CN109155275A - 具有增强边缘密封的用于高功率的工件载体 - Google Patents

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Abstract

描述了适用于高功率工艺的工件载体。其可包括：圆盘，用以承载工件；板，通过黏着剂接合到所述圆盘；安装环，围绕所述圆盘和冷却板；以及垫圈，在所述安装环和所述板之间，所述垫圈被配置成保护黏着剂。

Description

具有增强边缘密封的用于高功率的工件载体
相关申请的交叉引用[0001]本申请要求于2016年6月21日由Kartik Ramaswamy等人所提交的名称为“具有增强边缘密封的高功率静电卡盘设计(HIGH POWER ESC DESIGN WITHENHANCED EDGE SEALING)”的先前美国临时申请第62/352,736号的优先权，在此要求其优先权以及于2016年6月7日由Kartik Ramaswamy等人所提交的名称为“具有增强边缘密封的高功率静电卡盘设计(HIGH POWER ESC DESIGN WITH ENHANCED EDGE SEALING)”的美国临时申请第62/346,849号，在此要求其优先权。
技术领域
本说明书涉及硅和微机械处理的领域，并且具体地涉及工件载体中的密封和接合。
背景技术
在半导体芯片的制造中，硅晶片或其他基板在不同的处理腔室中暴露于各种不同的工艺。这些腔室可将晶片暴露于许多不同的化学和物理工艺，由此在基板上产生微小的集成电路。构成集成电路的材料层由包括化学气相沉积、物理气相沉积、外延生长等的工艺所制成。使用光刻胶掩模和湿式或干式蚀刻技术将一些材料层图案化。基板可以是硅、砷化镓、磷化铟、玻璃或其他合适的材料。
在这些制造工艺中，等离子体可用于沉积或蚀刻各种材料层。等离子体处理提供了比热处理更多的优点。例如，等离子体增强化学气相沉积(PECVD)允许沉积工艺相比于类似的热工艺以较低的温度和较高的沉积速率下进行。因此，PECVD允许在较低的温度下沉积材料。
在这些工艺中所使用的处理腔室通常包括在处理期间用以支撑基板的基板支撑件、基座或卡盘。在一些工艺中，基座可包括嵌入式加热器，适以控制基板的温度和/或提供可以在该工艺中所使用的升高的温度。
HAR(高深宽比)等离子体蚀刻使用显著更高的偏压功率来实现无弯曲轮廓。为了支持HAR用于介电蚀刻，功率可以增加到20KW，这对ESC(静电卡盘)产生了显著的影响。许多目前的ESC设计无法承受这样的由高偏压功率所直接导致的高电压。设计在ESC中的孔可能特别受损。此外，当过量的自由基侵蚀接合时，ESC可能会在升降销区域经历接合失效。另一个影响是ESC表面温度以较高的速度变化。ESC表面的加热与所施加的RF等离子体功率成正比。热也可以是接合失效的结果。
一般工艺使用ESC来保持晶片，其中以2MHz 6.5KW的等离子体功率施加到晶片，用于蚀刻应用。高深宽比(例如100：1)应用使用更高的等离子体功率。本文描述了一种ESC，其以低频高功率等离子体电压工作，以产生高晶片偏压。较高的功率会增加ESC的失效，这是由于电介质分解以及由于设计在ESC中的各种孔和开口中的等离子体点火所引起的。
发明内容
描述了适用于高功率工艺的工件载体。其可包括：圆盘，用以承载工件；板，通过黏着剂接合到圆盘；安装环，围绕圆盘和冷却板；以及垫圈，在安装环和板之间，该垫圈被配置成保护黏着剂。
附图说明
在附图中通过示例且非限制的方式图示了本发明的实施例，其中：
图1是根据本发明的实施例的已组装的静电卡盘的等距视图；
