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TWI608563B - 半導體處理用之設有平坦加熱器區的加熱板 - Google Patents

半導體處理用之設有平坦加熱器區的加熱板 Download PDF

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TWI608563B
TWI608563B TW105117118A TW105117118A TWI608563B TW I608563 B TWI608563 B TW I608563B TW 105117118 A TW105117118 A TW 105117118A TW 105117118 A TW105117118 A TW 105117118A TW I608563 B TWI608563 B TW I608563B
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TW105117118A
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Inventor
席恩哈密特
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蘭姆研究公司
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    • H10P50/242—
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    • B29D—PRODUCING PARTICULAR ARTICLES FROM PLASTICS OR FROM SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE
    • B29D7/00—Producing flat articles, e.g. films or sheets
    • B29D7/01—Films or sheets
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/68—Heating arrangements specially adapted for cooking plates or analogous hot-plates
    • H10P72/0434—
    • H10P72/0602—
    • H10P72/72—
    • H10P72/722—
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
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Description

半導體處理用之設有平坦加熱器區的加熱板
本發明係關於用於半導體處理之設有平坦加熱器區的加熱板。
在每一接續的半導體技術世代中，基板直徑傾向增加而電晶體尺寸減少，導致在基板處理時需要更高程度的準確性以及再現性。例如矽基板之半導體基板材料乃藉由包含使用真空室的技術加以處理。這些技術包括例如電子束沉積法之無電漿的應用以及例如濺鍍沉積法、電漿輔助化學氣相沉積法(PECVD)、光阻剝離以及電漿蝕刻之含有電漿的應用。
現今使用的電漿處理系統屬於那些對於改善準確性以及再現性有不斷增長的需求之半導體製造設備其中之一。對於電漿處理系統而言，一個衡量標準為增加的均勻性，其包含半導體基板表面上處理結果的均勻性以及以名義上相同的輸入參數對後續基板處理結果之均勻性。持續改善基板上的均勻性為所需的。除了別的之外，還需要具有改善均勻性、一致性、以及自我檢測的電漿腔室。
