CN104952778A - 一种等离子体处理装置及静电卡盘与静电卡盘的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种等离子体处理装置、其静电卡盘及静电卡盘的制作方法，所述静电卡盘包括金属基座，金属基座上方设置加热装置，加热装置上方设置导热板，导热板上方设置陶瓷绝缘层，通过设置加热装置和导热板距离基片的高度不同，以及在陶瓷绝缘层和导热板之间设置厚度可控的导热粘胶层，实现对陶瓷绝缘层表面温度均匀或具有特定温度梯度的多参数调节。本发明除了可以调节加热装置的电源功率外，还可以通过调节不同加热区加热装置的高度落差，不同加热区导热板的厚度，以及陶瓷绝缘层和导热板之间导热粘胶层的厚度来实现对陶瓷绝缘层表面温度的调节，大大增加了静电卡盘的温度可控性，有利于快速的调节静电卡盘不同区域温度的均匀或特定梯度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体加工工艺，更具体地说，涉及一种静电卡盘技术领域。
背景技术
在等离子体刻蚀或化学气相沉积等工艺过程中，常采用静电卡盘（Electro Static Chuck，简称ESC）来固定、支撑及传送基片(Wafer)等待加工件。静电卡盘设置于反应腔室中，其采用静电引力的方式，而非机械方式来固定基片，可减少对基片可能的机械损失，并且使静电卡盘与基片完全接触，有利于热传导。
现有的静电卡盘通常包括绝缘层和加热层及支撑所述绝缘层和所述加热测层的金属基座，绝缘层中设有直流电极，该直流电极通电后对基片施加静电引力；为使静电卡盘具有足够大的升温速度，进而提高基片刻蚀的均匀性，绝缘层下方设置一加热层，加热层中设有加热装置，用以提高静电卡盘表面的温度，实现对基片的加热目的；加热层下方的金属基座内设有冷却液流道，其注入冷却液对静电卡盘进行冷却。
现有技术中，由于静电卡盘的面积较大，在静电卡盘快速升温的同时，很难保证静电卡盘各区域温度的均一性，不同区域的温度会有较明显的差异甚至形成冷区和热区，导致静电卡盘对基片的加热不均匀，这将对等离子体刻蚀的工艺效果带来不良的影响。现有技术为了解决静电卡盘加热不均匀的技术问题，可以将加热层分区控制，但在有些等离子体处理装置中，只将加热层分区控制并不能完全解决静电卡盘温度分布不均匀的问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种等离子体处理装置，包括一真空反应腔，所述真空反应腔内设置一支撑固定基片的静电卡盘，所述静电卡盘包括一金属基座，其特征在于：所述金属基座包括一上表面，所述上表面至少位于两个水平面内；
所述金属基座上方设置加热装置，所述加热装置包括至少第一加热区元件和第二加热区元件，所述第一加热区元件和第二加热区元件分别位于所述金属基座上表面的不同水平面上方；
所述加热装置上方设置导热板，所述导热板包括位于所述第一加热区元件上方的第一加热区导热板和位于第二加热区元件上方的第二加热区导热板，所述第一加热区导热板和所述第二加热区导热板的上表面位于不同水平面内；
一陶瓷绝缘层位于所述第一加热区导热板和所述第二加热区导热板上方，所述陶瓷绝缘层用于支撑固定所述基片优选的，所述陶瓷绝缘层包括与所述基片接触的上表面和与所述导热板接触的下表面，所述陶瓷绝缘层的下表面包括若干具有一定高度的凸起，所述凸起之间形成若干缝隙。
优选的，所述凸起位于所述第一加热区导热板上方的所述陶瓷绝缘层的下表面上，和/或位于所述第二加热区导热板上方的所述陶瓷绝缘层的下表面上。所述凸起可以位于整个陶瓷绝缘层的下表面，也可以部分的位于陶瓷绝缘层的下表面，起作用在于使得陶瓷绝缘层的下表面和所述导热板之间形成一定高度的距离。以便在所述陶瓷绝缘层和所述导热板之间设有粘胶材料，所述粘胶材料填充于所述缝隙之间，所述凸起的高度等于所述粘胶材料厚度。通过设定所述凸起的高度，可以方便的定义陶瓷绝缘层的下表面和所述导热板之间的距离，进而控制所述粘胶材料的厚度。
优选的，所述粘胶材料为硅胶、含氟聚合物中的一种或两种。
优选的，所述加热装置和所述导热板之间设置绝缘层，不同加热区对应的所述绝缘层厚度相同或不相同。
优选的，所述加热装置和所述金属基座之间设置绝缘层，不同加热区对应的所述绝缘层厚度相同或不相同。
优选的，第一加热区元件和所述第二加热区元件之间设置隔热槽，所述隔热槽内设置真空或隔热材料。所述隔热槽可以实现所述第一加热区元件和第二加热区元件的温度不互相干扰，能更好地进行独立的温度控制。
