CN102362342A - 用于在脱离期间减少电势峰值的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种通过减少在衬底脱离期间电势峰值从ESC移走衬底的等离子体处理室的衬底脱离系统。

Description

用于在脱离期间减少电势峰值的方法和装置
背景技术
静电卡盘用于在例如等离子体刻蚀之类加工期间保持半导体晶片和其它衬底。在加工期间静电卡盘(ESC)利用静电势将衬底保持(夹持)在适当位置。通过将衬底夹持到卡盘,例如氦(He)之类高导热率气体被配置在衬底和卡盘之间以提高衬底和卡盘之间的热传递。衬底通过升降销从静电卡盘处被移走,并且传送臂将衬底从处理室中移出。
使用ESC出现的困难是为了将衬底从卡盘移开需要去除衬底和卡盘之间残留的静电力。该残留的力是由衬底和ESC支撑表面之间的界面处的电荷积聚造成的。已研发了一些技术用于移走或脱离(de-chucking)衬底。例如,电极可以是接地的或者,替代地,施加于电极的夹持电压的极性可以是相反的以使电极放电。然而,这些技术对移除电极和衬底上的所有电荷不是完全有效。通常需要机械力以克服残留的静电引力,这可能损坏衬底或者在非预期的位置处收回衬底时会产生困难。而且,在衬底脱离和移除工艺期间可能产生不希望的微粒,从而污染已处理的衬底。
尽管已有迄今为止的发展,但是仍然需要在已处理衬底的脱离期间降低任何电势峰值(voltage potential spike)的装置和方法。
发明内容
提供了一种通过减小在衬底脱离期间的电势峰值从ESC移走衬底的等离子体处理室的衬底脱离系统。
在等离子体处理室中从静电卡盘脱离衬底的方法中,提供工艺气体进入所述室中并激发所述工艺气体为等离子体状态,维持所述等离子体室处于真空压和低RF功率以在2mm或者更大厚度的所述衬底上方产生等离子体鞘(sheath);提升处于所述静电卡盘的支撑表面上方的所述衬底至所述等离子体鞘之内的中部提升(mid-lift)位置而不引起等离子体的不稳定且保持所述衬底处于所述中部提升位置,熄灭所述等离子体,和提升所述中部提升位置上的所述衬底至上部位置,在所述上部位置所述衬底能够从所述等离子体室中移出。
在另一种实施方式中,提供了用于等离子体反应器的气动升降装置,其中升降销在相对于静电卡盘的至少三个位置处提升和降下衬底。所述升降装置优选地包括垂直对齐的气动操作的上部活塞和下部活塞,其中上部活塞可滑动地安装以在上部室中上下移动以及下部活塞可滑动地安装以在下部室中上下移动,并且所述下部室包括限定所述下部活塞移动上限的坚固制动件(hard stop)。所述至少三个位置优选地包括(1)下部位置,在该下部位置所述上部和下部活塞处于下面位置;(2)中部提升位置,在该中部提升位置所述下部活塞在上部位置与所述坚固制动件接触且从所述下部活塞向上延伸的杆接触所述上部活塞以部分地提升所述上部活塞;和(3)上方位置,在该上方位置所述上部活塞处于上部位置且支撑于由所述上部活塞驱动的升降销上的衬底能够从所述等离子体室移出。所述上部活塞包括上部杆,上部杆与驱动升降销的轭共同操作以(1)在所述上部和下部活塞处于所述下部位置时降低衬底到衬底支撑上,(2)在这些活塞处于中部提升位置时提升所述衬底到中部提升位置,和(3)在所述上部活塞处于上部位置时提升所述衬底到所述上部位置,在所述上部位置其能够通过传送臂移出。
在优选的方法中,处理室为等离子体刻蚀室且该处理包括激发邻近衬底上表面的等离子体以及用该等离子体刻蚀衬底上表面上的暴露层。替代地,该处理可以包括在衬底的上表面形成层(例如,通过化学气相沉积、热氧化、溅射或者其它沉积工艺)。然而,该处理还可以包括从衬底剥离光刻胶或者其它材料。
附图说明
图1为依据一种实施方式的等离子体反应器的横截面侧视图。
图2A为支撑于ESC上的衬底销升降系统示图。
图2B为图2A所示的衬底被提升到ESC上方时的销升降系统的示图。
图3A为示例性的气动升降构件处于下面位置的示图。图3B为示例性的升降构件处于中部提升位置的示图。图3C为示例性的升降构件处于上方位置的示图。
图4为一种用于气动升降构件的示例性的控制系统的原理图。
图5示出了当使用不同方法脱离时的衬底电压。
图6A和6B示出了当使用不同脱离电压脱离衬底时的衬底电压,分别地不具有和具有等离子体打开(plasma-on)脱离步骤。
图7示出了使用不同方法脱离的衬底的颗粒污染物的程度,包括或者不包括氦背压以及中部提升等离子体打开步骤。
具体实施方式
如本文所使用的,术语“大约”当与设定的数值或者范围一起使用时表示略大于或略小于该设定的数值或者范围,在该设定的数值或者范围的±10%范围内。
本文描述了在从ESC脱离期间能够降低电势峰值的脱离的方法。
衬底可以包括用于制造集成电路的半导体晶片,用于3-D芯片集成的衬底,用于制造平板显示器的玻璃衬底,或者结合于玻璃载体的硅片。
