CN111670492A - 带有衬底背面清扫和散热的静电夹持基座 - Google Patents

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Abstract

一种静电衬底卡盘带有衬底背面清扫，以防止偶然的背面沉积，并提供散热，以防止或减轻密封件失效。

Description

带有衬底背面清扫和散热的静电夹持基座
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年2月1日提交的美国申请No.15/886,098的优先权的权益，通过引用将其合并于此以用于所有目的。
背景
本申请涉及一种静电衬底卡盘。静电衬底卡盘广泛用于各种制造工具中，例如薄膜沉积、等离子体蚀刻、光致抗蚀剂剥离、衬底清洁以及光刻、离子注入等。
静电卡盘(ESC)通过在夹持表面上施加一种极性的电荷并在衬底上施加相反极性的电荷来工作。由于相反的电荷吸引，因此衬底通过所产生的静电力被保持或夹持在适当的位置。
发明内容
公开了一种ESC衬底基座。ESC衬底基座包括：静电卡盘，其具有用于夹持衬底的夹持表面；基座架；和布置成支撑所述静电卡盘并安装到基座架上的所述基座杆。所述基座杆包括：(a)杆壁，在所述杆壁之内或附近设置有一个或多个导管，其用于向所述静电卡盘供应气体；(b)热交换表面，其用于将热量从所述杆壁交换到设置在所述基座架上的散热元件；和(c)布置成与设置在所述杆壁和所述基座架之间的密封件接合的密封接口，其中所述密封接口偏离所述杆的圆筒形壁上的热交换表面足够的距离使得所述密封件相对于热交换表面经受较少的热量。
在一非排除性的实施方案中，所述基座杆是圆筒形的，并且限定了外圆筒壁表面和内圆筒壁表面，并且所述一个或多个导管分别形成在所述外圆筒壁表面与所述外圆筒壁表面之间。
在另一非排除性的实施方案中，所述基座杆包括：第一远端，其被布置为支撑所述静电卡盘；和第二远端，其包括被布置成与所述密封件接合的所述密封接口。所述热交换表面在所述基座杆的第一远端和第二远端中间。
在另一非排除性的实施方案中，所述一个或多个导管与设置在所述静电卡盘上的气体分配网络流体连通，所述一个或多个导管被布置成当所述衬底被夹持到所述夹持表面上时，将所述气体供应到所述气体分配网络以在所述衬底的背面上产生正气压。
在另一非排除性的实施方案中，所述气体分配网络包括布置在所述静电卡盘上的用于在整个所述夹持表面上均匀地分配气体的通道和气体出口的图案。
在又一非排除性的实施方案中，所述静电卡盘的所述夹持表面还包括环形密封件，所述环形密封件被布置成当所述衬底被夹持到所述夹持表面上时围绕所述衬底的外周产生局部密封，其中，所述局部密封被布置成使得正气体流能从所述衬底的背面流向气氛(atmosphere)中。
附图说明
通过参考以下结合附图的描述，可以最好地理解本申请及其优点，其中：
图1是根据一非排他性实施方案的用于处理衬底的衬底制造工具的框图。
图2A是根据另一非排他性实施方案的静电衬底基座的剖视图。
图2B是静电衬底基座的基座杆的放大图。
图3是根据又一个非排他性实施方案的静电衬底基座的夹持表面的视图。
在附图中，有时将相似的附图标记用于指示相似的结构元件。还应当理解，附图中的描述是示意性的，而不是按比例的。
具体实施方式
现在将参考附图中所示的几个非排他性的实施方案来详细描述本发明。在下面的描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的彻底理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，本发明可以在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实施。在其他情况下，未详细描述公知的工艺步骤和/或结构，以免不必要地使本发明不清楚。
