CN103794538A - 静电卡盘以及等离子体加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种静电卡盘，包括用于承载被加工工件的卡盘和基座，在所述卡盘和基座之间设置有隔热组件，所述隔热组件包括上环板、下环板和膨胀隔热环，其中，所述上环板和所述下环板为闭合的环形结构件，并且二者相对设置；所述膨胀隔热环为闭合的环形薄壁结构件，其设置在所述上环板和下环板之间，并且所述膨胀隔热环的两个端部分别与所述上环板和所述下环板密封固定。上述静电卡盘不仅具有良好的隔热效果，而且加热均匀，从而提高了等离子体加工设备的加热效率和加热均匀性。此外，上述静电卡盘便于加工和更换，从而降低了静电卡盘的使用成本。

Description

静电卡盘以及等离子体加工设备

技术领域

本发明涉及半导体设备制造领域，具体地，涉及一种静电卡盘以及等离子体加工设备。

背景技术

在制造集成电路（IC）和微机电***（MEMS）的工艺过程中，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）等的工艺过程中，常使用静电卡盘来固定、支撑及加热晶片等被加工工件，为晶片提供直流偏压并且控制晶片表面的温度。

图1为典型的静电卡盘的结构示意图。如图1所示，静电卡盘包括由上至下依次叠置的绝缘层1、加热器2和铝基座3。其中，绝缘层1采用AL₂O₃或ALN等陶瓷材料制成，并且在绝缘层1中设置有直流电极层（图中未示出），直流电极层与直流电源电连接后在直流电极层与晶片之间产生静电引力，从而将晶片等被加工工件固定在绝缘层1的顶部；加热器2用于对晶片等被加工工件进行加热；铝基座3与射频电源连接，用以在晶片等被加工工件上生成射频偏压。此外，在加热器2与铝基座3之间还设置有隔热层4，隔热层4采用硅橡胶等具有良好隔热性能的材料制成，以阻挡由加热器2产生的热量向铝基座3传导，从而可以减少加热器2的热量损失，进而提高静电卡盘的加热效率。而且，在隔热层4与加热器2之间以及隔热层4与铝基座3之间分别设置有密封剂，利用密封剂分别对隔热层4与加热器2之间的间隙和隔热层4与铝基座3之间的间隙进行密封，从而防止空气自该间隙进入晶片所在的真空环境。

上述静电卡盘是借助隔热层4来实现加热器2与铝基座3之间的隔热，这在实际应用中不可避免地存在以下问题：

其一，由于加热器2、隔热层4和铝基座3紧密地叠置在一起，隔热层4很难完全阻隔加热器2产生的热量向铝基座3传导，并且加热器2的加热温度越高，隔热层4的隔热效果越差，从而降低了静电卡盘的加热效率。

其二，由于静电卡盘采用密封剂来分别对隔热层4与加热器2之间的间隙和隔热层4与铝基座3之间的间隙进行密封，而密封剂的密封作用在高温环境下将会失效，导致空气自该间隙进入晶片所在的真空环境，从而影响工艺的正常进行。

其三，由于加热器2、隔热层4和铝基座3的热膨胀系数不同，三者在加热过程中产生的热膨胀的差异将会破坏密封剂的密封效果，导致空气自该间隙进入晶片所在的真空环境，从而影响工艺的正常进行。

为此，公开号为CN 102105253A的中国专利申请公开了一种高温静电卡盘，如图2所示，静电卡盘包括卡盘主体110和平台组件130。其中，卡盘主体110设置于平台组件130的上方，其包括设置在其内部的直流电极118和加热元件116，直流电极118用于以静电引力的方式将晶片固定在卡盘主体110的顶部；加热元件116用于加热晶片。而且，在卡盘主体110与平台组件130之间设置有膨胀接头140、环状绝缘环154和安装法兰148。其中，环状绝缘环154借助安装法兰148与平台组件130固定连接，用以支撑卡盘主体110；膨胀接头140为薄壁环状结构，并且膨胀接头140的外环侧壁紧靠环状绝缘环154的内环侧壁设置。而且，膨胀接头140的顶端144借助铜焊接头142与卡盘主体110焊接在一起，膨胀接头140的底端146借助铜焊接头143与安装法兰148焊接在一起，以对环状绝缘环154与卡盘主体110之间的间隙和环状绝缘环154与安装法兰148之间的间隙进行密封。此外，膨胀接头140采用膨胀系数介于卡盘主体110和平台组件130的膨胀系数的中间值的材料制作，以适应卡盘主体110和平台组件130的热膨胀的差异。

虽然上述静电卡盘采用膨胀接头140可以适应卡盘主体110和平台组件130之间的热膨胀的差异，但是，上述静电卡盘在实际应用中存在以下问题：

其一，由于加热元件116产生的一部分热量会向绝缘环154传导，导致加热元件16的热量损耗增加，从而降低了静电卡盘的加热效率。而且，由于绝缘环154仅与卡盘主体110底部的边缘区域接触，导致卡盘主体110的边缘区域的热量损耗速率大于中心区域的热量损耗速率，这使得卡盘主体110的温度不均匀，从而使晶片的温度不均匀，进而降低了加工的质量。

其二，由于膨胀接头140的两端是采用焊接的方式分别与卡盘主体110和平台组件130固定连接，膨胀接头140的安装过程复杂，并且难以对膨胀接头140进行拆卸和更换，这不仅提高了静电卡盘的加工难度，而且提高了静电卡盘的使用成本。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种静电卡盘以及等离子体加工设备，其不仅具有良好的隔热效果，而且加热均匀，从而提高了等离子体加工设备的加热效率和加热均匀性。此外，上述静电卡盘便于加工和更换，从而降低了静电卡盘的使用成本。