优选的实施方式结合等离子体反应器来实现,例如电容耦合等离子体反应器,如ExelanTM等离子体刻蚀器,可从LamResearch Corporation of Fremont,California(加利福尼亚州菲蒙市的朗姆研究公司)获得。
优选的等离子体反应器包括双频电容耦合等离子体反应器,该双频电容耦合等离子体反应器包括上部淋喷头电极和底部电极,RF能量以两个不同的频率(例如27MHz和2MHz)提供给底部电极。例如,参见共有的美国专利No.6,391,787,该专利在本文中通过引用被整体并入。在等离子体反应器为电容耦合等离子体刻蚀器的情况中,底部电极优选地被提供大约500到3000瓦特的RF能量,可选择地在脱离操作期间为50瓦特的低瓦数。
其它优选的实施方式结合电感耦合等离子体反应器来实现。例如,参见共有的美国专利No.7,223,321,该专利在本文中通过引用被整体并入。在这种反应器的操作中,反应气体流入室中且高频功率由RF功率源施加给线圈,产生环绕该线圈的电磁场。该电磁场被电感耦合入室中并将反应气体激发为等离子体。
图1依据一种示例性实施方式示出了等离子体反应器。有关这种等离子体反应器的额外的细节可见于公布号为2008/0318433的共同转让的美国专利,其通过引用并入本文中。然而,应当理解,可以使用各种配置的处理室和内部元件,包括底部电极与上部电极,室壁和工艺气体分配系统。例如,参见共有的美国专利Nos.6,824,627和7,428,550,他们中的每一个都通过引用并入本文中。
在图1中,电容耦合等离子体处理室100具有安装于其中的等离子体限制环组件10。等离子体处理室100包括具有底面104的上部电极102。在此实施方式中,如美国专利No.6,391,787中所述,底面104包括用于控制等离子体局部密度的台阶106,该台阶106邻接上部电极102的暴露表面形成,该专利通过引用被整体并入本文中。在此实施方式中,上部电极102为包括气体通道108的淋喷头电极,气体通道108设置用于将工艺气体分配进入等离子体处理室100。上部电极102可以由硅(例如单晶硅或者多晶硅)或者碳化硅组成。
在此实施方式中,上部电极102为单件电极(例如,用于200mm的晶片处理)。上部电极102优选地安装(例如,弹性体粘合(bonded))于由适当材料(例如石墨或者碳化硅)制成的支撑构件110。该支撑构件包括与上部电极102中相应的气体通道108流体连通的气体通道112。
该上部电极可以为平面电极或者非平面、阶梯式上部电极,例如为如共有美国专利No.6,391,787所公开的淋喷头电极。RF电极可以由任何适当的导电材料制成。例如,上部电极可以包括高纯度、低电阻率的单晶,底部电极可以包括金属,例如硅(例如,掺杂硅)、铝以及诸如此类。
在另一种实施方式中,如公布号为2005/0133160的共有美国专利申请中所描述的,上部电极可以具有两件式的或者分段的结构(例如,用于更大的晶片处理,比如300mm的晶片)且包括单件内部电极构件和环绕该内部电极构件的外部电极构件,该专利申请通过引用被整体并入本文中。在此实施方式中,如公布号为2005/0133160的美国专利申请中所描述的,支撑构件优选地包括与该内部电极构件同延展的(co-extensive)垫板和与该外部电极构件同延展的垫环。
在图1中所示的等离子体处理室300的实施方式中,热控制板114优选地设置于支撑构件110上。如公布号为2005/0133160的共有的美国专利申请中所描述的,该热控制板114优选地包括一个或者一个以上加热器,用于控制上部电极102的温度,该专利申请通过引用被并入本文中。
等离子体处理室100包括气体源(未示出)用于向上部电极102供应工艺气体。该工艺气体通过上部电极102中的气体通道108分配于该室中。上部电极102可以由RF功率源经由匹配网络供电。在另一种实施方式中,上部电极102可以电接地从而为由等离子体处理室100的衬底支撑120的底部电极所供应的电能(power)提供回路。
在此实施方式中,工艺气体被提供到等离子体处理室100中的等离子体发生区域,该等离子体发生区域位于上部电极102和支撑于衬底支撑120上的半导体衬底122(例如,半导体晶片)之间的空间中。
除了半导体晶片,衬底122可以包括待处理成平板显示器的玻璃嵌板,或者由玻璃衬底所保持的待处理的硅片(例如,用于3-D芯片集成)。衬底122可以包括一个或者一个以上的将在处理期间有选择地去除(刻蚀)掉的层,或者,替代地,该处理可以包括在衬底上形成一个或者一个以上的层,或者诸如光刻胶剥离之类的其它工艺。
衬底支撑120优选地包括静电卡盘124以通过静电夹持力将半导体衬底122固定在衬底支撑上。静电卡盘124可以被合并在底部电极(也称为下部电极)中或者被安装到底部电极上,以及可以由RF功率源126、127中的至少一个(通常经由匹配网络)来提供功率。
