CN110574149A - 用于加热器基座的平衡环组件 - Google Patents

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Abstract

本公开内容的实施方式涉及平衡环组件，该平衡环组件包括平衡环板、枢轴螺丝、一个或多个马达及多个整平指示器，该平衡环板具有中心开口，该枢轴螺丝设置在于该平衡环板中形成的枢轴座内，其中该枢轴螺丝包含球形枢轴头，该平衡环板绕该球形枢轴头枢转，所述一个或多个马达耦接到该平衡环板，所述一个或多个马达被构造成提供绕该球形枢轴头的原位平衡环板运动，该多个整平指示器被构造成确定平衡环板的偏转。

Description

用于加热器基座的平衡环组件
技术领域
本公开内容大体关于用于改善沉积均匀性的设备和方法。尤其是，本公开内容的实施方式涉及用于加热器基座的平衡环(gimbal)组件。
背景技术
在尤其是在等离子体处理环境中的许多产品中，已发现在基板上金属沉积或蚀刻的边缘不均匀性。边缘不均匀性可能是膜厚度和性质不均匀性，且可能是边缘到边缘的不均匀性或中心到边缘的不均匀性。
在许多沉积腔室中，对于原子层沉积和化学气相沉积两者，旋转基座/加热器都用于改善/减少不均匀性。在大多数情况下，不均匀性来自不均匀的化学输送、流动分布、腔室特征以及来自腔室主体和周围部件的温度不均匀性。使用旋转基座可以分散这些变化的局部效应并改善不均匀性。
然而，发明人已经发现在许多情况下仍存在不希望的边缘不均匀性。因此，本领域需要用于在基板上的金属沉积或蚀刻工艺期间减少边缘到边缘和中心到边缘的不均匀性的设备和方法。
发明内容
本公开内容的实施方式涉及用于加热器基座的平衡环组件。在一些实施方式中，平衡环组件包括平衡环板、枢轴螺丝(pivot screw)、一个或多个马达及多个整平指示器(leveling indicator)，该平衡环板具有中心开口，该枢轴螺丝设置在于该平衡环板中形成的枢轴座内，其中该枢轴螺丝包含球形枢轴头，该平衡环板绕该球形枢轴头枢转，该一个或多个马达耦接到该平衡环板，该一个或多个马达被构造成提供绕该球形枢轴头的原位(in-situ)平衡环板运动，该多个整平指示器被构造成确定平衡环板的偏转。
在一些实施方式中，处理腔室包括腔室主体、喷头、可旋转的加热器基座及平衡环组件，该腔室主体具有侧壁、底部和盖组件，该腔室主体包围处理空间，该喷头耦接到该盖组件，该可旋转的加热器基座设置在该处理空间中并耦接到基座轴，该平衡环组件包含：平衡环板、枢轴螺丝、一个或多个马达及多个整平指示器，该平衡环板耦接到平衡环支撑结构且具有中心开口，该基座轴穿过该中心开口设置，该枢轴螺丝设置在于该平衡环板中形成的枢轴座内，其中该枢轴螺丝包含球形枢轴头，该平衡环板绕该球形枢轴头枢转，该一个或多个马达耦接到该平衡环板，该一个或多个马达被构造成提供绕该球形枢轴头的原位平衡环板运动，该多个整平指示器被构造成确定平衡环板的偏转。
本公开内容的其它和进一步的实施方式描述如下。
附图简要说明
本公开内容的实施方式已简要概述于前，并在以下有更详尽的讨论，可以通过参考附图中绘示的本公开内容的示例性实施方式以作了解。然而，值得注意的是，附图仅绘示了本公开内容的典型实施方式，而由于本公开内容可允许其它等同有效的实施方式，因此附图并不应视为本公开内容范围的限制。
图1图示根据本公开内容的一个或多个实施方式的包括平衡环组件的处理腔室的侧截面图。
图2绘示根据本公开内容的一个或多个实施方式的平衡环组件的等视图。
图3绘示根据本公开内容的一个或多个实施方式的耦接到控制器的平衡环组件的示意图。
为便于理解，在可能的情况下，使用相同的数字编号代表图标中相同的组件。为求清楚，图式未依比例绘示且可能被简化。可以预期的是一个实施方式中的组件与特征可有利地用于其它实施方式中而无需赘述。
具体实施方式
