TWI648814B - 溫控晶圓安裝台及其溫控方法 - Google Patents
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Abstract
一種溫控晶圓安裝台及其溫控方法，將相變材料應用在晶圓安裝台的熱平衡傳導迴路中，不同的驅動控制電路向其連接的溫度調節模組施加電壓來實現相變材料的相變，使相變材料在晶相和非晶相之間轉變，以改變相變材料的熱傳導係數，從而改變晶圓安裝台中的局部熱迴路綜合熱傳導係數，最終改變晶圓安裝台的局部溫度。本發明藉由控制相變材料的相變狀態和相變過程，達到控制相變材料的熱傳到係數的目的，實現對晶圓安裝台中的從加熱器到冷源之間的局部熱迴路綜合熱傳導係數的調節，從而達到調節補償優化加熱器溫度不均性的目的。
Description
本發明涉及半導體製造領域，尤其涉及一種溫控晶圓安裝台及其溫控方法。
半導體蝕刻設備中的溫控晶圓安裝台用於吸附晶圓並對晶圓的溫度進行控制。目前採用的多區溫控晶圓安裝台，特別是大於100多個溫區的晶圓安裝台中，每個溫區加熱器的類型一般是半導體製冷片或傳統的電阻絲加熱器，前者藉由改變接入半導體製冷片的正向/反向電流，以及控制電壓比例來實現每個區的溫控，後者直接藉由調節輸入電壓的百分比來控制溫區的加熱。無論是採用半導體製冷片還是電阻絲加熱器，對需要進行溫度控制，所採用的控制系統比較複雜，容易受射頻RF干擾，無法達到預期的溫控效果。
本發明提供一種溫控晶圓安裝台及其溫控方法，將相變材料應用在晶圓安裝台的熱平衡傳導迴路中，藉由控制相變材料的相變狀態和相變過程，達到控制相變材料的熱傳到係數的目的，實現對晶圓安裝台中的從加熱器到冷源之間的局部熱迴路綜合熱傳導係數的調節，從而達到調節補償優化加熱器溫度不均性的目的。
為了達到上述目的，本發明提供一種溫控晶圓安裝台，其設置在半導體蝕刻設備的真空腔內，所述的溫控晶圓安裝台包含陶瓷基板，用於放置晶圓；加熱器，其設置在陶瓷基板下方，用於加熱陶瓷基板；至少一個溫度調節模組，其設置在加熱器四周，該溫度調節模組包含相變材料以及與相變材料接觸設置的電阻，藉由電阻溫度的變化，引起相變材料的晶相變化，導致溫度調節模組的熱傳導係數變化，從而調節晶圓安裝台的溫度；驅動控制電路，其電性連接溫度調節模組中的電阻，藉由對電阻施加不同加熱功率，使得相變材料在不同晶相之間變化；複數個冷源，其設置在基底中，用於降低晶圓安裝台的溫度。
較佳地，所述的加熱器的形狀為圓形或環形。
較佳地，所述的加熱器的配置方式設置為單區、雙區或多區加熱器。
較佳地，所述的溫度調節模組設置在加熱器上方，或者設置在加熱器下方，或者同時設置在加熱器的上方和下方。
較佳地，所述的驅動控制電路的數量與溫度調節模組的數量相同，每一個溫度調節模組都分別電性連接獨立的驅動控制電路。
較佳地，所述的溫度調節模組的形狀為單個圓盤形、或者複數個同心環型、或者蜂窩狀排列分布、或者矩陣排列分布、或者線陣列排列分布形式。
本發明更提供一種半導體蝕刻設備，包含設置在真空腔內的溫控晶圓安裝台。
本發明更提供一種溫控晶圓安裝台的溫控方法，該方法包含不同的驅動控制電路向其連接的溫度調節模組施加加熱功率來實現相變材料的相變，使相變材料在晶相和非晶相之間轉變，以改變相變材料的熱傳導係數，從而改變晶圓安裝台中的局部熱迴路綜合熱傳導係數，最終改變晶圓安裝台的局部溫度；其中，處於晶相的相變材料的熱傳導係數小於處於非晶相的相變材料的熱傳導係數；所述的熱迴路是指：熱量依次經過加熱器、溫度調節模組、基底、冷源所形成的熱平衡傳導迴路；所述的局部熱迴路綜合熱傳導係數是相變材料熱傳導係數和基底熱傳導係數的函數： K = f（K相變, K基底），其中，K是局部熱迴路綜合熱傳導係數，K相變是相變材料熱傳導係數，K基底是基底熱傳導係數。
