CN112992635A

CN112992635A - 一种晶圆固定装置及其形成方法、等离子体处理设备

Info

Publication number: CN112992635A
Application number: CN201911283373.3A
Authority: CN
Inventors: 涂乐义; 叶如彬
Original assignee: Advanced Micro Fabrication Equipment Inc Shanghai
Current assignee: Advanced Micro Fabrication Equipment Inc Shanghai
Priority date: 2019-12-13
Filing date: 2019-12-13
Publication date: 2021-06-18
Anticipated expiration: 2039-12-13
Also published as: CN112992635B; TW202125693A; TWI799758B

Abstract

本发明提供一种晶圆固定装置及其形成方法、等离子体处理设备，其中晶圆固定装置可以包括承载晶圆的静电吸盘，以及承载静电吸盘的基座，以及承载基座和静电吸盘的设备板，基座和设备板均为金属材质，设备板和基座可以直接接触，设备板和基座之间也可以填充有柔性导电层，柔性导电层可以提高基座和设备板之间的电接触，增大设备板和基座之间的电容，这样设备板和基座之间可以较大且更稳定的电容，利于设备板和基座之间的射频信号的通过，相应减少其他路径中的射频信号的通过，减少射频信号的功率损失。

Description

一种晶圆固定装置及其形成方法、等离子体处理设备

技术领域

本发明涉及半导体器件及其制造领域，特别涉及一种晶圆固定装置及其形成方法、等离子体处理设备。

背景技术

在半导体器件的制造过程中，等离子体处理是将晶圆加工成设计图案的关键工艺。在典型的等离子体处理工艺中，工艺气体(如CF₄、O₂等)在射频(Radio Frequency，RF)激励作用下形成等离子体。这些等离子体在经过上电极和下电极之间的电场(电容耦合或者电感耦合)作用后与晶圆表面发生物理轰击作用及化学反应，从而对晶圆表面进行处理。

通常来说，等离子体处理腔室中的晶圆固定装置可以作为下电极，然而，目前的晶圆固定装置导致射频信号在射频回路中存在较大的功率损失，影响等离子体处理的效果。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种晶圆固定装置及其形成方法、等离子体处理设备，减少了射频信号的功率损失。