於此敘述一種用於基板支架組件的加熱板，該基板支架組件用以在半導體處理設備內支撐半導體基板，該加熱板包含：電性絕緣層；平坦加熱器區，包含至少第一，第二，第三以及第四平坦加熱器區，每一者包含一或更多由絕緣體-導體複合物所製成的加熱器元件，該加熱器區橫向地分佈在該電性絕緣層中且可操作調整半導體基板在空間上的溫度分布；電源供應線路，包含至少以電性連接至該第一以及第二平坦加熱器區的第一電性傳導電源供應線路與以電性連接至第三以及第四平坦加熱器區的第二電性傳導電源供應線路；電源返回線路，包含至少以電性連接至該第一以及第三平坦加熱器區的第一電性傳導電源返回線路與以電性連接至該第二以及第四平坦加熱器區的第二電性傳導電源返回線路。
於半導體處理設備中，對於控制徑向上與方位角上的基板溫度以達到基板上所需的臨界尺寸(CD)一致性的需求逐漸變多。即使是小的溫度變異都可能影響臨界尺寸至無法接受的程度，特別是在半導體製造程序中臨界尺寸接近深次微米時。
在處理期間，基板支撐組件可配置成用於多種功能，例如支撐基板、調整基板溫度以及供應射頻電源。基板支架組件可包含用以在處理期間將基板靜電夾持於基板支架組件上的靜電夾盤(ESC)。該靜電夾盤可為可調式靜電夾盤(T-ESC)。可調式靜電夾盤係在共同受讓的美國專利第6,847,014號以及6,921,724號中加以說明，其全文合併於此以供參考。為了實現逐步與徑向的溫度控制，基板支架組件可包含陶瓷基板支座、流體冷卻式散熱片(此後稱為冷卻板)以及複數個同心的平坦加熱器區。典型地，冷卻板維持在-20 °C與80 °C之間。加熱器位於冷卻板上且此兩者之間具有一熱絕緣層。加熱器可將基板支架組件的支架表面維持在高於冷卻板溫度大約0 °C 至 90 °C的溫度。藉由改變複數個平坦加熱器區內的加熱器功率，可改變基板支架的溫度分布。再者，可在高於冷卻板溫度0 °C 至90 °C的操作範圍內逐步改變平均的基板支架溫度。當臨界尺寸隨著半導體技術的發展而減少時，方位角上一個小小的溫度變異便會使挑戰越來越大。
由於數種原因，溫度控制並非簡單的任務。第一，許多因子可能影響熱傳遞，例如熱源以及散熱片的位置、介質的移動、材料及形狀。第二，熱傳遞為動態的過程。除非該討論中的系統處於熱平衡狀態，否則熱傳遞將發生，且溫度分布以及熱傳遞將隨時間改變。第三，例如電漿的非平衡現象當然永遠存在電漿處理過程中，而使任何實際的電漿處理設備之熱傳遞行為的理論預測變得非常困難，也許根本不可能。
電漿處理設備中基板的溫度分布係受到許多因子所影響，例如電漿密度分布、射頻功率分布以及夾盤中各種加熱及冷卻元件之詳細結構，因此基板溫度分布經常不均勻且難以用少數的加熱或冷卻元件控制。此種缺陷轉變成遍及整個基板之處理率的不均勻性以及基板上元件晶粒之臨界尺寸的不一致性。
由於溫度控制的複雜性質，在基板支架組件中結合多個獨立可控制的平坦加熱器區域將是有益的，其使設備可積極地產生與維持所需的空間上與時間上的溫度分布，並彌補影響臨界尺寸一致性的不利因子。
於此敘述半導體處理設備內之基板支架組件的加熱板，其中該加熱板具有多個獨立可控制的平坦加熱器區，其包含由導體-絕緣體複合物所製成的加熱器元件。此加熱板包含一加熱器區、電源供應線路以及電源返回線路(集合式電源線路)之可縮放的多工佈線設計。藉由調整加熱器區的功率，可在處理期間訂定徑向上以及方位角上的溫度分布。更多的細節係揭露在共同擁有的美國專利申請案第12/582,991號，其全文合併於此以供參考。雖然此加熱板主要描述用於電漿處理設備，但此加熱板亦可用於其他無電漿的半導體處理設備。
