TW202116124A - 多區式台座的溫度控制 - Google Patents

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拉密許 謙德拉瑟哈蘭
麥可 菲利浦 羅伯茨
亞倫 賓漢
阿希什 沙烏拉布
艾里恩 拉芙依
普爾基特 艾嘉沃
拉维 庫馬爾
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美商蘭姆研究公司
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Abstract

一種處理半導體基板的系統包含一基板支座組件，其係配置以支撐該半導體基板。該基板支座組件包含M個電阻加熱器，其係分別設置於該基板支座組件之一層中的M個區帶中，其中M為大於1的整數。該層鄰近於該半導體基板。該基板支座組件包含N個溫度感測器，其係設置於該層中的N個位置處，其中N為大於1且小於或等於M的整數。該系統更包含一控制器，其係配置以基於由該N個溫度感測器中之一者所感測的溫度及該M個區帶之一或多者的平均溫度而控制該M個電阻加熱器之一或多者。

Description

多區式台座的溫度控制
[相關申請案的交互參照] 本申請案主張2019年6月24日提交的美國臨時專利申請案第62/865,621號的優先權。在此將上述申請案之全部內容引入以供參照。
本發明大體上涉及基板處理系統，更具體而言，涉及多區式台座的溫度控制。
此處所提供之先前技術說明係為了大體上介紹本發明之背景。在此先前技術章節中所敘述之範圍內之本案列名之發明人的成果、以及在申請時不適格作為先前技術之說明書的實施態樣，皆非有意地或暗示地被承認為對抗本發明之先前技術。
基板處理系統可用以執行基板(例如半導體晶圓)之蝕刻、沉積、及/或其他處理。可在基板上執行之處理的範例包含(但不限於)化學氣相沉積(CVD)、電漿輔助化學氣相沉積(PECVD)、原子層沉積(ALD)、原子層蝕刻(ALE)、電漿輔助原子層沉積(PEALD)、及/或其他蝕刻、沉積、及清潔處理。在處理期間，基板被設置於基板處理系統之處理腔室中的基板支座(例如底座、靜電卡盤(ESC)等)上。將處理氣體混合物導入處理腔室中以處理基板。在某些範例中，可觸發電漿以增強處理腔室內的化學反應。
在基板處理期間，可藉由設置於基板支座中的電阻加熱器而控制基板的溫度。在某些範例中，將電阻加熱器設置於個別受控的二或更多區帶中。為了在由電阻加熱器加熱之區帶中保持熱均勻性，通常需要各個區帶中的直接溫度量測或個別校準的間接溫度量測(例如，透過加熱器電阻與溫度的已知相依性)。
一種處理半導體基板的系統包含一基板支座組件，其係配置以支撐該半導體基板。該基板支座組件包含M個電阻加熱器，其係分別設置於該基板支座組件之一層中的M個區帶中，其中M為大於1的整數。該層鄰近於該半導體基板。該基板支座組件包含N個溫度感測器，其係設置於該層中的N個位置處，其中N為大於1且小於或等於M的整數。該系統更包含一控制器，其係配置以基於由該N個溫度感測器中之一者所感測的溫度及該M個區帶之一或多者的平均溫度而控制該M個電阻加熱器之一或多者。
在其它特徵中，該M個區帶包含：位在該層的中心區域處的第一圓形區帶；圍繞該第一圓形區帶的第二環形區帶；位在圍繞該第二環形區帶的第一環形區域中之第一組區帶；以及位在圍繞該第一環形區域的第二環形區域中之第二組區帶。
在另一特徵中，該第一組區帶係相對於該第二組區帶而旋轉一角度。
在另一特徵中，該第一組區帶係相對於該第二組區帶而旋轉四十五度之角度。
在另一特徵中，該第一及第二環形區域具有不同的寬度。
在另一特徵中，該第二環形區帶具有與該第一及第二環形區域之各者不同的寬度。
在另一特徵中，該第一及第二組區帶之各者包含四個區帶。
在其它特徵中，該N個溫度感測器包含：位在該第一圓形區帶中之第一溫度感測器；沿著該層之第一直徑而位在該第二環形區帶與該第一組區帶之間的第一邊界處之第一對溫度感測器；以及沿著該層之第二直徑而位在該第一組區帶與該第二組區帶之間的第二邊界處之第二對溫度感測器。該第一溫度感測器係位在該第一與第二直徑的交點處。
在其它特徵中，該第一及第二對溫度感測器的位置對應於一平行四邊形的頂點，且該第一及第二直徑形成該平行四邊形的對角線。
在另一特徵中，該控制器係配置以獨立於該M個電阻加熱器中之其他者而控制該M個電阻加熱器中之一者。
在另一特徵中，該控制器係配置以基於該半導體基板的目標溫度輪廓而控制該M個電阻加熱器中之一或多者。
