專利名稱：通過轉動耦合環而形成的靜電吸盤和熱邊環之間的可調節熱接觸的制作方法
技術領域：
本發明通常涉及用于半導體、數據存儲器、平板顯示器以及相關的或其他工業中的處理器材的領域。更具體地，本發明涉及一種系統，其用于增強基于等離子的處理工具中所用的靜電吸盤的性能。
背景技術：
自幾十年前集成電路(IC)設備的首次引入以來，半導體設備的幾何結構(即， 集成電路設計規則)在尺寸上已經得到了巨大的縮小。IC通常遵循“摩爾定律”，這意味著單塊集成電路芯片上裝配的設備數量每兩年就翻一番。如今的IC裝配設施一般生產 65nm(0. 065 μ m)特征尺寸的設備，并且未來的制造很快將生產具有甚至更小的特征尺寸的設備。隨著IC設計尺寸的縮小，半導體制造中的一個增長趨勢是將單晶圓處理用于各種各樣的裝配步驟，包括等離子蝕刻和沉積室。單晶圓反應器必須被設計成在處理過程中不引人注目地保護晶圓(或其他襯底類型)，同時控制晶圓的溫度均勻度和溫度。通過與氣流發生干擾、變更等離子分布以及起熱沉(heat sink，即散熱片)的作用，與將進行處理的晶圓前表面的一部分銜接的機械式晶圓夾潛在地引起處理均勻性的問題。如果設計不正確，機械式晶圓夾也可能產生粒子，從而造成晶圓污染及其他問題。在處理過程中，靜電吸盤(ESC)用靜電勢將晶圓保持不動，從而通過只與晶圓背側相接觸而避免了機械夾合的問題。靜電吸盤通過在襯底和吸盤上產生相反電荷來運作， 從而在吸盤和襯底之間產生靜電引力。引力的程度取決于產生的電荷的數量以及電荷由于傳導效應而消散的速率。電壓偏置被用于產生和控制靜電力，并且可以只將其施加用于處理循環的一部分，例如，只在襯底被傳送到吸盤之后施加電壓偏置。作為替換，電壓偏置可以在處理循環中不斷地施加。例如，使用等離子的傳導特性可以提供電連接到ESC和晶圓系統的一個終端的方法。不同類型的靜電吸盤可以包括可消耗的(即，犧牲的)邊緣環，其位于襯底下方且圍繞著襯底以便將等離子限制在鄰近襯底且高于襯底的區域。邊緣環還可以保護ESC不受等離子的侵蝕。參考圖1，示例性的現有技術的ESC結構100的一部分包括陽極化鋁制基底101、 加熱器結合層103、加熱器105、加熱器板107、陶瓷結合層109。ESC結構100覆蓋了陶瓷頂片111。加熱器結合層103、加熱器105、加熱器板107和陶瓷結合層109通過邊緣結合密封113被保護不與周圍的等離子環境和腐蝕性化學藥品直接接觸。因此，邊緣結合密封 113保護加熱器105、加熱器板107、加熱器103和陶瓷結合層107免受等離子侵蝕。在典型情況下，加熱器結合層103由灌注了硅(例如，非晶態SiOx)的有機硅 (silicone)層組成。加熱器105通常由封裝在聚酰亞胺中的金屬電阻元件組成，而加熱器板107通常由鋁制造。填充了陶瓷(例如，三氧化二鋁(Al2O3))的有機硅材料通常被用于陶瓷結合層109。陶瓷頂片111 一般由氧化鋁制造并且被配置用于讓諸如硅晶圓之類的襯底115穩固地保持在陶瓷頂片111上面適當位置。一般來說，邊緣環117總體形狀為圓形并且被固定到示例性現有技術ESC結構100 的內部部分的外圍。邊緣環117被放置成與ESC結構100的內部部分同心并且特征有一個垂直的、單表面的內部直徑。單表面的內部直徑將邊緣環117限制成緊靠鋁制基底101、邊緣結合密封113和陶瓷頂片111，從而表面地確定了邊緣環117的中心。通常，在等離子反應器中的大功率聚合化學反應中運轉得太熱的邊緣環(例如， 熱邊緣環，HER)將聚合物逼到襯底的邊緣(由于熱泳力)。