TW201735214A - 基板支撐台及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

一種基板支撐台，其包括：靜電夾盤、加熱器和基座。靜電夾盤安裝到加熱器上方，加熱器固定到基座上表面。其中所述基座內包括冷卻液流通管道；所述加熱器包括加熱元件用於產生熱量，還包括位於加熱元件上方的上絕緣材料層和位於加熱元件下方的下絕緣材料層，所述下絕緣材料層底面固定到所述基座上表面，其中所述下絕緣材料層厚度大於1mm，下絕緣材料層中包括至少一金屬層將下絕緣材料層分隔為多個絕緣材料子層。

Description

基板支撐台及其製造方法
本發明係關於半導體製造技術領域，尤其係關於一種用於電漿處理器反應腔內的基板支撐台。
電漿處理器被廣泛應用在半導體工業內，用來對待處理基板進行高精度的加工如電漿刻蝕、化學氣相沉積（CVD）等。電漿處理器包括一個反應腔，反應腔內底部具有一個基板支撐台用來放置並固定住基板。支撐台除了固定基板還需要對基板進行溫度控制，所以需要能夠帶走電漿處理中產生的熱量，同時支撐台還連接有射頻電源，藉由調節射頻電源的輸出功率來調節基板上的處理效果。所以基板支撐台是一個電漿處理器中核心的、多功能的裝置，對基板的處理效果具有重大的影響。
隨著半導體工業的發展，越來越多的電漿處理製程被開發出來，各個製程需要最佳溫度參數不同，經常在同一個反應腔中需要對一片基板進行連續的多個製程處理，在不同的製程步驟中需要快速的切換其對應的最佳溫度。為了實現快速變溫的需要，現有機制在基板支撐台結構設計成如圖1所示的結構，包括基座10’，基座10’內開設有用於冷卻液流通的冷卻液管道11’以帶走熱量，基座上包括加熱器，加熱器由上下兩層絕緣材料23’、21’和位於絕緣材料層之間的加熱元件如電阻絲29’組成，加熱器上絕緣材料層上表面藉由矽膠層32’與上方的靜電夾盤30’結合固定。其中基座一般由金屬製成如鋁合金製成，電連接到至少一個射頻電源。絕緣材料層21’、23’通常由陶瓷材料如AL2 O3 ，AlN，Y2 O3 等製成。在溫度切換過程中如果需要降溫則關閉加熱的功率輸出，由下方冷卻液管道內的冷卻液全力帶走熱量，在升溫過程中加熱器接受電功率產生大量熱，冷卻液也需要一直流通以帶走上方加熱器以及處理過程中電漿體和射頻電源產生的熱量。所以加熱過程中加熱器產生的熱量會大量的直接被下方的基座10’帶走，並沒有向上到達靜電夾盤30’上的基板。為了減少這種熱量損耗也加快升溫過程，需要在加熱元件29’和下方冷卻液管道11’之間具有更低的熱導率，比如基座10’採用具有更低熱導率的金屬材料鈦（約20W/m.k）或者使得加熱元件29’下方的絕緣材料層21’更厚。
但是這兩個方案都有問題：鈦材料過於昂貴，其價格超出鋁合金材料(導熱係數170W/m.k)的4倍；絕緣材料層21’厚度增加到超出1mm厚度時，由於下方鋁合金和絕緣材料層的熱膨脹係數差異過大，在頻繁的溫度改變過程中很快絕緣材料層21’就會碎裂失效。所以現有技術中絕緣材料層21’的厚度一般都在0.5-1mm之間，這樣小的厚度還導致在整個平面上絕緣材料層厚度的不均勻性很難控制，因為絕緣材料層通常是噴塗的，表面粗糙度很大，常見製程加工形成的公差都會帶來絕緣材料層厚度不均勻。對於0.5mm厚的材料層來說不同部位絕緣材料厚度差達到25um時，就可以使得不同區域之間的厚度差可以達到5%，位於基板支撐台上方的基板溫度也會相應的受影響而很難獲得均一的溫度分佈。所以業內需要一種新的方法或裝置解決在基板支撐台，能夠快速的改變基板的溫度，同時還需要能使得基板的溫度更均勻。
本發明解決的問題是提供一種基板支撐台包括：靜電夾盤、加熱器和基座，靜電夾盤安裝到加熱器上方，加熱器固定到基座上表面；其中所述基座內包括冷卻液流通管道；所述加熱器包括加熱元件用於產生熱量，還包括位於加熱元件上方的上絕緣材料層和位於加熱元件下方的下絕緣材料層，所述下絕緣材料層底面固定到所述基座上表面，其中：所述下絕緣材料層厚度大於1mm，下絕緣材料層中包括至少一金屬層將下絕緣材料層分隔為多個絕緣材料子層。其中多個絕緣材料子層厚度小於1mm，以防止絕緣材料層在溫度變化過程中破裂，較佳的厚度絕緣材料子層厚度小於0.5mm大於0.2mm。
其中本發明的金屬層最佳選擇為網格狀，基座由鋁合金製成。
較佳地，下絕緣材料層可以包括兩層金屬層，將下絕緣材料層分隔為第一、第二、第三絕緣材料子層。
本發明中絕緣材料層由陶瓷材料或者有機材料製成，所述陶瓷材料包括氧化鋁、氮化鋁、氧化釔之一，所述有機材料選自PEEK、Vespel、Kapton之一。
本發明基板支撐台的靜電夾盤藉由一層矽膠層與加熱器頂部的上絕緣材料層相連接。
本發明同時提供一種用於基板支撐台的加熱器的製造方法，包括步驟：A、在基底材料上形成約小於1mm厚的絕緣材料層；B、在絕緣材料層上形成網格狀金屬層；C、重複執行上述步驟A至B以形成下絕緣材料層，所述下絕緣材料層包括交替的絕緣材料層和金屬層，其中頂層為絕緣材料層；D、在頂層的絕緣材料層上形成加熱元件；E、在所述加熱元件上形成上絕緣材料層。
