TWI645498B - 具有溫度分佈控制的基板支架 - Google Patents

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Abstract

係於本文中提供具有溫度分佈控制之基板支架的方法及裝置。在某些實施例中，基板支架包括：一板部，具有一基板接收表面及相對的一底表面；及一軸，具有一第一端及第二端，該第一端包括一軸加熱器，其中該第一端耦合至該底表面。亦提供了製造具有溫度分佈控制之基板支架的方法。

Description

具有溫度分佈控制的基板支架
本發明的實施例大致關於半導體處理設備。
在半導體基板處理中，基板溫度通常是關鍵的處理參數。溫度的改變以及在處理期間跨基板表面的溫度梯度對於材料沈積、蝕刻率、特徵錐角、階梯覆蓋及類似物通常是不利的。通常想要在基板處理之前、期間及之後，在基板溫度分佈(temperature profile)上進行控制，以強化處理及最小化不想要的特性及/或缺陷。
基板通常支持於具有安置於中央之支架軸的基板支架或支座上，該支架軸係用以支持基板支架或支座。基板支架通常包括一或更多個內嵌式加熱器，該等加熱器經調整以加熱安置於其上之基板。然而，發明人已觀察到，具有內嵌式加熱器之慣用經加熱的基板支架在基板支架的中央區域處通常顯示溫度非一致性，這導致基板中處理結果的非一致性。發明人已觀察到，在某些情況中，基板支架的溫度非一致性可歸因於將熱自基板支架抽離的支架軸。
因此，發明人已提供具有改良之溫度一致性的經加熱基板支架實施例。
係於本文中提供具有溫度分佈控制之基板支架的方法及裝置。在某些實施例中，基板支架包括：一板部，具有一基板接收表面及相對的一底表面；及一軸，具有一第一端及第二端，該第一端包括一軸加熱器，其中該第一端耦合至該底表面。
在某些實施例中，基板支架包括：一板部，具有一基板接收表面及相對的一底表面；一板加熱器，安置於該板部中；一板溫度感測器，安置於該板部中，其中該板加熱器及該板溫度感測器係耦合至一控制器；一軸，具有一第一端及一第二端，該第一端包括一軸加熱器，其中該第一端係耦合至該底表面；及一軸溫度感測器，安置於該第一端處，其中該軸溫度感測器及該軸加熱器係耦合至一控制器。
在某些實施例中，係提供製造一基板支架的一種方法，且該方法包括以下步驟：形成一板部，該板部具有一基板接收表面及相對的一底表面；形成陶瓷材料的一第一層，該第一層包括一第一端及相對的一第二端；在該第一端處將一加熱器安置於該第一層上；將一導管安置於該第一層上，使得該導管的一端耦合至該加熱器且該導管的一第二端延伸超過該陶瓷材料的該第二端；將陶瓷材料的一第二層形成於該第一層的頂部上，使得該第二層至少部分地覆蓋該加熱器；處理該第一層及該第二層以形成一軸；及將該第一端耦 合至該板部的該底表面。
本發明的其他及進一步的實施例係描述於下。
100‧‧‧支架
102‧‧‧板部
104‧‧‧表面
106‧‧‧底表面
108‧‧‧板加熱器
110‧‧‧DC源
111‧‧‧導體
112‧‧‧板溫度感測器
114‧‧‧控制器
116‧‧‧控制器
118‧‧‧控制器
120‧‧‧軸
122‧‧‧基板
124‧‧‧腔室
126‧‧‧第一端
127‧‧‧第二端
128‧‧‧凸緣
130‧‧‧軸加熱器
132‧‧‧軸溫度感測器
133‧‧‧第一端
134‧‧‧導體
135‧‧‧第二端
136‧‧‧導體
138‧‧‧導體
139‧‧‧第二端
140‧‧‧DC源
200‧‧‧基板支架
202‧‧‧第一層
203‧‧‧外表面
204‧‧‧第二層
212‧‧‧介面
213‧‧‧表面
