TW201436095A - 基板支持裝置 - Google Patents

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Daisuke Hashimoto
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Abstract

提供基板支持裝置，對晶圓加熱時能均溫加熱板，防止加熱板發生因熱應變所導致之變形，提升晶圓均溫性。本發明之基板支持裝置具有板部及軸部。板部包括於內部具有發熱體之加熱板、具有配置於加熱板下面之第一流道之第一冷卻板及具有配置於加熱板上面之第二流道之第二冷卻板。軸部支持板部且於內部具有接續至發熱體以對其供給電流之配線及對第一及第二流道供給冷媒之配管。第一流道含有從第一冷卻板之中央部朝向外緣部以第一方向環繞之旋渦狀流道。第二流道含有從第二冷卻板之中央部朝向外緣部以相反於第一方向之第二方向環繞之旋渦狀流道。

Description

基板支持裝置
本發明係關於一種用於製造半導體元件之基板支持裝置。特別是關於一種內藏有發熱體之基板支持裝置。
於半導體元件之製造中，於化學氣相沉積(chemical vapor deposition，CVD)及表面改質之處理製程中，會使用半導體製造裝置，其包括用以支持含半導體基板之晶圓(wafer)之基板支持裝置。另外，對晶圓進行加熱處理的場合中，會使用內藏有發熱體之基板支持裝置。
如此之基板支持裝置係包括利用金屬製或陶瓷製之板部(plate)及軸部(shaft)進行支持之構造。其結構為板部之內部配置有電漿(plasma)電極或發熱體，經由配置於軸部內之配線對發熱體流通電流而使發熱體發熱，並藉由此發熱體所產生的熱對晶圓加熱。
放置於如此之板部上的晶圓，有時會具有比預期溫度還高的溫度。此時，於習知之基板支持裝置中，於保持晶圓用之晶圓保持體形成流道，藉由於流道內流通流體以冷卻晶圓保持體，以調整晶圓的溫度(例如參照日本專利公開案2007-43042號公報)。
然而，上述習知之基板支持裝置中，因冷卻用的流道僅配置於板部之單面，使得板部之溫度不易均勻，而使板部自身會發生因熱應變所導致之變形等故障，進而成為基板支持裝置之故障原因。更甚者，放置於板部上之晶圓會發生面內溫度不均勻的問題。於晶圓之面內的溫度分佈有所偏頗時，晶圓會發生翹曲等之故障，而有降低半導體元件良率之虞。
本發明之目的在於提供一種基板支持裝置，其能夠解決上述問題，且於對晶圓進行加熱處理時使加熱板(heater plate)均溫化，而能夠於防止加熱板發生因熱應變所導致之變形等故障的同時，還能提升晶圓之溫度均勻性。
本發明之一實施形態係提供一種基板支持裝置，包括一板部及一軸部。板部包括一加熱板、一第一冷卻板及一第二冷卻板。加熱板於內部具有一發熱體。第一冷卻板具有配置於前述加熱板之下面之一第一流道。第二冷卻板具有配置於前述加熱板之上面之一第二流道。軸部於內部具有一配線及一配管且用以支持前述板部。配線接續至前述發熱體以對前述發熱體供給電流。配管對前述第一冷卻板及前述第二冷卻板供給冷媒。前述第一流道含有從前述第一冷卻板之一中央部朝向一外緣部以一第一方向環繞之旋渦狀流道。前述第二流道含有從前述第二冷卻板之一中央部朝向一外緣部以相反於前述第一方向之一第二方向環繞之旋渦狀流道。
於前述之基板支持裝置中，亦可包含一第一連接管，係連接前述第一流道及前述第二流道且從前述第一流道對前述第二流道供給前述冷媒，前述第一流道連接於前述第一連接管之位置含有以一第一角度沿水平方向曲折之一部分。
於前述之基板支持裝置中，亦可包含一第二連接管，係連接前述第一流道及前述第二流道且從前述第二流道對前述第一流道供給前述冷媒，前述第一流道連接於前述第二連接管之位置含有以一第二角度沿水平方向曲折之一部分。
