CN102465283A - 一种卡盘和半导体处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用在真空处理室中的卡盘，包括卡盘主体；导热装置；可拆卸的膨胀组件，膨胀组件连接在卡盘主体的外周与导热装置之间，膨胀组件包括：固定环，具有朝向所述卡盘主体侧延伸的伸出结构，所述伸出结构可弹性变形用于固定所述卡盘主体；绝热件，所述绝热件设置在所述固定环与导热装置之间且与所述固定环可拆卸地连接，用于限制热量在所述卡盘主体和所述导热装置之间的传导。本发明的卡盘可以彻底解决热膨胀及隔热问题，有效提高卡盘的温度均匀性。由此，卡盘可以实现在例如200度之上的高温段下的基片处理。

Description

一种卡盘和半导体处理装置

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种卡盘和半导体处理装置。

背景技术

随着半导体制备工艺的不断发展，等离子装置特别是电感耦合等离子体(ICP)装置被广泛地应用于集成电路(IC)或MEMS器件的制造工艺中。，等离子装置一般采用真空反应腔室将材料刻蚀(Etch)或化学气相沉积(CVD)在晶圆表面。在此过程中，通过机械夹持装置或静电卡盘(ESC)将晶圆固定真空反应腔内特定的工位上；被刻蚀或沉积工艺气体通过管路输送到真空反应腔室之中，同时真空反应腔室中(RF)射频场将工艺气体增能为等离子状态。

在等离子体装置中，卡盘是其中较为重要的一个部件。卡盘在半导体生产工艺中用于固定和支撑基片，以避免基片在处理过程中出现移动或者错位现象，减少了在使用机械卡盘时由于压力、碰撞等原因造成的基片破损；增大了基片可被有效加工的面积；减少了基片表面腐蚀物颗粒的沉积；并且可以在真空工艺环境下工作。

但是普通卡盘工作温度一般在100℃以内，而进入32-22纳米技术带后，高K栅介质和金属栅电极MOS器件被引入IC生产工艺。高K介质的刻蚀工艺需要高的硅片表面温度来获得高的介质层对硅的选择比，通常要求下电极温度在200度以上。这对普通的卡盘来说是难以达到的，因此需要可以实现高温下工作的卡盘。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种用在真空处理室中的卡盘，该卡盘可以实现高温下的基片处理、而且结构简单、成本低、维护方便且能够解决热膨胀及隔热问题，此外，该卡盘可以有效地提高卡盘表面的温度均匀性。

本发明的另一目的在于提出一种具有上述卡盘的半导体处理装置。

为了实现上述目的，本发明第一方面的实施例提出了一种用在真空处理室中的卡盘，包括卡盘主体，所述卡盘主体内设有加热部件；导热装置，所述导热装置与所述卡盘主体相对设置并间隔开预定距离；可拆卸连接的膨胀组件，所述膨胀组件设在所述导热装置的上表面上，且与所述卡盘主体的外周相连，所述膨胀组件、所述卡盘主体和所述导热装置限定出密封空间且所述导热装置适于利用密封空间中的导热气体移除所述卡盘主体中所产生的热量，所述膨胀组件包括：固定环，所述固定环具有朝向所述卡盘主体侧延伸的伸出结构，所述伸出结构可弹性变形用于固定所述卡盘主体；绝热件，所述绝热件设置在固定环与所述导热装置之间且与所述固定环可拆卸地连接，用于限制热量在所述卡盘主体和所述导热装置之间的传导。

根据本发明实施例的用在真空处理室中的卡盘，通过在卡盘主体及导热装置之间设置膨胀组件，从而可以彻底解决热膨胀及隔热问题，有效提高卡盘的温度均匀性。由此，卡盘可以实现在例如200度以上的高温段下的基片处理工艺。

在本发明的一个实施例中，所述卡盘主体与所述绝热件之间设置有用于密封所述密封空间的金属密封件。由此，在卡盘主体热循环期间，可以保持密封空间的气密密封性。

在本发明的一个实施例中，所述金属密封件为C形环密封件。由此，通过采用C形环密封件作为密封件，可以使密封空间达到更优的密封性。

在本发明的一个实施例中，所述卡盘主体与所述密封空间相邻的一端的外周缘设置有凸缘。

在本发明的一个实施例中，所述伸出结构形成为环形薄壁结构。由此，可以起到隔热密封的作用。

在本发明的一个实施例中，所述环形薄壁结构包括：朝向所述卡盘主体侧的第一环形部；以及第二环形部，所述第二环形部与所述第一环形部相连且沿着竖直方向的厚度大于所述第一环形部的厚度，所述第二环形部设置在所述卡盘主体的凸缘上以弹性地固定所述卡盘主体。由此，可通过第二环形部固定卡盘主体的外周边，并通过该第二环形部件有效吸收热膨胀。