下部电极可以用于提供RF功率(power)以在衬底上方的间隙中从工艺气体产生等离子体以及可选择地向该衬底提供RF偏压。耦合于该上部和/或下部电极与该等离子体之间的能量的数量通常影响用于处理该衬底的该等离子体的密度和能量。例如,如果耦合的能量大,则离子能趋向于高。如果耦合的能量小,则离子能趋向于低。相应地,高离子能在衬底处理期间趋向于具有更强的侵蚀性(aggressive),而低离子能在衬底处理期间趋向于具有更弱的侵蚀性。由底部电极产生的能量也可以被配置为形成与衬底表面接近的鞘电压(sheath voltage),用于加速等离子体中朝向衬底的离子,在衬底处这些离子能够激活处理反应。
优选地,下部电极的外部边缘被配置为至少延伸到晶片的外边缘之外,下部电极的上方设置有边环,该边环环绕该晶片。
在半导体衬底122的等离子体处理期间,等离子体限制环组件10将等离子体限制在上部电极102和半导体衬底122之间的等离子体限制区。边环126、128优选地设置在半导体衬底122的附近关联处以使等离子体集中从而提高刻蚀均匀性。
真空泵(未示出),优选涡轮分子泵,用于保持等离子体处理室300内的所需要的真空压。
一种示例性的可以使用的平行板等离子体反应器为双频等离子体刻蚀反应器(参见,例如,共有的美国专利No.6,090,304,其在此通过引用被整体并入)。在这种反应器中,刻蚀气体可以从气体供应源被提供到淋喷头电极,并且通过以不同的频率从两个RF源向淋喷头电极和/或底部电极供应RF能量从而在反应器中产生等离子体。替代地,淋喷头电极可以电接地,并且处于两个不同频率的RF能量可以提供于底部电极。
要处理衬底,就将该衬底放入室中,且放置在底部电极的支撑表面上。例如,机械臂(未示出)可以将衬底从加载互锁(load-lock)传送室输送到处理室中。升降销组件(未示出)具有能够通过升降装置升高和下降的升降销。优选地,升降销与下部电极电绝缘和热绝缘。优选地,升降销由蓝宝石(sapphire)制成,但可以是金属的或者电介质的材料。机械臂可以将衬底放置在升降销的顶端,并且升降装置可以将衬底朝下放在支撑表面上。处理衬底后,升降装置可以升起升降销以将衬底提升离开下部电极,让衬底经由机械臂从处理室中移出。
升降销可以通过使用销升降轭来上升和下降,例如共有的美国专利No.6,646,857中所描述的销升降器轭,该专利的公开内容在此并入以作参考。替代地,下部电极也可以包括升降销,例如缆控升降销,其可以朝着支撑表面移动和远离支撑表面移动以使得升降销穿过下部电极中的孔移动从而将衬底升起和降低。在真空室中用于移动衬底的缆控传动组件公开于共有的美国专利No.5,796,066中,该专利的公开内容通过引用在此被整体并入。升降销孔的数量通常依据衬底的尺寸确定。在优选的实施方式中,升降销由气体控制,例如通过使用气动升降构件。
依据优选的实施方式,刻蚀衬底的方法包括将衬底支撑于下部电极上,将工艺气体提供到室和将工艺气体激发为等离子体以及用该等离子体刻蚀衬底的暴露表面。该过程适用于刻蚀各种硅和/或包括低-k介电材料的介电层,低-k介电材料诸如掺杂硅氧化物,如氟化硅氧化物(FSG),无掺杂的硅氧化物,如氧化硅、旋涂玻璃(SOG),硅酸盐玻璃,如硼磷酸盐硅酸盐玻璃(BPSG)和磷酸盐硅酸盐玻璃(PSG),掺杂的或者无掺杂的热生长氧化硅,掺杂的或者无掺杂的TEOS沉积氧化硅,等等。可以被刻蚀的其它材料包括有机低-k材料,例如可从Applied Materials,Inc.(应用材料有限公司)获得的BLACK DIAMOND(黑金刚石)和可从Novellus获得的低-k膜CORAL族(the CORAL family of low-k films)。介电掺杂物包括硼、磷、和/或砷。该电介质可以覆在导体层或半导体层上,该导体层或半导体如多晶硅、金属(例如铝、铜、钛、钨、钼或者它们的合金)、氮化物(例如氮化钛)、金属硅化物(例如硅化钛、硅化钴、硅化钨、硅化钼)等等。
利用2300ExelanTM系统,ESC用于在氧化刻蚀处理期间将硅片保持在温控底部电极上。晶片的温度控制受提供于ESC上表面与晶片下表面(背面)之间的压缩氦(He)的影响。用于控制晶片背面氦冷却的系统的细节可见于共有的美国专利No.6,140,612,该专利的公开内容通过引用并入本文。虽然不再施加夹持电压以后He可以用于脱离晶片,但是在脱离期间和脱离后的瞬间流动的He能够导致微粒从ESC和晶片背面之间的He界面迁移到等离子体刻蚀表面,并且造成制造于晶片正面上的集成电路的器件损坏。
为了减轻等离子体处理衬底的颗粒污染,晶片可以暴露于等离子体气体,这被认为在随后的从等离子体处理室移除衬底的提升期间有助于最小化衬底电势的变化。实现此目的的一种方法是使用机械升降销来部分地将晶片提高到中部提升位置,从而将晶片至少部分地处于等离子体鞘内。
可选择地,当脱离等离子体打开、但在等离子体熄灭前关闭时,可以施加低氦背压(例如,5托或者更小)从而轻微地分离晶片。当等离子体熄灭时,如果继续施加He,则背面微粒可能通过氦流动被传输到晶片的正面。
在一种实施方式中,在对ESC的电压关闭以后,对He界面的He供应也终止,升降销被升起以提升衬底离开ESC,而等离子体仍保持在室中。衬底被保持在等离子体鞘中从而防止在晶片下方等离子体的渗透(penetration)以及防止等离子体不稳定。
