CN101400470B - 热动卡盘及用于制造热动卡盘的方法 - Google Patents

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Abstract

加工半导体基底所用的热动卡盘包括提供层流的冷却通道(106)。热动卡盘可通过以下的步骤制造出来：在平面状支撑表面部分(102)及底面部分(104)中所选出的一个内形成冷却通道；将包覆材料夹在该平面状支撑表面部分以及该底面部分之间，以形成热动卡盘组件；以及，将该热动卡盘组件加热至使包覆材料与该平面状支撑表面部分和该底面部分熔接的温度以及在该条件下进行包覆材料与该平面状支撑表面部分和该底面部分的熔接，其中，冷却通道被密封于内部。此冷却通道可以被铣磨或铸造，并且具有与相邻直线区段连接以形成蜿蜒状形状的径向曲线区段。

Description

热动卡盘及用于制造热动卡盘的方法
技术领域
本公开总体上涉及在半导体加工中使用的热动卡盘(thermal chuck)的制造，并且更具体地，涉及在其中形成有冷却通道的热动卡盘，以及用于制造该具有冷却通道的热动卡盘的方法。
背景技术
一般来说，热动卡盘是由具有限定的高度、宽度与厚度的单一构件所制成。为了加工半导体基底，所以，热动卡盘为圆形且具有一个平面状支撑表面。形成于这些卡盘内的冷却通道一般具有蜿蜒的形状，以便在使用期间提供均匀的温度调节与控制。为了制造具有蜿蜒形状的冷却通道，在现有技术中，卡盘在其周围径向设置的数个边缘位置上被钻孔。每条直线钻出的通道会与另一个钻出的通道相交，以形成蜿蜒的形状。在蜿蜒形状的冷却通道的终端上形成多个入口与出口的开口，这些开口在制造的过程中被钻穿过卡盘的底面。然后，卡盘的径向边缘周围的这些钻孔开口与一个插塞(例如，二件式摩擦锁合插塞)产生挤压装配。
图1显示一种范例性热动卡盘10，其包括一个蜿蜒形状的冷却通道。所显示的热动卡盘10的形状为圆形，而且，具有一个在加工期间用于支撑基底的平面状支撑表面12。可以在此平面状支撑表面12内形成多个同心凹穴14，以提供真空吸住能力。在此范例性卡盘中，有十一条通道16被钻穿过卡盘的径向边缘18，以便共同地形成蜿蜒形状的冷却通道。在蜿蜒形状的冷却通道的数个终端位置上，有数个入口与出口的开口20、22被钻穿过卡盘的底面。然后，此径向边缘18周围的这些开口24与二件式插塞(未显示)产生挤压装配。
以此方式制造冷却通道所产生的其中一个问题在于：被挤压装配上去的插塞可能在操作期间发生故障，导致流体在使用期间泄漏至处理室。这些挤压装配上去的插塞通常被认为适用于显著小于热动卡盘所暴露的操作温度的温度。然而，在实际情形中，惯例地在超出这些温度的情形下使用卡盘，如此可能会导致插塞的热疲劳与故障。而且，将这些插塞挤压装配到开口的过程可能会导致此平面状支撑表面12的扭曲，并且影响到卡盘的机械完整性。虽然通常可藉由从扭曲表面铣磨掉一些过多材料来解决此扭曲情形，以到达想要的平坦度规格，但是，与加热循环相结合的残余应力集中现象则可能导致此卡盘破裂。
制造蜿蜒状的冷却通道的方法本身所具有的另一个问题在于：形成冷却通道的方式本身所具有的冷却剂的过渡流/紊流。因为蜿蜒状的冷却通道要求每个通道区段均从径向边缘位置开始直线钻设，所以，相交的通道区段相互的间形成一个角度，例如，可能如图所示地为垂直。内部流体所产生的过渡流/紊流会影响温度的均匀性，而且可能会对此卡盘施加机械应力。而且，以摩擦方式装配上去的插塞具有有限的长度，此长度并不会永远终止于交叉点上，如此一来，导致在蜿蜒的冷却通道内产生死角。此外，当以加压空气吹扫冷却通道时，液体会陷入这些死角部位内。当热动卡盘被再度加热时，这种液体会蒸发掉，从而导致冷却通道内的压力过大。
因此，亟须一种改善的制造方法及热动卡盘，以克服现有技术中的这些问题。
发明内容
