TWI618174B - 用於半導體處理之具有二極體平面加熱器區域之加熱板 - Google Patents

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Abstract

在半導體電漿處理設備內的基板支持組件的一加熱板，包含：複數個獨立可控制平面加熱器區，其以可縮放多工布局加以排列；及電子裝置，用以獨立控制該平面加熱器區且授予功率。各個平面加熱器區使用至少一個二極體當作加熱器元件。整合該加熱板於其中的一基板支持組件包含一靜電夾持電極和一溫度控制底板。製造該加熱板的方法包含將具有平面加熱器區、電源供應線、電源返回線和穿孔的陶瓷或聚合物片狀物接合在一起。

Description

用於半導體處理之具有二極體平面加熱器區域之加熱板
本發明係關於用於半導體處理之具有二極體平面加熱器區域之加熱板。
隨著半導體科技世代的演進，基板直徑傾向增加而電晶體尺寸減小，使得在基板處理上需要更高程度的準確性及可重複性。半導體基板材料(如矽基板)是以包含使用真空腔的技術來加以處理。這些技術包含例如電子束沉積之無應用電漿者，亦包含應用電漿者，例如濺鍍沉積、電漿增強化學氣相沉積(PECVD)、光阻剝除、及電漿蝕刻等。
現在市售的電漿處理系統是屬於那些面對改善準確性及可重複性之高漲需求的半導體製造設備。增加均勻性是電漿處理系統的一種度量，這包含半導體基板表面處理結果的均勻性、及利用名義相同之輸入參數所處理之的一系列基板處理結果的均勻性。基板上均勻性的持續改善是值得嚮往的。除其他事項外，這將需要改善了均勻性、一致性及自我診斷功能的電漿腔。
在此描述在半導體處理設備中用來支持半導體基板之基板支持組件的加熱板，該加熱板包含：一電絕緣層；平面加熱器區，包含至少第一、第二、第三、及第四平面加熱器區，各自包含一或更多二極體作為加熱器元件，平面加熱器區橫向分佈於電絕緣層且可***作來調控半導體基板上的空間溫度分布；電源供應線，至少包含和第一及第二平面加熱器區的一或更多二極體的陽極電性連接的第一電性傳導電源供應線、及和第三及第四平面加熱器區的一或更多二極體的陽極電性連接的第二電性傳導電源供應線；電源返回線至少包含和第一及第三平面加熱器區的一或更多二極體的陰極電性連接的第一電性傳導電源返回線、及和第二及第四平面加熱器區的一或更多二極體的陰極電性連接的第二電性傳導電源返回線。
在半導體處理設備中，為達到基板上所欲關鍵尺寸(CD)均勻性，徑向及方位角基板的溫度控制變得更加吃力。即使溫度的微小變化亦可能影響CD到不可接受的程度，尤其是在半導體製造處理中之CD接近次100奈米之際。
基板支持組件在處理過程中可被設置成有許多功能，例如：支持基板、調控基板溫度、及提供射頻功率。該基板支持組件可包含靜電夾盤(ESC)，該靜電夾盤可在處理過程中用來將基板靜電夾持至基板支持組件上。該ESC可以是可調控ESC (T-ESC)。T-ESC被描述於共同受讓的美國專利第6847014號及第6921724號中，其內容藉由參照而引用於此。該基板支持組件可包含陶瓷基板座、流體冷卻散熱器(以下稱作冷卻板)及複數個同心平面加熱器區，以實現逐步及徑向溫度控制。通常情況下，冷卻板維持在0℃到30℃間。加熱器位在冷卻板的上方，兩者間有熱絕緣層。加熱器可維持基板支持組件的支持面的溫度高於冷卻板溫度約0℃到80℃。藉改變複數個平面加熱器區內的加熱器功率，該基板支持組件的溫度分布可被改變。另外，平均基板支持組件溫度可被逐步改變於高於冷卻板溫度0℃到80℃的操作區間。當CD隨著半導體科技進步而減小，微小的方向角溫度變化將造成更大的挑戰。
由於數個原因，控制溫度並不是一件簡單的任務。首先，許多因素會影響熱傳送，例如熱源和散熱器的位置、與介質的移動、形狀及材料。第二，熱傳送是動態的過程，除非討論的系統處於熱平衡，否則熱傳送將發生且溫度分布和熱傳送都將隨時間而變。第三，非平衡現象，例如理所當然出現在電漿處理時的電漿，會使得任何實際電漿處理設備內之熱傳送行為的理論預測變得非常困難(假使其預測並非不可行)。
電漿處理設備中的基板溫度分布受到諸多因素影響，例如電漿密度分布、RF功率分布、及夾盤內各種加熱或冷卻元件的細部結構，因此基板溫度分布通常並不均勻且難以用少數個加熱或冷卻元件來控制。這些缺點便導致整體基板上處理速度的不均勻性及基板上元件晶粒之關鍵尺寸的不均勻性。
鑒於溫度控制的複雜特性，以下設計是有利的：於基板支持組件納入複數個獨立可控制平面加熱器區，以使該設備能有效地建立並維持所欲的空間及時間溫度分布，並抵消其他影響CD均勻性的不良因素。
在此描述半導體處理設備中基板支持組件的加熱板，其中加熱板有複數個獨立可控制平面加熱器區，而加熱器區內則利用二極體當作加熱器元件。該平面加熱器區較佳不具有電阻式加熱器元件。此加熱板包含平面加熱器區、電源供應線及電源返回線(合稱電源線)的可縮放多工布局方案。藉調控平面加熱器區的功率，處理期間中的溫度分布即可徑向及方向角地加以形成。更多細節被揭露於共有之美國專利公開案第2011/0092072號及第2011/0143462號，其揭露內容藉由參照引用於此。儘管此加熱板主要被描述用於電漿處理設備中，此加熱板亦可用於其他不使用電漿的半導體處理設備中。
此加熱板的平面加熱器區較佳排列成定義的圖案，例如：矩形網格、六角網格、環形陣列(polar array)、同心環狀或任何所欲的圖案。各個平面加熱器區可以是任何適合的尺寸且可有一或多個加熱器元件。當一平面加熱器區被授予功率時，其中所有加熱器元件皆被授予功率；當一平面加熱器區不被授予功率時，其中所有加熱器元件皆不被授予功率。為極小化電連接的數量，對電源供應線和電源返回線加以安排，俾使各個電源供應線係連接不同群的平面加熱器區，且各個電源返回線係連接到不同群的平面加熱器區，各個平面加熱器區則屬連接到特定電源供應線的群組之一且亦屬連接到特定電源返回線的群組之一。沒有兩個平面加熱器區連接相同對的電源供應線及電源返回線。各個平面加熱器區的加熱器元件的陽極連接到和該平面加熱器區連接的電源供應線；各個平面加熱器區的加熱器元件的陰極連接到和該平面加熱器區連接的電源返回線。藉引導DC電流通過和一平面加熱器區連接的一對電源供應線和電源返回線，即可啟動該特定平面加熱器區。該DC電流從電源供應線流通到平面加熱器區再到電源返回線。加熱器元件的尖峰功率較佳小於20瓦，更較佳係在1到10瓦間。在一實施例中，各個平面加熱器區不大於半導體基板上正在製造的四個元件晶粒，或不大於半導體基板上正在製造的兩個元件晶粒，或不大於半導體基板上正在製造的一個元件晶粒，或面積為0.1到15 cm2 ，例如0.1到1 cm2 或2到3 cm2 ，以對應於基板上的元件晶粒。該加熱板可包含任何適合數量的平面加熱器區，例如100到700個平面加熱器區。加熱器元件的厚度可介於100微米到2毫米間。為留出介於平面加熱器區和/或電源供應及電源返回線的空間，平面加熱器的總面積則可達基板支持組件上表面的面積的99%，例如該面積的50-99%。該電源供應線或電源返回線可配置成位於平面加熱器區間之1到10 mm的間隙，或配置成位於以電絕緣層與該平面加熱器區分隔的分離平面之中。電源供應線及電源返回線則較佳在空間所允許下盡量地寬，以攜帶大電流及減少焦耳熱。在一實施例中，其中電源線位在和平面加熱器區相同之平面，其電源線寬度較佳地介在0.3毫米及2毫米間。在另一實施例中，其中電源線位在和平面加熱器區相異之平面，其電源線寬度可以大到和平面加熱器區一樣，例如以300毫米夾盤而言，該寬度可以是1到2英吋。電源供應線及電源返回線的材料較佳是具有低電阻的材料，如Cu、Al、W、Inconel®或Mo。
習知電阻式加熱器元件通常包含蛇形導體走線，其限制平面加熱器區的縮小化，特別是當所欲的平面加熱器區係不大於5毫米乘5毫米之時。此外，該蛇形導體走線不能佔據平面加熱器區的整個面積。特別是在小的平面加熱器區的狀況，蛇形導體走線間的空間會導致平面加熱器區內顯著的溫度不均勻性。相較之下，由於二極體可做成和平面加熱器區實質同樣大小的連續片狀，在平面加熱器區使用二極體作為加熱器元件便減緩上述電阻式加熱器元件相關之問題。具有利用二極體作為加熱器元件之平面加熱器區的加熱板，在設計上有較大的彈性，且結構較簡單，且可在各個平面加熱器區內達到較好的溫度均勻性。
圖1顯示包含具有電絕緣層103的加熱板之一實施例的一基板支持組件。該層103可有一或更多層，其是由下列所製成：聚合物材料、無機材料、陶瓷（例如氧化矽、氧化鋁、氧化釔、氮化鋁）、或其他適合的材料。該基板支持組件更包含：(a)至少一埋置於層103的ESC電極102(如單極或雙極)，以藉DC電壓來靜電夾持基板至層103的表面上；(b)一熱阻隔層107；(c)一含有用於冷媒流動之通道106的冷卻板105。為清楚之故，並未顯示電源供應線及電源返回線。
如圖2所示，各個平面加熱器區101皆連接至電源供應線201其中之一和電源返回線202其中之一。沒有任何兩個平面加熱器區101會共用相同對的電源供應線201及電源返回線202。藉適合的電開關配置，能夠連接一對電源供應線201和電源返回線202到一電源(未顯示)，由此僅有連接到該電源線對的平面加熱器區會被授予功率。藉時域多工即可各自調控各個平面加熱器區的時間平均加熱功率。
圖3顯示平面加熱器區101和一對電源供應線201及電源返回線202的連接之細節。該平面加熱器區101有一或更多二極體250作為加熱器元件。該二極體250的陽極250a連接至電源供應線201，且二極體250的陰極250c連接至電源返回線202。
圖4-6顯示加熱板的實施例，該加熱板包含電絕緣層、含一或更多當作加熱器元件的二極體的平面加熱器區、電源供應線及電源返回線。該加熱板可被納入於一基板支持組件，該基板支持組件包含在加熱板上方的靜電夾盤和位在加熱板下方的冷卻板。
根據一實施例，圖4顯示在圖1基板支持組件中的電源供應線201及電源返回線202的配置。平面加熱器區的二極體250被接合在層103的底表面，且透過在層103中垂直延伸的穿孔301電性連接於埋置於層103之中的電源供應線201及電源返回線202。電源供應線201和電源返回線202較佳不在同一平面上。
根據一實施例，圖5顯示在圖1基板支持組件中的電源供應線201及電源返回線202的配置。該層103包含上層103a和下層103b。ESC電極102埋置於上層103a。二極體250則接合於下層103b的上表面。電源返回線202設置於下層103b的上表面。電源供應線201則埋置於下層103b之中。該二極體250透過垂直延伸的穿孔301電性連接至電源供應線201。該二極體250橫向電性連接至電源返回線202。下層103b被夾於上層103a和熱阻隔層107間。
根據另一實施例，圖6顯示在圖1基板支持組件中的電源供應線201及電源返回線202的配置。該層103包含上層103a和下層103b。ESC電極102埋置於上層103a。二極體250則接合於下層103b的上表面。電源供應線201及電源返回線203被埋置於下層103b，且較佳不在同一平面。該二極體250透過在下層103b中垂直延伸的穿孔301電性連接至電源供應線201及電源返回線202。下層103b被夾於上層103a和熱阻隔層107間。
該層103係較佳由陶瓷製成。在圖4-6所顯示的加熱板可以一示例方法製成，該方法包含：將陶瓷粉末、黏著料及液體的混合物擠壓成片狀物；乾燥該片狀物；藉在片狀物中打洞而在該片狀物形成穿孔；藉網版印刷導電粉末(如W、WC、摻雜之SiC或MoSi2 )之漿體、擠壓預切之金屬箔、噴灑導電粉末之漿體、或任何其他適合技術，而在片狀物上形成電源供應線及電源返回線；對準該片狀物；藉黏劑或燒結來接合該片狀物以形成該層103；將導電粉末之漿體填至穿孔；接合二極體至該層103的下表面，使得各個平面加熱器區的二極體連結至一對電源供應線及電源返回線，且沒有不同平面加熱器區的兩個二極體共用相同對的電源供應線及電源返回線。該片狀物在厚度上可以是約0.3毫米。
圖4-6所顯示的加熱板也可以用另一方法製成，該方法包含：(a)接合(如熱壓、以黏劑來黏著)金屬片狀物(如Al、Inconel®、銅箔)至玻璃纖維複合板或以電絕緣聚合物膜(如聚亞醯胺)所蓋之金屬板；(b)將圖案化抗蝕膜塗佈至金屬片狀物表面，其中圖案化抗蝕膜的開口界定一群電源線的形狀及位置；(c)藉化學蝕刻透過圖案抗蝕膜的開口而露出的金屬片狀物部分，形成該群電源線；(d)移除抗蝕膜(藉於適合溶劑中的溶解或乾剝除)；(e)將電絕緣聚合物膜塗佈至金屬片狀物；(f)選擇性地重復步驟(b)-(e)一或多次；(g)藉打出穿過金屬片狀物及電絕緣聚合物膜的洞而形成穿孔，且將導電粉末之漿體填至該洞；(h)接合二極體至最上方的電絕緣聚合物的露出表面，且選擇性地於該露出表面上形成一群電源線，使得各個平面加熱器區的二極體連結至一對電源供應線及電源返回線，且沒有不同平面加熱器區的兩個二極體共用相同對的電源供應線及電源返回線。
該二極體250可是任何適合的型號，如位在Hauppauge, NY的Central Semiconductor所製造的CPD07。一示例二極體250具有約2.5毫米乘2.5毫米的尺寸，可攜帶高達8A的電流，且有高達10W的加熱功率。該二極體250較佳有至少0.1W/cm2 的加熱功率密度且足夠達到2 ℃的溫度擾動。該熱阻隔層107較佳有從約0.01到約100m2 K/W(如約1 m2 K/W)的熱阻。
當授予功率到平面加熱器區101，DC電流被引導而穿過在加熱器區101的二極體250，電流方向是從該二極體250的陽極到該二極體的陰極。
圖7表示圖1的基板支持組件，更包含主加熱器層601。主加熱器601較佳是被分別控制的高功率加熱器。該主加熱器的功率介於100及10000瓦，較佳係介於1000到5000瓦。該主加熱器較佳可排列成矩形網格、同心環狀區、輻射狀區、或環狀區和輻射狀區的組合。該主加熱器可用來改變平均溫度、調控徑向溫度分布、或基板上的逐步溫度控制。該主加熱器可位在加熱板的加熱器區的上方或下方。
作為電漿處理腔如何運作的概觀，圖8表示電漿處理腔的示意圖，該電漿處理腔包含一腔713，其具有上噴淋頭電極703、及將一此處所揭露的加熱板納入之基板支持組件704。基板712經由裝載埠711被裝載於基板支持組件704上。氣體線路709供應處理氣體至將處理氣體送入腔的上噴淋頭電極703。氣體來源708(如供應適合的氣體混合物之質量流量控制器)連結至該氣體線路709。RF電源702連接至上噴淋頭電極703。在操作中，該腔藉真空幫浦710抽空，且將RF功率電容耦合於上噴淋頭電極703及基板支持組件704之中的下電極之間，以將在基板712和上噴淋頭電極703之間的空間之處理氣體激發成電漿。電漿可用來蝕刻元件晶粒特徵進入基板712上的層。該基板支持組件704可有加熱器納入於其內。如上所述，應理解雖然該電漿處理腔的細部設計可能改變，RF功率係透過基板支持組件704被耦合至電漿。
於製造該基板支持組件用到的適合絕緣及導電材料之例被揭露在共同受讓的美國專利第6483690號中，其揭露內容藉由參照在此引用。
雖然加熱板、製造該加熱板的方法、及包含加熱板的基板支持組件藉具體實施例作參考而被細節性地描述，熟習此技藝者明白，可在不偏離隨附之申請專利範圍的範疇內而做各樣改變和變更及使用均等物。
101．．．平面加熱器區
102．．．電極
103．．．電絕緣層
103a．．．上層
103b．．．下層
105．．．冷卻板
106．．．通道
107．．．熱阻隔層
201．．．電源供應線
202．．．電源返回線
250．．．二極體
250a．．．陽極
250c．．．陰極
301．．．穿孔
601．．．主加熱器區
702．．．電源
703．．．電極
704．．．基板支持組件
708．．．氣體來源
709．．．線路
710．．．幫浦
711．．．裝載埠
712．．．基板
713．．．腔
圖1是一基板支持組件的剖面示意圖，該基板支持組件包含具有一陣列之平面加熱器區的加熱板，該基板支持組件亦包含靜電夾盤(ESC)。
圖2描繪在可被包含於基板支持組件中的加熱板之中電源供應線及電源返回線與一陣列之平面加熱器區之間的電連接。
圖3描繪在平面加熱器區中作為加熱器元件的二極體和電源供應線及電源返回線之間的電性連接。
圖4是根據一實施例的一包含加熱板的基板支持組件的剖面示意圖。
圖5是根據一實施例的一包含加熱板的基板支持組件的剖面示意圖。
圖6是根據一實施例的一包含加熱板的基板支持組件的剖面示意圖。
圖7是一包含加熱板的基板支持組件的剖面示意圖，該基板支持組件更包含主加熱器層。
圖8是一電漿處理腔的範例的示意圖，該腔可包含此處所描述之具有加熱板的基板支持組件。

Claims (10)

  1. 一種用於基板支持件的加熱板，該加熱板包含：平面加熱區的複數群組，安排於該加熱板中，其中該平面加熱區的複數群組之各者包括複數平面加熱區，且其中該複數平面加熱區之各者包括至少一加熱器元件；複數電源供應線，安排以提供電源至該複數平面加熱區，其中該複數電源供應線之各者係連接至在該平面加熱區的複數群組之個別一者中的該複數平面加熱區，而未連接至在該平面加熱區的複數群組之其他者中的該複數平面加熱區；以及複數電源返回線，其中該複數電源返回線之各者係連接至在該平面加熱區的複數群組之各者中的該複數平面加熱區之個別一者，使得該複數平面加熱區之各者未連接至與該複數平面加熱區之任何其他者相同對的該複數電源供應線及該複數電源返回線，其中該加熱板更包含一電絕緣層，且其中該複數平面加熱區被埋置於該電絕緣層之中。
  2. 如申請專利範圍第1項之用於基板支持件的加熱板，其中該加熱器元件為二極體。
  3. 如申請專利範圍第1項之用於基板支持件的加熱板，其中該複數平面加熱區係排列成下列至少一圖案：矩形網格、六角網格、環形陣列、及同心環狀。
  4. 如申請專利範圍第項之用於基板支持件的加熱板，其中該加熱器元件被接合至該電絕緣層的下表面或上表面中之至少一者。
  5. 如申請專利範圍第1項之用於基板支持件的加熱板，其中該複數電源供應線不與該複數電源返回線共平面。
  6. 如申請專利範圍第1項之用於基板支持件的加熱板，其中該電絕緣層包含陶瓷。
  7. 如申請專利範圍第1項之用於基板支持件的加熱板，其中該加熱器元件非為電阻式加熱器元件。
  8. 如申請專利範圍第1項之用於基板支持件的加熱板，其中該複數平面加熱區之各者的尺寸為：(a)0.1到1cm2；或(b)1到3cm2；或(c)3到15cm2。
  9. 如申請專利範圍第1項之用於基板支持件的加熱板，其中該複數平面加熱區的總面積是該加熱板的上表面的從50%到99%。
  10. 一種基板支持組件，包含：一冷卻板；如申請專利範圍第1項之該加熱板，安排於該冷卻板之上；及一熱阻隔層，安排於該冷卻板與該加熱板之間。
TW105139347A 2011-09-20 2012-09-20 用於半導體處理之具有二極體平面加熱器區域之加熱板 TWI618174B (zh)

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