CN213660342U - 一种静电夹盘及等离子体处理装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种静电夹盘及等离子体处理装置，该静电夹盘的夹盘和基部之间采用多层的粘接层连接，所述多层粘接层各自具有不同的导热系数，和/或同一层粘接层不同区域选择不同导热系数的材料，实现了传热系数整体和/区域的可调，有效的保证了材料选择的多样性和温度分布的均一性。

Description

一种静电夹盘及等离子体处理装置

技术领域

本实用新型涉及等离子体处理装置技术领域，尤其涉及一种等离子体处理装置中的静电夹盘技术领域。

背景技术

等离子体处理装置是利用真空反应腔的工作原理进行半导体基片的加工。真空反应腔的工作原理是在真空反应腔中通入含有适当刻蚀剂或沉积源气体的反应气体，然后再对反应腔进行射频能量输入，以激活反应气体，来点燃和维持等离子体，以便刻蚀基片表面上的材料层或在基片表面上沉淀材料层，进而对半导体基片进行加工。

在现有技术中，等离子体产生时，基片通过静电夹盘固定在基底上，静电夹盘一般包括设置在上部的夹盘和设置在夹盘下方的基部，基部的材料一般选用铝合金，夹盘的材料选用陶瓷，且铝合金的热膨胀系数大于陶瓷的热膨胀系数，因此在加热时，由于铝合金的热膨胀会拉坏陶瓷夹盘，这是不期望的，对此，夹盘和基部的连接一般采用粘接层实现，通过粘接层的弹性来缓解热膨胀导致的应力，这样很好地解决了拉坏陶瓷夹盘的问题，与此同时，还带来了其他问题，为了缓解热膨胀带来的应力，粘接层的热膨胀系数一般在夹盘和基部的热膨胀系数之间，这样就限制了材料的选择。

在选择粘接层的材料时，不仅需要考虑热膨胀系数，还要考虑其他因素，例如化学稳定性、粘接效果、传热系数等，尤其是传热系数，其直接影响了静电夹盘对基片加热的效果以及加热的均一性。但是由于众多因素的限制，限定了材料的选择，因此在很多时候一种粘接层材料无法兼顾所有的设计因素。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种静电夹盘，其用于等离子体处理装置，其特征在于：包括：基部、夹盘和设置在基部与夹盘中间的粘接部；其中，粘接部用于将基部和夹盘粘接在一起；所述粘接部具有一恒定厚度，且粘结部具有一传热系数；所述粘接部包括至少两层粘接层，不同层的所述粘接层的材料具有不同于其他层的导热系数，且不同层的所述粘接层具有各自的层厚度，所有粘接层的层厚度相加等于所述恒定厚度；且不同层的所述层厚度的变化对应不同的所述传热系数。

可选的，同一层的所述粘接层具有至少两个区域，不同的所述区域的材料具有不同的导热系数。

可选的，所述导热系数低的区域对应基片上温度高的位置。

可选的，一个所述区域与另一所述区域之间的边界处具有缓冲线，所述缓冲线通过区域之间相互入侵的方式沿着整个所述边界形成。

可选的，所述缓冲线为锯齿状、矩行齿状或波浪状。

可选的，所述粘接层的材料为铟、硅、或环氧树脂。

可选的，所述夹盘的材料为陶瓷，所述基部的材料为金属。

进一步的，本实用新型还提供了一种静电夹盘，其用于等离子体处理装置，其特征在于：包括：基部、夹盘和设置在基部与夹盘中间的粘接部；其中，粘接部用于将基部和夹盘粘接在一起；所述粘接部具有一恒定厚度；所述粘接部包括至少一层粘接层，且所述粘接层具有各自的层厚度，所有粘接层的层厚度相加等于所述恒定厚度；同一层的所述粘接层具有至少两个区域，不同的所述区域之间具有不同的导热系数的材料。

