CN102160161B - 通过转动耦合环而形成的静电吸盘和热边环之间的可调节热接触 - Google Patents

通过转动耦合环而形成的静电吸盘和热边环之间的可调节热接触 Download PDF

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Abstract

披露了一种供静电吸盘之用的可转动设备，该静电吸盘配置用于将衬底固定在等离子环境中。该可转动设备包括静电吸盘的第一部分，该第一部分具有至少一个表面，该表面上具有可变热接触区域。静电吸盘的第二部分具有至少一个表面，该表面上具有可变热接触区域。该第二部分的至少一个表面被配置成与第一部分的至少一个表面热接触，以便控制衬底表面的热梯度。

Description

通过转动耦合环而形成的静电吸盘和热边环之间的可调节热接触
相关申请的交叉参考
本申请要求于2008年9月26日提交的美国临时专利申请号61/194,277的优先权，其标题为“通过转动耦合环而形成的静电吸盘和热边环之间的可调节热接触(Adjustable Thermal ContactBetween an Eelctrostatic Chunk and A Hot Edge Ring by Clocking aCoupling Ring)”，其在此通过参考被全面并入。
技术领域
本发明通常涉及用于半导体、数据存储器、平板显示器以及相关的或其他工业中的处理器材的领域。更具体地，本发明涉及一种系统，其用于增强基于等离子的处理工具中所用的静电吸盘的性能。
背景技术
自几十年前集成电路(IC)设备的首次引入以来，半导体设备的几何结构(即，集成电路设计规则)在尺寸上已经得到了巨大的缩小。IC通常遵循“摩尔定律”，这意味着单块集成电路芯片上装配的设备数量每两年就翻一番。如今的IC装配设施一般生产65nm(0.065μm)特征尺寸的设备，并且未来的制造很快将生产具有甚至更小的特征尺寸的设备。
随着IC设计尺寸的缩小，半导体制造中的一个增长趋势是将单晶圆处理用于各种各样的装配步骤，包括等离子蚀刻和沉积室。单晶圆反应器必须被设计成在处理过程中不引人注目地保护晶圆(或其他衬底类型)，同时控制晶圆的温度均匀度和温度。
通过与气流发生干扰、变更等离子分布以及起热沉(heat sink，即散热片)的作用，与将进行处理的晶圆前表面的一部分衔接的机械式晶圆夹潜在地引起处理均匀性的问题。如果设计不正确，机械式晶圆夹也可能产生粒子，从而造成晶圆污染及其他问题。
在处理过程中，静电吸盘(ESC)用静电势将晶圆保持不动，从而通过只与晶圆背侧相接触而避免了机械夹合的问题。静电吸盘通过在衬底和吸盘上产生相反电荷来运作，从而在吸盘和衬底之间产生静电引力。引力的程度取决于产生的电荷的数量以及电荷由于传导效应而消散的速率。电压偏置被用于产生和控制静电力，并且可以只将其施加用于处理循环的一部分，例如，只在衬底被传送到吸盘之后施加电压偏置。作为替换，电压偏置可以在处理循环中不断地施加。例如，使用等离子的传导特性可以提供电连接到ESC和晶圆系统的一个终端的方法。
不同类型的静电吸盘可以包括可消耗的(即，牺牲的)边缘环，其位于衬底下方且围绕着衬底以便将等离子限制在邻近衬底且高于衬底的区域。边缘环还可以保护ESC不受等离子的侵蚀。
参考图1，示例性的现有技术的ESC结构100的一部分包括阳极化铝制基底101、加热器结合层103、加热器105、加热器板107、陶瓷结合层109。ESC结构100覆盖了陶瓷顶片111。加热器结合层103、加热器105、加热器板107和陶瓷结合层109通过边缘结合密封113被保护不与周围的等离子环境和腐蚀性化学药品直接接触。因此，边缘结合密封113保护加热器105、加热器板107、加热器103和陶瓷结合层107免受等离子侵蚀。
