CN109585252B - 可旋转加热静电夹盘 - Google Patents

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Abstract

一种静电夹盘包括：介电盘，具有支撑基板的支撑表面以及相对的第二表面，其中至少一个夹持电极设置于所述介电盘内；射频(RF)偏压板，设置在所述介电盘下方；多个灯，设置在所述射频偏压板下方以加热所述介电盘；金属板，设置在这些灯下方以吸收由这些灯产生的热；轴杆，在所述轴杆的第一端耦接至所述介电盘的所述第二表面以支撑所述介电盘而使所述介电盘与所述射频偏压板呈间隔开的关系，且所述轴杆延伸离开所述介电盘且延伸穿过所述射频偏压板和所述金属板；以及旋转组件，耦接至所述轴杆以使所述轴杆和所述介电盘相对于所述射频偏压板、灯、以及金属板旋转。

Description

可旋转加热静电夹盘
本申请是申请日为2014年12月8日、申请号为201480067593.1、发明名称为“可旋转加热静电夹盘”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本公开案的实施方式大体涉及静电夹盘(electrostatic chuck)，所述静电夹盘用于在微电子器件制造工艺中保持(retain)基板。
背景技术
在基板上形成一些器件(例如STT-RAM)需要多层薄膜，这些薄膜是在沉积腔室中沉积，所述沉积腔室比如物理气相沉积(PVD)腔室。在一些实施方式中，基板需要在沉积工艺期间旋转，以获得良好的膜均匀性。沉积一些层也可能需要基板受到加热。此外，沉积工艺需要高真空压力。静电夹盘经常用于在沉积工艺期间将基板静电保持在基板支撑件上。通常，静电夹盘包括陶瓷主体，所述陶瓷主体中设置有一或多个电极。一般的静电夹盘仅垂直向上及向下移动，以有助于基板的移送。然而，发明人已观察到，这样的移动限制会阻止使用这些习知的静电夹盘进行离轴(off-axis)沉积，所述离轴沉积是由于基板上有非均匀沉积。
因此，发明人已提供改良的可旋转(rotatable)加热静电夹盘的实施方式。
发明内容
本文提供可旋转加热静电夹盘的实施方式。在一些实施方式中，一种静电夹盘包括：介电盘，具有支撑基板的支撑表面以及相对的第二表面，其中至少一个夹持电极设置于所述介电盘内；射频(RF)偏压板，设置在所述介电盘下方；多个灯，设置在所述射频偏压板下方以加热所述介电盘；金属板，设置在所述多个灯下方以吸收由所述多个灯产生的热；轴杆，所述轴杆的第一端耦接至所述介电盘的所述第二表面以支撑所述介电盘而使所述介电盘与所述射频偏压板呈间隔开的关系，且所述轴杆延伸离开所述介电盘且延伸穿过所述射频偏压板和所述金属板；以及旋转组件，耦接至所述轴杆以使所述轴杆和所述介电盘相对于所述射频偏压板、所述多个灯、以及所述金属板旋转。
在一些实施方式中，一种静电夹盘包括：介电盘，具有支撑基板的支撑表面以及相对的第二表面，其中至少一个夹持电极设置于所述介电盘内；射频(RF)偏压板，设置在所述介电盘下方；电感滤波器(inductor filter)，设置在耦接至所述至少一个夹持电极的导体周围，以将与所述至少一个夹持电极的射频干扰减至最小；多个灯，设置在所述射频偏压板下方以加热所述介电盘；金属板，设置在所述多个灯下方以吸收由所述多个灯产生的热；轴杆，在所述轴杆的第一端耦接至所述介电盘的所述第二表面以支撑所述介电盘而使所述介电盘与所述射频偏压板呈间隔开的关系，且所述轴杆延伸离开所述介电盘且延伸穿过所述射频偏压板和所述金属板；以及磁性旋转组件，耦接至所述轴杆以使所述轴杆和所述介电盘相对于所述射频偏压板、所述多个灯、以及所述金属板旋转，其中所述磁性旋转组件包括内磁体与外磁体，所述内磁体附接至所述轴杆的下部分而接近所述轴杆的第二端，所述第二端与所述第一端相对，所述外磁体设置在所述内磁体周围以驱动所述内磁体的旋转。
