CN108701628A - 具有圆柱各向异性热导率的复合装置 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于在加工室中支撑基底和调节该基底表面温度的设备及其制造方法。该设备包括基座，其具有用于支撑所述基底的表面，和用于加热该基底的加热器，并且该加热器紧邻该基座布置。该基座是由复合材料制成的，其包含植入基质中的多个导热弓形元件，该多个导热弓形元件的每个是同心排列的，并且在径向上限定了预定的间隔，以使得所述复合材料在该基座的圆柱坐标系中，在径向(ρ)，方位角和轴向(z)方向上提供各向异性热导率。

Description

具有圆柱各向异性热导率的复合装置
发明领域
本发明涉及一种设备，其包括加热器系统，该系统能够在运行过程中将精确的温度曲线传递到加热目标，来补偿热损失和/或其他变化。所述设备可以用于多种应用，包括但不限于半导体加工。
发明背景
这节中的说明仅仅提供涉及本发明的背景信息，并且可以不构成现有技术。
在半导体加工领域，例如，使用卡盘或者基座来在加工过程中保持基底(或者晶片)和为基底提供均匀温度曲线。这种支撑组件可以包括具有植入电极的静电卡盘，和加热器板，其通过粘结剂层结合到该静电卡盘上。加热器固定到加热器板上，其可以例如是蚀刻的箔加热器。
这种加热器组件同样通过粘结剂层结合到冷却板上。该基底位于静电卡盘上，并且所述电极连接到电压源上，来产生静电功率，其将该基底保持在合适位置。无线电频率(RF)或者微波功率源可以连接到等离子体反应器室内的静电卡盘上，其包围着所述支撑组件。加热器因此在不同的室内等离子体半导体加工步骤过程中提供所必需的热来保持基底上的温度，包括等离子体膜沉积或蚀刻。
在基底加工的全部阶段过程中，严格控制静电卡盘的温度曲线，来降低要蚀刻的基底内的加工变量，同时降低总加工时间。在半导体加工等应用领域中一直期望用于提高基底上温度均匀性的装置和方法。
发明内容
在本发明的一种形式中，提供了一种用于在加工室中支撑基底和调节该基底表面温度的设备。该设备包括基座，其包括用于支撑所述基底的表面，和用于加热该基底的加热器，并且该加热器紧邻该基座布置。该基座是由复合材料制成的，其包含植入基质中的多个导热弓形元件。该多个导热弓形元件的每个是同心排列的，并且在径向上限定了预定的间隔，以使得所述复合材料在该基座的圆柱坐标系中，在径向(ρ)，方位角和轴向(z)方向上提供各向异性热导率。可以排列该导热元件，以使得方位角方向上的热导率高于径向或者轴向。在一种形式中，所述加热器是层化的加热器。
该导热弓形元件可以限定连续的环。该弓形元件还可以限定分区排列的对称的段。该弓形元件可以由相同或者不同的材料制成，并且可以具有类似或者不同的长度。该弓形元件还可以表现出可变的宽度或者限定可变的追踪几何形状和/或以非弧形的几何形状来提供，例如作为例子是多边形或者多种形状的非连续段。
根据本发明的另一方面，所述基质可以不限于聚酰亚胺材料。这种聚酰亚胺材料可以是但不限于聚氧二亚苯基-苯均四酸酰亚胺材料。
根据本发明仍然的另一方面，所述导热元件是石墨纤维。当该基座重量的大约10％包含石墨纤维时，在一种形式中，该基座在径向和轴向方向上的热导率是至少0.4W/mK。当该基座的重量大约88％包含石墨纤维时，在一种形式中该基座在径向和轴向方向上的热导率小于6.0W/mK。
可选择地，当该基座的重量大约8％包含石墨纤维时，在一种形式中该基座在方位角方向上的热导率是至少80W/mK。当该基座重量的大约90％包含石墨纤维时，在一种形式中该基座在方位角方向上的热导率小于900W/mK。
在本发明的另一形式中，提供一种设备，其将热供给到目标零件。该设备包含由复合材料制成的基座，其包含植入基质中的至少一个导热弓形元件，其中在该基座的圆柱坐标系中，所述复合材料在径向(ρ)，方位角和轴向(z)方向上提供各向异性热导率。当期望时，该设备可以进一步包含多个导热弓形元件，其同心排列，并且在径向上限定了预定的间隔。这些弓形元件可以限定连续的环或者其他构造，如上所述和如本文进一步显示和描述的。
