CN115428137A - 静电夹持系统以及方法 - Google Patents

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Abstract

一种静电夹持系统包括：压板；静电电极，与压板相关联；及密封盖，具有界定空腔的凹陷的下表面且具有围绕下表面的外围延伸的密封环，所述密封盖可相对于压板移动，以移动到设置在压板上的晶片上以及从所述晶片移开，密封盖还具有用于将气体引入到密封盖的盖体与晶片之间的空间中的入口阀。

Description

静电夹持系统以及方法
技术领域
本公开的实施例一般来说涉及半导体器件制作的领域，且更具体来说，涉及一种有利于半导体晶片的有效夹持(clamping)的系统及方法。
背景技术
在离子植入(ion implantation)及半导体器件制作期间实行的某些其他工艺期间，通常会将半导体晶片设置在平整的压板上。普遍地，通过静电夹持将半导体晶片固定到压板，其中向压板中嵌置的电极施加电压且所得的电场将半导体晶片保持到压板。由于机械夹持可损坏和/或污染半导体晶片，因此相对于机械夹持而言静电夹持是优选的。
压板通过静电夹持将半导体晶片牢固地夹持到压板的能力很大程度上取决于半导体晶片的底表面到压板的顶表面的接近度。在理想情况下，这些表面是平坦的且被设置得彼此平整、连续接触。在一些情况下，半导体晶片可能发生翘曲(例如，偏转千分之20英寸(毫英寸(thou))的量级(order))，从而在半导体晶片的底表面与压板的顶表面之间形成相对大的间隙。这可能导致微弱或无效的静电夹持。如果半导体晶片及压板被暴露到高温工艺或低温工艺(cryogenic process)(例如，在高温离子植入或低温离子植入期间)，此问题可加剧，其中半导体晶片与压板的不连贯(incoherent)偏转可使得半导体晶片与压板之间的间隙的大小增大。
因此，使半导体晶片与压板之间的表面到表面的接近度最小化对于有利于半导体晶片与压板之间的牢固静电夹持来说是期望的。针对这些及其他考虑，当前的改善可能是有用的。
发明内容
提供本发明内容是为了以简化的形式介绍一系列概念。本发明内容并非旨在识别所主张的主题的关键特征或实质特征，本发明内容也并非旨在有助于确定所主张的主题的范围。
根据本公开的非限制性实施例，一种静电夹持系统可包括：压板；静电电极，与所述压板相关联；以及密封盖，具有界定空腔的凹陷的下表面且具有围绕所述下表面的外围延伸的密封环，所述密封盖能够相对于所述压板移动以移动到设置在所述压板上的晶片上以及从所述晶片移开，所述密封盖还具有用于将气体引入到所述密封盖的盖体与所述晶片之间的空间中的入口阀。
根据本公开的另一非限制性实施例，一种静电夹持系统可包括：压板；静电电极，嵌置在所述压板内；密封盖，具有界定空腔的凹陷的下表面且具有围绕所述下表面的外围延伸的密封环，所述密封盖耦合到铰接支撑臂，所述铰接支撑臂适于选择性地将所述密封盖移动到设置在所述压板上的晶片上以及从所述晶片移除所述密封盖，所述密封盖还具有用于将气体引入到所述密封盖的盖体与所述晶片之间的空间中的入口阀；以及温度管理系统，与所述密封盖成一体且包括能够操作来改变所述密封盖的温度的温度控制元件。
根据本公开的非限制性实施例，一种操作静电夹持系统(包括压板、与所述压板相关联的静电电极、以及密封盖，所述密封盖具有界定空腔的凹陷的下表面且具有围绕所述下表面的外围延伸的密封环)的方法可包括：在所述压板上放置半导体晶片，其中所述半导体晶片发生翘曲且向所述压板呈现凹陷的底表面；将所述密封盖降低到所述半导体晶片上，其中所述密封环与所述半导体晶片的顶表面接合且在所述密封盖的盖体与所述半导体晶片之间形成不透流体的密封；以及经由所述盖体中的入口阀将气体泵送到所述盖体与所述半导体晶片之间的空间中。
附图说明
举例来说，现将参照附图阐述所公开设备的各种实施例，在附图中：
