用於靜電卡盤的邊緣環的製作方法

2023-07-08 03:18:31

專利名稱：用於靜電卡盤的邊緣環的製作方法
技術領域：
本發明總地涉及用於半導體、數據存儲、平板顯示器以及相關或其他行業的處理 設備領域。更具體地說，本發明涉及一種用於提高基於等離子體的處理工具中所用的靜電 卡盤的性能的系統。
背景技術：
自從幾十年前首次引入集成電路(IC)器件，半導體器件幾何學(即集成電路設 計準則)的規模便急劇下降。IC總地遵循了摩爾定律(Moore' s Law)，摩爾定律是指 單個集成電路晶片上裝配的器件數目每兩年會增加一倍。今天的IC製造工廠常規生產 65nm(0. 065 μ m)特徵尺寸的器件，而未來的工廠將很快生產具有更小特徵尺寸的器件。隨著IC設計準則的萎縮，半導體製造業愈發趨向於將單晶圓處理用於各種各樣 的製作步驟，包括等離子體蝕刻和沉積室。單晶圓反應器必須設計為在加工過程中以非打 擾方式固定晶圓(或者其他基底類型)，同時控制溫度以及整個晶圓的溫度均勻性。與其中將要進行處理的晶圓的正面的一部分嚙合的機械晶圓夾具可能因為妨礙 氣流、改變等離子體的分布以及作為散熱器起作用而造成處理均勻性問題。如果設計不當， 機械晶圓夾具也可能會產生粒子，造成晶圓汙染以及其他問題。靜電卡盤(ESC)利用靜電勢，以在處理期間固定晶圓，從而通過僅與晶圓的背面 接觸而避免機械夾持的問題。靜電卡盤通過激發基底與卡盤上的相反電荷從而在該卡盤與 該基底之間產生靜電吸引力來運行。吸引力的強度取決於激發的電荷量以及導電效應引起 的電荷消散速率。電壓偏置用來激發並控制靜電力，其可僅用於加工周期的一部分，例如， 只是在基底被轉移到卡盤之後。或者，電壓偏置可以連續用於整個加工周期。例如，利用等 離子體的傳導性能可提供一種電氣連接至ESC和晶圓系統終端的手段。靜電卡盤有許多類型，其可包括被置於基底下方以及周圍，用於將等離子體限制 在與該基底緊鄰的上方區域內的可消耗(即犧牲)邊緣環。參考圖1，示例性的現有技術ESC結構100的一部分包括陽極化的鋁基板101、加 熱器結合層103、加熱器105、加熱器板107和陶瓷結合層109。該ESC結構100蓋有陶瓷頂 片111。邊緣粘合密封件113保護該加熱器結合層103、加熱器105、加熱器板107和陶瓷結 合層109，避免其與周圍的等離子體環境和腐蝕性化學物質直接接觸。因而，該邊緣粘合密 封件113保護該加熱器105、該加熱器板107、該加熱器103以及該陶瓷結合層109免受等 離子侵蝕。該加熱器結合層103通常由包含二氧化矽(例如，無定形SiOx)的有機矽層組成。 該加熱器105常由封裝在聚醯亞胺中的金屬電阻元件組成，而該加熱器板107通常由鋁製成。該陶瓷結合層109常用陶瓷填充(如氧化鋁(Al2O3))的有機矽材料製成。該陶瓷頂片 111通常由氧化鋁製成並且被配置成允許基底115(如矽晶圓)被牢固地固定在該陶瓷頂片 111的上方。邊緣環117的整體形狀通常為環形，並固定在該示例性的現有技術ESC結構100 的內部的外周邊。該邊緣環117圍繞該ESC結構100的內部同心放置，其特徵在於垂直、 單表面內徑。該單表面內徑限制該邊緣環117，使其抵靠該鋁基板101，該邊緣粘合密封件 113，從而該陶瓷頂片111名義上以該邊緣環117為中心。此外，該邊緣環117取決於至少該鋁基板101和該陶瓷頂片111的臨界公差和同 心度兩者。兩部件中任意一個的公差或者同心度的任何變化可導致安裝或使用時該邊緣環 117的破損。因此，該邊緣環117必須適應至少該鋁基板101和該陶瓷頂片111之間的最 壞情況下的整體公差。相反，如果該兩部件的公差不處於最壞的情況，那麼該邊緣環117的 尺寸過大，無法充分提高基底的工藝條件。因此，該邊緣環必須設計成適應最壞情況下的公 差，而且尺寸仍不能過大，以使對產率的影響最小化，降低總的工具營運成本，並提高基於 等離子體的工藝的整體性能。因此，需要可以很容易地應用到ESC的邊緣環。該邊緣環應當容易地圍繞該ESC， 而不要求過分緊密的設計公差，同時在廣泛的溫度範圍內仍保持與該ESC良好的同心度。

發明內容
在一個示例性的實施方式中，公開一種與被配置成在等離子體環境中固定基底的 靜電卡盤一起使用的器件。該器件包含邊緣環，該邊緣環被配置成圍繞該靜電卡盤的陶瓷 頂片的外周邊而放置並僅被耦合至僅該陶瓷頂片的至少部分。該邊緣環進一步被配置為與 該陶瓷頂片同心。該邊緣環包括具有被設置成在該邊緣環與該陶瓷頂片的外周邊之間提供 機械耦合的邊緣階梯的內邊緣、外邊緣以及位於該內邊緣和該外邊緣之間的平坦部分。該 平坦部分被設置為當該邊緣環圍繞該陶瓷頂片的外周邊放置時，其為水平方向，而且當在 等離子體環境中操作時，其平行於該基底。在另一個示例性的實施方式中，公開一種與被配置成在等離子體環境中固定基底 的靜電卡盤一起使用的器件。該器件包含邊緣環，該邊緣環被配置成圍繞該靜電卡盤的基 板的外周邊而放置並被耦合至僅該基板的至少部分。該邊緣環進一步被配置為與該基板同 心。該邊緣環包括具有被設置成在該邊緣環與該基板的外周邊之間提供機械耦合的邊緣階 梯的內邊緣、外邊緣以及位於該內邊緣和該外邊緣之間的平坦部分。該平坦部分被設置為 當該邊緣環圍繞該基板的外周邊放置時，其為水平方向，而且當在等離子體環境中操作時， 其平行於該基底。在另一個示例性的實施方式中，公開一種與被配置為在等離子體環境中固定基底 的靜電卡盤一起使用的器件。該器件包含邊緣環，該邊緣環被配置成通過多個銷耦合至該 靜電卡盤的基板。多個銷槽被設置於靠近該邊緣環的外周邊，並被配置成放置於該多個銷 的外周邊的上方並以與該靜電卡盤同心的該邊緣環為中心。該多個銷槽被進一步配置為允 許該邊緣環與該基板之間的熱膨脹變化，同時仍保持該邊緣環為同心中心。在另一個示例性的實施方式中，公開一種與被配置成在等離子體環境中固定基底 的靜電卡盤一起使用的器件。該器件包含邊緣環，該邊緣環被配置成通過多個銷耦合至該靜電卡盤的基板。多個銷槽被設置於靠近該基板的外周邊，並被配置成放置於該多個銷的 的外周邊的上方並以與該靜電卡盤同心的該邊緣環為中心。該多個銷槽被進一步配置為允 許該邊緣環與該基板之間的熱膨脹變化，同時仍保持該邊緣環為同心中心。


各附圖只是對本發明的示例性實施例進行說明，絕不能認為是對其範圍的限制。圖1是現有技術靜電卡盤的部分的橫截面視圖。圖2A包括本發明以肩為中心的邊緣環的示例性俯視圖以及隨附的等距視圖。圖2B是圖2A所述的以肩為中心的邊緣環的橫截面視圖。圖2C是圖2B所述的邊緣環的放大部分，顯示出具體的示例性肩設計。圖2D是圖2B所述的邊緣環的放大部分，顯示出另一具體的示例性肩設計。圖3A是本發明示例性的以銷為中心的邊緣環的底視圖。圖;3B是圖3A所述的以銷為中心的邊緣環的橫截面視圖。圖3C是圖;3B所述的邊緣環的放大部分，顯示出具體的示例性以銷為中心的設計。
