TW201318100A - 具有晶圓背側電漿輔助釋放作用的靜電卡盤 - Google Patents

Abstract

一種用於一電漿處理室的靜電卡盤組件，包括一陶瓷材料層的一支撐面，一半導體晶圓在電漿處理室中處理時被支撐於支撐面上；至少一靜電夾持電極，其當一靜電夾持電壓施加至夾持電極時，施加一靜電夾持力至支撐面上的晶圓；至少一支撐面中的出口，其輸送熱傳輸氣體至晶圓的一底側；至少一氣體通道，其連接至熱傳輸氣體的一氣體源，可操作地以一所需氣壓供應該熱傳輸氣體到至少一氣體通道；至少一孔穴與沿至少一氣體通道的電漿產生電極，電漿產生電極可操作地在孔穴中形成一釋放電漿，釋放電漿係有效地中和晶圓底側與靜電卡盤的支撐面上的電荷，從而降低晶圓與支撐面之間的殘留粘附力。

Description

具有晶圓背側電漿輔助釋放作用的靜電卡盤

本發明關於一種靜電卡盤設計的改良以及釋放晶圓的方法。

為了在真空室，如電漿蝕刻室裡，於處理晶圓的過程中夾住晶圓，各種卡盤的設計被開發出來。釋放過程中，晶圓與卡盤之間的殘留粘附力是一個挑戰。所以需要改良卡盤的設計與釋放的方法以解決粘著的問題。

此處揭露一種釋放以靜電電荷固定於一靜電卡盤上的晶圓的方法，靜電卡盤於一電漿處理室中被併入一下電極。此方法包括藉由施加一靜電夾持電壓至靜電卡盤，而夾住位於電漿處理室中之靜電卡盤的一支撐面上的晶圓，對晶圓施以電漿處理，同時對晶圓的底側以大於5托的氣壓供應一熱傳輸氣體，熄滅電漿處理室中的電漿並以1至10托的氣壓供應熱傳輸氣體，關閉靜電夾持電壓，以及於靜電卡盤的一孔穴中形成一釋放電漿，並以釋放電漿中和晶圓底側與靜電卡盤支撐面上的電荷。

此處亦揭露一種用於一電漿處理室的靜電卡盤組件，包括一陶瓷材料層的一支撐面，一半導體晶圓在電漿處理室中處理時被支撐於支撐面上；至少一靜電夾持電極，其當一靜電夾持電壓施加至夾持電極時，施加一靜電夾持力至支撐面上的晶圓；至少一支撐面中的出口，其輸送熱傳輸氣體至晶圓的一底側；至少一氣體通道，其連接至熱傳輸氣體的一氣體源，可操作地以一所需氣壓供應該熱傳輸氣體到至少一氣體通道；至少一孔穴與沿至少一氣體通道的電漿產生電極，電漿產生電極可操作地在孔穴中形成一釋放電漿，釋放電漿係有效地中和晶圓底側與靜電卡盤的支撐面上的電荷，從而降低晶圓與支撐面之間的殘留粘附力。

靜電卡盤(electrostatic chuck，ESC)通常被運用以夾住晶圓，以在半導體製造程序中提供矽晶圓(基板)的熱控制。基於強生拉別克效應(Johnsen Rahbek(JR)effect)的氧化鋁或氮化鋁陶瓷靜電卡盤、以及氧化鋁庫倫(Coulombic)靜電卡盤均被廣泛地用於各種處理設備中。

當電壓(直流或交流)施加於靜電卡盤的夾持電極時，靜電卡盤提供夾持力以固定晶圓。在施加的電壓移除時，夾持力被期待會變成零，此時晶圓可輕易被移除。在外部施加的電場(經由一電源供應器)出現時，晶圓係作為電容的一個電極，另一電極則是靜電卡盤中的夾持電極。當晶圓被夾住，晶圓與靜電卡盤表面之間的小空間/間隙通常會充滿氦氣(通常壓力在1到100托之間)，相較於晶圓與靜電卡盤之間只有物理接觸，其可提供更好的熱傳係數。

