抗蝕刻加熱器及其組件的製作方法
2023-10-18 07:10:19
專利名稱：抗蝕刻加熱器及其組件的製作方法
技術領域：
本發明通常涉及電子器件製造中使用的加熱器和加熱器組件。
背景技術：
製造包括集成電路(IC)、微機電系統、光電子器件、平板顯示器件的電子器件的工藝包括幾個主要工藝步驟，這些步驟包括受控制地沉積/生長材料，以及對之前沉積/生長的材料進行控制並且通常是有選擇地除去或改變。化學氣相沉積(CVD)是常見的沉積工藝，其包括低壓化學氣相沉積(LPCVD)、原子層化學氣相沉積(ALD或ALCVD)、熱化學氣相沉積(TCVD)、等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)、高密度等離子體化學氣相沉積(HDP CVD)、擴展熱等離子體化學氣相沉積(ETP CVD)、熱等離子體化學氣相沉積(TPCVD)以及金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)等。
在有些CVD工藝中，在低壓高溫的狀態下在反應器中使用一種或多種氣態反應物來在半導體晶片表面形成固態絕緣或導電層，該晶片位於設置在反應器中的基片座上。在CVD工藝中基片座/基座可以作為加熱器，其一般包括至少一個用來加熱晶片的加熱元件；或者可以作為靜電夾具(electrostatic chuck)(ESC)，其包括至少一個用來靜電箝位該晶片的電極；或者可以是加熱器/ESC結合體，其具有用來加熱和箝位的電極。在矽晶片上沉積預定厚度的薄膜之後，在反應器內的其它暴露表面，包括反應器壁、反應器窗、氣體注入器表面、排氣系統表面和暴露在沉積工藝中的基片座表面上會產生一個寄生沉積(spurious deposition)。這個寄生沉積會在後來的沉積中產生問題，因此要由清潔工藝定期除去，即，在一些情況下在每個晶片加工之後以及在其它情況下在一批晶片加工之後。本領域中的通常清潔工藝包括原子氟基清潔(atomic fluorinebased cleaning)、碳氟化合物等離子體清潔、六氟化硫等離子體清潔、三氟化氮等離子體清潔和三氟化氯清潔。在該清潔工藝中，所述反應器元件，例如壁、窗、基片座和組件等有望被腐蝕/侵蝕掉。
除了在CVD工藝中的強腐蝕環境之外，這些工藝還被加熱到高溫，即對於矽晶片要超過1000℃。此外，在這些工藝中，所述晶片必須同時維持規定溫度均勻性。在大多數應用中，在被加熱的表面與加熱元件直接物理接觸時，熱量通過傳導傳遞到晶片。然而，在一些應用中在被加熱的表面和加熱元件之間建立物理接觸並不實際。金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)工藝廣泛應用在薄膜生長中，薄膜生長是高技術微製造中的關鍵步驟。在MOCVD應用中，系統位於高真空的環境中，同時晶片位於旋轉表面(基座)上以提高外延層的均勻性。因此，該旋轉基座不能直接接觸加熱元件。熱量不可能通過對流(由於真空狀態)和傳導(由於非接觸)從加熱元件傳遞到晶片。因此，輻射(或使用輻射加熱元件)是唯一可以用來傳熱的機制。此外，其上支承所述晶片的石墨基座的所需溫度範圍可以高達超過1200℃。
在現有技術的一個實施方案中，抗蝕刻材料可用於例如基座/加熱器/基片座的元件。在CVD工藝中的高溫下，現有技術中的抗蝕刻材料的蝕刻率(erosion rate)按指數規律增加。因此，現有技術中的加熱器溫度斜線下降，例如從沉積可能發生的600-1000℃下降到可以進行清潔的400℃。這種方法將增加加熱器的壽命，但是相當大地降低了整體產量。
為MOCVD應用設計的熱模塊一般使用高強度燈作為所述輻射加熱元件。這些燈因為其熱質量低而可以快速加熱並迅速冷卻。它們也可以被立刻關掉，而溫度不會緩慢降低。高強度燈的加熱不會總是在晶片表面達到期望的溫度均勻性。可以用多區段燈來提高溫度的均勻性，但是會增加成本和維護需求。此外，很多燈使用線形燈絲，這使得它們不能有效地提供均勻熱量到圓形晶片。在一些用於MOCVD的熱模塊中，使用電阻基片加熱器作為輻射加熱元件來提供穩定而可重複的熱源。在現有技術中大多數電阻加熱器趨於具有大的熱質量，這使得它們不適用於在石墨基座上＞1000℃的高溫應用。
一種用於電阻基片加熱器(也可用於非加熱的基片座)的經常使用的抗蝕刻材料是氮化鋁，其中燒結氮化鋁(AlN)為最常見。不幸地是，現有技術的燒結AlN基片座受到重大的限制，也就是它們只能以＜20℃/分鐘的速度加熱或冷卻。如果加熱或冷卻過快，陶瓷一般將破裂。此外，在陶瓷破裂之前在整個基片表面只能維持適當的溫差。
美國專利No.6,140,624公開了具有外塗層的電阻加熱器，該外塗層選自碳化矽和碳化硼，用於＞80％的輻射效率。然而，在溫度非常高的應用中，也就是，在需要加熱器溫度＞1500℃的情況下，由於碳化矽在這樣高的溫度下分解，因此碳化矽塗層將不能正常工作。另一方面，具有碳化硼外塗層的加熱器在技術上可行但是進行商業製造是不現實的。
該發明涉及改進的裝置，例如陶瓷加熱器或者晶片處理組件，比如使用改進加熱器的熱模塊，該裝置對於將熱模塊中的晶片加熱到需要的高溫，具有非常好的熱效率。該發明的裝置保持晶片上的優良的溫度均勻性，且在工作中降解和分解的風險最低，以及對於工作中延長的壽命具有非常好的抗蝕刻特性。
發明內容
一方面，本發明涉及一種比如輻射加熱器的裝置，其可以作為熱模塊的一部分，在提高的加熱器溫度＞1500℃時具有高於70％的輻射效率。在一個實施例中，該裝置包括一個包含氮化硼的基層基片、一個疊加在該基層基片一側上並具有形成一對接觸端的幾何形狀的熱解石墨加熱元件。包圍該加熱元件的第一外塗層由下述中的至少一種組成選自B、Al、Si、Ga、難熔硬金屬、過渡金屬及其組合中元素的氮化物、碳化物、氮化碳或氮氧化合物，以及包圍第一外塗層的第二外塗層的輻射效率高於70％並且在提高的加熱器溫度＞1500℃時輻射效率優選地至少80％。
在一個實施例中，該第二外塗層的平面熱傳導率至少是第一外塗層的平面熱傳導率的3倍，因此還提高了加熱器的輻射表面上的溫度均勻性，從而直接提高了晶片熱均勻性。在第三實施例中，第二塗層包括熱解石墨。
另一方面，本發明涉及一種用於高溫半導體工藝例如MOCVD的熱模塊。該熱模塊包括作為輻射加熱元件的上述加熱器。在一個實施例中，該模塊還包括反射器堆，該反射器堆包括設置在加熱器之下的高反射材料來更好地保存產生的熱量。還可以增加附加管狀反射器護罩和蓋來更好地幫助保存加熱器能量。
圖1A-1C是表示加熱器一個實施例的截面圖，如其由多個工藝步驟形成，在該加熱器的一個表面具有熱解石墨外塗層。
圖1D-1E是基座的不同實施例的截面圖。
圖1F-1I是具有線圈外形的加熱器(由線圈形狀的基片形成)的不同實施例的截面圖。
圖2A-2B是表示陶瓷加熱器的第二實施例的截面圖，該陶瓷加熱器由多個工藝步驟形成，具有保護整個加熱器結構的熱解石墨外塗層。
圖3A是陶瓷加熱器的一個實施例的頂視圖，其中除去了外塗層來表示熱解石墨加熱元件的幾何形狀。
圖3B是加熱器組件的另一實施例的截面圖，其中該加熱器組件具有基片座，基片座具有相對平坦的上和下表面，並且有基本在基片座上橫向延伸的杆。
圖4是表示使用現有技術的加熱器的熱模塊的截面圖，其用於在計算流體動力學(CFD)計算中以在所述晶片被加熱到1500℃的溫度時檢驗加熱器表面溫度。
圖5是表示使用圖1A-1C的加熱器的熱模塊的截面圖，其用於在計算流體動力學(CFD)計算中、在晶片被加熱到1500℃的溫度時檢驗加熱器表面溫度。
圖6是表示不同材料在室溫的NF3環境下的蝕刻率的圖表。
圖7是比較現有技術的其它材料(包括熱解氮化硼和燒結氮化鋁)與加熱器上層的一個實施例在400℃時的蝕刻率的圖表。
圖8是在蝕刻後具有熱解氮化硼塗層的現有技術加熱器的照片(1/4放大)。
圖9A是用於比較現有技術的加熱器和本發明加熱器的一個實施例即一個PG外塗層PBN加熱器的加熱器溫度斜線上升測試的試驗裝置圖。圖9B是加熱器的特寫截面圖。
圖10A和10B是從現有技術的加熱器和本發明加熱器的一個實施例，即一個PG外塗層PBN加熱器得到的加熱器溫度和達到的基座溫度進行比較的圖表。
圖11是比較在400℃下蝕刻1小時和5小時之後本發明加熱器的外塗層蝕刻率的圖表。
圖12是比較在600℃下持續和脈衝蝕刻1小時後本發明加熱器的外塗層蝕刻率的圖表。
具體實施例方式
如這裡使用的，將應用近似語言來改變任何定量表述，這些定量表述可以變化但不會導致所涉及的基本功能的改變。因此，在一些情況下由比如「大約」和「基本上」的一個或者多個術語所修改的值，可能不限於所指定的精確值。
如這裡使用的，術語「加熱器」不局限於陶瓷加熱器，還可以用來表示在熱模塊、間歇式加熱爐、CVD處理腔或反應器中用來加熱或者支承矽晶片的「基座」、「晶片座」或者「加熱器/靜電卡盤組合」。
如這裡使用的，「加熱器組件」和「熱模塊」、「間歇式加熱爐」、「CVD處理腔」或「反應器」可以交替使用，來表示其中電子器件或者晶片被處理的組件。
在這裡所使用的「晶片基片」或「基片」為複數形式，但是該術語用來表示可以使用一個或多個基片，「晶片」和「基片」或者「晶片基片」可以交替使用。類似的，「加熱器」、「基座」、「電極」或者「加熱元件」可以使用複數形式，但是這些術語用來表示可以使用一項或多項。
在下文中，將從加熱器的最內層開始向外，也就是從基層基片、電極、第一保護塗層、到上外塗層來更加詳細地說明本發明。
基層基片在一個實施例中，該裝置包括由如圖1A所示的單層組成的基層基片，盤形的基層基片6具有加工成需要形狀所需要的完整性和可加工性。如圖1F所示在另一個實施例中，基層基片6不是連續的盤形，而是成形為用於線圈形加熱器5的線圈形。圖1G-1I是具有線圈形基層基片的加熱器的不同實施例的截面圖。
基層基片6的特徵在於具有非常好的物理特性，例如耐熱性和強度。在一個實施例中，基層基片6包括下述中的一種石墨；難熔金屬如W、過渡金屬、稀土金屬和合金；及它們的混合物。在另一實施例中，基層基片6是燒結材料，還包括燒結輔料、金屬或者碳摻雜劑和雜質。在另一個實施例中，基層基片6包括燒結材料，該燒結材料包含選自B、Al、Si、Ga、難熔硬金屬、過渡金屬元素的氧化物、氮化物、碳化物、碳氮化物或氧氮化物中的至少一種；鋁的氧化物、氧氮化物；及其組合。在又一個另外的實施例中，基層基片6包括這樣的材料例如氮化硼和氮化鋁的混合物，該材料其特徵在於具有相當好的機械加工特性，使基層基片具有加工成需要的形狀所需要的完整性和機械加工性。
在一個實施例中基層基片6由氮化硼燒結體及氮化硼和氮化鋁的混合燒結體中的任意一個組成。在第二實施例中，基層基片6包括通過CVD工藝形成的熱解氮化硼板。在圖1D和1E所示的一個實施例中，其中該裝置為基座形式，基層基片6包括體石墨。
在如圖2A所示的又一個另外的實施例中，基層基片6包括塗有第一外塗層6B的中心基板6A。層6B至少包括選自B、Al、Si、Ga、難熔硬金屬、過渡金屬元素的氮化物、碳化物、碳氮化物或氧氮化物及其組合。在一個實施例中，第一外塗層6B包括在溫度高於1500℃或更高時仍然穩定的作為保護層的pBN。該第一外塗層6B可以通過包括擴展熱等離子體(ETP)、離子電鍍法、化學氣相沉積(CVD)、等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)、金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)(也稱作有機金屬化學氣相沉積(OMCVD))、金屬有機氣相外延(MOVPE)、例如濺射的物理氣相沉積工藝、反應電子束(e束)沉積以及等離子體噴霧的工藝沉積在基板6A上，但並不局限於使用這些工藝。典型的工藝是ETP、CVD和離子電鍍法。第一外塗層6B的厚度可以根據應用和使用的工藝例如CVD、離子電鍍法和ETP等來變化，並根據應用從1μm到幾百μm變化。在一個實施例中，塗層6B的厚度大於或等於大約10微米(μm)。在另一個實施例中，保護塗層厚度大於或等於大約50μm。在第三實施例中，厚度大於或等於大約100μm。在又一個另外的實施例中，厚度小於或等於大約500μm。
電極層/加熱元件在實施例中，其中該裝置呈陶瓷加熱器形式，該裝置還包括如圖1A所示的電極層/加熱元件7。在一個實施例中，加熱元件7由金、鉑、銀、金或鉑和銀的混合物、鈦、鎢、鉭、熱解石墨以及包括硼和/或碳化硼的熱解石墨中的任何一種構成，可以經受1500℃或更高的溫度。
在一個實施例中，電極7的厚度為大約5-500μm。在第二實施例中，其厚度為10-300μm。在第三實施例中，電極層的厚度為30-200μm。在第四實施例中，電極7的厚度在1到30μm的範圍內。在第五實施例中，電極7的厚度是從1到10μm。
在一個實施例中，電極7的圖形寬度在0.1到20mm的範圍內。在第二實施例中，圖形寬度是0.1到5mm。在第三實施例中，圖形寬度是從5到20μm。
在一個實施例中，電極層7覆蓋基層基片的上表面或下表面。在另一個實施例中，電極層7如圖1A和1B所示同時覆蓋基層基片6的上表面和下表面。
可以使用不同的方法將電極層7沉積到基層基片6上，包括物理氣相沉積(PVD)、濺射、離子電鍍法、等離子體支持氣相沉積或者化學氣相沉積。
