CN101154612A - 具有抗蚀性绝热层的温度受控衬底夹持器 - Google Patents

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Abstract

一种用于在处理系统中支撑衬底的衬底夹持器包括具有第一温度的温度受控支撑基座、与温度受控支撑基座相对并且被配置为支撑衬底的衬底支撑、以及耦合到衬底支撑并且被配置为将衬底支撑加热到高于第一温度的第二温度的一个或多个加热元件。抗蚀性绝热体被置于温度受控支撑基座和衬底支撑之间，其中抗蚀性绝热体包括被配置为抗含卤素气体腐蚀的材料组分。

Description

具有抗蚀性绝热层的温度受控衬底夹持器
相关申请的交叉引用
该申请与以下申请相关：2005年9月27日提交的题为“Method andSystem for Temperature Control of a Substrate”的未决美国专利申请No.10/551,236(律师案卷号No.277768US)；与本申请同日提交的题为“High Temperature Substrate Holder with Non-homogeneous Insulation Layerfor a Substrate Processing System”的未决美国专利申请No.11/XXX,XXX(ES-098)(律师案卷号No.295001US)；与本申请同日提交的题为“Method for Multi-step Temperature Control of a Substrate”的未决美国专利申请No.11/XXX,XXX(ES-112)(律师案卷号No.295000US)；以及与本申请同日提交的题为“High Rate Method for Stable Temperature Control ofa Substrate”的未决美国专利申请No.11/XXX,XXX(ES-113)(律师案卷号No.295005US)。这些申请的全部内容通过引用整体结合于此。
技术领域
本发明涉及用于衬底的温度控制的系统，更具体而言涉及用于衬底的温度控制的衬底夹持器。
背景技术
在半导体制造和处理中已知的是，各种工艺(例如包括刻蚀和沉积工艺)明显依赖于衬底的温度。由此，控制衬底温度并且可控地调节衬底温度的能力就变成半导体处理系统的基本要求。衬底的温度由许多工艺确定，包括但不限于衬底与等离子体的相互作用、化学工艺等，以及与周围环境的辐射性和/或传导性热交换。向衬底夹持器的上表面提供适当的温度可用于控制衬底的温度。
发明内容
本发明涉及用于控制衬底温度的系统。
根据本发明的一个方面，一种用于在处理系统中支撑衬底的衬底夹持器包括具有第一温度的温度受控支撑基座、与温度受控支撑基座相对并且被配置为支撑衬底的衬底支撑、以及耦合到衬底支撑并且被配置为将衬底支撑加热到高于第一温度的第二温度的一个或多个加热元件。抗蚀性绝热体被置于温度受控支撑基座和衬底支撑之间，其中抗蚀性绝热体包括被配置为抗含卤素气体腐蚀的材料组分。
本发明的另一方面涉及一种用于在处理系统中支撑衬底的衬底夹持器，包括具有第一温度的温度受控支撑基座、与温度受控支撑基座相对并且被配置为支撑衬底的衬底支撑、以及耦合到衬底支撑并且被配置为将衬底支撑加热到高于第一温度的第二温度的一个或多个加热元件。绝热体被置于温度受控支撑基座和衬底支撑之间，该绝热体包括用于抗含卤素气体腐蚀的装置。
附图说明
在附图中：
图1给出了根据本发明实施例的衬底处理系统的框图；
图2A给出了根据本发明实施例的衬底夹持器的示意性横截面图；
图2B图示了衬底夹持器的热导率和衬底温度的示例性分布特性；
图3给出了根据本发明另一个实施例的衬底夹持器的示意性横截面图；
图4给出了根据本发明另一个实施例的衬底夹持器的示意性横截面图；
图5给出了根据本发明另一个实施例的衬底夹持器的示意性横截面图；
图6给出了根据本发明另一个实施例的衬底夹持器的示意性横截面图；
图7A和7B图示了温度的示例性时间描记线(time trace)；以及图8图示了根据本发明实施例的调节衬底温度的方法的流程图。
具体实施方式
在下面的描述中，出于说明而不是限制的目的，阐述了特定的细节，例如用于衬底处理系统的衬底夹持器的具体几何形状以及各种部件和工艺的描述。然而，应当理解，在脱离这些特定细节的其他实施例中也可以实践本发明。
