CN110911332B - 静电卡盘 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种静电卡盘，其包括：导热层，用于承载晶片，在导热层中内置有用于加热晶片的加热电极；第一绝热层，设置在导热层的下方，且与导热层连为一体，并且第一绝热层的导热系数小于导热层的导热系数；以及第二绝热层，设置在第一绝热层的下方，且第二绝热层的导热系数小于第一绝热层的导热系数。本发明提供的静电卡盘，其可以提升所能达到的最高温度，并保证在高温段静电卡盘的真空密封，以及实现与下电极结构的匹配安装。

Description

静电卡盘
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，具体地，涉及一种静电卡盘。
背景技术
静电卡盘(Electro Static Chuck，简称ESC)广泛地应用于集成电路(IC)的制造工艺中，特别是等离子刻蚀(ETCH)、物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)等的工艺，静电卡盘用于在反应室内固定、支撑及传送晶片(Wafer)，还用于为晶片提供直流偏压并且控制晶片表面的温度。
低温静电卡盘的工作温度一般控制在120℃以内(即，与晶片接触的绝热层温度在120℃以内)，通过高温媒介控温能够将工作温度控制在200℃左右。但是，针对某些工艺，例如针对GaN的刻蚀，在大于300℃高温刻蚀条件下，有助于GaN的刻蚀结果修复，提升器件性能。这对传统的静电卡盘来说是难以达到的，因此需要可以实现高温下(>300℃)工作的静电卡盘。
如图1所示，典型的静电卡盘包括绝热层1、直流电极层2和基座3。其中，绝热层1目前采用陶瓷材料(AL2O3)加工制造；直流电极层2通过烧结或喷涂的方式埋藏在绝热层1中，用于与晶片之间产生静电引力，以达到固定晶片的目的。基座3用来支撑绝热层1，同时基座3内设置有能够通入热交换媒介的通道4，以采用热传导的方式控制晶片的温度。
但是，现有的静电卡盘只能在一定的温度范围内进行(220℃以内)，温度高于220℃则不能进行正常使用，会存在以下问题：
其一，绝热层1与基座3通过硅粘接剂进行粘接，由于硅粘接剂本身特性的原因，在高温段(200℃以上)硅粘接剂将会失效，无法实现真空密封作用，最终导致静电卡盘失效。因此，现有的静电卡盘无法应用于200℃以上的高温工艺。
其二，目前可以使用的热交换媒介通常采用高温循环浴油，其温度最高能达到220℃，但是，位于基座3底部与之安装相接触的下电极系统无法承受大于150℃的温度。
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，其可以提升所能达到的最高温度，并保证在高温段静电卡盘的真空密封，以及实现与下电极结构的匹配安装。
为实现本发明的目的而提供一种静电卡盘，包括：
导热层，用于承载晶片，在所述导热层中内置有用于加热晶片的加热电极；
第一绝热层，设置在所述导热层的下方，且与所述导热层连为一体，并且所述第一绝热层的导热系数小于所述导热层的导热系数；以及
第二绝热层，设置在所述第一绝热层的下方，且所述第二绝热层的导热系数小于所述第一绝热层的导热系数。
可选的，所述导热层的导热系数为130w/m.k-170w/m.k；所述第一绝热层的导热系数为70w/m.k-90w/m.k。
可选的，所述导热层所采用的材料包括氮化铝。
可选的，所述第一绝热层所采用的材料包括氮化铝；并且，在所述导热层和/或所述第一绝热层中掺杂有预定比例的至少一种微量元素，以使所述第一绝热层的导热系数为70w/m.k，所述导热层的导热系数为140w/m.k。
可选的，所述导热层与所述第一绝热层采用烧结的方式连为一体。
可选的，所述第二绝热层的导热系数为1.5w/m.k。
可选的，所述第二绝热层所采用的材料包括石英。
