TWI521639B

TWI521639B - Plasma processing equipment

Info

Publication number: TWI521639B
Application number: TW102128618A
Authority: TW
Inventors: Yu-Zhan Li; da-wei Luan; Gang Wei; Dong-San Li; li-jian Liu; bao-hui Zhang; Fu-Bao Gao; Huan-Chen Lei; Hai-Ying Liu; Zong-Xing Li
Original assignee: Beijing Nmc Co Ltd
Priority date: 2012-08-14
Filing date: 2013-08-09
Publication date: 2016-02-11
Also published as: CN103594315B; TW201407714A; WO2014026593A1; CN103594315A

Description

等離子體加工設備

本發明屬於半導體加工領域，具體涉及一種等離子體加工設備。

等離子體加工設備是加工半導體器件的常用設備。而且，為了提高等離子體加工設備的加工效率，常將多片尺寸較小的晶片放置在尺寸較大的托盤表面，再將托盤放入等離子體處理腔室的卡盤的上表面，以對晶片進行加工處理。

在實際加工過程中，等離子體容易使晶片的溫度超過工藝所需的溫度，因此需要對晶片的溫度進行控制。傳統的溫度控制方式是向晶片的背面(即，與晶片的被加工面相對的那一面)吹送諸如氦氣等的冷媒氣體，並借助冷媒氣體對晶片的溫度進行調節。通常，為了將晶片固定在托盤上並防止冷媒氣體洩漏，一般是在晶片的被加工面上的邊緣區域內設置按壓單元，使其對晶片的邊緣區域施加朝向卡盤方向的作用力。然而在實際應用中，這種方法存在著實施麻煩、穩定性差、冷卻效果不理想等問題；另外，按壓單元需要佔據晶片的被加工面上的部分空間，這將減小晶片的有效加工面積。

為此，相關技術人員開發了利用靜電吸附作用來固定晶片的方法。圖1為現有的一種利用靜電吸附作用來固定晶片的等離子體加工設備的部分結構的剖面示意圖。如圖1所示，托盤102放置在托盤支撐台101的上表面，晶片S放置在托盤102的上表面。在托盤102內設有靜電吸附電極106，靜電吸附電極106通過彈簧式端子與ESC(ElectroStatic Chuck，靜電卡盤)用供電電源105電連接。在等離子體環境中，對靜電吸附電極106供電，在晶片S的上表面會形成一層導電層，使得晶片S和靜電吸附電極106之間存在電壓差，從而將晶片S固定在托盤102的上表面。在托盤102的上表面上的未被晶片S覆蓋的區域覆蓋有蓋板103。在蓋板103的上表面設置有機械壓環104，借助於該機械壓環104而將托盤102固定在托盤支撐台101的上表面。

儘管上述等離子體加工設備採用了靜電吸附方式將晶片S固定在托盤102的表面，但托盤102的固定卻仍需要採用機械壓環104，因此，圖1所示等離子體加工設備所用的晶片固定方式仍然不可避免地存在下述問題：結構複雜、製作成本高、操作麻煩、機械部件易損壞並因維修工作而影響等離子體加工設備的加工效率，等等。

為至少解決上述問題之一，本發明提供一種等離子體加工設備，其固定晶片和托盤的結構簡單，成本低，而且不易損壞。

解決上述技術問題的所採用的技術方案是提供一種等離子體加工設備，包括反應腔室、激勵射頻電源、直流電源，上電極以及與所述上電極彼此相對地設置在反應腔室內的晶片支撐裝置，所述上電極與所述激勵射頻電源連接以在所述反應腔室內產生等離子體，所述晶片支撐裝置包括承載晶片的托盤以及卡盤，在所述托盤內設有托盤電極，所述托盤放置於所述卡盤上且二者之間電絕緣，且所述托盤和所述卡盤均與等離子體電絕緣，所述托盤電極與所述直流電源的正極輸出端或負極輸出端電連接，所述卡盤內設有卡盤電極，所述卡盤電極接地，以使所述托盤和所述卡盤之間以及所述托盤和所述晶片之間均存在電壓差。

其中，所述直流電源包括正極輸出端、負極輸出端和公共端，所述公共端接地；或者，所述直流電源包括正極輸出端和公共端，所述公共端接地；或者，所述直流電源包括負極輸出端和公共端，所述公共端接地。

