TW201944529A - 具有整合加壓氦冷卻的陶瓷晶圓加熱器 - Google Patents

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Abstract

本揭示案的實施例一般提供用於冷卻基板支撐的設備及方法。在一個實施例中，本揭示案提供用於基板支撐的冷卻系統。該冷卻系統包含一基板支撐，具有位於該基板支撐內的冷卻通道；流體地耦合至冷卻通道的一熱交換器；流體地耦合至該熱交換器的一壓縮器；流體地耦合至冷卻流體系統的一冷卻流體供應來源；及一真空幫浦。

Description

具有整合加壓氦冷卻的陶瓷晶圓加熱器
本揭示案的實施例一般相關於半導體基板處理系統。更特定地，本揭示案的實施例相關於用於在半導體基板處理系統中控制基板溫度的方法及設備。
在積體電路的製造中，多種處理參數的精確控制在個別基板上達成一致的處理結果，以及從基板到基板可重製的處理結果。因為推動用於形成半導體裝置的結構之幾何限制對抗技術限制，更緊密的容忍度及精確的處理控制改良了製造成功性。然而，隨著縮小的裝置及特徵幾何形狀，更精確的臨界尺寸需求及更高的處理溫度、腔室處理控制變得更加困難。在高溫處理期間，溫度上的改變及/或跨基板的溫度梯度負向地衝擊沉積均勻性、材料沉積率、階梯覆蓋性、特徵漸狹角度、及半導體裝置上的其他處理參數及結果。
一般經由控制背側氣體分配及台座本身的加熱及冷卻(因及支撐上基板的加熱及冷卻)而主要使用基板支撐台座來控制處理期間基板的溫度。雖然傳統基板台座已被證實在較大基板臨界尺寸需求及較低基板處理溫度下為強健的執行者，應改良用於控制跨基板直徑的基板溫度分配之現存技術，以便致能使用較高處理溫度形成的下一代結構的製造。
因此，領域中具有針對用於在半導體基板處理設備中的基板高溫處理期間控制基板溫度的改良方法及設備的需求。
本揭示案的實施例一般提供用於冷卻基板支撐的設備及方法。在一個實施例中，本揭示案提供一種冷卻流體系統，該冷卻流體系統包含一基板支撐及冷卻通道，該等冷卻通道位於該基板支撐內且具有一入口及一出口。該冷卻流體系統進一步包含一管道，該管道在一第一端處流體地耦合至該等冷卻通道的該入口，且在一第二端處流體地耦合至該等冷卻通道的該出口；一熱交換器，該熱交換器在該第一端及該第二端之間流體地耦合至該管道；及一壓縮器，該壓縮器在該第一端及該第二端之間流體地耦合至該管道。
在一個實施例中，本揭示案提供一種冷卻流體系統，具有一靜電吸座；至少一個冷卻通道，該至少一個冷卻通道位於該靜電吸座內；及一熱交換器，該熱交換器流體地耦合至該至少一個冷卻通道。該冷卻流體系統進一步具有一壓縮器，該壓縮器流體地耦合至該熱交換器及該至少一個冷卻通道；及一流體入口埠，該流體入口埠耦合至該至少一個冷卻通道，且經配置以耦合至一冷卻流體供應來源；及一真空幫浦，該真空幫浦流體地耦合至該至少一個冷卻通道。
在一個實施例中，本揭示案提供一種冷卻流體系統，具有一靜電吸座；至少一個冷卻通道，該至少一個冷卻通道位於該靜電吸座內；及一熱交換器，該熱交換器流體地耦合至該至少一個冷卻通道。該冷卻流體系統進一步具有一壓縮器，該壓縮器流體地耦合至該熱交換器及該至少一個冷卻通道；及一流體入口埠，該流體入口埠耦合至該至少一個冷卻通道，且經配置以耦合至一冷卻流體供應來源；及一真空幫浦，該真空幫浦流體地耦合至該至少一個冷卻通道，其中該靜電吸座進一步包括一基板支撐表面、一加熱元件及一電極，其中該加熱元件及該電極設置於該基板支撐表面及該至少一個冷卻通道之間。
