CN105027274B - 用于沉积腔室的基板支撑夹盘冷却 - Google Patents

用于沉积腔室的基板支撑夹盘冷却 Download PDF

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Abstract

本文提供一种用于基板处理系统中的基板支撑夹盘。在一些实施方式中，用于基板处理腔室中的基板支撑件可包括：静电夹盘，所述静电夹盘具有顶部基板支撑表面与底部表面；以及冷却环组件，所述冷却环组件具有中心开孔，所述冷却环组件设置于所述静电夹盘的底部表面的附近，所述冷却环组件包括：冷却部，所述冷却部具有热耦接至所述静电夹盘的底部表面的顶部表面，所述冷却部具有形成于所述冷却部的底部表面中的冷却通道；以及帽部，所述帽部耦接至所述冷却部的底部表面并且流体地密封形成于所述冷却部中的所述冷却通道。

Description

用于沉积腔室的基板支撑夹盘冷却
领域
本发明的实施方式大体涉及半导体处理。
背景
发明人已经观察到，用于某些应用的那些传统的高温基板支撑夹盘(substratesupport chuck)无法控制长时重沉积速率处理(lengthy heavy deposition rateprocess)所产生的热输入(heat input)，所述处理诸如是LED背侧的金(Au)或金-锡(gold-tin；AuSn)、厚铝的沉积，或者一些微机电系统(MEMS,microelectromechanical system)处理。例如，一般150mm半导体物理气相沉积(PVD)处理在升高的温度下少于1分钟长，而LED背侧沉积处理例如大约6分钟长并且必须维持在较低温度下。但是，至晶片与夹盘的增加的热输入会超过一些传统的夹盘所能应付的热输入。
因此，发明人已提供改良的基板支撑夹盘的实施方式。
概述
本文提供用于基板处理系统中的一种基板支撑夹盘的实施方式。在一些实施方式中，一种用于基板处理腔室中的基板支撑件可包括：静电夹盘(electrostatic chuck)，所述静电夹盘具有顶部基板支撑表面与底部表面；以及冷却环组件，所述冷却环组件具有中心开孔，所述冷却环组件设置于所述静电夹盘的所述底部表面的附近，所述冷却环组件包括：冷却部，所述冷却部具有热耦接至所述静电夹盘的底部表面的顶部表面，所述冷却部具有形成于所述冷却部的底部表面中的冷却通道；以及帽部，所述帽部耦接至所述冷却部的底部表面并且流体地密封形成于所述冷却部中的所述冷却通道。
在一些实施方式中，用于冷却基板支撑件的一种冷却环组件可包括：冷却部，所述冷却部具有顶部表面、底部表面、与第一中心开孔，所述底部表面具有形成于所述底部表面中的冷却通道；以及帽部，所述帽部具有第二中心开孔，其中所述帽部耦接至所述冷却部的所述底部表面并且流体地密封形成于所述冷却部中的所述冷却通道，且其中所述第一中心开孔与第二中心开孔是实质上对准的。
在一些实施方式中，用于处理基板的一种处理腔室可包括：腔室主体，所述腔室主体具有内部空间；基板支撑件，所述基板支撑件设置于所述内部空间中，所述基板支撑件包括：静电夹盘，所述静电夹盘具有顶部基板支撑表面与底部表面；环状支撑环，所述环状支撑环具有中心开孔，所述环状支撑环耦接至所述静电夹盘的所述底部表面；环状固定环，所述环状固定环具有中心开孔，所述环状固定环设置于所述环状支撑环的所述中心开孔内；以及冷却环组件，所述冷却环组件设置于所述环状固定环的所述中心开孔内并且在所述静电夹盘的所述底部表面的附近，所述冷却环组件包括：冷却部，所述冷却部具有热耦接至所述静电夹盘的所述底部表面的顶部表面，所述冷却部具有形成于所述冷却部的底部表面中的冷却通道；以及帽部，所述帽部耦接至所述冷却部的所述底部表面并且流体地密封形成于所述冷却部中的所述冷却通道。
本发明的其他的实施方式与进一步的实施方式叙述于下。
