CN219626626U - 静电夹盘及等离子体处理装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种静电夹盘及等离子体处理装置。静电夹盘包括第一介电层和第二介电层，第二介电层的电阻率大于第一介电层的电阻率；还包括用于产生静电吸力的电极，电极位于第一介电层的顶表面和第二介电层的底表面之间。本实用新型提出的静电夹盘能够使用于高功率应用场景，而不会导致打火或电弧放电等现象的发生；还能够改善晶圆解吸附困难的问题。

Description

静电夹盘及等离子体处理装置

技术领域

本实用新型涉及半导体设备技术领域，特别涉及一种静电夹盘及应用该静电夹盘的等离子体处理装置。

背景技术

在半导体器件的制造过程中，通常采用静电夹盘(Electrostatic chuck,ESC)将基板静电吸附在基板支撑件上。基板可以是硅、砷化镓、磷化铟或其他合适的材料。

传统上，静电夹盘包括陶瓷主体，所述陶瓷主体中嵌有一个或多个吸附电极。在HAR(高深宽比)等离子体刻蚀等应用场景中，需要使用很高的偏压功率，以达到目标刻蚀轮廓。然而在高功率偏压的使用环境中，静电夹盘会承受很大的分压，静电夹盘上的氦气孔和升降销孔中的气体在分压的作用下容易产生电离，造成孔内打火。

现有技术中，静电夹盘中的电极多通过丝网印刷的方式嵌入陶瓷中，电极一般都很薄，在烧结过程中，由于陶瓷和电极浆料的收缩，电极厚度会出现不均匀的现象，可能会导致电极层局部产生缺陷。在通电后，电荷容易困在缺陷区域，形成残余电荷，这将不利于工艺后的基板解吸附。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种静电夹盘及等离子体处理装置，用于降低静电夹盘中的分压和改善晶圆的解吸附。

为了实现以上目的，本实用新型通过以下技术方案实现：

一种静电夹盘，所述静电夹盘包括：第一介电层，所述第一介电层具有第一电阻率；第二介电层，所述第二介电层的顶表面用于支撑晶圆；所述第二介电层具有第二电阻率，所述第二电阻率大于所述第一电阻率；电极，所述电极位于第一介电层的顶表面和第二介电层的底表面之间，且所述电极与第一介电层的顶表面和第二介电层的底表面均接触连接，所述电极用于产生静电吸力。

可选地，所述第一介电层为掺杂的陶瓷。

可选地，所述掺杂物为Si、C、Mg、MgO和TiO₂中的一种或多种；所述陶瓷为氧化铝、氮化铝、碳化硅和氮化硼中的一种或多种。

可选地，所述第一电阻率为10⁶-10¹³Ω·m。

可选地，所述第二介电层为无掺杂的陶瓷，所述陶瓷为氧化铝、氮化铝、碳化硅和氮化硼中的一种或多种。

可选地，所述第二电阻率为10¹³-10¹⁹Ω·m。

可选地，所述第二介电层的厚度占所述第一介电层和第二介电层总厚度的5％-55％。

可选地，所述第一介电层的厚度为0.1-5mm。

可选地，所述第二介电层的厚度为0.2-2mm。

可选地，所述静电夹盘还包括设置在所述第一介电层下方的加热装置。

可选地，所述静电夹盘还包括设置在所述加热装置下方的阻热层。

可选地，所述静电夹盘还包括基座，所述基座内部设有冷却液通道。

可选地，所述第一介电层嵌入设置在基座顶部，所述第一介电层的顶表面与基座的顶表面平齐，所述第二介电层设置在基座上并完全覆盖所述第一介电层。

可选地，所述第二介电层的顶表面设有多个均匀分布或非均匀分布的凸起部，所述凸起部的高度范围为2～3μm。

可选地，所述第一介电层和第二介电层的外侧壁设有耐等离子体腐蚀的镀膜。

本实用新型还提供了一种等离子体处理装置，所述等离子体处理装置包括等离子体处理腔室，所述等离子体处理腔室的内部设有如上所述的静电夹盘。

可选地，所述等离子体处理装置包括若干个射频电源，射频电源用于在所述等离子体处理腔室的内部产生等离子体，所述若干个射频电源中的至少一个的功率大于5000W。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

