CN101207013A - 用于加热衬底的方法和装置 - Google Patents

Abstract

这里提供了一种用于加热衬底的方法和装置。在一种实施方式中，衬底加热器包括：具有上部构件的容器，其包括用于支撑其上的衬底的顶表面；液体，将其设置在容器中并部分地注入容器；以及热源，用于为液体提供足够的热以使液体沸腾。作为另一种选择，可提供用于调节容器中压力的压力控制器。衬底是由以下步骤加热的：首先，在衬底加热器的容器的支撑表面上放置衬底。随后使包含于容器中的液体沸腾。由于液体是沸腾的，将在支撑表面的底侧上沉积经加热的冷凝物的均匀薄膜。经加热的冷凝物加热支撑表面，其依次加热衬底。

Description

用于加热衬底的方法和装置

技术领域

本发明的实施方式主要涉及一种用于加热衬底的方法和装置。更具体地说，本发明涉及，应用同时存在于热传导固体下面的液体和气体来加热衬底，以建立温度受控缓冲区。

背景技术

在半导体衬底处理中，衬底的表面温度通常是关键工艺参数。衬底处理期间衬底表面中的变化，以及整个衬底表面的梯度对材料的沉积、蚀刻速度、特性锥度、台阶覆盖率等等都是有害的。通常需要在衬底处理之前、当中和之后控制衬底温度的分布，以改善处理并最小化不期望的特性和/或缺陷。

大量器件已被用于工艺中以在处理期间控制衬底温度。一种方法是在衬底处理中，通过衬底支撑基座供应冷却流体。流体将热量从衬底支撑基座移除由此冷却衬底。这种冷却衬底的方法存在两个固有的问题。第一，使衬底达到期望温度需要相对长的响应时间。因此，对流体温度的快速动态控制来补偿衬底温度的快速波动是不可能的。所以，无法使衬底维持在期望的温度。

这种方法的第二个缺点是，无法控制遍布衬底表面的温度的分布，特别是在需要温度分布均匀的情况下。从衬底传导至衬底支撑基座的热量一般在衬底的中心最大，并朝边缘减小。由于流体温度在衬底支撑基座中一般均匀，所以衬底在中心降温较快。这引起了遍布衬底表面的温度梯度，随着衬底的直径增加，比如300mm衬底，而将变得更加严重。这种温度梯度是引起半导体衬底处理中特征变化的主要原因之一。

另一种控制衬底温度的方法，使用嵌入在支撑衬底的基座表面(例如：支撑表面)中的热电装置，提供对基座温度的快速动态控制。这些装置定位在基座支撑表面之下的平面阵列中。但是，在这样的阵列中，在单个装置之间将形成温度梯度，即，每个装置在其位置处能有效地传递热，而在紧邻装置的位置和装置之间的位置传递相对较少的热。在大量装置之间的这种梯度在整个衬底上引起实质性的温度变化，即，形成冷位置和热位置。因此，由于温度变化，在遍布衬底的地方将会出现工艺变化。

另外，将高偏置功率(达到或超过1000瓦)提供到用于蚀刻一些材料的静电夹盘，显著增加了衬底上的热负载，需要对衬底的进一步冷却。另外，用于蚀刻特定材料的工艺温度，需要温度在200℃到400℃的范围内或更高。如此高的工艺温度需要能使衬底快速提高并维持在预定的工艺温度的基座。

因此，技术中需要一种控制并维持衬底温度的装置。

发明内容

这里提供了一种用于加热衬底的方法和装置。在一种实施方式中，衬底加热器包括：具有上部构件的容器，其包括用于其上支撑衬底的顶表面；液体，将其设置在容器中并部分地注入容器；以及热源，用于为液体提供足够的热以使液体沸腾。作为另一种选择，可提供用于调节容器中压力的压力控制器。