为实现本发明的目的而提供一种静电卡盘，包括用于承载被加工工件的卡盘和基座，所述卡盘包括卡盘本体、设置在所述卡盘本体内的静电电极和加热单元，所述静电电极与直流电源连接，用以采用静电引力的方式将被加工工件固定在所述卡盘上；所述加热单元用于加热所述被加工工件；所述基座设置在所述卡盘的下方，用以支撑和固定所述卡盘；在所述卡盘和基座之间设置有隔热组件，所述隔热组件包括上环板、下环板和膨胀隔热环，其中，所述上环板和所述下环板为闭合的环形结构件，并且二者相对设置；所述膨胀隔热环为闭合的环形薄壁结构件，其设置在所述上环板和下环板之间，并且所述膨胀隔热环的两个端部分别与所述上环板和所述下环板密封固定。

其中，在所述上环板和下环板之间还设置有支撑部件，其中：所述支撑部件为一体结构的环形结构件，所述支撑部件与所述膨胀隔热环嵌套设置，所述支撑部件的内径大于所述膨胀隔热环的外径，或者，所述支撑部件的外径小于所述膨胀隔热环的内径。

其中，在所述支撑部件内设置有多个贯穿其径向壁厚的径向通孔，多个所述径向通孔沿所述支撑部件的周向间隔设置，或者，将多个所述径向通孔分成沿所述支撑部件的轴向间隔设置的多组径向通孔组，且每组径向通孔组中的多个所述径向通孔沿所述支撑部件的周向间隔设置。

其中，在所述上环板和下环板之间设置有支撑部件，其中：所述支撑部件为分体结构，其包括多个子支撑部件，所述多个子支撑部件沿膨胀隔热环的周向排列设置；在所述子支撑部件内设置有多个贯穿其径向壁厚的径向通孔，多个所述径向通孔沿所述支撑部件的周向间隔设置，或者将多个所述径向通孔分成沿所述支撑部件的轴向间隔设置的多组径向通孔组，且每组径向通孔组中的多个所述径向通孔沿所述支撑部件的周向间隔设置。

其中，所述支撑部件采用不锈钢或Ni-Co-Fe合金制作。

其中，还包括：定位单元，所述定位单元用于对所述支撑部件进行定位；所述定位单元包括凹部和定位块，所述凹部设置在所述上环板的下表面且位于所述膨胀隔热环的外侧，所述支撑部件设置在所述凹部处，并且所述支撑部件的内周缘紧靠所述凹部的内侧，所述定位块设置在所述支撑部件的外周缘；或者，所述凹部设置在所述上环板的下表面且位于所述膨胀隔热环的内侧，所述支撑部件设置在所述凹部处，并且所述支撑部件的外周缘紧靠所述凹部的外侧，所述定位块设置在所述支撑部件的内周缘；或者，所述凹部设置在所述下环板的上表面且位于所述膨胀隔热环的外侧，所述支撑部件设置在所述凹部处，并且所述支撑部件的内周缘紧靠所述凹部的内侧，所述定位块设置在所述支撑部件的外周缘；所述凹部设置在所述下环板的上表面且位于所述膨胀隔热环的内侧，所述支撑部件设置在所述凹部处，并且所述支撑部件的外周缘紧靠所述凹部的外侧，所述定位块设置在所述支撑部件的内周缘。

其中，在所述基座与所述卡盘之间设置有冷却部件，用以阻隔热量朝向所述基座辐射，所述冷却部件压接在所述隔热组件与所述基座的接触面之间；并且

所述上环板的顶端设置有第一凸台，其作为所述隔热组件与所述卡盘本体密封连接的连接面；所述下环板的底端设置有第二凸台，其作为所述隔热组件与冷却部件之间密封连接的连接面。

其中，所述隔热组件中与所述第一凸台和/或第二凸台对应的位置上设置有内嵌水道，在所述冷却部件中与内嵌水道对应的位置上设置有进水通道和回水通道，且所述内嵌水道和所述进水通道之间通过密封圈进行密封，所述内嵌水道和所述回水通道之间均通过密封圈进行密封。

其中，所述第一凸台与所述卡盘本体之间设置有第一密封件；所述第二凸台与所述冷却部件之间设置有第二密封件。

其中，所述隔热组件中包括的膨胀隔热环、上环板、下环板、第一凸台、和第二凸台通过一体加工的方式制成。

其中，所述膨胀隔热环的数量为N，且N≥2，其中N为整数，N个所述膨胀隔热环同轴且间隔嵌套设置，并且，在其中的N-1个膨胀隔热环上分别设置有至少一个径向贯穿其壁厚的径向通孔，以使相邻的两个膨胀隔热环之间形成非封闭的空间。

其中，所述膨胀隔热环和所述上环板通过焊接方式密封固定，所述膨胀隔热环与所述下环板通过焊接方式密封固定。

其中，所述膨胀隔热环的壁厚范围在1~2mm。

其中，所述膨胀隔热环的壁厚范围在5～10mm。

其中，所述膨胀隔热环的高度范围在15~30mm。

其中，所述上环板、下环板和膨胀隔热环均采用不锈钢或Ni-Co-Fe合金制作。

其中，在所述卡盘本体的下表面与所述上环板的上表面之间设置有金属密封圈，用以将所述卡盘本体的下表面与所述上环板的上表面之间的间隙密封。

其中，在所述基座与所述卡盘之间设置有冷却部件，用以阻隔热量朝向所述基座辐射，所述冷却部件压接在所述隔热组件与所述基座的接触面之间；并且，在所述下环板的下表面和所述冷却部件的上表面之间设置有密封件，用以将所述下环板的下表面和所述冷却部件的上表面之间的间隙密封；在所述卡盘本体的下表面和所述冷却部件的上表面之间具有间距，从而在所述隔热组件、所述卡盘本体和所述冷却部件之间形成一封闭空间。

