TWI762623B

TWI762623B - 靜電夾盤及基板固定裝置

Info

Publication number: TWI762623B
Application number: TW107113558A
Authority: TW
Inventors: 津野將彌; 峯村知剛; 菅沼茂明
Original assignee: 日商新光電氣工業股份有限公司
Priority date: 2017-04-27
Filing date: 2018-04-20
Publication date: 2022-05-01
Also published as: JP6830030B2; TW201843766A; KR20180120588A; KR102453117B1; US10861732B2; US20180315634A1; JP2018186209A

Abstract

一種靜電夾盤(5)，包括：絕緣板(10)，其由氧化鋁及經添加鈰之YAG(釔鋁石榴石)組成，且經構造以於其上安裝基板(S)；及電極(11、12)，其嵌入於該絕緣板中且經構造以產生用來吸附基板的靜電力。

Description

靜電夾盤及基板固定裝置

本申請案主張2017年4月27日提出申請之日本專利申請案第2017-087910號之優先權，將其全部內容以引用的方式併入本文。

本揭示內容係關於一種靜電夾盤及一種基板固定裝置。

對諸如矽晶圓之基板應用諸如電漿蝕刻及CVD(化學氣相沉積)之各種製程。以此方式，製得諸如LSI(大型積體)之半導體裝置。

此等製程係在藉由靜電夾盤固定基板的同時於腔室內部進行。靜電夾盤係藉由靜電力吸附基板的裝置。由於靜電夾盤可以簡單的結構產生靜電力，因此靜電夾盤相當地普遍。舉例來說，以下文件揭示藉由靜電力吸附基板的靜電夾盤：[PTL 1]JP-A-2011-519486

[PTL 2]JP-A-2016-503962

[PTL 3]WO 2014/084334

[PTL 4]JP-A-2000-191369

然而，諸如電漿蝕刻及CVD之製程係在加熱基板的同時於基板上進行。因此，當在加熱期間靜電夾盤之吸附力降低時，會有基板可能自靜電夾盤脫離，藉此導致半導體裝置之良率下降的顧慮。

根據一態樣，本揭示內容之一目的係提供一種靜電夾盤，其之吸附力即使於加熱期間亦幾乎不會下降；及一種基板固定裝置。

根據本揭示內容之一或多個態樣，提供一種靜電夾盤。

該靜電夾盤包括：絕緣板，其由氧化鋁及經添加鈰之YAG(釔鋁石榴石)組成，且經構造以於其上安裝基板；及電極，其嵌入於絕緣板中且經構造以產生用來吸附基板的靜電力。

根據一態樣，絕緣板係由氧化鋁及經添加鈰之YAG組成。以此方式，即使當加熱絕緣板時，亦可抑制絕緣板的體積電阻率降低。結果，可使絕緣板的體積電阻率維持於高的值。因此，於電極中產生之電荷幾乎不會洩漏至絕緣板，且即使當加熱靜電夾盤時，靜電夾盤的吸附力亦幾乎不會降低。

1‧‧‧半導體製造設備

2‧‧‧腔室

2a‧‧‧出口

3‧‧‧基板固定裝置

4‧‧‧底板

5‧‧‧靜電夾盤

8‧‧‧上部電極

9‧‧‧高頻電源

10‧‧‧絕緣板

10a‧‧‧絕緣板10之上表面

10b‧‧‧片材

10x‧‧‧亮部分

10y‧‧‧暗部分

11‧‧‧第一電極

12‧‧‧第二電極

13‧‧‧加熱器

15‧‧‧第一DC電源

16‧‧‧第二DC電源

20‧‧‧孔洞

21‧‧‧螺釘孔

A‧‧‧氧化鋁晶體之峰

B‧‧‧YAG晶體之峰

d‧‧‧距離

G‧‧‧蝕刻氣體

S‧‧‧基板

圖1係根據本發明之一具體例之半導體製造設備的截面圖；圖2係根據具體例之基板固定裝置的截面圖；圖3係根據具體例之基板固定裝置的平面圖；圖4A及4B係用來解說製造根據具體例之靜電夾盤之製程的截面圖；圖5係顯示包含於根據具體例之絕緣板中晶相檢驗結果的圖；圖6A至6D係顯示根據具體例之絕緣板中各別元素分佈之檢驗結果的圖；圖7係顯示關於根據具體例之絕緣板之體積電阻率如何隨溫度變化之檢驗結果的圖；圖8A及8B係顯示根據具體例之絕緣板之體積電阻率為何增加之理由的圖；圖9係顯示關於具體例中基板移除容易度之檢驗結果的圖；圖10係藉由檢驗經燒結絕緣板之相對密度如何隨二氧化鈰之莫耳濃度改變所獲得的圖；圖11係Ce-Al-O系統之狀態圖；圖12係根據第一修改之基板固定裝置的截面圖；及圖13係根據第二修改之基板固定裝置的截面圖。

