在等离子体增强化学气相沉积系统中高温下使用压缩应力或拉伸应力处理晶片的方法和装置与流程

在等离子体增强化学气相沉积系统中高温下使用压缩应力或拉伸应力处理晶片的方法和装置
1.本技术是申请日为2015年8月12日、申请号为“201580043795.7”、发明名称为“在等离子体增强化学气相沉积系统中于高温下使用压缩应力或拉伸应力处理晶片的方法和装置”的发明专利申请的分案申请。
2.背景
技术领域
3.本公开的实施例总体上涉及用于处理半导体基板的装置和方法。更具体地，本公开的实施例涉及用于等离子体腔室中的静电卡盘。


背景技术：

4.等离子体增强工艺，诸如等离子体增强化学气相沉积(plasma enhanced chemical vapor deposition,pecvd)工艺、高密度等离子体化学气相沉积(high density plasma chemical vapor deposition,hdpcvd)工艺、等离子体浸没离子注入工艺(plasma immersion ion implantation,p3i)和等离子体蚀刻工艺，已经在半导体处理中变得必不可少。等离子体在制造半导体器件中提供了许多优势。举例而言,由于降低的处理温度，使用等离子体能够实现大范围的应用，等离子体增强沉积对于高深宽比间隙和高沉积速率具有极佳的间隙填充。
5.在等离子体处理期间发生的一个问题是正在高温下处理的基板(尤其是器件基板，即图案化基板)的变形。半导体器件是通过在半导体基板上以特定图案堆叠材料层形成的。由于不同材料层之间的热膨胀差异，图案化基板在处理期间尤其是当正在加热所述基板时可能“弯曲”。基板的弯曲可导致处理表面的不均匀性。可能要处理弯曲基板的侧面和背面，这不仅因为用于等离子体处理的前体通常非常昂贵而浪费处理材料，而且还对后续处理步骤造成污染和其他问题。
6.外部机构如静电卡盘(electrostatic chuck,esc)用于在半导体处理期间抵靠esc表面固持基板，使得晶片不会移动，并且将与esc保持一致的热接触和电接触。最重要地，esc在半导体处理期间保持基板平坦。对于pecvd应用来说关键的是，在处理期间并且在基板之间，基板温度和电压都是一致的。特别令人关注的是，进入的基板在被夹持到所述esc之前何时展现出一定程度的压缩弯曲或拉伸弯曲，以及高操作温度将进一步使所述弯曲变化，即由于基板表面应力在高温下变化而可能比进入弯曲更差。在这种情况下，由于高操作温度，被卡持的基板可能在等离子体处理期间仍然发生变形。
7.因此，需要一种用于在夹持基板同时在高操作温度期间保持所述基板的平坦度的装置和方法。


技术实现要素：

8.本公开的实施例总体上提供了用于抵靠电介质esc表面夹持基板，并且随后从所
述电介质esc表面释放该相同基板的静电卡盘(esc)和方法，其中所述基板变得基本上平坦并且被维持为与所述esc表面基本上平行，而不管所述基板是平坦的还是可能在被所述esc夹持之前已经展现出不同程度的压缩弯曲或者拉伸弯曲。
9.在一个实施例中，所述静电卡盘包括：卡盘主体，所述卡盘主体耦接到支撑杆，所述卡盘主体具有用于支撑基板的顶表面，并且所述卡盘主体在约250℃至约700℃的温度中具有约1
×
107ohm-cm(欧姆-厘米)至约1
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10
15
ohm-cm的体电阻率值，以及电极，所述电极嵌在所述主体中，并且所述电极耦接到电源。
10.在另一实施例中，所述静电卡盘包括：卡盘主体，所述卡盘主体耦接到支撑杆，所述卡盘主体具有用于支撑基板的顶表面，其中所述卡盘主体在约250℃至约700℃的温度中具有约1
×
107ohm-cm至约1
×
10
15
ohm-cm的体电阻率值，并且所述卡盘主体具有约60w/m-k(瓦/米-k)和190w/m-k的导热系数值，并且其中所述卡盘主体由包含列于本公开的表1中的杂质元素的氮化铝组成。
11.在另一实施例中，所述静电卡盘包含具有基板支撑表面的氮化铝主体，其中所述氮化铝主体在约450℃至约650℃的温度下具有约1
×
109ohm-cm至约1
×
10
12
ohm-cm的体电阻率值，其中至少所述基板支撑表面涂覆有绝缘层。
12.在大多数实施例中，本公开的esc是johnsen-rahbek静电卡盘(johnsen-rahbek electro static chuck)，对于薄膜沉积应用而言，所述johnsen-rahbek静电卡盘在约100℃至约700℃的温度范围内操作。操作温度可以基于在任何给定时间或者在其中所述操作温度基本上一致的时段内进行的实时温度测量来闭环控制，或者所述操作温度按照预定进程而变化。跨所述esc表面的温度变化基本很小，例如小于相对于平均操作温度的10％。
13.在一些实施例中，所述esc可以包括形成闭环电路的一个或多个嵌入式电极，以在所述基板的背面和所述esc的顶表面之间提供相反的电荷极性，并且所述闭环可以包括保持在所述基板和包含所述esc本身及其他支撑部件的导电壁之间的等离子体。
14.在一些实施例中，所述esc由具有适宜的热性质、力学性质和电性质的块状电介质材料组成以提供优良的卡持性能。所述块状电介质材料可以主要包含在大于1000℃下烧结的氮化铝，从而形成具有预定几何形状的esc的主体。所述esc主体可经机械加工和研磨以符合预定几何形状和表面状况。具体地，关于电性质，根据操作温度将电介质材料的体电阻率控制为落入约1
×
107ohm-cm至约1
×
10
16
ohm-cm的范围内。较低水平的体电阻率使得电荷能够从嵌入式卡持电极向esc的顶表面迁移，从而使得这种表面电荷可在所述基板的背面上感应相同量的相反极性电荷。所述相反极性电荷可被抗放电地保持，以便产生将基板抵靠esc夹持的连续库仑引力。
15.在一些实施例中，esc可包括形成特定图案或者占据所述esc主体内的不同区域的若干特定图案的嵌入式加热器元件。所述加热器元件可以使用一个或多个dc电源供电或者直接使用ac线路供电。