如圖2所示為本發明基板支撐台示意圖，本發明與圖1所示的現有技術相比具體相類似的基本結構，包括依次疊放的靜電夾盤30、矽膠層32、加熱元件29和基座10，主要區別在於本發明的基板支撐台上包括多層的絕緣材料層21、23、25、27，這些絕緣材料層之間還埋入有兩層狀金屬層22、24以及位於上方的加熱元件29。其中金屬層22、24所用材料與下方基座10類似具有較好的延展性，而且整體厚度很低（小於0.1mm），覆蓋面積也小所以不會增加上下方向的熱導係數。絕緣材料層21至27的厚度可以和現有技術一樣選擇0.5-1mm或者更低，但是本發明藉由不同絕緣材料層之間金屬網格層22、24的設置可以使得這些絕緣材料層不會在溫度變化過程中破裂。現有技術中如果整個絕緣材料層21厚度超過1mm，就會使整個絕緣材料層21的厚度與鋁合金基座10之間發生的相對位移導致材料層21破裂的，本發明中每層絕緣材料層厚度都小於1mm，這些較薄的絕緣材料層21、23、25、27都只與其直接結合的基座10、網格狀金屬層22、24發生相對位移，所以每個絕緣材料層不易發生破裂，但是整體的絕緣材料層總厚度卻遠超1mm的厚度，最大可以達到約3mm，這個厚度已經足以阻擋大量熱量在加熱過程中向下傳導。為了防止破裂，每層絕緣材料層21、23、25、27的厚度數值可以選擇的更低，比如小0.5mm大於0.2mm，藉由設置更多層的金屬-絕緣材料層單元相疊使得加熱元件29下方的整體絕緣材料層厚度大於1mm，實現有效的隔熱的同時避免絕緣材料層破裂。
絕緣材料層總厚度增加後，整體材料層厚度的均勻性更加容易控制，同樣的的加工製程帶來的公差25um，相對採用本發明方案後具有的更大厚度，在整個加熱器平面上厚度的總誤差可以控制在2%以下，這對上方基板溫度的均勻性帶來了額外的好處。本發明中網格狀金屬層的設置除了可以防止絕緣材料層破裂以外，即使局部區域發生了輕微開裂，由於絕緣材料是與網格狀金屬結合的所以這些裂開的部分仍然會被金屬材料拉住，不會發生脫落。所以採用本發明加熱器結構的基板支撐台，能夠在防止加熱器破裂的情況下獲得更厚的絕緣材料層。
本發明結構的基板支撐台對於需要獲得對基板進行高溫處理的製程特別有效，在高溫處理製程過程中基板溫度與下方的基座溫度差可能大於50度甚至可能達到100度。因為本發明提供的隔熱效果更好的加熱器能夠使得加熱元件29中產生的熱主要向上方加熱靜電夾盤30以及靜電夾盤30上方的基板，不僅升溫速度快，能夠減少製程切換時間，還節約能源。
本發明中網格狀金屬層22、24也可以是金屬的圓片，同樣能實現本發明目的，避免絕緣材料層破裂。本發明中絕緣材料層除了可以是前面例舉的氧化鋁、氮化鋁等陶瓷材料也可以是有機聚合物製成的絕緣材料，這些有機絕緣材料可以是市場上可以獲得的PEEK(聚醚醚酮)、Vespel(全芳香族聚醯亞胺樹脂)、Kapton(聚醯亞胺薄膜)等，只要是絕緣且熱導率低的材料都能應用於本發明。
本發明還提供了一種基板支撐台的製造製程，在基板支撐台製造過程包括：
A、採用傳統機械加工製程製造帶有冷卻液流通管道11的鋁合金基座10；
B、噴塗絕緣材料顆粒到基底材料上形成約0.5mm厚的絕緣材料層21，固化後完成絕緣材料層21的形成，噴塗製程可以是電弧噴塗、電漿噴塗或者除了噴塗製程也可以採用化學氣相沉積形成絕緣材料層，這樣形成的絕緣材料層更緻密均勻；
C、形成網格狀金屬層22，形成製程可以是噴塗也可以是直接鋪設金屬薄片；
D、重複執行上述步驟B至C以分別形成絕緣材料層23、金屬層24、絕緣材料層25；
E、在絕緣材料層25上形成加熱元件29；
F、再次執行步驟B，形成絕緣材料層27。
完成加熱器和基座10的製造後可以進一步在絕緣材料層上表面塗覆矽膠等黏接材料層，將靜電夾盤放置到所述黏接材料層上完成整個基板支撐台的製造。上述步驟D中B至C重複執行的次數可以根據需要優化設定，重複執行次數越多則絕緣材料層和網格狀金屬層交疊的層數越多，直到達到製程需要的隔熱效果為止。本發明製造製程也可以是先加工製造本發明特製的加熱器，再將加熱器藉由黏膠層黏接到下方基座10上表面，其中加熱器的製造過程與前述A至F類似，但是下絕緣材料層是直接在基底材料上開始製造，首先在基底上依次生長各種絕緣材料層和金屬層，然後形成加熱元件29和上絕緣材料層，最後將加熱器從基底材料上脫離固定到預先準備的鋁基座10上。
雖然本發明揭露如上，但本發明並非限定於此。任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，均可作各種更動與修改，因此本發明的保護範圍應當以發明申請專利範圍所限定的範圍為准。
10、10’‧‧‧基座
11‧‧‧冷卻液流通管道
11’‧‧‧冷卻液管道
22、24‧‧‧金屬層
21、21’、23、23’、25、27‧‧‧絕緣材料層
29、29’‧‧‧加熱元件
30、30’‧‧‧靜電夾盤
32、32’‧‧‧矽膠層
圖1是現有技術基板支撐台示意圖；
圖2是本發明基板支撐台示意圖。
10‧‧‧基座
11‧‧‧冷卻液流通管道
22、24‧‧‧金屬層
21、23、25、27‧‧‧絕緣材料層
29‧‧‧加熱元件
30‧‧‧靜電夾盤
32‧‧‧矽膠層

