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CN111902923B - 具有改进的温度控制的半导体处理设备 - Google Patents

具有改进的温度控制的半导体处理设备 Download PDF

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CN111902923B
CN111902923B CN201980020122.8A CN201980020122A CN111902923B CN 111902923 B CN111902923 B CN 111902923B CN 201980020122 A CN201980020122 A CN 201980020122A CN 111902923 B CN111902923 B CN 111902923B
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Abstract

一种用于半导体处理腔室的基座，包括：第一主体，第一主体包括陶瓷材料，其中多个加热器元件封装在第一主体内；及第二主体，第二主体包括陶瓷材料，其中一个或多个连续弯曲的凹槽形成在第二主体的一个或多个表面中，且其中第一主体耦接于第二主体并且包围凹槽。

Description

具有改进的温度控制的半导体处理设备
背景
技术领域
本文所揭示的实施例总体上涉及半导体处理腔室，并且更具体地涉及用于具有多区域温度控制的半导体处理腔室的加热支撑基座。
背景技术
半导体处理涉及许多不同的化学和物理处理，使得能够在基板上产生微小的集成电路。通过化学气相沉积、物理气相沉积、外延生长等来产生构成集成电路的材料层。使用光刻胶掩模和湿式或干式蚀刻技术，来图案化一些材料层。用于形成集成电路的基板可以是硅、砷化镓、磷化铟、玻璃、或其他合适的材料。
在集成电路的制造中，等离子体处理经常用于各种材料层的沉积或蚀刻。等离子体处理与热处理相比具有许多优点。例如，等离子体增强化学气相沉积(PECVD)允许沉积处理在比在类似热处理中可实现的更低温度和更高沉积速率下执行。因此，PECVD对于具有严格热预算的集成电路制造是有利的，诸如对于超大型或极大规模集成电路(VLSI或ULSI)器件制造。
在这些处理中所使用的处理腔室典型包括设置在其中的基板支撑件或基座，以在处理期间支撑基板。在一些处理中，基座可包括嵌入式加热器，其适于调节和控制基板的温度和/或提供可用于处理的升高的温度。传统上，基座可由陶瓷材料来制成，其通常提供期望的器件制造结果。
然而，陶瓷基座产生许多挑战。这些挑战中的一者是多区域加热和/或对区域中的一者或多者的精确温度控制。此外，与诸如铝的其他材料相比，陶瓷材料可能不容易加工，并且对于在其中形成用于电性引线和/或用于嵌入式温度感测装置的凹槽产生制造挑战。
因此，需要的是一种基座，该基座可以被制造成从一个制造的基座到另一个对分开供电的加热区域提供精确和一致的温度控制。
发明内容
本文所提供的本揭示的实施例包括加热基座和其形成方法。在一个实施例中，用于半导体处理腔室的基座包括：第一主体，第一主体包括包含第一表面的陶瓷材料，多个加热器元件封装在第一主体内；及第二主体，第二主体包括具有一个或多个连续弯曲的凹槽的陶瓷材料，一个或多个连续弯曲的凹槽形成在第二主体的一个或多个表面中，并且第一主体耦接到第二主体，并且第一主体的第一表面定位成包围一区域，该区域由形成在第二主体的一个或多个表面中的凹槽和第一表面的一部分来限定。
在一个实施例中，用于半导体处理腔室的基座包括：第一主体和第二主体，第一主体包括陶瓷材料，第二主体包括陶瓷材料；多个加热器元件，多个加热器元件封装在第一主体内；及一个或多个连续弯曲的凹槽，一个或多个连续弯曲的凹槽形成在第一主体或第二主体的一个或多个表面中，其中第一主体耦接到第二主体并且包围凹槽；及温度监测装置，温度监测装置设置在一个或多个连续弯曲的凹槽内
在一个实施例中，用于半导体处理腔室的基座包括：第一主体，第一主体包括包含第一表面的陶瓷材料，多个加热器元件封装在第一主体内；及第二主体，第二主体包括陶瓷材料和定位于第二主体的中心中的中心孔，其中一个或多个弯曲的凹槽形成在第二主体的一个或多个表面中，且其中第一主体耦接到第二主体，并且第一主体的第一表面定位成包围一区域，该区域由形成在第二主体的一个或多个表面中的凹槽和第一表面的一部分来限定。