16.在一些实施例中，esc可以包括电气保护电路网，所述电气保护电路网抗由于可能存在于esc附近或从别处耦合到esc的射频以及较低频率电压和电流造成的潜在危害。所述保护电路可以由熔断器、开关、对地放电路径、限流器件、限压器件和滤波器件组成，以实现任何潜在有害电压和电流的充分衰减，这些潜在有害电压和电流可仅分布在一个频率内，或者跨从dc、ac线路频率，rf频率，直到vhf频率的宽频谱散布。
17.在一些实施例中，esc的顶表面可以包括在夹持时形成均匀或不均匀图案的表面接触特征。所述图案可作为基板背面的整个区域的完全覆盖物或部分覆盖物而呈现到所述基板的背面。所述图案的接触表面可由于机械加工和研磨而具有微粗糙度，并且可以含有与所述esc主体基本上相同材料或不同材料的适宜厚度的涂层。所述表面接触特征可为具有被配置成与所述基板背面接触的顶表面的不同岛或台面(mesa)结构的形式，具有相同或不同的形状的岛，并且跨esc表面以均匀密度或者不均匀密度分布。所述顶表面还可含有阻挡(blocking)特征，所述阻挡特征的顶表面在处理期间不与基板接触，并且可以被提升到与所述基板水平相当或更高以在晶片处理期间或者在基板被卡持之前防止不希望的基板移动。所述阻挡特征可以围绕所述esc主体的圆周等距分隔，或者可以延伸成可以与所述esc分离的连续的环形结构。
附图说明
18.因此，为了能够详细理解本公开的上述特征所用方式，上文所简要概述的本公开的更具体的描述可以参考实施例进行，所述实施例中的一些示出于附图中。然而，应注意的是，附图仅示出本公开的典型实施例并因此不应视为对本公开范围的限制，因为本公开可承认其他同等有效的实施方式。
19.图1根据本公开示出了pecvd系统100的横截面视图。
20.图2是根据本公开的各种实施例的静电卡盘的示意性横截面视图。
21.图3是示出在特定制造工艺下由材料1至材料5组成的主体的温度和体电阻率值之间的关系的曲线图。
22.图4a至图4d根据本公开的实施例示出了具有不同绝缘层布置的静电卡盘的示意性横截面视图。
23.图5根据本公开的实施例示出表面接触部的示例性布置。
24.为了便于理解，已经尽可能使用相同的附图标记来标示图中共有的相同要素。同时可预想，在一个实施例中公开的要素可以有利地用于其他实施例，而无需具体叙述。
具体实施方式
25.示例性腔室硬件
26.图1根据本公开示出了pecvd系统100的横截面视图。应当注意的是，尽管本技术中描述了pecvd系统，但是本公开的装置和方法可适用于使用静电卡盘的任何适宜等离子体工艺。pecvd系统100一般包括腔室主体102，所述腔室主体102支撑腔室盖104，腔室盖104可以通过铰链附接到腔室主体102。腔室主体102包括限定处理区域120的侧壁112和底壁116。腔室盖104可以包括穿过其设置以将反应物和清洁气体传递到处理区域120中的一个或多个气体分配系统108。形成在侧壁112中并且耦接到泵送系统164的圆周泵送通道125被配置为从处理区域120排出气体并控制处理区域120内的压强。两个通道122和124形成在底壁116中。静电卡盘的杆126穿过通道122。被配置用于使基板升降杆161活动的连杆130穿过通道124。
27.由陶瓷或类似物制成的腔室衬垫127设置在处理区域120中以保护侧壁112免受腐蚀性处理环境的影响。腔室衬垫127可以由形成在侧壁112中的台肩129支撑。多个排气口
131可形成在腔室衬垫127上。多个排气口131被配置成将处理区域120连接到泵送通道125。
28.气体分配系统108被配置用于传递反应物和清洁气体并且设置成穿过腔室盖104以将气体传递到处理区域120中。气体分配系统108包括气体进入通道140，所述气体进入通道140将气体传递到喷淋头组件142中。喷淋头组件142由环形底板148组成，所述环形底板148具有设置在面板146中间的阻挡板144。
29.冷却通道147形成在气体分配系统108的底板148中以在操作期间冷却底板148。冷却入口145将冷却剂流体(诸如水或类似物)传递到冷却通道147中。所述冷却剂流体通过冷却剂出口149离开冷却通道147。
30.腔室盖104具有匹配通道以将气体从一个或多个气体入口168、163、169通过远程等离子体源162传递到位于腔室盖104顶部上的气体进入歧管167中。pecvd系统100可包括一个或多个液体输送源150和一个或多个气体源172，所述一个或多个气体源172经配置用于提供载气和/或前体气体。
31.静电卡盘128经配置用于支撑和固持正在处理的基板。在一个实施例中，静电卡盘128可以包括至少一个电极123，向电极123施加电压以在其上静电地固定基板。电极123由通过低通滤波器177连接到电极123的直流(dc)电源176供电。静电卡盘128可以是单极的、双极的、三极的、dc的、交错的、带状的等。
32.在一个实施例中，静电卡盘128可移动地设置在由耦接到杆126的驱动系统103驱动的处理区域120中。静电卡盘128可包括加热元件，例如电阻元件，以将位于其上的基板加热至期望的处理温度。或者，静电卡盘128可由诸如灯组件等外部加热元件来加热。驱动系统103可包括线性致动器、或电动机和减速齿轮组件，以在处理区域120内降低或升高静电卡盘128。
33.射频源165通过阻抗匹配电路173耦接到喷淋头组件142。喷淋头组件142的面板146和可通过高通滤波器(诸如电容器178)接地的电极123，形成电容式等离子体发生器。射频源165将rf能量提供到喷淋头组件142，以促进在喷淋头组件142的面板146和静电卡盘128之间生成电容式等离子体。从而，电极123提供射频源165的接地路径和自dc源176的电偏置两者，以实现对所述基板的静电夹持。
34.射频源165可以包括高频射频(high frequency radio frequency,hfrf)电源，例如13.56mhz射频发生器，和低频射频(low frequency radio frequency,lfrf)电源，例如300khz射频发生器。所述lfrf电源提供低频发生和固定匹配元件两者。所述hfrf电源被设计成与固定匹配一起使用并调节传递到负载的功率，从而消除关于正向功率和反射功率的问题。