襯底邊緣上或其附近的聚合物的增加層降低了襯底上的計劃部件的關鍵尺寸(⑶)。相反，如果邊緣環運轉過涼，則邊緣環自身上沉積的聚合物增多，由此在襯底邊緣上或其附近導致提高的CD(即，襯底和邊緣環之間的熱梯度迫使聚合物前驅體沉積在邊緣環上)。因此，需要一種熱界面系統在邊緣環溫度運轉過熱或過涼之間做出平衡。該熱界面系統應該被快速且容易地配置用于不同處理(即，該系統應該在領域中容易調整)。另外，邊緣環的溫度應該容易通過熱界面系統調整以適合給定的一組操作參數，比如等離子功率電平。

發明內容
在一個示例性實施例中，披露了一種用于配置來將襯底保持在等離子環境中的靜電吸盤的可轉動(dockable)設備。該可轉動設備包括耦合環，其被配置成圍繞該靜電吸盤的至少一部分的外圍并且與接近該靜電吸盤安裝的邊緣環熱接觸。該耦合環包括耦合環的第一部分，該第一部分具有第一組相對面，該第一組相對面中的至少一個具有在其上形成的第一多個凸起部件。該耦合環的第二部分具有第二組相對面，第二組相對面中的至少一個具有在其上形成的第二多個凸起部件，第二多個凸起部件被布置成熱耦合到該第一多個凸起部件。第一和第二部分之間的熱耦合程度被配置成通過相對第二部分轉動第一部分來控制。在另一個示例性的實施例中，披露了一種用于配置來將襯底保持在等離子環境中的靜電吸盤的可轉動設備。該可轉動設備包括邊緣環，其被配置成圍繞該靜電吸盤的至少一部分的外圍并且與該靜電吸盤熱接觸。該邊緣環包括較低面，該較低面上形成了第一多個凸起部件。與該邊緣環熱接觸的靜電吸盤的一部分上形成第二多個凸起部件。第二多個凸起部件被布置成熱耦合到第一多個凸起部件，邊緣環和靜電吸盤之間的熱耦合程度被配置成通過相對于第二多個凸起部件轉動邊緣環來控制。在另一個示例性的實施例中，披露了一種用于配置來將襯底保持在等離子環境中的靜電吸盤的可轉動設備。該可轉動設備包括邊緣環，其被配置成圍繞該靜電吸盤的至少一部分的外圍并且與該靜電吸盤熱接觸。該邊緣環包括較低面，該較低面上形成了第一多個凸起部件。該邊緣環具有至少第二多個凸起部件并且被配置成與該邊緣環上的第一多個凸起部件熱接觸。第二多個凸起部件被布置成熱耦合到第一多個凸起部件，邊緣環和耦合環之間的熱耦合程度被配置成通過相對于耦合環轉動邊緣環來控制。在另一個示例性的實施例中，披露了一種用于配置來將襯底保持在等離子環境中的靜電吸盤的可轉動設備。該可轉動設備包括靜電吸盤的第一部分，該靜電吸盤具有其上有可變熱接觸區域的至少一面。該靜電吸盤的第二部分具有其上有可變熱接觸區域的至少一面。第二部分的至少一面被配置成與第一部分的至少一面熱接觸以控制襯底面的熱梯度。


不同的附圖僅僅圖示了本發明的若干示例性實施例并且不能被認為是對其范圍的限制。圖IA是一個現有技術的靜電吸盤的一部分的剖視圖；圖IB是包含耦合環和各層熱界面材料的現有技術的靜電吸盤的一部分的剖視圖；圖2是用在靜電吸盤(ESC)上來改變ESC和熱邊緣環之間的溫度梯度的示例性可轉動耦合環的剖視圖；圖3是圖2的可轉動耦合環的每部分的示例性平面圖(即，正面圖)和后視圖。圖4示出了示例性可轉動耦合環的變化熱接觸位置的剖視圖。