於前述之基板支持裝置中，前述第一角度及前述第二角度亦可為90度。
於前述之基板支持裝置中，前述第一流道亦可含有於前述外緣部連接至以前述第一方向環繞之旋渦狀流道且從前述外緣部朝向前述中央部以前述第二方向環繞之旋渦狀流道，前述第二流道亦可含有於前述外緣部連接至以前述第二方向環繞之旋渦狀流道且從前述外緣部朝向前述中央部以前述第一方向環繞之旋渦狀流道，前述第一流道之以前述第一方向環繞之旋渦狀流道亦可與前述第二流道之以前述第一方向環繞之旋渦狀流道至少一部分重疊配置，前述第一流道之以前述第二方向環繞之旋渦狀流道亦可與前述第二流道之以前述第二方向環繞之旋渦狀流道至少一部分重疊配置。
於前述之基板支持裝置中，前述第二流道之流道截面積亦可大於前述第一流道之流道截面積。
藉由本發明，能夠於對晶圓進行加熱處理時使加熱板均溫化，而能夠防止加熱板發生因熱應變所導致之變形等故障。再者，還能夠提升晶圓之溫度均勻性以防止晶圓發生翹曲等之故障。因此，藉由本發明，能夠提供一種基板支持裝置，其能夠提升半導體元件良率。
100‧‧‧第一冷卻板
101‧‧‧第一基材
110‧‧‧第一流道
200‧‧‧第二冷卻板
201‧‧‧第二基材
210‧‧‧第二流道
300‧‧‧板部
301‧‧‧加熱板
302‧‧‧第三基材
310‧‧‧發熱體
400‧‧‧軸部
11A、11B、12A、12B、13A、13B‧‧‧連接部
20A、20B、21A、21B‧‧‧連接管
30A、30B‧‧‧箭頭
X、Y‧‧‧角度
Za、Zb‧‧‧外緣部
第1圖繪示關於本發明之一實施形態之基板支持裝置之第一冷卻板之俯視圖。
第2圖繪示關於本發明之一實施形態之基板支持裝置之第二冷卻板之俯視圖。
第3圖繪示關於本發明之一實施形態之基板支持裝置之板部之立體爆炸圖。
第4圖繪示關於本發明之一實施形態之基板支持裝置之概略構成之示意剖面圖。
第5圖繪示第4圖中沿A-A’線剖面之板部300之概略構成之剖面圖。
以下將參照圖式說明關於本發明之一實施型態之基板支持裝置。而且，以下之實施型態為本發明之基板支持裝置之一範例，而並非將本發明之基板支持裝置限定成以下實施型態。
以下將說明基板支持裝置之構成。
以下，請參照第4圖及第5圖，說明關於本發明之一實施型態之基板支持裝置之概略構成。第4圖繪示關於本發明之一實施形態之基板支持裝置之概略構成之示意剖面圖。第5圖繪示第4圖中沿A-A’線剖面之板部300之概略構成之剖面圖。
如第4圖所示，關於本實施型態之基板支持裝置包括一板部300及一軸部400。板部300包括一加熱板301、一第一冷卻板100、一第二冷卻板200及一第三基材302。加熱板301於內部具有一發熱體310(請參照第5圖)。第一冷卻板100配置於加熱板301之下面。第二冷卻板200配置於加熱板301之上面。第三基材302配置於第一冷卻板100之下面。另外，雖然圖中未繪示，但於板部300之用以支持晶圓的表面及板部300之側面亦可形成有絕緣膜，用以支持晶圓的表面亦可形成有凹部。
軸部400係接續於板部300之放置晶圓位置之相反位置的中央部，且支持板部300。另外，雖然圖中未繪示，但軸部400於內部可具有略呈圓筒狀之中空構造，於中空構造內配置有接續於發熱體310且接續於外部控制裝置之配線，而能對發熱體310供給電流。再者，如第4圖所示，於軸部400之內部亦可配置有連接管20A及連接管20B，連接管20A係對第一冷卻板100及第二冷卻板200供給冷媒，連接管20B係從第一冷卻板100及第二冷卻板200排出冷媒。
