CN112768331B - 一种等离子体处理装置及其下电极组件、静电卡盘 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等离子体处理装置及其下电极组件、静电卡盘，其中静电卡盘用于在等离子体处理装置的反应腔中支撑待处理基片，其包括穿过该静电卡盘上表面至下表面，用于向所述静电卡盘与待处理基片之间通入冷却气体的若干气孔；所述气孔内填塞有至少一个孔塞；所述孔塞设置有穿过该孔塞上表面至下表面的若干通孔，所述通孔的内径小于所述气孔的内径。本发明通过在静电卡盘气孔内填塞至少一个孔塞，而孔塞上布置有若干通孔，实现了在保证静电卡盘上基片的温度均匀性的情况下，进一步避免了因静电卡盘的气孔内冷却气体解离所造成的气孔内壁被击穿，而在气孔中产生杂质颗粒的问题。

Description

一种等离子体处理装置及其下电极组件、静电卡盘

技术领域

本发明涉及半导体加工设备领域，具体涉及一种等离子体处理装置及其下电极组件、静电卡盘。

背景技术

在等离子体处理工艺过程中，常采用静电卡盘来固定、支撑及传送基片等待加工件。静电卡盘设置于反应腔中，其采用静电引力的方式，而非机械方式来固定基片，可减少对基片可能的机械损失，并且使静电卡盘与基片完全接触，有利于热传导。反应过程中，向反应腔内通入反应气体，并对反应腔施加射频功率，通常射频功率施加到静电卡盘下方的基座上，射频功率主要包括射频源功率和射频偏置功率，射频源功率和射频偏置功率共同作用，将反应气体电离生成等离子体，等离子体与基片进行等离子体反应，完成对基片的工艺处理。

在等离子体处理工艺中，为防止基片过热，常采用氦气等冷却气体来带走基片上的热量。为了实现上述目的，静电卡盘上通常设置有若干气孔，以将氦气等冷却气体通入静电卡盘与基片之间，以将基片上的热量带走。但在实际的反应过程中，发现静电卡盘的气孔内壁很容易被击穿，进而在气孔中产生杂质颗粒，最终污染基片。

在等离子体处理工艺过程中，等离子体刻蚀工艺对温度非常敏感，温度控制非常严格，需要精确控制温度，温度均匀性直接影响刻蚀均匀性。因此，如何在保证冷却气体在静电卡盘的表面扩散分布均匀，进而保证静电卡盘上的基片的温度均匀性的情况下，避免因静电卡盘的气孔内冷却气体解离，进而造成气孔内壁被击穿而在气孔中产生杂质颗粒，是本发明需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种等离子体处理装置及其下电极组件、静电卡盘，以避免静电卡盘上气孔内的氦气等冷却气体在射频功率的作用下电离或被击穿而产生等离子体，同时保证静电卡盘上的基片的温度均匀性。

为达到上述目的，本发明提供了一种静电卡盘，用于在等离子体处理装置的反应腔中支撑待处理基片，其包括穿过该静电卡盘上表面至下表面，用于向所述静电卡盘与待处理基片之间通入冷却气体的若干气孔；所述气孔内填塞有至少一个孔塞；所述孔塞设置有穿过该孔塞上表面至下表面的若干通孔，所述通孔的内径小于所述气孔的内径。

上述的静电卡盘，其中，当所述气孔内孔塞的数量为一个时，所述通孔的深宽比为大于10。

上述的静电卡盘，其中，所述通孔的直径为0.5mm～3mm。

上述的静电卡盘，其中，当所述气孔内孔塞的数量为多个时，所述孔塞层叠设置，相邻两层所述孔塞的所述通孔对齐设置或者交错设置。

上述的静电卡盘，其中，所述通孔的直径为10μm～3mm。

上述的静电卡盘，其中，所述通孔在每个孔塞上的数量为2～50个。

上述的静电卡盘，其中，一个或多个所述孔塞完全填塞或部分填塞至所述气孔内。

上述的静电卡盘，其中，所述孔塞的材质为陶瓷。

上述的静电卡盘，其中，所述通孔通过机械加工或激光钻孔的方式获得。

上述的静电卡盘，其中，所述通孔的口径和相邻通孔之间的距离可控。

本发明还提供了一种下电极组件，其包括上述的静电卡盘，所述静电卡盘下方设有一用于支撑所述静电卡盘的基座，所述静电卡盘与所述基座之间设置一粘结层，所述静电卡盘上的气孔向下贯穿所述粘结层并延伸至所述基座一定深度。

