用于等离子加工的弹性接合部件及其制造方法和其应用技术

一种其中可以进行半导体衬底（如单晶片）的加工的等离子体反应室用的弹性接头组件，一种制造所述组件的方法和一种用所述组件加工半导体衬底的方法。所述弹性接头组件可以包括一种部件，如电极、窗口、衬里或其它部件，通过弹性材料结合到支撑部件上。在一种电极组件中，支撑部件可以包括通过弹性接头结合到电极（如硅淋浴头式电极）上的石墨环。弹性接头使得在支撑部件与电极之间可以移动，来补偿由于电极组件的温度循环产生的热膨胀。弹性接头可以包括导电和／或导热填料，弹性体可以是高温稳定的催化剂固化的聚合物。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于等离子加工的弹性接合部件及其制造方法和其应用本专利技术涉及一种用于半导体衬底(如半导体晶片)的等离子加工的设备。在美国专利5,074,456和5,569,356中(其公开内容在本文中引作参考)公开了在用于加工半导体衬底(如硅晶片)的等离子加工反应器中所用的电极。专利5,074,456公开了一种用于平行板反应器装置中的电极，其中，上电极具有半导体纯度并用粘合剂、焊料或铜焊层结合在支撑框架上。焊接或铜焊层可以是低蒸气压金属，如铟、银及其合金，所结合的支撑框架表面和电极可以涂敷金属薄层，如钛或镍的薄层，以促进结合层的润湿性和结合性。已经发现，由于电极和结合有电极的部件之间的不同热膨胀/收缩，冶金结合(如In结合)引起电极弯曲。还发现这些冶金结合由于结合的热疲劳和/或熔化，在高等离子加工功率下失效。为了克服半导体晶片的化学腐蚀的许多局限性，开发了干等离子腐蚀、反应性离子腐蚀和离子磨技术。特别是等离子腐蚀，可以使垂直腐蚀速度比水平腐蚀速度大的多，因此，可以充分控制腐蚀部件的所得纵横比(即所得凹口的高度与宽度的比值)。事实上，等离子腐蚀能在厚度为1微米范围的薄膜中形成具有高纵横比的非常细的部件。在等离子腐蚀过程中，通过在较低压力下向气体施加大能量，产生气体的离子化，在晶片的遮蔽表面上形成等离子体。通过调节待腐蚀衬底的电压，可以引导等离子体中的荷电物质基本垂直撞击在晶片上，其中，在晶片的未遮蔽区域中的材料被去除。通过使用相对被腐蚀材料具有化学活性的气体，通常可以使腐蚀过程更有效。所谓“反应性离子腐蚀”把等离子体的能量腐蚀作用与气体的化学腐蚀作用结合起来。然而，已经发现许多化学活性试剂导致电极的过度损耗。-->为了在整个晶片表面上获得均匀的腐蚀速度，希望的是在晶片表面上使等离子体均匀分布。例如，美国专利4,595,484、4,792,378、4,820,371、4,960,488公开了淋浴头式电极，用于通过在电极中的许多孔来分配气体。这些专利一般描述具有孔排列的气体分配板，设计用于向半导体晶片提供均匀的气体蒸气流。反应性离子腐蚀系统典型地由带有位于其中的上电极或阳极和下电极或阴极的腐蚀室组成。阴极相对于阳极和容器壁加有负偏压。待腐蚀晶片通过合适的遮蔽覆盖并直接放在阴极上。把化学反应性气体如CF4、CHF3、CClF3和SF6或其与O2、N2、He或Ar的混合物引入到腐蚀室中并保持在一定压力下，典型的是在毫乇范围内。上电极设置有气孔，使气体通过所述电极均匀分散进入所述室内。在阳极和阴极之间建立的电场使反应性气体解离，形成等离子体。通过与活性离子的化学作用并通过撞击晶片表面的离子的动量传递而腐蚀晶片表面。由电极产生的电场把离子吸引到阴极上，使离子主要在垂直方向上撞击所述表面，因此，该过程产生轮廓清晰的垂直腐蚀的侧壁。用于单晶腐蚀器的组件的淋浴头式电极10表示于图1中。这种淋浴头式电极10通常与有平底电极的静电卡盘一起使用，其上支撑晶片，晶片在电极10之下，间隔为1-2厘米。这种卡盘布置通过提供控制晶片与卡盘之间的传热速度的背侧He压力，提供了晶片的温度控制。所述电极组件是一种消耗性部件，必须周期性更换。因为电极组件连接在温度控制元件上，为了方便更换，通常把硅电极10的外边缘的上表面与石墨支撑环12用铟进行冶金结合，铟的熔点约为156℃。这样低的熔点限制了可以施加到电极上的RF功率的值，因为等离子体吸收的RF功率导致电极加热升温。电极10是从中心到其边缘具有均匀厚度的平盘。环12的外凸边缘用铝夹环16夹在具有水冷通道13的铝温度控制元件14上。水通过水进口/出口13a在冷却通道13中循环。等离子体限制环17由一叠隔开的石英环组成，环绕在电极10的外周边上。等离子体限制环17螺栓连接到电介质圈环18上，电介质圈环18又螺栓连接到电介质外壳18a上。限制环17的目的和功能是在反应器中产生压力差，并-->增大在反应室壁与等离子体之间的电阻，从而把等离子体限制在上下电极之间。夹环16径向向内延伸的凸缘与石墨支撑环12的外凸边缘相配合。因此，没有对电极10的暴露表面直接施加夹持压力。来自供应气体的工艺气体通过温度控制元件14的中心孔20提供。然后，该气体通过一个或多个垂直隔开的挡板22分配，并通过电极10中的气体分配孔(未表示出)，使工艺气体均匀分散进入反应室24。为了增大从电极10到温度控制元件14的热传导，可以提供工艺气体填充在温度控制元件14和支撑环12的相对表面之间的空隙。此外，连接到环18或限制环17中的气体通道(未表示出)的气体通道27使得可以监测反应室24内的压力。为了保持工艺气体在温度控制元件14和支撑环12之间处于一定压力下，在支撑环12的内表面与温度控制元件14的相对表面之间提供第一个O形环密封28，在支撑环12的上表面的外面部分与部件14的相对表面之间提供第二个O形环密封29。为了保持室24中的真空环境，在温度控制元件14与圆筒形部件18b之间以及在圆筒部件18b和外壳18a之间设置另外的O形环30、32。把硅电极10结合到支撑环12的过程要求把电极加热到结合温度，这可能造成由于硅电极10与石墨环12之间的热膨胀系数差而导致电极的弯曲或开裂。同时，来自电极10和环12之间的接头或环本身的焊料颗粒或汽化的焊料污染物可能导致晶片的污染。在高功率等离子体加工过程中，电极的温度可能变得甚至足够高使焊料熔化，并导致部分或全部电极10与环12分离。然而，即使电极部分地与环12分离，在环12与电极10之间的电和热功率传递可能导致在电极10之下的不均匀等离子体密度。在半导体加工领域中，一般通过向真空室中提供腐蚀或淀积气体并向该气体施加RF场，使该气体激发成等离子体状态，使用真空加工室用于腐蚀和材料在衬底上的化学气相淀积(CVD)。在共同拥有的美国专利4,340,462、4,948,458、5,200,232和5,820,723中公开了平行板、变压器耦合等离子体(TCPTM)的实例，也称为感应耦合等离子体(ICP)，和电子-回旋加速器共振(ECR)反应器及其部件。因为在这种反-->应器中的等离子体环境的腐蚀性质和使颗粒和/或重金属污染最小化的要求，非常希望这种设备的部件表现出高的耐腐蚀性。在半导体衬底加工过程中，衬底一般通过机械夹具和静电夹具(ESC)在衬底支架上保持在真空室内。这种夹具系统及其部件的实例可以在共同拥有的美国专利5,262,029和5,838,529中找到。可以用各种方式向所述室内提供工艺气体，例如气体喷嘴、气体环、气体分配板等。一种用于感应耦合等离子体反应器的温度控制气体分配板的实例及其部件可以在共同拥有的美国专利5,863,376中看到。通常使用铝和铝合金作为等离子体反应器的壁。为了防止所述壁的腐蚀，已经提出各种技术用各种涂层涂敷铝表面。例如，美国专利5,641,375公开了已经阳极化以减小所述壁的等离子体腐蚀和磨损的铝室壁。5,641,375专利说明了最终阳极化层被溅射或腐蚀掉而必须更换所述室。美国专利5,680,013说明了在美国专利4,491,496中公开了在腐蚀室的金属表面火焰喷涂Al2O3的技术。5,680,013专利说明了在铝和陶瓷涂层(如氧化铝)之间的热膨胀系数差由于热本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于在半导体衬底加工中使用的等离子体反应室的电极组件，包括： 具有结合表面的支撑部件； ＲＦ驱动电极，在其一侧具有ＲＦ能量化的表面，在其相对的一侧上的外边缘有结合表面，与所述支撑部件的结合表面相配合；和 在所述电极的外边缘和所述支撑部件之间的弹性接头，所述弹性接头把所述电极弹性连接到支撑部件上，使得在其温度循环过程中，所述电极与所述支撑部件之间可以移动。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 1998-6-30 09/107,4711．一种用于在半导体衬底加工中使用的等离子体反应室的电极组件，包括：具有结合表面的支撑部件；RF驱动电极，在其一侧具有RF能量化的表面，在其相对的一侧上的外边缘有结合表面，与所述支撑部件的结合表面相配合；和在所述电极的外边缘和所述支撑部件之间的弹性接头，所述弹性接头把所述电极弹性连接到支撑部件上，使得在其温度循环过程中，所述电极与所述支撑部件之间可以移动。2．根据权利要求1的电极组件，其中，所述支撑部件可移动地连接到等离子体反应室内部的温度控制元件上，所述支撑部件包括一个夹持到温度控制元件的支撑环，所述电极包括一个淋浴头式电极，所述温度控制元件包括向所述淋浴头式电极提供工艺气体的气体通道。3．根据权利要求2的电极组件，其中，所述温度控制元件包括空腔和至少一个位于所述空腔内的挡板，由所述气体通道供应工艺气体以便在通过淋浴头式电极之前通过所述挡板。4．根据权利要求1的电极组件，其中，所述弹性接头包括在电极与支撑部件之间的界面内的导电弹性材料，所述弹性材料包括导电填料，它提供在电极与支撑部件之间的电流通道。5．根据权利要求4的电极组件，其中，在所述界面内设置凹槽，并且所述填料包括导电和/或导热的颗粒，所述颗粒的平均尺寸比所述界面内的凹槽深度至少小5倍。6．根据权利要求5的电极组件，其中，所述凹槽在支撑部件中具有均匀的深度，所述凹槽位于所述支撑部件的壁之间，所述壁的厚度大于所述凹槽的深度，但是小于所述凹槽深度的25倍。7．根据权利要求4的电极组件，其中，所述凹槽在所述支撑部件周围连续伸展，所述电极仅通过所述弹性接头连接到支撑部件上。8．根据权利要求1的电极组件，其中，所述弹性接头包括一种催化剂固化的弹性体树脂。9．根据权利要求1的电极组件，其中，所述电极包括硅电极，所述支撑部件包括石墨支撑环。10．一种制造用于等离子反应室的电极组件的方法，包括：向支撑部件和RF驱动电极的一个或多个配合表面上施加弹性结合材料；形成支撑部件和电极的组件，使得所述弹性结合材料结合支撑部件和电极的各配合表面；和固化所述弹性结合材料，以便在电极与支撑部件之间形成弹性接头，所述弹性接头使电极在其温度循环过程中可以相对与所述支撑部件移动。11．根据权利要求10的方法，还包括通过把至少两种弹性体组分与任选的导电填料混合来制备弹性结合材料，并在室温或高于或者低于室温的温度下在真空环境中使所述弹性结合材料致密化。12．根据权利要求10的方法，还包括向电极和支撑部件的表面施加遮蔽材料，以便留下配合表面暴露出来，并且任选地用底涂层材料涂敷遮蔽材料的暴露部分，在从所述电极和支撑部件上除去遮蔽材料时，所述底涂层材料可以除去从弹性接头中挤出的多余的弹性结合材料。13．根据权利要求10的方法，其中，所述支撑部件包括支撑环，该支撑环具有沿所述支撑环周围完全延伸的环形凹槽，所述弹性结合材料的施加量使得弹性接头充满所述凹槽并且足够薄，以便从电极到支撑环导热。14．根据权利要求10的方法，其中，所述弹性结合材料包括导电填料，所述弹性结合材料施加到配合表面上，以便提供在所述电极与所述支撑部件之间的基本上直接的电接触。15．根据权利要求10的方法，其中，所述电极基本由单晶硅或多晶硅组成，所述支撑部件基本由石墨组成，所述硅电极只通过弹性接头结合到石墨支撑部件上。16．根据权利要求10的方法，其中，所述电极包括具有均匀或不均匀厚度的硅盘，所述支撑部件包括石墨支撑环，所述方法包括将电极和支撑环布置在夹具中，施加足够的压力，使多余的结合材料排出电极与支撑环之间的界面，在炉子中在足够高以加速所述弹性结合材料固化但是同时足够低以便使电极或支撑环的热膨胀最小化的温度下加热所述组件。17．根据权利要求10的方法，其中，所述弹性结合材料填充到确定尺寸的凹槽内，以提供固化的弹性接头，所述弹性接头使得在所述电极和支撑部件之间可以进行充分的移动，以防电极组件在等离子体反应器中的使用过程中由于电极和支撑部件的热膨胀或收缩的差异导致接头的撕裂。18．根据权利要求10的方法，其中，所述弹性结合材料具有足够的粘度以获得所述结合材料在配合表面上的自流平和铺展，所述方法还包括把所述组件放在真空环境中使所述结合材料脱气。19．根据权利要求10的方法，还包括向所述配合表面涂敷底涂层或者等离子体处理所述配合表面。20．一种在等离子体反应室中加工半导体衬底的方法，其中，电极组件包括通过弹性接头结合在支撑部件上的RF驱动电极，该方法包括：向所述等离子体反应室内提供半导体衬底；向所述等离子体反应器内部提供工艺气体；向所述电极提供RF能量，使得RF能量从所述支撑部件通过，通过弹性接头并到达所述电极，所述RF能量使工艺气体形成与半导体衬底暴露表面接触的等离子体，所述弹性接头使得所述电极在电极组件的温度循环过程中可以相对于所述支撑部件移动。21．根据权利要求20的方法，其中，所述半导体衬底包括硅晶片，所述方法包括腐蚀在所述晶片上的介电材料层或导电材料层。22．根据权利要求20的方法，其中，所述方法包括在半导体衬底上淀积一层材料。23．根据权利要求20的方法，其中，所述电极包括硅淋浴头式电极，所述支撑部件包括石墨环，所述石墨环夹持在温度控制元件上，通过所述温度控制元件把工艺气体供给到淋浴头式电极上。24．一种在半导体衬底加工中使用的等离子体反应室中的弹性接头组件，包括：具有结合表面的第一部分；具有与第一部分的结合表面配合的结合表面的第二部分；和在第一部分和第二部分之间的弹性接头，所述弹性接头把第一部分弹性连接到第二部分上，以便使得在其温度循环过程中，在第一部分和第二部分之间可以发生移动。25．根据权利要求24的弹性接头组件，其中，所述弹性接头包括能适应真空环境并抵抗最高达到(并包括)200℃的热降解的聚合物材料，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：J利勒兰德，JS哈巴塞克，WS肯尼迪，RA马拉斯钦，
申请(专利权)人：兰姆研究公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]