TW201537672A - 具有用於改善溫度分布之外部流量調整的靜電吸座 - Google Patents

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Vijay D Parkhe
Boyd, Jr
Senh Thach
Konstantin Makhratchev
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Abstract

說明一種靜電吸座，具有用於改善溫度分布之外部流量調整。在一個例子中，設備具有介電圓盤以靜電力抓取矽晶圓。冷卻板係緊固並熱耦合至陶瓷圓盤。供應氣室接收來自外部源的冷卻劑，且複數個冷卻劑腔室係熱耦合至冷卻板，並接收來自供應氣室的冷卻劑。返回氣室係耦接至冷卻區域，以從冷卻區域排出冷卻劑，且複數個流量控制閥係設於供應氣室和冷卻區域之各者間，以控制從供應氣室到冷卻區域的冷卻劑流速。

Description

具有用於改善溫度分布之外部流量調整的靜電吸座
本發明的實施例關於微電子製造產業，且較特定地關於用於在電漿處理期間支撐工件的溫度受控吸座。
在半導體晶片的製造中，矽晶圓或其他基材係在不同處理腔室中曝露至多種不同的處理。腔室可將晶圓曝露至電漿、化學氣相、金屬、雷射蝕刻及多種沉積和酸蝕刻處理，以在晶圓上形成電路和其他結構。在這些處理期間，矽晶圓可藉由靜電吸座(ESC)而固定於適當位置。吸座藉由產生靜電場以將晶圓的背側夾持至吸座的平坦表面或圓盤表面而夾持晶圓。
隨著用於電漿處理設備的製造技術提升，諸如那些經設計以執行微電子裝置及類似物的電漿蝕刻，在處理期間的晶圓溫度變得更重要。
靜電吸座已被設計以獲得遍及基材(有時稱做工件)之表面的熱均勻度。靜電吸座使用液體冷卻，以吸收電漿功 率熱量，並將其從吸座移除。靜電吸座亦可在多個區域中包含獨立受控的加熱器。此允許在不同的處理和電漿條件下較寬的處理視窗。在徑向方向上的獨立加熱區域可產生各種徑向溫度輪廓，徑向溫度輪廓補償其他蝕刻處理的徑向不均勻度。然而，徑向加熱器不能影響方位角方向上的不均勻度。
在半導體蝕刻處理中，在處理期間的晶圓溫度影響在晶圓上之結構被蝕刻的速率。其他處理亦可能具有溫度依賴性。此溫度影響存在(例如)在導體蝕刻應用中，其中非常精密的晶圓溫度控制幫助獲得均勻的蝕刻速率。更精密的熱效能允許在晶圓上有更精密地形成的結構。遍及晶圓之均勻蝕刻速率允許較小的結構形成在晶圓上。熱效能或溫度控制係因此為在矽晶片上減少電晶體和其他結構之尺寸的因素。
說明一種靜電吸座，具有用於改善溫度分布之外部流量調整。在一個例子中，設備具有介電圓盤以靜電力抓取矽晶圓。冷卻板係緊固並熱耦合至陶瓷圓盤。供應氣室接收來自外部源的冷卻劑，且複數個冷卻劑腔室係熱耦合至冷卻板，並接收來自供應氣室的冷卻劑。返回氣室係耦接至冷卻區域，以從冷卻區域排出冷卻劑，且複數個流量控制閥係設於供應氣室和冷卻區域之各者間，以控制從供應氣室到冷卻區域的冷卻劑流速。
100‧‧‧電漿蝕刻系統
105‧‧‧腔室
110‧‧‧工件
115‧‧‧開口
120‧‧‧電極
125‧‧‧電漿偏壓功率
126‧‧‧電漿偏壓功率
127‧‧‧RF匹配
128‧‧‧功率導管
129‧‧‧氣體源
130‧‧‧電漿源功率
135‧‧‧電漿產生元件
141‧‧‧區域
142‧‧‧吸座組件
143‧‧‧介電層
144‧‧‧冷卻基座組件
149‧‧‧質流控制器
151‧‧‧排氣閥
155‧‧‧真空泵排氣管
170‧‧‧系統控制器
172‧‧‧中央處理單元
173‧‧‧記憶體
174‧‧‧輸入/輸出介面
175‧‧‧溫度控制器
177‧‧‧熱交換器/冷卻器
178‧‧‧熱交換器/冷卻器
179‧‧‧熱交換器/冷卻器
181
185‧‧‧閥
186‧‧‧閥
199‧‧‧區域
200‧‧‧靜電吸座
201‧‧‧冷卻板
202‧‧‧介電圓盤
203‧‧‧加熱器跡線
204‧‧‧高溫黏著劑/彈性體結合部
205‧‧‧管道
220‧‧‧給定位置
221‧‧‧結合部/R結合部
222‧‧‧冷卻板/R冷卻板
223‧‧‧加熱器功率
224‧‧‧冷卻板
226‧‧‧冷卻劑
400‧‧‧頂部正視圖
402‧‧‧等高線
404‧‧‧晶圓
500‧‧‧靜電吸座
502‧‧‧陶瓷圓盤
504‧‧‧冷卻板
507‧‧‧安裝孔/螺栓孔
508‧‧‧饋通孔
512‧‧‧頂板/上部分/上板
514‧‧‧中間板/中間部分
516‧‧‧底板/下部分/底部分
518‧‧‧套管
520‧‧‧焊接
522‧‧‧焊接
524‧‧‧O型環
530‧‧‧冷卻腔室
532‧‧‧供應氣室
536‧‧‧閥
537‧‧‧閥主體
538‧‧‧O型環
540‧‧‧螺紋
542‧‧‧閥座
544‧‧‧柱塞
550‧‧‧黏著劑結合部