本公开内容的实施方式涉及用于加热器基座的平衡环组件。在与本公开内容一致的实施方式中，本发明的平衡环设计改变阳极(例如，腔室盖件、喷头、靶材等)与阴极(例如基座)之间的距离，此距离在控制基板表面产生的电场强度中起到主导作用。更具体地说，本发明的平衡环组件可以改变边缘处的间隔，使得在基座一侧上的阴极与阳极之间的距离不同于在基座的另一侧上的阴极与阳极之间的距离。本发明的平衡环组件可用平衡环使基座绕X轴和Y轴悬置(gimbal)。另外，平衡环组件可与绕Z轴旋转的旋转基座一起使用。因此，本文所述的平衡环组件有利地改善了旋转基座和非旋转基座腔室构造两者中的边缘到边缘的均匀性以及中心到边缘的均匀性。
图1绘示根据本公开内容的一个或多个实施方式的处理腔室100的侧截面图。首先，描述处理腔室的一般构造，接着是涉及用于与腔室内加热器和基板旋转机构一起使用的平衡环组件101的更特定的实施方式。
处理腔室100包括腔室主体104，腔室主体104具有侧壁103、底部105和可移除式盖组件106，腔室主体104包围处理空间108。基板支撑系统102至少部分地设置在处理空间108中，且可以支撑已经通过在腔室主体104中形成的端口112移送到处理空间108的基板110。处理空间108中包括处理套件，该处理套件包含上边缘环116、下边缘环180、底板(未图标)和/或阴影环(shadow ring)182中的至少一个。
基板支撑系统102包括主基板支撑件113，如基座114和热元件120。此外，处理套件的各部分包括次基板支撑件115，如上边缘环116和下边缘环180。次基板支撑件115可用于间歇地在主基板支撑件113的上方支撑基板110。基座114包括支撑表面118，支撑表面118适于在处理期间接触(或接近)基板110的主表面。因此，基座114用作处理腔室100中的基板110的主支撑结构。上边缘环116被图示为由绕热元件120的圆周形成的周边肩部122支撑。上边缘环116具有脚部165，以在处于降低位置时支撑上边缘环116。
基座114可包括热元件120，以在处理期间控制基板110的温度。例如，热元件120可以是位于基座114顶部上或在基座内的加热器或冷却器。加热器或冷却器可以是单独的部件，该单独的部件耦接到基座114的顶部或者可以是基座114的整体部分。在一些实施方式中，热元件120嵌入基座主体内(如图1所示)。在一个或多个实施方式中，嵌入式热元件120可以是加热或冷却元件或通道，用于将热能施加到基座114主体，该热能被基板110吸收。其它元件可设置在基座114上或嵌入基座114内，如一个或多个电极、传感器和/或真空端口。可由一个或多个温度检测装置(如电阻温度检测器(RTD)或热电偶)监控基板110的温度。嵌入式热元件120可以是区域受控的，使得基座114主体的不同区域处的温度可以被个别加热或冷却。然而，由于减弱(extenuating)因素，例如基座114中的缺陷和/或基板110中的不均匀性，所以嵌入式热元件120可能无法在整个支撑表面118和/或基板110上均匀地施加热能。这些减弱因素可能在基板110上产生不均匀的温度分布，这可能导致基板的不均匀处理。
基座114可以经由轴组件耦接到致动器126，该轴组件包括上基座轴124和下轴130，该轴组件提供(沿z轴的)垂直移动、(绕z轴的)旋转移动中的一个或多个移动，并且还可提供(绕x和y轴的)角移动。致动器126可提供垂直移动，以使基板110能在上边缘环116与支撑表面118之间被移送。绕x轴和y轴的角移动由平衡环组件101提供。轴组件经由开口127穿过处理腔室100的底部105。隔离的处理环境可以由围绕开口127并连接到轴组件的一部分的波纹管129来维持。
由机器人109将基板110经由处理腔室100的侧壁103中的端口112带入处理空间108中。端口112可以是例如狭缝阀。
处理腔室100可以是CVD、ALD或其它类型的沉积腔室、蚀刻腔室、离子注入腔室、等离子体处理腔室或热处理腔室等。在图1所示的实施方式中，处理腔室是沉积腔室且包括喷头组件128。处理空间108可与真空系统选择性地流体连通以控制处理空间108中的压力。喷头组件128可耦接到处理气体源132，以向处理空间108提供处理气体，以用于将材料沉积到基板110上。喷头组件128还可包括温度控制元件134，以用于控制喷头组件128的温度。温度控制元件134可以是与冷却剂源136流体连通的流体通道。
