TWI496511B - 電漿處理腔室之下部電極組件 - Google Patents

電漿處理腔室之下部電極組件 Download PDF

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Description

電漿處理腔室之下部電極組件
本發明係關於電漿處理腔室。
【交叉參考之相關申請案】
依照美國專利法第35篇第119條規定，本申請案對西元2008年10月31日所申請之美國暫時專利申請案第61/193,151號主張優先權，其內容以引用方式併入於本文。
然而，在下文參照特定結構與方法的描述中，如此的參照未必被解讀成在法律規定適用的範圍內承認把這些結構及方法視為先前技藝。本申請人保留證明任一參照標的未構成先前技藝的權利。
在導體(金屬)處理領域中，電漿處理腔室常用以蝕刻基板上所形成的一或多層別。於蝕刻期間，該腔室內基板支撐表面上支撐著基板。基板支架可包括數個置於該基板支架周遭(即基板周遭)的邊緣環，用以將電漿侷限在基板上方的容積及/或保護該基板支架免受電漿侵蝕，該基板支架通常包括夾持機制。邊緣環，有時稱為聚焦環，可為犧牲性(即消耗性)零件。在共同擁有之美國專利案第5,805,408、5,998,932、6,013,984、6,039,836及6,383,931號中描述到導體及非導體邊緣環。
於電漿蝕刻期間，藉由在低壓時對氣體(或氣體混合物)添加大量能量而在基板表面之上形成電漿。該電漿可包含帶有高動能的離子、自由基、與中性物種。藉由調整基板的電位，電漿中的帶電物種可直接撞擊該基板表面，從而移除其中的材料(如原子)。
用於電漿處理腔室的下電極組件包括金屬基底及上與下邊緣環。該金屬基底包括數塊金屬板，該數塊金屬板焊接一起且在該基底的下側表面上形成焊接線、包括自該下側表面水平向內延伸的邊緣環支撐表面及包括該邊緣環支撐表面之上的上側表面。該上邊緣環包括一下表面，其安裝於該邊緣環支撐表面上，且該下邊緣環圍繞著該基底的下側表面，在該上邊緣環與該下邊緣環的相對面間及在該下邊緣環與該基底的外緣周間存有空隙。該空隙具有足夠的長寬比(總空隙長度相對於平均空隙寬度)，以防止該焊接線位置處的電弧。
電漿腔室一般用於藉由供應包括一或多種氣體的蝕刻氣體至該腔室，並對該蝕刻氣體施加能量，使其激發成電漿態而蝕刻基板上的材料層。吾人已知各種電漿腔室設計，其中射頻(RF)能量、微波能量及/或磁場可用以產生並支持中密度或高密度電漿。
在如此的電漿處理腔室中，經由合適的裝置，如噴淋頭電極或氣體注入系統，供應處理氣體，且對處理氣體該供應RF能量以產生電漿，而電漿蝕刻下電極上所支撐的半導體基板。
對於金屬蝕刻處理，下電極組件可併於變壓器耦合電漿(TCPTM )反應器中。變壓器耦合電漿反應器可自Lam研發股份有限公司(加州，Fremont)購得，其中RF能量係感應耦合至反應器中。在共同擁有之美國專利案第5,948,704號中揭露可提供高密度電漿之高流動性電漿反應器的例子，其內容以引用方式併入於本文。
圖1說明平行板電漿蝕刻反應器。電漿蝕刻反應器100包括腔室110、入口負載鎖112與選用的出口負載鎖114，在共同擁有的美國專利案第6,824,627號中進一步描述之，其內容以引用方式併入於本文。
負載鎖112與114(若有設置的話)包括傳送裝置，將如晶圓的基板自晶圓供應器162，經腔室110，傳出至晶圓接收器164。負載鎖泵176可在負載鎖112與114中提供所需的真空壓力。
