CN101278368B - 具有变化厚度、轮廓和/或形状的介电材料和/或空腔的静电卡盘组件、其使用方法及结合有其的装置 - Google Patents

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Abstract

公开了一种静电卡盘组件(100)，其具有变化厚度、轮廓和/或形状的介电材料(108)和/或具有空腔(106)。该静电卡盘组件包括导电支撑件(102)和静电卡盘陶瓷层(104)。介电层(108)或者插入件位于该导电支撑件(102)和静电卡盘陶瓷层之间。

Description

具有变化厚度、轮廓和/或形状的介电材料和/或空腔的静电卡盘组件、其使用方法及结合有其的装置
技术领域
该披露大体上涉及制造半导体器件的装置和方法。更具体地，该披露涉及一种具有变化厚度、轮廓和/或形状的介电插入件和/或空腔的静电卡盘组件、一种在等离子体处理工艺中使用该静电卡盘组件的方法以及一种结合有该静电卡盘组件的装置，该静电卡盘组件例如用于在等离子体装置中支撑半导体晶片。
背景技术
在下面的讨论中，对某些结构和/或方法进行了参考引用。然而，以下参考引用不应当解释为承认这些结构和/或方法构成现有技术。申请人明确地保留证明这些结构和/或方法不构成本发明背景下现有技术的权利。
使用静电卡盘和/或基座以在该半导体器件的制造过程中支撑晶片、基片或其它类型的工件。通常的静电卡盘包括导电电极，其安装在底座上并且由支撑面(seating surface)覆盖。高温处理(如溅射蚀刻和离子轰击)将高纯陶瓷材料用于支撑面以减少污染。其它支撑面包括电绝缘材料、介电材料、高纯陶瓷、金属氧化物和其它如蓝宝石(单晶Al2O3)的材料。不同类型的静电卡盘包括基于卡盘中双电极的双极设计和具有单一电极的单极卡盘。
在等离子体处理装置中的制造过程期间，工件放在支撑面顶部上并且电压源向该电极电施加偏压，从而电荷在该电极和该支撑面内聚集。所施加的电压还在该工件的后表面上感应相等且相反的电荷。所聚集的电荷生成静电力，其将工件吸引并夹紧在该静电卡盘的支撑面上。
尽管该工件被夹紧，但可使用各种处理，如化学气相沉积、离子注入、离子束刻蚀和反应性离子蚀刻。在各种处理过程中，利用流到该工件背部的如氦气的受约束气体调节基片温度。
发明内容
一个用于等离子体处理装置的静电卡盘组件的实施方式，包括：导电支撑件，可操作地连接到连接器进而连接到该等离子体处理装置的RF电路；静电卡盘陶瓷层，具有在第一分界面的至少第一区域与该导电支撑件相接触的第一表面和用于放置(seat)半导体基片的第二相对表面；在该第一分界面的第二区域在该导电支撑件中的空腔；以及该空腔内的介电材料插入件。
另一个用于等离子体处理装置的静电卡盘组件的实施方式包括：导电支撑件，具有第一表面和第二表面，该第一表面可操作地连接到连接器进而连接到该等离子体处理装置的RF电路；介电材料层，接触该导电支撑件的第二表面以形成第一分界面；以及静电卡盘陶瓷层，在第二分界面具有与该介电材料层相接触的第一表面。该导电支撑件、该介电材料层和该静电卡盘陶瓷层形成多层结构。
用于等离子体处理装置的静电卡盘组件的又一实施方式包括：导电支撑件，可操作地连接到连接器进而连接到该等离子体处理装置的RF电路，该导电支撑件具有第一表面和第二表面；静电卡盘陶瓷层，具有与该导电支撑件的第二表面相接触以形成第一分界面的第一表面并具有容纳工件的第二表面；以及在该第二表面内的空腔。
一种制造静电卡盘组件的示例性方法，该静电卡盘包括导电支撑件和静电卡盘陶瓷层，该导电支撑件可操作地连接到连接器进而连接到等离子体处理装置的RF电路，该方法包括：在该导电支撑件的表面的区域中形成空腔，该表面与该静电卡盘陶瓷层相接触；以及将介电材料结合入该空腔。
另一种制造静电卡盘组件的示例性方法，该静电卡盘包括导电支撑件和静电卡盘陶瓷层，该导电支撑件可操作地连接到连接器进而连接到等离子体处理装置的RF电路，该方法包括：形成包括该导电支撑件和该静电卡盘陶瓷层的多层结构；以及在该静电卡盘陶瓷层的空闲表面的区域中形成空腔以及在该导电支撑件和该静电卡盘陶瓷层之间形成介电材料层中的至少一个步骤。
一种在等离子体处理工艺期间提高工件上方的通量场的均匀性的示例性方法包括：将介电材料结合入静电卡盘组件的区域中；将该工件安装到该静电卡盘组件；以及在该工件上建立通量场。在该等离子体处理工艺期间在结合有介电材料的区域上方的通量场的值小于未结合有介电材料的静电卡盘组件的通量场的原始值。该结合有介电材料的区域在导电支撑件和静电卡盘陶瓷层之间，该导电支撑件可操作地连接到连接器进而连接到处理装置的RF电路。
另一种在等离子体处理工艺期间提高工件上方的通量场的均匀性的示例性方法包括在静电卡盘组件的静电卡盘陶瓷层的外部表面内形成空腔；将该工件安装到该静电卡盘陶瓷层的外部表面，从而该空腔被该工件覆盖；以及在该工件上方建立通量场。在该等离子体处理工艺期间结合有介电材料的区域上方的通量场的值小于未结合有介电材料的静电卡盘组件的通量场的原始值。
