CN112490173B - 静电卡盘系统和半导体加工设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种静电卡盘系统和半导体加工设备。其中，静电卡盘系统包括：基座、控制模块、绝缘层、多个选通模块以及至少一个补偿电容；绝缘层设置在基座上，绝缘层中设置有射频馈入层和位于射频馈入层远离基座一侧的射频调节层，射频馈入层与射频调节层之间绝缘且间隔设置，射频馈入层用于与提供射频信号的射频电源连接，射频调节层包括多个彼此绝缘间隔的调节部；调节部和射频馈入层均具有导电性；多个选通模块与多个调节部一一对应，每个调节部与相应的选通模块的第一端连接，选通模块的第二端与补偿电容的一端连接，补偿电容的另一端与接地端连接；控制模块用于控制选通模块的第一端与第二端的导通或断开。本发明可以提高刻蚀的均一性。

Description

静电卡盘系统和半导体加工设备
技术领域
本发明涉及半导体加工技术领域，具体涉及一种静电卡盘系统和半导体加工设备。
背景技术
静电卡盘(Electrostatic Chuck，ESC)是一种采用静电吸附方式固定待加工衬底(substrate)，同时控制衬底温度并为其提供直流偏压的设备。
图1为一示例中的静电卡盘的结构示意图，如图1所示，该示例中的静电卡盘包括：基座100、加热层200和绝缘层300偏置射频(Bias Radio Frequency)机构BRF。基座100用于支撑并保护安装于其上的加热层200和绝缘层300，基座100中设置有用于进行冷却的冷却通道110。偏置射频机构BRF的输出端设置在基座100内部，偏置射频机构BRF用于输出偏置射频信号，以在待加工衬底上方将形成电场，该电场用于吸引等离子体中的带电粒子轰击待加工衬底。绝缘层300内设置有直流电极310，直流电极310在通电后会对放置于绝缘层300上方的待加工衬底400施加静电吸引力；加热层200设置于绝缘层300下方，用于提升待加工衬底的温度进而提升工艺反应速度。
在实际使用中，到达待加工衬底400上的偏置射频信号的功率越大，则带电粒子轰击待加工衬底时的能量也越大，对于刻蚀工艺而言，对待加工衬底400的刻蚀速率也就越快。因此，通过改变偏置射频信号的功率可以调整对待加工衬底400进行刻蚀的刻蚀速率。
但是，在图1所示的静电卡盘中，偏置射频机构BRF输出偏置射频信号后，偏置射频信号需要穿过加热层200和绝缘层300后才能到达待加工衬底400的上方，由于加热层200和绝缘层300通过粘结胶粘结，在实际加工中，很难保证粘结胶厚度的均一性，因此，射频信号穿过加热层200和绝缘层300后，难以在待加工衬底400的上方形成均一的电场，从而导致待加工衬底400上方各处的刻蚀速率难以保持一致，进而导致刻蚀均一性较差。
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系统和半导体加工设备。
为了实现上述目的，本发明提供一种静电卡盘系统，其中，包括：基座、控制模块、绝缘层、多个选通模块以及至少一个补偿电容；
所述绝缘层设置在所述基座上，所述绝缘层中设置有射频馈入层和位于所述射频馈入层远离所述基座一侧的射频调节层，所述射频馈入层与所述射频调节层之间绝缘且间隔设置，所述射频馈入层用于与提供射频信号的射频电源连接，所述射频调节层包括多个彼此绝缘间隔的调节部；所述调节部和所述射频馈入层均具有导电性；
多个所述选通模块与多个所述调节部一一对应，每个所述调节部与相应的所述选通模块的第一端连接，所述选通模块的第二端与所述补偿电容的一端连接，所述补偿电容的另一端与接地端连接；所述控制模块用于控制所述选通模块的第一端与第二端的导通或断开。
