承载基片的装置和方法

专利名称：承载基片的装置和方法
技术领域：
本发明一般地涉及半导体加工，并且更具体地涉及在蚀刻和沉积 加工期间对晶片进行的处理。
背景技术：
在利用硅以及其他半导体基片(例如GaAs)或者例如石英、蓝宝 石、或各种金属材料的材料来进行半导体和非半导体器件的制造中广 泛地使用等离子加工。该加工可以包括不同材料的沉积或者从基片移 除材料(蚀刻)。通常使用光致抗蚀剂掩模以保护基片区域不受蚀刻， 从而可将图案传递到基片表面。
在加工期间暴露给等离子会使基片以被离子和电子轰击的形式暴 露给能量源。该能量导致了热量沉积到基片中，如果不将其有效地移 除，那么会引起基片温度升高。在一些加工中这可以是有利的，但是 更经常地，过度的温度升高会产生所不期望的副作用，例如光致抗蚀 剂退化或者差的设备性能。当使用例如电感耦合等离子体(ICP)的高 密度等离子源时，热量的产生更成问题了。
大量技术用于从基片移除热量以便在加工期间控制温度。最通常 使用的技术是将气体引入到基片和温度受控的基片支架之间以便提供用于热量移除的传导路径。因为氦是惰性的并且具有(气体当中)高 导热系数，所以经常被选择。为了有效，氦必须以至少几乇的压力存 在，并且因为大多数等离子加工以比该压力更低的压力进行操作，所 以用于将氦密封在基片后面的器件是必要的。这通过利用夹持构件保 持基片与支架紧密接触来实现。可以使用压在晶片正面上的机械夹。 然而，因为与基片正面接触会损伤器件或者引起微粒产生，所以机械 夹会引起问题。
经常使用的替代的夹持构件采用了静电夹(ESC)。利用来自嵌
入到基片支架中的一个或更多绝缘电极的静电吸引力将基片夹持到支 架并可以将高压施加到所述一个或更多绝缘电极上(图l)。为了使静 电夹持有效，基片必须是导电的(例如铝)或者部分导电的(例如硅、
碳化硅等)。例如蓝宝石或者石英的绝缘基片不能有效地夹持。ESC 的使用被广泛地接受并且在在直径高达300毫米的硅片上制作的设备 的生产中使用。
公知的是ESC的使用可导致在夹持工艺之后在基片上仍保留一些 电荷。任何残留电荷将导致基片与支架之间的吸引力。如果残留电荷 足够大，那么无法容易地从支架移走基片，这引起基片处理机构的问 题，在更坏情况下，这会导致断裂或者损坏的基片。在文献中已对许 多技术进行了说明并且这些技术用于减少断裂和/或损坏的问题(例如 ESC极性反转、各种ESC电压波形、或者机械辅助)。即使没有完全消 除残留电荷，也可将其减少到足够低的值使得当加工标准硅片时不会 遇到处理问题。
近来已经有很大努力来改进微电机械系统(MEMS)设备的设计 和制造。MEMS的设计和制造不同于更多的标准硅设备，在这些标准硅 设备中经常进行很深的进入硅基片之中的蚀刻。在MEMS的设计和制造 过程中所使用的硅基片常常薄于"标准"基片并且不是很少见地完全蚀 刻通过晶片，这留下了通过薄柱或者薄的膜附接的硅部分。最终的结
7果是在加工之后的晶片是极其易碎的。当使用ESC加工这样的易碎晶片时，任何残留电荷将引起严重的处理问题，该处理问题不可避免地导 致晶片破碎。由于从维护中恢复系统所要的必要的时间而引起生产率 的损失，所述维护是在等离子加工系统中修复破碎晶片所必须的。最 终结果当晶片涂敷有电介质薄膜(例如二氧化硅)时因为任何积累电 荷很难通过非导电材料中和，所以与残留电荷有关的问题更加严重了。在MEMS设备的设计和制造过程中经常会遇到这样的非导电结构。将基片放置在用于传输和加工的载体上能够防止破损问题，但是 这没有解决热量移除问题。使用热导膏或者粘合剂将基片粘结到载体 上并且还机械地或者通过ESC将载体夹持到温度受控的支架元件上可 提供必要的温度控制(参见Weichart、 U. S.专利申请2006 / 0108231 )。 