35.在某些实施例中，可在等离子体处理期间监控紧固在静电卡盘128上的基板的性质。在某些实施例中，可在等离子体处理期间监控紧固在静电卡盘128上的基板的平坦度。在一个实施例中，可通过测量具有紧固在其上的基板的静电卡盘128的特性来监控紧固在静电卡盘128上的基板的平坦度。可用与面板146连接的传感器174来测量静电卡盘128的特性。传感器174可以是连接在面板146和阻抗匹配电路173之间的vi探针。在一些实施例中，传感器174可经配置用于测量在面板146和电极123之间的电容，因为在面板146和电极123之间的电容受位于面板146和电极123之间的基板121的平坦度的影响。当置于静电卡盘上的基板变得不太平坦时，静电卡盘(诸如静电卡盘128)可具有增大的容抗。当基板不平坦
时，例如由于所述等离子体的热量而变形时，在所述基板和静电卡盘128之间存在非均匀分布的空气间隙。因此，静电卡盘中的基板的平坦度的变化导致等离子体反应器的电容变化，所述电容变化可通过所述静电卡盘的虚部阻抗变化来测量。在这种情况下，传感器174可配置成通过测量由面板146和电极123形成的电容器的电压和电流来测量静电卡盘128的阻抗，进而监控紧固在其上的基板的平坦度。
36.在等离子体处理期间，位于静电卡盘上的基板由于加热变形、沉积膜厚度增大、卡持功率的损失或其组合而曲率增大。基板的变形可增大处理的不均匀性。在一个实施例中，可通过测量紧固基板的静电卡盘的特性来监控正在处理的基板的平坦度。根据预定条件，可以调节静电卡盘的卡持电压以校正基板变形。
37.如图1所示，传感器174可连接到系统控制器175。系统控制器175可被配置成计算和调整正在pecvd系统100中处理的基板121的平坦度。在一个实施例中，系统控制器175可以通过监控静电卡盘128的特性(诸如虚部阻抗)来计算基板121的平坦度或卡持状态。当虚部阻抗的测量指示基板121的平坦度降低时，系统控制器175可以通过调整dc源176来增大卡持功率。在一个实施例中，可以通过静电卡盘128的负增加的虚部阻抗来指示基板121的平坦度降低。
38.示例性静电卡盘
39.图2是根据本公开的各种实施例的静电卡盘128的示意性横截面视图。静电卡盘128包括耦接到支撑杆226的卡盘主体228。主体228具有顶表面202，所述顶表面202被配置成在处理期间提供对基板121的支撑和夹持。静电卡盘128的主体228包括耦接到导电构件286的电极223。电极223可以是与主体228内的基板尺寸相当的金属电极，并且可以被构造为与将被抵靠主体228的顶表面202固持的基板121基本上平行。电极223可以以任何配置或图案布置，使得所述电极均匀地分布在顶表面202上。例如，电极223可以网格状、像素状或点状配置布置。导电构件286可以是连杆、管、导线等，并且可由导电材料(诸如钼(mo)、钨(w)或具有与构成主体228的其他材料基本相似的膨胀系数的其他材料)制成。
40.在一个实施例中，静电卡盘使用单片电极223来维持在电极223和基板121之间的基本上均匀的电压。或者，静电卡盘可使用双极esc，其中具有不同电压的多个卡持电极用于产生夹持力。在一些实施例中，静电卡盘128可以具有嵌在或设置在主体228中的偏置电极，以向基板提供电偏置，从而促进或增强对基板的静电夹持。或者，电极223可以提供射频(rf)电源(例如，图1中的射频源165)的接地路径和到基板221的电偏置两者，以实现对基板的静电夹持。
41.为了向基板121提供电偏置，电极223可以与向电极223供应偏压的供电系统280电子通讯。供电系统280包括电源276，电源276可以是向电极223供应dc信号的直流(dc)电源。在一个实施例中，电源276是24伏特dc电源并且所述电信号可提供正偏置或负偏置。电源276可以耦接到放大器279以放大来自电源276的电信号。经放大的电信号通过连接器282传播到导电构件286，并且可以穿过电路网277以过滤放大的信号，从而去除噪声和/或去除来源于来自供电系统280的偏压的任何rf电流。将所述经放大和过滤的电信号提供给电极223和基板121，以实现对基板121的静电夹持。电极223还可充当rf接地，其中射频电源通过连接器281耦接到地。电容器278可以耦接到接地路径以防止偏压到达地。以这种方式，电极223充当基板偏置电极和射频返回电极。
42.在一些实施例中，基板121可与主体228的顶表面202部分地接触，从而形成本质上是电容器的接触间隙230。将卡持电压施加到所述接触间隙230，这有效地产生了所需的卡持力。在操作中，电源276充当电荷源，并且所存储的电荷可以通过有限导电的(主体228的)块状材料从电极223迁移到主体228的顶表面202。然后，所述表面电荷在基板121的底部上感应相等量但相反极性的电荷，其中相反电荷之间的库仑引力将抵靠顶表面202有效地固持基板121。基板121底部上的感应表面电荷中的一些可能来自基板221的顶表面202和电源276的另一端之间的，穿过公共接地连接(所述公共接地连接是导电腔室壁)的接触连接。这种连接可以通过在基板121和腔室侧壁(例如，图1中所示的侧壁112)之间触发和维持等离子体而形成，所述腔室侧壁表现为导电介质以闭合电流回路，从而供应夹持电压和电荷到接触间隙230。通过去除供应给电极223的夹持电压以及主体228中所含有的电荷，实现了从静电卡盘释放基板，并且同时等离子体保持运行直到基板121上的电荷被耗尽。