随后,等离子体熄灭,衬底被提升到上部位置,在此位置衬底可以从室中传输出去。
尽管实施方式中已做了描述,但是力传感器或脱离电压的应用都不是脱离所必须的。然而,如果需要,它们中的任何一者或者他们两者都可以使用。
依照一种优选的实施方式,在等离子体处理室中将衬底脱离于静电卡盘的方法包括:将工艺气体提供进入上部电极和底部电极之间的间隙,在底部电极上衬底通过静电卡盘被保持在支撑表面上,通过提供射频功率(例如,给下部电极或者线圈)将间隙中的工艺气体激发为等离子体状态;保持等离子体室处于真空压以在下部电极上方提供等离子体鞘;将在支撑表面上方的衬底提升到等离子体鞘之内的中部提升位置以不引起等离子体不稳定或不让等离子体渗透到晶片下方;将衬底保持在中部提升位置持续一段适宜的时间,例如2到30秒;并且将支撑表面上方的衬底提升到上部位置,在该位置处衬底可以从等离子体室中移出。
依据本方法的各种可选特征,工艺气体可以为氩、氮或者其混合物。衬底优选地用由电绝缘材料(例如蓝宝石)制成的升降销提升,其将衬底提升到中部提升位置处的静电卡盘的支撑表面上方0.5至3mm(例如,1.5到2mm)。衬底可以是硅晶片或者其它材料,并且可以具有至少一层介电材料。
在提升衬底之前,静电卡盘的电压优选地被调至预先设定值,该预先设定值与偏压有关,该偏压预期通过等离子体已感应在晶片上,以及停止对衬底底面的He气体供应。上部电极与下部电极之间的间隙可以为任何适宜的距离,例如至少20mm,以及室中的真空压可以为任何适宜的数值,例如为在15到500毫托范围内的数值,例如直到25、50、100、150、200、250或者300毫托。当衬底被提升至上部位置时,该衬底优选地被提升到支撑表面上方至少9到15mm(例如,9.5到12.5mm)。
图2A示出了可以用于执行以上描述的晶片脱离方法的半导体晶片升降装置的剖视图。关于此装置的额外细节可见于共同转让的美国专利No.6,646,857中,该专利的整体通过引用结合在本文中。该半导体晶片升降装置包括若干升降销228,该升降销228通过贯穿适当数量的通管(penetrations)226来回移动于静电卡盘204,套管226的数量取决于衬底的尺寸。通常,有3或4个升降销228,这些顶销间距相等且连接于提升轭230。升降销228与静电卡盘204之间的空间通过伸缩管232和密封环234与卡盘下方的空间隔离。伸缩管232的使用让轭230能相对于卡盘204移动而不破坏(compromising)处理室之内的大气隔离。应变仪242放置于绝缘材料240和导螺杆244之间,导螺杆244由马达246驱动从而移动轭230。应当注意的是,导螺杆244可以由任何类型的连杆代替,比如气动升降装置,只要其能够提升和降低销升降轭230即可。
应变仪242发送信息信号给控制器,例如数字信号处理器(DSP)250,数字信号处理器(DSP)250依次发送信号给马达控制器252,马达控制器252依次发送信号给马达246,以控制导螺杆244的定位。编码器248与马达246连接且该编码器248被设置为向马达控制器252发送信号。由编码器248提供的信息将包含导螺杆244的当前位置数据。
升降销228被配置为接触晶片206的底面且施加低的力,特别在中部提升步骤期间,以防止使用大的压力,当晶片被静电夹紧于卡盘204时使用大的压力可能具有对晶片的潜在的破坏。
升降轭230可以渐进地向上移动以将晶片206提离卡盘204。当升降销228受到的力对晶片206的提升具有抵制作用时,这些力将通过提升轭230传递给可选择的应变仪242。来自于应变仪242的应变测量将依次被DSP 250监测。如果所监测到的应变力没有处于可接受的范围之内,则DSP 250(及相关的软件,如果必要的话)将指令马达控制器252停止加速(incrementing)马达并暂停从而让晶片206释放静电,以使晶片206和卡盘204之间的静电吸引可以进一步减小。该停止加速于临界值达到时进行。该临界值优选地为识别何时升降销施加的力已经达到可能对晶片造成损坏的水平。因此,该临界值刚好低于可能导致晶片损坏的水平,且以这种方式,当充分的放电没有按正常程序进行时保护晶片免受过量的力的作用。
在重力以下可接受的力限制范围,依据晶片的尺寸可以在约1盎司和约5英镑之间。如果监测到的力处于可接受的范围之内,DSP 250和相关软件将指令马达控制器252继续加速该马达。在该加速期间,附属于马达246的编码器248将监测导螺杆244的位置且将该导螺杆的位置用信号发送给马达控制器252。然后当达到需要的举升高度时马达控制器252将指令马达246停止提升轭230。
图2B示出了当升降销228举升晶片206时半导体晶片升降装置的剖视图。图2B中所示的部件与图2A中所示和描述的部件是同一的。图2B示出了如上所述的当晶片206被从卡盘204提离至中部提升位置且随后被提升至上部位置时升降轭230的运动。在此时,晶片206将准备由机器人的叶片(blade)从升降销228处取走。这时,另一个晶片206可以被放置在升降销228上以便其能够降下到卡盘204上以进行处理。