在典型情况下，加热器结合层103由灌注了硅(例如，非晶态SiOx)的有机硅(silicone)层组成。加热器105通常由封装在聚酰亚胺中的金属电阻元件组成，而加热器板107通常由铝制造。填充了陶瓷(例如，三氧化二铝(Al2O3))的有机硅材料通常被用于陶瓷结合层109。陶瓷顶片111一般由氧化铝制造并且被配置用于让诸如硅晶圆之类的衬底115稳固地保持在陶瓷顶片111上面适当位置。
一般来说，边缘环117总体形状为圆形并且被固定到示例性现有技术ESC结构100的内部部分的外围。边缘环117被放置成与ESC结构100的内部部分同心并且特征有一个垂直的、单表面的内部直径。单表面的内部直径将边缘环117限制成紧靠铝制基底101、边缘结合密封113和陶瓷顶片111，从而表面地确定了边缘环117的中心。
通常，在等离子反应器中的大功率聚合化学反应中运转得太热的边缘环(例如，热边缘环，HER)将聚合物逼到衬底的边缘(由于热泳力)。衬底边缘上或其附近的聚合物的增加层降低了衬底上的计划部件的关键尺寸(CD)。相反，如果边缘环运转过凉，则边缘环自身上沉积的聚合物增多，由此在衬底边缘上或其附近导致提高的CD(即，衬底和边缘环之间的热梯度迫使聚合物前驱体沉积在边缘环上)。
因此，需要一种热界面系统在边缘环温度运转过热或过凉之间做出平衡。该热界面系统应该被快速且容易地配置用于不同处理(即，该系统应该在领域中容易调整)。另外，边缘环的温度应该容易通过热界面系统调整以适合给定的一组操作参数，比如等离子功率电平。
发明内容
在一个示例性实施例中，披露了一种用于配置来将衬底保持在等离子环境中的静电吸盘的可转动(clockable)设备。该可转动设备包括耦合环，其被配置成围绕该静电吸盘的至少一部分的外围并且与接近该静电吸盘安装的边缘环热接触。该耦合环包括耦合环的第一部分，该第一部分具有第一组相对面，该第一组相对面中的至少一个具有在其上形成的第一多个凸起部件。该耦合环的第二部分具有第二组相对面，第二组相对面中的至少一个具有在其上形成的第二多个凸起部件，第二多个凸起部件被布置成热耦合到该第一多个凸起部件。第一和第二部分之间的热耦合程度被配置成通过相对第二部分转动第一部分来控制。
在另一个示例性的实施例中，披露了一种用于配置来将衬底保持在等离子环境中的静电吸盘的可转动设备。该可转动设备包括边缘环，其被配置成围绕该静电吸盘的至少一部分的外围并且与该静电吸盘热接触。该边缘环包括较低面，该较低面上形成了第一多个凸起部件。与该边缘环热接触的静电吸盘的一部分上形成第二多个凸起部件。第二多个凸起部件被布置成热耦合到第一多个凸起部件，边缘环和静电吸盘之间的热耦合程度被配置成通过相对于第二多个凸起部件转动边缘环来控制。
在另一个示例性的实施例中，披露了一种用于配置来将衬底保持在等离子环境中的静电吸盘的可转动设备。该可转动设备包括边缘环，其被配置成围绕该静电吸盘的至少一部分的外围并且与该静电吸盘热接触。该边缘环包括较低面，该较低面上形成了第一多个凸起部件。该边缘环具有至少第二多个凸起部件并且被配置成与该边缘环上的第一多个凸起部件热接触。第二多个凸起部件被布置成热耦合到第一多个凸起部件，边缘环和耦合环之间的热耦合程度被配置成通过相对于耦合环转动边缘环来控制。
在另一个示例性的实施例中，披露了一种用于配置来将衬底保持在等离子环境中的静电吸盘的可转动设备。该可转动设备包括静电吸盘的第一部分，该静电吸盘具有其上有可变热接触区域的至少一面。该静电吸盘的第二部分具有其上有可变热接触区域的至少一面。第二部分的至少一面被配置成与第一部分的至少一面热接触以控制衬底面的热梯度。
附图说明