43.关于在主体228的顶表面202处积累的表面电荷，这是由于半导体材料的有限导电性导致的电荷迁移的直接结果。这使具有相反极性的电荷更接近，从而有效地减小了接触间隙。应当认识到，所述静电卡持力与所述接触间隙电压的平方成正比，并且与所述接触间隙高度的平方成反比。因此可以预期的是，电荷迁移有助于增加给定卡持电压下的卡持力，否则对于esc设计是等效的。换句话说，与具有较低导电性的材料相比，具有较高导电性的材料(诸如下文将描述的aln)可展现出更高的卡持力。这种电荷迁移的现象往往被称为johnsen和rahbek(johnsen and rahbek,j-r)效应。在本公开特定的温度状况(temperature regime)中，aln电介质材料表现出高导电性或低电阻率，从而将所公开的高温esc实现置于j-r效应卡盘的类别中。与所述j-r类别相反的是columbic效应卡盘，columbic效应卡盘中的电介质材料导电性小得多，或者甚至不导电，从而需要更高的卡持电压以达到等同的卡持力。
44.可以预期的是，所述材料(例如，aln)和基板的几何形状，间隙高度，有效接触面积，表面粗糙度和电阻率在确定电荷量和其在接触电容器上的分布方面都起着重要作用，使得很大一部分esc电压将被施加到接触间隙230，这有效地产生了所需的卡持力。足够的卡持力可以是能够在最少或少于几秒的时间内夹持所述基板，并且在所述基板处理期间维持夹持力的卡持力。在大多数情况下，足够的卡持力为约1
×
10-2
托至1
×
102托。对接触间隙电容器充电和放电的时间常数还决定了用于完全卡持基板和随后从静电卡盘释放基板的时间。需要esc电源电流以在整个基板处理期间或在处理配方的特定步骤根据需要维持恒定的卡持电压。在大多数情况下，接触间隙电压的波形可以有利地包括最少上升和下降时间，其中在其值接近大部分所施加的esc电源电压处之间具有基本上平坦的部分。如果使用相同级别的材料，则可能不能在宽操作温度范围(例如，-20℃至约850℃)内满足这种类型的波形。这是由于将在主体228中使用的电介质材料的温度依赖性。如下文关于图3更详细地讨论，在特定制造工艺下某种等级的aln材料的体电阻率可以从室温直到750℃变化若干数量级。因此，主体228的优化需要选择具有用于特定操作温度状况(例如在高温应用中)的某些特性的适宜等级材料。
45.在本公开的各种实施例中，主体228包括陶瓷材料或由陶瓷材料组成，所述陶瓷材料能够在约-20℃至约850℃的温度范围内(诸如约350℃至约700℃，例如约650℃)向基板提供足够的卡持力。具体地，主体228通常提供以下特性中的一个或多个：(1)相对高的机械
强度和刚性，用以承受由高温处理期间的热膨胀差异而引起的应力；(2)高纯度(》99atm％)和约1
×
106ohm-cm至约1
×
10
17
ohm-cm的体电阻率值，用以在高温下确保主体228中的低漏电流；以及(3)约60w/m-k的导热系数值，所述导热系数值用以提供极佳的导电性。在一些实施例中，主体228可以具有8至10的相对介电常数。适宜的陶瓷材料可包括但不限于氮化铝(aln)、氧化铝(al2o3)、二氧化硅(sio2)或其他陶瓷材料。
46.在大多数实施例中，主体228由aln组成。在一个实施例中，主体228由含有一种或多种杂质元素(诸如si、fe、ca、mg、k、na、cr、mn、ni、cu、zn和y)的特定级别aln组成，以满足上述特性(1)-(3)。特定等级aln中所含有的aln量通常高于99重量％。在一些实施例中，主体228由含有至少si、fe、ca和y的特定等级aln组成。在各种示例中，si的含量可以在约3ppm和约48ppm之间，诸如在约3ppm和约8ppm之间，在约8ppm和约13ppm之间，在约13ppm和约18ppm之间，在约18ppm和约23ppm之间，在约23ppm和约28ppm之间，在约28ppm和约33ppm之间，在约33ppm和约38ppm之间，在约38ppm和约43ppm之间，在约43ppm和约48ppm之间。在一个示例中，si的含量为约7ppm至约39ppm。fe的含量可以在约2ppm和约16ppm之间，诸如在约2ppm和约4ppm之间，在约4ppm和约6ppm之间，在约6ppm和约8ppm之间，在约8ppm和约10ppm之间，在约10ppm和约12ppm之间，在约12ppm和约14ppm之间，在约14ppm和约16ppm之间。在一个示例中，fe的含量为约4ppm至约10ppm。ca的含量可以在约5ppm和约225ppm之间，诸如在约5ppm和约25ppm之间，在约25ppm和约45ppm之间，在约45ppm和约65ppm之间，在约65ppm和约85ppm之间，在约85ppm和约105ppm之间，在约105ppm和约125ppm之间，在约125ppm和约145ppm之间，在约145ppm和约165ppm之间，在约165ppm和约185ppm之间，在约185ppm和和约205ppm之间，在约205ppm和约225ppm之间。在大多数示例中，ca的含量为约10ppm至约180ppm。在一个示例中，ca的含量为约15ppm。在另一示例中，所述ca的含量为约170ppm。y的含量可以在约0.01ppm和约805ppm之间，诸如在约0.01ppm和约85ppm之间，在约85ppm和约165ppm之间，在约165ppm和约245ppm之间，在约245ppm和约325ppm之间，在约325ppm和约405ppm之间，在约405ppm和约485ppm之间，在约485ppm和约565ppm之间，在约565ppm和约645ppm之间，在约645ppm和约725ppm之间，在约725ppm和约805ppm之间。在一个示例中，y的含量小于约1ppm。在一些示例中，y的含量可以为约1重量％至约9重量％，例如1重量％至约3重量％，约3重量％至约6重量％，约6重量％至约9重量％。在一个示例中，y的含量为约3.3重量％。
