CN102124820B - 用于静电卡盘的边缘环 - Google Patents
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Abstract
公开一种与被配置成在等离子体环境中固定基底的静电卡盘一起使用的器件。该器件包含边缘环，该边缘环被配置成仅与陶瓷顶片的部分或者基板的部分相接触，或者通过多个销以及销槽耦合至该基板。该边缘环进一步被配置为与该陶瓷顶片同心。在一个实施方式中，该边缘环包括具有被设置成在该边缘环与该陶瓷顶片的外周边之间提供机械耦合的边缘阶梯的内边缘。该边缘环进一步包括外边缘以及位于该内边缘和该外边缘之间的平坦部分。该平坦部分被设置为当该边缘环围绕该陶瓷顶片的外周边放置时，其为水平方向，而且平行于基底。
Description
优先权要求
本申请要求2008年8月19日提交的序列号为61/090,182美国临时专利申请的优先权权益，该临时专利申请以引用的方式全部纳入本文。
技术领域
本发明总地涉及用于半导体、数据存储、平板显示器以及相关或其他行业的处理设备领域。更具体地说，本发明涉及一种用于提高基于等离子体的处理工具中所用的静电卡盘的性能的系统。
背景技术
自从几十年前首次引入集成电路(IC)器件，半导体器件几何学(即集成电路设计准则)的规模便急剧下降。IC总地遵循了摩尔定律(Moore′s Law)，摩尔定律是指单个集成电路芯片上装配的器件数目每两年会增加一倍。今天的IC制造工厂常规生产65nm(0.065μm)特征尺寸的器件，而未来的工厂将很快生产具有更小特征尺寸的器件。
随着IC设计准则的萎缩，半导体制造业愈发趋向于将单晶圆处理用于各种各样的制作步骤，包括等离子体蚀刻和沉积室。单晶圆反应器必须设计为在加工过程中以非打扰方式固定晶圆(或者其他基底类型)，同时控制温度以及整个晶圆的温度均匀性。
与其中将要进行处理的晶圆的正面的一部分啮合的机械晶圆夹具可能因为妨碍气流、改变等离子体的分布以及作为散热器起作用而造成处理均匀性问题。如果设计不当，机械晶圆夹具也可能会产生粒子，造成晶圆污染以及其他问题。
静电卡盘(ESC)利用静电势，以在处理期间固定晶圆，从而通过仅与晶圆的背面接触而避免机械夹持的问题。静电卡盘通过激发基底与卡盘上的相反电荷从而在该卡盘与该基底之间产生静电吸引力来运行。吸引力的强度取决于激发的电荷量以及导电效应引起的电荷消散速率。电压偏置用来激发并控制静电力，其可仅用于加工周期的一部分，例如，只是在基底被转移到卡盘之后。或者，电压偏置可以连续用于整个加工周期。例如，利用等离子体的传导性能可提供一种电气连接至ESC和晶圆系统终端的手段。
静电卡盘有许多类型，其可包括被置于基底下方以及周围，用于将等离子体限制在与该基底紧邻的上方区域内的可消耗(即牺牲)边缘环。
参考图1，示例性的现有技术ESC结构100的一部分包括阳极化的铝基板101、加热器结合层103、加热器105、加热器板107和陶瓷结合层109。该ESC结构100盖有陶瓷顶片111。边缘粘合密封件113保护该加热器结合层103、加热器105、加热器板107和陶瓷结合层109，避免其与周围的等离子体环境和腐蚀性化学物质直接接触。因而，该边缘粘合密封件113保护该加热器105、该加热器板107、该加热器103以及该陶瓷结合层109免受等离子侵蚀。
该加热器结合层103通常由包含二氧化硅(例如，无定形SiOx)的有机硅层组成。该加热器105常由封装在聚酰亚胺中的金属电阻元件组成，而该加热器板107通常由铝制成。该陶瓷结合层109常用陶瓷填充(如氧化铝(Al2O3))的有机硅材料制成。该陶瓷顶片111通常由氧化铝制成并且被配置成允许基底115(如硅晶圆)被牢固地固定在该陶瓷顶片111的上方。
边缘环117的整体形状通常为环形，并固定在该示例性的现有技术ESC结构100的内部的外周边。该边缘环117围绕该ESC结构100的内部同心放置，其特征在于垂直、单表面内径。该单表面内径限制该边缘环117，使其抵靠该铝基板101，该边缘粘合密封件113，从而该陶瓷顶片111名义上以该边缘环117为中心。