具體實施例方式下述的不同實施例描述了被設計來增強處理性能的改進耦合環。處理性能通過確保耦合環能夠為給定操作條件(例如，給定等離子功率電平)提供已知熱梯度而得到增強。 例如，熱梯度可以由在ESC和熱邊緣環(HER)之間具有可調整熱觸的可轉動耦合環來控制。 熱熱觸可以被迅速并且容易地調整，而無需額外的硬件或改變對熱界面材料的選擇。參考圖2，ESC的剖視圖200包括示例性的可轉動耦合環201。該示例性的可轉動耦合環201由至少兩部分組成上耦合環部分201A和下耦合環部分201B。可選的耦合環熱界面材料層203可以夾在上201A和下201B耦合環部分之間。另外，可選的ESC熱界面材料層205可以被添加到鋁制底板101和下耦合環部分201B之間。上201A和下201B耦合環部分可以由各種各樣的材料組成。多種材料包括例如氧化鋁(Al2O3，“氧化鋁”)或其他類型的陶瓷。硅、碳化硅、二氧化硅(例如，晶態或非晶態 (SiOx))和諸如固體釔之類的過渡金屬也可以是用來制造上201A和下201B耦合環部分的合適材料。另外，各種其他類型的金屬、絕緣和半導體材料也可以被容易地采用。在一個特殊的示例性實施例中，用厚度75微米(ym)到125 μ m(大約0. 003到0. 005英寸)的氧化釔漆涂敷的三氧化二鋁(Al2O3)可以被用于上201A和下201B耦合環部分。例如，氧化釔漆可以通過熱噴涂來施加，或者從物理氣相沉積(PVD)系統中施加。在本實施例中，氧化釔漆可以根據需要在某些區域逐漸變少，或者上201A和下201B耦合環部分的全部部分可以被留著不覆蓋。
在一個特殊的示例性實施例中，可選的耦合環203和ESC205熱界面材料層例如可以由Q-PAD 傳熱材料，比如Q-PAD :II組成。Q-PAD 由Bergquist公司(美國，明尼蘇達州，臣哈森市)制造并且是一種箔樣(foil-format)散熱膏替代品，特別配制用于不能使用排氣材料的情況中，比如等離子蝕刻腔的高度真空環境。Q-PAD 由在熱電傳導膠的對立面上形成的鋁箔組成，其在345kPa(大約50psig)時具有1.42°C cm2/W(大約0. 22°C in2/D的熱阻抗。在另一個特殊的示例性實施例中，耦合環203和ESC205熱界面材料例如可以由 Sil-Pad 傳熱材料，比如Sil-Pad 400組成。Sil-Pad 也是由Bergquist公司(見上) 制造并且是硅橡膠和玻璃纖維的復合物。Sil-Pad 是一種熱傳導絕緣體，在345kPa(大約 50psig)時具有7.92°C cm2/W(大約1. 13C in2/W)的熱阻抗。在本領域中獨立已知的其他的熱傳導界面材料也可以被容易地使用。參考圖3，上耦合環部分20IA的一個示例性底部視圖300包括多個位于上耦合環部分201A的較低面上的凸出底座301。類似地，下耦合環部分201B的示例性頂部視圖350 包括下耦合環部分201B的較高面上的另一多個凸起底座301。多個凸起底座301的布置讓上201A和下201B耦合環部分在進入相互物理接觸時具有可變的機械接觸區域。因此，如上文剛論述的，可變的機械接觸區域提供了上201A和下201B耦合環部分之間的可變熱接觸。本領域普通技術人員在閱讀此處披露的信息之后很容易理解，多個凸出底座可以在寬度、高度、數量和其他參數上改變以達成期望結果。參考圖4，上201A和下201B耦合環部分之間的多個凸起底座301之一的第一剖視圖400顯示了最大的熱接觸區域。上201A和下201B耦合環部分之間的多個凸起底座301 之一的第二剖視圖430顯示了由于減少的機械接觸區域而其熱阻抗高于第一剖視圖400的熱接觸區域。類似地，上201A和下201B耦合環部分之間的多個凸起底座301之一的第三剖視圖450顯示了由于進一步減少的機械接觸區域而其熱阻抗高于第二剖視圖430的熱接觸區域。