CN107112275B - 用于基板处理腔室的边缘环 - Google Patents
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Abstract
本文披露一种边缘环以及用于制造边缘环的工艺。一个实施方式中，边缘环包括环状主体以及多个断热件，所述断热件设置在所述环状主体内。所述断热件设置成垂直于边缘环的环状主体的中心线。
Description
技术领域
本文所述的实施方式大体涉及用于在基板上制造装置的设备。更具体地说，本文所述的实施方式提供一种边缘环，所述边缘环用于在处理腔室中支撑基板。
背景技术
在诸如半导体晶片和显示面板之类的基板的处理中，将基板放置于处理腔室中的支撑件上，同时于处理腔室中维持适当的处理条件。例如，基板可被加热以用于沉积、蚀刻、或是其他的半导体制造工艺。半导体制造工艺期间，可由支撑结构支撑基板，同时来自基板上方或下方的能量用于加热基板。许多处理腔室中，边缘环用于在处理基板的同时保护基板支撑结构。
图1示意性地绘示了用于半导体处理腔室中的传统边缘环100的剖视图。图中并未显示支撑基板和边缘环100的支撑结构。边缘环100的内径略小于待处理的基板102的外径。处理期间，基板102的外边缘区域106设置在边缘环100的支撑表面104上方，使得边缘环100部分地延伸于基板102下方。例如通过使用基板支撑结构中所嵌的加热器，热能110可被导向基板102下方的基板102的底表面和边缘环100，以加热基板102。等离子体108和/或第二热源可从边缘环100上方导向基板102的顶表面，以进一步加热基板102。
如图1中所示的传统边缘环100可能有时候会变得太热，造成边缘环100翘曲(warping)。边缘环100的翘曲造成工具工作时间(uptime)减少(万一边缘环100需要替换)，且造成颗粒生成增加。
因此，需要一种改良的边缘环。
发明内容
本文所述的实施方式大体涉及用在基板处理腔室中的边缘环。所述边缘环具有环状主体。多个断热件(thermal break)设置在所述边缘环的所述环状主体内。所述多个断热件设置成垂直于所述环状主体的中心线。
另一实施方式中，本文描述一种用于制造边缘环的方法。所述方法包括形成环状主体及于所述环状主体内形成多个断热层。所述多个断热件垂直于所述环状主体的中心线。每一断热件穿插在构成所述边缘环的环状主体的材料内。
另一实施方式中，本文披露一种处理腔室。所述处理腔室包括基板支撑构件和边缘环。所述基板支撑构件装被配置成支撑基板。所述边缘环由所述基板支撑构件支撑。所述边缘环被配置成延伸于所述基板支撑构件所支撑的所述基板下方。所述边缘环包括环状主体和多个断热件，所述多个断热件设置在所述环状主体内。所述多个断热件设置成垂直于所述边缘环的所述环状主体的中心线。
附图说明
可通过参考其中一些绘示于附图中的实施方式，来详细理解本公开内容的上述特征，以及以上简要概述的有关本公开内容更具体的描述。然而，应注意附图仅绘示本公开内容的典型实施方式，因此不应被视为限制本公开内容的范围，因为本公开内容可允许其他等效的实施方式。
图1示意性地绘示用在热处理腔室中的传统边缘环的剖视图。
图2示意性地绘示根据一个实施方式的具有改良边缘环的热处理腔室的局部剖视图。
图3是根据一个实施方式的图2的改良边缘环的放大剖视图。
图4是根据一个实施方式的边缘环的另一实施方式的局部剖视图。
为了明确起见，在可应用之处已使用相同的元件符号指定各图共有的相同元件。此外，一个实施方式的元件可有利地适于用在本文所述的其他实施方式中。
具体实施方式
图2绘示具有边缘环202的处理腔室200的侧视图。所述处理腔室200包括基板支撑构件208和基座242。基板支撑构件208耦接至基座242。基板支撑构件208包括支撑组件204。所述支撑组件204可以是静电吸盘组件(electrostatic chuck assembly)、加热器、真空吸盘组件、或其他基板支撑平台。
净化环206和边缘环202支撑于基板支撑构件208上。边缘环202被配置成延伸于处理期间设置在支撑组件204上的基板203下方。边缘环202可进一步包括多个断热件218，且也可包括螺纹插件220和气体分配***210之一或多者。
气体分配***210包括气体通路214、气体入口212和气体出口216。螺纹插件220位于边缘环202面向净化环206的底表面222上。螺纹插件220被配置成接收紧固件226，使得紧固件226将净化环206耦接至边缘环202。螺纹插件220由一材料制成，使得螺纹插件220能够耐受加热工艺期间生成的高度内部碾压和剪应力，而不会变得与紧固件226不可分离。具有螺纹插件220和紧固件226的边缘环202也可以是边缘环202的一体的部分，可经机械切削出(machined out)或3D印刷。一体的螺纹插件220和紧固件226可作为用于基板的置中(centering)特征。
气体入口212、气体出口216和气体通路214设置在边缘环202内。气体通路214与气体入口212及气体出口216两者流体相通。于图3中更详细地描述边缘环202。
净化环206在形状上实质上为环形的，所述净化环206连同支撑组件204限定内腔(inner cavity)228。内腔228例如通过导管(未示出)连接至气体供应源230，所述导管线路通过支撑组件204。处理期间，净化气体流进内腔228中。内腔228中的净化气体流经气体出口232，所述气体出口232设置在接近净化环206的内周边处。气体出口232存在于净化环206面向边缘环202的顶表面上。气体出口232与边缘环202的气体入口212流体相通。因此，离开气体出口232的净化气体经由气体入口212供应到边缘环202的气体通路214中。净化环206进一步包括排气导管234。净化环206的排气导管234与边缘环202的气体出口216流体相通，使得通过气体出口216离开边缘环202的气体通路214的气体可流经净化环206的排气导管234并且从处理腔室200发送出。
支撑组件204于处理期间支撑基板203。支撑组件204与基座242耦接。支撑组件204进一步包括静电吸盘236和冷却板238。冷却板238设置在基座242上。冷却板238可包括多个冷却沟道(未示出)以循环冷却剂通过所述冷却沟道。冷却板238可通过粘着剂或任何适合的接合机构接合至静电吸盘236。冷却板238的底部可涂布有热阻挡涂层，以减少冷却板238与静电吸盘236之间的热串扰(thermal cross talk)。
静电吸盘236可进一步包括一个或更多个加热器(未示出)。一个或更多个加热器可耦接至一个或更多个加热电源供应器240。所述一个或更多个加热器可独立地受控制。所述一个或更多个加热器能使静电吸盘236从基板203的底表面加热基板203至期望温度，例如，约300摄氏度的温度。为了防止被静电吸盘236的高温过度加热边缘环202，所述边缘环202可包括一个或更多个热控制机构(诸如断热件218)、热阻挡涂层和气体分配***210。
图3绘示了边缘环202的局部放大视图，绘示了一个或更多个热控制机构。边缘环202具有环状主体300。所述环状主体300可包括外带302和内带304。内带304被配置成部分延伸于基板的边缘下方(未示出)，所述基板于处理期间设置于基板支撑构件上(如图2中所示)。外带302包括内壁306，所述内壁306至少部分地环绕基板的周边。外带302和内带304绕环状主体300的中心线同心。外带302的内壁306连接至内带304的凸耳(ledge)314。内带304的凸耳314从外带302的内壁306向内延伸，并且在第一环状侧壁308处终止。边缘环202的环状主体300可进一步包括第二环状壁310，所述第二环状壁310向下延伸以形成外壁312。一个示例中，外壁312可沿着图2的净化环206的长度向下延伸。
边缘环202的内带304从外带302的内壁306朝向主体300的中心轴径向向内延伸，从而形成在基板下方延伸的凸耳314。凸耳314位于外带302的顶表面316下方并且平行于所述顶表面316。内带304的凸耳314尺寸是根据基板的尺寸设计的，并且允许基板的热膨胀。内带304的凸耳314的尺寸被设计成于基板的周边下方延伸。内带304可在基板下面延伸足够的距离，诸如从约0.1cm至约0.5cm，以保护支撑组件204。