可选的，所述导热系数低的区域对应基片上温度高的位置。

可选的，一个所述区域与另一所述区域之间的边界处具有缓冲线，所述缓冲线通过区域之间相互入侵的方式沿着整个所述边界形成。

可选的，所述缓冲线为锯齿状、矩行齿状或波浪状。

进一步的，本申请还提供了一种等离子体处理装置，其包括上述的静电夹盘。

本实用新型的优点在于：本实用新型提供了一种静电夹盘，该静电夹盘的夹盘和基部之间采用多层的粘接层连接，所述多层粘接层各自具有不同的导热系数，和/或同一层粘接层不同区域选择不同导热系数的材料，实现了传热系数整体和/区域的可调，有效的保证了粘接材料选择的多样性，可以集中多种材料的优点，以及解决了基片温度分布的均一性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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他的附图。

图1示出了一种电容耦合等离子体处理装置结构示意图；

图2示出了静电夹盘的结构示意图；

图3示出了粘接部示意图；

图4示出了粘接层俯视图；

图5示出了另一实施例的粘接层俯视图；

图6示出了另一实施例的粘接层俯视图；

图7示出了另一实施例的粘接层俯视图；

图8示出了另一实施例的粘接层俯视图；

图9示出了另一实施例的粘接层俯视图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

等离子体处理装置种类很多，常见的有电感耦合等离子体(ICP)处理装置和电容等离子体(CCP)处理装置，但是不管是ICP，还是CCP，静电夹盘是相似的，下面以CCP作为例子。

图1示出了电容耦合等离子体处理装置结构示意图。图1中，电容耦合等离子体处理装置是一种由施加在极板上的射频电源通过电容耦合的方式在反应腔内产生等离子体并用于刻蚀的设备。其包括真空反应腔100，真空反应腔包括由金属材料制成的大致为圆柱形的反应腔侧壁101，反应腔侧壁上设置一开口102用于容纳基片进出。反应腔上部设置一气体喷淋头120和一与所述气体喷淋头相对设置的基部110，所述气体喷淋头120与一气体供应装置125相连，用于向真空反应腔输送反应气体，同时作为真空反应腔的上电极，所述基部110上方设置一夹盘112，同时作为真空反应腔的下电极，所述上电极和所述下电极之间形成一处理区域201。至少一射频电源150通过匹配网络152施加到所述上电极或下电极之一，在所述上电极和所述下电极之间产生射频电场，用以将反应气体解离为等离子体，等离子体中含有大量的电子、离子、激发态的原子、分子和自由基等活性粒子，上述活性粒子可以和待处理基片W的表面发生多种物理和化学反应，使得基片W表面的形貌发生改变，即完成刻蚀过程。真空反应腔100的下方还设置一排气泵140，用于将反应副产物排出反应腔，维持反应腔的真空环境。

夹盘112通过粘接部300粘接在基部110上，夹盘112内部设置一静电电极113，用于产生静电吸力，以实现在工艺过程中对待处理基片W的支撑固定。基部110内设置加热装置114，用于对工艺过程中的基片温度进行控制。环绕所述基座110设置有聚焦环132及边缘环134，所述聚焦环和边缘环用于调节基片周围的电场或温度分布，提高基片处理的均匀性。环绕所述边缘环设置等离子体限制环200，限制环200位于处理区域201和排气区域202之间，将等离子体限制在上下电极之间的处理区域201，避免等离子体泄露到非处理区域，例如排气区域202，造成非处理区域的部件损伤。等离子体限制环200下方设置一中接地环136，中接地环用于为等离子体约束环提供电场屏蔽；中间接地环下方设置一下接地环137，中接地环136和下接地环137保持电连接，以在反应腔内形成一射频接地回路。下接地环与基部之间设置一屏蔽环138。

具体的，图2示出了静电夹盘的结构示意图，其包括基部110、夹盘112和设置在基部与夹盘中间的粘接部300，粘接部300将基部和夹盘粘接在一起。其中，粘接部300包括第一粘接层301和第二粘接层302。

其中，粘接部300具有恒定厚度，粘接部不能过薄，也不能过厚，过薄则不能在热膨胀时起到保护夹盘112的目的，过厚则影响了热传导效率，加上等离子体处理装置内部苛刻的环境要求，导致粘接部的厚度是在很小的范围内选择的，例如0.05-0.5mm，并且每种反应腔的设计对粘接部厚度的要求不同，例如CCP、ICP或MOCVD对粘接部厚度要求均不同，那么粘接部300的厚度变化会更小，甚至几乎是固定的数值，以ICP为例，可选的，恒定厚度为0.3mm。

