CN104934345B - 一种等离子体装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种等离子体装置，用于承载衬底的静电卡盘、聚焦环、绝缘环、加热环和导热件，静电卡盘固定在绝缘环的上表面上，导热件和加热环均采用导热材料制成，加热环套置在静电卡盘的侧壁外侧，且叠置在绝缘环上，在加热环中设置有内嵌加热器，导热件设置在静电卡盘的侧壁外侧且靠近静电卡盘的外侧壁，且导热件与加热环相接触，导热件通过热传导的方式将热量从加热环传导至衬底，以使导热件的热量对衬底的边缘区域进行加热。本发明提供等离子体装置，可以实现对衬底的边缘区域进行加热，因而可以提高衬底的温度均匀性，从而可以提高工艺质量。

Description

一种等离子体装置

技术领域

本发明属于半导体设备制造技术领域，具体涉及一种等离子体装置。

背景技术

半导体加工设备是应用较广泛的加工设备，主要用于完成对基片等衬底进行等离子体刻蚀、物理气相沉积和化学气相沉积等工艺。在半导体加工设备进行工艺的反应腔室内通常设置有静电卡盘，用于承载衬底及加热衬底至工艺所需的温度。

图1为静电卡盘的结构示意图，请参阅图1，静电卡盘10包括由上至下依次叠置的绝缘层1、加热器2、隔热层3和基座4，并且，由上至下依次叠置的绝缘层1、加热器2和隔热层3在基座4上表面上形成一定厚度的加热凸台。其中，绝缘层1通常采用陶瓷材料制成或者陶瓷喷涂的方式制成，在绝缘层1内采用烧结或者喷涂的方式形成直流电极层，其与直流电源电连接，用以采用静电引力的方式将衬底吸附在绝缘层1上表面上；加热器2用于加热位于绝缘层1上表面上的衬底至工艺所需的温度；隔热层3用于防止加热器2产生的热量传导至基座4，且隔热层3和基座4之间采用诸如硅橡胶等高绝热材料制成的粘接件5粘接。

在实际应用中，静电卡盘设置在反应腔室内，图2为静电卡盘在反应腔室内的结构示意图。请参阅图2，包括绝缘环11、基环12和聚焦环13。其中，绝缘环11采用诸如陶瓷等绝缘材料制成，绝缘环11下表面叠置在用于支撑静电卡盘10的支撑体14上表面上，且二者相互固定；基座4下表面的边缘区域叠置在绝缘环11上表面的靠近其环孔的环形区域上，且二者相互固定；基环12套置在基座4的侧壁外侧，且其下表面叠置在绝缘环11上表面上；聚焦环13套置在加热凸台的侧壁外侧，且其下表面分别与基座4上表面和基环12上表面相叠置，基环12和聚焦环13均采用不与反应腔室内的工艺气体发生反应的材料制成，例如，石英材料，用于防止基座4上表面和外侧壁暴露在反应腔室的环境中。

然而，采用静电卡盘10对衬底进行加热在实际应用中不可避免的会存在以下问题：由于加热凸台的直径小于承载至其上表面的衬底的直径，这使得不能对衬底的边缘区域加热，更无法实现对衬底的边缘区域的温度进行控制，从而导致衬底温度均匀性差，尤其是衬底的边缘位置与其中心位置的温度差别较大，进而造成工艺质量差。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题，提供了一种等离子体装置，其可以实现对衬底的边缘区域进行加热，因而可以提高衬底的温度均匀性，从而可以提高工艺质量。

本发明提供一种等离子体装置，包括用于承载衬底的静电卡盘、聚焦环绝缘环、加热环和导热件，所述静电卡盘固定在所述绝缘环的上表面上，所述导热件和所述加热环均采用导热材料制成，其中所述加热环套置在所述静电卡盘的侧壁外侧，且叠置在所述绝缘环上，在所述加热环中设置有内嵌加热器，所述导热件设置在所述静电卡盘的侧壁外侧且靠近所述静电卡盘的外侧壁，且所述导热件与所述加热环相接触，所述导热件通过热传导的方式将热量从所述加热环传导至所述衬底，以使所述导热件的热量对所述衬底的边缘区域进行加热。