其中，所述卡盘本体的下表面与所述冷却部件的上表面之间的间距范围在5~20mm。

其中，在所述冷却部件内设有隔热通道，用以阻隔热量朝向所述基座辐射。

其中，在所述冷却部件上设置有出气孔，所述出气孔与所述封闭空间连通，导热气体通过所述出气孔进入所述封闭空间内；并且，在所述卡盘本体内设置有导热气体通道，所述导热气体通道的两端分别与所述封闭空间和所述卡盘本体的上表面连通。

其中，所述导热气体通道包括环形通道，在所述环形通道上设置有进气孔，用以使所述环形通道与所述封闭空间连通；所述环形通道为一个闭合环形通道，并且所述环形通道的顶端沿所述卡盘本体的轴向延伸至所述卡盘本体的上表面。

其中，在所述冷却部件上设置有一个贯穿其轴向厚度的通孔，用于电连接所述直流电源和所述静电电极的导线穿过所述通孔与所述直流电源电连接。

其中，在所述冷却部件与所述基座之间设置有绝缘部件，用以使所述冷却部件与所述基座电绝缘。

其中，所述静电卡盘还包括聚焦环和基环，所述卡盘本体的外周缘的上部设有台阶，所述聚焦环设置在台阶上并且围绕在卡盘本体的外侧；所述基环设置为围绕在卡盘本体的台阶以下部分、阻热膨胀部件、以及冷却部件的外侧。

作为另一个技术方案，本发明还提供一种等离子体加工设备，其包括反应腔室，在所述反应腔室内设置有静电卡盘，用以采用静电引力的方式固定被加工工件，所述静电卡盘采用了本发明提供的上述静电卡盘。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的静电卡盘，其在卡盘和基座之间设置有隔热组件，该隔热组件包括上环板、下环板和膨胀隔热环。其中，连接上环板和下环板的膨胀隔热环为薄壁结构件，可以减小隔热组件的热传递，从而阻隔卡盘产生的热量向基座传递，进而可以减少热量的损失，这不仅能够提高静电卡盘的加热效率，而且能够提高静电卡盘的加热均匀性。另外，由于环形薄壁结构的膨胀隔热环在受热时易于变形，能够随着卡盘和基座的热位移而移动，以确保隔热组件的密封性能，从而使静电卡盘保持密封。此外，隔热组件与卡盘和基座可以拆分，有利于隔热组件的安装和更换，从而可以降低等离子体加工设备的使用成本。

作为本发明的另一个技术方案，本发明还提供一种等离子体加工设备，其通过采用本发明提供的上述静电卡盘，不仅能够提高等离子体加工设备的加热效率和加热均匀性，而且还能够降低等离子体加工设备的使用成本。

附图说明

图1为典型的静电卡盘的结构示意图；

图2为现有的高温静电卡盘的结构示意图；

图3a为本发明提供的静电卡盘的剖面图；

图3b为图3a中区域I的局部放大图；

图4为本发明提供的静电卡盘中隔热组件的支撑部件的俯视图；

图5a为本发明提供的静电卡盘中导热气体通道的剖面图；以及

图5b为本发明提供的静电卡盘中导热气体通道的俯视图；

图6为本发明实施例提供的一种静电卡盘的结构示意图；

图7为图6中区域Ⅱ的局部放大图；

图8为包括内嵌水道的图6中区域Ⅱ的局部放大图。

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，下面结合附图来对本发明提供的静电卡盘以及等离子体加工设备进行详细描述。

图3a为本发明提供的静电卡盘的剖面图。图3b为图3a中区域Ｉ的局部放大图。请一并参阅图3a和图3b，静电卡盘包括用于承载被加工工件13的卡盘、基座5和隔热组件8。其中，卡盘包括卡盘本体14、设置在卡盘本体14内的静电电极11和加热单元12。静电电极11与直流电源（图中未示出）连接，直流电源向静电电极11提供能量，以将被加工工件13以静电吸附方式固定在卡盘上；加热单元12用于加热被加工工件13；基座5设置在卡盘的下方，用以支撑和固定该卡盘。

其中，卡盘本体14采用陶瓷材料制造，如氮化铝等。通常情况下，静电电极11的材料选用Mo或W，加热单元12选用Mo材料。加热单元12对卡盘本体14进行加热操作，由于氮化铝陶瓷导热性能优异，被加工工件13通过静电引力与卡盘本体14上表面接触，温度可以达到200-450℃。卡盘本体14通过真空螺钉（图中未示出）与隔热组件8的上部组件固定连接。

隔热组件8设置在卡盘和基座5之间，其包括上环板25、下环板27和膨胀隔热环22，并且三者均可以采用不锈钢或Ni-Co-Fe合金制作，以降低静电卡盘的制造成本。其中，上环板25和下环板27为闭合的环形结构件，并且二者相对设置。上环板25和下环板27的外径尺寸与卡盘本体14的外径尺寸基本一致。上环板25与卡盘本体14通过真空螺钉固定连接，以将隔热组件8固定在卡盘和基座5之间。在上环板25的上表面与卡盘本体14的下表面之间还设置有密封件15，用以对上环板25的上表面与卡盘本体14的下表面之间的间隙进行密封。优选地，密封件15采用金属密封圈，以防止密封件15因卡盘的温度过高而造成密封失效。密封件15可以采用两种方式实现，即：CF法兰形式或金属C（U型）型圈。由于隔热组件8可与卡盘和基座5拆分，便于对隔热组件8进行安装和更换。当隔热组件8损坏时，只需更换隔热组件8，而无需更换整个静电卡盘，从而可以降低等离子体加工设备的使用成本。