在一些实施方式中，一种静电夹盘包括：介电盘，具有支撑基板的支撑表面以及相对的第二表面，其中至少一个夹持电极设置于所述介电盘内；射频偏压板，设置在所述介电盘下方；多个灯，设置在所述射频偏压板下方以加热所述介电盘；金属板，设置在所述多个灯下方以吸收由所述多个灯产生的热；外壳，容纳所述射频偏压板、所述多个灯、和所述金属板；间隙，设置在所述金属板的外径与所述外壳的内表面之间，其中所述间隙的尺寸被设计成使得当所述金属板吸收来自所述多个灯的热时，所述金属板的热膨胀导致所述金属板的所述外径接触所述外壳的所述内表面；轴杆，在所述轴杆的第一端耦接至所述介电盘的所述第二表面以支撑所述介电盘而使所述介电盘与所述射频偏压板呈间隔开的关系，且所述轴杆延伸离开所述介电盘且延伸穿过所述射频偏压板和所述金属板；以及磁性旋转组件，耦接至所述轴杆以使所述轴杆和所述介电盘相对于所述射频偏压板、所述多个灯、以及所述金属板旋转。
本公开案的其他与进一步的实施方式描述于下文中。
附图说明
通过参考附图中描绘的本公开案的说明性实施方式，可了解于上文简要概述且于下文中更详细论述的本公开案的实施方式。然而，应注意附图仅绘示本公开案的典型实施方式，因此不应被视为对本公开案的范围的限制，因为本公开案可容许其他等同有效的实施方式。
图1描绘适合与根据本公开案的一些实施方式的静电夹盘一并使用的处理腔室。
图2描绘根据本公开案的一些实施方式的静电夹盘的截面视图。
图3描绘根据本公开案的一些实施方式的静电夹盘的上部分的截面视图。
图4描绘根据本公开案的一些实施方式的射频(RF)偏压板与基板加热设备的俯视图。
为了助于了解，已尽可能使用相同的标号表示各图共用的相同元件。附图并未按比例尺绘制，且可为了清楚起见而经过简化。应考虑到一个实施方式的元件与特征可有利地并入其他实施方式而无需进一步记叙。
具体实施方式
本文提供可旋转加热静电夹盘的实施方式。本发明的静电夹盘可有利地快速加热与冷却(与设置在静电夹盘上的基板的快速加热与冷却同时)，由此在基板处理中提供工艺的灵活性与增加的产量。本发明的静电夹盘的实施方式也可有利地减少或消除对基板的损坏，所述基板的损坏是由摩擦造成的，而所述摩擦是由于基板与静电夹盘在处理期间热膨胀的不同而导致。
图1是根据本公开案的一些实施方式的等离子体处理腔室的示意截面视图。在一些实施方式中，所述等离子体处理腔室是物理气相沉积(PVD)处理腔室。然而，也可使用或修改其他类型的处理腔室，以与本文描述的本发明的静电夹盘的实施方式一并使用。
腔室100是合适地适于在基板处理期间维持腔室内部空间120内的次大气压的真空腔室。腔室100包括腔室主体106，腔室主体106被盖104覆盖，盖104包围(enclose)位于腔室内部空间120的上半部的处理空间119。腔室100也可包括一或多个屏蔽件105，一或多个屏蔽件105环绕多个腔室部件以防止这些部件与离子化的工艺材料之间有不希望的反应。腔室主体106与盖104可由金属(比如铝)制成。腔室主体106可通过耦接至接地端115而接地。
基板支撑件124设置在腔室内部空间120内，以支撑及保持基板S，基板S比如半导体晶片，或例如其他可静电保持的此类基板。基板支撑件124可通常包括静电夹盘150(下文中关于图2至图4更详细地描述)以及用于支撑静电夹盘150的中空支撑轴杆112。中空支撑轴杆112提供导管，以提供例如工艺气体、流体、冷却剂、电力、或类似物至静电夹盘150。
在一些实施方式中，中空支撑轴杆112耦接至升降机构113，升降机构113提供静电夹盘150在上处理位置(如图1所示)与下移送位置(未图示)之间的垂直移动。波纹管组件110设置于中空支撑轴杆112周围，且耦接在静电夹盘150与腔室100的底表面126之间，以提供柔性密封(flexible seal)，所述柔性密封容许静电夹盘150垂直运动同时防止真空从腔室100内损失。波纹管组件110还包括下波纹管凸缘164，下波纹管凸缘164接触O形环165或其他适合的密封元件，O形环165或其他适合的密封元件接触底表面126以有助于防止腔室真空的损失。
中空支撑轴杆112提供导管以用于将流体源142、气源141、夹持电源140、以及射频源(例如射频等离子体电源170与射频偏压电源117)耦接至静电夹盘150。在一些实施方式中，射频等离子体电源170与射频偏压电源117经由各别的射频匹配网络(图中仅显示射频匹配网络116)耦接至静电夹盘。
