CN113035683B - 一种下电极组件、等离子体处理器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种下电极组件、等离子体处理器，下电极组件位于等离子体处理器的反应腔内，下电极组件包含基座、用于控制基片温度的中间层和用于支撑基片的静电夹盘，中间层位于基座之上，静电夹盘位于中间层之上并与中间层进行热交换；静电夹盘包含中间部分，以及向下突出的边缘部分，静电夹盘的中间部分与边缘部分构成一内凹空间，供中间层嵌入，静电夹盘的边缘部分与中间层的至少部分的侧边缘接触。本发明增大了静电夹盘的边缘部分与中间层的接触面积，加强了热交换能力，能够有效降低等离子体处理过程中的静电夹盘边缘区域的局部过热情况的出现；同时改善边缘的等离子体方向性，使得等离子体鞘层的厚度和轮廓的均匀性更好。

Description

一种下电极组件、等离子体处理器

技术领域

本发明涉及等离子体等离子体刻蚀领域，特别涉及一种下电极组件、等离子体处理器。

背景技术

随着制程工艺的不断发展，对刻蚀均一性的要求越来越严苛，静电夹盘(Electrostatic chuck，简称ESC)温度和等离子体鞘层厚度的均一性的控制就变得极其重要。现有技术中，晶片在等离子体处理过程中，一方面由于晶片边缘的冷却能力的不足，等离子体加热使得晶片边缘的温度会升高很多；另一方面等离子体耦合作用使得晶片边缘鞘层发生变化，使得等离子体的均一性在边缘变差；因此需要提高ESC边缘温度和等离子体鞘层厚度的均一性。

目前，静电夹盘与其下方控制温度的中间层之间通过热交换达到平衡，但由于静电夹盘的覆盖面积大于中间层，且静电夹盘的边缘部分的区域未与下层的中间层接触，不能进行热交换，而只能通过相接触的陶瓷制成的静电夹盘进行升温和降温的热传导。由于静电夹盘的边缘部分只是单纯地依靠邻近的静电夹盘区域的热传导已经不足以将热量导走使得达到平衡，因此造成局部的过热情况。

因此，研发一种能够降低等离子体处理过程中出现静电夹盘边缘区域局部过热情况的下电极组件、等离子体处理器实为必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种下电极组件、等离子体处理器，将下电极组件的静电夹盘设计成至少包含中间部分及向下突出的边缘部分，且静电夹盘的边缘部分与控制温度的中间层的至少部分的侧边缘接触，则增大了静电夹盘的边缘部分与中间层的接触面积，加强了热交换能力，能够有效降低等离子体处理过程中的静电夹盘边缘区域的局部过热情况的出现。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种用于等离子体处理器的下电极组件，位于所述等离子体处理器的反应腔内，所述下电极组件包含一基座、用于控制基片温度的中间层和用于支撑基片的静电夹盘，所述中间层位于所述基座之上，所述静电夹盘位于所述中间层之上并与所述中间层进行热交换；所述静电夹盘包含中间部分，以及向下突出的边缘部分，所述静电夹盘的中间部分与边缘部分构成一内凹空间，供所述中间层嵌入，所述静电夹盘的边缘部分与中间层的至少部分的侧边缘接触。

优选地，中间层中设置有加热器件。

优选地，所述中间部分的下表面与中间层的上表面接触，所述边缘部分的下表面与所述基座的上表面接触。

优选地，所述中间部分的下表面与中间层的上表面接触，所述边缘部分的下表面与所述基座的上表面之间存在一间隙。

优选地，所述中间层侧边缘设置一侧防护物，所述侧防护物位于所述边缘部分与所述基座之间的所述间隙内，且所述侧防护物的上表面与所述边缘部分的下表面接触，所述侧防护物的下表面与所述基座的上表面接触。

