TWI393210B - 等離子反應器之靜電夾頭裝置 - Google Patents

等離子反應器之靜電夾頭裝置 Download PDF

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Sungyong Ko
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Description

等離子反應器之靜電夾頭裝置
本發明係關於一種在半導體製造過程中使用的等離子反應器，尤指在半導體製造過程中使用的等離子反應器。
靜電夾頭通常是設置在等離子反應器的一個反應腔中的一陰極裝置上。該靜電夾頭在該反應腔中用於固定一目標物件(如一塊晶片或玻璃板)，使該目標物件被蝕刻材料蝕刻或固定在該陰極裝置上。當一直流電電源(DC)向該靜電夾頭供電時，所產生之電引力將該目標物件固定在該靜電夾頭上部。為了將該目標物件更平滑地蝕刻到該反應腔中，必須將該目標物件穩定地固定在該靜電夾頭上部，例如，該目標物件的背面可以承受在其上施加30托或超過30托氦氣(He)的壓力。
在設計和製造一種靜電夾頭裝置時，最重要的一點是需要保護該靜電夾頭不與等離子體離子接觸。一個用於保護該靜電夾頭的設計，其最重要的是延長設置在該靜電夾頭周圍的加工工具的使用壽命，並減少經濟損失。該靜電夾頭的使用壽命通常至少是使等離子反應器進行了十萬次完整的晶片處理工藝。該靜電夾頭裝置的結構可以延長或縮短該靜電夾頭的使用壽命，以及該靜電夾頭周圍的加工工具的使用壽命。此外，該靜電夾頭裝置的結構還決定了等離子反應器的運行性能(尤其是蝕刻性能)。
相較於化學蝕刻工藝，通過物理撞擊為等離子體離子提供物理能量的氧化薄膜蝕刻工藝，其蝕刻的晶體表面受該靜電夾頭裝置結構變化的影響更明顯。也就是說，該靜電夾頭裝置的結構或是等離子反應器的蝕刻性能決定了氧化薄膜蝕刻工藝中的品質好壞。因此可以通過最佳化靜電夾頭裝置的結構，來延長該靜電夾頭的使用壽命，提高等離子反應器的蝕刻性能。
如第1圖所示，為一種傳統的靜電夾頭裝置的結構圖。為了簡化附圖，第1圖省略了陰極裝置。該靜電夾頭裝置10設有一靜電夾頭20、一無線電頻率(RF)接環30、一靜電夾頭蓋環40及一陰極裝置蓋環50。該RF接環30及該靜電夾頭蓋環40沿該靜電夾頭20上部支外圓周環繞地設置。該靜電夾頭蓋環40設置在該RF接環30之上部。由於該RF接環30及該靜電夾頭蓋環40匹配於該靜電夾頭20上部之外圓周，因此該靜電夾頭20上部應該被設計成具有一長至少為10mm的突起。
該RF接環30可以由金屬材料製成，如鋁等。該陰極裝置蓋環50沿該RF接環30及該靜電夾頭蓋環40之外圓周，以及該靜電夾頭20下部之外圓周環繞地設置。一晶片80被安全地安裝在該靜電夾頭20之上表面。當一DC電源向該靜電夾頭20供電時，該靜電夾頭20中隨即產生一靜電，從而將該晶片80固定在該靜電夾頭20之上表面。一供電器60穿過一RF噪音篩檢程式70，向該靜電夾頭20提供一DC電源。
下文將簡要地描述等離子反應器的一種乾燥蝕刻工藝。一目標物件，如該晶片80等被傳送到一反應腔中的靜電夾頭20上。此時向該反應腔中注入一反應氣體，使該反應腔內形成一具有穩定真空度的真空狀態。於是該反應腔內達到適於蝕刻的真空狀態，然後為等離子反應器的電感線圈提供一RF功率，向一較低電極(如陰極)提供一偏RF功率，為該靜電夾頭20提供一DC電源。結果，如第1圖所示，等離子體離子91、92在該晶片80之表面發生物理撞擊，同時該等離子體離子91、92與該晶片80發生化學反應。這時，進一步向該RF接環30提供一RF功率，結果該等離子體離子92均沿大致垂直的方向射入該靜電夾頭盖环40之一表面上。
