CN101872713B - 静电夹盘装置、等离子处理装置和制造静电夹盘装置的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明要求保护一种静电夹盘装置、等离子处理装置和制造静电夹盘装置的方法。一种静电夹盘装置，其中静电夹盘和支撑部由高电阻率、高导热性和低射频能量损耗的介电质材料制成。该静电夹盘装置的好处是它比传统的静电夹盘装置使晶圆表面具有更均匀的电磁场分布。其结果是，晶圆蚀刻速率，特别是晶圆边缘的蚀刻速率的非均匀性，被显著地改善。

Description

静电夹盘装置、等离子处理装置和制造静电夹盘装置的方法
【技术领域】
本发明涉及一种静电夹盘装置、使用该静电夹盘装置的等离子处理装置及制造静电夹盘装置的方法。
【背景技术】
图1A示出现有技术中一种示例性的常规的静电夹盘装置。该常规的静电夹盘装置108设置于一等离子体处理室(未显示)内。静电夹盘装置108包括静电夹盘160和由金属材料制成的支撑部140。其中，在静电夹盘160内还设置一电极150，电极150外由介电质部包覆。静电夹盘装置108由一金属阴极基座130支撑。金属阴极基座130包括射频输入164和冷却通道168。升降顶针孔172被设置于贯穿金属阴极基座130和静电夹盘装置108。晶圆或衬底(未图示)放置于静电夹盘装置108的上表面(即，静电夹盘160的介电质部的上表面)。等离子体工艺在晶圆或衬底的上表面上进行，晶圆或衬底的上表面暴露于等离子处理室的等离子体中。
在等离子体处理反应室中，电磁波的波长会减少到其在自由空间里的波长的1/4左右，从而，它的1/4波长会接近等离子体处理室的典型尺寸。因此，等离子体密度沿整个反应室并不均匀。例如，图1B显示了等离子体密度引起的蚀刻速率沿放置于图1A所示的静电夹盘装置108上的整个晶圆是非均匀的。随着自由空间的激励频率的增加，波长会减小，这驻波现象在反应室内会变得更加突出。
此外，能产生高等离子体密度的高频能量也会减少趋肤深度(skindepth)。因此，趋肤效应会产生在处理室内等离子体加热的最强处(即，在放电的边缘)。
人们还发现，在检查蚀刻后的晶圆或衬底时会发现存在明显的边缘效应(edge effect)，这使整个晶圆或衬底表面的蚀刻速率不均匀。边缘效应显示蚀刻速率在晶圆或衬底边缘比其它区域(如中心区域)有相当的增加。
因此，在处理室内等离子体密度的不一致导致处理室内的工艺参数不同的变化，从而导致处理的衬底的不一致或不均匀处理(如，等离子体非均匀性、晶圆蚀刻速率的非均匀性、和边缘蚀刻速率非均匀性)。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种静电夹盘装置及其制造方法，所述静电夹盘装置能显著地改善晶圆边缘的蚀刻速率的不均匀，克服现有技术中静电夹盘装置由边缘效应引起的不足。
本发明的另一目的在于提供一种使用该静电夹盘装置的等离子处理装置，该处理装置能显著地改善晶圆边缘的蚀刻速率的不均匀。
本发明是通过以下技术方法实现的：
根据本发明的一方面，本发明提供一种静电夹盘装置，包括：支撑部；与支撑部相连接的静电夹盘，于其内设置有电极；所述支撑部和静电夹盘包括具有高电阻率、高导热性和低射频能量损失的介电质材料。
根据本发明的另一方面，本发明提供一种静电夹盘装置，包括：支撑部，所述支撑部包括碳化硅或氮化铝；与支撑部连接的静电夹盘，所述静电夹盘包括三氧化二铝；和设置于静电夹盘内的电极。
根据本发明的另一方面，本发明提供一种制造静电夹盘装置的方法，包括：提供一支撑部，所述支撑部包括介电质材料；将一静电夹盘与支撑部相连接，所述静电夹盘包括介电质材料，所述支撑部的介电质材料和静电夹盘的介电质材料均选自碳化硅、氮化铝、三氧化二铝及其混合物；且将一电极烧结在静电夹盘内。
