CN103946423B - 用于半导体处理的具有二极管平面加热器区域的加热板 - Google Patents
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Abstract
一种用于半导体等离子体处理装置中的衬底支撑组件的加热板,其包括以可扩展多路复用布局布置的多个独立控制的平面加热器区域,以及电子器件以独立控制平面加热器区域和为所述平面加热器区域供电。每个平面加热器区域使用至少一个二极管作为加热器元件。其中包括有加热板的衬底支撑组件包括静电夹持电极和温度控制基板。用于制造所述加热板的方法包括将具有平面加热器区域、功率供给线、功率返回线和通孔的陶瓷或聚合物片材结合在一起。
Description
背景技术
随着每一后继的半导体技术的产生,衬底直径趋向于增加而晶体管尺寸减小,从而导致在衬底处理中需要甚至更高程度的精度和可重复性。半导体衬底材料,如硅衬底,通过包含使用真空室的技术进行处理。这些技术包括诸如电子束沉积之类非等离子体应用,以及诸如溅射沉积、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、抗蚀剂剥离、和等离子体蚀刻之类等离子体应用。
半导体制造工具中目前可用的等离子体处理系统面临提高精度和可重复性的日益增加的需求。等离子体处理系统的一种度量是改进的均匀性,该均匀性包括产生在半导体衬底上的表面的工艺结果均匀性以及用标称相同的输入参数处理的一连串的衬底的工艺结果的均匀性。衬底上均匀性的持续改进是合乎期望的。除其他以外,这还需要具有改进的均匀性、一致性和自诊断性的等离子体室。
发明内容
本文描述了一种用于衬底支撑组件的加热板,所述衬底支撑组件用于在半导体处理装置中支撑半导体衬底,所述加热板包括电绝缘层;平面加热器区域,其包括至少第一、第二、第三和第四平面加热器区域,每一个平面加热器区域均包括作为加热器元件的一或多个二极管,所述平面加热器区域在整个电绝缘层横向分布且能操作来调谐半导体衬底上的空间温度分布;功率供给线,其包括至少第一导电功率供给线和第二导电功率供给线,第一导电功率供给线电连接到第一和第二平面加热器区域的一或多个二极管的阳极,第二导电功率供给线电连接到第三和第四平面加热器区域的一或多个二极管的阳极;功率返回线,其包括至少第一导电功率返回线和第二导电功率返回线,第一导电功率返回线电连接到第一和第三平面加热器区域的一或多个二极管的阴极,第二导电功率返回线电连接到第二和第四平面加热器区域的一或多个二极管的阴极。
附图说明
图1是其中含有具有成阵列的平面加热器区域的加热板的衬底支撑组件的示意性剖视图,该衬底支撑组件还包括静电卡盘(ESC)。
图2示出了功率供给线和功率返回线到可以包含在衬底支撑组件中的加热器板中的成阵列的平面加热器区域的电连接。
图3示出了平面加热器区域中作为加热器元件的二极管与功率供给线以及功率返回线之间的电连接。
图4是根据实施方式的其中含有加热板的衬底支撑组件的示意性剖视图。
图5是根据实施方式的其中含有加热板的衬底支撑组件的示意性剖视图。
图6是根据实施方式的其中含有加热板的衬底支撑组件的示意性剖视图。
图7是其中含有加热板的衬底支撑组件的示意性剖视图,该衬底支撑组件进一步包括主加热器层。
图8是示例性等离子体处理室的示意图,其可包括具有本文所述的加热板的衬底支撑组件。
具体实施方式
在半导体加工装置中进行径向和方位角衬底温度控制以实现期望的在所述衬底上的关键尺寸(CD)均匀性变得越来越迫切。即使是很小的温度变化可能影响CD到无法接受的程度,尤其是当在半导体制造工艺中CD接近亚-100nm时。
