TW493215B - Method and apparatus for reducing thermal gradients within a ceramic wafer support pedestal - Google Patents

Description

經濟部中央標準局負工消費合作社印製 叩 3215 五、發明説明（ 憂jl領域 本叙明係關於半導體晶圓的 h U ]灰秸與設備，特別是在一 陶瓷晶圓的基座内，控制阻枋★曰 民 … 制阻抗式晶圓加熱器供應電流或電 S，以減少熱梯度之方法與設備。 t明背景： 在一半導體晶圓製程系統的製 J表红反應罜中，半導體晶 圓在製程進行時由一基座所支#。 丨又每在终多此類型系統的一 個或數個製程中，為了佶曰圓沾制 ^ 使曰曰回的製程順利實施，支撐基座 吊必須進行加熱以提高晶圓的溫 又為了使熱f順利傳送 到晶圓上，基座常採用陶瓷材料 τ竹裟作，而加熱器則採用電 阻式加熱元件設置於陶瓷之Φ 是 < 中加熱元件一般為電阻線圈 或是以鎢等金屬材料所製作的金 J ^ ㊄茗泥通過線圈哎 金屬層時，元件產生熱量而使溫 ^ /又开阿，並經由陶瓷材料 將升鬲的溫度轉移到晶圓之上。 加熱元件的阻抗隨著供冑電流及及元件溫度之升* 而變。加熱元件的阻抗可以高達三倍的變化。在_實： 中，加熱元件的電源供應由室溫 卜、·力24〇〇 watts (對應於 室溫下約6 ohms的較低電阻車、，你 、 私丨且羊），變換至操作溫度约55() t下的800 watts (對應於55〇t下約18咄聊的較高電阻 率）。對加熱元件如此大量的能量供應，將在陶资基座内 產生熱梯度落差。此一熱梯度落#且 币度，备差易使陶瓷材質内部產生 裂痕’終將造成基座損壞。 因此，在本技術領域中，實有必要發展一種控制加熱 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（210^7^7 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

經濟部中央標準局員工消費合作社印策 493215 五、發明説明（） 态此1T或電流供應的方法與設備， 梯度落差。 降低陶瓷基座内的熱 憂目的及概述： 本發明採用一減少埶梯庹之 蓺士 Μ ，、柹度乏万法與設備克服傳統技 云中的缺點。特別是採用一妖 ^ 热&制裔，以限制陶瓷基座 内阻柷加熱器的供應電流或是電功率。 本發明第一實施例中，掂, Α 、 也妁甲知用限制加熱器電流的方法控 制基座中的熱梯度。在加鼽器的夺 於奋的人泥供應電源線路上設有 -電流變壓器，電流變壓器的輸出電壓代表傳送到加熱器 的電流。此一電壓由_束縛電路束缚在一特定的起始電壓 的水平H輸出電流限制在1G安培左右。束縛器的 輸出隨著測得的電流值線性遞增，直到超出起始電壓水平 為止。束縛器的輸出電壓傳送到一相角控制器，以產生一 射角控制訊號，然後再耦合至一對矽控整流器（SCR)，對 阻抗加熱器的交流供應電源進行開關控制。矽控整流器的 父流輸出則經由電流變壓器耦合至阻抗加熱器。 在本發明第二實施例中，則限制交流供應電源的功率 水平在一最大值（例如1000瓦.）以下。於是加熱器的功率受 到限制，使熱梯度維持在一限制範圍内，而不會在加熱時 對基座陶瓷材質造成損傷破裂。 雖然在本發明上述每一實施例中，電流及/或功率水 平均限制在一預設的特定水平下，然而此種限制可以隨著 時間而改變，以板供一動態的功率控制電路。此動態控制 第5頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4現格UH)X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 、\=口 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 493215 A7 B7 五、發明説明（） 可以採用預先定義的控制方法，或是以適應型回饋電路， 對溫度、功率一類的不同的輸入參數進行回應。 圖式簡單說明： 本創作的較佳實施例將於往後之說明文字中輔以下 列圖形做更詳細的闡述： 第1圖為本發明陶瓷基座組合的截面圖，包含一以加熱控 制器驅動之阻抗加熱器； 第2圖為沿著第1圖中阻抗加熱器虛線2-2所呈現的剖面 圖； 第3圖為本發明第一實施例中加熱控制器的方塊圖； 第4圖為本發明阻抗加熱器所產生的功率對溫度之函數曲 線圖；及 第5圖為本發明第二實施例中加熱控制器的方塊圖。 為了便於了解，在本說明書的圖式中盡可能對同一元 件採用同一編號予以闡述。 圖號對照說明： 100 陶瓷基座組合 102 陶瓷基座 104 半導體晶圓 106 加熱控制器 108 靜電吸盤控制器 110, 電極 1 1〇2 電極 112 阻抗加熱器 1 14 導線 1 16 正比積分微分控制器 118 上表面 120 熱電偶 第6頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

