TWI654699B - 具有圓柱非等向導熱性之複合裝置 - Google Patents

Abstract

一種用以在一處理腔室內支撐一基材並調制該基材之表面溫度的裝置，及其製造方法係被提供。該裝置包含一支座具有一表面可適於支撐該基材，及一加熱器用以加熱該基材且該加熱器係被設成接近該支座。該支座係由一複合材料製成其包含多數的導熱弧曲構件埋在一基質內，每一該等導熱弧曲構件係同心地排列，並在一徑向界定預定的間隔，而使該複合材料會在該支座之一圓柱座標系統中的徑向(ρ)、方位角方向(φ)和軸向(z)提供一非等向導熱性。

Description

具有圓柱非等向導熱性之複合裝置

發明領域 本揭露有關一種裝置其包含一加熱器系統當操作時能夠輸送一精確的溫度廓形至一加熱目標，俾能補償熱損失及/或其它變異。該裝置可被使用於多種用途，包括但不限於半導體處理。

發明背景 本段的陳述僅提供有關本揭露的背景資訊，而可能不構成習知技術。

在半導體處理的領域中，例如，一卡盤或基座會被用來固持一基材(或晶圓)，並在處理時提供一均同的溫度廓形於該基材。此支撐總成可包含該靜電卡盤具有一埋設的電極，及一加熱板係透過一黏劑層接合於該靜電卡盤。一加熱器係固定於該加熱板，舉例而言，其可為一蝕刻的箔膜加熱器。

此加熱器總成又再透過一黏劑層接合於一冷卻板。該基材係被設在該靜電卡盤上，且該電極係連接於一電壓源以使靜電力被產生，其會將該基材固持在定位。一射頻(RF)或微波電源可在一包圍該支撐總成的電漿反應器腔室內耦接於該靜電卡盤。故該加熱器在各種腔室內電漿半導體處理步驟時，包括電漿加強薄膜沉積或蝕刻等，會提供所需的熱來保持該基材上的溫度。

在該基材的全部處理階段期間，該靜電卡盤的溫度廓形會被嚴緊地控制，俾能減少被蝕刻基材內的處理變異，並減少總處理時間。在半導體處理領域以及其它的用途中，用以改良該基材上之溫度一致性的裝置和方法係持續地被需要。

發明概要 在本揭露之一形式中，一種用以在一處理腔室內支撐一基材並調制該基材之表面溫度的裝置係被提供。該裝置包含一支座其含有一表面可適於支撐該基材，及一加熱器被設成接近該支座用以加熱該基材。該支座係由一種複合材料製成，含有許多導熱的弧曲構件埋設在一基質中。每一該等導熱弧曲構件係同心地排列，並在一徑向界定預定的間隔，而使該複合材料會在該支座之一圓柱座標系統中的徑向(ρ)、方位角方向(φ)及軸向(z)等提供一非等向性的導熱性。該等導熱構件可被安排成使在方位角方向的導熱性係比在徑向或軸向更高。在一形式中，該加熱器為一層式加熱器。

該等導熱弧曲構件可界定連續的環圈。該等弧曲構件亦可界定對稱的弧段排列在某些區域中。該等弧曲構件可由相同或不同的材料製成，並可具有類似或不同的長度。該等弧曲構件亦可呈現可變的寬度或界定可變的軌跡形狀，及/或被提供呈非弧形的形狀，譬如多邊形或各種形狀的不連續片段。

依據本揭露的另一態樣，該基質非限制地可為一聚醯亞胺材料。此聚醯亞胺材料可為，但不限於，一種聚氧化二亞苯均苯四醯亞胺材料。

依據本揭露的又另一態樣，該等導熱構件係為石墨纖維。當該支座之重量的大約10%包含該石墨纖維時，在一形式中該支座的導熱性於該徑向和軸向係為至少0.4 W/mK。當該支座之重量的大約88%包含該石墨纖維時，在一形式中該支座的導熱性於該徑向和軸向係小於6.0 W/mK。

或者，當該支座之重量的大約8%包含該石墨纖維時，在一形式中該支座的導熱性於該方位角方向係為至少80 W/mK。當該支座之重量的大約90%包含該石墨纖維時，在一形式中該支座的導熱性於該方位角方向係小於900 W/mK。

