以高温聚合物接合剂接合至金属基底的陶瓷静电夹盘的制作方法

本文描述的实施例一般涉及半导体制造，且更具体地涉及适合用于高温半导体制造的基板支撑组件。

背景技术：

可靠地生产纳米和更小的特征是对于半导体组件的下一代大规模集成电路(vlsi)和超大规模集成电路(ulsi)的关键技术挑战之一。然而，由于电路技术的限制被推进，vlsi和ulsi互连技术的缩小尺寸对于处理能力提出额外需求。在基板上的闸极结构的可靠形成对于vlsi和ulsi的成功和对于增加电路密度和个别基板和管芯的质量之后续努力是重要的。

为压低制造成本，集成芯片(ic)从每个经处理的硅基板制造需求更高的产出和更好的组件产量和性能。正被探讨用于在当前的发展下的下一代装置的一些制造技术需要在以高于摄氏300度的温度处理。传统的静电夹盘通常被接合到在基板支撑组件中的冷却板，其中接合剂的介电特性是对高温敏感的。然而，传统的静电夹盘可在温度接近摄氏250度或更高时遭遇基板支撑组件内的接合问题。接合剂可能放出气体到处理容积中，造成腔室中的污染，或可能有分层的问题。另外，接合剂可能完全失败，造成基板支撑件中的真空损失或移动。腔室可能需要停机时间来修复这些缺陷，这影响了成本、产量和性能。

因此，存在有用于适合在处理温度等于或高于摄氏250度时使用的改良的基板支撑组件的需求。

技术实现要素：

本文描述的实施例提供一种基板支撑组件，基板支撑组件能够进行高温处理。基板支撑组件包括通过接合层而固定到冷却基底的静电夹盘。接合层具有第一层和第二层。第一层具有包括约摄氏300度的温度的操作温度。第二层具有低于摄氏250度的最高操作温度。

在另一个实施例中，基板支撑组件包括通过接合层而固定到冷却基底的静电夹盘。接合层具有第一层、第二层和第三层。第一层与静电夹盘接触并具有包括约摄氏300度的温度的操作温度。第二层被设置在第一和第三层之间，并且具有低于摄氏250度的最高操作温度。第三层被设置成与冷却板接触，并且具有低于第二层的最高操作温度的最高操作温度。

在又一实施例中，基板支撑组件包括固定到冷却基底的静电夹盘。金属板是设置在静电夹盘的底表面的下方。接合层是设置在金属板和冷却板的顶表面之间。接合层具有第一层和第二层。第一层与静电夹盘接触并具有包括约摄氏300度的温度的操作温度。第二层具有低于摄氏250度的最高操作温度。

附图说明

为使本发明的上述所载的特征可被详细理解，可通过参照实施例而对上文概述的本发明作更具体的说明，其中一些实施例在附图中示出。然而，应注意附图仅示出了本发明的通常实施例，且不因此被视为限制本发明的范围，因为本发明可采用其他等效的实施例。