如果不能向該RF接環30提供該RF功率或提供的不充足，如虛線箭頭所示，那麼該等離子體離子92則傾斜地射入到該晶片80和該靜電夾頭蓋環40的邊緣，並與該靜電夾頭蓋環40的表面垂直方向(如實線箭頭所示)成同一個角度(θ)。這是由於該靜電夾頭20上表面(如該靜電夾頭20與該晶片80之接觸面)上的偏功率(如該等離子體離子91、92產生的能量)大於該靜電夾頭20與該RF接環30底面之間的接觸面上的偏功率。因此，該等離子體離子92是沿朝向靜電夾頭20上表面的方向射入到該靜電夾頭20上。
由於角度(θ)是由該RF接環30吸引該等離子體離子92產生的吸引力決定的，因此為了提高該晶片80邊緣的處理品質，延長該靜電夾頭蓋環40的使用壽命，關鍵是將該RF接環30安裝在該靜電夾頭20之表面，使該RF接環30以一個合適的吸引力吸引該等離子體離子92。
但是，該RF接環30並不能完全粘附在該靜電夾頭20之表面及該靜電夾頭蓋環40之間，而是與該靜電夾頭20及該靜電夾頭蓋環40之間簡單地相匹配，例如在該靜電夾頭20及該靜電夾頭蓋環40之間搖擺。因此，儘管該RF接環30被啟動，該等離子體離子92還是不能垂直入射到該靜電夾頭蓋環40之表面上。
此外，該RF接環30並不能完全粘附在該靜電夾頭20之表面及該靜電夾頭蓋環40之間。因此，就產生了第二個問題，即由於該等離子體離子傾斜地射入，從而縮短了該靜電夾頭蓋環40的使用壽命，加重了該靜電夾頭20的電弧現象，增加了微粒的數量，減小了該反應腔中之潔淨區等。
由於該等離子體離子92均以同一角度(θ)傾斜入射到該晶片80的邊緣，因此降低了該晶片80的處理品質。第2圖所示的是在未向RF接環30提供一RF功率至反應腔中，對該晶片80的乾燥蝕刻。將該晶片80沿切割線C-C’切割後，如第2圖下部所示，其切割面上顯示出該晶片80中形成之接觸孔(H1至H3)的剖面。第2圖中清晰地顯示出該晶片80中心形成之接觸孔(H2)具有一個與該晶片80底面垂直的規則剖面，當該等離子體離子92傾斜射入時，也可以射入到該晶片80邊緣上形成之接觸孔(H1和H3)，因此該等接觸孔(H1和H3)具有不規則剖面。
如果該等離子體離子92以同一角度(θ)傾斜射入到該靜電夾頭蓋環40上，那麼該靜電夾頭蓋環40被不規則蝕刻，從而迅速縮短了該靜電夾頭蓋環40的使用壽命。如第1圖所示，通過該等離子體反應器重複進行晶片處理工藝，一塊新的或未蝕刻的靜電夾頭蓋環40(一個“A”部)被逐漸蝕刻。同時，如果在蝕刻工藝中不為該RF接環30提供該RF功率，那麼一靜電夾頭蓋環40’，如第1圖中“A’”部所示，會被不規則蝕刻。為了防止該靜電夾頭蓋環40’被不規則蝕刻，提高該晶片80邊緣的蝕刻品質，該靜電夾頭裝置10必須設有該RF接環30。因此，該RF接環30使傳統的該靜電夾頭裝置10的結構更複雜，於是製造費用也隨之增加。此外，即使在該靜電夾頭裝置10中設置該RF接環30，也難以完美地運行該RF接環30，如進行一操作使該等離子體92垂直地入射到該靜電夾頭蓋環40之表面。因此，該靜電夾頭裝置10仍然具有該RF接環30連接不完善的問題。
