TWI616925B - Plasma processing device, electrostatic chuck and electrostatic chuck manufacturing method - Google Patents

Plasma processing device, electrostatic chuck and electrostatic chuck manufacturing method Download PDF

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Abstract

本發明公開了一種靜電卡盤，其製作方法及其應用的等離子體處理裝置，所述靜電卡盤包括絕緣層和位於絕緣層下方的阻熱層。通過選擇熱傳導係數較小的材料作為阻熱層，設置在加熱裝置和基座之間，能夠有效降低加熱裝置產生的熱量向基座傳導的速率，便於在靜電卡盤和基座之間形成較大的溫度梯度，維持靜電卡盤上方基片的正常等離子體處理工藝，考慮到熱噴塗工藝製作的阻熱層厚度較小，分別在絕緣層下方和基座上方熱噴塗兩層阻熱層，利用黏結層黏結固定，更好地提高了靜電卡盤和基座之間的溫度梯度。

Description

等離子體處理裝置及靜電卡盤與靜電卡盤的製作方法
本發明涉及等離子體處理技術領域，尤其涉及一種靜電卡盤及其製作的技術領域。
在等離子體處理工藝過程中，常採用靜電卡盤(Electro Static Chuck，簡稱ESC)來固定、支撐及傳送基片(Wafer)等待加工件。靜電卡盤設置於反應腔室中，其採用靜電引力的方式，而非機械方式來固定基片，可減少對基片可能的機械損失，並且使靜電卡盤與基片完全接觸，有利於熱傳導。反應過程中，向反應腔室通入反應氣體，並對反應腔施加射頻功率，通常射頻功率施加到靜電卡盤下方的導體基座上，射頻功率主要包括射頻源功率和射頻偏置功率，射頻源功率和射頻偏置功率共同作用，將反應氣體電離生成等離子體，等離子體與基片進行等離子體反應，完成對基片的工藝處理。
靜電卡盤在固定支撐基片進行等離子體刻蝕的同時還對基片進行加熱，使其達到目標溫度，確保等離子體與基片反應的效率。為此，需要在靜電卡盤內部設置加熱裝置，如加熱絲，通過對加熱絲供電，實現加熱絲對靜電卡盤的加熱。為了實現靜電卡盤的溫度可控，還需要設計能降低靜電卡盤溫度的裝置，以避免加熱裝置導致的靜電卡盤溫度持續上升。目前常用的降溫裝置通常設置在基座內部，採用水冷結構對基座上方 的靜電卡盤進行降溫。
為了便於對基片進行加熱，通常加熱裝置設置在具有良好導熱係數的導熱層內部，此時，導熱層同時與基座接觸，基座內部的水冷結構很容易將加熱裝置升高的溫度降低下來，使得加熱裝置的熱量不能及時傳遞到基片上，導致加熱裝置和基座的水冷結構間溫度梯度過小，不利於工藝的順利進行。
為了解決上述技術問題，本發明公開了一種等離子體處理裝置，包括一真空反應腔，所述真空反應腔下方設置一支撐基片的靜電卡盤，所述靜電卡盤下方設置一基座，所述靜電卡盤包括內部設置有直流電極的絕緣層，所述絕緣層下方設置具有低導熱係數材料的阻熱層，所述阻熱層材料的導熱係數小於等於10W/m.K。
優選的，所述靜電卡盤還包括加熱裝置，所述加熱裝置位於所述阻熱層與所述絕緣層之間或位於所述阻熱層內部。
優選的，所述阻熱層的材料為氧化鋁或氧化釔或氧化鋁和氧化釔的混合物。
優選的，所述阻熱層包括第一阻熱層和第二阻熱層，所述第一阻熱層和第二阻熱層之間設置黏結層黏結。
優選的，所述第一阻熱層和所述第二阻熱層材料為相同或不相同。
進一步的，本發明還公開了一種靜電卡盤，所述靜電卡盤位於一基座上方，所述靜電卡盤包括內部設置有直流電極的絕緣層和位於絕 緣層下方的具有低導熱係數材料的阻熱層，所述阻熱層與所述絕緣層之間或所述阻熱層內部設置加熱裝置。
優選的，所述阻熱層包括第一阻熱層和第二阻熱層，所述第一阻熱層和所述第二阻熱層之間設置黏結層。
