TW201944489A - 電漿製程腔室的蓋環組件 - Google Patents

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Abstract

本發明是關於一種包圍電漿製程腔室內的靜電吸盤的蓋環組件，以可改善半導體基板的表面損傷及特徵輪廓傾斜的方式構成。本發明提供一種以包圍構成支持基板上端表面與自上端表面形成段差的環形台階的靜電吸盤方式構成的電漿製程腔室的蓋環組件，其包括：石英環，配置至靜電吸盤的環形台階而以包圍基板與靜電吸盤的側面的方式構成，於下部面形成結合槽；及電極環，結合至石英環的結合槽，以便於環形台階的水平面保持與靜電吸盤的電性連接；且石英環的內部透射率為99%以上。根據本發明，具有可改善半導體基板的表面損傷及特徵輪廓傾斜的優點。

Description

電漿製程腔室的蓋環組件
本發明是有關於一種電漿製程腔室內的蓋環組件，更詳細而言，有關於一種以可改善半導體基板的表面損傷及特徵輪廓傾斜的方式構成的包圍電漿製程腔室內的靜電吸盤（ELECTRO STATIC CHUCK，ESC）的蓋環組件。
電漿蝕刻是指如下技術：於上部及下部構成電極，藉由利用產生於上述電極間的垂直電場作用將電漿離子加速而獲得的離子的化學反應與動能來蝕刻基板。
圖1是表示通常實施電漿蝕刻製程的腔室的例示性的構造的圖。參照圖1，電漿製程腔室包括上部電極10、於下部包括電極的靜電吸盤20、及包圍靜電吸盤20以保護靜電吸盤20免受於電漿製程腔室內產生的電漿的影響的蓋環40，基板30支持於靜電吸盤20的上端表面。
根據此種構成，藉由對上部電極10與下部的靜電吸盤20之間施加電源而因場效於電漿製程腔室內產生電漿P，從而離子沿朝向靜電吸盤20的方向入射，利用電漿離子的化學反應及動能於基板30上實施蝕刻。
圖2是用以說明於進行電漿製程時在基板的邊緣區域發生的輪廓傾斜的圖，圖3是表示因反覆進行電漿蝕刻製程而蓋環被蝕刻的形狀的圖。
如圖3所示，於在基板30上實施電漿蝕刻時，理想的是電漿離子應準確地垂直入射至基板30上。然而，反覆的電漿蝕刻除基板30以外亦使蓋環40的一部分磨耗，其結果，於接近基板30的邊緣的蓋環40的表面一部分，亦與基板30相同地產生因電漿蝕刻而被蝕刻。
其結果，如圖2及圖3所示，於基板30的邊緣區域W1、W2，施加至電漿離子的引力的方向偏移，其結果，產生基板30的輪廓傾斜的現象。此種問題將引起保護靜電吸盤20的蓋環40的耐久性降低、電弧擊穿現象增加、基板30的表面產生如爆炸般爆裂的顆粒的問題，上述問題會導致明顯地減少製程的整體產率的結果。
作為與上述先前技術相關的先前技術文獻，有於2011年9月7日註冊公告的發明名稱為「具有用以延長蓋環的壽命且提高電漿反應器的蝕刻性能的構造的靜電吸盤組件」的韓國註冊專利公報第1063588號。
另一方面，申請人長期進行研究，結果得知先前用作加工製程腔室的蓋環40的材料的石英（QUARTZ）與上述問題具有非常大的相關性。通常，使用於電漿製程腔室的蓋環40由非絕緣性材料製成，以不使靜電吸盤20因電漿離子而暴露，通常採用石英作為蓋環40的材料。
圖4是將於先前使用於電漿製程腔室的石英內部的微小氣孔可視化而表示的圖，圖5是對一般的石英的內部透射率進行測定的曲線圖。
如圖4所示，於石英中含有大量微小氣孔與雜質，如圖5所示，由於自然形成的石英中含有大量微小氣孔，因此內部透射率無法超過90%。
如上所述，存在於石英中的微小氣孔或雜質與F、Cl等進行反應而爆炸，該情形即為使石英產生龜裂的主要原因。另外，於嚴重的情形時，會導致石英破損（Broken）而無法繼續後續製程。
然而，本技術領域內的技術人員至今亦未意識到上述問題，因此申請人發明可解決上述問題的本發明。
本發明是為了解決上述問題而創作，其目的在於提供一種電漿製程腔室的蓋環組件，其於包圍靜電吸盤的蓋環組件的石英環下部面形成結合槽，使電極環結合至上述結合槽，使石英環的內部透射率成為99%以上，藉此改善半導體基板的表面損傷及特徵輪廓傾斜。
