CN102270561B - 具有适配热导体的等离子体处理室部件 - Google Patents
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Abstract
一种组件，其包含等离子体处理室的部件、热源以及夹于所述部件和所述热源之间的聚合物复合材料，所述聚合物复合材料在高热导率相和低热导率相之间出现相变。所述温度诱导相变聚合物可以用于在多步等离子体蚀刻工艺中保持所述部件温度处于高或低温。
Description
技术领域
本发明总体上涉及等离子体处理室。
背景技术
随着每一代后继的半导体技术，晶片的直径趋向于增大，而晶体管的尺寸则趋于减小，导致在晶片处理过程中要求更高程度的精确度和可重复性。半导体衬底材料(如硅晶片)的技术处理包含有真空室的使用。这些技术包含非等离子体的应用，例如电子束蒸发，以及等离子体的应用，例如溅射沉积、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、抗蚀剂剥离和等离子体蚀刻。
现今所用的等离子体处理系统属于半导体制造工具，这些工具用来满足不断增强的改善精确度、可重复性和效率的需求。等离子体处理系统的成功指标包括产出率和衬底温度稳定性。衬底温度影响制备于衬底上的设备的临界尺寸，因而当要求有稳定的衬底温度时，例如在处理配方的步骤中，衬底温度就一定不能有大的偏离，
例如，多晶硅栅蚀刻正推向越来越小的临界尺寸均匀性(CDU)，以能在跨越直径为大约300mm的衬底上实施。这样的变化可能是源于衬底边缘附近温度、等离子体化学性质或密度、悬伸边缘环或者其它约束的径向变化。随着节点尺寸的不断减小，对CDU的要求预计将变得更迫切。
集成电路芯片的制造通常起始于薄的、高纯度单晶半导体材料衬底(例如硅或者锗)的抛光片。每一衬底都要经过一系列的物理和化学处理步骤，从而在衬底上形成各种电路结构。在制造过程中，可能使用各种技术在衬底上沉积各种类型的薄膜，这些技术如生产二氧化硅膜的热氧化技术，生产硅、二氧化硅和氮化硅膜的化学气相沉积技术，以及生产其它金属膜的溅射或其它技术。
在半导体衬底上沉积膜以后，通过使用被称为掺杂的工艺将选择的替代杂质掺进半导体晶格中，从而形成半导体独特的电性能。然后可用被称作“抗蚀剂”的光敏感或者放射敏感材料的薄层均匀涂敷已掺杂的硅衬底。接着可用被称作光刻的工艺将限定电子路径在所述电路中的小的几何图案转印(transfer)到抗蚀剂上。在光刻工艺中，可以在被称作“掩模”的玻璃板上画上集成电路的图案，接着通过光学方法缩小、投影并转印至光敏涂层上。
之后，通过被称作蚀刻的工艺将光刻后的抗蚀剂图案转印至下面的衬底晶体表面。通常通过向等离子体处理室供应工艺气体并且使用射频场于该工艺气体以将该工艺气体激发成等离子体状态，进而使用该等离子体处理室蚀刻衬底。
发明内容
一种组件，包括等离子体处理室的部件、热源(a thermalsource)以及夹于所述部件和所述热源之间的聚合物复合材料，所述部件有温度控制表面，其中所述聚合物复合材料在高热导率相和低热导率相之间出现(exhibit)温度诱导相变。
处理半导体衬底的等离子体处理室的部件的温度控制方法中，使用在高热导率相和低热导率相之间出现温度诱导相变的聚合物复合材料，其中，所述部件有温度控制表面并且所述聚合物复合材料夹于所述部件和热源之间，所述方法包括：诱导所述聚合物复合材料的所述相变从而让所述部件与所述热源热绝缘或者让所述部件和所述热源热耦合。
在包含上述组件的等离子体处理室中蚀刻衬底的方法中，所述方法包括：在第一温度和第一等离子体功率(power)下蚀刻所述衬底；诱导所述聚合物复合材料的所述温度诱导相变；在第二温度和第二等离子体功率下蚀刻所述衬底；其中所述第一温度高于所述第二温度且所述第一等离子体功率低于所述第二等离子体功率，或者其中所述第一温度低于所述第二温度且所述第一等离子体功率高于所述第二等离子体功率。
