專利名稱：陶瓷靜電卡盤組件及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于制造半導體器件的陶瓷靜電卡盤。
背景技術：
靜電卡盤用于在各種類型的包含等離子體處理設備在內(nèi)的處理設備中將半導體晶片和其它襯底固定到位。靜電卡盤通常包含一個或多個導電電極，這些電極分布在電介質(絕緣)或半導性的陶瓷層下面，在這個層上可以形成一個靜電夾緊電場。與機械夾緊器件不一樣的是，靜電卡盤允許襯底的整個表面暴露在等離子中。此外，靜電卡盤更均勻地將襯底夾在基板上，使得能夠更大程度地對晶片溫度進行控制。
用于靜電卡盤的各種電極模式是眾所周知的。對于單極電極，該電極通常具有平板形式。對于雙極電極，分立電極以半圓盤方式排列，或以內(nèi)圓盤方式和外環(huán)面方式排列。這種類型的雙極卡盤的例子在Tomaru等人(美國專利6,071,630)和Logan等人(美國專利5,055,964)的專利中公開過。還提出了其中以梳狀方式排列電極的電極模式。例如，參見Barnes等人(美國專利5,207,437)的專利。其它模式在Shufflebotham等人(美國專利5,838,529)和Logan等人(美國專利5,155,652)的專利中公開。
利用陶瓷材料的靜電卡盤裝置在美國專利5,151,845；5,191,506；5,671,116；5,886,863；5,986,874；6,028,762；6,071,630；6,101,969和6,122,159中公開。陶瓷ESC通常使用多層陶瓷封裝工藝來進行制作。多層陶瓷封裝工藝涉及在陶瓷生坯片上印刷耐火金屬圖案，將這些坯片組裝成疊片并共燒成最終的組件。例如參見美國專利4,677,254；4,920,640；5,932,326；5,958,813和6,074,893。各種用于陶瓷襯底的金屬化混合物已在美國專利4,381,198；4,799,958；4,806,160；4,835,039；4,861,641；4,894,273；4,940,849；5,292,552；5,932,326和5,969,934中公開。
因為通常在很高的溫度下進行陶瓷ESC的燒結，電極材料和陶瓷材料之間的熱膨脹系數(shù)的差異會引起卡盤中的內(nèi)應力增加。這些內(nèi)應力會導致陶瓷ESC的翹曲，或在某些情況下，甚至會導致陶瓷ESC的實際損傷。因此，本領域需要一種在陶瓷ESC制備期間克服與內(nèi)應力增加相關的翹曲和其它問題的技術。
并且，因為用于生成等離子區(qū)和在襯底上加偏壓的射頻(RF)功率通常被施加到ESC夾緊電極下的分立電極，因此在這種情況下期望使夾緊電極的RF透射度達到最大值。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的第一個實施例中，提供了一種燒結陶瓷靜電卡盤裝置。該卡盤裝置包含嵌入在無縫單塊燒結陶瓷體中的靜電夾緊電極。該夾緊電極至少包含一種圖案的基本平坦的導電材料，其中電極圖案中最大直線長度是1.0英寸。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，電極圖案的最大直線長度是0.25英寸。電極圖案可以包括單個導電圖案，或至少兩個電隔離的導電材料圖案。
還提供了制備上述燒結陶瓷靜電卡盤裝置的方法。該方法包括下列步驟提供包括處于生坯狀態(tài)的陶瓷材料的第一層；在第一層的第一主面上形成至少一條導電材料的圖案；提供包括處于生坯狀態(tài)的陶瓷材料的第二層；將第二層裝配在第一層的第一主面上；共燒第一層和第二層以形成帶有嵌入電極層的單塊無縫燒結陶瓷體。由于所使用的電極圖案的特性，在燒制之后燒結的電極層保持基本平坦。在上述提出的方法的優(yōu)選實施例中，形成步驟包括用含有導電材料顆粒的漿料形成圖案，并且共燒步驟包括燒結導電材料顆粒以形成燒結夾緊電極。
還提供了在包含前述靜電卡盤裝置的處理室內(nèi)處理襯底的方法。該方法包括下述步驟將襯底靜電夾緊到靜電卡盤裝置上，和處理該襯底。該方法還可以包含通過靜電卡盤裝置耦合至少一個頻率的RF能量，以產(chǎn)生靠近襯底的暴露表面的等離子，并利用等離子對該襯底進行處理的步驟。
