TWI706491B - 用於基板處理腔室的邊緣環 - Google Patents

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Abstract

本文揭露一種邊緣環以及用於製造邊緣環之製程。一個實施例中，邊緣環包括環狀主體以及複數個斷熱件，該等斷熱件配置在該環狀主體內。該等斷熱件配置成垂直邊緣環之環狀主體的中心線。

Description

用於基板處理腔室的邊緣環
本文所述之實施例大體上關於用於在基板上製造元件的設備。更詳言之，本文所述的實施例提供一種邊緣環，該邊緣環用於在處理腔室中支撐基板。
在諸如半導體晶圓與顯示器嵌板之類的基板的處理中，基板放置於處理腔室中的支撐件上，同時於處理腔室中維持適當的處理條件。例如，基板可受加熱以用於沉積、蝕刻、或是其他的半導體製造製程。半導體製造製程期間，可由支撐結構支撐基板，同時來自基板上方或下方的能量用於加熱基板。許多處理腔室中，邊緣環用於在處理基板的同時保護基板支撐結構。
第1圖概略繪示用於半導體處理腔室中的習知邊緣環100的剖面視圖。圖中並未顯示支撐基板與邊緣環100的支撐結構。邊緣環100的內徑略小於受處理之基板102的外徑。處理期間，基板102的外邊緣區域106配置在邊緣環100之支撐表面104上方，使得邊緣環100部分延伸於基板102下方。例如透過使用基板支 撐結構中所嵌的加熱器，熱能110可導向基板102下方的基板102之底表面與邊緣環100，以加熱基板102。電漿108及/或第二熱源可從邊緣環100上方導向基板102之頂表面，以進一步加熱基板102。
如第1圖中所示的習知邊緣環100可能有時候會變得太熱，造成邊緣環100翹曲。邊緣環100之翹曲造成工具工作時間減少(萬一邊緣環100需要替換)，且造成顆粒生成增加。
因此，需要一種改良的邊緣環。
本文所述的實施例大體上關於用在基板處理腔室中的邊緣環。該邊緣環具有環狀主體。複數個斷熱件(thermal break)配置在該邊緣環的該環狀主體內。該複數個斷熱件配置成垂直該環狀主體的中心線。
另一實施例中，本文描述一種用於製造邊緣環的方法。該方法包括形成環狀主體及於該環狀主體內形成複數個斷熱層。該複數個斷熱件垂直該環狀主體之中心線。每一斷熱件穿插在構成該邊緣環的環狀主體的材料內。
尚有另一實施例中，本文揭露一種處理腔室。該處理腔室包括基板支撐構件與邊緣環。該基板支撐構件裝設成支撐基板。該邊緣環由該基板支撐構件支撐。該邊緣環裝設成延伸於該基板支撐構件所支撐的該 基板下方。該邊緣環包括環狀主體與複數個斷熱件，該複數個斷熱件配置在該環狀主體內。該複數個斷熱件配置成垂直該邊緣環的該環狀主體的中心線。
100‧‧‧邊緣環
102‧‧‧基板
104‧‧‧支撐表面
106‧‧‧外邊緣區域
108‧‧‧電漿
110‧‧‧熱能
200‧‧‧處理腔室
202‧‧‧邊緣環
203‧‧‧基板
204‧‧‧支撐組件
206‧‧‧淨化環
208‧‧‧基板支撐構件
210‧‧‧氣體分配系統
212‧‧‧氣體入口
214‧‧‧氣體通路
216‧‧‧氣體出口
218‧‧‧斷熱件
220‧‧‧螺紋插件
222‧‧‧底表面
226‧‧‧緊固件
228‧‧‧內空腔
230‧‧‧氣體供應源
232‧‧‧氣體出口
234‧‧‧排氣導管
236‧‧‧靜電夾盤
238‧‧‧冷卻板
240‧‧‧電源供應器
242‧‧‧基座
300‧‧‧環狀主體
302‧‧‧外帶
304‧‧‧內帶
306‧‧‧內壁
308‧‧‧第一環狀側壁
310‧‧‧第二環狀壁
312‧‧‧外壁
314‧‧‧凸耳