衬底支撑组件可被配置用于处理过程中的各种功能,如支撑衬底、调谐衬底温度、以及供给射频功率。衬底支撑组件可以包括用于在处理过程中将衬底夹持到衬底支承组件上的静电卡盘(ESC)。该ESC可以是可调式ESC(T-ESC)。T-ESC在共同转让的美国专利No.6,847,014和6,921,724中得到描述,其通过引用并入本文。衬底支撑组件可包括陶瓷衬底支架、流体冷却的散热器(以下简称为冷却板)和多个同心的平面加热器区域以实现逐步和径向的温度控制。通常情况下,冷却板保持在0℃和30℃之间。加热器位于该冷却板上,两者之间具有热绝缘体层。加热器可以保持衬底支撑组件的支撑表面在冷却板的温度之上约0℃到80℃的温度。通过改变多个平面加热器区域内的加热器功率,衬底支撑件的温度分布可被改变。另外,平均的衬底支撑件的温度可以在冷却板的温度之上0℃到80℃的温度运行范围内逐步地进行变化。由于CD随半导体技术的进步而减小,小的方位角温度变化带来更大的挑战。
由于以下几个原因,控制温度不是简单的任务。首先,许多因素会影响热传递,如热源和散热片的位置,介质的运动、材料和介质的形状。其次,热传递是动态过程。除非所考虑的系统处于热平衡,否则会发生热传递,并且温度分布和热传递会随时间变化。第三,在等离子体处理中当然是始终存在的诸如等离子体之类的非平衡现象使得任何实际的等离子体处理装置的热传递行为的理论预测即使有可能,也是非常困难的。
等离子体处理装置中的衬底的温度分布受许多因素的影响,这些因素如等离子体密度分布、RF功率分布和卡盘中的各种加热和冷却元件的详细结构,因此衬底的温度分布往往是不均匀的,并且用少数加热元件或冷却元件难以控制该温度分布。这种缺陷转变成整个衬底的处理速率的非均匀性,以及衬底上的器件管芯的关键尺寸的非均匀性。
根据温度控制的复杂特性,在衬底支撑组件中引入多个独立可控的平面加热器区域以使得装置能够有效地产生并保持合乎期望的时间和空间的温度分布,并补偿影响CD均匀性的其他不利因素,这将是有利的。
本文描述了一种半导体处理装置中的用于衬底支撑组件的加热板,其中所述加热板具有多个独立可控的平面加热器区域,在平面加热器区域中使用二极管作为加热器元件。优选地,所述平面加热器区域不具有电阻加热器元件。这种加热板包括平面加热器区域、功率供给线和功率返回线(统称为功率线)的可扩展多路复用(multiplexing)布置方案。通过调谐平面加热器区域的功率,处理过程中的温度分布可以在径向和方位角形成某种形状。在共同拥有的美国专利公布No.2011/0092072和2011/0143462中公开了更多细节,其公开内容通过引用并入本文。虽然该加热板主要被描述用于等离子体处理装置,但该加热板还可以用于不使用等离子体的其他的半导体处理装置。
该加热板中的平面加热器区域优选地布置成确定的图案,例如,矩形网格、六角形网格、极性阵列、同心环或任何所需的图案。每个平面加热器区域可以具有任何合适的尺寸,并且可以具有一个或多个加热器元件。当对平面加热器区域供电时,对其中的所有加热器元件供电;当不对平面加热器区域供电时,对其中的所有加热器元件不供电。为了将电连接的数量降到最低,布置功率供给线和功率返回线,使得每个功率供给线连接到不同组的平面加热器区域,并且每个功率返回线连接到不同组的平面加热器区域,每个平面加热器区域在连接到特定功率供给线的所述组中的一组中并在连接到特定功率返回线的所述组中的一组中。没有两个平面加热器区域是被连接到同一对功率供给线和功率返回线的。每个平面加热器区域的加热器元件的阳极连接到与该平面加热器区域连接的功率供给线,所述加热器元件的阴极连接到与该平面加热器区域连接的功率返回线。平面加热器区域可以通过将DC电流引导通过与该特定平面加热器区域连接的成对功率供给线和功率返回线来激活。DC电流从功率供给线流到平面加热器区域再到功率返回线。加热器元件的峰值功率优选地小于20W,更优选地为1W至10W。在一种实施方式中,每个平面加热器区域不大于半导体衬底上制造的4个器件管芯,或者不大于半导体衬底上制造的2个器件管芯,或者不大于半导体衬底上制造的1个器件管芯,面积为0.1cm2至15cm2,例如0.1cm2至1cm2或2cm2至3cm2,以对应于衬底上的器件管芯。