具體實施例方式下面討論的不同實施例描述了一種設計成提高工藝性能的改進的邊緣環。通過確 保該邊緣環圍繞ESC的鋁基板或陶瓷頂片同心放置(即以ESC的鋁基板或陶瓷頂片為中 心)，從而使得該邊緣環精確並準確地被設置於基底周圍來提高工藝性能。參照圖2A，以肩為中心的邊緣環201的示例性實施方式的俯視圖200包括階梯式 內徑體205以及基本上平坦的頂面203。使用時，該以肩為中心的邊緣環201圍繞ESC結構 (未顯示，但本領域的技術人員容易理解)，而該平坦的頂面203基本上水平並與放置在該 ESC上的基底平行。等距視圖230提供該以肩為中心的邊緣環201的額外參考圖。由於該以肩為中心的邊緣環201僅接觸該ESC的該陶瓷頂片，該階梯式內徑體205 改進了以該ESC結構為中心的狀態。該以肩為中心的邊緣環201可摩擦配合(friction fit)在該陶瓷頂片的周圍或者，可替代地，以本領域獨立已知的粘合劑或機械緊固件固定。 在一個具體的示例性的實施方式中，該階梯式內徑體205約為1. 9mm(約0. 075英寸)高和 0.4mm寬(約0.016英寸寬)。以下提供更多具體的細節。總體而言，該以肩為中心的邊緣 環201的該階梯式內徑體205使得邊緣環中心改進約50%，從而最終提高了工藝性能。現參照圖2B，該以肩為中心的邊緣環201的橫截面視圖250示於A-A截面。該以 肩為中心的邊緣環201可由多種材料(如氧化鋁(Al2O3)或者其他類型的陶瓷)製成。矽、 碳化矽、二氧化矽(如結晶或無定形(SiOx))和固體釔等過渡金屬也是製作該以肩為中心 的邊緣環201的合適的材料。此外，各種其他類型的金屬、絕緣和半導體材料也可被容易地 採用。如果該以肩為中心的邊緣環201設計成與該ESC的陶瓷摩擦配合，需要考慮該以肩 為中心的邊緣環201和陶瓷之間超過，例如100°C溫度範圍的熱膨脹適應性。在典型應用 中，該以肩為中心的邊緣環201可被加工成在環境溫度(如20°C )下具有適當的壓入配合 (press-fit)。在一個具體的示例性實施方式中，該以肩為中心的邊緣環201由氧化鋁(Al2O3)制 成並塗覆有厚度為75微米(μπι)至125 μ m (約為0.003到0.005英寸)的氧化釔塗層。該氧化釔塗層可通過例如熱噴塗的方式施塗，或者從物理氣相沉積(PVD)系統中施塗。在該 實施方式中，該氧化釔塗層可按要求在某些區域中逐漸減少，或者該以肩為中心的邊緣環 201的全部可保持未塗覆。繼續參照圖2B，下文的表I給出具體的示例性尺寸，以適應300mm直徑的基底。
權利要求
1.一種與被配置成在等離子體環境中固定基底的靜電卡盤一起使用的器件，該器件包含邊緣環，該邊緣環被配置成圍繞該靜電卡盤的陶瓷頂片的外周邊而放置並僅被耦合至 該陶瓷頂片的至少部分，該邊緣環進一步被配置成與該陶瓷頂片同心，該邊緣環包括具有被設置成在該邊緣環與該陶瓷頂片的外周邊之間提供機械耦合的邊緣階梯的內 邊緣；外邊緣；以及位於該內邊緣和該外邊緣之間的基本上平坦部分，該基本上平坦部分被設置為當該邊 緣環圍繞該陶瓷頂片的外周邊放置時，其為水平方向，而且當在等離子體環境中操作時，其 平行於該基底。
2.根據權利要求1所述的器件，其中該邊緣環至少部分由固體釔製成。
3.根據權利要求1所述的器件，其中該邊緣環至少部分由氧化鋁製成。
4.根據權利要求3所述的器件，其中該氧化鋁至少部分用氧化釔塗覆。
5.根據權利要求1所述的器件，其中該邊緣環被裝配成圍繞該靜電卡盤的該陶瓷頂片 提供摩擦配合。
6.根據權利要求5所述的器件，其中該摩擦配合在溫度範圍超過約100°C時被保持。
7.根據權利要求1所述的器件，其中該邊緣階梯從該邊緣環的內邊緣徑向向內延伸約 0.4毫米。
8.根據權利要求1所述的器件，其中該邊緣階梯的內部平行於該邊緣環的該內邊緣延 伸約1. 9毫米。
9.一種與被配置成在等離子體環境中固定基底的靜電卡盤一起使用的器件，該器件包含邊緣環，該邊緣環被配置成圍繞該靜電卡盤的基板的外周邊而放置並僅被耦合至該基 板的至少部分，該邊緣環進一步被配置為與該基板同心，該邊緣環包括具有被設置成在該邊緣環與該基板的外周邊之間提供機械耦合的邊緣階梯的內邊緣；外邊緣；以及位於該內邊緣和該外邊緣之間的基本上平坦部分，該基本上平坦部分被設置為當該邊 緣環圍繞該基板的外周邊放置時，其為水平方向，而且當在等離子體環境中操作時，其平行 於該基底。