關於本實施型態之板部300及軸部400例如可用金屬形成。能夠利用的金屬可選自用來製造基板支持裝置之公知材 料，例如為鋁(aluminum)、不鏽鋼(stainless steel)、銅(copper)、鎳(nickel)、鈦(titanium)等金屬。另外，板部300及軸部400並不限於金屬，亦可例如使用陶瓷而形成。
板部300係能藉由硬焊(brazing)或熔接(welding)，而具備第二冷卻板200與加熱板301接合、加熱板301與第一冷卻板100接合以及第一冷卻板100與第三基材302接合之構成。如第5圖所示，第一冷卻板100及第二冷卻板200形成有做為流道的溝槽，並藉由接合第一冷卻板100及第三基材302而形成第一流道110，且藉由接合第二冷卻板200及加熱板301而形成第二流道210。而且，第一流道110及第二流道210之截面形狀並非限制成第5圖所示之方形，而亦可為圓形及三角形等形狀。
第一流道110及第二流道210為藉由冷媒循環而企圖對配置於第一冷卻板100及第二冷卻板200間之加熱板301調整溫度之機構。冷媒能夠使用氮等惰性氣體。然而，冷媒並非限定於此，而還可使用空氣等氣體，或油、乙二醇(ethylene glycol)水溶液及水等液體。
第4圖及第5圖中，冷媒之流入方向以箭頭30A標示，冷媒之流出方向以箭頭30B標示。如第4圖及第5圖所示，冷媒經由與第一流道110連接之連接管20A而提供至第一冷卻板100，且經由與第一流道110及第二流道210連接之連接管21A而提供至第二冷卻板200。循環完第二流道210之冷媒在流經與第一流道110及第二流道210連接之連接管21B之後，連同循環 完第一流道110之冷媒一併流經與第一流道110連接之連接管20B而排出。
如第4圖及第5圖所示，冷媒在流經配置於軸部400及第三基材302內部之連接管20A而供給至第一冷卻板100之後，會流經配置於第一冷卻板100及加熱板301內部之連接管21A而供給置第二冷卻板200。再者，循環完第二冷卻板200之第二流道210之冷媒流經配置於第一冷卻板100及加熱板301內部之連接管21B，會與循環完第一冷卻板100之第一流道110之冷媒在第一流道110合流，再流經配置於軸部400及第三基材302內部之連接管20B而排出。雖然圖中未繪示，但連接管20A及連接管20B亦可分別連接至冷媒供給裝置及冷媒回收裝置。
以下將說明板部300之構成。
以下，請參照第1圖至第3圖，將更加詳述關於本發明之一實施型態之基板支持裝置之板部300之構成。第1圖繪示關於本發明之一實施形態之基板支持裝置之第一冷卻板100之俯視圖。第2圖繪示關於本發明之一實施形態之基板支持裝置之第二冷卻板200之俯視圖。第3圖繪示關於本發明之一實施形態之基板支持裝置之板部300之立體爆炸圖。
以下將說明第一冷卻板100之構成。
請參照第1圖及第3圖，將描述關於板部300內之第一冷卻板100之構成。如第1圖及第3圖所示，第一冷卻板100具備於略呈圓柱狀之第一基材101之表面上形成有溝槽狀之第一 流道110的構成。第一基材101之形成有第一流道110之表面係與第三基材302接合，第一基材101之相反於接合有第三基材302之表面係與加熱板301接合。
如第1圖及第3圖所示，第一流道110包含連接部11A、連接部11B、連接部13A及連接部13B。連接部11A為第一流道110與供給冷媒之連接管20A接續的位置。連接部11B為第一流道110與連接第一流道110及第二流道210之連接管21A接續的位置。連接部13A為第一流道110與連接第一流道110及第二流道210之連接管21B接續的位置。連接部13B為第一流道110與排出冷媒之連接管20B接續的位置。連接部11A為流經連接管20A之冷媒流入第一流道110之冷媒入口，且配置於第一基材101之略呈圓形之表面之略為中央的部位。另外，連接部13B為循環完第一流道110之冷媒從第一流道110排出之冷媒出口，且配置於第一基材101之表面之略為中央的部位，並配置於與連接部11A相鄰的位置。