214‧‧‧控制器
220‧‧‧軸
226‧‧‧第一端
227‧‧‧第二端
228‧‧‧凸緣
230‧‧‧軸加熱器
232‧‧‧溫度感測器
233‧‧‧第一端
234‧‧‧導體
235‧‧‧第二端
236‧‧‧導體
237‧‧‧第一端
238‧‧‧導體
239‧‧‧第二端
240‧‧‧DC源
242‧‧‧上緣
244‧‧‧相對底緣
246‧‧‧上緣
248‧‧‧底緣
300‧‧‧方法
302‧‧‧步驟
304‧‧‧步驟
306‧‧‧步驟
308‧‧‧步驟
310‧‧‧步驟
312‧‧‧步驟
314‧‧‧步驟
316‧‧‧步驟
本發明的實施例(於上所簡要概述且於以下更詳細討論的)可藉由參照描繪於附隨圖示中之本發明說明性實施例來瞭解。應注意的是，然而，所附圖示僅繪示此發明之一般實施例且因此並不視為限制此發明之範圍，因為該發明可接納其他等效實施例。
圖1描繪依據本發明之某些實施例之基板支架的示意側截面圖。
圖2描繪依據本發明之某些實施例之基板支架的示意側截面圖。
圖3描繪用於製造依據本發明之某些實施例之基板支架的流程圖。
為了促進瞭解，已使用了相同參考標號(於可能處)以指定普遍用於該等圖式之相同構件。並非按比例繪示該等圖示且可為了明確起見而簡化該等圖示。可預期的是，可有益地將一個實施例的構件及特徵併入其他實施例而不進一步的重述。
本發明的實施例提供具有改良溫度一致性控制之經加熱的基板支架。本發明的實施例可用以使用具有產生於基板上之溫度分佈上的強化控制的經加熱基板支架，來對於任何處理支持及加熱基板。可自所揭露之基板支架獲益之處理 的非限制性示例包括化學氣相沈積(CVD)、原子層沈積(ALD)或雷射退火處理。
圖1係依據本發明某些實施例之基板支架100的示意側截面圖。基板支架100包括加熱器板，板部102包括基板接收表面104及底表面106。板部102可使用一或更多個可相容於處理的材料來形成，該等材料包括陶瓷材料(例如氮化矽(Si3N4)、氧化鋁(Al2O3)、氮化鋁(AlN)或碳化矽(SiC))及金屬材料(例如鋁及不銹鋼(SST)或像是矽鋁合金(Si-Al)的合金)。
內嵌或安置於板部102內的是一或更多個板加熱器108(圖示兩個板加熱器108)。板加熱器108可為環的形式，如所繪示的。或者，板加熱器108可為內嵌於板部102內的分離加熱器構件。板加熱器108係透過導體111耦合至電源供應器(例如DC源110)，以向板加熱器108提供電力以促進板部102的加熱。
板溫度感測器112(例如電阻式溫度裝置(RTD))係內嵌於板部102中或耦合至板部102以在板部102中感興趣的區域處感測溫度。板溫度感測器112係透過導體116耦合至控制器114以向控制器114提供關於板部102溫度的資料。
DC源110亦透過導體118耦合至控制器114。控制器114基於來自板溫度感測器112的溫度資料來調節所提供至板加熱器108的電力量，以提供預選的板溫度。如此，板加熱器108、DC源110、板溫度感測器112及控制器114係 被連結及操作為第一閉迴路控制電路以維持所預選的板部102溫度。
控制器114可為任何一般用途的電腦，係經調整以從由板溫度感測器112所提供的資料讀取及監測板部102的溫度，以及調節所提供至板加熱器108的電力量。
板部102可安置於軸120的第一端126上且由軸120的第一端126所支持。軸120可使用如以上所討論之相容於處理的材料來形成。