图1是示出根据本公开示例性实施例的静电夹持系统的剖视侧视图。
图2是示出图1所示静电夹持系统的剖视侧视图，其中半导体晶片设置在静电夹持系统的压板上。
图3是示出图1所示静电夹持系统的剖视侧视图，其中系统的密封盖降低成与半导体晶片接合。
图4是示出被操作来将半导体晶片整平(flatten)的图1所示静电夹持系统的剖视侧视图。
图5是示出图1所示静电夹持系统的剖视侧视图，其中系统的密封盖被移除，以使得能够对设置在系统的压板上的平整的且通过静电夹持的半导体晶片进行进一步处理。
图6是示出根据本公开示例性实施例的操作静电夹持系统的方法的流程图。
具体实施方式
现将在下文中参照附图更全面地阐述本实施例，其中示出一些实施例。本公开的主题可以许多不同的形式体现，而不应被视为仅限于本文中所提出的实施例。提供这些实施例是使本公开将透彻及完整，并将向所属领域中的技术人员充分传达主题的范围。在所有附图中，相同的编号指代相同的元件。
参照图1，示出例示根据本公开示例性实施例的静电夹持系统10(下文中为“系统10”)的剖视侧视图。系统10被提供用于在压板12的支撑表面(或多个表面)与设置在压板12上的翘曲的或弯曲的半导体晶片的底表面之间建立紧密的空隙关系，以有利于所述支撑表面(或所述多个表面)与所述底表面之间的有效静电夹持，如以下所进一步阐述。
系统10的压板12可类似于离子处理系统(例如，离子植入系统、离子刻蚀系统等)中常用的用于支撑及牢固地保持待处理的半导体晶片的传统压板。压板12可为大致平坦的盘形本体且可设置在处理腔室13内。在各种实施例中，压板12可包括用于与设置在压板12上的半导体晶片的底表面接合的多个垂直延伸的台面(mesa)16。本公开在这方面不受限制。举例来说，预期压板12的替代实施例，其中省略台面16且代替地为压板12提供大致平整的顶表面。
在各种实施例中，压板12可包括背侧气体密封件17(下文中为“BSG密封件17”)。BSG密封件17可为设置在压板12的顶表面上且邻近压板12的外围的环形构件(例如，O形环或垫圈)。当半导体晶片被放置在压板12上时(如图3到图5中所示)，BSG密封件17可与半导体晶片的底表面接合且可在半导体晶片与压板12之间提供不透流体的密封。可将背侧气体(例如，冷却气体)供应到半导体晶片与压板12之间的密封空间，从而以所属领域中的普通技术人员熟悉的方式帮助进行将热量传递到半导体晶片或从半导体晶片传递热量中的任一种操作。本公开在这方面不受限制。在本公开的各种实施例中，可省略BSG密封件17。
压板12可还包括与压板12相关联的一个或多个静电电极。举例来说，在图1中所示的压板12的实施例中，压板12可包括嵌置在压板12内台面16下方短距离处的静电电极18。静电电极18可连接到电力源(未示出)且可被布置及配置成以所属领域中的技术人员熟悉的静电夹持的方式进行操作。具体来说，通过向静电电极18施加电压，可产生电场且可通过静电力将半导体晶片保持到压板12，如以下所进一步阐述。
如所属领域中的普通技术人员将理解的，压板12可还包括用于对设置在压板12上的半导体晶片进行加热或冷却的各种加热元件(例如，电阻性加热元件或辐射性加热元件)中的任意者和/或各种冷却元件(例如，嵌置在压板12中或延伸穿过压板12以用于使冷却流体在压板12中循环的通道、导管、管子、管道、管等)中的任意者。此种加热及冷却元件在离子处理系统的压板中的实施方式在所属领域中是众所周知的且在本文中将不进行任何进一步的详细阐述。
