CN110785837A - 高温热板基座 - Google Patents

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Abstract

一种组件，其在一种形式中是基座，该组件包括上部构件、结合到上部构件的下部构件以及在气密密封的体积内设置在上部构件和下部构件之间的热相扩散器。热相扩散器通过在气密密封的体积内的工作流体的相变来扩散热量。该组件/基座能够在超过1000℃的高温下以高的温度均匀性操作，并且在一种形式中是氮化铝(AlN)材料。

Description

高温热板基座
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年6月23日提交的申请号为62/523,976、标题为“高温热板基座”的美国临时申请和2018年4月17日提交的申请号为62/658,770、标题为“高温振荡热管基座”的美国临时申请的权益，这些申请的内容通过引用被整体并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及半导体处理设备，并且更具体地涉及用于在各种半导体处理步骤期间支撑、加热或冷却在其上的晶片的基座(pedestal)和/或静电卡盘(electrostaticchucks)。
背景技术
该部分中的陈述仅提供与本公开有关的背景信息，并且可不构成现有技术。
基座在半导体处理中已知用于支撑和加热布置在其上的晶片。基座通常包括用于支撑晶片的板构件和附接到该板构件的底侧的轴构件。加热器可被嵌入板构件中以向晶片提供所需的加热。另外，可以将静电卡盘或冷却装置结合到或嵌入在基座的板构件内，以向晶片提供静电卡紧力或冷却。
在诸如等离子增强膜沉积或蚀刻之类的各种晶片处理步骤期间，需要均匀地加热或冷却板构件的晶片支撑表面以减少晶片内的处理变化。因此，加热器或冷却装置需要被特别地配置为向晶片提供均匀的加热/冷却，从而导致加热/冷却回路的复杂设计。
此外，晶片支撑表面需要被快速加热或冷却以减少总处理时间。用于基座的典型加热器可以具有多层结构，其包括例如电阻加热层、路由层、介电层和保护层。加热器的多层结构以及静电卡盘、加热器和冷却装置的层压通过增加在穿过基座的z轴上的热障而不期望地限制了晶片的加热/冷却速率。
此外，用于形成组件的各个层的材料由于这些材料之间的热膨胀系数(CTE)兼容性而受到限制。当材料具有不兼容的CTE时，尤其是在高温下，可能会出现裂纹或分层。基座的操作温度也可能受到电阻加热层的材料的限制，或者由于一些材料层之间的CTE不兼容而受到限制。通常，基座可以在低于700℃的操作温度下工作。
发明内容
在一种形式中，提供了一种组件(其在一种形式中是用于半导体处理应用的基座)，该组件包括上部构件、下部构件以及在气密密封的体积内设置在上部构件和下部构件之间的热相扩散器。热相扩散器通过在密封体积内的工作流体的相变来扩散热量。
在一个变型中，填充材料设置在热相扩散器和下部构件之间的间隙内。填充材料可以是高温可压缩材料，例如，石墨(Grafoil)、氮化铝(AlN)粉末、陶瓷浆料和柔性石墨/石墨烯。
在其他变型中，结合层设置在上部构件和热相扩散器之间，其在一种形式中是钛镍钎焊合金。
上部构件可包括上壁和从上壁向下延伸的外周壁，热相扩散器被上部构件的外周壁围绕。在这种形式的一种变型中，下部构件结合到上部构件的外周壁。上部构件和下部构件可以由不同的材料或相同的材料制成。
在一种形式中，热相扩散器包括具有T形横截面的管状壳体。在另一种形式中，热相扩散器还包括芯结构，该芯结构限定了蒸汽引导通道。工作流体的蒸汽在蒸汽引导通道中流动，并且工作流体的液体沿着芯结构并且在蒸汽引导通道的外部流动。在一种变型中，工作流体的蒸汽沿着垂直于上部构件的方向流动。
在另一种形式中，热相扩散器包括板部分和从板部分的下表面延伸并垂直于板部分的轴部分。轴构件可以设置在下部构件的下方，并且填充材料也可以设置在轴构件和热相扩散器的轴部分之间。
工作流体可以选自由液态氦、汞、钠、硫、卤化物、铟、铯、钠钾合金(NaK)、钾、锂、银、氨、酒精、甲醇、乙醇、丙酮、甲醛、水、萘或其他熔融材料。
在另一种形式中，电阻加热器围绕热相扩散器的一部分。在另一种形式中，上部构件结合到下部构件，而在另一种形式中，上部构件和下部构件是单个整体件。
在本公开的另一种形式中，提供了一种组件，该组件包括：陶瓷衬底，其限定了包含工作流体的气密密封的流体通道以及设置在该气密密封的流体通道内的热相扩散器。工作流体在气密密封的流体通道中流动，并且包括多个离散的液体段塞和蒸汽气泡。在这种形式的一种变型中，蒸汽气泡在靠近衬底的中心和外周部分中的一个处释放热量并冷凝，并且液体段塞在靠近衬底的中心和外周部分中的另一个处吸收热量并蒸发。陶瓷衬底在一种形式中具有高导热率，并且由氮化铝(AlN)材料制成。
在另一种形式中，组件的上部构件和下部构件是陶瓷的，并且在气密密封的体积中的工作流体包括多个离散的液体段塞和蒸汽气泡。在这种形式的一种变型中，陶瓷衬底是氮化铝(AlN)。
