CN108538744B - 卡盘装置以及半导体加工设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的卡盘装置以及半导体加工设备，其包括基座、基环、聚焦环和热边缘环，基座包括用于承载晶片的承载面；基环环绕设置在基座的侧壁上；聚集环设置在基环上；热边缘环设置在基环与基座之间，且靠近承载面的边缘处；并且，热边缘环包括金属本体，以及包覆所述金属本体的外表面的绝缘层。本发明提供的卡盘装置，其可以在改善在晶圆边缘区域的温度分布不均匀和电场陡峭的前提下，减少晶片的金属污染和颗粒污染。

Description

卡盘装置以及半导体加工设备
技术领域
本发明涉及半导体设备制造领域，具体地，涉及一种卡盘装置以及半导体加工设备。
背景技术
在半导体制造工艺中，等离子体刻蚀技术是利用高能离子轰击晶圆表面所产生的物理作用，或者利用等离子体中的活性自由基与晶圆表面之间的化学作用，或者二者的复合作用，达到去除晶圆材料的目的的一种技术。在等离子体刻蚀反应腔室中设置有卡盘装置，用于固定、支撑及传送晶圆，并且控制晶圆表面的温度，例如静电卡盘(Electro StaticChuck，ESC)。
现有的静电卡盘包括由上至下依次叠置的绝缘层、加热层、隔热层和基座，其中，在绝缘层内烧结有直流电极层，用以产生静电引力将晶圆固定在绝缘层的上表面。加热层用于实现对晶圆的温度控制。隔热层设置在加热层与基座之间，用以阻挡加热层产生的热量向基座3传导，从而保证静电卡盘具有足够的工艺温度。此外，在静电卡盘的周围还设置有边缘环组件，其主要包括聚焦环、基环及绝缘环。其中，绝缘环固定在安装固定件上，用于支撑基座，并且绝缘环采用Al2O3陶瓷材料制作，用以实现基座与安装固定件电绝缘。聚焦环和基环均环绕在基座的周围，聚焦环用于形成能够将等离子体限制在其内部的边界；基环用于支撑聚焦环，并保护基座的外周壁不被等离子体刻蚀。
为了避免金属污染，上述边缘环组件中没有金属，这使得在晶圆7的边缘区域的电场非常陡峭，从而造成晶圆边缘与中心的刻蚀均匀性较差。
为此，图1为现有的一种静电卡盘的局部剖视图。请参阅图2，在上述静电卡盘的基础上，本静电卡盘增设了热边缘环。具体地，热边缘环包括由上而下依次叠置的硅边缘环120、陶瓷导热环130和导电下环140。其中，陶瓷导热环130可以不断地将硅边缘环120的热量传递出去，从而可以将硅边缘环120的温度控制在恒定的温度范围内。导电下环140采用金属材料制成，其能够改善在晶圆边缘区域的电场陡峭的问题，从而可以提高工艺均匀性。
但是，由于导电下环140采用金属材料制成，而且上述热边缘环与基座150之间存在间隙，这很容易在刻蚀环境中带来金属颗粒污染，从而对成品质量造成影响。
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，提出了一种卡盘装置以及半导体加工设备，其可以在改善在晶圆边缘区域的温度分布不均匀和电场陡峭的前提下，减少晶片的金属污染和颗粒污染。
为实现本发明的目的而提供一种卡盘装置，包括基座、基环和聚焦环，所述基座包括用于承载晶片的承载面；所述基环环绕设置在所述基座的侧壁上；所述聚集环设置在所述基环上；还包括热边缘环，所述热边缘环设置在所述基环与所述基座之间，且靠近所述承载面的边缘处；并且，所述热边缘环包括金属本体，以及包覆所述金属本体的外表面的绝缘层。
优选的，所述绝缘层包括氧化层；或者，
所述绝缘层包括陶瓷涂层；或者，
所述绝缘层包括氧化层和陶瓷涂层，二者由内而外依次设置。
优选的，所述氧化层采用阳极氧化处理的方式制成。
优选的，所述阳极氧化处理使用的电解质溶液包括硫酸、草酸、铬酸、磷酸、硼酸或者混合酸。
优选的，所述氧化层的厚度的取值范围在50～60μm。
优选的，所述氧化层的维氏显微硬度大于等于300。
优选的，所述陶瓷涂层采用喷涂陶瓷颗粒的方式制成。
优选的，所述陶瓷颗粒包括氧化钇、氧化锆、碳化硅或者碳化硼。
优选的，所述陶瓷涂层的厚度的取值范围在180～250μm。
优选的，所述热边缘环的内周面与所述基座的侧壁间隔设置。
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，在所述反应腔室内设置有卡盘装置，用于承载晶片，所述卡盘装置采用了本发明提供的上述卡盘装置。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的卡盘装置，其通过在基环和基座之间，且靠近基座的承载面的边缘处设置热边缘环，该热边缘环包括金属本体和包覆该金属本体的外表面的绝缘层，其中，金属本体可以改善在晶圆边缘区域的温度分布不均匀和电场陡峭的问题，从而可以提高晶片中心区域与边缘区域的温度场和电场均匀性，进而提高工艺均匀性。而且，通过在金属本体的外表面包覆绝缘层，可以减少因引入热边缘环而带来的金属污染，从而可以减少晶片的金属污染和颗粒污染。
