CN1377568A - 多区电阻加热器 - Google Patents

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Abstract

一个基片座架,用以在等离子加工中固定基片(例如,晶片或者液晶板)。该基片座架是处理部件的堆叠,每个部件完成至少一项功能。所述处理部件包括一个静电夹盘(102)、一个氦气输送系统(122)、多区加热盘(132)、和多区冷却系统(152)。每个部件都设计成同加工系统的特性相匹配,例如,采用基于正常处理过程中基片的热损失特点的热量。整体设计允许对工况精确控制,包括,但不仅限于,对基片的快速加热和快速冷却。

Description

多区电阻加热器
交叉参考的相关申请
本申请涉及1999年9月29日提交的系列号为60/156595的申请并要求其优先权，该申请的内容在这里作为本申请的参考。
技术领域
本发明通常涉及一种多用途晶片座架，用以在等离子系统的加工中固定晶片(或者其他基片)。特别的，该座架包括至少一个堆叠的层用以夹紧、传导、加热和/或者冷却。这些层的例子包括静电夹盘、多区氦气输送系统、多区电阻加热器和多区冷却系统。
背景技术
已知在半导体加工领域，在有处理气体的情况下使用电阻加热器加热半导体晶片。加热改变半导体晶片中出现的反应过程特性。例如，这样的电阻加热器已经被应用于准热壁、热壁、反应器，其中的电阻加热器作为硅晶片的支撑并且同时加热该晶片以完成预定的处理步骤。通常，预先设定了纯度和/或压力的处理气体在被加热的硅晶片周围循环，以调整硅晶片的表面特性。化学气相沉积是一种环境，其中这种电阻加热器用于处理半导体晶片。
这种电阻加热器采用的典型加热元件(1)镍铬合金或(2)铝铁合金，它们是电阻性的并在有电流通过该元件时就有热产生。烘炉中通常用于制作电阻加热元件的商业上可得到的材料是，Kanthal(铬铝钴耐热钢)、Nikrothal(L精密级镍铬电阻丝合金)和Alkrothal(L精密级铝铬电阻丝合金)，它们是由Kanthal Corporation of Bethel CT生产的金属合金的注册商标。所述Kanthal系列包括铁素体合金(FeCrAl)和Nikrothal系列包括奥氏体合金(NiCr、NiCrFe)。
但是，在过去，电阻加热元件还没有暴露于反应器内循环在硅晶片周围的处理气体中。另外，在已知的等离子系统中加热时，具有大的热质量的大加热元件要求在晶片和加热器元件之间提供阻挡材料。已知的电阻材料，例如，一些Kanthal合金，要求氧化环境以延长元件的寿命。氧的出现使Kanthal合金加热元件的表面上出现铝氧化物，这些铝氧化物抑制加热元件的蒸发。可以接受的氧的水平是760托的5％，同时没有同合金表面反应的其它气体。可以选择，少氧环境可以使氧化层变得多孔并且使铁氧化物沿着晶粒边界迁移，造成系统的污染。
按照惯例，晶片处理系统的加热元件的热质量远大于已加热的晶片或基片的热质量。在已知的系统中，几十磅重的加热元件用于加热仅2盎司重的晶片。大热质量的结果，加热器有一个显著的横断面，与晶片的边缘区域相比，它更多的在中心区域加热所述的晶片。为了补偿热剖面，已知系统中，大约具有30个零件级的复杂设备用以调整施加的热量。大的热质量也会导致高的热惯性——一个效果就是，当晶片已经达到理想温度后加热元件仍然在向晶片(或其它基片)供热。而且，已知系统中，辐射或者侧面热传递高于被处理的基片中，造成难于隔离晶片中的温度变化。
发明内容
因此，本发明的目的之一在于提供一种晶片座架，它制造成一种至少有一个元件的叠件，每个元件执行至少一个晶片处理功能。
本发明的进一步的目的在于，提供一种改进的使用静电夹紧的晶片夹盘，以为晶片提供比非静电夹紧的晶片更为均匀的热传导。
本发明的另一目的是测量对晶片到静电夹盘的有效地夹紧，通过测量(1)晶片的电容和位于提供夹紧的夹盘内部的两个相邻电极间的电容。
本发明的又一目的是提供氦(He)气输送系统(已知的氦back side)以提高对晶片的传导。
本发明的进一步的目的提供一种多区He气输送系统，通过在不同的区域提供不同的氦气压力，以提高晶片某一区的传导使该传导高于晶片另外的区。
本发明的另一目的是提供电阻加热器，用于在晶片处理反应器中加热半导体晶片，在该晶片处理反应器中在晶片周围循环的处理气体同电阻加热元件隔离。
本发明的另一目的提供电阻加热器，它利用的材料例如：Kanthal合金、Hastaloy、铂和钼。
本发明的另一目的是为那些高电阻加热器元件提供一种氧化环境，否则这些加热元件将在低氧环境中腐蚀。
本发明的另一目的是提供这样一种电阻加热器，它有多个加热区，用于更好控制温度的均匀性。
本发明的进一步的目的在于提供一种电阻加热器，其中加热元件的气体环境不同于半导体晶片反应器中的气体环境而且和半导体晶片反应器中的气体环境隔离。
本发明的另一目的是测量将要被加热的基片的热传递特性，并提供一种电阻加热器，它被设计成提供额外的热到基片有较高热损失的区域。
本发明的进一步的目的在于提供一种电阻加热器，配置成对将要加热的非圆形的元件提供均匀加热。
本发明另外的目的是提供一种电阻加热器，其热质量接近等于将要被加热的晶片的热质量。
本发明的一个目的是提供一种冷却系统用以在等离子加工前、处理中或之后降低基片的温度。
本发明另外的目的是提供一种多区冷却系统，根据晶片的热损失模式在等离子加工步骤之前或者在其过程中或者之后冷却晶片。
本发明的另一目的是提供多于一个以上元件的组合叠件(也就是，多于一个多区静电夹盘，一个多区He气输送系统，一个多区电阻加热器，一个多区冷却系统中的一个)。
简单地说，根据第一实施例，本发明涉及多个元件的叠件，在一个或者多个等离子系列或热处理步骤中，基片(例如，晶片或LCD面板)可以被放置在该叠件上面。堆叠中的元件的类型包括(但不限于)：静电夹紧(或者单区或者多区)，He气输送系统(或者单区或者多区)，电阻加热器(或者单区或者多区)，和/或冷却系统(或者单区或者多区)。基于将要进行的处理步骤，至少选择一种元件。每一种元件都要相对于其它元件和处理环境密封。因此，本发明的一个实施例多于下述中之一：有静电夹紧的静电夹盘，电阻加热器，和冷却系统。
根据本发明的一个实施例，静电夹盘是用于夹紧基片并使基片的夹紧可以被测量。在这个实施例中，第一和第二电极被容纳在静电夹盘内部并将基片夹紧到夹盘上。第一和第二电极之间的电容在基片夹在夹盘上后测量，以确定基片夹紧的效果。
根据本发明的另一实施例，在等离子加工室中，基片的背部，一起使用多个密封盘以为He气输送系统提供压力控制。为提高基片和夹盘之间的传导，He气输送系统以远大于该室(加工)压力(典型的是30-50托)的压力提供He到基片的背面。用电夹紧基片到夹盘，使用的背部气压基本大于处理室的压力。基片和夹盘的区域足够平滑以提供良好的气密封。在一个实施例中，所述的He气输送系统分区提供不同量的He到基片的不同部分，用以和基片的传导轮廓相配合。所述的He气输送系统可以同以上所述的静电夹盘组合使用。在组合使用的实施例中，静电夹盘具有气孔，He气输送系统放置在静电夹盘的下方。于是He气经过静电夹盘上的孔为晶片提供传导。该气体传导直接随着压力(例如，高达15托)变化。
依据本发明的另一实施例，电阻加热器用于在晶片处理反应器中加热半导体晶片。该加热器包括一个电阻加热元件，其放置在一个或多个石英盘中形成的加热通道内。电阻加热器的一个实施例包括加热通道，它为加热元件在加热和冷却过程中出现的膨胀和收缩提供了端头空间。
所述石英盘形成电阻加热器的外壳，石英盘的多个邻近的表面熔在一起，最好所有的邻近表面都被熔在一起。电阻加热器元件被封闭在石英盘之间以形成气密腔。足够数量的熔点用以在等离子加工室的气氛压力降低时，防止电阻加热器内部压力使熔点爆裂。电气端子连接到加热元件用以传导电流。在至少一个实施例中，气体管道连接到石英盘之间的气密腔，用于引入的预定组分和压力的气体，该气体与循环在晶片座架外表面周围的处理气体的组分和压力无关。
