TWI426580B - 靜電吸附承盤及電漿裝置 - Google Patents

Description

靜電吸附承盤及電漿裝置

本發明係有關於積體電路之製造裝置，且特別是有關於一種具有密封側壁之靜電吸附承盤裝置。

現今的半導體積體電路製程中，蝕刻為用來在半導體上圖案化電路的製程。電漿蝕刻為蝕刻製程的一種，其以高速的離子氣流射向晶圓。離子會蝕刻晶圓表面，因此能夠修飾晶圓的物理形貌(physical topography)及形成圖案。電漿蝕刻裝置通常包括電漿腔室及在電漿腔室中的靜電吸附承盤(electrostatic chuck；ESC)。

靜電吸附承盤(ESC)為一種使用電來產生靜電力的裝置，例如庫侖力及強森拉伯克力(Johnson-Rahbek force)，其用以在晶圓製程中，保持晶圓在電漿腔室中的位置。靜電吸附承盤通常包含一下部元件作為電極、一由介電質組成的上部元件及某些於這兩層之間的連結介質。其他型態的靜電吸附承盤包含二級導電極，並藉由塗佈實質上覆蓋導體極及下部元件的介電質使導電極與下部元件絕緣。現今許多靜電吸附承盤使用氣體作為導熱材料，所提供之氣體通過靜電吸附承盤的表面以傳導在晶圓及靜電吸附承盤之間的熱，用以控制在進行蝕刻製程時晶圓的溫度。

在電漿製程中，靜電吸附承盤所位於之電漿腔室充滿了電漿及電漿的副產物(由電漿氣體與晶圓表面反應的產物)。在製程中的電漿與電漿副產物可造成靜電吸附承盤損壞，其已知是由電漿蝕刻及製程氣體的腐蝕所造成。另一可使靜電吸附承盤的損壞的因素為製程套件(process kits)的安裝及移除。當製程套件安裝及移除時，某些在腔室中環繞在靜電吸附承盤周圍的製程套件會磨損靜電吸附承盤側壁。零件磨損代表靜電吸附承盤的各種元件遭到破壞，例如在上部元件及下部元件之間的連結介質及覆蓋下部元件的介電質。當這些物質導入至電漿腔室中會污染電漿腔室及正在進行製程的晶圓。

零件磨損可發生在上部元件連接下部元件的地方及在靠近導電元件的靜電吸附承盤的側邊。當這些元件損壞時，用於傳輸熱的氣體即會逸散而無法自晶圓攜帶熱離去，及在晶圓夾盤的內部元件會產生電弧，減少晶圓夾盤的固定力量。最終，氣體逸散及邊緣電弧(edge arcing)的問題會縮短靜電吸附承盤的使用壽命。

嘗試防止靜電吸附承盤損壞的方法包含在靜電吸附承盤上零件易受到磨損的地方使用環氧樹脂。在這些區域使用環氧樹脂可減緩靜電吸附承盤的損壞，但環氧樹脂不能抵抗電漿及電漿副產物造成的磨損，因此，氣體洩漏及邊緣電弧(edge arcing)仍會持續發生。此外，在靜電吸附承盤上使用環氧樹脂為永久性的，其會使靜電吸附承盤中損壞的環氧樹脂或其他元件難以整修。因此，業界需要的是改良的靜電吸附承盤以克服上述於習知技術中的缺點。

本發明提供一種靜電吸附承盤，包含：一下部元件，具有一上表面；一上部元件，位於該下部元件上；一凹口，位於該下部元件及該上部元件交界面；以及一可替換之側壁防護物，環繞該凹口周圍。

本發明也提供一種靜電吸附承盤，包含：一下部元件，具有一上表面；一表面介電元件，位於該下部元件上；一導電極，嵌在該表面介電元件中，靠近該表面介電元件之上表面；以及一可替換之側壁防護物，環繞該表面介電元件之周圍且實質上覆蓋一嵌有該導電極的側壁區域。