其中，在所述加热环内还设置有温度传感器，用于检测所述加热环的温度，根据检测的所述加热环的温度对所述衬底边缘区域的温度进行控制。

其中，所述温度传感器包括光纤测温传感器。

其中，所述聚焦环套置在所述导热件的侧壁外侧，且所述聚焦环叠置在所述加热环上，并且所述聚焦环采用不与所述等离子体装置所在的反应腔室内的工艺气体发生反应的材料制成。

其中，还包括基环，所述基环套置在所述静电卡盘的侧壁外侧，且所述基环叠置在所述绝缘环上，所述加热环叠置在所述基环上，并且所述基环采用不与所述等离子体装置所在的反应腔室内的工艺气体发生反应的材料制成。

其中，所述基环与所述加热环为整体结构，且二者采用导热且不与所述反应腔室内的工艺气体发生反应的材料制成。

其中，所述导热且不与所述反应腔室内的工艺气体发生反应的材料包括三氧化二铝陶瓷材料或者氮化铝陶瓷材料。

其中，所述内嵌加热器采用丝印的方式印刷在所述加热环内。

其中，所述导热件为采用环形结构的导热环，或者所述导热件包括多个沿所述静电卡盘周向间隔且均匀设置的多个子导热件。

其中，所述导热环在其径向上的宽度的范围在3～5mm，或者，每个所述子导热件在所述静电卡盘的径向上的宽度的范围在3～5mm。

本发明具有下述有益效果：

本发明提供的等离子体装置，其借助采用导热材料制成加热环套置在静电卡盘的侧壁外侧，且叠置在绝缘环上，在加热环中设置有内嵌加热器，导热件设置在静电卡盘的侧壁外侧且靠近静电卡盘的外侧壁，且导热件与加热环相接触，导热件通过热传导的方式将热量从加热环传导至衬底，以使导热件的热量对衬底的边缘区域进行加热，这与现有技术相比，可以实现对衬底的边缘区域进行加热，因而可以提高衬底的中心区域和边缘区域的温度的均匀性，从而可以提高衬底的温度均匀性，进而可以提高工艺质量。

附图说明

图1为静电卡盘的结构示意图；

图2为静电卡盘在反应腔室内的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的等离子体装置的第一种结构示意图；

图4为图3中区域I的局部放大图；

图5为发明实施例提供的等离子体装置的第二种结构示意图；以及

图6为发明实施例提供的等离子体装置的第三种结构示意图。

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，下面结合附图对本发明提供的等离子体装置进行详细描述。

图3为本发明实施例提供的等离子体装置的第一种结构示意图。图4为图3中区域I的局部放大图。请一并参阅图3和图4，本实施例提供的等离子体装置包括用于承载衬底的静电卡盘20、绝缘环50、加热环31、导热件32、聚焦环40、支撑体60和基环70。在本实施例中，具体地，静电卡盘20固定在绝缘环50的上表面上，绝缘环50采用绝缘材料制成，例如，绝缘环50采用三氧化二铝陶瓷材料烧结加工而成，静电卡盘20包括基座21和在基座21上表面上形成的加热凸台22，衬底S位于加热凸台22的上表面上，加热凸台22用于对位于其上表面上的衬底S进行加热，加热凸台22与现有技术相同，包括由上至下依次叠置的绝缘层、加热层和隔热层，在此不再具体描述，由于加热凸台22的直径小于衬底S的直径（一般为300mm），也就是说，衬底S的直径小于静电卡盘20上表面的直径，使得衬底S的边缘区域位于静电卡盘20上表面的外侧，因此，加热凸台22仅可以实现对衬底S的中心区域（即，衬底S的与加热凸台22上表面接触的下表面相对应的区域）进行加热。

导热件32和加热环31均采用导热材料制成，优选地，导热材料采用诸如三氧化二铝陶瓷、氮化铝陶瓷等导热性能良好的材料制成，加热环31套置在静电卡盘20的侧壁外侧，且叠置在绝缘环50上，在加热环31中设置有内嵌加热器33，导热件32设置在静电卡盘20的侧壁外侧且靠近静电卡盘20的外侧壁，且导热件32与加热环31相接触，导热件32通过热传导的方式将热量从加热环31传导至衬底S，在本实施例中，具体地，导热件32为采用环形结构的导热环，加热环31套置在加热凸台22的侧壁外侧，且加热环31下表面叠置在基座21上表面上，并且，内嵌加热器33采用丝印的方式印刷在加热环31内；导热环32套置在加热凸台22的侧壁外侧，导热环的下表面叠置在加热环31上表面上，上表面与衬底S的下表面相接触，加热环31内的内嵌加热器33产生的热量经由加热环31热传导至导热环，导热环的热量热传导至衬底S，以实现对衬底S的边缘区域进行加热，这与现有技术相比，可以实现对衬底S的边缘区域进行加热，因而可以提高衬底S的中心区域和边缘区域的温度的均匀性，从而可以提高衬底的温度均匀性，进而工艺质量。