最好，电阻加热元件是由Kanthal合金或铂材料制成的，因为这些材料可以在空气中加热而不会损坏。一片材料可能被熔化、拉伸、化学腐蚀、溅蚀、激光切割、水注切割，或者成形制成相配于要加热的元件的热传递特征的电阻加热元件。可以选择，一种或多种上述材料的一根或多根金属丝可以被用作加热元件。石英盘以具有与加热元件匹配的特点制造。当熔合在一起时，这些特点提供气密封以分隔处理环境与导体上的气体。该密封必须可靠地适应加热器的超高温。
为提供一种电阻加热元件，它具有相应于要被加热的元件的热损失的形状，其热传递特征使用三种已经公开的技术中的至少一种检验。在第一种技术，当LCD纸应用于放置在静电夹盘上被预先均匀加热的基片时，LCD纸上的变化被检查出。该纸上变化的照片显示被加热基片的热损失的形状。在第二种技术中，红外扫描仪或探测器测量预先被加热的基片在夹盘上冷却时其整个表面上的热散失的变化。一个这样的探测器空间地并暂时地监视在没有等离子时的释放出的温度，该探测器是商业上可得到的晶片，装备有热电偶(例如，SensArray公司，型号No.1530A)。在第三种技术中，夹盘上的基片的传热特征由计算机模拟，计算机基于将要加热的基片的形状和热特征以及被加热基片放置其上的夹盘的形状和传热特征模拟。
根据本发明，也要提供一组冷却盘以用于以下中的一个或者多个：(1)在处理前冷却基片，(2)在处理过程中，保持基片的冷却温度，(3)在处理完成后冷却基片。冷却系统的一个实施例是一种多区冷却系统，其根据基片的热损失特征冷却基片。通过在冷却较缓慢的地方更快地提供冷却剂，基片被更均匀地冷却。而且通过更快地降低处理后基片的温度，任何基于温度的反应被更有效地停止于处理的终点。
附图说明
参考下面的详细描述，特别是结合附图考虑，本发明的更完整的评价和许多附带的优点对本领域技术人员将更明显，其中：
图1A是完整晶片座架的截面图，该晶片座架是多区静电夹盘、多区He气输送系统、多区电阻加热器、多区冷却系统的堆叠；
图1B是第一电气/流体的导管的侧视图，该导管将电连接、气体、冷却剂通到图1A中所述的不同的层；
图1C是第二电气/流体的导管的截面图，该导管将电连接线、气体、冷却剂通到图1A中所述的不同的层；
图1D是第三电气/流体的导管的截面图，该导管将电连接线、气体、冷却剂通到图1A中所述的不同的层；
图1E是第四电气/流体的导管的截面图，该导管将电连接线、气体、冷却剂通到图1A中所述的不同的层；
图1F是晶片座架的层的顶部的集中环的顶视图；
图1G是和图1F中的与层结合的集中环的顶视图；
图1H是示出各部分怎样能用单个盖盘和每部分的基底盘分离形成的截面图；
图1I是晶片座架顶部的集中环的顶视图，该晶片座架采用图1H所示的单个部分实施；
图2是冷却的静电夹盘的截面图，它包括在多电极静电夹盘下面的He气输送系统；
图3A是根据第一实施例的静电夹盘的顶盘的顶视图；
图3B是根据第一实施例的静电夹盘的中间盘的顶视图；
图3C是根据第一实施例的静电夹盘的中间盘的截面图；
图3D是根据第一实施例的静电夹盘的底盘的顶视图；
图3E是根据第二实施例的静电夹盘的剖面顶视图；
图4A是根据第一实施例的He气输送系统的顶盘的顶视图；
图4B是根据第一实施例的He气输送系统的中间盘的顶视图；
图4C是根据第一实施例的He气输送系统的中间盘的剖视图；
图4D是根据第一实施例的He气输送系统的底盘的顶视图；
图4E是根据第一实施例图4D所示的底盘的剖视图；
图4F是根据第二实施例的He气输送系统的剖面顶视图；
图4G是根据第二实施例的He气输送系统的顶视图；
图4H是根据第三实施例的He气输送系统的剖面顶视图；
图5A是电阻加热器顶盘的顶视图；
图5B是根据本发明的第一实施例的具有一个内区和一个外区的电阻加热器的中间盘的顶视图；
图5C是电阻加热器底盘的顶视图；
图6A是电阻加热器顶盘的顶视图；
图6B是根据本发明的第二实施例的具有一个内区和一个外区的电阻加热器的中间盘的顶视图；
图6C是一个电阻加热器底盘的顶视图；
图6D是根据第二实施例的部分中间盘展开的顶视图；
图6E是根据第二实施例的中间盘部分内区的剖视图；
图7A是一个示意图，说明第三实施例的五部分加热器；
图7B是一个示意图，说明第四实施例的四部分加热器；
图7C是一个示意图，说明第五实施例的八部分加热器；
图7D是一个示意图，说明第六实施例的五部分加热器；
图7E是一个示意图，说明第七实施例的五部分加热器；
图8A是一个示意图，说明在基本方形通道中的金属丝加热元件；
图8B是一个示意图，说明在基本上矩形通道中的带状的加热元件；
图8C是一个示意图，说明在方形通道中的金属丝加热元件，该通道具有规则图案：石英/通道/石英/通道；
图8D是一个示意图，说明在基本圆形通道中的金属丝加热元件；
图8E是一个示意图，说明在通道中的保持在支撑上的金属丝加热元件；
图8F(1)是一个示意图，说明在基本上矩形通道中的保持在接片上的带状加热元件；
图8F(2)是该接片的前视剖面图，在基本上矩形通道中的带状加热元件保持在该接片上；
图8F(3)是该接片的侧视图，在基本上矩形通道中的带状加热元件保持在该接片上；
图8G是一个示意图，说明在方形通道中的金属丝加热元件，该通道具有规则图案：石英/通道/石英/通道；
图8H是一个示意图，说明一种弯曲的，宽度变化的金属丝加热元件；
图8I是放大的部分加热元件；
图8J是连接到通道中的金属加电热元件的金属丝引线的放大图；
图9A是第一实施例的冷却系统的顶盘的顶视图；
图9B是第一实施例的冷却系统的第二盘的顶视图；
图9C是图9B中所示的冷却系统的第二盘的截面图；
图9D是第一实施例的冷却系统的第三盘的顶视图；
图9E是图9D中所示的冷却系统的第三盘的截面图；
图9F是第一实施例的冷却系统的第四盘的顶视图；
图9G是图9F中所示的冷却系统的第四盘的截面图；
图9H是第一实施例的冷却系统的第五盘的顶视图；
图9I是图9H中所示的冷却系统的第五盘的截面图；
图10A是第二实施方式的冷却系统的顶盘的顶视图；
图10B是第二实施方式的冷却系统的第二盘的顶视图；
图10C是图10B中所示的冷却系统的第二盘的截面图；
图10D是第二实施方式的冷却系统的第三盘的顶视图；
图10E是图10D中所示的冷却系统的第三盘的截面图，该冷却系统包括反射材料和连接到第三盘底面的绝热体；
图11A是多区冷却部件中的冷却剂通路的顶视图；
图11B是图11A中所示的多个冷却通路的一个通路的截面图；
图12是一个示意图，说明由单独的盘或分开的部分形成基片座架的工业炉；
图13是等离子加工环境中的集中环和基片座架的侧视图；
图14是一个基片座架的示意图，该座架包括一个由一个环形区包围的圆形内区，其中冷却剂提供到分开的径向螺旋向外的通道；
图15是一个可以从冷却盘提升离开的加热盘的示意图；和
图16A到16D说明制造本发明的层的方法。
具体实施方式
参考附图，同样的参考数字标记所有的几副图中的相同或者相应部分，图1A说明部件堆叠的最好实施例。根据本发明，这个堆叠操作为结合的静电夹盘102、He输送系统122、电阻加热器132、冷却组件152。所展示的堆叠的构造形式，从上到下，首先的三个盘(100，105和110)组成静电夹盘102，接下来的两个盘(120，125)组成He输送系统122，再接着的三个盘(130，135和140)组成电阻加热器132，最后的五个盘(145，150，155，160，和165)组成冷却系统152。在可选的实施例中，多个盘合并形成一个或多个“超盘”具有超盘所代替的盘的同样的功能。例如，当He气输送系统122在和静电夹盘102结合使用时，静电夹盘102最下面的盘110可以和He气输送系统122最上面的盘120组合。同样的，He气输送系统122最下面的盘125可以和电阻加热器132最上面的盘130组合。所有的十三个盘同心相互堆叠在基盘170上，该基盘连接到一个电气/流体通道180。
如图1B所示，实施例中所述的电气/流体通道180，同心布置了十个不同的区。每个区传输至少一种电信号、气体或者冷却剂到不同的层。在电气/流体通道180的典型实施例中，不同的区从外到内以下面的顺序布置：冷却剂出口外区200，冷却剂出口内区205，冷却剂进口外区210，冷却剂进口内区215，加热盘外区220，加热盘内区225，He气外区230，He气内区235，静电夹盘电导线外区240，静电夹盘电导线内区245。但是，此实施例只是示范的展示，内区和外区的顺序以及进口和出口的顺序在不离开本发明精神的前提下可以改变。
图1C图示了电气/流体通道180的第二个实施例，它同图10E中所示的另外的进口和出口一起使用。在此实施例中，静电夹盘102的内区245和外区240的电气通道同加热盘132的内区225、外区220结合在一起形成电气通道181。通道180的剩余部分包括，内环175和外环173。所述的内环，包括齿176和178，为He气外区230和He气内区235形成两个通道。外环173包括齿172和174，形成用于冷却剂出口内区205和冷却剂进口内区215的通道。使用这样的实施例，与环形区域比较能够达到附加的结构的刚性，因为每个内通道附属于一个外通道。通过把一个环分成两部分，每一部分都可以用于不同的目的，环的数量与图1B所示的实施例相比也被减少。内部的肋也使很好地对准同心通道，为熔合相临通道的位置以及形成冷却剂及气体流的改善的通道输送。虽然如所述的在图1C中对准所有的齿(172、174、176、和178)，环173和175可以被转动，使各个齿可以不同的角度彼此相对。类此的，每个环可以相应于每层不同数量的区被分成少量的气密封的部分。例如，如果He气输送系统122中使用了三个He气供给区，于是内环175将有三个部分而不是图示的两个。
但是在图1D所示的备用实施例中，通道180是一束管组合在一起。在这种配置中，所述的管可以是(1)在整个通道180中的尺寸不变或者(2)可能在体积上增加并且当上面的堆叠的石英盘不再紧需要时将管重新排列。例如，虽然在图1D所示的外环中展示了六个管，至少有一个管在下一个较高的盘处不再需要，因为至少有一个管道已经输送了它的有效负荷(例如冷却剂)到适当的盘。于是，外环的五个管继续在通道180上行。在通道的另外的实施例，较小的通道可以包含在较大通道内。在一个这样的实施例，相似于图1D中的结构，将其自己封装在圆形通道内，形成了图1E中的结构。
图1A中每个盘都是由热传导但是电绝缘的层(例如石英)形成，并相应于图1B-1E所示通道的结构连接，并以玻璃料作为结粘的介质。粘结前，金属线要穿过通道，然后玻璃料置于盘上孔的周围和盘之间每个相邻的边缘。为制造所述的玻璃料，一种掺杂剂放置在石英粉里以降低它的熔化温度。将由粘结在一起的部分在窑炉中机械压力下结合，并在空气中烧，以达到足够的温度熔化掺杂的石英。随掺杂边缘部分的熔化，石英已经熔合在一起并形成了气密封。石英熔合的处理为石英处理领域的技术人员所熟知。参考图12将讨论地更详细，如果粘结在套管进行，同心的对准更容易保持。这种套定位的特点可以由一系列定位销提供或代替。虽然这种设计被描述是由石英粉制成和扩散粘结而形成，它也可以由其它材料如氧化铝及玻璃料粘结。该领域普通技术人员可以发现其他隔离和粘结材料也可以使用，而未脱离本发明的精神。
把全部的盘集合在一起，就制成了多用途基片座架。图1A中所示的结构在图1F中以一个精简的形式表示。除了各盘之外，也在图中表示了集中环900，将夹盘上的晶片定位并使等离子施加到晶片190边缘的等离子。一旦组合在一起，集中环900和图1F所示的基片座架形成一个如图1G所示的完整的结构。
在备选的实施例，形成一个部分的系列盘的一个或多个盘单独形成并包括：一个盖盘，一个初始盘，一个基底盘，如图1H所示。根据这个备选的实施例，初始盘用系列的通道或者凹槽形成用以放置在所述通道或凹槽中的元件(例如，加热元件和电容元件)或者载体(如气体或冷却剂)。盖盘和基底盘用于保持元件和载体在通道和凹槽中。在此实施例中，通过使用盖盘、初始盘和基底盘，每个部分都可被用作一个分开的“独立的”的部件。也就是，任何一个部分，可以连接于所述的电气/流体通道并由集中环连接，如果处理环境只要求一个功能(如(1)加热而不需要冷却和夹紧或(2)夹紧而不必加热或冷却)。
通常，半导体加工中的基片的几何形状是圆形的，这里所说的夹盘是圆柱形的，其基本的尺寸如图1I所示。但是，夹盘的几何形状不仅限于圆柱形。夹盘可以由它的半径R和高H描述。夹盘的高是其部件的函数，包括部件本身的设计高度和部件各自的厚度。图1I说明了这些厚度与每个部分的设置的最佳顺序。为了给集中环提供空间夹盘的半径R大于晶片的半径rw，使晶片(或基片)可以重复放置在夹盘上。图1G表示了各自的相应尺寸。夹盘的半径可以根据将要加工的基片的尺寸依照比例决定(例如，8和12英寸的直径)。最后，分区图案的半径基本上相当于基片的半径。
夹盘基底作为夹盘部件的基础结构，其也可以作为集合管，其中所有的电气布线，冷却剂和气体被分配到各自部件的目标处。
在图2所示的备选实施例中，晶片座架仅包括一个图1A中所示盘的子设备。在此实施例中，晶片座架只是在基盘顶上有一个静电夹盘和一个He气输送系统。所述的电气/流体通道相应的也只有一个图1B-图1D中通道的子设备。其它的组装也可以，如具有一个He气输送系统122的加热器132。在这样的设置中，盘100成为He气输送系统122的一部分并被密封在盘120的上面。另外，组件的顺序由将要完成的最重要的功能决定。例如，如果冷却比加热更重要，于是，加热组件132和冷却组件152的顺序交换以确保冷却功能到离基片最近。静电夹盘部分
现在单独针对各层，静电夹盘102包括盘100、105和110，其分别作为第一、第二和第三盘，在图3A-3D中表示。第一盘100包括(1)提升销通孔300，使晶片能够提升离开夹盘和(2)气体输送通孔305，把气体输送到晶片190的背后。把第一盘100上的通孔与第二和第三盘(105、110)上的类似通孔300、305对准。虽然没有表示，盘100在晶片侧有凹槽用以进一步输送He气。
如图3B所示，在第二盘105上形成两个同心通道310和315，第一和第二静电夹持元件(简单地说“电极”)放置在其中。当该晶片出现于晶片座架上时，第一和第二静电夹持元件静提供到晶片190的静电耦合。当晶片190放置到座架上，静电夹盘保持到晶片上的力可以通过测量晶片和第一第二静电夹持元件间的电容直接确定。如果晶片190没有正确地由静电夹盘102固定，就会有一个警告指示控制者将晶片190重定位。作为选择地，如果使用一个晶片自动操作系统，晶片190可以自动重定位。在任一种情况，信号可以用于阻止当晶片还需要牢固固定时处理的开始。
图3C表示了第二盘105的截面图，说明通道没有延伸到盘105的整个底部。这允许上面的静电夹持元件在通过通道180时与下面的导线电绝缘。如图3D所示，导线从第二盘105下面的同心电气凹槽320通过。导线通过使用区域240、245的通道上来。正如容易明白的，通道310和315也可以在顶部的盘100上形成，而第二盘形成有一个平顶。
图3E是第二个实施例中的静电夹盘的剖面顶视图。分成了五个区，一个内区由外面的四个区包围。对于另外控制，内区同样可以被分成四个次级的区，于是形成了同心的四分之一环区。每个静电夹持元件都隔离并且保持各自的电压。所述分区的静电夹盘可以分成单极的或两极的(相邻的夹持元件之间的电势的交替符号)。对于这两种情况静电力都是用于夹紧基片(例如，晶片)到夹盘上。静电夹持元件设置成一个平行线元件，使所述的元件螺旋线排列在如图7D和图7E分离加热元件的石英上。换句话说如果从上面看组成的结构，加热元件在静电盘的下面是可见的。因此，加热元件可以直接“看到”晶片并供给辐射热传递。另外，静电夹持元件可以被加热并向晶片辐射，有效地提高辐射区域。但是，相信这个效果很小。单独静电夹持元件的引线如图3E所示。其与He气输送系统的He气供给通孔相一致。示范性的提升销孔300也在图3E中显示。最后，所述的初始盘厚度，H，可以很薄，例如大约在1mm或40密尔。
另外，虽然已经在图3E中显示了五个区，但是对本领域普通技术人员来说明显在备选的实施例中也可有额外的区。这些区可以是同心的，可以是象限区，可是同心的象限区或者它们的任意组合。图3E显示了一个优选实施例。同样的，如果被连接的基片是非圆形的，于是所述的区可以是任何选择图案的一组条形形成，该图案是能够提供均匀连接所要求的。