然而，如在Weichart中所描述的这样带有必要的去粘结过程的过程是费 时的、潜在地污染的、并且由于额外的处理要求而可能增加薄的或者 易碎的基片的损坏的机会。因此，需要一种用于处理易碎基片的器件，该器件与提供必要冷 却以允许等离子加工的技术兼容。在现有技术中没有提供本发明所附随的益处的技术。因此，本发明的目的是提供对克服现有技术设备的不足的改进并 且该改进对半导体加工技术的发展做出显著的贡献。本发明的另一目的是提供一种承载用于等离子加工的至少一个基 片的装置，包括基片支架；用于将基片传输到所述基片支架上的载 体，其中所述基片非粘结地位于所述载体上；以及连接到所述基片支 架的夹持机构，其中所述夹持机构在非活动位置与活动位置之间移动， 由此当所述夹持机构在活动位置时通过所述载体将所述基片夹持到所 述基片支架上。本发明的又一个目的是提供一种承载用于等离子处理的至少一个 基片的装置，包括基片支架；用于将基片传送到所述基片支架上的 载体，其中所述基片非粘结地位于所述载体上；以及连接到所述基片 支架的静电夹，其中所述静电夹通过所述载体将所述基片静电紧固到 所述基片支架上。本发明的又一个目的是提供一种承载用于等离子处理的至少一个 基片的方法，包括提供基片支架；提供连接到所述基片支架的静电 夹；提供载体；将基片放置到所述载体上，所述基片非粘结地位于所 述载体上；将具有非粘结的所述基片的所述载体传输到所述基片支架 上；以及静电夹通过所述载体将所述基片静电夹持到所述基片支架上。上文概述了本发明的一些相关目的。这些目的应被解释为仅仅是 想要的发明的更突出特征和应用的说明。通过按照不同方式或者在本 公开的范围内修改本发明能够获得很多其他有用的结果。因此，通过 在结合附图由权利要求书确定的本发明的范围的基础上参考
发明内容
和优选实施例的具体实施方式
，可以有本发明的其他的目的和充分理 解。发明内容为了对本发明进行概述，本发明提供了一种被设计来承载至少一 个基片并且可被放置于ESC上的载体。该载体是由允许基片通过载体而 被静电地夹持的材料制作而成的，该载体允许使用基片后的氦，这在 离子加工过程中提供基片的冷却。本发明的特征是提供一种承载用于等离子加工的至少一个基片的 装置，该装置包括在等离子加工系统中将基片传输到基片支架上的载 体。该基片无粘结地位于载体上。可以通过多个止动销或生成用于基 片的凹陷的可选盖板来保持在载体上的非粘结的基片的位置。该盖板可整合到载体或者是独立的部分。该盖板被设计为抵抗用于加工基片 的等离子。机械夹或者静电夹连接到基片支架。夹持机构在非活动位 置与活动位置之间移动，从而当夹持机构在活动位置时通过载体将基 片夹持到基片支架上。该载体可被设计有多个孔，这些多个孔允许例 如氦的气体的传导以及在等离子加工期间冷却基片的背侧。本发明的另一特征是提供一种承载用于等离子处理的至少一个基 片的装置，包括用于在等离子处理系统之内将基片传输到基片支架上 的载体。该基片非粘结地位于载体上。通过多个止动销或者生成用于 基片的凹陷的可选盖板来保持在载体上的非粘结基片的位置。该盖板 可整合到载体或者是独立的部分。该盖板被设计为抵抗用于加工基片 的等离子。静电夹连接到基片支架，当激活静电夹时，基片支架通过 载体将基片静电夹持到基片支架上。此外，载体可以是由电介质材料 (例如氧化铝、氧化铝陶瓷、蓝宝石、或者石英)制成的以有效地与 来自静电夹的静电力相互作用。该载体可以被设计有多个孔，这些多 个孔允许例如氦的气体的传导以在等离子加工期间冷却基片的背侧。本发明的另一特征是提供一种承载用于等离子处理的至少一个基 片的方法。该方法包括提供基片支架；提供连接到基片支架的静电 夹；以及提供载体。基片可以是MEMS基片并且基片可以具有例如二氧 化硅的电介质薄膜。将基片放置到载体上并且非粘结地位于载体上。 