在一個實施例中，上或下電極層7(或者上下電極層同時)被機械加工成預定形狀，例如如圖2A所示的螺旋或蜿蜒的幾何形，從而形成具有相對端(未示出)的延長的連續條形熱解石墨形式的電流路徑。電流路徑可以是盤旋形、蜿蜒形、螺旋形、鋸齒形、連續迷宮形、螺旋線圈形、旋渦形、任意旋繞形和其組合中的一種。形成加熱帶的電氣圖形，也就是電隔離、電阻加熱器路徑，可以通過現有的技術實現，包括但不局限於微加工、微角釘(micro-brading)、雷射切割、化學蝕刻或者e束蝕刻。
電極層7基於與外部電源(未示出)的連接，形成加熱元件。在一個實施例中，電極7為不同尺寸的獨立控制的加熱或冷卻的對象限定了多個電極帶，每個帶包括一個或多個電極元件7。
保護塗層。在加熱器的實施例中，如圖1B和1C所示，具有電極層的基層基片接著被塗有第一保護塗層8。在如圖1E所示的基座的實施例中，第一保護塗層8直接施加在基層基片6上。
保護塗層8至少包括下述中的一種選自B、Al、Si、Ga、難熔硬金屬、過渡金屬組成的元素的氮化物、碳化物、碳氮化物或氧氮化物及其組合；具有NaZr2(PO4)3的NZP結構的高熱穩定性的磷酸鋯；至少包括選自元素周期表的2a族、3a族和4a族的一種元素的玻璃-陶瓷成分SiO2和包括Y、Sc、La、Ce、Gd、Eu、Dy等的氧化物的抗等離子體材料的混合物。
在一個實施例中，氮化物選自下述中一種熱解氮化硼(pBN)、碳摻雜pBN、氮化鋁(AlN)、碳摻雜AlN、氧摻雜AlN、氧化鋁、氧氮化鋁、氮化矽或者其複合物。如這裡所使用的，氮化鋁指AlN、AlON或其組合物。在一個實施例中，保護塗層8是AlN、AlON、Al2O3或其組合物的單層。在另一個實施例中，保護塗層8是多層，包括相同材料例如AlN、AlON、Al2O3等的多個塗層，或者是連續塗覆AlN、AlON、pBN、SiN等的多個不同層。
保護塗層8可以由ETP、離子電鍍法、CVD、PECVD、MOCVD、OMCVD、MOVPE、離子等離子體沉積、例如濺射的物理氣相沉積工藝、反應電子束(e束)沉積、等離子體噴霧及其組合中的任何方法沉積。典型的工藝是ETP、CVD和離子電鍍法。
保護塗層8的厚度根據應用和使用的工藝例如CVD、離子電鍍法和ETP等變化。在一個實施例中，層8的變化從1μm-500μm。使用的保護層越厚通常期望使用周期就越長。在一個實施例中，保護塗層8的厚度為5-500μm。在第二實施例中，厚度為大於或等於大約100μm。在又一個另外的實施例中，厚度為小於或等於大約300μm。
上外塗層在如圖1C所示的一個實施例中，該裝置還塗有外塗(或者外敷)層9，其在於塗層8的上表面上形成。在如圖1D所示的基座的一個實施例中，外塗(或者外敷)層9直接覆蓋下面的基片8。在如圖1E所示的基座的又一個另外的實施例中，基片8首先由第一塗層8隨後由外敷層9塗覆。
上外塗層9的功能是散熱器(thermal spreader)並在升高溫度即1500℃或更高的溫度下加強加熱器的發射率，由此還增加輻射熱轉移的速率。這依次幫助降低加熱器工作溫度，並且從而避免加熱器過早退化。外塗層9進一步具有保護電極7不受機械損壞的功能。
在圖2B所示的一個實施例中，整個加熱器結構塗覆有密封保護層9(上和下表面)來保護加熱器結構，尤其是塗層/絕緣層8，使其免於被清潔工藝中使用的等離子體或化學產品侵蝕。
在一個實施例中，外塗層9所包含材料的平面熱導率為由塗層8組成材料的熱導率的至少3倍，從而提高晶片上的熱均勻性。在第二實施例中，外塗層9所包含材料的平面熱導率為外塗層8的熱導率的至少4倍。在一個實施例中，外塗層9所包含材料的熱導率大於100W/m°K。在第二實施例中，外塗層9所包含材料的熱導率大於200W/m°K。在第三實施例中，外塗層9包含熱解石墨(「PG」)，其在非常高的溫度下性能良好並在高達2200℃的溫度下保持穩定。由於CVD沉積工藝的本質，PG接近2.25的原理密度並且基本上是無孔的。
外塗層9可以由ETP、離子電鍍法、CVD、PECVD、MOCVD、OMCVD、MOVPE、例如濺射的物理氣相沉積工藝、反應電子束(e束)沉積、等離子體噴霧及其組合中的任何方法沉積。
外塗層9的厚度根據應用和使用的工藝例如CVD、離子電鍍法和ETP等變化。在一個實施例中，層9的厚度從1μm-500μm變化。在第二實施例中，保護塗層8的厚度為5到500μm。在第三實施例中，厚度為大於或等於大約100μm。在又一個另外的實施例中，厚度為小於或等於大約300μm。