此外，该边缘环117取决于至少该铝基板101和该陶瓷顶片111的临界公差和同心度两者。两部件中任意一个的公差或者同心度的任何变化可导致安装或使用时该边缘环117的破损。因此，该边缘环117必须适应至少该铝基板101和该陶瓷顶片111之间的最坏情况下的整体公差。相反，如果该两部件的公差不处于最坏的情况，那么该边缘环117的尺寸过大，无法充分提高基底的工艺条件。因此，该边缘环必须设计成适应最坏情况下的公差，而且尺寸仍不能过大，以使对产率的影响最小化，降低总的工具营运成本，并提高基于等离子体的工艺的整体性能。
因此，需要可以很容易地应用到ESC的边缘环。该边缘环应当容易地围绕该ESC，而不要求过分紧密的设计公差，同时在广泛的温度范围内仍保持与该ESC良好的同心度。
发明内容
在一个示例性的实施方式中，公开一种与被配置成在等离子体环境中固定基底的静电卡盘一起使用的器件。该器件包含边缘环，该边缘环被配置成围绕该静电卡盘的陶瓷顶片的外周边而放置并仅被耦合至仅该陶瓷顶片的至少部分。该边缘环进一步被配置为与该陶瓷顶片同心。该边缘环包括具有被设置成在该边缘环与该陶瓷顶片的外周边之间提供机械耦合的边缘阶梯的内边缘、外边缘以及位于该内边缘和该外边缘之间的平坦部分。该平坦部分被设置为当该边缘环围绕该陶瓷顶片的外周边放置时，其为水平方向，而且当在等离子体环境中操作时，其平行于该基底。
在另一个示例性的实施方式中，公开一种与被配置成在等离子体环境中固定基底的静电卡盘一起使用的器件。该器件包含边缘环，该边缘环被配置成围绕该静电卡盘的基板的外周边而放置并被耦合至仅该基板的至少部分。该边缘环进一步被配置为与该基板同心。该边缘环包括具有被设置成在该边缘环与该基板的外周边之间提供机械耦合的边缘阶梯的内边缘、外边缘以及位于该内边缘和该外边缘之间的平坦部分。该平坦部分被设置为当该边缘环围绕该基板的外周边放置时，其为水平方向，而且当在等离子体环境中操作时，其平行于该基底。
在另一个示例性的实施方式中，公开一种与被配置为在等离子体环境中固定基底的静电卡盘一起使用的器件。该器件包含边缘环，该边缘环被配置成通过多个销耦合至该静电卡盘的基板。多个销槽被设置于靠近该边缘环的外周边，并被配置成放置于该多个销的外周边的上方并以与该静电卡盘同心的该边缘环为中心。该多个销槽被进一步配置为允许该边缘环与该基板之间的热膨胀变化，同时仍保持该边缘环为同心中心。
在另一个示例性的实施方式中，公开一种与被配置成在等离子体环境中固定基底的静电卡盘一起使用的器件。该器件包含边缘环，该边缘环被配置成通过多个销耦合至该静电卡盘的基板。多个销槽被设置于靠近该基板的外周边，并被配置成放置于该多个销的的外周边的上方并以与该静电卡盘同心的该边缘环为中心。该多个销槽被进一步配置为允许该边缘环与该基板之间的热膨胀变化，同时仍保持该边缘环为同心中心。
附图说明
各附图只是对本发明的示例性实施例进行说明，绝不能认为是对其范围的限制。
图1是现有技术静电卡盘的部分的横截面视图。
图2A包括本发明以肩为中心的边缘环的示例性俯视图以及随附的等距视图。
图2B是图2A所述的以肩为中心的边缘环的横截面视图。
图2C是图2B所述的边缘环的放大部分，显示出具体的示例性肩设计。
图2D是图2B所述的边缘环的放大部分，显示出另一具体的示例性肩设计。
图3A是本发明示例性的以销为中心的边缘环的底视图。
图3B是图3A所述的以销为中心的边缘环的横截面视图。
图3C是图3B所述的边缘环的放大部分，显示出具体的示例性以销为中心的设计。
具体实施方式
下面讨论的不同实施例描述了一种设计成提高工艺性能的改进的边缘环。通过确保该边缘环围绕ESC的铝基板或陶瓷顶片同心放置(即以ESC的铝基板或陶瓷顶片为中心)，从而使得该边缘环精确并准确地被设置于基底周围来提高工艺性能。
参照图2A，以肩为中心的边缘环201的示例性实施方式的俯视图200包括阶梯式内径体205以及基本上平坦的顶面203。使用时，该以肩为中心的边缘环201围绕ESC结构(未显示，但本领域的技术人员容易理解)，而该平坦的顶面203基本上水平并与放置在该ESC上的基底平行。等距视图230提供该以肩为中心的边缘环201的额外参考图。