根据本文提供的描述，其他应用领域将变得显而易见。应当理解，描述和具体示例仅旨在用于示例性目的，并不旨在限制本公开的范围。
附图说明
通过详细描述和附图，将更加全面地理解本公开，其中：
图1是根据本公开的第一形式构造的基座的剖视图；
图2是图1的基座的变型的剖视图；
图3是图1的基座的热相扩散器的俯视图；
图4是图3的热相扩散器的侧视图；
图5是根据本公开的另一种形式构造的基座的剖视图；
图6是图1至图5所示的热相扩散器的示意图，其中，热相扩散器包括蒸汽室型热管。
图7是根据本公开的另一种形式构造的基座的剖视图，其中，基座包括蒸汽室型热管；
图8是根据本公开的另一种形式构造的基座的剖视图，其中，基座包括蒸汽室型热管；
图9是根据本公开的另一种形式构造的基座的剖视图，其中，基座包括蒸汽室型热管；
图10是集成在图9的基座中的扩散器的俯视图；
图11是图1至图5所示的基座的热相扩散器的变型的俯视剖视图；其中，热相扩散器包括振荡热管(OHP)；
图12是图11的热相扩散器的板部分的剖视图；
图13是根据本公开的教导的热相扩散器的板部分和填充管的剖视图，该填充管允许工作流体填充在板部分的流体通道中；
图14是根据本公开的教导的热相扩散器的板部分和在工作流体填充到流体通道中之后的卷曲的填充管的剖视图；
图15是根据本公开的另一种形式构造的基座的剖视图，其中，基座包括振荡热管(OHP)；
图16是根据本公开的另一种形式构造的基座的剖视图，其中，基座包括振荡热管(OHP)；
图17是根据本公开的另一种形式构造的基座的剖视图，其中，基座包括振荡热管(OHP)；
图18是集成在图17的基座中的扩散器的俯视图；
图19是根据本公开的教导构造的呈气体管线加热组件形式的热系统的剖视图；
图20是根据本公开的教导构造的呈气体管线加热组件形式的热系统的变型的剖视图；
图21是根据本公开的教导构造的用于向半导体处理室中的晶片提供辐射热量的热系统的示意图；
图22是根据本公开的教导构造的热系统的变型的示意图；和
图23是用作根据本公开的教导构造的用作温度传感器的热系统的示意图。
在整个附图的若干视图中，相应的附图标记表示相应的部分。
具体实施方式
以下描述本质上仅是示例性的，并非旨在限制本公开、应用或用途。
参照图1，示出了根据本公开的一种形式构造的组件，该组件在该示例性形式中是基座10。基座10包括上部构件12、热相扩散器14和下部构件16。上部构件12限定上表面20或者界面表面，该上表面20可以是晶片支撑表面，另一装置(例如静电卡盘或RF构件)结合到该界面表面。可替代地，可以将静电卡盘或RF构件的电极嵌入上部构件12中。上部构件12的上表面20也可以结合到由氮化铝(AlN)制成的典型基座的晶片支撑部分。
提供热相扩散器14的某些特征以使得热相扩散器14可以用作加热器、冷却装置或高热容量扩散器。这些特征件通常可以被称为“热管”，并且在下面进行更详细地描述。因此，由本公开的一种形式的热相扩散器14提供的加热功能不应被解释为限制本公开的范围。一种形式(如图6所示)的热相扩散器14可以包括蒸汽室型热管，而另一种形式(如图11所示)的热相扩散器14可以包括振荡热管(OHP)，其将在下面进行更详细地描述。因此，如本文中所使用的，术语“热相扩散器”应被理解为是指通过在气密密封/约束的体积内移动的工作流体的相变来扩散热量的热扩散器。
上部构件12限定倒U形状，并具有上壁22和从上壁22向下延伸的周壁24。在上壁22和上部构件12的周壁24之间限定了腔26。在一种形式中，热相扩散器14具有T形横截面，并包括设置在腔26中的板部分30和从板部分30向下延伸的轴部分32。在热相扩散器14的板状部分30和下部构件16的上表面之间限定间隙34。
在一种形式中，间隙34可以保持为空的以容纳热相扩散器14和下部构件16之间的热膨胀。在另一种形式中，间隙34可以填充有填充材料36，例如高温可压缩材料，包括但不限于Grafoil、氮化铝(AlN)粉末、陶瓷浆料和柔性石墨/石墨烯，如图2所示。填充材料36在机械和热方面都起作用。更具体地，填充材料36在下部构件16和热相扩散器14之间机械地起作用以吸收和传递机械负荷。填充材料36还起作用以在下部构件16和热相扩散器14之间传递热。此外，填充材料36可以完全地或在预定的位置/间隔处填充间隙34。即使热扩散器14的板部分30的热膨胀系数(CTE)与下部构件16的CTE不兼容，作为高温可压缩材料，填充材料36也可以确保下部构件16和热扩散器14之间的适当结合。
上部构件12可以包括诸如氮化铝(AlN)的陶瓷材料。下部构件16可以包括与上部构件12的材料相同或不同的材料。上部构件12和下部构件16被分别地形成并沿着上部构件12的周壁24结合。下部构件16可以由具有比上部构件12的材料低得多的热导率的材料(例如氧化锆)形成，使得由热相扩散器14产生的热量主要被朝向上部构件12引导，而较少的热量被引导至下部构件16以避免热量损失。因为上部构件12仅沿着周壁24结合到下部构件16，所以，当下部构件12通过填充材料36也结合到热相扩散器14时，上部构件12和下部构件16之间的CTE的不相容性就不那么重要了。因此，针对下部构件12可以使用更广泛的材料选择。
