TWI650441B - 帶有廣範圍操作溫度的ｐｅｃｖｄ陶瓷加熱器 - Google Patents

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Abstract

本發明實施例一般係關於半導體處理腔室，更特定言之，係關於用於半導體處理腔室的加熱支撐基座。在一個實施例中，基座包括含有用於容納基板的支撐表面之基板支撐件、包覆於該基板支撐件內的加熱元件，及具有第一端部與第二端部的第一中空軸，其中第一端部固定於基板支撐件。基板支撐件與第一中空軸由陶瓷材料製成且第一中空軸具有介於50mm至100mm之間的長度。基座進一步包括與第一中空軸的第二端部耦接之第二中空軸。第二中空軸具有大於第一中空軸長度的一長度。

Description

帶有廣範圍操作溫度的PECVD陶瓷加熱器
本發明實施例一般係關於半導體處理腔室，更特定言之，係關於用於半導體處理腔室的加熱支撐基座。
半導體製程包含有數個不同的化學與物理處理過程，精密積體電路由此生成於基板上。組成積體電路的材料層由包括化學氣相沉積、物理氣相沉積、磊晶生長等的製程產生。某些材料層使用光阻劑遮罩與濕或乾蝕刻技術圖案化。用於形成積體電路的基板可係矽、砷化鎵、磷化銦、玻璃或其他合適的材料。
在積體電路的製造中，電漿製程常用於各式材料層的沉積或蝕刻。電漿處理比熱處理有許多優勢。例如，電漿輔助化學氣相沉積(PECVD)允許相較在類似熱製程中可達成溫度之為較低溫度與較高沉積速率下執行沉積過程。因此，PECVD對於嚴格熱預算下的積體電路製造係有利的，例如對於特大型或超大型體電路(VLSI或ULSI)元件製造有利。
用於此等製程中的處理腔室通常包括設置於其中的 基板支撐件或基座以在處理期間支撐基板。在某些製程中，基座可包括用於控制基板溫度與(或)提供可用於處理過程中的升高溫度的嵌入式加熱器。在基板處理期間，基板適當的溫度控制與均勻加熱係相當重要的，特別係當積體電路的尺寸增加時。帶有嵌入式加熱器的傳統支撐件常常具有很多個熱點與冷點，其影響沉積於基板上的薄膜品質。
因此，對於在完整處理週期的全程提供主動溫度控制的基座係有所需求的。
本發明的實施例一般係關於半導體處理腔室，更特定言之，係關於用於半導體處理腔室的加熱支撐基座。在一個實施例中，基座包括含有用於容納基板的支撐表面之基板支撐件、包覆於基板支撐件內的加熱元件，及具有第一端部與第二端部的第一中空軸，其中第一端部固定於基板支撐件。基板支撐件與第一中空軸由陶瓷材料製成且第一中空軸具有第一長度。基座進一步包括與第一中空軸的第二端部耦接之第二中空軸。第二中空軸由金屬製成及具有設置於軸內的冷卻通道。第二中空軸具有比第一長度長約1.5至10倍的第二長度。基座進一步包括設置於第一中空軸與第二中空軸內的RF桿。
在另一個實施例中，揭露用於半導體處理腔室的基座。基座包括含有用於容納基板的支撐表面之基板支撐件、包覆於該基板支撐件內的加熱元件、固定於基板支撐件的第一中空軸、與第一中空軸耦接的第二中空軸及設置於第一中 空軸與第二中空軸內的RF桿，其中基板支撐件與第一中空軸由陶瓷材料製成且第一中空軸具有介於50mm至100mm之間的長度，其中第二中空軸由金屬製成及具有介於150mm至500mm之間的長度。
在另一個實施例中，揭露一電漿處理腔室。電漿處理腔室包括含有處理區域的腔室主體。電漿處理腔室進一步包括設置於處理區域內的基座，其中基座包括含有用於容納基板的支撐表面之基板支撐件、包覆於基板支撐件內的加熱元件，及具有第一端部與第二端部的第一中空軸，其中第一端部固定於基板支撐件。基板支撐件與第一中空軸由陶瓷材料製成且第一中空軸具有介於50mm至100mm之間的長度。電漿處理腔室進一步包括與第一中空軸的第二端部耦接之第二中空軸。第二中空軸由金屬製成及具有設置於軸內的冷卻通道。第二中空軸具有大於第一中空軸的長度之一長度。電漿處理腔室進一步包括設置於第一中空軸與第二中空軸內的RF桿。
100‧‧‧電漿處理腔室
102‧‧‧腔室主體
104‧‧‧氣體分配噴頭