本發明的另一目的在於提供一種電漿製程腔室的蓋環組件，其藉由結合至石英環的電極環而進一步擴大先前電漿製程腔室的上部電極與下部電極之間的有限的場效，藉此於改善基板的輪廓傾斜的同時，確保蓋環的耐久性而大幅改善產率。
本發明的又一目的在於提供一種電漿製程腔室的蓋環組件，其基於上述目的而使石英環包括上部石英環與下部石英環，藉此使靜電吸盤的屏蔽效果更確實，且亦可僅更換上部石英環，故而可延長使用年限。
本發明的目的並不限制於以上所提及的目的，未提及的本發明的其他目的及優點可藉由下述說明而理解，藉由本發明的實施例而更清楚地理解。另外，可容易地得知可藉由發明申請專利範圍所示的單元及其組合而實現本發明的目的及優點。
用以達成此種目的的本發明提供一種電漿製程腔室的蓋環組件，其以包圍構成支持基板的上端表面與自上述上端表面形成段差的環形台階的靜電吸盤的方式構成的電漿製程腔室的蓋環組件，其特徵在於包括：石英環，配置至上述靜電吸盤的環形台階而以包圍上述基板與上述靜電吸盤的側面的方式構成，於下部面形成結合槽；及電極環，結合至上述石英環的結合槽，以便於上述環形台階的水平面保持與上述靜電吸盤的電性連接；且上述石英環的內部透射率為99%以上。
根據本發明，於包圍靜電吸盤的蓋環組件的石英環下部面形成結合槽，將電極環結合至上述結合槽，使石英環的內部透射率達到99%以上，藉此具有可改善半導體基板的表面損傷及特徵輪廓傾斜的效果。
並且，根據本發明，藉由結合至石英環的電極環而進一步擴大先前電漿製程腔室的上部電極與下部電極之間的有限的場效，藉此可於改善基板的輪廓傾斜的同時，確保蓋環的耐久性而大幅改善產率。
於使本發明的石英環包括上部石英環與下部石英環的情形時，可使靜電吸盤的屏蔽效果更確實，亦可僅更換上部石英環，故而可延長使用年限。
參照隨附圖式，於下文中詳述上述目的、特徵及優點，藉此於本發明所屬的技術領域內具有常識者可容易地實施本發明的技術思想。於對本發明進行說明時，在判斷為對與本發明相關的公知技術的具體說明會混淆本發明的主旨的情形時，省略其詳細說明。以下，參照隨附圖式，詳細地對本發明的較佳的實施例進行說明。於圖中，相同的參照符號表示相同或相似的構成要素。
如圖1所示，電漿製程腔室可包括上部電極10、於下部包括電極的靜電吸盤20、及包圍靜電吸盤20以保護靜電吸盤20免受於電漿製程腔室內產生的電漿的影響的蓋環40，基板30支持於靜電吸盤20的上端表面。
已於美國註冊專利5,259,922號等多個先前技術文獻中揭示了如上述構成般用以藉由施加射頻（Radio Frequency，RF）電源而使用電漿狀態的反應氣體來蝕刻半導體基板的裝置，因此於本說明書中，即便不詳細地對電漿製程腔室的動作原理進行說明，普通技術人員亦可根據應用本發明的通常的電漿製程腔室的構造而容易地理解。
圖6是表示本發明的實施例的電漿製程腔室內的蓋環組件的概略性構造的圖。參照圖6，於電漿製程腔室內設置有上部電極10與靜電吸盤20。通常，如圖6所示，靜電吸盤20以固定支持於上端表面22的基板30的方式構成，上端表面22以具有環形形狀的方式構成。並且，以自上端表面22形成段差的部分構成環形台階24的方式構成。
本發明的電漿製程腔室內的蓋環組件配置至靜電吸盤20的環形台階24而以包圍靜電吸盤20的方式構成，基本由非電絕緣性物質製成而具有保護靜電吸盤20免受電漿製程腔室內的電漿反應區域P-E的影響的功能。
本發明的電漿製程腔室內的蓋環組件能夠以包括石英環600與電極環700的方式構成。
本發明的石英環600配置至靜電吸盤20的環形台階24而以包圍靜電吸盤20的側面的方式構成。於圖6中表示其剖面，但普通技術人員可容易地理解石英環600呈環形的立體形狀。
另外，石英環600能夠以包圍支持於靜電吸盤20的上端表面22的基板30的側面的方式構成。此時，石英環600能夠以可保持與支持於靜電吸盤20的基板30相同的高度的規格製作。
於此情形時，本發明的石英環600沿內側設置安裝槽，以便可安裝基板30，支持於靜電吸盤20的上端表面22的基板30的側面可密接地配置至安裝槽。於圖6中表示石英環600的剖面，但可容易地理解石英環600的安裝槽的立體形狀是沿上部內側形成為環形。