加热板可包括任意合适数量的平面加热器区域,比如100至700个平面加热器区域。加热器元件的厚度的范围可从100微米至2毫米。为了允许平面加热器区域和/或功率供给线和功率返回线之间有空间,平面加热器区域的总面积可以高达衬底支撑组件的上表面的面积的99%,例如上表面的面积的50-99%。可以将功率供给线或功率返回线布置在平面加热器区域之间的范围从1至10毫米的间隙中,或布置在通过电绝缘层与平面加热器区域平面分开的单独的平面中。为了运送大电流并减少焦耳热,优选地制备功率供给线和功率返回线达到在空间所允许的最大宽度。在一种实施方式中,其中的功率线与平面加热器区域是在相同的平面,功率线的宽度优选为在0.3毫米和2毫米之间。在另一种实施方式中,其中的功率线与平面加热器区域是在不同的平面,功率线的宽度可以宽达平面加热器区域,例如对于300毫米的卡盘,宽度可以是1至2英寸。优选地,功率供给线和功率返回线的材料是具有低电阻率的材料,如Cu、Al、W、铬镍铁合金或Mo。
常规的电阻加热器元件通常包括蛇形导体迹线,这限制了平面加热器区域的微型化,尤其是当要求平面加热器区域不大于5mm×5mm时。此外,蛇形导体迹线不能占用平面加热器区域的整个面积。蛇形导体迹线之间的空间可在平面加热器区域内导致显著的温度不均匀性,尤其是当该平面加热器区域较小时。相比之下,在平面加热器区域中使用二极管作为加热器元件缓和了与电阻加热器元件相关的上述问题,因为二极管可被制作为与平面加热器区域有基本相同的尺寸的连续片材。具有使用二极管作为加热器元件的平面加热器区域的加热板在其设计上具有更大的灵活性,在结构上更简单,且可导致每个平面加热器区域内的更佳的温度均匀性。
图1示出了包括具有电绝缘层103的加热板的一种实施方式的衬底支撑组件。层103可具有由聚合物材料、无机材料、陶瓷(如氧化硅、氧化铝、氧化钇、氮化铝)或其它合适材料制成的一或多个层。衬底支撑组件进一步包括(a)嵌在层103中的至少一个ESC(静电夹持)电极102(例如单极或双极)以用DC电压将衬底静电夹持到层103的表面,(b)热阻挡层107,(c)含有用于冷却剂流动的通道106的冷却板105。
如图2所示,平面加热器区域101中的每一个连接到功率供给线201中的一个和功率返回线202中的一个。没有两个平面加热器区域101共用同一对功率供给线201和功率返回线202。通过合适的电气开关装置,可以将一对功率供给线201和功率返回线202连接到功率源(未图示),从而仅对连接到该对功率线的平面加热器区域供电。每个平面加热器区域的时间平均的加热功率可由时域多路复用来独立调谐。
图3示出了平面加热器区域101到成对的功率供给线201和功率返回线202的连接的细节。平面加热器区域101具有一或多个二极管250作为其加热器元件。二极管250的阳极250a连接到功率供给线201且二极管250的阴极250c连接到功率返回线202。
图4-6示出了包括电绝缘层、包含一或多个二极管作为加热器元件的平面加热器区域、功率供给线和功率返回线的加热板的实施方式。所述加热板可被包含在衬底支撑组件中,所述衬底支撑组件包括位于加热板上面的静电卡盘和位于加热板下面的冷却板。
图4根据一实施方式示出了图1的衬底支撑组件中的功率供给线201和功率返回线202的布置。平面加热器区域的二极管250被结合到层103的底面并通过在层103中垂直延伸的通孔301电连接到嵌在层103中的功率供给线201和功率返回线202。优选地,功率供给线201和功率返回线202不在同一平面中。
图5根据另一实施方式示出了图1的衬底支撑组件中的功率供给线201和功率返回线202的布置。层103包括上层103a和下层103b。ESC电极102嵌在上层103a中。二极管250结合到下层103b的上表面。功率返回线202设置在下层103b的上表面上。功率供给线201嵌在下层103b中。二极管250通过垂直延伸的通孔301电连接到功率供给线201。二极管250在侧面电连接到功率返回线202。下层103b夹在上层103a和热阻挡层107之间。
