TWI493639B - 用以監控靜電夾盤邊緣珠粒材料之侵蝕的電與光學系統及方法 - Google Patents

Description

用以監控靜電夾盤邊緣珠粒材料之侵蝕的電與光學系統及方法 【優先權的主張】

本申請案主張美國專利申請案第12/126,625號的優先權，該優先權案係於2008年5月23日申請，其內容係藉由參考文獻方式合併於此。

概括而言，本發明係關於使用在半導體、資料儲存、平面顯示、以及相關連或其他產業的處理設備領域。尤其，本發明係關於用以監控使用在應用電漿處理工具之靜電夾盤邊緣珠粒材料侵蝕的系統與方法。

自從在數十年前首先引進積體電路(IC，integrated circuit)裝置之後，半導體裝置幾何(即積體電路設計法則)在尺寸上已明顯降低。概括而言，積體電路乃依循著「摩爾定律(Moore's Law)」，其係指在單一積體電路晶片上所製造的裝置數量每2年會增加一倍。現今的積體電路製造設備例行地生產65 nm(0.065 μm)特徵尺寸的裝置，並且很快地未來的工廠即將生產具有更小特徵尺寸的裝置。

隨著積體電路設計法則的縮小，在半導體製造上使用單一晶圓來處理包含電漿蝕刻與沉積室之種種製造步驟則有著增加的趨勢。單一晶圓反應器必須被設計成在處理期間以不明顯的方式來固定晶圓(或其他基板種類)，同時控制遍佈晶圓各處的溫度與溫度均勻性兩者。

嚙合待處理之晶圓前表面之一部分的機械晶圓夾會因為干擾氣體流動、改變電漿分佈、以及作為散熱裝置，而潛在地產生處理均勻性的問題。假使設計不正確時，機械晶圓夾亦會產生微粒而造成晶圓的污染以及其他問題。

靜電夾盤(ESC，electrostatic chuck)係在處理期間使用靜電位(electrostatic potential)將晶圓固持在適當的位置，因此藉由僅與晶圓的背側接觸而避免機械箝制的問題。靜電夾盤係經由在基板以及夾盤上誘發相反電荷而進行操作，藉以在夾盤與基板之間產生靜電引力。引力的位準係取決於所誘發的電荷量以及因為傳導效應而引起電荷消耗的速率。電壓偏壓被用於誘發並控制靜電力，並且可僅對處理循環的一部分進行施加，例如，剛好在基板被運送至夾盤之後。或者，電壓偏壓可在整個處理循環持續進行施加。例如，使用電漿的傳導特性可提供與ESC及晶圓系統之一端點電性連接的方法。

參考圖1，習知示範ESC結構100的一部分包含：陽極氧化鋁底座101、加熱器接合層103、加熱器105、加熱板107、以及陶瓷接合層109。ESC結構100被陶瓷頂件111所覆蓋。加熱器接合層103、加熱器105、加熱板107、以及陶瓷接合層109被邊緣接合密封件113所保護，而免於與周圍電漿環境及腐蝕性化學物質直接接觸。

加熱器接合層103典型上係由摻有氧化矽的矽酮層(例如非晶質SiO_X )所構成。加熱器105通常係由包覆在聚醯亞胺內的金屬電阻元件所構成；而加熱板107典型上係由鋁所製造。充填陶瓷(例如氧化鋁(Al₂ O₃ ))的矽酮材料一般用於陶瓷接合層109。陶瓷頂件111一般係由氧化鋁所製造。

邊緣接合密封件113可由例如環氧樹脂、矽酮樹脂、或聚醯亞胺基聚合物所構成。邊緣接合密封件113可保護加熱器105、加熱板107、加熱器接合層103、以及陶瓷接合層109免於電漿侵蝕。然而，如上所述，邊緣接合密封件113被曝露於電漿，並且可發生由化學反應以及離子轟擊兩者所產生的侵蝕。除了侵蝕作用以外，由於ESC結構100在廣泛的溫度範圍下操作，所以由例如破裂或剝離之因素所造成的損壞會因為快速的溫度上升或材料的熱膨脹係數差異而引起。