附图说明
为了可详细地理解本揭示的上述特征的方式，可通过参考实施例获得上文所简要概述的更具体的描述，其中一些实施例在附图中示出。然而，应注意的是，附图仅示出了典型的实施例，并且因此不应视为限制其范围，因为本文所揭示的实施例可允许其他同等有效的实施例。
图1是等离子体系统的一个实施例的局部剖视图。
图2是可用于图1的等离子体系统的基座的一个实施例的等距分解剖视图。
图3是沿着图2中的截面线3-3截取的基座的顶视图。
图4是沿着图3中的截面线4-4截取的基座的剖视图。
为便于理解，在可能的情况下，已使用相同的参考标号来表示图中共有的相同元件。可预期的是，在一个实施例中所揭示的元件可有利地用于其他实施例而无需特定叙述。
具体实施方式
下文参考等离子体腔室来说明性描述本揭示的实施例，但是本文所述的实施例可用于其他腔室类型和用于多个不同的基板改变工艺。在一个实施例中，等离子体腔室用于等离子体增强化学气相沉积(PECVD)系统。可适于从本揭示获益的PECVD系统的示例包括SE CVD系统、GTTM CVD系统、或CVD系统，所有这些系统均可从在加州圣克拉拉市的应用材料公司商业获得。SE CVD系统腔室(例如，200mm或300mm)具有两个隔离的处理区域，可用于在基板上沉积薄膜，诸如导电膜、氧化物膜(诸如，氧化硅膜)、碳掺杂氧化硅、及其他材料。可预期的是，本文所揭示的实施例可用于有利其他等离子体处理腔室中，包括蚀刻腔室、离子注入腔室、等离子体处理腔室、及抗蚀剂剥离腔室等。还预期的是，本文所揭示的实施例可用于有利其他热处理腔室中。进一步预期的是，本文所揭示的实施例可用于有利可从其他制造商获得的热处理和/或等离子体处理腔室。
图1是根据一个实施例的处理腔室100的示意性剖视图。处理腔室100包括腔室主体，腔室主体具有腔室盖组件102和腔室壁108。在至少一个腔室壁108内，可存在一个或多个狭缝阀开口122，以允许将基板106插入处理空间116和从处理空间116移除基板106。处理空间116可由狭缝阀开口122、腔室壁108、基板106、及扩散板110来限制。在一个实施例中，扩散板110可由电源来偏压。基板106可设置在支撑件组件上，诸如基座104，具有第一部分132、第二部分134、及通过凸缘133耦接于第二部分的杆126。基座104可上下平移以必要时升高和降低基板106。
可将气体引入在扩散板110与腔室盖组件102之间称为气室114的区域。因为由气体通道112的存在所提供的气流限制，所以气体可均匀地分布在气室114内，气体通道112从扩散板的上游侧118延伸通到下游侧120。
图2是可用于图1的处理腔室100的基座104的一个实施例的分解剖视图。作为示例，基座104包括三区域加热器，该三区域加热器具有由相应的加热器元件205A、205B、及205C供电的中央区域200A、中间区域200B、及外部区域200C。基座128包括第一部分132、第二部分134、及杆126，杆126经配置为管状构件或空心轴。杆126通过凸缘133耦接于基座104。在一个实施例中，基座104的第一部分132和第二部分134以及杆126是由陶瓷材料制成。
加热器元件205A、205B、及205C可用于在基座104上提供多个独立控制的加热区域。例如，基座104可包括：经配置为中央区域200A的第一加热区域、第二加热区域或中间区域200B、以及示为外部区域200C的第三加热区域。第一部分132还可在其中包括电极210，用于在基座104的上表面上方所形成的相邻处理区域中的等离子体产生。电极210可以是嵌入形成基座104的主体的第一部分132中的网状材料或导电板。同样地，中央加热器元件205A、中间加热器元件205B、及外部加热器元件205C中的每一者可由嵌入基座104的第一部分132中的电线或其他电性导体来形成。