10.根據權利要求9所述的器件，其中該邊緣環至少部分由固體釔製成。
11.根據權利要求9所述的器件，其中該邊緣環至少部分由氧化鋁製成。
12.根據權利要求11所述的器件，其中該氧化鋁至少部分用氧化釔塗覆。
13.根據權利要求9所述的器件，其中該邊緣環被裝配成圍繞該靜電卡盤的該基板提供摩擦配合。
14.根據權利要求13所述的器件，其中該摩擦配合在溫度範圍超過約100°C時被保持。
15.根據權利要求9所述的器件，其中該邊緣階梯從該邊緣環的內邊緣徑向向內延伸 約0.4毫米。
16.根據權利要求9所述的器件，其中該邊緣階梯的內部平行於該邊緣環的內邊緣延伸約1. 9毫米。
17.一種與被配置成在等離子體環境中固定基底的靜電卡盤一起使用的器件，該器件 包含邊緣環，該邊緣環被配置成通過多個銷耦合至該靜電卡盤的基板；多個銷槽，該多個銷槽被設置於靠近該邊緣環的外周邊，並被配置成放置於該多個銷 的外周邊的上方並以與該靜電卡盤同心的該邊緣環為中心，該多個銷槽被進一步配置為允 許該邊緣環與該基板之間的熱膨脹變化，同時仍保持該邊緣環為同心中心。
18.根據權利要求17所述的器件，其中該多個銷槽被設置為盲孔結構。
19.根據權利要求17所述的器件，其中該多個銷槽被設置為通孔結構。
20.根據權利要求17所述的器件，其中該邊緣環至少部分由固體釔製成。
21.根據權利要求17所述的器件，其中該邊緣環至少部分由氧化鋁製成。
22.根據權利要求21所述的器件，其中該氧化鋁至少部分用氧化釔塗覆。
23.根據權利要求17所述的器件，其中該多個銷槽被裝配成圍繞該多個銷在環境溫度 下提供摩擦配合。
24.一種與被配置成在等離子體環境中固定基底的靜電卡盤一起使用的器件，該器件 包含邊緣環，該邊緣環被配置成通過多個銷耦合至該靜電卡盤的基板；多個銷槽，該多個銷槽被設置於靠近該基板的外周邊，並被配置成放置於該多個銷的 外周邊的上方並以與該靜電卡盤同心的該邊緣環為中心，該多個銷槽被進一步配置為允許 該邊緣環與該基板之間的熱膨脹變化，同時仍保持該邊緣環為同心中心。
25.根據權利要求M所述的器件，其中該多個銷槽被設置為盲孔結構。
26.根據權利要求M所述的器件，其中該多個銷槽被設置為通孔結構。
27.根據權利要求M所述的器件，其中該邊緣環至少部分由固體釔製成。
28.根據權利要求M所述的器件，其中該邊緣環至少部分由氧化鋁製成。
29.根據權利要求觀所述的器件，其中該氧化鋁至少部分用氧化釔塗覆。
30.根據權利要求M所述的器件，其中該多個銷槽被裝配為圍繞該多個銷在環境溫度 下提供摩擦配合。
全文摘要
公開一種與被配置成在等離子體環境中固定基底的靜電卡盤一起使用的器件。該器件包含邊緣環，該邊緣環被配置成僅與陶瓷頂片的部分或者基板的部分相接觸，或者通過多個銷以及銷槽耦合至該基板。該邊緣環進一步被配置為與該陶瓷頂片同心。在一個實施方式中，該邊緣環包括具有被設置成在該邊緣環與該陶瓷頂片的外周邊之間提供機械耦合的邊緣階梯的內邊緣。該邊緣環進一步包括外邊緣以及位於該內邊緣和該外邊緣之間的平坦部分。該平坦部分被設置為當該邊緣環圍繞該陶瓷頂片的外周邊放置時，其為水平方向，而且平行於基底。
文檔編號H01L21/205GK102124820SQ200980131834
公開日2011年7月13日 申請日期2009年8月12日 優先權日2008年8月19日
發明者克利·方, 央·拉雷德·肯沃西, 麥可·凱洛格 申請人:朗姆研究公司