根据本发明的实施例，图1中示出了材料处理系统1，其包括具有衬底夹持器20和支撑在其上的衬底25的处理工具10。衬底夹持器20被配置为提供用于调节衬底温度的温度控制元件。另外，温度控制元件可以空间布置以确保均匀的或非均匀的衬底温度。控制器55耦合到处理工具10和衬底夹持器20，并且被配置为监视、调节和控制衬底温度，这将在下面进一步讨论。
在图1所示的实施例中，材料处理系统1可包括刻蚀室。例如，刻蚀室可以适用于干法等离子体刻蚀或干法非等离子体刻蚀。或者，材料处理系统1包括诸如可用于粘附后烘(PAB)或曝光后烘(PEB)等的光刻胶旋涂系统中的加热/冷却模块之类的光刻胶涂覆室；诸如光刻系统之类的光刻胶图案化室；诸如旋涂玻璃(SOG)或旋涂电介质(SOD)系统之类的电介质涂覆室；诸如气相沉积系统、化学气相沉积(CVD)系统、等离子体增强CVD(PECVD)系统、原子层沉积(ALD)系统、等离子体增强ALD(PEALD)系统或物理气相沉积(PVD)系统之类的沉积室；或诸如用于热退火的快速热处理(RTP)系统之类的RTP室。
现在参考图2A，描述了根据一个实施例的衬底夹持器。衬底夹持器100包括具有第一温度并且被配置为支撑衬底110的衬底支撑130、位于衬底支撑130下方并且被配置为处于低于第一温度(例如，低于衬底110的期望温度)的第二温度的温度受控支撑基座120以及置于衬底支撑130和温度受控支撑基座120之间的绝热体140。另外，衬底支撑130包括耦合到其的一个或多个加热元件(未示出)，这一个或多个加热元件被配置为升高衬底支撑130的温度(例如，加热衬底)。应当理解，根据本发明的实施例，第一温度可以是跨衬底支撑的温度梯度的一部分，第二温度可以是跨温度受控基座的温度梯度的一部分。
根据一个实施例，绝热体140的热导率低于衬底支撑130和温度受控支撑基座120的各自热导率。例如，绝热体140的热导率小于1W/m-K。优选地，绝热体的热导率范围从约0.05W/m-K到约0.8W/m-K，更优选地，绝热体的热导率范围从约0.2W/m-K到约0.8W/m-K。
绝热体140可包括由聚合物、塑料或陶瓷制成的胶粘剂。绝热体140可包括有机或无机材料。例如，绝热体140可包括室温硬化(RTV)胶粘剂、诸如热塑性塑料之类的塑料、诸如热固性树脂或铸造树脂(或可浇注塑料或弹性体化合物)之类的树脂、弹性体等等。除了提供衬底支撑130和温度受控支撑基座120之间的热阻外，绝热体140还可提供衬底支撑130和温度受控支撑基座120之间的接合层或粘附层。
绝热体140的厚度和材料组分应当选择使得在必要时可以维持支撑基座120和等离子体之间的适当的射频(RF)耦合。此外，绝热体140应当选择为耐受由热梯度和材料属性(即，热膨胀系数)的差别引起的热-机械剪切力。例如，绝热体140的厚度可以小于或等于约10mm(毫米)，优选地，该厚度可以小于或等于约5mm，即，约2mm或更小。
另外，绝热体140的材料组分优选地使得其表现出对其用于其中的环境的抗腐蚀性。例如，当呈现于干法等离子体刻蚀环境时，绝热体140应当对在刻蚀工艺期间使用的腐蚀性刻蚀化学物质以及在刻蚀系统清洁工艺期间使用的腐蚀性清洁化学物质具有抗蚀性。在许多刻蚀化学物质和清洁化学物质中，采用含卤素处理气体，包括但不限于Cl2、F2、Br2、HBr、HCl、HF、SF6、NF3、ClF3等。在这些化学物质(尤其在清洁化学物质)中，优选地产生高浓度的反应性原子卤素物质，例如原子氟等。
根据一个实施例，绝热体140包括抗蚀性绝热体。在一个实施例中，整个绝热体由抗蚀性材料制成。或者，只有绝热体140的一部分(例如暴露于含卤素气体的部分)可包括抗蚀性材料。例如，可以只在绝热体的外围暴露边缘处包括抗蚀性材料，而绝热体的剩余区域包括被选择用于提供期望的传热系数的不同的材料组分。
抗蚀性绝热体可包括丙烯酰类材料，例如基于丙烯酸的材料或基于丙烯酸脂的材料。基于丙烯酸的材料和基于丙烯酸脂的材料可以通过利用合适的催化剂进行反应来聚合丙烯酸或甲基丙烯酸而形成。表1提供了说明抗蚀性对材料组分的依赖性的数据。例如，提供了含硅胶粘剂和一系列含丙烯酸/丙烯酸脂胶粘剂(由各种供应商X、Y、Z、Q、R和T制备)的数据。该数据包括作为等离子体(或RF开启)时间(hr)函数的腐蚀量(mm3)；即，mm3/hr。如表1所示，含丙烯酸/丙烯酸脂胶粘剂当经历清洁等离子体(例如基于SF6的等离子体)时表现出超出一个数量级的腐蚀减少。
  硅类   丙烯酰类
  X   Y   Z   Q   R   T
  厚度(mm)   0.13   0.13   0.25   0.13   0.15   0.05   0.12