(1)本实用新型提出的静电夹盘中，将电极置于低电阻率介电层和高电阻率介电层之间，相对于传统CB型静电夹盘，减薄了高电阻率介电层的厚度，大大降低了阻抗，使其能够适用于高功率应用场景，而不会导致打火或电弧放电等现象的发生；

(2)陷在电极缺陷中的电荷可以通过下方的低电阻率介电层移动流走，而不会造成晶圆解吸附困难的问题；

(3)第一介电层212未处于完整的电路回路中，不会出现JR静电夹盘的“山峰”电荷，避免了“山峰”电荷导致的解吸附困难的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员而言，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为实施例一中，本实用新型提出的静电夹盘所应用的等离子体处理装置的结构示意图；

图2为传统的CB型静电夹盘的结构示意图；

图3为传统的JR型静电夹盘主体的结构示意图；

图4为实施例一中，本实用新型提出的静电夹盘的结构示意图；

图5为实施例一中，本实用新型提出的静电夹盘侧面的扫描电镜图；

图6为实施例一中，本实用新型提出的静电夹盘的变形例的结构示意图；

图7为实施例二中，本实用新型提出的静电夹盘的结构示意图；

图8为实施例三中，本实用新型提出的静电夹盘的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本实用新型提出的一种静电夹盘及等离子体处理装置作进一步详细说明。根据下面说明，本实用新型的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施方式的目的。为了使本实用新型的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

图1是本实用新型提出的静电夹盘及应用其的等离子体处理装置的结构示意图。值得一提的是，尽管图1示出的等离子体处理装置为电容耦合等离子体(CCP)反应装置，本实用新型的提出的静电夹盘同样适用于电感耦合等离子体反应装置(ICP)、电子回旋共振等离子体反应装置(ECR)、远距等离子体反应装置(Remote Plasma)和等离子体边缘蚀刻装置(Bevel Etch)等等离子体处理装置。

图1中的电容耦合等离子体反应装置是一种由施加在基座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。反应腔内设置一气体喷淋头103和一与气体喷淋头103相对设置的基座211，气体喷淋头103与一气体供应装置104相连，用于向真空反应腔输送反应气体，气体喷淋头103同时作为真空反应腔的上电极。基座211上方设置一静电夹盘主体210，同时作为真空反应腔的下电极，上电极和下电极之间形成一反应区域。静电夹盘主体210与DC电源108电性连接，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。至少一射频电源106通过匹配网络107施加到上电极或下电极之一，在上电极和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的表面发生多种物理和化学反应，使得基片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105，用于将反应副产物排出反应腔，维持反应腔的真空环境。基座211内部还设有冷却液通道，用于对基座211的温度进行控制。

现有技术中的静电夹盘主体通常包括介电层和设置在介电层内的电极。介电层通常由陶瓷材料制成，如Al₂O₃、AlN、Y₂O₃等。静电夹盘主体通常由导热材料制成的基座支撑，以形成静电夹盘。其中基座一般由金属制成，如铝、铝合金、钛、钛合金或不锈钢等，以利于射频能量的馈入。

图2是传统的CB(Coulomb)型静电夹盘的结构示意图，其包括静电夹盘主体和基座111。静电夹盘主体为典型的三明治结构，电极层114嵌在由下介电层112和上介电层113构成的介电层中，下介电层112和上介电层113的材料相同，均为较高电阻率的材料。在静电夹盘上施加RF射频功率后，形成“RF--静电夹盘介电层--鞘层--等离子体--GND”的串联回路。介电层的阻抗越大，则介电层获得分布电压就越大。