當在理想條件下，外部施加的電壓關閉時，晶圓與靜電卡盤之間的夾持力會完全消失，但這在真實條件下不常為真。例如，靜電卡盤的表面上累積的薄膜可在靜電卡盤的表面上導致電荷捕捉。此電荷會相對於外部施加的電場需要較長的時間消散，且即使在施加的電場關掉之後，也可造成晶圓上的殘留粘附力。蝕刻器裡靜電卡盤表面上薄膜的累積可由靜電卡盤(陶瓷)表面在室清洗程序中的氟化所導致。此外，電漿處理的副產品會沉積在靜電卡盤的表面上，而導致可捕捉電荷的膜。

由於重複處理晶圓而使靜電卡盤表面的平滑化也會導致殘留粘附力。由於矽與靜電卡盤陶瓷之間熱膨脹係數的不同，當電漿的熱負載引起晶圓的加熱(以及後續的熱膨脹)，晶圓表面會研磨到靜電卡盤陶瓷。由於晶圓在處理時被夾持力固定，這個晶圓與靜電卡盤之間的研磨在後續使用時會造成顯著的靜電卡盤陶瓷的平滑化。平滑的陶瓷造成晶圓與靜電卡盤之間的實際接觸面積的顯著增加。由於力量依1/d²變化，其中d是晶圓背側與陶瓷表面之間的距離，進一步減少靜電卡盤表面與晶圓背側之間的有效 距離會因任何在介面出現的電荷而增加夾持力。通常距離d大概會等於靜電卡盤表面的粗糙度(如圖1所示)，所以如果任何的殘留電荷存在於晶圓的表面，一個較平滑的靜電卡盤表面會造成較高的粘附力。如前所述，殘留電荷可能會因少量經由靜電卡盤陶瓷的漏電流或靜電卡盤表面上薄膜的電荷捕捉而出現。

當晶圓從靜電卡盤表面抬起時，晶圓上的殘留粘附力會導致顯著的問題，包括晶圓的彈出、粒子的產生、甚至晶圓的斷裂。

此處揭露一種方法，其在關閉靜電卡盤夾持電壓之後，移除晶圓上的殘留粘附力以確保安全的釋放，使與陶瓷中的漏電荷、陶瓷平滑化、陶瓷上累積薄膜相關聯的問題不會降低釋放晶圓的能力。

此方法僅在釋放步驟中，在夾持電壓關閉之後，在洞中提供電漿以輸送例如氦氣的熱傳輸氣體到晶圓的背側，使釋放電漿允許在晶圓背側上中和電荷。

圖1繪示在移除夾持電壓之後，靜電卡盤的粗糙陶瓷表面2與晶圓4之間的殘留力。在晶圓從靜電卡盤表面抬起時，殘留粘附力可導致問題，例如晶圓的彈出、粒子的產生、甚至晶圓的斷裂。

圖2顯示一靜電卡盤的結構，其中靠近靜電卡盤邊緣的洞6輸送氦氣至晶圓的背側。靜電卡盤表面的外邊緣具有一1-10 nm的密封區，使被夾住的晶圓能夠承受晶圓背側與電漿反應器中的壓力之間的100托的壓力差。此外，靜電卡盤表面表面具有凸台或凸塊分布於其表面上，使得晶圓與靜電卡盤表面之間的接觸面積顯著的減少。嵌入於靜電卡盤陶瓷層10的內部的夾持電極8連接到一外部電源以夾住晶圓。靜電卡盤陶瓷10接合在一冷卻板(底板)12上，且冷卻板具有冷媒通道14，使冷卻板的溫度可藉由連接冷卻板至一循環液體的溫度控制器(冷卻器)而被控制。陶瓷與冷卻板之間的接合層16的熱阻，可選擇以讓陶瓷與冷卻板之間的溫度差在每平方公分10瓦之下在攝氏2度至90度之間。此外，加熱器(未顯示)可以嵌入於陶瓷內部或陶瓷與接合材料之間， 以單獨控制陶瓷的溫度。

