CN105514016B - 承载装置及半导体加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供的承载装置及半导体加工设备，其包括用于承载被加工工件的基座，该基座包括中心分体和环绕在中心分体外围的边缘分体，二者的上表面形成用于承载被加工工件的承载面；并且边缘分体与中心分体分别采用具有不同热导率的材料制作，以使被加工工件边缘区域和中心区域的温度一致。本发明提供的承载装置，其可以提高被加工工件的温度均匀性，从而可以提高工艺均匀性。

Description

承载装置及半导体加工设备

技术领域

本发明属于半导体设备制造领域，具体涉及一种承载装置及半导体加工设备。

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。典型的PVD技术，例如集成电路铜互连工艺，通常采用静电卡盘固定晶片，但是对于硅通孔的沉积工艺，由于在硅通孔中沉积的薄膜厚度较大，导致静电卡盘无法与晶片静电吸附，而且在进行后道封装工艺时，在减薄后的晶片背面粘结有玻璃基底，此时静电卡盘同样无法与带有玻璃基底的晶片进行静电吸附，因此，对于硅通孔的沉积工艺，通常采用机械卡盘固定晶片。

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13，其与激励电源(图中未示出)电连接，并且在靶材13的上方设置有磁控管14及驱动该磁控管14旋转的驱动源15；在反应腔室10内，且位于靶材13的下方设置有用于承载晶片1的机械卡盘，该机械卡盘包括基座4、卡盘驱动机构16、压环2、内衬3和冷却气路5。其中，基座4设置在反应腔室10内，晶片1置于其承载面上；卡盘驱动机构16设置在基座4的底部，用以驱动基座4上升至工艺位置(如图1中基座4所在的位置)或下降至装卸位置；压环2用于在基座4离开工艺位置时，由固定在反应腔室10的侧壁上的内衬3支撑，而在基座4位于工艺位置时，压环2借助自身重力压住晶片1上表面的边缘区域，以将晶片1固定在基座4的承载面上。冷却气路5设置在基座4内，并且冷却气路5的进气端与冷却气源(图中未示出)连通，冷却气路5的出气端位于基座4的承载面的中心处；而且，在晶片1的下表面与基座4的承载面之间还设置有环形密封件6，用以使晶片1的下表面与基座4的承载面之间形成密封空间。在进行工艺的过程中，由冷却气源提供的冷却气体(氩气或氦气)经由冷却气路5流入该密封空间内，并与晶片1进行热交换，从而实现对晶片1的冷却，以使其始终保持在较低的温度。

上述PVD设备在实际应用中不可避免地存在以下问题：压环2的具体结构如图2所示，压环2在其内侧设置有沿其周向间隔分布的压爪21，在基座4位于工艺位置时，压爪21叠置在晶片1上表面的边缘区域，用以将晶片1固定在基座4上。在这种情况下，由于压环2位于相邻两个压爪21之间的部分没有直接接触到晶片1，导致该部分对气体密封的效果不理想，漏气量较大，从而造成密封空间内靠近晶片1边缘区域的气压低，而靠近晶片1中心区域的气压高，这使得晶片1中心区域的冷却速率高于其边缘区域的冷却速率，从而造成晶片温度分布不均匀。分析某一工艺条件下对晶片测温的结果发现，晶片的中心区域与边缘区域之间的温差可以高达60℃，从而严重影响了工艺结果。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题，提供了一种承载装置及半导体加工设备，其可以提高被加工工件的温度均匀性，从而可以提高工艺均匀性。

为实现本发明的目的而提供一种承载装置，包括用于承载被加工工件的基座，所述基座包括中心分体和环绕在所述中心分体外围的边缘分体，二者的上表面形成用于承载被加工工件的承载面；并且，所述边缘分体与所述中心分体分别采用具有不同热导率的材料制作，以使所述被加工工件边缘区域和中心区域的温度一致。

优选的，所述边缘分体由相互嵌套的多个子边缘分体组成；所述多个子边缘分体分别采用具有不同热导率的材料制作，以使所述被加工工件各个子边缘区域的温度一致；所述子边缘区域为所述被加工工件边缘区域中与各个子边缘分体的上表面一一对应的区域。

