用于高温应用的可拆卸、可偏置的静电卡盘的制作方法

1.本公开内容的实施方式一般涉及基板处理系统，且更具体地，涉及在基板处理系统中使用的基板支撑件。


背景技术：

2.基板支撑件用于向基板处理系统(诸如等离子体处理腔室)内的基板提供支撑。一种类型的基板支撑件包括耦接至下组件的静电卡盘。静电卡盘通常包括嵌入在陶瓷卡盘主体内的一个或多个电极。静电卡盘通常包括孔，以使热传流体(诸如气体)从下组件流到静电卡盘的支撑表面与基板的背侧之间。
3.静电卡盘可从下组件拆卸，以减少预防性维护时间并减少更换成本。然而，对于高温应用而言，静电卡盘相对于与下组件的馈通连接可能会产生未对准和热膨胀的影响。
4.因此，发明人提供了改进的基板支撑件。


技术实现要素：

5.于此提供了基板支撑件的实施方式。在一些实施方式中，一种在基板处理腔室中使用的基板支撑件包括：下组件，具有底板组件，其中底板组件包括围绕中央突起设置的多个电馈通；陶瓷圆盘，设置在下组件上并且可移除地耦接至底板组件，其中陶瓷圆盘具有设置在其中的电极，电极电耦接至多个电馈通的第一对电馈通；和柔性连接器，具有螺旋部分，柔性连接器设置在陶瓷圆盘和多个电馈通的每一个之间，以允许陶瓷圆盘和底板组件的热膨胀不同。
6.在一些实施方式中，一种在基板处理腔室中使用的基板支撑件包括：底板组件，其中底板组件包括中央突起和围绕中央突起设置的多个开口；电馈通，设置在多个开口的每一个中；陶瓷圆盘，经由耦接至个别浮动螺母的紧固件可移除地耦接至底板组件，其中陶瓷圆盘具有用于容纳基板的第一侧面和与第一侧面相对的第二侧面，第二侧面具有从第二侧面延伸的界面环，并且其中，当耦接时，底板组件和陶瓷圆盘仅在中央突起和界面环之间的界面处彼此接触；电极，嵌入陶瓷圆盘中并电耦接到第一对电馈通；和第一电阻加热器，嵌入陶瓷圆盘中，并电耦接到第二对电馈通。
7.在一些实施方式中，一种处理腔室包括：腔室主体，具有设置在腔室主体的内部空间内的基板支撑件，其中基板支撑件包含：冷却板，配置成使冷却剂循环流过其中；底板组件，设置在冷却板上，其中底板组件包括多个电馈通，多个电馈通包含第一对电馈通和第二对电馈通；陶瓷圆盘，设置在底板组件上并且可移除地耦接到底板组件，其中陶瓷圆盘包括电极和嵌入其中的加热器，其中电极电耦接到第一对电馈通，且加热器电耦接到第二对电馈通；和柔性连接器，设置在陶瓷圆盘和多个电馈通的每一个之间。
8.下面描述本公开内容的其他和进一步的实施方式。
附图说明
9.通过参考在附随的附图中描绘的本公开内容的说明性实施方式，可理解在上面简要概述并且在下面更详细地讨论的本公开内容的实施方式。然而，附随的附图仅显示了本公开内容的典型实施方式，且因此不应视为是对本发明范围的限制，因为本公开内容可允许其他等效实施方式。
10.图1描绘了根据本公开内容的至少一些实施方式的具有基板支撑件的处理腔室的示意性侧视图。
11.图2描绘了根据本公开内容的至少一些实施方式的基板支撑件的示意性侧视图。
12.图3描绘了根据本公开内容的至少一些实施方式的底板组件的局部等距视图。
13.图4描绘了根据本公开内容的至少一些实施方式的在陶瓷圆盘和底板组件之间的连接界面的横截面图。
14.图5描绘了根据本公开内容的至少一些实施方式的浮动螺母的等距视图。
15.图6描绘了根据本公开内容的至少一些实施方式的在陶瓷圆盘和底板组件之间的连接界面的横截面图。
16.图7描绘了根据本公开内容的至少一些实施方式的在陶瓷圆盘和底板组件之间的连接界面的横截面图。
17.为促进理解，在可能的情况下使用了相同的附图标记来表示共享于附图的相同元件。附图未按比例绘制，且为清楚起见可简化。一个实施方式的元件和特征可有益地并入其他实施方式中，而无需进一步叙述。
具体实施方式
