TWI631653B - 用於沉積腔室之基板支撐夾具冷卻 - Google Patents

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Abstract

本文提供一種基板支撐夾具，用於使用在一基板處理系統中。在某些實施例中，一種用於使用在一基板處理腔室中的基板支撐可包括：一靜電夾具，該靜電夾具具有一頂部基板支撐表面與一底部表面；以及一冷卻環組件，該冷卻環組件具有一中心開孔，該冷卻環組件設置於該靜電夾具的該底部表面的附近，該冷卻環組件包括：一冷卻部，該冷卻部具有一頂部表面係熱耦接於該靜電夾具的該底部表面，該冷卻部具有一冷卻通道係形成於該冷卻部的一底部表面中；以及一帽部，該帽部耦接於該冷卻部的一底部表面並且流體地密封形成於該冷卻部中的該冷卻通道。

Description

用於沉積腔室之基板支撐夾具冷卻
本發明的實施例一般係關於半導體處理。
發明人已經觀察到，用於某些應用的傳統的高溫基板支撐夾具無法控制長時重沉積速率處理所產生的熱輸入，例如LED背側的金(Au)或錫化金(AuSn)、厚鋁的沉積，或者某些微機電系統(MEMS,microelectromechanical systems)處理。例如，一般150mm半導體物理氣相沉積(PVD)處理在升高的溫度時係少於1分鐘長，而LED背側沉積處理例如係大約6分鐘長並且必須維持在較低溫。但是，到晶圓與夾具之增加的熱輸入會超過某些傳統的夾具所能應付的情況。
因此，發明人提供改良的基板支撐夾具的實施例。
本文提供一種基板支撐夾具的實施例，用於使用在一基板處理系統中。在某些實施例中，一種用於使用在一基板處理腔室中的基板支撐可包括：一靜電夾具，該靜電夾具具有一頂部基板支撐表面與一底部表面；以及一冷卻環組 件，該冷卻環組件具有一中心開孔，該冷卻環組件設置於該靜電夾具的該底部表面的附近，該冷卻環組件包括：一冷卻部，該冷卻部具有一頂部表面係熱耦接於該靜電夾具的該底部表面，該冷卻部具有一冷卻通道係形成於該冷卻部的一底部表面中；以及一帽部，該帽部耦接於該冷卻部的一底部表面並且流體地密封形成於該冷卻部中的該冷卻通道。
在某些實施例中，用於冷卻一基板支撐的一種冷卻環組件可包括：一冷卻部，該冷卻部具有一頂部表面、一底部表面、與一第一中心開孔，該底部表面具有一冷卻通道形成於該底部表面中；以及一帽部，該帽部具有一第二中心開孔，其中該帽部耦接於該冷卻部的該底部表面並且流體地密封形成於該冷卻部中的該冷卻通道，且其中該第一中心開孔與第二中心開孔係實質上對準。
在某些實施例中，用於處理基板的一種處理腔室可包括：一腔室主體，該腔室主體具有一內部容積；一基板支撐，該基板支撐設置於該內部容積中，該基板支撐包括：一靜電夾具，該靜電夾具具有一頂部基板支撐表面與一底部表面；一環狀支撐環，該環狀支撐環具有一中心開孔，該環狀支撐環係耦接於該靜電夾具的該底部表面；一環狀固定環，該環狀固定環具有一中心開孔，該環狀固定環係設置於該環狀支撐環的該中心開孔內；以及一冷卻環組件，該冷卻環組件設置於該環狀固定環的該中心開孔內並且在該靜電夾具的該底部表面的附近，該冷卻環組件包括：一冷卻部，該冷卻部具有一頂部表面係熱耦接於該靜電夾具的該底部表面，該 冷卻部具有一冷卻通道係形成於該冷卻部的一底部表面中；以及一帽部，該帽部耦接於該冷卻部的該底部表面並且流體地密封形成於該冷卻部中的該冷卻通道。
本發明之其他與進一步實施例敘述於下。
100‧‧‧腔室
101‧‧‧基板
102‧‧‧電漿
104‧‧‧圓頂
105‧‧‧屏蔽部
106‧‧‧腔室主體
108‧‧‧平臺
109‧‧‧升舉銷
110‧‧‧波紋管組件
111‧‧‧軸部
112‧‧‧中空支撐軸