在本揭露的另一形式中，一種裝置係被提供其會供應熱至一目標部件。該裝置包含一支座由一複合材料製成，包含至少一導熱弧曲構件掩埋在一基質內，其中該複合材料會在該支座之一圓柱座標系統中，於徑向(ρ)、方位角方向(φ)和軸向(z)提供一非等向導熱性。當需要時該裝置可更包含許多導熱弧曲構件同心地排列並在一徑向界定預定的間隔。該等弧曲構件如前所述並再於此示出及描述可界定連續的環圈或其它的構形。

在本揭露的又另一形式中，一種提供熱至一目標部件的方法係被提供。此方法包含提供一支座係由一複合材料製成，及透過一鄰近組件施加熱於該支座。該複合材料包含多數個導熱弧曲構件埋在一基質內，每一個該等導熱弧曲構件係同心地排列並在一徑向界定預定的間隔。該複合材料會在該支座之一圓柱座標系統中的徑向(ρ)、方位角方向(φ)及軸向(z)提供一非等向性的導熱性。

其它的可應用領域將可由於此提供的說明而輕易得知。應請瞭解該等說明和特定範例係僅供舉例說明，並非意要限制本揭露的範圍。

較佳實施例之詳細說明 以下說明本質上係僅為舉例，而非意要限制本揭露、用途或使用。例如，本揭露的以下各形式係有關供用於半導體處理的卡盤支撐總成，且在某些情況下係為靜電卡盤。但是，應請瞭解於此所提供的支撐總成和系統可被應用於多種用途中，而不限制於半導體處理用途。應請瞭解遍及該等圖中，對應的標號係指相似或對應的部件和特徵。

請參閱圖1，一種用以在一處理腔室中支撐一基材10並調制該基材10之表面溫度的裝置20係大致被提供。該裝置20包含一支座22，其含有一表面24可適於支撐該基材10，及一加熱器26被設成接近該支座22用以加熱該基材10。關於本揭露之該等加熱器及其材料的更多說明係揭露於美國專利No. 7,196,295和申請中的No. 11/475,534及No. 13/599,648等美國專利申請案中，它們係與本申請案共同讓渡，且其揭露內容併此附送。

在一形式中，該加熱器可為一層式加熱器。若被用於此，一層式加熱器係定義為一種加熱器包含至少一層係由一成層製程所形成。換言之，若使用於此，該「層式加熱器」應被視為包含加熱器等，它們包含至少一功能性層(例如接合塗層、介電層、電阻加熱層、保護層、上覆塗層，以及其它者等)，其中該層係藉使用與厚膜、薄膜、熱噴、或溶膠變凝膠，及其它者相關的製法，將一材料塗敷或累積於一基材或另一層上而來形成。該等製法亦被稱為「層式製法」、「成層製法」或「層式加熱器製法」。該等各種層式加熱器之間的主要差別係在該等層被形成的方法。例如，用於厚膜加熱器的層典型係使用比如網幕印刷、移畫印花法，或薄膜列印頭，以及其它的製法等來被形成。用於薄膜加熱器之層典型係使用比如離子電鍍、濺射、化學蒸汽沉積(CVD)、和物理蒸汽沉積(PVD)，以及其它的沉積製法等來被形成。不同於薄和厚膜技術之又另一系列的製法係已知為熱噴製法，其可包括例如火焰噴塗、電漿噴塗、線弧噴塗、和高速氧燃料(HVOF)，及其它者。

現請參閱圖2A至2D，該支座22係為一複合材料28，包含眾多的導熱弧曲構件30埋在一基質材料32內。在一形式中，該等弧曲構件30會界定連續的環圈，如所示。該等弧曲構件30在一另擇形式中會界定對稱的弧段排列在某些區域中，如圖2B和2C中所示。舉例而言，在圖2B中，該等弧曲構件30係被示為不連續的同心弧等，它們係被排列來界定不同的加熱器區域，此亦會減少各區域之間的串擾(在連續的同心環圈/弧段之間的不需電流之傳送)。在圖2C中，該等弧曲構件30係被分佈成在該徑向會有該等不連續同心弧之一重疊，其亦會減少串擾。每一該等安排皆僅為該等導熱弧曲構件30可採行之不同形式的舉例，而不應被視為限制本揭露的範圍。此外，在本揭露的另擇形式中，該等導熱弧曲構件30可不被限制於一弧的形狀。其它的幾何形狀可包括，例如，橢圓形，B曲線(在該領域中亦稱為Bèzier曲線)，直線，方栓形，及其組合和其它者。因此，一幾何的弧形作為該等導熱弧曲構件30的形狀，如所示並描述於此者，不應被視為限制本揭露的範圍。

