專利名稱：高溫靜電夾盤的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于處理基片例如半導體晶片的靜電夾盤(ESC)。該靜電夾盤用于在進行腐蝕或者沉積工藝的等離子體反應室中支承半導體基片。該ESC特別適用于用高溫等離子體腐蝕低溫下難揮發(fā)的材料例如鉑。
相關技術說明一般采用真空處理室來腐蝕基片上的材料和在基片上進行材料的化學蒸氣沉積(CVD)，方法是向該真空室中輸送腐蝕性氣體或者沉積氣體，并將高頻(RF)場加到該氣體上，將氣體激發(fā)，形成等離子狀態(tài)。在共有的美國專利No.4340462、4948458和5200232中公開了平行板互感耦合等離子體(TCP)和電子同步加速器共振(ECR)反應器的例子，該TCP也稱為電感耦合等離子體(ICP)。該真空處理室一般設計為可以滿足其中進行工藝的操作性能要求。因此一般定做或者特別設計特殊的等離子體發(fā)生源、真空泵裝置以及與特殊處理室相關的基片支承裝置，這樣才能滿足這些操作特性要求。
在操作期間，通常采用基片定位器將基片支承在真空室中的要求位置。常規(guī)的基片定位器包括機械夾具和靜電定位器(ESC)。在共有的美國專利No.5262029、5880922、5671116中提出了機械夾具和ESC基片定位裝置的例子。形為電極的基片定位裝置可以將高頻(RF)功率輸送到真空室中，如美國專利No.4579618中所述。單極式的靜電夾盤采用單一電極。例如，見美國專利No.4665463。雙極式的靜電夾盤利用兩個帶電荷電極之間的相互吸引力，該電極由絕緣層分開。例如見美國專利No.4692836和5055964。
在進行某些處理操作期間，可以利用基片定位裝置冷卻基片，該基片包括平面顯示板和較小的基片。這種冷卻的方法是將氣體例如氦加到基片定位裝置和基片的相對平面之間。例如見美國專利No.5160152、5238499、5350479和5534816。該冷卻氣體通常輸送到基片定位裝置的溝道中或者作成具有一定圖案的溝槽中，并向基片施加反向壓力。
真空處理室的基片支承裝置通常裝在真空室的底壁上，使得基片支承裝置的維修和替換很困難，并且費時間。在美國專利No.4340462、4534816、4579618、4615755、4984458、5200232和5262029中已提出這種裝在底部上的基片支承裝置的例子。在共有的美國專利No.5820723和5948704中說明了懸臂式的支承裝置。
已經提出裝有夾持電極和加熱部件的高溫靜電夾盤，用在化學沉積真空中。例如見美國專利No.5730803、5867359、5908334和5968273以及歐洲專利公告628644 A2。在這些專利中，歐洲專利公告628644A2公開一種氮化鋁靜電夾盤裝置，該靜電夾盤裝置具有經打孔而形成網的RF金屬電極板和嵌入其中的加熱器，該靜電夾盤裝置支承在氧化鋁圓筒上，使得靜電夾盤裝置的外周超過該圓筒。美國專利No.5730803公開一種用氮化硅或者氧化鋁做的靜電夾盤裝置，該靜電夾盤具有用Mo、W、W-Mo做的柵電和嵌入在其中的Mo加熱金屬絲線圈，該靜電夾盤裝置由Mo隔熱圓筒支承，該圓筒包圍通過熱油脂與靜電夾盤裝置熱接觸的銅或者鋁水冷冷卻板，這種隔熱裝置允許靜電夾盤和冷卻板之間發(fā)生不同的膨脹。美國專利No.5867359公開一種在約500℃溫度下工作的靜電夾盤，該靜電夾盤包括焊接在鈮電極相對兩側的藍寶石層(單晶Al2O3)，該靜電夾盤組件銅焊在金屬底板上。美國專利No.5908334公開一種用在溫度超過175℃的靜電夾盤，該靜電夾盤包括在單極電極或者雙極電極兩側各有的聚酰亞胺膜，下部的聚酰亞胺膜本身粘接在不銹鋼板上。美國專利No.5968273公開一種多層的靜電夾盤裝置，該裝置包括氮化鋁的頂層、電極、氮化鋁層、金屬板、加熱器、金屬板以及鋁的復合物，該靜電夾盤由一個圓筒支承，使得該靜電夾盤裝置的外周伸過該圓筒。
某些靜電夾盤裝置采用導熱氣體例如氦氣來增強晶片支承裝置相鄰表面之間的熱傳導。例如，美國專利No.5155652公開一種分層的靜電夾盤，這些層包括上部的熱解氮化硼層或者選擇性的聚酰亞胺層、氧化鋁、石英或者金鋼沙；其中由氮化硼基片和熱解石墨導電圖案構成的靜電圖案層；其中由氮化硼基片和熱解石墨導電圖案構成的加熱層；由KOVAR合金(NiCoFe合金，29％Ni、17％Co和55％Fe)作的散熱底座。該散熱底座包括在下部的水冷溝道和上表面的氣室，該氣室在靜電夾盤變熱期間保持在真空狀態(tài)下，或者充入氦氣，以幫助冷卻由靜電夾盤支承的晶片。美國專利No.5221403公開一種支承臺，該支承臺由支承晶片的上部部件和包含流體通道以便控制晶片溫度的下部部件構成，該上部部件包括由聚酰亞胺片之間的銅電極和上下部件接觸表面之間的用于輸送導熱氣體的間隙構成的靜電夾盤。
