TW201916244A - 用於加熱器基座的平衡環組件 - Google Patents

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Abstract

本揭示案的實施例係針對平衡環組件，其包括平衡環板、樞軸螺絲、一個或多個馬達及複數個整平指示器，該平衡環板具有中心開口，該樞軸螺絲設置在於該平衡環板中形成的樞軸座內，其中該樞軸螺絲包含球形樞軸頭，該平衡環板繞該球形樞軸頭樞轉，該一個或多個馬達耦接到該平衡環板，該一個或多個馬達經配置提供繞該球形樞軸頭的原位平衡環板運動，該複數個整平指示器經配置決定平衡環板的偏轉。

Description

用於加熱器基座的平衡環組件
本揭示案大體係關於用於改善沉積均勻性的設備和方法。特定言之，本揭示案的實施例係針對用於加熱器基座的平衡環組件。
在許多產品中已發現在基板上金屬沉積或蝕刻的邊緣不均勻性，尤其是在電漿處理環境中。邊緣不均勻性可能是膜厚度和性質不均勻性，且可能是邊緣到邊緣的不均勻性或中心到邊緣的不均勻性。
在許多沉積腔室中，原子層沉積和化學氣相沉積兩者，旋轉基座/加熱器都用於改善/減少不均勻性。在大多數情況下，不均勻性來自不均勻的化學輸送、流動分佈、腔室特徵以及來自腔室主體和周圍部件的溫度不均勻性。使用旋轉基座可以分散該等變化的局部效應並改善不均勻性。
然而，發明人已經發現在許多情況下仍存在不希望的邊緣不均勻性。因此，本領域需要用於在基板上的金屬沉積或蝕刻製程期間減少邊緣到邊緣和中心到邊緣的不均勻性的設備和方法。
本揭示案的實施例係針對用於加熱器基座的平衡環組件。在一些實施例中，平衡環組件包括平衡環板、樞軸螺絲、一個或多個馬達及複數個整平指示器，該平衡環板具有中心開口，該樞軸螺絲設置在於該平衡環板中形成的樞軸座內，其中該樞軸螺絲包含球形樞軸頭，該平衡環板繞該球形樞軸頭樞轉，該一個或多個馬達耦接到該平衡環板，該一個或多個馬達經配置提供繞該球形樞軸頭的原位平衡環板運動，該複數個整平指示器經配置決定平衡環板的偏轉。
在一些實施例中，處理腔室包括腔室主體、噴頭、可旋轉的加熱器基座及平衡環組件，該腔室主體具有側壁、底部和蓋組件，該蓋組件包圍處理空間，該噴頭耦接到該蓋組件，該可旋轉的加熱器基座設置在該處理空間中並耦接到基座軸，該平衡環組件包含：平衡環板、樞軸螺絲、一個或多個馬達及複數個整平指示器，該平衡環板耦接到平衡環支撐結構且具有中心開口，該基座軸穿過該中心開口設置，該樞軸螺絲設置在於該平衡環板中形成的樞軸座內，其中該樞軸螺絲包含球形樞軸頭，該平衡環板繞該球形樞軸頭樞轉，該一個或多個馬達耦接到該平衡環板，該一個或多個馬達經配置提供繞該球形樞軸頭的原位平衡環板運動，該複數個整平指示器經配置決定平衡環板的偏轉。
本揭示案的其他和進一步的實施例描述如下。
本揭示案的實施例係針對用於加熱器基座的平衡環組件。在與本揭示案一致的實施例中，本發明的平衡環設計改變陽極（如，腔室蓋件、噴頭、靶材等）與陰極（如基座）之間的距離，此距離在控制基板表面產生的電場強度中起到主導作用。更特定言之，本發明的平衡環組件可以改變邊緣處的間隔，使得在基座一側上的陰極和陽極之間的距離不同於在基座的另一側上的陰極和陽極之間的距離。本發明的平衡環組件可用平衡環使基座繞X軸和Y軸懸置（gimbal）。另外，平衡環組件可與繞Z軸旋轉的旋轉基座一起使用。因此，本文所述之平衡環組件有利地改善了旋轉基座和非旋轉基座腔室配置兩者中的邊緣到邊緣的均勻性以及中心到邊緣的均勻性。
圖1繪示根據本揭示案的一個或多個實施例的處理腔室100的側截面圖。首先，描述處理腔室的一般配置，接著是針對平衡環組件101與腔室內加熱器和基板旋轉機構一起使用的更特定的實施例。
