CN101189772B - 用于等离子体反应器的具有智能升降销机构的静电卡盘 - Google Patents
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Abstract
用在对工件进行处理的反应器中的升降销组件包括大致平行于升降方向延伸的多个升降销。多个升降销的每个具有用于支撑工件的顶端和底端。升降台面向升降销的底端，并在大致平行于升降方向的方向上移动。小力检测器感测由升降销施加的力，该力足够大以指示所夹持的晶片，并且足够小以避免晶片脱离夹持。大力检测器感测在足以使晶片脱离夹持的范围中由升降销施加的力。
Description
技术领域
本发明涉及用于等离子体反应器的具有智能升降销机构的静电卡盘。
背景技术
静电卡盘能够用在等离子体反应器中，以在对晶片进行等离子体处理的过程中将半导体晶片保持在室内的晶片支撑表面上。静电卡盘由晶片置于其上的扁平绝缘或者半绝缘层所绝缘的扁平电极或者导电格栅组成。通常，细长升降销向上延伸通过静电卡盘，以从机械手装置接收静电卡盘上方的晶片，然后机械手缩回。升降销然后向下缩回直到晶片搁在晶片支撑表面上。较大的D.C.夹持电压通常相对于室壁地施加到电极。晶片通常间接地通过等离子体以地为参照。在等离子体“开”的情况下，较大D.C.电压施加到静电卡盘电极产生了将晶片保持在适合位置处的较大静电力。然后对晶片进行等离子体处理，此后升降销向上延伸以将晶片从静电卡盘提升到用于将其从室移除的机械手装置。为了高产量，在向下缩回和向上延伸的动作过程中，升降销以比较高的速度运动。解除所施加的D.C.的夹持电压不一定消除了被夹持的晶片和静电卡盘的表面之间的电位差。仍然存在残余的电荷，这导致了晶片和卡盘之间残余的吸引力。取决于在升降销向上延伸的过程中残余力的大小和升降销的速度，晶片可能损坏。
在等离子体“开”时将销进行提升提供了由于晶片与卡盘分离引起的电流的放电路径，但是如果残余力较大，晶片还可能损坏。
一些现有技术方法使用以恒定压力输送到静电卡盘表面的传热气体(诸如氦)的气体流动速率来测量残余夹持力。当晶片的一些部分“解除夹持”时，使得允许传热气体以高的流动速率泄漏，同时晶片的另一部分仍保持夹持，并在升降销随后的向上运动中损坏，这种方法一般不可行。
当前，没有方法来在晶片受到破坏之前检测这种错误的发生。
相关的问题是如果晶片开始在室中进行等离子体处理之前没有牢固地夹持到晶片支撑表面，则(由于过度加热或者不良的温度控制)会发生处理失败。当前，除了将传热气体(诸如氦)以恒定压力供应到静电卡盘的表面并监视作为所测量的残余夹持力的气体流动速率之外，没有方法在对晶片开始等离子体处理之前确认夹持力的适合程度。然而，对于一些应用，尤其在高偏置电压下，传热气体会电气地分解，使得晶片被脱离夹持，并潜在地毁坏晶片和静电卡盘。需要一种在处理之前确认夹持力的适合程度的方法。
发明内容
用在对工件进行处理的反应器中的升降销组件包括大致平行于升降方向延伸的多个升降销。多个升降销的每个具有用于支撑工件的顶端和底端。升降台面向升降销的底端，并在大致平行于升降方向的方向上移动。小力检测器感测由升降销施加的力，该力足够大以夹持晶片，并且足够小以避免晶片脱离夹持。大力检测器感测在足以使晶片脱离夹持的范围中由升降销施加的力。
附图说明
图1描述了体现本发明的升降销组件。
图2描述了包括图1的升降销组件的等离子体反应器。
图3描述了用于图2的等离子体反应器的晶片夹持或者解除夹持的处理。
具体实施方式