由于该以肩为中心的边缘环201仅接触该ESC的该陶瓷顶片，该阶梯式内径体205改进了以该ESC结构为中心的状态。该以肩为中心的边缘环201可摩擦配合(friction fit)在该陶瓷顶片的周围或者，可替代地，以本领域独立已知的粘合剂或机械紧固件固定。在一个具体的示例性的实施方式中，该阶梯式内径体205约为1.9mm(约0.075英寸)高和0.4mm宽(约0.016英寸宽)。以下提供更多具体的细节。总体而言，该以肩为中心的边缘环201的该阶梯式内径体205使得边缘环中心改进约50％，从而最终提高了工艺性能。
现参照图2B，该以肩为中心的边缘环201的横截面视图250示于A-A截面。该以肩为中心的边缘环201可由多种材料(如氧化铝(Al2O3)或者其他类型的陶瓷)制成。硅、碳化硅、二氧化硅(如结晶或无定形(SiOx))和固体钇等过渡金属也是制作该以肩为中心的边缘环201的合适的材料。此外，各种其他类型的金属、绝缘和半导体材料也可被容易地采用。如果该以肩为中心的边缘环201设计成与该ESC的陶瓷摩擦配合，需要考虑该以肩为中心的边缘环201和陶瓷之间超过，例如100℃温度范围的热膨胀适应性。在典型应用中，该以肩为中心的边缘环201可被加工成在环境温度(如20℃)下具有适当的压入配合(press-fit)。
在一个具体的示例性实施方式中，该以肩为中心的边缘环201由氧化铝(Al2O3)制成并涂覆有厚度为75微米(μm)至125μm(约为0.003到0.005英寸)的氧化钇涂层。该氧化钇涂层可通过例如热喷涂的方式施涂，或者从物理气相沉积(PVD)系统中施涂。在该实施方式中，该氧化钇涂层可按要求在某些区域中逐渐减少，或者该以肩为中心的边缘环201的全部可保持未涂覆。
继续参照图2B，下文的表I给出具体的示例性尺寸，以适应300mm直径的基底。
| 尺寸 | 尺码(mm) | 公差(mm) | 尺码(英寸) | 公差(英寸) |
| D1 | 351.03 | 0.05 | 13.820 | 0.002 |
| D2 | 301.37 | 0.05 | 11.865 | 0.002 |
| D3 | 297.97 | 0.05 | 11.731 | 0.002 |
| D4 | 320.39 | 0.08 | 12.610 | 0.003 |
表I
提供该示例性尺寸仅为帮助技术人员充分理解该以肩为中心的边缘环201的制作细节。可针对其他常见的基底尺码(例如，200mm或者450mm直径晶圆或平面显示器矩形部分)对该给定的尺寸做出合理调整。
现参照图2C，图2B的A-A截面的放大截面270提供第一边缘阶梯271的具体示例性实施方式的细节。该第一边缘阶梯271设计为仅与典型ESC的陶瓷顶片111(图1)的至少部分机械接触。该第一边缘阶梯271从而提供该ESC的以肩为中心的边缘环201与该铝基板101之间约为0.4mm(约0.016英寸)的间隙，同时精确并准确地以该陶瓷顶片111为中心。
参照图2D，另一放大截面290提供第二边缘阶梯291的另一具体示例性实施方式的细节。该第二边缘阶梯291的尺寸与上段描述的第一边缘阶梯271类似并以一种相似的方式起作用。技术人员基于本文提供的信息可容易地预想到边缘阶梯可能呈现的许多其他形状。
在图3A中，以销为中心的边缘环301的仰视图300包含被设置成安装在多个销305的上方或周围的多个销槽303。在该示例性实施方式中，该多个销槽共有三个，间隔约为120°。在另一示例性实施方式中(未显示)，更少或更多的多个销槽303可被结合入该以销为中心的边缘环301。
该多个销的每个被安装入铝基板部分(未显示，但从图1中可容易地预想到)。设定该多个销305的尺寸来提供该以销为中心的边缘环301的压入配合，从而使得该边缘环围绕该ESC主要部分的外周边而定位。然而，该多个销槽303的伸长属性允许该以销为中心的边缘环301和该铝基板的热膨胀变化。
