TWI690012B - 具有加熱機制之晶圓座及包含該晶圓座的反應腔體 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示一種晶圓座，包含：一盤體；一加熱組件，嵌入於該盤體中；及一熱絕緣組件，嵌入於該盤體中的一徑向位置，並基於該徑向位置將該盤體劃分為第一加熱區域和一第二加熱區域。

Description

具有加熱機制之晶圓座及包含該晶圓座的反應腔體
本發明關於一種用於半導體處理腔體的晶圓座，尤其是指一種具有多區域加熱手段的晶圓座及包含該晶圓座的反應腔體。
在傳統半導體處理設備中，反應腔體內的晶圓座是用以支撐一晶圓於腔體中進行各種處理，如蝕刻。通常在處理晶圓的過程中，需要控制晶圓的溫度。基於此目的，晶圓座被設計成具有溫度控制機制的加熱座，其在各種處理的應用中精確地控制晶圓的溫度。一般加熱座包含由陶瓷或金屬構成的一盤體及密封在盤體中的加熱元件，如加熱線圈。更具體地，加熱座還可進一步包含溫度感應器、控制器及其他電子元件等。
加熱座在各種的晶圓處理中扮演重要的角色，像是化學氣相沉積(CVD)，電漿化學沉積(PECVD)、光學微影、蝕刻及清潔等。這是因為操作溫度為控制化學反應的過程。反應氣體與晶圓表面的物質產生化學反應而形成導電薄膜或絕緣層，而欲在整體晶圓上得到均勻厚度且高品質的薄膜，熱控制為處理過程中的關鍵因素之一。
中國大陸專利申請文獻(公布號：CN101807515A)揭示一種多區域加熱的加熱座，其包含具有多個電阻式加熱元件的盤體，每一個加熱元件經配置以釋出特定範圍的熱量，且加熱元件的形狀對應盤面上的一加熱區域。藉由控制每一加熱元件的線寬及提供給每一加熱元件的功率，盤面的溫度可趨向一致。熱的擴散是隨著溫度梯度的分布而變化，因此對於有多個加熱元件的操作在不同程度的加熱過程中可能無法控制熱在盤體中的傳遞方向，尤其是橫向方向的傳遞。此可能會影響晶圓座加熱的時間及晶圓座的溫度分布。
有鑑於晶圓溫度控制的重要性，發展一種具有多區域加熱機制且具有特定熱傳遞侷限性的晶圓座為半導體製程領域所需求的。
本發明的目的在於提供一種具有多加熱區域的晶圓座及包含該晶圓座的反應腔體。所述晶圓座包含一盤體、一加熱組件及一熱絕緣組件。該盤體具有一頂端、相對於該頂端之一底端及延伸於該頂端和底端之間的一厚度，該頂端和該底端由一中心軸及自該中心軸水平徑向延伸的一半徑定義。該加熱組件嵌入於該盤體中。該熱絕緣組件嵌入於該盤體中的一徑向位置，並基於該徑向位置將該盤體劃分為第一加熱區域和一第二加熱區域或者更多區域。
在一具體實施例中，該盤體具有自該底端向該頂端延伸的至少一溝槽，使該熱絕緣組件嵌入該至少一溝槽。
在一具體實施例中，該熱絕緣組件係密封嵌入在該盤體中。
在一具體實施例中，該加熱組件包含在該盤體的頂端和底端之間延伸的多個導熱元件。
在一具體實施例中，該等導熱元件的至少一部分穿越該熱絕緣組件的至少一部分。
在一具體實施例中，該熱絕緣組件具有至少一缺口，所述缺口圍繞該等導熱元件的一部分。
在一具體實施例中，該加熱組件包含在該盤體的頂端和底端之間延伸的一第一導熱元件及一第二導熱元件，該第一導熱元件由該徑向方向的一第一半徑定義，該第二導熱元件由該徑向方向的一第二半徑定義，該熱絕緣組件由該徑向方向的一第三半徑定義，其中該第二半徑大於該第三半徑，該第三半徑大於該第一半徑。
在一具體實施例中，該熱絕緣組件為介於該盤體頂端及底端之間延伸的一環體。
在一具體實施例中，該盤體具有自該底端向該頂端延伸的一環型溝槽，使該環體對應嵌入該環型溝槽中。
在一具體實施例中，該加熱組件與該熱絕緣組件為正交接觸，如一正交結構由該加熱組件越過該熱絕緣組件所構成。
100:半導體處理系統