本發明之目的即在提供一種靜電夾頭裝置，它可以克服無線電頻率(RF)接環的不完善連接問題，同時還可以通過減小等離子體離子的同一入射角度(θ)，將靜電夾頭裝置的結構最優化，使等離子體離子可以垂直地入射地靜電夾頭蓋環邊緣的表面上，而不需RF接環，達到延長靜電夾頭蓋環使用壽命，增加等離子反應器蝕刻性能的目的。
為達成上述發明目的之等離子反應器之靜電夾頭裝置之技術手段在於，該靜電夾頭裝置包括：一靜電夾頭、一靜電夾頭蓋環及一陰極蓋環。該靜電夾頭設有一主體部分和一突起部分。該主體部分為具有第一直徑之圓形。該突起部分整個從該主體部分中形成，並從該主體部分中伸出，它為具有第二直徑之圓形，且該第二直徑小於該第一直徑。該靜電夾頭蓋環沿該突起部分之外圓周環繞地設置，它可以保護該靜電夾頭之主體部分，使其不受等離子反應器在運行過程中所產生的等離子體離子的影響。該陰極裝置蓋環沿該靜電夾頭蓋環的外圓周和該主體部分之外圓周環繞地設置在該陰極裝置之上部。為了使該靜電夾頭蓋環在被等離子體離子蝕刻後，能產生一“L”切割面，必須將該突起部分伸出於該主體部分之長度(G)設置成，而不用考慮安全地安裝在該突起部分上表面上的目標物件其直徑。
如上文所述，本發明強化了靜電夾頭裝置的結構，尤其是強化了該靜電夾頭之結構，因此可以克服該RF接環的不完善連接問題，同時還可以通過減小等離子體離子入射到該靜電夾頭邊緣的同一入射角度(θ)，使等離子體離子可以垂直地入射地該靜電夾頭邊緣之靜電夾頭蓋環表面上，而不需該RF接環，達到延長該靜電夾頭蓋環使用壽命，增加等離子反應器蝕刻性能之目的。
此外，通過強化該靜電夾頭上突起部分的長度(G)和該突起部分的直徑(R1)，就不用在該靜電夾頭蓋環外側特別設計一預定形狀之聚焦環，或是特別設計在該靜電夾頭蓋環的下部增加一複雜之附加結構，如一接環，因此可以降低等離子反應器的設備製造費。另一方面，通過優強化該靜電夾頭上突起部分的長度(G)和該突起部分的直徑(R1)，可以使對該靜電夾頭的保護和一目標物件(如一晶片)邊緣的處理品質得到保證。
此外，通過強化該靜電夾頭上突起部分的長度(G)和該突起部分的直徑(R1)，可以使該靜電夾頭蓋環的蝕刻剖面成“L”形(如圖3中B’部分所示)，從而可以獲得有效的產品維護，如延長該靜電夾頭蓋環的使用壽命，削弱該靜電夾頭的電弧現象，減少微粒的數量，擴大反應腔中的潔淨區等。
為便於　貴審查委員能對本發明之技術手段及運作過程有更進一步之認識與瞭解，茲舉實施例配合圖式，詳細說明如下。
請參閱第3圖所示，為本發明較佳實施例靜電夾頭裝置之結構示意圖，該靜電夾頭裝置100設有一靜電夾頭110、一靜電夾頭蓋環120及一陰極裝置蓋環130。該靜電夾頭110設有一主體部分111及一突起部分112。該主體部分111和該突起部分112均為圓形(如第5圖所示)。該突起部分112整個從該主體部分111中形成，並從該主體部分111中伸出。該突起部分112之直徑(R1)小於該主體部分111之直徑(如第4圖中所示的R2)。
該靜電夾頭蓋環120沿該突起部分112之外圓周環繞地設置。當一設有該靜電夾頭裝置100的等離子反應器200(如第6圖所示)運行時，可以產生等離子體離子182。當該靜電夾頭蓋環120被等離子體離子182蝕刻之後，該靜電夾頭蓋環120就具有一“L”形(如第3圖所示的“B’”部)切割面。因此，該突起部分112伸出於該主體部分111之長度(G)被設置成，而不用考慮安全地在該突起部分112之上表面上，安裝一目標物件170(如一晶片)。僅有該靜電夾頭蓋環120沿該突起部分112外圓周環繞地設置。