通过多个止动销或者生成用于基片的凹陷的可选盖板保持在载体上的 非粘结的基片的位置。盖板可整合到载体或者是独立的部分。盖板被 设计为抵抗用于加工基片的等离子。将具有非粘结基片的载体传输到 基片支架上。此后激活静电夹以通过载体将基片静电夹持到基片支架 上。此外，载体可以是由电介质材料(例如氧化铝、氧化铝陶瓷、蓝 宝石、或者石英)制成的以有效地与来自静电夹的静电力相互作用。 该载体被设计有多个孔，多个孔可传导例如氦的气体以在等离子加工 期间冷却基片的背侧。此外，基片可以是由导电材料(例如铝)或者 部分导电(例如硅或者碳化硅)材料制成以允许当激活静电夹时通过载体有效地静电夹持基片。前面相当广泛地概述了本发明的更多相关且重要的特征以便更好 地理解下面对本发明的详细说明，从而可更完全地了解对技术的贡献。 在此后说明形成本发明权利要求主题的本发明的附加特征。本领域普 通技术人员应了解，所公开的概念和特定实施例容易地作为修改或者 设计用于实施本发明相同目的的其它结构的基础来使用。本领域普通 技术人员还应了解，这样的等价结构没有偏离附后的权利要求书中所 阐述的本发明的精神和范围。


图l是现有技术的典型静电夹的简图； 图2是具有本发明的基片载体的静电夹的简图；图3是本发明的基片载体的一个实施例的简图，该基片载体具有用 于氦流动的多个孔以及用于保持单个基片的多个基片止动销； 图4是表示本发明的改进的冷却效率的温度时间的曲线图； 图5是本发明的基片载体的另一实施例的示意图，该基片载体能够承载多个基片并且具有用于氦流动到载体上的每个基片的多个孔； 图6是本发明的基片载体的另一实施例的表示盖板的简图。在附图的若干视图中相同参考标号指相同部分。
具体实施方式
图1描述了现有技术中共知的典型的静电夹的制作。如所示的， 虽然也可以使用接地的基片支架，并且在该基片支架上构建了静电组件50，但是典型的静电夹20包括典型地是RF供电40的基片支架电 极30。静电组件50是由一个或更多电极52组成的，所述电极52被电 介质材料54与支架部件30隔离并且还被相同或不同的电介质材料54 与基片60隔离。电源70将电压施加到电极52上。该电压通常是DC 电压，但是也可以是如该技术领域中所熟知的各种方式的循环的、极性反转的、或者脉冲的电压。施加的电压产生了对基片60的静电吸引
力。该力的大小是由如下公式给定
<formula>formula see original document page 12</formula> 其中-
F^所产生的静电力(帕斯卡)
e^自由空间的介电常数(8.85X1(T12)
￥=基片与电极之间的电压差
e二电介质层的介电常数
(1=电介质层的厚度
8=基片与ESC的表面之间的间隙
通常所使用的电介质材料是具有大约为10的介电常数e的氧化铝 (以陶瓷的形式或者作为蓝宝石)。电介质厚度是毫米的分数级(l(T4 一10—3111)并且可将基片与ESC表面之间的间隙减少为数十微米中的几 微米(1(T6—l(T5m)。通常使用IOOOV的电压。在这些范围中的参数 会导致在kPa至几十kPa范围之内的夹持力，这允许在基片后面包含 的在乇至几十乇范围中的氦压力。
为了最大化基片所感到的夹持力，载体应尽可能的薄。在上面的 等式中夹持力与W成反比。当使用载体时，假定ESC与载体的电介质 相近(e值相近)，然后d代表基片与ESC电极之间的电介质的总厚 度，该总厚度是ESC电介质厚度与载体厚度之和。因为ESC电介质厚 度是固定的，因此如果载体的厚度最小，那么夹紧力最大。限制因素 是该载体的机械稳定性。载体必须足够硬从而在处理期间不会变弯、 弓形弯曲、或者断裂；否则，将会丧失使用载体的所有优点。载体的 厚度取决于所处理的基片的尺寸。例如，我们已经发现用于直径150mm 硅晶片的适合的载体可以从厚度为0. 25 — 0.5mm的氧化铝陶瓷制成。 相近厚度的蓝宝石也是合适的。然而，用于较大基片(直径200mm或 者300mm的晶片)的载体需要稍微更厚，但是对于较小基片甚至更薄 的材料也是合适的。对于非常薄的载体材料，还可构造载体，其具有较薄的中心部分以及用于增加机械强度的较厚的周围区域，基片位于 较薄的中心部分。在限制情况下，内部区域是薄的膜。