以下將參照附圖詳細說明本發明之一具體例。

圖1係根據具體例之半導體製造設備的截面圖。

舉例來說，半導體製造設備1係電漿蝕刻設備。半導體製造設備1包括腔室2及設置於腔室2中之基板固定裝置3。

基板固定裝置3係將基板S固定於腔室2內之裝置。基板固定裝置3包括底板4及固定於底板4上之靜電夾盤5。

在基板固定裝置3中，底板4係亦充作下部電極的導電板。底板4係藉由未顯示的螺釘固定至腔室2的底部部分。在此實例中，使用鋁板作為底板4，及將高頻電源9連接至底板4。

另一方面，靜電夾盤5藉由靜電力吸附基板S。因此，靜電夾盤5將基板S固定於腔室2內部。舉例來說，可使用諸如矽晶圓的半導體基板作為待固定的基板S。

此外，將上部電極8設置於腔室2的上部部分以面對基板固定裝置3。上部電極8充作用於在腔室2內部供應蝕刻氣體G的蓮蓬頭。

此外，於腔室2的下部部分設置出口2a。蝕刻氣體G可自出口2a排出。

在實際使用時，在將上部電極8維持於接地電位的同時自高頻電源9將高頻電力施加至底板4。因此，蝕刻氣體G轉變為電漿。結果，基板S經蝕刻。

圖2係前述基板固定裝置3之截面圖。

如圖2所示，靜電夾盤5包括其上安裝基板S的絕緣板10。

絕緣板10係幾乎不會被蝕刻氣體腐蝕的陶瓷板。第一及第二電極11及12及加熱器13經嵌入於絕緣板10中。為方便說明起見，第一電極11及第二電極12在下文可簡稱為電極11及12。

在絕緣板10中，將第一DC電源15之正電壓施加至第一電極11，及將第二DC電源16之負電壓施加至第二電極12。

因此，分別於第一電極11及第二電極12中產生正及負電荷。同時，於基板S的背表面中誘導出極性與所產生電荷相反的電荷，以致於各電極11、12中產生用來吸附基板S的庫侖力。使用此庫侖力作為用來吸附基板S之靜電力的靜電夾盤亦被稱為庫侖型靜電夾盤。

附帶一提，較佳使絕緣板10之上表面10a與電極11、12之間的距離d儘可能地窄，以增大用來吸附基板S的靜電力。在此實例中，將距離d設為數十μm至數百μm。

此外，加熱器13係由於自第一DC電源15及第二DC電源16供應之電流產生熱的電阻加熱型加熱器。在電漿蝕刻期間，基板S於室溫下被加熱至約200℃之溫度。

圖3係基板固定裝置3之平面圖。

如圖3所示，底板4及靜電夾盤5的平面圖各為圓形。底板4及靜電夾盤5的直徑並無特定限制。底板4的直徑為約113mm至472mm。靜電夾盤5的直徑為約101mm至460mm。

另外，於底板4及靜電夾盤5各者中設置用來提起基板S之藉由未顯示之提升銷穿透的孔洞20。

另外，亦於底板4中設置用來將底板4固定至腔室2之底部部分的螺釘孔21。

接下來，將說明用來製造前述靜電夾盤5的方法。

圖4A及4B係用來解說製造根據具體例之靜電夾盤5之製程的截面圖。

首先，如圖4A所示，將複數個片材10b層疊於彼此之上。各個片材10b係由氧化鋁(Al₂O₃)粉末、氧化釔(Y₂O₃)粉末及二氧化鈰(CeO₂)粉末製成，且具有約0.5mm至0.6mm之厚度。

片材10b中之各別組分的濃度並無特定限制。當將片材10b中之氧化鋁的莫耳濃度及氧化釔的莫耳濃度表示為X莫耳%及(100-X)莫耳%時，根據具體例，X落於80至90之範圍內。

