CN112582330A - 半导体工艺设备及其静电卡盘组件 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种半导体工艺设备及其静电卡盘组件，该静电卡盘组件包括静电卡盘和控温基座，静电卡盘设置在控温基座上，与控温基座固定连接，其特征在于，静电卡盘包括电极和包裹电极的介质层；控温基座中设置有控温通道，控温基座的材质为金属基陶瓷颗粒增强的复合材料，复合材料中金属基与陶瓷颗粒的占比被调节为预设值，使控温基座的热膨胀系数与介质层的热膨胀系数的差值小于预设阈值。应用本申请可以解决现有技术中因胶层存在而导致的导热效率较低、真空泄露等问题。

Description

半导体工艺设备及其静电卡盘组件
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体地，涉及一种半导体工艺设备及其静电卡盘组件。
背景技术
在半导体产品的制作过程中，通常应用静电卡盘吸附被加工物体（如晶圆、托盘等），并在工艺过程中对晶圆进行加热或冷却，以满足半导体产品的各种工艺的需求。
现有的静电卡盘通常包括缓解应力的硅胶层，但是硅胶会有一定程度的放气，导热效率较低，较难满足对真空度要求很高的刻蚀工艺、PVD工艺和离子注入工艺等的需求。此外，在一些具有腐蚀性气体的工艺环境中，如刻蚀工艺，由于硅胶层暴露在等离子体的环境中，容易受到等离子体的刻蚀，导致真空泄露，降低静电卡盘的使用寿命等。
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，提出了一种半导体工艺设备及其静电卡盘组件，可以解决现有技术中因胶层存在而导致的导热效率较低、真空泄露等问题。
为实现本发明的目的，第一方面提供一种半导体工艺设备中的静电卡盘组件，包括静电卡盘和控温基座，所述静电卡盘设置在所述控温基座上，与所述控温基座固定连接，所述静电卡盘包括电极和包裹所述电极的介质层；
所述控温基座中设置有控温通道，所述控温基座的材质为金属基陶瓷颗粒增强的复合材料，所述复合材料中所述金属基与所述陶瓷颗粒的占比被调节为预设值，使所述控温基座的热膨胀系数与所述介质层的热膨胀系数的差值小于预设阈值。
可选地，所述预设阈值大于等于0，且小于等于二分之一的所述介质层的热膨胀系数。
可选地，所述介质层的材质为陶瓷，所述控温基座的材质为铝基碳化硅颗粒增强的复合材料。
可选地，所述铝基碳化硅颗粒增强的复合材料采用气相化学渗入法或铸造法制备。
可选地，所述介质层的材质为氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷或碳化硅陶瓷中的一种或多种。
可选地，所述控温基座与所述静电卡盘之间采用钎焊焊接或者陶瓷粘接剂粘接。
可选地，所述控温基座包括层叠设置的底座和盖板，所述底座靠近所述盖板的表面上均匀开设有凹槽，所述盖板与所述底座密封连接，配合形成所述控温通道。
可选地，所述静电卡盘上设置有多个用于承载待加工件的凸起，多个所述凸起设置在多个以所述静电卡盘的中心为圆心的同心圆上；
所述控温通道在所述静电卡盘上的投影位于相邻两个所述同心圆之间的间隙中。
可选地，所述底座和所述盖板之间采用钎焊焊接或者陶瓷粘接剂粘接。
为实现本发明的目的，另一方面提供一种半导体工艺设备，包括第一方面所述的静电卡盘组件。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的静电卡盘组件，其基座的材质为金属基陶瓷颗粒增强的复合材料，由于金属基陶瓷颗粒增强的复合材料本身具有较高的机械强度和可加工性能，所以可像金属材料的基座一样，在其上加工出复杂的冷却（或加热）沟槽。另外，金属基陶瓷颗粒增强的复合材料本身也拥有良好的热传导率。此外，由于金属基陶瓷颗粒增强的复合材料属于一种陶瓷复合材料，其热膨胀系数与陶瓷颗粒都非常的接近，可以通过调节金属基与陶瓷颗粒的占比来调节基座的热膨胀系数，并使其热膨胀系数和基座上方介质层的热膨胀系数相接近，从而实现基座和介质层的热膨胀性能的匹配（介质层两侧的膨胀量相当），能够解决采用基座对晶圆进行冷却时引起的陶瓷碎裂的问题，且不再需要引入胶层，解决了引入胶层而带来的不良后果。
