TWI533399B

TWI533399B - Electrostatic chuck and plasma processing equipment

Info

Publication number: TWI533399B
Application number: TW102144380A
Authority: TW
Inventors: Yu-Lin Peng
Original assignee: Beijing Nmc Co Ltd
Priority date: 2012-12-06
Filing date: 2013-12-04
Publication date: 2016-05-11
Also published as: TW201423904A; CN103794538B; CN103794538A; WO2014086283A1

Description

靜電卡盤以及等離子體加工設備

本發明涉及半導體設備製造領域，具體地，涉及一種靜電卡盤以及等離子體加工設備。

在製造積體電路（IC）和微機電系統（MEMS）的工藝過程中，特別是在實施等離子刻蝕、物理氣相沉積（PVD）、化學氣相沉積（CVD）等的工藝過程中，常使用靜電卡盤來固定、支撐及加熱晶片等被加工工件，為晶片提供直流偏壓並且控制晶片表面的溫度。

圖1為典型的靜電卡盤的結構示意圖。如圖1所示，靜電卡盤包括由上至下依次疊置的絕緣層1、加熱器2和鋁基座3。其中，絕緣層1採用AL2O3或ALN等陶瓷材料製成，並且在絕緣層1中設置有直流電極層（圖中未示出），直流電極層與直流電源電連接後在直流電極層與晶片之間產生靜電引力，從而將晶片等被加工工件固定在絕緣層1的頂部；加熱器2用於對晶片等被加工工件進行加熱；鋁基座3與射頻電源連接，用以在晶片等被加工工件上生成射頻偏壓。此外，在加熱器2與鋁基座3之間還設置有隔熱層4，隔熱層4採用矽橡膠等具有良好隔熱性能的材料製成，以阻擋由加熱器2產生的熱量向鋁基座3傳導，從而可以減少加熱器2的熱量損失，進而提高靜電卡盤的加熱效率。而且，在隔熱層4與加熱器2之間以及隔熱層4與鋁基座3之間分別設置有密封劑，利用密封劑分別對隔熱層4與加熱器2之間的間隙和隔熱層4與鋁基座3之間的間隙進行密封，從而防止空氣自該間隙進入晶片所在的真空環境。

上述靜電卡盤是借助隔熱層4來實現加熱器2與鋁基座3之間的隔熱，這在實際應用中不可避免地存在以下問題：

其一，由於加熱器2、隔熱層4和鋁基座3緊密地疊置在一起，隔熱層4很難完全阻隔加熱器2產生的熱量向鋁基座3傳導，並且加熱器2的加熱溫度越高，隔熱層4的隔熱效果越差，這使得加熱器2產生的熱量易於向鋁基座3傳遞，從而降低了靜電卡盤的加熱效率。

其二，由於靜電卡盤採用密封劑來分別對隔熱層4與加熱器2之間的間隙和隔熱層4與鋁基座3之間的間隙進行密封，而密封劑的密封作用在高溫環境下將會失效，導致空氣自該間隙進入晶片所在的真空環境，從而影響工藝的正常進行。

其三，由於加熱器2、隔熱層4和鋁基座3的熱膨脹係數不同，三者在加熱過程中產生的熱膨脹的差異將會破壞密封劑的密封效果，導致空氣自該間隙進入晶片所在的真空環境，從而影響工藝的正常進行。

為此，公開號為CN102105253A的中國專利申請公開了一種高溫靜電卡盤，如圖2所示，該靜電卡盤包括卡盤主體110和平台組件130。其中，卡盤主體110設置於平台組件130的上方，其包括設置在其內部的直流電極118和加熱元件116，直流電極118用於以靜電引力的方式將晶片固定在卡盤主體110的頂部；加熱元件116用於加熱晶片。而且，在卡盤主體110與平台組件130之間設置有膨脹接頭140、絕緣環154和安裝法蘭148。其中，絕緣環154借助安裝法蘭148與平台組件130固定連接，用以支撐卡盤主體110；膨脹接頭140為薄壁環狀結構，並且膨脹接頭140的外環側壁緊靠絕緣環154的內環側壁設置。而且，膨脹接頭140的頂端144借助銅焊接頭142與卡盤主體110焊接在一起，膨脹接頭140的底端146借助銅焊接頭143與安裝法蘭148焊接在一起，以對絕緣環154與卡盤主體110之間的間隙和絕緣環154與安裝法蘭148之間的間隙進行密封。此外，膨脹接頭140採用膨脹係數介於卡盤主體110和平台組件130的膨脹係數的之間的材料製作，以適應卡盤主體110和平台組件130的熱膨脹的差異。

