CN104752119A - 等离子体处理腔室及其静电夹盘的制造方法 - Google Patents

等离子体处理腔室及其静电夹盘的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种等离子体处理腔室及其静电夹盘的制造方法,其中,所述制造方法包括如下步骤:提供一陶瓷基底;在所述陶瓷基底上打若干通孔,所述通孔用于容纳金属连接线;提供若干金属连接线,将若干金属连接线分别镶嵌入所述陶瓷基底的所述若干通孔之中;在真空环境中利用扩散焊加热镶嵌了金属连接线的陶瓷基底,使得所述金属连接线和通孔焊接在一起;将直流电极层置于所述陶瓷基底之上;在放置了直流电极层的陶瓷基底之上涂覆抗腐蚀层。本发明制造的金属连接线,不会损坏直流电极层,在其上继续涂覆抗腐蚀层也极为稳定。

Description

等离子体处理腔室及其静电夹盘的制造方法
技术领域
本发明涉及半导体制造领域,尤其涉及一种等离子体处理腔室及其静电夹盘的制造方法。
背景技术
等离子处理装置利用真空反应室的工作原理进行半导体基片和等离子平板的基片的加工。真空反应室的工作原理是在真空反应室中通入含有适当刻蚀剂源气体的反应气体,然后再对该真空反应室进行射频能量输入,以激活反应气体,来激发和维持等离子体,以便分别刻蚀基片表面上的材料层或在基片表面上淀积材料层,进而对半导体基片和等离子平板进行加工。
等离子体处理腔室中包括一基台,基台上方放置着待处理的基片。基台上方设置有一个静电夹盘,静电夹盘用于夹持基片。静电夹盘上层的绝缘层中内嵌了一个直流电极,直流电极连接有一直流电源。当基片制程开始之前,直流电源施加于直流电极,使得直流电极产生一吸附力,将基片夹持于基台之上。而当制程结束以后,关闭施加于直流电极上的直流电源,从而解除基片和静电夹盘之间的吸附力,机械手从腔室外部伸入腔室内,并将基片顺利移除出腔室。
直流电极一般是内嵌于静电夹盘的绝缘层里,并且直流电极层一般非常薄。而直流电极和直流电源之间必须有金属连接,在静电夹盘内部一般是设置金属线作为连接线。但是厚度很薄的直流电极很容易在设置金属线的过程中产生破裂。
本发明正是基于此提出的。
发明内容
针对背景技术中的上述问题,本发明提出了一种等离子体处理腔室及其静电夹盘的制造方法。
本发明的第一方面提供了一种等离子体处理腔室的静电夹盘的制造方法,其中,所述制造方法包括如下步骤:
提供一陶瓷基底;
在所述陶瓷基底上打若干通孔,所述通孔用于容纳金属连接线;
提供若干金属连接线,将若干金属连接线分别镶嵌入所述陶瓷基底的所述若干通孔之中;
在真空环境中利用扩散焊加热镶嵌了金属连接线的陶瓷基底,使得所述金属连接线和通孔焊接在一起;
将直流电极层置于所述陶瓷基底之上;
在放置了直流电极层的陶瓷基底之上涂覆抗腐蚀层。
进一步地,所述制造方法还包括如下步骤:在真空环境中利用扩散焊加热镶嵌了金属连接线的陶瓷基底至0.5到0.7倍金属连接线的熔点值,再持续加热5到10分钟使得所述金属连接线和通孔焊接在一起。
进一步地,所述通孔的直径和金属连接线的直径相同。
进一步地,所述金属连接线的热膨胀率远大于陶瓷基底和直流电极层。
进一步地,所述金属连接线的材料包括:铜、银、铝、金。
进一步地,所述陶瓷基底的材料包括氧化铝。
进一步地,所述直流电极的材料包括钨。
进一步地,所述制造方法还包括如下步骤:利用真空沉积或者印刷的方法将直流电极层置于所述陶瓷基底之上。
进一步地,所述抗腐蚀层的材料包括氧化钇或氮化钇。
进一步地,所述抗腐蚀层是由物理气相沉积或等离子体喷涂来涂覆的。
进一步地,所述制造方法还包括如下步骤:在所述金属连接线下方链接软金属连接线。
本发明第二方面还提供了一种等离子体处理腔室的的制造方法,其特征在于,所述制造方法包括本发明第一方面所述的静电夹盘的制造方法。
本发明提供的等离子体处理腔室及其静电夹盘的制造方法,能够顺利地在直流电极层以下的静电夹盘区域设置金属连接线,不会对直流电极层造成破坏,以便于后续在静电夹盘的顶层涂覆抗腐蚀层。
附图说明
图1是等离子体处理腔室及升举装置的结构示意图;
图2(a)~2(d)是根据本发明一个具体实施例的等离子体处理腔室的静电夹盘制造的工艺流程图;
图3是根据本发明一个具体实施例的等离子体处理腔室的基台的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图,对本发明的具体实施方式进行说明。
