TWI843031B

TWI843031B - 陶瓷基座

Info

Publication number: TWI843031B
Application number: TW110144604A
Authority: TW
Inventors: 李柱聲; 裵瀚音
Original assignee: 南韓商美科陶瓷科技有限公司
Priority date: 2020-12-31
Filing date: 2021-11-30
Publication date: 2024-05-21
Also published as: KR20220097184A; TW202240762A; WO2022145668A1; KR102741090B1; KR102369346B1

Abstract

本發明係關於一種陶瓷基座。本發明的陶瓷基座包括：一絕緣板，其上設置有一高頻電極；一連接至該絕緣板的軸；一連接至該軸的一縱向端之連接座；連接至該高頻電極的一第一桿與一第二桿，其穿過該軸的該縱向端並延伸至該連接座，以及一設置在該連接座中的連接構件，其中該連接構件連接該第一桿與該第二桿。

Description

陶瓷基座

本發明係關於一種陶瓷基座。更特別地，本發明係關於一種具有一用以減少高頻電極單元產生的熱量的結構之陶瓷基座。

半導體裝置或顯示器裝置一般是藉由在玻璃基板、柔性基板，或半導體晶圓基板上依次堆疊包括介電層與金屬層等多個薄膜層，然後將其圖案化來製造。這些薄膜層係以化學氣相沉積(chemical vapor deposition,CVD)製程或物理氣相沉積(physical vapor deposition,PVD)製程依次沉積在基板上。CVD製程的範例包括低壓CVD(LPCVD)製程、電漿增強CVD(PECVD)製程，以及金屬有機CVD(MOCVD)製程。

此種CVD裝置與PVD裝置具有加熱器，其被設置為支撐玻璃基板、柔性基板，或半導體晶圓基板並且施加一預定量的熱量。由於電漿沉積過程或其類似者中所需的精確溫度控制與熱處理等要求，陶瓷加熱器被廣泛安裝在CVD裝置與PVD裝置上，以用以像是半導體元件的微佈線等精密製程。此外，在蝕刻形成半導體晶圓基板上的薄膜層之過程中，或在光阻劑燒結過程中，加熱器係用以產生電漿以及加熱基板。

參考圖1，一傳統的陶瓷基座(ceramic susceptor)1包括一耦接至軸(shaft)20的絕緣板(insulating plate)10，絕緣板10包括設置在陶瓷材料內部的RF電極(electrode)12，而RF電極12藉由平行桿21與23連接至電源26以減少負載。為了微小半導體製程與提高生產率，RF功率一直在增加，而且在軸20內部安裝了兩個單獨的RF電極桿21與23以減少負載，並使用連接到電源26的連接構件24，透過軸20內部的另一個桿25連接至電極桿21與23。此先前技術已公開在韓國專利公告號10-2137719(2020年7月24日)中。

然而，這種傳統結構的問題在於軸內部的高溫氧化氣氛可能會讓RF電極棒與連接構件氧化，因而改變電氣特性或造成與外圍導線短路。還有一個問題是，並不容易透過軸的小直徑孔內之連接結構連接射頻電極棒。

因此，本發明是為了解決上述問題而提出的，本發明的一實施例係提供一種陶瓷基座，其中兩個或多個單獨的RF電極桿被設置在軸內並被連接至一連接座內部，連接座的外圍由冷卻結構冷卻，如此一來，即使施加到RF電極的RF功率增加，電流在多個連接桿的分流可防止在RF電極與RF電極桿附近的裂開和拱起，透過加熱使基板上的沉積特性均勻化，並且可以保持電氣特性而不會因RF電極桿的氧化而導致短路。

概括本發明的特徵，根據本發明的一實施例之陶瓷基座包括：一絕緣板，其上設置有一高頻電極；一連接至該絕緣板的軸；一連接至該軸的一縱向端之連接座；連接至該高頻電極的一第一桿與一第二桿，其穿過該軸的該縱向端並延伸至該連接座，以及一設置在該連接座中的連接構件，其中該連接構件連接該第一桿與該第二桿。

