CN106158717B - 机械卡盘及半导体加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机械卡盘及半导体加工设备。该机械卡盘包括基座和压环，基座用于承载基片，压环用于叠压在基片的边缘区域，以将基片固定在基座上；基座包括与射频电源电连接的导电基体，导电基体的表面用于承载基片；在导电基体内还设置有冷却通道和背吹通道，冷却通道与冷却媒介源相连通，冷却媒介源提供的冷却媒介在冷却通道内流动来冷却导电基体；背吹通道贯穿导电基体的上表面，且与背吹气源相连通，背吹气源提供的背吹气体经由背吹通道输送至基片和导电基体上表面之间。本发明提供的机械卡盘，不仅可以实现对晶片实现冷却和提供射频偏压的功能，而且成本和加工制造难度较低，从而可以降低半导体加工设备的投入成本，提高经济效益。

Description

机械卡盘及半导体加工设备

技术领域

本发明属于微电子加工技术领域，具体涉及一种机械卡盘及半导体加工设备。

背景技术

在等离子体刻蚀设备、物理气相沉积设备和化学气相沉积设备中，通常借助静电卡盘主要实现以下功能：第一，支撑、吸附固定和传送基片；第二，实现对基片的温度控制；第三，加载射频偏压，来吸引等离子体朝向基片运动。

然而，在实际应用中，采用静电卡盘在实际应用中不可避免地会存在以下问题：其一，实现上述多种功能的静电卡盘的零件成本和加工难度较高；其二，随着半导体行业的发展，在封装领域不再使用传统的硅片，而是采用键合片，所谓键合片是指硅片和玻璃采用键合方式形成的硅片在上玻璃在下的被加工工件，在这种情况下，采用现有的静电卡盘发现：在需要吸附基片时会存在吸附不住基片的情形，也就是说，吸附效果极差；以及在工艺结束后施加反向电压以撤销吸附力时会存在残余电荷，仍然存在吸附力，从而容易在后续卸载基片时发生造成碎片现象。

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半导体加工设备，本发明的机械卡盘不仅可以实现对晶片实现冷却和提供射频偏压的功能，而且成本和加工制造难度较低，从而可以降低半导体加工设备的投入成本，提高经济效益。

为解决上述问题之一，本发明提供了一种机械卡盘，包括基座和压环，其中，所述基座用于承载基片，所述压环用于叠压在基片的边缘区域，以将基片固定在基座上；所述基座包括与射频电源电连接的导电基体，所述导电基体的表面用于承载基片；在所述导电基体内还设置有冷却通道和背吹通道，所述冷却通道与冷却媒介源相连通，冷却媒介源提供的冷却媒介在所述冷却通道内流动来冷却导电基体；所述背吹通道贯穿所述导电基体的上表面且与背吹气源相连通，所述背吹气源提供的背吹气体经由所述背吹通道输送至所述基片和所述导电基体上表面之间。

其中，所述机械卡盘设置在接地的反应腔室内，所述基座还包括绝缘基体，所述绝缘基体设置在所述导电基体和所述反应腔室之间，用以实现所述导电基体与地绝缘。

其中，所述绝缘基体上表面上设置有凹部，所述导电基体设置在所述凹部内，且其上表面略高于所述绝缘基体的上表面。

其中，所述基座还包括采用金属材料制成且接地的屏蔽件，所述屏蔽件设置在所述绝缘基体的外侧，且覆盖所述绝缘基体的整个外表面。

其中，所述基座还包括波纹管，所述波纹管的上法兰用于支撑固定所述绝缘基体，所述波纹管的下法兰固定在所述反应腔室上；所述冷却通道与所述冷却媒介源相连的冷却管路以及所述背吹通道与所述背吹气源相连的背吹管路分别贯穿所述绝缘基体设置在所述波纹管的中空轴内。