如第3圖所示，由於等離子反應器200(如第6圖所示)重複進行晶片處理技術，一新的或是未蝕刻之靜電夾頭蓋環120(圖中所示的“B”部分)被逐漸蝕刻。因此，如第3圖中“B’”部分所示，該靜電夾頭蓋環120被蝕刻具有“L”形切割表面。該靜電夾頭蓋環120被蝕刻具有“L”形切割表面的原因是，當該目標物件170被等離子反應器200蝕刻時，通過將該突起部分112伸出於該主體部分111的長度(G)設置成，等離子體離子182被垂直地射入到該靜電夾頭蓋環120之表面上。與其相較，如果該突起部分112伸出於該主體部分111的長度(G)被設置成10mm或更大，當該目標物件170被等離子反應器200蝕刻時，等離子體離子182被傾斜地射入到該靜電夾頭蓋環120之表面上。
該突起部分112之直徑(R1)是指與其上面安全地安裝有該目標物件170之直徑相同。該突起部分112之直徑(R1)較佳地被設置成比該目標物件170之直徑小2.5mm至3.5mm。例如，如果該目標物件170為一300mm的晶片，那麼較佳的突起部分112之直徑(R1)約為300mm，但是由於一晶片輸送系統的處理錯誤，該突起部分112之直徑(R1)通常應小於該晶片之直徑。因此，如果該目標物件170為一300mm之晶片，那麼較佳的突起部分112之直徑(R1)應為。
該靜電夾頭蓋環120沿該靜頭夾頭110上突起部分112的外圓周環繞地設置。該靜電夾頭蓋環120保護該靜電夾頭110之主體部分111，使之不受等離子反應器200運行時所產生的等離子體離子182的影響。一陰極裝置蓋環130沿該靜電夾產蓋環120之外圓周，和該靜電夾頭110上主體部分111之外圓周環繞地設置。
一供電器140穿過一RF噪音篩檢程式150，向該靜電夾頭110提供一直流(DC)電源。一開關160可以在該供電器140和該RF噪音篩檢程式150之間連接。當該供電器140向該靜電夾頭110提供該DC電源時，該靜電夾頭110中通過該靜電產生一吸引力，使該目標物件170固定在該突起部分112之上表面。
第6圖為第3圖所示之靜電夾頭裝置之一等離子反應器實例之結構示意圖。該等離子反應器200的一反應腔201中安裝了一陰極裝置202，在該陰極裝置202的上部安裝了該靜電夾頭裝置100。該靜電夾頭裝置100之突起部份與第3圖所示的突起部份相同。
一氣體注射器203、204安裝在該反應腔201側面和頂部上多點處。該氣體注射器203、204將一種反應氣體注射到該反應腔201中。該反應腔201頂部設有一絕緣窗205。該絕緣窗205周圍安裝了一電感線圈206(如一個等離子源在該反應腔201中產生等離子體)。一RF功率提供器208穿過一RF匹配網路207，向該電感線圈206提供一RF功率源。這樣，該電感線圈206中就形成一磁區。由於該電感線圈206中的這個磁區，使該反應腔201產生了等離子體離子。
一另一開關211在一另一供電器209及一另一RF噪音篩檢程式210之間連接，該另一RF噪音篩檢程式210與該靜電夾頭110連接。當打開該另一開關211時，該另一供電器209穿過該另一RF噪音篩檢程式210向該靜電夾頭110提供一DC電源。一偏阻抗匹配網路212、213與一低電極(如陰極裝置202)連接。一低頻率RF功率提供器214穿過該偏阻抗匹配網路212向該低電極提供一低頻率的偏RF功率。一高頻率RF功率穿過該偏阻抗匹配網路213向該低電極提供一高頻率的偏RF功率。因此，低頻率的偏RF功率和高頻率的偏RF功率被混合並供應給該低電極(如陰極裝置202)。