图1是可以在非排他性实施方案中使用的衬底处理工具100的框图。在该示例中，处理工具100包括处理室102、气体源104、射频(RF)源106、偏置源108、排放泵110、温度控制器112、真空源114和控制器116。
处理室102包括耦合到RF源106的元件118和用于夹持衬底122的静电卡盘(ESC)衬底基座120。
在工具100的操作过程中，将衬底122夹持在位于处理室102中的ESC衬底基座120上，该室包含由源104提供的气体。当将来自源106的RF功率施加到等离子元件118时，产生用于在处理室102内对衬底122进行处理的等离子体。根据工具的类型，等离子体可以以多种方式用于处理衬底122，包括薄膜沉积、蚀刻等。
同样在操作期间，控制器116可以选择性地控制室102内的许多操作，所述操作例如经由偏压源108向衬底122施加偏压，经由排放泵110从室102中排出等离子体或其他气体，经由温度控制器112和真空源114控制衬底基座120和/或衬底122的温度。由于这些元件中的每一个及其操作是众所周知的，因此为了简洁，在此不提供详细说明。
在图1中，在各种部件108至116与衬底基座120之间设置有各种电气和/或供应管(以下通常称为“管道”)。应注意的是，为了不使附图的细节过度复杂化，如图所示的这种布置简化为单个连接124。众所周知，各种电气和供应管进出室102和/或衬底基座120的路径很复杂，但是为了简洁起见，在此不再描述。
在一个特定但非排他性的实施方案中，工具100是原子层沉积(ALD)工具。在这个特定的实施方案中，通过将衬底的表面暴露于交替的气态物质(通常称为前体)上，在衬底上生长薄膜沉积物。例如，可以在第一处理步骤中将第一前体添加到室102中。在第一前体材料已被吸收或沉积到衬底表面上之后，从室102中去除任何多余的物质。然后，在第二处理步骤中，将第二前体引入室102中并沉积到衬底的表面上。当该步骤完成时，从室102中去除任何过量的第二前体。上述处理可以重复多次，直到获得期望厚度的膜为止。例如，特定但非排他性的ALD处理可能包括多个步骤：(1)施加前体，(2)清扫室的前体，(3)沉积的前体与等离子体反应或用等离子体转化，以及然后(4)重复此3步处理多次。在其他实施方案中，可以根据需要使用这里未描述的其他步骤。
尽管ALD工具能够沉积非常薄的膜，但是由于多种原因，它们的使用还是有问题的。在沉积过程中，衬底和衬底基座都受到酷热的作用。这样的热量可能导致设置在衬底基座上的各种密封件和其他设备发生故障。ALD工具的另一个问题是所沉积的膜材料的颗粒可能很小，以至于它们可能偶然地沉积在衬底的背面上。在本申请中，申请人已经设计出针对这些问题的解决方案，如下所述。
参照图2A，示出了根据非排他性实施方案的ESC衬底基座120的剖视图。ESC衬底基座120包括具有用于夹持衬底(未示出)的夹持表面204的ESC卡盘202、基座架206和被布置为支撑ESC卡盘202并且被安装到设置在基座架206内的凹部213上的基座杆208。。
基座杆208包括第一远端210和第二远端212，第一远端210布置成支撑ESC卡盘202。在远端212附近，密封接口214被设置成与在其和位于基座架206的凹部213中的相对的第二密封接口218之间的密封件接合。在非排他性的实施方案中，密封件包括由与化学过程和温度相容的弹性体(例如全氟化或氟化弹性体)制成的多个O形圈216A和216B。在替代实施方案中，密封件216A和216B可以是碳氟化合物、硅树脂或氟化的。在其他实施方案中，密封件216A和216B能够在150℃或更高的温度下操作，理想地在延长的时间段内具有最小的失效风险。
基座杆208还包括在基座杆208的第一远端210和第二远端212中间的热交换元件220。在非排他性的实施方案中，热交换表面220是从基座壁208向外延伸的突起，并布置成与设置在基座架206上的散热元件222热接触。通过这种布置，元件222和基座架206都散热。
