專利名稱：：用于襯底處理系統(tǒng)的具有非均勻絕緣層的溫度受控襯底夾持器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及用于襯底的溫度控制的系統(tǒng)，更具體而言涉及用于襯底的溫度控制的襯底夾持器。
背景技術(shù)：
：在半導(dǎo)體制造和處理中已知的是，例如包括刻蝕和沉積工藝在內(nèi)的各種工藝非常依賴于襯底的溫度。為此，能夠控制襯底的溫度并且可控地調(diào)節(jié)襯底溫度的能力就變成對(duì)半導(dǎo)體處理系統(tǒng)的必要要求。襯底的溫度是由許多方面確定的，包括但不限于襯底與等離子體的相互作用、化學(xué)過(guò)程等等，以及與周圍環(huán)境的輻射和/或傳導(dǎo)熱交換。向襯底夾持器的上表面提供適當(dāng)?shù)臏囟瓤梢员挥糜诳刂埔r底的溫度。200780035454.0
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明涉及一種用于控制襯底溫度的系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的一方面，一種用于在處理系統(tǒng)中支撐襯底的襯底夾持器包括具有第一溫度的溫度受控支撐基座以及與溫度受控支撐基座相對(duì)并且被配置來(lái)支撐襯底的襯底支撐。還包括耦合到襯底支撐的一個(gè)或多個(gè)加熱元件，這一個(gè)或多個(gè)加熱元件被配置來(lái)將襯底支撐加熱到高于第一溫度的第二溫度，還包括放置在溫度受控支撐基座和襯底支撐之間的絕熱體。絕熱體包括經(jīng)過(guò)溫度受控支撐基座和襯底支撐之間的絕熱體的傳熱系數(shù)(W/m2-K)的非均勻空間變化。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種用于在處理系統(tǒng)中支撐襯底的襯底夾持器包括具有第一溫度的溫度受控支撐基座以及與溫度受控支撐基座相對(duì)并且被配置來(lái)支撐襯底的襯底支撐。一個(gè)或多個(gè)加熱元件耦合到襯底支撐并且被配置來(lái)將襯底支撐加熱到高于第一溫度的第二溫度。還包括用于提供溫度受控支撐基座和襯底支撐之間的傳熱系數(shù)(W/m2-K)的非均勻空間變化的裝置。在附圖中圖1給出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的襯底處理系統(tǒng)的框圖2A給出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的襯底夾持器的示意性截面圖2B圖示了襯底夾持器的襯底溫度和熱導(dǎo)率的示例性分布特性；圖3給出了根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的襯底夾持器的示意性截面圖4給出了根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的襯底夾持器的示意性截面圖5給出了根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的襯底夾持器的示意性截面圖6給出了根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的襯底夾持器的示意性截面圖7A和7B圖示了示例性的溫度隨時(shí)間的變化曲線；以及圖8圖示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例調(diào)節(jié)襯底溫度的方法的流程圖。具體實(shí)施方式在下面的描述中，出于說(shuō)明而非限制目的，闡述了具體細(xì)節(jié)，例如用于襯底處理系統(tǒng)的襯底夾持器的特定幾何形狀以及對(duì)各種組件和工藝的描述。然而，應(yīng)當(dāng)理解，在脫離這些具體細(xì)節(jié)的其他實(shí)施例中也可實(shí)施本發(fā)明。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，圖1中示出了一種材料處理系統(tǒng)1，該系統(tǒng)1包括具有襯底夾持器20和其上支撐的襯底25的處理工具10。襯底夾持器20被配置來(lái)提供用于調(diào)節(jié)襯底溫度的溫度控制元件。另外，溫度控制元件可以被空間布置以確保均勻或非均勻的襯底溫度?？刂破?5耦合到處理工具10和襯底夾持器20，并且被配置來(lái)監(jiān)視、調(diào)節(jié)和控制襯底溫度，這將在下面進(jìn)一步討論。在圖l所示的實(shí)施例中，材料處理系統(tǒng)l可包括刻蝕室。例如，刻蝕室可以適用于干法等離子體刻蝕或者干法非等離子體刻蝕?；蛘?，材料處理系統(tǒng)1包括光刻膠涂覆室，例如光刻膠旋涂系統(tǒng)中的加熱/冷卻模塊，其可用于粘附后烘烤(PAB)或曝光后烘烤(PEB)等等；光刻膠圖案化室，例如光刻系統(tǒng)；電介質(zhì)涂覆室，例如玻璃旋涂(SOG)或電介質(zhì)旋涂(SOD)系統(tǒng)；沉積室，例如氣相沉積系統(tǒng)、化學(xué)氣相沉積(CVD)系統(tǒng)、等離子體增強(qiáng)CVD(PECVD)系統(tǒng)、原子層沉積(ALD)系統(tǒng)、等離子體增強(qiáng)ALD(PEALD)系統(tǒng)或者物理氣相沉積(PVD)系統(tǒng)；或者快速熱處理(RTP)室，例如用于熱退火的RTP系統(tǒng)。現(xiàn)在參考圖2A，描述根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的襯底夾持器。襯底夾持器100包括具有第一溫度并且被配置來(lái)支撐襯底110的襯底支撐130、位于襯底支撐130下方并且被配置成處于低于第一溫度的第二溫度(例如，低于襯底110的期望溫度)的溫度受控支撐基座120、以及放置在襯底支撐130和溫度受控支撐基座120之間的絕熱體140。