为实现上述目的，本发明有如下技术方案：

本发明实施例提供了一种晶圆固定装置，包括：

静电吸盘，用于承载晶圆；

基座，位于所述静电吸盘下方，用于承载所述静电吸盘；

设备板，位于所述基座下方，用于承载所述基座和静电吸盘；

所述基座和所述设备板为金属材质，所述设备板和所述基座直接接触，或，所述设备板和所述基座之间填充有柔性导电层。

可选的，所述柔性导电层形成于所述基座的下表面，和/或，所述柔性导电层形成于所述设备板的上表面。

可选的，所述设备板和所述基座之间还形成有导电金属层，所述导电金属层的至少一个表面形成有所述柔性导电层。

可选的，所述柔性导电层为石墨层。

可选的，还包括所述设备板下设置的射频杆；所述设备板与所述射频杆电连接，用于将所述射频杆上的射频信号传输至所述基座。

本发明实施例提供了一种晶圆固定装置的形成方法，包括：

在设备板上设置基座；所述设备板和所述基座为金属材质；所述设备板和所述基座直接接触，或，所述设备板和所述基座之间填充有柔性导电层；

在所述基座上设置静电吸盘，所述静电吸盘用于承载晶圆。

可选的，所述在设备板上设置基座，包括：

在设备板上设置导电金属层，所述导电金属层的至少一个表面形成有所述柔性导电层；

在所述导电金属层上设置基座。

可选的，所述导电层为石墨层。

可选的，所述方法还包括：

在所述设备板下设置射频杆，所述射频杆将射频信号传输至所述设备板。

本发明实施例提供了一种等离子体处理设备，包括：

位于等离子体处理腔室中的上电极、所述的晶圆固定装置。

可选的，所述等离子体处理设备还包括：

在所述晶圆固定装置外围的绝缘环，以及所述绝缘环外围的下接地环。

可选的，所述晶圆固定装置中的射频杆外形成有接地套筒，所述接地套筒贯穿所述等离子体处理腔室的底壁，所述等离子体处理腔室的底壁连接下接地环。

本发明实施例提供了一种晶圆固定装置及其形成方法、等离子体处理设备，其中晶圆固定装置可以包括承载晶圆的静电吸盘，以及承载静电吸盘的基座，以及承载基座和静电吸盘的设备板，基座和设备板均为金属材质，设备板和基座可以直接接触，设备板和基座之间也可以填充有柔性导电层，柔性导电层可以提高基座和设备板之间的电接触，增大设备板和基座之间的电容，这样设备板和基座之间可以较大且更稳定的电容，利于设备板和基座之间的射频信号的通过，相应减少其他路径中的射频信号的通过，减少射频信号的功率损失。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种等离子体处理设备的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种晶圆固定装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种晶圆固定装置的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的又一种晶圆固定装置的结构示意图；

图5为现有技术中一种晶圆固定装置的结构示意图；

图6为现有技术中一种晶圆固定装置产生的射频回路示意图；

图7为本发明实施例提供的一种晶圆固定装置产生的射频回路示意图；

图8为本发明实施例提供的另一种晶圆固定装置产生的射频回路示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为了更好的理解本发明的技术方案和技术效果，以下将结合附图对具体的实施例进行详细的描述。

在等离子体处理工艺中，工艺气体可以在射频激励作用下形成等离子体，这些等离子体在经过上电极和下电极之间的电场作用后与晶圆表面发发生物理轰击作用及化学反应，从而对晶圆表面进行处理，例如对晶圆表面进行清洗或刻蚀。

参考图1所示，为本发明实施例提供的一种进行等离子体处理工艺的等离子体处理设备，包括：位于等离子体处理腔室10中的上电极400和晶圆固定装置100。

其中，在电容耦合等离子体(Capacitively Coupled Plasma，CCP)处理设备中，上电极400可以为气体喷淋头，气体喷淋头与气体供应装置连接，用于向等离子体处理腔室10提供工艺气体。在气体喷淋头的上方可以设置有安装基板，安装基板可以与等离子体处理腔室10的顶盖实现固定，从而使上电极400固定在等离子体处理腔室10的上部。在电感耦合型等离子体(Inductive Coupled Plasma，ICP)处理设备中，在等离子体反应腔室的顶部可以设置有绝缘窗口，绝缘窗口上方设置电感耦合线圈(图未示出)，电感耦合线圈类粘结射频功率源，而在等离子体反应腔室的侧壁或顶部设置有气体注入口，这些电感耦合线圈可以作为上电极400。

参考图2、图3和图4所示，为本发明实施例提供的一种晶圆固定装置100的结构示意图，晶圆固定装置100可以包括静电吸盘103、静电吸盘103下的基座102、基座102下的设备板101。

其中，设备板101可以为金属材料制成，例如可以是铝，设备板101用于连接射频信号，同时可以为其上的基座102以及静电吸盘103提供支撑。基座102为金属材质，例如铝、不锈钢等，基座102与设备板101连接，可以作为下电极发挥作用，并为其上的静电吸盘103提供支撑。

静电吸盘103用于承载晶圆200，静电吸盘103可以是陶瓷结构，其中设置有静电电极板，为静电电极板施加正的直流电压时，静电电极板产生的电场会导致固定在静电吸盘103上的晶圆200极化，为了中和该晶圆200产生的电荷，在晶圆200的表面产生负电位，不同极性的电位之间产生的库仑力可以使晶圆200吸附于静电吸盘103上。

晶圆固定装置100外围可以形成有绝缘环600，在绝缘环600外围可以形成有下接地环，下接地环可以包括第一接地环700和第二接地环800，第一接地环700与等离子体腔室10的侧壁连接，第二接地环800与等离子体腔室10的底壁连接，用于为射频信号实现接地。