诸如螺栓或螺钉之类的机械紧固元件215被布置为将散热元件222和基座杆208机械地紧固到基座架206上。当组装衬底基座120时，将基座杆插入到基座架206的凹部213中。然后，将散热元件222安装在基座架206的顶部上，使得限定从基座杆208突出的热交换表面220的突出部被“夹在”散热元件222和基座之间。因此，当通过元件215紧固时，这三个部件以单个组件形式紧定在一起，为了便于组装，可以将散热元件222分成多个部分，例如，将散热元件222可以由两个或更多个板制成(例如，被设计成围绕基座杆208的两个180度的半圆形板)。
注意，热交换表面220沿着基座杆208的长度偏离密封接口214和密封件216A/216B。通过这种布置，在处理被夹持在夹持表面204上的衬底的期间产生的热量至少部分地转移到散热元件222，然后到达密封件216A和216B的位置。结果，密封件216A和216B保持在比基座杆208的热交换表面220低的温度下。
在其他非排他性的实施方案中，基座杆的形状为圆筒形，并且限定了外圆筒壁表面224A和内圆筒壁表面224B。在外筒壁表面224A和内筒壁表面224B之间分别形成一个或多个导管226。替代地，一个或多个导管(未示出)被设置成邻近外圆筒壁表面224A和/或内圆筒壁表面224B。应该注意的是，本文所用的术语“导管”应该被广泛地解释为覆盖任何用于输送气体的通道，例如但不限于管、空心圆筒、流体管线、导管、管道、软管等。
一个或多个导管226与设置在ESC卡盘202上的气体分配网络(图2中未示出)流体连通。
在其他实施方案中，基座杆208可以由多种导热材料制成。这样的材料可以包括但不限于氮化铝、氧化铝、陶瓷、其他导热材料或其任何组合。
图2B是ESC衬底基座120的基座杆208的放大图，其示出了上述许多特征的更好的视图。具体而言，图2B示出了：
(a)热交换表面220，其从杆壁208向外延伸或突出，并且布置成与设置在基座架206上的散热元件222热接触；
(b)布置成与O形环密封件216A和216B接合的密封接口214，O形环密封件216A和216B位于密封接口214和定位在基座架206的凹部213中的相对的第二密封接口218之间；和
(c)在基座杆208的外圆筒壁表面224A和内圆筒壁表面224B之间形成的气体导管226。
如在图2B中更清楚地看出的，热交换表面220和密封接口214偏移为距离235。
在多种实施方案中，偏移范围可以显著变化。例如，偏移量可以在约0.25英寸(6.35毫米)或更大，从0.25到8.0英寸(203.2毫米)或更大，从0.25到1.5英寸(38.1毫米)，从0.5到5.0英寸(12.7毫米到127毫米)的范围内，或是任何其他大于0.25的合适偏移量。在给定实施方案中使用的实际偏移尺寸235可以根据若干因素而变化，所述因素例如基座杆208的长度、需要散发的热量、密封件216A和/或216B的类型和/或耐受热的寿命等等。因此，对于特定但非排他性的实施方案，偏移尺寸235可以是超过0.25英寸(6.25mm)的任何值。应该理解的是，本文提供的任何特定尺寸仅是示例性的，而不是限制性的。通常，偏移距离越大，通常温差越大。
此外，在非排他性的实施方案中，密封件216A和/或216B保持在大约200摄氏度或更低，优选保持在150到160摄氏度左右。另外，应当理解，这些温度值仅是示例性的并且不意在进行限制。在实际的实施方案中，可以使用宽范围的温差和目标温度。
最后，所示的导管226的布置并非意在进行限制。如前所述，导管也可以邻近外圆筒壁表面224A和/或内圆筒壁表面224B定位。
通过上述布置，基座杆208的中心区域230相对不被占用。结果，有空间用于将电缆、供应室等(例如，“管道”)从各个部件108到114穿过该中心230区域到达静电卡盘202。
参照图3，示出了静电卡盘202的夹持表面204的俯视图。在该实施方案中，表面204包括气体分配网络302和环形密封件304。