47.在一些实施例中，主体228可进一步含有na和cr。在这种情况下，na的含量可为约0.01ppm至约5.4ppm，诸如在约0.01ppm和约0.9ppm之间，在约0.9ppm和约1.8ppm之间，在约1.8ppm和约2.7ppm之间，在约2.7ppm和约3.6ppm之间，在约3.6ppm和约4.5ppm之间，在约4.5ppm和约5.4ppm之间。在一个示例中，na的含量为约2ppm。在另一示例中，na的含量小于约1ppm。cr的含量可以为约0.01ppm和约3ppm，诸如在约0.01ppm和约0.6ppm之间，在约0.6ppm和约1.2ppm之间，在约1.2ppm和约1.8ppm之间，在约1.8ppm和约2.4ppm之间，在约2.4ppm和约3ppm之间。在一个示例中，cr的含量为约1ppm。主体228可以含有附加的杂质元素，诸如mg、k、mn、ni、cu和zn。在这种情况下，每种附加的杂质元素的含量可以小于约1ppm。
48.由本文所述的材料和杂质元素含量组成的主体228预计提供以下机械性能：(1)纯度等于或高于约99atm％；(2)堆积密度在约3.15g/cc和约3.45g/cc之间，例如约3.33g/cc,(3)导热系数在约60w/m-k和190w/m-k之间，例如约170w/m-k；(4)衬垫热膨胀系数(1000℃)
在约5.2
×
10-6
/℃和约5.9
×
10-6
/℃之间，例如约5.7
×
10-6
/℃；(5)弯曲强度在约250mpa和约500mpa之间，例如约400mpa；(6)杨氏模量在约250gpa和约350gpa之间，例如约300gpa；以及(7)维氏硬度在约900hv和约1300hv之间，例如约987hv。
49.可用于主体228的示例性特定等级aln的组分列于下表1中。
50.表1
[0051][0052]
图3是示出在特定制造工艺下由材料1至材料5组成的主体228的温度和体电阻率值之间的关系的曲线图。可以看出，材料1至材料5的体电阻率值从-10℃到高达约700℃在1
×
106ohm-cm至约1
×
10
17
ohm-cm的范围内变化若干数量级。具体地，图3示出当操作温度线性增加时，材料1至材料5的体电阻率几乎指数地下降。已经观察到，如果esc材料的体电阻率值大于1
×
10
16
ohm-cm，则在电压施加时的漏电流将太小而不能获得足够的卡持力(例如，1
×
10-3
托至1
×
103托)，而如果esc材料的体电阻率值小于1
×
106ohm-cm，则所述漏电流将变得过大并且导致所卡持的基板上的电路的击穿。因此，有利的是使主体228的体电阻率值在1
×
106ohm-cm至约1
×
10
16
ohm-cm的范围内，以提供足够的卡持力。当静电卡盘由材料1至材料5组成并进行测试时，可以观察到，材料1至材料5在约-5℃和约700℃之间的宽温度范围产生卡持力。具体地，材料1和材料5分别具有约1
×
107ohm-cm至约1
×
10
15
ohm-cm(约250
℃至约650℃)和约1
×
108ohm-cm至约1
×
10
15
ohm-cm(约250℃至约700℃)的体电阻率值，由材料1和材料5组成的主体228能够在约250℃至约700℃的高温范围提供足够的卡持力(例如，1
×
10-3
托至约1
×
102托)。通过开发过程，本发明人还已经认识到，由具有170w/m-k的导热系数值的材料1和材料5组成的静电卡盘有助于在650℃的操作温度下实现5℃的温度范围或变化。虽然仅示出了由材料1至材料5组成的静电卡盘，但是由本公开的各种实施例中所描述的其他材料组成的静电卡盘也可以用于在约25℃至约700℃的宽温度范围内，特别是约200℃至约650℃的较高温度下，在pecvd半导体制造工艺或其他类似的半导体制造工艺中提供有效的卡持力。
[0053]
返回参考图2，在一些实施例中，主体228可以包括一个或多个嵌入式加热器288，以向主体228提供热量。来自加热器288的热量然后被传送到基板121以增强制造工艺，诸如沉积工艺。加热器288可以或者可以不定位成与电极223平行。虽然加热器288被示出在电极223下方的位置，但是所述电极可以沿着与加热器288相同的平面或者在加热器288上方布置。加热器288可以是单根连续金属线或者可以是分立金属线的形式。加热器288可以是适于向静电卡盘提供感应或电阻加热的任何加热设备。诸如热电偶的温度传感器(未示出)可以嵌在主体228中。所述温度传感器可以连接到温度控制器(未示出)，所述温度控制器向电源283提供控制信号以控制主体228的温度。
[0054]
加热器288通过支撑杆226耦接到电源283以向加热器288供电。电源283可以包括直流(dc)电源、交流(ac)电源或两者的组合。在一个实施例中，电源283是向加热器288提供ac信号的交流(ac)电源。加热器288可以由电阻性金属、电阻性金属合金或两者的组合组成。用于所述加热元件的适宜材料可以包括具有高热阻的那些材料，诸如钨(w)、钼(mo)、钛(ti)等。加热器288也可以用具有诸如热膨胀系数等热性质(其基本上类似于构成主体228的材料的热性质)的材料制造，以减少由失配的热膨胀引起的应力。
[0055]
加热器288可以以任何预定图案布置以控制操作温度以及控制跨主体228的顶表面202和基板121的均匀性。例如，加热器288可以布置成提供跨主体228的顶表面202的单个加热区或多个独立的、方位可控的加热区。加热器288的位置和布局直接影响跨所述卡盘表面的操作温度和温度分布或者温度轮廓。这种温度轮廓可以在一段时间内基本上一致，或者可以通过动态调节到每个加热器元件的功率而变化成不同但有效的温度轮廓。基于嵌在主体228内的原位温度传感器的闭环温度控制可以用于维持跨主体228和基板表面的精确操作温度和温度梯度。可以预想，取决于工艺要求，可以有不同的加热器区域配置，诸如与所述卡持功能结合的一个、两个、三个、四个或更多个区域加热器。在膜沉积期间加热器228的位置和布局以及操作温度可以由本领域的普通技术人员操纵以控制膜的厚度、均匀性、应力、介电常数或折射率等。
[0056]