進一步的，本發明還公開了一種製作靜電卡盤的方法，包括下列步驟：在內部設置有直流電極的絕緣層背面熱噴塗第一阻熱層，在噴塗過程中，將加熱裝置設置在所述阻熱層內部；在一基座上表面熱噴塗第二阻熱層；在所述第一阻熱層下表面或者第二阻熱層上表面設置一黏結層，所述黏結層將第一阻熱層和第二阻熱層黏結固定，將所述靜電卡盤固定到所述基座上。
優選的，所述阻熱層材料的熱傳導係數小於等於10W/m.K。
優選的，所述阻熱層的材料為氧化鋁或者氧化釔或氧化鋁和氧化釔的混合物。
優選的，所述第一阻熱層和所述第二阻熱層的材料為相同或不相同。
本發明的優點在於：本發明公開了一種靜電卡盤，其製作方法及其應用的等離子體處理裝置，所述靜電卡盤包括絕緣層和位於絕緣層下方的阻熱層。通過選擇熱傳導係數較小的材料作為阻熱層，設置在加熱裝置和基座之間，能夠有效降低加熱裝置產生的熱量向基座傳導的速率，便於在靜電卡盤和基座之間形成較大的溫度梯度，維持靜電卡盤上方基片的正常等離子體處理工藝，考慮到熱噴塗工藝製作的阻熱層厚度較小，可以分別在絕緣層下方和基座上方熱噴塗兩層阻熱層，利用黏結層黏結固 定，更好地提高了靜電卡盤和基座之間的溫度梯度。
100‧‧‧真空反應腔
110‧‧‧下電極
115‧‧‧冷卻液流道
120‧‧‧靜電卡盤
121‧‧‧絕緣層
122‧‧‧阻熱層
1221‧‧‧第一阻熱層
1222‧‧‧第二阻熱層
1223‧‧‧黏結層
125‧‧‧直流電極
126‧‧‧加熱裝置
130‧‧‧氣體供應裝置
140‧‧‧基片
150‧‧‧上電極
160‧‧‧等離子體
170‧‧‧射頻功率源
180‧‧‧抽氣泵
第1圖，為本發明所述等離子體處理裝置的結構示意圖。
第2圖，為本發明所述靜電卡盤的結構示意圖。
第3圖，為本發明另一實施例的靜電卡盤結構示意圖。
本發明公開了一種等離子體處理裝置及靜電卡盤和靜電卡盤的製作方法，為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更為明顯易懂，下面結合附圖和實施例對本發明的具體實施方式做詳細的說明。
本發明所述的技術方案適用於電容耦合型等離子體處理裝置或電感耦合型等離子體處理裝置，以及其他使用靜電卡盤加熱待處理基片溫度的等離子體處理裝置。示例性的，第1圖示出本發明所述等離子體反應室結構示意圖；所述等離子體反應室為電容耦合型等離子體反應室，本領域技術人員通過本發明揭示的技術方案不經過創造性的勞動做出的變形均屬於本發明的保護範圍。
第1圖示出電容耦合型等離子體反應室結構示意圖，包括一大致為圓柱形的真空反應腔100，真空反應腔100內設置上下對應的上電極150和下電極110，上電極150連接氣體供應裝置130，上電極150同時作為反應氣體均勻進入等離子體反應腔的氣體分佈板；下電極110連接射頻功率源170，其上方支撐靜電卡盤120，靜電卡盤120用於支撐基片140。本實施例所述等離子體反應室的工作原理為，上電極150和下電極110在射頻功 率的作用下對注入等離子體反應腔100的氣體進行解離，生成等離子體160，等離子體160對基片140進行物理轟擊或化學反應，實現對基片140的加工處理。反應後的副產物和未用盡的氣體通過抽氣泵180排出等離子體反應腔100。
第2圖示出本發明所述靜電卡盤的結構示意圖，如第2圖所示，靜電卡盤120設於基座110上方，用於承載基片140。靜電卡盤120包括絕緣層121，絕緣層內部設置有直流電極125，直流電極連接直流電源(圖中未示出)，直流電源作用於直流電極125在靜電卡盤120表面產生靜電吸力，用於固定基片140。絕緣層121下方設置一阻熱層122，阻熱層材料的熱傳導係數較低。阻熱層122和絕緣層121之間或者阻熱層122內部設置加熱裝置126，本實施例選擇將加熱裝置126設置於阻熱層122內部，其也可以緊貼絕緣層121下表面設置。加熱裝置通常為加熱絲，用於對靜電卡盤120進行加熱，通過靜電卡盤120將熱量傳導到基片140。由於阻熱層122材料的熱傳導係數較小，為了保證加熱裝置126產生的熱量能儘快傳遞到基片140，加熱裝置126可以設置在阻熱層122和絕緣層121之間，如果設置在阻熱層122內部，可以設置在靠近阻熱層122上方的位置。阻熱層122與基座上表面接觸，保證靜電卡盤120坐落在基座110上方。
根據上文描述可知，靜電卡盤120在固定支撐基片140進行等離子體刻蝕的同時還對基片140進行加熱，使其達到目標溫度，確保等離子體與基片反應的效率。為了避免加熱裝置導致的靜電卡盤溫度持續上升，還需要設計能降低靜電卡盤溫度的裝置，以實現靜電卡盤120的溫度升降可調。目前常用的降溫裝置通常設置在基座內部，如在基座110中設 有冷卻液流道115，其通常用於注入冷卻液對靜電卡盤進行冷卻。現有技術中加熱裝置通常設置在具有良好導熱材料的內部，加熱裝置產生的熱量可以通過導熱材料快速的傳遞到基片上，使基片達到所需的溫度，與等離子體進行反應。但導熱材料在將熱量向上快速傳遞到基片的同時，也會將熱量迅速的傳遞到基座的冷卻液通道115處，使得加熱裝置126產生的熱量過多的流失，加熱裝置126無法和冷卻液通道115之間保持所需的溫度梯度。
基於上述原因，本發明第2圖中的靜電卡盤120與基座110之間採用熱傳導係數較低的阻熱層材料，能延緩熱量向基座傳導的速率。根據熱傳導公式Q=K*△T/d。其中Q為單位面積的熱量，單位面積的熱量Q可以通過加熱裝置126的加熱功率與靜電卡盤120的面積之比計算得出；K為材料層的熱傳導係數，△T為溫度梯度，即加熱裝置126與冷卻液通道115之間的溫度差；d為導熱距離。本發明所述的阻熱層122材料可以為氧化鋁或氧化釔或氧化鋁和氧化釔的混合物，氧化鋁的熱傳導係數為3.55W/m.K，氧化釔的熱傳導係數小於2W/m.K，相比現有技術中的鈦合金導熱層，熱傳導係數約為20W/m.K，鋁合金導熱層，熱傳導係數約為170W/m.K，本發明的阻熱層可以有效的延緩加熱裝置產生的熱量向基座傳導的速度。保證靜電卡盤和基座之間存在比較大的溫度梯度。
阻熱層122的厚度也是決定靜電卡盤120和基座110之間溫度梯度的一個重要因素，由於本發明的阻熱層為將氧化鋁或者氧化釔或其混合物熱噴塗到絕緣層背面，受限於目前熱噴塗工藝的限制，氧化鋁或氧化釔阻熱層厚度只能製作的較小，通常小於1毫米，對於需要溫度梯度較大的等離子體處理裝置，不能滿足其需求。為此，可以設置在靜電卡盤的 絕緣層和基座之間設置兩層阻熱層的方式，增大組熱層122的厚度。
如第3圖所示，所述阻熱層122包括第一阻熱層1221和第二阻熱層1222，第一阻熱層1221熱噴塗到絕緣層121背面，熱噴塗過程中，將加熱裝置126設置在第一阻熱層1221內部。在基座110上表面熱噴塗第二阻熱層1222，第二阻熱層1222的材料可以與第一阻熱層材料相同，也可以不相同，在第一阻熱層1221下表面或者第二阻熱層1222上表面設置一層黏結層1223，黏結層1223可以將第一阻熱層1221和第二阻熱層1222黏結到一起，實現阻熱層122厚度的增加，黏結層1223的材料可以為矽膠或者特氟龍膜，由於矽膠和特氟龍的熱傳導係數較小，可以有效的阻礙熱量的傳導，幫助靜電卡盤120和基座110之間形成較大的溫度梯度。同時，在熱噴塗阻熱層122時，在氧化釔或者氧化鋁中添加其他熱傳導係數較小的材料也可以降低整個阻熱層的熱傳導係數，實現靜電卡盤和基座之間較高的溫度梯度。
本發明採用在加熱裝置和基座之間設置至少一層熱傳導係數較小的阻熱層，能夠降低加熱裝置產生的熱量向基座傳導的速率，便於在靜電卡盤和基座之間形成較大的溫度梯度，維持靜電卡盤上方基片的正常等離子體處理工藝，優選阻熱層材料熱傳導係數小於10W/m.K。此外，本發明還公開了一種利用上述方案設計的靜電卡盤和靜電卡盤的製作方法，具體詳見上文描述，此處不再贅述。
本發明雖然以較佳實施例公開如上，但其並不是用來限定本發明，任何本領域技術人員在不脫離本發明的精神和範圍內，都可以做出可能的變動和修改，因此本發明的保護範圍應當以本發明權利要求所界定 的範圍為准。
100‧‧‧真空反應腔
110‧‧‧下電極
120‧‧‧靜電卡盤
130‧‧‧氣體供應裝置
140‧‧‧基片
150‧‧‧上電極
160‧‧‧等離子體
170‧‧‧射頻功率源
180‧‧‧抽氣泵

Claims (8)

  1. 一種等離子體處理裝置，包括一真空反應腔，所述真空反應腔下方設置一支撐基片的靜電卡盤，所述靜電卡盤下方設置一基座，所述基座中設有冷卻液流道，所述冷卻液流道用於注入冷卻液對靜電卡盤進行冷卻，其特徵在於：所述絕緣層下方設置具有低導熱係數材料的阻熱層，所述阻熱層完全隔離所述靜電卡盤與所述基座，所述阻熱層材料的導熱係數小於等於10W/m.K，所述阻熱層包括第一阻熱層和第二阻熱層，所述第一阻熱層和第二阻熱層之間設置黏結層，所述第一阻熱層和第二阻熱層為不同材料。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之等離子體處理裝置，其特徵在於：所述靜電卡盤還包括加熱裝置，所述加熱裝置位於所述阻熱層與所述絕緣層之間或位於所述阻熱層內部。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之等離子體處理裝置，其特徵在於：所述阻熱層的材料為氧化鋁或氧化釔或氧化鋁和氧化釔的混合物。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之等離子體處理裝置，其特徵在於：所述第一阻熱層和所述第二阻熱層材料為相同或不相同。
  5. 一種靜電卡盤，所述靜電卡盤位於一基座上方，其特徵在於，所述靜電卡盤包括內部設置有直流電極的絕緣層和位於絕緣層下方的具有低導熱係數材料的阻熱層，所述阻熱層與所述絕緣層之間或所述阻熱層內部設置加熱裝置，所述阻熱層完全隔離所述靜電卡盤與所述基座，所述阻熱層包括第一阻熱層和第二阻熱層，所述第一阻熱層和所述第二阻熱層之間設置黏結層，所述第一阻熱層和第二阻熱層為不同材料。
  6. 一種製作靜電卡盤的方法，其特徵在於：包括下列步驟：在內部設置有直流電極的絕緣層背面熱噴塗第一阻熱層，在噴塗過程中，將加熱裝置設置在所述阻熱層內部；在一基座上表面熱噴塗第二阻熱層；在所述第一阻熱層下表面或者第二阻熱層上表面設置一黏結層，所述黏結層將第一阻熱層和第二阻熱層黏結固定，將所述靜電卡盤固定到所述基座上，所述第一阻熱層和所述第二阻熱層的材料不相同，所述第一及第二阻熱層完全隔離所述靜電卡盤與所述基座。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之製作靜電卡盤的方法，其特徵在於：所述第一阻熱層和第二阻熱層材料的熱傳導係數小於等於10W/m.K。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之製作靜電卡盤的方法，其特徵在於：所述第一阻熱層和第二阻熱層材料為氧化鋁或者氧化釔或氧化鋁和氧化釔的混合物。
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