优选的，在所述中心分体内设置有中心循环管道，在每个子边缘分体内设置有边缘循环管道；通过分别向所述中心循环管道和各个边缘循环管道内通入不同温度的热交换介质，来分别调节所述被加工工件中心区域和各个子边缘区域的温度。

优选的，所述承载装置还包括中心调节单元和边缘调节单元，其中，所述中心调节单元用于调节通入所述中心循环管道的热交换介质温度；所述边缘调节单元的数量与所述子边缘分体的数量相对应，各个边缘调节单元用于一一对应地调节通入各个边缘循环管道的热交换介质温度。

优选的，在所述中心分体内设置有中心循环管道，在所述边缘分体内设置有边缘循环管道；通过分别向所述中心循环管道和边缘循环管道内通入不同温度的热交换介质，来分别调节所述被加工工件中心区域和边缘区域的温度。

优选的，所述承载装置还包括中心调节单元和边缘调节单元，其中，所述中心调节单元用于调节通入所述中心循环管道的热交换介质温度；所述边缘调节单元用于调节通入所述边缘循环管道的热交换介质温度。

优选的，所述中心分体所采用的材料包括不锈钢、钢或者低合金钢。

优选的，所述边缘分体所采用的材料包括铝、铜、铝合金或者铜合金。

优选的，所述子边缘分体所采用的材料包括铝、铜、铝合金或者铜合金。

优选的，所述边缘分体的热导率大于所述中心分体的热导率，以使所述被加工工件边缘区域和中心区域的冷却速率一致。

优选的，所述多个子边缘分体的热导率均大于所述中心分体的热导率，且所述多个子边缘分体的热导率由内至外依次增大，以使所述被加工工件的所述多个子边缘区域和中心区域的冷却速率一致。

作为另一个技术方案，本发明还提供一种半导体加工设备，包括反应腔室及设置在其内的承载装置，所述承载装置采用了本发明提供的上述承载装置。

优选的，所述半导体加工设备为物理气相沉积设备，且应用于制备钛材料、铜材料或钽材料的薄膜。

本发明具有下述有益效果：

本发明提供的承载装置，其通过将基座分为中心分体和环绕在中心分体外围的边缘分体，且二者分别采用具有不同热导率的材料制作，可以使被加工工件边缘区域和中心区域的温度保持一致，从而可以提高被加工工件的温度均匀性，进而可以提高工艺均匀性。

本发明提供的半导体加工设备，其通过采用本发明提供的上述承载装置，可以提高被加工工件的温度均匀性，从而可以提高工艺均匀性。

附图说明

图1为现有的PVD设备的剖视图；

图2为图1中压环的俯视图；

图3A为本发明实施例一提供的一种承载装置的剖视图；

图3B为本发明实施例一所采用的基座的俯视图；

图3C为本发明实施例一提供的另一种承载装置的剖视图；

图4A为本发明实施例二提供的一种承载装置的剖视图；

图4B为本发明实施例二所采用的基座的俯视图；

图4C为本发明实施例二提供的另一种承载装置的剖视图；以及

图5为本发明实施例提供的半导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，下面结合附图对本发明提供的承载装置及半导体加工设备进行详细描述。

图3A为本发明实施例一提供的一种承载装置的剖视图。请参阅图3A，承载装置包括用于承载被加工工件31的基座30，其具有用于承载被加工工件31的承载面321，且在该承载面321与被加工工件31下表面之间设置有密封环，用以对二者之间的间隙进行密封；并且，在基座30内设置有冷却气路34，其出气端位于基座30上表面的中心位置处，冷却气体(例如氩气或氦气)经由该冷却气路34流入该承载面321与被加工工件31下表面之间的间隙内，并与被加工工件31进行热交换，从而实现对被加工工件31的冷却，以使其始终保持在较低的温度。

