CN107624196A - 通过rf耦合的膜应力均匀性控制和利用适配rf耦合的晶圆安装 - Google Patents

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Abstract

一种用于真空处理系统中的晶圆的固定装置或夹具包括非导电主体，其具有用于在其上布置诸衬底（晶圆）的第一平面表面和与所述第一表面相对的第二表面。所述主体包括多个电极对；每个电极对都包括具有第一电极表面的第一电极和具有第二电极表面的第二电极，所述电极表面经由导电装置互连并且被布置成基本上平行于所述第一和第二表面，所述第一电极比所述第二电极更靠近所述第一表面定位并且所述第二电极比所述第一电极更靠近所述第二表面定位。这样的主体影响可以被用于晶圆和处于RF电位的底座之间的RF耦合以实现在膜沉积或其他衬底处理期间的均匀膜应力轮廓/分布。

Description

通过RF耦合的膜应力均匀性控制和利用适配RF耦合的晶圆 安装
技术领域
本发明涉及对在将RF偏压施加于底座以便将衬底夹持到（吸到）所述底座的情况下薄膜的沉积（PVD、CVD）有用的方法和布置。RF吸盘是半导体工业中公知且广泛使用的。它们对在没有附加机械夹持装置的情况下将诸如硅晶圆之类的电介质衬底牢固地保持在晶圆底座或晶圆支架上很有用。该保持力可以被开启和关掉，这在半导体衬底的高度自动化加工中是有利的。
背景技术
诸如体声波（BAW）或表面声波（SAW）滤波器之类的利用自立式隔膜结构的应用需要对某些层的+/-50MPa应力控制。为了确保此约束，不仅对晶圆到晶圆均匀性而且还对跨晶圆的总体应力均匀性是关键。如果跨结构或晶圆的膜应力变化太大，则隔膜可能出现裂缝或剥落。然而，在一些因为结构原因而不需要紧的应力控制的BAW应用中，仍然期望保持紧的应力分布以实现均匀耦合系数。
习惯做法是使用ESC吸盘来在膜蚀刻或沉积期间控制晶圆的温度。当加工衬底时存在两种类型的ESC来控制温度：约翰逊-拉贝克（J-R）型（在其中顶电介质层具有残余导电性）和库仑型（在其中顶电介质层是高电阻的）。库仑型的优点是：具有来自电极的低泄露电流并且加持力几乎不受温度影响。图1中示出库仑型ESC的一个可能的实施例。在US20060043065(A1)、US 2006164785 (Semco)、US2003-0095370A1、US_20130279066_A1和其他文档中描述了构建以及应用这些ESC的方式。在US_20130284709_A1中，公开了嵌入具有低RF损耗的ESC电介质球（puck）中的内和外RF电极的应用。
在许多应用中，在利用射频（RF）加工衬底的加工室中使用库仑或J-R型ESC。尤其当施加高RF电压时，观察到ESC的顶电介质层上的电荷累积。在这种情况下，存在在加工之后衬底不被释放的风险。
现有技术的缺点。
Advanced Modular Systems有限公司提出了实现应力的非常紧控制的一种方式。该系统使用在目标和可变磁场之间施加AC功率的双磁控管溅射。通过电磁体或通过由电动机移动的永磁体来生成用以控制应力均匀性的作为该布置的重要部分的可变磁场。据说应力均匀性可以被保持在规格内并且还在整个目标生命期间保持应力均匀性。
此类系统的缺点是为了提高应力均匀性并将它保持在特定范围内，膜（例如氮化铝，AlN）的总沉积厚度是非常不均匀的。因此，这需要另一生产步骤和使用修剪模型，在修剪模型中通过例如离子束铣削将膜厚度修剪下来以满足特定厚度。
本发明解决方案。
在RF功率被用于底座（吸盘）偏置应用的系统中，似乎存在另一种方式来影响和控制跨整个晶圆的应力分布。控制跨晶圆的应力均匀性或分布的一种简洁方式是通过利用到晶圆的RF功率耦合路径中的变化。在局部基础上改变晶圆（衬底）和底座（吸盘）之间的RF功率耦合将局部地影响应力。得到的晶圆和底座之间的RF耦合越强，就会在应力方面构建更多压缩。因此，利用更少或更弱的RF耦合将导致膜的应力更加可拉长。通过使用该原理，吸盘设计可以包含具有不同介电常数（相对介电常数）的（不同掺杂的）导电、半导电和/或绝缘材料的材料的各种复合基体/图案并且因此影响吸盘和晶圆自身之间的耦合，从而跨整个晶圆产生期望/定义的应力轮廓。
上述原理的主要益处是：
