CN105308735A - 低放射率静电卡盘 - Google Patents

Abstract

一种静电卡盘，包括加热器及配置在加热器上的电极。此静电卡盘也包括绝缘体层及配置在绝缘体上的涂层，其中所述涂层用以支撑电极系统所产生的静电场以便吸住基板。

Description

低放射率静电卡盘

技术领域

本发明是有关于基板处理。特别是，本发明有关于用于基板处理的改良的静电卡盘。

背景技术

应用于例如制造半导体元件、太阳能电池制造、电子元件制造、传感器制造及微机电元件制造的现代基板处理常常需要一种使用静电固持器或“卡盘”的装置(“机具”)在处理期间用以固持基板。此种装置的实例包括化学气相沉积(CVD)机具、物理气相沉积(PVD)机具、例如反应式离子蚀刻(RIE)设备的基板蚀刻机具、离子植入系统及其他装置。在这些装置中，最好可将基板加热到高温。

为了加热基板到高温，静电卡盘(ESC)装置已经被设计成具有加热器，其可能邻接或嵌入用以形成ESC本体的绝缘材料。当要在高温处理基板时，使用加热器来加热基板(例如晶圆)的背面(背侧)，同时将气体导向基板的背面，其位于ESC的前表面与基板之间的一个或多个空隙中。气体因而变热且提供传导加热源给接触到热气体的基板。为了使用此种ESC将基板有效地加热到高温，最好最小化可能显著的辐射热损耗。为了减少ESC被加热到高温时的功率损耗，可沿着ESC边缘及背向基板的ESC后表面使用热屏蔽和/或低放射率涂层。例如，通常加热到500℃的ESC可能经由ESC的钳制面损失一千瓦等级的功率，可能经由外侧边缘损失额外的150瓦，并且可能经由配置辐射屏蔽的ESC后表面损失另外的150瓦。虽然低放射率涂层可有效减少ESC的不同表面的放射，但是此种低放射率涂层是金属，因此是电荷的导体。因此，此种涂层不能配置在ESC前表面上，这是因为静电钳夹的前表面上需要绝缘层来产生钳制静电场。因此，由ESC前表面的放射所造成的大功率损耗仍然是一个挑战。考虑到先前所述，应当理解有必要改善静电钳夹，特别是包含设计成在高温时操作的静电钳夹的设备。

发明内容

提供本发明内容是为了以简化的形式介绍所挑选的观念，其将在以下的实施方式作进一步的说明。本发明内容不是要识别专利保护标的物的关键特点或本质特点，也不是要帮助判定专利保护标的物的范围。

在一实施例中，一种静电卡盘包括加热器及配置在加热器上的电极。此静电卡盘也包括绝缘体层及配置在绝缘体上的低放射率涂层，其中低放射率涂层用以支撑电极系统所产生的静电场以便吸住基板。

在另一实施例中，一种离子植入系统包括用以产生离子以便植入基板的离子源以及基板固持器系统，所述基板固持器系统包括用以在暴露于离子期间固持基板的静电卡盘。上述静电卡盘包括：在电极与基板之间供应气体的气体流量系统；加热电极与基板之间的气体的加热器；配置在加热器上的电极；以及配置在加热器上且用以支撑电极系统所产生的静电场以便吸住基板的低放射率涂层。

附图说明

图1是依照本发明各种实施例的一种离子植入系统。

图2是依照本发明实施例的一种静电卡盘系统。

图3是一种示范静电卡盘的一部分的侧视截面图。

图4示出一种示范静电卡盘的操作。

图5示出一种示范低放射率涂层的光学特性。

图6是依照本发明实施例的另一种静电卡盘系统。

图7是依照本发明实施例的又一种静电卡盘系统；以及

图8是另一种示范静电卡盘的一部分的侧视截面图。

具体实施方式

以下将参考附图更完整地说明本发明的实施例，附图中示出各实施例。然而，本发明的实施例可能以许多不同的形式来实施，因此不应视为局限于在此所述的实施例。更确切地说，提供这些实施例将使本发明的揭示更齐全，且将完整地传达本发明的观念给任何在本发明所属技术领域中具有公知常识的技术人员。所有附图当中的相似元件符号皆表示相似元件。