在一种替代的实施方式中,气动销升降可以用于代替马达246和导螺杆244以控制销升降装置的行程。举例言之,由隔离的受压气体源(示例性的气体包括空气、氩气、氦气和氮气)所操纵的驱动系统可以用于将销升降器轭和升降销移动到上部位置、下部位置和中部提升位置,在该上部位置衬底可以由传输臂传送到升降销上以及从升降销上移开,该传输臂将衬底传送进出于等离子体室中,在该下部位置衬底可以由ESC夹持,在该中部提升位置衬底被保持在等离子体鞘之内。通过使用如以下参考图3A-C所描述的升降构件可以实现升降。
销升降装置可以在控制器的控制之下进行操作,控制器监测升降销的位置以及指令销升降装置将升降销提升或者下降到至少上部(也称为“最上”(“full up”)或者简称为“上”)、中部提升和下部位置。优选地,升降装置包括一个或者一个以上的在该装置处于中部提升和上位置时进行探测的位置传感器,更优选地为光学传感器。这种光学传感器可以探测轭的运动或者一个或一个以上附于轭上的标记的运动。
等离子体反应室中所使用的示例性的升降装置描述于图3A、3B和3C中。这样一种装置可以代替马达和图2A与2B中的相关部件。上部活塞301和下部活塞302分别可滑动地安装于上部室304和下部室305中,他们都在壳体303中。上部活塞301包括垂直延伸的上部杆311,优选地该上部杆311可操作地连接于销升降轭(未示出)。下部活塞302包括垂直延伸的下部杆312,该下部杆312可以用于部分地提升该上部活塞。由于固定地安装的壳体303,室304和305优选地相对于ESC固定。这样一种升降装置不需要使用应变仪或者诸如此类(例如力传感器),但是,例如在上部杆311和销升降轭之间是可以使用的。
如图3A中以原理图形式所示出的,升降装置对下面位置的驱动是通过第一入口306施加气体压强(例如,70到120磅/平方英寸,优选地90磅/平方英寸)来向上部室304的上部部分加压的方式实现的。该压强对上部活塞301施加向下的力,且将轭及其升降销推到下面位置,而升降销的上端部处于ESC的上表面之下。优选地,还通过入口308向下部室305的顶部施加90磅/平方英寸或者例如50磅/平方英寸的更低的压强以确保下部活塞302不提升上部活塞301。
如图3B中以原理图形式所示出的,中部提升位置的驱动是通过第一入口306施加气体压强(例如,25到65磅/平方英寸,优选地50或60磅/平方英寸)给上部室304的顶部,同时通过第四入口309施加更高的气体压强(例如,70到120磅/平方英寸,优选地90磅/平方英寸)到下部室305的底部的方式实现的。该底部活塞302因此提升到以下部室305顶部的坚固制动件310的位置处为基础的预定距离,优选地该坚固制动件310已预先调整了以便根据需要确定中部提升位置。下部活塞302的下部杆312依次推动上部活塞301达到相应的部分升高的位置以便晶片被提升到ESC上方的中部提升位置以至于处于等离子体鞘之内而不引起等离子体的不稳定。第三入口308可以开孔于下部室305的顶部以及,可选择地在下降的步骤中,在降低上部活塞301之前增压以降低下部活塞302。
如图3C中以原理图形式所示出的,最上位置的驱动(为便于晶片的移走)通过第二入口307施加气体压强(例如,60到120磅/平方英寸,优选地90磅/平方英寸)给顶部室304的下部部分,而通过第一开口306施加50磅/平方英寸(或者可选择地65、70或者75磅/平方英寸)以使顶部室304的上部部分增压的方式来实现,从而提升上部杆301。
中部提升和最上驱动期间施加于上部室的顶部的相反压强用于在晶片没有很好地脱离(例如,如果晶片呈现出对卡盘的出乎意料的高吸引力)的情况下限制最大的向上力从而最小化破坏晶片的危险。该相反的压强也减小了在晶片上的能够使晶片从与升降销的期望的位置关系处移走的瞬间力。可选择地,施加于升降销的力可以用作脱离已执行的指示器。
优选地,中部提升位置提升晶片在ESC上方约0.5到3mm(例如,2mm到3mm)以及上部位置提升晶片在ESC上方约9.5mm(0.375英寸)到12.5mm(0.433英寸)。
在优选的实施方式中,用于供应升降装置的压强来自于供应管道,例如单独的50磅/平方英寸(或者可选择地65、70或者75磅/平方英寸)和90磅/平方英寸气体供应管道。入口306-309的气体供应可以通过电控开关阀来控制。优选地,这种阀通过控制器被激活到开通或者关闭位置,例如也控制该等离子体反应器的其它操作方面的控制器。