优选的，所述第一加热区导热板和所述第二加热区导热板厚度为相同或不相同，二者之间为连续或不连续设置。所述导热板的厚度是影响热量传递的重要参数，不同加热区的导热板可以根据不同加热区对应的所述陶瓷绝缘层上表面所需的升温快慢进行厚度调节。
优选的，所述加热装置为加热丝或加热材料涂层。所述加热装置可以采用喷涂的方式将加热材料固定在所述金属基座上表面，也可以采用通过粘性绝缘层将加热丝固定在金属基座上表面。
优选的，所述金属基座内部设置若干冷却渠道，所述冷却渠道位于不同水平面内。
优选的，所述导热板的材料为金属材质或陶瓷材质。
优选的，所述金属基座上表面的不同水平面的高度差大于等于2mm。
进一步的，本申请还公开了一种静电卡盘，所述静电卡盘包括一金属基座，所述金属基座包括一上表面，所述上表面位于至少两个水平面内；
所述金属基座上方设置加热装置，所述加热装置包括至少第一加热区元件和第二加热区元件，所述第一加热区元件和第二加热区元件通过绝缘层分别坐落于所述上表面的不同水平面上并形成第一加热区上表面和第二加热区上表面；
所述加热装置上方设置导热板，所述导热板包括位于所述第一加热区元件上方的第一加热区导热板和位于第二加热区元件上方的第二加热区导热板，所述第一加热区导热板和所述第二加热区导热板的上表面位于不同水平面内；
一陶瓷绝缘层位于所述第一加热区导热板和所述第二加热区导热板上方，所述陶瓷绝缘层包括一上表面和一下表面，所述上表面用于支撑固定所述基片，所述下表面至少位于两个水平面内。
优选的，所述陶瓷绝缘层下表面设置若干具有一定高度的凸起，所述凸起之间形成若干缝隙。
优选的，所述凸起位于所述第一加热区导热板上方的所述陶瓷绝缘层的下表面上，和/或位于所述第二加热区导热板上方的所述陶瓷绝缘层的下表面上。
优选的，所述陶瓷绝缘层和所述导热板之间设有粘胶材料，所述粘胶材料填充于所述缝隙之间，所述凸起的高度等于所述粘胶材料厚度。
优选的，所述加热装置为加热丝或加热材料涂层。
优选的，第一加热区元件和所述第二加热区元件之间设置隔热槽，所述隔热槽内设置真空或隔热材料。
进一步的，本发明还公开了一种制作静电卡盘的方法，包括下列步骤：
制作一金属基座，在所述金属基座内设置冷却渠道，将金属基座的上表面设置在至少两个水平面内；
在所述金属基座的上表面放置或喷涂一层绝缘层，在所述绝缘层上放置或喷涂一层加热装置，所述加热装置位于所述金属基座上表面的不同水平面上，并在不同水平面上形成至少第一加热区元件和第二加热区元件；
在所述加热装置上方放置或喷涂一层绝缘层并在所述绝缘层上设置导热板，所述导热板至少包括位于第一加热区元件上方的第一加热区导热板和位于第二加热区元件上方的第二加热区导热板，所述第一加热区导热板和第二加热区导热板厚度为相同或不相同；并形成不在同一水平面上的导热板上表面；
在所述导热板上方设置支撑基片的陶瓷绝缘层，设置所述陶瓷绝缘层上表面支撑所述基片，设置所述陶瓷绝缘层下表面位于不同水平面内。
优选的，所述陶瓷绝缘层下表面设置若干凸起，所述凸起具有相同的高度，所述凸起间形成若干缝隙，在所述陶瓷绝缘层和所述导热板间填充粘胶材料，所述粘胶材料填充在所述凸起间的缝隙中，形成与所述凸起高度相同的粘接层。
优选的，所述加热装置上方和下方的绝缘层具有粘性，可以将所述加热装置粘接固定到所述导热板和所述金属基座之间。
本发明提供一种等离子体处理装置、其静电卡盘及静电卡盘的制作方法，所述静电卡盘包括金属基座，金属基座上方设置加热装置，加热装置上方设置导热板，导热板上方设置陶瓷绝缘层，通过设置加热装置和导热板距离基片的高度不同，以及在陶瓷绝缘层和导热板之间设置厚度可控的导热粘胶层，实现对陶瓷绝缘层表面温度均匀或具有特定温度梯度的多参数调节。本发明除了可以调节加热装置的电源功率外，还可以通过调节不同加热区加热装置的高度落差，不同加热区导热板的厚度，以及陶瓷绝缘层和导热板之间导热粘胶层的厚度来实现对陶瓷绝缘层表面温度的调节，大大增加了静电卡盘的温度可控性，有利于快速的调节静电卡盘不同区域温度的均匀或特定梯度。
附图说明
图1示出本发明等离子体反应室结构示意图；
图2示出本发明所述静电卡盘结构示意图；
图3示出本发明不同加热区装置间的隔热槽结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