在又其它特徵中，一種用以支撐半導體基板的基板支座組件包含一底板，其包含鄰近於該半導體基板的一層。該基板支座組件包含M個電阻加熱器，其係分別設置於該層中的M個區帶中，其中M為大於1的整數。該M個區帶包含：位在該層的中心區域處之第一圓形區帶；圍繞該第一圓形區帶之第二環形區帶；位在圍繞該第二環形區帶的第一環形區域中之第一組區帶；以及位在圍繞該第一環形區域的第二環形區域中之第二組區帶。該基板支座組件包含N個溫度感測器，其係設置於該層中的N個位置處，其中N為大於1且小於或等於M的整數。該N個溫度感測器包含：沿著該層之第一直徑而位在該第二環形區帶與該第一組區帶之間的第一邊界處之第一對溫度感測器；沿著該層之第二直徑而位在該第一組區帶與該第二組區帶之間的第二邊界處之第二對溫度感測器；以及位在該第一圓形區帶中且在該第一與第二直徑的交點處之第一溫度感測器。
在其它特徵中，該第一及第二對溫度感測器的位置對應於一平行四邊形的頂點，且該第一及第二直徑形成該平行四邊形的對角線。
在另一特徵中，該第一組區帶係相對於該第二組區帶而旋轉一角度。
在另一特徵中，該第一組區帶係相對於該第二組區帶而旋轉四十五度之角度。
在另一特徵中，該第一及第二環形區域具有不同的寬度。
在另一特徵中，該第二環形區帶具有與該第一及第二環形區域之各者不同的寬度。
在另一特徵中，該第一及第二組區帶之各者包含四個區帶。
在其它特徵中，一種系統包含該基板支座組件及一控制器，其係配置以基於由該N個溫度感測器中之一者所感測的溫度及該M個區帶之一或多者的平均溫度而控制該M個電阻加熱器之一或多者。
在另一特徵中，該控制器係配置以獨立於該M個電阻加熱器中之其他者而控制該M個電阻加熱器中之一者。
在另一特徵中，該控制器係配置以基於該半導體基板的目標溫度輪廓而控制該M個電阻加熱器中之一或多者。
在其它特徵中，一種系統包含該基板支座組件及一控制器，其係配置以利用由該N個溫度感測器中之一者所感測的溫度並結合對該M個區帶的開迴路控制而控制該M個電阻加熱器之一或多者。對該M個區帶的該開迴路控制包含將供應至該M個區帶之各者的功率與該半導體基板的量測溫度相關聯。
在其它特徵中，一種系統包含該基板支座組件及一控制器，其係配置以基於以下者而相對於該M個電阻加熱器中之第二電阻加熱器而控制該M個電阻加熱器中之第一電阻加熱器：由該N個溫度感測器中之一者所感測的溫度及該第一與第二電阻加熱器的電阻比。
本揭露內容之進一步的可應用領域將從實施方式、發明申請專利範圍及圖式中變得明顯。詳細說明及具體範例係意圖為僅供說明的目的，而非意欲限制本揭示內容的範圍。
雖然本揭示內容包含與基板處理系統之基板支座中之多個區帶的溫度控制相關的特定範例，但本文所述之系統及方法可應用於使用分區電阻加熱之其他類型的元件中之溫度控制。
在諸如原子層沉積(ALD)之薄膜沉積製程中，所沉積之薄膜的特性在空間分佈(亦即，水平面的x-y座標)上變化。例如，基板處理工具可具有薄膜厚度不均勻性(NU)的相應規格，其可利用量測集合的全範圍、半範圍、及/或標準差進行衡量，該量測集合係在半導體基板表面上的預定位置處所量測。在一些範例中，可藉由解決NU之直接原因、及/或引入抵消性NU以補償及消除現有NU而使NU減小。在一些範例中，可特意地不均勻地沉積及/或移除材料，以補償在製程中之其他(例如先前或後續的)步驟的已知不均勻性。在該等其他範例中，可計算和使用預定的非均勻沉積/移除輪廓。
沉積的ALD薄膜之各種性質可能受到基板溫度所影響。依據本發明之系統及方法係配置以調整基板各處的溫度分佈俾減小厚度NU。例如，可調整溫度分佈以補償特定基板處理工具的已知NU(其稱為輪廓補償)，俾產生用於特定處理期間的預定NU輪廓(其稱為輪廓調諧)等等。
例如，在ALD處理(例如，氧化物膜之沉積)期間，將基板設置於諸如ALD基座的基板支座上。通常，ALD基座包含單一區帶。依據本發明之ALD基座包含多區帶(例如2至10個以上的區帶)加熱器層。可將加熱器層嵌入基座的上層內。加熱器層可包含聚醯亞胺及聚矽氧加熱器層，其係部分地包封於鋁上層(例如，配置以支撐/接觸設置於基板支座上之基板的上層)中。在此範例中，鋁上層之設置可用作一法拉第籠(Faraday cage)。在其他範例中，上層可為陶瓷層(例如，Al2 O3 、AlN等)。加熱器層的各個區帶控制基座之相應區帶的溫度。上層係設置於基座的基底(例如，底板)上，且熱可從上層傳遞至底板(其可能為冷卻的)。
區帶之設置方式(例如，數量、形狀、幾何等)係配置以補償ALD處理所導致的已知薄膜厚度NU。該等區帶可包含(但不限於)：兩個以上的具有不同寬度之徑向(亦即，環形)區帶；兩個以上的分段徑向區帶(亦即，包含多個區段/方位角區帶的徑向區帶)；鄰近基板邊緣且/或與基板邊緣重疊的外側徑向區帶；以及設置以調整承載環之溫度(例如，俾控制/校正沉積處理及/或透過修整之移除處理的徑向輪廓)的外側徑向區帶。
在一範例中，該等區帶包含十個區帶，包括中央區帶、內側中間半徑區帶、四個外側中間半徑區帶(亦即，包含四個區段的外側中間半徑區帶)、及四個外側邊緣區帶(亦即，包含四個區段的外側邊緣區帶)。在某些範例中，該等徑向區帶可包含多於四個的區段(例如，八個以上)。再者，相鄰徑向區帶的方位角區帶可能並未對齊。而是，一徑向區帶的方位角區帶可相對於相鄰的徑向區帶而具有不同的旋轉定向(亦即，時鐘定向)。
