TWI395289B - An electrostatic chuck device, a plasma processing device, and a method of manufacturing an electrostatic chuck device - Google Patents

Description

靜電夾盤裝置、等離子處理裝置和製造靜電夾盤裝置的方法

本發明涉及一種靜電夾盤裝置、使用該靜電夾盤裝置的等離子處理裝置及製造靜電夾盤裝置的方法。

圖1A示出現有技術中一種示例性的常規的靜電夾盤裝置。該常規的靜電夾盤裝置108設置於一等離子體處理室(未顯示)內。靜電夾盤裝置108包括靜電夾盤160和由金屬材料製成的支撐部140。其中，在靜電夾盤160內還設置一電極150，電極150外由介電質部包覆。靜電夾盤裝置108由一金屬陰極基座130支撐。金屬陰極基座130包括射頻輸入164和冷卻通道168。升降頂針孔172被設置於貫穿金屬陰極基座130和靜電夾盤裝置108。晶圓或襯底(未圖示)放置於靜電夾盤裝置108的上表面(即，靜電夾盤160的介電質部的上表面)。等離子體工藝在晶圓或襯底的上表面上進行，晶圓或襯底的上表面暴露於等離子處理室的等離子體中。

在等離子體處理反應室中，電磁波的波長會減少到其在自由空間裏的波長的1/4左右，從而，它的1/4波長會接近等離子體處理室的典型尺寸。因此，等離子體密度沿整個反應室並不均勻。例如，圖1B顯示了等離子體密度引起的蝕刻速率沿放置於圖1A所示的靜電夾盤裝置108上的整個晶圓是非均勻的。隨著自由空間的激勵頻率的增加，波長會減小，這駐波現象在反應室內會變得更加突出。

此外，能產生高等離子體密度的高頻能量也會減少趨膚深度(skin depth)。因此，趨膚效應會產生在處理室內等離子體加熱的最強處(即，在放電的邊緣)。

人們還發現，在檢查蝕刻後的晶圓或襯底時會發現存在明顯的邊緣效應(edge effect)，這使整個晶圓或襯底表面的蝕刻速率不均勻。邊緣效應顯示蝕刻速率在晶圓或襯底邊緣比其他區域(如中心區域)有相當的增加。

因此，在處理室內等離子體密度的不一致導致處理室內的工藝參數不同的變化，從而導致處理的襯底的不一致或不均勻處理(如，等離子體非均勻性、晶圓蝕刻速率的非均勻性、和邊緣蝕刻速率非均勻性)。

本發明的目的在於提供一種靜電夾盤裝置及其製造方法，所述靜電夾盤裝置能顯著地改善晶圓邊緣的蝕刻速率的不均勻，克服現有技術中靜電夾盤裝置由邊緣效應引起的不足。

本發明的另一目的在於提供一種使用該靜電夾盤裝置的等離子處理裝置，該處理裝置能顯著地改善晶圓邊緣的蝕刻速率的不均勻。

本發明是通過以下技術方法實現的：

根據本發明的一方面，本發明提供一種靜電夾盤裝置，包括：支撐部；與支撐部相連接的靜電夾盤，於其內設置有電極；其中支撐部和靜電夾盤包括具有高電阻率、高導熱性和低射頻能量損失的介電質材料。

根據本發明的另一方面，本發明提供一種靜電夾盤裝置，包括：支撐部，該支撐部包括碳化矽或氮化鋁；與支撐部連接的靜電夾盤，該靜電夾盤包括三氧化二鋁；和設置於靜電夾盤內的電極。

根據本發明的另一方面，本發明提供一種製造靜電夾盤裝置的方法，包括：提供一支撐部，該支撐部包括介電質材料；將一靜電夾盤與支撐部相連接，該靜電夾盤包括介電質材料，該支撐部的介電質材料和靜電夾盤的介電質材料均選自碳化矽、氮化鋁、三氧化二鋁及其混合物；且將一電極燒結在靜電夾盤內。

根據本發明的再一方面，本發明提供一種等離子處理裝置，包括：腔體；等離子體氣源，向腔體內提供一等離子氣體；與腔體相連接的陰極基座；與陰極基座相連接的支撐部；與支撐部相連接的靜電夾盤，該靜電夾盤內部包括電極；其中，支撐部和靜電夾盤包括具有高電阻率、高導熱性和低射頻能量損失的介電質材料；與陰極基座相連接的射頻源，以在腔體內激勵形成等離子體；和直流電壓源，與電極相連接，用於將晶圓固定在靜電夾盤上。