本发明揭示内部加工有冷却通道的热动卡盘，以及用于制造此热动卡盘的方法。在一实施方案中，用于制造此热动卡盘的方法包括以下步骤：在平面状支撑表面部分和底面部分中所选出的一个内形成冷却通道；将包覆材料夹在该平面状支撑表面部分以及该底面部分之间，以形成热动卡盘；以及，将该热动卡盘加热至使包覆材料与该平面状支撑表面部分以及该底面部分熔接的温度，并且在该条件下进行所述包覆材料与所述平面状支撑表面部分和所述底面部分的熔接，其中，该冷却通道被密封于内部。
在另一个实施方案中，此方法包含以下步骤：在平面状支撑表面部分及底面部分中所选出的一个内形成冷却通道；将包覆材料夹在该平面状支撑表面部分以及该底面部分之间，以形成热动卡盘组件；以及，将该平面状支撑表面部分、包覆材料，以及该底面部分进行真空硬钎焊接，以形成整体结构，其中，该冷却通道被密封于该整体结构的内部。
一种用于加工半导体基底的热动卡盘，所述热动卡盘包含：用于支撑基底的平面状顶表面；冷却通道，其横跨(span)在该平面状顶表面的下面，且包含多个直线区段以及至少一个径向曲线区段，该径向曲线区段用以连接该多个直线区段的一些相邻区段、第一末端，以及第二末端；以及底表面，其内部具有与第一末端流体连接的入口开口以及与第二末端流体连接的出口开口，其中，该冷却通道被夹在该平面状顶表面与该底表面之间。
藉由以下附图与详细说明作为范例，以说明上述及其它特点。
附图简述
现在，请参考附图，这些附图是示例性的实施方案并且图中类似的元件均标示类似的标记：
图1是现有技术中的热动卡盘的透视图；
图2是依据本发明一个实施方案的热动卡盘的分解透视图；
图3是图2的热动卡盘的透视图，其中详细地显示用以支撑基底的平面状支撑表面；以及
图4是依据一个实施方案的蜿蜒状的冷却通道的平面图。
发明详述
以下所揭示的是一种包括冷却通道的热动卡盘，以及用于制造此热动卡盘的方法，其中现有技术中的问题得到了克服。此种制造方法一般包括将平面状支撑表面部分以真空硬钎焊的方式焊接至底面部分，以形成此热动卡盘，其中，在真空硬钎焊之前，将冷却通道铣磨至从该平面状支撑表面部分以及该底面部分中所选出的一个内。因此，当进行真空硬钎焊时，此两个组件被结合在一起，以密封住该铣磨出的冷却通道。以此方式，不需要使用插塞，且可以制作出能够在整个冷却通道内提供层流，而没有任何死角的铣磨图案。
图2与3显示依据本发明一个实施方案的热动卡盘100的分解图。此热动卡盘100一般包括平面状支撑表面部分102以及底面部分104，其中，一个所选定组件(102或104)包括铣磨于其内部的冷却通道图案106。优选地，平面状支撑表面部分102以及底面部分104是由能够抵抗热动卡盘所处环境引起的腐蚀的金属制成，例如：可热处理的铝合金、具有阳极氧化的氧化铝涂层的铝或铝合金，等。
平面状支撑表面部分102包括平面状顶表面108，可供加工期间在此表面上放置基底。在所显示的实施方案中，平面状支撑表面部分102的底表面110被铣磨有想要的冷却通道图案106。虽然图中显示的是蜿蜒状的冷却通道图案，但是，显然地，对本领域技术人员来说，可以将任何图案铣磨于其内部。就其本身而论，本发明并未打算局限于此种特定的所示图案。而且，显然地，可以设置一个以上的通道(也就是说，一个以上的入口与出口)。此外，虽然本文中提到铣磨，但是，也可以使用例如铸造等其它方法来限定出冷却通道。
平面状支撑表面部分102还可以包含在加工半导体晶片时使用的热动卡盘内一般所常见的特征。例如，如图所示，此平面状顶表面106可以包括多个在中心轴114周围的同心环状凹穴112。此外，此平面状支撑表面部分102可以任选地包含数个开口116，用以装配周围销、加热元件、气体运送孔、热电偶等。根据想要的应用情形，也可以使用与同心环形凹穴112一起组合的开口116I，以提供真空到基底的背部，藉此增加基底的底表面以及平面状顶表面106之间的接触点数量，例如通过基底弹性变形来增加。假如运用真空吸引技术，由于真空而导致基底与平面状顶表面106之间的接触孔数量增加，可能会增加基底到达处理温度的速率。在此情形中，优选地，真空吸引开口及/或真空通道(未显示)与真空线路连接，然后与处理室隔离阀、流动控制阀等(未显示)的下游连接。