493215 A7 B7 五、發明説明（ 3〇〇 電 流 束 縛 器 302 相 角 控 制 器 304 交 流 電 壓 開 關 306 矽 控 整 流 器 308 矽 控 整 流 器 3 10 電 流 變 壓 器 312 線 路 3 14 線 路 316 線 路 3 18 適 應 型 控 制 器 320 均 方 根 交 直 流 轉換 器 322 訊 號 倍 率 變 換 器 324 反 相 限 制 放 大 器 326 總 和 放 大 器 400 功 率 函 數 曲 線 402 座 標 縱 轴 404 座 標 橫 軸 406 10 安 培 .電 流 ,限 制線 408 函 數 曲 線 取 向 點 410 功 率 限 制 線 412 功 率 下 降 線 414 函 數 曲 線 端 點 416 無 電 流 限 制 線 500 加 熱控 制 器 502 功 率 束 縛 器 504 均 方 根 交 直 流 轉換 器 506 訊 號 倍 率 變 換 器 508 均 方 根 交 直 流 轉換 器 510 訊 號 倍 率 變 換 器 512 乘 法 器 5 14 電 壓 變 壓 器 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

經濟部中央標準局員工消費合作社印製 發明詳細說明： 弟1圖為陶究基座組合100的截面圖，其中包含陶资 基座102、加熱控制器106、正比積分微分（pr〇p〇rti〇nal integral-derivative，PID)控制器116以及一靜電吸盤控制 器108。陶瓷基座1〇2具有一上表面118用以承載晶圓 104。第2圖顯示出第1圖之陶瓷基座中，沿著虛線2 2 所呈現的剖面結構。同時參考第i圖及第2圖可以使讀者 第7頁

493215 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（ 對本發明產生更進一步的了解 阻抗加熱器1 1 2包含一力TI孰； 曰、 、件，加熱元件一般為電 丨且、、泉圈或疋以鎢一類之金屬材料 斤I作的金屬層。當電流 通過加熱器1 1 2時，加熱元件的 九叩 〇电阻即產生熱量，經由加 煞益周圍的陶瓷材料的傳遞，使 一 v乾基座上的晶圓1 04溫 度升高。加熱元件可視為隨著輪 利入 < 電子訊號而升高溫度 的任意元件。能量供應則由加埶扣 抑 …、垃制器10ό所延伸而出的 線路1 〇 4搞合至加熱器中。 一控制訊號S 1由傳統的正士林八他\ 比積分微分控制器所產 生，第1圖中所顯示的正比積分料 Θ刀Μ分控制器i i 6可以經由 熱電偶120監測機台的溫度。控制訊號si 一般為一範圍 在0到1〇伏特之間的電壓訊號，其大小代表將基座加熱 至預設溫度所需的電流量。此一電流量採用傳統的正比積 分微分方法進行動態調整’以避免溫度在接近機台預定溫 度時，出現過高（overshoot)或是循環起伏（ringing)的現 象。根據本發明的設計，加熱控制器丨〇6可以接收控制訊 號si，並經由訊號處理程序，限制經由導線丨14耦合至阻 抗加熱器1 1 2的電流量或電功率。 雖然晶圓1 04可以採用許多種不同的方式束縛在機台 1 0 2的表面1 1 8上，包括機械式週邊束縛器、真空束縛器、 重力束縛器及其他類似的束縛器裝置等等，然而靜電吸盤 仍是一將晶圓1 04束縛在機台丨〇2上的便利方式。使用靜 電吸盤可以在晶圓及機台間獲致均勻的熱傳遞，增進晶圓 的穩定性，並減少粒子的產生等。在圖式中以電極丨丨〇 ^ 第8頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