發明人經過大量的實驗和研究發現，圖1A所示的現有技術中靜電夾盤裝置108之所以產生明顯的或劇烈的邊緣效應，是因為其靜電夾盤160下方的支撐部140是由金屬材料製成的，並且其陰極基座130也由金屬材料製造而成。當射頻輸入164從下方饋入等離子處理裝置的反應腔時，由於金屬材料會接近100%地反射射頻能量的饋入，所以射頻輸入164的射頻能量基本上只能從金屬陰極基座130的外周圍設置的介電材料的包覆元件(未圖示)及金屬陰極基座130的外周與反應腔的內側壁之間形成的空間(未圖示)向放置晶圓的方位送入，在射頻能量到達支撐部140時，同理，由於支撐部140也是金屬材料，並且加上金屬陰極基座130和支撐部140之間形成有接近90度直角的臺階，因此，射頻能量也基本上只能在金屬支撐部140的外周圍向晶圓饋入射頻能量。發明人發現，在射頻能量輸入的入射波和反射波(散射場)的混合作用下，金屬支撐部140的存在使得晶圓表面的電場分佈變得非常不均勻，形成邊緣效應，金屬陰極基座130和支撐部140之間形成的臺階也進一步加劇形成強烈的邊緣效應。

為了解決上述問題，本發明提供一種靜電夾盤裝置，包括支撐部和與支撐部相連接的靜電夾盤。靜電夾盤內設置有電極。該支撐部和靜電夾盤包括具有高電阻率、高導熱性和低射頻能量損失的介電質材料。優選地，支撐部採用與靜電夾盤的材料相同或相接近的材料。通過該設計，可以使得射頻能量在饋入晶圓時被大量地送入由介電質材料製成的支撐部和靜電夾盤而不會被反射掉，由此，減少邊緣效應，使晶圓表面的電場線分佈變得均勻。

本發明的實施例涉及一種靜電夾盤裝置、使用該靜電夾盤裝置的等離子處理裝置及製造靜電夾盤裝置的方法。其中該靜電夾盤裝置的靜電夾盤和靜電夾盤的支撐部件是由高電阻率、高導熱性和低射頻能量損耗的介電質材料製成。該靜電夾盤裝置的優點是能有效地改善現有技術中由邊緣效應引起的不足，使晶圓表面的電磁場分佈比常規靜電夾盤裝置的電磁場分佈更加均勻。其結果是，晶圓蝕刻速率，特別是晶圓邊緣的蝕刻速率的不均勻性被顯著地改善。

本發明的實施方式將在圖2中詳細說明。圖2顯示了本發明一種實施方式提供的使用本發明靜電夾盤裝置的等離子處理裝置200。應該理解，裝置200僅僅是示例性的，裝置200可以包括更少或更多的組成元件，或該組成元件的安排可能與圖2所示不同。

等離子處理裝置200包括腔室204和一個設置於腔室204內的靜電夾盤208。待加工件、晶圓或襯底(未顯示)放置於處理室204內的靜電夾盤208的表面212。反應/處理氣體源(未顯示)向腔室204供應反應/處理氣體，反應/處理氣體被射頻功率源216激勵而形成等離子體218。靜電夾盤208由陰極座220支撐，陰極座220支撐基座230和支撐部件240。靜電夾盤208於其內包括一電極250。直流電壓源254與電極250相連接來給電極250施加電壓，實現從靜電夾盤208上夾持和釋放或襯底。

在使用中，射頻功率源216產生等離子體218，直流電壓源254將高壓直流電源施加到電極250來夾持晶圓至靜電夾盤208。等晶圓被夾持後，等離子體工藝處理會在腔室204內進行。等處理完成後，射頻功率源216被關閉，通過直流電壓源254對電極250施加反向直流電壓來使晶圓從靜電夾盤208上釋放。

圖3A示出根據本發明實施例的一種靜電夾盤裝置110。靜電夾盤裝置110包括基座230、支撐部240和靜電夾盤208。如圖3A所示，基座230包括射頻輸入264和冷卻通道268。升降頂針孔272貫穿基座230、支撐部件240和靜電夾盤208。如上所述晶圓/襯底放置於靜電夾盤208的上表面。