在本实施例中，基座30包括中心分体33和环绕在该中心分体33外围的边缘分体32，二者的上表面形成上述承载面321，即，中心分体33的上表面与边缘分体32的上表面相平齐，用以共同支撑被加工工件31。中心分体33优选内嵌在边缘分体32位于其中心位置处的凹槽中，以便于二者的安装和密封。

而且，边缘分体32与中心分体33分别采用具有不同热导率的材料制作，以使被加工工件31边缘区域和中心区域的温度一致。具体来说，由于基座30是通过冷却气体将被加工工件31的热量传导出去，因而被加工工件31的冷却速率不仅与基座30的温度有关，制作基座30所采用材料的热导率也会影响被加工工件31的冷却速率，即，材料的热导率越高，被加工工件31的冷却速率越快，反之，材料的热导率越低，被加工工件31的冷却速率越慢。基于上述原理，可以通过分别采用具有不同热导率的材料制作边缘分体32与中心分体33，可以使被加工工件31边缘区域和中心区域的温度一致。

例如，当因基座30存在密封不严而导致冷却气体泄漏时，被加工工件31中心区域的背面气压往往会大于其边缘区域的背面气压，导致被加工工件31中心区域的冷却速率大于其边缘区域的冷却速率，从而造成被加工工件31的温度分布不均匀。在这种情况下，将基座30分为边缘分体32和中心分体33，如图3B所示，中心分体33的上表面与被加工工件31的中心区域A相对应，边缘分体32的上表面与被加工工件31的边缘区域B相对应，并且使二者分别采用具有不同热导率的材料制作，具体地，针对被加工工件31中心区域A的冷却速率大于其边缘区域B的冷却速率的情况，可以采用低热导率的材料制作中心分体33，以降低被加工工件31中心区域A的冷却速率，同时采用高热导率的材料制作边缘分体32，以提高被加工工件31边缘区域B的冷却速率，即，边缘分体32的热导率大于中心分体33的热导率，最终使被加工工件边缘区域B和中心区域A的温度保持一致，从而可以提高被加工工件的温度均匀性。优选的，制作中心分体33所采用的材料包括诸如不锈钢(热导率90W/mk·k)、钢或者低合金钢等的低热导率金属。制作边缘分体32所采用的高热导率材料包括诸如铝(热导率240W/mk·k)、铜(热导率400W/mk·k)、铝合金或者铜合金等的高热导率金属。

需要说明的是，在本实施例中，由于冷却气路34的出气端位于基座30上表面的中心位置处，因而被加工工件31中心区域的背面气压往往会大于其边缘区域的背面气压，但是在实际应用中，冷却气路根据具体需要也可以位于基座上表面的其他位置，例如中间位置，或者设置多个出气端，且分别位于中间位置和中心位置，在这种情况下，也可能出现被加工工件中心区域的冷却速率小于其边缘区域的冷却速率的情况，此时与上述实施例一相反的，可以采用高热导率的材料制作中心分体，以提高被加工工件中心区域的冷却速率，同时采用低热导率的材料制作边缘分体，以降低被加工工件边缘区域的冷却速率，即，边缘分体的热导率小于中心分体的热导率，最终使被加工工件边缘区域和中心区域的温度保持一致。

作为上述实施例一的优选方案，图3C为本发明实施例一提供的另一种承载装置的剖视图。请参阅图3C，在基座30’中，在中心分体33内设置有中心循环管道35，在边缘分体32内设置有边缘循环管道34；通过分别向中心循环管道35和边缘循环管道34内通入不同温度的冷却液体，来分别调节被加工工件31中心区域A和边缘区域B的温度，从而可以更精确地控制对被加工工件31的冷却效果。在实际应用中，冷却液体可以为冷却水、冷却液(例如Galden冷却液)等等。另外，中心循环管道和边缘循环管道的结构和排布方式可以根据中心分体和边缘分体的结构和尺寸进行设计，本发明对此没有特别的限制。