要指出的是,“半导体工艺件”、“晶圆”和“基片”这些词在随后的说明中将被经常互换使用,在本发明中,它们都指在处理反应室内被加工的工艺件,工艺件不限于晶圆、衬底、基片、大面积平板基板等。为了方便说明,本文在实施方式说明和图示中将主要以“基片”为例来作示例性说明。
图1示出了等离子体处理腔室及升举装置的结构示意图。等离子体处理腔室100具有一个处理腔体(未示出),处理腔体基本上为柱形,且处理腔体侧壁102基本上垂直,处理腔体内具有相互平行设置的上电极和下电极。通常,在上电极与下电极之间的区域为处理区域P,该区域P将形成高频能量以点燃和维持等离子体。在基台106上方放置待要加工的基片W,该基片W可以是待要刻蚀或加工的半导体基片或者待要加工成平板显示器的玻璃平板。其中,所述基台106用于夹持基片W。反应气体从气体源103中被输入至处理腔体内的气体喷淋头109,一个或多个射频电源104可以被单独地施加在下电极上或同时被分别地施加在上电极与下电极上,用以将射频功率输送到下电极上或上电极与下电极上,从而在处理腔体内部产生大的电场。大多数电场线被包含在上电极和下电极之间的处理区域P内,此电场对少量存在于处理腔体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,从而在处理腔体内产生等离子体。反应气体的中性气体分子在经受这些强电场时失去了电子,留下带正电的离子。带正电的离子向着下电极方向加速,与被处理的基片中的中性物质结合,激发基片加工,即刻蚀、淀积等。在等离子体处理腔室100的合适的某个位置处设置有排气区域,排气区域与外置的排气装置(例如真空泵105)相连接,用以在处理过程中将用过的反应气体及副产品气体抽出腔室。其中,等离子体约束环107用于将等离子体约束于处理区域P内。腔室侧壁102上连接有接地端,其中设置有一电阻108。
众所周知,静电夹盘(ESC,electrostatic chuck)是等离子体处理腔室中的核心组件。由于静电夹盘是作为下电极和基片的承载物,其必然是硬性和结构稳定的,以防止在产品制程过程中等离子体轰击和基片磨损。然而,现有技术的静电夹盘大多形成于黏合固体陶瓷圆盘于阳极化的铝基底上。静电夹盘的陶瓷圆盘通常由Al2O3或AlN制成,并且包含一些金属和基于硅的混合物,例如TiO2、SiO2等。当静电夹盘在包含卤族元素(例如F、Cl等)等离子体的环境下运作时,静电夹盘的陶瓷基(Al2O3或AlN)和包含的其他成分都将受到等离子体的轰击,然而其中包含的其他成分将在相对更高的腐蚀速率下被侵蚀。因此,等离子体腐蚀会改变静电夹盘表面的形态、成分和陶瓷基的特性(表面粗糙度、电阻系数等),并且进一步导致静电夹盘的功能的改变,例如漏电流,氦气泄露速率、去夹持时间等。
为了稳定静电夹盘的成分、结构和特性,现有技术通常在静电夹盘表面涂覆或者封装抗等离子体腐蚀的材料,以防止静电夹盘被等离子体腐蚀。然而,在静电夹盘上用等离子体喷涂(plasma spray,PS)的方式涂覆抗腐蚀层并不可取,这是因为等离子体喷涂例如Y2O3的抗腐蚀层具有气孔并且结构上易碎,并且Y2O3的抗腐蚀层比硅晶片软,这样会导致制程中产生颗粒污染。现有技术中也会在静电夹盘的陶瓷圆盘上利用物理气相沉积(plasma enhanced physical vapour deposition,PEPVD)沉积致密坚硬的等离子体抗腐蚀层,例如Y2O3或者Y2O3/Al2O3混合。然而,直接在静电夹盘表面上沉积在技术上有限制,因为沉积温度通常很容易达到100℃及以上,这是由于在物理气相沉积制程中等离子体或涂覆沉积源会加热静电夹盘。但是,由于陶瓷基体和铝基体之间的黏合物熔点较低,静电夹盘的温度是不能高于100℃及以上的。
现有技术公开的改进静电夹盘性能的方法包括(1)首先在静电夹盘的陶瓷基底上进一步涂覆改善性抗腐蚀层,以及(2)然后通过黏合涂覆了抗腐蚀层陶瓷基底和铝基底形成等离子体。现有技术通过在静电夹盘上涂覆抗腐蚀层使得其具有很多特定特性,例如高硬度、良好热导率、耐用的结构以抗多种等离子体化学成分的腐蚀。实际上,按照现有技术的静电夹盘生产流程,在直流电极之下的氧化铝基底之中形成电气连接点(electrical joint)还有很多技术问题。具体地,上文已经提及静电夹盘中的直流电极还连接有一直流电源,因此工艺上需要在静电夹盘的氧化铝基底临界于直流电极的正下方用金属做为连接线。而直流电极的厚度较薄,仅仅只有10~20um的金属钨,