113‧‧‧升舉機構
114‧‧‧真空系統
115‧‧‧地
116‧‧‧RF匹配網路
117‧‧‧RF電源
118‧‧‧處理氣體供應源
119‧‧‧處理容積
120‧‧‧腔室內部容積
124‧‧‧基板支撐
126‧‧‧底部表面
130‧‧‧基板升舉器
131‧‧‧波紋管組件
132‧‧‧第二升舉機構
140‧‧‧夾持的電源
141‧‧‧氣體供應源
142‧‧‧冷卻劑流體供應源
150‧‧‧靜電夾具
152‧‧‧冷卻環組件
164‧‧‧下波紋管凸緣
165‧‧‧O型環
166‧‧‧靶材
168‧‧‧DC電源
170‧‧‧RF電源
210‧‧‧熱墊片
212‧‧‧環狀支撐環
214‧‧‧環狀固定環
216‧‧‧對準銷
218‧‧‧對準銷
220‧‧‧熱電偶
222‧‧‧氣孔
228‧‧‧升舉銷孔
230‧‧‧直徑
250‧‧‧冷卻部
252‧‧‧帽部
254‧‧‧開孔
256‧‧‧開孔
258‧‧‧冷卻劑通道
260‧‧‧緊固件孔
262‧‧‧中心開孔
302‧‧‧第一冷卻供應管
304‧‧‧冷卻流體出口管
藉由參照所附圖式中繪示之本發明的例示實施例，可瞭解在下面更詳細討論且簡短總結於上之本發明的實施例。但是，注意到，所附圖式只例示本發明之一般實施例且因此不視為限制其範圍，因為本發明可容許其他等效實施例。
第1圖根據本發明的某些實施例，為適於與本發明的基板支撐夾具一起使用的處理腔室；第2圖根據本發明的某些實施例，為基板的示意橫剖面側視圖；及第3圖根據本發明的某些實施例，為冷卻環組件的示意橫剖面底視圖。
為了促進瞭解，已經在任何可能的地方使用相同的元件符號來表示圖式中共同的相同元件。圖式未依照尺寸繪製，且可以為了清楚加以簡化。在此文件中，關係用語(例如，第一與第二、頂部與底部、與類似者)可單單用於區別一個實體或動作與另一個實體或動作，而不必然要求或暗示任何實際的此種關係或順序在此種實體或動作之間。可瞭解到，一實施例的元件與特徵可有利地併入在其他實施例中，而不用另外詳述。
與本發明一致的範例實施例有利地提供用以處理基板的性能，該性能使用較低處理溫度來維持被沉積的膜的某些特性，或者限制對於已經被沉積的膜的熱損傷。另外，與本發明一致的實施例有利地提供一種基板支撐夾具，能夠在用於在合理的時間間隔中沉積厚膜或沉積難以濺射之材料的較高能量處理期間，從基板移除額外的熱。另外，在與本發明一致的範例實施例中，處理能量可以有利地增加而不會升高晶圓溫度，藉此允許沉積速率增高，導致處理時間減少以及腔室生產量的後續增加。
第1圖根據本發明的某些實施例，為電漿處理腔室的示意橫剖面視圖。在某些實施例中，電漿處理腔室為物理氣相沉積(PVD)處理腔室。但是，使用靜電夾具的其他種類的處理腔室也可與本發明設備一起使用。
腔室100為真空腔室，適於在基板處理期間維持腔室內部容積120內的次大氣壓力。腔室100包括腔室主體106，腔室主體106被圓頂104覆蓋，圓頂104圍繞位於腔室內部容積120的上半部中的處理容積119。腔室100也可包括一或更多個屏蔽部105，屏蔽部105限制了各種腔室元件，以防止此種元件與離子化的處理材料之間的非所欲反應。腔室主體106與圓頂104可由金屬製成，例如鋁。腔室主體106可透過耦接於地115而接地。
基板支撐124可設置於腔室內部容積120內，用於支撐且夾住基板101，例如半導體晶圓或其他可被靜電固定的此種基板。基板支撐124通常可包括靜電夾具150(更詳細敘 述於下)與中空支撐軸112，中空支撐軸112用於支撐靜電夾具150。中空支撐軸112提供導管來提供處理氣體、流體、熱轉移流體、電力、或類似者至靜電夾具150。