本發明更提供一種電漿裝置，包含：一腔室；一靜電吸附承盤；位於在腔室中；以及一可替換之側壁防護物，環繞該靜電吸附承盤之周圍。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

本發明將在說明書中描述關於各實施例的具體情況，即為有關於在電漿腔室中使用靜電吸附承盤(ESC)。本發明也可應用在其他型態的靜電吸附承盤及其他型態的製程中。

現在請參見圖示，第1A至1C圖繪示為靜電吸附承盤(ESC)1之剖面區域。如第1A圖所示之實施例，靜電吸附承盤1包含上部元件2、連結層4、下部元件6、凹口10、可替換之側壁防護物12、氣孔16及導電極17。

導電極17包含一導電材料，例如鎢，用以接收電壓並作為電極。下部元件6透過氣孔16接收熱傳輸氣體，以在製程中自晶圓(未顯示)傳輸熱。在本實施例中，氣孔16位於靜電吸附承盤1的中心部分，並包含一個洞由上部元件2之頂部表面延伸穿過連結層4及與下部元件6，且在下部元件6連接氣體供應源以供應氣體。在其他實施例中，氣孔可位於靜電吸附承盤中的任何位置，例如取代第1A圖所示之位於靜電吸附承盤的中心，而靠近靜電吸附承盤的外部邊緣。因此，在1A圖中氣孔16的結構將不僅限於其所示，其在圖中所顯示的位置及大小已簡化便於示範。可將本發明設想為具有另外的位置、大小或型態。

在第1A圖所示之實施例中，上部元件2包含陶瓷介電材料，並由連結層4連接至下部元件6。連結層4可包含矽膠黏劑(silicon glue)，也可包含其他連接上部元件2及下部元件6的方法。如第1A圖所示，下部元件6具有一凹口，該凹口為沿著靠近下部元件6與連結層4交界面之外部周圍，且位在上部元件2及下部元件6之間。或者，如第1D圖所示，凹口10可形成在上部元件2中，沿著靠近上部元件2與連結層4交界面之外部周圍。在其他實施例中，凹口10可同時位於上部元件2及下部元件6之中。值得注意的是，在這些實施例中，凹口10較佳為沿著上部元件2及下部元件6之間的交界面，以使連結層所暴露的表面被包含在凹口10中。由以下更詳盡的討論可知，凹口10有助於保持可替換之側壁防護物12位於其中。

如第1A圖所示，可替換之側壁防護物12為置於凹口10中，密封暴露在電漿環境中的連結層4。可替換之側壁防護物12包含一材料，例如含氟材料，其為用以抵抗電漿氣體及電漿氣體在製程中產生的副產物。例如，在多蝕刻電漿系統中、氧化蝕刻電漿系統或化學氣相沉積(CVD)型態的製程，可替換之側壁防讀物12可由全氟化橡膠(Perfluoroelastomer)形成，例如FFKM。在金屬蝕刻電漿系統中，可替換之側壁結構12可由氟碳化物形成，例如由DuPont製造的Viton。在光阻剝除製程中，可替換之側壁防護物12可由氟矽化物形成，例如FVMQ(一種氟矽橡膠)。

第1B圖係為第1A圖中“A”的詳細圖示。如第1B圖所示，可替換之側壁防護物固定在凹口10上，實質上密封凹口10及預防連結層4暴露在電漿腔室的環境下。可替換之側壁防護物12較佳具有順應凹口10的截面形狀13，因而使可替換之側壁防護物12實質上填滿凹口10。例如，在第1B圖所示之實施例中，可替換之側壁防護物12實質上填滿正方形或矩形的凹口10。在其他實施例中，截面形狀13可實質上為圓形或其他任何可填滿凹口10的形狀，以保護連結層4避免受到電漿氣體及電漿氣體副產物損害。在某些實施例中，可替換之側壁防護物實質性填滿該凹口並可突出至凹口外。

