CN107452647A - 用于半导体加工的使用交流驱动的多路复用加热器阵列 - Google Patents

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Abstract

一种用于半导体等离子体加工装置中的衬底支撑组件的加热板，包括布置在可扩展的多路复用布局中的多个可独立控制的平面加热器区以及独立控制所述平面加热器区并给其独立供电的电气设备。并入加热板的衬底支撑组件包括静电夹紧电极和温控基板。用于制造加热板的方法包括将具有平面加热器区、分支传输线、公共传输线和通孔的陶瓷或聚合物片材粘合在一起。加热板能通过交流电或直流相变功率驱动，这样的优点是使衬底支撑组件上方的直流磁场效应最小并且减小直流磁场引起的等离子体不均匀性。

Description

用于半导体加工的使用交流驱动的多路复用加热器阵列
本申请是申请号为201380011565.3、申请日为2013年1月30日、发明名称为“用于半导体加工的使用交流驱动的多路复用加热器阵列”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及半导体加工，更具体地涉及用于半导体加工的使用交流驱动的多路复用加热器阵列。
背景技术
伴随着相继的一代代半导体技术，衬底直径趋向于增大并且晶体管尺寸减小，从而导致在衬底加工中需要更高的精确度和可重复性。通过包括使用真空室的技术来加工半导体衬底材料，例如，硅衬底。这些技术包括非等离子体应用，例如，电子束沉积，以及等离子体应用，例如溅镀沉积、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、抗蚀剂剥离和等离子体蚀刻。
如今可用的等离子体加工系统属于越来越需要改善精度和可重复性的这些半导体制造工具。等离子体加工系统的一个度量是提高的均匀性，这包括各个半导体衬底表面上的加工结果的均匀性以及使用标称相同的输入参数加工的一连串衬底的加工结果的均匀性。希望连续提高衬底上均匀性。除了别的以外，这需要具有改善的均匀性、一致性和自我诊断的等离子体室。
发明内容
本文描述了一种用于衬底支撑组件的加热板，该衬底支撑组件用于在半导体加工装置中支撑半导体衬底，所述加热板包括：第一电气绝缘层；平面加热器区，包括至少第一、第二、第三和第四平面加热器区，平面加热器区横向分布在所述第一电气绝缘层上，并且能操作来调节所述衬底上的空间温度分布；第一电源线，至少包括电气连接到所述第一和第二平面加热器区的第一导电电源线以及电气连接到所述第三和第四平面加热器区的第二导电电源线；以及第二电源线，至少包括电气连接到所述第一和第三平面加热器区的第三导电电源线以及电气连接到所述第二和第四平面加热器区的第四导电电源线，其中电源、电源线或二极管中的至少一者被配置成减小加热板上方的电磁场。
附图说明
图1是衬底支撑组件的剖视图的示意图，其中并入了具有平面加热器区阵列的加热板，该衬底支撑组件还包括静电卡盘(ESC)。
图2图示了在可被并入衬底支撑组件的加热板的一个实施例中在正向分支传输线、反向分支传输线与公共传输线之间连接到平面加热器区的拓扑连接。
图3至图8示出了示例性加热板，其中平面加热器区、正向分支传输线、反向分支传输线、公共传输线和二极管不同地设置在加热板中的平面上。
图9示出了加热板中任选的主加热器。
图10示出了平面加热器区之一与正向分支传输线、反向分支传输线、公共传输线和二极管的电气连接。
图11示出了衬底支撑组件的示意图，图示了正向分支传输线、反向分支传输线、公共传输线和二极管连接到平面加热器区阵列的连接。
具体实施方式
对于在半导体加工设备中控制径向的和方位角的衬底温度以在衬底上实现所需的临界尺寸(CD)均匀性的要求正变得越来越高。即使很小的温度变化也会对临界尺寸造成程度不能接受的影响，尤其是在半导体制造过程中临界尺寸接近亚100nm时。
衬底支撑组件在加工期间可以被配置成用于多种功能，例如支撑衬底，调节衬底温度以及供应射频功率。衬底支撑组件可以包括静电卡盘(ESC)，用于在加工期间将衬底静电夹紧在衬底支撑组件上。ESC可以是可调节的ESC(T-ESC)。在共同转让的美国专利No.6,847,014和No.6,921,724中描述了T-SEC，上述专利通过引用的方式并入本文中。衬底支撑组件可以包括陶瓷衬底架(例如，ESC)、流体冷却散热器(以下称为冷却板)和多个平面加热器区以实现逐步的空间温度控制。通常，冷却板维持在恒定温度，所述恒定温度可以在0℃与30℃之间或者在此范围之外。加热器和冷却板通过两者之间的绝热体层分隔开。在等离子体加工期间，不论衬底是否被热流加热，加热器都可以维持衬底支撑组件的支撑面在冷却板温度以上约0℃至80℃的温度。通过改变多个平面加热器区内的加热器功率，可以改变衬底支撑件的温度分布。另外，可以在冷却板温度以上0至80℃或更高的温度工作范围内逐步地改变平均的衬底支撑温度。由于临界尺寸随着半导体技术的进步而减小，很小的方位角温度变化造成越来越大的挑战。
