CN111511959B - 具有主动温度控制的沉积处理系统及相关方法 - Google Patents

Abstract

本技术的几个示例涉及在制造材料或薄膜期间主动控制腔室中的衬底的温度。在一些示例中，该方法可以包括冷却或加热衬底以使其温度在目标范围内，在衬底的表面上沉积材料，以及在沉积材料的同时控制衬底的温度。在一些示例中，控制衬底的温度可以包括通过在衬底上引导流体而从衬底去除热能以在整个沉积过程中将衬底的温度保持在目标范围内。

Description

具有主动温度控制的沉积处理系统及相关方法

技术领域

本公开涉及具有主动温度控制的沉积处理系统，并且更具体地涉及利用腔室部件和相关系统的主动温度控制来管理沉积材料的热应力。

背景技术

适用于在多种表面上沉积材料的处理腔室在本领域中是众所周知的。在一特定例子中，处理腔室用于半导体处理系统中。半导体处理系统的处理腔室可以包括，例如静电吸盘(ESC)，腔室屏蔽，喷头以及用于形成半导体材料(例如薄膜)的类似位置的腔室部件。在操作过程中，单个部件可能会暴露于由腐蚀性等离子体条件导致的极端环境中并受到其侵蚀。耐腐蚀涂层通常用于保护暴露在这种条件下的腔室部件。在操作过程中产生的高温以及例如ESC和沉积在其上的薄膜之间的热膨胀系数(CTE)失配，导致轻微的变形。例如，在薄膜涂层的制备过程中，材料沉积在ESC上，并且与沉积的材料相关的热能可以迅速加热ESC和其他腔室部件。考虑到每个腔室部件的热质量不同，与沉积材料相关的热能会在腔室内产生CTE失配，从而导致翘曲和变形。

图1A和1B是根据现有技术的腔室部件20(例如，固定衬底或ESC)和工件30(例如，半导体材料，绝缘材料，薄膜等)的示意性截面图，并且旨在说明CTE失配的影响。图1A示出了翘曲成凹形之后的部件20和工件30，图1B示出了翘曲成凸形之后的部件20和工件30。更具体地，图1A和1B示出了由部件20呈现的凹形或凸形形状可导致缺陷，该缺陷可随后转移(translated)到形成在其上的工件30。

传统上用来减轻CTE失配问题的一种方法是用热涂层(例如，等离子喷涂)覆盖腔室部件，以保护它们免受处理腔室恶劣环境的影响。然而，随着时间的流逝，热涂层本身仍可能遭受CTE失配(和/或热不均匀)的影响，并可能导致由于薄膜的变形，分层，和污染而导致的颗粒的产生以及产量降低。由于半导体几何尺寸的变得更小的持续需求，颗粒产生(和污染)的问题已成为越来越普遍的问题。因此，需要其他方法来限制腔室内部件的CTE失配。

附图的简要说明

图1A和1B是根据现有技术的沉积处理系统的腔室部件的示意性剖视图。

图2是根据本技术的示例的半导体系统的示意图。

图3是示出根据本技术的示例的过程的流程图。

图4是示出根据本技术的示例的示例的仿真的图。

具体实施方式

在以下描述中，讨论了许多具体细节以提供对于本技术的示例的透彻且可实施的描述。然而，相关领域的技术人员将认识到，可以在没有一个或多个具体细节的情况下实施本公开。在其他情况下，未示出或未详细描述通常与半导体器件相关联的众所周知的结构或操作，以避免混淆本技术的其他方面。通常，应当理解，除了本文公开的那些特定示例之外，多种其他装置，系统，和方法也可以在本技术的范围内。

如上所述，需要控制沉积处理系统内的部件的CTE失配。因此，根据本技术的系统的几个示例包括用于向腔室内的部件或衬底(例如，固定衬底或可移动衬底)供应热能或从腔室内的部件或衬底去除热能的加热/冷却机制。基于对衬底进行的温度测量，以及对腔室和/或材料的沉积的温度测量，该机制可以用于调节衬底的温度以保持在目标范围内。在一些示例中，该机制还可以用于调节衬底的温度以接近材料的沉积温度。在这些示例的每一个中，可以控制衬底的CTE以及衬底与其他腔室部件(例如，薄膜)之间的CTE差异。这样，本技术提供了通过例如减少薄膜的变形和污染来增加材料的产量的能力。

