CN104103566A - 等离子体处理装置及其静电夹盘 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种静电夹盘，包括嵌有电极的绝缘层，用于承载半导体晶片，所述绝缘层具有主体部及沿主体部侧壁水平向外延伸的环形凸缘；底座，位于所述绝缘层下方；结合层，位于所述绝缘层和所述底座之间，用于粘结所述绝缘层和所述底座，其中，所述环形凸缘超出所述结合层的外周缘；以及边缘环，位于所述环形凸缘上方，所述边缘环内壁与所述主体部外周缘之间具有间隙，且与所述环形凸缘部分重叠。本发明能够有效防止等离子体轰击造成静电夹盘的损坏。

Description

等离子体处理装置及其静电夹盘

技术领域

本发明涉及半导体加工设备，特别涉及一种静电夹盘及具有该静电夹盘的等离子体处理装置。

背景技术

近年来，随着半导体制造工艺的发展，对元件的集成度和性能要求越来越高，等离子体技术(Plasma Technology)在半导体制造领域中正起着举足轻重的作用。等离子体技术通过使工艺气体激发形成的等离子体被应用在许多半导体工艺中，如沉积工艺(如化学气相沉积)、刻蚀工艺(如干法刻蚀)等。通常来说在这些工艺中，一般使用静电夹盘（Electrostatic chuck，简称ESC）来固定、支撑及传送半导体晶片，避免晶片在工艺过程中出现异动或错位现象。静电夹盘通常设置在等离子体处理装置的腔室底部，作为下电极与射频功率源连接，而在腔室顶部的上电极与该下电极间形成射频电场，使被电场加速的电子等与通入处理腔室的蚀刻气体分子发生电离冲撞，产生工艺气体的等离子体与晶片进行反应。

静电夹盘采用静电引力的方式来固定半导体晶片，相较于机械卡盘和真空吸盘，具有减少压力、碰撞等原因造成的晶片破损、增大晶片可被有效加工的面积、减少晶片表面腐蚀物颗粒的沉积、使晶片与卡盘可以更好的进行热传导、可在真空环境下工作等优势。如图1a所示，现有技术中的静电夹盘包括绝缘层10和基座30，边缘环40。直流电极层11埋藏在绝缘层10中，静电夹盘利用直流电极层11与半导体晶片之间产生的库仑力或约翰逊·拉别克(Johnsen-Rahbek)力，使晶片被牢牢地吸附在静电夹盘上，达到固定晶片的目的。基座30用来支撑绝缘层。边缘环40将半导体晶片包围，用于在晶片的周围提供一个相对封闭的环境。其中，绝缘层一般采用陶瓷材料来制造，基座一般采用铝等金属材质，且基座表面覆有例如二氧化氯保护膜，边缘环40可由多种材料如氧化铝或其他类型的陶瓷制成。绝缘层10和基座30两者之间通过粘结剂20粘结，粘结剂20（图1中附图标记20有点歪，而且把粘结剂20画成一层材料层的形式比较符合业内的通常做法）一般为硅胶，绝缘层10、基座30和粘结剂20具有相同的外径。

然而，当进行等离子体处理工艺时，特别是高温下进行的处理工艺中，静电夹盘受热膨胀，由于装配差异以及绝缘层10，粘结剂20和基座30不同材料热膨胀系数的差异，导致其受热膨胀的程度也不同；加之热膨胀时基座30对于粘结剂20产生的剪切力，使得粘结剂2膨胀后会超出绝缘层30之外而不再受到绝缘层保护，如图1b所示。如此一来粘结剂2就很容易遭受等离子体的侵蚀，由于粘结剂2中通常掺杂有金属离子，在强电场作用下很容易发生电弧放电（arcing），更严重的将直接造成静电夹盘的损坏报废。

