽然详细的讲述了等离子反应器100,但是传热系统自身不限定于任意 特定类型的基片加工装置,并且可以适于在任意已知基片加工系统中使用,包括但不限于 适于蚀刻加工的系统,包括适于干蚀刻、等离子蚀刻、反应离子蚀刻(RIE)、磁性加强反应离 子蚀刻(MERLE)、电子回旋共振(ECR)等的系统。等离子加工反应器能够包括诸如在公众 所有的U. S.专利No. 6,090,304中所描述的双频等离子蚀刻反应器之类的平行板蚀刻反应 器,该美国专利的公开内容在此结合作为参考。而且,传热系统可以用在任意数目的沉积加 工中,包括适于化学气相沉积(CVD)、等离子加强化学气相沉积(PECVD)和例如溅射的物理 气相沉积(PVD)的沉积加工。该传热系统可以用在离子注入装置中。

[0049] 再进一步,期望该传热系统可以在任意以上反应器中以及其它合适的等离子加工 反应器中实现,而不管能量是否直接通过当前等离子源、电容耦合平行电极板、ECR微波等 离子源或者诸如螺旋波、螺旋共振器之类的电感耦合RF源以及RF天线(平面或非平面)而 传送给等离子。合适的等离子产生装备在公众所有的U. S.专利Nos. 4,340,462(平行板)、 5,200,232 (ECR)和4,948,458 (电感耦合)中公开,它们的全部内容在此结合作为参考。

[0050] 在等离子加工过程中,等离子的轰击离子趋向于增加基片和诸如聚焦环和/或其 它围绕基片部分之类的相邻表面的温度。在缺少足够冷却的情况下,基片的温度会升高到 足够引起设备和/或在其内结合的材料的热损坏的温度。一般,对于未夹持的基片来说,在 晶片和晶片支撑表面之间的热接触不足以分散在等离子加工过程中在基片中产生的热量。

[0051] 对于由传热系统所支撑的基片来说,在等离子加工过程中的基片温度基本上功能 在于:1)入射在基片表面上的离子流和离子能量;2)在传热构件和基片之间的温度梯度; 以及3)从基片的底部表面到传热构件的热量的热传递系数。

[0052] 提供传热系统用于控制在加工过程中基片的温度和温度均勻性。该传热系统包括 均勻性支座,该均勻性支座具有与传热构件热接触的共形基片支撑表面。该共形支撑表面 能够提供在基片和传热构件之间的良好热接触,而不使用静电夹持元件。该共形接触表面 能够共形于晶片背侧的外形。

[0053] 在优选实施例中,传热系统提供在均勻性支座的支撑表面和传热构件之间的大的温度差□!"。优选地,□ T至少大约是200k,或者至少大约300k。一般,在基片和基片支 撑表面之间的热量传递H能够表达为H〜k □ T,其中k是传热系数。从而能够通过增加传 热系数和/或通过增加在基片和位于其下的基片支撑体之间的温度梯度而增加热量传递。

[0054] 在一种实施例中,传热系统构成成产生均勻的基片温度。优选的传热系统的几何 形状在图2-6中更详细显示。应当理解,在图2-6中的描述不成比例并且意欲在讨论传热 系统的操作方面提供增强的清楚性。图2示出传热系统190的截面图。该传热系统190包 括均勻性支座230和传热构件500。

[0055] 传热构件500 —般包括主要输入和输出通道510,用于将诸如水、液氦、液氮、乙二 醇、丙二醇或其混合物之类的热流体分布到多个内部流动通道520。例如,能够使用闭环氦 制冷器。其它制冷剂包括从3M可获得的Fluorinet™。内部流动通道520能够包括单区域 (例如螺旋)流动通道,或者该内部流动通道520能够包括两个或多个具有它们各自的输入 和输出通道(未示出)的分开供应的通道。

[0056] 热流体从热流体源(未示出)流动进入传热构件并随后流出传热构件返回热流体 源。一般,热流体源包括热交换器,其中热流体在循环进入传热构件之前得到冷却或加热。 为了冷却基片和/或均勻性支座,由加工在基片和均勻性支座所产生的热量能够传入热流 体内,该热流体在传热构件中循环并传递出加工腔。可替换地,为了加热基片和/或均勻性 支座,热流体能够被加热以便传热到均勻性支座和基片。

[0057] 在另一实施例中,通过使用一列热电珀耳帖设备能够控制均勻性支座的温度以及 基片支撑销的温度。优选冷却均勻性支座,尽管使用至少一个珀耳帖设备能够同时提供加 热和冷却,该珀耳帖设备在传热构件内可选与闭合流体回路相热接触。例如一列热电珀耳 帖设备可以定位在传热构件500以上,用于增强从均勻性支座到热流体或相反方向的热传 导。在公众所有的U. S.专利No. 5,740,016中描述了具有多个热电模块的温度受控基片, 其公开内容全文在此结合作为参考。

[0058] 当热电设备用于冷却均勻性支座时,电流被提供到热电设备,以便生成朝向均勻 性支座的冷侧和朝向传热构件500的热侧。可选的,冷却热流体能够从热流体源流动进入 传热构件500,以便冷却热电设备的热侧。由于热流体冷却热电设备的热侧,热电设备的冷 侧冷却均勻性支座。以此方式,热电设备能够增强从均勻性支座的热传导。

[0059] 当热电设备用于加热均勻性支座时,电流被提供到热电设备,以便生成朝向均勻 性支座的热侧和朝向传热构件500的冷侧。可选的,加热的热流体能够从热流体源流动进 入传热构件500,以便加热热电设备的热侧。由于热流体加热热电设备的冷侧,热电设备的 热侧加热均勻性支座。通过控制供应给热电设备的电流,能够控制从基片到(或从)传热 构件的热流量。

