CN105870039B - 用于等离子体处理的双区式加热器 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于基座的方法和装置。在一个实施例中，所述基座包括：包含陶瓷材料并且具有凸缘的主体；嵌入在主体中的一或多个加热元件；耦接到凸缘的第一轴；以及耦接到第一轴的第二轴；其中第二轴包括在所述第二轴中形成的多个流体通道，所述流体通道在所述第二轴中终止。

Description

用于等离子体处理的双区式加热器
技术领域
本文公开的实施例一般地涉及半导体处理腔室，并且更具体地涉及具有多区温度控制的半导体处理腔室的加热的支撑基座。
背景技术
半导体处理涉及大量不同的化学和物理工艺，所述工艺使得能够在基板上形成微小的集成电路。通过化学气相沉积、物理气相沉积、外延生长等等形成了构成集成电路的材料层。使用光刻胶掩模以及湿式或者干式蚀刻技术来图案化材料层中的一些材料层。用来形成集成电路的基板可以是硅、砷化镓、磷化铟、玻璃或者其他适当的材料。
在集成电路的制造中，等离子体工艺往往用于沉积或者蚀刻各种材料层。等离子体处理提供了优于热处理的许多优点。例如，等离子体增强化学气相沉积(PECVD)允许在比类似的热工艺中可实现的更低的温度以及更高的沉积速率来执行沉积工艺。因此，PECVD对于具有严格的热预算的集成电路制造(诸如，对于特大规模或者超大规模集成电路(VLSI或者ULSI)器件制造)是有利的。
用于这些工艺中的处理腔室通常包括设置在其中的基板支撑件或者基座以在处理期间支撑基板。在一些工艺中，基座可包括嵌入式加热器，所述嵌入式加热器适用于控制基板的温度和/或提供可在工艺中使用的升高的温度。常规意义上而言，基座可由陶瓷材料制成，陶瓷材料一般提供所需的器件制造结果。
然而，陶瓷基座产生了许多挑战。这些挑战中的一个挑战为在处理期间对基座和基板的多区式加热和/或准确的温度控制。
因此，所需要的是在多个区域中温度受控的基座。
发明内容
提供了一种用于加热的基座的方法和装置。在一个实施例中，所述基座包括：包含陶瓷材料并且具有凸缘的主体；嵌入在主体中的一个或多个加热元件；耦接到凸缘的第一轴，以及耦接到第一轴的第二轴，其中，第二轴包括在所述第二轴中形成的多个流体通道，所述流体通道在第二轴中终止。
在另一实施例中，提供了一种用于半导体处理腔室的基座。所述基座包括：包含陶瓷材料的主体；被封围在主体中的多个加热元件；耦接到主体的第一轴；以及耦接到第一轴的第二轴；其中第二轴包括在所述第二轴中形成的多个流体通道，所述流体通道的至少部分在第二轴中终止。
在又一实施例中，提供了一种用于半导体处理腔室的基座。所述基座包括：包含陶瓷材料的主体；被封围在主体中的多个加热元件；耦接到主体的第一轴；以及耦接到第一轴的第二轴；其中第二轴包括在所述第二轴中形成的多个流体通道，所述流体通道的至少部分在第二轴中终止，并且其中，第一轴由第一材料制成，并且第二轴由与第一材料不同的第二材料制成。
附图说明
因此，为了可详细地理解本公开的上述特征的方式，可参照实施例来进行对上文简要概述内容的更特定的描述，所述实施例中的一些图示在附图中。然而，应当注意，附图仅图示典型的实施例，并且因此不应被视为限制本发明的范围，因为本文所公开的实施例可允许其他等效的实施例。
图1是等离子系统的一个实施例的局部剖视图。
图2是可用于图1的等离子系统中的基座的一个实施例的示意性剖视图。
图3A是可用于图1的等离子系统中的基座的另一实施例的示意性剖视图。
图3B到图3D是图3A的基座的第一轴的替代实施例的剖视图。
图4A是可用于图1的等离子系统中的基座的另一实施例的示意性剖视图。
图4B是图4A所示的基座的局部侧面剖视图。
图4C是冷却剂通道的一个实施例的平面图。
图5是可用于图1的等离子系统中的基座的另一实施例的示意性剖视图。
图6是可用于图1的等离子系统中的基座的另一实施例的示意性剖视图。