第一端126係安裝至底表面106以支持板部102,且(例如)為了基板處理及傳輸，當基板122安置於基板接收表面104上時將基板122支持在腔室124內的位置。在某些實施例中，軸120可藉由耦合至軸120之合適的升降致動器、旋轉致動器或組合升降及旋轉致動器(未圖示)，來提供腔室124內板部102及基板122之垂直安置及旋轉安置中之一或更多者。
在某些實施例中，第一端126包括凸緣128以促進將軸120安裝至底表面106。凸緣128可使用任何合適的機械固定器、接著劑、焊接、硬焊或類似物來安裝至底表面106。凸緣128可為軸120的集成元件或(例如)藉由焊接耦合至軸120的分離元件。在某些實施例中，軸120的第一端126可安裝至底表面106而不用凸緣。例如，接著劑、焊接、硬焊或類似物可用以將軸120的第一端126安裝至底表面106。軸120可直接耦合至底表面106以最小化軸120及板部102之底表面106間的熱阻抗。
至少一個軸加熱器130耦合至凸緣128。在某些實施例中，至少一個軸加熱器130係至少部分地內嵌於凸緣128中。在某些實施例中，至少一個軸加熱器130是電阻式加熱器。導體134的第一端133係耦合至軸加熱器130。導體134的第二端135延伸超過軸120的第二端127且耦合至電源供應器(例如DC源140)以促進向至少一個軸加熱器130提供電力以加熱軸120的第一端126。
軸溫度感測器132(例如電阻式溫度裝置)亦內嵌於凸緣128中或耦合至凸緣128。導體138的第一端137係耦合至軸溫度感測器132。導體138的第二端139延伸超過軸120的第二端127及耦合至控制器(例如控制器114)。DC源140亦可(例如透過導體136)耦合至控制器114。類似於以上所述之第一閉迴路控制電路的控制電路包括經連接以操作為第二閉迴路控制電路的軸加熱器130、DC源140、軸溫度感測器132及控制器114。在第二閉迴路電路中，回應於由軸溫度感測器132所提供的溫度資料，控制器114調節至軸加熱器130的電力，以促進軸120之第一端126的溫度控制。第一閉迴路電路及第二閉迴路電路可具有如所示的通用控制器114，或該等閉迴路電路可具有互相通訊的分離控制器。
在某些實施例中，第一閉迴路控制電路(板加熱器108、DC源110、板溫度感測器112及控制器114)及第二閉迴路電路(軸加熱器130、DC源140、軸溫度感測器132及控制器114)係例如通過控制器114連接在一起。控制器114可經配置以獨立控制第一及第二閉迴路控制電路以將板部102及軸120分別維持在第一及第二溫度。第一及第二溫度可為相同的溫度。
圖2描繪依據本發明實施例之基板支架200的簡化示意側截面圖。板部102可如上所述地來建構且為了明確性而忽略某些細節(例如，以上所述之第一閉迴路電路的元件)來說明。係提供陶瓷支持軸(軸220)以支持安置於軸220之第一端226上的板部102。在某些實施例中，如上所述，第一端226包括凸緣228，該凸緣228係安裝至板部102的底表面106。在某些實施例中，如上所述，第一端226可安裝至板部102的底表面106而不用凸緣。
如所繪示的軸220包括兩層的陶瓷材料，即第一層202及第二層204(雖可使用額外的層)。在非限制性的示例中，軸220可使用以上所討論之陶瓷材料來形成。一或更多個電性元件可安置於第一層202及第二層204間的介面212處。
例如，軸加熱器230可在介面212處安置於凸緣228的部分中。類似於圖1實施例中的軸加熱器130，導體234的第一端233係耦合至軸加熱器230。導體234的第二端235延伸超過軸220的第二端227且耦合至電源(例如DC源240)以向軸加熱器230提供電力且促進加熱軸220的第一端226。導體234可完全或部分地沿第一層202及第二層204間的介面212安置。