110:反應腔體
120:反應氣體供應源
130:排氣系統
111:晶圓座
112:噴淋裝置
200:晶圓座
202:盤體
2021:頂端
2022:底端
2023:升降桿導引
204:桿體
300:晶圓座
302:盤體
3021:頂端
3022:底端
304:桿體
306:加熱組件
306a、306b:第一/第二導熱元件
3061a、3061b:第一/第二線圈部
3062a、3062b:第一/第二延伸部
3063a、3063b:第一/第二起始延伸部
308:熱絕緣組件
3082:缺口
310:熱絕緣組件
C:中心軸
R:半徑
R1、R2、R3:第一/第二/第三半徑
H:厚度
第一圖為方塊示意圖，其例示使用本發明半導體反應腔體。
第二圖例示本發明晶圓座的外觀。
第三圖例示本發明晶圓座一實施例的透式圖。
第四圖顯示第三圖中的加熱組件。
第五圖顯示第三圖的剖面視圖。
第六圖例示本發明晶圓座另一實施例的透視圖。
第七圖顯示第六圖中的加熱組件及熱絕緣組件配置。
第八圖顯示第六圖的剖面視圖。
底下將參考圖式更完整說明本發明，並且藉由例示顯示特定範例具體實施例。不過，本主張主題可具體實施於許多不同形式，因此所涵蓋或申請主張主題的建構並不受限於本說明書所揭示的任何範例具體實施例；範例具體實施例僅為例示。同樣，本發明在於提供合理寬闊的範疇給所申請或涵蓋之主張主題。除此之外，例如主張主題可具體實施為方法、裝置或系統。因此，具體實施例可採用例如硬體、軟體、韌體或這些的任意組合(已知並非軟體)之形式。
本說明書內使用的詞彙「在一實施例」並不必要參照相同具體實施例，且本說明書內使用的「在其他實施例」並不必要參照不同的具體實施例。其目的在於例如主張的主題包括全部或部分範例具體實施例的組合。
在本說明書和以下申請專利範圍中，除非上下文另有要求，否則文字「包括」以及諸如「包括」或「包含」之類的變體將被理解為暗示包括所述整數群組或步驟，但不排除任何其他整數或整數群組。
第一圖顯示一半導體處理系統的一實施例(100)。該系統(100)包含一反應腔體(110)、一反應氣體供應源(120)及一排氣系統(130)。本發明反應腔體(110)主要具有用於承載一晶圓的一晶圓座(111)，用於提供反應氣體的一噴淋裝置(112)及用於排出處理廢氣的至少一排氣通道(未顯 示)。反應腔體(110)大致上呈筒狀，晶圓座(111)具有水平承載晶圓的一盤體及將盤體支撐於腔體中的一桿體(如第二圖所示)。所述盤體可嵌入用於加熱晶圓的一加熱組件(如第三圖所示)，其一般經由連接至所述加熱組件的一電源提供電力，藉此調整晶圓座的溫度。噴淋裝置(112)設置於反應腔體(110)的頂部，並經配置以接收來自反應氣體供應源(120)的氣體並供應至反應腔體(110)中。排氣系統(130)具有多個管路、控制閥門及泵浦，這些組件協同運作以控制反應腔體(110)中的氣壓。當然，該系統(100)可包含更多的裝置/元件或耦接至其他系統，其種類繁多，故不逐一在此贅述。
第二圖顯示本發明晶圓座的一實施例(200)，包含一盤體(202)及一桿體(204)。該盤體(202)具有一頂端(2021)、相對於頂端(2021)之一底端(2022)及延伸於該頂端和底端之間的一厚度(H)。頂端(2021)具有一水平承載面，用以承載一晶圓。底端(2022)與桿體(204)固定連接或一體成形，使盤體(202)能夠支撐於反應腔體中。