因此，最終用戶可以根據上201A和下201B耦合環部分之間的機械接觸量而提供臺階形或無級變化。另外，熱界面材料(熱傳導或熱絕緣)片(未示出)可以被置于多個凸出底座301 的一個或多個之間，以便進一步影響上201A和下201B耦合環部分之間的整體熱傳導性。因此，上耦合環部分201A和下耦合環部分201B的結合通過將上201A和下201B 耦合環部分安置在不同的機械接觸安排中來提供了可轉動耦合環以改變兩部分之間的熱接觸。盡管未示出，本領域技術人員可以容易地了解將上耦合環部分201A和下耦合環部分201B相互粘附的各種方法。在一個具體的示例性實施例中，這兩部分可以例如通過穿過一片中的埋頭孔進入另一片上的螺紋孔的平頭機械螺釘相互固定。被置于另一片中的埋頭孔的不同偏移位置中的一片中可以包括多個螺紋孔。在另一個示例性實施例中，這兩部分可以例如通過穿過一片中的拉長(即，開槽的)的埋頭孔狹槽進入另一片上的螺紋孔的平頭機械螺絲相互固定。在又一個示例性實施例中，這兩片可以通過高溫粘合劑相互粘附。上耦合環部分201A和下耦合環部分201B的相對于彼此的不同安排提供了一種調整任何熱邊緣環(HER)和靜電吸盤之間的熱接觸的方法。因此，通過在一個模型中擁有多個凸起底座301，以使得當上201A和下201B耦合環部分被相對于彼此的轉動到不同方向時產生不同的機械接觸區域并由此產生不同的熱接觸區域，本發明的不同實施例得以運轉。 通過改變上201A和201B耦合環部分之間的機械接觸量，需要不同HER溫度的不同的處理方法可以被容易地變得簡單。在另一個示例性實施例中(未示出，但是閱讀了此處論述材料的本領域技術人員可以容易地理解)，作為替換或者除可轉動耦合環上所示的布置之外，多個凸起底座301可以布置在ESC和耦合環之間。此外，在另一些示例性實施例中，作為替換或者除在可轉動耦合環上所示的布置之外，多個凸起底座301可以被布置在耦合環和HER之間。而且，其它實施例包括生產多個凸起底座301以使得底座圖案具有更精細地定制比例的部件(例如，大約Icm寬)，因此不會產生方位角的不均勻性。此外，凸起底座的格局可以形成于幾個同心環中，因此兩部分之間的空隙中的電弧放電(即等離子發光，plasma light-up)的可能性可以被減小或消除。如果粗糙和光滑的區域之間的熱接觸彼此不相同，則這兩個區域可以替代多個凸起底座301。例如，粗糙區域阻止上201A和下201B耦合環部分之間的緊密接觸，從而增加熱阻抗。相比而言，光滑區域提供上201A和下201B耦合環部分之間的緊密接觸，從而降低了熱阻抗。另外，如果兩個區域之間的熱接觸不同，則造成好的熱接觸和壞的熱接觸的不同涂層可以替代多個凸起底座301。例如，具有不同厚度或不同熱傳導性的涂層可以被用來實現具有可調整熱接觸的可轉動系統。本發明在上面參考其具體實施例而被描述。然而，對本領域技術人員來說顯而易見的是，在不脫離在所附權利要求中闡述的本發明的更寬廣精神和范圍的前提下可以做出不同的修改和變化。例如，具體實施例描述了不同的材料類型和安置。本領域技術人員會認識到，這些材料和安置可以被改變，并且在此示出的材料和安置為了示例性目的僅僅是為了說明邊緣環的不同方面。例如，只要閱讀了此處披露的信息，本領域技術人員就會迅速認識到，耦合環的熱接觸區域可以被額外地并入或者獨立并入熱邊環。如此所述，在這樣的布置中，HER 可以直接耦合到ESC而無需散布的耦合環，但是仍然同時提供熱傳導性的變化性，并且因此提供了 HER上的溫度的變化性。另外，本領域技術人員還會認識到此處描述的技術和方法可以被應用到在需要保持精確和準確的集中性和安置的粗糙的等離子和化學環境中的任何類似類別的結構。對半導體工業的靜電吸盤的應用被純粹地用于范例來幫助本領域技術人員描述本發明的不同實施例。而且，術語半導體應該在全文中被領會成包括數據存儲器、平板顯示器以及有關聯或其他的工業。這些和不同的其他實施例都在本發明的范圍內。因此，說明書和附圖將被考慮成說明性而非限制性的目的。
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權利要求
1.一種用于配置來將襯底保持在等離子環境中的靜電吸盤的可轉動設備，所述可轉動設備包括耦合環，其被配置成圍繞所述靜電吸盤的至少一部分的外圍并且與接近所述靜電吸盤安裝的邊緣環熱接觸，所述耦合環包括所述耦合環的第一部分，具有第一組對立面，所述第一組對立面的至少一個具有在其上形成的第一多個凸起部件；以及所述耦合環的第二部分，具有第二組對立面，所述第二組對立面中的至少一個具有在其上形成并且被布置成熱耦合到所述多個第一凸起部件的第二多個凸起部件，所述第一和第二部分之間的熱耦合程度被配置成通過相對于所述第二部分轉動所述第一部分來控制。
2.根據權利要求1所述的可轉動設備，其中，所述第一和第二多個凸起部件被放射狀地分別布置在所述耦合環的第一和第二部分。
3.根據權利要求1所述的可轉動設備，其中，所述第一和第二多個凸起部件被放射狀地布置在所述耦合環的第一和第二部分各自的多個同心環中，所述多個凸起部件各自與除其底部之外的所述多個同心環的后一個或前一個中的凸起部件熱隔離。
4.根據權利要求1所述的可轉動設備，其中，所述第一和第二多個凸起部件通過置于所述第一和第二多個凸起部件的至少某些部件之間的熱界面層相互隔離。
5.根據權利要求1所述的可轉動設備，其中，所述耦合環的第一和第二部分被布置成用螺栓固定在一起以使得所述第一和第二多個凸起部件的至少若干部分相互熱接觸。
6.根據權利要求1所述的可轉動設備，其中，所述耦合環的第一和第二部分中的至少一個具有拉長的狹槽，以便通過相對于所述第二部分轉動所述第一部分來促進所述部分之間的可調整熱接觸。
7.一種用于配置來將襯底保持在等離子環境中的靜電吸盤的可轉動設備，所述可轉動設備包括邊緣環，其被配置成圍繞所述靜電吸盤的至少一個部分的外圍并且熱接觸所述靜電吸盤，所述邊緣環包括具有在其上形成了第一多個凸起部件的下表面；以及在與所述邊緣環熱接觸的所述靜電吸盤的一部分上形成的第二多個凸起部件，所述第二多個凸起部件被布置成熱耦合到所述第一多個凸起部件，所述邊緣環和所述靜電吸盤之間的熱耦合程度通過相對于所述第二多個凸起部件轉動所述邊緣環來控制。
8.根據權利要求7所述的可轉動設備，其中，所述第一和第二多個凸起部件被放射狀地布置在所述邊緣環和所述靜電吸盤上。
9.根據權利要求7所述的可轉動設備，其中，所述第一和第二多個凸起部件被放射狀地布置在所述邊緣環和所述靜電吸盤上的多個同心環中，所述多個凸起部件各自與除其底部之外的所述多個同心環的后一個或前一個中的凸起部件熱隔離。
10.根據權利要求7所述的可轉動設備，其中，所述第一和第二多個凸起部件通過被置于所述第一和第二多個凸起部件中的至少某些部件之間的熱界面層相互隔離。
11.根據權利要求7所述的可轉動設備，其中，所述邊緣環和所述靜電吸盤被布置成用螺栓固定在一起，以使得所述第一和第二多個凸起部分的至少部分彼此熱接觸。