附图简要说明
参照附图中绘示的本发明的说明性实施方式，可理解在下面更详细讨论且简短总结于上文的本发明的实施方式。但是，应注意的是，附图只图解本发明的典型实施方式且因此不被视为对本发明范围的限制，因为本发明可容许其他等效实施方式。
图1是根据本发明的一些实施方式的适于与本发明的基板支撑夹盘一起使用的处理腔室；
图2是根据本发明的一些实施方式的基板支撑件的示意横剖面侧视图；及
图3是根据本发明的一些实施方式的冷却环组件的示意横剖面底视图。
为促进理解，已尽可能使用相同的附图标记来表示这些附图所共有的相同元件。这些附图未按比例绘制，且可以为了清楚加以简化。在此文件中，关系用语(诸如，第一与第二、顶部与底部、与类似者)可单单用于将一个实体或动作与另一个实体或动作区别开，而不必然要求或暗示在这些实体或动作之间的任何实际的此种关系或顺序。应预期，一个实施方式的元件与特征可有利地并入其他实施方式中，而无需进一步的详述。
具体描述
与本发明一致的示范性实施方式有利地提供用以处理基板的能力，所述能力使用较低处理温度来维持正被沉积的膜的某些特性，或者来限制对于已经被沉积的膜的热损伤。另外，与本发明一致的实施方式有利地提供一种基板支撑夹盘，所述基板支撑夹盘能够在较高能量处理期间，从基板移除额外的热，所述较高能量处理用以在合理的时间间隔中沉积厚膜，或用以沉积难以溅射的材料。另外，在与本发明一致的示范性实施方式中，处理能量可以被有利地增加而不会升高晶片温度，从而允许沉积速率增高，导致处理时间减少以及腔室生产量的后续增加。
图1是根据本发明的一些实施方式的等离子体处理腔室的示意横剖面视图。在一些实施方式中，等离子体处理腔室是物理气相沉积(PVD)处理腔室。但是，利用静电夹盘的其他类型的处理腔室也可与本发明的设备一起使用。
腔室100是真空腔室，所述真空腔室适于在基板处理期间维持腔室内部空间120内的次大气压力(sub-atmospheric pressure)。腔室100包括腔室主体106，腔室主体106被圆顶104覆盖，圆顶104围绕位于腔室内部空间120的上半部中的处理空间119。腔室100也可包括一个或更多个屏蔽部(shield)105，屏蔽部105限制(circumscribe)了各种腔室部件，以防止这些部件与离子化的处理材料(ionized process material)之间的不希望的反应。腔室主体106与圆顶104可由诸如铝之类的金属制成。腔室主体106可通过耦接至地面115而被接地。
基板支撑件124可设置于腔室内部空间120内，所述基板支撑件124用于支撑且夹持基板101，所述基板诸如半导体晶片或其他可被静电固定的(electrostaticallyretained)此种基板。基板支撑件124通常可包括静电夹盘150(更详细叙述于下)与中空支撑轴112，中空支撑轴112用于支撑静电夹盘150。中空支撑轴112提供用以将处理气体、流体、热传递流体、电力、或类似者提供至静电夹盘150的导管。
在一些实施方式中，中空支撑轴112耦接至升降机构113，升降机构113提供在上处理位置(如图1所示)与下传递位置(未图示)之间的静电夹盘150的垂直移动。波纹管组件110设置于中空支撑轴112的周围并且耦接于静电夹盘150与腔室100的底部表面126之间，以提供弹性密封(flexible seal)，所述弹性密封允许静电夹盘150的垂直运动，同时防止来自腔室100内的真空的漏损。波纹管组件110也包括与O型环165接触的下波纹管凸缘164，O型环165接触于底部表面126，以帮助防止腔室真空的漏损。
中空支撑轴112提供导管，所述导管用于将冷却剂流体源142、气源141、夹持电源140、与一个或更多个RF源117(例如，RF等离子体电源和/或RF偏压电源)耦接至静电夹盘150。在一些实施方式中，可借助RF匹配网络116而将RF电源117耦接至静电夹盘。