在本發(fā)明的第二個實施例中，提供了用于在半導體處理室中支撐半導體襯底的靜電卡盤裝置。該卡盤裝置包含一個電絕緣或半導性材料體，其具有支撐表面，在其上可以靜電夾緊半導體襯底；和適于將該襯底靜電夾緊在支撐表面上的夾緊電極。該卡盤裝置還包含下部電極，其適于耦合射頻能量通過夾緊電極，并且進入被夾緊到支撐表面上的襯底附近的開放空間中。在這個靜電卡盤裝置的第一個實施例中，夾緊電極具有使其對射頻能量到等離子室的耦合高度通透的電阻系數(shù)(resistivity)。在這個靜電卡盤裝置的第二個實施例中，當對其施加射頻功率時，射頻能量基本均勻地分布在下部電極上，并且夾緊電極在與支撐表面平行的方向具有充分高的橫向射頻阻抗，使得耦合通過夾緊電極并且進入等離子室的射頻功率基本均勻地分布在襯底支撐表面上。
還提供了在上述包含靜電卡盤裝置的處理室內(nèi)處理半導體襯底的方法。該方法包含將襯底靜電夾緊到靜電卡盤裝置上，和通過該靜電卡盤裝置耦合至少一個頻率的RF能量的步驟。


圖1A-D示出的是現(xiàn)有技術的制備燒結陶瓷ESC的方法所涉及的步驟，其中圖1A示出的是裝配前的卡盤部件，圖1B示出的是燒結前裝配到一起的部件，圖1C示出的是燒結后處于變形狀態(tài)的陶瓷卡盤，圖1D示出的是對外表面進行打磨以恢復平坦后的卡盤；圖2A-C示出的是本發(fā)明制備燒結陶瓷ESC所涉及的步驟，其中圖2A示出的是裝配前的卡盤部件，圖2B示出的是燒結前裝配在一起的部件，圖2C示出的是燒結后最終形狀的卡盤；圖3A示出的是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的電極圖案的俯視圖，圖3B示出的是圖3A中的一個細部結構；圖4A示出的是根據(jù)本發(fā)明的第二電極圖案的俯視圖，圖4B示出的是圖4A中的一個細部結構；圖5示出的是根據(jù)本發(fā)明的靜電卡盤結構的一個實施例，其中DC夾緊電壓和RF功率都作用在嵌入陶瓷體中的單一電極上；圖6示出的是根據(jù)本發(fā)明的靜電卡盤結構的第二實施例，其中DC夾緊電壓和RF功率都作用在嵌入絕緣體或半導體內(nèi)的分立電極上；圖7示出的是根據(jù)本發(fā)明的靜電卡盤結構的第三實施例，其中DC夾緊電壓作用在嵌入絕緣體或半導體內(nèi)的夾緊電極上，RF功率作用于與襯底支撐表面相反的體表面上形成的下部電極上；圖8示出的是根據(jù)本發(fā)明的靜電卡盤結構的第四實施例，其中DC夾緊電壓作用于嵌入絕緣體或半導體內(nèi)的夾緊電極上，RF作用于該體下面的下部電極上。
具體實施例方式
在制備靜電卡盤時，希望使卡盤的襯底支撐表面和埋入其內(nèi)的任何電極結構保持平坦和平行?？ūP的不平坦會引起例如晶片與卡盤表面機械接觸不良，使得夾緊力不足的問題。不平坦也會導致在等離子體處理期間電耦合(靜電和RF)的不均勻。卡盤厚度和電極平坦度的不均勻也會引起電容的局部改變。在進行襯底的等離子處理期間，這些改變可能導致對所處理的襯底的夾緊力不足、刻蝕或沉積不均勻，甚至會導致對所處理襯底的損傷。
燒結陶瓷卡盤常常用來進行半導體處理。燒結陶瓷ESC通常由含有埋植其內(nèi)的至少一個電極層的陶瓷圓盤構成。燒結陶瓷卡盤通常使用多層陶瓷封裝工藝進行制備，其中導電耐火金屬圖案使用導電漿料或油墨被印刷在一個或多個陶瓷生坯片上。通過在第一層生坯片上面鋪上第二層生坯片并且共燒該組件，將導電圖案夾在中間。在燒制期間，生坯片內(nèi)的陶瓷顆粒經(jīng)過燒結以形成單塊無縫陶瓷體。漿料中的導電顆粒也經(jīng)過燒結以形成嵌入電極層。
在制備期間，在燒結陶瓷卡盤中形成的內(nèi)應力可導致卡盤的翹曲。這些內(nèi)應力的主要起因是卡盤體的陶瓷材料和電極材料的熱膨脹系數(shù)(CTE)之間的差異。由這些CTE差異所誘導出的應力可導致燒結出的卡盤的變形或損傷。本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過使用精細分開的夾緊電極圖案，能夠在燒制期間減少陶瓷卡盤的翹曲的趨向。因此本發(fā)明的第一個實施例的目的是在制備燒結陶瓷ESC所遭受的高溫期間使用減少ESC翹曲趨向的ESC電極圖案。
