CN108538776A - 静电卡盘及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种静电卡盘，包括：电极，以及包覆在所述电极外的介质层；以及设置在所述介质层上表面的多个彼此独立的凸点；其中所述凸点由具有10‑4‑109Ω·cm电阻率的无氢非晶碳层构成。本申请还提供了制备这种静电卡盘的方法。采用无氢非晶碳作为静电卡盘上的凸点材料不仅耐磨、硬度高、电阻率低且耐高温。

Description

静电卡盘及其制造方法
技术领域
本发明涉及半导体工艺设备领域，特别地涉及一种静电卡盘及其制造方法。
背景技术
在半导体制造工艺过程中，需要使用静电卡盘(ESC)来固定被加工物体例如晶圆，避免晶圆在加工过程中出现移动。
一般来说，静电卡盘通常会包含一个或多个电极，在电极的外面会包裹介质层。以双极型静电卡盘为例，其可以包括两个电极，分别连接到直流电源两端以提供直流电压，利用静电引力将被加工物体如晶圆牢牢吸附在卡盘表面。
但是，晶圆与静电卡盘之间的这种紧密接触会导致晶圆及卡盘之间的磨损，从而引发微小颗粒的产生。并且，随着加工时间的增加，颗粒的数量会逐渐增加，导致在晶圆的背面可能附着大量颗粒。另外，这些颗粒还可能随着工艺步骤的推进被传递到不同的腔室，影响多个工艺步骤。
为了避免上述情况的发生，一种做法是在静电卡盘的表面制作数个彼此分立的凸点，利用凸点之间的空间来容纳上述微小颗粒。但在该设计中，凸点的耐高温性能以及导电性能不能较好的满足需求。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明提出了一种静电卡盘，包括电极，以及包覆在所述电极外的介质层；以及设置在所述介质层上表面的多个彼此独立的凸点；以及其中所述凸点由具有10-4-109Ω·cm电阻率的无氢非晶碳构成。
特别的，在所述凸点和所述介质层之间对应位置处设置有粘附层。
特别的，所述凸点的高度为1-3μm。
特别的，所述粘附层的材料为金属，包括钛或铬。
本申请还提供了一种制造静电卡盘的方法，包括在电极外包裹介质层；在所述介质层上设置图形化的掩膜；利用石墨靶材产生碳等离子体并在所述掩膜上沉积无氢非晶碳层；以及移除所述掩膜，形成包含无氢非晶碳凸点的静电卡盘，所述无氢非晶碳凸点的电阻率为10-4-109Ω·cm。
特别的，所述方法还包括在形成所述无氢非晶碳层之前，在所述介质层上先沉积经所述掩膜图形化的粘附层。
特别的，所述粘附层包括金属钛或铬。
特别的，进行所述沉积无氢非晶碳层的工艺温度不高于80摄氏度。
特别的，所述方法还包括利用磁场对所述碳等离子体进行过滤和/或聚焦。
特别的，所述无氢非晶碳凸点的高度为1-3μm。
附图说明
下面，将结合附图对本发明的优选实施方式进行进一步详细的说明，其中：
图1所示为静电卡盘工作状态示意图；
图2所示为根据本申请一个实施例制备静电卡盘的方法流程图；
图3a-图3f所示为根据本申请一个实施例的制备静电卡盘的工艺步骤状态图；以及
图4为根据本申请一个实施例利用过滤阴极真空电弧技术(FCVA)来制备静电卡盘的设备示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在以下的详细描述中，可以参看作为本申请一部分用来说明本申请的特定实施例的各个说明书附图。在附图中，相似的附图标记在不同图式中描述大体上类似的组件。本申请的各个特定实施例在以下进行了足够详细的描述，使得具备本领域相关知识和技术的普通技术人员能够实施本申请的技术方案。应当理解，还可以利用其它实施例或者对本申请的实施例进行结构、逻辑或者电性的改变。