在一些实施方式中，基座114可以是静电吸盘，且基座114可包括一个或多个电极125(如图1所示)。例如，基座114可耦接到功率元件140A，功率元件140A可以是向一个或多个电极125提供功率的电压源。电压源可以是射频(RF)控制器或直流(DC)控制器。在另一个实例中，基座114可由导电材料制成，且用作来自喷头组件128所分配的功率元件140B的RF功率的接地路径。因此，处理腔室100可利用RF或DC等离子体施行沉积或蚀刻工艺。由于这些类型的等离子体可能不是完全同心或对称的，因此RF或DC热点(即，电磁热点)可以存在于基板110上。这些电磁热点可能在基板110的表面上产生不均匀的沉积或不均匀的蚀刻速率。
另外，如上所述，不均匀性可能来自不均匀的化学输送、流动分布、腔室特征以及来自腔室主体和周围部件的温度不均匀性。与图1和图2中所示的本发明的平衡环组件101一致的实施方式有利地借助在基板处理期间实现RF可偏置加热器的原位平衡环移动来对抗可能存在于基板表面上的不均匀性；从而改善边缘-中心-边缘的不均匀性。下面关于平衡环组件101来讨论图1和图2。
平衡环组件101由平衡环板150组成，平衡环板150的一端由平衡环支撑结构168固定。平衡环板150绕枢轴螺丝154枢转。在一些实施方式中，柱可以是具有球形枢轴头152的柔性枢轴螺丝，球形枢轴头152设置在于平衡环板中形成的枢轴座153内。枢轴螺丝154可在任何方向上偏离(off)垂直的Z轴约20度枢转。即，平衡环组件101可以使加热器基座118绕X和Y轴从垂直方向移动约0°至约20°，或以其组合的方式移动加热器基座118。如图1所示，在一些实施方式中，枢轴螺丝154的顶部延伸穿过腔室的底部并由腔室的底部固定。如图1所示，加热器基座118、上轴124、下轴130和波纹管都耦接到平衡环板150。因此，当平衡环板150移动时，加热器基座118、上轴124、下轴130和波纹管也移动。
平衡环组件101包括一个或多个马达160，一个或多个马达160提供绕球形枢轴头152的原位线性平衡环板运动。在一些实施方式中，至少两个马达160A和160B耦接到平衡环板150。在一些实施方式中，第一马达160A可用于提供粗调(coarse)平衡环板调整，而第二马达160B可用于提供精细平衡环板调整。在一些实施方式中，高分辨率(resolution)平衡环马达将在每个马达的每360度旋转中提供5密耳的平衡环板150的摆动(wobbling)。马达160(例如160A和160B)的旋转使得耦接到那些马达的同轴环形螺丝159基于同轴环形螺丝159转动的方向而上下转动和移动平衡环板150。每个马达160A和160B可以独立地受控以根据需要移动相关联的螺丝。在一些实施方式中，同轴环形螺丝159是弹簧负载的(springloaded)螺丝，该弹簧负载的螺丝包括设置在平衡环板150与处理腔室100的底部105之间的弹簧158。马达160和同轴环形弹簧负载的螺丝159被设计成在处理期间且在强真空条件下用平衡环使加热器基座悬置。
平衡环组件包括多个整平指示器162，所述多个整平指示器162确定平衡环移动期间的偏转。在一些实施方式中，使用设置在平衡环板150的顶表面与腔室主体的底表面之间的弹簧负载的整平指示器柱164，在平衡环板150的顶表面与腔室主体的底表面之间测量偏转。使用夹具167将整平指示器162和整平指示器柱164固定到平衡环板150。平衡环组件101通常安装成使得平衡环板150的表面和加热器基座118的表面平行。因此，用指示器162测量的距离将代表腔室内加热器基座的原位平衡环轮廓(profile)。在一些实施方式中，使用四个整平指示器来最准确地检测加热器基座118的平衡环位置。在一些实施方式中，使用绕X或Y轴的初始角度来实现一定的沉积厚度轮廓。
可使用其它半导体基板处理系统来实践本公开内容，其中本发明所属领域中普通技术人员可以在不背离本公开内容的精神的情况下，通过利用本公开内容的教导来调整处理参数以实现可接受的特性。
