CN111048460A - 静电卡盘及反应腔室 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种静电卡盘及反应腔室，该静电卡盘包括绝缘层和设置在绝缘层底部的加热体，还包括：冷却结构，设置在加热体的下方，且与加热体间隔设置，冷却结构用于通过冷却液体来将加热体的热量传递出去。本发明提供的静电卡盘，其可以在工艺过程中实现对加热体的稳定控温，从而可以有效减少晶须缺陷，进而可以提高产品良率。

Description

静电卡盘及反应腔室

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，具体地，涉及一种静电卡盘及反应腔室。

背景技术

目前，采用物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，以下简称PVD)技术制备Al薄膜被广泛应用于半导体制备领域，而制备Al薄膜的工艺过程中，由于腔体内的杂质而引起薄膜材料异常生长产生刺形或角形的晶须缺陷是普遍存在的问题。晶须缺陷的尺寸足够大时会影响产品良率。因此，控制Al薄膜沉积过程中杂质的产生是控制晶须缺陷产生的重要手段和措施。

在使用PVD设备进行Al薄膜的沉积工艺时，为了固定、支撑及传送晶片(Wafer)并实现温度控制，往往使用高温静电卡盘(High Temperature Electrostatic chuck)作为承载晶片的基座。现有的静电卡盘包括用于对晶片进行温度控制的温控装置，其借助加热体向承载晶片的绝缘层提供热量，并借助冷却管路冷却加热体，以避免加热体的温度过高。

但是，由于加热体与冷却管路直接接触，高温工作时无法向冷却管路中通入冷却水，否则冷却管路中的水会沸腾。因此，在进行工艺时，冷却管路无法工作，导致加热体的温度因产生的热量无法及时有效的传递出去而逐渐升高，从而造成晶须缺陷增加，严重影响了产品良率。

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及反应腔室，其可以在工艺过程中实现对加热体的稳定控温，从而可以有效减少晶须缺陷，进而可以提高产品良率。

为实现本发明的目的而提供一种静电卡盘，包括绝缘层和设置在所述绝缘层底部的加热体，还包括：

冷却结构，设置在所述加热体的下方，且与所述加热体间隔设置，所述冷却结构用于通过冷却液体来将所述加热体的热量导出。

可选的，所述冷却结构包括：

冷却管路，与所述加热体间隔分离设置；

传热板，呈薄壁状，且分别与所述加热体和所述冷却管路连接，用于将所述加热体的热量传递至所述冷却管路。

可选的，所述冷却结构还包括法兰，所述法兰与所述加热体的底部连接，且环绕在所述冷却管路的周围；

所述传热板呈环状，且所述传热板的内周壁和外周壁分别与所述冷却管路和所述法兰相接触。

可选的，通过设定不同的所述传热板的轴向厚度、径向长度和/或所述传热板的内周壁和外周壁分别与所述冷却管路和所述法兰相接触的接触面积，来控制所述传热板的散热效率。

可选的，所述传热板的散热效率的取值范围在10W～500W。

可选的，所述冷却结构与所述加热体之间的间距的取值范围在2～30mm。

可选的，所述冷却结构与所述加热体之间的间距为5mm。

可选的，所述传热板与所述冷却管路采用焊接的方式连接。

可选的，所述冷却结构还包括：

吸热结构，与所述冷却管路接触，且位于所述加热体的下方，用于吸收来自所述加热体辐射出的热量。

可选的，所述吸热结构包括吸热盘，所述吸热盘设置在所述冷却管路的上方，且与所述冷却管路固定连接；并且，在所述吸热盘的与所述加热体相对的表面上设置有多个吸热片。

可选的，多个所述吸热片为内径不同的多个环体，且多个所述环体同心设置。

可选的，所述冷却管路沿所述吸热盘的周向环绕设置。

作为另一个技术方案，本发明还提供一种反应腔室，包括本发明提供的上述静电卡盘。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的静电卡盘，其通过使冷却结构与加热体间隔设置，可以避免高温工作时向冷却结构中通入的冷却液体沸腾，同时冷却结构能够在工艺时将加热体的热量传递出去，从而可以有效减少晶须缺陷，进而可以提高产品良率。

本发明提供的反应腔室，其通过采用本发明提供的上述静电卡盘，可以在工艺过程中实现对加热体的稳定控温，从而可以有效减少晶须缺陷，进而可以提高产品良率。

附图说明

图1为为现有的静电卡盘的温控装置的结构图；

图2为现有技术中加热体升温与晶须缺陷的趋势图；

图3为本发明第一实施例提供的静电卡盘的温控装置的结构图；

图4为本发明第二实施例提供的静电卡盘的温控装置的结构图；

图5为本发明第二实施例采用的吸热结构的俯视图；

图6为本发明第二实施例提供的静电卡盘的热流图；

图7为本发明第二实施例中加热体升温与晶须缺陷的趋势图。

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及反应腔室进行详细描述。

图1为现有的静电卡盘的温控装置的结构图，如图1所示，温控装置包括设置在静电卡盘的绝缘层底部，用于提供热量的加热体1，及设置在加热体1的底部，用于冷却加热体1的冷却管路2。

