CN1599953A - 静电吸盘组件和冷却系统 - Google Patents

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Abstract

提供一种用于半导体制造装置的静电吸盘组件，其可用水冷却，并且不发生穿透泄漏。通过调节Cu基复合材料中的具有大的热膨胀系数的Cu和Ni以及具有小的热膨胀系数的W和Mo的比，可以得到具有与用于静电吸盘的氧化铝材料相同的热膨胀系数的高热导材料。但是，由于该复合材料具有穿透泄漏，不能在真空系统中使用。根据本发明，通过进行锻造处理，可防止击穿泄漏。同时，通过电镀或溅射施加Ni、Cr或Cu膜可改进对冷却板来说很重要的耐腐蚀性。

Description

静电吸盘组件和冷却系统
技术领域
本发明涉及一种关于用于保持晶片的陶瓷静电吸盘的技术，在半导体制造装置中该晶片用于等离子体CVD、蚀刻等等，以及特别涉及一种将水用来作为冷却剂的静电吸盘组件。
背景技术
在用于等离子体CVD、蚀刻器等等的半导体制造装置中，在其中气体流入真空装置以进行反应的状态下使用高频。在这种情况下，由于由静电吸盘吸起的晶片受热，因为晶片的温度变化而不能进行均匀的处理，除非所述热被冷却。因此，静电吸盘和冷却板结合，由此进行冷却以保持晶片的温度恒定。
对用于静电吸盘组件的冷却板，通常使用铝。这种情况下，使用全氟化物Fluoriert(商标名)等作为冷却剂。但是，由于Fluoriert具有高成本和低冷却效率的缺点，因此，人们进行了使用水代替Fluoriert的尝试。但是，由于铝对水具有较差的耐腐蚀性，水路可能被堵塞或者由于腐蚀冷却板被开孔。为了解决这些问题，考虑以Cu(铜、青铜等)优选作为冷却板的材料。
冷却板的材料需要高的热导率。包括Cu的复合材料最适合于满足该要求。但是，当在分别由Cu-W、Cu-W-Ni、Cu-Mo和Cu-Mo-Ni制成的冷却板上进行漏电测试时，材料本身发生穿透泄漏。
尽管静电吸盘具有可以应用于真空中的主要特点，但是在发生穿透泄漏的情况下不可能在真空中使用静电吸盘。
同时，Cu具有与陶瓷不同的热膨胀系数，由于使用In(铟)结合作为结合金属与陶瓷的方法，因此静电吸盘的温度变化使静电吸盘的表面平整度不期望地变化。附带的，即使在使用铝的情况下，平整度也同样地改变。这是由于静电吸盘的氧化铝陶瓷与例如铝或铜的金属之间的热膨胀系数显著的不同，由此温度的变化使In受到塑性变形。
特别地，当晶片的尺寸大于12英寸时，平整度变化的问题变得更严重。
此外，对于Cu基复合材料，需要采取措施以防止关于水的腐蚀，包括由施加电压引起的电化腐蚀。
发明内容
为了解决穿透泄漏的问题，依据本发明，提供一种包括由氧化铝和结合于其上的冷却板制成的静电吸盘组件，其中通过对包括Cu-W、Cu-W-Ni、Cu-Mo或Cu-Mo-Ni的Cu基复合材料进行锻造处理来制造冷却板。
锻造处理有效的防止穿透泄漏缺陷的原因如下：
在锻造之前，在Cu部分与W或Mo分之间的边界中存在连续的间隙，如图1(a)所示，该间隙导致穿透泄漏。但是，通过锻造处理，当复合材料受力在某一方向变形，将切断边界上的连续间隙，使其变得不连续，如图1(b)所示。
在这点上，当进行HIP处理时，由于材料在纵向和横向方向上均匀压缩，连续的间隙保留下来，而没有被切断。结果发生泄漏。
而且，为了通过锻造处理完全消除连续间隙，必须进行锻造处理使得理论上的密度比为97％或更高，锻造比为5％或更高。在图1的例子中，锻造比为100(T1-T2)/T1。
为了在控制泄漏的同时减小平整度的变化，依据本发明将冷却板和铝静电吸盘板之间的热膨胀系数调整为2×10-6/℃或更小。
此外，为了改进耐腐蚀性，依据本发明通过电镀方法、PVD方法、CVD方法等等在冷却板的水路表面上形成Ni、Cu、Cr、Ti或Sn薄膜。
同时，在依据本发明的静电吸盘组件中，在将冷却板和氧化铝吸盘板结合之后，对静电吸盘板的表面进行精密处理直到其平整度为5μm或更小。
平整度指针对静电吸盘板的表面的最高点与最低点之间的差。
同时，作为防止放电和污染的结构，对氧化铝陶瓷静电吸盘板的外围进行底切，冷却板的外侧表面覆盖氧化铝膜，使得氧化铝膜与底切部分连续。
附图说明
图1(a)是示出锻造之前的Cu基复合材料的结构图，图1(b)是示出锻造之后Cu基复合材料的结构的图；
图2是说明平整度的图；
图3(a)-(d)是其中安装了依据本发明的静电吸盘组件的等离子体处理装置的截面图；
图4是相同的静电吸盘组件的截面图；
图5是图4的主要部分的放大图；和
图6是比较氧化铝和Cu基复合材料之间的热膨胀系数的曲线图。
具体实施方式
下文中，将参照附图说明依据本发明的实施例。图3(a)-(d)是其中安装了依据本发明的静电吸盘组件的等离子体处理装置的截面图，图4是相同的静电吸盘组件的截面图，图5是图4的主要部分的放大图。
图3(a)-(d)所示的每一个等离子体处理装置中，在容器1的上部设置上电极2，在容器1的下部设置静电吸盘组件3。每一等离子体处理装置的操作如下
在图3(a)所示的等离子体处理装置中，将预定气体从图中未示出的气体引入部件按照预定的流速引入。通过图中未示出的压力控制部件将容器中的压力控制在预定的压力。通过对上电极2施加例如13.56MHz的高频产生等离子体。通过使用产生的等离子体对固定于静电吸盘组件3上的衬底进行蚀刻、膜形成、淀积的膜的剥离、抗蚀剂剥离等等。这种情况下，通过对下电极施加直流电压将衬底吸附在静电吸盘组件3上。尽管图3(a)示出了静电吸盘是单极型的，但是其也可以是双极型。
在图3(b)所示的等离子体处理装置中，将预定气体从图中未示出的气体引入部件按照预定的流速引入。通过图中未示出的压力控制部件将容器中的压力控制在预定的压力。通过对下电极施加例如13.56MHz的高频产生等离子体。通过使用产生的等离子体对固定于静电吸盘组件3上的衬底进行蚀刻、膜形成、淀积的膜的剥离、抗蚀剂剥离等等。这种情况下，通过对下电极施加直流电压将衬底吸附在静电吸盘组件3上。尽管图3(b)示出了静电吸盘是单极型的，但是其也可以是双极型。
在图3(c)所示的等离子体处理装置中，将预定气体从图中未示出的气体引入部件按照预定的流速引入。通过图中未示出的压力控制部件将容器的压力控制在预定的压力。在图中未示出的加热机制中产生活性粒子。通过使用产生的活性粒子，对固定于静电吸盘组件3上的衬底进行蚀刻、膜形成、淀积的膜的剥离、抗蚀剂剥离等等。这种情况下，通过对下电极施加直流电压将衬底吸附在静电吸盘组件3上。尽管图3(c)示出了静电吸盘是单极型的，但是其也可以是双极型。
在图3(d)所示的等离子体处理装置中，将预定气体从图中未示出的气体引入部件按照预定的流速引入。通过图中未示出的压力控制部件将容器中的压力控制在预定的压力。通过对上电极施加例如60MHz的高频，以及对下电极施加例如1.6MHz的高频产生等离子体。通过使用产生的等离子体，对装配于静电吸盘组件3上的衬底进行蚀刻、膜形成、淀积的膜的剥离、抗蚀剂剥离等等。这种情况下，通过对下电极施加直流电压将衬底吸附在静电吸盘组件3上。尽管图3(b)示出了静电吸盘是单极型的，但是其也可以是双极型。
图3(a)-(d)示出了平行板型的衬底处理装置。但是，本发明可应用于具有其它结构或机制的处理装置，只要在装置中静电吸盘受温度改变的影响。
如图4所示，静电吸盘组件3包括由Cu基复合材料制成的冷却板4、由氧化铝制成的静电吸盘板5，冷却板4和静电吸盘板5彼此结合。冷却板4由上半部分4a和下半部分4b构造，并且在上半部分4a与下半部分4b结合的状态下形成冷却水(冷却剂)道6。在静电吸盘板5中设置内部电极7。附带的，在单极型的情况下设置单个内部电极7，在双极型的情况下设置一对内部电极7。
为了装配上述静电吸盘组件3，制备静电吸盘板5合构造冷却板4的上半部分4a和下半部分4b。Cu基复合材料用作上半部分4a和下半部分4b的材料。图6是比较氧化铝和Cu基复合材料之间的热膨胀系数的曲线图。例如Cu基复合材料是12％Cu-88％W、15％Cu-85％Mo、14％Cu-2％Ni-84％Mo。其中，由于14％Cu-2％Ni-84％Mo的热膨胀系数最接近氧化铝，因此其最适合。
对上半部分4a和下半部分4b进行5％或更多的锻造处理，使得晶界中基本上没有连续的间隙。
通过电镀法、PVD法，CVD法等等，在上半部分4a和下半部分4b的表面中形成水道6的一侧上形成Ni、Cu、Cr、Ti或Sn的薄膜。接着，通过锡焊或铜焊将上半部分4a和下半部分4b彼此结合在一起，以制成冷却板4。
接着，将冷却板4和静电吸盘板5金属化，之后在结合过程中，进行锡焊或银焊(在银焊中，可以同时结合Cu基复合材料、Cu基复合材料和静电吸盘)。结合之后，对静电吸盘板5的表面进行精密处理，直到其平整度为5μm或更小，并且加工冷却板4和静电吸盘板5的外围。底切静电吸盘板5的外围，通过热喷涂在冷却板4的外部侧表面上形成氧化铝薄膜8，以得到绝缘特性。参考数字9指其中插入起模针的套管。
下面，将详细描述实施例。
实施例1
当15％Cu-85％Mo的复合材料和15％Cu-85％Mo的复合材料(对每一个进行烘焙并且进行40％锻造处理)分别加工成金属板后，进行无电的Ni电镀、烧结和电解的Ni电镀，用Bag8进行真空铜焊，由此制成冷却板。
通过PVD法将氧化铝构成的静电吸盘和复合材料构成的冷却板金属化，并且通过焊接结合。
接着，对静电吸盘的表面进行精密处理，直到其平整度为5μm或更小。底切静电吸盘板的外围，通过热喷涂喷涂具有99％的纯度的氧化铝，浸渍SiO2膜，静电吸盘板的外围和喷涂的膜同时接地。
实施例2
制备13.5％Cu-2.0％Ni-84.5％Mo的合金和13.5％Cu-2.0％Ni-84.5％Mo(对每一个进行20％的锻造处理)的合金，通过PVD法在每一个合金的表面形成Ti膜。用BAg8的真空铜焊(在Cu基材料之间、Cu基材料和金属化的静电吸盘之间提供银焊料，同时进行粘合)将这些合金与氧化铝制成的静电吸盘结合在一起
接着，对静电吸盘的表面进行精密处理，直到其平整度为5μm或更小。底切静电吸盘板的外围，通过热喷涂喷涂具有99％的纯度的氧化铝，静电吸盘板的外围和喷涂的膜同时接地。
实施例3
制备14.5％Cu-1.0％Ni-84.5％Mo的合金和14.5％Cu-1.0％Ni-84.5％Mo(对每一个进行40％的锻造处理)的合金，通过PVD法在每一个合金上形成Sn膜，并进行焊接，以制成冷却板。通过PVD法在静电吸盘上也形成Sn膜，并进行焊接。接着，对静电吸盘的表面进行精密处理，直到其平整度为5μm或更小。底切静电吸盘板的外部周边，通过热喷涂喷涂具有99％的纯度的氧化铝，浸渍SiO2膜，静电吸盘板5的外部周边和喷涂的膜同时接地。
比较实施例
通过铝焊粘合两片铝金属板，以制成冷却板。进行铝化(Almite)处理以形成铝绝缘膜。将Ti和Cu溅射到铝冷却板和静电吸盘的粘合表面，并进行铟粘合。接着，对静电吸盘的表面进行精密处理。
在预定热循环条件下对实施例1-4以及比较实施例进行测试。如表1所示，如果将Cu基复合材料用作冷却板，可将平整度控制在5μm或更小。相反，如果使用铝金属板，不能达到10μm或更小的平整度。此外，温度的变化将平整度恶化到30μm。
表1
    序号   测试片     热循环条件                 结果评估
    测试前平整度   测试后平整度   喷涂膜剥离
    1   实施例1 室温→120℃5小时-室温50个循环空气气氛     3μm凸 1μm凸     无
    2   实施例1 室温-80℃5小时→室温100个循环空气气氛     1μm凹 2μm凸     无
    3   实施例2 室温-120℃5小时→室温50个循环空气气氛     4μm凸 5μm凸     无
    4   实施例3 室温-120℃5小时→室温100个循环空气气氛     2μm凹 4μm凹     无
比较实施例   比较实施例 室温-120℃5小时→室温50个循环空气气氛     20μm凸 50μm凸     -
图2示出了在相对密度和锻造率变化的情况下的泄漏量的结果。从比较实施例6中可以看出，当相对密度为95％那么低时，即便提高锻造率，泄漏量还是很大。另一方面，从比较实施例5和7中可以看出，在锻造率低时，即便增加相对密度，泄漏量还是很大。
实施例1-6示出了，为了将泄漏量减小到10-9级，必须同时满足至少97％的相对密度和至少5％的锻造率。
表2
  比较实施例     测试片   相对密度   锻造率 泄漏量(Pa·m3/sec)   结果评估     备注
①     12％Cu-88％W   96％     0   1.0*10-7或更多     NG
②     10％Cu-3％Ni-87％W   96％     0   4.3*10-7或更多     NG
③     14％Cu-86％W   98.7％     0   2.0*10-8或更多     NG
④     10％Cu-3％Ni-87％Mo   95％     0   7.8*10-7或更多     NG
⑤     l0％Cu-3％Ni-87％W   99.2％     0   8.3*10-8或更多     NG HIP处理(HIP前的相对密度：96％)
⑥⑦     12％Cu-88％W12％Cu-3％Ni-85％Mo    95％99％     30％3％     6.2*10-7或更多5.0*10-8或更多     NGNG
  本发明 ①     12％Cu-88％W    99％     20％     5.4*10-10或更少     OK
②     10％Cu-3％Ni-87％W    99.3％     30％     2.0*10-9或更少     OK
③     12％Cu-3％Ni-85％Mo   97.0％     10％     7.5*10-9或更少     OK
④     15％Cu-85％Mo   99.9％     50％     1.0*10-9或更少     OK
⑤     10％Cu-3％Ni-85％Mo   98.3％     5％     7.5*10-9或更少     OK
⑥     10％Cu-3％Ni-85％Mo   99.8％     40％     2.1*10-9或更少     OK
锻造率＝(锻造前的厚度-锻造后的厚度)/锻造前的厚度*100
试验方法：护罩试验
基准：1.0*10-8或更小(Pa·m3/sec)
工业实用性
综上所述，依据本发明，由于将锻造的Cu基复合材料用于冷却板的材料，可以提供静电吸盘组件，其冷却效应高、表面平整度的变化小、即使在穿过纯净水测试后不发生腐蚀，以及不发生穿透泄漏。

Claims (7)

1、一种静电吸盘组件，包括：
包含氧化铝的静电吸盘板；和
结合到静电吸盘板的冷却板，
其中该冷却板通过将包括Cu-W、Cu-W-Ni、Cu-Mo，或Cu-Mo-Ni的Cu基复合材料进行锻造处理而制成。
2、根据权利要求1的静电吸盘组件，其中这样进行所述锻造处理，使得理论上的密度比为97％或更多，以及锻造比为5％或更多。
3、根据权利要求1或2的静电吸盘组件，其中将冷却板和氧化铝静电吸盘板之间的热膨胀系数差调整到2×10-6/℃或更小。
4、根据权利要求1-3任一项的静电吸盘组件，其中通过电镀法、PVD法或CVD法在冷却板中的水路的表面上形成Ni、Cu、Cr、Ti或Sn薄膜。
5、根据权利要求1-4任一项的静电吸盘组件，其中将冷却板和氧化铝静电吸盘板结合之后，对静电吸盘板的表面进行精密处理，直到其平整度为5μm或更小。
6、根据权利要求1-5任一项的静电吸盘组件，其中底切所述氧化铝静电吸盘板的外围，并在冷却板的外侧表面覆盖氧化铝膜，使得氧化铝膜与底切部分连续。
7、根据权利要求1-6任一项的静电吸盘组件，其中将纯净水用作冷却剂。
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