  热导率(W/m-K)   0.25   0.35   0.6   0.37   0.3   0.6   0.2
  热阻(E-4)   5.2   3.7   4.2   3.5   7.5   8.3   6
  腐蚀速率(mm3/hr)   5.5   0.32   0.3   0.22   0.25   0.15   0
表1
根据另一个实施例，绝热体140包括贯穿温度受控支撑基座120和衬底支撑130之间的绝热体140的传热系数(W/m2-K)的非均匀空间变化。例如，传热系数可以在绝热体140的基本中心区域(衬底110下方)和绝热体140的基本边缘区域(衬底110下方)之间的径向方向上变化。传热系数的空间变化可包括绝热体140的热导率(W/m-K)的非均匀空间变化，或者传热系数的空间变化可包括绝热体140的厚度的非均匀空间变化，或以上两者。这里所用的术语，参数的“非均匀空间变化”，是指由设计引起的参数跨衬底夹持器的面积的空间变化，而不是参数跨衬底夹持器的固有微小变化。另外，术语“绝热体的基本中心区域”是指绝热体的在衬底放置在衬底夹持器上时将与衬底中心交叠的区域，而术语“绝热体的基本边缘区域”是指绝热体的在衬底放置在衬底夹持器上时将与衬底边缘交叠的区域，
如图2B所示，热导率可以在衬底110下方的绝热体140的基本中心区域和衬底110下方的绝热体140的基本边缘区域之间的径向方向上变化。例如，热导率可以在第一值和第二值之间变化，第一值在约0.2W/m-K和约0.8W/m-K之间，第二值在约0.2W/m-K和约0.8W/m-K之间。另外，例如，热导率在绝热体140的基本中心区域附近可以约为0.2W/m-K，而热导率在绝热体140的基本边缘区域附近可以约为0.8W/m-K。另外，例如，热导率的变化基本发生在绝热体140的大约半径中间区域和绝热体140的基本外围区域之间。如图2B所示，温度从中心到边缘可以在第一温度(T1)和第二温度(T2)之间变化。这种热导率(和温度)的变化可以被施加用来应对例如通过包围衬底的聚焦环对衬底的外围边缘的过量加热。
如图3所示，描述了根据另一个实施例的衬底夹持器。衬底夹持器200包括具有第一温度并且被配置为支撑衬底210的衬底支撑230、位于衬底支撑230下方并且被配置为处于低于第一温度(例如，低于衬底210的期望温度)的第二温度的温度受控支撑基座220以及置于衬底支撑230和温度受控支撑基座220之间的绝热体240。另外，衬底支撑230包括耦合到其的一个或多个加热元件(未示出)，这一个或多个加热元件被配置为升高衬底支撑230的温度(例如，加热衬底)。绝热体240包括非均匀厚度。
如图所示，该厚度在(衬底210下方)的绝热体240的基本中心区域较小，并且在衬底210下方的基本边缘区域相对较厚。或者，该厚度可以在衬底210下方的基本中心区域较大，而在衬底210下方的基本边缘区域相对较薄。绝热体240的非均匀厚度可以通过衬底基座220上的非平整上表面施加，或者可以通过衬底支撑230的非平整下表面施加，或者可以通过其组合施加。又或者，与绝热体240具有不同热导率的一层材料可以被放置在支撑基座220的上表面或衬底支撑230的下表面的一部分上。例如，一层Kapton、Vespel、Teflon等可以被放置在衬底210下方的基本中心区域上，或者该层可以被放置在衬底210下方的基本外围区域上。
现在参考图4，描述了根据另一个实施例的衬底夹持器。衬底夹持器300包括具有第一温度并且被配置为支撑衬底310的衬底支撑330、位于衬底支撑330下方并且被配置为处于低于第一温度(例如，低于衬底310的期望温度)的第二温度的温度受控支撑基座320以及置于衬底支撑330和温度受控支撑基座320之间的绝热体340。另外，衬底支撑330包括耦合到其的一个或多个加热元件(未示出)，这一个或多个加热元件被配置为升高衬底支撑330的温度。
如图4所示，支撑基座320包括多个突起或脊342，这些突起或脊部分延伸到绝热体340中(或完全延伸透过绝热体340)。此外，突起的数目密度可以在衬底夹持器的基本中心区域344和基本外围区域346之间变化。例如，在外围区域346处可以放置较高密度的突起，而在中心区域344处可以放置相对较低密度的突起。或者，例如，在外围区域346处可以放置较低密度的突起，而在中心区域344处可以放置相对较高密度的突起。除了突起密度的变化外，或者代替密度的变化，突起的尺寸或形状或这两者也可以变化。
