CN106898574A - 静电卡盘机构以及半导体加工设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的静电卡盘机构以及半导体加工设备，其包括基座、边缘组件、主体静电加热层和边缘静电加热层，其中，基座包括用于承载晶片的承载面，以及环绕在承载面周围、且位于晶片边缘处的台阶面，且台阶面低于承载面。边缘组件包括聚焦环、基环和绝缘环，聚焦环环绕设置在台阶面上；绝缘环设置在基座底部，并支撑基座。主体静电加热层设置在承载面上，用以静电吸附晶片，并调节晶片的温度。边缘静电加热层设置在台阶面上，用以静电吸附聚焦环，并调节聚焦环的温度。本发明提供的静电卡盘机构，其可以单独地调节晶片中心区域和边缘区域的温度，从而可以实现对晶片边缘区域和中心区域之间的温度差异进行补偿，进而可以提高工艺均匀性。

Description

静电卡盘机构以及半导体加工设备
技术领域
本发明涉及半导体设备制造领域，具体地，涉及一种静电卡盘机构以及半导体加工设备。
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，常使用静电卡盘来承载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为典型的静电卡盘机构的结构示意图。如图1所示，静电卡盘机构包括静电卡盘8和边缘组件。其中，静电卡盘8用于采用静电吸附的方式将晶片5固定在其上表面上，并且在静电卡盘8内设置有加热器，用以控制晶片5的温度。边缘组件包括由上而下依次叠置的聚焦环6、基环7和绝缘环9，其中，绝缘环9固定在安装固定件10上，用于支撑静电卡盘8。聚焦环6和基环7均环绕在静电卡盘8的周围，聚焦环6用于形成能够将等离子体限制在其内部的边界；基环7用于支撑聚焦环6，并保护静电卡盘8的外周壁不被等离子体刻蚀。
上述静电卡盘机构在实际应用中不可避免地存在以下问题：
进入28-20纳米技术代以后，高K栅介质和金属栅电极MOS器件被引入集成电路生产工艺，晶片间的晶体管栅极长度的均匀性(3σ)由45nm节点时的3nm减小到32nm节点的1.56nm，这意味着对刻蚀均匀性的要求大大提高。然而，由于受到静电卡盘8物理尺寸的限制，静电卡盘8内的加热器无法对晶片靠近其边缘处的温度进行控制(由于晶片5的直径略大于静电卡盘8的外径，加热器无法控制晶片5***不与静电卡盘8相接触的部分的温度)，从而造成晶片边缘区域和中心区域的温度不均匀，无法满足28-20纳米技术的对晶片边缘区域和中心区域的刻蚀均匀性的要求。
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机构以及半导体加工设备，其可以单独地调节晶片中心区域和边缘区域的温度，从而可以实现对晶片边缘区域和中心区域之间的温度差异进行补偿，进而可以提高工艺均匀性。
为实现本发明的目的而提供一种静电卡盘机构，包括基座和边缘组件，其中，所述基座包括用于承载晶片的承载面，以及环绕在所述承载面周围、且位于所述晶片边缘处的台阶面，且所述台阶面低于所述承载面；所述边缘组件包括聚焦环、基环和绝缘环，所述聚焦环环绕设置在所述台阶面上；所述基环环绕设置在所述基座的外周壁上；所述绝缘环设置在所述基座底部，并支撑所述基座；所述静电卡盘机构还包括主体静电加热层和边缘静电加热层，其中，所述主体静电加热层设置在所述承载面上，用以静电吸附所述晶片，并调节所述晶片的温度；所述边缘静电加热层设置在所述台阶面上，用以静电吸附所述聚焦环，并调节所述聚焦环的温度。
优选的，所述边缘静电加热层包括由下而上依次设置的边缘加热层和边缘绝缘层，其中，所述聚焦环叠置在所述边缘绝缘层上，且在所述边缘绝缘层中设置有第一直流电极，通过向所述第一直流电极通入直流电，而对所述聚焦环产生静电吸附力；所述边缘加热层用于采用热传导的方式加热所述聚焦环。