在各種等離子處理過程中，能夠用下部電極或基板提供RF功率，以在襯底上方的開放空間產(chǎn)生等離子，和/或使RF偏置功率耦合通過ESC以到達等離子。在RF能量耦合通過夾緊電極的那些結構中，可能期望提供一個對RF能量高度通透的ESC。常規(guī)靜電卡盤使用例如在連續(xù)圖案中使用的高純度鎢的高導電夾緊電極材料。然而，這些導電夾緊電極能夠干擾RF耦合，因此導致不均勻的處理，甚至導致所處理的襯底的損傷。因此，本發(fā)明的第二個實施例的目的是通過增加電阻系數(shù)和/或相反地，提高夾緊電極的橫向阻抗，改進當RF功率耦合通過夾緊電極時的RF耦合均勻性。
按照本發(fā)明的第一個實施例，提供一個在制備期間減少燒結陶瓷靜電卡盤裝置翹曲的方法。該方法包括使用精細分開的夾緊電極圖案，它適用于單極和雙極圖案。精細電極圖案的使用減少了燒結期間形成的內(nèi)應力，這些內(nèi)應力可導致卡盤的變形和/或損傷。
圖1舉例說明的是在具有嵌入電極的常規(guī)陶瓷ESC燒結期間出現(xiàn)的翹曲。圖1A示出的是組裝前的部件，其中夾緊電極圖案層2被布置在第一陶瓷生坯片4上，生坯片4通過燒結與第二陶瓷生坯片6接合。圖1B示出的是燒結前的組裝部件，其中第一陶瓷生坯片4和第二陶瓷生坯片6之間夾有電極圖案層2。電極圖案層2包括一個導電材料的圖案，通過例如絲網(wǎng)印刷的方法將該材料作為導電顆粒的漿料涂覆在生坯片上。
圖1C示出的是燒結后圖1B的組裝部件的橫截面圖?？梢钥闯?，電極8被嵌入到燒結后的陶瓷體10中。如圖1C中所見，燒結后的陶瓷ESC已經(jīng)變得翹曲或窿起。翹曲的卡盤必須經(jīng)受研磨和拋光工序來恢復燒結后卡盤的上表面的平坦。然而，這項額外的步驟增加了制備卡盤的成本。而且，即使在研磨外表面使之平坦之后，已經(jīng)變得翹曲的內(nèi)部電極結構將不再與上表面保持平行。這種效應可以在圖1D中看到，其中示出了在經(jīng)過外表面研磨工序以恢復平坦之后的翹曲燒結陶瓷卡盤。作為研磨工序的結果，卡盤的電極8與卡盤的上、下表面12、14之間的距離在卡盤的表面發(fā)生變化。當陶瓷盤被制成很薄以利于熱和RF功率的傳導時，這種效應尤為顯著。
圖2示出了在形成根據(jù)本發(fā)明一個實施例的燒結陶瓷卡盤時所涉及的步驟。圖2A示出的是組裝前的部件，其中本發(fā)明的夾緊電極圖案層20被布置在第一陶瓷生坯片22上，第一陶瓷生坯片與第二陶瓷生坯片24接合。燒結前的組裝卡盤部件如圖2B所示，其中第一陶瓷生坯片22和第二陶瓷生坯片24之間夾有電極圖案層20。電極圖案層20包含導電條的精細圖案。該導電條可以由通過例如絲網(wǎng)印刷的方法涂敷的導電顆粒的漿料來制成。然而，也能夠使用其它形成電極圖案的方法。圖2C示出的是本發(fā)明的ESC在燒結后的橫截面圖?，F(xiàn)在生坯片已經(jīng)變成具有嵌入電極層28的單塊無縫燒結陶瓷體26。然而，由于所使用的精細電極圖案，在燒結工序之后，陶瓷ESC的主外表面能夠保持基本平坦，而且嵌入電極保持基本平面。
只要電極圖案的最大直線段長度不大于1.0英寸，所使用的精細電極圖案的具體結構就不那么重要。即，在本發(fā)明的精細電極圖案中，沒有任何大于1.0英寸的直線段能夠以任何方向在電極圖案的任何連續(xù)部分上延伸。更適宜的是，沒有任何長度大于0.5英寸的直線段，甚至更適宜的是，沒有任何大于0.25英寸的直線段能夠以任何方向在電極圖案的任何部分上延伸。