該高頻電極包括一第一高頻電極與一第二高頻電極，以及該第一桿係電性連接至該第一高頻電極，而該第二桿係電性連接至該第二高頻電極。

陶瓷基座更包括一形成在該軸的該縱向端之分隔板，以及該第一桿與該第二桿穿過分隔板並延伸至該連接座。

陶瓷基座更包括一被設定用以測量該連接座內的溫度之溫度感測器。

陶瓷基座更包括一被設定用以冷卻該連接座之冷卻結構。

陶瓷基座更包括一連接至該連接構件的牽引桿，其中該連接座是密封的並包含用以循環一冷卻介質的一入口與一出口，以及該牽引桿係透過該密封的連接座而暴露在外。

陶瓷基座更包括一被設定用以固定該牽引桿的固定板，其中該牽引桿穿過該固定板並透過該連接座而暴露在外。

根據本發明的陶瓷基座的優點在於軸內的多個RF電極桿係連接至具有冷卻結構的連接座內，如此一來，即使施加到RF電極的RF功率增加，電流在多個連接桿的分流可防止在RF電極與RF電極桿附近的裂開和拱起，透過加熱使基板上的沉積特性均勻化，並且可以保持電氣特性而不會因RF電極桿的氧化而導致短路。

1:陶瓷基座

10:絕緣板

12:RF電極

20:軸

21:電極桿

23:電極桿

24:連接構件

25:桿

26:電源

100:陶瓷基座

110:絕緣板

112:高頻電極

114:加熱元件

120:軸

121:連接桿

122:連接桿

129:牽引桿

130:隔離板

140:連接座

141:連接構件

150:固定板

180:溫度感測器

190:冷卻結構

191:入口

192:出口

210:連接桿

211、212:連接桿

220:連接桿

221、222:連接桿

50:主體

53、54、63:孔

55、56、65、66:螺孔

61:部分

62:連接件

所附圖表係用以協助瞭解本發明的實施例並構成本說明書的一部分，其中詳細描述實施例並繪示出本發明的技術精神。

圖1所示為習知陶瓷基座的剖面示意圖；圖2所示為本發明一實施例之陶瓷基座的剖面示意圖；圖3所示為本發明一實施例之陶瓷基座的透視圖；圖4所示為本發明一實施例之陶瓷基座的連接座與軸的內部結構之特定配置圖；以及圖5A與圖5B所示為本發明一實施例之陶瓷基座的一連接構件之放大透視圖與放大仰視圖。

以下將參考附圖詳細描述本發明。在附圖中，如果可能的話，相同的元件將用相同的附圖標記表示。此外，將省略習知功能以及/或者配置的詳細描述。以下描述將集中於了解根據各種實施例的操作所必要的部分，並且將省略可能使描述的要點模糊的元件之描述。另外，附圖中的某些元件可能被誇大、省略或示意性地顯示。各元件的大小並不完全反映其實際大小，因此本文所描述的內容不受各圖所示元件的相對大小或間隙的限制。

在描述本發明的實施例時，當確定詳細描述可能不必要地模糊本發明的主題時，將會省略與本發明相關的習知技術之詳細描述。以下描述的術語是考慮到本發明中的功能而定義的，並且可以根據用戶或操作者的意圖、慣例等而變化。因此，術語的定義應基於整個說明書的內容。特定實施方式中所使用的術語僅用以描述本發明的實施例，而不應對其進行限制。單數表達可包括複數表達，除非它們在上下文中明顯不同。如在本發明中使用的術語「包括」、「具有」及其共軛用語僅用以表示某些特徵、數字、步驟、操作、元件，或其中一些及其組合，並且不應被解釋為排除除了所描述的特徵、數字、步驟、操作、元件、組件或其中一些的組合的存在或添加的可能性。

此外，可以使用術語「第一」、「第二」，或其類似者來描述各種元件，但是這些元件不受這些術語的限制。這些術語僅用以區隔一個元件與另一個元件。

圖2所示為本發明一實施例之陶瓷基座(ceramic susceptor)100的剖面示意圖。

圖3所示為本發明一實施例之陶瓷基座100的透視圖。

參考圖2與圖3，根據本發明的實施例之陶瓷基座100包括一絕緣板(insulating plate)110、一軸(shaft)120，以及一連接座(connection mount)140。絕緣板110、軸120，以及連接座140依次互相連接，軸120與連接座140之間包括一隔離板130，並形成在軸120的縱向端，以便將軸120與連接座140的內部空間互相隔開。