共有的美國專利No.5835334說明一種高溫靜電夾盤，氦氣引入到下部鋁電極和固定在下部鋁電極上電極帽的接觸表面之間，該電極帽包括陽極化的鋁或者涂有金鋼沙的鉬。保護氧化鋁環(huán)和O形密封環(huán)可以盡量降低在金屬帽和下部極之間的冷卻氣體滲漏。該電極帽包括冷卻溝道，以便循環(huán)冷卻劑乙二醇、硅油、fluorinert或者水/甘醇混合物，下電極包括加熱器，用于將靜電夾盤加熱到約100-350℃的溫度。為了防止由于不同熱膨脹造成的陽極化鋁的破裂，電極帽保持在不大于200℃的溫度。在涂金鋼沙的鉬電極帽的情況下，該靜電夾盤可以用于較高的溫度。
國際專利公告WO99/36956說明一種腐蝕鉑電極層的等離子體工藝，其中可將基片加熱到150℃以上，并用高密度腐蝕氣體的電感耦合等離子體腐蝕鉑層，該腐蝕氣體包括氯氣、氬氣和選擇性的BCl3、HBr或者其混合物。美國專利No.5930639還公開一種鉑的腐蝕工藝，在這種工藝中鉑形成一個高介電常數電容器的一個電極，用氧氣等離子體腐蝕該鉑金屬。
雖然已提出各種想法來改進靜電夾盤設計，以便用在高溫上，但是這種高溫將造成不同的熱應變，這種應變對于使用的不同熱膨脹系數的材料是有害的。在保持陶瓷原材料例如氮化鋁和金屬材料例如不銹鋼或者鋁之間的氣密密封時，這會造成特別大的問題。因此在這種技術中需要改進的靜電夾盤裝置，這種裝置能夠滿足對高溫靜電夾盤材料所需的熱循環(huán)要求。具體是，為增加生產效率而使用大的工件和制作較大的顯示裝置時，需要一種能夠接納較大熱膨脹的裝置。
發(fā)明概要本發(fā)明提供一種用在高溫真空處理室中的基片支承裝置。在優(yōu)選實施例中，該支承裝置是一個靜電夾盤，該靜電夾盤包括靜電夾盤主體、導熱裝置和膨脹組件，該膨脹組件形成在前二者之間的外部管道部分。該靜電夾盤主體包括靜電夾持電極和選擇性的加熱部件，該電極適合于將基片例如半導體晶片固定在靜電夾盤主體的外表面上。該導熱裝置通過一個密閉空間與靜電夾盤主體分開，該封閉空間位于靜電夾盤主體和導熱裝置的分開一定距離的表面之間。該導熱裝置適合于利用該封閉空間中的導熱氣體的熱傳導除去靜電夾盤主體上的熱量。
本發(fā)明還提供一種基片支承裝置的膨脹組件，該組件可以容納靜電夾盤主體和導熱裝置的不同熱膨脹。該膨脹組件裝使靜電夾盤主體的外周固定在導熱裝置上。按照優(yōu)選實施例，該膨脹組件形成外部管道，該管道與靜電夾盤主體、內部管道部分和導熱裝置一起密封該封閉空間。在靜電夾盤主體和膨脹組件之間的真空封閉件可以在靜電夾盤主體熱循環(huán)期間保持該封閉空間的氣密密封性。該密封件最好是可壓縮的金屬密封件，最好是C形環(huán)密封件。
按照優(yōu)選實施例，該導熱裝置最好包括冷卻板，該冷卻板具有至少一個循環(huán)冷卻劑的冷卻通道，使靜電夾盤主體保持在要求的溫度，該封閉空間是環(huán)形空間，伸過靜電夾盤主體下表面的至少50％。在此實施例中，導熱裝置包括供氣通道，導熱氣體經此供氣通道流到環(huán)形空間中。按照優(yōu)選實施例，該靜電夾盤主體包括在封閉空間和靜電夾盤主體外表面之間延伸的氣體通道。該氣體通道可以配置成任何適當的形式。例如，如果靜電夾盤主體的外部分趨向于比其中心部分更熱，則氣體通道可以靠近膨脹組件，使得從封閉空間流出的導熱氣體在處理期間流到基片外周部分的下表面。在優(yōu)選實施例中，可以將基片可控地加熱到80℃以上，最好加熱到約200℃-350℃以上，或者更高。在優(yōu)選實施例中，在靜電夾盤主體和導熱裝置之間通過膨脹組件的熱導傳受到薄的環(huán)形部分的限制，該薄環(huán)形部分起膨脹連接件和隔熱作用，使得通過控制封閉空間中的導熱氣體壓力便可調節(jié)傳導熱量。在更優(yōu)選的實施例中，可以利用膨脹組件的隔熱作用，限制高溫區(qū)域和低溫區(qū)域的直接熱傳導，使得靜電夾盤主體的外周和靜電夾盤主體內部分之間的溫差小于4-5℃，最好小于約2℃，該高溫區(qū)包括靜電夾盤主體，而低溫區(qū)包括導熱裝置(即冷卻板)。
按照優(yōu)選實施例，靜電夾盤主體包括金屬材料例如鋁或者其合金，或者包括陶瓷材料例如氮化鋁?？梢圆捎蒙禇U來升高和降低基片。例如，導熱裝置包括升降桿例如裝在其上的用線繩驅動的升降桿。該升降桿可以移向靜電夾盤主體和移離該靜電夾盤主體，使得該升降桿可以通過在靜電夾盤主體上的孔，使放在靜電夾盤主體上的基片升高和下降。