圖3顯示一實施例，其中一靜電卡盤陶瓷內的孔穴18係與輸送氦氣的洞6連通。一對電極20、22係設於孔穴18的各側而連接至一外部直流或交流/射頻電源。在電漿處理步驟中，鄰近孔穴18的電極20、22係保持電浮動於相同的電位，使得孔穴18內於徑向上不存在電場。孔穴18的高度係選為使在電漿處理時所施加的射頻電源無法維持氦氣通道的放電，特別是在孔穴中的高壓(10托到100托)下。此外，電漿處理時射頻電流的電場係低於放電所需。例如，1公釐高且氦氣壓力80托的孔穴，基於氦氣的帕邢曲線(Paschen curve)，跨孔穴18的高度需要大約1000伏特的壓降以維持放電。

圖4為各種氣體的帕邢曲線圖，顯示跨一間隙所需的點燃間隙放電的最小直流電壓為pd(孔穴內之壓力X孔穴在電場方向上的尺寸)的函數。

在釋放步驟中，連接到夾持電極8的電源被設定為0伏特(或是其它依晶圓的條件的適當電壓)，且連接到橫跨孔穴18的電極20、22的外部電源被打開以於徑向上提供一強電場。此外，晶圓背側上的氦氣氣壓藉由抽出部份的氦氣被降低到一適當的範圍，如1到10托，較佳地為低於5托。孔穴18的寬度被選為允許孔穴18中的pd接近帕邢曲線的最小值，使點燃放電可由於施加電場於孔穴18周圍的電極20、22上而發生。此外，低射頻功率(<1000瓦)可施加於晶圓，以於釋放步驟中孔穴裡的徑向電場出現時，幫助維持孔穴18中的放電。孔穴中弱電漿的形成允許電漿的電荷中和任何晶圓背側上與靜電卡盤表面邊緣密封區域的電荷，從而顯著的降低殘留粘附力。

圖5顯示一實施例，其中孔穴18各側的電極包括經由導孔20c、22c(連接線)垂直連接的上平面電極20a、22a以及下平面電極20b、22b。本實施例的優點為相較於圖4所示的圓柱形電極20、22，其比較容易製造。

圖6顯示另一實施例，其中上平面電極20a、22a與下平面電 極20b、22b係設於孔穴18的上方與下方，使因電極之間的電壓差而生的電場係在垂直方向。在此狀況中，各電極為一平面環，開口位於氦氣洞6所在的位置。

圖7為一圖6的實施例，其中ESC陶瓷層10中的徑向通道6a從中心軸向通道6b配送氦氣到所有靜電卡盤中的氦氣洞。此氦氣輸送的結構也可以和圖4與5的釋放電極的結構結合。

圖8顯示另一實施例，其中釋放電漿係供應到晶圓下面的內外區。靜電卡盤包括一外孔穴18a與一內孔穴18b，釋放電極係設在各孔穴的相對側。上電極20a、22a與下電極20b、22b係設在外孔穴18a的上下，且上電極24a、26a與下電極24b、26b係設在內孔穴18b的上下。依此配置，晶圓背側於內外區可維持不同的氦氣氣壓。此方案在靜電卡盤的邊緣採用一密封區，以及在靜電卡盤小於外徑的半徑上採用另一密封區，以製造兩個分開的氦氣區。此一多個氦氣區的結構在每個氦氣區都可以採用周圍設有電極的氦氣孔穴。如前所述，各氦氣孔穴可採用各種此處所描述的釋放電極結構。

在釋放步驟維持夾持電極在與晶圓相同的電位可避免來自通道周圍的電極的電場讓晶圓被夾住(由於夾持電極的遮蔽效應)。

此處描述的靜電卡盤可用於各種的靜電卡盤組合，其中靜電卡盤(陶瓷層與嵌入電極、氦氣洞、孔穴與釋放電漿電極)具有一平面、凸台平面、單區氦氣靜電卡盤、雙區氦氣靜電卡盤、以及各種具有單極或雙極夾住方案的可旋轉靜電卡盤。

此處敘述了一種具有連續環形孔穴18的靜電卡盤，唯靜電卡盤可被修改以包括不同的孔穴與釋放電極的配置。例如，除連續環形孔穴與連續釋放電極之外，孔穴可以分段成更小的部份，使圍繞各氦氣洞的孔穴具有分段的釋放電極，或在分段的孔穴的相對側具有連續的釋放電極。