另外，襯底支撐130包括與其耦合的一個(gè)或多個(gè)加熱元件(未示出)，它們被配置來(lái)升高襯底支撐130的溫度(例如，以加熱襯底)。應(yīng)當(dāng)理解，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，第一溫度可以是跨襯底支撐的溫度梯度的一部分，并且第二溫度可以是跨溫度受控基座的溫度梯度的一部分。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，絕熱體140包括熱導(dǎo)率低于襯底支撐130和溫度受控支撐基座120兩者的熱導(dǎo)率的材料。例如，絕熱體140的熱導(dǎo)率小于1W/m-K。優(yōu)選地，絕熱體的熱導(dǎo)率范圍從大約0.05W/m-K到大約0.8W/m-K，并且更優(yōu)選地，絕熱體的熱導(dǎo)率范圍從大約0.2W/m-K到大約0.8W/m-K。絕熱體140可包括由聚合物、塑料或陶瓷制成的膠粘劑。絕熱體140可包括有機(jī)或無(wú)機(jī)材料。例如，絕熱體140可包括室溫硬化(RTV)膠粘劑、諸如熱塑料之類的塑料、諸如熱固性樹脂或模鑄樹脂之類的樹脂(或者易澆注的塑料或彈性體化合物)、彈性體，等等。除了提供襯底支撐130和溫度受控支撐基座120之間的熱阻以外，絕熱體140還可提供襯底支撐130和溫度受控支撐基座120之間的結(jié)合層或粘附層。絕熱體140的厚度和材料組分應(yīng)當(dāng)被選擇為使得在必要時(shí)可以維持在支撐基座120和等離子體之間的適當(dāng)?shù)纳漕l(RF)耦合。此外，絕熱體140應(yīng)當(dāng)被選擇以忍受熱梯度和材料屬性(即，熱膨脹系數(shù))的差異驅(qū)動(dòng)的熱機(jī)械剪切力。例如，絕熱體140的厚度可以小于或等于大約10mm(毫米)，并且優(yōu)選地，該厚度可以小于或等于大約5mm，即大約2mm或更小。另外，絕熱體140的材料組成優(yōu)選地使得其對(duì)其被利用于其中的環(huán)境表現(xiàn)出抗腐蝕性。例如，當(dāng)呈現(xiàn)于干法等離子體刻蝕環(huán)境時(shí)，絕熱體140應(yīng)當(dāng)能抵抗在刻蝕處理期間使用的腐蝕性刻蝕化學(xué)物質(zhì)，以及在刻蝕系統(tǒng)清潔處理期間使用的腐蝕性清潔化學(xué)物質(zhì)。在許多刻蝕化學(xué)物質(zhì)和清潔化學(xué)物質(zhì)中，采用了含鹵素處理氣體，包括但不限于Cl2、F2、Br2、HBr、HC1、HF、SF6、NF3、C1F3等等。在這些化學(xué)物質(zhì)中，尤其是清潔化學(xué)物質(zhì)中，希望產(chǎn)生高濃度的反應(yīng)性原子鹵素物質(zhì)，例如原子氟，等等。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，絕熱體140包括抗腐蝕絕熱體。在一個(gè)實(shí)施例中，整個(gè)絕熱體是由抗腐蝕材料制成的?；蛘?，可以只有絕熱體140的一部分(例如暴露于含鹵素氣體的部分)包括抗腐蝕材料。例如，抗腐蝕材料可以僅包括在絕熱體的外圍暴露邊緣處，而絕熱體的剩余區(qū)域包括不同的材料組成，該材料組成被選擇用于提供期望的傳熱系數(shù)?？垢g絕熱體可包括丙烯酸酯類材料，例如丙烯酸基材料或者丙烯酸酯基材料。丙烯酸基材料或者丙烯酸酯基材料可以通過(guò)與合適的催化劑反8應(yīng)使丙烯酸或甲基丙烯酸進(jìn)行聚合來(lái)形成。表1提供了圖示抗腐蝕性對(duì)材料組分的依賴性的數(shù)據(jù)。例如，提供了含硅膠粘劑和一系列含丙烯酸/丙烯酸酯膠粘劑(由各個(gè)供應(yīng)商X、Y、Z、Q、R&T準(zhǔn)備)的數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)包括作為等離子體(或者RF功率開啟)小時(shí)(hr)的函數(shù)的腐蝕量(mm3)。如表1所示，含丙烯酸/丙烯酸酯膠粘劑當(dāng)經(jīng)歷清潔等離子體(例如基于SF6的等離子體)時(shí)腐蝕的減小大于一個(gè)數(shù)量級(jí)。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，絕熱體140包括經(jīng)過(guò)溫度受控支撐基座120和襯底支撐130之間的絕熱體140的傳熱系數(shù)(W/m2-K)的非均勻空間變化。例如，傳熱系數(shù)可以在(襯底IIO下方的)絕熱體140的基本中央?yún)^(qū)域和(襯底IIO下方的)絕熱體140的基本邊緣區(qū)域之間沿徑向方向變化。傳熱系數(shù)的空間變化可包括絕熱體140的熱導(dǎo)率(W/m-K)的非均勻空間變化，或者傳熱系數(shù)的空間變化可包括絕熱體140的厚度的非均勻空間變化，或者包括這兩者。這里所用的術(shù)語(yǔ)，參數(shù)的"非均勻空間變化"，是指由設(shè)計(jì)引起的參數(shù)跨襯底夾持器的區(qū)域的空間變化，而不是參數(shù)跨襯底夾持器的固有微小變化。另外，術(shù)語(yǔ)"絕熱體的基本中央?yún)^(qū)域"是指絕熱體的將重疊襯底(如果被放置在襯底夾持器上)的中心的區(qū)域，并且術(shù)語(yǔ)"絕熱體的基本邊緣區(qū)域"是指絕熱體的將重疊襯底(如果被放置在襯底夾持器上)的邊緣的區(qū)域。如圖2B所示，熱導(dǎo)率可以在襯底110下方的絕熱體140的基本中央?yún)^(qū)域和襯底110下方的絕熱體140的基本邊緣區(qū)域之間沿徑向方向變化。