[0060] 根据优选实施例,传热构件500用于冷却支座230,使得在基片和传热构件之间提 供大的温度差。使用与一个或多个珀耳帖元件相组合的液氮或者闭环氦浴的传热构件能够 分别产生高至大约194K或大约^SK的温度梯度。

[0061] 包括可选底部电极400的均勻性支座230可以对应于图1中示出的均勻性支座 112。该均勻性支座230包括空心的销底座250。销底座250包括上壁沈0、侧壁264和下 壁270。上壁和下壁分别具有上表面沈1、271以及下表面沈2、272。上壁沈0、侧壁264和 下壁270限定腔观0。在操作中,贯通件(例如用于将基片升高和降低到均勻性支座上以及

11离开均勻性支座的提升销装备)能够位于腔体积内。

[0062] 销底座250适于支撑基片支撑销阵列320。孔阵列横向延伸横跨上壁并且通过上 壁从上表面到下表面沈2。每个孔尺寸为容纳基片支撑销320。每个基片支撑销320 适于可滑动的装配在孔内。优选这些孔以密集列布置(例如密集图形、同心圆图形、正方形 阵列等等)。例如,能够以密集列布置这些孔,使得在相近(即最相邻)孔之间的距离小于 5mm,优选大约3mm。从而,以与孔相同的图形来布置基片支撑销320。共同的,支撑销320 形成小于、等于或大于基片下表面的表面面积的销阵列300。

[0063] 为了加工基片,诸如等离子反应器之类的加工腔在其内提供有传热系统190。基 片载入腔内并且在腔内部放在支撑销阵列上。例如,机械臂(未示出)能够从装载锁定 (load-lock)传递腔将基片运送到加工腔内。提升销装置(未示出)具有提升销,这些提升 销能够由提升机构升高和降低通过销底座。优选通过销底座250、下电极400和传热构件 500的提升销与腔280不流体连通并且与下电极和传热构件电和热绝缘。机械臂能够将基 片放在提升销的顶端并且提升机构能够将基片降低到销阵列上。如下面更详细描述的,在 基片放在销阵列上以后,腔观0中的气压为使得支撑销的大部分或全部与基片的背侧表面 相接触。例如,基片能够放在完全伸展的支撑销上,并且能够预设气压,以便支撑销在基片 重量作用下降低,或者该基片能够放在完全收缩的支撑销上,并且气压能够增加到升高支 撑销。在加工基片之后,提升机构能够升高提升销,以便提升基片离开均勻性支座,允许基 片经由机械臂从加工腔移开。

[0064] 在加工过程中,基片定位在销阵列上,使得支撑销的大部分与基片的背侧表面进 行物理接触。从而在加工过程中热量能够经由阵列300从基片到传热构件传递。能够由支 撑销的几何形状布置(例如图形、图形密度)以及支撑销自身的材料特性(例如热传导性) 确定横跨基片表面的温度分布。该销阵列能够包括支撑销的均勻或不均勻图形。

[0065] 传热系统能够构造成包括两个或多个区域,其能够提供相同热流量或不同热流量 到被支撑基片的不同区域。例如,传热构件可以包括用于冷却(或加热)均勻性支座的内 部的第一区域,以及用于冷却(或加热)均勻性支座的外部的第二区域。在基片的加工过 程中,可以为两个或多个区域中每一个设定相同温度或不同温度。优选多区域传热构件的 每个区域与其他区域热隔离,使得能够独立控制每个区域的温度。从而,多区域传热构件能 够用于均勻冷却(或加热)均勻性支座到期望温度和/或补偿在加工过程中横跨均勻性支 座的不均勻热分布。在提供多区域传热构件的实施例中,优选提供多区域销底座。

[0066] 分开的销底座能够安装在多区域传热构件的每个区域以上。从而,该传热系统能 够包括多区域销底座,同时每个销底座支撑在分开的传热构件上。优选多区域销底座的每 个区域与其他销底座区域相热隔离,使得通过控制位于下部的传热构件的温度而能够独立 控制每个区域的温度。

[0067] 多区域传热系统的每个区域优选与其他区域热隔离。诸如玻璃、石英或氧化铝之 类的绝缘材料能够用于热隔离每个区域。

[0068] 支撑承受蚀刻的基片的传热系统优选充分冷却基片,以便防止任意光刻胶在基片 上燃烧。优选在等离子蚀刻过程中的平均基片温度维持在低于140°C。在高密度等离子反 应器中,其一般足以冷却基片到大约-20到40°C之间的温度。为了维持基片处于期望的温 度,传热构件能够冷却到低于大约100K的温度(例如77K或更低)。[0069] 销底座进一步包括用于将加压气体流入腔观0内的供气进口观2。可选的,销底座 能够包括用于从腔释放加压气体的出气口观4。通过压力控制阀观3、285能够控制通过进 口 282和出口观4的气体流动率,使得流入腔观0内的净气体确定在腔内的气压。压力计 能够连接到供气进口观2,以便测量在腔280中的气压。压力计能够将相应于所测量压力信 号输出到质量流量压力控制器并且读出(未示出)。该压力控制器电连接到并且相应于所 测量的压力控制压力控制阀观3、观5。压力控制阀观3、观5与诸如氦、氮、氩或其混合物之 类的气体源相流体连通。

[0070] 在优选实施例中,当基片放在均勻性支座230上时,基片的重量在支撑销320的阵 列上施加向下的力。每个销能够通过与基片的背侧表面相接触而向下位移。腔观0中的气 体的压力能够在支撑销320上施加向上的力。在加工过程中,腔280中的气压在每个支撑销 上连续施加向上的力。通过在腔观0中供应有效量的气压,由加压气体施加在支撑销上的 向上力能够引起至少支撑销的大部分结合基片的背侧表面。优选大于95% (例如100%) 的支撑销在加工过程中与基片的背侧表面进行热接触。