在一些实施方式中，平衡环组件进一步包括附接到平衡环板150的表面的多个硬止动件156、166，以避免在平衡环移动期间在真空下腔室内的加热器基座的任何故障和损坏。
在本文论述的实施方式中，加热器基座118可以是绕Z轴的旋转基座，或者可以是固定基座。旋转加热器基座118通常提供额外的好处。例如，使用旋转基座，不需要太多的平衡环移动(例如，因为基座的旋转将确保基板的所有边缘以类似的方式被用平衡环悬置，所以工艺可能仅需要在一个方向上用平衡环悬置)。在与本公开内容一致的实施方式中，加热器基座118可以在基板处理期间同时具有绕X和Y轴的原位平衡环移动以及绕Z轴的旋转两者。
在一些实施方式中，将通过平衡环控制器302由软件操作马达160，如图3所示。平衡环轮廓可以用在软件中设置，且可以利用来自多个指示器162的反馈信号进行自调整。整平指示器162将发送平衡环位置信息给控制器302。在一些实施方式中，平衡环位置信息被数字化且可以用于产生实际上是如何用平衡环使加热器基座悬置的数字地图。在一些实施方式中，平衡环控制器将包括显示器以显示平衡环位置图。为了便于平衡环马达160的控制和平衡环板150的移动，平衡环控制器302可以是可以在工业设置中用于控制各式腔室与协处理器的任意形式的通用计算机处理器。CPU 352的存储器或计算机可读介质356可以是一个或多个容易获取的存储器，诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、软盘、硬盘，或任何其它形式的本地或是远程的数字储存装置。支持电路354与CPU 352耦接而用传统方式支持处理器。这些电路包括高速缓冲存储器、电源、时钟电路、输入/输出电路与子系统以及类似物。
本文公开的任何发明方法通常可作为软件子程序(routine)358储存在存储器356中，当由CPU 352执行子程序358时，该方法使得平衡环组件101施行本公开内容的处理过程。软件子程序358也可由第二CPU(未图示)储存和/或执行，第二CPU位于远离由CPU 352控制的硬件的地方。本公开内容的方法中的部分或全部也可以硬件执行。如此一来，本公开内容可以以软件实施且使用计算机系统以硬件作为例如具体应用集成电路或其它类型的硬件实施或者作为软件与硬件的组合来执行。可以在将基板110定位在基板支撑件108上之后执行软件子程序358。当由CPU 352执行软件子程序358时，软件子程序358将通用计算机转换为控制平衡环组件操作的专用计算机(平衡环控制器)302，由此施行本文公开的方法。
参照回图1，加热器基座118被图示为处于非平衡环(un-gimbaled)位置(即，与基座118和轴124的垂直中心线170偏离0°)。基板110的边缘与喷头128的距离176和178是相同的。当使用平衡环组件101使加热器基座118绕X和或Y轴移动/用平衡环悬置时，可改变基板110与喷头128之间的边缘垂直距离。例如，若平衡环组件101使加热器基座118移动偏离中心线170到中心线170'的角度172，角度172大于或小于零，则基板110与喷头128之间的距离176将减小，如176'所示，并且基板110与喷头128之间的距离178将减小，如178'所示。例如，若加热器基座118用平衡环悬置至10°，则边缘垂直距离176和178将改变11.6sin(10)＝2in。这将导致边缘处的腔室内的等离子体产生的电场强度的变化，以及等离子体密度的变化。可以基于基板110上的金属沉积或蚀刻的不均匀性分布(non-uniformity profile)来调整此距离。
另外，当使用平衡环组件101使加热器基座118绕X轴和或Y轴移动/用平衡环悬置时，基板110的中心174可以被偏移到174'，例如，改善中心到边缘的不均匀性。例如，若加热器基座118用平衡环悬置于10°，则174的中心偏移将是4.92cos(10)＝0.074in。中心到边缘的不均匀性由于从一个边缘到另一个边缘的压力差导致。一个边缘可能经历气体泵送效应而另一个边缘可能不会。这可能导致形成低压侧和高压，其中存在气体泵送，导致气体交叉流动，这使得有不均匀性。尽管绕Z轴旋转基座将有助于边缘到边缘的均匀性，但是中心174将不会移动，因此可能仍存在一些中心到边缘的不均匀性。与本发明的平衡环组件101一致的实施方式可以移动中心174以改善均匀性。