靜電卡盤可允許：(1)於釋放步驟在晶圓背側上使用被控制的電漿以提供更佳的釋放，(2)於處理步驟中處理晶圓而不會於背側點燃氦氣的能力，(3)使用直流電場與射頻電場的組合以在 晶圓背側取得氦氣放電，且/或(4)使用強直流電場以維持背側的放電以利晶圓釋放的能力。

在一釋放方法中，熱傳輸氣體為氦氣，且釋放電漿藉由施加電力至一對設於孔穴18的相對側的電極而形成。孔穴18可為一連續環形孔穴，其截面為長方形，寬度至少為高度的兩倍，較佳地為至少五倍。孔穴18可與多個於孔穴18與靜電卡盤支撐面之間垂直延伸的氣體通道6連通。當供應足以維持熱傳輸氣體在離子化狀態的射頻電力至電極時，釋放電漿可藉由施加足以點燃熱傳輸氣體成為電漿的直流電力至電極而形成。另一方面，射頻電力可供應至靜電卡盤組件的底板。

在一種配置中，該對電極包括了一沿著孔穴內週圍的內電極，以及一沿著孔穴外週圍的外電極。

在另一種配置中，該對電極包括一內電極與一外電極。內電極包括平行的平面上下內環，其由至少一位於孔穴內週圍內部的垂直導體相連接，且內環包括位於孔穴內部上方與下方的外部。外電極包括平行的平面上下外環，其由至少一位於孔穴外週圍外部的垂直導體相連接，外環包括位於孔穴外部上方與下方的部份。以此電極的配置，內外環主要在徑向上產生電場。

在又一種配置中，該對電極包括平行的平面上下環狀電極，上下環狀電極包括圍繞著從孔穴向支撐面延伸的垂直氣體通道的開口。

在一種配置中，卡盤為一雙區卡盤，其供應氦氣至晶圓底下的內外區，以在電漿處理晶圓時，獨立地控制晶圓跨內外區的溫度，釋放可藉由供應釋放電漿至內外區來實現。

2‧‧‧粗糙陶瓷表面

4‧‧‧晶圓

6‧‧‧洞

6a‧‧‧徑向通道

6b‧‧‧中心軸向通道

8‧‧‧夾持電極

10‧‧‧靜電卡盤陶瓷層

12‧‧‧冷卻板

14‧‧‧冷媒通道

16‧‧‧接合層

18‧‧‧孔穴

18a‧‧‧外孔穴

18b‧‧‧內孔穴

20、22‧‧‧電極

20a、22a‧‧‧上平面電極

20b、22b‧‧‧下平面電極

20c、22c‧‧‧導孔

24a、26a‧‧‧上電極

24b、26b‧‧‧下電極

圖1為一示意圖，顯示靜電卡盤的粗糙陶瓷表面，以及與靜電卡盤表面接觸的晶圓背側。

圖2為一示意圖，顯示一靜電卡盤組件，其具有一嵌有電極的上陶瓷層以及具有接近被陶瓷層支撐的晶圓周邊的氦氣輸送洞 的底板。

圖3為一示意圖，顯示依一實施例的靜電卡盤組件，其中設有一孔穴以產生釋放電漿，靜電卡盤組件，其具有一嵌有電極的上陶瓷層以及具有接近被陶瓷層支撐的晶圓周邊的氦氣輸送洞的底板。

圖4為各種氣體的帕邢曲線圖，顯示跨一間隙所需的點燃間隙放電的最小直流電壓與pd(孔穴乘孔穴的尺寸在電場方向上的壓力)的函數。

圖5為一示意圖，顯示依一實施例的靜電卡盤組件，其中內外電極係設於孔穴的相反側上，釋放電漿形成於孔穴中。

圖6為一示意圖，顯示依一實施例的靜電卡盤組件，其中一對上電極與一對下電極係設於孔穴的相對側上，釋放電漿形成於孔穴中。

圖7為一示意圖，顯示依一實施例的靜電卡盤組件，其中氦氣自中心軸向通道與多個徑向通道分布到孔穴。

圖8為一示意圖，顯示依一實施例的靜電卡盤組件，其中釋放電漿係輸送到晶圓底下的內外區。

4‧‧‧晶圓

6‧‧‧洞

8‧‧‧夾持電極

10‧‧‧靜電卡盤陶瓷層

12‧‧‧冷卻板

14‧‧‧冷媒通道

16‧‧‧接合層

Claims (20)