本發(fā)明的示例性電極圖案如圖3A和3B、圖4A和圖4B所示。圖3A示出的是本發(fā)明的雙極電極圖案的俯視圖。該電極包括第一電極30和第二電極31。第一電極30包括一個徑向取向的線段32，在圖案中心排列的圓盤部分33，和多個C形環(huán)部分34，其排列在電極的直線段32的兩側，以預定間隔定位并且具有不同的直徑，從而圍繞圓盤部分33。第二電極31包括徑向取向的直線段36，多個C形環(huán)部分37，其以預定間隔定位，具有不同的直徑，在電極的直線段36的兩側以C形延伸，并且與第一電極的多個C形環(huán)部分交錯。而且，第二電極31包括連接到直線部分的外邊緣以形成該電極的最外圍部分的圓環(huán)部分38。如圖3B中的細節(jié)所示，電極具有其中形成的裂縫39來防止應力的產(chǎn)生。裂縫39在條的每個邊上交替地形成。而且，一個電極中的某些裂縫與另一個電極中的鄰近裂縫對齊。這些裂縫將每個電極分成段，某些段只在一端上與鄰近段連接，而另一些段在其兩端與鄰近段相連。裂縫39的排列使得電極的最大直線長度是1.0英寸或者更小，更適宜的是0.5英寸或者更小，甚至更適宜為0.25英寸或者更小。
圖4A和4B中的電極圖案是單極圖案，包括具有單向取向電極段44的多個精細分開的組40，其中組40中的每一段44都與鄰近段相連。該組的內(nèi)段在其中交替端與相鄰段連接。如圖所示，窄的直縫(裂縫)42將電極的鄰近段44分離開來。相鄰組40的段44的方向是相互垂直的。此外，一組中的某些段沿其側邊緣通過連接46與鄰近組的其它段的端部相連。
圖3和4中所示的圖案僅是本發(fā)明的可用于構造精細分開的電極圖案的圖案中的代表。本發(fā)明的電極圖案可以用短互連段的重復圖案組成，重復圖案在整個卡盤體上均勻地延伸，或在卡盤體上形成沿徑向、圓周方向和/或相互平行方向延伸的條狀部分，段被排列成最大直線長度為1.0英寸或者更小，更適宜的是0.5英寸或者更小，甚至更適宜的是0.25英寸或者更小?？梢孕薷某Ｒ?guī)電極圖案以得到本發(fā)明的精細分開的電極圖案。例如，可以對這種電極圖案進行修改，使得任何不滿足上述標準的直線段或曲率半徑很大的段均使用裂縫或某種其它手段進行分裂來防止內(nèi)應力的產(chǎn)生。
電極條的寬度最好為0.25英寸或更小，更適宜的是0.125英寸或更小。電極條間的間隔不關緊要。為了使電極的總暴露面積最大以提高夾緊力，通常希望使電極間的間隔最小。最小間隔可能受到用來形成電極圖案的技術，例如用于形成圖案的印刷工藝的制約。通過使用絲網(wǎng)印刷工藝，能夠得到小于0.3mm的間隔。
在燒結期間卡盤的變形量不僅受到燒結期間產(chǎn)生的應力大小的影響，而且還受到燒結陶瓷卡盤抗變形能力的影響。因此，除上述提到的CTE差異之外的各種因素會影響卡盤的翹曲。這些因素包含在燒結期間使用的處理條件(特別是溫度)、陶瓷材料的彈性系數(shù)，和例如卡盤厚度和相對于卡盤主表面(厚度方向)的電極位置的幾何因素。因此，如果該電極靠近卡盤的主外表面之一的程度勝于其它主外表面，通過燒結在卡盤中引起的應力將比電極位于中心部分的情況更易于產(chǎn)生翹曲。然而，即使電極位于中心部位，仍然會出現(xiàn)某種翹曲。而且，也希望在燒結期間減少應力來防止卡盤在燒結期間受到損傷。燒結期間所產(chǎn)生的剩余應力會最終導致陶瓷襯底破裂或電極層的剝離。
可以將所發(fā)明的電極設計與圖5-8中的各種襯底支撐結構結合起來。
圖5示出了一個實施例，其中用夾緊電極50提供RF能量。如圖5所示，將DC和RF能量提供給匹配網(wǎng)絡/DC濾波器54，其輸出被提供給電極50。電極50嵌入到絕緣體或半導體52中。對于這種結構，電極一般被設計為充分導電并且較厚，使得RF功率不產(chǎn)生顯著的熱量。
圖6和7示出了RF功率被提供給夾緊電極下面的第二電極(RF電極)的實施例。在圖6中，第二電極62和夾緊電極60都被嵌入在絕緣體或半導體64中。在圖7中，夾緊電極70被嵌入在絕緣體或半導體74中，第二電極72在卡盤的相對于襯底支撐表面的表面上形成。
圖8示出了可選的實施例，其中RF功率被提供具有基板82的形式的電極，該電極在嵌入絕緣體或半導體84中的夾緊電極80的下面。
本發(fā)明的靜電卡盤改進了電極的平坦度，這種改進的平坦度對使用期間在卡盤上形成的夾緊電位的空間均勻性產(chǎn)生有利的影響。電極平坦度對于庫侖(Coulombic)(完全絕緣)類型的卡盤尤其重要，其中電極上電介質層的厚度直接決定了使用期間卡盤上形成的夾緊電位。在Johnson-Rahbek(“J-R”)半導化設計中，靜電荷向卡盤的夾緊表面移動，因此時間漸進的夾緊電場不直接與實際的電介質厚度有關。然而，對于J-R卡盤，會存在瞬變效應，其中當靜電荷的重新分布(例如在卡盤的初始功率提供或解除卡盤夾緊期間)受到電極上陶瓷層的電介質厚度的影響時，出現(xiàn)這種效應。這些效應對于得到快速和均勻的晶片釋放而言是顯著的。因此對于庫侖和半導化的J-R卡盤設計而言，電極平坦性都是期望的。