基板升降器130可包括安装于平台108上的升降杆109，平台108连接至轴部111，轴部111耦接至第二升降机构132，第二升降机构132用于降低与升举基板升降器130，使得基板101可以放置在静电夹盘150上或从静电夹盘150移除。静电夹盘150包括通孔(叙述于下)，以接收升降杆109。波纹管组件131耦接于基板升降器130与底部表面126之间，以提供弹性密封，所述弹性密封在基板升降器130的垂直运动期间维持腔室真空。
腔室100耦接至真空系统114且与真空系统114流体连通，真空系统114可包括节流阀(throttle valve)(未图示)与真空泵(未图示)，节流阀与真空泵用以排空腔室100。通过调整节流阀和/或真空泵，可调节腔室100内的压力。腔室100还耦接至处理气体源118且与处理气体源118流体连通，处理气体源118可供应一种或更多种处理气体至腔室100，用于处理设置于腔室100中的基板。
在操作中，例如，等离子体102可产生在腔室内部空间120中，以执行一个或更多个处理。通过借助于腔室内部空间120内的一个或更多个电极(叙述于下)把来自等离子体电源(例如，RF电源117)的电力耦接至处理气体，来点燃(ignite)处理气体并产生等离子体102，可以产生等离子体102。替代地或组合地，可借助其他方法，在腔室内部空间120中形成等离子体。在一些实施方式中，可从偏压电源(例如，RF电源117)将偏压电力提供至设置于基板支撑件或静电夹盘150中的一个或更多个电极(叙述于下)，以从等离子体吸引离子朝向基板101。
在一些实施方式中，例如当腔室100是PVD腔室时，靶材166(包含待沉积于基板101上的源材料)可设置于基板之上且在腔室内部空间120内。靶材166可由腔室100的接地的导电部来支撑，所述接地的导电部例如是通过电介质隔离器(dielectric isolator)的铝适配器(adapter)。
可控DC电源168可耦接至腔室100，以施加负电压或偏压至靶材166。RF电源117可耦接至基板支撑件124，以产生(induce)负DC偏压于基板101上。另外，在一些实施方式中，在处理期间负DC自偏压可形成于基板101上。在其他应用中，可将基板支撑件124接地或使基板支撑件124电性浮置(electrically floating)。在一些实施方式中，RF电源170也可耦接至腔室100，以施加RF电力至靶材166，来促进对基板101上的沉积速率的径向分布的控制。在操作中，在腔室100中所产生的等离子体102中的离子与来自靶材166的源材料发生反应。所述反应导致靶材166射出(eject)源材料的原子，源材料的原子之后被导引朝向基板101，从而沉积材料。
在一些实施方式中，可旋转的磁电管(magnetron)(未图示)可定位于靶材166的背表面附近。磁电管可包括多个被配置成产生磁场于腔室100内的磁铁，所述磁场大体上平行于靶材166的表面且靠近于靶材166的表面，以捕捉电子并且增加局部的等离子体密度，这又增加了溅射率(sputtering rate)。这些磁铁产生电磁场于腔室100的顶部周围，且旋转这些磁铁从而使电磁场旋转，这影响所述处理的等离子体密度，从而更均匀地溅射靶材166。
例如，静电夹盘150可包括电介质构件，所述电介质构件具有用于支撑具有给定宽度的基板(例如，150mm，或其他尺寸的硅晶片或其他基板)的支撑表面。基板支撑件124可包括冷却环组件152，所述冷却环组件152设置于静电夹盘150之下，以冷却静电夹盘150。冷却剂可通过冷却剂流体源142而供应至冷却环组件152。冷却环组件152在下面相关于图2与图3进行更详细地讨论。