根據本發明實施例的陶瓷基座100可以是一種半導體裝置，其支撐像是半導體晶圓、玻璃基板或柔性基板的多用途基板，並在預定溫度下加熱該基板。此外，陶瓷基座100可以作為靜電吸盤(electrostatic chuck)，並且可以用在像是電漿增強CVD的製程中。

絕緣板110被配置為在陶瓷材料之間設置(埋)了高頻電極112，在某些情況下，於不同實施例，還可以設置(埋)加熱元件114，同時與高頻電極112之間有預定的間隔。絕緣板110被配置能夠進行各種半導體製程，例如使用加熱元件114加熱以及(或者)高頻電極112進行電漿增強CVD製程，同時穩定支撐待加工的基板。此外，根據本發明實施例的陶瓷基座100還可以用作靜電吸盤，藉由高頻電極112吸住與分離待加工的基板。絕緣板110可以形成為具有預定形狀的板狀結構。在一實施例中，絕緣板110可以形成為圓盤狀結構，但並不限於此。陶瓷材料可以是以下其中之一：氧化鋁(Al₂O₃)、氧化釔(Y₂O₃)、氧化鋁/氧化釔(Al₂O₃/Y₂O₃)、氧化鋯(ZrO₂)、高壓蒸氣養護輕質氣泡混凝土(autoclaved lightweight concrete,AlC)、氮化鈦(TiN)、氮化鋁(AlN)、碳化鈦(TiC)、氧化鎂(MgO)、氧化鈣(CaO)、氧化鈰(CeO₂)、氧化鈦(TiO₂)、B_xC_y化合物、氮化硼(BN)、氧化矽(SiO₂)、碳化矽(SiC)、釔鋁石榴石(YAG)、富鋁紅柱石(mullite)，以及氟化鋁(AlF₃)，較佳為氮化鋁(AlN)。此外，陶瓷材料的粉末被模製與燒結以形成絕緣板110。以此來看，每個陶瓷粉末可以選擇性地包含約0.1%至10%的氧化釔粉末，較佳為約1%至5%。

高頻電極112可由鎢(W)、鉬(Mo)、銀(Ag)、金(Au)、鈮(Nb)、鈦(Ti)、氮化鋁(AlN)或其合金組成，並且較佳地係由鉬(Mo)形成。高頻電極112可透過牽引桿(draw-in rod)129連接至電源(例如：接地)，牽引桿129連接一連接構件(connection member)141，其將連接桿121與122互相連接(短路)。連接桿121與122被設置為穿過軸120的內部並穿過隔離板130。接下來以兩個連接桿121與122的範例進行說明，但是在某些情況下，可能有三個或更多的連接桿。

連接座140連接至軸120的縱向端。連接桿121與122穿過軸120的縱向端的隔離板130後由密封的連接座內部設置的連接構件141彼此連接。連接至連接構件141的牽引桿129經由連接座140的底面伸出連接座140。高頻電極112具有線狀或片狀的網狀結構。網狀結構是由沿第一方向排列的多條金屬與沿第二方向排列的多條金屬相互交叉形成的網狀結構。

加熱元件114可由加熱線(或電阻線)形成為板狀線圈型或平板型。此外，加熱元件114可以形成為多層結構，以進行精確的溫度控制。加熱元件114可以透過連接桿210與220(在圖4中描述過)連接至加熱元件114的單獨電源，並且還可以執行加熱待加工基板的功能。待加工基板會被放置於絕緣板110上，在預定溫度下以半導體製程對基板進行加熱、沉積製程，以及蝕刻製程。雖然沒有在圖2中顯示(在圖4中描述過)，連接桿210與220可被設置為穿過軸120的內部並穿過隔離板130。穿過隔離板130的連接桿210與220經由密封的連接座140的底面延伸穿出連接座140。