處理腔室100包括腔室主體104，腔室主體104具有側壁103、底部105和可移除式蓋組件106，可移除式蓋組件106包圍處理空間108。基板支撐系統102至少部分地設置在處理空間108中，且可以支撐已經透過在腔室主體104中形成的端口112移送到處理空間108的基板110。處理空間108中包括處理套件，該處理套件包含上邊緣環116、下邊緣環180、底板（未圖示）和/或陰影環182中的至少一個。
基板支撐系統102包括主基板支撐件113，如基座114和熱元件120。此外，處理套件的部分包括次基板支撐件115，如上邊緣環116和下邊緣環180。次基板支撐件115可用於間歇地在主基板支撐件113的上方支撐基板110。基座114包括支撐表面118，支撐表面118適於在處理期間接觸（或接近）基板110的主表面。因此，基座114用作處理腔室100中的基板110的主支撐結構。上邊緣環116被圖示為由繞熱元件120的圓周形成的周邊肩部122支撐。上邊緣環116具有腳部165，以在處於降低位置時支撐上邊緣環116。
基座114可包括熱元件120，以在處理期間控制基板110的溫度。例如，熱元件120可以是位於基座114頂部上或在基座內的加熱器或冷卻器。加熱器或冷卻器可以是單獨的部件，其耦接到基座114的頂部或者可以是基座114的整體部分。在一些實施例中，熱元件120嵌入基座主體內（如圖1所示）。在一個或多個實施例中，嵌入式熱元件120可以是加熱或冷卻元件或通道，用於將熱能施加到基座114主體，該熱能被基板110吸收。其他元件可設置在基座114上或嵌入基座114內，如一個或多個電極、感測器和/或真空端口。可藉由一個或多個溫度偵測裝置（如電阻溫度偵測器（RTD）或熱電偶）監控基板110的溫度。嵌入式熱元件120可以是區域控制的，使得基座114主體的不同區域處的溫度可以被個別加熱或冷卻。然而，由於減弱（extenuating）因素，如基座114中的缺陷和/或基板110中的不均勻性，所以嵌入式熱元件120可能無法在整個支撐表面118和/或基板110上均勻地施加熱能。該等減弱因素可能在基板110上產生不均勻的溫度分佈，此可能導致基板的不均勻處理。
基座114可以經由軸組件耦接到致動器126，該軸組件由上基座軸124和下軸130組成，下軸130提供垂直運動（在z軸上）、旋轉運動（繞z軸）中的一者或多者，並且亦可提供角運動（繞x和y軸）。致動器126可提供垂直移動，以允許基板110在上邊緣環116和支撐表面118之間移送。繞x軸和y軸的角運動由平衡環組件101提供。軸組件經由開口127穿過處理腔室100的底部105。可以藉由圍繞開口127並連接到軸組件的一部分的波紋管129來維持隔離的處理環境。
藉由機器人109將基板110經由處理腔室100的側壁103中的端口112帶入處理空間108中。端口112可以是例如狹縫閥。
處理腔室100可以是CVD、ALD或其他類型的沉積腔室、蝕刻腔室、離子注入腔室、電漿處理腔室或熱處理腔室等。在圖1所示的實施例中，處理腔室是沉積腔室且包括噴頭組件128。處理空間108可與真空系統選擇性地流體連通以控制其中的壓力。噴頭組件128可耦接到處理氣體源132，以向處理空間108提供處理氣體，以用於將材料沉積到基板110上。噴頭組件128亦可包括溫度控制元件134，以用於控制噴頭組件128的溫度。溫度控制元件134可以是與冷卻劑源136流體連通的流體通道。
在一些實施例中，基座114可以是靜電吸盤，且基座114可包括一個或多個電極125（如圖1所示）。例如，基座114可耦接到功率元件140A，功率元件140A可以是向一個或多個電極125提供功率的電壓源。電壓源可以是射頻（RF）控制器或直流（DC）控制器。在另一個實例中，基座114可由導電材料製成，且用作來自噴頭組件128所分配的功率元件140B的RF功率的接地路徑。因此，處理腔室100可利用RF或DC電漿施行沉積或蝕刻製程。由於該等類型的電漿可能不是完全同心或對稱的，因此RF或DC熱點（亦即，電磁熱點）可以存在於基板110上。該等電磁熱點可能在基板110的表面上產生不均勻的沉積或不均勻的蝕刻速率。