为解决这一问题，现有技术中通过采用减小粘结剂20外径，使其受热膨胀后不会超出绝缘层以避免电弧放电的产生。然而，这种做法对于粘结剂外径的减小量控制难度较大，工艺要求高。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种不易遭受等离子体破坏的静电夹盘。

为达成上述目的，本发明提供一种静电夹盘，包括：嵌有电极的绝缘层，用于承载半导体晶片，所述绝缘层具有主体部及沿主体部侧壁水平向外延伸的环形凸缘；底座，位于所述绝缘层下方；结合层，位于所述绝缘层和所述底座之间，用于粘结所述绝缘层和所述底座，其中，所述环形凸缘超出所述结合层的外周缘；以及边缘环，位于所述环形凸缘上方，所述边缘环内壁与所述主体部外周缘之间具有间隙，且与所述环形凸缘部分重叠。

优选的，所述环形凸缘的横截面形状为矩形或L形。

优选的，所述结合层与所述绝缘层为同心设置且所述绝缘层的直径小于等于所述主体部的直径。

优选的，所述环形凸缘超出所述主体部的外周缘0.5～3毫米。

优选的，所述环形凸缘的厚度大于等于所述绝缘层厚度的十分之一。

优选的，所述边缘环位于所述环形凸缘上表面的上方至少0.1毫米。

优选的，所述边缘环内壁与所述主体部外周缘之间的间隙为0.1～2毫米。

优选的，所述结合层的外周缘环绕有绝缘防护件，所述环形凸缘超出所述绝缘防护件的外周缘。

优选的，所述绝缘层的材料为陶瓷，所述结合层的材料为硅胶。

优选的，所述绝缘防护件为环氧树脂。

根据本发明的另一方面，本发明还提供了一种具有上述静电夹盘的等离子体处理装置。

本发明的有益效果在于，通过静电夹盘绝缘层的环形凸缘结构，使得绝缘层下方的结合层始终处于环形凸缘的保护下，即使发生热膨胀仍然不会外露而遭受等离子体轰击引起电弧放电甚而造成静电夹盘的毁坏，因此，本发明可有效提升静电夹盘的使用寿命。

附图说明

图1a为现有技术中静电夹盘的示意图；

图1b为现有技术中静电夹盘受热膨胀后的示意图；

图2为本发明实施例等离子体处理装置的示意图；

图3a为本发明一实施例静电夹盘的示意图；

图3b为本发明一实施例静电夹盘受热膨胀后的示意图；

图4为本发明另一实施例静电夹盘的示意图。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

图2显示了本发明一种实施方式提供的使用本发明静电夹盘的等离子处理装置1。应该理解，等离子体处理装置1仅仅是示例性的，其可以包括更少或更多的组成元件，或该组成元件的安排可能与图2所示不同。

等离子处理装置1包括设置于腔室内的静电夹盘。半导体晶片（图中未示）放置于静电夹盘的表面。工艺气体源（图中未示）向腔室供应等离子体处理工艺中所需的工艺气体。静电夹盘内埋设电极11。RF射频功率源3施加在电极11上，在腔室内部产生大的电场，该电场对腔室内的电子进行激发，使它们与工艺气体的气体分子碰撞产生等离子体P。DC直流电压源2将高压直流电源施加到电极11，使静电夹盘表面产生极化电荷，并进一步在半导体晶片表面的对应位置产生极性相反的极化电荷，因而通过在半导体晶片和静电夹盘之间产生的库仑力或约翰逊·拉别克(Johnsen-Rahbek)力，使晶片被牢牢地吸附在静电夹盘上。等离子体工艺处理完成后，RF射频功率源3被关闭，通过DC直流电压源2对电极11施加反向直流电压来使半导体晶片从静电夹盘上释放。

图3a与图3b为本发明一实施例的静电夹盘的示意图。请参见图3a，静电夹盘包括绝缘层10和底座30及边缘环40。绝缘层10和底座30之间通过结合层20粘结。半导体晶片是放置在绝缘层10的上表面，绝缘层10的形状与晶片相符，一般为圆形。绝缘层10，结合层20，底座30和边缘环40为同心设置。绝缘层10中嵌埋电极11，通过施加直流电源，在半导体晶片和绝缘层之间产生静电力，使晶片被牢牢地吸附在静电夹盘上。绝缘层中通常还包括有加热元件，通过AC交流电源施加到该加热元件以实现晶片表面温度的控制。绝缘层10一般由高电阻率、高导热、低射频损耗的陶瓷材料制成，应当理解，陶瓷材料中也可掺杂碳化硅、氮化铝或三氧化二铝等材料。底座30用来支撑绝缘层，一般采用金属材料制成，利于射频能量的馈入。底座30的表面涂覆如二氧化铝的保护层。绝缘层10和基座30之间通过结合层20粘结，结合层20的材料可为硅胶粘剂。

在本发明中，绝缘层10包括主体部12以及沿主体部12侧壁水平向外延伸的环形凸缘13，环形凸缘13形成于静电夹盘的下表面上。如图3b所示，环形凸缘13超出结合层20的外周缘，以使结合层20受热膨胀后的直径仍小于环形凸缘13的外径，即结合层20受热膨胀后未超出环形凸缘13的外周缘，从而环形凸缘13能够保护结合层20使其不外露。其中，环形凸缘13的横截面形状可以为矩形。在本发明的另一实施例中，环形凸缘13也可以具有向下延伸的突出部，环形凸缘13的横截面形状为L形，其好处在于可以进一步遮蔽结合层20的侧壁。当然，环形凸缘的横截面也可具有其他形状，本发明并不限于此。较佳的，结合层20的直径略小于或等于绝缘层主体部12的直径，且环形凸缘13超出主体部12的外周缘。在实际工作中，半导体晶片的规格例如为200mm，300mm或450mm或其他尺寸，绝缘层10的形状大小与晶片相符，环形凸缘13超出主体部12的外周缘0.5～3毫米，以达到遮蔽结合层20的目的。此外，环形凸缘13的厚度不小于绝缘层10整体厚度的十分之一。当进行等离子体反应使得静电夹盘发生热膨胀时，虽然由于静电夹盘各部分材料热膨胀系数的差异，结合层20的膨胀程度要大于绝缘层10的膨胀程度，但藉由绝缘层的环形凸缘13，结合层20仍然处于环形凸缘13的保护之下未暴露出来，因此，等离子体轰击并不会到达结合层20，从而有效避免了电弧放电的发生。此外，值得注意的是，本发明的静电夹盘的加工工序与现有技术并无不同，均为在底座上表面涂覆结合层20之后再放置绝缘层，不需要对结合层20进行径向尺寸减小的控制，对于上述结合层20直径略小于绝缘层的情况，也仅需在涂覆结合层20之后刮去结合层20较薄的一层外壁即可，工艺步骤较为简单方便。

请继续参考图3a，边缘环40设置于绝缘层的环形凸缘13上方。边缘环40的材质为非金属，其将半导体晶片包围，用于在晶片的周围提供一个相对封闭的环境，以改善晶片表面上的等离子体的均一性，同时还可以避免晶片边缘的背面受到等离子体处理工艺的影响造成污染。边缘环40的内壁与绝缘层主体部12的外周缘之间存在间隙，该间隙可用于防止边缘环40与半导体晶片之间因热膨胀系数不同而可能造成的损坏；同时边缘环40与环形凸缘13在垂直方向上具有部分相重叠。如图3b所示，当发生静电夹盘热膨胀时，结合层20仍然处于环形凸缘13的保护下，并且边缘环40与环形凸缘13的重叠部分也进一步阻止了等离子体从环形凸缘13外到达结合层20，以有效避免了电弧放电的发生。在一较佳实施例中，边缘环40位于环形凸缘13上表面的上方至少0.1毫米，边缘环内壁与主体部外周缘之间的间隙为0.1～2毫米。

请继续参考图4，其所示为本发明另一实施例的静电夹盘的示意图。静电夹盘包括埋设有电极11的绝缘层10和底座30，绝缘层10和底座30之间通过结合层20粘结。结合层20的材料可为硅胶粘剂。结合层20的外周缘还环绕填充有一层较薄的绝缘防护件21，用于封住结合层20外露的侧壁。绝缘防护件21的材料例如是环氧树脂。当进行等离子体反应，静电夹盘发生热膨胀时，结合层20仍然处于环形凸缘13的保护，因此，等离子体轰击并不会到达结合层20。此外，绝缘防护件21进一步形成一层额外的密封层，更加防止结合层20暴露在等离子体环境中。较佳的，环形凸缘13更超出绝缘防护件21的外周缘，使得结合层20和绝缘防护件21受热膨胀后均未超出环形凸缘13的外周缘而被环形凸缘13所遮蔽。此外，边缘环40设于绝缘层的环形凸缘13上表面的上方，边缘环40的内壁与绝缘层主体部12的外周缘之间存在间隙，与环形凸缘13部分相重叠。由于边缘环40的设置与本发明的第一实施例相类似，在此不做赘述。

综上所述，本发明中通过在静电夹盘中采用具有环形凸缘结构的绝缘层，使得在等离子体处理工艺过程中，即使静电夹盘发生热膨胀，粘结绝缘层与底座的结合层仍然能够避开等离子体到达的范围，避免遭受等离子体的轰击而产生电弧放电。因此，本发明改善了现有技术中因热膨胀不匹配导致粘结层外露进而引起电弧放电，造成静电夹盘损坏报废的缺陷，有效提升了静电夹盘的使用寿命。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述诸多实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (11)

1.一种用于等离子体处理装置的静电夹盘，其特征在于，包括：

嵌有直流电极的绝缘层，用于承载半导体晶片，所述绝缘层具有主体部及沿主体部侧壁水平向外延伸的环形凸缘；

底座，位于所述绝缘层下方；

结合层，位于所述绝缘层和所述底座之间，用于粘结所述绝缘层和所述底座，其中，所述环形凸缘超出所述结合层的外周缘；以及

边缘环，位于所述环形凸缘上方，所述边缘环内壁与所述主体部外周缘之间具有间隙，且与所述环形凸缘在垂直方向上具有部分重叠。

2.根据权利要求1所述的静电夹盘，其特征在于，所述环形凸缘的横截面形状为矩形或L形。

3.根据权利要求2所述的静电夹盘，其特征在于，所述结合层与所述绝缘层为同心设置且所述绝缘层的直径小于等于所述主体部的直径。

4.根据权利要求3所述的静电夹盘，其特征在于，所述环形凸缘超出所述主体部的外周缘0.5～3毫米。

5.根据权利要求1所述的静电夹盘，其特征在于，所述环形凸缘的厚度大于等于所述绝缘层厚度的十分之一。

6.根据权利要求1所述的静电夹盘，其特征在于，所述边缘环位于所述环形凸缘上表面的上方至少0.1毫米。

7.根据权利要求1所述的静电夹盘，其特征在于，所述边缘环内壁与所述主体部外周缘之间的间隙为0.1～2毫米。

8.根据权利要求1所述的静电夹盘，其特征在于，所述结合层的外周缘环绕有绝缘防护件，所述环形凸缘超出所述绝缘防护件的外周缘。

9.根据权利要求1所述的静电夹盘，其特征在于，所述绝缘层的材料为陶瓷，所述结合层的材料为硅胶。

10.根据权利要求7所述的静电夹盘，其特征在于，所述绝缘防护件为环氧树脂。

11.一种等离子体处理装置，其特征在于：所述等离子体处理腔室包含权利要求1-10中所述的静电夹盘。