CN104878363B - 机械卡盘及等离子体加工设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的机械卡盘及等离子体加工设备，其包括基座和固定组件，该固定组件包括由下而上依次叠置的卡环、绝缘环和隔离环，其中，卡环用于在进行工艺时压住置于基座上的被加工工件的边缘区域，以将其固定在基座上；隔离环在卡环上表面上的投影与卡环上表面重合；绝缘环用于使卡环与隔离环电绝缘，并且绝缘环的内周壁与卡环上表面和隔离环下表面的位于该内周壁内侧的部分形成第一凹槽，绝缘环的外周壁与卡环上表面和隔离环下表面的位于该外周壁外侧的部分形成第二凹槽，用以防止等离子体沉积到绝缘环的表面上。本发明提供的机械卡盘，其可以在不提高射频功率的前提下，提高在被加工工件上表面上形成的负偏压，从而可以提高射频效率。
Description
技术领域
本发明涉及微电子加工技术领域，具体地，涉及一种机械卡盘及
等离子体加工设备。
背景技术
在集成电路的制造过程中，通常采用物理气相沉积（Physical VaporDeposition，以下简称PVD）技术进行在晶片上沉积金属层等材料的沉积工艺。随着硅通孔（Through Silicon Via，以下简称TSV）技术的广泛应用，PVD技术主要被应用于在硅通孔内沉积阻挡层和铜籽晶层。
目前，PVD技术主要采用静电卡盘固定晶片，但是在进行硅通孔的沉积工艺时，由于沉积在硅通孔中的薄膜厚度较大，薄膜应力较大，导致静电卡盘无法对晶片进行静电吸附；而且，在后续的后道封装工艺中，晶片的厚度被减薄，且在其底部粘结有玻璃基底，静电卡盘无法对具有玻璃基底的晶片进行静电吸附，在这种情况下，就需要采用机械卡盘代替静电卡盘固定晶片。
图1为现有的PVD设备的剖视图。如图1所示，PVD设备包括反应腔室10，在反应腔室10内的顶部设置有靶材14，其与直流电源（图中未示出）电连接；在反应腔室10内，且位于靶材14的下方设置有机械卡盘，机械卡盘包括基座11和卡环13，其中，基座11用于承载晶片12，且与射频电源15连接；卡环13用于在进行工艺时压住置于基座11上的晶片12的边缘区域，以将晶片12固定在基座11上。在进行PVD工艺的过程中，直流电源向靶材14施加负偏压，以激发反应腔室10内的工艺气体形成等离子体，并吸引等离子体中的高能离子轰击靶材14，以使靶材14表面的金属原子逸出并沉积在晶片12上；与此同时，射频电源15向基座11施加射频功率，以在晶片12上表面上形成的负偏压，这可以吸引被溅射出的金属原子沉积至硅通孔中，从而实现对硅通孔的填充。
在实际应用中，等离子体受负偏压的控制程度通常由射频效率（Resputter Rate）来衡量，即，加载射频功率时的薄膜电阻平均值与不加载射频功率时的薄膜电阻平均值的比值，该比值越大（通常需要大于1），则意味着等离子体可以更垂直地轰击晶片表面，从而可以实现对高深宽比（大于6:1）的硅通孔进行填充。
通过实验发现，分别向机械卡盘与静电卡盘加载600W的射频功率，静电卡盘的射频效率为1.18，而机械卡盘的射频效率只有0.88。出现这种情况的原因在于：在相同的工艺时间和射频功率的前提下，负偏压的大小取决于电容面积的大小，即：电容面积越小，则负偏压越大；反之，则越小。所谓电容面积，是指与射频电源导通的一个或多个元件与地之间形成了一个中间容纳有等离子体的电容，该元件的暴露在等离子体中的表面面积即为电容面积。对于静电卡盘而言，其电容面积为晶片上表面面积；而对于机械卡盘而言，由于为了防止在射频电源15向基座11加载射频功率时发生打火现象，需要基座11、晶片12和卡环13彼此导通，以使三者的电位相等，这使得基座11、晶片12和卡环13均具有射频电压，从而机械卡盘的电容面积为晶片12的上表面面积与卡环13的上表面面积之和。