在使用PVD设备进行Al薄膜的沉积工艺时，Al薄膜的沉积工艺的工艺温度通常为270℃，工艺时从靶材溅射下来的靶材材料会携带很高的能量，当其沉积在晶片上时会造成晶片的温度升高，晶片的热量通过静电卡盘传递至其底部的加热体1，导致加热体1的温度升高。但是，由于加热体1与冷却管路2直接接触，高温工作时无法向冷却管路2中通入冷却水，否则冷却管路2中的水会沸腾。因此，在进行工艺时，冷却管路2无法工作，导致加热体1的温度因产生的热量无法及时有效的传递出去而逐渐升高。如图2所示，为加热体升温与晶须缺陷的趋势图，由图2可以看出，随着加热体1的温度升高，晶须缺陷也呈上升趋势，严重影响了产品良率。

为了解决上述问题，本发明提供了一种静电卡盘，其包括绝缘层，该绝缘层用于承载被加工工件，且在绝缘层中内置有直流电极，用于与被加工工件之间产生静电引力，从而实现对被加工工件的固定。可选的，绝缘层采用陶瓷材料(Al₂O₃)制作。

并且，本发明提供的静电卡盘还包括冷却结构，其设置在加热体的下方，且与加热体间隔分离设置，该冷却结构用于通过冷却液体来将加热体的热量导出。

通过使冷却结构与加热体间隔设置，可以避免高温工作时向冷却结构中通入的冷却液体沸腾，同时冷却结构能够在工艺时将加热体的热量导出，从而可以有效减少晶须缺陷，进而可以提高产品良率。

可选的，冷却结构与加热体之间的间距的取值范围在2～30mm，优选为5mm，以在避免高温工作时向冷却结构中通入的冷却液体沸腾的同时，能够在工艺时将加热体的热量传递出去。

下面对上述冷却结构的具体实施方式进行详细描述。具体地，请参阅图3，冷却结构包括设置在上述绝缘层底部的加热体3、冷却管路5、法兰4和传热板6。其中，冷却管路5设置在加热体3的下方，且与加热体3间隔分离设置，即，冷却管路5与加热体3完全不接触。可选的，冷却管路5可以沿加热体3的周向环绕设置。

法兰4与加热体3的底部连接，且环绕设置在冷却管路5的周围。可选的，法兰4可用作密封法兰与波纹管连接，用于实现腔室的真空密封。

具体来说，法兰4可以包括传热环体，该传热环体的上端与加热体3的底部连接，且在传热环体的下端设置有环形凸部，该环形凸部相对于传热环体的内周壁凸出，并与传热板6相接触。并且，在波纹管的顶部设置有上法兰，其与环形凸部密封连接；在波纹管的底部设置有下法兰，其与反应腔室的底部腔室壁密封连接。并且，底部腔室壁设置有通孔，该通孔位于波纹管内。升降轴自腔室的外部经由该通孔竖直向上延伸至腔室内部，并且升降轴套设在波纹管的内部，并且升降轴的上端与上法兰连接，升降轴的下端与驱动源连接。在驱动源的驱动下，升降轴带动静电卡盘作升降运动。由此，可以保证腔室的密封。

可选的，法兰4的环形凸部与上述上法兰之间可以采用焊接的方式密封连接，这种密封方式能够给适用真空度和颗粒度要求较高的高温腔室中。

传热板6呈环状，且呈薄壁状，并且传热板6的内周壁和外周壁分别与冷却管路5和法兰4相接触。加热体1中的热量通过法兰4传递至传热板6，并由该传热板6传递至冷却管路5。所谓传热板呈薄壁状，是指该传热板的径向厚度远远小于其轴向长度。

通过使冷却管路5与加热体3间隔分离设置，可以避免高温工作时向冷却管路5中通入的冷却液体沸腾，同时借助传热板6，将法兰4的热量传递至冷却管路5，可以在工艺时将加热体3的热量传递出去，从而可以有效减少晶须缺陷，进而提高产品良率。同时，利用传热板6的薄壁特性，即使传热板6与法兰4接触，也不会使冷却管路5中的冷却液体沸腾，从而可以实现在工艺过程中对加热体3进行冷却。此外，利用传热板6的薄壁特性，可以根据平板传热原理公式设计传热板的结构和尺寸，这样能够精确地控制热量传递速度，从而可以在工艺过程中实现对加热体3的稳定控温，进而可以获得一个最优的导热效率。