在本发明的仍然另一形式中，提供了一种将热提供到目标零件的方法。这种方法包含提供由复合材料制成的基座和通过相邻部件将热施加到该基座。所述复合材料包含植入基质中的多个导热弓形元件，该多个导热弓形元件的每个是同心排列的，并且在径向上限定了预定的间隔。该复合材料在该基座的圆柱坐标系的径向(ρ)，方位角和轴向(z)方向上提供了各向异性热导率。
另外的应用领域将从本文提供的说明书而变得显而易见。应当理解说明书和具体实施例目的仅仅是用于说明，并非打算限制本发明的范围。
附图说明
为了能够充分理解本发明，现在将参考附图来描述其作为例子给出的不同的形式，其中：
图1是根据本发明教导构建的设备的侧横截面图；
图2A-2D是基座的平面图，其显示了植入基座内的不同的形式的导热元件，其是根据本发明的教导来复合和构建的；
图3是与圆柱坐标相关的几何空间的图示，其提供来用于参考目的；
图4是测试数据图，其显示了在本发明一种形式中的基座在不同方向上表现出的热导率，其是作为石墨纤维重量百分比的函数来绘图的；
图5A是热曲线的平面图，其测量来用于仅仅包含基质材料的支撑基座；
图5B是热曲线的平面图，其用于根据本发明教导制备的复合支撑基座；和
图6是一种根据本发明的教导将热提供到目标零件的方法的图示。
本文所述的图仅仅用于说明目的，并非打算以任何方式限制本发明的范围。
具体实施方式
下面的说明书仅仅是示例性的，并非打算限制本发明，应用或者用途。例如下面形式的本发明涉及半导体加工所用卡盘的支撑组件，和在一些情况中是静电卡盘。但是，应当理解本文提供的支撑组件和系统可以用于许多应用，并且不限于半导体加工应用。应当理解在整个附图中，相应的附图标记表示相同或者相应的零件和特征。
参见图1，通常提供设备20，用于支撑加工室中的基底10和调节基底10的表面温度。设备20包含基座22，其包括用于支撑该基底10的表面24和与该基座22紧邻布置的加热器26来加热该基底10。与本发明有关的这样的加热器和它们的材料的进一步说明在美国专利号7,196,295和未授权的美国专利申请系列号11/475,534和13/599,648中公开，其与本申请属于同一申请人，并且其公开内容在此以它们全部引入作为参考。
在一种形式中，所述加热器可以是层化的加热器。作为本文使用的，层化的加热器定义为这样的加热器，其包含通过层化方法形成的至少一个层。换言之，作为本文使用的，术语“层化的加热器”应当解释为包括这样的加热器，其包含至少一种功能层(例如结合涂层，介电层，电阻加热层，保护层，面涂层等)，其中该层是使用与厚膜，薄膜，热喷或者溶胶-凝胶等相关的方法，通过将材料施用或者聚集在基底或者另一层来形成的。这些方法也称作“层合方法”、“成层方法”或者“层化加热器方法”。这些类型的层化加热器之间的主要区别是所述方法中形成层。例如用于厚膜加热器的层典型的是使用方法例如丝网印刷，贴花施用或者膜印刷头等形成的。用于薄膜加热器的层典型的是使用沉积方法形成的，例如离子电镀，溅射，化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)等。不同于薄膜和厚膜技术的仍然的另一系列方法是被称作热喷方法的那些，其可以包括例如火焰喷射，等离子体喷射，线弧喷射和HVOF(高速氧燃料)等。
现在参见图2A-2D，基座22是复合材料28，其包含植入基质材料32内的多个导热弓形元件30。在一种形式中，弓形元件30限定了连续的环，如所示的。在一种可选形式中，弓形元件30限定了分区排列的对称的段，如图2B和2C所示。例如在图2B中，弓形元件30显示为不连续的同心弧，其排列来限定不同的加热器区，其也减少了区域之间的串音(在连续同心环/段之间不期望的电流传播)。在图2C中，分布弓形元件30，以使得不连续同心弧在径向上存在交叠，其也减少了串音。这些排列的每个仅仅是不同形式的示例，即，导热弓形元件30可以采用和不应当解释为限制了本发明的范围。此外，在本发明的一种可选形式中，导热弓形元件30可以不限于弧形几何形状。其他几何形状可以包括例如椭圆，B形曲线(在本领域中也称作Bèzier曲线)，线，齿形及其组合等。因此，作为本文所示和所述的，作为用于导热弓形元件30的形状的弧形不应当解释为限制了本发明的范围。