参照图1，静电卡盘(ESC)8由封装薄平面的夹持电极或者导电格栅12的绝缘或者半绝缘层10、形成晶片支撑表面的绝缘表面的顶表面10a组成。绝缘层10例如可以是氮化铝，并支撑在ESC基座14上。D.C.夹持电压供应和控制器16连接到夹持电极12。在ESC8中延伸通过孔20的至少三个升降销18支撑在轴向可平移的升降台22上。对于每个升降销18，升降台22具有由弹性板26覆盖的凹部24，弹性板26的一端26a用紧固件26b保持在升降台上。弹性板26的另一端26c自由地轴向挠曲。可选地，升降销18底端上的绝缘(例如，陶瓷)零件28将升降销18支撑在升降台22上。升降台22是轴向活塞30的顶端以悬臂的方式支撑着，升降伺服电动机组件32使轴向活塞30在轴向可平移，波纹管34保持室内部的真空密封，同时允许升降台22上下运动。
传统的应变仪36紧固在升降台22的凹部24内朝向弹性板底侧的表面上。紧固到弹性板22的底部的脚部38面向应变仪36并在应变仪36的上方。紧固到升降台的凹部24内的表面的传统光学检测器40用作靠近检测器，以感测弹性板26的自由端26c轴向挠曲。随着每个升降销18推着抵靠晶片42，由升降销18传递的向下的力使弹性板26挠曲，使弹性板自由端26c向下挠曲，使得脚部38以不断增大的力推着应变仪36。靠近检测器40测量所造成的弹性板自由端26c的向下挠曲。如图1所示，如果在夹持电压施加到电极12的同时升降销18推着抵靠晶片42，那么晶片将抵抗每个升降销18的向上的运动，使得晶片42的外周附近向上弯曲。以此方式使晶片挠曲所需的力由应变仪36根据由陶瓷升降销保持器28抵靠应变仪36所施加的压力来测量。所造成的弹性板向下挠曲的大小由靠近检测器40来测量。应变仪36用作能够测量在从夹持电极解除了D.C.夹持电压之后使晶片足够脱离夹持的力的高力传感器。弹性板和靠近传感器的组合用作用于感测避免使晶片脱离夹持的足够小的“亚解除夹持”力(对于300mm直径的Si晶片，高达晶片重量的若干倍或者与几百克等价的力)的高分辨率低力传感器。这种传感器可用于测量由升降销施加的升降力，该力足以表示存在避免使晶片解除夹持的夹持力。
在可选的实施例中，除了以上公开的类型之外的传感器可以作为低力传感器和高力传感器来执行。这种传感器可以设置用于每个升降销18。这种传感器在升降销18中，或者连接到升降销18。而且，对于给定的升降销18，单个传感器可以用作高力传感器和低力传感器。
在另一个可选实施例中，至少一个或者所有升降销18可以由半导体材料(例如，晶体或多晶硅、或者锗)或者导体(例如，铝)组成，在此 情况下，可以设置开关19，具有这样开关19的导电或者半导体升降销18可以以选定的次数连接到以下中任一者：接地电位、浮动电位、ESC电极12。开关19可以在晶片夹持和晶片解除夹持操作过程中采用，以增强对D.C.晶片电压的控制。在对晶片进行等离子体处理的过程中，开关19可以设定成将升降销18连接到浮动电位。
图2图示了包括利用图1设备的系统的等离子体反应器。反应器包括室50、处理气体供应52、气体分配器54和RF功率产生器56，其中RF功率产生器56通过阻抗匹配电路58和D.C.阻塞电容器60耦合到(例如)ESC电极12。处理器62使用由应变仪36测得的力和靠近传感器40测得的挠曲来提供实际的力数据和挠曲数据。处理控制器64使用力数据和挠曲数据以控制由控制器16输送的D.C.夹持电压，并通过升降组件电动机控制器66控制升降台电动机组件32。