如第1圖所示，第一流道110之形狀係從連接部11A以略呈直線狀延伸至連接部11B，於連接部11B以角度X沿水平方向曲折後，以逆時針方向環繞至第一基材101之外緣部Za而呈旋渦狀，再從外緣部Za以順時針方向並沿著逆時針旋渦狀的外圍環繞至連接部13A而呈旋渦狀，於連接部13A以角度Y沿水平方向曲折後，再延伸至連接部13B。因此，冷媒從身為冷媒入口之連接部11A以逆時針方向流經略呈旋渦狀之第一流道110 之後，會從第一基材101之外緣部Za以順時針方向流經略呈旋渦狀之第一流道110，再從身為冷媒出口之連接部13B流出。
另外，從連接部11A流入之冷媒的流道具備於連接部11B分岔至如第3圖所示之水平方向之第一流道110及至向上方向之連接管21A的構成。冷媒從第一流道110之連接部11B流經連接管21A，而流入第二冷卻板200之第二流道210。與第二流道210接續之連接管21A，係以相對於第一流道110約90度之角度的垂直方向接續於第一流道110之連接部11B。因此，藉由第一流道110之水平方向位於連接部11B之曲折角度X亦約為90度，因能夠以垂直方向及水平方向不會產生壓力差的方式構成，而能夠以不會過度偏向連接管21A或第一流道110之幾近等分狀態的方式分配冷媒之流量。
再者，第一流道110具有亦於連接部13A僅以角度Y沿水平方向曲折之構成。連接部13A為循環完第二冷卻板200之第二流道210之冷媒流經連接管21B再與循環完第一流道110之冷媒合流的地點。此時，藉由第一流道110之水平方向位於連接部13A之曲折角度Y亦約為90度，循環完第一流道110之冷媒及循環完第二流道210並流經連接管21B再沿垂直方向流入第一流道110之冷媒，從連接部13A流向連接部13B時，能夠不會產生壓力差。因此，能夠以循環完第二流道210之冷媒及循環完第一流道110之冷媒二者於連接部13A流向連接部13B之流量不會過度偏頗之方式構成。
然而，第一流道110之於連接部11B沿水平方向曲折的角度X以及於連接部13A沿水平方向曲折的角度Y並非限定於90度，只要能使第一流道110及第二流道210之冷媒流量調整成期望流量，亦能夠依照設計進行適當調整。
另外，關於本發明之一實施型態之基板支持裝置，亦可藉由配置於板部300之上側之第二冷卻板200之第二流道210之流道截面積大於配置於板部300之下側之第一冷卻板100之第一流道110之流道截面積，而以對第二冷卻板200供給較多的冷媒的方式構成。亦即，藉由第二流道210之截面積大於第一流道110之截面積，使冷媒易於流入第二流道210，而能夠增加供給至第二冷卻板200之冷媒流量。另外，亦可藉由接續第一流道110及第二流道210之連接管21A之流道截面積大於第一流道110之流道截面積，而以冷媒易於流入第二流道210之方式構成。
更甚者，亦能夠藉由第二冷卻板200之第二流道210之流道長度大於第一冷卻板100之第一流道110之流道長度之構成，而以增加供給至第二冷卻板200之冷媒流量的方式構成。因此，關於本發明之一實施型態之基板支持裝置，能夠藉由適當調整第一流道110、第二流道210及連接管20A、20B、21A、21B之各自的流道截面積及流道長度，而調整供給至第一冷卻板100及第二冷卻板200之冷媒流量。
以下將說明第二冷卻板200之構成。
請參照第2圖及第3圖，將描述關於板部300內之 第二冷卻板200之構成。如第2圖及第3圖所示，第二冷卻板200具備於略呈圓柱狀之第二基材201之表面上形成有溝槽狀之第二流道210的構成。第二基材201之形成有第二流道210之表面係與加熱板301接合。第二基材201之相反於接合有加熱板301之表面係用以放置晶圓。
