CN1437764A - 被处理体的保持装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的被处理体的保持装置具有：基座本体，第一电介质膜和第二电介质膜。该基座本体为凸台形状，由放置在等离子体处理装置内并保持所放置的被处理体的保持部，和设置在用于嵌入聚焦环的保持部的外周边缘上的凸缘构成。该第一电介质膜利用库仑力将放在上述保持部上的被处理体吸附在基座本体上。该第二电介质膜利用约翰逊－拉贝克力，借助比上述第一电介质膜强的吸附力，将放置在上述凸缘上的上述聚焦环吸附在基座本体上。本装置增大了聚焦环在基座本体上的静电吸附力，提高了冷却效果，并且在聚焦环附近的等离子体处理特性不会随时间改变，可以均匀地处理整个被处理体。

Description

被处理体的保持装置
技术领域
本发明涉及放置在等离子体处理装置等的处理腔内、保持被处理体的被处理保持装置。
背景技术
一般，作为在半导体晶片等被处理基片上进行等离子体处理的装置，众所周知的有CVD装置、蚀刻装置等和除去保护层掩膜的灰化装置等。
这种等离子体处理装置具有用于在导入处理气体的气氛内发生等离子体，并对装入的被处理基片进行处理的处理腔，在该处理腔(处理室)内，设置具有发生等离子体的电极功能且保持被处理体的保持装置。
图5表示现有保持装置的构成例。
该保持装置由放置作为被处理体的半导体晶片(以下称为晶片)W的载置台(基座本体)1，放置在基座本体1上面(凸部的表面)的静电卡盘2和嵌入围住该静电卡盘2的凸缘的聚焦环3构成。并且，在聚焦环3的上表面形成一个槽(台阶)，使放置的晶片W嵌入。
在基座本体1上，形成从外部导入气体、对晶片W进行温度控制的气体供给通道6。该气体供给通道6由与图中没有示出的外部气体供给源连接的基干部分6a和分支部分6b组成。该分支部分6b从基干部分6a分散开来，贯通静电卡盘2，并与在静电卡盘2的上面有多个开口的开口部7连接。
从该气体供给源供给具有热传导介质(冷却介质)功能的氦气等，可对所保持的晶片进行温度控制。高频电源4与该基座本体1连接，施加高频电力。另外，静电卡盘2形成由聚酰亚胺树脂等制成的片状电介质，在其内部设置与直流电源5连接的电极板8。当由直流电源5向电极板8施加直流电压时，产生库仑力等吸引力，将晶片W静电吸附在基座本体1一侧。
通常，利用等离子体处理装置进行的处理是在将晶片W吸附并保持在静电卡盘2上的同时，利用图中没有示出的排气系统，将处理腔内部气体排气至规定的真空度，并在导入处理气体后，从高频电源4向基座本体1施加高频电力，作为电极起作用，在对向放置的电极(图中没有示出)之间发生等离子体。该等离子体通过基座本体1上的聚焦环3，汇聚在晶片W上，对晶片W进行规定的等离子体处理(例如，蚀刻处理)。经过暴露在等离子体中的处理，晶片W的温度升高，但通过将上述氦气从开口部7向晶片W的背面吹，可以有效地进行冷却。
但是，在这种保持装置的结构中，由于考虑到维修等，只将聚焦环3嵌入基座本体1中，在聚焦环3和基座本体1之间有细小的真空间隙存在，这样，两者之间的传热性能不良，不能象晶片W那样冷却。因此，当进行晶片W的处理时，聚焦环3的温度随时间经过而升高，超过晶片W的温度。
由于所述影响，使晶片W的外周边缘的蚀刻特性恶化，这部分蚀刻不充分，会产生例如孔脱离性恶化，蚀刻的选择比降低等问题。这里，所谓孔脱离性是指利用蚀刻能够确实地达到给定深度的特性。当孔脱离性恶化时，在接触孔等中不能蚀刻至给定的深度。
特别是目前，为了产量增加和集成化程度提高，强列要求晶片W的大直径化和超微细化，而且要求成品率高。因采用可在每一个晶片W上形成尽可能多的芯片数的配置，故将器件设置在晶片W的外周边缘上。这样，聚焦环3温度的升高，对器件的成品率影响很大。
为了解决这个问题，在特开平7-310187号公报和特开平10-303288号公报(USP.5958265)中，提出了各种调节与聚焦环相当的零件的温度的方法。
这里，说明在特开平10-303288号公报中所述的技术，即利用静电吸附，吸住聚焦环(特性校正环character correction ring)，提高其接触性能并改善热传导性，提高聚焦环的冷却效果的技术。但是，在现有技术中，由于聚焦环形状复杂，成型比较费事，另外，凸缘等较薄的部位，在受热膨胀或收缩时，容易产生变形。当产生变形时，与冷却表面的接触性能变坏，可能对冷却形成障碍。
另外，由于聚焦环和晶片W的静电吸附是由相同电源同时进行吸附和打开的，故当晶片吸附和脱离电极时，聚焦环有时会浮起，当在浮起状态下与输送装置接触，会产生输送错误。因此，在现有技术中，设有机械夹紧装置，将聚焦环进一步压紧在基座本体上，这在具有冷却效果的同时，可以防止浮起。但是，这种机械装置，由于有驱动装置和夹紧件的可接合和脱开的连接装置，因此结构复杂，成为成本提高的主要原因。
发明内容
本发明的目的是要提供一种被处理体的保持装置，该装置可放置在对被处理体进行等离子体处理的装置内，可以抑制热的积蓄，使在聚焦环附近的等离子体处理特性不随时间变化，可以均匀地处理整个被处理体，而且结构简单，成本低廉。
为了达到上述目的，本发明提供了一种被处理体的保持装置，它具有：基座本体，第一电介质膜，第二电介质膜和直流电源。该基座本体内部带有温度调节装置、具有位于形成凸形的放置被处理体的凸台上表面的保持部；和形成在上述保持部的外周边缘、用于嵌入聚焦环的凸缘。第一电介质膜设在上述保持部上，通过施加直流电压，产生吸附上述被处理体的库仑力。第二电介质膜设在上述凸缘上，通过施加直流电压产生吸附上述聚焦环的约翰逊-拉贝克(Johnson-Rahbek)力。直流电源分别将直流电压施加在上述第一和第二电介质膜上。利用上述温度调节装置，可将上述聚焦环的温度和保持在上述保持部上的被处理体温度调整至大致相同。
另外，被处理体的保持装置具有：基座本体，第一电介质膜，第二电介质膜、直流电源及一个开关。该基座本体内部带有温度调节装置、具有位于形成凸形的放置被处理体的凸台上表面的保持部；和形成在上述保持部的外周边缘、用于嵌入聚焦环的凸缘。第一电介质膜设在上述保持部上，通过施加直流电压，产生吸附上述被处理体的库仑力。第二电介质膜设在上述凸缘上，通过施加直流电压产生吸附上述聚焦环的约翰逊-拉贝克力。直流电源分别将直流电压施加在上述第一和第二电介质膜上。所述开关设在上述第一电介质膜和上述直流电源之间，当处理上述被处理体时导通，在输送上述被处理体时不导通。当输送上述被处理体时，仍吸附保持着上述聚焦环。
附图说明
图1为本发明被处理体的保持装置的第一实施方式的一个结构例的截面图。
图2A，2B为第一实施方式的变形例的图。
图3为本发明第二实施方式的被处理体的保持装置的一个结构例的截面图。
图4为本发明第三实施方式的被处理体的保持装置的一个结构例的截面图。
图5为现有被处理体的保持装置的一个结构例的截面图。
具体实施方式
以下，参照附图来详细说明本发明的实施方式。
图1为本发明第一实施方式的被处理体的保持装置的一个结构例的截面图。
该被处理体的保持装置10由凸形的基座本体1，第一电介质膜14a，第二电介质膜14b和聚焦环12构成。作为被处理体的半导体晶片(以下称为晶片)W，利用图中没有示出的输送装置输送放置在基座本体1上。第一电介质膜14a覆盖着基座本体1的凸台上面的晶片载置面(保持部)11a。第二电介质膜14b覆盖着基座本体1的凸台外周边缘部分的聚焦环载置面的(凸缘)11b和凸台的侧壁面11c。聚焦环12则可装上和脱开地嵌入凸缘11b中。
供给例如13.56MHz的高频电力的高频电源13和后述的输出用于产生静电吸附力的直流电压的直流电源15与该基座本体11连接。直流电源15的输出可以调整。基座本体11由具有绝缘性的材料例如AlN，Al2O3等制成，聚焦环12由例如硅、氮化硅或碳化硅等陶瓷制成。另外，基座本体11还可通过与图中没有示出的下部电极紧密接合，通过下部电极，供给高频电力和直流电力。
上述的第一电介质膜14a和第二电介质膜14b由分别具有不同的比电阻率的陶瓷等无机材料或聚酰亚胺树脂等耐热性树脂等电介质制成。第一和第二电介质膜14a，14b可以利用陶瓷喷镀技术，制成厚度大约为600μm。具有静电吸附晶片W和聚焦环12的静电卡盘的功能。
第一和第二电介质膜14a，14b还可以例如用在氧化铝中添加导电性杂质的混合物制成，其比电阻率可分别根据添加的导电性杂质的量来适当调整。如果，第一和第二电介质膜14a，14b的膜厚薄，则绝缘耐久性降低，如果厚则吸附力降低。因此，可以相应于晶片W和聚焦环12来设定适当的膜厚。
例如，为了使膜厚为d，介电率为ε的电介质膜具有静电卡盘的功能，当从单侧施加直流电压V时，在电介质膜的两侧，每单位面积积蓄Q＝εV/d的正负电荷。这时的电荷成为库仑力等，可通过电介质膜吸附半导体晶片W和聚焦环12。但是，在用电介质膜的比电阻率小于1×1012Ω·cm的材料制成的情况下，在电介质膜上流过微小的电流，电荷积蓄在电介质膜表面上，故表观膜厚d非常小，可得到强的吸附力。已知有利用约翰逊-拉贝克力的静电卡盘。
在本实施方式中，第一电介质膜14a利用比电阻率大于1×1012Ω·cm的材料(例如，在氧化铝中添加导电性杂质的混合物)制成，利用库仑力来吸附半导体晶片W。在吸附半导体晶片W的情况下，与其说吸附力强，不如说因电荷自然分散迅速，而优先使使半导体晶片快速地吸附和脱开。
另一方面，第二电介质膜14b利用比电阻率小于1×1012Ω·cm的材料(例如，在氧化铝中添加TiO等导电性杂质的混合物)制成，利用约翰逊-拉贝克力来吸附半导体晶片W。在吸附聚焦环12的情况下，由于聚焦环12的厚度为6mm左右，因此，长时间的吸附力比电荷的迅速自然分散优先。因此，与库仑力的情况比较，在利用约翰逊-拉贝克力的情况下，在停止施加直流电压后的积蓄电荷的自然分散时间长。
在上述聚焦环12的上表面上，形成沿着内周边缘的台阶12a。当将聚焦环12安装在基座本体11上时，台阶12a由与第一电介质膜14a表面大致在同一个平面上的台阶差(深度)构成，嵌入该台阶差内的晶片W的背面，可以与第一电介质膜14a紧密接合。
这样，当将任意设定的例如2KV的直流电压从直流电源15施加至基座本体11上时，第一和第二电介质膜14a，14b的表面分别带有静电，产生静电吸附力。第一电介质膜14a利用库仑力吸附晶片W，而第二电介质膜14b利用约翰逊-拉贝克力吸附聚焦环12。
在该被处理体的保持装置中，装有两个温度调整装置，它们又可被用于冷却。一个是利用流体进行冷却的装置，另一个是利用气体进行冷却的装置。即，在基座本体11内形成冷却介质流道18，使冷却介质(例如乙二醇)在该冷却介质流道18内流动，通过基座本体11间接冷却晶片W。在基座本体11内还形成用于从外部气体供给源16导入气体，进行晶片W的温度控制的气体供给通道17。这个气体供给通道17由基干部分17a和分支部分17b组成。该分支部分17b从基干部分17a分散开来，贯通第一和第二电介质膜14a、14b，与在电介质膜上面开有多个开口的开口部17c连接。在该结构中，将温度受控制的冷却用气体例如氦气(He)，从气体供给源16通过气体供给通道17吹至晶片W的背面和聚焦环的底面，对它们进行冷却。
现在以假设将所述构成的被处理体的保持装置装在等离子体处理装置(蚀刻装置)中为例，来说明保持动作。
被处理体的保持装置安装在平行相对地配置在处理腔内的上、下部电极的下部电极上。高频电力通过下部电极给予。直流电压直接或通过下部电极给予。
输送装置从外部将晶片送入并安放在晶片载置面(保持部11a的第一电介质膜14a)上。然后，从直流电源15，将给定的直流电压施加在基座本体11上，使第一和第二电介质膜14a、14b上带静电。晶片W利用由所带的静电在第一电介质膜14a上产生的库仑力，被静电吸附保持在保持部12a上。与此同时，聚焦环12也由在第二电介质膜14b上产生的约翰逊-拉贝克力，被牢固地静电吸附在凸缘11b上。另外，在处理腔的闸阀关闭，成为气密状态后，利用排气系统排出处理腔内的气体，使处理腔减压，达到规定的真空度。
其次，在向处理腔内导入处理气体，形成处理气体气氛的同时，从高频电源13向基座本体11施加高频电力，发生等离子体。通过基座本体11上的聚焦环12将该等离子体汇聚在基座本体11上的半导体晶片W上，在半导体晶片W的表面上进行规定的蚀刻处理。
这时，晶片W暴露在等离子体中，温度升高，然而，利用温度受控制的冷却介质流道18中的冷却介质，可以冷却基座本体11，并可冷却基座本体11上的晶片W。另外，将冷却用的气体从晶片背面吹入，可以高效地冷却、控制温度。另一方面，聚焦环12也暴露在等离子体中，温度也升高。与晶片W同样，利用在冷却介质流道18的冷却介质和在气体供给通道17中的冷却用气体，可以高效地冷却聚焦环12，保持与晶片W大致相同的温度水平。这样，在两者之间几乎没有温度差，或即使有温度差，也极小。
因此，晶片W的外周边缘不受聚焦环12的温度的影响，可以在整个半导体晶片W表面上进行一定的蚀刻处理，不会有目前那种孔脱离性恶化，蚀刻的选择比恶化的问题。
如上所述，根据本实施方式，聚焦环12通过第二电介质膜14b产生的约翰逊-拉贝克力，牢固地吸附在基座本体11上，利用冷却介质流道18中的冷却介质和气体供给通道17中的冷却用气体，高效地冷却聚焦环12，保持与晶片W没有温度差。这样，可防止在半导体晶片W的外周边缘的蚀刻特性恶化，可以与晶片的内侧同样地均匀蚀刻半导体晶片W的外周边缘，提高成品率。
图2A和图2B表示第二实施方式的变形例。
这里，只说明特征的部分，其他的结构与图1所示的结构相同。
在该被处理体保持装置中，与上述实施方式一样，用陶瓷制造第一和第二电介质膜14a、14b，但也可以不用陶瓷，而用聚酰亚胺树脂或四氟乙烯树脂等耐热性树脂来制造。当使用这种树脂来制造电介质膜时，如图2所示，在基座本体1的凸台部分侧壁面11c上，形成圆环形的挡块21。通过嵌入聚焦环12，就可以抑制不通电时的浮起。在这个例子中，不限于形成三段圆环形挡块21。
另外，在本实施方式中，作为静电吸附方法，采用相对晶片W脱开性好的库仑力，而对于聚焦环，采用吸附力强难以脱开的约翰逊-拉贝克力。这样，结构简单，可抑制直流电源供给停止时的聚焦环浮起，不容易产生输送错误。
下面，说明图3所示的本发明第二实施方式的被处理体的保持装置的构成例的截面图。这里只表示了特征的部分，其他结构与图1所示的结构相同。
该被处理体保持装置的结构与上述第一实施方式的结构大致相同，但是第一和第二电介质膜不同。
通常，在要使电介质膜的静电吸附力不同的情况下，可以用介电率不同的材料来制造。另外，如上所述，在介电率相同的情况下，也可以利用这样的关系：电介质膜厚越薄，则吸附力增加，但绝缘耐久性降低；而相反，膜厚越厚，则绝缘耐久性增加，而吸附力降低。
因此，在本实施方式中，采用介电率相同的电介质膜，使保持聚焦环的第二电介质膜14b的膜厚d2比保持晶片W的第一电介质膜14a的膜厚d1薄。采用这样的结构，可使保持聚焦环的吸附力比晶片W的吸附力大。再者，当维修聚焦环12而装拆时，由于会磨擦基座本体1的侧壁面11c上的电介质膜14c，因此考虑耐久性的问题应增大膜厚。
采用本实施方式时，与上述第一实施方式同样，通过将聚焦环吸附在基座本体上，有效地进行冷却，保持与晶片W没有温度差，可防止蚀刻特性恶化，提高成品率。接下来，说明图4所示的，作为本发明第三个实施方式的被处理体的装置的一个构成例的截面图。这里，只表示特征部分，其他结构与图1所示的结构如相同。
在覆盖基座本体1的晶片载置面(保持部)11a的第一电介质膜14a的内部，设有吸附晶片用的电极22，而在覆盖聚焦环载置面(凸缘)11b的第二电介质膜14b的内部，设有吸附聚焦环用的电极23。吸附晶片用的电极22通过开关24与直流电源15连接，而吸附聚焦环用的电极23，则直接与直流电源15连接。
开关24由开关控制部25切换，控制晶片的吸附状态。即：在处理晶片过程中，使开关24接通，将直流电压施加在吸附晶片用的电极22上，利用静电吸附作用，将晶片W保持在晶片载置面11a上。另外，在输送晶片W时，将开关24断开，停止向吸附晶片用的电极22施加直流电压，使晶片W处在可脱开的状态下。另一方面，吸附聚焦环用的电极23，直接由直流电源15施加直流电压，与开关24的动作不连动。
因此，在处理晶片W时，向吸附晶片用的电极22和吸附聚焦环用的电极23施加直流电压，分别保持晶片W和聚焦环12。在输送晶片W时，可以维持吸附聚焦环12的状态。
为了改变吸附力，在施加于吸附晶片用的电极22和吸附聚焦环用的电极23上的直流电压为不同的电压的情况下，可以通过电阻器，降低开关24和吸附晶片用的电极22之间的直流电压。另外，也可以连接能将独立的电压输出给各个电极的直流电源，也可以如上述的第二实施方式那样，使电介质膜的膜厚不同。
产业上应用的可能性
如上所述，本发明的被处理体保持装置结构简单，增大聚焦环在基座本体上的静电吸附力，可提高冷却效果，在聚焦环附近的等离子体处理特性不会随时间变化，可以均匀地处理整个被处理体。另外，还可防止输送晶片W时的聚焦环的浮起，可以防止产生输送错误。另外，在上述各个实施方式中，以半导体晶片作为被处理体，但不限于此，也可适用于保持液晶显示器用的基板等装置。

Claims (14)

1.一种被处理体的保持装置，其中，包括：
具有放置被处理体的载置面且内装冷却装置的基座本体；
配置在所述基座本体的所述载置面的外周边缘的聚焦环；
设在所述基座本体的载置面上，用于吸附所述被处理体的第一静电吸附部件；以及
设在所述基座本体的所述外周边缘上，用于以大于所述第一静电吸附部件上的静电吸附所述聚焦环的第二静电吸附部件。
2.如权利要求1所述的第一和第二静电吸附部件，其特征为，具有覆盖所述载置面和所述外周边缘的上表面的电介质膜，和向所述电介质膜施加静电的电源。
3.如权利要求2所述的电介质膜，其特征为，其由陶瓷制成。
4.一种被处理体的保持装置，其中，包括：
基座本体，其内部具有温度调节装置且呈凸形形状，并具有载置被处理体的凸台上面的保持部，和形成在所述保持部的外周边缘、用于嵌入聚焦环的凸缘部；
设在所述保持部上，通过施加直流电压产生吸附所述被处理体的库仑力的第一电介质膜；
设在所述凸缘上，通过施加直流电压产生吸附所述聚焦环的约翰逊-拉贝克力的第二电介质膜；以及
分别向所述第一电介质膜和第二电介质膜施加直流电压的直流电源，
利用所述温度调节装置，将所述聚焦环的温度调整得与保持在所述保持部的被处理体的温度大致相同。
5.如权利要求4所述的第一和第二电介质膜，其特征为，其由陶瓷或含有聚酰胺树脂或四氟乙烯树脂的耐热性树脂中的任一种材料制成。
6.如权利要求4所述的第二电介质膜，其特征为，形成在所述保持部的外周侧壁上的部分第二电介质膜具有由凸起环形构成的档块。
7.如权利要求4所述的第二电介质膜，其特征为，其膜厚比所述第一电介质膜的膜厚薄，静电吸附力增大。
8.如权利要求4所述的第二电介质膜，其特征为，其由介电率比所述第一电介质膜高的材料制成。
9.如权利要求4所述的温度调节装置，其特征为，其由流体冷却装置和气体冷却装置构成，
所述流体冷却装置在所述基座本体内形成冷却介质流道，使由流体构成的冷却介质在该冷却介质流道内流动，间接冷却所述被处理体和所述聚焦环，
所述气体冷却装置在所述基座本体内形成气体供给通道，使由气体构成的冷却介质在该气体供给通道内流动，再分别从所述被处理体和所述聚焦环的背面吹入进行冷却。
10.一种被处理体的保持装置，其中，包括：
基座本体，其内部具有温度调节装置且呈凸形形状，并具有载置被处理体的凸台上面的保持部，和形成在所述保持部的外周边缘、用于嵌入聚焦环的凸缘部；
设在所述保持部上，通过施加直流电压产生用于吸附所述被处理体的库仑力的第一电介质膜；
设在所述凸缘上，通过施加直流电压产生用于吸附所述聚焦环的约翰逊-拉贝克力的第二电介质膜；
分别向所述第一电介质膜和第二电介质膜施加直流电压的直流电源；以及
设在所述第一电介质膜和所述直流电源之间，在处理所述被处理体时导通，在输送所述被处理体时不导通的开关，
在输送所述被处理体时，仍吸附保持着所述聚焦环。
11.一种被处理体的载置装置，其具有内装放置被处理体的冷却装置的载置台，和配置在该载置台的载置面的外周边缘的聚焦环，其特征为，将吸附所述被处理体和所述聚焦环的静电吸附部与所述载置面设置为一体。
12.一种被处理体的保持装置，其具有内装放置被处理体的冷却装置的载置台，和配置在该载置台的载置面的外周边缘的聚焦环，其特征为，在所述载置面上，设有分别以不同的静电吸附所述被处理体和所述聚焦环的第一静电吸附部和第二静电吸附部。
13.如权利要求11所述的静电吸附部，其特征为，具有覆盖所述载置面的电介质膜层，和向该电介质膜层施加静电吸附力的高电压电源。
14.如权利要求12所述的静电吸附部，其特征为，具有覆盖所述载置面的电介质膜层，和向该电介质膜层施加静电吸附力的高电压电源。
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