本揭示案一般提供用於在基板處理期間在高溫環境中控制基板溫度的方法及設備。雖然相關於包含電漿蝕刻及電漿沉積處理的半導體基板電漿處理設備來圖示性地描述本揭示案，可將本揭示案的標的使用於其他處理系統中，包含非電漿蝕刻、沉積、植入、及熱處理、或需要控制基板或其他工件的溫度剖面的其他應用中。
圖1描繪基板處理系統100的示意視圖，具有基板支撐組件116的一個實施例，具有整合加壓冷卻系統182。提供此處所展示的基板處理系統100的特定實施例以用於圖示目的且不應使用以限制本揭示案的範圍。
處理系統100一般包含處理腔室110、氣體面板138及系統控制器140。處理腔室110包含封閉處理容積112的腔室主體(壁)130及噴淋頭120。來自氣體面板138的處理氣體經由噴淋頭120被提供至處理腔室110的處理容積112。可在處理容積112中產生電漿以在維持於其中的基板上執行一個或更多個處理。例如，藉由以下來產生電漿：將來自功率來源(例如，RF功率來源122)的功率經由腔室處理容積112內的一個或更多個電極(下述)耦合至處理氣體，以對處理氣體點火及產生電漿。
系統控制器140包含中央處理單元(CPU) 144、記憶體142、及支援電路146。系統控制器140耦合至且控制處理系統100的部件以控制處理腔室100中所執行的處理，以及可便於與積體電路晶圓廠的資料庫所進行的可選的資料交換。
處理腔室110耦合至且與真空系統113流體連通，真空系統113可包含使用以排空處理腔室110的節流閥(未展示)及真空幫浦(未展示)。可藉由調整節流閥及/或真空幫浦與流入腔室處理容積112的氣體一併來調節處理腔室110內的壓力。
基板支撐組件116設置於內部腔室處理容積112內以用於支撐及吸住基板150，例如半導體晶圓或其他如可被靜電維持的基板。基板支撐組件116一般包含台座組件162以用於支撐靜電吸座188。台座組件162包含中空支撐軸件117，中空支撐軸件117提供用於管送的管道以提供氣體、流體、熱傳送流體、功率等至靜電吸座188。
靜電吸座188一般由陶瓷或相似的介電材料形成，且包括使用功率供應128來控制的至少一個夾具電極186。在進一步的實施例中，靜電吸座188可包括經由匹配網路124耦合至RF功率來源122的至少一個RF電極(未展示)。可選地，靜電吸座188可包括一個或更多個基板加熱器。在一個實施例中，使用耦合至功率來源132的兩個同心及可獨立控制的電阻性加熱器(展示為同心加熱元件184A、184B)以控制基板150的邊緣至中央溫度剖面。
靜電吸座188進一步包含在靜電吸座188的基板支撐表面162中形成且流體地耦合至熱傳送(或背側)氣體的來源148的複數個氣體通路(未展示)，例如溝槽。在操作中，以控制的壓力提供背側氣體(例如，氦(He))進入氣體通路以增強靜電吸座188及基板150之間的熱傳送。在一些範例中，至少靜電吸座188的基板支撐表面163提供對基板處理期間所使用的化學品及溫度具阻抗的塗覆。
靜電吸座188包含耦合至冷卻系統182的一個或更多個冷卻通道187。藉由冷卻系統182經由冷卻通道187來提供熱傳送流體，可為至少一個氣體，例如氟氯烷(Freon)、氬、氦、或氮等，或液體例如水、Galvan、或油等。以預先決定的溫度及流率來提供熱傳送流體，以控制靜電吸座188的溫度及部分地控制設置於基板支撐組件116上的基板150的溫度。控制基板支撐116的溫度以維持基板150處於所需溫度，或在處理期間在所需溫度之間改變基板溫度。冷卻通道187可在加熱元件184A及184B、夾具電極186及RF電極(未展示)下方被製造進入靜電吸座188。替代地，在一個範例中，冷卻通道187設置於台座組件162中，靜電吸座188下方。
