CN111383885A - 一种能提高控温精度的基片安装台及等离子体处理设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能提高控温精度的基片安装台及等离子体处理设备，该基片安装台包含依次设置的导电基座、热隔离层、加热层、控温层和静电吸盘层；该导电基座中还设有冷却系统；该控温层内设置一空腔，所述空腔内填充有金属相变材料，在等离子处理过程中，金属相变材料融化并在具有不同温度的区域之间流动，以维持基片的温度恒定，达到精确控温的目的。本发明通过设置金属相变材料进行控温，利用了金属相变材料的吸热、放热特性，结构简便，控温过程容易控制。通过设置能精确控温的控温层，维持静电吸盘温度稳定，从而保证基片刻蚀的均匀性，达到高质量产出的目的，且节能环保，操作简便。

Description

一种能提高控温精度的基片安装台及等离子体处理设备

技术领域

本发明属于等离子处理领域，涉及一种静电卡盘加热技术，具体涉及一种能提高控温精度的基片安装台及等离子体处理设备。

背景技术

等离子加工设备广泛地应用于集成电路、微机电系统或太阳能电池板的制造工艺中。等离子中含有大量的电子、离子、激发态的原子、分子和自由基等活性粒子，这些活性粒子和被加工的衬底相互作用，在衬底表面发生复杂的物理和化学反应，从而使衬底表面的结构和性能发生变化。例如常见的电感耦合等离子(Inductive Coupled Plasma，ICP)设备，在半导体制造方面能够完成多种工艺，如各向异性、等向性刻蚀和化学气相沉积(ChemicalVapor Deposition，CVD)等。

在等离子体处理工艺过程中，常采用静电吸盘来固定、支撑及传送基片等待加工件。静电吸盘设置于等离子反应腔内，通过静电引力的方式而非机械方式固定基片，可减少基片可能的机械损伤，且静电吸盘与基片完全接触，有利于热传导。

等离子体处理工艺过程中，基片的温度恒定是非常关键的，而基片的温度恒定是通过控制静电吸盘的温度实现的。如在等离子刻蚀机中，静电吸盘需要精确地调整硅片的温度，从而调整硅片刻蚀的均匀性，达到最高质量产出。

现有技术通常是采用改进基片安装台的冷却系统、加热系统等以提高控温精度。

其中一种现有技术公开了一种等离子体处理腔室及其静电夹盘以及基片温度控制方法，其中，所述静电夹盘包括：顶层绝缘层，其中内嵌有一直流电极；静电夹盘基体，所述静电夹盘基体包括顶板、底板、侧壁，所述顶板、所述底板和所述侧壁装配在一起形成一空间，所述底板上设置有若干冷却液分割装置，相邻的冷却液分割装置之间形成了冷却液通道，其中，在所述冷却液分割装置之上还设置有一隔板，所述隔板和所述顶板之间具有第一空间，所述隔板具有至少一个阀门。当需要对基片进行降温处理时，打开阀门，当需要对基片进行升温处时，关闭阀门。

另一种现有技术公开了一种等离子体处理腔室及其静电夹盘，其中：所述冷却通道至少包括对应于基片中间区域下方的第一冷却通道和对应于基片边缘区域的第二冷却通道，其中，所述第一冷却通道和所述第二冷却通道分别连接有第一冷却液循环装置和第二冷却液循环装置；所述加热装置包括对应于基片中间区域下方的第一加热装置和对应于基片边缘区域的第二加热装置，所述第一加热装置和所述第二加热装置分别连接有第一电源和第二电源。

第三种现有技术公开了一种用于处理基板的设备。于一些实施例中，设备包含：第一导电本体，绕处理腔室的内部容积中的基板支撑件而设置；第一导电环，具有内缘及外缘，该内缘耦接至第一导电本体的第一端，该外缘自内缘径向向外而设置；第二导电本体，耦接至第一导电环的外缘，并具有至少一部分设于第一导电环上，其中第二导电环的至少一部分和第一导电环部分地界定第一导电环上的第一区域；及加热器，经配置成加热第一导电本体、第二导电本体及第一导电环。

第四种现有技术公开了基板载置台、基板处理装置和被处理基板的温度控制方法。在具有静电卡盘的基板载置台中，由于向静电卡盘电极供电的供电线的周围由绝缘材料包围，因而产生传热不良的部分。由此，提供一种补偿该部分的传热，使基板整体温度均匀的手段。在供电线周围的基板载置台表面形成有环状凸部，将基板与载置台之间的间隙的空间划分为内侧区域和外侧区域，在各区域配置冷却气体的供给管和排出管，独立地控制各区域冷却气体的压力。

但是目前静电吸盘因为材料设计、传感器精度、控制算法等原因很难做到±2度以内的控温精度，特别是在晶圆传片过程中，由于热容的变化，静电吸盘的温度变化更大。

发明内容

本发明的目的是解决静电吸盘温度变化大，无法精确控制基片温度的问题，通过设置能精确控温的控温层，维持静电吸盘温度稳定，从而保证基片刻蚀的均匀性，达到高质量产出。

为了达到上述目的，本发明提供了一种能提高控温精度的基片安装台，该基片安装台包含依次设置的导电基座、热隔离层、加热层、控温层，和静电吸盘层；该控温层内设置一空腔，所述空腔内填充有金属相变材料，在等离子处理过程中，金属相变材料融化并在具有不同温度的区域之间流动，所述导电基座中还设有冷却系统。