本发明所述的技术方案适用于电容耦合型等离子体反应室或电感耦合型等离子体反应室，以及其他使用静电卡盘支撑待处理基片的等离子体反应室。示例性的，图1示出本发明所述等离子体反应室结构示意图；所述等离子体反应室为电容耦合型等离子体反应室，本领域技术人员通过本发明揭示的技术方案不经过创造性的劳动做出的变形均属于本发明的保护范围。
图1示出一种等离子体反应室结构示意图，包括一大致为圆柱形的反应腔10，反应腔10内设置上下对应的上电极10和静电卡盘100，静电卡盘100放置在一金属支撑部件30上方。静电卡盘100和所述金属支撑部件30一起作为所述反应腔的下电极。上电极15连接气体供应装置13，上电极15同时作为反应气体均匀进入等离子体反应腔的气体分布板；下电极110连接射频功率源17，反应气体在射频功率源的作用下载上下电极间形成等离子体16，等离子体16对放置在静电卡盘100上方的基片20进行物理轰击或化学反应，实现对基片20的加工处理。反应后的副产物和未用尽的气体通过抽气泵18排出等离子体反应腔10。
静电卡盘内设置温度调节装置，以实现对其支撑的基片20的温度调节，随着工艺的发展，基片的尺寸越来越大，这要求支撑基片的静电卡盘的尺寸越来越大，不断变大的静电卡盘在加工工艺中的一个制约因素是温度难以达到均匀。为实现温度在整个静电卡盘表面的均匀控制或者可控的设置为不同的温度梯度，可以将静电卡盘的加热装置进行分区控制，同时，适当地增加除调整加热装置的功率外的其他调节参数可以更好地实现对温度的控制。
图2示出本发明所述静电卡盘的结构示意图，如图2所示，静电卡盘包括金属基座110，金属基座内设置冷却液流道115，其通常用于注入冷却液对静电卡盘进行冷却。金属基座上表面至少位于两个水平面内，如上表面111和上表面112，为具有明显的温度调节效果，上表面111和上表面112的高度差大于等于2mm。由于上表面位于不同平面内，导致金属基座的厚度并不均匀。
金属基座上方设置加热装置130，由于加热装置130通常为导体材料，为避免与金属基座发生漏电现象，需要在加热装置130和金属基座110之间设置一层绝缘层120。加热装置130可以为加热丝，绝缘层120为包裹在加热装置130外部的绝缘层，也可以在金属基座110上表面先喷涂一层绝缘材料，再在所述绝缘材料上方喷涂加热装置涂层。较佳的，绝缘层120具有粘性，可以将加热装置130固定在所述金属基座上表面。由于加热装置130通过绝缘层120坐落于金属基座110上方，而金属基座上表面位于不同的水平面内，因此所述加热装置形成至少两个加热区，两个加热区的高度差可以大于等于2mm，本实施例标示为位于中心区域的第一加热区元件131和环绕所述第一加热区元件131的第二加热区元件132，本领域技术人员很容易想到，如果将金属基座上表面设置为位于三个或三个以上的水平面，对应可以形成三个或三个以上的加热区装置，为描述方便，本实施例就图2所述的两个加热区装置进行描述。
加热装置130上方设置导热板140，用于将加热装置的热量尽量均匀无损耗地传递至基片20，导热板通常为热的良导体，如铝、铝合金等也可以为导热的陶瓷材料，为避免发生漏电现象，需要与加热装置间设置绝缘层160，较佳的，绝缘层160具有粘性，可以粘接固定所述导热板。对应的第一加热区元件131上方的导热板为第一加热区导热板141，第二加热区元件132上方的导热板为第二加热区导热板142，导热板的厚度影响其对加热装置热量传递，因此可以作为一项能够调节温度的参数，根据实际需要，第一加热区导热板141和第二加热区导热板142的厚度可以相同，也可以为不同。相邻的两个加热区装置可以为连续结构，也可以独立设置，若分区的两个加热装置温度单独控制，为避免不同加热装置间的温度互相干扰，可以在相邻的两个加热区装置间设置隔热槽，如图3所示，在图3中，第一加热区元件131和第二加热区元件132之间设置隔热槽135，隔热槽135内为真空或填充一定量的隔热材料，隔热槽135的宽度能够实现第一加热区元件131和第二加热区元件132的温度互不影响即可。容易想到的，所述隔热槽135可以向上延伸至导热板142的上表面，将第一加热区导热板141和第二加热区导热板142进行隔热设置，以便更好地调整第一加热区元件131和第二加热区元件132对基片20的温度分区控制。
