CN107078058A - 用于改善工件温度均匀性的设备 - Google Patents

Abstract

揭示一种用于在处理期间改善工件温度均匀性的设备和方法。设备包含沿着平台的外周安置的环形加热器组合件。环形加热器组合件包含安置于其中或其上的加热元件，其中这些加热元件产生用以加温工件的外边缘的热量。在一些实施例中，环形加热器组合件伸出工件的边缘并且可以暴露于离子束中。

Description

用于改善工件温度均匀性的设备

技术领域

本发明的实施例涉及用于在处理期间改善工件温度均匀性，且更确切地说，改善经加热的工件的温度均匀性的设备和方法。

背景技术

半导体装置的制造涉及多个离散且复杂的工艺。为了执行这些工艺，工件通常安置在平台上。所述平台可以是经设计以通过施加由电极产生的静电力而将工件保持在平台内的静电卡盘。

平台通常设计成直径略小于所述平台所支撑的工件的直径。这样确保平台不会暴露于进入的离子束中。与离子束接触可能会导致污染物的产生，或可能损坏平台。

除了将工件保持在适当位置之外，平台还可以用于加热或冷却工件。具体来说，平台通常为较大材料块，在一些实施例中能够从工件吸收热量或在其它实施例中将热量供应到工件。在某些实施例中，平台的上表面上具有将背侧气体供应到在平台的上表面与工件的后表面之间的空间中的管道。

由于平台略小于工件，因此工件的外边缘无法由平台有效地进行加热或冷却。因此，在平台将热量供应到工件的实施例中，工件的外边缘可以比工件的其余部分冷。相反地，在平台从工件中清除热量的实施例中，工件的外边缘可以比工件的其余部分热。

此温差可能会影响工件的良品率。因此，如果尤其在工件由平台加热的实施例中存在用于在整个工件中实现更佳温度均匀性的设备和方法将是非常有益的。

发明内容

揭示一种用于在处理期间改善工件温度均匀性的设备和方法。所述设备包含沿着平台的外周安置的环形加热器组合件。所述环形加热器组合件包含安置于其中或其上的加热元件，其中这些加热元件产生用以加温工件的外边缘的热量。在一些实施例中，所述环形加热器组合件伸出工件的边缘并且可以暴露于离子束中。

根据一个实施例，揭示一种工件固持加热的设备。所述设备包括平台以及环绕平台的外周的环形加热器组合件，所述环形加热器组合件包括顶表面上的防护屏以及安置在防护屏下方的加热元件。在另一实施例中，加热元件可被封入防护屏中。在某些实施例中，所述防护屏是陶瓷材料。在某些实施例中，安装系统将环形加热器组合件固持在适当位置且包含多个挠曲。在一些实施例中，安装系统连接到用于固持平台的底座。在某些实施例中，环形加热器组合件还包含安置在顶表面附近的温度传感器。在一些实施例中，电源与环形加热器组合件连通。

根据另一实施例，揭示一种加热工件的方法。所述方法包括通过背侧气体的使用而使用传导加热来将热量提供到工件的第一部分；以及使用辐射加热来将热量提供到工件的第二部分。在某些实施例中，第二部分可以是工件的外边缘。

根据另一实施例，揭示一种环形加热器组合件。所述环形加热器组合件包括环形防护屏；加热元件，其安置在环形防护屏下方；以及安装系统，其用于将环形防护屏放置在适当位置。在某些实施例中，安装系统包括与底座连通的安装架以及从安装架朝向加热元件延伸的多个挠曲。