图1是具有基板支撑组件的一个实施例的处理腔室的剖面示意性侧视图。

图2是基板支撑组件的部分剖面示意性侧视图，详细说明了设置在静电基板支撑件和冷却基底之间的接合层的一个实施例。

图3示出了在静电基板支撑件的底视图中的电插座。

图4是基板支撑组件的部分剖面示意性侧视图，详细说明了设置在静电基板支撑件和冷却基底之间的接合层的另一个实施例。

为帮助理解，在可能的情况下，使用相同的附图标记来表示附图中相同的组件。可预期的是在一个实施例中公开的组件可被有利地使用于其他实施例而无需具体地叙述。

具体实施方式

本文描述的实施例提供一种基板支撑组件，该基板支撑组件能够进行高温操作静电夹盘。高温意指温度超过大约摄氏150度的温度，例如，温度超过约摄氏250度(诸如约摄氏250度至约摄氏300度的温度)。基板支撑组件具有通过接合层而接合到冷却基底的静电夹盘。接合层是由能以高温操作静电夹盘的一些不同的层而形成。不同的层中的至少一者具有低的热导率(即，低于约0.2w/mk的热导率)，以将跨越在静电夹盘和冷却板之间的界面的热传送最小化。包含层的材料也经选择以防止将静电夹盘固定至冷却基底的接合层在高于约摄氏150度的温度(诸如高于约摄氏250度的温度)时失效。虽然在下文描述的基板支撑组件是在蚀刻处理腔室中，而该基板支撑组件可被使用于其他类型的等离子体处理腔室(诸如物理气相沉积腔室、化学气相沉积腔室、离子注入腔室等等)，及高温(即，超过150度的温度)处理发生的其他系统中。

图1是示出经配置为蚀刻腔室的具有基板支撑组件126的示例性等离子体处理腔室100的剖面示意性图。基板支撑组件126可被使用于其他类型的处理等离子体腔室(例如等离子体处理腔室、退火腔室、物理气相沉积腔室、化学气相沉积腔室及离子注入腔室等等)，和需要对表面或工件(诸如基板)控制处理均匀度的能力的其他系统中。在升高的温度范围时用于基板支撑件的介电性质tan(δ)(即，介电损耗)，或者ρ(即，体积电阻率)的控制有利地使得在基板支撑件上的基板124的方位角处理均匀。

等离子体处理腔室100包括腔室本体102，腔室本体102具有围绕处理区域110的侧壁104、底部106和盖108。注射设备112是耦接到腔室本体102的侧壁104和/或盖108。气体面板114被耦接到注射设备112，以允许处理气体被提供至处理区域110中。注射设备112可为一个或多个喷嘴或入口端口，或替代地为喷淋头。处理气体(与任何处理副产物)从处理区域110通过形成在处理腔室本体102的侧壁104或底部106中的排气端口128移除。排气端口128是耦接至泵送系统132，泵送系统132包括用以在处理区域110内控制真空水平的节流阀和泵。

处理气体可被激发以形成处理区域110内的等离子体。处理气体可通过将rf功率电容或电感耦合至处理气体而被激发。在图1中所示的实施例中，多个线圈116被设置在等离子体处理腔室100的盖108的上方，并通过匹配电路118而被耦接至rf功率源120。

基板支撑组件126被设置在注射设备112下方的处理区域110中。基板支撑组件126包括静电夹盘174和冷却基底130。冷却基底130是通过基底板176而支撑。基底板176是通过处理腔室的侧壁104或底部106中的一者而支撑。基板支撑组件126可额外地包括加热器组件(未示出)。此外，基板支撑组件126可包括设置在冷却基底130和基底板176之间的设施板145和/或绝缘板(未示出)。

冷却基底130可由金属材料或其他合适的材料所制成。例如，冷却基底130可由铝(al)来形成。冷却基底130可包括形成于冷却基底130中的冷却通道190。冷却通道190可被连接到热传送流体源122。热传送流体源122提供的热传送流体(诸如液体、气体或它们的组合)，热传送流体通过设置在冷却基底130中的一个或多个冷却通道190来循环。流经相邻的冷却通道190的流体可被隔离，以便能在静电夹盘174和冷却基底130的不同区域之间局部控制热传送，这有助于控制基板124的横向温度分布。在一个实施例中，循环通过冷却基底130的通道190的热传送流体将冷却基底130保持在约摄氏90度和约摄氏80度之间的温度，或在低于摄氏90度的温度。

静电夹盘174包括设置在介电本体175中的夹持电极186。介电本体175具有工件支撑表面137和相对于工件支撑表面137的底表面133。静电夹盘174的介电本体175可由陶瓷材料(诸如氧化铝(al2o3)、氮化铝(aln))或其他合适的材料所制成。替代地，介电本体175可由聚合物(诸如聚酰亚胺、聚醚醚酮、聚芳醚酮和类似物)所制成。

