[发明专利]静电卡盘装置

说明书

技术领域

根据本发明的装置和方法总体上涉及一种用于保持衬底的静电卡盘装置。

背景技术

卡盘是在进行加工的同时能够用于稳定和保持各种物体如半导体衬底的设备。有多种不同类型的卡盘，例如机械卡盘、真空卡盘或静电卡盘。

静电卡盘通过使用相反电荷表面之间的吸引力例如库仑力将物体和卡盘保持在一起来稳定和保持物体。在用于化学和/或物理沉积装置以及蚀刻装置的处理腔中静电卡盘可以用于执行各种功能，例如保持硅晶片。

静电卡盘相对于机械和真空卡盘具有很多优点。例如，与机械卡盘或真空卡盘相比静电卡盘通常施加更均匀的力。静电卡盘也减少了由机械卡盘所使用的夹具引起的应力诱发裂纹并允许处理衬底的大部分。静电卡盘还可以用于在低压下进行的处理。

例如，图1A和1B示出了用于保持衬底30的典型静电卡盘10的横截面。卡盘10包括嵌入在电介质17中的电极15、平坦的接收表面20和冷却基座25。当电极15被加电时，相反的静电电荷聚集在衬底30中并且由此产生的静电力在接收表面20上保持衬底30。一旦将衬底30稳定地保持在接收表面20上，就可以用等离子体处理衬底30。

通常，在处理半导体衬底的过程中，衬底在经受不同的处理步骤时被反复加热和冷却。通常，在真空腔中执行处理步骤，特别是等离子体处理步骤。然而，由于真空不能提供热传导或热对流，因此真空环境限制了对衬底的散热。

典型地，在执行处理的同时控制衬底的温度是很重要的。然而，衬底和卡盘之间的热接触不够大，通常不足以容纳衬底上由等离子体施加的热负载。在不存在某些改善被处理的衬底和邻近表面之间的热传递的机制的情况下，衬底的温度可能会超出可接受的范围。因此，经常在至衬底和卡盘之间引入通常为诸如氦的气体的传热介质以提高热接触和衬底至卡盘的热传递。然而，在传统静电卡盘中引入传热介质会产生几个问题。

传统静电卡盘的第一个问题是需要在衬底和卡盘之间的区域中引入传热气体，这将在卡盘表面中引入一些不连续性。例如，如图1所示，通常形成某些类型的穿过静电卡盘10的表面到达位于静电卡盘10的表面后面的气体通路的导管5。然而，引入这种导管的的一个缺陷是等离子体弧可能从衬底的背侧形成到金属冷却基座25。这种等离子体弧是不希望有的，因为其可能导致对衬底和静电卡盘的损害。

传统静电卡盘的第二个问题是为了提供从衬底至卡盘的空间均匀的热传导，引入的任何传热介质必须沿着朝向卡盘的衬底表面均匀分布。

试图解决前述第一个问题，即不希望有的等离子体弧，用于减小等离子体弧可能性的传统方法包括使导管的直径更小或增加电介质部件的厚度。另外，可以通过移动电极使其更远离导管的中心来减小等离子体弧。另一方面，如果导管连接两个金属表面，那么这种配置实际上将增加由于自由电子从金属表面的发射而引起等离子体弧的可能性。这限制了可以传送到衬底的RF功率的量。这种对功率的限制导致了对蚀刻速率的限制，因此限制了工具的吞吐量。

更具体而言，静电卡盘的一个功能是将DC和RF功率传送到衬底和腔中的等离子体。这种功率传送产生穿过构成静电卡盘结构的大部分的电介质和导管的电场。这些电场可以向导管内的自由电子提供能量，然后所述自由电子又可以将能量施加给背侧的传热气体。该过程会引起背侧的传热气体离子化，这会：(1)不希望地对背侧的传热气体进行加热，或(2)在导管内产生击穿或灾难性的弧。

图2示出了表示与静电卡盘的导管和电介质一起存在的电场的模拟图。具体而言，图2示出了在RF峰-峰值电压为4000V、夹持电压为500V和冷却基座接地情况下的电场。由此产生的电场随着时间稍微有所改变，因此图2示出了RF周期中等效于为零的衬底电位(DC和RF)的点。

多种原因可以导致背侧的传热气体的击穿。发生这种击穿的主要原因是自由电子从穿过导管的电场获得了足够的能量。这种激发的电子随后可以使背侧的传热气体离子化。

对于使电子获得足够的能量以使背侧传热气体离子化的可能性最小化有几种可能的选择：(1)增加电子与非电子发射表面碰撞的频率，(2)减小穿过导管的电场，(3)减小电子与背侧气体分子的碰撞(减小压力)，(4)增加与背侧气体分子的碰撞频率(增加压力)，或(5)使电子沿电场方向经受的实际电压降最小化。