热相扩散器14和上部构件12可以通过钛-镍钎焊合金而结合。根据将上部构件12结合到热相扩散器14的钎焊合金，上部构件12可以是金属化的陶瓷或非金属化的陶瓷。在任一种情况下，相比于可压缩材料或机械界面，钛-镍钎焊合金都允许在热构件14和上部构件12之间更好的热接触。
参照图3和图4，热相扩散器14具有热管构造，并且在一种形式中具有T形横截面。热相扩散器14包括板部分30和轴部分32。在板部分30中形成三个通孔38，其可以提供多种功能，但是这里在本公开的这种形式中用作提升销孔。
参照图5，根据本公开的第二形式构造的基座60类似于第一形式的基座10，除了基座60包括管状轴构件62和在管状轴构件62与热相扩散器14之间的填充材料64。相似的元件将由相似的附图标记表示，并且为了清楚起见，本文将省略详细描述。
更具体地，基座60包括上部构件12、热相扩散器14、下部构件16和设置在下部构件16下方的轴构件62。一种形式(如图6所示)的热相扩散器14可以包括蒸汽室型热管，而另一种形式(如图11所示)的热相扩散器14可以包括振荡热管(OHP)。在热扩散器14的板部分30与下部构件16的上表面之间并且在热扩散器14的管状轴部32与轴构件62之间限定间隙66。填充材料64完全地或在预定位置/间距处被填充在间隙66中。填充材料66可以选自由Grafoil、氮化铝(AlN)粉末、陶瓷浆料和柔性石墨/石墨烯组成的组。填充材料66可以被选择为具有在热相扩散器14的外壳体32的CTE和下部构件16的热膨胀系数(CTE)之间的CTE，以减小由在相扩散器14的板部分30和下部构件16之间的CTE差值引起的热应力。填充材料66还在管状轴构件62内使热相扩散器14热隔离和介质隔离。
基座60可以用在AlN基座或铝基座/晶片热板中。虽然基座60主要描述为用于诸如沉积或蚀刻之类的半导体处理，但是基座60也可以用作用于加热目标的普通加热板。基座60可以在相对较低的温度(例如在光刻系统内为30℃)下用作扩散器板和/或用于提供加热和冷却。用于热相扩散器14的热管的对于这种操作温度的合适工作流体包括但不限于氨、甲醇和水。
包括蒸汽室型热管的热相扩散器
参照图6，一种形式的热相扩散器14可具有蒸汽室型热管构造，并且包括管状壳体40和设置在管状壳体40内部的芯结构(wick structure)44。芯结构44限定蒸汽引导通道46或蒸汽引导室。管状壳体40被密封并且部分地填充有工作流体48。
工作流体48在期望的操作温度范围内以其蒸汽和液体两种形式在管状壳体40内部流动。工作流体48根据所需的操作温度可以是液态氦、汞、钠(500至1450C)、铟、铯、钠钾合金(NaK)、钾(400至1000℃)、锂(900至1700C)、银、氨、酒精、甲醇、乙醇、丙酮、甲醇、水(25至327℃)、萘(330至450℃)或其他熔融材料。对于室温应用来说，可以将水用作工作流体。对于更高温度应用来说，可以将汞(523-923K)、钠(873-1473K)或铟(2000-3000K)用作工作流体。
管状壳体40的材料被选择为与工作流体48兼容。可以使用多种材料来形成用于高温应用的管状壳体40，包括但不限于不锈钢、因科镍铬不锈钢(Incoloy)、钛、铬镍铁合金(Inconel)、钨、铌和钼。当将水用作工作流体48时，管状壳体40可以由铜制成。当将氨用作工作流体48时，管状壳体40可以由铝制成。
管状壳体40包括与轴部分32相邻的较高温度端50和与管状壳体40的板部分30的顶表面相邻的较低温度端52。
在另一种形式中，热相扩散器14可以仅具有板部分30而没有轴部分32。可以使用单独的轴构件以将其附接到基座10的下部构件16。在这种情况下，较高温度端50邻近下部构件16，且较低温度端52邻近上部构件12。
为了使热相扩散器14进行热传递，在管状壳体40中容纳有既包含饱和液体又包含其蒸汽(气相)的工作流体48。该饱和液体在较高温度端50处蒸发成蒸汽，从而在芯结构44的较高温度端处吸收热能。
蒸汽沿着蒸汽引导通道46行进至较低温度端52，在该处，蒸汽冷凝成液体，从而在芯结构44的较低温度端52处释放潜热。冷凝的液体被芯结构44吸收并恢复成饱和液体。冷凝的液体使用蒸汽引导通道46外部的芯结构44通过在工作流体48的液相上的毛细管作用而返回到较高温度端52，从而完成热循环。
芯结构44可以包括烧结的多孔金属粉末、网筛(meshed screen)、玻璃纤维和/或窄槽，以将冷凝的液体引导回到较高温度端52。通常，有效的芯结构44需要用于大的毛细管压力的小表面孔、用于最小的液体流动阻力的大内部孔以及用于较小的温度下降的跨越芯厚度的不间断的高导热流动路径。热管的导热系数可以超过5000W/mK。