优选的，承载装置还包括中心调节单元37和边缘调节单元36，其中，中心调节单元37用于调节通入中心循环管道35的冷却液体温度；边缘调节单元36用于调节通入边缘循环管道34的冷却液体温度。在实际应用中，中心调节单元和边缘调节单元均可以采用兼具气源和温度控制功能的温度控制器，该温度控制器具有输出管路和回收管路，二者分别与循环管道的入口和出口连接，从而实现冷却液体的循环流动；同时，该温度控制器还能够对由其输出的冷却液体的温度进行调节。当然，中心调节单元和边缘调节单元也可以采用其他任意可调节冷却液体温度的设备，本发明对此没有特别的限制。

在实际应用中，可以采用预加热的方式预先获得被加工工件的温度分布情况，然后根据该温度分布情况选用合适的材料制作边缘分体和中心分体，以及对二者的尺寸(例如中心分体的外径和厚度)进行合理设计，同时利用中心调节单元和边缘调节单元分别对通入中心循环管道和边缘循环管道的冷却液体温度进行调整，从而在正式进行工艺时，实现对均匀地对被加工工件进行冷却。

图4A为本发明实施例二提供的一种承载装置的剖视图。请参阅图4A，本实施例提供的承载装置与上述实施例一相比，其区别仅在于：边缘分体采用由相互嵌套的多个子边缘分体组成的分体式结构。下面仅对本实施例相对于上述实施例一的不同点进行详细描述。

具体地，基座40包括中心分体41和环绕在该中心分体41外围的边缘分体42。其中，边缘分体42由相互嵌套的两个子边缘分体(42A，42B)组成，且第一子边缘分体42A位于中心分体41与第二子边缘分体42 B之间，三者的上表面相平齐，以形成承载面421，用以支撑被加工工件31。与实施例一相类似的，中心分体41和第一子边缘分体42A优选内嵌在第二子边缘分体42 B的凹槽中，以便于三者的安装和密封。

而且，两个子边缘分体(42A，42B)分别采用具有不同热导率的材料制作，以使被加工工件31各个子边缘区域的温度一致。所谓子边缘区域，是指被加工工件31边缘区域中与各个子边缘分体的上表面一一对应的区域。具体来说，本实施例的技术方案是将边缘分体42进一步分为两个子边缘分体(42A，42B)，如图4B所示，中心分体41的上表面与被加工工件31的中心区域A相对应，第一子边缘分体42A的上表面与被加工工件31的第一子边缘区域B1相对应，第二子边缘分体42 B的上表面与被加工工件31的第二子边缘区域B2相对应。换言之，本实施例的技术方案是选用三种不同热导率的材料制作基座40，以实现使被加工工件31三个区域(中心区域A、第一子边缘区域B1和第二子边缘区域B2)的温度一致。通过将边缘分体42进一步分为两个子边缘分体(42A，42B)，可以实现对被加工工件的温度更加精细化的调节，从而可以进一步提高被加工工件的温度均匀性。

具体来说，若被加工工件31在其径向上的温度分布是自中心至边缘逐渐升高，则中心分体41和两个子边缘分体(42A，42B)所采用材料的热导率的关系为：中心分体41所采用材料的热导率最低，第二子边缘分体42 B所采用材料的热导率最高，第一子边缘分体42A的上表面所采用材料的热导率取中心分体41和第二子边缘分体42 B的热导率的中间值，即，两个子边缘分体(42A，42B)的热导率均大于中心分体41的热导率，且第一子边缘分体42A的热导率大于第二子边缘分体42 B，以使被加工工件的中心区域A、第一子边缘区域B1和第二子边缘区域B2的冷却速率一致。优选的，制作子边缘分体所采用的材料包括铝、铜、铝合金或者铜合金等等。当然，在实际应用中，中心分体41和两个子边缘分体(42A，42B)所采用材料的选用还可以根据被加工工件31在其径向上的温度分布的不同而作适应性的改变。例如，若被加工工件在其径向上的温度分布是自中心至边缘逐渐降低，则材料的选用应用上述方式相反，即，中心分体所采用材料的热导率最高，第二子边缘分体所采用材料的热导率最低。