图2绘示基板支撑件124的示意横剖面侧视图。如同上面相关于图1所讨论的，基板支撑件124包括静电夹盘150。在一些实施方式中，静电夹盘150可由诸如陶瓷之类的电介质材料形成，但是也可使用其他材料。在一些实施方式中，可使用低操作温度氮化铝(例如，KYOCERA生产的AN2010)，所述氮化铝具有大于或等于150W/m-K的热传导率(thermalconductivity)。这大大有助于来自基板101的热的移除，且将所述热传递至冷却环组件152。
在一些实施方式中，静电夹盘150的基板支撑表面可具有约140mm至约160mm的直径230，以支撑150mm的基板101。在一些实施方式中，直径230可以是约144mm，以支撑150mm的基板101。可根据需要使用其他直径，以支撑不同尺寸的基板。静电夹盘150可包括一个或更多个升降杆孔228，所述升降杆孔228被形成为穿过静电夹盘150的主体，升降杆孔228可使升降杆被设置成穿过升降杆孔228，以升举基板101与降低基板101至静电夹盘150的顶部表面上。在一些实施方式中，静电夹盘150也可具有气孔222，所述气孔222被形成为穿过静电夹盘150的主体，气孔222可用以供应气体至可形成于静电夹盘150的顶部表面上的气体通道，从而提供气体至设置于静电夹盘150上时的基板101的背侧。
环状支撑环212可耦接至静电夹盘150的背侧。在一些实施方式中，具有中心开孔的环状支撑环212可被铜焊或被焊接至静电夹盘150的背侧。在一些实施方式中，环状支撑环212可由铁-镍-钴合金制成，或者由任何其他具有类似的热膨胀系数与结构特性的材料制成。具有中心开孔的环状固定环(retention ring)214可设置于支撑环212的中心开孔内。固定环214可耦接至环状支撑环212。
冷却环组件152可设置于静电夹盘150的底部表面的附近，以冷却静电夹盘150。在一些实施方式中，冷却环组件152具有比静电夹盘150的基板支撑表面小的直径。在一些实施方式中，冷却环组件152具有比升降杆孔228被定位所沿的直径小的直径。在一些实施方式中，冷却环组件152可借助热垫片210而热耦接至静电夹盘150。在一些实施方式中，热垫片210可为方向性导热(conductive)(例如，竖直地)石墨材料层。这有利地改善了至冷却环的热传导。传统的冷却环通常依靠冷却环与陶瓷之间的接触，这并非完美的，因为这些表面并非100％平坦，导致微小的空隙与不良的热传导率。诸如热胶(thermal paste)之类的其他的热衬垫材料也是可能的。
在一些实施方式中，冷却环组件152可包括耦接至帽部252的冷却部250。在一些实施方式中，冷却部250可由铜形成。在其他实施方式中，可使用其他材料，诸如不锈钢、铝、或类似者，这取决于所期望的热传导率与冷却环组件152操作所处的处理环境。在一些实施方式中，冷却部的热传导率是约300W/m-K或更大。在一些实施方式中，帽部252可由不锈钢形成，或者由可以促进冷却流体馈送管的焊接的其他材料形成。在一些实施方式中，可将冷却部250与帽部252栓接(bolt)在一起、铜焊(braze)在一起、焊接在一起、或钉接(pin)在一起或用其他方式接在一起。在一些实施方式中，可使用对准销(alignment pin)218，以将冷却部250与帽部252对准。
冷却部250包括冷却剂通道258，所述冷却剂通道258用于使冷却剂流过。如图3中所示，图3是冷却部250的底部的示意图，冷却剂通道258的第一端可耦接至第一冷却供应管302，所述第一冷却供应管302用于提供冷却剂至冷却部250。在一些实施方式中，冷却剂可流过冷却剂通道258，所述冷却剂通道258以层层卷绕的配置(serpentine configuration)形成为冷却部250的主体中的沟槽。冷却剂通道258的第二端可耦接至冷却流体出口管304，以从冷却环组件152移除被加热的冷却剂。在一些实施方式中，帽部252耦接至冷却部250是以此方式：防止冷却剂从冷却剂通道258泄漏。在一些实施方式中，帽部252可包括中心开孔，中心开孔与冷却部250中的开孔254对准，并且具有与开孔254相同的形状与尺寸。