附图说明
图1为本实施例提供的静电卡盘组件的结构示意图；
图2为本实施例提供的另一种静电卡盘组件的结构示意图。
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。
下面结合附图以具体的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。
为解决上述技术问题，本实施例对现有的静电卡盘组件进行了研究分析，研究发现：由于基座的材料通常是金属，如Al（铝），不锈钢等。为了实现对上面介质层的冷却/加热，会在基座中加工一些沟槽，在工艺过程中，沟槽中会通入冷却/加热液，来降低冷/升高基座的温度，继而对静电卡盘上的晶圆进行冷却/加热。为保证基座和介质层有良好的接触，提高热传导效率，并实现真空密封，通常采用的办法是在基座和介质层之间加入胶层，原因是金属和陶瓷间热膨胀系数差异较大，当静电卡盘的上表面接收大量的工艺热升温时，而位于底部的基座因冷却液的存在，而维持着较低的温度。陶瓷材质的介质层会因为两者热膨胀量不一样而发生碎裂。胶层的作用可以缓解两者间因膨胀量不一致而产生的应力，从而解决陶瓷碎裂的问题。但是胶层的引入也引发了下述问题：首先，缓解应力的胶层通常为硅胶，但是硅胶会有一定程度的放气，较难满足对真空度要求很高的刻蚀工艺、PVD工艺和离子注入工艺等的需求。其次，在一些有腐蚀性气体的工艺环境中，如刻蚀工艺，由于胶层暴露在等离子体的环境中，容易受到等离子体的刻蚀，最终导致真空泄露，严重影响静电卡盘的使用寿命。最后，为了能够很好的缓解基座和介质层之间因较大的温差而引起的应力集中，通常会使用较厚的胶层，但是胶层本身的热传导率并不高，从而在一定程度上限制了该类型静电卡盘的冷却效率。
本实施例为消除胶层带来的不良影响，提供了一种半导体工艺设备中的静电卡盘组件，该静电卡盘组件包括静电卡盘110和控温基座111，静电卡盘110设置在控温基座111上，与控温基座111固定连接。静电卡盘110包括电极103和包裹电极103的介质层104；控温基座111中设置有控温通道109，控温基座111的材质为金属基陶瓷颗粒增强的复合材料，该复合材料中金属基与陶瓷颗粒的占比被调节为预设值，使控温基座111的热膨胀系数与介质层104的热膨胀系数的差值小于预设阈值。其中，通过控制进入控温通道109的控温介质的温度，控温基座111可以实现冷却或加热的功能。
本实施例提供的静电卡盘组件，其控温基座111的材质为金属基陶瓷颗粒增强的复合材料，由于金属基陶瓷颗粒增强的复合材料本身具有较高的机械强度和可加工性能，所以可像金属材料的控温基座一样，在其上加工出复杂的冷却（或加热）沟槽。另外，金属基陶瓷颗粒增强的复合材料本身也拥有良好的热传导率。此外，由于金属基陶瓷颗粒增强的复合材料属于一种陶瓷复合材料，其热膨胀系数与其包含的金属基和陶瓷颗粒非常的占比密切相关（所含金属基的占比越高，热膨胀系数越大），所以该复合材料中金属基与陶瓷颗粒的占比被调节为预设值（例如，金属基的占比可以在0.1%-5%之间），可使控温基座111的热膨胀系数和控温基座111上方介质层104的热膨胀系数相接近，从而实现控温基座111和介质层104的热膨胀性能的匹配（介质层104两侧的膨胀量相当），能够解决上述陶瓷碎裂的问题，且不再需要引入胶层，解决了引入胶层而带来的不良后果。
采用上述的控温基座111可以解决由于金属基的冷却基座与陶瓷基的介质层间热膨胀系数差异较大而导致的陶瓷基介质层碎裂的问题，尤其是对加热基座进行冷却（尤其是快速冷却）时，陶瓷材质的介质层会因为介质层和金属基的加热基座收缩量不一样而发生碎裂的问题。
于本实施例一具体实施方式中，为使控温基座111和介质层104的热膨胀性能更好的匹配，可以对上述控温基座111的热膨胀系数与介质层104的热膨胀系数的差值进行限定，使二者差值相对较小，例如预设阈值可以大于等于0，且小于等于二分之一的介质层104的热膨胀系数。