管狀的軸120具有一通孔，並耦接至絕緣板110的底面。軸120係由與絕緣板相同的陶瓷材料製成110，並且可被耦接。陶瓷材料可以是以下其中之一：氧化鋁(Al₂O₃)、氧化釔(Y₂O₃)、氧化鋁/氧化釔(Al₂O₃/Y₂O₃)、氧化鋯(ZrO₂)、高壓蒸氣養護輕質氣泡混凝土(autoclaved lightweight concrete,AlC)、氮化鈦(TiN)、氮化鋁(AlN)、碳化鈦(TiC)、氧化鎂(MgO)、氧化鈣(CaO)、氧化鈰 (CeO₂)、氧化鈦(TiO₂)、B_xC_y化合物、氮化硼(BN)、氧化矽(SiO₂)、碳化矽(SiC)、釔鋁石榴石(YAG)、富鋁紅柱石(mullite)，以及氟化鋁(AlF₃)，較佳為氮化鋁(AlN)。此外，陶瓷材料的粉末被模製與燒結以形成軸120。以此來看，每個陶瓷粉末可以選擇性地包含約0.1%至10%的氧化釔粉末，較佳為約1%至5%。

如下所述，軸120可以透過像是陶瓷膏的黏合材料(adhesive material)125連接至絕緣板110。在某些情況下，軸120可以透過使用螺栓、螺帽等機械方式耦接至絕緣板110。用以對高頻電極112供電的桿121、122、210，以及220以及(或者)加熱元件114係穿過軸120的通孔接收，並且桿在穿過密封的連接座140後延伸而暴露在外。

根據本發明實施例的陶瓷基座100被設置為，特別地，根據本發明的陶瓷基座100被配置為使得連接至高頻電極112的軸120中之多個連接桿121與122在密封的連接座140中彼此連接，連接座140具有冷卻結構(包括用以循環冷卻介質的一入口191與一出口192)。因此，即使當RF功率增加時，透過多根連接桿121與122中的電流分流，在高頻電極112及與高頻連接的桿121與122周圍也不會裂開。表面也不會出現拱起，透過加熱可以使基板上的成膜特性均勻，並且可以保持電氣特性，不會因連接的桿121與122被氧化而發生短路。特別地，連接座140保持冷卻，因此不會像現有的軸內部那樣暴露在高溫下。此外，連接桿121與122以及連接構件141被設置在連接座140中，因此不易氧化，並且被配置為保持電氣特性而且因為連接座140的內部保持冷卻，因此不會有氧化與短路的情況發生。此外，傳統上，在軸的小直徑孔中並不容易將高頻電極桿彼此連接起來，而在本發明中，連接構件141沒有設置在軸120中，而是被包含在連接座140中，因此與現有的連接構件141結構相比，可以更容易地讓連接桿121與122透過連接構件141彼此連接起來。

在本發明中，如圖2所示，已經描述了連接至高頻電極112的多個連接桿121與122的配置，連接桿121與122透過連接座140中的連接構件141彼此連接，但是不限於此種配置。在一些情況下，高頻電極112可包括至少兩個分離電極(例如：兩個分離電極，包括一第一高頻電極與一第二高頻電極)。多個連接桿分別電氣連接至多個分離電極的配置是可能的。在前一種情況中，一個高頻電極112上連接多個連接桿，藉由將絕緣板110中形成的通孔之尺寸最小化，將連接桿121與122連接到高頻電極112的端子，是一種有利於防止由於連接桿121、122與絕緣板110的熱膨脹係數不同而產生裂紋的結構。

參考圖2與圖3，連接座140係連接至軸120的縱向端。連接座140可以機械方式連接至軸120，而在軸120的縱向端處形成的隔離板130則插入它們之間。軸120與隔離板130可以藉由螺栓、螺帽等機械方式連接。此外，連接座140的上部與隔離板130之間的連結，耦接至軸120，可以藉由螺栓、螺帽等機械方式連接。用以讓連接桿121、122、210、220穿過的隔離板130之通孔周圍會以由上述陶瓷材料形成的膏或其類似者緊密密封，連接座140的上部可以被固定以圍繞隔離板130的周圍。連接座140的上部與隔離板130之間的空間也會由上述陶瓷材料形成的膏或其類似者緊密密封。

