TW201633449A - 用於高溫ｒｆ應用的靜電吸座 - Google Patents

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Abstract

一種靜電吸座，包括定位盤、主體、DC電壓感測電路與電感器，該定位盤具有一支撐表面以及一相對的第二表面，當基板設置於定位盤上時，支撐表面支撐該基板，其中一或多個吸座電極嵌入於定位盤中，該主體具有耦接至該定位盤的該第二表面之支撐表面以支撐該定位盤，該DC電壓感測電路設置於該定位盤的支撐表面上，及該電感器設置於該主體中且靠近該主體的該支撐表面，其中該電感器電耦接至DC電壓感測電路，以及其中該電感器經配置以過濾高頻電流以準確地測量該基板上的DC電位。

Description

用於高溫RF應用的靜電吸座
本發明揭露的實施例一般係關於用於在微電子元件製造過程中固持基板的靜電吸座。
在高溫和高功率位準操作的物理氣相沉積(PVD)腔室為處理基板提供了若干優勢。雖然在高溫和高功率操作改善了薄膜性質(例如，應力密度rho及類似物)且提供良好的RF接收器效率，但是高溫和高功率導致過熱、基板背側電弧以及腔室變化。具體言之，當與RF電源一起使用時，當前用於高溫/高功率物理氣相沉積(PVD)應用的現有靜電吸座(ESC)具有局限性。這些限制可包括，但不限於，1)在高功率處理期間電極中的RF電流變得太高時，ESC過熱，2)基板背側電弧(arcing)至DC電壓感測電路(即，在本說明書中被稱為Vdc感測終端或中央接頭(c-tap)電路)，DC電壓感測電路設置於超高頻率(VHF)應用中的ESC的表面上，以及3)由提供電源給各式元件(如加熱器與設置於ESC中的電極)的無屏蔽配線引起的處理過程變化。
基於上述限制，對於改善吸座以消除或減少與高溫/高功率PVD處理相關的前述問題係有所需求的。
一種靜電吸座包括定位盤、主體、DC電壓感測電路與電感器，該定位盤具有一支撐表面以及一相對的第二表面，當基板設置於定位盤上時，支撐表面支撐該基板，其中一或多個吸座電極嵌入於定位盤中，該主體具有耦接至該定位盤的該第二表面之支撐表面以支撐該定位盤，該DC電壓感測電路設置於該定位盤的支撐表面上，及該電感器設置於該主體中且靠近該主體的該支撐表面，其中該電感器電耦接至DC電壓感測電路，以及其中該電感器經配置以過濾高頻電流以準確地測量該基板上的DC電位。
在某些實施例中，一種靜電吸座包括定位盤與主體，該定位盤具有一支撐表面以及一相對的第二表面，當基板設置於定位盤上時，支撐表面支撐該基板，其中一或多個吸座電極嵌入於定位盤中，其中該一或多個吸座電極的各者之厚度係該一或多個吸座電極的計算出的表層深度(calculated skin depth)的約3至約5倍，以及該主體具有耦接至該定位盤的該第二表面之支撐表面以支撐該定位盤。
在某些實施例中，一種靜電吸座包括定位盤、主體、DC電壓感測電路與電感器，該定位盤具有一 支撐表面以及一相對的第二表面，當基板設置於定位盤上時，支撐表面支撐該基板，其中一或多個吸座電極嵌入於定位盤中，其中該一或多個吸座電極的各者之厚度係該一或多個吸座電極的計算出的表層深度的約3至約5倍，及其中該一或多個吸座電極經由一組一或多個高溫同軸纜線而耦接至吸座電源供應，該主體具有耦接至該定位盤的該第二表面之支撐表面以支撐該定位盤，該DC電壓感測電路設置於該定位盤的支撐表面上，及該電感器設置於該主體中且靠近該主體的該支撐表面，其中該電感器電耦接至DC電壓感測電路，以及其中該電感器經配置以過濾高頻電流以準確地測量該基板上的DC電位。
100‧‧‧腔室
102‧‧‧電漿
104‧‧‧蓋件
105‧‧‧屏蔽
106‧‧‧腔室主體