图2是根据本发明的实施例的图示了安装环的图1的卡盘的一部分的横截面侧视图；
图3是根据本发明的实施例的具有安装板和工件的图1的卡盘的一部分的横截面侧视图；并且
图4是根据本发明的实施例的包括工件载体的等离子体蚀刻系统的图。
具体实施方式[0014]所描述的ESC可承受高功率和高偏压电压。所描述的发明的ESC具有几个新颖的特征，包括侧壁接合层保护O形环或金属垫圈，以保护接合层。在一些实施例中，O形环具有矩形或正方形形状，其填充ESC中超过90％的袋并且压缩约12％。此O形环减少了O形圈周围的气体排放可能性。它亦可防止在陶瓷顶板和铝底座板之间的接合的腐蚀，并改变ESC边缘附近的电场。
图1是组装的静电卡盘的等距视图。支撑轴212通过隔离件216支撑底座板210。中间隔离板208和上部冷却板206由底座板所承载。顶部冷却板206在加热器板的顶表面上承载介电圆盘205。圆盘具有上圆形平台和下同心圆形底座207，上圆形平台用以支撑工件204，下同心圆形底座207用以附接到加热器板。上部平台具有内部电极，用以静电附接工件。替代地，可以另一种方式将工件夹紧、抽真空或附接。在圆盘215和顶部冷却板206之间存在垫圈座218。通过此垫圈座而保持定位的垫圈形成如图2所示的安装环的密封。
ESC能够使用圆盘或冷却板中的电阻加热器，或冷却板中的冷却剂流体或两者来控制工件的温度。电功率、冷却剂、气体等通过支撑轴而提供到冷却板206和圆盘205。ESC也可使用支撑轴进行操纵并保持在适当位置。
图2是图1的ESC的一部分的横截面侧视图，示出了当使用时承载和保持ESC的安装环。冷却板206具有介电涂层230。可使用包括氧化铝的各种不同的电介质的任一种。使用黏着剂232将圆盘207的下部较大部分附接到基板。圆盘可由陶瓷所制成(诸如氧化铝或氮化铝)，且选择黏着剂以在金属冷却板和陶瓷之间提供坚固的接合并耐受等离子体处理腔室内的环境。硅环220环绕圆盘205的外边缘并提供一个凸缘以将工件(未图示)在圆盘上保持在适当位置。
冷却板或铝底座206和圆盘207通过两个安装环222、224而包围。安装环可由任何适合于耐受等离子体处理腔室的刚性材料所制成。在一些实施例中，安装环是石英。安装环通过也在图1中图示的保持在垫圈座218中的O形环226而密封铝底座和圆盘。
为了保护在陶瓷板和冷却板之间的接合层232远离等离子体，O形环填充垫圈座。O形环可由金属或弹性体材料(诸如全氟弹性体、聚氟乙烯等)所形成。在下图中，用于O形环的正方形或矩形横截面不会在O形圈通道的空间中留下足够大的等离子体点燃空间。在一些实施例中，可存在约12％的压缩，其中在O形环通道中的填充率为约90％。
当O形环和通道的形状和机械公差留下太多的空间时，则在O形环周围的空间中的电阻抗比在其他区域中的更低。这导致从RF等离子体到空间中的RF功率耦合。发生等离子体点燃和电弧。也可能聚集电荷。如果允许气体通过铝底座和石英环之间的间隙而溜走，则除了由聚集的电荷导致的电弧之外，还可能存在在这些内表面上燃烧的残余物。
陶瓷圆盘具有约为9的介电常数，而铝冷却板是非常好的电导体且具有高得多的介电常数。类似地，陶瓷具有比铝低得多的热膨胀系数。介电圆盘207与导电冷却板206的组合首先意味着当施加高功率RF等离子体时，将在冷却板中产生电流，且接着作为电荷在陶瓷周围聚集。若陶瓷周围存在有气隙，则会积累更多的电荷。空气具有1的介电常数，因此其作为比陶瓷更好的电荷聚集器。这也意味着当ESC通过极热变化循环时，因为铝膨胀和收缩超过陶瓷圆盘，黏着剂接合232将受到压力。
