專利名稱：等離子體處理腔室的下電極組件的制作方法
等離子體處理腔室的下電極組件相關申請的交叉引用本申請根據(jù)35U. S.C. § 119要求于2008年10月31日提交的申請?zhí)枮?1/193，151 的美國臨時申請為優(yōu)先權基礎，該美國臨時申請的全部內(nèi)容在此通過引用的方式合并入本文中。
背景技術：
在以下的說明書中，引用了一些結構和方法，然而，在適用的法律規(guī)定下，所述引用將不一定被解釋為承認這些結構和方法具有現(xiàn)有技術的資格。申請人保留權利證明任意引用的主題不構成現(xiàn)有技術。
在導體(金屬)加工領域，通常采用等離子體處理腔室以蝕刻在基底上形成的一個或一個以上的層。在蝕刻過程中，所述基底被支撐在腔室內(nèi)的基底支架表面上。基底支架可包括設置在基底支架周圍(即，基底周圍)的邊緣環(huán)，所述邊緣環(huán)用于將等離子體限制在位于基底之上的體積和/或以保護所述基底支架不受等離子體的腐蝕，所述基底支架通常包括夾緊機構。所述邊緣環(huán)，有時亦稱為焦點環(huán)，可為犧牲的部分(即消耗性部分)。在共同擁有的專利號為 5，805，408,5, 998，932,6, 013，984,6, 039，836 和 6，383，931 的美國專利中公開了導電的和不導電的邊緣環(huán)。
在等離子體蝕刻過程中，在低壓通過向氣體(或氣體混合物)施加大量的能量而在基底的表面上方形成等離子體。所述等離子體可包括具有高動能的離子、游離自由基和不帶電物質。通過調節(jié)基底的電勢，在等離子體中的帶電物質可被定向以沖擊基底的表面， 從而從其上除去材料(例如原子)。

發(fā)明內(nèi)容
用于在等離子體處理腔室中使用的下電極組件，包括金屬底座和上邊緣環(huán)和下邊緣環(huán)。所述金屬底座包括焊接在一起的且在所述底座的下側面形成焊接線的各金屬板，從下側面水平向內(nèi)延伸的邊緣環(huán)支架表面和在邊緣環(huán)支架表面上方的上側面。所述上邊緣環(huán)包括安裝在所述邊緣環(huán)支架表面的下表面，且所述下邊緣環(huán)環(huán)繞所述底座的下側面，在所述上邊緣環(huán)和下邊緣環(huán)的相對表面之間以及在所述下邊緣環(huán)和所述底座的外部邊緣之間具有間隙。所述間隙具有足夠的總間隙長度比平均間隙寬度的長寬比，以阻止在所述焊接線的位置上形成電弧。


圖1為傳統(tǒng)的等離子體處理裝置的示意圖。
圖2為比較的下電極組件的示意圖。
圖3是圖2中所示的底板的橫截面示意圖。
圖4顯示圖2中所示的組件的上邊緣環(huán)和下邊緣環(huán)的細節(jié)。
圖5顯示根據(jù)優(yōu)選的實施方案的曲徑式邊緣環(huán)組件的細節(jié)。
圖6A-F顯示曲徑式邊緣環(huán)組件的實施方案。
具體實施例方式等離子體腔室通常用于通過向所述腔室供應包含有一種或一種以上氣體的蝕刻氣體、并向所述蝕刻氣體施加能量以激發(fā)所述氣體成等離子體狀態(tài)而蝕刻在基底上的各材料層。已熟知各種等離子體腔室設計，其中可采用射頻(RF)能量、微波能量和/或磁場來產(chǎn)生和保持中等密度或高密度等離子體。
在所述等離子體處理腔室中，可通過適當?shù)难b置例如噴淋頭電極(showerhead electrode)或者氣體注入系統(tǒng)來供應處理氣體，且支撐在下電極上的半導體基底可通過由向所述處理氣體供應RF能量而產(chǎn)生的等離子體來被等離子體蝕刻。
對于金屬蝕刻處理，可將下電極組件合并入變壓器耦合等離子體(TCP )反應器。 變壓器耦合等離子體反應器(其中RF能量被電感耦合到所述反應器中)，可從加利福尼亞州弗里蒙特的Lam Research Corporation公司購買得到。已在共同擁有的專利號為 5，948，704的美國專利中公開可提供高密度等離子體的高流量等離子體反應器的實例，該美國專利的公開內(nèi)容在此通過引用被合并入本文中。