所述的静电夹持元件位于石英通道内。很厚的石英盘用于包裹石英中的元件。而且，和在加热元件通道的情况一样，静电夹持元件通道的间隙也是必须的用以适应夹持元件和石英(加热时，夹持元件和周围的石英可能会升温到远大于环境温度的温度)之间的不同的热膨胀系数。气体输送部分
在图4A-4E说明了气体输送系统122的一个实施例。在这样一个气体输送系统的实施例中，He气被输送。在备选实施例中，输送其他气体，最好是惰性气体。图4A表示当不使用静电夹盘102时，静电夹盘102的顶盘移到气体输送系统122中。当使用静电夹盘时，这些盘中的通孔300和305与静电夹盘102上的通孔同心排列。同样的，那些盘中心的孔235(例如沉孔)是用于将气体通到所述的盘并使导线连接到高处的盘上的静电夹持元件。正如所示，在顶盘100上有六十四个孔(305A和305B)沿着八条线径向延伸。
在图4B-4E中，显示了气体输送系统122被分成两个区。气体通过气体内区235并扩展到整个由环331包围的整个气体输送内区330。如图4C所示，所述内区330大约是盘120的一半深度。区330内的气体通过由环331包围的圆圈上方的32个内部通孔305A中的一个强制排出。
第二区由气体外区230提供，其填充到图4D所示的气体输送外区335。和图4C表示的内区330一样，图4E中外区335是盘125的深度的一半。通道180的部分作为气体外区230的端部位于第五盘120的下面，只有气体内区235继续上行。气体从本层经过32个外通孔305B中的一个孔到较上面的层。这样，每个区的流率(和气体类型)就可以改变从而调整两个径向区内的晶片和晶片座架之间的压力(和传导)场。反过来，热传导系数的径向分布可随热流的传导-对流的径向分布变化而变化。
参考多区静电夹盘，正如上面描述的，所述的多区He气输送系统(和本发明的所有的其它元件)可以在多于两个的区的备选实施例中使用，以适应于配合对于晶片或是基片的传导的任意形状或者结构。图4F是根据第二实施例的He气输送系统的剖面项视图。图4G说明He气输送部件的初始盘。He气输送盘的厚度H2可以比较小，即总体小于1mm或是40密尔。
图4F和4H说明两种不同的He气喷射器头部设计。这个盘可以作为集中环下面的夹盘的盖盘。它仅用于使气体通到晶片的背面。图4F的实施例采用一个径向的设计，图4H的实施例说明了一个最佳的平行线的设计。使用图4H的实施例，气孔的平行线在静电夹持元件之间交织。通常，如果使用了静电组件和He气输送部件(如果使用He气，静电部件或者其他的机械夹持元件必须用于抵消施加到晶片背面的气体压力)，就要使用如图1F所示的排列。这意味着图4H所示的孔分布与图3E中相应的静电盘的孔分布一致(虽然图3E中没有表示所述的孔)。所述的初始盘(图3E)也被设计成具有这样的孔。于是，这些孔将在相邻的静电螺旋线之间平行延伸。盖盘的厚度H2’可以很小，例如小于0.5mm或20密尔。所述He气输送盘处于静电盘的下面，以使静电盘和晶片间的距离最小，因此，静电耦合最大化。
与图4A-4E所示的实施例不同，这样的分区也可以在晶片座架自身的外部完成。这个实施例中，分别由从晶片座架顶部延伸到底部的进口480和490(即，通过整个晶片座架直到集管)提供通过通孔305A和305B的气体。气体传输线连接到进口480和490的底部，然后把气体输入到单独的孔或成组的孔。进口480和490也可作为静电夹持元件的电气通道。
这种方案提供了对传导最好的细微的控制，因为每个孔或每个孔的组都可以分别控制。但是，这种方案需要对石英盘最仔细的准备，这样孔305A和305B才不会干扰下面所述的加热元件或冷却通道的布线。电阻加热部分
图5A-5C所示的电阻加热器由数字标记132标明，通常包括中心的电阻加热元件通道340和外围围绕的电阻加热元件通道345。如图5B所示，中心的电阻加热元件通道340有一个基本上与环形环绕的排列或元件的内圆周相称的外围。通道340和345的电阻加热元件都和通过电气/流体通道180导线的连接。
所述的通道凹入(或形成于)第八个石英盘135的上表面。作为选择，所述通道也可以形成于第七盘130的下表面。石英盘厚度的选择应提供足够的机械强度以抵抗电阻加热元件和低压加工区之间的压差。但是，该厚度必须由(1)通过盘130、135提供最大的热传递的需要和(2)减少热质量和热惯性的需要来平衡。这样的热基本上由辐射和传导传递，其依赖于温度和表面材料特性。在这些配置中，高电阻的材料很容易达到5-25kw加热器(取决于夹盘或晶片的直径，即，5到12英寸的晶片直径)。使用低热质量的加热器，比热质量远大于基片热质量的加热器能够实现基底的更快地加热和冷却。用这些静电夹盘中的静电夹持元件，凹槽355在第九盘140，其中设置连接在通道340和345中的电阻加热元件的导线。
如上所述，参考多区静电夹盘和多区气体输送系统，本发明还包括一个多区加热器。图7C-7E说明了与图5B比较的选择分区。
通常，图7E是首选的，因为它提供了在径向和角向两方面的调整和控制特性。在首选的情况，包括5个区，但是也可以有更多区其中可提供更大的径向或方位角向分辨率。例如，通常理想的是在晶片的边缘有更大的径向分辨率以补偿边缘的热损失。比较起来，图5B表示的设计加入了更多的约束，调整和/或控制是轴对称的(没有方位角向上的调整)。于是，所述的多区包括有环形区——作为示例的是两个同心环形区。再者，数量可以增加以提供更大的径向分辨率。当然，本发明没有仅限于前面所述的分区的模式。实际上，所述的模式可以是表面区域的复数表示以补偿在处理基片总体上的不均匀。图7C表示了一个这样的例子。
在备选的实施例，如图6B所示，图5B表示的通道340和345被通道340’和345’代替，它们覆盖了晶片座架80％的表面。图6D中显示这些通道的放大图。另一个备选实施例用两个盘形成所述的凹槽。一个盘作为凹槽的底盘第二个盘完全切通作为元件间的垫片。将这两个盘结合在一起就具有了图6E表示的相同的横截面。这些通道比图5B中的通道有大得多。元件表面积的设计是要获得加热元件到临接石英盘和硅晶片的辐射换热最大化。在此实施例，通道的深度与通道间的间隔必须调整。如图6E所示的本发明的一个实施例中，石英指状物361的宽度至少应同石英盘形成通道后保留的厚度一样大。这能提供很好的抗拉强度以承受石英膨胀导致的内负荷。在加热器的两个实施例中，加热晶片的热传递机理包括：(1)通过加热元件和晶片间的整个组件传导(2)加热元件和晶片间的辐射换热(3)相邻加热元件和石英盘间的热传导，之后是石英盘和晶片的辐射换热。虽然其他的换热机理可能存在，这三种方法是最重要的。另外，分区数和它们空间上的分布可以改变而不脱离本发明的精神。
电阻加热元件的首选实施例是蛇形线；但是，在备选的实施例，非蛇形线的形状也可使用，例如，与圆形边缘相对的具有方形边缘的V形和U形加热元件。如图6B所示，通道340’和345’基本与其邻接的后面的及前面的区段平行地延伸。例如，区段340A与邻接的区段340B基本平行地延伸。
通常，本发明的加热部分，和所述基片座架的其它部分一样可以采用如图7A所示的分成5个区的设置，或者图7B表示一系列的同心分区的设置而实现。图7A表示的内区又可以分成四分之一圆的形式，或者带有一个内区A1的四分之一圆。也即是说，图7A的五个区(A1-A5)可以合并成一个大的内区A1。于是，所述的形状可以循环定义到最小内区，或整体地控制或者没有分开的内区而四分之一地控制。每个四分之一部分的宽度在径向没必要是一样的。
对于图7B的同心区，每个区也不必同样大小。当半径r增大时，每个区的宽度在径向也可变化，随着离边缘越近有相对于中心区更大或者更小的区。当图7A采用相同数量的环形区而每个区又分成四个四分之一区时，图7B的这种配置比图7A的配置单独控制要少。
图7C-7E显示了附加的设计。这些实施例中的每一个中，加热元件连接到相应的四分之一区的边缘。通过排列加热元件的位置，使其不被上面的静电夹持元件阻挡，辐射热更有效的传递到正在加工的基片上。加热部分的设计包括加热元件的布置和材料的考虑，这不仅是径向的而且还包括对加热部分平面的考虑。图8A-图8G说明加热元件的类型和它相应的通道也影响传热结果。加热元件可以是(1)在大致方形通道的内金属丝(如图8A所示)，(2)在大致圆形通道内的金属丝加热元件(如图8D所示)，(3)在大致矩形通道内的矩形带(如图8B所示)，(4)在大致半圆形通道内的矩形带，(5)在大致矩形通道内的矩形带，该通道有相当大曲率半径的圆角。在一个备选的实施例中(没有显示)，带状元件基本是方形的截面并在相匹配尺寸的方形截面的通道里。