12.根據權利要求7所述的可轉動設備，其中，所述邊緣環和所述靜電吸盤中的至少一個具有拉長的狹槽，以便通過相對所述靜電吸盤轉動所述邊緣環來促進它們之間的可調整熱接觸。
13.一種用于配置來將襯底保持在等離子環境中的靜電吸盤的可轉動設備，所述可轉動設備包括邊緣環，其被配置成圍繞所述靜電吸盤的至少一個部分的外圍并且熱接觸所述靜電吸盤，所述邊緣環包括具有在其上形成了第一多個凸起部件的下表面；以及耦合環，其具有至少第二多個凸起部件并且被配置成與所述邊緣環上的所述第一多個凸起部件熱接觸，所述第二多個凸起部件被布置成熱耦合到所述第一多個凸起部件，所述邊緣環和所述耦合環之間的熱耦合程度通過相對于所述耦合環轉動所述邊緣環來控制。
14.根據權利要求13所述的可轉動設備，其中，所述第一和第二多個凸起部件被放射狀地布置在所述邊緣環和所述耦合環上。
15.根據權利要求13所述的可轉動裝備，其中，所述第一和第二多個凸起部件被放射狀地布置在所述邊緣環和所述耦合環上的多個同心環中，所述多個凸起部件各自與除其底部之外的所述多個同心環的后一個或前一個中的凸起部件熱隔離。
16.根據權利要求13所述的可轉動裝備，其中，所述第一和第二多個凸起部件通過被置于所述第一和第二多個凸起部件中的至少某些部件之間的熱界面層相互隔離。
17.根據權利要求13所述的可轉動裝備，其中，所述邊緣環和所述耦合環被布置成用螺栓固定在一起，以使得所述第一和第二多個凸起部分彼此熱接觸。
18.根據權利要求13所述的可轉動裝備，其中，所述邊緣環和所述耦合環中的至少一個具有拉長的狹槽，以便通過相對所述耦合環轉動所述邊緣環來促進它們之間的可調整熱接觸。
19.一種用于配置來將襯底保持在等離子環境中的靜電吸盤的可轉動設備，所述可轉動設備包括所述靜電吸盤的第一部分，其具有其上安置了可變熱接觸區域的至少一個表面；所述靜電吸盤的第二部分，其具有其上安置了可變熱接觸區域的至少一個表面，所述第二部分的至少一個表面被配置成與所述第一部分的至少一個表面熱接觸以控制所述襯底表面的熱梯度。
20.根據權利要求19所述的可轉動裝備，其中，所述可變熱接觸區域包括多個粗糙表面和光滑表面區。
21.根據權利要求19所述的可轉動裝備，其中，所述可變熱接觸區域包括在所述第一和第二部分上形成的多個熱傳導性不同的涂層。
22.根據權利要求19所述的可轉動裝備，其中，具有可變熱接觸區域的所述第一和第二部分通過被置于所述第一和第二部件的至少某些部件之間的熱界面層相互隔離。
23.根據權利要求19所述的可轉動裝備，其中，所述第一部分和所述第二部分被布置成用螺栓固定在一起，以使得具有可變熱接觸區域的所述第一和第二部分的至少若干部分彼此熱接觸。
24.根據權利要求19所述的可轉動裝備，其中，所述第一和第二部分中的至少一個具有拉長的狹槽，以便通過相對于所述第二部分轉動所述第一部分來促進它們之間的可調整熱接觸。
全文摘要
披露了一種供靜電吸盤之用的可轉動設備，該靜電吸盤配置用于將襯底固定在等離子環境中。該可轉動設備包括靜電吸盤的第一部分，該第一部分具有至少一個表面，該表面上具有可變熱接觸區域。靜電吸盤的第二部分具有至少一個表面，該表面上具有可變熱接觸區域。該第二部分的至少一個表面被配置成與第一部分的至少一個表面熱接觸，以便控制襯底表面的熱梯度。
文檔編號H05H1/34GK102160161SQ200980136685
公開日2011年8月17日 申請日期2009年9月23日 優先權日2008年9月26日
發明者亨利·S·波沃爾尼, 安德烈亞斯·菲舍爾 申請人:朗姆研究公司