可选地，所述环形薄壁结构沿着竖直方向的厚度可为1-3mm。

在本发明的一个实施例中，所述伸出结构包括：朝向所述卡盘主体侧的安装法兰；以及弯曲部分，所述弯曲部分与所述安装法兰相连，所述弯曲部分的悬臂端设置在所述卡盘主体的外周上以弹性地固定所述卡盘主体。由此，可通过弯曲部分固定卡盘主体的外周边，并通过该弯曲部分有效地吸收热膨胀。

在本发明的一个实施例中，所述绝热件和所述导热装置之间设置有第一密封圈。由此，保持绝热件和导热装置之间真空密封接触。

在本发明的一个实施例中，所述固定环由不锈钢材料形成。由此，固定环可以达到更优的隔热效果，且解决热膨胀问题。

本发明第二方面的实施例提出了一种半导体处理装置，包括反应腔室和放置于所述反应腔室内用于承载基片的卡盘，其中，所述卡盘为根据本发明第一方面实施例所述的卡盘。

根据本发明实施例的半导体处理装置，通过在卡盘主体以及导热装置间形成密封空间，从而可以彻底解决热膨胀及隔热问题，有效提高卡盘的温度均匀性。由此，卡盘可以实现在例如200度以上的高温段下的工作。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明的一个实施例的用在真空处理室中的卡盘的示意图；

图2为图1所示卡盘的中膨胀组件的示意图；

图3为卡盘的膨胀组件的另一示例的示意图；

图4为根据本发明的一个实施例的半导体处理装置的示意图；和

图5为利用根据本发明实施例半导体处理装置处理基片的工艺流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

下面首先参考附图描述本发明实施例的用在真空处理室中的卡盘，其中图1为根据本发明的一个实施例的用在真空处理室中的卡盘的结构示意图；图2为根据本发明的一个实施例的卡盘的膨胀组件的示意图；图3为膨胀组件的另一示例的示意图。

如图1-3所示，根据本发明实施例的用在真空处理室中的卡盘100包括卡盘主体1、导热装置10、和设在导热装置10的上表面上且与卡盘主体1的外周相连的可拆卸的膨胀组件110。卡盘100设置在真空处理室中，真空处理室可以为高温真空处理室。可选地，此处术语“高温”可以指的是温度达到200度或者200度以上。

如图1所示，在卡盘主体1内设有加热部件3。在本发明的一个实施例中，加热部件3可以为选择性加热部件。

加热部件3可以对卡盘主体1进行加热，进而对支撑在卡盘主体1的上表面上的基片12的温度进行控制，使卡盘主体1和基片120可以维持反应所需的温度。

卡盘主体1可以采用一种或者多种陶瓷材料制造，其中陶瓷材料包括：氮化物，如氮化铝、氮化硼和氮化硅；碳化物，如碳化硅和碳化硼；氧化物，如氧化铝等。上述陶瓷材料可以充填或者不充填填料，例如须状、纤维状等的颗粒物或渗透金属，例如硅。

在本发明的一个实施例中，卡盘主体1可以采用氮化铝陶瓷制造。由于氮化铝陶瓷导热性能优异，基片120可以放置在卡盘主体1的上表面，进行加热部件3可以将基片120的温度加热达到200-400℃。加热部件3的材料可以采用Mo制造。