18.于此提供了在基板处理腔室中使用的基板支撑件的实施方式。基板支撑件包括设置在下组件上的可拆卸的静电卡盘。下组件包括耦接至中空轴的底板组件。静电卡盘包含陶瓷圆盘，陶瓷圆盘具有用以支撑基板的支撑表面。陶瓷圆盘设置在下组件的底板组件上。在一些实施方式中，气体通道从基板支撑件的底部延伸到静电卡盘的顶表面(如，陶瓷圆盘的顶表面)。气体通道配置成向静电卡盘的顶表面提供背侧气体(诸如氮气(n)或氦气(he)或氩气(ar))，以用作热传介质。
19.静电卡盘包括一个或多个嵌入式电极。在一些实施方式中，静电卡盘包括一个或多个加热元件。底板组件容纳多个电馈通，电馈通配置成向静电卡盘中的电子部件提供功率。在一些实施方式中，电馈通被额定用于高压应用。在一些实施方式中，电馈通具有高达约1.5kv的dc功率额定值和高达约7.5a的dc电流额定值。在一些实施方式中，将静电卡盘加热到高达450摄氏度。
20.图1描绘了根据本公开内容的至少一些实施方式的具有静电卡盘的处理腔室(如，等离子体处理腔室)的示意性侧视图。在一些实施方式中，等离子体处理腔室是蚀刻处理腔室。然而，配置用于不同处理的其他类型的处理腔室也可与于此所述的静电卡盘的实施方式一起使用或被修改以与之一起使用。
21.腔室100是真空腔室，其适合于在基板处理期间保持腔室内部空间120内的低于大气压的压力。腔室100包括由盖104覆盖的腔室主体106，盖104包围位于腔室内部空间120的上半部分中的处理空间119。腔室100还可包括一个或多个屏蔽件105，其限制了各种腔室部
件，以防止在此些部件和离子化处理材料之间的不期望的反应。腔室主体106和盖104可由金属(诸如铝)制成。腔室主体106可经由耦接至地面115而接地。
22.基板支撑件124设置在腔室内部空间120内，以支撑和保持基板122(诸如半导体晶片)，例如，或可静电保持的其他这种基板。基板支撑件124通常可包含设置在下组件136上的静电卡盘150。下组件136包括用于支撑静电卡盘150的中空支撑轴112。静电卡盘150包含具有一个或多个电极154设置在其中的陶瓷圆盘152。中空支撑轴112提供导管，以向静电卡盘150提供(例如)背侧气体、处理气体、流体、冷却剂、功率或类似者。
23.在一些实施方式中，中空支撑轴112耦接至升降机构113(诸如致动器或马达)，其提供静电卡盘150在上、处理位置(如图1所示)和下传送位置(未显示)之间的垂直运动。下组件136包括围绕中空支撑轴112设置的波纹管组件110。波纹管组件110耦接在静电卡盘150和腔室100的底表面126之间，以提供柔性密封，柔性密封允许静电卡盘150的垂直运动，同时防止在腔室100内的真空损失。波纹管组件110还包括下波纹管凸缘164，下波纹管凸缘164与o形环165或其他合适的密封元件接触，o形环165或其他合适的密封元件接触底表面126以帮助防止腔室真空的损失。
24.中空支撑轴112提供了用于将背侧气体供应器141、夹持电源140和rf源(如，rf等离子体电源170和rf偏置电源117)耦接到静电卡盘150的导管。背侧气体供应器141设置在腔室主体106的外侧，并且在使用期间经由气体导管142将气体供应到静电卡盘150，以控制温度或压力及/或静电卡盘150的支撑表面上的温度轮廓或压力轮廓。在一些实施方式中，rf等离子体电源170和rf偏置电源117经由各自的rf匹配网络(仅显示rf匹配网络116)耦接到静电卡盘150。在一些实施方式中，基板支撑件124可替代地包括ac、dc或rf偏置功率。
25.基板升降件130可包括安装在平台108上的升降杆109，平台108连接到轴111，轴111耦接至第二升降机构132，用于升高和降低基板升降件130，使得基板122可放置在静电卡盘150上或从静电卡盘150移除。静电卡盘150可包括通孔以接收升降杆109。波纹管组件131耦接在基板升降件130和底表面126之间，以提供柔性密封，柔性密封在基板升降件130的垂直移动期间保持腔室真空。
