CN112349576B - 下电极组件及半导体工艺设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种下电极组件及半导体工艺设备，下电极组件包括基座、射频接口盘、晶圆顶起机构、驱动源和密封组件；静电卡盘、射频接口盘和基座依次叠置，射频接口盘与基座绝缘且密封连接；静电卡盘与射频接口盘之间形成第一容纳空间，射频接口盘与基座之间形成第二容纳空间；顶针组件位于第一容纳空间内，连接组件位于第二容纳空间内，射频接口盘开设有第一穿孔，基座开设有第二穿孔，驱动轴的第一端与连接组件绝缘连接，驱动轴的第二端穿过第一穿孔伸入第一容纳空间内与顶针组件相连接，连接组件穿过第二穿孔与驱动源连接；密封组件密封第一穿孔和第二穿孔。上述方案能够解决半导体工艺设备的安全性和可靠性较低的问题。

Description

下电极组件及半导体工艺设备

技术领域

本发明涉及半导体芯片技术领域，尤其涉及一种下电极组件及半导体工艺设备。

背景技术

半导体工艺设备中的反应腔室内设置有下电极组件和静电卡盘，静电卡盘用于支撑待刻蚀的晶圆，下电极组件用于支撑静电卡盘同时为其施加射频电压，以满足不同的工艺需求。

相关技术中，静电卡盘叠置于下电极组件的顶部，下电极组件与静电卡盘上分别开设有用于顶针升降的通道，顶针在通道内移动，从而实现升降，进而驱动晶圆升降。然而，晶圆在刻蚀的过程中，反应腔室内处于真空环境，通道将下电极组件与静电卡盘相连通，进而使得下电极组件内部和静电卡盘均处于真空环境，当下电极组件施加较大的射频电压时，容易发生击穿现象，进而使得半导体工艺设备的安全性和可靠性较低。

发明内容

本发明公开一种下电极组件及半导体工艺设备，能够解决半导体工艺设备的安全性和可靠性较低的问题。

为了解决上述问题，本发明采用下述技术方案：

一种半导体工艺设备中的下电极组件，设置在所述半导体工艺设备的反应腔室中，用于支撑静电卡盘，所述下电极组件包括基座、射频接口盘、晶圆顶起机构、驱动源和密封组件；

所述静电卡盘、所述射频接口盘和所述基座依次叠置，所述静电卡盘与所述射频接口盘密封连接，所述射频接口盘与所述基座绝缘且密封连接；所述静电卡盘与所述射频接口盘之间形成第一容纳空间，所述射频接口盘与所述基座之间形成第二容纳空间；所述射频接口盘用于加载射频；

所述晶圆顶起机构包括顶针组件、驱动轴和连接组件，顶针组件位于所述第一容纳空间内，所述连接组件位于所述第二容纳空间内，所述射频接口盘开设有第一穿孔，所述基座开设有第二穿孔，所述驱动轴的第一端与所述连接组件绝缘连接，所述驱动轴的第二端穿过所述第一穿孔伸入所述第一容纳空间内与所述顶针组件相连接，所述连接组件穿过所述第二穿孔与所述驱动源连接，所述驱动源通过所述连接组件和所述驱动轴驱动所述顶针组件沿所述射频接口盘的轴线方向移动；