图2是沉积处理系统200(“系统200”)的示意图。系统200包括腔室202，衬底204，用于在衬底204上方沉积沉积材料208的沉积机制206，加热和/或冷却机制210，以及可操作地耦接至机制210的控制器212。腔室202可以在真空中和大约-30℃到大约300℃的温度之间运行。衬底204可以包括由包括薄陶瓷的材料形成的静电吸盘(ESC)，并且可以具有大于5mm或在大于大约1mm或大于更小尺寸的范围内的厚度。衬底204可以经由可旋转支撑件207机械地耦接至腔室202的壳体。可旋转支撑件可以可操作以旋转和调节衬底204(及其上的材料208)以实现入射角，材料被以该入射角沉积在衬底204上。衬底204包括大体上平坦的外表面205，以支撑设置在其上的沉积材料208。沉积机制206可以包括通常用于沉积薄膜的多个装置，例如蒸发源材料和离子源。沉积机制206能够执行物理气相沉积(PVD)，热蒸发，电子束蒸发，离子束溅射，和阴极电弧，以及相关领域中通常使用或已知的其他沉积技术。沉积机制206还可以包括离子束辅助沉积(IBAD)系统，其将蒸气通量源与离子束源结合。沉积材料208可以包括氧化钇(Y₂O₃)，氟化钇(YF₃)和/或氟氧化钇(YOF)，以及相关领域中通常使用或已知的其他绝缘或半导体材料。

系统200可以进一步包括多个温度测量装置220(例如，热电偶，电阻温度检测器(RTD)，光学高温计等)，包括第一温度测量装置220a以测量衬底204的温度，第二温度测量装置220b用于测量腔室202内部的温度，和第三温度测量装置220c用于测量沉积装置206的温度。第三温度测量装置220c可以对应于例如材料沉积在腔室202中或衬底204上的温度。在一些示例中，可以基于多个热电偶的组合来计算沉积材料的温度，例如第二和第三温度测量装置220b-c。例如，在其上沉积材料的计算出的温度可以是在第二和第三温度测量装置220b-c的测量之间的加权平均值。如下面参考控制器212的描述更详细地解释的，可以使用沉积材料的温度来确定将衬底204调节到的温度。每个温度测量装置220a-c可操作地耦合到控制器212，并且可以用作控制器212的输入。本领域普通技术人员将理解，每个温度测量装置220a-c可以对应于多个热电偶(例如，出于冗余目的)。

加热/冷却机制210可以包括一个或多个热交换装置，其被配置为(a)经由加热元件，红外灯，或相关领域中已知的其他手段将衬底加热到目标温度，和/或(b)提供流体以冷却(例如，从衬底204去除热能)衬底204，然后从衬底204接收流体(例如，具有去除的热能)。提供给衬底204的流体可以通过对流装置(例如，冷却风扇)，冷却器，冷却剂，以及相关领域中已知的其他方法。替代地，还可以提供流体以加热(例如向衬底204增加热能)衬底204。在一些示例中，衬底204包括一个或多个通道，流体可以流过该通道以从衬底204去除热能。在其他示例中，流体可以流过与衬底204直接接触的板材的通道，使得流体冷却板材，然后通过传导冷却衬底204。在一些示例中，穿过板或衬底204的通道可包括(a)对应于衬底204的不同区域和衬底204的表面的多个部分，以及(b)一个或多个可操作以控制通过不同的部分的流体的流动的阀。在这样的示例中，流体通过板或固定衬底的流动可以基于每个单独部分的目标温度。例如，对于部件而言，具有在第一温度的第一部分和具有在比第一温度高的第二温度的第二部分可能是有益的，以便调节与膜的不同部分相关的热应力。