雖然上述靜電卡盤採用膨脹接頭140可以適應卡盤主體110和平台組件130之間的熱膨脹的差異，但是，上述靜電卡盤在實際應用中存在以下問題：

其一，由於加熱元件116產生的一部分熱量會向絕緣環154傳導，導致加熱元件116的熱量損耗增加，從而降低了靜電卡盤的加熱效率。而且，由於絕緣環154僅與卡盤主體110底部的邊緣區域接觸，導致卡盤主體110的邊緣區域的熱量損耗速率大於中心區域的熱量損耗速率，這使得卡盤主體110的溫度不均勻，從而使晶片的溫度不均勻，進而降低了加工的品質。

其二，由於膨脹接頭140的兩端是採用焊接的方式分別與卡盤主體110和平台組件130固定連接，膨脹接頭140的安裝過程複雜，並且難以對膨脹接頭140進行拆卸和更換，這不僅增加了靜電卡盤的加工難度，而且增加了靜電卡盤的使用成本。

本發明旨在至少解決現有技術中存在的技術問題之一，提出了一種靜電卡盤以及等離子體加工設備，其不僅具有良好的隔熱效果，而且加熱均勻，從而提高了等離子體加工工藝過程中的加熱效率和加熱均勻性。此外，上述靜電卡盤便於加工和更換，從而降低了靜電卡盤和等離子體加工設備的使用成本。

為實現本發明的目的而提供一種靜電卡盤，包括用於承載被加工工件的卡盤和基座，所述卡盤包括卡盤本體、設置在所述卡盤本體內的靜電電極和加熱單元，所述靜電電極與直流電源連接，用以採用靜電引力的方式將被加工工件固定在所述卡盤上；所述加熱單元用於加熱所述被加工工件；所述基座設置在所述卡盤的下方，用以支撐和固定所述卡盤；在所述卡盤和基座之間設置有隔熱組件，所述隔熱組件包括上環板、下環板和膨脹隔熱環，其中：所述上環板和所述下環板均為環形板，二者沿所述靜電卡盤的軸向方向相對設置；所述膨脹隔熱環為中空的薄壁筒狀結構，其固定於所述上環板和下環板之間，且其軸線方向與所述上環板和下環板的軸線方向一致，以使所述膨脹隔熱環適應所述卡盤和基座因受熱而產生的形變。

其中，在所述上環板和下環板之間還設置有支撐部件，其中：所述支撐部件為一體結構的環形結構件，所述支撐部件與所述膨脹隔熱環沿徑向套接設置。

其中，在所述支撐部件上設置有多個沿徑向方向貫穿其徑向壁厚的徑向通孔，所述多個徑向通孔沿所述支撐部件的周向間隔設置，或者在所述支撐部件上設置有多組徑向通孔組，所述多組徑向通孔組沿所述支撐部件的軸向間隔設置，並且每一組所述徑向通孔組均包含多個沿所述支撐部件的周向間隔設置且沿徑向貫穿所述支撐部件的徑向壁厚的徑向通孔。

其中，在所述上環板和下環板之間還設置有支撐部件，其中：所述支撐部件為分離式結構，其包括多個子支撐部件，所述多個子支撐部件沿所述膨脹隔熱環的周向排列設置；在每個所述子支撐部件上設置有多個貫穿其徑向壁厚的徑向通孔，所述多個徑向通孔沿所述支撐部件的周向間隔設置，或者，在每個所述子支撐部件上設置有多組徑向通孔組，所述多組徑向通孔組沿所述子支撐部件的軸向間隔設置，並且每一組徑向通孔組均包含多個沿徑向貫穿所述支撐部件的徑向壁厚的徑向通孔。