493215 五、發明説明（ 及π〇2耦合至靜電吸盤控制器！08，間 採用。靜電吸盤以電極丨! 〇1及丨丨〇2形 ^及盤的 丄P 1固二極吸般， (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) #電吸盤控制器1 08對每個電極提供電 里 __ ,. 里棚寺而極料相 反的電壓，而在電極間產生一電場， ㊉ ^ %每耦合通過本 導^晶圓1 04 ’使晶圓丨〇4的下表面積 # 、永％何，而電極1 1 〇 及1 1 〇2則積聚極性相反的電荷，二股 , „ 狀％何間產生靜電吸 ，使半導體晶圓1 04被固定在機台丨〇2的表面1 1 8上 雖然在圖式中顯示出雙極性的靜電吸盤，本發明仍可：採 用任何其他型式的靜電吸盤，.包含使用單一電極的單極： 結構、使用複數個電極的多歧分支結構、以及其他的型 式，並可以使用交流或直流電壓源作為靜電吸盤的供應電 源。 “私 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 第3圖顯示出本發明第一實施例所使用的加熱控制器 106的詳細方塊圖，其中包含一電流束縛器 clamp)300、一相角控制器（phase angie controller)3()2、一 父流電壓開關（AC voltage switching electronic s)3 04、以及 一電流變壓器（c u r r e n t t r a n s f o r m e r) 3 1 0。電流束縛器3 〇 〇 在束縛電路的作用下，限制其輸出電壓S2的最大值。在 一般的實例中，通常以此一電路將其輸出到加熱器的電流 限制在1 0安培以下。 電流束縛器300包含一均方根交直流轉換器（RMS converter)320 —、訊號倍率變換器（signal scaler)322、一 反相限制放大器（inverting limit amplifier) 324、以及一總 和放大器（summing amplifier) 326。變壓器310供應一交 第9頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Μ規格（210X 297公釐） 493215 A7 B7 五、發明説明（ 經濟部中央標準局員工消費合作杜印製 流參考電流到加熱器丨12。均方根交直流轉換器將此交流 Λ 5虎轉變成直流訊號，其大小代表傳送到加熱器1 1 2的電 流大小。均方根交直流轉換器320耦合至倍率變換器 322 ’倍率變換器可將輸出訊號s4的大小調整至訊號S1 的水平，然後傳送到反相限制放大器324。反相限制放大 的3 2 4則比心訊號s 4與一預設的限制電流之相關電壓訊 號’當訊號S4與限制電壓訊號間的差值為正值時，此電 壓差被反相、放大、並以訊號S 5輸出；當訊號S4與限制 電壓釩號間的差值為負值或〇時，訊號s 5保持為〇。訊號 S1及S5搞合至總和放大器326，由總和放大器326所輸 出的Λ號S 2則為訊號§ 1及$ 5之和。電流束縛器3 〇 〇在 此一運作機制下，將輸出電壓S2束縛在一預先訂定的水 平内’使加熱器的輸出電流不超過一特定值，例如1 〇安 培。在訊號S4的大小到達或超過束縛電壓前，輸出訊號 S2隨著正比積分微分控制器所傳來的訊號s 1成比例變 動。而當訊號S4的大小到達或超過束縛電壓時，訊號S2 即被束縛在此一最大電壓值下。由於訊號S5與正比積分 械刀控制器所傳來的訊號S 1極性與相反，所以s 2 = s 1 _ S5 〇 相角控制器302接收訊號S2之後，產生一射角控制 说號（firing angle control signal),經由線路3 1 6傳送到交 流電壓開關3 04。交流電壓開關3 〇4包含一對矽控整流器 (silicon-controlled rectifier，SCR)300 及 308。矽控整流器 電路在接收一特定的射角控制訊號後，每一週期的交流輸 第10頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 請 閱 % 背 面 之 注 意 事 項

頁 訂

493215 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（ 入電壓將有一特定的百分比（例如丨2 〇伏特）被供應至輸出 端’然後傳送到加熱器1 1 2。輸出電壓量將隨著射角控制 訊號的持續時間而改變，供應至阻抗加熱器丨丨2的電流即 可由此控制。 第4圖顯示出本發明所產生的功率（縱軸4〇2)對溫度 (橫軸404)的函數曲線圖。在下限1 0安培的實施條件下， 採用本發明可使產生的功率沿著斜線路徑406上升到一最 大值，例如1 200瓦（Watts)，如同加熱元件阻抗隨著溫度 線性遞增一般。在功率曲線此一部分的溫度下，正比積分 U分控制訊號s 1為最大值，而訊號s 5則處於起始值，在 大約300X：時，曲線400達到最高點4〇8。一旦功率到達 1 2 00瓦的水平，加熱元件的阻抗持續增加，而電流下降至 1〇安培以下，使功率曲線沿著斜線412的部分，由最高點 4〇8線性傾斜至端點414,此時溫度為55(Γ(：而功率消耗約 為800瓦。在曲線此一部分的溫度下，正比積分微分控制 訊號s 1保持或接近最大值，而訊號S5則為〇 ,沒有電流 限制訊號傳至總和放大器326。於是，加熱器接收到的供 應電壓達到最大值或幾近最大值’功率曲線4〇〇也顯示出 不受到電流限制時的加熱器功率變化情形（曲線部分 416)。在室溫時，加熱器功率在不受電流限制的條件下將 達到2400瓦，而在受到電流限制時則為6〇〇瓦。所以採 用電流限制條件可以避免加熱元件的功率過高，減低基座 内的熱梯度。 在本發明第5圖所顯示的第二實施例中，採用限制加 第11頁 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁}