冷卻流體繞經冷卻通道187以移除來自靜電吸座188的超過的熱。藉由處理容積112內的電漿來產生熱且藉由基板因及靜電吸座188來吸收熱。在一個實施例中，使用氦作為冷卻流體，特別是因為在電漿為高溫電漿使用大量RF能量以承受基板150上方的電漿時氦在熱傳送時非常有效。作為冷卻氣體的氦具有相較其他冷卻媒介眾多的優點。例如，可使用氦以用於高溫應用，因為氦在大於4度(絕對溫度)的溫度下沒有溫度限制，例如限制熱傳送量的沸點，相較於水，具有攝氏100度的沸點。此外，氦易於在晶圓處理環境內取得且不可燃亦無毒。
使用複數個感測器(圖1中未展示)來監測基板支撐組件116的溫度，因及基板150的溫度。感測器的繞線係經由台座組件162。溫度感測器(例如，光纖溫度感測器)耦合至系統控制器140以提供基板支撐組件116及靜電吸座188的溫度剖面的指標。
圖2為圖1中所展示的基板支撐冷卻系統182的示意繪圖。在一個實施例中，冷卻系統182為封閉迴路流體供應系統，使用以在電漿處理期間以所需設定點溫度及流率提供熱傳送流體至靜電吸座188。例如，在使用氦作為熱傳送流體以用於靜電吸座188時，來自冷卻通道187的氦在熱交換器204中冷卻，接著再次繞至冷卻通道187以冷卻，亦即，自靜電吸座188移除熱。非封閉迴路系統將藉由持續以設定點溫度及流率自外部氦氣供應來源提供氦氣，接著一旦加熱的氦通過冷卻通道187則拋棄加熱的氦氣，來冷卻靜電吸座188。藉由在封閉迴路處理中使用氦，限制了氦的量及成本，但也可封閉地調節繞至靜電吸座188的氦的溫度及流率，而導致靜電吸座188的溫度設定點及其上的基板150的最終處理溫度之增加的控制。
如圖2中所展示及參考圖1，氣體輸送管道191及氣體返回管道192經由台座組件162的中空支撐軸件117繞至且來自靜電吸座188內的冷卻通道187。外部氦供應來源202流體地耦合至氣體輸送管道191以供應氦氣至冷卻系統182。在外部氦供應來源202及氣體輸送管道191之間放置控制閥241以調節流入封閉迴路系統的氦氣的量(流率)及壓力。
在一個實施例中，真空系統113可耦合至氣體輸送管道191。如上述，真空系統113包含使用以排空處理腔室110的真空幫浦(未展示)。藉由耦合真空系統113至封閉迴路流體供應，系統提供存在的真空來源以在氦自外部氦供應來源202被導入系統之前沖洗封閉迴路系統的空氣。藉由使用存在的真空系統113，不需要分開的沖洗真空，或替代地，不需要來自氦供應來源202的氣體來沖洗封閉迴路系統的空氣。在真空系統113及氣體輸送管道191之間放置控制閥242以調節封閉迴路系統的沖洗。
氣體返回管道192經由台座組件162的中空支撐軸件117(在圖1中展示)在靜電吸座188內輸送來自冷卻通道187的加熱的氣體至熱交換器204。藉由熱交換器204自氦氣移除熱。熱交換器204耦合至設施冷卻水(未展示)，且設施冷卻水傳送來自氦氣的浪費的熱至設施冷卻水。藉由系統控制器140(在圖1中展示)來監視及控制自氦氣移除的熱量。系統控制器140調節熱交換器204，因此氦氣被冷卻的程度係基於腔室處理條件，包含電漿溫度、基板支撐組件116的溫度、及基板150的目標處理溫度等。
壓縮器206流體地連接至熱交換器204且增加靜電吸座188中穿過冷卻通道187的氦氣的壓力。已發現到：藉由增加氦氣密度來增加熱傳送，亦即，自靜電吸座進入氦氣的熱移除率。為了便於增加熱傳送，壓縮器206提供增加的運作壓力且以較高流率提供氦氣。藉由增加氦氣的壓力，針對任何給定的容積流率來增加質量流率。因為氦氣的質量流率(例如，氣流中的氦密度中的改變)改變了質量流率，支配了氦氣所移除的熱量，封閉迴路流體供應系統中的運作壓力中的增加將熱移除率增加了運作壓力對大氣壓力的比例。使用壓縮器206以增加氦的運作壓力。也使用壓縮器以維持運作壓力且克服與氦氣的壓降相關聯的高頭部損失(導因於與氣體輸送管道191及192、冷卻通道187及其他冷卻系統部件之定向相關聯的摩擦力以抽吸經過冷卻系統的氦)。藉由系統控制器140來控制壓縮器206及封閉迴路流體供應系統的流率，且與靜電吸座188的溫度控制一併控制。可使用節流閥240以調節流經系統的氦，但替代地，可使用控制流動的任何方式，例如經由DC馬達或具有可變頻率驅動的AC馬達來驅動壓縮器。DC馬達及可變頻率驅動皆提供可變馬達速度，因此提供可變可控制流動。
在操作中，將來自氦供應來源202的氦供應進入冷卻系統至冷卻電路中所需壓力(因及每立方公分(cc)的氦質量)，接著關閉控制閥241以隔絕氦供應來源202與冷卻電路。藉由壓縮器206的壓力來流動氦氣，因而引導至靜電吸座188內的冷卻通道187。將加熱元件184A及184B(在圖1中展示)賦能以提升靜電吸座188及基板150的溫度至目標、或設定點、處理溫度。例如，靜電吸座的目標溫度可為攝氏200度及攝氏700度之間，例如攝氏300度。在達到靜電吸座溫度時，應用RF功率以衝擊處理容積112內的電漿。隨著基板150及靜電吸座188吸收來自電漿的熱能，控制氦流率以維持所需操作目標溫度，亦即，靜電吸座188的設定點溫度，且防止靜電吸座188過熱。
在一個操作中，將經過靜電吸座188的冷卻通道187的氦流率維持於一恆常流率，以吸收來自靜電吸座188的熱能，同時藉由系統控制器140來可變地控制至加熱元件184A及184B的能量，以維持處理期間靜電吸座188的所需操作目標溫度。
在一個操作中，藉由系統控制器140來可變地控制以下兩者：至靜電吸座188的加熱元件184A及184B的能量、及經過靜電吸座188的冷卻通道187的氦流率，以提供操作處理窗部期間靜電吸座188的所需操作溫度或溫度。
冷卻系統182的氦供應來源202、熱交換器204、壓縮器206及真空系統113之排列僅用於圖示目的，不需按如圖2中所展示的順序及排列來提供。而是，該等部件的排列可按任何順序以有效地切合於腔室系統架構內、晶圓廠及子晶圓廠內的蹤跡及所需位置(視需求)。
前述係本揭示案的實施例，可修改本揭示案的其他及進一步的實施例而不遠離其基本範圍。
100‧‧‧處理系統
112‧‧‧處理容積
113‧‧‧真空系統
116‧‧‧基板支撐組件
117‧‧‧中空支撐軸件
120‧‧‧噴淋頭
122‧‧‧RF功率來源
124‧‧‧匹配網路
128‧‧‧功率供應
132‧‧‧功率來源
138‧‧‧氣體面板
140‧‧‧系統控制器
142‧‧‧記憶體
144‧‧‧CPU
146‧‧‧支援電路
148‧‧‧來源
150‧‧‧基板
162‧‧‧台座組件
163‧‧‧基板支撐表面
182‧‧‧冷卻系統
184A‧‧‧加熱元件
184B‧‧‧加熱元件
186‧‧‧夾具電極
187‧‧‧冷卻通道
188‧‧‧靜電吸座
191‧‧‧氣體輸送管道
192‧‧‧氣體返回管道
202‧‧‧外部氦供應來源
204‧‧‧熱交換器
206‧‧‧壓縮器
240‧‧‧節流閥
241‧‧‧控制閥
242‧‧‧控制閥
於是可以詳細理解本揭示案上述特徵中的方式，可藉由參考實施例而具有本揭示案的更特定描述(簡短總結如上)，其中一些圖示於所附圖式中。然而，注意所附圖式僅圖示本揭示案典型的實施例，因此不考慮限制其範圍，因為本揭示案可允許其他等效實施例。
圖1為根據此處所揭露的一個實施例的半導體基板處理設備的截面示意圖，包括基板台座。
圖2為根據此處所揭露的一個實施例的封閉迴路流體供應來源的示意繪圖。