在实际应用中，导热件也可以包括多个沿静电卡盘20的周向间隔且均匀设置的多个子导热件，在这种情况下，具体地，多个子导热件沿加热凸台22的周向间隔且均匀设置，每个子导热件设置在加热凸台22的侧壁外侧且靠近加热凸台22的外侧壁，每个子导热件的下表面叠置在加热环31的上表面上，下表面与衬底S的下表面接触，加热环31内的内嵌加热器33产生的热量经由加热环31热传导至每个子导热件，每个子导热件的热量热传导至衬底S，以实现对衬底S的边缘区域进行加热，并且借助多个子导热件沿加热凸台22的周向间隔且均匀设置，这可以实现对衬底S的边缘区域均匀加热，因而也可以实现衬底S周向上的温度均匀性，从而可以提高工艺质量。

容易理解，由于衬底S承载至加热凸台22的上表面上，且为了提高对衬底S的边缘区域加热的加热效率，即，要保证导热环32或者每个子导热件与衬底S直接接触，因此导热环32或者每个子导热件的上表面与加热凸台22的上表面齐平。并且，由于衬底S的直径相对加热凸台22的直径大，且二者直径相差较小，一般在1～3mm之间，为了实现对衬底S的整个边缘区域加热，且防止导热环或者每个子导热件过多地暴露在反应腔室内，造成导热件32容易被反应腔室内的等离子体或者工艺气体损耗，因此，导热环32在其径向上的宽度H的范围在3～5mm，或者，每个子导热件在加热凸台22（即，静电卡盘20）的径向上的宽度H的范围在3～5mm。

在本实施例中，在加热环31内还设置有温度传感器，用于检测加热环31的温度，根据检测的加热环31的温度对衬底S边缘区域的温度进行控制，因而可以实现对衬底S的边缘区域的温度进行温控，从而可以进一步提高衬底S的边缘区域和中心区域的温度均匀性，进而可以进一步提高工艺质量。优选地，温度传感器包括光纤测温传感器。

其中，聚焦环40套置在环导热件32的侧壁外侧，且聚焦环40叠置在加热环31上，并且聚焦环40采用不与等离子体装置所在的反应腔室内的工艺气体发生反应的材料制成，例如，石英材料，聚焦环40用于对反应腔室内的等离子体或者工艺气体进行调节以及用于防止加热环31的上表面暴露在反应腔室的环境中。优选地，如图4所示，聚焦环40的靠近其环孔的环形区域的上表面与加热凸台22上表面齐平，且聚焦环40的远离其环孔的环形区域的上表面高于加热凸台22上表面，这可以在衬底S在水平方向上滑动时限定衬底S，从而可以提高衬底S的安全系数。

支撑体60用于支撑静电卡盘20；绝缘环50下表面叠置在支撑体60上表面上，且二者相互固定；基座21下表面的边缘区域叠置在绝缘环50上表面的靠近其环孔的环形区域上，且二者相互固定，具体地，基座21与绝缘环50采用真空螺钉固定连接，在实际应用中，绝缘环50和支撑体60以及基座21与绝缘环50可以采用其他的方式固定。

基环70套置在静电卡盘20的基座21的侧壁外侧，且基环70叠置在绝缘环50上，加热环31叠置在基环70上，并且基环70采用不与等离子体装置所在的反应腔室内的工艺气体发生反应的材料制成，例如，石英材料，基环70用于防止静电卡盘20的基座21的外侧壁表面暴露在反应腔室的环境中。其中，基环70与加热环31为分体结构，且由于加热环31的外侧壁也暴露反应腔室的环境中，因此，加热环31采用导热且不与反应腔室内的工艺气体发生反应的材料制成，或者，在加热环31的外侧壁上喷涂保护膜，以防止与反应腔室内的工艺气体发生反应。在实际应用中，基环70与加热环31可以采用整体结构，如图5所示，在这种情况下，二者采用导热且不与反应腔室内的工艺气体发生反应的材料制成，优选地，导热且不与反应腔室内的工艺气体发生反应的材料包括三氧化二铝陶瓷材料或者氮化铝陶瓷材料。

另外，在基座21内还设置有冷媒通道211，借助冷媒气体或者液体经由该冷媒通道211与基座21进行热交换，以对该基座21进行冷却，因而可以对位于静电卡盘20上的衬底S进行冷却，并结合内嵌加热器33对衬底S进行加热，可以实现在工艺过程中根据实际情况调节衬底S的温度。

需要说明的是，在本实施例中，基环70上表面与加热环31的下表面相叠置，但是，本发明并不局限于此，在实际应用中，加热环31的直径可以小于或者等于基座21的直径，可以使得基环70上表面与聚焦环40的下表面相叠置，如图6所示，这可以借助基环70实现对基座21和加热环31的外侧壁进行保护，防止其暴露在反应腔室的环境中造成损伤，在这种情况下，加热环31可以不加热环21采用导热且不与反应腔室内的工艺气体发生反应的材料制成，或者，在加热环21的外侧壁上喷涂保护膜。

还需要说明的是，由于导热环或者每个子导热件会部分暴露在反应腔室的环境内，这使得导热环32或者每个子导热件为消耗件，因此，导热环32或者每个子导热件的结构应该设计简单，以便于对其进行更换。

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，在不脱离本发明的原理和实质的情况下，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 (10)

1.一种等离子体装置，包括用于承载衬底的静电卡盘、聚焦环和绝缘环，所述静电卡盘固定在所述绝缘环的上表面上，其特征在于，还包括加热环和导热件，所述导热件和所述加热环均采用导热材料制成，其中

所述加热环套置在所述静电卡盘的侧壁外侧，且叠置在所述绝缘环上，在所述加热环中设置有内嵌加热器，所述导热件设置在所述静电卡盘的侧壁外侧且靠近所述静电卡盘的外侧壁，且所述导热件与所述加热环相接触，所述导热件通过热传导的方式将热量从所述加热环传导至所述衬底，以使所述导热件的热量对所述衬底的边缘区域进行加热，以提高所述衬底的中心区域和边缘区域的温度的均匀性。

2.根据权利要求1所述的等离子体装置，其特征在于，在所述加热环内还设置有温度传感器，用于检测所述加热环的温度，根据检测的所述加热环的温度对所述衬底边缘区域的温度进行控制。

3.根据权利要求2所述的等离子体装置，其特征在于，所述温度传感器包括光纤测温传感器。

4.根据权利要求1所述的等离子体装置，其特征在于，所述聚焦环套置在所述导热件的侧壁外侧，且所述聚焦环叠置在所述加热环上，并且

所述聚焦环采用不与所述等离子体装置所在的反应腔室内的工艺气体发生反应的材料制成。

5.根据权利要求1或4所述的等离子体装置，其特征在于，还包括基环，所述基环套置在所述静电卡盘的侧壁外侧，且所述基环叠置在所述绝缘环上，所述加热环叠置在所述基环上，并且

所述基环采用不与所述等离子体装置所在的反应腔室内的工艺气体发生反应的材料制成。

6.根据权利要求5所述的等离子体装置，其特征在于，所述基环与所述加热环为整体结构，且二者采用导热且不与所述反应腔室内的工艺气体发生反应的材料制成。

7.根据权利要求6所述的等离子体装置，其特征在于，所述导热且不与所述反应腔室内的工艺气体发生反应的材料包括三氧化二铝陶瓷材料或者氮化铝陶瓷材料。

8.根据权利要求1所述的等离子体装置，其特征在于，所述内嵌加热器采用丝印的方式印刷在所述加热环内。

9.根据权利要求1所述的等离子体装置，其特征在于，所述导热件为采用环形结构的导热环，或者所述导热件包括多个沿所述静电卡盘周向间隔且均匀设置的多个子导热件。

10.根据权利要求9所述的等离子体装置，其特征在于，所述导热环在其径向上的宽度的范围在3～5mm，或者，每个所述子导热件在所述静电卡盘的径向上的宽度的范围在3～5mm。