可选的，所述第一绝热层和所述第二绝热层采用紧固件固定连接，并且在所述第一绝热层和所述第二绝热层之间设置有全氟密封圈。
可选的，所述导热层内还设有用于与晶片产生静电引力的直流电极，所述直流电极的上表面与所述导热层的承载面之间的间距为1.5mm。
可选的，所述导热层内还设有用于同时加载射频电压和直流电压的射频电极，所述射频电极的上表面与所述导热层的承载面之间的间距为1.5mm。
可选的，所述加热电极的上表面与所述导热层的承载面之间的间距为3mm。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的静电卡盘，其将加热电极设置在导热层中，通过导热层加热晶片，以提升所能达到的最高温度；同时，通过在导热层的下方设置第一绝热层，其与导热层连为一体，第一绝热层的导热系数小于导热层的导热系数，以减小向下传递的热量，从而降低第一绝热层下方密封件的温度，可以保证在高温段静电卡盘的真空密封，并且通过在第一绝热层的下方设置导热系数更小的第二绝热层，可以有效起到隔热的作用，使导热层中的温度在传递至第二绝热层时已经下降至150℃以下，从而可以实现与下电极结构的匹配安装。
附图说明
图1为现有的静电卡盘的结构图；
图2为本发明实施例提供的静电卡盘的剖视图。
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静电卡盘进行详细描述。
请参阅图1，本发明实施例提供的静电卡盘，其包括导热层5、第一绝热层8和第二绝缘层9。其中，导热层5用于承载晶片，且在导热层5中内置有用于加热晶片的加热电极7，从而实现对晶片的固定和温度控制。通过导热层5加热晶片，可以提升所能达到的最高温度。
在本实施例中，在导热层5中还内置有用于与晶片产生静电引力的直流电极6。在这种情况下，通过设置在静电卡盘底部的下电极结构加载射频功率。具体地，下电极结构包括用于承载静电卡盘的基座，通过向该基座加载射频功率，来引入射频能量。
但是，本发明并不局限于此，在实际应用中，也可以在导热层5中设置用于同时加载射频电压和直流电压的射频电极来代替上述直流电极6，通过向该射频电极同时加载射频电压和直流电压，可以同时实现静电吸引和射频能量引入，从而可以简化结构，而且通过将射频电极层烧结在导热层中，可以增加垂直朝向晶片方向的分压，从而可以增强等离子轰击晶圆的能力，进而提高刻蚀效率。
可选的，直流电极6采用网格状结构，并相对于导热层5的承载面均匀分布，以能够均匀地吸附晶片。
可选的，直流电极6(或者射频电极)的上表面与导热层5的用于承载晶片的承载面之间的间距为1.5mm。该间距可以保证直流电极6与晶片产生的静电引力能够稳固地将晶片固定在导热层5上。
可选的，直流电极6采用Mo等的导电材料制作。直流电极6的厚度的取值范围在0.2～0.4mm。
可选的，加热电极7采用Mo等的导电材料制作。加热电极7的厚度的取值范围在0.1～0.3mm。
可选的，加热电极7的上表面与导热层5的用于承载晶片的承载面之间的间距为3mm。该间距可以保证加热效率。
可选的，在导热层5的上表面形成有片槽51，用于承载晶片，并限定晶片在导热层5上的位置。
第一绝热层8设置在导热层5的下方，且与导热层5连为一体，这样即可实现第一绝热层8与导热层5之间的密封，而无需使用粘接剂、密封圈等的密封结构，同时可以彻底解决热膨胀的问题，从而不再受到这些密封结构在高温段的限制，进而可以使静电卡盘能够在高温下(>300℃)工作。
并且，第一绝热层8的导热系数小于导热层5的导热系数。这样，可以减小向下传递的热量，从而降低第一绝缘层8下方密封件的温度，保证在高温段静电卡盘的真空密封。
可选的，导热层5的导热系数为130w/m.k-170w/m.k；第一绝热层8的导热系数为70w/m.k-90w/m.k。在该范围内，可以有效起到隔热的作用，使导热层5中的温度在传递至第一绝热层8时下降。