DLC(Dimond-like-carbon)中文名为类金刚石，是一种由碳元素构成，在结构上和性质上与金刚石相似的一种物质。之所以被称为类金刚石，是因为其同时含有组成金刚石的SP3键，和组成石墨的SP2键。DLC是一种非晶物质，由于其具有高硬度、高弹性模量和低摩擦系数，因此具有耐磨损和良好的真空摩擦学特性，很适合作为耐磨涂层。对于静电卡盘来说，DLC材料能够很好的抑制颗粒的产生。所以说，从硬度和耐磨性能这两个指标来讲，DLC是适合作为静电卡盘凸点的材料。
DLC分为含氢和不含氢两种，前者被称为含氢非晶碳(a-C:H)或含氢类金刚石碳(DLHC)，后者被称为无氢非晶碳(a-C)。另外，SP3键杂化碳含量较高的无氢非晶碳又被称为四面体非晶碳(ta-C)。
由于制备DHLC的CVD反应物是含H的烷烃，烯烃等，生成的薄膜中难以避免含有氢元素，其SP3键的含量通常在20-30％左右。静电卡盘的工作温度一般在250℃以上，有时候甚至高于500℃。在这样的高温工艺中DHLC中的氢会发生解离，可能会造成凸点脱落，不仅影响静电卡盘对晶圆的固定效果，氢元素在腔室中的存在甚至会对工艺流程产生不希望的影响。
另外，含氢非晶碳的体积电阻率在108Ω·cm到1013Ω·cm，也不能满足凸点材料对于电阻率的要求。
经过观察，本申请发明人发现，无氢非晶碳例如ta-C是作为静电卡盘凸点材料的更好选择。首先，无氢非晶碳的SP3键含量高达85％左右，硬度远高于含氢非晶碳。其次，无氢非晶碳中不含氢，在高温条件下不会发生氢解离，也不会对工艺流程产生负面影响。以下就结合具体实施例对采用无氢非晶碳作为凸点材料的静电卡盘进行详细的介绍。
图1所示为静电卡盘工作状态示意图。如图1所示，静电卡盘100可以包括例如两个电极101，电极101可以分别耦合到直流电源的两端。当然，本申请方案同样适用于包括不同数量电极的静电卡盘。电极101的外部可以包覆有介质层102，例如Al2O3，AlN，SiC等陶瓷材料，或者是在陶瓷中参杂了金属氧化物的半导体材料等。
如图1所示，在介质层102的上表面可以设有数个彼此独立的凸点103，不同的凸点103之间可以根据设计需要保留一定的距离。晶圆可以基于静电引力被固定在凸点103上。这样在不同凸点103之间就营造出一个个容纳颗粒的小空间。只要凸点103的高度大于颗粒的尺寸，就可以保证颗粒无法接触并附着到晶圆的下表面。
根据本申请的实施例，凸点103由具有10-4-109Ω·cm电阻率的无氢非晶碳构成，例如ta-C。该由具有10-4-109Ω·cm电阻率的无氢非晶碳所构成的凸点可以满足对凸点结构所需求的导电性能方面的要求。该凸点的高度为1-3μm。
且在本申请实施例中，在凸点103和介质层102之间对应位置处设置也可设置有粘附层(图中未示出)，以提高凸点与介质层之间的粘附性，该粘附层的材料为金属，包括钛或铬。
图2所示为根据本申请一个实施例制备静电卡盘的方法流程图。图3所示为根据本申请一个实施例的制备静电卡盘的工艺步骤状态图。
在步骤201，可以首先在电极(图中未示出)周围包覆介质层，从而形成如图3a所示的静电卡盘的基座301。根据一个实施例，介质层可以采用例如Al2O3，AlN，SiC等陶瓷材料，或者是在陶瓷中参杂了金属氧化物的半导体材料等。
在步骤202，在基座301的上表面或者说在介质层上设置图形化掩膜。根据一个实施例，图形化掩膜可以是在制备静电卡盘之前就制备好的掩膜板。根据一个实施例，掩膜板可以采用热膨胀系数较低的陶瓷材料来制作。如果采用沉积温度比较低的技术来形成无氢非晶碳的话，掩膜板的材料既可以选择陶瓷，也可以选择热膨胀系数较低的金属材料，如KOVAR等。根据不同的实施例，可以通过胶黏或者采用紧固装置将掩膜板固定在基座301上。
掩膜板上可以设有数个孔，每个孔对应着一个凸点，孔的形状、孔间距以及掩膜板的厚度关系着凸点的形状、间距和高度。当然，这些参数都可以根据实际需要来设计。当然凸点的高度也与进行沉积操作的时间相关。
根据另一个实施例，也可以在形成静电卡盘凸点的过程中形成图形化的掩膜。
例如，在步骤2021，如图3b所示，可以在基座301的上表面形成一层掩膜层302，例如光刻胶。掩膜层302的厚度可以大于或等于需要形成的凸点的高度。
在步骤2022，如图3c所示，可以根据所需要实现的凸点的形状和间距来对掩膜层302进行图形化，从而形成图形化的掩膜302’。
无论图形化掩膜是如何形成的，都不会影响以下描述的凸点形成的过程。
可选择的，在步骤203，如图3d所示，可以在该图形化的掩膜上先沉积粘附层303。为增加无氢非晶碳在基座301的介质材料(例如AlN，SiC，Al2O3等)上的粘附性，所以可以在形成无氢非晶碳层304前，先形成一层粘附层(过渡层)303。根据不同的实施例，粘附层303的材料可以包括铬、钛等粘附性能较好的金属。根据实际应用的需要，也可以添加更多层结构来增加粘附力。当然，即便没有粘附层303的存在，直接在图形化的掩膜302’上形成无氢非晶碳层304也是可以的。
在步骤204，在基座301上或者说在介质层上设置直接沉积形成无氢非晶碳层304，或者在粘附层303上沉积形成无氢非晶碳层304如图3e所示。根据一个实施例，沉积无氢非晶碳层304的工艺温度低于80℃或者更低。
在步骤205，移除掩膜。如果掩膜是独立于基座301的掩膜板，那么直接通过机械方式移除即可。如果掩膜302’是生长在基座301上的光刻胶层，可以利用显影操作去除光刻胶并剥离其上的无氢非晶碳层和粘附层，露出彼此独立的、无氢非晶碳凸点305，且该无氢非晶碳凸点305的电阻率为10-4-109Ω·cm。由于显影剂通常是有机溶剂，对于粘附层和无氢非晶碳层都不会产生任何影响。且该无氢非晶碳凸点305高度h为1-3μm。
图4为根据本申请一个实施例利用过滤阴极真空电弧技术(FCVA)来制备静电卡盘的设备示意图。
如图4所示，该设备可以包括电源401，例如arc电源，腔室402，以及置于腔室中的石墨靶403。采用这种设备来制备静电卡盘凸点的情况下，图2所示的形成静电卡盘的方法中的步骤204可以进一步包括：
在步骤2042，arc电源401通过电弧的作用使位于腔室402的第一部分中的石墨靶403产生碳等离子体，其能量可以根据不同的工艺要求进行精确控制。
在步骤2043，在腔室402的第二部分中可以设置有过滤磁场，以将碳等离子体中的宏观粒子、原子团过滤干净。经过这样磁过滤处理后，用于沉积的离子体的离化率可高达100％，并且可以过滤掉大的颗粒。
在步骤2044，经过滤后的等离子可以通过位于腔室402第三部分的聚焦磁场到达掩膜和静电卡盘基座，从而在静电卡盘基座上沉积一层经图形化的无氢非晶碳，例如ta-C膜，最终形成无氢非晶碳凸点。根据一个实施例，该无氢非晶碳凸点305的高度可以为1-3μm左右。
根据另一个实施例，同样可以采用FCVA技术和设备来制备凸点结构，区别在于在该凸点和介质层之间对应位置处设置有粘附层。那么，图2所示的形成静电卡盘的方法中的步骤203可以进一步包括：
在步骤2041，在腔室402的第一部分里悬挂对应粘附层材料的靶材，如铬靶。在形成无氢非晶碳层之前可以先将粘附层靶材旋转到对应腔室的位置，然后采用类似于上面描述的FCVA方式，先在基座表面沉积一层经图形化的粘附层。然后再继续进行步骤2042-2044的操作。根据一个实施例，经图形化的粘附层的厚度可以为几百nm到3μm左右，从而最终粘附层和无氢非晶碳凸点二者高度和可以为2-6μm左右。
采用上述工艺步骤能够很好的控制无氢非晶碳凸点的电阻率，该无氢非晶碳凸点的电阻率为10-4-109Ω·cm，可以满足对于凸点材料在导电性能方面的要求。
当然，除采用FCVA方式来制备无氢非晶碳凸点外，也可以采用其他的PVD方式，例如离子束沉积，射频溅射法，真空阴极电弧沉积法等，也能获得不含氢且具有适合导电性能的无氢非晶碳凸点。
总之，采用本申请提供的制备静电卡盘的方法，利用PVD方式形成包含无氢非晶碳凸点的静电卡盘，此过程仅仅需要高纯度碳靶而不需要任何含有H元素的素材，所以制备出的类金刚石薄膜不含有氢元素。且该无氢非晶碳凸点的耐高温性能好，在800℃下的真空环境中不会发生任何性质变化，即使是在大气环境中，无氢非晶碳凸点最高耐温也能达到500℃。所以，包含无氢非晶碳凸点的静电卡盘能够满足对于高温稳定性的需求。
此外，无氢非晶碳的SP3键含量高达85％左右，因此其拥有较其他材料更高的硬度。
采用过滤阴极真空电弧技术(FCVA)产生的用于镀膜的等离子体是100％离化的。在无需加热静电卡盘的条件下，经过磁场交互作用后，FCVA镀膜离子具有更高、更均匀的能量，从而在低温条件下可以形成致密、高硬度、低电阻率、具有超强附着力的膜层。
另外，由于PVD例如FCVA的操作温度低，因此可以采用金属材质的掩膜板。金属材料的价格通常低于陶瓷材料，所以采用本申请介绍的制备方法能够大幅降低凸点的制备成本。
再之，在无氢非晶碳凸点和所述介质层之间对应位置处设置粘附层，可提高凸点结构与卡盘介质层之间的粘性，可以进一步提高静电卡盘的可靠性。
上述实施例仅供说明本发明之用，而并非是对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此，所有等同的技术方案也应属于本发明公开的范畴。

Claims (10)

1.一种静电卡盘，包括：
电极，以及包覆在所述电极外的介质层；以及
设置在所述介质层上表面的多个彼此独立的凸点；
其中所述凸点由具有10-4-109Ω·cm电阻率的无氢非晶碳构成。
2.如权利要求1所述的静电卡盘，其中在所述凸点和所述介质层之间对应位置处设置有粘附层。
3.如权利要求1所述的静电卡盘，其中所述凸点的高度为1-3μm。
4.如权利要求2所述的静电卡盘，其中所述粘附层的材料为金属，包括钛或铬。
5.一种制造静电卡盘的方法，包括
在电极外包裹介质层；
在所述介质层上设置图形化的掩膜；
利用石墨靶材产生碳等离子体并在所述掩膜上沉积无氢非晶碳层；以及
移除所述掩膜，形成包含无氢非晶碳凸点的静电卡盘，所述无氢非晶碳凸点的电阻率为10-4-109Ω·cm。
6.如权利要求5所述的方法，还包括在形成所述无氢非晶碳层之前，在所述介质层上先沉积经所述掩膜图形化的粘附层。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述粘附层包括金属钛或铬。
8.如权利要求5所述的方法，其中进行所述沉积无氢非晶碳层的工艺温度不高于80摄氏度。
9.如权利要求5所述的方法，还包括利用磁场对所述碳等离子体进行过滤和/或聚焦。
10.如权利要求5所述的方法，其中所述无氢非晶碳凸点的高度为1-3μm。
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