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卡盘装置，不仅可以减少晶片的金属污染和颗粒污染，而且还可以改善在晶片边缘区域的温度分布不均匀和电场陡峭的问题，从而可以提高晶片中心区域与边缘区域的温度场和电场均匀性，进而提高工艺均匀性。
附图说明
图1为现有的一种静电卡盘的局部剖视图；
图2为本发明实施例提供的卡盘装置的剖视图；
图3为图2中热边缘环的横截面图。
附图标记说明：
硅边缘环120；陶瓷导热环130；导电下环140；基座150；基座3；基环2；聚焦环1；绝缘环4；接口盘5；固定件6；绝缘层8；加热层9；隔热层10；晶片7；金属本体12；氧化层13；陶瓷涂层14；冷却水道11。
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卡盘装置以及半导体加工设备进行详细描述。
图2为本发明实施例提供的卡盘装置的剖视图。图3为图2中热边缘环的横截面图。请一并参阅图2和图3，本实施例提供的卡盘装置包括基座3、基环2、聚焦环1、绝缘环4、接口盘5、固定件6。其中，在基座3上由上而下依次设置有绝缘层8、加热层9和隔热层10，其中，在绝缘层8内设置有直流电极层(图中未示出)，用以产生静电引力将晶片7固定在绝缘层8的上表面，该上表面即为用于承载晶片7的承载面。加热层9用于实现对晶片7的温度控制。隔热层10采用诸如硅橡胶等的高绝热材料制作，用于阻挡加热层9产生的热量向基座3传导，从而可以减少热量损耗，提高晶片7的升温速率。接口盘5用于固定基座3，以及引出基座3中的接线或水管。此外，在基座3中还设置有冷却水道11，通过向冷却水道11中通入冷却水，来冷却基座3，从而间接控制晶片7的温度。
绝缘环4固定在固定件6上，用于支撑基环2，并且绝缘环4采用诸如Al2O3或者AlN等的陶瓷材料制作，用以实现基座3与固定件6电绝缘。基环2环绕设置在基座3的侧壁上，用于支撑聚焦环1，并保护基座3的侧壁不被等离子体刻蚀。聚焦环1设置在基环2上，且环绕在承载面的周边，用于形成能够将等离子体限制在其内部的边界。聚焦环1和基环2可以采用诸如石英或者陶瓷等的绝缘材料制作。
在实际应用中，基座3及其上各个功能层的直径应略小于晶片7的直径，以使晶片7能够完全覆盖基座3，防止在工艺处理过程中，等离子体腐蚀基座3及其上各个功能层，从而提高其使用寿命，减少聚合沉积物。例如，若晶片的直径为300mm，则基座3及其上各个功能层的直径可以为296～298mm。在这种情况下，优选的，在聚焦环1的内边缘设置有阶梯状结构，用以支撑晶片7的边缘部分，或者不与晶片7相接触，而仅与晶片7的边缘部分相互重叠，以起到聚焦等离子体的作用。
而且，卡盘装置还包括热边缘环，该热边缘环设置在基环2与基座3之间，且位于靠近上述承载面的边缘处，在本实施中，承载面即为绝缘层8的上表面。热边缘环包括金属本体12，即，通过采用在同一电场环境中增加金属材料的方式，改善晶片7的边缘区域在刻蚀过程中容易产生电场陡峭，从而导致晶片边缘区域与中心区域的电场分布不均的情况，进而可以提高工艺均匀性。同时，由于金属本体12可以将聚焦环1产生的热量通过辐射和对流传递出去，从而可以使聚焦环1的温度保持在恒定的温度范围内，进而可以改善在晶片边缘区域的温度分布不均匀的温度，提高晶片中心区域与边缘区域的温度场均匀性。
在实际应用中，通常以基环2作为安装基准，在这种情况下，需要使热边缘环的上表面与聚焦环1的下表面不相接触，以保证安装精度，此时热边缘环与聚焦环1之间通过辐射和对流传递热量。当然，在实际应用中，也可以采用其他方式保证安装精度，在这种情况下，可以使热边缘环的上表面与聚焦环1的下表面相接触，以提高导热效率。
可选的，金属本体12可以采用铝及铝合金、铜及铜合金、不锈钢等的导电材料制作，其中，铝合金可以选用5052或6061等变形铝合金。同时，为了防止金属材料对整体工艺生产过程中有可能造成的污染，金属本体12的外表面包覆有绝缘层，用以减少因引入金属本体12而带来的金属污染，从而可以减少晶片7的金属污染和颗粒污染。
具体地，在本实施例中，如图3所示，绝缘层包括氧化层13和陶瓷涂层14，二者由内而外依次设置，用于保护金属本体12不被等离子体腐蚀，从而可以因引入金属本体12而带来的金属颗粒的污染。与此同时，陶瓷涂层14还具有吸附进入基座2间隙的聚合沉积物的作用，从而可以减少反应腔室内的颗粒污染。当然，在实际应用中，也可以仅设置上述氧化层13或者陶瓷涂层14，这均可以起到保护金属本体12不被等离子体腐蚀的作用。