膨胀隔热环22为闭合的环形薄壁结构件，其设置在上环板25和下环板27之间，并且膨胀隔热环22的两端通过焊接方式分别和上环板25和下环板27密封固定，用以使膨胀隔热环22的内侧空间和外侧空间相对密封，即，确保膨胀隔热环22的外部空间能够处于真空状态。膨胀隔热环22的壁厚范围在1~2mm；膨胀隔热环22的高度范围在15~30mm。由于膨胀隔热环22为薄壁结构，可以减少热量自上环板25向下环板27的传递，即提高了隔热组件8的隔热性能，减少了热量自隔热组件8向基座5传递，从而可以减少热量的损失，进而不仅可以提高静电卡盘的加热效率，而且可以提高静电卡盘的加热均匀性。而且，由于环形薄壁结构的膨胀隔热环22在受热时容易变形，使得隔热组件8能够在卡盘和基座5发生热位移时确保静电卡盘的密封。

在本发明实施例中，在上环板25和下环板27之间还设置有支撑部件23，用以提高隔热组件8的强度。支撑部件23可以采用不锈钢或Ni-Co-Fe合金制作，优选地，其采用强度更高的Ni-Co-Fe合金制作。支撑部件23为环形结构件，其与膨胀隔热环22嵌套设置，优选与膨胀隔热环22同轴嵌套设置，并且支撑部件23的内径大于膨胀隔热环22的外径。

如图4所示，为本发明实施例提供的静电卡盘中隔热组件的支撑部件的俯视图。在支撑部件23上设置有多个贯穿其径向壁厚的径向通孔231，多个径向通孔231沿支撑部件23的周向间隔设置，或者将多个径向通孔231分成沿支撑部件23的轴向间隔设置的多组径向通孔组，且每组径向通孔组中的多个径向通孔231沿支撑部件23的周向间隔设置。换言之，可以沿支撑部件23的轴向间隔设置至少一层径向通孔231，并且每层中的多个径向通孔231沿支撑部件23的周向间隔设置。通过在支撑部件23上设置径向通孔231，不仅可以在支撑部件23与膨胀隔热环22之间形成非封闭的环形空间，从而使得支撑部件23在隔热组件8在受热变形中不易损坏，而且还可以减少上环板25和下环板27之间的热传导，从而进一步阻隔热量由卡盘向基座5传递，进而减少热量的损失。

在本发明实施例中，支撑部件23的内径大于膨胀隔热环22的外径。然而，在实际应用中，支撑部件23的外径还可以小于膨胀隔热环22的内径。另外，支撑部件23还可以采用分体结构，分体结构的支撑部件23包括多个子支撑部件，多个子支撑部件沿支撑部件23的周向排列设置，并且，在每个子支撑部件内设置有径向通孔，该径向通孔的结构和作用与上述径向通孔231相类似，在此不再重复描述。支撑部件23通过采用分体结构，可以减少支撑部件23与上环板25和下环板27之间的接触面积，从而进一步减少上环板25和下环板27之间的热传导。在实际应用中，子支撑部件的形状可以为环形段、圆柱体或者四方体等任意结构，只要子支撑部件能够稳固地在上环板25和下环板27之间进行支撑即可。

在本发明实施例中，静电卡盘还包括定位单元，用以对支撑部件23进行定位。如图3b所示，定位单元包括凹部和定位块26。其中，凹部设置在上环板25的下表面且位于膨胀隔热环22的外侧，支撑部件23设置在凹部处，并且支撑部件23的内周缘紧靠凹部的内侧。换句话说，凹部在上环板25的下表面上形成一台阶，支撑部件23的内周缘紧靠在该台阶的侧壁上。定位块26设置在支撑部件23的外周缘，用以与凹部一起对支撑部件23进行定位。此外，由于没有采用任何固定方式约束支撑部件23的下端在卡盘的径向方向上的自由度，即，支撑部件23的下端为可相对于下环板27位移的自由端。支撑部件23通过相对于下环板27位移，能够消除卡盘和基座5因在加热时产生的热膨胀差异而对其施加的剪切应力，从而防止支撑部件23因该剪切应力而损坏。在实际应用中，上述凹部还可以设置在上环板25的下表面且位于膨胀隔热环22的内侧，支撑部件23设置在凹部处，并且支撑部件23的外周缘紧靠凹部的外侧，定位块26设置在支撑部件23的内周缘。

此外，上述凹部也可以设置在下环板27的上表面且位于膨胀隔热环22的外侧，支撑部件23设置在凹部处，并且支撑部件23的内周缘紧靠凹部的内侧，定位块26设置在支撑部件23的外周缘；或者，上述凹部还可以设置在下环板27的上表面且位于膨胀隔热环22的内侧，支撑部件23设置在凹部处，并且支撑部件23的外周缘紧靠凹部的外侧，定位块26设置在支撑部件23的内周缘。容易理解，当上述凹部和定位块26设置在下环板27的上表面时，没有采用任何固定方式约束支撑部件23的上端在卡盘的径向方向上的自由度，即，支撑部件23的上端为可相对于上环板25沿卡盘的径向方向位移的自由端。

在本发明实施例中，在基座5与卡盘之间设置有冷却部件7，其压接在隔热组件8与基座5的接触面之间，用以阻隔卡盘产生的热量朝向基座5辐射，从而避免基座5的温度过高。并且，在下环板27的下表面和冷却部件7的上表面之间设置有密封件16，用以将下环板27的下表面和冷却部件7的上表面之间的间隙密封。而且，在卡盘本体14的下表面和冷却部件7的上表面之间具有间距，从而在隔热组件8、卡盘本体14和冷却部件7之间形成一封闭空间28。并且，卡盘本体14的下表面与冷却部件7的上表面之间的间距范围在5~20mm。冷却部件7可以阻隔热量向基座5传递，从而进一步提高静电卡盘的加热效率。在实际应用中，还可以分别对卡盘本体14的下表面与冷却部件7的上表面涂覆可提高隔热性能的涂层，以进一步阻隔卡盘与冷却部件7之间的热量传递。

此外，在冷却部件7内还设有隔热通道20，用以减少冷却部件7自身体积，以进一步阻隔热量朝向基座5辐射。在本实施例中，隔热通道20可以为多个同轴且间隔嵌套设置的环形隔热通道。优选地，相邻两个环形隔热通道之间的间距相等，以保证卡盘各个区域的热量损耗趋于均匀。

在本发明实施例中，在冷却部件7上设置有出气孔31，其与封闭空间28连通，导热气体通过出气孔31进入封闭空间28。所谓导热气体是指用于向被加工工件13传递热量的气体，其可以为氦气或氩气。在卡盘本体14内还设置有导热气体通道，其两端分别与封闭空间28和卡盘本体14的上表面连通，用以供封闭空间28内的导热气体通向卡盘本体14的上表面与被加工工件13的下表面之间。在加热时，导热气体在导热气体通道内流动时将吸收卡盘产生的热量传递至被加工工件13，从而提高静电卡盘的加热效率。

具体地，图5a为本发明实施例提供的静电卡盘中导热气体通道的剖面图。图5b为本发明提供的静电卡盘中导热气体通道的俯视图。请一并参阅图5a和图5b，在本发明实施例中，导热气体通道包括环形通道30，其包括两个同轴嵌套设置的闭合环形通道，并且环形通道30的顶端沿卡盘本体14的轴向延伸至卡盘本体14的上表面。在环形通道30上设置有进气孔29，用以使环形通道30与封闭空间28连通。此外，优选在两个闭合环形通道之间设置有连通二者的多个径向通道301，多个径向通道301沿环形通道30的周向间隔设置，且其顶端沿卡盘本体14的轴向延伸至卡盘本体14的上表面。借助径向通道301，可以使导热气体更均匀地通向卡盘本体14的上表面与被加工工件13的下表面之间，从而更均匀地将热量传递至被加工工件13。

在发明本实施例中，如图3a所示，在冷却部件7上还可以设置有一个贯穿其轴向厚度的通孔19，用于电连接直流电源和静电电极11的导线穿过该通孔19与直流电源电连接。

此外，在冷却部件7与基座5之间还可以设置绝缘部件6，用以使冷却部件7与基座5电绝缘。并且，绝缘部件6与冷却部件7之间设置有密封件17，用以对绝缘部件6与冷却部件7之间的间隙进行密封；以及，绝缘部件6与基座5之间设置有密封件18，用以对绝缘部件6与基座5之间的间隙进行密封。

需要说明的是，虽然在本发明实施例中膨胀隔热环22的数量为一个，但是本发明并不局限于此，在实际应用中，膨胀隔热环22的数量可以为N个，N为大于或等于2的整数。N个膨胀隔热环22同轴且间隔嵌套设置，并且，在其中的N-1个膨胀隔热环上均设置有至少一个径向贯穿其壁厚的径向通孔，以使相邻的两个膨胀隔热环之间形成非封闭的空间。换言之，在N个膨胀隔热环22中任意选择一个作为密封环（密封环的作用是用于保证位于膨胀隔热环22的外周壁外部的空间处于真空状态），并在其余的N-1个膨胀隔热环22上设置至少一个上述径向通孔。此外，当膨胀隔热环22的数量为两个以上时，可以省去支撑部件23，即，仅借助两个以上的膨胀隔热环22来支撑上环板25。在这种情况下，膨胀隔热环22的数量可以根据具体情况自由设定，只要保证可以稳固地在上环板25和下环板27之间进行支撑即可。

还需要说明的是，虽然在本发明实施例中，膨胀隔热环22是通过焊接的方式分别与上环板25和下环板27密封固定，但是，本发明并不局限于此，在实际应用中，膨胀隔热环22还可以采用其他方式与上环板25和下环板27密封固定，只要其能够保证位于膨胀隔热环22的外周壁外部的空间处于真空状态即可。

进一步需要说明的是，在本发明实施例中，导热气体通道包括两个同轴嵌套设置的闭合环形通道，但是本发明并不局限于此，在实际应用中，导热气体通道还可以包括一个闭合环形通道，或者三个以上的同轴嵌套设置的闭合环形通道，环形通道的数量可以根据具体情况自由设定。并且，相邻的两个环形通道之间可以设置有连通二者的多个径向通道301。

综上所述，本发明实施例提供的静电卡盘，其在卡盘和基座之间设置有隔热组件，该隔热组件包括上环板、下环板和膨胀隔热环。其中，连接上环板和下环板的膨胀隔热环为薄壁结构，可以阻隔卡盘产生的热量向基座传递，从而可以减少热量的损失，这不仅能够提高静电卡盘的加热效率，而且能够提高静电卡盘的加热均匀性。而且，由于环形薄壁结构的膨胀隔热环在受热时易于变形，能够随着卡盘和基座的热位移而移动，从而可以确保静电卡盘的密封。此外，隔热组件独立于卡盘和基座，有利于隔热组件的安装和更换，从而可以降低等离子体加工设备的使用成本。

基于与上述实施例相同或相似的构思，本发明实施例提供了另一种静电卡盘，该静电卡盘与上述实施例中静电卡盘的区别在于采用了不同的隔热组件，本实施例的静电卡盘中，对于除隔热组件之外的其他部件与上述实施例体提供的对应的部件相同或者类似。另外，可以理解由于隔热组件的结构不同，本实施例中隔热组件与静电卡盘中其他部件的连接方式将产生相应的变化，这些相应的变化将在下文一并做出说明。

如图6所示，为本发明实施例提供的另一种静电卡盘的剖面图，图7为图6中区域Ⅱ的局部放大图。请一并参阅图6和图7，静电卡盘包括用于承载被加工工件13的卡盘、基座5和隔热组件40。

隔热组件40设置在卡盘本体14和基座5之间，隔热组件40能够阻止卡盘本体14的热量向下传播。隔热组件40包括膨胀隔热环41、上环板42和下环板43。其中，膨胀隔热环41为环形的薄壁结构件，其能够根据受热程度发生变形，从而保证热膨胀部件8与卡盘本体14之间的密封连接。