國內寄存資訊 (請依寄存機構、日期、號碼順序註記)
無
國外寄存資訊 (請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記)
無

Claims (20)

  1. 一種冷卻流體系統，包括： 一基板支撐；冷卻通道，該等冷卻通道設置於該基板支撐內且具有一入口及一出口；一管道，該管道在一第一端處流體地耦合至該等冷卻通道的該入口，且在一第二端處流體地耦合至該等冷卻通道的該出口；一熱交換器，該熱交換器在該第一端及該第二端之間流體地耦合至該管道；及一壓縮器，該壓縮器在該第一端及該第二端之間流體地耦合至該管道。
  2. 如請求項1所述之冷卻流體系統，其中該冷卻流體系統為一封閉迴路冷卻系統。
  3. 如請求項1所述之冷卻流體系統，進一步包括一真空系統，該真空系統流體地耦合至該冷卻流體系統。
  4. 如請求項3所述之冷卻流體系統，其中該真空系統包括一真空幫浦，該真空幫浦流體地耦合至一處理腔室，該基板支撐位於該處理腔室內。
  5. 如請求項1所述之冷卻流體系統，其中該基板支撐進一步包括一靜電吸座，且該等冷卻通道設置於該靜電吸座內。
  6. 如請求項5所述之冷卻流體系統，其中該基板支撐進一步包括加熱元件及一電極。
  7. 如請求項5所述之冷卻流體系統，其中該基板支撐耦合至一支撐軸件，且該管道位於該支撐軸件內。
  8. 如請求項1所述之冷卻流體系統，其中該冷卻流體供應來源為一氦氣來源。
  9. 如請求項1所述之冷卻流體系統，其中該壓縮器包括一可變速DC馬達。
  10. 如請求項1所述之冷卻流體系統，其中該壓縮器包括具有一可變頻率驅動的一AC馬達。
  11. 如請求項1所述之冷卻流體系統，進一步包括一節流閥。
  12. 一種冷卻流體系統，包括： 一靜電吸座；至少一個冷卻通道，該至少一個冷卻通道位於該靜電吸座內；一熱交換器，該熱交換器流體地耦合至該至少一個冷卻通道；一壓縮器，該壓縮器流體地耦合至該熱交換器及該至少一個冷卻通道；一流體入口埠，該流體入口埠耦合至該至少一個冷卻通道，且經配置以耦合至一冷卻流體供應來源；及一真空幫浦，該真空幫浦流體地耦合至該至少一個冷卻通道。
  13. 如請求項12所述之冷卻流體系統，其中該冷卻流體系統為一封閉迴路冷卻系統。
  14. 如請求項12所述之冷卻流體系統，其中該真空幫浦流體地耦合至該冷卻通道。
  15. 如請求項14所述之冷卻流體系統，其中該真空幫浦也耦合至一處理腔室，該靜電吸座位於該處理腔室內。
  16. 如請求項12所述之冷卻流體系統，其中該冷卻流體供應來源包括一氦氣來源。
  17. 如請求項12所述之冷卻流體系統，其中該壓縮器進一步包括一可變速DC馬達。
  18. 如請求項12所述之冷卻流體系統，其中該壓縮器進一步包括具有一可變頻率驅動的一AC馬達。
  19. 如請求項12所述之冷卻流體系統，進一步包括一節流閥。
  20. 一種冷卻流體系統，包括： 一靜電吸座；至少一個冷卻通道，該至少一個冷卻通道位於該靜電吸座內；一熱交換器，該熱交換器流體地耦合至該至少一個冷卻通道；一壓縮器，該壓縮器流體地耦合至該熱交換器及該至少一個冷卻通道；一流體入口埠，該流體入口埠耦合至該至少一個冷卻通道，且經配置以耦合至一冷卻流體供應來源；及一真空幫浦，該真空幫浦流體地耦合至該至少一個冷卻通道，其中該靜電吸座進一步包括一基板支撐表面、一加熱元件及一電極，其中該加熱元件及該電極設置於該基板支撐表面及該冷卻通道之間。
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