参照图7，根据本公开的另一种形式构造的基座80包括集成的静电卡盘(ESC)和集成的冷却装置。基座80的轴构件在图7中未示出，并且为了清楚起见，在此省略了其描述。本形式的基座80可以在150℃至300℃范围内的操作温度下操作，该操作温度显著低于前述形式的基座10、60的操作温度。
更具体地，基座80包括ESC 82形式的上部构件、冷却装置84形式的热相扩散器以及用于将ESC 82结合到冷却装置84的结合层86，并且可选地包括设置在冷却装置84下方的轴构件(图7中未示出)。ESC 82包括由陶瓷材料制成的卡盘体83和嵌入其中的电极85，以向设置在其上的晶片(未示出)提供静电卡紧力。在一种形式中，冷却装置84可以是热管并且可以具有板构造。冷却装置84包括管状壳体87、芯结构88、限定在芯结构88中的多个蒸汽引导通道90以及呈蒸汽和液体形式的工作流体90。蒸汽引导通道90各自具有与管状壳体86的上表面相邻的较高温度端92和与管状壳体87的下表面相邻的较低温度端94。
如箭头A所示，工作流体90的蒸汽V在蒸汽引导通道90中流动并远离卡盘体82(即，从较高温度端92朝向较低温度端94)。工作流体90从ESC 82吸收热量并在较高温度端92处蒸发，从而冷却ESC 82。工作流体90的蒸汽向下行进到较低温度端92并在较低温度端94处冷凝成液体，从而释放潜热。冷凝的液体L被芯结构88吸收，并且然后沿着蒸汽导引通道90外部的芯结构88朝着较高温度端92向上流动，如箭头B所示，并且在较高温度端92处再次蒸发以开始另一个热循环。因此，热能Q从ESC 82朝向冷却装置84的底表面流动。冷却装置84的管状壳体86可以由铜制成，并且工作流体90可以是水。
在这种形式中，冷却装置84被示为施加到ESC 82的底表面。可替代地，冷却装置84可以被嵌入在ESC 82的卡盘体83内。
参照图8，根据另一种形式的教导构造的基座100包括集成的ESC形式的上部构件和加热/冷却装置形式的热相扩散器。基座100的轴构件是可选的并且在图8中未示出，并且因此，为了清楚起见省略了其描述。
更具体地，基座100包括与图7相似的ESC 82、加热/冷却装置102和设置在加热/冷却装置102的底表面处的辅助加热器104，其可以是本公开的一种形式的电阻加热器。辅助加热器104设置在陶瓷堆(ceramic stack)的外部以最小化厚度和热阻。加热/冷却装置102具有与图7的冷却装置84类似的结构，除了可以控制蒸汽朝向ESC 82向上移动或者远离ESC82向下移动。当蒸汽朝向ESC 82向上移动时，加热/冷却装置102用作加热装置。当蒸汽远离ESC 82向下移动时，加热/冷却装置102用作冷却装置。因此，热能Q可以沿任一方向流动。
辅助加热器104可以是附接至加热/冷却装置102的底表面的较便宜且精度较低的加热器。在当前形式中，加热/冷却装置102的管状壳体可以由铜制成，并且工作流体可以是水。
参照图9，根据本公开的另一种形式构造的基座120包括集成的扩散器。管状轴构件是可选的并且在图9中未示出。
更具体地，基座120包括呈ESC 82形式的上部构件、呈扩散器124形式的热相扩散器，在ESC 82和扩散器124之间的第一结合层126、加热器128、基板130以及设置在加热器128和基板130之间的第二结合层132。基板130用于冷却并且还用在处理期间的尺寸对准和热质量。ESC82类似于图1和图2中的那些。加热器128可以是包括多个电阻加热元件134的常规加热器。扩散器124是热管，并且具有与图7和图8类似的结构，除了蒸汽引导通道138的取向。在本形式中，蒸汽引导通道138沿着扩散器124的径向方向具有较高温度端和较低温度端。蒸汽引导通道138引导蒸汽沿径向方向流动。热能Q在径向方向上向内或向外移动。
参照图10，扩散器124具有板构造并且限定了多个环形区域，例如区域1、区域2、区域3、区域4。环形区域相对于扩散器124的中心处于不同的径向位置。扩散器124允许径向调谐。由于沿着扩散器124的外周部分存在散热器，加热表面不能沿加热表面的径向方向提供均匀的加热。扩散器124允许沿径向方向、从中心朝向外周端或从外周端朝向中心的热传递。扩散器124的中心的温度可以高于或低于扩散器124的外周端的温度，从而沿径向方向微调加热表面的温度以实现更均匀的加热表面。
可替代地，扩散器124可包括多个同心环板142、144、146、148，每个环板包括热管结构，以在每个环板内并且沿径向方向进行热传递。因此，环板的一个径向端的温度高于环板的另一径向端的温度。
包括振荡热管的热相扩散器
参照图11所示，如图1至图5所示的热相扩散器14可选地可以被配置为具有振荡热管(OHP)构造的热相扩散器14’。类似于热相扩散器14，热相扩散器14’包括热板部分30’并且可选地包括轴部分。
更具体地，热相扩散器14’的热板部分30’包括衬底40’和在衬底40’中限定的至少一个通道46’。通道46’具有如所示的蛇形(serpentine)形状，该蛇形形状具有邻近热板部分30’的中心42’和外周部分44’设置的弯曲部分48’，从而形成连续的通道46’。工作流体50’在期望的操作温度范围内以气相和液相的形式在通道46’内流动。工作流体50’分散成离散的液相(称为“液段塞(liquid slugs)”)和气相(称为“蒸汽气泡”)的链。