又，接合線直接曝露於電漿會導致微粒的產生，此在裝置良率上會潛在地具有有害作用。接合線的侵蝕會妨礙未來邊緣珠粒的再磨光，並且影響最長零件壽命。因此，亟需一種指示器機構來限制最大邊緣珠粒侵蝕深度，並且使晶圓良率影響降至最低，以及減少總工具操作成本。

在一示範實施例中，揭露一種用以監控靜電夾盤之磨損的裝置，此靜電夾盤係用於電漿環境。此裝置包含邊緣接合密封件，此邊緣接合密封件被設置成安裝於靜電夾盤的邊緣珠粒。此邊緣接合密封件包含：光學監控層，由第一材料所構成，此第一材料可用以發出能夠被光學監控的物質；以及邊緣接合層，被設置成至少散佈在監控層與電漿環境之間。此邊緣接合層係由第二材料所構成，此第二材料因為與電漿環境產生反應而易受侵蝕所影響，並且在充分曝露於電漿環境之後，此邊緣接合層用以使監控層曝露於電漿環境。

在另一示範實施例中，揭露一種用以監控靜電夾盤之磨損的裝置，此靜電夾盤係用於電漿環境。此裝置包含邊緣接合密封件，此邊緣接合密封件被設置成安裝於靜電夾盤的邊緣珠粒。此邊緣接合密封件包含：電監控層，由第一材料所構成，此第一材料依照對電漿環境的曝露量而改變其電阻率；以及邊緣接合層，被設置成至少散佈於監控層與電漿環境之間。此邊緣接合層係由非導電性材料所構成，此非導電性材料因為與電漿環境產生反應而易受侵蝕所影響，並且在充分曝露於電漿環境之後，此邊緣接合層用以使監控層曝露於電漿環境。

在另一示範實施例中，揭露一種用以監控靜電夾盤之磨損的裝置，此靜電夾盤係用於電漿環境。此裝置包含邊緣接合密封件，此邊緣接合密封件被設置成安裝於靜電夾盤的邊緣珠粒。此邊緣接合密封件包含監控層，其由第一材料所構成，此第一材料依照對電漿環境的曝露量而改變其電阻率，並且發出能夠被光學監控的物質。此邊緣接合密封件更包含邊緣接合層，其被設置成至少散佈於監控層與電漿環境之間。此邊緣接合層係由非導電性材料所構成，此非導電性材料因為與電漿環境產生反應而易受侵蝕所影響，並且在充分曝露於電漿環境之後，此邊緣接合層用以使監控層曝露於電漿環境。

在另一示範實施例中，揭露一種用以監控位於靜電夾盤之邊緣珠粒附近之電漿誘發侵蝕的方法。此方法包含：將含有光學監控層的邊緣接合密封件放置靠近邊緣珠粒；使用光學系統來量測存在於靜電夾盤附近的揮發性物質的基準值；使用光學系統來偵測從光學監控層所發出的揮發性物質；以及持續偵測所發出的揮發性物質，以評估光學監控層的侵蝕位準。

在另一示範實施例中，揭露一種用以監控位於靜電夾盤之邊緣珠粒附近之電漿誘發侵蝕的方法。此方法包含：將含有電監控層的邊緣接合密封件放置靠近邊緣珠粒；量測電監控層之電阻的基準值；以及持續量測電阻差以評估電監控層的侵蝕位準。

下述各種實施例揭露一種在ESC內之邊緣接合密封件被侵蝕時進行監控的方法，因此保護加熱器以及其他接合層。各種實施例揭露一種位於ESC之邊緣珠粒內的監控帶或層，其具有獨立的侵蝕指示器或和各種光學與電監控儀表結合的指示器。當監控層曝露於電漿時，其會與電漿物質進行反應而產生揮發性的化學物質，此化學物質可藉由例如光發射光譜(OES，optical emission spectroscopy)系統加以偵測。