軸加熱器230及導體234中之一或更多者可印刷於第一層202或第二層204的表面213上。例如，軸加熱器230 及導體234中的至少一者可藉由網版印刷(screen print)於第一層202部分上之具有合適電阻的鎢、鉬或其他金屬的溶液所形成。在某些實施例中，軸加熱器230及導體234可印刷於陶瓷材料之第一層202的外表面203上。例如，可形成陶瓷材料的第一層202而軸加熱器230及導體234印刷於外表面203上。陶瓷材料的第二層204可形成於第一層202上，至少部分地覆蓋軸加熱器230及導體234。所組合的第一及第二層202及204可(例如藉由燒結)被進一步處理以形成具有安置於介面212處之軸加熱器230及導體234的完成軸220。
在進一步處理之前，且以類似的方式，軸溫度感測器232(例如電阻式溫度裝置(RTD))亦可安置於介面212處。軸溫度感測器232可印刷於第一層202的外表面203上。導體238的第一端237可耦合至軸溫度感測器232。導體238的第二端239延伸超過第一層202的第二端227且耦合至控制器214。DC源240亦可(例如透導體236)耦合至控制器214。
軸加熱器230、DC源240、軸溫度感測器232及控制器214包括在結構及功能上類似於以上所述之第二閉迴路電路的閉迴路電路。
在某些基板處理中，基板接收表面的溫度分佈預測了所支持於其上之基板的溫度分佈。跨基板接收表面的溫度非一致性係由所支持於其上之基板上的非一致處理效能所表現。發明人已觀察到在某些情況下，相對於軸的安裝位置， 熱係損失於板部的中央區域處。發明人已注意到，軸似乎產生散熱器，自軸及板部之介面處的板部移除某些熱。將軸安裝至板部在基板安裝表面處造成溫度不連續性。
發明的基板支架在軸的第一端(安裝端)處可包括加熱器及溫度感測器以減少來自板部的熱損失。軸之第一端處的加熱器以閉迴路控制來產生額外的熱以向軸補償熱損失。已觀察的是，軸加熱器的閉迴路控制有益地允許軸第一端溫度的精確控制。當結合板部溫度的閉迴路控制使用時，板部及軸之第一端間的溫度差異可被最小化。在軸之第一端溫度是相同(或實質相同)於板部溫度的情況下，發明人已注意到可建立絕熱介面，在該絕熱介面中，熱既不傳輸至板部亦不自板部傳輸。在這樣的條件下，發明人在基板支架表面上或支持於其上之基板上已觀察不到軸的熱印記。據此，可藉由跨基板維持更一致的溫度來有益地影響基板的處理。此外，為了補償在處理期間傳輸至或自基板的其他熱來源(例如用以在處理期間在基板上維持更一致的熱梯度)，或為了補償處理之非一致性的其他來源或非一致地引進的基板(例如用以在處理期間在基板上維持目的性地非一致熱梯度)，基板支架可經操作以跨基板支架表面而發展目的性的非一致熱梯度(例如中央區域較熱或中央區域較冷)。
發明人亦已觀察到，慣用基板支架中經加熱之板部及未經加熱之軸間的溫度差異亦可在軸及板部底部間的介面處造成熱壓力。熱壓力可使軸及板間的附接存在問題，例如因為不同的溫度，板部及軸不同地延展或接觸。
在本發明中，如以上所討論的，軸加熱器可在介面處有益地最小化或實質消除軸及板部間的溫度差異。據此，熱壓力及相關聯的缺點亦可被最小化或實質消除。
發明人已發展形成以上所揭露之發明性經加熱基板支架的新穎方式。係參照板部102(圖1)及軸220(圖2)，將方法概述開始於圖3中的300處。於302處，係形成具有基板接收表面104及相對的底表面106的板部102。板部102可包括一或更多個板加熱器108以及內嵌於板部102中的板溫度感測器112(例如電阻式溫度裝置(RTD))。如上所述，板加熱器108及板溫度感測器112可耦合至DC源110及控制器114及形成第一閉迴路控制電路。