在高功率的应用场景中，例如偏置功率大于5kW，介电层获得的分布电压过大，容易造成静电夹盘上的氦气孔和升降销孔中的气体在分布电压的作用下产生电离，造成孔内打火，严重时还会造成静电夹盘电弧放电等问题。现有技术中的普遍做法是减薄静电夹盘介电层的厚度，以减小介电层中的分布电压，然而这样会加剧介电层加工破裂的风险，导致耐击穿强度降低等问题。

静电夹盘中的电极层多通过丝网印刷的方式嵌入介电层中，电极层一般都很薄，在烧结过程中，由于介电材料和电极浆料的收缩，电极层的厚度会出现不均匀的现象，可能会导致电极层的局部产生缺陷，呈现为不连续的结构。当DC电源断电后，由于缺陷区域和不连续结构的存在，以及介电层的高电阻率，导致陷在缺陷区域的电荷不容易迁移，形成残余电荷，不利于基片的解吸附。

图3是传统的JR(Johnsen-Rahbek)型静电夹盘主体的结构示意图，电极114’嵌在由下介电层112’和上介电层113’构成的介电层中，下介电层112’和上介电层113’的材料相同，均为低电阻率的材料，其中有很多可以自由移动的电子，使得介电层的阻抗有限。在对介电层内的电极114’施加电压(图示为正电压)后，介电层内的多数电子向下介电层112’中迁移，而带正电粒子主要聚集在上介电层113’中。

由于上介电层113’的上表面是粗糙的，在上介电层113’的顶表面形成若干个“山峰”与“山谷”。由于“尖端效应”，带正电粒子聚集在“山峰”处。“山峰”与晶圆背面的负电子之间形成微型电场，无数个微型电场产生的电场力就构成了静电夹盘的吸附力。

然而JR型静电夹盘在停止向吸附电极施加直流电压后，“山峰”的电荷仍然较难释放，因此会造成晶圆W解吸附困难的问题。此外，常采用掺杂的陶瓷材料制备介电层，掺杂物易受反应腔内的等离子体侵蚀，在使用中会产生颗粒物污染，吸附力分布不均匀等一系列问题。

实施例一

如图1和4所示，本实用新型提出了一种静电夹盘，其包括静电夹盘主体210和基座211。静电夹盘主体210包括第一介电层212、第二介电层213和电极214。电极214嵌在第一介电层212和第二介电层213之间，且不延伸至第一介电层212和第二介电层213的边沿。

第一介电层212设置在基座211上，可选地，第一介电层212为具有第一电阻率的掺杂的陶瓷材质，例如氧化铝、氮化铝、碳化硅、氮化硼、氧化锆及其化合物等。在一个实施方式中，第一介电层212为掺杂的Al₂O₃，其掺杂物包含Si、C、Mg、MgO、TiO₂中的一种或多种。

第一介电层212的第一电阻率为10⁶-10¹³Ω·m。可选地，第一介电层212的电阻率为10¹²Ω·m。第一介电层212的厚度为0.1-5mm。可选地，第一介电层212的厚度为0.7mm。

第一介电层212可以通过粉末喷涂、等离子化学气相沉积等方式加工而成，也可以是由陶瓷粉末注模烧结后加工而成。可选地，第一介电层212的底部通过粘接的方式固定在基座的顶部。

电极214设置在第一介电层212上，用于产生静电吸力，以实现在工艺过程中对待处理晶圆W吸附固定。电极214的材料为高熔点金属或合金材料，如钼、钨及其合金等。电极214可以采用丝网印刷而成，也可以采用真空镀膜技术如化学气相沉积或物理气相沉积形成。

第二介电层213设置在第一介电层212和电极214上，可选地，第二介电层213为具有第二电阻率的无掺杂陶瓷材质，例如氧化铝、氮化铝、碳化硅、氮化硼、氧化锆及其化合物等。在一个实施方式中，第二介电层213为无掺杂的Al₂O₃。

