CN107004628B - 用于高温rf应用的静电吸盘 - Google Patents

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Abstract

一种静电吸盘，包括圆盘、主体、DC电压感测电路和电感器，所述圆盘具有支撑表面以及相对的第二表面，当基板设置于圆盘上时，支撑表面支撑所述基板，其中一或多个吸附电极嵌入于圆盘中，所述主体具有耦接至所述圆盘的所述第二表面的支撑表面以支撑所述圆盘，所述DC电压感测电路设置于所述圆盘的支撑表面上，所述电感器设置于所述主体中且靠近所述主体的支撑表面，其中所述电感器电耦接至DC电压感测电路，并且其中所述电感器被配置为过滤高频电流以准确地测量所述基板上的DC电位。

Description

用于高温RF应用的静电吸盘
技术领域
本公开内容的实施方式大体涉及用于在微电子器件制造过程中固持基板的静电吸盘。
背景技术
在高温和高功率水平操作的物理气相沉积(PVD)腔室为处理基板提供了若干优势。虽然在高温和高功率下操作改善了膜性质(例如，应力密度rho及类似性质)且提供良好的RF接收器效率，但是高温和高功率导致过热、基板背侧电弧以及腔室变化。具体而言，当与RF功率一起使用时，当前用于高温/高功率物理气相沉积(PVD)应用的现有静电吸盘(ESC)具有限制性。这些限制可包括，但不限于，1)在高功率处理期间电极中的RF电流变得太高时，ESC过热，2)在超高频率(VHF)应用中，基板背侧形成电弧(arcing)至DC电压感测电路(即，在本文中被称为Vdc感测终端或中心抽头(c-tap)电路)，DC电压感测电路设置于ESC的表面上，以及3)由提供功率给各种部件(如加热器与设置于ESC中的电极)的无屏蔽配线引起的处理过程变化。
基于上述限制，存在对改善的静电吸盘的需求以消除或减少与高温/高功率PVD处理相关的前述问题。
发明内容
一种静电吸盘包括圆盘(puck)、主体、DC电压感测电路和电感器，所述圆盘具有支撑表面以及相对的第二表面，当基板设置于圆盘上时，支撑表面支撑所述基板，其中一或多个吸附电极嵌入于圆盘中，所述主体具有耦接至所述圆盘的所述第二表面的支撑表面以支撑所述圆盘，所述DC电压感测电路设置于所述圆盘的支撑表面上，所述电感器设置于所述主体中且靠近所述主体的支撑表面，其中所述电感器电耦接至DC电压感测电路，并且其中所述电感器被配置为过滤高频电流以准确地测量所述基板上的DC电位。
在一些实施方式中，一种静电吸盘包括圆盘和主体，所述圆盘具有支撑表面以及相对的第二表面，当基板设置于圆盘上时，支撑表面支撑所述基板，其中一或多个吸附电极嵌入于圆盘中，其中所述一或多个吸附电极的每一个的厚度是所述一或多个吸附电极的计算出的趋肤深度(skin depth)的约3倍至约5倍，所述主体具有耦接至所述圆盘的所述第二表面的支撑表面以支撑所述圆盘。
在一些实施方式中，一种静电吸盘包括圆盘、主体、DC电压感测电路和电感器，所述圆盘具有支撑表面以及相对的第二表面，当基板设置于圆盘上时，支撑表面支撑所述基板，其中一或多个吸附电极嵌入于圆盘中，其中所述一或多个吸附电极的每一个的厚度是所述一或多个吸附电极的计算出的趋肤深度的约3倍至约5倍，并且其中所述一或多个吸附电极经由一组一或多个高温同轴缆线而耦接至吸附电源，所述主体具有耦接至所述圆盘的所述第二表面的支撑表面以支撑所述圆盘，所述DC电压感测电路设置于所述圆盘的支撑表面上，所述电感器设置于所述主体中且靠近所述主体的所述支撑表面，其中所述电感器电耦接至DC电压感测电路，并且其中所述电感器被配置为过滤高频电流以准确地测量所述基板上的DC电位。
附图说明
本公开内容的实施方式已简要概述于前，并在以下有更详尽的论述，能通过参考附图中绘示的本公开内容的说明性实施方式来了解本公开内容的实施方式。然而，应注意的是，附图只绘示了本公开内容的典型实施方式，因此附图不应被视为对本公开内容范围的限制，因为本公开内容可允许其他等效的实施方式。
图1绘示与根据本公开内容的一些实施方式的静电吸盘一起适用的处理腔室。