图7是可用于图1的等离子系统中的基座的部分的一个实施例的示意性剖视图。
图8A是可用于图1的等离子系统中的基座的部分的另一实施例的示意性剖视图。
图8B是可用于图1的等离子系统中的基座的部分的另一实施例的示意性剖视图。
为了促进理解，在可能的情况下，已使用完全相同元件符号啦指定诸图所共有的完全相同的元件。构想了在一个实施例中公开的元件可以有益地用于其他实施例，而无需提别陈述。
具体实施方式
在下文参照等离子体腔室来说明性地描述本公开的实施例，但是本文描述的实施例也可用于其他腔室类型和多种工艺中。在一个实施例中，等离子体腔室用于等离子体增强化学气相沉积(PECVD)系统中。可经调适以受益于本公开的PECVD系统的示例包括
Figure BDA0000923310910000031
SE CVD系统、
Figure BDA0000923310910000032
GTTM CVD系统或者
Figure BDA0000923310910000033
CVD系统，所有这些系统都可从加利福尼州亚圣克拉拉市的应用材料公司(Applied Materials,Inc.,SantaClara California)商购获得。
Figure BDA0000923310910000034
SE CVD系统腔室(例如，200mm或者300mm)具有两个分隔的处理区域，这两个处理区域可用于在基板上沉积薄膜，诸如，导电膜、氧化物膜(诸如，氧化硅膜、掺杂碳的氧化硅)以及其他材料。虽然示例性实施例包括两个处理区域，但是构想了本文公开的实施例用于有利于具有单个的处理区域或者多于两个的处理区域的系统。还构想了本文公开的实施例可用于有利于其他等离子体腔室，包括蚀刻腔室、离子注入腔室、等离子体处理腔室以及抗离腔室，等等。进一步构想了本文公开的实施例可用于有利于可从其他制造商处购得的等离子体处理腔室。
图1是等离子系统100的局部剖视图。等离子系统100一般包含处理腔室主体102，所述处理腔室主体102具有侧壁112、底壁116和共享的内侧壁101，所述侧壁112、底壁116和共享的内侧壁101界定一对处理区域120A和120B。处理区域120A、120B中的每一者类似地经配置，并且为了简洁起见，将仅描述处理区域120B中的部件。
基座128通过通路122而设置在处理区域120B中，所述通路122在系统100中的底壁116中形成。基座128提供加热器，所述加热器适应于在所述加热器的上表面上支撑基板(未示出)。基座128可包括加热元件(例如，电阻式加热元件)以加热基板并将基板温度控制在所需的工艺温度处。或者，可由远程加热元件(诸如，灯组件)加热基座128。
基座128通过凸缘133而耦接到芯柱126。芯柱126将基座128耦接到电源插座或者电力箱103。电力箱103可包括驱动系统，所述驱动系统控制基座128在处理区域120B内的上升和运动。芯柱126还包含电功率接口以将功率提供给基座128。电力箱103还包括用于电功率和温度指示器的接口，诸如，热电偶接口。芯柱126还包括一个或多个冷却剂通道151。芯柱126还包括底座组件129，所述底座组件129适应于可拆卸地耦接到电力箱103。冷却剂通道151可延伸到基座128，在芯柱126内终止，或者为延伸到基座128以及在芯柱126内终止的组合。圆周环示出为在电力箱103上方。在一个实施例中，圆周环135是改动为机械止动件或平台(land)且配置成用于提供底座组件129与电力箱103的上表面之间的机械接口的台肩。
杆130设置为穿过在处理区域120B的底壁116中形成的通路124，并且用于定位穿过基座128而设置的升降杆161。杆130耦接到与升降杆161接触的升降板131。基板升降杆161选择性地将基板与基座隔开以便于用机械手(未示出)来更换基板，所述机械手用于通过基板输送端口160将基板进和输送处处理区域120B。