在一些实施方式中，冷却部250可包括多个开孔256，这些开孔256具有设置于开孔256中的对准销216，这些对准销216用于将冷却环组件152对准于静电夹盘150。冷却环组件152可具有被设置为穿过冷却部250与帽部252两者的中心开孔254，以允许至静电夹盘150的各种接触/管线/连接来穿过。例如，在一些实施方式中，弹簧固定式热电偶(spring-retained thermocouple)220可穿过开孔254，以连接至静电夹盘150的背侧。相似的，在一些实施方式中，气体/电气线路可穿过开孔254，以连接至静电夹盘150。冷却环组件152可包括多个紧固件孔260，所述多个紧固件孔260设置于环组件152的外部直径的周围。
虽然上文是针对本发明的实施方式，但是在不偏离本发明的基本范围的情况下可设想出本发明的其他实施方式与进一步的实施方式。

Claims (11)

1.一种用于基板处理腔室中的基板支撑件，所述基板支撑件包括：
静电夹盘，所述静电夹盘具有顶部基板支撑表面与底部表面，其中所述静电夹盘由低操作温度氮化铝形成，所述氮化铝具有大于或等于150W/m-K的热传导率；及
冷却环组件，所述冷却环组件设置于所述静电夹盘的所述底部表面的附近，所述冷却环组件包括：
冷却部，所述冷却部具有第一中心开孔和热耦接至所述静电夹盘的所述底部表面的顶部表面，所述冷却部具有形成于所述冷却部的底部表面中的冷却通道，其中所述冷却部由具有热传导率为300W/m-K或更大的材料形成；及
帽部，所述帽部耦接至所述冷却部的所述底部表面并且流体地密封形成于所述冷却部中的所述冷却通道，其中所述帽部包括第二中心开孔，
其中所述第一中心开孔和所述第二中心开孔具有非圆形形状经配置以容纳多个管线和/或连接来穿过，其中所述第二中心开孔对准并具有与所述冷却部中的所述第一中心开孔相同的形状与尺寸，且其中所述冷却通道形成于所述非圆形第一中心开孔的周边的周围，其中所述冷却环组件借助热垫片而热耦接至所述静电夹盘，且所述热垫片是垂直地导热石墨材料层。
2.如权利要求1所述的基板支撑件，进一步包括：
冷却剂供应管，所述冷却剂供应管流体地耦接至所述冷却通道的第一端；及
冷却剂出口管，所述冷却剂出口管流体地耦接至所述冷却通道的第二端。
3.如权利要求1所述的基板支撑件，其中所述帽部由不锈钢形成。
4.如权利要求1所述的基板支撑件，其中所述冷却部是由铜、钢、或铝之一形成。
5.如权利要求1所述的基板支撑件，所述冷却部与所述帽部是被栓接在一起、被焊接在一起、或被钉接在一起中的一种。
6.如权利要求1所述的基板支撑件，所述冷却部与所述帽部被铜焊在一起。
7.如权利要求1所述的基板支撑件，进一步包括对准销，这些对准销将所述冷却部与所述帽部对准。
8.如权利要求1所述的基板支撑件，其中所述冷却部的所述顶部表面包括多个开孔，所述多个开孔具有设置于这些开孔中的对准销，这些对准销将所述冷却环组件对准至所述静电夹盘。
9.如权利要求1所述的基板支撑件，进一步包括至少一个热电偶，所述至少一个热电偶被设置为穿过所述第一中心开孔和所述第二中心开孔并且被耦接至所述静电夹盘的所述底部表面。
10.如权利要求9所述的基板支撑件，其中所述至少一个热电偶为弹簧固定式热电偶。
11.如权利要求1所述的基板支撑件，进一步包括多个热电偶，所述多个热电偶被设置为穿过所述第一中心开孔和所述第二中心开孔并且被耦接至所述静电夹盘的所述底部表面。
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