CN107287573B - 机械卡盘 - Google Patents

Abstract

本发明提供的机械卡盘，其包括用于承载晶片的基座以及卡环组件，卡环组件包括卡环、绝缘环和遮挡环，其中，卡环用于固定晶片。绝缘环设置在卡环上，用于支撑遮挡环，遮挡环用于遮挡卡环的上表面。卡环包括环状本体，该环状本体采用绝缘材料制作；在环状本体的内周壁上设置有压紧部，用以压住晶片上表面的边缘区域；压紧部采用金属材料制作。本发明提供的机械卡盘，其可以减少在遮挡环上的射频能量损耗，从而不仅可以提高射频效率，避免打火现象，而且还可以减少等离子体对遮挡环的轰击，从而可以降低遮挡环的温度，进而避免卡环因温度过高产生形变。

Description

机械卡盘

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，具体地，涉及一种机械卡盘。

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。在进行硅通孔的沉积工艺时，通常采用机械卡盘对硅片进行固定。

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1，在反应腔室1内的顶部设置有靶材4，其与激励电源(图中未示出)电连接，并且在靶材4的上方设置有磁控管5及驱动该磁控管5旋转的驱动源6。在反应腔室1内，且位于靶材4的下方设置有机械卡盘，该机械卡盘包括用于承载晶片10的基座9以及卡环组件。其中，基座9是可升降的，其可以上升至工艺位置(如图1中基座9所在的位置)或下降至装卸位置，并且基座9与射频电源12电连接，用以向基座9加载负偏压，以吸引等离子体。卡环组件包括压环8、绝缘层13和遮挡件14，其中，如图2所示，为现有卡环组件的俯视图。卡环8具有多个压爪，多个压爪沿其周向间隔、且均匀分布。在基座9位于工艺位置时，各个压爪压住晶片10上表面的边缘区域，以将晶片10固定在基座9上。在基座9离开工艺位置时，卡环8由固定在反应腔室1的侧壁上的内衬7支撑。

绝缘层13采用陶瓷或石英材料制作，用以使卡环8的部分上表面与等离子体相隔离，从而可以减少在卡环8上的射频能量损耗，进而可以在相同射频功率的条件下，提高基座9的负偏压。遮挡件14设置在绝缘层13上，用于起到遮挡作用，以避免绝缘层13被镀上金属薄膜之后与卡环8导通，而且还可以减少溅射金属对卡环8的轰击所产生的热量，从而可以防止晶片10与卡环8相接触部分的温度过高。

上述机械卡盘在实际应用中不可避免地存在以下问题：

其一，由于卡环8与晶片10之间电导通，在卡环8上也加载有直流偏压，而卡环8与遮挡件14之间相当于一个电容，等离子体会对遮挡件14产生轰击，从而在遮挡件14上产生射频能量损耗，进而降低了射频效率。因此，需要向基座9输入更高的射频功率才能达到工艺要求，但是这会造成晶片10上的射频电压过高，容易产生打火现象。

其二，等离子体轰击遮挡件14会使其温度升高，而卡环8的温度会随之迅速升高，在经过多次工艺之后，卡环8容易因温度过高而产生形变，容易造成晶片10的位置偏离和打火等后果。

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，其可以减少在遮挡环上的射频能量损耗，从而不仅可以提高射频效率，避免打火现象，而且还可以减少等离子体对遮挡环的轰击，从而可以降低遮挡环的温度，进而避免卡环因温度过高产生形变。

为实现本发明的目的而提供一种机械卡盘，包括用于承载晶片的基座以及卡环组件，所述卡环组件包括卡环、绝缘环和遮挡环，其中，所述卡环用于固定所述晶片；所述绝缘环设置在所述卡环上，用于支撑所述遮挡环，所述遮挡环用于遮挡所述卡环的上表面，所述卡环包括环状本体，所述环状本体采用绝缘材料制作；并且，在所述环状本体的内周壁上设置有压紧部，用以压住所述晶片上表面的边缘区域；所述压紧部采用金属材料制作。