在一個實施例中，外塗層9的平均表面粗糙度滿足Ra＜＝0.05μm，且最大表面粗糙度滿足Rmax＜＝0.6μm。在又另一實施例中，該層的表面粗糙度Ra的範圍在＞0.5μm並＜3μm內。在又一個另外的實施例中，外塗層的Scheroscope硬度在A方向為103，在C方向為68。
圖6是表示不同材料在室溫NF3環境下的蝕刻率的圖表。在圖7中，熱解石墨(PG)與其它包括熱解氮化硼(pBN)和在400℃燒結的氮化鋁材料的蝕刻率相比較。與通常用於現有技術加熱器中的其它材料也就是石英、熱解氮化硼、燒結AlN由於腐蝕作用都顯示出重量損失相比，CVD AlN和PG的蝕刻率顯示出重量增加。在圖8中，圖8是在PG電極層上具有pBN外塗層的現有技術加熱器的照片，在連續遠程NF3等離子體中在400℃下蝕刻60分鐘之後，迅速將pBN外塗層從下面的PG電極中除去。然而，需要注意的是PG電極在蝕刻工藝中是完整的。
除了蝕刻帶來的腐蝕問題外，應該注意包括pBN外塗層的現有技術加熱器具有相對軟的表面，並且在矽晶片設置在其上時被一定程度地腐蝕。產生的pBN微粒將一般粘附在晶片的後側，這會造成汙染和後續的矽晶片處理步驟中的對準問題。由於外塗層也就是熱解石墨(「pG」)的特徵比pBN(「熱解氮化硼」)、AlN等要硬得多，因此本發明的加熱器很少有這樣的後側的問題。此外，該材料粒度也非常小，因而即使產生了微粒，它們的尺寸對於產生實質問題來講仍然很小(例如小於0.1微米)。此外，這樣的微粒也可以容易用臭氧或者氧氣等離子體除去。
關於散熱，由於在面內方向的熱導率非常高，以及在穿過面方向的熱導率非常低，加熱器上的pG塗層會幫助「擴散」或者分散加熱器形狀中的任何熱不均勻性，因此獲得更均勻的表面溫度。此外，由於pG的相比pBN(～0.4)的高發射率(＞0.7)，因此本發明的加熱器是更有效的輻射加熱器。
如圖所示，外塗層9對現有技術做出了改進，使加熱器能夠更加抵抗等離子體侵襲和/或在很多半導體處理步驟中使用的用來清潔反應器腔的含氟化學清潔劑，並由此延長了加熱器的壽命。在一個實施例中，由於具有熱解石墨的保護外塗層的密封，加熱器在600℃下NF3中的蝕刻率小於100埃/分鐘(A°/min)。在第二實施例中，它在600℃下NF3中的蝕刻率小於50埃/分鐘(A°/min)。由於加熱器較少受腐蝕作用影響，因此有望有更少的微粒從加熱器表面脫落，與現有技術的加熱器相比汙染問題更少。
在加熱器裝置的一個實施例中，加熱器5可以是適於終端應用的任何形狀/幾何外形。在一個實施例中，它如圖3A所示是圓板形。在另一個實施例中，它可以是多邊板形、圓柱形、圓板形或者具有凹入或凸出部分的圓筒。在如圖3B所示的又一個另外的實施例中，該加熱器包括支承晶片13的平臺和從平臺延伸並且基本上橫穿平臺縱軸的杆20。至少一個加熱元件7加熱由平臺支承的晶片13。
儘管在CVD反應器中加熱器的斜率是以下的函數可利用電源、加熱器結構、晶片直徑和晶片間距；但本發明的加熱器能夠以至少20℃每分鐘的斜率加熱，使得通過要加熱的晶片表面均勻加熱。在一個實施例中，加熱器的斜率為至少30℃每分鐘。在具有多區加熱器的一個實施例中，本發明的加熱器對於直徑300mm表面上的任意兩個點之間整個表面上最大溫度差是至少75℃。在第二實施例中，加熱器對於直徑300mm表面的整個表面上的最大溫度差是至少100℃。
應該注意，熱模塊或者CVD處理腔中的其它部件需要抵抗氟等離子體，例如晶片託架舟皿(boat)、石墨線圈加熱器、聚焦環、用來支承聚焦環和靜電夾具的底座組件、限定在靜電夾具之上的氣體分布板等，能夠以與本發明的加熱器相似的方式構造，也就是具有包括有抗蝕刻特性的材料如pG的外塗層。
本發明還通過如下非限制性的例子說明。
例1和2進行計算流體動力學(CFD)的計算來模擬熱模塊(加熱器組件)。第一熱模塊使用如圖4所示的現有技術的陶瓷加熱器。第二熱模塊使用如圖5所示的本發明一個實施例的加熱器。這些模塊用來將單個2」英寸晶片加熱到1300℃，均勻度在大約+/-3℃。在金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)工藝中，對均勻性的要求非常嚴格。因此，在溫度均勻性方面每攝氏度變化影響到沉積工藝。晶片表面上的溫度均勻性被限定為由位於整個晶片表面的9個熱電偶測量的最大溫度和最小溫度之間的差。
