CN104241182A - 静电吸盘的制造方法,静电吸盘及等离子体处理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种静电吸盘的制造方法，包括制造静电吸盘的主体部和基座；以及将所述主体部和所述基座连接为一体；其中制造静电吸盘的主体部的步骤包括：形成嵌有薄膜电极的陶瓷基板；图形化所述陶瓷基板的上表面；以及在所述陶瓷基板的表面沉积抗等离子侵蚀的保护层以形成所述静电吸盘的主体部。本发明能够有效提高静电吸盘的耐等离子体侵蚀性能、结构稳定性及使用寿命。

Description

静电吸盘的制造方法,静电吸盘及等离子体处理装置
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种静电吸盘的制造方法，静电吸盘以及包含该静电吸盘的等离子体处理装置。
背景技术
近年来，随着半导体制造工艺的发展，等离子体处理工艺被广泛应用于半导体元器件的制程中。上述制程，如沉积、刻蚀工艺等通常是在等离子体处理装置内进行。一般来说，等离子体处理装置包括腔室，用于将工艺气体从供气源提供至腔室内的气体喷淋头，以及固定、支撑基片的静电吸盘（Electrostaticchuck，简称ESC）。其中静电吸盘通常设置在等离子体处理装置的腔室底部，作为下电极与射频功率源连接，而在腔室顶部的气体喷淋头作为上电极与射频功率源或地连接。上下电极间形成射频电场，使被电场加速的电子等与通入处理腔室的蚀刻气体分子发生电离冲撞，产生由工艺气体形成的等离子体与基片进行反应，以进行所需的工艺制程。
其中，静电吸盘采用静电引力的方式来固定基片，现有技术中的静电吸盘包括主体部和基座，主体部和基座之间通过粘结剂如硅胶粘结，基座用来支撑主体部。主体部的材料为陶瓷，例如Al2O3、AlN等陶瓷材料，并可掺杂金属化合物（如TiO2）或含硅的化合物（如SiO2），其具有导热性好硬度高的优点；基座则一般采用铝等金属或金属合金材质制作而成。
然而，在进行等离子体处理工艺如等离子体刻蚀时，由于等离子体中的离子轰击性和工艺气体的腐蚀性，而上述这些陶瓷材料的耐等离子体腐蚀性并不充分，使得暴露于高密度高腐蚀性高活性的等离子体环境中的主体部非常容易被腐蚀，造成其形貌、组成、性能（如表面粗糙度，表面电阻系数等）以及与基片间静电引力的变化。此外，主体部因等离子体腐蚀所产生的颗粒也很可能污染固定于其上的基片，从而导致工艺缺陷。
为解决这一问题，现有技术中通过在静电吸盘表面涂覆一层耐侵蚀涂层，以防止其被等离子体侵蚀。为了形成致密性较好的耐侵蚀涂层，一种做法是在静电吸盘表面采用等离子体增强型物理气相沉积（PEPVD）淀积氧化钇（Y2O3）或氧化钇/氧化铝（Y2O3/Al2O3）复合涂层。但是，在采用PEPVD淀积耐侵蚀涂层时，随着工艺时间的增长静电吸盘的温度容易超过100℃，将严重破坏主体部与基座之间粘结剂的粘结力，甚至会发生主体部从基座脱落，导致静电吸盘的损坏报废。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种耐等离子体侵蚀且性能较佳的静电吸盘的制造方法以及由该方法制造而成的静电吸盘。
为达成上述目的，本发明提供一种静电吸盘的制造方法，包括以下步骤：
制造静电吸盘的主体部和基座，其中制造所述主体部的步骤包括：步骤S11：形成嵌有薄膜电极的陶瓷基板；步骤S12：图形化所述陶瓷基板的上表面；以及步骤S13：在所述陶瓷基板上沉积抗等离子侵蚀的保护层，以形成所述静电吸盘的主体部；以及
将所述主体部和所述基座连接为一体以形成所述静电吸盘。
优选的，所述保护层的材料选自陶瓷或IIIB族金属化合物或陶瓷及IIIB族金属化合物的组合物。