其中，所述直流電源包括正極輸出端和負極輸出端，所述托盤電極與所述直流電源的正極輸出端電連接，所述負極輸出端接地；或者，所述托盤電極與所述直流電源的負極輸出端電連接，所述正極輸出端接地。

其中，在所述托盤電極和所述直流電源之間串接有濾波電路；和/或，在所述卡盤電極與地之間串接有濾波電路。

其中，所述濾波電路為高頻高壓電阻。

其中，所述濾波電路為射頻衰減小於-10dB的濾波電路。

其中，包括n個電感和n個電容，所述n個電感串聯，所述n個電容並聯，所述n個電感串聯後再與所述n個電容並聯，並且所述n個電容並聯後的一端接地，n1的整數。

其中，所述托盤採用導電材料製作，並在所述導電材料的表面包覆絕緣材料，所述導電材料作為所述托盤電極；所述卡盤採用導電材料製作，並在所述導電材料的表面包覆絕緣材料，所述導電材料作為所述卡盤電極。

其中，所述絕緣材料在所述導電材料的表面形成絕緣層。

其中，所述絕緣層是通過噴塗或陽極氧化的方式形成於導電材料表面。

其中，所述托盤採用絕緣材料製作，並在所述絕緣材料內部埋設托盤電極，所述托盤電極採用導電材料製作；所述卡盤採用絕緣材料製作，並在所述絕緣材料內部埋設卡盤電極，所述卡盤電極採用導電材料製作。

其中，在所述卡盤內設有用於冷卻卡盤的第一卡盤冷媒通道，在所述第一卡盤冷媒通道內通入第一冷媒介質對所述卡盤進行冷卻。

其中，在所述卡盤內還設有貫穿其厚度方向的第二卡盤冷媒通道，在所述卡盤的上表面設有卡盤環形凹槽，所述卡盤環形凹槽與所述第二卡盤冷媒通道連通；在所述托盤內設有貫穿其厚度方向的托盤冷媒通道，所述托盤冷媒通道與所述卡盤環形凹槽連通，第二冷媒介質依次經由第二卡盤冷媒通道、卡盤環形凹槽以及托盤冷媒通道供給到晶片的背面，以對晶片進行冷卻。

其中，離子體加工設備還包括蓋板，所述蓋板置於所述托盤的承載面上，在所述蓋板內設有貫穿其厚度的定位孔，所述蓋板用於保護托盤承載面上未放置晶片的區域免受等離子體的轟擊；在所述托盤的承載面且與所述定位孔相對位置設有凸台，所述晶片設置在所述凸台的頂端。

其中，所述等離子體加工設備為LED刻蝕機或者ITO物理氣相沉積設備。

其中，所述晶片的材質為藍寶石、矽或氧化矽。

本發明具有以下有益效果：本發明提供的等離子體加工設備，將托盤放置於卡盤的上表面，托盤和卡盤之間電絕緣，且托盤和卡盤均與等離子體電絕緣，在所述托盤內設有托盤電極，所述卡盤內設有卡盤電極，托盤電極與直流電源的正極輸出端或負極輸出端電連接，卡盤電極接地，以使托盤和卡盤之間存在電壓差，即，在托盤和卡盤之間產生靜電吸附力，從而將托盤固定於卡盤的上表面；以及使托盤和晶片之間存在電壓差，即，在托盤和晶片之間產生靜電吸附力，從而將晶片固定在托盤的上表面，這種固定晶片和托盤的方式不僅容易操作、可靠性高，而且還具有結構簡單、成本低、不易損壞等優點。