[0071] 从而,独立地可移动的支撑销320的阵列300可提供能够与平面或非平面基片进 行热接触的共形支撑表面。该共形支撑表面提供在基片背侧和传热构件之间的热接触,而 不将基片静电夹持到支撑表面上。

[0072] 优选地,一个或多个温度传感器(例如,热电偶、光纤传感器等等)布置在或邻近 均勻性支座230的顶表面上,以便提供在加工过程中实时指示基片的温度。例如,能够省 略一个或多个支撑销,并且能够在支撑销的位置提供诸如热电偶或黑体探针之类的热传感 器。在公众所知的U. S.专利No. 6,140,612中能够发现适合用于感知被支撑晶片的温度的 黑体探针的细节,该专利的全文在此结合作为参考。可替换地或者额外地,一个或多个温度 传感器能够布置在传热构件中,以便感知传热构件和/或热流体的温度。

[0073] 在基片背侧和支撑销320之间直接接触的面积以及横跨基片/支撑销界面的热传 导效率两者均影响传热量。在支撑销和基片之间直接接触的面积,其是支撑销数量和数量 密度以及支撑销接触表面的粗糙度、平面度和粗糙度的函数,会影响在加工过程中基片温 度和/或基片温度均勻性。一般,接触面积越大,由传导传递的热量越多。同时,支撑销320 的几何形状(例如,直径)和材料特性(例如,热传导性)能够影响基片的温度和/或温度 均勻性。

[0074] 期望最小化在孔之间的间距(也即,最小化在支撑销之间的间距),以便最大化支 撑销与基片的整体接触面积。支撑销320的总数一般依赖于传热系统设计。为了加工300mm 晶片,例如,销阵列优选包括至少1000支撑销,更优选至少1500支撑销。在优选实施例中, 以密集阵列布置支撑销。在支撑销之间的间距优选小于约5mm,更优选小于大约3mm(例如, 大约2或Imm)。

[0075] 每个支撑销320的直径(dP)和每个孔的直径(dB)优选尺寸为允许每个销在孔内 如箭头A所指示那样自由移动(即,dP < dB),同时最小化加压气体从腔280通过孔的排放。 优选地,每个支撑销的直径小于大约3mm,优选大约2mm。从而,期望最小化在每个支撑销和 其相应孔之间的间隙,以便最小化经由孔加压气体从腔观0的排放。在优选实施例中,支 撑销直径比其相应孔内径小大约0. 1和5%之间。支撑销的外径和孔的内径优选制造成处 于预选数值+/-5%的公差内。可选地,0形圈密封(未示出)能够提供在支撑销320和孔265之间,以便最小化加压气体通过孔265的流动。而且,孔265的内表面和/或支撑销320 的外表面能够涂敷有低摩擦、导热涂层,以便方便销的运动,同时最小化气体从腔的排放。

[0076] 现在,特别参照图3将要描述每个支撑销320的优选构造。每个支撑销320在其 上远端包括接触顶端330,该接触顶端330适于与基片的背侧进行接触。每个支撑销能够包 括改变几何形状的接触顶端。例如,支撑销320能够包括基本平面的接触顶端330a或半球 形接触顶端330b。而且,支撑销320能够包括成形为最大化与基片背侧接触的接触顶端。 每个支撑销的主体优选为圆柱形状。从而,每个支撑销的横截面优选为圆形,相应于圆形孔 265。然而一个或多个支撑销的上远端能够包括具有非圆形横截面的接触顶端。例如,该顶 端能够加大以便提供与基片的更大接触。图3示出一种支撑销320,其具有适于可滑动装配 在孔沈5内的圆形主体3¾和六边形接触顶端330c。接触顶端330包括能够为基本平面或 曲面的接触表面332。如下所论述的,接触表面的粗糙度能够改变。

[0077] 在优选实施例中,每个支撑销由其相应孔可滑动地约束。例如如图2所示,每个支 撑销能够在其运动范围内由一对止块322、324限制。提供上止块322用于通过抵靠上表面 261而限制每个销320在向下方向上的运动,并且提供下止块3M用于通过抵靠下表面262 而限制每个销320在向上方向上运动。在上止块322和下止块3¾之间沿着每个销的距离 为D。优选,每个销320的整个运动范围小于大约5mm(相应于在D和t之间的差值,其中t 为上壁沈0的厚度)。再次参照图2,在可替换实施例中,能够省略上止块322,能够提供下 止块3¾用于通过抵靠上表面262而限制每个销320在向上方向上运动,并且每个销320 的下远端表面3¾能够通过抵靠上表面271而限制每个销在向下方向上运动。而且,上止 块322能够相应于接触顶端330,该接触顶端330具有大于孔265直径的横截面。上和下 止块能够包括连续或不连续的凸起。该凸起从支撑销的主体延伸一定量,该延伸量足以限 制支撑销在向下或向上方向的垂直运动。

[0078] 每个销构造成在基本垂直于基片背侧表面的方向上独立移动。在优选实施例中, 通过在腔中使用预定气压,当基片定位在均勻性支座上时,将会由基片的重量引起销在向 下垂直方向上的运动。接触基片的每个销将在接触点处根据基片表面的相对重量而在向下 方向上位移一定量。换句话说,销在它们相应孔内的深度,并因此它们距离完全伸展位置的 位移依赖于基片的表面轮廓。然而,由在腔观0中的加压气体施加在销上的向上力能够抵 抗由基片重量引起的向下力。优选,在基片加工过程中足够的气压施加给腔观0,以便维持 在阵列中的每个销与基片的背侧表面相接触(例如,热接触)。