图4示出了用于气压传动装置构件的示例性控制系统的原理图。气压传动装置400具有第二至第四入口307、308和309以及连接于换向阀401的第一入口306,其中第二至第四入口307、308和309每一个都连接于气体储库410。气体储库包括可控制的阀。其从较高压气体供应源420接收较高压的气体(例如,60到120磅/平方英寸,优选地90磅/平方英寸)且由传感控制逻辑控制器440控制以提供所需要的气体给入口端307、308和309以及给换向阀401。除了接收从气体储库所送出的气体以外,换向阀401也被连接来接收来自于低压气体供应源430(其提供50磅/平方英寸,或者可选择地65、70或75磅/平方英寸)的气体。换向阀401优选地自动地操作以将接收到的更高的压强提供给第一入口306(即,其在没有高压气体时提供较低压的气体,或者当气体储库410供应较高压的气体给阀401时其提供较高压的气体),或者次优选地阀401可以独立于储库410受到控制。传感控制逻辑控制器440可以从可选择传感器(未示出)接收输入,例如以检测轭的位置。
用于执行中部提升步骤的升降装置可以在具有或不具有施加在ESC和晶片的脱离电压的条件下、以及对晶片的底面供应He气体或者不供应He气体的条件下使用。如果使用脱离电压,该电压优选地被设定为在提升晶片之前通过等离子体诱导在晶片上产生的200V偏压之内的数值,例如-200V到+200V,包括0。对于300mm的EXELAN而言,优选的脱离电压对于50毫托的50W27MHz的等离子体为-50V,如在晶片上为约20V的测定偏压以内。脱离电压的单独使用(没有等离子体打开衬底(plasma-onsubstrate)放电步骤,例如作为中部提升步骤的一部分)可能构成困难,因为足以清除衬底上残留电荷的脱离电压的极性和大小随着衬底的类型、衬底温度、脱离方法等等而改变,以致每当反应器工艺条件改变时最理想的清除衬底电荷的脱离电压的测定必须重复进行,这是耗时的。除非衬底电荷是中性的,否则脱离过程可能导致在晶片提升期间衬底上产生电压峰值(spike),从而会静电吸引污染物并粘附在衬底上。
在晶片底面上1到10托的氦背压(backpressure)可以用于将晶片轻微地提升到中部提升位置,其中晶片至少部分地处于等离子体鞘之内。如果使用氦背压,则优选的压强为2-5托,具体优选3托。然而,在优选的实施方式中,0托的氦背压被用于晶片的等离子体打开中部提升之前的脱离步骤中。
图5示出了在从ESC脱离期间晶片电压的测验结果。交替的点划线示出了在0托氦背压(标为“0T He脱离”)时等离子体脱离的晶片电压,之后是等离子体关闭(plasma-off)提升;虚线示出了在3托氦背面压(标为“3T He脱离”)时等离子体脱离的晶片电压,之后是等离子体关闭提升,以及实线示出了在0托氦背面电压时等离子体脱离的晶片电压,之后是等离子体打开中部提升脱离步骤,其中晶片被提升到ESC的支撑表面之上达到等离子体鞘之内的中部提升位置(标为“中部提升脱离”)。注意,为了可读性,“销升”次数在图表中是错列的。以下的表格提供了关于测验所执行的参数的额外的细节。
能够看出,对等离子体鞘之内晶片位置的等离子体打开中部提升的使用最小化了晶片提升期间可见于晶片的电压峰值。与此相比较,如果在晶片提升之前关闭RF功率,则会发生大的电压峰值。与没有背压相比,当在没有等离子体的条件下提升晶片时,在脱离等离子体期间使用氦3T背压减小了电压峰值的大小。
下面的表格1示出了在脱离期间用于等离子体打开中部提升步骤的测验中的等离子体室的运行参数。在此表格和其它表格中,“ME”表示“主要刻蚀”,“DC探测”指的是测定的晶片偏压(其可用于设置施加于ESC的电压),“DC1”表示“脱离1”(在脱离过程开始时最初减少的功率设定,让等离子体反应器稳定),以及“DC2”表示“脱离2”(表示脱离期间的功率设定)。
表格1.中部提升脱离
Figure BDA0000092748230000181
下面的表格2示出了在没有等离子体打开中部提升步骤的情况下用于0T He脱离测验中的等离子体室运行参数。
表格2.0T He脱离
  步骤描述   稳定性   撞击   ME   DC1   DC2   延迟   中部提升
  压强(毫托)   120   120   100   0   50   0   0
  RF 2MHz功率(W)   0   50   100   1   0   0   0
  RF 27MHz功率(W)   0   50   100   50   50   0   0
  步骤类型   稳定   时间   时间   时间   时间   时间   时间
  处理时间(秒)   20   5   25   4   16   2   2
  C4F8(50.0sccm)   13   13   13   0   0   0   0
  CO(510.0sccm)   65   65   65   0   0   0   0
  O2(52.0sccm)   8   8   8   0   0   0   0
  Ar(1010.0sccm)   800   800   800   400   400   0   400
  氦内部区(托)   30   30   30   30   0   0   0
  氦外部区(托)   30   30   30   30   0   0   0
  ESC偏压模式   固定   固定   DC检测   DC检测   DC检测   DC检测   DC检测