由于卡环13的上表面面积与晶片12的上表面面积相当（以300mm的PVD设备为例，晶片12的上表面面积为0.071m2；卡环13的上表面面积为0.055m2），因而与静电卡盘相比，机械卡盘的电容面积增加了近一倍，从而降低了在晶片12上表面上形成的负偏压，进而降低了射频效率。虽然可以通过增大射频功率的方式提高负偏压，但是射频功率的提高不仅会增加使用成本，而且还会导致反应腔室和晶片的温度的提高，从而给反应腔室的使用寿命以及工艺质量带来不良影响。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种机械卡盘及等离子体加工设备，其可以在不提高射频功率的前提下，提高在被加工工件上表面上形成的负偏压，从而可以提高射频效率。
为实现本发明的目的而提供一种机械卡盘，其包括用于承载被加工工件的基座，所述机械卡盘还包括固定组件，所述固定组件包括由下而上依次叠置的卡环、绝缘环和隔离环，其中所述卡环用于在进行工艺时压住置于所述基座上的被加工工件的边缘区域，以将其固定在所述基座上；所述隔离环在所述卡环上表面上的投影与所述卡环上表面重合；所述绝缘环用于使所述卡环与隔离环电绝缘，并且所述绝缘环的内周壁与所述卡环上表面和隔离环下表面的位于该内周壁内侧的部分形成第一凹槽，所述绝缘环的外周壁与所述卡环上表面和隔离环下表面的位于该外周壁外侧的部分形成第二凹槽，用以防止等离子体沉积到所述绝缘环的表面上。
优选的，所述第一凹槽和第二凹槽各自的槽深与槽宽之比大于7:1。
优选的，所述第第一凹槽和第二凹槽各自的槽宽小于3mm。
优选的，在垂直于所述卡环上表面的方向上，所述绝缘环的高度与所述隔离环的高度之和不大于8mm。
优选的，所述绝缘环的材料包括陶瓷或石英。
优选的，所述绝缘环是通过将绝缘材料镀于所述卡环上表面上而形成。
优选的，所述隔离环的材料包括金属或者绝缘材料。
优选的，所述固定组件还包括绝缘螺钉，用以将所述卡环、绝缘环和隔离环固定在一起。
作为另一个技术方案，本发明还提供一种等离子体加工设备，包括反应腔室，在所述反应腔室内设置有机械卡盘，用以承载被加工工件，所述机械卡盘采用了本发明提供的上述机械卡盘。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的机械卡盘，其借助固定组件将被加工工件固定在基座上，该固定组件具有多层结构，具体包括由下而上依次叠置的卡环、绝缘环和隔离环，其中，卡环用于在进行工艺时压住置于基座上的被加工工件的边缘区域，以将其固定在基座上；隔离环在卡环上表面上的投影与卡环上表面重合；绝缘环用于使卡环与隔离环电绝缘。由于绝缘环使卡环与隔离环电绝缘，这使得隔离环的电压悬浮，即，当射频电源向基座施加射频功率，以在被加工工件上表面上形成负偏压时，隔离环不具有射频电压，并且由于隔离环在卡环上表面上的投影与卡环上表面重合，这使得卡环的整个上表面因被隔离环遮挡而不再属于电容面积，即，本发明提供的机械卡盘的电容面积仅为被加工工件的上表面面积，从而可以在不提高射频功率的前提下，提高在被加工工件上表面上形成的负偏压，进而可以提高射频效率。