优选的，所述压紧部包括多个压爪，所述多个压爪沿所述环状本体的周向间隔分布。

优选的，在每个所述压爪的内侧设置有凸部，所述凸部的下表面与所述晶片上表面之间具有间隙，用以遮挡所述压爪与所述晶片的接触位置。

优选的，所述压紧部包括一个闭合的环体，所述环体嵌套在所述环状本体的内周壁上。

优选的，在所述环体的内侧设置有环形凸部，所述环形凸部的下表面与所述晶片上表面之间具有间隙，用以遮挡所述环体与所述晶片的接触位置。

优选的，在所述卡环的上表面设置有环形凹槽，所述绝缘环的下部内嵌在所述环形凹槽中。

优选的，所述绝缘环叠置在所述卡环的上表面。

优选的，所述卡环具有配重部，用以增大所述卡环的重量，使之足以实现对所述晶片的固定。

优选的，所述配重部设置在所述环状本体的底部，或者内嵌在所述环状本体中。

优选的，所述配重部为闭合的环体，或者由多个分体组成。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的机械卡盘，其卡环包括环状本体，该环状本体采用绝缘材料制作，并且在环状本体的内周壁上设置有压紧部，用以压住晶片上表面的边缘区域。该压紧部采用金属材料制作。由于卡环只有压住晶片的部分采用金属材料制作，而其余部分均采用绝缘材料制作，这可以减小在卡环与遮挡环之间形成的电容，从而可以减少在遮挡环上产生的射频能量损耗，保证绝大部分的射频能量通过晶片施加在等离子体中，进而不仅可以提高射频效率，避免因加载在晶片上的偏压过高而产生打火现象，而且还可以减少等离子体对遮挡环的轰击，从而可以降低遮挡环的温度，进而避免卡环因温度过高产生形变。

附图说明

图1为现有的PVD设备的剖视图；

图2为现有卡环组件的俯视图；

图3为本发明第一实施例提供的机械卡盘的局部剖视图；

图4为本发明第一实施例提供的机械卡盘的俯视图；

图5为本发明第一实施例的变型实施例提供的机械卡盘的俯视图；

图6为本发明第二实施例提供的机械卡盘的局部剖视图。

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进行详细描述。

图3为本发明第一实施例提供的机械卡盘的局部剖视图。图4为本发明第一实施例提供的机械卡盘的俯视图。请一并参阅图3和图4，机械卡盘包括用于承载晶片21的基座20以及卡环组件，该卡环组件包括卡环22、绝缘环23和遮挡环24，其中，卡环22用于将晶片21固定在基座20上，其包括环状本体221，该环状本体221采用诸如陶瓷或石英等的绝缘材料制作。并且，在环状本体221的内周壁上设置有压紧部222，如图4所示，压紧部222包括多个压爪，多个压爪沿环状本体221的周向间隔分布，并压住晶片21上表面的边缘区域，从而实现对晶片21的固定。并且，压紧部222采用金属材料制作。

由于卡环22只有压住晶片21的部分(即，压紧部222)采用金属材料制作，而其余部分(即，环状本体221)采用绝缘材料制作，这可以减小遮挡环24与卡环22之间金属的相对面积。由于射频能量是通过电容耦合的方式馈入等离子体中，而遮挡环24与卡环22之间金属的相对面积越小，则二者之间的电容越小，阻抗越大，从而可以减少在遮挡环24上产生的射频能量损耗，保证绝大部分的射频能量通过晶片施加在等离子体中，进而不仅可以提高射频效率，避免因加载在晶片上的偏压过高而产生打火现象，而且还可以减少等离子体对遮挡环的轰击，从而可以降低遮挡环24的温度，进而避免卡环22因温度过高产生形变。

优选的，在每个压爪的内侧设置有凸部25，该凸部25的下表面与晶片21上表面之间具有间隙H，用以遮挡压爪与晶片21的接触位置。由图3可知，凸部25在压爪的内侧形成了一个“屋檐”，其可以在晶片21的边缘处起到遮挡作用，使得金属原子和离子不会沉积到被屋檐遮挡的地方，从而可以避免因金属原子和离子沉积在压爪与晶片21的接触位置，而造成压爪与晶片21粘在一起。

另外，优选的，在环状本体221的底部设置有配重部26，用以增大环状本体221的重量，使之足以实现对晶片21的固定。在实际应用中，配重部26可以是金属材料也可以是非金属材料，只要其能够增加卡环22的整体重量，使之能够压紧基座20上的晶片21即可。另外，配重部26可以为闭合的环体，或者也可以由多个分体组成。配重部26的位置、形状和数量可以根据具体情况而自由设定。当然，若环状本体221自身的重量就足以实现对晶片21的固定，则无需设置上述配重部26。在这种情况下，环状本体221可以采用密度较大的材料制造，以增加其自身重量。

绝缘环23设置在卡环22上，用于支撑遮挡环24。在本实施例中，绝缘环23与卡环22连接的方式具体为：在卡环22的上表面设置有环形凹槽，绝缘环23的下部内嵌在该环形凹槽中。当然，在实际应用中，还可以采用其他任意方式实现绝缘环23与卡环22的连接，只要绝缘环能够起到支撑遮挡环24的作用即可。