如渦輪泵的的真空泵172適於維持腔室中所需的壓力。於電漿蝕刻期間，控制腔室壓力，且最好維持在足以支持電漿的程度。太高，腔室壓力會不利地促使蝕刻終止，而太低，腔室壓力會導致電漿熄滅。在中密度電漿反應器中，如平行板反應器，最好使腔室壓力維持在約200 mTorr之下(如低於100 mTorr或低於50 mTorr)的壓力。
該真空泵可與反應器之壁中的排氣口連接，且受閥173的節流，而控制腔室中的壓力。更好的是，該真空泵能夠維持低於200 mTorr的腔室內壓力，同時使蝕刻氣體流入該腔室中。
腔室110包括上電極組件120及下電極組件140，上電極組件120包括上電極125(如噴淋頭電極)，而下電極組件140包括底座(即下電極)160與其上表面中所形成的基板支撐表面150。上電極組件120安裝在上殼130中。機構132可使上殼130垂直移動，以調整上電極125與基板支撐表面150間的空隙。
蝕刻氣體源170可與殼130連接，以傳送含一或多種氣體的蝕刻氣體至上電極組件120。在較佳蝕刻反應器中，該上電極組件包括氣體分布系統，其可用以傳送反應及/或載體氣體至靠近基板表面的區域。在共同擁有之美國專利案第6,333,272、6,230,651、6,013,155及5,824,605號中揭露氣體分布系統，其可包括一或多個氣密漲圈、注入器及/或噴淋頭(如噴淋頭電極)，上述案內容併入於本文以供參考。
上電極125最好包括噴淋頭電極，其包括分布蝕刻氣體的孔口(未顯示)。該噴淋頭電極可包括一或多個垂直間隔開的擋板，其可促進所需的蝕刻氣體分散。該上及下電極可由任一合適材料所形成，如石墨、矽、碳化矽、鋁(如陽極極化鋁)或其組合。熱傳液體源174可與上電極組件120連接，且另一熱傳液體源可與底座160連接。
儘管上文描述了平行板反應器，邊緣環組件可用於其它電漿處理系統，如感應耦合電漿腔室。
圖2顯示基板支架200，其包括支撐基板S的底座202、繞著底座202的下邊緣環204及上邊緣環206。上邊緣環206在其下表面上包括與該下邊緣環上端接合的台階。
圖3顯示底座300，其最好包括鋁合金(如6061-T6)的上板302、中板304及下板306。中板304包括冷卻劑通道308，供應著通過入口310的冷卻劑。底座中所循環的冷卻劑經由出口(未顯示)離開。可在鋁板(如6061)中加工製造通道308，且下板306與中板304在焊接線312真空焊接以封閉該通道。
上板302可包括一或多個供應熱傳氣體(如He)的氣體通道314。上板302的下側中所加工製造的一或多個徑向延伸的通道316可貫穿升降銷孔318，升降銷(未顯示)垂直移動穿過升降銷孔318，以將晶圓升離底座的上表面320與將晶圓降至上表面320上。沿圓周間隔開且軸向延伸的氣體通道(未顯示)使氣體通道314的He對準晶圓下側。上板302與中板304在焊接線322真空焊接以封閉氣體通道314與氣體通道316。
在將上板及下板與中板焊接後，ESC陶瓷層板(未顯示)與上板302的上表面結合，將底座組件加工以提供光滑表面且使該組件陽極極化。此陽極化結果在焊接線312及322處會導致增加約0.001英吋(25μm)的厚度。
圖4顯示被設計成安裝在底座300周緣的邊緣環組件。然而，當邊緣環組件用以於導體材料(如鋁或其它導體層)電漿蝕刻期間支撐感應耦合電漿腔室中的晶圓時，45小時後會在真空焊接連結線312與322周遭的許多位置處觀察到電弧斑。此邊緣環組件包括上環402與下環414，且具有環狀水平空隙，空隙高度(H)範圍自0.003至0.047英吋及空隙長度(L)約0.6英吋。因製造加工的表面帶有公差以允許上環及下環之相對面的配適，故該空隙高度具有0.003至0.047英吋的範圍。例如，該等環可為具有約12英吋或更大內徑的加工石英環，適合用在支撐300 mm晶圓的底座上。例如，上邊緣環可具有約12英吋的內徑，且下邊緣環內徑可約為12.6英吋。具有0.011至0.030英吋之空隙範圍及約1英吋之長度的環狀垂直空隙將下邊緣環的內緣周與底座的外緣周分開。
