CN209434145U - 静电吸盘背面氦气管路结构及氦气压力控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种静电吸盘背面氦气管路结构，包括背面氦气管路和抽真空管路，所述背面氦气管路连接外界冷却气体源和静电吸盘，所述抽真空管路一端连接至背面氦气管路中，另一端连接真空泵，所述抽真空管路串联有一单向阀和一逆流过滤器，所述单向阀位于逆流过滤阀与真空泵之间，所述逆流过滤器设于抽真空管路和背面氦气管路的连接处与单向阀之间。本实用新型还公开一种氦气压力控制系统。本实用新型通过单向阀和逆流过滤器可以避免抽真空管路中的大量污染气体进入背面氦气管路并在静电吸盘除静电过程中从失去静电吸附的晶圆边缘背面泄漏至反应腔体中，减少反应腔体被污染的情况，有效减少晶圆的缺陷。

Description

静电吸盘背面氦气管路结构及氦气压力控制系统

技术领域

本实用新型属于微电子及半导体集成电路制造领域，具体涉及一种硅刻蚀系统中静电吸盘背面氦气管路结构及用于除静电的氦气压力控制系统。

背景技术

等离子体刻蚀(Plasma Etching)是晶圆加工的重要工艺，它是在等离子体存在的条件下，以平面曝光后得到的光刻图形作掩模，通过溅射、化学反应、辅助能量离子(或电子)与模式转换等方式，精确可控地除去衬底表面上一定深度的薄膜物质而留下不受影响的沟槽边壁上的物质的加工过程。Lam 2300Versys系列是LAM公司推出的用于多晶硅以及金属刻蚀的主力机台，也是目前业内晶圆加工的重要工艺机台。

随着晶圆加工的特征尺寸从微米级向纳米级的技术节点迈进，等离子体刻蚀对缺陷的控制要求越来越严格。在造成等离子体刻蚀缺陷的众多因素中，业界通常忽略了在Lam2300Versys TM Metal/Silicon System平台结构设计中的一个可能微小但是有时却很致命的因素，那就是静电吸盘装置的冷却系统，即静电吸盘背面氦气冷却系统。

在刻蚀设备中，静电吸盘(Electrostatic chuck，简称ESC)设置在刻蚀系统的反应腔体(通常为一圆柱形结构)的底部，且该反应腔体在工作过程中为真空状态。一方面，静电吸盘用于固定晶圆，其通过表面绝缘层产生的静电力吸附固定晶圆。

另一方面，静电吸盘还用于控制晶圆的温度。由于晶圆温度是影响刻蚀速率和均匀性的重要因素，刻蚀中的化学反应对温度也非常敏感，微小的温差都可能造成很大的刻蚀偏差，所以良好的刻蚀效果要求晶圆具有稳定的、均匀的温度分布。在理想情况下，晶圆与绝缘层是完全的面接触，两者属于固体传热的范畴，但是现实中两个平面因为粗糙度的问题，不可能实现完全的面接触，其实际接触面积大约在5％～10％，这就使得两者的接触行为从面接触转化为点接触，从而产生了接触间隙。由于静电吸盘的工作环境为真空，所以其间隙中的真空热传导系数非常低，为增强间隙内的散热效果，工程中常将具有良好传热性能的氦气作为冷却源通入到间隙中，增强对晶圆的冷却作用。为了使氦气均匀分布，静电吸盘的绝缘层上形成有槽道，静电吸盘通过绝缘层槽道中的冷却气体(即氦气)和基座中的循环冷却液使晶圆表面保持在设定温度。

Lam 2300Versys TM金属/硅刻蚀系统的真空系统，如图1所示，包括干泵P1 (DryPump或者Rough Pump)、涡轮泵(Turbo Pump)P2、反应腔体C1以及工艺压力计(ProcessManometer)CM1、腔体压力计(Chamber Manometer)CM2和前级管路压力计(ForelineManometer)CM3，涡轮泵P2与干泵P1之间的管路上设有涡轮排气阀，干泵P1与反应腔体C1之间的管路设有干泵阀，前级管道压力计CM3设于干泵阀与干泵P1之间，腔体压力计CM2设于干泵阀与反应腔体C1之间，工艺压力计CM1 用于监测反应腔体的除静电压力。