介质层104可以理解为静电卡盘110的主体，其可以为盘状、柱状等。电极103的材料可以是难熔金属钨，钼，铂等金属，介质层104的材料可以是Al2O3（氧化铝）陶瓷，也可以选择AlN（氮化铝）陶瓷，亦或者SiC（碳化硅）陶瓷等。包裹电极103的介质层104可以通过烧结的方式获得，具体可采用任意烧结工艺对该包裹电极103的介质层104进行烧结。
控温基座111的材质可以为铝基碳化硅颗粒增强的复合材料（铝碳化硅，AlSiC）。AlSiC具有很高的机械强度和可加工性能，更便于在其上加工出复杂的沟槽。另外，AlSiC本身拥有良好的热传导性，通常其热传导率能做到180w/m·k（瓦/米·开尔文）以上。此外，由于AlSiC属于陶瓷复合材料，其热膨胀系数与Al2O3和AlN都非常的接近，可以通过调节不同的工艺参数，使控温基座111的热膨胀系数与上方介质层104的热膨胀系数保持一致。
具体地，铝基碳化硅颗粒增强的复合材料可以采用气相化学渗入法或铸造法制备。通常来说，通过气相化学渗入法能够获得热膨胀系数更低的AlSiC材料，实际的热膨胀系数可以达到7×10-6/K或更低，使其能够获得与AlN，Al2O3或SiC更为接近的热膨胀系数。
于本实施例另一具体实施方式中，控温基座111与静电卡盘110之间可采用钎焊焊接或者陶瓷粘接，不再需要应用胶层，从而可以消除引入胶层带来的问题。其中，钎焊焊接的焊料可以选择SnAg，SnPb焊料，陶瓷粘接可采用陶瓷粘接剂。但是，本实施例并不限定于以上几种焊料或粘接剂。具体地，焊料可以通过涂抹或是印刷的方式均匀的施加于控温基座111和介质层104的接合面上，然后将控温基座111和介质层104一起放置到钎焊设备中，为便于焊接工艺的进行，可在焊接过程中对介质层104和控温基座111间施加一定的压力。
更具体地，上述控温基座111与静电卡盘110的焊接过程一共可分为三个阶段，即预热、回流和冷却阶段。预热阶段在温度未达到回流尖峰（焊接峰值温度）前，将控温基座111和介质层104加热到一个均匀的温度（小于焊接峰值的温度），在预热阶段可以通过将设备先抽真空然后再充入N2（氮气），防止部件在升温过程中发生氧化。第二阶段的真空回流阶段，会将整个静电卡盘110加热到焊接峰值温度并维持一定时间，确保焊料充分的熔化。在达到焊接峰值温度后，设备会抽真空，使焊接层内的气压与外部气压形成气压差，从而减少焊接层中的空洞。第三阶段为冷却阶段，静电卡盘110在该阶段冷却至室温。
如图1和图2所示，于本实施例另一具体实施方式中，为便于加工，控温基座111可以包括层叠设置的底座108和盖板107，底座108靠近盖板107的表面上均匀开设有凹槽，盖板107与底座108密封连接，配合形成上述控温通道109。如此，在底座108的表面上开设有凹槽以形成上述控温通道109，可以降低工艺难度，便于控温通道109的制作。
需要说明的是，本实施例中底座108可以是如图1所示，位于盖板107的下面；也可以如图2所示，位于盖板107的上面，本实施例对底座108和盖板107的相对位置不作具体限定。另外，控温通道109还可以设置在底座108中（非表面的位置），本实施例对控温通道109的具体设置位置也不作具体限定。
更具体地，底座108上的冷却通道109加工完成后，可以采用钎焊焊接或者陶瓷粘接剂粘接的方式对底座108和盖板107进行固定。具体工艺可参照上述控温基座111与静电卡盘110的焊接过程，在此不再赘述。
需要说明的是，上述控温基座111的结构及控温通道109的设置只是本实施例的部分实施方式，本实施例并不以此为限，只要能够在控温基座111中加工控温通道109即可。
于本实施例另一具体实施方式中，静电卡盘110上设置有多个用于承载待加工件（例如晶圆101）的凸起106，多个凸起106设置在多个以静电卡盘110的中心为圆心的同心圆上。控温通道109在静电卡盘110上的投影位于相邻两个同心圆之间的间隙中。其中，多个凸起106与晶圆101直接接触，用于承载和固定晶圆101。多个凸起106可均匀布设在在静电卡盘110的表面，以能够更好地支撑和固定晶圆101。