10‧‧‧等離子體

12‧‧‧第一匹配器

13‧‧‧激勵射頻電源

17‧‧‧第二匹配器

18‧‧‧偏壓射頻電源

20‧‧‧反應腔室

21‧‧‧托盤

21a‧‧‧托盤冷媒通道

21c‧‧‧凸台

23‧‧‧卡盤

23a‧‧‧第一卡盤冷媒通道

23b‧‧‧第二卡盤冷媒通道

24‧‧‧直流電源

25‧‧‧蓋板

25a‧‧‧定位孔

27‧‧‧介質窗

30、30’、30”‧‧‧濾波電路

101‧‧‧托盤支撐台

102‧‧‧托盤

103‧‧‧蓋板

104‧‧‧機械壓環

105‧‧‧ESC用供電電源

106‧‧‧靜電吸附電極

A‧‧‧卡盤環形凹槽

B‧‧‧托盤環形凹槽

S‧‧‧晶片

L21‧‧‧第一濾波電感

C21‧‧‧第一濾波電容

L22‧‧‧第二濾波電感

C22‧‧‧第二濾波電容

圖1為現有的一種利用靜電吸附作用來固定晶片的等離子體加工設備的部分結構的剖面示意圖；圖2為本發明實施例提供的等離子體加工設備的部分結構的剖面示意圖；圖3為本發明實施例提供的另一濾波電路的原理圖；圖4為本發明另一實施例提供的等離子體加工設備的部分結構的剖面示意圖。

為使本領域的技術人員更好地理解本發明的技術方案，下面結合附圖對本發明實施例提供的等離子體加工設備進行詳細描述。

請參閱圖2，其為本發明實施例提供的等離子體加工設備的部分結構的剖面示意圖。如圖2所示，該等離子體加工設備包括反應腔室20，反應腔室20接地。在反應腔室20內的底部設有卡盤23，用於承載晶片S的托盤21放置在卡盤23的上表面。在反應腔室20的外部設有直流電源24和激勵射頻電源，其中，激勵射頻電源用於激發等離子體10，直流電源24用於提供固定晶片S和托盤21的能量。

在本實施例中，卡盤23主要採用金屬等導電材料製作，且在導電材料的表面形成有絕緣層。導電材料作為卡盤電極(或稱卡盤靜電吸附電極)使用。絕緣層由絕緣材料製作，絕緣層可以通過噴塗或陽極氧化等方式形成於導電材料表面。在導電材料的表面設置絕緣材料的目的是為了實現卡盤23與托盤21之間電絕緣，以及使卡盤23與反應腔室20內的等離子體10之間電絕緣。

托盤21主要採用金屬等導電材料製作，且在導電材料的表面形成有絕緣層。絕緣層由絕緣材料製作，絕緣層可以通過噴塗或陽極氧化等方式形成於導電材料表面。導電材料作為托盤電極(或稱托盤靜電吸附電極)使用。與卡盤23類似，在導電材料的表面設置絕緣材料的目的是為了實現托盤21與卡盤23之間電絕緣，以及使托盤21與反應腔室20內的等離子體10之間電絕緣。

在另一實施例中，卡盤23也可以主要採用絕緣材料製作，並在絕緣材料內部埋設由金屬等導電材料製作而成的卡盤電極。類似地，托盤21也可以主要採用絕緣材料製作，並在絕緣材料內部埋設由金屬等導電材料製作而成的托盤電極。

其中，上述實施例中的卡盤靜電吸附電極和托盤靜電吸附電極所採用的導電材料可以是鋁等金屬材料，絕緣材料可以是石英或陶瓷等。

在本實施例中，直流電源24包括正極接線端、負極接線端以及公共端(或稱之為中間點CT)，而且公共端直接接地，或者公共端經由機殼而接地。托盤電極與直流電源24的負極接線端電連接；卡盤電極與直流電源24的公共端電連接，或者直接接地。當然，托盤電極也可以與直流電源24的正極接線端電連接；卡盤與直流電源24的公共端電連接，或者直接接地。

在等離子體環境中，晶片S的表面形成一層導電層，直流電源24向托盤電極提供電能，以使托盤21和晶片S之間存在電壓差，並在托盤21和晶片S之間產生靜電吸附力，以將晶片S固定於托盤21的上表面。同時，使托盤21和卡盤23之間存在電壓差，並在托盤21和卡盤23之間產生靜電吸附力，以將托盤21固定於卡盤23的上表面。

本實施例在直流電源24與托盤電極之間還可以串接一濾波電路30，用以避免射頻能量通過回路外泄而造成射頻能量衰減，以及避免對其他器件造成射頻干擾。該濾波電路30具有第一接線端和第二接線端，其中，該濾波電路30的第一接線端指的是該濾波電路30與托盤電極相連接的那一端；濾波電路30的第二接線端指的是該濾波電路30與直流電源24相連接的那一端。如圖2所示，該濾波電路30包括第一濾波電感L21和第一濾波電容C21，第一濾波電感L21的一端作為濾波電路30的第一接線端與托盤電極連接，另一端作為濾波電路30的第二接線端與直流電源24的負極連接。第一濾波電容C21的一端接地，另一端與濾波電路的第二接線端及直流電源24的負極相連接。