參照圖2，已證明上邊緣環在其下表面具有單一小台階，係無法防止底座組件之焊接線處的電弧。相反地，具有較大台階、多個台階或其它改良處理以增加空隙長寬比的上邊緣環可抑制焊接線處的電弧。特別是，圖4顯示一台階式邊緣環組件400的橫剖面圖，其中上邊緣環402具有0.6英吋的高度(H)、13.820英吋的外徑(OD)、12.0英吋的內徑(ID)及1.820英吋的寬度(W)，台階404在下表面406提供約0.1英吋的偏移。為順應突出底座上表面的晶圓邊緣，凹部408在上表面410之下自內緣周412向內延伸0.108英吋。下邊緣環414包括與台階404接合的上端416。凹部418與底座300底下的介電構件接合。
圖5顯示克服電弧問題的邊緣環組件。該邊緣環組件包括上邊緣環508，上邊緣環508在其下表面具有複數的台階502及504，該等台階使上及下邊緣環之相對面間的空隙延長，從而阻止電漿穿透至真空焊接線312及322的位置。有了此台階式的環，在2000 RF偏壓小時後仍未觀察到電弧。
二台階式邊緣環組件500包括內台階502與外台階504。該內台階具有0.1英吋的深度，且外台階504在上邊緣環508的外緣周506處提供0.250英吋的凹部，並自該外緣周延伸至垂直面510。下邊緣環512包括與外台階504接合的凸部514，且上內部516與內台階502接合。
可以各種邊緣環組態實現曲徑式密封的邊緣環組件。在變體A中，在上邊緣環的下表面中設置單一台階，但帶有增大的垂直偏移(距下表面)，下邊緣環的高度因而增加。例如，凹部可達該邊緣環之高度的25至50%。在變體B中，在上邊緣環的下表面中設置二台階，且下邊緣環的上表面包括一或多個與該上邊緣環之下表面接合的凸部。在變體C中，達該邊緣環高度之25至50%的單一台階擴展到上邊緣環的下表面中，且下邊緣環包括與該上邊緣環之凹部接合的單一台階。在變體D中，上邊緣環之下表面中的台階延伸超出該下表面50%以上，且下邊緣環包括在該邊緣環安裝面外部之上延伸的內凸部。變體D中的台階高度垂直地達上邊緣環的高度的30至60%。在變體E中，對照的邊緣環組件包括介電質障壁環，其可放進上邊緣環及下邊緣環之相對面中對齊的凹槽。該障壁環可放進深度為該上邊緣環高度之10至40%的凹槽中。在變體F中，上邊緣環在其下表面中包括包括單一環狀凹部，且下邊緣環包括與該凹部接合的環狀凸部。該等凹部達上邊緣環之高度的10至40%，且寬度係下邊緣環寬度的15至60%。
圖6A顯示邊緣環組件600，其包括上環602及下環604。上環602包括溫控基底610之環狀表面608所承受的下表面606、面對基底610之柱狀側表面614的內側表面612、曝露於電漿環境的外側表面616、曝露於電漿環境的頂表面618(圍繞著該基底上所支撐的基板S)、位在該基板外緣周之下的上台階620與包括外下表面624及外下側壁626的下台階622。下邊緣環604包括外表面628、上表面630、內側表面632及內側表面632底端處的下台階634。上邊緣環602及下邊緣環604之相對面間具有0.003至0.055英吋寬度(W)的空隙640具有足以在硬焊接合部642位置處防止電弧的長度(L)。因此，對於平均空隙寬度，L/W的長寬比最好至少為20。