使用垫圈226，图2的配置提供了抵抗积聚在圆盘周围并到达黏着剂的反应气体和分子的密封。这些气体不能破坏黏着剂接合。垫圈还填充了电荷可能聚集并产生电弧的间隙。使用金属垫圈或部分导电垫圈，垫圈能够将积聚的电荷从垫圈和从陶瓷与铝之间传导离开。导电垫圈(诸如金属)在陶瓷和金属之间提供欧姆接触，以将任何积聚的电荷返回到顶板和圆盘中。在一些实施例中，导电垫圈具有类似于圆盘或约9的介电常数。这允许电流通过垫圈流到圆盘中并阻止电流通过垫圈。
导电垫圈可由填充有铝颗粒或金属带的合适的弹性体材料，或以各种其他方式中的任一种所制成。可使用金属(诸如铝、钼、钨、不锈钢、钢和镍)来制造金属垫圈。垫圈可替代地由其他非金属材料所制成，诸如碳或填充的弹性体。这些金属的一些在腔室中易受伤害，且可使用策略性放置的O形环来保护，以免受化学攻击。
如上所述，图2还图示了铝底座206上的任选的涂层230。此涂层在铝底座和石英环222、224之间，且亦在铝底座和圆盘207之间。在ESC的整个侧壁上的氧化钇或氧化铝的涂层覆盖裸露的Al并防止腐蚀。
这提供了在ESC的侧壁上具有阳极氧化板以保护铝底座及其金属污染物免受腐蚀性工艺气体(诸如氟和氯)影响的设计的显著益处。阳极氧化的底座会随着时间的流逝而受损，并且裸露的Al接着暴露于工艺气体中。这会导致金属污染问题或电弧事件。
图3是具有安装板和工件的ESC的一部分的横截面侧视图。它类似于图2，但图示了更多的部件和工件。底座冷却板206通过介电板和底座支撑板(未图示)而支撑。介电圆盘205通过黏着剂而附接到冷却板。石英安装环222、224围绕冷却板和圆盘并承载冷却板和圆盘。这些环环绕冷却板和圆盘。提供具体的配置作为示例，并可使用各种不同的安装环配置的任何一种。冷却板通过垫圈226与石英环密封。挡板228围绕安装环，如本领域已知的。
硅环220附接在圆盘205和上部石英环222之上。硅环到达圆盘的边缘，并提供用于承载工件204的凸缘。硅环围绕工件的外周边并且还支撑工件的外边缘。圆盘支撑在外边缘内的工件的其余部分。工件可以是硅晶片或用于等离子体处理的任何其他合适的材料或部件。
气体可在基座的顶表面和晶片之间被输送到晶片的背侧，以改善在晶片和基座之间的热对流。有效的径向气流改善了跨过晶片背侧的气流。气体可被泵送通过基座组件的底座中的通道到基座的顶部。质流控制器可用以控制通过基座的流动。在真空或化学沉积腔室中，背侧气体提供用于在处理期间加热和冷却晶片的传热介质。可通过在加热器基座设计中的阶梯式袋中从晶片的中心建立径向流动图案来改善气流。
图4是根据本文所述的实施例的具有基座128的等离子体系统100的局部横截面图。基座128具有主动冷却系统，其允许在宽的温度范围内主动地控制位于基座上的基板的温度，同时基板经受许多工艺和腔室状态。等离子体系统100包括具有侧壁112和底壁116的处理腔室主体102，侧壁112和底壁116限定处理区域120。
基座、载体、卡盘或ESC 128通过形成在系统100中的底壁116中的通道122而设置在处理区域120中。基座128适以将基板(未图示)支撑在其上表面上。基板可以是用于由各种不同材料的任一种制成的腔室100所施加的处理的各种不同工件的任一种。基座128可任选地包括加热组件(未图示)(例如电阻组件)，以在期望的工艺温度下加热和控制基板温度。替代地，基座128可通过远程加热组件(诸如灯组件)而加热。
基座128通过轴126而耦接到功率插座或功率盒103，功率插座或功率盒103可包括控制基座128在处理区域120内的升高和移动的驱动系统。轴126也含有电功率接口，以向基座128提供电功率。功率盒103也包括用于电功率和温度指示器(诸如热电偶接口)的接口。轴126也包括适合用以可拆卸地耦接到功率盒103的底座组件129。在功率盒103的上方图示了圆周环135。在一个实施例中，圆周环135是适于作为机械止挡件或台面的肩部，被配置以在底座组件129和功率盒103的上表面之间提供机械接口。