气体分配网络302包括气体出口306，通道308的网格和平衡环310。气体出口306与一个或多个导管226流体连通，该一个或多个导管226经由基座杆208向静电卡盘202供应气体。然后，经由出口306供给的气体通过通道308分布在衬底122的背面附近。平衡环310有助于平衡整个夹持表面204的气体压力。结果，在衬底122的背面的表面区域上产生大致相等的正压力。
环形密封件304被布置成当衬底122被夹持到表面204上时接触衬底122的外围或外周。环形密封件304被布置成产生局部密封，即在衬底122的背面上的正压气体被允许缓慢地逃逸到室102中的周围气氛中。换句话说，正气流清扫进入衬底122的背面与夹持表面204之间的空间的沉积材料和/或其他颗粒或污染物或防止沉积材料和/或其他颗粒或污染物进入该空间。结果，避免或显著减少了偶然的沉积或污染。
另外，通过增强衬底122和夹持表面204之间的热传导，气体也可以用于冷却。
在各种实施方案中，由气体产生的正压在约10至30托的范围内。在一特定实施方案中，所使用的气体为氦气。但是，可以使用其他清扫气体，包括氮气、氩气或其他惰性气体。
在非排他性的实施方案中，环形密封件304由高度抛光且平坦的陶瓷制成。在其他实施方案中，环形密封件304由基本平坦的材料制成，典型地，每12英寸(304.8mm)的距离小于0.001英寸(0.0254mm)的平坦度。同样，这些平坦度特性仅是示例性的，并且可以使用具有或多或少的平坦度特性的环形密封件。
注意，图3中示出的具体实施方案是示例性的，并且不应以任何方式解释为限制性的。例如，气体出口306的数量可以大于或小于该特定实施方案中所示的六(6)个。在其他实施方案中，每个气体出口306连接到专用导管226。在其他实施方案中，导管226可以供应一个以上的出口306。此外，通道308的网格可以采用任何图案，并且不限于如图所示的“星形”图案。
因此，上述实施方案解决了许多问题，包括：
(1)通过基座杆208提供诸如氦气或其他清扫气体之类的气体，使得当衬底被夹持时可以在衬底122的背面上产生压力。该正压有助于防止偶然的污染和薄膜材料的沉积，并且还有助于冷却衬底。
(2)气体导管226在基座杆208的壁内或与基座杆208的壁相邻地布置，允许将清扫气体供应到夹持表面204。另外，基座杆208内的空间230被释放以允许将其他必要的“管道”供应到静电卡盘202；和
(3)密封件216A和216B偏离在热交换表面220处的散热，导致密封件216A和216B附近的温度明显降低。结果，大大降低了密封件216A和216B熔化和/或失效的可能性。
应该理解的是，尽管在ADL工具的背景中描述了本申请，但是绝不意味着这是限制性的。相反，本文所述的ESC衬底基座120可用于多种衬底处理工具中，包括但不限于化学气相沉积工具、光刻工具、等离子体蚀刻或化学蚀刻工具、离子注入工具、衬底清洁工具等。
尽管仅详细描述了几个实施方案，但是应当理解，在不脱离本文所提供的公开内容的精神或范围的情况下，可以以许多其他形式来实现本申请。例如，衬底可以是半导体晶片、分立的半导体器件、平板显示器或任何其他类型的工件。
因此，本发明的实施方案应被认为是说明性的而不是限制性的，并且不限于本文给出的细节，而是可以在所附权利要求的范围和等同物内进行修改。

Claims (21)

1.一种静电卡盘(ESC)衬底基座，其包括：
静电卡盘，其具有用于夹持衬底的夹持表面，
基座架，
设置在所述基座架上的散热元件；和
布置成支撑所述静电卡盘并安装到所述基座架上的基座杆，所述基座杆包括：
(a)杆壁，在所述杆壁之内或附近设置有一个或多个导管，其用于向所述静电卡盘供应气体；
(b)热交换表面，其用于将热量从所述杆壁交换到设置在所述基座架上的所述散热元件；和
(c)布置成与设置在所述杆壁和所述基座架之间的密封件接合的密封接口，其中所述密封接口偏离所述杆的壁上的所述热交换表面使得所述密封件相对于所述热交换表面经受较少的热量的偏移距离。
