專利名稱：增強均熱性的加熱裝置及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及一種加熱裝置，其用于為半導(dǎo)體處理室中的襯底提供相對 均勻的、^S分布皿用于力P^M^片擠壓，中的，或陶瓷,。 背景駄許多半導(dǎo)體加工通常在真空環(huán)境中運行，也就是包括一種用于支承放置在 其中的晶片襯底的組件的密封室。在半導(dǎo)體加工中，加熱設(shè)備一般包括陶瓷支 承體，其可以具有置于那里的電極，以加熱所述支承體，并且也可以具有相對 于所述陶瓷頓鵬晶片^l寸底靜電保持的電極，艮P，靜電卡盤或ESC (有時 也稱作基座(susceptor))。半導(dǎo)體設(shè)備制造方法可以在M室中進行，包括沉積、 蝕刻、植入、氧化等。作為沉積方法的實施例可以艦物理氣相沉積(PVD) 方法，已知的如、Mlt沉積(sputter deposition)，其中通常由沉積于晶片襯底的 材料組成的目標(biāo)支承在襯底上， 一般固定到處理室的頂部。等離子區(qū)由氣體形 成，比如在襯底和目標(biāo)之間提供的氬氣。目標(biāo)偏腿成等離子區(qū)內(nèi)的離子朝目 標(biāo)加速。等離子區(qū)的離子與目標(biāo)材料相互作用，使材料的原子濺射出去，經(jīng)由 M室朝向晶片，并且離積到加工麟成電路(IC's)的半導(dǎo)體晶片的表面上。 可以包括其它沉積方法，但并不局限于此,等離子增強化學(xué)氣相沉積(PECVD)、 高密度等離子化學(xué)氣相沉積(HDP"CVD)、低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)、 次大氣壓化學(xué)氣相沉積(SACVD)、金屬有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、分 子束鄉(xiāng)(MBE)等。在，某些方法中，需要通il加熱所述支承體來加熱晶片。沉積、MU、 植入的材料的化學(xué)^t率il31晶片的旨被控制到某一程度。如^i晶片面積的Mft變化太多，在沉積、 ij、植入等過程中晶片的^r^面容易導(dǎo)致不合要求的不均勻性。在多數(shù)瞎況下，由于在晶片的各種位置上制造的其它集
成電路具有^偏離所需要的正常標(biāo)準(zhǔn)的電極特征，因此非常需要沉積、,IJ、駄肯嫩被統(tǒng)一至鵬完美的離。模制非球面鏡頭由于其低^和髙性能，通常用于消費級照相機、攝像電話和CD播放器中。它們通常也用于激光二極管校準(zhǔn)，以湖于將光接入光纖 和從光纖接出。在將玻璃塊模壓以帝U造非球面鏡頭中，j頓艦金屬或陶瓷模 具。在這一^f呈，多個加熱器用于加熱模具直到玻璃塊軟化，玻璃塊的、驗?zāi)苓_到6(xrc。由于具有半導(dǎo)體處理室，因此需要模具被均勻加熱并且精密控制它 們的驗?？刂埔r底(比如現(xiàn)有駄中的晶片謝難麟頭)鵬的各種努力己經(jīng)嘗試。在半導(dǎo)體加工的一個實例中，在晶片底部和保持晶片的ESC頂部之間的單獨狹 小空間內(nèi)的賴蟲壓力下，惰性冷卻氣體(比如氦或氬)是允許的。該方法被稱 為后部氣體冷卻。對于處理區(qū)域冷卻需要的另一現(xiàn)有技術(shù)方式，即，均勻Mit 控制是用來改變表面粗糙度或者用來切除凸紋花樣以有效改變局部接觸面積。 然而，對于處理區(qū)域冷卻需要的又一方式是^ffl冷卻氣體，其壓力改變以增加 和微調(diào)劍專遞。申請?zhí)枮?006/0144516Al的美國專利Mil^ffi粘合材,希附底M，即， 用于將金屬板和加熱器粘結(jié)到M控制基部的頂部表面的第一層粘合材料，和 將絕緣材料粘結(jié)到金屬板的頂部表面的第二層粘合材料。粘合劑具有在改變外 部生產(chǎn)餅下允Wi^圖象M醜性。在半導(dǎo)體設(shè)備制造業(yè)中晶片的加工期間和用于在類似處理中的其它襯底， 仍然需要一種為襯底提供相對均勻溫度分布的加熱裝置和一種用于控制其上的 襯底鵬的方法。 發(fā)明內(nèi)容在一方面，本發(fā)明涉及一種用于在處理室中，襯底和調(diào)節(jié)襯皿面M 的縫，其包括具有適合支承襯底的頂部表面的基部支承體；用于將所述襯 底溫度加熱到至少3CKTC的加熱元件；置于襯底的熱解石墨(themial pyrolytic gr鄰hite)材料層，該熱解石墨(TPG)層在平，汗所，襯底的平面內(nèi)具有至少 1000W/m'C的熱導(dǎo)率，其中，襯底的表面M被調(diào)節(jié)，從而使在襯驗面上的 劇氐點和最高M點之間具有1(TC的最大a^tt(va^tion)。本發(fā)明的另一方面涉及一種用于調(diào)節(jié)襯皿面溫度的方法，Mil處理裝置 上的襯底，該襯底具有基部支承體，該基部支承條有適于魏襯底的頂部表面;用于將襯底驗加熱到至少3(KTC的加熱元件;置于襯底的熱解石墨材料層， 該熱解石墨(TPG)層在平行于所，襯底的平面內(nèi)具有至少1000W/nrC的熱 導(dǎo)率，其中，調(diào)節(jié)襯底的表面MS，從而使得在襯底表面上的最低點和最高溫度點之間具有l(wèi)(TC的最;yaK變化。