Claims (10)

  1. 一種基板支撐台，其包括：一靜電夾盤、一加熱器和一基座，該靜電夾盤安裝到該加熱器上方，該加熱器固定到該基座上表面； 其中該基座內包括一冷卻液流通管道；該加熱器包括一加熱元件用於產生熱量，還包括位於該加熱元件上方的一上絕緣材料層和位於該加熱元件下方的一下絕緣材料層，該下絕緣材料層底面固定到該基座上表面，其中： 該下絕緣材料層厚度大於1mm，該下絕緣材料層中包括至少一金屬層將該下絕緣材料層分隔為複數個絕緣材料子層。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之基板支撐台，其中該複數個絕緣材料子層厚度小於1mm。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之基板支撐台，其中該複數個絕緣材料子層厚度小於0.5mm大於0.2mm。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之基板支撐台，其中該金屬層為網格狀。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之基板支撐台，其中該基座由鋁合金製成。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之基板支撐台，其中該下絕緣材料層包括兩層金屬層，將該下絕緣材料層分隔為第一絕緣材料子層、第二絕緣材料子層、第三絕緣材料子層。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之基板支撐台，其中該上絕緣材料層及該下絕緣材料層係由陶瓷材料製成，該陶瓷材料包括氧化鋁、氮化鋁、氧化釔之一。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之基板支撐台，其中該上絕緣材料層及該下絕緣材料層係由有機材料製成，該有機材料係選自PEEK、Vespel、Kapton之一。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之基板支撐台，其中該靜電夾盤藉由一層矽膠層與該加熱器頂部的該上絕緣材料層相連接。
  10. 一種如申請專利範圍第1項所述之基板支撐台中加熱器的製造方法，其包括下列步驟： A、在一基底材料上形成約小於1mm厚的一絕緣材料層； B、在該絕緣材料層上形成一網格狀金屬層； C、在該網格狀金屬層上形成小於1mm的一絕緣材料層； 重複執行上述步驟B至C以形成一下絕緣材料層， 該下絕緣材料層包括交替的絕緣材料層和金屬層； D、在頂層的絕緣材料層上形成一加熱元件； E、在該加熱元件上形成一上絕緣材料層。
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