CN108321103A - 晶圆夹具及电感耦合等离子刻蚀系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种晶圆夹具及电感耦合等离子刻蚀系统，属于半导体加工领域，包括卡盘、设于所述卡盘中部的第一开口、设于卡盘上方的压盘、设于压盘中部且与第一开口对应的第二开口及设于第二开口内壁且用于与卡盘配合压紧晶圆边缘的压接凸起组件，卡盘、压盘及压接凸起组件均为陶瓷构件。本发明提供的晶圆夹具及电感耦合等离子刻蚀系统，夹具整体的使用寿命大大延长，节约了频繁采购夹具的人力及资金成本，大大降低了惰性气体泄露报警导致程序停运的故障率，避免了频繁打开真空腔室吸潮气引起的真空抽气速率降低等设备异常现象，大大减少了因夹具故障引起的设备停机维修时间，同时还解决了石英夹具引起的刻蚀速率不稳定的问题。
Description
技术领域
本发明属于半导体加工技术领域，更具体地说，是涉及一种晶圆夹具及包含该晶圆夹具的电感耦合等离子刻蚀系统。
背景技术
电感耦合等离子(ICP)刻蚀技术在半导体行业广泛应用，是半导体行业的关键工艺。ICP系统配备有两个独立的13.56MHZ的射频发生器，即源射频发生器(source RFgenerator)和偏压射频发生器(bais RF generator)，source RF generator作用于上电极(anode)侧壁感应线圈(RF coils)，bais RF generator作用于下电极(cathode)。作用于感应线圈(RF coils)的source RF generator通过RF coils将射频能量耦合到反应腔室内，RF coils感应产生交变的电磁场，当电场达到一定强度时，会使进入反应腔室的气体放电，产生电离，使气体呈现等离子状态。作用于下电极的bias RF generator在上下极板之间产生一个直流的偏转电压(DC bias)，该电压主要是给等离子提供能量，使等离子能更快更有力的轰击晶圆表面，发生物理和化学反应，生成可挥发的气态物质。源射频(source RF)可控制等离子浓度，偏压射频(bais RF)可控制等离子的能量。这种独立控制化学刻蚀和物理刻蚀的方式可以提高刻蚀的选择比，同时可有效地减少对栅极氧化层的损伤。真空腔室内的晶圆夹具在等离子刻蚀过程中具有重要作用，当晶圆由机械手从预真空腔传送到反应腔中，由顶针将晶圆顶起，机械手退回预真空腔，关闭预真空和反应腔之间的隔离阀门，顶针下落，晶圆放置在载片台上的中心位置，然后夹具的上部分在升降机构的带动下向下运动压在晶圆边缘，通过检测晶圆背冷惰性气体的压力确定惰性气体漏率是否满足设备要求，漏率满足要求后通工艺气体，加射频功率进行等离子刻蚀。在工作过程中，晶圆夹具使晶圆与载片台能够压紧密封，维持晶圆背面冷却惰性气体的压力，保证等离子轰击晶圆所产生的热量及时传递走，防止糊片，同时还能遮挡等离子，防止下电极被刻蚀损伤。由此可见夹具固定好晶圆并满足惰性气体的漏率要求是工艺程序运行的初始关键步骤。
现有的晶圆夹具结构复杂，通常需要至少三层盘状构件才能保证牢固的夹持住晶圆并能有效遮挡住下电极，并且，晶圆夹具的上层构件一般采用酚醛树脂材料，下层构件采用石英材料。上层构件在高温下的耐等离子刻蚀性较差，在使用两周后会被等离子刻蚀而产生小颗粒酚醛树脂溅落在真空腔室内，对刻蚀工艺影响非常大，由于上层构件不能很好的保护下层构件，导致下层构件损伤很快，容易被等离子刻穿，要想最大化的利用夹具，就有可能因为时间把握不准而导致下层构件被刻穿，进而损伤到下电极，而要避免这样的风险，那么就要提前更换夹具，所以要经常打开真空腔室进行更换。频繁更换夹具带来一系列问题：浪费了夹具产品频繁采购的人力、资金成本：惰性气体泄漏报警导致程序停止运行的频率较高；频繁打开真空腔室易吸潮气，导致抽真空时间加长，设备恢复性能指标时间长，影响晶圆加工的连续性，即引起真空抽气速率降低的设备异常现象；因为夹具故障引起的设备停机维修时间大大增多；石英夹具会引起刻蚀速率不稳。