105‧‧‧開口
106‧‧‧狹縫閥開口
107‧‧‧基座
108‧‧‧基板支撐件
109‧‧‧支撐表面
110‧‧‧板
111‧‧‧下表面
112‧‧‧氣體源
116‧‧‧處理空間
120‧‧‧排氣室
122‧‧‧淨化氣體源
124‧‧‧真空泵
126‧‧‧桿
128‧‧‧襯套
130‧‧‧間隙
132‧‧‧開口
134‧‧‧底部氣室
142‧‧‧第一軸
144‧‧‧第二軸
202‧‧‧RF電極
204‧‧‧加熱元件
206‧‧‧第一端部
208‧‧‧第二端部
210‧‧‧內部開口
212‧‧‧通道
214‧‧‧冷卻劑源
216‧‧‧內部開口
218‧‧‧RF連接器組件
222‧‧‧RF電源
224‧‧‧匹配網路
226‧‧‧電源
228‧‧‧終端桿
230‧‧‧RF傳導桿
232‧‧‧通氣孔
234‧‧‧撓性帶
240‧‧‧內表面
本發明揭露之特徵已簡要概述於前，並在以下有更詳盡之討論，可以藉由參考所附圖式中繪示之本發明實施例以作瞭解。然而，值得注意的是，所附圖式只繪示了本發明的典型實施例，而由於本發明可允許其他等效之實施例，所附圖式並不會視為本發明範圍之限制。
第1圖係根據一個實施例的電漿處理腔室之概要截面圖。
第2圖係根據一個實施例的基座之概要截面圖。
為便於理解，在可能的情況下，相同的文字用於代表圖示中相同的元件。可以考慮，一個實施例中揭露的元件可有利地用於其它實施例中而無需贅述。
本發明的實施例一般係關於半導體處理腔室，更特定言之，係關於用於半導體處理腔室的加熱支撐基座。在一個實施例中，基座包括含有用於容納基板的支撐表面之基板支撐件、包覆於基板支撐件內的加熱元件，及具有第一端部與第二端部的第一中空軸，其中第一端部固定於基板支撐件。基板支撐件與第一中空軸由陶瓷材料製成且第一中空軸具有介於50mm至100mm之間的長度。基座進一步包括與第一中空軸的第二端部耦接之第二中空軸。第二中空軸具有大於第一中空軸的長度之一長度。
第1圖係根據本發明一個實施例的電漿處理腔室100之概要截面圖。電漿處理腔室100包括腔室主體102。在腔室主體102內，存在有氣體分配噴頭104，其具有穿過其本身的複數個開口105以允許將處理氣體從氣體源112傳送通過噴頭104而進入處理空間116。基板經由狹縫閥106而插入腔室主體102以及從腔室主體102移除，狹縫閥106穿過腔室主體102而形成。
基座107設置於腔室主體102中。基座107包括基板支撐件108與桿126。基板支撐件108可係實質平坦的，具有用於支撐在其上的基板之支撐表面109。基板表面109面向 氣體分配噴頭104的下表面111並可與氣體分配噴頭104實質平行。基板支撐件108可係實質圓形、矩形、正方形或取決於經處理基板的形狀之其他形狀。基板支撐件108可由陶瓷或能夠抵抗腔室主體102中電漿環境的其他非導電材料形成。在一個實施例中，基板支撐件108可係由氮化鋁或氧化鋁組成的單塊結構。基板支撐件設置在桿126上，且桿126包括第一軸142與第二軸144(於下詳述)。
基板支撐件108之下係一板110，其經排氣室120而與基板支撐件108分開。襯套128設置於桿126與板110之間，而間隙130形成於襯套128與桿126之間。淨化氣體可從淨化氣體源122引入，通過間隙130而流入排氣室120。當淨化氣體流動通過間隙130時，防止密封元件(如設置於第一軸142與第二軸144之間的真空密封O形環)受化學侵蝕。排氣室120中的淨化氣體與處理氣體可通過於板110形成的開口132而流入底部氣室134以及透過真空泵124而流出腔室主體102。在一個實施例中，淨化氣體的流動速率係約5sccm至200sccm。