Lam 2300Versys TM金属/硅刻蚀系统的背面氦气管路(简称背氦管路)，如图2 所示，黑色箭头实线表示背面氦气管路，黑色尖头虚线表示抽真空管路。背面氦气管路连接外界冷却气体源和静电吸盘ESC，该外界冷却气体源提供的氦气通过管道依次经过氦气供给阀V1、供给过滤器F1、氦气压力计、氦气隔离阀V2和静电吸盘ESC，最终从静电吸盘的正面流出。抽真空管路一端连接至氦气压力计的出口和氦气隔离阀 V2的入口之间，另一端与用于抽真空的干泵P1连接，并且该氦气抽真空管路中还设有氦气前级管路服务阀V3。

完成刻蚀工艺后，刻蚀系统对静电吸盘进行除静电操作，具体过程包括：

1、反应腔体C1控制压力到除静电压力，即图1中的工艺压力计CM1设定为15 毫托；

2、背面氦气管路由抽真空管路抽走压力，同时反应腔体C1通过分子泵(该分子泵连接干泵，干泵作为分子泵的前级泵，可以使分子泵快速地获得正常工作范围内的真空度)抽走压力；

3、背面氦气管路压力为零后，静电吸盘ESC反转电压释放静电(此时氦气抽真空管路的压力在200毫托左右，即图1中的前级管道压力计CM3所测)，

4、除静电完成后，经过刻蚀处理的晶圆被顶针(lift pin)举起，然后由机械手臂从反应腔体中取出。

Lam的反应腔体在除静电设计中，使用干泵抽走腔体内的残留氦气，此时反应腔体的压力设定通常在几十毫托，而连接干泵的抽真空管路中的压力通常在200毫托左右，这样的压力差会导致抽真空管路尾端中的气体通过打开的氦气隔离阀V2逆流而上，最终从失去了静电吸附的晶圆wafer边缘背面泄漏进入真空的反应腔体，导致腔体环境被污染，如图3、图4所示。反应腔体内高温的反应生成物经过前级管路(即抽真空管路)时气体接触到低温的管壁表面迅速固化沾附，所以抽真空管路是污染源。抽真空管路尾端中的气体含有很多反应生成物的残留，微小的反应生成物随着气流一同进入反应腔体，受污染的反应腔体就会导致晶圆制品的表面缺陷，形成环状颗粒物污染晶圆制品，如图5所示。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种静电吸盘背面氦气管路结构及氦气压力控制系统，可以解决现有背面氦气管路在除静电过程中易发生反应腔体被污染的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提供的静电吸盘背面氦气管路结构，包括背面氦气管路和抽真空管路，所述背面氦气管路连接外界冷却气体源和静电吸盘，所述抽真空管路一端连接至背面氦气管路中，另一端连接真空泵，所述抽真空管路串联有一单向阀，所述单向阀位于抽真空管路和背面氦气管路的连接处与真空泵之间。