仍請參閱圖2B至2D，該等導熱弧曲構件30可由相同或不同的材料製成，並可在一支座22內具有類似或不同的長度30c、30d。每一該等導熱弧曲構件30亦可呈現一可變的寬度30a、30b，或界定一可變的軌跡形狀或路徑30e、30f。應請瞭解該等用於導熱構件的形狀/構形係僅為舉例，而不應被視為限制本揭露的範圍。

在一形式中，該等導熱弧曲構件30包含石墨纖維，唯任何導熱材料皆可被使用而仍保留在本揭露的範圍內。該等材料可包括，例如，導電金屬，塗覆或掩埋於一導電金屬內的非導電材料，且在一舉例的形式中可包含許多被編織或結合在一起的纖絲或股線等。此等另擇的材料及其形式係僅為舉例，而不應被視為限制本揭露的範圍。

該基質材料32在一形式中係為一種聚醯亞胺材料。該聚醯亞胺材料可為，而非限制，一種聚氧化二亞苯均苯四醯亞胺材料，譬如聚-(4,4’-氧化二亞苯均苯四醯亞胺)或Kapton® (DuPont USA)。應請瞭解該聚醯亞胺材料係僅為舉例，且其它的基質材料亦可被使用而仍保留在本揭露的範圍內，例如，鋁。該等材料可包括，例如，一聚合物或陶瓷材料。

依據本揭露的教示，且如圖2A至2C中所示，該等弧曲構件30在一形式中係同心地排列，並在一徑向界定預定的間隔(l)，而使該複合材料28會在該支座22之一圓柱座標系統中，於徑向(ρ)、方位角方向(φ)及軸向(z)提供一非等向導熱性。當需要時，該等導熱弧曲構件30可被安排成使該方位角方向(φ)的導熱性係高於該徑向(ρ)或軸向(z)者。又，該等間隔(l)不必是遍及該支座22皆為一致或相同，且可取代地，該等間隔(l)的大小或間距可以依據本揭露的其它形式而改變。

現請參閱圖3，在一圓柱座標系統中的徑向(ρ)、方位角方向(φ)和軸向(z)係被示出以供參考。一圓柱座標系統代表一三維座標系統，其會界定一點x的位置，乃藉由其離一所擇之參考軸的距離，由該軸相對於一所擇之參考方向的方向，及離一垂直於該軸之所擇的參考平面的距離。該點x在一圓柱座標系統中能被以座標(ρ, φ, z)來識別，如所示，其中ρ是徑向座標，φ是角座標或方位角，而z是高度、縱向或軸向座標。

在一形式中，該支座22係藉對準或排列該等導熱弧曲構件30成一所需的形狀或構形，然後將之包封在該基質材料36內而來製備。例如，該等導熱弧曲構件30係被排列在至少一層的基質材料上，然後另一至少一層會被覆置於該等導熱弧曲構件30上而來形成該複合材料28。

以下各例係被提供為使用一支座22其包含石墨纖維作為該等導熱弧曲構件30排列成同心圓圈，並有Kapton^® 商標的聚醯亞胺基質材料，俾能更完全地示出與本揭露相關的利益。如前所述，併有及使用被成形為不同圖案之其它導熱構件並包封於另擇的組成之基質材料內，亦被視為係在本揭露的範圍內。