尽管前面所述涉及本公开内容的实施方式，但在不背离本公开内容基本范围的情况下，可设计本公开内容揭露的其它与进一步的实施方式。

Claims (15)

1.一种平衡环组件，包括：
平衡环板，所述平衡环板具有中心开口；
枢轴螺丝，所述枢轴螺丝设置在于所述平衡环板中形成的枢轴座内，其中所述枢轴螺丝包含球形枢轴头，所述平衡环板绕所述球形枢轴头枢转；
一个或多个马达，所述一个或多个马达耦接到所述平衡环板，所述一个或多个马达被构造成提供绕所述球形枢轴头的原位平衡环板运动；和
多个整平指示器，所述多个整平指示器被构造成确定平衡环板的偏转。
2.如权利要求1所述的平衡环组件，其中所述枢轴螺丝在任何方向上偏离垂直的Z轴至多约20°枢转。
3.如权利要求1所述的平衡环组件，其中所述一个或多个马达包括耦接到所述平衡环板的至少两个马达。
4.如权利要求3所述的平衡环组件，其中所述至少两个马达耦接到同轴环形螺丝，所述同轴环形螺丝基于所述同轴环形螺丝的转动方向提供平衡环板调整。
5.如权利要求4所述的平衡环组件，其中所述马达每旋转360度，每个同轴环形螺丝提供所述平衡环板至多5密耳的摆动。
6.如权利要求5所述的平衡环组件，其中所述至少两个马达是独立可控的，以转动相关联的同轴环形螺丝。
7.如权利要求6所述的平衡环组件，其中每个同轴环形螺丝是弹簧负载的，且包括设置在所述平衡环板的顶表面上的弹簧。
8.如权利要求7所述的平衡环组件，其中所述至少两个马达和弹簧负载的同轴环形螺丝被构造成在处理期间且在强真空条件下用平衡环悬置半导体处理腔室中的加热器基座。
9.如权利要求3所述的平衡环组件，其中所述至少两个马达包括第一马达和同轴环形螺丝以及第二马达和同轴环形螺丝，所述第一马达和同轴环形螺丝提供粗调平衡环板调整，所述第二马达和同轴环形螺丝提供精细平衡环板调整。
10.如权利要求1至9中任一项所述的平衡环组件，其中所述多个整平指示器中的每个整平指示器包括弹簧负载的整平指示器柱。
11.如权利要求1至9中任一项所述的平衡环组件，进一步包括平衡环控制器，所述平衡环控制器通信地耦接到所述一个或多个马达中的每个马达和所述多个整平指示器中的每个整平指示器。
12.一种包含可旋转的基板支撑加热器基座的处理腔室，包括：
腔室主体，所述腔室主体具有侧壁、底部和盖组件，所述腔室主体包围处理空间；
喷头，所述喷头耦接到所述盖组件；
可旋转的加热器基座，所述可旋转的加热器基座设置在所述处理空间中并耦接到基座轴；和
平衡环组件，所述平衡环组件包含：
平衡环板，所述平衡环板耦接到平衡环支撑结构且具有中心开口，所述基座轴穿过所述中心开口设置；
枢轴螺丝，所述枢轴螺丝设置在于所述平衡环板中形成的枢轴座内，其中所述枢轴螺丝包含球形枢轴头，所述平衡环板绕所述球形枢轴头枢转；
一个或多个马达，所述一个或多个马达耦接到所述平衡环板，所述一个或多个马达被构造成提供绕所述球形枢轴头的原位平衡环板运动；和
多个整平指示器，所述多个整平指示器被构造成确定平衡环板的偏转。
13.如权利要求12所述的处理腔室，其中所述平衡环组件被构造成使所述加热器基座绕X轴从垂直方向移动约0°至约20°，以及使所述加热器基座绕Y轴从垂直方向移动约0°至约20°，其中所述加热器基座和基座轴耦接到所述平衡环板，且其中所述平衡环板的移动使所述加热器基座和基座轴移动。
14.如权利要求12至13中任一项所述的处理腔室，其中所述一个或多个马达耦接到同轴环形螺丝，所述同轴环形螺丝基于所述同轴环形螺丝的转动方向提供平衡环板调整。
15.如权利要求14所述的处理腔室，其中所述马达每旋转360度，每个同轴环形螺丝提供所述平衡环板至多5密耳的摆动。
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