优选地，所述静电夹盘的边缘部分的内侧与所述中间层的侧边缘之间设置导热的密封层，所述密封层涂覆于所述中间层的侧边缘。

优选地，所述侧壁防护物为环状并套设所述密封层的外侧。

优选地，所述密封层为硅胶层，使得所述静电夹盘的边缘部分内侧与中间层侧边缘粘接。

优选地，所述静电夹盘由陶瓷制成，所述中间层和所述基座由导热材料制成。

本发明还提供了一种等离子体处理器，包括一反应腔，所述反应腔内设有如上文所述的下电极组件，反应腔内的上部设置上极板，所述下电极组件中的基底连接一射频功率源，用于在基底和上极板之间形成等离子体来处理基片，静电夹盘上的基片的表面形成等离子体鞘层。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：(1)本发明增大了静电夹盘的边缘部分与中间层的接触面积，加强了热交换能力，能够有效降低等离子体处理过程中静电夹盘边缘区域的局部过热情况的出现；(2)本发明的静电夹盘的厚度增大，增强了静电夹盘的射频功率源在边缘的耦合作用，改善边缘的等离子体方向性，使得等离子体鞘层的厚度和轮廓更为均一；(3)本发明还可以利用陶瓷制成的静电夹盘的边缘部分替代侧壁防护物，避免腐蚀性的等离子体气体及自由基的攻击，增加了静电夹盘的使用安全性和稳定性。

附图说明

图1为本发明的等离子体处理器的整体结构示意图；

图2-图2a为本发明实施例一的下电极组件结构示意图；

图3为本发明的实施例二的下电极组件结构示意图；

图4为本发明的实施例一的拓展实施方式示意图；

图5为本发明的实施例二的拓展实施方式示意图；

图6为本发明的图4的进一步拓展实施方式示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”、“具有”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。

图1为本发明的一种等离子处理器的结构示意图。等离子处理器包括真空反应腔110，本发明的等离子体处理工艺在真空反应腔内进行。真空反应腔包括由金属材料制成的大致为圆柱形的反应腔侧壁。反应腔侧壁上方设置一气体喷淋装置150，气体喷淋装置150与气体供应装置140相连。气体供应装置140中的反应气体经过气体喷淋装置150进入真空反应腔110。

图2示例性地示出等离子处理器的下电极组件的结构示意图。真空反应腔110内设置一下电极组件。下电极组件包含基座1、用于控制基片温度的中间层2和用于放置待处理基片100的静电夹盘3，基片100放置在静电夹盘3的上表面。中间层2位于基座1之上，静电夹盘3位于中间层2之上并且与中间层2进行热交换。

本发明的基座1可作为下极板，气体喷淋装置150作为上极板，两者之间的距离为极板间距。射频功率源130的射频功率施加到基座1，在真空反应腔110内产生将反应气体解离为等离子体的电场，等离子体中含有大量的电子、离子、激发态的原子、分子和自由基等活性粒子，上述活性粒子可以和待处理基片100的表面发生多种物理和化学反应，使得基片表面的形貌发生改变，即完成刻蚀过程，并且在静电夹盘3上的基片100的表面形成等离子体鞘层100a，如图2a所示。真空反应腔100的下方还设置一排气泵120，用于将反应副产物排出真空反应腔110。

如图1-图2所示，静电夹盘3由陶瓷制成，中间层2和基座1由导热材料制成，例如，中间层2和基座1均可由铝制成。中间层2中设置有加热器件，用于控制基片温度。静电夹盘3包含中间部分31，以及向下突出的边缘部分32。静电夹盘3的中间部分31是覆盖中间层2并与之直接接触的区域。静电夹盘3的边缘部分32是跨过中间层2侧边缘的区域。静电夹盘3的边缘部分32与中间层2的至少部分的侧边缘接触，因此本发明增大了静电夹盘3的边缘部分与中间层2的接触面积，加强了热交换能力，能够有效地降低等离子体处理过程中静电夹盘边缘区域出现局部过热；同时，由于本发明的静电夹盘厚度增大，进而增强了静电夹盘的射频功率源在边缘的耦合作用，改善边缘部分的等离子体方向性，使得等离子体鞘层100a的厚度和轮廓更为均一，如图2a所示。