根據(jù)本發(fā)明的第二個實施例，提供一種ESC，其中當RF功率耦合通過夾緊電極并且進入正在處理的襯底上的開放空間時，能夠改進RF耦合均勻性。本發(fā)明的這個實施例可以用于圖6-8所示的卡盤結構。
如果夾緊電極材料的電阻系數(shù)較高(relatively resistive)，使得電極厚度遠小于有關頻率處的透入深度，就可以獲得RF的通透性。透入深度是這樣一點，即當施加的電場穿入材料中的該點時，電場被減弱1/e的系數(shù)。透入深度與傳導率的平方根的倒數(shù)和頻率的平方根的倒數(shù)成比例。因此，更高的傳導率和更高的RF頻率會使透入深度更低，因此也使RF通透性更低。于是，通過減少夾緊電極的傳導率，對于給定的電極厚度，能夠提高RF的通透性。
由例如鎢，鉬或鉭的高導電性材料制成的常規(guī)ESC電極會妨礙RF能量穿透其中。對于常規(guī)ESC，導電夾緊電極基本上能夠電容性耦合到RF電極或基板上。由于常規(guī)夾緊電極導電性高，“耦合”到夾緊電極的RF能量在夾緊電極內(nèi)空間上重新進行分布。以這種方式，夾緊電極就像是一個RF的等電位面。因此常規(guī)ESC的ESC電極能夠被視為RF電極或基板和反應室之間的一塊浮板。作為這些效應的結果，局部RF電流密度可取決于夾緊電極和卡盤上表面之間的距離(d)。常規(guī)靜電卡盤中通常存在的這種距離的空間變化因此可導致通過卡盤的不均勻RF耦合。
當夾緊電極形成等電位面時，RF能量可以視為從夾緊電極耦合，而不是在RF電極下耦合。因此，進入等離子反應器的RF耦合的分布取決于夾緊電極和卡盤上表面(電容與電介質的厚度成反比)之間的距離(d)。于是，RF耦合的均勻度取決于厚度(d)的空間均勻性。因為RF能量往往會通過電容高的區(qū)域，ESC夾緊電極的任何厚度(d)的不均勻均會引起進入反應器的RF耦合的不均勻性。
本發(fā)明者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，RF耦合均勻性可以通過下列方法進行改進1)增加夾緊電極的電阻系數(shù)；和/或2)通過例如將電極變薄的其它手段來增加夾緊電極的橫向阻抗。
增加夾緊電極的電阻系數(shù)使得夾緊電極對要耦合穿過其中的RF能量變得更易穿透。因此，夾緊電極的電阻系數(shù)越高，由RF電極“耦合”到夾緊電極的RF能量就越少。第二點，通過增加夾緊電極的橫向阻抗，從RF電極“耦合”到夾緊電極的任何RF能量在夾緊電極平面上進行重新分布的可能性就越小。而且，通過增加橫向電阻，不管夾緊電極相對于卡盤的夾緊表面是平坦還是不平坦，都能夠通過夾緊電極獲得RF能量到等離子的均勻耦合。
可以通過各種辦法增加夾緊電極的電阻系數(shù)，這些辦法包含(1)將高電阻系數(shù)的材料用于夾緊電極；(2)將例如氧化鋁的電絕緣材料摻入例如鎢的常規(guī)導電材料；(3)將多孔性引入夾緊電極。通過增加電極的電阻系數(shù)也能夠增加橫向阻抗，或可選地，通過提供具有增加電極路徑長度的精細分開的或螺旋圖案的形式的夾緊電極。
作為例子，通過使用由包括導電金屬和非導電填充物的混合物的電極材料制成的ESC夾緊電極，可以在夾緊電極中獲得較高的RF通透性和較高的橫向阻抗。因此，通過將例如氧化鋁的電絕緣填充物摻雜進例如鎢，鉭，鉬，鈮等等的耐火導電金屬，所得到的混合物的電阻系數(shù)可以顯著增加。例如，摻入45％劑量的氧化鋁的鎢可具有為純鎢電阻系數(shù)的接近1000倍的電阻系數(shù)。因此，由這種材料制成的電極的透入深度比常規(guī)鎢電極的透入深度大30倍，并且對于給定的電極厚度，與通過具有同樣形狀和尺寸的常規(guī)導電電極的RF能量相比，通過高電阻系數(shù)電極的RF能量明顯增多。此外，電阻系數(shù)的任何增加同樣會使夾緊電極的橫向阻抗增加。
