[发明专利]控制空间温度分布的方法和装置

说明书

本发明是申请日为2005年12月1日，申请号为200580047289.1，发明名称为“控制空间温度分布的方法和装置”的发明申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及衬底支撑件。更具体地说，本发明涉及一种在等离子处理过程中在衬底内部达成均一温度分布的方法和装置。

背景技术

典型等离子蚀刻装置包含反应器，其中具有腔室，且一或多种反应气体流过所述腔室。在所述腔室内部，通常通过射频能量将气体离子化为等离子。等离子气体的高度反应离子能够与材料(例如，在处理为集成电路(IC)的半导体晶圆的表面上的聚合物遮罩)发生反应。在蚀刻之前，将晶圆置于腔室中并通过夹盘或固持器固持于适当位置，进而将晶圆的上表面曝露于等离子。此项技术中有若干种夹盘(有时也称为基座)是已知的。夹盘提供等温表面，且用作将等离子赋予晶圆的热量移除的晶圆散热片。在一种夹盘中，通过机械夹钳构件将半导体晶圆固持于适当蚀刻位置。在另一种夹盘中，通过夹盘与晶圆之间的电场所产生的静电力将半导体晶圆固持于适当位置。本发明适用于这两种夹盘。

在典型等离子蚀刻操作中，等离子气体的反应离子与半导体晶圆的一面上的部分材料发生化学反应。某些过程造成晶圆的某种程度的加热，但大部分加热由等离子引起。另一方面，等离子(离子与自由基)与晶圆材料之间的反应由于晶圆的温度升高而加速到某种程度。局部晶圆温度和晶圆上每一微观点处的反应速率在一定程度上相关联，如果越过晶圆面积的晶圆温度变化很大，那么易于在晶圆的一面上的材料蚀刻中导致有害的不均匀性。在多数情况下，极度需要蚀刻在几乎完美的程度上是均一的，因为否则正制造的集成电路装置(IC)将具有偏离于所需标准的电子特征。此外，随着晶圆直径尺寸的每一次增大，确保由不断增大的晶圆制造的每一批IC保持均一性这一问题变得愈发困难。在一些其它情况下，将需要能够控制晶圆的表面温度以获得定制分布。

反应式离子蚀刻(RIE)过程中的晶圆温度升高问题众所周知，且过去已尝试过多种方法来控制RIE过程中的晶圆温度。图1说明一种在RIE过程中控制晶圆温度的方法。在单一压力下将冷却剂气体(例如，氦气)注入晶圆104的底部与固持晶圆104的夹盘106的顶部之间的单一狭窄空间102内。

通常，除了在夹盘106的外边缘处延伸约1到约5mm的光滑密封片以减少冷却剂泄漏外，在夹盘周边并没有O形或其它边缘密封件。不可避免地，没有了任何弹性密封件，密封片上会存在显著且累进的压力损失，以致晶圆104的边缘不能充分冷却。因此，撞击于晶圆104的边缘附近的热通量108必须在其能有效地传导离开到夹盘之前显著地径向向内流入。晶圆104的顶部上的箭头106说明加热晶圆104的流入热通量。通过箭头110说明晶圆104内的热量流动。这解释了为何夹盘边缘区域总是趋向于比表面的其余部分热。图2说明晶圆104上的典型温度分布。晶圆104的周边部分处的压力损失造成晶圆104在周边部分处较热。

解决区域冷却的需要的一个方法是变化表面粗糙度或切割起伏图案以有效地改变局部接触面积。此方案可在根本不存在背面冷却剂气体的情况下使用，在所述情况下接触面积、表面粗糙度和钳力决定热转移。然而，局部接触面积仅能通过再加工夹盘而得以调节。解决区域冷却的需要的另一个方法是使用压力变化的冷却剂气体以增加热传递且对其进行精调。然而，起伏图案仍是大体上固定的。通过将夹盘表面划分为不同区域(使用或不使用小密封片作为间隔物)且向每一区域供应单独的冷却气体，可达成更大程度的独立空间控制。供应到每一区域的气体可具有不同成分或设定为不同压力，由此使热传导各不相同。可在配方控制下设定或甚至在每一过程步骤期间动态地稳定每一区域的操作条件。这些方案取决于再分配从等离子传入的热通量且将其提取到不同区域中。这在较高功率通量的情况下是相对有效的，但在较低功率通量的情况下将仅给出较小的温度差异。举例来说，在每平方厘米约1W的均一通量和约3mm的密封片的情况下，可能得到从中心到边缘的热梯度，从而在晶圆周边附近造成10℃到30℃的温度升高。此量值的热梯度可十分有效地作为过程控制参数。然而，其它过程可在较低功率下运行，例如多晶硅栅极过程可仅具有每平方厘米0.2W的通量。除非极难控制且倾向于造成不充分的整体冷却的平均传导极低，否则将仅存在通常小于5℃的非常小的差异。

因此，需要一种在反应式离子蚀刻和类似过程期间无需显著的等离子热通量即可控制半导体晶圆的温度的方法和装置。本发明的主要目的是解决这些需要且提供进一步的相关优势。

发明内容