TW201712794A - 使用多層陶瓷製造技術之點火預防 - Google Patents

Abstract

根據本揭露內容，提供許多發明，包括含有多層切除部的靜電卡盤設備，其中該多層切除部形成界定冷卻氣體或加熱氣體之路徑的曲徑結構。該結構預防微粒加速，以免其在氣流路徑中形成不需要的點火現象。

Description

使用多層陶瓷製造技術之點火預防

本發明係關於在處理或清潔操作期間預防對晶圓背側進料的靜電卡盤(ESC, electrostatic chuck)之孔洞中的點火現象(lightup)。

在半導體材料處理設施中，電漿處理腔室往往用於例如蝕刻及沉積之操作。通常，半導體晶圓係安置於在處理期間固持該晶圓的ESC上。ESC可具有用於容許氣體進入晶圓被固緊之側的孔洞，以促進晶圓之冷卻或加熱，或以在ESC表面之電漿清潔期間吹淨ESC中的孔洞特徵部。

在低壓氣體存在於ESC孔洞內之情況下，及存在電壓梯度的情況下，可能會發生輝光放電或電弧之形式，其可能會對製程有害。美國專利第6,033,585號討論藉由為所散布的氣體提供曲折的路徑來避免ESC內氣體散布孔洞中的點火現象，其中預防了點火現象。美國專利第8,503,151號討論使用介電避雷器嵌入件來預防電弧及點火。

如應用於靜電卡盤中的氣體孔洞，美國專利第6,108,189號意欲藉由以介電材料塗佈靜電卡盤中之孔洞的內部來解決電弧及點火的問題。然而，此並無法降低孔洞內之氣體分子的路徑長度。其亦討論在靜電卡盤中面對晶圓之孔洞的開口處使用介電層。使用通過頂介電層之單一孔道會遇到的問題為，取決於設計，此頂層可能為厚得足以使通過其的單一孔道可能引起點火。

該第6,108,189號專利描述另一解決方案，其為在靜電卡盤之頂層中使用介電材料的多孔插塞，以使氣體行進一曲折路徑而通過靜電卡盤中之孔洞的。然而，許多此類配置可能會留下間隙，該間隙可能會導致點火。此外，製造及校準此類多孔插塞可能為困難且複雜的。

目前存在用於在靜電卡盤中預防點火的較佳系統及方法之需求，該系統為有效的，並消除微粒可被加速之開放空間的長延伸範圍，且根據靜電卡盤的目前設計，其係易於製造。

本說明書中描述許多發明實施例。在一實施例中，一種用於電漿處理腔室中的靜電卡盤可包含基底，其中氣體入口通過該基底。在此範例中，在該基底上方可存在晶圓陶瓷且構成該靜電卡盤之頂表面，該晶圓陶瓷用於在進行電漿處理之晶圓下方提供安置作用。該晶圓陶瓷可包含複數陶瓷層，其中各陶瓷層可含有一或更多切除部，該等切除部可部分地或完全地通過各層，該等切除部形成與該氣體入口直接或間接流體連通的曲徑。在該曲徑內的任何位置，向著該晶圓陶瓷內之表面的瞄準線在任何方向上可小於約4 mm。

在另一實施例中，上述之靜電卡盤更可包含插塞開口，其可構成自氣體開口至曲徑的通道、及位於該插塞開口內的多孔陶瓷插塞。

在另一實施例中，靜電卡盤可藉由下列步驟而形成，該等步驟包含：提供該基底，其中該氣體入口通過該基底；提供該複數陶瓷層；形成該等陶瓷層之各者內的該等切除部；及接合該等陶瓷層，以使該等陶瓷層形成該晶圓陶瓷，例如藉由共同燒結、以玻璃熔塊來結合、使用黏著劑、或其他方法。