导热板140上方设置陶瓷绝缘层150，陶瓷绝缘层150内设置直流电极155，用于产生静电吸力固定基片20。陶瓷绝缘层150包括位于同一水平面内的上表面151和至少位于两个水平面内的下表面152，陶瓷绝缘层150的上表面用于支撑固定基片20。为了将陶瓷绝缘层和导热板140粘结固定，通常在陶瓷绝缘层150和导热板140之间填充粘胶，当陶瓷绝缘层150和导热板140压紧时，粘胶很容易被挤压流出造成不同区域粘胶的厚度不同，进而影响不同区域的温度传导，增加不可控参数。本发明在陶瓷绝缘层150下表面152的部分区域或全部区域设置具有一定高度的若干凸起156，凸起156之间彼此形成缝隙157，当填充粘胶并压紧陶瓷绝缘层150和导热板140时，粘胶会填充到缝隙157之间，由于凸起156的高度已经确定，凸起156的高度即粘胶的高度，以实现粘胶的厚度可以控制。所述粘胶材料可以为硅胶、含氟聚合物中的一种或混合物，粘胶材料具有绝缘导热的特性，为了保证其导热效果，可以在硅胶或含氟聚合物内填充氧化铝、氮化铝等材料。
通过人为设置加热装置130相对于基片20的高度不同，同时，导热板140相对于基片20的高度也不同，以及在陶瓷绝缘层150和导热板140之间设置厚度可控的导热粘胶层，实现对陶瓷绝缘层150上表面温度均匀或具有特定温度梯度的多参数调节。传统技术中只能通过调节加热装置的电源功率实现对温度的调节，而在本发明中，除了可以调节加热装置的电源功率外，还可以通过调节不同加热区加热装置的落差，不同加热区导热板的厚度，以及陶瓷绝缘层150和导热板140之间导热粘胶层的厚度来实现对陶瓷绝缘层150表面温度的调节，大大增加了静电卡盘的温度可控性，有利于快速的调节静电卡盘不同区域温度的均匀或特定梯度。
为了实现静电卡盘的温度均匀调节，每个加热装置附近设置一测温元件（图中未示出），所述若干测温元件连接一温度控制***（图中未示出），由温度控制***统一进行调节控制，实现调节静电卡盘温度均匀的目的。
根据本发明上述实施例提供的等离子体处理装置，在使静电卡盘快速升温的同时，有效保证其各区域温度的均一性，从而使基片各区域温度均一，有利于等离子体处理工艺的进行，提高了基片的加工合格率。以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (22)
1.一种等离子体处理装置，包括一真空反应腔，所述真空反应腔内设置一支撑固定基片的静电卡盘，所述静电卡盘包括一金属基座，其特征在于：所述金属基座包括一上表面，所述上表面至少位于两个水平面内；所述金属基座上方设置加热装置，所述加热装置包括至少第一加热区元件和第二加热区元件，所述第一加热区元件和第二加热区元件分别位于所述金属基座上表面的不同水平面上方；
所述加热装置上方设置导热板，所述导热板包括位于所述第一加热区元件上方的第一加热区导热板和位于第二加热区元件上方的第二加热区导热板，所述第一加热区导热板和所述第二加热区导热板的上表面位于不同水平面内；
一陶瓷绝缘层位于所述第一加热区导热板和所述第二加热区导热板上方，所述陶瓷绝缘层用于支撑固定所述基片。
2.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述陶瓷绝缘层包括与所述基片接触的上表面和与所述导热板接触的下表面，所述陶瓷绝缘层的下表面包括若干具有一定高度的凸起，所述凸起之间形成若干缝隙。
3.根据权利要求2所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述凸起位于所述第一加热区导热板上方的所述陶瓷绝缘层的下表面上，和/或位于所述第二加热区导热板上方的所述陶瓷绝缘层的下表面上。
4.根据权利要求2或3所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述陶瓷绝缘层和所述导热板之间设有粘胶材料，所述粘胶材料填充于所述缝隙之间，所述凸起的高度等于所述粘胶材料厚度。
5.根据权利要求4所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述粘胶材料为硅胶、含氟聚合物中的一种或两种。
6.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述加热装置和所述导热板之间设置绝缘层，不同加热区对应的所述绝缘层厚度相同或不相同。
7.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述加热装置和所述金属基座之间设置绝缘层，不同加热区对应的所述绝缘层厚度相同或不相同。
