TWI603416B - 具有接合層之整合溫度感測技術的接合總成 - Google Patents

Description

具有接合層之整合溫度感測技術的接合總成

本申請案主張2014年7月8日申請之美國暫時申請案第62/021,937號之依據35U.S.C§119(e)的申請日利益，因此各申請案之全部內容在此加入作為參考。

本發明大致有關於被加熱總成，且更特別有關於用於該等總成之溫度偵測及控制系統，舉例而言包括，在半導體加工設備中之靜電夾盤及基板。

在這部份中之說明只提供關於本發明之背景資訊且可不構成習知技術。

在具有有限空間及需要精確控制之應用中經常使用被加熱總成。在半導體加工之技術中，例如，使用一夾盤或基座來保持一基板(或晶圓)及在加工時對該基板提供一均勻溫度分布。

請參閱圖1，顯示用於一靜電夾盤之一習知支持總成110，其包括具有一埋入電極114之一靜電夾盤112，及透過一黏著層118接合在該靜電夾盤112上之一加熱板116。一加熱器120固定在該加熱板116上，舉例而言，其可為一蝕箔加熱器。這加熱器總成再透過一黏著層124接 合在一冷卻板122上。該基板126係設置在該靜電夾盤112上，且該電極114與一電流源(未圖示)連接，因此產生靜電力，且該靜電力將該基板126保持定位。一射頻(RF)電源(未圖示)與該靜電夾盤112連接，且包圍該支持總成110之一腔室接地。因此，當沈積一材料或蝕刻在該基板126上之一薄膜時，該加熱器120對該基板126提供必要之熱。因此，當沈積一材料在該基板126上或由該基板126蝕刻時，該加熱器120對該基板126提供必要之熱。

在加工該基板126時，重要的是該靜電夾盤112 之溫度分布應非常均勻以便減少在被蝕刻之該基板126內的變化。在半導體加工之技術及其他應用中一直需要用以改良溫度均勻性之改良裝置及方法。

由在此提供之說明可了解其他應用領域。應了解 的是該說明及特定例子只意圖用以說明且不意圖限制本發明之範圍。

在本發明之一形態中，提供一種總成，其包含一 第一構件，及設置成靠近該第一構件之一第二構件。該第一構件可採用一靜電夾盤或一基板之形態。該第二構件可採用一加熱板之形態。該總成更包含設置在該第一構件與該第二構件間之一接合層。該接合層將該第二構件固定在該第一構件上且該接合層之至少一部份由一磷光材料構成。該總成亦包括一光學感測器，且該光學感測器設置成靠近該接合層以偵測該第一構件之溫度。

在本發明之另一形態中，提供一種靜電夾盤支 持總成，其包含一靜電夾盤及設置在該靜電夾盤下方之一加熱板。該支持總成更包含設置在該靜電夾盤與該加熱板間之一第一接合層。該第一接合層之至少一部份包含一磷光材料。該支持總成亦包含一光學感測器，且該光學感測器定位成可觀察由磷光材料構成之該第一接合層的該部份。該支持總成亦包括設置成靠近該加熱板之一冷卻板，及設置在該加熱板與該冷卻板間之一第二接合層。

在本發明之又一形態中，提供一種偵測及控制 靜電夾盤之溫度的方法，其包含使一靜電夾盤與一加熱板之間具有一接合層。該接合層之至少一部份包含一磷光材料。該方法更包含將一光學感測器定位成靠近該接合層且由該光學感測器接收關於由該磷光材料發射之光之衰減速度的信號。該方法更包含依據由該光學感測器接收之該信號決定該接合層之溫度，及控制該加熱板之溫度。