进一步的，所述抽真空管路还串联有氦气前级管路服务阀，该氦气前级管路服务阀设于抽真空管路和背面氦气管路的连接处与单向阀之间。

较佳的，所述抽真空管路还串联一逆流过滤器，所述逆流过滤器设于抽真空管路和背面氦气管路的连接处与单向阀之间。

进一步的，所述抽真空管路还串联有氦气前级管路服务阀，该氦气前级管路服务阀设于抽真空管路和背面氦气管路的连接处与逆流过滤器之间。

其中，所述背面氦气管路依次串联有氦气供给阀、供给过滤器、氦气压力计、氦气隔离阀，且所述氦气供给阀与外界冷却气体源相邻，所述氦气隔离阀与静电吸盘相邻。

较佳的，所述抽真空管路与背面氦气管路的连接处位于氦气隔离阀和氦气压力计之间。

优选的，所述真空泵为干泵。

此外，本实用新型还提供一种氦气压力控制系统，包括：

反应腔体，为一圆柱形结构；

静电吸盘，设于所述反应腔体的底部；

外界冷却气体源，用于提供氦气；

背面氦气管路，连接外界冷却气体源和静电吸盘；

抽真空管路，一端连接至背面氦气管路中，另一端连接真空泵，所述抽真空管路串联有一单向阀，所述单向阀位于抽真空管路和背面氦气管路的连接处与真空泵之间。

进一步的，所述抽真空管路还串联有氦气前级管路服务阀，该氦气前级管路服务阀设于抽真空管路和背面氦气管路的连接处与单向阀之间。

较佳的，所述抽真空管路还串联一逆流过滤器，所述逆流过滤器设于抽真空管路和背面氦气管路的连接处与单向阀之间。

进一步的，所述抽真空管路还串联有氦气前级管路服务阀，该氦气前级管路服务阀设于抽真空管路和背面氦气管路的连接处与逆流过滤器之间。

其中，所述背面氦气管路依次串联有氦气供给阀、供给过滤器、氦气压力计、氦气隔离阀，且所述氦气供给阀与外界冷却气体源相邻，所述氦气隔离阀与静电吸盘相邻。

较佳的，所述抽真空管路与背面氦气管路的连接处位于氦气隔离阀和氦气压力计之间。

优选的，所述真空泵为干泵。

进一步的，所述静电吸盘除静电时，背面氦气管路上的氦气供给阀处于关闭状态，背面氦气管路上的氦气隔离阀和抽真空管路上的氦气前级管路服务阀均处于打开状态；当抽真空管路的压力小于背面氦气管路的压力时，背面氦气管路中的气体通过抽真空管路中的单向阀排出，当抽真空管路的压力等于背面氦气管路的压力时，背面氦气管路的压力通过反应腔体排出，当抽真空管路的压力大于背面氦气管路的压力时，抽真空管路的气体通过单向阀，并推动单向阀内部组件马上关闭单向阀。

与现有技术相比，本实用新型的有益之处在于：

1)本实用新型在现有的静电吸盘背面氦气冷却系统的抽真空管路中串联新的单向阀(check valve)，可以有效地避免抽真空管路中的大量污染气体(含有很多反应生成物)进入背面氦气管路并在静电吸盘除静电过程中从失去静电吸附的晶圆边缘背面泄漏至反应腔体中，减少反应腔体被污染的情况；

2)本实用新型还在抽真空管路中串联逆流过滤器，可以对经过单向阀逆流而上的气体中包含的颗粒物进一步过滤，从而降低反应腔体被污染的可能性；

3)本实用新型能够避免静电吸盘除静电过程中工艺反应生成物通过背面氦气管路接触到晶圆制品表面，有效减少晶圆的缺陷，延长腔体维护周期，增加FAB产能。

附图说明

图1为金属/硅刻蚀系统的真空系统的结构图；

图2为金属/硅刻蚀系统的背面氦气冷却系统示意图；

图3为抽真空管路尾端的气体泄漏至反应腔体的示意图；

图4为图3的局部放大图；

图5为晶圆制品的示意图，其中左边的晶圆制品未受环状颗粒物污染，右边的晶圆制品受环状颗粒物污染；

图6为本实用新型的静电吸盘背面氦气管路结构的第一实施例的示意图；

图7为本实用新型的静电吸盘背面氦气管路结构的第二实施例的示意图。

附图标记说明如下：

C1反应腔体 P1干泵

P2涡轮泵 CM1工艺压力计

CM2腔体压力计 CM3前级管路压力计

F1供给过滤器 V1氦气供给阀

V2氦气隔离阀 V3氦气前级管路服务阀

F2逆流过滤器 V4单向阀

具体实施方式

以下通过特定的具体实施例并结合附图说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可以由本说明书所揭示的内容轻易地了解本实用新型的其它优点与功效。本实用新型亦可通过其它不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本实用新型的精神下进行各种修饰语变更。

本实用新型的硅刻蚀系统中静电吸盘背面氦气管路结构，包括背面氦气管路和抽真空管路。

所述背面氦气管路连接外界冷却气体源和静电吸盘，背面氦气管路依次串联有氦气供给阀、供给过滤器、氦气压力计、氦气隔离阀，其中，氦气供给阀与外界冷却气体源相邻，氦气隔离阀与静电吸盘相邻。

所述抽真空管路一端连接至背面氦气管路中，另一端连接真空泵，抽真空管路与背面氦气管路的连接处位于氦气隔离阀和氦气压力计之间。优选的，真空泵采用干泵。

第一实施例

在本实施例中，如图6所示，背面氦气管路连接外界冷却气体源和静电吸盘ESC，背面氦气管路依次串联有氦气供给阀V1、供给过滤器F1、氦气压力计、氦气隔离阀 V2，氦气供给阀V1与外界冷却气体源相邻，氦气隔离阀V2与静电吸盘ESC相邻；抽真空管路一端位于氦气隔离阀V2和氦气压力计之间,另一端连接干泵P1，抽真空管路串联有氦气前级管路服务阀V3和单向阀V4，氦气前级管路服务阀V3靠近抽真空管路和背面氦气管路的连接处，单向阀V4位于氦气前级管路服务阀V3与干泵P1之间。