8.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：第一加热区元件和所述第二加热区元件之间设置隔热槽，所述隔热槽内设置真空或隔热材料。
9.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述第一加热区导热板和所述第二加热区导热板厚度为相同或不相同，二者之间为连续或不连续设置。
10.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述加热装置为加热丝或加热材料涂层。
11.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述金属基座内部设置若干冷却渠道，所述冷却渠道位于不同水平面内。
12.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述导热板的材料为金属材质或陶瓷材质。
13.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述金属基座上表面的不同水平面的高度差大于等于2mm。
14.一种静电卡盘，位于一真空反应腔室，其特征在于：所述静电卡盘包括一金属基座，所述金属基座包括一上表面，所述上表面位于至少两个水平面内；
所述金属基座上方设置加热装置，所述加热装置包括至少第一加热区元件和第二加热区元件，所述第一加热区元件和第二加热区元件通过绝缘层分别坐落于所述上表面的不同水平面上并形成第一加热区上表面和第二加热区上表面；
所述加热装置上方设置导热板，所述导热板包括位于所述第一加热区元件上方的第一加热区导热板和位于第二加热区元件上方的第二加热区导热板，所述第一加热区导热板和所述第二加热区导热板的上表面位于不同水平面内；
一陶瓷绝缘层位于所述第一加热区导热板和所述第二加热区导热板上方，所述陶瓷绝缘层包括一上表面和一下表面，所述上表面用于支撑固定所述基片，所述下表面至少位于两个水平面内。
15.根据权利要求12所述的静电卡盘，其特征在于：所述陶瓷绝缘层下表面设置若干具有一定高度的凸起，所述凸起之间形成若干缝隙。
16.根据权利要求12所述的静电卡盘，其特征在于：所述凸起位于所述第一加热区导热板上方的所述陶瓷绝缘层的下表面上，和/或位于所述第二加热区导热板上方的所述陶瓷绝缘层的下表面上。
17.根据权利要求12所述的静电卡盘，其特征在于：所述陶瓷绝缘层和所述导热板之间设有粘胶材料，所述粘胶材料填充于所述缝隙之间，所述凸起的高度等于所述粘胶材料厚度。
18.根据权利要求12所述的静电卡盘，其特征在于：所述加热装置为加热丝或加热材料涂层。
19.根据权利要求12所述的静电卡盘，其特征在于：第一加热区元件和所述第二加热区元件之间设置隔热槽，所述隔热槽内设置真空或隔热材料。
20.一种制作静电卡盘的方法，其特征在于：包括下列步骤：
制作一金属基座，在所述金属基座内设置冷却渠道，将金属基座的上表面设置在至少两个水平面内；
在所述金属基座的上表面放置或喷涂一层绝缘层，在所述绝缘层上放置或喷涂一层加热装置，所述加热装置位于所述金属基座上表面的不同水平面上，并在不同水平面上形成至少第一加热区元件和第二加热区元件；
在所述加热装置上方放置或喷涂一层绝缘层并在所述绝缘层上设置导热板，所述导热板至少包括位于第一加热区元件上方的第一加热区导热板和位于第二加热区元件上方的第二加热区导热板，所述第一加热区导热板和第二加热区导热板厚度为相同或不相同；并形成不在同一水平面上的导热板上表面；
在所述导热板上方设置支撑基片的陶瓷绝缘层，设置所述陶瓷绝缘层上表面支撑所述基片，设置所述陶瓷绝缘层下表面位于不同水平面内。
21.根据权利要求18所述的制作静电卡盘的方法，其特征在于：所述陶瓷绝缘层下表面设置若干凸起，所述凸起具有相同的高度，所述凸起间形成若干缝隙，在所述陶瓷绝缘层和所述导热板间填充粘胶材料，所述粘胶材料填充在所述凸起间的缝隙中，形成与所述凸起高度相同的粘接层。
22.根据权利要求18所述的方法，其特征在于：所述加热装置上方和下方的绝缘层具有粘性，可以将所述加热装置粘接固定到所述导热板和所述金属基座之间。
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