本說明書中所述之另一實施例係為用於電漿處理腔室中之靜電卡盤的嵌入件。此嵌入件可包含複數陶瓷層，其中各陶瓷層含有一或更多切除部，該等切除部形成與氣體入口直接或間接流體連通的曲徑。在該曲徑內的任何位置，向著該陶瓷層內之表面的瞄準線在任何方向上可小於約4 mm。頂部之陶瓷層中的該切除部可形成該嵌入件的頂部開口，而底部之陶瓷層中的該切除部可形成該嵌入件的底部開口。此外，其中可安排該嵌入件的尺寸及配置以穩固地安裝於該靜電卡盤內的嵌入開口內，以便提供流體路徑，其始於該靜電卡盤中該底部開口下方的氣體入口，接著通過該底部開口，之後通過該曲徑，而然後通過該頂部開口。在一實施例中，上述嵌入件可在一或更多側面上塗佈有電絕緣材料，以使該塗佈不會阻擋該頂部開口或該底部開口。

本說明書中所述之另一實施例係為一種將上述之嵌入件安置於靜電卡盤內的方法。此方法可包含設置靜電卡盤，該靜電卡盤具有該嵌入開口位於其頂表面中，以及將該嵌入件嵌入至該嵌入開口中，以使該底部開口對準該靜電卡盤之該氣體入口。在一範例中，可利用結合材料將該嵌入件結合至該嵌入開口。

本發明之此等及其他特徵將於以下「實施方式」中、並結合下列圖示而加以詳述。

現將參考隨附圖式中所說明的一些實施例而詳細描述本發明。在以下敘述中，提出特定細節以提供對於本發明之徹底瞭解。然而，本發明可在不具有此等特定細節之若干或全部的情況下加以實施，且本揭露內容包含根據此技術領域中之通常知識可完成之修改。為避免不必要地混淆本揭露內容，眾所周知的製程步驟及/或結構並未詳加描述。

本說明書中所描述的係為用於在靜電卡盤中預防點火的設備及方法。一實施例顯示於圖1中，其為靜電卡盤之部分的示意橫剖面圖。靜電卡盤可為電漿處理腔室的部分，該電漿處理腔室包含開放腔室區域100，電漿可於該區域中形成。靜電卡盤可包含基底板101。基底板可藉由黏著劑105而連接至晶圓陶瓷104。在一實施例中，黏著劑可為以矽為基礎的。在一實施例中，晶圓陶瓷的厚度可為1–6 mm，或較佳為3–5 mm。可在晶圓陶瓷上安置晶圓102以進行處理。

當晶圓安置於卡盤上時，在晶圓陶瓷與晶圓之間可能會存在小間隙103。在一範例中，間隙可為約1–13微米寬的量級，但各種設計可能有不同的間隙寬度。當使用晶圓背側之氣體冷卻時，此間隙可維持在較附近的腔室區域100更高的壓力。在此情況下，下壓在晶圓上的靜電力可與此間隙中的氣體壓力所造成的向上力平衡，或超過向上力，因此在處理期間使晶圓保持在卡盤上且使其保持平放的，而有助於晶圓上的溫度控制。

在若干先前技術設計中，使用小(約0.5 mm)管件來將氣體(例如：氦)輸送至晶圓背側下的間隙103。然而，當此類管件變得越長，其對分子及離子提供長路徑，而使其因電壓梯度而加速然後引起點火或電弧。間隙可部分擴展且填充有多孔插塞，但由於裝配靜電卡盤之頂層時的難處(包含校準插塞且確保在插塞附近不存在不需要的管道)，此類插塞可能較差於最理想的狀況。