108‧‧‧平臺
109‧‧‧升舉銷
110‧‧‧波紋管組件
111‧‧‧軸
112‧‧‧中空支撐軸
113‧‧‧升舉機構
114‧‧‧真空系統
115‧‧‧接地
116‧‧‧RF匹配網路
117‧‧‧RF偏壓電源供應
118‧‧‧處理氣體供應
119‧‧‧處理空間
120‧‧‧腔室內部空間的上半部
124‧‧‧基板支撐件
126‧‧‧底表面
130‧‧‧基板升舉件
131‧‧‧波紋管組件
132‧‧‧第二升舉機構
140‧‧‧吸座電源供應
141‧‧‧氣體供應
142‧‧‧加熱器電源供應
150‧‧‧靜電吸座
164‧‧‧下波紋凸緣
165‧‧‧o型環
166‧‧‧靶
168‧‧‧可控DC電源
170‧‧‧RF電漿電源供應
202‧‧‧定位盤
203‧‧‧主體
204‧‧‧吸座電極
206‧‧‧B電極
207‧‧‧高溫配線纜線
210‧‧‧外部加熱器
212‧‧‧內部加熱器
213‧‧‧高溫配線纜線
214‧‧‧DC電壓感測電路
215‧‧‧端子
218‧‧‧氣體管
220‧‧‧基座整合箱
304‧‧‧定位盤表面
306‧‧‧背側氣體通道
308‧‧‧氣孔
402‧‧‧高溫護套
404‧‧‧RF屏蔽
406‧‧‧介電芯
408‧‧‧中心導電體
本發明揭露之實施例已簡要概述於前，並在以下有更詳盡之討論，可以藉由參考所附圖式中繪示之本發明實施例以作瞭解。然而，值得注意的是，所附圖式只繪示了本發明揭露的典型實施例，而由於本發明可允許其他等效之實施例，所附圖式並不會視為本發明範圍之限制。
圖1繪示與根據本發明揭露的某些實施例之靜電吸座一起適用的處理腔室。
圖2繪示根據本發明揭露的某些實施例之靜電吸座的截面圖。
圖3A和3B繪示根據本發明揭露的某些實施例之靜電吸座的定位盤表面之俯視圖。
圖4繪示根據本發明揭露的某些實施例之圖1的同軸纜線的部分之剖切透視圖。
為便於理解，在可能的情況下，使用相同的數字編號代表圖示中相同的元件。該等圖示未依比例繪示，且可為求清楚而簡化。可以預期一個實施例的元件與特徵可有利地用於其它實施例中而無需贅述。
本說明書提供高溫RF/VHF靜電吸座的實施例。本發明的靜電吸座可有效地在高溫與(或)高功率的環境中操作，以防止過熱，減少基板與ESC支撐表面間的背側電弧，且能夠在RF應用中有可重複的效能及更高的效率。具體言之，本發明提供的ESC實施例可包括ESC定位盤中較厚的嵌入電極、緊密鄰近ESC DC電壓感測電路的高溫電感器與(或)高溫配線，較厚的嵌入電極減少電流密度且能夠有更高的電流而不會過熱，高溫電感器增加RF阻抗且因而能夠在更高RF功率與頻率處有ESC定位盤表面的DC電壓感測，高溫配線能夠在RF應用中有可重複的效能及更高的效率。
圖1係根據本發明揭露的某些實施例之電漿處理腔室的概要截面圖。在某些實施例中，電漿處理腔室係PVD處理腔室。然而，亦可以使用其他類形的處理腔室以與本說明書所述的靜電吸座之實施例一起使用。本發明所述的PVD處理腔室與ESC可在約攝氏200度 至約攝氏500度的溫度以及在約13MHz至約60MHz頻率下的約5kW至約10kW的功率間的功率位準下操作。
腔室100係適用於在高溫/高功率基板處理期間於腔室內部空間120中維持次大氣壓(sub-atmospheric pressure)的真空腔室。腔室100包括蓋件104覆蓋的腔室主體106，蓋件104封閉位於腔室內部空間120的上半部中的處理空間119。腔室100亦可包括一或多個屏蔽105，一或多個屏蔽105外接各式腔室元件以防止此等元件與離子化的處理材料之間不必要的反應。腔室主體106和蓋件104可由金屬製成，例如鋁。腔室主體106可經由耦接至接地115而接地。