根据本发明的再一方面，本发明提供一种等离子处理装置，包括：腔体；等离子体气源，向腔体内提供一等离子气体；与腔体相连接的阴极基座；与阴极基座相连接的支撑部；与支撑部相连接的静电夹盘，所述静电夹盘内部包括电极；其中，支撑部和静电夹盘包括具有高电阻率、高导热性和低射频能量损失的介电质材料；与阴极基座相连接的射频源，以在腔体内激励形成等离子体；和直流电压源，与电极相连接，用于将晶圆固定在静电夹盘上。
【附图说明】
本说明书中包含的附图，作为本说明书的一部分，示出了本发明的实施方式，并与说明书一起用于解释和描述本发明的原理和实施。附图旨在以一种概略的方式描绘所述实施例的主要特征。附图的目的并不在于描述实际实施方式的每一详细特征，也不在于描绘所述元件的真正尺寸，并且元件不是按比例绘制。
图1A是现有技术中的静电夹盘的示意图；
图1B是使用图1A所示的静电夹盘进行蚀刻时的晶圆的蚀刻速率示意图；
图2是本发明实施例的等离子体处理室的示意图；
图3A是本发明实施例的静电夹盘的示意图；
图3B是使用图3A所示的静电夹盘进行蚀刻时的晶圆的蚀刻速率示意图。
【具体实施方式】
发明人经过大量的实验和研究发现，图1A所示的现有技术中静电夹盘装置108之所以产生明显的或剧烈的边缘效应，是因为其静电夹盘160下方的支撑部140是由金属材料制成的，并且其阴极基座130也由金属材料制造而成。当射频输入164从下方馈入等离子处理装置的反应腔时，由于金属材料会接近100％地反射射频能量的馈入，所以射频输入164的射频能量基本上只能从金属阴极基座130的外周围设置的介电材料的包覆元件(未图示)及金属阴极基座130的外周与反应腔的内侧壁之间形成的空间(未图示)向放置晶圆的方位送入，在射频能量到达支撑部140时，同理，由于支撑部140也是金属材料，并且加上金属阴极基座130和支撑部140之间形成有接近90度直角的台阶，因此，射频能量也基本上只能在金属支撑部140的外周围向晶圆馈入射频能量。发明人发现，在射频能量输入的入射波和反射波(散射场)的混合作用下，金属支撑部140的存在使得晶圆表面的电场分布变得非常不均匀，形成边缘效应，金属阴极基座130和支撑部140之间形成的台阶也进一步加剧形成强烈的边缘效应。
为了解决上述问题，本发明提供一种静电夹盘装置，包括支撑部和与支撑部相连接的静电夹盘。静电夹盘内设置有电极。所述支撑部和静电夹盘包括具有高电阻率、高导热性和低射频能量损失的介电质材料。优选地，支撑部采用与静电夹盘的材料相同或相接近的材料。通过该设计，可以使得射频能量在馈入晶圆时被大量地送入由介电质材料制成的支撑部和静电夹盘而不会被反射掉，由此，减少边缘效应，使晶圆表面的电场线分布变得均匀。
本发明的实施例涉及一种静电夹盘装置、使用该静电夹盘装置的等离子处理装置及制造静电夹盘装置的方法。其中该静电夹盘装置的静电夹盘和静电夹盘的支撑部件是由高电阻率、高导热性和低射频能量损耗的介电质材料制成。该静电夹盘装置的优点是能有效地改善现有技术中由边缘效应引起的不足，使晶圆表面的电磁场分布比常规静电夹盘装置的电磁场分布更加均匀。其结果是，晶圆蚀刻速率，特别是晶圆边缘的蚀刻速率的不均匀性被显著地改善。
本发明的实施方式将在图2中详细说明。图2显示了本发明一种实施方式提供的使用本发明静电夹盘装置的等离子处理装置200。应该理解，装置200仅仅是示例性的，装置200可以包括更少或更多的组成元件，或该组成元件的安排可能与图2所示不同。