26.腔室100耦接至真空系统114并与之流体连通，真空系统114包括用以抽空腔室100的节流阀(未显示)和真空泵(未显示)。腔室100内侧的压力可通过调节节流阀和/或真空泵来调节。腔室100还耦接至处理气体供应器118并与之流体连通，处理气体供应器118可向腔室100供应一种或多种处理气体，用于处理设置在其中的基板。
27.可调节静电卡盘150的温度以控制基板的温度。例如，可使用嵌入的一个或多个加热元件(如，第一加热器元件172和第二加热器元件174)(诸如电阻加热器)，来加热静电卡盘150。第一加热器元件172和第二加热器元件174耦接到加热器电源180。加热器电源180可包括一个电源，以向第一加热器元件172和第二加热器元件174两者提供电力，或耦接到每个相应的加热器元件的多个电源。
28.在操作中，例如，可在腔室内部空间120中产生等离子体102，以执行一个或多个处理。可通过经由腔室内部空间120附近或腔室内部空间120内的一个或多个电极将来自等离子体功率源(如，rf等离子体电源170)的功率耦接到处理气体，以点燃处理气体并产生等离子体102。也可从偏置电源(如，rf偏置电源117)向静电卡盘150内的一个或多个电极154提供偏置功率，以将离子从等离子体吸引到基板122。
29.图2描绘了根据本公开内容的至少一些实施方式的基板支撑件124的示意性侧视图。基板支撑件124包括可移除地耦接至下组件136的陶瓷圆盘152。基板支撑件124的下组件136包括耦接至下板208的底板组件204。下板208耦接至中空支撑轴112。底板组件204、下板208和中空支撑轴112界定第一气室234。在一些实施方式中，在使用期间，第一气室处于大气压。陶瓷圆盘152可移除地耦接至底板组件204。陶瓷圆盘152包括第一侧面236(或上表面)及第二侧面238(或下表面)，第一侧面236(或上表面)用以支撑基板，第二侧面238(或下表面)可移除地耦接至底板组件204。在一些实施方式中，陶瓷圆盘152由氮化铝(aln)制成。
30.在一些实施方式中，底板组件204由金属(诸如不锈钢)制成。在一些实施方式中，底板组件204的一个或多个外表面被纹理化以增加底板组件204的表面发射率。增加的表面发射率增强了从卡盘到底板组件204的散热。在一些实施方式中，底板组件204可经由合适的机械或化学处理(例如，通过喷砂(sandblasting)或喷砂(grit blasting))而被纹理化。在一些实施方式中，底板组件204包括中央板202和从中央板202的上表面向上延伸的中央突起216。在一些实施方式中，中央突起216具有圆柱形状。在一些实施方式中，底板组件204进一步包括第一支腿218，第一支腿218从中央板202在中央突起216相同的方向上向上延伸。在一些实施方式中，底板组件204包括第二支腿224，第二支腿224从第一支腿218径向向外延伸。在一些实施方式中，底板组件204包括从第二支腿224向下延伸至中央板202的外唇缘226。在一些实施方式中，下板208耦接至底板组件204的外唇缘226。中央突起216包括耦接到背侧气体供应器141的中央开口242。
31.中央板202包括围绕中央突起216的多个开口230。电馈通228设置在多个开口230的每个开口中。在一些实施方式中，端子232从陶瓷圆盘152的与每个电馈通228相对的第二侧238向外延伸，以将每个电馈通228电耦接到陶瓷圆盘152中的电子部件(如，电极154、第一加热器元件172、第二加热器元件174)。