-这是将厚度均匀性问题从膜应力均匀性问题分离的硬件解决方案。这允许保持加工参数不受限制，以便在利用与晶圆的优化RF耦合通过发明性的吸盘满足应力轮廓均匀性的同时优化厚度均匀性。
-因为厚度均匀性可能已经在膜沉积期间被优化，所以不太需要或不需要应用后续加工以便将层厚度修剪到期望值。
-该技术可以被用于各种膜沉积布置和膜类型的应力控制。下面我们示出利用反应PVD溅射和AlN膜的数据，但是这不应该限制一般性的发明原理。
具体实施方式
可以通过使用静电吸盘（ESC）来实现此发明性的概念，在静电吸盘（ESC）的情况下，不同电极被嵌入非导电体中并因此影响/修改耦合到晶圆的电容性或导电性RF功率，而且作为结果修改沉积的膜应力。
图1中示出简单的示意图，在其中示出处于RF电位的底座连同ESC吸盘。在ESC主体内部，示出将RF功率电容性地耦合到晶圆和等离子体ESC电极。存在附加外部电极，其被示出为也将RF功率耦合到晶圆。附加电极的形状可以根据吸盘的形状（方形、圆形）来改变。因为通常晶圆具有圆形特性，所以首先应该考虑与晶圆中心同心地取向的圆形电极。在第一近似中，可以采用该电极材料作为具有一定阻抗的导体。然而，该电极的材料类型可以改变以便以期望方式来影响RF耦合。
图2示出跨200mm晶圆的结果得到的膜应力。晶圆边缘上的晶圆应力比晶圆中心中的更有压缩力。
图3描绘与具有附加电极的图1相似的布置。所述附加（内部）电极位于中心区域中以强调经过改变的RF耦合的影响。
图4示出与图3中的吸盘布置相对应的跨200mm晶圆的结果得到的膜应力。与图2相比，晶圆中心的膜应力更有压缩力得多。因此，将更多RF耦合中心/区域添加到吸盘主体将导致减小跨晶圆的膜应力的总体范围，并因此实现期望的特定值。这在图5中示意性地示出，在其中除了ESC电极之外，另外的电极1和2被构建在其中，因此影响将主要预期拉应力的区域。提高这些拉应力区域中的RF耦合将导致更有压缩力的膜应力并且因此跨整个晶圆的膜应力的总体范围将比高度期望的更小。电极1和2可以具有不同材料和/或组成成分，其阻抗/电抗更改RF耦合。
除了代替提高RF耦合路径之外，还可以使RF从这些区域去耦或屏蔽（遮蔽），这也将导致膜应力更改（图未示出）。例如，可以将电极布置在处于地电位（或没有被连接到RF场的任何给定电位）的吸盘主体中并因此使RF场从某些区域去耦，降低这些经过屏蔽/遮蔽的区域中的RF偏置的影响，这将再次影响局部沉积的层的应力。
电极不一定必须朝向底座/吸盘或晶圆中心同心布置。在另一实施例中，可以布置以某一图案（例如贴片（正方形、长方形）、棋盘、条纹）组织的多个电极，这将导致期望的膜应力轮廓。这可以基于着眼于给定衬底/吸盘配置的发明性的原理来确定，换言之将被相应地适配成圆的（圆形）、长方形或正方形衬底。
本发明原理的另一替代是使用具有导电/绝缘材料的不同掺杂区和/或基体的ESC吸盘，其调制阻抗并因此影响与晶圆的RF耦合。这主要在图6中示出，在其中将RF功率耦合到晶圆的每个区域（区域1到4）具有不同性质。该性质可以例如在掺杂、介电常数（相对介电常数）方面改变，这影响阻抗、电抗并因此改变RF耦合且最终导致膜应力中的变化。该原理可以被简单地应用于J-R ESC吸盘。
令人称赞的方法可以是通过改变传递RF场的ESC电极和晶圆之间的距离来仅仅改变跨晶圆/底座界面的RF电容性耦合。在图7中示出该方法。在这里有意地改变ESC电极和晶圆之间的距离“d”以增大或减小RF场影响。图片示出具有到晶圆的不同距离（d1≠d2≠d3≠d4）的4个ESC电极。
此外，为了实现期望的应力控制，不需要顶电极和底电极之间的（尺寸上的）对称性，非对称电极提供与上述等同的益处。在图8中示意性地示出这一点，在其中示出与底电极相比的顶电极的不同形状。图7中还示出了距离变化（d1≠d2≠d3≠d4≠d5）。此外，可以用各种技术来制造ESC电极。可以应用丝网印刷技术并且在顶电极和底电极之间产生互连（通孔）来传导RF信号。可替代地，这些电极可以由不同的金属（导电）材料来非常笨重地制成并与ESC主体结合，以及/或者使用特殊加工（比如烧结），在这种情况下借助于非导电底座/主体材料的掺杂用陶瓷类型的材料来产生导电电极。图8中还示意性地示出块状电极。