上环板42和下环板43为环形结构件，并且二者相对设置。上环板42设置在膨胀隔热环41的上方，下环板43设置在膨胀隔热环41的下方。上环板42和下环板43在水平方向上的厚度均大于薄壁结构，以便于设置隔热组件40与卡盘本体14之间、以及隔热组件40与基座5之间的密封连接。上环板42、下环板43和膨胀隔热环41均可以采用不锈钢或Ni-Co-Fe合金制作，以降低静电卡盘的制造成本。

膨胀隔热环41的上下两端可以通过焊接方式分别和上环板42和下环板43密封固定。其中，膨胀隔热环41可以焊接在上环板42和下环板43的环形结构的靠近侧边的位置，也可以焊接在上环板42和下环板43的环形结构的中部。本发明实施例中，膨胀隔热环41的壁厚范围在4～10mm；隔热组件40的高度范围在15～30mm。在隔热组件40设置有上环板42和下环板43的情况下，设置上环板42和下环板43的高度远小于膨胀隔热环41的高度，例如，设置上环板42和下环板43的高度范围分别为2～5mm，膨胀隔热环41的高度范围为10～28mm，以保证隔热组件40的隔热性能。

对于本实施例提供的隔热组件40，其一，膨胀隔热环41能够根据受热程度发生变形，从而能够部分或全部地抵消卡盘本体14和基座5之间由于温度差异而产生的热变形，因此，能够保证隔热组件40与其上方的卡盘本体14之间，以及与其下方的基座5之间的密封连接；其二，膨胀隔热环41可以减少热量自上向下的热量传递，因此提高了隔热组件40的隔热性能，同时，由于减少了通过隔热组件40向下传递的热量，因此，改善了静电卡盘的加热均匀性，并能够提高静电卡盘的加热效率；其三，本发明实施例提供的隔热组件40可以单独更换，从而降低了静电卡盘的使用成本。

同样，可以在隔热组件40的下方设置冷却部件7，将基座5设置在冷却部件7的下方，冷却部件7用于阻隔卡盘本体14发散的热量向下传播。隔热组件40的下环板43与冷却部件7之间可以通过真空螺钉（图中未示出）固定连接，以将隔热组件40固定在卡盘本体14和冷却部件7之间。

为了进一步减少卡盘本体14向隔热组件40传递的热量，优选地，在上环板42顶端设置有第一凸台45，其作为隔热组件40与卡盘本体14密封连接的连接面，以减小卡盘本体14和隔热组件40的接触面积，从而减少卡盘本体14向隔热组件40传递的热量；同样地，在下环板43的底部设置有第二凸台46，其作为隔热组件40与冷却部件7密封连接的连接面，以减小卡盘本体14和冷却部件7的接触面积，从而减少隔热组件40向冷却部件7传递的热量。通过第一凸台45和第二凸台46的设置，减少卡盘本体14向隔热组件40传递的热量，同时也能够减少隔热组件40的热变形，避免由于热变形产生的热应力。第一凸台45和第二凸台46的数目可以是一个或者多个，例如，如图7所示，下环板43的底部设置有两个第二凸台46。其中，膨胀隔热环41、上环板42、下环板43、第一凸台45、和第二凸台46可以通过一体加工的方式制成。

为了保证隔热组件40与所述卡盘本体14之间，以及与冷却部件7之间的密封连接，在第一凸台45的上表面与卡盘本体14的下表面之间还设置有第一密封件48，用以对第一凸台45的上表面与卡盘本体14的下表面之间的间隙进行密封；在第二凸台46的下表面与冷却部件7的上表面之间设置有第二密封件49，用以对第二凸台46的下表面与冷却部件7的上表面之间的间隙进行密封。优选地，第一密封件48和第二密封件49采用金属密封圈，以防止第一密封件48和第二密封件49因卡盘的温度过高而造成密封失效。第一密封件48和第二密封件49可以采用两种方式实现——CF法兰形式或金属C（U型）型圈。当第一凸台45的数目为多个时，可以在其中的一个的上表面设置第一密封件48，也可以针对多个第一凸台45的上表面分别设置第一密封件48，以增强密封效果，基于相同或相似的原理，可以对多个第二凸台46对应的密封进行设置。可以理解，当隔热组件40不包括第一凸台45和第二凸台46时，可以将第一密封件48设置在上环板42的上表面，将第二密封件49设置在下环板43的下表面。

另外，为了进一步减小隔热组件40的热量传导，在隔热组件40中，可以在与第一凸台和/或第二凸台对应的位置上设置内嵌水道50。请参阅图8，其为包括内嵌水道50的图6中区域Ⅱ的局部放大图。其中，在冷却部件7中与内嵌水道50对应的位置上设置有进水通道52，在冷却部件7中与内嵌水道50对应的另一个位置上还设置有回水通道（图中未示出）。内嵌水道50、进水通道52和回水通道中设置有冷却液，且内嵌水道50和进水通道52之间通过冷却液密封圈54实现冷却液的密封，且内嵌水道50和回水通道之间同样通过冷却液密封圈（图中未示出）实现冷却液的密封。另外可以采用冷却机（Chiller）对温度进行控制，通过冷却机的精确温度控制，可以实现对隔热组件40的冷却，使得从卡盘本体14传递到隔热组件40的热量快速地被冷却液带走，也同时减少了隔热组件40由于受热产生的热膨胀对静电卡盘的影响，从而提高了静电卡盘的温度使用范围。

基于与上述实施例相同或相似的原理，在卡盘本体14的下表面和冷却部件7的上表面之间具有间距，从而在隔热组件40、卡盘本体14和冷却部件7之间形成一封闭空间28。通过将卡盘本体14的下表面与冷却部件7的上表面之间的间距设置为合适的距离，可以有效避免卡盘本体14的热辐射传导，例如，可以将该间距范围设置为5~20mm，冷却部件7可以阻隔热量向基座5传递，从而进一步提高静电卡盘的加热效率。