其中，所述支撐部件採用不銹鋼或Ni-Co-Fe合金製作。

其中，還包括：定位單元，所述定位單元用於對所述支撐部件進行定位；所述定位單元包括凹部和定位塊，所述凹部設置在所述上環板的下表面且位於所述膨脹隔熱環的外側，所述支撐部件設置在所述凹部處，並且所述支撐部件的內周緣緊靠所述凹部的內側，所述定位塊設置在所述支撐部件的外周緣；或者，所述凹部設置在所述上環板的下表面且位於所述膨脹隔熱環的內側，所述支撐部件設置在所述凹部處，並且所述支撐部件的外周緣緊靠所述凹部的外側，所述定位塊設置在所述支撐部件的內周緣；或者，所述凹部設置在所述下環板的上表面且位於所述膨脹隔熱環的外側，所述支撐部件設置在所述凹部處，並且所述支撐部件的內周緣緊靠所述凹部的內側，所述定位塊設置在所述支撐部件的外周緣；或者，所述凹部設置在所述下環板的上表面且位於所述膨脹隔熱環的內側，所述支撐部件設置在所述凹部處，並且所述支撐部件的外周緣緊靠所述凹部的外側，所述定位塊設置在所述支撐部件的內周緣。

其中，在所述基座與所述卡盤之間設置有冷卻部件，用以阻隔熱量朝向所述基座傳遞，所述冷卻部件壓接在所述隔熱組件與所述基座的接觸面之間，並且所述上環板的頂端設置有第一凸台，所述第一凸台的上表面作為所述隔熱組件與所述卡盤密封連接的連接面；所述下環板的底端設置有第二凸台，所述第二凸台的下表面作為所述隔熱組件與冷卻部件之間密封連接的連接面。

其中，在所述隔熱組件中，且位於與所述第一凸台和/或第二凸台相對應的位置處設置有內嵌水道，並且在所述冷卻部件中，且位於與所述內嵌水道相對應的位置處分別設置有進水通道和回水通道；所述內嵌水道和所述進水通道之間透過密封圈進行密封，所述內嵌水道和所述回水通道之間均透過密封圈進行密封。

其中，所述第一凸台與所述卡盤本體之間設置有第一密封件；所述第二凸台與所述冷卻部件之間設置有第二密封件。

其中，所述膨脹隔熱環、上環板和下環板透過一體加工的方式製成。

其中，所述膨脹隔熱環的數量為N，且N≥2，其中N為整數，N個所述膨脹隔熱環同軸且沿徑向間隔套接設置，並且，在其中的N-1個膨脹隔熱環上分別設置有至少一個沿徑向貫穿其壁厚的徑向通孔，以使相鄰的兩個膨脹隔熱環之間形成非封閉的空間。

其中，所述膨脹隔熱環和所述上環板透過焊接方式密封固定，所述膨脹隔熱環與所述下環板透過焊接方式密封固定。

其中，所述膨脹隔熱環的壁厚範圍在1~2mm。

其中，所述膨脹隔熱環的壁厚範圍在5～10mm。

其中，所述膨脹隔熱環的高度範圍在15~30mm。

其中，所述上環板、下環板和膨脹隔熱環均採用不銹鋼或Ni-Co-Fe合金製作。

其中，在所述卡盤本體的下表面與所述上環板的上表面之間設置有金屬密封圈，用以將所述卡盤本體的下表面與所述上環板的上表面之間的間隙密封。

其中，在所述基座與所述卡盤之間設置有冷卻部件，用以阻隔熱量朝向所述基座傳遞，所述冷卻部件壓接在所述隔熱組件與所述基座的接觸面之間；並且，在所述下環板的下表面和所述冷卻部件的上表面之間設置有密封件，用以將所述下環板的下表面和所述冷卻部件的上表面之間的間隙密封；在所述卡盤本體的下表面和所述冷卻部件的上表面之間具有間距，從而在所述隔熱組件、所述卡盤本體和所述冷卻部件之間形成一封閉空間。