較佳地，所述的控制電路向相變材料施加電壓來實現相變材料的相變的方法包含以下步驟：驅動控制電路向溫度調節模組中的電阻施加加熱功率，電阻升溫使處於晶相的相變材料的溫度升高到融化溫度以上，相變材料冷卻後，使相變材料從晶相轉變為非晶相；驅動控制電路向溫度調節模組中的電阻施加加熱功率，電阻升溫使處於非晶相的相變材料的溫度升高到結晶溫度以上融化溫度以下，使相變材料從非晶相轉變為晶相。
本發明將相變材料應用在晶圓安裝台的熱平衡傳導迴路中，藉由控制相變材料的相變狀態和相變過程，達到控制相變材料的熱傳到係數的目的，實現對晶圓安裝台中的從加熱器到冷源之間的局部熱迴路綜合熱傳導係數的調節，從而達到調節補償優化加熱器溫度不均性的目的。本發明控制電路簡單，控制訊號不易被RF訊號干擾，可以獲得良好的溫控效果。
以下根據第1至8圖，具體說明本發明的較佳實施例。
如第1圖所示，本發明提供一種溫控晶圓安裝台2，其設置在半導體蝕刻設備的真空腔1內，如第2圖所示，在本發明的一個實施例中，所述的溫控晶圓安裝台2包含陶瓷基板201，用於放置晶圓；加熱器202，其設置在陶瓷基板201下方，用於加熱陶瓷基板201；至少一個溫度調節模組203，其設置在加熱器202四周，如第3圖所示，該溫度調節模組203包含相變材料2031以及與相變材料2031接觸設置的電阻2032，藉由電阻溫度的變化，引起相變材料的晶相變化，導致溫度調節模組203的熱傳導係數變化，從而調節晶圓安裝台的溫度；其中更包括至少兩加熱電極用於導入加熱的電功率，兩加熱電極可以是分別位於相變材料層2031之上和電阻2032之下，加熱電壓施加在上下兩個電極之間。兩加熱電極也可以排列分布在電阻層2032之下，形成互相平行或交叉的導線網路，驅動電阻加熱。其中電阻2032可以包括矩陣狀排列的複數個獨立可控的電阻加熱模組，各個加熱電極分別連接到所述複數個電阻加熱模組，實現局部區域溫度的控制，從而實現對相變材料2031局部區域的晶相結構的控制。
複數個驅動控制電路（圖中未顯示），其電性連接溫度調節模組203中的電阻2032，藉由對電阻2032施加電壓來實現相變材料2031的相變；
複數個冷源205，其設置在基底204（採用鋁材質）中，用於降低晶圓安裝台的溫度。
所述的加熱器202的形狀為圓形或環形，加熱器202的配置方式可以設置為單區、雙區或多區加熱器202。
所述的溫度調節模組203可以設置在加熱器202上方，或者設置在加熱器202下方，或者同時設置在加熱器202的上方和下方。
所述的每一個溫度調節模組203都分別電性連接獨立的驅動控制電路，所述的溫度調節模組203的形狀可以為單個圓盤形、或者複數個同心環型、或者蜂窩狀排列分布、或者矩陣排列分布、或者線陣列排列分布形式等等。
所述的相變材料是指該材料的晶相在一定條件下可以發生改變，物體從一種相轉變到另一種相的過程就是相變，如水從液體變成固態，其化學性質完全相同，但物理性質發生了變化。這種相變可以是溫度等引起的，伴隨著物體物理屬性的電阻值會發生變化，同時電阻值的變化也會引起物體的熱傳導係數的變化，如水從液體轉變成固體，熱傳導係數從1.6W/(m*k)變到2.22W/(m*k)。
如表1所示，所述的相變材料可以採用二元合金、三元合金或多元合金，較佳地，GeSbTe（鍺銻碲）合金材料應用的比較廣泛。
如第4圖所示，經過加熱溶解冷卻，物質的有序的晶相結構可以轉變為無序的非晶相結構，再藉由退火（一定溫度的加熱）可以將無序的非晶相物質可逆為初始的有序的晶相物質。
如第5圖所示，物質在到達晶相狀態或非晶相狀態後，兩種狀態下的電阻值明顯不同，對應的熱傳導係數也不同，且在一定範圍內保持不變而不受外界環境影響（恒阻值，恒熱傳導係數），晶相狀態的電阻值較低而熱傳導係數較高，非晶相狀態的電阻值較高而熱傳導係數較低。而在相變過程中，隨著溫度的變化，物質的晶相在無序非晶相和有序晶相之間進行轉變，對應的電阻值和熱傳導係數也會發生相應的遞增或遞減的變化。因此可以得到啟示，準確地控制相變過程中的溫度變化可以實現對物質電阻值及熱傳導係數的精確控制。