在另一实施方式(未显示但是本领域技术人员容易理解)中，该多个销305的每个可固定在该以销为中心的边缘环301上，而多个销槽可加工入该铝基板。在仍然另一实施方式中，该多个销305可直接加工为该以销为中心的边缘环301或者该铝基板的一部分。
如果该多个销305是“松动的”(即，没有加工为该以销为中心的边缘环301或者该铝基板的一部分)，则该多个销305可由多种材料制成。这些材料包括不锈钢(例如，316L)、高温塑料、氧化铝或其他陶瓷、固体钇或者本领域已知的能够被加工并且相对耐高温(高达，例如400℃或更高)的许多其他材料。
现参照图3B，该以销为中心的边缘环301的横截面视图350示于B-B截面。该横截面视图350指出该多个销槽303之一的位置。
该以销为中心的边缘环301可由多种材料(例如氧化硅(Al2O3)或其他类型的陶瓷)制成。硅、碳化硅、二氧化硅(如结晶或无定形(SiOx))和固体钇等过渡金属也是制作该以销为中心的边缘环301的合适材料。此外，各种其他类型的金属、绝缘和半导体材料也可被容易地采用。该以销为中心的边缘环301和该铝基板之间超过，例如100℃温度范围的热膨胀适应性通常通过该多个销槽303的伸长属性自动补偿，同时仍保持该ESC为同心中心。在典型应用中，该以销为中心的边缘环301可被加工成在环境温度(如20℃)下具有适当的压入配合。
在一个具体的示例性实施方式中，该以销为中心的边缘环301由氧化铝(Al2O3)制成并涂覆有厚度为75微米(μm)至125μm(约为0.003到0.005英寸)的氧化钇涂层。该氧化钇涂层可通过例如热喷涂的方式施涂，或者从物理气相沉积(PVD)系统中施涂。在该实施方式中，该氧化钇涂层可按要求在某些区域中逐渐减少，或者该以销为中心的边缘环301的全部可保持未涂覆。
继续参照图3B，上文的表I给出具体的示例性尺寸，以适应300mm直径的基底。提供该示例性尺寸仅为帮助技术人员充分理解该以销为中心的边缘环301的制作细节。可针对其他常见的基底尺码(例如，200mm或者450mm直径晶圆)对该给定的尺寸做出合理调整。
现参照图3C，图3B的B-B截面的放大截面370提供该多个销槽303的一个的具体示例性实施方式的细节。该以销为中心的边缘环301设计为仅与典型ESC的铝基板101(图1)机械接触。该多个销槽303和该多个销305可被加工成提供该以销为中心的边缘环301和该陶瓷顶片111之间约为0.4mm(约0.016英寸)的间隙。此外，虽然该多个销槽作为盲孔结构显示，技术人员将容易地认识到也可以使用通孔结构。
以上通过参照其具体的实施方式对本发明进行了描述。然而，对于技术人员，很显然，可以对本发明进行各种修改和改变，而不背离所附权利要求中提出的本发明更宽的精神范围。
例如，具体实施方式描述各种材料类型和布置。技术人员了解这些材料和布置可以改变，而且本文所示的材料和布置仅出于示例性目的，以对所述边缘环的各个方面进行说明。例如，技术人员一经阅读本文所披露的信息，将很快意识到该边缘环的以肩为中心的实施方式也可围绕该ESC基板放置而不接触该陶瓷顶片。此外，技术人员将进一步意识到本文所述的技术和方法可应用于任何在需要保持精确且准确的同心度以及布置的苛刻的等离子体和化学环境中运行的类似结构。应用于半导体行业的静电卡盘仅仅作为一个示例，帮助本领域的技术人员描述本发明各种实施方式。
而且，说明书全文中的术语半导体应当阐释为包含数据存储、平板显示器以及相关或其他行业。这些以及各种其他的实施方式都在本发明范围内。相应地，说明书和附图应当被视为说明性的而非限制性的。
Claims (30)
1.一种与被配置成在等离子体环境中固定基底的静电卡盘一起使用的器件，该器件包含：
边缘环，该边缘环被配置成围绕该静电卡盘的陶瓷顶片的外周边而放置并仅接触该陶瓷顶片的至少部分，该边缘环进一步被配置成与该陶瓷顶片同心，该边缘环包括：
内边缘，其具有设置成在该边缘环与该陶瓷顶片的外周边之间提供机械接触的边缘阶梯；
外边缘；以及
位于该内边缘和该外边缘之间的基本上平坦的顶面，该基本上平坦的顶面被设置为当该边缘环围绕该陶瓷顶片的外周边放置时，其为水平方向，而且当在等离子体环境中操作时，其平行于该基底。