第二介电层213的第二电阻率为10¹³-10¹⁹Ω·m。可选地，第二介电层213的电阻率为10¹⁶Ω·m。由于第二介电层213的电阻率大于第一介电层212的电阻率，因此也称第二介电层213具有高电阻率，第一介电层212具有低电阻率。第二介电层213的厚度为0.2-2mm。可选地，第二介电层213的厚度为0.3mm。在一个实施方式中，第二介电层213的厚度占第一介电层212和第二介电层213总厚度的5％-55％。

第二介电层213可以通过粉末喷涂、等离子化学气相沉积等方式加工而成，也可以是由陶瓷粉末注模烧结后加工而成。随后，采用热压法将第一介电层212、第二介电层213和电极214烧成一体的陶瓷烧结体。

接下来以第一介电层212的电阻率为10¹²Ω·m，厚度为0.7mm；第二介电层213的电阻率为10¹⁶Ω·m，厚度为0.3mm为例，对本实用新型的原理进行说明。

第一介电层212的电阻率远小于第二介电层213的电阻率，因此第一介电层212的阻抗相对于第二介电层213形成的阻抗可以忽略不计，则介电层的阻抗近似与第二介电层213的厚度成正比。而由于第二介电层213中不包含电极，因而第二介电层213的厚度相比于CB型静电夹盘的介电层更薄。以传统CB型静电夹盘作为参照，当介电层的总厚度为1mm时，本实用新型提出的介电层的阻抗仅相当于CB型静电夹盘介电层阻抗的30％。在其他因素保持恒定的情况下，本实用新型提出的介电层结构获得的分布电压仅为传统CB型静电夹盘的30％，这样就大幅提高了静电夹盘在高功率情况下的适用能力。

第一介电层212具有低电阻率，电荷可以在电极下方附近的第一介电层212内移动。当电荷陷在电极214的缺陷区域时，缺陷区域和没有缺陷的区域之间存在电势差，因此缺陷区域中的电荷能够经第一介电层212移动到没有缺陷的区域，如图5中箭头所示。因此，即使电荷陷在了电极214的缺陷中，解吸附时，缺陷处的电荷仍然可以通过电极214下方的第一介电层212移动流走，而不会形成残余电荷，有效改善了由电极层的缺陷电荷残留而造成的晶圆解吸附困难的问题。

此外，本实用新型提出的静电夹盘中，第一介电层212没有接地，未处于完整的电路回路中，因此不会体现出JR效应，不会出现JR静电夹盘的“山峰”电荷。相对于将吸附电极布置在JR材料层内的静电夹盘，避免了“山峰”电荷导致的解吸附困难的问题。

可选地，如图6所示，静电夹盘还可以包括加热装置215，加热装置215可以设置为紧贴第一介电层212下表面。加热装置通常为加热丝，用于对静电夹盘主体进行加热，通过静电夹盘主体将热量传导到晶圆。

可选地，静电夹盘还可以包括阻热层216，阻热层材料的热传导系数较小，例如可以是氧化铝、氧化钇等。阻热层216可以有效地延缓加热装置产生的热量向基座传导的速度，保证静电夹盘主体和基座之间存在较大的温度梯度。

可选的，静电夹盘主体或静电夹盘整体的外侧壁设有耐等离子体腐蚀的镀膜(未图示)。通过该镀膜保护静电夹盘不受反应腔内等离子体侵蚀，并减少颗粒污染物的产生，有利于提高晶圆加工的良率。

实施例二

在实施例二中，如图7所示，第二介电层213的顶表面(即与晶圆接触的表面)设有多个均匀分布或非均匀分布的凸起部；凸起部的高度范围为2～3μm。相比于完全通过平面与晶圆接触，第二介电层213通过多个凸起部减少了与晶圆的接触面积，可以方便快速地完成晶圆的解吸附。同时通过该凸起部使得晶圆与第二介电层213之间形成一定的间隙。当导热气体(如氦气)注入该间隙中，通过导热气体与晶圆之间热传递，可以带走晶圆的热量。