[0079] 通过增加或降低腔观0中的气压能够影响支撑销的运动。通过增加在腔中的气 压,能够迫使销向上直到它们向上运动范围受到限制为止(例如,下止块324结合下表面 沈2)。当下止块3M结合下表面沈2时销处于伸展位置。通过降低在腔中的气压,销能够 向下移动(在作用于它们自身质量上的重力作用下和/或源于放在其上的基片质量所引起 的向下力)直到它们的向下运动范围受到限制为止(例如,上止块322结合上表面261或 者下远端表面结合上表面271)。当销的向下运动范围受到限制时,该销处于其收缩位置。 优选,在将晶片装载在均勻性支座之前,腔观0中的气压增加一定量,该增加量有效于将阵 列300中的每个销320升高到其伸展位置。然而,当晶片装载在均勻性支座上时,阵列中的 支撑销能够处于它们的凹进位置。将会理解到,在晶片装载在均勻性支座上之后,腔280中 的气压能够维持设定或增加或降低一定量,该量有效于结合支撑销与晶片接触表面的至少大部分。

[0080] 使用一个或多个传感器能够在加工过程中监测支撑销的位置。从位置传感器读出 的输出能够用于控制腔中的气压。例如,如果在将基片放在支撑销上之后位置传感器指示 支撑销处于它们的伸展位置的话,则能够减小腔中的气压。同样,如果在将基片放在支撑 销上之后位置传感器指示支撑销处于它们的收缩位置的话,则能够增加腔中的气压。

[0081] 质量流量压力控制器为腔观0中的加压气体设定期望的压力值(设定点压力)。 该设定点压力主要基于基片质量来确定。在优选实施例中,将要加工的基片支撑在销阵列 300上,并且质量流量控制器增加或降低加压气体流入腔观0内,以便维持支撑销320处于 它们的伸展和收缩位置之间。在加工过程中,质量流量控制器能够基于位置传感器(如果 提供的话)的输入而维持腔中气压处于预定值或调节腔中气压值。在基片加工过程中,腔 280中的气压优选维持处于足以迫使销阵列300中的大部分销320向上的水平,使得接触表 面332结合基片的背侧表面。优选在销阵列300中的每个销320将垂直移动到接触点,使 得支撑销的接触表面与基片相接触(例如,热接触)。从而,该均勻性支座提供包括支撑销 阵列接触表面的共形的支撑表面。在基片加工过程中,每个接触表面能够独立的与基片的 背侧进行热接触。

[0082] 在基片加工过程中,该基片会变热。该热量会源于例如基片的等离子蚀刻。来自 化学反应、材料溅射、离子轰击等等的热量优选通过基片传导跨过基片/支撑销截面,通过 支撑销阵列,通过销底座并最终到传热构件。该传热构件适于经由通过均勻性支座的热传 导从基片去除热量。在可替换实施例中,传热构件能够通过均勻性支座的热传导而将热量 供应给基片。

[0083] 通过增加在基片和销阵列之间的整体接触面积和/或通过最小化接触表面的粗 糙度而能够增加横跨基片/销阵列界面的热传导性。在一个实施例中,提供密集阵列的支 撑销能够增加在基片和销阵列之间的整体接触面积。

[0084] 描述不同支撑销阵列图形。然而所描述的阵列图形仅仅是可以用于构造共形支 撑表面的图形的代表。在优选实施例中,支撑销阵列包括密集阵列的相同销。在进一步实 施例中,一个或多个支撑销的接触顶端能够构造成最大化在基片和基片支持销之间的热接 触。例如,通过控制接触顶端的形状和/或粗糙度能够最大化该热接触。该销阵列能够 包括离散的区域,其中在每个区域中,支撑销的布置能够是恒定或变化的(也即,支撑销材 料、销尺寸、销之间的间距、和/或接触表面粗糙度等等能够贯穿整个支撑销阵列或贯穿在 阵列中的一个区域是恒定或变化的)。

[0085] 通过降低支撑销接触表面的表面粗糙度,能够增加在基片和基片支撑销之间的热 接触效率,优选每个支撑销的接触表面的表面粗糙度低于其进行接触的基片的背侧的表面 粗糙度。然而将会理解到,表面粗糙度能够提供用于获得在基片和支撑销之间的期望的热 接触。未研磨硅晶片(相应于背侧表面)的表面粗糙度通常为大约0.3微米。

[0086] 销放置几何形状以及接触表面的粗糙度可以是恒定的或者横跨销阵列有意地改 变。例如,可以期望在阵列中间部分处提供支撑销,它们具有与在阵列的外部、环形部分处 的支撑销相比较而言降低和/或等级别的接触表面粗糙度。在这种情况下,减小的粗糙度 能够在基片的中间部分处提供更有效的传热。

[0087] 销阵列300能够构造为使得销阵列的外周基本上与基片的外周一起延伸。可替换的,该销阵列300能够构造成使得销阵列的外周小于基片的外周。从而该基片能够在其外 边缘具有悬出区域。优选当基片放在均勻性支座上用于加工时,该销阵列由基片完全覆盖。 例如,销阵列的外边缘能够在基片外边缘内部大约2mm的地点处终止。可替换的,销阵列的 外周可以构造为延伸到基片的外周或者延伸超出基片的外周。

[0088] 该销底座优选安装在底部RF电极400上,后者依次安装在传热构件500上。优选 底部RF电极是第二板。一层诸如硅胶粘剂的聚合物胶粘剂能够用于将销底座与位于下部 的电极结合和/或将电极与位于下部的传热构件结合。该销底座也能够使用诸如软焊或硬 焊之类的连接技术而结合到底部电极上(和/或底部电极能够结合到传热构件上)。优选 当提供底部RF电极时,横跨每个销底座-电极和电极-传热构件界面进行良好热接触。当 不提供底部RF电极时,优选横跨销底座-传热构件界面进行良好热接触,从而在每个实施 例中,传热系统提供在基片和传热构件之间的有效和均勻传热。