杆130被设置为穿过形成在底壁116中的通道124且用于致动设置为穿过基座128的基板升降销161。基板升降销161将工件从基座顶部表面提起，以允许工件通常使用机器人(未图示)通过基板传送端口160而被移除并且携进和携出腔室。
腔室盖104耦接到腔室主体102的顶部。盖104容纳与其耦接的一或多个气体分配系统108。气体分配系统108包括气体入口通道140，其将反应剂和清洁气体通过喷头组件142而输送到处理区域120B中。喷头组件142包括环形底座板148，具有相对于面板146设置在中间的阻挡板144。
射频(RF)源165耦接到喷头组件142。RF源165为喷头组件142供电以促进在喷头组件142的面板146和加热的基座128之间产生等离子体。在一个实施例中，RF源165可以是高频射频(HFRF)电源供应器，诸如13.56MHz RF产生器。在另一个实施例中，RF源165可包括HFRF电源供应器和低频射频(LFRF)电源供应器，诸如300kHz RF产生器。替代地，RF源可耦接到处理腔室主体102的其他部分，诸如基座128，以促进等离子体产生。介电隔离器158设置在盖104和喷头组件142之间，以防止向盖104传导RF功率。阴影环106可设置在基座128的周边上，阴影环106在基座128的期望的高度处啮合基板。
任选地，在气体分配系统108的环形底座板148中形成冷却通道147，以在操作期间冷却环形底座板148。传热流体(诸如水、乙二醇、气体等)可循环通过冷却通道147，使得底座板148保持在预定温度。
腔室衬套组件127设置在处理区域120内非常接近腔室主体102的侧壁101、112，以防止侧壁101、112暴露于处理区域120内的处理环境。衬套组件127包括圆周泵送凹穴125，圆周泵送凹穴125耦接到被配置以从处理区域120排出气体和副产物并控制处理区域120内的压力的泵送系统164。多个排气端口131可形成在腔室衬套组件127上。排气端口131被配置以允许以促进系统100内的处理的方式而从处理区域120将气体流动到圆周泵送凹穴125。
系统控制器170耦接到各种不同的系统，以控制腔室中的制造工艺。控制器170可包括用以执行温度控制算法(如，温度反馈控制)的温度控制器175，并且可以是软件或硬件，或软件和硬件的组合。系统控制器170还包括中央处理单元172、存储器173和输入/输出接口174。温度控制器从基座上的传感器(未图示)接收温度读数143。温度传感器可靠近晶片附近的冷却剂通道，或放置在基座的介电材料中。温度控制器175使用所感测的温度或多个温度，以输出影响在基座组件142和在等离子体腔室105外部的热源之间和/或基座组件142和散热器(诸如热交换器177)之间的热传递速率的控制信号。
系统还可包括受控的传热流体回路141，其具有基于温度反馈回路控制的流量。在示例性实施例中，温度控制器175耦接到热交换器(HTX)/冷却器177。传热流体以由通过传热流体回路141的阀所控制的速率而流过阀(未图示)。阀可结合到热交换器中或结合到热交换器内侧或外侧的泵中，以控制热流体的流速。传热流体流过基座组件142中的导管，并接着返回到HTX 177。传热流体的温度由HTX而增加或减小，并且接着流过回路而返回到基座组件。