1. 一種釋放以靜電電荷固定於一靜電卡盤上的晶圓的方法，該靜電卡盤於一電漿處理室中被併入一下電極，該方法包含：藉由施加一靜電夾持電壓至一靜電卡盤，於該電漿處理室中在該靜電卡盤的一支撐面上夾住一晶圓；對該晶圓施以電漿處理，同時對該晶圓的底側以大於5托的氣壓供應一熱傳輸氣體；熄滅該電漿處理室中的電漿，並以1至10托的氣壓供應該熱傳輸氣體；關閉該靜電夾持電壓；以及於該靜電卡盤的一孔穴中形成一釋放電漿，並以該釋放電漿中和該晶圓底側與該靜電卡盤支撐面上的電荷。
2. 如申請專利範圍第1項之釋放以靜電電荷固定於一靜電卡盤上的晶圓的方法，其中該熱傳輸氣體為氦氣，且該釋放電漿係藉由施加電力至設於該孔穴的相對側上的一對電極而形成。
3. 如申請專利範圍第2項之釋放以靜電電荷固定於一靜電卡盤上的晶圓的方法，其中該孔穴係一截面為長方形的連續環形孔穴，該孔穴的寬度至少為其高度的兩倍，且該孔穴與多數個垂直氣體通道流體連通，該垂直氣體通道在該孔穴與該靜電卡盤的該支撐面之間延伸。
4. 如申請專利範圍第3項之釋放以靜電電荷固定於一靜電卡盤上的晶圓的方法，其中該對電極包含沿該孔穴之一內週圍的一內電極，以及沿該孔穴之一外週圍的一外電極。
5. 如申請專利範圍第2項之釋放以靜電電荷固定於一靜電卡盤上的晶圓的方法，其中該釋放電漿係當供應足以維持該熱傳輸氣體於一離子化狀態的射頻電力至該電極時，藉由施加足以點燃該熱 傳輸氣體為電漿的直流電力至該電極而形成。
6. 如申請專利範圍第2項之釋放以靜電電荷固定於一靜電卡盤上的晶圓的方法，其中該下電極包括該靜電卡盤下方的一溫控底板，且該釋放電漿係當供應足以維持該熱傳輸氣體於一離子化狀態的射頻電力至該底板時，藉由施加足以點燃該熱傳輸氣體為電漿的直流電力至該電極而形成。
7. 如申請專利範圍第2項之釋放以靜電電荷固定於一靜電卡盤上的晶圓的方法，其中該對電極包含一內電極與一外電極，該內電極包含平行的平面上下內環，其由至少一位於該孔穴內週圍內部的垂直導體相連接，該些內環包括位於該孔穴內部上方與下方的外部，且該外電極包含平行的平面上下外環，其由至少一位於該孔穴外週圍外部的垂直導體相連接，該些外環包括位於該孔穴外部上方與下方的部份，該內環與該外環主要於一徑向產生電場。
8. 如申請專利範圍第2項之釋放以靜電電荷固定於一靜電卡盤上的晶圓的方法，其中該對電極包含平行的平面上下環狀電極，該上下環狀電極包括圍繞著從該孔穴向該支撐面延伸的垂直氣體通道的開口。
9. 如申請專利範圍第1項之釋放以靜電電荷固定於一靜電卡盤上的晶圓的方法，其中該熱傳輸氣體為氦氣，且該孔穴為一環形孔穴，其與複數個從該孔穴向該支撐面延伸的氦氣通道流體連通。
10. 如申請專利範圍第2項之釋放以靜電電荷固定於一靜電卡盤上的晶圓的方法，其中該卡盤為一雙區卡盤，且該方法包括供應氦氣至該晶圓底下的內外區，以在電漿處理該晶圓時，獨立地控制該晶圓跨該內外區的溫度，以及在熄滅電漿後，供應該釋放電漿至該內外區。