控制温度并不是轻松的任务，这有几个原因。第一，许多因素会影响传热，例如热源与散热器的位置，传热介质的运动、材料和形状。第二，传热是动态过程。除非所考虑的系统处于热平衡，否则就会发生传热并且温度分布和传热会随着时间的变化而变化。第三，非平衡现象，例如在等离子体加工期间当然存在的等离子体，使得对任何实际的等离子体加工设备的传热行为进行精确的理论预测(如有可能)变得非常困难。
等离子体加工设备中的衬底温度分布受到许多因素的影响，例如，等离子体密度分布，射频功率分布以及卡盘中的各种加热和冷却元件的细部结构，因此衬底温度分布通常不均匀并且难以用少量的加热或冷却元件进行控制。这种缺陷转变成在整个衬底上加工速率的不均匀性以及衬底上的器件裸片(dies)的临界尺寸的不均匀性。可能需要引入特意的非均匀温度分布以补偿其他效果，包括但不限于，来料衬底的不均匀性，将要进行的工艺的均匀性以及在后续步骤中期望的均匀性。
鉴于温度控制的复杂性，将会有利的是将多个可独立控制的平面加热器区结合到衬底支撑组件上以允许设备主动建立并维持所需的空间和时间温度分布，并且补偿影响临界尺寸均匀性的其他不利因素。
在共同拥有的美国专利公开No.2011/0092072中公开了在具有多个可独立控制的平面加热器区的半导体加工设备中用于衬底支撑组件的加热板，该公开内容通过引用的方式并入本文中。该加热板包括平面加热器区和给平面加热器区供电的导线的可扩展的多路复用布局方案。通过调节平面加热器区的功率，在加工期间的温度分布可以在径向上和方位角上成形。
本文公开了一种具有多个可独立控制的平面加热器区的加热板，其中加热板上的平面加热器区可以由交流电单独供电。本文中使用的术语“交流电”指的是由交流电源提供的电流或者由直流电源通过合适的转换装置提供的电流。
在此加热板中的平面加热器区优选地布置成限定的图案，例如，矩形网格、六边形网格、环形阵列(polar array)、同心环或任何所需的图案。各个平面加热器区可以具有任何合适的尺寸并且可以具有一个或多个加热元件。平面加热器区中的所有加热元件同时开启或关闭。为了在允许使用交流电给平面加热器区供电的同时使电气连接的数量最小化，布置电源线，例如正向分支传输线、反向分支传输线和公共传输线，使得各个正向分支传输线连接到平面加热器区的不同的组，并且对应的反向分支传输线连接到正向分支传输线所连接上的同一组平面加热器区，并且各个公共传输线连接到平面加热器区的不同的组，其中每个平面加热器区在连接到特定的正向分支传输线上的所述组之一中并且在连接到特定的公共传输线上的所述组之一中。没有两个平面加热器区连接到同一对正向分支传输线和公共传输线上。因此，通过平面加热器区连接上的正向分支传输线或其对应的反向分支传输线以及公共传输线供应交流电可以激活平面加热器区。加热元件的功率优选地小于20W，更优选为5W至10W。加热元件可以是薄膜电阻加热器，例如，聚酰亚胺加热器、硅橡胶加热器、云母加热器、金属加热器(例如，W、Ni/Cr合金、Mo或Ta)、陶瓷加热器(例如，WC)、半导体加热器或碳加热器。加热元件可以是网版印刷的加热器、线绕型加热器或蚀刻箔加热器。在一个实施例中，每个平面加热器区不大于在半导体衬底上正在制造的四个器件裸片，或者不大于在半导体衬底上正在制造的两个器件裸片，或者不大于在半导体衬底上正在制造的一个器件裸片，或者面积为16cm2至100cm2，或者面积为1cm2至15cm2，或者面积为2cm2至3cm2，以便与衬底上的器件裸片对应。加热元件的厚度可以在2微米至1毫米的范围内，优选地在5微米至80微米的范围内。为了在平面加热器区和/或正向分支传输线、反向分支传输线和公共传输线之间允许有空间，平面加热器区的总面积可以高达衬底支撑组件的上表面面积的90％，例如，上表面面积的50％至90％。正向分支传输线、反向分支传输线或公共传输线(统称为电源线)可被布置在平面加热器区之间的介于1mm至10mm范围内的间隙中，或者布置在通过电气绝缘层与平面加热器区间隔开的单独平面中。分支传输线和公共传输线优选地做成与空间所允许的宽度同宽，以便承载大电流并减少焦耳发热。在电源线与平面加热器区位于相同平面内的一个实施例中，电源线的宽度优选地在0.3mm与2mm之间。在电源线与平面加热器区位于不同平面上的另一个实施例中，电源线的宽度可以与平面加热器区一样大，例如，对于300mm的卡盘，该宽度可以是1英寸至2英寸。电源线的材料可以与加热元件的材料相同或不同。优选地，电源线的材料是具有低电阻率的材料，例如，Cu、Al、W、或Mo。优选地，电源线的布局使对所需温度分布的干扰最小化并且使对磁场不均匀性的局部影响最小化。
图1至图2示出了包括加热板的一个实施例的衬底支撑组件，该加热板具有结合在两个电气绝缘层104A和104B之间的平面加热器区101阵列。电气绝缘层104A和104B可以是聚合材料，无机材料，陶瓷(例如，氧化硅、氧化铝、氧化钇、氮化铝)，或其他合适材料。衬底支撑组件进一步包括：(a)ESC，具有陶瓷层103(静电夹紧层)，其中嵌有电极102(例如，单极或双极)以利用DC电压静电夹紧衬底到陶瓷层103的表面；(b)热屏障层107；(c)冷却板105，包括用于冷却剂流动的通道106。