图2绘示根据本公开内容的一些实施方式的静电吸盘的截面图。
图3A和3B绘示根据本公开内容的一些实施方式的静电吸盘的圆盘表面的俯视图。
图4绘示根据本公开内容的一些实施方式的图1的同轴缆线的一部分的剖切透视图。
为便于理解，已尽可能使用相同的标号表示各图中共用的相同元件。这些图未依比例绘示，且可为求清楚而简化。应考虑到，一个实施方式的元件与特征可有利地并入其它实施方式中而无需赘述。
具体实施方式
本文提供高温RF/VHF静电吸盘的实施方式。本发明的静电吸盘可有利地在高温和/或高功率的环境中操作，以防止过热，减少基板与ESC支撑表面间的背侧电弧，且能够在RF应用中有可重复的效能及更高的效率。具体而言，本文提供的ESC的实施方式可包括ESC的圆盘中的较厚的嵌入电极、紧邻ESC DC电压感测电路的高温电感器、和/或高温配线，所述较厚的嵌入电极减小电流密度且能够有更高的电流而不会过热，所述高温电感器增加RF阻抗且因而使得能够在更高RF功率与频率下感测ESC圆盘表面的DC电压，所述高温配线使得能够在RF应用中有可重复的效能及更高的效率。
图1是根据本公开内容的一些实施方式的等离子体处理腔室的示意截面图。在一些实施方式中，等离子体处理腔室是PVD处理腔室。然而，亦可以使用或修改其他类形的处理腔室以与本文描述的本发明的静电吸盘的实施方式一起使用。本文所述的PVD处理腔室与ESC可在约摄氏200度至约摄氏500度的温度以及在约13MHz至约60MHz频率下的约5kW至约10kW的功率间的功率水平下操作。
腔室100是适用于在高温/高功率基板处理期间于腔室内部空间120中维持次大气压(sub-atmospheric pressure)的真空腔室。腔室100包括由盖104覆盖的腔室主体106，盖104包围位于腔室内部空间120的上半部中的处理空间119。腔室100亦可包括一或多个屏蔽件105，一或多个屏蔽件105外接各种腔室部件以防止这些部件与离子化的处理材料之间不必要的反应。腔室主体106和盖104可由金属制成，例如铝。腔室主体106可经由耦接至接地115而接地。
基板支撑件124设置于腔室内部空间120内以支撑并固持基板S，比如例如半导体基板或其他可静电固持的基板。基板支撑件124一般可包括静电吸盘150(更详尽地参照图2-4描述于下面)以及用于支撑静电吸盘150的中空支撑轴112。中空支撑轴112提供导管来提供例如处理气体、流体、冷却剂、功率或类似物至静电吸盘150。
在一些实施方式中，中空支撑轴112耦接至升降机构113，升降机构113提供静电吸盘150于上处理位置(如图1所示)与下传送位置(未图示)之间的垂直运动。波纹管组件110设置于中空支撑轴112周围且耦接于静电吸盘150与腔室100的底表面126之间，以提供柔性密封，所述柔性密封允许静电吸盘150的垂直运动，同时防止腔室100内真空的损失。波纹管组件110亦包括下波纹管凸缘164，下波纹管凸缘164接触o形环165或其它合适的密封元件，下波纹管凸缘164接触底表面126以帮助防止腔室真空的损失。
中空支撑轴112提供导管，所述导管用于将加热器电源142、气体源141、吸附电源140、RF源(例如RF等离子体电源170与RF偏压电源117)耦接至静电吸盘150、用于冷却的流体/气体源(未图示)等。在一些实施方式中，RF等离子体电源170和RF偏压电源117经由分别的RF匹配网络(只示出RF匹配网络116)耦接至静电吸盘。
基板升降件130可包括安装于平台108上的升降销109，平台108连接至轴111，轴111耦接至第二升降机构132以用于升起与降低基板升降件130，使得基板“S”可置放于静电吸盘150上或从静电吸盘150移除。静电吸盘150包括通孔(描述于下)以接收升降销109。波纹管组件131耦接于基板升降件130与底表面126之间，以提供柔性密封，柔性密封在基板升降件130垂直运动期间保持腔室真空。
腔室100耦接至真空系统114且与真空系统114流体连通，真空系统114包括节流阀(未示出)和真空泵(未示出)，节流阀和真空泵用于为腔室100排气。腔室100内的压力可通过调整节流阀和/或真空泵来调节。腔室100亦耦接至处理气体源118且与处理气体源118流体连通，处理气体源118可供应一或多种处理气体至腔室100以用于处理设置于其中的基板。