此可替換之側壁防護物12的形狀及材料較佳能使側壁防護物12的彈性能對凹口10中適當的位置作保護，防止滑動。例如，如第1A至1B圖所示，可替換之側壁防護物12的大小可延展至約大於未延展狀態之1.5%。使得可替換之側壁防護物稍微較小的內部直徑延展至凹口的直徑，以實質上地填滿凹口10並減少可替換之側壁防護物12隨時間鬆弛的風險。

第1C圖顯示本發明之另一實施例。在此實施例中，首先置入一黏結材料8，例如在此使用的是環氧樹脂。至凹口10中，形成一額外的密封層以更加防止連結層4暴露在電漿蝕刻的環境中。然後，置入可替換之側壁防護物12於環氧樹脂8上，實質上覆蓋環氧樹脂8，提供第二層的密封保護。

以可替換之側壁防護物12密封凹口10可預防連結層4的損壞，實質上減緩或停止零件的磨損。藉由避免零件磨損，本發明之實施例得以保持熱傳輸氣體能供應通過氣孔16至預定的路徑，因此靜電吸附承盤1逸散氣體的失敗模式得以減少或避免。因而使靜電吸附承盤1自進行電漿蝕刻製程所固定的晶圓帶走的熱僅有小量或無效率損失，提高靜電吸附承盤的使用壽命。此外，如果電漿製程隨時間使可替換之側壁防護物12損壞，可對可替換之側壁防護物12作替換，因為其使用的為具有彈性的可替換之側壁防護物12。不像只有環氧樹脂填滿的凹口，此可替換之側壁防護物12可輕易地移除及替換，大幅延長靜電吸附承盤1的壽命。

第2圖顯示本發明之另一實施例。在此實施例中，靜電吸附承盤80包含下部元件81、表面介電元件82、導電極83及氣孔84。下部元件較佳包含導電元件，例如單一鋁塊，用以接收電壓及作為電極。此外，下部元件81透過氣孔84接收熱傳輸氣體以在電漿製程中傳導熱。在此實施例中，氣孔84位於靜電吸附承盤80的中心並包含一個洞自表面介電元件82的頂部表面延伸穿過導電極83及與下部元件81，且在下部元件81連接氣體供應源以供應氣體，幫助在電漿製程中靜電吸附承盤80的操作中的熱得以傳導。氣孔84的結構不僅限於如圖所示，其位置與大小係已簡化以作示範。可將本發明設想為具有另外的位置、大小或型態。

靜電吸附承盤80更包含嵌於靠近表面介電元件82頂部表面的導電極83。表面介電元件82更包含陶瓷層，其實質上覆蓋導電極83及下部元件81，使導電極83及下部元件81電性絕緣，使導電極83及下部元件81具有相反極性的偏壓。在本實施例中，陶瓷層包含氧化鋁。導電極83與下部元件81之間的相反偏壓使導電極83的頂部表面及置於介電材料元件82頂部表面之晶圓底部之間形成一電位差，保持晶圓於靜電吸附承盤80中的位置。

由第2圖所示之靜電吸附承盤，表面介電元件82的零件在用以分隔導電極83及下部元件82的絕緣區遭受到磨損。當表面介電元件82由電漿及製程套件的安裝與移除而造成零件磨損而損壞時，露出導電極83及下部元件81而使兩元件之間產生電荷通路，此現象稱為邊緣電弧(edge arcing)。邊緣電弧使兩極(下部元件81及導電極83)無法維持其極性，因此阻礙了靜電吸附承盤80在電漿蝕刻製程中保持晶圓位置的能力。

如第2圖所示，本發明藉由在含有嵌於表面介電元件82中之導電極83的側壁區域上使用可替換之側壁防護物85來克服邊緣電弧的問題。此配置減少了在此含有鑲嵌導電極83的區域中由電漿氣體及製程套件安裝及移除所造成的損壞，因此避免表面介電元件82的損壞而造成的邊緣電弧。可替換之側壁防護物85的組成及形狀近似於前述之可替換之側壁防護物12。可替換之側壁防護物85維持足以覆蓋在靜電吸附承盤80之側壁上會遭到零件磨損的截面積。

