TW202029263A

TW202029263A - 靜電夾盤及其所在的電漿處理裝置

Info

Publication number: TW202029263A
Application number: TW109101548A
Authority: TW
Inventors: 圖強倪; 梁潔; 涂樂義
Original assignee: 大陸商中微半導體設備（上海）股份有限公司
Priority date: 2019-01-28
Filing date: 2020-01-16
Publication date: 2020-08-01
Also published as: TWI727610B; CN111489950B; CN111489950A

Abstract

本發明公開了一種靜電夾盤及其所在的電漿處理裝置，本發明所述的靜電夾盤包括一基座及設置在基座上方的靜電夾層，貫穿靜電夾盤設置複數升舉頂針組件，組件包括升舉頂針、頂針夾持件和升舉頂針通道，頂針夾持件設置在升舉頂針通道遠離基片的一端，用於帶動升舉頂針在通道內上下移動，並在上下移動過程中始終位於基座下方。為了降低高功率可能引發的容納升舉頂針通道內部的電弧放電現象，本發明將頂針夾持件設置在升舉頂針通道的外部，使得升舉頂針通道內只需容納升舉頂針，進一步減小升舉頂針通道的尺寸，以在不產生點火現象的前提下儘量提高靜電夾盤的工作溫度適應能力。

Description

靜電夾盤及其所在的電漿處理裝置

本發明係關於電漿蝕刻技術領域，尤其係關於一種在高射頻功率下防止靜電夾盤內產生電弧的電漿處理技術領域。

對半導體基片或襯底的微加工是一種眾所周知的技術，可以用來製造例如，半導體、平板顯示器、發光二極管（LED）、太陽能電池等。微加工製造的一個重要步驟為電漿處理製程步驟，該製程步驟在一反應室內部進行，製程氣體被輸入至該反應室內。射頻源被電感和/或電容耦合至反應室內部來激發製程氣體，以形成與保持電漿。在反應室內部，暴露的基片被靜電夾盤ESC支撐，並藉由某種夾持力被固定在一固定的位置，以確保製程中基片的安全性及加工的高合格率。

為了滿足製程要求，不僅需要對操作處理過程進行嚴格地控制，還會涉及到半導體基片的裝載和去夾持。半導體基片的裝載和去夾持是半導體基片處理的關鍵步驟，藉由在靜電夾盤內部設置若干升舉頂針組件，當製程結束後，利用升舉頂針的支撐力實現基片與靜電夾盤的分離和推升，位於反應腔外部的機械手探入基片和靜電夾盤之間，實現對基片的卸載。

在對基片進行製程過程中，靜電夾盤除了用於支撐固定基片，還用於對基片的溫度進行控制，隨著基片的加工精度越來越高，對靜電夾盤的溫度均勻性控制要求也越來越高。隨著3D儲存技術的發展，蝕刻製程需要更高的晶圓溫度以及更高的射頻功率。高溫高功率容易導致升舉頂針組件內部發生電弧作用，嚴重的電弧作用會誘發電弧損傷，甚至導致靜電夾盤的永久性破壞。

因此，亟需提供一種升舉頂針組件以適應反應腔內不斷提高的溫度和射頻功率以及基片處理均勻性間的要求。

為了解決上述技術問題，本發明提供一種靜電夾盤，包括一基座及設置在基座上方的靜電夾層，靜電夾盤用於在製程中實現對基片的支撐和固定，貫穿靜電夾盤設置複數升舉頂針組件，組件包括升舉頂針、頂針夾持件和升舉頂針通道，頂針夾持件設置在升舉頂針通道遠離基片的一端，用於帶動升舉頂針在升舉頂針通道內上下移動，並在上下移動過程中始終位於基座下方。