在利用等离子体对晶圆200进行处理时，等离子体300形成于晶圆200的上方。这样，射频信号可以通过等离子体300流向等离子体腔室10的侧壁通过第一接地环700实现接地，也可以通过等离子体300以及上电极400流向等离子体腔室10的顶部通过上接地环实现接地。

以电容耦合等离子体处理设备为例，晶圆固定装置10上可以施加射频信号，具体的，可以将射频发生器和射频传输线500连接，射频传输线500与晶圆固定装置100连接，从而为晶圆固定装置100施加射频信号，其中，射频发生器可以包括射频电源和射频匹配器，射频传输线500可以包括射频杆(RF Rod)501和围绕射频杆的接地套筒502，射频杆501和接地套筒502之间存在特定间隙503，射频杆501的用于传送射频信号，接地套筒502用于屏蔽射频信号，防止射频信号向外辐射，同时，通过调整接地套筒和射频杆之间的间隙503的大小可以调整射频杆施加到设备板上的射频信号的电压，进而影响等离子体在反应腔内的分布。射频传输线500可以贯穿等离子体处理腔室10的底壁，等离子体处理腔室10的底壁可以连接第二接地环800，由于等离子体处理腔室10的底壁和侧壁接地，接地套筒502和第二接地环800通过分别与等离子体处理腔室10的底壁接触实现接地。

为晶圆固定装置10施加射频信号可以具体为，利用射频杆501向设备板101施加射频信号，射频杆501可以设置于设备板101的下方，设备板101上的射频信号依次传输到与设备板101连接的基座102、与基座102连接的静电吸盘103、静电吸盘103上的晶圆200、晶圆上方的等离子体300、上极板400、等离子体处理腔室10的顶部、上接地环，构成射频回路。

然而对于高频射频信号而言，目前的晶圆固定装置100在射频回路中存在较大的功率损失，影响等离子体的处理效果。这是因为部分射频信号可以通过晶圆固定装置100与下接地环之间的并联寄生电容回流到下接地环，而没有起到激励工艺气体成为等离子体的作用，造成较大的功率损失。特别是基座102和设备板101之间的电容不够稳定时，这种功率损耗变得更加严重。

目前，通常在设备板101和基座102之间设置射频垫圈(RF gasket)106，参考图5所示，为本发明人已知的一种晶圆固定装置的结构示意图。具体的，可以在设备板101和基座102相对的表面上形成对齐的环形凹槽，在环形凹槽中形成射频垫圈106，射频垫圈106的材料可以是铍铜。该种结构存在的一大问题在于，如果射频垫圈106安装不均匀会导致设备板101和基座102之间的分布电容变小且不均匀，部分射频信号会通过射频垫圈106传输，从而导致射频垫圈106发热氧化，影响射频垫圈106的性能，同样会影响射频信号的传输。

另外这种分布电容的不均匀也会影响射频信号的传输均匀性，导致刻蚀结果存在不对称性。事实上，若使基座102和设备板101之间的电容达到10nF，二者的间隙应该小于0.1mm，这种极小的间隙同样增加了射频垫圈106的安装难度。

参考图6所示，为现有技术中的一种晶圆固定装置产生的射频回路示意图，其中，设备板101和基座102之间的电容、电感、电阻分别用C3、L_coil、R_coil表示，射频杆的射频电流用I_RF标识，从设备板101和基座102之间的电感通过的射频(RF)成分可以利用左侧的实线向上箭头标识，从设备板101和基座102之间的电阻通过的直流(DC)成分可以利用左侧的虚线向上箭头标识，从设备板101和基座102之间的电容通过的射频(RF)成分可以利用右侧的实线向上箭头标识，箭头的粗细表示射频成分或直流成分的比例多少。