优选的，导热层5所采用的材料包括氮化铝(AlN)。氮化铝是共价键化合物，一种绝缘体、原子晶体，属类金刚石氮化物，该类金刚石氮化物的聚晶体物料的导热系数为70～210w/m.k，而单晶体的导热系数可高达275w/m.k，因此，氮化铝具有较佳的传热能力。
在本实施例中，导热层5和第一绝热层8各自所采用的材料均包括氮化铝；并且，在导热层5和/或第一绝热层8中掺杂有预定比例的至少一种微量元素，以使第一绝热层8的导热系数小于导热层5的导热系数。可选的，导热层5的导热系数为140w/m.k；第一绝热层8的导热系数为70w/m.k。
可选的，导热层5与第一绝热层8采用烧结的方式连为一体，从而实现二者之间的密封。
第二绝热层9设置在第一绝热层8的下方，并且第二绝热层9的导热系数小于第一绝热层8的导热系数。这样，可以使导热层5中的温度在传递至第二绝热层9时相对于第一绝热层8进一步下降至150℃以下，从而可以实现与下电极结构的匹配安装。
可选的，第二绝热层9的导热系数为1.5w/m.k，这可以使导热层5中的温度在传递至第二绝热层9时下降至150℃以下。优选的，第二绝热层9所采用的材料包括石英。
在本实施例中，第一绝热层8和第二绝热层9采用紧固件11固定连接，并且在第一绝热层8和所述第二绝热层9之间设置有密封圈10，用于对二者之间的间隙以及中心孔11进行密封。可选的，密封圈采用耐高温的密封圈，例如全氟密封圈。这里，中心孔11用于引出直流电极6和加热电极7的接线等等。
综上所述，本发明提供的静电卡盘，其将加热电极设置在导热层中，通过导热层加热晶片，以提升所能达到的最高温度；同时，通过在导热层的下方设置第一绝热层，其与导热层连为一体，第一绝热层的导热系数小于导热层的导热系数，以减小向下传递的热量，从而降低第一绝热层下方密封件的温度，可以保证在高温段静电卡盘的真空密封，并且通过在第一绝热层的下方设置导热系数更小的第二绝热层，可以有效起到隔热的作用，使导热层中的温度在传递至第二绝热层时已经下降至150℃以下，从而可以实现与下电极结构的匹配安装。
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 (5)

1.一种静电卡盘，其特征在于，包括：
导热层，用于承载晶片，在所述导热层中内置有用于加热晶片的加热电极；
第一绝热层，设置在所述导热层的下方，所述第一绝热层和所述导热层所采用的材料均包括氮化铝，且所述第一绝热层与所述导热层采用烧结的方式连为一体，并且所述导热层和/或所述第一绝热层中掺杂有预定比例的至少一种微量元素，所述第一绝热层的导热系数小于所述导热层的导热系数；以及
第二绝热层，设置在所述第一绝热层的下方，且所述第二绝热层的导热系数小于所述第一绝热层的导热系数；
所述导热层的导热系数为130w/m.k-170w/m.k；所述第一绝热层的导热系数为70w/m.k-90w/m.k；
所述第二绝热层的导热系数为1.5w/m.k；所述第二绝热层所采用的材料包括石英；
所述第一绝热层和所述第二绝热层采用紧固件固定连接，并且在所述第一绝热层和所述第二绝热层之间设置有全氟密封圈。
2.根据权利要求1所述的静电卡盘，其特征在于，所述第一绝热层的导热系数为70w/m.k，所述导热层的导热系数为140w/m.k。
3.根据权利要求1所述的静电卡盘，其特征在于，所述导热层内还设有用于与晶片产生静电引力的直流电极，所述直流电极的上表面与所述导热层的承载面之间的间距为1.5mm。
4.根据权利要求1所述的静电卡盘，其特征在于，所述导热层内还设有用于同时加载射频电压和直流电压的射频电极，所述射频电极的上表面与所述导热层的承载面之间的间距为1.5mm。
5.根据权利要求3或4所述的静电卡盘，其特征在于，所述加热电极的上表面与所述导热层的承载面之间的间距为3mm。
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