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用于衬底处理系统的具有非均匀绝缘层的 温度受控衬底夹持器

阅读：609发布：2022-03-31

专利汇可以提供用于衬底处理系统的具有非均匀绝缘层的温度受控衬底夹持器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种用于在处理系统中支撑衬底的衬底夹持器包括具有第一温度的温度受控支撑基座以及与温度受控支撑基座相对并且被配置来支撑衬底的衬底支撑。还包括耦合到衬底支撑的一个或多个加热元件，这一个或多个加热元件被配置来将衬底支撑加热到高于第一温度的第二温度，还包括放置在温度受控支撑基座和衬底支撑之间的绝热体。绝热体包括经过温度受控支撑基座和衬底支撑之间的绝热体的传热系数 (W/m2-K)的非均匀空间变化。，下面是用于衬底处理系统的具有非均匀绝缘层的温度受控衬底夹持器专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于在衬底处理系统中支撑衬底的衬底夹持器，包括：
具有第一温度的温度受控支撑基座；
与所述温度受控支撑基座相对并且被配置来支撑所述衬底的衬底支撑；
一个或多个耦合到所述衬底支撑的加热元件，其被配置来将所述衬底支撑加热到高于所述第一温度的第二温度；以及
放置在所述温度受控支撑基座和所述衬底支撑之间的绝热体，其中所述绝热体具有经
2
过所述温度受控支撑基座和所述衬底支撑之间的所述绝热体的传热系数(W/m-K)的非均匀空间变化。
2.如权利要求1所述的衬底夹持器，其中所述传热系数在所述绝热体的基本中央区域和所述绝热体的基本边缘区域之间沿径向方向变化，其中，所述绝热体的基本中央区域是指如果所述衬底被放置所述衬底夹持器上时，所述绝热体的将重叠衬底的中心的区域，所述绝热体的基本边缘区域是指如果所述衬底被放置所述衬底夹持器上时，所述绝热体的将重叠衬底的边缘的区域。
3.如权利要求1所述的衬底夹持器，其中所述绝热体具有所述绝热体的热导率(W/m-K)的非均匀空间变化。
4.如权利要求3所述的衬底夹持器，其中所述热导率在所述绝热体的基本中央区域和所述绝热体的基本边缘区域之间沿径向方向变化，其中，所述绝热体的基本中央区域是指如果所述衬底被放置所述衬底夹持器上时，所述绝热体的将重叠衬底的中心的区域，所述绝热体的基本边缘区域是指如果所述衬底被放置所述衬底夹持器上时，所述绝热体的将重叠衬底的边缘的区域。
5.如权利要求4所述的衬底夹持器，其中所述热导率在第一值和第二值之间变化，所述第一值介于0.2W/m-K和0.8W/m-K之间，所述第二值介于0.2W/m-K和0.8W/m-K之间。
6.如权利要求1所述的衬底夹持器，其中所述绝热体具有所述绝热体的厚度的非均匀空间变化。
7.如权利要求1所述的衬底夹持器，其中所述一个或多个加热元件被嵌入在所述衬底支撑内。
8.如权利要求1所述的衬底夹持器，其中所述一个或多个加热元件包括位于所述衬底支撑的中央区域的第一加热元件和位于所述衬底支撑的边缘区域的第二加热元件。
9.如权利要求1所述的衬底夹持器，其中所述衬底支撑包括嵌入在其中的夹紧电极，所述夹紧电极被配置来将衬底电夹紧到所述衬底支撑。
10.如权利要求9所述的衬底夹持器，其中所述夹紧电极和所述一个或多个加热元件被嵌入在所述衬底支撑内。
11.如权利要求10所述的衬底夹持器，其中所述夹紧电极和所述一个或多个加热元件基本位于相同平面中。
12.如权利要求10所述的衬底夹持器，其中所述夹紧电极和所述一个或多个加热元件位于不同平面中。
13.如权利要求10所述的衬底夹持器，其中所述夹紧电极和所述一个或多个加热元件具有相同的物理电极。
14.如权利要求9所述的衬底夹持器，其中所述衬底支撑包括一个或多个开口，通过该开口传热气体可以被提供到设在所述衬底支撑的上表面上的衬底的背面。
15.如权利要求1所述的衬底夹持器，其中所述绝热体包括由塑料或陶瓷制成的胶粘剂。
16.如权利要求1所述的衬底夹持器，其中所述绝热体包括由丙烯酸酯类材料制成的胶粘剂。
17.一种用于在衬底处理系统中支撑衬底的衬底夹持器，包括：
支撑基座，所述支撑基座中具有流体通道以循环温度受控的热流体；
衬底支撑，其经由绝热体耦合到所述支撑基座的上部分，
其中，所述衬底支撑被配置来在通过静电夹紧装置使得所述衬底的背面与所述衬底支撑的表面接触的情况下支撑所述衬底，并且加热元件控制单元被配置来执行嵌入在所述衬底支撑内的多个加热元件的温度设置，
其中，所述加热元件控制单元被配置来在所述处理系统中执行的每一个处理步骤中执行所述温度受控的热流体的温度设置，以及
其中，所述多个加热元件的所述温度设置和所述温度受控的热流体的所述温度设置基于从位于所述衬底支撑中的温度传感器获得的所述衬底支撑的或所述衬底的温度来调节。
18.如权利要求17所述的衬底夹持器，其中所述加热元件包括电阻性加热元件或加热通道。
19.如权利要求17所述的衬底夹持器，其中所述温度传感器包括：
中心温度传感器，其被配置来测量所述衬底的中心区域和所述衬底的下方的中心区域；以及
边缘温度传感器，其被配置来测量所述衬底的边缘区域和所述衬底的下方的边缘区域，
其中，所述温度传感器被耦合到温度监视系统。
20.如权利要求19所述的衬底夹持器，其中，所述多个加热元件的所述温度设置由所述加热元件控制单元独立地执行。
21.如权利要求20所述的衬底夹持器，还包括背面气体供应系统，其被配置来通过布置在所述衬底支撑的所述表面上的孔向所述衬底的所述背面供应传热气体。
22.如权利要求21所述的衬底夹持器，其中所述背面气体供应系统包括处于所述衬底支撑的所述表面的多个区上的多个孔，以在所述衬底的所述背面的中心区域和所述衬底的所述背面的边缘区域之间沿径向改变背面压力。
23.如权利要求21所述的衬底夹持器，其中所述加热元件控制单元、所述背面气体供应系统以及所述温度监视系统与控制器耦合，并且与控制器交换信息。
24.如权利要求17所述的衬底夹持器，其中所述绝热体具有所述绝热体的热导率的非均匀空间变化。
25.如权利要求17所述的衬底夹持器，其中所述绝热体具有所述绝热体的厚度的非均匀空间变化。
26.如权利要求17所述的衬底夹持器，其中所述衬底支撑由多个陶瓷层的叠层构成，并且所述多个加热元件被布置在所述陶瓷层之间并烧结在一起。
27.如权利要求17所述的衬底夹持器，其中所述衬底支撑由至少一个陶瓷层构成，并且所述多个加热元件被热喷涂到所述至少一个陶瓷层的表面上。
28.一种用于制造半导体器件的方法，包括：
在通过静电夹紧装置使得衬底的背面与衬底支撑的表面接触的情况下支撑所述衬底；
执行嵌入在所述衬底支撑内的多个加热元件的温度设置；
执行通过流体通道循环的温度受控的热流体的温度设置，所述流体通道布置在经由绝热体耦合到所述衬底支撑的支撑基座中；
基于从位于所述衬底支撑中的温度传感器获得的所述衬底支撑的或所述衬底的温度，重复执行所述多个加热元件的所述温度设置和所述温度受控的热流体的所述温度设置，以在衬底处理期间调节所述温度设置。
29.如权利要求28所述的方法，其中执行所述多个加热元件的所述温度设置的操作由加热元件控制单元独立地进行。
30.如权利要求28所述的方法，执行所述多个加热元件的所述温度设置的操作基于从温度监视系统获得的信息来进行，所述温度监视系统被耦合到配置来测量所述衬底的中心区域和所述衬底的下方的中心区域的中心温度传感器以及配置来测量所述衬底的边缘区域和所述衬底的下方的边缘区域的边缘温度传感器，并且所述温度监视系统被配置来监视所述中心温度传感器和所述边缘温度传感器。