基板升降件130可包括升降销109，升降销109装设于平台108上，平台108连接至轴杆111，轴杆111耦接至第二升降机构132，以抬升及降下基板升降件130，使得基板“S”可放置在静电夹盘150上或从静电夹盘150移除。静电夹盘150包括穿孔(描述于下文)以接收升降销109。波纹管组件131耦接在基板升降件130与底表面126之间，以提供柔性密封，所述柔性密封在基板升降件130垂直运动期间维持腔室真空。
腔室100耦接至真空系统114且与真空系统114流体连通，真空系统114包括节流阀(未图示)与真空泵(未图示)，所述节流阀与真空泵用于使腔室100排气。腔室100内的压力可通过调整节流阀和/或真空泵而调节。腔室100还耦接至工艺气体源118且与工艺气体源118流体连通，工艺气体源118可供应一或多种工艺气体至腔室100以用于处理设置在腔室100中的基板。
在操作中，举例而言，可在腔室内部空间120中产生等离子体102，以执行一或多个工艺。等离子体102可通过下述方式产生：将来自等离子体电源(例如射频等离子体电源170)的电力经由一或多个电极耦合于工艺气体，以引燃所述工艺气体且产生等离子体102，所述一或多个电极接近腔室内部空间120或在腔室内部空间120内。在一些实施方式中，也可从偏压电源(例如射频偏压电源117)经由电容耦合偏压板(描述于下文)提供偏压电力至设置在静电夹盘150内的一或多个电极(描述于下文)，以从等离子体朝向基板S吸引离子。
在一些实施方式中(例如腔室100是PVD腔室的实施方式中)，包括待沉积于基板S上的源材料的靶材166可设置在基板上方且设置于腔室内部空间120内。靶材166可由腔室100的接地导电部分支撑，所述接地导电部分例如为穿过介电隔绝件(isolator)的铝适配器。在其他实施方式中，腔室100可包括呈多阴极排列方式的多个靶材，以使用同一腔室沉积不同材料层。
可控制的直流电源168可耦接至腔室100以施加负电压(或偏压)至靶材166。射频偏压电源117可耦接至基板支撑件124以于基板S上感应负的直流偏压。此外，在一些实施方式中，于处理期间，负的直流自偏压可形成于基板S上。在一些实施方式中，射频等离子体电源170也可耦接至腔室100，以施加射频电力至靶材166而有助于控制基板S上沉积速率的径向分布。操作中，腔室100中所产生的等离子体102中的离子与来自靶材166的源材料反应。所述反应导致靶材166发射源材料的原子，而这些原子随后被引向基板S，从而沉积材料。
图2描绘根据本公开案的实施方式的静电夹盘(夹盘200)的截面视图。夹盘200包括盘202、轴杆204、以及外壳206，轴杆204从盘202的底部延伸，外壳206包围盘202、轴杆204、以及夹盘200的所有部件(描述于下文)。
盘202由介电材料形成，所述介电材料比如陶瓷材料，例如氮化铝、氧化铝、氮化硼、掺杂有氧化钛的氧化铝、及类似材料。盘202包括一或多个夹持电极208，夹持电极208设置在盘202的上表面附近。一或多个夹持电极208由适合的导电材料制造，比如钼、钛、或类似材料。一或多个夹持电极208可用会于处理期间将基板充分地紧固至盘的上表面的任何配置方式排列。例如，一或多个夹持电极208可被排列以提供单一电极静电夹盘、双极(bipolar)静电夹盘、或类似静电夹盘。
如前文所记载，盘202也可包括一或多个射频偏压电极210。一或多个射频偏压电极210电容地耦合至射频电力，以从等离子体朝向设置在盘202上的基板吸引离子。电力经由射频偏压板212被输送至射频偏压电极210，射频偏压板212设置于盘202下方，接收来自外部射频电源(例如射频偏压电源117)的电力。射频偏压板212电容地耦合至射频偏压电极210，从而移除导体上的任何直接电耦合。由此，在盘202正在旋转的同时，电力能输送至射频偏压电极210。