优选的，所述主体静电加热层包括由下而上依次设置的主体加热层和主体绝缘层，其中，所述晶片叠置在所述主体绝缘层上，且在所述主体绝缘层中设置有第二直流电极，通过向所述第二直流电极通入直流电，而对所述晶片产生静电吸附力；所述主体加热层用于采用热传导的方式加热所述晶片。
优选的，所述边缘静电加热层包括边缘绝缘层，所述聚焦环叠置在所述边缘绝缘层上，且在所述边缘绝缘层中设置有第一直流电极，通过向所述第一直流电极通入直流电，而对所述聚焦环产生静电吸附力；在所述边缘绝缘层中还设置有第一加热元件，用于采用热传导的方式加热所述聚焦环。
优选的，所述主体静电加热层包括主体绝缘层，所述晶片叠置在所述主体绝缘层上，且在所述主体绝缘层中设置有第二直流电极，通过向所述第二直流电极通入直流电，而对所述晶片产生静电吸附力；在所述主体绝缘层中还设置有第二加热元件，用于采用热传导的方式加热所述晶片。
优选的，在所述边缘静电加热层中设置有第一通道，用以朝向所述聚焦环与所述边缘静电加热层之间输送热交换气体。
优选的，在所述主体静电加热层中设置有第二通道，用以朝向所述晶片与所述主体静电加热层之间输送热交换气体。
优选的，所述静电卡盘机构还包括射频源，用于同时向所述晶片和聚焦环提供射频能量。
优选的，所述静电卡盘机构还包括主体射频源和边缘射频源，其中，所述主体射频源用于向所述晶片提供射频能量；所述边缘射频源用于向所述聚焦环提供射频能量。
优选的，所述静电卡盘机构还包括边缘温度传感器、中心温度传感器和温控单元，其中，所述边缘温度传感器设置在所述基座内，且靠近所述晶片的边缘处，用以检测所述晶片的边缘处温度，并发送至所述温控单元；所述中心温度传感器设置在所述基座内，且靠近所述晶片的中心处，用以检测所述晶片的中心处温度，并发送至所述温控单元；所述温控单元用于根据所述边缘处温度控制所述边缘静电加热层调节所述聚焦环的温度，从而间接调节所述晶片边缘的温度；以及根据所述中心处温度控制所述主体静电加热层调节所述晶片中心的温度。
作为另一个技术方案，本发明还提供一种半导体加工设备，其包括反应腔室和设置在其内的静电卡盘机构，所述静电卡盘机构用于承载晶片，以及调节所述晶片的温度，所述静电卡盘机构采用了本发明提供的上述静电卡盘机构。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的静电卡盘机构，其通过在基座的承载面上设置主体静电加热层来调节晶片的温度，同时在基座的台阶面上设置边缘静电加热层，来通过调节聚集环的温度间接调节晶片边缘处的温度，可以实现单独地调节晶片中心区域和边缘区域的温度，从而可以实现对晶片边缘区域和中心区域之间的温度差异进行补偿，进而可以提高工艺均匀性。此外，主体静电加热层还可以静电吸附晶片，从而实现对晶片的固定。同时，边缘静电加热层还可以静电吸附聚焦环，从而使聚焦环与边缘静电加热层更贴合，进而可以提高对聚集环的热传递效果。
本发明提供的半导体加工设备，其通过采用本发明提供的上述静电卡盘机构，可以单独地调节晶片中心区域和边缘区域的温度，从而可以实现对晶片边缘区域和中心区域之间的温度差异进行补偿，进而可以提高工艺均匀性。
附图说明
图1为典型的静电卡盘机构的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的静电卡盘机构的剖视图；以及
图3为图2中I区域的放大图。
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机构以及半导体加工设备进行详细描述。
