CN105556656B - 具有温度分布控制的加热式基板支撑件 - Google Patents

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Abstract

本文提供具有温度分布控制的基板支撑件的方法及装置。在一些实施方式中，基板支撑件包括：板，所述板具有基板接收表面及相对的底表面；及轴，所述轴具有第一端及第二端，所述第一端包括轴加热器，其中所述第一端耦接至所述底表面。亦提供了制造具有温度分布控制的基板支撑件的方法。

Description

具有温度分布控制的加热式基板支撑件
技术领域
本发明的实施方式大体涉及半导体处理设备。
背景技术
在半导体基板处理中，基板温度通常是关键的处理参数。处理期间温度的改变以及横跨基板表面的温度梯度对于材料沉积、蚀刻速率、特征锥角、阶梯覆盖及类似物通常是不利的。通常期望在基板处理之前、期间及之后对基板温度分布(temperature profile)进行控制，以强化处理及最小化不想要的特性及/或缺陷。
基板通常支撑于具有位于中央的支撑轴的基板支撑件或支座上，所述支撑轴用于支撑基板支撑件。基板支撑件通常包括一或更多个内嵌式加热器，所述加热器适于加热设置于基板支撑件上的基板。然而，发明人已观察到，具有内嵌式加热器的惯用加热式基板支撑件(heated substrate support)在基板支撑件的中央区域处通常显示温度非均匀性，这导致基板处理结果的非均匀性。发明人已观察到，在某些情况中，基板支撑件的温度非均匀性可归因于将热从基板支撑件抽离的支撑轴。
因此，发明人提供了具有改良的温度均匀性的加热式基板支撑件的实施方式。
发明内容
本文提供具有温度分布控制的基板支撑件的方法及装置。在一些实施方式中，基板支撑件包括：板，所述板具有基板接收表面及相对的底表面；及轴，所述轴具有第一端及第二端，所述第一端包括轴加热器，其中所述第一端耦接至所述底表面。
在一些实施方式中，基板支撑件包括：板，所述板具有基板接收表面及相对的底表面；板加热器，所述板加热器设置于所述板中；板温度传感器，所述板温度传感器设置于所述板中，其中所述板加热器和所述板温度传感器耦接至控制器；轴，所述轴具有第一端及第二端，所述第一端包括轴加热器，其中所述第一端耦接至所述底表面；及轴温度传感器，所述轴温度传感器设置于所述第一端处，其中所述轴温度传感器和所述轴加热器耦接至控制器。
在一些实施方式中，提供制造基板支撑件的一种方法，所述方法包括以下步骤：形成板，所述板具有基板接收表面及相对的底表面；形成陶瓷材料的第一层，所述第一层包括第一端及相对的第二端；在所述第一端处将加热器设置于所述第一层上；将导管(conduit)设置于所述第一层上，使得所述导管的一端耦接至所述加热器且所述导管的第二端延伸超过所述陶瓷材料的第二端；将陶瓷材料的第二层形成于所述第一层的顶部上，使得所述第二层至少部分地覆盖所述加热器；处理所述第一层及所述第二层以形成轴；及将所述第一端耦接至所述板的所述底表面。
本发明的其他及进一步的实施方式描述于下。
附图说明
能通过参照描绘于附图中的本发明的说明性实施方式来了解以上简要概述的且以下更加详细论述的本发明的实施方式。然而，应注意的是，附图仅绘示本发明的典型实施方式且因此不应被视为对本发明范围的限制，因为本发明可允许其他等效的实施方式。
图1描绘依据本发明的一些实施方式的基板支撑件的示意侧视截面图。
图2描绘依据本发明的一些实施方式的基板支撑件的示意侧视截面图。
图3描绘用于制造依据本发明的一些实施方式的基板支撑件的流程图。
为了促进了解，已尽可能使用相同参考标号来表示各图共用的相同元件。附图并未按比例绘示且可为了清楚而简化。可预期的是，一个实施方式的元件及特征可有利地并入其他实施方式而无需进一步详述。
具体实施方式