不同的附图仅仅图示了本发明的若干示例性实施例并且不能被认为是对其范围的限制。
图1A是一个现有技术的静电吸盘的一部分的剖视图；
图1B是包含耦合环和各层热界面材料的现有技术的静电吸盘的一部分的剖视图；
图2是用在静电吸盘(ESC)上来改变ESC和热边缘环之间的温度梯度的示例性可转动耦合环的剖视图；
图3是图2的可转动耦合环的每部分的示例性平面图(即，正面图)和后视图。
图4示出了示例性可转动耦合环的变化热接触位置的剖视图。
具体实施方式
下述的不同实施例描述了被设计来增强处理性能的改进耦合环。处理性能通过确保耦合环能够为给定操作条件(例如，给定等离子功率电平)提供已知热梯度而得到增强。例如，热梯度可以由在ESC和热边缘环(HER)之间具有可调整热触的可转动耦合环来控制。热热触可以被迅速并且容易地调整，而无需额外的硬件或改变对热界面材料的选择。
参考图2，ESC的剖视图200包括示例性的可转动耦合环201。该示例性的可转动耦合环201由至少两部分组成：上耦合环部分201A和下耦合环部分201B。可选的耦合环热界面材料层203可以夹在上201A和下201B耦合环部分之间。另外，可选的ESC热界面材料层205可以被添加到铝制底板101和下耦合环部分201B之间。
上201A和下201B耦合环部分可以由各种各样的材料组成。多种材料包括例如氧化铝(Al2O3，“氧化铝”)或其他类型的陶瓷。硅、碳化硅、二氧化硅(例如，晶态或非晶态(SiOx))和诸如固体钇之类的过渡金属也可以是用来制造上201A和下201B耦合环部分的合适材料。另外，各种其他类型的金属、绝缘和半导体材料也可以被容易地采用。在一个特殊的示例性实施例中，用厚度75微米(μm)到125μm(大约0.003到0.005英寸)的氧化钇漆涂敷的三氧化二铝(Al2O3)可以被用于上201A和下201B耦合环部分。例如，氧化钇漆可以通过热喷涂来施加，或者从物理气相沉积(PVD)系统中施加。在本实施例中，氧化钇漆可以根据需要在某些区域逐渐变少，或者上201A和下201B耦合环部分的全部部分可以被留着不覆盖。
在一个特殊的示例性实施例中，可选的耦合环203和ESC205热界面材料层例如可以由
Figure BDA0000051035360000071
传热材料，比如
Figure BDA0000051035360000072
II组成。
Figure BDA0000051035360000073
由Bergquist公司(美国，明尼苏达州，臣哈森市)制造并且是一种箔样(foil-format)散热膏替代品，特别配制用于不能使用排气材料的情况中，比如等离子蚀刻腔的高度真空环境。
Figure BDA0000051035360000074
由在热电传导胶的对立面上形成的铝箔组成，其在345kPa(大约50psig)时具有1.42℃ cm2/W(大约0.22℃ in2/W)的热阻抗。
在另一个特殊的示例性实施例中，耦合环203和ESC205热界面材料例如可以由
Figure BDA0000051035360000075
传热材料，比如
Figure BDA0000051035360000076
400组成。
Figure BDA0000051035360000077
也是由Bergquist公司(见上)制造并且是硅橡胶和玻璃纤维的复合物。
Figure BDA0000051035360000078
是一种热传导绝缘体，在345kPa(大约50psig)时具有7.92℃ cm2/W(大约1.13C in2/W)的热阻抗。在本领域中独立已知的其他的热传导界面材料也可以被容易地使用。