板部102可使用如上所列的陶瓷材料來形成。形成板部102的步驟可包括用以緻密化陶瓷材料的燒結步驟。可在適當時使用對於特定材料(陶瓷的或金屬的)是合適的其他製造程序。形成板部102可獨立於形成軸220而發生。
於304處，係形成陶瓷材料的第一層202，第一層202包括第一端226及相對的第二端227。第一層202可包括相對應於凸緣228的區域。在某些實施例中，第一層202係形成為具有上緣242(相對應於軸的第一端226，包括凸緣228)、相對的底緣244(相對應於第二端227)及縱向緣(未圖示)的一片陶瓷材料。
於306處，軸加熱器230係於上緣242處安置於第一層202上。在某些實施例中，軸加熱器230係使用如以上所討論之網版印刷技術，來使用包括具有合適電阻之鎢、鉬 或其他金屬的溶液來印刷於第一層202的表面213上。軸加熱器230可藉由在上緣242處印刷相同或不同配置的複數個層來形成。
當於308處時，導體234可安置於第一層202表面213上。導體234的第一端233可耦合至軸加熱器230。第二端235延伸至第一層202的底緣244。在某些實施例中，第二端235延伸超過底緣244。在某些實施例中，可如以上使用類似的材料來印刷(例如網版印刷)導體234。當導體234印刷於表面213上時，額外導體(未圖示)可在底緣244處耦合至導體234，以將導體234延伸超過底緣244。
可選地，於310處，軸溫度感測器232(例如電阻式溫度裝置(RTD))可在第一層的上緣242處安置於第一層202上。軸溫度感測器232可耦合至導體238，該導體238可同軸溫度感測器232整合形成或獨立形成。在某些實施例中，軸溫度感測器232或導體238中之至少一者可(例如藉由網版印刷)印刷於表面213上。
於312處，陶瓷材料的第二層204係形成於第一層202的頂部上，使得第二層204至少部分地覆蓋軸加熱器230。若導體234係印刷於表面213上，第二層204可至少部分地覆蓋導體234。在第一層202係形成為一片陶瓷材料的實施例中，第二層204亦可形成為具有與上緣242校準之上緣246、與底緣244校準之相對的底緣248及縱向緣(未圖示)的陶瓷材料片。
於314處，具有安置於表面213上之加熱器的第一 層202及具有形成於第一層頂部上且至少部分地覆蓋加熱器之第二層204的第一層202係處理在一起以形成軸220。處理步驟可包括用以緻密化陶瓷材料之第一及第二層202、204的程序。例如，可在升高的溫度及高壓下燒結第一及第二層202、204以形成軸220。
在第一及第二層202及204係形成為陶瓷材料片的實施例中，該等片可形成成開口管，使得上緣246係同上緣242校準，且底緣248係同底緣244校準。例如，第一及第二層202及204可捲成管狀形式，使得第一層202的縱向緣被接合且第二層204的縱向緣被接合。管狀形式可為圓柱狀或其他合宜的形狀。
於316處，軸220的第一端226係耦合至板部102底表面106以形成依據本發明實施例的基板支架。耦合步驟可在適當時使用任何合適的機械固定器(例如螺紋固定器或機械夾緊裝置)或接著劑來達成。
因此，已提供了具有改良溫度一致性控制之經加熱的基板支架實施例。本發明的實施例可用以使用具有在產生於基板上之溫度分佈上之強化控制的經加熱基板支架，來對於任何處理支持及加熱基板。可自所揭露之基板支架獲益之處理的非限制性示例包括化學氣相沈積(CVD)、原子層沈積(ALD)或雷射退火處理。
雖然以上所述係針對本發明之實施例，可設計出該發明之其他且進一步的實施例而不脫離該發明之基礎範圍。