該等區帶之各者包含一電阻加熱器。電阻加熱器包含電阻元件，其係由具有高電阻溫度係數(TCR)之材料所製成。因此，在整個本揭示內容中，電阻加熱器亦稱為高TCR加熱器元件。在某些範例中，加熱器元件具有攝氏每度大於0.001的高TCR。僅舉例而言，可使用鉬、鎢(W)、銅、或鎳加熱器元件。在其他範例中，加熱器元件具有攝氏每度小於0.001的較低TCR。僅舉例而言，可使用不鏽鋼(SST)合金。
控制加熱器區帶的溫度(亦即，控制供應至多個區帶中之電阻加熱器的功率)以在處理期間達到基板的目標溫度輪廓(亦稱為熱圖)。控制多個區帶之溫度的一種方法為開迴路控制，其將供應至各個區帶的功率與晶圓的量測溫度相關聯。然而，此方法在單獨使用時具有若干缺點。例如，一個缺點為開迴路控制缺少關於任何負載變化的資料，該等負載變化可能在晶圓周圍的環境中發生並可能導致基板溫度的變化。另一缺點為，當從一溫度設定點移至另一溫度設定點時，響應時間比使用閉迴路控制時更慢。亦即，當改變供應至一或更多區帶之功率以引致期望的溫度變化時，發生實際溫度變化所花費的時間可能比使用閉迴路控制時更慢許多。
相對地，在閉迴路控制(例如，PID控制)中，使用反饋迴路以控制供應至各個區帶的功率，其提供兩個益處。第一，與開迴路控制相比，閉迴路控制使得溫度控制對其他刺激(例如，任何負載變化)的強健性更高；第二，當從一溫度設定點移至另一溫度設定點時，響應時間比開迴路控制更快。亦即，當改變供應至一或更多區帶之功率以引致期望的溫度變化時，發生實際溫度變化所花費的時間比開迴路控制更快。
若晶圓的溫度與熱電偶(TC)之間存在相關性，則在基座中使用多個區帶且各個區帶具有熱電偶(TC)可足以控制晶圓上的溫度分布。作為替代，可使用提供選定區帶之局部溫度的最小數量之TC與區帶的平均溫度以控制晶圓上的溫度分布，如以下所說明。
本揭示內容涉及一溫度控制方案，其將基座表面的局部溫度量測(例如，利用TC、或電阻溫度計，其亦稱為電阻溫度感測器(RTD))與區帶的平均溫度結合、或與開迴路控制結合，如下所述。具體而言，所提出之溫度控制方案將少於所有區帶的局部溫度量測(例如，利用TC或RTD或類似方法)與不包含TC於其中之區帶上的開迴路電流/電壓控制相結合。TC提供區帶的局部溫度，其代表區帶中的點位置處之溫度。此外，當與局部溫度量測結合時，該等區帶中之加熱器元件的平均溫度量測係用以將基座表面溫度精確地設至指定的溫度輪廓。
基於高TCR的平均區帶溫度量測方法可與多個(例如10個)區帶一起使用，且可提供對所有區帶進行閉迴路控制的能力。在基於高TCR的方法中，可對區帶中之高TCR加熱器元件的電阻進行量測。可利用查找表或公式將電阻與溫度相關聯，以提供區帶中的平均溫度。基於高TCR的方法可提供區帶的平均溫度，其可照原況使用或與局部溫度量測結合使用。本發明之該等及其他態樣係在下文中詳細描述。
現參照圖1A及1B，顯示依據本發明之包含基板支座(例如ALD底座)104之基板處理系統100的範例。基板支座104係設置於處理腔室108內。在處理期間，基板112係設置於基板支座104上。在某些範例中，基板支座104可配置以使得與基板112之接觸最小化(例如，僅有基板112的外緣可接觸基板支座104的上表面、基板112可被設置於最小接觸面積(MCA)特徵部上等等)。在其他範例中，基板支座104可配置以提供背側氣體夾持。
氣體輸送系統120係配置以使處理氣體流入處理腔室108中。例如，氣體輸送系統120包含氣體源122-1、122-2、…、及122-N(統稱為氣體源122)，其係連接至閥124-1、124-2、…、及124-N(統稱為閥124)及質量流量控制器126-1、126-2、…、及126-N(統稱為MFC 126)。MFC 126控制由氣體源122至歧管128之氣體流動，氣體在歧管128處進行混合。歧管128之輸出係經由選用性的壓力調節器132而供應至歧管136。歧管136之輸出被輸入至多注入器噴淋頭140。雖然顯示歧管128及136，但可使用單一歧管。
基板支座104包含複數區帶。例如，如圖1B所示，基板支座104包含中央區帶144、內側中間半徑區帶148、四個外側中間半徑區帶(亦即，包含四個區段152-1、152-2、152-3、及152-4的外側中間半徑區帶152)、及四個外側邊緣區帶(亦即，包含四個區段156-1、156-2、156-3、及156-4的外側邊緣區帶156)。外側邊緣區帶156之區段與外側中間半徑區帶152之區段偏移(亦即，相對於外側中間半徑區帶152之區段而旋轉) (例如，45°)。在某些範例中，基板支座104可包含第二外側邊緣區帶158，其位在外側邊緣區帶156的徑向外側。例如，第二外側邊緣區帶158的內徑可大於基板112的直徑。可藉由使用設置於該等區帶之各個區帶中的可個別控制之電阻加熱器160以控制基板支座104的溫度，如下所述。