另外，该静电卡盘组件还包括背吹管路102，背吹管路102沿静电卡盘110的厚度方向依次贯穿控温基座111和静电卡盘110，且背吹管路102的出气口设置在静电卡盘110的中心区域，以能够对晶圆101的底面进行吹气或抽气，继而实现静电卡盘110的吸附作用或加热作用等。
基于上述静电卡盘组件相同的构思，本实施例还提供一种半导体工艺设备，包括上述任一实施方式的静电卡盘组件。需要说明的是，该半导体工艺设备可以是整套加工设备，也可以是整套加工设备中的部分设备，比如包括上述静电卡盘组件的反应腔室。
本实施例提供的半导体工艺设备，包括上述任一实施方式的静电卡盘组件，至少可以实现静电卡盘组件能够实现的有益效果，在此不再赘述。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本申请的原理而采用的示例性实施方式，然而本申请并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本申请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申请的保护范围。
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申请和简化描述，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申请的限制。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
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)

1.一种半导体工艺设备中的静电卡盘组件，包括静电卡盘和控温基座，所述静电卡盘设置在所述控温基座上，与所述控温基座固定连接，其特征在于，所述静电卡盘包括电极和包裹所述电极的介质层；
所述控温基座中设置有控温通道，所述控温基座的材质为金属基陶瓷颗粒增强的复合材料，所述复合材料中所述金属基与所述陶瓷颗粒的占比被调节为预设值，使所述控温基座的热膨胀系数与所述介质层的热膨胀系数的差值小于预设阈值。
2.根据权利要求1所述的静电卡盘组件，其特征在于，所述预设阈值大于等于0，且小于等于二分之一的所述介质层的热膨胀系数。
3.根据权利要求2所述的静电卡盘组件，其特征在于，所述介质层的材质为陶瓷，所述控温基座的材质为铝基碳化硅颗粒增强的复合材料。
4.根据权利要求3所述的静电卡盘组件，其特征在于，所述铝基碳化硅颗粒增强的复合材料采用气相化学渗入法或铸造法制备。
5.根据权利要求3所述的静电卡盘组件，其特征在于，所述介质层的材质为氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷或碳化硅陶瓷中的一种或多种。
6.根据权利要求1-5任一项所述的静电卡盘组件，其特征在于，所述控温基座与所述静电卡盘之间采用钎焊焊接或者陶瓷粘接剂粘接。
7.根据权利要求1-5任一项所述的静电卡盘组件，其特征在于，所述控温基座包括层叠设置的底座和盖板，所述底座靠近所述盖板的表面上均匀开设有凹槽，所述盖板与所述底座密封连接，配合形成所述控温通道。
8.根据权利要求1-5任一项所述的静电卡盘组件，其特征在于，所述静电卡盘上设置有多个用于承载待加工件的凸起，多个所述凸起设置在多个以所述静电卡盘的中心为圆心的同心圆上；
所述控温通道在所述静电卡盘上的投影位于相邻两个所述同心圆之间的间隙中。
9.根据权利要求7所述的静电卡盘组件，其特征在于，所述底座和所述盖板之间采用钎焊焊接或者陶瓷粘接剂粘接。
10.一种半导体工艺设备，其特征在于，包括权利要求1-9任意一项所述的静电卡盘组件。
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