膨脹組件包括適合于固定導熱裝置的下部安裝法蘭和也起隔熱作用的膨脹連接件，例如可彎曲的金屬部件。該膨脹連接件包括內環(huán)形部分，該內環(huán)形部分利用彎曲部分連接于下部法蘭和焊接或者銅焊在上部安裝法蘭上，反之也行。該靜電夾盤主體利用夾持裝置例如連續(xù)的固定環(huán)或者分段的環(huán)固定于膨脹組件的上部安裝法蘭。利用密封件例如壓縮在靜電夾盤主體外周下表面和膨脹組件上部安裝法蘭頂表面之間的金屬C形密封環(huán)可以在靜電夾盤主體和上部安裝法蘭之間形成氣密密封。該固定環(huán)可以用其熱膨脹系數與靜電夾盤主體材料的熱膨脹系數相匹配的材料制作，以便盡量降低在靜電夾盤主體熱循環(huán)期間該固定環(huán)的應變。
該靜電夾盤主體包括陶瓷的或者金屬的管形部分，該管形部分從靜電夾盤主體下側的中心部分伸出，使得管形部分的外表面形成密封空間的壁，該管形部分受到支承，以浮動方式接觸導熱裝置，在其間形成氣密密封。該管形部分的內部包括將RF和DC電源輸送到固定電極和將AC電源輸送到加熱元件的供電裝置和/或用于檢測靜電夾盤主體溫度的溫度測量裝置。
按照本發(fā)明的實施例，該靜電夾盤是真空處理室的可替換靜電夾盤，其中該靜電夾盤包括連接于膨脹組件的靜電夾盤主體。該靜電夾盤包括電極，該電極具有可連接于電源的電觸頭，該電源可以向電極提供充分的電荷，使基片通過靜電固定在靜電夾盤主體的外表面上。按照本發(fā)明的實施例，該靜電夾盤包括可以方便替換的膨脹組件和方便替換的靜電夾盤主體，因而通過經濟的維修可以增加靜電夾盤的有效壽命。因此，本發(fā)明還提供一種適合于可卸地裝在本發(fā)明靜電夾盤主體和傳熱裝置之間的膨脹組件。
本發(fā)明還提供一種在真空處理室中處理基片的方法，其中該基片用靜電固定在靜電夾盤主體上。該方法包括向電極充電，將基片固定在本發(fā)明靜電夾盤的外表面上；用靜電夾盤主體中的加熱元件加熱基片；向封閉空間中輸送導熱氣體，該氣體經靜電夾盤主體上的孔流到基片下表面和靜電夾盤主體外表面之間的間隙中；利用輸送到封閉空間內的導熱氣體的熱傳導控制靜電夾盤主體和基片的溫度；處理該基片。
按照優(yōu)選實施例，該方法還包括將處理氣體輸送到真空室中，并通電激發(fā)該處理氣體，形成等離子體，并在處理操作期間，用該等離子體腐蝕基片的露出表面。而且也可以在處理操作期間，在基片的外表面上進行涂層。可以用適當的方法例如將射頻能量輸送到天線，使該處理氣體激發(fā)形成等離子體，該天線將射頻能量電感耦合到真空室中。在處理操作期間，可以向嵌入到靜電夾盤主體的加熱元件送電，加熱基片。在固定基片之前，可以用裝在導熱裝置上的升降桿將基片下放到靜電夾盤主體的外表面上，該升降桿穿過靜電夾盤主體外部分的孔。為了從靜電夾盤主體上取出熱量，該方法還包括使液體冷卻劑在導熱裝置中循環(huán)。利用溫度傳感器檢測基片的溫度變化，該傳感器由導熱裝置支承，并穿過靜電夾盤主體上的孔。在處理操作期間用等離子體腐蝕鉑金屬層的情況下，該基片被加熱到200℃以上的溫度。
按照該方法，通過多個熱傳導路徑可以去除靜電夾盤主體上的熱量，由此可以在整個靜電夾盤主體上達到要求的熱量分布。另外，通過改變封閉空間中的傳熱氣體的壓力，可以調節(jié)經這些導熱路徑除去的熱量。例如，因為在靜電夾盤主體下側中心部分上伸出的陶瓷或者金屬管形部分將熱量從靜電夾盤主體傳導到導熱裝置上，所以該方法包括調節(jié)封閉空間中導熱氣體的壓力，使得從經第一導熱路徑去除的熱量與經第二導熱路徑去除的熱量和經第三導熱路徑去除的熱量相平衡，第一導熱路徑由封閉空間中的導熱氣體形成，而第二導熱路徑由外部管道裝置形成，第三導熱路徑由中心管延伸部分形成。
附圖簡要說明下面參照附圖要詳細說明本發(fā)明，這些附圖中相同部件用相同編號表示，這些附圖是

圖1是橫截面圖，示出其中裝有本發(fā)明高溫靜電夾盤組件的真空處理室；圖2是橫截面圖，示出其中裝有本發(fā)明高溫靜電夾盤組件的另一真空處理室；圖3是圖2所示懸臂式基片支承裝置的透視圖；圖4是橫截面圖，示出本發(fā)明實施例的高溫靜電夾盤組件；圖5示出圖4所示高溫靜電夾盤組件一部分的細節(jié)；圖6是切去一部分的透視圖，示出圖4所示的高溫靜電夾盤。
優(yōu)選實施例的詳細說明本發(fā)明提供一種用在高溫真空處理室中的基片支承裝置。在優(yōu)選實施例中，該支承裝置是靜電夾盤，用于在處理期間將基片例如半導體晶片固定在真空處理室例如等離子體腐蝕反應器中。然而該靜電夾盤可以作其它用處，例如在化學蒸氣沉積期間、濺射期間、離子注入期間以及剝離阻擋層等期間用于固定基片。