以連接座140的底面來說，連接桿121、122、210、220、129(牽引桿)，以及溫度感測器180所穿過的孔的周圍也被密封膠或由類似上述陶瓷材料緊密密封。連接座140的底面可以與連接座140的主體壁表面一體製造，如圖2與3所示，但不限於此。單獨的底板也可以藉由使用螺栓、螺帽等機械方式耦接至連接座140的主體壁表面，使得連接座140被密封。

圖4所示為根據本發明實施例的陶瓷基座110之連接座140與軸120的內部結構之特定配置示意圖。

如圖4所示，連接至高頻電極112的連接桿121與122在軸120中穿過軸120的縱向端而延伸至連接座140。也就是說，連接桿121與122係被設置為穿過形成在軸120的縱向端的隔離板130。穿過隔離板130的連桿121與122分成兩部分，然後由設置在密封的連接座140內的連接構件141連接在一起(短路)，而連接至連接構件141的牽引桿129會從連接座140的底面延伸穿出連接座140。牽引桿129與電源(例如接地)相連，使高頻電極112成為一高頻電源的側電極。

圖5A與圖5B所示為本發明一實施例之陶瓷基座110的一連接構件141之放大透視圖與放大仰視圖。

參考圖5A與圖5B，連接構件141可以由具有優良導電性的金屬材料形成，例如：銅(Cu)、鈹銅(BeCu)、鍍金(Au)的金屬、金(Au)或銀(Ag)，並且具有「T」字形。連接構件141包括孔53與54，孔53與54形成在主體50一側(one-side body)並且讓連接至高頻電極112的連接桿121與122可插入其中，還有一孔63，其形成於另一側，讓牽引桿129可以插入。插入該些孔53、54，以及63中的連接桿121、122以及牽引桿129的端部被設定為具有圓形以進行面接觸時，孔53、54，以及63形成為如圖所示的圓形。在某些實施例下，連接桿121、122，以及牽引桿129的端部被製成多邊形，例如四邊形，並且與其對應的孔53、54，以及63也形成為對應的多邊形，藉此在它們之間達成電氣接觸。

如圖5A與5B所示，由於孔53與54之間的間隙，使得連接桿121與122可以容易地插入連接構件141的主體50一側中，而連接桿121與122可以藉由螺釘鎖固至主體50的一個或多個螺孔55與56而被緊密固定在連接構件141上。

本體50延伸出的一部分(portion)61還包括一個或多個螺孔65與66，牽引桿129被插入孔63內。從本體50延伸的部分61之後方包括單獨的連接件62。藉由將牽引桿129設置在從主體50延伸的部分61的孔63之位置並用連接件62抵住牽引桿129，可以耦接牽引桿129。也就是說，連接件62藉由緊固在螺孔65與66上的螺釘與從本體50延伸的部分61接合，使得牽引桿129可以牢固地固定在連接件141上。

因此，穿過隔離板130並連接至高頻電極112的連接桿121與122被一分為二，並藉由設置在連接座140內的連接構件141戶相連接(短路)，而連接至連接構件141的牽引桿129會從連接座140的底面延伸穿出連接座140。

在圖4中，連接加熱元件114的連接桿210、220穿過軸120的內部並穿過隔離板130。連接桿210、220穿過隔離板130並延伸以便從密封的連接座140的底面穿出。

圖示的範例顯示了連接桿210與220形成為兩對連接桿211與212/221與222，而這兩對分別連接到設置在加熱元件114的兩個區域中的加熱元件。因此，當加熱元件114為單一的無分區設置的加熱元件時，只需要用包括兩根桿的一對連接桿來連接加熱元件114。此外，可將加熱元件114分成至少三個區域，可以設置至少三對連接桿穿過軸120的內側並穿過隔離板130，而穿過隔離板130的連接桿可延伸以便從密封的連接座140的底面穿出。

在圖4中，根據本發明的陶瓷基座100可以進一步包括用以測量連接座140內部的溫度之溫度感測器180(例如：熱電偶(thermocouple))，而連接座140可以包括用以冷卻連接座140的冷卻結構190。

冷卻結構190包括用以循環冷卻介質像是空氣、水、氣體，或冷卻油等的入口191與出口192。冷卻結構190可包括預定的馬達泵(未顯示於圖中)以經由入口191將冷卻介質注入連接座140中，並經由出口192從連接座140排出冷卻介質。