图3图示了处理控制器64的操作。首先，在图3的方框70的步骤中，控制器64使升降销18延伸到晶片支撑表面的上方，以从机械手(未示出)接收晶片。控制器64然后使升降销18缩回，以将晶片放在ESC8的晶片支撑表面上(方框72)。引入气体，施加RF功率，以激发等离子体，其中等离子体间接地将晶片作为基准地。优选地，等离子体源功率用于激发等离子体来进行晶片夹持，但是也可以使用偏置功率。如果使用偏置功率用于激发等离子体以进行晶片夹持，那么优选地施加低RF电压。控制器64然后使D.C.夹持电压相对于基准地(通常是室壁)施加到ESC电极(方框74)。(可选地，首先施加电压，然后施加RF功率以激发等离子体)。在通常短时间延迟之后，然后通过升降销18抵着夹持的晶片延伸然后延伸一段小的距离(例如，0.2-约1mm)以使晶片变形0.2-约1mm来测试晶片夹持(方框76)。然后数据处理器62使用由靠近检测器40感测的弹性板26的挠曲来判定升降销的力是否至少为小的阈值力(例如，与几百克等价的力)。如果该力在阈值水平之上(在方框77中“是”的分支)，则晶片已经成功地被夹持，处理控制器64使升降销从晶片缩回(方框78)，并对晶片进行等离子体处理(方框80)。(可选地，通过将升降销保持在适合的位置并连续地监视该力来连续地测试晶片 夹持)。否则(在方框77中“否”的分支)，显示警报和/或重复夹持处理。在晶片处理之后，控制器64使夹持电压关闭(方框82)，或者设定为“解除夹持”电压。此“脱离夹持”电压可以是零伏特，或者可以设定为选择用来使表面上的残余电荷所引起的晶片和卡盘表面之间的残余电场最小的非零值。优选地，在解除夹持的操作中，等离子体开启以提供从晶片放电的路径。优选地，施加等离子体源功率用于解除夹持操作，但是也可以使用偏置功率。优选地，晶片上的RF电压在解除夹持过程中较低。在时间延迟之后，控制器64然后使升降销18向上延伸以接触晶片，然后继续进一步延伸，直到升降销行进较大的距离(例如，3mm)以使晶片挠曲此较大的距离(方框84)。监视力传感器的输出(方框86)，以确保力传感器的输出(其在遇到残余电荷力时增大)在升降销接触晶片之后已经行进较大距离(3mm)之前最终返回到零(表示成功解除夹持)。如果所感测的力在升降销已经行进较大距离(3mm)之后近似达到零，则晶片已经成功接触夹持(方框88中“是”的分支)，并且控制器64使升降销延伸使晶片返回到用于移除的机械手机构所需的全距离(例如，25mm)(方框92)。如果在此点所感测的力没有返回到零(忽略晶片的重量)(方框88中“否”的分支)，那么响起警报以停止晶片移除处理(以避免晶片损坏)，直到完全解除夹持力或者电压(方框90)。
在可选的实施例中，在晶片处理之后，控制器64使夹持电压关闭(方框82)，或者可以设定成初始“解除夹持”电压。优选地，等离子体在解除夹持操作过程中开启，以提供从晶片放电的路径。优选地，施加等离子体源功率用于解除夹持操作，但是也可以使用偏置功率。优选地，晶片上的RF电压在解除夹持过程中较低。在时间延迟之后，控制器64然后使升降销18向上延伸以接触晶片，然后继续进一步延伸，直到升降销行进较大的距离(例如，3mm)以使晶片挠曲此较大的距离(方框84)。监视力传感器的输出(方框86)。根据本可选实施例，在方框86的监视步骤过程中，“解除夹持”电压在“解除夹持”的电压范围上步进或者逐渐地变化，以发现理想解除夹持电压，从而补偿会阻止所感测的力降低到预定最小值的任何残余电荷。当力传感器的输出最终减小到最小值或者返回 到零(表示成功解除夹持，方框88“是”的分支)时，解除夹持电压设定为零伏特，并且控制器64使升降销延伸使晶片返回到用于移除的机械手机构所需的全距离(例如，25mm)(方框92)。如果在此点所感测的力没有返回到零，那么响起警报以停止晶片移除处理(以避免晶片损坏)，直到完全解除夹持力或者电压(方框90)。然而，因为在此可选实施例中脱离夹持电压在方框86的监视步骤过程中逐渐变化，降低了求助于方框90的警报的可能性。
在优选实施例中，控制器64用作连续控制升降销向上运动的反馈回路。如果在升降销已经推着晶片达较大的距离(例如，3mm)之前升降销力还未降低到最小值(例如，零)，那么控制器64立即停止升降销运动以避免晶片损坏。如果升降销力降低到所需升降销行进距离内的最小水平，则这允许升降销继续向上的运动。
可选地，导电或者半导体升降销可以用来帮助对晶片-卡盘的电容进行放电，并便于脱离夹持操作。销可以直接连接到基准地，或者连接到隔离的静电卡盘电极。可选地和优选地，刚刚接触夹持或者夹持时，销可以被切换连接到基准地或者连接到隔离的静电卡盘电极，但是能够在通常的处理中保持隔离。
在警报状况的情况下，控制器可以可选地重试解除夹持操作。
前述因而需要两个力传感器，即，一个力传感器能够测量能够抵着晶片施加的小力(例如，几百克)以确认晶片成功夹持而没有脱离夹持，一个力传感器是能够测量足以克服残余电荷感应的力以使晶片解除夹持的较大的力(例如，约50kg)。在图1的实施例中，低力传感器是弹性板和靠近传感器，而高力传感器是应变仪传感器。然而，两个传感器可以是相同的类型，只要在各自范围内足够精确地工作即可。而且，如果单个传感器足以覆盖两个力水平(对于低力为200克，对于高力为50kg)，那么前述程序能够使用单个传感器而不是使用两个传感器来执行。
尽管上述说明书描述了单个电极(单极)卡盘的示例，但是该设备和方法可以应用到双极或者多极卡盘。
尽管通过具体参考优选实施例已经详细描述本发明，可以理解到可以 在不脱离真正的精神和本发明范围的情况下进行变化和修改。
Claims (20)
1.一种升降销组件，用在处理工件用的反应器中，所述升降销组件包括：
多个升降销，其大致平行于升降方向延伸，所述多个升降销每个具有底端和用于支撑工件的顶端；
升降台，其面向所述销的所述底端，并可在大致平行于所述升降方向的方向上平移；
小力检测器，用于感测由所述升降销施加的力，所述力大到足以夹持所述工件，并且小到足以避免所述工件解除夹持；以及
大力检测器，用于感测在足以使所述工件解除夹持的范围中由所述升降销施加的力。
2.根据权利要求1所述的升降销组件，其中，所述小力检测器包括：
多个弹性板，其连接到所述升降台，并用于配合相对应的所述销的所述底端，每个所述弹性板具有在所述升降方向上相对于所述升降台可运动的挠曲区域；以及
靠近检测器，用于感测所述弹性板中至少一个的所述挠曲区域的位置。
3.根据权利要求1所述的升降销组件，还包括用于沿着所述升降方向升高和降低所述升降台的升降电动机。
4.根据权利要求2所述的升降销组件，还包括数据处理器，所述数据处理器用于将所述靠近检测器和所述大力检测器的输出分别转换成位置值和力值。
5.根据权利要求4所述的升降销组件，还包括
用于沿着所述升降方向升高和降低所述升降台的升降电动机；和
处理控制器，所述处理控制器耦合成接收由所述数据处理器输出的所述位置值和所述力值，并用于控制所述升降电动机。
6.根据权利要求2所述的升降销组件，其中，每个所述弹性板包括具有第一端和第二端的弹性件，所述第一端紧固到所述升降台，所述第二端沿着所述升降方向相对于所述升降台在所述弹性板的弹性变形作用下自由运动，所述挠曲区域靠近所述第二端。
7.根据权利要求1所述的升降销组件，包括用于每个所述升降销的大力和小力检测器。
8.根据权利要求1所述的升降销组件，其中，所述大力检测器和所述小力检测器一起构成单个检测器。
9.一种等离子体反应器中的工件支撑件，包括：
绝缘或者半绝缘层，其具有限定工件支撑平面的工件支撑表面；
工件夹持电极，其在所述绝缘或者半绝缘层内；
多个升降销孔，其在与所述工件支撑平面垂直的升降方向上延伸通过所述绝缘或者半绝缘层；
多个升降销，其延伸通过所述多个升降销孔，所述多个升降销的每个具有相对的顶端和底端，并可沿着所述升降方向平移，所述顶端用于将工件支撑在所述工件支撑平面上方；
升降台，其朝向所述销的所述底端，并可在与所述升降方向大致平行的方向上平移；
小力检测器，其用于感测由所述升降销施加的力，所述力大到足以夹持所述工件，并且小到足以避免所述工件解除夹持；以及
大力检测器，用于感测在足以使所述工件解除夹持的范围中由所述升降销施加的力。
10.根据权利要求9所述的工件支撑件，其中，所述小力检测器包括：
多个弹性板，其连接到所述升降台，并用于配合相对应的所述销的所述底端，每个所述弹性板具有在所述升降方向上相对于所述升降台可运动的挠曲区域；以及
靠近检测器，用于感测所述弹性板中至少一个的所述挠曲区域的位置。
11.根据权利要求9所述的工件支撑件，还包括耦合到所述夹持电极的D.C.夹持电压源。
12.根据权利要求9所述的工件支撑件，还包括用于沿着所述升降方向升高和降低所述升降台的升降电动机。
13.根据权利要求10所述的工件支撑件，还包括数据处理器，所述数据处理器用于将所述靠近检测器和所述大力检测器的输出分别转换成位置值和力值。
14.根据权利要求13所述的工件支撑件，还包括
用于沿着所述升降方向升高和降低所述升降台的升降电动机；和
处理控制器，所述处理控制器耦合成接收由所述数据处理器输出的所述位置值和所述力值，并用于控制所述升降电动机。
15.根据权利要求10所述的工件支撑件，其中，每个所述弹性板包括具有第一端和第二端的弹性材料体，所述第一端紧固到所述升降台，所述第二端沿着所述升降方向相对于所述升降台在所述弹性板的弹性变形作用下自由运动，所述挠曲区域靠近所述第二端。
16.根据权利要求9所述的工件支撑件，包括用于每个所述升降销的大力检测器和小力检测器。
17.根据权利要求9所述的工件支撑件，其中，所述大力检测器和所述小力检测器包括在单个检测器内。
18.根据权利要求9所述的工件支撑件，其中，所述升降销中至少一个由半导体或者导电的材料形成。
19.根据权利要求18所述的工件支撑件，还包括接触开关，所述接触开关耦合到所述升降销中至少一个，并具有以下接触状态的至少两者：(a)接地电位，(b)所述工件夹持电极，(c)浮动电位或者开路状态。
20.一种操作工件支撑件的方法，所述工件支撑件包括工件夹持电极和一组由升降台支撑的升降销，所述方法包括：
在工件已经放在所述工件支撑件之后并在处理所述工件之前，在确认存在额定静电夹持力的同时，通过用所述升降销接触所述工件，然后将所述升降销升起一段距离来确认所述工件是否已经被成功地夹持，所述距离足够小到如果所述工件被夹持则避免所述工件脱离夹持；以及
在已经处理所述工件之后，在判定由所述升降销抵靠所述升降台施加的力是否降低到最小值或者零的时候，所述升降销将所述工件从所述工件支撑件抬起，直到所述升降销将所述工件抬起一段预定距离，所述预定距离足以大到如果已经解除了所述额定静电夹持力则使所述工件脱离夹持，但是所述预定距离足够小到在还未解除所述额定静电夹持力的情况下避免所述工件损坏。
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