基于本实施例的硅刻蚀系统中用于除静电的氦气压力控制系统，包括：

反应腔体，为一圆柱形结构；

静电吸盘，设于所述反应腔体的底部；

外界冷却气体源，用于提供氦气；

背面氦气管路，背面氦气管路连接外界冷却气体源和静电吸盘ESC，背面氦气管路依次串联有氦气供给阀V1、供给过滤器F1、氦气压力计、氦气隔离阀V2，氦气供给阀V1与外界冷却气体源相邻，氦气隔离阀V2与静电吸盘ESC相邻；

抽真空管路，一端位于氦气隔离阀V2和氦气压力计之间,另一端连接干泵P1，抽真空管路串联有氦气前级管路服务阀V3和单向阀V4，氦气前级管路服务阀V3靠近抽真空管路和背面氦气管路的连接处，单向阀V4位于氦气前级管路服务阀V3与干泵 P1之间。

在静电吸盘进行除静电时，背面氦气管路上的氦气供给阀V1处于关闭状态，背面氦气管路上的氦气隔离阀V2和抽真空管路上的氦气前级管路服务阀V3均处于打开状态；当抽真空管路的压力小于背面氦气管路的压力时，背面氦气管路中的气体通过抽真空管路中的单向阀V4排出使压力快速下降，当抽真空管路的压力等于背面氦气管路的压力时，背面氦气管路的压力通过反应腔体排出，当抽真空管路的压力大于背面氦气管路的压力时，抽真空管路的气体通过单向阀，并推动单向阀内部组件马上关闭单向阀。

本实施例在现有的静电吸盘背面氦气冷却系统的抽真空管路中串联新的单向阀(check valve)，可以有效地避免抽真空管路中的大量污染气体(含有很多反应生成物)进入背面氦气管路并在静电吸盘除静电过程中从失去静电吸附的晶圆边缘背面泄漏至反应腔体中，减少反应腔体被污染的情况。

第二实施例

在本实施例中，如图7所示，背面氦气管路连接外界冷却气体源和静电吸盘ESC，背面氦气管路依次串联有氦气供给阀V1、供给过滤器F1、氦气压力计、氦气隔离阀 V2，氦气供给阀V1与外界冷却气体源相邻，氦气隔离阀V2与静电吸盘ESC相邻；抽真空管路一端位于氦气隔离阀V2和氦气压力计之间,另一端连接干泵P1，抽真空管路串联有氦气前级管路服务阀V3、逆流过滤器F2和单向阀V4，氦气前级管路服务阀 V3靠近抽真空管路和背面氦气管路的连接处，单向阀V4靠近干泵P1，逆流过滤器F2 位于氦气前级管路服务阀V3与单向阀V4之间。

基于本实施例的硅刻蚀系统中用于除静电的氦气压力控制系统，包括：

反应腔体，为一圆柱形结构；

静电吸盘，设于所述反应腔体的底部；

外界冷却气体源，用于提供氦气；

背面氦气管路，背面氦气管路连接外界冷却气体源和静电吸盘ESC，背面氦气管路依次串联有氦气供给阀V1、供给过滤器F1、氦气压力计、氦气隔离阀V2，氦气供给阀V1与外界冷却气体源相邻，氦气隔离阀V2与静电吸盘ESC相邻；

抽真空管路，一端位于氦气隔离阀V2和氦气压力计之间,另一端连接干泵P1，抽真空管路串联有氦气前级管路服务阀V3、逆流过滤器F2和单向阀V4，氦气前级管路服务阀V3靠近抽真空管路和背面氦气管路的连接处，单向阀V4靠近干泵P1，逆流过滤器F2位于氦气前级管路服务阀V3与单向阀V4之间。

在实际除静电过程中，由于响应时间等因素，单向阀并不能完成防止气体逆流，本实施例在抽真空管路中不但串联单向阀，而且还在单向阀和氦气前级管路服务阀之间串联逆流过滤器，这样可以对经过单向阀逆流而上的气体中包含的颗粒物进一步过滤，从而避免回灌气体中颗粒物的上行，降低反应腔体被污染的可能性。

本实用新型的静电吸盘背面氦气管路结构及用于除静电的氦气压力控制系统用于目前的Lam 2300Versys TM金属/硅刻蚀系统中，能够避免静电吸盘除静电过程中工艺反应生成物通过背面氦气管路接触到晶圆制品表面，有效减少晶圆的缺陷，延长腔体维护周期，增加FAB产能。