介电本体175还可包括一个或多个电阻加热器188镶嵌于介电本体175中。电阻加热器188可经设置以将基板支撑组件126的温度提高到适合用于处理设置在基板支撑组件126的工件支撑表面137上的基板124的温度。电阻加热器188可通过设施板145而被耦接至加热器功率源189。加热器功率源189可提供900瓦或更多的功率至电阻加热器188。控制器(未示出)可控制加热器功率源189的操作，加热器功率源189通常被设定以加热基板124至预定的温度。在一个实施例中，电阻加热器188包括多个横向分开的加热区域，其中控制器能够使至少一个区域的电阻加热器188相对于位于一个或多个其他区域的电阻加热器188被优先地加热。例如，电阻加热器188可被同心地配置在多个分开的加热区域中。电阻加热器188可将基板124维持在适合处理的温度，诸如在约摄氏180度至约摄氏500度之间，诸如大于约摄氏250度，诸如约摄氏250度至约摄氏300度之间。

静电夹盘174通常包括嵌入在介电本体175中的夹持电极186。夹盘电极186可经配置为单极性或双极性电极，或其他适当的布置。夹持电极186是通过rf过滤器而耦接到夹盘功率源187，夹盘功率源187提供rf或dc功率，以将基板124静电地固定到静电夹盘174的工件支撑表面137。rf过滤器防止用以形成在等离子体处理腔室100内的等离子体(未示出)的rf功率损坏电气设备或在腔室外侧呈现的电性危险。

静电夹盘174的工件支撑表面137可包括气体通道(未示出)，用于提供背侧热传送气体到基板124和静电夹盘174的工件支撑面137之间所限定的间隙空间。静电夹盘174还可包括用于容纳升降销(未示出)的升降销孔，升降销用于将基板124提升于静电夹盘174的工件支撑表面137的上方，以帮助机械手臂传送进出于等离子体处理腔室100。

接合层150设置在静电夹盘174和冷却基底130之间。接合层150可具有约0.1w/mk和约1w/mk之间的热导率(诸如约0.17w/mk)。接合层150可由提供用于静电夹盘174和冷却基底130的不同热膨胀的一些层而形成。包括接合层150的层可由不同的材料所形成，且参照图2来讨论。图2是基板支撑组件126的部分剖面示意性侧视图，详细说明了设置在静电夹盘174和冷却基底130之间的接合层150的一个实施例。

电插座260可提供到镶嵌于在介电本体175中的电阻加热器188和夹持电极186的连接。电阻加热器188可将静电夹盘174的底部133加热到高于摄氏250度的温度。

短暂地转到图3，图3示出了在静电夹盘174的底视图中的电插座260。电插座260可具有外壳310和多个连接器320。连接器320提供电连续性至加热器和夹持电极。连接器320镶嵌在外壳310中。

外壳310可由具有低热导率的材料所形成。在一个实施例中，外壳310是由聚酰亚胺材料(诸如或或其他合适的材料所形成。外壳310可具有约3.0×10^-5/c和约5×10^-5/c之间的热膨胀系数。外壳可具有大约0.2w/mk至约1.8w/mk的热导率。外壳310可将连接器320与来自静电夹盘174的高温绝缘。

回到图2，电插座260可延伸通过接合层150和具有冷却基底130的界面。

接合层150是设置在冷却基底130和静电夹盘174之间并附接/接合至冷却基底130和静电夹盘174。接合层150可在静电夹盘174的底表面133和冷却基底130的顶表面161之间具有约摄氏60度至约摄氏250度之间的温度梯度。接合层150可延伸至约静电夹盘174和冷却基底130的外径252。接合层150是柔性的，以考虑在静电夹盘174和冷却基底130之间的热膨胀，并防止静电夹盘174或冷却基底130的破裂或接合断裂脱离。

接合层150可由两个或更多个材料层所组成。接合层150可选择地包括一个或多个o形环。在一个实施例中，接合层150包括第一层210、第二层220和第三层230。然而，在其他实施例中，接合层150可包括第一层210和第二层220，或第二层220和第三层230。接合层150可包括超过三层。在接合层150中的两层或更多层的操作将使用第一层210、第二层220和第三层230来在下文进行说明。