其中，所述基座还包括射频导电柱，所述射频导电柱的一端内嵌在所述导电基体内，另一端贯穿所述绝缘基体位于所述波纹管的中空轴内且借助导线与射频电源电连接。

其中，在位于所述中空轴内的部分所述射频导电柱的外侧套置有绝缘套筒。

其中，在所述导电基体与所述绝缘基体以及所述绝缘基体与所述上法兰相接触的表面上均设置有密封圈，用于隔离所述机械卡盘所在的真空环境和所述波纹管的中空轴的大气环境。

其中，所述冷却通道与所述冷却媒介源相连的冷却管路与所述导电基体相接触的位置处设置有密封圈，以避免冷却媒介泄露。

其中，在所述下法兰与所述反应腔室相接触的位置处设置有诱电线圈。

其中，所述屏蔽件固定在所述上法兰上，且在所述上法兰与所述屏蔽件相接触的位置处设置有诱电线圈。

其中，所述绝缘基体包括环形绝缘体和盘状绝缘体，其中，所述环形绝缘体的内圈形成有用于放置所述导电基体的环形凹部，所述环形绝缘体放置在上法兰上，且其环孔与中空轴位置对应；所述盘状绝缘体的直径大于所述环形绝缘体的内径，厚度小于所述环形绝缘体内圈的厚度，在所述盘状绝缘体的外圈上表面上设置有环形凹部，在所述环形绝缘体的内圈下表面上设置有与所述盘状绝缘体的环形凹部相匹配的环形凹部，以使所述环形绝缘体的内圈下表面叠置在所述盘状绝缘体的环形凹部的上表面上。

其中，所述导电基体包括设置在所述环形绝缘体内圈的环形凹部内的由上至下依次叠置固定的第一、第二和第三导电体，其中所述第一导电体用于承载基片且其内设置有背吹通道；所述第二导电体内设置有冷却通道；所述第三导电体固定在所述盘状绝缘体上且位于所述环形绝缘体的环孔内，其厚度不小于所述环形绝缘体内圈上表面与所述盘状绝缘体上表面的高度差。

作为另外一个技术方案，本发明还提供一种半导体加工设备，包括反应腔室，所述反应腔室内设置有机械卡盘，所述机械卡盘上述技术方案提供的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，其借助压环叠压在基座上的基片的边缘区域，以将基片固定在基座上，即采用机械固定方式固定基片，这与现有的静电卡盘采用静电吸附方式固定基片相比，不限制基片的类型，例如，基片不仅可以为传统的硅片，还可以为键合片，从而可以避免基片固定效果差和卸载基片时发生碎片现象。另外，借助基座包括与射频电源电连接的导电基体，导电基体的表面用于承载基片，可以实现向基片提供射频偏压；并且，借助在导电基体内设置有与冷却媒介源相连通的冷却通道以及与背吹气源相连通的背吹通道，冷却媒介源提供的冷却媒介在冷却通道内流动来冷却导电基体，背吹通道贯穿导电基体的上表面，背吹气源提供的背吹气体经由背吹通道输送至基片和导电基体上表面之间，背吹气体可实现基片和具有冷却功能的导电基体之间的热传递，从而可以实现冷却基片，对基片的温度进行温控。由此可知，本发明提供的机械卡盘与现有的静电卡盘相比，不仅可以实现对基片实现温控和提供射频偏压的功能，而且成本和加工制造难度较低，从而可以降低半导体加工设备的投入成本，提高经济效益。

本发明提供的半导体加工设备，其采用本发明另一技术方案提供的机械卡盘，该机械卡盘不仅可以实现对晶片实现冷却和提供射频偏压的功能，而且成本和加工制造难度较低，从而可以降低半导体加工设备的投入成本，提高经济效益。

附图说明

图1为应用本发明实施例提供的机械卡盘的半导体加工设备的结构示意图；

图2为图1中的基座沿一个方向的剖视图；以及

图3为图1中的基座沿另一个方向的剖视图。

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半导体加工设备进行详细描述。

图1为应用本发明实施例提供的机械卡盘的半导体加工设备的结构示意图；图2为图1中的基座沿一个方向的剖视图；图3为图1中的基座沿另一个方向的剖视图。请一并参阅图1～图3，本发明实施例提供的机械卡盘应用在如图1所示的反应腔室10内，机械卡盘设置在反应腔室10内，其包括压环11和基座12。其中，基座12用于承载基片S，压环11用于叠压在基片S的边缘区域，以将基片S固定在基座12上，即采用机械固定方式固定基片S，这与现有的静电卡盘采用静电吸附方式固定基片相比，并不限制基片的类型，例如，基片S不仅可以为传统的硅片，还可以为键合片，从而可以避免基片固定效果差和卸载基片时发生碎片现象。