为了有助于加热盘202与基板(当基板设置于盘202上时)，夹盘200包括灯外壳216，灯外壳216包括多个灯214且设置于射频偏压板212之下。灯外壳216由能够耐受多个灯214的热的材料形成。例如，灯外壳216可由陶瓷材料形成。多个灯214包括能够发射足够的热以通过辐射加热盘202的任何类型的灯。例如，多个灯214可包括卤素灯。为了容许多个灯214产生的热抵达盘202，射频偏压板212包括槽，这些槽所处的位置对应于多个灯214的位置，如图4中更详细所示。
夹盘200还可包括轴承218，轴承218位于盘202附近(例如，在盘202的约3英寸内)，以于旋转期间提供夹盘200增加的刚性。轴承218可包括例如交叉滚子轴承或类似轴承。金属板220设置在灯外壳216之下，以将热传导离开轴承218，若不然，热会导致轴承膨胀且最终会卡住。金属板220可由任何工艺相容的金属或金属合金形成，例如铝。金属板220的尺寸被设计而使得间隙设置在金属板220的外边缘与外壳206的内表面之间。在操作夹盘200期间，多个灯214产生的热加热金属板220，而导致金属板220膨胀，使得金属板220的外径(或边缘)接触外壳206的内表面。一旦接触外壳206的内表面，金属板220容易通过传导而传送热至外壳206。流体通道(描述于下文)可设置于外壳206中，以使热传送流体(例如冷却剂)流动而冷却外壳206
夹盘200进一步包括磁性驱动组件222以使盘202旋转。磁性驱动组件222包括内磁体222A与外磁体222B。内磁体222A附接(或固定)至轴杆204。在一些实施方式中，内磁体222A附接至轴杆204的下部分而接近轴杆204的与盘202相对的一端。外磁体222B设置在外壳206外而接近内磁体222A。外磁体222B可由适合的机构驱动(例如由皮带驱动器或电机驱动)，以驱动内磁体222A、和轴杆204及盘202。因为内磁体222A设置于外壳206内，所以内磁体222A处于真空压力下，且因为外磁体222B设置在外壳206的外部，所以外磁体222B处于大气压力下。然而，可取代上述方式，将内磁体222A与外磁体222B皆设置于外壳206内。因此，磁性驱动组件222使盘202与轴杆204相对于处理腔室与夹盘200的维持静态的其余部件旋转，所述维持静态的其余部件例如外壳206、灯外壳216、金属板220、射频偏压板212、及类似部件。或者，磁性驱动组件222可使用其他配置方式使盘202与轴杆204旋转。例如，在一些实施方式中，内磁体222A与外磁体222B可分别作用为转子与定子，其中导体缠绕于定子周围以电磁地驱动所述转子。
夹盘200还包括轴承组件224，轴承组件224位于轴杆204的与盘202相对的一端处。轴承组件224支撑轴杆204且有助于轴杆204旋转。此外，发明人已提供改良的方法以通过轴承组件224发送(route)电力至夹持电极208，而有助于在旋转夹盘200的同时提供电力给夹持电极208。电力从直流电源226被汲引通过外壳206中的连接件且发送至轴承组件224。电流流过轴承组件224，且接着经由夹持电力线228发送至夹持电极208，夹持电力线228设置在轴杆204的内部内。为了避免与夹持电源(例如直流电源226)的任何干扰，轴承组件可耦接至绝缘体230，绝缘体230耦接至外壳206的内部。
参考图3中的夹盘200的截面视图，多个灯214从多个导体304接收电力，这些导体304设置在介电板302中，介电板302比如为陶瓷板。导体304可接收来自直流电源226的电力或经由加热器电力线(例如导体)320接收来自另一电源(未图示)的电力。在一些实施方式中，介电层306可设置在介电板302顶上，以保护导体304且防止导体304与夹盘200的任何其他导电元件之间的不经意接触。提供介电层306中的开口以有助于使导体304耦接至各个的灯214。在一些实施方式中，多个灯可分成多个区块，例如，内灯阵列以及独立受控的外灯阵列，如图4所绘示。
如前文所解释，一旦启动多个灯214，则产生热且盘202被加热。因为热沿每一方向发射而不仅只朝向盘202发射，所以将金属板220设置在灯外壳216下方以吸收热。在吸收过程期间，金属板220膨胀且开始延伸进入金属板220的外边缘与外壳206之间的间隙316。金属板220一旦接触外壳206，则将热传送至外壳206。为了保持外壳206冷却，在外壳206中形成多个流体通道308。任何适合的冷却剂(例如水、丙二醇、或类似物)可流过流体通道308而冷却外壳206。