虽然不是本发明的一部分，但是可对ESC进行修改以使其最优地 与载体一起工作。可使上部电介质层变薄或者甚至完全省去以减少整
个电介质厚度。通常，这是不希望的，因为薄的电介质层易于在ESC 电极与晶片之间电击穿；然而，在这种情况下载体电介质的厚度可防 止这种击穿问题。
载体的直径应大于基片，但可以是这样，即仍然可以容易地被典 型的晶片处理机器人处理。例如，使被设计为处理直径150mm的晶片 的载体有154 mm的直径。这样的载体很容易处理而不对处理机构做较 大的改变。事实上，这样的方法的附加优点在于相同机构和相同等离 子系统可用于加工承载的以及未承载的晶片而无需改变。
如图2所示，本发明使用载体100以将基片60传输到支架电极30 上以在静电夹20上进行等离子加工。在等离子加工之前基片60无粘 结地放置到载体100上。接下来，典型地使用机器人传输机构(未示 出)将载体100加上无粘结的基片60的传输到等离子加工系统(未示 出)。在等离子加工之后，从等离子加工系统移走载体100加上无粘 结的基片60并且从载体100移走基片60。
该载体IOO是由允许基片60感到静电夹持力的材料制成的。因此， 载体100材料应是具有与在静电夹20的构造过程中所使用的电介质材 料特性相似的电介质材料。例如氧化铝、氧化铝陶瓷、蓝宝石、以及 石英的材料适合于电介质材料，但是该选择并不局限于这样的材料。 例如铝的导电材料不适合于载体材料。
为了在加工期间提供基片60的冷却，优选的是保持基片60与载 体100之间的氦压力。通常通过基片电极中的孔(图1和图2中未示出)将氦引入到基片60后面的空间中。图3表示具有用于传导氦的多 个孔110的载体100的示例。因此，为了氦有效地传到基片/载体100 界面，在载体100中形成很多孔110。这些孔110的尺寸和分布不是关 键的，但是例如间隔10mm并且延伸到基片60的边缘10mm之内的一 系列直径lmm的孔110是足够的。然而，在外部边缘(例如外部6mm) 用导电材料的薄层涂敷载体100的底部(与静电夹20相接触的侧面) 能够局部增大基片对载体100的夹持力并且从而改进氦密封能力。
此外，如图3所示，为了防止基片60移动，当基片60被放置于 载体100上时，在载体IOO外围周围提供了多个止动销120。这些可以 是离散的销120或者可以是形成连续带的(基片60位于凹陷之中)。 外围环所支撑的薄的膜的上述示例也用作晶片止动装置。
与将晶片直接夹持在ESC上相比，载体的使用会降低冷却效率。 冷却效率的降低是由于总介电厚度增加了，这导致夹持力减小了。在 当载体厚度等于ESC电介质厚度的情况下，总厚度加倍并且因此夹持 力减小至4分之一。此外，跨过两个氦界面(基片/载体界面和载体/ ESC 界面)上一定出现热流。因为氦界面表示最大热隔，因此整个冷却效 率降低至2分之一。不管这些限制，冷却效率显著地好于不用载体和 不用夹持来加工基片或者不允许电夹持基片的载体来加工基片(例如 利用由铝制成的载体，另一导电材料或者部分导电材料不允许基片感 到静电夹持力)。增加的冷却效率允许使用更高电力工艺，该工艺一 般提供带有更高蚀刻(或沉积)率的工艺，并且因此改进了吞吐率和 生产率。