优选的，所述保护层的材料为氧化钇或氧化钇/氧化铝复合材料。
优选的，通过等离子体增强型物理气相沉积工艺在所述陶瓷基板上沉积所述保护层。
优选的，所述保护层的厚度为大于等于0.1毫米。
优选的，所述保护层包覆所述陶瓷基板的侧壁。
优选的，所述薄膜电极的材料为金属或金属合金。
优选的，通过丝网印刷或真空镀膜技术形成所述薄膜电极。
优选的，通过粘结剂将所述主体部和所述基座粘结为一体，所述粘结剂为以硅胶为基的粘结剂。
根据本发明的另一方面，本发明还提供了一种通过上述方法制造的静电吸盘。
根据本发明的另一方面，本发明还提供了一种包含上述方法制造的静电吸盘的等离子体处理装置。
本发明的有益效果在于，通过形成涂覆保护层的静电吸盘主体部，增强了主体部的抗等离子体性能，表面硬度，热传导性；进一步的，本发明的制造方法避免因对静电吸盘整体进行PEPVD涂覆耐侵蚀涂层的工序而造成的静电吸盘的结构不稳定，提高了其使用寿命。
附图说明
图1为本发明实施例的静电吸盘的制造方法的流程图；
图2a～2c为本发明实施例静电吸盘制造方法的示意图；
图3为利用本发明实施例制造方法形成的静电吸盘的示意图。
图4为包含图3所示的静电吸盘的等离子体处理装置的示意图。
具体实施方式
为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
以下将详细说明本发明的静电吸盘的制造方法。
图1所示为本发明的制造方法的流程示意图，其包括如下步骤：
步骤S1：制造静电吸盘主体和基座；
步骤S2：将主体部和基座连接为一体以形成静电吸盘。
其中静电吸盘基座一般采用例如铝的金属、钛的合金、或不锈钢材料制成，利于射频能量的馈入；基座也可由提供良好强度和耐用性以及传热型的陶瓷和金属的合成物制成。静电吸盘基座的制造步骤可通过现有技术形成，将主体部和基座连接为一体的步骤例如是在形成主体部和基座之后，通过在基座上涂覆粘结剂，在粘结剂上放置静电吸盘主体部而将主体部固定在基座上，其中粘结剂可采用以硅胶为基的粘结剂。此外，也可采用其他的工艺，如扩散焊接等方法连接主体部与基座。
请继续参考图1，步骤S1中制造静电吸盘主体部的步骤进一步包括：
步骤S11：形成嵌有薄膜电极的陶瓷基板；
步骤S12：图形化陶瓷基板的上表面；以及
步骤S13：在陶瓷基板的表面沉积抗等离子侵蚀的保护层以形成静电吸盘的主体部。
接下来将结合图1及图2a～2c，详细说明制造静电吸盘主体部的详细步骤。
首先，如图2a所示，进行步骤S11：形成嵌有薄膜电极13的陶瓷基板11。
其中陶瓷基板11的材料例如氮化铝(AlN)，氧化铝(Al2O3)，碳化硅(SiC)，氮化硼(BN)，氧化锆(ZrO2)等及它们的化合物。适用的薄膜电极13材料为高熔点金属或金属合金材料，如钼，钨以及其化合物等。嵌有薄膜电极的陶瓷基板可通过现有技术烧结形成。例如先使用陶瓷原料粉末制作造粒颗粒，加入模具中预备成形下绝缘层，在下绝缘层的表面上形成该薄膜电极。其中，薄膜电极可以通过丝网印刷而成；或通过真空镀膜技术如化学气相沉积或物理气相沉积形成。之后在薄膜电极上填充陶瓷粉末并成形为上绝缘层。随后，采用热压法将上下绝缘层和薄膜电极烧成为一体的陶瓷烧结体，这样就形成了嵌有薄膜电极的陶瓷基板。上述技术为本领域技术人员所熟知，具体细节在此不作赘述。当然，也可采用其他方法形成上述嵌有薄膜电极的陶瓷基板。
接着，请参考图2b，进行步骤S12：图形化陶瓷基板11的上表面，如在陶瓷基板表面形成由小正方格和沟槽组成或由小六方格和沟槽组成的图案（正方格或六方格图案用于静电吸引基片，而连接在一起的沟槽用于流动氦气(He)以帮助释放基片或调节温度）以利于基片在静电吸盘上被静电顺利地吸住或释放，以及对静电吸盘表面的温度控制。