552‧‧‧加熱器跡線
554‧‧‧夾持電極
562‧‧‧冷卻劑供應埠
564‧‧‧返回埠/返回出口
566‧‧‧返回氣室/返回管道/共同管道
568‧‧‧出口管道
570‧‧‧六角形區
700‧‧‧冷卻板
702‧‧‧頂板/部分/板
704‧‧‧中間板/部分/板
706‧‧‧底板/部分/板
708‧‧‧返回埠/孔
712‧‧‧流量控制閥/閥主體
714‧‧‧饋通
718‧‧‧冷卻腔室/冷卻劑腔室
720‧‧‧供應氣室
724‧‧‧流孔
726‧‧‧閥座
728‧‧‧頂表面
730‧‧‧供應埠
734‧‧‧返回氣室
736‧‧‧螺紋
738
740‧‧‧齒輪馬達
742‧‧‧驅動軸
746‧‧‧紅外線相機
748‧‧‧陶瓷圓盤/校準系統
750‧‧‧影像分析模組
752‧‧‧馬達控制器
754‧‧‧轉接板
756‧‧‧冷卻劑連接
758‧‧‧電性連接
802‧‧‧步驟
804‧‧‧步驟
806‧‧‧步驟
808‧‧‧步驟
810‧‧‧步驟
812‧‧‧步驟
本發明的實施例係藉由附隨圖式的多個圖中之例子的方式而說明，但並非做為限制，其中： 第1圖為依據本發明之實施例的包含吸座組件之電漿蝕刻系統的概要圖；第2圖為依據本發明之實施例的靜電吸座之一部分的簡化截面圖；第3圖為依據本發明之實施例的用於靜電吸座之靜電吸座溫度和熱傳導之模型的簡化截面圖；第4圖為在處理腔室中之晶圓溫度的頂部等高線圖；第5圖為依據本發明之實施例的靜電吸座的等角視圖；第6圖為依據本發明之實施例的將圓盤移除之第5圖的靜電吸座之等角視圖；第7圖為依據本發明之實施例的靜電吸座被切一半的等角視圖；第8圖為依據本發明之實施例的靜電吸座的饋通管道之截面圖；第9圖為依據本發明之實施例的陶瓷圓盤和冷卻板之截面剖視圖；第10圖為依據本發明之實施例的靜電吸座的閥之截面剖視圖；第11圖為依據本發明之實施例的具有箭頭指示冷卻劑流動的靜電吸座之閥的截面剖視圖；第12圖為依據本發明之實施例的靜電吸座之冷卻劑板的中間板的頂部等角視圖； 第13圖為依據本發明之實施例的替代靜電吸座之截面等角視圖；第14A圖為依據本發明之實施例的靜電吸座之底板上方的中間板之頂部等角視圖；第14B圖為依據本發明之實施例的靜電吸座之底板的頂部等角視圖；第15A圖為依據本發明之實施例的靜電吸座之底板的底部等角視圖；第15B圖為依據本發明之實施例的將靜電吸座的底板移除之冷卻板的底部等角視圖；第15C圖為依據本發明之實施例的靜電吸座之頂板的底部等角視圖；第16圖為依據本發明之實施例的之靜電吸座之冷卻板的截面側視圖；第17圖為依據本發明之實施例的將具有齒輪馬達的靜電吸座附接至冷卻板的閥本體之靜電吸座的冷卻板的截面側視圖；第18圖為依據本發明之實施例的校準用於靜電吸座之冷卻板的閥位置之圖；第19圖為依據本發明之實施例的調整靜電吸座中之閥的處理流程圖。
在以下實施方式部分中，提出了多種細節，然而，對於熟悉該技術領域者而言，顯而易見本發明可不需這些特 定細節而實施。在某些情況中，已知的方法和裝置係以方塊圖形式顯示，而非詳細顯示，以避免混淆本發明。遍布於本說明書中所提及的用詞「實施例」或「一個實施例」意指與該實施例結合說明的特定特徵、結構、功能或特性係包含於本發明的至少一個實施例中。因此，在遍布本說明書之各個位置處的用語「在實施例中」或「在一個實施例中」的出現並不一定指代本發明的相同實施例。此外，特定的特徵、結構、功能或特性可以任何合適的方式結合於一或多個實施例中。舉例來說，第一實施例可與第二實施例在與兩個實施例相關之特定的特徵、結構、功能或特性並非互斥之任何地方作結合。
當使用於本發明的實施方式和附隨的申請專利範圍中時，單數形式的「一」和「該」係意欲也包含複數形式，除非上下文明顯指出不同的方式。亦將理解於此使用的用詞「及/或」意指並包括一或多個相關聯所列出的項目之任何及所有的可能結合。
用詞「經耦合」及「經連接」與這些用詞的衍生用詞可於此使用以說明組件間的功能或結構關係。應理解這些用詞不意欲作為彼此的同義字。反之，在特定的實施中，「經連接」可用以指出兩或更多個元件係彼此以直接物理的、光學的或電性的方式接觸。「經耦合」可用以指出兩或更多個元件係彼此以直接或間接(具有其他中間元件在兩者之間)之物理的、光學的或電性的任一方式接觸，及/或指出兩或更多個元件彼此共同合作或互動(如，以因果關係)。
於此使用的用詞「上方」、「下方」、「之間」及「之上」意指與其他組件或層相關之一個組件或材料層之相對位置，其中此物理關係係值得注意的。舉例來說，在材料層的場合中，設置在另一層上方或下方的一個層可能直接地與其他層接觸，或可能具有一或多個中間層。此外，設置在兩個層之間的一個層可能直接地與兩個層接觸，或可能具有一或多個中間層。與之相比，在第二層上之第一層係直接與第二層接觸。在組成組件的場合中亦有類似的分別。