圖l是一個加熱實船式的激見圖。圖2是現(xiàn)有技術(shù)中金屬加熱器實施方法的斷面視圖。圖3A， 3B， 3C是包括金屬基襯底的各種加繊的實施方式的橫斷面視圖。 圖4是現(xiàn)有技術(shù)中用于具有陶瓷型芯加熱器的加熱實施方式的橫斷面視圖。圖5A， 5B， 5C， 5D和5E是包括用于襯底的陶瓷型芯的加繊的各種實ltt式,斷面視圖。圖5F和5G是包括作為電極的熱解石墨層的加熱的各種實驗式的橫斷面視圖。圖5H是其中的熱解石墨層密封在基座中的加熱器實施方式的橫斷面視圖。圖5i是其中的熱解石墨用于垂ms疊配置的加熱實施方式的橫斷面視圖。圖5J是圖51中實施方式的頂視圖。圖6是現(xiàn)有技術(shù)中用于具有石墨型芯加熱器的加熱實施方式的橫斷面視圖。圖7A， 7B， 7C， 7D和7E是包括石墨型芯的加熱器的各種實施方式的橫 斷面視圖。圖8A和8B現(xiàn)有技術(shù)中的加熱器(圖8A具有AIN襯底)和本發(fā) 明加 實 式的加熱器(TPG層mAAIN襯底)的溫度模塊的示意圖。模 塊利用計算流體動力學(xué)(CFD)的計算結(jié)果來分析半導(dǎo)體加工方法中晶片襯底 的表面驗。圖9是具有AIN襯底的現(xiàn)有技術(shù)中的加皿中襯底最上層的,分布曲線圖。
圖10、 11和12是具有在AIN襯底中^lmm、 3mm和6mm厚的TPG層的本發(fā)明各種加m^肺式中襯/^l:層的^Jt分布曲線圖。具體實皿式正如在雌到的，可以采用近似的語言來修改可以變化的任何數(shù)量標(biāo)而 不會導(dǎo)致微及的基本作用變化。因此，在某些情況下，艦一個術(shù)語或者幾 個術(shù)語(例如，"大約"和"基本上")修改的數(shù)值，并不會被限制為精確的 規(guī)定數(shù)值。還有比如 ^到的，"加熱縫"能與";5zta裝置"、"加繊"、"靜 電卡盤"、"卡盤"或者"加工裝置"相互^^使用，這些,指的是包括至 少一個用來調(diào)節(jié)其上支承的襯底的驗(尤其魏過加熱或者冷卻襯底)的加熱 柳或辦阮件的魏。正如在此用到的，術(shù)語"襯底"指的MM^發(fā)明M體支衝加熱的半 導(dǎo)體晶片或者玻璃模具。正如在此用到的，術(shù)語"片"能與"層"相互交換使 用。正如在此用到的，術(shù)語"電路"能與"電極"相互交換JOT，術(shù)語"加熱 元件"能與"加熱電極"、"電極"、"電阻器"、"加熱電阻器"或者"加 熱器"相互交換使用。術(shù)語"電路"既能用單數(shù)又能用復(fù)數(shù)形式，，存在至 ^>~個單元。正如在此用到的，均熱性或者相對均勻溫度意,襯底上的最大和最小溫 度點之間的差小于io'c。在一個實施方式中，均熱性意喊襯底溫度具有最高 和最低溫度點之間的差小于7t:的相對均勻溫度。在另一實施方式中，襯底驗 保持在小于5。c變化范圍內(nèi)。在第四實施方式中，襯底Mjg保持在小于2i:變化 范圍內(nèi)。在用于，襯底(比如半導(dǎo)體晶片或者玻璃鏡片)的等離子室中，襯底溫 度顯著地影響加工。對于用于均勻調(diào)節(jié)正在處理的襯底溫度的M裝置，理想的是為襯底的表面ag提供時間和空間控制。石墨是一種具有在^m方向徑直加熱這一獨特性能的各向異性材料。熱解石墨(TPG)是唯一由相當(dāng)有規(guī)模的 微晶纟賊的石墨材料，該微晶排列榭艮齊或者相對于彼此高度精確定位并且具
用。IPG在平面內(nèi)(ia-plane) (a-b方向)具有t艦的熱導(dǎo)率，艦了 1000W/m-K， 而在平面夕Kout-of-ptene) (z方向)熱導(dǎo)率在20到30W/m-K范圍內(nèi)。在一個實 施方式中，TPG具有超過1500W/mJC的平面熱導(dǎo)率。在各種加熱裝置實施方式中，至少一層TPG^A加熱器以^^襯底的表面 溫度的空間控制，且分散并減少加熱體中各種組件的溫度差，允許目標(biāo)襯底 的、皿相對均勻，即使對于具有非理想接觸表面(例如非均勻表面)的加熱元 件。在操作中，半導(dǎo)體晶片襯底棘玻璃模具一般被加熱到至少30(TC的MjS， 接著y賴卩到室溫。具有至少一個TPG ^A層的加熱，在加掛7襯卩元件和具有 優(yōu)良均熱性的襯底之間^W效的劍專導(dǎo)/^4卩。在一個實施方式中，TPG層具有大約0.5mm到15mm范圍的厚度，厚度變化(平行性)在0.005mm內(nèi)。在另一個實施方式中，TPG層具有l(wèi)mm到10mm的厚度。在第三個實施方式中，TPG層具有2mm到8mm的厚度。TPG層可以嵌A^發(fā)明的加熱器中，它自己作為一個單層，或者在一個實駄式中用于具有金屬襯底(參見圖2和3A—3C)的加熱器，TPG層肖,以密封形式，例如，TPG型芯密封在結(jié)構(gòu)金屬殼內(nèi)。