Claims (19)

  1. 一種基板支架，包括：一板部，具有一基板接收表面及相對的一底表面；及一軸，包括一細長結構，該細長結構具有一第一端及一第二端，該第一端耦合至該板部的該底表面，其中一軸加熱器內嵌於該軸的該第一端中。
  2. 如請求項1所述之基板支架，其中該第一端包括一凸緣且該軸加熱器係安置於該凸緣內。
  3. 如請求項1所述之基板支架，其中該軸加熱器係一電阻式加熱器。
  4. 如請求項3所述之基板支架，其中該軸加熱器包括內嵌於該軸中的一導體。
  5. 如請求項4所述之基板支架，其中該導體係將一電源供應器耦合至該軸加熱器。
  6. 如請求項1至5任一項所述之基板支架，更包括：一電源供應器，耦合至該軸加熱器且耦合至一控制器；及 一軸溫度感測器，安置於該第一端處且耦合至該控制器，其中該軸加熱器、該電源供應器、該控制器及該軸溫度感測器係連結於一第一閉迴路控制電路中。
  7. 如請求項6所述之基板支架，其中該板部更包括：一板加熱器，安置於該板部中；一電源供應器，耦合至該板加熱器且耦合至該控制器；及一板溫度感測器，安置於該板部中且耦合至該控制器，其中該板加熱器、該電源供應器、該控制器及該板溫度感測器係連結於一第二閉迴路控制電路中。
  8. 如請求項7所述之基板支架，其中該控制器係經配置以獨立控制該第一閉迴路控制電路及該第二閉迴路控制電路以將該板部及該軸維持在預選的一溫度。
  9. 如請求項1至5任一項所述之基板支架，其中該軸係使用一層陶瓷材料來形成。
  10. 如請求項9所述之基板支架，其中該陶瓷材料包括氮化矽(Si3N4)、氧化鋁(Al2O3)、氮化鋁(AlN)或碳化矽(SiC)中之一或更多者。
  11. 如請求項9所述之基板支架，其中該軸係使用二或更多層的陶瓷材料來形成。
  12. 如請求項9所述之基板支架，其中該軸加熱器係安置於一層陶瓷材料上。
  13. 如請求項9所述之基板支架，其中該軸更包括一導體，該導體安置於該層陶瓷材料上且耦合至該軸加熱器。
  14. 一種基板支架，包括：一板部，具有一基板接收表面及相對的一底表面；及一板加熱器，安置於該板部中；一板溫度感測器，安置於該板部中，其中該板加熱器及該板溫度感測器係耦合至一控制器；一軸，包括一細長結構，該細長結構具有一第一端及一第二端，該第一端耦合至該板部的該底表面，其中一軸加熱器內嵌於該軸的該第一端中；及一軸溫度感測器，安置於該第一端處，其中該軸溫度感測器及該軸加熱器係耦合至一控制器。
  15. 一種製造一基板支架的方法，包括以下步驟：形成一板部，該板部具有一基板接收表面及相對的一底表面； 形成一第一層的陶瓷材料，該第一層包括一第一端及相對的一第二端；在該第一端處將一加熱器內嵌在該第一層上；將一導管安置在該第一層上，使得該導管的一端耦合至該加熱器且該導管的一第二端延伸超過該陶瓷材料的該第二端；將一第二層的陶瓷材料形成於該第一層的頂部上，使得該第二層至少部分地覆蓋該加熱器；處理該第一層及該第二層以形成一軸；及將該第一端耦合至該板部的該底表面。
  16. 如請求項15所述之方法，其中該加熱器係印刷於該第一層的陶瓷材料上。
  17. 如請求項15至16任一項所述之方法，更包括以下步驟：將一板加熱器內嵌於該板部中。
  18. 如請求項15至16任一項所述之方法，其中該第二層至少部分地覆蓋該導管。
  19. 如請求項15至16任一項所述之方法，其中該板部係使用一陶瓷材料來形成。
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