所述密封组件密封所述第一穿孔和所述第二穿孔。

一种半导体工艺设备，包括反应腔室，所述反应腔室中设置有静电卡盘和上述的下电极组件。

本申请采用的技术方案能够达到以下有益效果：

本申请实施例中，射频接口盘与静电卡盘之间形成第一容纳空间，射频接口盘与基座之间形成第二容纳空间，射频接口盘开设第一穿孔，基座开设有第二穿孔，驱动轴的第二端穿过第一穿孔与顶针组件相连接，驱动轴与连接组件绝缘连接，从而使得驱动轴上的射频电压不会传递至连接组件，连接组件通过第二穿孔与驱动源相连接，驱动源可以通过驱动连接组件和驱动轴，进而驱动顶针组件移动，并且密封组件密封第一穿孔和第二穿孔，避免第一容纳空间与第二容纳空间连通。此方案中，射频接口盘、静电卡盘、顶针组件和驱动轴处于真空环境，且射频接口盘、静电卡盘、顶针组件和驱动轴等电势，由于密封组件能够密封第一穿孔和第二穿孔，从而防止第一容纳空间和第二容纳空间连通，进而使得第二容纳空间处于大气环境，因此基座和连接组件处于大气环境中，且基座和连接组件等电势，此时，静电卡盘与基座之间的电势差为大气环境下的电势差，基座与静电卡盘之间的距离相同的情况下，大气环境相对比于真空环境来说能够承载的射频电压更大，因此静电卡盘与基座之间能够承载的射频电压较大，进而能够避免下电极组件发生击穿现象，提高半导体工艺设备的安全性和可靠性，甚至可以允许下电极组件施加更大的射频电压。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例公开的反应腔室的局部剖视图；

图2为本发明实施例公开的反应腔室中，射频接口盘的结构示意图；

图3为本发明实施例公开的反应腔室中，顶针组件的部分结构示意图。

附图标记说明：

100-静电卡盘、101-第一容纳空间；

200-基座、201-第二容纳空间；

300-射频接口盘、310-第一容纳槽、320-安装槽、330-冷却组件；

410-第一伸缩密封管、420-第二伸缩密封管；

510-顶针组件、511-主体部、5111-安装盘、5112-延伸臂、512-针体；

520-驱动轴；

530-连接组件、531-连接轴、532-绝缘连接件；

541-第一法兰、542-第二法兰、543-第三法兰；

600-支撑件；

700-绝缘密封件。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合附图，详细说明本发明各个实施例公开的技术方案。

如图1~图3所示，本发明实施例公开一种下电极组件，所公开的下电极组件设置在半导体工艺设备的反应腔室中，并用于支撑静电卡盘100，该下电极组件包括基座200、射频接口盘300、晶圆顶起机构、驱动源和密封组件。

下电极组件用于支撑静电卡盘100，同时为静电卡盘100提供射频电压。

静电卡盘100用于支撑晶圆。射频接口盘300用于为静电卡盘100加载射频。基座200为下电极组件的基础构件，能够为下电极组件的其它组成构件提供安装基础。静电卡盘100、射频接口盘300和基座200依次叠置，静电卡盘100与射频接口盘300密封连接，射频接口盘300与基座200绝缘且密封连接，射频接口盘300与静电卡盘100、射频接口盘300与基座200均可以通过螺钉、螺栓等方式连接，本申请实施例对此不作具体限制。

静电卡盘100与射频接口盘300之间形成第一容纳空间101，第一容纳空间101为真空环境。射频接口盘300与基座200之间形成第二容纳空间201，第二容纳空间201为大气环境。

晶圆顶起机构包括顶针组件510、驱动轴520和连接组件530。顶针组件510位于第一容纳空间101内，连接组件530位于第二容纳空间201内。射频接口盘300开设有第一穿孔，基座200开设有第二穿孔。驱动轴520的第一端与连接组件530绝缘连接，驱动轴520的第二端穿过第一穿孔伸入第一容纳空间101内与顶针组件510相连接，其连接方式可以为螺接、粘接、焊接等至少一者，本申请实施例不作具体限制。

连接组件530穿过第二穿孔与驱动源连接，驱动源通过连接组件530和驱动轴520驱动顶针组件510沿射频接口盘300的轴线方向移动。可选地，驱动源可以包括电机、气缸、液压缸、形状记忆合金件、压电件中的至少一者，本申请实施例对驱动源的具体方式不作限制。

密封组件密封第一穿孔和第二穿孔，也就是说，密封组件能够密封第一穿孔与驱动轴520之间的间隙以及第二穿孔与连接组件530之间的间隙，从而将第一容纳空间101和第二容纳空间201隔绝。由于第一容纳空间101为真空环境，真空环境下电极组件的击穿距离较短。第二容纳空间201为大气环境，大气环境下电极组件的击穿距离较长，在同样的距离内，大气环境所能承受的击穿电压更大。

