TWI574294B - A method of manufacturing a plasma processing chamber and an electrostatic chuck thereof - Google Patents

Description

等離子體處理腔室及其靜電夾盤的製造方法

本發明涉及半導體製造領域，尤其涉及一種等離子體處理腔室及其靜電夾盤的製造方法。

等離子處理裝置利用真空反應室的工作原理進行半導體基片和等離子平板的加工。真空反應室的工作原理是在真空反應室中通入含有適當蝕刻源的反應氣體，然後再對該真空反應室進行射頻能量輸入，以啟動反應氣體，來激發和維持等離子體，以便分別蝕刻基片表面上的材料層或在基片表面上沉積材料層，進而對半導體基片和等離子平板進行加工。

等離子體處理腔室中包括一基台，基台上方放置著待處理的基片。基台上方設置有一個靜電夾盤，靜電夾盤用於夾持基片。靜電夾盤上層的絕緣層中內嵌了一個直流電極，直流電極連接有一直流電源。當基片製程開始之前，直流電源施加於直流電極，使得直流電極產生一吸附力，將基片夾持於基台之上。而當製程結束以後，關閉施加於直流電極上的直流電源，從而解除基片和靜電夾盤之間的吸附力，機械手臂從腔室外部伸入腔室內，並將基片順利移除出腔室。

直流電極一般是內嵌於靜電夾盤的絕緣層裡，並且直流電極一般非常薄。而直流電極和直流電源之間必須有金屬連接，在靜電夾盤內 部一般是設置金屬線作為連接線。但是厚度很薄的直流電極很容易在設置金屬線的過程中產生破裂。本發明正是基於此提出的。

針對背景技術中的上述問題，本發明提出了一種等離子體處理腔室及其靜電夾盤的製造方法。

本發明第一方面提供了一種等離子體處理腔室的靜電夾盤的製造方法，其中，所述製造方法包括如下步驟：提供一陶瓷基底；在所述陶瓷基底上打若干通孔，所述通孔用於容納金屬連接線；提供若干金屬連接線，將所述若干金屬連接線冷卻到室溫以下，並將冷卻後的若干金屬連接線分別鑲嵌入所述陶瓷基底的所述若干通孔之中；將上述鑲嵌了金屬連接線的陶瓷基底置於常溫之中；將直流電極置於所述陶瓷基底之上；在放置了直流電極的陶瓷基底之上沉積抗腐蝕層。

進一步地，所述通孔的直徑大於冷卻後的金屬連接線的直徑。

進一步地，所述金屬連接線的熱膨脹率遠大於陶瓷基底和直流電極。

進一步地，所述金屬連接線的材料包括：銅、銀、鋁、金。

進一步地，所述陶瓷基底的材料包括氧化鋁。

進一步地，所述直流電極的材料包括鎢。

進一步地，所述製造方法還包括如下步驟：提供若干銅金屬 連接線，將所述若干銅金屬連接線冷卻到-100℃以下，並將冷卻後的若干金屬連接線分別鑲嵌入所述陶瓷基底的所述若干通孔之中。

進一步地，所述製造方法還包括如下步驟：利用真空沉積或者印刷的方法將直流電極置於所述陶瓷基底之上。

進一步地，所述抗腐蝕層的材料包括氧化釔或氮化釔。

進一步地，所述抗腐蝕層是由物理氣相沉積或等離子體噴塗所形成。

進一步地，所述製造方法還包括如下步驟：在金屬連接線以下連接軟金屬連接線。

本發明第二方面提供了一種等離子體處理腔室的的製造方法，其中，所述製造方法包括本發明第一方面所述的靜電夾盤的製造方法。

本發明提供的等離子體處理腔室及其靜電夾盤的製造方法，能夠順利地在直流電極以下的靜電夾盤區域設置金屬連接線，不會對直流電極造成破壞，以便於後續在靜電夾盤的頂層塗覆抗腐蝕層。