此外，片材10b中之二氧化鈰的莫耳濃度係0.5莫耳%至1莫耳%。在此情況，片材10b中之單獨鈰的莫耳濃度係0.4莫耳%至0.8莫耳%。

附帶一提，預先將鎢等之金屬膏在複數個片材10b中之相鄰者之間的層中印刷為各電極11、12或加熱器13。

另外，層狀片材10b的數目亦無特定限制。舉例來說，可層疊五至數十個片材10b。

接下來，如圖4B所示，在約1,500℃之溫度下加熱複數個片材10b。當維持此狀態數小時時，各片材10b經燒結。層狀片材10b之總成經形成為絕緣板10。

如稍後將作說明，除氧化鋁外，於經燒結之絕緣板10中產生YAG(釔鋁石榴石：Y₃Al₅O₁₂)。絕緣板10中之YAG的濃度係35重量%，同時絕緣板10中之氧化鋁的濃度係65重量%。

此外，單獨鈰的濃度在燒結之前及之後未改變。因此，絕緣板10中之鈰的濃度係0.4莫耳%至0.8莫耳%，其與燒結前片材10b中的鈰濃度相同。

附帶一提，為防止導電率因電極11、12或加熱器13中所含鎢的氧化而損失，此步驟中之燒結較佳係於經移除氧的脫氧氛圍中進行。舉例來說，可使用僅由氮及氫構成的氛圍作為此一脫氧氛圍。

以前述方式，完成根據具體例之靜電夾盤5的基礎結構。

根據前述具體例，如前所述，僅使用氧化鋁、氧化釔及二氧化鈰作為絕緣板10之材料。本發明人進行各種關於如此獲得之絕緣板10的檢驗。該等檢驗將說明於下。

‧關於晶相

本發明人利用XRD(X-射線繞射)檢驗於絕緣板10中包含何種晶相。

檢驗結果顯示於圖5中。

圖5中，橫座標指示X-射線之繞射角(2θ)，及縱座標指示經繞射X-射線之強度。

於此檢驗中，檢驗氧化鋁晶體、YAG晶體及絕緣板10中之經繞射X-射線的各別強度曲線。附帶一提，於圖5中，此等強度曲線係經繪示為垂直分開，以不彼此重疊。

如圖5所示，氧化鋁晶體之峰A及YAG晶體之峰B皆出現於絕緣板10之強度曲線中。另一方面，釔晶錠之峰及鈰晶錠之峰皆未出現於絕緣板10之強度曲線中。

結果顯示釔晶錠及鈰晶錠未包含於絕緣板10中，然而絕緣板10係由氧化鋁晶體及YAG晶體組成。

‧關於元素分佈

本發明人藉由SEM/EDX(掃描電子顯微鏡/能量分散式X-射線光譜術)方法檢驗絕緣板10中各別元素之分佈。

檢驗結果顯示於圖6A至6D中。

在圖6A至6D中，圖6A係絕緣板10之前表面的SEM影像。

如圖6A所示，亮部分10x及暗部分10y出現於絕緣板10之SEM影像中。

另一方面，圖6B係藉由EDX觀察之在與圖6A之相同位置處之鋁分佈的影像。

鋁存在於在圖6B中看來明亮的區域中。當將此區域與圖6A之暗部分10y相互比較時，兩者的分佈彼此一致。由此事實，可知曉圖6A之暗部分10y係氧化鋁晶體。

圖6C係藉由EDX觀察之在與圖6A之相同位置處之釔分佈的影像。

釔存在於在圖6C中看來明亮的區域中。當將此區域與圖6A之亮部分10x相互比較時，兩者的分佈彼此一致。由此事實，可知曉圖6A之亮部分10x係YAG晶體。

圖6D係藉由EDX觀察之在與圖6A之相同位置處之鈰分佈的影像。

鈰存在於圖6D之明亮區域中。然而，此區域之分佈與圖6A之亮部分10x的分佈一致。由於亮部分10x代表如前所述的YAG晶體，因此結果亦顯示鈰被添加至YAG晶體。

附帶一提，鈰不存在於圖6D的暗區域中。此區域之分佈與圖6A之暗部分10y的分佈一致。因此，亦可知曉鈰未被添加至氧化鋁晶體。

前述結果顯示絕緣板10係由氧化鋁晶體及經添加鈰的YAG晶體所組成。

‧關於體積電阻率之溫度相依性

本發明人檢驗絕緣基板10之體積電阻率如何隨溫度而改變。

檢驗結果顯示於圖7。

圖7中，橫座標指示絕緣板10之溫度，及縱座標指示絕緣板10之體積電阻率。

附帶一提，在檢驗中，除根據具體例之絕緣板10外，亦檢驗根據第一比較例及之第二比較例之絕緣板10的體積電阻率。

在此等絕緣板10中，根據第一比較例之絕緣板10係其中混合並燒結氧化鋁(Al₂O₃)粉末、氧化鎂(MgO)粉末、氧化鈣(CaO)粉末、二氧化矽(SiO₂)粉末及氧化釔(Y₂O₃)粉末的陶瓷板。

另一方面，根據第二比較例之絕緣板10係其中混合並燒結氧化鋁及氧化釔以分別具有與具體例中者相同莫耳濃度的陶瓷板。然而，與具體例不同地，鈰未被添加至根據第二比較例的陶瓷板中。

如圖7所示，在第一比較例中，體積電阻率隨溫度升高而減小。

當體積電阻率以此方式減小時，電荷易流過絕緣板10。因此，於各電極11、12(見圖2)中之電荷通過絕緣板10逸出至外部，以致用來吸附基板S的吸附力減小。

特定而言，在於不低於室溫之溫度下加熱基板S的同時，於基板S上進行用來製造半導體裝置的電漿蝕刻或CVD等。因此，當絕緣板10之吸附力於加熱期間降低時，基板S自靜電夾盤5脫離，藉此導致半導體裝置的良率降低。

為防止基板S脫離，希望絕緣板10實際上具有1×10¹⁶Ω‧cm或更高之體積電阻率。在第一比較例中，體積電阻率在低於150℃之溫度下低於1×10¹⁶Ω‧cm。

另一方面，在第二比較例中，體積電阻率之減小較在第一比較例中更大地受到抑制。然而，當溫度達到150℃時，體積電阻率接近1×10¹⁶Ω‧cm。

相對地，在具體例中，當溫度提高時之體積電阻率的減小較在第一比較例及第二比較例各者中更大地受到抑制。即使當溫度為150℃時，絕緣板10之體積電阻率亦充分地超過1×10¹⁶Ω‧cm，其足夠大而可承受實際使用。

特定而言，根據具體例之體積電阻率高於根據其中未將鈰添加至絕緣板10中之第二比較例的體積電阻率。因此，此事實顯示添加鈰可有效抑制體積電阻率隨溫度提高而減小。

此外，根據具體例之體積電阻率基於以下理由高於根據第一比較例之體積電阻率。

圖8A及8B係用於解說理由的示意圖。

在圖8A及8B中，圖8A係基於根據具體例之絕緣板10之斷裂表面之SEM影像繪示的視圖。

如圖8A所示，氧化鋁晶粒及YAG晶粒清楚地出現於具體例的斷裂表面中。在此等晶粒之間的晶界中不存在非晶形材料。

另一方面，圖8B係基於根據第一比較例之絕緣板10之斷裂表面之SEM影像繪示的視圖。

如圖8B所示，二氧化矽經添加於第一比較例的絕緣板10中。因此，斷裂表面中的晶粒經非晶形二氧化矽覆蓋。非晶形二氧化矽之體積電阻率較氧化鋁晶體或YAG晶體小，藉此導致在高溫下絕緣板10之體積電阻率減小。

在具體例中，由於在根據具體例之絕緣板10中之氧化鋁或YAG之晶粒之間的晶界中不存在諸如二氧化矽的非晶形材料，因此體積電阻率之減小較在如圖7所示之第一比較例中更大地受到抑制。

‧關於移除基板S的容易度

於完成在基板S上諸如電漿蝕刻及CVD的製程後，停止對各電極11、12(見圖2)施加電壓。因此，可自絕緣板10移除基板S。在此情況，為能快速地在基板S上進行接下來的製程，基板S較佳可容易地自絕緣板10移除。

因此，本發明人如下檢驗移除基板S的容易度。

圖9係顯示檢驗結果的圖。

在檢驗中，於停止對電極11、12施加電壓後，測量在絕緣板10之前表面與電極11、12之間流動的電流。

在圖9中，橫座標指示時間，及縱座標指示前述電流。附帶一提，停止對電極11、12施加電壓的時間係60秒。

另外，在檢驗中，除了根據具體例之絕緣板10外，亦檢驗流過圖7中描述之根據第一比較例及第二比較例之各別絕緣板10的電流。

如圖9所示，在第一比較例中，於停止對電極11、12施加電壓後，大的電流流動，且其耗費特定時間直至電流減弱為止。電流的流動係歸因於殘留於絕緣板10中之電荷。因此，在第一比較例中，即使於停止對電極11、12施加電壓後，電荷仍殘留於絕緣板10中，且用來吸附基板S的靜電力仍然殘留。

於將鈰自根據具體例之絕緣板10移除的第二比較例中，其亦以類似方式或相同方式耗費長時間直至電流減弱為止。

相對地，在具體例中，於停止對電極11、12施加電壓後，電流快速地減弱。

結果顯示歸因於如同具體例中經添加至絕緣板10之YAG晶體的鈰，由絕緣板10作用於基板S上之靜電力可快速地減弱，以致可容易地將基板S自絕緣板10移除。

‧較佳鈰濃度

如圖7所示，鈰可有效抑制絕緣板10之體積電阻率隨溫度提高而減小。此外，如圖9所示，鈰亦可有效使得能夠容易地自絕緣板10移除基板S。

本發明人自不同於此等效應的觀點檢驗鈰應經添加至絕緣板10中的期望濃度。檢驗結果示於圖10。

圖10係經由檢驗經燒結絕緣板10之相對密度如何隨經添加至各片材10b(見圖4A)中二氧化鈰之莫耳濃度改變所獲得的圖。

附帶一提，相對密度係定義為實際製得之絕緣板10之密度對沒有孔洞之理想絕緣板10之密度之比率百分比。

另外，在此檢驗中，製得針對二氧化鈰之濃度為0莫耳%、0.5莫耳%及1莫耳%之各情況的樣品。樣品之相對密度以如同圖10的盒鬚圖(box-and-whisker diagram)顯示。

如圖10所示，不含鈰(即含0莫耳%鈰)之樣品中之相對密度的平均值係低於95%，而含0.5莫耳%鈰之樣品中之相對密度的平均值增加至高於98%。結果顯示鈰亦具有增加絕緣板10之相對密度的功能。

為產生就在絕緣板10中實際使用而言足夠大的吸附力，絕緣板10之相對密度較佳不低於95%。根據圖10，當二氧化鈰之濃度不低於0.5莫耳%時，相對密度可增加至不低於95%。特定而言，當二氧化鈰之濃度為1莫耳%時，絕緣板10之相對密度可增加至接近100%。

附帶一提，當二氧化鈰之濃度為0.5莫耳%時，絕緣板10中所含之單獨鈰的濃度為0.4莫耳%。因此，只要絕緣板10中之鈰濃度不低於0.4莫耳%，絕緣板10之相對密度就可增加至不低於95%，如前所述，其對實際用途而言足夠高。

另一方面，圖11係Ce-Al-O系統的狀態圖。附帶一提，在圖11中，橫座標指示Ce-Al-O系統中之鋁濃度(莫耳%)。

如圖11所示，當鋁濃度降至約90莫耳%及鈰濃度相對增加至約10莫耳%時，製得諸如CeAl₁₁O₁₈之鈰化合物。

當鈰如此經消耗以製造鈰化合物時，很難將鈰添加至YAG晶體。結果，很難獲得可因鈰而得到的各種效應，諸如抑制電阻下降(圖7)、快速減弱靜電力(圖9)及高相對密度(圖10)。

因此，如於圖10中之檢驗中，較佳將燒結前片材10b中二氧化鈰之濃度的上限設為不高於1莫耳%。因此，必然可獲得前述各種效應。附帶一提，當二氧化鈰之濃度為1莫耳%時，絕緣板10中所含之單獨鈰的濃度為0.8莫耳%。因此，由於絕緣板10中之鈰濃度不高於0.8莫耳%，可容易地獲得前述圖7、圖9及圖10中所示的各種效應。

根據前述具體例，絕緣板10僅由氧化鋁及經添加鈰的YAG構成。因此，如圖7所示，即使當絕緣板經加熱時，亦可抑制絕緣板10的體積電阻率下降。結果，可使絕緣板10的體積電阻率保持於高的值。因此，於各電極11、12(見圖2)中產生的電荷幾乎不會洩漏至絕緣板10。因此，即使當靜電夾盤5經加熱時，靜電夾盤5的吸附力亦幾乎不會下降。

(修改)

在前述具體例中，用來加熱基板S的加熱器13係嵌入於絕緣板10中，如圖2所示。用來設置加熱器13的位置並不限於先前所述者。或者，加熱器13可如下設置。

圖12係根據第一修改之基板固定裝置3的截面圖。

在此實例中，加熱器13係設置於底板4與靜電夾盤5之間。

另一方面，圖13係根據第二修改之基板固定裝置3的截面圖。

在此實例中，加熱器13係設置於底板4內部。

亦於圖12及13之任何情況中，可在藉由加熱器13加熱基板S的同時於基板S上進行諸如蝕刻及CVD的製程。

如前所述，經詳細說明例示性具體例及修改。然而，本發明不限於前述具體例及修改，且對前述具體例及修改應用各種修改及替代而不脫離申請專利範圍之範疇。