遮挡环24用于遮挡卡环22的上表面，避免在卡环22和绝缘环23上形成金属薄膜，其可以采用金属或非金属的耐高温材料制作。需要说明的是，遮挡环24与卡环22之间的竖直间距在晶片21的边缘处形成了一个深孔结构，该深孔的深宽比越大，等离子体就越难直接沉积到卡环22上，该深宽比优选大于7:1，以使得遮挡环24具有较好的阻挡能力。但是，由于PVD工艺都是发生在有气体的情况下，气体对等离子体的散射也可能导致卡环22被金属沉积，因此，还应该考虑等离子体的平均自由程。在PVD工艺中，等离子体的平均自由程为3.3mm，通过计算可以得知遮挡环24与卡环22之间的竖直间距应当小于3mm。另外，遮挡环24和绝缘环23的总高度应当控制在8mm以内，否则可能会因深孔过深造成阴影效应而影响到晶片边缘的薄膜沉积效果。

作为本实施例的一个变型实施例，图5为本发明第一实施例的变型实施例提供的机械卡盘的俯视图。请参阅图5，本变型实施例提供的机械卡盘与上述第一实施例相比，其区别仅在于：压紧部的结构不同。

具体地，在本实施例中，压紧部222’包括一个闭合的环体，该环体嵌套在环状本体221的内周壁上，用以压住晶片21上表面的边缘区域，从而实现对晶片21的固定。

优选的，与上述第一实施例中的凸部25的作用相类似的，在上述环体的内侧设置有环形凸部，该环形凸部的下表面与晶片上表面之间具有间隙，用以遮挡环体与晶片的接触位置。环形凸部在压紧部222’的内侧形成了一个“屋檐”，其可以在晶片的边缘处起到遮挡作用，使得金属原子和离子不会沉积到被屋檐遮挡的地方，从而可以避免因金属原子和离子沉积在压紧部222’与晶片的接触位置，而造成压紧部222’与晶片21粘在一起。

图6为本发明第二实施例提供的机械卡盘的局部剖视图。请参阅图6，本实施例提供的机械卡盘与上述第一实施例相比，其区别仅在于：绝缘环的结构和设置方式不同，以及配重部的设置位置不同。

具体地，在本实施例中，绝缘环23’叠置在卡环22的上表面。优选的，可以增大绝缘环23’的径向宽度，使之略小于遮挡环24的径向宽度，从而可以进一步降低卡环22的温度。

在本实施例中，配重部26内嵌在卡环本体221中，从而可以减小卡环22的占用体积，节省空间。

综上所述，本发明实施例提供的机械卡盘，其卡环只有压住晶片的部分采用金属材料制作，而其余部分均采用绝缘材料制作，这可以减小在卡环与遮挡环之间形成的电容，从而可以减少在遮挡环上产生的射频能量损耗，保证绝大部分的射频能量通过晶片施加在等离子体中，进而不仅可以提高射频效率，避免因加载在晶片上的偏压过高而产生打火现象，而且还可以减少等离子体对遮挡环的轰击，从而可以降低遮挡环的温度，进而避免卡环因温度过高产生形变。

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 (10)

1.一种机械卡盘，包括用于承载晶片的基座以及卡环组件，所述卡环组件包括卡环、绝缘环和遮挡环，其中，所述卡环用于固定所述晶片；所述绝缘环设置在所述卡环上，用于支撑所述遮挡环，所述遮挡环用于遮挡所述卡环的上表面，其特征在于，所述卡环包括环状本体，所述环状本体采用绝缘材料制作；并且，在所述环状本体的内周壁上设置有压紧部，用以压住所述晶片上表面的边缘区域；所述压紧部采用金属材料制作，以减小所述遮挡环与所述卡环之间金属的相对面积。

2.根据权利要求1所述的机械卡盘，其特征在于，所述压紧部包括多个压爪，所述多个压爪沿所述环状本体的周向间隔分布。

3.根据权利要求2所述的机械卡盘，其特征在于，在每个所述压爪的内侧设置有凸部，所述凸部的下表面与所述晶片上表面之间具有间隙，用以遮挡所述压爪与所述晶片的接触位置。

4.根据权利要求1所述的机械卡盘，其特征在于，所述压紧部包括一个闭合的环体，所述环体嵌套在所述环状本体的内周壁上。

5.根据权利要求4所述的机械卡盘，其特征在于，在所述环体的内侧设置有环形凸部，所述环形凸部的下表面与所述晶片上表面之间具有间隙，用以遮挡所述环体与所述晶片的接触位置。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的机械卡盘，其特征在于，在所述卡环的上表面设置有环形凹槽，所述绝缘环的下部内嵌在所述环形凹槽中。

7.根据权利要求1-5任意一项所述的机械卡盘，其特征在于，所述绝缘环叠置在所述卡环的上表面。

8.根据权利要求1-5任意一项所述的机械卡盘，其特征在于，所述卡环具有配重部，用以增大所述卡环的重量，使之足以实现对所述晶片的固定。

9.根据权利要求8所述的机械卡盘，其特征在于，所述配重部设置在所述环状本体的底部，或者内嵌在所述环状本体中。

10.根据权利要求8所述的机械卡盘，其特征在于，所述配重部为闭合的环体，或者由多个分体组成。

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