本发明的实施方式提供具有改良的温度均匀性控制的加热式基板支撑件。本发明的实施方式可用于使用加热式基板支撑件的任何处理中以用于支撑及加热基板，所述加热式基板支撑件对产生于基板上的温度分布具有增强的控制。可从所揭露的基板支撑件获益的处理的非限制性实例包括化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)或激光退火处理。
图1是依据本发明一些实施方式的基板支撑件100的示意侧视截面图。基板支撑件100包括加热器板，板102包括基板接收表面104及底表面106。板102可由一或更多种处理相容的材料形成，所述材料包括陶瓷材料(比如氮化硅(Si3N4)、氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)或碳化硅(SiC))及金属材料(比如铝及不锈钢(SST)或如硅铝合金(Si-Al)之类的合金)。
一或更多个板加热器108(图示两个板加热器108)内嵌或设置于板102内。板加热器108可为环的形式，如所绘示的。或者，板加热器108可为内嵌于板102内的分开的加热器元件。板加热器108通过导体111耦接至电源(比如DC源110)，以向板加热器108提供电力以促进板102的加热。
板温度传感器112(比如电阻式温度装置(RTD))内嵌于板102中或耦接至板102以感测板102中目标区域处的温度。板温度传感器112通过导体116耦接至控制器114以向控制器114提供关于板102温度的数据。
DC源110亦通过导体118耦接至控制器114。控制器114基于来自板温度传感器112的温度数据来调节被提供至板加热器108的电力的量，以提供预选的板温度。如此，板加热器108、DC源110、板温度传感器112及控制器114被连结(link)及操作为第一闭环控制电路以维持所预选的板102的温度。
控制器114可为任何通用计算机，所述通用计算机适于从由板温度传感器112提供的数据读取及监控板102的温度，以及调节被提供至板加热器108的电力的量。
板102可安置于轴120的第一端126上且由轴120的第一端126支撑。轴120可使用如以上所论述的处理相容的材料来形成。
第一端126安装至底表面106以支撑板102，且当基板122设置于基板接收表面104上时将基板122支撑在例如用于基板处理或基板传输的腔室124内的位置。在一些实施方式中，轴120可通过耦接至轴120的合适的升降致动器、旋转致动器或组合升降及旋转的致动器(未图示)来提供腔室124内板102及基板122的垂直定位及旋转定位中之一或更多。
在一些实施方式中，第一端126包括凸缘128以促进将轴120安装至底表面106。凸缘128可使用任何合适的机械固定器、粘着剂、焊接、铜焊或类似手段而安装至底表面106。凸缘128可为轴120的整体部件或(例如)通过焊接耦接至轴120的分开的部件。在一些实施方式中，轴120的第一端126可在没有凸缘的情况下安装至底表面106。例如，粘着剂、焊接、铜焊或类似手段可用于将轴120的第一端126安装至底表面106。轴120可直接耦接至底表面106以最小化轴120与板102的底表面106之间的热阻。
至少一个轴加热器130耦接至凸缘128。在一些实施方式中，至少一个轴加热器130至少部分地内嵌于凸缘128中。在一些实施方式中，至少一个轴加热器130是电阻式加热器。导体134的第一端133耦接至轴加热器130。导体134的第二端135延伸超过轴120的第二端127且耦接至电源(比如DC源140)以促进向至少一个轴加热器130提供电力以加热轴120的第一端126。
轴温度传感器132(比如电阻式温度装置)亦内嵌于凸缘128中或耦接至凸缘128。导体138的第一端137耦接至轴温度传感器132。导体138的第二端139延伸超过轴120的第二端127且耦接至控制器(例如控制器114)。DC源140亦可例如通过导体136耦接至控制器114。类似于以上所述的第一闭环控制电路的控制电路包括被连接以操作为第二闭环控制电路的轴加热器130、DC源140、轴温度传感器132及控制器114。在第二闭环电路中，控制器114响应于由轴温度传感器132所提供的温度数据而调节至轴加热器130的电力，以促进轴120的第一端126的温度控制。第一闭环电路及第二闭环电路可具有如所示的共用控制器114，或这些闭环电路可具有可互相通讯的分开的控制器。
在一些实施方式中，第一闭环控制电路(板加热器108、DC源110、板温度传感器112及控制器114)及第二闭环电路(轴加热器130、DC源140、轴温度传感器132及控制器114)例如通过控制器114连接在一起。控制器114可被配置以独立控制第一及第二闭环控制电路以将板102及轴120分别维持在第一及第二温度。第一及第二温度可为相同的温度。
图2描绘依据本发明实施方式的基板支撑件200的简化示意侧视截面图。板102可如上所述地来建构且为了清楚而省略一些细节(例如以上描述的第一闭环电路的部件)来说明。提供陶瓷支撑轴(轴220)以支撑安置于轴220的第一端226上的板102。在一些实施方式中，第一端226包括凸缘228，凸缘228如上所述适于安装至板102的底表面106。在一些实施方式中，如上所述，第一端226可安装至板102的底表面106而不用凸缘。
所绘示的轴220包括两层陶瓷材料层，即第一层202及第二层204(但是可使用额外的层)。在非限制性的实例中，轴220可由以上所论述的陶瓷材料来形成。一或更多个电气部件可设置于第一层202与第二层204之间的界面212处。
例如，轴加热器230可在界面212处设置于凸缘228的一部分中。类似于图1的实施方式中的轴加热器130，导体234的第一端233耦接至轴加热器230。导体234的第二端235延伸超过轴220的第二端227且耦接至电源(例如DC源240)以向轴加热器230提供电力且促进加热轴220的第一端226。导体234可完全或部分地沿第一层202与第二层204之间的界面212设置。
轴加热器230及导体234中之一或更多可印刷于第一层202或第二层204的表面213上。例如，轴加热器230及导体234中的至少之一可由丝网印刷(screen print)于第一层202的一部分上的具有合适电阻率的钨、钼或其他金属的溶液形成。在一些实施方式中，轴加热器230及导体234可印刷于陶瓷材料的第一层202的外表面203上。例如，可形成陶瓷材料的第一层202而轴加热器230及导体234印刷于外表面203上。陶瓷材料的第二层204可形成于第一层202上，至少部分地覆盖轴加热器230及导体234。所组合的第一层202及第二层204可(例如通过烧结)被进一步处理以形成具有设置于界面212处的轴加热器230及导体234的完成的轴220。
在进一步处理之前，且以类似的方式，轴温度传感器232(例如电阻式温度装置(RTD))亦可设置于界面212处。轴温度传感器232可印刷于第一层202的外表面203上。导体238的第一端237可耦接至轴温度传感器232。导体238的第二端239延伸超过第一层202的第二端227且耦接至控制器214。DC源240亦可(例如通过导体236)耦接至控制器214。
轴加热器230、DC源240、轴温度传感器232及控制器214包括在结构及功能上类似于以上描述的第二闭环电路的闭环电路。
在一些基板处理中，基板接收表面的温度分布预测了支撑于其上的基板的温度分布。横跨基板接收表面的温度非均匀性由支撑于其上的基板的非均匀处理结果而表现。发明人已观察到在一些情况下，热在与轴的安装位置相对的、板的中央区域处损失掉。发明人已注意到，轴似乎产生热沉(heat sink)，自轴与板的界面处的板移除一些热。将轴安装至板在基板安装表面处造成温度不连续性。
发明的基板支撑件在轴的第一端(安装端)处可包括加热器及温度传感器以减少板的热损失。轴的第一端处的加热器以闭环控制来产生额外的热以向轴补偿热损失。已观察到，轴加热器的闭环控制有益地允许轴第一端温度的精确控制。当结合板温度的闭环控制使用时，板与轴的第一端之间的温度差可被最小化。在轴的第一端的温度与板温度相同(或实质相同)的情况下，发明人已注意到可建立绝热界面，在所述绝热界面中，热既不传输至板亦不自板传输。在这样的条件下，发明人在基板支撑表面上或支撑于其上的基板上已观察不到轴的热印记(thermal imprint)。据此，能通过维持横跨基板的更均匀的温度来有益地影响基板的处理。此外，为了补偿在处理期间传输至或自基板的其他热源(例如为了在处理期间在基板上维持更均匀的热梯度)，或为了补偿处理非均匀性的其他来源或导致基板的非均匀性的其他来源(例如为了在处理期间在基板上维持目的性的非均匀热梯度)，基板支撑件可被操作以横跨基板支撑表面而产生目的性的非均匀热梯度(例如中央区域较热或中央区域较冷)。
发明人亦已观察到，惯用基板支撑件中被加热的板与未经加热的轴之间的温度差亦可在轴与板的底部之间的界面处造成热应力。热应力可使轴与板之间的附接存在问题，例如因为板和轴会由于不同的温度而不同地膨胀或收缩。
在本发明中，如以上所论述的，轴加热器能有益地最小化或实质消除轴与板之间的在界面处的温度差。因此，热应力及相关联的缺点亦能被最小化或实质消除。
发明人已研发了形成以上所揭露的本发明的加热式基板支撑件的新方式。参照板102(图1)及轴220(图2)，所述方法被概述开始于图3中的300处。于302处，形成具有基板接收表面104及相对的底表面106的板102。板102可包括一或更多个板加热器108以及内嵌于板102中的板温度传感器112(比如电阻式温度装置(RTD))。如上所述，板加热器108及板温度传感器112可耦接至DC源110及控制器114以形成第一闭环控制电路。
板102可由如上所列的陶瓷材料来形成。形成板102的步骤可包括烧结步骤以致密化陶瓷材料。可在适当时使用对于特定材料(陶瓷的或金属的)合适的其他制造工艺。形成板102可独立于形成轴220而发生。
于304处，形成陶瓷材料的第一层202，第一层202包括第一端226及相对的第二端227。第一层202可包括对应于凸缘228的区域。在一些实施方式中，第一层202形成为具有上缘242(对应于包括凸缘228的轴的第一端226)、相对的底缘244(对应于第二端227)及纵向缘(未图示)的陶瓷材料片。
于306处，轴加热器230于上缘242处设置于第一层202上。在一些实施方式中，轴加热器230使用如以上所论述的丝网印刷技术，使用具有合适电阻率的包括钨、钼或其他金属的溶液而印刷于第一层202的表面213上。轴加热器230可通过在上缘242处印刷相同或不同配置的多个层来形成。
于308处，导体234可设置于第一层202的表面213上。导体234的第一端233可耦接至轴加热器230。第二端235延伸至第一层202的底缘244。在一些实施方式中，第二端235延伸超过底缘244。在一些实施方式中，可如以上使用类似的材料来印刷(例如丝网印刷)导体234。当导体234印刷于表面213上时，额外导体(未图示)可在底缘244处耦接至导体234，以将导体234延伸超过底缘244。
选择性地，于310处，轴温度传感器232(比如电阻式温度装置(RTD))可在第一层的上缘242处设置于第一层202上。轴温度传感器232可耦接至导体238，导体238可同轴温度传感器232一体形成或独立形成。在一些实施方式中，轴温度传感器232或导体238中的至少之一可(比如通过丝网印刷)印刷于表面213上。
于312处，陶瓷材料的第二层204形成于第一层202的顶部上，使得第二层204至少部分地覆盖轴加热器230。若导体234印刷于表面213上，则第二层204可至少部分地覆盖导体234。在第一层202形成为陶瓷材料片的实施方式中，第二层204亦可形成为具有与上缘242对准的上缘246、与底缘244对准的相对的底缘248及纵向缘(未图示)的陶瓷材料片。
于314处，具有设置于表面213上的加热器的第一层202及形成于第一层顶部上且至少部分地覆盖加热器的第二层204被处理在一起以形成轴220。处理步骤可包括用于致密化陶瓷材料的第一层202及第二层204的工序。例如，可在升高的温度及高压下烧结第一层202及第二层204以形成轴220。