温度受控支撑基座120(220、320)可以利用金属材料或非金属材料来制造。例如，支撑基座120(220、320)可以利用铝制造。另外，例如，支撑基座120(220、320)可以由具有相对较高的热导率的材料形成，以使得支撑基座的温度可以维持在相对恒定的温度。温度受控支撑基座的温度优选地由诸如冷却元件之类的一个或多个温度控制元件主动地控制。然而，例如，温度受控支撑可以利用冷却翅片以促进由于例如表面积增大而引起的增强的与周围环境的自由对流，来提供被动冷却。支撑基座120(220、320)还可包括贯穿其的通路(未示出)，以允许将电功率耦合到衬底支撑的一个或多个加热元件，将电功率耦合到静电夹紧电极，将传热气体气动耦合到衬底背面，等等。
衬底支撑130(230、330)可以利用金属材料或非金属材料来制造。衬底支撑130(230、330)可以利用诸如陶瓷之类的非导电材料制造。例如，衬底支撑130(230、330)可以利用氧化铝制造。
根据一个实施例，一个或多个加热元件嵌入在衬底支撑130(230、330)内。这一个或多个加热元件可以位于两个陶瓷片之间，这两个陶瓷片烧结在一起以形成单片。或者，将第一陶瓷层热喷涂到绝热体上，接着将一个或多个加热元件喷涂到第一陶瓷层上，接着在一个或多个加热元件上热喷涂第二陶瓷层。利用类似的技术，其他电极或金属层可以插入在衬底支撑130(230、330)内。例如，静电夹紧电极可以插入在陶瓷层之间，并且经由上述的烧结或喷涂技术形成。一个或多个加热元件和静电夹紧电极可以处于相同平面或分离的平面，并且可以实现为分离的电极或实现为同一物理电极。
现在参考图5，描述了根据另一个实施例的衬底夹持器。衬底夹持器400包括具有第一温度并且被配置为支撑衬底410的衬底支撑430、位于衬底支撑430下方并且被配置为处于低于第一温度(例如，低于衬底410的期望温度)的第二温度的温度受控支撑基座420以及置于衬底支撑430和温度受控支撑基座420之间的绝热体440。另外，衬底支撑430包括耦合到其的一个或多个加热元件431，这一个或多个加热元件431被配置为升高衬底支撑430的温度。此外，支撑基座420包括耦合到其的一个或多个冷却元件421，这一个或多个冷却元件421被配置为经由通过绝热体440去除来自衬底支撑430的热量来降低衬底支撑430的温度。
一个或多个加热元件431可包括被偏置为向晶片传热的热电元件、电阻性加热元件或加热流体通道中的至少一种。此外，如图5所示，一个或多个加热元件431耦合到加热元件控制单元432。加热元件控制单元432被配置为对每个加热元件提供非独立的或独立的控制，并与控制器450交换信息。
例如，一个或多个加热元件431可包括一个或多个加热通道，这种加热通道可允许某一流率的流体(例如水、Fluorinert、Galden HT-135等)流经以提供传导-对流加热，其中流体温度已经由热交换器升高。流体流率和流体温度可以例如由加热元件控制单元432设置、监视、调节和控制。
或者，例如，一个或多个加热元件431可包括一个或多个电阻性加热元件，例如钨丝、镍-铬合金丝、铝-铁合金丝、氮化铝丝等等。可购得的用于制造电阻性加热元件的材料示例包括Kanthal、Nikrothal、Akrothal，这些是由CT，Bethel的Kanthal Corporation生产的金属合金的注册商标名。Kanthal族包括铁合金(FeCrAl)，Nikrothal族包括奥氏合金(NiCr、NiCrFe)。例如，加热元件可包括可从Watlow(1310 KingslandDr.，Batavia，IL，60510)购得的最大工作温度能够达到400到450C的铸造(cast-in)加热器或包括氮化铝材料的膜加热器，这种膜加热器也能从Watlow购得并且工作温度能够高达300C且功率密度高达23.25W/cm2。另外，例如，加热元件可包括能够到1400W(或5W/in2的功率密度)的硅橡胶加热器(1.0mm厚)。当电流流经加热丝时，功率散发为热量，因此，加热元件控制单元432例如可包括可控的DC电源。适合于低温和功率密度的又一加热器选项是由MN，Minneapolis的Minco Inc.生产的Kapton加热器，其由嵌入在Kapton(例如聚酰亚胺)薄片中的加热丝构成。