100‧‧‧等離子體處理腔室

101‧‧‧靜電夾盤

1012‧‧‧陶瓷基底

1016‧‧‧金屬連接線

1017‧‧‧軟金屬連接線

1017a‧‧‧接頭

1018‧‧‧抗腐蝕層

1019‧‧‧抗腐蝕層

102‧‧‧側壁

103‧‧‧氣體源

104‧‧‧射頻電源

105‧‧‧真空泵

106‧‧‧基台

107‧‧‧等離子體約束環

108‧‧‧電阻

109‧‧‧氣體噴淋頭

110‧‧‧直流電極

111‧‧‧直流電源

W‧‧‧基片

P‧‧‧處理區域

圖1是等離子體處理腔室及升舉裝置的結構示意圖。

圖2(a)~2(d)是根據本發明一個具體實施例的等離子體處理腔室的靜電夾盤的製造流程圖。

圖3是根據本發明的一個具體實施例的等離子體處理腔室的基台的結構示意圖。

以下結合附圖，對本發明的具體實施方式進行說明。要指出的是，“半導體工藝件”、“晶圓”和“基片”這些詞在隨後的說明中將被經常互換使用，在本發明中，它們都指在處理反應室內被加工的工藝件，工藝件不限於晶圓、襯底、基片、大面積平板基板等。為了方便說明，本文在實施方式說明和圖示中將主要以“基片”為例來作示例性說明。

圖1示出了等離子體處理腔室及升舉裝置的結構示意圖。等離子體處理腔室100具有一個處理腔體(未示出)，處理腔體基本上為柱形，且處理腔體側壁102基本上垂直，處理腔體內具有相互平行設置的上電極和下電極。通常，在上電極與下電極之間的區域為處理區域P，該處理區域P將形成高頻能量以點燃和維持等離子體。在基台106上方放置待要加工的基片W，該基片W可以是待要蝕刻或加工的半導體基片或者待要加工成平板顯示器的玻璃平板。其中，所述基台106用於夾持基片W。反應氣體從氣體源103中被輸入至處理腔體內的氣體噴淋頭109，一個或多個射頻電源104可以被單獨地施加在下電極上或同時被分別地施加在上電極與下電極上，用以將射頻功率輸送到下電極上或上電極與下電極上，從而在處理腔體內部產生大的電場。大多數電場線被包含在上電極和下電極之間的處理區域P內，此電場對少量存在於處理腔體內部的電子進行加速，使之與輸入的反應氣體的氣體分子碰撞。這些碰撞導致反應氣體的離子化和等離子體的激發，從而在處理腔體內產生等離子體。反應氣體的中性氣體分子在經受這些強電場時失去了電子，留下帶正電的離子。帶正電的離子向著下電極方向加速，與被處理的基片中的中性物質結合，激發基片加工，即蝕刻、沉積等。在等離子體處理腔室100的合適的某個位置處設置有排氣區域，排氣區域與 外置的排氣裝置(例如真空泵105)相連接，用以在處理過程中將用過的反應氣體及副產品氣體抽出腔室。其中，等離子體約束環107用於將等離子體約束於處理區域P內。腔室側壁102上連接有接地端，其中設置有一電阻108。

眾所周知，靜電夾盤101(ESC，electrostatic chuck)是等離子體處理腔室中的核心組件。由於靜電夾盤101是作為下電極和基片的承載物，其必然是硬性和結構穩定的，以防止在產品製程過程中等離子體轟擊和基片磨損。然而，現有技術的靜電夾盤101大多形成於黏合固體陶瓷圓盤於陽極化的鋁基底上。靜電夾盤101的陶瓷圓盤通常由Al₂O₃或AlN製成，並且包含一些金屬和基於矽的混合物，例如TiO₂、SiO₂等。當靜電夾盤在包含鹵族元素(例如F、Cl等)等離子體的環境下運作時，靜電夾盤101的陶瓷基底(Al₂O₃或AlN)和包含的其他成分都將受到等離子體的轟擊，然而其中包含的其他成分將在相對更高的腐蝕速率下被侵蝕。因此，等離子體腐蝕會改變靜電夾盤表面的形態、成分和陶瓷基底的特性(表面粗糙度、電阻係數等)，並且進一步導致靜電夾盤101的功能的改變，例如漏電流，氦氣洩露速率、去夾持時間等。