另外，在冷却部件7中设置出气孔31，其与封闭空间28连通，导热气体通过出气孔31进入封闭空间28，并从封闭空间28进入导热气体通道，并通过导热气体通道流向卡盘本体14的上表面与被加工工件13的下表面之间，从而将卡盘本体14产生的热量传递至被加工工件13，从而提高静电卡盘的加热效率，同时导热气体的引入也能够进一步提高静电卡盘的温度均匀性。

另外，本发明实施例中的静电卡盘还包括聚焦环10和基环9，如图6所示，在卡盘本体14的外周缘的上部设有台阶，台阶上设置有聚焦环10，聚焦环10围绕在卡盘本体14的外侧，避免卡盘本体14受到工艺气体的腐蚀，对卡盘本体14起到保护作用，聚焦环10由防腐蚀材料制成。另外，在聚焦环10和绝缘部件6设置有基环9，基环9围绕在卡盘本体14上台阶以下部分、隔热组件40、以及冷却部件7的外侧，基环9由防腐蚀材料制成，以避免卡盘本体14、隔热组件40、以及冷却部件7受到工艺气体的腐蚀，起到保护作用。

需要说明的是，在本发明实施例中，隔热组件中的膨胀隔热环、支撑部件、定位单元、第一凸台、第二凸台等构件可以根据需要进行组合、而不限于本发明实施例中列举的方式。

综上所述，本发明实施例提供的静电卡盘，其在卡盘本体和基座之间设置有隔热组件，其一，该隔热组件包括的环形薄壁结构的膨胀隔热环可以阻隔卡盘本体产生的热量向基座传递，从而可以减少热量的损失，这不仅能够提高静电卡盘的加热效率，而且能够提高静电卡盘的加热均匀性；其二，由于环形薄壁结构的膨胀隔热环在受热时易于变形，能够随着卡盘和基座的热位移而移动，从而可以确保静电卡盘的密封；其三，隔热组件独立于卡盘和基座，有利于隔热组件的安装和更换，从而可以降低包括该静电卡盘的等离子体加工设备的使用成本。

作为本发明的另一个技术方案，本发明还提供一种等离子体加工设备，其包括反应腔室，在反应腔室内设置有静电卡盘，用以采用静电引力的方式固定被加工工件，该静电卡盘采用了本发明实施例提供的静电卡盘。

本发明实施例提供的等离子体加工设备，其通过采用上述静电卡盘，不仅能够提高等离子体加工设备的加热效率和加热均匀性，而且还能够降低等离子体加工设备的使用成本。

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 (26)

1.一种静电卡盘，包括用于承载被加工工件的卡盘和基座，所述卡盘包括卡盘本体、设置在所述卡盘本体内的静电电极和加热单元，所述静电电极与直流电源连接，用以采用静电引力的方式将被加工工件固定在所述卡盘上；所述加热单元用于加热所述被加工工件；所述基座设置在所述卡盘的下方，用以支撑和固定所述卡盘；其特征在于，在所述卡盘和基座之间设置有隔热组件，所述隔热组件包括上环板、下环板和膨胀隔热环，其中，

所述上环板和所述下环板为闭合的环形结构件，并且二者相对设置；

所述膨胀隔热环为闭合的环形薄壁结构件，其设置在所述上环板和下环板之间，使得所述膨胀隔热环能够根据受热程度发生变形，从而部分或全部地抵消卡盘和基座之间由于温度差异而产生的热变形。

2.根据权利要求1所述的静电卡盘，其特征在于，在所述上环板和下环板之间还设置有支撑部件，其中：

所述支撑部件为一体结构的环形结构件，所述支撑部件与所述膨胀隔热环嵌套设置，所述支撑部件的内径大于所述膨胀隔热环的外径，或者，所述支撑部件的外径小于所述膨胀隔热环的内径。

3.根据权利要求2所述的静电卡盘，其特征在于，在所述支撑部件内设置有多个贯穿其径向壁厚的径向通孔，多个所述径向通孔沿所述支撑部件的周向间隔设置，或者，

将多个所述径向通孔分成沿所述支撑部件的轴向间隔设置的多组径向通孔组，且每组径向通孔组中的多个所述径向通孔沿所述支撑部件的周向间隔设置。

4.根据权利要求1所述的静电卡盘，其特征在于，在所述上环板和下环板之间设置有支撑部件，其中：

所述支撑部件为分体结构，其包括多个子支撑部件，所述多个子支撑部件沿膨胀隔热环的周向排列设置；

在所述子支撑部件内设置有多个贯穿其径向壁厚的径向通孔，多个所述径向通孔沿所述支撑部件的周向间隔设置，或者将多个所述径向通孔分成沿所述支撑部件的轴向间隔设置的多组径向通孔组，且每组径向通孔组中的多个所述径向通孔沿所述支撑部件的周向间隔设置。

5.根据权利要求2-4任意一项权利要求所述的膨胀隔热组件，其特征在于，所述支撑部件采用不锈钢或Ni-Co-Fe合金制作。

6.根据权利要求2-4任意一项权利要求所述的静电卡盘，其特征在于，还包括：定位单元，所述定位单元用于对所述支撑部件进行定位；

所述定位单元包括凹部和定位块，所述凹部设置在所述上环板的下表面且位于所述膨胀隔热环的外侧，所述支撑部件设置在所述凹部处，并且所述支撑部件的内周缘紧靠所述凹部的内侧，所述定位块设置在所述支撑部件的外周缘；或者，

所述凹部设置在所述上环板的下表面且位于所述膨胀隔热环的内侧，所述支撑部件设置在所述凹部处，并且所述支撑部件的外周缘紧靠所述凹部的外侧，所述定位块设置在所述支撑部件的内周缘；或者，