热源(未示出)可以靠近热板部分30’的中心42’布置，使得热板部分30’的中心42’构成蒸发器侧。热板部分30’的外周部分44’比热板部分30’的中心42’冷，并因此构成冷凝器侧。当液段塞朝向热板部分30’的中心42’(即，蒸发器侧)移动时，液段塞被部分地蒸发，从而蒸汽气泡吸收流体的潜热并膨胀。当蒸汽气泡从中心51’朝向热板部分30’的外周部分44’(即，冷凝器侧)移动时，热量被邻近热板部分30’的外周部分44’的散热器移除，从而使得蒸汽气泡释放蒸汽的潜热、部分冷凝并收缩。因此，热板部分30’的外周部分44’由于蒸汽气泡的潜热的释放而被加热。来自热板部分30’的中心42’的热量可以迅速散布到热板部分30’的外周部分44’。
替代地，热源可以被布置成靠近热板部分30’的外周部分44’，使得外周部分44’构成蒸发器侧并且热板部分30’的中心42’构成冷凝器侧。当工作流体50’从中心42’向外周部分44’移动时，液态段塞会部分蒸发，从而蒸汽气泡会吸收流体的潜热并膨胀。随着蒸汽气泡从外周部分44’向中心42’移动，热量被邻近中心42’的散热器除去，导致蒸汽气泡释放蒸汽的潜热，部分冷凝并收缩。因此，由于释放了蒸汽气泡的潜热，热板部分30’的中心42’被加热。来自热板部分30’的外周部分44’的热量可以迅速散布到热板部分30’的中心42’。
通过在冷凝器侧和热蒸发器侧之间反复移动工作流体50’，工作流体50’在热板部分30’的平面中振荡并且反复在靠近中心42’(或外周部分44’)处吸收热量并在靠近外周部分44’(或中心42’)处释放热量。在一种形式中，通道46’可以具有小的直径并且是微通道，使得工作流体50’可以在没有任何外力的帮助下通过毛细管作用在通道46’中流动。微通道46’内的期望压力分布可包括多种横截面几何形状中的任一种，例如，圆形、u形或其他多边形的形状。
在蒸汽室型热管中所需的芯结构在OHP构造中是不需要的。因此，使用OHP构造的热板部分30’具有更简化的结构并且可以制造得更薄，从而降低制造成本。
工作流体50’根据所需的操作温度可以是液态氦、汞、钠(500至1450℃)、硫、卤化物(例如SbBr3或TiI4)、铟、铯、NaK、钾(400至1000℃)、锂(900至1700℃)、银、氨、酒精、甲醇、乙醇、丙酮、甲醛、水(25至327℃)、萘(330至450℃)或其他熔融材料。对于室温应用来说，可以将水用作工作流体。对于更高温度的应用来说，可以将汞(523-923K)、钠(873-1473K)或铟(2000-3000K)用作工作流体。
衬底40’的材料被选择为与工作流体50’兼容。广泛选择的材料可用于形成用于升温应用的衬底40’，包括但不限于不锈钢、因科镍铬不锈钢(Incoloy)、钛、铬镍铁合金(Inconel)、钨、铌、钼和氮化铝(AlN)。当将水用作工作流体50’时，衬底40’可以由铜制成。当将氨用作工作流体50’时，衬底40’可以由铝制成。
在另一种形式中，热相扩散器14’可以仅具有板部分30’而没有轴部分32’。可以使用单独的轴构件以将其附接到基座10的下部构件16。
参考图12，具有OHP构造的热相扩散器51’的变型与图11类似，除了基板52’包括第一板构件53’和第二板构件54’，第一板构件53’和第二板构件54’在其界面处并沿其外周在结合特征件55’处结合在一起。第一板构件53’和第二板构件54’由诸如氮化铝(AlN)、三氧化二铝(氧化铝)、碳化硅(SiC)之类的陶瓷材料制成。在第一板构件53’和第二板构件54’之间的界面处形成至少一个流体通道46’。该至少一个流体通道46’可以完全设置在如图12所示的第一板构件53’和第二板构件54’中的一个中，或者可以位于如图13和图14所示的衬底52’的中部。工作流体50’在至少一个流体通道46’内流动并在衬底52’的平面内振荡以形成OHP。
参照图13，为了在陶瓷衬底52’中形成OHP，准备由陶瓷材料制成的第一板构件53’和第二板构件54’，其中第一板构件53’和第二板构件54’中的至少一个形成有沟槽(trench)。在第一板构件53’和第二板构件54’被结合并且沟槽被封闭之后，沟槽限定流体通道46’。当第一板构件53’和第二板构件54’都形成有沟槽时，该至少一个流体通道46’形成在如图13和图14所示的衬板52’的中部。该至少一个流体通道46’是具有允许OHP的操作所必需的尺寸的微通道。该至少一个流体通道46’的横截面根据流动所需的摩擦条件可以具有任何形状，包括矩形(图12)或圆形(图13和图14)。该至少一个流体通道46’的宽度或直径可以在100μm至1mm的范围内，在一些应用中可能高达10mm。