現請參閱圖4，在本揭露之一如圖2A中所示的形式中，由該支座22在該方位角方向(φ)所提供的導熱性係比在該徑向(ρ)或軸向(z)所提供的導熱性更大。更具言之，當該支座22的大約10%重量包含石墨纖維時，該支座22在該徑向和軸向的導熱性係為至少0.4 W/mK。當該支座22的大約88%重量包含該等石墨纖維持，該支座22在該徑向和軸向的導熱性係小於6.0 W/mK。或者，當該支座22的大約8%重量包含該等石墨纖維時，該支座22在該方位角方向的導熱性係為至少80 W/mK。當該支座22的大約90%重量包含該石墨纖維時，該支座在該方位角方向的導熱性係小於900 W/mK。應請瞭解該等數值係為舉例來示出本揭露的原理，而不應被視為限制本揭露的範圍。

現請參閱圖5A，一併有一支座22其僅有一Kapton®材料基質(例如沒有導熱構件)的裝置當被加熱至一大約60℃的目標溫度時所測得之一熱分佈係被示出。該熱分佈呈現多個熱點H如較暗的/紅色區域所示。

相較地，在圖5B中，由本揭露之一裝置所提供的熱分佈係被示出，其併有一支座包含同心排列的石墨纖維(即該等導熱弧曲構件30之一形式)掩埋在一Kapton®材料基質中之一複合物。由該等導熱構件所提供的導熱性增加相較於圖5A的裝置能使該支座呈現一相對較一致的溫度。

包含依據本揭露來製備的複合材料之該支座會在一圓柱座標系統中的徑向、方位角方向和軸向z呈現非等向導熱性。換言之，將該等傳導纖維併入該基質材料中會沿該徑向、方位角方向和軸向提供不同的導熱性。當該支座被利用於一加熱裝置中時，譬如使用於一晶圓沉積/蝕刻腔室內者，則該支座將會顯著地改良方位角溫度均一性，而不會顯著地影響沿該徑向或軸向的溫度廓形。

在本揭露的另一形式中，一裝置係被提供，其會供應熱至一目標部件。該裝置包含一支座22係由一複合材料28製成，其含有至少一導熱弧曲構件30埋在一基質32內，其中該複合材料28會在該支座的徑向、方位角方向和軸向提供一非等向導熱性。當需要時可更包含多數的導熱弧曲構件30同心地排列及/或在一徑向界定預定的間隔。該等弧曲構件30可界定連續的環圈。

在本揭露的又另一形式中，一種提供熱至一目標部件的方法100係被提供。現請參閱圖6，該方法100包含提供一支座係由一複合材料製成(步驟105)，及經由一鄰近組件施加熱於該支座(步驟110)。該複合材料可包含多數的導熱構件埋在一基質材料內，每一該等導熱構件係同心地排列，並在一徑向界定預定的間隔。該複合材料亦可在該支座的徑向、方位角方向和軸向提供一非等向導熱性。

應請注意本揭露並不受限於所述並示出作為舉例的各實施例。許多種修正變化已被描述，且更多係為熟習於該技術者的知識之一部份。這些和其它的修正變化以及任何技術等同物的替代皆可被添加於本說明和圖式，而不超出本揭露與本申請案的保護範圍。

10‧‧‧基材

20‧‧‧裝置

22‧‧‧支座

24‧‧‧表面

26‧‧‧加熱器

28‧‧‧複合材料

30‧‧‧(導熱)弧曲構件

30a、30b‧‧‧寬度

30c、30d‧‧‧長度

30e、30f‧‧‧路徑

32‧‧‧基質材料

100‧‧‧方法

105、110‧‧‧步驟

l‧‧‧間隔

ρ‧‧‧徑向

φ‧‧‧方位角方向

z‧‧‧軸向

H‧‧‧熱點

為使本揭露可被清楚瞭解，現將參照所附圖式，藉由舉例來描述其之各種不同形式，其中：

圖1為一依據本揭露之教示所構製的裝置之一截面側視圖；

圖2A至2D為一支座的各平面圖，示出掩埋在一基質複合物中並依據本揭露之教示所構製的導熱構件之各種不同形式；

圖3為一與被提供以供參考之圓柱座標(ρ、φ、z)相關的幾何空間之一示圖；

圖4為一測試數據圖，示出該支座在本揭露之一形式中於不同方向所呈現的導熱性，被描繪成石墨纖維重量百分比之一函數；

圖5A為針對一僅包含一基質材料的支座所測得的熱廓形之平面圖；

圖5B為針對一依據本揭露之教示所製備的複合支座之熱廓形的平面圖；及

圖6為一依據本揭露的教示之提供熱至一目標部件的方法之示意圖。

於此所述的圖式係僅供說明之用，而非意圖限制本揭露的範圍。

Claims (19)