附图说明
图1A所示为聚合物正温度系数(PPTC)复合材料的热导率与温度的关系的示意图。
图1B所示为聚合物负温度系数(PNTC)复合材料的热导率与温度的关系的示意图。
图2A所示为在特征温度T0以下的示例PNTC复合材料结构示意图。
图2B所示为在特征温度T0以上的示例PNTC复合材料结构示意图。
图2C所示为在特征温度T0以下的示例PPTC复合材料结构示意图。
图2D所示为在特征温度T0以上的示例PPTC复合材料结构示意图。
图3A所示为PNTC复合材料应用的示意图。
图3B所示为PPTC复合材料应用的示意图。
图3C所示为PNTC复合材料另一应用的示意图。
图4所示为在其中使用PPTC复合材料处理半导体衬底的等离子体处理室的边缘环组件的横截面示意图。
图5所示为在其中使用PPTC复合材料处理半导体衬底的等离子体处理室的上部电极组件的横截面示意图。
图6所示为在其中使用PNTC复合材料处理半导体衬底的等离子体处理室的衬底支架组件的横截面示意图。
具体实施方式
等离子体处理室可以包含具有上部电极组件的真空室和衬底支架组件。待处理的半导体衬底用合适的掩模覆盖并且直接放在衬底支架组件上。将工艺气体(如CF4，CHF3，CClF3，HBr，Cl2，SF6或者其混合物)引入有气体(如O2，N2，He，Ar或者其混合物)的所述室中。所述室通常保持在毫乇级的压强下。所述上部电极组件有气体注入孔，其可以让气体通过上部电极组件均匀扩散至所述室中。一个或多个射频(RF)电源将射频功率传送至真空室中，并将惰性气体分子离解成等离子体。所述上部电极和所述衬底支架组件之间的电场迫使等离子体中的高活性基团朝向所述衬底表面。通过所述基团发生的化学反应蚀刻衬底的表面。
衬底支架组件可以包含衬底支架板，与衬底支架板直接热接触(例如嵌入或者连接)的电加热器。流体致冷板可以连接到衬底支架板的底部。流体致冷板通道中的流体循环将衬底支架组件中的热量带走。在共同转让的专利号为6,847,014以及6,921,724的美国专利中，对示例衬底支架组件作了描述，在此将其作为参考并入本发明。
上部电极组件可以包括与背部板相连的上部电极。在共同转让的专利公开号为2008/0308228，2008/0090417，2008/0308229，2009/0305509和2009/0081878的美国专利申请，以及专利号为7,645,341的美国专利中，可以找到示例上部电极组件，这些专利或者专利申请中的每一项作为参考并入本发明中。所述背部板连接到流体致冷顶板。所述上部电极通过等离子体和/或安装在上部电极组件中的加热装置进行加热。
在使用高功率等离子体处理半导体衬底的等离子体处理室中控制温度是一项挑战。例如，在生产存储器芯片的工艺中，介电蚀刻室中所需要的等离子体功率可超过6千瓦。在不同的处理步骤之间保持处理室部件(例如电极、背部板、边缘环、室壁等)温度相对稳定时，又需要显著改变等离子体功率和衬底温度，这使得温度控制进一步复杂化。
例如，蚀刻出高深宽比特征的示例等离子体蚀刻工艺包括主蚀刻步骤和掩模打开步骤，在所述蚀刻步骤中，半导体衬底被蚀刻，在所述打开步骤中，部分掩模被蚀刻。主蚀刻步骤要求有可以朝衬底产生高热流(例如，大约4000W)的高等离子体功率和低的衬底温度(大约20-40℃)以便产生预期的特征形貌，而掩模打开步骤要求有可以朝衬底产生低热流(例如，大约400W)的低等离子体功率和高的衬底温度(大约70-110℃)。为获得预期的晶片温度，在温度控制致冷板之上使用高功率密度加热器以便在低功率步骤中保持高的晶片温度，以及关闭加热器或者让其在低功率下运行，以便能通过高功率步骤中的致冷板让晶片致冷。尽管不同的步骤中由不同的等离子体功率设备产生的加热会变化，但是在整个工艺中，边缘环和/或上部电极的温度可期望保持稳定。