具体的操作过程中，驱动源驱动驱动轴520和连接组件530移动时带动顶针组件51移动，并且采用密封组件密封第一穿孔和第二穿孔，避免第一容纳空间101与第二容纳空间201连通，进而使得第一容纳空间101和第二容纳空间201相隔绝。

本申请公开的实施例中，射频接口盘300、静电卡盘100、顶针组件510和驱动轴520处于真空环境，且射频接口盘300、静电卡盘100、顶针组件510和驱动轴520等电势，由于密封组件能够密封第一穿孔和第二穿孔，从而防止第一容纳空间101和第二容纳空间201连通，进而使得第二容纳空间201处于大气环境，因此基座200和连接组件530处于大气环境中，且基座200和连接组件530等电势，由于基座200与反应腔室的侧壁相连接，一般认为基座200接地。此时，静电卡盘100与基座200之间的电势差为大气环境下的电势差，基座200与静电卡盘100之间的距离相同的情况下，大气环境相对比于真空环境来说能够承载的射频电压更大，因此静电卡盘100与基座200之间能够承载的射频电压较大，进而能够避免下电极组件发生击穿现象，提高半导体工艺设备的安全性和可靠性，甚至可以允许下电极组件施加更大的射频电压。

可选地，静电卡盘100与基座200之间的安全距离可以为10mm，而大气环境1mm的距离1000V的电势差才能发生击穿现象，相当于静电卡盘100与基座200之间能允许10000V的电势差存在，进而保证了下电极组件不容易被击穿。

需要说明的是，静电卡盘100、射频接口盘300、顶针组件510和驱动轴520均带有射频，即四者之间都是等电势。基座200与反应腔室的侧壁相连接，基座200相当于接地，基座200与连接组件530等电势。也就是说，带射频的部件和不带射频的部件之间是大气环境而不是真空环境，进而防止下电极组件被击穿，防止下电极组件发生打火放电的现象。为了防止静电卡盘100与基座200等电势，驱动轴520与连接组件530之间需要采用绝缘连接，从而隔绝射频。

上述实施例中，射频接口盘300与静电卡盘100之间需要预留顶针组件510的安装空间，从而使得射频接口盘300与静电卡盘100之间的安装距离较大，进而使得射频接口盘300与下电极组件占用的反应腔室的内部空间较大。为此，在另一种可选的实施例中，射频接口盘300开设有第一容纳槽310，静电卡盘100覆盖第一容纳槽310的槽口，且与射频接口盘300围成第一容纳空间101，顶针组件510的部分可以位于第一容纳槽310内。第一容纳空间101为真空环境，第一容纳槽310与静电卡盘100形成第一容纳空间101。此方案中，顶针组件510的部分能够隐藏于第一容纳槽310内，从而减小了射频接口盘300与静电卡盘100之间的堆叠高度，进而使得静电卡盘100和下电极组件占用反应腔室的内部空间较小，促使反应腔室内的结构更加紧凑。

可选地，顶针组件510包括主体部511和针体512，主体部511包括安装盘5111和至少三个延伸臂5112，至少三个延伸臂5112与安装盘5111相连，安装盘5111与驱动轴520连接。针体512设置于延伸臂5112上，针体512的延伸方向与射频接口盘300的轴线方向相同，至少三个延伸臂5112沿安装盘5111的周向均匀且间隔分布，第一容纳槽310与主体部511的形状相匹配。

此方案中，至少三个延伸臂5112沿安装盘5111的周向均匀间隔分布，此时每个延伸臂5112上均设置有针体512，每个针体512均可以顶起晶圆，从而实现在晶圆上的至少三点支撑，进而使得晶圆在顶起的过程中更加平稳，不容易发生侧翻。