可选地，所述绝缘层中还设置有静电电极，所述静电电极用于与提供直流信号的供电端连接，所述静电电极位于所述射频调节层远离所述射频馈入层的一侧，且所述静电电极与所述射频调节层绝缘间隔。
可选地，所述调节部在所述基座上的正投影的形状为圆形、三角形或矩形；
多个所述调节部的大小相等，且均匀分布在所述绝缘层中。
可选地，多个所述调节部均为矩形，且多个所述调节部在所述基座上的正投影的总面积与所述绝缘层在所述基座上的正投影的面积之比大于96％。
可选地，所述控制模块具体用于，根据多个所述调节部所在位置的刻蚀速度的大小关系，控制多个选通模块的第一端与第二端依次导通。
可选地，所述静电卡盘系统包括多个所述补偿电容，多个所述补偿电容与多个所述选通模块一一对应连接。
可选地，所述补偿电容为可变电容，所述控制模块还用于调整所述补偿电容的电容值。
可选地，多个所述调节部的厚度均相同，且厚度为0.01mm至0.1mm，相邻两个所述调节部之间的间距大于0.1mm。
可选地，所述射频馈入层在所述基座上的正投影的形状为圆形，所述射频馈入层的厚度为0.01mm至0.1mm，所述射频馈入层的直径为285mm至295mm。
本发明还提供一种半导体加工设备，其中，包括：反应腔室、射频电源和上述的静电卡盘系统，所述静电卡盘系统的基座设置于所述反应腔室内，所述射频电源与所述静电卡盘系统中的射频馈入层电性连接。
有益效果：
在本发明实施例中，由于多个调节部彼此绝缘间隔开，且每个调节部均通过相应的选通模块与补偿电容连接，因此，每个调节部所在位置的刻蚀速率均可进行独立调节，从而提高刻蚀的均一性。
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为一示例中的静电卡盘系统的结构示意图；
图2为另一示例中的静电卡盘系统的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的静电卡盘系统的结构示意图之一；
图4为本发明实施例提供的选通模块处于不同状态时调节部与接地端之间的电路原理图；
图5为本发明实施例提供的调节部的俯视图；
图6为本发明实施例提供的静电卡盘系统的结构示意图之二。
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。
除非另作定义，本发明实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
图2为另一示例中的静电卡盘系统的结构示意图，在该示例中，除偏置射频机构BRF的输出端与直流电极310相连外，其余结构均与图1中所示的静电卡盘相同。相较于图1所示的静电卡盘，在图2所示的静电卡盘中，偏置射频机构BRF的输出端与待加工衬底400之间的距离更近，偏置射频信号所需穿过的结构少，一方面可以在静电卡盘上方形成更加均匀的电场，以提高刻蚀均匀性，另一方面还可以降低射频信号在传输过程中的损失，减少能量浪费。
但是，在图2所示的静电卡盘中，待加工衬底400上方的等离子体是反应气体在位于反应腔室顶部的线圈所施加的电磁场的作用下激发得到，由于线圈难以形成均匀的电磁场，从而导致待加工衬底400上方的反应气体的电离程度不同，进而导致待加工衬底400上方的等离子体分布并不均匀，而图2中所示的静电卡盘只能对待加工衬底400上方的刻蚀速率进行整体调整，因此，待加工衬底400上方各处的刻蚀速率仍然难以保持一致，刻蚀均一性的改善效果有限。
