专利名称：等离子反应器的静电夹头装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在半导体制备过程中使用的等离子反应器。本发明尤其涉及该等 离子反应器的一种静电夹头装置。 静电夹头通常是设置在等离子反应器的一个反应腔中的一个阴极装置上。静电夹 头在该反应腔中用于固定一个目标对象(如一块晶片或玻璃板)，使该目标对象被蚀刻材 料蚀刻或固定在一个阴极装置上。当一个直流电电源(DC)向所述的静电夹头供电时，所产 生的电引力将该目标对象固定在所述的静电夹头上部。为了将目标对象更平滑地蚀刻到反 应腔中，必须将目标对象稳定地固定在所述的静电夹头上部，例如，目标对象的背面可以承 受在其上施加30托或超过30托氦气(He)的压力。 在设计和制造一种静电夹头装置时，最重要的一点是需要保护静电夹头不与等离 子体离子接触。 一个用于保护静电夹头的设计，其最重要的是延长设置在静电夹头周围的 加工工具的使用寿命，并减少经济损失。静电夹头的使用寿命通常至少是使等离子反应器 进行了十万次完整的晶片处理工艺。静电夹头装置的结构可以延长或縮短静电夹头的使用 寿命以及静电夹头周围的加工工具的使用寿命。此外，静电夹头装置的结构还决定了等离 子反应器的运行性能(尤其是蚀刻性能)。 较之化学蚀刻工艺，通过物理撞击为等离子体离子提供物理能量的氧化薄膜蚀刻 工艺，其蚀刻的晶体表面受静电夹头装置结构变化的影响更明显。也就是说，静电夹头装置 的结构或是等离子反应器的蚀刻性能决定了氧化薄膜蚀刻工艺中的质量好坏。因此可以通 过最优化静电夹头装置的结构，来延长静电夹头的使用寿命，提高等离子反应器的蚀刻性 能。 图l所示的是一种传统的静电夹头装置的结构图。为了简化附图，图l省略了阴 极装置。该静电夹头装置10设有一个静电夹头20，一个无线电频率(RF)接环30，一个静 电夹头盖环40和一个阴极装置盖环50。所述的RF接环30和静电夹头盖环40沿静电夹头 20上部的外圆周环绕地设置。所述的静电夹头盖环40设置在RF接环30的上部。由于RF 接环30和静电夹头盖环40匹配于静电夹头20上部的外圆周，因此静电夹头20上部应该 被设计成具有一个长至少为10mm的突起。 RF接环30可以由金属材料制成，如铝等。阴极装置盖环50沿RF接环30和静电 夹头盖环40的外圆周，以及静电夹头20下部的外圆周环绕地设置。 一块晶片80被安全地 安装在静电夹头20的上表面。当一个DC电源向该静电夹头20供电时，静电夹头20中随 即产生静电，从而将晶片80固定在静电夹头20的上表面。 一个供电器60穿过一个RF噪 音过滤器70，向静电夹头20提供DC电源。 下文将简要地描述等离子反应器的一种干燥蚀刻工艺。 一个目标对象，如晶片80 等被传送到一个反应腔中的静电夹头20上。此时向反应腔中注入一种反应气体，使反应腔 内形成一个具有稳定真空度的真空状态。于是反应腔内达到适于蚀刻的真空状态，然后为等离子反应器的电感线圈提供一个RF功率，向一个较低电极(如阴极)提供一个偏RF功 率，为静电夹头20提供一个DC电源。结果，如图1所示，等离子体离子91和92在晶片80 的表面发生物理撞击，同时等离子体离子91和92与晶片80发生化学反应。这时，进一步 向RF接环30提供RF功率，结果等离子体离子92均沿大致垂直的方向射入静电夹头盖环 40的一个表面上。 如果不能向RF接环30提供RF功率或提供的不充足，如虚线箭头所示，那么等离 子体离子92则倾斜地射入到晶片80和静电夹头盖环40的边缘，并与静电夹头盖环40的 表面垂直方向(如实线箭头所示)成同一个角度(9 )。这是由于静电夹头20上表面(如 静电夹头20与晶片80的接触面)上的偏功率(如等离子体离子91和92产生的能量)大 于静电夹头20与RF接环30底面之间的接触面上的偏功率。因此，等离子体离子92是沿 朝向静电夹头20上表面的方向射入到静电夹头20上的。 由于角度(e)是由RF接环30吸引等离子体离子92产生的吸引力决定的，因此 为了提高晶片80边缘的处理质量，延长静电夹头盖环40的使用寿命，关键是将RF接环30 安装在静电夹头20的表面，使RF接环30以一个合适的吸引力吸引等离子体离子92。