也可以通過在電極中引入多孔性來增加電極的電阻系數(shù)。通過將某種已知的空隙形成添加劑加入到漿料混合物中，在燒結期間可以在耐火金屬漿料中生成多孔結構。
在本發(fā)明中，ESC夾緊電極最好具有至少大約為1的表面電阻系數(shù)，并且電阻系數(shù)為至少大約10歐姆/平方會更好。通過將電極的體積電阻系數(shù)除以電極厚度，可以根據(jù)體積電阻系數(shù)導出表面電阻系數(shù)。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，夾緊電極由包含絕緣或半導陶瓷的耐火金屬玻璃料(例如，氧化鋁)和10wt.％至80wt.％的耐火金屬(例如鎢)制成。在進一步的優(yōu)選實施例中，耐火金屬玻璃料含有30wt.％至50wt.％的耐火金屬。
精細分開的夾緊電極圖案可以用于增加夾緊電極的橫向阻抗，從而增加RF耦合的空間均勻性。因為電極材料條的線寬度變得更細，并且電極圖案變得更加精細分開和/或曲折(例如，具有如圖3和圖4所示的交替裂縫)，夾緊電極的橫向阻抗就會增加。橫向阻抗基本上與電極圖案上不同點之間的傳導路徑的距離(路徑長度)成比例。通過使用精細分開的圖案，夾緊電極上兩點之間的路徑長度或距離將增加，因此導致橫向阻抗的增加。
因為夾緊電極基本上對RF能量是通透的，RF耦合的均勻性可受到夾緊電極之下的RF電極的平坦性和均勻性的影響。因此，在優(yōu)選實施例中，RF電極既是基本平坦的，又是RF的良導體。在進一步的優(yōu)選實施例中，RF電源和RF電極之間的連接足以提升RF電極上RF能量分布的空間均勻性。RF均勻性可受到RF電源到RF電極的連接的數(shù)量、大小和位置的影響。在優(yōu)選實施例中，RF電極是高導電材料的連續(xù)無斷裂層。在進一步的優(yōu)選實施例中，使用單一連接將RF功率施加到RF電極的中心區(qū)域，來改善電極表面上的RF能量分布。
本發(fā)明的靜電卡盤體可以由任何合適的絕緣材料或半導材料制成。合適的材料包括陶瓷、聚合物(例如聚酰亞胺)和人造橡膠(例如硅橡膠)。而且，夾緊電極和襯底支撐表面之間的絕緣層可以由相同材料或與卡盤體的其它部分不同的材料制成。
在優(yōu)選實施例中，本發(fā)明的靜電卡盤是陶瓷靜電卡盤。通過將之間夾有電極圖案的陶瓷生坯片燒結在一起以提供單塊無縫體，可以制成陶瓷卡盤。可選地，電極圖案可以布置在第一預燒制陶瓷層上，然后可將附加陶瓷材料覆在電極層上。例如，陶瓷材料可以粘合在其間夾有ESC電極的預燒制陶瓷層上?？蛇x地，夾緊電極層可以布置在預燒結的致密層，和通過例如CVD，濺射或諸如熱噴射的其它技術(例如等離子或火焰噴射)沉積其上的陶瓷，聚合物或其它絕緣或半導材料層上。
可以通過各種方法形成電極圖案。例如，可以沉積導電材料的連續(xù)層并且選擇性地去掉導電材料來形成電極圖案。選擇性去除可以通過干蝕法(例如激光、等離子等等方法)或濕蝕法(例如酸、化學等等方法)，或通過例如噴砂、研磨等等的機械方法來完成?？蛇x地，可以通過在期望圖案中選擇性沉積導電材料來形成電極圖案。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，通過任何適合的技術以含有導電材料顆粒的漿料或油墨的形式涂敷電極。例如，可以在陶瓷生坯片上將漿料絲網(wǎng)印刷成所希望的圖案。適合的導電顆粒的例子包括例如鎢、鉬、鉭、鈮和鈦的金屬，和例如氮化鈦的導電陶瓷。漿料可以包括例如燒結酸的已知添加劑。
本發(fā)明的靜電卡盤可以是Johnson-Rahbek(“J-R”)型半導陶瓷卡盤或庫侖(完全絕緣)型卡盤。對于庫侖(完全絕緣)型卡盤，電極上面的陶瓷層可以做得相對很薄(例如，0.2至0.3mm或者更薄)，以便以實際電壓提供足夠的夾緊電場。然而，對于J-R卡盤，因為半導陶瓷允許電荷向卡盤的表面移動，從而減少電介質層的有效厚度，所以電極上面的層可以做得非常厚(例如可以達到1mm)。在J-R卡盤的情況下，ESC夾緊電極一般具有足夠低的電阻以控制電介質泄漏，從而使得卡盤能夠足夠快地卡住和松開。不希望在庫侖(完全絕緣)卡盤或J-R卡盤中使用電阻系數(shù)過高的ESC夾緊電極。在任一種卡盤中，由于RC時間常數(shù)很大，也許會出現(xiàn)令人不可接受的卡住/松開次數(shù)。在J-R卡盤的情況下，泄漏電流泄漏電荷的速度可能快于電極能夠提供電荷的速度，使得不能獲得足夠和均勻的夾緊力。因此，希望能夠在J-R卡盤的RF通透能力(高電阻系數(shù))和維持期望水平的夾緊電極電介質泄漏需求之間達到平衡。