在某些範例中，外側邊緣區帶156可重疊及/或延伸超出(亦即，在徑向方向上)基板112的外緣。例如，對於300 mm之基板而言，外側邊緣區帶156之半徑可大於300 mm。再者，外側邊緣區帶156的寬度(亦即，從內半徑至外半徑的距離)可小於內側中間半徑區帶148及外側中間半徑區帶152的寬度。例如，外側邊緣區帶156的寬度可為大約10 mm(例如，+/- 2 mm)，而內側中間半徑區帶148及外側中間半徑區帶152的各別寬度可為大約40 mm(例如，+/- 2 mm)。外側邊緣區帶156之相對窄的寬度可促進基板112之外緣處的微調。
在某些範例中，基板支座104可包含冷卻劑通道164。冷卻流體係從流體儲存部168及泵浦170供應至冷卻劑通道164。可將壓力感測器172、174分別設置於歧管128或歧管136中以量測壓力。閥178及泵浦180可用以將反應物從處理腔室108中排空、及/或控制處理腔室108內的壓力。
控制器182包含一給劑控制器184，其控制由多注入器噴淋頭140所提供之給劑。控制器182亦控制來自氣體輸送系統120的氣體輸送。控制器182利用閥178及泵浦180以控制處理腔室中之壓力及/或反應物排空。控制器182如下述地控制基板支座104及基板112的溫度。
圖2顯示基座的徑向區帶。該等徑向區帶被標示為R1、R2、…、及R10。熱電偶TC1、TC2、…、及TC5(以實心圓繪示)係如圖示地設置。雖然在整個本發明中使用TC以用於說明，但應理解，RTD可代替TC使用或與TC結合使用。具體而言，TC1係位在中央區帶R1(元件144)的中心。熱電偶TC2、TC3、TC4、及TC5係以交叉形式設置於該等徑向區帶之間的邊界處，如圖所示。
具體而言，兩個熱電偶TC3及TC5係以交叉形式設置於徑向區帶R2(元件148)與徑向區帶R3、R4、R5、及R6(元件152)之間的邊界上之直徑上相對的兩端，如圖所示。兩個熱電偶TC3及TC5可沿著穿過徑向區帶R4及R6之中心的基座的第一直徑而設置，如圖所示。第一直徑亦穿過徑向區帶R7與R8的接合處，且穿過徑向區帶R9與R10的接合處，如圖所示。兩個熱電偶TC3及TC5可分別鄰近或靠近徑向區帶R4及R6之中心，如圖所示。
另兩個熱電偶TC2及TC4係以交叉形式設置於徑向區帶R3、R4、R5、及R6(元件152)與徑向區帶R7、R8、R9、及R10(元件156)之間的邊界上之直徑上相對的兩端，如圖所示。另兩個熱電偶TC2及TC4可沿著穿過徑向區帶R3及R5之中心的基座的第二直徑而設置，如圖所示。第二直徑亦穿過徑向區帶R7與R10的接合處，且穿過徑向區帶R8與R9的接合處，如圖所示。熱電偶TC2可位於徑向區帶R7與R10的接合處，且熱電偶TC4可位於徑向區帶R8與R9的接合處，如圖所示。
例如，基座的第一及第二直徑可以九十度之角度或另一角度相交。例如，熱電偶TC2、TC3、TC4、及TC5可位於一平行四邊形的頂點處；且第一及第二直徑形成該平行四邊形的對角線。熱電偶TC1可位於第一及第二直徑之交點處，如圖所示。
當以此方式設置時，熱電偶TC1、TC2、…、及TC5可獲取基座的區帶間熱相互作用及兩個不同直徑處之局部溫度。藉著從高TCR加熱器元件獲得的各個區帶之平均溫度及從選定區帶中之TC獲得的選定區帶之局部溫度，可建構所有區帶的熱圖。再者，藉由利用選定區帶之局部溫度與各區帶之平均溫度的組合以控制加熱器元件，可達到遍及晶圓各處的目標溫度分佈。
可利用局部溫度量測以進行高TCR加熱器之校準(亦即，判定溫度與電阻的對應關係)。例如，在開迴路校準方法中，使輸入到區帶R1至R10的功率依序(亦即，R1，然後R2，然後R3，依此類推)增加X%，並量測晶圓溫度。定義晶圓溫度對各個區帶之功率值的敏感度量測(例如，dT/dp，其中T表示晶圓溫度；且p表示以電壓、電流、或兩者表示的功率)。在收集晶圓溫度資料時，亦並行地量測各個區帶的平均溫度，並且定義晶圓溫度對各個區帶之平均溫度的敏感度量測dT/dT加熱器元件 。亦可定義平均區帶溫度對各個區帶之功率值的另一敏感度量測dT加熱器元件 /dp。因此，控制變數可為供應至各個區帶的功率或區帶的平均溫度。藉由控制任一者或兩者，可控制晶圓的溫度。
將平均區帶溫度用作額外(亦即，輔助)控制變數(用於改善晶圓溫度分佈輪廓之標定)或主要控制變數可取決於時間。在穩態下，可使用開迴路控制對晶圓的溫度進行控制。當切換狀態(例如，因負載變化)時，平均區帶溫度可用作主要控制變數。一區帶的平均溫度可透過分析來自區帶中之高-TCR加熱器元件的電阻-溫度關係資料而獲得。例如，平均溫度可為面積加權平均，其中該面積含有該高-TCR加熱器元件。
在某些情況下，可避免計算平均區帶溫度之附加步驟。例如，若欲將平均區帶溫度用作輔助變數(例如，用於瞬態響應)，則兩個區帶中之加熱器元件的電阻比可用於增加或減小供應至兩個區帶之一者中的加熱器元件的功率，而非如下述地使用兩個區帶的平均溫度。