類似地，本實施例中也可以在卡盤電極和地(或者直流電源24的公共端)之間串接一濾波電路30’，該濾波電路30’具有第一接線端和第二接線端，其中，該濾波電路30’的第一接線端指的是該濾波電路30’與卡盤電極相連接的那一端；濾波電路30’的第二接線端指的是該濾波電路30’與地(或者直流電源24)相連接的那一端。如圖2所示，該濾波電路30’包括第二濾波電感L22和第二濾波電容C22，並且第二濾波電感L22和第二濾波電容C22與卡盤電極和地(或者直流電源24的公共端)的連接方式類似于上文介紹的第一濾波電感L21和第一濾波電容C21與托盤電極和直流電源24的負極的連接方式，在此不再贅述。

在另一實施例中，可以採用圖3所示的濾波電路30”來替代圖2中的濾波電路30。該濾波電路30”同樣具有第一接線端和第二接線端，其中，該濾波電路30”的第一接線端指的是該濾波電路30”與托盤電極相連接的那一端；濾波電路30”的第二接線端指的是該濾波電路30”與直流電源24相連接的那一端。如圖3所示，本實施例中的濾波電路30”包括第一濾波電感L21、第二濾波電感L22、第一濾波電容C21和第二濾波電容C22，其中，第一濾波電感L21和第二濾波電感L22串聯，並且第一濾波電感L21和第二濾波電感L22彼此不互相連接的那一端分別作為該濾波電路30”的第一接線端和第二接線端，並分別連接托盤電極和直流電源24的負極。第一濾波電容C21和第二濾波電容C22並聯，第一濾波電容C21和第二濾波電容C22的一端接地，另一端連接濾波電路30”的第二接線端。實際上，只要濾波電路包括n個電感和n個電容，n為1的整數，而且，n個電感串聯，n個電容並聯，並且n個電感串聯後再與n個電容並聯，且n個電容並聯後的一端接地，這種結構的濾波電路就均可用於防止射頻能量外泄。換言之，在實際應用中，可以採用這樣的濾波電路來替代圖2中的濾波電路30，即，該濾波電路包括n個電感和n個電容，且n個電感串聯，n個電容並聯，並且n個電感串聯後再與n個電容並聯，n個電容並聯後的一端接地，其中，n為大於等於1的整數。

在實際應用中，上述實施例所採用的濾波電路需要滿足射頻衰減小於-10dB的條件。並且，儘管上文僅列舉了兩種形式的濾波電路：濾波電路30與濾波電路30’的組合以及濾波電路30”，但是本發明可採用的濾波電路並不局限於上述兩種形式，而是可以被構造成電感、電阻和電容的任意組合形式。當然，濾波電路也可以採用高頻高壓電阻。事實上，凡是能夠避免射頻能量通過回路外泄的濾波電路均可以應用于本發明。

在等離子體加工工藝過程中，晶片S、托盤21和卡盤23的溫度容易升高而影響薄膜的品質，因此，這就需要利用冷媒介質調節晶片S、托盤21和卡盤23的溫度。其中，冷媒介質既可以是冷媒液體，又可以是冷媒氣體。

在本實施例中，在卡盤23內設有用於冷卻卡盤23的第一卡盤冷媒通道23a。該第一卡盤冷媒通道23a可以設置成多個沿卡盤23的厚度方向延伸的盲孔的形式，並且所述盲孔的開口設置於卡盤23的底面；或者，該第一卡盤冷媒通道23a也可以設置成一個聯通的環形凹槽或者螺旋線形凹槽的形式。在工藝過程中，可以在第一卡盤冷媒通道23a內通入第一冷媒介質以對卡盤23進行冷卻。第一冷媒介質可以為冷媒液體，具體地，該冷媒液體可以是氟冷卻液。