发明内容
本发明的目的在于提供一种晶圆夹具，以解决现有技术中存在的晶圆夹具结构复杂，且容易在刻蚀晶圆的过程中被刻蚀受损，使用寿命短的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种晶圆夹具，包括：卡盘、设于所述卡盘中部的第一开口、设于所述卡盘上方的压盘、设于所述压盘中部且与所述第一开口对应的第二开口及设于所述第二开口内壁且用于与所述卡盘配合压紧晶圆边缘的压接凸起组件，所述卡盘、所述压盘及所述压接凸起组件均为陶瓷构件。
进一步地，所述卡盘、所述压盘及所述压接凸起组件均为氧化铝陶瓷构件。
进一步地，所述第一开口为圆形开口，且所述第一开口的一侧设有切边，所述第一开口的内径小于所述晶圆的外径。
进一步地，所述第二开口为圆形开口，所述第二开口的内径大于所述晶圆的外径。
进一步地，所述压接凸起组件包括多个围绕所述第二开口中轴均匀分布的凸起，所述凸起内端所在的圆环的内径小于所述晶圆的外径。
进一步地，所述凸起为三角形凸起。
进一步地，所述凸起具有八个。
进一步地，所述压盘边缘设有多个围绕所述第一开口中轴设置的安装孔。
进一步地，所述压盘的外径大于所述卡盘的外径。
本发明提供的晶圆夹具的有益效果在于：与现有技术相比，本发明晶圆夹具，在卡盘和压盘之间形成了用于容纳晶圆的空间，通过设置在第二开口内的压接凸起组件与下部的卡盘配合实现对晶圆的夹持固定，通过卡盘实现对下电极的覆盖保护，结构简单，固定效果可靠；同时，由于卡盘和压盘以及压接凸起组件均为陶瓷构件，夹具的抗腐蚀性大大提高，卡盘、压盘和压接凸起组件均不容易被刻穿，夹具整体的使用寿命大大延长，节约了频繁采购夹具的人力及资金成本，大大降低了惰性气体泄露报警导致程序停运的故障率，避免了频繁打开真空腔室吸潮气引起的真空抽气速率降低等设备异常现象，大大减少了因夹具故障引起的设备停机维修时间，同时还解决了石英夹具引起的刻蚀速率不稳定的问题。
本发明还提供一种电感耦合等离子刻蚀系统，包括上述的晶圆夹具，还包括用于承托所述卡盘的载物台、设于所述载物台上且用于与所述晶圆底面抵接的密封圈、设于所述载物台外周的下电极、设于所述下电极下部且用于输送惰性气体的进气管道、设于所述载物台外周且用于升降所述压盘的升降组件及设于所述升降组件上部的上电极。
本发明提供的电感耦合等离子刻蚀系统的有益效果在于：与现有技术相比，本发明电感耦合等离子刻蚀系统，通过采用上述结构稳定性好且使用寿命长的晶圆夹具，设备运行稳定性提高，避免发生停机、惰性气体泄漏等异常情况，故障率大大降低，有利于提高产品品质及刻蚀生产效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的晶圆夹具的立体结构示意图；
图2为本发明实施例采用的压盘的主视图；
图3为图2的A-A剖视图；
图4为本发明实施例采用的卡盘的主视图；
图5为图4的B-B剖视图；
图6为本发明实施例提供的晶圆夹具、载物台和下电极的装配爆炸图一；
图7为本发明实施例提供的晶圆夹具、载物台和下电极的装配爆炸图二；
图8为本发明实施例提供的晶圆夹具、载物台和下电极的装配爆炸图三；
图9为本发明实施例提供的电感耦合等离子刻蚀系统的内部结构示意图；
图10为本发明实施例采用的升降组件的结构示意图。
其中，图中各附图标记：
1-卡盘；2-第一开口；3-压盘；4-第二开口；5-晶圆；6-切边；7-凸起；8-安装孔；9-载物台；10-密封圈；11-下电极；12-进气管道；13-上电极；14-升降电机；15-升降丝杠；16-螺母座；17-环形支架
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请一并参阅图1至图10，现对本发明提供的晶圆夹具进行说明。所述晶圆夹具，包括卡盘1、设于卡盘1中部的第一开口2、设于卡盘1上方的压盘3、设于压盘3中部且与第一开口2对应的第二开口4及设于第二开口4内壁且用于与卡盘1配合压紧晶圆5边缘的压接凸起组件，卡盘1、压盘3及压接凸起组件均为陶瓷构件。