儘管未顯示盤體頂端(2021)的俯視圖，但一般而言盤體(202)的水平承載面為圓形表面。頂端(2021)及/或底端(2022)的形狀可由預定的一中心軸(C)及自該中心軸(C)水平徑向延伸的一半徑(R)所定義。中心軸(C)與桿體(204)的延伸方向實質平行，並與頂端(2021)的水平承載面垂直。盤體(202)的半徑(R)與厚度(H)經適當選擇而使盤體(202)具有至少足以嵌入加熱組件(如第三圖)的空間。依據加熱組件的配置及/或熱絕緣組件，盤體(202)可區分為一第一加熱區域及一第二加熱區域或者更多，其分布於盤體(202)的不同徑向範圍，詳如後續說明。
在本實施例中，盤體(202)還提供有複數個升降桿導引(2023)，其嵌於盤體(202)的頂端(2021)與底端(2022)之間，提供對應的升降桿(未顯示)自盤體底端(2022)延伸至頂端(2021)以將晶圓抬起。桿體(204)自盤體底端(2022)向下延伸。桿體(204)為一中空柱體，其允許加熱組件的一部分通過並延伸至盤體(202)，如第三圖所示之多根金屬棒。
第三圖顯示本發明晶圓座一實施例(300)的透視圖。與第二圖類似的，晶圓座(300)包含一盤體(302)及一桿體(304)。一加熱組件(306)及一熱絕緣組件(308)的一部分被嵌入在盤體(302)，其中加熱組件(306)的另一部分延伸至桿體(304)中並進一步電性耦接一控制端(未顯示)。加熱組件(306)經配置而適當地分布於盤體(302)並大致上延伸至與所述晶圓承載面相當的橫向面積。熱絕緣組件(308)則在盤體(302)的一徑向位置上穿插於加熱組件(306)中並將盤體(302)區分為附數個橫向的加熱區域。
第四圖獨立顯示第三圖的加熱組件(306)，包含多個導熱元件(306a、306b)。在本實施例中，每一導熱元件(306a、306b)包含相互連接的一線圈部(3061a、3061b)及一延伸部(3062a、3062b)，其由金屬製成。第一導熱元件(306a)具有在垂直方向上延伸的第一延伸部(3062a)，其在反應腔體的底端和盤體之間延伸。在本實施例中，第一延伸部(3062a)為相互平行的兩個金屬棒。對稱之第一延伸部(3062a)可定義所述盤體的一中心軸(C)。第一導熱元件(306a)的第一線圈部(3061a)沿著第一延伸部(3062a)頂端的一水平面(未繪示)延伸並且一部分大致上以一第一半徑(R1)圍繞該中心軸(C)。如圖所示，第一線圈部(3061a)類似圓形線圈。在其他實施例中，第一線圈部(3061a)可以是矩形、多邊形或放射形狀等等。
第二導熱元件(306b)具有在垂直方向上延伸的第二延伸部(3062b)，其在反應腔體的底端和盤體之間延伸。如圖示，第二延伸部(3062b)以該中心軸(C)對稱並夾第一延伸部(3062b)於其之間。第二延伸部(3062b)同為相互平行的兩個金屬棒。第二導熱元件(306b)的第二線圈部(3061b)沿著第二延伸部(3062b)頂端的一水平面(未繪示)延伸並且一部分大致上以一第一半徑(R2)圍繞該中心軸(C)。第二線圈部(3061b)略高於第一線圈部(3061a)以避免互相干擾。第二線圈部(3061b)類似圓形線圈。在其他實施例中，第二線圈部(3061b)可以是矩形、多邊形或放射形狀等等。
第一和第二線圈部(3061a、3061b)還各別具有一起始延伸部(3063a、3063b)在各自的延伸部(3062a、3062b)與圓周部分之間延伸。如圖示，第一起始延伸部(3063a)與第二起始延伸部(3063b)以反方向延伸，使產生的熱分散在盤體(302)的兩半部，避免盤體受熱不均勻。此外，儘管未顯示，在本發明的其他實施例中，更多或更少的導熱元件可被包含。例如，所述加熱組件以單一導熱元件構成具有不同半徑的多個線圈部。例如，所述加熱組件以多個導熱元件分別構成各自的線圈部。藉此，在某些實施例中，可依線圈的數量及/或位置定義盤體的多個加熱區域。在本實施例中，盤體(302)可具有由第一線圈部(3061a)所定義的一第一加熱區域及由第二線圈部(3061b)定義的一第二加熱區域，兩者可重疊或不重疊。在另一實施例中，第一線圈部(3061a)略高於第二線圈部(3061b)。在某些實施例中，基於設計需求，所述線圈部可具有部分的垂直延伸結構。