主蚀刻步骤要求流体致冷板有高致冷功率，以便将衬底冷却到所需的低温，同时，优选在掩模打开步骤中，流体致冷板的致冷功率是低的，以便获得所需的高衬底温度。然而，在传统的等离子体处理室中，在流体致冷板中循环的流体的容积大，因而流体温度或者致冷功率的改变与蚀刻步骤的时间跨度相比是非常慢的。所以，在掩模打开步骤中，按惯例，使用电子加热装置输出足够的热功率以补偿流体致冷板的高致冷功率，从而将衬底加热至所需的高温。因此加热器必须有非常高的功率(例如5000瓦或者更高)，以能导致温度的不均匀性，并且这样的高功率加热器增加了卡盘生产的变化性。另一个传统的方法是使用两个温度控制单元，以便通过衬底支架选择性地泵入所需要的热的或者冷的流体。但是，该方法增加了衬底支架设计的复杂程度。
在此描述的组件包含聚合物基复合材料，该复合材料在高热导率相和低热导率相之间出现温度诱导相变并作为等离子体室部件的热传导介质，所述部件具有优选暴露于等离子体处理室内部的温度控制表面，所述部件如衬底支架组件、上部电极组件、边缘环、边缘环组件或者等离子体处理室中的其它室部件。当装入有电阻加热器的衬底支架时，增大工艺窗而不增加加热器功率密度是可能的，这对于降低功率消耗，减少生产过程中的变化性也是理想的。
穿过狭窄的温度范围(即相变)，一组聚合物基复合材料其热导率显著升高或降低。图1A所示为示例聚合物基复合材料的热导率(λ)作为温度(T)的函数。在特征温度T0以下，λ相对小。当T升高穿过T0附近狭窄的温度范围时，λ就呈现出数倍甚或数个数量级的急剧升高。当T升高至超过T0附近狭窄的温度范围时，λ则急定在一个相对大的值。这样的复合材料被称为聚合物正温度系数复合材料，或者PPTC复合材料。
图1B所示为另一示例聚合物基复合材料的热导率(λ)作为温度(T)的函数。在特征温度T0以下，λ相对大。当T升高穿过T0附近狭窄的温度范围时，λ就呈现出数倍甚或数个数量级的急剧降低。当T升高至超过T0附近狭窄的温度范围时，λ则急定在一个相对低的值。这样的复合材料被称为聚合物负温度系数复合材料，或者PNTC复合材料。
PPTC和PNTC复合材料可以通过任何合适的方法制备。有一种实施方式，是将以纤维或者粉末形式存在的具有高λ的填充材料(例如金属、碳等)混合到具有低λ的聚合物基中。
具体而言，为制备PNTC复合材料，可以使用具有低λ并且随温度T升高而膨胀的聚合物基210。参见图2A和2B。合适数量的具有高λ的填充材料220可以充分混合到聚合物基210中，从而填充材料220的加载水平(loading level)在温度低于T0时是在渗滤阈值之上，并且填充材料220的高λ决定着复合材料的总的(overall)λ；而且，当T升高并且接近T0时，聚合物基210的膨胀有效地降低了加载水平；当T升高超过T0时，加载水平下降到渗滤阈值以下，并且聚合物基210的低λ决定着复合材料的总的λ。聚合物基210可以是任何合适的聚合物，例如，通过每个单体分子包含两个或者多个共轭乙炔基团的有环或者无环乙炔单体的固态聚合而获得的高度链对齐聚乙炔，这在专利号为3,994,867的美国专利中有描述，在此将其作为参考并入本发明中。
为制备PPTC复合材料，可以使用具有低λ并且随温度T升高而膨胀的聚合物基230。参见图2C和2D。合适数量的具有高λ的填充材料240充分混合到聚合物基230中，从而填充材料240的加载水平在温度高于T0时是在渗滤阈值之上，并且填充材料240的高λ决定着复合材料的总的λ；而且，当T下降并接近T0时，聚合物基230的膨胀有效地降低了加载水平；当T下降至低于T0时，加载水平下降到渗滤阈值以下，并且聚合物基230的低λ决定着复合材料的总的λ。聚合物基230可以是任何合适的聚合物，例如，道康宁灌封胶184(Dow Corning)有机硅弹性体。