在一些实施例中，电路网277可以被配置成保护用于esc和用于加热器288的电源免受ac以及电抗性射频电压和电流的影响，所述ac以及电抗性射频电压和电流可通过esc电介质材料耦接到所述卡持电极和加热器288。这种耦接可对dc电源或ac电源是有害的，所述dc电源或ac电源不被设计为处理相应的ac和rf负载。为了保护所述esc电源和用于加热器的ac输电线路，电路网可以包括具有高输入阻抗的射频滤波器电路，以最小化或防止射频电压和电流进入其保护的负载。所述射频滤波器电路可以取决于工作频率。例如，在13.56mhz，简单的lc并联谐振电路作为高阻抗电路呈现到高电压侧，并且因此可以充当射
频频率的开路，但是充当其他频率和dc的通路。在涉及多个射频频率的情况下，可以使用多个滤波器级以满足在每个操作频率下的最小射频阻抗要求。
[0057]
可能存在与在温度状况(temperature regime)的高端(例如，700℃)附近操作的esc相关的特定滤波器需求。如前所述，aln材料的电阻率变得比在高温下低得多，这可能导致嵌入的卡持电极223和加热器288之间的耦接增加，因为嵌入的卡持电极223和加热器288在物理上靠近。因此，主要在加热器电路的ac线路侧出现的较低频率信号可通过所述aln电介质卡持材料耦接到所述卡持电极并影响所述卡持电压。较低频率信号的示例是50hz或60hz的线路频率。在一些情况下，大部分的线路电压可以耦接到卡持电极。在这种情况下，dc esc电源将充当噪声的负载，这可能是不期望的，因为大多数可商购获得的dc电源不被设计成承受ac负载。由于ac耦接问题在aln材料的电阻率低得多的情况下在较高温度下可能是严重的，因此在一些实施例中，可使用附加的ac线路滤波器(诸如针对50hz或60hz ac线路频率而设计的emi滤波器)来减少耦接到所述卡持电极的低频噪声并保护esc电源。
[0058]
在一些情况下，多个射频频率和较低频率滤波器的实施可能是必要的，无论它们根据需要在每个电路支路上是串联的、并联的还是以任何组合的形式。在一些实施例中，与27mhz高阻抗滤波器串联的单个13.56mhz高阻抗滤波器可以插在所制作的通向嵌入式加热器288的每个连接线路之间，而与射频滤波器串联的一个附加低频emi滤波器可以插在嵌入式esc电极223和esc电源276之间。可以根据应用来控制任何或所有适宜组合的各种滤波器拓扑结构，诸如输入阻抗值、带宽、截止频率、频率响应曲线和衰减程度等。电路网277可以设置在相对于静电卡盘的任何适当的位置，而不管在腔室环境内部还是外部，靠近或远离它们被设计用来保护的源。已经进一步认识到，所述滤波器需求和实现很大程度上取决于系统要求，并且可以不限于上述示例，虽然毫无例外地应当被认为是基于当前公开的方法和实施方式的衍生物。
[0059]
虽然本公开的一些实施例描述了esc的实施方式，其中所述加热器没有被任何频率的射频功率主动驱动，但是可以预想的是，这种射频驱动方案可以是本公开的衍生物，因为无论是否存在从腔室的加热器侧驱动的有源射频功率，所述高温下的卡持的原理保持相同。与所述esc相关的所有方面(诸如陶瓷材料选择和射频滤波器设计)保持相同，无论是存在还是不存在来自腔室的加热器侧的射频驱动(即，esc具有或不具有来自网格侧的有源射频驱动)，或者无论在射频网格上正运行什么射频电压和电流而同时向同一网格电极施加dc卡持电压。应当认识到，假如存在于所述卡持电极上的射频电压和电流(射频电压或电流或两者)的水平可以不同于或高于当射频驱动来自顶部电极而不是来自底部和加热器侧时的那些。因此，对先前描述的保护电路的要求可相应地改变，以便达到相同的隔离水平。也就是说，用于特定操作频率的输入阻抗可以更高，以便实现相同水平的漏射频电压或电流，所述漏射频电压或电流对应于来自顶部驱动射频电极的漏射频电压或电流。
[0060]
已经观察到，esc卡持漏电流路径可以通过加热器288到接地和/或通过基板/主体228的表面到等离子体和接地来建立。当所述esc电流的全部或大部分穿过基板接地时，其可能潜在地超过阈值，这将对滞留在所述基板上的器件结构造成电损伤。该电损伤可包括充电损伤和/或绝缘层破损。一种在高操作温度下优化esc电流的方法是使用更高电阻率的电介质材料。如先前关于含有用于制造主体228的材料1-5的集合的电性质的图3所讨论，与材料1的1
×
108ohm-cm的体电阻率相比，材料5在约600℃下看似具有1
×
10
10
ohm-cm的体电
阻率，并且因此材料5将展现比材料1更低的esc电流。在全部esc电流可以通过所述块状aln材料然后到达加热器288而直接接地，却不经过等离子体返回路径的情况下，所述esc电流的此部分以及穿过等离子体到地的部分将在更高的aln电阻率下降低。
[0061]
另一种减少通过加热器288接地的esc卡持漏电流的方法是使加热器288相对于地电位浮动。这种方法被认为完全消除了接地电流的部分，不管用于主体228的块状电介质材料的电阻率如何。实现此类dc隔离的示例是通过设置在加热器288和电源283之间的隔离变压器246，用50hz或60hz的ac线路对加热器288供电。隔离变压器246用于切断接地电流路径。在这种情况下，隔离变压器246可以包括初级线圈绕组247和次级线圈绕组249。初级线圈绕组247可以被连接到电源283，而次级线圈绕组249可以被连接到寻求保护的电负载(即，加热器288)。因此，加热器288可以与ac电压源和来自外部源的任何瞬变电隔离，以减少漏电流。在大多数情况下，隔离变压器246应被设计成代表最大esc电压而不击穿，同时在其初级和次级线圈绕组上不允许有dc电流。然而，同时，ac电流可以在隔离变压器246的初级和次级线圈绕组之间自由穿过。根据加热器288的配置，隔离变压器246可以是单区域或多区域隔离变压器。在包括多个加热区的静电卡盘的情况下，可以使用具有多个初级线圈绕组和、或次级线圈绕组的多个变压器或单个变压器来保持在加热器至接地之间的dc隔离。
[0062]