第2圖係根據一個實施例的基座107之概要截面圖。如第2圖所示，基板支撐件108固定於第一軸142，且第一軸142與第二軸144於基板支撐件108相對的端部處耦接。基板支撐件108包括介於基板支撐件108與氣體分配噴頭104間用於產生電漿的RF電極202。RF電極202可從金屬材料形成並可嵌入於基板支撐件108中。基板支撐件108亦可包括加熱元件204以加熱設置於支撐表面109上的基板。在一個 實施例中，加熱元件204包括多個加熱元件，如多區加熱器。在操作期間，設置於基板支撐件108上的基板之溫度可係約150攝氏度至650攝氏度之間。為了提供於廣溫度範圍上主動控制基板溫度的能力，包含冷卻通道的第二軸144盡可能地靠近基板支撐件108置放。此外，經由第一軸142與第二軸144的熱損失增加且可藉由改變冷卻通道內的冷卻溫度與流動速率而控制。
第一軸142具有固定於基板支撐件108的第一端部206以及與第二軸144耦接的第二端部208。第一軸142可由如氮化鋁、碳化矽或氧化矽的陶瓷材料製成以及可由與基板支撐件相同的材料製成。如果第一軸142與基板支撐件108由相同材料製成，如氮化鋁，則第一軸142與基板支撐件108可因為擴散結合而具有強結合。為了減少基板支撐件108與第二軸144的距離，第一軸142具有約50mm至100mm範圍的長度「L1」。第一軸142係中空的且具有內部開口210以容納與RF電極202及加熱元件204的電連接。
第二軸144與第一軸142的第二端部208耦接。第二軸144具有大於第一軸142的長度「L1」之長度「L2」。在一個實施例中，長度「L2」係長度「L1」的約1.5至10倍，如長度「L1」的約3至5倍。在一個實施例中，第二軸144具有約150mm至500mm的長度「L2」，如約300mm。第二軸144可具有比第一軸142的外部直徑大的外部直徑。第二軸144可由如鋁的金屬製成並包括設置於其中的冷卻通道212。冷卻通道212可盡可能地接近第一軸142與第二軸144 之間的界面，因為設置於第一軸142與第二軸144間的真空密封O形環不能抵抗基板支撐件108升高的溫度，如大於500攝氏度的溫度。通道212與冷卻劑源214連接。用於在第二軸144的通道212內流動的冷卻劑可係任何適合的冷卻劑，如約10攝氏度至80攝氏度範圍內溫度的水。第二軸144係中空的且具有內部開口216以容納與RF電極202連接的電連接。
RF電極202與設置於第一軸142的內部開口210及第二軸144的內部開口216中的RF連接器組件218耦接。RF連接器組件218延伸通過軸142、144且可透過匹配網路224而與RF電源222連接。RF電源222可透過匹配網路224而連接到處理腔室100中的一或多個腔室組件，用於產生處理腔室100內的電漿。RF電源222能夠提供約100瓦至5000瓦的RF電源給RF電極202與一或多個腔室組件。
RF連接器組件218包括RF傳導桿230與撓性帶234。RF傳導桿230可係中空的且具有約3mm至8mm的直徑。通氣孔232可於RF傳導桿230中形成。RF傳導桿230可於一個端部與RF電極202直接耦接而於另一個端部與撓性帶234直接耦接。撓性帶234於RF傳導桿230與第二軸144的內表面240之間耦接。撓性帶234可直接裝在於RF電極202的一個端部或藉由RF夾具(未圖示出)而裝載於RF電極202的一個端部。第二軸144可進一步連接於匹配網路224。因此，RF電極202可係RF接地或透過匹配網路224、撓性帶234與RF傳導桿230的連接而由RF電源222作RF 供電。
加熱元件204可透過終端桿228而與電源226連接，終端桿228設置於第一軸142的內部開口210中並沿著第一軸142的內部開口210延伸。終端桿228的部分可嵌入第二軸144中，如第2圖所示。電源226可提供DC電源以供電給加熱元件204。在一個實施例中，電源226能夠傳送約100至4000瓦的直流電到加熱元件204。
加熱元件204可係電阻加熱器，如電阻器線，當電壓施於該線，其產生熱。例如，加熱元件204可係具有圓柱截面的金屬線，其以同心圓纏繞以形成從中心到基板支撐件108邊緣的螺旋。適當的金屬線可係鉬或鎳鉻合金絲。
雖然前面所述係針對本發明實施例，但在不背離本發明基本範圍下，可設計其他與進一步實施例，而本發明範圍由以下申請專利範圍所界定。

Claims (20)