在某些實施例中，中空支撐軸112耦接於升舉機構113，升舉機構113提供靜電夾具150在上處理位置(如同第1圖所示)與下轉移位置(未圖示)之間的垂直移動。波紋管組件110設置於中空支撐軸112的周圍並且耦接於靜電夾具150與腔室100的底部表面126之間，以提供彈性的密封可以允許靜電夾具150的垂直移動，同時防止腔室100內的真空的漏損。波紋管組件110也包括下波紋管凸緣164，下波紋管凸緣164接觸於O型環165，O型環165接觸於底部表面126，以協助防止腔室真空的漏損。
中空支撐軸112提供導管來耦接冷卻劑流體供應源142、氣體供應源141、夾持的電源140、與一或更多個RF源117(例如，RF電漿電源及/或RF偏壓電源)至靜電夾具150。在某些實施例中，RF電源117可透過RF匹配網路116而耦接於靜電夾具。
基板升舉器130可包括安裝於平臺108上的升舉銷109，平臺108連接至軸部111，軸部111耦接於第二升舉機構132，第二升舉機構132用於升舉與降低基板升舉器130，使得基板101可以放置在靜電夾具150上或從靜電夾具150移除。靜電夾具150包括通孔(敘述於下)，以接收升舉銷109。波紋管組件131耦接於基板升舉器130與底部表面126之間，以提供彈性的密封可以在基板升舉器130的垂直移動 期間維持腔室真空。
腔室100耦接於且流體連通於真空系統114，真空系統114可包括流量閥(未圖示)與真空泵(未圖示)，流量閥與真空泵用於排空腔室100。藉由調整流量閥及/或真空泵，可調節腔室100內的壓力。腔室100也耦接於且流體連通於處理氣體供應源118，處理氣體供應源118可供應一或更多個處理氣體至腔室100，以處理設置於腔室100中的基板。
在操作上，例如，電漿102可產生在腔室內部容積120中，以執行一或更多個處理。藉由透過腔室內部容積120內的一或更多個電極(敘述於下)從電漿電源(例如，RF電源117)耦合電力至處理氣體，來點燃處理氣體並且產生電漿102，可以產生電漿102。替代地或組合地，藉由其他方法，可形成電漿於腔室內部容積120中。在某些實施例中，偏壓電力可從偏壓電源(例如，RF電源117)提供至設置於基板支撐或靜電夾具150內的一或更多個電極(敘述於下)，以從電漿吸引離子朝向基板101。
在某些實施例中，例如當腔室100為PVD腔室時，靶材166(包括要沉積於基板101上的源材料)可設置於基板之上且在腔室內部容積120內。靶材166可由腔室100的接地導電部來支撐，例如通過介電質隔離器的鋁接合器。
可控制的DC電源168可耦接於腔室100，以施加負電壓或偏壓至靶材166。RF電源117A-B可耦接於基板支撐124，以引致負DC偏壓於基板101上。另外，在某些實施例中，負DC自偏壓在處理期間可形成於基板101上。在其他應 用中，基板支撐124可接地或電性浮接。在某些實施例中，RF電源170也可耦接於腔室100，以施加RF電力至靶材166，來促進基板101上的沉積速率的徑向分布的控制。在操作上，腔室100中所產生的電漿102中的離子與來自靶材166的源材料反應。該反應導致靶材166射出源材料的原子，源材料的原子之後被導引朝向基板101，因此沉積材料。
在某些實施例中，可旋轉的磁控管(未圖示)可定位於靶材166的背表面附近。磁控管可包括複數個磁鐵係配置來產生磁場於腔室100內，該磁場大體上平行於且靠近於靶材166的表面，以捕捉電子並且增加局部的電漿密度，這接著增加濺射率。該等磁鐵產生電磁場於腔室100的頂部周圍，且該等磁鐵旋轉而使電磁場旋轉，這影響該處理的電漿密度，以更均勻地濺射靶材166。
