CN101165855A - 基板平台和等离子处理装置 - Google Patents

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Abstract

一种能减少等离子处理装置的运行成本并提高装置的运行速度的基板平台。下部电极作为基板平台而设置在该装置的腔室内，静电卡盘被结合在下部电极中。在静电卡盘的侧壁上形成作为喷敷层，膜厚度在从1000至2000μm的范围内，元素周期表第IIIB族元素的氧化膜，如氧化钇膜。

Description

基板平台和等离子处理装置
技术领域
本发明涉及基板平台和等离子处理装置，并且更具体地，涉及其上安装有聚焦环以包围基板外周的基板平台和包括该基板平台的等离子处理装置。
背景技术
等离子处理装置用于进行等离子处理，如在用做基板的晶片上进行蚀刻，装置包括接收晶片的腔室，和放置在该腔室内用于安装晶片的平台。该平台上具有晶片安装表面，在该表面上设置有用于吸引晶片并将晶片固定于其上的静电卡盘。静电卡盘由导电材料制成，在其整个外周形成有喷敷层。等离子处理装置可在腔室内产生等离子体，并可使用该等离子体来对被静电卡盘吸引和固定的晶片进行蚀刻。
一些等离子处理装置设置有称为聚焦环的环状元件，其被设置成包围安装在平台上的晶片的外周。使用聚焦环的目的是限制等离子体和减少由要被处理的晶片表面上的偏置电位的边缘表面效应所引起的不连续，从而不仅在晶片的中央部分而且在晶片的外周部分实现均匀的和满意的处理。
已知的聚焦环被设置成该聚焦环的上表面的位置与晶片的处理表面位于几乎相同的高度。结果，在聚焦环上形成的电场与在要被处理的晶片表面上形成的电场几乎相同，从而减少了由要被处理的晶片表面中的偏置电位的边缘表面效应所引起的不连续。因此，在要被处理的晶片表面上方和聚焦环上方，形成了高度几乎相同的等离子鞘(plasma sheath)。由于这些等离子鞘的存在，甚至在晶片的外周部分，离子垂直入射到要被处理的晶片表面中，因此就有可能在要被处理的晶片表面上实现均匀和满意的处理(例如参见国家公布第2003-503841的翻译版本)。
当使用已知的聚焦环时，晶片和聚焦环几乎处于同一电位上，离子很容易到达晶片的外周部分和聚焦环的内周部分之间的晶片背面上。到达晶片背面的离子引起的问题是CF基聚合物等可沉积在晶片背面的外周部分上。
为了消除这个问题，已经提出了一种由介电材料制成的环状下部元件，和置于下部元件之上，由导电材料制成的环状上部元件组成的聚焦环(例如参见日本特开第2005-277369号)。图4A是显示放置在平台的上表面上的静电卡盘上的聚焦环的放大剖视图。在静电卡盘36上的聚焦环19中，在上部元件21的上表面内侧圆周上形成了平坦部21a，其高度低于晶片W的背面。在上部元件21的上表面外侧圆周上形成了另一个平坦部(未显示)，其高度高于晶片的处理表面。上部元件21被设置在下部元件20之上，从而在上部元件21和晶片W的外周部E之间限定预定的间隙。
使用聚焦环19，可在晶片W和上部元件21之间产生预定的电位差。由电位差所形成的电场改变离子的运动路线，从而离子不会朝向晶片W外周部E的背面运动，从而抑制了由于离子的存在所引起的CF基聚合物等沉积在晶片W外周部E的背面上。