例如，熱導(dǎo)率可以在第一值和第二值之間變化，第一值介于大約0.2W/m-K和大約0.8W/m-K之間，第二值介于大約0.2W/m-K和大約0.8W/m-K之間。另外，例如，在絕熱體140的基本中央?yún)^(qū)域附近熱導(dǎo)率可以為大約0.2W/m-K，并且在絕熱體140的基本邊緣區(qū)域附近熱導(dǎo)率可以為大約0.8W/m-K。另外，例如，熱導(dǎo)率的變化基本發(fā)生在絕熱體140的大約中半徑區(qū)域和絕熱體140的基本外圍區(qū)域之間。如圖2B所示，溫度可以從中心到邊緣在第一溫度(T。和第二溫度(T2)之間變化。這種熱導(dǎo)率(和溫度)的變化可以用來(lái)抵消(例如，由包圍襯底的聚焦環(huán)引起的)對(duì)襯底的外圍邊緣的過(guò)度加熱。如圖3所示，描述根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的襯底夾持器。襯底夾持器200包括具有第一溫度并且被配置來(lái)支撐襯底210的襯底支撐230、位于襯底支撐230下方并且被配置成處于低于第一溫度的第二溫度(例如，低于襯底210的期望溫度)的溫度受控支撐基座220、以及放置在襯底支撐230和溫度受控支撐基座220之間的絕熱體240。另外，襯底支撐230包括與其耦合的一個(gè)或多個(gè)加熱元件(未示出)，它們被配置來(lái)升高襯底支撐230的溫度(例如，以加熱襯底)。絕熱體240包括非均勻厚度。如圖所示，在(襯底210下方的)絕熱體240的基本中心區(qū)域該厚度較小，而在襯底210下方的基本邊緣區(qū)域相對(duì)較厚。或者，該厚度可以在襯底210下方的基本中心區(qū)域較大，而在襯底210下方的基本邊緣區(qū)域相對(duì)較薄。絕熱體240的非均勻厚度可以由支撐基座220上的非平整上表面來(lái)實(shí)現(xiàn)，或者它可以由絕熱體240的非平整下表面來(lái)實(shí)現(xiàn)，或者它可以由它們的組合實(shí)現(xiàn)。又或者，具有與絕熱體240不同的熱導(dǎo)率的一層材料可以被放置在支撐基座220的上表面或者襯底支撐230的下表面的一部分上。例如，一層Kapton、Vespel、Teflon⑧等可以被放置在襯底210下方的基本中央?yún)^(qū)域上，或者該層可以被放置在襯底210下方的基本外圍區(qū)域上?，F(xiàn)在參考圖4，描述根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的襯底夾持器。襯底夾持器300包括具有第一溫度并且被配置來(lái)支撐襯底310的襯底支撐330、位于襯底支撐330下方并且被配置成處于低于第一溫度的第二溫度(例如，低于襯底310的期望溫度)的溫度受控支撐基座320、以及放置在襯底支撐330和溫度受控支撐基座320之間的絕熱體340。另外，襯底支撐330包括與其耦合的一個(gè)或多個(gè)加熱元件(未示出)，它們被配置來(lái)升高襯底支撐330的溫度(例如，以加熱襯底)。如圖4所示，支撐基座320包括多個(gè)凸起或脊342，這些凸起或脊部分延伸到絕熱體340中(或者完全延伸穿過(guò)絕熱體340)。此外，凸起的數(shù)量密度可以在襯底夾持器的基本中央?yún)^(qū)域344和基本外圍區(qū)域346之間變化。例如，在外圍區(qū)域346可以放置較高密度的凸起，而在中央?yún)^(qū)域344可以放置相對(duì)較低密度的凸起?；蛘?，例如，在外圍區(qū)域346可以放置較低密度的凸起，而在中央?yún)^(qū)域344可以放置相對(duì)較高密度的凸起。除了凸起密度的變化以外，或者代替密度的變化，還可以改變凸起的大小或形狀或這兩者。溫度受控支撐基座120(220、320)可以由金屬材料或非金屬材料制造。例如，支撐基座120(220、320)可以由鋁制造。另外，例如，支撐基座120(220、320)可以由具有相對(duì)較高的熱導(dǎo)率的材料形成，從而使得支撐基座的溫度可以維持在相對(duì)恒定的溫度。溫度受控支撐基座的溫度優(yōu)選地由一個(gè)或多個(gè)溫度控制元件(例如冷卻元件)主動(dòng)控制。然而，溫度受控支撐可以提供利用冷卻翼的被動(dòng)冷卻，冷卻翼用于促進(jìn)增強(qiáng)的自由對(duì)流(例如由于與周圍環(huán)境的增大的表面面積)。支撐基座120(220、320)還可包括穿過(guò)其的通路(未示出)，以允許將電功率耦合到襯底支撐的一個(gè)或多個(gè)加熱元件、將電功率耦合到靜電夾緊電極、將傳熱氣體氣動(dòng)耦合到襯底的背面，等等。襯底支撐130(230、330)可以由金屬材料或非金屬材料制造。襯底支撐130(230、330)可以由非導(dǎo)電材料(例如陶瓷)制造。例如，襯底支撐130(230、330)可以由氧化鋁制造。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，一個(gè)或多個(gè)加熱元件被嵌入在襯底支撐130(230、330)內(nèi)。這一個(gè)或多個(gè)加熱元件可以位于兩個(gè)陶瓷片之間，這兩個(gè)陶瓷片燒結(jié)在一起以形成單片構(gòu)件?；蛘?，第一層陶瓷被熱噴涂到絕熱體上，接著將一個(gè)或多個(gè)加熱元件熱噴涂到第一陶瓷層上，接著將第二陶瓷層熱噴涂到一個(gè)或多個(gè)加熱元件上。利用類似的技術(shù)，其他電極或金屬層可以被插入在襯底支撐130(230、330)內(nèi)。例如，靜電夾緊電極可以被插入在陶瓷層之間并且經(jīng)由燒結(jié)或噴涂技術(shù)形成，如上所述。一個(gè)或多個(gè)加熱元件和靜電夾緊電極可以處于相同平面或不同平面，并且可以實(shí)現(xiàn)為不同電極或者實(shí)現(xiàn)為相同的物理電極?，F(xiàn)在參考圖5，描述根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的襯底夾持器。