進一步的，升舉頂針組件包括一頂針保護套，頂針保護套設置在升舉頂針通道的內壁。

進一步的，升舉頂針在上下移動過程中，升舉頂針的側壁與頂針保護套之間的距離大於等於0.01mm。

進一步的，靜電夾盤的工作溫差大於20℃。

進一步的，靜電夾盤的工作溫差大於50℃。

進一步的，靜電夾盤包括一中心，升舉頂針組件與中心之間的距離小於等於第一距離，第一距離與靜電夾盤的熱膨脹係數和靜電夾盤的工作溫差成反比。

進一步的，升舉頂針組件到靜電夾盤中心的距離小於等於50mm。

進一步的，升舉頂針組件到靜電夾盤中心的距離小於等於30mm。

進一步的，升舉頂針通道包括靜電夾層對應的通道和基座對應的通道，頂針保護套設置在基座對應的通道的內壁。

進一步的，靜電夾層對應的通道的開口尺寸大於頂針保護套的內徑，小於頂針保護套的外徑。

進一步的，頂針保護套靠近靜電夾層的一端外側設置一絕緣環。

進一步的，本發明還揭露了一種電漿處理裝置，包括一反應腔，反應腔內設置的靜電夾盤。

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域具有通常知識者在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

第1圖示出一種電漿處理裝置，包括一由外壁155圍成的可抽真空的反應腔100。反應腔100用於對基片進行處理。一靜電夾盤（ESC）130設置在反應腔的底部，用於支撐並固定基片150。一氣體注入裝置120將反應氣體注入反應腔100，反應氣體在射頻功率源160的激發下解離為電漿並保持，實現對基片的電漿處理。真空泵170可以對反應腔抽真空，以保證電漿在真空環境中對基片進行處理。

在對基片的處理製程過程中，電漿對基片的轟擊會造成基片發熱，溫度上升，為了保證基片不同區域溫度的均勻性和製程處理的穩定性，需要在靜電夾盤上設置對基片溫度進行均勻冷卻的設計，目前業界常規的做法為向基片背面輸送冷卻氣體，例如為氦氣，利用該冷卻氣體在基片背面的均勻擴散，實現對基片的均勻降溫。冷卻氣體主要藉由靜電夾盤內設置的冷卻氣體通道140進行輸送，冷卻氣體到達基片背面後在基片與靜電夾層之間擴散，實現對基片的均勻冷卻。除此之外，冷卻氣體還藉由升舉頂針組件110進行輸送。

第2圖與第3圖示出本發明的靜電夾盤的結構示意圖，詳細描述了升舉頂針組件110的結構。升舉頂針組件110包括升舉頂針115和升舉頂針通道116，升舉頂針通道116遠離基片的一端設置一頂針夾持件114，頂針夾持件114用於夾緊升舉頂針115並在驅動裝置的驅動下帶動升舉頂針上下移動。升舉頂針通道116內壁設置頂針保護套112，用於實現升舉頂針115與基座134的有效隔離。如第3圖所示，升舉頂針的作用是在完成基片的製程後，利用升舉頂針的推升實現基片150與靜電夾盤130的分離，並將基片150推升到一定高度後，由反應腔外部的機械手臂接管基片，實現基片從反應腔的卸載。

隨著積體電路行業的不斷發展，半導體基片處理的精度要求越來越高，為了提高處理精度，施加到反應腔內的射頻功率源的功率不斷增大。為了保證對基片的冷卻效果，升舉頂針通道要輸送一定壓力的冷卻氣體，隨著施加到反應腔內的射頻功率的增大，升舉頂針通道內冷卻氣體被點燃成為電漿的危險性也會變大，冷卻氣體被點燃成為電漿的現象又成為電弧放電現象。冷卻氣體在升舉頂針通道內電弧放電會損壞反應腔內部件，引發一系列危險後果，因此需要絕對避免。

升舉頂針為了能實現對基片的推升需要有一定的機械強度和穩定性能，因此升舉頂針不能過於纖細，且與頂針保護套112之間要確保一定的間隙，這導致升舉頂針通道116尺寸不能過小。研究發現，冷卻氣體發生電弧放電現象與冷卻氣體所處容器的尺寸以及容器內的氣體壓力有關，容器尺寸越大，或者容器內氣體壓力越大，氣體越容易發生電弧放電現象。為了避免發生電弧放電現象，應該儘量控制升舉頂針通道116的尺寸。

