CN111180370A - 晶圆承载托盘及半导体加工设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种晶圆承载托盘及半导体加工设备，该晶圆承载托盘设置于半导体工艺腔室的卡盘上，所述托盘包括顶面和底面；所述顶面上开设有多个用于容置晶圆的容置槽，所述托盘的底面上开设有多条冷却沟槽；所述冷却沟槽与所述卡盘的冷却通道连通；所述冷却沟槽与所述容置槽之间无气流通道。应用本发明，可以提高该托盘的冷却效果，可以在保证晶圆表面质量的前提下提高其刻蚀速度。且可以防止冷却介质直接与晶圆接触，也不会有氦漏的问题，从而可以有效避免由于氦漏对晶圆表面质量造成的影响，或者使晶圆偏离容置槽等。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体地，涉及一种晶圆承载托盘及半导体加工设备。
背景技术
在半导体器件的制造过程中，经常会应用到刻蚀工艺，比如在铝镓铟磷(AlGaInP)基红黄光LED的工艺流程中，通常会采用刻蚀技术进行切割道工艺，具体过程包括：首先将AlGaInP基多层结构放置于工艺腔室的托盘上，托盘通过卡盘固定，然后采用含氯气体对AlGaInP基多层结构进行切割道刻蚀。
现有技术中应用的托盘，大多是石英托盘，其正面用于承载晶圆，底面用于与卡盘作用。由于石英托盘导热系数较差，通过增加功率提升刻蚀速率常常会导致晶圆表面温度增加，出现糊胶或者形貌异常等问题。
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，提出了一种晶圆承载托盘及半导体加工设备。
为实现本发明的目的，第一方面提供一种晶圆承载托盘，设置于半导体工艺腔室的卡盘上，所述托盘包括相对顶面和底面；
所述顶面上开设有多个用于容置晶圆的容置槽，所述底面上开设有多条冷却沟槽；所述冷却沟槽与所述卡盘的冷却通道连通；所述冷却沟槽与所述容置槽之间无气流通道。
优选地，所述多条冷却沟槽包括相互连通的多条径向沟槽和多条周向沟槽；
所述多条径向沟槽呈放射状从所述底面的中心向边缘延伸，所述多条周向沟槽为以所述底面的中心为圆心、直呈多个同心圆分布。
优选地，所述底面与所述卡盘的上表面密封贴合。
优选地，所述顶面上还设置有附加层，所述附加层用于在所述晶圆刻蚀时与等离子体作用，以降低或提高所述晶圆边缘的刻蚀速率。
优选地，所述附加层覆盖所述顶面除开设所述容置槽的区域。
优选地，所述附加层的材质包括碳化硅、氧化铝及硅中的任意一种。
优选地，所述托盘为导电材质制成，且所述托盘的导热系数高于石英的导热系数。
优选地，所述托盘的材质为碳化硅。
优选地，所述托盘应用于所述铝镓铟磷基的晶圆的刻蚀工艺。
为实现本发明的目的，第二方面提供一种半导体加工设备，包括第一方面提供的晶圆承载托盘。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的晶圆承载托盘，在与卡盘贴合的底面设有冷却沟槽，冷却沟槽与卡盘的冷却通道连通，可以将冷却介质引入托盘的接合面，从而在托盘的底面对容置槽内的晶圆进行冷却，提高了该托盘的冷却效果，在对晶圆刻蚀时，可以通过施加较高的功率来获得高密度、高能量的等离子体，且可以避免晶圆表面温度增加、光胶糊胶，进而出现去胶困难甚至形貌异常等问题，从而可以在保证晶圆表面质量的前提下提高其刻蚀速度。另外，本实施例的冷却沟槽与容置槽之间无气流通道，在托盘的底面对容置槽内的晶圆进行冷却(而不是对晶圆的底面直接冷却)，可以防止冷却介质(如氦气)直接与晶圆接触，也不会有氦漏的问题，从而可以有效避免由于氦漏对晶圆表面质量造成的影响(如形貌异常、颗粒污染等)，或者使晶圆偏离容置槽等。
附图说明
图1为现有技术中应用的晶圆承载托盘的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的晶圆承载托盘的托盘的俯视示意图；
图3为本申请实施例提供的晶圆承载托盘的托盘的仰视示意图；
图4为本申请实施例提供的托盘与卡盘配合时的剖视结构示意图；
图5为采用现有的石英托盘对铝镓铟磷基的晶圆进行刻蚀所得的不同晶圆片数下的刻蚀速率曲线图；
图6为采用本申请实施例提供的SiC材质的托盘对铝镓铟磷基的晶圆进行刻蚀所得的不同晶圆片数下的刻蚀速率曲线图；
图7为采用不同边缘材质的托盘对AlGaInP基晶圆进行刻蚀的刻蚀速率分布曲线图。
具体实施方式