11. 一種用於一電漿處理室的靜電卡盤組件，包含：一陶瓷材料層的一支撐面，一半導體晶圓在該電漿處理室中處理時被支撐於該支撐面上；至少一靜電夾持電極，嵌入至該陶瓷材料層中，當一靜電夾持電壓施加至該夾持電極時，該至少一靜電夾持電極可操作地施加一靜電夾持力至該支撐面上的該晶圓；至少一支撐面中的出口，其輸送熱傳輸氣體至該晶圓的一底側；該陶瓷材料層中的至少一氣體通道，其連接至該熱傳輸氣體的一氣體源，可操作地以一所需氣壓供應該熱傳輸氣體到至少一該氣體通道；以及至少一孔穴與沿該至少一氣體通道的電漿產生電極，該電漿產生電極可操作地在該孔穴中形成一釋放電漿，該釋放電漿係有效地中和該晶圓底側與該靜電卡盤的該支撐面上的電荷，從而降低該晶圓與該支撐面之間的殘留粘附力。
12. 如申請專利範圍第11項的用於一電漿處理室的靜電卡盤組件，其中該陶瓷材料層的一下表面係接合至一加熱板的一上表面，該加熱板的一下表面係接合至一溫控底板的一上表面，且該電漿產生電極包括設於該孔穴相對側的一對電極。
13. 如申請專利範圍第12項的用於一電漿處理室的靜電卡盤組件，其中該孔穴係一截面為長方形的連續環形孔穴，該孔穴的寬度至少為其高度的兩倍，且該孔穴與多數個垂直氣體通道流體連通，該垂直氣體通道在該孔穴與該靜電卡盤的該支撐面之間延伸。
14. 如申請專利範圍第13項的用於一電漿處理室的靜電卡盤組件，其中該對電極包含沿該孔穴之一內週圍的一內電極，以及沿該孔穴之一外週圍的一外電極。
15. 如申請專利範圍第12項的用於一電漿處理室的靜電卡盤組件，更包含連接至該對電極的一直流電源，連接至該對電極的一射頻電源，以及一控制從該直流電源與該射頻電源供應電力的控制器，使該釋放電漿係當供應足以維持該熱傳輸氣體於一離子化狀態的射頻電力至該電極時，藉由施加足以點燃該熱傳輸氣體為電漿的直流電力至該電極而形成。
16. 如申請專利範圍第12項的用於一電漿處理室的靜電卡盤組件，其中該對電極包含一內電極與一外電極，該內電極包含平行的平面上下內環，其由至少一位於該孔穴內週圍內部的垂直導體相連接，該些內環包括位於該孔穴內部上方與下方的外部，且該外電極包含平行的平面上下外環，其由至少一位於該孔穴外週圍外部的垂直導體相連接，該些外環包括位於該孔穴外部上方與下方的部份，該內環與該外環主要於一徑向產生電場。
17. 如申請專利範圍第12項的用於一電漿處理室的靜電卡盤組件，其中該對電極包含平行的平面上下環狀電極，該上下環狀電極包括圍繞著從該孔穴向該支撐面延伸的垂直氣體通道的開口。
18. 如申請專利範圍第11項的用於一電漿處理室的靜電卡盤組件，其中該熱傳輸氣體供應氦氣至該孔穴，且該孔穴為一環形孔穴，其與複數個從該孔穴向該支撐面延伸的氦氣通道流體連通。
19. 如申請專利範圍第11項的用於一電漿處理室的靜電卡盤組件，其中該卡盤為一雙區卡盤，其可操作地供應壓力獨立被控制的氦氣至該晶圓底下的內外區，以在電漿處理該晶圓時，獨立地控制該晶圓跨該內外區的溫度，且其中該釋放電漿係供應至該內外區。
20. 如申請專利範圍第12項的用於一電漿處理室的靜電卡盤組 件，更包含該靜電卡盤下的一底板，連接至該對電極的一直流電源，連接至該底板的一射頻電源，以及一控制從該直流電源與該射頻電源供應電力的控制器，使該釋放電漿係當供應足以維持該熱傳輸氣體於一離子化狀態的射頻電力至該電極時，藉由施加足以點燃該熱傳輸氣體為電漿的直流電力至該電極而形成。