專利名稱：具有流體間隙的襯底保持器和制造襯底保持器的方法
技術領域：
本發(fā)明一般地涉及半導體處理系統(tǒng)，并更具體而言，涉及具有流體間隙的襯底保持器和制造該襯底保持器的方法。
背景技術：
許多處理(例如，化學的、等離子體誘導的刻蝕和沉積)主要取決于襯底(也稱作晶片)的瞬時溫度。因此，控制襯底溫度的能力是半導體處理系統(tǒng)的重要特征。而且，需要在相同真空室內不同條件的各種處理的快速應用(在一些重要的情況下，周期性地)要求快速改變和控制襯底溫度的能力?？刂埔r底溫度的一種方法是通過加熱或冷卻襯底保持器(也稱作卡盤)。此前，已經(jīng)提出并應用了實現(xiàn)襯底保持器的更快速的加熱和冷卻的方法，但是現(xiàn)有的方法沒有提供足夠迅速的溫度控制以滿足日益增長的工業(yè)需求。
例如，通過卡盤中溝道的流動液體是一種在現(xiàn)有系統(tǒng)中用于冷卻襯底的方法。但是，液體的溫度由冷卻器來控制，而冷卻器通常位于距卡盤組件較遠的位置處，其部分原因是冷卻器的噪聲和尺寸。由于冷卻液體的相當大的體積以及對加熱和冷卻功率的限制，冷卻器單元也在其用于迅速溫度改變的能力上受到限制。而且，對于卡盤存在附加的時間延遲來達到所期望的溫度設定，其主要取決于卡盤部件的尺寸和材料。這些因素限制了襯底能被加熱或冷卻到所期望溫度的迅速程度。
還提出并應用了其他方法，包括電加熱器的使用，其嵌入在襯底保持器中影響襯底的加熱。嵌入式的加熱器提高了襯底保持器的溫度，但其冷卻仍然依靠由冷卻器控制的冷卻液體。而且，能施加到嵌入式加熱器的功率量受到限制，這是因為直接接觸嵌入式加熱器的卡盤材料可能被永久性損壞。襯底保持器的上表面上的溫度均勻性也是重要因素并進一步限制了加熱的速率。全部這些因素限制了襯底的溫度改變能實現(xiàn)的迅速程度。
此外，為了制造襯底保持器，嵌入式加熱器和冷卻流體溝道組件應該彼此附裝，以實現(xiàn)理想強度的連接。但是，附裝的方法不應該不理想地干擾迅速改變襯底保持器溫度的能力。

發(fā)明內容
本發(fā)明的一個目的是解決或減輕襯底處理裝置領域中的上述和/或其他問題。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種具有加熱器和冷卻溝道組件的襯底保持器，加熱器和冷卻溝道組件以提供理想強度但不會不理想地干擾快速改變襯底保持器溫度的能力的方式附裝到彼此。
本發(fā)明的這些和/或其他目的可以由用于支撐襯底的襯底保持器提供，該襯底保持器包括與支撐表面相鄰定位并定位在支撐表面和冷卻部件之間的加熱部件。流體間隙可以定位在冷卻部件和加熱部件之間，流體間隙被構造為接收流體，以控制冷卻部件和加熱部件之間的熱傳導率。釬焊材料可以布置在冷卻部件和加熱部件之間，來連接這些部件，釬焊材料與流體間隙相鄰布置。
本發(fā)明還提供了一種襯底保持器，其可以包括用于防止釬焊材料流動到流體間隙中的裝置。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，該裝置可以包括槽。
本發(fā)明還提供了一種制造襯底保持器的方法，該襯底保持器包括加熱部件和冷卻部件，該方法包括提供流體間隙，所述流體間隙被構造為接收流體，以改變加熱部件和冷卻部件之間的熱傳導率；和將釬焊材料與流體間隙相鄰地插入在加熱部件和冷卻部件之間。


結合在說明書中并作為說明書一部分的附示本發(fā)明的目前優(yōu)選的實施例，并與以上給出的總體說明和以下給出的優(yōu)選實施例的詳細說明一起用于解釋本發(fā)明的原則。
圖1是根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的半導體處理設備的示意圖。