本發明的石英環600藉由配置至靜電吸盤20的環形台階24而抵接至環形台階24的水平面。本發明的石英環600可於與環形台階24的水平面抵接的下部面形成結合槽610。於圖6中僅表示其剖面，但結合槽610亦如石英環600般立體地形成為環形。
本發明的電漿製程腔室內的蓋環組件包括耦合在石英環600下部的電極環700。電極環700基本由導電性物質製成，結合至形成於石英環600的下部面的結合槽610。另外，於圖6中僅表示其剖面，但實際以呈環形形狀的方式構成。
於本發明的一實施例中，電極環700可由鋁製成，可對其表面進行在10 μm至150 μm範圍的陽極氧化（Anodized）處理。
本發明的電極環700能夠以具有大於靜電吸盤20的上端表面的直徑的內徑的方式製作，以便可嵌入至靜電吸盤20的上側。
本發明的電極環700以與靜電吸盤20的環形台階24的水平面抵接的方式結合至石英環600的結合槽610，因此可保持與靜電吸盤20的電性連接。
即，藉由包圍靜電吸盤20的石英環600而保護靜電吸盤20，同時於石英環600的下部內側結合電極環700，因此靜電吸盤20可與電極環700電性連接。
根據本發明的電漿製程腔室內的蓋環組件的上述構成，電漿反應區域P-E可較先前擴大。
如上所述，於圖6中可視性地表示電漿反應區域P-E擴大的情形，上述情形可藉由如下方式達成：於本發明的電漿製程腔室內的蓋環組件中，電極環700結合至石英環600的內部。
如上所述，電漿反應區域P-E擴大，其結果，產生改善基板30的輪廓傾斜且均勻地蝕刻石英環600的本發明的效果，參照圖8至圖10而於下文中對與此相關的說明進行敍述。
本發明的電漿製程腔室內的蓋環組件的特徵在於在上述石英環600中採用超高純度的合成石英。本發明的石英環600的內部透射率可定義為99%以上。
圖7是對本發明的電漿製程腔室內的蓋環組件的石英環的內部透射率進行測定的曲線圖。於圖7中表示於厚度10 mm、波長（λ）0 nm至3,000 nm的條件下對本發明的石英環600的內部透射率進行測定的結果，本發明的石英環600的內部透射率需於作為實用區域的厚度10 mm、波長（λ）200 nm至1,000 nm的條件下達到99%以上。
另外，存在於本發明的石英環600的內部的氣孔亦可定義為每10 cm3 體積的直徑為0.05 mm以上的有效氣孔的總截面面積所佔據的比重為0.03 mm2 以內。
以ppm為單位測定於電漿製程腔室中常用作石英環的材料的石英（天然石英（Natural Quartz））與本發明的石英環600的構成成分而將其結果示於表1，於本發明的石英環600中測定到Al的含量為0.01 ppm以內。
[表1]
另外，藉由本發明而實施電漿蝕刻測試，結果耐電漿性亦優於其他公司。
將以測定設備為NIE 150、電漿功率為600 W、偏壓功率（Bias Power）為150 W、氣體（sccm）為CF4 （30 sccm）、O2 （5 sccm）、Ar（10 sccm）、壓力為10 mTorr的條件實施共30分鐘（5分鐘內反覆進行6次，蝕刻期間停止5分鐘）的蝕刻的結果示於表2。
[表2]
根據上述本發明，可明顯地改善於電漿製程中基板輪廓傾斜的現象。
圖8是表示於分別藉由通常的石英與本發明實施電漿蝕刻的情形時形成於基板的輪廓的圖。
參照圖2與圖8，先前因對基板實施電漿蝕刻而於基板的左側邊緣區域呈現出輪廓逐漸偏向右側而傾斜的傾向，於基板的右側邊緣區域呈現出輪廓逐漸偏向左側而傾斜的傾向。
與此相反，根據本發明，可確認到基板的左側邊緣區域與右側邊緣區域的輪廓不傾斜而均勻地蝕刻。
另外，根據本發明，藉由實施電漿蝕刻製程而均勻地蝕刻保護靜電吸盤20的石英環600的上部表面，因此其結果可確保蓋環的耐久性而大幅提高製程產率。
圖9是表示於分別藉由通常的石英與本發明實施電漿蝕刻的情形時的石英環的蝕刻量的圖，圖10是根據距離表示圖9所示的石英環的蝕刻量的曲線圖。
參照圖9與圖10，於藉由通常的石英實施電漿蝕刻的情形時（左側），石英環的上部表面的蝕刻量表現為越靠近基板的右側邊緣區域則越深地蝕刻。
如上所述，若蝕刻量隨距基板的距離而改變，則引發靜電吸盤的耐久性下降及靜電吸盤的電弧擊穿現象，製程腔室的更換週期變短。