有鉴于此，本发明实施例提供一种静电卡盘系统，图3为本发明实施例提供的静电卡盘系统的结构示意图之一，如图3所示，该静电卡盘系统包括：基座1、控制模块2、绝缘层3、多个选通模块K以及至少一个补偿电容C。绝缘层3设置在基座1上，绝缘层3中设置有射频馈入层31和位于射频馈入层31远离基座1一侧的射频调节层，射频馈入层31与射频调节层之间绝缘且间隔设置，射频馈入层31用于与提供射频信号的射频电源BRF连接，射频调节层包括多个彼此绝缘间隔的调节部32。调节部32和射频馈入层31均具有导电性。多个选通模块K与多个调节部32一一对应，每个调节部32与相应的选通模块K的第一端连接，选通模块K的第二端与补偿电容C的一端连接，补偿电容C的另一端与接地端GND连接。控制模块2用于控制选通模块K的第一端与第二端的导通或断开。选通模块K可以采用开关，开关的两端可以在控制模块2的控制下通断。
在本发明实施例中，如图3所示，基座1设置在反应腔室中，且位于反应腔室的底部。射频馈入层31输出的射频信号经过调节部32后到达待加工工件4上方，之后通过反应腔室中的等离子体传输至反应腔室的侧壁上实现接地，由此，可以认为在调节部32与反应腔室的侧壁之间形成有第一回路。而在选通模块K的第一端和第二端导通时，补偿电容C的一端与调节部32导通，由于补偿电容C的另一端与接地端GND导通，因此，可以认为，在调节部32与接地端GND之间形成有第二回路，且第一回路与第二回路并联。
图4为本发明实施例提供的选通模块处于不同状态时调节部与接地端之间的电路原理图，图4中仅示例性地表示出一个调节部32所对应的第一回路和第二回路的示意图。
当控制模块2控制选通模块K的第一端和第二端断开时，第一回路如图4中左图所示，其中，C1表示射频馈入层31和调节部32之间的第一等效电容，C2表示调节部32和待加工工件4之间的第二等效电容，C3表示待加工工件4和其上方的等离子鞘层之间的等效电容，Rp表示反应腔室中的等离子体的等效电阻。此时，射频信号仅通过第一回路传输。
当控制模块2控制选通模块K的第一端和第二端导通时，第一回路和第二回路并联，如图4中右图所示，此时，原本仅通过第一回路传输的射频信号现在同时通过第一回路和第二回路传输，从而导致第一回路上的射频信号的功率下降。
由于第一回路上的射频信号将会传输至待加工工件4的上方，并形成用于吸引等离子体的电场。因此，第一回路传输上的射频信号的功率和与该第一回路所对应的调节部32所在位置的刻蚀速率成正比。所以，在本发明实施例中，控制模块2通过控制选通模块K的第一端和第二端的导通或断开，即可以控制第一回路与第二回路的并联或断开，从而改变第一回路上的射频信号的功率，进而改变与该第一回路所对应的调节部32所在位置的刻蚀速率。
在本发明实施例中，由于多个调节部32彼此绝缘间隔开，且每个调节部32均通过相应的选通模块K与补偿电容C连接，因此，每个调节部32所在位置的刻蚀速率均可进行独立调节，即使待加工工件4上方的等离子体分布不均，通过独立调节每个调节部32所在位置的刻蚀速率，即可使待加工工件4上方各处的刻蚀速率保持一致，从而提高刻蚀的均一性。
下面对本发明实施例的静电卡盘系统的具体结构进行详细说明。在一些具体实施例中，射频馈入层31和射频调节层均可以通过烧结的方式设置在绝缘层3中，射频馈入层31和射频调节层均可以由铝合金材料制备得到，一方面可以具有良好的导电性，另一方面可以避免引入难以去除的铜元素。
在一些具体实施例中，绝缘层3中还设置有静电电极33，静电电极33用于与提供直流信号的供电端(图中未示出)连接，静电电极33位于射频调节层远离射频馈入层31的一侧，且静电电极33与射频调节层绝缘间隔。静电电极33在与用于提供直流信号的供电端导通后，会对放置于绝缘层3上方的待加工工件4施加静电吸引力。在本发明实施例中，通过将静电电极33设置在射频调节层的上方，可以确保静电电极33提供足够的静电吸引力，以使待加工工件4可以牢固的吸附在绝缘层3上。
在一些具体实施例中，调节部32在基座1上的正投影的形状为圆形、三角形、四边形、六边形或环形，优选地，调节部32在基座1上的正投影可以为矩形。多个调节部32的大小相等，且均匀分布在绝缘层3中。
图5为本发明实施例提供的调节部的俯视图，如图5所示，在本发明实施例中，调节部32可以呈阵列分布，调节部32可以为矩形金属片，矩形结构相较于其他形状可以实现更大的覆盖面积；另外，以待加工工件4为晶圆为例，晶圆上的半导体器件裸片(即晶圆上结构相同功能相同的重复单元，后续被切割和封装后成为芯片)多成矩形，因此，矩形金属片的形状可以与半导体器件裸片的形状成相似图形，从而取得更好的调节效果。优选地，矩形金属片的面积与半导体器件裸片的面积之比可以设置在10％至100％，每个矩形金属片的面积可以设置在1cm2至16cm2之间。可以理解的是，图5仅示出了一种调节部32的排布方式，调节部32还可以采用其他方式进行排布，在此不作限制，只要多个调节部32之间彼此绝缘间隔即可。
在一些具体实施例中，多个调节部32均为矩形，且多个调节部32在基座1上的正投影的总面积与绝缘层3在基座1上的正投影的面积之比大于96％，从而保证在绝缘层3上方的各个区域均可以形成电场，且电场的强度可以满足等离子体刻蚀工艺的需求。
在一些具体实施例中，射频馈入层31在基座1上的正投影的形状为圆形，射频馈入层31的厚度为0.01mm至0.1mm，射频馈入层31的直径为285mm至295mm，从而使射频馈入层31在具有良好的导电性的基础上，具有较薄的厚度。在本发明实施例中，射频电源BRF可以连接至射频馈入层31的圆心处。
在一些具体实施例中，多个所述调节部32的厚度均相同，且厚度为0.01mm至0.1mm，相邻两个调节部32之间的间距a大于0.1mm，从而避免各个调节部32之间互相干扰。任意调节部32与绝缘层3边缘的最小距离b均大于1mm，从而防止射频信号经过调节部32时击穿绝缘层3。
在一些具体实施例中，静电卡盘系统包括一个补偿电容C，控制模块2可以根据实际需要控制每个选通模块K将第一端和第二端导通的时间的长短，从而精确调整每个调节部32所在位置的刻蚀速率。例如，对于处于刻蚀速率较快的位置的调节部32，可以使相应的选通模块K将第一端和第二端导通的时间较长，而对于刻蚀速率较慢的位置的调节部32，可以使相应的选通模块K将第一端和第二端导通的时间较短。由于仅有一个补偿电容C，因此，可选地，使控制模块2每次只控制一个选通模块K的第一端与第二端导通。具体地，控制模块2具体用于根据多个调节部32所在位置的刻蚀速度的大小关系，控制多个选通模块K的第一端与第二端依次导通。
在本发明实施例中，可以使所有的选通模块K的第一端与第二端均断开，并获取此时所有调节部32所在位置的刻蚀速率。从获取的刻蚀速率的结果中，确定出最小刻蚀速率，并根据其他调节部32的刻蚀速率与最小刻蚀速率之间的差值对多个调节部32进行排序，控制模块2根据该排序控制与多个调节部32一一对应的多个选通模块K依次导通，从而调整所有调节部32所在位置的刻蚀速率。
在一些具体实施例中，补偿电容C为可变电容，控制模块2还用于调整补偿电容C的电容值。
在本发明实施例中，当选通模块K的第一端和第二端导通时，由于第一回路和第二回路并联，补偿电容C的电容值的变化会影响第一回路上的射频信号的功率，由此，通过调节补偿电容C的电容值，可以小范围调整调节部32所在位置的刻蚀速率。
具体地，由于阻抗与电容成反比，补偿电容C的电容值越大，则第二回路的阻抗越小，在输入功率不变的情况下，第二回路上的射频信号的功率增大，第一回路上的射频信号的功率减小，从而使与该第一回路所对应的调节部32所在位置的刻蚀速率也将减小；而补偿电容C的电容值越小，则第二回路的阻抗越大，在输入功率不变的情况下，第二回路上的射频信号的功率减小，第一回路上的射频信号的功率增大，从而使与该第一回路所对应的调节部32所在位置的刻蚀速率也将增大。因此，采用本发明实施例的静电卡盘系统，其还可以通过调节补偿电容C的电容值来调整调节部32所在位置的刻蚀速率，从而对调节部32所在位置的刻蚀速率进行精确调整。