粘接部300具有传热系数K，第一粘接层301具有第一导热系数λ1，第二粘接层302具有第二导热系数λ2，第一导热系数λ1不同于第二导热系数λ2。

其中，传热系数K是指在稳定传热条件下，层体结构两侧空气温差为1度，一小时内通过1平方米传递的热量，单位是W/(m²·K)(其中K可用℃代替)，K值体现了层体结构热穿过的能力，K值越大说明层体结构导热效果越好。导热系数λ是指在稳定热传导条件下，1m厚的材料两侧表面的温度为1度，在1小时内，通过1平方米传递的热量，单位是W/(m·K)(其中K可用℃代替)，导热系数和材料，以及密度、含水率、温度等因素有关。同一层体结构材料中，传热系数和导热系数具有以下关系：

K＝λ/W (1)

式(1)中，W表示层体的层厚度，可见：粘接部300的传热系数K和各粘接层的厚度和导热系数有关。

下面具体说明，附图3示出了粘接部示意图。参见附图3，第一粘接层301具有第一层厚度W1，第二粘接层302具有第二层厚度W2，粘接部的恒定厚度＝W1+W2；另外，第一粘接层301具有对应的第一导热系数λ1，第二粘接层302具有对应的第二导热系数λ2，在稳定传热的条件下，通过改变第一粘接层301的层厚度W1可以得到第一粘接层301对应的传热系数K1，同样的，通过改变第二粘接层302的层厚度W2可以得到第二粘接层对应的传热系数K2，那么通过传热系数K1和传热系数K2很容易得到想要的粘接部300的传热系数K，其满足下面的公式(2)：

1/K＝1/K1+1/K2 (2)

附图3仅给出了两层粘接层的情况，可选的，采用三层粘接层，甚至更多的粘接层也是可以的，这是由设计目标的传热系数需求决定的；但是，随着层数的增多，相应的加工难度也会增加，可选的，粘结层具有三层。

虽然通过调节上述多层粘接层各自厚度的方式可以得到期望的传热系数，但想要获得良好的半导体器件加工质量，需要在整个基片W所在平面上保证温度分布是均一的，但是现实情况是：由于气体和压力分布、电场、等离子体分布、以及腔室内其他部件的热效应，导致基片W所在平面的温度分布很难均匀。

对此，进一步地，由附图2可以看出，基部110内设有加热装置114，加热装置114的热量通过基部110传递到粘接部300，最后热量到达夹盘112从而加热基片W，因此，为了保证基片W所在平面温度的均一性，同一粘接层中具有不同的区域，不同的所述区域的材料具有不同的导热系数。具体的，附图4示出了粘接层俯视图。附图4以第一粘接层301为例，第一粘接层301具有第一区域311和第二区域312，第一区域311和第二区域312以边界310划分，其中，第一区域对应基片W所在平面的第一温度所在区域，第二区域对应基片W所在平面的第二温度所在区域，第一温度不同于第二温度，另外，第一区域311选用具有第一导热系数的第一材料，第二区域312选用具有第二导热系数的第二材料，第一导热系数不同于第二导热系数。

举例说明，例如基片W所在平面有一个区域的温度过低，这导致整个基片W的温度不均匀，因此可以在该区域对应的粘接层上选择一个第一区域，在该粘接层上的第一区域选择具有第一导热系数的材料，而粘接层其他区域具有第二导热系数，第一导热系数大于第二导热系数，那么加热装置114产生的热量在第一区域处导热效果更好，很好地补偿了基片W所在平面对应区域的温度，从而使整个基片W所在的平面温度实现均一化。

图5示出了又一实施例的粘接层俯视图。现实中经常存在的情况，基片W中心区域加热的速度比基片W边缘区域加热的快，因此在粘接层301对应中心区域设置第二区域312，对应边缘区域设置第一区域311，第二区域312采用导热系数较第一区域所选材料低的材料，这样可以解决基片W中心加热过快的问题。

虽然附图4-5仅仅示出了两种情况，但是其他的区域选择也是可行的，区域的选择是由基片W温度的区域变化而决定的，当然也不局限仅有两个区域，三个或更多区域也是可选的，例如附图6示出了具有第三区域313的情况。