如第2圖及第3圖所示，第二流道210包含連接部12A及連接部12B。連接部12A為第二流道210與供給冷媒之連接管21A接續的位置。連接部11B為第二流道210與排出冷媒之連接管21B接續的位置。連接部12A為流經連接管21A之冷媒流入第二流道210之冷媒入口，且配置於第二基材201之略呈圓形之表面之略為中央的部位。另外，連接部12B為循環完第二流道210之冷媒從第二流道210排出之冷媒出口，且配置於第二基材201之表面之略為中央的部位，並配置於與連接部12A相鄰的位置。再者，第二流道210之連接部12A及連接部12B所配置之位置，為分別經由連接管21A及連接管21B而接續至第一流道110之連接部11B及連接部13A之位置
如第2圖所示，第二流道210之形狀係從連接部12A以順時針方向環繞至第二基材201之外緣部Zb而呈旋渦狀，再從外緣部Zb以逆時針方向並沿著順時針旋渦狀的內圍環繞至連接部12B而呈旋渦狀。因此，冷媒從身為冷媒入口之連接部12A以順時針方向流經略呈旋渦狀之第二流道210之後，會從第二基材201之外緣部Zb以逆時針方向流經略呈旋渦狀之第二流道 210，再從身為冷媒出口之連接部12B流出。
因此，第二流道210中，令冷媒從身為冷媒入口之連接部12A以順時針方向流向外緣部Zb之旋渦狀部分，係位於沿著令冷媒從外緣部Zb以逆時針方向流向身為冷媒出口之連接部12B之旋渦狀部分之外圍方向的位置。另外，如第1圖所示之上述第一流道110中，令冷媒從外緣部Za以順時針方向流向身為冷媒出口之連接部13B之旋渦狀部分，係位於沿著令冷媒從身為冷媒入口之連接部11A以逆時針方向流向外緣部Za之旋渦狀部分之外圍方向的位置。藉由如同上述之構成，第一流道110及第二流道210係以下述方式構成，即流經低溫冷媒之第一流道110的上方配置流經高溫冷媒之第二流道210，流經高溫冷媒之第一流道110的上方配置流經低溫冷媒之第二流道210。
換言之，第一流道110及第二流道210中，身為冷膜入口之連接部11A及連接部12A附近的冷媒溫度較低，身為冷媒出口之連接部13B及連接部12B附近的冷媒溫度較高。因此，藉由將第二流道210中令較低溫冷媒從身為冷媒入口之連接部12A以順時針方向流向外緣部Zb之旋渦狀部分，以及第一流道110中令較高溫冷媒從外緣部Za以順時針方向流向身為冷媒出口之連接部13B之旋渦狀部分，以各自上下重疊的位置配置，而能夠抵消低溫部分及高溫部分的溫度差。而同樣地，藉由將第一流道110中令較低溫冷媒從身為冷媒入口之連接部11A以逆時針方向流向外緣部Za之旋渦狀部分，以及第二流道210中令較高溫 冷媒從外緣部Zb以逆時針方向流向身為冷媒出口之連接部12B之旋渦狀部分，以各自上下重疊的位置配置，而能夠抵消低溫部分及高溫部分的溫度差。
另外，第一流道110及第二流道210係以下述方式構成，即將連接部11B及連接部12A各自對應於第一基材101及第二基材201之位置配置成幾乎相同，將連接部13A及連接部12B各自對應於第一基材101及第二基材201之位置配置成幾乎相同。因此，冷媒流入第一流道110及第二流道210時，藉由於第一流道110中令冷媒從冷媒入口以逆時針方向流向外緣部Za，且藉由於第二流道210中令冷媒從冷媒入口以順時針方向流向外緣部Zb，而能夠於上下配置的第一冷卻板100及第二冷卻板200中形成相反流向。而同樣地，藉由於第一流道110中令冷媒從外緣部Za以順時針方向流向冷媒出口，且藉由於第二流道210中令冷媒從外緣部Zb以逆時針方向流向冷媒出口，而能夠於上下配置的第一冷卻板100及第二冷卻板200中形成相反流向。因此，於第一流道110及第二流道210中，藉由具備發熱體310之加熱板301之上方及下方形成相反方向的冷媒流，而能夠使加熱板301均溫化，進而能使加熱板301不會發生因熱應變所導致之變形等故障。再者，藉由如此之構成，因能夠縮減板部300整體的溫度差，減少對於放置在板部300表面之晶圓的熱影響，而能均勻化位於晶圓之面內的溫度分佈。