10,30,48,58‧‧‧總成

12‧‧‧基板

14‧‧‧靜電夾盤

16‧‧‧接合層；第一接合層

18‧‧‧加熱元件

20‧‧‧加熱板

22‧‧‧孔；第一孔

24‧‧‧光學感測器

26‧‧‧磷光材料

27‧‧‧基質

28,50‧‧‧下側

32‧‧‧第二接合層

34‧‧‧冷卻板

36‧‧‧冷卻元件

38‧‧‧第二光學感測器

40‧‧‧第二孔

42‧‧‧側壁

44‧‧‧孔

45‧‧‧開口

46‧‧‧接合層

52‧‧‧線

54‧‧‧控制器

56‧‧‧電源

60‧‧‧表面

110‧‧‧支持總成

112‧‧‧靜電夾盤

114‧‧‧埋入電極

116‧‧‧加熱板

118,124‧‧‧黏著層

120‧‧‧加熱器

122‧‧‧冷卻板

126‧‧‧基板

為了可充分了解本發明，以下將藉由舉例且參照附圖說明其各種形態，其中：圖1係一習知靜電夾盤之平面側視圖；圖2係一總成之橫截面側視圖，顯示依據本發明之原理構成之一基板、靜電夾盤、接合層、加熱板及一光學感測器；圖3係另一形態之一總成的橫截面側視圖，顯示依據本發明之原理構成之一基板、靜電夾盤、一加熱板、 一冷卻板、兩接合層及兩光學感測器；圖4係又一形態之一總成的橫截面側視圖，顯示依據本發明之原理構成之一基板、靜電夾盤、接合層及具有設置在該總成之側邊之一孔的一加熱板；圖5係再一形態之一總成的部份平面圖，顯示依據本發明之原理構成之一加熱元件及多數光學感測器；圖6係顯示一磷光材料之強度相對於時間之一例的圖；及圖7係顯示使衰減速度與該靜電夾盤之溫度相關聯的一控制器所使用之校準資料的一例。

在此所述之圖只是為了顯示且無論如何不是意圖限制本發明之範圍。

以下說明在本質上只是示範且不是意圖限制本發明、應用或用途。

通常，利用光纖感測，使用一光源照射一磷光材料一段短時間，且使用一光學信號調整器來偵測該磷光材料回應而發射之光輻射。磷光輻射之衰減速度與其溫度成正比，且因此可決定該物體之溫度。該光纖感測係詳細揭露在，例如，美國專利第4,652,143與4,776,827號中，且因此其全部加入作為參考。

在此使用之用語「光學感測器」應被解釋為表示用以感測及決定一磷光材料之溫度的一光纖光導及一光學信號調整器。

請參閱圖2，顯示一總成10，其包含一基板12、 一靜電夾盤14、一加熱板20及一接合層16，且該接合層16設置在該靜電夾盤14與該加熱板20之間。該接合層16將加熱板20固定在該靜電夾盤14上且包含設置在一光學透明基質27內之一磷光材料26。該基質27可為實際接合材料，例如一聚矽氧接合材料。或者，該磷光材料26可與該基質27混合，且接著這複合材料與該接合層16材料結合。此外，該磷光材料26，在具有或沒有與該接合層16分開之一基質27之情形下，都可徹底均勻地混合在整個接合層16中，或它可只局部地設置在整個接合層16中之特定區域。因此，在此所示之特定圖示不應被解釋為限制本發明之範圍。

在一形態中，該加熱板20亦界定一孔22，且該孔 22使該接合層16之該下側28之該磷光部份暴露於設置在該孔22內的一光學感測器24。操作時，該光學感測器24照射該磷光材料26且接著接收來自該磷光材料26之衰減的光以決定該接合層16之溫度，且該接合層16藉由傳導與該靜電夾盤14及該基板12熱耦合。這資訊被發送至一控制器54，且該控制器54決定及控制該靜電夾盤14及基板12之溫度。

該加熱板20為該靜電夾盤14提供支持。它亦可 包含可用以改變該靜電夾盤14之溫度的一或多數加熱元件18。該加熱板20可由金屬或另一熱傳導材料構成。

該接合層16將該加熱板20固定在該靜電夾盤14 上。它可由多數物質構成，例如一聚矽氧彈性體、一壓感黏著劑、一玻料、一陶瓷環氧樹脂、或一層銦。該接合層 16應可在該總成10之整個操作溫度範圍內均有效地固定該加熱板20及該靜電夾盤14，以及可在應用前加入一磷光材料26。該接合層16亦可由一透明、熱傳導彈性材料構成，例如由Dow Corning製造之商標為Sylgard® 184的聚矽氧化合物。黏著劑可藉由附加一底漆至該等對接表面上來改善。依據對接合強度、溫度範圍、熱傳導性、黏度、硬度計、硬化時間及接合層16厚度之要求，可使用各種光學透明聚矽氧彈性體。

