CN105993062A - 用于稳定化高温沉积的气冷式基板支撑件 - Google Patents

用于稳定化高温沉积的气冷式基板支撑件 Download PDF

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Abstract

本公开内容的实施方式提供用于稳定基板温度的设备及方法，通过：流动冷却气体流至基板支撑件中的冷却通道的入口，使用热交换器从冷却通道的出口接收冷却气体流，以及释放冷却气体至最近环境，例如清洁室或微环境。

Description

用于稳定化高温沉积的气冷式基板支撑件
技术领域
本公开内容的实施方式涉及用于处理半导体基板的设备及方法。更特定地，本公开内容的实施方式涉及用于在高温处理期间稳定基板温度的设备及方法。
背景技术
在一些半导体处理中，欲处理的基板的温度通常由接合至基板支撑件的吸热器(例如，大型热传导主体)维持。传统上，使用于高温物理气相沉积(PVD)的吸热器不会主动冷却，因为这些PVD腔室中的温度太高以至于传统冷却剂会在吸热器冷却通道中沸腾。由于传统PVD方法通常包含相当短的沉积时间(例如，10秒的数量级)，负载于基板上的热可通过基板下方相对大的吸热器而消散。然而，随着PVD方法中沉积时间的延长(例如，成为上百秒至上千秒的范围)，非主动式冷却基板支撑件无法消散负载于欲处理的基板上的热，而导致欲沉积的薄膜的处理偏差和劣化。针对持久的PVD处理，已使用传热液体或其它类似的高沸点冷却剂来冷却基板支撑件。然而，这些高沸点冷却剂不仅昂贵而且易于热分解，并且可变成腐蚀性的和/或释放例如HF和氟光气的有害气体。
因此，需要改进的用于针对高温PVD处理的控制基板温度的设备及方法。
发明内容
本公开内容一般涉及用于在高温处理期间于处理腔室中控制基板温度的设备及方法。
本公开内容的一个实施方式提供基座组件。基座组件包含：静电卡盘，所述静电卡盘具有基板支撑表面；底板，所述底板接合至静电卡盘且具有形成于底板中的冷却通道；以及冷却组件，所述冷却组件经由入口通路和出口通路连接至冷却通道。所述冷却组件包含：用于产生冷却气体流的泵、耦接在泵和入口通路之间的流控制器、以及耦接至出口通路的热交换器。
本公开内容的另一个实施方式提供用于处理半导体基板的设备。所述设备包含：腔室主体和基座组件，所述腔室主体界定处理体积，所述基座组件用于在处理期间支撑一个或多个基板。所述基座组件包含：静电卡盘和底板，所述静电卡盘具有基板支撑表面并且设置于处理体积之中，所述底板接合至静电卡盘，其中底板具有形成于底板中的冷却通道。所述设备进一步包含：冷却组件，所述冷却组件经由入口通路和出口通路连接至基座组件的冷却通道。所述冷却组件设置于处理体积外部。所述冷却组件包括：用于产生冷却气体流的泵、耦接在泵和入口通路之间的流控制器、以及耦接至出口通路的热交换器。
本公开内容的另一个实施方式提供用于控制欲处理的基板的温度的方法。所述方法包含以下步骤：在处理腔室中于基板支撑件上处理基板；供应冷却气体流，以冷却形成于基板支撑件中的通道以控制基板的温度；流动冷却气体流通过热交换器离开冷却通道；以及释放冷却气体流返回到围绕处理腔室的环境中。在一个实施方式中，基板支撑件可为静电卡盘。
附图说明
因此，以上简要总结的本公开内容的上述特征可被详细的理解的方式、对本公开内容更加特定的描述可以通过参考实施方式获得，所述实施方式中的一些示出于附图之中。然而，值得注意的是，所述附图仅示出了本公开内容的典型的实施方式，而由于本公开内容可允许其它等效的实施方式，所述附图因此并不会被视为对本公开内容范围的限制。
图1为根据本公开内容的一个实施方式的物理气相沉积腔室的截面示意图。
图2为高温处理期间用于温度控制的示意性基板支撑件。
图3为根据本公开内容的一个实施方式的用于温度控制的方法的流程图。
为了便于理解，已在尽可能的情况下使用相同的参考数字指定这些附图中共通的相同元件。可以考虑到的是，一个实施方式中的多个元件可有利地整合于其他它实施方式，而无须赘述。
具体实施方式