PPTC或者PNTC复合材料可以用作等离子体室部件与热源之间的传热介质(例如，热垫片)，所述部件的温度将是受控的，所述热源(thermal source)如加热源(heat source)和/或散热器。例如，如图3A所示，PNTC复合材料层310夹于部件300和加热源350之间。当PNTC复合材料层310的温度高于T0时，部件300与加热源350之间基本上是热绝缘的，因此PNTC复合材料层310起的是温度限制器的作用。PNTC复合材料层310的温度可以由加热源350和/或由通过部件300的热流来控制。在该配置中的PNTC复合材料层310能用于保护部件300，以防过热。
同样，如图3B所示，PPTC复合材料层320夹于部件300和散热器360之间。当复合材料层320的温度低于T0时，部件300与散热器360之间基本上是热绝缘的，因此PPTC复合材料层320起的是温度限制器的作用。PPTC复合材料层320的温度可以由散热器360和/或由通过部件300的热流来控制。在该配置中的PPTC复合材料层320能用于保护部件300，以防过冷。
热源可以是电阻加热器或(数个)加热器和/或一个或者多个在其流道中循环流体的温度控制单元(TCU)。例如，可以用其中俩TCU循环着热(如70℃)和冷(如-20℃)流体的双致冷机组方法升高或者降低PPTC或者PNTC聚合物的温度。
一些应用要求部件300的温度在较高温度TH和较低温度TL之间切换。这可以通过将加热源350堆放在散热器360上并且将部件300定位于与加热源350直接热接触而实现。加热源350可以是电加热器，并且散热器360可以是其中循环有温度控制流体的致冷板。假如加热源350和散热器360之间没有使用PNTC复合材料层，加热源350必须输出足够的热功率以补偿散热器360上的热损失以及环境的热损失，从而保持部件300的温度在TH。假如PNTC复合材料310如图3C所示夹于加热源350和散热器360之间，其中PNTC复合材料层310的λ在温度处于TH时是低的，在温度处于TL时则是高的，那么，当部件300的温度处在TH时，散热器360与部件300以及加热源350基本上是热绝缘的，因此，加热源350主要输出足以补偿环境热损失的热功率。
PNTC复合材料层310的相可以由加热源350、散热器360和/或通过部件300的热流来控制。例如，(a)假如部件300的温度从TL升高到TH，加热源350初始可以输出高的热功率以补偿散热器360的热损失，并且诱导PNTC复合材料层310通过其相变至其低热导率相，从而使加热源350以及部件300和散热器360热绝缘。然后，加热源350就可以减少其热功率输送，以保持部件300的温度在TH；(b)假如部件300的温度从TH降低到TL，可以关闭加热源350，并且让PNTC复合材料层310冷却。当PNTC复合材料层310通过其相变至其高热导率相时，则散热器360可以从部件300很快地吸取热，并且让部件300的温度降至TL。可选地，散热器360初始可以通过运行更冷的冷却剂使其温度降至TL以下，从而诱导PNTC复合材料层310相变至其高热导率相，接着散热器360可以调整温度，以保持部件300的温度处在TL。
图3A-3C中所示的配置可以以任何合适的方式组合。
图4所示为位于包含边缘环410的部件和支架环430之间的PPTC复合材料层420的示例性应用，俩环在等离子体处理室中都被设置成包绕衬底支架组件440。在蚀刻过程中，边缘环410优选保持在恒定的温度。在使用过程中，边缘环410通过等离子体处理室中的等离子体加热。支架环430设置成作为散热器运行并且将边缘环410上的热散发。不同的蚀刻步骤中所需的等离子体功率的变化会导致边缘环410上的热功率的变化。当等离子体功率高时，夹于边缘环410和支架环430之间的PPTC复合材料层420可以经由通过边缘环410的来自等离子体的热流加热至高热导率状态，然后，通过PPTC复合材料层420将热从边缘环410高效地转移至支架环430。边缘环410因而受到保护，不会过热。当等离子体功率低时，可以通过支架环430将PPTC复合材料层420冷却至低热导率状态，并且让边缘环410与支架环430热绝缘。边缘环410因此受到保护，不会过冷。相比使用热导率变化不如边缘环410与支架环430之间的PPTC复合材料的那么显著的材料，由等离子体热功率的变化引起的边缘环的温度变化可减小。此外，边缘环410可以是包含边缘环和与该边缘环直接热接触的加热环的边缘环组件。