為了穩定靜電夾盤101的成分、結構和特性，現有技術通常在靜電夾盤101表面塗覆或者封裝抗等離子體腐蝕的材料，以防止靜電夾盤101被等離子體腐蝕。然而，在靜電夾盤101上用等離子體噴塗(plasma spray，PS)的方式塗覆抗腐蝕層並不可取，這是因為等離子體噴塗例如氧化釔的抗腐蝕層具有氣孔並且結構上易碎，並且氧化釔的抗腐蝕層比矽晶片軟，這樣會導致製程中產生顆粒污染。現有技術中也會在靜電夾盤101的陶瓷圓盤上利用物理氣相沉積(plasma enhanced physical vapour deposition， PEPVD)沉積緻密堅硬的等離子體抗腐蝕層，例如氧化釔或者氧化釔/氧化鋁混合。然而，直接在靜電夾盤101表面上沉積在技術上有限制，因為沉積溫度通常很容易達到100℃及以上，這是由於在物理氣相沉積製程中等離子體或塗覆沉積源會加熱靜電夾盤101。但是，由於陶瓷基底和鋁基底之間的黏合物熔點較低，靜電夾盤101的溫度是不能高於100℃及以上的。

現有技術公開的改進靜電夾盤性能的方法包括(1)首先在靜電夾盤101的陶瓷基底上進一步塗覆改善性抗腐蝕層，以及(2)然後通過黏合塗覆了抗腐蝕層陶瓷基底和鋁基底形成靜電夾盤101。現有技術通過在靜電夾盤101上塗覆抗腐蝕層使得其具有很多特定特性，例如高硬度、良好熱導率、耐用的結構以抗多種等離子體化學成分的腐蝕。實際上，按照現有技術的靜電夾盤101生產流程，在直流電極之下的氧化鋁基底之中形成電氣連接點(electrical joint)還有很多技術問題。具體地，上文已經提及靜電夾盤101中的直流電極還連接有一直流電源，因此工藝上需要在靜電夾盤101的氧化鋁基底臨界於直流電極的正下方用金屬做為連接線。而直流電極的厚度較薄，僅僅只有10~20um的金屬鎢，而上方的抗腐蝕層的質地又較為柔軟，因此在直流電極形成以後再做金屬連接線，金屬連接線會有極大可能損壞直流電極。

本發明提供了一種等離子體處理腔室及其靜電夾盤的製造方法。如圖1所示，靜電夾盤101位於基台106的上方，其用於在其上夾持基片W，在靜電夾盤101上方的材料層中設置有一直流電極110，直流電極110須直接連接一直流電源111，以使得在施加了直流電源111的作用下直流電極110產生一個將基片W夾持於其上的夾持力。因此，在直流電極110和直流電 源111之間必須存在用於電連接的連接線，而在靜電夾盤101中也必然需要設置金屬連線。本發明的發明目的就在於在直流電極110及其與直流電源111連接的連接線之間的靜電夾盤101相關材料層領域形成電氣連接(electrode joint)。