系统10可还包括位于处理腔室13内邻近压板12的可移动密封盖26。密封盖26可包括具有界定空腔的凹陷的下表面28的圆顶的或碗形的盖体27。在各种实施例中，盖体27可由铝、不锈钢或陶瓷形成。本公开在这方面不受限制。密封盖26可还包括分别耦合到气体供应管线34及真空管线36的入口阀30及出口阀32，以用于使得气体能够被引入到盖体27下方的空间中及从盖体27下方的空间排放出，如以下所更详细阐述。密封盖26可还包括耦合到盖体27的下外围边缘的密封环37。密封环37可为类似于BSG密封件17的环形构件(例如，O形环或垫圈)。当密封盖26降低到半导体晶片上时，密封环37可与半导体晶片的顶表面接合且可在半导体晶片与盖体27之间提供不透流体的密封。密封环37可由适合于在与半导体晶片接合时与半导体晶片建立不透流体的密封的任何材料形成。此种材料的实例包括而不限于丁腈橡胶、氟聚合物弹性体、热塑性聚合物、聚酰亚胺系塑料、硅酮、乙烯丙烯、丙烯等。对于高温应用(例如，其中密封环可经受超过700摄氏度的温度)，密封环37可由包括而不限于陶瓷、各种金属、硅、碳化硅、玻璃及玻璃化合物等的材料形成。
密封盖26可还包括温度控制系统38，温度控制系统38具有用于对盖体27及密封环37进行加热和/或冷却的一个或多个温度控制元件39。在各种实施例中，温度控制元件39可包括嵌置在密封盖26内且连接到一个或多个电力源(现在示出)的电阻性加热元件，例如配线、缆线、板、带等。附加地或作为另一种选择，温度控制元件39可包括一个或多个冷却元件(例如嵌置在密封盖26中或延伸穿过密封盖26以用于使冷却流体在密封盖26中循环的通道、导管、管子、管道、管等)。温度控制系统38可还包括用于测量密封盖26的温度的温度传感器40(例如，热电偶、电阻温度检测器等)以及连接到温度传感器40及温度控制元件39的控制器42(例如，微控制器、专用集成电路等)。控制器42可被配置成操作温度控制元件39来对密封盖26进行加热或冷却，直到通过温度传感器40测量到预定的目标温度。举例来说，控制器42可被配置成操作温度控制元件39来对密封盖26进行加热或冷却，直到密封盖26的温度等于或接近等于压板12的温度和/或设置在压板12上的半导体晶片的温度的(例如，15摄氏度内)。当密封盖26如以下所进一步阐述被移动成半导体晶片接合时，此可保护压板12和/或半导体晶片免受热冲击。
密封盖26可通过在内壁44与盖体27之间延伸的铰接支撑臂46耦合到处理腔室13的内壁44。在示例性替代实施例中，铰接支撑臂46可将盖体27耦合到压板12(如图1中以虚线画出的支撑臂46的区段所指示)。本公开在这方面不受限制。在各种实施例中，如以下所进一步阐述的能够将密封盖26移动到设置在压板12上的半导体晶片上以及从半导体晶片移开的任何类型的机械装置(arrangement)或系统可取代支撑臂46。
支撑臂46可操作以在与图1中所示的笛卡尔坐标系的X、Y及Z轴中的一者或多者平行的方向上移动盖体27。在各种实施例中，支撑臂46可与密封盖26热隔离，以防止热量在支撑臂46与密封盖26之间传递。在各种实例中，此可通过在支撑臂46与盖体27的交界处或附近实施由热绝缘材料(例如，陶瓷、玻璃等)形成的热障壁50来实现。
在系统10的正常操作期间，将半导体晶片引入到处理腔室13中且将半导体晶片放置在压板12上。在理想情况下，半导体晶片将是平坦的或接近平坦的且将跨越压板12的台面16平整地安置，因此在静电电极18与整个半导体晶片之间建立最短的可能距离，以在静电电极18与整个半导体晶片之间提供强的静电耦合。在一些情况下，半导体晶片(例如图2中所示的半导体晶片52(下文中为“晶片52”))可为翘曲的或弯曲的(例如，偏转高达20thou，且可能大于20thou)，并且可向压板12呈现凹陷的底表面(如图2中所示晶片52的偏转出于例示目的而被夸大)。晶片52与压板12之间的所得间隙54可减弱作用在晶片52上的静电力，因此导致压板12与晶片52之间差的静电耦合。
为了改善压板12与晶片52之间的静电耦合，可通过支撑臂46将密封盖26降低到晶片52上，如图3中所示。密封环37可与晶片52的顶表面接合且可在盖体27与晶片52之间建立不透流体的密封。一旦密封盖26就位且形成密封，便可经由供应管线34及入口阀30将气体泵入到盖体27与晶片52之间的空间56中。在各种实施例中，气体可为惰性气体(例如氮气、氩气等)或者非惰性气体(例如氢气)。本公开在这方面不受限制。