圖1中顯示的是平行板等離子體蝕刻反應器的示意圖。所述等離子體蝕刻反應器 100包括腔室110、進口裝載腔(inlet load lock) 112和任選的出口裝載腔114，其進一步的細節(jié)已在共同擁有的專利號為6，824，627的美國專利中被描述，該美國專利在此通過引用的方式被合并入本文中。
裝載腔112和114(如果提供)包括傳送設備，以從晶圓供應器162經(jīng)所述腔室 110將基底(例如晶圓)傳送出到晶圓接收器164。裝載腔泵176可在所述裝載腔112和 114中提供所需的真空壓力。
真空泵172(例如渦輪泵)適于保持在所述腔室中的所需的壓力。在等離子體蝕刻過程中，所述腔室壓力被控制且優(yōu)選保持在足夠維持等離子體的水平。過高的腔室壓力會不利地促進蝕刻停止，而過低的腔室壓力會導致等離子體熄滅(plasma extinguishment)。 在中等密度等離子體反應器(例如平行板反應器)中，所述腔室壓力優(yōu)選被維持在低于約 200mTorr的壓力(例如少于IOOmTorr或少于50mTorr)。
所述真空泵可與位于所述反應器的壁內(nèi)的出口連接，且可通過閥173節(jié)流以控制所述腔室內(nèi)的壓力。優(yōu)選地，所述真空泵能在蝕刻氣體流入到所述腔室的過程中維持所述腔室內(nèi)的壓力小于200mTorr。
所述腔室110包括上電極組件120和下電極組件140，所述上電極組件120包含有上電極125 (例如噴淋頭電極)，所述下電極組件140包含有底板(例如下電極)160和在其上表面形成的基底支架表面150。所述上電極組件120安裝在上殼體130內(nèi)?？赏ㄟ^機構 132垂直移動所述上殼體130，以調節(jié)上電極125和基底支架表面150之間的間隙。
蝕刻氣體源170可連接至殼體130，以傳送包含有一種或一種以上氣體的蝕刻氣體至上電極組件120。在優(yōu)選的蝕刻反應器中，上電極組件包括氣體分配系統(tǒng)，所述氣體分配系統(tǒng)可用于將反應物和/或載氣遞送至靠近基底表面的區(qū)域。已在共同擁有的專利號為 6，333，272,6, 230，651,6, 013，155和5，824，605的美國專利中公開了包含有一個或一個以上的氣體環(huán)、噴射器和/或噴淋頭的所述氣體分配系統(tǒng)。
上電極125優(yōu)選包括噴淋頭電極，所述噴淋頭電極包括孔(未圖示)以經(jīng)由所述孔分配蝕刻氣體。所述噴淋頭電極可包括一個或一個以上垂直地間隔的擋板，所述擋板可促進所需的蝕刻氣體分配。上電極和下電極可由任意適當?shù)牟牧?例如石墨、硅、碳化硅、 鋁(例如陽極化處理的鋁)、或其組合)組成。可將傳熱液體源174連接至上電極組件120， 并將另一個傳熱液體源連接至底板160。
雖然已在上面描述平行板反應器，但是所述邊緣環(huán)組件可用于其它等離子體處理系統(tǒng)例如電感耦合等離子體室。
圖2顯示了包括底板202 (在其上支撐基底幻、環(huán)繞底板202的下邊緣環(huán)204以及上邊緣環(huán)206的基底支架200。上邊緣環(huán)206包括在其下表面上并與下邊緣環(huán)的上末端配合的臺階。
圖3顯示包含有上板302、中間板304和下板306的優(yōu)選為鋁合金例如6061-T6的底板300。中間板304包括供應冷卻劑通過入口 310的冷卻劑通道308。冷卻劑循環(huán)通過底板通過出口(未圖示)流出。所述通道308可在鋁(例如6061)板上進行加工，且下板 306在焊接線312被真空焊接至中間板304，以圍住所述通道。
上板302可包括一個或一個以上的氣體通道314，所述氣體通道314被供應傳熱氣體例如He。加工入上板302的底面的一個或一個以上徑向延伸的通路316可與升降銷孔318相交，升降銷(未圖示)通過所述升降銷孔318垂直移動以升高和降低晶圓到和離開底板的上表面320。圓周間隔的軸向延伸的氣體通路(未圖示)引導氣體通道314的He 對著晶圓的底面。上板302在焊接線322被真空焊接至中間板304的上表面，以圍住氣體通道314和氣體通路316。