另外，附图4-6仅示出了区域选择仅仅在一个第一粘接层301的示例，可选的，在第二粘接层302或其他粘接层中设置导热系数可选的区域也是可行的；可选的，粘接部仅由一层粘接层构成时，在该粘接层中设置导热系数可选的区域；可选的，在多个粘接层中同时设置导热系数可选的区域也是可行的；另外，对于附图2-3的实施例，已经实现了基片W温度的均匀性，也可不在粘接层中设置导热系数可选的区域。

图7-9示出了又几个实施例的粘接层俯视图。区别在于，边界310不再是平滑的，而是由缓冲线320形成，所述缓冲线320通过第一区域311与第二区域312相互入侵的方式沿着整个所述边界310形成；附图7中的缓冲线为矩形齿状，附图8中的缓冲线为波浪状，附图9中的缓冲线为锯齿状。缓冲线的好处在于第一区域与第二区域的边界位置的温度不会发生跃变。

对于静电夹盘材料的选择。可选的，夹盘采用绝缘材料制成，例如陶瓷。基部采用金属材料，例如铝。

对于粘接层材料的选择。可选的，粘接层材料选择铟、硅或环氧树脂。这些材料特别适用于低温的情况，例如铟适用温度范围为-269至150℃，环氧树脂适用温度范围为-269至121℃，硅适用温度范围为-115到260℃。例如，第一粘接层选择铟，其热膨胀系数为25-35×10^-6K^-1，大小适中，对于避免夹盘损坏是有利的，但是其导热系数高达82W/(m·K)，当设计需求不需要这么高的导热系数时，可以将第二粘接层的材料选择为环氧树脂，其导热系数为1.3-1.44W/(m·K)，并通过控制第一粘结层和第二粘接层的层厚度，最终得到期望的传热系数。

尽管本实用新型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实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (12)

1.一种静电夹盘，其用于等离子体处理装置，其特征在于：包括：基部、夹盘和设置在基部与夹盘中间的粘接部；

其中，粘接部用于将基部和夹盘粘接在一起；

所述粘接部具有一恒定厚度，且粘结部具有一传热系数；

所述粘接部包括至少两层粘接层，不同层的所述粘接层的材料具有不同于其他层的导热系数，且不同层的所述粘接层具有各自的层厚度，所有粘接层的层厚度相加等于所述恒定厚度；

且不同层的所述层厚度的变化对应不同的所述传热系数。

2.如权利要求1所述的静电夹盘，其特征在于：同一层的所述粘接层具有至少两个区域，不同的所述区域的材料具有不同的导热系数。

3.如权利要求2所述的静电夹盘，其特征在于：所述导热系数低的区域对应基片上温度高的位置。

4.如权利要求2所述的静电夹盘，其特征在于：一个所述区域与另一所述区域之间的边界处具有缓冲线，所述缓冲线通过区域之间相互入侵的方式沿着整个所述边界形成。

5.如权利要求4所述的静电夹盘，其特征在于：所述缓冲线为锯齿状、矩行齿状或波浪状。

6.如权利要求1-5任一所述的静电夹盘，其特征在于：所述粘接层的材料为铟、硅、或环氧树脂。

7.如权利要求1-5任一所述的静电夹盘，其特征在于：所述夹盘的材料为陶瓷，所述基部的材料为金属。

8.一种静电夹盘，其用于等离子体处理装置，其特征在于：包括：基部、夹盘和设置在基部与夹盘中间的粘接部；

其中，粘接部用于将基部和夹盘粘接在一起；

所述粘接部具有一恒定厚度；

所述粘接部包括至少一层粘接层，且所述粘接层具有各自的层厚度，所有粘接层的层厚度相加等于所述恒定厚度；

同一层的所述粘接层具有至少两个区域，不同的所述区域之间具有不同的导热系数的材料。

9.如权利要求8所述的静电夹盘，其特征在于：所述导热系数低的区域对应基片上温度高的位置。

10.如权利要求8或9所述的静电夹盘，其特征在于：一个所述区域与另一所述区域之间的边界处具有缓冲线，所述缓冲线通过区域之间相互入侵的方式沿着整个所述边界形成。

11.如权利要求10所述的静电夹盘，其特征在于：所述缓冲线为锯齿状、矩行齿状或波浪状。

12.一种等离子体处理装置，其包括如权利要求1-11任一所述的静电夹盘。

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