随着气体填充空间56，空间56内的压力增加且在晶片52上施加向下的力。最终，压力将晶片52整平，从而迫使晶片52跨越台面16平整地延伸，如图4中所示。因此，在静电电极18与整个晶片52之间建立最短的可能距离，因此有利于静电电极18与整个晶片52之间的强的静电耦合。在这点上，仅静电耦合可保持晶片52与台面16平整地接合。因此，可经由出口阀32及真空管线36将气体从空间56排出到处理腔室13外部的端口。在各种实施例中，可省略真空管线36，且可将气体直接排出到处理腔室13中。本公开在这方面不受限制。最后，可通过支撑臂46将密封盖26从晶片52移开以及远离晶片52移动密封盖26(如图5中所示)，且晶片52可为随后的离子处理(例如，离子植入、离子刻蚀等)做好准备。
参照图6，示出流程图，流程图示出根据本公开的用于实施本公开的系统10，以有利于对翘曲的半导体晶片的有效静电夹持的示例性方法。现在将结合图1到图5所示的系统10的例示来阐述方法。
在示例性方法的方块100处，将晶片52引入到系统10的处理腔室13中且将晶片52放置在压板12上，如图2中所示。可将晶片翘曲或弯曲(例如，偏转高达20thou，且可能大于20thou)，且可向压板12呈现凹陷的底表面(如图2中所示的晶片52的偏转出于例示目的而被夸大)。
在示例性方法的方块110处，控制器42可操作温度控制元件39来对密封盖26进行加热或冷却，密封盖26的温度等于或接近等于压板12的温度和/或设置在压板12上的半导体晶片的温度的(例如，15摄氏度内)。当密封盖26如以上所进一步阐述被移动成与晶片接合时，此可保护压板12和/或晶片52免受热冲击。
在示例性方法的方块120处，可通过支撑臂46将密封盖26降低到晶片52上，如图3中所示。密封环37可与晶片52的顶表面接合且可在盖体27与晶片52之间建立不透流体的密封。在方法的方块130处，可经由气体供应管线34及入口阀30将气体泵入到盖体27与晶片52之间的空间56中。在各种实施例中，气体可为惰性气体(例如氮气、氩气等)或者非惰性气体(例如氢气)。本公开在这方面不受限制。随着气体填充空间56，空间56内的压力增加且在晶片52上施加向下的力。最终，压力将晶片52整平，从而迫使晶片52跨越台面16平整地延伸，如图4中所示。因此，在静电电极18与整个晶片52之间建立最短的可能距离，因此有利于静电电极18与整个晶片52之间的强的静电耦合。在这点上，仅静电耦合可保持晶片52与台面16平整地接合。
在示例性方法的方块140处，可经由出口阀32及真空管线36将气体从空间56排出到处理腔室13外部的端口。在各种实施例中，可省略真空管线36，且可将气体直接排出到处理腔室13中。本公开在这方面不受限制。在方法的方块150处，可通过支撑臂46将密封盖26从晶片52移开且远离晶片52移动密封盖26(如图5中所示)，且晶片52可为随后的离子处理(例如，离子植入、离子刻蚀等)做好准备。
如所属领域中的普通技术人员将理解的，上述系统10及方法相对于用于将半导体晶片固定到压板的传统夹持装置及方法提供明显的优势。举例来说，系统10有利于对弯曲的及翘曲的半导体晶片的有效静电夹持。作为另一优点，此种夹持是在与半导体晶片的机械接触最小的情况下实现的，因此保护晶片免受传统夹持机构及方法带来的损坏或污染。
本公开的范围不受本文所述特定实施例限制。实际上，根据前述说明及附图，对所属领域中的普通技术人员来说除本文中所述的实施例及修改以外的本公开的其他各种实施例及对本公开的各种修改也将显而易见。因此，这些其他实施例及修改旨在落于本公开的范围内。此外，尽管本文中已在用于特定目的的特定环境中的特定实施方式的上下文中阐述了本公开，但所属领域中的普通技术人员应认识到，其有效性并非仅限于此。本公开的实施例可出于任意数目的目的而有益地实施在任意数目的环境中。因此，以上提出的权利要求应根据本文所述本公开的全部广度及精神来加以解释。