基板支撐件124設置於腔室內部空間120內以支撐並固持基板S，諸如半導體基板，例如，或其他可靜電固持的基板。基板支撐件124一般可包括靜電吸座150(更詳盡地參照圖2-4描述於下面)以及用於支撐靜電吸座150的中空支撐軸112。中空支撐軸112提供導管來提供如處理氣體、流體、冷卻劑、電源或類似物至靜電吸座150。
在一些實施例中，中空支撐軸112耦接至升舉機構113，升舉機構113提供靜電吸座150於上處理位置(如圖1所示)至下傳送位置(未圖示)之間的垂直運動。波紋管組件110設置於中空支撐軸112附近且耦接於靜電吸座150與腔室100的底表面126之間，以提 供彈性密封件，其允許靜電吸座150的垂直運動，同時防止真空自腔室100內損失。波紋管組件110亦包括下波紋凸緣164，下波紋凸緣164接觸o型環165或其它合適的密封元件，下波紋凸緣164接觸底表面126以幫助防止腔室真空的損失。
中空支撐軸112提供導管，該導管用於將加熱器電源供應142、氣體供應141、吸座電源供應140、RF源(如RF電漿電源供應170與RF偏壓電源供應117)至靜電吸座150、用於冷卻的流體/氣體源(未圖示)等。在一些實施例中，RF電漿電源供應170和RF偏壓電源供應117經由個別RF匹配網路(只有示出RF匹配網路116)耦接至靜電吸座。
基板升舉件130可包括安裝於平臺108上的升舉銷109，平臺108連接至軸111，軸111耦接至第二升舉機構132以用於升起與下降基板升舉件130，使得基板「S」可置放於靜電吸座150上或自靜電吸座150移除。靜電吸座150包括通孔(如下所述)以接收升舉銷109。波紋管組件131耦接於基板升舉件130與底表面126之間，以提供彈性密封件，彈性密封件在基板升降件130垂直運動期間保持腔室真空。
腔室100耦接至真空系統114且與真空系統114以流體連接，真空系統114包括節流閥(未示出)與真空泵(未示出)，節流閥與真空泵用於為腔室100排氣。腔室100內的壓力可藉由調整節流閥與(或)真 空泵來調節。腔室100亦耦接至處理氣體供應118且與處理氣體供應118以流體連接，處理氣體供應118供應一或多個處理氣體至腔室100以用於處理設置於其中的基板。
在操作中，例如，電漿102可產生於腔室內部空間120中以執行一或多個處理過程。電漿102可藉由通過靠近腔室內部空間120或腔室內部空間120內的一或多個電極將電力自電漿電源(如RF電漿供應170)耦接至處理氣體以引燃(ignite)處理氣體並產生電漿102而產生。在一些實施例中，亦可經由電容性耦接的偏壓板(描述於下)而自偏壓電源供應(如RF偏壓電源供應117)至設置於靜電吸座150中的一或多個電極(描述於下)提供偏壓電源以吸引來自電漿的離子往基板S。
在某些實施例中，例如於腔室100係PVD腔室的例子中，包括沉積於基板S上的源材料之靶(target)166可沉積於基板上與腔室內部空間120內。靶166可由腔室100的接地導電部分支撐，例如穿過介電隔離器的鋁配接器。在其他實施例中，腔室100可包括以多陰極排列的複數個靶，以用於使用相同腔室沉積不同的材料層。
可控DC電源168可耦接至腔室100以將電壓或偏壓施於靶166。在與本發明所述的發明ESC一致的一些實施例中，DC電源168可提供在約2MHz至162MHz頻率下的約5kW至約10kW功率。在與本發明 所述的發明ESC一致的一些實施例中，DC電源168可提供在約40MHz頻率下的約7kW功率。