在操作中，例如，等离子体102可产生于腔室内部空间120中以执行一或多个处理过程。等离子体102可通过经由靠近腔室内部空间120或在腔室内部空间120内的一或多个电极将功率从等离子体电源(例如RF等离子体电源170)耦接至处理气体以引燃(ignite)处理气体并产生等离子体102而产生。在一些实施方式中，亦可经由电容耦接的偏压板(描述于下)而从偏压电源(例如RF偏压电源117)提供偏压功率至设置于静电吸盘150中的一或多个电极(描述于下)以朝向基板S吸引来自等离子体的离子。
在一些实施方式中，例如于腔室100是PVD腔室的例子中，包括待沉积于基板S上的源材料的靶(target)166可在腔室内部空间120内设置于基板上方。靶166可由腔室100的接地导电部分，例如穿过介电隔离器的铝配接器，支撑。在其他实施方式中，腔室100可包括多阴极布置结构中的多个靶，以用于使用同一腔室沉积不同材料的层。
可控DC电源168可耦接至腔室100以将电压或偏压施加于靶166。在与本文所述的本发明的ESC一致的一些实施方式中，DC电源168可提供在约2MHz至约162MHz频率下的约5kW至约10kW的功率。在与本文所述的本发明的ESC一致的一些实施方式中，DC电源168可提供40MHz的7kW的功率。
RF偏压电源117可耦接至基板支撑件124，以在基板S上引起负DC偏压。在一些实施方式中，RF偏压电源117提供13.566MHz的偏压功率至嵌入于ESC 150中的电极。此外，在一些实施方式中，负DC自偏压可在处理期间形成在基板S上。在一些实施方式中，RF等离子体电源170亦可耦接至腔室100以施加RF功率至靶166，以利于控制基板S上沉积速率的径向分布。在操作中，产生于腔室100中的等离子体102中的离子与来自靶166的源材料反应。所述反应导致靶166放出源材料的原子，源材料的原子接着导向基板S，从而沉积材料。
图2绘示根据本公开内容的实施方式的静电吸盘(ESC 150)的截面图。ESC 150包括圆盘202，圆盘202具有用以支撑基板的支撑表面和相对的底部第二表面。ESC进一步包括主体203，主体203与圆盘202的底部第二表面耦接且自圆盘202的底部第二表面延伸以支撑圆盘。在一些实施方式中，主体作为设置在介电圆盘之下的射频(RF)偏压板。基座整合箱220亦图示于图2中，其容纳/整合ESC 150使用的一些部件。
在一些实施方式中，圆盘202是由陶瓷材料制成的介电盘。圆盘202包括一或多个嵌入式吸附电极204、206。一或多个嵌入式吸附电极204、206可包括设置于圆盘202第一侧上的A电极(如204)以及设置于圆盘第二侧上的B电极(如206)。各电极可被独立控制以提供相反电压给各电极以产生所需的静电力以固持基板。在一些实施方式中，一或多个嵌入式吸附电极204、206被配置为接收约40MHz并发射(launch)约13.56MHz。
发明人发现在高功率应用期间，典型的薄电极过热且表现得像电阻加热元件。如本文所用的，薄电极是具有约1个趋肤深度的厚度的电极。RF电流主要在导体的“表层”流动，“表层”介于外表面与被称为趋肤深度的水平面之间。趋肤深度是导体中电传导发生到什么程度的量度，且是频率的函数。趋肤深度亦是导体(即一或多个电极)材料性质以及所用频率的函数。频率越低，趋肤深度越大。在一些实施方式中，吸附电极204、206由钨制成。在40MHz下对于钨电极来说典型薄电极是约18微米。发明人已经发现，通过增加电极厚度至约3至5个趋肤深度，或对于钨而言增加厚度至约50微米至约90微米，以及通过更多趋肤深度散布RF电流，电极不会加热太多。即，通过使吸附电极204、206变厚，电流密度减小且因此电极的加热效应减小。在较厚的电极中，约60％的RF电流在第一趋肤深度内流动，20％的RF电流在第二趋肤深度流动，10％的RF电流在第三趋肤深度流动，5％的RF电流在第四趋肤深度流动，依此类推。在其他实施方式中，吸附电极204、206可由其它导电材料制成，如例如不锈钢及类似材料。在一些实施方式中，电极的厚度会基于为选择的电极材料计算出的趋肤深度以及将使用的频率来选择。