[0089] 在图4中示出的是均勻性支座230的局部横截面的剖视图。支撑销320(320a、 320b,320c)示出具有与下表面沈2结合的下止块324。具有非平面背侧表面601的基片 600示出还未由均勻性支座支撑。

[0090] 在图5中示出的是图4的均勻性支座的局部横截面的剖视图。一部分基片600示 出支撑在支撑销320上。在操作中腔观0中的气压供应向上力给每个支撑销320,足以引 起每个支撑销320a-320c的接触表面332与晶片背侧表面601进行接触(例如热接触)。 特别参照图5,第一支撑销320a接触在基片的背侧表面上基本凹进的点,并因此从其完全 伸展位置最小位移。第二和第三支撑销320b、320c每个均在具有不同高度的地点处接触基 片,并因此具有基于其上改变的位移。从而,提供了共形基片支撑表面,其在基片和传热构 件之间有效地结合热能量。

[0091] 传热系统也能够适合于提供用于诸如气动或缆驱动提升销之类的提升销,其能够 用于从均勻性支座装载和卸载基片。一般,提升销洞从顶部表面261延伸,通过上壁沈0、腔 观0、下壁270、电极400和传热构件500。该电极400能够包括与提升销洞对齐的孔,但是 优选直径更大,由此防止提升销接触电极。优选提升销位于隔离的通道中,这些通道不与腔 280流体连通,以便防止腔中的加压气体通过提升销洞排放。在图2中,单个提升销290被 示出可移动地定位在通道四2中。

[0092] 传热构件能够包括安装在其上的诸如缆致动提升销之类的提升销,提升销可移动 地朝向和离开均勻性支座,使得提升销通过在电极和销底座中的洞行进,以便升高和降低 基片到均勻性支座上和离开均勻性支座。用于在真空腔中移动基片的缆致动驱动装置在公 众所有的U. S.专利No. 5,796,066中揭露,其公开的全文在此结合作为参考。提升销洞的 数量一般依赖于传热系统的设计和/或基片的尺寸。

[0093] 在一些等离子反应器(例如,高功率反应器)中,邻近基片的表面(例如,销底座 250和/或支撑销320的上表面会暴露给在等离子加工腔内的等离子区域,并因此由 于来自等离子的磨损,即离子轰击,而消耗。优选,销底座250和/或支撑销320由抗等离 子环境的材料制成。可替换的,销底座250和/或支撑销320能够涂敷有抗等离子环境的 材料。销底座250和/或支撑销320优选由如下材料制成:其允许由可选的下RF电极供应 的RF能量结合在基片上产生的等离子。

[0094] 优选销底座250由导电、导热、RF透射、抗等离子材料制成。用于销底座的合适材料的实例包括导电材料(例如金属)和半导电材料(例如硅、碳化硅、金刚石、类金刚石碳、 石墨等)。优选支撑销320由导电、导热、抗蚀刻材料制成。用于支撑销的合适材料的实例包 括导电材料(例如金属)和半导电材料(例如硅、碳化硅、金刚石、类金刚石碳、石墨等)。

[0095] 在传热构件适于冷却基片的实施例中,电极400能够绝缘于腔环境和/或围绕的 材料和表面。在公众所有的U. S.专利No. 6,337,277中揭示了在适于冷却基片的基片支撑 体中使用一个或多个电极绝缘层,该专利全文在此结合作为参考。

[0096] 均勻性支座优选布置成基本圆柱形状并且与加工腔轴向对齐,使得该加工腔和均 勻性支座圆柱对称。然而,应当指出这并不是限制,并且该支座位置可以根据每个等离子加 工系统的具体设计而改变。

[0097] 尽管均勻性支座已经示出和讲述为产生均勻基片温度,但将会理解到该均勻性支 座也可以构造成产生不均勻基片温度(例如,补偿诸如不均勻等离子密度之类的其它加工 不均勻性)。

[0098] 除了热耦合之外,该均勻性支座能够构造成从事均勻性电场。参照图6,边缘环 156能够提供用于改善在基片边缘附近加工的电和机械特性,以及保护销底座和支撑销免 受反应(即离子轰击)。如此,边缘环156布置成围绕基片600的边缘,并且放置在电极400 以上并且围绕销底座250。在多数情况下,边缘环156构造成在过度磨损之后更换的可消耗 部件。该边缘环156可以由诸如硅、氧化硅、氮化硅、碳化硅、石英等之类的合适绝缘材料形 成。以实例方式,能够提供由硅,特别是由单晶硅(例如掺杂碳化硅)形成的边缘环。

[0099] 为了有效保护销320,边缘环156通常具有围绕基片600的外边缘的第一部分162 和围绕销底座250的外边缘的第二部分164。第二部分164通常邻近销底座250的外边缘 并放置在电极400(如果提供的话)和基片600之间。如所示,当基片160放在均勻性支座 230上用于加工时,第二部分164由基片160覆盖。在一种实施例中,边缘环的第二部分在 基片下延伸出大约2_。

[0100] 而且,边缘环156的外边缘能够构造成至少延伸到电极400的外边缘。一般,然而 优选保持边缘环156的宽度(跨过底部表面测量)小,以便减小需要加工基片600的功率。 以实例方式,能够提供在大约2-15mm之间的宽度。边缘环有益的提供延伸超出基片边缘的 结合区域,并因此横跨基片的电特性趋向于更均勻,再进一步,边缘环156的顶表面(例如 第一部分16¾布置成稍微在基片顶部表面以下或者大约与基片顶部表面相同高度水平, 使得销底座和边缘环相结合,从而形成用于接收加工基片的凹进部分。然而,应当指出边缘 环的顶部表面的高度水平可以根据每个等离子加工系统的具体设计而改变(例如,可以延 伸到基片以上或者可以倾斜)。