腔室盖104耦接到腔室主体102的顶部部分。盖104容纳耦接到所述盖104的一个或多个气体分配系统108。气体分配系统108包括进气通路140，所述进气通路140通过喷淋头组件142将反应物和净化气体传递到处理区域120B中。喷淋头组件142包括环形底板148，所述环形底板148具有设置在环形底板148与面板146中间的阻挡板144。射频(RF)源165耦接到喷淋头组件142。RF源165为喷淋头组件142供能以促进在喷淋头组件142的面板146与加热的基座128之间生成等离子体。在一个实施例中，RF源165可以是高频射频(HFRF)功率源，诸如，13.56MHz的RF发生器。在另一个实施例中，RF源165可包括HFRF功率源和低频射频(LFRF)功率源，诸如，300kHz的RF发生器)。或者，RF源可耦接到处理腔室主体102的其他部分(诸如，基座128)以促进等离子体生成。电介质隔离器158设置在盖104与喷淋头组件142之间以防止使RF功率传导到盖104。遮蔽环106可设置在基座128的外周上，所述基座128以所需的基座128的高度接合基板。
任选地，冷却通道147形成在气体分配系统108的环形底板148中以在操作期间冷却环形底板148。热传导流体(诸如，水、乙二醇、气体等等)可通过冷却通道147循环，使得底板148被维持在预定的温度。
腔室衬垫组件127设置在处理区域120B内，并且非常接近腔室主体102的侧壁101、112以防止所述侧壁101、112暴露于处理区域120B内的处理环境。衬垫组件127包括耦接到泵送系统164的圆周泵送空腔125，所述泵送系统164配置成用于从处理区域120B排出气体和副产物并且控制处理区域120B内的压力。多个排出端口132可形成在腔室衬垫组件127上。排出端口132配置成用于以促进系统100内的处理的方式来允许气体从处理区域120B到圆周泵送空腔125的流动。
本公开的实施例提供用于设计温度受控的区域陶瓷加热器(即，如本文所描述的基座128)并且控制其以在RF等离子体环境中实现最终的温度均匀性和实时的温度调谐能力的方法和装置。在下文更详细地描述的冷却剂通道151的配置允许对基座128的温度控制。基座128不限于用于CVD/PECVD处理腔室中，并且可用于PVD和蚀刻半导体处理腔室中。
具有有限的冷却能力的常规加热器无法在高RF功率条件的情况下来控制加热器温度。当将加热器温度控制在约260摄氏度和更高的温度时，来自常规的加热器的热损耗不足以补偿由RF等离子体提供的热量。同时，在常规的双区式加热器中，仅一个热电偶被封围在陶瓷加热器的中心。通过测量外区加热元件来计算外区加热器的温度。将所需的特定功率提供给加热器以获得加热元件电阻，并且随后实现适当的温度分辨率。此功率将升高加热器的温度，但是在等离子体处理期间，要求加热器保持为是冷却的。此外，在加热器中充当接地板或者板电极的RF网格的配置影响对基板的RF耦合。在常规加热器中，尤其是在所述网格中升降杆孔所位于的区域中，RF耦合是受限的。
图2是基座200的一个实施例的示意性剖视图，所述基座200可用作图1的等离子系统100中的基座128。基座200包括耦接到芯柱126的加热器主体205。加热器主体205包括嵌入在加热器主体205内部的加热元件210。加热器主体205可包含陶瓷材料，诸如，氮化铝材料或者其他陶瓷材料。在此实施例中的芯柱126是两段式组件，并且包括耦接到凸缘133的第一轴215以及耦接到所述第一轴215的第二轴220。第一轴215和第二轴220可由用使热传导离开加热器主体205的不同材料制成。例如，第一轴215可由具有第一热传导性质的材料制成，所述第一热传导性质与第二轴220的材料的第二热传导性质不同。第一轴215可由氮化铝制成，而第二轴可由铝制成。第一轴215可扩散接合到加热器主体205，例如，扩散接合到凸缘133。
在图1的等离子系统100中执行的一些等离子体工艺中，在等离子体处理期间基座200的温度为约260摄氏度。在图1的处理区域120A和120B中的工艺期间，可通过提供到嵌入在加热器主体205内部的加热元件210的功率以及从等离子体获取的热量的组合来加热基座200。在许多情况下，加热器主体205的温度无法维持，并且可升高到大于约260摄氏度的温度。
如图2中所示，使冷却剂230(诸如，混有水的乙二醇、
Figure BDA0000923310910000061
流体或者气体)流过第二轴220以降低加热器主体205的温度。替代地或者附加地，可缩短第一轴215的长度以将第二轴220定位为更靠近加热器主体205，者可改善冷却能力。冷却剂可在第二轴220的中空部分(诸如，导管235)中流动，所述中空部分可以是在图1中示出和描述的冷却剂通道151中的一个。
图3A是基座300的另一实施例的示意性剖视图，所述基座300可用作图1的等离子系统100中的基座128。基座300可以是图2中示出的基座200的替代或附加的方面。根据此实施例，第一轴215的设计可适应于增强热传导。例如，与图2中的第一轴215相比，第一轴215的壁305的厚度T可从约0.1英寸一直增加到约0.4英寸。增大壁305的厚度T可用于增大从加热器主体205到第二轴220的热通量。替代地或者附加地，第一轴215与第二轴220耦接处的接口310可配置成具有增大的表面积(例如，增大的厚度和/或横截面)以进一步增加芯柱126的热传导。第一轴215与凸缘133耦接处的接口315也可配置成具有增大的表面积(例如，增大的厚度和/或横截面)以使得使热离开加热器主体205的传导最大化。增大的表面积可包括增大第一轴215和第二轴220两者的横截面面积，并且还可简化轴设计并改善接口310和/或315处的机械连接。在第二轴220中还示出冷却剂通道(诸如，导管235)。导管235可与热交换器流体地连通。热交换器可经冷冻以改善来自流体的热去除，所述流体在导管235中流动。
图3B到图3D是第一轴215的替代实施例的剖视图，其中可单独地改变壁305的高度H，或者可将壁305的高度H和厚度T一起改变。第一轴215的高度H的改变可用于增大从加热器主体205到第二轴220的热通量。附加地或者替代地，可改变接口315的形状以增加热传导和/或增大从加热器主体205到第二轴220的热通量。
图4A是基座400的另一实施例的示意性剖视图，所述基座400可用作图1的等离子系统100中的基座128。在此实施例中，基座400包括将液体或者气体用作冷却剂230的主动式冷却剂进料装置。在图4A-4C中描述和示出的基座400的特征为闭环主动式水冷或者气体进料装置，所述闭环主动式水冷或者气体进料装置从加热器主体205和/或基板(未示出)上去除热。通过使冷却剂230直接流入加热器主体205的下部部分402，可显著地改善基座400的冷却。一个或多个流动通道420可形成在第一轴215和第二轴220的侧壁中，并流动到冷却剂通道425，所述冷却剂通道425可以是在图1中示出并描述的形成在加热器主体205中的冷却剂通道151中的一个。在一些实施例中，加热器主体205可包括接合在一起的第一板405和第二板410。冷却剂通道425可形成在第一板405和第二板410中的一者或两者中。可通过扩散接合来结合板405、410。基座400的凸缘133还可包括台肩415，在所述凸缘133处第一轴215耦接到加热器主体205。台肩415包括尺度430(例如，直径)，所述尺度430大于第一轴215的尺度435(例如，直径)。台肩415可用于增强离开加热器主体205的热的传导，这可减少加热器主体205中的冷点。
图4B是在图4A中示出的基座400的局部侧面剖视图，图4B示出嵌入在加热器主体205中冷却剂通道的替代位置。根据此实施例的冷却剂通道425定位在第一板405和第二板410的接口440处。
图4C是嵌入加热器主体205中的冷却剂通道425的一个实施例的平面图。冷却剂通道425包括基本上圆形的流体路径，所述流体路径具有进口445和出口450。第一轴215的侧壁455(在图4A中示出)以虚线示出为接近冷却剂通道425的中心。进口445和出口450基本上与侧壁455对准以形成一个或多个流动通道420(示出在图4A中)。
图5是基座500的另一实施例的示意性剖视图，所述基座500可用作图1的等离子系统100中的基座128。在此实施例中，基座500包括背侧冷却和夹持能力。基座500包括与冷却剂230连通的内气体通道520和外气体通道525的一者或两者。内气体通道520和外气体通道525可包含在图1中示出并描述的冷却剂通道151。可以包括其他气体通道。内气体通道520可用于将冷却气体提供给加热器主体205的中央区域以冷却基板501。外气体通道525可用于将冷却气体提供给加热器主体205的边缘以冷却基板501的边缘。包含冷却剂230的冷却气体可以是氦气、氩气或者氮气、或者它们的组合、以及其他气体。内气体通道520和外气体通道525可形成在第一轴215和第二轴220的侧壁中，并且各自可形成闭环流体管线。内气体通道520和外气体通道525可形成为允许气体围绕基板501的边缘而泄漏到真空腔室(例如，图1的处理区域120A和120B)中。一个或多个通道505可形成在加热器主体205的第一板405和第二板410中的一者或两者之中或之上。基座500在处理期间提供对基板501的高度灵活的温度可调谐性，以便使用单单个或者双个气体进料装置来主动式地控制基板温度。由内气体通道520和外气体通道525提供的双区式背侧气体配置提供了用于基板501的中心到边缘的温度可调谐性的高效节点。
基座500还可包括RF网格510，所述RF网510用作夹持电极。在第一板405中形成的小孔可用于允许气体泄漏到加热器主体205的顶表面515。静电夹盘还允许气体在基板501与顶表面515之间通过并且围绕基板501的边缘泄漏。
图6是基座600的另一实施例的示意性剖视图，所述基座600可用作图1的等离子系统100中的基座128。在此实施例中，与常规的升降杆相比，升降杆161(仅示出一个)具有设有最小直径D的轴602。升降杆161的轴602的最小化的直径提供了加热器主体205中的较小的(较小直径的)升降杆导件605。升降杆导件605的最小化化的尺寸提供了在RF网格510中形成的开口610，所述开口610小于常规基座的RF网格中的开口。最小化的开口610提供增强的RF耦合，在升降杆的区域内尤其如此。在一个实施例中，直径D小于约0.01英寸。
图7是基座700的部分的一个实施例的示意性剖视图，所述基座700可用作图1的等离子系统100中的基座128。基座700包括第二轴220中耦接到底座组件129的部分。底座组件129包括管状配合构件705，所述管状配合构件705具有开口710，所述开口710容置第二轴220中配置为插入件715的至少部分。管状配合构件705可以是至少部分地包裹第二轴220的套筒。在一些实施例中，管状配合构件705完全包裹第二轴220的外周表面。管状配合构件705可由铝制成。
在一个实施例中，插入件715可由铝制成。第二轴220尺寸设定为略小于开口710以提供插入件715与管状配合构件705之间的接触。根据此实施例，第二轴220的冷却剂入口与冷却基座(例如，底座组件129)的表面接触。O形环720可用于在底座组件129与第二轴220之间提供密封。流体进料装置的连接器725位于底座组件129的侧面处，这为其他特征(如端口和过滤器(未示出))预留了空间。插入件715还可包括流体通道730，流体通道730可以是在图1中示出并描述的冷却剂通道151中的一个。