可使用若干方法以控制晶圓溫度。例如，最不複雜的方法涉及基於各個區帶的平均溫度而控制供應至各個區帶的功率。最複雜的方法涉及為整個熱圖定義最小均方(LMS)溫度目標、以及利用脈寬調變(PWM)控制供應至各個區帶的功率。
在中等複雜度的混合式方法中，將最小數量的TC與平均區帶溫度結合使用以控制特定區帶。在第四個方法中，在穩態下可利用開迴路控制以控制區帶的溫度；並且當切換狀態時(例如當負載變化時)，平均區帶溫度可用作主要控制變數。
以下為混合式方法的一些範例。在一範例中，在圖2中，TC1、TC2、及TC3可分別控制區帶R1、R2之輸入及所有外側區帶之基線。平均區帶溫度係用作控制複數區帶之間的電阻比之輸入。利用開迴路控制以控制複數區帶之間的電阻比。
例如，考量外側區帶R7、R8、R9、及R10。該等區帶具有相同的面積。假設該等區帶中之加熱器元件的電阻係相等的。若該等區帶欲具有相同的目標溫度，則該等區帶之其中一者(例如R8)係利用區帶R8的局部溫度來驅動至目標溫度。將區帶R7、R9、及R10驅動至與目標溫度相對應的相同電阻值。假設該等區帶起初在冷態時或加熱後的穩態下係處於相同的電阻值，若在熱態時該等區帶處於相同的電阻值，則該等區帶將處於相同的溫度(亦即，目標溫度)。
現假設區帶R10欲比區帶R8更熱。若已知欲在區帶R8與R10之間達到的溫度比，則可驅動區帶R10以使其具有比區帶R8更高的電阻值，俾使區帶R8與R10的電阻比對應於區帶R8與R10的溫度比。因此，當切換狀態時(例如當負載變化時)，除了使用最小數量的TC(局部溫度量測)以控制特定區帶之外，還可使用平均區帶溫度以控制方位角方向上的該等區帶之間的電阻比。在混合式方法的另一範例中，TC5可控制區帶R6，而平均區帶溫度可控制區帶R2。
圖3A顯示可用以控制圖2中所示之加熱器區帶R1至R10的控制器300。例如，可藉由圖1A中所示之控制器182以實施控制器300。加熱器驅動器302可用以在控制器300的控制下供應功率至選定的TCR加熱器304。例如，TCR加熱器304可用以實施電阻加熱器160(圖示於圖1A中)。電流感測器308可用以對由加熱器驅動器302供應至TCR加熱器304的電流進行感測。電壓感測器310可用以對由加熱器驅動器302供應至TCR加熱器304的電壓進行感測。控制器300基於來自電流感測器308及/或電壓感測器310之各自的電流及/或電壓量測而判定TCR加熱器304之各者的電阻。
圖3B顯示：控制器300使用電阻估計器312以監視加熱器區帶的工作週期，並基於對應的工作週期而估計加熱器區帶的電阻。在此範例中，假設電壓或電流為定值，並且改變電流或電壓的工作週期。換言之，控制器300基於已知電壓或電流及電流或電壓的工作週期而估計電阻。因此，在此範例中，將電流感測器308及電壓感測器310省略。
在圖3A及3B中，控制器300控制加熱器區帶R1-R10中的TCR加熱器304。控制器300選擇一加熱器區帶(例如，圖2中所示的任何區帶R1、R2等)。加熱器驅動器302供應功率至選定的TCR加熱器304。圖3A及3B之控制器300及其他元件的操作係在下文中參照圖5及6而詳細描述。
依據本發明，圖4顯示用於設置複數區帶(及相應的加熱器)及溫度感測器(例如TC及/或RTD)的方法400。在402，方法400包含在基座之上層中的複數區帶中設置高TCR加熱器元件，其中該基座之上層係配置以在處理期間支撐基板。在404，方法400包含如下地設置複數區帶。該等區帶包含在基座之上層之中心區域中的第一區帶(例如，圖1B及2中所示的區帶R1 144)、圍繞該中心區域之內側環形區域中的第二區帶(例如，圖1B及2中所示的區帶R2 148)、圍繞內側環形區域之外側環形區域中的第一組區帶(例如，圖1B及2中所示的區帶R3、R4、R5、及R6或區帶152)、以及圍繞外側環形區域之外側邊緣區域中的第二組區帶(例如，區帶R7、R8、R9、及R10或區帶156)。第二組區帶可相對於第一組區帶而偏移一角度(例如，45°) (例如，如圖1B所示)。
在406，方法400包含如下地設置數量少於區帶數的複數溫度感測器(例如TC及/或RTD)。一個TC係設置於第一區帶(例如，圖2中所示之區帶R1 144中的TC1)。第一對TC(圖2中所示之TC3及TC5)係沿著內側環形區域(區帶R2 148)與外側環形區域(區帶152)之間的第一邊界並沿著第一直徑而設置。第二對TC(圖2中所示之TC2及TC4)係沿著外側環形區域(區帶152)與外側邊緣區域(區帶156)之間的第二邊界並沿著第二直徑而設置。
在408，方法400包含沿著對角線為第一與第二直徑之平行四邊形的頂點而設置第一與第二對溫度感測器。TC1係設置於第一與第二直徑的交點處(亦即，對角線的交點處)。
依據本發明，圖5顯示用於控制區帶(例如圖1B及2中所示的R1-R10)的第一方法500。方法500係由圖3A及3B中所示的控制器300及其他元件所執行。在502，方法500利用如圖2所示且參照圖4所述而設置之溫度感測器以量測選定(少於全部)區帶的局部溫度。在504，方法500量測各個區帶的平均溫度。