該磷光材料26混合在該接合層16中，且應可在 混合後保持其磷光性質。若該磷光材料26由尺寸可在大約1至大約100微米間之一小粒徑粉末構成，它可更容易混合在該接合層16中。該接合層16材料對該磷光材料26之混合比取決於應用需求。較高信號強度可由一較高濃度之磷光材料獲得，例如按重量計為大約25%。或者，較佳接合強度及彈性可利用一較低濃度之磷光材料獲得，例如按重量計為大約1%。

該磷光材料26通常是可藉由習知LED源激勵之 一無機磷光體。適當磷光材料26例包括，舉例而言，Al₂O₃：Cr³⁺、Mg₂₈Ge₁₀O₄₈：Mn⁴⁺、或Mg₄FGeO₆：Mn⁴⁺。這些特定化合物只是示範且不應被解釋為限制可作為該磷光材料26使用之化合物的範圍。通常，在這應用中，可使用之該等化合物將具有在大約380nm至大約650nm之間的吸收帶，及在大約500nm至大約950nm之間的激勵帶，及在該應用所需之溫度範圍內之時間衰減與溫度之強相關性。藉在一 既定溫度下較短衰減時間常數選擇之材料可具有一較快更新速度。可使用各種其他材料，且可依據其對溫度範圍之應用適合性、磷光衰減速度、成本及可購得性來選擇各種其他材料。

將該磷光材料26混合在該接合層16中之程序取 決於該磷光材料26只設置在該接合層16之一部份或全部接合層16中。若該磷光材料26混合在全部接合層16中，該磷光粉末可在混合該接合層16時添加。但是，若該磷光材料26只設置在該接合層16材料之一部份上，必須將該接合層16材料先施加在該加熱板20或該靜電夾盤14上。接著，可將該磷光材料26混合在該接合層16中，其中它將與光學感測器24對齊，例如與該加熱板20之孔22對齊。或者，可在已施加全部接合層16後，在特定位置將該磷光材料26混合在該接合層16中。

請參閱圖3，顯示另一可能形態之總成30的橫截 面。類似於圖2之形態，這形態包括一基板12、一靜電夾盤14、一加熱板20、及一第一接合層16，且該加熱板20具有多數加熱元件18及容許設置一光學感測器24之一孔22，而該第一接合層16在該加熱板20與該靜電夾盤14之間且包含該磷光材料26。但是，圖3顯示具有多數冷卻元件36之另一冷卻板34。在該加熱板20與該冷卻板34之間可為一第二接合層32。

該冷卻板34將熱由該加熱板20及該靜電夾盤14 傳送至該冷卻板34。該冷卻板34可由有效地傳導熱之一金 屬或另一材料構成。該冷卻板34之冷卻元件36可包含用以提供對流熱傳送之流體通道。該冷卻板34亦可界定第一與第二孔22、40。該冷卻板34之第一孔22可與由該加熱板20界定之孔22對齊以便容許一光學感測器24設置在該孔22中以觀察該第一接合層16。該第二孔40可與包含一磷光材料26的該第二接合層之下側50的磷光部份對齊。

一第二光學感測器38可設置在該第二孔40中以 照射及觀察該磷光材料26之衰減速度。這資訊可用來建立通過該等二接合層16、32之溫度梯度的模型及更準確地控制該靜電夾盤14及該加熱板20之加熱或冷卻速度。可依需要使用該第二光學感測器38，或其他光學感測器(未圖示)以獲得額外準確性或重複性。亦應了解的是在本發明之這形態中的光學感測器24與38不必如圖所示地設置在孔22、40內，其只是示範且不應被解釋為限制該等光學感測器相對於具有磷光材料之該等接合層的構態。

該第二接合層32可由類似該第一接合層16之材料範圍構成。類似地，可混合在該第二接合層32之一部份中的磷光材料26之範圍可類似於該第一接合層16。

此外，該總成30可包含另一調整層(未圖示)以達成對該基板12之溫度的高精度控制。除了該加熱板20之加熱元件18以外，這調整層可包含用以微調該靜電夾盤14之熱分布的其他加熱元件。該調整層之組成物、功能及整合的細節可在例如與本申請案共同被擁有之美國專利公報2013/0161305及其相關申請案家族中找到，且其全部內容 在此全部加入作為參考。