附图说明

为了更好地理解本发明，将参考附图，所述附图以引用的方式并入本文中并且其中：

图1是根据一个实施例的环形加热器组合件的视图。

图2是根据另一实施例的环形加热器组合件的视图。

图3A-B示出加热元件的不同实施例。

图4是根据一个实施例的加热元件以及安装架的视图。

图5A-B示出根据一个实施例的在环形加热器与平台底座之间的连接。以及

图6A-C示出具有不同悬垂部分的各种实施例。

具体实施方式

如上所述，安置在传统平台上的工件的边缘可以悬垂于平台上，从而导致这些边缘保持与工件的其余部分不同的温度。

图1示出环形加热器组合件100的第一实施例。在此实施例中，环形加热器组合件100安置在接近且环绕平台10的外周。平台10可以是静电卡盘(electrostatic chuck，ESC)，或任何其它类型的平台。在一些实施例中，平台10包括在平台10的上表面上封端的多个管道，所述管道将背侧气体传递到在平台10的上表面与工件30的底表面之间的体积中。平台10还可以具有在其外边缘附近的外部密封环(未示出)，所述外部密封环用以将背侧气体限制在此体积中且最小化背侧气体泄漏。外部密封环从平台10的上表面向上延伸并且接触工件30，从而形成含有背侧气体的壁。此外部密封环是有效的，因为其接触工件30。此外，平台10可以包含上介电层，多个电极安置在所述上介电层下方。可以将交变电压波形施加到这些电极，这会产生将工件30固持在平台10上的适当位置中的静电力。此上介电层可能无法承受离子束撞击。因此，由于外部密封环接触工件30，因此平台10通常小于安置于其上的工件30以确保离子束无法撞击平台10。在一些实施例中，工件30可以在平台10上悬垂2mm至3mm，但是其它尺寸也是可能的且也在本发明的范围内。

平台10可以安置在用于支撑平台10的底座20上。底座20可以由与平台10不同的材料制成。安装系统从底座20向外延伸，其可以包括一个或多个挠曲110。这些挠曲110在一端上耦合到底座20且向外以及向上延伸穿过平台10的边缘。这些挠曲110可以是任何合适的材料。在一些实施例中，挠曲110可以是电线安置于其中的导管，如下文更详细地描述。在其它实施例中，挠曲110可以是实心的(solid)并且电线120可以安置在挠曲110的外部。这些挠曲110可以连接到用于将环形加热器组合件100固持在适当位置的安装架160。安装架160还可以将一个或多个加热元件130固持在适当位置。安装架160可以是可以固持挠曲110的一端并且将所述端连接到底座20的块(block)。安装架160与挠曲110之间的连接可以是机械连接，例如，螺钉或夹子。当然，其它安装系统也可以用于将环形加热器组合件100固持在适当位置。

尽管图1示出两层加热元件130，但是本发明不限于任何特定数目的加热元件。这些加热元件130可以由防护屏140保护。此防护屏140可以是陶瓷材料，但可以使用其它材料。防护屏140的材料可以选择为相对不可渗透离子束的，使得所述防护屏阻止溅射。此外，可以选择材料，使得任何溅射材料最低限度地污染工件。碳化硅和石墨为此类材料，但可以使用其它材料。

如图1中所示，可以对防护屏140进行安置，使得当工件30安置于平台10上时，工件30不会接触防护屏140。

另外，挡热板150可以安置在加热元件130下方。此挡热板150用以朝向防护屏140向上引导由加热元件130产生的热量，以最大化从加热元件130至防护屏140的热传递。由于挡热板150并不暴露于离子束中，因此其可以由金属构成，但还可以使用其它材料。

在操作中，通过电线120将电力供应到加热元件130，所述加热元件将电能转换成热量。此热量由挡热板150朝向防护屏140向上反射。防护屏140吸收此热量，从而升高防护屏的温度。防护屏140随后经由辐射加热来加热安置于上方的工件30。

为了供应电力，环形加热器组合件100与电源(未示出)连通。在一些实施例中，电源可能够供应可变输出，使得由加热元件130产生的热量可以受到控制。在某些实施例中，电源的输出使用闭合回路控制进行控制，其中温度传感器(未示出)安置在环形加热器组合件100上或附近。在其它实施例中，温度传感器可以嵌入环形加热器组合件100中。电源基于环形加热器组合件100的所需温度以及如通过温度传感器测量到的实际温度来调节输出。在另一实施例中，校准电源的输出，使得产生使所需温度与输出级相等的表。此表随后用于基于所需温度来确定电源的合适输出。

图1示出具有两层加热元件130的环形加热器组合件100。然而，其它实施例也是可能的。例如，加热元件130可以安置在陶瓷或浸渍的石墨材料内。

图2示出环形加热器组合件200的另一实施例。在此实施例中，加热元件被封入一个或多个环形加热器210中。环形加热器210可以是陶瓷或浸渍的石墨材料，其中加热元件安置于所述环形加热器中。在一些实施例中，不使用单独的防护屏，因为用于建构环形加热器210的材料也充当防护屏。在此实施例中，挡热板220可以安置在环形加热器210的下侧上。应注意，在此实施例中，平台10具有锥形边缘。在此实施例中，环形加热器210可以建构成抵靠着平台10齐平或几乎齐平。如果平台10不具有锥度，那么环形加热器210也可以建构成不具有此锥度。

尽管未示出，但是如上所述环形加热器210内的加热元件与电源连通。

此外，环形加热器210可以包含安置于其中的温度传感器230。温度传感器可以是热电偶或电阻温度检测器(resistance temperature detector，RTD)。在一个实施例中，如图2中示出，腔231可以被钻入环形加热器210中，使得温度传感器230可以插入到腔231中。在一些实施例中，温度传感器230靠近环形加热器210的上表面安置，以更佳地确定工件30附近的温度。