另外，如上所述，不均勻性可能來自不均勻的化學輸送、流動分佈、腔室特徵以及來自腔室主體和周圍部件的溫度不均勻性。與圖1和圖2中所示的本發明的平衡環組件101一致的實施例有利地藉由在基板處理期間實現RF可偏置加熱器的原位平衡環移動來對抗可能存在於基板表面上的不均勻性；從而改善邊緣-中心-邊緣的不均勻性。下面關於平衡環組件101論述圖1和圖2。
平衡環組件101由平衡環板150組成，平衡環板150的一端由平衡環支撐結構168固定。平衡環板150繞樞軸螺絲154樞轉。在一些實施例中，柱可以是具有球形樞軸頭152的彈性樞軸螺絲，球形樞軸頭152設置在於平衡環板中形成的樞軸座153內。樞軸螺絲154可在任何方向上繞自垂直Z軸偏移約20度樞轉。亦即，平衡環組件101可以使加熱器基座118自垂直於X軸和Y軸的垂直方向移動約0°至約20°，或以其組合的方式移動加熱器基座118。如圖1所示，在一些實施例中，樞軸螺絲154的頂部延伸穿過腔室的底部並由腔室的底部固定。如圖1所示，加熱器基座118、上軸124、下軸130和波紋管都耦接到平衡環板150。因此，當平衡環板150移動時，則加熱器基座118、上軸124、下軸130和波紋管亦移動。
平衡環組件101包括一個或多個馬達160，一個或多個馬達160提供繞球形樞軸頭152的原位線性平衡環板運動。在一些實施例中，至少兩個馬達160A和160B耦接到平衡環板150。在一些實施例中，第一馬達160A可用於提供粗調平衡環板調整，而第二馬達160B可用於提供精細平衡環板調整。在一些實施例中，高分辨率（resolution）平衡環馬達將在每個馬達的每360度旋轉中提供5密耳的平衡環板150的擺動。馬達160（如160A和160B）的旋轉使得同軸環形螺絲159耦接到彼等馬達，以基於同軸環形螺絲159轉動的方向上下移動平衡環板150。可以獨立地控制每個馬達160A和160B以根據需要移動相關聯的螺絲。在一些實施例中，同軸環形螺絲159是彈簧負載的螺絲，其包括設置在平衡環板150和處理腔室100的底部105之間的彈簧158。馬達160和同軸環形彈簧負載的螺絲159設計成在處理期間且在強真空條件下用平衡環使加熱器基座懸置。
平衡環組件包括複數個整平指示器162，該複數個整平指示器162決定平衡環移動期間的偏轉。在一些實施例中，使用設置在平衡環板150的頂表面和腔室主體的底表面之間的彈簧負載的整平指示器柱164，在平衡環板150的頂表面和腔室主體的底表面之間測量偏轉。使用夾具167將整平指示器162和整平指示器柱164固定到平衡環板150。平衡環組件101通常安裝成使得平衡環板150的表面和加熱器基座118的表面平行。因此，用指示器162測量的距離將代表腔室內加熱器基座的原位平衡環輪廓（profile）。在一些實施例中，使用四個整平指示器來最準確地偵測加熱器基座118的平衡環位置。在一些實施例中，使用繞X或Y軸的初始角度來實現特定的沉積厚度輪廓。
可使用其他半導體基板處理系統來實踐本揭示案，其中本發明所屬領域中具有通常知識者可以在不背離本揭示案的精神的情況下，藉由利用本揭示案的教示來調整處理參數以實現可接受的特性。
在一些實施例中，平衡環組件進一步包括附接到平衡環板150的表面的複數個硬止動件156、166，以避免在平衡環移動期間在真空下腔室內的加熱器基座的任何故障和損壞。