如圖所示，晶片13設置在旋轉的基座14上，因此不能直接與加熱器5接觸。基板30包括具有PBN塗層的石墨。PBN反射器20包括厚度為0.7mm的2個片和2個罩。Mo反射器21包括每個厚度為0.2mm的3個片和1個管。在該組件中，加熱器5通過輻射加熱旋轉的基座14，並且這種熱量隨後通過傳導轉移到晶片。
在例1中，陶瓷加熱器5是現有技術的輻射加熱器，具有直徑大約為95mm、厚度為2mm的PBN中心板、熱解石墨的薄型電極和包括厚度15微米的PBN的外塗層。在例2中，例1中的現有技術的加熱器還具有包括厚度為40μm的熱解石墨的外塗層。
為例1和2的加熱器組件的熱模擬建立三維模型(粒度為0.87百萬晶格(million cell))。在兩個常規經驗溫度範圍下在處理腔中，使用離散縱向輻射模式在熱模塊的不同子部件之間來模擬表面到表面的輻射1)當處理腔內的周圍溫度為500℃；和2)當處理腔內的周圍溫度為800℃。此外，使用用戶子程序來模擬加熱器內的焦耳加熱並模擬石墨電阻率為溫度的函數。
表1表示從兩個例子的CFD模型得到的數據表1
在具有現有技術的加熱器的實施例1A中，當晶片被加熱到大約1300℃的目標溫度時，加熱器平均溫度預計為大約1933℃。然而，PBN表面本質上不能經受高於1800℃的溫度，因此完全可以預見到，在該溫度點(1933℃)和超過該溫度點的溫度，現有技術的加熱器的PBN表面開始破裂使加熱器產生故障。在同樣具有現有技術的加熱器並且周圍溫度為800℃的例1B中，當加熱器被加熱到目標溫度1300℃時，加熱器平均溫度達到1851℃，在現有技術的加熱器中預計會達到相同的效果，PBN表面不能經受＞1800℃的溫度。
在使用本發明加熱器的例2A和2B中，晶片再次被加熱到相同的目標溫度1300℃。在例2A中，平均需要加熱器溫度預計為1800℃。該模型清楚地示出由於熱解石墨外塗層的優良的平面熱傳導帶來晶片表面熱均勻性的改善。這種改善為2-3℃的量級，由於這種工藝對均勻性的要求嚴格，這在MOCVD工藝中仍然非常關鍵。應該注意2-3℃的變化使晶片的溫度均勻性改善了大約15-20％。
在例2B中，該模型預示平均需要加熱器溫度為大約1743℃，這低於現有技術的pBN外塗層加熱器的臨界工作溫度。該模型還預示晶片表面上溫度均勻性改善了2-3℃的量級。
CFD數據證明PBN加熱器上的PG材料的外塗層尤其適於例如MOCVD的高溫應用。塗有外塗層材料例如PG的加熱器可以在比沒有PG外塗層的加熱器低大約100-150℃的溫度下工作，並且都能達到相同的基座溫度。這種加熱器工作溫度的差非常關鍵，尤其是在加熱器需要在最高允許溫度1800℃附近工作時。
例3在該例子中，現有技術的輻射陶瓷加熱器在圖9A-9B所示的密封熱模塊90中試驗性測試。在9A中，陶瓷加熱器5具有直徑為大約40mm且厚度為2mm的pBN中心板、熱解石墨的薄型電極和包括厚度0.15mm的pBN的外塗層。密封的熱模塊90具有30pa的環境壓力(接近真空狀態)。加熱器5被包括pBN 93、Mo 94和石墨95的同軸圓管(直徑90mm)圍繞，其功能為輻射屏蔽。在圖9B中，包括pBN和Mo的反射器板97的疊層組件設置在加熱器之下有助於通過向石墨基座91反射來保存熱量，石墨基座91設置在加熱器上表面之上3-5mm的位置。直徑55mm的基座僅由熱輻射加熱。
晶片設置在基座91上，基座91是旋轉的並且不能與加熱器直接接觸。在加熱器機構中，使用2個熱電偶，一個測量加熱器中心的溫度，另一個測量基座中心的溫度。在該試驗中，加熱器的功率逐漸增加並且隨著加熱器功率增加直到大約1170瓦特(加熱器電壓＝65V並且加熱器電流＝18A)，加熱器溫度從25℃的室溫開始斜線上升。在該設定的功率下，測得加熱器溫度是1700℃，及測得基座溫度是1100℃。
例4這個例子除了使用本發明的加熱器之外與例3相同。在該例子中，直徑40mm的陶瓷加熱器具有直徑為大約40mm厚度為2mm的pBN中心板、熱解石墨的薄型電極和包括厚度為0.15mm的pBN的外塗層。在該塗層之上，加熱器還具有包括大約40μm厚的熱解石墨的外塗層。
表2表示從例3和4熱模塊將基座加熱到大約1700℃的操作中得到的數據。數據還在圖10A-10B示出，其比較了兩種加熱器的溫度斜線上升測試。
表2