用于中央加热器元件205A、中间加热器元件205B、及外部加热器元件205C以及电极210的电性引线(诸如电线)被提供成通过杆126并且进入中心孔220中。另外，如图2所示，可将温度监测装置218A和218B(诸如柔性热电偶或RTD)穿过杆126、第二部分134的中心孔220并且进入在第二部分134中所形成的凹槽235A和235B，以在处理期间监测基座104的各个区域的温度。在图2中，温度监测装置218A和218B分别相对于凹槽235A和235B来示出。在一个实施例中，如图2所示，凹槽235A和235B是弯曲的并且是在形成基座104的主体的第二部分134内。或者，在未示出的另一实施例中，凹槽235A和235B是弯曲的并且定位在形成基座104的主体的第一部分132内。在图2的分解剖视图中未示出的其他凹槽可形成在第一部分132或第二部分134两者之一中，以包含用于连接到中央加热器元件205A、中间加热器元件205B、及外部加热器元件205C以及电极210的电性引线。
温度监测装置218A和218B是柔性热电偶，用于分别监测三区域加热器的外部区域200C和中间区域200B的温度。柔性热电偶的柔性特性允许柔性热电偶在安装期间与凹槽235A和235B的曲线一致。可提供分开的中央温度监测装置(未示出)通过杆126和中心孔220以监测中央区域200A。分开的中央温度监测装置可以是热电偶或电阻温度计(RTD)。
如上文陈述，基座104包括陶瓷材料。可在烧结陶瓷材料之前，将凹槽235A和235B形成在第二部分134的上表面240中。然后，可将也由陶瓷材料制成的基座104的第一部分132结合到第二部分134的上表面240，包围凹槽235A和235B，除了在与中心孔220交叉处发现的凹槽235A和235B的端部分之外。可将第一部分132和第二部分134通过低温/低压结合处理(诸如玻璃相结合处理)结合在一起。因为烧结温度可能导致凹槽235A和235B变形或塌陷，所以低温/低压结合处理提供了对凹槽235A和235B的尺寸的维持。然后，还可将也由陶瓷材料制成的杆126通过低温/低压结合处理结合到第二部分134。一旦结合完成，温度监测装置218A和218B可插入杆126的内径中且穿过第二部分134的中心孔220，并且然后插入基座104的弯曲的凹槽235A和235B中。因为弯曲的凹槽235A和235B的非直线形状和由温度监测装置所提供的自然抗弯曲性，所以每个温度监测装置218A和218B的温度感测部分218C和218D(例如，热电偶端)被压靠着它们相应的弯曲的凹槽的侧壁。温度监测装置的温度感测部分将倾向于被推压且因此接触离弯曲的凹槽的曲率半径的原点最远的侧壁。还相信的是，当温度监测装置插入凹槽中时，由温度监测装置的弯曲阻力所产生的力将倾向于改进温度监测装置的感测部分与基座的第一或第二部分的热接触。温度监测装置的改进的热接触将改进在处理腔室100中的温度控制系统在基板处理活动期间监测和控制基座104中的温度超过传统设计的能力，在该传统设计中温度监测装置的温度感测部分在其定位在传统设计的基座的区域内时是不受控制的。温度监测装置的改进的热接触还可改进从一个制造的基座到另一个提供的温度测量的可靠性和/或可重复性，是因为从一个制造的基座到另一个在温度监测装置的感测部分处的热接触电阻的较小变化，是因为每个温度监测装置的温度感测部分在它们相应的凹槽内的更可重复的位置。
如上文注意到，与传统加热器设计相比，放置温度监测装置218A和218B穿过中心孔220和在弯曲的凹槽235A和235B内提供了外部区域200C和中间区域200B的增强温度测量。例如，在传统加热器中，加热器的外部区域的温度监测是基于监测嵌入加热器中的加热组件的电阻。使用加热组件的传统电阻系数，将难以在低温(例如，低于约摄氏300度，用于一些膜沉积处理)中进行温度监测。然而，利用凹槽235A和235B及对应的温度监测装置218A和218B，提供了比使用加热组件的电阻系数所提供的更精确和可重复的温度测量。此增强温度监测在外部区域200C和中间区域200B中提供更精确的温度度量，尤其是在低温下和/或当基座温度快速变化时。因此，由温度监测装置218A和218B所提供的温度监测还可促进在高温或低温下更快的温度测量响应时间，使得可实现跨基座104的期望温度分布。跨基座104的期望温度分布提供了在基板上的期望温度分布，其增加了基板上所沉积的膜的均匀性。