在新設計的一實施例中，晶圓陶瓷104可藉由堆疊薄陶瓷層而形成。在此範例中共有五層，但可能更多或更少，例如三層、十四層、或更多層。在一實施例中，此等層係可共同燒結而形成單一陶瓷件，或以其他方式接合或結合；例如，以玻璃熔塊作為結合材料來接合，或使用黏著劑來接合。此等薄層可具有切除部107。在一實施例中，可配置此等切除部使其可於各層中錯開，以使陶瓷構造的高點產生中空的管道特徵部，該管道特徵部將透過管道傳導氣體，但以會降低或預防點火發生之如迷宮般的方式進行。切除部可為通過整個層的特徵切口，或替代地，可為僅通過一層之部分的特徵切口。在較佳情況下，曲折管道之特徵應非為微粒通過其可能會加速至引起點火之點的單一平直路徑，而各種彎曲可迫使微粒與管道壁碰撞，因而預防點火。在其區域各處，晶圓陶瓷可具有通往晶圓下側之任何數量的此類曲折通道系統。圖1顯示僅一個此類通道系統，但相同卡盤上的其他者可具有類似的配置。切除部107可以許多方式來形成，包含藉由該等層的雷射切割、研磨、鑽削、或積層製造。

在一實施例中，可藉由管件106自下方對曲折管道進料，其最終連接至例如氦的氣體源。可選擇地，此管件可具有在其內的其他點火現象預防措施。管道進入卡盤主體越深，則極可能將存在越少點火帶來的問題。例如，通過卡盤而至晶圓陶瓷的路徑可能具有一或更多針對一多孔插塞108的切除部。在一實施例中，插塞可由多孔之燒結的氧化鋁所形成。取決於插塞108如何設置於切除部內，在多孔插塞周圍可存在管道110，或在多孔插塞上方可存在某個容積109。在若干實施例中，此等管道及開放空間可填充有另一材料， 或在另一實施例中，插塞可升至基底板101上方，而使容積109最小化。在若干實施例中，可利用氧化鋁、或某些其他陶瓷、或例如聚合物之絕緣材料塗佈多孔插塞108的側面，較佳留下頂表面及底表面未塗佈。此可用於使可能發生電弧的插塞區域絕緣。

圖2係為晶圓陶瓷內一組說明性之曲折管道的視圖。開放管道在此描繪成其似為實心的，但在晶圓陶瓷內其將為由固體材料所包圍的開放管道。在此特定範例中，管道分別形成於六個層201–206內。各層形成彎曲的路徑。較佳地，此等彎曲路徑之各者內，任何微粒可行進的最大直線將小於約0.5 mm；然而，可使用更長的路徑，例如2 mm、4 mm、或6 mm。在此範例中，氣體微粒可通過層206而進入晶圓陶瓷，上移至層205中的管道，然後進入各接續的層204、203、202，然後最終進入201，氣體在該處可排出至晶圓下的氣體間隙。

圖3A係為另一組範例曲折管道的俯視圖，而圖3B係為沿軸A–A的橫剖面圖。在該實施例中，管道通過五個層而形成半圓圖案。氣體可由入口孔洞301下方進入層5，然後沿曲折路徑行經該等層而至層1的出口孔洞302。此等層的各者係詳加描繪於圖4中。在此範例中，層2及4容納半圓管道，而層1、3、及5容納孔洞以使通道以向上的方向通過該層。

在另一實施例中，代替由靜電卡盤頂端之晶圓陶瓷中的開口所形成之如迷宮般的氣體路徑，曲折路徑可在分開的部件內形成，其作為嵌入靜電卡盤中之開口的嵌入件而使用，其範例係繪示於圖5A(俯視圖)及5B(沿剖面A–A的橫剖面圖)。此類嵌入件可例如為多孔插塞的代替物，且達到類似的作用。其可藉由與如上所述之層狀晶圓陶瓷類似的製程而製成，例如藉由共同燒結分開之層或藉由以玻璃熔塊或黏著劑來結合。各層可具有切除部(通過整個層或通過一層之部分)以界定曲折路徑。在一實施例中，各管道部分(包含足以容納管道的固體材料)可自較大的陶瓷件切割而成，或者該等層可製造成其最終尺寸，然後再結合在一起。在一實施例中，可以電絕緣材料501塗佈此類嵌入件。在一實施例中，此塗層可設置於嵌入件的側面上，其排除了頂部及底部，以免分別阻擋底部及頂部開口502及503。