但是，RF接环30并不能完全粘附在静电夹头20的一个表面和静电夹头盖环40 之间，而是与静电夹头20和静电夹头盖环40之间简单地相匹配，例如在静电夹头20和静 电夹头盖环40之间摇摆。因此，尽管RF接环30被激活，等离子体离子92还是不能垂直入 射到静电夹头盖环40的表面上。此外，RF接环30并不能完全粘附在静电夹头20的这个 表面和静电夹头盖环40之间。因此，就产生了第二个问题，即由于等离子体离子倾斜地射 入，从而縮短了静电夹头盖环40的使用寿命，加重了静电夹头的电弧现象，增加了微粒的 数量，减小了反应腔中的洁净区等。 由于等离子体离子92均以同一角度(e)倾斜入射到晶片80的边缘，因此降低了 晶片80的处理质量。图2所示的是在未向RF接环30提供RF功率的反应腔中，对晶片80 的干燥蚀刻。将晶片80沿切割线C-C'切割后，如图2下部所示，其切割面上显示出晶片80 中形成的接触孔(H1至H3)的剖面。图2清晰地显示出晶片80中心形成的接触孔(H2)具 有一个与晶片80底面垂直的规则剖面，当等离子体离子92倾斜射入时，也可以射入到晶片 80边缘上形成的接触孔(HI和H3)，因此接触孔(HI和H3)具有不规则剖面。
如果等离子体离子92以同一角度(e)倾斜射入到静电夹头盖环40上，那么静电 夹头盖环40被不规则蚀刻，从而迅速縮短了静电夹头盖环40的使用寿命。如图1所示， 通过等离子体反应器重复进行晶片处理工艺，一块新的或未蚀刻的静电夹头盖环40(—个 "A"部)被逐渐蚀刻。同时，如果在蚀刻工艺中不为RF接环30提供RF功率，那么静电夹 头盖环40'如图1中"A'"部所示，被不规则蚀刻。为了防止静电夹头盖环40'被不规则蚀 刻，提高晶片80边缘的蚀刻质量，静电夹头装置10必须设有RF接环30。因此，RF接环30 使传统的静电夹头装置10的结构更复杂，于是制造费用也随之增加。此外，即使在静电夹 头装置中设置RF接环30，也难以完美地运行RF接环30，如进行一个操作使等离子体92垂 直地入射到静电夹头盖环40的表面。因此，静电夹头装置10仍然具有RF接环30连接不 完善的问题。
发明概述 本发明的优选实施例一方面是至少解决这些问题并/或缺点，并至少具有下述优
4点。因此，本发明的优选实施例一方面是提供一种静电夹头装置，它可以克服无线电频率
(RF)接环的不完善连接问题，同时还可以通过减小等离子体离子的同一入射角度(e)，将 静电夹头装置的结构最优化，使等离子体离子可以垂直地入射地静电夹头盖环边缘的表面 上，而不需RF接环，达到延长静电夹头盖环使用寿命，增加等离子反应器蚀刻性能的目的。
为了达到本发明目的所述的这些和其它优点，本发明提供了一种等离子反应器的
静电夹头装置。该静电夹头装置设有一个静电夹头， 一个静电夹头盖环和一个阴极盖环。所 述的静电夹头设有一个主体部分和一个突起部分。该主体部分为具有第一直径的圆形。突 起部分整个从主体部分中形成，并从主体部分中伸出，它为具有第二直径的圆形，且第二直 径小于第一直径。静电夹头盖环沿突起部分的外圆周环绕地设置，它可以保护静电夹头的 主体部分，使之不受等离子反应器在运行过程中所产生的等离子体离子的影响。阴极装置 盖环沿静电夹头盖环的外圆周和主体部分的外圆周环绕地设置在阴极装置的上部。为了使
静电夹头盖环在被等离子体离子蚀刻后，能产生一个"L"切割面，必须将突起部分伸出于主 体部分的长度(G)设置成1. 0mm《G《7. 0mm，而不用考虑安全地安装在突起部分上表面上 的目标对象其直径。 如上文所述，本发明优化了静电夹头装置的结构，尤其是优化了静电夹头的结构， 因此可以克服RF接环的不完善连接问题，同时还可以通过减小等离子体离子入射到静电