在另一种实施方式中，一种用于加热衬底的系统：容器，其具有用于其上支撑衬底的支撑表面；液体，在其临界点以下的温度将其设置在容器中；能相控制器，其用于控制设置于容器中的液体的能相；以及受控温度缓冲区，其用于通过容器将热传导给支撑表面，受控温度缓冲区，其部分由面向容器的内部的支撑表面的内部表面限定，其中，液体根据进入和离开受控温度缓冲区来改变能相。

在本发明的另一方面，提供了一种用于加热衬底的方法。在一种实施方式中，一种加热衬底的方法包括：在衬底加热器的支架构件上放置衬底，该衬底加热器包括部分注入液体的容器；以及使液体沸腾以在支架构件的底侧上产生冷凝薄膜。可选地，可控制容器内侧的压力。可选地，可控制设置在容器中的液体的能相。

附图说明

通过结合附图的以下详细说明，将使本发明的技术更明显易懂，其中：

图1描述了具有根据本发明的一种实施方式的用于加热衬底的装置的半导体衬底处理腔室的示意性横截面图；

图2描述了图1中描述的用于加热衬底的装置的一种实施方式的示意性横截面图；以及

图3描述根据本发明的一种实施方式的一种用于加热衬底的方法的流程图。

这里尽可能应用同样的附图标记来标明各附图中同样的元件。为说明用途起见附图中的图像是简化的而不是按比例的。

附图是对本发明的示例性实施方式的说明，并从而，不应被视为对本发明的范围的限制，本发明将容许其他等效的实施方式。

具体实施方式

本发明提供了一种利用同时存在于热传导固体下面的液体和气体来加热衬底，以建立温度受控缓冲区的方法和装置。加热装置应用包含液体的容器，该液体在沸腾时，在衬底支撑表面的底部上产生充分均匀的冷凝薄膜。冷凝薄膜是由气相的冷凝加热，从而加热衬底支撑表面，以及其上设置的衬底。冷凝薄膜的多个部分的蒸发将热量从冷凝薄膜上转移，从而有利于维持充分均匀的冷凝温度，并最终维持均匀的衬底温度。在支架下侧上的相变过程中发生的热交换发生在一个恒定的温度，即为流体的气-液平衡温度。在流体蒸气维持在大气压强下的实施方式中，那个温度就是流体的常压沸点。

图1为根据本发明的一种实施方式的工艺腔室100的示意性横截面图。工艺腔室100适于用作制造和/或处理衬底106上的薄膜，其用于加热衬底非常理想。例如，在制造集成半导体器件和电路中执行的其他工艺中，工艺腔室100将适于执行沉积工艺、蚀刻工艺、等离子增强沉积和/或等离子增强蚀刻工艺，和热处理(诸如快速热处理(RTP)、退火等等)中至少一个。衬底106可能是任何衬底，诸如半导体晶圆、玻璃或蓝宝石衬底，或其他。

工艺腔室100示意性包括：腔室主体102、辅助系统110，以及控制器112。衬底支撑基座104设置在腔室主体102中，用于在其上支撑衬底106。基座104一般包括设置于其中的衬底加热器108，该加热器并配置为在处理期间控制控制衬底106的温度。

工艺腔室100的辅助系统110包括工艺腔室100中用于执行并监控预定的工艺(例如，沉积、蚀刻、热处理等等)的组件。这些组件一般包括处理腔室100的多种子系统(例如，气体面板、气体分布管道、真空子系统和排气子系统等等)，和多种装置(例如，电源、工艺控制仪器等等)。这些组件对于本领域普通技术人员是熟知的，并为了清晰将其从图中省略。

控制器112一般包括中央处理器(CPU)114、存储器116、以及辅助电路118，并与工艺腔室100耦合，且控制工艺腔室100、衬底加热器108和辅助系统110，直接地(如图1所示)，或作为另一种选择通过电脑与工艺腔室100、衬底加热器108和/或辅助系统110相结合。控制器112可以是任一种可用于工业设置中控制多种腔室和子处理器的通用计算机处理器。CPU114的存储器或计算机可读媒体116，可以是任一种或多种容易获得的存储器，诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、软盘、硬盘或任何其他形式的数字存储器，本地的或远端的。辅助电路118与CPU114耦合，用于以常规的方式支持处理器。这些电路包括：高速缓冲存储器、电源、时钟电路、输入/输出电路以及子系统等等。本发明的加热衬底的方法或其部分，主要作为软件程序存储在存储器116中。软件程序也可以在第二个CPU(未示出)上存储和/或执行，该第二CPU放置在相对于由CPU114控制的硬件的远端。