用于趋肤深度的习知的方程式如下：(趋肤深度)是三个变量频率(f)、电阻率(ρ)和相对磁导率(relative permeability)(μR)的函数：
Figure GDA0001435882520000061
其中：
ρ＝体电阻率(欧姆-米)
f＝频率(赫兹)
μ0＝磁导率常数(亨利/米)＝4π×10-7
μR＝相对磁导率(通常～l)
除了提供相反的电压给各电极，可提供不同的功率水平给一个或多个吸附电极204、206的各者，以补偿圆盘上存在的表面电荷。一般来说，接触基板底表面的DC电压感测电路214(即中心抽头或c-tap)用于确定/测量基板上存在的DC电位。确定/测量的基板上存在的DC电位用于调整由吸附电源140供应给A电极(如204)与B电极(如206)的各者的吸附功率，使得基板可横跨基板的整个直径而被均匀地夹持。在与本公开内容一致的实施方式中，DC电压感测电路214经由端子215耦接至设置于ESC 150的主体203中且靠近圆盘表面的电感器216。在一些实施方式中，电感器216从圆盘202的中心径向向外设置约0.5英寸至约2.5英寸。在一些实施方式中，电感器216被设置为距离圆盘202的顶表面约0.25英寸至约5英寸。在典型的中心抽头配置中，其中RF滤波器/电感器位于ESC的下部分中距离圆盘表面超过12英寸的位置，发明人发现在高功率应用(即13MHz及更大)期间，基板与ESC支撑表面上的中心抽头电路迹线(trace)之间发生背侧电弧。通过将DC电压感测电路214与电感器216(即，滤波器)设置成更靠近圆盘的表面，与本公开内容一致的实施方式有利地避免或至少大大减少背侧电弧。在一些实施方式中，电感器216是陶瓷电感器。在一些实施方式中，电感器216大约是1英寸高。电感器216停止RF电流流动并过滤高频电流以准确地测量基板上的DC电位。
图3A和3B绘示包括根据本公开内容的一些实施方式的DC电压感测电路214迹线的圆盘表面304的俯视图，DC电压感测电路214迹线耦接至端子215，端子215耦接至电感器216。在一些实施方式中，圆盘表面304可进一步包括背侧气体通道306、气孔308和气体管218，以例如提供背侧冷却和/或去吸附气体压力(dechucking gas pressure)。
吸附电源140可经由高温配线缆线207而耦接至一或多个嵌入式吸附电极204、206。同样地，加热器电源142可经由高温配线缆线213耦接至一或多个嵌入式电阻加热器。一或多个嵌入式电阻加热器可包括独立受控的外加热器210与内加热器212。在与本公开内容一致的实施方式中，高温配线缆线207和/或213是高温同轴缆线(即，RF屏蔽缆线)。具体而言，发明人已经发现，用于将RF传导至ESC中嵌入的电极以及从ESC中嵌入的电极传导RF的无屏蔽缆线能导致阻抗变化。基于无屏蔽配线以及配线如何布线的这些变化使得同一腔室中的处理的可重复性极度的困难，更不用提腔室之间的可重复性。就是说，使用无屏蔽缆线的腔室对于无屏蔽缆线布线中的变化是敏感的并且产生基板均匀性与一致性的问题。因此，本发明人论述了使用特别为高温应用(即，约摄氏200度至约摄氏500度)设计的屏蔽同轴缆线(即，高温配线缆线207、213)，使得在RF应用中能够有可重复的腔室效能和更高的效率。
图4绘示根据本公开内容的一些实施方式的图1的高温配线缆线207的一部分的剖切透视图。具体而言，高温配线缆线207是同轴缆线，其包括能够承受约摄氏200度至约摄氏500度的温度的高温护套402。在一些实施方式中，高温护套402是能承受高温的陶瓷介电绝缘体。高温配线缆线207可包括RF屏蔽404，RF屏蔽404由金属材料形成。在一些实施方式中，RF屏蔽是固体金属管屏蔽。高温配线缆线207进一步包括介电芯406和中心导体408。
虽然前面所述系针对本公开内容的实施方式，但在不背离本公开内容基本范围下，可设计本公开内容的其他与进一步的实施方式。

Claims (15)

1.一种静电吸盘，包括：
圆盘，所述圆盘具有支撑表面以及相对的第二表面，当基板设置于所述圆盘上时，所述支撑表面支撑所述基板，其中一或多个吸附电极嵌入于所述圆盘中；
主体，所述主体具有耦接至所述圆盘的所述第二表面的支撑表面以支撑所述圆盘；
DC电压感测电路，所述DC电压感测电路设置于所述圆盘的所述支撑表面上；及
电感器，所述电感器设置于所述主体中且靠近所述主体的支撑表面，其中所述电感器电耦接至所述DC电压感测电路，并且其中所述电感器被配置为过滤高频电流以准确地测量所述基板上的DC电位。
2.在如权利要求1所述的静电吸盘，其中所述圆盘是介电盘。
3.如权利要求1所述的静电吸盘，其中所述DC电压感测电路包括导电金属迹线，所述导电金属迹线靠近所述圆盘的中心部分且部分设置于所述圆盘的所述中心部分附近。
4.如权利要求3所述的静电吸盘，其中所述导电金属迹线包括从所述圆盘的所述中心部分径向向外延伸0.5英寸至2.5英寸的线性迹线部分，其中所述线性迹线部分电耦接至电端子，且其中所述电端子与所述电感器电耦接。
5.如权利要求1所述的静电吸盘，其中所述电感器被设置成距离所述圆盘的支撑表面0.5英寸至2.5英寸。
6.如权利要求1-5的任一项所述的静电吸盘，其中所述电感器是陶瓷电感器。
7.如权利要求1-5的任一项所述的静电吸盘，其中所述一或多个吸附电极包括嵌入于所述圆盘中的两个独立受控的电极。
8.如权利要求1-5的任一项所述的静电吸盘，其中所述一或多个吸附电极的每一个的厚度是所述一或多个吸附电极的计算出的趋肤深度的3倍至5倍。
9.如权利要求1-5的任一项所述的静电吸盘，所述一或多个吸附电极被配置为承载在13.56 MHz至40 MHz频率下的功率。
10.如权利要求1-5的任一项所述的静电吸盘，其中所述一或多个吸附电极的每一个由钨制成且具有50微米至90微米的厚度。
11.如权利要求1-5的任一项所述的静电吸盘，其中所述一或多个吸附电极经由第一组一或多个高温同轴缆线而耦接至吸附电源。
12.如权利要求11所述的静电吸盘，其中所述第一组一或多个高温同轴缆线包括高温护套、固体金属RF屏蔽、介电芯和中心导体，所述高温护套能承受摄氏200度至摄氏500度的温度。
13.一种静电吸盘，包括：
圆盘，所述圆盘具有支撑表面以及相对的第二表面，当基板设置于所述圆盘上时，所述支撑表面支撑所述基板，其中一或多个吸附电极嵌入于所述圆盘中，其中所述一或多个吸附电极的每一个的厚度是所述一或多个吸附电极的计算出的趋肤深度的3倍至5倍，并且其中所述一或多个吸附电极被配置为承载在13.56 MHz至40 MHz频率下的功率；
DC电压感测电路，所述DC电压感测电路设置于所述圆盘的所述支撑表面上；
主体，所述主体具有耦接至所述圆盘的所述第二表面的支撑表面以支撑所述圆盘；及
电感器，所述电感器设置于所述主体中且靠近所述主体的所述支撑表面，其中所述电感器电耦接至所述DC电压感测电路，并且其中所述电感器被配置为过滤高频电流以准确地测量所述基板上的DC电位。
14.如权利要求13所述的静电吸盘，其中所述一或多个吸附电极的每一个由钨制成且具有50微米至90微米的厚度。
15.一种静电吸盘，包括：
圆盘，所述圆盘具有支撑表面以及相对的第二表面，当基板设置于所述圆盘上时，所述支撑表面支撑所述基板，其中一或多个吸附电极嵌入于所述圆盘中，其中所述一或多个吸附电极的每一个的厚度是所述一或多个吸附电极的计算出的趋肤深度的3倍至5倍，并且其中所述一或多个吸附电极经由一组一或多个高温同轴缆线而耦接至吸附电源；
主体，所述主体具有耦接至所述圆盘的所述第二表面的支撑表面以支撑所述圆盘；
DC电压感测电路，所述DC电压感测电路设置于所述圆盘的所述支撑表面上；及
电感器，所述电感器设置于所述主体中且靠近所述主体的支撑表面，其中所述电感器电耦接至所述DC电压感测电路，并且其中所述电感器被配置为过滤高频电流以准确地测量所述基板上的DC电位。
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