CN105448631A - 一种基片安装平台和一种等离子处理装置及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基片安装平台和一种等离子处理装置及其运行方法，一种等离子处理装置，包括：一反应腔，反应腔内下方包括：导电基座、静电夹盘、托盘、基片；其中静电夹盘固定在所述导电基座上，托盘放置在所述静电夹盘上，基片固定在所述托盘内，所述托盘包括一平板部和一向上凸起部，其中平板部上表面直径大于所述基片，所述凸起部环绕所述平板部和位于平板部上的基片，所述静电夹盘直径大于所述基片的直径且小于等于托盘的直径。

Description

一种基片安装平台和一种等离子处理装置及其运行方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种等离子处理装置内的基片支撑盘及其运行方法。

背景技术

如图1所示，等离子处理装置包括一个反应腔10，反应腔内包括一个基座33，基座内包括下电极。基座上方包括静电夹盘34，待处理的基片30设置在静电夹盘上，一个聚焦环36围绕在静电夹盘周围。一个具有较低频率(如2Mhz～400Khz)的射频电源35通过一个匹配器连接到基座内的下电极33。反应腔顶部还包括一个气体分布装置40，如气体喷淋头、或者将反应气体通入反应腔的喷管。气体分布装置通过分流装置或者开关阀门连接到一个气源20。气体喷淋头可以作为上电极与基座33内的下电极配合构成电容，至少一个高频射频电源连接到电容至少一端以产生电容耦合(CCP)等离子体。也可以在反应腔顶部上方安装感应线圈，感应线圈连接到高频射频电源(大于13Mhz)，产生的高频电磁场穿过反应腔顶部的绝缘窗进入基片上方的空间，使反应气体电离产生等离子体。反应腔外产生的等离子体反应气体(Remoteplasma)被通入反应腔也可以用来进行部分加工流程的处理。基片30被下方的静电夹盘固定在基座上，其中静电夹盘内包括至少一个直流电极，该直流电极连接到一个直流电源，直流电极上的高压直流电压(700-3000V)可以在基片上感应产生电荷，基片上的电荷与静电夹盘的电极相互静电吸引使基片被牢牢固定在静电夹盘上。

图2所示为基座内的具体结构，基座33内包括通有冷却液的冷却管道330，基座33向外伸展部分上方还有一个隔离环32，聚焦环36围绕基片30并固定在隔离环32上方。冷却气体源37(典型的如氦气)通过冷却气体管道通入静电夹盘34和基片之间的空间，通过冷却气体的流动带走基片上的热量。

如图2所示，现有技术中聚焦环36一般没有主动冷却功能，在等离子处理时上方的等离子会使聚焦环36的温度持续上升，不同时间进行等离子处理的效果会由于聚焦环温度的变化而逐渐变化。而且为了防止静电夹盘被上方的等离子腐蚀所以静电夹盘的尺寸要小于基片，一部分聚焦环会伸入基片30下方，所以在静电夹盘半径以内的基片得到冷却气体的温度控制可以达到比较均一的温度分布，而外围聚焦环36对应上方的基片温度会明显偏高。这样就会在基片边缘上形成明显的温度渐变区域，造成边缘区域周围的基片处理效果与中心区域明显不同。静电夹盘34与聚焦环36之间的间隙会构成一个通道，部分等离子会沿着通道到达基片下方腐蚀静电夹盘侧面和静电夹盘34与基座33之间的有机粘接层31，进而会损坏静电夹盘甚至使其失效。

为了改善空间上整个基片表面的处理均一性和不同时间基片处理的均一性，同时提高静电夹盘的使用寿命，需要找到一种新的基片支撑装置来实现上述目标。

发明内容

本发明解决的问题是找到一种新的基片支撑结构以改善空间上整个基片表面的处理均一性和不同时间基片处理的均一性，同时提高静电夹盘的使用寿命。本发明提出一种用于安装基片的基片安装平台，包括：导电基座，导电基座上方固定有一个静电夹盘，静电夹盘上方包括一个托盘，所述托盘包括一平板部和一向上凸起部，其中平板部上表面包括直径大于等基片的基片安装区域，所述凸起部环绕所述基片安装区域，其中所述静电夹盘直径大于所述基片的直径