作为上述实施例二的优选方案，图4C为本发明实施例一提供的另一种承载装置的剖视图。请参阅图4C，在基座40’中，在中心分体内设置有中心循环管道43，在两个子边缘分体(42A，42B)内分别设置有两个边缘循环管道(44A，44B)；通过分别向中心循环管道43和两个边缘循环管道(44A，44B)内通入不同温度的冷却液体，来分别调节被加工工件31中心区域A和两个子边缘区域(B1，B2)的温度，从而可以更精确地控制对被加工工件31的冷却效果。在实际应用中，中心循环管道和边缘循环管道的结构和排布方式可以根据中心分体和边缘分体的结构和尺寸进行设计，本发明对此没有特别的限制。

优选的，承载装置还包括中心调节单元45和两个边缘调节单元(46，47)，其中，中心调节单元用于调节通入中心循环管道43的冷却液体温度；两个边缘调节单元(47，46)用于一一对应地调节通入两个边缘循环管道(44A，44B)的冷却液体温度。在实际应用中，中心调节单元和边缘调节单元可以采用兼具气源和温度控制功能的温度控制器，该温度控制器具有输出管路和回收管路，二者分别与循环管道的入口和出口连接，从而实现冷却液体的循环流动；同时，该温度控制器还能够对由其输出的冷却液体的温度进行调节。当然，中心调节单元和边缘调节单元也可以采用其他任意可调节冷却液体温度的设备，本发明对此没有特别的限制。

需要说明的是，在本实施例中，子边缘分体的数量为两个，但是本发明并不局限于此，在实际应用中，子边缘分体的数量还可以根据具体需要设定为三个、四个或者五个以上。此外，边缘调节单元的数量应与子边缘分体的数量相对应，用以一一对应地调节通入各个边缘循环管道的冷却液体温度。

还需要说明的是，由于在各个分体的上表面与被加工工件的下表面之间具有间隙，且在该间隙内充满了连续分布的冷却气体，因此，即使上述各个实施例中所采用的基座为分体式结构，且各个分体采用具有不同热导率的材料制作，被加工工件在与相邻两种材料的分界相对应的位置处也不会出现温度突变。

进一步需要说明的是，在本发明第一、第二实施例提供的承载装置中，通过向设置在基座内的冷却气路通入冷却气体，实现对被加工工件的冷却，以使其始终保持在较低的温度。但是本发明并不局限于此，在实际应用中，根据不同的工艺需要，也可以在基座内设置加热气路，并通过向该加热气路通入加热气体，实现对被加工工件的加热，以使其达到工艺所需的温度。事实上，还可以在基座内设置加热元件，用以采用热传导的方式对被加工工件进行加热，或者在基座之外设置辐射加热灯采用热辐射的方式对被加工工件进行加热，或者在基座之外设置加热线圈采用电感加热的方式被加工工件进行加热。

在对被加工工件进行加热的过程中，往往也会存在被加工工件边缘区域和中心区域的温度不均匀的情况，此时同样可以通过将基座分为中心分体和边缘分体，且二者分别采用具有不同热导率的材料制作，使被加工工件边缘区域和中心区域的温度保持一致，从而可以提高被加工工件的温度均匀性。

另外，优选的，也可以在中心分体内设置有中心循环管道，在每个子边缘分体内设置有边缘循环管道；通过分别向中心循环管道和各个边缘循环管道内通入不同温度的热交换介质，来分别调节被加工工件中心区域和各个子边缘区域的温度，从而可以更精确地控制对被加工工件的加热效果。热交换介质例如可以为加热液体或者加热气体。

作为另一个技术方案，图5为本发明实施例提供的半导体加工设备的剖视图。请参阅图5，半导体加工设备包括反应腔室100，在反应腔室100内的顶部设置有靶材140，其与激励电源(图中未示出)电连接；在反应腔室100内，且位于靶材140的下方设置有用于承载被加工工件120的承载装置，该承载装置采用了上述各个实施例提供的承载装置。

在本实施例中，半导体加工设备为物理气相沉积设备，且应用于制备钛材料、铜材料或钽材料的薄膜。而且，该半导体加工设备所采用的承载装置为机械卡盘，用以采用机械的方式固定被加工工件120。具体地，该机械卡盘包括基座110、压环130和环形内衬150，其中，环形内衬150固定在反应腔室100内，并且在环形内衬150的底端形成有支撑部，用以在基座110离开(下降)工艺位置时支撑压环130，所谓工艺位置，是指对被加工工件进行工艺时，基座110上表面所在的位置。压环130用于在基座110位于工艺位置时，压住置于基座110的承载面上的被加工工件120的边缘区域，从而可以将被加工工件120固定在基座110的承载面上。

本发明实施例提供的半导体加工设备，其通过采用本发明上述各实施例提供的承载装置，可以提高被加工工件的温度均匀性，从而可以提高工艺均匀性。

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 (13)

1.一种承载装置，包括用于承载被加工工件的基座和用于将所述被加工工件固定在所述基座上的压环，其特征在于，所述基座包括中心分体和环绕在所述中心分体外围的边缘分体，二者的上表面形成用于承载被加工工件的承载面，所述承载面与所述被加工工件之间形成有间隙，用于容纳冷却气体；并且，

所述边缘分体与所述中心分体分别采用具有不同热导率的材料制作，以使所述被加工工件边缘区域和中心区域的温度一致。

2.根据权利要求1所述的承载装置，其特征在于，所述边缘分体由相互嵌套的多个子边缘分体组成；

所述多个子边缘分体分别采用具有不同热导率的材料制作，以使所述被加工工件各个子边缘区域的温度一致；

所述子边缘区域为所述被加工工件边缘区域中与各个子边缘分体的上表面一一对应的区域。

3.根据权利要求2所述的承载装置，其特征在于，在所述中心分体内设置有中心循环管道，在每个子边缘分体内设置有边缘循环管道；通过分别向所述中心循环管道和各个边缘循环管道内通入不同温度的热交换介质，来分别调节所述被加工工件中心区域和各个子边缘区域的温度。

4.根据权利要求3所述的承载装置，其特征在于，所述承载装置还包括中心调节单元和边缘调节单元，其中，

所述中心调节单元用于调节通入所述中心循环管道的热交换介质温度；

所述边缘调节单元的数量与所述子边缘分体的数量相对应，各个边缘调节单元用于一一对应地调节通入各个边缘循环管道的热交换介质温度。

5.根据权利要求1所述的承载装置，其特征在于，在所述中心分体内设置有中心循环管道，在所述边缘分体内设置有边缘循环管道；通过分别向所述中心循环管道和边缘循环管道内通入不同温度的热交换介质，来分别调节所述被加工工件中心区域和边缘区域的温度。

6.根据权利要求5所述的承载装置，其特征在于，所述承载装置还包括中心调节单元和边缘调节单元，其中，

所述中心调节单元用于调节通入所述中心循环管道的热交换介质温度；

所述边缘调节单元用于调节通入所述边缘循环管道的热交换介质温度。

7.根据权利要求1所述的承载装置，其特征在于，所述中心分体所采用的材料包括不锈钢、钢或者低合金钢。

8.根据权利要求1所述的承载装置，其特征在于，所述边缘分体所采用的材料包括铝、铜、铝合金或者铜合金。

9.根据权利要求2所述的承载装置，其特征在于，所述子边缘分体所采用的材料包括铝、铜、铝合金或者铜合金。

10.根据权利要求1所述的承载装置，其特征在于，所述边缘分体的热导率大于所述中心分体的热导率，以使所述被加工工件边缘区域和中心区域的冷却速率一致。

11.根据权利要求2所述的承载装置，其特征在于，所述多个子边缘分体的热导率均大于所述中心分体的热导率，且所述多个子边缘分体的热导率由内至外依次增大，以使所述被加工工件的所述多个子边缘区域和中心区域的冷却速率一致。

12.一种半导体加工设备，包括反应腔室及设置在其内的承载装置，其特征在于，所述承载装置采用权利要求1-11任意一项所述的承载装置。

13.根据权利要求12所述的半导体加工设备，其特征在于，所述半导体加工设备为物理气相沉积设备，且应用于制备钛材料、铜材料或钽材料的薄膜。