替代方法可以是将不同等级的RF功率递送到跨晶圆的各个位置。这可以通过使用两个或更多个RF发生器或从RF发生器供应相同等级的RF功率并利用RF线中的不同衰减来改变RF功率来实现。当然，传输线必须包含RF匹配以采纳能够将RF功率耦合到等离子体中的阻抗。在使用多于一个RF发生器的情况下，应该使用相移单元（主控振荡器）来避免干扰和驻波。
本发明没有解决高压电位和/或特定波形如何被生成、馈入或分布，这对特定ESC吸盘应用中的晶圆夹持可能是必需的。本发明性的应力控制原理是宽泛的并且可以因此被应用于单极、双极和多极ESC吸盘。
此外，本发明不限于ESC吸盘，例如在不需要高夹持力的情况下。在不将高电压施加于ESC电极的情况下还可以使用所提出的将嵌入电极作为无源底座的底座设计，在这种情况下仅RF耦合将被用来改变膜的应力。这些没有有源夹持力的无源吸盘将表现出在RF耦合中降低的效率但是应力控制原理仍可适用。
因此并总结来说，一种用于真空处理系统的固定装置或夹具包括主体，其具有用于在其上布置诸如晶圆之类的衬底的第一平面表面和与所述第一表面相对的第二表面，所述主体包括多个电极对；每个电极对都包括具有第一电极表面的第一电极和具有第二电极表面的第二电极，所述电极表面经由导电装置互连并且被布置成基本上平行于所述第一和第二表面，所述第一电极比所述第二电极更靠近所述第一表面定位并且所述第二电极比所述第一电极更靠近所述第二表面定位。一种固定装置，其中所述电极对并排布置，第一电极完全地包围第二电极对。一种固定装置，其中电极对围绕共用对称轴同心布置。
一种固定装置，其中电极对基本上具有比如以下这些的形状：
-正方形，
-长方形，
-圆形，
-圆环形。
一种固定装置，其中电极对以以下方式并排布置：
-棋盘图案，
-贴片形电极表面的不规则图案，
-一条带紧邻另一条带，
-所述变体的组合。
一种固定装置，其中电极或电极对的至少一个区域彼此不同。
一种固定装置，其中距离d被选取来描述靠近所述第一表面的电极表面和邻近所述第一表面的衬底的表面之间的有效距离；对于电极对中的至少一个与ESC主体中的所有其他电极对来说所述距离是不同的。
一种具有主体的固定装置，其中在各表面中的一个上布置具有局部变化材料性质的材料层，从而导致局部变化的RF耦合性质。
一种具有主体的固定装置，其具有归因于所述主体的材料变化的局部变化的RF耦合性质。
一种静电吸盘（ESC），包括底座，其可以与RF源操作地连接以便建立RF电位/RF偏置电压；所述底座包括表面；如上文所述的主体使其第二表面邻近所述底座的表面布置，因此能够借助于上述特征来更改底座和所述衬底之间的RF耦合性质。
如上文所述的固定装置在真空处理系统中用来在真空沉积、热处理等等中至少在处理衬底期间夹持所述衬底以实现预定义的膜应力轮廓/分布。
如上文所述的固定装置作为真空处理系统中ESC的一部分用来在真空沉积、热处理等等中至少在处理衬底期间夹持所述衬底以实现预定义的膜应力轮廓/分布。
一种用于在真空处理系统中处理衬底的工艺，包括用于夹持要被处理的衬底的固定装置，所述固定装置具有如上所述的性质。
一种用于在真空处理系统中处理衬底的工艺，包括用于夹持要被处理的衬底的ESC，所述ESC具有如上所述的性质的固定装置。
自不待言，因为技术上是合理的或有利的，功能或材料特征可以被组合。列出特征的事实应该增强它们的理解并且并不意味着它们不可被组合或表示放弃组合性。
总结。
-使用晶圆和底座之间的RF耦合的变化来实现在膜沉积期间均匀膜应力轮廓/分布。
-一种具有两个或更多不同方式（被称为路径）的吸盘/底座将RF功率偏置耦合到晶圆并且改变期望的膜应力轮廓。
ο RF路径可以使用电容性和/或直接导电性耦合或它们的组合。
o在这种情况下通过分离的RF源来为每个RF路径供应不同的RF功率等级。
o在这种情况下通过使用对应的衰减来为每个RF路径供应不同的RF功率等级。
-一种与晶圆成表面/界面的吸盘/底座包括具有不同性质以便改变RF耦合的区域。
o各区的性质可以改变表面积的尺寸、掺杂类型、掺杂浓度和/或相对介电常数以改变电容性RF耦合。
-一种通过借助于使用介电材料的不同厚度来改变晶圆和ESC/RF电极之间的距离来改变电容性RF耦合的吸盘/底座。
o还应该包括改变电介质的厚度以及相对介电常数的组合。

