TWI795861B - 靜電夾盤及其等離子體處理裝置 - Google Patents

Abstract

本發明公開了一種靜電夾盤，包括靜電吸附層和位於靜電吸附層下方的基座，靜電吸附層為陶瓷材料，基座包括靠近靜電吸附層的第一金屬層和位於第一金屬層下方的第二金屬層，第一金屬層的熱膨脹係數大於靜電吸附層的熱膨脹係數，小於等於第二金屬層的熱膨脹係數，第一金屬層的熱膨脹係數小於15×10^-6/K。此發明解决了傳統靜電夾盤中易產生機械應力導致損壞的問題，選擇ESC基座與靜電吸附層具有相似熱膨脹係數的特殊材料，減小了靜電夾盤內部機械應力的產生，有效地避免了靜電夾盤中熱力不匹配的現象。

Description

靜電夾盤及其等離子體處理裝置

本發明涉及半導體技術領域，具體涉及一種靜電夾盤及其等離子體處理裝置。

在半導體技術領域中，等離子體刻蝕是半導體製程中最重要的技術之一。等離子體刻蝕藉由將光刻製程的圖形層上圖案(pattern)刻蝕轉移至基底材料上，是化學作用或者物理作用，或者物理輔助的化學刻蝕來實現掩膜到基底材料的圖形複製。

其中，靜電夾盤(ESC)是等離子體刻蝕製程中最關鍵的部件之一。半導體技術的發展和應用的多樣化，要求ESC能夠適應更寬的溫度範圍、更高的功率、更高的電壓以及更寬的射頻頻率範圍等條件。

然而，這些苛刻的條件使得ESC內部的機械應力和電子應力大大增加，則對產生的應力不進行合適的處理，將會導致ESC的損壞。例如，ESC在低溫或高溫下由於從鍵合溫度或室溫到應用溫度的溫差很大，這容易導致ESC的基底和靜電吸附層之間出現熱力嚴重不匹配的現象，繼而導致靜電吸附層破裂。同時，ESC的損壞將會直接導致等離子體刻蝕裝置發生故障。

本發明的目的是提供一種靜電夾盤及其等離子處理裝置，以解决傳統靜電夾盤中易產生機械應力導致損壞的問題，選擇ESC基座與靜電吸附層具有相似熱膨脹係數的特殊材料，可以減小ESC內部機械應力的產生，有效避免ESC中熱力不匹配的現象。

為達到上述目的，本發明提供了一種靜電夾盤，包括靜電吸附層和位於靜電吸附層下方的基座，靜電吸附層為陶瓷材料，基座包括靠近靜電吸附層的第一金屬層和位於第一金屬層下方的第二金屬層，第一金屬層的熱膨脹係數大於靜電吸附層的熱膨脹係數，小於等於第二金屬層的熱膨脹係數，第一金屬層的熱膨脹係數小於15×10^-6/K。

上述的靜電夾盤，其中，基座還包括第三金屬層，設置於第二金屬層下方，第三金屬層的熱膨脹係數大於或等於第二金屬層的熱膨脹係數。

上述的靜電夾盤，其中，第一金屬層的材料為鉿、鉬、銠、鉈、鈦、鎢、鋯、哈氏合金、蒙乃爾合金中的至少一種或鉿、鉬、銠、鉈、鈦、鎢、鋯的各個金屬合金中的至少一種。

上述的靜電夾盤，其中，第二金屬層的材料為鉿、鉬、銠、鉈、鈦、鎢、鋯、哈氏合金、蒙乃爾合金中的至少一種或鉿、鉬、銠、鉈、鈦、鎢、鋯的各個金屬合金中的至少一種。

上述的靜電夾盤，其中，第三金屬層的材料為鉿、鉬、銠、鉈、鈦、鎢、鋯、哈氏合金、蒙乃爾合金中的至少一種或鉿、鉬、銠、鉈、鈦、鎢、鋯的各個金屬合金中的至少一種。

上述的靜電夾盤，其中，第一金屬層的熱膨脹係數小於等於靜電吸附層熱膨脹係數的1.3倍。

上述的靜電夾盤，其中，靜電夾盤的工作環境溫度為50℃至-180℃。

上述的靜電夾盤，其中，靜電夾盤的工作環境溫度為0℃至300℃。

上述的靜電夾盤，其中，第一金屬層和第二金屬層的側壁表面塗覆陶瓷塗層。

上述的靜電夾盤，其中，基座內部設置有冷卻通道，冷卻通道位於第一金屬層內或第二金屬層內或第一金屬層與第二金屬層之間。

上述的靜電夾盤，其中，冷卻通道內設置鰭式結構，鰭式結構為第一金屬層和/或第二金屬層向冷卻通道內延伸的凸起，凸起用於增大基座與冷卻液的接觸面積，進而增大基座的熱傳導。

上述的靜電夾盤，其中，每條冷卻通道內部的鰭式結構的個數至少為一個。

上述的靜電夾盤，其中，鰭式結構設置於冷卻通道的底部。

上述的靜電夾盤，其中，鰭式結構設置於冷卻通道的頂端。

上述的靜電夾盤，其中，鰭式結構的橫截面為矩形。

上述的靜電夾盤，其中，鰭式結構的橫截面為波紋狀。

上述的靜電夾盤，其中，靜電吸附層和所述基座之間藉由黏結層黏合在一起。

本發明還提供了一種等離子體處理裝置，所述等離子體處理裝置包括上述的靜電夾盤。

運用此發明，解决了傳統靜電夾盤中易產生機械應力導致損壞的問題，選擇ESC基座與靜電吸附層具有相似熱膨脹係數的特殊材料，減小了靜電夾盤內部機械應力的產生，有效地避免了靜電夾盤中熱力不匹配的現象。

相對於習知技術，本發明具有以下有益效果：

1、本發明提供的靜電夾盤，採用不同熱膨脹係數的多層金屬堆疊成基座，控制了相鄰金屬層之間熱膨脹係數不匹配而引起的機械應力，減少 了翹曲，也避免了翹曲導致的平整度、平行度等力學性能不規範的現象，提高了靜電夾盤的安全係數。

2、本發明提供的靜電夾盤，藉由設置靠近陶瓷靜電吸附層的基座的第一金屬層材料熱膨脹係數與靜電吸附層的熱膨脹係數接近，使得靜電夾盤能夠適應溫差較大的工作環境，避免由於不同材料的熱脹冷縮幅度相差過大造成靜電夾盤的破裂。

3、本發明提供的靜電夾盤，在冷卻通道內部設置向內延伸的鰭式凸起結構，有效增大了基座與冷卻液的接觸面積，提高了基座的熱傳導效率。

4、本發明提供的靜電夾盤，採用不同的金屬材質堆疊為基座，能夠有效節省製作基座的材料成本，大大簡化了基座的製作製程。

1:靜電吸附層

2:基座

3:黏結層

4:冷卻通道

5:鰭式結構

6:反應腔

7:等離子體氣源

8:射頻電源

9:氦氣通道

201:第一金屬層

202:第二金屬層

203:第三金屬層

w:待處理基片

第1圖為本發明提供的本實施例1中靜電夾盤的結構示意圖；第2圖為本發明提供的本實施例1中冷卻通道和鰭式結構的截面示意圖；第3圖為本發明提供的另一實施例2中冷卻通道和鰭式結構的截面示意圖；第4圖為本發明提供的另一實施例3中冷卻通道和鰭式結構的截面示意圖；第5圖為本發明提供的等離子體處理裝置的結構示意圖。

以下結合附圖藉由具體實施例對本發明作進一步的描述，這些實施例僅用於說明本發明，並不是對本發明保護範圍的限制。

靜電夾盤是真空處理設備中非常重要的部件，其用於承載待處理基片w，並在處理過程中對反應腔內的電場、溫度等參數進行調節。目前，隨著 集成電路的製程發展，靜電夾盤的溫度調節範圍越來越大，例如，在超低溫刻蝕製程中，靜電夾盤的工作溫度可達零下150度，甚至為零下180度，這與靜電夾盤工作之前的溫度和儲存時的常溫相比，溫差超過兩百度。

本發明是一種靜電夾盤，參照如第1圖所示，包括由介電材料形成的靜電吸附層1和金屬基座2，由於介電材料和鋁金屬材料的熱膨脹係數不同，因此，這種大溫差工作環境對靜電夾盤的安全提出了很高的要求。

其中，靜電吸附層1上方用於承載待處理基片w；基座2位於靜電吸附層1的下方。靜電吸附層1為陶瓷材料；在本實施例中，靜電吸附層1的陶瓷材料為氧化鋁或氮化鋁；在另一實施例中，靜電吸附層1的陶瓷材料為藍寶石、氧化釔、氧化鋯、碳化矽、氮化矽或碳化鎢中的至少一種；這些陶瓷材料的選擇與該靜電夾盤的應用環境和化學性質有關。

參照如第1圖所示，基座2包括靠近靜電吸附層1的第一金屬層201和位於第一金屬層201下方的第二金屬層202，第一金屬層201的熱膨脹係數大於靜電吸附層1的熱膨脹係數，小於等於第二金屬層202的熱膨脹係數，第一金屬層201的熱膨脹係數小於15×10^-6/K，基座2採用不同熱膨脹係數的金屬材料堆疊而成，降低了基座2的材料成本，簡化了製作製程。

可選的，基座2還包括第三金屬層203，設置於第二金屬層202下方，第三金屬層203的熱膨脹係數大於或等於第二金屬層202的熱膨脹係數。

由於基座2靠近靜電吸附層1的第一金屬層201的熱膨脹係數大於靜電吸附層1的熱膨脹係數，且小於第二金屬層202的熱膨脹係數，因此能夠有效控制相鄰材料層之間由熱膨脹係數不匹配而引起的機械應力，減少了基座2的翹曲，也避免了基座2發生翹曲導致的基座2平整度、平行度等力學性能不規範的現象，從而提高了靜電夾盤的安全係數。

在本實施例中，靜電夾盤的工作環境溫度為-180℃至50℃；在另一實施例中，靜電夾盤的工作環境溫度為0℃至300℃。

由於基座2需要連接射頻電源，耦合射頻信號至反應腔內，因此基座2的材料通常選擇金屬材料。本發明中，為了使得第一金屬層201與靜電吸附層1的陶瓷材料熱膨脹係數接近，可選的，第一金屬層201的熱膨脹係數小於等於靜電吸附層1熱膨脹係數的1.3倍，設置第一金屬層201的熱膨脹係數小於15×10^-6/K。

其中，第一金屬層201的材料為銅(Cu)、鉿(Hf)、鉬(Mo)、銠(Rh)、鉈(Ta)、鈦(Ti)、鎢(W)、鋯(Zr)、藍寶石、釔鋁石榴石(YAG)、碳化矽合金(Al-SiC)、哈氏合金(Hastelloy)、304/316型號的不銹鋼(SS)、蒙乃爾合金(Monel)中的至少一種或鉿(Hf)、鉬(Mo)、銠(Rh)、鉈(Ta)、鈦(Ti)、鎢(W)、鋯(Zr)的各個金屬合金中的至少一種。

第二金屬層202的材料為鋁(Al)、銅(Cu)、鉿(Hf)、鉬(Mo)、銠(Rh)、鉈(Ta)、鈦(Ti)、鎢(W)、鋯(Zr)、藍寶石、釔鋁石榴石(YAG)和碳化矽合金(Al-SiC)、哈氏合金(Hastelloy)、304/316型號的不銹鋼(SS)、蒙乃爾合金(Monel)中的一種或鉿(Hf)、鉬(Mo)、銠(Rh)、鉈(Ta)、鈦(Ti)、鎢(W)、鋯(Zr)的各個金屬合金中的至少一種。在選擇基座的材料時，要保證第一金屬層的熱膨脹係數小於第二金屬層的熱膨脹係數。

第三金屬層203的材料為鉿(Hf)、鉬(Mo)、銠(Rh)、鉈(Ta)、鈦(Ti)、鎢(W)、鋯(Zr)、哈氏合金(Hastelloy)、蒙乃爾合金(Monel)中的至少一種或鉿(Hf)、鉬(Mo)、銠(Rh)、鉈(Ta)、鈦(Ti)、鎢(W)、鋯(Zr)的各個金屬合金中的至少一種。

在本實施例1中，第一金屬層201和第二金屬層202的材料為鉿、鉬、銠、鉈、鈦、鎢、鋯中的一種或多種。

在另一實施例2中，第一金屬層201和第二金屬層202的材料為鉿、鉬、銠、鉈、鈦、鎢、鋯的各個金屬合金中的一種或多種。

在另一實施例3中，第一金屬層201和第二金屬層202的材料為哈氏合金、蒙乃爾合金(Monel)中的一種或兩種。

上述這些具有不同熱膨脹係數和熱導率的金屬材料能夠有效適應靜電夾盤在低溫(工作環境溫度為-180℃至50℃)或高溫(工作環境溫度為0℃至200℃)的工作環境。

靜電夾盤在等離子刻蝕製程中，放置於等離子體反應腔內部用於夾緊待處理基片w，而在刻蝕工作期間，靜電夾盤的側壁裸露在等離子體氣源的表面，容易受到等離子體氣源的刻蝕或者化學氣體的腐蝕，因此，參照如第1圖所示，第一金屬層201和第二金屬層202的側壁表面塗覆陶瓷塗層，以保護靜電夾盤的側壁免受化學氣體的腐蝕以及電弧放電，由於第一金屬層201與陶瓷材料熱膨脹係數接近，在第一金屬層201的側壁表面塗覆陶瓷塗層後，即便靜電夾盤的溫度發生較大的變化，第一金屬層201也不會與陶瓷塗層發生較大的形變，導致陶瓷塗層破碎脫落，而且，由於第一金屬層201更加靠近等離子體環境，可以有效避免側壁陶瓷塗層脫落可能產生的等離子體轟擊風險。

參照如第1圖所示，基座2內部設置有冷卻通道4，用於在冷卻通道4內部通入冷卻液，以冷卻基座2；且冷卻通道4位於第一金屬層201內或第二金屬層202內或貫穿第一金屬層201與第二金屬層202。基座2的材料在選取時除了要考慮熱膨脹係數，還要考慮熱傳導係數，在上文描述的熱膨脹係數由上至下逐漸增加的前提下，可以根據不同製程對溫度的傳導速率的要求選擇適合的熱傳導係數的材料。例如，當需要對靜電夾盤的溫度快速調節的製程中，可以 在上文列出的材料中選擇熱傳導係數較高的基座2第一金屬層201和/或第二金屬層202的材質，當需要緩慢調節靜電夾盤的溫度時，可以上文列出的材料中選擇熱傳導係數較低的基座第一金屬層201和/或第二金屬層202的材質。

參照如第2圖所示，為了提高基座2的溫度調節速度，冷卻通道4內設置鰭式結構5，鰭式結構5為第一金屬層201和/或第二金屬層202向冷卻通道4內延伸的凸起；其中，藉由在冷卻通道4內部設置鰭式結構5來增大冷卻通道4內部的冷卻液與基座2的接觸面積，從而增大基座2的熱傳導。其中，每條冷卻通道4內部的鰭式結構5的個數至少為一個。

在本實施例1中，參照如第2圖所示，冷卻通道4位於基座2內部的第二金屬層202內，鰭式結構5設置於冷卻通道4的底部，鰭式結構的橫截面為矩形。

在另一實施例2中，參照如第3圖所示，冷卻通道4位於基座2內部的第一金屬層201內，且鰭式結構5設置於冷卻通道4的底端，鰭式結構5的橫截面為波紋狀，用於增大基座2與冷卻液的接觸面積，進而增大基座2的熱傳導速率。

在另一實施例3中，參照如第4圖所示，冷卻通道4貫穿基座2內部的第一金屬層201和第二金屬層202，增大冷卻通道4的設置面積，能夠有效增大基座2與冷卻通道4內部冷卻液的接觸面積，進而增大基座2的熱傳導。

在其他的實施例中，如果基座2包括超過兩層的金屬層，冷卻通道4也可以設置於第一金屬層201和第二金屬層202以外的其他金屬層內，對應的，鰭式結構5設置冷卻通道4下方和/或上方的金屬層上。

參照如第4圖所示，鰭式結構5設置於冷卻通道4的底端，鰭式結構5的橫截面為波紋狀，用於增大基座2與冷卻液的接觸面積，進而增大基座2的熱傳導。

鰭式結構5可以有多種變形，例如，可以只在基座2的中心區域或外圍區域的冷卻通道4內設置部分鰭式結構5，以實現局部區域的溫度快速傳導；或者，在另外的實施例中，部分鰭式結構5與位於冷卻通道4上方的金屬層連接，部分鰭式結構5與位於與冷卻通道4下方的金屬層連接，以實現不同的熱傳導效果。

本發明還提供了一種等離子體處理裝置，參照如第5圖所示，該等離子體處理裝置包括反應腔6、等離子體氣源7、射頻(RF)電源8以及上述的靜電夾盤；等離子體氣源7設置於反應腔6上方，用於向反應腔6內部通入等離子體；靜電夾盤設置於反應腔6內部，且靜電夾盤的靜電吸附層1中嵌入電極，用於刻蝕製程過程中施加電流時，夾緊待處理基片w；射頻電源8與靜電夾盤的金屬基座2連接，藉由導電的金屬基座2將射頻電源傳輸至反應腔6中；靜電吸附層1和基座2之間黏結層3黏合在一起。

其中，靜電夾盤內部設置有氦氣通道9，氦氣通道9藉由基座2延伸至靜電吸附層1與待處理基片w之間，用於等離子體刻蝕過程中，通入氦氣作用於待處理基片w的背面，以加快了待處理基片w與靜電吸附層1之間的熱傳導，從而控制了待處理基片w的溫度。靜電夾盤中的基座2內部設置的冷卻通道4，藉由與冷卻液熱交換，以實現控制基座2的溫度。

本發明的工作原理：一種靜電夾盤包括靜電吸附層和位於靜電吸附層下方的基座；基座包括靠近靜電吸附層的第一金屬層、位於第一金屬層下方的第二金屬層、以及設置於第二金屬層下方的第三金屬層，第一金屬層的熱膨脹係數大於靜電吸附層的熱膨脹係數，小於等於第二金屬層的熱膨脹係數，第一金屬層的熱膨脹係數小於15×10^-6/K；第三金屬層的熱膨脹係數大於或等於第二金屬層的熱膨脹係數，有效控制相鄰金屬層之間熱膨脹係數不匹配而引起的機械應力，提高靜 電夾盤的安全係數；基座內部設置有冷卻通道；冷卻通道內設置鰭式結構，鰭式結構為第一金屬層和/或第二金屬層向冷卻通道內延伸的凸起，用於增大基座與冷卻液的接觸面積，進而增大基座的熱傳導。

綜上所述，本發明一種靜電夾盤及其等離子體處理裝置，解决了傳統靜電夾盤中易產生機械應力導致損壞的問題，選擇ESC基座與靜電吸附層具有相似熱膨脹係數的特殊材料，減小了靜電夾盤內部機械應力的產生，有效地避免了靜電夾盤中熱力不匹配的現象，尤其適用於製程溫差較大的等離子體處理裝置。

儘管本發明的內容已經藉由上述較佳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申請專利範圍來限定。

1:靜電吸附層

2:基座

4:冷卻通道

201:第一金屬層

202:第二金屬層

203:第三金屬層

w:待處理基片

Claims (18)

1. 一種靜電夾盤，包括一靜電吸附層和位於該靜電吸附層下方的一基座，其特徵在於，該靜電吸附層為陶瓷材料，該基座包括靠近該靜電吸附層的一第一金屬層和位於該第一金屬層下方的一第二金屬層，該第一金屬層的熱膨脹係數大於該靜電吸附層的熱膨脹係數，小於等於該第二金屬層的熱膨脹係數，該第一金屬層的熱膨脹係數小於15×10^-6/K；該靜電吸附層中嵌入電極。
2. 如請求項1所述的靜電夾盤，其中，該基座還包括一第三金屬層，設置於該第二金屬層下方，該第三金屬層的熱膨脹係數大於或等於該第二金屬層的熱膨脹係數。
3. 如請求項1或2任一項所述的靜電夾盤，其中，該第一金屬層的材料為鉿、鉬、銠、鉈、鈦、鎢、鋯、哈氏合金、蒙乃爾合金中的至少一種或鉿、鉬、銠、鉈、鈦、鎢、鋯的各個金屬合金中的至少一種。
4. 如請求項1或2任一項所述的靜電夾盤，其中，該第二金屬層的材料為鉿、鉬、銠、鉈、鈦、鎢、鋯、哈氏合金、蒙乃爾合金中的至少一種或鉿、鉬、銠、鉈、鈦、鎢、鋯的各個金屬合金中的至少一種。
5. 如請求項2所述的靜電夾盤，其中，該第三金屬層的材料為鉿、鉬、銠、鉈、鈦、鎢、鋯、哈氏合金、蒙乃爾合金中的至少一種或鉿、鉬、銠、鉈、鈦、鎢、鋯的各個金屬合金中的至少一種。
6. 如請求項1所述的靜電夾盤，其中，該第一金屬層的熱膨脹係數小於等於該靜電吸附層熱膨脹係數的1.3倍。
7. 如請求項1所述的靜電夾盤，其中，該靜電夾盤的工作環境溫度 為50℃至-180℃。
8. 如請求項1所述的靜電夾盤，其中，該靜電夾盤的工作環境溫度為0℃至300℃。
9. 如請求項1所述的靜電夾盤，其中，該第一金屬層和該第二金屬層的側壁表面塗覆一陶瓷塗層。
10. 如請求項1所述的靜電夾盤，其中，該基座內部設置有一冷卻通道，該冷卻通道位於該第一金屬層內或該第二金屬層內或該第一金屬層與該第二金屬層之間。
11. 如請求項10所述的靜電夾盤，其中，該冷卻通道內設置一鰭式結構，該鰭式結構為該第一金屬層和/或該第二金屬層向該冷卻通道內延伸的一凸起，該凸起用於增大該基座與冷卻液的接觸面積，進而增大該基座的熱傳導。
12. 如請求項11所述的靜電夾盤，其中，每條該冷卻通道內部的該鰭式結構的個數至少為一個。
13. 如請求項11所述的靜電夾盤，其中，該鰭式結構設置於該冷卻通道的底部。
14. 如請求項11所述的靜電夾盤，其中，該鰭式結構設置於該冷卻通道的頂端。
15. 如請求項11所述的靜電夾盤，其中，該鰭式結構的橫截面為矩形。
16. 如請求項11所述的靜電夾盤，其中，該鰭式結構的橫截面為波紋狀。
17. 如請求項1所述的靜電夾盤，其中，該靜電吸附層和該基座之間 藉由一黏結層黏合在一起。
18. 一種等離子體處理裝置，其中，該等離子體處理裝置包括如請求項1-17項中任意一項所述的靜電夾盤。

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