并且，基座12包括与射频电源13电连接的导电基体121，导电基体121的表面用于承载基片S，这可以实现向基片提供射频偏压，从而提高薄膜沉积的台阶覆盖率；在导电基体121内还设置有冷却通道121a和背吹通道(图中未示出)，冷却通道121a与冷却媒介源(图中未示出)相连通，冷却媒介源提供的冷却媒介在冷却通道121a内流动来冷却导电基体121，可以说，导电基体121具有冷却功能；具体地，冷却媒介可以为冷却气体或冷却液体，并且，冷却通道121a包括入口和出口，二者分别与用于输入/输出冷却媒介的管路相连接，形成循环冷却。背吹通道贯穿导电基体121的上表面且与背吹气源(图中未示出)相连通，背吹气源提供的背吹气体经由背吹通道输送至基片S和导电基体121上表面之间，背吹气体可实现基片S和具有冷却功能的导电基体121之间的热传递，从而可以实现冷却基片，进而可以通过对冷却媒介温控实现对基片进行温控。

由上可知，本发明提供的机械卡盘与现有的静电卡盘相比，不仅可以实现对晶片实现温控和提供射频偏压的功能，而且成本和加工制造难度较低，从而可以降低半导体加工设备的投入成本，提高经济效益。

优选地，在冷却通道121a与冷却媒介源相连的冷却管路121b与导电基体121相接触的位置处设置有密封圈，以避免冷却媒介泄露。

在本实施例中，机械卡盘设置在接地的反应腔室10内，基座12还包括绝缘基体122和波纹管124。其中，绝缘基体122设置在导电基体121和反应腔室10之间，用以实现导电基体121与地绝缘，保证机械卡盘的可靠性。波纹管124设置在绝缘基体122和反应腔室10之间，波纹管124与反应腔室10等电位，均为接地，这同样可以实现导电基体121与地绝缘，并且借助波纹管124可便于实现基座12的升降和利于反应腔室10内的真空环境和外界大气环境的密封。具体地，波纹管124包括上法兰1241、下法兰1242和中空轴1243，上法兰1241用于支撑固定绝缘基体122，下法兰1242通过螺纹等的方式固定在反应腔室10上，冷却通道121a与冷却媒介源相连的冷却管路121b以及背吹通道与背吹气源相连的背吹管路121c分别贯穿绝缘基体122且设置在波纹管124的中空轴1243内。

优选地，在波纹管124的下法兰1242与反应腔室10相接触的位置处设置有诱电线圈127，以使二者较好地实现等电位。

基座12还包括采用金属材料制成且接地的屏蔽件123，屏蔽件123设置在绝缘基体122的外侧，且覆盖绝缘基体122的整个外表面，换言之，覆盖绝缘基体122的整个暴露的表面。由于导电基体121与射频电源电连接，因此，导电基体121上带有射频，通过该屏蔽件123可以屏蔽导电基体121上带的射频，以避免射频将反应腔室10内的气体激发成离子，从而可以避免降低向基片提供的射频偏压的射频效率，保证基片S上的射频偏压效果。

优选地，绝缘基体122上表面上设置有凹部，导电基体121设置在凹部内，且其上表面略高于绝缘基体122的上表面，这不仅便于压环11叠压导电基体121表面上承载的基片S；而且可实现导电基体121大部分位于绝缘基体122上表面的凹部内，因此，借助屏蔽件123覆盖绝缘基体122的整个外表面可以较好地实现屏蔽件123屏蔽导电基体121带的射频。

另外优选地，屏蔽件123固定在波纹管124的上法兰1241上，可以采用诸如螺钉固定方式固定，由于波纹管124接地，因此可实现屏蔽件123接地；并且，在波纹管124的上法兰1241与屏蔽件123相接触的位置处设置有诱电线圈(图中未示出)，以使二者较好地实现等电位。

在本实施例中，为便于实现导电基体121与射频电源13电连接，基座12还包括射频导电柱125，具体地，射频导电柱125采用诸如铜等的导电性能较好的材料制成，射频导电柱125的一端内嵌在导电基体121内，另一端贯穿绝缘基体122位于波纹管124的中空轴1243内且通过导线与射频电源13电连接。

优选地，在中空轴1243内的部分射频导电柱125的外侧套置有绝缘套筒126，以避免带有射频的射频导电柱125与接地的中空轴1243的内壁接触，从而实现带有射频的射频导电柱125与地绝缘，保证机械卡盘的可靠性。