316‧‧‧表面
332‧‧‧熱阻障塗層
350‧‧‧中心線
402‧‧‧鰭片
可透過參考其中一些繪示於附圖中的實施例，可得到上文簡要總結的本案揭露內容之更詳細之敘述，如此可得到詳細地瞭解本案揭露內容之上述特徵的方式。然而，應注意附圖僅繪示本案揭露內容之典型實施例，因此不應被視為限制本案揭露內容之範疇，因為本案揭露內容可容許其他等效實施例。
第1圖概略繪示用在熱處理腔室中的習知邊緣環的剖面視圖。
第2圖概略繪示根據一個實施例的具改良邊緣環之熱處理腔室的部分剖面視圖。
第3圖是根據一個實施例的第2圖之改良邊緣環的放大剖面視圖。
第4圖是根據一個實施例的邊緣環之另一實施例的部分剖面視圖。
為了明確起見，在可應用之處已使用相同的元件符號指定各圖共通的相同元件。此外，一個實施例的元件可有利地適於用在本文所述之其他實施例。
第2圖繪示具有邊緣環202之處理腔室200的側視圖。該處理腔室200包括基板支撐構件208與基座242。基板支撐構件208耦接基座242。基板支撐構件208包括支撐組件204。該支撐組件204可以是靜電夾盤組件、加熱器、真空夾盤組件、或其他基板支撐平台。
淨化環206與邊緣環202支撐於基板支撐構件208上。邊緣環202裝設成延伸於處理期間配置在支撐組件204上的基板203下方。邊緣環202可進一步包括複數個斷熱件218，且也可包括螺紋插件220與氣體分配系統210之一或多者。
氣體分配系統210包括氣體通路214、氣體入口212、與氣體出口216。螺紋插件220位在邊緣環202面向淨化環206的底表面222上。螺紋插件220裝設成接收緊固件226，使得緊固件226將淨化環206耦接邊緣環202。螺紋插件220由一材料製成，使得螺紋插件220可耐受加熱製程期間生成的高度內部碾壓及剪應力，而不會變得與緊固件226不可分離。具螺紋插件220與緊固件226的邊緣環202也可以是邊緣環202之一體的部分，可經機械切削出(machined out)或3D列印。一體的螺紋插件220與緊固件226可作為用於基板的置中特徵。
氣體入口212、氣體出口216、與氣體通路214配置在邊緣環202內。氣體通路214與氣體入口212及氣體出口216兩者流體相通。於第3圖中更詳細地描述邊緣環202。
淨化環206在形狀上實質上為環形，該淨化環206連同支撐組件204限定內空腔228。內空腔228例如透過導管(圖中未示)連接氣體供應源230，該導管線路安排通過支撐組件204。處理期間，淨化氣體流進內空腔228中。內空腔228中的淨化氣體流過氣體出口232，該氣體出口232配置在接近淨化環206之內周邊處。氣體出口232存在於淨化環206面向邊緣環202的頂表面上。氣體出口232與邊緣環202的氣體入口212流體相通。因此，離開氣體出口232的淨化氣體經由氣體入口212供應到邊緣環202的氣體通路214中。淨化環206進一步包括排氣導管234。淨化環206的排氣導管234與邊緣環202的氣體出口216流體相通，使得通過氣體出口216離開邊緣環202的氣體通路214的氣體可流過淨化環206的排氣導管234且發送出處理腔室200。
支撐組件204於處理期間支撐基板203。支撐組件204耦接基座242。支撐組件204進一步包括靜電夾盤236與冷卻板238。冷卻板238配置在基座242上。冷卻板238可包括複數個冷卻通道(圖中未示)以循環冷卻劑通過該等冷卻通道。冷卻板238可藉由黏著 劑或任何適合的接合機構接合至靜電夾盤236。冷卻板238之底部可塗布有熱阻障塗層，以減少冷卻板238與靜電夾盤236之間的熱串擾(thermal cross talk)。
靜電夾盤236可進一步包括一或多個加熱器(圖中未示)。一或多個加熱器可耦接一或多個加熱電源供應器240。該一或多個加熱器可獨立地受控制。該一或多個加熱器能使靜電夾盤236從基板203之底表面加熱基板203至期望溫度，例如，約攝氏300度之溫度。為了防止被靜電夾盤236的高溫過度加熱邊緣環202，該邊緣環202可包括一或多個熱控制機構(諸如斷熱件218)、熱阻障塗層、與氣體分配系統210。
第3圖繪示邊緣環202的部分放大視圖，繪示一或多個熱控制機構。邊緣環202具有環狀主體300。該環狀主體300可包括外帶302與內帶304。內帶304裝設成部分延伸於基板(圖中未示)之邊緣下方，該基板於處理期間配置於基板支撐構件(如第2圖中所示)上。外帶302包括內壁306，該內壁306至少部分環繞基板周邊。外帶302與內帶304繞環狀主體300之中心線共心。外帶302的內壁306連接內帶304之凸耳314。內帶304之凸耳314從外帶302之內壁306向內延伸，且終結於第一環狀側壁308處。邊緣環202之環狀主體300可進一步包括第二環狀壁310，該第二環狀壁310向下延伸以形成外壁312。一個範例中，外壁312可沿著第2圖的淨化環206的長度向下延伸。
邊緣環202的內帶304從外帶302之內壁306朝向環狀主體300之中心軸徑向向內延伸，而形成於基板下方延伸的凸耳314。凸耳314位於外帶302之頂表面316下方且平行該頂表面316。內帶304之凸耳314尺寸是根據基板之尺寸而設計，且容許基板之熱膨脹。內帶304之凸耳314之尺寸設計成於基板周邊下方延伸。內帶304可在基板下面延伸充分距離，諸如從約0.1公分至約0.5公分，以保護支撐組件204。
第4圖繪示邊緣環202的一個實施例。邊緣環202的環狀主體300可包括複數個鰭片402。鰭片402裝設成透過增加邊緣環202之暴露表面而增加結構之表面積。藉由增加邊緣環202的暴露表面，增加導熱率，從而減少溫度梯度，且最終減少邊緣環202之變形。此外，鰭片402可裝設成使得除了流過氣體通路214的淨化氣體之外(或取代流過氣體通路214的淨化氣體)淨化氣體還可於邊緣環202與靜電夾盤236之間的區域中流動。
一個範例中，鰭片402是連續圓形壁，該連續圓形壁與外帶302與內帶304共心。鰭片402可定位在外帶302與內帶304之間。鰭片402具有從中心軸起算的半徑。鰭片402之半徑可設計成達到邊緣環202的徑向溫度梯度或溫度分佈曲線，從而減少加熱期間邊緣環202之變形。另一範例(如圖所示)中，環狀主體300 包括複數個鰭片402，該等鰭片402形成不連續的圓形壁，該等不連續的圓形壁與外帶302及內帶304共心。
回顧第3圖，環狀主體300進一步包括斷熱件218。斷熱件218配置在邊緣環202的環狀主體300內，垂直環狀主體300的中心線350。斷熱件218於外帶302之頂表面316下面延伸通過環狀主體300之長度。斷熱件218由一材料構成，該材料相對於構成環狀主體300之材料有不同的導熱係數。例如，斷熱件218可包括導熱材料，諸如石墨。當基板由靜電夾盤236、電漿源、或前述二者加熱時，邊緣環202溫度可能升高。斷熱件218裝設成將熱於側向(徑向)分散於整個邊緣環202中，同時禁止軸向的熱傳，從而發揮效用以實質上防止邊緣環202的過度加熱與翹曲。因為邊緣環202的加熱減少且更為均勻，所以邊緣環202較不易受翹曲與顆粒生成。