夹头边缘的同一入射角度(e)，使等离子体离子可以垂直地入射地静电夹头边缘的静电夹 头盖环表面上，而不需RF接环，达到延长静电夹头盖环使用寿命，增加等离子反应器蚀刻 性能的目的。 此外，通过优化静电夹头上突起部分的长度(G)和突起部分的直径(Rl)，就不用 在静电夹头盖环外侧特别设计一个预定形状的聚焦环，或是特别设计在静电夹头盖环的下 部增加一个复杂的附加结构，如接环，因此可以降低等离子反应器的设备制造费。另一方 面，通过优化静电夹头上突起部分的长度(G)和突起部分的直径(Rl)，可以使对静电夹头 的保护和目标对象(如一块晶片)边缘的处理质量得到保证。 此外，通过优化静电夹头上突起部分的长度(G)和突起部分的直径(Rl)，可以使 静电夹头盖环的蚀刻剖面成"L"形(如图3中B'部分所示)，从而可以获得有效的产品维 护，如延长静电夹头盖环的使用寿命，削弱静电夹头的电弧现象，减少微粒的数量，扩大反 应腔中的洁净区等等。
本发明的上述及其它目的、特征和优点将在下面结合附图进一步描述，其中
图1是传统静电夹头装置的结构示意图； 图2是由设有图1所示的静电夹头装置的一个等离子反应器所蚀刻产生的一块晶 片的结构示意图； 图3是本发明中一个优选实施例所述的静电夹头装置的结构示意图；
图4是图3所示的静电夹头的侧视图；
图5是图3所示的一个静电夹头的设计图。 图6是设有图3所示的静电夹头装置的等离子反应器实例的结构示意图；
图7是被图6所示的等离子反应器所蚀刻产生的一块晶片的结构示意 图8是被图6所示的等离子反应器蚀刻产生的一块晶片，其蚀刻区中蚀刻率的结 构示意图。 在这些图中，同样的附图标记应理解为涉及同样的元素、特征或结构。
具体实施例方式
下面将结合附图描述了本发明优选的实施例。在此将省略对涉及公知功能和结构 的详细描述。 图3是本发明一个优选实施例所述的静电夹头装置的结构示意图。该静电夹头装 置100设有一个静电夹头110，一个静电夹头盖环120和一个阴极装置盖环130。该静电夹 头110设有一个主体部分111和一个突起部分112。该主体部分111和突起部分112均为 圆形(图5)。突起部分112整个从主体部分111中形成，并从主体部分111中伸出。突起 部分112的直径(Rl)小于主体部分111的直径(图4中的R2)。 静电夹头盖环120沿突起部分112的外圆周环绕地设置。当一个设有静电夹头装 置100的等离子反应器200 (如图6所示)运行时，可以产生等离子体离子182。当静电夹 头盖环120被等离子体离子182蚀刻之后，该静电夹头盖环120就具有一个"L"形(如图 3所示的"B"部)切割面。因此，突起部分112伸出于主体部分111的长度(G)被设置成
1. Omm《G《7. Omm，而不用考虑安全地安装在突起部分112的上表面上的目标对象170 (如 一块晶片)其直径。仅有静电夹头盖环120沿突起部分112外圆周环绕地设置。 如图3所示，由于等离子反应器200重复进行晶片处理工艺，一块新的或是未蚀刻 的静电夹头盖环120(图中所示的"B"部分)被逐渐蚀刻。因此，如图3中"B'"部分所示， 该静电夹头盖环120被蚀刻具有"L"形切割表面。静电夹头盖环120被蚀刻具有"L"形切 割表面的原因是，当目标对象170被等离子反应器200蚀刻时，通过将突起部分112伸出于 主体部分111的长度(G)设置成1. Omm《G《7. Omm，等离子体离子182被垂直地射入到静 电夹头盖环120的一个表面上。与之相较，如果突起部分112伸出于主体部分111的长度 (G)被设置成10mm或更大，当目标对象170被等离子反应器200蚀刻时，等离子体离子182 被倾斜地射入到静电夹头盖环120的一个表面上。 所述的突起部分112的直径(Rl)是指上面安全地安装有目标对象170的突起部 分112的上表面的直径。突起部分112的直径(Rl)优选被设置成比目标对象170的直径小
2. 5mm至3. 5mm。例如，如果目标对象170为一块300mm的晶片，那么优选的突起部分112的 直径(Rl)约为300mm，但是由于一个晶片输送系统的处理错误，突起部分112的直径(Rl) 通常应小于晶片的直径。因此，如果目标对象170为一块300mm的晶片，那么优选的突起部 分112的直径(Rl)应为296. 5mm《Rl《297. 5mm。 静电夹头盖环120沿静头夹头110上突起部分112的外圆周环绕地设置。静电夹 头盖环120保护静电夹头110的主体部分111，使之不受等离子反应器200运行时所产生 的等离子体离子182的影响。阴极装置盖环130沿静电夹产盖环120的外圆周和静电夹头 110上主体部分111的外圆周环绕地设置。 —个供电器140穿过一个RF噪音过滤器150，向静电夹头110提供直流(DC)电 源。 一个开关160可以在该供电器140和RF噪音过滤器150之间连接。当供电器140向 静电夹头110提供DC电源时，静电夹头110中通过静电产生一个吸引力，使目标对象170
6固定在突起部分112的上表面。 图6是设有图3所示的静电夹头装置的一个等离子反应器实例的结构示意图。该 等离子反应器200的一个反应腔201中安装了一个阴极装置202，在该阴极装置202的上部 安装了所述的静电夹头装置100。静电夹头装置100的一个突起与图3所示的突起相同。
气体注射器203和204安装在反应腔201侧面和顶部上多点处。该气体注射器203 和204将一种反应气体注射到反应腔201中。反应腔201顶部设有一个绝缘窗205。该绝 缘窗205周围安装了一个电感线圈206 (如一个等离子源在反应腔201中产生等离子体)。 一个RF功率提供器208穿过一个RF匹配网络207，向电感线圈206提供一个RF功率源。 这样，电感线圈206中就形成一个磁区。由于电感线圈206中的这个磁区，反应腔201中就 产生了等离子体离子。 —个开关211在供电器209和RF噪音过滤器210之间连接，RF噪音过滤器210 与静电夹头110连接。当打开开关211时，供电器209穿过RF噪音过滤器210向静电夹头 IIO提供一个DC电源。偏阻抗匹配网络212和213与一个低电极(如阴极装置202)连接。 一个低频率RF功率提供器214穿过偏阻抗匹配网络212向一个低电极提供一个低频率的 偏RF功率。 一个高频率RF功率穿过偏阻抗匹配网络213向一个低电极提供一个高频率的 偏RF功率。因此，低频率的偏RF功率和高频率的偏RF功率被混合并供应给低电极(如阴 极装置202) 反应腔201的下面安装了一个节流阀216和一个涡轮泵217。该涡轮泵217的一 侧安装了一个排气阀218。 图7是图6所示的等离子反应器蚀刻而成的一块晶片的结构示意图。
将晶片170沿切割线F-F'切割后，如图7下部所示，其切割面上显示出晶片170 中形成的接触孔(H11至H13)的剖面。图7清晰地显示出晶片170中心和边缘上形成的接 触孔(H12，和H11与H13)具有一个与晶片170底面(或一个表面)垂直的规则剖面。由 于突起部分112伸出于主体部分111的长度(G)被设置成1. Omm《G《7. Omm，因此接触 孔(H11与H13)可以如上述地垂直于晶片170底面(或一个表面)设置，并且由于突起部 分112的直径(Rl)被设置成比目标对象170的直径小2. 5mm至3. 5mm，因此优化了静电夹 头110的结构。 如果突起部分112的直径(Rl)太小，就会在等离子反应器200蚀刻时，降低晶片 边缘的处理质量。相反，如果突起部分112的直径(Rl)太大，静电夹头IIO就会产生蚀刻 问题。因此，突起部分112的直径(Rl)必须通过高费用的实验进行优化。
另一方面，最优选的突起部分112伸出于主体部分111的长度(G)等于"O"。但 是，这样静电夹头盖环120就无法安装在静电夹头110中。如果静电夹头盖环120不安装 在静电夹头110中，就会由于等离子体离子间的撞击，破坏静电夹头110主体部分111的边 缘(如图5中的"E"部分)。因此，突起部分112伸出于主体部分111的长度(G)应该保持 在一个特殊的值上。 在优化突起部分112突起于主体部分111的长度(G)时，必须实验获得静电夹头 盖环120的一个蚀刻率，目标对象(如晶片)170的一个蚀刻剖面，目标对象170边缘的一个 蚀刻率和一个蚀刻剖面等数据。根据这些实验数据，当静电夹头盖环120为硅制时，静电夹 头盖环120的蚀刻率约为0. 82mm/200Hrs。最后，如果将二次清洗间平均间隔时间(MTBC)保证在大于或等于200Hrs时，再考虑到一个处理错误，突起部分112突起于主体部分111 的长度(G)应该等于或大于lmm。 此外根据这些实验数据，当突起部分112突起于主体部分111的长度(G)等于或 小于7mm时，可以保证静电夹头盖环120具有一个良好的蚀刻剖面，目标对象170的边缘具 有一个良好的蚀刻率(图8中的表)和蚀刻剖面(如图7所示)。在图8的表中，一个蚀刻
范围对应于最大蚀刻率和最小蚀刻率之间的差值，均匀度可以根据下面的等式计算。
最大蚀刻率-最小蚀刻率
均匀度(％) =- xioo%
最大蚀刻率+最小蚀刻率 另一方面，当突起部分112的直径(Rl)比目标对象170小2. 5mm至3. 5mm，并最优 化突起部分112突起于主体部分111的长度(G)，可以保证静电夹头盖环120具有一个良好 的蚀刻剖面，目标对象170的边缘具有一个良好的蚀刻率(图8中的表)和蚀刻剖面(如 图7所示)。另一方面，优选静电夹头110和静电夹头装置100的设计，从而可以简化静头 夹头110周围的一个加工工具，降低费用。 虽然本发明已经公开描述了某些优选的实施例，但应理解为只要不违背和超出权 利要求所规定的本发明的原理和范围，技术熟练的人可以进行各种变化。
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权利要求
一种等离子反应器中的静电夹头装置，设有一个静电夹头，其设有一个具有第一直径的圆形主体部分，和一个整个从主体部分中形成，并从主体部分中伸出的突起部分，该突起部分为具有第二直径的圆形，并且第二直径小于第一直径；一个沿突起部分的外圆周环绕地设置的静电夹头盖环，其保护静电夹头的主体部分不受等离子反应器运行时所产生的等离子体离子的影响；和一个沿静电夹头盖环的外圆周和主体部分的外圆周环绕地设置在阴极装置上部的阴极装置盖环，其特征在于，将突起部分伸出于主体部分的长度(G)设置成1.0mm≤G≤7.0mm，而不用考虑安全地安装在突起部分上表面上的目标对象其直径，使静电夹头盖环在被等离子体离子蚀刻后，产生一个“L”形切割面。
2. 如权利要求1所述的静电夹头装置，其特征在于通过将突起部分伸出于主体部分的 长度(G)设置成1. Omm《G《7. Omm，当目标对象被等离子反应器蚀刻时，等离子体离子是 垂直射入到静电夹头盖环的一个表面上，并且目标对象一个边缘上形成的多个接触孔与目 标对象的一个表面相垂直。
3. 如权利要求1所述的静电夹头装置，其特征在于突起部分的第二直径等于其上安全 地安装了目标对象的突起部分上表面的直径，并且该第二直径比目标对象的直径小2. 5mm 至3. 5mm。
4. 如权利要求1所述的静电夹头装置，其特征在于所述的等离子反应器设有一个感应 线圈的等离子源，该等离子源在等离子反应器的一个反应腔中产生等离子 体离子。
5. 如权利要求1所述的静电夹头装置，其特征在于所述的等离子反应器设有 一个感应线圈的等离子源，该等离子源在等离子反应器的一个反应腔中产生等离子体离子；和多个安装在上述反应腔顶部和侧部上多点处的气体注射器， 其中气体注射器将等离子体反应气体注射到所述的反应腔中。
6. 如权利要求1所述的静电夹头装置，其特征在于所述的等离子反应器设有一个低频 率无线电频率(RF)功率提供器和一个高频率无线电频率(RF)功率提供器，其中，通过所述的低频率RF功率提供器和高频率RF功率提供器， 一个低频率的偏RF 功率和一个高频率的偏RF功率被混合并供应给阴极装置。
全文摘要
本发明提供了一种等离子反应器中的静电夹头装置。该装置设有一个静电夹头，一个静电夹头盖环和一个阴极装置盖环。该静电夹头设有一个主体部分和一个突起部分。所述的主体部分为一个具有第一直径的圆形。所述的突起部分整个从主体部分中形成，并从主体部分中伸出，其为一个具有第二直径的圆形，其中第二直径小于第一直径。所述的静电夹头盖环沿突起部分的外圆周环绕地设置。所述的阴极装置盖环沿静电夹头盖环的一个外圆周和主体部分的一个外圆周环绕地设置在阴极装置的上部。
文档编号H01J37/20GK101740300SQ20091020824
公开日2010年6月16日 申请日期2009年10月17日 优先权日2008年11月5日
发明者朴根周, 李元默, 蔡焕国, 金珉植, 金起铉, 高诚庸 申请人:显示器生产服务株式会社