具体地，上述平板传热原理公式为：

Q＝λ(T1-T2)tA/δ

其中，Q为每秒钟传热板传递的热量值，单位为J；λ为传热板的导热系数，单位为W/(M·K)；T1-T2为法兰与冷却管路之间的温度差，单位为K；t为导热时间，单位为s；A为接触面积，单位为m²；δ为传热板的厚度，单位为m。

例如，传热板6与法兰4接触处的温度T1约为250℃；传热板6与冷却管路5接触处的温度T2约为40℃；传热板的厚度为0.2mm；接触面积为1.256^-4m²。通过将上述参数代入平板传热原理公式，可以计算获得每秒钟传热板传递的热量值Q约为52J，即，传热板在此工况下的散热效率为52W。

基于上述原理，可以通过改变传热板6的尺寸和接触面积，可以将散热效率控制在10W～500W的范围内。

根据上述上述平板传热原理公式，可以通过设定不同的传热板的轴向厚度、径向长度和/或传热板的内周壁和外周壁分别与冷却管路5和法兰3相接触的接触面积，来控制传热板的散热效率。

可选的，传热板6与冷却管路5采用焊接的方式连接。另外，传热板6也可以与法兰4采用焊接的方式连接，或者也可以仅仅是相互贴合。

需要说明的是，在本实施例中，传热板6通过法兰4实现对加热体3的冷却，但是，本发明并不局限于此，在实际应用中，也可以省去法兰4，使传热板6分别与加热体3和冷却管路5连接，这同样可以将加热体3的热量传递至冷却管路5，而且借助传热板6的薄壁特性，即使传热板6与加热体3接触，也不会使冷却管路5中的冷却液体沸腾，从而可以实现在工艺过程中对加热体3进行冷却。

还需要说明的是，在本实施例中，借助传热板6将加热体3的热量传递至冷却管路5，但是，本发明并不局限于此，在实际应用中，冷却结构还可以采用其他传热方式，例如，使冷却结构与加热体3完全不接触，在这种情况下，可以经由空气热辐射以及热对流传递将加热体3的热量传递至冷却结构。

请参阅图4，本发明第二实施例提供的静电卡盘，其是在上述第一实施例的基础上所作的改进。具体地，静电卡盘同样包括绝缘层、设置在上述绝缘层底部的加热体3、冷却管路5、法兰4和传热板6。由于这些部件的结构和功能在上述第一实施例中已有了详细描述，在此不再描述。

在本实施例中，静电卡盘还包括吸热结构，该吸热结构与冷却管路5接触，且位于加热体3的下方，用于吸收来自加热体3辐射出的热量。借助上述吸热结构，可以增强加热体3的散热速率，尤其可以增强对加热体3中心区域的散热，使中心区域的散热速率高于边缘区域的散热速率，从而可以补偿加热体3中心区域与边缘区域之间的温度差(在工艺时中心区域的温升较为严重)，从而可以提高加热体3的温度均匀性，进而可以提高被加工工件的温度均匀性。

在本实施例中，吸热结构包括吸热盘7，该吸热盘7设置在冷却管路5的上方，且与冷却管路5固定连接；并且，在吸热盘7的与加热体3相对的表面上设置有多个吸热片8。加热体3中的热量能够经由空气热辐射以及热对流传递至各个吸热片8，并经由吸热盘7传递至冷却管路5。

在本实施例中，如图5所示，多个吸热片8为内径不同的多个环体，且多个环体同心设置。这样，可以提高对加热体3的冷却均匀性，从而可以进一步提高加热体3的温度均匀性。

当然，在实际应用中，可以根据具体需要设计吸热片的尺寸(包括高度、厚度、间距和分布位置等等)。

可选的，为了提高热量传递的均匀性，冷却管路5沿吸热盘7的周向环绕设置。

另外，在吸热盘7上设置有中心孔71，用于供诸如直流电极或者加热电极等的接线引入或者引出静电卡盘。

下面以进行PVD工艺为例，对本发明第二实施例提供的静电卡盘的热流分布进行详细描述。请参阅图6，在进行PVD工艺时，等离子体轰击靶材9产生金属离子，金属离子从靶材9向晶片11的表面移动且带有一定的能量，金属离子在与晶片11接触后将能量转化为热量并传递给晶片11。此时，晶片11的中心区域获得的能量较多，而边缘区域获得的能量较少。晶片11将热量传递给静电卡盘的绝缘层12，该绝缘层12将热量传递至加热体3。加热体3中热量可以同时通过两种途径传递至冷却管路5,并经由冷却管路5中的冷却液体将热量导出，第一种路径为：经由法兰4传导至传热板中，进而传递至冷却管路5；第二种路径为：经由空气热辐射以及热对流传递至吸热片8和吸热盘7，进而传递至冷却管路5。