或者，例如，一个或多个加热元件431可包括热电元件的阵列，取决于电流流经相应元件的方向，该阵列能够加热或冷却衬底。从而，尽管元件431被称为“加热元件”，但是这些元件可包括冷却能力以提供温度之间的快速转变。另外，加热和冷却功能可以由衬底支撑430内的独立元件提供。示例性的热电元件是可从Advanced Thermoelectric购得的ST-127-1.4-8.5M型热电元件(最大传热功率能够达到72W的40mm×40mm×3.4mm热电器件)。因此，加热元件控制单元432可例如包括可控的电流源。
一个或多个冷却元件421可包括冷却通道或热电元件中的至少一种。此外，如图5所示，一个或多个冷却元件421耦合到冷却元件控制单元422。冷却元件控制单元422被配置为对每个冷却元件421提供非独立的或独立的控制，并与控制器450交换信息。
例如，一个或多个冷却元件421可包括一个或多个冷却通道，这种冷却通道可允许某一流率的流体(例如水、Fluorinert、Galden HT-135等)流经以提供传导-对流冷却，其中流体温度已经由热交换器降低。流体流率和流体温度可以例如由冷却元件控制单元422设置、监视、调节和控制。或者，例如在加热期间，流经一个或多个冷却元件421的流体的流体温度可以升高以补充一个或多个加热元件431的加热。又或者，例如在冷却期间，流经一个或多个冷却元件421的流体的流体温度可以减低。
或者，例如，一个或多个冷却元件421可包括热电元件的阵列，取决于电流流经相应元件的方向，该阵列能够加热或冷却衬底。从而，尽管元件421被称为“冷却元件”，但是这些元件可包括加热能力以提供温度之间的快速转变。另外，加热和冷却功能可以由温度受控支撑基座420内的独立元件提供。示例性的热电元件是可从Advanced Thermoelectric购得的ST-127-1.4-8.5M型热电元件(最大传热功率能够达到72W的40mm×40mm×3.4mm热电器件)。因此，冷却元件控制单元422可例如包括可控的电流源。
另外，如图5所示，衬底夹持器400还可包括静电夹紧装置(ESC)，这种静电夹紧装置包括嵌入在衬底支撑430内的一个或多个夹紧电极435。ESC还包括经由电气连接耦合到夹紧电极435的高压(HV)DC电压源434。这种夹紧装置的设计和实现方式对于静电夹紧系统领域的技术人员来说是公知的。此外，HV DC电压源434耦合到控制器450，并且被配置为与控制器450交换信息。
此外，如图5所示，衬底夹持器400还可包括背面气体供应系统436，该系统436用于通过至少一条气体供应管线以及多个孔和通道(未示出)中的至少一个向衬底410的背面提供传热气体(例如包括氦、氩、氙、氪在内的惰性气体)，处理气体，或包括氧、氮或氢在内的其他气体。背面气体供应系统436可以例如是多区供应系统，例如两区(中心/边缘)系统或三区(中心/半径中间/边缘)系统，其中背面压强可以在从中心到边缘的径向方向上变化。此外，背面气体供应系统436耦合到控制器450，并且被配置为与控制器450交换信息。
另外，如图5所示，衬底夹持器400还可包括耦合到温度监视系统460的一个或多个温度传感器462。一个或多个温度传感器462可被配置为测量衬底410的温度，或者一个或多个温度传感器462可被配置为测量衬底支撑430的温度，或以上两者。例如，一个或多个温度传感器462可以被布置成使得测量如图5所示的衬底支撑430的下表面的温度，或者被布置成使得测量衬底410的底部的温度。
温度传感器可包括光纤温度计、光学高温计、在2002年7月2日提交的未决美国专利申请10/168544中描述的带边温度测量系统(该申请的内容通过引用整体结合于此)或诸如K型热耦之类的热耦(如虚线所指示)。光学温度计的示例包括：可从Advanced Energies Inc.购得的No.OR2000F型光纤温度计；可从Luxtron Corporation购得的No.M600型光纤温度计；或可从Takaoka Electric Mfg.购得的No.FT-1420型光纤温度计。
温度监视系统460可以向控制器450提供传感器信息以在处理之前、处理期间或处理之后调节加热元件、冷却元件、背面气体供应系统或用于ESC的HV DC电压源中的至少一个。
控制器450包括微处理器、存储器和能够生成控制电压的数字I/O端口(可能包括D/A和A/D转换器)，该控制电压足以传输并激活到衬底夹持器400的输入以及监视来自衬底夹持器400的输出。如图5所示，控制器450可以耦合到加热元件控制单元432、冷却元件控制单元422、HVDC电压源434、背面气体供应系统436和温度监视系统460，并与之交换信息。存储在存储器中的程序被用于根据存储的工艺流程与衬底夹持器400的前述部件交互。控制器450的一个示例是可以从Texas，Austin，DellCorporation购得的DELL PRECISION WORKSTATION 640TM。