图3示出了沿着图2中的截面线3-3截取的基座104的平面图。为清楚起见，图3示出了包括在图2中未示出的截面部分的基座104的第二部分134的平面图。凹槽235A和235B显示在第二部分134的上表面240中且具有连续的曲线或弧线。凹槽235A和235B显示为弧线的形状，具有基于半径R的连续曲率，半径R是从半径原点O开始测量的。当温度监测装置218A和218B压靠着弯曲的凹槽235A和235B的侧壁355时，凹槽235A和235B的曲率提供了温度监测装置218A和218B的增强接触。温度监测装置218A和218B示为从第二部分134的中心孔220定位且进入凹槽235A和235B中。凹槽235A和235B各自形成从中心孔220开始沿着至少一个半径R的连续曲线。凹槽235A和235B的至少一个半径R可以是在约0.5英寸与约50英寸之间，诸如在约1.0英寸与10英寸之间，诸如在约3.0英寸与5.0英寸之间。在一些实施例中，凹槽235A和235B的连续曲线具有变化的曲率，其可经配置以更佳地控制温度监测装置218A和218B的温度感测部分在基座的某些部分内的热接触。在一个示例中，当凹槽延伸远离中心孔220时，凹槽的曲率半径将减小，使得温度监测装置的温度感测部分的热接触将随着其从中心孔220插入凹槽中而增加(例如，接触力增加)。弯曲的凹槽235A和235B在基座104的第二部分134内的位置可根据需要来定位，以避免基座104的其他特征，诸如升降销孔、用于加热器元件205A-205C的电性端子和线、及电极210。在凹槽235A和235B的侧壁355与温度监测装置218A或218B的温度感测部分218C和218D之间的接触的优点包括更快的响应时间和可重复的温度读数，这是因为温度监测装置218A和218B没有通过气隙或真空隙与凹槽表面间隔开，其可导致读数不精确或不可靠。另外，由温度监测装置的温度感测部分对弯曲的凹槽的壁所产生的力有助于在基板处理系统内制造和/或安装基座期间维持温度监测装置在凹槽内的位置。该配置在低温应用(即，低于摄氏300度)中特别有用，并且在温度控制回路中也可以是有益的。
图4示出了沿着图3中的弯曲的截面线4-4截取的基座104的剖视图。为了清楚起见和参考相关实施例，提供了包括第一部分132、第二部分134、及杆126的基座104的横截面。温度监测装置218A(诸如柔性热电偶)位于第二部分134的连续弯曲的凹槽235A内，弯曲的凹槽确保在温度监测装置218A与槽235A的壁之间的接触。温度监测装置218A在弯曲的凹槽235A内的位置可基于在基座104内的期望测量位置来选择，并且与加热区域200B或200C中的一者相关联。可基于期望响应时间、避免加热组件干扰、或其他原因，来选择测量位置。在一些实施例中，温度监测装置218A的端部可以在一个或多个加热区域200B或200C中的中心处或附近，并且在第一部分132内的加热器元件205B或205C下方。在其他实施例中，温度监测装置218A的端部可以在一个或多个区域中偏离中心。当已知温度监测装置的特定长度和凹槽的长度时，温度监测装置在凹槽内的精确定位是容易完成的。例如，当已知在基座内的凹槽的长度且已知加热组件在基座内的位置时，可将具有期望长度的温度监测装置218A插入杆126中，使得其末端定位在凹槽235A中相对于加热元件的期望位置。在一些实施例中，期望的是，将温度监测装置定位成使得温度感测部分不位于凹槽的端部处或邻接凹槽的端部(例如，凹槽的距离中心孔220最远的区域)。如本文所述的基座的实施例还使得温度监测装置218A的更换变得容易，使得如果需要的话可使用不同长度的温度监测装置218A来改变测量位置。
本文所述的基座的实施例提供了多区域加热器，其为温度监测装置提供了更佳接触，提供更精确的读数以及更宽范围的温度测量。还增强了低温测量，其增加了加热器对低温膜形成处理的适用性。
虽然前述内容是针对本揭示的实施例，但是可在不背离本揭示的基本范围的情况下设计本揭示的其他和进一步的实施例，并且本揭示的范围是由所附权利要求书来确定。

Claims (15)

1.一种用于半导体处理腔室的基座，包括：
第一主体，所述第一主体包括包含第一表面的陶瓷材料，其中多个加热器元件封装在所述第一主体内；以及
第二主体，所述第二主体包括陶瓷材料，所述第二主体具有形成在所述第二主体的一个或多个表面中的一个或多个连续弯曲的凹槽，所述一个或多个连续弯曲的凹槽具有底壁和连续弯曲的侧壁；以及
柔性温度监测装置，所述柔性温度监测装置设置在所述一个或多个连续弯曲的凹槽内，所述柔性温度监测装置具有设置在所述柔性温度监测装置的端部的温度感测部分，其中：
所述第一主体耦接到所述第二主体，
所述第一主体的所述第一表面定位成包围一区域，所述区域由形成在所述第二主体的所述一个或多个表面中的所述一个或多个连续弯曲的凹槽和所述第一表面的一部分来限定，所述第一表面的所述部分形成所述一个或多个连续弯曲的凹槽的顶壁，以及