上述的下电极组件，其中，所述基座内设有输送冷却气体并与所述气孔连通的冷却管道。

本发明还提供了一种等离子体处理装置，其包括：反应腔，所述反应腔内设有上述的下电极组件。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明所提供的孔塞便于机械加工或激光钻孔，孔塞上通孔的口径和通孔之间间距的均匀性在加工上可控，实现了冷却气体在静电卡盘的表面扩散分布均匀，进而保证了静电卡盘上的基片的温度均匀性。

一方面，本发明通过将具有若干通孔的孔塞塞入已有的静电卡盘的气孔内，由于孔塞上的通孔远小于现有的气孔孔径，在冷却气体供应压力一定的情况下，相对于现有气孔内的冷却气体压力，孔塞通孔内的冷却气体压力将显著减小，进而将两极间距d和气压P乘积Pd调节到氦气帕邢曲线的最低点左边，从而使得冷却气体所能承受的击穿电压显著变大，避免了冷却气体因解离而击穿气孔内壁。

另一方面，孔径显著减小的孔塞通孔也不易使反应气体电离生成的等离子体从气孔中穿出，形成电回路，从而避免由此造成的气孔内冷却气体解离，最终引发静电卡盘气孔内壁被击穿的问题。进一步，当所述气孔内孔塞的数量为一个时，所述通孔的深宽比优选为大于10，使得反应气体电离生成的等离子体不易贯穿孔塞，长深宽会更进一步显著增加离子碰撞几率，抓到电子或失去电子都会导致等离子体的熄灭，避免了由此造成的静电卡盘气孔内壁被击穿的问题。更进一步，当所述气孔内孔塞的数量为多个时，相邻两层所述孔塞的所述通孔可以对齐排列，也可以交错排布并固定位置，形成迷宫结构，利用等离子体只能线性运动的特点，从而实现阻止反应气体电离生成的等离子体通过孔塞的目的，截断可能的电回路，避免气孔内的冷却气体解离或被击穿。

综上所述，本发明通过在静电卡盘气孔内填塞至少一个孔塞，而孔塞上设有若干间距和口径可控的通孔，实现了在保证冷却气体在静电卡盘的表面扩散分布均匀，进而保证静电卡盘上的基片的温度均匀性的情况下，进一步避免了因静电卡盘的气孔内冷却气体解离所造成的气孔内壁被击穿，而在气孔中产生杂质颗粒的问题。

附图说明

图1为下电极组件中气孔内部氦气解离的示意图；

图2为氦气的帕邢曲线图；

图3为本发明中孔塞一实施例的结构示意图；

图4A-图4E为本发明中孔塞另一实施例单独及组合状态下的结构示意图；

图5为本发明下电极组件一实施例的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。

在实现本发明过程中，发明人发现造成现有技术中存在静电卡盘1的气孔11内壁被击穿的原因在于以下两个方面：

(1)在反应过程中，静电卡盘1上的气孔11将会直接处于射频功率的作用下，进而造成气孔11内部的氦气等冷却气体在射频功率作用下会电离或被击穿而产生等离子体，等离子体与内壁材料发生反应，对气孔11内壁产生了腐蚀效果，同时还会在气孔11中产生一些杂质颗粒，进而会给基片带来污染。

(2)在反应过程中，由反应气体电离生成的等离子体也会从静电卡盘1上的气孔11中穿出，最终形成电回路，同样会引起气孔11内部的氦气等冷却气体电离或被击穿，进而造成气孔11内壁很容易被击穿，进而在气孔11中产生杂质颗粒，最终污染基片。