本发明提供的晶圆夹具，与现有技术相比，在卡盘和压盘之间形成了用于容纳晶圆的空间，通过设置在第二开口4内的压接凸起组件与下部的卡盘1配合实现对晶圆5的夹持固定，通过卡盘1实现对下电极的覆盖保护，结构简单，拆装方便，固定效果可靠，降低了装配和维护的复杂程度；同时，由于卡盘1和压盘3以及压接凸起组件均为陶瓷构件，夹具的抗腐蚀性大大提高，卡盘1、压盘3和压接凸起组件均不容易被刻穿，夹具整体具有较高的硬度和耐等离子刻蚀的性能，具有耐高温的性能、良好的绝缘性和耐腐蚀性，夹具整体的使用寿命大大延长，节约了频繁采购夹具的人力及资金成本，大大降低了惰性气体泄露报警导致程序停运的故障率，避免了频繁打开真空腔室吸潮气引起的真空抽气速率降低等设备异常现象，大大减少了因夹具故障引起的设备停机维修时间，同时还解决了石英夹具引起的刻蚀速率不稳定的问题。
具体地，压接凸起组件和压盘3一体设置，方便加工，且压接凸起组件和压盘3的连接处强度高，尺寸精度高。
进一步地，作为本发明提供的晶圆夹具的一种具体实施方式，卡盘1、压盘3及压接凸起组件均为氧化铝陶瓷构件。氧化铝陶瓷构件具体采用氧化铝含量在99.5％以上的陶瓷材料。氧化铝陶瓷具有良好的传导性、机械强度及耐高温性，适于用在刻蚀工艺中使用，使用寿命较长。
进一步地，请参阅图1、图4、图6至图8，作为本发明提供的晶圆夹具的一种具体实施方式，第一开口2为圆形开口，且第一开口2的一侧设有切边6，第一开口2的内径小于晶圆5的外径。第一开口2的形状适应于晶圆5的外形，对晶圆5有效的承托作用。在用于承载卡盘1的载物台上设有与切边6配合的定位结构，切边6的作用是与该定位结构配合，使卡盘1在安装的时候能方便对位，同时在使用过程中不发生自转，提高使用稳定性。第一开口2的内径小于晶圆5的外径，这样设置的目的是充分遮挡下方的电极，对电极起到保护作用，防止刻蚀工艺损伤到电极。
进一步地，参阅图1、图2、图6至图8，作为本发明提供的晶圆夹具的一种具体实施方式，第二开口4为圆形开口，第二开口4的内径大于晶圆5的外径。第二开口4的形状适应于晶圆5的外形，同时要保证能够将晶圆5完整的暴露出来。
进一步地，请参阅图1至图3、图6至图8，作为本发明提供的晶圆夹具的一种具体实施方式，压接凸起组件包括多个围绕第二开口4中轴均匀分布的凸起7，凸起7内端所在的圆环的内径小于晶圆5的外径。压盘3的作用是固定晶圆5，并且在真空环境下，不能发生位置变化，这样产生的等离子才能均匀高速地轰击在晶圆5上表面，去除没有被抗刻蚀剂覆盖的部分，留下所需要的图形。在压盘3下降的过程中，通过凸起7与晶圆5的上表面的边缘接触，使得压紧接触面积尽量小，刻蚀面暴露的尽量多。
进一步地，请参阅图1至图3、图6至图8，作为本发明提供的晶圆夹具的一种具体实施方式，凸起7为三角形凸起。三角形凸起的尖端具有一定的强度和尖度，与压盘3的连接宽度较大，尖端与晶圆5接触且接触面积最小，使晶圆5需要刻蚀的一面尽可能多的暴露出来，同时还能承受压紧时产生的压力，不易断裂。
进一步地，参阅图1至图3、图6至图8，作为本发明提供的晶圆夹具的一种具体实施方式，凸起7具有八个。凸起7的数量设置需要考虑到多方面的设计要求，例如，压在100毫米直径的晶圆5圆周上，需要被压部分为晶圆5外圆周向内1-2毫米的距离，切边6两端必须压紧，凸起7太少，凸起7间隔太大会导致晶圆5压不紧密封圈10，八个凸起7设计既考虑到晶圆5压紧的情况，又考虑到凸起7过多加工压盘3的难度和成本增加的问题，综合多方面因素后确定八个凸起7为最合理的数量。具体地，相邻两个凸起7的间距与切边6的长度相同。
进一步地，请参阅图1至图3、图6至图8，作为本发明提供的晶圆夹具的一种具体实施方式，压盘3边缘设有多个围绕第一开口2中轴设置的安装孔8。具体地压盘3外圆周上均布十二个直径5毫米的安装孔8，设计十二个安装孔8由螺钉紧固于升降组件，可以保证压盘3安装的稳定性和平整度，使得压盘3八个凸起7均匀压在晶圆5上。