附图说明
可结合附图理解优选实施方式的以下详细描述，其中，相同的标号表示相同的元件，以及其中：
图1示出静电卡盘组件的示例性实施方式的横截面示意图，该组件具有在导电支撑件的空腔内且在静电卡盘陶瓷层下的介电材料插入件。
图2是示出在用于图1中的静电卡盘组件的示例性实施方式的等离子体处理工艺中所形成的电场的角度(α)变化的影响的图表。
图3示出静电卡盘组件另一个示例性实施方式的横截面示意图，该组件在导电支撑件和静电卡盘陶瓷层之间具有介电材料层。
图4A和4B示出静电卡盘组件另一个示例性实施方式的横截面示意图，其具有不连续的分界面(图4A)和连续的分界面(图4B)。
图5是示出对于图4B的静电卡盘组件的示例性实施方式作为径向位置的函数的锥形介电材料层的厚度的图表。
图6是示出对于图4B的静电卡盘组件的示例性实施方式在不同操作频率下作为径向位置的函数的在该等离子体处理工艺中形成的归一化电场、并具有如图5所示的锥形介电材料层的厚度的图表。
图7示出静电卡盘组件的另一个示例性实施方式的横截面示意图，该组件具有均匀厚度的介电材料层。
图8示出静电卡盘组件的又一示例性实施方式的横截面示意图，该组件具有在静电卡盘陶瓷层的支撑面内的空腔。
图9是示出在该静电卡盘陶瓷层的支撑面内的空腔的图8中的静电卡盘组件的示例性实施方式的照片。
图10示出对于具有在该静电卡盘陶瓷层的支撑面内的空腔的图8中的静电卡盘组件的示例性实施方式以及对于不具有该空腔的静电卡盘，作为边缘径向距离的函数的场的变化的图表。
图11是对于标准静电卡盘组件以及对于具有在静电卡盘陶瓷层的支撑面内的空腔的静电卡盘组件的示例性实施方式，作为径向位置的函数的氧化蚀刻率的图表。
图12A和图12B示出蚀刻后的工件的高度的方位角变化。图12A是在标准静电卡盘组件上的工件的结果，以及图12B是在具有静电卡盘陶瓷层的支撑面内的空腔的静电卡盘组件的示例性实施方式的结果。
图13是示出极图案(pole pattern)的示例性实施方式的示意图；
图14示出具有在该静电卡盘陶瓷层内的嵌入极图案的静电卡盘组件的示例性实施方式的横截面示意图。
图15是对于具有在该静电卡盘陶瓷层内的嵌入极图案的静电卡盘组件的各个实施方式，作为径向位置的函数的归一化能量密度的图表，其中，该嵌入极图案通过径向尺寸是不连续的。
图16是对于具有在静电卡盘陶瓷层内的嵌入极图案的静电卡盘组件的各个实施方式，作为径向位置的函数的归一化能量密度的图表，其中，该嵌入极图案通过该径向尺寸是连续的。
图17示出等离子体处理装置的示例性实施方式的横截面示意图。
具体实施方式
在等离子体处理装置(如平行板等离子体蚀刻反应器)中，其中通过网状电极(showerhead electrode)提供处理气体，并且支撑在静电卡盘组件上的工件(如半导体基片)被通过向网状电极和/或静电卡盘组件提供RF能量所生成的等离子体进行等离子体蚀刻，通过在该下部电极组件和该等离子体之间的RF耦合来影响等离子体均匀性。为了提高等离子体的均匀性，例如，可通过将介电材料插入件、介电材料层、和/或空腔包括在该静电卡盘组件的一层中来改变静电卡盘组件，以改变在工件上方的电场并由此改变该等离子体。该静电卡盘组件包括导体支撑件、静电卡盘陶瓷层、以及在该静电卡盘的一层内的介电材料插入件、介电材料层、和/或空腔。在该静电卡盘陶瓷层内的嵌入极图案可以可选地包括在静电卡盘组件中。将该介电材料插入件、介电材料层和/或空腔结合在该静电卡盘组件的一层中可增加该工件的等离子体蚀刻均匀性。该静电卡盘组件的其它特征包括由导电材料形成的基板(也称为下部电极)。该下部电极可通过RF源和用于提供RF匹配等的附属电路供电。该下部电极优选为温度可控的并且可选择地包括加热配置。库仑力类型(使用介电绝缘体)和约翰生-拉别克(Johnson-Rahbeck)力类型(使用具有108到1013Ω·cm自然电阻的半导体)的静电卡盘组件均可以被使用。
图1示出静电卡盘组件100的示例性实施方式。图1中的静电卡盘组件100包括导电支撑件102、静电卡盘陶瓷层104、空腔106、和在空腔106内的介电材料插入件108。由导电金属(如铝)形成的导电支撑件102电连接到连接器进而连接到等离子体处理装置的RF电路(未示出)，该等离子体处理装置用于等离子体处理放置在静电卡盘陶瓷层104上的工件(如200mm或300mm晶片)。
在图1中的静电卡盘组件100中，静电卡盘陶瓷层104具有在第一分界面114的至少第一区域112与导电支撑件102接触的第一表面110、以及用于放置半导体基片(图未示)的第二相对表面116。静电卡盘陶瓷层104由例如介电绝缘体材料和/或半导体材料形成。
静电卡盘组件100的空腔106在第一分界面114的第二区域120形成在导电支撑件102中。例如，在导电支撑件102中铣削空腔106。在示例性实施方式中，空腔106大体上是圆盘形的，例如，偏心率在0到0.25之间，并且具有外部边缘122。
在示例性实施方式中，介电材料插入件108位于空腔106中，并且例如，粘合在空腔106中。形成和/或安装介电材料插入件的其他方法包括例如通过等离子体喷涂、化学气相沉积、或其它物理和化学气相沉积技术直接沉积到该空腔内。介电材料插入件108可以是任何合适的形状和/或轮廓。例如，介电材料插入件108实质上占据空腔106的全部容积，并且具有与第一分界面114连续的第一表面130。在另一个实例中，介电材料插入件108具有径向变化的横截面厚度。在又一个实例中，空腔106和介电材料插入件108大体上是相同的形状。一种合适的形状包括圆盘形或大体上圆盘形，例如，偏心率在0到0.25之间。
在又一实例中，介电材料插入件108的实施方式具有外部边缘132，其在第二分界面134与该空腔106的外部边缘122相交。第二分界面104具有与包含第一分界面114的平面形成角度(α)的平均坡度。该角度(α)在某些实施方式中可以为90度，例如，该平均坡度和该第一分界面是垂直的，并且在其他实施方式中，可以偏离90度，例如，该平均坡度和该第一分界面是非垂直的。在优选的实施方式中，该角度(α)在大于零到小于或等于45度的范围内，可选地小于15度，以及可选地小于6度，以及可选地小于3度。如本文所示，该角度影响在等离子体处理工艺中形成的电场的形状。
图2是示出角度(α)的变化对在该等离子体处理工艺中形成的电场的影响的图表200。对于图1中静电卡盘组件的示例性实施方式，该电场Ez(r)/EZ(0.15)被描述为径向位置(半径)的函数。在图2中，该场被标准化为具有15cm径向距离的场。用于图表200的其它参数包括5cm的空腔半径(在该空腔的底部处测量空腔半径)、2mm的介电材料插入件厚度、以及为9(eps)的静电卡盘电源设置。曲线202是不具有空腔和介电材料插入件的静电卡盘组件的电场。曲线204是具有空腔和角度(α)为90度的介电材料插入件的静电卡盘组件的电场。曲线204是具有空腔和介电材料插入件的静电卡盘组件的电场，其中，该介电材料插入件的第一表面具有与该空腔底部相同的径向尺寸，即，是垂直的或者具有90度的角度(α)。曲线206是具有空腔和介电材料插入件的静电卡盘组件的电场，其中，介电材料插入件的第一表面的径向尺寸比该空腔底部的径向尺寸大0.5cm，即，是不垂直的或者具有小于6度(可选地小于3度)的角度(α)。曲线208是具有空腔和介电材料插入件的静电卡盘组件的电场，其中，该介电材料插入件的第一表面的径向尺寸比在空腔底部的径向尺寸大1cm，即，是不垂直的或者具有小于3度(可选地小于1.5度)的角度(α)。参见图2，相比不垂直的情况，对于垂直的情况，电场中的阶跃变化是最剧烈的。
优选地，该介电材料插入件108由一种介电材料形成。但是，在一些实施方式中，可使用多于一种的介电材料，例如，其中所选取的材料的介电常数大体上类似，例如，类似至不足以负面影响等离子体处理工艺的场，以及在其他实施方式中，可使用多于一种的介电材料，例如，其中所选取的材料的介电常数基本上不同，例如，不同至足以改变该等离子体处理工艺的场。在优选的实施方式中，该介电材料插入件108由氮化硼或氮化铝制成。
作为实例以及对于15cm半径的静电卡盘组件，该介电材料插入件的示例性实施方式可以是大体上圆盘形的，其半径大约为12cm或以下，可选地大约为10cm或以下，以及厚度大约为5mm或以下，可选地为大约2mm或以下。类似的和相关的值可用于具有不同半径的静电卡盘组件。
图3示出静电卡盘组件300另一个示例性实施方式的横截面示意图，该组件具有在导电支撑件和静电卡盘陶瓷层之间的介电材料层。静电卡盘组件300的该示例性实施方式包括导电支撑件304、介电材料层302、和静电卡盘陶瓷层306。由导电金属(如铝)形成的导电支撑件304可操作地连接到连接器进而连接到等离子体处理装置的RF电路(未示出)，该等离子体处理装置用于等离子体处理放置在静电卡盘陶瓷层306上的工件(如200mm或300mm半导体晶片)。
在图3的示例性实施方式中，导电支撑件304、介电材料层302和静电卡盘陶瓷层306形成多层结构。例如，导电支撑件304具有第一表面310和第二表面312。第一表面310可操作地连接到连接器进而连接到等离子体处理装置的RF电路。介电材料层302接触导电支撑件304的第二表面312以形成第一分界面314。静电卡盘陶瓷层306的第一表面316在第二分界面318接触介电材料层302。
在一个示例性实施方式中，该介电材料层302的厚度(t)从中心轴320到外部边缘322随径向而变化。
例如，介电材料层302可包括形成在介电材料层302内的一种介电材料，或者可包括多于一种的介电材料，每一种介电材料均具有基本相同的介电常数。为了使介电材料层302具有径向变化的介电常数，该介电材料层302的一个实施方式在横截面上具有三个区域。该径向变化可以是基本上连续或不连续的。