加熱板內的平坦加熱器區較佳係排列成界定好的圖形，例如矩形格點、六角形格點、環狀排列、同心環或任何所需的圖形。每一平坦加熱器區可為任何適當的尺寸，並可具有一或更多加熱器元件。當平坦加熱器區處於通電狀態時，其中的所有加熱器元件皆處於通電狀態；當平坦加熱器區處於未通電狀態時，其中的所有加熱器元件皆處於未通電狀態。為了最小化電性連接的數目，將電源供應線路與電源返回線路排列成使每一電源供應線路連接至不同群組的平坦加熱器區，且使每一電源返回線路連接至不同群組的平坦加熱器區，每一平坦加熱器區皆為連接至一特定電源供應線路的群組其中之一者，並連接至一特定電源返回線路的群組其中之一者。沒有兩個平坦加熱器區連接至同對電源供應線路與電源返回線路。平坦加熱器區可藉由電源供應線路以及電源返回線路將電流導入此特定平坦加熱區所連接的位置而開始作用。加熱器元件的功率密度較佳係小於 10 W/cm2 ，更佳地係小於5 W/cm2 。在一實施例中，每一平坦加熱器區不大於四個將在半導體基板上製造的元件晶粒，或不大於兩個將在半導體基板上製造的元件晶粒，或不大於一個將在半導體基板上製造的元件晶粒，或以面積16至100 cm2 、或1至15 cm2 、或2至3 cm2 、或0.1至1 cm2 來對應基板上的元件晶粒。加熱板可包含任何適當數量的平坦加熱器區，例如100 至 1000個 平坦加熱器區。加熱器元件的厚度範圍可從2微米到1毫米之間，較佳地為5至80微米之間。為了酌留平坦加熱器區與/或電源供應以及電源返回線路之間的間隔，平坦加熱器區的整體面積最大可達基板支架組件之上表面面積的99%，例如面積的50%至99%。吾人可將電源供應線路或電源返回線路配置在平坦加熱器區之間的間隙，該間隙範圍由1至10 mm，或配置在藉由電性絕緣層與平坦加熱器區平面分離的個別平面。為了攜帶大電流以及降低焦耳加熱，較佳係使電源供應線路與電源返回線路在空間容許的情況下盡量的寬。在一實施例中，其中電源線路與平坦加熱器區位在同一平面，電源線路的寬度較佳係為0.3 mm與2 mm之間。在另一實施例中，其中電源線路與平坦加熱器區位在不同平面，電源線路的寬度可大至與平坦加熱器區一樣，例如在300 mm的夾盤的情況下，該寬度可為1至2英吋。較佳地，電源供應線路與電源返回線路的材料為例如銅、鋁、鎢、英高鎳(Inconel® )或是鉬之具有低電阻係數的材料。
習知的電阻式加熱器元件典型地包含由例如銅、鋁、鎢、英高鎳(Inconel® )或是鉬之具有低電阻係數之導體所製成的蛇行線。在固定的輸入電壓V下，該電阻式加熱器元件的加熱功率P為V2 /R，其中R為電阻值。R可表示成(ρ‧L)/(W‧T)，其中ρ為製成蛇行線之材料的電阻係數；L、W以及T分別是蛇行線的整體走線長度(即是，由沿著蛇行線所量測出來的長度)，寬度以及厚度。蛇行線的幾何因子L、W以及T受限於其中包含有電阻式加熱器元件之平坦加熱器區的實際尺寸。因為平坦加熱器的可用面積而使L具有上限；因為製造技術而使W以及T具有下限。因此，R有上限且P有下限。符合功率密度的要求變得愈來愈困難(較佳係小於 10 W/cm2 ，更佳係小於5 W/cm2 )。如在下文中所敘述的，增加電阻係數ρ可減輕此問題。
圖1顯示基板支架組件，其包含具有電性絕緣層103的加熱板之一實施例。電性絕緣層103可具有一或更多由高分子材料、無機材料、以及例如二氧化矽、氧化鋁、氧化釔、氮化鋁的陶瓷材料或其他適合材料所組成的層。基板支架組件更包含(a)至少一個嵌在電性絕緣層103的ESC(靜電夾持)電極102(例如單極或雙極)，該電極以直流電壓將基板靜電夾持於電性絕緣層103的表面，(b)熱阻障層107，(c)含有用以流通冷卻劑之流道106的冷卻板105。為清楚起見，電源供應線路以及電源返回線路並未顯示於圖1中。
