以高溫聚合物接合劑接合至金屬基底的陶瓷靜電夾盤的製作方法

2023-05-04 21:08:01 1

本文描述的實施例一般涉及半導體製造，且更具體地涉及適合用於高溫半導體製造的基板支撐組件。

背景技術：

可靠地生產納米和更小的特徵是對於半導體組件的下一代大規模集成電路(vlsi)和超大規模集成電路(ulsi)的關鍵技術挑戰之一。然而，由於電路技術的限制被推進，vlsi和ulsi互連技術的縮小尺寸對於處理能力提出額外需求。在基板上的閘極結構的可靠形成對於vlsi和ulsi的成功和對於增加電路密度和個別基板和管芯的質量之後續努力是重要的。

為壓低製造成本，集成晶片(ic)從每個經處理的矽基板製造需求更高的產出和更好的組件產量和性能。正被探討用於在當前的發展下的下一代裝置的一些製造技術需要在以高於攝氏300度的溫度處理。傳統的靜電夾盤通常被接合到在基板支撐組件中的冷卻板，其中接合劑的介電特性是對高溫敏感的。然而，傳統的靜電夾盤可在溫度接近攝氏250度或更高時遭遇基板支撐組件內的接合問題。接合劑可能放出氣體到處理容積中，造成腔室中的汙染，或可能有分層的問題。另外，接合劑可能完全失敗，造成基板支撐件中的真空損失或移動。腔室可能需要停機時間來修復這些缺陷，這影響了成本、產量和性能。

因此，存在有用於適合在處理溫度等於或高於攝氏250度時使用的改良的基板支撐組件的需求。

技術實現要素：

本文描述的實施例提供一種基板支撐組件，基板支撐組件能夠進行高溫處理。基板支撐組件包括通過接合層而固定到冷卻基底的靜電夾盤。接合層具有第一層和第二層。第一層具有包括約攝氏300度的溫度的操作溫度。第二層具有低於攝氏250度的最高操作溫度。

在另一個實施例中，基板支撐組件包括通過接合層而固定到冷卻基底的靜電夾盤。接合層具有第一層、第二層和第三層。第一層與靜電夾盤接觸並具有包括約攝氏300度的溫度的操作溫度。第二層被設置在第一和第三層之間，並且具有低於攝氏250度的最高操作溫度。第三層被設置成與冷卻板接觸，並且具有低於第二層的最高操作溫度的最高操作溫度。

在又一實施例中，基板支撐組件包括固定到冷卻基底的靜電夾盤。金屬板是設置在靜電夾盤的底表面的下方。接合層是設置在金屬板和冷卻板的頂表面之間。接合層具有第一層和第二層。第一層與靜電夾盤接觸並具有包括約攝氏300度的溫度的操作溫度。第二層具有低於攝氏250度的最高操作溫度。

附圖說明

為使本發明的上述所載的特徵可被詳細理解，可通過參照實施例而對上文概述的本發明作更具體的說明，其中一些實施例在附圖中示出。然而，應注意附圖僅示出了本發明的通常實施例，且不因此被視為限制本發明的範圍，因為本發明可採用其他等效的實施例。