Claims (13)

1.一种用于真空处理系统的具有非导电主体的固定装置或夹具，该非导电主体具有用于在其上布置诸如晶圆之类的衬底的第一平面表面和与所述第一表面相对的第二表面，所述主体包括多个电极对；每个电极对都包括具有第一电极表面的第一电极和具有第二电极表面的第二电极，所述电极表面经由导电装置互连并且被布置成基本上平行于所述第一和第二表面，所述第一电极比所述第二电极更靠近所述第一表面定位并且所述第二电极比所述第一电极更靠近所述第二表面定位。
2.根据权利要求1所述的固定装置，其中所述电极对并排布置，第一电极完全地包围第二电极对。
3.根据权利要求2所述的固定装置，其中该电极对围绕共用对称轴同心布置。
4.根据权利要求1所述的固定装置，其中电极对基本上具有以下这些形状：
o正方形；
o长方形；
o圆形；或
o圆环形。
5.根据权利要求1所述的固定装置，其中电极对以以下方式并排布置：
o棋盘图案，
o贴片形电极表面的不规则图案，
o一条带紧邻另一条带，
o所述变体的组合。
6.根据权利要求1-5所述的固定装置，其中电极或电极对的至少一个区域彼此不同。
7.根据权利要求1-6所述的固定装置，其中距离“d”被选取来描述靠近所述第一表面的电极表面和邻近所述第一表面的衬底的表面之间的有效距离；电极对中的至少一个与ESC主体中的所有其他电极对的所述距离是不同的。
8.一种具有根据权利要求1-7所述主体的固定装置，其中在各表面中的一个上布置具有局部变化材料性质的材料层，从而导致局部变化的RF耦合性质。
9.一种静电吸盘（ESC），其包括与RF源操作地连接以便建立RF电位或RF偏置电压的底座，所述ESC包括根据权利要求1-8所述的固定装置。
10.根据权利要求1-8所述的固定装置在真空处理系统中用来在真空沉积工艺、在热处理等等中至少在处理衬底期间夹持所述衬底以实现预定义的膜应力轮廓/分布。
11.根据权利要求10所述的固定装置作为真空处理系统中ESC的一部分用来在真空沉积、热处理等等中至少在处理衬底期间夹持所述衬底以实现预定义的膜应力轮廓/分布。
12.一种用于在真空处理系统中处理衬底的工艺，包括根据权利要求1-8所述的用于夹持要被处理的衬底的固定装置。
13.一种用于在真空处理系统中处理衬底的工艺，包括用于夹持要被处理的衬底的ESC，所述ESC具有根据权利要求1-8所述的固定装置。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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Application publication date: 20180123

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