第一板构件53’和第二板构件54’中的至少一个可形成有沿着第一板构件或第二板构件的外周并围绕该至少一个流体通道46’的结合沟槽。将铝材料施加在结合沟槽中，以将第一板构件53’结合至第二板构件54’，并形成沿着第一板构件53’和第二板构件54’的外周的结合特征件55’。将铝材料以固体形式施加在结合沟槽中，加热到铝材料的熔融温度。熔融的铝材料完全填充在结合沟槽中。当熔融的铝材料固化时，沿着第一板构件53’和第二板构件54’的外周形成气密结合，以形成结合特征件55’。
第一板构件53’和第二板构件54’之间以及流体通道46’的相邻部分之间的界面也可以由铝材料进行结合。如果第一板构件53’和第二板构件54’仅沿其外周结合，则会发生工作流体沿着界面的交叉流动。然而，工作流体的振荡可以对此进行补偿。
可选地，可以通过3D打印形成衬底52’，以在衬底52’中形成流体通道46’。因此，衬底52’具有一体结构，并且不需要结合。
参照图13，可替代地，陶瓷衬底52’被示出具有流体通道56’，其具有圆形横截面。流体通道56’的一半设置在第一板构件53’中，而流体通道56’的另一半设置在第二板构件54’中，使得流体通道56’形成在陶瓷衬底52’的中间。第二板构件54’还限定了敞开到第二板构件54’的底表面的切口部分57’。在第一板构件53’和第二板构件54’被结合特征件55’(图12所示)结合并且该至少一个流体通道56’形成在衬底52’中之后，填充管58’与第二板构件54’的切口部分57’对齐并通过钎焊材料连接到第二板构件54’，使得填充管57’的通道63’与陶瓷衬底52’的流体通道56’流体连通。第二板构件54’可以包括从第二板构件54’的底表面突出的轴环59’，以促进填充管58’结合到陶瓷衬底52’的第二板构件54’。轴环59’设置在填充管58’的内部。轴环59’的外表面钎焊到填充管58’的内表面。
钎焊材料可以是钛-镍、镍-钯或其他镍基钎焊合金。填充管58’允许工作流体在制造期间被填充在流体通道56’中。填充管58’可以由镍制成，并且可以直接钎焊到轴环59’。为了改善填充管58’到陶瓷衬底52’的轴环59’的钎焊并避免填充管58’在热循环期间与陶瓷衬底52’分离，可以在钎焊过程之前在陶瓷衬底52’的轴环59’的表面上可选地沉积钼层(未示出)。钼的热膨胀系数在填充管58’的热膨胀系数和陶瓷衬底52’的热膨胀系数之间。因此，在热循环期间，钼层的使用可以减小在陶瓷衬底52’和填充管58’之间的界面处的热应力。钼层的厚度可以在5至50.8μm的范围内。
填充管58’可具有钎焊到填充凸缘61’的远端，以帮助在工作流体填充在通道56’中之前在通道56’中建立真空，并帮助将工作流体填充在通道56’中。
参照图14，在工作流体填充在陶瓷衬底52’的流体通道56’中之后，移除填充凸缘59’并且使填充管58’的远端卷曲以将工作流体密封在流体通道56’内部。卷曲的填充管58’的长度X可以取决于应用。
参照图15，根据本公开的另一种形式构造的基座80’除了热相扩散器的结构之外在结构上类似于图7。基座80’包括呈集成的静电卡盘(ESC)形式的上部构件和呈冷却装置形式的集成的热相扩散器。基座80’的轴构件在图15中未示出，并且为了清楚起见本文省略了其描述。本形式的基座80’可以在150℃至300℃范围内的操作温度下操作，该操作温度显著低于第一形式的基座10和第二形式的基座60的操作温度。
更具体地，基座80’包括ESC 82、呈冷却装置84’形式的热相扩散器，以及用于将ESC 82’结合到冷却装置84’的结合层86’，并且可选地包括布置在冷却装置84’下方的轴构件(图15中未示出)。ESC 82’包括由陶瓷材料制成的卡盘体83’和嵌入其中的电极85’，以向设置在其上的晶片(未示出)提供静电卡紧力。冷却装置84’可以是具有OHP构造的热管并且具有板构造。冷却装置84’包括衬底87’和限定在衬底87’中并在衬底87’的平面中延伸的至少一个通道90’。工作流体在通道90’内流动。衬底87’的外周部分可以用作蒸发器侧，并且衬底87’的中心可以用作冷凝器侧。冷却装置84’的操作类似于图11的热板部分30’的操作，不同之处在于，在冷凝器侧设置有冷却源而不是热源。
更具体地，包括离散的流体段塞和蒸汽气泡的工作流体在蒸发器侧与冷凝器侧之间的通道90’中反复流动。当工作流体在靠近冷却源处流到冷的冷凝器侧时，工作流体被冷却源冷却，并且工作流体的蒸汽气泡在靠近冷的冷凝器侧处冷凝。当工作流体的液体段塞流到蒸发器侧时，工作流体的液体段塞在靠近蒸发器侧处吸收热量，以降低衬底87’的靠近蒸发器侧的温度。液态段塞被部分蒸发，以使得蒸汽气泡吸收流体的潜热并膨胀。通过在热的蒸发器侧和冷的冷凝器侧之间反复移动，工作流体使热能Q在衬底87’的中心和外周部分之间流动。或者，可以在外周部分处设置冷却源，以使外周部分成为热管的冷凝器侧，并使中心成为热管的蒸发器侧。冷却装置84的衬底87’可以由铜制成，并且工作流体可以是水。
以这种形式，冷却装置84’被示为施加到ESC 82’的底表面。可替代地，冷却装置84’可以被嵌入在ESC 82’的卡盘体83’内。