说明书全文

用于衬底处理系统的具有非均匀绝缘层的 温度受控衬底夹

持器

[0001] 相关申请的交叉引用

[0002] 本申请涉及2005年9月27日提交的题为“Method and Systems forTemperature Control of a Substrate”的共同未决美国专利申请No.10/551,236(律师案卷号277768US)；与其同日提交的题为“HighTemperature Substrate Holder for a Substrate Processing System”(ES-108)的共同未决美国专利申请No.11/XXX,XXX(律师案卷号
295002US)；与其同日提交的题为“Method for Multi-step Temperature Control of aSubstrate”(ES-112)的共同未决美国专利申请No.11/XXX,XXX(律师案卷号295000US)；
以及与其同日提交的题为“High Rate Method forStable Temperature Control of a Substrate”(ES-113)的共同未决美国专利申请No.11/XXX,XXX(律师案卷号295005US)。
这些申请的全部内容通过引用整体结合于此。

技术领域

[0003] 本发明涉及用于衬底的温度控制的系统，更具体而言涉及用于衬底的温度控制的衬底夹持器。

背景技术

[0004] 在半导体制造和处理中已知的是，例如包括刻蚀和沉积工艺在内的各种工艺非常依赖于衬底的温度。为此，能够控制衬底的温度并且可控地调节衬底温度的能力就变成对半导体处理系统的必要要求。衬底的温度是由许多方面确定的，包括但不限于衬底与等离子体的相互作用、化学过程等等，以及与周围环境的辐射和/或传导热交换。向衬底夹持器的上表面提供适当的温度可以被用于控制衬底的温度。

发明内容

[0005] 本发明涉及一种用于控制衬底温度的系统。

[0006] 根据本发明的一方面，一种用于在处理系统中支撑衬底的衬底夹持器包括具有第一温度的温度受控支撑基座以及与温度受控支撑基座相对并且被配置来支撑衬底的衬底支撑。还包括耦合到衬底支撑的一个或多个加热元件，这一个或多个加热元件被配置来将衬底支撑加热到高于第一温度的第二温度，还包括放置在温度受控支撑基座和衬底支撑之间的绝热体。绝热体包括经过温度受控支撑基座和衬底支撑之间的绝热体的传热系数(W/2
m-K)的非均匀空间变化。