遍布靜電吸座之表面的溫度均勻性係以改善的冷卻板和加熱器設計及改善冷卻板至圓盤的結合而改善，圓盤固持工件。然而，這些設計和處理仍然易受到製造變動影響，而導致顯著的熱不均勻性。對一些實施例來說，需要遍布基材之低於+/-3℃的空間溫度變化。
靜電吸座的溫度可藉由使用複數個小加熱器而被更精確地控制，但此需要複雜的布線和控制系統，且需要大量的成本。於此所述的實施例中，電漿處理吸座包含複數個可獨立調整的閥。閥控制冷卻劑流動至冷卻基座的不同區域。吸座的熱效能可透過調整在冷卻板中之許多小的閥而改善。R(冷卻板的熱阻)的局部值亦可針對冷卻板而被改變。先前的靜電吸座設計中未存在此種可能性。如於此所述，此新的冷卻板係簡單的且可以低成本而被校準、製造及使用。可使用閥以修正製造變動、補償腔室及處理的不一致性及針對工件的不同區域而改變溫度。
第1圖為依據本發明之實施例的包含吸座組件142 之電漿蝕刻系統100的概要圖。電漿蝕刻系統100可為技術中已知的任何種類之高效能蝕刻腔室，諸如(但不限於)，EnablerTM,DPS II,AdvantEdgeTM G3,E-MAX®,Axiom,Orion,or Mesa CIP腔室，這些腔室全部係由美國加州之應用材料公司所製造。其他商業可取得的蝕刻腔室可類似地使用於此所述的吸座組件。雖然示例實施例係說明於電漿蝕刻系統100的場合中，於此所述的吸座組件亦適用於用以執行任何電漿製造處理(如，電漿沉積系統等)的其他處理系統。
參照第1圖，電漿蝕刻系統100包含接地腔室105。處理氣體係由連接至腔室之一或多個氣體源129經由質流控制器149而供應至腔室105之內部。腔室105藉由連接至高容量真空泵排氣管155的排氣閥151而抽空。當電漿功率施加至腔室105時，電漿係形成在工件110上方的處理區域中。電漿偏壓功率125係耦接至吸座組件142，以激發電漿。電漿偏壓功率125通常具有約2MHz至60MHz之間的低頻，且(例如)可能在13.56MHz頻帶中。在一個示例實施例中，電漿蝕刻系統100包含在約2MHz頻帶操作的第二電漿偏壓功率126，第二電漿偏壓功率126連接至RF匹配127。電漿偏壓功率125亦耦接至RF匹配且亦經由功率導管128而耦接至下電極120。電漿源功率130係通過其他匹配(圖未示)而耦接至電漿產生元件135，以提供高頻來源功率，以感應激發或電容激發電漿。電漿源功率130可具有比電漿偏壓功率125高的頻率，諸如介於100和180MHz之間，且可(例如)在162MHz頻帶中。
工件110係經由開口115而加載，且被夾持至腔室內側之吸座組件142。工件110，諸如半導體晶圓，可為任何晶圓、基材或用於半導體處理技術中的其他材料，且本發明不限於此方面。工件110係設置在介電層143的頂表面或吸座組件的圓盤上，介電層143的頂表面或吸座組件的圓盤係設置於吸座組件之冷卻基座組件144的上方。夾持電極(圖未示)係鑲埋於介電層143中。在特定的實施例中，吸座組件142可包含不同的加熱器區域，諸如中央區域141和邊緣區域199，每一區域141、199係可獨立地控制至相同或不同的溫度設定點。
系統控制器170係耦接至多種不同系統，以控制在腔室中的製造處理。控制器170可包含溫度控制器175，以執行溫度控制演算法(如，溫度回饋控制)，且可為軟體或硬體之任一種，或軟體和硬體兩者之結合。系統控制器170亦包含中央處理單元172、記憶體173及輸入/輸出介面174。溫度控制器175係用以輸出控制訊號，控制訊號影響用於不同加熱器區域141、199之吸座組件142和於電漿腔室105外部的熱源及/或散熱鰭片間的熱傳送率。
在實施例中，除了不同的加熱器以外，可能有不同的冷卻劑溫度區域。冷卻劑區域可包含個別的、獨立受控的熱傳送流體迴路，具有單獨的流量控制，流量控制係基於特定於區域的溫度回饋迴路。在示例實施例中，溫度控制器175係耦接至第一熱交換器(HTX)/冷卻器177，且可進一步耦接至第二熱交換器(HTX)/冷卻器178及第三熱交換器(HTX)/冷卻 器179。熱傳送流體或冷卻劑在吸座組件142中通過導管的流速亦可藉由熱交換器而控制。
在熱交換器/冷卻器177、178、179及吸座組件142中的流體導管間的一或多個閥185、186(或其他流量控制裝置)可藉由溫度控制器175而控制，以獨立地控制流至不同冷卻區域之每一者的熱傳送流體的流速。熱傳送流體可為液體，諸如(但不限於)，去離子水/乙二醇、氟化劑(諸如來自3M公司的Fluorinert®，或來自Solvay Solexis公司的Galden®)，或其他任何合適的介電流體(諸如，那些包含全氟化惰性聚醚的介電流體)。雖然本實施方式說明在電漿處理腔室之場合中的靜電吸座，於此所述的靜電吸座可使用於各種不同的腔室中，並用於各種不同的處理。