控制器450还可以实现为通用计算机、处理器、数字信号处理器等，其使得衬底夹持器响应于控制器450执行包含在计算机可读介质中的一条或多条指令的一个或多个序列而执行本发明的处理步骤的一部分或全部。计算机可读介质或存储器被配置为保存根据本发明的教导编程的指令，并且可包含数据结构、表、记录或这里描述的其他数据。计算机可读介质的示例是致密盘、硬盘、软盘、磁带、磁光盘、PROM(EPROM、EEPROM、闪存EPROM)、DRAM、SRAM、SDRAM、或任何其他磁介质、致密盘(例如CD-ROM)、或任何其他光介质、穿孔卡、纸带、或其他具有孔图案的物理介质、载波、或任何其他计算机可读取的介质。
控制器450可以相对于衬底夹持器400位于本地，或者可以经由因特网或内联网相对于衬底夹持器400位于远处。从而，控制器450可以利用直接连接、内联网或因特网中的至少一种与衬底夹持器400交换数据。控制器450可以耦合到在客户位置(即，器件制造者等)处的内联网，或者耦合到在供应商位置(即，设备制造商)处的内联网。此外，另一台计算机(即，控制器、服务器等)可以经由直接连接、内联网或因特网中的至少一种访问控制器450以交换数据。
可选地，衬底夹持器400可包括电极，RF功率通过该电极耦合到衬底410上方的处理区域中的等离子体。例如，支撑基座420可以经由从RF发生器经过阻抗匹配网络发送到衬底夹持器400的RF功率被电偏置在某一RF电压。RF偏置可以用来加热电子以形成并维持等离子体，或偏置衬底410以控制入射在衬底410上的离子能量，或以上两者。在该配置中，系统可以工作为反应离子刻蚀(RIE)反应器，其中室和上气体注入电极用作地表面。RF偏置的一般频率可以从1MHz到100MHz，并且优选地为13.56MHz。
或者，RF功率可以按多个频率施加到衬底夹持器电极。此外，阻抗匹配网络可以用来通过最小化反射功率来最大化RF功率到处理室中等离子体的传送。可以采用各种匹配网络拓扑(例如，L型、π型、T型等)和自动控制方法。
现在参考图6，描述了根据另一个实施例的衬底夹持器。衬底夹持器500包括具有第一温度并且被配置为支撑衬底510的衬底支撑530、位于衬底支撑530下方并且被配置为处于低于第一温度(例如，低于衬底510的期望温度)的第二温度的温度受控支撑基座520以及置于衬底支撑530和温度受控支撑基座520之间的绝热体540。另外，衬底支撑530包括耦合到其的中心加热元件533(位于衬底510下方的基本中心区域)和边缘加热元件531(位于衬底510下方的基本边缘或外围区域)，这些加热元件被配置为升高衬底支撑530的温度。此外，支撑基座520包括耦合到其的一个或多个冷却元件521，这一个或多个冷却元件521被配置为经由通过绝热体540去除来自衬底支撑530的热量来降低衬底支撑530的温度。
如图6所示，中心加热元件533和边缘加热元件531耦合到加热元件控制单元532。加热元件控制单元532被配置为对每个加热元件提供非独立的或独立的控制，并与控制器550交换信息。
另外，如图6所示，衬底夹持器500还可包括静电夹紧装置(ESC)，该静电夹紧装置包括嵌入在衬底支撑530内的一个或多个夹紧电极535。ESC还包括经由电气连接耦合到夹紧电极535的高压(HV)DC电压源534。这种夹紧装置的设计和实现方式对于静电夹紧系统领域的技术人员来说是公知的。此外，HV DC电压源534耦合到控制器550，并且被配置为与控制器550交换信息。
此外，如图6所示，衬底夹持器500还可包括背面气体供应系统536，用于通过两条气体供应管线以及多个孔和通道(未示出)中的至少两个向衬底510的背面的中心区域和边缘区域提供传热气体(例如包括氦、氩、氙、氪在内的惰性气体)，处理气体，或包括氧、氮或氢在内的其他气体。如图所示，背面气体供应系统536包括两区(中心/边缘)系统，其中背面压强可以在从中心到边缘的径向方向上变化。此外，背面气体供应系统536耦合到控制器550，并且被配置为与控制器550交换信息。
另外，如图6所示，衬底夹持器500还包括用于测量衬底510下方的基本中心区域的温度的中心温度传感器562和用于测量衬底510下方的基本边缘区域的温度的边缘温度传感器564。中心和边缘温度传感器562、564耦合到温度监视系统560。