如图2所示，各个平面加热器区101连接到正向分支传输线201F、与正向分支传输线201F对应的反向分支传输线201R和公共传输线202。没有两个平面加热器区101共享同一对正向分支传输线201F和公共传输线202，或者同一对反向分支传输线201R和公共传输线202。通过合适的电气开关装置，一对正向分支传输线201F和公共传输线202，或一对反向分支传输线201R和公共传输线202能够连接到电源(未示出)上，由此只开启连接到这对线上的平面加热器区。通过时域多路复用可以单独调节各个平面加热器区的时均加热功率。二极管250F串联在每个平面加热器区101和与其连接的正向分支传输线201F之间(如图2所示)，使得二极管250F不允许电流从平面加热器区101流到正向分支传输线201F。二极管250R串联在每个平面加热器区101和与其连接的反向分支传输线201R之间(如图2所示)，使得二极管250R不允许电流从反向分支传输线201R流到平面加热器区101。二极管250F和250R可以在物理上位于加热板中或任何合适的位置。
包括正向分支传输线201F、反向分支传输线201R、公共传输线202、二极管250F和250R和平面加热器区101在内的电气元件可以以任何合适的顺序设置在加热板中的多个平面上，其中这些平面通过电气绝缘材料彼此分隔开。平面之间的电气连接可以通过适当布置、垂直延伸的通孔来实现。优选地，加热器布置成最靠近衬底支撑组件的上表面。
图3至图8示出了具有不同布置的电气元件的加热板的实施例。
图3示出了根据实施例的包括加热板的衬底支撑组件，其中平面加热器区101(仅示出一个)设置在第一平面501上；公共传输线202(仅示出一个)设置在第二平面502上；并且正向分支传输线201F(仅示出一个)和反向分支传输线201R(仅示出一个)设置在第三平面503上。第一平面501、第二平面502和第三平面503通过电气绝缘层504和304彼此间隔开。正向分支传输线201F通过设置在第三平面503中的二极管250F以及通孔301连接到平面加热器区101上。反向分支传输线201R通过设置在第三平面503中的二极管250R以及通孔301连接到平面加热器区101上。公共传输线202通过通孔301连接到平面加热器区101上。二极管250F不允许电流从平面加热器区101流到正向分支传输线201F。二极管250R不允许电流从反向分支传输线201R流到平面加热器区101。
图4示出了根据实施例的包括加热板的衬底支撑组件，其中平面加热器区101(仅示出一个)设置在第一平面501上；公共传输线202(仅示出一个)设置在第二平面502上；并且正向分支传输线201F(仅示出一个)和反向分支传输线201R(仅示出一个)设置在第一平面501上。第一平面501和第二平面502通过电气绝缘层304彼此间隔开。正向分支传输线201F通过设置在第一平面501中的二极管250F连接到平面加热器区101上。反向分支传输线201R通过设置在第一平面501中的二极管250R连接到平面加热器区101上。公共传输线202通过通孔301连接到平面加热器区101上。二极管250F不允许电流从平面加热器区101流到正向分支传输线201F。二极管250R不允许电流从反向分支传输线201R流到平面加热器区101。
图5示出了根据实施例的包括加热板的衬底支撑组件，其中平面加热器区101(仅示出一个)设置在第一平面501上；公共传输线202(仅示出一个)设置在第一平面501上；正向分支传输线201F(仅示出一个)设置在第三平面503上；并且反向分支传输线201R(仅示出一个)设置在第二平面502上。第一平面501、第二平面502和第三平面503通过电气绝缘层504和304彼此间隔开。正向分支传输线201F通过设置在第三平面503中的二极管250F以及通孔301连接到平面加热器区101上。反向分支传输线201R通过设置在第二平面502中的二极管250R以及通孔301连接到平面加热器区101上。公共传输线202连接到平面加热器区101上。二极管250F不允许电流从平面加热器区101流到正向分支传输线201F。二极管250R不允许电流从反向分支传输线201R流到平面加热器区101。
图6示出了根据实施例的包括加热板的衬底支撑组件，其中平面加热器区101(仅示出一个)设置在第一平面501上；公共传输线202(仅示出一个)设置在第二平面502上；正向分支传输线201F(仅示出一个)设置在第三平面503上；并且反向分支传输线201R(仅示出一个)设置在第一平面501上。第一平面501、第二平面502和第三平面503通过电气绝缘层504和304彼此间隔开。正向分支传输线201F通过设置在第三平面503中的二极管250F以及通孔301连接到平面加热器区101上。反向分支传输线201R通过设置在第一平面501中的二极管250R连接到平面加热器区101上。公共传输线202通过通孔301连接到平面加热器区101上。二极管250F不允许电流从平面加热器区101流到正向分支传输线201F。二极管250R不允许电流从反向分支传输线201R流到平面加热器区101。