HTX包括加热器186，用以加热传热流体，并且从而加热基板。加热器可使用围绕热交换器内的管道的电阻线圈或利用热交换器而形成，其中加热的流体将热量通过交换器传导到含有热流体的导管。HTX还包括从热流体吸取热量的冷却器188。这可使用辐射器来将热量放入环境空气或冷却剂流体中或以各种其他方式的任一种来进行。加热器和冷却器可组合，使得温度受控流体首先被加热或冷却，并接着将控制流体的热量与传热流体回路中的热流体的热量进行交换。
在HTX 177和基座组件142中的流体导管之间的阀(或其他流量控制装置)可由温度控制器175控制，以控制传热流体流向流体回路的流速。可组合温度控制器175、温度传感器和阀，以便于简化结构和操作。在实施例中，热交换器感测传热流体从流体导管返回之后的温度，并基于流体的温度和针对腔室102的操作状态所期望的温度来加热或冷却传热流体。
电加热器(未图示)也可在ESC中使用，以将热量施加到工件组件。通常将电阻组件形式的电加热器耦接到由温度控制系统175所控制的电源供应器179，以对加热器组件供能，以获得所期望的温度。
传热流体可以是液体，诸如(但不限于)去离子水/乙二醇、氟化冷却剂(诸如来自3M的或来自Solvay Solexis,Inc的)，或任何其他合适的介电流体(诸如含有全氟化惰性聚醚的那些介电流体)。尽管本说明书在上下文中描述了PECVD处理腔室的基座，但是本文所述的基座可在各种不同的腔室中使用以及用于各种不同的工艺。
背侧气体源178(诸如加压气体供应器或泵)和气体存储器通过质流计185或其他类型的阀耦接到卡盘组件142。背侧气体可以是氦气、氩气或在晶片和圆盘之间提供热对流而不影响腔室的工艺的任何气体。在系统连接到的系统控制器170的控制下，气体源将气体通过下面更详细描述的基座组件的气体出口而泵送到晶片的背侧。
处理系统100还可包括在图4中未具体图示的其他系统，诸如等离子体源、真空泵系统、接取门、微机械处理、激光系统和自动化处理系统等。提供所示的腔室作为示例，并且取决于工件的本质和所期望的工艺，各种其他腔室的任一个可与本发明一起使用。所描述的基座和热流体控制系统可适于与不同的物理腔室和工艺一起使用。
如在本说明书和所附的权利要求书中所使用的，单数形式“一(a)”、“一(an)”和“该”旨在包括复数形式，除非上下文另有明确指出。也将理解在本文中所用的术语”和/或”是指并包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有可能的组合。
本文可使用术语“耦接”和“连接”以及它们的衍生词来描述部件之间的功能或结构关系。应当理解这些术语不旨在作为彼此的同义词。相反地，在特定实施例中，“连接”可用以指示两个或更多个组件彼此直接实体、光学或电接触。“耦接”可用以表示两个或更多个组件是彼此直接或间接的(在它们之间具有其他中间组件)实体、光学或电接触，和/或两个或更多个组件彼此合作或交互作用(如，作为因果关系)。
如本文所使用的，术语“之上(over)”、“之下(under)”、“之间(between)”和“上(on)”是指相对于其他部件或层的一个部件或材料层的相对位置，其中这些实体关系是值得注意的。例如，在材料层的背景中，设置在另一层之上或之下的一层可与另一层直接接触或可具有一个或多个中间层。此外，设置在两个层之间的一个层可直接与两个层接触，或可具有一个或多个中间层。相比之下，第二层“上”的第一层与第二层直接接触。在部件组件的背景中将做出类似的区别。