作为实施例，图4通过温度与时间的曲线图表示使用本发明可能 改进的冷却效率。当使用未夹持的载体并且因此没有使用氦时获得的 晶片温度在大约5分钟之后超过120°C。温度升高导致不可用的加工。 使用被夹持的蓝宝石或者被夹持的氧化铝陶瓷载体以及氦气冷却，相 同的加工参数导致晶片温度甚至在十五分钟之后大约为S5。C。该温度升高以及温度的稳定性足够低以产生好的蚀刻结果。
作为另一实施例，发展工艺来将深槽蚀刻进入易碎MEMS设备上 的硅中。限制功率输入从而使晶片温度不上升到发生抗蚀剂退化的程 度。不夹持的加工导致小于每分钟一微米的最大蚀刻率。通过使用晶 片载体并且夹持到ESC上，可保持3乇的背侧氦压力，这允许用于等 离子加工的更高的RF功率。其结果是，很容易实现大于每分钟1.5微 米的蚀刻率，这导致该工艺的吞吐率可提高大于50%。
如所描述的，本发明用于传输单独薄的或者易碎晶片。如图5所 示还可有效地用于传输多个薄的或者易碎晶片。对于例如SiC和GaN 这样的许多最新出现的材料，在许多情况中可用基片尺寸被限制为直 径为2英寸或者3英寸。为了确保允许经济型的器件生产的晶片吞吐 率，有必要一次加工多个晶片(批加工)。为了发挥使用例如ICP的 高密度源所获得的更高蚀刻率的优势，还由于如上所述的原因而有必 要提供晶片冷却。使用机械夹在单批中夹持并冷却多个基片很难成功 实现，而且容易失败。将基片粘结到载体上(利用粘合剂或者粘合带) 可提供有效冷却。然而，当使用薄的或者易碎的基片时，由于额外的 晶片处理引起的破损问题导致粘结以及去粘结过程是费时的并且不能 令人满意。ESC夹持是可能的，但是最直接的方法包括使用有效地包 括"x"个单个ESC的基片支架，其中x是该批中的基片的数目。这类夹 持非常昂贵并且还容易失败。简单地，失败概率与单个ESC的数目成 比例。
使用本发明，可以在单个的薄载体IOO上放置多个基片。例如， 如图5所示，7个两英寸基片60可被放置在直径为八英寸的载体100 上并且载体100可以被如上所述地处理。通过载体100的材料夹持单 个的基片60，允许基片60的有效冷却。在载体100中每个基片60后 面制作用于氦气的多个孔110，允许气体渗透该区域并且改进对基片 60的冷却。如果必要，如图3所示，还可在载体IOO上增加晶片止动销120。位于基片60之间的载体100的表面暴露给等离子。如果认为 暴露给等离子是不希望的，那么可通过涂敷或者通过使用由被设计来 匹配如图6所示的基片60的位置的合适的材料制成的盖片130来保护 载体100的表面。盖片130还可用作晶片止动设备。盖片130是由例 如石英、碳化硅、或者被选择以与特定工艺兼容的其它材料制成的。 盖片130构成了独立的可互换部分，可以将其粘结到晶片载体100上 或者可以将其制作为晶片载体100的固有部分。然而，在基片位置之 间的区域中用薄导电材料层涂敷载体100的底部(与静电夹20相接触 的侧面)可以局部增加将基片夹持到载体100上的夹持力并且从而改 进氦密封能力。
本公开包括在所附权利要求中所包含的以及前面所说明的内容。 虽然带有一定程度的特殊性按照本发明的优选形式对本发明进行了说 明，但是应了解，优选形式的本公开仅仅是通过示例的方式做出的， 并且在不偏离本发明的精神和范围的情况下可对构造的细节、部分的 组合以及布置采取大量的改变。
现在已对本发明进行了说明。
权利要求
1.一种承载用于等离子加工的至少一个基片的装置，包括基片支架；用于将基片传输到所述基片支架上的载体，其中所述基片非粘结地位于所述载体上；连接到所述基片支架的夹持机构，其中所述夹持机构被配置为在非活动位置与活动位置之间移动，从而当所述夹持机构在所述活动位置时通过所述载体将所述基片夹持到所述基片支架上。
2. 如权利要求l所述的装置，其中所述载体进一步包括盖板。
3. 如权利要求l所述的装置，其中所述载体进一步包括至少一个凹陷，所述基片被安置于所述凹陷之内。
