TWI618183B - 電漿處理裝置及其靜電夾盤 - Google Patents

Abstract

本發明公開了一種靜電夾盤，包括嵌有電極的絕緣層，用於承載半導體晶片，所述絕緣層具有主體部及沿主體部側壁水平向外延伸的環形凸緣；底座，位於所述絕緣層下方；結合層，位於所述絕緣層和所述底座之間，用於粘結所述絕緣層和所述底座，其中，所述環形凸緣之直徑係大於所述結合層的外周緣直徑且及大於所述底座之頂表面之直徑；以及邊緣環，位於所述環形凸緣上方，所述邊緣環內壁與所述主體部外周緣之間具有間隙，且與所述環形凸緣部分重疊。本發明能夠有效防止電漿轟擊造成靜電夾盤的損壞。

Description

電漿處理裝置及其靜電夾盤

本發明關於半導體加工設備，特別關於一種靜電夾盤及具有該靜電夾盤的電漿處理裝置。

近年來，隨著半導體製造製程的發展，對元件的集成度和性能要求越來越高，電漿技術(Plasma Technology)在半導體製造領域中正起著舉足輕重的作用。電漿技術通過使製程氣體激發形成的電漿被應用在許多半導體製程中，如沉積製程(如化學氣相沉積)、蝕刻製程(如乾蝕刻)等。通常來說在這些製程中，一般使用靜電夾盤(Electrostatic chuck，簡稱ESC)來固定、支撐及傳送半導體晶片，避免晶片在製程過程中出現異動或錯位現象。靜電夾盤通常設置在電漿處理裝置的腔室底部，作為下電極與射頻功率源連接，而在腔室頂部的上電極與該下電極間形成射頻電場，使被電場加速的電子等與通入處理腔室的蝕刻氣體分子發生電離衝撞，產生製程氣體的電漿與晶片進行反應。

靜電夾盤採用靜電引力的方式來固定半導體晶片，相較於機械卡盤和真空吸盤，具有減少壓力、碰撞等原因造成的晶片破損、增大晶片可被有效加工的面積、減少晶片表面腐蝕物顆粒的沉積、使晶片與卡盤可以更好的進行熱傳導、可在真空環境下工作等優勢。如圖1a所示，現有技術中的靜電夾盤包括絕緣層10和底座30，邊緣環40。直流電極層11埋 藏在絕緣層10中，靜電夾盤利用直流電極層11與半導體晶片之間產生的庫侖力或詹森‧拉別克(Johnsen-Rahbek)力，使晶片被牢牢地吸附在靜電夾盤上，達到固定晶片的目的。底座30用來支撐絕緣層。邊緣環40將半導體晶片包圍，用於在晶片的周圍提供一個相對封閉的環境。其中，絕緣層一般採用陶瓷材料來製造，底座一般採用鋁等金屬材質，且底座表面覆有例如二氧化氯保護膜，邊緣環40可由多種材料如氧化鋁或其他類型的陶瓷製成。絕緣層10和底座30兩者之間通過粘結劑20粘結，粘結劑20(圖1中附圖標記20有點歪，而且把粘結劑20畫成一層材料層的形式比較符合業內的通常做法)一般為矽膠，絕緣層10、底座30和粘結劑20具有相同的外徑。

然而，當進行電漿處理製程時，特別是高溫下進行的處理製程中，靜電夾盤受熱膨脹，由於裝配差異以及絕緣層10，粘結劑20和底座30不同材料熱膨脹係數的差異，導致其受熱膨脹的程度也不同；加之熱膨脹時底座30對於粘結劑20產生的剪切力，使得粘結劑20膨脹後會超出絕緣層10之外而不再受到絕緣層保護，如圖1b所示。如此一來粘結劑2就很容易遭受電漿的侵蝕，由於粘結劑20中通常摻雜有金屬離子，在強電場作用下很容易發生電弧放電(arcing)，更嚴重的將直接造成靜電夾盤的損壞報廢。

為解決這一問題，現有技術中通過採用減小粘結劑20外徑，使其受熱膨脹後不會超出絕緣層以避免電弧放電的產生。然而，這種做法對於粘結劑外徑的減小量控制難度較大，製程要求高。