应当理解，上述描述旨在为说明性的而不是限制性的。例如，尽管附图中的流程图图示了由本发明的某些实施例所执行的操作的特定顺序，但是应当理解不需要此种顺序(如，替代实施例可以不同的顺序执行操作、组合某些操作、重叠某些操作等)。此外，一旦阅读和理解上述描述之后，许多其他实施例对于本领域技术人员将是显而易见的。尽管已经参考具体的示例性实施例而描述了本发明，但是将认识到本发明不限于所描述的实施例，而是可在所附的权利要求的精神和范围内进行修改和变更来实施。因此，本发明的范围应当参照所附的权利要求书，以及这些权利要求的等效组件的全部范围来确定。
ESC设计的不同实施例的示例包括侧壁接合层保护，以防止电弧。
实施例包括上述设计，其中存在有通过例如由石英所制成的一个或多个(例如两个)环所包围的冷却板或铝底座和圆盘，以及任选地包围圆盘的外边缘的硅环，其中石英环通过O形环而密封铝底座和圆盘。
实施例包括上述设计，其中O形环接触圆盘、底座和环。
实施例包括上述设计，其中O形环具有正方形或矩形形状的横截面。
实施例包括上述设计，其中O形环不会留下足够大的空间用于在O形环通道中的空间中的等离子体点燃。
实施例包括上述设计，其中存在约12％的压缩或其中在O形环通道中的填充率为约90％。
实施例包括上述设计，其中O形环由全氟弹性体所制成。
实施例包括上述设计，其中O形环具有大于9的介电常数。
实施例包括上述设计，其中圆盘具有约9的介电常数，且例如由陶瓷(诸如氧化铝或氮化硅)所制成。
实施例包括上述设计，其中O形环是金属。
实施例包括上述设计，其中O形环是导电的，以将电荷导离底座和环之间的空间。
实施例包括用于执行上述任何功能的方法。

Claims (15)

1.一种工件载体，包含：
圆盘，用来承载工件；
板，通过黏着剂接合到所述圆盘；
安装环，围绕所述圆盘和所述冷却板；以及
垫圈，在所述安装环和所述板之间，所述垫圈被配置成保护所述黏着剂。
2.如权利要求1所述的载体，其中所述垫圈用来防止在所述圆盘和所述冷却板之间的电弧。
3.如权利要求1或2所述的载体，其中所述安装环包含环绕所述板和所述圆盘的一个或多个环，其中所述环通过所述垫圈密封所述板和所述圆盘。
4.如上述权利要求中的任一项或多项所述的载体，其中所述垫圈接触所述圆盘、所述板和所述环。
5.如上述权利要求中的任一项或多项所述的载体，其中所述垫圈具有矩形横截面。
6.如上述权利要求中的任一项或多项所述的载体，其中所述垫圈被配置成填充垫圈通道，足以防止在所述垫圈通道中的等离子体点燃。
7.如权利要求6所述的载体，其中所述垫圈在所述垫圈通道中具有约90％的填充率。
8.如上述权利要求中的任一项或多项所述的载体，其中所述垫圈具有约12％的压缩。
9.如上述权利要求中的任一项或多项所述的载体，其中所述垫圈由全氟弹性体所制成。
10.如上述权利要求中的任一项或多项所述的载体，其中所述垫圈具有大于9的介电常数。
11.如权利要求10所述的载体，其中所述圆盘具有约9的介电常数且由陶瓷所制成。
12.如上述权利要求中的任一项或多项所述的载体，其中所述垫圈是金属。
13.如上述权利要求中的任一项或多项所述的载体，其中所述垫圈是导电的并且被配置成将电荷导离所述板和所述环之间的空间。
14.如上述权利要求中的任一项或多项所述的载体，其中所述环由石英所制成，所述载体进一步包含环绕所述圆盘的外边缘的硅环。
15.一种用于承载硅晶片的静电卡盘(ESC)，所述ESC包含：
陶瓷圆盘，用来承载所述晶片；
在所述圆盘中的静电导电电极，用来静电保持所述晶片；
铝冷却板，通过黏着剂而接合到所述圆盘，以冷却所述晶片；
石英安装环，围绕所述圆盘和所述冷却板；
垫圈通道，在所述安装环和所述板之间；以及
在所述垫圈通道内的垫圈，被配置成减少所述垫圈通道中的电弧。
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