按照本發(fā)明的優(yōu)選實施例，該靜電夾盤包括固定電極和選擇性加熱部件，該加熱部件可以用來使支承在靜電夾盤上的基片保持在高于80℃的高溫下(某些常規(guī)靜電夾盤的上限溫度是60℃)，最好保持在200℃以上的溫度，例如250-500℃。例如可以在化學蒸氣沉積或者用等離子體腐蝕材料期間，用該靜電夾盤支承晶片，其時需要將晶片加熱到約150℃和以上的溫度。
為了達到這種高溫而又不損壞該靜電夾盤，本發(fā)明提供一種用于靜電夾盤的膨脹組件。該靜電夾盤設計，特別是膨脹組件的設計提供一種具有高溫性能而組合件尺寸又小的靜電夾盤。
按照優(yōu)選實施例，膨脹組件形成外部管道部分，該管道部分在靜電夾盤有效受熱部分和靜電夾盤有效冷卻部分的分開的表面之間形成一個封閉空間。該封閉空間充滿導熱氣體，從而可以將熱量從靜電夾盤的受熱部分傳到受冷部分。利用金屬密封環(huán)例如C形密封環(huán)在膨脹組件和靜電夾盤主體之間保持氣密密封。由于這種配置，所以在靜電夾盤的受熱部分不需要采用任何彈性密封件，由此靜電夾盤的受熱部分可以工作在彈性密封件將受到破壞的高溫條件下。另外，因為有膨脹組件的封閉空間和隔熱部件，所以冷卻板保持在足夠低的溫度，允許使用與膨脹組件表面和冷卻板表面接觸的價廉連接密封件。另外，膨脹組件的設計使得靜電夾盤的全高度較小，這樣便使靜電夾盤可以與緊湊系統(tǒng)的密封要求(覆蓋區(qū)域)相匹配。膨脹組件的另一優(yōu)點是在靜電夾盤的受熱和受冷部分之間可以容納熱應變。再一優(yōu)點是，本發(fā)明的靜電夾盤可以按比例放大到容納大于200mm例如300mm晶片工件。另外，可以將導熱氣體例如氦氣輸送到基片下面的靶區(qū)域，而不需要在靜電夾盤內形成復雜的氣體通道配置。
按照使用本發(fā)明靜電夾盤的優(yōu)選方法，可以利用等離子體腐蝕法除去基片上的難揮發(fā)腐蝕產物，其中利用靜電夾盤加熱基片。這種難揮發(fā)腐蝕產物是在用等離子體腐蝕貴金屬例如Pt、Pd、Ru、Ir、它們的混合物以及ZrO2和HfO2期間形成的，該ZrO2和HfO2材料在研究中用作電容器電極或者采用高k介電材料的晶體管電極。這種難揮發(fā)腐蝕性產物保持在基片表面上，除非基片受到充分加熱。例如在腐蝕鉑期間形成的氯化鉑在幾毫乇的壓力下，將基片加熱到約200℃，可使使其揮發(fā)。用在低溫腐蝕工藝中的常規(guī)靜電夾盤不適合于這種高溫環(huán)境，因為這些靜電夾盤將受到損壞性的熱循環(huán)，這種熱循環(huán)將破壞氣密密封件和/或使靜電夾盤材料失效。另外，因為這種常規(guī)靜電夾盤的水冷部分與靜電夾盤的受熱部分直接熱接觸，所以靜電夾盤上的熱量將使冷卻流體沸騰，造成靜電夾盤的不均勻冷卻和/或不能允分冷卻靜電夾盤。本發(fā)明的靜電夾盤由于采用膨脹組件裝置，所以可以解決這些問題。
按照優(yōu)選實施例，靜電夾盤主體用具有要求電特性和/或熱特性的金屬材料或者陶瓷材料制造。例如，靜電夾盤主體可以用鋁或者鋁合金制造?；蛘?，該靜電夾盤主體可以用一種或者多種陶瓷材料制造，該陶瓷材料包括氮化物例如氮化鋁、氮化硼和氮化硅；碳化物例如碳化硅和碳化硼；氧化物例如氧化鋁等，這些陶瓷材料可以充填或者不充填填料，例如須狀、纖維狀等的顆粒物或者滲透金屬例如硅?？梢杂酶鞣N方法形成陶瓷靜電夾盤主體。例如，用粉末冶金方法，將陶瓷材料形成為一個單塊主體，例如先壓實粉末或者流鑄粉末，將陶瓷粉末形成為靜電夾盤主體形狀，使固定電極、加熱器和電源連接件嵌入到其中，然后燒結粉末，使靜電夾盤主體硬化，或者，可以用陶瓷材料片形成靜電夾盤主體，這些陶瓷片上有夾持電極加熱器和電源連接線的導線圖案，然后疊置這些片，繞結這些層，形成最后的靜電夾盤主體。
下面參考圖1-6說明本發(fā)明高溫靜電夾盤組件的一個例示性實施例。該高溫靜電夾盤組件具有一些優(yōu)點，例如較好的高溫功能，相對較低的功率要求、較長的使用壽命、簡單的后側冷卻、制造成本低以及設計緊湊，并可以按比例放大到適合于較大的工件。
本發(fā)明與常規(guī)的靜電夾盤組件相比，具有更好的高溫性能和相對較低的功率需求，常規(guī)靜電夾盤中，冷卻板與靜電夾盤形成一體。在這種常規(guī)靜電夾盤裝置中，最大操作溫度局限于約60℃。為了增加最大操作溫度，本發(fā)明的高溫靜電夾盤被設計為由兩個部分組成的組件，包括靜電夾盤部分例如陶瓷靜電夾盤主體和導熱裝置例如冷卻板，該陶瓷靜電夾盤主體具有嵌入的靜電夾持電極。另外，膨脹組件最好包括薄的可偏轉的環(huán)形部分，該環(huán)形部分起著隔熱的作用，該膨脹組件結合于靜電夾盤，使靜電夾盤部分與冷卻板絕熱。該隔熱部分顯著降低了熱量從靜電夾盤部分的邊緣傳達到冷卻板，由此可以使靜電夾盤部分達到約350℃或者更高溫度，而不需要將相當大量的功率輸送到嵌入靜電夾盤主體中的加熱元件上。
膨脹組件增加了高溫靜電夾盤的工作壽命。具體是，采用膨脹組件，靜電夾盤部分可以顯著發(fā)生熱膨脹而不會損壞高溫靜電夾盤的其它部分。在靜電夾盤和膨脹組件之間的可替換密封件進一步增加了高溫靜電夾盤的使用壽命。可以將膨脹組件作成為一個單一部件或者多件焊接的組件，該部件包括薄壁環(huán)形部分，該環(huán)形部分允許靜電夾盤部分熱膨脹和收縮，同時盡量減小了熱量從靜電夾盤部分傳達到冷卻板，該薄壁環(huán)形隔熱部分可以容納靜電夾盤部分和冷卻板之間的不同熱膨脹，由此可以盡量降低高溫靜電夾盤組件中的應力，因而減小了高溫靜電夾盤組件過早失效的可能。另外，該隔熱部分這樣設計，使得可以降低高溫靜電夾盤組件中銅焊焊接部的應力。
與依靠靜電夾盤部分中的復雜氣體分配裝置來恰當地冷卻基片的常規(guī)靜電夾盤組件相比，本發(fā)明的高溫靜電夾盤結構簡單，這種結構可以選擇性地以更需要冷卻的基片部分作目標。例如，高溫靜電夾盤組件包括在靜電夾盤部分和冷卻板之間的封閉空間，該靜電夾盤部分由輸入該封閉空間的導熱氣體冷卻，通過從封閉空間伸到靜電夾盤部分外表面的通道，可將導熱氣體輸送到基片的選擇部分，可以控制基片的溫度。在用于等離子體腐蝕的高溫靜電夾盤中，高溫靜電夾盤部分外周附近形成氣流分布孔，以增強基片外部分的冷卻。因此不需要復雜的氣體分布結構，因為氣體分布孔形成在靜電夾盤部分支承表面上的要求位置。
與其它的高溫靜電夾盤組件相比，采用本發(fā)明高溫靜電夾盤的膨脹組件可以降低制造成本和/或簡化高溫靜電夾盤的制造。具體是，因為隔熱部件使熱的靜電夾盤部分與冷卻板熱絕緣，所以可以在與冷卻板接觸的位置采用標準的廉價彈性密封件。另外，可拆卸固定的膨脹組件允許替換在膨脹連接件和靜電夾盤主體之間的高溫真空密封件。
這樣設計本發(fā)明的高溫靜電夾盤，使其形成較小的總高度，因而該靜電夾盤可以用在用懸臂支承臂支承靜電夾盤的真空室中。例如，圖1-3示出真空處理室10、24的例子，本發(fā)明的高溫靜電夾盤組件裝在這些真空處理室中。盡管參照圖1-3所示的真空裝置說明本發(fā)明，但是技術人員應當看到，本發(fā)明的高溫靜電夾盤組件可以用在需要用靜電方法固定基片的任何真空處理室中。例如，本發(fā)明的高溫靜電夾盤組件可以用作處理室中基片支承裝置的一部分，在這些處理室中，可以進行各種半導體的等離子體處理或者非等離子體處理操作例如腐蝕、沉集、阻擋層剝離等。
如圖1所示，真空室10包括懸臂式基片支承裝置12，該支承裝置從真空室的側壁伸向內部，一個高溫靜電夾盤14由該支承裝置12支承。穿過各種管道(未示出)的通道18通向支承裝置12的內部。該各種管道服務于高溫靜電夾盤，例如向夾持電極輸送直流電、向夾持電極或者向在處理期間形成基片高頻偏壓的分開電極輸送高頻能量、向加熱器輸送交流電、驅動升降桿的內部線繩、輸送冷卻高溫靜電夾盤和/或基片的冷卻劑、傳送傳感器或者檢測裝置的電信號等。
在所述實施例中，安裝法蘭20和支承臂22形成整體部件，該整體部件可以利用例如機械緊固件可拆卸地裝在真空室的開口中，而O形環(huán)和高頻屏蔽裝置配置在法蘭20和真空室兩個相對表面之間。在圖1所示的配置中，真空室中的氣體可用真空泵23經開口21抽出。利用裝在真空室頂部的能源裝置(未示出)在真空室中產生等離子體。即，真空室的頂部被設計成可以支承各種類型的等離子體發(fā)生器，例如電容耦合等離子體發(fā)生器、電感耦合等離子體發(fā)生器、微波等離子體發(fā)生器、磁控管等離子體發(fā)生器、螺旋波等離子體發(fā)生器或者其它合適的等離子體發(fā)生器。另外，可以利用各種類型的供氣裝置，例如氣體分布板(沐浴頭)、一個或者多個氣體環(huán)，和/或氣體噴射器或者其它的合適輸氣裝置，將處理氣體引入到真空室中。
圖2示出真空處理室24和其上安裝靜電夾盤組件28的懸臂式基片支承裝置26。如圖所示，基片30支承在裝在基片支承裝置26上的高溫靜電夾盤組件28上。該支承裝置26位于支承臂32(示于圖3)的一端，該支承壁又以懸臂方式固定，因而可以從真空室中取出整個基片支承裝置和支承臂組件26/32，方法是將該組件穿過真空室24側壁上的開孔(未示出)?？梢岳眠m當的裝置例如供氣管34或者氣體分布板將處理氣體輸送到真空室中，該氣體可以利用天線38例如平面線圈激發(fā)，形成等離子狀態(tài)，該線圈通過介電部件40電感耦合高頻能量。該天線可以通過任何適當的裝置例如常規(guī)高頻發(fā)生器42和匹配網路44提供高頻能量。在處理晶片期間，將導熱氣體例如氦經孔46輸送到晶片的后側，如圖3所示。
在圖1-3所示的真空室中。需要盡量減小高溫靜電夾盤的高度以便容易地從真空室10、24中取出包含高溫靜電夾盤的基片支承裝置26。下面參考圖4-6所示實施例說明本發(fā)明例示性高溫靜電夾盤的細節(jié)，該靜電夾盤具有使用壽命長、制造成本低、維修和操作方便以及結構緊湊等優(yōu)點。
圖4示出本發(fā)明第一實施例的高溫靜電夾盤組件50，其中高溫靜電夾盤組件50裝在真空處理室中懸臂式基片支承裝置上，如參照圖1-3所示。圖6是切取一部分的透視圖，示出高溫靜電夾盤50。該高溫靜電夾盤50是兩部件構成的裝置，包括靜電夾盤主體56和導熱裝置58。該靜電夾盤56包括夾持電極60、選擇性加熱部件62和中心管形延伸部66。膨脹組件64包括下部環(huán)形安裝法蘭68，該膨脹組件起隔熱作用，形成外部管道裝置，該下部環(huán)形安裝法蘭用螺栓(未示出)可卸下地固定于導熱裝置58，并由銷釘70準直。上部環(huán)形安裝法蘭124用螺栓126可卸下地固定于環(huán)125，該螺栓用于將靜電夾盤56固定于上部安裝法蘭124。該靜電夾盤主體56最好用顯示絕緣特性的陶瓷材料例如氮化鋁制造。該膨脹組件64和導熱裝置58可以用導熱金屬例如鋁、銅、鈦及其合金制造。然而優(yōu)選材料是導熱的金屬例如不銹鋼、鈷、鎳、鉬、鋯或者它們的合金。按照另一種方式，膨脹組件64和導熱裝置可以用與其中處理半導體基片的真空室相容的任何材料制作。
導熱裝置58包括冷卻通道72，冷卻劑例如水或者其它冷卻劑可以用適當管子輸送到通道72中?？梢杂霉苄窝由觳?6的電源輸送線將電能輸送到夾持電極60和加熱部件62。例如可以用桿67將高頻能量和直流電輸送到夾持電極，該桿與底部連接于帶69。可以用管形延伸部66中的溫度反饋組件71檢測靜電夾盤的溫度。
封閉空間80形成在靜電夾盤主體56和導熱裝置58的隔開一定距離的表面82和84之間。用氣體管子76將導熱氣體例如氦氣輸送到封閉空間80?？梢杂醚b在連接件78上的光纖元件77檢測靜電夾盤主體上基片的溫度。雖然可以采用任何形式升降桿組件例如采用氣動式升降桿組件，但是按照優(yōu)選實施例，可以用許多線繩驅動的升降桿升高和降低基片，各個升降桿包括裝在孔79中連接件和線繩驅動的升降桿。裝在導熱裝置58溝槽中的彈性密封件88可以在膨脹組件64和傳熱裝置58之間形成真空密封。彈性密封件92在導熱裝置58的下表面和絕緣安裝板94之間形成真空密封，而彈性密封件96在安裝板94的下表面和基片支承裝置的外殼54之間形成真空密封。絕緣的邊緣環(huán)98(例如用氧化鋁、氮化硅、石英等制作)覆蓋在安裝板94上，而絕緣聚焦環(huán)100(例如用氧化鋁、碳化硅、氮化硅等制作)覆蓋在邊緣環(huán)98上，并圍繞靜電夾盤主體56。
圖5示出靜電夾盤主體56以及裝在上面的膨脹組件64的細節(jié)。如圖5所示，膨脹組件64包括下部安裝法蘭68、起膨脹連接件和隔熱作用的內環(huán)形部分102、上部安裝法蘭124以及焊接點104。該內環(huán)減弱部分102通過彎曲部分101連接于下部法蘭68，通過焊接點104連接于上部安裝法蘭124。該環(huán)形部分102和法蘭68由環(huán)形空間108分開。該法蘭68和內環(huán)部分102用單片金屬例如不銹鋼制作(例如用切削方法、鑄造方法、鍛壓方法等制造)。
該靜電夾盤主體56由夾持裝置例如環(huán)125固定在上部安裝法蘭124上，該環(huán)由螺栓126可松開地固定于上部安裝法蘭。在上部安裝法蘭124的頂表面120和靜電夾盤主體56的下表面122之間形成小的間隙。位于上部安裝法蘭的表面121和靜電夾盤主體56的底表面122之間的C形環(huán)112可以保持封閉空間80的氣密密封。
當靜電夾盤主體56變熱和膨脹時，靜電夾盤主體56的外直徑部分便壓在固定環(huán)125上，并使膨脹連接件102可彈性地偏轉。彎曲部分101和內環(huán)部分102發(fā)生彈性形變，從而可以容納靜電夾盤主體56的熱膨脹和收縮。因此，可以盡量降低靜電夾盤主體56上的機械應力。固定環(huán)125用與靜電夾盤主體56的熱膨脹相匹配的材料制作。
可以采用任何合適的升降桿裝置例如氣動升降桿組件或者上述的線繩驅動桿組件升高和降低該低襯。例如，升降桿組件包括許多升降桿132，各個升降桿用連接于外殼中可滑動升降桿支承件的線繩(未示出)使其升高和降低，該外殼嵌入到孔79中，使其保持氣密密封。在共有的美國專利No.5796066中進一步說明這種線繩驅動的升降桿。升降桿的孔136的尺寸定為可以使升降桿132運動，在封閉空間80中的導熱氣體可以在升降桿132的四周流動，從而流到基片的下面，該基片懸在靜電夾盤主體56的上面。
導熱氣體經氣體通道76送入封閉空間80，在封閉空間中的氣體可以保持在任何適當的壓力下，例如保持在2-20乇的范圍內。取決于基片的直徑，可以用三個或多個升降桿132來升高和降低基片。如圖4和5所示，可以形成另外的孔46，以便圍繞基片的邊緣分布氣體。另外，這些孔可以通向靜電夾盤主體上表面中的溝槽(未示出)，以便有助于在基片的下面分布氣體。為了向夾持電極和加熱元件提供電力，可以在管形延伸部66中提供電力輸送裝置。另外，可以用其中一個電氣輸送裝置來傳送靜電夾盤組件溫度傳感器71和裝在開孔77中的基片溫度傳感器(未示出)的電信號。
膨脹組件內環(huán)部件102的薄橫截面使得高溫靜電夾盤組件的靜電夾盤主體與其余部件形成熱隔離。利用靜電夾盤主體的熱隔離和盡量降低由于熱量傳離靜電夾盤主體造成的熱損耗，該靜電夾盤主體能夠達到高到約350℃或者更高的溫度，而不需要消耗相對較大的電能。另外，內環(huán)膨脹連接件和隔熱裝置102與彎曲部分101的形狀允許該連接件進行膨脹和收縮，這種膨脹和收縮是處理基片期間由于熱循環(huán)造成的。因此，因為可以盡量降低作用在高溫靜電夾盤組件上的焊接點上的熱應力，所以可以期待高溫靜電夾盤具有長的工作壽命。
由于使靜電夾盤組件與高溫靜電夾盤組件的其余部分熱隔離，所以可以采用標準的廉價彈性材料來形成與導熱裝置密封的真空密封件。這種真空密封件可以采用廉價的材料例如VITON制造。該靜電夾盤主體可以用焙燒陶瓷材料層和金屬化的材料層制造。例如共有的美國專利No.5880922說明一種制造陶瓷靜電夾盤主體的適用方法。例如，這些層包括形成單極電極或者雙極電極(該電極也起高頻偏壓電極的作用)的導電層，這些導電層夾陶瓷層中間。在其它的陶瓷層之間配置加熱部件例如一個或者多個螺旋形加熱部件。在靜電夾盤主體上還裝有用于將功率輸送到夾持電極和加熱元件的各種饋送連接線。
盡管已參照優(yōu)選實施例詳細說明本發(fā)明，但是技術人員可以看出，可以進行各種改變和采用等效的實施例，而不超出本發(fā)明的范圍。
權利要求
1.一種用在高溫真空處理室中的靜電夾盤，包括靜電夾盤主體，包括靜電夾持電極和選擇性加熱部件，該電極適合于用靜電將基片固定在靜電夾盤主體的外表面上；導熱裝置，該導熱裝置通過靜電夾盤主體和導熱裝置的隔開表面之間的封閉空間而與靜電夾盤主體分開，該導熱裝置適合于用封閉空間中的導熱氣體的熱傳導除去靜電夾盤主體的熱量；可拆卸連接的膨脹組件，該組件使靜電夾盤主體的外周連接于導熱裝置，該膨脹組件可以接納靜電夾盤組件和導熱裝置的不同的熱膨脹。
2.如權利要求1所述的靜電夾盤，其特征在于，該膨脹組件包括可形變的環(huán)形部分。
3.如權利要求2所述的靜電夾盤，其特征在于，該可形變的環(huán)形部分限制熱量在靜電夾盤組件和導熱裝置之間直接傳導，由此起隔熱作用。
4.如權利要求2所述的靜電夾盤，其特征在于，該膨脹組件還包括第一和第二安裝法蘭；該可形變的環(huán)部分由彎曲部分連接于其中一個安裝法蘭。
5.如權利要求2所述的靜電夾盤，其特征在于，該膨脹組件還包括第一和第二安裝法蘭；該可形變的環(huán)形部分用銅焊或高溫焊連接于其中一個法蘭。
6.如權利要求1所述的靜電夾盤，其特征在于，還包括夾持裝置，該夾持裝置可拆卸地將靜電夾盤組件連接在膨脹組件上。
7.如權利要求6所述的靜電夾盤，其特征在于，該夾持裝置壓著靜電夾盤主體的外邊緣，并壓縮在靜電夾盤主體和膨脹組件之間的金屬密封件。
8.如權利要求7所述的靜電夾盤，其特征在于，該金屬密封件是C形環(huán)密封件。
9.如權利要求6所述的靜電夾盤，其特征在于，該夾持裝置包括固定環(huán)。
10.如權利要求1所述的靜電夾盤，其特征在于，該導熱裝置包括冷卻板，該冷卻板具有至少一個其中流動冷卻劑的冷卻通道，以使靜電夾盤主體保持在要求的溫度，該封閉空間是一個環(huán)形空間，該環(huán)形空間伸過至少50％的靜電夾盤主體下表面，該導熱裝置包括使導熱氣體流入該封閉空間的供氣通道。
11.如權利要求1所述的靜電夾盤，其特征在于，該膨脹組件形成該封閉空間的外壁，并在靜電夾盤主體熱循環(huán)期間保持靜電夾盤主體和導熱裝置的氣密密封。
12.如權利要求1所述的靜電夾盤，其特征在于，該靜電夾盤主體包括在該密封空間和靜電夾盤主體外表面之間延伸的氣體通道，該氣體通道選擇性地靠近膨脹組件配置，并在處理期間，將導熱氣體從封閉空間輸送到基片外周的下表面。
13.如權利要求1所述的靜電夾盤，其特征在于，該靜電夾盤主體包括金屬材料或者陶瓷材料。
14.如權利要求13所述的靜電夾盤，其特征在于，該靜電夾盤主體包括陶瓷材料，這些材料選自一組材料，這組材料包括氮化鋁、氮化硅、氮化硼、碳化硅、碳化硼、氧化鋁以及它們的混合物。