本發明第一方面提供了一種等離子體處理腔室的靜電夾盤的製造方法。圖2是根據本發明一個具體實施例的等離子體處理腔室的靜電夾盤的製造流程圖。根據本發明的一個優選具體實施例，其利用了熱脹冷縮原理(cooling and expansion)在在直流電極110及其與直流電源111連接的連接線之間的靜電夾盤101相關材料層領域形成電氣連接(electrode joint)。在本實施例中，所述靜電夾盤101的製造方法包括如下步驟：如圖2(a)所示，首先提供一陶瓷基底1012；然後，在所述陶瓷基底1012上打若干通孔1014，所述通孔1014用於容納金屬連接線。為簡明起見，在圖2(a)僅示出了一個通孔1014；接著，如圖2(b)所示，提供若干金屬連接線1016，將所述若干金屬連接線1016冷卻到室溫以下，因此根據熱脹冷縮的原理該金屬連接線1016的體積將會縮小，此時將冷卻後的若干金屬連接線1016分別鑲嵌入所述陶瓷基底1012的所述若干通孔1014之中；然後，將上述鑲嵌了金屬連接線1016的陶瓷基底1012置於常溫之中。此時，由於相較於之前溫度有所提高，金屬連接線1016又都是由熱膨脹率很高的金屬製成，因此，金屬連接線1016將會膨脹以填滿通孔1014；接著，如圖2(c)所示，將直流電極110置於所述陶瓷基底之上。由於直流電極110在金屬連接線1016形成以後才進行製造，因此不存在現有技術中直流電極110由於較薄而被後形成的金屬連接線1016破壞的缺陷，這充分說明了本發明的優越性。其中，直流電極110的厚 度大約為0.2mm或更小；最後，如圖2(d)所示，在放置了直流電極110的陶瓷基底1012之上沉積抗腐蝕層1018，靜電夾盤101製造完成。此時，在靜電夾盤101的直流電極110之下的陶瓷基底1012之中順利地形成了電氣連接。

特別地，所述通孔1014的直徑大於冷卻後的金屬連接線1016的直徑，以使得金屬連接線1016在冷卻狀態下能夠順利鑲嵌入通孔1014之中，並且在恢復室溫後膨脹至幾乎填滿通孔1014。示例性地，所述通孔1014的直徑為1mm。

特別地，所述金屬連接線1016的熱膨脹率遠大於陶瓷基底1012和直流電極110。下表使出了陶瓷基底1012、直流電極110和金屬連接線1016的金屬材料的熱膨脹率。

進一步地，所述金屬連接線1016的材料包括：銅、銀、鋁、金，所述陶瓷基底1012的材料包括氧化鋁，所述直流電極110的材料包括鎢。如上表所示，作為金屬連接線1016的金屬材料鋁、銅、銀、金、黃銅的熱膨脹係數遠大於作為陶瓷基底1012的材料氧化鋁和氮化鋁以及作為直流電極110的金屬鎢。因此，在同樣的室溫條件下，金屬連接線1016膨脹得更厲害，因此金屬連接線1016也就順利嵌入了靜電夾盤101的陶瓷基底1012之中，這是由於本發明利用了靜電夾盤101的陶瓷基底2012和金屬連接線1016的熱膨脹率之差。

進一步地，所述製造方法還包括如下步驟：提供若干銅金屬 連接線，將所述若干銅金屬連接線冷卻到-100℃以下，並將冷卻後的若干金屬連接線分別鑲嵌入所述陶瓷基底的所述若干通孔之中。

需要說明的是，在上述實施例中，金屬連接線1016的直徑是精心選擇和計算的，以使得它在冷卻作用下縮小到能夠適合靜電夾盤101的陶瓷基底1012上的通孔。

進一步地，所述製造方法還包括如下步驟：利用真空沉積或者印刷(printing)的方法將直流電極110置於所述陶瓷基底1012之上。

進一步地，所述抗腐蝕層1018的材料包括氧化釔或氮化釔。具體地，靜電夾盤101表層的抗腐蝕層1018是由物理氣相沉積或等離子體噴塗來塗覆的，其具有緻密和高孔隙率的結構，並具有等離子體抗腐蝕性。

圖3是根據本發明的一個具體實施例的等離子體處理腔室的基台的結構示意圖。進一步地，本發明提供的等離子體處理腔室的靜電夾盤的製造方法還包括如下步驟：在金屬連接線1016以下連接軟金屬連接線1017，從而完成直流電極110和直流電源的全部連接線。其中，在軟金屬連接線1017下端，也就是在軟金屬連接線1017於基台106下面製造一接頭1017a，延伸以連接入圖1所示的直流電源111。

如圖3所示，根據本發明的一個實施例，還可以在靜電夾盤101之上塗覆兩層抗腐蝕層，也就是在原有的抗腐蝕層1018上再塗覆一層抗腐蝕層1019，以使得靜電夾盤101具有加強的功能。本發明提供的靜電夾盤101的製造方法能夠實現在靜電夾盤101上連續不斷地塗覆多層抗腐蝕層，即使抗腐蝕層的質地再軟，也不會造成直流電極110的破損。

本發明第二方面提供了一種等離子體處理腔室的製造方 法，其中，所述製造方法包括本發明第一方面所述的靜電夾盤的製造方法。

儘管本發明的內容已經通過上述實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容後，對於本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護範圍應由所附的權利要求來限定。此外，不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求；“包括”一詞不排除其它權利要求或說明書中未列出的裝置或步驟；“第一”、“第二”等詞語僅用來表示名稱，而並不表示任何特定的順序。

106‧‧‧基台

1012‧‧‧陶瓷基底

1016‧‧‧金屬連接線

1017‧‧‧軟金屬連接線

1017a‧‧‧接頭

1018‧‧‧抗腐蝕層

1019‧‧‧抗腐蝕層

110‧‧‧直流電極

Claims (12)

1. 一種等離子體處理腔室的靜電夾盤的製造方法，其中，所述製造方法包括如下步驟：提供一陶瓷基底；在所述陶瓷基底上打若干通孔，所述通孔用於容納金屬連接線；提供若干金屬連接線，將所述若干金屬連接線冷卻到室溫以下，並將冷卻後的若干金屬連接線分別鑲嵌入所述陶瓷基底的所述若干通孔之中；將上述鑲嵌了金屬連接線的陶瓷基底置於常溫之中，金屬連接線膨脹並填滿所述通孔；在將陶瓷基底置於常溫的步驟之後，將直流電極置於所述陶瓷基底之上，所述直流電極接觸通孔內的所述金屬連接線；以及在放置了直流電極的陶瓷基底之上沉積抗腐蝕層。
2. 根據申請專利範圍第1項所述的製造方法，其中，所述通孔的直徑大於冷卻後的金屬連接線的直徑。
3. 根據申請專利範圍第2項所述的製造方法，其中，所述金屬連接線的熱膨脹率遠大於陶瓷基底和直流電極。
4. 根據申請專利範圍第3項所述的製造方法，其中，所述金屬連接線的材料包括：銅、銀、鋁、金。
5. 根據申請專利範圍第3項所述的製造方法，其中，所述陶瓷基底的材料包括氧化鋁。
6. 根據申請專利範圍第3項所述的製造方法，其中，所述直流電極的材料包括鎢。
7. 根據申請專利範圍第1項所述的製造方法，其中，所述製造方法還包括如下步驟：提供若干銅金屬連接線，將所述若干銅金屬連接線冷卻到-100℃以下，並將冷卻後的若干金屬連接線分別鑲嵌入所述陶瓷基底的所述若干通孔之中。
8. 根據申請專利範圍第1項所述的製造方法，其中，所述製造方法還包括如下步驟：利用真空沉積或者印刷的方法將直流電極置於所述陶瓷基底之上。
9. 根據申請專利範圍第1項所述的製造方法，其中，所述抗腐蝕層的材料包括氧化釔、氮化釔。
10. 根據申請專利範圍第1項所述的製造方法，其中，所述抗腐蝕層是由物理氣相沉積或等離子體噴塗所形成。
11. 根據申請專利範圍第1項所述的製造方法，其中，所述製造方法還包括如下步驟：在金屬連接線以下連接軟金屬連接線。
12. 一種等離子體處理腔室的製造方法，其中，所述製造方法包括申請專利範圍第1項至第11項任一項所述的靜電夾盤的製造方法。