在第一层202及第二层204由陶瓷材料片形成的实施方式中，这些片可形成开口型的管(open ended tube)，使得上缘246与上缘242对准，且底缘248与底缘244对准。例如，第一层202及第二层204可卷成管状形式，使得第一层202的纵向缘被接合且第二层204的纵向缘被接合。管状形式可为圆柱状或其他合适的形状。
于316处，轴220的第一端226被耦接至板102的底表面106以形成依据本发明实施方式的基板支撑件。可适当地使用任何合适的机械固定器(比如螺纹固定器或机械夹紧装置)或粘着剂来达成耦接步骤。
因此，已提供了具有改良的温度均匀性控制的加热式基板支撑件的实施方式。本发明的实施方式可在使用加热式基板支撑件的任何处理中使用以支撑及加热基板而对产生于基板上的温度分布具有增强的控制。可从所揭露的基板支撑件获益的处理的非限制性实例包括化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)或激光退火处理。
虽然以上内容针对本发明的实施方式，但在不背离本发明的基本范围的情况下可设计出本发明的其他且进一步的实施方式。

Claims (14)

1.一种基板支撑件，包括：
板，所述板具有基板接收表面及相对的底表面；及
轴，所述轴包括长形结构，所述轴具有第一端及第二端，所述第一端耦接至所述板的所述底表面，其中轴加热器内嵌于所述轴的所述第一端中。
2.如权利要求1所述的基板支撑件，其中所述第一端包括凸缘且所述轴加热器设置于所述凸缘内。
3.如权利要求1所述的基板支撑件，其中所述轴加热器是电阻式加热器。
4.如权利要求3所述的基板支撑件，其中所述轴加热器包括内嵌于所述轴中的导体。
5.如权利要求1至4中的任一项所述的基板支撑件，进一步包括：
电源，所述电源耦接至所述轴加热器且耦接至控制器；及
轴温度传感器，所述轴温度传感器设置于所述第一端处且耦接至所述控制器，其中所述轴加热器、所述电源、所述控制器及所述轴温度传感器连结于第一闭环控制电路中。
6.如权利要求5所述的基板支撑件，其中所述板进一步包括：
板加热器，所述板加热器设置于所述板中；
电源，所述电源耦接至所述板加热器且耦接至所述控制器；及
板温度传感器，所述板温度传感器设置于所述板中且耦接至所述控制器，
其中所述板加热器、所述电源、所述控制器及所述板温度传感器连结于第二闭环控制电路中。
7.如权利要求6所述的基板支撑件，其中所述控制器被配置成独立控制所述第一闭环控制电路及所述第二闭环控制电路以将所述板及所述轴维持在预选的温度。
8.如权利要求1至4中的任一项所述的基板支撑件，其中所述轴由陶瓷材料的层形成。
9.如权利要求8所述的基板支撑件，其中所述陶瓷材料包括氮化硅(Si3N4)、氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)或碳化硅(SiC)中之一或更多。
10.如权利要求8所述的基板支撑件，其中所述轴由陶瓷材料的二或更多层形成。
11.如权利要求8所述的基板支撑件，其中所述轴加热器设置于陶瓷材料的层上。
12.如权利要求8所述的基板支撑件，其中所述轴进一步包括导体，所述导体设置于陶瓷材料的所述层上且耦接至所述轴加热器。
13.一种制造基板支撑件的方法，包括以下步骤：
形成板，所述板具有基板接收表面及相对的底表面；
形成陶瓷材料的第一层，所述第一层包括第一端及相对的第二端；
在所述第一端处将加热器内嵌于所述第一层中；
将导管设置在所述第一层上，使得所述导管的一端耦接至所述加热器且所述导管的第二端延伸超过所述陶瓷材料的第二端；
将陶瓷材料的第二层形成于所述第一层的顶部上，使得所述第二层至少部分地覆盖所述加热器；
处理所述第一层及所述第二层以形成轴；及
将所述第一端耦接至所述板的所述底表面。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述加热器被印刷于陶瓷材料的所述第一层上。
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