在焊接上板和下板至中間板后，ESC陶瓷層壓板(未圖示)被結合到上板302的上表面，加工底板組件以提供平滑表面并陽極化處理所述組件。陽極化處理導致焊接線312、 322的厚度增加至約0. 001英寸(25 μ m)。
圖4顯示被設計成圍繞底板300的外圍配合的邊緣環(huán)組件。然而當在等離子體蝕刻導電材料(例如鋁)或其它導電層的過程中用于在電感耦合等離子體腔室內(nèi)支撐晶圓時，在4 后在圍繞真空焊接的接合處312、322的許多個位置觀察到電弧斑點。該邊緣環(huán)組件包括上環(huán)404和下環(huán)414并具有環(huán)形水平間隙，所述環(huán)形水平間隙具有的間隙高度(H) 為0. 003至0. 047英寸且間隙長度為約0. 6英寸。由于制造加工帶有公差的表面，間隙高度的范圍是0. 003至0. 047，以允許上邊緣環(huán)和下邊緣環(huán)的相對表面配合。例如，所述環(huán)可為內(nèi)徑為約12或更大英寸的加工的石英環(huán)，用于在適于支撐300mm晶圓的底板上使用。例如，上邊緣環(huán)可具有的內(nèi)徑為約12英寸，而下邊緣環(huán)內(nèi)徑可為約12.6英寸。具有的間隙范圍為0. 011至0. 030英寸且長度為約1英寸的環(huán)形垂直間隙將下邊緣環(huán)的內(nèi)部外圍與底板的外部邊緣分開。
參照圖2的邊緣環(huán)組件，已發(fā)現(xiàn)在其下表面內(nèi)具有單個小臺階的上邊緣環(huán)對防止在底板組件的焊接線形成電弧是不起作用的。相反，具有大臺階、多個臺階或其它為增加間隙的寬長比的修正的上邊緣環(huán)可阻止在焊接線形成電弧。特別是，圖4顯示一個臺階的邊緣環(huán)組件400的橫截面，其中上邊緣環(huán)402具有的高度(H)為0. 6英寸、外徑(OD)為13. 820 英寸、內(nèi)徑(ID)為12.0英寸、寬度(W)為1.820英寸，其中臺階404提供在下表面406內(nèi)約0. 1英寸的偏移(offset)。為了與懸在底板的上表面的上方的晶圓的邊緣適應，凹槽408在上表面410下方從內(nèi)部外圍412向內(nèi)延伸0. 108英寸。下邊緣環(huán)414包括與凹槽404配合的上末端416。凹槽418與底板300下方的介電元件相配合。
圖5顯示克服電弧形成問題的邊緣環(huán)組件。所述邊緣環(huán)組件包括上邊緣環(huán)508，所述上邊緣環(huán)508在其下表面具有復數(shù)個臺階502、504，其延長了上邊緣環(huán)和下邊緣環(huán)的相對的表面之間的間隙，因此阻止等離子體貫穿到真空焊接線312、322的位置。由于該具有臺階的環(huán)，甚至在2000RF偏壓小時后觀察不到電弧的形成。
兩個臺階的邊緣環(huán)組件500包括內(nèi)臺階502和外臺階504。所述內(nèi)臺階具有的厚度為0. 1英寸，且第二個臺階504在上邊緣環(huán)508的外部邊緣506設置有0. 250英寸的凹槽，并從所述外部邊緣506延伸至垂直表面510。下邊緣環(huán)512包括與凹槽504配合的突出物514以及與內(nèi)臺階502配合的上內(nèi)部分516。