图7示出了根据实施例的包括加热板的衬底支撑组件，其中平面加热器区101(仅示出一个)设置在第一平面501上；公共传输线202(仅示出一个)设置在第一平面501上；正向分支传输线201F(仅示出一个)和反向分支传输线201R(仅示出一个)设置在第二平面502上。第一平面501和第二平面502通过电气绝缘层304彼此间隔开。正向分支传输线201F通过设置在第二平面502中的二极管250F以及通孔301连接到平面加热器区101上。反向分支传输线201R通过设置在第二平面502中的二极管250R以及通孔301连接到平面加热器区101上。二极管250F不允许电流从平面加热器区101流到正向分支传输线201F。二极管250R不允许电流从反向分支传输线201R流到平面加热器区101。
图8示出了根据实施例的包括加热板的衬底支撑组件，其中平面加热器区101(仅示出一个)设置在第一平面501上；公共传输线202(仅示出一个)设置在第二平面502上；正向分支传输线201F(仅示出一个)设置在第三平面503上；并且反向分支传输线201R(仅示出一个)设置在第四平面504上。第一平面501、第二平面502、第三平面503和第四平面504通过电气绝缘层504、304和804彼此间隔开。正向分支传输线201F通过设置在第三平面503中的二极管250F以及通孔301连接到平面加热器区101上。反向分支传输线201R通过设置在第四平面504中的二极管250R以及通孔301连接到平面加热器区101上。公共传输线202通过通孔301连接到平面加热器区101上。二极管250F不允许电流从平面加热器区101流到正向分支传输线201F。二极管250R不允许电流从反向分支传输线201R流到平面加热器区101。
如图9所示，为了简洁起见省略了正向分支传输线201F、反向分支传输线201R、公共传输线202、二极管250和通孔301，衬底支撑组件可以包括附加的电气绝缘层604，其中并入了一个或多个附加的加热器(以下称为主加热器601)。优选地，主加热器601是单独控制的高功率加热器。主加热器的总功率在100W与10000W之间，优选地，在1000W与5000W之间。主加热器可以设置成任何所需的图案，例如，矩形网格、同心环形区、径向区或者环形区与径向区的组合。主加热器可以用于在衬底上改变平均温度，粗略地空间调节温度分布(例如，同心加热器提供径向温度控制)或逐步的温度控制。主加热器可以位于加热板的平面加热器区上方或下方。
在一个实施例中，加热板中的至少一个绝缘层是一片聚合材料。在另一个实施例中，加热板中的至少一个绝缘层是一片无机材料，例如陶瓷或氧化硅。绝缘层还可以是聚合材料和陶瓷材料的组合。在共同转让的美国专利No.6,483,690中公开了用于制造陶瓷卡盘的合适的绝缘材料和导电材料的实例，该专利的公开内容通过引用的方式并入本文中。
衬底支撑组件可以包括加热板的实施例，其中加热板的各个平面加热器区的尺寸类似于或小于衬底上的单个器件裸片或成组器件裸片的尺寸，使得可以针对每个器件裸片位置控制衬底温度并且因此控制等离子体蚀刻过程以最大化从衬底形成器件的良率。加热板的可扩展架构可以容易地适应用最少数量的分支传输线、公共传输线和冷却板中的引线进行逐片的(die-by-die)衬底温度控制(在300mm直径的衬底上通常有超过100个裸片)所需的平面加热器区的数量，因此减少对衬底温度的干扰，降低制造成本，并且减小增加到衬底支撑组件的电源线的连接的复杂性。尽管未示出，但衬底支撑组件可以包括诸如用于升降衬底的升降销、氦背部冷却、用于提供温度反馈信号的温度传感器、用于提供加热功率反馈信号的电压和电流传感器、用于加热器和/或夹紧电极的功率馈送和/或射频滤波器之类的特征。
在用于制造加热板的方法的一个实施例中，其中绝缘层是陶瓷，绝缘层可以通过使用例如等离子体喷涂、化学气相沉积或溅镀之类的技术在合适的衬底上沉积陶瓷来形成。该绝缘层可以是起始层或者是加热板的绝缘层之一。
在用于制造加热板的方法的一个实施例中，其中绝缘层是陶瓷，绝缘层可以通过将陶瓷粉末、粘结剂和液体的混合物压合成片材并且干燥该片材(以下称为基板(greensheets))来形成。基板可以具有任何所需的厚度，例如，约0.3mm的厚度。通过在基板上冲孔可以在基板上形成通孔。孔填满了导电粉末的浆料。加热元件、分支传输线和公共传输线可以通过网版印刷导电粉末(例如，W、WC、掺杂的SiC或MoSi2)的浆料、压合成预切割的金属箔、喷涂导电粉末的浆料来形成，或者通过任何其他合适的技术来形成。可在基板的形成过程中压制用于容纳二极管的凹陷或者在该形成过程之后在基板中切割所述凹陷。二极管可以安装在这些凹陷中。然后对准、挤压并烧结具有多种组件(传输线、通孔、二极管和加热元件)的多个基板以形成整个加热板。