本发明提供了一种等离子体处理腔室及其静电夹盘的制造方法。如图1所示,静电夹盘101位于基台106的上方,其用于在其上夹持基片W,在静电夹盘上方的材料层中设置有一直流电极层110,直流电极层110须直接连接一直流电源111,以使得在施加了直流电源111的作用下直流电极层110产生一个将基片W夹持于其上的夹持力。因此,在直流电极层110和直流电源111之间必须存在用于电连接的连接线,而在静电夹盘101中也必然需要设置金属连线。本发明的发明目的就在于在直流电极层110及其与直流电源111连接的连接线之间的静电夹盘101相关材料层领域形成电气连接(electrode joint)。
本发明第一方面提供了一种等离子体处理腔室的静电夹盘的制造方法。图2是根据本发明一个具体实施例的等离子体处理腔室的静电夹盘制造的工艺流程图。根据本发明的一个优选具体实施例,其利用了热胀冷缩原理(cooling and expansion)在在直流电极层110及其与直流电源111连接的连接线之间的静电夹盘101相关材料层领域形成电气连接(electrode joint)。在本实施例中,所述静电夹盘101的制造方法包括如下步骤:
如图2(a)所示,首先提供一陶瓷基底1012。
然后,在所述陶瓷基底1012上打若干通孔1014,所述通孔1014用于容纳金属连接线。为简明起见,在图2(a)仅示出了一个通孔1014。
接着,如图2(b)所示,提供若干金属连接线1016,将若干金属连接线1016分别镶嵌入所述陶瓷基底1012的所述若干通孔1014之中。
然后,在真空环境中利用扩散焊(Thermal diffusion bonding)加热上述镶嵌了金属连接线1016的陶瓷基底1012。此时,由于金属连接线1016都是由热膨胀率很高的金属制成,在加热的作用下金属开始具有一定延伸度,也就是其金属原子“扩散起来”,最终金属连接线1016将会膨胀以填满通孔1014,从而使得金属连接线1016和通孔1014焊接在一起。
接着,如图2(b)所示,将直流电极层110置于所述陶瓷基底之上。由于直流电极层110在金属连接线1016形成以后才进行制造,因此不存在现有技术中直流电极层110由于较薄而被后形成的金属连接线1016破坏的缺陷,这充分说明了本发明的优越性。其中,直流电极层110的厚度大约为0.2mm或更小。
最后,如图2(d)所示,在放置了直流电极层110的陶瓷基底1012之上沉积抗腐蚀层1018,静电夹盘101制造完成。此时,在静电夹盘101的直流电极层110之下的陶瓷基底区域1012之中顺利地形成了电气连接。
特别地,所述制造方法还包括如下步骤:在真空环境中利用扩散焊加热镶嵌了金属连接线1016的陶瓷基底1012至0.5到0.7倍金属连接线1016的熔点值,此时金属连接线1016开始具有延展性,质地开始变软,金属连接线1016的原子开始“扩散”,再持续加热5到10分钟使得所述金属连接线1016和通孔1014焊接在一起。其中,扩散焊的执行压力是在0.5-1ATM。
特别地,所述通孔1014的直径与金属连接线1016的直径相同,以使得金属连接线1016在冷却状态下能够顺利镶嵌入通孔1014之中。由于金属连接线1016的熔点高于陶瓷基底1012的熔点,因此在特定温度的扩散焊作用下金属连接线1016的金属原子开始延伸和“扩散”,质地变软,从而最终使得两者焊接在一起。
特别地,所述金属连接线1016的热膨胀率远大于陶瓷基底1012和直流电极层110。下表使出了陶瓷基底1012、直流电极层110和金属连接线1016的金属材料的热膨胀率。
进一步地,所述金属连接线1016的材料包括:铜、银、铝、金,所述陶瓷基底1012的材料包括氧化铝,所述直流电极层110的材料包括钨。如上表所示,作为金属连接线1016的金属材料铝、铜、银、金、黄铜的热膨胀系数远大于作为陶瓷基底1012的材料氧化铝和氮化铝以及作为直流电极层110的金属钨。因此,在同样的加热条件下,金属连接线1016膨胀/延伸/融化得更厉害,因此金属连接线1016也就顺利嵌入了静电夹盘101的陶瓷基底1012之中,这是由于本发明利用了静电夹盘101的陶瓷基底2012和金属连接线1016的热膨胀率之差。