圖1是具有基板支撐組件的一個實施例的處理腔室的剖面示意性側視圖。

圖2是基板支撐組件的部分剖面示意性側視圖，詳細說明了設置在靜電基板支撐件和冷卻基底之間的接合層的一個實施例。

圖3示出了在靜電基板支撐件的底視圖中的電插座。

圖4是基板支撐組件的部分剖面示意性側視圖，詳細說明了設置在靜電基板支撐件和冷卻基底之間的接合層的另一個實施例。

為幫助理解，在可能的情況下，使用相同的附圖標記來表示附圖中相同的組件。可預期的是在一個實施例中公開的組件可被有利地使用於其他實施例而無需具體地敘述。

具體實施方式

本文描述的實施例提供一種基板支撐組件，該基板支撐組件能夠進行高溫操作靜電夾盤。高溫意指溫度超過大約攝氏150度的溫度，例如，溫度超過約攝氏250度(諸如約攝氏250度至約攝氏300度的溫度)。基板支撐組件具有通過接合層而接合到冷卻基底的靜電夾盤。接合層是由能以高溫操作靜電夾盤的一些不同的層而形成。不同的層中的至少一者具有低的熱導率(即，低於約0.2w/mk的熱導率)，以將跨越在靜電夾盤和冷卻板之間的界面的熱傳送最小化。包含層的材料也經選擇以防止將靜電夾盤固定至冷卻基底的接合層在高於約攝氏150度的溫度(諸如高於約攝氏250度的溫度)時失效。雖然在下文描述的基板支撐組件是在蝕刻處理腔室中，而該基板支撐組件可被使用於其他類型的等離子體處理腔室(諸如物理氣相沉積腔室、化學氣相沉積腔室、離子注入腔室等等)，及高溫(即，超過150度的溫度)處理發生的其他系統中。

圖1是示出經配置為蝕刻腔室的具有基板支撐組件126的示例性等離子體處理腔室100的剖面示意性圖。基板支撐組件126可被使用於其他類型的處理等離子體腔室(例如等離子體處理腔室、退火腔室、物理氣相沉積腔室、化學氣相沉積腔室及離子注入腔室等等)，和需要對表面或工件(諸如基板)控制處理均勻度的能力的其他系統中。在升高的溫度範圍時用於基板支撐件的介電性質tan(δ)(即，介電損耗)，或者ρ(即，體積電阻率)的控制有利地使得在基板支撐件上的基板124的方位角處理均勻。

等離子體處理腔室100包括腔室本體102，腔室本體102具有圍繞處理區域110的側壁104、底部106和蓋108。注射設備112是耦接到腔室本體102的側壁104和/或蓋108。氣體面板114被耦接到注射設備112，以允許處理氣體被提供至處理區域110中。注射設備112可為一個或多個噴嘴或入口埠，或替代地為噴淋頭。處理氣體(與任何處理副產物)從處理區域110通過形成在處理腔室本體102的側壁104或底部106中的排氣埠128移除。排氣埠128是耦接至泵送系統132，泵送系統132包括用以在處理區域110內控制真空水平的節流閥和泵。

處理氣體可被激發以形成處理區域110內的等離子體。處理氣體可通過將rf功率電容或電感耦合至處理氣體而被激發。在圖1中所示的實施例中，多個線圈116被設置在等離子體處理腔室100的蓋108的上方，並通過匹配電路118而被耦接至rf功率源120。

基板支撐組件126被設置在注射設備112下方的處理區域110中。基板支撐組件126包括靜電夾盤174和冷卻基底130。冷卻基底130是通過基底板176而支撐。基底板176是通過處理腔室的側壁104或底部106中的一者而支撐。基板支撐組件126可額外地包括加熱器組件(未示出)。此外，基板支撐組件126可包括設置在冷卻基底130和基底板176之間的設施板145和/或絕緣板(未示出)。

冷卻基底130可由金屬材料或其他合適的材料所製成。例如，冷卻基底130可由鋁(al)來形成。冷卻基底130可包括形成於冷卻基底130中的冷卻通道190。冷卻通道190可被連接到熱傳送流體源122。熱傳送流體源122提供的熱傳送流體(諸如液體、氣體或它們的組合)，熱傳送流體通過設置在冷卻基底130中的一個或多個冷卻通道190來循環。流經相鄰的冷卻通道190的流體可被隔離，以便能在靜電夾盤174和冷卻基底130的不同區域之間局部控制熱傳送，這有助於控制基板124的橫向溫度分布。在一個實施例中，循環通過冷卻基底130的通道190的熱傳送流體將冷卻基底130保持在約攝氏90度和約攝氏80度之間的溫度，或在低於攝氏90度的溫度。

靜電夾盤174包括設置在介電本體175中的夾持電極186。介電本體175具有工件支撐表面137和相對於工件支撐表面137的底表面133。靜電夾盤174的介電本體175可由陶瓷材料(諸如氧化鋁(al2o3)、氮化鋁(aln))或其他合適的材料所製成。替代地，介電本體175可由聚合物(諸如聚醯亞胺、聚醚醚酮、聚芳醚酮和類似物)所製成。