下面详细描述本申请，本申请的实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的部件或具有相同或类似功能的部件。此外，如果已知技术的详细描述对于示出的本申请的特征是不必要的，则将其省略。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本申请的说明书中使用的措辞“包括”是指存在特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。
下面以具体地实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。
在实际应用中，为解决上述技术问题，设计了如图1所示的晶圆30晶圆承载装置，该晶圆承载装置包括承载盘01和压片环02，承载盘01设置有一个或多个用于容置晶圆30的容置腔03，承载盘01底面与容置腔03对应的位置开设有气体通孔，该气体通孔延伸至容置腔，用于通入氦气对晶圆30进行冷却。压片环02的中心区域具有孔径小于容置腔03上端口径的通孔，使得压片环02的下端面可以压盖在置于容置腔03中的晶圆30的上端面。采用该晶圆承载装置虽能够对晶圆30起到冷却作用，但是其结构较为复杂，压片环02需经常使用螺钉等进行安装、拆卸，不仅装片效率低，还容易因安装受力不均、碰撞等造成损伤，寿命短；且容易因安装偏差导致氦漏过大，而影响晶圆30表面温度均匀性，进而影响刻蚀深度均匀性等。另外，压片环02通常采用石英、陶瓷或金属铝材料，其在晶圆30上方压住晶圆30，被等离子体刻蚀后产生的颗粒向下扩散，容易致使晶圆30在刻蚀工艺中产生形貌异常、颗粒污染等问题。
鉴于上述问题，本申请实施例提供了一种晶圆承载托盘，设置于半导体工艺腔室的卡盘20上，以用于承载晶圆30，如图2-图4所示，该托盘10包括顶面11和底面12；顶面11上开设有多个容置槽13，多个容置槽13用于容置晶圆30；底面12上开设有多条冷却沟槽104，冷却沟槽104与卡盘20的冷却通道21连通，冷却沟槽104与所述容置槽13之间无气流通道。
其中，卡盘20可以设置在位于半导体工艺腔室内的下电极上(图2-4中均未示出)，卡盘20上的冷却通道21(可以但不限于是氦气通道)可以与进气管的一端连接，进气管的另一端可以连接进气源。与冷却通道21连通的冷却沟槽104用于引入冷却介质对晶圆30进行冷却。这里冷却沟槽104与容置槽13之间无气流通道可以理解为，冷却沟槽104靠近容置槽13的最高点与容置槽13靠近冷却沟槽104的最低点之间具有间隔，即冷却沟槽104的深度与容置槽13的深度的总和小于托盘10的厚度，可以防止冷却介质与晶圆30接触，对晶圆30表面质量有所影响，或者使晶圆30偏离容置槽13等。
如图2-图4所示，该晶圆承载托盘的托盘10可以为圆盘状，在托盘10的上表面(即顶面11)设置有九个横截面接近圆形的容置槽13，其中一个位于托盘10中心位置、八个设置在边缘，该八个容置槽13均匀环绕在该中心位置容置槽13的周围，具体容置槽13的尺寸可以比晶圆30稍大，以便于取放晶圆30。托盘10的底面12与卡盘20的上表面贴合，底面12上开设的冷却沟槽104的槽口与卡盘20的冷却通道21的顶部端口连通，(具体可以但不限于是每条冷却沟槽104对应与一条冷却通道21，或者多条相连的冷却沟槽104对应与一条冷却通道21连通)，以将冷却介质引入托盘10底面对晶圆30进行冷却。其中，托盘10可以选用导热系数较大(大于石英)的材质，使得晶圆30表面的温度更容易扩散，可以防止在增加功率提升刻蚀速率时造成晶圆30局部温度过高。冷却介质可以是气体(如氦气、氮气)，也可以是液体(冷水、液氮等)，本实施例对此不作具体限定。
需要说明的是，本实施例并不限定托盘10的具体形状，也不限定容置槽13和冷却沟槽104的具体形状、尺寸及排布方式，只要其能实现承载晶圆30和对晶圆30进行冷却的功能即可。
本实施例提供的晶圆承载托盘，在与卡盘20贴合的底面12设有冷却沟槽104，冷却沟槽104与卡盘20的冷却通道21连通，可以将冷却介质引入托盘10的底面12，从而在托盘10的底面12对容置槽13内的晶圆30进行冷却，提高了该托盘10的冷却效果，在对晶圆30刻蚀时，可以通过施加较高的功率来获得高密度、高能量的等离子体，且可以避免晶圆30表面温度增加、光胶糊胶，进而出现去胶困难甚至形貌异常等问题，从而可以在保证晶圆30表面质量的前提下提高其刻蚀速度。另外，本实施例的冷却沟槽104与容置槽13之间无气流通道，在托盘10的底面12对容置槽13内的晶圆30进行冷却(而不是对晶圆30的底面直接冷却)，可以防止冷却介质(如氦气)直接与晶圆30接触，也不会有氦漏的问题，从而可以有效避免由于氦漏对晶圆30表面质量造成的影响(如形貌异常、颗粒污染等)，或者使晶圆30偏离容置槽13等。
进一步地，可以设置底面12平整，并使其与卡盘20的上表面密封贴合，以提高托盘10与卡盘20之间的密封性，从而提高卡盘20上的冷却通道21与托盘10底面12上的冷却沟槽104之间的密封性，可以防止冷却介质扩散，进而保证冷却沟槽104的冷却效果。
于一优选实施方式中，托盘10可以采用导电材质制成，在托盘10导电的情况下，开启上、下电极并施加一定功率，使工艺气体生成等离子体时，导电的托盘10可以在一定程度上影响(增强)上、下电极之间的电场强度，使更多的等离子体电离并运动至托盘10上的晶圆30表面，从而可以减缓晶圆30刻蚀过程中的负载效应(随着晶圆30刻蚀面积的增大而刻蚀速率减小)。具体地，托盘10的材质可以但不限于包括碳化硅，碳化硅材质既可以导电又有较高的导热系数，即可以降低负载效应，又可以提高冷却效果，综合性能较佳。
于本申请一具体实施方式中，多条冷却沟槽104包括相互连通的多条径向沟槽和多条周向沟槽；多条径向沟槽呈放射状从底面12的中心向边缘延伸，多条周向沟槽为多条以底面12的中心为圆心、呈多个同心圆分布。如此，可以使冷却沟槽104更加均匀、完整地覆盖整个托盘10的底面12，使得向冷却沟槽104内通入冷却介质后，可以更均匀地对晶圆30进行冷却，从而得到表面质量更好的晶圆30。需要说明的是，该实施方式只是本实施例的一较佳实施方式，本实施例并不以此为限，例如，也可以只在托盘10的接触面上对应容置槽13的位置开设冷却沟槽104，多条冷却沟槽104也可以纵横交错布置等。
于本申请一具体实施方式中，顶面11上还设置有附加层15，附加层15用于在晶圆30在刻蚀晶圆时与等离子体作用，以降低或提高晶圆30边缘的刻蚀速率。通过在顶面11设置附加层15，可以增大或减小原来顶面11对等离子体的消耗，从而可以改变晶圆30边缘(靠近顶面11的位置)附近的等离子体的量，继而调节晶圆30边缘的刻蚀速率，以使晶圆30的边缘与中心的刻蚀速率相当，实现晶圆30良好的均匀性。其中，均匀性可以是晶圆30的厚度均匀性、刻蚀速率均匀性及表面质量均匀性等，其计算方法均可以为：选取晶圆30不同位置的五处测量值，并计算平均值，用最大值减去最小值，然后再除以5，再除以2，再乘以100％。
具体地，若对于某种材质的晶圆30，其边缘的刻蚀速率较高、中心的刻蚀速率较低，则可以在顶面11生成一层附加层15，设置该附加层15的刻蚀速率大于顶面11的刻蚀速率，以消耗更多的等离子体，从而减少用于刻蚀晶圆30边缘的等离子，使晶圆30边缘的刻蚀速率下降，进而使晶圆30边缘的刻蚀速率与中心的刻蚀速率相当。若对于某种材质的晶圆30，其边缘的刻蚀速率较低、而中心的刻蚀速率较高，则可以在顶面11生成一层附加层15，设置该附加层15的刻蚀速率小于顶面11的刻蚀速率，以消耗更少的等离子体，从而增加用于刻蚀晶圆30边缘的等离子，使晶圆30边缘的刻蚀速率上升，进而使晶圆30边缘的刻蚀速率与中心的刻蚀速率相当。
更具体地，可以根据顶面11材质和晶圆30材质的刻蚀速率，选择合适(能使晶圆30边缘的刻蚀速率与中心的刻蚀速率相当)的附加层15材质，例如附加层15的材质可以包括但不限于碳化硅、氧化铝及硅中的任意一种或多种。
需要说明的是，本实施例并不限定附加层15的具体厚度、位置及生成方法(如涂覆、沉积)，其可以是环绕容置槽13周围的局部区域，也可以是顶面11(除容置槽13外)的所有区域，只要其能调节晶圆30边缘的刻蚀速率即可。
下面通过一实例对本发明提供的技术方案进行说明。
本实施例提供的托盘10应用于铝镓铟磷(AlGaInP)基的晶圆30的刻蚀工艺，托盘10的材质为碳化硅(SiC)，如图2-图4所示，托盘10的顶面11设置有9个容置晶圆30的容置槽13，托盘10的底面12对应卡盘20的冷却通道21(采用氦气作为冷却介质)设计环状及放射状冷却沟槽104。如图5和图6所示，为本实施例分别采用现有的石英托盘10和本实施例提供的SiC材质的托盘10对铝镓铟磷基的晶圆30进行刻蚀，所得的不同晶圆片数下的刻蚀速率曲线图。
由图5可知，采用石英的托盘10对AlGaInP基的晶圆30进行刻蚀，存在明显的负载效应，即随着刻蚀片数的增加，会出现刻蚀速率下降的现象。由图6可知，本实施例提供的SiC材质的托盘10，不仅可以实现晶圆30的快速刻蚀，且无负载效应，即随着晶圆30片数增加，刻蚀速率无下降趋势。
此外，鉴于AlGaInP基的晶圆30的刻蚀，其边缘的刻蚀速率受晶圆30边缘的托盘10材质的影响较大，本实施例通过在托盘10的顶面11除容置槽13外的所有区域增加一层附加层15，以改变对晶圆30边缘附近的等离子体的消耗程度，从而使晶圆30边缘处的刻蚀速率上升或下降。如图7所示为采用不同边缘材质的托盘10对AlGaInP基的晶圆30进行刻蚀的刻蚀速率分布曲线图，如表1所示为采用不同边缘材质的托盘10对AlGaInP基的晶圆30进行刻蚀的刻蚀速率均匀性列表。
表1不同边缘材质下晶圆片内均匀性列表
| 边缘材质 | 顶部 | 中心 | 底部 | 左侧 | 右侧 | 平均值 | 均匀性 |
| SiC | 736 | 678 | 726 | 705 | 687 | 706 | 4.10％ |
| Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | 999 | 905 | 974 | 915 | 920 | 943 | 4.98％ |
| Si | 777 | 769 | 809 | 775 | 777 | 781 | 2.56％ |
由图7和表1可知，采用具有碳化硅(SiC)、氧化铝(Al2O3)及硅(Si)材质的附加层15的托盘10对AlGaInP基的晶圆30进行刻蚀，均能消耗分布于晶圆30边缘的等离子体，使晶圆30边缘的刻蚀速率下降。而其中，采用具有硅材质附加层15的托盘10对AlGaInP基的晶圆30进行刻蚀，其晶圆30边缘处的刻蚀速率可以达到与中心处的刻蚀速率相当的水平，进而实现晶圆30良好的均匀性，其可只有2.56％。
基于上述晶圆承载托盘实施例相同的构思，本实施例还提供一种半导体加工设备，包括上述的晶圆承载托盘。
本实施例提供的半导体加工设备，包括上述的晶圆承载托盘，至少能够实现上述晶圆承载托盘的有益效果，在此不再赘述。
本技术领域技术人员可以理解，本申请中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案可以被交替、更改、组合或删除。进一步地，具有本申请中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的其他步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。进一步地，现有技术中的具有与本申请中公开的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“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。
以上仅是本申请的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。
Claims (10)
1.一种晶圆承载托盘，设置于半导体工艺腔室的卡盘上，其特征在于，
所述托盘包括顶面和底面；
所述顶面上开设有多个用于容置晶圆的容置槽，所述底面上开设有多条冷却沟槽；所述冷却沟槽与所述卡盘的冷却通道连通；
所述冷却沟槽与所述容置槽之间无气流通道。
2.根据权利要求1所述的晶圆承载托盘，其特征在于，所述多条冷却沟槽包括相互连通的多条径向沟槽和多条周向沟槽；
所述多条径向沟槽呈放射状从所述底面的中心向边缘延伸，所述多条周向沟槽以所述底面的中心为圆心、呈多个同心圆分布。
3.根据权利要求1所述的晶圆承载托盘，其特征在于，所述底面与所述卡盘的上表面密封贴合。
4.根据权利要求1所述的晶圆承载托盘，其特征在于，所述顶面上还设置有附加层，所述附加层用于在刻蚀所述晶圆时与等离子体作用，以降低或提高所述晶圆边缘的刻蚀速率。
5.根据权利要求4所述的晶圆承载托盘，其特征在于，所述附加层覆盖在所述顶面除开设所述容置槽的区域。
6.根据权利要求4所述的晶圆承载托盘，其特征在于，所述附加层的材质包括碳化硅、氧化铝及硅中的任意一种。
7.根据权利要求1-6任一项所述的晶圆承载托盘，其特征在于，所述托盘为导电材质制成，且所述托盘的导热系数高于石英的导热系数。
8.根据权利要求7所述的晶圆承载托盘，其特征在于，所述托盘的材质包括碳化硅。
9.根据权利要求1-6任一项所述的晶圆承载托盘，其特征在于，所述托盘应用于所述铝镓铟磷基的晶圆的刻蚀工艺。
10.一种半导体加工设备，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的晶圆承载托盘。
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