以上通过具体实施例对本实用新型进行了详细的说明，该实施例仅仅是本实用新型的较佳实施例，本实用新型并不局限于上述实施方式。在不脱离本实用新型原理的情况下，本领域的技术人员做出的等效置换和改进，均应视为在本实用新型所保护的技术范畴内。

Claims (15)

1.一种静电吸盘背面氦气管路结构，包括背面氦气管路和抽真空管路，所述背面氦气管路连接外界冷却气体源和静电吸盘，其特征在于，所述抽真空管路一端连接至背面氦气管路中，另一端连接真空泵，所述抽真空管路串联有一单向阀，所述单向阀位于抽真空管路和背面氦气管路的连接处与真空泵之间。

2.根据权利要求1所述的静电吸盘背面氦气管路结构，其特征在于，所述抽真空管路还串联有氦气前级管路服务阀，该氦气前级管路服务阀设于抽真空管路和背面氦气管路的连接处与单向阀之间。

3.根据权利要求1所述的静电吸盘背面氦气管路结构，其特征在于，所述抽真空管路还串联一逆流过滤器，所述逆流过滤器设于抽真空管路和背面氦气管路的连接处与单向阀之间。

4.根据权利要求3所述的静电吸盘背面氦气管路结构，其特征在于，所述抽真空管路还串联有氦气前级管路服务阀，该氦气前级管路服务阀设于抽真空管路和背面氦气管路的连接处与逆流过滤器之间。

5.根据权利要求1所述的静电吸盘背面氦气管路结构，其特征在于，所述背面氦气管路依次串联有氦气供给阀、供给过滤器、氦气压力计、氦气隔离阀，且所述氦气供给阀与外界冷却气体源相邻，所述氦气隔离阀与静电吸盘相邻。

6.根据权利要求5所述的静电吸盘背面氦气管路结构，其特征在于，所述抽真空管路与背面氦气管路的连接处位于氦气隔离阀和氦气压力计之间。

7.根据权利要求1所述的静电吸盘背面氦气管路结构，其特征在于，所述真空泵为干泵。

8.一种氦气压力控制系统，其特征在于，包括：

反应腔体，为一圆柱形结构；

静电吸盘，设于所述反应腔体的底部；

外界冷却气体源，用于提供氦气；

背面氦气管路，连接外界冷却气体源和静电吸盘；

抽真空管路，一端连接至背面氦气管路中，另一端连接真空泵，所述抽真空管路串联有一单向阀，所述单向阀位于抽真空管路和背面氦气管路的连接处与真空泵之间。

9.根据权利要求8所述的氦气压力控制系统，其特征在于，所述抽真空管路还串联有氦气前级管路服务阀，该氦气前级管路服务阀设于抽真空管路和背面氦气管路的连接处与单向阀之间。

10.根据权利要求8所述的氦气压力控制系统，其特征在于，所述抽真空管路还串联一逆流过滤器，所述逆流过滤器设于抽真空管路和背面氦气管路的连接处与单向阀之间。

11.根据权利要求10所述的氦气压力控制系统，其特征在于，所述抽真空管路还串联有氦气前级管路服务阀，该氦气前级管路服务阀设于抽真空管路和背面氦气管路的连接处与逆流过滤器之间。

12.根据权利要求8所述的氦气压力控制系统，其特征在于，所述背面氦气管路依次串联有氦气供给阀、供给过滤器、氦气压力计、氦气隔离阀，且所述氦气供给阀与外界冷却气体源相邻，所述氦气隔离阀与静电吸盘相邻。

13.根据权利要求12所述的氦气压力控制系统，其特征在于，所述抽真空管路与背面氦气管路的连接处位于氦气隔离阀和氦气压力计之间。

14.根据权利要求8所述的氦气压力控制系统，其特征在于，所述真空泵为干泵。

15.根据权利要求12所述的氦气压力控制系统，其特征在于，所述静电吸盘除静电时，背面氦气管路上的氦气供给阀处于关闭状态，背面氦气管路上的氦气隔离阀和抽真空管路上的氦气前级管路服务阀均处于打开状态；当抽真空管路的压力小于背面氦气管路的压力时，背面氦气管路中的气体通过抽真空管路中的单向阀排出，当抽真空管路的压力等于背面氦气管路的压力时，背面氦气管路的压力通过反应腔体排出，当抽真空管路的压力大于背面氦气管路的压力时，抽真空管路的气体通过单向阀，并推动单向阀内部组件马上关闭单向阀。