图6根据另一实施方式示出了图1的衬底支撑组件中的功率供给线201和功率返回线202的布置。层103包括上层103a和下层103b。ESC电极102嵌在上层103a中。二极管250结合到下层103的上表面。功率供给线201和功率返回线202嵌在下层103中,优选地不在同一平面上。二极管250通过在下层103b中垂直延伸的通孔301电连接到功率供给线201和功率返回线202。下层103b夹在上层103a和热阻挡层107之间。
层103优选由陶瓷制成。图4-6中所示的加热板可通过示例性方法制造,所述方法包括:将陶瓷粉、粘合剂和液体的混合物压成片材;使所述片材干燥;通过在所述片材中冲孔而在所述片材中形成通孔;通过丝网印刷导电粉(例如,W、WC、掺杂SiC或MoSi2)浆料、压制预切割的金属箔、喷涂导电粉浆料、或者任何其它合适的技术在所述片材上形成功率供给线和功率返回线;对齐所述片材;通过粘附或烧结结合所述片材以形成层103;用导电粉浆料填充所述通孔;将二极管结合到层103的下表面上使得每个平面加热器区域中的二极管被连接到成对的功率供给线和功率返回线且没有在不同平面加热器区域中的两个二极管共用同一对功率供给线和功率返回线。所述片材的厚度可以是约0.3mm。
图4-6中所示的加热板也可通过另一方法制造,该方法包括:(a)将金属片材(比如Al、或Cu箔)结合(例如,热压、用粘合剂粘附)到玻璃纤维复合板或由电绝缘聚合物膜(例如,聚酰亚胺)覆盖的金属板上;(b)将图案化的抗蚀膜施加到所述金属片材的表面,其中所述图案化的抗蚀膜中的开口限定成组的功率线的形状和位置;(c)通过化学蚀刻金属片材通过所述图案化的抗蚀膜中的开口所暴露的部分而形成成组的功率线;(d)去除所述抗蚀膜(通过溶解在合适的溶剂中或干燥剥离);(e)在所述金属片材上施加电绝缘聚合物膜;(f)任选地重复步骤(b)-(e)一次或多次;(g)通过冲制穿过一或多个金属片材和一或多个电绝缘聚合物膜的孔并用导电粉浆料填充所述孔而形成通孔;(h)将二极管结合到,以及任选地将成组的功率线形成到,最上面的电绝缘聚合物的暴露表面上,使得每个平面加热器区域中的二极管被连接到成对的功率供给线和功率返回线,且没有在不同平面加热器区域中的两个二极管共用同一对功率供给线和功率返回线。
二极管250可以是任意合适的类型,比如由位于纽约州Hauppauge市的Central Semiconductor(中央半导体)公司制造的CPD07。示例性的二极管250具有约2.5mm乘以2.5mm的尺寸,可承载最高8A的电流,且具有最高10W的加热功率。二极管250优选地具有至少0.1W/cm2的加热功率密度且足以取得2℃的温度扰动。热绝缘层107优选地具有约0.01m2K/W至约100m2K/W(例如,约1m2K/W)的热阻。
当对平面加热器区域101供电时,DC电流在自一或多个二极管250的一或多个阳极到该一或多个二极管250的一或多个阴极的方向上被引导通过加热器区域101中的一或多个二极管250。
图7示出了图1的衬底支撑组件,其进一步包括主加热器层601。优选地,主加热器601是独立控制的大功率加热器。主加热器的功率在100W和10000W之间,优选在1000W和5000W之间。主加热器可被布置为矩形网格、同心环形区域、径向区域或者环形区域和径向区域的组合。主加热器可用于在衬底上改变平均温度、调谐径向温度分布、或者步进式温度控制。主加热器可被设置在加热板的加热器区域的上面或下面。