另一範例中，邊緣環202的環狀主體300可替代式或額外地包括如前文所述之氣體分配系統210。氣體分配系統210可與斷熱件218一起運作，以減少邊緣環202之加熱。如前文所述，氣體分配系統210容許淨化氣體流過邊緣環202，藉此從邊緣環202移轉熱。淨化氣體可以是惰性氣體，例如氮氣。當淨化氣體流過氣體通路214，淨化氣體可冷卻邊緣環202之環狀主體300，以補償腔室製程造成的邊緣環202之加熱。氣體分配系統210之氣體通路214與斷熱件218一併使用 時，該氣體通路214可配置成平行斷熱件218，以促進溫度的均勻性。
另一實施例中，斷熱件218與氣體分配系統210可沿著邊緣環202之外壁312的長度向下延伸。斷熱件218與氣體分配系統210可助於冷卻邊緣環202之外壁312，而保護淨化環206之周邊不被腔室環境所加熱。
除了斷熱件218與氣體分配系統210之一或二者之外(或取代之)，熱阻障塗層332可配置在邊緣環202之一或多個表面316、322上。例如，熱阻障塗層332可配置在邊緣環202的底表面222上。熱阻障塗層332也可沿著邊緣環202的外壁312之長度向下延伸。熱阻障塗層332提供邊緣環202額外保護以隔絕來自靜電夾盤236所發射的熱能。熱阻障塗層332因而增進遍及基板與邊緣環202的溫度控制及/或均勻度。熱阻障塗層332由一材料製作，該材料具有相對於環狀主體300之材料更低的導熱係數，諸如(舉例而言)氧化鋯、類鑽石碳(DLC)、石英、或釔穩定化的氧化鋯。黏結層(圖中未示)可放置在熱阻障塗層332與邊緣環202之底表面222之間中。一個範例中，黏結層可為0.5至20微米厚。另一範例中，熱阻障塗層332可為100至200微米厚。
可視情況任選地將邊緣環202之頂表面316噴珠(bead blast)。邊緣環202之頂表面316可經噴 珠而增加表面粗糙度。邊緣環202之粗糙化表面減少處理腔室200內的電弧放電，且造成基板上有均勻的沉積。
邊緣環202可根據受處理之基板的材料由適合的材料形成。一個範例中，邊緣環202可由一材料形成，該材料之熱容量與基板材料類似。另一範例中，邊緣環202可由碳化矽材料形成，以處理矽基板。
一個實施例中，邊緣環202可透過使用3D列印製程製造。3D列印製程中，薄層漸進式沉積且融合，直到邊緣環202完成為止。每一層是由3D列印機的噴嘴以一圖案施加，該圖案由3D繪圖電腦程式所儲存，該程式於電腦(圖中未示)上運作。邊緣環202中的斷熱件218可透過使用3D列印製程形成。例如，構成邊緣環202之環狀主體300的層以及構成斷熱件218的層可由3D列印機於不中斷的操作中製造。3D列印方法減少習知邊緣環製造所需的花費與時間。3D列印方法也消除許多習知邊緣環製造步驟，諸如模造、澆鑄、與機械切削。此外，由於一層又一層的列印方法，所以可達成嚴密的容忍度。可使用一個列印系統僅僅藉由改變3D繪圖電腦程式中儲存的圖案而製造各種不同邊緣環(無論有斷熱件218或無斷熱件218)。3D列印的部件可經受後處理製程，諸如熱等靜壓，以使表面缺陷與孔隙度最小化。
邊緣環202可替代性地透過澆鑄製程或其他形成製程製造。澆鑄製程期間，邊緣環202的環狀主體300嵌有導熱材料，即斷熱件218。
雖然前述內容涉及本案揭露內容之實施例，但可不背離本案揭露內容之基本範疇而設計其他與進一步的實施例，且本案揭露內容之範疇由隨後的申請專利範圍所決定。
200‧‧‧處理腔室
202‧‧‧邊緣環
203‧‧‧基板
204‧‧‧支撐組件
206‧‧‧淨化環
208‧‧‧基板支撐構件
210‧‧‧氣體分配系統
212‧‧‧氣體入口
214‧‧‧氣體通路
216‧‧‧氣體出口
218‧‧‧斷熱件
220‧‧‧螺紋插件
222‧‧‧底表面
226‧‧‧緊固件
228‧‧‧內空腔