参考图3，上耦合环部分201A的一个示例性底部视图300包括多个位于上耦合环部分201A的较低面上的凸出底座301。类似地，下耦合环部分201B的示例性顶部视图350包括下耦合环部分201B的较高面上的另一多个凸起底座301。多个凸起底座301的布置让上201A和下201B耦合环部分在进入相互物理接触时具有可变的机械接触区域。因此，如上文刚论述的，可变的机械接触区域提供了上201A和下201B耦合环部分之间的可变热接触。本领域普通技术人员在阅读此处披露的信息之后很容易理解，多个凸出底座可以在宽度、高度、数量和其他参数上改变以达成期望结果。
参考图4，上201A和下201B耦合环部分之间的多个凸起底座301之一的第一剖视图400显示了最大的热接触区域。上201A和下201B耦合环部分之间的多个凸起底座301之一的第二剖视图430显示了由于减少的机械接触区域而其热阻抗高于第一剖视图400的热接触区域。类似地，上201A和下201B耦合环部分之间的多个凸起底座301之一的第三剖视图450显示了由于进一步减少的机械接触区域而其热阻抗高于第二剖视图430的热接触区域。因此，最终用户可以根据上201A和下201B耦合环部分之间的机械接触量而提供台阶形或无级变化。
另外，热界面材料(热传导或热绝缘)片(未示出)可以被置于多个凸出底座301的一个或多个之间，以便进一步影响上201A和下201B耦合环部分之间的整体热传导性。
因此，上耦合环部分201A和下耦合环部分201B的结合通过将上201A和下201B耦合环部分安置在不同的机械接触安排中来提供了可转动耦合环以改变两部分之间的热接触。
尽管未示出，本领域技术人员可以容易地了解将上耦合环部分201A和下耦合环部分201B相互粘附的各种方法。在一个具体的示例性实施例中，这两部分可以例如通过穿过一片中的埋头孔进入另一片上的螺纹孔的平头机械螺钉相互固定。被置于另一片中的埋头孔的不同偏移位置中的一片中可以包括多个螺纹孔。在另一个示例性实施例中，这两部分可以例如通过穿过一片中的拉长(即，开槽的)的埋头孔狭槽进入另一片上的螺纹孔的平头机械螺丝相互固定。在又一个示例性实施例中，这两片可以通过高温粘合剂相互粘附。
上耦合环部分201A和下耦合环部分201B的相对于彼此的不同安排提供了一种调整任何热边缘环(HER)和静电吸盘之间的热接触的方法。因此，通过在一个模型中拥有多个凸起底座301，以使得当上201A和下201B耦合环部分被相对于彼此的转动到不同方向时产生不同的机械接触区域并由此产生不同的热接触区域，本发明的不同实施例得以运转。通过改变上201A和201B耦合环部分之间的机械接触量，需要不同HER温度的不同的处理方法可以被容易地变得简单。
在另一个示例性实施例中(未示出，但是阅读了此处论述材料的本领域技术人员可以容易地理解)，作为替换或者除可转动耦合环上所示的布置之外，多个凸起底座301可以布置在ESC和耦合环之间。此外，在另一些示例性实施例中，作为替换或者除在可转动耦合环上所示的布置之外，多个凸起底座301可以被布置在耦合环和HER之间。
而且，其它实施例包括生产多个凸起底座301以使得底座图案具有更精细地定制比例的部件(例如，大约1cm宽)，因此不会产生方位角的不均匀性。此外，凸起底座的格局可以形成于几个同心环中，因此两部分之间的空隙中的电弧放电(即等离子发光，plasmalight-up)的可能性可以被减小或消除。
如果粗糙和光滑的区域之间的热接触彼此不相同，则这两个区域可以替代多个凸起底座301。例如，粗糙区域阻止上201A和下201B耦合环部分之间的紧密接触，从而增加热阻抗。相比而言，光滑区域提供上201A和下201B耦合环部分之间的紧密接触，从而降低了热阻抗。
另外，如果两个区域之间的热接触不同，则造成好的热接触和坏的热接触的不同涂层可以替代多个凸起底座301。例如，具有不同厚度或不同热传导性的涂层可以被用来实现具有可调整热接触的可转动系统。