該反應腔201之下面安裝了一節流閥216及一渦輪泵217。該渦輪泵217之一側安裝了一排氣閥218。
第7圖為第6圖所示之等離子反應器蝕刻而成的一晶片之結構示意圖。
將該晶片170沿切割線F-F’切割後，如第7圖下部所示，其切割面上顯示出該晶片170中形成的接觸孔(H11至H13)之剖面。第7圖清晰地顯示出該晶片170中心及邊緣上形成的接觸孔(H11、H12、H13)具有一與該晶片170底面(或一表面)垂直的規則剖面。由於該突起部分112伸出於該主體部分111的長度(G)被設置成，因此該接觸孔(H11、H13)可以如上述地垂直於晶片170底面(或一個表面)設置，並且由於該突起部分112之直徑(R1)被設置成比該目標物件170之直徑小2.5mm至3.5mm，因此強化了該靜電夾頭110的結構。
如果該突起部分112之直徑(R1)太小，就會在該等離子反應器200蝕刻時，降低該晶片邊緣的處理品質。相反，如果該突起部分112之直徑(R1)太大，該靜電夾頭110就會產生蝕刻問題。因此，該突起部分112之直徑(R1)必須通過高費用的實驗進行強化。
一方面，最佳的突起部分112伸出於該主體部分111之長度(G)等於“0”。但是，這樣該靜電夾頭蓋環120就無法安裝在該靜電夾頭110中。如果該靜電夾頭蓋環120不安裝在該靜電夾頭110中，就會由於等離子體離子間的撞擊，破壞該靜電夾頭110主體部分111之邊緣(如第5圖中的“E”部分)。因此，該突起部分112伸出於該主體部分111之長度(G)應該保持在一特殊之值上。
在最佳突起部分112突起於該主體部分111之長度(G)時，必須實驗獲得該靜電夾頭蓋環120的一蝕刻率，該目標物件(如晶片)170的一蝕刻剖面，該目標物件170邊緣的一蝕刻率及一蝕刻剖面等資料。根據這些實驗資料，當該靜電夾頭蓋環120為矽製時，該靜電夾頭蓋環120的蝕刻率約為0.82mm/200Hrs。最後，如果將二次清洗間平均間隔時間(MTBC)保證在大於或等於200Hrs時，再考慮到一處理錯誤，該突起部分112突起於該主體部分111之長度(G)應該等於或大於1mm。
此外根據這些實驗資料，當該突起部分112突起於該主體部分111之長度(G)等於或小於7mm時，可以保證該靜電夾頭蓋環120具有一良好之蝕刻剖面，該目標物件170之邊緣具有一良好的蝕刻率(如第8圖的表)及蝕刻剖面(如第7圖所示)。在第8圖的表中，一蝕刻範圍對應於最大蝕刻率和最小蝕刻率之間的差值，均勻度可以根據下面的等式計算。
另一方面，當該突起部分112之直徑(R1)比該目標物件170小2.5mm至3.5mm，並最佳之突起部分112突起於該主體部分111之長度(G)，可以保證該靜電夾頭蓋環120具有一良好的蝕刻剖面，該目標物件170之邊緣具有一良好的蝕刻率(如第8圖的表))和蝕刻剖面(如圖7所示)。另一方面，較佳之靜電夾頭110和該靜電夾頭裝置100之設計，從而可以簡化該靜頭夾頭110周圍的一加工工具，降低費用。
上列詳細說明係針對本發明之一可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。
100．．．靜電夾頭裝置
11．．．接觸孔H
110．．．靜電夾頭
111．．．主體部分
112．．．突起部分
120．．．靜電夾頭蓋環
130．．．陰極裝置蓋環
140．．．供電器
150．．．RF噪音篩檢程式
160．．．開關
170．．．目標物件(晶片)
182．．．等離子體離子