等离子处理装置200包括腔室204和一个设置于腔室204内的静电夹盘208。待加工件、晶圆或衬底(未显示)放置于处理室204内的静电夹盘208的表面212。反应/处理气体源(未显示)向腔室204供应反应/处理气体，反应/处理气体被射频功率源216激励而形成等离子体218。静电夹盘208由阴极座220支撑，阴极座220支撑基座230和支撑部件240。静电夹盘208于其内包括一电极250。直流电压源254与电极250相连接来给电极250施加电压，实现从静电夹盘208上夹持和释放或衬底。
在使用中，射频功率源216产生等离子体218，直流电压源254将高压直流电源施加到电极250来夹持晶圆至静电夹盘208。等晶圆被夹持后，等离子体工艺处理会在腔室204内进行。等处理完成后，射频功率源216被关闭，通过直流电压源254对电极250施加反向直流电压来使晶圆从静电夹盘208上释放。
图3A示出根据本发明实施例的一种静电夹盘装置110。静电夹盘装置110包括基座230、支撑部240和静电夹盘208。如图3A所示，基座230包括射频输入264和冷却通道268。升降顶针孔272贯穿基座230、支撑部件240和静电夹盘208。如上所述晶圆/衬底放置于静电夹盘208的上表面。
在图3A所示的实施方式中，支撑部240和静电夹盘208由高电阻率、高导热性和低射频损耗的介电质材料制成。在某种实施方式中，该介电质材料的电阻率为大约1010至1014欧姆*厘米。可选用的示例性材料包括：碳化硅、氮化铝、三氧化二铝等。应当理解，其他的具有高电阻率、高导热、低射频损耗的陶瓷材料也可以被使用。
在另外一种实施例中，支撑部件240和静电夹盘208由相同的材料制成。应该理解，支撑部件240和静电夹盘208也可以用不同的材料制成，每一个材料是高电阻率、高导热性和低射频损耗的介电质材料。在支撑部240和静电夹盘208由相同的材料制成的实施例中，两者可以被直接地或间接地制成一个整体。
在支撑部件240和静电夹盘208由不同的材料制成的实施例中，这两个材料可以被粘结在一起。例如，一种硅胶粘剂可以将支撑部件240和静电夹盘208连接在一起。支撑部件240也可以与基座230粘接在一起。该同一硅片胶粘剂也可用于将支撑部240和基座230连接在一起。
在某一具体的实施例中，支撑部件240是由碳化硅或氮化铝制成，静电夹盘208由三氧化二铝制成。电极250被烧结于静电夹盘208内。
在某一具体的实施例中，支撑部件240和静电夹盘208的厚度是5-12毫米之间的任何值，而静电夹盘208的厚度约为0.5-5毫米。在更具体的一个实施例中，静电夹盘为约1毫米厚。电极250的厚度小于或等于0.5毫米。在静电夹盘208和支撑部件240由胶粘剂粘接在一起的实施例中，胶粘剂的厚度约为8微米。
图3B示出放置于图3A的本发明的静电夹盘208与放置于图1A的传统的静电夹盘装置108上的两种晶圆/衬底的截面的电脑模拟的电场分布。如图3B所示，图3A的静电夹盘208的电场的均一性与图1A所示的传统的静电夹盘装置108相比被显著地改善。
本发明静电夹盘装置、使用该静电夹盘装置的等离子处理装置及制造静电夹盘装置的方法可以适用于制造半导体晶圆、金属晶圆以及各种玻璃面板。本专利说明书中所提及的待加工件、晶圆、衬底等说法仅仅为示例性的说明。
本发明是参照具体实例描述的，但其所有方面都应为示意性而非限定性的。技术人员可以发现很多硬件、软件和固件的不同组合均可适用于应用本发明。此外，对于一般技术人员而言，在了解了本发明所公开的特征和实施方式后，本发明的其它应用方式也可以较为明显地被想到。本发明所述实施方式的各种构思和/或元件可以在等离子体反应室技术中被单独地或被组合地使用。本说明书中所述的特征和实施方式应当仅理解为示例性的说明，本发明的权利范围由下列权利要求所限定。