应注意，工件30伸出平台10的边缘并且安置在环形加热器210的一部分上方。称为悬垂部分的此部分可以改变。在一些实施例中，仅2mm至3mm的工件包括悬垂部分。然而，在其它实施例中，平台10相对于工件可以制造成较小，使得悬垂部分可较大。例如，在一些实施例中，悬垂部分可以为15mm至20mm大。例如，图2示出约2mm至3mm的悬垂部分。然而，平台10的直径可以减小(例如)5mm、10mm、15mm、20mm或25mm，同时环形加热器210的宽度相应地增加。悬垂部分不受本发明限制。

图3A示出可以用于图2中示出的实施例中的环形加热器300的实施例。在此实施例中，一个或多个加热元件310安置在外部材料320内。这些加热元件310可以是设计成通过热量的产生来耗散能量的电阻式导线加热器。外部材料320可以是陶瓷、浸渍石墨或另一材料。在一些实施例中，加热元件310可以被封装在金属管315中以物理地将所述加热元件310与外部材料320分离。在一些实施例中，环形加热器300可以包含温度传感器。如图2中示出，在一些实施例中，可以在外部材料320中钻出腔并且可以将温度传感器放入所钻出的腔中。在另一实施例中，温度传感器380可以在上表面附近形成于外部材料320中。或者，腔可以形成于外部材料320的顶表面中，并且温度传感器380可以被放入所述腔中。

图3B示出可以用于图2中示出的实施例中的环形加热器350的另一实施例。在此实施例中，加热元件360可以是平坦的并且可以被封装在第一层370与第二层371之间。为了生产此环形加热器350，加热元件360可以进行丝网印刷(silk screen)、直接写入或以其它方式沉积在第二层371上，所述第二层可以是未点燃的陶瓷材料。随后可将也是未点燃的陶瓷材料的第一层370放置于第二层371顶部上。组合件随后被点燃或烧结并且变成具有嵌入的加热器的单片陶瓷。同样，温度传感器380可以使用上文描述的方法中的任一个嵌入第一层370中。

图4示出与平台10分离的环形加热器组合件400的实施例。在此实施例中，环形加热器组合件400由三个环形加热器410组成，每个约为总周长的1/3。如果使用更多环形加热器，那么每个将小于图4中示出的那些环形加热器。单独环形加热器410的使用可以允许热膨胀，同时最小化热应力。安装架420安置于每个相邻对的环形加热器410之间。安装架420固持挠曲(参看图1)以支撑环形加热器410，并且还提供将电力供应到安置在环形加热器410内的加热元件的电气管道。尽管未示出，但是环形加热器410可以由防护屏覆盖。环形加热器410可以具有图3A-3B中示出的类型，或任何其它合适的类型。

图5A说明在图4中示出的环形加热器410与底座20之间的连接的一个实施例的仰视图。图5B说明此实施例的俯视图。在此实施例中，底座20包括一个或多个插孔500以与安装架420匹配。在一些实施例中，三个或大于三个插孔500围绕底座20的外周长均等地安置。安装架420可以固持挠曲510以支撑环形加热器410。如上所述，挠曲510可以使用机械连接(例如，螺钉或夹子)固定到安装架420。在某些实施例中，安装架420还包括将电力供应到环形加热器410的一个或多个电气管道520。在某些实施例中，电气管道520可以安置在挠曲510中。

挠曲510可以通过多种方式连接到环形加热器410。在一个实施例中，可以存在接合到挠曲510的远端的凸缘。所述凸缘可以使用高温钎焊接合。具有带螺纹特征(threadedfeature)的块522可以附接到环形加热器410的下侧。所述带螺纹特征接受凸缘。凸缘与带螺纹特征之间的连接件可以是带螺纹接头。块522与环形加热器410的附接可以通过多种方式完成。在一个实施例中，环形加热器410可以是陶瓷。在此实施例中，块522可以是金属并且可以钎焊到环形加热器410。在另一实施例中，环形加热器410可以是石墨。在此实施例中，可以使用传统的带螺纹硬件，因为石墨可以接受具有插入件的螺纹。在替代实施例中，块522可以被夹持在石墨环形加热器的底部上的机械加工特征周围。在另一实施例中，挡热板(参看图2)安置在环形加热器410下方。如果此挡热板是金属，那么挠曲510可以连接到挡热板(heat shield)。

尽管图4、5A和5B示出可以用于将底座20附接到环形加热器组合件的安装架420的一个实施例，但是本发明不限于此实施例。其它支撑机构可以用于将环形加热器组合件固持在适当位置。

在所有这些实施例中，环形加热器组合件是环绕平台10的外周的环形环。环形加热器组合件的顶部可以经定位，使得环形加热器组合件略低于平台10的顶表面水平，以确保工件30不与环形加热器组合件接触。

在每个实施例中，环形加热器组合件包括安置在环形加热器组合件的上表面上的防护屏。由于防护屏暴露于离子束中，因此所述防护屏可以由陶瓷或浸渍石墨或抗溅射的任何合适的材料制成。

一个或多个加热元件处于防护屏下方。这些加热元件通常是供应有来自电源的电力的电阻元件。穿过加热元件的电能转换成热量，用以加热所述加热元件以及周围元件，例如，防护屏。在一些实施例中，加热元件被封入或封装在充当防护屏的陶瓷或石墨壳体中。在一些实施例中，温度传感器嵌入或以其它方式固定到壳体或外部材料。

朝向环形加热器组合件的上表面反射热量的挡热板可以安置在加热元件下方。此挡热板可以是金属，因为其不暴露于离子束中。

另外，环形加热器组合件可以通过使用安装系统而固持在适当位置。在一些实施例中，安装系统包括从底座延伸的多个挠曲。然而，也可以使用其它安装系统。

最后，环形加热器组合件可以与为加热元件供电的电源连通。如上所述，电源可能够供应可变输出，使得由加热元件产生的热量可以受到控制。在某些实施例中，电源的输出使用闭合回路控制进行控制，其中温度传感器安置在环形加热器组合件的顶表面上或附近。在此实施例中，控制器(未示出)可以与温度传感器和电源连通。控制器还可以接收关于环形加热器组合件的所需温度的输入。控制器随后使用来自温度传感器的输入来调整电源的输出。可以完成此操作，使得环形加热器组合件的温度与平台的温度匹配。在另一实施例中，电源的输出由控制器使用使所需温度与输出级相等的表来控制。在此实施例中，控制器接收关于环形加热器组合件的所需温度的输入。控制器随后索引所述表以确定来自电源的合适输出。

在一些实施例中，环形加热器组合件用于工件将被加热至环境温度以上的情况。如上文所解释，在传统平台中，工件在平台的边缘上悬垂约2mm至3mm。另外，外部密封环可以安置在平台的边缘前面若干毫米处。如上所述，外部密封环提供容纳工件30与平台10之间的背侧气体的阻挡层。此背侧气体在平台与工件之间提供加热机构，因为背侧气体由平台加热并且将所述热量传递到工件。换句话说，平台10通过背侧气体的使用而提供传导加热。因此，工件30的伸出外部密封环的部分无法有效地通过平台10和背侧气体加热。实际上，在一个实例中，加热平台10以将工件30保持在600℃。尽管大部分工件30保持在此温度处，但是工件30的外部部分并非如此。实际上，在一个实例中，工件30的外边缘比工件30的其余部分冷50℃。

以上情形通过安装在平台周围的环形加热器组合件重复。在此实例中，工件30的外边缘的温度在工件30的其余部分的5℃范围内，从而展示此方法的有效性。

环形加热器组合件通过辐射加热来加热工件，因为环形加热器组合件与工件30之间不存在接触。此外，在环形加热器组合件与工件30之间的空间中不存在背侧气体。

在某些实施例中，归因于环形加热器组合件的存在，平台10相对于工件的直径可以减小。如上所述，在一些实施例中，工件30的悬垂部分可以为2mm至3mm。然而，在某些实施例中，可以将悬垂部分增加至10mm、15mm、20mm或甚至更大值。此方法可以向环形加热器组合件添加结构刚度并且对工件30上的总体温度分布不产生影响。

图6A-C示出具有不同悬垂部分的各种实施例。应注意，在这些实施例中，平台的边缘未逐渐变细。因此，在这些实施例中，环形加热器的内周是直线且与平台对准。

在图6A中，悬垂部分约为2mm至3mm。换句话说，约2mm至3mm的工件30安置在环形加热器600上方。在一个实施例中，工件30可以具有300mm的直径，而平台10具有约295mm的直径。在此实施例中，环形加热器600可以具有在约7mm与22mm之间的宽度。

在图6B中，悬垂部分约为17mm。在此实施例中，工件30可以具有300mm的直径，而平台610具有约266mm的直径。在此实施例中，环形加热器611可以具有在约22mm与35mm之间的宽度。

在图6C中，悬垂部分约为30mm。在此实施例中，工件30可以具有300mm的直径，而平台620具有约240mm的直径。在此实施例中，环形加热器621可以具有在约35mm与50mm之间的宽度。

在这些实施例的每一个中，环形加热器的外径不变并且与工件30的外径有关。环形加热器的内径基于平台的外径而变化。环形加热器的外径可以任何量伸出工件30的外径。在一些实施例中，增加穿过工件30的外径的环形加热器的外径可减少工件30外边缘处的热量损失。在一些实施例中，选择环形加热器的外径以便穿过工件30的外边缘扩展至少5mm。在其它实施例中，环形加热器的外径可以穿过工件的外边缘扩展大于20mm。当然，可以使用工件30的直径与环形加热器的外径之间的其它关系。例如，可以选择环形加热器的外径以便最优化工件30边缘处的辐射热量损失以及环形加热器的总体大小。

因此，在一个实施例中，环形加热器组合件是工件固持和加热设备的一部分。工件固持和加热设备包含平台以及环绕平台的外周的环形加热器组合件。平台使用背侧气体通过传导加热来加热工件。平台还可以通过使用静电力来将工件固持在适当位置。为环绕平台的环形环的环形加热器组合件使用辐射加热来加热工件。与另外可能产生的温度分布相比，此组合在整个工件上有效地产生更均匀的温度分布。

尽管本发明描述环形加热器与加热平台的使用，但是本发明不限于此实施例。例如，在一些实施例中，可以在室温下执行离子注入。然而，即使在室温下，在工件外周附近的工件温度也可能存在一些变化，其中工件的外边缘可以比工件的其余部分冷。环形加热器组合件的使用可以最小化在外边缘处的此温度滚降。

本发明不限于由本文所描述的具体实施例界定的范围。实际上，除本文所描述的那些实施例和修改之外，所属领域的一般技术人员根据以上描述和附图将明白本发明的其它种实施例和对本发明的修改。因此，此类其它实施例和修改既定属于本发明的范围。此外，尽管已出于特定目的在特定环境下在特定实施方案的上下文中描述了本发明，但所属领域的一般技术人员将认识到其有用性并不限于此，并且出于任何数目的目的，本发明可以有利地在任何数目的环境中实施。因此，应鉴于如本文所描述的本发明的整个广度和精神来解释上文阐述的权利要求。

Claims (15)

1.一种工件固持和加热设备，其包括：

平台；以及

环绕所述平台的外周的环形加热器组合件，所述环形加热器组合件包括顶表面上的防护屏以及安置在所述防护屏下方的加热元件。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述加热元件被封入所述防护屏中。

3.根据权利要求2所述的设备，其中所述防护屏是陶瓷材料。

4.根据权利要求1所述的设备，其中所述环形加热器组合件进一步包括用于将所述环形加热器组合件固持在适当位置的安装系统。

5.根据权利要求4所述的设备，其中所述安装系统连接到底座，其中所述底座也支撑所述平台，其中所述安装系统包括多个挠曲。

6.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括与所述环形加热器组合件连通的电源。

7.根据权利要求6所述的设备，其进一步包括安置在所述环形加热器组合件的所述顶表面附近的温度传感器，其中所述电源基于来自所述温度传感器的反馈控制输出。

8.根据权利要求7所述的设备，其中所述电源基于所需温度调节输出。

9.一种加热工件的方法，其包括：

通过背侧气体的使用而使用传导加热来将热量提供到所述工件的第一部分；以及

使用辐射加热来将热量提供到所述工件的第二部分。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述第二部分是所述工件的外边缘，并且所述方法进一步包括将所述工件固持在适当位置，其中平台用于提供静电力来固持所述工件并且所述平台将所述背侧气体供应到在所述平台的上表面与所述工件的底表面之间的体积中。

11.一种环形加热器组合件，其包括：

环形防护屏；

加热元件，其安置在所述环形防护屏下方；以及

安装系统，其用于将所述环形防护屏放置在适当位置。

12.根据权利要求11所述的环形加热器组合件，其中所述安装系统包括与底座连通的安装架以及从所述安装架朝向所述加热元件延伸的多个挠曲。

13.根据权利要求11所述的环形加热器组合件，其中所述环形防护屏包括陶瓷或石墨。

14.根据权利要求13所述的环形加热器组合件，其中所述加热元件被封入所述环形防护屏中。

15.根据权利要求11所述的环形加热器组合件，其进一步包括安置在所述环形加热器组合件的顶表面附近的温度传感器。