在其他實施例中，監控層的變化可藉由簡易的反射率或光散射系統加以偵測。對於這些及相關之光學量測系統的設計係熟習本項技藝所知悉。

或者，由於電漿侵蝕反應會改變所量測之導電層的電阻，所以可量測監控層的電阻。在又另一替代實施例中，透過導電或半導電周圍層以及ESC的基底來監控從電漿到接地的電流。

參考圖2，示範ESC結構200的一部分包含邊緣接合層201以及光學監控層203。邊緣接合層200以及光學監控層203可與任何標準ESC結構一起使用，因此可取代邊緣接合密封件113(圖1)。

光學監控層203被放置在示範ESC結構200的邊緣珠粒內，並且被邊緣接合層201內的接合材料所包夾。如圖2所示，相對與絕對徑向分佈係依照接合層設計以及材料特性來決定。對於已知的材料組，此種設計準則係熟習本項技藝者所知悉。

在功能上，當邊緣接合層201內之接合材料的外層被電漿所侵蝕時，光學監控層203會直接曝露於電漿環境，而如上所述，光學或電子信號將會進行變化。這些信號可被監控而指出ESC更換時間。在某些情況下，已移除之ESC的邊緣珠粒隨後可經過再磨光而延長最長零件壽命，因此降低工具的所有權成本。

在一具體示範實施例中，光學監控層203的監控功能係使用光發射或其他光學特性的變化。在此種情況下，光學監控層203含有特定的元素，其用以形成特定的揮發物質或化合物。這些特定的物質或化合物具有異於電漿中之處理物質所產生之其他信號的波長與強度特徵。因此，光學監控層203內的特定元素並不存在於輸入氣體、硬體零件、或晶圓膜。或者，此元素在氣體、零件、或膜內係呈現足夠低的濃度，以在從光學監控層203散發時可提供合理的監控結果。

可用於光學監控層203之監控的若干可行元素包含例如磷(P)與硫(S)。含磷的物質可在波長214 nm與253 nm以及由腔室內OES系統所監控之其他波長下產生強發射特徵。硫在緊密集中於364 nm、374 nm、以及384 nm之波段可產生強發射特徵。

在一具體示範實施例中，光學監控層203係由含P或s的聚合或彈性材料所形成。這些特殊材料尤其在彈性模數、熱膨脹係數、以及接合強度方面可具有良好的機械特性。若干適當的含磷聚合物可為聚磷腈類(polyphosphazenes)，其包含例如聚(二氯磷腈)(poly(dichlorophosphazene))以及聚(雙(苯氧基)磷腈)(poly(bis(phenoxy)phosphazene))。這些聚合物可溶於一般有機溶劑，並且可輕易地被製造成膜，這些膜可被應用作為介設監控帶。

以下參考圖3，另一選擇性之示範ESC結構300的一部分包含：邊緣接合層301、邊緣接合間隔層303、邊緣接合覆蓋層305、以及光學監控層307。邊緣接合層301、邊緣接合間隔層303、以及邊緣接合覆蓋層305皆可由相同材料加以構成。或者，這些層各自可由不同材料所形成，只要這些不同材料可使這些層滿足如上所述的適當機械與化學需求，並且使這些層彼此適當地接合在一起。舉例而言，圖3的光學監控層307可以如上所述的P或S元素加以製造，並且可如指出般的增加存在於電漿氣體內之揮發性含P或S物質的量，而增加OES偵測的可行性。於是相較於光學監控層203(圖2)，光學監控層307的較大位能表面積在此種構造中可提供較大的信號雜音比。

使用含磷膜或用於蝕刻處理之含硫氣體的產業對於辨識純粹邊緣珠粒侵蝕之相關特定發射特徵有其預料中的困難。然而，吾人可使用數種方法以防止額外監控元素存在於邊緣珠粒以外。舉例來說，按照先後順序來量測並比較在發射特徵方面的晶圓對晶圓(wafer-to-wafer)之間的差異，量測在處理以及清理期間(當晶圓不存在於處理室內時)的發射，以及使用一示蹤材料陣列，其中除了在ESC邊緣監控層內以外，至少一者不存在於處理室內。此外，由導電材料來形成監控層可對光學量測提供替代或輔助監控程序。