本發明更提供一種溫控晶圓安裝台的溫控方法，包含不同的驅動控制電路向其連接的溫度調節模組施加電壓來實現相變材料的相變，使相變材料在晶相和非晶相之間轉變，以改變相變材料的熱傳導係數，從而改變晶圓安裝台中的局部熱迴路綜合熱傳導係數，最終改變晶圓安裝台的局部溫度。
所述的熱迴路是指：熱量依次經過加熱器、溫度調節模組、基底、冷源所形成的熱平衡傳導迴路。
所述的局部熱迴路綜合熱傳導係數是相變材料熱傳導係數和基底熱傳導係數的函數：
K = f（K相變, K基底），其中，K是局部熱迴路綜合熱傳導係數，K相變是相變材料熱傳導係數，K基底是基底熱傳導係數。
其中，處於晶相的相變材料具有低電阻值和高熱傳導係數，處於非晶相的相變材料具有高電阻值和低熱傳導係數。
所述的驅動控制電路向溫度調節模組施加電壓來實現相變材料的相變的方法具體包含以下步驟：驅動控制電路向電阻施加電壓，電阻升溫使處於晶相的相變材料的溫度升高到融化溫度以上，相變材料冷卻後，相變材料多晶有序的生長過程遭到破壞，使相變材料從晶相（低電阻值高熱傳導係數）轉變為非晶相（高電阻值低熱傳導係數）；驅動控制電路向電阻施加電壓，電阻升溫使處於非晶相的相變材料的溫度升高到結晶溫度以上融化溫度以下，使相變材料從非晶相（高阻值低熱傳導係數）轉變為晶相（低阻值高熱傳導係數）；
其中，驅動控制電路向電阻施加電壓，藉由測量電阻中的電流值，利用電阻公式可以計算得到相變材料的電阻值，以實現對相變材料狀態的監控。
藉由動態調整驅動控制電路施加的電壓幅度的百分比，即控制相變材料從非晶相到晶相轉變的這個過程，就可以動態地調整相變材料從非晶相到晶相的熱傳導係數，達到準確調整優化加熱器溫度不均性的目的。
如第7圖所示，是相變材料2031從晶相轉變為非晶相的熱傳導示意圖，藉由給電阻2032通入電壓，使電能轉化成熱能，令相變材料2031的溫度升高到融化溫度以上，冷卻後實現相變材料2031從晶相到非晶相的轉變，相變材料2031的高熱傳導係數轉變成低熱傳導係數，此時的熱迴路的局部綜合熱傳導係數也隨之降低，從加熱器202產生的熱量更難穿過相變材料2031到達冷源205，熱量散失慢，此時該溫度調節模組203表現為高溫區。
如第8圖所示，是相變材料2031從非晶相轉變為晶相的熱傳導示意圖，藉由給電阻2032通入電壓，令相變材料2031溫度升高到結晶溫度以上，融化溫度以下，實現相變材料2031從非晶相到晶相的轉變，相變材料2031的低熱傳導係數轉變成高熱傳導係數，此時的熱迴路的局部綜合熱傳導係數也隨之升高，從加熱器202產生的熱量更容易穿過相變材料2031到達冷源205，熱量散失快，此時該溫度調節模組203表現為低溫區。
本發明將相變材料2031應用在晶圓安裝台的熱平衡傳導迴路中，藉由控制相變材料2031的相變狀態和相變過程，達到控制相變材料2031的熱傳到係數的目的，實現對晶圓安裝台中的從加熱器202到冷源205之間的局部熱迴路綜合熱傳導係數的調節，從而達到調節補償優化加熱器202溫度不均性的目的。本發明控制電路簡單，可以獲得良好的溫控效果。
儘管本發明的內容已經藉由上述較佳實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本發明所屬技術領域中具有通常知識者閱讀了上述內容後，對於本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護範圍應由所附的申請專利範圍來限定。
1‧‧‧真空腔
2‧‧‧溫控晶圓安裝台
201‧‧‧陶瓷基板
202‧‧‧加熱器
203‧‧‧溫度調節模組
2031‧‧‧相變材料
2032‧‧‧電阻