200．．．等離子反應器
201．．．反應腔
202．．．陰極裝置
203．．．氣體注射器
204．．．氣體注射器
205．．．絕緣窗
206．．．電感線圈
207．．．RF匹配網路
208．．．RF功率提供器
209．．．另一供電器
210．．．另一RF噪音篩檢程式
211．．．另一開關
212．．．偏阻抗匹配網路
213．．．偏阻抗匹配網路
214．．．低頻率RF功率提供器
216．．．節流閥
217．．．渦輪泵
218．．．排氣閥
H11．．．接觸孔
H12．．．接觸孔
H13．．．接觸孔
G．．．長度
R1．．．直徑
R2．．．直徑
第1圖為傳統靜電夾頭裝置之結構示意圖；
第2圖為由第1圖所示的靜電夾頭裝置的一等離子反應器所蝕刻產生的一晶片之結構示意圖；
第3圖為本發明一較佳實施例之靜電夾頭裝置之結構示意圖；
第4圖為第3圖所示之靜電夾頭之側視圖；以及
第5圖為第3圖所示之靜電夾頭之設計圖；
第6圖為第3圖所示之靜電夾頭裝置的等離子反應器實例之結構示意圖；
第7圖為第6圖所示之等離子反應器所蝕刻產生的晶片之結構示意圖；
第8圖為第6圖所示的之等離子反應器蝕刻產生的晶片，其蝕刻區中蝕刻率之結構示意圖。
100‧‧‧靜電夾頭裝置
110‧‧‧靜電夾頭
111‧‧‧主體部分
112‧‧‧突起部分
120‧‧‧靜電夾頭蓋環
130‧‧‧陰極裝置蓋環
140‧‧‧供電器
150‧‧‧RF噪音篩檢程式
160‧‧‧開關
170‧‧‧目標物件(晶片)
182‧‧‧等離子體離子
G‧‧‧長度
R1‧‧‧直徑

Claims (1)

  1. 一種等離子反應器之靜電夾頭裝置，包括：一靜電夾頭，其設有一具有第一直徑之圓形主體部分，及一整個從該主體部分中形成，並從該主體部分中伸出之突起部分，該突起部分為一具有第二直徑之圓形，並且該第二直徑小於該第一直徑；一沿該突起部分的外圓周環繞地設置之靜電夾頭蓋環，其保護該靜電夾頭之主體部分不受等離子反應器運行時所產生的等離子體離子的影響；以及一沿該靜電夾頭蓋環的外圓周及該主體部分的外圓周環繞地設置在一陰極裝置上部之陰極裝置蓋環；其特徵在於，將該突起部分伸出於該主體部分的長度(G)設置成1.0mmG7.0mm，而不用考慮安全地安裝在該突起部分上表面上的目標物件其直徑，使該靜電夾頭蓋環在被等離子體離子蝕刻後，產生一“L”形切割面，當該目標物件被一等離子反應器蝕刻時，該等離子反應器等之離子體離子是垂直射入到該靜電夾頭蓋環之一表面上，並於該目標物件之邊緣上形成多個接觸 孔，且該等接觸孔與目標物件之一表面相垂直，其中該突起部分之第二直徑等於其上安全地安裝了該目標物件之突起部分上表面之直徑，並且該第二直徑比該目標物件之直徑小2.5mm至3.5mm，其中該等離子反應器設有一感應線圈之等離子源，該等離子源在該等離子反應器之一反應腔中產生等離子體離子，其中該等離子反應器包括：一感應線圈之等離子源，該等離子源在該等離子反應器之反應腔中產生等離子體離子：以及多個安裝在該反應腔頂部及側部上多點處的氣體注射器，其中該氣體注射器將一等離子體反應氣體注射到該反應腔中，其中該等離子反應器復包括一低頻率無線電頻率(RF)功率提供器以及一高頻率無線電頻率(RF)功率提供器，其中，通過該低頻率RF功率提供器及該高頻率RF功率提供器，分別產生一低頻率的偏RF功率及一高頻率的偏RF功率被混合並供應給該陰極裝置。
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