介電本體175還可包括一個或多個電阻加熱器188鑲嵌於介電本體175中。電阻加熱器188可經設置以將基板支撐組件126的溫度提高到適合用於處理設置在基板支撐組件126的工件支撐表面137上的基板124的溫度。電阻加熱器188可通過設施板145而被耦接至加熱器功率源189。加熱器功率源189可提供900瓦或更多的功率至電阻加熱器188。控制器(未示出)可控制加熱器功率源189的操作，加熱器功率源189通常被設定以加熱基板124至預定的溫度。在一個實施例中，電阻加熱器188包括多個橫向分開的加熱區域，其中控制器能夠使至少一個區域的電阻加熱器188相對於位於一個或多個其他區域的電阻加熱器188被優先地加熱。例如，電阻加熱器188可被同心地配置在多個分開的加熱區域中。電阻加熱器188可將基板124維持在適合處理的溫度，諸如在約攝氏180度至約攝氏500度之間，諸如大於約攝氏250度，諸如約攝氏250度至約攝氏300度之間。

靜電夾盤174通常包括嵌入在介電本體175中的夾持電極186。夾盤電極186可經配置為單極性或雙極性電極，或其他適當的布置。夾持電極186是通過rf過濾器而耦接到夾盤功率源187，夾盤功率源187提供rf或dc功率，以將基板124靜電地固定到靜電夾盤174的工件支撐表面137。rf過濾器防止用以形成在等離子體處理腔室100內的等離子體(未示出)的rf功率損壞電氣設備或在腔室外側呈現的電性危險。

靜電夾盤174的工件支撐表面137可包括氣體通道(未示出)，用於提供背側熱傳送氣體到基板124和靜電夾盤174的工件支撐面137之間所限定的間隙空間。靜電夾盤174還可包括用於容納升降銷(未示出)的升降銷孔，升降銷用於將基板124提升於靜電夾盤174的工件支撐表面137的上方，以幫助機械手臂傳送進出於等離子體處理腔室100。

接合層150設置在靜電夾盤174和冷卻基底130之間。接合層150可具有約0.1w/mk和約1w/mk之間的熱導率(諸如約0.17w/mk)。接合層150可由提供用於靜電夾盤174和冷卻基底130的不同熱膨脹的一些層而形成。包括接合層150的層可由不同的材料所形成，且參照圖2來討論。圖2是基板支撐組件126的部分剖面示意性側視圖，詳細說明了設置在靜電夾盤174和冷卻基底130之間的接合層150的一個實施例。

電插座260可提供到鑲嵌於在介電本體175中的電阻加熱器188和夾持電極186的連接。電阻加熱器188可將靜電夾盤174的底部133加熱到高於攝氏250度的溫度。

短暫地轉到圖3，圖3示出了在靜電夾盤174的底視圖中的電插座260。電插座260可具有外殼310和多個連接器320。連接器320提供電連續性至加熱器和夾持電極。連接器320鑲嵌在外殼310中。

外殼310可由具有低熱導率的材料所形成。在一個實施例中，外殼310是由聚醯亞胺材料(諸如或或其他合適的材料所形成。外殼310可具有約3.0×10-5/c和約5×10-5/c之間的熱膨脹係數。外殼可具有大約0.2w/mk至約1.8w/mk的熱導率。外殼310可將連接器320與來自靜電夾盤174的高溫絕緣。

回到圖2，電插座260可延伸通過接合層150和具有冷卻基底130的界面。

接合層150是設置在冷卻基底130和靜電夾盤174之間並附接/接合至冷卻基底130和靜電夾盤174。接合層150可在靜電夾盤174的底表面133和冷卻基底130的頂表面161之間具有約攝氏60度至約攝氏250度之間的溫度梯度。接合層150可延伸至約靜電夾盤174和冷卻基底130的外徑252。接合層150是柔性的，以考慮在靜電夾盤174和冷卻基底130之間的熱膨脹，並防止靜電夾盤174或冷卻基底130的破裂或接合斷裂脫離。

接合層150可由兩個或更多個材料層所組成。接合層150可選擇地包括一個或多個o形環。在一個實施例中，接合層150包括第一層210、第二層220和第三層230。然而，在其他實施例中，接合層150可包括第一層210和第二層220，或第二層220和第三層230。接合層150可包括超過三層。在接合層150中的兩層或更多層的操作將使用第一層210、第二層220和第三層230來在下文進行說明。