RF偏壓電源供應117可耦接至基板支撐件124，以在基板S上引起負DC偏壓。在一些實施例中，RF偏壓電源供應117提供13.566MHz的偏壓功率至嵌入於ESC 150中的電極。此外，在一些實施例中，負DC自偏壓可在處理期間形成在基板S上。在一些實施例中，RF電漿電源供應170亦可耦接至腔室100施加RF功率至靶166，以利於控制基板S上沉積速率的徑向分佈。在操作中，產生於腔室100中的電漿102中的離子與來自靶166的源材料反應。該反應導致靶166放出源材料的原子，源材料的原子接著導向至基板S，從而沉積材料。
圖2繪示根據本發明揭露的實施例之靜電吸座(ESC 150)的截面圖。ESC 150包括定位盤202與相對的底第二表面，該定位盤具有支撐表面以支撐基板。ESC進一步包括主體203，主體203與定位盤202的底第二表面耦接且自定位盤202的底第二表面延伸以支撐定位盤。在一些實施例中，主體作為設置在介電定位盤之下的射頻(RF)偏壓板。基座整合箱220亦圖示於圖2中，其容納/整合ESC 150使用的某些元件。
在一些實施例，定位盤202係由陶瓷材料製成的介電盤。定位盤202包括一或多個嵌入式吸座電極204、206。一或多個嵌入式吸座電極204、206可包括 設置於定位盤202第一側上的A電極(如204)以及設置於定位盤第二側上的B電極(如206)。各電極可獨立控制以提供相反電壓給各電極以產生所需的靜電力以固持基板。在一些實施例中，一或多個嵌入式吸座電極204，206經配置以接收約40MHz並發射約13.56MHz。
發明人發現在高功率應用期間，典型的薄電極過熱且表現得像電阻加熱元件。如本說明書所用的，薄電極係具有約1表層深度的厚度之電極。RF電流主要在導電體的「表層」流動，「表層」係介於外表面與一個稱為表層深度的水平面之間。表層深度係導電體中導電發生多遠的量度，且是頻率的函數。表層深度亦係導電體(即一或多個電極)材料性質以及所用頻率的函數。頻率越低，表層深度越大。在一些實施例中，吸座電極204，206係由鎢製成。在40MHz下用作鎢電極的典型薄電極係約18微米。發明人已經發現，藉由增加電極厚度至約3至5表層深度，或對於鎢增加約50微米至約90微米，以及透過更多表層深度散佈RF電流，電極不會加熱太多。即，藉由使吸座電極204、206變厚，電流密度減少且因此電極的加熱效應減少。在較厚的電極中，約60%的RF電流在第一表層深度流動，20%的RF電流在第二表層深度流動，10%的RF電流在第三表層深度流動，5%的RF電流在第四表層深度流動，依此類推。在其他實施例中，吸座電極204，206可由其它導電材料製成，如不銹鋼等。在一些實施例中，電極的厚度會基 於用於選擇的電極材料之計算出的表層深度以及將使用的頻率來選擇。
用於表層深度之習知的方程式如下：(表層深度)係三個變數，頻率(f)、電阻率(ρ)與相對介電常數(relative permeability)(μR)的函數：表層深度=δs=其中：ρ=體電阻率(歐姆-公尺)
f=頻率(赫茲)
μ0=介電常數(亨利/公尺)=4 π x10-7
μr=相對介電常數(通常~l)
除了提供相反的電壓給各電極，可提供不同的功率位準給一個或多個吸座電極204，206的各者，以補償定位盤上的現有表面電荷。一般來說，接觸基板底表面的DC電壓感測電路214(即中央接頭或c-tap)用於判定/測量基板上的現有DC電位。基板上的判定/測量的現有DC電位用於調整由吸座電源供應140供應給A電極(如204)與B電極(如206)的各者之吸座電源，使得基板可橫跨基板的整個直徑而被均勻地夾持。在與本發明揭露一致的實施例中，DC電壓感測電路214透過端子215耦接至靠近定位盤表面設置於ESC 150的主體203中電感器216。在一些實施例中，電感器216自定位盤202的中心徑向向外設置約0.5英吋至約2.5 英吋。在一些實施例中，電感器216距離定位盤202的頂表面約0.25英吋至約5英吋設置。