230‧‧‧氣體供應源
232‧‧‧氣體出口
234‧‧‧排氣導管
236‧‧‧靜電夾盤
238‧‧‧冷卻板
240‧‧‧電源供應器
242‧‧‧基座

Claims (19)

  1. 一種用於基板處理腔室之邊緣環，該邊緣環包括：一環狀主體，包括一第一材料；及複數個斷熱件，包括一第二材料，該第二材料具有相對於該第一材料而言較高的導熱係數，其中該複數個斷熱件之每一者包覆在該環狀主體的該第一材料內，該等斷熱件配置成垂直該環狀主體之一中心線，且裝設成將熱於側向分散於整個邊緣環中同時禁止沿著該中心線的軸向熱傳。
  2. 如請求項1所述之邊緣環，其中該邊緣環進一步包括：一氣體分配系統，配置在該環狀主體內。
  3. 如請求項2所述之邊緣環，其中該氣體分配系統沿著該環狀主體之一側壁向下延伸。
  4. 如請求項1所述之邊緣環，其中該邊緣環進一步包括：一塗層，該塗層包括一第三材料，該第三材料具有相對於該第一材料而言較低的導熱係數。
  5. 如請求項4所述之邊緣環，其中該塗層之該第三材料是選自由氧化鋯、類鑽石碳、與石英所構成之群組的材料。
  6. 如請求項4所述之邊緣環，其中該塗層之該 第三材料包括釔穩定化之氧化鋯。
  7. 如請求項4所述之邊緣環，其中該塗層具有介於100至200微米之間的厚度。
  8. 如請求項1所述之邊緣環，其中該等斷熱件沿著該環狀主體之一側壁向下延伸。
  9. 如請求項1所述之邊緣環，其中該邊緣環是使用一3D列印機製造。
  10. 如請求項1所述之邊緣環，其中該邊緣環是澆鑄而成。
  11. 一種用於製造嵌有導熱材料之邊緣環的方法，該方法包括下述步驟：形成具一第一材料的一環狀主體；及於該環狀主體內形成複數個斷熱件，該等斷熱件包括一第二材料，該第二材料具有相對於該第一材料而言較高的導熱係數，該等斷熱件具有一走向，該走向垂直該主體之一中心線，每一斷熱件穿插於構成該環狀主體的一材料內並且裝設成將熱於側向分散於整個邊緣環中同時禁止沿著該中心線的軸向熱傳。
  12. 如請求項11所述之方法，其中形成該邊緣環之該環狀主體進一步包括下述步驟：於該環狀主體內形成一氣體分配系統。
  13. 如請求項11所述之方法，進一步包括下述步驟：於該環狀主體上沉積一塗層，該塗層包括一材料，該材料具有相對於該環狀主體之材料而言較低的導熱係數。
  14. 如請求項11所述之方法，於該環狀主體內形成複數個斷熱件包括下述步驟：3D列印於該環狀主體內的該等斷熱件。
  15. 如請求項14所述之方法，進一步包括下述步驟：熱等靜壓該邊緣環。
  16. 如請求項11所述之方法，進一步包括下述步驟：於該環狀主體中安裝一螺紋插件。
  17. 如請求項11所述之方法，進一步包括下述步驟：形成複數個鰭片，該等鰭片與該環狀主體之一底表面呈一體。
  18. 一種處理腔室，包括：一基板支撐構件，裝設成支撐一基板；及一邊緣環，由該基板支撐構件支撐，該邊緣環裝設成於由該基板支撐構件所支撐的該基板下方延 伸，其中該邊緣環包括：一環狀主體，包括一第一材料；及複數個斷熱件，包括一第二材料，該第二材料具有相對於該第一材料而言較高的導熱係數，其中該複數個斷熱件的每一者包覆於該環狀主體的該第一材料內，該等斷熱件配置成垂直該環狀主體之一中心線，並且裝設成將熱於側向分散於整個邊緣環中同時禁止沿著該中心線的軸向熱傳。
  19. 如請求項18所述之處理腔室，其中該邊緣環進一步包括一氣體分配系統，該氣體分配系統配置在該環狀主體內。
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