事实上，射频信号除了通过射频杆501、设备板101和基座102、晶圆200流向等离子体之外，还有部分射频信号通过射频杆501流向等离子体处理腔室10的底壁，从而流向第二接地环800，射频杆501和接地套筒502之间的电容用C1表示；部分射频信号通过设备板101以及设备板101外围的绝缘环600流向第一接地环700，设备板101和第一接地环700之间的电容用C2表示；部分射频信号通过基座102以及基座102外围的绝缘环600流向第一接地环700，基座102和第一接地环700之间的电容用C4表示。其中，通过C1和C2流向下接地环的射频(RF)成分可以利用右侧的实线向右箭头标识，箭头的粗细表示RF成分的多少。

以上通过C1、C2和C4流向下接地环的射频信号并未为等离子体的产生和运动提供作用，因此是多余的功率损耗，在设备板和基座之间的电容较小时，一定程度上制约了射频信号经过设备板和基座流向等离子体，相应的导致通过其他路径流向下接地环的射频信号增多，出现更大的功率损耗。从图6可以看出，通过C1和C2流向下接地环的射频成分较多。

因此，本发明实施例中，作为一种可能的实现方式，参考图2所示，可以将设备板101和基座102直接接触，由于设备板101和基座102均为金属板，其表面材料分布较均匀但并不严格平滑，因此二者直接接触时存在直接接触的位置，也存在有间隔的位置，能够产生较大的电容C3，同时可以保证二者的直流接触，不存在射频垫圈氧化的问题。这样可以产生较大的电容C3，相当于减少了射频信号通过其他路径流向下接地环的可能，例如减少了射频信号通过C1和C2流向下接地环的可能，减少了功率损耗。

参考图7所示，为本发明实施例提供的一种晶圆固定装置产生的射频回路示意图，其中设备板101和基座102之间的电容、电阻分别用C3、R3表示，设备板101和基座102直接接触，可以看出，通过C1和C2流向下接地环的射频成分较少，而通过C3流向等离子体的射频成分较多。

参考表1所示，为射频信号为60MHz时，设备板101和基座102的电学性能参数，可以看出，设备板101和基座102之间的等效间隙为0.05mm，可以提供12.5nF的电容。

表1 设备板和基座的电学性能参数

相对面积S	间隙D	电容C	阻抗Z
				70650mm<sup>2</sup>	0.05mm	12.5nF	0.2Ω

作为另一种可能的实现方式，参考图3和图4所示，可以在设备板101和基座102之间填充柔性导电层104，柔性导电层104由于柔性而导电，可以建立设备板101和基座102之间的良好接触，增大设备板101和基座102之间的电容，因此设备板101和基座102之间存在较大的电容C3，同时可以保证二者的直流接触，同时电容C3分布更加均匀，不存在射频垫圈氧化的问题，相当于减少了射频信号通过其他路径流向第一接地环700的可能，例如减少了射频信号通过C1和C2流向下接地环的可能，减少了功率损耗。

其中，柔性导电层104可以设置在基座102的下表面，也可以设置在设备板101的上表面，当然，柔性导电层103可以同时设置在基座102的下表面和设备板101的上表面。具体的，可以在设备板101的上表面和/或基座102的下表面设置柔性导电层104的涂层，从而使柔性导电层104填充设备板101和基座102，参考图3所示。

具体的，在设备板101和基座102之间还可以有导电金属层105，在导电导电金属层105的至少一个表面形成柔性导电层104，这样柔性导电层104可以填充在设备板101和导电金属层105之间，以及填充在导电金属层105和基座102之间，同样可以增大设备板101和基座102之间的电容，参考图4所示。

具体实施时，柔性导电层104的材料可以是柔软的，这样可以通过压力使柔性导电层104的厚度均匀，因此设备板101和基座102之间的电容C3也是均匀的。举例来说，柔性导电层104可以是石墨层。则可以在基座102的下表面形成石墨层，也可以在设备板101的上表面形成石墨层，还可以在设备板101和基座102中设置形成有石墨层包覆的导电金属层，这里的导电金属层可以是铝片，也可以是铝合金层。