圖2是圖1的襯底保持器的剖視圖。
圖3是圖2的襯底保持器的一部分的詳細視圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在參考附圖，將接下來對本發(fā)明的一些實施例進行描述，附圖中相似標號表示相同或對應的部件。
圖1圖示了半導體處理系統(tǒng)1，其例如可以用于化學和/或等離子體處理。處理系統(tǒng)1包括真空處理室10、具有支撐表面22的襯底保持器20、和由襯底保持器20支撐的襯底30。處理系統(tǒng)1還包括用于在處理室10中提供減壓氣氛的泵吸系統(tǒng)40、由電源130通電的嵌入式電加熱部件50、和由冷卻溝道組件120控制的、具有用于液體流動的溝道的嵌入式冷卻部件60。流體間隙90設置在加熱部件50和冷卻部件60之間。設置流體供應單元140來經(jīng)由導管98對流體間隙90供應和移除流體92，以幫助襯底保持器20的加熱和冷卻。作為非限制性的示例，流體可以是氦(He)氣，或可選地是能夠迅速并顯著提高或降低跨過流體間隙90的導熱性的其他流體。
圖2和3示出了與襯底30相關的襯底保持器20的其他細節(jié)。如圖所示，從氦供應體(未示出)設置氦背側流80，用于增強襯底保持器20和襯底30之間的熱傳導性。增強的熱傳導性確保了與加熱部件50直接相鄰的支撐表面22的迅速溫度控制，并導致襯底30的迅速溫度控制。表面22上的槽用于晶片背側氣體分布。用于背側流的常用氣體是He和Ar，但也可以使用其他的氣體。襯底保持器20可以包括靜電夾緊電極(未示出)和為提供襯底30到襯底保持器20的靜電夾緊所需的對應的DC電源以及保持器連接元件。
如圖2和3所示，加熱部件50可以具有主體部分52，在加熱部件50和冷卻部件60的運行期間，主體部分52適于將熱傳遞到襯底保持器20和從襯底保持器20傳遞熱，并接著將熱傳遞到襯底30和從襯底30傳遞熱。主體部分52可以由鋁合金制成并通過機械加工和鑄造來形成。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，主體部分52由鑄造鋁合金制成。
主體部分52可以包括嵌入式加熱器54。嵌入式加熱器54可以包括一個或多個加熱器區(qū)域，其可以被分別地通電以加熱主體部分52的多個部分，并將熱傳遞到襯底保持器20和襯底30。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，主體部分52包括兩(2)個加熱器區(qū)域，這兩個加熱器區(qū)域可以被分別地通電并鑄造到加熱部件50的主體部分52中，使得加熱部件50成為包括主體部分52和嵌入式加熱器54的一體部件。
包括主體部分52和嵌入式加熱器54的優(yōu)選加熱器部件50的示例是具有直徑為約0.4mm的因康鎳(Inconel)合金外管的板式加熱器、和與具有氧化鎂的外管隔絕的鎳鉻合金線式加熱器，其可以從密蘇里州圣路易斯的Watlow Electric Manufacturing公司獲取。
如圖2和3所示，冷卻部件60可以包括上蓋60和下蓋64，在冷卻部件60的運行期間，上蓋60和下蓋64適于從襯底保持器20傳遞熱，并接著從襯底30傳遞熱。
上蓋62可以包括多個溝道66，其布置為容納由冷卻溝道組件120控制的液體流，從而使冷卻部件60變冷并接著使襯底保持器20和襯底30變冷。上蓋62可以由鋁合金制成，并可以通過機械加工或鑄造來形成。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，上蓋62是鑄造鋁合金，且更優(yōu)選地是與加熱部件50的主體部分52相同的鑄造鋁合金。