襯底夾持器400包括具有第一溫度并且被配置來(lái)支撐襯底410的襯底支撐430、位于襯底支撐430下方并且被配置成處于低于第一溫度的第二溫度(例如，低于襯底410的期望溫度)的溫度受控支撐基座420、以及放置在襯底支撐430和溫度受控支撐基座420之間的絕熱體440。另外，襯底支撐430包括與其耦合的一個(gè)或多個(gè)加熱元件431，它們被配置來(lái)升高襯底支撐430的溫度。此外，支撐基座420包括與其耦合的一個(gè)或多個(gè)冷卻元件421，它們被配置來(lái)通過(guò)經(jīng)由絕熱體440從襯底支撐430去除熱量來(lái)降低襯底支撐430的溫度。一個(gè)或多個(gè)加熱元件431可包括加熱流體通道、電阻性加熱元件或者被加偏壓以向晶片傳熱的熱電元件中的至少一種。此外，如圖5所示，一個(gè)或多個(gè)加熱元件431耦合到加熱元件控制單元432。加熱元件控制單元432被配置來(lái)提供對(duì)每個(gè)加熱元件的非獨(dú)立或獨(dú)立控制，并與控制器450交換信息。例如，一個(gè)或多個(gè)加熱元件431可包括一個(gè)或多個(gè)加熱通道，該通道可以允許流體(例如水、Fluorinert、GaldenHT-135等等)以一定流率流過(guò)，以提供傳導(dǎo)-對(duì)流加熱，其中流體溫度已經(jīng)由熱交換器升高。流體流率和流體溫度例如可以由加熱元件控制單元432設(shè)定、監(jiān)視、調(diào)節(jié)和控制。或者，例如，一個(gè)或多個(gè)加熱元件431可包括一個(gè)或多個(gè)電阻性加熱元件，例如鎢絲、鎳-鉻合金絲、鋁-鐵合金絲、氮化鋁絲，等等。可商業(yè)獲得的用來(lái)制造電阻性加熱元件的材料的示例包括Kanthal、Nikrothal、Akrothal，它們是由CT、Bethel的KanthalCorporation生產(chǎn)的金屬合金的注冊(cè)商標(biāo)名。Kanthal族包括鐵素體合金(FeCrAl)，并且Nikrothal族包括奧氏體合金(NiCr、NiCrFe)。例如，加熱元件可包括能夠?qū)崿F(xiàn)400到12450°C的最大工作溫度的可從Watlow(1310KingslandDr.,Batavia,IL,60510)商業(yè)獲得的內(nèi)鑄加熱器，或者包括氮化鋁材料的膜加熱器，該膜加熱器也可從Watlow商業(yè)獲得并且能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)300°C的工作溫度和高達(dá)23.25W/cn^的功率密度。另外，例如，加熱元件可包括能夠?qū)崿F(xiàn)1400W(或者5W/i^的功率密度)的硅橡膠加熱器(1.0mm厚)。當(dāng)電流流經(jīng)加熱絲時(shí)，功率被散發(fā)為熱量，并且因此，加熱元件控制單元432例如可包括可控的DC電源。適合于較低溫度和功率密度的又一加熱器選項(xiàng)是Kapton加熱器，其由嵌入在Kapton(例如，聚酰亞胺)薄片內(nèi)的加熱絲構(gòu)成，該加熱器由MN、Minneapolis的MincoInc.生產(chǎn)?；蛘撸?，一個(gè)或多個(gè)加熱元件431可包括熱電元件陣列，該陣列取決于流經(jīng)各個(gè)元件的電流的方向能夠加熱或冷卻襯底。因而，盡管元件431被稱為"加熱元件"，但是這些元件可包括冷卻的能力以提供溫度之間的快速轉(zhuǎn)變。另外，加熱和冷卻功能可以分別由襯底支撐430內(nèi)的獨(dú)立元件提供。示例性的熱電元件是一種可從AdvancedThermoelectric商業(yè)獲得的型號(hào)ST-127-1.4-8.5M的熱電元件(能夠?qū)崿F(xiàn)72W的最大傳熱功率的40mmX40mmX3.4mm熱電器件)。因此，加熱元件控制單元432例如可包括可控的電流源。一個(gè)或多個(gè)冷卻元件421可包括冷卻通道或熱電元件中的至少一種。此外，如圖5所示，一個(gè)或多個(gè)冷卻元件421耦合到冷卻元件控制單元422。冷卻元件控制單元422被配置來(lái)提供對(duì)每個(gè)冷卻元件421的非獨(dú)立或獨(dú)立控制，并與控制器450交換信息。例如，一個(gè)或多個(gè)冷卻元件421可包括一個(gè)或多個(gè)冷卻通道，該通道可以允許流體(例如水、Fluorinert、GaldenHT-135等等)以一定流率流過(guò)，以提供傳導(dǎo)-對(duì)流冷卻，其中流體溫度已經(jīng)由熱交換器降低。流體流率和流體溫度例如可以由冷卻元件控制單元422設(shè)定、監(jiān)視、調(diào)節(jié)和控制?；蛘?，例如在加熱期間，流經(jīng)一個(gè)或多個(gè)冷卻元件421的流體的流體溫度可以被增大以補(bǔ)充一個(gè)或多個(gè)加熱元件431的加熱。又或者，例如在冷卻期間，流經(jīng)一個(gè)或多個(gè)冷卻元件421的流體的流體溫度可以被減小?；蛘?，例如，一個(gè)或多個(gè)冷卻元件421可包括熱電元件陣列，該陣列取決于流經(jīng)各個(gè)元件的電流的方向能夠加熱或冷卻襯底。因而，盡管元件421被稱為"冷卻元件"，但是這些元件可包括加熱的能力以提供溫度之間的快速轉(zhuǎn)變。另外，加熱和冷卻功能可以由溫度受控支撐基座420內(nèi)的獨(dú)立元件提供。示例性的熱電元件是一種可從AdvancedThermoelectric商業(yè)獲得的型號(hào)ST-127-1.4-8.5M的熱電元件(能夠?qū)崿F(xiàn)72W的最大傳熱功率的40mmX40mmX3.4mm熱電器件)。因此，冷卻元件控制單元422例如可包括可控的電流源。