仍然参考图2B-2D，导热弓形元件30可以由相同或者不同的材料制成，并且在基座22内可以具有类似或者不同的长度30c，30d。每个导热弓形元件30还可以表现出可变的宽度30a，30b或者限定可变的追踪几何形状或者路径30e，30f。应当理解用于导热元件的这些形状/几何形状仅仅是示例性的，并且不应当解释为限制本发明的范围。
在一种形式中，导热弓形元件30包含石墨纤维，虽然可以使用任何导热材料，同时仍然处于本发明范围内。这样的材料可以包括例如导电金属，涂覆或者植入导电材料中的非导电材料，和在一种示例性形式中可以包含多个细丝或者条，其是织造或者结合在一起的。这些可选的材料和它们的形式仅仅是示例性的，并且不应当解释为限制本发明的范围。
在一种形式中，基质材料32是聚酰亚胺材料。聚酰亚胺材料可以但不限于聚氧二亚苯基苯均四酸酰亚胺材料，例如聚-(4，4’-氧二亚苯基苯均四酸酰亚胺)或者(美国杜邦)。应当理解所述聚酰亚胺材料仅仅是示例性的，并且可以使用其他基质材料，同时仍然处于本发明范围内，例如作为例子使用铝。这样的材料可以包括例如聚合物或者陶瓷材料。
根据本发明的教导，和如图2A-2C所示，在一种形式中，弓形元件30是同心排列的，并且在径向上限定了预定的间隔(I)，以使得复合材料28在基座22的圆柱坐标系的径向(ρ)，方位角和轴向(z)方向上提供各向异性热导率。当期望时，可以排列导热弓形元件(30)，以使得方位角方向的热导率高于径向(ρ)或者轴向(z)方向。此外，所述间隔(I)无需沿着基座22是一致或相同的，而代之以间隔(I)的尺寸或空间可以根据本发明的其他形式来变化。
现在参见图3，显示了圆柱坐标系中的径向(ρ)，方位角和轴向(z)方向用于参考。圆柱坐标系代表了一种三维坐标系，其通过它相对于所选择的参考轴的距离，所述轴相对于所选择的参考方向的方向，和垂直于所述轴的所选择参考平面的距离来定义了点x的位置。圆柱坐标系中的点x可以通过所示的坐标来识别，其中ρ是径向坐标，是角坐标或者方位角，和z是高度，纵向或者轴向坐标。
在一种形式中，基座22是通过将导热弓形元件30对准或者排列成期望的形状或者几何形状来制备的，其然后包封在基质材料36内。例如导热弓形元件30排列在至少一层基质材料上，然后将另一至少一个层置于该导热弓形元件30上来形成复合材料28。
提供下面的实施例，其使用了包含同心圆排列的石墨纤维作为导热弓形元件30的基座22，和牌聚酰亚胺基质材料来更充分说明与本发明相关的益处。如上所述，将以不同图案成形和包封在可选组成的基质材料内的其他导热元件的引入和使用预期处于本发明范围内。
现在参见图4，在本发明的一种形式中，如图2A所示，基座22在方位角方向上提供的导热率大于在径向(ρ)或者轴向(z)方向上提供的导热率。更具体地，当基座22重量的大约10％包含石墨纤维时，该基座22在径向和轴向方向上的热导率是至少0.4W/mK。当基座22重量的大约88％包含石墨纤维时，基座22在径向和轴向方向上的热导率小于6.0W/mK。可选择地，当基座22重量的大约8％包含石墨纤维时，基座22在方位角方向上的热导率是至少80W/mK。当基座22重量的大约90％包含石墨纤维时，该基座在方位角方向上的导热率小于900W/mK。应当理解这些值仅仅示例性地来说明本发明的原理，并且不应当解释为对本发明范围的限制。
现在参见图5A，显示了当所述设备加热到大约60℃的目标温度时，引入唯一材料基质(例如无导热元件)的基座22的设备所测量的热分布。该热分布表现出多个热点(H)，如较暗/红色区域所示。
与之相比，在图5B中，显示了本发明所提供的设备的热分布，其引入了支撑基座，其包含植入材料基质中的同心对准的石墨纤维(即，一种形式的导热弓形元件30)的复合材料。该导热元件所提供的热导率的增加使得支撑基座与图5A的设备相比能够表现出相对均匀的温度。