其中，所述卡盤本體的下表面與所述冷卻部件的上表面之間的間距範圍在5~20mm。

其中，在所述冷卻部件內設有隔熱通道，用以阻隔熱量朝向所述基座傳遞。

其中，在所述冷卻部件上設置有出氣孔，所述出氣孔與所述封閉空間連通，導熱氣體通過所述出氣孔進入所述封閉空間內；並且，在所述卡盤本體內設置有導熱氣體通道，所述導熱氣體通道的兩端分別與所述封閉空間和所述卡盤本體的上表面連通。

其中，所述導熱氣體通道包括環形通道，在所述環形通道上設置有進氣孔，用以使所述環形通道與所述封閉空間連通；所述環形通道為一個閉合環形通道，並且所述環形通道的頂端沿所述卡盤本體的軸向延伸至所述卡盤本體的上表面。

其中，在所述冷卻部件上設置有一個貫穿其軸向厚度的通孔，用於電連接所述直流電源和所述靜電電極的導線穿過所述通孔。

其中，在所述冷卻部件與所述基座之間設置有絕緣部件，用以使所述冷卻部件與所述基座電絕緣。

其中，所述靜電卡盤還包括聚焦環和基環，所述卡盤本體的外周緣的上部設有階級面，所述聚焦環設置在階級面上並且圍繞在卡盤本體的外側；所述基環設置為圍繞在卡盤本體的階級面以下部分、阻熱膨脹部件、以及冷卻部件的外側。

作為另一個技術方案，本發明還提供一種等離子體加工設備，其包括反應腔室，在所述反應腔室內設置有靜電卡盤，用以採用靜電引力的方式固定被加工工件，所述靜電卡盤採用了本發明提供的上述靜電卡盤。

本發明具有以下有益效果：

本發明提供的靜電卡盤，其在卡盤和基座之間設置有隔熱組件，該隔熱組件包括上環板、下環板和膨脹隔熱環。其中，固定於上環板和下環板之間的膨脹隔熱環為中空的薄壁筒狀結構，這可以減小隔熱組件的熱傳遞，從而阻隔卡盤產生的熱量向基座傳遞，進而可以減少熱量的損失，從而不僅能夠提高靜電卡盤的加熱效率，而且能夠提高靜電卡盤的加熱均勻性。另外，由於中空的薄壁筒狀的膨脹隔熱環在受熱時易於變形，這使得膨脹隔熱環能夠適應卡盤和基座因受熱而產生的形變，以此確保隔熱組件的密封性能，從而使靜電卡盤保持密封。此外，隔熱組件與卡盤和基座可以拆分，有利於隔熱組件的安裝和更換，從而可以降低等靜電卡盤的使用成本。

作為本發明的另一個技術方案，本發明還提供一種等離子體加工設備，其透過採用本發明提供的上述靜電卡盤，不僅能夠提高等離子體加工設備的加熱效率和加熱均勻性，而且還能夠降低等離子體加工設備的使用成本。

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

圖3a為本發明實施例提供的靜電卡盤的剖面圖。圖3b為圖3a中區域Ｉ的局部放大圖。請一併參閱圖3a和圖3b，靜電卡盤包括用於承載被加工工件13的卡盤、基座5和隔熱組件8。其中，卡盤包括卡盤本體14、設置在卡盤本體14內的靜電電極11和加熱單元12。靜電電極11與直流電源（圖中未示出）連接，直流電源向靜電電極11提供能量，以將被加工工件13以靜電吸附方式固定在卡盤上；加熱單元12用於加熱被加工工件13；基座5設置在卡盤的下方，用以支撐和固定該卡盤。

