TWI870476B - 用於空間多晶圓處理工具的基座加熱器 - Google Patents

Abstract

描述了包含位於軸上的頂板的基板支撐件。頂板包括：主加熱元件，距頂板的表面第一深度；內部區域加熱元件，距頂板的表面第二深度；外部區域加熱元件，距頂板的表面第三深度。還揭露了包含複數個基板支撐件的基板支撐組件以及處理基板的方法。

Description

用於空間多晶圓處理工具的基座加熱器

於此描述的實施例大體關於用於半導體製造的設備。特別地，本揭露書的實施例涉及具有改善的溫度均勻性的晶圓基座加熱器。

溫度均勻性對膜均勻性（厚度以及諸如折射率、濕蝕刻速率、面內位移等性質）具有最大的影響之一。在空間半導體晶圓處理腔室中，晶圓在多種熱和化學環境下花費時間，從而導致不均勻或穩定的晶圓溫度。

因此，存在有具有改善的熱控制的晶圓基座加熱器的需求。

本揭露書的一個或多個實施例涉及一種包含頂板和軸的基板支撐件。頂板具有界定了頂板的厚度的支撐表面和底表面。軸連接到頂板的底表面並包含側壁。

頂板含有位於支撐表面下方的第一深度處的主加熱元件。內部區域加熱元件在頂板內，在距支撐表面的第二深度處，第二深度大於第一深度。內部區域加熱元件位於軸的側壁之上。外部區域加熱元件在頂板內，在距支撐表面的第三深度處，第三深度大於第一深度。外部區域加熱元件比主加熱元件從基板支撐件的中心軸線延伸得更遠。

本揭露書的另外的實施例涉及一種基板支撐組件，包含連接到中心轂的複數個基板支撐件。基板支撐件可圍繞中心轂旋轉。每個基板支撐件包含：頂板，具有界定頂板的厚度的支撐表面和底表面；及軸，連接到頂板的底表面。軸包括側壁。主加熱元件在頂板內，在支撐表面下方的第一深度處。內部區域加熱元件在頂板內，在距支撐表面的第二深度處，第二深度大於第一深度。內部區域加熱元件位於軸的側壁之上。外部區域加熱元件在頂板內，在距支撐表面的第三深度處，第三深度大於第一深度。外部區域加熱元件比主加熱元件從基板支撐件的中心軸線延伸得更遠。

本揭露書的進一步的實施例涉及一種處理基板的方法。將基板卡持到基板支撐件上。基板支撐件包含：頂板，具有界定頂板的厚度的支撐表面和底表面；及軸，連接至頂板的底表面。軸包括側壁。主加熱元件在頂板內，在支撐表面下方的第一深度處。內部區域加熱元件在頂板內，在距支撐表面的第二深度處，第二深度大於第一深度。內部區域加熱元件位於軸的側壁之上。外部區域加熱元件在頂板內，在距支撐表面的第三深度處，第三深度大於第一深度。外部區域加熱元件比主加熱元件從基板支撐件的中心軸線延伸得更遠。主加熱元件、內部區域加熱元件和外部區域加熱元件被供電以加熱頂板和基板。

在描述本揭露書的幾個示例性實施例之前，應當理解，本揭露書不限於在以下描述中闡述的構造或處理步驟的細節。本揭露書能夠具有其他實施例並且能夠以各種方式實施或執行。

如在本說明書和附隨的申請專利範圍中所使用的，術語「基板」是指處理作用於其上的表面或表面的一部分。熟悉本領域者還將理解的是，除非上下文另外明確指出，否則對基板的引用也可僅指基板的一部分。另外，提及在基板上沉積可表示裸基板和在其上沉積或形成有一個或多個膜或特徵的基板兩者。