如圖2所示，每一平坦加熱器區101係連接至一電源供應線路201以及一電源返回線路202。沒有兩平坦加熱器區101共享同一對電源供應線路201以及電源返回線路202。藉由配置適當的電性開關，可將一對電源供應線路201與電源返回線路202連接至電源供應器(未顯示)，藉此僅驅動連接至此對電源線路的平坦加熱器區。每一平坦加熱器區的時間平均加熱功率可藉由時域多工加以個別調整。為了避免不同加熱器區之間的串擾，可將整流器250(例如二極體)串接在每一加熱器區以及其相連的電源供應線路之間(如圖2所示)，或在每一加熱器區以及其相連的電源返回線路之間(未顯示)。整流器可實際的設置在加熱板內或其他適合的位置。或是，可使用任何例如固態開關之電流阻隔的配置以避免串擾。
每一平坦加熱器區101包含至少一由絕緣體-導體複合物所組成的加熱器元件。在一實施例中，該絕緣體-導體複合物包含選自於由氧化鋁、二氧化矽、氧化釔、氮化矽、氮化鋁所組成的群組之一或更多種絕緣體材料，以及選自於由鋁、銅、鉬、鎢、金、銀、鉑、鈀、碳、二矽化鉬、碳化鎢、碳化矽所組成的群組之一或更多種導體材料。吾人可藉由將絕緣體以及導體的粉末(較佳為具有從0.2 至 20 微米的粒子尺寸)與適當的液體(例如：甲醇、乙醇、丙醇、異丙醇、水、礦物油、或其混合物)混合成漿料後，進行網版印刷漿料以及燒結漿料而製成絕緣體-導體複合物。在較佳的實施例中，絕緣體-導體複合物包含達到重量百分比30%的氧化鋁，其餘則為鎢。
加熱板的電性絕緣層103較佳係由陶瓷所製成。該加熱板可藉由一示範性的方法製成，該方法包含：將陶瓷粉末、黏結劑以及液體的混合物壓製成薄板；使薄板乾燥；在薄板打孔而形成薄板上的通孔；藉由網版印刷導電粉末(例如鎢、碳化鎢、有摻雜的氮化矽或是二矽化鉬)的漿料，沖壓按規格裁剪的金屬箔片，噴塗導電粉末的漿料，或任何其他適合的技術以在薄板上形成電源供應線路以及電源返回線路；藉由網版印刷或噴塗絕緣體以及導體粉末的漿料以形成加熱器元件；將薄板對齊；藉由燒結將薄板結合在一起而形成層103；以導電粉末的漿料填充通孔。薄板的厚度可為大約0.3 mm。
圖3顯示圖1中的基板支架組件，更包含主要加熱器層601。較佳地，主要加熱器層601包含至少兩個獨立可控制的高功率加熱器。主要加熱器的功率係在100與10000W 之間，較佳地係在1000與5000W之間。主要加熱器可配置成矩形格點、同心環形區、徑向區或同心環形區與徑向區的組合。主要加熱器可用以改變平均溫度，調整徑向的溫度分布，或逐步控制基板上的溫度。主要加熱器位於熱阻障層107的上方並且可位於加熱器區101的上方或下方。
總覽電漿處理室操作的狀況，圖4顯示包含腔室713之電漿處理室的示意圖，其中設有上噴淋頭電極703以及基板支架組件704。基板712經由裝載端口711裝載至基板支架組件704上。氣體管路709將處理氣體供應至運送處理氣體進入腔室內的上噴淋頭電極703。氣體源708(例如供應適當的氣體混合物之質量流控制器)係連接至氣體管路709。射頻電源702係連接至上噴淋頭電極703。在操作時，腔室藉由真空泵710抽空且將射頻電源以電容式耦接在上噴淋頭電極703與位在基板支架組件704中之下電極之間，以在基板712與上噴淋頭電極703之間的空間將處理氣體激發至電漿狀態。該電漿可用以在基板712上將元件晶粒的特徵蝕刻成層。基板支架組件704包含如於此敘述的加熱板。如以上所述，吾人應察知雖然可變更電漿處理室的詳細設計，但射頻電源乃係透過基板支架組件704耦接至電漿。
用於製造基板支架組件之適合的絕緣以及導電材料的實例係揭露於共同受讓的美國專利第6,483,690號，其全文合併於此以供參考。
雖然已參考特定的實施例詳細敘述說明加熱板，加熱板之製造方法，以及包含加熱板的基板支架組件，對於熟知本技術者而言，顯然可在不違背隨附之請求項的範圍下做出各種變化以及修改。
101‧‧‧平坦加熱器區
102‧‧‧靜電挾持電極
103‧‧‧電性絕緣層
105‧‧‧冷卻板
106‧‧‧流道
107‧‧‧熱阻障層
201‧‧‧電源供應線路
202‧‧‧電源返回線路
250‧‧‧整流器
601‧‧‧主要加熱層
702‧‧‧射頻電源
703‧‧‧上噴淋頭電極