各实施例涉及用以在高温时处理工件或基板的装置及系统。本文使用的术语“高温”通常是指基板温度大于约50℃。各实施例对于在温度超过约200℃时处理基板特别有用。本实施例通常是有关于能够在高温时操作的热静电卡盘。本实施例的静电卡盘用以加热基板且同时利用静电力来固持基板。本文关于ESC所使用的术语“正固持”和“固持”是指维持基板于想要的位置。ESC装置可藉由ESC所产生的静电力来固持基板，在ESC与基板之间具有最少的实际接触。

可使用本发明实施例的热静电卡盘的装置的实例包括化学气相沉积(CVD)机具、物理气相沉积(PVD)机具、例如反应式离子蚀刻(RIE)设备的基板蚀刻机具、离子植入系统及其他装置。

在以下的说明和/或权利要求中，可能使用术语“在…上”、“覆盖”、“配置在…上”及“在…上方”于以下的说明和权利要求。“在…上”、“覆盖”、“配置在…上”及“在…上方”可用以表示两个或更多个元件彼此直接实际接触。然而，“在…上”、“覆盖”、“配置在…上”及“在…上方”也可意指两个或更多个元件彼此并未直接接触。例如，“在…上方”可意指一个元件位于另一个元件的上方但是彼此并未接触，并且可能有另一个元件或多个元件介于这两个元件之间。此外，术语“和/或”可意指“和”、其可意指“或”、其可意指“互斥的或”、其可意指“一个”、其可意指“一些，但不是全部”、其可意指“两个都不是”和/或其可意指“两个都是”，然而专利保护标的物的范围并未局限于这方面。

图1是依照本发明实施例所设计的可使用热静电卡盘的离子植入系统100的方块图。如图所示，离子植入系统100包括离子源102。电源供应器101供应所需能量给用以产生特定种类离子的离子源102。所产生的离子藉由一系列的电极104(萃取电极)从源萃取且形成束95，其藉由各种束元件95、106、108、110、112引导和操纵而导向基板。尤其，在萃取之后，束95通过质量分析器磁铁106。质量分析器设置有特殊的磁场使得只有具有想要的质荷比的离子能够行经分析器。预定种类的离子通过减速平台108到校正器磁铁110。将校正器磁铁110通电以使其根据所施加的磁场的强度及方向来偏转细离子束，以便提供朝向位于基板固持器系统(例如压盘)114上的工件或基板的带状束。在某些例子中，第二减速平台112可配置在校正器磁铁110与基板固持器系统114之间。当离子在基板中与电子及原子核碰撞时将损失能量，并将根据加速能量停留在基板内的预定深度。

在各实施例中，基板固持器系统114可包括如根据以下图式所述的热静电卡盘。图2示出具有静电卡盘202及用以支撑静电卡盘的平台220的示范静电卡盘系统200。静电卡盘202包括绝缘体204、加热器206及电极或电极系统208，其中每一个可由公知元件构成且依照公知热静电卡盘排列。为了简化起见，根据传统，附接平台220的静电卡盘202的侧面可视为背面(B)且面向基板224的静电卡盘202的侧面可视为正面(F)。通常，加热器206可配置在绝缘体204内和/或可朝向背面B配置。电极系统208通常也配置在静电卡盘202的内部使得绝缘材料位于电极系统208与外部234之间，如图3所示。

在各实施例中，加热器206可包括各种用以加热静电卡盘202的已知加热器设计。并且，虽然电极系统208在各实施例中示出为单一元件，但是电极系统208可包括一个或多个元件。尤其，电极系统208可以是箔、板、多个独立板、多孔箔或多孔板、网孔、网版印刷层或可具有某种适合并入静电卡盘的其他结构。

再如图2所示，静电卡盘202包括绝缘体层210及涂层212。绝缘体层210可以是例如公知玻璃材料。静电卡盘系统200还包括用以施加电压给电极系统208以便产生夹紧力来固持基板224的电压供应器222。加热器206用以加热静电卡盘202，并且藉以加热基板224。气体供应器226用以供应气体230，例如氦或其他气体(未单独示出)进入静电卡盘202与基板224之间的背侧气体区域232，以便提供将静电卡盘202所产生的热转移到基板224的导热介质。因此，在加热器206的操作期间静电卡盘202主要藉由热传导来加热基板224。

为了最小化在加热基板224期间的功率损耗，涂层212配置在介于电极系统208与静电卡盘202的外部234之间的绝缘体层210之上(示出于图3)。涂层212作为低放射率涂层以减少从静电卡盘202射出的黑体辐射所造成的能量损耗。如此减少能量损耗将会减少将基板224加热到预定温度所需的功率，这是因为加热器206所产生的功率的较大部分是消耗于将热传导至基板224时。值得注意的是，当温度超过约200℃时，黑体辐射可包含热静电卡盘202所产生的能量的显著来源。并且，在从200℃到约1000℃或更高的温度范围内，理想的黑体放射器所辐射的大部分能量发生于红外线波长范围内，其峰值强度的波长范围从约5微米到约2微米。例如硅基板的各种基板对这范围的辐射而言是高度透明的，因此可能只吸收静电卡盘以黑体辐射形式所产生的能量的少许部分(若有的话)。因此，可能浪费此种辐射能量，因而降低静电卡盘202加热基板的效率，这是因为只有从静电卡盘202产生的传导加热对于加热基板224有效。如以下所详述，涂层212藉由反射低放射率涂层底下的静电卡盘的部分所产生的辐射来减少辐射损耗。

图3是静电卡盘202的一部分的侧视截面图。如图3所示，涂层212包括形成介电干涉堆叠的多层。虽然图3的实施例示出三层干涉堆叠，但是在各实施例中，涂层212可具有任何想要的数目的层。例如，涂层212可包括层214和218以及配置于其间的层216。可将不同层214、216、218的折射率组态以加强涂层212对于想要的波长范围的电磁辐射(在此也仅称为“辐射”)的反射率。在各实施例中，层214、218由相同的材料构成且在感兴趣的电磁辐射波长范围具有相同的介电常数或折射率，而层216则由与层214、218的材料不同的材料构成，并且具有不同的折射率。

在一特定实例中，层214、218构成五氧化二钽(Ta₂O₅)，而层216则构成SiO₂。如众所周知，这些材料在介于大约1微米与10微米之间的红外线辐射波长范围内具有显著不同的折射率。此种层214到218的堆迭非常适合作为干涉堆叠，其中由于邻层之间的折射率的突然变化而加强在界面215、217及219当中一个或多个的电磁辐射反射。在一些实施例中，形成层214和218的第一材料的每一层厚度可以是相同的，如同图3所示的厚度T_M1。形成层216的第二材料的厚度T_M2可以不同于或等于厚度T_M1。低放射率涂层的不同层的厚度和折射率将设计成对于从相邻界面反射的电磁波产生最大相长干涉。这可藉由设计涂层212的既定层的层厚度及折射率以便在从相邻表面反射具有预定波长λ₀的电磁辐射中产生等于λ₀/4的相移予以达成。以这种方式，可设计涂层212以减少在高温时从静电卡盘202放射的电磁辐射，其方法为增加涂层212所反射的由静电卡盘202产生的辐射的量。

图2及图3所示的静电卡盘设计所提供的好处在于因为涂层212的叠层214到218是由例如Ta₂O₅和SiO₂的介电材料所构成，所以当电压供应器222施加电压给电极系统208时，涂层212不屏蔽电极系统208所产生的静电场E。因此，不像金属涂层的情况，涂层212容许电极系统208施加夹紧力于靠近图2所示出的绝缘体层210的基板224上，同时减少静电卡盘加热时的电磁辐射放射。

继续参考图3的范例，为了确保静电卡盘202产生足够的夹紧力来吸引基板224，涂层212的厚度T_C可设计成是绝缘体层的厚度T_G的一小部分。例如，在一些实施例中T_C/T_G的比例可以是约0.005-0.05或大约0.5-5％。例如，绝缘体层210的T_G的数值可以在约100微米的范围内，并且涂层212的厚度T_C可以是约0.5微米至约5微米。以这种方式，在绝缘体层210与基板224之间增加涂层212不会显著影响电极系统208所产生的场的静电场强度，这是因为涂层212的厚度T_C仅小幅度增加配置在电极系统208上方的绝缘材料(绝缘体层210及涂层212)的总厚度(T_C+T_G)。

图4示出依照本发明实施例的静电卡盘202的一个操作情形。为了清楚起见，仅示出静电卡盘202的一部分。在图4所示的情形中，静电卡盘202被加热到高温。在一实例中，静电卡盘202的温度可加热到500℃，此温度诱发峰值波长范围为约3到4微米的波长范围内的电磁辐射产生。各种波长的电磁辐射被示出成一系列的射线402、404、406、408、410，其从静电卡盘202内部产生且通常从静电卡盘202的内部部分向外导向静电卡盘202的外部区域412。需理解静电卡盘所产生的辐射可能以其他方向行进。如图所示，射线404、408经由涂层212传送且出现于外部区域412。另一方面，射线402、406及410向后反射进入静电卡盘202的内部。更具体地，射线402在界面215反射，射线406在界面219反射，并且射线410在界面417反射。因此，静电卡盘202所产生的电磁辐射的相当大部分并未从界面219所表示的表面放射。

反之，在高温操作的公知静电卡盘中，缺少涂层212使静电卡盘内部所产生的电磁辐射被放射而未从外表面反射，因而导致高放射率及不想要的静电卡盘能量损耗。

图5示出一种由上述多层介电干涉堆叠所构成的示范低放射率涂层(例如212)的光学特性。在所示出的这实例中，低放射率涂层配置在玻璃基板上且反射比被测量为辐射波长的函数。如图5所示，反射比在波长大于约2微米(2000纳米)的地方快速地增加且保持大于20％直到波长接近4.5微米。这个波长范围构成约300℃至700℃的温度范围的黑体辐射的峰值范围。因此，图5的示范低放射率涂层对于减少在此温度范围内操作的高温静电卡盘的辐射损耗特别有用。当用以涂布静电卡盘时，图5的介电低放射率涂层可将放射率从不含此种涂层的大约0.7降低到大约0.3到0.4，因此从静电卡盘的前表面，即面对基板的表面辐射的功率降低大约二分之一。以这种方式，当低放射率涂层存在于静电卡盘上时，静电卡盘的加热器所产生的功率的相当大部分将用以传导加热基板。

图6示出静电卡盘系统600的另一实施例，其中静电卡盘602包括电极系统604，所述电极系统604包含多个独立的电极604A、604B、604C、604D。在一些实例中，电极可如同习知静电卡盘排列成电极对，其中施加钳制电压于静电对的两个电极之间。在包括多对电极对的实例中，能以周期性方式施加钳制电压于电极对的两个电极之间，使得在任何既定时间有至少一对电极对施加钳制电压于其间。如同图6所进一步示出，电压供应器606用以供应如同波形608的电压，其在不同的实施例中可根据电极系统例如电极系统604的电极对数目来设计。例如，对于三电极对系统来说，可产生方波三相波形以确保在既定时间至少有四个电极是有效的。

图7示出静电卡盘系统700的另一实施例，其中静电卡盘702包括配置在静电卡盘的侧面及背面上的额外低放射率涂层704。在这实施例中，低放射率涂层704包括金属材料，其对于约250℃至1000℃的操作温度范围可降低静电卡盘702的侧面及背面的放射率至例如0.3或更低的低数值。这进一步减少从静电卡盘辐射作为电磁辐射的总功率。因为静电卡盘702的侧面及背面不必支撑钳制场，所以用于低放射率涂层704的材料可以是任何方便的金属材料。

在另外的实施例中，静电卡盘系统可用以支撑可互换的静电卡盘，其中不同的静电卡盘被设计在不同的温度范围内操作。因此，例如静电卡盘202的第一静电卡盘可涂布涂层212，其中层214到218被设计成最适合降低500℃时的放射率。如所指出的，这是藉由选择层214、216、218的折射率及层厚度而达成，其可予以修改以便在与500℃时的黑体辐射的峰值相对应的波长范围内产生峰值反射率。在既定温度范围例如450℃至550℃内要发生基板处理时可安装静电卡盘202。第二静电卡盘可设计成具有不同的低放射率涂层以用于不同温度范围内的操作。在一实例中，可调整层214、216、218的折射率及厚度，以便对介于约2.5微米与5.0微米之间的电磁辐射波长产生大于20％的反射率，其可在当基板处理要发生于既定温度范围例如450℃至550℃内时适合于降低放射率。

参照图8，图中示出具有低放射率的静电卡盘800的一部分。静电卡盘800包括涂层802，其中层804、806、808被设计成最适合降低700℃时的放射率。这是藉由选择层804、806、808的折射率及层厚度使得峰值反射率发生于与700℃时的黑体辐射的峰值相对应的波长范围内而达成。在既定温度范围例如650℃至750℃内要发生基板处理时可安装静电卡盘800。在一实例中，可调整层804、806、808的折射率及厚度，以便对介于约1.5微米与5.0微米之间的电磁辐射波长产生大于20％的反射率，其可在当基板处理要发生于既定温度范围例如650℃至750℃内时适合于降低放射率。

再度参照图2，在另外的实施例中，涂层212可构成在想要的波长范围内具有高反射率的宽频高反射涂层。此种宽频介电涂层可涉及用以建构改良的四分之一波长堆叠的两个或多个已知元件，堆叠中的各层并非都是相同的光学厚度。反之，它们在想要的宽频效能区域的两末端之一对于两波长在四分之一波厚度之间渐变。个别层的光学厚度通常选择遵循一个简单的算术或几何级数。藉由使用这种设计，由多层宽频堆迭所构成的涂层212可在数百纳米内展现超过百分之99的反射比。例如，涂层212可由一个被设计成在1微米与6微米之间具有大于90％的反射率之多层宽频堆叠所构成。这使得涂层212可用以在大的波长范围内减少热ESC的放射，因而使单一ESC在一个大的温度范围内容易操作。

本发明的范围并未局限于在此所述的特定实施例。事实上，除了在此所述的实施例之外，任何在本发明所属技术领域中具有公知常识的技术人员显然可从上述说明及附图理解到本发明的其他各种实施例及修改。因此，此种其他的实施例及修改都将属于本发明的范围。此外，虽然本发明在此已经基于为了特殊目的在特殊环境下以特殊方式实施而予以说明，但是任何在本发明所属技术领域中具有公知常识的技术人员将明瞭其用途并未局限于此，并将明瞭本发明可为了任何数量的目的在任何数量的环境下予以有益地实施。

Claims (15)

1.一种静电卡盘，包括：

加热器；

电极，配置在所述加热器上；

绝缘体层，配置在所述电极上；以及

涂层，配置在所述绝缘体上，用以支撑所述电极所产生的静电场以便吸住基板。

2.根据权利要求1所述的静电卡盘，其中所述涂层包括多层介电层，所述多层介电层用以降低所述静电卡盘的放射率。

3.根据权利要求1所述的静电卡盘，其中所述绝缘体是玻璃层。

4.根据权利要求1所述的静电卡盘，其中所述涂层具有第一厚度t_C，所述绝缘体具有第二厚度t_G，其中t_C/t_G是大约0.005至0.05。

5.根据权利要求2所述的静电卡盘，其中所述多层介电层用以对介于大约2.5微米与5.0微米之间的电磁辐射波长产生大于20％的平均反射率。

6.根据权利要求2所述的静电卡盘，其中所述多层介电层用以对介于大约1.5微米与5.0微米之间的电磁辐射波长产生大于20％的平均反射率。

7.根据权利要求2所述的静电卡盘，其中所述多层介电层包括折射率在相邻介电层之间变化的两层或更多层介电层。

8.根据权利要求2所述的静电卡盘，其中所述多层介电层具有大约0.5微米至大约5微米的总厚度。

9.根据权利要求1所述的静电卡盘，包括气体源，所述气体源用以在所述涂层的外表面与所述基板之间供应气体。

10.根据权利要求1所述的静电卡盘，其中所述静电卡盘被加热到500℃，并且相比于存在所述涂层时所述加热器的功率损耗，在从所述静电卡盘移除所述涂层时所述加热器的功率损耗多出至少25％。

11.根据权利要求1所述的静电卡盘，还包括一个或多个配置在所述加热器上的额外的电极。

12.一种离子植入系统，包括：

离子源，用以产生离子以便植入基板；以及

基板固持器系统，包括用以在暴露于离子期间固持所述基板的静电卡盘，所述静电卡盘包括：

气体流量系统，用以在电极与所述基板之间供应气体；

加热器，用以在所述电极与所述基板之间加热所述气体；

电极，配置在所述加热器上；以及

涂层，配置在所述加热器上且用以支撑所述电极系统所产生的静电场以便吸住基板。

13.根据权利要求12所述的离子植入系统，所述涂层包括用以降低所述静电卡盘的放射率的多层介电层，其中所述多层介电层包括折射率在相邻介电层之间变化的两层或更多层介电层。

14.根据权利要求12所述的离子植入系统，还包括配置在所述电极系统与所述涂层之间的玻璃层，其中所述涂层具有厚度t_C，所述玻璃层具有第二厚度t_G，其中t_C/t_G是大约0.005至0.05。

15.根据权利要求12所述的离子植入系统，其中所述涂层包括在1微米与6微米之间具有大于90％的反射率的宽频高反射涂层。