另外优选地，由于波纹管124的中空轴1243内的环境为大气环境，为保证反应腔室10内的真空性，在导电基体121与绝缘基体122以及绝缘基体122与上法兰1241相接触的表面上均设置有密封圈(图中未示出)，用于隔离机械卡盘所在的真空环境和波纹管124的中空轴1243的大气环境。

为便于实现上述结构的基座12，在本实施例中，绝缘基体122包括环形绝缘体1221和盘状绝缘体1222。其中，环形绝缘体1221的内圈形成有用于放置导电基体121的环形凹部，其放置在波纹管124的上法兰1241上，且其环孔与中空轴1243位置对应，优选地，环孔的直径大于中空轴1243的内径；盘状绝缘体1222的直径大于环形绝缘体1221的内径，厚度小于环形绝缘体1221内圈的厚度，盘状绝缘体1222固定在上法兰1241上且与中空轴1243对应设置，在盘状绝缘体1222的外圈上表面上设置有环形凹部，在环形绝缘体1221的内圈下表面上设置有与盘状绝缘体1222的凹部相互匹配的环形凹部，以使环形绝缘体1221的内圈下表面叠置在盘状绝缘体1222的环形凹部的上表面上。具体地，通过螺钉1在盘状绝缘体1222的外圈的环形凹部内将其固定上法兰1241上。

导电基体121包括设置在环形绝缘体内圈的环形凹部内的由上至下依次叠置固定的第一至第三导电体1211～1213，第一导电体1211用于承载基片S且其内设置有背吹通道；第二导电体1212内设置有冷却通道121a；第三导电体1213固定在盘状绝缘体1222上且位于环形绝缘体1221的环孔内，其厚度不小于环形绝缘体1221内圈上表面与盘状绝缘体1222上表面的高度差。具体地，第一导电体1211和第二导电体1212通过螺钉2固定，第二导电体1212和第三导电体1213通过螺钉3固定，通过螺钉4实现固定第二导电体1212、第三导电体1213和盘状绝缘体1222，且使环形绝缘体1221固定在盘状绝缘体1222和第二导电体1212之间。

在导电基体121和绝缘基体122采用上述结构的情况下，第一，冷却管路121b贯穿盘状绝缘体1222和第三导电体1213与冷却通道121a相连通；第二，背吹管路121c贯穿盘状绝缘体1222、第三导电体1213和第二导电体1212与背吹通道相连通；第三，射频导电柱125的一端内嵌在第二导电体1212内，另一端贯穿盘状绝缘体1222和第三导电体1213位于中空轴1243内；第四，在第一至第三导电体1211～1213、盘状绝缘体1222和上法兰1241之间相接触的表面上均设置有密封圈，用于隔离反应腔室10的真空环境和中空轴124的大气环境；第五，冷却管路121b与第二导电体1212相接触的位置处设置有密封圈，用以避免冷却媒介泄露；第六，冷却管路121b和背吹管路121c焊接在第三导电体1213上，以实现固定冷却管路121b和背吹管路121c。

值的说明的是，在本实施例中导电基体121和绝缘基体122均采用上述分体式结构，这不仅可以便于基座12的安装，而且还可以在导电基体121(或绝缘基体122)局部损坏时，不需要更换整个导电基体121(或绝缘基体122)，例如，若导电基体121的上表面损坏时，则仅需要更换第一导电体1211，以降低成本。当然，在实际应用中，导电基体121和绝缘基体122并不局限于上述结构，还可以采用其他结构。

作为另外一个技术方案，本实施例还提供一种半导体加工设备，包括反应腔室，反应腔室内设置有机械卡盘，机械卡盘采用本发明上述实施例提供的机械卡盘。

具体地，半导体加工设备包括等离子体刻蚀设备、物理气相沉积设备和化学气相沉积设备等。

本实施例提供的半导体加工设备，其通过采用本实施例提供的上述机械卡盘，该机械卡盘不仅可以实现对晶片实现冷却和提供射频偏压的功能，而且成本和加工制造难度较低，从而可以降低半导体加工设备的投入成本，提高经济效益。

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 (14)

1.一种机械卡盘，其特征在于，包括基座和压环，其中

所述基座用于承载基片，所述压环用于叠压在基片的边缘区域，以将基片固定在基座上；

所述基座包括与射频电源电连接的导电基体，所述导电基体的表面用于承载基片；在所述导电基体内还设置有冷却通道和背吹通道，所述冷却通道与冷却媒介源相连通，冷却媒介源提供的冷却媒介在所述冷却通道内流动来冷却导电基体；