图8C说明了以一个加工到初始盘以容纳加热元件的所述通道尺寸的保守设计标准。所示的通道具有的深度和宽度d，使直径大约为d的加热元件有足够的空隙。此外，加热元件之间的间隔，盖盘的厚度以及初始盘剩余的厚度都是距离d(因此初始盘的厚度是2d)。通过使用图8D的圆底方法，通常在方形通道的拐角出现的应力集中被最小化。材料中的应力包括快速加热过程中的初始盘产生的应力，应力是由不同材料(也就是石英和Kanthal)的不同的热膨胀率产生的，并且不同的膨胀速率和单一材料中的温度梯度有关。例如，石英初始盘厚度的温度梯度是顶部比底部热，导致顶部表面的膨胀大于底部表面的膨胀，于是造成盘弯曲(在内部的张力和压力作用下)。
图8E和8F分别给出丝状和带状加热元件，在它的长度方向上有间隔“接片”。所述的“接片”只是为了缩小加热元件和容纳加热元件的石英盘(或其它材料的盘)之间的接触面积。因为加热元件的热膨胀的系数大于石英的(大约为系数20)，加热元件可能会易于来回移动。所述的接片可以帮助加热元件停留在一定的位置，如图8H所示，其中在盛装加热元件的通道里的弯曲可以容纳加热元件的热增长。图8H表示了加热元件180度的弯曲。如果所述的通道名义上是1mm厚度，弯曲处的厚度可以是1.5到2mm以容纳加热元件的增长。例如对于1m长的加热元件，当它被加热到高于室温1000度时，可能会增长约1cm(这个长度会平均分配到所有的弯曲中)。
也可使加热元件的通道很大，这样加热时加热元件可以来回移动，由于接触不到石英通道壁，于是就减小了加热元件中的应力。另外，制造大的容积要求简单的制造。但是也有一些缺点。如果通道仅仅是比上面所述的大，则加热元件的前面积就被浪费了。第二，如果使用闲置的体积，加热元件的移动可能会使加热元件缩短。
图8G说明加热部件的盖盘和初始盘的实际尺寸的例子。所有主要尺寸约是1mm(或者40密尔)，因此，多部件的夹盘中加热元件的使用导致如图1I中2mm(或者80密尔)的厚度H3。图8I说明三个区的交界(具体地中心区和两个外区)并且提供一些分隔的区中的加热元件的空间的尺寸。注，这些是保守的尺寸，它们可能被减少用以提高盘的热响应和保持结构的整体性。
图8J显示了包括有初始盘和盖盘的加热部件的局部剖视图。特别的，它展示了引导加热元件经过加热部件(初始盘)到它下面的结构的放大的视图。包围电阻加热元件的缝隙中，高压气体(氧气)可以是强迫的也可是不强制的。高压可以仅是大气压力(相对于真空压力是高压)。空气(或者氧气)通道通过包围加热元件的环形通道可以达到两个目的。首先，临近Kanthal表面的氧的出现可以氧化扩散到Kanthal合金表面的铝，Kanthal合金包含铁、铝、铬、碳和钴。生成铝氧化层的结果可以保护加热元件并延长其寿命。另外铝氧化层在红外(IR)光谱具有很好的辐射性能。第二，如果空气被强迫通过环形通道，它可被用作在切断加热元件的电力时的附加快冷装置。使用强迫对流，可以转移加热元件中的残留热，因而，提高冷却系统的整体的响应。每个区的加热元件通道有其自己的电气地和流体力学的单独封闭回路，因此，电力和/或空气流率对于不同的区可能不同。
成型的电阻加热元件可能由许多方法制造。激光和喷水切割是切割理想的加热元件图案的好方法。首选的，一张电阻材料被构图成蛇形线形状并被蚀刻(例如，化学腐蚀或用激光或水力)以提供具有理想蛇形线形状的最后结构。首选材料取决于运行的理想温度范围，加热元件必须运行的状况，被加热的基片的平面规格及厚度。铂可以用于非氧化环境，镍铬合金可以用于氧化环境。镍在低温环境很有用，花费允许时钼板也很有效。当几种Kanthal合金都可用的时候，首选的Kanthal合金是包括铝、铬、钴、铁组成的合金。这些材料对高温下的降质是阻性的，只要氧化铝保护层保持在其表面。为促进这种保护氧化层的生成和保持，气体通道用于引入氧到第七和第八盘130和135之间的空间，与包围晶片座架的压力和气体成分无关。
如果在第一和第二通道(340’和345’)用不同的气体包围加热元件，或者如果两个元件需要两种不同流率，于是提供的两个气体通道来允许这种功能性。气体于是基于相应区域的特点分别供给。两个区由第七盘130下面集中环343分开并在每个环内提供一个气体通道。根据本发明的另一实施例(没有图示)，第七盘130被分成一个圆和一个同心环。圆的外边缘和环343的内边缘熔在一起，该同心环熔到(1)环343的外面的内边缘，和(2)盘135的内部的外边缘，这样，圆和同心环横向连接在一起而不是垂直地连接。冷却部分
除了加热晶片之外，本发明还使用冷却系统152快速冷却晶片。盘145、150、155、160、和165组合到一个冷却系统中，它分别通过冷却剂进口215、210输送冷却剂到内部和外部区域。到内部区域的冷却剂通过冷却剂通道360从进口215移动到相应的出口205。同样的，外部区域的冷却剂通过冷却剂通道370从进口210移动到相应的出口200。在此实施例，进口和出口冷却剂通道同心地位于晶片座架的中心。
在备选的实施例中，盘150、155、160和165可以由图10B和图10C所示的两个盘162、167代替。如图10B所示，冷却剂从内部进口215经过内部区域冷却剂通道360到内部区出口环380。冷却剂然后被强迫流动到通孔214并从外区205(图10E所示)排出。如图8D和图8E所示，使用外区进口430和外区出口420，它们不是通道180的部分，外区的冷却剂通过进口430(图10E中显示)到达并向上经过孔211(图10D中显示)。然后冷却剂经过通道213并强迫经过孔212返回。冷却剂然后收集到环440的下面(图10E中所示)并通过出口420排出。使用这样的配置，内部和外部冷却区置于同一个平面，具有更均匀的冷却效果。盘400和410是绝热材料，有加热元件辐射光谱内的反射材料。那些材料有助于防止热传导到通道180。如图10E所示，外区的冷却剂进口430和出口420直接连接到冷却组件152下面的冷却集管而不是通过通道180。
各区的冷却可以通过独立的改变冷却剂类型和冷却剂流率来分别调整。冷却剂流率直接同换热系数联系。但是当改变冷却剂流率时就改变了通过冷却线路的压力降。因此，如果希望增强冷却，可以提高冷却剂流率，但是，同时应该承受更大的压力降。在内部湍流情况，换热系数依赖于热传导系数、密度、比热(常压)、速度、粘度和(若的)流体通道的水力直径。对于给定的冷却剂，只有速度和水力直径(其中速度给你很大的回馈因为这几乎是一对一的线性的关系)。第二，通过线路时的压降取决于密度、摩擦系数(雷诺系数的函数)、管道长度、水力直径、和速度(实际上，和速度的平方成正比)。现有的系统已经设计成获得很好的冷却速率(h～3600W/m2-k)和一个合理的压力降(Δp～20Psi)。另外，这种设计缩短了管道的长度来最小化与沿着线路的长度的加热联系的ΔT(即，Q＝mcp ΔT)。
冷却部分的第二个实施例在图11A和图11B说明。图11A表示多区冷却部件的初始盘。对外部区。冷却剂流体从进口孔径向外流向所示的出口孔。相似的，冷却剂流体从中心环形通道供给到内区径向的槽。所述的冷却剂进口和出口连接到夹盘基底内的正确的输送和接收通道。所述的特定区的流动途径是闭环循环，在外面连接到冷却剂储存器、热交换器和用以使冷却剂通过冷却管道循环的泵。这样，冷却剂温度、冷却剂类型和冷却剂流率可以在不同区之间变化以产生理想的空间冷却特点。在图11A中也显示了，连接到加热部件的电气供给通孔、到He气输送盘和静电盘的所述的气体/电气通道、提升销孔。