射频偏压板212可从射频偏压电源117接收射频偏压板212的电力，或经由射频电力线(例如导体)310接收来自另一电源(未图示)的电力。为了防止射频波与夹持电源的干扰，夹盘200包括电感滤波器312。电感滤波器312围绕夹持电力线228以过滤射频波。
为了有助于将基板放置在盘202上及将基板从盘202移除，夹盘200也可包括升降销组件，所述升降销组件包括多个升降销314，以将基板抬升离开盘202及将基板降下到盘202上。在一些实施方式中，多个升降销314的至少之一可包括高温计，以测量盘202的温度。盘202的与升降销314相对设置的区域可被处理而具有非常高的发射率，以有助于通过高温计监测盘202的温度。
在一些实施方式中，轴杆204还可包括导管318，以在处理期间当基板设置于盘202上时提供背侧气体通过盘202而至基板背侧。导管318可流体地耦接至气源141，如上文针对图1描述的。
图4描绘根据本公开案的一些实施方式的射频偏压板与基板加热设备的俯视图。图4描绘包括多个开口404的射频偏压板212，这些开口404对应于多个灯214的位置。如前文所解释，多个开口404容许多个灯214产生的热对盘202进行加热。射频偏压板212与灯外壳216还包括中央孔402和多个孔406，中央孔402容许轴杆204通过中央孔402，多个孔406容许多个升降销314通过多个孔406。虽然图示为以特定配置方式排列的槽，但这些开口的形状与数目以及这些灯的形状与数目可有所变化，以提供盘202上的期望的热分布。
虽然前文涉及本公开案的实施方式，但可在不背离本公开案的基本范围的情况下设计出本公开案的其他与进一步的实施方式。

Claims (11)

1.一种静电夹盘，包括：
介电盘，所述介电盘具有支撑基板的支撑表面以及相对的第二表面，其中至少一个夹持电极设置于所述介电盘内，并且所述介电盘包括一或多个射频偏压电极；
射频(RF)偏压板，所述射频偏压板设置在所述介电盘下方并电容地耦合至所述一或多个射频偏压电极以将电力输送至所述一或多个射频偏压电极；
轴杆，所述轴杆在所述轴杆的第一端耦接至所述介电盘的所述第二表面以支撑所述介电盘而使所述介电盘与所述射频偏压板呈间隔开的关系，且所述轴杆延伸离开所述介电盘且延伸穿过所述射频偏压板；以及
旋转组件，所述旋转组件耦接至所述轴杆以使所述轴杆和所述介电盘相对于所述射频偏压板旋转。
2.如权利要求1所述的静电夹盘，其中所述静电夹盘是双极静电夹盘。
3.如权利要求1所述的静电夹盘，进一步包括：
外壳，所述外壳容纳所述射频偏压板。
4.如权利要求1所述的静电夹盘，进一步包括多个灯，所述多个灯设置在所述射频偏压板下方，其中所述射频偏压板设置在所述介电盘与所述多个灯之间。
5.如权利要求1至4的任一项所述的静电夹盘，其中所述旋转组件是磁性旋转组件。
6.如权利要求5所述的静电夹盘，其中所述磁性旋转组件包括内磁体与外磁体，所述内磁体附接至所述轴杆的下部分而接近所述轴杆的第二端，所述第二端与所述第一端相对，所述外磁体设置在所述内磁体周围以驱动所述内磁体的旋转。
7.如权利要求1至4的任一项所述的静电夹盘，进一步包括：
轴承组件，所述轴承组件设置于所述轴杆周围。
8.如权利要求7所述的静电夹盘，其中所述轴承组件电耦接至所述夹持电极，使得能通过所述轴承组件馈送电力，以提供电力给所述至少一个夹持电极。
9.如权利要求1至4的任一项所述的静电夹盘，进一步包括：
电感滤波器，所述电感滤波器设置在耦接至所述至少一个夹持电极的导体周围，以将与所述至少一个夹持电极的射频干扰减至最小。
10.如权利要求1至4的任一项所述的静电夹盘，进一步包括：
升降销组件，所述升降销组件包括多个升降销，所述多个升降销设置成能移动地穿过所述介电盘的所述支撑表面。
11.如权利要求10所述的静电夹盘，其中所述多个升降销的至少之一包括高温计以测量所述介电盘的温度。
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