4. 如权利要求l所述的装置，其中所述载体进一步包括多个止动销，所述基片通过所述多个止动销被安置于所述载体上。
5. 如权利要求l所述的装置，其中所述载体进一步包括多个孔，所述多个孔将气体传导到基片的背侧。
6. —种承载用于等离子加工的至少一个基片的装置，包括 基片支架；用于将基片传输到所述基片支架上的载体，其中所述基片非粘结 地位于所述载体上；连接到所述基片支架的静电夹，其中所述基片通过所述载体被所 述静电夹静电紧固到所述基片支架上。
7.如权利要求6所述的装置，其中所述载体进一步包括电介质材
8. 如权利要求7所述的装置，其中所述电介质材料是选自由氧化 铝、氧化铝陶瓷、蓝宝石、以及石英组成的组。
9. 如权利要求6所述的装置，其中所述载体进一步包括盖板。
10. 如权利要求6所述的装置，其中所述载体进一步包括至少一 个凹陷，所述基片安置于所述凹陷之内。
11. 如权利要求6所述的装置，其中所述载体是膜。
12. 如权利要求6所述的装置，其中所述载体进一步包括多个止 动销，所述基片通过所述多个止动销安置于所述载体上。
13. 如权利要求6所述的装置，其中所述载体迸一步包括多个孔， 所述多个孔传导气体到基片的背侧。
14. 如权利要求6所述的装置，其中所述载体进一步包括在所述 载体底部的至少一部分上的导电层。
15. —种承载用于等离子加工的至少一个基片的方法，包括 提供基片支架；提供连接到所述基片支架的静电夹； 提供载体；将所述基片放置到所述载体上，所述基片非粘结地位于所述载体将带有非粘结的所述基片的所述载体传输到所述基片支架上； 通过所述载体用所述静电夹将所述基片静电夹持到所述基片支架
16. 如权利要求15所述的方法，其中所述载体进一步包括电介质 材料。
17. 如权利要求16所述的方法，其中所述电介质材料是选自由氧 化铝、氧化铝陶瓷、蓝宝石、以及石英组成的组。
18. 如权利要求15所述的方法，其中所述基片是MEMS基片。
19. 如权利要求15所述的方法，其中所述基片是易碎基片。
20. 如权利要求15所述的方法，其中所述基片进一步包括电介质 薄膜。
21. 如权利要求20所述的方法，其中所述电介质薄膜是二氧化硅。
22. 如权利要求15所述的方法，其中所述基片是导电的。
23. 如权利要求15所述的方法，其中所述基片是部分导电的。
24. 如权利要求23所述的方法，其中所述基片是选自由硅以及碳 化硅组成的组。
25. 如权利要求15所述的方法，其中所述载体进一步包括至少一 个凹陷，所述凹陷用于保持所述基片非粘结地在所述载体上的固定的 位置中。
26. 如权利要求15所述的方法，其中所述载体是膜。
27. 如权利要求15所述的方法，其中所述载体进一步包括多个止 动销，所述多个止动销用于保持所述基片非粘结地在所述载体上的固定的位置中。
28. 如权利要求15所述的方法，其中所述载体进一步包括在所述 载体底部的至少一部分上的导电层。
29. 如权利要求15所述的方法，所述载体进一步包括多个孔。
30. 如权利要求29所述的方法，进一步包括通过所述载体中的所 述多个孔向所述基片的背侧提供气体。
31. 如权利要求30所述的方法，其中所述气体是氦。
全文摘要
本发明提供了一种承载用于等离子加工的至少一个基片的方法和装置。所述方法和装置包括载体，用于将非粘结地位于所述载体上的基片传输到用于等离子加工的等离子系统之内的基片支架上。连接到所述基片支架的静电夹，所述静电夹在等离子加工期间通过所述载体将所述基片静电紧固到所述基片支架上。
文档编号H01L21/683GK101405857SQ200780009516
公开日2009年4月8日 申请日期2007年3月12日 优先权日2006年3月17日
发明者大卫·约翰逊, 赖守亮 申请人:奥立孔美国公司