在506，方法500判定該等區帶是否處於穩態。在508，當該等區帶處於穩態時，方法500利用開迴路控制以控制該等區帶(亦即，藉由將供應至各個區帶的功率與量測的晶圓溫度相關聯)。
在510，方法500判定一或更多區帶是否需要改變狀態(例如，因負載變化)。若一或更多區帶不需改變狀態(亦即，若該等區帶處於穩態)，則方法500返回至508。在512，若一或更多區帶需要改變狀態，則方法500利用該等區帶之其中至少一者(但非全部)的量測局部溫度與所有區帶之平均溫度的組合以控制供應至該一或更多區帶的功率。
依據本發明，圖6顯示用於控制區帶(例如圖1B及2中所示的R1-R10)的第二方法600。方法600係由圖3A及3B中所示的控制器300及其他元件所執行。在602，方法600利用如圖2所示且參照圖4所述而設置之溫度感測器以量測選定(少於全部)區帶的局部溫度。
在604，方法600判定該等區帶是否處於穩態。在606，當該等區帶處於穩態時，方法600利用開迴路控制以控制該等區帶(亦即，藉由將供應至各個區帶的功率與量測的晶圓溫度相關聯)。
在608，方法600判定一或更多區帶是否需要改變狀態(例如，因負載變化)。若一或更多區帶不需改變狀態(亦即，若該等區帶處於穩態)，則方法600返回至606。在610，若一或更多區帶需要改變狀態，則方法600基於需改變狀態之區帶的期望溫度變化而決定兩個區帶之間的電阻比、其中一者需改變狀態。
在612，方法600利用該等區帶之其中至少一者(但非全部)的量測局部溫度與兩個區帶之間之電阻比的組合以控制供應至需改變狀態之區帶的功率。因此，基於該等區帶之其中至少一者(但非全部)的量測局部溫度與兩個區帶之間之電阻比的組合，使供至需改變狀態之區帶的功率增加或減小。
以上敘述在本質上僅為說明性的，而非意圖限制本揭露內容、其應用、或用途。本揭露內容之廣泛指示可以各種形式實行。因此，雖本揭露內容包含特定例子，但由於當研究圖式、說明書、及以下申請專利範圍時，其他變化將更顯清楚，故本揭露內容之真實範疇不應如此受限。
應理解，在不改變本揭露內容之原理的情況下，可以不同次序(或同時)執行方法中之一或更多步驟。再者，雖實施例之各者係於以上描述為具有某些特徵，但關於本揭露內容之任何實施例所述之任一或更多該等特徵可在任何其他實施例中實行，及/或與任何其他實施例之特徵組合(即使並未詳細敘述該組合)。換句話說，所述之實施例並非互相排斥，且一或更多實施例彼此之間的置換維持於本揭露內容之範疇內。
元件 (例如，在模組、電路元件、半導體層等) 之間的空間及功能上之關係係使用各種用語所敘述，該等用語包含「連接」、「接合」、「耦合」、「鄰近」、「在…旁邊」、「在…之上」、「上面」、「下面」、以及「設置」。除非明確敘述為「直接」之情形下，否則當於上述揭露內容中描述第一與第二元件之間的關係時，該關係可係在第一與第二元件之間不存在其它中介元件之直接關係，但亦可係在第一與第二元件之間存在一或更多中介元件(空間上或功能上)的間接關係。
如本文所使用的，詞組「A、B、及C其中至少一者」應解釋為意指使用非排除性邏輯OR之邏輯(A OR B OR C)，且不應解釋為意指「A之至少一者、B之至少一者、及C之至少一者」。
在一些實施例中，控制器為系統的一部分，該系統可為上述例子的一部分。此系統可包含半導體處理設備，該半導體處理設備包含(複數)處理工具、(複數)腔室、(複數)處理用平台、及/或特定的處理元件(晶圓基座、氣體流動系統等)。該等系統可與電子設備整合，以在半導體晶圓或基板之處理之前、期間、以及之後，控制其運作。電子設備可被稱為「控制器」，其可控制(複數)系統的各種元件或子部件。
取決於處理需求及/或系統類型，可將控制器程式設計成控制本文所揭露之任何處理，包含製程氣體的傳送、溫度設定(例如，加熱及/或冷卻)、壓力設定、真空設定、功率設定、射頻(RF)產生器設定、RF匹配電路設定、頻率設定、流速設定、流體傳送設定、位置和操作設定、晶圓轉移(進出與特定系統連接或接合之工具及其他轉移工具、及/或負載鎖)。
廣泛來說，可將控制器定義為具有接收指令、發佈指令、控制運作、啟動清洗操作、啟動終點量測等之許多積體電路、邏輯、記憶體、及/或軟體的電子設備。積體電路可包含：儲存程式指令之韌體形式的晶片、數位訊號處理器(DSPs)、定義為特殊應用積體電路(ASICs)的晶片、及/或一或更多微處理器、或執行程式指令(例如，軟體)的微控制器。
程式指令可為以不同的單獨設定(或程式檔案)之形式而傳達至控制器或系統的指令，該單獨設定(或程式檔案)為實行特定處理(在半導體晶圓上，或是對半導體晶圓)定義操作參數。在一些實施例中，操作參數可係由製程工程師所定義之配方的一部分，俾在一或更多以下者(包含：覆層、材料、金屬、氧化物、矽、二氧化矽、表面、電路、及/或基板的晶粒)的製造期間實現一或更多處理步驟。