返參第三圖，盤體(302)包含熱絕緣組件(308)，其嵌入於該盤體(302)中的一徑向位置。在本實施例中，熱絕緣組件(308)為一環體， 其圍繞所述中心軸(C)並在盤體的頂端(3021)和底端(3022)之間延伸一高度。如圖示，熱絕緣組件(308)配置於加熱組件(306)並與其交錯。所述交錯是指熱絕緣組件(308)部分的延伸方向與加熱組件(306)部分的延伸方向不同，且加熱組件(306)的部分穿越熱絕緣組件(308)，或是熱絕緣組件(308)的部分設置於多個導熱元件之間。基本上，熱絕緣組件(308)的垂直延伸高度涵蓋加熱組件(306)的垂直延伸範圍，以確保相當程度的熱隔絕。如圖示，熱絕緣組件(308)，即環體的垂直延伸高度大於加熱組件(306)第一線圈部(3061a)與第二線圈部(3061b)之間的距離，藉此抑制其中一線圈部的熱經由盤體橫向傳往另一線圈部，或是保持某一加熱區域的熱。
如圖示，本實施例之熱絕緣組件(308)的部分形成有一或多個缺口(3082)，其分別對應第二線圈部(3061b)的起始延伸部(3063b)，使第二線圈部(3061b)的部分穿越熱絕緣組件(308)且被絕緣結構包圍。在各種的變化當中，所述缺口的位置及形狀可依導熱元件的分布而選擇。在本實施例中，熱絕緣組件(308)被配置在根據中心軸(C)的一第三徑向距離(R3)。併參第三圖和第四圖可見，該第二半徑(R2)大於該第三半徑(R3)，該第三半徑(R3)大於該第一半徑(R1)。藉此，本實施例之熱絕緣組件(308)可將盤體(302)區分為一第一加熱區域及一第二加熱區域，其中第一加熱區域為中心軸(C)至第三半徑(R3)的範圍，第二加熱區域為第三半徑(R3)至盤體周緣。或是，可以更進一步細分，盤體(302)可區分為更多的加熱區域，如以中心軸(C)至第一半徑(R1)為第一加熱區域，以第一半徑(R1)至第三半徑(R3)為第二加熱區域，第三半徑(R3)至第二半徑(R2)為第三加熱區域，以此類推。據此，本發明晶圓座的盤體可操作成具有梯度控制的多區段加熱手 段。在一些可能的實施例中，所述熱絕緣組件並非一體成形的環體，而可以是多個獨立的熱絕緣單元各自嵌入於盤體中的一或多個徑向位置來抑制橫向的熱傳遞。例如，在其他實施例中，在中心軸(C)與盤體側部之間的不同徑向位置上可包含多個獨立的熱絕緣單元或構件。在某些實施例中，盤體在頂端與底端之間的垂直方向上可包含多個獨立的熱絕緣單元或構件。
第五圖顯示根據第三圖的剖面視圖。在一實施例中，盤體(302)的底端(3022)形成有至少一溝槽(3024)，如一環形溝槽，其自底端(3022)向頂端(3021)延伸，用以對應容置如第三圖的熱絕緣組件(308)，如絕緣材料成形的一環體。可利用已知手段，將熱絕緣組件固定插入對應的溝槽或自其取出。在一實施例中，所述熱絕緣組件可為不鏽鋼所鑄造而成之結構。
第六圖顯示本發明晶圓座的另一實施例，第七圖獨立顯示第六圖的加熱組件(306)及配置於其中的熱絕緣組件(310)。與前述實施例的差異在於此處的熱絕緣組件(310)並未形成如第三圖的缺口(3082)，而是允許加熱組件(306)的部分直接穿越環體結構。取消所述缺口的設計，環體的垂直延伸可以更多，否則在有缺口的情況下熱傳遞容易經由此通道在內外線圈部之形成。第八圖顯示根據第六圖的剖面視圖，其與前述實施例不同的是熱絕緣組件(310)是完全被包覆在盤體(302)內，此可利用已知手段達成。
本發明晶圓座提供了具有加熱手段之盤體，尤其該盤體包含有嵌入於其中的一加熱組件和一熱絕緣組件，其中所述熱絕緣組件嵌入於該盤體中的至少一徑向位置並垂直延伸以盡可能涵蓋盤體的縱向區域。基於該徑向位置，該盤體可至少劃分為第一加熱區域和一第二加熱區域，藉此實現一種多區域溫度梯度控制之晶圓加熱手段。
300‧‧‧晶圓座
302‧‧‧盤體
3021‧‧‧頂端
3022‧‧‧底端
304‧‧‧桿體
306‧‧‧加熱組件
308‧‧‧熱絕緣組件
3082‧‧‧缺口
C‧‧‧中心軸
R3‧‧‧第三半徑

Claims (8)

  1. 一種晶圓座，包含：一盤體，具有一頂端、相對於該頂端之一底端及延伸於該頂端和底端之間的一厚度，該頂端和該底端由一中心軸及自該中心軸水平徑向延伸的一半徑定義；一加熱組件，嵌入於該盤體中且包含在該盤體的頂端和底端之間延伸的多個導熱元件，其中該等導熱元件的至少一部分穿越該熱絕緣組件的至少一部分；及一熱絕緣組件，嵌入於該盤體中的一徑向位置，並基於該徑向位置將該盤體劃分為第一加熱區域和一第二加熱區域。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之晶圓座，其中該盤體具有自該底端向該頂端延伸的至少一溝槽，使該熱絕緣組件嵌入該至少一溝槽。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之晶圓座，其中該熱絕緣組件係密封嵌入在該盤體中。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之晶圓座，其中該熱絕緣組件具有至少一缺口，所述缺口圍繞該等導熱元件的一部分。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之晶圓座，其中該加熱組件包含在該盤體的頂端和底端之間延伸的一第一導熱元件及一第二導熱元件，該第一導熱元件由該徑向方向的一第一半徑定義，該第二導熱元件由該徑向方向的一第二半徑定義，該熱絕緣組件由該徑向方向的一第三半徑定義，其中該第二半徑大於該第三半徑，該第三半徑大於該第一半徑。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之晶圓座，其中該熱絕緣組件為介於該盤體頂端及底端之間延伸的一環體。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之晶圓座，其中該盤體具有自該底端向該頂端延伸的一環型溝槽，使該環體對應嵌入該環型溝槽中。
  8. 一種反應腔體，包含：一晶圓座，包含：一盤體，經由一桿體支撐於該反應腔體中且具有一頂端、相對於該頂端之一底端及延伸於該頂端和底端之間的一厚度，該頂端和該底端由一中心軸及自該中心軸水平徑向延伸的一半徑定義；一加熱組件，嵌入於該盤體中且包含在該盤體的頂端和底端之間延伸的多個導熱元件，其中該等導熱元件的至少一部分穿越該熱絕緣組件的至少一部分；及一熱絕緣組件，嵌入於該盤體中的一徑向位置，並基於該徑向位置將該盤體化分為第一加熱區域和一第二加熱區域。
TW108106531A 2018-05-03 2019-02-26 具有加熱機制之晶圓座及包含該晶圓座的反應腔體 TWI690012B (zh)

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CN201810413913.4A CN108682635B (zh) 2018-05-03 2018-05-03 具有加热机制的晶圆座及包含该晶圆座的反应腔体

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