用于本發(fā)明的ESC組件中的陶瓷材料可以是任何合適的陶瓷材料。適合的材料包括用于J-R卡盤的高電阻系數(shù)的金剛砂，和用于完全絕緣卡盤的氧化鋁，和氮化鋁，和摻雜有二氧化鈦的氧化鋁。對于半導(J-R)卡盤，陶瓷材料最好具有1×1011至1×1012歐姆/厘米范圍內(nèi)的電阻系數(shù)，應當理解，電阻系數(shù)隨溫度和所施加電壓的測量條件的變化而變化，例如在20℃，每毫米電極厚度4000伏特的條件下。
通過一個或多個導線或其它合適的、包括在陶瓷中形成的金屬通孔的結構向夾緊電極供電。這些通孔可以通過多層陶瓷封裝技術中已知的技術來形成。例如，參見授權給Husain的、聯(lián)合擁有的美國專利5,880,922。例如，可以陶瓷生坯片中打孔并且在燒結前填充導電漿料?？ūP也可以含有用于起模針的開口和通道以允許熱傳導氣體被提供到卡盤表面?？ūP表面也可以包含現(xiàn)有技術中已知的用于熱傳導氣體的分布的表面凹槽和溝道?？ūP還可以包含額外的陶瓷和金屬化層?？梢栽贓SC中提供的其它金屬化層包含用于加熱或用于獨立使用RF功率的電極。
例如硅粘合劑的高溫聚合物粘合劑層可以用于將陶瓷ESC粘合到下面的支撐或基電極上。然而，也可以使用本領域已知的其它技術，例如銅焊技術將ESC與下面的支撐層接合在一起。
盡管已經(jīng)結合本發(fā)明的優(yōu)選實施例對本發(fā)明進行了說明，然而本領域的技術人員會理解，在不背離所附權利要求中定義的本發(fā)明的實質和范圍的前提下可以對本發(fā)明進行這里沒有具體說明的添加、刪除、修改和取代。
權利要求
1.一種燒結陶瓷靜電卡盤裝置，包括嵌入無縫單塊燒結陶瓷體中的基本平坦的靜電夾緊電極，該夾緊電極包含至少一個圖案的導電材料；其中該電極圖案中的最大直線長度為1.0英寸。
2.如權利要求1所述的卡盤裝置，其中電極圖案中的最大直線長度是0.25英寸。
3.如權利要求1所述的卡盤裝置，其中夾緊電極包含形成單極電極結構的單個導電圖案。
4.如權利要求1所述的卡盤裝置，其中夾緊電極包含形成雙極電極結構的至少兩個電隔離圖案的導電材料。
5.如權利要求1所述的卡盤裝置，其中陶瓷材料包含絕緣或半導材料。
6.如權利要求1所述的卡盤裝置，其中電極包含精細分開的電極圖案，該圖案包括被從電極外圍向內(nèi)延伸的裂縫分隔的電極段的重復圖案。
7.如權利要求1所述的卡盤裝置，其中電極層接近燒結陶瓷體的主外表面之一的程度勝于接近其它主外表面的程度。
8.如權利要求1所述的卡盤裝置，其中電極層與陶瓷體的每個主外表面近似等距。
9.如權利要求3所述的卡盤裝置，其中導電材料的圖案排列為多個小的梳狀組。
10.如權利要求4所述的卡盤裝置，其中每個電極包含多個小的梳狀組。
11.如權利要求10所述的卡盤裝置，其中一個圖案的至少一個梳狀組與其它圖案的至少一個梳狀組相互交錯。
12.如權利要求1所述的卡盤裝置，進一步包含射頻驅動導電基板，其被固定到燒結陶瓷體的底部表面。
13.一種在包括如權利要求1所述的靜電卡盤裝置的處理室內(nèi)處理半導體襯底的方法，所述方法包括步驟將襯底靜電夾緊到靜電卡盤裝置；和處理該襯底。
14.如權利要求13所述的方法，還包括步驟將至少一個頻率的RF能量耦合通過靜電卡盤裝置，以產(chǎn)生鄰近襯底的暴露表面的等離子；和用該等離子處理該襯底。
15.如權利要求14所述的方法，其中處理室是等離子刻蝕室，并且處理步驟包括用等離子刻蝕襯底。
16.如權利要求13所述的方法，還包括將DC電源提供給夾緊電極，以在靜電卡盤裝置表面上產(chǎn)生靜電夾緊電位。
17.如權利要求13所述的方法，還包括將處理氣體提供給處理室，以及將射頻能量耦合到該室內(nèi)，從而將處理氣體激發(fā)到等離子態(tài)，其中襯底包括在處理步驟期間進行等離子刻蝕的硅晶片。
18.一種制造如權利要求1所述的陶瓷靜電卡盤裝置的方法，包括步驟提供包括處于生坯狀態(tài)的陶瓷材料的第一層；在第一層的第一主表面上形成至少一條導電材料的圖案；提供包括處于生坯狀態(tài)的陶瓷材料的第二層；將第二層裝配在第一層的第一主表面上；和共燒第一層和第二層以形成具有嵌入電極層的單塊無縫燒結陶瓷體。
19.如權利要求18所述的方法，其中形成步驟包括通過含有導電材料顆粒的漿料形成圖案，并且共燒步驟包括對導電材料顆粒進行燒結以形成燒結夾緊電極。
20.如權利要求18所述的方法，其中第一層和第二層是陶瓷生坯片。
21.一種在半導體處理室中用于支撐半導體襯底的靜電卡盤裝置，包括具有支撐表面的絕緣或半導材料體，在所述支撐表面能夠將半導體襯底靜電夾緊；夾緊電極，適合于將半導體襯底靜電夾緊到支撐表面的；和下部電極，適合于將射頻能量耦合通過夾緊電極并且進入夾緊到支撐表面的襯底附近的開放空間；其中(a)夾緊電極具有足夠高的電阻系數(shù)，使得該夾緊電極對進入等離子室的射頻能量的耦合具有高通透性；并且/或者(b)夾緊電極在與支撐表面平行的方向具有高橫向射頻阻抗，使得耦合進入等離子室的射頻功率在襯底支撐表面上基本均勻地分布。
22.如權利要求21所述的靜電卡盤裝置，其中夾緊電極具有大約10歐姆/平方或更大的表面電阻系數(shù)。
23.如權利要求21所述的靜電卡盤裝置，其中夾緊電極包含至少一個圖案的導電材料，并且該圖案的最大直線長度為1.0英寸。
24.如權利要求21所述的靜電卡盤裝置，其中夾緊電極是連續(xù)的無斷裂薄膜。
25.如權利要求21所述的靜電卡盤裝置，其中夾緊電極位于所述陶瓷體內(nèi)，并且下部電極或者位于陶瓷體內(nèi)，或者接合到與襯底支撐表面相對的體表面上。
26.如權利要求21所述的靜電卡盤裝置，其中夾緊電極位于陶瓷體內(nèi)，并且下部電極包括基板。
27.如權利要求21所述的靜電卡盤裝置，其中靜電卡盤裝置位于等離子處理室內(nèi)。
28.如權利要求21所述的靜電卡盤裝置，其中夾緊電極包括燒結的絕緣或半導陶瓷材料漿料，所述材料包括10wt.％至80wt.％的耐火金屬。
29.如權利要求21所述的靜電卡盤裝置，其中夾緊電極包括燒結的絕緣或半導陶瓷材料漿料，所述材料包括30wt.％至50wt.％的耐火金屬。
30.一種在包括如權利要求21所述的靜電卡盤裝置的處理室中處理半導體襯底的方法，所述方法包括步驟將該襯底靜電夾緊到靜電卡盤裝置上；和將至少一個頻率的射頻能量從下部電極耦合通過靜電卡盤裝置；其中夾緊電極的電阻系數(shù)使得夾緊電極的厚度基本上小于射頻能量的頻率處的透入深度。
31.如權利要求30所述的方法，其中射頻能量產(chǎn)生鄰近襯底的暴露表面的等離子，并且/或者偏置該襯底，該方法進一步包括用該等離子處理該襯底的步驟。
32.如權利要求30所述的方法，其中夾緊電極包括以足夠窄的和/或足夠長的圖案分布的電極材料，以便至少10倍于相同電極材料平坦薄片地提高點到點電阻系數(shù)。
全文摘要
燒結陶瓷靜電卡盤裝置(ESC)包含嵌入在陶瓷體內(nèi)的圖案化的靜電夾緊電極，其中夾緊電極至少是一條按精細圖案排列的燒結導電材料。由于使用的電極圖案的精細度，減少了在ESC制備期間所產(chǎn)生的應力，使得夾緊電極在燒結工序完成之后能夠充分地保持平坦。所得到的ESC允許改進夾緊均勻性。另一種ESC包含一個絕緣或半導體和一個夾緊電極，該夾緊電極具有高電阻系數(shù)和/或高橫向阻抗。當RF能量從下面的RF電極耦合通過夾緊電極時，該靜電卡盤裝置還改善了RF耦合的均勻性。RF電極可以是一個分立的基板，或者是卡盤的一部分。ESC可以用于在等離子處理設備中支撐例如半導體晶片的半導體襯底。
文檔編號H02N13/00GK1529908SQ02814330
公開日2004年9月15日 申請日期2002年6月10日 優(yōu)先權日2001年6月28日
發(fā)明者中島主, 尼爾·本杰明, 本杰明 申請人:蘭姆研究公司