704‧‧‧基板支架組件
708‧‧‧氣體源
709‧‧‧氣體管路
710‧‧‧真空泵
711‧‧‧裝載端口
712‧‧‧基板
713‧‧‧腔室
圖1為基板支架組件的橫剖面示意圖，該基板支架組件係包含一具有一系列平坦加熱器區的加熱板，並包含靜電夾盤(ESC)。
圖2說明電源供應線路以及電源返回線路以電性連接至一加熱板內之一系列平坦加熱器區，該加熱板可結合在一基板支架組件中。
圖3為一基板支架組件的橫剖面示意圖，該基板支架組件包含一加熱板於其中，該基板支架組件更包含一主要加熱器層。
圖4為示範的電漿處理室之示意圖，其可包含一設有於此敘述之加熱板的基板支架組件。
101‧‧‧平坦加熱器區
201‧‧‧電源供應線路
202‧‧‧電源返回線路
250‧‧‧整流器

Claims (18)

  1. 一種基板支架，用以在一半導體處理設備內支撐一半導體基板，該基板支架包含：一電性絕緣層；複數平坦熱區，其中每一者包含一或更多由一絕緣體-導體複合物所製成的熱元件，該平坦熱區橫向地分佈在該電性絕緣層的範圍；複數電源供應線路，包含至少一第一電性傳導電源供應線路及一第二電性傳導電源供應線路，該第一電性傳導電源供應線路以電性連接至該複數平坦熱區的一第一平坦熱區及一第二平坦熱區，該第二電性傳導電源供應線路以電性連接至該複數平坦熱區的一第三平坦熱區及一第四平坦熱區；以及複數電源返回線路，包含至少一第一電性傳導電源返回線路及一第二電性傳導電源返回線路，該第一電性傳導電源返回線路以電性連接至該複數平坦熱區的該第一平坦熱區及該第三平坦熱區，該第二電性傳導電源返回線路以電性連接至該複數平坦熱區的該第二平坦熱區及該第四平坦熱區，其中每一平坦熱區連接至不同對的電源供應線路與電源返回線路。
  2. 如申請專利範圍第1項之基板支架，其中該絕緣體-導體複合物包含選自於由氧化鋁、二氧化矽、氧化釔、氮化矽、氮化鋁所組成的群組之一或多種絕緣體材料，以及選自於由鋁、銅、鉬、鎢、金、銀、鉑、鈀、碳、二矽化鉬、碳化鎢、碳化矽所組成的群組之一或多種導體材料。
  3. 如申請專利範圍第2項之基板支架，其中該絕緣體-導體複合物包含達到重量百分比30%的氧化鋁，剩餘的部分為鎢。
  4. 如申請專利範圍第1項之基板支架，其中該等平坦熱區的尺寸設定為：(a)每一平坦熱區具有0.1至1平方公分之截面面積；(b)每一平坦熱區具有1至3平方公分之截面面積；(c)每一平坦熱區具有3至15平方公分之截面面積；或(d)每一平坦熱區具有15至100平方公分之截面面積。
  5. 如申請專利範圍第1項之基板支架，該基板支架包含達到400個的平坦熱區，其中每一熱元件皆具有蜿蜒的形狀。
  6. 如申請專利範圍第1項之基板支架，其中該電性絕緣層包含高分子材料、陶瓷材料、玻璃纖維複合物、或該等材料的組合。
  7. 如申請專利範圍第1項之基板支架，其中該等電源供應線路以及該等電源返回線路的總數係相等或小於該等平坦熱區的總數。
  8. 如申請專利範圍第1項之基板支架，其中該等平坦熱區的總面積為該基板支架之上表面的50%至99%。
  9. 如申請專利範圍第1項之基板支架，其中該等平坦熱區係配置成一矩形格點、一六角形格點或一同心環，且該等平坦熱區係藉由至少1毫米寬度、至多10毫米寬度的間隙將彼此分開。
  10. 如申請專利範圍第1項之基板支架，更包含：一冷卻板，用以提供一散熱片。
  11. 如申請專利範圍第10項之基板支架，更包含至少一主要熱層，配置在該等平坦熱區之上方或下方，其中該主要熱層係電性絕緣於該等平坦熱區、該基板支架的該等電源供應線路以及該等電源返回線路。
  12. 如申請專利範圍第11項之基板支架，其中該主要熱層包含兩個或更多之以至少100W驅動的主要熱元件。