請參閱圖4，顯示又一形態之總成48的橫截面。 類似於圖2，這形態包括一基板12、一靜電夾盤14、具有多數加熱元件18之一加熱板20、及一接合層16。但是，圖4所示之形態具有一加熱板20，且該加熱板20在該總成之側邊界定一孔44。一光學感測器24可設置在這孔內以觀察該接合層16之輪廓。雖然只有該接合層16之一部份可含有磷光材料26，但圖4之接合層16之周邊的至少一部份包含一磷光材料26。這容許該光學感測器24可定位在環繞該接合層46之任何地方或埋在該接合層46內以觀察該接合層46及測量該靜電夾盤14在該區域中之溫度。在另一形態中，該光學感測器24本身可埋在該接合層16內而不是實體地留在該接合層16外。

該加熱板20可以至少兩種方式在該接合層46之 側界定該孔44。如圖4所示，該加熱板20可包括一側壁42，且該側壁42朝該加熱板20之基底上方升起以包圍該靜電夾盤14之一部份。這側壁42可為周緣地配置環繞該基底20之多數段或完全環繞該加熱板20之基底。該加熱板20之孔44可藉由在這側壁42之一開口45界定，而該開口45暴露在該靜電夾盤14與該加熱板20之基底間之空間中的該接合層46。

或者，該光學感測器24可設置在一加熱板20之 基底上且沒有一側壁42以觀察該接合層46之輪廓。在該構態中，該孔44將由在該靜電夾盤14與該加熱板20間之空間 界定。

請參閱圖5，顯示用於再一形態之總成58之該加 熱板20的部份平面圖。在這形態中，顯示一加熱元件18之一可能構態。此外，多數孔22顯示在該加熱板20中，表示可設置光學感測器24之位置。其他光學感測器24，以及一控制器54及一加熱元件電源56顯示成環繞該加熱板20之周緣。

圖5所示之加熱元件18包含一單一電阻加熱元件 18，且該電阻加熱元件18可配置在等距分開軌跡中以覆蓋該加熱板20之表面。該電阻加熱元件18之末端藉由線52與該電源56連接。或者，該等加熱元件可配置為覆蓋該加熱板20之表面60之個別區域或區段的多數獨立加熱元件。這些加熱元件可藉由線52與該電源56串聯或並聯，或以其他電路組態連接。此外，除了例如層疊、Kapton®、及陶瓷等不同種類之加熱器以外，可使用各種加熱元件之配置，同時仍在本發明之範圍內且因此在此之特定圖示及說明應被解釋為限制本發明之範圍。

在該表面上且環繞該加熱板20之周緣被界定的多數孔22容許測量該靜電夾盤14之溫度的彈性及重複性。各孔22可被一光學感測器24陣列佔據以提供該靜電夾盤14之許多部份的持續固定溫度監測。或者，少數光學感測器22可依需要被插入任一孔或由任一孔移除以便容許監測該靜電夾盤14之特定區域。

請參閱圖6，顯示一圖，而該圖給予該光學感測 器24如何測量混合在該接合層16中之該磷光材料26之衰減的一例子。開始時，藉由以一脈衝光照射該磷光材料26，該光學感測器24激勵該磷光材料26。接著，該磷光材料26發射具有一可決定強度之磷光輻射，且該磷光輻射經過一段時間後衰減。該光學感測器使用這強度衰減速度依據公式I(t)=I_Oe^-kt/τ來決定該時間常數(τ)，其中I係強度，t係時間，且k係一常數值。該磷光輻射之時間(τ)常數取決於該特定磷光材料26。

在使用前，可校準該總成10，以及該(等)光學感 測器24及該控制器54。因此，該控制器54可接收關於該磷光材料26之衰減之時間常數的資訊及決定該在各種光學感測器位置的該接合層16之溫度。

請參閱圖7，顯示一圖，該圖給予可用以校準用 於該總成10之控制器54的一資料例。該控制器54可組配成聯結該磷光材料26之衰減速度與該靜電夾盤14或該基板12之溫度。如上所述，該接合層16之溫度可藉由觀察在該接合層16中之該磷光材料26的衰減速度來決定。透過實驗使用法或熱動力模型化，可由在該接合層16之溫度預測在該靜電夾盤14中之溫度。因此，可校準該控制器54以聯結一範圍內之衰減速度與一範圍內之靜電夾盤14溫度。如果需要，可使用一類似程序來預測在該基板12中之溫度。當該控制器54決定該靜電夾盤14之溫度時，該控制器54可依需要改變該電源56以改變該等加熱元件18之輸出及調整該靜電夾盤14之溫度。