與此相反，根據本發明（右側），石英環的上部表面的蝕刻量與距基板的右側邊緣區域的距離無關而大致均勻地蝕刻。該情形具有與先前指出的缺點相反的效果、即耐久性提高且製程腔室的更換週期變長的優點。
另外，根據本發明，具有如下效果：減少先前基板的微小氣孔或雜質與F、Cl等進行反應而爆炸的現象，明顯地改善基板表面的損傷。
圖11是表示於分別藉由一般的石英A與本發明實施電漿蝕刻的情形時產生於基板的顆粒的分佈的圖，圖12是表示於分別藉由一般的石英A與本發明實施電漿蝕刻的情形時產生於基板的顆粒的集中度的圖。
如圖11與圖12所示，根據本發明，基板的表面損傷與先前相比明顯地得到改善，表面損傷的分散度亦不集中於某一處。
本發明的電漿製程腔室內的蓋環組件所具有的技術特徵如上所述，以下對可於本發明的技術範疇內實現變形的各種實施例進行說明。
圖13是表示本發明的一實施例的電漿製程腔室內的蓋環組件的構造的圖。
如圖13所示，圖6所示的石英環600可變形為包括上部的第一石英環620與下部的第二石英環630而實施。如上所述，於石英環包括第一石英環620與第二石英環630的情形時，可使對靜電吸盤的屏蔽效果更確實，於更換週期或更換頻度方面更為有利。
圖13所示的實施例表示以包括第一石英環620與下部的第二石英環630的方式構成石英環的示例。
於上述實施例中，第一石英環620可配置至靜電吸盤的第一環形台階24而以包圍基板30與靜電吸盤的側面的方式構成。
並且，第二石英環630可配置至自第一環形台階24形成段差的第二環形台階而於第一石英環620的下側結合，以包圍靜電吸盤的方式構成。
於上述實施例中，可於第一石英環620的下部面形成結合槽，電極環700可保持與靜電吸盤的第一環形台階24的水平面的電性連接而結合至結合槽610。
於上述實施例中，電極環700較佳為於第一環形台階24的外側配置。即，電極環700能夠以具有向第一環形台階24的外側方向延伸的長度的寬度的方式構成。
不同地，電極環700的內徑D-min與外徑D-max可根據靜電吸盤的第一環形台階的最大直徑D1與第二環形台階的最大直徑D2的關係而定義。
於此情形時，本發明的電極環700能夠以如下方式形成：內徑D-min小於第一環形台階的最大直徑D1，外徑D-max大於第一環形台階的最大直徑D1且小於第二環形台階的最大直徑D2。
根據本發明的最佳實施例，能夠以內徑D-min為200 mm至326 mm、外徑D-max為204 mm至450 mm的方式製作本發明的電極環700。
另外，根據實施例，可於第一石英環620沿內側形成安裝槽622，以便可安裝基板30。
另外，根據實施例，可於第一石英環620的下部沿外側形成卡止階差624，於第二石英環630的上部沿外側形成卡止至卡止階差624的卡止部632。
圖14是用以說明本發明的較佳實施例的電漿製程腔室內的蓋環組件的規格的圖。
於考量電漿製程腔室的多種條件時，作為本發明的電極環700的規格，最佳為電極環700的寬度W為2 mm至100 mm內，且電極環700的厚度th為1 mm至100 mm內。
上述本發明可由在本發明所屬的技術領域內具有常識者於不脫離本發明的技術思想的範圍內實現各種置換、變形及變更，因此並不限定於上述實施例及隨附圖式。
10‧‧‧上部電極
20‧‧‧靜電吸盤
22‧‧‧上端表面
24‧‧‧環形台階\第一環形台階
30‧‧‧基板
40‧‧‧蓋環
600‧‧‧石英環
610‧‧‧結合槽
620‧‧‧第一石英環
622‧‧‧安裝槽
624‧‧‧卡止階差
630‧‧‧第二石英環
632‧‧‧卡止部
700‧‧‧電極環
A‧‧‧一般的石英
D1‧‧‧第一環形台階的最大直徑
D2‧‧‧第二環形台階的最大直徑
D-max‧‧‧外徑
D-min‧‧‧內徑
P‧‧‧電漿
P-E‧‧‧電漿反應區域
th‧‧‧厚度
W‧‧‧寬度
W1、W2‧‧‧邊緣區域
圖1是表示通常實施電漿蝕刻製程的腔室的例示性的構造的圖。
圖2是用以說明於進行電漿製程時在基板的邊緣區域發生的輪廓傾斜的圖。
圖3是表示因反覆進行電漿蝕刻製程而蓋環被蝕刻的形狀的圖。