在本文論述的實施例中，加熱器基座118可以是繞Z軸的旋轉基座，或者可以是固定基座。旋轉加熱器基座118通常提供額外的好處。例如，使用旋轉基座，不需要太多的平衡環移動（如，因為基座的旋轉將確保基板的所有邊緣以類似的方式用平衡環懸置（gimbal），所以製程可能僅需要在一個方向上用平衡環懸置）。在與本揭示案一致的實施例中，加熱器基座118可以在基板處理期間具有同時的繞X和Y軸的原位平衡環運動以及繞Z軸的旋轉兩者。
在一些實施例中，將經由平衡環控制器302藉由軟體操作馬達160，如圖3所示。平衡環輪廓可以用軟體設置，且可以利用來自複數個指示器162的反饋信號進行自調整。整平指示器162將平衡環位置資訊發送到控制器302。在一些實施例中，平衡環位置資訊經數位化且可以用於產生實際上是如何用平衡環使加熱器基座懸置的數位地圖。在一些實施例中，平衡環控制器將包括顯示器以顯示平衡環位置圖。為了便於控制平衡環馬達160和平衡環板150的移動，平衡環控制器302可係可以在工業設置中用於控制各式腔室與副處理器的任意形式之通用電腦處理器。CPU 352的記憶體或電腦可讀取媒體356可係一個或多個容易取得之記憶體，如隨機存取記憶體（RAM）、唯讀記憶體（ROM）、軟碟、硬碟，或任何其他本端或是遠端的數位儲存格式。支援電路354與CPU 352耦接而用傳統方式支援處理器。該等電路包括快取、電源供應、時脈電路、輸入/輸出電路與子系統以及類似物。
本案揭示的任何發明方法通常可作為軟體子程式358儲存在記憶體356中，當由CPU 352執行子程式358時，使得平衡環組件101施行本揭示案的製程。軟體子程式358亦可由第二CPU（未圖示）儲存及/或執行，第二CPU位於由CPU 352控制的硬體之遠端。本揭示案的方法中的部分或全部亦可在硬體中執行。如此一來，本揭示案可以以軟體實施且使用電腦系統在硬體中作為如特殊應用積體電路或其他類型的硬體實施或者作為軟體與硬體的組合來執行。可以在將基板110定位在基板支撐件108上之後執行軟體子程式358。當由CPU 352執行軟體子程式358時，軟體子程式358將通用電腦轉換為控制平衡環組件操作的專用電腦（平衡環控制器）302，由此施行本案揭示的方法。
參照回圖1，加熱器基座118被圖示為處於非平衡環（un-gimbaled）位置（亦即，與基座118和軸124的垂直中心線170偏離0°）。基板110的邊緣與噴頭128的距離176和178是相同的。當使用平衡環組件101使加熱器基座118繞X和Y軸移動/用平衡環懸置時，可改變基板110和噴頭128之間的邊緣垂直距離。例如，若平衡環組件101使加熱器基座118移動大於或小於中心線170到中心線170'偏離零的角度172，則基板110和噴頭128之間的距離176將減小，如176'所示，並且基板110和噴頭128之間的距離178將減小，如178'所示。例如，若加熱器基座118用平衡環懸置至10°，則邊緣垂直距離176和178將改變11.6 sin（10）= 2 in。此將導致邊緣處的腔室內的電漿產生的電場強度的變化，以及電漿密度的變化。可以基於基板110上的金屬沉積或蝕刻的不均勻性分佈來調整此距離。
另外，當使用平衡環組件101使加熱器基座118繞X軸或Y軸移動/用平衡環懸置時，基板110的中心174可以偏移到174'，例如，改善中心到邊緣的不均勻性。例如，若加熱器基座118用平衡環懸置於10°，則174的中心偏移將是4.92 cos（10）= .074 in。中心到邊緣的不均勻性係由於從一個邊緣到另一個邊緣的壓力差導致。一個邊緣可能經歷氣體泵送效應而另一個邊緣可能不會。此可能導致形成低壓側和高壓，其中存在氣體泵送，導致氣體交叉流動，此使得有不均勻性。儘管繞Z軸旋轉基座將有助於邊緣-邊緣均勻性，但是中心174將不會移動，因此可能仍存在一些中心到邊緣的不均勻性。與本發明的平衡環組件101一致的實施例可以移動中心174以改善均勻性。