图5所示为等离子体处理室中上部电极组件中PPTC复合材料层520的另一示例性应用，其中所述部件包含被连接到背部板530的上部电极510。背部板530利用夹于其与流体致冷板540之间的PPTC复合材料层520连接到流体致冷板540上。流体致冷板540具有通道550，致冷流体在通道550中循环并且将热从上部电极组件转走。上部电极510在整个蚀刻过程中优选保持在恒定的温度。然而，在使用过程中，上部电极510可以用等离子体处理室中的等离子体和/或安装在上部电极组件中(未图示)的加热器加热。不同的蚀刻步骤中所需的等离子体功率的变化会导致由上部电极510吸收的热的变化。当等离子体功率高时，夹于背部板530和流体致冷板540之间的PPTC复合材料层520有高热导率，并且热通过背部板530和PPTC复合材料层520从上部电极510高效地转移至流体致冷板540。上部电极510因而受到保护，不会过热。当等离子体功率低时，PPTC复合材料层520有低热导率，并且背部板530借助PPTC复合材料层520而与流体致冷板540基本上热绝缘。上部电极510因此受到保护，不会过冷。另外，PPTC复合材料层520的相和热导率可以通过热源(如安置在上部电极组件中的加热器)控制。相比使用没有相变的材料，使用夹于背部板530和流体致冷板540之间的PPTC复合材料可以减小由等离子体功率的变化而导致的温度变化。
图6所示为PNTC复合材料层620的示例性应用，其中部件包含等离子体处理室中的衬底支架组件600。衬底支架组件600可以包含衬底支架层610，衬底支架层610中安装有电极630，以便通过静电方式夹持位于衬底支架层610上表面上的衬底。衬底支架组件600可以进一步具有安置在其中或者与其相连的加热板660。衬底支架部件600与流体致冷板640通过夹于其间的一层PNTC复合材料层620相连。流体致冷板640中有通道650，致冷流体在通道中循环，并将热从衬底支架组件转移走。在期望有高的衬底温度的蚀刻步骤中，加热板660加热衬底和PNTC复合材料层620。当PNTC复合材料层620的温度升高至T0以上时，PNTC复合材料层620的λ急剧减小，其基本上让衬底支架层610与流体致冷板640热绝缘。然后加热板660的热功率减小，以维持高的衬底温度。在期望有低的衬底温度的蚀刻步骤中，关闭加热板660，衬底和PNTC复合材料层620的温度就下降了。当PNTC复合材料层620的温度下降至T0以下时，PNTC复合材料层620的λ急剧上升，基本上将衬底支架层610热耦合至流体致冷板640，以使高效致冷。另外，通过让温度高于T0的流体或者温度低于T0的流体从两个再循环装置流过通道650，流体致冷板640的温度可以用于控制PNTC复合材料层620的相。
PPTC和PNTC复合材料层优选0.2至2mm厚。
作为示例，两步等离子体蚀刻可以使用晶片卡盘中的相变聚合物作为加热板和致冷板之间的粘结层。第一步可以是高功率步骤，其中致冷板保持在-20℃、加热器关闭并且使用8000瓦的总功率产生等离子体。第二步可以是低功率步骤，其中致冷板保持在20℃、加热器在3000瓦的功率下运行并且使用400瓦的总功率产生等离子体。聚合物在高功率步骤中可以处于高热导率状态从而提高晶片的致冷效果，在低功率步骤中可以处于低热导率状态从而提高晶片的致热效果。
既然已经参考具体的实施方式，对PNTC和PPTC复合材料的使用进行了详细的描述，对于本领域技术人员而言，进行的各种改变和修改以及等同替代都没有脱离所附权利要求的范围是显而易见的。
Claims (15)
1.一种包含等离子体处理室的部件、热源以及夹于所述部件和所述热源之间的聚合物复合材料的组件，所述部件有温度控制表面，其中：