  1. 一種用於一半導體處理腔室的基座，包括：一基板支撐件，該基板支撐件包含用於容納一基板的一支撐表面；一加熱元件，該加熱元件包覆於該基板支撐件內；一第一中空軸，該第一中空軸具有一第一端部及一第二端部，其中該第一端部固定於該基板支撐件，其中該基板支撐件與該第一中空軸由一陶瓷材料製成及該第一中空軸具有一第一長度；一第二中空軸，該第二中空軸與該第一中空軸的該第二端部耦接，其中該第二中空軸由一金屬製成及具有設置於該第二中空軸內的冷卻通道，該等冷卻通道接近該第一中空軸與該第二中空軸之間的一界面，及其中該第二中空軸具有比該第一長度長約1.5至10倍的一第二長度；及一RF傳導桿，該RF傳導桿設置於該第一中空軸與該第二中空軸內。
  2. 如請求項1所述之基座，其中該第一中空軸由與該基板支撐件相同的材料製成，該第一長度係約50mm至100mm，及該第二長度係該第一長度的約3至5倍。
  3. 如請求項2所述之基座，其中該第一中空軸由氮化鋁製成。
  4. 如請求項3所述之基座，其中該第二中空軸由鋁製成。
  5. 如請求項1所述之基座，其中該第二中空軸的該長度在約150mm至500mm之範圍。
  6. 如請求項1所述之基座，其中該RF傳導桿係中空的。
  7. 如請求項6所述之基座，其中該RF傳導桿具有約3mm至8mm範圍的一直徑。
  8. 一種用於一半導體處理腔室的基座，包括：一基板支撐件，該基板支撐件包含用於容納一基板的一支撐表面；一加熱元件，該加熱元件包覆於該基板支撐件內；一第一中空軸，該第一中空軸固定於該基板支撐件，其中該基板支撐件與該第一中空軸由一陶瓷材料製成及該第一中空軸具有介於50mm至100mm之間的一長度；一第二中空軸，該第二中空軸與該第一中空軸耦接，其中該第二中空軸由一金屬製成及具有介於150mm至500mm之間的一長度，其中該第二中空軸具有設置於該第二中空軸內的冷卻通道，該等冷卻通道接近該第一中空軸與該第二中空軸之間的一界面；及一RF桿，該RF桿設置於該第一中空軸與該第二中空軸內。
  9. 如請求項8所述之基座，其中該第一中空軸由與該基板支撐件相同的材料製成。
  10. 如請求項9所述之基座，其中該第一中空軸由氮化鋁製成。
  11. 如請求項10所述之基座，其中該第二中空軸由鋁製成。
  12. 如請求項8所述之基座，其中該第二中空軸具有設置於該第二中空軸內的冷卻通道。
  13. 如請求項8所述之基座，其中該RF傳導桿係中空的。
  14. 如請求項13所述之基座，其中該RF傳導桿具有約3mm至8mm範圍的一直徑。
  15. 一種電漿處理腔室，包括：一腔室主體，該腔室主體具有一處理區域；及一基座，該基座設置於該處理區域中，其中該基座包含：一基板支撐件，該基板支撐件包含用於容納一基板的一支撐表面；一加熱元件，該加熱元件包覆於該基板支撐件內；一第一中空軸，該第一中空軸具有一第一端部及一第二端部，其中該第一端部固定於該基板支撐件，其中該基板支撐件與該第一中空軸由一陶瓷材料製成及該第一中空軸具有介於約50mm至100mm之間的一長度；一第二中空軸，該第二中空軸與該第一中空軸的該第二端部耦接，其中該第二中空軸由一金屬製成及具有設置於該第二中空軸內的冷卻通道，該等冷卻通道接近該第一中空軸與該第二中空軸之間的一界面，及其中該第二中空軸具有大於該第一中空軸的該長度之一長度；及一RF桿，該RF桿設置於該第一中空軸與該第二中空軸內。
  16. 如請求項15所述之電漿處理腔室，其中該第一中空軸由與該基板支撐件相同的材料製成。
  17. 如請求項16所述之電漿處理腔室，其中該第一中空軸由氮化鋁製成。
  18. 如請求項17所述之電漿處理腔室，其中該第二中空軸由鋁製成。
  19. 如請求項15所述之電漿處理腔室，其中該第二中空軸的該長度在約150mm至500mm之範圍。
  20. 如請求項15所述之電漿處理腔室，其中該RF傳導桿係中空的及具有約3mm至8mm範圍的一直徑。
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