较佳地，所述的控温层还包含底盘及表层，该底盘与表层之间形成密闭的空腔，金属相变材料层位于所述空腔中。

较佳地，所述的底盘设置有沟槽，以与表层构成密闭的空腔。

较佳地，所述的沟槽连续、均匀间隔布置在底盘上。

较佳地，所述的沟槽为以底盘圆心及底盘边缘为端部的连续圆环形沟道。

较佳地，所述的控温层中的底盘及表层分别由金属(如，铝)或者陶瓷材料制成。

较佳地，所述的金属相变材料的金属成分选择使得所述金属相变材料的相变温度点在40-100℃之间。

较佳地，所述的金属相变材料选择汞、钠、钾、钙、锂、镓、铟、铋、锡、铅及锑中任意一种或多种金属构成的合金。本发明所述的金属相变材料的储热密度高，相变潜热大，导热速度快，热稳定性姣好，过冷度小，相变体积变化小，腐蚀性小，过程容易控制。

较佳地，所述的加热层中包括多个独立可控的发热元件，在加热层平面上分区域独立控制空间温度分布。

较佳地，所述的静电吸盘层包含电极层及位于电极层上下的绝缘材料层。

本发明还提供了一种等离子体处理设备，其包含反应腔，该反应腔内设置有上述的用于支撑基片的基片安装台。

较佳地，所述等离子处理设备在进行等离子处理时，基片被吸附在所述静电吸盘层上，点燃等离子体对基片进行处理，所述位于控温层内的金属相变材料吸热并融化为液体；完成等离子处理后，熄灭等离子体，移除基片，所述金属相变材料放热以维持所述控温层的温度。

本发明在加热层上增加一层金属相变材料流体层(即控温层)，把金属相变材料灌封在控温层的空腔内，金属相变材料吸热变成流体后可以在沟道内自由流动，充分实现区域内的热交换，快速达到区域内温度均匀一致。

本发明通过设置金属相变材料进行控温，利用了金属相变材料的吸热、放热特性，结构简便，控温过程容易控制。特别是晶圆传片过程中，系统热容的剧烈变化，金属相变材料通过相变快速吸放大量热量，能实现精确控温，确保温度恒定，从而提高加工质量。

附图说明

图1为本发明的一种设有基片安装台的等离子反应腔的示意图。

图2为本发明的一种基片安装台的截面示意图。

图3为本发明的一种控温层的底盘的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

如图1所示，本发明的一种基片安装台2设置在等离子体密封反应腔1内。本发明需要通过精准控制基片安装台2的温度，以使得放置在基片安装台上的基片温度恒定，便于后续等离子反应。

如图2所示，本发明提供的一种基片安装台包含：依次设置的导电基座10、热隔离层20、加热层30、控温层40，和静电吸盘层50。

所述的导电基座10为金属导电材质，如采用铝基座。

所述的控温层40内设置一空腔，所述空腔内填充有金属相变材料，在等离子处理过程中，金属相变材料融化并在具有不同温度的区域之间流动。

如图3所示，所述的控温层40包含底盘41及表层，该底盘与表层之间形成密闭的空腔，金属相变材料层灌注在所述空腔中。

一些较佳的实施例中，所述的底盘均匀设置有沟槽，以与表层构成密闭的空腔。所述的沟槽可以为环形或矩形或波浪形等。

一些较佳的实施例中，本发明的控温层40的底盘41内设置环形连续沟槽42，通过表层(图中未示出)密封。其中，沟槽42以底盘41圆心及底盘边缘某点为端部形成的连续圆环形，均匀间隔布置在底盘41上，金属相变材料灌注密封在沟槽42中。当静电吸盘层50温度高于金属相变材料的熔点时，金属相变材料吸热，并部分融化，在密封的沟槽中流动，使得温度均匀，避免局部高温。当静电吸盘层50温度低于金属相变材料熔点时，金属相变材料放热，部分凝固，以维持稳定恒定。

一些较佳的实施例中，所述的控温层40中的底盘及表层分别由金属(如，铝)或者陶瓷材料制成。

一些较佳的实施例中，所述的金属相变材料的金属成分选择使得所述金属相变材料的相变温度点在40-100℃之间，可选择汞、钠、钾、钙、锂、镓、铟、铋、锡、铅及锑中任意一种或多种金属构成的合金。

一些较佳的实施例中，所述的导电基座10中还设有冷却系统60。

一些较佳的实施例中，所述的冷却系统60包含若干独立可控的冷却单元，在基座中分区域独立控制空间温度分布。

一些较佳的实施例中，所述的加热层30包括多个独立可控的发热元件，在加热层平面上分区域独立控制空间温度分布。所述的发热元件可选择电热丝。

一些较佳的实施例中，所述的静电吸盘层50包含电极层51及位于电极层上下的绝缘材料层。

实施例1

设置在等离子体密封反应腔1内的基片安装台包含：依次设置的导电基座10、热隔离层20、加热层30、控温层40，和静电吸盘层50。所述的导电基座10为铝基座。所述的控温层40包含底盘及表层，该底盘上均匀布置的环形沟槽，沟槽内灌注金属相变材料，通过表层密封，形成密闭沟槽。静电吸盘需要在40℃上精确控温，所述沟槽内灌注相变点为40℃的金属相变材料层。当静电吸盘温度高于40℃时，固态金属相变材料快速吸收热量，部分转化为液态，保证温度稳定在40℃。当静电吸盘温度低于40℃时，液态金属相变材料快速释放热量，部分转化为固态，保证温度稳定在40℃，确保精准控温。特别是晶圆传片过程中，系统热容的剧烈变化，金属相变材料通过相变快速吸放大量热量，实现稳定精确稳定。

实施例2

设置在等离子体密封反应腔1内的基片安装台包含：依次设置的导电基座10、热隔离层20、加热层30、控温层40，和静电吸盘层50。所述的导电基座10为铝合金基座。静电吸盘需要在100℃上精确控温，所述的控温层40内设置一空腔，所述空腔内填充相变点为100℃的金属相变材料。当静电吸盘温度高于100℃时，固态金属相变材料快速吸收热量，部分转化为液态，保证温度稳定在40℃。当静电吸盘温度低于100℃时，液态金属相变材料快速释放热量，部分转化为固态，保证温度稳定在100℃，达到精准控温的目的。

实施例3

一种等离子体处理设备，其包含反应腔，该反应腔内设置有用于支撑基片的基片安装台。该基片安装台包含依次设置的导电基座、热隔离层、加热层、控温层、静电吸盘层，所述的控温层的空腔内灌封有金属相变材料。该等离子处理设备在进行等离子处理时，基片被吸附在所述静电吸盘层上，点燃等离子体对基片进行处理，所述位于控温层内的金属相变材料吸热并融化为液体；完成等离子处理后，熄灭等离子体，移除基片，所述金属相变材料放热以维持所述控温层的温度。

综上所述，本发明在加热层上增加一层金属相变材料流体层(即控温层40)，把金属相变材料灌封在控温层40的空腔内，金属相变材料吸热变成流体后可以在沟道内自由流动，充分实现区域内的热交换，快速达到区域内温度均匀一致。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (12)

1.一种能提高控温精度的基片安装台，其特征在于，该基片安装台包含依次设置的导电基座、热隔离层、加热层、控温层，和静电吸盘层；

该控温层内设置一空腔，所述空腔内填充有金属相变材料，在等离子处理过程中，金属相变材料融化并在具有不同温度的区域之间流动，所述导电基座中还设有冷却系统。

2.如权利要求1所述的能提高控温精度的基片安装台，其特征在于，所述的控温层还包含底盘及表层，该底盘与表层之间形成密闭的空腔，金属相变材料层位于所述空腔中。

3.如权利要求2所述的能提高控温精度的基片安装台，其特征在于，所述的底盘设置有沟槽，以与表层构成密闭的空腔。

4.如权利要求3所述的能提高控温精度的基片安装台，其特征在于，所述的沟槽连续、均匀间隔布置在底盘上。

5.如权利要求4所述的能提高控温精度的基片安装台，其特征在于，所述的沟槽为以底盘圆心及底盘边缘为端部的连续圆环形沟道。

6.如权利要求2所述的能提高控温精度的基片安装台，其特征在于，所述的控温层中的底盘及表层分别由金属或者陶瓷材料制成。

7.如权利要求1所述的能提高控温精度的基片安装台，其特征在于，所述的金属相变材料的金属成分选择使得所述金属相变材料的相变温度点在40-100℃之间。

8.如权利要求1所述的能提高控温精度的基片安装台，其特征在于，所述的金属相变材料选择汞、钠、钾、钙、锂、镓、铟、铋、锡、铅及锑中任意一种或多种金属构成的合金。

9.如权利要求1所述的能提高控温精度的基片安装台，其特征在于，所述的加热层中包括多个独立可控的发热元件，在加热层平面上分区域独立控制空间温度分布。

10.如权利要求1所述的能提高控温精度的基片安装台，其特征在于，所述的静电吸盘层包含电极层及位于电极层上下的绝缘材料层。

11.一种等离子体处理设备，其包含反应腔，其特征在于，该反应腔内设置有如权利要求1-10中任意一项所述的用于支撑基片的基片安装台。

12.如权利要求11所述的等离子体处理设备，其特征在于，所述等离子处理设备在进行等离子处理时，基片被吸附在所述静电吸盘层上，点燃等离子体对基片进行处理，所述位于控温层内的金属相变材料吸热并融化为液体；完成等离子处理后，熄灭等离子体，移除基片，所述金属相变材料放热以维持所述控温层的温度。

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