此外，通过在绝缘环的内周壁与卡环上表面和隔离环下表面的位于该内周壁内侧的部分形成第一凹槽，绝缘环的外周壁与卡环上表面和隔离环下表面的位于该外周壁外侧的部分形成第二凹槽，可以防止等离子体沉积到绝缘环的表面上，从而可以避免因金属沉积物沉积到绝缘环上而造成隔离环与卡环导通，进而使隔离环与卡环在整个工艺过程中始终处于电绝缘状态。
本发明提供的等离子体加工设备，其通过采用本发明提供的上述机械卡盘，可以在不提高射频功率的前提下，提高在被加工工件上表面上形成的负偏压，从而可以提高射频效率。
附图说明
图1为现有的PVD设备的剖视图；
图2A为本发明实施例提供的机械卡盘的固定组件的局部剖视图；
图2B为本发明实施例提供的机械卡盘的固定组件的俯视图；以及
图3为本发明实施例提供的等离子体加工设备的剖视图。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明提供的机械卡盘及等离子体加工设备进行详细描述。
图2A为本发明实施例提供的机械卡盘的固定组件的局部剖视图。图2B为本发明实施例提供的机械卡盘的固定组件的俯视图。请一并参阅图2A和图2B，机械卡盘包括用于承载被加工工件25的基座（图中未示出），以及固定组件20，固定组件20具有多层结构，具体包括由下而上依次叠置的卡环21、绝缘环23和隔离环22，其中，卡环21用于在进行工艺时压住置于基座上的被加工工件25的边缘区域，以将其固定在基座上，如图2B所示；隔离环22可以采用金属或者绝缘材料等的材料，并且在卡环21上表面上的投影与卡环21上表面重合；绝缘环23用于使卡环21与隔离环22电绝缘，绝缘环23的材料包括陶瓷或石英。在实际应用中，绝缘环可以为设置在卡环上表面上的绝缘层，例如，绝缘环可以通过将绝缘材料镀于卡环上表面上而形成。
此外，固定组件20还包括绝缘螺钉24，用以将卡环21、绝缘环23和隔离环22固定在一起。
由于绝缘环23使卡环21与隔离环22电绝缘，这使得隔离环22的电压悬浮，即，当射频电源向基座施加射频功率，以在被加工工件25上表面上形成负偏压时，隔离环22不具有射频电压，并且由于隔离环22在卡环21上表面上的投影与卡环21上表面重合，这使得卡环21的整个上表面（如图2B所示）因被隔离环22遮挡而不再属于电容面积，即，本实施例提供的机械卡盘的电容面积被缩小为被加工工件25的上表面面积，从而可以在不提高射频功率的前提下，提高在被加工工件25上表面上形成的负偏压，进而可以提高射频效率。
另外，绝缘环23的内周壁与卡环21上表面和隔离环22下表面的位于该内周壁内侧的部分形成第一凹槽26，绝缘环23的外周壁与卡环21上表面和隔离环22下表面的位于该外周壁外侧的部分形成第二凹槽27，换言之，在卡环21上的径向上，绝缘环23的长度小于卡环21的长度，并且绝缘环23设置在卡环21与隔离环22之间的靠近中部的位置处，从而绝缘环23的内周壁和外周壁分别相对于卡环21和隔离环22的内周壁和外周壁（二者相平齐）向内凹陷形成环状的深槽结构。借助第一凹槽26和第二凹槽27，可以防止等离子体沉积到绝缘环23的表面上，从而可以避免因金属沉积物沉积到绝缘环23上而造成隔离环22与卡环21导通，进而使隔离环22与卡环21在整个工艺过程中始终处于电绝缘状态。
容易理解，第一凹槽26和第二凹槽27的槽深L与槽宽H之比越大，则金属沉积物越难沉积到绝缘环23上，优选地，第一凹槽26和第二凹槽27的槽深L与槽宽H之比大于7:1。