例如，靜電夾具150可包括介電質構件，該介電質構件具有支撐表面來支撐具有給定寬度的基板(例如，150mm，或其他尺寸的矽晶圓或其他基板)。基板支撐124可包括冷卻環組件152，冷卻環組件152設置於靜電夾具150之下，以冷卻靜電夾具150。冷卻劑可透過冷卻劑流體供應源142而供應至冷卻環組件152。冷卻環組件152在下面相關於第2圖與第3圖更詳細地討論。
第2圖繪示基板支撐124的示意橫剖面側視圖。如同上面相關於第1圖所討論的，基板支撐124包括靜電夾具150。在某些實施例中，靜電夾具150可由介電質材料形成，例如陶瓷，但是可使用其他材料。在某些實施例中，可使用 低操作溫度的氮化鋁(例如，KYOCERA生產的AN2010)，它具有熱傳導性係大於或等於150W/m-K。這大大有助於從基板101移除熱，且將此熱轉移至冷卻環組件152。
在某些實施例中，靜電夾具150的基板支撐表面可具有大約140mm至大約160mm的直徑230，以支撐150mm的基板101。在某些實施例中，直徑230可為大約144mm，以支撐150mm的基板101。需要的話可使用其他直徑，以支撐不同尺寸的基板。靜電夾具150可包括一或更多個升舉銷孔228形成通過靜電夾具150的主體，升舉銷孔228可具有升舉銷設置通過，以升舉與降低基板101至靜電夾具150的頂部表面上。在某些實施例中，靜電夾具150也可具有氣孔222形成通過靜電夾具150的主體，氣孔222可用於供應氣體至可形成於靜電夾具150的頂部表面上的氣體通道，從而提供氣體至基板101的背側(當基板101設置於靜電夾具150上時)。
環狀支撐環212可耦接於靜電夾具150的背側。在某些實施例中，環狀支撐環212(具有中心開孔)可銅鋅合金焊接或焊接至靜電夾具150的背側。在某些實施例中，環狀支撐環212可由鐵鎳鈷的合金製成，或者任何其他具有類似的熱膨脹係數與結構特性的材料製成。具有中心開孔的環狀固定環214可設置於支撐環212的中心開孔內。固定環214可耦接於環狀支撐環212。
冷卻環組件152可設置於靜電夾具150的底部表面的附近，以冷卻靜電夾具150。在某些實施例中，冷卻環組件 152具有的直徑小於靜電夾具150的基板支撐表面。在某些實施例中，冷卻環組件152具有的直徑小於升舉銷孔228所沿著定位的直徑。在某些實施例中，冷卻環組件152可透過熱墊片210而熱耦接於靜電夾具150。在某些實施例中，熱墊片210可為方向性導熱(例如，垂直地)石墨材料層。這有利地改善至冷卻環的熱傳導。傳統的冷卻環通常仰賴冷卻環與陶瓷之間的接觸，這並非完美的，因為該等表面並非100%平坦，導致微小的空氣間隙與不良的熱傳導性。其他的熱墊片材料也可行，例如熱膠。
在某些實施例中，冷卻環組件152可包括冷卻部250，冷卻部250耦接於帽部252。在某些實施例中，冷卻部250可由銅形成。在其他實施例中，可使用其他材料，例如不鏽鋼、鋁、或類似者，取決於所欲的熱傳導性與冷卻環組件152所操作的處理環境。在某些實施例中，冷卻部的熱傳導性係大約300W/m-K或更大。在某些實施例中，帽部252可由不鏽鋼形成，或者由可以促進冷卻流體饋送管的焊接的其他材料形成。在某些實施例中，冷卻部250與帽部252可栓接、銅鋅合金焊接、焊接、或釘接在一起。在某些實施例中，可使用對準銷218，以將冷卻部250與帽部252對準。
冷卻部250包括冷卻劑通道258，用於流動冷卻劑通過。如同第3圖所示，第3圖係冷卻部250的底部的示意圖，冷卻劑通道258的第一端可耦接於第一冷卻供應管302，用於提供冷卻劑至冷卻部250。在某些實施例中，冷卻劑可流動通過冷卻劑通道258，冷卻劑通道258以層層捲繞的配置形 成為冷卻部250的主體中的溝槽。冷卻劑通道258的第二端可耦接於冷卻流體出口管304，以從冷卻環組件152移除已加熱的冷卻劑。在某些實施例中，帽部252耦接於冷卻部250是以此方式：防止冷卻劑從冷卻劑通道258洩漏。在某些實施例中，帽部252可包括中心開孔262，中心開孔262對準於冷卻部250中的開孔254，並且與開孔254有相同的形狀與尺寸。