另外，如圖5所示，襯底夾持器400還可包括靜電夾緊裝置(ESC)，ESC包括嵌入在襯底支撐430內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)夾緊電極435。ESC還包括經(jīng)由電連接耦合到夾緊電極435的高電壓(HV)DC電壓源434。這種夾緊裝置的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方式是靜電夾緊系統(tǒng)領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的。此外，HVDC電壓源434耦合到控制器450并且被配置來(lái)與控制器450交換信息。此外，如圖5所示，襯底夾持器400還可包括背面氣體供應(yīng)系統(tǒng)436，該系統(tǒng)436用于通過(guò)至少一根氣體供應(yīng)管線以及多個(gè)孔和通道(未示出)中的至少一個(gè)向襯底410的背面供應(yīng)傳熱氣體(例如包括氦、氬、氙、氪的惰性氣體)、處理氣體或者包括氧、氮或氫在內(nèi)的其他氣體。背面氣體供應(yīng)系統(tǒng)436例如可以是多區(qū)供應(yīng)系統(tǒng)，例如兩區(qū)(中心/邊緣)系統(tǒng)或三區(qū)(中心/中半徑/邊緣)系統(tǒng)，其中背面氣壓可以從中心到邊緣在徑向方向上變化。此外，背面氣體供應(yīng)系統(tǒng)436耦合到控制器450并且被配置來(lái)與控制器450交換信息。另外，如圖5所示，襯底夾持器400還可包括耦合到溫度監(jiān)視系統(tǒng)460的一個(gè)或多個(gè)溫度傳感器462。一個(gè)或多個(gè)溫度傳感器462可以被配置來(lái)測(cè)量襯底410的溫度，或者一個(gè)或多個(gè)溫度傳感器462可以被配置來(lái)測(cè)量襯底支撐430的溫度，或者實(shí)現(xiàn)這兩者。例如，一個(gè)或多個(gè)溫度傳感器462可以被布置來(lái)測(cè)量襯底支撐430的下表面處的溫度(如圖5所示)，或者被被布置來(lái)測(cè)量襯底410的底部的溫度。溫度傳感器可包括光纖溫度計(jì)、光學(xué)高溫計(jì)、帶邊溫度測(cè)量系統(tǒng)、或諸如K型熱電偶之類的熱電偶(由虛線指示)，帶邊溫度測(cè)量系統(tǒng)例如在2002年7月2日提交的未決美國(guó)專利申請(qǐng)10/168544中有所描述，該申請(qǐng)的內(nèi)容通過(guò)引用全部結(jié)合于此。光學(xué)溫度計(jì)的示例包括可從AdvancedEnergiesInc.商業(yè)獲得的型號(hào)為No.OR2000F的光纖溫度計(jì)；可從LuxtronCorporation商業(yè)獲得的型號(hào)為No.M600的光纖溫度計(jì)；或者可從TakaokaElectricMfg.商業(yè)獲得的型號(hào)為No.FT-1420的光纖溫度計(jì)。溫度監(jiān)視系統(tǒng)460可以向控制器450提供傳感器信息以在處理前、處理期間或者處理后調(diào)節(jié)加熱元件、冷卻元件、背面氣體供應(yīng)系統(tǒng)或用于ESC的HVDC電壓源中的至少一個(gè)。控制器450包括微處理器、存儲(chǔ)器和數(shù)字I/O端口(可能包括D/A和/或A/D轉(zhuǎn)換器)，能夠生成控制電壓，該控制電壓足以傳輸并激活到襯底夾持器400的輸入以及監(jiān)視來(lái)自襯底夾持器400的輸出。如圖5所示，控制器450可以耦合到加熱元件控制單元432、冷卻元件控制單元422、HVDC電壓源434、背面氣體供應(yīng)系統(tǒng)436和溫度監(jiān)視系統(tǒng)460，并與之交換信息。存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的程序被用于根據(jù)所存儲(chǔ)的工藝流程與襯底夾持器400的前述組件交互?？刂破?50的一個(gè)示例是可以從Texas,Austin的DellCorporation得到的DELLPRECISIONWORKSTATION640?？刂破?50還可以實(shí)現(xiàn)為通用計(jì)算機(jī)、處理器、數(shù)字信號(hào)處理器等等，這些部件響應(yīng)于控制器450執(zhí)行包含在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)中的一條或多條指令的一個(gè)或多個(gè)序列，而使得襯底夾持器執(zhí)行本發(fā)明的處理步驟中的一部分或全部。計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)或存儲(chǔ)器被配置來(lái)保存根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)編程的指令，并且可包含數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、表、記錄或這里描述的其他數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)的示例是致密盤、硬盤、軟盤、磁帶、磁光盤、PROM(EPROM、EEPROM、閃存EPROM)、DRAM、SRAM、SDRAM、或任何其他磁介質(zhì)、致密盤(例如，CD-ROM)、或任何其他光學(xué)介質(zhì)、穿孔卡、紙帶、或其他具有孔圖案的物理介質(zhì)、載波、或者任何其他計(jì)算機(jī)可讀取的介質(zhì)?？刂破?50可以位于襯底夾持器400本地，或者它可以經(jīng)由因特網(wǎng)或內(nèi)聯(lián)網(wǎng)位于襯底夾持器400遠(yuǎn)處。因而，控制器450可以利用直接連接、內(nèi)聯(lián)網(wǎng)或因特網(wǎng)中的至少一種與襯底夾持器400交換數(shù)據(jù)?？