在典型的中央接頭配置中，其中RF濾波器/電感器位於ESC的下部分中的定位盤表面距離超過12英吋的位置，發明人發現到在高功率應用(即13MHz及更大)期間，基板與ESC支撐表面上的中央接頭電路跡線之間發生背側電弧。藉由將DC電壓感測電路214與電感器216(即，濾波器)設置更靠近定位盤的表面，與本發明揭露一致的實施例有利地避免或至少大大減少背側電弧。在一些實施例中，電感器216是一種陶瓷電感器。在一些實施例中，電感器216大約是1英吋高。電感器216停止RF電流流動並過濾高頻電流以準確地測量基板上的DC電位。
圖3A和3B繪示包括根據本發明揭露的某些實施例之DC電壓感測電路214跡線的定位盤表面304之俯視圖，DC電壓感測電路214跡線耦接至端子215，端子215耦接至電感器216。在一些實施例中，定位盤表面304可進一步包括背側氣體通道306、氣孔308和氣體管218，以如提供背側冷卻與(或)去夾持氣體的壓力(dechucking gas pressure)。
吸座電源供應140可經由高溫配線纜線207而耦接至一或多個嵌入式吸座電極204，206。同樣地，加熱器電源供應142可經由高溫配線纜線213耦接至一或多個嵌入式電阻加熱器。一或多個嵌入式電阻加熱器可包括獨立控制的外部加熱器210與內部加熱器212。 與本發明揭露一致的實施例中，高溫配線纜線207與(或)213是高溫同軸纜線(即，RF屏蔽纜線)。具體言之，發明人已經發現，用於將RF傳導至ESC中嵌入的電極與自ESC中嵌入的電極傳導RF的無屏蔽纜線可能導致阻抗變化。基於無屏蔽配線以及如何配線的此等變化使得相同腔室中處理的重複性極度的困難，更不用提腔室之間的重複性。即，使用無屏蔽纜線的腔室對於無屏蔽纜線佈線中的變化係敏感的且一併產生基板均勻性與一致性的問題。因此，本發明人討論了使用特別為高溫應用(即，約攝氏200度至約攝氏500度)設計的屏蔽同軸電纜(即，高溫配線纜線207，213)，使得在RF應用中能夠有可重複的腔室效能和更高的效率。
圖4繪示根據本發明揭露的某些實施例之圖1的高溫配線纜線207的部分之剖切透視圖。具體而言，高溫配線纜線207是同軸纜線，其包括能夠承受約攝氏200度至約攝氏500度的溫度之高溫護套402。在一些實施例中，高溫護套4.02是能承受高溫的陶瓷介電絕緣體。高溫配線纜線207可包括RF屏蔽404，其由金屬材料形成。在一些實施例中，RF屏蔽是固體(solid)金屬管屏蔽。高溫配線纜線207進一步包括介電芯406和中心導電體408。
雖然前面所述係針對本發明揭露的實施例，但在不背離本發明基本範圍下，可設計本發明揭露的其他與進一步的實施例。
140‧‧‧吸座電源供應
142‧‧‧加熱器電源供應
202‧‧‧定位盤
203‧‧‧主體
204‧‧‧吸座電極
206‧‧‧B電極
207‧‧‧高溫配線纜線
210‧‧‧外部加熱器
212‧‧‧內部加熱器
213‧‧‧高溫配線纜線
214‧‧‧DC電壓感測電路
215‧‧‧端子
218‧‧‧氣體管

Claims (20)

  1. 一種靜電吸座，包括：一定位盤，該定位盤具有一支撐表面以及一相對的第二表面，當一基板設置於該定位盤上時，該支撐表面支撐該基板，其中一或多個吸座電極嵌入於該定位盤中；一主體，該主體具有耦接至該定位盤的該第二表面之一支撐表面以支撐該定位盤；一DC電壓感測電路，該DC電壓感測電路設置於該定位盤的支撐表面上；及一電感器，該電感器設置於該主體中且靠近該主體的該支撐表面，其中該電感器電耦接至DC電壓感測電路，以及其中該電感器經配置以過濾高頻電流以準確地測量該基板上的DC電位。
  2. 如請求項1所述之靜電吸座，其中該定位盤係一介電盤。