第一层210、第二层220和第三层230可具有外圆周250。接合层150可额外地包括绕第一层210、第二层220和第三层230的外圆周250来设置的o形环240。空间242形成在外圆周250和静电夹盘174的外径252之间。空间242可经调整尺寸，以允许o形环240密封地接合静电夹盘174和冷却基底130。在一个实施例中，接合层150包括第一层210、第二层220、第三层230和o形环240中的一个或多个。

o形环240可由全氟弹性体材料或其他合适的材料所形成。例如，o形环240的材料可为或密封o形环。o形环240的材料可具有足够软的约70硬度的肖氏硬度，以制造真空密封。o形环240可形成抵住静电夹盘174和冷却基底130的真空紧密密封。由o形环240形成的真空紧密密封可防止用于处理环境的真空通过基板支撑组件126而损失。另外，o形环240可保护基材支撑组件126的内部部分免于暴露于等离子体环境。即，o形环240保护接合层150的第一层210、第二层220及第三层230远离等离子体。o形环240可另外防止来自第一层210、第二层220和第三层230的挥发气体污染等离子体环境。替代地，第一层210、第二层220和第三层230与静电夹盘174和冷却基底130接合，并形成不需o形环240的真空密封。

第一层210可具有顶表面211和底表面213。顶表面211与静电夹盘174的底表面133接触。第一层210的顶表面211可处于静电夹盘174的底表面133的温度，即，约摄氏150至约摄氏300度。为了适应静电夹盘的高温，第一层210可由具有超过摄氏150度的操作温度的材料所制成。例如，第一层210可由包括约250度的操作温度的材料所制成，或在另一例子中，包括约摄氏300度的操作温度的材料所制成。在又一个例子中，第一层210可由具有包括约摄氏250度至约摄氏325度之间的温度的操作温度的材料所制成。

底表面213可与第二层220接触。第一层210可形成具有与静电夹盘174的底表面133接合的高温接合层。第一层210可额外地接合到第二层220。第一层210可由全氟化合物或其他合适的高温化合物所形成。例如，第一层210可由全氟甲基乙烯基醚、烷氧基乙烯基醚、或其他合适的接合剂所形成。第一层210可由高温硅氧烷所形成。有利地，全氟化合物的氟-碳键是非常稳定的，赋予高热和化学稳定性。全氟化合物良好地粘附至陶瓷、是非刚性的、具有最小的压缩率并具有接受应变的能力。第一层210经配置以与因高操作温度(诸如超过摄氏150度的操作温度，诸如高达约摄氏250度的操作温度)而膨胀的静电夹盘174一起热膨胀。第一层210可经调整尺寸以配合静电夹盘174的底部表面133。替代地，第一层可经调整尺寸以提供o形环240足够的空间，以密封接合静电夹盘174。

第一层210可以多片而形成。第一层210可具有小于约1mm的厚度212，诸如约5mils(约0.127mm)。在一个实施例中，第一层210可为适合于温度超过摄氏300度的全氟聚合物接合剂。第一层210可具有为高处理温度而选择的在0.1至0.5w/mk的范围中的热导率。在一个示例性的实施例中，第一层210的热导率为约0.24w/mk。

第二层220通过第一层210而与静电夹盘174的高温分隔。因此，第二层220可具有比第一层210的操作温度低的操作温度。例如，第二层220的最大操作温度可低于第一层210的最大操作温度。在另一例子中，第二层220的最大操作温度可小于约摄氏250度。

第二层220可具有顶表面221和底表面223。第二层220的顶表面221接触第一层210的底表面213。顶表面221可选择地形成与第一层210的底表面213的高温接合。第二层220的底表面223可与第三层230接触。第二层220形成与第一层210的底表面213和第二层220的接合。在一个例子中，第二层220可不必是粘附剂、具有比顶层210的刚性更高的刚性的材料。第二层220可由聚酰亚胺、全氟化合物、硅氧烷或其他合适的高温材料所形成。例如，第二层220可由聚乙烯或其他合适的材料所形成。聚酰亚胺的片材比全氟的片材更坚固，且也具有比全氟的片材更低的热膨胀和导电率。有利地，选择用于第二层220的材料具有低的热导率，并作为热绝缘体。第二层220的热导率越低，越过第二层220的潜在温度差异越大。