在圖3A所示的實施方式中，支撐部240和靜電夾盤208由高電阻率、高導熱性和低射頻損耗的介電質材料製成。在某種實施方式中，該介電質材料的電阻率為大約10¹⁰ 至10¹⁴ 歐姆*釐米。可選用的示例性材料包括：碳化矽、氮化鋁、三氧化二鋁等。應當理解，其他的具有高電阻率、高導熱、低射頻損耗的陶瓷材料也可以被使用。

在另外一種實施例中，支撐部件240和靜電夾盤208由相同的材料製成。應該理解，支撐部件240和靜電夾盤208也可以用不同的材料製成，每一個材料是高電阻率、高導熱性和低射頻損耗的介電質材料。在支撐部240和靜電夾盤208由相同的材料製成的實施例中，兩者可以被直接地或間接地製成一個整體。

在支撐部件240和靜電夾盤208由不同的材料製成的實施例中，這兩個材料可以被粘結在一起。例如，一種矽膠粘劑可以將支撐部件240和靜電夾盤208連接在一起。支撐部件240也可以與基座230粘接在一起。該同一矽片膠粘劑也可用於將支撐部240和基座230連接在一起。

在某一具體的實施例中，支撐部件240是由碳化矽或氮化鋁製成，靜電夾盤208由三氧化二鋁製成。電極250被燒結於靜電夾盤208內。

在某一具體的實施例中，支撐部件240和靜電夾盤208的厚度是5-12毫米之間的任何值，而靜電夾盤208的厚度約為0.5-5毫米。在更具體的一個實施例中，靜電夾盤為約1毫米厚。電極250的厚度小於或等於0.5毫米。在靜電夾盤208和支撐部件240由膠粘劑粘接在一起的實施例中，膠粘劑的厚度約為8微米。

圖3B示出放置於圖3A的本發明的靜電夾盤208與放置於圖1A的傳統的靜電夾盤裝置108上的兩種晶圓/襯底的截面的電腦模擬的電場分佈。如圖3B所示，圖3A的靜電夾盤208的電場的均一性與圖1A所示的傳統的靜電夾盤裝置108相比被顯著地改善。

本發明靜電夾盤裝置、使用該靜電夾盤裝置的等離子處理裝置及製造靜電夾盤裝置的方法可以適用於製造半導體晶圓、金屬晶圓以及各種玻璃面板。本專利說明書中所提及的待加工件、晶圓、襯底等說法僅僅為示例性的說明。

本發明是參照具體實例描述的，但其所有方面都應為示意性而非限定性的。技術人員可以發現很多硬體、軟體和固件的不同組合均可適用于應用本發明。此外，對於一般技術人員而言，在瞭解了本發明所公開的特徵和實施方式後，本發明的其他應用方式也可以較為明顯地被想到。本發明所述實施方式的各種構思和/或元件可以在等離子體反應室技術中被單獨地或被組合地使用。本說明書中所述的特徵和實施方式應當僅理解為示例性的說明，本發明的權利範圍由下列權利要求所限定。

本說明書中包含的附圖，作為本說明書的一部分，示出了本發明的實施方式，並與說明書一起用於解釋和描述本發明的原理和實施。附圖旨在以一種概略的方式描繪所述實施例的主要特徵。附圖的目的並不在於描述實際實施方式的每一詳細特徵，也不在於描繪所述元件的真正尺寸，並且元件不是按比例繪製。

108．．．靜電夾盤裝置

110．．．靜電夾盤裝置

130．．．金屬陰極基座

140．．．支撐部

150．．．電極

160．．．靜電夾盤

164．．．射頻輸入

168．．．冷卻通道

172．．．升降頂針孔

200．．．等離子處理裝置

204．．．腔室

208．．．靜電夾盤

212．．．表面

216．．．射頻功率源

218．．．等離子體

220．．．陰極座

230．．．基座

240．．．支撐部件

250．．．電極

254．．．直流電壓源

264．．．射頻輸入

268．．．冷卻通道

272．．．升降頂針孔

圖1A是現有技術中的靜電夾盤的示意圖。

圖1B是使用圖1A所示的靜電夾盤進行蝕刻時的晶圓的蝕刻速率示意圖。

圖2是本發明實施例的等離子體處理室的示意圖。

圖3A是本發明實施例的靜電夾盤的示意圖。

圖3B是使用圖3A所示的靜電夾盤進行蝕刻時的晶圓的蝕刻速率示意圖。

200．．．等離子處理裝置

204．．．腔室

208．．．靜電夾盤

212．．．表面

216．．．射頻功率源

218．．．等離子體

220．．．陰極座

230．．．基座

240．．．支撐部件

250．．．電極

254．．．直流電壓源

Claims (22)