  3. 如請求項1所述之靜電吸座，其中該DC電壓感測電路包括一導電金屬跡線，該導電金屬跡線靠近該定位盤的一中心部分且部分設置於該定位盤的該中心部分附近。
  4. 如請求項3所述之靜電吸座，其中該導電金屬跡線包括自該定位盤的該中心部分徑向向外延伸 約0.5英吋至約2.5英吋的一線性跡線部分，其中該線性跡線部分電耦接至一電端子，及其中該電端子與該電感器電耦接。
  5. 如請求項1所述之靜電吸座，其中該電感器距離該定位盤的該支撐表面約0.5英吋至約2.5英吋設置。
  6. 如請求項1-5任一項所述之靜電吸座，其中該電感器係一陶瓷電感器。
  7. 如請求項1-5任一項所述之靜電吸座，其中該一或多個吸座電極包括嵌入於該定位盤中的兩個獨立控制的電極。
  8. 如請求項1-5任一項所述之靜電吸座，其中該一或多個吸座電極的各者之一厚度係該一或多個吸座電極的計算出的表層深度的約3至約5倍。
  9. 如請求項1-5任一項所述之靜電吸座，其中該一或多個吸座電極經配置以承載約13.56MHz功率至約40MHz功率。
  10. 如請求項1-5任一項所述之靜電吸座，其中該一或多個吸座電極的各者由鎢製成且具有約50微米至約90微米的一厚度。
  11. 如請求項1-5任一項所述之靜電吸座，其中該一或多個吸座電極經由一第一組一或多個高溫 同軸纜線而耦接至一吸座電源供應。
  12. 如請求項1-5任一項所述之靜電吸座，其中該第一組一或多個高溫同軸纜線包括一高溫護套、固體(solid)金屬RF屏蔽、一介電芯與一中心導電體，該高溫護套可以承受約攝氏200度至約攝氏500度的溫度。
  13. 如請求項1-5任一項所述之靜電吸座，進一步包括嵌入於該定位盤中的一或多個抗熱元件。
  14. 如請求項13所述之靜電吸座，其中該一或多個抗熱元件經由一第二組一或多個高溫同軸纜線而耦接至一加熱電源供應。
  15. 如請求項1-5任一項所述之靜電吸座，其中該定位盤的該支撐表面包括複數個氣體通道與複數個氣孔，該複數個氣體通道形成於該定位盤的該支撐表面上。
  16. 一靜電吸座，包括：一定位盤，該定位盤具有一支撐表面以及一相對的第二表面，當一基板設置於該定位盤上時，該支撐表面支撐該基板，其中一或多個吸座電極嵌入於該定位盤中，其中該一或多個吸座電極的各者之一厚度係該一或多個吸座電極的計算出的表層深度的約3至約5倍；及 一主體，該主體具有耦接至該定位盤的該第二表面之一支撐表面以支撐該定位盤。
  17. 如請求項16所述之靜電吸座，其中該一或多個吸座電極包括嵌入於該定位盤中的兩個獨立控制的電極。
  18. 如請求項16所述之靜電吸座，其中該一或多個吸座電極的各者由鎢製成且具有約50微米至約90微米的一厚度。
  19. 如請求項16所述之靜電吸座，其中該一或多個吸座電極經由一組一或多個高溫同軸纜線而耦接至一吸座電源供應。
  20. 一靜電吸座，包括：一定位盤，該定位盤具有一支撐表面以及一相對的第二表面，當一基板設置於該定位盤上時，該支撐表面支撐該基板，其中一或多個吸座電極嵌入於該定位盤中，其中該一或多個吸座電極的各者之一厚度係該一或多個吸座電極的計算出的表層深度的約3至約5倍，以及其中該一或多個吸座電極經由一組一或多個高溫同軸纜線而耦接至一吸座電源供應；一主體，該主體具有耦接至該定位盤的該第二表面之一支撐表面以支撐該定位盤；一DC電壓感測電路，該DC電壓感測電路設置於 該定位盤的支撐表面上；及一電感器，該電感器設置於該主體中且靠近該主體的該支撐表面，其中該電感器電耦接至DC電壓感測電路，以及其中該電感器經配置以過濾高頻電流以準確地測量該基板上的DC電位。
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