另一种减小esc卡持漏电流的方法是在主体208的顶表面202上提供高电阻率或绝缘材料层，这将切断或显著减少通过等离子体到腔室接地的dc电流泄漏。这种绝缘层需要在操作温度下展现出比主体208的块状电介质材料高得多的电阻率，在操作温度下对块状电介质材料具有良好的粘附性，以及经受任何可能的热循环，并且需要没有可能成为接地的dc电流路径的空隙或针孔。当经受具有或不具有与较高频率中的电压(即，单个或多个射频频率的ac线路电压和射频电压)的任何可能的叠加的最大dc卡持电压时，该绝缘层可能需要维持相同或充分的隔离条件。此类隔离层可以通过合格的涂覆工艺永久地制造到esc中，或者可以在沉积处理开始之前在腔室环境的内部一次或重复地原位生成。在原位dc绝缘层的情况下，如果这种层可能随时间消耗或消失，则可以控制厚度、覆盖面积和膜组分以在足够的时间段内实现充分的隔离。
[0063]
绝缘层可以由绝缘材料制成，诸如电介质材料或陶瓷材料。陶瓷材料或电介质材料的适宜示例可包括氧化硅(诸如石英或玻璃)、氧化铝(al2o3)、氮化铝(aln)、氮化硅(sin)、含钇材料、氧化钇(y2o3)、钇-铝-石榴石(yag)、氧化钛(tio)、氮化钛(tin)、碳化硅(sic)、asmy(aluminum oxide silicon magnesium yttrium；铝硅镁钇合金)、由y4al2o9(yam)化合物和y
2-x
zr
x
o3固溶体(y2o
3-zro2固溶体)组成的高性能材料(high performance material,hpm)、氧化镁(mgo)、氧化锆(zro2)、碳化钛(tic)、碳化硼(b
xcy
)、氮化硼(bn)，以及可满足相同隔离要求的其他类似或不同的性质。也可以使用掺杂的陶瓷，诸如掺杂二氧化钛的氧化铝或掺杂钙的氮化铝等。
[0064]
图4a至图4d根据本公开的实施例示出了具有不同布置的绝缘层232的静电卡盘128的示意性横截面视图。图4a示出了涂覆在整个主体228的外表面上的绝缘层232。图4b示出了涂覆在主体228的整个底表面234上的绝缘层232。在一个示例中，绝缘层232可以从底表面234向上延伸以覆盖主体228的肩部236和周边边缘238。周边边缘238可以覆盖顶表面202的表面积的约2％至约15％。图4c示出了涂覆在主体228的整个底表面234和侧面240上
的绝缘层232。在一个示例中，主体228的周边边缘238可以由电介质环242覆盖。在一些实施例中，图4a和图4c的支撑杆226的暴露表面可以任选地涂覆有绝缘层232。图4d示出了涂覆在主体228的整个底表面234和支撑杆226的暴露表面上的绝缘层232。在一个示例中，绝缘层232可以从底表面234向上延伸以覆盖主体228的肩部236和周边边缘238。电介质环242可以由与如上所述的绝缘层232相同的材料制成。
[0065]
在一些实施例中，主体228的顶表面202可以具有各种图案的表面接触部290，其可以布置成靠近基板121的背面区域和/或与基板121的背面区域接触，以影响卡持力和定时性能。顶表面202上的表面接触部290可以与300mm直径的基板的背面区域以约45％至约70％(高接触面积)(诸如约65％)、约15％至约45％(中间接触面积)(诸如约30％)和约0.01％至约15％(低接触面积)(诸如约0.3％)形成致密接触。各种参数，诸如块基座材料性质、表面接触面积、含有相同或不相同接触岛的任何特定图案的接触(往往称为台面岛)、每个台面岛的形状和高度以及它们跨esc表面相对于esc表面的部分或全部以均匀或不均匀的数密度的集合分布、以及顶部接触表面光洁度的粗糙度ra等，可以被优化以实现任何给定应用或所有应用的期望的卡持力。esc接触表面优化工艺可以根据操作温度、esc电压、esc电流以及卡持或释放的时间产生用于一个应用要求的esc设计或用于宽范围的应用要求的设计。例如，一个优化工艺目标为使用最大接触面积以最小化卡持电压，而另一个优化工艺可以包括最小化esc电源上的dc卡持电流。从电源封装的观点来看，降低卡持电流的要求可以是有利的，因为这将需要可以容易地集成到esc组件中的小形状因子esc电源。保持低卡持电流的另外的优点是最小化施加在esc块状材料上的过大的dc功率，以便在与卡持相关的dc电阻加热不被认为是影响在高温esc表面上的整体温度分布的因素的情况下，在卡持期间减少过度的电阻加热。换句话说，在施加或不施加dc卡持功率的情况下，esc表面温度的平均值和分布可能改变，导致基板温度的漂移。
[0066]
图5根据本公开的实施例示出表面接触部290的示例性布置。表面接触部290可以布置成如图所示的点状配置，以允许跨基板背面的基本均匀的压力，以及在表面接触部290和基板191之间的卡持力的基本均匀的分布。或者，表面接触部290可以布置成其他合适的配置，诸如网格状、像素状配置、同心配置的多个环、或它们的任何组合(包括点状配置)。表面接触部290也可以布置成矩形阵列、六边形阵列或蜂窝阵列。取决于工艺方案，表面接触部290可以以对称或不对称的方式布置。在一个实施例中，表面接触部290是具有特定表面粗糙度的方形岛。表面接触部290占据基板支撑表面(即主体228的顶表面202)的表面积的约15％至约45％，例如约30％。因此，表面接触部290以均匀的方式与约15％至约45％(例如约30％)的基板背面区域接触。在一些示例中，表面接触部290以均匀方式在约50％至约85％(例如约65％)的基板背侧区域处形成致密接触。在一些示例中，表面接触部290在约0.1％至约30％(例如约0.3％)的基板背侧区域处形成稀疏接触。
[0067]
可以设想的是，表面接触部290可以是任何适宜形状的突起或突出，诸如矩形、菱形、正方形、半球形、六边形、三角形突起或不同形状突起的混合体。在大多数情况下，表面接触部290可以各自具有约0.1mm至约1mm(例如约0.5mm)的高度，以及约0.05mm至约5mm(例如约1.5mm至约3.5mm)的长度“d
1”，以及约0.05mm至约5mm(例如约1.5mm至约3.5mm)的宽度“d
2”。两个相邻表面接触部290之间的距离“d
3”可以为约0.1mm至约0.6mm，例如约0.5mm。由于对于给定的夹持压力，总卡持力与有效接触面积成正比，所以还应考虑高温esc的热性质
以实现所需的温度均匀性规格。