本公开内容的实施方式涉及用于在高温处理期间稳定基板温度的设备及方法。更特定地，本公开内容的实施方式使用开回路(openloop)空气循环用于冷却高温基板支撑件的通道。本公开内容的实施方式提供用于稳定基板温度的设备及方法，通过：流动冷却气体流至基板支撑件中的冷却通道的入口，使用热交换器从冷却通道的出口接收冷却气体流，以及释放已冷却的冷却气体到环境。泵可耦接至冷却通道的入口，以从围绕处理腔室的环境(例如，从安置处理腔室的清洁室)抽取空气。热交换器可相邻于处理腔室放置，以便无须延伸至建物外部的排放线。
本公开内容的实施方式允许使用清洁室中的空气为冷却气体，并且使已使用的冷却气体能够直接释放至环境，而不会升高清洁室环境的温度并且不会释放潜在危险的热排放冷却气体，例如在大于200℃的温度下的排放冷却气体到最近围绕处理腔室的工作/维持区域。
可使用本公开内容的实施方式以在实施延长的时间周期的高温处理期间稳定基板温度。例如，本公开内容的实施方式证实了控制基板温度接近约400摄氏度并且针对处理时间至超过1000秒而不会触发欲沉积的薄膜的热感应处理偏差及劣化的能力。可使用本公开内容的实施方式以冷却使用于物理气相沉积(PVD)腔室、等离子体增强PVD腔室、蚀刻腔室、或其它合适的腔室中的高温基板支撑件。本公开内容的实施方式使用惰性气体或空气当作用于高温基板支撑件中温度控制的冷却流体。
图1为根据本公开内容的一个实施方式的物理气相沉积腔室100的截面示意图。处理腔室100包含具有侧壁104的腔室主体102、腔室底部106、以及封闭内部体积110的盖组件108。基座组件120在处理期间设置于内部体积110中以支撑基板112。可设置处理套件114于内部体积110中。处理套件114可至少包含沉积环116和接地屏蔽118，放置沉积环116以覆盖基座组件120，放置接地屏蔽118以覆盖侧壁104的内部表面104a。
盖组件108一般包含靶标背板(target backing plate)122、靶标(target)124、以及磁控管126。可通过腔室壁104支撑靶标背板122。陶瓷环封口128可设置于靶标背板122和腔室壁104之间。陶瓷环封口128功能如同腔室主体102和靶标背板122之间的真空封口以及电气隔离器(electrical isolator)两者。上方屏蔽环130设置于靶标124和接地屏蔽118之间。上方屏蔽环130有意地设置靠近但不触碰靶标124，以限制围绕靶标124及背板122的侧面的等离子体点火，因而防止来自靶标124及背板122的侧壁的重新沉积材料的任何飞溅。
靶标124可通过电源132相对于接地(例如，腔室102)以RF和/或DC电源偏压。从气源134经由管道136供应气体(例如，氩)至内部体积110。气源134可包括反应性气体或非反应性气体。等离子体由基板112和靶标124之间的气体形成。等离子体内的离子被加速朝向靶标124并造成材料由靶标124去除。去除的靶标材料沉积于基板112上。在处理期间，盖组件108、上方屏蔽环130、接地屏蔽118、沉积环116以及覆盖环133约束形成于内部体积110中的等离子体至基板112上方的区域。
耗损的处理气体以及副产物由处理腔室100穿过排放口138被排放，排放口138接收耗损的处理气体并引导耗损的处理气体至连接至一个或多个排放泵142的排放管道140。
基座组件120可以可移动地设置覆盖于腔室底部106。在一个实施方式中，基座组件120可包含基板支撑件144、底板146、接地板148以及气体冷却组件150。基板支撑件146、底板146以及接地板148可堆迭在一起而形成接合至中央轴件152的碟状主体。提升机构154可耦接至基座组件120的中央轴件152，以将基座组件120在用于处理的上方位置和用于基板装载/卸载的下方位置之间移动。
基板支撑件144具有用于支撑位于基板支撑件144上的基板112的上表面156。在一个实施方式中，基板支撑件144可为静电卡盘，所述静电卡盘包含具有嵌入介电主体中的电极158的介电主体。介电主体典型地由高热传导性介电材料制成，例如热分解氮化硼、氮化铝、氮化硅、氧化铝或等效材料。电极158可耦接至电源160，电源160提供电力至电极158以控制卡紧力(chuckingforce)。