密封的TPG在商業(yè)上可從GE AdvancedCeramicsof Strongsville, OH獲得作為TC105(f密封的TPG。 TPG能作為相鄰的單層合并入加熱器，或者在一個實施方式中，比如圖5B和7E所示，多個更小的TPG 她^個翻鑲嵌的結(jié)構(gòu)中。在一個實施方式中，TPG放在魏的位置并且僅僅通過下面襯底的粘著和/ 或它們接觸處的夕卜涂M(oveiHmtinglayer)^A加繊。在另一個實施方式中，使 用現(xiàn)有技術(shù)已知的髙溫粘合劑，比如Aremco^的CERAMBOND， 一種具有 傳熱系數(shù)的硅粘合劑，將TPG(以純TPG層形式存在，或者作為金屬涂層中密 封的TPG型芯形式存在，作為小^X寸比如長方形、正方形塊的純熱解石墨；任意大小；^以"條"的形式,)粘合在"^sema。力口熱體實施方式在下面Mm所采用的材料、組合錢、及其制造方法 且結(jié)合下面的附圖的說明進行^^召。在一個實船式中，如圖i戶標(biāo)的加^S33，包^ i^a的赫陶瓷的襯底12,絲有 ^其中(標(biāo)出)的獻及16,其頂面13用^M底的絲 面，比如一般縣IKtan直鄉(xiāng)晶片赫^^W。在一個實船式中，頂
面13的平面禾艘很高(表層偏差在0.05mm范圍內(nèi))以進一步提高襯底W的溫 度控制。用于為加熱電阻供電的電接頭15可在襯底12的底面中心驗，赫 在一個實船式中，在襯底12,面纖。在一個實 式中，頂部表面13具有相對均勻的M，艮P，在頂部表面上 最高和衝,之間的差小于1(TC。絲二實 式中，S^小于5。C。頂 部表面13的均熱性與正勒{(diào)]熱的襯底W的均勻iiJt相對應(yīng)。在一個實 式 中，襯底W具有5。C最大,變化，^二實皿式中，具有2。C的最大皿變化。在加熱體中，可以湖一個或多個電極。根據(jù)娜，電極可以作為P恥 加熱的，、產(chǎn)生等離子的電極、靜電卡盤電^^#電子束電極。電極可以朝 向頂部(在晶片襯底Pf銜)皿朝向底部(遠離晶片襯底)嵌入加熱^M底內(nèi)。 底部定位有助于分散電極，試并且有助于熱分布到晶片襯底。在一個實航式中，電極以薄膜電f娜式雜，并MMJ見有技術(shù)已知的 方法形成，包括絲網(wǎng)印刷、旋涂、等離子ft凃、噴射熱解、破噴凃沉積、溶 膠一凝膠、燃鄉(xiāng)巨、電弧、離子電鍍法、離子注入、IHt沉積、激光切除、蒸 發(fā)、電鍍和激條面合金化。在一個實施方式中，薄膜電極包括高熔點的金屬， 比如鴇、鉬、錸、鈾^t^們的合金。在另一個實驗式中，薄膜獻腫d^ 括鉿、鋯、鈰的碳化物^^化物和它們的混激之一。在另一實航式中，制廳以加長的 ^狀的^ 5墨形式雜。艦現(xiàn)有^^中已知的方法，比如化學(xué)nt目沉積， 墨("PG")首先KIR至咖繊基部，比如涂有熱解氮化硼的石墨基部。 PG接著被加工成預(yù)先設(shè)定的 模式，比如^!效M、 ^等。力口熱區(qū)i^M的形成，即電鄉(xiāng)M的電阻加 fVH路徑，可以Mitt領(lǐng)域已知的技術(shù)進行，包括但是并不限制于微機W口工、 ' 刀片切割(mio^hrading)、激光切害U、化學(xué)嫩U、赫電子束嫩ij。 纖口繊ilii首先參照圖2戶標(biāo)的現(xiàn)有獄中各種加 ^肺式可以說卿 實lfi^式。在圖2中，現(xiàn)有技術(shù)加熱器33包括由高溫材料，比如銅或鋁合金例 如A6061制成的誠襯底1000，電極4001 mA金屬襯底1000中。在一個實施 方式中，電極包括由傳熱陶^^環(huán)繞的電線，如商業(yè)上可獲得的Calrocf加熱 元件。在一個實戯式中，C^rocf加熱元件具有一個非均一的^t弒，為了
在穿過加繊頂面 #定6 ^布。如圖2所琉見有技術(shù)的一般實肺式中，由駄的加熱元件4001產(chǎn)生的溫 度并沒有均勻分布，艮P， T1-T2可以存在50。C棘更高的相當(dāng)大的差異。結(jié)果， 加熱器頂側(cè)的溫度，例如，T1'和T2'，一般不會均勻分布，或者具有2(TC鞭 高的纟鵬差。因而，襯底W上的驗分布將不會均勻分布，在兩個纟鵬極點的 ^S^可能是大于10。C。從肖體加工來看，非均勻晶片皿(例如， Tl"-T2">10°C)是不理想的，因為它可能弓胞半導(dǎo)體裝置律隨業(yè)的產(chǎn)量陶氐。如圖3A-3C所示的金屬加皿實施方式中，至少一個TPG散皿600 金屬襯底1000中，以螺旋分布并TO熱的去除進行調(diào)節(jié)和/或者分布至附底W， 用于使襯底W^JS相對均勻。在一個實施方式中，散，600包括一個密封于 結(jié)構(gòu)性金屬殼內(nèi)的TPG型芯。圖3A顯示了帶有由傳熱陶穀緣體(未示出)包圍并且^A金屬襯底1000 中的電職形式存在的電極4001的實 式。圖3B顯示了帶有鍋襯凝哄 有范圍在5-1000 u m的厚度、電絕緣并且在金屬基部襯底18上形成的薄膜電極 4001的另一加鄉(xiāng)實 式。圖3C還顯示了帶有金屬襯底的加熱器33的另一 實船式。鏰襯底1包糊^t!S^金，并且糊多個7j0^4卩鵬2和電加 熱線圈3。金屬襯底l的頂面包括一層傳導(dǎo)電極層6，其夾入兩層含有類似鉆石 的炭(DLC)的鄉(xiāng)^^層5和7之間。TPG層4動tlffljn熱器3，冷卻器2和頂 面之間。TPG層，由于賂向異性的劍專導(dǎo)性，增加了^#導(dǎo)并且調(diào)節(jié)了分布 至啦于加 33 (未示出)上晶片的鍵。加熱裝置的夕剛設(shè)有熱絕綴才料(比 如氧化鋁)制成的環(huán)孑L8，以補充提高熱均勻性。陶鄉(xiāng)芯加繊ffl:首先參照圖4戶B的現(xiàn)有S^中陶,芯力P^I可以說明具有陶^M 芯的加繊實施方式。在陶瓷型芯加繊中，基船寸底10包括選自從由B、 Al、 Si、 Ga、 Y、難j^l^屬、過渡金屬，以及其組合所構(gòu)成的組中選擇元素的氧化 物、氮化物、碳化物、麟化物和氧氮化物的電絕緣材料(例如，燒結(jié)襯底)。 基m寸底10特征在于具有高耐磨性和高耐,征。在一個實施方式中，基g^寸 底10包括AD^99.7o/^鍍，并1^成繊自丫203、 Er203、以及其組合?；鵡l寸底10aM電,的夕卜涂嵐overcoat)30。在一個實施方式中，可以具 有任選的連接層(未示出)，以幫助增加夕卜涂層30和基^l寸底10之間的粘接。 導(dǎo)電材料的實例包括石墨；)t^ ^!，比如W和Mo，迚 ^1元素，稀土金屬和合金；鉿、鋯、鈰禾唭混镚臓化物^^化物。相對于夕卜涂層30，涂層30包括選自從由B、 Al、 Si、 Ga、 Y、難;I^^M、跡I^屬所構(gòu)膨且中M的元素的氧化物、氮化物、碳化物、 <化物和氧氮 化物的至少之一，鋁的氧化、氧氮化物，具有NaZT2(PQ03的NZP結(jié)構(gòu)的高熱穩(wěn) 定性磷,;至^fe含選自2a^4a元素構(gòu)成的組之一的,陶徵且分； BaOAl20rB203-Si02鵬SiOz與包括Y、 Sc、 La、 Ce、 Gd、 Eu、 Dy麟似 物的氧化物，^MI^1之一的氟化物，或紀(jì)鋁石 (YAG)的抗等離子材 料的混她和其組合。相對于可選的^S層，鶴包括至少其中之一選自Al， Si，包括Ta、 W、 Mo的難熔金屬，包括鈦、鉻、鐵的過渡金屬的元素的氮化物、碳化物、纖化 物、硼化物、氧化物、皿化物；和其混合物。實例包括TiC、 TaC、 SiC、 MoC， 和其混糊。具有優(yōu)化電路設(shè)計的導(dǎo)電電極41形成于陶瓷襯底10中。電極41包括選自 鴇、鉬、錸、鉑赫其合金構(gòu)成的組；屬于元素周臓中IVa、 Va和VIa組中 鍋的碳化物禾喊化觀鉿、鋯、鈰^a化物離化物和其組合的材料。在一 個實戯式中，電極41所包括的材料其所具有的CTE(熱膨脹系數(shù))與襯底IO(或 者其外涂層30)的CIE非常,。自非常,的CIE是指一種材料具有第 —1中材料CTE范圍的0.75到1.25。在現(xiàn)有fe^中力,內(nèi)襯底W上的^JS分布通常并不^I勻分布，例如 T1"-T2">1(TC 。在具有如圖5A到5E所示的陶瓷型芯的各種加熱器實施方式中， ^A的TPG散 600在空間上分布并且調(diào)節(jié)到襯底W的熱的去除稱或分布， 以得至湘對均勻的M，在一個實船式中，^^襯底W具有T1"-T2"低于10 。C相,勻的鵬分布，而在另一個實驗式中低于5。C。如圖5A所示的一個實駄式中，在最終燒結(jié)工藝之前，在料坯的兩個層(厚 片)插入至少一個TPG層600。在另一個實施方式中，TPG層在熱壓之f^f入 陶瓷材料，例如AIN。在又一實lte式中，TPG層(以純TPG或密封的TPG形式雜)Mm有駄中已知的方法mA^i瓷襯底，包括但不局限^ 澆 織i腫。TPG層^A^后，電極41在陶瓷襯底10上形成，并且隨后戶;M翱 襯底與電極41 一起電^^層30,。
如圖5B所示的加繊另一實駄式中，在陶瓷襯底中翻兩層TPG。如 圖所示，孔穿過TPG層用于在陶瓷材料層之間提高粘著力?？滓材鼙籺fotk偏置地定位以獲得更好WjS分布和調(diào)節(jié)。在圖5C中，TPG層并不像前面的實施方式^A陶瓷襯底10中。在這個實 施方式中，TPG層在施加夕卜涂層30之frfe，到陶瓷襯底10 (在電極41的相 對側(cè))的頂部。在一個實 式中，挪拼涂層30之前TPG層600首先固 定粘結(jié)至陶瓷襯底10。在圖5D中，提供加熱器33，其中在ffl3^曉結(jié)mA陶瓷襯底10之前，TPG 層600首先波凃,瓷凃?qū)觀^^層(標(biāo)出)。在一個實 式中，TPG 層600的涂層至少包括下面之一選自A1， Si，包括Ta、 W、 Mo的只鵬金屬， 包括鈦、鉻、鐵的過^1的元素的氮化物、碳化物、^M化物、Wt物、氧 化物、氧氮化觀和它們的混她圖5E出示了力0 #為靜電卡盤的實船式。^i^個實航式中，層70 和72包括相同或者不同的絕緣體材料，例如氧化鋁皿類似鉆石的碳(DLC)。 層71是卡盤電極，例如象^1化薄膜一樣的導(dǎo)電層。層M31^ffl現(xiàn)有技術(shù)中已 知的高溫粘結(jié)齊i鵬另一層并^SJ^至附底10。至少TPG層600 (作為TPG 薄片棘密封的TPG型芯)形成圖案并且j頓現(xiàn)有技術(shù)中已知的陶瓷制造方法 駄陶鄉(xiāng)芯10。圖5F中，熱解石墨層600形成圖案并且j頓現(xiàn)有駄中已知的陶瓷帶媳方 法駄陶瓷型芯IO，但是在這個實 式中，TPG層600還作為如同散繊的 :^賣電極。由于TPG還具有電阻系iK).5Xl(r3ohm《m的電傳導(dǎo)，雜這種情 況下作為加熱元件會,調(diào)節(jié)襯底溫度。另外TPG的高^Vf專導(dǎo)性有助于更平均的 分布產(chǎn)生的熱以及由此有助于獲f^i要的均熱性。在圖5G中，TPG層^A陶瓷襯底并且^^卜部電源^tJt面。除了作 為高傳熱平面，以這種繊的TPG層還Mffl做RF電極以提高晶片^hS驢內(nèi) 等離子，^作為RF防護以消除RF領(lǐng)殿叻卩熱元件之間的電干擾。在圖5H中示出一個實駄式，其中基座20位于力臓33頂部。TPG層 600密封于基座20內(nèi)，其包括現(xiàn)有技術(shù)已知的用于帝iJitS座的材料，例如，金 屬陶瓷、石墨、聚合體材料或者其組合。TPG的高傳熱方向是在TPG層600的 平面內(nèi)。在一個實船式中，基座20包括鋁。在另一個實 式中，基座20
包括陽*，化鋁，其中TPG層600是密封的。在圖5I的實驗式中，多個小TPG片或條細垂直重疊結(jié)構(gòu)，形成"條"。 在一個實施方式中， 一系列TPG條600A ^A加熱器內(nèi)的一個平面內(nèi)，所述TPG 條的縱向彼此^St平行。另一系列TPG條600B^A比第一平面600A更低的 另一平面內(nèi)，其中條600B的縱向平面大致垂直于在第一平面內(nèi)的TPG條600A 的縱向平面。在兩付面中，TPG的高傳熱方向位于TPG條相同的平面。圖 5J是圖51的M，的頂視圖。石墨型芯加繊參照圖6中現(xiàn)有技術(shù)中帶有石墨型芯襯底100的石墨型芯加熱器33的實施 方式。盡管石墨標(biāo)作型芯IOO，但是根據(jù)應(yīng)用，可以，其它導(dǎo)電材料，包括但 不局限于石墨；比如W和MO的難;l^更金屬，過渡金屬，稀土金屬和合金；鉿、 鋯、鈰和其混，的氧化物 化物。型芯100涂覆有電絕緣的外涂層200，并UiW^有3i^層(標(biāo)出)以幫!^高外涂層200和基mMM芯ioo之間的附著力。相對于外涂層200，鶴包括選自從由B、 Al、 Si、 Ga、 Y、難熔 艦屬、逾I^所構(gòu)礎(chǔ)腫元素的氧化物、氮化物、碳化物、麟化物和氧 氮化物的至少之一；鋁的氧化物、氧氮化物；以及其組合。實例Mif氮化硼(pBN)。相對于可選的連接層，層至4唯括下面之一選自A1， Si，包括Ta、 W、 Mo的難;l^g^屬，包括鈦、鉻、鐵的過渡金屬；和其混合物的元素的氮化 物、碳化物、m化物、硼化物、氧化物、氧氮化物。實例包括TiC、 TaC、 SiC、 MoC，和其混溯。電極401包括具有范圍在5-1000 n m厚度的薄膜電極16，其iMJ見有技術(shù) 己知的方法形成于電^:層200上。在一個實1 式中，薄膜電極401包括具 有高熔點的金屬，例如，鴇、鉬、錸、鉑離其合金。在另一個實船式中， 薄膜電極401至少,括鉿、鋯、鈰和其混^tl^a化物燕化物之一。在一個 實例中，具有18um厚度薄膜的,銅箔通常用作電極401。加熱器33還涂有 抵抗腐蝕的保護涂層薄膜300，至少一種包括選自從由B、 Al、 Si、 Ga、 Y、難 鄉(xiāng)臉屬、逾I^屬和其組合所構(gòu)膨且中元素的氮化物、碳化物、^M化物和 氧氮化物，在，為25-l(KXrC范圍內(nèi)具有范圍從2.0X 10《/K到10X 10^K的 CIE。在另一個實 式中，層300包含高^l急定的i^0鄉(xiāng)三種實ltt 式中，層300包含鵬陶魏分，其含有選自元素周臓中2a^4a元素構(gòu)成的組的至少一種元素。適宜的3 陶^&分的例^^!§ ^鑭(LAS)、硅 繊美(扁)、(CAS)、以及^gf乙(YAS)。傲戶凃?qū)?00 的厚度根據(jù)lSZffl和^ffi的方法，例如，CVD、離子電鍍法、ETP等而變化，從 lum到幾百um變化。作為根據(jù)圖6戶^的現(xiàn)有^:加 的變化，在具有石墨型芯的加 $ 式中，力口熱器湖至少一4^ATPG散M600，以分布和/或調(diào)節(jié)跨襯底 W的溫度，以實現(xiàn)相對均勻的旨分布，在一個實施方式中Tl"-T2"低于l(TC， 在另一個實驗式中低于5。C。各種加繊33實駄式在圖7A-7E所示。圖7A出示了力卩繊33，其中TPG散M(heatSFeader)600^AS^^層 200和夕卜涂層300之間的加 。在一個實船式中TPG層600僅1M^卜涂 層和它們接觸的基麟層之間的附著力容納在誠的體。在一個實 式中， TPG層600衫卜涂層和基^^層可以^^和粘附的選定，結(jié)合多個通孔。在 另一個實 式中，TPG層600在合適的地方用適宜高溫粘合劑(比如Aremco 生產(chǎn)的Ceranabon鵬合劑)粘合。在圖7B中，TPG散熱器600 ^A石墨襯底100和基部涂層200 (鄰近襯底 W的頂面上)之間咖n繊中。TPG600僅iXilJiS^^層和創(chuàng)l、糊的襯底之間的附著力可以^tt^t的皿，^taa^合許多用于基gi^層,和進一步粘附至附底100的通孔，或者艦^頓高溫粘合劑。在又一實施方式中，熱IW墨沉積于石M"底100上，隨后M^PM熱煉方制，，形^t擬占到石墨襯底100的TPG層600。圖7C是圖7B加繊33的變化，g^i在TPG散繊600的健，其嵌 入石墨襯底100和基^^層200之間的加熱器，并且在石墨襯底100底部。圖7D中，至^W柳兩個TPG散繊600，散繊600駄力鵬頂娜 底部，在石墨襯底100和基部外涂層200之間。圖7E出示了加熱器33的實 式，其中多個TPG散熱器600用于/駄加 繊33的頂部。在一個實驗式中，多^hffl孔設(shè)于TPG層600以增加石墨襯 底，基^^層200和外涂層30Q之間的附著力。在另一個實駄式中，更小塊 TPG用來在具有大多數(shù)孔的^M中形成鑲^^并且分界線tfotb^^。在所示的實 式中，電極位于力口熱器33的底部(或者鄰,部)以優(yōu)化 熱力計算。然而，其它實駄式予艦(盡管沒有出示)了在襯紅具有均勻溫
度分布的加熱器， 卩 33的頂部(接3fi支承晶片)具有形成圖案的電極。 在另一實肺式中(標(biāo)出)，TPG層置于晶片襯底W和處于加繊33頂部 的形成圖案的電^:間。在3^—實施方式中(未示出)，TPG層由于效率幾乎 位于加熱器圖案下面，用于提高效率并且TPG層中c方向上力鵬器分布成為熱 綱章。本發(fā)明加^^可以^^F多不同方法中OT，包括用于加工^t莫具的等離 ^W膣，^t在半導(dǎo)^M室，包括但不局限于原子層取向接長(ALD)、 低壓CVD (LPCVD)和等離子放大CVD (PECVD)。il31下面的非限制性實施例進"^介紹本發(fā)明。實施例在這些實施例中，執(zhí)衍憤流胸力學(xué)(CFD)運算以模式化加 ^10 圖8A和犯是構(gòu)建模式的示意圖，以比較現(xiàn)有技糊具有至少一層^AS;TPG 層的加^^施例的性能。模式是軸向?qū)澐Q的2-D模式。在現(xiàn)有技術(shù)加繊模式中，燒結(jié)的A1N用于具有160W/m-K的各向同性熱 導(dǎo)率的陶瓷型芯。在本發(fā)明的加熱器實施例模式中，TPG層嵌入燒結(jié)的A1N陶 翻芯。TPG層^7]C平面具有1500W/m-K的全向熱導(dǎo)率，以及在垂直面具有 20W/m-K的各向同性熱導(dǎo)率。在運算中^TPG和AIN之間完全撤蟲。TPG 的厚度(th)題化的，TPG位于頂臓面的距離(d)也在變化。在模式中，單個晶片用不同功MtMc平進行加熱。功WfAI寸敏獻膝 部上的電極，并且溫變由作為，功能的，的頂邊決定。以這一 ， 計算最大、皿和最小、皿的差值。如所示的，表面(具有0.4的假定，率)發(fā) 射(TC的背景溫度到自由空間。晶片表面上的皿均勻性定義為由置于晶片表面的熱電偶測量的最大iijs和最zj鵬;^。均勻性在有m^屬化糊目淀積(MOCVD)方法中^t切需要的。因此，均勻驗中每一攝破的刻德響著淀積方法。計穀;t^;的結(jié)果在圖9-i2中示出。圖9是將10， 200和1000W功率輸出到電極的現(xiàn)有技術(shù)加熱器中晶片,的分布圖。晶片結(jié)構(gòu)的頂處的MS分桐莫式化。圖10-12是本發(fā)明各種加繊實施例的分布圖。圖10出示了j頓具有l(wèi)mm 厚度TPG層^AAW型芯射底的力OiVMM分布。TPGM^于距，部 2.5mm，但^SS^ijS分布相對不受TPGM^的影響。在圖11中，較厚的3mm厚的TPG層^A A1N型芯加熱器的一個實施例中，其中io、 200^"iooow的功Wir入電極中。結(jié)果顯示在as均勻性方面有了 顯著的改善，尤其是具有更^J力^lr入。再者，豐I^結(jié)皿示,分布,不受TPGMtS的影響。圖12出示了具有距離力 |頂部(遠離晶片)2.5mm， ^A厚度為6mm 的TPG層的結(jié)構(gòu)的頂;i^h的顯著的均勻ME分布。T^T^從0.03"C到7TC的 變化取決于功率輸A7jC平。如所示的，由于每一功率水平，可以優(yōu)化TPG厚度 以允許跨晶片襯底的最大溫度均勻性，即在一個實施例中T,T皿小于5t:，而 在一，用中小于2。C。本說明書使用實例，包括最好的方式以公開本發(fā)明，也育激使本領(lǐng)域任何 普通fe^人員制造和使用本發(fā)明。本發(fā)明可取得專利的范圍由權(quán)利要求定義， 也能包括本領(lǐng)域普通技術(shù)人員想到的其它實例。如果這種其它實例具有的結(jié)構(gòu) 部件與權(quán)禾腰求沒有文字語言的差異，或者如果它們包括等效的結(jié)構(gòu)部件與權(quán) 利要求文字語言沒有實質(zhì)性差異，它們確定為在權(quán)利要求范圍內(nèi)。所有在此涉 及的弓l文清MWDtfc^P作為,。
權(quán)利要求
1、一種用于在處理室中支承襯底和調(diào)節(jié)襯底表面溫度的裝置，該裝置包括具有適合支承襯底的表面的基部支承體；用于將襯底溫度加熱到至少300℃的加熱元件；至少一層置于基部支承體的熱解石墨材料，該熱解石墨(TPG)層在平行于所支承襯底的平面內(nèi)具有至少1000W/m℃的熱導(dǎo)率；其中，基部支承體的表面在所述基部支承體表面上的最低點和最高溫度點之間具有10℃的最大溫度變化。
2、 如權(quán)利要求1所述的用于在半導(dǎo)體^a室中支承晶片襯底的，，其中晶片襯底^^M晶片襯底的表面上具有5。C的最^MJt變化。
3、 如權(quán)利要求1-2中ftf可一個所述的裝置，其中TPG層具有0.5mm到 15mm范圍的厚度。
4、 如權(quán)利要求1-3中招可一個所述的裝置，其中TPG層具有少于0.005mm 的厚度變化。
5、 如權(quán)利要求1-4中倒可一個所述的裝置，其中TPG層包括多個相同或 不同大小和幾何皿的^ffi墨塊。
6、 如權(quán)利要求1-5中樹可一個所述的裝置，其中TPG層包括多個具有縱向方向的M^墨條，其中所述條在垂mms繊中^m形成條至少兩個TPG條置于TPG條的縱向方向的第一平面內(nèi)，所述TPG條彼此之間基本平行；至少兩個TPG條置于遠離第一 平面的第二平面，其縱向與^一平面內(nèi)的 TPG條的縱向相垂直；并且TPG層^一和第二平面內(nèi)都具有至少1000W/m-K的熱導(dǎo)率。
7、 如權(quán)利要求"中任何一個戶;M的，，進一步包括置于基部支承體上 的基座，^M^Wi^i^M襯底，其中基座包^S^齢金以及基謝底包括選自從由B、 Al、 Si、 Ga、 Y、鵬更金屬、過渡金屬所組 成的組中選擇的元素的氧化物、氮化物、碳化物、am化物和氧氮化物以及它 們的組合的燒結(jié)材料。
8、 如^t利要求1-7中任何一個所述的裝置，其中，加工的襯底的基部支承體包括下面之一咼M^M禾口其合金；本條^bulkgwhte);鵬鍋、稀±^ 口其合金；鉿、 鋯、鈰的碳化物^ft化物以及它們盼混糊；選自從由B、 Al、 Si、 Ga、 Y、 乂M 臉屬、M^^屬所,的組中選擇 的元素的氧化物、氮化物、碳化物、麟化物和氧氮化物；和它們的組合。
9、 如^i利要求1-8中任何一4^f述的裝置，用于在半導(dǎo),理室中支承晶 片襯底，其中用于支承晶片的基部支承體包括基部襯底，其包括銅、親卩其合金的至少之一；至A—層MW墨駄鏰基船條用于將襯底M加熱到至少3(xrc的加熱元件^A金屬基部襯底中，在熱 解石黥之下并腿離晶片襯底。
10、 如權(quán)利要求1-9中任何一個所述的裝置，用于在半導(dǎo)體處理室中，晶片襯底，其中用于支承晶片襯底的基部，體包括基船寸底，其包括銅、鋁和其合金的至少之一；用于將襯底ME加熱到至少300°(:并且置于金屬基部襯底的加熱元{ 在兩層^^層之間；至少一層由熱造成的熱解石墨^A金屬基部襯底，在加熱元件和絕緣層之下并皿離晶片襯底。
11、 如權(quán)利要求1-10中倒可一個所述的裝置，用于在半導(dǎo)體處理室中支承晶片襯底，其中用于支承晶片襯底的基部，體包括基^l寸底，其包描逸自從由B、 Al、 Si、 Ga、 Y、難;^1^M、過!l^屬以及其組合所組自組中i^f的元素的氧化 物、氮化物、碳化物、麟化物和氧氮化物的陶對才料，陶^S部襯底具有頂，面和底^^面，BIMI^P^面面向并遠離^^^^的晶片； 所述至少一個熱解石墨層嵌入所述陶瓷基部稱低。用于將襯底旨加熱到至少3001的加熱元件置于陶瓷基部襯 部表面上。
12、 如權(quán)禾腰求l-ll中樹可一個所述的體，其中TPG層與用做RF電 極的外部電源^tift面^^。
13、 一種用于在jlba室中，襯底和調(diào)節(jié)襯，面M的，，其包括 具有適于頓襯底的表面的基部絲體，該基部絲體包括基^W底，其包括選自從由B、 Al、 Si、 Ga、 Y、難j^iM^屬、^:皿屬、以及其組合戶萬組成 的組中選擇的元素的氧化物、氮化物、碳化物、,化物和氧氮化物的陶瓷材 料，陶瓷基部襯底具有頂部表面和底部表面，底部表面面向并遠離支承在錢 上的晶片；基部支承體還包括用于涂覆所述陶瓷基部襯底的第一涂層，該涂層 包括選自從由Al、 B、 Si、 Ga、難鄉(xiāng)更金屬、過渡金屬以及其組合所構(gòu)成的組 中選擇的元素的氧化物、氮化物和氧氮化物之一；用于將襯底溫度加熱到至少3(KTC的加熱元件，其置于陶瓷基^W底底部 表面上；至少一層置于基部支承體的熱,墨材料，該熱解石墨(TPG)層具有平 行于所支承襯底的平面內(nèi)至少1000 W/m"C的熱導(dǎo)率，其^A陶瓷基^^寸底或者在陶離tm凝嘴一涂層之間；在其中基部支承體的表面在基部支承體表面上的最低點和最高溫度點之 間具有10。C的最^SS變化。
14、 一種用于在半導(dǎo)體M室中支承晶片襯底的裝置，其具有基部支承體，其包括包括本體石墨的ggPM底，該石墨基^W底具柳部表面和底部表面，底部表面面向并遠離^:在該體上的晶片；用于涂覆石離i^寸底的第一涂層，該涂層包括選自從由A1、 B、 Si、 Ga、 難;t^il^屬、過渡金屬以及其組合所構(gòu)成的組中選擇的元素的氧化物、氮化物 和氧氮化物之一的電,辨斗；至少一層置于第一涂層上或置于石墨基部襯底和第一涂層之間的熱解石黑亟；用于^l寸底M加熱到至少3(xrc的加熱元件，働卩熱元件置于被:^覆了 的石墨基SW底的底St面上；用于涂覆基部支承體的夕卜涂層，該外涂層包括下面之一從由B、 Al、 Si、 Ga、 Y、難;)^^屬、過渡金屬，以及其組合所構(gòu)成的組中選擇的元素的氮化 物、碳化物、麟化物和氧氮化物；具有NaZr2(PQ03的NZP結(jié)構(gòu)的磷^l告；包 含選自2a、 3a、 4a族元素構(gòu)成的組中至少一種元素的玻璃陶瓷組分； BaO-Al203-B203-Si02玻璃；Si。2與包括Y、 Sc、 La、 Ce、 Gd、 Eu、 Dy的氧化 物或氟化物以及紀(jì)艦艦(YAG)的抗等離子材料的混她以及其中所述裝置支承的晶片在晶片上的最低點和最高溫度點之間具有10°C 的最大a^變化。
15、 如權(quán)利要求14所述的錢，其中基部襯底包括兩層熱解石墨，第一 層和第二層，并且其中所述第一層置于石墨襯底的頂部表面上，而所述第二層 置于石墨襯底的底臓面社。
16、 如權(quán)利要求14所述的體，其中基部襯底鄉(xiāng)兩層熱解石墨，第一 層和第二層，其中所述第一層置于石墨襯底的頂部表面上并且在石墨襯底和第 一涂層之間，而戶/f^二層置于石墨襯底的頂臓面的第一涂層a。
17、 如權(quán)禾腰求14所述的縫，其中基部襯底包括兩層熱解石墨，第一 層和第二層，其中所述第一層置于石墨襯底的頂部表面上并且在石墨襯底和第一涂層之間，而戶;f^二層置于石墨襯底的頂部表面的第一涂層;tJ:。
18、 如權(quán)利要求14所述的裝置，其中至少一層熱解石墨置于石墨基船寸底的頂部表面上，并且在石MS^PW凝n第一涂層之間。
19、 如權(quán)利要求14所述的裝置，其中至少一層熱解石墨置于石墨基^m 底的底部表面上，并且在石MS鰣寸底和第一涂層之間。
20、 一種具有基部支承體，用于在半導(dǎo)體處理室中支承晶片襯底的裝置， 其包括包括選自從由B、 Al、 Si、 Ga、 Y、 )tJtl更金屬、3!g屬；以及其組合 所構(gòu)成的組中選擇的元素的氧化物、氮化物、碳化物、碳氮化物和氧氮化物之 一的陶瓷材料的基船寸底，所述陶瓷的基部襯底具有頂部表面和底部表面，底 部表面面向并遠離^^&^^ ±的晶片；至一層置于基謝底頂臓面上的^^酺；用于涂覆i^re和陶瓷基船寸底的第一涂層，所述第一涂層包括選自 以下組中的電絕^=才料從由B、 Al、 Si、 Ga、 Y、難^i臉屬、逝I^屬所構(gòu) 成的組中選擇的元素的氧化物、氮化物、碳化物、 化物和氧氮化物；鋁的 氧化物、氧氮化觀以及其組合；置于第一涂層的力口熱元件，該加熱元ft^括熱解石墨，難熔金屬，迚渡金 屬，稀i^屬和其絲，鉿、鋯、鈰&^化物^fl化物，以及^g，之一；用于涂覆基部支承體的夕卜涂層，該外涂層包括下面之一從由B、 Al、 Si、 Ga、 Y、難;Jt5更金屬、過渡金屬、以及其組合構(gòu)成的組中選擇元素的氮化物、 碳化物、aM化物和氧氮化物；具有NaZr2(P04)3的NZP結(jié)構(gòu)的磷酸鋯；包含選 自2a、 3a、 4a族元素構(gòu)成的組中至少一種元素的玻璃陶瓷組分； BaO-Al20rB20rSi02玻璃；SiO2與包括Y、 Sc、 La、 Ce、 Gd、 Eu、 Dy的氧化 物或氟化物以及紀(jì)艦艦(YAG)的抗等離子材料盼混她以及在其中裝置所支承的晶片在晶片上的最低點和最高溫度點之間具有10°C 的最大鵬變化。
全文摘要
提供了一種用于調(diào)節(jié)/控制襯底表面溫度的加熱裝置。至少一個熱解石墨(TPG)層嵌入加熱器，以擴散加熱裝置中不同部件的溫度差并且提供襯底表面溫度的時間空間上的控制，從而實現(xiàn)襯底上最高和最低溫度點之間的差值低于10℃的相對均勻的襯底溫度。
文檔編號H01L21/00GK101154555SQ20061006441
公開日2008年4月2日 申請日期2006年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月26日
發(fā)明者A·薩恩, J·瑪麗娜, M·謝普肯斯, T·埃巴塔, W·范, 翔 劉 申請人:通用電氣公司