在另一實施例中，在卡盤23內還設有多個沿厚度方向貫穿卡盤23且用作第二卡盤冷媒通道23b的卡盤通孔。並且，在托盤21內還設有多個沿厚度方向貫穿托盤 21且用作托盤冷媒通道21a的托盤通孔，在卡盤23的上表面(即，用於承載托盤21的承載面)形成有卡盤環形凹槽A，第二卡盤冷媒通道23b和托盤冷媒通道21a分別沿卡盤23的厚度方向和托盤21的厚度方向而延伸至該卡盤環形凹槽A，即，卡盤環形凹槽A將第二卡盤冷媒通道23b和托盤冷媒通道21a連通。這樣，在實際工藝過程中，第二冷媒介質依次經由第二卡盤冷媒通道23b、卡盤環形凹槽A以及托盤冷媒通道21a而供給到晶片S的背面，從而對晶片S進行冷卻。第二冷媒介質為冷媒氣體，冷媒氣體可以為氦氣等惰性氣體。

優選地，在托盤21的下表面形成有托盤環形凹槽B，托盤環形凹槽B與卡盤環形凹槽A相對，借助卡盤環形凹槽A和托盤環形凹槽B可以確保第二卡盤冷媒通道23b和托盤冷媒通道21a連通，並使第二冷媒介質更順利地進入托盤冷媒通道21a。

優選地，在卡盤23內設有多個與卡盤環形凹槽A連通的第二卡盤冷媒通道23b，在托盤21內設有多個托盤冷媒通道21a，這樣，借助多個第二卡盤冷媒通道23b和托盤冷媒通道21a，不僅可以更高效地調節溫度，而且可以提高卡盤23、托盤21及晶片S各自的溫度的均勻性。

在對晶片加工的過程中，裸露在等離子體10中的托盤21的表面部分(即，托盤21上的未被晶片S覆蓋的部分)容易受等離子體10的腐蝕。為此，本實施例提供的等離子體加工設備還包括蓋板25，蓋板25採用陶瓷或石英材料製作，其疊置在托盤21的承載面，並通過螺釘(圖中未示出)與托盤21固定，螺釘採用陶瓷材料製作。在蓋板25內設有貫穿其厚度的定位孔25a，晶片S被嵌置在定位孔25a內。需要說明的是，由於蓋板25與托盤21疊置，定位孔25a的位置即為晶片S在托盤21表面的位置，因此設置在蓋板25上的定位孔25a有利於提高晶片S的裝載效率。不難理解，定位孔25a的內徑尺寸應等於或略大於晶片S的外徑尺寸。優選地，蓋板25的外徑尺寸等於或略大於托盤21的外徑尺寸，這樣可以將至少是托盤21的承載面中的裸露在等離子體10環境中的那一部分遮擋，從而避免等離子體10腐蝕托盤21。

本實施例中，在托盤21的承載面上還設有凸台21c，凸台21c與定位孔25a相對，晶片S放置在凸台21c的頂端。為了使托盤21能夠承載多個晶片S，在托盤21的承載面設有多個凸台21c，對應地，在蓋板25內設置多個定位孔25a，定位孔25a的數量與凸台21c的數量相等。

在本實施例中，托盤21下表面的直徑等於或略大於卡盤23上表面的直徑，以使托盤21能夠完全覆蓋住卡盤23並和卡盤23之間可靠密封，這樣不僅可以防止冷媒介質洩露，而且可以防止等離子體損傷卡盤23的上表面。

在本實施例中，如圖2所示，上電極包括電感耦合線圈(圖中未示出)，電感耦合線圈設置在介質窗27的上方，介質窗27設置在反應腔室20的頂部。電感耦合線圈通過第一匹配器12與激勵射頻電源13連接，偏壓射頻電源18通過第二匹配器17與卡盤23連接，激勵射頻電源13向反應腔室20內輸入射頻能量，使工藝氣體被電離形成等離子體10。偏壓射頻電源18用於在晶片S表面產生射頻偏壓以吸引離子對晶片S的表面進行加工。

需要指出的是，儘管在上述實施例中，激勵射頻電源13和偏壓射頻電源18為兩個相互獨立的射頻電源。但本發明並不局限於此，在實際應用中，激勵射頻電源13和偏壓射頻電源18也可以採用一個射偏電源代替，但該射頻電源需設有兩個獨立的射頻功率輸出端。