作为等离子体处理室如何工作的概述,图8示出了等离子体处理室的示意图,其包括室713,室713具有上部喷头电极703和包含本文所述的加热板的衬底支撑组件704。衬底712通过装载通道711装载到衬底支撑组件704上。气体管线709供给处理气体到上部喷头电极703,上部喷头电极703输送该处理气体到室中。气源708(例如,供给合适的气体混合物的质量流量控制器)连接到气体管线709。RF功率源702连接到上部喷头电极703。在操作中,室通过真空泵710抽空且RF功率电容地耦合在上部喷头电极703和衬底支撑组件704中的下部电极之间,以在衬底712与上部喷头电极703之间的空间中激励处理气体成等离子体。可以使用等离子体蚀刻器件管芯特征到衬底712上的层中。衬底支撑组件704可以包含加热器在其中。如上所述,应当理解,虽然等离子体处理室的详细设计可能会有所不同,但是RF功率是通过衬底支撑组件704耦合到等离子体的。
共同受让的美国专利No.6483690中公开了用于制造衬底支撑组件的合适的绝缘材料和导电材料的实施例,其公开内容通过参考并入此处。
虽然已经参考本文的具体实施方式详细描述了加热板、制造所述加热板的方法和包括所述加热板的衬底支撑组件,但对本领域技术人员而言,显而易见的是,在不脱离所附的权利要求的范围的情况下,可以做出各种改变和修改、以及使用等同方案。
Claims (20)
1.一种用于衬底支撑组件的加热板,所述衬底支撑组件用于在半导体处理装置中支撑半导体衬底,所述加热板包括:
电绝缘层,其包括上电绝缘层和下电绝缘层;
平面加热器区域,其包括至少第一、第二、第三和第四平面加热器区域,每一个平面加热器区域均包括作为加热器元件的一或多个二极管,所述平面加热器区域位于所述上电绝缘层和下电绝缘层之间在整个所述电绝缘层横向分布且能操作来调谐所述半导体衬底上的空间温度分布;
功率供给线,其包括至少第一导电功率供给线和第二导电功率供给线,所述第一导电功率供给线电连接到所述第一和第二平面加热器区域的所述一或多个二极管的阳极,所述第二导电功率供给线电连接到所述第三和第四平面加热器区域的所述一或多个二极管的阳极;
功率返回线,其包括至少第一导电功率返回线和第二导电功率返回线,所述第一导电功率返回线电连接到所述第一和第三平面加热器区域的所述一或多个二极管的阴极,所述第二导电功率返回线电连接到所述第二和第四平面加热器区域的所述一或多个二极管的阴极。
2.如权利要求1所述的加热板,其中所述平面加热器区域不包括任何电阻加热器元件。
3.如权利要求1所述的加热板,其中
(a)所述功率供给线和所述功率返回线嵌在所述电绝缘层中;所述平面加热器区域的所述二极管结合到所述下电绝缘层的上表面;所述功率供给线和所述功率返回线通过垂直延伸穿过所述加热板的通孔电连接到所述平面加热器区域;或者
(b)所述功率供给线嵌在所述电绝缘层中;所述功率返回线在所述下电绝缘层的上表面上;所述平面加热器区域的所述二极管结合到所述下电绝缘层的上表面;所述功率返回线在侧面电连接到所述平面加热器区域而所述功率供给线通过垂直延伸穿过所述加热板的通孔电连接到所述平面加热器区域。
4.如权利要求1所述的加热板,其中所述平面加热器区域被设定尺寸使得:
(a)每个平面加热器区域不大于所述半导体衬底上制造的4个器件管芯。
5.如权利要求1所述的加热板,其中所述平面加热器区域被设定尺寸使得:
(b)每个平面加热器区域不大于所述半导体衬底上制造的2个器件管芯。
6.如权利要求1所述的加热板,其中所述平面加热器区域被设定尺寸使得:
(c)每个平面加热器区域不大于所述半导体衬底上制造的1个器件管芯,或者
(d)每个平面加热器区域根据所述半导体衬底上的器件管芯的尺寸和所述半导体衬底的整体尺寸设定大小。
7.如权利要求1所述的加热板,其中所述平面加热器区域被设定尺寸使得:
(a)每个平面加热器区域是0.1cm2至1cm2,或者
(b)每个平面加热器区域是2cm2至3cm2。
8.如权利要求1所述的加热板,其中所述平面加热器区域被设定尺寸使得:
(c)每个平面加热器区域是1cm2至15cm2。