如於此所用，「基板」是指在製造處理期間在其上執行膜處理的基板上形成的任何基板或材料表面。例如，可在其上執行處理的基板表面包括諸如矽、氧化矽、應變矽、絕緣體上矽（SOI）、碳摻雜的氧化矽、非晶矽、摻雜的矽、鍺、砷化鎵、玻璃、藍寶石的材料及諸如金屬、金屬氮化物、金屬合金和其他導電材料的任何其他材料，這取決於應用。基板包括（但不限於）半導體晶圓。可將基板曝露於預處置處理以拋光、蝕刻、還原、氧化、羥基化、退火、UV固化、電子束固化及/或烘烤基板表面。除了直接在基板本身的表面上進行膜處理之外，在本揭露書中，所揭露的任何膜處理步驟還可在形成於基板上的底層上進行，如下面更詳細地揭露的，且術語「基板表面」旨在包括上下文指示的這種底層。因此，例如，在膜/層或部分膜/層已經沉積在基板表面上的情況下，新沉積的膜/層的曝露表面成為基板表面。

本揭露書的一個或多個實施例關於基座加熱器設計，以在多個操作溫度（如，150℃–650℃）下在晶圓上提供均勻的溫度分佈。一些實施例涉及提供用於徑向和方位角溫度均勻性的多區域加熱元件設計。根據一個或多個實施例，在晶圓背側上具有高熱質量及/或低接觸電阻的基座加熱器使由於腔室環境的變化而引起的溫度振盪最小化。

一些實施例為在空間批量處理工具中的每個晶圓提供具有獨立的溫度輪廓微調（多區域控制）的基座加熱器。在一些實施例中，基座在不同平面上提供可微調的區域，以使得能夠在廣範圍的操作溫度下進行輪廓微調。

一些實施例的主加熱器線圈具有為了溫度均勻性而最大化的深度。主加熱器線圈可大於晶圓。在一些實施例中，主加熱器線圈在任何操作溫度下提供大部分的加熱器功率（如，＞80％）。

一些實施例的內部區域加熱器在基座軸的正上方，以補償傳導損耗。在一些實施例中，內部區域設計為提供（例如）小於總功率的約10％，以改善方位均勻性。

一些實施例的外部區域用以微調加熱器邊緣溫度，以補償高溫下的輻射損耗。在一些實施例中，外部區域與主區域在不同的層（深度）上，以最小化由於「跨接線」（jumper line）引起的不對稱線圈設計。在一些實施例中，外部區域設計為提供（例如）小於總功率的約10％，以改善方位均勻性。

微調一些實施例的檯面高度以提供在晶圓與加熱器之間的增加的熱耦合。一些實施例的檯面高度在約5微米至約50微米的範圍中。

參照圖式，本揭露書的一個或多個實施例涉及基板支撐件100。基板支撐件100包含頂板102，頂板102具有界定了頂部的厚度（t）的支撐表面104和底表面106。軸110連接到頂板102的底表面106，軸包含側壁112。

頂板102包括複數個加熱元件，以更均勻地加熱基板。頂板含有位於支撐表面104下方的第一深度D1（見第2圖）處的主加熱元件114。在一些實施例中，第一深度D1大於或等於頂板102的厚度（t）的約50％。在一些實施例中，第一深度D1大於或等於頂板102的厚度（t）的約55％、60％、65％、70％、75％或80％。在一些實施例中，頂板102的厚度（t）在約10mm至約30mm的範圍中，或在約15mm至約25mm的範圍中，或約20mm。所描述的深度被測量到題述加熱元件的中心。

主加熱元件114可為熟悉該技術者已知的具有任何合適形狀的任何合適加熱元件。在一些實施例中，主加熱元件114具有更靠近中心軸線120的內端114a和遠離中心軸線120的外端114b。在一些實施例中，主加熱元件114是螺旋形的部件，其中螺旋的一端在頂板102的中心軸線120處或附近，且螺旋的另一端與中心軸線120的距離足以超過待處理的基板的邊緣。在一些實施例中，主加熱元件114是盤形部件，其直徑略大於待處理的基板的直徑。

內部區域加熱元件116位於頂板102內，在距支撐表面104的第二深度D2處。在一些實施例中，第二深度D2與第一深度D1不同。一些實施例的第二深度D2大於第一深度D1，使得內部區域加熱元件116更靠近頂板102的底表面106。在一些實施例中，第二深度D2小於第一深度D1，使得內部區域加熱元件116更靠近頂板102的支撐表面104。