32.在一些实施方式中，隔离环206设置在中央板202上并且配置成电隔离相邻的电馈通228，以有利地防止电弧。隔离环206包括围绕中央突起216设置的中央开口244。在一些实施方式中，隔离环206包括围绕中央开口244的与电馈通228的位置相对应的多个开口214。在一些实施方式中，一个电馈通228和一个对应的端子232耦接在多个开口214的每个开口内。在一些实施方式中，隔离环206由氧化铝(al2o3)制成。在一些实施方式中，隔离环206设置在中央突起216和第一支腿218之间。
33.在操作中，在腔室内部空间120中产生的等离子体102可能加热基板和陶瓷圆盘152。为了冷却陶瓷圆盘152，在一些实施方式中，冷却板212设置在底板组件204和下板208之间，并耦接到底板组件。冷却板212包括通道222，通道222耦接至冷却剂源210，并且配置成使冷却剂循环通过通道222以冷却冷却板212。在一些实施方式中，冷却剂是水。底板组件204和陶瓷圆盘152可经由传导和辐射而由冷却板212冷却。在一些实施方式中，冷却板212由镀镍的铜或不锈钢制成。在一些实施方式中，冷却板212设置在中央板202与第二支腿224之间。在一些实施方式中，冷却板212设置在中央板202与底板组件204的外唇缘226之间。
34.在一些实施方式中，热电偶240设置在陶瓷圆盘152中以测量陶瓷圆盘152的温度。热电偶240耦接至控制器220(诸如pid控制器)，以有利地控制陶瓷圆盘152的温度并保持热稳定性。为了提高陶瓷圆盘152的温度，一个或多个加热元件(如，第一加热器元件172、第二加热器元件174)被供能。为了降低陶瓷圆盘152的温度，减少供应给加热元件的电功率。通
过冷却板212循环的冷却剂另外有助于在使用高dc/rf等离子体功率和高rf偏置功率的处理条件下将陶瓷圆盘152的热稳定性维持在期望的温度设定点。
35.图3描绘了根据本公开内容的至少一些实施方式的底板组件的局部等距视图。在一些实施方式中，如图3所示，有七个电馈通228。在一些实施方式中，底板组件204可容纳多于七个或少于七个电馈通228。在一些实施方式中，第一对电馈通228a、228b在一端处耦接到电极154的引线，而在第二端处耦接到夹持电源140的引线。在一些实施方式中，第二对电馈通228d、228e在一端耦接到第一加热器元件172的引线，而在第二端处耦接到加热器电源180的引线。在一些实施方式中，第三对电馈通228a、228b在一端处耦接到第二加热器元件174的引线，而在第二端处耦接到加热器电源180的引线。在一些实施方式中，电馈通228c用于中央抽头，中央抽头配置成当将偏置电压(如，rf/ac偏置)施加到基板支撑件124时测量基板的浮动电压。
36.在一些实施方式中，电馈通228a与电馈通228b相邻。在一些实施方式中，第一对电馈通228a、228b，第二对电馈通228d、228e和第三对电馈通228f、228g设置成距中央板202的中央(如，中央轴线410)约3.0英寸至约4.0英寸。在一些实施方式中，用于中央抽头的电馈通228c设置成距中央板202的中央约1.0英寸至约2.0英寸。在一些实施方式中，陶瓷圆盘152的端子232的布置类似于电馈通228。
37.在一些实施方式中，底板组件204包括从中央突起216径向向外延伸的上凸片308。在一些实施方式中，上凸片308是绕中央突起沿直径相对的两个上凸片308。在一些实施方式中，上凸片308包括开口304以容纳穿过其中的紧固件302。在一些实施方式中，中央突起216的上表面310包括围绕中央开口242的凸起的唇缘312。在一些实施方式中，凸起的唇缘312界定了在底板组件204和陶瓷圆盘152之间的接触表面。在一些实施方式中，如图7所示，中央突起216的上表面310是平坦的，以有利地在底板组件204和陶瓷圆盘152之间提供更好的密封。
38.图4描绘了根据本公开内容的至少一些实施方式的在陶瓷圆盘和底板组件之间的连接界面的横截面图。在一些实施方式中，陶瓷圆盘152包括从陶瓷圆盘152的第二侧面238延伸的界面环404。在一些实施方式中，界面环具有约1.0英寸至约1.7英寸的外径。在一些实施方式中，界面环404的底表面和凸起的唇缘312的顶表面界定了在底板组件204和陶瓷圆盘152之间的接触区域。
39.在一些实施方式中，有利地最小化在陶瓷圆盘152与底板组件204之间的接触区域426，以促进陶瓷圆盘152的温度均匀性。在陶瓷圆盘152与底板组件204之间的更大的接触面积可导致底板组件204充当散热器。在一些实施方式中，在界面环404和中央突起216之间的接触区域426的外侧，在陶瓷圆盘152和底板组件204之间设置间隙412。
40.在一些实施方式中，第一管418从接触区域426径向向内耦接至界面环404。在一些实施方式中，第一管418被钎焊或焊接到界面环404。在一些实施方式中，第二管420耦接到第一管418。在一些实施方式中，第二管420被钎焊或焊接到第一管418。中央通孔422延伸穿过陶瓷圆盘152(如，穿过界面环404、第一管418和第二管420)，以提供气体通道，气体通道从背侧气体供应器141经由底板组件204的中央开口242到达陶瓷圆盘152的第一侧面236。
41.在一些实施方式中，密封件430设置在第二管420与底板组件204的中央开口242的侧壁之间，以减少或防止气体泄漏。在一些实施方式中，密封件430是斜弹簧。在一些实施方
式中，密封件430由包含镍-铬的金属合金制成，以提供电接触以及气体密封。在一些实施方式中，第二管420包括围绕第二管420的主体的上环形壁架424和下环形壁架428，具有密封件430设置在其间。在一些实施方式中，下环形壁架428对应于中央开口242的侧壁的形状径向地向内和向下渐缩，使得当下环形壁架428被向下推动时密封件430被进一步压缩。
42.在一些实施方式中，底板组件204包括从中央突起216径向向外延伸的下凸片406。每个下凸片406包括开口432，以容纳紧固件302。下凸片406的每个开口432与上凸片308的相应开口304对准。上凸片308与下凸片406间隔开。在一些实施方式中，浮动螺母408部分地设置在每个下凸片406中。
43.在一些实施方式中，如图4所示，两个紧固件302设置在陶瓷圆盘152的紧固件开口416中，以将陶瓷圆盘152耦接至底板组件。在一些实施方式中，两个紧固件302设置成距陶瓷圆盘152的中央轴线410约0.8英寸至约1.1英寸。每个紧固件302设置成穿过上凸片308中的开口304并进入设置在下凸片406中的浮动螺母408中。紧固件302的直径小于开口304和开口432的直径。浮动螺母408有利地允许紧固件302回应于当陶瓷圆盘152加热到高温时的热膨胀而在开口304和开口432内移动。
44.图5描绘了根据本公开内容的至少一些实施方式的浮动螺母408的等距视图。在一些实施方式中，浮动螺母408包括具有开口504的主体508。在一些实施方式中，开口504包括埋头孔，以当从顶部插入时(如，在盲目安装期间)帮助将紧固件302自定心。主体508具有上表面514和下表面516。中央突起510从下表面516围绕开口504延伸。中央突起510的外侧壁随着中央突起510远离主体508延伸而径向向内渐缩。中央突起510经调整尺寸以适合于下凸片406的开口432。
45.一对第一支腿502在开口504的相对侧上从下表面516延伸。该对第一支腿502间隔开以跨在下凸片406上。一对第二支腿506在开口504的相对侧上从上表面514延伸。在一些实施方式中，该对第二支腿506比该对第一支腿502更靠近开口504设置。该对第二支腿506间隔成使得它们比上凸片308更宽。在使用中，浮动螺母408(当耦接到紧固件302时)可在径向和轴向方向上移动，同时保持在上凸片308和下凸片406之间。
