[发明专利]用于对基片上的温度进行空间和时间控制的装置

说明书

技术领域

本发明涉及基片支撑件。更具体地说，本发明涉及一种用于在等离子体加工期间在基片上实现均匀温度分布的方法和装置。

背景技术

典型的等离子体刻蚀装置包括反应器，在反应器中具有供反应气体或多种反应气体流过的腔室。在该腔室中，通过射频能量将气体电离成等离子体。等离子体的高反应离子能够与诸如待加工成集成电路(ICs)的半导体晶片的表面上的聚合体掩模之类的材料发生反应。在刻蚀之前，将晶片放置到腔室中，并通过卡盘或保持器保持在适当的位置，该卡盘或保持器将晶片的顶表面暴露于等离子体。在现有技术中已知多种类型的卡盘(有时叫做基座)。卡盘提供等温表面，并且用作晶片的散热器。在一种类型的卡盘中，半导体晶片通过机械夹紧部件而保持在适当位置以进行刻蚀。在另一种类型的卡盘中，半导体晶片通过由卡盘和晶片之间的电场产生的静电力而保持在适当的位置。本发明适用于这两种类型的卡盘。

在典型的等离子体刻蚀操作中，等离子体的反应离子与半导体晶片的表面上的部分材料发生化学反应。某些加工导致晶片被一定程度的加热，然而大多数加热是由等离子体所引起的。另一方面，晶片温度的升高在一定程度上加速了等离子体中的材料和晶片材料之间的化学反应速度。如果晶片的整个区域的温度变化太大，则晶片上的各微小位置处的局部晶片温度和化学反应速度会与在刻蚀晶片表面材料时容易产生有害不均匀性的程度有关。在大多数情况下，非常希望以近乎完美的程度进行蚀刻，这是由于如果不这样，制成的集成电路器件(ICs)的电特性相比于所期望的会更多地偏离标准。另外，晶片直径尺寸的每次增加，都会使确保由越来越大的晶片制成的各批次ICs的均匀性问题变得更加困难。在其它一些情况下，期望能够控制晶片的表面温度以获得常规分布。

在反应离子刻蚀(RIE)期间晶片温度升高的问题是公知的，并且在过去已经尝试了各种控制RIE期间晶片温度的努力。图1示出了控制RIE期间晶片温度的一种方法。惰性冷却气体(诸如氦气或氩气)以单一压力导入到晶片104的底部和保持晶片104的卡盘106的顶部之间的单一的薄空间102中。这种方法被称为背侧气体冷却。

除了在卡盘106的外边缘处从约1毫米延伸到5毫米的用以减少冷却剂渗漏的平滑密封区之外，在所述卡盘的周边通常没有O形环或其它边缘密封件。由于没有任何弹性体密封件，因此跨越密封区不可避免地会存在显著累进的压力损失，从而使得晶片104的边缘没有被充分地冷却。因此，在晶片104的边缘附近产生的热必然在其被有效地传导至卡盘之前大量沿径向向内流动。在晶片104的顶部上的箭头106示出了加热晶片104所引入的通量。晶片104中的热流以箭头110示出。这说明了为什么卡盘的边缘区域总是倾向于比表面的其余部分更热。图2示出了晶片104上的典型的温度分布。在晶片104的周边部分的压力损失导致晶片104在周边部分更热。

解决区域冷却需求的一种方法是改变表面糙度或切割凹凸图案以有效地改变局部接触面积。这种方案可以在完全没有背侧冷却气体的情况下使用，在这种情况下，由接触面积、表面糙度和夹紧力来确定热传递。然而，该局部接触面积只能通过重新加工卡盘而得到调节。解决区域冷却需求的另一方法是使用冷却气体，该冷却气体的压力变化用以增加并且精确调节热传送。  然而，实际上仍然固定有凹凸图案。通过将卡盘的表面划分成不同的区域(以或者不以小的密封区作为间隔物)并且将单独的冷却气体供给至每一区域，可以实现更大程度的独立空间控制。供应至每一区域的气体可具有不同的组分，或被设定成不同的压力，因而改变导热率。每一区域的操作条件都可以在技巧控制(recipe control)下设定，或者甚至在每一加工步骤期间动态稳定。这些方案取决于重新分配来自等离子体的进入热通量，并且将热通量驱动到不同的区域。这种方法在较高功率通量时相对有效，然而在较低功率通量时仅仅给出很小的温度差值。例如，在约3～6W/cm²的均匀通量以及约3mm的密封区的情况下，有可能获得使晶片周边附近温度增加10℃至30℃的中心至边缘的热梯度。这种大小的热梯度作为过程控制参数可能是非常有效的。例如，可以通过适当的基片温度图案来抵消会影响关键加工性能指标的等离子体密度的径向变化或反应器布局的不对称性。然而，某些加工可能以低功率进行，例如多晶栅处理的通量可能仅为0.2W/cm²。除非使平均导热率非常低(这是非常难以控制的，并且易于导致不充分的总体冷却)，否则仅仅存在通常小于5℃的非常小的差值。