204‧‧‧基底
205‧‧‧冷源
第1圖是本發明提供的一種溫控晶圓安裝台的位置關係示意圖。
第2圖是本發明提供的一種溫控晶圓安裝台的結構示意圖。
第3圖是溫度調節模組的結構示意圖。
第4圖是物質相變示意圖。
第5圖是物質熱傳導係數隨晶相變化的示意圖。
第6圖是電壓脈衝與相變的關係圖。
第7圖是相變材料從晶相轉變為非晶相的熱傳導示意圖。
第8圖是相變材料從非晶相轉變為晶相的熱傳導示意圖。
Claims (9)
- 一種溫控晶圓安裝台，其設置在半導體蝕刻設備的真空腔內，其中該溫控晶圓安裝台包含： 一陶瓷基板（201），用於放置一晶圓； 一加熱器（202），其設置在該陶瓷基板（201）下方，用於加熱該陶瓷基板（201）； 至少一個溫度調節模組（203），其設置在該加熱器（202）四周，該溫度調節模組（203）包含一相變材料（2031）以及與該相變材料（2031）接觸設置的一電阻（2032），藉由電阻溫度的變化，引起該相變材料的晶相變化，導致該溫度調節模組的熱傳導係數變化，從而調節晶圓安裝台的溫度； 一驅動控制電路，其電性連接該溫度調節模組（203）中的該電阻（2032），藉由對該電阻（2032）施加不同加熱功率，使得該相變材料在不同晶相之間變化；以及 複數個冷源（205），其設置在一基底（204）中，用於降低晶圓安裝台的溫度。
- 如申請專利範圍第1項所述之溫控晶圓安裝台，其中該加熱器（202）的形狀為圓形或環形。
- 如申請專利範圍第2項所述之溫控晶圓安裝台，其中該加熱器（202）的配置方式設置為單區、雙區或多區加熱器。
- 如申請專利範圍第1項所述之溫控晶圓安裝台，其中該溫度調節模組（203）設置在該加熱器（202）上方，或者設置在該加熱器（202）下方，或者同時設置在該加熱器（202）的上方和下方。
- 如申請專利範圍第1項所述之溫控晶圓安裝台，其中該驅動控制電路的數量與該溫度調節模組（203）的數量相同，每一個該溫度調節模組（203）都分別電性連接獨立的驅動控制電路。
- 如申請專利範圍第4項所述之溫控晶圓安裝台，其中該溫度調節模組（203）的形狀為單個圓盤形、或者複數個同心環型、或者蜂窩狀排列分布、或者矩陣排列分布、或者線陣列排列分布形式。
- 一種半導體蝕刻設備，其包含： 設置在真空腔內的如申請專利範圍第1項至第6項中任意一項該溫控晶圓安裝台。
- 一種如申請專利範圍第1項至第6項中任意一項所述之溫控晶圓安裝台的溫控方法，其包含： 不同的驅動控制電路向其連接的該溫度調節模組施加加熱功率來實現該相變材料的相變，使該相變材料在晶相和非晶相之間轉變，以改變該相變材料的熱傳導係數，從而改變晶圓安裝台中的局部熱迴路綜合熱傳導係數，最終改變晶圓安裝台的局部溫度； 其中，處於晶相的該相變材料的熱傳導係數小於處於非晶相的該相變材料的熱傳導係數； 熱迴路是指熱量依次經過該加熱器、該溫度調節模組、該基底、該冷源所形成的熱平衡傳導迴路； 該局部熱迴路綜合熱傳導係數是該相變材料熱傳導係數和該基底熱傳導係數的函數；以及 K = f（K相變, K基底），其中，K是局部熱迴路綜合熱傳導係數，K相變是該相變材料熱傳導係數，K基底是基底熱傳導係數。
- 如申請專利範圍第8項所述之溫控晶圓安裝台的溫控方法，其中該控制電路向該相變材料施加加熱功率來實現該相變材料的相變的方法包含以下步驟： 驅動控制電路向該溫度調節模組中的電阻施加加熱功率，電阻升溫使處於晶相的該相變材料的溫度升高到融化溫度以上，該相變材料冷卻後，使該相變材料從晶相轉變為非晶相；以及 驅動控制電路向該溫度調節模組中的電阻施加加熱功率，電阻升溫使處於非晶相的該相變材料的溫度升高到結晶溫度以上融化溫度以下，使該相變材料從非晶相轉變為晶相。
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