图2为本发明实施例提供的静电卡盘机构的剖视图。图3为图2中I区域的放大图。请一并参阅图2和图3，静电卡盘机构包括基座11、边缘组件、主体静电加热层17和边缘静电加热层18。其中，基座11包括用于承载晶片14的承载面111，以及环绕在该承载面111周围、且位于晶片14边缘处的台阶面112，且该台阶面112低于承载面111。也就是说，在基座11上表面的中心区域形成有凸台，该凸台的上表面用作承载晶片14的承载面111，而基座11上表面的边缘区域，即环绕在凸台周边的环形表面用作台阶面112。在一般情况下，晶片14的直径略大于承载面111的直径，从而晶片14边缘处的一部分自承载面111的边界伸出，而不与承载面111相接触。
边缘组件包括聚焦环12、基环13和绝缘环15，其中，聚焦环12环绕设置在上述台阶面112上，晶片14边缘处自承载面111的边界伸出的部分叠置在该聚焦环12上，从而聚焦环12可以与晶片14的边缘产生热量传递。基环13环绕设置在基座11的外周壁上，用于支撑聚焦环12，并保护基座11的外周壁不被等离子体刻蚀。绝缘环15设置在基座11底部，并固定在安装固定件16上，用于支撑该基座11。聚焦环12、基环13和绝缘环15可以根据不同工艺的要求选择石英(SiO2)、陶瓷(Al2O3)和碳化硅等的绝缘材料制作，且三者的材料可以相同或不同。
主体静电加热层17设置在承载面111上，用以静电吸附晶片14，并调节晶片14的温度。在本实施例中，主体静电加热层17包括由下而上依次设置的主体加热层173和主体绝缘层171，其中，晶片14叠置在主体绝缘层171上，且在该主体绝缘层171中设置有第二直流电极172，该第二直流电极172与直流电源电连接，直流电源用于向第二直流电极172通入直流电，从而对晶片14产生静电吸附力，以实现对晶片14的固定。主体加热层173用于采用热传导的方式加热晶片14，即将产生的热量通过主体绝缘层171传导至晶片14。主体加热层173可以采用硅胶粘接的方式粘贴在承载面111上。
优选的，在主体静电加热层17中设置有第二通道(图中未示出)，用以朝向晶片14与主体静电加热层17之间输送热交换气体。具体地，上述第二通道为对应地分别在主体加热层173和主体绝缘层171中设置的贯穿二者厚度的通孔(图中未示出)，用以朝向晶片14的下表面与主体绝缘层171的上表面之间输送热交换气体(例如氦气等的惰性气体)，该热交换气体可以加速主体绝缘层171与晶片14之间的热量传递，同时可以提高热量传递的均匀性，从而可以提高加热效率和加热均匀性。
边缘静电加热层18设置在台阶面112上，用以静电吸附聚焦环12，并调节聚焦环12的温度。在本实施例中，边缘静电加热层18包括由下而上依次设置的边缘加热层183和边缘绝缘层181，其中，聚焦环12叠置在边缘绝缘层181上，边缘加热层183用于采用热传导的方式加热聚焦环12，即将产生的热量通过边缘绝缘层181传导至聚焦环12。由于晶片14边缘处自承载面111的边界伸出的部分叠置在该聚焦环12上，聚焦环12可以与晶片14的边缘产生热量传递，因此，通过调节聚集环12的温度，可以间接调节晶片14边缘处的温度。而且，在该边缘绝缘层181中设置有第一直流电极182，该第一直流电极182与直流电源电连接，直流电源用于向第一直流电极182通入直流电，从而对聚焦环12产生静电吸附力，进而可以使聚焦环12与边缘绝缘层181更贴合，进而可以提高对聚集环12的热传递效果。边缘加热层183可以采用硅胶粘接的方式粘贴在台阶面112上。
优选的，在边缘静电加热层中设置有第一通道(图中未示出)，用以朝向聚焦环12与边缘静电加热层18之间输送热交换气体。具体地，上述第一通道为对应地分别在边缘加热层183和边缘绝缘层181中设置的贯穿二者厚度的通孔(图中未示出)，用以朝向聚焦环12的下表面与边缘绝缘层181的上表面之间输送热交换气体(例如氦气等的惰性气体)，该热交换气体可以加速边缘绝缘层181与聚焦环12之间的热量传递，从而可以提高加热效率。
借助上述主体静电加热层17和边缘静电加热层18，可以实现单独地调节晶片14中心区域(与承载面111相接触的部分)和边缘区域(自承载面111的边界伸出的部分)的温度，从而可以实现对晶片14边缘区域和中心区域之间的温度差异进行补偿，进而可以提高工艺均匀性。