在某些實施例中，冷卻部250可包括複數個開孔256，複數個開孔256具有對準銷216設置於其中，該等對準銷216用於將冷卻環組件152對準於靜電夾具150。冷卻環組件152可具有中心開孔254係設置通過冷卻部250與帽部252兩者，以允許至靜電夾具150的各種接觸/管線/連接來通過。例如，在某些實施例中，彈簧固定式熱電偶220可通過開孔254，以連接靜電夾具150的背側。相似的，在某些實施例中，氣體/電性管線232可通過開孔254，以連接至靜電夾具150。冷卻環組件152可包括複數個緊固件孔260，複數個緊固件孔260設置於冷卻環組件152的外部直徑的周圍。
雖然前述是關於本發明之實施例，本發明之其他與進一步實施例可被設想出而無偏離其基本範圍。

Claims (11)

  1. 一種基板支撐，用於使用在一基板處理腔室中，該基板支撐包括：一靜電夾具，該靜電夾具具有一頂部基板支撐表面與一底部表面，其中該靜電夾具由一低操作溫度氮化鋁形成，該低操作溫度氮化鋁具有大於或等於150W/m-K的一熱傳導性；及一冷卻環組件，該冷卻環組件設置於該靜電夾具的該底部表面的附近，該冷卻環組件包括：一冷卻部，該冷卻部具有第一中心開孔和一頂部表面係熱耦接於該靜電夾具的該底部表面，該冷卻部具有一冷卻通道係形成於該冷卻部的一底部表面中，其中該冷卻部由具有一熱傳導性為300W/m-K或更大的一材料形成；及一帽部，該帽部耦接於該冷卻部的該底部表面並且流體地密封形成於該冷卻部中的該冷卻通道，其中該帽部包含第二中心開孔，其中該第一中心開孔和該第二中心開孔具有一非圓形形狀經配置以容納複數個管線及/或複數個連結來通過，其中該第二中心開孔對準該冷卻部中的該第一中心開孔且具有與該冷卻部中的該第一中心開孔相同的形狀與尺寸，及其中該冷卻通道形成於該非圓形第一中心開孔的一周邊的周圍，其中該冷卻環組件經由一熱墊片而熱耦接至該靜電夾具，及其中該熱墊片是一垂直地導熱石墨材料層。
  2. 如請求項1所述之基板支撐，其中該冷卻通道形成於該冷卻環中的該第一中心開孔的一周邊的周圍。
  3. 如請求項1所述之基板支撐，進一步包括：一冷卻劑供應管，該冷卻劑供應管流體地耦接於該冷卻通道的一第一端；及一冷卻劑出口管，該冷卻劑出口管流體地耦接於該冷卻通道的一第二端。
  4. 如請求項1所述之基板支撐，其中該帽部係由不鏽鋼形成。
  5. 如請求項1所述之基板支撐，其中該冷卻部係由銅、鋼、或鋁之一者形成。
  6. 如請求項1所述之基板支撐，該冷卻部與帽部係栓接、銅鋅合金焊接、焊接、或釘接在一起之一者。
  7. 如請求項1所述之基板支撐，進一步包括對準銷，該等對準銷將該冷卻部與帽部對準。
  8. 如請求項1所述之基板支撐，其中該冷卻部的該頂部表面包括複數個開孔，該等複數個開孔具有對準銷設置於其中，該等對準銷將該冷卻環組件對準於該靜電夾具。
  9. 如請求項1所述之基板支撐，進一步包括至少一熱電偶，該至少一熱電偶設置通過該第一中心開孔和該第二中心開孔並且耦接於該靜電夾具的該底部表面。
  10. 如請求項9所述之基板支撐，其中該至少一熱電偶係一彈簧固定式熱電偶。
  11. 如請求項1所述之基板支撐，進一步包括複數個熱電偶，該至少熱電偶設置通過該第一中心開孔和該第二中心開孔並且耦接於該靜電夾具的該底部表面。
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