在用于制造加热板的方法的另一个实施例中，其中绝缘层是陶瓷，绝缘层可以通过将陶瓷粉末、粘结剂和液体的混合物压合成基板并且干燥该基板来形成。基板可以具有0.3mm的厚度。在基板上冲孔用于容纳通孔。可在基板的形成过程中压制用于容纳二极管的凹陷或者在该形成过程之后在基板中切割所述凹陷。然后烧结单个基板。烧结的基板上用于容纳通孔的孔填满了导电粉末的浆料。加热元件、分支传输线和公共传输线可以在烧结的基板上用导电粉末(例如，W、WC、掺杂的SiC或MoSi2)的浆料网版印刷，或者使用任何其他合适的技术来形成。然后对准并使用粘合剂粘结具有多种组件(传输线、通孔、二极管和加热元件)的多个烧结的基板以形成整个加热板。
在绝缘层是氧化硅片材的一个实施例中，通过使用例如蒸镀、溅射、PVD、CVD、PECVD之类的技术在合适的衬底上沉积薄膜氧化硅可以形成绝缘层。
在用于制造加热板的方法的一个优选实施例中，例如Al、或铜箔之类的薄金属片(元件层)粘结(例如，热挤压，用粘合剂粘合)在例如聚酰亚胺之类的第一聚合物膜上。在元件层的表面上涂覆图案化的抗蚀膜，其中图案限定例如加热元件、分支传输线或公共传输线等电气元件的形状和位置。暴露的金属经过化学蚀刻，抗蚀剂图案保留在剩余的金属片上。然后通过溶解在合适的溶剂中或者干法剥离来去除抗蚀剂。具有用于容纳通孔(通孔层)的孔的第二聚合物膜对准并粘合在第一聚合物膜上。孔的侧壁中可以涂有电镀金属。可以连续合并任意合适数量的元件层和通孔层。最后，用用于电气绝缘的连续的聚合物膜覆盖暴露的金属元件。
在另一个实施例中，加热元件、分支传输线和公共传输线是由沉积(例如，等离子体喷涂、电镀、化学气相沉积或溅镀)在绝缘层或衬底(例如，基板)上的金属膜形成的。
在另一个实施例中，加热元件、分支传输线和公共传输线是由沉积(例如，电镀、化学气相沉积或溅镀)在绝缘层或衬底(例如，基板)上的非晶态导电无机膜(例如铟锡氧化物)的薄层形成的。
在又一个实施例中，加热元件、正向分支传输线、反向分支传输线和公共传输线是由沉积(例如，化学气相沉积或溅镀)在绝缘层或衬底(例如，基板)上的导电陶瓷膜的薄层形成的。
在一个实施例中，加热板中的正向分支传输线、反向分支传输线和公共传输线可以通过终端连接器(例如嵌入冷却板但与其电气绝缘的顶针通孔(spring tippedpassthroughs))连接到外部电路。
在另一个实施例中，加热板中的正向分支传输线、反向分支传输线和公共传输线可以通过将导线附接(焊接，用导电胶粘结或者点焊)到分支传输线和公共传输线并且将这些导线穿过冷却板中的孔或导管而连接到外部电路。
图10示出了平面加热器区101中的一个与正向分支传输线201R、反向分支传输线201R、公共传输线202以及二极管250F和250R的电气连接。控制器1000控制流过这些电气元件的电流。控制器1000可以包括例如直流电源、交流电源以及用于控制至少一个电源的逻辑单元(硬件或软件)等元件。控制器1000可以包括用于将多个电源路由到不同的传输线、开启和关闭电源、根据电压或电流设置功率大小、以及设置交流频率以及其它技术的逻辑单元。
图11示出了包括加热板的一个实施例的衬底支撑组件的示意图，该加热板具有平面加热器区101的阵列。每个平面加热器区101连接到正向分支传输线201F、与正向分支传输线201F对应的反向分支传输线201R和公共传输线202。二极管250F串联在每个平面加热器区101和与其连接的正向分支传输线201F之间(如图11所示)使得二极管250F不允许电流从平面加热器区101流到正向分支传输线201F。二极管250R串联在每个平面加热器区101和与其连接上的反向分支传输线201R之间，使得二极管250R不允许电流从反向分支传输线201R流到平面加热器区101。二极管250F和250R可以在物理上位于加热板中或任何合适的位置。
在直流电源方案中，控制器1000可以选择性地将加热器区101连接到成对的分支传输线和公共传输线上，例如对正向分支传输线201F电气隔离或者对其供电、对反向分支传输线201R电气隔离或者连接到电气公共端(electrical common)以及对公共传输线202连接到电气公共端或者对其供电。
控制器1000可以使用交流电按照以下示例性方案驱动平面加热器区101。使用交流电驱动平面加热器区101具有使衬底支撑组件上方的直流电磁场效应最小化的优点，直流电磁场会不利地影响等离子体的均匀性。交流电的频率优选地至少10Hz，更优选地至少100Hz，最优选地至少1000Hz或更高，但是不会高到对等离子体直接产生射频效应。
在第一示例性方案中，使用输出恒定的正电压的单个直流电源。当开启平面加热器区101时，控制器1000通过在表1所示的状态1与状态2之间快速循环而供应方波交流电到平面加热器区101。
表1
状态1 状态2
201F 连接到直流电源 电气隔离