在图4A中所示意性描述的一个实例中，该介电材料层302在径向中心区域330内比在第一径向边缘区域332或第二径向边缘区域334的任一个中都厚。在径向中心区域330和第一径向边缘区域332或第二径向边缘区域334之间的分界面处，该介电材料层302可改变厚度，从而产生不连续的分界面。所改变的厚度可以在例如毫米或更小的距离上突变，或者可以在厘米或更少的距离上逐渐变化，这取决于对介电常数和电场所期望的影响。
在图4B中示意性描述的另一个实例中，该介电材料层302具有锥形表面340和平面表面342。例如，锥形表面340可以是从中心区域向外为连续锥形或基本上为连续锥形。图3示出连续锥形表面的实例，以及图4B示出基本上连续锥形表面的实例。在图4B中，锥形表面340基本上连续的锥形，其具有均匀厚度的第一区域344以及厚度变化且为锥形的第二区域346。导电支撑件304的第二表面312被互补成形，以在第一分界面314与介电材料层302的锥形表面340相符，以及介电材料层302的平面342在第二分界面318接触静电卡盘陶瓷层306的第一表面316。沿锥形表面340的过渡通常是连续的并产生连续的分界面。
在以上每个实例中，沿介电材料层302的各个径向点的厚度使得可获得所期望的介电常数值。该值至少部分基于该介电常数对该电场具有的影响以及随后对该等离子体处理工艺的影响而选取，如通过开发更均匀的电场。例如，该介电材料层在径向中心区域内的介电常数值可低于该介电材料层在第一径向边缘区域和第二径向边缘区域内的介电常数。该较小的介电常数与较低的电容耦合以及被抑制的蚀刻率有关。可选地，该介电材料层在径向中心区域的介电常数低于该介电材料层在第一径向边缘区域的介电常数或该介电材料层在第二径向边缘区域的介电常数。例如，进一步的变化可包括在各个区域内径向边缘区域具有相同的介电常数值、具有类似的介电常数值，和/或具有不同的介电常数值。在不同区域内的介电常数值的变化可通过以下方式中的一个或多个而改变：选择特定厚度的具有不同介电常数的材料，以及选择具有相同的或基本相同的介电常数并且厚度变化的材料。
图5是示出对于图3的静电卡盘组件的示例性实施方式作为径向位置的函数的连续锥形介电材料层的厚度的图表500。在图5的图表中，该径向位置从0cm(表示中心轴位置)到16cm(在外部边缘处)变化，以及厚度(z)从在外部边缘处的约0mm到在该中心轴位置处的约0.25mm变化。锥形介电材料层的厚度作为径向位置的函数的示例性关系通常是对数的且连续的，即便可使用包括不连续关系的其他关系。
图6示出对于图4B的静电卡盘组件的示例性实施方式在不同操作频率下作为径向位置(r)的函数的在该等离子体处理工艺中形成的归一化电场EZ(r)/EZ(0)、并具有如图5所示的锥形介电材料层的厚度的图表。在图6的图表600中，表示频率范围为从2MHz到100MHz的轨迹。随着该径向位置从中心径向轴朝外部边缘向外移动，2MHz的轨迹602示出在场内的指数增长。随着频率从2MHz增大到73.5MHz，指数增长减少，直到在73.5MHz处，轨迹604沿EZ(r)/EZ(0)≈1.0是近似平坦的。随着频率超过73.5MHz向100MHz增大，该场负指数地变化。
在另一个示例性实施方式中，该介电材料层302具有从中心轴320到外部边缘322在径向上均匀的厚度(t)。
例如，介电材料层302可包括至少两种介电材料，其中，第一介电材料的介电常数不同于第二介电材料的介电常数。为了使介电材料层302具有径向变化的介电常数，该介电材料层302的实施方式具有横截面区域，并且具有不同介电常数的介电材料位于不同的横截面区域内。根据所选择的介电材料，该径向变化可以是基本上连续的或不连续的。
在图7中示意性描述的一个实例中，介电材料层302在横截面上具有三个区域，这三个区域包括径向中心区域360、第一径向边缘区域362和第二径向边缘区域364。介电材料层302在径向中心区域360中的介电常数低于介电材料层302在第一径向边缘区域362和第二径向边缘区域364中的介电常数。
在该静电卡盘组件的示例性实施方式中，该介电材料层包括氮化硼或氮化铝。进一步地，示例性实施方式可包括介电材料层，其厚度为约5mm或以下，可选地为约2mm或以下。
图8示出具有在静电卡盘陶瓷层的支撑面内的空腔的静电卡盘组件的又一示例性实施方式的横截面示意图。在该示例性实施方式中，在静电卡盘陶瓷层的支撑面内为该工件形成空腔。静电卡盘组件800的示例性实施方式包括导电支撑件802、静电卡盘陶瓷层804、以及在静电卡盘陶瓷层804表面内的空腔806。由如铝的导电金属形成的导电支撑件802可操作地连接到连接器进而连接到等离子体处理装置的RF电路(未示出)，该等离子体处理装置用于等离子体处理放置在静电卡盘陶瓷层804上的工件，如200mm或300mm的晶片。
在图8的静电卡盘组件800中，导电支撑件802具有第一表面810和第二表面812，并且静电卡盘陶瓷层804具有与导电支撑件802的第二表面812相接触以形成第一分界面822的第一表面820，并且具有第二表面824以容纳工件826。在优选的实施方式中，该空腔是真空空腔。