在如第3A圖所示之實施例中，可替換之側壁防護物90為一O型環，具有內部直徑91。內部直徑91可視所放置之靜電吸附承盤來選用。如第3B及3C圖所示，在各種實施例中，此可替換之側壁防護物90可具有圓形的截面形狀92，或者，此截面形狀92也可為矩形。截面形狀可使側壁防護物92實質上填滿靜電吸附承盤的凹口，如第1A圖所示，或實質上覆蓋靜電吸附承盤之側壁，如第2圖所示。

因此，本發明對於靜電吸附承盤側壁的密封方法優於習知技術。例如，不像習知技術所用的方法是以環氧樹脂或陶瓷噴霧塗佈，且當側壁防護物至靜電吸附承盤中易於磨損之區域，且當側壁防護物損壞時是可替換的，提供了一更佳的額外優點，因此更具有經濟效益且可延長靜電吸附承盤的壽命。值得注意的是，本發明的實施例中減少了氣體的逸散。當對靜電吸附承盤的側壁使用可替換之靜電防護物時，達到有效傳輸熱所需的氣體體積(SCCM)具有顯著地減少。

此外，可替換之側壁防護物除了可減少靜電吸附承盤之側壁的零件磨損，也可防止在雙電極或三電極之間絕緣陶瓷材料層損害，其中絕緣陶瓷塗佈層可保持未損傷，靜電吸附承盤中雙極或三極的電極亦不會暴露出來，並且不會產生邊緣電弧。

第4圖繪示為一電漿腔室裝置，使用一改良的靜電吸附承盤，其具有本發明所述之可替換之側壁防護物。此裝置具有一製程腔室，係由上部殼罩43及下部殼罩42所構成。此上部及下部殼罩43及42係由導電材料所構成，例如鋁。前述型態之靜電吸附承盤41位於該由上部殼罩及下部殼罩形成之腔室中。靜電吸附承盤41經由線路48連接電源44。當電源施以電壓至靜電吸附承盤41時，會在置於靜電吸附承盤41頂部表面之晶圓及靜電吸附承盤41之間產生靜電力，其會吸引並維持住晶圓在靜電吸附承盤41上。

為了改善晶圓及靜電吸附承盤41之間的熱傳輸，如第4圖所示之電漿製程裝置在晶圓及靜電吸附承盤41之間提供熱傳輸氣體。此熱傳輸氣體係由氣體供應源45提供並通過線路47延伸通至靜電吸附承盤41。製程氣體供應源46係通過管路49連接至製程腔室。因此，前述的裝置在此改良的製程腔室內利用此前述之改良之靜電吸附承盤。

雖然本發明已以數個較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作任意之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1‧‧‧靜電吸附承盤

2‧‧‧上部元件

4‧‧‧連結層

6‧‧‧下部元件

8‧‧‧環氧樹脂

10‧‧‧凹口

12‧‧‧可替換之側壁防護物

13‧‧‧截面形狀

16‧‧‧氣孔

17‧‧‧導電極

40‧‧‧製程腔室

41‧‧‧靜電吸附承盤

42‧‧‧下部殼罩

43‧‧‧上部殼罩

44‧‧‧電源

45‧‧‧氣體供應源

46‧‧‧製程氣體供應源

47、48、49‧‧‧管線

80‧‧‧靜電吸附承盤

81‧‧‧下部元件

82‧‧‧表面介電元件

83‧‧‧導電極

84‧‧‧氣孔

85‧‧‧可替換之側壁元件

90‧‧‧可替換之側壁防護物

91‧‧‧圓形截面形狀

92‧‧‧矩形截面形狀

第1A~1D圖為本發明一實施例之靜電吸附承盤的剖面圖。

第2圖為為本發明另一實施例之靜電吸附承盤的剖面圖。

第3A~3C圖繪示為本發明一實施例中所使用之O型環。

第4圖繪示為本發明一實施例之製程腔室中的靜電吸附承盤。

1．．．靜電吸附承盤

2．．．上部元件

4．．．連結層

6．．．下部元件

8．．．環氧樹脂

10．．．凹口

12．．．可替換之側壁防護物

13．．．截面形狀

Claims (20)