Claims (20)

1.一种等离子处理装置，包括：
腔体；
等离子体气源，向腔体内提供一等离子气体；
与腔体相连接的阴极基座；
与阴极基座相连接的支撑部；
与支撑部相连接的静电夹盘，所述静电夹盘内部包括电极；
其中，支撑部和静电夹盘的介电质材料包括碳化硅、氮化铝、三氧化二铝及所述碳化硅、氮化铝、三氧化二铝的混合物的其中之一；与阴极基座相连接的射频源，以在腔体内激励形成等离子体，其中所述支撑部位于静电夹盘下方以支撑静电夹盘；
和直流电压源，与电极相连接，用于将待加工件固定在静电夹盘上。
2.如权利要求1所述的等离子处理装置，所述支撑部和静电夹盘包括相同的介电质材料。
3.如权利要求1所述的等离子处理装置，所述支撑部和静电夹盘包括不同的介电质材料。
4.如权利要求1所述的等离子处理装置，其中支撑部和静电夹盘的厚度为5-12毫米。
5.如权利要求1所述的等离子处理装置，其中静电夹盘的厚度为0.5-5毫米。
6.如权利要求1所述的等离子处理装置，其中介电质材料的电阻率为1010至1014欧姆*厘米。
7.如权利要求1所述的等离子处理装置，进一步包括硅胶粘剂将静电夹盘和支撑部粘接在一起。
8.如权利要求7所述的等离子处理装置，其中胶粘剂的厚度小于10微米。
9.一种静电夹盘装置，包括：
支撑部；
与支撑部相连接的静电夹盘，于其内设置有电极；
所述支撑部和静电夹盘的介电质材料包括碳化硅、氮化铝、三氧化二铝及所述碳化硅、氮化铝、三氧化二铝的混合物的其中之一，其中所述支撑部位于静电夹盘下方以支撑静电夹盘。
10.如权利要求9所述的静电夹盘装置，所述支撑部和静电夹盘的厚度为5-12毫米。
11.如权利要求9所述的静电夹盘装置，所述静电夹盘的厚度为0.5-5毫米。
12.如权利要求9所述的静电夹盘装置，进一步包括硅胶粘剂将静电夹盘和支撑部粘接在一起。
13.如权利要求12所述的静电夹盘装置，所述硅胶粘剂的厚度小于10微米。
14.一种静电夹盘装置，包括：
支撑部，所述支撑部包括碳化硅或氮化铝；
与支撑部连接的静电夹盘，所述静电夹盘包括三氧化二铝；和设置于静电夹盘内的电极，其中所述支撑部位于静电夹盘下方以支撑静电夹盘。
15.如权利要求14所述的静电夹盘装置，所述支撑部和静电夹盘的厚度为5-12毫米。
16.如权利要求14所述的静电夹盘装置，所述静电夹盘的厚度为0.5-5毫米。
17.如权利要求14所述的静电夹盘装置，进一步包括硅胶粘剂将静电夹盘和支撑部粘接在一起。
18.如权利要求17所述的静电夹盘装置，所述硅胶粘剂的厚度小于10微米。
19.一种制造静电夹盘装置的方法，包括：
提供一支撑部，所述支撑部包括介电质材料；
将一静电夹盘与支撑部相连接，所述静电夹盘包括介电质材料，所述支撑部的介电质材料和静电夹盘的介电质材料包括碳化硅、氮化铝、三氧化二铝及所述碳化硅、氮化铝、三氧化二铝的混合物的其中之一，其中所述支撑部位于静电夹盘下方以支撑静电夹盘；且将一电极烧结在静电夹盘内。
20.如权利要求19所述的方法，所述支撑部和静电夹盘包括相同的介电质材料。
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PE01 Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right

Denomination of invention: Electrostatic chuck device, plasma processing device and method for manufacturing electrostatic chuck device

Effective date of registration: 20150202

Granted publication date: 20120328

Pledgee: China Development Bank Co

Pledgor: Advanced Micro-Fabrication Equipment (Shanghai) Inc.

Registration number: 2009310000663

PC01 Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right

Date of cancellation: 20170809

Granted publication date: 20120328

Pledgee: China Development Bank Co

Pledgor: Advanced Micro-Fabrication Equipment (Shanghai) Inc.

Registration number: 2009310000663

PC01 Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right
CP03 Change of name, title or address

Address after: 201201 No. 188 Taihua Road, Jinqiao Export Processing Zone, Pudong New Area, Shanghai

Patentee after: Medium and Micro Semiconductor Equipment (Shanghai) Co., Ltd.

Address before: 201201 No. 188 Taihua Road, Jinqiao Export Processing Zone, Pudong, Shanghai

Patentee before: Advanced Micro-Fabrication Equipment (Shanghai) Inc.

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