可选的，氧化层13采用阳极氧化处理的方式制成。阳极氧化处理使用的电解质溶液可以包括硫酸、草酸、铬酸、磷酸、硼酸或者混合酸。
优选的，氧化层13的厚度的取值范围在50～60μm，例如：58μm。在该范围内，可以有效保护热边缘环不被等离子体腐蚀。
优选的，氧化层13的维氏显微硬度(HV)大于等于300，例如380。在该范围内，可以满足工艺对氧化层13对抗外界压力能力的要求。
可选的，陶瓷涂层14可以采用等离子体喷涂技术制作，即，将陶瓷颗粒喷涂在氧化层13的表面上。该陶瓷颗粒可以包括氧化钇、氧化锆、碳化硅或者碳化硼等等。
优选的，陶瓷涂层14的厚度的取值范围在180～250μm，例如：220μm。在该范围内，可以有效保护热边缘环不被等离子体腐蚀。
需要说明的是，上述氧化层13和陶瓷涂层14的设置方式并不局限于本实施例提供的上述方式，在实际应用中，还可以采用其他任意方式将氧化层13和陶瓷涂层14依次包覆在金属本体12的外表面。
优选的，热边缘环的内周面与基座3的侧壁间隔设置，以避免因热边缘环与带电的基座3相接触而产生放电现象。
在本实施例中，如图3所示，热边缘环的横截面形状为倒置的“L”形，与之相对应的，在基环2上设置有阶梯状结构，且该结构与“L”形热边缘环相互嵌套，这可以提升装置整体装配的严密性，从而可以减少等离子体对装置的腐蚀。当然，在实际生产应用中，热边缘环的横截面形状还可以采用诸如长方形、圆形或者不规则形状等的任意形状，本发明对此没有特别限制。
需要说明的是，在本实施例中，卡盘装置为静电卡盘，即采用静电吸附的方式固定晶片，但是本发明并不局限于此，在实际应用中，卡盘装置还可以采用其他任意方式固定晶片，例如采用机械方式固定晶片的机械卡盘。
综上所述，本发明实施例提供的卡盘装置，其通过在基环和基座之间，且靠近基座的承载面的边缘处设置热边缘环，可以改善在晶圆边缘区域的温度分布不均匀和电场陡峭的问题，从而可以提高晶片中心区域与边缘区域的温度场和电场均匀性，进而提高工艺均匀性。而且，通过在热边缘环的外表面包覆有绝缘层，可以减少因引入热边缘环而带来的金属污染，从而可以减少晶片的金属污染和颗粒污染。
作为另一个技术方案，本发明实施例还提供一种半导体加工设备，其包括反应腔室和设置在其内的卡盘装置，该卡盘装置用于承载晶片，且采用了本发明上述实施例提供的卡盘装置。
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实施例提供的上述卡盘装置，不仅可以减少晶片的金属污染和颗粒污染，而且还可以改善在晶圆边缘区域的电场陡峭的问题，从而可以提高晶片中心区域与边缘区域的电场均匀性，进而提高工艺均匀性。
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)

1.一种卡盘装置，包括基座、基环和聚焦环，所述基座包括用于承载晶片的承载面；所述基环环绕设置在所述基座的侧壁上；所述聚焦环设置在所述基环上；其特征在于，还包括热边缘环，所述热边缘环设置在所述基环与所述基座之间，且靠近所述承载面的边缘处；并且，所述热边缘环包括金属本体，以及包覆所述金属本体的外表面的绝缘层；所述热边缘环的内周面与所述基座的侧壁间隔设置。
2.根据权利要求1所述的卡盘装置，其特征在于，所述绝缘层包括氧化层；或者，
所述绝缘层包括陶瓷涂层；或者，
所述绝缘层包括氧化层和陶瓷涂层，二者由内而外依次设置。
3.根据权利要求2所述的卡盘装置，其特征在于，所述氧化层采用阳极氧化处理的方式制成。
4.根据权利要求3所述的卡盘装置，其特征在于，所述阳极氧化处理使用的电解质溶液包括硫酸、草酸、铬酸、磷酸、硼酸或者混合酸。
5.根据权利要求2所述的卡盘装置，其特征在于，所述氧化层的厚度的取值范围在50～60μm。
6.根据权利要求2所述的卡盘装置，其特征在于，所述氧化层的维氏显微硬度大于等于300。
7.根据权利要求2所述的卡盘装置，其特征在于，所述陶瓷涂层采用喷涂陶瓷颗粒的方式制成。
8.根据权利要求7所述的卡盘装置，其特征在于，所述陶瓷颗粒包括氧化钇、氧化锆、碳化硅或者碳化硼。
9.根据权利要求2所述的卡盘装置，其特征在于，所述陶瓷涂层的厚度的取值范围在180～250μm。
10.一种半导体加工设备，包括反应腔室，在所述反应腔室内设置有卡盘装置，用于承载晶片，其特征在于，所述卡盘装置采用权利要求1-9任意一项所述的卡盘装置。
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