第2圖為靜電吸座(ESC)200之一部分的簡化截面圖。具有用於調節吸座表面之溫度及因此而調節吸座上之晶圓(圖未示)之溫度的至少四個組件。冷卻板201，通常由熱傳導材料所製成，係作為散熱鰭片。冷卻板係以高溫黏著劑204，諸如矽膠，而結合至介電圓盤202。圓盤係通常為陶瓷的，但可以其他材料作為替代而製成。電極(圖未示)係鑲埋於圓盤內，以產生靜電場，藉由靜電場而抓取工件，諸如矽基材。電阻加熱器跡線203亦鑲埋於圓盤內，以用於溫度控制。
冷卻板201亦包含用於冷卻劑的管道205。冷卻劑經由管道而泵送，以吸收來自冷卻板的熱量，並被泵送至熱交換器以冷卻流體，流體接著被再循環回到冷卻板。冷卻板經由陶瓷板而吸收來自經鑲埋的加熱器和工件的熱量。溫度 的均勻性取決於陶瓷圓盤202、彈性體結合部204及冷卻板管道205的品質。溫度的均勻性亦取決於將熱從工件傳送至陶瓷圓盤之品質。所有這些因素係易於受到製造和使用時的變動而影響。
第3圖為靜電吸座溫度和熱傳導之模型的簡化一維圖。圖係使用與第2圖中相同的組件和元件符號而表示，然而，僅顯示有第2圖的一部分作為參考。在此模型中，在給定位置220處之陶瓷溫度(T陶瓷)係部分由冷卻板(R冷卻板)222和結合部(R結合部)221的「熱阻」所決定。熱經由加熱器功率(Q加熱器)223而提供，且藉由冷卻板(T冷卻板224)和冷卻劑(T冷卻劑226)而移除。熱阻係為了說明之目的而呈現。第3圖之組件可說明如下：Q加熱器223：在靜電吸座表面上之給定點的加熱器功率係由在該區域中的加熱器跡線的數量，和那些加熱器跡線的電阻而決定。當吸座於使用中時，熱亦藉由電漿而施加。為了測試的目的，可使用加熱器以激發電漿處理或任何其他的高溫處理，或可使用不同的外部或內部的熱源。若加熱器跡線產生足夠的加熱，則可使用加熱器跡線。除了產生類似使用於電漿處理之溫度的溫度，可簡單地使用加熱器跡線以產生從陶瓷圓盤202至其他組件之可測量的熱流。
R結合部221：結合部的阻抗係藉由結合部材料、結合部厚度及連接至冷卻板和陶瓷圓盤兩者之結合部的品質之熱傳導率而決定。
T冷卻板224：冷卻板的溫度係大部分藉由從陶瓷圓盤 經過結合部並進入冷卻劑的熱傳導而控制。在冷卻板之任一個位置224進入冷卻劑的熱流係受到至少兩個因素而影響：1)當冷卻劑行經冷卻板時，冷卻劑溫度的增加，使得冷卻劑在冷卻板的不同位置處將處於不同的溫度；及2)冷卻板的饋通和其他特徵限制了冷卻管道可在冷卻板中置放的位置，使得一些位置相較於其他位置會具有更多的冷卻劑流量。
R冷卻板222：冷卻板的熱阻為局部流體熱傳送係數、冷卻板的幾何構造和冷卻板的熱傳導率的結合函數。
T冷卻劑226：進入冷卻板之冷卻劑的溫度可藉由熱交換器或冷卻器而仔細地控制。然而，當冷卻劑行經冷卻板時，冷卻劑的溫度增加。在通常的應用中，冷卻劑溫度可能上升高達10℃。故在靜電吸座上之給定點處的局部冷卻劑溫度會變動較大。
T陶瓷：在任一個特定位置220處的靜電吸座陶瓷的溫度可使用以下關係而估計：T陶瓷=Q加熱器R結合部+Q加熱器R冷卻板+T冷卻劑。
此顯示為了達到遍布陶瓷圓盤的均勻溫度，R冷卻板可在各位置處被調節，以補償R結合部、Q加熱器和T冷卻劑的變動。或者，為達成更均勻陶瓷溫度之可能性的另一種方式係設計加熱器跡線(及因此而設計Q加熱器)以補償冷卻板溫度的空間變動。換句話說，Q加熱器係基於R冷卻板和T冷卻劑的變化而調整。
在理想的靜電吸座設計中，加熱器之瓦特密度將匹配以完美地補償在冷卻板溫度中的變動。結合部厚度係均勻的。因此，陶瓷溫度在每一尺寸中係均勻的。在任何實際製 造的靜電吸座中，陶瓷溫度因為一些因素而不均勻。首先，加熱器跡線的設計可能不完美。因此，難以達成理想的均勻瓦特密度。第二，加熱器跡線係使用絲網印刷處理而製造或產生。印刷錯誤導致實際的瓦特密度更進一步偏離為跡線設計的不完美數值。第三，黏著劑的結合部厚度會改變。因此，典型製造的靜電吸座不具有完美均勻的結合部熱阻。
第4圖為在靜電吸座上之晶圓404的溫度之頂部正視圖400的圖。此圖使用等高線402以顯示表面溫度為晶圓上之位置的函數。此圖可基於當實際靜電吸座藉由導電跡線而加熱並藉由冷卻劑流經冷卻板之管道而冷卻時，對該實際靜電吸座的測量而產生。此測量可藉由加熱晶圓並接著使用紅外線相機在不同位置處測量溫度而製成。如圖所示，顯示於表面溫度等高線上的溫度值係以圖案的方式而變動，圖案係與靜電吸座之製造和設計特徵有關。等高線係用以僅顯示整數的溫度值，以簡化圖式。對實際的測量而言，可能需要較高的精確度，例如十分之一度。
為了使溫度穩定並獲得遍布靜電吸座更均勻的溫度，可對在靜電吸座內之冷卻劑流作出外部調整。在一個例子中，冷卻板包含許多(如，50個以上)小的流體控制閥。這些閥可由冷卻板外側存取，以允許調整這些閥。可基於使用紅外線相機的一次性校準或基於連續校準處理而調整經過閥的冷卻劑流量。校準可補償在靜電吸座中的製造瑕疵並大幅地改善冷卻板的熱效能特質。小的控制閥可使用小的齒輪馬達而調整。校準過程可使用馬達，以基於由紅外線相機之即 時回饋而調整每一閥。
