CN105225997B - 一种静电夹盘及静电夹盘的制造方法 - Google Patents
一种静电夹盘及静电夹盘的制造方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种静电夹盘，包括第一绝缘材料层、导电电极层、第二绝缘材料层，其中导电电极层位于所述第一、二绝缘材料层中间，第二材料层上表面用于固定待处理基片，其特征在于所述第二绝缘材料层为氟金云母。本发明利用氟金云母，特别是利用物理气相沉积的氟金云母作为静电夹盘的绝缘材料层，可以显著的降低绝缘层厚度，减小直流电压幅度，增加绝缘材料层和直流电极层之间的吸附力，同时还能保证绝缘材料层的均匀。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种静电夹盘及静电夹盘的制造方法。
背景技术
如图1所示，等离子处理装置包括一个反应腔10，反应腔内包括一个基座33，基座内包括下电极。基座上方包括静电夹盘34，待处理的基片30设置在静电夹盘上，一个边缘环36围绕在静电夹盘周围。一个具有较低频率(如2Mhz～400Khz)的射频电源35通过一个匹配器连接到基座33内的下电极。反应腔顶部还包括一个气体分布装置40，如气体喷淋头、或者将反应气体通入反应腔的喷管。气体分布装置通过分流装置或者开关阀门连接到一个气源20。气体喷淋头可以作为上电极与基座33内的下电极配合构成电容，至少一个高频射频电源连接到电容至少一端以产生电容耦合(CCP)等离子体。也可以在反应腔顶部上方安装感应线圈，感应线圈连接到高频射频电源(大于13Mhz)，产生的高频电磁场穿过反应腔顶部的绝缘窗进入基片上方的空间，使反应气体电离产生等离子体。基片30被下方的静电夹盘固定在基座上，其中静电夹盘内包括至少一个直流电极，该直流电极连接到一个直流电源32，直流电极上的高压直流电压(700-3000V)可以在基片上感应产生电荷，基片上的电荷与静电夹盘的电极相互静电吸引使基片被牢牢固定在静电夹盘上。静电夹盘34的具体结构如图2所示，包括一个位于底部的第一绝缘材料层340，直流电极341铺设在第一绝缘材料层340上，一个第二绝缘材料层342覆盖在直流电极和第一绝缘材料层上。其中第一、第二绝缘材料层340、342通常采用Al2O3或AlN以实现直流电极341与基片30之间或直流电极341与下方基座33之间绝缘，直流电极材料通常选自钨或钼以耐受高温的加工环境。
静电夹盘与基片之间的吸力满足公式F＝k V/d2(1)，其中V为施加的直流电压，d为基片30到电极341之间的距离也就是第二绝缘材料层342的厚度。所以要增加吸力最佳的办法是减小d，但是随着绝缘材料层342厚度的减小，绝缘材料层342中的杂质或者气泡会导致材料层被高压击穿。这会导致静电夹盘破损并严重影响基片加工效果，所以现有技术通常采用调节电压的方法获得一个既不会导致材料层击穿也不会吸力不足的电压区间。但是由于材料的限制这一区间可选择范围很小，现有技术中静电夹盘上方绝缘材料层的厚度通常为400-600um。
另一方面在等离子处理过程中静电夹盘的温度会频繁变化，由于直流电极341和第二绝缘材料层342之间热膨胀系数不同所以会发生相对位移，长时间工作后会导致第二绝缘材料层上出现裂缝甚至从直流电极上脱落。为了防止脱落如图3所示，直流电极上通常要设置高低不平的较粗糙的上表面以增加第二绝缘材料342和直流电极341之间的接触面。粗糙的接触面可以增加两种材料之间的附着力，所以粗糙度越大则两种材料结合更牢固。但是粗糙度越大也会造成直流电极341上表面的突出部尖端放电击穿第二绝缘材料层。所以为了防止出现击穿只能选择较低粗糙度的直流电极表面，或者更高厚度的绝缘材料层。这就容易造成绝缘材料层脱落或者吸力不够的隐患。
所以等离子处理器的静电夹盘在现有技术基础上存在提高静电吸力和材料容易击穿或脱落的矛盾，需要新的技术方案来解决这一矛盾，获得更高的静电吸力同时防止绝缘材料击穿或脱落。
发明内容
本发明解决的问题是静电夹盘绝缘材料层厚度对吸力增加和绝缘效果的影响，造成直流电压选择范围受限。本发明提供一种一种静电夹盘，包括：第一绝缘材料层，导电电极层，第二绝缘材料层，其中导电电极层位于所述第一、二绝缘材料层中间，第二材料层上表面用于固定待处理基片，其特征在于所述第二绝缘材料层为氟金云母。
其中所述第二材料层的厚度小于200um，最佳的是在80-150um之间，以缩短电极与基片的距离增加吸力。
其中所述静电夹盘中导电电极层与第二材料层之间接触面的粗糙度大于0.3um，最佳的是在0.4-0.8um，以提供两个材料层的吸附能力。
其中所述第二材料层上表面还包括一层抗等离子腐蚀层或耐磨材料层，所述抗等离子腐蚀层包括氧化钇或氟化钇，所述耐磨材料层为氧化铝材料制成，且厚度小于所述第二绝缘材料层。其中所述第一绝缘材料层的材料选自氧化铝、氮化铝、氟金云母之一。
本发明还提供了一种静电夹盘制造方法，包括形成第一绝缘材料层，所述第一绝缘材料层料选自氧化铝或氮化铝；在所述第一绝缘材料层上形成导电电极层，所述导电电极材料选自钼或钨；在所述导电电极层上方形成第二绝缘材料层，所述第二绝缘材料层为氟金云母，其中所述第二绝缘材料层形成方法为物理气相沉积。其中所述物理气相沉积方法包括步骤：提供一个反应炉，所述反应炉内包括容纳有氟金云母的坩埚；提供一个加热装置加热所述坩埚内的氟金云母到大于1375℃；将所述形成有导电电极层的第一绝缘材料层工件放入与坩埚相对位置处，使工件具有小于300℃的温度；
本发明静电夹盘制造方法还可以包括防等离子腐蚀材料形成步骤，在所述第二绝缘材料层上形成一层氧化钇或氟化钇。
附图说明
图1是现有技术等离子处理装置的结构示意图；
图2是现有技术静电夹盘结构示意图；
图3是图2中A处的局部放大图；
图4是本发明静电夹盘绝缘材料涂覆装置。
具体实施方式
本发明要解决等离子处理装置中静电夹盘吸力和材料容易击穿或脱落的矛盾，提出用新的材料替代原有氧化铝(Al2O3)或氮化铝(AlN)。现有技术中常用的氧化铝或氮化铝材料的击穿特性在40KV/mm,在不改变材料情况下，现有技术静电夹盘中诸如绝缘层厚度、直流电极表面粗糙度、施加的直流电压大小等均受到限制可选择范围很小，在设计静电夹盘时必须考虑等离子处理装置长期运行的需要优化选择，这些优化选择需要大量实验和分析成本高昂。
本发明选用氟金云母(fluorophlogopite)作为静电夹盘的绝缘材料层340或者342的构成材料，氟金云母的击穿特性为>200kV/mm，相对现有的材料40Kv/mm增强了5倍以上。氟金云母可以是人工合成的所以材料性质均一稳定，内含杂质少不易被击穿，长期使用也能保持其特性。由于本发明绝缘材料层342选用了氟金云母所以绝缘材料层342的厚度选择可以比原有厚度D明显减少到200um以下(如80-150um)，仍能保证在相同直流电压下不会被击穿。同时如吸力公式(1)中所表述的，吸力会随着厚度减小成平方关系的迅速增加，所以厚度减小到原有1/5会使吸力变为原有的25倍，要获得与现有技术类似的的吸力只需要原有电压幅度的1/25左右。采用本发明氟金云母的作为静电夹盘绝缘材料层的材料可以极大的减小绝缘材料层342/340的厚度，也可以采用更低的直流电压，减小功率损耗的同时保证不会被击穿。另一方面由于氟金云母的采用，直流电极上的粗糙度选择也可以获得更大的范围，比如采用表面粗糙度大于0.3um(如0.4-0.8um)时能够保证绝缘材料长时间工作不脱落的同时也不会被击穿。
由于本发明应用场合需要精确控制其厚度，如果静电夹盘上的氟金云母绝缘材料层342不均匀会导致基片固定时不平，这会导致基片在进行高精度处理(如CD小于60nm的刻蚀)时图形失真。同时厚度不均会导致静电夹盘上热阻不同，基片上的的温度也会不均匀，基片处理均一性也会受影响。所以在应用到半导体处理领域中作为静电夹盘时，氟金云母镀层的厚度在很薄的情况下还必须很均匀。现有技术氟金云母常见的为固体片状或颗粒，这些固体或者颗粒的尺寸远不能适应半导体领域这种高精度加工的需要。常用的等离子喷涂(plasma spray)，可以获得较均匀的镀层，但是由于喷涂的颗粒较大，在形成的镀层内不同颗粒间存在大量孔洞，所以电绝缘性能显著降低，而且不均匀的孔洞分布会在不同的区域产生不同的击穿特性所以仍不能满足半导体处理装置的需要。同样的，用烧结(sinter)方法制备本发明的氟金云母也会因为颗粒间的孔洞太多无法控制而不适合应用于静电夹盘上。为此发明人选用一种新的涂覆氟金云母绝缘层的方法：物理气相沉积(PVD)。如图4所示为发明静电夹盘绝缘材料涂覆装置，图中包括反应炉壁100，位于反应炉内的坩埚110，坩埚110内放置涂覆材料氟金云母，与坩埚相对的上方为待涂覆的静电夹盘工件134。位于反应炉侧壁的加热源120向坩埚内的涂覆材料发射电子束以加热氟金云母固体材料，使其表面温度大于熔点1375℃，随后气化上升。上方的静电夹盘工件134具有小于300℃的较低温度(如200℃左右)，气化上升的氟金云母材料会冷凝沉积在电夹盘工件134表面形成均匀且致密的绝缘材料层。本发明中的工件134可以是如图2中包括第一绝缘材料层340和第二绝缘直流电极341的组合，通过物理气相沉积在直流电极341上生长一层第二绝缘材料层342。也可以是第二绝缘材料层342和第二绝缘直流电极341的组合，通过物理气相沉积生长一第一绝缘材料层340。在进行氟金云母绝缘材料涂覆时，除了可以用电子束加热，也可以在坩埚110下方设置一个加热器同样能实现本发明的氟金云母材料的物理气相沉积。
由于本发明静电夹盘是应用于等离子处理器的，在利用等离子对基片进行处理时，静电夹盘的部分区域(如边缘环36与静电夹盘34之间存在的间隙区域)会暴露于等离子体，所以需要对静电夹盘表面进行防护。本发明静电夹盘上可以在覆盖有氟金云母层的基础上再覆盖一层抗等离子腐蚀材料，典型的如氧化铱Y2O3或者YF3。抗等离子腐蚀材料的涂覆方法也可以是上述物理气相沉积方法。在基片夹持、去夹持、从静电夹盘上移开等动作中会发生基片与静电夹盘的摩擦，由于氟金云母机械强度不够所以运行一段时间后会发生严重磨损。为了提高采用氟金云母作为绝缘层材料的静电夹盘的耐用性，可以在氟金云母层上表面沉积一个薄层的氧化铝(Al2O3)，其厚度以能够耐摩擦就可以，比如可以是小于50um。这样耐磨擦材料层和氟金云母层的总和仍远小于传统静电夹盘第二绝缘材料层的厚度400-600um。由于防止击穿的需求主要由氟金云母层实现了，所以耐磨氧化铝层没有这方面的问题，因此氧化铝薄层可以用各种涂覆方法如：等离子喷涂、烧结、PVD等。
本发明利用氟金云母，特别是利用物理气相沉积的氟金云母作为静电夹盘的绝缘材料层，可以显著的降低绝缘层厚度，减小直流电压幅度，增加绝缘材料层和直流电极层之间的吸附力，同时还能保证绝缘材料层的均匀。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (10)
1.一种静电夹盘，包括：
第一绝缘材料层、导电电极层、第二绝缘材料层，其中导电电极层位于所述第一绝缘材料层、第二绝缘材料层中间，第二绝缘材料层上表面用于固定待处理基片，其特征在于所述第二绝缘材料层为氟金云母。
2.如权利要求1所述的静电夹盘，其特征在于，所述第二材料层的厚度小于200um。
3.如权利要求2所述的静电夹盘，其特征在于，所述第二材料层厚度在80-150um之间。
4.如权利要求1所述静电夹盘，其特征在于，所述导电电极层与第二材料层之间接触面的粗糙度大于0.3um。
5.如权利要求4所述的静电夹盘，其特征在于，所述导电电极层与第二材料层之间接触面的粗糙度为0.4-0.8um。
6.如权利要求1所述的静电夹盘，其特征在于，所述第二材料层上表面还包括一层抗等离子腐蚀层或耐磨材料层，所述抗等离子腐蚀层包括氧化钇或氟化钇，所述耐磨材料层为氧化铝材料制成，且厚度小于所述第二绝缘材料层。
7.如权利要求1所述的静电夹盘，其特征在于，所述第一绝缘材料层的材料选自氧化铝、氮化铝、氟金云母之一。
8.一种静电夹盘制造方法，包括形成第一绝缘材料层，所述第一绝缘材料层料选自氧化铝或氮化铝；在所述第一绝缘材料层上形成导电电极层，所述导电电极材料选自钼或钨；在所述导电电极层上方形成第二绝缘材料层，所述第二绝缘材料层为氟金云母，其中所述第二绝缘材料层形成方法为物理气相沉积。
9.如权利要求8所述静电夹盘制造方法，其特征在于，所述物理气相沉积方法包括步骤：
提供一个反应炉，所述反应炉内包括容纳有氟金云母的坩埚；
提供一个加热装置加热所述坩埚内的氟金云母到大于1375℃；
将所述形成有导电电极层的第一绝缘材料层工件放入与坩埚相对位置处，使工件具有小于300℃的温度。
10.如权利要求8所述静电夹盘制造方法，其特征在于，还包括防等离子腐蚀材料形成步骤，在所述第二绝缘材料层上形成一层氧化钇或氟化钇。
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