圖6B顯示邊緣環組件600B，其包括上環602B及下環604B。上環602B包括溫控基底610之環狀表面608所承受的下表面606B、面對基底610之柱狀側表面614的內側表面612、曝露於電漿環境的外側表面616B、曝露於電漿環境的頂表面618(圍繞著該基底上所支撐的基板S)、位在該基板外緣周之下的上台階620與包括外下表面624及外下側壁626的下台階622。下邊緣環604B包括外表面628、上表面630B及631B、內側表面632及內側表面632底端處的下台階634。上邊緣環602B及下邊緣環604B之相對面間具有0.003至0.055英吋寬度(W)的空隙640B具有足以在硬焊接合部642位置處防止電弧的長度(L)。因此，對於平均空隙寬度，L/W的長寬比最好至少為20。
圖6C顯示邊緣環組件600C，其包括上環602C及下環604C。 上環602C包括下表面606C，其具有溫控基底610之環狀表面608所承受的內部及延伸超出該支撐面的外部、面對基底610之柱狀側表面614的內側表面612、曝露於電漿環境的外側表面616C、曝露於電漿環境的頂表面618(圍繞著該基底上所支撐的基板S)、位在該基板外緣周之下的上台階620與包括外下表面624C及外下側壁626C的下台階622C。下邊緣環604C包括外表面628、上表面630C及631C、內側表面632及內側表面632底端處的下台階634。上邊緣環602C及下邊緣環604C之相對面間具有0.003至0.055英吋寬度(W)的空隙640C具有足以在硬焊接合部642位置處防止電弧的長度(L)。因此，對於平均空隙寬度，L/W的長寬比最好至少為20。
圖6D顯示邊緣環組件600D，其包括上環602D及下環604D。上環602D包括下表面606D，其具有溫控基底610之環狀表面608所承受的內部及延伸超出該支撐面的外部、面對基底610之柱狀側表面614的內側表面612、曝露於電漿環境的外側表面616D、曝露於電漿環境的頂表面618(圍繞著該基底上所支撐的基板S)、位在該基板外緣周之下的上台階620與面對下邊緣環604D之環狀溝槽652的環狀溝槽650。介電質環654安裝在溝槽650及652中。下邊緣環604D包括外表面628、上表面630D、內側表面632及內側表面632底端處的下台階634。上邊緣環602D及下邊緣環604D之相對面間具有的0.003至0.055英吋寬度(W)的空隙640D具有藉由介電質環654延長而足以在硬焊接合部642位置處防止電弧的長度(L)。因此，對於平均空隙寬度，L/W的長寬比最好至少為20。
圖6E顯示邊緣環組件600E，其包括上環602E及下環604E。上環602E包括溫控基底610之環狀表面608所承受的下表面606E、面對基底610之柱狀側表面614的內側表面612、曝露於電漿環境的外側表面616E、曝露於電漿環境的頂表面618(圍繞著該基底上所支撐的基板S)、位在該基板外緣周之下的上台階620與包括外下表面624E及外下側壁626E的下台階622E。下邊緣環 604E包括外表面628、上表面630、內側表面632及內側表面632底端處的下台階634。上邊緣環602E及下邊緣環604E之相對面間具有0.003至0.055英吋寬度(W)的空隙640E具有足以在硬焊接合部642位置處防止電弧的長度(L)。因此，對於平均空隙寬度，L/W的長寬比最好至少為20。