如图8中示意性地以及图9中以照片所描述，在静电卡盘陶瓷层804的第二表面824内形成空腔806。空腔806可以是任何形状。在一个实例中，该空腔806是圆盘形的或者基本上为圆盘形的，例如，具有在0到0.25之间的偏心率。在另一个实例中，该空腔806具有径向变化的横截面厚度(t)。
在又一个实例中，空腔806的实施方式具有外部边缘832，其具有与包含静电卡盘陶瓷层804第二表面824的平面形成垂直角度(β)的平均坡度。在一些实施方式中，该角度(β)可以是90度，例如，该平均坡度和静电卡盘陶瓷层804的第二表面824是垂直的，而在其它实施方式中，可以偏离90度，例如，该平均坡度和静电卡盘陶瓷层804的第二表面824是不垂直的。在优选的实施方式中，该角度(β)在大于零到小于或等于45度的范围内，可选地小于15度，可选地小于6度，以及可选地小于3度。如本文所示，该角度影响在等离子体处理工艺中形成的电场的形状。
图10是示出作为从中心轴向外边缘的径向距离的函数的电场EZ(r)/EZ(0.15)变化的图表1000。在该图表中，该电场被归一化为在15cm的电场的值。该图表1000示出第一轨迹1002的电场，其对应于图8中具有在静电卡盘陶瓷层的支撑面内的空腔的静电卡盘组件的示例性实施方式，以及示出第二轨迹1004的电场，其对应于不具有空腔的静电卡盘。该空腔的半径近似为4cm，并且该静电卡盘陶瓷层的半径近似为15cm。示出的在该静电卡盘陶瓷层的支撑面内包含空腔减小了该电场。从图10可看出，电场中的阶跃变化发生在空腔的径向外部边缘上。与不具有空腔的静电卡盘组件相比，图表1000示出电场中在接近该空腔的径向外部边缘的径向位置处具有约8％的大变化。
图11是对于标准的静电卡盘组件以及具有在静电卡盘陶瓷层的支撑面内的空腔的静电卡盘组件的示例性实施方式，作为径向位置(以mm为单位)函数的氧化蚀刻率(以/min为单位)的图表1100。在该图表中，轨迹1102关于标准静电卡盘组件，以及轨迹1104关于具有在静电卡盘陶瓷层的支撑面内的空腔的静电卡盘组件的示例性实施方式。轨迹1102具有近似贝尔曲线的形状，具有较低且近似恒定的蚀刻率的从±90mm到±150mm的外部区域、以及具有增加蚀刻率(高于该外部区域)的中心在0mm半径距离上的±90mm的中心区域。轨迹1104具有在整个0mm到±150mm半径距离上整体更一致的蚀刻率。轨迹1104呈现三个区域-中心区域1110、第一外部区域1112和第二外部区域1114。这三个区域中的每一个的蚀刻率均近似相同，为大约1880±10
Figure S2006800365042D00142
/min。在外部区域中的每一个和中心区域之间是蚀刻率相对降低的区域1120，从而在蚀刻率曲线上形成倾角。这些蚀刻率相对降低的区域1120位于对应于该空腔边缘径向位置的位置处。
图12A和图12B示出蚀刻后的工件的高度上的方位角变化。图12A是在标准静电卡盘组件上的工件的结果，以及图12B是在具有在静电卡盘陶瓷层的支撑面内的空腔的静电卡盘组件的示例性实施方式上的工件的结果。不同的蚀刻率具有不同的阴影。如对于在标准静电卡盘上的工件的图12A所示，高度上的方位角变化的平均值为187.8nm，3-西格玛(sigma)值为11.8nm(6.3％)，以及范围为17.3nm(9.2％)。如对于在具有在静电卡盘陶瓷层的支撑面内的空腔的静电卡盘组件的示例性实施方式上的工件的图12B所示，高度上的方位角变化的平均值为183.1nm，3-西格玛值为8.7nm(4.7％)，以及范围为11.4nm(6.2％)。因此，对比这两个结果，可以看出，在具有在静电卡盘陶瓷层的支撑面内的空腔的静电卡盘组件的示例性实施方式上的工件的结果(图12B)呈现出更均匀的高度，该高度在整个晶片表面上具有更低的变化和范围。通常，对于在具有在静电卡盘陶瓷层的支撑面内的空腔的静电卡盘组件的示例性实施方式上的工件，方位角变化的通常范围预期为所具有的3-西格玛值小于大约5％，可选地小于大约4％，以及范围小于大约7％，可选地小于大约5％。
极图案可选地嵌入该静电卡盘组件的示例性实施方式的该静电卡盘陶瓷层中。
图13是示出极图案的示例性实施方式的示意图。极图案可抑制或防止RF电流从晶片的边缘传播到中心。该效应可用于迫使蚀刻功率到该系统期望的部分和/或路径，以通常减小中心区域内的蚀刻功率、增加在外围区域内的蚀刻功率、和/或使中心区域内的蚀刻功率与外围区域内的蚀刻功率更紧密地匹配。
在图13中所示的极图案1300中，连续线形成在径向分布区域的配置中。这些径向分布区域有助于区别该静电卡盘的支撑面的不同部分或区域。例如，同心半圆1302的第一半球1304大体上与同心半圆1302的第二半球1306通过迂回在这些半球中的一个内的连续线而分开，然后在外部点1310和内部点1312处结合这些半球。这产生通过该静电卡盘径向尺寸的不连续的极图案1320，例如，分散到径向或周向分开的不同区域内，如从图14所示的具有嵌入该静电卡盘陶瓷层中的极图案的静电卡盘组件的示例性实施方式的示意性截面图中可见。这些不同的区域可通过高电感耦合而互相耦合。除了不连续的极图案1320之外，图14还示出与不连续极图案1320电连接的电路1322的一般配置。