[0101] 边缘环156可以电浮动或者电耦合到DC地(S卩,不需要是RF地)。适合用于均勻 性支座以便改善蚀刻率均勻性的边缘环的细节在公众所有的U. S.专利Nos. 6,039,836和 6,344,105中揭示,该专利全文在此结合作为参考。

[0102] 在加工过程中,边缘环156也能够用作约束环,其维持基片适当地与传热系统对 齐。例如,能够提供边缘环156使得边缘环的上表面157高于基片600的下表面601。从 而,当基片600放在销阵列上时,基片的外周能够结合边缘环的内周。优选,边缘环结合基 片支撑销的阵列,以便提供相对于边缘环的上表面157凹进的基片支撑表面。在优选实施 例中,当基片由用于加工的传热系统支撑时,边缘环的上表面157和基片的上表面601基本共平面。

[0103] 均勻性支座230也能够包括阻抗匹配层158,其放置在边缘环156和电极400之 间。该阻抗匹配层158优选构造成用于控制横跨基片表面由电极400产生的电场阻抗。更 特别地,阻抗匹配层158构造成用于改变在基片600边缘附近产生的电场的阻抗。通过改 变阻抗,横跨基片表面产生更均勻的能量耦合。因此,可以获得加工均勻性,使得在基片中 心处的加工率基本上等于在基片边缘处的加工率。因此,基片边缘可以用于形成IC’ s,由 此增加了产量。

[0104] 如图6所示,阻抗匹配层158夹在边缘环156和电极400之间。阻抗匹配层158 能够结合电极400的上表面或者结合边缘环156的下表面。优选,该阻抗匹配层结合在相 应表面上(例如边缘环或电极),以便产生更好的热和电结合。以实例方式,能够提供诸如 硅树脂弹性体、软焊或硬焊之类的结合加工。

[0105] 而且,为了有效控制在电极和等离子之间的阻抗,阻抗匹配层的厚度可以处于大 约0. 10到大约IOmm之间,并且阻抗匹配层可以由诸如绝缘、半导电或导电材料之类的合适 材料形成。以实例方式,诸如硅、氧化硅、氮化硅、碳化硅、石英、铝、阳极氧化铝和例如氧化 铝的铝陶瓷之类的材料能够用于形成阻抗匹配层。

[0106] 阻抗匹配层的宽度(例如,表面覆盖量)也是能够用于控制在电极和等离子之间 阻抗的因素。例如,阻抗匹配层的宽度能够等于边缘环的宽度(例如,横跨边缘环的底部表 面)。可替换地,阻抗匹配层的宽度能够小于边缘环的宽度。在阻抗匹配层的宽度小于边缘 环的宽度的情况下,更小的阻抗匹配层可以朝向边缘环的内周、边缘环的外周或者在边缘 环的中间定位。以实例方式,阻抗匹配层可以布置成使得其仅仅在基片区域中设置在边缘 环和电极之间。适合用于均勻性支座以便改善蚀刻率均勻性的阻抗匹配层的细节在公众所 有的U. S.专利No. 6,363,882中揭示,该专利全文在此结合作为参考。

[0107] 能够获得的能量耦合的程度通常是在等离子和电极之间每单位面积的整体阻抗 的因素。阻抗一般定义为抵抗电荷流动或通过电路电流的测量值。在横跨基片具有高和低 阻抗区的基片上,并且对于横跨基片给定的功率来说,一般相信在基片的低阻抗区域,耦合 能量趋向于高,并且在基片的高阻抗区域,耦合能量趋向于低。因此,能量的均勻耦合高度 依赖于均勻性支座的阻抗。

[0108] 每单位面积的整体阻抗是基片的每单位面积阻抗、销阵列的每单位面积阻抗、边 缘环的每单位面积阻抗、阻抗匹配层的每单位面积阻抗以及在它们之间出现的任意间隙或 界面的每单位面积阻抗的函数。通常因为在销和边缘环之间的材料特性差别,在基片中心 处通过均勻性支座和基片产生的阻抗不同于在基片边缘处通过均勻性支座、边缘环和基片 产生的阻抗。因此,在基片边缘处的能量耦合一般不同于在基片中心处的能量耦合(例如, 不均勻)。

[0109] 阻抗匹配层能够布置成调节在基片边缘处的阻抗(例如,外壳电压),使得在基片 边缘处的阻抗等于在基片中心处的阻抗。以此方式,横跨基片表面的能量耦合更均勻,并因 此能够获得加工均勻性。

[0110] 边缘环的厚度和阻抗匹配层的厚度能够可选为获得期望的耦合效果。例如,边缘 环厚度降低/增加以及阻抗匹配层厚度增加/降低会减少/增加在基片边缘处的阻抗。而 且,阻抗匹配层的材料特性(例如,介电常数)可以调整成将在基片边缘处的阻抗与在基片中心处的阻抗相匹配。例如,介电常数值的降低/增加可以减少/增加在基片边缘处的阻 抗。阻抗匹配层的长度和位置可选择为获得期望的耦合效果。例如,更小/更大的阻抗匹 配层厚度可以减少/增加在基片边缘处的阻抗。另外,阻抗匹配层相对于边缘环的位置也 可以减少/增加在基片边缘处的阻抗。

[0111] 因此,阻抗匹配层的厚度以及边缘环的厚度、阻抗匹配层的材料特性以及阻抗匹 配层的长度和位置能够用于将在基片边缘处的阻抗与在基片中心处的阻抗相匹配。

[0112] 尽管均勻性支座已经示出和描述为产生均勻电场,但将会理解到该均勻性支座也 可以构造成产生不均勻电场,以便补偿诸如不均勻等离子密度之类的其他加工不均勻性。 正如所提到的,阻抗量一般影响耦合能量的数量,并且耦合能量的数量一般影响用于加工 基片的等离子的密度和能量。因此,通过有目的地设计能够在由电极生成的电场中产生变 动的均勻性支座,而可以改善整个系统的加工均勻性。在一个特定实施例中,阻抗匹配层布 置成改变均勻性支座的阻抗,以便横跨基片表面提供电场变动。