图2说明衬底加热器108的一种实施方式。在图2所示的实施方式中，衬底加热器108包括设置在底部部分中具有液体210的容器200；以及热源208，其用于在操作中提供足够热量使液体210沸腾。容器200包括主体202，其具有上部构件204，并在其中限定内部空间206。容器200一般可以是任意尺寸或形状，使得上部构件204具有在其上支持衬底(例如，衬底106)的足够尺寸。在一种实施方式中，容器200是圆柱形的。主体202和容器200的上部构件204可由在操作过程中适于承受工艺环境和条件的任意材料或其化合物(例如，耐腐蚀材料、耐高温高压材料等等)制造。适宜材料的实例包括，金属(如铜、铝等等)、金属合金、陶瓷制品等等。

容器200的内部空间206包括上部部分207和下部部分205。内部空间的上部部分207一般等于或大于待加热的衬底106的尺寸。内部空间206的下部部分205可能小于、等于或大于上部部分207。在一种实施方式中，内部空间206的下部部分205可能小于内部空间206的上部部分207，以减小设置于容器200中的液体210的量，从而减小使液体210沸腾所需的能量。例如，容器200的内部空间206的侧壁224，可能朝向容器200下部部分逐渐变细(未示出)。作为另一种选择，或相结合使用，可在容器200中放置插入物(未示出)以减小接近下部部分的内部空间。

液体210部分填充容器200(例如，将液体210设置于容器200的内部空间206的下部部分205中)。将根据液体的特性，例如沸点、粘滞度、材料相容性、蒸气压力温度特性等等来选择液体210。例如，为了执行低温工艺，例如，那些设定温度在大约100℃以下的工艺，将选择沸点较低的液体210。同样的，为了执行高温工艺，例如，那些设定温度在大于或等于大约400℃的工艺，将选择沸点较高的液体210。合适的液体的例子包括，并非限制，水(沸点100℃)、汞(沸点357℃)、银(沸点2210℃)，沸点较高的可市售购买的液体混合物例如：全氟碳油(沸点100℃-220℃)、联苯基联苯氧化混合物(沸点215℃-400℃)，等等。通常，可应用具有接近所需工艺的设定温度的常压沸点，并且在该温度保持稳定的物质。

液体210充分填充容器200的内部空间206，从而当液体210沸腾时，一部分液体210蒸发并在容器200的上部构件204的内部表面214上产生冷凝物薄层226。冷凝物226通常完全覆盖内部表面214，从而，至少部分限定了温度可控缓冲区域，该温度可控缓冲区域将均匀的热传导提供至上部构件204以及设置于其上的衬底106。另外，容器200的内部空间206具有典型尺寸，使得在执行中，从内部空间206溅射的液体210的微粒不会接触上部构件204的内部表面214。

通常，内部表面214可以具有任意的表面光洁度，或平滑或者粗糙。在应用平滑表面的实施方式中，例如，表面粗糙度小于大约0.1mm，可控制内部表面214的水平位置以使内部表面214上的冷凝物的不均匀分布最小化。可选的，内部表面214将具有增加的表面区域，例如通过表面的粗糙化，制作成多孔，等等，从而保证由冷凝物226完全覆盖内部表面214。通常，表面粗糙度的等级将在大约0.1mm至约5.0mm之间。可选择的，内部表面214将具有变化的粗糙度和/或多孔性，以改变形成于上部构件204的多个空间中(未示出)的冷凝物226的量，从而控制通过多个区域的各个热耗率。可选的，增加的表面区域在整个内部表面214可以变化，从而控制了通过衬底加热器108的上部构件204的任意区间或区域传导的热量。作为另一种选择，可通过诸如，应用不同的材料制造上部构件，改变上部构件的厚度分布，等等，增加或降低通过上部构件204的热耗率，来提供具有变化热流的区域。