圖6F顯示邊緣環組件600F，其包括上環602F及下環604F。上環602F包括溫控基底610之環狀表面608所承受的下表面606F且表面606F的外部包括容納自下邊緣環604F向上延伸環狀之凸部658的環狀凹部、面對基底610之柱狀側表面614的內側表面612、曝露於電漿環境的外側表面616F、曝露於電漿環境的頂表面618(圍繞著該基底上所支撐的基板S)與位在該基板外緣周之下的上台階620。下邊緣環604F包括外表面628、上表面630F、內側表面632及內側表面632底端處的下台階634。上邊緣環602F及下邊緣環604F之相對面間具有0.003至0.055英吋寬度(W)的空隙640F具有足以在硬焊接合部642位置處防止電弧的長度(L)。因此，對於平均空隙寬度，L/W的長寬比最好至少為20。
本文所用之「包括」及「包含」等詞用來指明含有所稱的特徵、步驟或組成物，但該等詞的使用不排除一或多種特徵、步驟、組成物或其群組的存在或增加。
所有上文所指的參考文獻是以全文引用的方式併入，其引用程度就如同將每一個別參考文獻特定且個別地以全文引用的方式併入。
雖然已參照數個較佳實施例敘述本發明，將了解到，對於熟悉本技藝者明顯係可進行變動及修改。如此的變動及修改將被視為不出本文隨附之請求項所定義之本發明的範圍及範疇。
100‧‧‧電漿蝕刻反應器
110‧‧‧腔室
112‧‧‧負載鎖
114‧‧‧負載鎖
120‧‧‧上電極組件
125‧‧‧上電極
130‧‧‧上殼
132‧‧‧機構
140‧‧‧下電極組件
150‧‧‧與基板支撐表面
160‧‧‧底座
162‧‧‧晶圓供應器
164‧‧‧晶圓接收器
170‧‧‧蝕刻氣體源
172‧‧‧真空泵
173‧‧‧閥
174‧‧‧熱傳液體源
176‧‧‧負載鎖泵
200‧‧‧基板支架
202‧‧‧底座
204‧‧‧下邊緣環
206‧‧‧上邊緣環
300‧‧‧底座
302‧‧‧上板
304‧‧‧下板
306．．．中板
308．．．通道
310．．．入口
312．．．焊接線
314．．．氣體通道
316．．．通道
318．．．升降銷孔
320．．．上表面
322．．．焊接線
400．．．邊緣環組件
402．．．上環/上邊緣環
404．．．上環/上邊緣環
406．．．下表面
408．．．凹部
410．．．上表面
412．．．內緣周
414．．．下環/下邊緣環
416．．．上端
418．．．凹部
500．．．邊緣環組件
502．．．台階
504．．．台階
506．．．外緣周
508．．．上邊緣環
510．．．垂直面
512．．．下邊緣環
514．．．凸部
516．．．上內部
600．．．邊緣環組件
600B．．．邊緣環組件
600C．．．邊緣環組件
600D．．．邊緣環組件
600E．．．邊緣環組件
600F．．．邊緣環組件
602．．．上環/上邊緣環
602B．．．上環/上邊緣環
602C．．．上環/上邊緣環
602D．．．上環/上邊緣環
602E．．．上環/上邊緣環
602F．．．上環/上邊緣環
604．．．下環/下邊緣環
604B．．．下環/下邊緣環
604C．．．下環/下邊緣環
604D．．．下環/下邊緣環
604E．．．下環/下邊緣環
604F．．．下環/下邊緣環
606．．．下表面
606B．．．下表面
606C．．．下表面
606D．．．下表面
606E．．．下表面
606F．．．下表面
608．．．環狀表面
610．．．基底
612．．．內側表面
614．．．側表面
616．．．外側表面
616B．．．外側表面
616C．．．外側表面
616D．．．外側表面
616E．．．外側表面
616F．．．外側表面
618．．．頂表面
620．．．上台階
622．．．下台階
622C．．．下台階
622E．．．下台階
624．．．外下表面
624C．．．外下表面
624E．．．外下表面
626．．．外下側壁
626C．．．外下側壁
626E．．．外下側壁
628．．．外表面
630．．．上表面