在圖4中，選擇性之示範ESC結構400的一部分包含邊緣接合層401以及電監控層403。在本實施例中，邊緣接合層401為非導電性或具有低導電性。電監控層403可形成開放圓形，而其電阻可藉由例如電阻計405加以量測。熟習本項技藝者可明瞭電阻計405可被Kelvin感測裝置、四點探針、或在本技藝中被知悉用以量測電阻或導電性變化的其他類型裝置所取代。

當電監控層403曝露於電漿時，包含於其中的導電材料會與電漿物質產生反應，以及電監控層403的電阻典型上會因為電監控層403的尺寸減少而快速增加。當電監控層403因為電漿反應與離子轟擊而發生破裂時，實際形成的電路會變為開放。

在一具體示範實施例中，用以製造電監控層403的導電材料具有電漿敏感性並對電漿物質具反應性。與電漿氣體物質的反應結果產物因此為揮發性。此種導電材料包含例如矽(Si)、碳化矽(SiC)、氮化矽(Si₃ N₄ )、各種含硼材料(例如氮化硼(六角形h-BN與立方體C-BN兩種))、以及含其他元素與化合物半導體的材料。吾人可以各種厚度來製造這些材料，一範例為從1微米到20微米。這些材料可藉由在本技藝中被知悉的方法而施加至邊緣接合層401，這些方法包含例如化學氣相沉積(CVD，chemical vapor deposition)、物理氣相沉積(PVD，physical vapor deposition)、以及其他通用的膜沉積與形成技術。邊緣接合層401可例如由包夾電監控層403的各種聚合物所構成。舉例而言，例如矽酮樹脂、環氧樹脂、以及聚醯亞胺樹脂的此種材料可完全耐電漿，並且可適用於不同的電漿處理環境。

導電膜亦可由導電聚合物所形成，此導電聚合物可降低伴隨因為熱膨脹所產生之破裂的潛在問題。通常由芳香環所構成的這些材料可包含但不限於：聚乙炔(polyacetylene)、聚對位苯(polyparaphenylene)、聚吡咯(polypyrrole)、聚苯胺(polyaniline)、聚迫萘(polyperinaphthalene)、以及聚(伸苯基硫化苯乙胺)(PPSA，poly(phenylenesulfidephenyleneamine))。

在另一示範實施例(未顯示)中，一種選擇性之電監控方式係在邊緣珠粒材料堆疊體中使用類似於圖4的介設導電層。此導電層與ESC底座電性接觸(如同一範例，此底座係由鋁所形成)。(以相對於電漿或接地的受控電壓)從電漿傳導通過底座的直流電流可隨著時間而被監控。隨著保護層的侵蝕，經過傳導的直流電流會產生變化而如此增加電監控層的電阻。

以上參考具體實施例來說明本發明。然而，熟習本項技藝者可明白在不偏離隨附請求項所提出之本發明的較廣精神與範圍的情況下，當可進行各種修改與變化。

例如，特定實施例說明所使用的若干材料種類與層。熟習本項技藝者可明瞭這些材料與層可被改變，以及在此所示者僅為了示範目的而說明邊緣波段監控器的新穎性質。此外，熟習本項技藝者可進一步明瞭在此所述的技術與方法可應用於在嚴酷電漿與化學環境中進行操作的任何結構種類。對於半導體產業之靜電夾盤的應用純粹被使用作為一種範例，而有助於對熟習本項技藝者說明本發明的各種實施例。

又，熟習本項技藝者在回顧於此所揭露的資訊之後，可明瞭邊緣波段監控器實施例可用於類比以及二元(即通過/不通過規)形式。例如，當監控層磨損時，電阻會增加並且可被監控。ESC結構可僅在電阻接近既定位準之後進行重工。在監視例如反射率的變化時，相似的方法可使用在利用光學監控的實施例上。又，雖然光學與電監控實施例被分開顯示，但其可結合而在種種不同的蝕刻與沉積環境中進行操作。