其中，卡盤本體14採用陶瓷材料製造，如氮化鋁等。通常情況下，靜電電極11的材料選用Mo(鉬)或W(鎢)，加熱單元12選用Mo材料。加熱單元12對卡盤本體14進行加熱操作，由於氮化鋁陶瓷導熱性能優異，當被加工工件13透過靜電引力與卡盤本體14上表面接觸時，被加工工件13的溫度可以達到200-450℃。卡盤本體14透過真空螺釘（圖中未示出）與隔熱組件8的上部元件固定連接。

隔熱組件8設置在卡盤和基座5之間，其包括上環板25、下環板27和膨脹隔熱環22，並且三者均可以採用不銹鋼或Ni-Co-Fe(鎳-鈷-鐵)合金製作，以降低靜電卡盤的製造成本。其中，上環板25和下環板27均為環形板，並且二者沿靜電卡盤的軸向方向相對設置，即，上環板25和下環板27在垂直於靜電卡盤的軸向方向的平面上的投影形狀均為中空的閉合環形。上環板25和下環板27的外徑尺寸與卡盤本體14的外徑尺寸基本一致。上環板25與卡盤本體14透過真空螺釘固定連接，以將隔熱組件8固定在卡盤和基座5之間。在上環板25的上表面與卡盤本體14的下表面之間還設置有密封件15，用以對上環板25的上表面與卡盤本體14的下表面之間的間隙進行密封。優選地，密封件15採用金屬密封圈，以防止密封件15因卡盤的溫度過高而造成密封失效。密封件15可以採用兩種方式實現，即：CF(ConFlat)法蘭形式或金屬的C型（U型）圈。隔熱組件8可與卡盤和基座5拆分，以便於對隔熱組件8進行安裝和更換。當隔熱組件8損壞時，只需更換隔熱組件8，而無需更換整個靜電卡盤，從而可以降低靜電卡盤及設置有該靜電卡盤的等離子體加工設備的使用成本。

膨脹隔熱環22為中空的薄壁筒狀結構，即，在垂直於靜電卡盤的軸向方向的平面上的投影形狀為中空的閉合環形，且該環形的徑向厚度較小，以形成薄壁。膨脹隔熱環22固定於上環板25和下環板27之間，且其軸線方向與上環板25和下環板27的軸線方向一致，以使膨脹隔熱環22適應於卡盤和基座5因受熱而產生的形變。優選的，膨脹隔熱環22的壁厚範圍在1~2mm；膨脹隔熱環22的高度範圍在15~30mm。由於膨脹隔熱環22為中空的薄壁筒狀，可以減少熱量自上環板25向下環板27的傳遞，即提高了隔熱組件8的隔熱性能，減少了熱量自隔熱組件8向基座5傳遞，從而可以減少熱量的損失，進而不僅可以提高靜電卡盤對被加工工件13的加熱效率，而且可以提高靜電卡盤的加熱均勻性。而且，由於中空的薄壁筒狀結構的膨脹隔熱環22在受熱時容易變形，這使得隔熱組件8能夠在卡盤和基座5的熱膨脹程度產生差異時因膨脹隔熱環22的形變而確保靜電卡盤的密封。

優選的，膨脹隔熱環22的兩端透過焊接方式分別和上環板25和下環板27密封固定，用以使膨脹隔熱環22的內側空間和外側空間相對密封，即，確保膨脹隔熱環22的外部空間能夠處於真空狀態。

在本發明實施例中，在上環板25和下環板27之間還設置有支撐部件23，用以提高隔熱組件8的強度。支撐部件23可以採用不銹鋼或Ni-Co-Fe合金製作，優選地，其採用強度更高的Ni-Co-Fe合金製作。支撐部件23為環形結構件，其與膨脹隔熱環22沿徑向套接設置，優選與膨脹隔熱環22沿徑向同軸套接設置，在本實施例中，支撐部件23採用一體結構，且支撐部件23的內徑大於膨脹隔熱環22的外徑，即，支撐部件23位於膨脹隔熱環22的外側。