其中所述柔性温度监测装置和所述温度感测部分连续定位成靠着所述一个或多个连续弯曲的凹槽中的一者或多者的连续弯曲的侧壁，在所述柔性温度监测装置和与所述一个或多个连续弯曲的凹槽中的所述一者或多者的所述连续弯曲的侧壁相对的侧壁之间提供间隙，
其中，所述一个或多个连续弯曲的凹槽中的一者或多者的连续弯曲的侧壁具有变化的曲率，其经配置以控制所述柔性温度监测装置的温度感测部分在所述凹槽内的热接触。
2.如权利要求1所述的基座，其中所述温度监测装置是柔性热电偶。
3.如权利要求1所述的基座，其中所述一个或多个连续弯曲的凹槽中的一者或多者具有恒定的半径。
4.如权利要求1所述的基座，其中所述一个或多个连续弯曲的凹槽中的一者或多者的半径在0.5英寸与50.0英寸之间。
5.如权利要求1所述的基座，其中所述一个或多个连续弯曲的凹槽中的一者或多者的半径在3.0英寸与5.0英寸之间。
6.一种用于半导体处理腔室的基座，包括：
第一主体和第二主体，所述第一主体包括陶瓷材料，所述第二主体包括陶瓷材料；
多个加热器元件，所述多个加热器元件封装在所述第一主体内；
一个或多个连续弯曲的凹槽，所述一个或多个连续弯曲的凹槽形成在所述第一主体或所述第二主体的一个或多个表面中，其中所述第一主体耦接到所述第二主体并且包围所述一个或多个连续弯曲的凹槽，所述一个或多个连续弯曲的凹槽具有顶壁、底壁和连续弯曲的侧壁；以及
柔性温度监测装置，所述柔性温度监测装置具有温度感测部分，所述柔性温度监测装置和所述温度感测部分设置在所述一个或多个连续弯曲的凹槽内并且连续定位成沿着所述柔性温度监测装置和所述温度感测部分的长度靠着所述一个或多个连续弯曲的凹槽中的一者或多者的连续弯曲的侧壁，在所述柔性温度监测装置和与所述一个或多个连续弯曲的凹槽中的所述一者或多者的所述连续弯曲的侧壁相对的侧壁之间提供间隙，
其中，所述一个或多个连续弯曲的凹槽中的一者或多者的连续弯曲的侧壁具有变化的曲率，其经配置以控制所述柔性温度监测装置的温度感测部分在所述凹槽内的热接触。
7.如权利要求6所述的基座，其中所述温度监测装置是柔性热电偶。
8.如权利要求6所述的基座，其中所述一个或多个连续弯曲的凹槽中的一者或多者具有恒定的半径。
9.如权利要求6所述的基座，其中所述一个或多个连续弯曲的凹槽中的一者或多者的半径在0.5英寸与50.0英寸之间。
10.如权利要求6所述的基座，其中所述一个或多个连续弯曲的凹槽中的一者或多者的半径在3.0英寸与5.0英寸之间。
11.一种用于半导体处理腔室的基座，包括：
第一主体，所述第一主体包括包含第一表面的陶瓷材料，其中多个加热器元件封装在所述第一主体内；
第二主体，所述第二主体包括陶瓷材料和定位于所述第二主体的中心中的中心孔，其中一个或多个弯曲的凹槽具有底壁和弯曲的侧壁并且形成在所述第二主体的一个或多个表面中；以及
温度监测装置，所述温度监测装置设置在所述一个或多个弯曲的凹槽内，所述温度监测装置具有温度感测部分，其中：
所述第一主体耦接到所述第二主体，
所述第一主体的所述第一表面定位成包围一区域，所述区域由形成在所述第二主体的所述一个或多个表面中的所述一个或多个弯曲的凹槽和所述第一表面的一部分来限定，所述第一表面的所述部分形成所述一个或多个连续弯曲的凹槽的顶壁，以及
其中所述温度监测装置和所述温度感测部分连续定位成沿着所述温度监测装置和所述温度感测部分的长度靠着所述一个或多个弯曲的凹槽中的一者或多者的弯曲的侧壁，在所述温度监测装置和与所述一个或多个连续弯曲的凹槽中的所述一者或多者的所述连续弯曲的侧壁相对的侧壁之间提供间隙，
其中，所述一个或多个连续弯曲的凹槽中的一者或多者的连续弯曲的侧壁具有变化的曲率，其经配置以控制所述温度监测装置的温度感测部分在所述凹槽内的热接触。
12.如权利要求11所述的基座，其中所述一个或多个弯曲的凹槽中的一者或多者是连续弯曲的凹槽。
13.如权利要求12所述的基座，其中所述连续弯曲的凹槽具有恒定的半径。
14.如权利要求11所述的基座，其中所述温度监测装置是柔性热电偶。
15.如权利要求11所述的基座，其中所述一个或多个弯曲的凹槽中的一者或多者具有恒定的半径。
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