本揭露內容本質上是示範的且，因此，意圖是不偏離本發明之要旨的多數變化應在本發明之範圍內。例如，可在需要偵測溫度之一總成的任何構件之間使用該複合接合層(即，在有或沒有一另外黏結劑之情形下，具有該接合材料及該磷光材料)，且不論這些構件是否作為加熱構件、冷卻構件、其組合，或其他功能構件。該等變化不被視為偏離本發明之精神與範圍。

10‧‧‧總成

12‧‧‧基板

14‧‧‧靜電夾盤

16‧‧‧接合層

18‧‧‧加熱元件

20‧‧‧加熱板

22‧‧‧孔

24‧‧‧光學感測器

26‧‧‧磷光材料

27‧‧‧基質

28‧‧‧下側

Claims (20)

1. 一種接合總成，包含：一第一構件；一第二構件，其設置成靠近該第一構件；一接合層，其設置在該第一構件與該第二構件間，該接合層將該第二構件固定在該第一構件上且包含一磷光材料；及至少一光學感測器，其設置成靠近該接合層以偵測在該光學感測器之一視野中的該接合層之一溫度。
2. 如請求項1之接合總成，其中該第一構件係一靜電夾盤，且該第二構件係在半導體加工中供一支持總成使用之一加熱板。
3. 如請求項2之接合總成，其中至少一加熱元件埋在該加熱板內。
4. 如請求項2之接合總成，其中至少一加熱元件固定在該加熱板上。
5. 如請求項3或4之接合總成，更包含一控制器，其接收及處理來自該光學感測器之信號，以依據該磷光材料之一衰減速度決定在該接合層中之溫度，且因此控制該至少一加熱元件。
6. 如請求項2之接合總成，更包含一調整層，其設置成靠近該加熱板。
7. 如請求項1之接合總成，其中該光學感測器係配置成可 觀察該接合層之一下側。
8. 如請求項1之接合總成，更包含延伸穿過該第二構件之一孔，其中該光學感測器設置在該孔內。
9. 如請求項8之接合總成，其中該磷光材料包含該接合層中與該孔對齊的至少一部份。
10. 如請求項1之接合總成，其中該磷光材料包含全部接合層之至少一部份。
11. 如請求項1之接合總成，其中該磷光材料包含一磷光粉末，且該磷光粉末混合在該接合層之至少一部份中。
12. 如請求項1之接合總成，其中該光學感測器之至少一部份埋在該接合層中。
13. 如請求項1之接合總成，其中該接合層包含一聚矽氧彈性體。
14. 如請求項1之接合總成，其中該接合層包含一陶瓷環氧樹脂。
15. 如請求項1之接合總成，其中該接合層係一壓感黏著劑。
16. 如請求項11之接合總成，其中該接合層包含一組成物，按重量百分比計：大約75%至大約99%之聚矽氧；及大約1%至大約25%之該磷光粉末。
17. 如請求項1之接合總成，其中該光學感測器包含一光纖。
18. 一種靜電夾盤支持總成，包含： 一靜電夾盤；一加熱板，其設置在該靜電夾盤下方；一第一接合層，其設置在該靜電夾盤與該加熱板之間，其中該第一接合層之至少一部份包含一磷光材料；一光學感測器，其定位成可觀察由磷光材料構成之該第一接合層的該部份；一冷卻板，其設置成靠近該加熱板；及一第二接合層，其設置在該加熱板與該冷卻板之間。
19. 一種偵測及控制靜電夾盤之溫度的方法，包含：使該靜電夾盤與一加熱板之間具有一接合層，其中該接合層之至少一部份包含一磷光材料；將一光學感測器定位成靠近該接合層；由該光學感測器接收關於由該磷光材料發射之光之衰減速度的數個信號；依據由該光學感測器接收之該等信號決定該接合層之一溫度；及控制該加熱板之溫度。
20. 如請求項19之方法，其中該方法更包含：校準該控制器，使得該控制器聯結一範圍內之衰減速度及與該靜電夾盤相關的一範圍內之相關溫度。