第一層210、第二層220和第三層230可具有外圓周250。接合層150可額外地包括繞第一層210、第二層220和第三層230的外圓周250來設置的o形環240。空間242形成在外圓周250和靜電夾盤174的外徑252之間。空間242可經調整尺寸，以允許o形環240密封地接合靜電夾盤174和冷卻基底130。在一個實施例中，接合層150包括第一層210、第二層220、第三層230和o形環240中的一個或多個。

o形環240可由全氟彈性體材料或其他合適的材料所形成。例如，o形環240的材料可為或密封o形環。o形環240的材料可具有足夠軟的約70硬度的肖氏硬度，以製造真空密封。o形環240可形成抵住靜電夾盤174和冷卻基底130的真空緊密密封。由o形環240形成的真空緊密密封可防止用於處理環境的真空通過基板支撐組件126而損失。另外，o形環240可保護基材支撐組件126的內部部分免於暴露於等離子體環境。即，o形環240保護接合層150的第一層210、第二層220及第三層230遠離等離子體。o形環240可另外防止來自第一層210、第二層220和第三層230的揮發氣體汙染等離子體環境。替代地，第一層210、第二層220和第三層230與靜電夾盤174和冷卻基底130接合，並形成不需o形環240的真空密封。

第一層210可具有頂表面211和底表面213。頂表面211與靜電夾盤174的底表面133接觸。第一層210的頂表面211可處於靜電夾盤174的底表面133的溫度，即，約攝氏150至約攝氏300度。為了適應靜電夾盤的高溫，第一層210可由具有超過攝氏150度的操作溫度的材料所製成。例如，第一層210可由包括約250度的操作溫度的材料所製成，或在另一例子中，包括約攝氏300度的操作溫度的材料所製成。在又一個例子中，第一層210可由具有包括約攝氏250度至約攝氏325度之間的溫度的操作溫度的材料所製成。

底表面213可與第二層220接觸。第一層210可形成具有與靜電夾盤174的底表面133接合的高溫接合層。第一層210可額外地接合到第二層220。第一層210可由全氟化合物或其他合適的高溫化合物所形成。例如，第一層210可由全氟甲基乙烯基醚、烷氧基乙烯基醚、或其他合適的接合劑所形成。第一層210可由高溫矽氧烷所形成。有利地，全氟化合物的氟-碳鍵是非常穩定的，賦予高熱和化學穩定性。全氟化合物良好地粘附至陶瓷、是非剛性的、具有最小的壓縮率並具有接受應變的能力。第一層210經配置以與因高操作溫度(諸如超過攝氏150度的操作溫度，諸如高達約攝氏250度的操作溫度)而膨脹的靜電夾盤174一起熱膨脹。第一層210可經調整尺寸以配合靜電夾盤174的底部表面133。替代地，第一層可經調整尺寸以提供o形環240足夠的空間，以密封接合靜電夾盤174。

第一層210可以多片而形成。第一層210可具有小於約1mm的厚度212，諸如約5mils(約0.127mm)。在一個實施例中，第一層210可為適合於溫度超過攝氏300度的全氟聚合物接合劑。第一層210可具有為高處理溫度而選擇的在0.1至0.5w/mk的範圍中的熱導率。在一個示例性的實施例中，第一層210的熱導率為約0.24w/mk。

第二層220通過第一層210而與靜電夾盤174的高溫分隔。因此，第二層220可具有比第一層210的操作溫度低的操作溫度。例如，第二層220的最大操作溫度可低於第一層210的最大操作溫度。在另一例子中，第二層220的最大操作溫度可小於約攝氏250度。

第二層220可具有頂表面221和底表面223。第二層220的頂表面221接觸第一層210的底表面213。頂表面221可選擇地形成與第一層210的底表面213的高溫接合。第二層220的底表面223可與第三層230接觸。第二層220形成與第一層210的底表面213和第二層220的接合。在一個例子中，第二層220可不必是粘附劑、具有比頂層210的剛性更高的剛性的材料。第二層220可由聚醯亞胺、全氟化合物、矽氧烷或其他合適的高溫材料所形成。例如，第二層220可由聚乙烯或其他合適的材料所形成。聚醯亞胺的片材比全氟的片材更堅固，且也具有比全氟的片材更低的熱膨脹和導電率。有利地，選擇用於第二層220的材料具有低的熱導率，並作為熱絕緣體。第二層220的熱導率越低，越過第二層220的潛在溫度差異越大。