基板支撑件144可包含一个或多个加热元件149以维持基板支撑件144和基板112在所期望的温度下。在一个实施方式中，加热元件149可为嵌入电极158下方的基板支撑件144中的电阻性加热器。加热元件149可耦接至电源147。为了在短时间的沉积处理期间维持所期望的温度，在高能沉积期间当基板支撑件144和基板112的温度升高高于初始温度设定点时，可调低或关闭加热元件149。当沉积时间变长时，可需要额外的冷却以维持所期望的温度。
基板支撑件144可通过扩散结合或其它结合方法接合至底板146，以在底板146和基板支撑件144之间提供良好的热传导。底板146可功能如同吸热器以在处理期间维持基板支撑件144和基板112中的温度稳定性。底板146可由具有适合匹配覆盖的基板支撑件144的热属性的材料制成。例如，底板146可包括陶瓷和金属(例如铝或碳化硅)的合成物。可选地，底板146可完全由金属制成，例如不锈钢、铜或铝。
接地板148可为基板支撑件144和底板146提供支撑。接地板148典型地由金属材料制成，例如不锈钢或铝。底板146可从接地板148移除以便利于基板支撑件144和底板146的更轻易的替换和维持。
在一个实施方式中，底板146可包含冷却通道162。可通过将温度调节流体流过冷却通道162而主动控制、冷却或加热底板146的温度。在一个实施方式中，冷却通道162可穿过通路164、166连接至气体冷却组件150。通路164、166可穿过中央轴件152的内部体积152a设置，以连接底板146中的冷却通道162和设置于腔室主体102外部的气体冷却组件150。
在一个实施方式中，冷却组件150经配置以使用来自处理腔室100的环境的空气当作冷却流体。冷却组件150可包含入口168及出口170，入口168从处理腔室100外部最近的环境抽取空气以冷却，出口170输出穿过冷却通道162回到环境的循环空气。入口168及出口170均开口至处理腔室100外部最近的环境，例如设置处理腔室的清洁室、或微环境。冷却组件150可包含泵以驱动空气穿过冷却通道162。冷却组件150可包含热交换器，以在释放空气至环境前恢复回到大气温度的空气的温度。冷却组件150中的热交换器使感受器组件16能够使用来自最近环境的空气被冷却0，而无须额外管路以从冷却通道传送热空气至外部环境。
可选地，压缩气源169(例如，压缩清洁干空气(CDA)或氮)可耦接至入口169作为气源用于冷却通道162。在一个实施方式中，压缩气源169可为瓶装的CDA或氮。在另一个实施方式中，压缩气源169可为通过来自低温液态氮槽供应的安置系统的CDA或氮的现有供应。
通过控制器172控制处理腔室100中实施的处理，控制器172执行具有指令集的程式码以操作腔室100的部件，以便于在处理腔室100中处理基板。在一个实施方式中，控制器172可主动控制基板支撑件146的温度。例如，控制器172可连接至放置以量测基板112和/或基板支撑件144的温度的一个或多个温度传感器174。温度传感器174显示为嵌入基板支撑件144中。可选地，一个或多个温度传感器174可放置于其它位置，或为非接触式感应器。控制器172可根据由传感器174所量测的温度传送控制信号至冷却组件150，以调整冷却处理。例如，控制信号可包含控制通过冷却通道162的冷却流体的压力和/或流动速率的信号。
图2为根据本公开内容的一个实施方式的基座组件120的截面示意图，展示了冷却组件150的细节。冷却组件150可通过通路164、166连接至底板146中的冷却通道162。冷却通道162可以以一种配置形成于底板146中，所述配置促进了底板146内均匀的温度。通路164、166可为适于传输热流体(例如于高至约200摄氏度温度下的空气流)的管输送(tubing)。通路164、166可为硅管输送或金属管输送。
冷却组件150可包含泵202。可使用泵202以从最近环境(例如，清洁室中的环境)穿过入口168抽取空气，并将所抽取的空气经由通路164泵送至冷却通道162。可选地，泵202可连接至用于传递惰性气体至冷却通道162的惰性气源。流控制器204可耦接至泵202以调整由泵202输出的压力和/或流动速率。在一个实施方式中，流控制器204可连接至系统控制器172并由系统控制器172所控制。在一个实施方式中，系统控制器172可使用流控制器204控制空气流的流动速率和/或压力，以响应设置于基座组件120中的温度传感器174所量测的基板112或基板支撑件144的温度。例如，若基座组件120或基板112的温度较靶标温度高，则可增加空气流的流动速率和/或压力，且若基座组件120或基板112的温度较靶标温度低，则可减低空气流的流动速率和/或压力。