493215 經 濟 部 t k 標 準 員 工 消 f 合 作 社 印 製 A7 B7 五、發明説明（） 熱器供應電功率（例如1 000瓦）的方式，取代限制加熱器供 應電流的方式。於是當加熱器的阻抗改變時，輸入控制電 流將隨著加熱器阻抗的改變作相反的變動，以使功率維持 於定值（例如1 〇 〇 〇瓦）。 為了限制功率’第3圖中所顯示的加熱控制器1 〇 6將 修改成第5圖中所顯示的加熱控制器5 〇 〇。在此一實施例 中，矽控整流器306及308將傳送輸出電流及電壓作為參 考值’以決定耦合至加熱器的功率。輸出電流由電流變壓 器3 1 0監控，而輸出電壓則由電壓變壓器5 1 4監控。電流 及電壓訊號（分別標記為S 1 0及S 1 1)分別由均方根交直流 轉換器504及508，與訊號倍率變換器506及510進行訊 號處理，所產生的直流訊號S丨2代表輸出電壓的大小，而 直流訊號s 13則代表輸出電流的大小。一乘法器 (multiPlier)512將訊號S12與訊號S13相乘以產生訊號 5 1 4 ’代表傳送到加熱器1 1 2的功率。 如同前一實施例一般，當訊號S 1 4超過一預設的限制 功率之相關電壓時，反相限制放大器324輸出一放大的反 相差值訊號S 1 5。總和放大器則將正比積分微分控制器所 傳來的訊號S 1加上測量訊號（本實施例中為s 5 )，產生訊 號S2 ;如同前一實施例，訊號S2為訊號s 1及S5之和。 讯號S2為電壓限制訊號，耦合至相角控制器3 〇2 ,最終使 功率束縛器502得以限制傳送到加熱器丨12的輸出功率。 如同第4圖中所顯示，此一功率限制曲線4〇〇產生平 坦邵分4 1 〇。在此一情形下，於約4〇〇它下的所有溫度内， 第12頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（21〇χ297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁}

^215 五、發明説明（ 功率曲線將沿著4 1 0保持水平；而在功率消耗達到約為 8〇〇瓦前，曲線則沿著斜線4丨2的部分線性傾斜至溫度550 C的端點4 1 4。此一功率限制可確保在陶瓷基座内所產生 的溫度梯度將不至於對基座造成材質損傷。 本發明的兩個實施例可以再進一步修改，以動態控制 阻抗加熱器的供應電流或功率。如第3圖中所示，可以採 用適應型控制器（adapti ve cοntrο 11 er)3 1 8附設於電流束 縛器中，或是以適應型控制器3丨8取代電流束縛器。適應 型控制器3 1 8可以針對許多種不同的操作參數產生回應， 例如基座溫度、功率、電流、時間以及其他的參數，據此 將加熱為的供應電流或功率維持於一特定範圍内。適應型 控制器318可以採用硬體設計，或是以微控制器執行軟= 裎式，或是二者組合設計。此種控制器可以可以在一定的 時間内’形成特定的功率或電流高原。而射角控制訊號可 以是非線性的，也可以因應外部操作參數或條件而調整。 本發明揭露出一種新穎的方法與設備，可以在採用⑽ 抗加熱器加熱的陶资晶圓基座内，控制其熱梯度。Z熟 本發明之技術領域者，均可根據本說明書及圖示實施: 載，進行各種改變或修飾；凡此未脫離本創作所揭=2 神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下、成、μ、 利範圍中。 "U申請 本紙張尺度適家標準（CNS ) 格（2丨〇χ297公慶- 項 頁 訂 經濟部中央標準局員工消費合作社印製

悉 所 精 專 第13頁

Claims (1)