需要說明的是，儘管在上述實施例中，直流電源24包括正極接線端、負極接線端以及公共端，且公共端接地或者公共端經由機殼接地；但是在實際應用中，直流電源24也可以採用其他結構。例如，直流電源24可以僅包括正極接線端和公共端，並且在使用時，將托盤電極與正極接線端連接，將卡盤電極與公共端連接或者直接接地。又如，直流電源24可以僅包括負極接線端和公共端，並且在使用時，將托盤電極與負極接線端連接，將卡盤電極與公共端連接或者直接接地。再如，直流電源24可以僅包括正極接線端和負極接線端，並且在使用時，將托盤電極與正極接線端連接，並且既可以將卡盤電極直接接地，又可以將卡盤電極接負極接線端並將負極接線端接地；或者，將托盤電極與負極接線端連接，並且既可以將卡盤電極直接接地，又可以將卡盤電極接正極接線端並將正極接線端接地。

上述實施例提供的等離子體加工設備可以為LED刻蝕機，用於實施刻蝕工藝；或者為ITO(銦錫氧化物)物理氣相沉積設備，用於製備ITO薄膜。晶片可以是藍寶石襯底，也可以是其他材質的被加工器件，例如，晶片的材質也可以為矽或氧化矽。

下面介紹本實施例中，托盤21與晶片S之間的靜電吸附力以及托盤21與卡盤23之間的靜電吸附力。

將托盤21中的托盤電極與直流電源24的正極接通，假設托盤電極對地(GND)電壓為E1，E1等於直流電源24對地(GND)之間的電壓E。當反應腔室20內的等離子體啟輝後，在晶片S的上表面會形成一層導電層，該導電層與地(GND)之間的電壓為E2。由於等離子體的電阻很小，E2近似等於零。因此，托盤電極和晶片S的上表面之間的電壓E3=E1-E2E1=E。卡盤23中的卡盤電極與直流電源24的負極接通，托盤電極和卡盤電極之間的電壓差為E。

卡盤電極和托盤電極之間形成第一電容C1，托盤電極和晶片S的上表面之間形成第二電容C2，由於晶片S的上表面近似接地，而且卡盤電極接地(GND)，第一電容C1和第二電容C2為並聯關係，假設卡盤電極和托盤電極之間的距離為d1，托盤電極和晶片S的上表面之間的距離為d2。那麼，根據庫倫定律，在卡盤電極和托盤電極之間(即，卡盤23和托盤21之間)的靜電吸附力F ₁為：

在托盤電極(即，托盤21)和晶片S之間的靜電吸附力F ₂為：

由上可知，由於第一電容C1和第二電容C2為並聯關係，使得卡盤電極和托盤電極之間的電壓差以及托盤電極和晶片S之間的電壓差均為E。因此，卡盤23和托盤21之間的靜電吸附力F ₁以及托盤21和晶片S之間的靜電吸附力F ₂較大。

圖4為本發明另一實施例提供的等離子體加工設備的部分結構的剖面示意圖。如圖4所示，托盤21承載有多個晶片S，對應地，在托盤21的承載面上設有與晶片S數量相等的凸台21c，在蓋板25上同樣設有與晶片S數量相等的定位孔25a，而且定位孔25a的設置位置與凸台21c的位置相對。使用時，每一凸台21c和定位孔25a對應一晶片S，即每一定位孔25a對一個晶片S進行定位，且晶片S放置在凸台21c的頂端。

上述實施例提供的等離子體加工設備，將托盤放置於卡盤上，托盤和卡盤之間電絕緣，且托盤和卡盤與等離子體之間電絕緣，托盤電極與直流電源的正極輸出端或負極輸出端電連接，卡盤電極接地，以使托盤和卡盤之間存在電壓差，即，在托盤和卡盤之間產生靜電吸附力，從而將托盤固定於卡盤的上表面；以及使托盤和晶片之間存在電壓差，即，在托盤和晶片之間產生靜電吸附力，從而將晶片固定在托盤的上表面，這種固定晶片和托盤的方式不僅容易操作、可靠性高，而且結構簡單、成本低、不易損壞。

可以理解的是，以上實施方式僅僅是為了說明本發明的原理而採用的示例性實施方式，然而本發明並不局限於此。對於本領域內的普通技術人員而言，在不脫離本發明的精神和實質的情況下，可以做出各種變型和改進，這些變型和改進也視為本發明的保護範圍。