将气体222填充到内部空间206的上部部分207。气体222可以是任何在整个加热工艺中保持不反应的不反应气体。选择气体222应考虑的一些因素是：冷凝点、可压缩性，以及原子稳定性。合适的气体的例子包括：任何一种惰性气体(例如氦(He)、氩(Ar)、氖(Ne)、氦(Kr)、氙(Xe)，等等)或其化合物、氮、空气，等等。在一种实施方式中，气体222为空气。

应用热源208将液体210加热至沸腾温度，以蒸发部分液体210，并使冷凝薄膜226形成于上部构件204上，从而加热衬底106。可将热源208设置于容器200的内部空间206中，或可将其设置于容器200的外侧。作为另一种选择，可将热源208形成于容器200的主体202中。该热源208可包括任何适宜的热源，例如：电阻加热器、辐射接收器、加热灯，等等。在一种实施方式中。将热源208配置为加热容器200的底部表面212。在一种实施方式中，将热源208设置为向液体210提供充分均匀的热，从而使整个液体210均匀沸腾。

在操作中，热源208加热液体210以使液体210沸腾。由于容器200内液体210沸腾，部分液体210转换为蒸气，该气体在内部空间206中升起并冷凝，而在上部构件204的内部表面214上形成冷凝物226的薄层。由于蒸气在内部表面214上冷凝，液体210的热通过容器的上部构件204传导至其上设置的衬底106。由在腔室中执行的工艺引起的上部构件204的加热或冷却将通过增加上部构件204的内部表面214上的流体的蒸发或冷凝而抵消。

可选的，容器200可进一步包括压力阀216。可将压力阀216设置为允许额外气体导出容器200，从而防止容器200中的压力的累积超过期望值。可选的，将单独提供压力控制单元218或与压力阀216结合提供。将应用压力控制单元218来控制容器200内部的压力，从而将温度控制在容器200内液体210的沸点，并从而方便地控制形成于上部构件204上的冷凝物的温度并最终传导至衬底106。例如，如果需要较高的沸腾温度，则可以充分增加压力来提高液体210的沸点以达到该沸腾温度。另外，可将压力控制单元218用于将容器200中的压力值维持在需要值。可选地将压力控制单元218连接到冷却复原容器(未示出)以复原并随后重新使用液体210，同时也防止其释放到环境中。

可选地，容器200也将包括升降杆(未示出)以选择性地将衬底放置在相对于表面204的一些位置上。例如，升降杆可固定远离已加热表面204的衬底106并将衬底106逐渐降低至已加热表面204上以控制衬底106的热耗率达到设定点温度。为了给衬底106提供更均匀的加热，可选地将已加热表面204与真空吸盘(未示出)或静电夹盘(未示出)合并以提供更加可重复利用的连接点或间隙热阻抗。可选地，可在衬底106上面放置第二气-液加热盘状表面并将其以管运送至容器200的上部部分207。

可选地，将能相控制器220与加热器108相耦合视需要来控制容器200的温度。能相控制器220可以是计算机或其他设置为控制热源208和压力控制单元218或控制其中一个的控制器来控制容器200内侧液体210的沸点。在一种实施方式中，能相控制器220可以是工艺腔室100的控制器112的部分。作为另一种选择，能相控制器220可以从控制器112中分离。

图3为描述根据本发明的一种实施方式的一种加热衬底106的方法的流程图。方法300始于步骤302，其中将衬底106放置于其中具有液体的衬底加热器的支撑表面205上，例如上述参照图1和图2的衬底加热器108。