卡盘主体1可以通过多种方法形成，下面举例描述其中的两种方法。

第一种方法：先压实粉末或者流铸粉末，将陶瓷粉末形成卡盘主体形状，使加热部件3等嵌入其中；然后烧结粉末，使卡盘主体硬化。

第二种方法：可以采用陶瓷材料片形成卡盘主体1，上述陶瓷片上具有及加热部件3与电源连接线的导线图案，然后叠置这些陶瓷片，绕结各层，从而形成卡盘主体1。

导热装置10与卡盘主体1相对的下表面与卡盘主体1之间形成密封空间13，其中导热装置10适于用密封空间13的导热气体移除卡盘主体1中所产生的热量。

在本发明的一个具体示例中，卡盘主体1的与密封空间13相邻的一端的外周缘设置有凸缘。

膨胀组件110与卡盘主体1可拆卸地连接，可以固定卡盘主体1，并使卡盘主体1的外周与导热装置10相连接。

膨胀组件110包括固定环4和绝热件8，其中固定环4具有朝向所述卡盘主体1侧延伸的伸出结构6，可选地，伸出结构6可弹性变形且可固定卡盘主体1。绝热件8设置在固定环4与导热装置10之间且与固定环4可拆卸地连接，绝热件8可以限制热量在卡盘主体1和导热装置10之间的传导。

在本发明的一个实施例中，固定环4可以采用金属材料制造，绝热件8可以采用树脂类材料制造，如PEEK(Polyetheretherketones，聚醚醚酮)。优选地，固定环4采用不锈钢材料制造。

在本发明的一个实施例中，伸出结构6可以形成为环形薄壁结构，更具体而言，伸出结构6包括第一环形部61和与第一环形部61相连的第二环形部62。如图2所示，第二环形部62沿竖直方向的厚度可以大于第一环形部61的厚度，从而两者形成悬臂结构。第一环形部61朝向卡盘主体1的一侧，第二环形部62可以设置在卡盘主体1的凸缘上，从而将卡盘主体1固定在膨胀组件110上。

本领域技术人员可以理解的是，在强度及加工条件允许的情况下，伸环形薄壁越薄越好。在本发明的一个实施例中，环形薄壁结构沿竖直方向的厚度可以为1～3mm。

在本发明的一个实施例中，如图3所示，伸出结构6可以包括安装法兰和与安装法兰63连接的弯曲部分64，所述弯曲部分64的悬臂端设置在所述卡盘主体1的外周上以可弹性地固定所述卡盘主体1。可选地，弯曲部分64可以形成为弧形结构。安装法兰63朝向卡盘主体1的一侧，弯曲部分64可以固定在卡盘主体1。

在本发明的一个实施例中，伸出结构6可以形成为任何具有弹性的薄壁结构，以吸收卡盘主体1内的热膨胀。当然本领域技术人员可以理解的是，当伸出结构6为其他形式的结构时，只要其可以实现密封、隔热和抵消膨胀的作用，其也落入本发明的保护范围。

可选地，绝热件8可以通过与螺钉7与固定环4连接，对螺钉7采用力矩管理，从而在实现密封效果的同时避免零件受到损坏。在卡盘主体1的下表面和绝热件8的上表面之间可以形成有密封空间。为保持上述空间的气密密封，需要使绝热件8与卡盘主体1密封接触。由于卡盘主体1的温度过高，普通的弹性密封圈，如O形环密封圈无法正常工作。因此在本实施例中，绝热件8与卡盘主体1的外边缘间通过设置金属密封件5使两者密封接触。金属密封环5在高温下仍然可以正常工作。优选地，金属密封件为C形环密封件。在绝热件8和导热装置10之间设置有第一密封圈9，由此通过第一密封圈9实现绝热件8与导热装置10的真空密封。在本发明的一个示例中，第一密封圈9可为弹性密封件。

如图1所示，导热装置10的内部形成冷却通道11和第一气体通道14。冷却通道11用于通入冷却介质，从而对卡盘主体进行冷却，以便将卡盘主体保持在所需的温度。进而，导热装置10内部还形成有通孔12，通孔12可以为一个或多个。

冷却通道11的纵向高度小于导热装置10的纵向高度。冷却通道11的下端开口，上端封闭。冷却剂例如水或者其他冷却剂可以通过管子输送到冷却通道11，从而阻挡卡盘主体1的热量向下传递。夹持电极2和加热部件3的导线通过通孔12伸到卡盘主体1外。通孔12中的导线通过第二密封圈密封。从而在导热装置10的上表面、卡盘主体1的下表面和膨胀组件110之间形成密封空间13。第一气体通道14可以向密封空间13中流入导热气体。

通孔12内的电源输送线也可以将直流电源、RF电源、传感器信号等输送到卡盘主体1。其中，传感器信号可以分别来自卡盘主体1和基片120上的温度传感器。

在本发明的一个实施例中，通孔12位于所述导热装置10的中心处，从而可以更均匀的将电能输出送输送到卡盘主体1。

卡盘100可以进一步包括支撑部件18。支撑部件18可以为梯形结构，放置于真空处理室的中部，以支撑卡盘主体1、膨胀组件110和导热装置10等。当然本领域技术人员可以理解的是，支撑部件18也可以为其他形状的结构，只要支撑部件18可以实现支撑卡盘主体1、膨胀组件110和导热装置10等的目的，即落入本发明的保护范围。

卡盘100还可以包括基环16和位于其上表面的聚焦环17。如图3所示，基环16固定在膨胀组件110的外部、位于聚焦环17的下侧且覆盖在支撑部件18上，以支撑聚焦环17。聚焦环17固定在卡盘主体1的外周部分且覆盖基环16，即聚焦环17可以围绕卡盘主体1。由此，聚焦环17可以限制基片120的位置，并可以进一步将等离子体限制在基片120上。

在本发明的一个实施例中，基环16为绝缘的，其可以通过氧化铝、氧化硅、和石英等制成。聚焦环17也为绝缘的，其可以通过氧化铝、碳化硅、氮化硅等制成。

结合图1至图3所示，当卡盘主体1在加热部件3的作用下变热和膨胀时，卡盘主体1的外周边位于金属密封件5和伸出结构6之间，进而热膨胀导致伸出结构6发生弹性变形，从而可以容纳和吸收卡盘主体1的热膨胀和收缩。

在伸出结构6具有弯曲部分64时，由于伸出结构6的弯曲部分64的上表面为弧形，从而与聚焦环17之间构成一定的空间19，进而在伸出结构6发生弹性形变时，具有更大的形变空间。

卡盘主体1的热膨胀和收缩是处理基片120期间的热循环造成的。因此，可以尽量降低卡盘主体1的机械应力，从而可以延长卡盘主体1的工作寿命。

具体而言，由于第一环形部61或者安装法兰63的薄的环形部分的结构特点以及绝热件8的作用，膨胀组件110与卡盘主体1以及其余部件形成热隔离，这可以尽量降低由于热量传递导致卡盘主体1造成的热损耗。从而，卡盘主体1能够达到高到约350℃或者更高的温度，不需要消耗较大的电能。

密封空间13形成在卡盘主体1、导热装置10、固定环4以及绝热件8之间。密封空间13使卡盘主体1和导热装置10之间隔开一定的距离。导热气体(如氦气)通过导热装置10上的第一气体通道14送到上述密封空间13中。在密封空间13中，导热气体可以保持在任何适当的压力下，取决于基片120的直径。由于导热气体充满密封空间13，从而可以将热量从卡盘主体1的受热部分传到受冷部分。同时导热装置10可以保持足够低的温度，从而膨胀组件110和导热装置10之间可以使用弹性密封件进行密封。由此可知，第一密封圈9可为弹性密封件。弹性密封件的价格低廉，有利于节省成本。

密封空间13中的导热气体进一步可以通过卡盘主体1上的第二气体通道15到达卡盘主体1的上表面和基片120的下表面之间，传导热量以控制卡盘主体1和基片120温度。

根据本发明实施例的用在真空处理室中的卡盘，通过膨胀组件在有效固定卡盘的同时，解决卡盘受热膨胀和隔热的问题，从而可以有效提高卡盘的温度均匀性。由此，卡盘可以实现在例如200度之上的高温段下的基片处理。并且，本发明实施例的卡盘中的膨胀组件采用价格低廉的材料，节省了制备成本。

下面参考图4描述根据本发明实施例的半导体处理装置1000。

如图4所示，本发明一个实施例的半导体处理装置1000，包括反应腔室(也可以称为真空处理腔室)200和如上所述的卡盘100。其中，卡盘100放置于反应腔室200内，可以承载位于卡盘100上表面的基片120。

在本发明的一个实施例中，反应腔室200可以为高温真空处理室。可选地，此处术语“高温”可以指的是温度达到200度或者200度以上。

根据本发明实施例的半导体处理装置，通过采用具有如上结构的膨胀组件的卡盘，解决了卡盘受热膨胀和隔热的问题，从而可以有效提高卡盘的温度均匀性。由此，卡盘可以实现在例如200度之上的高温段下的基片处理。

下面参考图5描述利用根据本发明一个实施例的半导体处理装置1000处理基片的工艺过程。

如图5所示，在半导体处理装置1000的反应腔室中处理基片的工艺过程包括如下步骤：

S101：将基片固定在上述实施例中的卡盘上；

将基片120固定在卡盘主体1的外表面上。

S102：利用卡盘的加热部件加热基片；

加热部件3可以加热卡盘主体1，进而可以对支撑在卡盘主体1外表面上的基片120进行温度控制，使卡盘主体1和基片120可以维持反应所需的温度。

S103：利用输送到密封空间中的导热气体控制基片和卡盘主体的温度；

导热气体(如氦气)可以通过导热装置10上的第一气体通道14送到卡盘主体1、导热装置10、膨胀组件110之间的密封空间13。密封空间13中的导热气体进一步可以通过卡盘主体1上的第二气体通道15到达卡盘主体1的上表面和基片120的下表面之间，传导热量以控制卡盘主体1和基片120温度。

S104：处理基片。

对位于卡盘主体1上的基片120进行处理，包括如下步骤：

S1041：向真空处理室中输送处理气体；

向真空处理腔室中输送处理气体。

S1042：使处理气体成等离子状态；

对处理气体通电，以激发其形成等离子体。并且，在处理操作期间，利用该等离子体腐蚀基片120的露出表面。而且也可以在处理操作期间，在基片120的外表面上进行涂层。

S1043：利用等离子状态的处理气体刻蚀基片。

根据上述基片处理工艺，通过采用具有如上结构的膨胀组件的卡盘，解决了卡盘受热膨胀和隔热的问题，从而可以有效提高卡盘的温度均匀性。由此，卡盘可以实现在例如200度之上的高温段下的基片处理。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (11)

1.一种用在真空处理室中的卡盘，其特征在于，包括：

卡盘主体，所述卡盘主体内设有加热部件

导热装置，所述导热装置与所述卡盘主体相对设置并间隔开预定距离；

可拆卸的膨胀组件，所述膨胀组件设在所述导热装置的上表面上，且与所述卡盘主体的外周相连，所述膨胀组件、所述卡盘主体和所述导热装置限定出密封空间且所述导热装置适于利用密封空间中的导热气体移除所述卡盘主体中所产生的热量，其中所述膨胀组件包括：

固定环，所述固定环具有朝向所述卡盘主体侧延伸的伸出结构，所述伸出结构可弹性变形用于固定所述卡盘主体；

绝热件，所述绝热件设置在所述固定环与所述导热装置之间且与所述固定环可拆卸地连接，用于限制热量在所述卡盘主体和所述导热装置之间的传导。

2.根据权利要求1所述的卡盘，其特征在于，所述卡盘主体与所述绝热件之间设置有用于密封所述密封空间的金属密封件。

3.根据权利要求2所述的卡盘，其特征在于，所述金属密封件为C形环密封件。

4.根据权利要求1所述的卡盘，其特征在于，所述卡盘主体与所述密封空间相邻的一端的外周缘设有凸缘。

5.根据权利要求4所述的卡盘，其特征在于，所述伸出结构形成为环形薄壁结构。

6.根据权利要求5所述的卡盘，其特征在于，所述环形薄壁结构包括：

朝向所述卡盘主体侧的第一环形部；以及

第二环形部，所述第二环形部与所述第一环形部相连且沿着竖直方向的厚度大于所述第一环形部的厚度，所述第二环形部设置在所述卡盘主体的凸缘上以弹性地固定所述卡盘主体。

7.根据权利要求5所述的卡盘，其特征在于，所述环形薄壁结构沿着竖直方向的厚度为1-3mm。

8.根据权利要求1所述的卡盘，其特征在于，所述伸出结构包括：

朝向所述卡盘主体侧的安装法兰；以及

弯曲部分，所述弯曲部分与所述安装法兰相连，所述弯曲部分的悬臂端设置在所述卡盘主体的外周上以弹性地固定所述卡盘主体。

9.根据权利要求1所述的卡盘，其特征在于，所述绝热件和所述导热装置之间设置有第一密封圈。

10.如权利要求1所述的卡盘，其特征在于，所述固定环由不锈钢材料形成。

11.一种半导体处理装置，包括：反应腔室和放置于所述反应腔室内用于承载基片的卡盘，其特征在于，所述卡盘为权利要求1-10中任意一项所述的卡盘。

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