儘管前面所述係針對本揭示案的實施例，但在不背離本揭示案基本範疇下，可設計本揭示案揭露的其他與進一步的實施例。
101‧‧‧平衡環組件
102‧‧‧基板支撐系統
103‧‧‧側壁
104‧‧‧腔室主體
105‧‧‧底部
106‧‧‧可移除式蓋組件
108‧‧‧處理空間
109‧‧‧機器人
110‧‧‧基板
112‧‧‧端口
113‧‧‧主基板支撐件
114‧‧‧基座
116‧‧‧上邊緣環
118‧‧‧支撐表面
120‧‧‧熱元件
122‧‧‧周邊肩部
124‧‧‧上基座軸
125‧‧‧一個或多個電極
126‧‧‧致動器
127‧‧‧開口
128‧‧‧噴頭組件
129‧‧‧波紋管
130‧‧‧下軸
132‧‧‧氣源
134‧‧‧溫度控制元件
136‧‧‧冷卻劑源
140A-B‧‧‧功率元件
150‧‧‧平衡環板
152‧‧‧球形樞轉頭
153‧‧‧樞轉座
154‧‧‧樞轉螺絲
156‧‧‧硬止動件
158‧‧‧彈簧
159‧‧‧彈簧負載的螺絲
160A-B‧‧‧馬達
162‧‧‧整平指示器
164‧‧‧彈簧負載的整平指示器柱
165‧‧‧上邊緣環的腳部
166‧‧‧硬止動件
167‧‧‧夾具
168‧‧‧平衡環支撐結構
170‧‧‧垂直中心線
172‧‧‧角度
174‧‧‧中心
176‧‧‧距離
178‧‧‧距離
180‧‧‧下邊緣環
182‧‧‧遮蔽環
302‧‧‧平衡環控制器
352‧‧‧CPU
354‧‧‧支援電路
356‧‧‧記憶體
358‧‧‧軟體子程式
本揭示案之實施例已簡要概述於前，並在以下有更詳盡之討論，可以藉由參考所附圖式中繪示之本揭示案的示例性實施例以作瞭解。然而，值得注意的是，所附圖式僅繪示了本揭示案的典型實施例，而由於本揭示案可允許其他等效之實施例，因此所附圖式並不會視為本揭示案範圍之限制。
圖1圖示根據本揭示案的一個或多個實施例之包括平衡環組件的處理腔室的側截面圖。
圖2繪示根據本揭示案的一個或多個實施例之平衡環組件的等距視圖。
圖3繪示根據本揭示案的一個或多個實施例之耦接到控制器的平衡環組件的示意圖。
為便於理解，在可能的情況下，使用相同的數字編號代表圖示中相同的元件。為求清楚，圖式未依比例繪示且可能被簡化。可以預期的是一個實施例中的元件與特徵可有利地用於其他實施例中而無需贅述。
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Claims (20)

  1. 一種平衡環組件，包括： 一平衡環板，該平衡環板具有一中心開口； 一樞軸螺絲，該樞軸螺絲設置在於該平衡環板中形成的一樞軸座內，其中該樞軸螺絲包含一球形樞軸頭，該平衡環板繞該球形樞軸頭樞轉； 一個或多個馬達，該一個或多個馬達耦接到該平衡環板，該一個或多個馬達經配置提供繞該球形樞軸頭的原位平衡環板運動；及 複數個整平指示器（leveling indicator），該複數個整平指示器經配置決定平衡環板的偏轉。
  2. 如請求項1所述之平衡環組件，其中該樞軸螺絲在任何方向上自該垂直Z軸偏移（off）至多約20°樞轉。
  3. 如請求項1所述之平衡環組件，其中該一個或多個馬達包括耦接到該平衡環板的至少兩個馬達。
  4. 如請求項3所述之平衡環組件，其中該至少兩個馬達耦接到同軸環形螺絲，該等同軸環形螺絲基於該等同軸環形螺絲的該轉動方向提供平衡環板調整。
  5. 如請求項4所述之平衡環組件，其中在每360度旋轉該馬達時每個同軸環形螺絲提供至多5密耳的該平衡環板擺動（wobbling）。
  6. 如請求項5所述之平衡環組件，其中該至少兩個馬達是可獨立控制的，以轉動該相關聯的同軸環形螺絲。
  7. 如請求項6所述之平衡環組件，其中每個同軸環形螺絲是彈簧負載的，且包括設置在該平衡環板的一頂表面上的一彈簧。