本發明的主要目的在於克服現有技術的缺陷，提供一種不易遭受電漿破壞的靜電夾盤。

為達成上述目的，本發明提供一種靜電夾盤，包括：嵌有電極的絕緣層，用於承載半導體晶片，所述絕緣層具有主體部及沿主體部側壁水平向外延伸的環形凸緣；底座，位於所述絕緣層下方；結合層，位於所述絕緣層和所述底座之間，用於粘結所述絕緣層和所述底座，其中，所述環形凸緣之直徑係大於所述結合層的外周緣之直徑且及大於所述底座之頂表面之直徑；以及邊緣環，位於所述環形凸緣上方，所述邊緣環內壁與所述主體部外周緣之間具有間隙，且與所述環形凸緣部分重疊。

優選的，所述環形凸緣的橫截面形狀為矩形或L形。

優選的，所述結合層與所述絕緣層為同心設置且所述結合層的直徑小於等於所述主體部的直徑。

優選的，所述環形凸緣超出所述主體部的外周緣0.5~3毫米。

優選的，所述環形凸緣的厚度大於等於所述絕緣層厚度的十分之一。

優選的，所述邊緣環位於所述環形凸緣上表面的上方至少0.1毫米。

優選的，所述邊緣環內壁與所述主體部外周緣之間的間隙為0.1~2毫米。

優選的，所述結合層的外周緣環繞有絕緣防護件，所述環形凸緣超出所述絕緣防護件的外周緣。

優選的，所述絕緣層的材料為陶瓷，所述結合層的材料為矽膠。

優選的，所述絕緣防護件為環氧樹脂。

根據本發明的另一方面，本發明還提供了一種具有上述靜電夾盤的電漿處理裝置。

本發明的有益效果在於，通過靜電夾盤絕緣層的環形凸緣結構，使得絕緣層下方的結合層始終處於環形凸緣的保護下，即使發生熱膨脹仍然不會外露而遭受電漿轟擊引起電弧放電甚而造成靜電夾盤的毀壞，因此，本發明可有效提升靜電夾盤的使用壽命。

1‧‧‧電漿處理裝置

10‧‧‧絕緣層

11‧‧‧直流電極層

12‧‧‧主體部

13‧‧‧環形凸緣

20‧‧‧結合層

21‧‧‧絕緣防護件

30‧‧‧底座

40‧‧‧邊緣環

2‧‧‧DC直流電壓源

3‧‧‧RF射頻功率源

P‧‧‧電漿

圖1a為現有技術中靜電夾盤的示意圖；圖1b為現有技術中靜電夾盤受熱膨脹後的示意圖；圖2為本發明實施例電漿處理裝置的示意圖；圖3a為本發明一實施例靜電夾盤的示意圖；圖3b為本發明一實施例靜電夾盤受熱膨脹後的示意圖；圖4為本發明另一實施例靜電夾盤的示意圖。

為使本發明的內容更加清楚易懂，以下結合說明書附圖，對本發明的內容作進一步說明。當然本發明並不局限於該具體實施例，本領域內的技術人員所熟知的一般替換也涵蓋在本發明的保護範圍內。

圖2顯示了本發明一種實施方式提供的使用本發明靜電夾盤的等離子處理裝置1。應該理解，電漿處理裝置1僅僅是示例性的，其可以包括更少或更多的組成元件，或該組成元件的安排可能與圖2所示不同。

等離子處理裝置1包括設置於腔室內的靜電夾盤。半導體晶片(圖中未示)放置於靜電夾盤的表面。製程氣體源(圖中未示)向腔室供應電漿處理製程中所需的製程氣體。靜電夾盤內埋設電極11。RF射頻功 率源3施加在電極11上，在腔室內部產生大的電場，該電場對腔室內的電子進行激發，使它們與製程氣體的氣體分子碰撞產生電漿P。DC直流電壓源2將高壓直流電源施加到電極11，使靜電夾盤表面產生極化電荷，並進一步在半導體晶片表面的對應位置產生極性相反的極化電荷，因而通過在半導體晶片和靜電夾盤之間產生的庫侖力或詹森．拉別克(Johnsen-Rahbek)力，使晶片被牢牢地吸附在靜電夾盤上。電漿製程處理完成後，RF射頻功率源3被關閉，通過DC直流電壓源2對電極11施加反向直流電壓來使半導體晶片從靜電夾盤上釋放。