Claims (20)

1.一种静电夹持系统，包括：
压板；
静电电极，与所述压板相关联；以及
密封盖，具有界定空腔的凹陷的下表面且具有围绕所述下表面的外围延伸的密封环，所述密封盖能够相对于所述压板移动以移动到设置在所述压板上的晶片上以及从所述晶片移开，所述密封盖还具有用于将气体引入到所述密封盖的盖体与所述晶片之间的空间中的入口阀。
2.根据权利要求1所述的静电夹持系统，其中所述气体选自氮气、氩气及氢气中的一者。
3.根据权利要求1所述的静电夹持系统，其中所述密封盖耦合到铰接支撑臂。
4.根据权利要求3所述的静电夹持系统，其中所述铰接支撑臂安装到处理腔室的内壁。
5.根据权利要求3所述的静电夹持系统，其中所述铰接支撑臂安装到所述压板。
6.根据权利要求3所述的静电夹持系统，其中所述铰接支撑臂通过热绝缘材料与所述密封盖热绝缘。
7.根据权利要求1所述的静电夹持系统，其中所述密封盖包括温度管理系统，所述温度管理系统包括能够操作来改变所述密封盖的温度的温度控制元件。
8.根据权利要求7所述的静电夹持系统，所述温度管理系统还包括控制器，所述控制器连接到所述温度控制元件且被配置成操作所述温度控制元件来改变所述密封盖的所述温度，直到达到预定温度，其中所述预定温度與所述压板的温度相差在15摄氏度内。
9.根据权利要求1所述的静电夹持系统，其中所述密封盖包括用于将所述气体排出所述空间的出口阀。
10.根据权利要求1所述的静电夹持系统，其中所述密封环选自O形环及垫圈中的一者。
11.一种静电夹持系统，包括：
压板；
静电电极，嵌置在所述压板内；
密封盖，具有界定空腔的凹陷的下表面且具有围绕所述下表面的外围延伸的密封环，所述密封盖耦合到铰接支撑臂，所述铰接支撑臂适于选择性地将所述密封盖移动到设置在所述压板上的晶片上以及从所述晶片移除所述密封盖，所述密封盖还具有用于将气体引入到所述密封盖的盖体与所述晶片之间的空间中的入口阀；以及
温度管理系统，与所述密封盖成一体且包括能够操作来改变所述密封盖的温度的温度控制元件。
12.一种操作静电夹持系统的方法，所述静电夹持系统包括压板、与所述压板相关联的静电电极、以及密封盖，所述密封盖具有界定空腔的凹陷的下表面且具有围绕所述下表面的外围延伸的密封环，所述方法包括：
在所述压板上放置半导体晶片，其中所述半导体晶片发生翘曲且向所述压板呈现凹陷的底表面；
将所述密封盖降低到所述半导体晶片上，其中所述密封环与所述半导体晶片的顶表面接合且在所述密封盖的盖体与所述半导体晶片之间形成不透流体的密封；以及
经由所述盖体中的入口阀将气体泵送到所述盖体与所述半导体晶片之间的空间中。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述盖体与所述半导体晶片之间的所述空间中的累积压力迫使所述半导体晶片与所述压板平整地接合。
14.根据权利要求12所述的方法，还包括将所述半导体晶片通过静电夹持到所述压板。
15.根据权利要求12所述的方法，还包括：对所述密封盖进行加热。
16.根据权利要求15所述的方法，其中对所述密封盖进行加热包括：将所述密封盖加热到处于与所述半导体晶片及所述压板中的至少一者的温度相差在15摄氏度以内的温度。
17.根据权利要求12所述的方法，还包括：对所述密封盖进行冷却。
18.根据权利要求17所述的方法，其中对所述密封盖进行冷却包括：将所述密封盖冷却到处于与所述半导体晶片及所述压板中的至少一者的温度相差在15摄氏度以内的温度。
19.根据权利要求12所述的方法，还包括：经由所述盖体中的出口阀从所述盖体与所述半导体晶片之间的所述空间排出所述气体。
20.根据权利要求12的方法，其中所述气体选自氮气、氩气及氢气中的一者。
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