[发明专利]用于控制工件支架表面上空间温度分布的方法与装置

说明书

技术领域

本发明涉及基材支架，更具体而言，本发明涉及一种用于在等离子处理过程中实现一基材内均匀温度分布的方法与装置。

背景技术

一典型的等离子蚀刻装置包括一反应器，在该反应器中设有一反应性气体可穿过的反应室。在该反应室内，气体通常被射频能量电离成等离子。等离子气体中的高反应性离子能够与材料发生反应，例如与一正被加工成集成电路(IC)的半导体晶圆表面上的一聚合物掩膜发生反应。在蚀刻之前，晶圆被放置于该反应室内并由一可将晶圆顶面暴露于等离子气体中的夹盘或夹具固定于正确位置。此项技术中已知有多种型式的夹盘(有时也称作“基座”)。夹盘可提供一等温表面，并可用作晶圆的散热器。在一种型式的夹盘中，通过机械夹持方法将一半导体晶圆固定就位进行蚀刻；在另一种型式的夹盘中，夹盘与晶圆之间的一电场形成的静电力将一半导体晶圆固定就位。本发明对这两种型式的夹盘均适用。

在一典型的等离子蚀刻作业中，等离子气体中的反应性离子与半导体晶圆一表面上材料的多个部分发生化学反应。某些工序会导致对晶圆产生某种程度的加热，但大部分加热是由等离子引起的。另一方面，晶圆的温度升高会在某种程度上加速气体(离子与原子团)与晶圆材料之间的化学反应。局部晶圆温度与晶圆上每一微观点处的化学反应速度之间存在如下关系：如果晶圆整个面积上的温度变化过大，则易导致在对晶圆一表面上的材料进行蚀刻时出现有害的不均匀性。在大多数情况下，人们极期望蚀刻达到一近乎完美的均匀程度，因为否则所制造的集成电路器件(ICs)所具有的电子特性会偏离所期望的技术规范。

另外，随着晶圆直径尺寸的每一次加大，更难保证由越来越大的晶圆制造的每一批ICs保持均匀性。在某些其他情况下，最好能够控制晶圆的表面温度以获得定制分布。

在反应性离子蚀刻(RIE)过程中晶圆温度升高问题已为人们所熟知，并且过去曾进行过各种控制蚀刻过程中晶圆温度的尝试。图1显示一种在RIE过程中控制晶圆温度的方法，其以单一压力将一冷却气体(例如氦)导入晶圆104底部与夹持晶圆104的夹盘106顶部之间的一单一薄空间102内。

除了为减少冷却剂泄漏而在卡盘106的外边缘处设置一外伸约1-5mm的平滑密封带外，通常在卡盘圆周处不装设O形圈或其他边缘密封件。在无任何弹性密封件的情况下，密封带两侧不可避免地会出现显著且渐进的压力损失，从而使晶圆104的边缘不能得到充分冷却。因此，冲击晶圆104边缘附近的热量在被有效传导至夹盘之前必定大量向内径向流动。晶圆104上方的箭头108表示加热晶圆的输入热通量。晶圆104内的热量流动用箭头110表示。该图解释了卡盘边缘区往往总比其余表面区域热的原因。图2显示晶圆104上一典型温度分布。晶圆104周边区域的压力损失导致晶圆104周边区域非常热。

对待分区冷却需要的一种方法是改变表面粗糙度或切割一凹凸图案以有效改变局部接触面积。该方案的采用可完全不需用背面冷却气体，在该种情况下，由接触面积、表面粗糙度及夹持力决定热传导。但是，局部接触面积的调整必须通过对卡盘的再机加工方可实现。对待分区冷却需要的另一种方法是使用压力可变的冷却气体以增加及精调传热，而凹凸图案仍基本不变。通过将卡盘表面分成不同的区域(可设置或不设置小的密封带作为隔离物)并向每个分区提供单独的冷却气体，可以实现更大程度上的独立空间控制。向每一分区提供的气体可以具有不同的成份或设置在不同的压力，藉此改变热传导。每一分区的工作条件可以在配方控制下设置，或甚至可以在每一工艺步骤过程中实现动态稳定。该些方案依赖于对来自等离子的进入热通量的再分配及将其抽到不同的区域。当功率通量高时，其相对有效；但是，当功率通量较低时，其仅能产生小的温差。例如，在约1W/cm²均匀通量和约3mm密封带的情况下，可能会得到一能使晶圆周边附近温度增高10-30℃的中心至边缘热梯度。该数量级的热梯度作为一过程控制参数是极为有效的。但是，其他一些工艺可能在低功率下运行，例如，多栅极工艺，其可能仅具有0.2W/cm²的功率通量。除非使平均热传导变得极低以至于控制极为困难且趋于导致整体冷却不充分，否则将仅有一通常小于5℃的极小温差。

因此，业内需求一种用于在反应性离子蚀刻及类似工艺过程中不需高等离子热通量即可控制半导体晶圆温度的方法及装置。本发明的一个主要目的是解决上述需求并提供其它的相关优点。

发明内容