[0007] 根据本发明的另一方面，一种用于在处理系统中支撑衬底的衬底夹持器包括具有第一温度的温度受控支撑基座以及与温度受控支撑基座相对并且被配置来支撑衬底的衬底支撑。一个或多个加热元件耦合到衬底支撑并且被配置来将衬底支撑加热到高于第一温2
度的第二温度。还包括用于提供温度受控支撑基座和衬底支撑之间的传热系数(W/m-K)的非均匀空间变化的装置。
附图说明

[0008] 在附图中：

[0009] 图1给出了根据本发明一个实施例的衬底处理系统的框图；

[0010] 图2A给出了根据本发明一个实施例的衬底夹持器的示意性截面图；

[0011] 图2B图示了衬底夹持器的衬底温度和热导率的示例性分布特性；

[0012] 图3给出了根据本发明另一个实施例的衬底夹持器的示意性截面图；

[0013] 图4给出了根据本发明另一个实施例的衬底夹持器的示意性截面图；

[0014] 图5给出了根据本发明另一个实施例的衬底夹持器的示意性截面图；

[0015] 图6给出了根据本发明另一个实施例的衬底夹持器的示意性截面图；

[0016] 图7A和7B图示了示例性的温度随时间的变化曲线；以及

[0017] 图8图示了根据本发明一个实施例调节衬底温度的方法的流程图。

具体实施方式

[0018] 在下面的描述中，出于说明而非限制目的，阐述了具体细节，例如用于衬底处理系统的衬底夹持器的特定几何形状以及对各种组件和工艺的描述。然而，应当理解，在脱离这些具体细节的其他实施例中也可实施本发明。

[0019] 根据本发明的一个实施例，图1中示出了一种材料处理系统1，该系统1包括具有衬底夹持器20和其上支撑的衬底25的处理工具10。衬底夹持器20被配置来提供用于调节衬底温度的温度控制元件。另外，温度控制元件可以被空间布置以确保均匀或非均匀的衬底温度。控制器55耦合到处理工具10和衬底夹持器20，并且被配置来监视、调节和控制衬底温度，这将在下面进一步讨论。

[0020] 在图1所示的实施例中，材料处理系统1可包括刻蚀室。例如，刻蚀室可以适用于干法等离子体刻蚀或者干法非等离子体刻蚀。或者，材料处理系统1包括光刻胶涂覆室，例如光刻胶旋涂系统中的加热/冷却模块，其可用于粘附后烘烤(PAB)或曝光后烘烤(PEB)等等；光刻胶图案化室，例如光刻系统；电介质涂覆室，例如玻璃旋涂(SOG)或电介质旋涂(SOD)系统；沉积室，例如气相沉积系统、化学气相沉积(CVD)系统、等离子体增强CVD(PECVD)系统、原子层沉积(ALD)系统、等离子体增强ALD(PEALD)系统或者物理气相沉积(PVD)系统；或者快速热处理(RTP)室，例如用于热退火的RTP系统。

[0021] 现在参考图2A，描述根据一个实施例的衬底夹持器。衬底夹持器100包括具有第一温度并且被配置来支撑衬底110的衬底支撑130、位于衬底支撑130下方并且被配置成处于低于第一温度的第二温度(例如，低于衬底110的期望温度)的温度受控支撑基座120、以及放置在衬底支撑130和温度受控支撑基座120之间的绝热体140。另外，衬底支撑130包括与其耦合的一个或多个加热元件(未示出)，它们被配置来升高衬底支撑130的温度(例如，以加热衬底)。应当理解，根据本发明的实施例，第一温度可以是跨衬底支撑的温度梯度的一部分，并且第二温度可以是跨温度受控基座的温度梯度的一部分。

[0022] 根据一个实施例，绝热体140包括热导率低于衬底支撑130和温度受控支撑基座120两者的热导率的材料。例如，绝热体140的热导率小于1W/m-K。优选地，绝热体的热导率范围从大约0.05W/m-K到大约0.8W/m-K，并且更优选地，绝热体的热导率范围从大约
0.2W/m-K到大约0.8W/m-K。

[0023] 绝热体140可包括由聚合物、塑料或陶瓷制成的胶粘剂。绝热体140可包括有机或无机材料。例如，绝热体140可包括室温硬化(RTV)胶粘剂、诸如热塑料之类的塑料、诸如热固性树脂或模铸树脂之类的树脂(或者易浇注的塑料或弹性体化合物)、弹性体，等等。除了提供衬底支撑130和温度受控支撑基座120之间的热阻以外，绝热体140还可提供衬底支撑130和温度受控支撑基座120之间的结合层或粘附层。

[0024] 绝热体140的厚度和材料组分应当被选择为使得在必要时可以维持在支撑基座120和等离子体之间的适当的射频(RF)耦合。此外，绝热体140应当被选择以忍受热梯度和材料属性(即，热膨胀系数)的差异驱动的热机械剪切力。例如，绝热体140的厚度可以小于或等于大约10mm(毫米)，并且优选地，该厚度可以小于或等于大约5mm，即大约2mm或更小。

[0025] 另外，绝热体140的材料组成优选地使得其对其被利用于其中的环境表现出抗腐蚀性。例如，当呈现于干法等离子体刻蚀环境时，绝热体140应当能抵抗在刻蚀处理期间使用的腐蚀性刻蚀化学物质，以及在刻蚀系统清洁处理期间使用的腐蚀性清洁化学物质。在许多刻蚀化学物质和清洁化学物质中，采用了含卤素处理气体，包括但不限于Cl2、F2、Br2、HBr、HCl、HF、SF6、NF3、ClF3等等。在这些化学物质中，尤其是清洁化学物质中，希望产生高浓度的反应性原子卤素物质，例如原子氟，等等。

[0026] 根据一个实施例，绝热体140包括抗腐蚀绝热体。在一个实施例中，整个绝热体是由抗腐蚀材料制成的。或者，可以只有绝热体140的一部分(例如暴露于含卤素气体的部分)包括抗腐蚀材料。例如，抗腐蚀材料可以仅包括在绝热体的外围暴露边缘处，而绝热体的剩余区域包括不同的材料组成，该材料组成被选择用于提供期望的传热系数。

[0027] 抗腐蚀绝热体可包括丙烯酸酯类材料，例如丙烯酸基材料或者丙烯酸酯基材料。丙烯酸基材料或者丙烯酸酯基材料可以通过与合适的催化剂反应使丙烯酸或甲基丙烯酸进行聚合来形成。表1提供了图示抗腐蚀性对材料组分的依赖性的数据。例如，提供了含硅胶粘剂和一系列含丙烯酸/丙烯酸酯胶粘剂(由各个供应商X、Y、Z、Q、R&T准备)的数
3
据。该数据包括作为等离子体(或者RF功率开启)小时(hr)的函数的腐蚀量(mm)。如表1所示，含丙烯酸/丙烯酸酯胶粘剂当经历清洁等离子体(例如基于SF6的等离子体)时腐蚀的减小大于一个数量级。

[0028] 表1

[0029]

[0030] 根据另一个实施例，绝热体140包括经过温度受控支撑基座120和衬底支撑1302
之间的绝热体140的传热系数(W/m-K)的非均匀空间变化。例如，传热系数可以在(衬底
110下方的)绝热体140的基本中央区域和(衬底110下方的)绝热体140的基本边缘区域之间沿径向方向变化。传热系数的空间变化可包括绝热体140的热导率(W/m-K)的非均匀空间变化，或者传热系数的空间变化可包括绝热体140的厚度的非均匀空间变化，或者包括这两者。这里所用的术语，参数的“非均匀空间变化”，是指由设计引起的参数跨衬底夹持器的区域的空间变化，而不是参数跨衬底夹持器的固有微小变化。另外，术语“绝热体的基本中央区域”是指绝热体的将重叠衬底(如果被放置在衬底夹持器上)的中心的区域，并且术语“绝热体的基本边缘区域”是指绝热体的将重叠衬底(如果被放置在衬底夹持器上)的边缘的区域。

[0031] 如图2B所示，热导率可以在衬底110下方的绝热体140的基本中央区域和衬底110下方的绝热体140的基本边缘区域之间沿径向方向变化。例如，热导率可以在第一值和第二值之间变化，第一值介于大约0.2W/m-K和大约0.8W/m-K之间，第二值介于大约0.2W/m-K和大约0.8W/m-K之间。另外，例如，在绝热体140的基本中央区域附近热导率可以为大约0.2W/m-K，并且在绝热体140的基本边缘区域附近热导率可以为大约0.8W/m-K。另外，例如，热导率的变化基本发生在绝热体140的大约中半径区域和绝热体140的基本外围区域之间。如图2B所示，温度可以从中心到边缘在第一温度(T1)和第二温度(T2)之间变化。
这种热导率(和温度)的变化可以用来抵消(例如，由包围衬底的聚焦环引起的)对衬底的外围边缘的过度加热。

[0032] 如图3所示，描述根据另一个实施例的衬底夹持器。衬底夹持器200包括具有第一温度并且被配置来支撑衬底210的衬底支撑230、位于衬底支撑230下方并且被配置成处于低于第一温度的第二温度(例如，低于衬底210的期望温度)的温度受控支撑基座220、以及放置在衬底支撑230和温度受控支撑基座220之间的绝热体240。另外，衬底支撑230包括与其耦合的一个或多个加热元件(未示出)，它们被配置来升高衬底支撑230的温度(例如，以加热衬底)。绝热体240包括非均匀厚度。

[0033] 如图所示，在(衬底210下方的)绝热体240的基本中心区域该厚度较小，而在衬底210下方的基本边缘区域相对较厚。或者，该厚度可以在衬底210下方的基本中心区域较大，而在衬底210下方的基本边缘区域相对较薄。绝热体240的非均匀厚度可以由支撑基座220上的非平整上表面来实现，或者它可以由绝热体240的非平整下表面来实现，或者它可以由它们的组合实现。又或者，具有与绝热体240不同的热导率的一层材料可以被放置在支撑基座220的上表面或者衬底支撑230的下表面的一部分上。例如，一层等可以被放置在衬底210下方的基本中央区域上，或者该层可以被放置在衬底210下方的基本外围区域上。

[0034] 现在参考图4，描述根据另一个实施例的衬底夹持器。衬底夹持器300包括具有第一温度并且被配置来支撑衬底310的衬底支撑330、位于衬底支撑330下方并且被配置成处于低于第一温度的第二温度(例如，低于衬底310的期望温度)的温度受控支撑基座320、以及放置在衬底支撑330和温度受控支撑基座320之间的绝热体340。另外，衬底支撑330包括与其耦合的一个或多个加热元件(未示出)，它们被配置来升高衬底支撑330的温度(例如，以加热衬底)。

[0035] 如图4所示，支撑基座320包括多个凸起或脊342，这些凸起或脊部分延伸到绝热体340中(或者完全延伸穿过绝热体340)。此外，凸起的数量密度可以在衬底夹持器的基本中央区域344和基本外围区域346之间变化。例如，在外围区域346可以放置较高密度的凸起，而在中央区域344可以放置相对较低密度的凸起。或者，例如，在外围区域346可以放置较低密度的凸起，而在中央区域344可以放置相对较高密度的凸起。除了凸起密度的变化以外，或者代替密度的变化，还可以改变凸起的大小或形状或这两者。

[0036] 温度受控支撑基座120(220、320)可以由金属材料或非金属材料制造。例如，支撑基座120(220、320)可以由铝制造。另外，例如，支撑基座120(220、320)可以由具有相对较高的热导率的材料形成，从而使得支撑基座的温度可以维持在相对恒定的温度。温度受控支撑基座的温度优选地由一个或多个温度控制元件(例如冷却元件)主动控制。然而，温度受控支撑可以提供利用冷却翼的被动冷却，冷却翼用于促进增强的自由对流(例如由于与周围环境的增大的表面面积)。支撑基座120(220、320)还可包括穿过其的通路(未示出)，以允许将电功率耦合到衬底支撑的一个或多个加热元件、将电功率耦合到静电夹紧电极、将传热气体气动耦合到衬底的背面，等等。

[0037] 衬底支撑130(230、330)可以由金属材料或非金属材料制造。衬底支撑130(230、330)可以由非导电材料(例如陶瓷)制造。例如，衬底支撑130(230、330)可以由氧化铝制造。

[0038] 根据一个实施例，一个或多个加热元件被嵌入在衬底支撑130(230、330)内。这一个或多个加热元件可以位于两个陶瓷片之间，这两个陶瓷片烧结在一起以形成单片构件。或者，第一层陶瓷被热喷涂到绝热体上，接着将一个或多个加热元件热喷涂到第一陶瓷层上，接着将第二陶瓷层热喷涂到一个或多个加热元件上。利用类似的技术，其他电极或金属层可以被插入在衬底支撑130(230、330)内。例如，静电夹紧电极可以被插入在陶瓷层之间并且经由烧结或喷涂技术形成，如上所述。一个或多个加热元件和静电夹紧电极可以处于相同平面或不同平面，并且可以实现为不同电极或者实现为相同的物理电极。

[0039] 现在参考图5，描述根据另一个实施例的衬底夹持器。衬底夹持器400包括具有第一温度并且被配置来支撑衬底410的衬底支撑430、位于衬底支撑430下方并且被配置成处于低于第一温度的第二温度(例如，低于衬底410的期望温度)的温度受控支撑基座420、以及放置在衬底支撑430和温度受控支撑基座420之间的绝热体440。另外，衬底支撑430包括与其耦合的一个或多个加热元件431，它们被配置来升高衬底支撑430的温度。此外，支撑基座420包括与其耦合的一个或多个冷却元件421，它们被配置来通过经由绝热体440从衬底支撑430去除热量来降低衬底支撑430的温度。

[0040] 一个或多个加热元件431可包括加热流体通道、电阻性加热元件或者被加偏压以向晶片传热的热电元件中的至少一种。此外，如图5所示，一个或多个加热元件431耦合到加热元件控制单元432。加热元件控制单元432被配置来提供对每个加热元件的非独立或独立控制，并与控制器450交换信息。

[0041] 例如，一个或多个加热元件431可包括一个或多个加热通道，该通道可以允许流体(例如水、Fluorinert、Galden HT-135等等)以一定流率流过，以提供传导-对流加热，其中流体温度已经由热交换器升高。流体流率和流体温度例如可以由加热元件控制单元432设定、监视、调节和控制。

[0042] 或者，例如，一个或多个加热元件431可包括一个或多个电阻性加热元件，例如钨丝、镍-铬合金丝、铝-铁合金丝、氮化铝丝，等等。可商业获得的用来制造电阻性加热元件的材料的示例包括Kanthal、Nikrothal、Akrothal，它们是由CT、Bethel的Kanthal Corporation生产的金属合金的注册商标名。Kanthal族包括铁素体合金(FeCrAl)，并且Nikrothal族包括奥氏体合金(NiCr、NiCrFe)。例如，加热元件可包括能够实现400到450℃的最大工作温度的可从Watlow(1310 Kingsland Dr.，Batavia，IL，60510)商业获得的内铸加热器，或者包括氮化铝材料的膜加热器，该膜加热器也可从Watlow商业获得并且能够2
实现高达300℃的工作温度和高达23.25W/cm 的功率密度。另外，例如，加热元件可包括能
2
够实现1400W(或者5W/in 的功率密度)的硅橡胶加热器(1.0mm厚)。当电流流经加热丝时，功率被散发为热量，并且因此，加热元件控制单元432例如可包括可控的DC电源。适合于较低温度和功率密度的又一加热器选项是Kapton加热器，其由嵌入在Kapton(例如，聚酰亚胺)薄片内的加热丝构成，该加热器由MN、Minneapolis的Minco Inc.生产。

[0043] 或者，例如，一个或多个加热元件431可包括热电元件阵列，该阵列取决于流经各个元件的电流的方向能够加热或冷却衬底。因而，尽管元件431被称为“加热元件”，但是这些元件可包括冷却的能力以提供温度之间的快速转变。另外，加热和冷却功能可以分别由衬底支撑430内的独立元件提供。示例性的热电元件是一种可从Advanced Thermoelectric商业获得的型号ST-127-1.4-8.5M的热电元件(能够实现72W的最大传热功率的40mm×40mm×3.4mm热电器件)。因此，加热元件控制单元432例如可包括可控的电流源。

[0044] 一个或多个冷却元件421可包括冷却通道或热电元件中的至少一种。此外，如图5所示，一个或多个冷却元件421耦合到冷却元件控制单元422。冷却元件控制单元422被配置来提供对每个冷却元件421的非独立或独立控制，并与控制器450交换信息。

[0045] 例如，一个或多个冷却元件421可包括一个或多个冷却通道，该通道可以允许流体(例如水、Fluorinert、Galden HT-135等等)以一定流率流过，以提供传导-对流冷却，其中流体温度已经由热交换器降低。流体流率和流体温度例如可以由冷却元件控制单元422设定、监视、调节和控制。或者，例如在加热期间，流经一个或多个冷却元件421的流体的流体温度可以被增大以补充一个或多个加热元件431的加热。又或者，例如在冷却期间，流经一个或多个冷却元件421的流体的流体温度可以被减小。

[0046] 或者，例如，一个或多个冷却元件421可包括热电元件阵列，该阵列取决于流经各个元件的电流的方向能够加热或冷却衬底。因而，尽管元件421被称为“冷却元件”，但是这些元件可包括加热的能力以提供温度之间的快速转变。另外，加热和冷却功能可以由温度受控支撑基座420内的独立元件提供。示例性的热电元件是一种可从Advanced Thermoelectric商业获得的型号ST-127-1.4-8.5M的热电元件(能够实现72W的最大传热功率的40mm×40mm×3.4mm热电器件)。因此，冷却元件控制单元422例如可包括可控的电流源。

[0047] 另外，如图5所示，衬底夹持器400还可包括静电夹紧装置(ESC)，ESC包括嵌入在衬底支撑430内的一个或多个夹紧电极435。ESC还包括经由电连接耦合到夹紧电极435的高电压(HV)DC电压源434。这种夹紧装置的设计和实现方式是静电夹紧系统领域的技术人员公知的。此外，HV DC电压源434耦合到控制器450并且被配置来与控制器450交换信息。

[0048] 此外，如图5所示，衬底夹持器400还可包括背面气体供应系统436，该系统436用于通过至少一根气体供应管线以及多个孔和通道(未示出)中的至少一个向衬底410的背面供应传热气体(例如包括氦、氩、氙、氪的惰性气体)、处理气体或者包括氧、氮或氢在内的其他气体。背面气体供应系统436例如可以是多区供应系统，例如两区(中心/边缘)系统或三区(中心/中半径/边缘)系统，其中背面气压可以从中心到边缘在径向方向上变化。此外，背面气体供应系统436耦合到控制器450并且被配置来与控制器450交换信息。

[0049] 另外，如图5所示，衬底夹持器400还可包括耦合到温度监视系统460的一个或多个温度传感器462。一个或多个温度传感器462可以被配置来测量衬底410的温度，或者一个或多个温度传感器462可以被配置来测量衬底支撑430的温度，或者实现这两者。例如，一个或多个温度传感器462可以被布置来测量衬底支撑430的下表面处的温度(如图5所示)，或者被被布置来测量衬底410的底部的温度。

[0050] 温度传感器可包括光纤温度计、光学高温计、带边温度测量系统、或诸如K型热电偶之类的热电偶(由虚线指示)，带边温度测量系统例如在2002年7月2日提交的未决美国专利申请10/168544中有所描述，该申请的内容通过引用全部结合于此。光学温度计的示例包括：可从AdvancedEnergies Inc.商业获得的型号为No.OR2000F的光纤温度计；可从LuxtronCorporation商业获得的型号为No.M600的光纤温度计；或者可从TakaokaElectric Mfg.商业获得的型号为No.FT-1420的光纤温度计。

[0051] 温度监视系统460可以向控制器450提供传感器信息以在处理前、处理期间或者处理后调节加热元件、冷却元件、背面气体供应系统或用于ESC的HV DC电压源中的至少一个。

[0052] 控制器450包括微处理器、存储器和数字I/O端口(可能包括D/A和/或A/D转换器)，能够生成控制电压，该控制电压足以传输并激活到衬底夹持器400的输入以及监视来自衬底夹持器400的输出。如图5所示，控制器450可以耦合到加热元件控制单元432、冷却元件控制单元422、HVDC电压源434、背面气体供应系统436和温度监视系统460，并与之交换信息。存储在存储器中的程序被用于根据所存储的工艺流程与衬底夹持器400的前述组件交互。控制器450的一个示例是可以从Texas，Austin的Dell Corporation得到的TMDELL PRECISION WORKSTATION 640 。

[0053] 控制器450还可以实现为通用计算机、处理器、数字信号处理器等等，这些部件响应于控制器450执行包含在计算机可读介质中的一条或多条指令的一个或多个序列，而使得衬底夹持器执行本发明的处理步骤中的一部分或全部。计算机可读介质或存储器被配置来保存根据本发明的教导编程的指令，并且可包含数据结构、表、记录或这里描述的其他数据。计算机可读介质的示例是致密盘、硬盘、软盘、磁带、磁光盘、PROM(EPROM、EEPROM、闪存EPROM)、DRAM、SRAM、SDRAM、或任何其他磁介质、致密盘(例如，CD-ROM)、或任何其他光学介质、穿孔卡、纸带、或其他具有孔图案的物理介质、载波、或者任何其他计算机可读取的介质。

[0054] 控制器450可以位于衬底夹持器400本地，或者它可以经由因特网或内联网位于衬底夹持器400远处。因而，控制器450可以利用直接连接、内联网或因特网中的至少一种与衬底夹持器400交换数据。控制器450可以耦合到在客户位置(即，器件制造者等)处的内联网，或者耦合到在供应商位置(即，设备制造商)处的内联网。此外，另一台计算机(即，控制器、服务器等)可以经由直接连接、内联网或因特网中的至少一种访问控制器450以交换数据。

[0055] 可选地，衬底夹持器400可包括电极，RF功率通过该电极耦合到衬底410上方的处理区域中的等离子体。例如，支撑基座420可以通过从RF发生器经由阻抗匹配网络向衬底夹持器400发送RF功率而被电偏置在某一RF电压。RF偏置可以用来加热电子以形成并维持等离子体，或者偏置衬底410以控制入射在衬底410上的离子能量，或者实现这两者。在该配置中，系统可以工作为反应离子刻蚀(RIE)反应器，其中室和上气体喷射电极用作地表面。用于RF偏置的典型频率可以从1MHz到100MHz，并且优选为13.56MHz。

[0056] 或者，RF功率可以按多个频率被施加到衬底夹持器电极。此外，阻抗匹配网络可以用来通过最小化反射功率来最大化向处理室中等离子体的功率的传送。可以使用各种匹配网络拓扑(例如，L型、π型、T型等等)和自动控制方法。

[0057] 现在参考图6，描述根据另一个实施例的衬底夹持器。衬底夹持器500包括具有第一温度并且被配置来支撑衬底510的衬底支撑530、位于衬底支撑530下方并且被配置成处于低于第一温度的第二温度(例如，低于衬底510的期望温度)的温度受控支撑基座520、以及放置在衬底支撑530和温度受控支撑基座520之间的绝热体540。另外，衬底支撑530包括与其耦合的中心加热元件533(位于衬底510下方的基本中心区域)和边缘加热元件531(位于衬底510下方的基本边缘或外围区域)，并且被配置来升高衬底支撑530的温度。
此外，支撑基座520包括与其耦合的一个或多个冷却元件521，并且被配置来通过经由绝热体540从衬底支撑530去除热量来降低衬底支撑530的温度。

[0058] 如图6所示，中心加热元件533和边缘加热元件531耦合到加热元件控制单元532。加热元件控制单元532被配置来提供对每个加热元件的非独立或独立控制，并与控制器550交换信息。

[0059] 另外，如图6所示，衬底夹持器500还可包括静电夹紧装置(ESC)，ESC包括嵌入在衬底支撑530内的一个或多个夹紧电极535。ESC还包括经由电连接耦合到夹紧电极535的高电压(HV)DC电压源534。这种夹紧装置的设计和实现方式是静电夹紧系统领域的技术人员公知的。此外，HV DC电压源534耦合到控制器550并且被配置来与控制器550交换信息。

[0060] 此外，如图6所示，衬底夹持器500还可包括背面气体供应系统536，该系统536用于通过两根气体供应管线以及多个孔和通道(未示出)中的至少两个向衬底510的背面的中心区域和边缘区域供应传热气体(例如包括氦、氩、氙、氪的惰性气体)、处理气体或者包括氧、氮或氢在内的其他气体。如图所示，背面气体供应系统536包括两区(中心/边缘)系统，其中背面气压可以从中心到边缘在径向方向上变化。此外，背面气体供应系统536耦合到控制器550并且被配置来与控制器550交换信息。

[0061] 另外，如图6所示，衬底夹持器500还包括用于测量衬底510下方的基本中心区域的温度的中心温度传感器562和用于测量衬底510下方的基本边缘区域的温度的边缘温度传感器564。中心和边缘温度传感器562、564耦合到温度监视系统560。

[0062] 现在参考图8，图8给出了根据另一个实施例描述方法700的流程图，方法700是在处理系统中控制衬底夹持器上的衬底温度的方法。例如，温度控制方案可以涉及多个处理步骤，以用于具有例如在图1至6中所描述的衬底夹持器的处理系统中的一种工艺。方法700开始于710，在710中，在衬底夹持器上放置衬底。

[0063] 衬底夹持器包括多个温度传感器，这多个温度传感器至少报告衬底和/或衬底夹持器的内区域和外区域处的温度。另外，衬底夹持器包括具有分别加热内区域和外区域的第一加热元件和第二加热元件的衬底支撑，以及具有用于冷却内区域和外区域的冷却元件的支撑基座。第一和第二加热元件以及冷却元件由温度控制系统控制，以将衬底夹持器维持在可选择的设定点温度。此外，衬底夹持器包括放置在衬底支撑和支撑基座之间的绝热体。

[0064] 在720中，衬底被设定到第一温度分布特性。利用温度控制系统，选择用于基座支撑的第一基座温度(该温度低于第一温度分布特性(例如，衬底温度))、以及第一内设定点温度和第一外设定点温度。其后，温度控制系统调节冷却元件以及第一和第二加热元件以实现所选的温度，如上所述。

[0065] 在730中，衬底被设定到第二温度分布特性。利用温度控制系统，选择用于基座支撑的第二基座温度以及第二内设定点温度和第二外设定点温度。其后，温度控制系统将衬底温度从第一温度分布特性(即，第一内和外设定点温度)改变到第二温度分布特性(即，第二内和外设定点温度)，这是通过以下方式实现的：可选地调节冷却元件以将第一基座温度改变到第二基座温度并且调节内和外加热元件，直到达到了第二内和外设定点温度。

[0066] 在一个示例中，衬底温度被从第一温度分布特性增大(或减小)到第二温度分布特性，而第二基座温度保持与第一基座温度相同。传递到内和外加热元件的功率被增大(或减小)，以将衬底从第一温度分布特性加热(或冷却)到第二温度分布特性。

[0067] 在另一个示例中，衬底温度被从第一温度分布特性增大(或减小)到第二温度分布特性，而第二基座温度被改变到与第一基座温度不同的值。传递到内和外加热元件的功率被增大(或减小)，以将衬底从第一温度分布特性加热(或冷却)到第二温度分布特性，而传递到冷却元件的功率被增大(或减小)，以将第一基座温度改变到第二基座温度。因而，根据本发明的一个实施例，支撑基座的温度被改变以辅助衬底支撑来控制衬底的温度。本发明的发明人认识到，支撑基座温度的这种变化可以提供更精确和/或快速的衬底的温度改变。

[0068] 温度控制系统采用控制算法来响应于由温度监视系统提供的测量值稳定地调节温度。控制算法例如可包括PID(比例、积分和求导)控制器。在PID控制器中，s域(即，拉普拉斯空间)中的变换函数可以表达为：

[0069] Gc(s)＝KP+KDs+KIs-1 (1)

[0070] 其中KP、KD和KI是常数，在这里称为PID参数集。控制算法的设计挑战是选择PID参数集以实现温度控制系统的期望性能。

[0071] 参考图7A，示出了若干个示例性的温度随时间的变化曲线，以图示不同的PID参数集如何导致不同的温度响应。在每种情况下，温度被从第一值增大到第二值。第一温度随时间的变化曲线601图示了例如具有相对较低的KI值的相对积极的控制方案，其中时间变化曲线表现出“过冲”和过冲之后的一系列振荡。第二温度随时间的变化曲线602图示了例如具有相对较高的KI值的积极性相对较低的控制方案，其中时间变化曲线表现出向第二温度的相对较慢的、逐渐的增大。第三温度随时间的变化曲线603图示了例如具有介于时间变化曲线601和时间变化曲线602之间的KI值的期望的积极性中等的控制方案，其中时间变化曲线表现出向第二温度的相对较快的增大，而没有过冲。然而，本发明的发明人认识到，仅使用一个PID参数集并不足以提供稳定性和升高速率的期望条件。

[0072] 根据一个实施例，两个或更多个PID参数集被用于实现对温度在初始值和最终值之间的快速且稳定调节。图7B图示了利用两个PID参数集示例性的温度随时间的变化曲线600。第一PID参数集被用于第一持续时间622，并且第二PID参数集被用于第二持续时间624。第一持续时间622可以通过设定距温度的最终值的温度偏移量620来确定。例如，温度偏移量可以为初始值和最终值之间的温度差的大约50％到99％。另外，例如，温度偏移量可以为初始值和最终值之间的温度差的大约70％到95％，并且优选地，温度偏移量可以为大约80％到95％。

[0073] 例如，相对积极的PID参数集可以用于第一持续时间622，而积极性相对较低的PID参数集可以用于第二持续时间624。或者，例如，PID参数KD从第一PID集到第二PID集可以被增大，PID参数KI从第一PID集到第二PID集可以被减小，或者实现这两者的组合。

[0074] 尽管以上只详细描述了本发明的某些实施例，但是本领域技术人员将很容易意识到，在实施例中可以进行许多修改，而本质上并不脱离本发明的新颖教导和优点。因此，所有这些修改都应当被包括在本发明的范围内。

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热喷涂涂层	2020-05-12	998
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热喷涂粉末	2020-05-12	126
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用于衬底处理系统的具有非均匀绝缘层的温度受控衬底夹持器

用于衬底处理系统的具有非均匀绝缘层的温度受控衬底夹

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