冷卻部件60的下蓋64可以包括平坦表面，該平坦表面與上蓋62的溝道66一起界定了封閉容積以防止液體不期望地從冷卻部件60泄漏。下蓋64可以由鋁合金制成，和/或可以通過鑄造來形成。于是，在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，下蓋64是鑄造鋁合金，并更優(yōu)選地是與冷卻部件60的上蓋62相同的鑄造鋁合金，而且進一步優(yōu)選地是與加熱部件50的主體部分52相同的鑄造合金。
雖然附圖示出的冷卻部件60的優(yōu)選實施例包括完全布置在上蓋62中的溝道66，但是應該理解的是溝道66可以布置在上蓋62或者底蓋64的之一或兩者中。
如圖2和3所示，流體間隙90可以設置在冷卻部分60的上內表面與加熱部分50的下內表面之間，使得在保持這些表面非?？拷舜?即，在微米范圍內；優(yōu)選地，約50微米)的同時最小化跨過流體間隙90的熱傳導率。以此構造，通過流體92的引入和排出，跨過流體間隙90的熱傳導率能以可控方式改變兩個量級或更多。
流體間隙90的細節(jié)在申請人的共同未決的申請No.10/670,292(代理卷號No.237539US6YA)中討論，其公開通過引用而將其全文結合于此。如共同未決的申請中所討論的，流體間隙90可以界定單區(qū)域系統(tǒng)，并如圖所示可以界定雙區(qū)域系統(tǒng)，在雙區(qū)域系統(tǒng)中，第一區(qū)域94a包括內槽和內端口(未示出)，并由內槽和內端口形成，且第二區(qū)域94b包括外槽和外端口(未示出)，并由外槽和外端口形成。在雙區(qū)域系統(tǒng)中，內槽控制襯底保持器20的第一區(qū)域94b中的壓力、熱傳導率、和/或溫度，而外槽控制襯底保持器20的第二區(qū)域94a中的這些條件。在單或雙區(qū)域系統(tǒng)中的任何一個槽都可以全部或部分地布置在加熱部件50和冷卻部件60中，并更具體地，在加熱部件50的主體部分52和冷卻部件60的上蓋62中。
以下討論襯底保持器20的部件之間的連接細節(jié)。
應該理解的是，圖1至3所示的系統(tǒng)僅是示例性的，且可以包括其他元件。例如，處理系統(tǒng)1還可以包括RF電源和RF功率饋送、用于放置和移除晶片的銷、熱傳感器、以及本領域公知的任何其他元件。處理系統(tǒng)1還可以包括進入真空室10的處理氣體管線、以及第二電極(用于電容耦合型系統(tǒng))或RF線圈(用于電感耦合型系統(tǒng))，用于將真空室10中的氣體激勵為等離子體。本發(fā)明還可應用于諸如晶片的快速熱處理之類的非等離子體處理。
本發(fā)明的各種實施例可以如下操作。在加熱階段，加熱部件50被供電，同時流體92從流體間隙90被排出到約10Torr附近的低壓。這樣，較大地降低了跨過流體間隙90的熱傳導率，使得流體間隙90充當熱阻擋。就是說，排出步驟有效地將襯底保持器20的直接圍繞冷卻部件60的部分與襯底保持器20的直接圍繞加熱部件50的部分分離。于是，襯底保持器20的被加熱部分50加熱的區(qū)塊被有效地減小到僅為襯底保持器20的直接覆蓋和圍繞加熱部件50的部分，其允許支撐表面22和晶片30的快速加熱。代替加熱部件50的使用，可以由外部熱流提供加熱，例如來自真空室10中產(chǎn)生的等離子體的熱流。
在冷卻階段，加熱部件50被關閉，流體92從流體供應單元140供應到流體間隙90，且冷卻部件60被啟動。當以更高的壓力，例如大氣壓(760Torr)用流體92填充流體間隙90時，顯著提高了跨過流體間隙90的熱傳導率，于是由冷卻部件60提供了支撐表面22和晶片30的快速冷卻。加熱部件50的主體部分52和冷卻部件60的上蓋62之間的接觸防止流體92流出流體間隙90。
本發(fā)明的各種實施例可以如下組裝、制造或成型。如上所述，溝道66可以形成在冷卻部件60的上蓋62和下蓋64之一或兩者中。冷卻部件60的上蓋62和下蓋64可以互相連接，從而封閉溝道66。通過將可以是片狀形式的釬焊材料82插入在上蓋62和下蓋64的表面之間，并通過將冷卻部件60加熱到釬焊材料82的熔點以上并在上蓋62和下蓋64之一或兩者的熔點以下的溫度，可以將由合適材料形成的上蓋62和下蓋64釬焊到彼此。于是，在本發(fā)明的包括由相同鑄造鋁合金形成的上蓋62和下蓋64的優(yōu)選實施例中，上蓋62可以被釬焊到下蓋64以形成冷卻部件60。
加熱部件50的主體部分52可以鑄造有嵌入的加熱器54，從而形成加熱部件50。
加熱部件50和冷卻部件60，且更具體地，加熱部件50的主體部分52和冷卻部件60的上蓋62可以互相連接。如以上的背景技術部分所述，加熱部件50和冷卻部件60應該附裝到彼此，以實現(xiàn)理想的強度和熱傳導率的連接。根據(jù)本發(fā)明的實施例，通過將可以是片狀形式的釬焊材料84插入在加熱部件50和冷卻部件60的表面之間，可以將由合適材料形成的加熱部件50的主體部分52和冷卻部件60的上蓋62釬焊到彼此。加熱部件50和冷卻部件60可以被加熱到釬焊材料84的熔點之上，并在加熱部件50和冷卻部件60之一或兩者的熔點之下。于是，在本發(fā)明的包括由相同鑄造鋁合金形成的主體部分52和上蓋62的優(yōu)選實施例中，主體部分52可以被釬焊到上蓋62以連接加熱部件50和冷卻部件60，從而形成襯底保持器20的至少一部分。
本發(fā)明人已經(jīng)認識到，加熱部件50和冷卻部件60的釬焊可以導致釬焊材料84流動到主體部分52和上蓋62之間的流體間隙90中，從而消除由構造為用流體92填充和排出的流體間隙90所提供的優(yōu)點。為減少或防止釬焊材料84不期望地流動到流體間隙90中，主體部分52和/或上蓋62可以設置有槽70。槽70可以制成一定的尺寸、形狀或方位，以防止釬焊材料84跨越槽的流動。槽70可以是同心圓的形式，并可以形成在加熱部件50和冷卻部件60(即，主體部分52和上蓋62)之一或兩者中。也可以使用多個平行的和/或同心的槽70。
支撐表面22可以與主體部分50連接。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，支撐表面22可以通過諸如硅酮基粘接劑之類的粘接劑機械地連接到主體部分52。粘接劑必須允許接合部分的有差別的熱膨脹。
在釬焊之后可以通過例如退火、強陽極氧化、氧化鋁或氧化釔陶瓷噴涂等處理襯底保持器20以將所期望的機械性能、硬度、等離子體抵抗性、或其他所期望的性能提供到加熱部件50和冷卻部件60，其中性能包括在襯底保持器20的部件中的一個或多個的釬焊期間受影響的性能(例如，退火以減輕殘余應力)。
本發(fā)明可以有效地應用在各種系統(tǒng)中，在這些系統(tǒng)中有效的溫度控制或快速的溫度控制是較重要的。這樣的系統(tǒng)包括但不限于使用等離子體處理、非等離子體處理、化學處理、刻蝕、沉積、膜形成或灰化的系統(tǒng)。本發(fā)明也可以應用到用于不同于半導體晶片的靶物體的等離子體處理設備或類似設備，該靶物體例如是LCD玻璃襯底。此外，應該理解的是，本發(fā)明能以多個可選實施例的方式來實現(xiàn)，其中加熱部件50包括一個或多個熱電(珀耳帖)裝置、或者與冷卻溝道60相似的一個或多個溝道，氟化電介質液體、水、或蒸氣能以提高的溫度通過其流動。而且，冷卻部件60可以包括一個或多個熱電(珀耳帖)裝置。