参照图16中，根据另一种形式的教导构造的基座100’除了热相扩散器之外在结构上类似于图8。基座100’包括呈集成的ESC形式的上部构件和呈加热/冷却装置形式的热相扩散器。基座100’的轴构件是可选的并且在图16中未示出，并且因此为了清楚起见省略了其描述。
更具体地说，基座100’包括类似于图15的ESC 82’、呈加热/冷却装置102’的形式的热相扩散器和设置在加热/冷却装置102’的底表面处的辅助加热器104’，其可以是本公开的一种形式的电阻加热器。辅助加热器104’设置在陶瓷堆的外部，以最小化厚度和热阻。加热/冷却装置102’具有与图15的冷却装置84’的结构类似的结构，除了加热/冷却装置102’可用于加热且冷却ESC 82’。具有OHP构造的热管用于加热还是用于冷却取决于为热管提供了热源还是冷却源。当提供热源以加热加热/冷却装置102’时，OHP用作加热器。当提供冷却源以冷却加热/冷却装置102’时，OHP用作冷却装置。
辅助加热器104’可以是附接到加热/冷却装置102’的底表面的较便宜且精度较低的加热器。在当前形式中，加热/冷却装置102’的衬底可以由铜制成，并且工作流体可以是水。
参照图17，根据本公开的另一种形式构造的基座120’在结构上类似于图9，并且包括集成的扩散器。管状轴构件是可选的，并且在图17中未示出。
更具体地，基座120’包括呈ESC 82’形式的上部构件、呈扩散器124’形式的热相扩散器、在ESC 82’和扩散器124’之间的第一结合层126’、加热器128’、基板130’以及设置在加热器128’与基板130’之间的第二结合层132’。ESC 82’类似于图15和图16中的那些。加热器128’可以是包括多个电阻加热元件134’的常规加热器。扩散器124’是具有OHP构造的热管，其中具有蛇形形状的至少一个通道在扩散器124’的平面中延伸。如图15和图16所示，热管的热的蒸发器侧和冷的冷凝器侧沿着扩散器124’的径向方向设置。工作流体沿着径向方向在通道138’内“振荡”。因此，热能Q沿着径向方向向内或向外移动。
参照图18，扩散器124’具有板构造并且限定了多个环形区域，例如区域1、区域2、区域3、区域4。环形区域相对于扩散器124’的中心处于不同的径向位置。扩散器124’允许径向调谐。由于沿着扩散器124’的外周部分存在散热器，所以加热表面可以不提供沿着加热表面的径向方向的均匀的加热。扩散器124’允许沿着径向方向从中心朝向外周端或者从外周端朝向中心的热传递。扩散器124’的中心的温度可以高于或低于扩散器124’的外周端的温度，从而沿径向方向微调加热表面的温度，以获得更均匀的加热表面。
可替代地，扩散器124’可包括多个同心环板142’，144’，146’，148’，每个环板包括热管结构，以在每个环板内并沿径向方向进行热传递。因此，环板的一个径向端的温度高于环板的另一径向端的温度。
具有被构造为包括蒸汽室型热管或OHP构造的热相扩散器的基座具有以下优点：寿命更长、加热/冷却迅速、外形小并且降低了制造成本。热管，无论是蒸汽室型热管还是OHP，由于热管的独特结构在没有维护的情况下都可以具有更长的寿命。而且，热管的热导率可以超过5000W/mK。因此，具有蒸汽室型热管或OHP结构的热相扩散器可以更快速地对加热/冷却目标进行加热/冷却。具有OHP构造的热相扩散器不需要任何芯结构，并且因此热管和包括热管的热相扩散器可以具有小的外形和减小的厚度。根据本公开的教导构造的基座具有较少的部件，并且因此具有较简单的结构。当衬底由陶瓷材料制成时，由于陶瓷材料对工作流体的低反应性，增加了对工作流体的选择。此外，陶瓷材料具有优异的导热性，从而增强了向其他系统元件的热传递。
根据本申请的教导构造的基座具有获得超过1000℃的高温性能的优点。在操作温度上的唯一限制是上部构件12和下部构件16之间的结合。而且，与典型的基座相比，本公开的基座在热管板的平面内具有显著高的导热率/热传递，并且可以获得在约400℃以上的高均匀性(约±0.1℃)。与需要分开的加热和冷却元件的其他氮化铝基座相比，该基座具有简化的设计/制造，且外形相对小。
气体管线加热组件
参照图19，热相扩散器可构造成具有管状构造，以形成用于加热穿过其中的气体管线152的气体管线加热组件150。本形式的气体管线加热组件150具有蒸汽室型热管。热相扩散器包括外壳体154、被管状壳体154围绕的第一芯结构156和第二芯结构158。第一芯结构156限定了中央通道，气体管线152被插入通过该中央通道。第二芯结构158围绕第一芯结构156，并且限定了在第一芯结构156和第二芯结构158之间的环形蒸汽引导通道160。工作流体容纳在管状壳体154内。工作流体的蒸汽在环形蒸汽引导通道160中沿平行于气体管线152的轴线的方向流动。气体管线加热组件150还可包括围绕管状壳体154的附加加热器162，以提供间歇加热。本形式的气体管线加热组件150可以沿着气体管线152的长度保持高水平的热均匀性。
