減少元件上導電材料遷移的方法和裝置的製作方法
2023-09-19 23:46:30
專利名稱：減少元件上導電材料遷移的方法和裝置的製作方法
該申請要求於1999年8月23日申請的美國臨時申請60/150379的優先權，這裡全文引用該申請。
本發明一般涉及用於半導體晶片加工系統的方法和裝置。更具體說，本發明的裝置和方法涉及具有能夠減少基座背面上自由電子數量的保護電極的半導體基片基座。
釺焊早已眾所周知，是將元件固定於半導體晶片加工系統中常用的方法。這種釺焊適用於需要真空密封以保持工藝環境與非工藝環境隔離時，將金屬元件附著於陶瓷晶片基座(即，靜電夾盤、陶瓷體、加熱器等)的半導體基座組件。一種所述的靜電夾盤公開於1996年4月30日公布的共同轉讓的美國專利5511799，這裡引用該文獻。
專利』799公開了一種適用於半導體加工的密封裝置，並披露了該裝置特別適用於在半導體加工室內形成兩個分隔的氣氛或環境。晶片加工期間，第一環境(即工藝環境)一般保持真空狀態。第二環境(即非工藝或背側環境)填充有熱傳遞介質。熱傳遞介質一般是惰性氣體或通入的空氣。背側環境中的熱傳遞介質可以增強並有助於半導體晶片和基片基座間的熱交換。專利』799教導了一種方法，能夠使基座的陶瓷元件釺焊到基座的金屬元件上，同時保持很寬溫度範圍內的氣密一致性。
一般用於釺焊上述靜電夾盤元件的一種材料包括銀和銀合金。已證明銀合金釺焊具有良好的長時間耐久性和可靠性。然而，在半導體加工系統中處於嚴酷工作條件的某些情況下，已發現，釺焊的銀或銀成分會從釺焊點上脫離和遷移。如果釺焊點靠近靜電夾盤背側上的其它電接點，則從釺焊上脫離的銀會產生不希望的導電通道，使這些電接點間短路，或導致有效電路性能的退化。
更具體說，在暴露於含氧的環境中時，釺焊合金的銀成分會形成氧化物。在夾盤工作溫度(即300℃以上)，氧化銀變得不穩定，脫落並釋放銀離子。銀離子在存在於電接點附近的電場中較容易移動。結果，銀離子趨於沿接點間的電場線運動，從例如端子等正偏元件向外生長。這種情況下，銀離子容易吸收自由電子，產生銀沉積。沉積的銀累積於正端子周圍，並向著具有相反極性的目標遷移。
由於加熱時，一般包括靜電夾盤的陶瓷基片的體電阻率會下降(導電性增強)，電子從陶瓷材料中析出，並最終向靜電夾盤的背側運動。穿過陶瓷夾盤的這些電子與銀離子結合。長時間後且釺焊點重複暴露於高溫下含氧環境後，銀量變得相當大。大量的銀沉積形成枝晶。這些枝晶一般形成於具有最高電位的電路上的端子處，並在靜電夾盤的背側上向著地(和其它低電位物體)扇出，產生明顯的導電通道。明顯的導電意味著，儘管該通道由分立的銀顆粒或小滴構成，但與電壓電位耦合的小滴間的距離允許電荷傳遞(電弧)和電流流動。在這些端子間足夠的銀沉積變成一條線時，導電通道減小了兩端子間的間隙，在此發生電弧。極端的情況下，夾盤內的電極會發生短路。
因此，需要一種減少導電材料的遷移的方法和裝置。
本發明的一個方面是提供一種基片基座。在一個實施例中，基片基座包括夾盤主體，該主體具有支撐側和背側。保護電極設置於夾盤主體內，靠近夾盤主體背側。本發明另一實施例提供一種基片基座，包括具有支撐側和背側的夾盤主體。保護電極設置於夾盤主體內，用於吸引靠近夾盤主體背側的電子。
根據本發明的另一方面，提供一種減少基片基座上導電材料遷移的方法。在一個實施例中，減少基片基座上導電材料遷移的方法包括靠近基片基座的背側設置保護電極，並在保護電極上加電壓。
考慮了以下結合附圖的詳細介紹後，容易理解本發明的這些原理，其中
圖1是根據本發明容納著具有保護電極的半導體基片基座的示意半導體加工室的剖面圖；圖2是圖1所示基片基座的簡化剖面圖；圖3是圖2所示基片基座的電示圖；圖4是本發明第二實施例的具有保護電極的半導體基片基座的簡化剖面圖；圖5是圖4所示基片基座的電示圖；圖6是展示防止在基片基座背側上形成導電材料的本發明方法的框圖。
為幫助理解，各圖中可能之處均採用相同的參考數字表示相同的元件。
圖1是引入了本發明的半導體基片加工室(即物理汽相澱積或PVD室)130的剖面圖。下面就加工室和其各構件介紹本發明。然而，所屬領域的技術人員容易確定以下用於減少加工室構件中導電材料的遷移的特定教導可應用於導電材料暴露於高溫和高電壓條件下的許多情況。所以，本發明是對不希望導電材料遷移的任何類型構件的改進。
室130包括外殼132和靶134。基座組件136設置於室130內，用於支撐基片(即，半導體晶片138)。基座組件136還包括軸152、外罩103、廢棄環144及基片基座(即靜電夾盤、陶瓷體或加熱器等)100。等離子體區128由固定在外殼132和靶134間的圓柱部件或屏蔽件140限定。屏蔽件140支撐蓋環142。蓋環142放在廢棄環144上。蓋環142與屏蔽件140交錯。廢棄環144放在基片基座100的外圍法蘭156上。
盤形外罩103一般由例如夾具、釺焊、熔焊或螺栓等固定裝置148固定於基片基座100上。外罩103一般由金屬成分構成，並與軸152連接。真空管154也與外罩103連接，並包圍軸152。真空管154在外殼130和外罩103上被密封，將室130的環境分為加工環境120和背側環境122。背側環境122限定為室130的由真空管154、外罩103和基片基座100界定的部分。背側環境122通到大氣。可以用各種電源對背側環境122加電場。所說電源包括以下將更具體介紹的與基片基座100耦合的DC和/或RF電源，但不限於此。
基片基座100一般是高溫材料(350℃以上)，例如氮化鋁、氮化矽、氮化硼、氧化鋁等陶瓷。基片基座100有背側102和支撐側110。保護電極168和至少一個附加電極104嵌埋在基片基座100內。在一個實施例中，至少一個附加電極104是第一電極104和第二電極105。如下所述，通過連接到適當的電源，這些電極104和105按雙極結構被偏置(即，一個電極負偏，另一個電極正偏)。或者，電極104可以設置於支撐側110上，並耦合到設置在背側102上的另一電極上，這些電極藉助於導電連接線耦合。該導電連接線可通過將所設置的電極固定在靜電夾盤背側上形成真空密封，從而產生真空密封。導電連接線的一個例子公開於1999年2月17日申請的共同轉讓的美國專利申請09/251691，這裡引用該文獻。可選地，基片基座100還可以具有加熱電極114(如圖2所示)。這種加熱電極114設置在至少一個附加電極104和保護電極168之間。加熱電極114例如可以是嵌埋在陶瓷材料內的金屬絲網，並另外耦合到一個或多個加熱端子116上，以便於加熱電極114與電源(未示出)的連接。
加熱電極114一般耦合到AC電源(未示出)，該電源給加熱電極114提供120或220VAC。加熱電極114一般加熱基片基座100，使設置於基片基座100的支撐側110上的基片138保持在預定溫度。由於基片138的溫度控制和溫度均勻性是非常重要的加工參數，所以加熱電極114較好是設置為儘可能靠近基片100的支撐側110。加熱電極114與支撐側110間的距離對於響應加於加熱電極114上功率的改變使基片溫度的控制最佳來說最重要。這主要是由於構成基片基座100的陶瓷材料的導熱性很差的緣故。所以，靠近基片基座100的背側102設置加熱電極114是不利的。
保護電極168靠近基片基座100的背側102設置。保護電極168由導電材料較好是金屬製造。保護電極168較好是設置成儘可能靠近背側102，但受限於基片基座100材料的介電強度和加於其上的電壓。一般說，對於其上加有約1500伏的氮化鋁基座來說，保護電極168與背側102的間隔距離小於或等於約300微米。在一個實施例中，保護電極與背側102的間隔距離約為150微米。如果保護電極168設置得離背側102太遠，例如靠近基片基座100的中間，則基片基座100的處於背側102和保護電極168之間的部分中存在的電子會向背側102移動，而不會被保護電極168吸引。
保護電極168與背側102間的間隔距離可以根據構成基片基座100的材料的介電強度確定。例如，保護電極168和基座100的背側102間的距離150可表示為X=(V/Ds)FS其中X是距離150；V是加於電極168上的最大電壓；Ds是構成基片基座100的材料的介電強度；FS是安全係數。
一般說，安全係數FS由設計者根據可以改變的許多任意條件選擇。在一個實施例中，安全係數FS介於1和約4之間。然而，所屬領域的技術人員容易根據特殊的設計規範和設計者的經驗選擇其它安全係數。此外，安全係數可選自工業標準或協議。
保護電極168耦合到保護電極端子108上。在保護電極168相對於電極104或105(構成基片基座100的任何附加電極)正偏時，保護電極168作為「電子穴」，能夠吸引電子，防止電子穿過基片基座100累積於背側102上，所以可以顯著減少與可能存在的任何銀離子結合的電子數。