201R 电气隔离 连接到电气公共端
202 连接到电气公共端 连接到直流电源
在第二示例性方案中，使用输出交替的正负电压的交流电源。当开启平面加热器区101时，控制器1000将正向分支传输线201F和反向分支传输线201R连接到交流电源并且将电气公共端连接到公共传输线202。优选地，来自交流电源的输出没有直流分量，即，从交流电源输出的时均电流基本等于零。
可替代地，可以用双输出直流电源、具有单个开关的双极直流电源或者其他合适装置替换单个直流电源。
优选地，正向分支传输线201F及其对应的反向分支传输线201在物理路径上彼此靠近。即，从正向分支传输线201F流过平面加热器区101和公共传输线202的电流所封闭的区域与从公共传输线202流过平面加热器区101和反向分支传输线201R的电流所封闭的区域基本上重叠。例如，如果正向分支传输线201F及其对应的反向分支传输线201R设置在不同平面上，那么它们可以被布线成使得彼此基本上重叠。
根据所执行的工艺，加热板可以具有适于实现所需的工艺要求的若干加热器区。例如，加热板可以具有至少10个，至少100个，并且最多1000个加热器区，例如100至1000个加热器区。例如，加热器阵列可以包括至少16、25、36、49、64、81、100、121、144、149、196、225、256、289、324个加热器区或更多。
上述尺寸的加热器配置会需要大约1KW以在整个ESC上分布。这继而意味着在ESC陶瓷内存在单独导电的载流迹以及组合的高电流载流总线以输送电力到所需的使用点。相关的开关/控制电路控制电流如何分布并且分布在何处，并且这可以通过使用模拟控制亦或数字控制或者两者的混合来完成。数字开关的优点包括它更简单且更高效，尽管控制因此受到时分多路复用和脉宽调制(PWM)技术的影响。这些导通和断开、并且在ESC表面下的多条路径上流动并且因此在晶圆下方流动的电流会产生显著的电磁场，这继而会在加工期间对等离子体并且因此对晶圆的等离子体加工产生(不希望的)修改。所涉及的电流(高达每个加热器区3A或更高，特别是在共同总线(collective busses)上高达每组35A或更高)会在晶圆上方的等离子体区域中产生高达1高斯并超过1高斯的场。在晶圆上方的室容积中全面施加的这种量级的场会导致晶圆上大约1nm的临界尺寸变化，这无法满足客户要求。
因此有利的是减小从ESC放射的电磁场。不同的技术具有不同的优点和缺点，并且可以单独或结合使用。一个构思是形成破坏性干涉的磁场。简单地说，通过将电磁场放置在相反的电磁场附近，这两个电磁场会相互抵消，使得ESC上方的净磁场减小。另一个构思是布置ESC，使得输送更小的最大电流和/或最小化电感，从而限制产生的电磁场。
电源线可以这样一种方式在空间上进行布置以便形成将会彼此抵消的相反的电磁场并且减小ESC上方的净磁场，这继而会减小等离子体的非均匀性。例如，电源线可以在水平平面上布置成彼此相邻。可替代地，电源线可以在垂直平面上布置成一个在另一个上。还可以使用电源线的对角配置。另外，将电源线布置成基本上彼此平行可以使ESC上方的净磁场最小。
另一个构思是改变电源线本身的性能。宽而短的电源线得到与薄而长的电源线不同的磁场。另外，使用同轴配置会更有利于减小等离子体的非均匀性。
理想的空间布置可以使用上述技术的任意组合。例如，当电源线宽而短时，将电源线布置在垂直平面上将会是减小净电磁场的最有效的方式。然而，当电源线长但不厚时，水平或对角布置会更加有利。例如使电流沿着在两个这种空间布置的电源线上的相反方向流动之类的技术会导致净磁场减小。本领域技术人员应当认识到空间布置和电源线性能的最合适的配置可以根据应用的不同进行相应变化。
尽管参照本发明的具体实施例详细描述了加热板、制造加热板的方法、包括加热板的衬底支撑组件以及用于给加热板供电的控制器，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离所附权利要求书的范围的情况下，可以进行多种变化和修改，以及采用等同方案。例如，衬底支撑组件可以包括：用于监测衬底温度的温度传感器，用所需的夹紧电压给ESC供电的供电装置，用于升高和降低衬底的升降销装置，用于供应例如氦气之类的气体到衬底下侧的传热气体进给装置，用于供应传热液体到冷却板的温控液体进给装置，用于给平面加热器区上方或下方的主加热器单独供电的供电装置，以一个或多个频率供应射频功率到并入衬底支撑组件中的下电极的供电装置，等等。

Claims (10)

1.一种用于衬底支撑组件的加热板，该衬底支撑组件用于在半导体加工装置中支撑半导体衬底，所述加热板包括：
多个热器区，包括至少第一、第二、第三和第四加热器区，所述加热器区横向分布在所述加热板上；
第一组电源线，至少包括电气连接到所述第一和第二加热器区的第一导电电源线以及电气连接到所述第三和第四加热器区的第二导电电源线；
第二组电源线，至少包括电气连接到所述第一和第三加热器区的第三导电电源线以及电气连接到所述第二和第四加热器区的第四导电电源线，