此外，在整個說明中的半導體一詞應被視為包含資料儲存、平面顯示、以及相關連或其他產業。這些以及各種其他實施例係完全落入本發明的範圍。因此，本說明書與圖式應被認為係例示而非限制。

100．．．ESC結構

101．．．陽極氧化鋁底座

103．．．加熱器接合層

105．．．加熱器

107．．．加熱板

109．．．陶瓷接合層

111．．．陶瓷頂件

113．．．邊緣接合密封件

200．．．ESC結構

201．．．邊緣接合層

203．．．光學監控層

300．．．ESC結構

301．．．邊緣接合層

303．．．邊緣接合間隔層

305．．．邊緣接合覆蓋層

307．．．光學監控層

400．．．ESC結構

401．．．邊緣接合層

403．．．電監控層

405．．．電阻計

隨附圖式僅用以說明本發明之示範實施例而不必被視為限制其範圍。

圖1係習知靜電夾盤之一部分的橫剖面圖；圖2係具有邊緣接合密封件之靜電夾盤的橫剖面圖，此邊緣接合密封件結合依照本發明之一示範實施例的指示器機構；圖3係具有邊緣接合密封件之靜電夾盤的橫剖面圖，此邊緣接合密封件結合依照本發明之另一示範實施例的指示器機構；及圖4係具有邊緣接合密封件之靜電夾盤的橫剖面圖，此邊緣接合密封件結合依照本發明之又另一示範實施例的指示器機構。

101．．．陽極氧化鋁底座

103．．．加熱器接合層

105．．．加熱器

107．．．加熱板

109．．．陶瓷接合層

111．．．陶瓷頂件

200．．．ESC結構

201．．．邊緣接合層

203．．．光學監控層

Claims (24)