该极图案的示例性实施方式优选地由包括钨的导电金属形成。当该极图案由包括钨的导电金属形成时，连续线的宽度近似为0.10英寸。应理解，可使用多种极图案，包括径向连续和径向不连续的嵌入极图案，并且除此之外，这些极图案的尺寸和布置可基于形成该极图案的导电金属的成分和所期望的能量密度的径向分布而改变。
图15是对于具有在静电卡盘陶瓷层中的嵌入极图案的静电卡盘组件的各种实施方式，作为径向位置(以mm为单位)函数的归一化能量密度的图表，其中，嵌入极图案在该径向尺寸上是不连续的。在图15的图表1500中，轨迹1502关于具有通过该径向尺寸不连续的嵌入极图案的静电卡盘组件；轨迹1504关于具有通过该径向尺寸不连续的嵌入极图案和具有在静电卡盘陶瓷层的支撑面内的空腔的静电卡盘组件，例如，具有类似于图14中嵌入极图案的类似于图8的静电卡盘组件；轨迹1506关于具有通过该径向尺寸不连续的嵌入极图案和具有形成在静电卡盘陶瓷层下导电支撑件内的空腔的静电卡盘组件，例如，具有类似于图14中嵌入极图案的类似于图1的静电卡盘组件。为了对比，轨迹1510示出用于标准静电卡盘的归一化能量密度，例如不具有空腔、不具有介电插入件或层、以及不具有嵌入极图案的静电卡盘。
如在图15中所见，单独存在的径向不连续嵌入极图案可影响能量密度的径向分布。另外，与具有可变厚度、轮廓和/或形状的介电材料和/或空腔相结合的径向不连续的嵌入极图案可进一步影响能量密度的径向分布。在每种情况下，示出了这些特征的选择单独或者结合地产生能量密度的特定径向分布，优选地更均匀的能量密度的径向分布。
图16是对于具有在该静电卡盘陶瓷层内的嵌入极图案的静电卡盘组件的各种实施方式，作为径向位置(以mm为单位)函数的归一化能量密度的图表，其中，该嵌入极图案通过该径向尺寸是连续的。在图16的图表1600中，轨迹1602关于具有通过该径向尺寸连续的嵌入极图案的静电卡盘组件；轨迹1604关于具有通过径向尺寸连续的嵌入极图案以及具有在静电卡盘陶瓷层的支撑面内的空腔的静电卡盘组件，例如，具有所提到的嵌入极图案的类似于图8的静电卡盘组件；轨迹1606关于具有通过径向尺寸连续的嵌入极图案以及具有形成在静电卡盘陶瓷层下导电支撑件内的空腔的静电卡盘组件，例如，具有所提到嵌入极图案的类似于图1的静电卡盘组件。为了对比，轨迹1610示出标准静电卡盘的归一化能量密度，例如，不具有空腔、不具有介电插入件或层、以及不具有嵌入极图案的静电卡盘。
可通过多种方法中的任何一种制造本文中所公开的静电卡盘组件。
制造静电卡盘组件的一个示例性方法包括：在导电支撑件的表面的区域中形成空腔，该表面与该静电卡盘陶瓷层相接触；以及将介电材料结合入该空腔。该空腔可通过任何方式形成，包括成型、选择性沉积、铣削或其它去除方法。
制造静电卡盘组件的另一个示例性方法包括：形成多层结构，其包括导电支撑件和静电卡盘陶瓷层；以及在该静电卡盘陶瓷层的空闲表面的区域内形成空腔以及在该导电支撑件和该静电卡盘陶瓷层之间形成介电材料层中的至少一步。该多层可通过例如利用插入的铣削和成形操作顺序沉积各个层而顺序地逐步形成。例如，在该方法包括在该导电支撑件和该静电卡盘陶瓷层之间形成介电材料层的情况下，可形成具有与该导电支撑件相接触的锥形表面的该介电材料层。首先可通过例如铣削操作使该导电支撑件本身与介电材料层的形状互补地成锥形，然后可将该静电卡盘陶瓷层沉积在该铣削成锥形的表面或者使其独立于形成的互补地成锥形的表面而形成。在另一个实例中，该介电材料层具有不同厚度(例如，阶梯式厚度)的区域、均匀区域和锥形或阶梯式区域的组合等等。通过例如铣削操作形成具有与该介电材料层互补的表面轮廓的该导电支撑件，然后可以将该静电卡盘陶瓷层沉积在铣削后的表面上或者可以使其独立于所形成的互补地成锥形的表面而形成。
应理解，本文中所公开的静电卡盘组件可以被制造为用于等离子体处理装置的新的设备。另外，可通过改进现有的静电卡盘组件以包括本文中所公开的特征之一，例如，包括嵌入极图案和/或具有变化厚度、轮廓和/或形状的介电材料和/或空腔，来制造本文中所公开的静电卡盘组件。例如，现有的静电卡盘组件可具有通过例如铣削而形成在该静电卡盘陶瓷层的支撑面内的空腔，以及如果需要，介电材料插入件或层可被预先形成并粘合到该空腔，或者通过沉积技术直接形成在该空腔中。
图17示出等离子体处理装置1700的示例性实施方式的横截面示意图。图17中的等离子体处理装置1700是平行板反应器，具有上部网状电极1702，其面向设置在反应堆容器1706内的静电卡盘组件的工件支撑面1704。本文中所公开的任何静电卡盘组件均可结合入该等离子体处理装置中。
本文中所公开的并结合入等离子体处理装置中的任何静电卡盘组件均可在等离子体处理工艺过程中提高在工件上方的通量场的均匀性。
在等离子体处理工艺期间提高在工件上方的通量场的均匀性的示例性方法包括：将介电材料结合入静电卡盘组件的一个区域内；将工件安装至该静电卡盘组件；以及在该工件上方建立通量场。在该等离子体处理工艺过程中在结合有介电材料的区域上的通量场的值小于未结合有介电材料的静电卡盘的通量场的原始值。例如，图2示出有关通量场的能量密度的减少。示例性方法可选地在将极图案嵌入该静电卡盘陶瓷层中。
结合有介电材料的区域可以变化。例如，该区域可位于导电支撑件和静电卡盘陶瓷层之间，该导电支撑件可操作地连接到连接器进而连接到处理装置的RF电路。
在一个实例中，结合包括在该导电支撑件第一表面的第一区域内形成空腔。该介电材料位于该空腔中，并且该静电卡盘陶瓷层接触该导电支撑件的第一表面和该介电材料的表面。在一个示例性实施方式中，该介电材料插入件是圆盘形，并且该介电材料具有径向变化的横截面厚度。所形成的空腔的外部边缘和该介电材料的外部边缘在一个分界面相交，该分界面与包含该导电支撑件的第一表面的平面形成角度。该角度可以是垂直的或者非垂直的。
在另一个实例中，结合包括在该导电支撑件的第一表面和该静电卡盘陶瓷层的第一表面之间形成介电材料的层。在示例性实施方式中，该层由一种介电材料形成并且具有从中心轴到外部边缘径向变化的厚度。
在又一实例中，结合包括在该导电支撑件的第一表面和该静电卡盘陶瓷层的第一表面之间形成介电材料的层。在示例性实施方式中，该层在横截面上具有三个区域，并且该介电材料的层在径向中心区域比在第一径向边缘区域或第二径向边缘区域中的任一个都厚。
在又一实例中，结合包括在该导电支撑件的第一表面和该静电卡盘陶瓷层的第一表面之间形成介电材料的层。在示例性实施方式中，该层具有均匀的厚度，并且该层在横截面上具有三个区域。这三个区域包括径向中心区域、第一径向边缘区域和第二径向边缘区域。在该径向中心区域内的介电材料的介电常数低于在该第一径向边缘区域内和该第二径向边缘区域内的介电材料的介电常数。
另一种在等离子体处理工艺期间提高在工件上方的通量场的均匀性的示例性方法包括：在静电卡盘的静电卡盘陶瓷层的外部表面内形成空腔；将该工件安装至该静电卡盘的外部表面，从而该空腔被该工件覆盖；以及在工件上方建立通量场。在等离子体处理工艺期间在结合有介电材料的区域之上的通量场的值小于未结合有介电材料的静电卡盘的通量场的原始值。例如，图10示出能量密度的减少，以及图11示出蚀刻率的变化，这都与通量场有关。示例性方法可选地将极图案嵌入该静电卡盘陶瓷层中。
具有该空腔的区域可变化。例如，该区域可以在静电卡盘陶瓷层的支撑面内。
在一个实例中，所形成的空腔具有径向变化的横截面厚度。在另一个实例中，所形成的空腔的外部边缘与包含该静电卡盘陶瓷层的外部表面的平面形成角度。该角度可以是垂直的或者非垂直的。
尽管结合优选的实施方式对本发明进行了描述，但本领域技术人员应理解，可以在不背离如所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，进行没有具体描述的添加、删除、修改和替换。

Claims (32)

1.一种用于等离子体处理装置的静电卡盘组件，所述静电卡盘组件包括：
导电支撑件，可操作地连接到连接器进而连接到所述等离子体处理装置的RF电路；
静电卡盘陶瓷层，具有在第一分界面的第一区域与所述导电支撑件相接触的第一表面和用于放置半导体基片且与该第一表面相对的第二表面；
在所述第一分界面的第二区域形成在所述导电支撑件中的空腔；以及
在所述空腔内的介电材料插入件，其中所述空腔的外部边缘与所述介电材料插入件的外部边缘在第二分界面相交，并且其中，所述第二分界面具有与包含所述第一分界面的平面形成垂直或非垂直角度的平均坡度。
2.根据权利要求1所述的静电卡盘组件，其中所述介电材料插入件基本上占据所述空腔的全部容积，并且具有与所述第一分界面连续的第一表面。
3.根据权利要求2所述的静电卡盘组件，其中所述介电材料插入件的第一表面与所述第一分界面共面。
4.根据权利要求1所述的静电卡盘组件，其中所述介电材料插入件是圆盘形，并且所述介电材料插入件具有径向变化的横截面厚度。
5.根据权利要求1所述的静电卡盘组件，其中，所述非垂直角度在大于零到小于或等于45度的范围内。
6.根据权利要求1所述的静电卡盘组件，其中，所述介电材料插入件包括氮化硼或氮化铝。
7.根据权利要求1所述的静电卡盘组件，其中所述介电材料插入件包括氮化硼或氮化铝，该介电材料插入件大体上是圆盘形的，其直径为大约12cm或12cm以下，以及其厚度为大约5mm或5mm以下。
8.根据权利要求1所述的静电卡盘组件，包括被嵌入所述静电卡盘陶瓷层中的极图案。
9.根据权利要求8所述的静电卡盘组件，其中所述极图案沿所述静电卡盘的径向尺寸是不连续的。
10.一种等离子体处理装置，其包括根据权利要求1所述的静电卡盘组件。
11.一种用于等离子体处理装置的静电卡盘组件，所述静电卡盘组件包括：
导电支撑件，可操作地连接到连接器进而连接到所述等离子体处理装置的RF电路，所述导电支撑件具有第一表面和第二表面；