图1示出一种下电极组件示意图，如图1所示，等离子处理装置中的反应腔下方具有一个基座2，基座2用于支撑静电卡盘1，同时作为反应腔的下电极，下电极与静电卡盘之间设置粘结层3，静电卡盘1内部包括一个直流电极(图中未示出)与直流电源相连接并利用静电产生的库伦力使待处理基片牢固地吸附在静电卡盘1上。本发明所示的下电极组件适用于任何需要对处理基片进行温度控制的等离子体处理装置，示例性的如电容耦合等离子体处理装置和电感耦合等离子体处理装置。当该下电极组件应用于电容耦合等离子体处理装置时，等离子处理装置还包括安装在反应腔顶部与下电极对应的上电极，该上电极通常同时作为输入反应气体的气体分布板。在对上下电极部分地或全部地施加射频能量后，上下电极之间会产生等离子体来对基片进行等离子体处理，处在电场两极间气体在一定的压力下会发生气体击穿解离现象。

图2显示的是氦气的帕邢曲线，即氦气的击穿电压U(单位为伏特)与两极间距d和气压P乘积Pd(单位为Torr·cm)的关系曲线图。由曲线可见，两极间距和气压都是决定静电卡盘1上的气孔11内击穿电压大小的因素。当氦气的Pd值位于1-2Torr·cm之间时，其击穿电压最低。欲提高气体的击穿电压使气体难以被击穿或电离，可减小Pd值使其落入曲线左端近乎垂直的曲线段。

基于上述内容，针对气孔11内壁被击穿的原因(1)，本发明所采用的思路是通过减小气孔11内气压P以将两极间距和气压的乘积调节到氦气帕邢曲线的最低点左边，从而使得冷却气体所能承受的击穿电压变大。此外，针对气孔11内壁被击穿的原因(2)，本发明所采用的思路是通过阻止反应气体电离生成的等离子体从气孔11中穿出，从而形成电回路，导致气孔11内冷却气体解离，避免由此造成的静电卡盘1气孔11内壁被击穿的问题。

基于上述发明思路，本发明提供了一种静电卡盘1，用于在等离子体处理装置的反应腔中支撑待处理基片，该静电卡盘1包括穿过该静电卡盘1上表面至下表面，用于向所述静电卡盘1与待处理基片之间通入冷却气体的若干气孔11；所述气孔11内填塞有至少一个孔塞12；所述孔塞12设置有穿过该孔塞12上表面至下表面的若干通孔13，该通孔13的内径小于上述气孔11的内径。

在该实施例中，通过将具有若干通孔13的孔塞12塞入已有的静电卡盘1的气孔11内，由于孔塞12上的通孔13远小于现有的气孔11孔径，在冷却气体供应压力一定的情况下，相对于现有气孔11内的冷却气体压力，通孔13内的冷却气体压力将显著减小，进而将两极间距d和气压P乘积Pd调节到氦气帕邢曲线的最低点左边，从而使得冷却气体所能承受的击穿电压显著变大，避免了冷却气体因解离而击穿气孔11内壁。同时，孔径显著减小的通孔13也不易使反应气体电离生成的等离子体从气孔11中穿出，形成电回路，从而避免由此造成的气孔11内冷却气体解离，最终引发静电卡盘1气孔11内壁被击穿的问题。除此之外，在半导体工艺过程中，等离子体刻蚀工艺对温度非常敏感，温度控制非常严格，需要精确控制温度，温度均匀性直接影响刻蚀均匀性。本发明所提供的孔塞12便于机械加工，通过在孔塞12上加工若干间距和口径可控的通孔13，同时实现了冷却气体在静电卡盘1的表面扩散分布均匀，进而保证了静电卡盘1上的基片的温度均匀性。

考虑到实际机械加工的可控性，以及等离子体处理工艺过程的特殊性，本发明所提供的孔塞12的材质优选陶瓷，以在满足离子体处理工艺的情况下，实现通孔13孔径以及通孔13之间的间隙更易于控制。本发明所提供的每个孔塞12上通孔13的数量优选为2～50个。孔塞12上通孔13的加工数量不宜过少，否则通入的冷却气体过少导致无法充分冷却静电卡盘1上的基片；孔塞12上通孔13的加工数量也不宜过多，否则额外增加加工的复杂程度，且对本发明所要实现的技术目的也并没有进一步显著的增加。此外，在每个静电卡盘1的气孔11内，可以完全填塞或部分填塞一个或多个孔塞12，皆可实现避免静电卡盘1气孔11内壁被击穿的问题。