图11B显示的是外区的径向的槽的截面图，在图11A中由字母A表示。也显示了相应的冷却剂进口和出口，其中的通道的深度在进口可以是h，在出口的通道的深度可以表示为h’。因为径向槽的宽度随着径向向外的移动变宽(如图11A所示)，通道的深度可以从h减少到h’以保持相同的通道截面积。因为质量守恒，恒定的截面积保持恒定的流动速度。如果深度保持不变，截面积的增加将导致速度的降低，于是，导致换热系数的降低。但是，通过减少深度保持恒定的流速，只有一小部分损失用于补偿出口处通道的湿周的减小。这与和流速的降低相联系的热流的显著降低是不同的。这种现象可以观察到，通过检查径向部分的换热率Δr，也就是Q＝hAΔT(其中h是换热系数，A是湿周表面积，ΔT是流体和材料表面之间的温差)。湿周表面积A是湿周长乘Δr。现在，比较截面积恒定的情况和截面积以2为系数增长的情况。在后一种情况中，流动速度以2为系数降低，换热系数也以2为系数降低同时湿周增加了大约20％。结果，对于给定的Δr和ΔT，热流以2为系数减低，径向部分换热率的降低系数也接近2。首选的是，冷却剂流动通道全程保持基本恒定的截面积。例如，进口的截面积的和，冷却通道的截面积的和，以及出口的截面积的和大约相等。这使全程恒定的几乎均匀地流动成为可能。
这种情况第二种的效果是随着半径轻微地减小了水力直径，同时也增加了换热系数(只是轻微地)。这两个效果对于完成随着半径(换热系数的增加会平衡冷却剂温度的升高)而热流恒定是必需的。
备选的实施例包括随着半径的增加通道的横截面积减小。这在冷却剂径向向外流动时导致热流的增加(相对于面积恒定的情况)。换热系数的增加是由于流动速度的增加。例如，横截面以2为系数减小(即，以2为系数减小深度h到h’＝h/2)，在冷却剂的出口可以使换热系数增加几乎2倍。但是，压降随着阻力的增加而增加。冷却通道可设计成产生各种冷却效果(特别是径向的变化)。
最后，冷却部件的初始盘的厚度H4通常比其它组件的厚。冷却通道可以是4mm厚、1cm宽。这将导致初始盘1cm的一个保守的厚度H4换热分析
虽然特定状态和配置的电阻加热元件和冷却部分已经描述，加热部分和冷却部分的实际状态应该按照与要加热或冷却的基片的热特性相匹配来决定。依据本发明的首选第一实施例，将要加工的具有一定形状和厚度的基片，在一个工业炉上均匀加热，达到将要在夹盘上加热的操作温度。要加热的晶片放在夹盘上，一片液晶显示(LCD)纸放在加热的晶片上，因为LCD纸的颜色随温度变化。冷却时给LCD纸拍照，观察/记录LCD纸的颜色从而观察/记录温度变化。冷却过程的照片表现基片所需要加热的相反对情况。也就是，在热损失快的地方，相对于基片的其它地方需要额外补充热以保持基片的温度均匀。相应的，加热元件的形状使得把额外的线圈置于基片冷却快的地方的下面。
在热分析方法第二实施例，可以使用相同的热分析方法，在基片冷却时利用红外探测器探测基片的温度变化。采集的热值可以在计算机上显示，来显示基片冷却时热是如何消散的。这种测量基片的方法的优势在于因为它是实际的基片，得到更精确的基片的热传导和辐射。另外，这个基片和测量可以在超过实际过程更高的温度操作。第三，这个方法可以在处理的实际气体环境中操作。
热分析方法的第三个实施例，以基片和放置将要加热的基片的夹盘的计算机模型为基础，用计算机模拟换热特点。计算机模拟可以是基片厚度、石英盘厚度、和处理空间中的预期的环境温度中的因子。最好的方法是比较计算机模拟和红外测量并改善计算机模拟中的错误直到它确实是预言性的。制造考虑的事项
制造这样一个夹盘部件(基本上是夹盘)有两个主要步骤。这两个部分可以描述为：(1)制造单独的盘，和(2)把相邻的盘粘附在一起(或熔在一起)。最佳实施例描述使用石英(当然如果夹盘在特定的环境中使用，可能需要不同的材料)制造夹盘。石英夹盘在其中使用的一种环境是灰烬或者剥离室，其中处理是使光刻胶从基片移走(或剥离)。
该制造步骤由几个次步骤组成。它可能包括切割凹槽或通道、钻孔、或切割盘的大概形状。对于切割盘的形状，制造孔、凹槽或者通道可由以下任一个或者它们联合实施：(1)水力或者激光切割，(2)使用金刚石磨削钻头，(3)化学腐蚀。例如，可以掩膜(用光刻胶)一个图案并腐蚀出通道。把盘熔在一起的步骤可以按照图12所示实施。图12表示了一个工业炉，其中输入热量Q。将要熔在一起的盘放置在炉内支架上，该支架包括一个圆柱对准环用于对准相邻的盘。对于制造加热盘的情况，初始盘首先放好，嵌入加热元件，玻璃料应用于要熔的表面，盖盘(或相邻的盘)放在上面。这两个盘如图12所示，被施加一个分散在整个上表面的均匀的力。当然，几个盘也可以同时熔在一起。实际上，整个夹盘可以一次制造完成。用于粘接相邻盘的玻璃料基本由细石英粉末混入胶粘剂(为使容易敷贴)组成。所述的工业炉被加热并在1050℃保温大约1小时，然后冷却。熔接相邻盘时，因为泄漏它们可能被整体移去和检查。制造方法的说明在图16A到图16D说明。
作为静电夹盘或者电热元件的电极可以通过构图沉积制造，或者用层状沉积然后构图腐蚀来制造。另外，石英片可使用对石英上掺杂石英的层状沉积(CVD)光刻胶构图沉积并腐蚀，或者对石英上的掺杂石英的构图沉积(CVD)然后构图腐蚀。使用任何一种过程，都可以制造出加热元件通道或者气体供给通路，等等。使用腐蚀和沉积技术制造这样的组件的优势在于，能够生成微小的特征(如通道)、元件和很薄的组件(如加热盘)。这样做的时候，可以制造具有同晶片接近的热惯性的加热盘。图16B、图16C和图16D提供了这种制造技术的图示描述。图16B表示了两个可以选择的的技术，制造放置在薄石英盘上的加热元件。图16C表示了一种盘的制造方法，此方法制造的盘在石英相应部分具有通道，并且在结合表面有掺杂的石英。最后，图16D表示了最后的步骤，扩散结合两片盘。所述的特征可能作为选择的，通过材料的腐蚀和沉积可以有圆表面。总之，用这种技术使次毫米级(甚至更小)的特征成为可能。传热
图13表示了等离子加工设备中的处理环境中的主要的传热途径。此例中，该设备是一个用于从基片或者晶片上剥离光刻胶的感性耦合的等离子室。有气体流入工作室也有气体流出。该等离子室由螺线线圈和静电屏蔽包围。等离子是由感性耦合RF功率在等离子室产生。以夸大的比例图解该夹盘，是为了表示表示集中环、加热组件、冷却组件和夹盘基底。如图所示，晶片放置在夹盘的上面，从底部开始，夹盘的基底用作加热和冷却组件，带有电气线路、冷却剂回路、强迫气体回路(供给加热元件的)等。
冷却组件在夹盘基底的上方。冷却剂流入、穿过并流出冷却组件。冷却剂使冷却盘冷却，当冷却剂流动时冷却上面的结构。冷却剂和冷却盘之间的换热通过强迫对流(传导-对流传热)完成。通过在换热器中冷水与冷却剂的换热，热量从夹盘被传递走。冷却组件和夹盘基底中间有一个绝热层(热传导远小于其它的夹盘结构，即，一种绝热材料或一种密封的低压气体环境，其中两个夹盘组件之间的热流限制在一个由低热传导系数材料制成的外环内)和冗余的红外反射材料。绝热层使通过传导(在系统处于冷却状态时很重要)从夹盘基底到冷却组件的热流最小。第二，所述的红外反射材料反射任何到夹盘基底的热辐射。
加热组件位于冷却组件上方。仍有绝热层和红外反射材料放置在两组件之间。绝热层的设置有两个目的：(1)在加热组件和冷却组件(提供有效冷却，而在通道表面的冷却剂不沸腾)之间的界面上产生大的ΔT，(2)提高加热组件的热响应，即，加热盘的热惯性被减小，因为加热组件不会损失很多热到冷却盘，即使冷却剂不流动的时候冷却盘也有很大的热沉。相反的效果是绝热层将会降低冷却盘的效率。因此，为这一层有一个最佳的设计。也就是，冷却的时候加热元件上的强迫气流将提高冷却响应。在加热组件和冷却组件之间是通过传导换热的。加热组件通过两种换热方式加热晶片。它们是传导换热和辐射换热。在加热元件低温时(如，300摄氏度)，传导换热是主要的。此温度之上，辐射换热是主角。特别的，达到1000摄氏度的Kanthal加热元件通过热辐射使对晶片的加热很快。
如所述，晶片位于夹盘的顶部，夹盘和晶片之间的传导受两表面间接触的限制。间隙中的换热由于使用静电夹持元件和提供了气体到晶片的背面而改善。晶片还被等离子加热。离子撞击在晶片表面时，能量也传输到晶片表面。另外，晶片可以与等离子室壁辐射换热。修改