其中所述第一组电源线和第二组电源线在空间上布置成使所述加热板上方的电磁场最小化并且减小由这种电磁场引起的等离子体的不均匀性；以及
多个二极管，包括至少第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七和第八二极管；
其中所述第一组电源线是包括第一、第二、第三和第四导电的分支传输线的分支传输线；
所述第二组电源线是包括第一和第二导电的公共传输线的公共传输线；
其中，(i)所述加热器区在第一平面上的第一电气绝缘层上，(ii)所述公共传输线在与所述第一平面不同且平行的第二平面上的第二电气绝缘层上；(iii)所述多个二极管和所述分支传输线在与所述第一平面不同且平行的第三平面上的第三电气绝缘层上，(iv)所述第二平面在所述第一平面和所述第三平面之间，(v)所述第一、第二和第三平面通过所述第二和第三电气绝缘层彼此间隔开，(v)所述公共传输线通过在所述第二电气绝缘层中垂直延伸的通孔电气连接到所述加热器区上；并且(vi)所述分支传输线通过在所述第二和第三电气绝缘层中垂直延伸的通孔电气连接到所述加热器区上；以及
其中所述分支传输线包括(i)在所述第三电气绝缘层中的并且(ii)连接到所述多个加热器区中的同一个的正向分支传输线和相应的反向分支传输线。
2.根据权利要求1所述的加热板，其中：
所述第一二极管的阳极连接到所述第一分支传输线上，并且所述第一二极管的阴极连接到所述第一加热器区上；
所述第二二极管的阳极连接到所述第一加热器区上，并且所述第二二极管的阴极连接到所述第三分支传输线上；
所述第三二极管的阳极连接到所述第一分支传输线上，并且所述第三二极管的阴极连接到所述第二加热器区上；
所述第四二极管的阳极连接到所述第二加热器区上，并且所述第四二极管的阴极连接到所述第三分支传输线上；
所述第五二极管的阳极连接到所述第二分支传输线上，并且所述第五二极管的阴极连接到所述第三加热器区上；
所述第六二极管的阳极连接到所述第三加热器区上，并且所述第六二极管的阴极连接到所述第四分支传输线上；
所述第七二极管的阳极连接到所述第二分支传输线上，并且所述第七二极管的阴极连接到所述第四加热器区上；
所述第八二极管的阳极连接到所述第四加热器区上，并且所述第八二极管的阴极连接到所述第四分支传输线上；
所述第一公共传输线连接到所述第一和第三加热器区上；并且
所述第二公共传输线连接到所述第二和第四加热器区上。
3.根据权利要求2所述的加热板，其中所述加热器区被设置大小以使：
每个加热器区的面积在2平方厘米与3平方厘米之间，或者
所述加热板包括100至400个加热器区，或者
每个加热器区的面积是1cm2至15cm2，或者
每个加热器区的面积是16cm2至100cm2。
4.根据权利要求1所述的加热板，其中：(a)所述第二电气绝缘层包括聚合材料、陶瓷材料或它们的组合；或者(b)所述加热器区的总面积是所述加热板的上表面的50％至90％或90％以上；或(c)所述加热器区布置成矩形网格、六边形网格或环形阵列，并且所述加热器区以宽度至少1毫米并且宽度最多10毫米的间隙彼此间隔开。
5.一种衬底支撑组件，包括：
静电卡盘(ESC)，其包括静电夹紧层，所述静电夹紧层具有至少一个夹紧电极，所述至少一个夹紧电极被配置成将半导体衬底静电夹紧在所述衬底支撑组件上；
布置在所述静电夹紧层下方的根据权利要求1所述的加热板；
通过热屏障层附接到所述加热板的下侧上的冷却板。
6.根据权利要求5所述的衬底支撑组件，其中所述第一组电源线是分支传输线并且所述第二组电源线是公共传输线：
所述分支传输线连接到彼此电气绝缘并且延伸穿过所述冷却板中的至少一个分支传输导管的导线，并且所述公共传输线连接到彼此电气绝缘并且延伸穿过所述冷却板中的至少一个公共传输导管的导线；或者
所述分支传输线和所述公共传输线连接到嵌入所述冷却板中的终端连接器上。
7.根据权利要求5所述的衬底支撑组件，进一步包括控制器，所述控制器能操作来选择性地供应交流电到所述平面加热器区中的一或多个。
8.根据权利要求7所述的衬底支撑组件，其中所述第一组电源线是分支传输线，该分支传输线包括连接到所述第一和第二加热器区的第一分支传输线、连接到所述第三和第四加热器区的第二分支传输线、连接到所述第一和第二加热器区的第三分支传输线和连接到所述第三和第四加热器区的第四分支传输线，所述第二组电源线是公共传输线，该公共传输线包括连接所述第一和第三加热器区的第一公共传输线和连接所述第二和第四加热器区的第二公共传输线，并且所述控制器能操作来选择性地供应交流电：
(a)只到所述第一加热器区，通过将交流电源连接到所述第一和第三分支传输线并且通过将电气公共端连接到所述第一公共传输线上，
(b)只到所述第二加热器区，通过将交流电源连接到所述第一和第三分支传输线并且通过将电气公共端连接到所述第二公共传输线上，
(c)只到所述第三加热器区，通过将交流电源连接到所述第二和第四分支传输线并且通过将电气公共端连接到所述第一公共传输线上，