本发明在上面参考其具体实施例而被描述。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离在所附权利要求中阐述的本发明的更宽广精神和范围的前提下可以做出不同的修改和变化。
例如，具体实施例描述了不同的材料类型和安置。本领域技术人员会认识到，这些材料和安置可以被改变，并且在此示出的材料和安置为了示例性目的仅仅是为了说明边缘环的不同方面。例如，只要阅读了此处披露的信息，本领域技术人员就会迅速认识到，耦合环的热接触区域可以被额外地并入或者独立并入热边环。如此所述，在这样的布置中，HER可以直接耦合到ESC而无需散布的耦合环，但是仍然同时提供热传导性的变化性，并且因此提供了HER上的温度的变化性。另外，本领域技术人员还会认识到此处描述的技术和方法可以被应用到在需要保持精确和准确的集中性和安置的粗糙的等离子和化学环境中的任何类似类别的结构。对半导体工业的静电吸盘的应用被纯粹地用于范例来帮助本领域技术人员描述本发明的不同实施例。
而且，术语半导体应该在全文中被领会成包括数据存储器、平板显示器以及有关联或其他的工业。这些和不同的其他实施例都在本发明的范围内。因此，说明书和附图将被考虑成说明性而非限制性的目的。

Claims (23)

1.一种用于配置来将衬底保持在等离子环境中的静电吸盘的可转动设备，所述可转动设备包括：耦合环，其被配置成围绕所述静电吸盘的至少一部分的外围并且与接近所述静电吸盘安装的边缘环热接触，所述耦合环包括：
所述耦合环的第一部分，具有第一组对立面，所述第一组对立面的至少一个具有在其上形成的第一多个凸起部件；以及
所述耦合环的第二部分，具有第二组对立面，所述第二组对立面中的至少一个具有在其上形成并且被布置成热耦合到所述第一多个凸起部件的第二多个凸起部件，所述耦合环的第一部分和所述耦合环的第二部分被配置成在进入相互物理接触时具有可变的机械接触区域，所述第一和第二部分之间的热耦合程度被配置成通过相对于所述第二部分转动所述第一部分来控制；
其中，所述第一和第二多个凸起部件被放射状地分别布置在所述耦合环的第一和第二部分各自的多个同心环中，所述多个凸起部件各自与除其底部之外的所述多个同心环的后一个或前一个中的凸起部件热隔离。
2.根据权利要求1所述的可转动设备，其中，所述第一和第二多个凸起部件被放射状地分别布置在所述耦合环的第一和第二部分。
3.根据权利要求1所述的可转动设备，其中，所述第一和第二多个凸起部件通过置于所述第一和第二多个凸起部件的至少某些部件之间的热界面层相互隔离。
4.根据权利要求1所述的可转动设备，其中，所述耦合环的第一和第二部分被布置成用螺栓固定在一起以使得所述第一和第二多个凸起部件的至少若干部分相互热接触。
5.根据权利要求1所述的可转动设备，其中，所述耦合环的第一和第二部分中的至少一个具有拉长的狭槽，以便通过相对于所述第二部分转动所述第一部分来促进所述部分之间的可调整热接触。
6.一种用于配置来将衬底保持在等离子环境中的静电吸盘的可转动设备，所述可转动设备包括：
边缘环，其被配置成围绕所述静电吸盘的至少一个部分的外围并且热接触所述静电吸盘，所述边缘环包括具有在其上形成了第一多个凸起部件的下表面；以及
在与所述边缘环热接触的所述静电吸盘的一部分上形成的第二多个凸起部件，所述第二多个凸起部件被布置成热耦合到所述第一多个凸起部件，所述边缘环和所述静电吸盘之间的热耦合程度通过相对于所述第二多个凸起部件转动所述边缘环来控制。
7.根据权利要求6所述的可转动设备，其中，所述第一和第二多个凸起部件被放射状地分别布置在所述边缘环和所述静电吸盘上。