圖3a與圖3b為本發明一實施例的靜電夾盤的示意圖。請參見圖3a，靜電夾盤包括絕緣層10和底座30及邊緣環40。絕緣層10和底座30之間通過結合層20粘結。半導體晶片是放置在絕緣層10的上表面，絕緣層10的形狀與晶片相符，一般為圓形。絕緣層10，結合層20，底座30和邊緣環40為同心設置。絕緣層10中嵌埋電極11，通過施加直流電源，在半導體晶片和絕緣層之間產生靜電力，使晶片被牢牢地吸附在靜電夾盤上。絕緣層中通常還包括有加熱元件，通過AC交流電源施加到該加熱元件以實現晶片表面溫度的控制。絕緣層10一般由高電阻率、高導熱、低射頻損耗的陶瓷材料製成，應當理解，陶瓷材料中也可摻雜碳化矽、氮化鋁或三氧化二鋁等材料。底座30用來支撐絕緣層，一般採用金屬材料製成，利於射頻能量的饋入。底座30的表面塗覆如二氧化鋁的保護層。絕緣層10和底座30之間通過結合層20粘結，結合層20的材料可為矽膠粘劑。

在本發明中，絕緣層10包括主體部12以及沿主體部12側壁水平向外延伸的環形凸緣13，環形凸緣13形成於靜電夾盤的下表面上。如圖3b所示，環形凸緣13之直徑係大於結合層20的外周緣之直徑且及大於所述底座30之頂表面之直徑，以使結合層20受熱膨脹後的直徑仍小於環形凸緣13的外徑，即結合層20受熱膨脹後未超出環形凸緣13的外周緣， 從而環形凸緣13能夠保護結合層20使其不外露。其中，環形凸緣13的橫截面形狀可以為矩形。在本發明的另一實施例中，環形凸緣13也可以具有向下延伸的突出部，環形凸緣13的橫截面形狀為L形，其好處在於可以進一步遮蔽結合層20的側壁。當然，環形凸緣的橫截面也可具有其他形狀，本發明並不限於此。較佳的，結合層20的直徑略小於或等於絕緣層主體部12的直徑，且環形凸緣13超出主體部12的外周緣。在實際工作中，半導體晶片的規格例如為200mm，300mm或450mm或其他尺寸，絕緣層10的形狀大小與晶片相符，環形凸緣13超出主體部12的外周緣0.5~3毫米，以達到遮蔽結合層20的目的。此外，環形凸緣13的厚度不小於絕緣層10整體厚度的十分之一。當進行電漿反應使得靜電夾盤發生熱膨脹時，雖然由於靜電夾盤各部分材料熱膨脹係數的差異，結合層20的膨脹程度要大於絕緣層10的膨脹程度，但藉由絕緣層的環形凸緣13，結合層20仍然處於環形凸緣13的保護之下未暴露出來，因此，電漿轟擊並不會到達結合層20，從而有效避免了電弧放電的發生。此外，值得注意的是，本發明的靜電夾盤的加工工序與現有技術並無不同，均為在底座上表面塗覆結合層20之後再放置絕緣層，不需要對結合層20進行徑向尺寸減小的控制，對於上述結合層20直徑略小於絕緣層的情況，也僅需在塗覆結合層20之後刮去結合層20較薄的一層外壁即可，製程步驟較為簡單方便。

請繼續參考圖3a，邊緣環40設置於絕緣層的環形凸緣13上方。邊緣環40的材質為非金屬，其將半導體晶片包圍，用於在晶片的周圍提供一個相對封閉的環境，以改善晶片表面上的電漿的均一性，同時還可以避免晶片邊緣的背面受到電漿處理製程的影響造成污染。邊緣環40的內壁與絕緣層主體部12的外周緣之間存在間隙，該間隙可用於防止邊緣環40與半導體晶片之間因熱膨脹係數不同而可能造成的損壞；同時邊緣環40與環形凸緣13在垂直方向上具有部分相重疊。如圖3b所示，當發生靜電 夾盤熱膨脹時，結合層20仍然處於環形凸緣13的保護下，並且邊緣環40與環形凸緣13的重疊部分也進一步阻止了電漿從環形凸緣13外到達結合層20，以有效避免了電弧放電的發生。在一較佳實施例中，邊緣環40位於環形凸緣13上表面的上方至少0.1毫米，邊緣環內壁與主體部外周緣之間的間隙為0.1~2毫米。

