CN110289241B - 静电卡盘及其制作方法、工艺腔室和半导体处理设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种静电卡盘、工艺腔室和半导体处理设备。包括基体；冷却体，所述冷却体与所述基体相对设置；导热组件，所述导热组件夹设在所述基体与所述冷却体之间，所述导热组件包括连接件和导热件，所述连接件将所述基体与所述冷却体固定连接，所述导热件与所述基体的底面、所述冷却体的顶面全面接触，以将所述基体上的热量传递至所述冷却体。通过所设置的连接件，可以使得基体与冷却体固定连接，通过所设置的导热件，可以使得基体所产生的热量快速传递至冷却体，从而可以有效提高静电卡盘的导热能力，可以大幅提高静电卡盘的控温能力。

Description

静电卡盘及其制作方法、工艺腔室和半导体处理设备
技术领域
本发明涉及半导体设备技术领域，具体涉及一种静电卡盘、一种静电卡盘的制作方法、一种工艺腔室以及一种半导体处理设备。
背景技术
物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，简称PVD)设备广泛应用于当今的半导体、太阳能电池、平板显示等制作工艺中。在目前的PVD设备中，通常使用静电卡盘(Electrostatic Chuck，简称ESC)来替代原有的机械卡盘来实现工艺过程中晶圆(wafer)的夹持。常用的PVD静电卡盘分为低温静电卡盘以及高温静电卡盘，其中低温静电卡盘需要具备良好的控冷能力，需要及时地将晶圆工艺过程中受溅射产生的能量快速地导走，以保持晶圆处于一个良好的低温状态(20℃～50℃)，进而保证工艺的稳定性；如低温静电卡盘的导热能力不足，无法有效保持晶圆处于低温状态，处于50℃以上，则无法保证工艺结果的可重复性。
因此，如何提升静电卡盘的导热能力及控温能力成为本领域亟需解决的技术问题。
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，提出了一种静电卡盘、一种静电卡盘的制作方法、一种工艺腔室以及一种半导体处理设备。
为了实现上述目的，本发明的第一方面，提供了一种静电卡盘，包括：
基体；
冷却体，所述冷却体与所述基体相对设置；
导热组件，所述导热组件夹设在所述基体与所述冷却体之间，所述导热组件包括连接件和导热件，所述连接件将所述基体与所述冷却体固定连接，所述导热件与所述基体的底面、所述冷却体的顶面全面接触，以将所述基体上的热量传递至所述冷却体。
可选地，所述连接件包括位于所述基体中部的分割部以及位于所述基体边缘的密封连接部，所述密封连接部将所述基体与所述冷却体密封连接，所述分割部将所述基体与所述冷却体中部的孔洞密封，所述密封连接部与所述分割部、所述基体和所述冷却体之间形成空腔，所述空腔内填充有导热材料，形成所述导热件。
可选地，所述导热材料为相变导热材料。
可选地，所述密封连接部和所述分割部均呈圆环型。
可选地，所述密封连接部和所述分割部均由钎焊图形层制成。
可选地，所述钎焊图形层由片状低温软钎焊材料制成。
本发明的第二方面，提供一种静电卡盘的制作方法，包括：
S110、分别提供基体和冷却体；
S120、在所述基体和所述冷却体之间形成导热组件，所述导热组件包括连接件和导热件，所述连接件将所述基体与所述冷却体固定连接，所述导热件与所述基体的底面、所述冷却体的顶面全面接触，以将所述基体上的热量传递至所述冷却体。
可选地，步骤S120包括：
采用钎焊方式在所述基体、所述冷却体的边缘形成密封连接部，通过所述密封连接部将所述基体与所述冷却体密封连接，采用钎焊方式在所述基体、做主冷却体中部的孔洞周围形成分割部，通过所述分割部密封所述基体、做主冷却体中部的孔洞，所述密封连接部和所述分割部构成所述连接件，所述密封连接部与所述分割部、所述基体和所述冷却体之间形成空腔；
在所述冷却体上形成至少一个贯穿其厚度且连通所述空腔的注入孔；
向所述注入孔内注入导热材料，使所述导热材料填满所述空腔，以形成所述导热件；
形成所述导热件后，密封所述注入孔。
可选地，步骤S120还包括：
在所述冷却体上形成至少一个贯穿其厚度且连通所述空腔的抽真空孔；
通过所述抽真空孔对所述空腔抽真空，以引导经由所述注入孔所注入的导热材料填满所述空腔；
形成所述导热件后，密封所述抽真空孔。
可选地，所述导热材料为相变导热材料。
本发明的第三方面，提供了一种工艺腔室，包括前文记载的所述的静电卡盘。