本領域的技術人員將認識到，本發(fā)明可以在不偏移其精神或本質特征的情況下以各種具體形式來實施。因此，本公開實施例在所有方面應被認為是解釋性的，而不是限制性的。本發(fā)明的范圍由所附權利要求表示，而非由前述說明表示，且意在將落在權利要求的含義和范圍及其等同物內的所有修改都包含在其中。
權利要求
1.一種用于支撐襯底的襯底保持器，包括支撐表面；冷卻部件；加熱部件，其與所述支撐表面相鄰定位，并定位在所述支撐表面和所述冷卻部件之間；流體間隙，其定位在所述冷卻部件和所述加熱部件之間，所述流體間隙構造為接收流體，以改變所述冷卻部件和所述加熱部件之間的熱傳導率；和釬焊材料，其布置在所述冷卻部件和所述加熱部件之間，所述釬焊材料與所述流體間隙相鄰布置。
2.如權利要求1所述的襯底保持器，其中所述加熱部件包括主體部分和布置在所述主體部分中的嵌入式加熱器。
3.如權利要求2所述的襯底保持器，其中所述主體部分包括鋁合金，且所述嵌入式加熱器鑄造在所述鋁合金中。
4.如權利要求1所述襯底保持器，其中所述冷卻部件包括上蓋和下蓋。
5.如權利要求4所述的襯底保持器，其中所述上蓋包括多個溝道，所述溝道構造為接收冷卻流體。
6.如權利要求5所述的襯底保持器，其中所述下蓋包括與所述上蓋相鄰定位的、具有平坦頂表面的板。
7.如權利要求6所述的襯底保持器，還包括定位在所述上蓋和所述下蓋之間的第二釬焊材料。
8.如權利要求1所述的襯底保持器，還包括定位在所述支撐表面和所述加熱部件之間的機械連接。
9.如權利要求8所述的襯底保持器，其中所述機械連接包括粘接劑。
10.如權利要求1所述的襯底保持器，其中所述流體間隙包括在所述加熱部件和所述冷卻部件的至少一個中的至少一個流體間隙槽。
11.如權利要求10所述的襯底保持器，其中所述流體間隙槽布置在所述冷卻部件中。
12.如權利要求10所述的襯底保持器，其中所述流體間隙槽布置在所述加熱部件中。
13.如權利要求1所述的襯底保持器，還包括定位在所述冷卻部件和所述加熱部件之間的至少一個隔離槽，所述隔離槽構造為防止所述釬焊材料流動到所述流體間隙中。
14.如權利要求13所述的襯底保持器，其中所述隔離槽的至少一部分布置在所述冷卻部件中。
15.如權利要求13所述的襯底保持器，其中所述隔離槽的至少一部分布置在所述加熱部件中。
16.如權利要求15所述的襯底保持器，其中所述隔離槽的至少一部分布置在所述冷卻部件中。
17.如權利要求13所述的襯底保持器，其中所述至少一個隔離槽包括多個隔離槽。
18.如權利要求17所述的襯底保持器，其中所述多個隔離槽是同心的。
19.如權利要求1所述的襯底保持器，還包括第一和第二隔離槽，其定位在所述加熱部件和所述冷卻部件之間，并定位在所述流體間隙的相對側上，所述隔離槽被構造為防止所述釬焊材料流動到所述流體間隙中。
20.如權利要求18所述的襯底保持器，其中所述隔離槽布置在所述加熱部件和所述冷卻部件的至少一個中。
21.如權利要求19所述的襯底保持器，其中所述加熱部件和所述冷卻部件包括鋁合金。
22.如權利要求19所述的襯底保持器，其中所述加熱部件和所述冷卻部件包括相同的鋁合金。
23.如權利要求21所述的襯底保持器，其中所述加熱部件包括主體部分和嵌入式加熱器，所述嵌入式加熱器鑄造到所述主體部分中。
24.如權利要求22所述的襯底保持器，其中所述冷卻部件包括上蓋和下蓋，所述加熱部件定位在所述支撐表面和所述上蓋之間。
25.如權利要求24所述的襯底保持器，其中所述上蓋包括與所述加熱部件相同的鋁合金。