15.如權利要求1所述的靜電夾盤，其特征在于，還包括陶瓷的或者金屬的管形部分，該管形部分從靜電夾盤主體下側面的中央部分伸出，該管形部分的外表面形成封閉空間的壁；該管形部分的內部選擇性包括向夾持電極輸送電荷的裝置，向加熱部件輸送電流的裝置和/或檢測靜電夾盤主體溫度的裝置；該管形部件的內部選擇性通向大氣壓。
16.一種在真空處理室中處理基片的方法，該方法包括以下步驟用靜電荷將基片固定在如權利要求1所述的靜電夾盤外表面上；利用在靜電夾盤主體中的加熱部件選擇性加熱基片；利用輸送到封閉空間的導熱氣體控制基片和靜電夾盤主體的溫度，該導熱氣體也可以選擇性經靜電夾盤主體上的孔流到靜電夾盤主體和基片下表面之間的間隙；處理基片。
17.如權利要求16所述的方法，其特征在于，該基片可以被均勻加熱到150℃以上；利用封閉空間和膨脹組件的可形變環(huán)形隔熱部分使靜電夾盤主體和導熱裝置熱絕緣；增加了靜電夾盤的使用壽命，因為可以利用膨脹組件盡量降低由溫度引起的機械應力。
18.如權利要求16所述的方法，其特征在于，處理基片的步驟包括向處理室輸送處理氣體；使處理氣體通電激發(fā)，形成等離子狀態(tài)；用該等離子體腐蝕基片的露出表面。
19.如權利要求16所述的方法，其特征在于，處理基片的步驟包括在基片上形成鍍層。
20.如權利要求16所述的方法，其特征在于，處理基片的步驟包括化學蒸氣沉積、等離子體蒸氣沉積、濺射、離子注入或者用等離子體腐蝕。
21.一種用于高溫真空處理室中基片支承裝置的膨脹組件，該基片支承裝置包括靜電夾盤主體，該靜電夾盤主體選擇性地包括加熱元件和/或通過靜電將基片固定在靜電夾盤主體外表面上的電極，該基片支承裝置還包括導熱裝置，該導熱裝置適合于用封閉空間中導熱氣體的熱傳導除去靜電夾盤主體上的熱量，該封閉空間位于靜電夾盤主體和導熱裝置的隔開的表面之間，該膨脹組件包括第一安裝法蘭，該法蘭可取下地固定在靜電夾盤主體的外周上；第二安裝法蘭，該法蘭可取下地固定在導熱裝置上；膨脹連接件，該連接件包括可形變的環(huán)形部分，該環(huán)形部分連接在安裝法蘭之間，該膨脹組件可以接納靜電夾盤組件和導熱裝置的不同熱膨脹。
22.如權利要求21所述的膨脹組件，其特征在于，該環(huán)形部分通過彎曲部分連接于其中一個法蘭，并通過銅焊或者高溫焊接連接于另一個安裝法蘭。
23.如權利要求21所述的膨脹組件，其特征在于，還包括夾持裝置，該夾持裝置連接于第一安裝法蘭，適合于將第一安裝法蘭固定于靜電夾盤主體。
24.如權利要求23所述的膨脹組件，其特征在于，該夾持裝置和膨脹組件的第一安裝法蘭適合于壓縮在靜電夾盤組件外周和第一安裝法蘭之間的C形金屬密封環(huán)。
25.一種用于靜電夾盤的膨脹組件，包括第一環(huán)形安裝法蘭，可取下地固定于靜電夾盤主體；第二環(huán)形安裝法蘭；膨脹連接件，包括可形變的環(huán)形部分，該環(huán)形部分連接第一和第二安裝法蘭。
26.如權利要求25所述的膨脹組件，其特征在于，第一環(huán)形安裝法蘭與將靜電夾盤主體固定于第一安裝法蘭的夾持裝置相配合。
27.如權利要求25所述的膨脹組件，其特征在于，該可形變環(huán)形部分由彎曲部分連接于一個安裝法蘭。
28.如權利要求25所述的膨脹組件，其特征在于，該可形變環(huán)形部分由銅焊或者高溫焊連接于一個安裝法蘭。
29.如權利要求25所述的膨脹組件，其特征在于，第一和第二安裝法蘭中的一個法蘭與可形變的環(huán)形部分用整塊的材料制作。
全文摘要
一種適用于高溫的靜電夾盤，該靜電夾盤具有可替換的膨脹組件，該膨脹組件起外部管道裝置和隔熱的作用，位于靜電夾盤主體和導熱裝置之間。該膨脹組件可以容納靜電夾盤主體和導熱裝置之間的不同熱應力，和/或限制靜電夾盤組件和導熱裝置之間的直接熱傳導。該靜電夾盤能夠操作在高于200℃的溫度，因而該靜電夾盤可以用來用等離子體腐蝕材料，例如鉑，這種材料需要高溫才能揮發(fā)難揮發(fā)的腐蝕產物，還可用來進行常規(guī)的等離子體腐蝕、化學蒸氣沉積、濺射、離子注入、灰化等?？扇∠鹿潭ǖ呐蛎浗M件的新穎設計使得該靜電夾盤可以按比例放大，用于較大的工件，可以通過更多的熱循環(huán)提高耐用性，達到更經濟的運行。
文檔編號H01L21/205GK1537328SQ02815069
公開日2004年10月13日 申請日期2002年6月5日 優(yōu)先權日2001年6月28日
發(fā)明者格雷格·塞克斯頓, 艾倫·舍普, 馬克·A·肯納德, A 肯納德, 格雷格 塞克斯頓, 舍普 申請人:蘭姆研究公司