机制210可以被配置为将衬底204(或衬底204的一部分)的温度控制在目标范围内。例如，在一些示例中，机制210可以将衬底204的温度调节在大约-30℃至大约300℃，大约-10℃至大约180℃，或大约20℃到大约150℃的范围内。在一些示例中，目标范围可以基于沉积在衬底204上方的材料208，以及最终产品的期望质量。例如，目标范围可以是对应于材料208的特定热应力的沉积温度的正负10℃。在一些示例中，目标范围可以基于衬底204本身(例如，衬底的陶瓷材料)以确保在其上沉积材料208的外表面205在沉积过程中是并且保持大体上平坦。

控制器212(例如，控制系统)部分地用于控制加热/冷却机制210，从而控制衬底204的温度。在操作中，控制器212接收输入(例如，来自温度测量装置220a-c的测量值和目标设定点温度和/或范围)以影响加热/冷却机制210的操作并在目标范围内获得衬底204的期望温度。更具体地，取决于目标温度，控制器212可以控制，例如引导至衬底204(或板)的流体的量和/或可操作以控制流体的流量的阀的操作。控制器212可以使用比例积分微分(PID)控制根据闭环反馈系统进行操作。控制器212的许多示例可以采取计算机可执行指令的形式，包括由可编程计算机执行的例程。控制器212还可以，例如包括监督控制和数据采集(SCADA)系统，分布式控制系统(DCS)，可编程逻辑控制器(PLC)，控制装置，以及被配置为处理计算机可执行指令的处理器的组合。相关领域的技术人员将理解，可以在相关领域中通常已知的计算机系统上实践该技术。该技术可以体现在专用计算机或数据处理器中，该计算机或数据处理器经过特殊编程，配置或构造以执行以下所述的一个或多个计算机可执行指令。因此，如本文一般使用的术语“控制器”可以指任何数据处理器。

本技术的一个好处是能够主动控制衬底的温度和温度变化率。这样，与传统方法不同，传统方法由于衬底和沉积材料之间的CTE失配而易于产生热应力，本技术提供了通过主动冷却或加热衬底在目标温度范围内来控制(例如限制或放大)任何这种应力的能力。本技术的另一个好处是能够独立于其他部件而改变衬底的温度以及温度的变化速率。这样，在操作中，本技术可以允许衬底以较慢的速度加热，以确保例如在初始加热过程期间衬底的外表面几乎没有变形或没有变形。该技术的另一个优点是能够通过仅改变一个变量(即，衬底的温度)来控制衬底与沉积在其上的材料之间的CTE失配。例如，由于可以独立于与腔室相关的其他变量(例如，腔室温度，沉积材料，沉积温度等)来调节衬底的温度，因此操作员不需要改变与沉积的其他方面相关的操作。

图3是示出根据本技术的示例的过程300的流程图。过程300通常涉及控制沉积处理系统(例如，系统200)的腔室(例如，腔室202)内的固定部件(例如，衬底204)的温度。处理部分302包括加热和/或冷却衬底以使其具有目标范围的温度。如前所述，可以通过加热元件，红外灯，和/或相关领域中已知的其他方式来完成对衬底的加热。可以在沉积之前使用加热步骤以将衬底的温度升高到预期发生沉积的目标范围内的温度。例如，如果预期沉积在120℃至150℃的温度范围内发生，则可以在沉积之前将衬底加热至该范围内的温度。可以通过将流体从冷却机制(例如，机制210)引导至衬底并经由该流体去除热量来完成对衬底的冷却，如先前参考图2所述。在一些示例中，可以在加热之后，在沉积开始之后，和/或在整个沉积过程中进行冷却步骤。在其他示例中，冷却步骤可以在已经沉积第一膜之后并且在沉积第二膜之前完成。在其他示例中，冷却步骤可以在同一膜(例如，材料208)的第一层和第二层的沉积之间进行，以控制材料或所得薄膜的机械特性。在沉积材料之前加热和/或冷却衬底的好处是能够控制(例如，限制)温度升高或降低的速率以确保不会发生由CTE引起的衬底变形的能力。在沉积之前加热和/或冷却衬底的另一个好处是，一旦沉积开始，衬底就不会经历因沉积而导致的温度快速升高。同样，这可以帮助确保不会发生由CTE引起的对衬底的机械损坏。

过程部分304包括在衬底的表面上方沉积材料。在一个优选的示例中，材料在衬底上的沉积发生在衬底已经被冷却或加热到具有目标范围内的温度之后。可以使用先前参考图2所述的任何沉积方法，或相关领域中已知或使用的其他沉积方法来沉积材料。

过程部分306包括将衬底的温度控制在目标范围内。将材料沉积在衬底上将固有地(innately)包括向衬底添加热能(例如，热)。这样，为了将衬底维持在目标范围内的温度，系统需要在沉积材料时去除所添加的热量。如先前参考图2所公开，可通过使流体朝着衬底移动，并吸收通过沉积工艺添加的热量，而从衬底去除热量。可以使用控制器(例如，控制器212)来控制温度的控制，以监视并将温度保持在目标范围内。这样，过程300可以根据迭代执行以上概述的操作的控制回路反馈机制(例如，PID控制)进行操作。

图4是示出多个示例的仿真的图400。图400包括对应于温度，T_S或衬底的y轴，以及对应于时间的x轴。图400还包括对应于根据现有技术的示例的仿真的第一线402，和对应于根据本技术的示例的仿真的第二线404。如图4所示，曲线图400还包括与材料沉积开始的时间相对应的第一平面(A)和与材料沉积结束的时间相对应的第二平面(B)。首先参考根据现有技术的示例配置的线402，衬底的温度曲线在室温下开始并且在达到平衡温度之前以第一速率增加。维持平衡温度，直到沉积完成或在平面(B)处停止为止，此时T_S降回到接近室温。如线402所示，衬底的温度可经历与通过沉积添加到腔室中的热量相关联的温度的快速升高，以及与通过沉积添加热量的停止相关的温度的快速降低。这样，在这些时间段内，衬底可能特别容易受到热应力。应力可以传递到沉积在其上的材料，并且可能导致颗粒污染，分层，和变形，以及其他问题。

接下来参考根据本技术的示例配置的线404，衬底的温度曲线包括稳定地上升到平面(A)处的沉积温度，在该温度下开始沉积。随着材料被沉积到衬底上，衬底的温度曲线通常保持稳定，直到沉积在平面(B)处完成或停止为止。此后，控制线404的温度降低，以使温度稳定返回到室温。

如线402和404的比较所示，与传统技术相比，本技术具有许多优点。例如，与传统技术不同，传统技术可以包括在沉积的早期阶段中快速的温度升高和在沉积的最后阶段之后的快速温度降低，本技术的相应的沉积阶段是受控的并且不那么极端。这样，本技术降低了由于污染，分层，和变形导致的生产损失的可能性。

本技术的另一个好处是能够在通常均匀的温度下(例如，在10℃的范围内)执行薄膜的整个沉积。如线402所示，大约三分之一的沉积发生在衬底达到其平衡温度之前。与线402相比，线404的沉积在近似均匀的温度下发生，从而导致膜具有更均匀的特性。在沉积开始时，本技术的这种益处甚至可以是更显著的，这可以是涂覆过程的显著时期。沉积的开始是在涂层和衬底之间建立界面时，它会显著影响附着力和其他机械性能。在沉积开始期间保持受控和/或均匀温度的能力将导致膜具有更均匀的特性，以及改善的附着性和机械韧性。

本技术的另一个优点是能够将沉积温度控制在具有目标CTE值的优选温度下。如图4所示，在线402的沉积期间衬底的温度处于比线404的温度更高的温度，这意味着体现了限制CTE失配的最佳温度。如公式1所示，与膜的CTE相关的热应力σ_FILM，部分归因于与膜相关的固有应力σ_INT，和与膜的沉积相关的CTE应力σ_CTE。对于膜应用，例如根据本技术的那些，固有应力可以部分地基于沉积方法(例如，IBAD，CVD，溅射，蒸发，阴极电弧等)。CTE应力可以基于沉积温度与衬底的使用温度之间的差异。更具体地说，如公式2所示，CTE应力基于薄膜的弹性模量，E_FILM，薄膜的泊松比，ν_FILM，微分CTE常数，Δα＝α_FILM-α_SUBSTRATE，和膜的温度变化，ΔT。在一些示例中，ΔT对应于沉积温度与基础衬底的温度之间的温度差。

公式1：σ_FILM＝σ_INT+σ_CTE

公式2：

这样，减小沉积膜材料的温度与衬底的温度之间的任何差异可以减小膜的整体热应力。

本技术的另一个好处是能够独立控制(a)衬底温度和CTE失配，以及(b)与每个膜相关的离子能量。换句话说，本技术允许薄膜制造商通过改变固有应力和CTE应力之一或二者来控制薄膜应力。如前所述，固有应力可以基于用于将膜沉积在衬底上的沉积方法(例如，IBAD，CVD，溅射，蒸发，阴极电弧，等)。每种沉积方法具有与其相关的不同水平的离子能量，从而导致膜将具有不同水平的固有应力。例如，使用蒸发方法沉积的膜可能具有较低的离子能量，从而导致较低的颗粒密度和膜内更多的空隙，从而导致更大的拉伸应力。作为另一例子，使用阴极电弧沉积方法沉积的膜可能具有高离子能量，导致较高的颗粒密度和较少的空隙，从而导致更大的压应力。拉伸，压缩，和其他应力可能会有优缺点，这取决于膜的用途。例如，较高的应力可能有益于改善膜的机械韧性，例如耐磨性或耐蚀性。更进一步，可能希望仅某些层(例如外层)具有机械韧性特性。因此，本技术提供了可以被调整以获得特定应力的多个变量。例如，用户可以调整衬底的温度，离子束能量，通量，腔室气体的种类(例如，氩气，硼，氮气，等)，入射角，腔室压力，占空比，衬底旋转以及其他特性，所有这些特性都可以增加或减少膜的热应力。另外，由于这些变量可以彼此独立地进行调整，因此可以结合使用衬底的温度和沉积方法来增大或最小化热应力的影响。例如，在沉积开始时，可以通过在涂层/衬底界面处的弹道(ballistic)混合来增加离子束能量以促进附着性。作为另一个例子，可以调节离子束特性以创建具有交替的高应力层和低应力层的多层膜结构，从而抑制缺陷的传播并减少颗粒的产生。

如上所述，本文所述的具有主动温度控制的沉积处理系统非常适合用于半导体处理系统。然而，本文描述的沉积处理系统可以在许多其他情况下使用，并且不限于在半导体处理系统中使用。一般而言，本文所述的沉积处理系统可用于需要在表面上进行材料沉积的任何情况下。例如，本文所述的沉积系统适合用于需要在表面上进行材料沉积的平板制造系统中。

本公开内容并非旨在穷举或将本技术限制为本文公开的精确形式。尽管本文出于说明性目的公开了特定示例，但是如相关领域的普通技术人员将认识到的，在不脱离本技术的情况下，多种等效修改是可能的。在一些情况下，没有示出或详细描述公知的结构和功能，以避免不必要地混淆本技术的示例的描述。尽管本文中可以以特定顺序呈现方法的步骤，但是替代示例可以以不同顺序执行步骤。类似地，在特定示例的情境中公开的本技术的某些方面可以在其他示例中被组合或去除。此外，尽管可能已经在那些示例的情境中公开了与本技术的某些示例相关联的优点，但是其他示例也可以表现出这样的优点，并且并非所有示例都需要表现出这种优点或本文公开的其他优点才落入本技术的范围内。因此，本公开内容和相关技术可以涵盖本文未明确示出或描述的其他示例，并且除了所附权利要求，本发明不受限制。