26.一種用于支撐襯底的襯底保持器，包括支撐表面；冷卻部件；加熱部件，其與所述支撐表面相鄰定位，并定位在所述支撐表面和所述冷卻部件之間；流體間隙，其定位在所述冷卻部件和所述加熱部件之間，所述流體間隙構造為接收流體，以改變所述冷卻部件和所述加熱部件之間的熱傳導率；釬焊材料，其布置在所述冷卻部件和所述加熱部件之間，所述釬焊材料與所述流體間隙相鄰布置；和用于防止釬焊材料流動到所述接觸區(qū)域中的裝置。
27.如權利要求26所述的襯底保持器，其中所述用于防止流動的裝置包括槽。
28.如權利要求27所述的襯底保持器，其中所述槽布置在所述加熱部件和所述冷卻部件的至少一個中。
29.如權利要求28所述的襯底保持器，其中所述槽的至少一部分布置在所述冷卻部件中。
30.如權利要求28所述的襯底保持器，其中所述槽的至少一部分布置在所述加熱部件中。
31.如權利要求30所述的襯底保持器，其中所述槽的至少一部分布置在所述冷卻部件中。
32.一種制造襯底保持器的方法，所述襯底保持器包括加熱部件和冷卻部件，所述方法包括以下步驟提供流體間隙，所述流體間隙被構造為接收流體，以改變所述加熱部件和所述冷卻部件之間的熱傳導率；和將釬焊材料與所述流體間隙相鄰地插入在所述加熱部件和所述冷卻部件之間。
33.如權利要求32所述的方法，還包括以下步驟用所述釬焊材料釬焊所述加熱部件和所述冷卻部件，以形成所述襯底保持器。
34.如權利要求33所述的方法，還包括以下步驟將槽布置在所述加熱部件和所述冷卻部件之間，所述槽防止所述釬焊材料流動到所述流體間隙中。
35.如權利要求32所述的方法，還包括以下步驟將嵌入式加熱器鑄造在主體部分中，以形成所述加熱部件。
36.如權利要求35所述的方法，其中所述主體部分包括鋁合金，且所述嵌入式加熱器被鑄造在所述鋁合金中。
37.如權利要求32所述的方法，還包括以下步驟將上蓋與下蓋連接以形成所述冷卻部件。
38.如權利要求37所述的方法，其中所述上蓋包括多個溝道，所述溝道構造為接收冷卻流體。
39.如權利要求37所述的方法，其中所述下蓋包括與所述上蓋相鄰定位的、具有平坦頂表面的板。
40.如權利要求39所述的方法，還包括以下步驟將所述上蓋釬焊到所述下蓋。
41.如權利要求32所述的方法，還包括將所述支撐表面機械連接到所述加熱部件。
42.如權利要求41所述的方法，其中所述機械連接包括粘接。
43.如權利要求32所述的方法，其中所述加熱部件和所述冷卻部件包括鋁合金。
44.如權利要求32所述的方法，其中所述加熱部件和所述冷卻部件包括相同的鋁合金。
45.一種用于支撐襯底的襯底保持器，包括支撐表面；用于冷卻所述支撐表面的裝置；用于加熱所述支撐表面的裝置，其與所述支撐表面相鄰定位，并定位在所述支撐表面和所述用于冷卻的裝置之間；用于接收液體的裝置，改變所述用于冷卻的裝置和所述用于加熱的裝置之間的熱傳導率，所述用于接收液體的裝置定位在所述用于冷卻的裝置和所述用于加熱的裝置之間；和用于將所述用于冷卻的裝置和所述用于加熱的裝置連接的裝置。
46.如權利要求45所述的襯底保持器，其中所述用于加熱的裝置包括熱電裝置和溝道的至少一個，所述溝道被構造為使得提高溫度的氟化電介質液體、水和蒸氣中的至少一種流動。
47.如權利要求45所述的襯底保持器，其中所述用于冷卻的裝置包括至少一個熱電裝置。
全文摘要
一種用于支撐襯底(30)的襯底保持器(20)。加熱部件(50)與支撐表面相鄰定位，并定位在支撐表面和冷卻部件(60)之間。流體間隙定位在冷卻部件和加熱部件之間，流體間隙構造為接收流體以增大冷卻部件和加熱部件之間的熱傳導率。釬焊材料布置在冷卻部件和加熱部件之間，釬焊材料與流體間隙相鄰布置。
文檔編號H01L21/461GK1890783SQ200480036209
公開日2007年1月3日 申請日期2004年12月23日 優(yōu)先權日2004年1月30日
發(fā)明者托馬斯·哈梅林 申請人:東京毅力科創(chuàng)株式會社