进一步地，请参阅图6至图9，作为本发明提供的晶圆夹具的一种具体实施方式，为了充分遮挡下电极11，压盘3的外径大于卡盘1的外径。
请参阅图9及图10，本发明还提供一种电感耦合等离子刻蚀系统，所述电感耦合等离子刻蚀系统包括上述的晶圆夹具，还包括用于承托卡盘1的载物台9、设于载物台9上且用于与晶圆5底面抵接的密封圈10、设于载物台9外周的下电极11、设于下电极11下部且用于输送惰性气体的进气管道12、设于载物台9外周且用于升降压盘9的升降组件及设于升降组件上部的上电极13。
卡盘1是放置于下电极11上卡在载物台9的外圆周上，起到避免由铝材料制成的下电极11被刻蚀损伤的作用。卡盘1的厚度比载物台9的高度略低，卡盘1大小比压盘内圆周大一些，保证卡盘1和压盘2组合在一起能够完全遮挡住下电极11即可。
可选地，惰性气体为氦气。
安装时，先将卡盘1固定在载物台9上，将压盘3与升降组件连接，使位于卡盘1正上方的压盘3能在上下方向上靠近或远离卡盘1。机械手将晶圆5放入到载物台9上密封圈10的外周，随后压盘3在生升降组件的带动下向下移动，压在晶圆5边缘，并使晶圆5底面与密封圈10紧密接触。通过进气管道12向晶圆5背面通氦气，并确定氦气漏率是否满足设备要求，漏率满足要求后从上电极13上部的歧管向腔体内通入工艺气体，加射频功率进行等离子刻蚀。
本发明提供的电感耦合等离子刻蚀系统，通过采用上述结构稳定性好且使用寿命长的晶圆夹具，设备运行稳定性提高，避免发生停机、惰性气体泄漏等异常情况，故障率大大降低，有利于提高产品品质及刻蚀生产效率。
具体地，请参阅图9及图10，作为本发明提供的电感耦合等离子刻蚀系统的一种具体实施方式，升降组件包括至少两个升降电机14、与升降电机14输出轴连接的至少两个升降丝杠15及与升降丝杠15通过螺母座16连接的环形支架17，环形支架17的中部设有与第一开口2和第二开口4对应的开口结构，环形支架17上设有与安装孔对应的支架孔，安装孔和支架孔通过螺纹连接件连接。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.晶圆夹具，其特征在于：包括卡盘、设于所述卡盘中部的第一开口、设于所述卡盘上方的压盘、设于所述压盘中部且与所述第一开口对应的第二开口及设于所述第二开口内壁且用于与所述卡盘配合压紧晶圆边缘的压接凸起组件，所述卡盘、所述压盘及所述压接凸起组件均为陶瓷构件。
2.如权利要求1所述的晶圆夹具，其特征在于：所述卡盘、所述压盘及所述压接凸起组件均为氧化铝陶瓷构件。
3.如权利要求1所述的晶圆夹具，其特征在于：所述第一开口为圆形开口，且所述第一开口的一侧设有切边，所述第一开口的内径小于所述晶圆的外径。
4.如权利要求3所述的晶圆夹具，其特征在于：所述第二开口为圆形开口，所述第二开口的内径大于所述晶圆的外径。
5.如权利要求4所述的晶圆夹具，其特征在于：所述压接凸起组件包括多个围绕所述第二开口中轴均匀分布的凸起，所述凸起内端所在的圆环的内径小于所述晶圆的外径。
6.如权利要求5所述的晶圆夹具，其特征在于：所述凸起为三角形凸起。
7.如权利要求5所述的晶圆夹具，其特征在于：所述凸起具有八个。
8.如权利要求1所述的晶圆夹具，其特征在于：所述压盘边缘设有多个围绕所述第一开口中轴设置的安装孔。
9.如权利要求1所述的晶圆夹具，其特征在于：所述压盘的外径大于所述卡盘的外径。
10.电感耦合等离子刻蚀系统，其特征在于：包括如权利要求1-9中任意一项所述的晶圆夹具，还包括用于承托所述卡盘的载物台、设于所述载物台上且用于与所述晶圆底面抵接的密封圈、设于所述载物台外周的下电极、设于所述下电极下部且用于输送惰性气体的进气管道、设于所述载物台外周且用于升降所述压盘的升降组件及设于所述升降组件上部的上电极。
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2018
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