  8. 如請求項7所述之平衡環組件，其中該至少兩個馬達和彈簧負載的同軸環形螺絲經配置於在處理期間且在強真空條件下用平衡環懸置（gimbal）一半導體處理腔室中的加熱器基座。
  9. 如請求項3所述之平衡環組件，其中該至少兩個馬達包括一第一馬達和同軸環形螺絲以及一第二馬達和同軸環形螺絲，該第一馬達和該同軸環形螺絲提供粗調平衡環板調整，該第二馬達和該同軸環形螺絲提供精細平衡環板調整。
  10. 如請求項1至9中任一項所述之平衡環組件，其中該複數個整平指示器中的各者包括一彈簧負載的整平指示器柱。
  11. 如請求項1至9中任一項所述之平衡環組件，進一步包括複數個硬止動件，該複數個硬止動件附接於該平衡環板的一表面。
  12. 如請求項1至9中任一項所述之平衡環組件，進一步包括一平衡環控制器，該平衡環控制器通信地耦接到該一個或多個馬達中的各者和該複數個整平指示器中的各者。
  13. 一種包含一可旋轉的基板支撐加熱器基座之處理腔室，包括： 一腔室主體，該腔室主體具有一側壁、一底部和一蓋組件，該蓋組件包圍一處理空間； 一噴頭，該噴頭耦接到該蓋組件； 一可旋轉的加熱器基座，該可旋轉的加熱器基座設置在該處理空間中並耦接到一基座軸；及 一平衡環組件，該平衡環組件包含： 一平衡環板，該平衡環板耦接到一平衡環支撐結構且具有一中心開口，該基座軸穿過該中心開口設置； 一樞軸螺絲，該樞軸螺絲設置在於該平衡環板中形成的一樞軸座內，其中該樞軸螺絲包含一球形樞軸頭，該平衡環板繞該球形樞軸頭樞轉； 一個或多個馬達，該一個或多個馬達耦接到該平衡環板，該一個或多個馬達經配置提供繞該球形樞軸頭的原位平衡環板運動；及 複數個整平指示器，該複數個整平指示器經配置決定平衡環板的偏轉。
  14. 如請求項13所述之處理腔室，其中該平衡環組件經配置使該加熱器基座自垂直於該X軸的垂直方向移動約0°至約20°，以及使該加熱器基座自垂直於該Y軸的垂直方向移動約0°至約20°。
  15. 如請求項13所述之處理腔室，其中該樞軸螺絲的一頂部延伸穿過該處理腔室的該底部且被該處理腔室的該底部所固定。
  16. 如請求項13至15中任一項所述之處理腔室，其中該加熱器基座和基座軸耦接到該平衡環板，且其中該平衡環板的移動使該加熱器基座和基座軸移動。
  17. 如請求項13至15中任一項所述之處理腔室，其中該一個或多個馬達耦接到同軸環形螺絲，該等同軸環形螺絲基於該等同軸環形螺絲的轉動方向提供平衡環板調整。
  18. 如請求項17所述之處理腔室，其中在每360度旋轉該馬達時每個同軸環形螺絲提供至多5密耳的該平衡環板擺動。
  19. 如請求項17所述之處理腔室，其中每個同軸環形螺絲是彈簧負載的，且包括設置在該平衡環板和該處理腔室的該底部之間的一彈簧。
  20. 一種基板支撐加熱器基座組件，包括： 一可旋轉的加熱器基座； 一基座軸，該基座軸耦接到該加熱器基座的一底部，其中該基座軸繞該加熱器基座的一垂直中心軸旋轉該加熱器基座； 一波紋管，該波紋管繞該基座軸設置； 一平衡環板，該平衡環板具有一中心開口，該基座軸穿過該中心開口設置，其中該加熱器基座、基座軸和波紋管耦接到該平衡環板，且其中該平衡環板的移動使該加熱器基座、基座軸和波紋管移動； 一樞軸螺絲，該樞軸螺絲設置在於該平衡環板中形成的一樞軸座內，其中該樞軸螺絲包含一球形樞軸頭，該平衡環板繞該球形樞軸頭樞轉； 一個或多個馬達，該一個或多個馬達耦接到該平衡環板，該一個或多個馬達經配置提供繞該球形樞軸頭的原位平衡環板運動；及 複數個整平指示器，該複數個整平指示器經配置決定平衡環板的偏轉。
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