上述实施例中，连接组件530可以采用绝缘材料制作，而绝缘材料大多为强度较差的非金属件，因此连接组件530的整体强度较差，进而使得连接组件530的使用寿命较差。为此，在一种可选的实施例中，连接组件530可以包括连接轴531和绝缘连接件532，驱动轴520的第一端与绝缘连接件532连接，驱动轴520的第二端可以穿过第一穿孔伸入第一容纳空间101内与顶针组件510连接，连接轴531的第一端与绝缘连接件532连接，连接轴531的第二端穿过第二穿孔伸出基座200与驱动源连接。绝缘连接件532用于隔断连接轴531与驱动轴520之间的射频，进而防止了射频转递至基座200上。

具体的操作过程中，驱动源驱动连接轴531移动，连接轴531可以通过绝缘连接件532和驱动轴520驱动顶针组件510移动。

此方案中，绝缘连接件532用于隔断连接轴531与驱动轴520之间的射频，驱动轴520可以采用强度较好的金属材料制作，进而提高了连接组件530的使用寿命。

可选地，绝缘连接件532可以采用塑胶或者硅胶等绝缘材料制作。

上述实施例中，密封组件可以为密封圈，密封圈设置于第一穿孔的侧壁与驱动轴520的侧壁之间，从而实现密封。然而，由于第一穿孔与驱动轴520之间为动密封，驱动轴520在运动的过程中容易对密封圈造成较大的磨损。

基于此，在另一种可选的实施例中，密封组件可以包括第一伸缩密封管410，第一伸缩密封管410可以套装于驱动轴520，第一伸缩密封管410的第一端与射频接口盘300密封连接，第一伸缩密封管410的第二端可以与驱动轴520密封连接。此方案中，第一伸缩密封管410能够随着驱动轴520的移动而伸缩，以配合驱动轴520的移动，从而使得第一穿孔与驱动轴520之间具有较好的密封性能。

进一步地，密封组件还包括第二伸缩密封管420，第二伸缩密封管420可以套装于连接轴531，第二伸缩密封管420的第一端与基座200可以密封连接，第二伸缩密封管420的第二端与连接轴531密封连接。此方案中，第二伸缩密封管420能够随着连接轴531的移动而伸缩，以配合连接轴531的移动，从而使得第二穿孔与连接轴531之间具有较好的密封性能。

第二伸缩密封管420不但能够隔绝大气环境和真空环境，还能够对第二容纳空间201内的射频进行密封，从而防止第二容纳空间201内的射频泄漏。

在另一种可选的实施例中，连接轴531的第一端可以设置有第一法兰541，连接轴531的第一端可以通过第一法兰541与绝缘连接件532连接，第二伸缩密封管420的第二端与第一法兰541背离绝缘连接件532的一侧密封连接。

驱动轴520的第一端可以设置有第二法兰542，驱动轴520的第一端可以通过第二法兰542与绝缘连接件532连接。第一穿孔处可以设置有第三法兰543，第三法兰543位于第二容纳空间201中，且与射频接口盘300密封连接。驱动轴520的第二端可以穿过第三法兰543及第一穿孔伸入第一容纳空间101内，第一伸缩密封管410的第一端与第二法兰542背离绝缘连接件532的一侧密封连接，第一伸缩密封管410的第二端与第三法兰543密封连接。

此方案中，第一法兰541、第二法兰542以及第三法兰543具有较大的端面，进而为第一伸缩密封管410和第二伸缩密封管420提供较大的安装面，从而使得第一伸缩密封管410和第二伸缩密封管420密封安装更加方便。

一种可选的实施例中，射频接口盘300设置有弹性导电件，弹性导电件用于实现射频在不同部件之间的高效传导，弹性导电件与射频接口盘300电连接。下电极组件还包括射频连接件（例如射频棒），射频连接件用于为射频接口盘300施加射频，射频接口盘300与射频连接件通过弹性导电件电连接。此方案中，弹性导电件具有一定的弹性，从而使得射频连接件与射频接口盘300连接时能够压缩弹性导电件，从而使得弹性导电件与射频连接件和射频接口盘300均连接紧密，进而防止了射频接口盘300与射频连接件之间的虚接，从而提高了射频连接件与射频接口盘300之间的传导效率。