参照图20，热相扩散器的变型构造成具有管状构造，以形成用于加热穿过其中的气体管线152’的气体管线加热组件150’。当前形式的气体管线加热组件150’具有OHP构造。气体管线加热组件150’包括管状衬底154’，该管状衬底154’限定了中央通道156’和具有蛇形形状的至少一个通道157’，气体管线152’插入中央通道156’中。工作流体沿着平行于气体管线152’的轴线的方向在通道157’内在相对的纵向端之间“振荡”。气体管线加热组件150’还可包括围绕管状衬底154’的一部分的附加加热器162’，以提供间歇加热。本形式的气体管线加热组件150’可以通过将来自附加加热器162’的热量朝向气体管线的远离附加加热器162’的部分引导而沿着气体管线152’的长度保持高水平的热均匀性。
具有热管构造的热系统
参照图21，根据本公开的教导构造的热系统180被配置为向半导体处理室182中的晶片184提供辐射热量。通常，辐射热量由管状加热器提供。在本形式中，热系统180可包括类似于图8的加热/冷却装置102的蒸汽室型热管或类似于图16的加热/冷却装置102’的OHP，但是被构造为在平面视图中具有螺旋形状并且从半导体处理室182被引出到外部热源186。热系统180可以像管状加热器一样将热量辐射到晶片保持器，但是具有更高程度的热均匀性。
参照图22，根据本公开的教导构造的热系统200的变型是热板，其包括衬底202和嵌入在衬底202中的加热器元件204。加热器元件204可以包括结构上类似于图8的加热/冷却装置102的蒸汽室型热管或在结构上类似于图16的加热/冷却装置102’的OHP。热板可以与金属基座(例如，不锈钢或铬镍铁合金)一起使用。加热器元件204可以被嵌入在基座内或被压在适当位置。
具有热管构造的温度传感器
参照图23，根据本公开的教导构造的热系统220用作温度传感器220，用于测量布置在半导体处理室224内部的晶片保持器222的温度。温度传感器220可以包括蒸汽室型热管构造，或OHP，并且具有非常小的直径。热量从晶片保持器222通过呈热管形式的温度传感器传递到室224外部的物体(未示出)。物体成为测量点226。通过测量物体的温度，可以确定从晶片保持器222传递到物体的热量。因此，晶片保持器222的温度可以在外部(即在处理室224的外部)而不是在原地进行测量。热管可以用于在晶片保持器组件的外部或完全在室224的外部进行精确的温度测量。
应当注意，本公开不限于作为示例描述和示出的形式。已经描述了各种各样的修改，并且更多的修改是本领域技术人员的知识的一部分。例如，尽管相对于用于半导体处理应用的基座示出和描述了本公开的教导，但是应当理解，在保持本公开的范围内的同时可以使用多种其他应用。在不脱离本公开和本专利的范围的情况下，可以将这些和进一步的修改以及技术上等同物的替换增加到说明书和附图。

Claims (16)

1.一种组件，包括：
上部构件；
下部构件；和
热相扩散器，所述热相扩散器在气密密封的体积内设置在所述上部部件和所述下部部件之间，
其中，所述热相扩散器通过在所述气密密封的体积内的工作流体的相变来扩散热量。
2.根据权利要求1所述的组件，还包括：设置在所述热相扩散器和所述下部构件之间的间隙内的填充材料。
3.根据权利要求2所述的组件，其中，所述填充材料包括高温可压缩材料。
4.根据权利要求2所述的组件，其中，所述填充材料选自由Grafoil、氮化铝(AlN)粉末、陶瓷浆料和柔性石墨/石墨烯组成的组。
5.根据权利要求1所述的组件，还包括：设置在所述上部构件和所述热相扩散器之间的结合层。
6.根据权利要求1所述的组件，其中，所述上部构件包括上壁和从所述上壁向下延伸的外周壁，所述热相扩散器被所述上部构件的所述外周壁围绕。
7.根据权利要求6所述的组件，其中，所述下部构件结合到所述上部构件的所述外周壁。
8.根据权利要求1所述的组件，其中，所述上部构件和所述下部构件由不同的材料制成。
9.根据权利要求1所述的组件，其中，所述热相扩散器包括具有T形横截面的管状壳体。
10.根据权利要求1所述的组件，其中，所述热相扩散器还包括芯结构，所述芯结构限定蒸汽引导通道。
11.根据权利要求10所述的组件，其中，所述工作流体的蒸汽在所述蒸汽引导通道中流动，并且所述工作流体的液体沿着所述芯结构流动并且在所述蒸汽引导通道的外部流动。
12.根据权利要求1所述的组件，其中，所述热相扩散器包括板部分和轴部分，所述轴部分从所述板部分的下表面延伸并垂直于所述板部分。
13.根据权利要求12所述的组件，还包括：设置在所述下部构件下方的轴构件，所述填充材料还设置在所述轴构件与所述热相扩散器的所述轴部分之间。
14.根据权利要求1所述的组件，还包括：电阻加热器，所述电阻加热器围绕所述热相扩散器的一部分。
15.根据权利要求1所述的组件，其中，所述上部构件和所述下部构件是陶瓷的，并且所述气密密封的体积中的所述工作流体包括多个离散的液体段塞和蒸汽气泡。
16.根据权利要求15所述的组件，其中，所述陶瓷衬底是氮化铝(AlN)。
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