如图7所示，在进行工艺的过程中，加热体3的温度基本保持不变，实现了热平衡，从而有效减少晶须缺陷。

作为另一个技术方案，本发明还提供一种反应腔室，其包括本发明上述各个实施例提供的静电卡盘。

具体地，在本实施例中，如图6所示，反应腔室10为PVD腔室，在反应腔室10中设置有靶材9，且在靶材9的下方设置有静电卡盘，该静电卡盘包括绝缘层12，用于承载晶片11。并且，绝缘层12通过压环13固定在加热体3上。

法兰4与加热体3的底部连接，且环绕设置在冷却管路5的周围。可选的，法兰4可用作密封法兰与波纹管15连接，用于实现腔室的真空密封。具体地，法兰4可以包括传热环体，该传热环体的上端与加热体3的底部连接，且在传热环体的下端设置有环形凸部，该环形凸部相对于传热环体的内周壁凸出，并与传热板6相接触。并且，在波纹管15的顶部设置有上法兰，其与环形凸部密封连接；在波纹管15的底部设置有下法兰，其与反应腔室的底部腔室壁或者延伸至反应腔室10的外部，并与升降轴(图中未示出)密封连接。并且，底部腔室壁设置有通孔(图中未示出)，该通孔位于波纹管内。升降轴自腔室的外部经由该通孔竖直向上延伸至腔室内部，并且升降轴套设在波纹管15的内部，并且升降轴的上端与上法兰连接，升降轴的下端与驱动源连接。在驱动源的驱动下，升降轴带动静电卡盘作升降运动。由此，可以保证腔室的密封。

本发明提供的反应腔室，其通过采用本发明提供的上述静电卡盘，可以在工艺过程中实现对加热体的稳定控温，从而不仅可以有效减少晶须缺陷，而且还可以获得一个最优的导热效率。

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 (13)

1.一种静电卡盘，包括绝缘层和设置在所述绝缘层底部的加热体，其特征在于，还包括：

冷却结构，设置在所述加热体的下方，且与所述加热体间隔设置，所述冷却结构用于通过冷却液体来将所述加热体的热量导出。

2.根据权利要求1所述的静电卡盘，其特征在于，所述冷却结构包括：

冷却管路，与所述加热体间隔分离设置；

传热板，呈薄壁状，且分别与所述加热体和所述冷却管路连接，用于将所述加热体的热量传递至所述冷却管路。

3.根据权利要求2所述的静电卡盘，其特征在于，所述冷却结构还包括法兰，所述法兰与所述加热体的底部连接，且环绕在所述冷却管路的周围；

所述传热板呈环状，且所述传热板的内周壁和外周壁分别与所述冷却管路和所述法兰相接触。

4.根据权利要求3所述的静电卡盘，其特征在于，通过设定不同的所述传热板的轴向厚度、径向长度和/或所述传热板的内周壁和外周壁分别与所述冷却管路和所述法兰相接触的接触面积，来控制所述传热板的散热效率。

5.根据权利要求4所述的静电卡盘，其特征在于，所述传热板的散热效率的取值范围在10W～500W。

6.根据权利要求2所述的静电卡盘，其特征在于，所述冷却结构与所述加热体之间的间距的取值范围在2～30mm。

7.根据权利要求6所述的静电卡盘，其特征在于，所述冷却结构与所述加热体之间的间距为5mm。

8.根据权利要求2所述的静电卡盘，其特征在于，所述传热板与所述冷却管路采用焊接的方式连接。

9.根据权利要求2-8任意一项所述的静电卡盘，其特征在于，所述冷却结构还包括：

吸热结构，与所述冷却管路接触，且位于所述加热体的下方，用于吸收来自所述加热体辐射出的热量。

10.根据权利要求9所述的静电卡盘，其特征在于，所述吸热结构包括吸热盘，所述吸热盘设置在所述冷却管路的上方，且与所述冷却管路固定连接；并且，在所述吸热盘的与所述加热体相对的表面上设置有多个吸热片。

11.根据权利要求10所述的静电卡盘，其特征在于，多个所述吸热片为内径不同的多个环体，且多个所述环体同心设置。

12.根据权利要求10所述的静电卡盘，其特征在于，所述冷却管路沿所述吸热盘的周向环绕设置。

13.一种反应腔室，其特征在于，包括权利要求1-12任意一项所述的静电卡盘。

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