如上所述，绝热层可以放置在加热盘和冷却盘之间，影响加热/冷却系统的热响应。这种配置的一种选择是，在加热盘和冷却盘之间使用一种系统，该系统具有变化的热传导率。通常，对于准单一量纲的传导热流，组件间的热传导是换热系数、接触表面的面积和温差的函数，即Q＝hAΔT。这里，换热系数h取决于两表面的接触的质量，在较高压力时换热系数直接与气体的导热系数有关并与气体层的厚度成反比，但是，低压时就变得很复杂。值得注意，只要简单地分开两个表面，就可以显著降低两表面间的热传导率，这样只要在两表面间的任何地方(即，两表面间没有任意接触的点)有一个低压气体的层。因此，实施例采用变化的空间，为了更好地控制两组件的两个相向表面之间的换热，即，可以通过减少空间(甚至对于接触点)增加传导换热，或者通过增加空间降低传导换热。
图15是一示意图，说明了一种设计：冷却盘上面的加热盘提高一些(可变的)距离。晶片位于加热盘的顶部。加热盘可以熔到几个(例如3个)石英杆，它们延伸进入冷却盘，冷却盘的提升机构驱使它们向上或者向下运动。所述提升杆(或者石英杆)也可作为电气和/或者流体通道。在需要的地方为了保持等离子室的整体真空度，要采用真空密封。另外，冷却盘比较大，以使它可以容纳所述的提升机构。但是，所述的加热器保持绝对的隔离。冷却盘实际上可以由铝来制造并包裹一层材料例如石英，来适应所述的特殊处理，因为铝有高热传导率。冷却剂可以持续流动通过冷却盘流动以保持它的预定温度。在加热过程中，为使晶片具有高的热响应加热，加热器(和晶片)可以被向上提升。对于冷却过程，加热元件的电力可以切断，在此过程中，晶片和加热器可以通过与外界环境的辐射换热很快被冷却下来。在达到300到500摄氏度的温度时，加热器向着冷却盘降低。当加热盘靠近时，它对冷却盘的传导换热增加，于是，进一步冷却了加热盘。这涉及到接近冷却。最后，加热器可以放置在冷却盘的顶部使加热器和到冷却盘的传导换热最大化。在保持安全使用加热和冷却盘，不给任何组件造成热冲击(这可能导致故障)时，提升和降低加热器(也把电力连接到加热元件)的程序设计为使加热/冷却系统的热响应最大。这种一层的提升和降低也可以由注入或移走至少一种气体来实施，该气体在所要移走的层的下面。
如上所述，电阻加热元件最好由一张包含铝、钴、铬、和铁组成Kanthal合金形成。也可以使用其它的Kanthal合金，包括由钼合金形成的合金。除Kanthal合金材料外的其它材料也可以用于形成电阻加热元件，包括钨合金，铂，和碳硅化。当使用钼合金时，最好使用化学腐蚀。
本领域的技术人员现在将对上面描述的在半导体晶片反应器中使用的，改进的多区电阻加热器有所理解。所述的电阻加热器用以从处理气体环境中隔离出电阻加热元件，因此允许选择理想的电阻加热材料，而不必考虑升高温度时的恶化或处理气体的特点和/或者压力。所述电阻加热器提供的热质量是正在加热的基片的热质量的很小倍数，所以基片可以被很快加热或冷却。作为从反应器壁分隔出的结构来说明，这样的电阻加热器可以自由的同反应器壁结合使用。
当使用一定的材料(例如，Kanthal)作为加热元件时，强迫空气通过通道是可能的。通过包围加热元件的通道的气体途径的另外的特点是对加热元件的强迫对流冷却。例如，当晶片将被冷却时，加热元件的电力被断开。此后，加热元件被周围的结构以辐射或传导的方式冷却。空气通过所述通道的途径能够加强加热元件的冷却，并减低移走加热盘中的剩余热量所需的时间。
制造石英盘使包围与处理真空环境完全隔离的空间不是必需的。当加热元件由Kanthal材料制造时，虽然加热元件最好在大气条件下(有氧环境)，但本发明不仅限于此。最后，在扩散粘结石英盘时不能完成好的密封，其它的材料例如钼合金可以用作加热元件。这样，包围加热元件的环境，或者可能是暴露在惰性气氛，或者暴露在甚至封闭加热元件的空间中由分离泵出的真空。通向所述空间类似于强迫空气穿过封闭Kanthal时的通道。
取决于所述的处理，最好是有一个氧化铝夹盘对石英夹盘。氧化铝盘可以在与制造石英盘相似的方式制造，通过磨削和/或者腐蚀等方式制造。所述的盘可以熔接在一起，用氧化铝玻璃料以与熔接石英盘相似的方式熔接。氧化铝有相似的传输性质。
在另一个实施例，所述通道(在图中显示，上升通过晶片座架的中心)由所述堆叠的任何部分的层之间的通道代替。所述的通道甚至可以形成在晶片座架的外部边缘，使该通道到达每层的一侧边缘。另外，一种混合的设计，其中边缘连接和中心连接应用于连接物理上分开的用于内区和外区的连接。
本发明已经结和实施例进行了描述，该描述是以说明为目的而不是用以限制本发明的范围。本领域技术人员可能对其进行不同的其它修改和变动，但仍将不脱离本发明的实质精神和附属权利要求所限定的范围。

Claims (46)

1.一种在处理反应器的处理气体中加热基片的加热器，该加热器包括：
第一石英盘，具有一个外表面和一个与所述的外表面相对的内表面，
第二石英盘，具有一个内表面，所述的第二石英盘邻近并通常平行于所述的第一石英盘，第一石英盘的内表面同第二石英盘的内表面基本相邻，
第一加热元件；
第一通道，形成于第一和第二石英盘的至少一个内表面中，与所述的第一加热元件相匹配地配置，用以在其中接收所述的第一加热元件；
第一密封，将第一和第二石英盘密封在一起，把第一加热元件封闭在其间，从而在(a)在所述的第一和第二石英盘之间和(b)在所述的第一通道周围形成气密空腔；
第一保护气体管道，引导预定组分和压力的气体进入到第一通道，而与在加热器外部的处理气体的组分和压力无关。
2.如权利要求1所述的加热器，其中导入第一和第二石英盘之间的气体是氧气。
3.如权利要求1所述的加热器，其中
第一石英盘还包括一个第一提升销孔，
第二石英盘还包括第二提升销孔，位于相应于第一石英盘中的第一提升销孔的位置处，
所述加热器还包括：
一个提升销，用于穿过第一和第二提升销孔，
第二密封，用于相互密封第一和第二提升销孔，使得导入第一和第二石英盘之间的气体不会通过第一和第二提升销孔逸出。
4.如权利要求1所述的加热器，其中第一加热元件包括Kanthal合金。
5.如权利要求4所述的加热器，其中Kanthal合金包含成分有铝、钴、铬和铁。
6.如权利要求1所述的加热器，其中第一加热元件包含钨合金。
7.如权利要求1所述的加热器，其中第一加热元件包括从由钼、铂、硅化碳构成的组中选出的一种材料。
8.如权利要求1所述的加热器，还包括喷入到第一通道以避免第一加热元件的过热的冷却气体。
9.如权利要求1所述的加热器，其中第一加热元件由包含从由化学腐蚀的Kanthal合金和化学腐蚀的钼构成的组中选出的一种材料。
10.如权利要求1所述的加热器，还包括电气传导部件，通过所述的第一保护气体管道延伸，以连接所述的第一加热元件和电源。
11.如权利要求1所述的加热器，其中第一和第二石英盘其中一个的内表面包括：一个从其周围延伸出的悬凸缘，第一和第二石英盘中的另一个盘的内表面沿其周围形成有一个凹座，所述的凹座和悬凸缘有助于其间气密封的形成。
12.如权利要求1所述的加热器，还包括：
第三石英盘；
第二密封，用于密封第三石英盘到所述加热器；和
在第三石英盘和所述加热器之间的至少两个电极，用于把晶片夹紧到加热器上。
13.如权利要求1所述的加热器，还包括：
第一传导气体管道，在第一压力下传送第一传导气体；
第三石英盘，包括用以从第一传导气体管道接收第一传导气体的第一传导气体管道孔，和位于第一区中的第一组传导气体孔，第一传导气体经过该区以增大对放置在加热器上的基片的传导；和
第二密封，密封第三石英盘到所述加热器，使得第一传导气体不能进入到第一保护气体管道。
14.如权利要求13所述的加热器，还包括：
第二传导气体管道，以第二压力引导第二传导气体；
第四石英盘，包括用以从第二传导气体通道接收第二传导气体的第二传导气体管道孔，和位于第二区中的第二组传导气体孔，第二传导气体经过该区到达基片，
第三密封，将第三和第四石英盘同心密封到一起，使得第一和第二传导气体的第一和第二压力保持独立；和
其中第一和第二区基本上是非重叠的。
15.如权利要求1所述的加热器，其中
第一石英盘还包括在第一区的第一组传导气体孔，
第二石英盘还包括在所述的第一区的第二组传导气体孔，和
所述加热器还包括第二密封，相应于第二组传导气体孔密封第一组传导气体孔，以形成第一组传导气体通道，使得第一传导气体可以经过第一组传导气体通道。
16.如权利要求15所述的加热器，其中