本发明的第四方面，提供了一种半导体处理设备，包括前文记载的所述的工艺腔室。
本发明的静电卡盘及其制作方法、工艺腔室和半导体处理设备，包括基体；冷却体，所述冷却体与所述基体相对设置；导热组件，所述导热组件夹设在所述基体与所述冷却体之间，所述导热组件包括连接件和导热件，所述连接件将所述基体与所述冷却体固定连接，所述导热件与所述基体的底面、所述冷却体的顶面全面接触，以将所述基体上的热量传递至所述冷却体。通过所设置的连接件，可以使得基体与冷却体固定连接，通过所设置的导热件，可以使得基体所产生的热量快速传递至冷却体，从而可以有效提高静电卡盘的导热能力，可以大幅提高静电卡盘的控温能力。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明第一实施例中静电卡盘的结构示意图；
图2为本发明第二实施例中连接件的结构示意图；
图3为本发明第三实施例中静电卡盘的结构示意图；
图4为本发明第四实施例中静电卡盘的制作方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
如图1和图3所示，本发明的第一方面，涉及一种静电卡盘100，该静电卡盘100包括基体110、冷却体120和导热组件130。基体110具有承载面，用于承载待工艺件(例如，晶圆等)。冷却体120与基体110相对设置，冷却体120可以采用水冷媒介进行冷却，冷却体120主要用于对基体110进行降温，以控制基体110的温度符合目标温度要求。导热组件130夹设在基体110与冷却体120之间，该导热组件130包括连接件131和导热件132，连接件131将基体110与冷却体120固定连接，导热件132与基体110的底面、冷却体120的顶面全面接触，这样，导热件132可以将基体110上的热量传递至冷却体120。
本实施例的静电卡盘100，在基体110和冷却体120之间设置有导热组件130，该导热组件130包括连接件131和导热件132，连接件131将基体110与冷却体120固定连接，导热件132与基体110的底面、冷却体120的顶面全面接触以将基体110上的热量传递至冷却体120。这样，一方面，通过所设置的连接件131，可以使得基体110与冷却体120固定连接，另一方面，通过所设置的导热件132，可以使得基体110所产生的热量快速传递至冷却体120，从而可以有效提高静电卡盘100的导热能力，可以大幅提高静电卡盘的控温能力。
需要说明的是，对于导热件132的具体制作材料并没有作出限定，优选地，在本实施例中，导热件132可以由相变导热材料制作形成，相变导热材料可以大大提高导热件132的导热系数，从而可以大幅提高静电卡盘100的冷却控温能力。当然，除此以外，导热件132也可以选择导热系数大的材料，具体可以根据需要选择。
如图1和图2所示，连接件131包括位于基体110中部的分割部131a以及位于基体110边缘区域的密封连接部131b，密封连接部131b将基体110与冷却体120密封连接，分割部131a将基体110与冷却体120中的孔洞密封。密封连接部131b与分割部131a、基体110和冷却体120之间形成空腔140，该空腔140内填充有导热材料，该导热材料可以选择相变导热材料，从而构成上述的导热件132。
如图1和图2所示，密封连接部131b和分割部131a可以均呈圆环形结构，当然，除此以外，密封连接部131b和分割部131a也可以呈其他形状，具体可以根据实际需要限定。
为了进一步提高静电卡盘100的导热能力，密封连接部131b和分割部131a可以均采用钎焊图形层制作形成，更优选地，该密封连接部131b和分割部131a可以采用片状低温软钎焊材料制作形成，一般采用含铜钎料，热导率大于20W/m.k。
具体地，在制作上述结构的连接件131时，可以将钎焊材料冲裁后形成如图2所示的连接件结构，将该连接件铺到基体110与冷却体120之间，采用180℃～250℃进行低温软钎焊，在钎焊后，密封连接部131b可以用于封接真空，分割部131a可以将静电卡盘100的一些其他结构(例如，接线柱、背吹气体以及支撑针孔等)进行密封。并且，为了保证可以封接真空且不造成过大的封接应力，空腔140的宽度不低于4mm且不高于20mm。
本实施例的静电卡盘100，通过采用密封连接部131b、分割部131a与导热件132所组成的一个共同体，可以使热导率大于4.4W/m.K，从而大幅提高静电卡盘100的冷却控温能力。