如表2中所示，在兩個加熱器都設定為1700℃相同的T時，用於本發明的加熱器(例4-PG外塗層PBN加熱器)的基座T比由現有技術的加熱器(例3-PBN加熱器)得到的基座T高出～300℃。對於相同設定的加熱器溫度，在一個加熱器可以達到更高的基座溫度時，熱模塊具有更高的輻射效率，這就是所觀測到的。
觀察這種輻射效率的另一種方法是本發明的加熱器相對於需要在1700℃工作的現有技術加熱器來講，可以提供在較低溫度(例如低於1500℃或者～1400℃)下的工作來與現有技術的1100℃的基座溫度相匹配。因此，為了得到相同的目標晶片溫度，本發明的加熱器可以在比現有技術的加熱器更低的溫度下工作。由於工作溫度較低，這一因素還對延長陶瓷加熱器的壽命有幫助。
同樣觀察到的是，本發明的加熱器還證明在基座表面上的更加平均/均勻的溫度曲線，比現有技術的加熱器改進了大約15-20％。
例5。在該試驗中，塗有熱解石墨的加熱器在400-600℃的溫度範圍內暴露在遠端NF3等離子體下，觀察到淨重量增加。對於暴露區域為大約151Cm2樣品，暴露在持續的遠端NF3等離子體下，重量增加大約為0.02g每小時。根據對NF3蝕刻的PG樣品的表面能量色散譜儀(EDS)分析；發現重量的增加來自在PG表面形成的碳氟化合物反應層。通過進一步的用高分辨C(1s)光譜的X射線光電子光譜學(XPS)分析，發現PG表面的氟反應層主要由CF2組成。在真空中加熱以後，大部分碳氟化合物蒸發。
根據該試驗，可以計算在碳氟化合物層的形成中每單位時間消耗的PG實際量。結果在如下的圖3中表示。如所示，熱解石墨塗層對151Cm2樣品顯示出每小時0.02g的重量增加，對應於每小時大約為0.19μ(或者31A/min)的PG消耗率。這與熱解氮化硼的～1E6A/分鐘的蝕刻率相對比。
表3
例6當來自試驗5的一個樣品通過動態XPS進行分析，也就是通過氬濺射和XPS分析之間循環的深度分析，可以發現經持續60分鐘的NF3等離子體照射在熱解石墨塗層上建立的碳氟化合物層的厚度超過500埃。加熱之後，會發現少量的F(＜10％＝在熱解石墨中。
例7來自試驗5的樣品(在蝕刻後)在真空中在700℃下暴露2小時，會發現碳氟化合物層的厚度實質上降低了。該結果也通過EDS和XPS分析來確認。這表示如果靠近樣品表面的足夠高濃度的氟原子為氣相，則碳氟化合物層只在高溫(400-600℃)下穩定。如果氟濃度下降，那麼對碳氟化合物層的蒸發有利。
例8。重複試驗5並且一個樣品在400℃被連續蝕刻5小時(而不是1小時)。平均PG消耗率(蝕刻率)低於如圖11所示的試驗5中的上一個試驗(1小時試驗)。該試驗說明開始時如果只有原始的PG表面，則氟化作用將迅速進行。然而，在建立起一定厚度的碳氟化合物層之後，在發現新的可以氟化的熱解石墨之前，氟將需要通過該碳氟化合物層擴散。在一些點之後，氟化作用率將受到氟擴散率限制。
例9。該試驗來探測氟擴散率的效果是否還限制PG氟化作用。具有PG塗層的樣品在600℃被蝕刻1分鐘，隨後切斷等離子體1分鐘，同時將PG保持在600℃。將這樣的循環重複60次，來確保全部的等離子體暴露時間為1小時。該試驗的平均PG消耗率與前述的持續蝕刻60分鐘的樣品相比較。結果如圖12所示，在脈衝蝕刻情況下的平均蝕刻率高於在持續蝕刻情況下的平均蝕刻率。
如下所說明。在脈衝蝕刻情況下，外塗層首先在NF3等離子體打開的1分鐘期間建立碳氟化合物層。隨後，一旦將NF3等離子體停止，之前形成的碳氟化合物層部分蒸發(類似於例7)。一旦等離子體再次打開，碳氟化合物層更薄、擴散更快並且從而PG的消耗更快。而在連續蝕刻的情況下，碳氟化合物層一直連續生長，因此降低了PG氟化作用率。至此對於相同的總暴露時間，脈衝試驗蝕刻得更快。然而，碳氟化合物蒸發率顯然足夠慢，而僅造成脈衝試驗或多或少地更快。
例10將在400℃和600℃下的PG的連續NF3等離子體蝕刻率進行比較(見圖11和12)，在蝕刻率上只有相對較小的增加。此外，在600℃下的蝕刻率仍然明顯低於50A/min。如所示，本發明的加熱器允許在將加熱器保持在600℃的同時清潔反應器。
例11。在不希望具有與晶片的後側接觸的碳氟化合物層的情況下，在清潔之後並且在反應器中引入新的晶片之前，在晶片腔中進行短暫的沉積操作，來調節該腔，並在壁和加熱器上沉積薄塗層。可替換地，在清潔之後，反應器腔由很短暫的包括等離子體蝕刻的氧脈衝衝洗，來將碳氟化合物層從本發明的基片座的表面除去。在另一個例子中，加熱器組件留在真空中一段較短的時間，使碳氟化合物層從表面自動蒸發。