现在参考图8，给出了根据另一个实施例的描述控制处理系统中衬底夹持器上的衬底的温度的方法700的流程图。例如，温度控制方案可以涉及在具有例如图1至6中描述的一种衬底夹持器的处理系统中的一种工艺的多个处理步骤。方法700开始于710，在710中将衬底放置在衬底夹持器上。
衬底夹持器包括多个温度传感器，该多个温度传感器至少报告衬底和/或衬底夹持器的内部区域和外部区域处的温度。另外，衬底夹持器包括衬底支撑和支撑基座，衬底支撑具有分别加热内部区域和外部区域的第一加热元件和第二加热元件，支撑基座具有用于冷却内部区域和外部区域的冷却元件。第一和第二加热元件以及冷却元件由温度控制系统控制以将衬底夹持器维持在可选择的设置点温度。此外，衬底夹持器包括置于衬底支撑和支撑基座之间的绝热体。
在720中，衬底被设为第一温度分布特性。利用温度控制系统，选择用于基座支撑的第一基座温度(其小于第一温度分布特性(例如，衬底温度))以及第一内部设置点温度和第一外部设置点温度。其后，温度控制系统调节冷却元件以及第一和第二加热元件以实现上述选定的温度。
在730中，衬底被设为第二温度分布特性。利用温度控制系统，选择用于基座支撑的第二基座温度以及第二内部设置点温度和第二外部设置点温度。其后，温度控制系统将衬底温度从第一温度分布特性(即，第一内部和外部设置点温度)改变为第二温度分布特性(即，第二内部和外部设置点温度)，这是通过以下步骤实现的：可选地调节冷却元件以将第一基座温度变为第二基座温度，并且调节内部和外部加热元件，直到实现了第二内部和外部设置点温度为止。
在一个示例中，衬底温度从第一温度分布特性增大(或减小)到第二温度分布特性，而第二基座温度保持与第一基座温度相同。传输到内部和外部加热元件的功率增大(或减小)以将衬底从第一温度分布特性加热(或冷却)到第二温度分布特性。
在另一个示例中，衬底温度从第一温度分布特性增大(或减小)到第二温度分布特性，而第二基座温度变为与第一基座温度不同的值。传输到内部和外部加热元件的功率增大(或减小)以将衬底从第一温度分布特性加热(或冷却)到第二温度分布特性，而传输到冷却元件的功率增大(或减小)以将第一基座温度变为第二基座温度。从而，根据本发明的一个实施例，支撑基座的温度变化以辅助衬底支撑控制衬底的温度。本发明的发明人已认识到，这种支撑基座温度的变化可以提供衬底的更加精确和/或快速的温度转变。
温度控制系统采用控制算法以响应于由温度监视系统提供的测量值稳定地调节温度。控制算法可例如包括PID(比例、积分和微分)控制器。在PID控制器中，s域(即，Laplacian空间)中的转移函数可以表达如下：
Gc(s)＝KP+KDs+KIs-1    (1)
其中KP、KD和KI是常数，这里称为PID参数集。控制算法的设计挑战在于选择PID参数集以实现温度控制系统的期望性能。
参考图7A，示出了若干示例性的温度的时间描记线，以说明不同的PID参数集如何导致不同的温度响应。在每种情况下，温度从第一值增大到第二值。温度的第一时间描记线601图示了例如具有相对较低的KI值的相对较主动的控制方案，其中时间描记线表现出“过冲”和过冲之后的一系列振荡。温度的第二时间描记线602图示了例如具有相对较高的KI值的主动性相对较低的控制方案，其中时间描记线表现为相对较慢的逐渐的增大到第二温度。温度的第三时间描记线603图示了例如具有时间描记线601和时间描记线602之间的KI值的期望的中等主动性的控制方案，其中时间描记线表现为相对较快的增大到第二温度而没有过冲。然而，本发明的发明人已认识到，只使用一个PID参数集并不足以提供用于稳定性和上升速率的期望条件。
根据一个实施例，两个或更多个PID参数集被用于实现温度在初始值和最终值之间的快速的和稳定的调节。图7B图示了利用两个PID参数集的温度的示例性时间描记线600。第一PID参数集被使用第一持续时间622，第二PID参数集被使用第二持续时间624。第一持续时间622可以通过设置与温度的最终值的温度偏移620来确定。例如，温度偏移可以是初始值和最终值之间的温度差的约50％到99％。另外，例如，温度偏移可以是初始值和最终值之间的温度差的约70％到95％，优选地，温度偏移可以从约80％到95％。
例如，相对较主动性的PID参数集可被使用第一持续时间622，而主动性相对较低的PID参数集可被使用第二持续时间624。或者，例如，PID参数KD可以从第一PID集增大到第二PID集，PID参数KI可以从第一PID集减小到第二PID集，或者以上两者的组合。