在一些實施例中，內部區域加熱元件116位於軸110的側壁112之上的頂板102內。在一些實施例中，內部區域加熱元件116在側壁112之上居中。儘管顯示了位於軸110的側壁112之上的內部區域加熱元件116，但是熟悉本領域者將認識到，內部區域加熱元件116不限於所示位置。在一些實施例中，內部區域加熱元件116定位成覆蓋頂板102的一個或多個中心。如以這種方式使用的，頂板102的中心是指中心軸線120及/或圍繞中心軸線120延伸直至從中心軸線120測量的支撐表面104的半徑的約50％的區域。在一些實施例中，內部區域加熱元件116定位成與位於中心軸線120處或靠近中心軸線120的一個或多個高熱損失區域對準。在一些實施例中，高熱損失區域是熱通量超過周圍環境（如，具有在題述區域的外徑處開始的內徑的區域）基於處理要求的熱通量的預定百分比的區域（如，其外徑比內徑大5至25mm的）。在一些實施例中，預定百分比在110％至300％的範圍中。

在一些實施例中，內部區域加熱元件116是螺旋形元件，具有在側壁112之上最靠近中心軸線120的內端。在一些實施例中，內部區域加熱元件116是螺旋形元件，具有在側壁112之上距中心軸線120最遠的外端。在一些實施例中，內部區域加熱元件116的內端116a比側壁112的內側表面112a更靠近中心軸線120。在一些實施例中，內部區域加熱元件116的外端116b比側壁112的外側表面112b更遠離中心軸線。

一些實施例的頂板102在距支撐表面的第三深度D3處具有外部區域加熱元件118。在一些實施例中，第三深度D3不同於第一深度D1及/或第二深度D2。一些實施例的第三深度D3大於第一深度D1。在一些實施例中，第三深度D3與第二深度D2約相同。如以這種方式使用的，術語「約相同的深度」是指各個區域的深度相對於平均深度在±10％、±5％、±2％或±1％之內。如於此所使用的，當描述深度D1、D2及/或D3時，術語「不同」是指高達±10％、±5％、±2％或±1％。

在一些實施例中，外部區域加熱元件118具有內端118a和外端118b。內端118a比外端118b更靠近中心軸線120。在一些實施例中，外部區域加熱元件118比主加熱元件114從基板支撐件100的中心軸線120延伸得更遠。在一些實施例中，外部區域加熱元件118的外端118b比主加熱元件114的外端114b距離中心軸線120更遠。在一些實施例中，外部區域加熱元件118的內端118a比待處理的基板122的外部周邊邊緣123更靠近中心軸線120，如第2圖所示。

所示的實施例具有三個加熱元件114、116、118。熟悉本領域者將認識到，可將更多或更少的加熱元件結合到頂板102中。在一些實施例中，存在有兩個加熱元件，即主加熱元件114和內部區域加熱元件116。在一些實施例中，存在有兩個加熱元件，即主加熱元件114和外部區域加熱元件118。在一些實施例中，存在有四個或更多加熱元件，即主加熱元件114、內部區域加熱元件116、外部區域加熱元件118和一個或多個中間區域加熱元件(未顯示)。一些實施例的中間區域加熱元件具有與內部區域加熱元件或外部區域加熱元件不同的深度。在一些實施例中，中間區域加熱元件具有與內部區域加熱元件116和外部區域加熱元件118約相同的深度。

在一些實施例中，基板支撐件100的軸110是中空的，且側壁112具有界定在內側表面112a和外側表面112b之間的厚度。在一些實施例中，軸110配置為支撐頂板102並且在中空區域113內含有用於加熱元件的附加部件。在一些實施例中，基板支撐件100的軸110進一步包含通過空心軸110到達頂板102而佈線的主加熱元件功率線115、內部區域加熱元件功率線117和外部區域加熱元件功率線119，如第1圖所示。在一些實施例中，如第2圖所示，內部區域加熱元件功率線117為內部區域加熱元件116和外部區域加熱元件118兩者供電。在一些實施例中，跨接線是將外部區域加熱元件連接到硬焊交流電棒的相對較粗的電線，以用於外部區域加熱器。在一些實施例中，跨接線不連接內部區域和外部區域。