此外，溫度感測器180可連接至控制裝置(未顯示於圖中)，像是一電腦，藉由控制裝置(未顯示於圖中)的顯示螢幕監控連接座140內部的溫度。

此外，控制裝置(未顯示於圖中)還可以根據溫度感測器180測量的溫度值來控制泵(未顯示於圖中)的操作。例如，當溫度感測器180測量的溫度值等於或高於閾值(例如80℃)，控制裝置(未顯示於圖中)可以操作連接至入口191與出口192的泵(未顯示於圖中)以冷卻連接座140，並且當溫度感測器180測得的溫度值低於閾值(例如80℃)時，可以執行控制以停止泵(未顯示於圖中)的操作。

此外，如圖4所示，根據本發明，用以固定連接桿121、122、210、220，以及129的固定板150也可以包括在陶瓷基座100的連接座140中。

也就是說，牽引桿129，以及連接至加熱元件114並設置成穿過軸120的內部並穿過隔離板130之桿121、122、210，以及220的至少其中一根，會由固定板150固定，藉此可以防止因晃動或其類似者所引起的短路，以保持安全性。牽引桿129，以及連接至加熱元件114並設置成穿過軸120的內部並穿過隔離板130之桿121、122、210，以及220的至少其中一根，穿過固定板150並穿過連接座140的底面而暴露在外。

上述的連接座140、隔離板130，以及固定板150等，可以用鋁(Al)等金屬材料形成，也可以由上述材料形成，也就是上述的陶瓷材料。陶瓷材料可以是以下其中之一：氧化鋁(Al₂O₃)、氧化釔(Y₂O₃)、氧化鋁/氧化釔(Al₂O₃/Y₂O₃)、氧化鋯(ZrO₂)、高壓蒸氣養護輕質氣泡混凝土(autoclaved lightweight concrete,AlC)、氮化鈦(TiN)、氮化鋁(AlN)、碳化鈦(TiC)、氧化鎂(MgO)、氧化鈣(CaO)、氧化鈰(CeO₂)、氧化鈦(TiO₂)、B_xC_y化合物、氮化硼(BN)、氧化矽(SiO₂)、碳化矽(SiC)、釔鋁石榴石(YAG)、富鋁紅柱石(mullite)，以及氟化鋁(AlF₃)，較佳為氮化鋁(AlN)。此外，陶瓷材料的粉末被模製與燒結以形成軸120。以此來看，每個陶瓷粉末可以選擇性地包含約0.1%至10%的氧化釔粉末，較佳為約1%至5%。

此外，上述連接桿121、122、210、220以及牽引桿129的內芯之所有導體可以被由上述陶瓷材料形成的管覆蓋。也就是說，設置在軸120中的每一個連接桿121、122、210，以及220被由上述陶瓷材料形成的管覆蓋。此外，穿過隔離板130的連接桿210與220穿過固定板150，然後穿過連接座140的底面暴露，而穿過固定板150牽引桿129，穿過連接座140的底面而暴露在外，同樣地也可以被上述陶瓷材料形成的管覆蓋。

如前述，根據本發明的陶瓷基座100被配置為使得連接至高頻電極112的軸120中之多個連接桿121與122在密封的連接座140中彼此連接，連接座140具有冷卻結構(包括用以循環冷卻介質的入口191與出口192)。因此，即使當RF功率增加時，透過多根連接桿121與122中的電流分流，在高頻電極112及與高頻連接的桿121與122周圍也不會裂開。表面，也不會出現拱起，透過加熱可以使基板上的成膜特性均勻，並且可以保持電氣特性，不會因連接桿121與122被氧化而發生短路。

如前述，本發明已經藉由像是特定元件、限制性實施例，以及附圖等特定事項加以描述。然而，這些只是用來理解本發明的一般型態，而本發明並不限於上述的實施例。此外，熟悉此技藝者應可了解，在不脫離本發明的範疇與精神的情況下，可以有各種修改與變化。因此，本發明的精神不應侷限於所描述的實施例，而與申請專利範圍等效或對應等同於申請專利範圍的變化之所有技術思想將被視為屬於本發明的範圍。