本发明的第二方面，如图4所示，提供一种静电卡盘的制作方法S100，该静电卡盘的结构可以参考前文相关记载，在此不作赘述，制作方法具体包括：
S110、分别提供基体和冷却体。
具体地，如图1所示，基体110具有承载面，用于承载待工艺件(例如，晶圆等)。冷却体120与基体110相对设置，冷却体120可以采用水冷媒介进行冷却，冷却体120主要用于对基体110进行降温，以控制基体110的温度符合目标温度要求。
S120、在基体和冷却体之间形成导热组件，导热组件包括连接件和导热件，连接件将基体与冷却体固定连接，导热件与基体的底面、冷却体的顶面全面接触，以将基体上的热量传递至冷却体。
具体地，如图1和图3所示，导热组件130夹设在基体110与冷却体120之间，该导热组件130包括连接件131和导热件132，连接件131将基体110与冷却体120固定连接，导热件132与基体110的底面、冷却体120的顶面全面接触，这样，导热件132可以将基体110上的热量传递至冷却体120。
本实施例的静电卡盘的制作方法，在基体和冷却体之间形成有导热组件，该导热组件包括连接件和导热件，连接件将基体与冷却体固定连接，导热件与基体的底面、冷却体的顶面全面接触以将基体上的热量传递至冷却体。这样，一方面，通过所设置的连接件，可以使得基体与冷却体固定连接，另一方面，通过所设置的导热件，可以使得基体所产生的热量快速传递至冷却体，从而可以有效提高静电卡盘的导热能力，可以大幅提高静电卡盘的控温能力。
具体地，如图1、图2和图3所示，步骤S120包括：
采用钎焊方式在基体110、冷却体120的边缘形成密封连接部131b，通过密封连接部131b将基体110与冷却体120密封连接，采用钎焊方式在基体110、冷却体120中部的孔洞周围形成分割部131a，通过分割部131a密封基体110、冷却体120中部的孔洞，密封连接部131b和分割部131a构成连接件131，密封连接部131b与分割部131a、基体110和冷却体120之间形成空腔140。在冷却体120上形成至少一个贯穿其厚度且连通空腔的注入孔121。向注入孔121内注入导热材料，使导热材料填满空腔140，以形成导热件132。形成导热件132后，密封注入孔121。
具体地，如图1和图3所示，步骤S120还包括：
在冷却体120上形成至少一个贯穿其厚度且连通空腔140的抽真空孔122。通过抽真空孔122对空腔140抽真空，以引导经由注入孔121所注入的导热材料填满空腔140。形成导热件132后，密封抽真空孔122。
具体地，在使用钎焊方法分割出空腔140后，需要对空腔140填充相变导热材料，例如，霍尼韦尔的相变导热材料PTM5000，相变温度为45℃(45℃以下为固态，45℃以上为液态)，导热系数为4.4W/m.K。填充方法为在冷却体120的不同位置打孔，也即在其中心轴线附近的某个位置可以开1～4个注入孔121，用于向空腔内注入热的相变导热材料，在边缘处开3～20个抽真空孔122，用于抽真空，引导热的相变导热材料流向边缘处，从而可以铺满整个空腔140。在填充之前，需要先将整个静电卡盘100预热到50℃以上，以保证相变导热材料不会在接触到静电卡盘100其他部分后快速变冷相变成固态。填充之后，需要先进行静置放气，排掉相变导热材料内部的气泡，而后对注入孔121和抽真空孔122进行封接处理，可以使用各类熔焊方法对其进行封口封真空。
本实施例的静电卡盘100，假设在溅射功率为3000W，通过有限元仿真，背景技术中采用胶粘方法的静电卡盘表面温度达到了50℃时，晶圆已经超过了50℃，不能满足工艺需求，而相同功率下，本实施例的静电卡盘100，在其表面温度达到了50℃时，晶圆表面的温度仅有41℃。显然，本实施例结构的静电卡盘100，其冷却控温性能更优，能够有效确保工艺良率。确保工艺顺利进行。
需要说明的是，对于连接件131的厚度并没有作出具体限定，例如，该连接件131的厚度范围可以为0.1mm～1mm。当然，除此以外，连接件131的厚度也可以根据实际需要取其他一些可能的值。
如图1所示，静电卡盘100还包括至少一个电极150以及至少一个接线柱160，电极150内嵌在基体110内，接线柱160穿过冷却体120和分割部131a与电极150连接。
本实施例结构的静电卡盘100，通过借助所设置的分割部131a，可以有效将接线柱160与空腔140分隔开，一方面，可以有效定位接线柱160，另外一方面，还能够有效提高各连接件与空腔之间的密封性能，有效保证封接真空。