這些書面的說明利用例子來公開本發明，包括最佳模式，還使本領域技術人員能夠製造和使用本發明。本發明可獲得專利的範圍由權利要求書限定，並且可以包括本領域技術人員可以想到的其它例子。如果這些其他實施例不具有不同於權利要求的文字語言的結構元件，或者如果包括與權利要求的文字語言沒有實質差別的等同結構元件，那麼這樣的其它實施例都在權利要求的範圍內。
這裡所有提到的引用文獻在此通過參考引入本發明。
權利要求
1.一種在晶片處理腔中使用的裝置，該裝置包括基層基片，包括下述中一種石墨；難熔金屬、過渡金屬、稀土金屬和其合金；燒結材料，包括選自B、Al、Si、Ga、難熔硬金屬、過渡金屬的元素的氧化物、氮化物、碳化物、碳氮化物或者氧氮化物中的至少一種；鋁的氧化物、氧氮化物；及其組合；其中該基層基片塗有熱導率大於100W/m°K的外塗層。
2.權利要求1的裝置，其中該裝置是加熱器，還包括加熱元件，包括層疊在基層基片上的熱解石墨；塗在該加熱元件和該基層基片上的第一層，該層包括下述中的至少一種選自B、Al、Si、Ga、難熔硬金屬、過渡金屬的元素的氮化物、碳化物、碳氮化物或氧氮化物及其組合；其中該第一層塗層塗有熱導率大於100W/m°K的外塗層。
3.權利要求1-2中任何一個的裝置，其中該外塗層的平面熱導率為第一塗層的平面熱導率的至少3倍。
4.權利要求1-3中任何一個的裝置，其中該第一外部塗層至少包括下述中的一種熱解氮化硼、氮化鋁(AlN)、氧化鋁、氧氮化鋁、氮化矽或它們的複合物。
5.權利要求1-4中任何一個的裝置，其中該裝置是基座，該基層基片包括石墨，並且外塗層包括熱解石墨。
6.權利要求1-5中任何一個的裝置，其中該外塗層包括熱導率大於200W/m°K的材料。
7.權利要求1-6中任何一個的裝置，其中該外塗層包括熱解石墨(「PG」)，並且其中該外塗層通過ETP、離子電鍍法、離子等離子體電鍍法、CVD、PECVD、MOCVD、OMCVD、MOVPE、電子束沉積、等離子體噴霧及其組合中的任何方法沉積。
8.權利要求1-7中任何一個的裝置，其特徵在於在NF3中600℃具有小於100埃/分鐘的蝕刻率。
9.權利要求1-8中任何一個的裝置，其中該裝置是能夠以至少20℃/每分鐘的上升速率加熱的加熱器。
10.權利要求2-9中任何一個的裝置，其中該基層基片包括石墨；層疊在該基層基片上的加熱元件包括熱解石墨，該第一外部塗層包括氮化硼和氮化鋁中的至少一種；該外塗層包括厚度在1μm-500μm之間的熱解石墨。
11.一種用來至少處理半導體晶片的等離子體處理腔，該等離子體處理腔包括至少用於加熱所述晶片的陶瓷加熱器；限定在靜電夾具上的氣體分布板；用來支承靜電夾具的底座；選擇性地與所述腔連通的清潔氣體源；其中加熱器、氣體分布板和底座中的至少一個的表面塗有包括熱解石墨的外塗層，並且其中清潔氣體源包括NF3和Cl2。
12.權利要求11的等離子體處理腔，其中該加熱器塗有包括熱解石墨的外塗層，並且其中該加熱器包括基層基片，包括下述中的一種石墨；難熔金屬、過渡金屬、稀土金屬和其合金；燒結材料，至少包括一種選自B、Al、Si、Ga、難熔硬金屬、過渡金屬中的元素的氧化物、氮化物、碳化物、碳氮化物或者氧氮化物；鋁的氧化物、氧氮化物；及其組合；加熱元件，包括層疊在該基層基片上的熱解石墨；第一外部塗層，該層包括選自B、Al、Si、Ga、難熔硬金屬、過渡金屬中的元素的氮化物、碳化物、碳氮化物或氧氮化物及其組合中的至少一種；其中該熱解石墨外塗層保護下面的第一塗層、加熱元件和基層基片，隔離所述清潔氣體，用於使加熱器在NF3中600℃下具有小於100A/分鐘的蝕刻率。
13.權利要求11-12中任意一個的等離子體處理腔，其中該加熱器在NF3中600℃具有小於50A/分鐘的蝕刻率。
全文摘要
本發明涉及用於晶片處理組件的抗蝕刻加熱器，其具有良好的至少20℃/每分鐘的上升速率，在整個表面，至少是一個電極上具有最大溫度差(例如在300mm最大溫度差＞100℃)。該加熱器塗有保護性外塗層，使加熱器在提高加熱器溫度＞1500℃下輻射效率高於70％，並且在NF
文檔編號H01L21/02GK101045990SQ20061017299
公開日2007年10月3日 申請日期2006年11月30日 優先權日2006年2月9日
發明者A·奧塔卡, T·希古奇, S·R·普拉薩德, W·樊, M·謝普肯斯, D·A·朗沃思 申請人:通用電氣公司