然后，在步骤304中，使衬底加热器108内侧的(例如容器200内侧)液体210沸腾，以蒸发部分液体，并在支撑表面的底侧(例如，图2中所示的冷凝物226层)上形成冷凝层。通过经热源208或其他高能源给容器200的底部表面212提供热，使液体210沸腾。由于沸腾液体210蒸发，来自液体210的加热蒸气冷凝在容器200中的衬底支撑表面204的内部表面214上以产生冷凝物226层。冷凝物226充分均匀地覆盖内部表面214，从而，促使在衬底支撑表面204和液体210及容器200内侧包含的气体222之间形成温度可控缓冲区，气体222防护衬底支撑表面204免受可由液体210和气体222中的温度差异引起的热不一致的影响。从而，沿容器的上部构件204将获得充分均匀的温度分布，从而有利地为放置于衬底加热器上的衬底提供充分均匀的加热。

如上面参照图2的描述，上部构件204的内部表面214将具有增加的表面区域，例如通过粗糙化和/或多孔的表面。增加的表面区域提供了更多的冷凝区域以粘附到内部表面214，从而有利地提供对内部表面214的充分均匀的覆盖。可选的，在整个内部表面21上，增加的表面区域可以是变化的，从而控制了通过衬底加热器108的上部构件204的任何特定区间或区域的热传导量。作为另一种选择，可通过诸如，应用不同的材料制造上部构件，改变上部构件的厚度分布，上述方法的结合，等等，来增加或降低通过上部构件204的热耗率，可提供具有变化热流的区域。

可选的，在步骤306中，将通过调整容器200内侧的压力来控制液体210的沸点以达到所需要的沸腾温度(例如，控制液-气相平衡温度)。例如，应用能-相控制器220，其监控并控制容器200中的温度和压力，当容器200中的压力降低至液体210开始沸腾时，将液体210的温度保持在需要的值。因此，液体210的沸腾温度以及冷凝物226的层的生成温度将可以方便地控制在较广的温度范围内，而不需要改换液体210。

因此，这里已提供了衬底加热器的实施方式和加热衬底的方法。所述衬底加热器和方法可方便地提供可控地加热衬底，所述衬底加热器和方法将有利地应用于在基本均匀的热耗率将衬底加热至充分均匀的温度，或在多个区域加热衬底。

虽然前述针对本发明的实施方式，但可在不脱离由下面权利要求限定的本发明的基本范围的情况下，设计本发明的其他或进一步实施方式。

Claims (19)

1.一种加热衬底的方法，包括：

将衬底放置在包括用液体部分填充的容器的衬底加热器的支架构件上；以及

使所述液体沸腾以在所述支架构件的底侧上产生冷凝物薄膜。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：

控制所述容器内的压力。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将所述压力维持在常压。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，进一步包括：

控制所述液体的沸点。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，控制所述压力的步骤进一步包括：

利用压力控制器控制所述容器内的压力。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，进一步包括：

选择性打开或关闭所述容器内的压力阀。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：

控制所述容器内设置的所述液体的能相。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加沸步骤进一步包括：

经由热源向所述液体提供热。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述热源包括电阻加热器、辐射接收器或加热灯的至少其中之一。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述液体包括所述液体包括水、汞、全氟碳油、芳香烃油、联苯基联苯氧化物油混合物，或银中的至少一种。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述容器包括铜、铝或陶瓷制品的至少其中之一。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述支撑构件的底侧具有约0.1mm到约5mm之间的表面粗糙度。

13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述支架构件的底侧是多孔的。

14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述支架构件进一步包括具有变化热传导率的区域。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述具有变化热传导率的区域由所述支架构件的底表面的具有变化粗糙度的区域或具有变化多孔性的区域的至少其中之一限定。

16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述具有变化热传导率的区域由所述支架构件的具有变化的厚度分布的区域限定。

17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述具有变化热传导率的区域由包括支架构件的具有变化材料的区域限定。

18.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，气体设置在所述容器内。

19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述气体是氦、氩、氖、氦、氙、氮、或空气中的至少一种。

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