第一石英盘还包括在第二区的第三组传导气体孔，
第二石英盘还包括在所述的第二区的第四组传导气体孔，和
所述加热器还包括第三密封，相应于第四组传导气体孔密封第三组传导气体孔，以形成第二组传导气体通道，使得第二传导气体可以经过第二组传导气体通道，而不是引导第二传导气体到第一保护气体管道和第一组传导气体通道中的任一个，其中第一和第二区基本上是非重叠的。
17.如权利要求13所述的加热器，还包括：
第二传导气体管道，以第二压力传送第二传导气体，和
其中第三石英盘还包括第二传导气体管道孔，从第二传导气体孔接收第二传导气体，和在第二区中的第二组传导气体孔，第二传导气体通过第二区以增加对基片的传导，其中第一和第二区基本上是非重叠的。
18.如权利要求1所述的加热器，还包括：
第一冷却剂进入管道，以第一压力传送第一冷却的冷却剂；
第一冷却剂排出管道，在第一冷却剂在加热器中吸热后传送第一冷却剂；
第三石英盘，包括连接到第一冷却剂进入管道的第一进入孔和连接到第一冷却剂排出管道的第一排出孔；和
第二密封，密封第三石英盘到加热器，使得第一冷却剂不会进入第一保护气体管道。
19.如权利要求18所述的加热器，还包括：
第二冷却剂进入管道，以第二压力传送第二冷却的冷却剂；
第二冷却剂排出管道，在第二冷却剂在加热器中吸热后传送第二冷却剂；
第四石英盘，包括连接到第二冷却剂进入管道的第二进入孔和连接到第二冷却剂排出管道的第二排出孔；和
第三密封，密封第四石英盘到加热器，使得第二冷却剂不会进入第一保护气体管道。
20.一种在处理反应器的处理气体中加热基片的多区加热器，该多区加热器包括：
第一石英盘，具有暴露于处理气体中的外表面，所述第一石英盘还有一个与所述的外表面相对的内表面；
第二石英盘，具有一个内表面，所述的第二石英盘邻近并通常平行于所述的第一石英盘，第一石英盘的内表面同第二石英盘的内表面基本相邻，
第一区中的第一加热元件；
第一通道，形成于第一和第二石英盘的至少一个内表面中，与所述的第一加热元件相匹配地配置，用以在其中接收所述的第一加热元件；
第一密封，将第一和第二石英盘密封在一起，把第一加热元件封闭在其间，从而在所述的第一和第二石英盘之间形成一个气密腔；
第一保护气体管道，引导第一预定组分和压力的气体进入到第一通道，而与在加热器外部的处理气体的组分和压力无关。
第二区的第二加热元件；
第二通道，形成于第一和第二石英盘的至少一个内表面中，与所述的第二加热元件相匹配地配置其中有一通道的结构，用以在其中接收所述的第二加热元件；
第二密封，将第一和第二石英盘密封在一起，分隔封闭在其间的第二加热元件和第一加热元件，并在第二通道周围提供气密封；
第二保护气体管道，引导第二预定组分和压力的气体进入到第二通道，而与在加热器外部的处理气体的组分和压力无关。
21.如权利要求20所述的加热器，其中引入到第二管道的气体是氧气。
22.如权利要求20所述的加热器，其中第二加热元件包括Kanthal合金。
23.如权利要求22所述的加热器，其中Kanthal合金包含成分有铝、钴、铬和铁。
24.如权利要求20所述的加热器，其中第二加热元件包括由铂、碳化硅和钨合金构成的组中选出的一种材料。
25.如权利要求1所述的加热器，其中第一和第二石英盘的至少一个表面是增强平面性抛光的盘。
26.如权利要求1所述的加热器，其中第一和第二石英盘的至少一个是通过沉积和腐蚀形成的。
27.如权利要求20所述的加热器，其中第二加热元件包括化学腐蚀的Kanthal合金。
28.如权利要求20所述的加热器，还包括电气传导部件，通过所述的第二保护气体管道延伸，以连接所述的第二加热元件和电源。
29.如权利要求20所述的加热器，还包括
第三石英盘；
第三密封，密封第三石英盘到所述加热器；和
在第三石英盘和所述加热器之间的至少两个电极，用于把基片夹紧到加热器上。
30.如权利要求12所述的加热器，还包括：
电容测量设备，用以测量至少两个电极中的两个电极之间的电容。
31.如权利要求29所述的加热器，还包括：
电容测量设备，用以测量至少两个电极中的两个电极之间的电容。
32.如权利要求12所述的加热器，还包括：
电容测量设备，用以测量至少两个电极中的邻近的两个电极之间的电容。
33.如权利要求29所述的加热器，还包括：
电容测量设备，用以测量至少两个电极中的邻近的两个电极之间的电容。
34.一种测量基片到静电夹盘的夹紧的方法，该方法包括以下步骤：
提供一个静电夹盘，其中封装有第一和第二电绝缘电极；
把基片放置在静电夹盘上；
在基片放在静电夹盘上后，测量基片和第一、第二电极之间的电容；和
基于测量步骤中测得的电容，确定基片到静电夹盘的夹紧程度。
35.如权利要求34所述的方法，其中确定步骤包括根据测得的电容的反函数确定夹紧程度。
36.一种在处理反应器的处理气体中加热基片的加热器，该加热器包括：
第一氧化铝盘，具有一个外表面和与所述的外表面相对的一个内表面，
第二氧化铝盘，具有一个内表面，所述的第二氧化铝盘邻近并通常平行于所述的第一氧化铝盘，第一氧化铝盘的内表面同第二氧化铝盘的内表面基本相邻，
第一加热元件；
第一通道，形成于第一和第二氧化铝盘的至少一个内表面中，与所述的第一加热元件相匹配地配置，用以在其中接收所述的第一加热元件；
第一密封，将第一和第二氧化铝盘密封在一起，把第一加热元件封闭在其间，从而(a)在所述的第一和第二氧化铝盘之间和(b)在所述的第一通道周围形成气密腔；和
第一保护气体管道，引导预定组分和压力的气体进入到第一通道，而与在加热器外部的处理气体的组分和压力无关。
37.一种在处理反应器的处理气体中加热基片的加热器，该加热器包括：
第一石英盘，具有一个外表面和一个与所述的外表面相对的内表面，
一个羽毛状的石英垫片，具有一个上表面和一个下表面，所述的垫片邻近并通常平行于所述第一石英盘的内表面放置，其中所述的垫片包含在同第一石英盘熔接时形成一个通道的开口；
第二石英盘，具有一个上表面和一个下表面，所述的第二石英盘邻近并通常平行于所述垫片下表面放置；
第一加热元件，在形状上与所述的通道匹配；和
第一密封，将第一石英盘、所述的垫片、和所述的第二石英盘密封在一起，所述的第一加热元件封装在其间，以在第一通道周围形成气密空腔。
38.如权利要求37所述的加热器，其中垫片的开口由激光切割形成。
39.如权利要求37所述的加热器，其中垫片的开口由水喷射切割形成。
40.如权利要求37所述的加热器，其中垫片的开口由磨削形成。
41.一种在处理反应器的处理气体中加热基片的加热器，该加热器包括：
第一石英盘，具有一个外表面和一个与所述的外表面相对的内表面，
第二石英盘，具有一个内表面，所述的第二石英盘邻近并通常平行于所述的第一石英盘，第一石英盘的内表面同第二石英盘的内表面基本相邻，
第一加热元件；
第一通道，形成于第一和第二石英盘的至少一个内表面中，以在其中接收所述的第一加热元件，所述的第一通道与第一加热元件形状上相似，但基本上大于第一加热元件；
第一密封，将第一和第二石英盘密封在一起，把第一加热元件封闭在其间，从而(a)在所述的第一和第二石英盘之间和(b)在所述的第一通道周围形成气密腔。
42.一种制造基片座架的方法，包括步骤：
腐蚀石英盘以形成一个进口和一个出口；
腐蚀石英盘以形成一个连接进口和出口的通道；
在通道、进口和出口中沉积一种金属；和
密封一个盘到通道的顶部用以围绕所述的金属。
43.一种制造基片座架的方法，包括步骤：
腐蚀石英盘以形成一个进口和一个出口；
腐蚀石英盘以形成一个连接进口和出口的通道；
在通道、进口和出口中沉积一种金属；和
在通道的上方沉积石英以围绕所述的金属。
44.一种多层基片座架，包括：
第一处理层，用以促进对正在处理的基片的第一操作；
第二处理层，用以促进对正在处理的基片的第二操作；
一种提升设备，在第一和第二操作的至少一个操作中分隔第一和第二处理层。
45.如权利要求44所述的多层基片座架，其中第一处理层包括加热元件，并且第二处理层包括冷却元件。
46.如权利要求44所述的多层基片座架，其中提升设备是机械提升设备。
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