图8A和8B是可用于图1的等离子系统中的基座的部分的另一实施例的示意性剖视图。第二轴220在所述第二轴220的侧壁附近具有与冷却基座805的表面接触。另外，基座800包括插入件715，所述插入件715包括形成在所述插入件715中的流体通道815。在一些实施例中，与图7的实施例类似，管状配合构件705包括形成在所述管状构件705的侧壁中的流体通道730。流体通道815和流体通道730可以是图1中示出并描述的冷却剂通道151。流体通道730和流体通道815两者都可以是闭环流体路径(例如，耦接到分开的冷却剂源(未示出))。或者，流体通道730和流体通道815两者都可耦接到共同的共同的冷却剂源(未示出)。
图8B是图8A的基座800的替代实施例。在此实施例中，在插入件715中形成的流体通道815流体地耦接到在插入件715中形成的、邻近底座组件129的流体通道820。
本文描述的基座的实施例提供多区式加热器，所述多区式加热器提供更高效的加热控制以及更宽范围的温度可调谐性。还可增强低温维持，这增加了基座对低温成膜工艺的适用性。
虽然上述内容针对本公开的实施例，但是可设计本公开的其他和进一步的实施例而不背离本公开的基本范围，并且本公开的范围由所附权利要求书来确定。

Claims (16)

1.一种用于半导体处理腔室的基座，所述基座包含：
主体，所述主体包含陶瓷材料并且具有凸缘；
一个或多个加热元件，所述一个或多个加热元件嵌入在所述主体中；
冷却剂通道，所述冷却剂通道形成在所述主体中；
第一轴，所述第一轴耦接到所述凸缘；以及
第二轴，所述第二轴耦接到所述第一轴，其中所述第二轴包括在所述第二轴中形成的第一组流体通道，所述第一组流体通道在所述第二轴中终止，
其中所述基座包括形成在所述第一轴和所述第二轴中的第二组流体通道，所述第二组流体通道与所述冷却剂通道流体连通。
2.根据权利要求1所述的基座，其中所述第一轴由第一材料制成，并且所述第二轴由与所述第一材料不同的第二材料制成。
3.根据权利要求1所述的基座，其中所述第二轴包含插入件，所述插入件由与所述基座的所述主体的材料不同的材料制成。
4.根据权利要求3所述的基座，其中所述插入件包括形成在所述插入件中的流体通道。
5.根据权利要求4所述的基座，其中形成在所述插入件中的所述流体通道包含第一流体通道，所述第一流体通道与所述插入件外部的第二流体通道流体地连通。
6.根据权利要求1所述的基座，其中所述第二组流体通道中的一个或多个流体通道在所述主体中终止。
7.根据权利要求6所述的基座，其中所述第二组流体通道中的一个或多个流体通道在所述主体的表面处终止。
8.一种用于半导体处理腔室的基座，所述基座包含：
主体，所述主体包含陶瓷材料；
多个加热元件，所述多个加热元件被封围在所述主体内；
冷却剂通道，所述冷却剂通道形成在所述主体中；
第一轴，所述第一轴耦接到所述主体；以及
第二轴，所述第二轴耦接到所述第一轴，其中所述第二轴包括在所述第二轴中形成的第一组流体通道，所述第一组流体通道的至少部分在所述第二轴中终止，
其中所述基座包括形成在所述第一轴和所述第二轴中的第二组流体通道，所述第二组流体通道与所述冷却剂通道流体连通。
9.根据权利要求8所述的基座，其中所述第二轴至少部分地被套筒包裹。
10.根据权利要求8所述的基座，其中所述第二组流体通道中的一个或多个流体通道在所述主体中终止。
11.根据权利要求8所述的基座，其中插入件设置在所述第二轴内。
12.根据权利要求8所述的基座，其中所述第一轴由第一材料制成，并且所述第二轴由与所述第一材料不同的第二材料制成。
13.根据权利要求12所述的基座，其中所述第二轴至少部分地被套筒包裹。
14.根据权利要求13所述的基座，其中所述套筒耦接到冷却基座。
15.根据权利要求12所述的基座，其中所述第二轴包含插入件。
16.根据权利要求15所述的基座，其中所述第一轴由陶瓷材料制成，并且所述第二轴和所述插入件由铝材制成。
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