(d)只到所述第四加热器区，通过将交流电源连接到所述第二和第四分支传输线并且通过将电气公共端连接到所述第二公共传输线上，
(e)只到所述第一和第二加热器区，通过将交流电源连接到所述第一和第三分支传输线并且通过将电气公共端连接到所述第一和第二公共传输线上，
(f)只到所述第一和第三加热器区，通过将交流电源连接到所述第一、第二、第三和第四分支传输线并且通过将电气公共端连接到所述第一公共传输线上，
(g)只到所述第二和第四加热器区，通过将交流电源连接到所述第一、第二、第三和第四分支传输线并且通过将电气公共端连接到所述第二公共传输线上，
(h)只到所述第三和第四加热器区，通过将交流电源连接到所述第二和第四分支传输线并且通过将电气公共端连接到所述第一和第二公共传输线上，以及
(i)到所有的所述加热器区，通过将交流电源连接到所述第一、第二、第三和第四分支传输线并且通过将电气公共端连接到所述第一和第二公共传输线上。
9.根据权利要求7所述的衬底支撑组件，其中所述第一组电源线是分支传输线，该分支传输线包括连接到所述第一和第二加热器区的第一分支传输线、连接到所述第三和第四加热器区的第二分支传输线、连接到所述第一和第二加热器区的第三分支传输线和连接到所述第三和第四加热器区的第四分支传输线，所述第二组电源线是公共传输线，该公共传输线包括连接所述第一和第三加热器区的第一公共传输线和连接所述第二和第四加热器区的第二公共传输线，并且所述控制器有操作来选择性地供应交流电：
(a)只到所述第一加热器区，通过在所述第一分支传输线连接到直流电源、所述第三分支传输线电气隔离并且所述第一公共传输线连接到电气公共端的状态与所述第一分支传输线电气隔离、所述第三分支传输线连接到电气公共端并且所述第一公共传输线连接到所述直流电源的状态之间循环，
(b)只到所述第二加热器区，通过在所述第一分支传输线连接到直流电源、所述第三分支传输线电气隔离并且所述第二公共传输线连接到电气公共端的状态与所述第一分支传输线电气隔离、所述第三分支传输线连接到电气公共端并且所述第二公共传输线连接到所述直流电源的状态之间循环，
(c)只到所述第三加热器区，通过在所述第二分支传输线连接到直流电源、所述第四分支传输线电气隔离并且所述第一公共传输线连接到电气公共端的状态与所述第二分支传输线电气隔离、所述第四分支传输线连接到电气公共端并且所述第一公共传输线连接到所述直流电源的状态之间循环，
(d)只到所述第四加热器区，通过在所述第二分支传输线连接到直流电源、所述第四分支传输线电气隔离并且所述第二公共传输线连接到电气公共端的状态与所述第二分支传输线电气隔离、所述第四分支传输线连接到电气公共端并且所述第二公共传输线连接到所述直流电源的状态之间循环，
(e)只到所述第一和第二加热器区，通过在所述第一分支传输线连接到直流电源、所述第三分支传输线电气隔离并且所述第一和第二公共传输线连接到电气公共端的状态与所述第一分支传输线电气隔离、所述第三分支传输线连接到电气公共端并且所述第一和第二公共传输线连接到所述直流电源的状态之间循环，
(f)只到所述第一和第三加热器区，通过在所述第一和第二分支传输线连接到直流电源、所述第三和第四分支传输线电气隔离并且所述第一公共传输线连接到电气公共端的状态与所述第一和第二分支传输线电气隔离、所述第三和第四分支传输线连接到电气公共端并且所述第一公共传输线连接到所述直流电源的状态之间循环，
(g)只到所述第二和第四加热器区，通过在所述第一和第二分支传输线连接到直流电源、所述第三和第四分支传输线电气隔离并且所述第二公共传输线连接到电气公共端的状态与所述第一和第二分支传输线电气隔离、所述第三和第四分支传输线连接到电气公共端并且所述第二公共传输线连接到所述直流电源的状态之间循环，
(h)只到所述第三和第四加热器区，通过在所述第二分支传输线连接到直流电源、所述第四分支传输线电气隔离并且所述第一和第二公共传输线连接到电气公共端的状态与所述第二分支传输线电气隔离、所述第四分支传输线连接到电气公共端并且所述第一和第二公共传输线连接到所述直流电源的状态之间循环，
(i)到所有的加热器区，通过在所述第一和第二分支传输线连接到直流电源、所述第三和第四分支传输线电气隔离并且所述第一和第二公共传输线连接到电气公共端的状态与所述第一和第二分支传输线电气隔离、所述第三和第四分支传输线连接到电气公共端并且所述第一和第二公共传输线连接到所述直流电源的状态之间循环；
其中所述直流电源输出恒定的电压。
10.根据权利要求5所述的衬底支撑组件，进一步包括设置在所述加热板的所述第一电气绝缘层上方或下方的至少一个主加热器层，其中所述主加热器层与所述加热板的所述加热器区、所述第一组电源线和所述第二组电源线电气绝缘；所述主加热器层包括提供所述半导体衬底的平均温度控制的至少一个加热器；所述加热器区在所述半导体衬底加工期间提供所述半导体衬底的径向和方位角温度分布控制。
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