包含根据本发明制备的复合材料的支撑基座在圆柱坐标系的径向，方位角和轴向(z)方向上表现出各向异性热导率。换言之，将导电纤维引入基质材料中提供了沿着径向，方位角和轴向方向不同的热导率。当支撑基座用于加热器设备，例如晶片沉积/蚀刻室所用的设备时，该支撑基座将明显提高方位角温度均匀性，而不明显影响沿着径向或者轴向的温度曲线。
在本发明的另一形式中，提供了一种设备，其将热供给到目标零件。该设备包含由复合材料28制成的基座22，所述复合材料包含植入基质32内的至少一个导热弓形元件30，其中该复合材料28在基座的径向，方位角和轴向方向上提供了各向异性热导率。当期望时，所述设备可以进一步包含多个导热弓形元件30，其同心排列和/或在径向上限定预定的间隔。这些弓形元件30可以限定连续的环。
在本发明的仍然另一形式中，提供了将热提供到目标零件的方法100。现在参见图6，这种方法100包含提供由复合材料制成的105基座和通过相邻部件施加热110到该基座。该复合材料可以包含植入基质材料内的多个导热元件，该多个导热元件的每个同心排列和在径向上限定了预定的间隔。该复合材料也可以在该基座的径向，方位角和轴向方向上提供各向异性热导率。
应当注意的是本发明不限于作为实施例所述和所示的实施方案。已经描述了许多改变，并且其是本领域技术人员知识的一部分。这些和另外的改变以及任何技术等价物的替代可以加入说明书和附图中，而不脱离本发明和本申请的保护范围。

Claims (15)

1.一种用于在加工室中支撑基底和调节所述基底表面温度的设备，所述设备包含：
基座，其包括用于支撑所述基底的表面；和
加热器，用于加热所述基底，所述加热器紧邻所述基座布置，
其中所述基座是由复合材料制成的，其包含植入基质中的多个导热弓形元件，所述多个导热弓形元件的每个是同心排列的，并且在径向上限定了预定的间隔，以使得所述复合材料在所述基座的圆柱坐标系中，在径向(ρ)，方位角和轴向(z)方向上提供各向异性热导率。
2.根据权利要求1的设备，其中所述多个导热弓形元件限定了连续的环。
3.根据权利要求1的设备，其中所述多个导热弓形元件限定了分区排列的对称的段。
4.根据权利要求1的设备，其中所述多个导热弓形元件限定了不同的长度。
5.根据权利要求1的设备，其中所述多个导热弓形元件限定了不同的材料。
6.根据权利要求1的设备，其中所述多个导热弓形元件的至少一个限定了可变的宽度。
7.根据权利要求1的设备，其中所述多个导热弓形元件的至少一个限定了可变的追踪几何形状。
8.根据权利要求1的设备，其中所述基质是聚酰亚胺材料。
9.根据权利要求1的设备，其中所述导热弓形元件设置为以使得其在方位角方向上的热导率高于径向或轴向。
10.根据权利要求1的设备，其中所述导热弓形元件是石墨纤维。
11.根据权利要求10的设备，其中当所述基座的重量大约10％包含石墨纤维时，所述基座在径向和轴向方向上的热导率是至少0.4W/mK。
12.根据权利要求10的设备，其中当所述基座的重量大约88％包含石墨纤维时，所述基座在径向和轴向方向上的热导率小于6.0W/mK。
13.根据权利要求10的设备，其中当基座的重量大约8％包含石墨纤维时，所述基座在方位角方向上的热导率是至少80W/mK。
14.根据权利要求10的设备，其中当所述基座的重量大约90％包含石墨纤维时，所述基座在方位角方向上的热导率小于900W/mK。
15.一种为目标零件提供热的方法，其包含：
提供基座，其由复合材料制成的，其包含植入基质中的多个导热弓形元件，所述多个导热弓形元件的每个是同心排列的，并且在径向上限定了预定的间隔；和
通过相邻部件将热施加到所述基座上，
其中所述复合材料在所述基座的圆柱坐标系中，在径向(ρ)，方位角和轴向(z)方向上提供各向异性热导率。
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