在一實施例中，可使用取心鑽或熟習陶瓷製造領域者所熟知的其他陶瓷製造技術來製造切除部部件。切除部部件接著可結合至能承載氣體的陶瓷或基底板中之配合的孔洞特徵部中。

在另一實施例中， 可將嵌入件的各層製造成接近所需的淨尺寸。可燒製該等層的各者，或以其他方式將其結合在一起，且接著可進行最終研磨以使嵌入件縮小至所需尺寸。

在一實施例中，顯示於圖6中，可使用未徹底延伸通過各層而是僅通過一層之部分的切除部來形成曲折樣式。例如，單一層可容納開挖於一側上的鑽孔601及管道602，以使鑽孔601與管道602相連通。在此範例中，氣體可進入鑽孔601，行經管道602，而接著至管道603，然後自鑽孔604排出。在另一範例中，層的一側可在一方向上容納管道，而該層的相反側可在另一方向上容納管道，其中兩管道相會於某個點，因而在該兩管道間形成連接。

儘管已藉由許多較佳實施例來描述本發明，但仍有許多落於本發明範疇內之替換、變更、及各種置換均等物。有許多實施本說明書中所揭露之方法及設備的替代性方式。因此欲使以下隨附請求項解釋為包含所有落於本發明之真正精神及範疇內的此類替換、變更、及各種置換均等物。

100‧‧‧基板處理設備
100‧‧‧腔室區域
101‧‧‧基底板
102‧‧‧晶圓
103‧‧‧間隙
104‧‧‧晶圓陶瓷
105‧‧‧黏著劑
106‧‧‧管件
107‧‧‧切除部
108‧‧‧插塞
109‧‧‧容積
110‧‧‧管道
201‧‧‧層
202‧‧‧層
203‧‧‧層
204‧‧‧層
205‧‧‧層
206‧‧‧層
301‧‧‧入口孔洞
302‧‧‧出口孔洞
1‧‧‧層
2‧‧‧層
3‧‧‧層
4‧‧‧層
5‧‧‧層
502‧‧‧底部開口
503‧‧‧頂部開口
501‧‧‧電絕緣材料
601‧‧‧鑽孔
602‧‧‧管道
603‧‧‧管道
604‧‧‧鑽孔

在隨附圖式之圖中，所揭露之發明係藉由舉例的方式、而非限制的方式而加以說明，其中類似的參考符號指涉相似的元件，且其中：

圖1係為靜電卡盤之部分的示意橫剖面圖。

圖2係為晶圓陶瓷內一組說明性之曲折管道的視圖。

圖3A係為另一組範例曲折管道的俯視圖，而圖3B係為沿軸A–A的橫剖面圖。

圖4係為一組範例曲折管道之層1–5的俯視圖。

圖5A係為嵌入件中一組範例曲折管道之俯視圖，而圖5B係為沿軸A–A的橫剖面圖。

圖6係為晶圓陶瓷之兩層內的一組說明性之曲折管道的視圖，其中若干切除部僅部分地挖掘穿過該等層。

100‧‧‧腔室區域

101‧‧‧基底板

102‧‧‧晶圓

103‧‧‧間隙

104‧‧‧晶圓陶瓷

105‧‧‧黏著劑

106‧‧‧管件

107‧‧‧切除部

108‧‧‧插塞

109‧‧‧容積

110‧‧‧管道

Claims (18)

1. 一種用於電漿處理腔室中的靜電卡盤，包含： 基底，其中氣體入口通過該基底； 晶圓陶瓷，位在該基底上方且構成該靜電卡盤之頂表面，該晶圓陶瓷用於在進行電漿處理之晶圓下方提供安置作用，該晶圓陶瓷包含複數陶瓷層，其中各陶瓷層含有一或更多切除部，該等切除部形成與該氣體入口直接或間接流體連通的曲徑，其中在該曲徑內的任何位置，向著該晶圓陶瓷內之表面的瞄準線在任何方向上係小於約4 mm。
2. 如申請專利範圍第1項之用於電漿處理腔室中的靜電卡盤，其中該等陶瓷層的數量至少為3。
3. 如申請專利範圍第2項之用於電漿處理腔室中的靜電卡盤，其中該等陶瓷層的數量至少為10。
4. 如申請專利範圍第3項之用於電漿處理腔室中的靜電卡盤，其中該等陶瓷層的數量至少為14。
5. 如申請專利範圍第1項之用於電漿處理腔室中的靜電卡盤，其中向著該晶圓陶瓷內之表面的該瞄準線在任何方向上係小於約2 mm。
6. 如申請專利範圍第5項之用於電漿處理腔室中的靜電卡盤，其中向著該晶圓陶瓷內之表面的該瞄準線在任何方向上係小於約1 mm。
7. 如申請專利範圍第6項之用於電漿處理腔室中的靜電卡盤，其中向著該晶圓陶瓷內之表面的該瞄準線在任何方向上係小於約0.5 mm。
8. 如申請專利範圍第1項之用於電漿處理腔室中的靜電卡盤，其中該等陶瓷層之各者的該等切除部係選自由半圓形管道及鑽孔所構成的群組，其中一層中的各鑽孔對準相鄰層中之半圓形管道的一端，因而形成在鑽孔與圓形層間交替的氣體路徑。
9. 如申請專利範圍第1項之用於電漿處理腔室中的靜電卡盤，更包含： 插塞開口，其構成自該氣體入口至該曲徑的通道；及 多孔陶瓷插塞，其位於該插塞開口內。
10. 如申請專利範圍第1項之用於電漿處理腔室中的靜電卡盤，其中該一或更多切除部其中至少一者係為一層之開挖孔，其針對該切除部的至少一部分僅部分地通過該層。
11. 一種形成靜電卡盤的方法，其中該靜電卡盤係為如申請專利範圍第1項之靜電卡盤，該方法包含下列步驟： 提供該基底，其中該氣體入口通過該基底； 提供該複數陶瓷層； 形成該等陶瓷層之各者內的該等切除部；及 接合該等陶瓷層，以使該等陶瓷層形成該晶圓陶瓷。
12. 如申請專利範圍第11項之形成靜電卡盤的方法，其中該等陶瓷層係藉由共同燒結而接合。
13. 如申請專利範圍第11項之形成靜電卡盤的方法，其中該等陶瓷層係藉由以玻璃熔塊來結合而接合。
14. 如申請專利範圍第11項之形成靜電卡盤的方法，其中該等陶瓷層係藉由黏著劑而接合。
15. 一種用於電漿處理腔室中之靜電卡盤的嵌入件，包含： 複數陶瓷層，其中各陶瓷層含有一或更多切除部，該等切除部形成與氣體入口直接或間接流體連通的曲徑，其中在該曲徑內的任何位置，向著該陶瓷層內之表面的瞄準線在任何方向上係小於約4 mm； 其中頂部之陶瓷層中的該切除部形成該嵌入件的頂部開口； 其中底部之陶瓷層中的該切除部形成該嵌入件的底部開口；及 其中該嵌入件的尺寸及配置係安排以穩固地安裝於該靜電卡盤內的嵌入開口內，以提供一流體路徑，其始於該靜電卡盤中該底部開口下方的該氣體入口，接著通過該底部開口，之後通過該曲徑，而然後通過該頂部開口。
16. 如申請專利範圍第15項之用於電漿處理腔室中之靜電卡盤的嵌入件，其中該嵌入件在一或更多側面上塗佈有電絕緣材料，以使該塗佈不會阻擋該頂部開口或該底部開口。
17. 一種將如申請專利範圍第15項之嵌入件安置於靜電卡盤內的方法，包含下列步驟： 設置靜電卡盤，該靜電卡盤具有該嵌入開口位於其頂表面中；及 將該嵌入件嵌入至該嵌入開口中，以使該底部開口對準該靜電卡盤之該氣體入口。
18. 如申請專利範圍第17項之將如申請專利範圍第15項之嵌入件安置於靜電卡盤內的方法，更包含利用結合材料將該嵌入件結合至該嵌入開口。