参考图8所示，为本发明实施例提供的另一种晶圆固定装置产生的射频回路示意图，其中在设备板101和基座102之间填充有柔性导电层104，可以看出，相对于射频成分而言，C3的值较大，用R_graphite标识设备板101和基座102之间的电阻，从设备板101和基座102之间的电感通过的射频(RF)成分可以利用左侧的实线向上箭头标识，从设备板101和基座102之间的电容通过的射频(RF)成分可以利用左侧的实线向上箭头标识，箭头的粗细表示射频成分或直流成分的比例多少。可以看出，通过C1和C2流向下接地环的射频成分较少，而通过C3流向等离子体的射频成分较多。

本发明实施例提供了一种晶圆固定装置，包括承载晶圆的静电吸盘，以及承载静电吸盘的基座，以及承载基座和静电吸盘的设备板，基座和设备板均为金属材质，设备板和基座可以直接接触，设备板和基座之间也可以填充有柔性导电层，柔性导电层可以提高基座和设备板之间的电接触，增大设备板和基座之间的电容，这样设备板和基座之间可以较大且更稳定的电容，利于设备板和基座之间的射频信号的通过，相应减少其他路径中的射频信号的通过，减少射频信号的功率损失。

根据射频信号传输的趋肤效应，射频信号在设备板和基座等导电部件中的传输主要通过设备板和基座的环形外表面进行。本发明通过设置设备板和基座直接接触或者在设备板和基座之间设置柔性导电材料，使得设备板和基座具有良好的电接触，进而提高射频信号的传送效率，避免射频信号向下接地环等位置传输消耗。

基于以上实施例提供的一种晶圆固定装置，本发明实施例还提供了一种晶圆固定装置的形成方法，具体的，可以包括以下步骤：

S101，在设备板上设置基座。

设备板和基座可以为金属材料制成，例如可以是铝，设备板用于连接射频信号，同时可以为其上的基座提供支撑。

所述设备板和所述基座直接接触，或，所述设备板和所述基座之间填充有柔性导电层。

S102，在基座上设置静电吸盘，所述静电吸盘用于固定晶圆。

可选的，所述在设备板上设置基座，包括：

在所述导电金属层上设置基座。

可选的，所述导电层为石墨层。

可选的，所述方法还包括：在所述设备板下设置射频杆，所述射频杆将射频信号传输至所述设备板。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处。尤其，对于形成方法实施例而言，由于其基本相似于装置实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见装置实施例的部分说明即可。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims

1.一种晶圆固定装置，其特征在于，包括：

静电吸盘，用于承载晶圆；

基座，位于所述静电吸盘下方，用于承载所述静电吸盘；

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述柔性导电层形成于所述基座的下表面，和/或，所述柔性导电层形成于所述设备板的上表面。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述设备板和所述基座之间还形成有导电金属层，所述导电金属层的至少一个表面形成有所述柔性导电层。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的装置，其特征在于，所述柔性导电层为石墨层。

5.根据权利要求1-3任意一项所述的装置，其特征在于，还包括所述设备板下设置的射频杆；所述设备板与所述射频杆电连接，用于将所述射频杆上的射频信号传输至所述基座。

6.一种晶圆固定装置的形成方法，其特征在于，包括：

在所述基座上设置静电吸盘，所述静电吸盘用于承载晶圆。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述柔性导电层形成于所述基座的下表面，和/或，所述柔性导电层形成于所述设备板的上表面。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述在设备板上设置基座，包括：

在所述导电金属层上设置基座。

9.根据权利要求6-8任意一项所述的方法，其特征在于，所述柔性导电层为石墨层。

10.根据权利要求6-8任意一项所述的方法，其特征在于，还包括：

11.一种等离子体处理设备，其特征在于，包括：

位于等离子体处理腔室中的上电极、权利要求1-5任意一项所述的晶圆固定装置。

12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，还包括：

13.根据权利要求11或12所述设备，其特征在于，所述晶圆固定装置中的射频杆外形成有接地套筒，所述接地套筒贯穿所述等离子体处理腔室的底壁，所述等离子体处理腔室的底壁连接下接地环。