实施例一：

本实施例一中，静电夹盘3的中间部分31与边缘部分32构成一内凹空间，供中间层2嵌入其中，静电夹盘2的中间部分31的下表面与中间层2的上表面接触，如图2所示。示例地，内凹空间小于中间层2的体积，内凹空间的高度小于中间层2的厚度，使得内凹空间包围住部分的中间层2，还有一部分的中间层未被内凹空间包围住，且静电夹盘2的边缘部分32的下表面与基座1的上表面之间存在一间隙2a，如图2所示。

中间层2侧边缘设置有可拆卸的侧防护物5，如图4所示，侧防护物5位于静电夹盘2的边缘部分32与基座1之间的所述间隙2a内，并且该侧防护物5的上表面与静电夹盘2的边缘部分32的下表面接触，侧防护物5的下表面与基座1的上表面接触。本发明的侧防护物5的作用是在腐蚀性的等离子体气体及自由基的侵蚀下，侧防护物5首先会被等离子体慢慢腐蚀掉，保护中间层2不受到腐蚀性的等离子体气体及自由基的损害。

如图6所示，本实施例还在静电夹盘3的边缘部分32的内侧与中间层2的侧边缘之间设置导热的密封层4，密封层4涂覆于中间层2的侧边缘，该密封层4用于进一步防止中间层暴露在等离子体刻蚀的环境中，更进一步地保护中间层2不受到腐蚀性的等离子体气体及自由基的损害。值得说明的是，为了保证静电夹盘3的边缘部分32与中间层2之间的热交换作用，本发明的密封层3选用导热能力较好的材质制成，使得不影响静电夹盘3的边缘部分32与中间层2之间的热交换作用。

示例地，密封层4的上端与静电夹盘3的边缘部分32的下表面接触，密封层4的下端与基座1的上表面接触，且侧防护物5位于密封层4的外侧，如图6所示。进一步地，侧防护物5为环状结构并套设密封层4的外侧。优选地，密封层4为硅胶层，使得静电夹盘3的边缘部分32内侧与中间层2的侧边缘粘接。

在另一个示例中，密封层4的下端也可高于或平齐于静电夹盘3的边缘部分32的下表面，以及密封层4的上端与静电夹盘3的边缘部分32的下表面接触，静电夹盘3的边缘部分32完全包围住密封层4；密封层4的一侧表面与中间层2的侧边缘接触，密封层4的另一侧表面与静电夹盘3的边缘部分32的内侧表面接触。

或者，示例地，密封层4的下端低于静电夹盘3的边缘部分32的下表面且高于基座1的上表面，密封层4的一侧表面与中间层2的侧边缘接触，密封层4的另一侧表面的上部与静电夹盘3的边缘部分32的内侧表面接触，侧防护物5位于密封层4的外侧。

值得说明的是，本发明的密封层4的上端还不仅仅限于与静电夹盘3的边缘部分32的下表面接触，也可以不与静电夹盘3的边缘部分32的下表面接触，例如密封层4的上端可以低于静电夹盘3的边缘部分32的下表面，只要有密封层4涂在中间层的侧边缘上，在一定程度上起到防止中间层暴露在等离子体刻蚀的环境中用以减少中间层受到腐蚀性的等离子体气体及自由基的损害即可。

实施例二：

本实施例二中，静电夹盘3的中间部分31与边缘部分32构成一内凹空间，供中间层2嵌入其中，静电夹盘2的中间部分31的下表面与中间层2的上表面接触，如图3所示。其中，内凹空间的体积等于中间层2的体积，静电夹盘3的边缘部分32的下表面与基座1的上表面接触，使得内凹空间完全包围住中间层2，如图3所示。本实施例二中的静电夹盘3的内凹空间完全包住中间层2，使得中间层2完全嵌入到内凹空间，这样保护中间层2不会受到腐蚀性的等离子体气体及自由基的损害，静电夹盘3的边缘部分32同时起到了实施例一中侧防护物的保护作用。

优选地，本实施例二还在静电夹盘3的边缘部分32的内侧与中间层2的侧边缘之间设置导热的密封层4，密封层4是涂于中间层2的侧边缘。值得说明的是，为了保证静电夹盘3的边缘部分32与中间层2之间的热交换作用，本发明的密封层3选用导热能力较好的材质制成，使得不影响静电夹盘3的边缘部分32与中间层2之间的热交换作用。

示例地，静电夹盘3的边缘部分32完全包围住密封层4，且密封层4的上端与静电夹盘3的边缘部分32下表面接触，密封层4的下端与基座1的上表面接触如图5所示；密封层4的一侧表面与中间层2的侧边缘接触，密封层4的另一侧表面与静电夹盘3的边缘部分32的内侧表面接触，如图5所示。在另一示例中，静电夹盘3的边缘部分32完全包围住密封层4，且密封层4的下端可以不与基座1的上表面接触，即密封层4的下端高于基座1的上表面。

值得说明的是，本发明的密封层4的上端还不仅仅限于与静电夹盘3的边缘部分32的下表面接触，也可以不与静电夹盘3的边缘部分32的下表面接触，密封层4的上端可以低于静电夹盘3的边缘部分32的下表面，只要有密封层4涂于中间层的侧边缘，在一定程度起到防止中间层暴露在等离子体刻蚀的环境中用以减少中间层受到腐蚀性的等离子体气体及自由基的损害即可。

综上所述，本发明将下电极组件的静电夹盘设计成至少包含中间部分及向下突出的边缘部分，且静电夹盘的边缘部分与控制温度的中间层的至少部分的侧边缘接触，增大了静电夹盘的边缘部分与中间层的接触面积，加强了热交换能力，能够有效降低等离子体处理过程中静电夹盘边缘区域的局部过热情况的出现；本发明的静电夹盘的厚度增大，增强了静电夹盘的射频功率源在边缘的耦合作用，改善边缘的等离子体方向性，使得等离子体鞘层的厚度和轮廓更为均一；本发明还可以利用陶瓷制成的静电夹盘的边缘部分替代侧壁防护物，避免腐蚀性的等离子体气体及自由基的攻击，增加了静电夹盘的使用安全性和稳定性。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种用于等离子体处理器的下电极组件，位于所述等离子体处理器的反应腔内，所述下电极组件包含一基座、用于控制基片温度的中间层和用于支撑基片的静电夹盘，其特征在于，所述中间层位于所述基座之上，所述静电夹盘位于所述中间层之上并与所述中间层进行热交换；所述静电夹盘包含中间部分，以及向下突出的边缘部分，所述静电夹盘的中间部分与边缘部分构成一内凹空间，供所述中间层嵌入，所述静电夹盘的边缘部分与中间层的至少部分的侧边缘接触；中间层中设置有加热器件；所述边缘部分的下表面与所述基座的上表面之间存在一间隙；所述中间层侧边缘设置一侧防护物，所述侧防护物位于所述边缘部分与所述基座之间的所述间隙内；所述静电夹盘的边缘部分的内侧与所述中间层的侧边缘之间设置导热的密封层，所述密封层涂覆于所述中间层的侧边缘。

2.如权利要求1所述的下电极组件，其特征在于，

所述中间部分的下表面与中间层的上表面接触，所述边缘部分的下表面与所述基座的上表面接触。

3.如权利要求1所述的下电极组件，其特征在于，

所述中间部分的下表面与中间层的上表面接触。

4.如权利要求1所述的下电极组件，其特征在于，

所述侧防护物的上表面与所述边缘部分的下表面接触，所述侧防护物的下表面与所述基座的上表面接触。

5.如权利要求1所述的下电极组件，其特征在于，

所述侧防护物为环状并套设所述密封层的外侧。

6.如权利要求1所述的下电极组件，其特征在于，

所述密封层为硅胶层，使得所述静电夹盘的边缘部分内侧与中间层侧边缘粘接。

7.如权利要求1-6任意一项所述的下电极组件，其特征在于，

所述静电夹盘由陶瓷制成，所述中间层和所述基座由导热材料制成。

8.一种等离子体处理器，包括一反应腔，其特征在于，所述反应腔内设有如权利要求1-7任意一项所述的下电极组件，反应腔内的上部设置上极板，所述下电极组件中的基底连接一射频功率源，用于在基底和上极板之间形成等离子体来处理基片，静电夹盘上的基片的表面形成等离子体鞘层。