在流经冷却通道162时，热交换在底板146和空气流动之间发生。在处理期间，当基座组件120维持在升高的温度下时，空气流的温度由热交换而增加。结果，经过通路166离开的空气流可处于高至约200摄氏度的温度下。
在一个实施方式中，冷却组件150包含热交换器206，热交换器206耦接至通路166以在释放空气流返回到环境(例如清洁室中的环境)前降低空气流的温度。热交换器206可包含连接于出口通路166及出口170之间的气体通路210。热交换器206可耦接至冷却流体源208。从冷却通道162离开的高温空气流穿过出口170进入热交换器206，以在进入返回到环境(例如清洁室中的环境)前冷却下来。在一个实施方式中，热交换器206可降低空气流的温度至约室温，使得从冷却通道162排放空气。通过从冷却通道冷却排放空气，本公开内容的实施方式提供用于操作及维持员工的安全环境。冷却排放空气也防止了任何潜在的对围绕构件的损坏。冷却排放空气也防止了围绕处理腔室的大气温度所不期望的改变。
热交换器206允许冷却组件150至基座组件120的空气冷却，而无须流动路径以引导排放热空气离开放置处理腔室的建物(building)。
在一个实施方式中，可放置速动开关热切断(snap switchthermal cutoff)212以接触热交换器206作为安全装置，以防止热交换器206过热。例如，当冷却水流动至热交换器206被中断时，热交换器206可最终过热，潜在地达到超过200℃的温度。过热可损坏热交换器206及冷却组件150中的围绕构件，并导致热排放气体被释放至最近环境而不安全。当热交换器206的温度超过预先确定的数值时，可关闭或触发关闭速动开关热切断212。
冷却组件150还可包含流监测器214以监测冷却气体的流动并确保冷却气体的流动不被中断。中断冷却气体的流动将导致处理偏差，如基板过热而无适当地冷却。当冷却气体的流动被中断时，流监测器214可提供指示，例如警报。
冷却组件150可进一步包含针对用于热交换器206的冷却水回路的流监测器216，以确保有足够的冷却水流动经过热交换器206。
图3为根据本公开内容的一个实施方式的在处理期间用于控制基板温度的方法300的流程图。在方块310中，欲处理的基板放置于处理腔室中的基板支撑件上。处理腔室可为图1的处理腔室100或其它合适的腔室。基板支撑件可为上述基座组件120或基板112。在处理期间，基板可从靶标温度偏离，例如被处理环境加至过热，例如处理等离子体。可维持基板温度在一大于约200摄氏度的温度。在一个实施方式中，可维持基板温度于约400摄氏度与约450摄氏度之间。在一个实施方式中，所述处理可为持续长至1000秒的物理气相沉积处理。
在方块320中，可泵送冷却气体流至基板支撑件，以冷却基板并维持基板于靶标温度。冷却气体流可为从放置处理腔室的环境(即，清洁室或微环境)抽取的空气流。可选地，冷却气体流可为来自惰性气体来源的惰性气体。通过使用冷却气体或冷却空气，本公开内容的实施方式使冷却和温度控制能够在高于水的沸点或多数传统冷却流体的分解温度的温度范围。例如，本公开内容的实施方式使物体的冷却和温度控制能够在高于约200摄氏度的温度，例如约400摄氏度与约450摄氏度之间。在一个实施方式中，可调整冷却气体的流动速率和/或压力以调整基板支撑件和基板的温度。例如，可增加冷却气体的流动速率和/或压力以减低基板支撑件和基板的温度，且可降低冷却气体的流动速率和/或压力以降低基板支撑件和基板的温度。在一个实施方式中，可通过调整流控制器以调整冷却气体的流动速率和/或压力，所述流控制器耦接至用于产生冷却气体流的泵。在一个实施方式中，可调整流控制器以响应量测基板的温度传感器的测量。
在方块330中，通过热交换器接收于冷却通道中被加热的排放冷却气体。可邻近处理腔室放置热交换器(如图2中的热交换器206)相，使得排放冷却气体在进入热交换器前不会曝露于环境(例如清洁室或微环境)下。可通过冷却流体(例如水)冷却热交换器。在热交换器中冷却排放冷却气体。在一个实施方式中，可在热交换器中冷却排放冷却气体至约室温。