2.根据权利要求1所述的器件，其中该边缘环至少部分由固体钇制成。
3.根据权利要求1所述的器件，其中该边缘环至少部分由氧化铝制成。
4.根据权利要求3所述的器件，其中该氧化铝至少部分用氧化钇涂覆。
5.根据权利要求1所述的器件，其中该边缘环被装配成围绕该静电卡盘的该陶瓷顶片提供摩擦配合。
6.根据权利要求5所述的器件，其中该摩擦配合在温度范围超过约100℃时被保持。
7.根据权利要求1所述的器件，其中该边缘阶梯从该边缘环的内边缘径向向内延伸约0.4毫米。
8.根据权利要求1所述的器件，其中该边缘阶梯的内部平行于该边缘环的该内边缘延伸约1.9毫米。
9.一种与被配置成在等离子体环境中固定基底的静电卡盘一起使用的器件，该器件包含：
边缘环，该边缘环被配置成围绕该静电卡盘的基板的外周边而放置并仅接触该基板的至少部分，该边缘环进一步被配置为与该基板同心，该边缘环包括：
内边缘，其具有设置成在该边缘环与该基板的外周边之间提供机械接触的边缘阶梯；
外边缘；以及
位于该内边缘和该外边缘之间的基本上平坦的顶面，该基本上平坦的顶面被设置为当该边缘环围绕该基板的外周边放置时，其为水平方向，而且当在等离子体环境中操作时，其平行于该基底。
10.根据权利要求9所述的器件，其中该边缘环至少部分由固体钇制成。
11.根据权利要求9所述的器件，其中该边缘环至少部分由氧化铝制成。
12.根据权利要求11所述的器件，其中该氧化铝至少部分用氧化钇涂覆。
13.根据权利要求9所述的器件，其中该边缘环被装配成围绕该静电卡盘的该基板提供摩擦配合。
14.根据权利要求13所述的器件，其中该摩擦配合在温度范围超过约100℃时被保持。
15.根据权利要求9所述的器件，其中该边缘阶梯从该边缘环的内边缘径向向内延伸约0.4毫米。
16.根据权利要求9所述的器件，其中该边缘阶梯的内部平行于该边缘环的内边缘延伸约1.9毫米。
17.一种与被配置成在等离子体环境中固定基底的静电卡盘一起使用的器件，该器件包含：
边缘环，该边缘环被配置成通过多个销耦合至仅该静电卡盘的基板的至少部分；
多个销槽，该多个销槽被设置于靠近该边缘环的外周边，并被配置成放置于该多个销的外周边的上方并以与该静电卡盘同心的该边缘环为中心，该多个销槽被进一步配置为允许该边缘环与该基板的该至少部分之间的热膨胀变化，同时仍保持该边缘环为同心中心。
18.根据权利要求17所述的器件，其中该多个销槽被设置为盲孔结构。
19.根据权利要求17所述的器件，其中该多个销槽被设置为通孔结构。
20.根据权利要求17所述的器件，其中该边缘环至少部分由固体钇制成。
21.根据权利要求17所述的器件，其中该边缘环至少部分由氧化铝制成。
22.根据权利要求21所述的器件，其中该氧化铝至少部分用氧化钇涂覆。
23.根据权利要求17所述的器件，其中该多个销槽被装配成围绕该多个销在环境温度下提供摩擦配合。
24.一种与被配置成在等离子体环境中固定基底的静电卡盘一起使用的器件，该器件包含：
边缘环，该边缘环被配置成通过多个销耦合至仅该静电卡盘的基板的至少部分；
多个销槽，该多个销槽被设置于靠近该基板的外周边，并被配置成放置于该多个销的外周边的上方并以与该静电卡盘同心的该边缘环为中心，该多个销槽被进一步配置为允许该边缘环与该基板的该至少部分之间的热膨胀变化，同时仍保持该边缘环为同心中心。
25.根据权利要求24所述的器件，其中该多个销槽被设置为盲孔结构。
26.根据权利要求24所述的器件，其中该多个销槽被设置为通孔结构。
27.根据权利要求24所述的器件，其中该边缘环至少部分由固体钇制成。
28.根据权利要求24所述的器件，其中该边缘环至少部分由氧化铝制成。
29.根据权利要求28所述的器件，其中该氧化铝至少部分用氧化钇涂覆。
30.根据权利要求24所述的器件，其中该多个销槽被装配为围绕该多个销在环境温度下提供摩擦配合。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |