衬底支撑体及其制造方法 【技术领域】
本发明的实施例一般提供在半导体处理中采用的衬底支撑及其制造方法。
背景技术
液晶显示(1iquid crystal display)或平板(flat panel)显示通常用于有源矩阵显示器(active matrix display)，诸如计算机或电视监视器。一般而言，平板包括具有一层液晶材料夹在其间的两个玻璃板。至少一个玻璃板包括至少一个设置在其上的并与电源耦合的导电膜。来自电源的供给导电膜的能量改变晶体材料的取向，在显示器上产生文字(text)或图形。一种常用于生产平板的制造工艺是等离子体增强化学气相沉积(PECVD)。
等离子体增强化学气相沉积一般用于在诸如平板或半导体晶片的衬底上沉积薄膜。通常一般向容纳衬底的真空室引入前体(precursor)气体来完成等离子体增强化学气相沉积。前体气体通常直接穿过位于室顶部附近的分配板(distribution plate)。通过从与室耦合的一个或多个RF源，向室施加RF功率给室中的前体气体提供能量(例如受激)使其成为等离子体。受激气体反应以在衬底的表面上形成材料层，该衬底位于温度受控制的衬底支撑体上。在衬底接收低温多晶硅层的应用中，可以将衬底支撑体加热使其温度超过400℃。在反应期间产生的挥发性副产品从室中通过排气系统被抽走。
一般而言，用于加工平板显示器的衬底支撑体很大，通常超过550mm×650mm。高温下使用的衬底支撑体通常是铸造的，将一个或多个加热元件和热电偶封装在铝主体中。由于衬底支撑体的尺寸，一般在衬底支撑体内设置一个或多个增强构件(reinforcing member)，以在高操作温度(即超过350℃并接近500℃)下，改进衬底支撑体的刚度(stiffness)和性能。虽然以这种方式构造的衬底支撑体已经证明具有地良好处理性能，但已经证明制造支撑体却有困难。
提供坚固的衬底支撑体的一个问题是增强构件可能会偶尔移位、变形，并且有时候，在铸造加工过程中可能会断裂。增强构件通常包括在衬底支撑体的预制(precast)状态中未被支撑的部分。在将增强构件、加热元件(heating element)和热电偶组装成局部装配(subassembly)之后，局部装配支撑在模子中，并用熔融铝封装。通常在铸造加工中使用的常规压力机(press)通常具有一或两个提供高达大约500吨压力的压头(ram)，该压力并不作用在铸造表面的整个区域，而是作用在设置于衬底支撑模子中的局部装配周围流过熔融铝的局部区域。在这种情况中，总有不均匀的压力作用在熔融铝上。偶尔，在铸造加工期间，模子中铝流的重量和压力的不均匀引起增强构件移位、变形且有时断裂。此外，该铸造工艺导致铝铸件的晶粒大小不均匀，这是不期望的。此外，该压力向衬底支撑体提供的应力大约为28MPa，这么大的应力不足以在铝铸件内得到期望的均匀的微晶粒尺寸。
利用该模制工艺形成的衬底支撑体的另一问题是缺乏铝一体性，在衬底支撑体中，熔融铝流返回并集聚在离熔融铝源最远的衬底支撑体的一侧上。因为需要充足数量的铝和时间封装加热元件、热电偶和增强构件，铝流可能冷却，在低于可接受的温度下，这导致铝流的前缘流进局部装配下的地方并产生缝隙。
取决于缝隙形成时铝的温度，缝隙可能成为各种缺陷之源。例如，真空泄漏会穿过室的内部与室的周围环境之间的缝隙蔓延。真空泄漏会降低工艺性能且会导致加热器性能变差，从而使加热器的过早失效。此外，衬底支撑体的热循环可能导致衬底支撑体沿着缝隙破裂，因此引起故障并且可能会导致将微粒子被释放进室环境。
由于材料和制造衬底支撑体的成本昂贵，因此非常不期望衬底支撑体失效。另外，如果衬底支撑体在处理期间失效，会损坏在其上被支撑的衬底。这可能会在多数处理步骤已经在其上执行完之后发生，因此导致衬底支撑体的损失巨大。此外，替换工艺室中受损的支撑体导致衬底生产量的重大损失，虽然在衬底支撑体的替换或修理期间处理室是停机的。而且，随着新一代衬底支撑体的尺寸的加大，以在近似500℃的操作温度下，容纳超过1.44平方米的衬底，解决上述问题越来越紧迫。
因此，需要一种改进的衬底支撑体。
【发明内容】
本发明提供一种衬底支撑体(substrate support)及其制造方法。在一个实施例中，一种制造衬底支撑体的方法包括以下步骤：组装一个局部装配(subassembly)，该局部装配包括第一增强构件(reinforcing member)和加热元件(heating element)；将局部装配支撑在距离模子底部至少40mm处；用熔融铝封装被支撑的局部装配；以及向熔融铝施加压力。
在另一实施例中，一种制造衬底支撑体的方法包括制造方法的以下几步：组装一个局部装配，该局部装配包括螺柱(stud)，该螺柱穿过夹在第一增强构件与第二增强构件之间的加热元件设置；将局部装配支撑在模子底部上；用熔融铝封装设置在模子中的局部装配，以形成铸件；通过去除螺柱的至少一部分以在铸件中形成孔；以及在孔的至少一部分中设置插塞(plug)。
在本发明的另一方式中，提供一种衬底支撑体。在一个实施例中，该衬底支撑体包括至少一个第一增强构件和设置在铸造的铝主体内的一个加热元件。在外表面与加热元件或增强构件至少一个之间的铝主体中，形成至少一个孔。在外表面与加热元件或增强构件之间的孔中设置插塞。在另一实施例中，在铸造期间，孔容纳螺柱，该螺柱使加热元件与增强构件之间保持距离，并且在插塞插入之前，该螺柱至少从孔中部分移出。
【附图说明】
通过结合附图以及下述详细说明，可以更清楚地理解本发明的思想，附图包括：
图1描绘具有本发明的衬底支撑体的处理室的一个实施例的示意剖视图；
图2是制造衬底支撑体的一种方法的一个实施例；
图3A是局部装配的一个实施例的剖视图；
图3B是图3A的局部装配的平面图；
图4是设置在压力机中的图3A的局部装配的示意图；
图5是衬底支撑体的一个实施例的剖视图。
为了便于理解，用相同的参考标记表示图中的相同元件。
【具体实施方式】
本发明一般提供一种衬底支撑体以及制造此衬底支撑体的方法。下面参照等离子体增强化学气相沉积系统说明本发明，例如可用来自美国加利福尼亚州圣克拉拉的应用材料有限公司的一个部门AKT生产的等离子体增强化学气相沉积(PECVD)系统。然而，应该理解，本发明适用于其它系统结构形式，诸如物理气相沉积系统(physical vapor deposition system)、离子注入系统(ion implantsystem)、蚀刻系统(etch system)、其它化学气相沉积系统，以及期望在其中，在衬底支撑体上，处理衬底的任何其它系统。
图1是等离子体化学气相沉积系统100的一个实施例的剖视图。系统100一般包括与气体源104连接的室102。室102具有形成一个工艺空间(process volume)112的壁106、底部108和盖组件110。通常通过壁106中的端口(未显示)将衬底140移进和移出室102，从而进出工艺空间112。壁106和底部108通常由铝或其它宜加工(compatible for processing)的材料的一体制造。盖组件110包含有将工艺空间112与一个排放口(其包括各种此抽吸部件，图中未显示)连接的抽吸压力通风系统(pumping plenum)114。
盖组件110由壁106支撑，并且当维护室102时，可以将其移开。盖组件110一般由铝制成。分配板(distribution plate)118与盖组件110的内侧120连接。分配板118通常由铝制造。中央部分包括穿孔区(perforated area)，其用于将气体源104提供的工艺及其它气体输送到工艺空间112。分配板118的穿孔区结构适合气体穿过分配板118向处理室102提供分布均匀的气体。
被加热的衬底支撑组件138被设置在室102的中央。支撑组件138在处理期间支撑衬底140。在一个实施例中，衬底支撑组件138包括一个铝主体124，其封装了至少个嵌入式加热元件132和热电偶190。一般而言，至少第一增强构件116嵌入主体124中的最接近加热元件132处。第二增强构件166可以设置在主体124内，与第一增强构件116相对的加热元件132的一侧。增强构件116和166可以由金属、陶瓷或其它刚性(stiffening)材料制成。在一个实施例中，增强构件116和166由氧化铝纤维制成。可选择地，增强构件116和166还可以由氧化铝纤维与氧化铝颗粒、碳化硅纤维、氧化硅纤维或相似材料混合制成。增强构件116和166可以包括疏松的材料或可以为诸如板状的预制形状。可选择地，增强构件116和166还可以包括其它形状和几何结构。增强构件116和166一般具有使铝在下面所述的铸造工艺期间，注入构件116和166中的一些孔(some porosity)。
加热元件132，例如设置在支撑组件138中的电极，与电源130耦合并且可控地将支撑组件138和设置在其上的衬底140加热到预定温度。通常，加热元件132将衬底140的温度保持在大约150到至少大约460℃的均匀温度。
一般而言，支撑组件138具有下侧(lower side)126和支撑衬底的上侧(upperside)134。下侧126具有与其配合的螺盖(stem cover)144。螺盖144一般为与支撑组件138配合的铝环，该支撑组件有安装表面以使螺杆(stem)142与其连接。
一般而言，螺杆142从螺盖144伸展，并将支撑组件138与提升系统(liftsystem)连接(未显示)，该提升系统将支撑组件138在高位置(未显示)与低位置之间移动。波纹管(bellows)146在室空间112与室102外部的大气压之间提供真空密封，同时便于支撑组件138的移动。螺杆142另外为支撑组件138与系统100的其它部件之间的电导线和热电偶导线提供导线管。
支撑组件138一般接地，以便于由电源122向分配板118(或位于室的盖组件内或附近的其它电极)提供的RF功率(power)可以激活设置在支撑组件138与分配板118之间的工艺空间112内的气体。来自电源122的RF功率通常选择与衬底的尺寸匹配(commensurate)以驱动化学气相沉积过程。
支撑组件138还支撑周边限制(circumscribing)阴影框架148。一般而言，阴影框架148阻止在衬底140和支撑组件138的边缘上的沉积，以使衬底不会粘贴在支撑组件138上。
支撑组件138还有多个孔128，这些孔用于容纳多个升降杆(lift pin)150。升降杆150一般由陶瓷或阳极化铝(anodized aluminum)制成。升降杆150一般具有第一端160，当升降杆150在正常位置(即相对于支撑组件138缩进)时，第一端160与支撑组件138的上侧134基本上齐平或稍微凹进一点。第一端160一般向外张开以防止升降杆150从孔128中掉出去。此外，升降杆150具有从支撑组件138下侧伸出的第二端164。通过升降台(lift plate)154，可以将升降杆150相对于支撑组件138起动以从支撑表面130突起(project)，这样即可将衬底与支撑组件138间隔开放置。
升降台154设置在最接近于支撑表面的下侧126。通过环绕螺杆142一部分的一个套环(collar)156，将升降台154与致动器连接。波纹管146包括：允许螺杆142和套环156独立移动的同时，保持工艺空间112与室102的外部环境隔离开的上部168和下部170。一般而言，随着支撑组件138和升降台154互相更加移动靠近，升降台154被驱动使升降杆150从上侧134伸出。
图2描述用于制造支撑组件138的方法200的一个实施例的流程图。一般而言，方法200从组装包括增强构件116、166、加热元件132和热电偶190的局部装配的步骤202开始。在步骤204和206，将局部装配300支撑在设置于压力机中的模子中，并分别用铝封装以形成铸件。在步骤208，加工铸件以形成粗加工的衬底支撑体。在步骤210，通过阳极化处理衬底支撑组件138并将加热元件132与适当的电连接耦合，例如将导线焊接到加热元件132，完成粗加工的衬底支撑体的精加工。
图3A描述在步骤202组装的局部装配300的一个实施例。局部装配300一般包括第一增强构件116、第二增强构件166、加热元件132和热电偶190。例如由陶瓷或诸如不锈钢的金属材料制成的紧固件(fastener)、销(pin)、杆(rod)、螺栓(bolt)等的多个螺柱302，用于支撑并保持增强构件116、166、加热元件132和热电偶190之间的预定间隔。螺柱302的数量是可变的，并且将这些螺柱布置成不同的图形，例如，包括12个等间隔开的螺柱302的栅格(grid)图形(参见图3B)。螺柱302一般穿过第一增强构件116，并构造成支撑增强构件116使其离螺柱302的端部304至少40mm的距离。在一个实施例中，通过在第一增强构件116放置于其上的螺柱302中，提供第一凸缘(ledge)306，保持第一增强构件116相对于螺柱302端部304的位置。可选择地，螺柱302可以包括其它特征或器件，诸如支架(standoff)、螺纹(thread)、锥度(taper)等，以保持螺柱302与第一增强构件116之间的相对位置。
加热元件132与热电偶190放置在螺柱302上，从与端部304相对的螺柱302一侧，最接近第一增强构件116处。加热元件132和热电偶190一般靠近第一增强构件116设置，但是与第一增强构件116之间隔开一定距离。在一个实施例中，通过将加热元件132和热电偶放置在螺柱302的第二凸缘308上，来保持这种间隔开的关系。可选择地，包括在加热元件132和/或热电偶190中的螺纹、支架、隔片或诸如凸台(boss)式的几何结构，以及第一增强构件116，可用于保持它们之间这种间隔开的关系。
第二增强构件166放置在螺柱302上，最接近加热元件132处。一般，第二增强构件166靠近加热元件132放置，但是通过提供第二增强构件166搁置在其上的第三凸缘310，可以选择地保持一种间隔开的关系。如上所述，可以选择地保持加热元件132与第二增强构件166之间的间隔。
可选择地，固定局部装配300以防止在铸造期间，在第一增强构件116、第二增强构件166、加热元件132和热电偶190之间的移动。在一个实施例中，通过将金属套环312压在至少某个螺柱302上，保持第一增强构件116靠近第一凸缘306。通过另一套环312保持第二增强构件166靠近第三凸缘，同时，通过另一套环312保持加热元件132与热电偶190分别靠近第二凸缘308。这些套环312优选由不锈钢制造。可选择地，通过其它器件如螺母(与带有螺纹的螺柱)、粘合剂、螺柱上的磨擦(即挤压或卡配合)、布线(wire)、陶瓷绳(ceramic string)、麻绳线(twine)等，将局部装配固定在螺柱302上。可选择地，第一增强构件116、第二增强构件166、加热元件132和热电偶190可以包括集成于局部装配中的联锁几何结构，例如配套的销(pin)和凸台(boss)、支架(standoff)、压力机(press)和卡配合(snap fit)等。
可选择地，螺柱302可以在其端部304与底板(base plate)314连接。底板314一般由金属材料制成，并且用于将局部装配300定位在模子400中的预定位置。在一个实施例中，底板314是一块穿孔钢板，此钢板上有多个接受螺柱302的螺纹孔。底板314的厚度至少为40mm，以防止其在铸造期间变形。
图4描绘设置在设置在压力机404中的模子400中的局部装配300的一个实施例的示意图。局部装配300一般定位在模子400中，以便于在步骤204，将该局部装配支撑在距离模子400的底部402至少40mm处。与局部装配300连接的背板(back plate)314一般放置在模子400的预定底部402中。通过柱销(dowel pin)、几何接口连接等，背板314可以相对于模子400定位在预定的位置。通过将局部装配300保持在该位置，可确保局部装配300周侧得到恰当的封装。
可选择地，局部装配300可以以其它方式支撑在模子400中。例如，模钉(mold pin)(未显示)可以从模子400的底部402凸出，并且支撑局部装配300。在另一结构中，一个或多个部件(未显示)可以在模子400的其它部分间伸展以支撑局部装配300。螺柱302可以直接放置在或放进模子底部402中的定位孔(locating hole)上或中，同时，保持第一增强板116与不包括背板314的局部装配300上的模子底部402之间的距离至少为40mm。一般加热模子400以最小化用于封装局部装配的熔融铝的冷却。可以通过包括循环流体、电阻加热器和燃烧器的任何常规装置来加热模子400。通常，一般将模子加热到大约300℃到大约350℃之间的温度。
在步骤206，一般将在大约800到大约900℃的熔融铝以一次注入(singleshot)的方式注入模子中。由于在利用常规工艺期间发生的铝冷却，一次注入方式使多次注入之间界面缝隙形成机会最小。可以通过模子顶部的开口或一个或多个其它通道(未显示)手工或自动注入铝。一般使用的是铝合金6061，也可以用其它合金替代。一旦熔融铝在模子中，向铝施加压力，以帮助铝流进局部配件300的部件周围或之间。施加的压力另外又会将铝注入(impregnate)增强构件116和166。在一个实施例中，压力机404的单个压头406向局部装配300之上的熔融铝的区域408施加压力。一般而言，区域408至少与局部装配300的区域一样大，并且可包括模子400的整个宽度。由压头406施加的压力一般小于大约3000吨。支撑组件138与模子400的底部402或底板314之间的间隔增强了其间的铝流动。可选择地，模子400可以包括施加在模子通风口(mold’svent)(未显示)的真空装置以帮助铝流动。在大区域408上的单压头406的使用产生均匀的应力，施加于支撑组件138整个区域的应力优选大于大约40MPa，这样可消除增强构件116和166的移位、变形和断裂。高应力相应地提高了铝铸件的晶粒尺寸的均匀性，并降低在铸造期间形成的任何缝隙或合流缝的完整性。
图5描绘以后模铸(post-molding)铸件500成型的衬底支撑组件138的一个实施例。一般，在步骤206加工铸件500以形成粗加工的处理支撑体。在一个实施例中，处理步骤208一般包括退火铸件500以去除铸件500中的残余应力。在一个实施例中，铸件500在大约510到大约520℃退火大约2到大约3个小时。
接着，将铸件机加工到成品衬底支撑组件138的大略尺寸。螺柱302被从底侧至少部分去除，并由焊接到衬底支撑组件138上的铝插塞(aluminum plug)502替代。然后将螺盖144焊接到衬底支撑组件138上。在将衬底支撑组件138加工到最终尺寸的最终机加工步骤之前，将支撑组件138再退火。然后将电导线连接到加热元件132上，并且通过随后焊接在螺盖144上的螺杆142馈给(feed)。
然后加工支撑组件138的表面，以去除由机加工操作留下的刀痕(toolmark)。在二次退火步骤之前，可以选择完全或部分执行去除刀痕的步骤。表面处理可以包括磨(grinding)、电解抛光(electropolishing)、喷砂(abrasive blasting)或喷丸(bead blasting)、化学腐蚀(chemical etching)等。在一个实施例中，通过用氧化铝球喷吹衬底支撑体，并且将该支撑体暴露于碱或酸蚀剂中来处理衬底支撑体。在步骤210，阳极化处理衬底支撑体138，以对衬底支撑体进行防护性精加工。
虽然已经显示并且详细描述了包含本发明思想的几个优选实施例，但所属技术领域人员可以容易地想出仍然包含在本发明的这些思想中的其它的各种实施例。