需要说明的是,在上述实施例中,金属连接线1016的直径是精心选择和计算的,以使得金属连接线1016和静电夹盘101的陶瓷基底1012在热扩散压合执行中产生的应力不会破坏陶瓷基底1012。
进一步地,所述制造方法还包括如下步骤:利用真空沉积或者印刷(printing)的方法将直流电极层110置于所述陶瓷基底1012之上。
进一步地,所述抗腐蚀层1018的材料包括氧化钇或氮化钇。具体地,静电夹盘101表层的抗腐蚀层1018是由物理气相沉积或者等离子体喷涂来涂覆的,其具有致密和高孔隙率的结构,并具有等离子体抗腐蚀性。
本发明第二方面提供了一种等离子体处理腔室的的制造方法,其特征在于,所述制造方法包括本发明第一方面所述的静电夹盘的制造方法。
图3是根据本发明的一个具体实施例的等离子体处理腔室的基台的结构示意图。进一步地,本发明提供的等离子体处理腔室的静电夹盘的制造方法还包括如下步骤:在金属连接线1016以下连接软金属连接线1017,从而完成直流电极层110和直流电源的全部连接线。其中,在软金属连接线1017下端,也就是在软金属连接线1017于基台106下面制造一接头1017a,延伸以连接入图1所示的直流电源111。
如图3所示,根据本发明的一个变形例,还可以在静电夹盘101之上涂覆两层抗腐蚀层,也就是在原有的抗腐蚀层1018上再涂覆一层抗腐蚀层1019,以使得静电夹盘101具有加强的功能。本发明提供的静电夹盘101的制造方法能够实现在静电夹盘101上连续不断地涂覆多层抗腐蚀层,即使抗腐蚀层的质地再又软,也不会造成直流电极层110的破损。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍,但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后,对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此,本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。此外,不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求;“包括”一词不排除其它权利要求或说明书中未列出的装置或步骤;“第一”、“第二”等词语仅用来表示名称,而并不表示任何特定的顺序。

Claims (12)

1.一种等离子体处理腔室的静电夹盘的制造方法,其中,所述制造方法包括如下步骤:
提供一陶瓷基底;
在所述陶瓷基底上打若干通孔,所述通孔用于容纳金属连接线;
提供若干金属连接线,将若干金属连接线分别镶嵌入所述陶瓷基底的所述若干通孔之中;
在真空环境中利用扩散焊加热镶嵌了金属连接线的陶瓷基底,使得所述金属连接线和通孔焊接在一起;
将直流电极层置于所述陶瓷基底之上;
在放置了直流电极层的陶瓷基底之上涂覆抗腐蚀层。
2.根据权利要求1所述的制造方法,其特征在于,所述制造方法还包括如下步骤:在真空环境中利用扩散焊加热镶嵌了金属连接线的陶瓷基底至0.5到0.7倍金属连接线的熔点值,再持续加热5到10分钟使得所述金属连接线和通孔焊接在一起。
3.根据权利要求1所述的制造方法,其特征在于,所述通孔的直径和金属连接线的直径相同。
4.根据权利要求1所述的制造方法,其特征在于,所述金属连接线的热膨胀率远大于陶瓷基底和直流电极层。
5.根据权利要求4所述的制造方法,其特征在于,所述金属连接线的材料包括:铜、银、铝、金。
6.根据权利要求4所述的制造方法,其特征在于,所述陶瓷基底的材料包括氧化铝。
7.根据权利要求4所述的制造方法,其特征在于,所述直流电极层的材料包括钨。
8.根据权利要求1所述的制造方法,其特征在于,所述制造方法还包括如下步骤:利用真空沉积或者印刷的方法将直流电极层置于所述陶瓷基底之上。
9.根据权利要求1所述的制造方法,其特征在于,所述抗腐蚀层的材料包括氧化钇或氮化钇。
10.根据权利要求1所述的制造方法,其特征在于,所述抗腐蚀层是由物理气相沉积或等离子体喷涂来涂覆的。
11.根据权利要求1所述的制造方法,其特征在于,所述制造方法还包括如下步骤:在所述金属连接线下方链接软金属连接线。
12.一种等离子体处理腔室的制造方法,其特征在于,所述制造方法包括权利要求1至11任一项所述的静电夹盘的制造方法。
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