如图3所示，在一较佳的实施例中，当所述气孔11内孔塞12的数量为一个时，所述通孔13的深宽比优选为大于10，以使得反应气体电离生成的等离子体不易通过孔塞12，长深宽会更进一步显著增加离子碰撞几率，抓到电子或失去电子都会导致等离子体的熄灭，避免了由此造成的静电卡盘1气孔11内壁被击穿的问题。在此基础上，孔塞12上通孔13的直径优选为0.5mm～3mm。外直径选择小于3mm更有利于阻止应气体电离生成的等离子体穿过孔塞12，进而防止因形成电回路而造成的静电卡盘1被击穿。在本实施例中，由于在气孔11内设置一个带有若干通孔13的孔塞12，由于通孔13的内径小于气孔11，有效减少了气孔11内可能发生的等离子体放电现象。通孔13的直径越小越有利于提高静电卡盘的耐高压能力，受限于传统机械加工的极限，0.5mm以下的通孔13很难加工较大深度。

如图4A-图4E所示，在另一较佳的实施例中，将所述气孔11内孔塞12的数量设置为多个，此时，可将多个孔塞12层叠设置，以达到填充气孔11所需的高度。除了选择传统机加工的方式，本发明还可采用激光设备在陶瓷孔塞12上钻孔，可实现孔径为0.5mm以下孔的加工，直至10μm的微孔，故本实施例通孔13的直径优选为10μm～3mm。但激光钻孔等对陶瓷材质的孔塞12的厚度有限制，实现不了厚度超过3mm孔塞12的加工。可以设计多块孔塞12，每个孔塞12上阵列分布诸多通孔13，最终经堆叠后塞入至静电卡盘1的气孔11内。各层孔塞12的通孔13可以实现对齐排列，也可以交错排布并固定位置，形成如图4D-图4E所示的迷宫结构，利用等离子体只能线性运动的特点，从而实现阻止反应气体电离生成的等离子体贯穿孔塞12的目的，截断可能的电回路，避免气孔11内的冷却气体解离或被击穿。本实施例所提供的静电卡盘1中的孔塞12采用特殊的迷宫结构的气路，有效彻底地阻断了反应气体电离生成的等离子体的电回路。

如图5所示，本发明还提供了一种下电极组件，其包括上述的静电卡盘1，所述静电卡盘1下方设有一用于支撑所述静电卡盘的基座2，所述静电卡盘1与所述基座2之间设置一粘结层3，所述静电卡盘1上的气孔11向下贯穿所述粘结层3并延伸至所述基座2一定深度。由于本实施例中的静电卡盘1气孔11内填塞有一个或多个层叠设置的上述孔塞12。本实施例通过在孔塞12上加工若干通孔13，在实现冷却气体在静电卡盘1的表面扩散分布均匀的基础上，显著降低了通孔13内的气压，进而将两极间距d和气压P乘积Pd调节到氦气帕邢曲线的最低点左边，从而使得冷却气体所能承受的击穿电压显著变大，避免了由此造成的冷却气体因解离而击穿气孔11内壁；同时利用等离子体只能线性运动以及运动过程中会因为过多的碰撞而导致自身熄灭的特点，阻断了反应气体电离生成的等离子体穿过气孔11形成电回路，进而避免了由此造成的冷却气体因解离而击穿气孔11内壁的问题。

进一步，所述基座2内设置有用于输送冷却气体并与所述气孔11连通的冷却管道21，仅需在基座2内通过机械加工得到，无需额外通过布置管道设置，大大减少了下电极组件的复杂性。更进一步，在冷却管道21和所述气孔11之间可以设置有空腔22，用以稳定冷却气体的压力，更有益于实现冷却气体在静电卡盘1表面的均匀扩散分布，进而保证静电卡盘1上的基片的温度均匀性，以促进基片刻蚀的均匀性得以实现。

本发明还提供了一种等离子体处理装置，其包括：反应腔，所述反应腔内设有上述的下电极组件。基于同样的理由，本发明所提供的等离子体处理装置能够避免了因静电卡盘的气孔内冷却气体解离所造成的气孔内壁被击穿，而在气孔中产生杂质颗粒的问题。