第二層220可具有在約1mm和約3mm之間，諸如約1.5mm的厚度222。在一個實施例中，第二層220是聚醯亞胺的片材。第二層220可具有在從約0.1至約0.35w/mk的範圍中所選擇的導熱係數，且在一個示例性實施例中，為約0.17w/mk。

第三層230通過第一層和第二層210、220而與靜電夾盤174的高溫分隔。因此，第三層230可具有比第二層220的操作溫度低的操作溫度。例如，第三層230的最大操作溫度可低於第二層220的最大操作溫度。在另一例子中，第三層230的最大操作溫度可低於約攝氏200度。

第三層230可具有頂表面231和底表面233。第三層230可被設置在第二層220和冷卻基底130之間。第三層230的頂表面231可選擇地被接合到第二層220的底表面223，且第三層230的底表面233可選擇地被接合到冷卻基底130。第三層的底表面233可為冷卻基底130的溫度，即，約攝氏80和約攝氏60度之間。在一個實施例中，第三層230形成具有與冷卻基底130接合的低溫接合層。

第三層230可由全氟化合物、矽氧烷、多孔石墨或丙烯酸化合物或其他合適的材料所製成。用於第三層230的材料是基於低的操作溫度(即，約80度)而選擇，第三層230被暴露於第三層230可以接合到的材料，且第三層可選擇地為第三層230可以接合到的材料。第三層230是由第一層210或第二層220之一保護而免受靜電夾盤174的高熱。因此，在第三層230的材料是矽氧烷的實施例中，第一層210和/或第二層220防止第三層230的矽氧烷材料脫氣或揮發。第三層230可具有小於約1mm的厚度232，諸如約5mils(約0.127mm)。在一個實施例中，第三層230是矽氧烷材料。第三層230可具有也許在約2.0到約7.8×10-6/℃的範圍中的熱膨脹係數。第三層230可具有在約0.10至約0.4w/mk的範圍中所選擇的導熱率係數，並且在一個示例性實施例中，為約0.12w/mk。

有利地，接合層150含有具有不同性質的多個層，不同性質產生對於來自靜電夾盤174和冷卻基底130的熱膨脹和導熱率的係數的梯度。接合層150可產生真空密封，以防止腔室通過基板支撐組件126而脫氣。此外，在接合層被接合到靜電夾盤174和冷卻基底130的那些實施例中，聚合物的彈性、接合層150的低彈性模數減輕了接合劑和/或接合層150的破裂或斷裂，此破裂或斷裂系由從靜電夾盤174到冷卻基底130的較大的溫度梯度而導致。因此，接合層150最小化了用以修復基板支撐組件126的停機的需求，停機是因在具有不同熱膨脹的接合位置處的熱所引起的應力所導致的損壞，不同的熱膨脹是因大的溫度梯度所導致。

圖4示出了用於接合層150的第二實施例，且為基板支撐組件126的部分剖面示意性側視圖，詳細說明了設置在靜電夾盤174和冷卻基底460之間的接合層450的第二實施例。冷卻基底460類似地配置成冷卻基底130。冷卻基底460另外具有設置在冷卻基底460的外徑252處的唇部462。唇部462可具有類似於接合層450的厚度的在頂表面161之上的高度464。

接合保護o形環442可設置在冷卻基底460的唇部462和靜電夾盤174之間。接合保護環442保護接合層450和基板支撐件的其他內部結構(諸如金屬板410)遠離等離子體環境。接合保護o形環442可為適合等離子體環境的材料所製成，且還是可壓縮的。例如，接合保護o形環442可由全氟聚合物(諸如或)所形成。

金屬板410額外地設置在接合層450之間。金屬板410可被接合到靜電夾盤174的底部133。金屬板410可達到類似於靜電夾盤174的操作溫度的操作溫度，即，金屬板410的溫度可為約攝氏180度至約攝氏300度之間，諸如攝氏250度。金屬板410可具有類似於接合保護o形環442的直徑的厚度412。金屬板410可經調整尺寸以適配於冷卻基底460的唇部462內。因此，當接合保護o形環442被壓縮時，金屬板410通過接觸冷卻基底460的唇部462而不與接合保護o形環442的壓縮幹涉。