  ESC偏压(±Vdc)   200   200   0   0   0   0   0
  ESC全时偏压比较   能   能   不能   能   能   不能   能
  升降销位置   下   下   下   下   下   下   中
下面的表格3示出了在没有等离子体中部提升步骤的情况下用于3T He脱离测验中的等离子体室运行参数。
表格3.3T He脱离
  步骤描述   稳定性   撞击   ME   DC1   DC2   延迟   中部提升
  压力(毫托)   120   120   100   0   50   0   0
  RF 2MHz功率(W)   0   50   100   1   0   0   0
  RF 27MHz功率(W)   0   50   100   50   50   0   0
  步骤类型   稳定   时间   时间   时间   时间   时间   时间
  处理时间(秒)   20   5   25   4   15.5   2   2
  C4F8(50.0sccm)   13   13   13   0   0   0   0
  CO(510.0sccm)   65   65   65   0   0   0   0
  O2(52.0sccm)   8   8   8   0   0   0   0
  Ar(1010.0sccm)   800   800   800   400   400   0   400
  氦内部区(托)   30   30   30   30   3   3   0
  氦外部区(托)   30   30   30   30   3   0   0
  ESC偏压模式   固定   固定   DC检测   DC检测   DC检测   DC检测   DC检测
  ESC偏压(±Vdc)   200   200   0   0   0   0   0
  ESC全时偏压比较   能   能   不能   能   能   不能   能
  升降销位置   下   下   下   下   下   下   中
图6A示出了在销升时晶片的电势峰值可以通过调整脱离电压的方式控制以用于等离子体关闭提升。两条墨实线(一条粗线和一条细线)示出了脱离电压为-50V的两种运行(runs)的结果,其导致在脱离时大的正电压峰值。轻颜色的实线和由长横道组成的线示出了脱离电压为0V的两种运行的结果,其导致在脱离时大的负电压峰值。三条其它的线(由短横道、点和小星形组成)示出了脱离电压为-25V时三种运行的结果,与其它例子相比其导致在脱离时更小的电压峰值。通过选择适当的施加于ESC的脱离电压,在销升时晶片电压峰值可以被缩到最小。这些测验在等离子体打开脱离步骤中执行,之后进行等离子体关闭提升。
相比,图6B示出了在中部提升步骤期间等离子体打开脱离的过程中在不同脱离电压下的晶片电势。在此情况下,在销升期间等离子体打开,当与图6A相比时在销升时晶片电势峰值更一致地低(在大小上<25V)以及对脱离电压值相当不敏感。因此,可以预期在可能需要不同脱离电压的各种情况下在减小电压的峰值方面中部提升步骤应该是有用的。
图7示出了晶片上测定的颗粒污染物,该晶片在具有和不具有3T氦背压以及脱离等离子体打开,但是不具有等离子体打开中部提升步骤(分别为柱形A和B),或者在脱离过程中使用等离子体打开中部提升步骤(柱形C)时来脱离。与3托He等离子体关闭脱离相比,使用中部提升等离子体脱离(在等离子体脱离和等离子体打开中部提升期间具有0托He)方法产生更低的颗粒数。
中部提升等离子体脱离的低颗粒数部分地是由于通过由低电压峰值所导致的由静电吸引引起的朝向晶片的颗粒传输的减少,以及,部分地,通过在脱离和提升期间通过使用0托He背压来实现的背面颗粒He流量传输的降低。例如,在提升期间,如果正的晶片电势被最小化,则带负电荷的晶片背面颗粒和在相邻边环上的颗粒较少可能被吸引到晶片上。
虽然本发明已依据详细的实施方式和实施例进行了描述,但是应当理解的是在不脱离本发明的精神的前提下可以进行各种修改。包括摘要、发明内容、和标题的本公开的各部分不应被解释为限制本发明的范围,因为它们的目的在于能够使有关部门和公众快速确定本发明的一般特性。除非术语“手段”(“means”)被特别地使用,本文所述的特征或者元件中没有一个应该被解释为手段加功能限定。因此,本发明仅由权利要求所限制。

Claims (20)

1.一种从等离子体处理室中的静电卡盘上脱离衬底的方法,所述方法包括:
提供工艺气体进入所述室中;
激发所述工艺气体为等离子体状态;
维持所述等离子体室处于真空压和低RF功率以在2mm或者更大厚度的所述衬底上方产生等离子体鞘;
提升处于所述静电卡盘的支撑表面上方的所述衬底至所述等离子体鞘之内的中部提升位置而不引起等离子体的不稳定且保持所述衬底处于所述中部提升位置;
熄灭所述等离子体;和