[0113] 也应当从前面描述中认识到,已经假定了来自等离子的恒定能通量,并且通过使 用传热系统能够获得基本上均勻的晶片表面温度,上述传热系统包括与传热构件相结合的 均勻性支座。共形支撑表面的操作原理能够延伸到横跨基片表面非均勻和/或不对称等离 子密度的情况。在这种情况下,支撑销分布(例如,名义接触面积部分)和/或接触表面的 表面粗糙度可以调整为匹配在基片上不同位置处期望的等离子密度轮廓。

[0114] 根据优选实施例,提供一种使用上述传热系统加工基片的方法。该方法能够包括 将基片供应到在其内结合有传热系统的处理腔,将基片支撑在传热系统的均勻性支座上并 加工该基片。该加工能够包括将加工气体供应到腔中,并且激发加工气体为等离子并在加 工步骤中用等离子蚀刻基片的暴露表面。然而在加工步骤中能够涂覆基片的暴露表面。通 过诸如将射频能量供应给天线之类的任意合适技术能够将加工气体激发为等离子,上述天 线将射频能量电感地耦合入腔内。在加工步骤中,能够通过在传热构件中循环液体冷却剂 而冷却基片,上述传热构件与共形的支撑表面良好热接触。可替换的,能够通过将加热的热 流体供应给传热构件而加热基片。通过由销底座支撑的温度传感器能够监测基片的温度变 化。

[0115] 该加工适合于蚀刻不同绝缘层,例如,诸如氟化氧化硅(FSG)之类的掺杂氧化硅、 诸如二氧化硅之类的未掺杂氧化硅、旋装玻璃(SOG)、诸如硼磷酸盐硅酸盐玻璃(BPSG)和 磷酸盐硅酸盐玻璃(PSG)之类的硅酸盐玻璃、掺杂或未掺杂热生长氧化硅、掺杂或未掺杂 TEOS沉积氧化硅等等。绝缘掺杂剂包括硼、磷和/或砷。绝缘能够上部放置导电或半导电 层,例如,多晶硅,诸如铝、铜、钛、钨、钼及其合金之类的金属,诸如氮化钛之类的氮化物、诸 如硅化钛、硅化钴、硅化钨、硅化钼之类的金属硅化物等等。

[0116] 传热系统能够横跨基片表面高等级加工均勻性地加工基片。特别地,该均勻性支 座提供共形的基片支撑表面,其能够控制基片背侧表面温度,并因此控制在其上支撑的基 片的前侧表面温度。而且能够控制均勻性支座的阻抗,并因此贯穿其耦合的电场能够变得 均勻或不均勻。

[0117] 在一种构造中,支撑销和阻抗匹配层布置成使得该均勻性支座在基片表面处产生 均勻温度,并且在加工腔内部产生均勻电场。因此,用于加工基片的离子密度和离子能量更 均勻,并因此能够获得均勻性加工。

19[0118] 在另一种构造中,均勻性支座和阻抗匹配层中的一个或两个布置成使得该均勻性 支座横跨基片表面产生变化的温度和/或产生改变的电场以便补偿其它不均勻性(例如, 不均勻等离子密度)。因此,加工均勻性能够改善。另外,该传热系统构造成用于在加工过 程中冷却(或加热)基片和边缘环两者,这因此减少趋向于产生加工中不均勻性的温度、压 力和导电波动。因此,该传热系统减少边缘排斥并增加基片产量。该传热系统可以适于加 工一定范围的基片尺寸(例如,150到300mm或更大)。

[0119] 基于前述观点,看到传热系统横跨由均勻性支座支撑的晶片表面提供基本上改善 的温度和/或电场均勻性,而不使用静电夹持元件。

[0120] 虽然已经参照优选实施例描述了本发明,但应当理解到,可以进行改变和修改,这 对于本技术熟练技术人员来说是显而易见的。这些改变和修改被认为处于由这里附加的权 利要求所限定的本发明的界限和范围内。

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Claims (36)