[0068]
在一些实施例中，主体228可以包括横跨顶表面202或朝向主体228的周边的气体入口、气体通道等，以将冷却气体(诸如氦)分配到基板的背面。气体入口/通道的尺寸、位置和图案在接触间隙230中分配气体，使压强梯度最小化，并且促进热量从基板121到主体228的传递。由气体入口/通道提供的气体压强可以在约1托和约20托之间，或是足够低的压强使得保持基板的夹持力不会严重降低。
[0069]
在一些实施例中，主体228可以包括位于基板边缘外侧的一组竖立的物体或突出部(tab)292，以在卡持之前存在基板运动的情况下在物体或突出部292内容纳基板。由于在与处于不同或高得多的温度的esc表面接触时对基板的热冲击或基板的瞬时热膨胀，这种相对于esc表面的基板移动是可能的。基板尺寸的瞬时和部分机械膨胀可导致实质的基板变形，从而导致基板相对于esc基座的移位。如果基板在沉积处理期间保持移位，则这种基板移位是不期望的，因为它将导致不一致的处理结果或在最坏的情况下基板破损。物体或突出部292的数量可以在约3和6之间，或者例如约4，尽管可以设想更多或更少数量的物体或突出部292。物体或突出部292可以围绕主体228的圆周等距间隔开。
[0070]
如上所述，由于在与处于较高温度的esc表面接触时基板的热冲击或热膨胀，基板可相对于esc表面(即，顶表面202)移动。本发明人已经观察到，将基板预热到与esc表面温度相同或基本上接近的温度可以使热冲击最小化。在一个实施例中，预热基板的方法可包括在将基板转移到处理腔室中之前或在沉积处理之前加热处理腔室。可以通过使用等离子体轰击作为热传递源的原位预热工艺来加热处理腔室。实现原位预热工艺的一个示例是将惰性气体引入到处理室中并使用低射频功率从惰性气体形成等离子体。处理室的压强可以保持在约1托至约15托之间，例如约2托至约10托。预加热工艺可以进行约1秒至约180秒。此后，将卡持电压施加到静电卡盘的电极，并且可以执行pecvd工艺。在约0.5瓦特和约950瓦特之间的射频功率电平可用于点燃和维持惰性气体的低密度等离子体。适宜的惰性气体可以包括he、ar、xe、ne、，kr、n2或它们的混合物。惰性气体可以以约100sccm至约8000sccm(例如约250sccm至约6000sccm)的流速流动。在一个实施例中，预热工艺使用低密度氦等离子体来加热处理腔室。已经观察到，如果在pecvd工艺之前进行预热处理，则非平面基板，诸如凸起或凹陷的基板，可以在2或3秒内被牢固地卡持并且变得平坦。当基板的中心和边缘二者都被卡持时，基板平坦化并且与静电卡盘更均匀地连通，这增加了沉积材料的整体厚度均匀性。可以预想的是，可以优化气体种类、射频功率和预热时间，使得在预热处理之后的基板温度达到esc表面温度的温度或具有可忽略的温度差以消除或最小化热冲击。
[0071]
或者，单独的预热腔室，其中可以采用通过接触热传递或辐射热传递的适宜的加热方法来将基板预热至esc操作温度并产生相同的效果。这种预加热腔室可以是实现了加热机制的用于基板传送的现有负载锁定腔室。
[0072]
应当理解，诸如温度、esc电压、电流等的esc操作参数，诸如气体化学过程、流速、压强、射频功率等的处理参数，特别是关于每个参数的定时控制，可以经选择以获得所希望的膜性质和产量要求。如上所述的定时控制的一个示例是在打开esc电压之前用射频功率在处理腔室内触发和维持氦等离子体，使得基板被加热(通过氦等离子体轰击)到与esc表面温度匹配的高温以最小化热冲击，从而导致在卡持发生之前提前降低表面应力。示例性的卡持顺序可以包括：根据用于最佳膜沉积结果的预定配方提供不同的esc电压，其中可以
在卡持步骤开始时使用尖峰esc电压以快速卡持和平坦化弯曲基板，而较低的esc电压用于后面的工艺步骤中以保持夹持力并且准备好从低卡持电压释放基板。例如，在卡持步骤开始时，可以使用约800v的尖峰esc电压进行预卡持步骤约1秒至约45秒，随后使用约200v至约700v的较低esc电压进行pecvd工艺约35秒至约65秒。在一些示例中，卡持顺序可以是三步卡持顺序，其中前两个卡持步骤各自分别使用约800v的esc电压持续约1秒至约45秒，接着第三卡持步骤使用约200v至约700v的esc电压持续约35秒至约65秒。根据pecvd工艺，较低esc电压或第三卡持步骤的处理时间可以更短或更长。
[0073]
如本公开中所描述的装置可用于产生高级图案化膜，所述高级图案化膜通常称为apf并用于半导体制造工艺中的光刻应用的电介质材料的硬掩模。该装置还可用于产生多层膜沉积，所述多层膜沉积通常称为阶梯膜(staircase film)，其用于存储器件的电介质材料的栅极堆叠。一个示例性栅极堆叠膜具有氧化物和多晶硅膜的多个交替层。另一示例性栅极堆叠膜具有氧化物和氮化物膜的多个交替层。应认识到，由于每个层沉积在先前的一个或多个层上的累积应力，硅基板可能在处理期间或在处理结束时变得弯曲，导致不能满足所需的弯曲规格。在高温下沉积多个交替层之后，栅极堆叠的理想弯曲规格是中性弯曲或中性应力。例如，如果60层栅极堆叠工艺可以达到中性应力，则取决于特定的工艺条件，通常更高数量的层可能导致更差的晶片弯曲。因此，采用本公开中公开的静电卡盘的沉积装置有助于扩大可处理的在处理结束时具有可控的晶片弯曲或应力的层的数量。
[0074]
本公开的实施例提供了一种用于在高温下维持在等离子体反应器中处理的基板的平坦度的改进的静电卡盘(esc)。改进的静电卡盘由特定等级的氮化铝材料组成，其在沉积或蚀刻工艺或采用高操作温度和基板夹持特征两者的任何其他工艺期间在约600℃或更高温度下提供优化的卡持性能。已经证明改进的静电卡盘能够产生足够的夹持力以作用在基板上，使得基板变得基本上平坦，并且相对于所述esc表面保持基本平行，而不管所述基板在处理前是平坦的还是表现出各种程度的弯曲。
[0075]
尽管上述内容针对本公开的实施例，但也可在不脱离本公开的基本范围的情况下设计本公开的其他和进一步的实施方式，并且本公开的范围是由随附的权利要求确定的。