在一些實施例中，控制器可為電腦的一部分，或耦接至電腦，該電腦係與系統整合、耦接至系統、或以網路連接至系統、或以其組合之方式連接至系統。例如，控制器可在能容許遠端存取晶圓處理之「雲端」或廠房主機電腦系統的全部或部分中。電腦可使系統能夠遠端存取，以監控製造運作的當前進度、檢查過去製造運作的歷史、由複數之製造運作而檢查趨勢或效能指標，以改變當前處理的參數、設定當前處理之後的處理步驟、或開始新的製程。
在一些例子中，遠端電腦(例如，伺服器)可通過網路提供製程配方至系統，該網路可包含局域網路或網際網路。遠端電腦可包含使用者介面，其可達成參數及/或設定的接取、或對參數及/或設定進行程式化，接著將該參數及/或該設定由遠端電腦傳達至系統。
在一些例子中，控制器以資料的形式接收指令，該指令為將於一或更多操作期間執行之每個處理步驟指定參數。吾人應理解，參數可特定地針對將執行之製程的類型及將控制器設定以接合或控制之工具的類型。
因此，如上所述，控制器可為分散式，例如藉由包含以網路的方式連接彼此且朝向共同目的(例如，本文所敘述的製程及控制)而運作的一或更多分離的控制器。用於此目的之分散式控制器的範例將係在腔室上、與位於遠端的一或更多積體電路(例如，在作業平臺位準處、或作為遠端電腦的一部分)進行通訊的一或更多積體電路，兩者結合以控制腔室上的製程。
範例系統可包含但不限於以下各者：電漿蝕刻腔室或模組、沉積腔室或模組、旋轉淋洗腔室或模組、金屬電鍍腔室或模組、清洗腔室或模組、斜角緣部蝕刻腔室或模組、物理氣相沉積(PVD)腔室或模組、化學氣相沉積(CVD)腔室或模組、原子層沉積(ALD)腔室或模組、原子層蝕刻(ALE)腔室或模組、離子植入腔室或模組、軌道腔室或模組、以及可在半導體晶圓的製造及/或加工中相關聯、或使用的任何其他半導體處理系統。
如上所述，取決於將藉由工具執行之(複數)處理步驟，控制器可與半導體製造工廠中之一或更多的以下各者進行通訊：其他工具電路或模組、其他工具元件、群集工具、其他工具介面、鄰近之工具、相鄰之工具、遍布工廠的工具、主電腦、另一控制器、或材料運輸中所使用之工具，該材料運輸中所使用之工具將晶圓容器輸送往返於工具位置及/或裝載埠。
100:基板處理系統 104:基板支座 108:處理腔室 112:基板 120:氣體輸送系統 122-1:氣體源 122-2:氣體源 122-N:氣體源 122:氣體源 124-1:閥 124-2:閥 124-N:閥 124:閥 126-1:質量流量控制器(MFC) 126-2:質量流量控制器(MFC) 126-N:質量流量控制器(MFC) 126:質量流量控制器(MFC) 128:歧管 132:壓力調節器 136:歧管 140:多注入器噴淋頭 144:中央區帶 148:內側中間半徑區帶 152-1:區段 152-2:區段 152-3:區段 152-4:區段 152:外側中間半徑區帶 156-1:區段 156-2:區段 156-3:區段 156-4:區段 156:外側邊緣區帶 158:第二外側邊緣區帶 160:電阻加熱器 164:冷卻劑通道 168:流體儲存部 170:泵浦 172:壓力感測器 174:壓力感測器 178:閥 180:泵浦 182:控制器 184:給劑控制器 300:控制器 302:加熱器驅動器 304:TCR加熱器 308:電流感測器 310:電壓感測器 312:電阻估計器 400:方法 402:步驟 404:步驟 406:步驟 408:步驟 500:方法 502:步驟 504:步驟 506:步驟 508:步驟 510:步驟 512:步驟 600:方法 602:步驟 604:步驟 606:步驟 608:步驟 610:步驟 612:步驟
本揭露內容從實施方式及隨附圖式可更完全了解，其中：
圖1A為基板處理系統之範例的功能方塊圖；
依據本發明，圖1B顯示基板支座的加熱器區帶；
圖2顯示設置於圖1B所示之加熱器區帶中的溫度感測器；
依據本發明，圖3A及3B顯示加熱系統之範例的功能方塊圖；
依據本發明，圖4為用於設置加熱器區帶及溫度感測器的方法之流程圖；
依據本發明，圖5為用於控制加熱器區帶的第一方法之流程圖；及
依據本發明，圖6為用於控制加熱器區帶的第二方法之流程圖。
在圖式中，元件符號可被再次使用以辨別相似及/或相同的元件。
104:基板支座
144:中央區帶
148:內側中間半徑區帶
152-1:區段
152-2:區段
152-3:區段
152-4:區段
156-1:區段
156-2:區段
156-3:區段
156-4:區段
158:第二外側邊緣區帶

Claims (23)

  1. 一種處理半導體基板的系統，包含： 一基板支座組件，其係配置以支撐該半導體基板，該基板支座組件包含： M個電阻加熱器，其係分別設置於該基板支座組件之一層中的M個區帶中，該層鄰近於該半導體基板，其中M為大於1的整數；以及 N個溫度感測器，其係設置於該層中的N個位置處，其中N為大於1且小於或等於M的整數；以及 一控制器，其係配置以基於由該N個溫度感測器中之一者所感測的溫度及該M個區帶之一或多者的平均溫度而控制該M個電阻加熱器之一或多者。