1. A8

   申凊拳利範圍 -ξΙ—Τη第x號專利案年 > 月修正 年月π f」:一!補..充 1. 一種控制陶竞晶圓支撐基座内熱梯度的設備，該設備至 少包含： 、 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 一加熱控制器包括一相角控制電路’其中該相角控制 電路以在接收該加熱控制器所傳來的一電流控制訊號 後，而產生一射角控制訊號，該射角控制訊號限制傳送 至一置於該控制陶瓷晶圓支撐基座中間部分内之一阻 抗加熱器的最大電流量於一預設值之下。 2·如申請專利範圍第1項所述之設備，其中上述之加熱控 制器更包含一交流電源。 3.如申請專利範圍第2項所述之設備，其中上述之交流電 源更包含： 一對矽控整流器（SCRs)，耦合至該相角控制電路， 以控制傳送至該阻抗加熱器的交流電壓。 4 ·如申請專利範圍第1項所述之設備，其中上述之加熱控 制器更包含： 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 一束縛器（clamp)，以產生電流控制訊號；及 一對矽控整流器，耦合至該相角控制電路，以控制傳 送至該阻抗加熱器的交流電壓。 5 ·如申請專利範圍第1項所述之設備，其中上述之加熱控 制器為一設置於陶瓷晶圓支撐基座内的阻抗材料。 第14頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X 297公釐) 493215 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 6 ·如申請專利範圍第1項所述之設備，其中上述之加熱控 制器更包含： 一適應型控制器（adaptive controller)，以因應複數種 參數而控制耦合至阻抗加熱器的電流。 7. —種控制陶瓷晶圓支撐基座内熱梯度的設備，該設備至 少包含： 一加熱控制器包括一相角控制電路，其中該相角控制 電路以在接收該加熱控制器所傳來的一電流控制訊號 後，而產生一射角控制訊號，該射角控制訊號限制傳送 至一阻抗加熱器的最大電流量於一預設值之下。 8·如申請專利範圍第7項所述之設備，其中上述之加熱控 制器更包含一交流電源。 4 9.如申請專利範圍第8項所述之設備’其中上述之交流電 源更包含： 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 一對矽控整流器（SCRs)，耦合至該相角控制電路，以 控制傳送至該阻抗加熱器的交流電壓。 1 0.如申請專利範圍第7項所述之設備，其中上述之加熱於 制器更包含： 一束縛器（clamp)，以產生功率控制訊號，用以限制傳 第15頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X 297公釐) 493215 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 送至該阻抗加熱器的電功率於該預設值之下；及 一對矽控整流器（SCRs)，耦合至該相角控制電路，以 控制傳送至該阻抗加熱器的交流電壓。 1 1 ·如申請專利範圍第1 〇項所述之設備，其中上述之束縛 器更包含一乘法器（multiplier) ’將一測得的均方根電流 值乘以一測得的均方根電壓值，以產生一功率值，用以 產生一功率控制訊號。 12,如申請專利範圍第1〇項所述之設備，其中上述之加熱 控制器為一設置於陶瓷晶圓支撐基座内的阻抗材料。 13·如申請專利範圍第1〇項所述之設備’其中上述之加熱 控制器更包含： 一適應型控制器（adaptive controller)，以因應複數種 參數而控制耦合至阻抗加熱器的功率。 14·一種降低陶瓷晶圓支撐基座内熱梯度的方法，該方法至 少包含下列步驟： 一限制步驟，當該陶瓷晶圓支撐基座的溫度相對較低 時，限制一加熱控制器所產生的電流；及 傳送該限制之電流至一設置於該陶資晶圓支撑基座 内的阻抗加熱器； 其中該限制步驟更包括： 在接收該加熱控制器所傳來的一電流挺制訊號後，而 第16頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X 297公釐) .........I (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂· % 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 切215 A8 B8 C8

   申請專利範圍 產生一射角控制訊號；及 使用該射角控制訊號限制傳送至〜置於該控制陶資 晶圓支撐基座内之一阻抗加熱器的最大電流量於一預 設值之下。 15.一種降低陶资晶圓支撐基座内熱梯度的方法，該方法至 少包含下列步驟： 一限制步驟，當該陶瓷晶圓支撐基座的溫度相對較低 時，限制一加熱控制器所產生的功率；及 傳送該限制之電流至一設置於該陶瓷晶圓支撐基座 内的阻抗加熱器； 其中該限制步驟更包括： 測量該加熱控制器所產生的電壓及電流； 將該電壓及電流相乘以產生一功率訊號； 限制該功率訊號的大小；並 使用該限制之功率訊號以限制該加熱控制器所產生 的功率。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 第17頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐)