CN104752135A - 等离子体处理装置及静电卡盘与静电卡盘的制作方法 - Google Patents

等离子体处理装置及静电卡盘与静电卡盘的制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种静电卡盘，其制作方法及其应用的等离子体处理装置，所述静电卡盘包括绝缘层和位于绝缘层下方的阻热层。通过选择热传导系数较小的材料作为阻热层，设置在加热装置和基座之间，能够有效降低加热装置产生的热量向基座传导的速率，便于在静电卡盘和基座之间形成较大的温度梯度，维持静电卡盘上方基片的正常等离子体处理工艺，考虑到热喷涂工艺制作的阻热层厚度较小，分别在绝缘层下方和基座上方热喷涂两层阻热层，利用黏结层黏结固定，更好地提高了静电卡盘和基座之间的温度梯度。

Description

等离子体处理装置及静电卡盘与静电卡盘的制作方法
技术领域
本发明涉及等离子体处理技术领域，尤其涉及一种静电卡盘及其制作的技术领域。
背景技术
在等离子体处理工艺过程中，常采用静电卡盘（Electro Static Chuck，简称ESC）来固定、支撑及传送基片(Wafer)等待加工件。静电卡盘设置于反应腔室中，其采用静电引力的方式，而非机械方式来固定基片，可减少对基片可能的机械损失，并且使静电卡盘与基片完全接触，有利于热传导。反应过程中，向反应腔室通入反应气体，并对反应腔施加射频功率，通常射频功率施加到静电卡盘下方的导体基座上，射频功率主要包括射频源功率和射频偏置功率，射频源功率和射频偏置功率共同作用，将反应气体电离生成等离子体，等离子体与基片进行等离子体反应，完成对基片的工艺处理。
静电卡盘在固定支撑基片进行等离子体刻蚀的同时还对基片进行加热，使其达到目标温度，确保等离子体与基片反应的效率。为此，需要在静电卡盘内部设置加热装置，如加热丝，通过对加热丝供电，实现加热丝对静电卡盘的加热。为了实现静电卡盘的温度可控，还需要设计能降低静电卡盘温度的装置，以避免加热装置导致的静电卡盘温度持续上升。目前常用的降温装置通常设置在基座内部，采用水冷结构对基座上方的静电卡盘进行降温。
为了便于对基片进行加热，通常加热装置设置在具有良好导热系数的导热层内部，此时，导热层同时与基座接触，基座内部的水冷结构很容易将加热装置升高的温度降低下来，使得加热装置的热量不能及时传递到基片上，导致加热装置和基座的水冷结构间温度梯度过小，不利于工艺的顺利进行。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种等离子体处理装置，包括一真空反应腔，所述真空反应腔下方设置一支撑基片的静电卡盘，所述静电卡盘下方设置一基座，所述静电卡盘包括内部设置有直流电极的绝缘层，所述绝缘层下方设置具有低导热系数材料的阻热层，所述阻热层材料的导热系数小于等于10W/m.K。
优选的，所述静电卡盘还包括加热装置，所述加热装置位于所述阻热层与所述绝缘层之间或位于所述阻热层内部。
优选的，所述阻热层的材料为氧化铝或氧化钇或氧化铝和氧化钇的混合物。
优选的，所述阻热层包括第一阻热层和第二阻热层，所述第一阻热层和第二阻热层之间设置黏结层黏结。
优选的，所述第一阻热层和所述第二阻热层材料为相同或不相同。
进一步的，本发明还公开了一种静电卡盘，所述静电卡盘位于一基座上方，所述静电卡盘包括内部设置有直流电极的绝缘层和位于绝缘层下方的具有低导热系数材料的阻热层，所述阻热层与所述绝缘层之间或所述阻热层内部设置加热装置。
优选的，所述阻热层包括第一阻热层和第二阻热层，所述第一阻热层和所述第二阻热层之间设置黏结层。
进一步的，本发明还公开了一种制作静电卡盘的方法，包括下列步骤：在内部设置有直流电极的绝缘层背面热喷涂第一阻热层，在喷涂过程中，将加热装置设置在所述阻热层内部；在一基座上表面热喷涂第二阻热层；在所述第一阻热层下表面或者第二阻热层上表面设置一黏结层，所述黏结层将第一阻热层和第二阻热层黏结固定，将所述静电卡盘固定到所述基座上。
优选的，所述阻热层材料的热传导系数小于等于10W/m.K。
优选的，所述阻热层的材料为氧化铝或者氧化钇或氧化铝和氧化钇的混合物。
优选的，所述第一阻热层和所述第二阻热层的材料为相同或不相同。
本发明的优点在于：本发明公开了一种静电卡盘，其制作方法及其应用的等离子体处理装置，所述静电卡盘包括绝缘层和位于绝缘层下方的阻热层。通过选择热传导系数较小的材料作为阻热层，设置在加热装置和基座之间，能够有效降低加热装置产生的热量向基座传导的速率，便于在静电卡盘和基座之间形成较大的温度梯度，维持静电卡盘上方基片的正常等离子体处理工艺，考虑到热喷涂工艺制作的阻热层厚度较小，可以分别在绝缘层下方和基座上方热喷涂两层阻热层，利用黏结层黏结固定，更好地提高了静电卡盘和基座之间的温度梯度。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
如下附图构成了本说明书的一部分，和说明书一起列举了不同的实施例，以解释和阐明本发明的宗旨。以下附图并没有描绘出具体实施例的所有技术特征，也没有描绘出部件的实际大小和真实比例。
图1示出本发明所述等离子体处理装置的结构示意图；
图2示出本发明所述静电卡盘的结构示意图；
图3示出另一实施例的静电卡盘结构示意图。
具体实施方式
本发明公开了一种等离子体处理装置及静电卡盘和静电卡盘的制作方法，为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
本发明所述的技术方案适用于电容耦合型等离子体处理装置或电感耦合型等离子体处理装置，以及其他使用静电卡盘加热待处理基片温度的等离子体处理装置。示例性的，图1示出本发明所述等离子体反应室结构示意图；所述等离子体反应室为电容耦合型等离子体反应室，本领域技术人员通过本发明揭示的技术方案不经过创造性的劳动做出的变形均属于本发明的保护范围。
图1示出电容耦合型等离子体反应室结构示意图，包括一大致为圆柱形的真空反应腔100，真空反应腔100内设置上下对应的上电极150和下电极110，上电极150连接气体供应装置130，上电极150同时作为反应气体均匀进入等离子体反应腔的气体分布板；下电极110连接射频功率源170，其上方支撑静电卡盘120，静电卡盘120用于支撑基片140。本实施例所述等离子体反应室的工作原理为，上电极150和下电极110在射频功率的作用下对注入等离子体反应腔100的气体进行解离，生成等离子体160，等离子体160对基片140进行物理轰击或化学反应，实现对基片140的加工处理。反应后的副产物和未用尽的气体通过抽气泵180排出等离子体反应腔100。
图2示出本发明所述静电卡盘的结构示意图，如图2所示，静电卡盘120设于基座110上方，用于承载基片140。静电卡盘120包括绝缘层121，绝缘层内部设置有直流电极125，直流电极连接直流电源（图中未示出），直流电源作用于直流电极125在静电卡盘120表面产生静电吸力，用于固定基片140。绝缘层121下方设置一阻热层122，阻热层材料的热传导系数较低。阻热层122和绝缘层121之间或者阻热层122内部设置加热装置126，本实施例选择将加热装置126设置于阻热层122内部，其也可以紧贴绝缘层121下表面设置。加热装置通常为加热丝，用于对静电卡盘120进行加热，通过静电卡盘120将热量传导到基片140。由于阻热层122材料的热传导系数较小，为了保证加热装置126产生的热量能尽快传递到基片140，加热装置126可以设置在阻热层122和绝缘层121之间，如果设置在阻热层122内部，可以设置在靠近阻热层122上方的位置。阻热层122与基座上表面接触，保证静电卡盘120坐落在基座110上方。
根据上文描述可知，静电卡盘120在固定支撑基片140进行等离子体刻蚀的同时还对基片140进行加热，使其达到目标温度，确保等离子体与基片反应的效率。为了避免加热装置导致的静电卡盘温度持续上升，还需要设计能降低静电卡盘温度的装置，以实现静电卡盘120的温度升降可调。目前常用的降温装置通常设置在基座内部，如在基座110中设有冷却液流道115，其通常用于注入冷却液对静电卡盘进行冷却。现有技术中加热装置通常设置在具有良好导热材料的内部，加热装置产生的热量可以通过导热材料快速的传递到基片上，使基片达到所需的温度，与等离子体进行反应。但导热材料在将热量向上快速传递到基片的同时，也会将热量迅速的传递到基座的冷却液通道115处，使得加热装置126产生的热量过多的流失，加热装置126无法和冷却液通道115之间保持所需的温度梯度。
基于上述原因，本发明图2中的静电卡盘120与基座110之间采用热传导系数较低的阻热层材料，能延缓热量向基座传导的速率。根据热传导公式Q=K*△T/d。其中Q为单位面积的热量，单位面积的热量Q可以通过加热装置126的加热功率与静电卡盘120的面积之比计算得出；K为材料层的热传导系数，△T为温度梯度，即加热装置126与冷却液通道115之间的温度差；d为导热距离。本发明所述的阻热层122材料可以为氧化铝或氧化钇或氧化铝和氧化钇的混合物，氧化铝的热传导系数为3.55W/m.K，氧化钇的热传导系数小于2W/m.K，相比现有技术中的钛合金导热层，热传导系数约为20W/m.K，铝合金导热层，热传导系数约为170W/m.K，本发明的阻热层可以有效的延缓加热装置产生的热量向基座传导的速度。保证静电卡盘和基座之间存在比较大的温度梯度。
阻热层122的厚度也是决定静电卡盘120和基座110之间温度梯度的一个重要因素，由于本发明的阻热层为将氧化铝或者氧化钇或其混合物热喷涂到绝缘层背面，受限于目前热喷涂工艺的限制，氧化铝或氧化钇阻热层厚度只能制作的较小，通常小于1毫米，对于需要温度梯度较大的等离子体处理装置，不能满足其需求。为此，可以设置在静电卡盘的绝缘层和基座之间设置两层阻热层的方式，增大组热层122的厚度。
如图3所示，所述阻热层122包括第一阻热层1221和第二阻热层1222，第一阻热层1221热喷涂到绝缘层121背面，热喷涂过程中，将加热装置126设置在第一阻热层1221内部。在基座110上表面热喷涂第二阻热层1222，第二阻热层1222的材料可以与第一阻热层材料相同，也可以不相同，在第一阻热层1221下表面或者第二阻热层1222上表面设置一层黏结层1223，黏结层1223可以将第一阻热层1221和第二阻热层1222黏结到一起，实现阻热层122厚度的增加，黏结层1223的材料可以为硅胶或者特氟龙膜，由于硅胶和特氟龙的热传导系数较小，可以有效的阻碍热量的传导，帮助静电卡盘120和基座110之间形成较大的温度梯度。同时，在热喷涂阻热层122时，在氧化钇或者氧化铝中添加其他热传导系数较小的材料也可以降低整个阻热层的热传导系数，实现静电卡盘和基座之间较高的温度梯度。
本发明采用在加热装置和基座之间设置至少一层热传导系数较小的阻热层，能够降低加热装置产生的热量向基座传导的速率，便于在静电卡盘和基座之间形成较大的温度梯度，维持静电卡盘上方基片的正常等离子体处理工艺，优选阻热层材料热传导系数小于10W/m.K。此外，本发明还公开了一种利用上述方案设计的静电卡盘和静电卡盘的制作方法，具体详见上文描述，此处不再赘述。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (11)

1.一种等离子体处理装置，包括一真空反应腔，所述真空反应腔下方设置一支撑基片的静电卡盘，所述静电卡盘下方设置一基座，其特征在于：所述静电卡盘包括内部设置有直流电极的绝缘层，所述绝缘层下方设置具有低导热系数材料的阻热层，所述阻热层材料的导热系数小于等于10W/m.K。
2.根据权利要求1所述等离子体处理装置，其特征在于：所述静电卡盘还包括加热装置，所述加热装置位于所述阻热层与所述绝缘层之间或位于所述阻热层内部。
3.根据权利要求1所述等离子体处理装置，其特征在于：所述阻热层的材料为氧化铝或氧化钇或氧化铝和氧化钇的混合物。
4.根据权利要求1所述等离子体处理装置，其特征在于：所述阻热层包括第一阻热层和第二阻热层，所述第一阻热层和第二阻热层之间设置黏结层。
5.根据权利要求4所述等离子体处理装置，其特征在于：所述第一阻热层和所述第二阻热层材料为相同或不相同。
6.一种静电卡盘，所述静电卡盘位于一基座上方，其特征在于，所述静电卡盘包括内部设置有直流电极的绝缘层和位于绝缘层下方的具有低导热系数材料的阻热层，所述阻热层与所述绝缘层之间或所述阻热层内部设置加热装置。
7.根据权利要求6所述等离子体处理装置，其特征在于：所述阻热层包括第一阻热层和第二阻热层，所述第一阻热层和所述第二阻热层之间设置黏结层。
8.一种制作静电卡盘的方法，其特征在于：包括下列步骤：在内部设置有直流电极的绝缘层背面热喷涂第一阻热层，在喷涂过程中，将加热装置设置在所述阻热层内部；在一基座上表面热喷涂第二阻热层；在所述第一阻热层下表面或者第二阻热层上表面设置一黏结层，所述黏结层将第一阻热层和第二阻热层黏结固定，将所述静电卡盘固定到所述基座上。
9.根据权利要求8所述的制作静电卡盘的方法，其特征在于：所述第一阻热层和第二阻热层材料的热传导系数小于等于10W/m.K。
10.根据权利要求8所述的制作静电卡盘的方法，其特征在于：所述第一阻热层和第二阻热层材料为氧化铝或者氧化钇或氧化铝和氧化钇的混合物。
11.根据权利要求8所述的制作静电卡盘的方法，其特征在于：所述第一阻热层和所述第二阻热层的材料为相同或不相同。
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