底面部分104包括顶表面120以及底表面122。此顶表面是与平面状支撑表面部分102的底表面122共平面且彼此紧密配合。冷却通道106所用的入口124与出口126可以被钻穿过此底面部分104。底面部分104可以还包含一个以上的插塞开口128，这些插塞开口与平面状支撑表面部分102内的开口或凹穴132同轴地对齐。在实施真空硬钎焊之前，将插塞132钻入开口128，130内，藉此，使平面状表面部102与底面部分104产生适当对位。
底面部分104还可以包括数个开口134，这些开口与平面状支撑表面部分102中的开口116同轴且互补。以此方式，热动卡盘100可以与热电偶、周围销等装配在一起，这是热动卡盘在预定应用中所需要的。还可以将耐热元件铸造于底面部分104内，从而能够升高加工温度，例如当进行巨大的光致抗蚀剂条或蚀刻方法时，该升高的加工温度可以被应用于提高设备生产量。环状凸缘136外切于底表面122，以便提供一种将热动卡盘固定于处理室的方式。可以在真空硬钎焊方法完成之前或之后，钻设这些开口。
在一个优选实施方案中，优选地，可以根据使用具有加热与冷却能力的比例-积分-微分(PID)控制器的反馈或闭合回路控制系统，来改变热动卡盘的操作温度。当需要的时候，此控制器将交替地供应电流至加热组件或者供应冷却流体(空气或水)至通道106。通过在处理过程中，使用安装在平面状支撑表面部分102内的温度测量器件比如弹簧启动热电偶，以测量基底的温度，从而提供到PID控制器的反馈。例如，将一条弹簧与此热电偶产生操作式相通，以使此热电偶会保持与基底的背部接触。另一方面，通过调整被供应到加热元件的电流，并且允许流体(空气或水)在处理中在适当点流过通道106，可以使用开放回路方法(亦即，没有反馈装置的情况下)来控制热动卡盘100的温度。优选地，支撑22是由能够抵抗处理气体所致的腐蚀的金属制成，例如：所述金属为具有阳极氧化的氧化铝涂层的铝。
图4显示蜿蜒状的冷却通道图案110的平面图。值得注意的是，此显示的图案为连接基本上直的通道区段的径向弯曲部分。以此方式，可以获得通过此冷却通道110的层流。
真空硬钎焊方法是一种具有充分特征化的接合方法，藉此方式，将非铁填充金属和合金在真空下加热至熔化温度(450℃以上)，且藉由毛细作用将它们分布于两个以上的紧密装配部件的间。在其液态温度时，熔融的填充金属会与基础金属的薄层产生相互作用，从而冷却而形成由于晶粒结构的相互作用所致的异常强的密封接点。此硬钎焊过的接点变成具有许多层的夹层结构，这些层彼此都冶金地连接在一起。为了适当地加工，组件102、104必须紧密地装配起来，而且，基础金属应该要异常地清洁且无氧化物，以便达到硬钎焊接点的最高强度。为了能够有效运用毛细作用，典型地推荐接点间隙为0.002到0.006英寸(50到150μm)。真空硬钎焊方法一般包括：预加热步骤、一系列的硬钎焊加热步骤，以及随后的冷却步骤。真空室一般保持在1x10-3帕斯卡(Pa)以下的真空程度。
当接合例如平面状支撑表面部分102与底面部分104之类的铝基材料时，典型地，包覆层包括作为主要组分的铝。其它的材料被添加至此包覆材料内，以降低其熔点至低于欲结合的部件(piece)的熔点。因此，在真空硬钎焊处理期间，包覆材料熔化，流到这些部件之间，然后，当其冷却时形成固体接点。例如，可以将硅包含于此包覆材料内，以降低熔点。此外，典型地，包覆材料包括添加的镁。在硬钎焊处理期间，镁扩散，藉此，打破外部的氧化铝层，从而起着表面润湿剂的作用。镁的扩散或溢气(out-gassing)准许包覆材料在铝部件之间流动，从而导致形成硬钎焊接点。因此，为了达到此种功能，典型地，将镁添加到包覆材料内。包覆材料通常还可以包含其它组分，这些其它成分的选择是本领域技术人员所熟知的。