图4绘示了边缘环202的一个实施方式。边缘环202的环状主体300可包括多个鳍片(fin)402。鳍片402被配置成通过增加边缘环202的暴露表面而增加结构的表面积。通过增加边缘环202的暴露表面，增加了导热率，从而减少温度梯度，并且最终减少边缘环202的变形。此外，鳍片402可被配置成使得除了流经气体通路214的净化气体之外(或取代流经气体通路214的净化气体)，净化气体还可在边缘环202与静电吸盘236之间的区域中流动。
一个示例中，鳍片402是连续的圆形壁，所述连续的圆形壁与外带302和内带304同心。鳍片402可定位在外带302与内带304之间。鳍片402具有从中心轴起算的半径。鳍片402的半径可被设计成达到边缘环202的径向温度梯度或温度分布，从而减少加热期间边缘环202的变形。另一示例(如图所示)中，环状主体300包括多个鳍片402，所述鳍片402形成不连续的圆形壁，所述不连续的圆形壁与外带302及内带304同心。
返回参照图3，环状主体300进一步包括断热件218。断热件218设置在边缘环202的环状主体300内，垂直于环状主体300的中心线350。断热件218于外带302的顶表面316下面延伸通过环状主体300的长度。断热件218由一材料构成，所述材料相对于构成主体300的材料具有不同的导热系数。例如，断热件218可由诸如石墨之类的导热材料构成。当基板由静电吸盘236、等离子体源或前述二者加热时，边缘环202的温度可能升高。断热件218被配置成将热于侧向(径向)分散于整个边缘环202中，同时禁止轴向传热，从而发挥作用以实质上防止边缘环202的过度加热和翘曲。因为边缘环202的加热减少且更为均匀，所以边缘环202较不易受翘曲和颗粒生成。
另一示例中，边缘环202的环状主体300可替代地或额外地包括如前文所述的气体分配***210。气体分配***210可与断热件218一起运作，以减少边缘环202的加热。如前文所述，气体分配***210允许净化气体流经边缘环202，由此从边缘环202传送热。净化气体可以是惰性气体，例如氮气。当净化气体流经气体通路214时，净化气体可冷却边缘环202的环状主体300，以补偿腔室工艺造成的边缘环202的加热。当气体分配***210的气体通路214与断热件218一并使用时，所述气体通路214可被设置成平行于断热件218，以促进温度的均匀性。
另一实施方式中，断热件218和气体分配***210可沿着边缘环202的外壁312的长度向下延伸。断热件218和气体分配***210可有助于冷却边缘环202的外壁312，而保护净化环206的周边不被腔室环境所加热。
除了断热件218和气体分配***210之一或二者之外(或取代断热件218和气体分配***210之一或二者)，热阻挡涂层332可设置在边缘环202的一个或更多个表面316、222上。例如，热阻挡涂层332可设置在边缘环202的底表面222上。热阻挡涂层332也可沿着边缘环202的外壁312的长度向下延伸。热阻挡涂层332对边缘环202提供额外保护以隔绝从静电吸盘236所发射的热能。热阻挡涂层332因而增进遍及基板和边缘环202的温度控制和/或均匀度。热阻挡涂层332由一材料制成，所述材料相对于主体300的材料具有较低的导热系数，诸如(举例而言)氧化锆、类金刚石碳(DLC)、石英或钇稳定化的氧化锆。粘结层(未示出)可置于热阻挡涂层332与边缘环202的底表面222之间。一个示例中，粘结层可为0.5至20微米厚。另一示例中，热阻挡涂层332可为100至200微米厚。
可视情况任选地将边缘环202的顶表面316喷珠(bead blast)。边缘环202的顶表面316可经喷珠而增加表面粗糙度。边缘环202的粗糙化表面减少处理腔室200内的电弧放电，并且有助于在基板上产生均匀的沉积。
边缘环202可根据待处理的基板的材料由适合的材料形成。一个示例中，边缘环202可由一材料形成，所述材料的热容量与基板的材料类似。另一示例中，边缘环202可由碳化硅材料形成，以处理硅基板。
一个实施方式中，边缘环202可通过使用3D印刷工艺制造。3D印刷工艺中，薄层渐进式沉积且融合，直到边缘环202完成为止。每一层是由3D印刷机的喷嘴以一图案施加，所述图案由在计算机上运行的3D绘图计算机程序所储存(未示出)。边缘环202中的断热件218可透过通过使用3D印刷工艺形成。例如，构成边缘环202的主体300的层以及构成断热件218的层可由3D印刷机于不中断的操作中制造。3D印刷方法减少了传统边缘环制造所需的花费和时间。3D印刷方法也消除了许多传统边缘环制造步骤，诸如模制、铸造(casting)和机械切削。此外，由于一层又一层的(layer-by-layer)印刷方法，所以可实现紧密公差(tighttolerance)。可使用一个印刷***仅仅通过改变3D绘图计算机程序中储存的图案而制造各种不同的边缘环(无论有断热件218或无断热件218)。3D印刷的部件可经受后处理工艺，诸如热等静压(hot isostatic pressing)，以使表面缺陷和孔隙度最小化。
边缘环202可替代性地通过铸造工艺或其他形成工艺制造。铸造工艺期间，边缘环202的环状主体300嵌有导热材料，即断热件218。
虽然前述内容涉及本公开内容的实施方式，但可在不背离本公开内容的基本范围的情况下设计出其他和进一步的实施方式，且本公开内容的范围由随后的权利要求书所确定。
Claims (15)
1.一种用于基板处理腔室的边缘环，所述边缘环包括：
环状主体，所述环状主体包括第一材料；和
多个断热件，所述多个断热件包括第二材料，所述第二材料具有相对于所述第一材料而言较高的导热系数，其中所述多个断热件的每一个被封装在所述环状主体的所述第一材料内，所述断热件设置成垂直于所述环状主体的中心线并配置成将热于侧向分散于整个所述边缘环中，同时禁止沿所述中心线的轴向传热。
2.如权利要求1所述的边缘环，其中所述边缘环进一步包括：气体分配***，所述气体分配***设置在所述环状主体内。
3.如权利要求2所述的边缘环，其中所述气体分配***沿着所述环状主体的侧壁向下延伸。
4.如权利要求1所述的边缘环，其中所述边缘环进一步包括：
涂层，所述涂层包括第三材料，所述第三材料具有相对于所述第一材料而言较低的导热系数。
5.如权利要求4所述的边缘环，其中所述涂层的所述第三材料是选自由氧化锆、类金刚石碳和石英所构成的组的材料。
6.如权利要求4所述的边缘环，其中所述涂层的所述第三材料包括钇稳定化的氧化锆。
7.如权利要求4所述的边缘环，其中所述涂层具有介于100微米至200微米之间的厚度。
8.如权利要求1所述的边缘环，其中所述断热件沿着所述环状主体的侧壁向下延伸。
9.一种用于制造嵌有导热材料的边缘环的方法，所述方法包括下述步骤：
形成环状主体，所述环状主体包括第一材料；和
于所述环状主体内形成多个断热件，所述多个断热件包括第二材料，所述第二材料具有相对于所述第一材料而言较高的导热系数，所述断热件具有一定向，所述定向垂直于所述主体的中心线，每一断热件穿插于所述第一材料内，并配置成将热于侧向分散于整个所述边缘环中，同时禁止沿所述中心线的轴向传热。
10.如权利要求9所述的方法，其中形成所述环状主体进一步包括下述步骤：在所述环状主体内形成气体分配***。
11.如权利要求9所述的方法，进一步包括下述步骤：
于所述环状主体上沉积涂层，所述涂层包括第三材料，所述第三材料具有相对于所述第一材料而言较低的导热系数。
12.如权利要求9所述的方法，于所述环状主体内形成多个断热件包括下述步骤：
将所述断热件3D印刷于所述环状主体内。
13.一种处理腔室，包括：
基板支撑构件，所述基板支撑构件配置成支撑基板；和
边缘环，所述边缘环由所述基板支撑构件支撑，所述边缘环配置成于由所述基板支撑构件所支撑的所述基板下方延伸，其中所述边缘环包括：
环状主体，所述环状主体包括第一材料；和
多个断热件，所述多个断热件包括第二材料，所述第二材料具有相对于所述第一材料而言较高的导热系数，其中所述多个断热件的每一个被封装在所述环状主体的所述第一材料内，所述断热件设置成垂直于所述环状主体的中心线并配置成将热于侧向分散于整个所述边缘环中，同时禁止沿所述中心线的轴向传热。
14.如权利要求13所述的处理腔室，其中所述边缘环进一步包括气体分配***，所述气体分配***设置在所述环状主体内。
15.如权利要求13所述的处理腔室，其中所述边缘环进一步包括：
涂层，所述涂层包括第三材料，所述第三材料具有相对于所述第一材料而言较低的导热系数。
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