通过使用由介电材料制成的下部元件20和导电材料制成的上部元件21组成的聚焦环19，如图4A中所示，有可能抑制如上所述的CF基聚合物等在晶片W外周部E的背面上的沉积。然而，如图4B中所示形成的电场改变离子I的运动路线，从而离子I入射至静电卡盘36的侧面上。入射在卡盘36侧面上的离子I发生溅射，并消耗在卡盘36侧面上形成的喷敷层37。随着在该装置中等离子处理的进行，在卡盘36的侧面上形成的喷敷层37逐渐被消耗掉。最终，静电卡盘36内部的导电元件暴露于处理空间中。当导电元件暴露于处理空间时，可能发生不希望的异常放电等。为了在晶片W上进行正常的等离子处理，必须更换静电卡盘36。
已经使用氧化铝(Al2O3)作为静电卡盘36的喷敷层的成分。由氧化铝制成的喷敷层被离子溅射消耗的速率最大为2.4μm/h。通常，在静电卡盘的侧面上形成的氧化铝的膜厚度为200至500μm，因此，在每进行等离子处理几百小时后必须更换静电卡盘。这样会增加装置的运行成本，并降低装置的运转速率，从而产生了问题。
发明内容
本发明提供了能够减少装置运行成本并提高其运行速度的基板平台，以及包括该基板平台的等离子处理装置。
根据本发明的第一个方面，提供了一种可安装要进行等离子处理的基板的基板平台，包括：可安装聚焦环的聚焦环设置部，该聚焦环包围安装在基板平台上的基板的外周；和在聚焦环设置部的内侧位置，从聚焦环设置部伸出的基板载置部，其中基板载置部在其上部设置有具有用于吸引和保持基板的安装表面的静电卡盘，并在其侧表面上形成有由元素周期表第IIIB族元素制成的，且具有预定膜厚度的氧化膜。
使用本发明的基板平台，从聚焦环设置部伸出的基板载置部在其侧面上形成有由元素周期表第IIIB族元素制成的，具有预定膜厚度的氧化膜。IIIB族元素的氧化膜对等离子体有高耐性。因此，即使长时间进行等离子处理时，在聚焦环设置部的侧面上形成的氧化膜也不会被完全去除。结果，不像已知装置在每进行等离子处理几百小时后需要更换静电卡盘，即使在该静电卡盘进行等离子处理的时间几倍于已知装置的等离子处理完成时间之后仍不需要更换，从而降低了装置的运行成本，并提高了装置的运行速度。
氧化膜可比在聚焦环设置部形成的能覆盖聚焦环设置部的聚焦环安装表面的涂层厚。
在这种情况下，氧化膜要比覆盖聚焦环设置部的聚焦环安装表面的涂层厚。换句话说，聚焦环设置部形成有薄涂层，使其有可能防止基板平台冷却聚焦环的效率下降。
聚焦环可由介电材料制成的环状下部元件和设置在下部元件之上的由导电材料制成的环状上部元件组成，并且其中当聚焦环被置于聚焦环设置部上时，上部元件可包括形成在上部元件的上表面的内周侧上，高度低于基板背面的第一平坦部，和形成在上部元件上表面的外周侧上，高度高于基板的要被处理的表面的第二平坦部。
在这种情况下，聚焦环由介电材料制成的环状下部元件和置于下部元件上的导电材料制成的环状上部元件组成。此外，上部元件包括形成在上部元件的上表面的内周侧上，高度低于基板背面的第一平坦部，和形成在上部元件上表面的外周侧上，高度高于基板的要被处理的表面的第二平坦部。结果，在基板的外周部分和上部元件之间产生了预定的电位差。由于电位差所形成的电场的存在，改变了离子的运动路线，这样离子不会朝基板外周部分的背面运动，从而有可能抑制由于离子存在所引起的CF基聚合物等沉积在晶片外周部分的背面上。
基板载置部从聚焦环设置部伸出至少5mm。
在这种情况下，基板载置部从聚焦环设置部伸出至少5mm或多于5mm。结果，有可能优化设定基板与由介电材料制成的环状下部元件和导电材料组成的环状上部元件组成的聚焦环之间的位置关系，从而保证在上部元件和基板的外周部分之间产生预定的电位差。
预定的膜厚度可以在1000至2000μm的范围内。
在这种情况下，元素周期表第IIIB族元素的氧化膜的预定膜厚度在从1000至2000μm的范围内。结果，即使当装置中进行等离子处理几千小时，更具体来说，3000小时时，入射至基板载置部的侧面的离子的溅射也不会完全去除预定膜厚度的氧化膜。
氧化膜可由氧化钇制成。
在这种情况下，氧化膜由氧化钇制成。在基板载置部的侧面上形成的氧化钇被入射至侧面上的离子的溅射去除。由于氧化钇不包括铝，能确保防止在处理空间内产生包括铝的颗粒。
根据本发明的第二个方面，提供了包括根据本发明第一个方面的基板平台的等离子处理装置。
使用设置有本发明的基板平台的本发明的等离子处理装置，就能获得上述的效果。
从下文中示例性的实施方式的描述并参考附图，本发明的进一步特征变得清楚。
附图说明
图1是示意性地示出根据本发明的一个实施方案的等离子处理装置的结构的剖视图；
图2A和2B每个都是示意性地示出静电卡盘的近侧壁部分的结构的放大剖视图，其中图2A是显示图1中A部分的放大剖视图，图2B是显示放置在图1所示的等离子处理装置中的已知静电卡盘的相同部分的放大剖视图；
图3是示出了在本发明的工作实施例和现有技术实施例中随着等离子处理时间而被去除的侧壁量的测量结果的视图；并且
图4A和4B每个都是示意性地示出已知静电卡盘的近侧壁部分的结构的放大剖视图，其中图4A是安装在平台上表面上的静电卡盘上的聚焦环的放大剖视图，图4B是解释入射至卡盘侧壁上的离子的溅射去除静电卡盘侧壁的状态的放大剖视图。
具体实施方式
下面将参考示出本发明的优选实施方案的附图对本发明进行详细描述。
首先，将描述根据本发明的优选实施方案的等离子处理装置。
图1是示意性地示出了该实施方案的等离子处理装置的构造的剖视图。
在图1中，等离子处理装置10被配置成在半导体装置晶片W(下文中称为“晶片W”)上进行等离子处理(如反应性离子蚀刻)的蚀刻装置，并包括用作处理腔室且由诸如铝或不锈钢等的金属制成的腔室11。
在腔室11中，设置了作为基板平台的下部电极12。下部电极12可安装晶片W，其直径为例如300mm，下部电极被设置成在腔室11中与安装在电极12上的晶片W一起进行竖直运动。喷头13被设置在腔室11的顶部，从而面对下部电极12，并可向腔室11中供应处理气体(下文中进行描述)。下部电极12具有聚焦环设置部39(参照图2A和2B)和晶片载置部40(见图2A和2B)，其中在聚焦环设置部39上放置了聚焦环19以包围安装在下部电极12上的晶片W的外周(下文中进行描述)，晶片载置部40被设置在聚焦环设置部39的内侧，从聚焦环设置部39伸出大于5mm。
下部高频电源14经由下部匹配器15与下部电极12连接，并可向下部电极12提供预定的高频功率。下部匹配器15能减少高频功率从下部电极12的反射，使高频功率对下部电极12的入射效率最大化。
通过静电吸力吸引晶片W的静电卡盘(ESC)16设置在下部电极12的上部，并在此结合由电极膜层叠组成的ESC电极板17。DC电源1与ESC电极板17电连接。静电卡盘16可通过将DC电压从DC电源18施加到ESC电极板17上所产生的库仑力或约翰逊-拉贝克力(Johnsen-Rahbek force)吸引晶片W并将晶片W固定在上表面上。聚焦环19被设置在静电卡盘16的外周。聚焦环19是由如二氧化硅(SiO2)的介电材料制成的环状下部元件20，和被设置在下部元件20上的如硅(Si)等导电材料制成的环状上部元件21组成。聚焦环19能将在下部电极12上产生的等离子体均匀地会聚至晶片W要被处理的表面上。
支撑体23被设置在下部电极12下方，并从下部电极12的下部向下延伸。支撑体23支撑下部电极12，并随着滚珠丝杠(未显示)的旋转而使下部电极12竖直地运动。支撑体23被覆罩24和25覆盖，从而与腔室11中的环境相隔离。
在腔室11的侧壁上设置了晶片W的传送口26和排气部27。晶片W可经传送口26使用LLM(加载锁定模块(load lock module))的传送臂(未显示)进出腔室11，LLM被设置成邻近等离子处理装置10。排气部27与排气系统连接，该排气系统由排气歧管、APC(自动压力控制)阀、DP(干泵(dry pump))、TMP(涡轮分子泵)等组成，这些元件均未显示。腔室11内的空气等可通过排气部27而被排出至外面。
在等离子处理装置10中，当晶片W要被传送至腔室11中时，下部电极12向下运动至与传送口26相同的高度。另一方面，当晶片W要进行等离子处理时，下部电极12向上运动至晶片W处理位置。图1显示了当晶片W传送进腔室11内时传送口36与下部电极12之间的位置关系。
喷头13包括盘状上部电极(CEL)29和位于上部电极29之上并可拆卸地支撑上部电极29的电极支撑体30，其中上部电极29上形成有多个通气孔28，这些通气孔面对在下部电极12之上所限定的处理空间S。上部电极29具有面对处理空间S，并具有被密封环35的内周部遮盖的外周部的表面。密封环35是置于腔室11的顶部中的环形元件。密封环35由例如石英等制成，并保护螺钉(未显示)不与等离子体接触。这些螺钉被设置在上部电极29的外周部上，用来将上部电极29固定在腔室11的顶部。
上部高频电源31经上部匹配器32与上部电极29连接。上部高频电源31能向上部电极29供应预定的高频功率。上部匹配器32能减少高频功率从上部电极29的反射，从而使高频功率到上部电极29的入射效率最大化。
在电极支撑体30的内部设置了缓冲室33，处理气体导入管(未示出)与缓冲室33相连接。由氧气(O2)、氩气(Ar)、或四氟化碳(CF4)、或其混合物组成的处理气体从例如处理气体导入管供应至缓冲室33中，并经通气孔28供应至处理空间S中。
在等离子处理装置10的腔室11中，如上述向下部和上部电极12、29供应高频功率。一旦供应高频功率，从处理空间S中的处理气体产生由离子、原子团(radical)等组成的等离子体。产生的等离子体通过聚焦环19均匀地会聚在晶片W要被处理的表面上，从而使晶片W要被处理的表面均匀地进行物理性或化学性的蚀刻。
图2A和2B是放大剖视图，每个都示意性地显示了静电卡盘的近侧壁部分的结构。图2A是图1中A部分的放大剖视图，图2B是显示在图1的等离子处理装置10中设置的已知静电卡盘的相同部分的放大剖视图。
如图2A中所示，如上所述，由下部和上部元件20、21组成的聚焦环19放置在静电卡盘16的外周上。在上部元件21上表面的内周侧上形成了平坦部21a(第一平坦部)，该平坦部所处的高度低于被静电卡盘16所吸引和固定的晶片W的背面。在上部元件21上表面的外周侧上，在高于晶片W要被处理的表面的高度上形成平坦部(参照图1)(第二平坦部)。在上部元件21和晶片W的外周部E之间限定了预定的间隙。如上所述，由于设置在聚焦环设置部39内侧的晶片装配部40从聚焦环设置部39伸出5mm或大于5mm，因此有可能最优地设定聚焦环19和晶片W之间的位置关系。更具体地，平坦部21a和晶片背面之间的距离可被设定在最优值。
如上所述，在等离子处理装置10的腔室11中产生由离子、原子团等组成的等离子体。产生的等离子体通过聚焦环19被会聚在晶片W要被处理的表面上，并物理性或化学性地蚀刻晶片W要被处理的表面。此时，通过由介电材料制成的下部元件20将导电材料制成的上部元件21与静电卡盘16相隔离，从而在聚焦环19的上部元件21和晶片W的外周部E之间产生预定的电位差。由电位差所产生的电场作用改变离子的运动路线，如抑制离子朝晶片W外周部E的背面侧运动，从而有可能抑制由于离子的存在使CF基聚合物等沉积在晶片W外周部E的背面上。
然而，已经被电场改变其运动路线的离子入射在静电卡盘16的侧壁(侧面)上。入射的离子溅射并去除在卡盘16侧壁上形成的喷敷层，从而消耗了喷敷层。如果在侧壁上形成的喷敷层被完全去除，静电卡盘16内的导电元件暴露于处理空间S中，导电元件的暴露可引起不希望的异常放电。为了继续在晶片W上进行正常的等离子处理，必须更换静电卡盘16。
在本实施方案中，如图2A中所示，在静电卡盘16侧壁上形成元素周期表第IIIB族元素的氧化膜，例如氧化钇(Y2O3)膜38作为喷敷层，形成的膜厚度L1的范围是从1000至2000μm。
与此相反，如图2B中所示，在已知静电卡盘36的侧壁上，形成的喷敷层如氧化铝(Al2O3)，其膜厚度L3的范围是从200至500μm。
与氧化铝膜相比，元素周期表第IIIB族元素的氧化膜难以被离子溅射，从而对等离子体具有高耐性。更具体来说，氧化铝膜37被离子溅射去除的最大速率为2.4μm/h。另一方面，氧化钇膜38被离子溅射去除的最大速率仅为0.74μm/h。通过形成氧化钇膜作为喷敷层，可显著地延缓静电卡盘16内的导电元件的暴露。
本实施方案的静电卡盘16的直径L2与已知静电卡盘36的直径L4相同，就晶片W而言获得了与已知静电卡盘36相同的功能。
在本实施方案中，由氧化铝或氧化钇制成的喷敷层也形成在静电卡盘16的聚焦环设置部39上。为了防止静电卡盘16冷却聚焦环19的效率降低，优选不应当形成厚的喷敷层。例如，与现有技术一样，优选形成的喷敷层应该具有的厚度范围是从200至500μm。在静电卡盘16侧壁上形成的喷敷层比覆盖聚焦环设置部39的聚焦环安装表面的喷敷层厚。
为了便于解释，图2A中显示的实施方案将称为工作实施例，而在图2B中显示的已知配置方式称为现有技术实施例。
下文是工作实施例和现有技术实施例之间的比较。
[工作实施例]
如上所述，在等离子处理装置10的腔室11内产生由离子、原子团等组成的等离子体。等离子体中的离子入射在静电卡盘16的侧壁上。入射的离子溅射并去除在静电卡盘16侧壁上形成的作为喷敷层的氧化钇膜38。测量随着等离子处理时间(RF时间(hr))而被去除的氧化钇膜38的量(侧壁去除量(μm))，在图3中显示为黑色的菱形标记。
[现有技术实施例]
如工作实施例中一样，测量随着等离子处理时间(RF时间(hr))而被去除的氧化铝膜37的量，在图3中显示为黑色的正方形标记。
从图3的图中可以理解的是，在现有技术实施例中，经过进行等离子处理几百小时，在静电卡盘36的侧壁上形成的氧化铝膜37被完全去除。另一方面，经过进行等离子处理几百小时，工作实施例的静电卡盘16的侧壁上形成的氧化钇膜38未被完全去除。在进行等离子处理大约1400小时后，测量到的侧壁去除量为大约200μm。由此估计进行等离子处理3000小时产生的侧壁去除量小于1000μm，作为侧壁的氧化钇膜38(其膜厚度L1的范围是从1000至2000μm)仍未完全被去除。
使用其中在静电卡盘16侧壁上形成的氧化钇膜的膜厚度范围为从1000至2000μm的工作实施例，即使当在装置中进行等离子处理几千小时，尤其是3000小时时，入射在侧壁上的离子溅射也不会完全地去除氧化钇膜。其结果是，不像现有技术实施例一样在每次进行等离子处理几百小时就需要更换静电卡盘36，即使等离子处理进行3000小时，工作实施例也不需要更换静电卡盘36，从而降低了装置的运行成本，提高了装置的运转速率。
应该注意到在静电卡盘侧壁上形成的氧化钇膜厚度并不是一定在1000至2000μm的范围之内。氧化钇膜可形成2000μm或更大的膜厚度。本发明人证实当侧壁上形成2700μm厚度的氧化钇膜的静电卡盘加热至110℃时会产生裂缝，而当侧壁上形成2000μm厚度的氧化钇膜的静电卡盘加热至120℃时也不会产生裂缝。从获得静电卡盘的目标工作寿命等的角度来看，估计氧化钇膜的最佳膜厚度为从1000至2000μm。预计通过在静电卡盘的基板表面上形成由金属等制成的底涂层可以很容易地形成具有2000μm或更大厚度的氧化钇膜。
在现有技术实施例中，在静电卡盘36的侧壁上形成氧化铝膜37，其上形成的氧化铝膜37被入射在卡盘侧壁上的离子溅射去除。现有技术实施例造成的问题是当氧化铝膜37被去除时，在处理空间S中产生了含铝(Al)颗粒如氟化铝(AlF3)，产生的颗粒会附着在晶片W上，在最终制成的半导体装置制品中产生缺陷。
另一方面，使用其中在静电卡盘16侧壁上形成氧化钇膜38的工作实施例，预计确实能在处理空间S中避免含铝颗粒的产生。

Claims (7)

1.一种可安装要进行等离子处理的基板的基板平台，包括：
可安装聚焦环的聚焦环设置部，该聚焦环包围安装在基板平台上的基板的外周；和
在所述聚焦环设置部的内侧位置，从所述聚焦环设置部伸出的基板载置部，
其中所述基板载置部在其上部设置有具有用于吸引和保持基板的安装表面的静电卡盘，并在其侧表面上形成有由元素周期表第IIIB族元素制成的，且具有预定膜厚度的氧化膜。
2.根据权利要求1所述的基板平台，其中所述氧化膜比在所述聚焦环设置部形成的能覆盖所述聚焦环设置部的聚焦环安装表面的涂层厚。
3.根据权利要求1所述的基板平台，其中聚焦环由介电材料制成的环状下部元件和设置在下部元件之上的由导电材料制成的环状上部元件组成，并且
其中当聚焦环被置于所述聚焦环设置部上时，上部元件包括形成在上部元件的上表面的内周侧上，高度低于基板背面的第一平坦部，和形成在上部元件上表面的外周侧上，高度高于基板的要被处理的表面的第二平坦部。
4.根据权利要求1所述的基板平台，其中基板载置部从聚焦环设置部伸出至少5mm。
5.根据权利要求1所述的基板平台，其中预定膜厚度在从1000至2000μm的范围中。
6.根据权利要求1所述的基板平台，其中氧化膜由氧化钇制成。
7.一种等离子处理装置，包括可安装要进行等离子处理的基板的基板平台，所述基板平台包括：
可安装聚焦环的聚焦环设置部，该聚焦环包围安装在基板平台上的基板的外周；和
在所述聚焦环设置部的内侧位置，从所述聚焦环设置部伸出的基板载置部，
其中所述基板载置部在其上部设置有具有用于吸引和保持基板的安装表面的静电卡盘，并在其侧表面上形成有由元素周期表第IIIB族元素制成的，且具有预定膜厚度的氧化膜。
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