尽管已经参考上述示例性实施方案描述了本发明，然而，要知道的是在不背离本发明的范围的前提下，对于本领域技术人员来说，可以产生出不同的变化与一些元件的等效替换。而且，在不背离本发明的主要范围的前提下，仍可以对本发明的教导施行一些修改，以适应特殊情形或材料。因此，本发明并未局限于上述用以实施本发明的最佳模式的特殊实施方案，反而，本发明应该涵盖所有落入后附权利要求书的范围内的实施方案。

Claims (16)

1.一种用于制造热动卡盘的方法，所述热动卡盘由平面状支撑表面部分和底面部分组成，该方法包含以下步骤：
在所述平面状支撑表面部分或所述底面部分中所选出的一个内形成冷却通道；
将包覆材料夹在所述平面状支撑表面部分以及所述底面部分之间，以形成所述热动卡盘；以及
将所述热动卡盘加热至使所述包覆材料与所述平面状支撑表面部分和所述底面部分熔接的温度，并且在所述条件下进行所述包覆材料与所述平面状支撑表面部分和所述底面部分的熔接，其中，所述冷却通道被密封于内部，其中，形成所述冷却通道对于提供通过所述冷却通道的流体的层流是有效的。
2.权利要求1所述的方法，其中，在真空下加热所述热动卡盘。
3.权利要求1所述的方法，其中，所述包覆材料是箔材。
4.权利要求1所述的方法，其中，加热是在大于所述包覆材料的熔点的温度下实施。
5.权利要求1所述的方法，其中，形成所述冷却通道包括将所述冷却通道铸造于所述平面状支撑表面部分及所述底面部分中所选出的一个内。
6.权利要求1所述的方法，其中，形成所述冷却通道包括将所述冷却通道铣磨于所述平面状支撑表面部分及所述底面部分中所选出的一个内。
7.权利要求1所述的方法，其中，形成所述冷却通道包括在所述平面状支撑表面部分的底表面中限定出蜿蜒状形状的图案，其中，所述蜿蜒状形状的图案包含多个由曲线区段连接以限定出连续通道的直线区段。
8.权利要求1所述的方法，其中，所述平面状支撑表面部分及所述底面部分由铝合金形成。
9.一种用于制造热动卡盘的方法，所述热动卡盘由平面状支撑表面部分和底面部分组成，所述方法包含以下步骤：
在所述平面状支撑表面部分或所述底面部分中所选出的一个内形成冷却通道；
将包覆材料夹在所述平面状支撑表面部分以及所述底面部分之间，以形成热动卡盘组件；以及
将所述平面状支撑表面部分、所述包覆材料以及所述底面部分进行真空硬钎焊，以形成整体结构，其中，所述冷却通道被密封于所述整体结构的内部，其中，形成所述冷却通道对于提供通过所述冷却通道的流体的层流是有效的。
10.权利要求9所述的方法，其中，所述平面状支撑表面部分及所述底面部分由铝合金形成。
11.权利要求9所述的方法，其中，形成所述冷却通道包括将所述冷却通道铸造于所述平面状支撑表面部分及所述底面部分中所选出的一个内。
12.权利要求9所述的方法，其中，形成所述冷却通道包括将所述冷却通道铣磨于所述平面状支撑表面部分及所述底面部分中所选出的一个内。
13.权利要求9所述的方法，其中，形成所述冷却通道包括在所述平面状支撑表面部分的底表面中限定出蜿蜒状形状的图案，其中，所述蜿蜒状形状的图案包含多个由曲线区段连接以限定出连续通道的直线区段。
14.一种用于加工半导体基底的热动卡盘，所述热动卡盘由如下组成：
平面状顶表面，其用于支撑基底；
冷却通道，其横跨在所述平面状顶表面的下面，且包含多个直线区段以及至少一个径向曲线区段，所述径向曲线区段连接所述多个直线区段的相邻区段、第一末端，以及第二末端；以及
底面部分，其内部具有与第一末端流体连接的入口开口及与第二末端流体连接的出口开口，其中，所述冷却通道被夹在所述平面状顶表面与所述底面部分之间，
其中，形成所述冷却通道对于提供通过所述冷却通道的流体的层流是有效的。
15.权利要求14所述的热动卡盘，其中，所述冷却通道是从所述入口开口到所述出口开口的连续通道，并且没有任何死角。
16.权利要求14所述的热动卡盘，其中，所述冷却通道形成蜿蜒状的形状。
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