46.图6描绘了根据本公开内容的至少一些实施方式的在陶瓷圆盘和底板组件之间的连接界面的横截面图。在一些实施方式中，热电偶240穿过底板组件204的中央突起216并且部分地穿过陶瓷圆盘152设置。在一些实施方式中，热电偶240具有非接触式尖端，非接触式尖端通过辐射吸收热量。在一些实施方式中，热电偶240被金属套筒614围绕。在一些实施方式中，偏置元件616(诸如弹簧)围绕热电偶240设置，以将热电偶240的顶表面618朝金属套筒614推动。在一些实施方式中，陶瓷圆盘152具有用于热电偶240的开口608，开口608的直径大于热电偶240的外径，以有利地防止当陶瓷圆盘152经过热膨胀和收缩时，热电偶240接触开口608的侧壁。
47.在一些实施方式中，如图7所示，热电偶240是接触型热电偶。例如，接触型热电偶可包括偏置元件(诸如弹簧、波纹管或类似者)，以将热电偶的顶表面618压抵陶瓷圆盘152以产生温度读数。在一些实施方式中，偏置元件616包括弹簧构件。在一些实施方式中，偏置元件包括波纹管704。例如，波纹管704可设置在金属套筒614的第一部分710和金属套筒614的第二部分720之间。在一些实施方式中，底板组件204可包括容纳热电偶240的孔。在一些实施方式中，孔从上表面310延伸穿过中央突起216。
48.再次参考图6，在一些实施方式中，热电偶240耦接到中央板202的下表面612。在一些实施方式中，底板组件的中央开口242具有第一部分604和第二部分606。在一些实施方式中，第二部分606相对于第一部分604以一定角度延伸并远离热电偶240，以留出用于将热电偶240焊接到中央板202的下表面612的空间。
49.在一些实施方式中，多个电馈通228的每一个包括被陶瓷套筒622围绕的导电芯624。在一些实施方式中，导电芯624在一端处包括螺纹轴626。在一些实施方式中，导电芯624在与螺纹轴626相对的一端处包括螺纹开口638。在一些实施方式中，来自电源(如，夹持电源140、加热器电源180)的引线经由穿过螺纹开口638设置的紧固件636而耦接到导电芯624。
50.在一些实施方式中，金属套筒620在靠近螺纹轴626的一端附近耦接至陶瓷套筒622并围绕其设置。金属套筒620耦接至底板组件204。在一些实施方式中，金属套筒620为u形以适应电馈通228的任何热膨胀。在一些实施方式中，垫圈634设置在紧固件636和陶瓷套筒622之间。
51.在一些实施方式中，柔性连接器630设置在陶瓷圆盘152的每个端子232与多个电馈通228的每一个之间，以有利地允许端子232相对于电馈通228由于陶瓷圆盘152的热膨胀的径向运动，并用于照顾在陶瓷圆盘终端轴线和底板组件上的电馈通轴线之间的任何位置误差。
52.在一些实施方式中，柔性连接器630在第一端652处包括开口，以接收从陶瓷圆盘152延伸的端子232。在一些实施方式中，柔性连接器630在第二端632处包括开口，以接收多个电馈通228之一者的导电芯624。在一些实施方式中，陶瓷垫圈648设置在柔性连接器630和电馈通228之间，以提供对地面的电隔离。在一些实施方式中，柔性连接器630在第一端652和第二端632之间具有螺旋部分640。螺旋部分640配置成有利地允许柔性连接器630在径向负载(如，由于热膨胀)下弯曲，同时保持在端子232和电馈通228之间的电接触。在一些实施方式中，柔性连接器630由包含镍-铬的金属合金制成。
53.在一些实施方式中，柔性连接器630具有围绕端子232的环形凹槽644。在一些实施方式中，偏置元件642设置在环形凹槽644中以增强在端子232与柔性连接器630之间的电接触。在一些实施方式中，偏置元件442是斜弹簧。在一些实施方式中，偏置元件442由包含镍-铬的金属合金制成。
54.尽管前述内容涉及本公开内容的实施方式，但是在不背离本公开内容的基本范围的情况下，可设计本公开内容的其他和进一步的实施方式。