优选的，静电卡盘机构还包括射频源(图中未示出)，用于同时向晶片14和聚焦环12提供射频能量，从而吸引等离子体朝向晶片14上表面运动。而且，由于在向晶片14引入射频能量的同时，还向聚焦环12引入射频能量，这可以增大晶片有效电场的面积，从而可以提高工艺均匀性。射频源通常包括匹配器和射频电源。
当然，在实际应用中，还可以采用不同的射频源分别向晶片14和聚焦环12提供射频能量，即，分别设置主体射频源和边缘射频源，其中，主体射频源用于向晶片14提供射频能量；边缘射频源用于向聚焦环12提供射频能量。借助主体射频源和边缘射频源，可以根据不同的工艺调试要求独立地分别控制晶片14和聚焦环12的射频能量大小，从而可以分别对晶片14中心区域和边缘区域的等离子体分布进行控制，进而可以增加等离子体的调整窗口，提高工艺均匀性。
优选的，静电卡盘机构还包括边缘温度传感器、中心温度传感器和温控单元，以上装置图中均未示出，其中，边缘温度传感器设置在基座11内，且靠近晶片14的边缘处，用以检测晶片14的边缘处温度，并发送至温控单元。中心温度传感器设置在基座11内，且靠近晶片14的中心处，用以检测晶片14的中心处温度，并发送至温控单元。温控单元用于根据边缘处温度控制边缘静电加热层18调节聚焦环12的温度，从而间接调节晶片14边缘的温度；以及根据中心处温度控制主体静电加热层17调节晶片14中心的温度。借助上述缘温度传感器、中心温度传感器和温控单元，可以分别对晶片14中心区域和边缘区域的温度进行精确控制，从而可以进一步提高晶片的温度均匀性，进而可以提高工艺均匀性。
需要说明的是，在本实施例中，边缘静电加热层18由边缘加热层183和边缘绝缘层181组成，但是本发明并不局限于此，在实际应用中，边缘静电加热层还可以仅设置一层边缘绝缘层，聚焦环叠置在该边缘绝缘层上，且在边缘绝缘层中设置有第一直流电极，通过向该第一直流电极通入直流电，而对聚焦环产生静电吸附力。而且，在边缘绝缘层中还设置有第一加热元件，用于采用热传导的方式加热聚焦环。也就是说，采用边缘绝缘层内嵌加热元件的方式实现对聚焦环的温度调节。上述方式可以采用烧结的方法进行加工制造。
在这种情况下，优选的，上述第一通道为在边缘绝缘层中设置的贯穿其厚度的通孔，用以朝向聚焦环的下表面与边缘绝缘层的上表面之间输送热交换气体，从而加速边缘绝缘层与聚焦环之间的热量传递，从而可以提高加热效率。
还需要说明的是，在本实施例中，主体静电加热层17由主体加热层173和主体绝缘层171组成，但是本发明并不局限于此，在实际应用中，主体静电加热层还可以仅设置一层主体绝缘层，晶片叠置在该主体绝缘层上，且在主体绝缘层中设置有第二直流电极，通过向第二直流电极通入直流电，而对晶片产生静电吸附力。而且，在主体绝缘层中还设置有第二加热元件，用于采用热传导的方式加热晶片。也就是说，采用主体绝缘层内嵌加热元件的方式实现对晶片的温度调节。上述方式可以采用烧结的方法进行加工制造。
在这种情况下，优选的，上述第二通道为在主体绝缘层中设置的贯穿其厚度的通孔，用以朝向晶片的下表面与主体绝缘层的上表面之间输送热交换气体，从而加速边缘绝缘层与聚焦环之间的热量传递，从而可以提高加热效率。
作为另一个技术方案，本发明实施例还提供一种半导体加工设备，其包括反应腔室和设置在其内的静电卡盘机构，该静电卡盘机构用于承载晶片，以及调节晶片的温度。该静电卡盘机构采用了本发明实施例提供的上述静电卡盘机构。
本发明实施例提供的半导体加工设备，其通过采用本发明实施例提供的上述静电卡盘机构，可以单独地调节晶片中心区域和边缘区域的温度，从而可以实现对晶片边缘区域和中心区域之间的温度差异进行补偿，进而可以提高工艺均匀性。
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 (11)

