TWM503654U - 層疊式靜電吸附盤及其半導體設備 - Google Patents

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Chi-Hsin Lo
Hsuan-Yu Chang
Cheng-Cheng Chang
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Description

層疊式靜電吸附盤及其半導體設備
本創作係關於一種靜電吸附盤，更特別是關於一種層疊式靜電吸附盤及其半導體設備。
在半導體製程中，所生產之產品的品質好壞往往取決於半導體機台設備的優劣。在半導體機台設備中，習知的靜電吸附盤(electrostatic chuck)係利用庫倫力或Johnsen-Rhabek力等靜電吸引力來吸附並保持一工作件，例如為被處理體的半導體晶圓或面板等。
習知的靜電吸附盤的結構係如第1圖所示。其中，靜電吸附盤10係形成在基底11上，基底11可由金屬或其他材料所構成，並為一半導體機台設備中的一個構件，例如：電漿處理裝置中用來產生電漿的電極。靜電吸附盤10係包含電極層12以及絕緣層13。如圖所示，絕緣層13係包覆電極層12，且絕緣層13一般係由氧化鋁(Al2 O3 )等介電係數K約在8~9左右的材料所構成。又，靜電吸附盤10係藉由將電極層12通電，而在電極層12與工作件(未圖示，例如：晶圓)之間形成靜電吸引力，便能將工作件吸附並保持於靜電吸附盤10上，以利半導體機台設備後續對工作件進行搬運或進行其他的製程處理。在靜電吸附盤10的設計上，靜電吸附盤10之吸附能力會與絕緣層13之厚度與絕緣層13材料之介電係數有關。一般而言，當絕緣層13之厚度越大，則靜電吸附盤10之吸附能力越低，而當絕緣層13之介電係數越高，則靜電吸附盤10之吸附能力越高。然而，若絕緣層13之厚度過低 時，在高電壓環境下又可能會造成絕緣層13之崩壞(breakdown)，亦或造成靜電吸附盤10所吸附的工作件之崩壞。
並且，因為絕緣層13係作為與工作件接觸之接觸面，又具有高介電係數的材料通常熱傳導係數會較小，故在製程處理中，靜電吸附盤10上累積的熱可能會導致工作件損壞。再者，因為絕緣層13與電極層12係由不同材料所構成，因而在製造過程中會不易接合，故隨著製造的溫度變化，便可能產生剝離現象，進而造成結構破裂的情形。
有鑑以上問題，本創作之一目的係增加靜電吸附盤對工作件的溫度控制能力，以避免工作件的熱損壞。
於是，本創作提出一種靜電吸附盤，係用以吸附一工作件，該靜電吸附盤包含：一第一陶瓷層；一電極層，位於該第一陶瓷層之上；以及一第二陶瓷層，位於該電極層之上，該第二陶瓷層包含至少一第一層與至少一第二層，其中該第一層位於該電極層與該第二層之間，且該第一層具有一第一熱傳導係數，而該第二層具有一第二熱傳導係數，且其中該第一熱傳導係數小於該第二熱傳導係數。
又，本創作之另一目的係減少靜電吸附盤內各層之間的應力，以改善疊層結構的強度並增進機械特性。
於是，本創作提出一種靜電吸附盤，係用以吸附一工作件，該靜電吸附盤包含：一第一陶瓷層；一電極層，位於該第一陶瓷層之上；以及一第二陶瓷層，位於該電極層之上，該第二陶瓷層包含至少一第一層與一第二層，其中該第一層位於該電極層與該第二層之間，且該第一層具有一第一熱膨脹係數，而該第二層具有一第二熱膨脹係數，且其中該第一熱膨脹係數較該第二熱膨脹係數更接近該電極層之熱膨脹係數。
10、20、30、40‧‧‧靜電吸附盤
11、21‧‧‧基底
12、23‧‧‧電極層
13‧‧‧絕緣層
22‧‧‧第一陶瓷層
24、25‧‧‧第二陶瓷層
32‧‧‧第一緩衝層
34‧‧‧第二緩衝層
241、251‧‧‧第一層
242、252‧‧‧第二層
第1圖係習知的靜電吸附盤之結構。
第2圖係本創作相關的靜電吸附盤之結構的一實施例。
第3圖係本創作相關的靜電吸附盤之結構的又一實施例。
第4圖係本創作相關的靜電吸附盤之結構的一變形例。
以下，就實施本創作之實施形態來加以說明。請參照隨附的圖式，並參考其對應的說明。另外，本說明書及圖式中，實質相同或相同的構成會給予相同的符號而省略其重複的說明。下列說明所記載之元件前冠以「第一」、「第二」、「第三」、「第四」等僅為辨識或易於閱讀，於不同實施例該指定順序係可以改變，本案申請專利範圍或所請發明更不受實施例之指定順序而限制。
請參照第2圖，其係本創作靜電吸附盤的結構之一實施例。本實施例之靜電吸附盤20係形成在基底21上，基底21一般是由金屬所構成，並為一半導體機台設備中的一個構件，例如：電漿處理裝置中用來產生電漿的RF電極。靜電吸附盤20係包含第一陶瓷層22、電極層23以及第二陶瓷層24。如第2圖所示，第一陶瓷層22係位於基底21之上，電極層23係位於第一陶瓷層22之上，而第二陶瓷層24係位於電極層23之上。第一陶瓷層22可由具有一第一介電係數之材料所構成，例如鈦酸鍶(STO)、鈦酸鍶鋇(BSTO)、氧化鋯(ZrO2 )、五氧化二鉭(Ta2 O5 )、氧化釔(Y2 O3 )、二氧化鉿(HfO2 )或氧化鋁(Al2 O3 )等材料。電極層23可具有雙極的柵狀電極或梳狀電極，或者亦可為單極電極，當透過外部電源(未圖示)加以供電時，便可產生靜電吸引力，用來固定一工作件(未圖示)，例如：半導體晶圓或半導體基板被吸附並保持於靜電吸附盤20上。第二陶瓷層22包含一第一層241與一第二層242，其中第一層241係位於電極層23與第二層242之間，且第一層241係由具有一第二介電係數與一第二熱傳導係數之材料所構成，例如鈦酸鍶(STO)、鈦酸鍶鋇(BSTO)、氧化鋯(ZrO2 )、五氧化二鉭(Ta2 O5 )、氧化釔(Y2 O3 )、二氧化鉿(HfO2 )或氧化鋁(Al2 O3 )。而第二層242係由具有一第三介電係數與一第三熱傳導係數之材料所構成，例如氮化鋁(AlN)。於本實施例的一範例中，該第二介電係數大於該第三介電係數。於本實施例的另一範例中，第一層241之耐崩壞性優於第二層242。於本實施例的又一範例中，該第二熱 傳導係數小於該第三熱傳導係數。於本實施例的再一範例中，該第二介電係數大於該第三介電係數，並且該第二熱傳導係數小於該第三熱傳導係數。於本實施例的再一範例中，第一層241之耐崩壞性優於第二層242，並且該第二熱傳導係數小於該第三熱傳導係數。
如第2圖及以上之描述所述，靜電吸附盤20中的第二陶瓷層24係層疊結構，其包含具較高熱傳導係數的第二層242以及具較高介電係數的第一層241。又，靜電吸附盤20係以第二層242來接觸工作件，因此當靜電吸附盤20吸附保持工作件時，因為第二層242的高熱傳導性，故可增加靜電吸附盤20對工作件的溫度控制能力。亦即，可以藉由第二層242的高熱傳導性或其上之散熱設計(第二層242表面有溝槽，冷卻氣體於溝槽內循環)將工作件的熱量帶走。
需要注意的是上述實施例中，第一陶瓷層22與第一層241可為相同材料，然而熟習此技術人士可知本創作不限於相同材料，本創作亦可實施成以相異材料來構成第一陶瓷層22與第一層241。
接下來，請參照第3圖，其係本創作靜電吸附盤的結構之一另實施例。本實施例之靜電吸附盤30係形成在基底21上。靜電吸附盤30係包含第一陶瓷層22、第一緩衝層32、電極層23、第二緩衝層34以及第二陶瓷層24。如第3圖所示，第一陶瓷層22係位於基底21之上，電極層23係位於第一陶瓷層22之上，而第二陶瓷層24係位於電極層23之上，又第一緩衝層32係位於第一陶瓷層22與電極層23之間，而第二緩衝層34係位於電極層23與第二陶瓷層24之間。換言之，第一陶瓷層22係位於基底21之上，第一緩衝層32係位於第一陶瓷層22之上，電極層23係位於第一緩衝層32之上，第二緩衝層34係位於電極層23之上，而第二陶瓷層24係位於電極層23之上。當電極層23透過外部電源(未圖示)加以供電時，便可產生靜電吸引力，來將一工作件(未圖示)吸附並保持於靜電吸附盤30上。第二陶瓷層22包含一第一層241與一第二層242，其中第一層241係位於電極層23與第二層242之間。於本實施例中，第一緩衝層32具有一第一熱膨脹係數，而第一陶瓷層22具有一第二熱膨脹係數，且第一熱膨脹係數係較第二熱膨脹係數更接近電極層之熱膨脹係數。另一方面，第二緩衝層34具有一第三熱膨脹係數，而第 二陶瓷層24之第一層241具有一第四熱膨脹係數，且第三熱膨脹係數係較第四熱膨脹係數更接近電極層之熱膨脹係數。
如以上之描述，靜電吸附盤30中的第一陶瓷層22與第二陶瓷層24係層疊有額外的緩衝層結構，構成該等緩衝層之材料係選自熱膨脹係數較接近其所鄰接之電極層的熱膨脹係數之材料，例如鋁氧化物。如此一來，在靜電吸附盤30之製造過程中，減少製造溫度上下變化時該等緩衝層與電極層之間所產生的應力，使得該等緩衝層與電極層容易接合並減少剝離現象。於基底21及第一陶瓷層22間可類似地形成或插入一緩衝層。
然後，請參照第4圖，其係本創作靜電吸附盤的結構之一變形例。本實施例之靜電吸附盤40係形成在基底21上。靜電吸附盤40係包含第一陶瓷層22、電極層23以及第二陶瓷層25。如圖2所示，第一陶瓷層22係位於基底21之上，電極層23係位於第一陶瓷層22之上，而第二陶瓷層25係位於電極層23之上。電極層23可具有雙極的柵狀電極或梳狀電極，或者亦可為單極電極，當透過外部電源(未圖示)加以供電時，便可產生靜電吸引力，來將一工作件(未圖示)，例如半導體晶圓或半導體基板吸附並保持於靜電吸附盤40上。第二陶瓷層25包含一第一層251與一第二層252，其中第一層251係位於電極層23與第二層252之間，且第一層251具有一第一熱膨脹係數，而第二層252具有一第二熱膨脹係數。於本實施例中，第一熱膨脹係數較第二熱膨脹係數更接近電極層23之熱膨脹係數。又，於本實施例中，第一層251係由鋁氧化物構成。
以上已詳細描述了本創作各實施例之靜電吸附盤的結構。本創作各實施例之靜電吸附盤係可適用於一半導體機台設備中，例如蝕刻機台、成膜機台、研磨機台等半導體機台。舉例而言，若以適用於一電漿處理裝置為例，則第2圖至第4圖所示基底21便為可用來產生電漿的電極。當於此電極通上高頻電力時，於電極所產生的高頻電場便能將處理氣體激發成電漿，以進行成膜或蝕刻等電漿處理。
本創作業以經由上述實施例及變形例係加以描述。以上係為了說明目的使熟此技術人士更容易理解本創作，然而本創作不限於上述實施例及變形例所記載內容，熟此技術人士可理解到在未超脫本創作之思想 下可針對上述實施例及變形例進行各種變化。
20‧‧‧靜電吸附盤
21‧‧‧基底
22‧‧‧第一陶瓷層
23‧‧‧電極層
24‧‧‧第二陶瓷層

Claims (22)

  1. 一種靜電吸附盤，係用以吸附一工作件，該靜電吸附盤包含：一第一陶瓷層；一電極層，位於該第一陶瓷層之上；以及一第二陶瓷層，位於該電極層之上，該第二陶瓷層包含至少一第一層與一第二層，其中該第一層位於該電極層與該第二層之間，且該第一層具有一第一熱傳導係數，而該第二層具有一第二熱傳導係數，且其中該第一熱傳導係數小於該第二熱傳導係數。
  2. 如請求項1所述之靜電吸附盤，其中該第二層係由氮化鋁(AlN)構成。
  3. 如請求項1所述之靜電吸附盤，其中該靜電吸附盤更包含一第一緩衝層，位於該第一陶瓷層與該電極層之間，該第一緩衝層具有一第一熱膨脹係數，而該第一陶瓷層具有一第二熱膨脹係數，且其中該第一熱膨脹係數較該第二熱膨脹係數更接近該電極層之熱膨脹係數。
  4. 如請求項3所述之靜電吸附盤，其中該第一緩衝層係由鋁氧化物構成。
  5. 如請求項1所述之靜電吸附盤，其中該靜電吸附盤更包含一第二緩衝層，位於該第二陶瓷層與該電極層之間，該第二緩衝層具有一第一熱膨脹係數，而該第一陶瓷層具有一第二熱膨脹係數，且其中該第一熱膨脹係數較該第二熱膨脹係數更接近該電極層之熱膨脹係數。
  6. 如請求項5所述之靜電吸附盤，其中該第二緩衝層係由鋁氧化物構成。
  7. 如請求項1所述之靜電吸附盤，其中該第二層係接觸該工作件。
  8. 如請求項1至7任一項所述之靜電吸附盤，其中該第一層具有一第一介電係數，而該第二層具有一第二介電係數，且其中該第一介電係數大於該第二介電係數。
  9. 一種靜電吸附盤，係用以吸附一工作件，該靜電吸附盤包含：一第一陶瓷層；一電極層，位於該第一陶瓷層之上；以及一第二陶瓷層，位於該電極層之上，該第二陶瓷層包含至少一第一層與一第二層，其中該第一層位於該電極層與該第二層之間，且該第一層具有一第一熱膨脹係數，而該第二層具有一第二熱膨脹係數，且其中該第一熱膨脹係數較該第二熱膨脹係數更接近該電極層之熱膨脹係數。
  10. 如請求項9所述之靜電吸附盤，其中該第一層係由鋁氧化物構成。
  11. 一種半導體設備，包含：一基底；一靜電吸附盤，用以吸附一工作件，該靜電吸附盤包含：一第一陶瓷層，形成於該基底之上；一電極層，位於該第一陶瓷層之上；以及一第二陶瓷層，位於該電極層之上，該第二陶瓷層包含至少一第一層與一第二層，其中該第一層位於該電極層與該第二層之間，且該第一層具有一第一熱傳導係數，而該第二層具有一第二熱傳導係數，且其中該第一熱傳導係數小於該第二熱傳導係數。
  12. 如請求項11所述之半導體設備，其中該半導體設備係被用於一電漿處理裝置中，而該基底為用來產生電漿的一電極。
  13. 如請求項11所述之半導體設備，其中該第二層係由氮化鋁(AlN)構成。
  14. 如請求項11所述之半導體設備，其中該靜電吸附盤更包含一第一緩衝層，位於該第一陶瓷層與該電極層之間，該第一緩衝層具有一第一熱膨脹係數，而該第一陶瓷層具有一第二熱膨脹係數，且其中該第一熱膨脹係數較該第二熱膨脹係數更接近該電極層之熱膨脹係數。
  15. 如請求項14所述之半導體設備，其中該第一緩衝層係由鋁氧化物構成。
  16. 如請求項11所述之半導體設備，其中該靜電吸附盤更包含一第二緩衝層，位於該第二陶瓷層與該電極層之間，該第二緩衝層具有一第一熱膨脹係數，而該第一陶瓷層具有一第二熱膨脹係數，且其中該第一熱膨脹係數較該第二熱膨脹係數更接近該電極層之熱膨脹係數。
  17. 如請求項16所述之半導體設備，其中該第二緩衝層係由鋁氧化物構成。
  18. 如請求項11所述之半導體設備，其中該第二層係接觸該工作件。
  19. 如請求項11至18任一項所述之半導體設備，其中該第一層具有一第一介電係數，而該第二層具有一第二介電係數，且其中該第一介電係數大於該第二介電係數。
  20. 一種半導體設備，包含：一基底，一靜電吸附盤，並用以吸附一工作件，該靜電吸附盤包含：一第一陶瓷層，形成於該基底之上；一電極層，位於該第一陶瓷層之上；以及一第二陶瓷層，位於該電極層之上，該第二陶瓷層包含至少一第一層與一第二層，其中該第一層位於該電極層與該第二層之間，且該第一層具有一第一熱膨脹係數，而該第二層具有一第二熱膨脹係數，且其中該第一熱膨脹係數較該第二熱膨脹係數更接近該電極層之熱膨脹係數。
  21. 如請求項20所述之半導體設備，其中該半導體設備係被用於一電漿處理裝置中，而該基底為用來產生電漿的一電極。
  22. 如請求項20所述之半導體設備，其中該第一層係由鋁氧化物構成。
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