在第2圖揭露的靜電夾盤結構示意圖中，頂針夾持件114設置在升舉頂針通道116遠離基片的一端，位於基座134下方，在驅動升舉頂針115上下移動的過程中，頂針夾持件114始終位於升舉頂針通道116的外部，在基座下表面下方移動。本發明藉由將頂針夾持件設置到升舉頂針通道116的外部，使得升舉頂針通道116內只需要容納升舉頂針115，可以進一步減小升舉頂針通道116的開口尺寸。然而由於靜電夾盤在工作過程中溫度會發生較大變化，隨著靜電夾盤溫度的變化，基座受熱膨脹會使得升舉頂針通道116沿著徑向方向向外移動，而升舉頂針本身由於部分靜電夾盤熱接觸仍處於低溫狀態，所以頂針位置保持不變。這會導致出現如第4圖所示的現象發生，升舉頂針通道116內靠近靜電夾盤邊緣一側的頂針保護套與升舉頂針之間的距離大於靠近靜電夾盤中心一側的升舉保護套與升舉頂針之間的距離。靠近靜電夾盤邊緣一側的頂針保護套與升舉頂針之間的距離增大會大大縮小冷卻氣體的壓力適用範圍。除此之外，當靜電夾盤的溫差超過一定數值，頂針保護套向外橫向位移過大，會發生與升舉頂針的貼合擠壓，使得升舉頂針無法順利上下移動，造成部件工作失靈。

為解決上述問題，本發明設計將升舉頂針組件向靜電夾盤中心移動。在本實施例中，基座134的材質為鋁，熱膨脹係數為-23.6*10-6/℃，靜電夾層132的材質為陶瓷，熱膨脹係數為-7.9*10-6/℃。本實施例中選擇頂針孔徑為2.2毫米（mm），頂針外徑為2.0毫米（mm）。第5圖示出逐漸將升舉頂針組件向靜電夾盤中心O移動的示意圖，表1示出當升舉頂針組件在第5圖所示的不同位置時，升舉頂針通道116在不同溫度下的偏移尺寸，其中ΔZ為靜電夾盤受熱膨脹時頂針保護套向外偏移的尺寸，“通道兩側尺寸”指頂針保護套向外偏移後升舉頂針通道116內靠近靜電夾盤邊緣一側的頂針保護套與升舉頂針之間的距離和靠近靜電夾盤中心一側的升舉保護套與升舉頂針之間的距離。表1

升舉頂針位置	ESC（℃）	20	40	60	80
A1，B1,C1 90mm	ΔZ（mm）	0	0.042	0.084	0.127
通道兩側尺寸	0.100/0.100	0.142/0.058	0.184/0.016	無法使用溫度
A2，B2,C2 70mm	ΔZ（mm）	0	0.033	0.066	0.099
通道兩側尺寸	0.100/0.100	0.133/0.067	0.166/0.034	無法使用溫度
A3，B3,C3 50mm	ΔZ（mm）	0	0.024	0.047	0.071
通道兩側尺寸	0.100/0.100	0.124/0.076	0.147/0.053	0.171/0.029
A4，B4,C4 30mm	ΔZ（mm）	0	0.014	0.028	0.042
通道兩側尺寸	0.100/0.100	0.114/0.086	0.128/0.072	0.141/0.059

由表1可知，當靜電夾盤溫度在20℃常溫條件下，無論升舉頂針位於靜電夾盤的何處，頂針保護套都不會向外發生偏移。但在80℃度時，升舉頂針在距離靜電夾盤中心90mm和70mm的（A1，B1,C1）（A2，B2,C2）處都會發生由於頂針保護套偏移尺寸過大導致無法使用的情況發生。由表1中的數據規律可知，升舉頂針組件越靠近靜電夾盤中心位置，熱膨脹效應對升舉頂針通道116偏移的影響越小，升舉頂針組件越能適應更高溫度的靜電夾盤工作條件。