1. 一種用以在處理腔室中支撐基材並調制該基材之表面溫度的裝置，該裝置包含：一支座，含有可適於支撐該基材的一表面；及用以加熱該基材的一加熱器，該加熱器被設成接近該支座；其中該支座係由一複合材料製成，其包含埋在一基質中之多數導熱弧曲構件，該等多數導熱弧曲構件係同心地排列並在一徑向上界定預定間隔，而使得該支座的一方位角方向中的導熱性係比該支座的該徑向與一軸向中的導熱性更高，及使得來自該加熱器的熱係沿著該支座的該方位角方向均勻分佈，以及其中該等多數導熱弧曲構件係與該加熱器的一電子電路分開，以及係藉由來自該加熱器的熱傳遞來加熱。
2. 如請求項1之裝置，其中該等多數導熱弧曲構件界定連續環圈。
3. 如請求項1之裝置，其中該等多數導熱弧曲構件界定排列在區域中的對稱弧段。
4. 如請求項1之裝置，其中該等多數導熱弧曲構件界定不同的長度。
5. 如請求項1之裝置，其中該等多數導熱弧曲構件界定不同的材料。
6. 如請求項1之裝置，其中該等多數導熱弧曲構件中之至少一者界定一可變寬度。
7. 如請求項1之裝置，其中該等多數導熱弧曲構件中之至少一者界定一可變軌跡形狀。
8. 如請求項1之裝置，其中該基質係為一聚醯亞胺材料。
9. 如請求項8之裝置，其中該聚醯亞胺材料係為一聚氧化二亞苯均苯四醯亞胺材料。
10. 如請求項1之裝置，其中該等導熱弧曲構件係為石墨纖維。
11. 如請求項10之裝置，其中當該支座的大約10%重量包含該石墨纖維時，該支座在該徑向和該軸向的導熱性係為至少0.4W/mK。
12. 如請求項10之裝置，其中當該支座的大約88%重量包含該石墨纖維時，該支座在該徑向和該軸向的導熱性係小於6.0W/mK。
13. 如請求項10之裝置，其中當該支座的大約8%重量包含該石墨纖維時，該支座在該方位角方向的導熱性係為至少80W/mK。
14. 如請求項10之裝置，其中當該支座的大約90%重量包含該石墨纖維時，該支座在該方位角方向的導熱性係小於900W/mK。
15. 如請求項1之裝置，其中該加熱器係為一層式加熱器。
16. 一種用以提供熱至目標部件的裝置，該裝置包含由一複合材料製成的一支座，其含有埋在一基質內 的至少一導熱弧曲構件，其中該複合材料在該支座之一圓柱座標系統中的徑向、方位角方向和軸向上提供一非等向導熱性，其中該至少一導熱弧曲構件係配置成可使該方位角方向的導熱性係比在該徑向和該軸向上更高，及使得被施加至該支座的熱係沿著該支座的該方位角方向均勻分佈，以及其中該至少一導熱弧曲構件係與一加熱器的一電子電路分開，以及係藉由來自該加熱器的熱傳遞來加熱。
17. 如請求項16之裝置，更包含多數導熱弧曲構件，其同心地排列並在該徑向上界定預定間隔。
18. 如請求項17之裝置，其中該等多數導熱弧曲構件界定連續環圈。
19. 一種提供熱至目標部件的方法，包含：提供由一複合材料製成之一支座，其含有埋在一基質中的多數導熱弧曲構件，該等多數導熱弧曲構件係各同心地排列並在一徑向上界定預定間隔；及藉由一鄰近的組件施加熱於該支座；其中該支座的一方位角方向中的導熱性係比該支座的該徑向與一軸向中的導熱性更高，及使得被施加至該支座的熱係沿著該支座的該方位角方向均勻分佈，以及其中該等多數導熱弧曲構件係與該加熱器的一電子電路分開，以及係藉由來自該加熱器的熱傳遞來加熱。