实施例三

在实施例三中，如图8所示，在本实施例中，为了防止第一介电层312中的掺杂物被等离子体侵蚀产生污染物，将第一介电层312设置在第二介电层313与基座311包围形成的空间内。具体地，第一介电层312嵌入设置在基座311的顶部，且第一介电层312的顶面与基座311的顶面平齐；第二介电层313设置在基座311上并完全覆盖第一介电层312；电极314设置在第一介电层312和第二介电层313之间。

本实用新型提出的静电夹盘中，将电极214置于低电阻率的第一介电层212和高电阻率的第二介电层213之间，相对于传统CB型静电夹盘，大大降低了阻抗，使其能够适用于高功率应用场景，而不会导致打火或电弧放电等现象的发生。陷在电极214缺陷中的电荷可以通过下方的第一介电层212移动流走，而不会造成晶圆解吸附困难的问题。此外，第一介电层21也不会出现JR静电夹盘的“山峰”电荷。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“高度”、“厚度”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

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本实用新型的限制。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 (15)

1.一种静电夹盘，其特征在于，所述静电夹盘包括：

第一介电层，所述第一介电层具有第一电阻率；

第二介电层，所述第二介电层的顶表面用于支撑晶圆；所述第二介电层具有第二电阻率，所述第二电阻率大于所述第一电阻率；

电极，所述电极位于第一介电层的顶表面和第二介电层的底表面之间，且所述电极与第一介电层的顶表面和第二介电层的底表面均接触连接，所述电极用于产生静电吸力。

2.如权利要求1所述的静电夹盘，其特征在于，所述第一电阻率为10⁶-10¹³Ω·m。

3.如权利要求1所述的静电夹盘，其特征在于，所述第二介电层为无掺杂的陶瓷，所述陶瓷为氧化铝、氮化铝、碳化硅和氮化硼中的一种。

4.如权利要求1所述的静电夹盘，其特征在于，所述第二电阻率为10¹³-10¹⁹Ω·m。

5.如权利要求1所述的静电夹盘，其特征在于，所述第二介电层的厚度占所述第一介电层和第二介电层总厚度的5％-55％。

6.如权利要求1所述的静电夹盘，其特征在于，所述第一介电层的厚度为0.1-5mm。

7.如权利要求1所述的静电夹盘，其特征在于，所述第二介电层的厚度为0.2-2mm。

8.如权利要求1所述的静电夹盘，其特征在于，所述静电夹盘还包括设置在所述第一介电层下方的加热装置。

9.如权利要求8所述的静电夹盘，其特征在于，所述静电夹盘还包括设置在所述加热装置下方的阻热层。

10.如权利要求1-9任一所述的静电夹盘，其特征在于，所述静电夹盘还包括基座，所述基座内部设有冷却液通道。

11.如权利要求10所述的静电夹盘，其特征在于，所述第一介电层嵌入设置在基座顶部，所述第一介电层的顶表面与基座的顶表面平齐，所述第二介电层设置在基座上并完全覆盖所述第一介电层。

12.如权利要求1所述的静电夹盘，其特征在于，所述第二介电层的顶表面设有多个均匀分布或非均匀分布的凸起部，所述凸起部的高度范围为2～3μm。

13.如权利要求1所述的静电夹盘，其特征在于，所述第一介电层和第二介电层的外侧壁设有耐等离子体腐蚀的镀膜。

14.一种等离子体处理装置，其特征在于，所述等离子体处理装置包括等离子体处理腔室，等离子体处理腔室的内部设有如权利要求1-13任一所述的静电夹盘。

15.如权利要求14所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述等离子体处理装置包括若干个射频电源，射频电源用于在所述等离子体处理腔室的内部产生等离子体，所述若干个射频电源中的至少一个的功率大于5000W。