本發明人發現，ΔZ與靜電夾盤的熱膨脹係數、頂針通道到靜電夾盤中心的距離以及靜電夾盤的工作溫差均成正比。在靜電夾盤的熱膨脹係數一定的情況下，為了適應不斷提高的靜電夾盤溫度，需要減小頂針通道到靜電夾盤中心的距離。在實際工作中，當升舉頂針與頂針保護套之間的距離小於0.01mm時，升舉頂針即面臨被擠壓不能正常工作的危險，因此升舉頂針與頂針保護套之間的距離需要大於等於0.01mm。

當設計升舉頂針組件到靜電夾盤中心的距離時，需要考慮靜電夾盤可能需要的最高溫度，對於需要應付較高工作溫度的靜電夾盤，升舉頂針組件需要設置在離靜電夾盤中心較近的位置。

根據計算通道偏移量ΔZ的公式， ΔZ=β*Z*（T-T₀ ）

其中，β為靜電夾盤的熱膨脹係數，Z為升舉頂針組件到靜電夾盤中心的距離，T為靜電夾盤工作的工作溫度，T₀ 為靜電夾盤工作的常溫溫度。當靜電夾盤的工作溫度高於常溫溫度時，靜電夾盤有向外膨脹的趨勢，此時升舉頂針通道向外傾斜；當靜電夾盤的工作溫度低於常溫溫度時，靜電夾盤有向內收縮的趨勢，此時升舉頂針通道向內傾斜。在確定Z的數值時，先確定升舉頂針的尺寸b和容納升舉頂針通道的尺寸a，為了滿足升舉頂針與頂針保護套之間的距離大於等於0.01mm， |½（a-b）-ΔZ|≥0.01

然後再根據T-T₀ 的數值確定Z的數值。

本發明公開的靜電夾盤尤其適用於需要工作在較高溫度和施加較大功率的電漿處理裝置內。為了降低高功率可能引發的容納升舉頂針通道內部的電弧放電現象，本發明將頂針夾持件設置在升舉頂針通道116的外部，使得升舉頂針通道內只需容納升舉頂針，進一步減小升舉頂針通道的尺寸。同時為了滿足靜電夾盤工作溫差較大的需求，本發明將複數升舉頂針組件整體向靜電夾盤的中心移動，減小升舉頂針通道到靜電夾盤中心的距離，以在不產生點火現象的前提下儘量提高靜電夾盤的工作溫度適應能力。

第6圖示出另一種實施例的靜電夾盤結構示意圖。在該實施例中，升舉頂針組件包括升舉頂針215和升舉頂針通道216和217，其中基座234對應的為升舉頂針通道216，靜電夾層232對應的為升舉頂針通道217。升舉頂針通道216遠離基片的一端設置一頂針夾持件214，頂針夾持件214用於夾緊升舉頂針215並在驅動裝置的驅動下帶動升舉頂針上下移動。升舉頂針通道216內壁設置頂針保護套212，用於實現升舉頂針215與基座234的有效隔離。由於靜電夾層為絕緣材料，因此升舉頂針通道217內部無需設置頂針保護套。由於移除基片後反應腔100內存在用於清潔的電漿，為避免電漿與基座中的金屬接觸，本實施例在頂針保護套212靠近靜電夾層232的一端外側設置一圈絕緣環213。升舉頂針通道216的開口小於頂針保護套212的開口，使得靜電夾層232部分覆蓋頂針保護套212的上端面，以避免清潔電漿與基座中的金屬接觸。靜電夾層232和基座234之間還設置一黏結層233。

第6圖所示的實施例將升舉頂針通道設置為兩部分，其中，在基座234對應的升舉頂針通道側壁設置頂針保護套212，而在靜電夾層對應的升舉頂針通道側壁不設置頂針保護套，避免了由於基座和靜電夾層的材料不同，熱膨脹係數存在差異，當靜電夾盤的溫度升高時，基座和靜電夾層對應的頂針保護罩上受到的橫向應力不相同，可能誘發的頂針保護罩的損傷。

儘管本發明的內容已經藉由上述較佳的實施例作了詳細介紹，但應當理解上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域具有通常知識者閱讀了上述內容後，對於本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護範圍應由所附的申請專利範圍來限定。

100:反應腔 110:升舉頂針組件 112:頂針保護套 114:頂針夾持件 115:升舉頂針 116:升舉頂針通道 120:氣體注入裝置 130:靜電夾盤 132:靜電夾層 134:基座 140:冷卻氣體通道 150:基片 155:外壁 160:射頻功率源 170:真空泵 212:頂針保護套 213:絕緣環 214:頂針夾持件 215:升舉頂針 216,217:升舉頂針通道 232:靜電夾層 233:黏結層 234:基座 250:基片 A1,A2,A3,A4,B1,B2,B3,B4,C1,C2,C3,C4:升舉頂針位置 O:中心 ΔZ:靜電夾盤受熱膨脹時頂針保護套向外偏移的尺寸

為了更清楚地說明本發明實施例或習知技術中的技術方案，下面將對實施例或習知技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域具有通常知識者來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的實施例。第一圖示出一種電漿處理裝置結構示意圖；第2圖及第3圖示出一種靜電夾盤的結構示意圖；第4圖示出一種靜電夾盤受熱偏移後的結構示意圖；第5圖示出靜電夾盤上不同位置設置升舉頂針組件的俯視示意圖；第6圖示出另一種實施例的靜電夾盤的結構示意圖。

A1,A2,A3,A4,B1,B2,B3,B4,C1,C2,C3,C4:升舉頂針位置

O:中心

Claims

一種靜電夾盤，包括一基座及設置在該基座上方的靜電夾層，該靜電夾盤用於在製程中實現對一基片的支撐和固定，其中：貫穿該靜電夾盤設置複數個升舉頂針組件，該升舉頂針組件包括一升舉頂針、一頂針夾持件和一升舉頂針通道，該頂針夾持件設置在該升舉頂針通道遠離該基片的一端，用於帶動該升舉頂針在該升舉頂針通道內上下移動，並在上下移動過程中始終位於該基座下方。
如請求項1所述的靜電夾盤，其中：該升舉頂針組件包括一頂針保護套，該頂針保護套設置在該升舉頂針通道的內壁。
如請求項2所述的靜電夾盤，其中：該升舉頂針在上下移動過程中，該升舉頂針的側壁與該頂針保護套之間的距離大於等於0.01mm。
如請求項1所述的靜電夾盤，其中：該靜電夾盤的工作溫差大於20℃。
如請求項1所述的靜電夾盤，其中：該靜電夾盤的工作溫差大於50℃。
如請求項1所述的靜電夾盤，其中：該靜電夾盤包括一中心，該升舉頂針組件與該中心之間的距離小於等於一第一距離，該第一距離與該靜電夾盤的熱膨脹係數和該靜電夾盤的工作溫差成反比。
如請求項6所述的靜電夾盤，其中：該升舉頂針組件到該靜電夾盤的該中心的距離小於等於50mm。
如請求項6所述的靜電夾盤，其中：該升舉頂針組件到該靜電夾盤的該中心的距離小於等於30mm。
如請求項2所述的靜電夾盤，其中：該升舉頂針通道包括該靜電夾層對應的通道和該基座對應的通道，該頂針保護套設置在該基座對應的通道的內壁。
如請求項9所述的靜電夾盤，其中：該靜電夾層對應的通道的開口尺寸大於該頂針保護套的內徑，小於該頂針保護套的外徑。
如請求項9所述的靜電夾盤，其中：該頂針保護套靠近該靜電夾層的一端外側設置一絕緣環。
一種電漿處理裝置，其中，包括一反應腔，該反應腔內設置如請求項第1-11項任一項所述的靜電夾盤。