尽管以上只详细描述了本发明的某些实施例，但是本领域技术人员将很容易意识到，在实施例中可以进行许多修改，而实质上不脱离本发明的新颖教导和优点。因此，所有这些修改都意图被包括在本发明的范围内。

Claims (26)

1.一种用于在处理系统中支撑衬底的衬底夹持器，包括：
具有第一温度的温度受控支撑基座；
与所述温度受控支撑基座相对并且被配置为支撑所述衬底的衬底支撑；
耦合到所述衬底支撑并且被配置为将所述衬底支撑加热到高于所述第一温度的第二温度的一个或多个加热元件；以及
置于所述温度受控支撑基座和所述衬底支撑之间的抗蚀性绝热体，其中所述抗蚀性绝热体包括被配置为抗含卤素气体腐蚀的材料组分。
2.如权利要求1所述的衬底夹持器，其中所述绝热体包括由聚合物、塑料或陶瓷制成的胶粘剂。
3.如权利要求1所述的衬底夹持器，其中所述绝热体的所述材料组分包括丙烯酰基材料。
4.如权利要求1所述的衬底夹持器，其中所述绝热体包括丙烯酸材料或丙烯酸脂材料。
5.如权利要求1所述的衬底夹持器，其中所述抗蚀性绝热体被配置为耐具有SF6的清洁化学物质或具有SF6和O2的清洁化学物质或以上两者。
6.如权利要求1所述的衬底夹持器，其中所述绝热体包括贯穿处于所述温度受控支撑基座和所述衬底支撑之间的所述绝热体的传热系数(W/m2-K)的非均匀空间变化。
7.如权利要求6所述的衬底夹持器，其中所述传热系数在所述绝热体的基本中心区域和所述绝热体的基本边缘区域之间在径向方向上变化。
8.如权利要求6所述的衬底夹持器，其中所述绝热体包括所述绝热体的热导率(W/m-K)的非均匀空间变化。
9.如权利要求8所述的衬底夹持器，其中所述热导率在所述绝热体的基本中心区域和所述绝热体的基本边缘区域之间在径向方向上变化。
10.如权利要求9所述的衬底夹持器，其中所述热导率在第一值和第二值之间变化，所述第一值在约0.2W/m-K和约0.8W/m-K之间，所述第二值在约0.2W/m-K和约0.8W/m-K之间。
11.如权利要求9所述的衬底夹持器，其中所述热导率在所述绝热体的基本中心区域约为0.2W/m-K，在所述绝热体的基本边缘区域约为0.8W/m-K。
12.如权利要求9所述的衬底夹持器，其中所述热导率的所述变化基本发生在所述绝热体的大约半径中间区域和所述绝热体的外围区域之间。
13.如权利要求9所述的衬底夹持器，其中所述绝热体的厚度是基本均匀的。
14.如权利要求6所述的衬底夹持器，其中所述绝热体包括所述绝热体的厚度的非均匀空间变化。
15.如权利要求14所述的衬底夹持器，其中所述绝热体在所述绝热体的基本中心区域相对较薄，而在所述绝热体的基本边缘区域相对较厚。
16.如权利要求14所述的衬底夹持器，其中所述绝热体的热导率是基本均匀的。
17.如权利要求1所述的衬底夹持器，其中所述一个或多个加热元件嵌入在所述衬底支撑内。
18.如权利要求1所述的衬底夹持器，其中所述一个或多个加热元件包括一个或多个电阻性加热元件、或一个或多个热电器件或其组合。
19.如权利要求1所述的衬底夹持器，其中所述一个或多个加热元件包括位于所述绝热体的基本中心区域的第一加热元件和位于所述绝热体的基本边缘区域的第二加热元件。
20.如权利要求1所述的衬底夹持器，其中所述衬底支撑包括嵌入在其中的夹紧电极，所述夹紧电极被配置为将所述衬底电夹紧到所述衬底支撑。
21.如权利要求20所述的衬底夹持器，其中所述夹紧电极和所述一个或多个加热元件嵌入在所述衬底支撑内。
22.如权利要求21所述的衬底夹持器，其中所述夹紧电极和所述一个或多个加热元件基本位于同一平面内。
23.如权利要求21所述的衬底夹持器，其中所述夹紧电极和所述一个或多个加热元件位于分离的平面。
24.如权利要求21所述的衬底夹持器，其中所述夹紧电极和所述一个或多个加热元件包括同一物理电极。
25.如权利要求20所述的衬底夹持器，其中所述衬底支撑包括一个或多个开口，传热气体可以通过所述一个或多个开口被提供到所述衬底支撑的上表面处的所述衬底的背面。
26.一种用于在处理系统中支撑衬底的衬底夹持器，包括：
具有第一温度的温度受控支撑基座；
与所述温度受控支撑基座相对并且被配置为支撑所述衬底的衬底支撑；
耦合到所述衬底支撑并且被配置为将所述衬底支撑加热到高于所述第一温度的第二温度的一个或多个加热元件；以及
置于所述温度受控支撑基座和所述衬底支撑之间的绝热体，所述绝热体包括用于抗含卤素气体腐蚀的装置。
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