圖4是將使用於先前電漿製程腔室的石英內部的微小氣孔可視化而表示的圖。
圖5是對一般的石英的內部透射率進行測定的曲線圖。
圖6是表示本發明的實施例的電漿製程腔室內的蓋環組件的概略性構造的圖。
圖7是對本發明的電漿製程腔室內的蓋環組件的石英環的內部透射率進行測定的曲線圖。
圖8是表示於分別藉由通常的石英與本發明實施電漿蝕刻的情形時形成於基板的輪廓的圖。
圖9是表示於分別藉由一般的石英與本發明實施電漿蝕刻的情形時的石英環的蝕刻量的圖。
圖10是根據距離表示圖9所示的石英環的蝕刻量的曲線圖。
圖11是表示於分別藉由一般的石英A與本發明實施電漿蝕刻的情形時產生於基板的顆粒的分佈的圖。
圖12是表示於分別藉由一般的石英A與本發明實施電漿蝕刻的情形時產生於基板的顆粒的集中度的圖。
圖13是表示本發明的一實施例的電漿製程腔室內的蓋環組件的構造的圖。
圖14是用以說明本發明的較佳實施例的電漿製程腔室內的蓋環組件的規格的圖。

Claims (13)

  1. 一種電漿製程腔室的蓋環組件，其是以包圍電漿製程腔室的靜電吸盤的方式構成的蓋環組件，所述電漿製程腔室的蓋環組件包括： 石英環，以包圍所述靜電吸盤的方式構成；及 電極環，保持與所述靜電吸盤的電性連接而結合至所述石英環的下部； 所述石英環為內部透射率為99%以上的合成石英。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的電漿製程腔室的蓋環組件，其中所述石英環的每10 cm3 的體積的直徑為0.05 mm以上的有效氣孔的總截面面積所佔據的比重為0.03 mm2 以內。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的電漿製程腔室的蓋環組件，其中所述石英環的鋁含量為0.01 ppm以內。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的電漿製程腔室的蓋環組件，其中所述石英環包括： 第一石英環，配置至所述靜電吸盤的第一環形台階而以包圍基板與所述靜電吸盤的側面的方式構成；及 第二石英環，配置至自所述第一環形台階的水平面形成段差的第二環形台階而以包圍所述靜電吸盤的方式構成；且 所述電極環結合至形成於所述第一石英環的下部面的結合槽，以便於所述第一環形台階的所述水平面保持與所述靜電吸盤的電性連接。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的電漿製程腔室的蓋環組件，其中所述電極環具有向所述靜電吸盤的所述第一環形台階的外側方向延伸的長度的寬度。
  6. 如申請專利範圍第4項所述的電漿製程腔室的蓋環組件，其中所述電極環的內徑小於所述第一環形台階的最大直徑，且所述電極環的外徑大於所述第一環形台階的最大直徑且小於所述第二環形台階的最大直徑。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的電漿製程腔室的蓋環組件，其中所述電極環的所述內徑為200 mm至326 mm，所述電極環的所述外徑為204 mm至450 mm。
  8. 如申請專利範圍第4項所述的電漿製程腔室的蓋環組件，其中所述電極環的寬度為2 mm至100 mm。
  9. 如申請專利範圍第4項所述的電漿製程腔室的蓋環組件，其中所述電極環的厚度為1 mm至100 mm。
  10. 如申請專利範圍第4項所述的電漿製程腔室的蓋環組件，其中於所述第一石英環沿內側形成安裝槽以安裝所述基板。
  11. 如申請專利範圍第4項所述的電漿製程腔室的蓋環組件，其中於所述第一石英環的下部沿外側形成卡止階差，於所述第二石英環的上部沿外側形成卡止至所述卡止階差的卡止部。
  12. 如申請專利範圍第4項所述的電漿製程腔室的蓋環組件，其中所述電極環的材質為鋁。
  13. 如申請專利範圍第4項所述的電漿製程腔室的蓋環組件，其中所述電極環的表面進行在10 μm至150 μm範圍的陽極氧化處理。
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