所述至少一個附加電極104可用於半導體基片加工的各種作用，包括吸附、加熱、RF功率分布等。在圖2的簡化剖面圖和圖3的電氣示意圖中所示的一個實施例中，第一電極104和第二電極105靠近支撐側110，用於對基片138施加夾持力。第一電極104耦合到從背側102突出的第一端子106上，第二電極105耦合到從背側102突出的第二端子107上。每個端子106和107藉助於包括例如銀、銀/銅、銀/鈦、銀/鈦合金等銀或銀合金的釺焊112固定於背側102上。第一端子106耦合到DC電源170的正端172，第二端子107耦合到DC電源170的負端174。此外，該實施例中，保護電極端子108也耦合到正端172。注意，圖1中，端子106和108實際上是不同的和分開的。這些端子在端子172耦合在一起。或者，如圖2和3所示，端子106和108是與第一電極104和保護電極168接觸的相同物理元件。
工作時，晶片138定位於基片基座100上後，例如氬等惰性氣體引入到室130的加工環境120。晶片138靠晶片138與電極104和105間產生的靜電力保持在基片基座100內。通過在靶134和接地外殼132間加電壓，將氣體激發成等離子體128。電壓電離氬氣，然後該氣體撞擊靶134，將靶材料濺射到支撐於室130內的晶片138上。利用附加電源(未示出)可以給基座組件136加附加的偏置。
可以在超過300℃的溫度下使用基片基座100。此外，超過650V的電壓可以加於一個或多個附加電極104和105上。在給基片基座100加溫和加電壓之前或同時，由電源170給保護電極168加正偏。正偏的保護電極168形成對試圖向基片基座100背側102移動的電子的勢壘。這些電子被保護電極168「收集」，於是顯著減少了會在背側上與可能存在於釺焊112上的銀離子結合的自由電子。所以，還可以顯著減少背側102上銀枝晶的形成。
基片基座100可以嵌埋在圖4的簡化剖面圖和圖5的電示圖所示的替代結構中。具體說，基片基座100至少包括一個電極104(較好是第一電極104和第二電極105)和保護電極168。基片基座還可以具有與先前實施例所討論的結構和用途相同的加熱電極114。電極104和105耦合到第一電源184。第一電源184可以給電極104和105提供RF或DC功率。保護電極168耦合到保護電極端子108，該保護電極端子108耦合到第二電源178的正端182。第二電源178提供參照第一電源184的DC電壓。於是保護電極168相對於電極104和105保持正偏。所以移動通過基片基座100的電子被吸引到保護電極168上，可以防止電子累積於基片基座100的背側102上。因而，顯著減少了銀沉積及最終枝晶的形成。
還公開了一種顯著減少在基片基座100的背側102上形成銀的方法，通過進行圖6的框圖所示的各步驟可以實施該方法。本發明的方法400從步驟402開始，然後進行到靠近基片基座100的背側設置保護電極168的步驟。然後，在步驟406，相對於基片基座中其它電極，在保護電極168上加正偏，有效地減少累積於基片基座100背側102上的電子。步驟404可以按各種不同方式實施。在一個實施例中，可以通過將保護電極168耦合到用於給電極104加偏置的DC電源170的正端172進行步驟406。所以在功率加於電極104上時，保護電極168正偏。
一種替代的方法是將保護電極168耦合到參照耦合到電極104的第二電源184的第一DC電源178的正端182。第二電源給電極104提供DC或RF功率。所以，在電源184和178給各電極104和168提供功率時，保護電極168得到參照電極104的正偏。
儘管這裡具體展示和介紹了本發明的原理，但所屬領域的技術人員容易提出其它仍沿用本發明原理但不背離本發明精神的改進實施例。
權利要求
1.一種基座，包括具有支撐側和背側的夾盤主體；及靠近所說背側設置於所說夾盤主體內的保護電極。
2.根據權利要求1的基座，其中保護電極和所說背側間的距離表示為X=(V/Ds)FS其中X是所說距離；V是加於保護電極上的最大電壓；DS是構成基片基座的材料的介電強度；FS是安全係數。
3.根據權利要求1的基座，還包括設置於所說夾盤主體內所說保護電極和所說夾盤主體的所說背側之間的第二電極。
4.根據權利要求1的基座，其中夾盤主體是陶瓷。
5.根據權利要求1的基座，其中夾盤主體是氮化鋁、氮化矽、氮化硼或氧化鋁。
6.根據權利要求3的基座，其中保護電極相對於或以與所說第二電極相同的電位加正偏。
7.根據權利要求3的基座，還包括設置在所說夾盤主體的背側上的第一端子，所說第一端子耦合到所說保護電極；設置在所說夾盤主體的背側上的第二端子，所說第二端子耦合到所說第二電極。
8.根據權利要求7的基座，其中第一端子被偏置到高於或等於第二端子電位的電位。
9.根據權利要求3的基座，還包括耦合到保護電極的第一端子，所說第一端子設置在夾盤主體的背側上；設置在夾盤主體的背側上的第二端子；設置在夾盤主體的背側上的第三端子；其中第二電極還包括耦合到所說第二端子的一個電極；及耦合到所說第三端子的另一電極。
10.根據權利要求9的基座，其中第一端子被偏置到高於或等於所說第二端子或所說第三端子電位的電位。
11.根據權利要求3的基座，還包括耦合到保護電極的第一端子，所說第一端子設置在夾盤主體的背側上；設置在夾盤主體的背側上的第二端子；其中第二電極還包括耦合到所說第一端子的一個電極；及耦合到所說第二端子的另一電極。
12.根據權利要求11的基座，其中第一端子被偏置到高於或等於所說第二端子電位的電位。
13.根據權利要求3的基座，還包括設置於所說夾盤主體內所說保護電極和所說夾盤主體的所說支撐側之間的一個或多個其它電極。
14.根據權利要求13的基座，還包括設置在所說夾盤主體的所說背側上的第一端子，所說第一端子耦合到所說保護電極；設置在所說夾盤主體的所說背側上的第二端子，所說第二端子耦合到所說一個或多個其它電極中的一個上；設置在所說夾盤主體的所說背側上的第三端子，所說第三端子耦合到一個或多個其它電極的另一個上。
15.根據權利要求1的基座，其中保護電極設置為與背側相距等於或小於約300微米的距離。
16.根據權利要求1的基座，其中保護電極設置為與背側相距約150微米的距離。
17.一種基座，包括具有支撐側和背側的夾盤主體；靠近所說背側設置於所說夾盤主體內的保護電極，用於吸引電子；及設置於所說夾盤主體內所說保護電極和所說夾盤主體的所說支撐側之間的第二電極。
18.根據權利要求17的基座，其中保護電極和所說背側間的距離表示為X=(V/Ds)FS其中X是所說距離；V是加於保護電極上的最大電壓；Ds是構成基片基座的材料的介電強度；FS是安全係數。
19.根據權利要求17的基座，其中夾盤主體是陶瓷。
20.根據權利要求17的基座，其中保護電極相對於或以與所說第二電極相同的電位加正偏。
21.根據權利要求17的基座，還包括設置於所說夾盤主體內所說保護電極和所說夾盤主體的所說支撐側之間的一個或多個其它電極。
22.根據權利要求17的基座，其中給保護電極加約650V以上的DC偏置。
23.根據權利要求17的基座，其中夾盤主體被加熱到約300℃以上。
24.一種基片基座，包括具有支撐側和背側的夾盤主體；及靠近所說背側用於吸引電子的裝置；及設置於所說夾盤主體內所說裝置和所說夾盤主體的所說支撐側之間的電極。
25.根據權利要求24的基座，其中所說裝置和所說背側間的距離表示為X=(V/Ds)FS其中X是所說距離；V是加於所說裝置上的最大電壓；Ds是構成基片基座的材料的介電強度；FS是安全係數。
26.根據權利要求24的基座，其中所說裝置還包括設於所說夾盤主體內的保護電極，所說保護電極靠近所說夾盤主體的所說背側設置。
27.根據權利要求24的基座，其中夾盤主體被加熱到約300℃以上，約650V以上的DC加於所說裝置上。
28.一種減少基片基座上導電材料遷移的方法，包括以下步驟靠近基片基座的背側設置保護電極；在所說保護電極上加電壓。
29.根據權利要求28的方法，其中所說保護電極和所說背側間的距離表示為X=(V/Ds)FS其中X是所說距離；V是加於保護電極上的最大電壓；Ds是構成基片基座的材料的介電強度；FS是安全係數。
30.根據權利要求28的方法，還包括以下步驟在設置於基片基座中的另一電極上加低於或等於加於保護電極上的電壓的電壓。
31.根據權利要求28的方法，其中給保護電極加電壓的步驟加約650V以上的電壓。
32.根據權利要求28的方法，還包括將基片基座加熱到約300℃以上。
全文摘要
提供一種減少導電材料遷移的基片基座和方法。在一個實施例中,基座包括具有支撐側和背側的夾盤主體。保護電極靠近夾盤主體背側設置於夾盤主體內。另一方面,提供一種減少導電材料遷移的方法。在一個實施例中,該方法包括以下步驟:靠近基片基座的背側設置保護電極,給保護電極加電壓。
文檔編號H01L21/683GK1288800SQ00124289
公開日2001年3月28日 申請日期2000年8月23日 優先權日1999年8月23日
發明者文森特·伯克哈特 申請人:應用材料有限公司