第5圖為顯示在冷卻板504上方之陶瓷圓盤502的靜電吸座500之等角視圖。本圖經簡化且並未包含電性的、冷卻劑及控制連接。本圖亦未顯示在陶瓷圓盤中之各種不同的「饋通」孔。需要這些孔以容納氣體出口、溫度探針及晶圓舉升銷。
第6圖為將陶瓷圓盤移除，使得僅可見到冷卻板504之第5圖的靜電吸座之等角視圖。陶瓷圓盤可以各種不同方式之任一者而附接至冷卻板。通常，陶瓷圓盤係以結合部(諸如金屬、奈米箔或充填有熱導材料(諸如鋁)之矽膠黏著劑)而附接，不過本發明不以此為限。冷卻板包含如前述的饋通孔508。冷卻板的周緣包含安裝孔507，以將靜電吸座附接至如第1圖中所示的安裝支架。
第7圖為相同靜電吸座500被垂直切一半，以顯示內部構造之截面的等角視圖。在這個例子中之冷卻板504係由三個部分所形成：附接陶瓷圓盤的頂板512、中間板514及底板516。在所示的例子中，頂板亦經由周緣螺栓孔507而附接至載體結構，且頂板圍繞並保護中間板和底板，然而，本發明不以此為限。頂板可由耐用性材料所建構，耐用性材料可耐受處理腔室環境，諸如陶瓷或金屬。底板係較少曝露於腔室，而亦可由同樣或較少耐用性的材料所建構。中間板係由頂板和底板所保護，且可由不同的材料所建構，諸如塑膠。
饋通孔508之一個係可見於此截面中。饋通孔58延 伸穿過頂板、中間板及底板，使得電連接器、氣體或任何其他所欲的材料可通過冷卻板而連接。額外的饋通孔(圖未示)可為了其他目的而僅部分地延伸穿過冷卻板。
第8圖以更詳細的方式顯示饋通。饋通可藉由附接至頂板512和底板516的套管518藉由黏著劑或焊接520、522而提供。在所示的例子中，套管係使用O型環524而密封抵住中間板。此方式允許可產生對於塑膠材料的密封，而此為焊接所不可能達成的。可以各種其他方式的任一者而完成連接，取決於用於套管和板的材料，包含藉由銅焊或使用黏著劑或環氧樹脂等等。套管保護套管內的電性或其他組件(圖未示)。套管亦提供額外的剛性給冷卻板。
第9圖為連結至冷卻板504之陶瓷圓盤502的截面剖視圖。未顯示電連接器和饋通，然而，顯示了上部分512、中間部分514和下部分516。冷卻腔室530係界定為中間部分514和上部分512間的空間。供應氣室512係界定於中間部分514和底部分516間。饋通(圖未示)通過冷卻腔室且可能干擾冷卻劑流和冷卻腔室的設計。
在此例中，大量的流量控制閥536係鑲埋於底冷卻板。閥係位於供應氣室和每一冷卻劑腔室間的管道中。每一閥控制冷卻劑從供應腔室至其關聯的冷卻劑腔室的冷卻劑流量。管道係從中間板的底部(此處具有入口)，經由中間板到中間板的頂部(此處具有出口)。在中間板中的特徵結構作為用於每一閥的閥座。閥插塞或閥本體係螺入抵住底板，且可透過旋轉而向上或向下移動。藉由手動地或自動地移動閥插塞， 流經每一獨立冷卻區域的流量可被改變。自動的操作可調整用於不同電漿條件或不均勻性的流量。
第10圖顯示靜電吸座之一部分的截面圖中之更詳細的單一閥。閥536包含閥本體537，閥本體537係螺入抵住底板516的螺紋540。在此種類的閥中，旋轉驅動閥本體的柱塞544更靠近或遠離閥座542。遠離閥座的移動允許更多流量從供應器室至冷卻腔室，而朝向閥座的移動減少流量。O型環538防止冷卻劑通過閥本體而經由底板洩漏。第二O型環(圖未示)或其他密封技術可使用作為防止洩漏的預防性措施。
第10圖亦顯示在冷卻板512和陶瓷圓盤間的黏著劑結合部550，黏著劑結合部550保持陶瓷圓盤於原位。陶瓷圓盤包含如第2圖中以符號203所示的加熱器跡線552。夾持電極554係鑲埋入陶瓷圓盤502以供應靜電力，以將矽基材保持抵住陶瓷。這些特徵係位於那些經由電線所供給功率的特徵之間，電線係透過如上所述的饋通而傳導。
第11圖顯示在冷卻板之一部分的截面圖中之冷卻劑流體從入口到出口的流動。冷卻劑經由一或多個冷卻劑供應埠562而進入冷卻板。供應埠提供冷卻劑至底板516和中間板514間的一或多個供應氣室532。供應氣室係開放給底板516中之閥536的一側。冷卻劑經由開放閥536而流經中間板514至中間板514和上板512間的各冷卻腔室530中。冷卻劑從冷卻腔室流至一或多個返回氣室566，並接著流至一或多個返回埠564。返回埠將冷卻劑傳導至如第1圖中所示的一或多個熱交換器而被冷卻並循環回到供應埠。