图6为本发明实施例提供的静电卡盘系统的结构示意图之二，如图6所示，在另一些具体实施例中，静电卡盘系统包括多个补偿电容C，选通模块K包括开关，多个补偿电容C与多个选通模块K一一对应连接。
在本发明实施例中，每个调节部32均通过选通模块K与相应的补偿电容C连接，因此，控制模块2可以同时使多个选通模块K的第一端和第二端导通，从而同时调节不同的调节部32所在位置的刻蚀速率。
在一些具体实施例中，绝缘层3与基座1之间还设置有加热层5，加热层5用于对待加工工件4进行加热。
本发明还提供一种半导体加工设备，其中，包括反应腔室、射频电源和上述的静电卡盘系统，静电卡盘系统的基座设置于反应腔室内，射频电源与静电卡盘系统中的射频馈入层电性连接。
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)

1.一种静电卡盘系统，其特征在于，包括：基座、控制模块、绝缘层、多个选通模块以及至少一个补偿电容；
所述绝缘层设置在所述基座上，所述绝缘层中设置有射频馈入层和位于所述射频馈入层远离所述基座一侧的射频调节层，所述射频馈入层与所述射频调节层之间绝缘且间隔设置，所述射频馈入层用于与提供射频信号的射频电源连接，所述射频调节层包括多个彼此绝缘间隔的调节部；所述调节部和所述射频馈入层均具有导电性；
多个所述选通模块与多个所述调节部一一对应，每个所述调节部与相应的所述选通模块的第一端连接，所述选通模块的第二端与所述补偿电容的一端连接，所述补偿电容的另一端与接地端连接；所述控制模块用于控制所述选通模块的第一端与第二端的导通或断开。
2.根据权利要求1所述的静电卡盘系统，其特征在于，所述绝缘层中还设置有静电电极，所述静电电极用于与提供直流信号的供电端连接，所述静电电极位于所述射频调节层远离所述射频馈入层的一侧，且所述静电电极与所述射频调节层绝缘间隔。
3.根据权利要求1所述的静电卡盘系统，其特征在于，所述调节部在所述基座上的正投影的形状为圆形、三角形或矩形；
多个所述调节部的大小相等，且均匀分布在所述绝缘层中。
4.根据权利要求3所述的静电卡盘系统，其特征在于，多个所述调节部均为矩形，且多个所述调节部在所述基座上的正投影的总面积与所述绝缘层在所述基座上的正投影的面积之比大于96％。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的静电卡盘系统，其特征在于，所述控制模块具体用于根据多个所述调节部所在位置的刻蚀速度的大小关系，控制多个选通模块的第一端与第二端依次导通。
6.根据权利要求1至4中任意一项所述的静电卡盘系统，其特征在于，所述静电卡盘系统包括多个所述补偿电容，多个所述补偿电容与多个所述选通模块一一对应连接。
7.根据权利要求1至4中任意一项所述的静电卡盘系统，其特征在于，所述补偿电容为可变电容，所述控制模块还用于调整所述补偿电容的电容值。
8.根据权利要求1至4中任意一项所述的静电卡盘系统，其特征在于，多个所述调节部的厚度均相同，且厚度为0.01mm至0.1mm，相邻两个所述调节部之间的间距大于0.1mm。
9.根据权利要求1至4中任意一项所述的静电卡盘系统，其特征在于，所述射频馈入层在所述基座上的正投影的形状为圆形，所述射频馈入层的厚度为0.01mm至0.1mm，所述射频馈入层的直径为285mm至295mm。
10.一种半导体加工设备，其特征在于，包括：反应腔室、射频电源和如权利要求1至9中任意一项所述的静电卡盘系统，所述静电卡盘系统的基座设置于所述反应腔室内，所述射频电源与所述静电卡盘系统中的射频馈入层电性连接。
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