630B．．．上表面
630C．．．上表面
630D．．．上表面
630F．．．上表面
631B．．．上表面
631C．．．上表面
632．．．內側表面
634．．．下台階
640．．．空隙
640B．．．空隙
640C．．．空隙
640D．．．空隙
640E．．．空隙
640F．．．空隙
642．．．硬焊接合部
650．．．溝槽
652．．．溝槽
654．．．介電質環
658．．．凸部
S．．．基板
圖1係習知電漿處理設備的說明。
圖2係對照的下電極組件說明。
圖3係圖2所示之底座的橫剖面說明。
圖4顯示圖2所示之組件的上及下邊緣環細節。
圖5顯示依據較佳實施例之曲徑式密封的邊緣環組件細節。
圖6A-F顯示徑式密封之邊緣環組件的實施例。
200．．．基板支架
202．．．底座
204．．．下邊緣環
206．．．上邊緣環
S．．．基板

Claims (11)

  1. 一種用於一電漿處理腔室的下電極組件，包括：a、一金屬基底，包括上金屬板及下金屬板：i.一焊接線，位於一硬焊接合部位置處的一下側表面上，該硬焊接合部將該上金屬板與該下金屬板冶金結合一起；ii.一邊緣環支撐表面，位於該焊接線上方，並且自該下側表面水平向內延伸；及iii.一上側表面，位於該邊緣環支撐表面之上；b、一上邊緣環，包括一下表面，安裝於該邊緣環支撐表面上；c、一下邊緣環，圍繞著該下側表面；及d、一空隙，水平且垂直地延伸在該上邊緣環與該下邊緣環的相對表面之間、以及該下邊緣環與該基底的外緣周之間，該空隙具有足夠的長寬比以防止該焊接線位置處的電弧，該長寬比係總空隙長度相對於平均空隙寬度之比。
  2. 如申請專利範圍第1項之用於一電漿處理腔室的下電極組件，其中該長寬比至少為20。
  3. 如申請專利範圍第1項之用於一電漿處理腔室的下電極組件，其中該下邊緣環及/或該上邊緣環包括一介電質材料。
  4. 如申請專利範圍第3項之用於一電漿處理腔室的下電極組件，其中該介電質材料包括選自於氧化釔、氧化鈰、氧化鋁、氮化矽及石英組成的群體中至少一者。
  5. 如申請專利範圍第1項之用於一電漿處理腔室的下電極組件，其中該金屬基底包括上、中及下金屬板，該上金屬板與該中金屬板在一上焊接線真空焊接一起，且該中金屬板與該下金屬板在一下焊接線真空焊接一起。
  6. 如申請專利範圍第1項之用於一電漿處理腔室的下電極組件，其中該下邊緣環包括一側表面，該側表面對著該金屬基底的下側表面，且在該金屬基底的邊緣環支撐表面之上延伸。
  7. 如申請專利範圍第1項之用於一電漿處理腔室的下電極組件，其中該下邊緣環更包括向內延伸的一凸部，該凸部帶有一下表面且該下表面位在該邊緣環支撐表面的外部之上。
  8. 如申請專利範圍第1項之用於一電漿處理腔室的下電極組件，其中該上邊緣環在其下表面上包括二台階。
  9. 如申請專利範圍第1項之用於一電漿處理腔室的下電極組件，其中該上邊緣環及該下邊緣環在其相對面中包括相對的溝槽，且一介電質環係位於該等溝槽中。
  10. 如申請專利範圍第1項之用於一電漿處理腔室的下電極組件，其中該下邊緣環在其上表面上包括一環狀凸部，且該上邊緣環包括容納該環狀凸部的一環狀凹部。
  11. 如申請專利範圍第1項之用於一電漿處理腔室的下電極組件，其中該上邊緣環在其下表面包括單一台階，該台階延伸至該下表面中至少0.25英吋，且該下邊緣環具有大於該基底之該下側表面的高度，俾使該下邊緣環的上部配適於該台階所形成的凹部內，其中該凹部自該台階向外延伸至該上邊緣環的該下表面。
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