第12圖為冷卻劑板之中間板514的頂部等角視圖，顯示可被鑄造、壓印或切削至中間板內的特徵。中間板係如圖所示而附接至底板516。中間板具有相對於頂板(圖未示)而界定冷卻腔室530之六角形區570。每一六角形區係由來自閥的出口管道568而供應。冷卻劑充填於六角形區570和頂板間的空間，在六角形區中冷卻頂板。冷卻劑接著流至圍繞每一六角形區之返回管道566中。返回管道通往圍繞中間板之所有六角形區域且沿著靠近板之周緣的路徑之較寬圓形管道。冷卻劑從圓形管道流進徑向管道，徑向管道從圓形管道和六角形區徑向向外遠離通往返回出口564。返回出口係位於如圖示的中間板的外邊緣上，但可能依據特定實施例而置於不同的位置中。
六角形區係各藉由不同的閥而供應，不同的閥可以與其他閥不同的流速而供應冷卻劑。藉由將所供應的冷卻劑饋送至共同管道及由共同管道566所界定的共同返回氣室中，可平衡通過每一閥之流體壓力。所有的返回埠同等地貢獻以將冷卻劑從冷卻板抽離。
雖然顯示了六角形區，但本發明並不限於此。六角形形狀對於冷卻區的數量提供共用冷卻劑返回管道之較大的容量及長度。冷卻劑腔室可以矩形構造而配置，以提供平直的冷卻劑返回管道。此可改善流動。取決於特定的實施例，可使用替代的磚塊類型的構造，或可使用各種多邊形及彎曲形的冷卻劑區域的任一種。
所有的冷卻操作可概括如下。冷卻板的部分界定供 應氣室，供應氣室經過供應埠接收冷卻劑，並分布冷卻劑供應遍布冷卻劑板。在此例中的供應氣室係界定於底板和中間板間。然而，供應氣室可由中間板和頂板而界定作為替代。
冷卻劑從供應氣室經過流量控制閥而流進頂板和中間板間的冷卻區域。冷卻區域可在不同位置中，取決於特定的實施例。
流體從冷卻區域前進至於頂板和中間板間的較大空間。這些較大空間形成返回氣室。冷卻劑從返回氣室經由返回埠經中間板和底板而離開靜電吸座。
第13圖顯示適合與如上所述之靜電吸座一起使用的替代冷卻板。冷卻板700係以將陶瓷圓盤和其他部分移除的方式顯示。此等角截面圖亦被簡化且並未顯示電性及冷卻劑連接。O形環溝槽和其他特徵亦被省略。
冷卻板700為三個板的組件，頂板702、中間板704及底板706。如第7圖之例子中，三個板可以螺絲、焊接、銅焊、黏著劑或這些方式和技術的一些結合而結合在一起。在此例中，大量的流量控制閥712係鑲埋於底冷卻板中。在中間板中的特徵結構作為特別安排的閥座而作用。每一閥的閥插塞係螺入以經由旋轉而向上或向下移動。藉由移動閥插塞，可調整經過每一獨立冷卻區域的流量。
如第7圖之例子中，陶瓷圓盤(圖未示)係結合至冷卻板700。電連接器允許陶瓷圓盤在夾持電極處通電，以抓取工件。各種饋通714提供其他與陶瓷圓盤的連接。
冷卻腔室718係由此兩部分所界定，且係位於此兩 部分間。在此例中，所形成之冷卻腔室的容積係在頂板中，而非在中間板中。在中間板704和底板706間的供應氣室720在閥本體的底部處供應冷卻劑，以流經閥本體。
第14A圖為在底板706上方之中間板704的頂部等角視圖。中間板具有如上所述的饋通714和一系列的通用返回埠708，返回埠708從各冷卻腔室收集冷卻劑並將冷卻劑饋送回返回管線。中間板704亦具有相對於頂板(圖未示)而界定之冷卻腔室的多個面積的配置。每一面積包含流孔724，允許冷卻劑在通過各閥後，經過流孔724而進入冷卻腔室。
第14B圖為底板706之頂部等角視圖。底板包含亦形成於中間板之饋通714及返回埠708。此圖亦顯示閥本體712，閥本體712係安裝至在底板中的螺紋(圖未示)並向上延伸通過底板，使得閥本體可相對於中間板中的閥座而移動進入冷卻腔室，以開啟或關閉在中間板中的流孔。
底板亦安裝有一或多個供應埠730。在所示的例子中，有五個供應埠，然而可以有更少或更多的供應埠，取決於特定實施例。供應埠提供冷卻劑至底板之頂表面728和中間板的底表面間的區域中。此區域作為用於在頂板中之流孔724之供應氣室720。提供至供應埠之冷卻劑將部分地藉由底板706的頂表面728所包含。來自供應埠的壓力將接著驅使冷卻劑通過底板的閥本體712而進入頂板的流孔724中，閥本體712係安裝入流孔的閥座中。
第15A圖顯示第14B圖之底板706的底部等角視圖。底板的底側包含饋通714和返回埠708。供應埠730允許 待供應之冷卻劑經過底板朝向底板之相對側進入供應氣室。供應埠具有附接點，以允許冷卻劑供應和熱交換器系統被耦接至供應埠。底板亦具有返回埠之孔708，以在冷卻劑經過冷卻劑腔室以冷卻冷卻板和吸座之頂表面後，將冷卻劑供應回熱交換器系統。
底板亦提供閥本體712的存取。每一閥本體可由底板之底表面而被存取及被旋轉，以調整抵住閥本體之各閥座的閥本體位置。在組件中，冷卻板700的三個部分702、704、706係附接在一起，且接著閥本體712係螺入底板的螺紋內。此可藉由手動或使用自動工具而完成。如以下所更詳細的描述，當靜電吸座相對於製造變化、腔室、處理或其他環境而被校準時，調整固定結構可接著被附接至底板的底部，調整固定結構包含馬達以旋轉閥。
第15B圖為將底板移除之冷卻板700的底部等角視圖。閥座726從底側可見，饋通714和返回埠708亦如此。中間板704的底表面形成供應氣室720的上表面，使得供應至中間板之底部的下方的區域中的冷卻劑將在中間板的底表面和底板的頂表面728間被捕獲。冷卻劑可自由地從供應氣室流進流孔中，流孔包含閥座726。流經閥座的冷卻劑將進入每一閥的各冷卻劑腔室。
第15C圖為頂板706之底部等角視圖。除了饋通714和返回埠708之外，顯示有用於每一冷卻劑腔室718的出口管線。各腔室係在各閥座及流孔724的上方對齊，使得通過每一閥之冷卻劑流體被輸入至各冷卻劑腔室中。
冷卻區域係顯示為圓形且大小均勻的。可改變冷卻區域的形狀、尺寸和位置，以適應任何特定的局部冷卻需求。此外，可改變在冷卻區域(在頂板和中間板間)中之管道的高度，以達到遍布區域之均勻的，或不均勻的熱傳送。
第16圖為將所有三個板702、704、706安裝於一起之冷卻板的截面側視圖。閥本體712係以螺紋736而安裝至底板706，螺紋736允許當閥本體被轉動時，閥本體向上及向下，朝向及遠離閥座726而移動。在底板706和中間板704間之供應氣室720中的冷卻劑通過閥座726經由流孔724流進在閥上方的冷卻腔室718中。冷卻劑將吸收來自在冷卻腔室中之頂板702的熱量，並接著移動至返回氣室734。冷卻腔室和返回氣室係界定於頂板702和中間板704間的空間內，並由兩個板相對於彼此的形狀和構造所界定。冷卻劑從返回氣室經過返回埠流至熱交換器以被冷卻，且接著經過供應埠而回到供應氣室720。
第17圖顯示具有齒輪馬達740之冷卻板的類似截面圖，齒輪馬達740係透過驅動軸742而附接至每一閥本體712。當齒輪馬達驅動軸時，閥本體相對螺紋而旋轉，以改變經過流孔之冷卻劑的流速。使用獨立的齒輪馬達於每一閥本體允許閥可被獨立地調整。或者，可使用驅動系統以允許單一馬達獨立地操作閥本體之每一者。作為另一替代方式，單一齒輪馬達可從一個閥移動至另一個閥，直到每一閥被調整至所欲位置。
第18圖為校準用於冷卻板700的閥位置之圖。在所 示的例子中，陶瓷圓盤748係附接至冷卻板700。舉例來說，調整固定結構之齒輪馬達740係如第17圖所示附接至閥本體之各者。陶瓷板被外部地加熱或使用陶瓷板本身的加熱器而加熱，且熱交換器(圖未示)係附接至靜電吸座的供應埠及返回埠。當靜電吸座被加熱及冷卻時，陶瓷板的溫度係使用(例如)紅外線相機746或溫度監控晶圓而測量。
相機係耦接至操作齒輪馬達之校準系統748。校準系統748可為電腦，或為此目的而設計之專用系統。來自相機的紅外線影像在影像分析模組750中被分析並與參考或預期的紅外線影像作比較。在陶瓷圓盤上之每一點處的經測量的溫度和用於那一點之所欲溫度間的差值係接著被使用，以決定用於遍布陶瓷板之各種冷卻區域的閥調整。閥調整係提供至較準系統的馬達控制器752。馬達控制器接著驅動齒輪馬達以調整閥。任何溫度差異的結果係由IR相機或溫度監控晶圓所觀察到。可接著作出進一步的調整，直到獲得所欲的冷卻劑流量。
流至每一冷卻區域的流量可在靜電吸座被製造後藉由個齒輪馬達所調整。閥插塞位置可在一次校準處理期間被設定。此校準處理可被用以補償製造的不均勻性。
校準過程可如第19圖中所示而說明。首先在步驟802處，經組裝的靜電吸座係置於測試固定結構中。測試固定結構具有IR相機746和轉接板754，轉接板754將冷卻劑連接756和電性連接758連接至靜電吸座。轉接板亦包含小的齒輪馬達740，齒輪馬達740轉動閥插塞，以調整流至每一冷 卻區域的冷卻劑流量。
在步驟804處，熱被施加至靜電吸座。此步驟可在處理腔室或烘箱中執行，或藉由致動或充能在靜電吸座內的加熱器跡線執行。在步驟806處，靜電吸座之頂板的溫度被測量。在第18圖之系統中，介電圓盤係藉由紅外線相機而拍攝，但本發明不限於此。
在步驟808處，使用基於電腦控制的演算法，以分析靜電吸座的溫度，且在步驟810處，決定調整。在步驟812處，每一閥柱塞的位置可藉由驅動齒輪馬達而被依序或同時調整。當閥被調整時，可使用IR相機746以提供即時回饋。此調整處理可繼續，直到達成所欲的溫度輪廓(均勻或其他)。
可使用每一閥的個別調整，以在製造處理期間達成極端均勻的晶圓溫度。可使用冷卻劑流量的改變以補償在陶瓷圓盤和冷卻板間之結合部的厚度之變動，及補償在陶瓷圓盤內之加熱器跡線的印刷之變動。此外，靜電吸座可被校準成故意不均勻的溫度輪廓。此可被使用以補償腔室的水平不對稱。
應注意上面的實施方式係意欲作為示例的，且非作為限制的。舉例來說，雖然在圖式中的流程圖顯示由本發明之一些實施例所執行的特定次序的操作，應理解此次序非為必需(如，替代實施例可以不同次序執行操作、組合某些操作、重複某些操作等)。此外，許多其他的實施例對於熟悉該技術領域者而言，在閱讀並理解上述實施方式後係顯而易見的。雖然本發明已參照特定示例實施例而說明，應體認本發明不 限於所述的實施例，而是可以在附隨的申請專利範圍之精神和範圍內，以調整及替代方案而執行。因此，本發明的範圍應參考附隨的申請專利範圍，與此申請專利範圍所賦予權力的等效元件之所有範圍而決定。