其中较佳的，托盘的平板部由绝缘材料制成，凸起部的上表面由半导体材料制成。所述托盘的凸起部可以是主体由绝缘材料制成，并在上表面涂覆有半导体材料薄层，也可以是托盘的凸起部主体由半导体材料制成，通过固定装置固定到绝缘材料制成的平板部上，在实现静电夹持的同时可以调节基片边缘区域的电场分布。

托盘的凸起部还包括一个延伸部向下或者向外周围延伸，以防止等离子扩散到静电夹盘侧面。托盘外围还可以围绕有一个绝缘材料制成的隔离环，所述隔离环固定在所述基座上方。

本发明还提出了一种等离子处理装置，包括：一反应腔，反应腔内包括前述导电基座、静电夹盘、托盘等部件的安装平台，还包括反应气体供应装置和等离子发生装置，所述等离子发生装置用于激励反应气体，使反应气体产生等离子体对利用等离子体对基片进行处理。本发明基座内还包括多个抬升顶针被驱动装置驱动可以上下移动。本发明等离子处理装置还可以包括一种特制多功能抬升顶针，所述多功能抬升顶针的顶端能穿过托盘对应位置开设的通孔以顶起托盘上方的基片，所述抬升顶针顶端下方还包括一扩展部能顶起开设有所述通孔的托盘。在采用多功能抬升顶针时可以实现本发明等离子处理装置的运行方法，其特征在于包括步骤：A.放入待处理基片到所述托盘进行等离子处理；B.驱动所述驱动装置使抬升顶针抬升至第一高度，所述基片被顶起；C.机械臂伸入基片与托盘之间的空间移除所述基片；多次循环进行所述步骤A-C后，驱动所述驱动装置使抬升顶针抬升至第二高度，其中第二高度大于第一高度以顶起所述托盘，所述机械臂伸入托盘和静电夹盘之间的空间移除所述托盘。

本发明等离子处理装置采用传统的抬升顶针可以实现等离子处理装置的另一种运行方法，其特征在于包括步骤：放置待处理基片到一个托盘；通过机械臂将承载有基片托盘放入等离子处理装置内的静电夹盘固定，进行等离子处理；完成等离子处理后抬升所述抬升顶针顶起所述承载有基片的托盘；机械臂伸入所述托盘和静电夹盘之间的空间移除所述托盘。

附图说明

图1是现有技术等离子处理装置的结构示意图；

图2是现有技术基座结构示意图；

图3是本发明基座结构示意图；

图4a是本发明基座在基片移出时的示意图；

图4b是本发明抬升顶针抬升基片和托盘的示意图；

图5是本发明基座第二实施例示意图；

图6是本发明托盘边缘区域组合结构示意图。

具体实施方式

本发明要解决基片在等离子处理过程中不同区域温度的不均匀，同时要防止基片背面静电夹盘34的侧壁被腐蚀，提出用一个新的托盘放置在静电夹盘上用大尺寸的静电夹盘对托盘进行温度控制。如图3所示为本发明第一实施例，基座133上方包括粘接层131，粘接层131上方包括静电夹盘134，静电夹盘上方固定有本发明的托盘136。本发明托盘136包括平板部136a和凸起部136b，其中凸起部136b和平板部136a由绝缘材料如SiO2、Al2O3、AlN等制成，凸起部136b上表面在绝缘材料的主体体材料上还镀有一层半导体材料如Si、SiC等以改善基片边缘区域的电场分布均匀性。凸起部136b和平板部136a整合一体，两者的下表面具有共同的平面放置在静电夹盘上表面上。待处理基片130放置在托盘136的平板部分136a上，托盘的凸起部136b围绕在基片外围，实现现有技术图2中聚焦环36的功能。

本发明中基片130放置在托盘136内，而且托盘的凸起部136b围绕基片130，所以托盘的直径D是大于基片直径(300mm/200mm)的，相应的托盘下方的静电夹盘134的直径也是大于基片的。与图2所示的现有技术相同，本发明静电夹盘134上表面具有冷却气体流通的通路，用于冷却位于静电夹盘134上方的托盘136。托盘136下表面是一个均一的平面所以整个托盘136下表面都能够得到很好的温度控制，包括凸起部136b也能维持在比较稳定的温度。托盘136在整个平板部136a上具有均一的温度，位于平板部136a上方的基片也能获得均一的温度。现有技术中聚焦环36由于暴露于等离子而又没有有效散热机构导致的热量积累也被大尺寸的静电夹盘134有效解决了。

现有技术在基片处理完需要取出时需要用抬升顶针(liftpin)升起基片，然后再由机械手伸入抬升后的基片下方将基片移走，本发明可以在托盘136的平板部136a上开设多个通孔以使抬升顶针穿过这些通孔来实现基片的抬升。本发明也可以是如图4a所示的方式移除基片130，如图4a所示托盘上未开设多个通孔，多个抬升顶针135直接支撑在托盘下表面上将托盘顶起，机械手(图中未示出)伸入托盘下方将托盘连同托盘内的基片一起移出等离子处理装置。

具体抬升的机构可以是如图4b所示的具有不同直径的抬升顶针135，静电夹盘134和托盘136上也具有不同口径的通孔，静电夹盘上通孔的口径大于抬升顶针的直径。图4b中抬升顶针135顶部具有较小直径，可以穿过托盘上对应的通孔支撑基片，使托盘136上方的基片被抬升，随后被伸入托盘和基片之间的机械臂移走；当需要抬升托盘136时可以增加抬升顶针135的抬升距离，使顶针下方具有较大直径的部分穿过静电夹盘上的通孔与托盘136下表面通孔周围的的区域相接触并实现对托盘136的抬升。采用如图4b所示的抬升结构后可以根据需要选择处理完基片后只移走基片而不移除托盘或者单独移除托盘。本发明在完成多次等离子处理后，托盘被腐蚀需要维护时可以利用现有机械臂简单的移除待维护托盘放入新的托盘136。本发明托盘的材料为绝缘材料而且厚度可以达到1mm或以上，其强度足以被抬升顶针顶起而不会造成托盘底部破裂。现有技术中聚焦环36由于直接暴露于等离子体，所以在运行一段时间后期表明材料会被严重腐蚀，需要被替换或修复，但是这些替换或修复成本很高，需要停机并打开反应器10的顶盖。修复或替换完成后还需要测试和调整使得各项参数是与反应腔打开前相同，所以现有技术的聚焦环必须付很高的出时间成本和材料成本。采用本发明方法可以移出托盘，所以托盘上起聚焦环作用的凸起部136b可以一同被机械手移出反应腔，不需要打开反应器顶盖。在反应腔外可以进行修补，将被等离子腐蚀掉的半导体材料如Si、SiC等重新沉积一层，达到要求的厚度后可以再次放入反应腔进行使用。

本发明托盘也可以是多个部件组合而成的，比如图6所示的托盘平板部136a’为一个单独部件，包括一个下表面与静电夹盘上表面平整接触，以及一个容纳基片的安装区域上表面，在136a’安装区域外围还包括一个向上凸起是固定环1361。一个单独的凸起环136b’包括与图3中136b相同的上表面，以及一个带有凹槽1360的下表面，凸起环136b’通过下表面的凹槽1360与所述托盘平板部136a’上的固定环1361相互卡固构成本发明的托盘136’。其中托盘136a’是有绝缘材料构成的，以保证静电夹盘对基片的吸附作用，凸起环136b’可以是有半导体材料构成的以调节基片外周围区域的电场分布。本发明托盘也可以是其它多种结构的的数个部件组合而成。

由于本发明在静电夹盘电极和基片之间多了一层绝缘材料制成的托盘平板部136a，所以在静电夹持过程中也需要更大的直流电压才能稳定的夹持处理基片130，现有静电夹持的电压已经达到700-3000V，为了适应本发明结构的机台需要将直流电压的电压提升到1000V-5000V以上，这不会对成本和可靠性造成很大负担，相对因采用本发明结构所改善的均一性来说效益仍然明显。

本发明采用整合的托盘使得等离子体不会从凸起部136b与基片之间的缝隙向下扩散腐蚀静电夹盘，相对现有技术提高了静电夹盘的使用寿命。托盘136的外侧没有进一步覆盖静电夹盘的侧面，所以仍可能有等离子向下扩散并破坏静电夹134盘或者静电夹盘134和基座133之间的粘接层131。为防止静电夹盘外侧壁被腐蚀可以进一步改进本发明提出第二实施例。如图5所示为本发明第二实施例，基本结构与图3所示的第一实施例相同，主要的区别是在托盘的凸起部236外围还包括一个向下的延展部236c。通过延展不236c的设置可以遮盖容易被腐蚀的静电夹盘234的侧壁或者静电夹盘下方的粘接材料层231。延展部236c也可以是向外延伸的，与固定在基座233向外伸展部分上方的绝缘材料制成的隔离环配合，遮挡等离子流入的路径，其中隔离环的位置与材料与现有技术中隔离环类似。

本发明的托盘136的平板部分136a其直径略大于基片直径，在利用机械臂放置基片到托盘时不会由于微小的位置误差使基片无法平放在平板部分136a上。其中静电夹盘的直径小于等于所述托盘的外径，也就是托盘延展部136b外侧壁的直径，这样可以防止等离子穿过托盘腐蚀下方的静电夹盘。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (11)

1.一种用于安装基片的基片安装平台，包括

导电基座，导电基座上方固定有一个静电夹盘，静电夹盘上方包括一个托盘，所述托盘包括一平板部和一向上凸起部，其中平板部上表面包括直径大于等基片的基片安装区域，所述凸起部环绕所述基片安装区域，其中所述静电夹盘直径大于所述基片的直径。

2.如权利要求1所述的基片安装平台，其特征在于，所述托盘的平板部由绝缘材料制成，凸起部的上表面由半导体材料制成。

3.如权利要求2所述的基片安装平台，其特征在于，所述托盘的凸起部主体由绝缘材料制成，主体上表面涂覆有半导体材料薄层。

4.如权利要求2所述的基片安装平台，其特征在于，所述托盘的凸起部由半导体材料制成，通过固定装置固定到绝缘材料制成的平板部上。

5.如权利要求1所述的基片安装平台，其特征在于，所述托盘的凸起部还包括一个延伸部向下或者向外周围延伸，以防止等离子扩散到静电夹盘侧面。

6.如权利要求1所述的基片安装平台，其特征在于，所述托盘外围还围绕有一个绝缘材料制成的隔离环，所述隔离环固定在所述基座上方。

7.一种等离子处理装置，包括：

一反应腔，反应腔内包括权利要求1所述基片安装平台，还包括反应气体供应装置和等离子发生装置，所述等离子发生装置用于激励反应气体，使反应气体产生等离子体并利用等离子体对基片进行处理。

8.如权利要求7所述的等离子处理装置，其特征在于，所述基座内还包括多个抬升顶针，所述抬升顶针被驱动装置驱动可以上下移动，等离子处理装置还包括机械臂用以移动基片或托盘。

9.如权利要求7所述的等离子处理装置，其特征在于，所述抬升顶针的顶端能穿过托盘上对应位置开设的通孔以顶起托盘上方的基片，所述抬升顶针顶端下方还包括一扩展部能顶起开设有所述通孔的托盘。

10.如权利要求9所述的等离子处理装置的运行方法，其特征在于，包括步骤：

A.放置待处理基片到所述基片安装平台内的托盘上进行等离子处理；

B.驱动所述驱动装置使抬升顶针抬升至第一高度，所述基片被顶起；

C.机械臂伸入基片与托盘之间的空间移除所述基片；

D.多次循环所述步骤A-C；

E.驱动所述驱动装置使抬升顶针抬升至第二高度，其中第二高度大于第一高度以顶起所述托盘，所述机械臂伸入托盘和静电夹盘之间的空间移除所述托盘。

11.如权利要求8所述等离子处理装置的运行方法，其特征在于，包括步骤：

A.放置待处理基片到所述托盘；

B.通过机械臂将承载有基片的托盘放入等离子处理装置内的静电夹盘固定，进行等离子处理；

C.完成等离子处理后抬升所述多个抬升顶针以顶起所述承载有基片的托盘；

D.机械臂伸入所述托盘和静电夹盘之间的空间，移除所述承载有基片的托盘。