所述聚合物复合材料在高热导率相和低热导率相之间出现温度诱导相变，其中，所述聚合物复合材料为聚合物正温度系数复合材料或聚合物负温度系数复合材料，
其中所述聚合物正温度系数复合材料包括具有低热导率并且随温度升高而膨胀的聚合物基和合适数量的具有高热导率的填充材料，从而该填充材料的加载水平在温度高于特征温度时在渗滤阈值之上，在温度低于该特征温度时在该渗滤阈值以下；
其中所述聚合物负温度系数复合材料包括具有低热导率并且随温度升高而膨胀的聚合物基和合适数量的具有高热导率的填充材料，从而该填充材料的加载水平在温度低于特征温度时在渗滤阈值之上，在温度超过该特征温度时在该渗滤阈值以下。
2.根据权利要求1所述的组件，其中所述热源为加热源。
3.根据权利要求1所述的组件，其中所述热源为散热器。
4.根据权利要求1所述的组件，其中当所述聚合物复合材料的温度升高至相变温度以上时，所述聚合物复合材料出现从所述低热导率相至所述高热导率相的温度诱导相变。
5.根据权利要求1所述的组件，其中当所述聚合物复合材料的温度下降至相变温度以下时，所述聚合物复合材料出现从所述低热导率相至所述高热导率相的温度诱导相变。
6.根据权利要求2所述的组件，其中所述部件选自上部电极、背部板、室壁、边缘环和衬底支架板。
7.根据权利要求3所述的组件，其中所述部件选自上部电极、背部板、室壁、边缘环、衬底支架板、包含有衬底支架板以及与该衬底支架板直接热接触的电加热器的衬底支架组件、以及包含有边缘环以及与该边缘环直接热接触的加热环的边缘环组件。
8.根据权利要求1所述的组件，其中所述热源为流体致冷板或者电加热器。
9.根据权利要求1所述的组件，其中所述聚合物复合材料被适配成当所述聚合物复合材料处于所述低热导率相时，基本上让所述部件与所述热源热绝缘，以及当所述聚合物复合材料处于所述高热导率相时，基本上让所述部件热耦合至所述热源。
10.根据权利要求1所述的组件，其中温度控制表面暴露在所述等离子体处理室的内部。
11.一种制造权利要求1所述的组件的方法，包括将所述聚合物复合材料夹在所述部件的所述温度控制表面和所述热源之间。
12.一种在包含权利要求1所述的组件的等离子体处理室中等离子体蚀刻衬底的方法，所述方法包括：
(a)在第一温度和第一等离子体功率下蚀刻所述衬底；
(b)诱导所述聚合物复合材料从所述低热导率相至所述高热导率相或者从所述高热导率相至所述低热导率相的所述相变；
(c)在第二温度和第二等离子体功率下蚀刻所述衬底；
其中所述第一温度高于所述第二温度并且所述第一等离子体功率低于所述第二等离子体功率，或者所述第一温度低于所述第二温度并且所述第一等离子体功率高于所述第二等离子体功率。
13.根据权利要求12所述的方法，其中：
所述部件为包含衬底支架层和电加热器的衬底支架组件，其中所述衬底在蚀刻过程中被支架于所述衬底支架层上，所述电加热器与所述衬底支架层直接热接触；
所述热源为散热器；
在步骤(a)中所述电加热器加热所述衬底支架并且保持所述聚合物复合材料在所述相变温度以上且处于所述低热导率相；
在步骤(b)中所述电加热器关闭并且所述散热器将所述聚合物复合材料冷却至所述相变温度以下；并且
在步骤(c)中所述散热器保持所述聚合物复合材料在所述相变温度以下且处于所述高热导率相。
14.根据权利要求12所述的方法，其中：
所述部件为包含边缘环和与所述边缘环直接热接触的加热环的边缘环组件；
所述热源为散热器；
在步骤(a)中所述加热环加热所述边缘环并且保持所述聚合物复合材料处于所述相变温度以上且处于所述低热导率相；
在步骤(b)中所述加热环关闭并且所述散热器将所述聚合物复合材料冷却至所述相变温度以下；并且
在步骤(c)中所述散热器冷却所述边缘环并且保持所述聚合物复合材料处于所述相变温度以下且处于所述高热导率相。
15.根据权利要求12所述的方法，其中所述部件为上部电极、背部板、室壁、边缘环和衬底支架层。
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