9.如权利要求1所述的加热板,其中所述加热板包括100至700个平面加热器区域。
10.如权利要求1所述的加热板,其中所述电绝缘层包括聚合物材料、陶瓷材料、玻璃纤维复合材料、或者它们的组合。
11.如权利要求1所述的加热板,其中所述功率供给线和所述功率返回线的总数等于或小于所述平面加热器区域的总数。
12.如权利要求1所述的加热板,其中所述平面加热器区域的总面积是所述加热板的上表面的50%至99%。
13.如权利要求1所述的加热板,其中所述平面加热器区域被布置为矩形网格、六角形网格或同心环;且所述平面加热器区域通过间隙相互隔开,所述间隙宽度至少1毫米且宽度最大10毫米。
14.一种衬底支撑组件,其包括:
包括至少一个静电夹持电极的静电卡盘(ESC),其被配置来将半导体衬底静电夹持在所述衬底支撑组件上;
如权利要求1所述的加热板;和
冷却板,其通过热阻挡层附着到所述加热板的下面。
15.如权利要求14所述的衬底支撑组件,其还包括布置在所述加热板的所述平面加热器区域的上面或下面的至少一个主加热器层,其中所述主加热器层与所述加热板的所述平面加热器区域、所述功率供给线和所述功率返回线电绝缘;所述主加热器层包括提供对所述半导体衬底的平均温度控制的至少一个加热器;所述平面加热器区域在所述半导体衬底的处理过程中提供对所述半导体衬底的径向和方位角温度分布控制。
16.一种用于制造如权利要求1所述的加热板的方法,其包括:
将陶瓷粉、粘合剂和液体的混合物压成片材;
使所述片材干燥;
通过在所述片材中冲孔而在其中形成通孔;
在所述片材上形成所述功率供给线和功率返回线;
对齐所述片材;
通过粘附或烧结使所述片材结合以形成所述电绝缘层;
用导电粉浆料填充所述通孔;
将二极管结合到所述下电绝缘层的上表面上使得每个平面加热器区域中的一或多个二极管被连接到成对的功率供给线和功率返回线且没有在不同平面加热器区域中的两个二极管共用同一对功率供给线和功率返回线。
17.如权利要求16所述的方法,其中所述功率供给线和功率返回线通过丝网印刷导电粉浆料、压制预切割的金属箔、或者喷涂导电粉浆料而形成。
18.一种用于制造如权利要求1所述的加热板的方法,其包括:
(a)将金属片材结合到玻璃纤维复合板或由电绝缘聚合物膜覆盖的金属板上;
(b)将图案化的抗蚀膜施加到所述金属片材的表面,其中所述图案化的抗蚀膜中的开口限定成组的功率线的形状和位置;
(c)通过化学蚀刻所述金属片材通过所述图案化的抗蚀膜中的开口所暴露的部分而形成所述成组的功率线;
(d)去除所述抗蚀膜;
(e)在所述金属片材上施加电绝缘聚合物膜;
(f)任选地重复步骤(b)-(e)一次或多次;
(g)通过冲制穿过一或多个所述金属片材和一或多个所述电绝缘聚合物膜的孔并用导电粉浆料填充所述孔而形成通孔;
(h)将二极管结合到,以及任选地将成组的功率线形成到,最上面的电绝缘聚合物膜的暴露表面上,使得每个平面加热器区域中的二极管被连接到成对的功率供给线和功率返回线,且没有在不同平面加热器区域中的两个二极管共用同一对功率供给线和功率返回线。
19.一种用于在包含如权利要求14所述的衬底支撑组件的等离子体处理室中等离子体处理半导体衬底的方法,其包括:
(a)将半导体衬底装载到所述处理室中且将所述半导体衬底置于所述衬底支撑组件上;(b)确定补偿影响关键尺寸(CD)均匀性的处理条件的温度分布;
(c)利用所述衬底支撑组件加热所述半导体衬底以符合所述温度分布;
(d)点燃等离子体并处理所述半导体衬底,同时通过所述平面加热器区域的独立控制的加热来控制所述温度分布;
(e)从所述处理室卸载所述半导体衬底并用不同的半导体衬底重复步骤(a)-(e)。
20.如权利要求15所述的衬底支撑组件,其中所述主加热器层包括两或更多个加热器。
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