1. 一種等離子處理裝置，包括：腔體；等離子體氣源，向腔體內提供一等離子氣體；與腔體相連接的陰極基座；與陰極基座相連接的支撐部；與支撐部相連接的靜電夾盤，所述靜電夾盤內部包括電極；其中，支撐部和靜電夾盤包括具有高電阻率、高導熱性和低射頻能量損失的介電質材料；與陰極基座相連接的射頻源，以在腔體內激勵形成等離子體；和直流電壓源，與電極相連接，用於將待加工件固定在靜電夾盤上。
2. 如申請專利範圍第1項所述的等離子處理裝置，其中支撐部和靜電夾盤包括相同的介電質材料。
3. 如申請專利範圍第1項所述的等離子處理裝置，其中支撐部和靜電夾盤包括不同的介電質材料。
4. 如申請專利範圍第1項或第2項或第3項所述的等離子處理裝置，其中介電質材料選自碳化矽、氮化鋁、三氧化二鋁及其混合物。
5. 如申請專利範圍第1項所述的等離子處理裝置，其中支撐部和靜電夾盤的厚度為5-12毫米。
6. 如申請專利範圍第1項所述的等離子處理裝置，其中靜電夾盤的厚度為0.5-5毫米。
7. 如申請專利範圍第1項所述的等離子處理裝置，其中介電質材料的電阻率為10¹⁰ 至10¹⁴ 歐姆*釐米。
8. 如申請專利範圍第1項所述的等離子處理裝置，進一步包括矽膠粘劑將靜電夾盤和支撐部粘接在一起。
9. 如申請專利範圍第8項所述的等離子處理裝置，其中膠粘劑的厚度小於10微米。
10. 一種靜電夾盤裝置，包括：支撐部；與支撐部相連接的靜電夾盤，於其內設置有電極；所述支撐部和靜電夾盤包括具有高電阻率、高導熱性和低射頻能量損失的介電質材料。
11. 如申請專利範圍第10項所述的靜電夾盤裝置，其中介電質材料選自於碳化矽、氮化鋁、三氧化二鋁及其混合物。
12. 如申請專利範圍第10項所述的靜電夾盤裝置，其中支撐部和靜電夾盤的厚度為5-12毫米。
13. 如申請專利範圍第10項所述的靜電夾盤裝置，其中靜電夾盤的厚度為0.5-5毫米。
14. 如申請專利範圍第13項所述的靜電夾盤裝置，進一步包括矽膠粘劑將靜電夾盤和支撐部粘接在一起。
15. 如申請專利範圍第14項所述的靜電夾盤裝置，其中膠粘劑的厚度小於約10微米。
16. 一種靜電夾盤裝置，包括：支撐部，該支撐部包括碳化矽或氮化鋁； 與支撐部連接的靜電夾盤，該靜電夾盤包括三氧化二鋁；和設置於靜電夾盤內的電極。
17. 如申請專利範圍第16項所述的靜電夾盤裝置，其中支撐部和靜電夾盤的厚度為5-12毫米。
18. 如申請專利範圍第16項所述的靜電夾盤裝置，其中靜電夾盤的厚度為0.5-5毫米。
19. 如申請專利範圍第18項所述的靜電夾盤裝置，進一步包括矽膠粘劑將靜電夾盤和支撐部粘接在一起。
20. 如申請專利範圍第19項所述的靜電夾盤裝置，其中矽膠粘劑的厚度小於10微米。
21. 一種製造靜電夾盤裝置的方法，包括：提供一支撐部，該支撐部包括介電質材料；將一靜電夾盤與支撐部相連接，該靜電夾盤包括介電質材料，該支撐部的介電質材料和靜電夾盤的介電質材料均選自碳化矽、氮化鋁、三氧化二鋁及其混合物；且將一電極燒結在靜電夾盤內。
22. 如申請專利範圍第21項所述的製造靜電夾盤裝置的方法，其中支撐部和靜電夾盤包括相同的介電質材料。