在一些實施例中，提供給主加熱元件114的功率大於提供給內部區域加熱元件116或外部區域加熱元件118的功率。一些實施例的主加熱元件114連接到功率供應器132，功率供應器132具有約900W至約1300W的範圍中的操作功率。在一個或多個實施例中，內部區域加熱元件116和外部區域加熱元件118連接到一個或多個功率供應器133，功率供應器133具有約40W至約70W的範圍中的功率。

在一些實施例中，基板支撐件100配置為靜電卡盤。如第1圖所示，在一個或多個實施例中，基板支撐件100的頂板102包括配置為形成靜電卡盤的一個或多個電極128。熟悉該領域者將理解用於靜電卡盤的部件的構造和佈置。在一些實施例中，靜電卡盤包含被電介質隔開的兩個電極。在一些實施例中，一個或多個電極128配置為單極靜電卡盤。在一些實施例中，一個或多個電極128配置為雙極靜電卡盤。一個或多個電極128可連接至一個或多個功率供應器（未顯示），以使電極極化以充當靜電卡盤。

在一個或多個實施例中，基板支撐件100的頂板102進一步包含在頂板102內的一個或多個溫度感應器136。一些實施例的溫度感應器136與反饋電路一起使用以控制用於主加熱元件114、內部區域加熱元件116或外部區域加熱元件118或附加加熱元件（未顯示）的單獨的功率設置。

參照第3圖，頂板102的支撐表面104的一些實施例包含密封帶124。一些實施例的密封帶124包含圍繞中心軸線120形成的圓形或半圓形通道。一些實施例的密封帶124通過管線142連接到真空源140。在一些實施例中，密封帶124通過管線142連接到淨化氣體源而不是真空源，以將背側淨化氣體流提供到支撐表面104上的基板。在一些實施例中，淨化氣體及/或真空如第3圖所示在邊緣處，或在卡盤的中心處被引導。在一些實施例中，包括斜角淨化能力，其將氣流引導到基板的外邊緣。在一些實施例中，淨化氣體在加熱器周圍流動以保護加熱器表面免於沉積，以避免長期性能下降。

參照第3和4圖，頂板102的支撐表面104的一些實施例包括複數個檯面126。第4圖顯示了支撐表面103的一部分的放大圖。檯面的頂表面127用作局部支撐表面104。在一些實施例中，檯面126具有在約10μm至約10μm的範圍中的高度(h)，或在約12.5μm至約35μm，或在約15μm至約30μm的範圍中。

返回參照第2圖，基板支撐件100的一個或多個實施例包括控制器138，控制器138包含一個或多個配置，一個或多個配置選自於：為主加熱元件114供電的配置、為內部區域加熱元件116供電的配置、為外部區域加熱元件供電的配置、測量頂板102的溫度的配置、向頂板102內的一個或多個電極128供電以將基板122靜電卡持到支撐表面104的配置及/或控制連接到密封帶124並與之流體連通的真空源或淨化氣體源的配置。在一些實施例中，存在有兩個或更多個淨化氣源用於背側壓力和斜角淨化控制。

參照第5圖，本揭露書的一些實施例涉及基板支撐組件200。基板支撐組件200包含連接到中心轂202的複數個基板支撐件100。第5圖所示的實施例顯示了連接到中心轂202的兩個基板支撐件100。在一些實施例中，存在有連接到中心轂202的三個、四個、五個或六個基板支撐件100。一些實施例的基板支撐件100圍繞中心轂202的周邊均勻地間隔開，以創建旋轉對稱組件200。