其中，所述导电基体包括由上至下依次叠置固定的第一、第二和第三导电体，其中，所述第一导电体用于承载基片且其内设置有背吹通道，所述第二导电体内设置有冷却通道；

所述背吹通道贯穿所述导电基体的上表面且与背吹气源相连通，所述背吹气源提供的背吹气体经由所述背吹通道输送至所述基片和所述导电基体上表面之间。

2.根据权利要求1所述的机械卡盘，其特征在于，所述机械卡盘设置在接地的反应腔室内，所述基座还包括绝缘基体，所述绝缘基体设置在所述导电基体和所述反应腔室之间，用以实现所述导电基体与地绝缘。

3.根据权利要求2所述的机械卡盘，其特征在于，所述绝缘基体上表面上设置有凹部，所述导电基体设置在所述凹部内，且其上表面略高于所述绝缘基体的上表面。

4.根据权利要求3所述的机械卡盘，其特征在于，所述基座还包括采用金属材料制成且接地的屏蔽件，所述屏蔽件设置在所述绝缘基体的外侧，且覆盖所述绝缘基体的整个外表面。

5.根据权利要求4所述的机械卡盘，其特征在于，所述基座还包括波纹管，所述波纹管的上法兰用于支撑固定所述绝缘基体，所述波纹管的下法兰固定在所述反应腔室上；

所述冷却通道与所述冷却媒介源相连的冷却管路以及所述背吹通道与所述背吹气源相连的背吹管路分别贯穿所述绝缘基体设置在所述波纹管的中空轴内。

6.根据权利要求5所述的机械卡盘，其特征在于，所述基座还包括射频导电柱，所述射频导电柱的一端内嵌在所述导电基体内，另一端贯穿所述绝缘基体位于所述波纹管的中空轴内且借助导线与射频电源电连接。

7.根据权利要求6所述的机械卡盘，其特征在于，在位于所述中空轴内的部分所述射频导电柱的外侧套置有绝缘套筒。

8.根据权利要求5所述的机械卡盘，其特征在于，在所述导电基体与所述绝缘基体以及所述绝缘基体与所述上法兰相接触的表面上均设置有密封圈，用于隔离所述机械卡盘所在的真空环境和所述波纹管的中空轴的大气环境。

9.根据权利要求1所述的机械卡盘，其特征在于，所述冷却通道与所述冷却媒介源相连的冷却管路与所述导电基体相接触的位置处设置有密封圈，以避免冷却媒介泄露。

10.根据权利要求5所述的机械卡盘，其特征在于，在所述下法兰与所述反应腔室相接触的位置处设置有诱电线圈。

11.根据权利要求5所述的机械卡盘，其特征在于，所述屏蔽件固定在所述上法兰上，且在所述上法兰与所述屏蔽件相接触的位置处设置有诱电线圈。

12.根据权利要求5所示的机械卡盘，其特征在于，所述绝缘基体包括环形绝缘体和盘状绝缘体，其中

所述环形绝缘体的内圈形成有用于放置所述导电基体的环形凹部，所述环形绝缘体放置在上法兰上，且其环孔与中空轴位置对应；

所述盘状绝缘体的直径大于所述环形绝缘体的内径，厚度小于所述环形绝缘体内圈的厚度，在所述盘状绝缘体的外圈上表面上设置有环形凹部，在所述环形绝缘体的内圈下表面上设置有与所述盘状绝缘体的环形凹部相匹配的环形凹部，以使所述环形绝缘体的内圈下表面叠置在所述盘状绝缘体的环形凹部的上表面上。

13.根据权利要求12所示的机械卡盘，其特征在于，所述第一、第二和第三导电体在所述环形绝缘体内圈的环形凹部内的由上至下依次叠置固定，其中

所述第三导电体固定在所述盘状绝缘体上且位于所述环形绝缘体的环孔内，其厚度不小于所述环形绝缘体内圈上表面与所述盘状绝缘体上表面的高度差。

14.一种半导体加工设备，包括反应腔室，所述反应腔室内设置有机械卡盘，其特征在于，所述机械卡盘采用权利要求1-13任意一项所述的机械卡盘。