进一步的实施例中，射频接口盘300开设有安装槽320，安装槽320内可以设置有弹性导电件。此时弹性导电件可以隐藏于安装槽320内，从而使得弹性导电件不容易凸出射频接口盘300，从而防止弹性导电件损坏。可选地，弹性导电件可以为导电弹片、弹簧等部件，当然还可以采用其他弹性导电部件，本文不作限制。

在另一种可选的实施例中，下电极组件还可以包括支撑件600和绝缘密封件700，射频接口盘300、支撑件600、绝缘密封件700和基座200依次叠置，射频接口盘300可以通过支撑件600和绝缘密封件700与基座200绝缘且密封连接。射频接口盘300置于支撑件600上，作为射频接口盘300的载体，从而提高下电极组件的整体强度。绝缘密封件700置于基座200与射频接口盘300之间，从而实现基座200与射频接口盘300的密封以及隔断基座200与射频接口盘300的射频，防止基座200与射频接口盘300导通。可选地，支撑件600可以采用陶瓷材料制作，绝缘密封件700可以为密封硅胶、密封泡棉等材料制作。

在另一种可选的实施例中，射频接口盘300可以设置有冷却组件330，在半导体工艺设备工作时，反应腔室温度较高，冷却组件330用于冷却射频接口盘300与静电卡盘100，进而提高半导体工艺设备的运行可靠性和安全性。

基于本发明上述任一实施例的下电极组件，本发明实施例还公开一种半导体工艺设备，所公开的半导体工艺设备具有上述任一实施例所述的下电极组件。具体的，半导体工艺设备包括反应腔室，下电极组件和静电卡盘均设置于反应腔室中。

本发明上文实施例中重点描述的是各个实施例之间的不同，各个实施例之间不同的优化特征只要不矛盾，均可以组合形成更优的实施例，考虑到行文简洁，在此则不再赘述。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种半导体工艺设备中的下电极组件，设置在所述半导体工艺设备的反应腔室中，用于支撑静电卡盘（100），其特征在于，所述下电极组件包括基座（200）、射频接口盘（300）、晶圆顶起机构、驱动源和密封组件；

所述静电卡盘（100）、所述射频接口盘（300）和所述基座（200）依次叠置，所述静电卡盘（100）与所述射频接口盘（300）密封连接，所述射频接口盘（300）与所述基座（200）绝缘且密封连接；所述静电卡盘（100）与所述射频接口盘（300）之间形成第一容纳空间（101），所述射频接口盘（300）与所述基座（200）之间形成第二容纳空间（201）；所述射频接口盘（300）用于加载射频；所述第一容纳空间（101）为真空环境，所述第二容纳空间（201）为大气环境；

所述晶圆顶起机构包括顶针组件（510）、驱动轴（520）和连接组件（530），所述顶针组件（510）位于所述第一容纳空间（101）内，所述连接组件（530）位于所述第二容纳空间（201）内，所述射频接口盘（300）开设有第一穿孔，所述基座（200）开设有第二穿孔，所述驱动轴（520）的第一端与所述连接组件（530）绝缘连接，所述驱动轴（520）的第二端穿过所述第一穿孔伸入所述第一容纳空间（101）内与所述顶针组件（510）相连接，所述连接组件（530）穿过所述第二穿孔与所述驱动源连接，所述驱动源通过所述连接组件（530）和所述驱动轴（520）驱动所述顶针组件（510）沿所述射频接口盘（300）的轴线方向移动；

所述密封组件密封所述第一穿孔和所述第二穿孔。

2.根据权利要求1所述的下电极组件，其特征在于，所述射频接口盘（300）开设有第一容纳槽（310），所述静电卡盘（100）覆盖所述第一容纳槽（310）的槽口，且与所述射频接口盘（300）围成所述第一容纳空间（101）。

3.根据权利要求2所述的下电极组件，其特征在于，所述顶针组件（510）包括主体部（511）和针体（512），所述主体部（511）包括安装盘（5111）和至少三个延伸臂（5112），所述至少三个延伸臂（5112）与所述安装盘（5111）相连，所述针体（512）设置于所述延伸臂（5112）上，所述针体（512）的延伸方向与所述射频接口盘（300）的轴线的延伸方向相同，所述的至少三个延伸臂（5112）沿所述安装盘（5111）的周向均匀且间隔分布，所述第一容纳槽（310）与所述主体部（511）的形状相匹配。

4.根据权利要求1所述的下电极组件，其特征在于，所述连接组件（530）包括连接轴（531）和绝缘连接件（532），所述驱动轴（520）的第一端与所述绝缘连接件（532）连接，所述驱动轴（520）的第二端穿过所述第一穿孔伸入所述第一容纳空间（101）内与所述顶针组件（510）连接，所述连接轴（531）的第一端与所述绝缘连接件（532）连接，所述连接轴（531）的第二端穿过所述第二穿孔伸出所述基座（200）与所述驱动源连接；

所述驱动源驱动所述连接轴（531）移动，所述连接轴（531）通过所述绝缘连接件（532）和所述驱动轴驱动所述顶针组件（510）移动。

5.根据权利要求4所述的下电极组件，其特征在于，所述密封组件包括第一伸缩密封管（410）和第二伸缩密封管（420）；其中，

所述第一伸缩密封管（410）套装于所述驱动轴（520），所述第一伸缩密封管（410）的第一端与所述射频接口盘（300）密封连接，所述第一伸缩密封管（410）的第二端与所述驱动轴（520）密封连接；

所述第二伸缩密封管（420）套装于所述连接轴（531），所述第二伸缩密封管（420）的第一端与所述基座（200）密封连接，所述第二伸缩密封管（420）的第二端与所述连接轴（531）密封连接。

6.根据权利要求5所述的下电极组件，其特征在于，所述连接轴的第一端设置有第一法兰（541），所述连接轴（531）的第一端通过所述第一法兰（541）与所述绝缘连接件（532）连接，所述第二伸缩密封管（420）的第二端与所述第一法兰（541）背离所述绝缘连接件（532）的一侧密封连接；

所述驱动轴（520）的第一端设置有第二法兰（542），所述驱动轴（520）的第一端通过所述第二法兰（542）与所述绝缘连接件（532）连接，所述第一穿孔处设置有第三法兰（543），所述第三法兰（543）位于所述第二容纳空间（201）中，且与所述射频接口盘（300）密封连接；所述驱动轴（520）的第二端穿过所述第三法兰（543）及所述第一穿孔伸入所述第一容纳空间（101）内，所述第一伸缩密封管（410）的第一端与所述第二法兰（542）背离所述绝缘连接件（532）的一侧密封连接，所述第一伸缩密封管（410）的第二端与所述第三法兰（543）密封连接。

7.根据权利要求1所述的下电极组件，其特征在于，所述射频接口盘（300）开设有安装槽（320），所述安装槽（320）内设置有弹性导电件，所述弹性导电件与所述射频接口盘（300）电连接；

所述下电极组件还包括射频连接件，所述射频接口盘（300）与所述射频连接件通过所述弹性导电件电连接。

8.根据权利要求1所述的下电极组件，其特征在于，所述下电极组件还包括支撑件（600）和绝缘密封件（700），所述射频接口盘（300）、所述支撑件（600）、所述绝缘密封件（700）和所述基座（200）依次叠置，所述射频接口盘（300）通过所述支撑件（600）和所述绝缘密封件（700）与所述基座（200）绝缘且密封连接。

9.根据权利要求1所述的下电极组件，其特征在于，所述射频接口盘（300）设置有冷却组件（330），所述冷却组件（330）用于冷却所射频接口盘（300）与所述静电卡盘（100）。

10.一种半导体工艺设备，包括反应腔室，其特征在于，所述反应腔室中设置有静电卡盘和权利要求1至9中任一项所述的下电极组件。

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