702‧‧‧頂板/部分/板
704‧‧‧中間板/部分/板
706‧‧‧底板/部分/板
712‧‧‧流量控制閥//閥主體
718‧‧‧冷卻腔室/冷卻劑腔室
720‧‧‧供應氣室
704‧‧‧流孔
726‧‧‧閥座
734‧‧‧返回氣室
736‧‧‧螺紋
738

Claims (20)

  1. 一種設備，包括：一介電圓盤，用以靜電抓取一矽晶圓；一冷卻板，緊固且熱耦合至該陶瓷圓盤；一供應氣室，用以從一外部源接收冷卻劑；複數個冷卻劑腔室，熱耦合至該冷卻板，該些冷卻劑腔室用以從該供應氣室接收冷卻劑；一返回氣室，耦接至該些冷卻區域，以將冷卻劑從該些冷卻區域排出；及複數個流量控制閥，位於該供應氣室和該些冷卻區域之各者間，以控制從該供應氣室至該些冷卻區域之冷卻劑的流速。
  2. 如請求項1之設備，更包括複數個返回埠，以從該些冷卻區域返回冷卻劑，而用以再供應該供應氣室。
  3. 如請求項1之設備，其中該些流量控制閥各包括：一閥座，位於該供應氣室和各冷卻區域間；及一閥本體，相對於該閥座而可移動，以控制經過該閥座的冷卻劑流量。
  4. 如請求項3之設備，其中些閥本體係螺入至該冷卻板，使得該些閥本體相對於該冷卻板之旋轉將該閥本體相對於該各閥座而移動。
  5. 如請求項1之設備，更包括一可移動的閥控制器，用以嚙合並獨立地控制每一閥，以調整經過每一閥之冷卻劑的流量。
  6. 如請求項5之設備，其中該些閥控制器包括一齒輪馬達，用以調整該閥本體的位置。
  7. 如請求項1之設備，更包括：一馬達化的閥控制器，用以嚙合並獨立地控制每一閥，以調整經過每一閥之冷卻劑的流量；一熱量偵測器，用以偵測在該介電圓盤上的熱量；及一處理器，耦接至該熱量偵測器及耦接至該閥控制器，以操作該閥控制器之馬達，以基於所偵測的熱量而調整冷卻劑流量。
  8. 一種設備，包括：一介電圓盤，用以靜電抓取一矽晶圓；一冷卻板之一頂板，該頂板被緊固至該陶瓷圓盤；一冷卻板之一中間板，該中間板具有複數個流孔，並界定在該中間板和該頂板間之複數個冷卻劑腔室，該些冷卻劑腔室各與至少一個流孔連通，以允許冷卻劑經過該中間板流至各冷卻劑腔室；一冷卻板之一底板，該底板界定在該底板和該中間板間 的一供應氣室，以供應冷卻劑至該些流孔；及複數個閥，用以控制經過該些流孔之各者的各冷卻劑流量。
  9. 如請求項8之設備，其中該複數個閥包括：複數個閥座，位於該中間板中，各與一流孔相關聯；及複數個閥本體，位於該底板中，各經設置以座落於該些閥座之各者中，以控制經過該各流孔之多個冷卻劑腔室的流量。
  10. 如請求項8之設備，其中該中間板界定多個返回氣室，以將冷卻劑從該些冷卻劑腔室傳導至一返回埠。
  11. 如請求項10之設備，其中該中間板具有多個六角形區域，以界定該些冷卻劑腔室和圍繞每一六角形區域之該些返回氣室的多個冷卻劑管道。
  12. 如請求項11之設備，該中間板更包括一圓形管道，該圓形管道圍繞該些六角形區域，且其中該些冷卻劑管道將該冷卻劑傳導進入該中間板之該圓形管道內。
  13. 如請求項11之設備，其中每一六角形區域係由該複數個閥之不同者所供應。
  14. 一種在一靜電吸座中調節冷卻劑流量的方法，該方法包括：加熱一介電圓盤，該介電圓盤係用於靜電抓取一矽晶圓；在該靜電圓盤之一頂表面上的複數個位置處偵測熱量，該些位置係各熱耦合至該靜電吸座之複數個冷卻劑腔室之至少一個；及基於所偵測的該熱量，調整複數個閥，以控制進入該些冷卻劑腔室中的冷卻劑流量。
  15. 如請求項14之方法，其中偵測熱量之步驟包括：在將冷卻劑經由該些閥流入該些冷卻劑腔室期間和在施加熱量至該介電圓盤期間，拍攝該介電圓盤。
  16. 如請求項15之方法，其中施加熱量之步驟包括：致動在該靜電吸座內之多個加熱器。
  17. 如請求項14之方法，其中調整複數個閥之步驟包括：獨立地旋轉該複數個閥之每一者的閥本體，以相對一閥座而移動該些閥本體，以控制從一供應氣室至各冷卻劑腔室的冷卻劑之流量。
  18. 如請求項14之方法，其中偵測熱量之步驟包括：在該介電圓盤之不同區處偵測溫度水平，該些不同區對應不同的冷卻劑腔室。
  19. 如請求項18之方法，其中調整該複數個閥之步驟包括：增加冷卻劑流量至對應於多個較熱區之多個冷卻劑腔室，及減少冷卻劑流量至對應於多個較冷區之多個冷卻劑腔室。
  20. 如請求項14之方法，其中調整多個閥之步驟包括：驅動一閥控制器的多個齒輪馬達，該些齒輪馬達各耦接至該些閥座之各者，以獨立地控制進入各冷卻劑腔室之冷卻劑流量。
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