刂破?50可以耦合到在客戶位置(即，器件制造者等)處的內(nèi)聯(lián)網(wǎng)，或者耦合到在供應(yīng)商位置(即，設(shè)備制造商)處的內(nèi)聯(lián)網(wǎng)。此外，另一臺(tái)計(jì)算機(jī)(即，控制器、服務(wù)器等)可以經(jīng)由直接連接、內(nèi)聯(lián)網(wǎng)或因特網(wǎng)中的至少一種訪問(wèn)控制器450以交換數(shù)據(jù)?？蛇x地，襯底夾持器400可包括電極，RF功率通過(guò)該電極耦合到襯底410上方的處理區(qū)域中的等離子體。例如，支撐基座420可以通過(guò)從RF發(fā)生器經(jīng)由阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)向襯底夾持器400發(fā)送RF功率而被電偏置在某一RF電壓。RF偏置可以用來(lái)加熱電子以形成并維持等離子體，或者偏置襯底410以控制入射在襯底410上的離子能量，或者實(shí)現(xiàn)這兩者。在該配置中，系統(tǒng)可以工作為反應(yīng)離子刻蝕(RIE)反應(yīng)器，其中室和上氣體噴射電極用作地表面。用于RF偏置的典型頻率可以從1MHz到100MHz，并且優(yōu)選為13.56MHz?；蛘?，RF功率可以按多個(gè)頻率被施加到襯底夾持器電極。此外，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)可以用來(lái)通過(guò)最小化反射功率來(lái)最大化向處理室中等離子體的功率的傳送?？梢允褂酶鞣N匹配網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?例如，L型、7T型、T型等等)和自動(dòng)控制方法?，F(xiàn)在參考圖6，描述根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的襯底夾持器。襯底夾持器500包括具有第一溫度并且被配置來(lái)支撐襯底510的襯底支撐530、位于襯底支撐530下方并且被配置成處于低于第一溫度的第二溫度(例如，低于襯底510的期望溫度)的溫度受控支撐基座520、以及放置在襯底支撐530和溫度受控支撐基座520之間的絕熱體540。另外，襯底支撐530包括與其耦合的中心加熱元件533(位于襯底510下方的基本中心區(qū)域)和邊緣加熱元件531(位于襯底510下方的基本邊緣或外圍區(qū)域)，并且被配置來(lái)升高襯底支撐530的溫度。此外，支撐基座520包括與其耦合的一個(gè)或多個(gè)冷卻元件521，并且被配置來(lái)通過(guò)經(jīng)由絕熱體540從襯底支撐530去除熱量來(lái)降低襯底支撐530的溫度。如圖6所示，中心加熱元件533和邊緣加熱元件531耦合到加熱元件控制單元532。加熱元件控制單元532被配置來(lái)提供對(duì)每個(gè)加熱元件的非獨(dú)立或獨(dú)立控制，并與控制器550交換信息。16另外，如圖6所示，襯底夾持器500還可包括靜電夾緊裝置(ESC)，ESC包括嵌入在襯底支撐530內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)夾緊電極535。ESC還包括經(jīng)由電連接耦合到夾緊電極535的高電壓(HV)DC電壓源534。這種夾緊裝置的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方式是靜電夾緊系統(tǒng)領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的。此外，HVDC電壓源534耦合到控制器550并且被配置來(lái)與控制器550交換信息。此外，如圖6所示，襯底夾持器500還可包括背面氣體供應(yīng)系統(tǒng)536，該系統(tǒng)536用于通過(guò)兩根氣體供應(yīng)管線以及多個(gè)孔和通道(未示出)中的至少兩個(gè)向襯底510的背面的中心區(qū)域和邊緣區(qū)域供應(yīng)傳熱氣體(例如包括氦、氬、氙、氪的惰性氣體)、處理氣體或者包括氧、氮或氫在內(nèi)的其他氣體。如圖所示，背面氣體供應(yīng)系統(tǒng)536包括兩區(qū)(中心/邊緣)系統(tǒng)，其中背面氣壓可以從中心到邊緣在徑向方向上變化。此外，背面氣體供應(yīng)系統(tǒng)536耦合到控制器550并且被配置來(lái)與控制器550交換信息。另外，如圖6所示，襯底夾持器500還包括用于測(cè)量襯底510下方的基本中心區(qū)域的溫度的中心溫度傳感器562和用于測(cè)量襯底510下方的基本邊緣區(qū)域的溫度的邊緣溫度傳感器564。中心和邊緣溫度傳感器562、564耦合到溫度監(jiān)視系統(tǒng)560?，F(xiàn)在參考圖8，圖8給出了根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例描述方法700的流程圖，方法700是在處理系統(tǒng)中控制襯底夾持器上的襯底溫度的方法。例如，溫度控制方案可以涉及多個(gè)處理步驟，以用于具有例如在圖1至6中所描述的襯底夾持器的處理系統(tǒng)中的一種工藝。方法700開始于710，在710中，在襯底夾持器上放置襯底。襯底夾持器包括多個(gè)溫度傳感器，這多個(gè)溫度傳感器至少報(bào)告襯底和/或襯底夾持器的內(nèi)區(qū)域和外區(qū)域處的溫度。另外，襯底夾持器包括具有分別加熱內(nèi)區(qū)域和外區(qū)域的第一加熱元件和第二加熱元件的襯底支撐，以及具有用于冷卻內(nèi)區(qū)域和外區(qū)域的冷卻元件的支撐基座。