静电卡盘陶瓷层，具有与所述导电支撑件的所述第二表面相接触以形成第一分界面的第一表面，且具有容纳工件的第二表面；以及
在所述导电支撑件的所述第二表面内的空腔，其中所述空腔的外部边缘具有与包含所述导电支撑件的所述第二表面的平面形成垂直或非垂直角度的平均坡度。
12.根据权利要求11所述的静电卡盘组件，其中，所述空腔大体上是圆盘形，并且具有径向变化的横截面厚度。
13.根据权利要求11所述的静电卡盘组件，其中，所述非垂直角度在大于零到小于或等于45度的范围内。
14.根据权利要求11所述的静电卡盘组件，包括被嵌入所述静电卡盘陶瓷层中的极图案。
15.根据权利要求14所述的静电卡盘组件，其中所述极图案沿所述静电卡盘的径向尺寸是不连续的。
16.一种等离子体处理装置，其包括根据权利要求11所述的静电卡盘组件。
17.一种制造根据权利要求1所述的静电卡盘组件的方法，所述方法包括：
在所述导电支撑件的所述第一分界面的所述第二区域中形成所述空腔；以及
将所述介电材料结合入所述空腔。
18.一种在等离子体处理工艺期间提高工件上方的通量场的均匀性的方法，所述方法包括：
将介电材料结合入静电卡盘组件的区域中；
将所述工件安装到所述静电卡盘组件；以及
在所述工件上方建立通量场；
其中，在所述等离子体处理工艺期间在结合有所述介电材料的所述区域上方的通量场的值小于未结合有所述介电材料的静电卡盘组件的通量场的原始值；以及
其中，结合有所述介电材料的所述区域在导电支撑件和静电卡盘陶瓷层之间，所述导电支撑件可操作地连接到连接器进而连接到处理装置的RF电路。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，结合包括：
在所述导电支撑件的第一表面的第一区域中形成空腔，
其中，所述介电材料位于所述空腔中，
以及其中，所述静电卡盘陶瓷层接触所述导电支撑件的所述第一表面和所述介电材料的表面。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述介电材料插入件是圆盘形，并且所述介电材料具有径向变化的横截面厚度。
21.根据权利要求19所述的方法，其中所形成的空腔的外部边缘与所述介电材料的外部边缘在分界面相交，所述分界面与包含所述导电支撑件的所述第一表面的平面形成垂直角度。
22.根据权利要求19所述的方法，其中所形成的空腔的外部边缘与所述介电材料的外部边缘在分界面相交，所述分界面与包含所述导电支撑件的所述第一表面的平面形成非垂直角度。
23.根据权利要求19所述的方法，其中，所述介电材料包括氮化硼或氮化铝，所述介电材料大体上是圆盘形的，其直径为大约12cm或12cm以下，以及其厚度为大约5mm或5mm以下。
24.根据权利要求18所述的方法，其中，结合包括：
在所述导电支撑件的第一表面和所述静电卡盘陶瓷层的第一表面之间形成介电材料层，
其中，所述介电材料层由一种介电材料形成，并具有从中心轴到外部边缘径向变化的厚度。
25.根据权利要求18所述的方法，其中，结合包括：
在所述导电支撑件的第一表面和所述静电卡盘陶瓷层的第一表面之间形成介电材料层，
其中，所述介电材料层在横截面上具有三个区域，并且所述介电材料层在径向中心区域内比在第一径向边缘区域或第二径向边缘区域的任一个中都厚。
26.根据权利要求18所述的方法，其中，结合包括：
在所述导电支撑件的第一表面和所述静电卡盘陶瓷层的第一表面之间形成介电材料层，
其中，所述介电材料层具有均匀的厚度，
以及其中，所述介电材料层在横截面上具有三个区域，所述三个区域包括径向中心区域、第一径向边缘区域和第二径向边缘区域，以及其中，在所述径向中心区域内的介电材料的介电常数低于在所述第一径向边缘区域和所述第二径向边缘区域内的介电材料的介电常数。
27.根据权利要求18所述的方法，其中包括将不连续的极图案嵌入所述静电卡盘陶瓷层中。
28.一种在等离子体处理工艺期间提高工件上方的通量场的均匀性的方法，所述方法包括：
在所述静电卡盘组件的静电卡盘陶瓷层的外部表面内形成空腔，
将介电材料结合入静电卡盘组件的区域中；
将工件安装到所述静电卡盘陶瓷层的所述外部表面，从而所述空腔被所述工件覆盖；以及
在所述工件上方建立通量场；
其中，在所述等离子体处理工艺期间在结合有所述介电材料的所述区域上方的通量场的值小于未结合有所述介电材料的静电卡盘组件的通量场的原始值。
29.根据权利要求28所述的方法，其中所形成的空腔具有径向变化的横截面厚度。
30.根据权利要求28所述的方法，其中所形成的空腔的外部边缘与包含所述静电卡盘陶瓷层的所述外部表面的平面形成垂直角度。
31.根据权利要求28所述的方法，其中所形成的空腔的外部边缘与包含所述静电卡盘陶瓷层的所述外部表面的平面形成非垂直角度。
32.根据权利要求28所述的方法，包括将不连续的极图案嵌入所述静电卡盘陶瓷层中。
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