本揭露書的一些實施例涉及處理基板122的方法。如於此所述，將基板122卡持至基板支撐件100。主加熱元件114和內部區域加熱元件116或外部區域加熱元件118的一個或多個被供電以加熱頂板102和基板122。

在整個說明書中，對「一個實施例」、「某些實施例」、「一個或多個實施例」或「一實施例」的引用是指結合該實施例描述的特定特徵、結構、材料或特性被包括在本揭露書的至少一個實施例中。因此，在整個說明書中各處出現的短語諸如「在一個或多個實施例中」、「在某些實施例中」、「在一個實施例中」或「在一實施例中」不一定是指本揭露書的相同實施例。此外，在一個或多個實施例中，可以任何合適的方式組合特定的特徵、結構、材料或特性。

儘管已經參考特定實施例描述了本揭露書，但是熟悉本領域者將理解，所描述的實施例僅是本揭露書的原理和應用的說明。對於熟悉本領域者將顯而易見的是，在不背離本揭露書的精神和範圍的情況下，可對本揭露書的方法和設備進行各種修改和變化。因此，本揭露書可包括在附隨的申請專利範圍及其等效元件的範圍內的修改和變化。

100:基板支撐件

102:頂板

103:支撐表面

104:支撐表面

106:底表面

110:軸

112:側壁

112a:內側表面

112b:外側表面

113:中空區域

114:主加熱元件/加熱元件

114a:內端

114b:外端

115:主加熱元件功率線

116:內部區域加熱元件/加熱元件

116a:內端

116b:外端

117:內部區域加熱元件功率線

118:外部區域加熱元件/加熱元件

118a:內端

118b:外端

119:外部區域加熱元件功率線

120:中心軸線

122:基板

123:外部周邊邊緣

124:密封帶

126:檯面

127:頂表面

128:電極

132:功率供應器

133:功率供應器

136:溫度感應器

138:控制器

140:真空源

142:管線

200:基板支撐組件/組件

202:中心轂

為了可詳細地理解本揭露書的上述特徵的方式，可藉由參考實施例來獲得上面簡要概述的本揭露書的更詳細的描述，其中一些實施例顯示在附隨的圖式中。然而，應當注意，附隨的圖式僅顯示了本揭露書的典型實施例，且因此不應被認為是對其範圍的限制，因為本揭露書可允許其他等效的實施例。

第1圖顯示了根據本揭露書的第一示例性實施例的基板支撐件的橫截面圖；

第2圖顯示了根據本揭露書的第一示例性實施例的基板支撐件的橫截面圖；

第3圖顯示了根據本揭露書的第一示例性實施例的基板支撐件的橫截面圖；

第4圖顯示了根據本發明的第一示例性實施例的支撐表面的橫截面圖；及

第5圖顯示了根據本揭露書的另一實施例的基板支撐組件的橫截面圖。

100:基板支撐件

102:頂板

104:支撐表面

106:底表面

110:軸

112:側壁

113:中空區域

114:主加熱元件/加熱元件

115:主加熱元件功率線

116:內部區域加熱元件/加熱元件

117:內部區域加熱元件功率線

118:外部區域加熱元件/加熱元件

119:外部區域加熱元件功率線

120:中心軸線

128:電極

Claims (19)