第一和第二加熱元件以及冷卻元件由溫度控制系統(tǒng)控制，以將襯底夾持器維持在可選擇的設(shè)定點(diǎn)溫度。此外，襯底夾持器包括放置在襯底支撐和支撐基座之間的絕熱體。在720中，襯底被設(shè)定到第一溫度分布特性。利用溫度控制系統(tǒng)，選擇用于基座支撐的第一基座溫度(該溫度低于第一溫度分布特性(例如，襯底溫度))、以及第一內(nèi)設(shè)定點(diǎn)溫度和第一外設(shè)定點(diǎn)溫度。其后，溫度控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)冷卻元件以及第一和第二加熱元件以實(shí)現(xiàn)所選的溫度，如上所述。在730中，襯底被設(shè)定到第二溫度分布特性。利用溫度控制系統(tǒng)，選擇用于基座支撐的第二基座溫度以及第二內(nèi)設(shè)定點(diǎn)溫度和第二外設(shè)定點(diǎn)溫度。其后，溫度控制系統(tǒng)將襯底溫度從第一溫度分布特性(即，第一內(nèi)和外設(shè)定點(diǎn)溫度)改變到第二溫度分布特性(即，第二內(nèi)和外設(shè)定點(diǎn)溫度)，這是通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)的可選地調(diào)節(jié)冷卻元件以將第一基座溫度改變到第二基座溫度并且調(diào)節(jié)內(nèi)和外加熱元件，直到達(dá)到了第二內(nèi)和外設(shè)定點(diǎn)溫度。在一個(gè)示例中，襯底溫度被從第一溫度分布特性增大(或減小)到第二溫度分布特性，而第二基座溫度保持與第一基座溫度相同。傳遞到內(nèi)和外加熱元件的功率被增大(或減小)，以將襯底從第一溫度分布特性加熱(或冷卻)到第二溫度分布特性。在另一個(gè)示例中，襯底溫度被從第一溫度分布特性增大(或減小)到第二溫度分布特性，而第二基座溫度被改變到與第一基座溫度不同的值。傳遞到內(nèi)和外加熱元件的功率被增大(或減小)，以將襯底從第一溫度分布特性加熱(或冷卻)到第二溫度分布特性，而傳遞到冷卻元件的功率被增大(或減小)，以將第一基座溫度改變到第二基座溫度。因而，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，支撐基座的溫度被改變以輔助襯底支撐來(lái)控制襯底的溫度。本發(fā)明的發(fā)明人認(rèn)識(shí)到，支撐基座溫度的這種變化可以提供更精確和/或快速的襯底的溫度改變。溫度控制系統(tǒng)采用控制算法來(lái)響應(yīng)于由溫度監(jiān)視系統(tǒng)提供的測(cè)量值穩(wěn)定地調(diào)節(jié)溫度?？刂扑惴ɡ缈砂≒ID(比例、積分和求導(dǎo))控制器。在PID控制器中，S域(即，拉普拉斯空間)中的變換函數(shù)可以表達(dá)為Gc(s)=Kp+KDs+KlS"(1)其中KP、Kd和Kz是常數(shù)，在這里稱為PID參數(shù)集。控制算法的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是選擇PID參數(shù)集以實(shí)現(xiàn)溫度控制系統(tǒng)的期望性能。參考圖7A，示出了若干個(gè)示例性的溫度隨時(shí)間的變化曲線，以圖示不同的PID參數(shù)集如何導(dǎo)致不同的溫度響應(yīng)。在每種情況下，溫度被從第一值增大到第二值。第一溫度隨時(shí)間的變化曲線601圖示了例如具有相對(duì)較低的Ki值的相對(duì)積極的控制方案，其中時(shí)間變化曲線表現(xiàn)出"過(guò)沖"和過(guò)沖之后的一系列振蕩。第二溫度隨時(shí)間的變化曲線602圖示了例如具有相對(duì)較高的KJ直的積極性相對(duì)較低的控制方案，其中時(shí)間變化曲線表現(xiàn)出向第二溫度的相對(duì)較慢的、逐漸的增大。第三溫度隨時(shí)間的變化曲線603圖示了例如具有介于時(shí)間變化曲線601和時(shí)間變化曲線602之間的KJ直的期望的積極性中等的控制方案，其中時(shí)間變化曲線表現(xiàn)出向第二溫度的相對(duì)較快的增大，而沒有過(guò)沖。然而，本發(fā)明的發(fā)明人認(rèn)識(shí)到，僅使用一個(gè)PID參數(shù)集并不足以提供穩(wěn)定性和升高速率的期望條件。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，兩個(gè)或更多個(gè)PID參數(shù)集被用于實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度在初始值和最終值之間的快速且穩(wěn)定調(diào)節(jié)。圖7B圖示了利用兩個(gè)PID參數(shù)集示例性的溫度隨時(shí)間的變化曲線600。第一PID參數(shù)集被用于第一持續(xù)時(shí)間622，并且第二PID參數(shù)集被用于第二持續(xù)時(shí)間624。第一持續(xù)時(shí)間622可以通過(guò)設(shè)定距溫度的最終值的溫度偏移量620來(lái)確定。例如，溫度偏移量可以為初始值和最終值之間的溫度差的大約50%到99%。另外，例如，溫度偏移量可以為初始值和最終值之間的溫度差的大約70%到95%，并且優(yōu)選地，溫度偏移量可以為大約80。％到95%。例如，相對(duì)積極的PID參數(shù)集可以用于第一持續(xù)時(shí)間622，而積極性相對(duì)較低的PID參數(shù)集可以用于第二持續(xù)時(shí)間624?；蛘?，例如，PID參數(shù)Kd從第一PID集到第二PID集可以被增大，PID參數(shù)Kj人第一PID集到第二PID集可以被減小，或者實(shí)現(xiàn)這兩者的組合。