1. 一种适于支撑基片的传热系统,该基片用于半导体加工其上表面,包括:位于传热构件上并与之热接触的销底座,所述销底座具有上壁、下壁以及在上和下壁 之间延伸并在它们之间限定腔的侧壁,其中所述上壁包括孔的阵列;基片支撑销的阵列,其每一个可滑动地定位在相应的一个孔中,每个基片支撑销与销 底座热接触,并在其上远端包括接触尖端;以及加压气体源,其与所述腔流体连通,并且适于将加压气体以足以在向上方向上移动每 个支撑销的量供应到所述腔,其中所述基片支撑销可移动至相对彼此不同的高度。
2.如权利要求1所述的传热系统,其中基片支撑销的阵列包括密集阵列的支撑销。
3.如权利要求1所述的传热系统,其中支撑销能够不大于5mm分开放置,和/或支撑销 的直径为0. 5mm和3mm之间。
4.如权利要求1所述的传热系统,其中每个支撑销包括适于在相应一个所述孔内可滑 动移动的圆柱销主体,该圆柱销主体具有基本恒定的外直径,每个孔具有基本恒定的内直 径,其中圆柱销主体的外直径比放置圆柱销主体的孔的内直径小0. 和5%之间。
5.如权利要求1所述的传热系统,其中支撑销包括金属或半导体和/或销底座包括金 属或半导体。
6.如权利要求1所述的传热系统,其中支撑销和/或销底座的上表面涂覆有导电和/ 或抗溅射金属或半导体。
7.如权利要求1所述的传热系统,其中当基片支撑在支撑销上时,支撑销和销底座适 于将热能从基片传递到传热构件。
8.如权利要求1所述的传热系统,其中销底座经由软焊、硬焊或胶粘剂而结合到传热 构件上。
9.如权利要求1所述的传热系统,进一步包括至少一个温度传感器,其适于测量在基 片背侧表面处的温度。
10.如权利要求1所述的传热系统,其中支撑销进一步包括至少一个止块,其适于限制 支撑销的向上或向下移动。
11.如权利要求1所述的传热系统,其中当基片与支撑销物理接触时,接触尖端构造成 最大化在基片和基片支撑销之间的热接触。
12.如权利要求1所述的传热系统,其中每个接触尖端包括具有小于0. 3微米的平均表 面粗糙度的接触表面。
13.如权利要求1所述的传热系统,其中每个接触尖端是基本平面或基本半球形的。
14.如权利要求1所述的传热系统,其中每个支撑销适于通过接触基片的背侧表面而 向下位移,并且每个支撑销适于通过腔中正的气压而向上位移。
15.如权利要求1所述的传热系统,其中每个支撑销的整体垂直运动范围小于5mm。
16.如权利要求1所述的传热系统,其中基片支撑销的阵列包括至少1000个支撑销。
17.如权利要求1所述的传热系统,其中传热构件包括与热流体源流体连通的流动通 道,该热流体源适于将热流体提供到流动通道,所述热流体从由水、液氦、液氮、乙二醇、丙 二醇及其混合物构成的组中选择。
18.如权利要求1所述的传热系统,进一步在传热构件顶部上包括多个热电元件。
19.如权利要求18所述的传热系统,其中热电元件以同心圆布置。
20.如权利要求1所述的传热系统,进一步包括用于将加压气体流入所述腔内的在所 述销底座中的供气进口,以及用于从所述腔释放加压气体的出气口,其中加压气体从由氦、 氮和氩构成的组中选择。
21.如权利要求1所述的传热系统,进一步包括RF电极,其构造成用于邻接基片上表面 产生等离子,其中销底座的底部表面结合到RF电极的上表面上,并且RF电极的底部表面结 合到传热构件的上表面上,其中结合包括软焊、硬焊或胶粘。
22.如权利要求21所述的传热系统,进一步包括布置在RF电极上的边缘环,该边缘环 构造成用于保护RF电极和销底座免受等离子,当基片由传热系统支撑时,边缘环具有构造 成布置在RF电极和基片之间的第一部分;以及布置在RF电极和边缘环之间的阻抗匹配层, 该阻抗匹配层结合到RF电极和/或边缘环上,该阻抗匹配层构造成控制在RF电极和等离 子之间的阻抗,之间布置的所述阻抗影响电场,以便改善横跨基片上表面的加工均勻性。
23.如权利要求21所述的传热系统,其中基片是半导体晶片,并且电极具有小于、大于 或等于晶片直径的直径,但是相比于晶片直径,小于不多于2mm或者大于不多于2mm。
24. 一种在包括权利要求21的传热系统的加工腔中加工基片的方法,所述方法包括如 下步骤:基片支撑在支撑销上;通过控制腔中的气压而将大部分接触尖端与基片的背侧表面相接触;以及加工基片。
25.如权利要求M所述的方法,其中加工腔是等离子蚀刻腔,并且加工包括邻接基片 上表面产生等离子以及在基片的上表面上用等离子蚀刻暴露层。
26.如权利要求M所述的方法,其中加工包括在基片的上表面上形成层。
27.如权利要求M所述的方法,其中腔中气压维持在如下水平:在加工过程中有效维持至少95%的接触尖端与基片的背侧表面进行热接触。
28.如权利要求M所述的方法,包括通过在传热构件中循环热流体,在加工过程中将 传热构件冷却到小于100K的温度。
29.如权利要求M所述的方法,包括通过在传热构件中循环热流体和/或通过供应电 流到多个热电模块以便控制基片支撑销的温度,从而在加工过程中将基片冷却到小于450K 的温度。
30.如权利要求M所述的方法,包括在传热构件和基片之间维持至少200K的温度梯度。
31.如权利要求M所述的方法,包括在传热构件和基片之间维持至少300K的温度梯度。
32.如权利要求M所述的方法,其中加工步骤包括化学气相沉积、等离子气相沉积、物 理气相沉积、溅射、离子注入、等离子蚀刻或脱胶。
33.如权利要求M所述的方法,包括支撑和加工基片而不夹持基片。
34.如权利要求M所述的方法,其中加工腔包括双频电容耦合等离子反应器,该等离 子反应器包括上喷头电极和底部电极,以两种不同频率供应RF能量到底部电极或者以不 同的第一和第二频率供应到喷头电极和底部电极。
35.用于加工基片表面的等离子加工系统,包括:真空加工腔,其适于激发和维持用于加工的等离子;以及 放置在加工腔内的权利要求1所述的传热系统。
36. 一种适于支撑基片的传热系统,该基片用于半导体加工其上表面,包括:位于传热构件上并与之热接触的销底座,所述销底座具有上壁、下壁以及在上和下壁 之间延伸并在它们之间限定腔的侧壁,其中所述上壁包括孔的阵列;基片支撑销的阵列,其每一个可滑动地定位在相应的一个孔中,每个基片支撑销与销 底座热接触,并在其上远端包括接触尖端;以及加压气体源,其与所述腔流体连通,并且适于将加压气体以足以在向上方向上移动每 个支撑销的量供应到所述腔,其中传热构件包括与热流体源相流体连通的流动通道,该热 流体源适于提供热流体到流动通道,其中所述基片支撑销可移动至相对彼此不同的高度。
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