在整个本公开中，单数术语“一”，“一个”和“该”包括复数对象，除非上下文另外明确指出。类似地，除非将单词“或”明确地限制为是指相对于两个或多个项目的列表而言与其他项目互斥的仅单个项目，否则在该列表中使用“或”应解释为包括(a)列表中的任何单个项目，(b)列表中的所有项目，或(c)列表中项目的任何组合。另外，术语“包括”，“包含”和“具有”在全文中用于表示至少包括所列举的特征，使得不排除更多数量的相同特征和/或额外类型的其他特征。本文中提及“一个示例”，“一示例”或类似表述意味着结合该示例描述的特定特征，结构，操作，或特性可以包括在本技术的至少一个示例中。因此，本文中此类短语或表述的出现不一定全都指同一示例。此外，在一个或多个示例中，多种特定的特征，结构，操作，或特性可以以任何合适的方式组合。

Claims (13)

1.一种用于控制腔室处理系统内的衬底的温度的方法，所述方法包括：

在所述衬底的表面上沉积材料，所述材料具有第一热膨胀系数（CTE），

经由第一温度测量装置接收所述材料的第一温度；

经由第二温度测量装置接收所述衬底的第二温度，所述衬底具有与所述第一热膨胀系数不同的第二热膨胀系数，以及

在所述衬底的所述表面上沉积所述材料的至少一部分的同时，至少部分基于所述衬底的预定目标温度来控制将要在其上沉积所述材料的所述衬底的所述第二温度，使得所述第一温度和所述第二温度的差在目标范围内，其中，控制所述衬底的所述第二温度被配置为限制所述衬底和所述材料之间的热膨胀系数失配；和包括通过使流体至少部分地移动通过将要在其上沉积所述材料的所述衬底的通道来保持将要在其上沉积所述材料的所述衬底的所述第二温度，其中热量从所述衬底传递至所述流体，所述衬底具有被沉积在所述表面上的材料。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：

在沉积所述材料之前，用加热装置加热所述衬底。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二温度从-30℃到300℃，并且部分基于被沉积的所述材料控制所述第二温度。

4.根据权利要求1所述的方法，其中沉积所述材料包括使用离子辅助束沉积经由沉积装置沉积薄膜。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述薄膜的厚度小于或等于40纳米。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述薄膜的厚度为100埃至25微米。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，控制所述第二温度是基于被沉积的所述材料，并且其中，所述材料包括氧化钇（Y₂O₃），氟化钇（YF₃），和/或氟氧化钇（YOF）。

8.一种制造薄膜的方法，所述方法包括：

提供腔室，在所述腔室中的衬底，以及用于在所述衬底上沉积材料的沉积装置；

测量与要被沉积在所述衬底上的所述材料相关的第一温度，所述材料具有第一热膨胀系数（CTE）；

测量与所述衬底的表面相关的第二温度，所述衬底具有不同于第一热膨胀系数的第二热膨胀系数；

至少部分地基于所述衬底的预定目标温度主动地控制所述衬底的所述第二温度，使得所述第一温度和所述第二温度的差在目标范围内，其中主动地控制所述衬底的所述第二温度被配置为控制所述衬底的所述第二热膨胀系数和所述材料的所述第一热膨胀系数之间的热膨胀系数失配，并包括使流体至少部分地移动通过所述衬底的通道，其中热能在所述衬底和所述流体之间传递，其中所述目标范围部分地基于所述第一温度或所述材料中的至少一个。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，主动地使所述衬底具有或保持所述第二温度包括：主动地使所述衬底具有或保持所述第二温度，同时在所述衬底上沉积至少一部分所述材料。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述材料在所述第一温度下具有第一热应力，并且在所述第二温度下具有第二热应力，其中所述第二热应力小于所述第一热应力。

11.根据权利要求8所述的方法，其中，主动地控制所述衬底的所述第二温度包括主动冷却，其包括通过冷却流体从所述衬底去除热量，并且其中，所述热量的至少一部分通过所述材料的沉积被引入到所述衬底。

12.根据权利要求11所述的方法包括，在从所述衬底上去除热量之前，主动将所述衬底加热到所述第二温度。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括在完成所述沉积之后，限制所述衬底的冷却速率。

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