上下配置而將加熱板301夾設於其間之第一冷卻板 100及第二冷卻板200中，係以冷媒之低溫部分與高溫部分上下重疊而且冷媒於第一流道110之流向與於第二流道210之流向相反的方式構成第一流道110及第二流道210，並藉由此構成而能夠使加熱板301均溫化。更甚者，於第一流道110及第二流道210中，雖然因各自鄰近冷媒入口部分之冷媒溫度較低，遠離冷媒入口部分之冷媒溫度較高，而有板部300之表面上的溫度分布產生偏頗之虞，但如上所述，能夠藉由以第一流道110及第二流道210抵消溫度差的構成，使板部300用於放置晶圓之表面的溫度分布均勻化。
如上所述，根據關於本發明之一實施型態之基板支持裝置，於對晶圓進行加熱處理時使加熱板301均溫化，而能夠於防止加熱板301發生因熱應變所導致之變形等故障的同時，還能提升放置於板部300之表面上之晶圓的溫度均勻性，以防止晶圓發生翹曲等之故障。因此，藉由本發明，能夠提供一種基板支持裝置，其能夠提升半導體元件良率。
100‧‧‧第一冷卻板
101‧‧‧第一基材
110‧‧‧第一流道
200‧‧‧第二冷卻板
201‧‧‧第二基材
210‧‧‧第二流道
300‧‧‧板部
301‧‧‧加熱板
302‧‧‧第三基材
11A、11B、12A、12B、13A、13B‧‧‧連接部
20A、20B、21A、21B‧‧‧連接管

Claims (6)

  1. 一種基板支持裝置，包括：一板部，包括：一加熱板，於內部具有一發熱體；一第一冷卻板，具有配置於該加熱板之下面之一第一流道；以及一第二冷卻板，具有配置於該加熱板之上面之一第二流道；以及一軸部，於內部具有一配線及一配管，且用以支持該板部，該配線接續至該發熱體以對該發熱體供給電流，該配管對該第一冷卻板及該第二冷卻板供給一冷媒；其中，該第一流道含有從該第一冷卻板之一中央部朝向一外緣部以一第一方向環繞之旋渦狀流道；其中，該第二流道含有從該第二冷卻板之一中央部朝向一外緣部以相反於該第一方向之一第二方向環繞之旋渦狀流道。
  2. 如請求項1所述之基板支持裝置，還包括一第一連接管，係連接該第一流道及該第二流道且從該第一流道對該第二流道供給該冷媒，該第一流道連接於該第一連接管之位置含有以一第一角度沿水平方向曲折之一部分。
  3. 如請求項2所述之基板支持裝置，還包括一第二連接管，係連接該第一流道及該第二流道且從該第二流道對該第一流 道供給該冷媒，該第一流道連接於該第二連接管之位置含有以一第二角度沿水平方向曲折之另一部分。
  4. 如請求項3所述之基板支持裝置，其中該第一角度及該第二角度為90度。
  5. 如請求項1至4之其中之一所述之基板支持裝置，其中該第一流道含有於該外緣部連接至以該第一方向環繞之旋渦狀流道且從該外緣部朝向該中央部以該第二方向環繞之旋渦狀流道，該第二流道含有於該外緣部連接至以該第二方向環繞之旋渦狀流道且從該外緣部朝向該中央部以該第一方向環繞之旋渦狀流道，該第一流道之以該第一方向環繞之旋渦狀流道係與該第二流道之以該第一方向環繞之旋渦狀流道至少一部分重疊配置，該第一流道之以該第二方向環繞之旋渦狀流道係與該第二流道之以該第二方向環繞之旋渦狀流道至少一部分重疊配置。
  6. 如請求項1所述之基板支持裝置，其中該第二流道之流道截面積大於該第一流道之流道截面積。
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