本发明所提供的孔塞12便于机械加工，通过在孔塞12上加工若干间距和口径可控的通孔13，实现了冷却气体在静电卡盘1的表面扩散分布均匀，进而保证了静电卡盘1上的基片的温度均匀性。

一方面，本发明通过将具有若干通孔13的孔塞12塞入已有的静电卡盘1的气孔11内，由于孔塞12上的通孔13远小于现有的气孔11孔径，在冷却气体供应压力一定的情况下，相对于现有气孔11内的冷却气体压力，通孔13内的冷却气体压力将显著减小，进而将两极间距d和气压P乘积Pd调节到氦气帕邢曲线的最低点左边，从而使得冷却气体所能承受的击穿电压显著变大，避免了冷却气体因解离而击穿气孔11内壁。

另一方面，孔径显著减小的通孔13也不易使反应气体电离生成的等离子体从气孔11中穿出，形成电回路，从而避免由此造成的气孔11内冷却气体解离，最终引发静电卡盘1气孔11内壁被击穿的问题。进一步，当所述气孔11内孔塞12的数量为一个时，所述通孔13的深宽比优选为大于10，使得反应气体电离生成的等离子体不易通过孔塞12，长深宽会更进一步显著增加离子碰撞几率，抓到电子或失去电子都会导致等离子体的熄灭，避免了由此造成的静电卡盘1气孔11内壁被击穿的问题。更进一步，当所述气孔11内孔塞12的数量为多个时，相邻两层所述孔塞12的所述通孔13可以对齐排列，也可以交错设置，形成迷宫结构，利用等离子体只能线性运动的特点，从而实现阻止反应气体电离生成的等离子体贯穿孔塞12的目的，截断可能的电回路，避免气孔11内的冷却气体解离或被击穿。

综上所述，本发明通过在静电卡盘气孔内填塞至少一个孔塞，而孔塞上设置有若干通孔，实现了在保证冷却气体在静电卡盘的表面扩散分布均匀，进而保证静电卡盘上的基片的温度均匀性的情况下，进一步避免了因静电卡盘的气孔内冷却气体解离所造成的气孔内壁被击穿，而在气孔中产生杂质颗粒的问题。本发明制作的孔塞相比其他多孔材料，通孔分布更为均匀且不易堵塞。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (11)

1.一种静电卡盘，用于在等离子体处理装置的反应腔中支撑待处理基片，其特征在于，包括穿过该静电卡盘上表面至下表面，用于向所述静电卡盘与待处理基片之间通入冷却气体的若干气孔；所述气孔内填塞有至少一个孔塞；所述孔塞设置有穿过该孔塞上表面至下表面的若干通孔，所述通孔的内径小于所述气孔的内径；

所述气孔内孔塞的数量为多个，所述孔塞层叠设置，相邻两层所述孔塞的所述通孔交错设置，相邻两个孔塞之间具有横向缝隙。

2.如权利要求1所述的静电卡盘，其特征在于，所述通孔的直径为0.5mm~ 3mm。

3.如权利要求1所述的静电卡盘，其特征在于，所述通孔的直径为10μm ~3mm。

4.如权利要求1所述的静电卡盘，其特征在于，所述通孔在每个孔塞上的数量为2～50个。

5.如权利要求1所述的静电卡盘，其特征在于，一个或多个所述孔塞完全填塞或部分填塞至所述气孔内。

6.如权利要求1所述的静电卡盘，其特征在于，所述孔塞的材质为陶瓷。

7.如权利要求1所述的静电卡盘，其特征在于，所述通孔通过机械加工或激光钻孔的方式获得。

8.权利要求1所述的静电卡盘，其特征在于，所述通孔的口径和相邻通孔之间的距离可控。

9.一种下电极组件，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的静电卡盘，所述静电卡盘下方设有一用于支撑所述静电卡盘的基座，所述静电卡盘与所述基座之间设置一粘结层，所述静电卡盘上的气孔向下贯穿所述粘结层并延伸至所述基座一定深度。

10.如权利要求9所述的下电极组件，其特征在于，所述基座内设有输送冷却气体并与所述气孔连通的冷却管道。

11.一种等离子体处理装置，其特征在于，包括：反应腔，所述反应腔内设有如权利要求9所述的下电极组件。