8.根据权利要求6所述的可转动设备，其中，所述第一和第二多个凸起部件被放射状地分别布置在所述边缘环和所述静电吸盘上的多个同心环中，所述多个凸起部件各自与除其底部之外的所述多个同心环的后一个或前一个中的凸起部件热隔离。
9.根据权利要求6所述的可转动设备，其中，所述第一和第二多个凸起部件通过被置于所述第一和第二多个凸起部件中的至少某些部件之间的热界面层相互隔离。
10.根据权利要求6所述的可转动设备，其中，所述边缘环和所述静电吸盘被布置成用螺栓固定在一起，以使得所述第一和第二多个凸起部分的至少部分彼此热接触。
11.根据权利要求6所述的可转动设备，其中，所述边缘环和所述静电吸盘中的至少一个具有拉长的狭槽，以便通过相对所述静电吸盘转动所述边缘环来促进它们之间的可调整热接触。
12.一种用于配置来将衬底保持在等离子环境中的静电吸盘的可转动设备，所述可转动设备包括：
边缘环，其被配置成围绕所述静电吸盘的至少一个部分的外围并且热接触所述静电吸盘，所述边缘环包括具有在其上形成了第一多个凸起部件的下表面；以及
耦合环，其具有至少第二多个凸起部件并且被配置成与所述边缘环上的所述第一多个凸起部件热接触，所述第二多个凸起部件被布置成热耦合到所述第一多个凸起部件，所述边缘环和所述耦合环之间的热耦合程度通过相对于所述耦合环转动所述边缘环来控制。
13.根据权利要求12所述的可转动设备，其中，所述第一和第二多个凸起部件被放射状地分别布置在所述边缘环和所述耦合环上。
14.根据权利要求12所述的可转动设备，其中，所述第一和第二多个凸起部件被放射状地分别布置在所述边缘环和所述耦合环上的多个同心环中，所述多个凸起部件各自与除其底部之外的所述多个同心环的后一个或前一个中的凸起部件热隔离。
15.根据权利要求12所述的可转动设备，其中，所述第一和第二多个凸起部件通过被置于所述第一和第二多个凸起部件中的至少某些部件之间的热界面层相互隔离。
16.根据权利要求12所述的可转动设备，其中，所述边缘环和所述耦合环被布置成用螺栓固定在一起，以使得所述第一和第二多个凸起部分彼此热接触。
17.根据权利要求12所述的可转动设备，其中，所述边缘环和所述耦合环中的至少一个具有拉长的狭槽，以便通过相对所述耦合环转动所述边缘环来促进它们之间的可调整热接触。
18.一种用于配置来将衬底保持在等离子环境中的静电吸盘的可转动设备，所述可转动设备包括：
所述静电吸盘的第一部分，其具有其上安置了可变热接触区域的至少一个表面；
所述静电吸盘的第二部分，其具有其上安置了可变热接触区域的至少一个表面，所述第二部分的至少一个表面被配置成与所述第一部分的至少一个表面热接触以控制所述衬底表面的热梯度;
其中所述静电吸盘的第一部分和第二部分之间的热耦合程度通过相对于所述第二部分转动所述第一部分来控制。
19.根据权利要求18所述的可转动设备，其中，所述可变热接触区域包括多个粗糙表面和光滑表面区。
20.根据权利要求18所述的可转动设备，其中，所述可变热接触区域包括在所述第一和第二部分上形成的多个热传导性不同的涂层。
21.根据权利要求18所述的可转动设备，其中，具有可变热接触区域的所述第一和第二部分通过被置于所述第一和第二部件的至少某些部件之间的热界面层相互隔离。
22.根据权利要求18所述的可转动设备，其中，所述第一部分和所述第二部分被布置成用螺栓固定在一起，以使得具有可变热接触区域的所述第一和第二部分的至少若干部分彼此热接触。
23.根据权利要求18所述的可转动设备，其中，所述第一和第二部分中的至少一个具有拉长的狭槽，以便通过相对于所述第二部分转动所述第一部分来促进它们之间的可调整热接触。
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