提升所述中部提升位置上的所述衬底至上部位置,在所述上部位置所述衬底能够从所述等离子体室中移出。
2.根据权利要求1所述的方法,其中:
(a)所述工艺气体为氩、氮或者其混合物;
(b)保持所述衬底在所述中部提升位置2到30秒;和/或
(c)当处于所述中部提升位置时,将所述衬底提升到所述静电卡盘的所述支撑表面上方0.5到3mm处。
3.根据权利要求1所述的方法,其中当脱离时通过由电绝缘材料制成的升降销提升所述衬底且施加电压到所述静电卡盘。
4.根据权利要求1所述的方法,其中:
(a)所述衬底为结合于玻璃载体的硅晶片,所述方法进一步包括等离子体刻蚀所述硅材料;
(b)所述衬底为半导体晶片,所述方法进一步包括刻蚀所述晶片中的硅层;或者
(c)所述衬底为具有至少一层介电材料的半导体晶片,所述方法进一步包括等离子体刻蚀开口到所述介电材料中。
5.根据权利要求5所述的方法,其中当在所述介电材料中等离子体刻蚀所述开口时提供He气体到所述衬底的底面,所述方法进一步包括在所述衬底被提升至所述中部提升位置之前停止供应所述He气体。
6.根据权利要求1所述的方法,其中提供He气体至所述衬底的底面且,在所述衬底从所述静电卡盘脱离之前,终止对所述衬底的所述底面供应He气体。
7.根据权利要求1所述的方法,其中提供He气体至所述衬底的底面,且进一步包括当所述工艺气体处于等离子体状态时向所述晶片的底面施加1到5托的He背压。
8.根据权利要求1所述的方法,其中在提升所述衬底之前设定所述静电卡盘的电压的值以足以将衬底电势的峰值减小到在大小上低于25V。
9.根据权利要求1所述的方法,其中在向所述上部位置提升期间提升所述衬底到所述静电卡盘的所述支撑表面上方至少5mm。
10.根据权利要求1所述的方法,其中:
(a)所述等离子体处理室为电容耦合等离子体处理室,其中上部淋喷头电极位于支撑所述衬底的下部电极的对面,且所述激发包括提供射频功率给所述下部电极;或者
(b)所述等离子体处理室为包括线圈的电感耦合等离子体处理室,且所述激发包括提供RF功率给所述线圈。
11.根据权利要求10所述的方法,其中所述室为所述电容耦合等离子体处理室,且所述上部电极与所述下部电极之间的间隙为至少20mm且所述室中的压强为15到500毫托。
12.根据权利要求1所述的方法,进一步包括在熄灭所述等离子体之前施加脱离电压。
13.根据权利要求12所述的方法,其中所述脱离电压设定为在所述衬底上的50V或者200V等离子体诱导偏压之内的值。
14.根据权利要求1所述的方法,进一步包括在提升所述衬底之前处理所述衬底,其中所述处理包括(a)在所述衬底的上表面上形成层或者(b)将光刻胶剥离于所述衬底。
15.根据权利要求1所述的方法,其中所述提升到所述中部提升位置和在所述中部提升位置上方的所述提升均包括用气压传动装置提升,且其中通过换向阀的气流促成低的提升力。
16.用于等离子体反应器的气动升降装置,其中升降销在相对于静电卡盘上表面的至少三个位置处提升和降下衬底,所述升降装置包括:
壳体,其具有上部室和下部室;
上部活塞,其可滑动地安装以在所述上部室中上下移动;
下部活塞,其可滑动地安装以在所述下部室中上下移动,所述下部室包括限定所述下部活塞移动上限的坚固制动件;
所述三个位置包括(1)下部位置,在该下部位置所述上部活塞将所述升降销定位在所述静电卡盘的所述上表面下方,(2)中部提升位置,在该中部提升位置所述下部活塞与所述坚固制动件接触且所述下部活塞的杆举升所述上部活塞,和(3)上部位置,在该上部位置所述衬底能够从所述等离子体室移出;并且
其中所述上部活塞和所述下部活塞独立地气动运行。
17.根据权利要求16所述的升降装置,其进一步包括升降销轭,所述升降销轭可操作地连接于从所述上部活塞向上延伸的杆。
18.根据权利要求16所述的升降装置,其中:
所述壳体包括可操作地连接于受压的气体源的气体入口,所述气体入口包括与所述上部活塞上方的所述上部室的一部分流体连通的第一气体入口,与所述上部活塞下方的所述上部室的一部分流体连通的第二气体入口,与所述下部活塞上方的所述下部室的一部分流体连通的第三气体入口,以及与所述下部活塞下方的所述下部室的一部分流体连通的第四气体入口;以及
所述上部活塞上的向上的力通过相反的气压来限制,所述相反的气压由提供至所述第一入口的受压的气体来提供。
19.根据权利要求18所述的升降装置,其中:
所述第一气体入口与第一气体源流体连通,所述第一气体源提供压强在25到65磅/平方英寸的气体,以及所述第二、第三和第四气体入口与第二气体源流体连通,所述第二气体源提供压强在70到120磅/平方英寸的气体,以及
所述升降装置进一步包括控制器,所述控制器可操作地从所述第一和第二气体源有选择地提供气体给所述气体入口。
20.根据权利要求19所述的升降装置,进一步包括阀,所述阀操作用于将所述第一气体入口放置在或者与所述第一气体源流体连通处或者与所述第二气体源流体连通处。
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