1. 一種基板支撐件，包含：一頂板，具有界定了該頂板的一厚度的一支撐表面和一底表面；一軸，連接到該頂板的該底表面，該軸包含一側壁；一主加熱元件，在該頂板內，位於該支撐表面下方的一第一深度處；一內部區域加熱元件，在該頂板內，在距該支撐表面的一第二深度處，該第二深度不同於該第一深度，該內部區域加熱元件位於該軸的該側壁之上；一外部區域加熱元件，在該頂板內，在距該支撐表面的一第三深度處，該第三深度不同於該第一深度，該外部區域加熱元件比該主加熱元件從該基板支撐件的一中心軸線延伸得更遠；及一密封帶，形成在該支撐表面上。
2. 如請求項1所述之基板支撐件，其中該軸是中空的，且該側壁具有一厚度。
3. 如請求項2所述之基板支撐件，其中該內部區域加熱元件在該側壁的該厚度上居中。
4. 如請求項2所述之基板支撐件，進一步包含通過該空心軸到達該頂板而佈線的一主加熱元件功率線、一內部區域加熱元件功率線和一外部區域加熱元件功率線。
5. 如請求項1所述之基板支撐件，其中該第一 深度大於或等於該頂板的該厚度的約50%。
6. 如請求項1所述之基板支撐件，其中該第二深度和該第三深度相同。
7. 如請求項1所述之基板支撐件，其中該第二深度和第三深度獨立地大於該第一深度。
8. 如請求項1所述之基板支撐件，其中該外部區域加熱元件位於距該中心軸線一距離處，該距離足以與待由該支撐表面支撐的一基板的一邊緣重疊。
9. 如請求項1所述之基板支撐件，其中該頂板的一厚度在約10mm至約30mm的範圍中。
10. 如請求項9所述之基板支撐件，其中該頂板的一厚度為約20mm。
11. 如請求項1所述之基板支撐件，進一步包含在該支撐表面上的該密封帶內形成的複數個檯面。
12. 如請求項11所述之基板支撐件，其中該等檯面的一高度在約10μm至約20μm的範圍中。
13. 如請求項1所述之基板支撐件，進一步包含配置為形成一靜電卡盤的一個或多個電極。
14. 如請求項1所述之基板支撐件，其中該主加熱元件連接到一功率供應器，該功率供應器的一功率在約900W至約1300W的範圍中。
15. 如請求項14所述之基板支撐件，其中該內部區域加熱元件和該外部區域加熱元件連接到一個或多個功率供應器，該一個或多個功率供應器的一功率在約 40W至約70W的範圍中。
16. 如請求項1所述之基板支撐件，進一步包含在該頂板內的一個或多個溫度感應器。
17. 如請求項1所述之基板支撐件，進一步包含一控制器，該控制器包含一個或多個配置，該一個或多個配置選自於：為該主加熱元件供電的一配置、為該內部區域加熱元件供電的一配置、為該外部區域加熱元件供電的一配置、測量該頂板的一溫度的一配置、及/或向該頂板內的一個或多個電極供電以將一基板靜電卡持到該支撐表面的一配置。
18. 一種基板支撐組件，包含連接到一中心轂的複數個基板支撐件，該基板支撐件可圍繞該中心轂旋轉，該等基板支撐件之每一個包含：一頂板，具有界定該頂板的一厚度的一支撐表面和一底表面；一軸，連接到該頂板的該底表面，該軸包含一側壁；一主加熱元件，在該頂板內，在該支撐表面下方的一第一深度處；一內部區域加熱元件，在該頂板內，在距該支撐表面的一第二深度處，該第二深度大於該第一深度，該內部區域加熱元件位於軸的該側壁之上；及一外部區域加熱元件，在該頂板內，在距該支撐表面的一第三深度處，該第三深度大於該第一深度，該外部區域加熱元件比該主加熱元件從該基板支撐件的一中心 軸線延伸得更遠；及一密封帶，形成在該支撐表面上。
19. 一種處理一基板的方法，包含以下步驟：將一基板卡持到一基板支撐件上，該基板支撐件包含：一頂板，具有界定該頂板的一厚度的一支撐表面和一底表面；一軸，連接至該頂板的該底表面，該軸包含一側壁；一主加熱元件，在該頂板內，在該支撐表面下方的一第一深度處；一內部區域加熱元件，在該頂板內，在距該支撐表面的一第二深度處，該第二深度大於該第一深度，該內部區域加熱元件位於該軸的該側壁之上；及一外部區域加熱元件，在該頂板內，在距該支撐表面的一第三深度處，該第三深度大於該第一深度，該外部區域加熱元件比該主加熱元件從該基板支撐件的一中心軸線延伸得更遠；及一密封帶，形成在該支撐表面上供電該主加熱元件、該內部區域加熱元件和該外部區域加熱元件，以加熱該頂板和該基板。

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