請繼續參考圖4，其所示為本發明另一實施例的靜電夾盤的示意圖。靜電夾盤包括埋設有電極11的絕緣層10和底座30，絕緣層10和底座30之間通過結合層20粘結。結合層20的材料可為矽膠粘劑。結合層20的外周緣還環繞填充有一層較薄的絕緣防護件21，用於封住結合層20外露的側壁。絕緣防護件21的材料例如是環氧樹脂。當進行電漿反應，靜電夾盤發生熱膨脹時，結合層20仍然處於環形凸緣13的保護，因此，電漿轟擊並不會到達結合層20。此外，絕緣防護件21進一步形成一層額外的密封層，更加防止結合層20暴露在電漿環境中。較佳的，環形凸緣13更超出絕緣防護件21的外周緣，使得結合層20和絕緣防護件21受熱膨脹後均未超出環形凸緣13的外周緣而被環形凸緣13所遮蔽。此外，邊緣環40設於絕緣層的環形凸緣13上表面的上方，邊緣環40的內壁與絕緣層主體部12的外周緣之間存在間隙，與環形凸緣13部分相重疊。由於邊緣環40的設置與本發明的第一實施例相類似，在此不做贅述。

綜上所述，本發明中通過在靜電夾盤中採用具有環形凸緣結構的絕緣層，使得在電漿處理製程過程中，即使靜電夾盤發生熱膨脹，粘結絕緣層與底座的結合層仍然能夠避開電漿到達的範圍，避免遭受電漿的轟擊而產生電弧放電。因此，本發明改善了現有技術中因熱膨脹不匹配導致粘結層外露進而引起電弧放電，造成靜電夾盤損壞報廢的缺陷，有效提升了靜電夾盤的使用壽命。

雖然本發明已以較佳實施例揭示如上，然所述諸多實施例僅 為了便於說明而舉例而已，並非用以限定本發明，本領域的技術人員在不脫離本發明精神和範圍的前提下可作若干的更動與潤飾，本發明所主張的保護範圍應以權利要求書所述為準。

10‧‧‧絕緣層

11‧‧‧直流電極層

12‧‧‧主體部

13‧‧‧環形凸緣

20‧‧‧結合層

30‧‧‧底座

40‧‧‧邊緣環

Claims (9)

1. 一種用於電漿處理裝置的靜電夾盤，包括：嵌有直流電極的絕緣層，用於承載半導體晶片，所述絕緣層具有主體部及沿主體部側壁水平向外延伸的環形凸緣；底座，位於所述絕緣層下方；結合層，位於所述絕緣層和所述底座之間，用於粘結所述絕緣層和所述底座，其中，所述環形凸緣之直徑係大於所述結合層之直徑且大於所述底座之頂表面之直徑；以及邊緣環，位於所述環形凸緣上表面的上方至少0.1毫米，所述邊緣環內壁與所述主體部外周緣之間具有間隙，且與所述環形凸緣在垂直方向上具有部分重疊，其中所述結合層的外周緣環繞有絕緣防護件，所述環形凸緣超出所述絕緣防護件的外周緣。
2. 如請求項1所述的靜電夾盤，其中所述環形凸緣的橫截面形狀為矩形或L形。
3. 如請求項2所述的靜電夾盤，其中所述結合層與所述絕緣層為同心設置且所述結合層的直徑小於等於所述主體部的直徑。
4. 如請求項3所述的靜電夾盤，其中所述環形凸緣超出所述主體部的外周緣0.5~3毫米。
5. 如請求項1所述的靜電夾盤，其中所述環形凸緣的厚度大於等於所述絕緣層厚度的十分之一。
6. 如請求項1所述的靜電夾盤，其中所述邊緣環內壁與所述主體部外周緣之間的間隙為0.1~2毫米。
7. 如請求項1所述的靜電夾盤，其中所述絕緣層的材料為陶瓷，所述結合層的材料為矽膠。
8. 如請求項1所述的靜電夾盤，其中所述絕緣防護件為環氧樹脂。
9. 一種電漿處理裝置，具有一電漿之處理腔室，包含請求項1-8中所述的靜電夾盤。