所述曲徑式的邊緣環(huán)組件可與各種邊緣環(huán)結構一起執(zhí)行。在變體A中，在上邊緣環(huán)的下表面設置單個臺階，但帶有從下表面的增加的垂直偏移，且下邊緣環(huán)的高度可相應地增加。例如，所述凹槽可延伸所述邊緣環(huán)的高度的25至50%。在變體B中，可在上邊緣環(huán)的下表面設置兩個臺階，且下邊緣環(huán)的上表面包括一個或一個以上的與上邊緣環(huán)的下表面配合的突出物。在變體C中，延伸25至50 %的邊緣環(huán)高度的單個臺階延伸到上邊緣環(huán)的下表面中，而下邊緣環(huán)包括與位于上邊緣環(huán)內(nèi)的凹槽配合的單個臺階。在變體D中，在上邊緣環(huán)的下表面內(nèi)的臺階延伸50%以上的整個下表面，且下邊緣環(huán)包括在所述邊緣環(huán)安裝表面的外部部分上延伸的內(nèi)突出物。在變體D中的臺階的高度垂直延伸30至60%的上邊緣環(huán)的高度。在變體E中，比較的邊緣環(huán)組件包括介電屏障環(huán)，其與在上邊緣環(huán)和下邊緣環(huán)的相對的表面中的對齊的溝槽相配合。所述屏障環(huán)與具有深度為上邊緣環(huán)的高度的10至 40%的溝槽相配合。在變體F中，所述上邊緣環(huán)包括位于其下表面中的單個環(huán)形凹槽，且下邊緣環(huán)包括與所述凹槽相配合的環(huán)形突出物。所述凹槽延長上邊緣環(huán)高度的10至40%并且具有的寬度為下邊緣環(huán)的寬度的15至60%。
圖6A顯示包含有上環(huán)602和下環(huán)604的邊緣環(huán)組件600。所述上環(huán)602包括在溫度受控制的底座610的環(huán)形表面608上支撐的下表面606、面向底座610的圓柱側表面614 的內(nèi)側面612、向等離子體環(huán)境暴露的外側面616、向等離子體環(huán)境暴露的頂表面618 (環(huán)繞在底座上支撐的基底幻、位于基底的外部邊緣下方的上臺階620、包含有外部下表面6M和外部下側壁6 的下臺階622。下邊緣環(huán)604包括外表面628、頂表面630、內(nèi)側面632和在內(nèi)壁632的底部的下臺階634。間隙640具有的在上邊緣環(huán)和下邊緣環(huán)602、604的相對的表面之間的寬度(W)為0.003至0.055英寸，其具有足夠的長度(L)以防止在焊接接合部 642的位置形成電弧。因此，對于平均間隙寬度，寬長比W/L優(yōu)選為至少20。
圖6B顯示包含有上環(huán)602B和下環(huán)604B的邊緣環(huán)組件600B。所述上環(huán)602B包括在溫度受控制的底座610的環(huán)形表面608上支撐的下表面606B、面向底座610的圓柱側表面614的內(nèi)側面612、向等離子體環(huán)境暴露的外側面616B、向等離子體環(huán)境暴露的頂表面618 (環(huán)繞在底座上支撐的基底幻、位于基底的外部邊緣下方的上臺階620、包含有外部下表面6 和外部下側壁626的下臺階622。下邊緣環(huán)604包括外表面628，頂表面630B、 631B,內(nèi)側面632和在內(nèi)壁632的底部的下臺階634。間隙640具有的在上邊緣環(huán)和下邊緣環(huán)602B、604B的相對的表面之間的寬度(W)為0. 003至0. 055英寸，其具有足夠的長度 (L)以防止在焊接接合部642的位置形成電弧。因此，對于平均間隙寬度，寬長比W/L優(yōu)選為至少20。
圖6C顯示包含有上環(huán)602C和下環(huán)604C的邊緣環(huán)組件600C。所述上環(huán)602C包括具有在溫度受控制的底座610的環(huán)形表面608上支撐的內(nèi)部部分和延伸超過支架表面的外部部分的下表面606C、面向底座610的圓柱側表面614的內(nèi)側面612、向等離子體環(huán)境暴露的外側面616C、向等離子體環(huán)境暴露的頂表面618 (環(huán)繞在底座上支撐的基底幻、位于基底的外部邊緣下方的上臺階620、包含有外部下表面624C和外部下側壁626C的下臺階622C。 下邊緣環(huán)604C包括外表面628，頂表面630C、631C，內(nèi)側表面632和在內(nèi)壁632的底部的下臺階634。間隙640C具有的在上邊緣環(huán)和下邊緣環(huán)602C、604C的相對的表面之間的寬度 (W)為0.003至0.055英寸，其具有足夠的長度(L)以防止在焊接接合部642的位置形成電弧。因此，對于平均間隙寬度，寬長比W/L優(yōu)選為至少20。