盡管以上只詳細(xì)描述了本發(fā)明的某些實(shí)施例，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將很容易意識(shí)到，在實(shí)施例中可以進(jìn)行許多修改，而本質(zhì)上并不脫離本發(fā)明的新穎教導(dǎo)和優(yōu)點(diǎn)。因此，所有這些修改都應(yīng)當(dāng)被包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。權(quán)利要求1.一種用于在處理系統(tǒng)中支撐襯底的襯底夾持器，包括具有第一溫度的溫度受控支撐基座；與所述溫度受控支撐基座相對(duì)并且被配置來(lái)支撐所述襯底的襯底支撐；一個(gè)或多個(gè)耦合到所述襯底支撐的加熱元件，其被配置來(lái)將所述襯底支撐加熱到高于所述第一溫度的第二溫度；以及放置在所述溫度受控支撐基座和所述襯底支撐之間的絕熱體，其中所述絕熱體包括經(jīng)過(guò)所述溫度受控支撐基座和所述襯底支撐之間的所述絕熱體的傳熱系數(shù)(W/m2-K)的非均勻空間變化。2.如權(quán)利要求1所述的襯底夾持器，其中所述傳熱系數(shù)在所述絕熱體的基本中央?yún)^(qū)域和所述絕熱體的基本邊緣區(qū)域之間沿徑向方向變化。3.如權(quán)利要求1所述的襯底夾持器，其中所述絕熱體包括所述絕熱體的熱導(dǎo)率(W/m-K)的非均勻空間變化。4.如權(quán)利要求3所述的襯底夾持器，其中所述熱導(dǎo)率在所述絕熱體的基本中央?yún)^(qū)域和所述絕熱體的基本邊緣區(qū)域之間沿徑向方向變化。5.如權(quán)利要求4所述的襯底夾持器，其中所述熱導(dǎo)率在第一值和第二值之間變化，所述第一值介于大約0.2W/m-K和大約0.8W/m-K之間，所述第二值介于大約0.2W/m-K和大約0.8W/m-K之間。6.如權(quán)利要求4所述的襯底夾持器，其中所述熱導(dǎo)率在所述絕熱體的基本中央?yún)^(qū)域大約為0.2W/m-K，并且所述熱導(dǎo)率在所述絕熱體的基本邊緣區(qū)域大約為0.8W/m-K。7.如權(quán)利要求4所述的襯底夾持器，其中所述熱導(dǎo)率的變化基本發(fā)生在所述絕熱體的大約中半徑區(qū)域和所述絕熱體的外圍區(qū)域之間。8.如權(quán)利要求4所述的襯底夾持器，其中所述絕熱體的厚度是基本均勻的。9.如權(quán)利要求1所述的襯底夾持器，其中所述絕熱體包括所述絕熱體的厚度的非均勻空間變化。10.如權(quán)利要求9所述的襯底夾持器，其中所述絕熱體在所述絕熱體的基本中央?yún)^(qū)域比在所述絕熱體的基本邊緣區(qū)域相對(duì)要薄。11.如權(quán)利要求9所述的襯底夾持器，其中所述絕熱體的熱導(dǎo)率是基本均勻的。12.如權(quán)利要求1所述的襯底夾持器，其中所述一個(gè)或多個(gè)加熱元件被嵌入在所述襯底支撐內(nèi)。13.如權(quán)利要求1所述的襯底夾持器，其中所述一個(gè)或多個(gè)加熱元件包括一個(gè)或多個(gè)電阻性加熱元件、或者一個(gè)或多個(gè)熱電器件，或者其組合。14.如權(quán)利要求1所述的襯底夾持器，其中所述一個(gè)或多個(gè)加熱元件包括位于所述襯底支撐的基本中央?yún)^(qū)域的第一加熱元件和位于所述襯底支撐的基本邊緣區(qū)域的第二加熱元件。15.如權(quán)利要求1所述的襯底夾持器，其中所述襯底支撐包括嵌入在其中的夾緊電極，所述夾緊電極被配置來(lái)將襯底電夾緊到所述襯底支撐。16.如權(quán)利要求15所述的襯底夾持器，其中所述夾緊電極和所述一個(gè)或多個(gè)加熱元件被嵌入在所述襯底支撐內(nèi)。17.如權(quán)利要求16所述的襯底夾持器，其中所述夾緊電極和所述一個(gè)或多個(gè)加熱元件基本位于相同平面中。18.如權(quán)利要求16所述的襯底夾持器，其中所述夾緊電極和所述一個(gè)或多個(gè)加熱元件位于不同平面中。19.如權(quán)利要求16所述的襯底夾持器，其中所述夾緊電極和所述一個(gè)或多個(gè)加熱元件包括相同的物理電極。20.如權(quán)利要求15所述的襯底夾持器，其中所述襯底支撐包括一個(gè)或多個(gè)開口，通過(guò)該開口傳熱氣體可以被提供到設(shè)在所述襯底支撐的上表面上的襯底的背面。21.如權(quán)利要求1所述的襯底夾持器，其中所述絕熱體包括由聚合物、塑料或陶瓷制成的膠粘劑。22.—種用于在處理系統(tǒng)中支撐襯底的襯底夾持器，包括具有第一溫度的溫度受控支撐基座；與所述溫度受控支撐基座相對(duì)并且被配置來(lái)支撐所述襯底的襯底支撐；一個(gè)或多個(gè)耦合到所述襯底支撐的加熱元件，其被配置來(lái)將所述襯底支撐加熱到高于所述第一溫度的第二溫度；以及用于提供所述溫度受控支撐基座和所述襯底支撐之間的傳熱系數(shù)(W/m2-K)的非均勻空間變化的裝置。全文摘要一種用于在處理系統(tǒng)中支撐襯底的襯底夾持器包括具有第一溫度的溫度受控支撐基座以及與溫度受控支撐基座相對(duì)并且被配置來(lái)支撐襯底的襯底支撐。還包括耦合到襯底支撐的一個(gè)或多個(gè)加熱元件，這一個(gè)或多個(gè)加熱元件被配置來(lái)將襯底支撐加熱到高于第一溫度的第二溫度，還包括放置在溫度受控支撐基座和襯底支撐之間的絕熱體。絕熱體包括經(jīng)過(guò)溫度受控支撐基座和襯底支撐之間的絕熱體的傳熱系數(shù)(W/m²-K)的非均勻空間變化。文檔編號(hào)H05B3/68GK101682937SQ200780035454公開日2010年3月24日申請(qǐng)日期2007年8月17日優(yōu)先權(quán)日2006年9月25日發(fā)明者埃里克·J·施特朗,塚本雄二申請(qǐng)人:東京毅力科創(chuàng)株式會(huì)社