在方块340中，在热交换器中冷却后，冷却后释放排放冷却气体至放置处理腔室所的环境(例如清洁室或微环境)。由于排放冷却气体由热交换器冷却，可直接释放排放冷却气体至清洁室，而不会实质上影响清洁室或微环境的温度。
虽然以上讨论的是PVD腔室，本公开内容的实施方式可使用于任何热负载可通过足量气体流经基座而抵消的基座类型基板支撑件。可选地，本公开内容的实施方式可使用于半导体处理外部，例如太阳能电池制造，其中，处理期间在基板支撑件上的基板曝露于热下并且需要温度控制。
虽然上述内容为本公开内容的实施方式，但是可在不脱离本公开内容的基本范围的情况下，设计本公开内容的其它和进一步的实施方式，并且本公开内容的范围由以下的权利要求来确定。

Claims (15)

1.一种基座组件，所述基座组件包括：
静电卡盘，所述静电卡盘具有基板支撑表面；
底板，所述底板接合至所述静电卡盘且具有形成于所述底板中的冷却通道；以及
冷却组件，所述冷却组件经由入口通路和出口通路连接至所述冷却通道，其中所述冷却组件包括：
入口，所述入口耦接至气源；
出口，所述出口开口至处理腔室外部的最近环境，所述底板设置于所述处理腔室中；
流控制器，所述流控制器耦接在所述入口和所述入口通路之间；以及
热交换器，所述热交换器耦接至所述出口通路。
2.如权利要求1所述的基座组件，其中，所述气源包括泵，以从所述最近环境抽取空气。
3.如权利要求2所述的基座组件，其中，所述冷却组件进一步包括冷却液体源，所述冷却液体源耦接至所述热交换器，且所述热交换器实施液体和气体热交换。
4.如权利要求1所述的基座组件，进一步包括控制器，所述控制器耦接至所述流控制器其中，所述控制器传送控制信号至所述流控制器以调整冷却气体流的流动速率和压力。
5.一种用于处理半导体基板的设备，所述设备包括：
腔室主体，所述腔室主体界定处理体积；
基座组件，所述基座组件用于在处理期间支撑一个或多个基板，其中所述基座组件包括：
静电卡盘，所述静电卡盘具有基板支撑表面并被设置于所述处理体积中；以及
底板，所述底板接合至所述静电卡盘，其中所述底板具有形成于所述底板中的冷却通道；以及
冷却组件，所述冷却组件经由入口通路和出口通路连接至所述基座组件的所述冷却通道，其中所述冷却组件设置于所述处理体积外部，并且所述冷却组件包括：
入口，所述入口耦接至气源；
出口，所述出口开口至所述腔室主体外部的最近环境；
流控制器，所述流控制器耦接在所述入口和所述入口通路之间；以及
热交换器，所述热交换器耦接至所述出口通路。
6.如权利要求5所述的设备，其中，所述冷却组件邻近所述腔室主体设置。
7.如权利要求6所述的设备，其中，所述气源包括以下之一：泵，以从所述腔室主体外部的所述最近环境抽取空气、压缩的气源以及现有系统气源。
8.如权利要求6所述的设备，其中，所述冷却组件进一步包括冷却液体源，所述冷却液体源耦接至所述热交换器，且所述热交换器实施液体和气体热交换。
9.如权利要求5所述的设备，进一步包括控制器，所述控制器耦接至所述冷却组件其中所述控制器传送控制信号至所述冷却组件以调整冷却气体流的流动速率和/或压力。
10.如权利要求9所述的设备，进一步包括耦接至所述控制器的一个或多个温度传感器，且所述控制器根据所述一个或多个温度传感器的测量来调整冷却气体流的所述流动速率和/或所述压力。
11.一种用于控制欲处理的基板的温度的方法，所述方法包括以下步骤：
在处理腔室中于基板支撑件上处理基板；
供应冷却气体流，以冷却形成于所述基板支撑件中的通道以控制所述基板的温度；
流动所述冷却气体流穿过热交换器离开所述冷却通道；以及
释放所述冷却气体流返回到围绕所述处理腔室的环境。
12.如权利要求11所述的方法，其中，供应冷却气体流包括：从围绕所述处理腔室的所述环境抽取空气流。
13.如权利要求12所述的方法，其中，处理所述基板包括：维持所述基板的温度在约400摄氏度与约450摄氏度之间。
14.如权利要求11所述的方法，其中，处理所述基板包括：在所述基板上形成物理气相沉积持续长于约1000秒的一段时间。
15.如权利要求11所述的方法，进一步包括：通过一个或多个温度传感器测量所述基板温度，并调整所述冷却气体流的所述流动速率和/或压力。
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