之后，如图2c所示，进行步骤S13：在陶瓷基板11的表面沉积抗等离子侵蚀的保护层12，从而形成包覆有保护层的静电吸盘主体部10。其中保护层12材料可选自陶瓷或IIIB族金属化合物或陶瓷及IIIB族金属化合物的组合物，包括Y2O3/Al2O3、Y2O3/YF3、YF3/Al2O3、ErO2/Al2O3、以及分别以Y2O3、ErO2、YF3为基并掺杂有Al2O3、Zr2O3、AlN、SiO2、SiC等其它元素或陶瓷组分的材料，优选为氧化钇Y2O3或氧化钇/氧化铝复合材料Y2O3/Al2O3。在一较佳实施例中，保护层12的材料为氧化钇与氧化铝的复合材料Y2O3/Al2O3，这是因为氧化钇本身具有良好的耐等离子体腐蚀特性，而氧化铝则表现出高硬度，高电阻率和高热传导性，因此由氧化钇与氧化铝的复合材料所形成的保护层能够兼具上述优点。
保护层12通过薄膜涂覆工艺形成，较佳的，是采用等离子体增强型物理气相沉积工艺（PEPVD）来形成。相较于热喷涂等其他方式，PEPVD沉积工艺所形成的保护层致密性更好且不具有孔隙缺陷的问题。形成的保护层12厚度为大于等于0.1毫米。此外，由于PEPVD沉积工艺为形成主体部10的最后一道工序，保护层12不会遭受后续加工过程的破坏，能进一步保证其性能。
在本实施例中，保护层12是形成于陶瓷基板11的上表面；但在其他实施例中，保护层12可形成陶瓷基板的上表面及侧壁，从而也能够防止主体部的侧壁被等离子体侵蚀。此外，在制造静电吸盘的基座时也可在基座表面沉积抗等离子侵蚀的保护层，保护基座不受等离子体腐蚀。
由以上可知，本发明通过形成涂覆有保护层的静电吸盘主体部，可使得由其所形成的静电吸盘主体免于遭受等离子体冲击，降低了等离子体侵蚀及颗粒污染。此外主体部与基座的结合具有灵活性，无需再对静电吸盘整体进行耐侵蚀涂层的涂覆工序，能够有效避免涂覆耐侵蚀涂层时主体部与基座之间结合不稳定的缺陷。
图3为依据本发明的方法所制造的静电吸盘的示意图。静电吸盘包括基座30和涂覆有保护层12的主体部10。基座30用来支撑主体部10，主体部10和基座30之间通过粘结剂20或其他方式连接。基片是放置在主体部10的上表面，主体部10的形状与基片相符，一般为圆形。主体部10与基座30为同心设置。
主体部10由陶瓷基板11和保护层12组成。保护层12形成于陶瓷基板11暴露于等离子体的至少部分表面上，以作为用于保护静电吸盘主体部的暴露表面与等离子体隔离的耐侵蚀涂层。如图3所示，保护层12形成于陶瓷基板11的上表面；在其他实施例中，保护层也可形成陶瓷基板的上表面及侧壁，可进一步防止侧壁被等离子体侵蚀。陶瓷基板11中嵌埋薄膜电极13，通过施加直流电源，在基片和主体部之间产生静电力，使基片被牢牢地吸附在静电吸盘上。陶瓷基板11由高电阻率、高导热、低射频损耗的陶瓷材料制成，例如氮化铝(AlN)，氧化铝(Al2O3)，碳化硅(SiC)，氮化硼(BN)，氧化锆(ZrO2)等及它们的化合物，以提高静电吸盘的耐久性和耐电压性。保护层12的材料选自陶瓷或IIIB族金属化合物或陶瓷及IIIB族金属化合物的组合物，优选为氧化铝和氧化钇的复合材料Y2O3/Al2O3，如此，保护层12可兼具耐等离子体腐蚀性，高硬度，高电阻率和高热传导性。此外，保护层12较佳是通过PEPVD沉积工艺形成，从而具有致密性更好及减少孔隙缺陷的优点。
图4显示了本发明一种实施方式提供的包含图3所示的静电吸盘的等离子处理装置。应该理解，等离子体处理装置仅仅是示例性的，其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4所示不同。
