CN102623379A - 静电夹持装置及半导体处理设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种静电夹持装置以及半导体处理设备，静电夹持装置包括基座和绝缘层，绝缘层置于基座上方且绝缘层内设置有直流电极，直流电极连接直流电源以产生可吸附被加工工件的静电引力，静电夹持装置还包括检测单元、控制单元以及执行单元，其中，检测单元用于检测静电夹持装置所承载的被加工工件的直流自偏压，并将直流自偏压传输至控制单元；控制单元用于根据被加工工件的直流自偏压生成控制信号，并将控制信号传输至执行单元；执行单元根据控制信号调整直流电源的输出电压，以对作用在被加工工件上的静电引力进行调整。静电夹持装置可以使被加工工件不同区域获得均衡的静电引力。

Description

静电夹持装置及半导体处理设备

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，具体而言，涉及半导体加工工艺中所使用的一种静电夹持装置及采用该静电夹持装置的半导体处理设备。

背景技术

在集成电路(IC)制造工艺过程中，特别是在实施等离子刻蚀(ETCH)、物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)等工艺中，常使用夹持装置来固定、支撑及传送晶片(Wafer)，以避免晶片在工艺过程中出现移动或错位。

夹持装置可以是静电卡盘(Electro Static Chuck简称ESC)、机械卡盘或真空吸盘，而且，相对于传统的机械卡盘和真空吸盘，静电卡盘可以减少因压力、碰撞等原因而造成的晶片损伤，同时可以减少因机械碰撞而产生的颗粒污染。因此，在半导体加工设备中静电卡盘应用较为广泛。

典型的静电卡盘包括绝缘层和铝基座，晶片放置在绝缘层的顶部。绝缘层采用AL₂O₃或ALN等陶瓷材料制成，绝缘层中设有两个直流电极。直流电极与直流电源连接，铝基座与射频电源连接。当直流电极与直流电源电连接时，在直流电极与晶片之间将产生静电引力，从而将晶片固定在绝缘层的顶部。当直流电源在两个直流电极上施加大小相等的电压时，在晶片不同区域的静电引力相等。然而，在实际工艺中，射频电源使晶片上产生直流自偏压，这使得静电卡盘中一个直流电极与晶片之间的电势差增大，而另一个直流电极与晶片之间的电势差减小，从而导致作用在晶片上不同区域的静电引力不平衡(不相等)，这不仅会影响的加工重量，而且还容易引起用于热量交换的氦气泄漏。

为了减少晶片表面静电引力不平衡的现象，人们对静电卡盘的结构进行了改进。图1为一种静电卡盘的结构示意图。如图1所示，设置在绝缘层内的直流电极包括电极A和电极B，电极A和电极B均为环形结构，其相互嵌套设置且彼此不接触，即电极A与电极B之间存在的间隙C。在整体上，电极A和电极B形成环形结构的直流电极。

虽然改进的静电卡盘在一定程度上能够改善晶片不同区域的静电引力的不平衡性，然而，直流自偏压仍然会使两个直流电极与晶片之间的电势差存在差异，也就是说，改进的静电卡盘并未从根本上解决对晶片不同区域静电引力不平衡的问题。另外，电极A与电极B之间的间隙C的面积较大，导致静电卡盘存在较大的吸附盲区，这将影响晶片的加工质量。

发明内容

为解决上述现有技术的不足，本发明提供一种静电夹持装置，其能够使直流电极与被加工工件之间的电势差保持相等，从而使被加工工件受到均衡的静电引力作用。

此外，本发明还提供一种半导体处理设备，其上的静电夹持装置能够使直流电极与被加工工件之间的电势差保持相等，从而使被加工工件不同区域的静电引力均衡，进而提高半导体处理设备的加工质量。

解决上述技术问题的所采用的技术方案是提供一种静电夹持装置，包括基座和绝缘层，所述绝缘层置于基座上方且所述绝缘层内设置有直流电极，所述直流电极连接直流电源以产生可吸附被加工工件的静电引力，所述静电夹持装置还包括检测单元、控制单元以及执行单元，其中

所述检测单元用于检测所述静电夹持装置所承载的被加工工件的直流自偏压，并将所述直流自偏压传输至所述控制单元；

所述控制单元用于根据所述被加工工件的直流自偏压生成控制信号，并将所述控制信号传输至所述执行单元；

所述执行单元用于根据所述控制信号调整所述直流电源的输出电压，以对作用在所述被加工工件上的所述静电引力进行调整。

其中，所述绝缘层内设有至少两个直流电极，所述至少两个直流电极各自连接一所述直流电源，各所述直流电源分别与所述执行单元连接。

其中，所述绝缘层内设有直径相对且互不接触的形状为半圆形的两个直流电极，所述两个直流电极各自连接一所述直流电源，且所述两个直流电极设置在同一水平面。

其中，所述检测单元包括检测部件，所述检测部件贯穿所述基座和所述绝缘层，并且设置在不与所述直流电极相接触的位置。

其中，在所述基座和绝缘层上分别设有贯穿其厚度方向的基座安装孔和绝缘层安装孔，所述检测部件设置在所述基座安装孔和绝缘层安装孔内，而且，所述基座安装孔与所述检测部件之间设有用于隔离所述基座与所述检测部件的基座隔离部件。

其中，所述检测部件通过钎焊的方式固定在所述基座安装孔和绝缘层安装孔内。

其中，所述检测部件的上表面与所述绝缘层的上表面平齐。

其中，所述基座隔离部件为设置在所述检测部件表面的隔离层。

其中，所述基座隔离部件为套置在所述检测部件外侧的衬套，所述衬套采用绝缘材料制成，并且，所述衬套的轴向长度与所述基座的厚度一致。

其中，所述检测部件采用金属材料制成。

其中，所述检测部件包括绝缘材料制成的本体以及设置在所述本体表面的导电层。

其中，在所述绝缘层的顶部设有与所述绝缘层安装孔同轴的凹槽，并且所述凹槽的直径大于所述绝缘层安装孔的直径。

其中，所述检测部件上表面沉积有导电薄膜，所述导电薄膜通过所述凹槽内沉积的导电薄膜与所述导电层电连接。

本发明还提供一种半导体处理设备，包括反应腔室以及设置在所述反应腔室内的静电夹持装置，所述静电夹持装置采用本发明提供的静电夹持装置。本发明具有以下有益效果：

本发明提供的静电夹持装置可借助检测单元直接检测被加工工件上的直流自偏压，并根据该直流自偏压来调整各直流电源的输出电压，从而使各直流电极与被加工工件之间的电势差保持相等，进而使被加工工件不同区域获得均衡的静电引力。

类似的，本发明提供的半导体处理设备，由于采用了本发明提供的静电夹持装置，从而可使各直流电极与被加工工件之间的电势差保持相等，进而使被加工工件不同区域获得均衡的静电引力。这不仅可以提高半导体处理设备的加工质量，并提高产品良率，而且还可以减小氦气的泄露量，从而降低半导体处理设备的生产成本。

附图说明

图1为一种静电卡盘的结构示意图；

图2为本发明提供的静电夹持装置的工作原理图；

图3为本发明提供的一种静电夹持装置的剖面图；

图4为本发明提供的静电夹持装置吸附过程的等效电路图；

图5为本发明提供的另一种静电夹持装置的剖面示意图；以及

图6为图5中检测部件的结构示意图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明所提供的静电夹持装置以及半导体处理设备进行详细描述。

实施例一

图2为本发明提供的静电夹持装置的工作原理图。图3为本发明提供的一种静电夹持装置的剖面图。请一并参阅图2和图3，本发明提供的静电夹持装置包括绝缘层1、基座2、直流电极、检测单元、控制单元7、执行单元10以及直流电源。绝缘层1设置在基座2的上方，晶片4放置在绝缘层1的顶部。直流电极包括形状为半圆形的第一直流电极6a和第二直流电极6b，第一直流电极6a和第二直流电极6b设置在同一水平面，且第一直流电极6a和第二直流电极6b的直边相对且互不接触，即将第一直流电极6a和第二直流电极6b可拼接成与绝缘层形状相似的圆形。第一直流电极6a和第二直流电极6b设置在绝缘层1内，并分别与第一直流电源8a和第二直流电源8b连接。当第一直流电极6a和第二直流电极6b与第一直流电源8a和第二直流电源8b连接时，第一直流电极6a和第二直流电极6b可产生吸附晶片4的静电引力。

检测单元用于检测作用在晶片4上的直流自偏压，并将晶片4的直流自偏压传输至所述控制单元7。控制单元7用于根据晶片4的直流自偏压生成控制信号，并将控制信号传输至执行单元10。执行单元10根据来自控制单元7的控制信号调整第一直流电源8a和第二直流电源8b的输出电压，以对作用在晶片4上的静电引力进行调整。

本实施例中，所述检测单元包括检测部件3，检测部件3贯穿绝缘层1和基座2，并且设置在不与直流电极相接触的位置。检测部件3用于检测静电夹持装置所承载的晶片4上的直流自偏压，并将检测到的直流自偏压测量值传输至控制单元7。控制单元7根据来自检测部件3的测量值生成控制信号，并将其传输至执行单元10。执行单元10根据来自控制单元7的控制信号调整第一直流电源8a和第二直流电源8b的输出电压，以对第一直流电极6a和第二直流电极6b作用在晶片4上的静电引力进行调整，从而使晶片4上不同区域的静电引力相等。

检测部件3为金属材料制成的柱状结构，检测部件3贯穿绝缘层1和基座2。具体地，在绝缘层1和基座2上分别设有贯穿其厚度方向的安装孔，即绝缘层安装孔和基座安装孔，绝缘层安装孔和基座安装孔同轴设置。检测部件3通过钎焊方式固定在基座安装孔和绝缘层安装孔内。在加工本实施例静电夹持装置时，为实施钎焊工艺，首先对绝缘层安装孔的表面进行金属化处理，再实施钎焊工艺。

在将检测部件3固定在绝缘层安装孔和基座安装孔内后，对绝缘层1和检测部件3的上表面抛光，以使检测部件3的上表面与绝缘层1的上表面平齐，从而既使检测部件3的上表面与晶片4的下表面相接触，又使放置在绝缘层1顶部的晶片4满足实施工艺所需的平面度。在检测部件3内靠下位置设有与其同轴的连接孔11，借助连接孔11便于将检测部件3和控制单元7电连接。

本实施例中，由于检测部件3是采用能够导电的金属材料制成，而基座2也为导电材料制成，为避免检测部件3和基座2电连接，在检测部件3与基座2之间设置用于隔离基座2与检测部件3的基座隔离部件5。基座隔离部件5可以是采用绝缘材料制成的衬套，衬套的轴向长度与基座2的厚度一致。使用时，将衬套套置在检测部件3的外侧。基座隔离部件5也可以是采用绝缘材料在检测部件3外侧制作的隔离层。

本实施例中，检测部件3用于检测作用在晶片4上的直流自偏压，并通过该直流自偏压来调整第一电源8a和第二电源8b的输出电压，以使第一直流电极6a和第二直流电极6b与晶片4之间的电势差相等，从而使晶片4上不同区域的引力均衡。

图4为本发明提供的静电夹持装置在吸附过程的等效电路图。请参阅图4，不管晶片4上直流自偏压为多少，通过调整第一电源8a和第二电源8b的输出电压，均可以使第一直流电极6a和第二直流电极6b与晶片4之间的电势差都相等，从而使静电夹持装置对晶片4不同区域的静电引力达到均衡。

实施例二

图5为本发明提供的另一种静电夹持装置的剖面示意图；图6为图5中检测部件的结构示意图。本实施例静电夹持装置与实施例一静电夹持装置的区别主要在于检测部件不同，请一并参阅图5和图6，本实施例的检测部件3包括本体31以及设置在本体31表面的导电层32，检测部件3通过其表面的导电层32将其检测到的直流自偏压测量值传输至控制单元7。本体31为圆柱结构，采用陶瓷材料制成，优选采用与绝缘层1相同的陶瓷材料制成。导电层32采用金属材料制成。除检测部件3采用的材料以及对应的在其表面设置导电层外，检测部件3的其它结构与实施例一相同，在此不再赘述。

在制作静电夹持装置时，通过以下方式将检测部件3安装在绝缘层和基座上，即，首先通过钎焊方式将检测部件3固定在绝缘层安装孔和基座安装孔内；然后打磨、抛光绝缘层1和检测部件3的上表面，以使检测部件3的上表面与绝缘层1的上表面平齐；最后通过物理气相沉积或化学气相沉积或电镀工艺在检测部件3的上表面制作一层导电层。

在实际打磨、抛光过程中，与检测部件3的上表面相连的检测部件3的周边的导电层容易剥落，特别是位于检测部件3的上表面与侧面的拐角区域的导电层容易剥落，从而导致检测部件3的上表面与侧面无法形成电连接。为此，在绝缘层的顶部设置与绝缘层安装孔同轴的凹槽9，凹槽9的外径大于所述绝缘层安装孔的外径，而且凹槽9的轴向长度小于绝缘层安装孔的轴向长度。这样在检测部件3的上表面制作导电薄膜(即位于检测部件上表面的导电层)时，凹槽9内也可以制作一层导电薄膜，特别是在靠近检测部件3顶端的侧面区域也可以制作导电薄膜，检测部件3上表面的导电薄膜与检测部件3侧面的导电层通过凹槽9内沉积的导电薄膜与所述导电层电连接，从而确保检测部件3上表面与侧面电连接，进而确保检测部件3将测量值传输至控制单元7。

需要说明的是，通过物理气相沉积工艺或化学气相沉积或电镀工艺在检测部件3的上表面制作的导电层不会影响设置在绝缘层1上的其它结构特征的功能，如不会影响设置在绝缘层1上用于冷却晶片4的冷却气孔的功能。

还需要说明的是，虽然本实施例绝缘层内仅设置两个直流电极，然而，本发明并不局限于此，绝缘层内也可以设置三个以上互不接触的直流电极，同时，对应地设置三个以上的直流电源，每一直流电极对应地连接一直流电源，而且所有直流电源都与执行单元连接，由执行单元调整各直流电源的输出，从而使各直流电极作用在晶片上的静电引力均衡。为了更容易地使晶片获得均衡的静电引力，所述三个以上的直流电极均匀地分布在所述绝缘层内。

实施例一、实施例二提供的静电夹持装置可借助检测单元直接检测被加工工件上的直流自偏压，并根据该直流自偏压来调整各直流电源的输出电压，从而使各直流电极与被加工工件之间的电势差保持相等，进而使被加工工件不同区域获得均衡的静电引力。

本发明还提供了一种半导体处理设备，包括反应腔室以及设置在所述反应腔室内的静电夹持装置，所述静电夹持装置采用上述实施例提供的静电夹持装置，以使设置在所述静电夹持装置顶端的被加工工件受到均衡的静电引力。

本发明提供的半导体处理设备，由于采用了本发明提供的静电夹持装置，从而可以使各直流电极与被加工工件之间的电势差保持相等，进而使被加工工件不同区域获得均衡的静电引力。这不仅可以提高半导体处理设备的加工质量，并提高产品良率，而且还可以减小氦气的泄露量，从而降低生产成本。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种静电夹持装置，包括基座和绝缘层，所述绝缘层置于基座上方且所述绝缘层内设置有直流电极，所述直流电极连接直流电源以产生可吸附被加工工件的静电引力，其特征在于，所述静电夹持装置还包括检测单元、控制单元以及执行单元，其中

所述检测单元用于检测所述静电夹持装置所承载的被加工工件的直流自偏压，并将所述直流自偏压传输至所述控制单元；

所述控制单元用于根据所述被加工工件的直流自偏压生成控制信号，并将所述控制信号传输至所述执行单元；

所述执行单元用于根据所述控制信号调整所述直流电源的输出电压，以对作用在所述被加工工件上的所述静电引力进行调整。

2.根据权利要求1所述的静电夹持装置，其特征在于，所述绝缘层内设有至少两个直流电极，所述至少两个直流电极各自连接一所述直流电源，各所述直流电源分别与所述执行单元连接。

3.根据权利要求2所述的静电夹持装置，其特征在于，所述绝缘层内设有直径相对且互不接触的形状为半圆形的两个直流电极，所述两个直流电极各自连接一所述直流电源，且所述两个直流电极设置在同一水平面。

4.根据权利要求1所述的静电夹持装置，其特征在于，所述检测单元包括检测部件，所述检测部件贯穿所述基座和所述绝缘层，并且设置在不与所述直流电极相接触的位置。

5.根据权利要求4所述的静电夹持装置，其特征在于，在所述基座和绝缘层上分别设有贯穿各自厚度方向的基座安装孔和绝缘层安装孔，所述检测部件设置在所述基座安装孔和绝缘层安装孔内，而且，所述基座安装孔与所述检测部件之间设有用于隔离所述基座与所述检测部件的基座隔离部件。

6.根据权利要求5所述的静电夹持装置，其特征在于，所述检测部件通过钎焊的方式固定在所述基座安装孔和绝缘层安装孔内。

7.根据权利要求5所述的静电夹持装置，其特征在于，所述检测部件的上表面与所述绝缘层的上表面平齐。

8.根据权利要求5所述的静电夹持装置，其特征在于，所述基座隔离部件为设置在所述检测部件表面的隔离层。

9.根据权利要求5所述的静电夹持装置，其特征在于，所述基座隔离部件为套置在所述检测部件外侧的衬套，所述衬套采用绝缘材料制成，并且，所述衬套的轴向长度与所述基座的厚度一致。

10.根据权利要求1-9任意一项所述的静电夹持装置，其特征在于，所述检测部件采用金属材料制成。

11.根据权利要求1-9任意一项所述的静电夹持装置，其特征在于，所述检测部件包括绝缘材料制成的本体以及设置在所述本体表面的导电层。

12.根据权利要求11所述的静电夹持装置，其特征在于，在所述绝缘层的顶部设有与所述绝缘层安装孔同轴的凹槽，并且所述凹槽的直径大于所述绝缘层安装孔的直径。

13.根据权利要求11所述的静电夹持装置，其特征在于，所述检测部件的上表面沉积有导电薄膜，所述导电薄膜通过所述凹槽内沉积的导电薄膜与所述导电层电连接。

14.一种半导体处理设备，包括反应腔室以及设置在所述反应腔室内的静电夹持装置，其特征在于，所述静电夹持装置采用权利要求1-13中任意一项所述的静电夹持装置。

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