此外，由工艺气体激发形成的等离子体在扩散过程中很容易沉积到绝缘环23上，在这种情况下，还需要根据等离子体的平均自由程调整第一凹槽26和第二凹槽27的槽宽H（槽宽H越小，金属沉积物越难沉积到绝缘环23上），优选地，第一凹槽26和第二凹槽27各自的槽宽小于3mm，这适用于等离子体的平均自由程在3.3mm左右的情况。
需要说明的是，在实际应用中，在垂直于卡环上表面的方向上，绝缘环的高度与隔离环的高度之和应不大于8mm，以避免因绝缘环与隔离环产生的阴影效应而造成等离子体无法到达被加工工件上表面的边缘区域，从而给工艺的均匀性带来不良影响。
作为另一个技术方案，图3为本发明实施例提供的等离子体加工设备的剖视图。请参阅图3，本发明还提供一种等离子体加工设备，包括反应腔室30，在反应腔室30内的顶部设置有靶材31，其与直流电源（图中未示出）电连接；在反应腔室30内，且位于靶材31的下方设置有机械卡盘，机械卡盘包括基座32和卡环组件20，其中，基座32用于承载被加工工件25，且与射频电源（图中未示出）连接；卡环组件20采用了本实施例提供上述卡环组件，用以将被加工工件25固定在基座32上。在进行PVD工艺的过程中，直流电源向靶材31施加负偏压，以激发反应腔室30内的工艺气体形成等离子体，并吸引等离子体中的高能离子轰击靶材31，以使靶材31表面的金属原子逸出并沉积在被加工工件25上；与此同时，射频电源向基座31施加射频功率，以在被加工工件25上表面上形成的负偏压，这可以吸引被溅射出的金属原子沉积至硅通孔中，从而实现对硅通孔的填充。
本发明实施例提供的等离子体加工设备，其通过采用本实施例提供的上述机械卡盘，可以在不提高射频功率的前提下，提高在被加工工件上表面上形成的负偏压，从而可以提高射频效率。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种机械卡盘，其包括用于承载被加工工件的基座，其特征在于，所述机械卡盘还包括固定组件，所述固定组件包括由下而上依次叠置的卡环、绝缘环和隔离环，其中
所述卡环用于在进行工艺时压住置于所述基座上的被加工工件的边缘区域，以将其固定在所述基座上；
所述隔离环在所述卡环上表面上的投影与所述卡环上表面重合；
所述绝缘环用于使所述卡环与隔离环电绝缘，并且所述绝缘环的内周壁与所述卡环上表面和隔离环下表面的位于该内周壁内侧的部分形成第一凹槽，所述绝缘环的外周壁与所述卡环上表面和隔离环下表面的位于该外周壁外侧的部分形成第二凹槽，用以防止等离子体沉积到所述绝缘环的表面上。
2.根据权利要求1所述的机械卡盘，其特征在于，所述第一凹槽和第二凹槽各自的槽深与槽宽之比大于7:1。
3.根据权利要求1或2所述的机械卡盘，其特征在于，所述第一凹槽和第二凹槽各自的槽宽小于3mm。
4.根据权利要求1所述的机械卡盘，其特征在于，在垂直于所述卡环上表面的方向上，所述绝缘环的高度与所述隔离环的高度之和不大于8mm。
5.根据权利要求1所述的机械卡盘，其特征在于，所述绝缘环的材料包括陶瓷或石英。
6.根据权利要求1所述的机械卡盘，其特征在于，所述绝缘环是通过将绝缘材料镀于所述卡环上表面上而形成。
7.根据权利要求1所述的机械卡盘，其特征在于，所述隔离环的材料包括金属或者绝缘材料。
8.根据权利要求1所述的机械卡盘，其特征在于，所述固定组件还包括绝缘螺钉，用以将所述卡环、绝缘环和隔离环固定在一起。
9.一种等离子体加工设备，包括反应腔室，在所述反应腔室内设置有机械卡盘，用以承载被加工工件，其特征在于，所述机械卡盘采用权利要求1-8任意一项所述的机械卡盘。
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