1.一种静电卡盘机构，包括基座和边缘组件，其中，所述基座包括用于承载晶片的承载面，以及环绕在所述承载面周围、且位于所述晶片边缘处的台阶面，且所述台阶面低于所述承载面；所述边缘组件包括聚焦环、基环和绝缘环，所述聚焦环环绕设置在所述台阶面上；所述基环环绕设置在所述基座的外周壁上；所述绝缘环设置在所述基座底部，并支撑所述基座；其特征在于，所述静电卡盘机构还包括主体静电加热层和边缘静电加热层，其中，
所述主体静电加热层设置在所述承载面上，用以静电吸附所述晶片，并调节所述晶片的温度；
所述边缘静电加热层设置在所述台阶面上，用以静电吸附所述聚焦环，并调节所述聚焦环的温度。
2.根据权利要求1所述的静电卡盘机构，其特征在于，所述边缘静电加热层包括由下而上依次设置的边缘加热层和边缘绝缘层，其中，
所述聚焦环叠置在所述边缘绝缘层上，且在所述边缘绝缘层中设置有第一直流电极，通过向所述第一直流电极通入直流电，而对所述聚焦环产生静电吸附力；
所述边缘加热层用于采用热传导的方式加热所述聚焦环。
3.根据权利要求1所述的静电卡盘机构，其特征在于，所述主体静电加热层包括由下而上依次设置的主体加热层和主体绝缘层，其中，
所述晶片叠置在所述主体绝缘层上，且在所述主体绝缘层中设置有第二直流电极，通过向所述第二直流电极通入直流电，而对所述晶片产生静电吸附力；
所述主体加热层用于采用热传导的方式加热所述晶片。
4.根据权利要求1所述的静电卡盘机构，其特征在于，所述边缘静电加热层包括边缘绝缘层，所述聚焦环叠置在所述边缘绝缘层上，且在所述边缘绝缘层中设置有第一直流电极，通过向所述第一直流电极通入直流电，而对所述聚焦环产生静电吸附力；
在所述边缘绝缘层中还设置有第一加热元件，用于采用热传导的方式加热所述聚焦环。
5.根据权利要求1所述的静电卡盘机构，其特征在于，所述主体静电加热层包括主体绝缘层，所述晶片叠置在所述主体绝缘层上，且在所述主体绝缘层中设置有第二直流电极，通过向所述第二直流电极通入直流电，而对所述晶片产生静电吸附力；
在所述主体绝缘层中还设置有第二加热元件，用于采用热传导的方式加热所述晶片。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的静电卡盘机构，其特征在于，在所述边缘静电加热层中设置有第一通道，用以朝向所述聚焦环与所述边缘静电加热层之间输送热交换气体。
7.根据权利要求1-5任意一项所述的静电卡盘机构，其特征在于，在所述主体静电加热层中设置有第二通道，用以朝向所述晶片与所述主体静电加热层之间输送热交换气体。
8.根据权利要求1-5任意一项所述的静电卡盘机构，其特征在于，所述静电卡盘机构还包括射频源，用于同时向所述晶片和聚焦环提供射频能量。
9.根据权利要求1-5任意一项所述的静电卡盘机构，其特征在于，所述静电卡盘机构还包括主体射频源和边缘射频源，其中，
所述主体射频源用于向所述晶片提供射频能量；
所述边缘射频源用于向所述聚焦环提供射频能量。
10.根据权利要求1-5任意一项所述的静电卡盘机构，其特征在于，所述静电卡盘机构还包括边缘温度传感器、中心温度传感器和温控单元，其中，
所述边缘温度传感器设置在所述基座内，且靠近所述晶片的边缘处，用以检测所述晶片的边缘处温度，并发送至所述温控单元；
所述中心温度传感器设置在所述基座内，且靠近所述晶片的中心处，用以检测所述晶片的中心处温度，并发送至所述温控单元；
所述温控单元用于根据所述边缘处温度控制所述边缘静电加热层调节所述聚焦环的温度，从而间接调节所述晶片边缘的温度；以及根据所述中心处温度控制所述主体静电加热层调节所述晶片中心的温度。
11.一种半导体加工设备，其包括反应腔室和设置在其内的静电卡盘机构，所述静电卡盘机构用于承载晶片，以及调节所述晶片的温度，其特征在于，所述静电卡盘机构采用了权利要求1-10任意一项所述的静电卡盘机构。
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