1. 一種靜電吸附承盤，包含：一下部元件，具有一上表面；一上部元件，位於該下部元件上，該上部元件具有一下表面；一凹口，位於該下部元件及該上部元件交界面，使該凹口介於該下部元件之該上表面與該上部元件之該下表面之間；以及一可替換之側壁防護物，環繞該凹口周圍。
2. 如申請專利範圍第1項所述之靜電吸附承盤，其中該可替換之側壁防護物實質上填滿該凹口。
3. 如申請專利範圍第1項所述之靜電吸附承盤，更包含一連結層置於該上部元件及該下部元件之間，其中該連結層係連接該上部元件及該下部元件，及其中該可替換之側壁防護物實質上填滿該凹口，覆蓋該連結層。
4. 如申請專利範圍第1項所述之靜電吸附承盤，其中該凹口係位於該下部元件中。
5. 如申請專利範圍第1項所述之靜電吸附承盤，其中該凹口係位於該上部元件中。
6. 如申請專利範圍第1項所述之靜電吸附承盤，更包含至少部分填滿該凹口之一黏結材料。
7. 如申請專利範圍第6項所述之靜電吸附承盤，其中該可替換之側壁防護物實質上覆蓋該黏結材料並突出至該凹口之外。
8. 如申請專利範圍第1項所述之靜電吸附承盤，其中 該環繞該凹口周圍的可替換之側壁防護物係包含一O型環。
9. 如申請專利範圍第1項所述之靜電吸附承盤，其中該可替換之側壁防護物係包含一含氟材料。
10. 如申請專利範圍第9項所述之靜電吸附承盤，其中該環繞該凹口周圍的可替換之側壁防護物係包含全氟化橡膠(perfluoroelastomer)、氟碳化物或氟矽化物。
11. 一種靜電吸附承盤，包含：一下部元件，具有一上表面及一側壁；一表面介電元件，覆蓋該下部元件之該上表面及該側壁；一導電極，嵌在該表面介電元件中，靠近該表面介電元件之上表面；以及一可替換之側壁防護物，環繞該表面介電元件之周圍且實質上覆蓋一嵌有該導電極的側壁區域，且該可替換之側壁防護物覆蓋該下部元件之該側壁。
12. 如申請專利範圍第11項所述之靜電吸附承盤，其中該表面介電元件係為陶瓷。
13. 如申請專利範圍第11項所述之靜電吸附承盤，其中該下部元件係為氧化鋁。
14. 如申請專利範圍第11項所述之靜電吸附承盤，其中該可替換之側壁防護物係包含一O型環。
15. 如申請專利範圍第11項所述之靜電吸附承盤，其中該可替換之側壁防護物包含一含氟材料。
16. 如申請專利範圍第15項所述之靜電吸附承盤，其 中該可替換之側壁防護物係包含全氟化橡膠(Perfluoroelastomer)、氟碳化物或氟矽化物。
17. 一種電漿裝置，包含：一腔室；以及如申請專利範圍第1或11項所述之靜電吸附承盤，位於該腔室中。
18. 如申請專利範圍第17項所述之電漿裝置，其中該可替換之側壁防護物係包含一O型環。
19. 如申請專利範圍第17項所述之電漿裝置，其中該可替換之側壁防護物係包含一含氟材料。
20. 如申請專利範圍第17項所述之電漿裝置，更包含一環氧樹脂於該凹口內，其中該可替換之側壁防護物實質上圍住該環氧樹脂。