圖6D顯示包含有上環(huán)602D和下環(huán)604D的邊緣環(huán)組件600D。所述上環(huán)602D包括具有在溫度受控制的底座610的環(huán)形表面608上支撐的內(nèi)部部分和支架表面的向外延伸的外部部分的下表面606D、面向底座610的圓柱側表面614的內(nèi)側面612、向等離子體環(huán)境暴露的外側面616D、向等離子體環(huán)境暴露的頂表面618 (環(huán)繞在底座上支撐的基底幻、位于基底的外部邊緣下方的上臺階620、和面向位于下邊緣環(huán)604D中的環(huán)形溝槽652的環(huán)形溝槽650。在環(huán)形溝槽650、652內(nèi)安裝介電環(huán)654。下邊緣環(huán)604D包括外表面628、頂表面 630D、內(nèi)側面632和位于內(nèi)壁632的底部的下臺階634。間隙640D具有的在上邊緣環(huán)和下邊緣環(huán)602D、604D的相對的表面之間的寬度(W)為0. 003至0. 055英寸，其具有通過介電環(huán)肪4延伸的足夠的長度(L)以防止在焊接接合部642的位置形成電弧。因此，對于平均間隙寬度，寬長比W/L優(yōu)選為至少20。
圖6E顯示包含有上環(huán)602E和下環(huán)604E的邊緣環(huán)組件600E。所述上環(huán)602E包括在溫度受控制的底座610的環(huán)形表面608上支撐的下表面606E、面向底座610的圓柱側表面614的內(nèi)側面612、向等離子體環(huán)境暴露的外側面616E、向等離子體環(huán)境暴露的頂表面 618 (環(huán)繞在底座上支撐的基底幻、位于基底的外部邊緣下方的上臺階620、包含有外部下表面624E和外部下側壁626E的下臺階622E。下邊緣環(huán)604E包括外表面628，頂表面630， 內(nèi)側表面632和在內(nèi)壁632的底部的下臺階634。間隙640E具有的在上邊緣環(huán)和下邊緣環(huán) 602E、604E的相對的表面之間的寬度(W)為0. 003至0. 055英寸，其具有足夠的長度(L)以防止在焊接接合處642的位置形成電弧。因此，對于平均間隙寬度，寬長比W/L優(yōu)選為至少 20。
圖6F顯示包含有上環(huán)602F和下環(huán)604F的邊緣環(huán)組件600F。所述上環(huán)602F包括具有在溫度受控制的底座610的環(huán)形表面608上支撐的下表面606，以及表面606F的外部部分包括可容納從下邊緣環(huán)604F向上延伸的環(huán)形突出物658的環(huán)形凹槽、面向底座610的圓柱側表面614的內(nèi)側面612、向等離子體環(huán)境暴露的外側面616F、向等離子體環(huán)境暴露的頂表面618 (環(huán)繞在底座上支撐的基底幻、以及位于基底的外部邊緣下方的上臺階620。下邊緣環(huán)604F包括外表面628，頂表面630F，內(nèi)側面632和在內(nèi)壁632的底部的下臺階634。 間隙640F具有的在上邊緣環(huán)和下邊緣環(huán)602F、604F的相對的表面之間的寬度(W)為0. 003 至0.055英寸，其具有足夠的長度(L)以防止在焊接接合部642的位置形成電弧。因此，對于平均間隙寬度，寬長比W/L優(yōu)選為至少20。
本文所采用的術語“包括”和“包含有”用于詳細指明被指定的特征、步驟或組件的存在，但是采用這些術語不排除存在或添加一個或一個以上其它特征、步驟、組件或其組。
所有的上述文獻在此通過以相同程度的引用的方式合并入本文中，猶如各單獨的文獻被具體和單獨顯示為在此通過引用的方式合并入本文中。
盡管已參照優(yōu)選實施方案描述本發(fā)明，應理解的是，可采取的變型和修正對于本領域技術人員而言是顯而易見的。所述變型和修正可被認為落入如所附的權利要求書所定義的發(fā)明的權限和范圍。
權利要求
1.用于在等離子體處理腔室中使用的下電極組件，包括(a)包含有金屬板的金屬底座(i)在下側面上位于將所述金屬板冶金結合在一起的焊接接合部的位置處的焊接線；( )從所述下側面水平向內(nèi)延伸的邊緣環(huán)支架表面；和(iii)位于所述邊緣環(huán)支架表面上方的上側面；(b)包含有安裝在所述邊緣環(huán)支架表面上的下表面的上邊緣環(huán)；(c)圍繞所述下側面的下邊緣環(huán)；和(d)在所述上邊緣環(huán)和所述下邊緣環(huán)的相對表面之間以及在所述下邊緣環(huán)和所述底座的外部邊緣之間的間隙，所述間隙具有足夠的總間隙長度比平均間隙寬度的長寬比，以阻止在所述焊接線的位置上形成電弧。
2.根據(jù)權利要求1所述的下電極組件，其中所述長寬比為至少20。
3.根據(jù)權利要求1所述的下電極組件，其中所述下邊緣環(huán)和/或上邊緣環(huán)包括介電材料。
4.根據(jù)權利要求1所述的下電極組件，其中所述介電材料包括選自釔、鈰、鋁、氮化硅和石英中的至少一種。
5.根據(jù)權利要求1所述的下電極組件，其中所述金屬底座包括上金屬板、中間金屬板和下金屬板，在上焊接線將所述上金屬板和中間金屬板焊接在一起，且在下焊接線將所述中間金屬板和下金屬板焊接在一起。
6.根據(jù)權利要求1所述的下電極組件，其中所述下邊緣環(huán)包括與所述金屬底座的下側面相對的側表面且所述側表面在所述金屬底座的邊緣環(huán)支架表面上延伸。
7.根據(jù)權利要求6所述的下電極組件，其中所述下邊緣環(huán)還包括向內(nèi)延伸的突出物， 所述突出物的下表面在所述邊緣環(huán)支架表面的外部部分的上方。
8.根據(jù)權利要求1所述的下電極組件，其中所述上邊緣環(huán)包括位于其下表面上的兩個臺階。
9.根據(jù)權利要求1所述的下電極組件，其中所述上邊緣環(huán)和下邊緣環(huán)包括位于所述相對表面中的相對的溝槽和位于所述溝槽內(nèi)的介電環(huán)。
10.根據(jù)權利要求1所述的下電極組件，其中所述下邊緣環(huán)包括位于其上表面上的環(huán)形突出物，且所述上邊緣環(huán)包括環(huán)形凹槽，在所述環(huán)形凹槽中可容納所述環(huán)形突出物。
11.根據(jù)權利要求1所述的下電極組件，其中所述上邊緣環(huán)包括位于其下表面內(nèi)的單個臺階，所述臺階延伸至所述下表面內(nèi)至少0. 25英寸，且所述下邊緣環(huán)具有的高度高于所述底座的下側壁，以便所述下邊緣環(huán)的上部部分配合入由所述臺階形成的凹槽。
全文摘要
用于在等離子體處理腔室中使用的下電極組件，包括金屬底座和上邊緣環(huán)和下邊緣環(huán)。所述金屬底座包括焊接在一起的且在所述底座的下側面形成焊接線的各金屬板，從下側面水平向內(nèi)延伸的邊緣環(huán)支架表面和在所述邊緣環(huán)支架表面上方的上側面。所述上邊緣環(huán)包括安裝在所述邊緣環(huán)支架表面的下表面，且所述下邊緣環(huán)環(huán)繞所述底座的下側面，在所述上邊緣環(huán)和所述下邊緣環(huán)的相對表面之間以及在所述下邊緣環(huán)和所述底座的外部邊緣之間具有間隙。所述間隙具有足夠的總間隙長度比平均間隙寬度的長寬比，以阻止在所述焊接線的位置上形成電弧。
文檔編號H05H1/34GK102187741SQ200980141249
公開日2011年9月14日 申請日期2009年10月29日 優(yōu)先權日2008年10月31日
發(fā)明者賈森·奧古斯蒂諾, 康·召, 基思·威廉·加夫, 漢·通·哈, 布雷特·C·理查森, 哈梅特·辛格 申請人:朗姆研究公司