等离子处理装置包括设置于腔室1内的静电吸盘和反应气体气体喷淋头3。上电极3配置于反应气体喷淋头3中，薄膜电极13配置于静电吸盘主体部10中。基片（图中未示）放置于静电吸盘主体部10的表面。工艺气体源向腔室供应等离子体处理工艺中所需的工艺气体。工艺气体从气体源中被输入至腔室1内，一个或多个RF射频功率源可以被单独地施加在薄膜电极13上或同时被分别地施加在上电极3与薄膜电极13上，用以将射频功率输送到薄膜电极13上或上电极3与薄膜电极13上，从而在反应腔室内部产生大的射频电场，此射频电场对少量存在于反应腔室内部的电子进行加速，使之与输入的反应气体的气体分子碰撞。这些碰撞导致反应气体的离子化和等离子体的激发，从而在反应腔室内产生等离子体。DC直流电压源将高压直流电源施加到薄膜电极13，使静电吸盘表面产生极化电荷，并进一步在基片表面的对应位置产生极性相反的极化电荷，因而通过在基片和静电吸盘之间产生的库仑力或约翰逊·拉别克(Johnsen-Rahbek)力，使基片被牢牢地吸附在静电吸盘上。等离子体工艺处理完成后，RF射频功率源被关闭，通过DC直流电压源对薄膜电极13施加反向直流电压来使基片从静电吸盘上释放。
综上所述，本发明的静电吸盘的制造方法，通过形成具有保护层的静电吸盘主体部，增强了主体部的抗等离子体性能，表面硬度，热传导性，以及与基座结合的灵活性；进一步的，本发明的制造方法省去了对静电吸盘整体进行PEPVD涂覆耐侵蚀涂层的工序，避免了因PEPVD工艺温度过高引起静电吸盘主体部从基座脱落的危险，提高了静电吸盘的结构稳定性及使用寿命。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述诸多实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (11)

1.一种静电吸盘的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
制造静电吸盘的主体部和基座，其中制造所述主体部的步骤包括：
步骤S11：形成嵌有薄膜电极的陶瓷基板；
步骤S12：图形化所述陶瓷基板的上表面；以及
步骤S13：在所述陶瓷基板上沉积抗等离子侵蚀的保护层，以形成所述静电吸盘的主体部；以及
将所述主体部和所述基座连接为一体以形成所述静电吸盘。
2.根据权利要求1所述的静电吸盘的制造方法，其特征在于，所述保护层的材料选自陶瓷或IIIB族金属化合物或陶瓷及IIIB族金属化合物的组合物。
3.根据权利要求1所述的静电吸盘的制造方法，其特征在于，所述保护层的材料为氧化钇或氧化钇/氧化铝复合材料。
4.根据权利要求1所述的静电吸盘的制造方法，其特征在于，通过等离子体增强型物理气相沉积工艺在所述陶瓷基板上沉积所述保护层。
5.根据权利要求4所述的静电吸盘的制造方法，其特征在于，所述保护层的厚度为大于等于0.1毫米。
6.根据权利要求1所述的静电吸盘的制造方法，其特征在于，所述保护层包覆所述陶瓷基板的侧壁。
7.根据权利要求1所述的静电吸盘的制造方法，其特征在于，所述薄膜电极的材料为金属或金属合金。
8.根据权利要求7所述的静电吸盘的制造方法，其特征在于，通过丝网印刷或真空镀膜技术形成所述薄膜电极。
9.根据权利要求1所述的静电吸盘的制造方法，其特征在于，通过粘结剂将所述主体部和所述基座粘结为一体，所述粘结剂为以硅胶为基的粘结剂。
10.一种根据权利要求1-9中任一项所述的方法所制造的静电吸盘。
11.一种等离子体处理装置，其特征在于，所述等离子体处理装置包含权利要求10所述的静电吸盘。
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