  2. 如請求項1之處理半導體基板的系統，其中該M個區帶包含： 第一圓形區帶，其位在該層的中心區域處； 第二環形區帶，其圍繞該第一圓形區帶； 第一組區帶，其位在圍繞該第二環形區帶的第一環形區域中；以及 第二組區帶，其位在圍繞該第一環形區域的第二環形區域中。
  3. 如請求項2之處理半導體基板的系統，其中該第一組區帶係相對於該第二組區帶而旋轉一角度。
  4. 如請求項2之處理半導體基板的系統，其中該第一組區帶係相對於該第二組區帶而旋轉四十五度之角度。
  5. 如請求項2之處理半導體基板的系統，其中該第一及第二環形區域具有不同的寬度。
  6. 如請求項2之處理半導體基板的系統，其中該第二環形區帶具有與該第一及第二環形區域之各者不同的寬度。
  7. 如請求項2之處理半導體基板的系統，其中該第一及第二組區帶之各者包含四個區帶。
  8. 如請求項2之處理半導體基板的系統，其中該N個溫度感測器包含： 第一溫度感測器，其位在該第一圓形區帶中； 第一對溫度感測器，其沿著該層之第一直徑而位在該第二環形區帶與該第一組區帶之間的第一邊界處；以及 第二對溫度感測器，其沿著該層之第二直徑而位在該第一組區帶與該第二組區帶之間的第二邊界處， 其中該第一溫度感測器係位在該第一與第二直徑的交點處。
  9. 如請求項8之處理半導體基板的系統，其中： 該第一及第二對溫度感測器的位置對應於一平行四邊形的頂點；並且 該第一及第二直徑形成該平行四邊形的對角線。
  10. 如請求項1之處理半導體基板的系統，其中該控制器係配置以獨立於該M個電阻加熱器中之其他者而控制該M個電阻加熱器中之一者。
  11. 如請求項1之處理半導體基板的系統，其中該控制器係配置以基於該半導體基板的目標溫度輪廓而控制該M個電阻加熱器中之一或多者。
  12. 一種基板支座組件，用以支撐半導體基板，該基板支座組件包含： 一底板，其包含鄰近於該半導體基板的一層； M個電阻加熱器，其係分別設置於該層中的M個區帶中，其中M為大於1的整數，且其中該M個區帶包含： 第一圓形區帶，其位在該層的中心區域處； 第二環形區帶，其圍繞該第一圓形區帶； 第一組區帶，其位在圍繞該第二環形區帶的第一環形區域中；以及 第二組區帶，其位在圍繞該第一環形區域的第二環形區域中；以及 N個溫度感測器，其係設置於該層中的N個位置處，其中N為大於1且小於或等於M的整數，且其中該N個溫度感測器包含： 第一對溫度感測器，其沿著該層之第一直徑而位在該第二環形區帶與該第一組區帶之間的第一邊界處； 第二對溫度感測器，其沿著該層之第二直徑而位在該第一組區帶與該第二組區帶之間的第二邊界處；以及 第一溫度感測器，其位在該第一圓形區帶中且在該第一與第二直徑的交點處。
  13. 如請求項12之基板支座組件，其中： 該第一及第二對溫度感測器的位置對應於一平行四邊形的頂點；並且 該第一及第二直徑形成該平行四邊形的對角線。
  14. 如請求項12之基板支座組件，其中該第一組區帶係相對於該第二組區帶而旋轉一角度。
  15. 如請求項12之基板支座組件，其中該第一組區帶係相對於該第二組區帶而旋轉四十五度之角度。
  16. 如請求項12之基板支座組件，其中該第一及第二環形區域具有不同的寬度。
  17. 如請求項12之基板支座組件，其中該第二環形區帶具有與該第一及第二環形區域之各者不同的寬度。
  18. 如請求項12之基板支座組件，其中該第一及第二組區帶之各者包含四個區帶。
  19. 一種處理半導體基板的系統，包含： 如請求項12之基板支座組件；以及 一控制器，其係配置以基於由該N個溫度感測器中之一者所感測的溫度及該M個區帶之一或多者的平均溫度而控制該M個電阻加熱器之一或多者。
  20. 如請求項19之處理半導體基板的系統，其中該控制器係配置以獨立於該M個電阻加熱器中之其他者而控制該M個電阻加熱器中之一者。
  21. 如請求項19之處理半導體基板的系統，其中該控制器係配置以基於該半導體基板的目標溫度輪廓而控制該M個電阻加熱器中之一或多者。
  22. 一種處理半導體基板的系統，包含： 如請求項12之基板支座組件；以及 一控制器，其係配置以利用由該N個溫度感測器中之一者所感測的溫度並結合對該M個區帶的開迴路控制而控制該M個電阻加熱器之一或多者， 其中對該M個區帶的該開迴路控制包含將供應至該M個區帶之各者的功率與該半導體基板的量測溫度相關聯。
  23. 一種處理半導體基板的系統，包含： 如請求項12之基板支座組件；以及 一控制器，其係配置以基於以下者而相對於該M個電阻加熱器中之第二電阻加熱器而控制該M個電阻加熱器中之第一電阻加熱器：由該N個溫度感測器中之一者所感測的溫度及該第一與第二電阻加熱器的電阻比。
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