1. 一種用以監控靜電夾盤之磨損的裝置，該靜電夾盤係用於一電漿環境，該裝置包含：一邊緣接合密封件，用以安裝於該靜電夾盤的一邊緣珠粒，該邊緣接合密封件包含由一第一材料所構成的一光學監控層，其中該第一材料為聚合或彈性材料，該第一材料用以發出能夠被光學監控的一物質；及一邊緣接合層，散佈在至少該光學監控層與該電漿環境之間，該邊緣接合層係由一第二材料所構成；該第二材料因為與該電漿環境產生反應而易受侵蝕所影響，並且在該邊緣接合層充分曝露於該電漿環境之後，使該光學監控層曝露於該電漿環境。
2. 如申請專利範圍第1項所述之用以監控靜電夾盤之磨損的裝置，更包含：一光學監控裝置，被配置以偵測來自該光學監控層的發出物質。
3. 如申請專利範圍第1項所述之用以監控靜電夾盤之磨損的裝置，其中該第一材料在曝露於該電漿環境時，發出揮發性化學物質。
4. 如申請專利範圍第3項所述之用以監控靜電夾盤之磨損的裝置，其中該揮發性化學物質能夠藉由一光發射光譜系統加以偵測。
5. 如申請專利範圍第1項所述之用以監控靜電夾盤之磨損的裝置，其中該第一材料的至少一部分係由含磷分子所構成。
6. 如申請專利範圍第1項所述之用以監控靜電夾盤之磨損的裝置，其中該第一材料為含聚磷腈的聚合物。
7. 如申請專利範圍第1項所述之用以監控靜電夾盤之磨損的裝置，其中該第一材料係至少部分由含硫分子所構成。
8. 如申請專利範圍第1項所述之用以監控靜電夾盤之磨損的裝置，其中該第一材料在曝露於該電漿環境時，改變其光反射率。
9. 如申請專利範圍第1項所述之用以監控靜電夾盤之磨損的裝置，其中該第一材料在曝露於該電漿環境時，產生光散射特性的變化。
10. 一種用以監控靜電夾盤之磨損的裝置，該靜電夾盤係用於一電漿環境，該裝置包含：一邊緣接合密封件，安裝於該靜電夾盤的一邊緣珠粒，該邊緣接合密封件包含由一第一材料所構成的一電監控層，該第一材料依照對該電漿環境的曝露量而改變其電阻率；及一邊緣接合層，被設置成至少散佈於該電監控層與該電漿環境之間，該邊緣接合層係由一非導電性材料所構成，該非導電性材料因為與該電漿環境產生反應而易受侵蝕所影響，並且在該邊緣接合層充分曝露於該電漿環境之後，使該電監控層曝露於該電漿環境。
11. 如申請專利範圍第10項所述之用以監控靜電夾盤之磨損的裝置，更包含：一電監控裝置，耦合至該電監控層。
12. 如申請專利範圍第10項所述之用以監控靜電夾盤之磨損的裝置，其中該第一材料為導電聚合物。
13. 如申請專利範圍第10項所述之用以監控靜電夾盤之磨損的裝置，更包含在該靜電夾盤之邊緣珠粒與該電監控層之間散佈一部 分的該邊緣接合層。
14. 如申請專利範圍第10項所述之用以監控靜電夾盤之磨損的裝置，其中該電監控層與該靜電夾盤的複合電阻值係依照對該電漿環境的曝露量而變化。
15. 如申請專利範圍第10項所述之用以監控靜電夾盤之磨損的裝置，更包含：一電流量測裝置，用以量測從該電漿傳導至該靜電夾盤之一底板的直流電流差。
16. 一種用以監控靜電夾盤之磨損的裝置，該靜電夾盤係用於一電漿環境，該裝置包含：一邊緣接合密封件，安裝於該靜電夾盤的一邊緣珠粒，該邊緣接合密封件包含由一第一材料所構成的一監控層，該第一材料依照對該電漿環境的曝露量而改變其電阻率，並發出能夠被光學監控的一物質；及一邊緣接合層，被設置成至少散佈於該監控層與該電漿環境之間，該邊緣接合層係由一非導電性材料所構成，該非導電性材料因為與該電漿環境產生反應而易受侵蝕所影響，並且在該邊緣接合層充分曝露於該電漿環境之後，使該監控層曝露於該電漿環境。
17. 如申請專利範圍第16項所述之用以監控靜電夾盤之磨損的裝置，更包含：一電監控裝置，耦合至該監控層。
18. 如申請專利範圍第16項所述之用以監控靜電夾盤之磨損的裝置，其中該第一材料為導電聚合物。
19. 如申請專利範圍第16項所述之用以監控靜電夾盤之磨損的裝 置，更包含在該靜電夾盤之邊緣珠粒與該監控層之間散佈一部分的該邊緣接合層。
20. 如申請專利範圍第16項所述之用以監控靜電夾盤之磨損的裝置，其中該監控層與該靜電夾盤的複合電阻值係依照該電漿環境的曝露量而變化。
21. 如申請專利範圍第16項所述之用以監控靜電夾盤之磨損的裝置，更包含：一電流量測裝置，用以量測從該電漿傳導至該靜電夾盤之一底板的直流電流差。
22. 如申請專利範圍第16項所述之用以監控靜電夾盤之磨損的裝置，更包含：一光學監控裝置，被配置以偵測來自該監控層的發出物質。
23. 一種用以監控位於靜電夾盤之邊緣珠粒附近之電漿誘發侵蝕的方法，包含下列步驟：將含有一光學監控層的一邊緣接合密封件接近於一邊緣珠粒而配置，該光學監控層係由一第一材料所構成，其中該第一材料為聚合或彈性材料；使用一光學系統來量測存在於一靜電夾盤附近的揮發性物質的基準值；使用該光學系統來偵測從該光學監控層所發出的揮發性物質；及持續偵測所發出的揮發性物質，以評估該光學監控層的侵蝕位準。
24. 一種用以監控位於靜電夾盤之邊緣珠粒附近之電漿誘發侵蝕的方法，包含下列步驟： 將含有一電監控層的一邊緣接合密封件接近於一邊緣珠粒而配置；量測該電監控層之電阻的基準值；及持續量測電阻差以評估該電監控層的侵蝕位準。