接合層450可具有一個或多個層。這些層可包括墊片、片材和/或粘附劑。接合層450還可以選擇地包括o形環真空密封444。o形環真空密封444可接觸金屬板410和冷卻基底460。o形環真空密封444可被壓縮以產生在金屬板410和冷卻基底460之間的真空密封。通過o形環真空密封444所產生的真空密封防止在等離子體處理腔室100的處理區域110中的真空通過基板支撐組件126而逸出的損失。通過o形環真空密封444所產生的真空密封還可防止汙染或氣體進入處理區110。o形環真空密封444可由可壓縮的材料(諸如全氟聚合物)或其他合適的材料所形成。在一個實施例中，o形環真空密封444由或所形成。o形環真空密封444可壓縮高達約35mils(o形環的原屬尺寸的10至28％)。替代地，真空密封通過接合層450的一層或多層而製成。

一層或多層的接合層450可形成複合墊片470。複合墊片470可與金屬板410和冷卻基底460接觸。複合墊片470具有適於電插座260適配通過的中央部472。複合墊片470可與冷卻基底460接觸。複合墊片470可具有外邊緣452且可經調整尺寸以在唇部462的內側。外邊緣452和唇部462可形成適合用於o形環真空密封444適應在外邊緣452和唇部462的空間466。複合墊片470可具有從靜電夾盤174到冷卻基底460約攝氏170度或以上(諸如攝氏270度)的溫度梯度。複合墊片470可具有約0.10w/mk至約0.20w/mk(諸如約0.20w/mk)的導熱率。複合墊片470因此防止從靜電夾盤174至冷卻基底460的溫度損失。複合墊片470可被壓縮在金屬板410和冷卻基底460之間。在一些實施例中，複合墊片470可被壓縮多達20％。

複合墊片470可具有一個或多個層(諸如第一層420和第二層430)。第一層420可以由全氟材料所形成。第一層420可通過金屬板410而被暴露到靜電夾盤174的溫度，即，高達約攝氏300度的操作溫度。第一層420可具有約1mm和約2mm之間的厚度422。第一層420可在約200微米與約400微米之間壓縮。在一個實施例中，第一層420的厚度422為約1mm，且第一層壓縮約200微米。在第二實施例中，第一層420的厚度422為約2mm，且第一層420壓縮約400微米。第一層420具有低的導熱率。在一個實施例中，對於約攝氏100度的溫度梯度，1mm厚的第一層420的頂表面421可具有約攝氏250度的操作溫度，而第一層420的底表面423可具有約攝氏150度的操作溫度。

複合墊片470的第二層430可由全氟、多孔石墨或矽氧烷材料所製成。第二層430可與第一層420和冷卻基底460接觸並暴露於第一層420和冷卻基底460的溫度。即，第二層430可被分別暴露於約攝氏150度和約攝氏80度的操作溫度。第二層430可具有約0.5mm至約1.5mm的厚度432。第二層430可為可壓縮至約200微米的。

在一個實施例中，複合墊片470具有2mm厚的全氟第一層420和矽的第二層430。在另一實施例中，複合墊片470具有1mm厚的全氟第一層420和1mm厚的全氟第二層430。在又一實施例中，複合墊片470具有1mm厚的全氟第一層420和1mm厚的多孔石墨第二層430。結合第一層和第二層420、430的複合墊片470具有基本類似於o形環真空密封444的壓縮。在一些實施例中，第一層420被接合到金屬板410及第二層430被接合到冷卻基底460，並且不存在o形環真空密封444。

有利地，靜電夾盤174的高操作溫度(超過攝氏180度，諸如約攝氏250度的溫度)不會損害複合墊片，而避免導致真空密封被損壞或使形成複合墊片470的一層或多層脫氣。複合墊片防止可能影響工藝良率和操作成本的在腔室中的汙染或腔室停機。

雖然前面部分針對涉及本發明的實施例，本發明的其他和進一步的實施例可經設計而不背離本發明的基本範圍，且本發明的範圍由所附的權利要求來決定。