  13. 一種基板支架的製造方法，該基板支架包含一電性絕緣層、複數熱區、複數電源供應線路、以及複數電源返回線路，其中該複數熱區其中每一者包含一或更多由一絕緣體-導體複合物所製成的熱元件，該複數電源供應線路包含至少一第一電性傳導電源供應線路及一第二電性傳導電源供應線路，該第一電性傳導電源供應線路以電性連接至該等熱區其中至少二者，該第二電性傳導電源供應線路以電性連接至該等熱區其中至少二者，該複數電源返回線路包含至少一第一電性傳導電源返回線路及一第二電性傳導電源返回線路，該第一電性傳導電源返回線路以電性連接至該等熱區其中至少二者，該第二電性傳導電源返回線路以電性連接至該等熱區其中至少二者，其中每一熱區連接至不同對的電源供應線路與電源返回線路，該方法包含：將一絕緣體與一導體的粉末與一液體混合成一漿料，將該漿料網版印刷在該電性絕緣層並且燒結該漿料。
  14. 如申請專利範圍第13項之基板支架的製造方法，其中該液體係選自於由甲醇、丙醇、丙酮、異丙醇、水、礦物油以及其混合物所組成之群組。
  15. 如申請專利範圍第13項之基板支架的製造方法，其中該粉末具有從0.2至20微米的粒子尺寸。
  16. 一種基板支架的製造方法，該基板支架包含一電性絕緣層、複數熱區、複數電源供應線路、以及複數電源返回線路，其中該複數熱區其中每一者包含一或更多由一絕緣體-導體複合物所製成的熱元件，該複數電源供應線路包含至少一第一電性傳導電源供應線路及一第二電性傳導電源供應線路，該第一電性傳導電源供應線路以電性連接至該等熱區其中至少二者，該第二電性傳導電源供應線路以電性連接至該等熱區其中至少二者，該複數電源返回線路包含至少一第一電性傳導電源返回線路及一第二電性傳導電源返回線路，該第一電性傳導電源返回線路以電性連接至該等熱區其中至少二者，該第二電性傳導電源返回線路以電性連接至該等熱區其中至少二者，其中每一熱區連接至不同對的電源供應線路與電源返回線路，該方法包含：將陶瓷粉末、黏結劑以及液體的一混合物壓製成複數薄板；使該等薄板乾燥；藉由在該等薄板上打孔而在該等薄板上形成複數通孔；在該等薄板上形成該等電源供應線路以及該等電源返回線路；藉由網版印刷或噴塗絕緣體與導體粉末之一漿料而形成該等熱元件；對齊該等薄版；藉由燒結將該等薄版接合在一起以形成該電性絕緣層；以導體粉末的一漿料填滿該等通孔。
  17. 如申請專利範圍第16項之基板支架的製造方法，其中該等電源供應線路以及該等電源返回線路係藉由網版印刷導電粉末的一漿料、沖壓一按照規格裁剪的金屬箔片，或噴塗導電粉末之一漿料而形成。
  18. 一種在電漿處理室中以電漿處理半導體基板的方法，該電漿處理室包含一靜電夾盤基板支架，該靜電夾盤基板支架包含一電性絕緣層、複數熱區、複數電源供應線路、以及複數電源返回線路，其中該複數熱區其中每一者包含一或更多由一絕緣體-導體複合物所製成的熱元件，該複數電源供應線路包含至少一第一電性傳導電源供應線路及一第二電性傳導電源供應線路，該第一電性傳導電源供應線路以電性連接至該等熱區其中至少二者，該第二電性傳導電源供應線路以電性連接至該等熱區其中至少二者，該複數電源返回線路包含至少一第一電性傳導電源返回線路及一第二電性傳導電源返回線路，該第一電性傳導電源返回線路以電性連接至該等熱區其中至少二者，該第二電性傳導電源返回線路以電性連接至該等熱區其中至少二者，其中每一熱區連接至不同對的電源供應線路與電源返回線路，該方法包含：(a)將一半導體基板裝載至該處理室且將該半導體基板定位在該基板支架上；(b)決定一溫度分布，該溫度分布彌補影響臨界尺寸一致性的處理條件；(c)使用該基板支架加熱該半導體基板以符合該溫度分布；(d)點燃電漿並且處理該半導體基板，並同時藉由獨立可控制溫度的該等熱區控制該溫度分布；(e)從該處理室卸載該半導體基板，然後對不同的半導體基板重複步驟(a)至(e)。
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