所述凹部设置在所述下环板的上表面且位于所述膨胀隔热环的外侧，所述支撑部件设置在所述凹部处，并且所述支撑部件的内周缘紧靠所述凹部的内侧，所述定位块设置在所述支撑部件的外周缘；所述凹部设置在所述下环板的上表面且位于所述膨胀隔热环的内侧，所述支撑部件设置在所述凹部处，并且所述支撑部件的外周缘紧靠所述凹部的外侧，所述定位块设置在所述支撑部件的内周缘。

7.根据权利要求1所述的静电卡盘，其特征在于，在所述基座与所述卡盘之间设置有冷却部件，用以阻隔热量朝向所述基座辐射，所述冷却部件压接在所述隔热组件与所述基座的接触面之间，并且所述上环板的顶端设置有第一凸台，其作为所述隔热组件与所述卡盘密封连接的连接面；所述下环板的底端设置有第二凸台，其作为所述隔热组件与冷却部件之间密封连接的连接面。

8.根据权利要求7所述的静电卡盘，其特征在于，所述隔热组件中与所述第一凸台和/或第二凸台对应的位置上设置有内嵌水道，在所述冷却部件中与内嵌水道对应的位置上设置有进水通道和回水通道，且所述内嵌水道和所述进水通道之间通过密封圈进行密封，所述内嵌水道和所述回水通道之间均通过密封圈进行密封。

9.根据权利要求7所述的静电卡盘，其特征在于，所述第一凸台与所述卡盘本体之间设置有第一密封件；所述第二凸台与所述冷却部件之间设置有第二密封件。

10.根据权利要求1所述的静电卡盘，其特征在于，所述隔热组件中包括的膨胀隔热环、上环板和下环板通过一体加工的方式制成。

11.根据权利要求1所述的静电卡盘，其特征在于，所述膨胀隔热环的数量为N，且N≥2，其中N为整数，N个所述膨胀隔热环同轴且间隔嵌套设置，并且，在其中的N-1个膨胀隔热环上分别设置有至少一个径向贯穿其壁厚的径向通孔，以使相邻的两个膨胀隔热环之间形成非封闭的空间。

12.根据权利要求1所述的静电卡盘，其特征在于，所述膨胀隔热环和所述上环板通过焊接方式密封固定，所述膨胀隔热环与所述下环板通过焊接方式密封固定。

13.根据权利要求1所述的静电卡盘，其特征在于，所述膨胀隔热环的壁厚范围在1~2mm。

14.根据权利要求1所述的静电卡盘，其特征在于，所述膨胀隔热环的壁厚范围在5～10mm。

15.根据权利要求1所述的静电卡盘，其特征在于，所述膨胀隔热环的高度范围在15~30mm。

16.根据权利要求1所述的静电卡盘，其特征在于，所述上环板、下环板和膨胀隔热环均采用不锈钢或Ni-Co-Fe合金制作。

17.根据权利要求1所述的静电卡盘，其特征在于，在所述卡盘本体的下表面与所述上环板的上表面之间设置有金属密封圈，用以将所述卡盘本体的下表面与所述上环板的上表面之间的间隙密封。

18.根据权利要求1所述的静电卡盘，其特征在于，在所述基座与所述卡盘之间设置有冷却部件，用以阻隔热量朝向所述基座辐射，所述冷却部件压接在所述隔热组件与所述基座的接触面之间；并且，

在所述下环板的下表面和所述冷却部件的上表面之间设置有密封件，用以将所述下环板的下表面和所述冷却部件的上表面之间的间隙密封；

在所述卡盘本体的下表面和所述冷却部件的上表面之间具有间距，从而在所述隔热组件、所述卡盘本体和所述冷却部件之间形成一封闭空间。

19.根据权利要求7或18所述的静电卡盘，其特征在于，所述卡盘本体的下表面与所述冷却部件的上表面之间的间距范围在5~20mm。

20.根据权利要求7或18所述的静电卡盘，其特征在于，在所述冷却部件内设有隔热通道，用以阻隔热量朝向所述基座辐射。

21.根据权利要求19所述的静电卡盘，其特征在于，在所述冷却部件上设置有出气孔，所述出气孔与所述封闭空间连通，导热气体通过所述出气孔进入所述封闭空间内；并且，

在所述卡盘本体内设置有导热气体通道，所述导热气体通道的两端分别与所述封闭空间和所述卡盘本体的上表面连通。

22.根据权利要求20所述的静电卡盘，其特征在于，所述导热气体通道包括环形通道，在所述环形通道上设置有进气孔，用以使所述环形通道与所述封闭空间连通；

所述环形通道为一个闭合环形通道，并且所述环形通道的顶端沿所述卡盘本体的轴向延伸至所述卡盘本体的上表面。

23.根据权利要求7或18所述的静电卡盘，其特征在于，在所述冷却部件上设置有一个贯穿其轴向厚度的通孔，用于电连接所述直流电源和所述静电电极的导线穿过所述通孔与所述直流电源电连接。

24.根据权利要求7或18所述的静电卡盘，其特征在于，在所述冷却部件与所述基座之间设置有绝缘部件，用以使所述冷却部件与所述基座电绝缘。

25.如权利要求7或18所述的静电卡盘，其特征在于，所述静电卡盘还包括聚焦环和基环，

所述卡盘本体的外周缘的上部设有台阶，所述聚焦环设置在台阶上并且围绕在卡盘本体的外侧；所述基环设置为围绕在卡盘本体的台阶以下部分、阻热膨胀部件、以及冷却部件的外侧。

26.一种等离子体加工设备，其包括反应腔室，在所述反应腔室内设置有静电卡盘，用以采用静电引力的方式固定被加工工件，其特征在于，所述静电卡盘采用权利要求1-25中任意一项所述的静电卡盘。

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