本发明的第三方面，提供了一种工艺腔室(图中并未示出)，包括前文记载的静电卡盘100，该静电卡盘100的结构具体可以参考前文相关记载，在此不作赘述。
本实施例的工艺腔室，具有前文记载的静电卡盘100，在基体110和冷却体120之间设置有导热组件130，该导热组件130包括连接件131和导热件132，连接件131将基体110与冷却体120固定连接，导热件132与基体110的底面、冷却体120的顶面全面接触以将基体110上的热量传递至冷却体120。这样，一方面，通过所设置的连接件131，可以使得基体110与冷却体120固定连接，另一方面，通过所设置的导热件132，可以使得基体110所产生的热量快速传递至冷却体120，从而可以有效提高静电卡盘100的导热能力，可以大幅提高静电卡盘的控温能力。
本发明的第四方面，提供了一种半导体处理设备(图中并未示出)，包括前文记载的工艺腔室。
本实施例的半导体处理设备，具有前文记载的静电卡盘100，在基体110和冷却体120之间设置有导热组件130，该导热组件130包括连接件131和导热件132，连接件131将基体110与冷却体120固定连接，导热件132与基体110的底面、冷却体120的顶面全面接触以将基体110上的热量传递至冷却体120。这样，一方面，通过所设置的连接件131，可以使得基体110与冷却体120固定连接，另一方面，通过所设置的导热件132，可以使得基体110所产生的热量快速传递至冷却体120，从而可以有效提高静电卡盘100的导热能力，可以大幅提高静电卡盘的控温能力。
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)

1.一种静电卡盘，其特征在于，包括：
基体；
冷却体，所述冷却体与所述基体相对设置；
导热组件，所述导热组件夹设在所述基体与所述冷却体之间，所述导热组件包括连接件和导热件，所述连接件将所述基体与所述冷却体固定连接，所述导热件与所述基体的底面、所述冷却体的顶面全面接触，以将所述基体上的热量传递至所述冷却体；
所述连接件包括位于所述基体中部的分割部以及位于所述基体边缘的密封连接部，所述密封连接部将所述基体与所述冷却体密封连接，所述分割部将所述基体与所述冷却体中部的孔洞密封，所述密封连接部与所述分割部、所述基体和所述冷却体之间形成空腔，所述空腔内填充有导热材料，形成所述导热件。
2.根据权利要求1所述的静电卡盘，其特征在于，所述导热材料为相变导热材料。
3.根据权利要求1所述的静电卡盘，其特征在于，所述密封连接部和所述分割部均呈圆环型。
4.根据权利要求2或3所述的静电卡盘，其特征在于，所述密封连接部和所述分割部均由钎焊图形层制成。
5.根据权利要求4所述的静电卡盘，其特征在于，所述钎焊图形层由片状低温软钎焊材料制成。
6.一种静电卡盘的制作方法，其特征在于，包括：
S110、分别提供基体和冷却体；
S120、在所述基体和所述冷却体之间形成导热组件，所述导热组件包括连接件和导热件，所述连接件将所述基体与所述冷却体固定连接，所述导热件与所述基体的底面、所述冷却体的顶面全面接触，以将所述基体上的热量传递至所述冷却体；其中，
步骤S120包括：
采用钎焊方式在所述基体、所述冷却体的边缘形成密封连接部，通过所述密封连接部将所述基体与所述冷却体密封连接，采用钎焊方式在所述基体、所述冷却体中部的孔洞周围形成分割部，通过所述分割部密封所述基体、所述冷却体中部的孔洞，所述密封连接部和所述分割部构成所述连接件，所述密封连接部与所述分割部、所述基体和所述冷却体之间形成空腔；
在所述冷却体上形成至少一个贯穿其厚度且连通所述空腔的注入孔；
向所述注入孔内注入导热材料，使所述导热材料填满所述空腔，以形成所述导热件；
形成所述导热件后，密封所述注入孔。
7.根据权利要求6所述的静电卡盘的制作方法，其特征在于，步骤S120还包括：
在所述冷却体上形成至少一个贯穿其厚度且连通所述空腔的抽真空孔；
通过所述抽真空孔对所述空腔抽真空，以引导经由所述注入孔所注入的导热材料填满所述空腔；
形成所述导热件后，密封所述抽真空孔。
8.根据权利要求6或7所述的静电卡盘的制作方法，其特征在于，所述导热材料为相变导热材料。
9.一种工艺腔室，其特征在于，包括权利要求1至5中任意一项所述的静电卡盘。
10.一种半导体处理设备，其特征在于，包括权利要求9所述的工艺腔室。
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