第二层220可具有在约1mm和约3mm之间，诸如约1.5mm的厚度222。在一个实施例中，第二层220是聚酰亚胺的片材。第二层220可具有在从约0.1至约0.35w/mk的范围中所选择的导热系数，且在一个示例性实施例中，为约0.17w/mk。

第三层230通过第一层和第二层210、220而与静电夹盘174的高温分隔。因此，第三层230可具有比第二层220的操作温度低的操作温度。例如，第三层230的最大操作温度可低于第二层220的最大操作温度。在另一例子中，第三层230的最大操作温度可低于约摄氏200度。

第三层230可具有顶表面231和底表面233。第三层230可被设置在第二层220和冷却基底130之间。第三层230的顶表面231可选择地被接合到第二层220的底表面223，且第三层230的底表面233可选择地被接合到冷却基底130。第三层的底表面233可为冷却基底130的温度，即，约摄氏80和约摄氏60度之间。在一个实施例中，第三层230形成具有与冷却基底130接合的低温接合层。

第三层230可由全氟化合物、硅氧烷、多孔石墨或丙烯酸化合物或其他合适的材料所制成。用于第三层230的材料是基于低的操作温度(即，约80度)而选择，第三层230被暴露于第三层230可以接合到的材料，且第三层可选择地为第三层230可以接合到的材料。第三层230是由第一层210或第二层220之一保护而免受静电夹盘174的高热。因此，在第三层230的材料是硅氧烷的实施例中，第一层210和/或第二层220防止第三层230的硅氧烷材料脱气或挥发。第三层230可具有小于约1mm的厚度232，诸如约5mils(约0.127mm)。在一个实施例中，第三层230是硅氧烷材料。第三层230可具有也许在约2.0到约7.8×10^-6/℃的范围中的热膨胀系数。第三层230可具有在约0.10至约0.4w/mk的范围中所选择的导热率系数，并且在一个示例性实施例中，为约0.12w/mk。

有利地，接合层150含有具有不同性质的多个层，不同性质产生对于来自静电夹盘174和冷却基底130的热膨胀和导热率的系数的梯度。接合层150可产生真空密封，以防止腔室通过基板支撑组件126而脱气。此外，在接合层被接合到静电夹盘174和冷却基底130的那些实施例中，聚合物的弹性、接合层150的低弹性模数减轻了接合剂和/或接合层150的破裂或断裂，此破裂或断裂系由从静电夹盘174到冷却基底130的较大的温度梯度而导致。因此，接合层150最小化了用以修复基板支撑组件126的停机的需求，停机是因在具有不同热膨胀的接合位置处的热所引起的应力所导致的损坏，不同的热膨胀是因大的温度梯度所导致。

图4示出了用于接合层150的第二实施例，且为基板支撑组件126的部分剖面示意性侧视图，详细说明了设置在静电夹盘174和冷却基底460之间的接合层450的第二实施例。冷却基底460类似地配置成冷却基底130。冷却基底460另外具有设置在冷却基底460的外径252处的唇部462。唇部462可具有类似于接合层450的厚度的在顶表面161之上的高度464。

接合保护o形环442可设置在冷却基底460的唇部462和静电夹盘174之间。接合保护环442保护接合层450和基板支撑件的其他内部结构(诸如金属板410)远离等离子体环境。接合保护o形环442可为适合等离子体环境的材料所制成，且还是可压缩的。例如，接合保护o形环442可由全氟聚合物(诸如或)所形成。

金属板410额外地设置在接合层450之间。金属板410可被接合到静电夹盘174的底部133。金属板410可达到类似于静电夹盘174的操作温度的操作温度，即，金属板410的温度可为约摄氏180度至约摄氏300度之间，诸如摄氏250度。金属板410可具有类似于接合保护o形环442的直径的厚度412。金属板410可经调整尺寸以适配于冷却基底460的唇部462内。因此，当接合保护o形环442被压缩时，金属板410通过接触冷却基底460的唇部462而不与接合保护o形环442的压缩干涉。

接合层450可具有一个或多个层。这些层可包括垫片、片材和/或粘附剂。接合层450还可以选择地包括o形环真空密封444。o形环真空密封444可接触金属板410和冷却基底460。o形环真空密封444可被压缩以产生在金属板410和冷却基底460之间的真空密封。通过o形环真空密封444所产生的真空密封防止在等离子体处理腔室100的处理区域110中的真空通过基板支撑组件126而逸出的损失。通过o形环真空密封444所产生的真空密封还可防止污染或气体进入处理区110。o形环真空密封444可由可压缩的材料(诸如全氟聚合物)或其他合适的材料所形成。在一个实施例中，o形环真空密封444由或所形成。o形环真空密封444可压缩高达约35mils(o形环的原属尺寸的10至28％)。替代地，真空密封通过接合层450的一层或多层而制成。

一层或多层的接合层450可形成复合垫片470。复合垫片470可与金属板410和冷却基底460接触。复合垫片470具有适于电插座260适配通过的中央部472。复合垫片470可与冷却基底460接触。复合垫片470可具有外边缘452且可经调整尺寸以在唇部462的内侧。外边缘452和唇部462可形成适合用于o形环真空密封444适应在外边缘452和唇部462的空间466。复合垫片470可具有从静电夹盘174到冷却基底460约摄氏170度或以上(诸如摄氏270度)的温度梯度。复合垫片470可具有约0.10w/mk至约0.20w/mk(诸如约0.20w/mk)的导热率。复合垫片470因此防止从静电夹盘174至冷却基底460的温度损失。复合垫片470可被压缩在金属板410和冷却基底460之间。在一些实施例中，复合垫片470可被压缩多达20％。

复合垫片470可具有一个或多个层(诸如第一层420和第二层430)。第一层420可以由全氟材料所形成。第一层420可通过金属板410而被暴露到静电夹盘174的温度，即，高达约摄氏300度的操作温度。第一层420可具有约1mm和约2mm之间的厚度422。第一层420可在约200微米与约400微米之间压缩。在一个实施例中，第一层420的厚度422为约1mm，且第一层压缩约200微米。在第二实施例中，第一层420的厚度422为约2mm，且第一层420压缩约400微米。第一层420具有低的导热率。在一个实施例中，对于约摄氏100度的温度梯度，1mm厚的第一层420的顶表面421可具有约摄氏250度的操作温度，而第一层420的底表面423可具有约摄氏150度的操作温度。

复合垫片470的第二层430可由全氟、多孔石墨或硅氧烷材料所制成。第二层430可与第一层420和冷却基底460接触并暴露于第一层420和冷却基底460的温度。即，第二层430可被分别暴露于约摄氏150度和约摄氏80度的操作温度。第二层430可具有约0.5mm至约1.5mm的厚度432。第二层430可为可压缩至约200微米的。

在一个实施例中，复合垫片470具有2mm厚的全氟第一层420和硅的第二层430。在另一实施例中，复合垫片470具有1mm厚的全氟第一层420和1mm厚的全氟第二层430。在又一实施例中，复合垫片470具有1mm厚的全氟第一层420和1mm厚的多孔石墨第二层430。结合第一层和第二层420、430的复合垫片470具有基本类似于o形环真空密封444的压缩。在一些实施例中，第一层420被接合到金属板410及第二层430被接合到冷却基底460，并且不存在o形环真空密封444。

有利地，静电夹盘174的高操作温度(超过摄氏180度，诸如约摄氏250度的温度)不会损害复合垫片，而避免导致真空密封被损坏或使形成复合垫片470的一层或多层脱气。复合垫片防止可能影响工艺良率和操作成本的在腔室中的污染或腔室停机。

虽然前面部分针对涉及本发明的实施例，本发明的其他和进一步的实施例可经设计而不背离本发明的基本范围，且本发明的范围由所附的权利要求来决定。