2.根据权利要求1所述的ESC衬底基座，其中，所述偏移距离大于0.25英寸(6.35mm)。
3.根据权利要求1所述的ESC衬底基座，其中，所述基座架还包括：
用于容纳所述基座杆的凹部；和
第二密封接口，其布置成当所述基座杆的所述杆壁位于所述基座架的所述凹部内时与所述杆壁的所述密封接口相对，
其中，所述密封件是一个或多个O形环，所述O形环位于所述杆壁的所述密封接口和所述基座架的所述第二密封接口之间。
4.根据权利要求1所述的ESC衬底基座，其中，所述热交换表面是从所述杆壁延伸的突起，所述突起布置成接触所述基座架上的所述热交换表面。
5.根据权利要求1所述的ESC衬底基座，其中，所述密封件保持在200℃或更低的温度。
6.根据权利要求1所述的ESC衬底基座，其中，所述基座杆是圆筒形的，并且限定了外圆筒壁表面和内圆筒壁表面，并且所述一个或多个导管分别形成在所述外圆筒壁表面与所述外圆筒壁表面之间。
7.根据权利要求1所述的ESC衬底基座，其中，所述一个或多个导管被设置为邻近所述基座杆的外壁或内壁。
8.根据权利要求1所述的ESC衬底基座，其中，所述基座杆包括：
第一远端，其被布置为支撑所述静电卡盘；和
第二远端，其包括被布置成与所述密封件接合的所述密封接口，
其中，所述热交换表面在所述基座杆的所述第一远端和所述第二远端中间。
9.根据权利要求1所述的ESC衬底基座，其中，所述基座杆至少部分地由以下之一制成：
(a)氮化铝；
(b)氧化铝；
(c)陶瓷；
(d)导热材料；和
(e)(a)至(d)的任何组合。
10.根据权利要求1所述的ESC衬底基座，其中，所述一个或多个导管与设置在所述静电卡盘上的气体分配网络流体连通，所述一个或多个导管被布置成当所述衬底被夹持到所述夹持表面上时，将所述气体供应到所述气体分配网络以在所述衬底的背面上产生正气压。
11.根据权利要求10所述的ESC衬底基座，其中，所述正气压是在10至30托的范围内。
12.根据权利要求10所述的ESC衬底基座，其中，所述气体分配网络包括布置在所述静电卡盘上的用于在所述夹持表面上均匀地分配所述气体的通道和气体出口的图案。
13.根据权利要求1所述的ESC衬底基座，其中，所述静电卡盘的所述夹持表面还包括环形密封件，所述环形密封件被布置成当所述衬底被夹持到所述夹持表面上时围绕所述衬底的外周产生局部密封，其中，所述局部密封被布置成使得正气体流能从所述衬底的背面流向气氛中。
14.根据权利要求13所述的ESC衬底基座，其中，所述环形密封件是陶瓷的。
15.根据权利要求1所述的ESC衬底基座，其中，供应到所述静电卡盘的所述气体是清扫气体，所述清扫气体用于防止当所述衬底被夹持到所述夹持表面上时材料偶然沉积到所述衬底的背面上。
16.根据权利要求1所述的ESC衬底基座，其中，所述气体是以下之一：
(a)氦气；
(b)氮气；
(c)氩气；或
(d)惰性气体。
17.根据权利要求1所述的ESC衬底基座，其中，所述散热元件是包括两个或更多个区段的圆形板，所述圆形板被机械地紧固到所述基座架。
18.根据权利要求1所述的ESC衬底基座，其还包括一个或多个机械紧固件，以将所述基座杆、所述基座架和所述散热元件机械地紧固成组件。
19.根据权利要求3所述的ESC衬底基座，其中，所述一个或多个O形环由能够承受至少150℃的温度的弹性体制成。
20.根据权利要求3所述的ESC衬底基座，其中，所述一个或多个O形环由选自包括以下项的组的弹性体制成：
全氟弹性体；
氟化弹性体；
氟碳弹性体；或者
有机硅弹性体。
21.根据权利要求13所述的ESC衬底基座，其中，所述环形密封件是平坦的，并且每12英寸(304.8mm)的距离具有0.001英寸(0.0254mm)或更小的平坦度。
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