如圖4所示，為本發明實施例提供的靜電卡盤中隔熱組件的支撐部件23的俯視圖。在支撐部件23上設置有多個沿徑向方向（即，壁厚方向）貫穿其徑向壁厚的徑向通孔231，多個徑向通孔231沿支撐部件23的周向間隔設置，或者在支撐部件23上設置有多組徑向通孔組，多組徑向通孔組沿支撐部件23的軸向間隔設置，並且每一組徑向通孔組均包含多個沿徑向貫穿支撐部件23的徑向壁厚的徑向通孔231。換言之，可以沿支撐部件23的軸向間隔設置至少一層徑向通孔231，並且每層中的多個徑向通孔231沿支撐部件23的周向間隔設置。透過在支撐部件23上設置徑向通孔231，不僅可以在支撐部件23與膨脹隔熱環22之間形成非封閉的環形空間，從而使得在隔熱組件8受熱變形時支撐部件23不易損壞，而且還可以減少上環板25和下環板27之間的熱傳導，從而進一步阻隔熱量由卡盤向基座5傳遞，進而減少熱量的損失。

在本發明實施例中，支撐部件23的內徑大於膨脹隔熱環22的外徑。然而，在實際應用中，支撐部件23的外徑還可以小於膨脹隔熱環22的內徑，即，膨脹隔熱環22位於支撐部件23的外側。

在本發明實施例中，支撐部件23採用一體結構，但是本發明並不局限於此，在實際應用中，支撐部件23還可以採用分離式結構，分離式結構的支撐部件23包括多個子支撐部件，多個子支撐部件沿支撐部件23的周向排列設置，並且，在每個子支撐部件上設置有徑向通孔，該徑向通孔的結構和作用與上述徑向通孔231相類似，在此不再重複描述。透過採用分離式結構的支撐部件23，可以減少支撐部件23與上環板25和下環板27之間的接觸面積，從而進一步減少上環板25和下環板27之間的熱傳導。在實際應用中，子支撐部件的形狀可以為環形段、圓柱體或者四方體等任意結構，只要子支撐部件能夠穩固地在上環板25和下環板27之間進行支撐即可。

在本發明實施例中，靜電卡盤還包括定位單元，用以對支撐部件23進行定位。如圖3b所示，定位單元包括凹部和定位塊26。其中，凹部設置在上環板25的下表面且位於膨脹隔熱環22的外側，支撐部件23設置在凹部處，並且支撐部件23的內周緣緊靠凹部的內側。換句話說，凹部在上環板25的下表面上形成一階級面，支撐部件23的內周緣緊靠在該階級面的側壁上。定位塊26設置在支撐部件23的外周緣，用以與凹部一起對支撐部件23進行定位。此外，由於沒有採用任何固定方式約束支撐部件23的下端在卡盤的徑向方向上的自由度，因此支撐部件23的下端為可相對於下環板27位移的自由端。支撐部件23透過相對於下環板27位移，能夠消除卡盤和基座5因在加熱時產生的熱膨脹差異而對支撐部件23施加的剪切應力，從而防止支撐部件23因該剪切應力而損壞。在實際應用中，上述凹部還可以設置在上環板25的下表面且位於膨脹隔熱環22的內側，支撐部件23設置在凹部處，並且支撐部件23的外周緣緊靠凹部的外側，定位塊26設置在支撐部件23的內周緣。

此外，上述凹部也可以設置在下環板27的上表面且位於膨脹隔熱環22的外側，支撐部件23設置在凹部處，並且支撐部件23的內周緣緊靠凹部的內側，定位塊26設置在支撐部件23的外周緣；或者，上述凹部還可以設置在下環板27的上表面且位於膨脹隔熱環22的內側，支撐部件23設置在凹部處，並且支撐部件23的外周緣緊靠凹部的外側，定位塊26設置在支撐部件23的內周緣。容易理解，當上述凹部和定位塊26設置在下環板27的上表面時，沒有採用任何固定方式約束支撐部件23的上端在卡盤的徑向方向上的自由度，因此支撐部件23的上端為可相對於上環板25沿卡盤的徑向方向位移的自由端。

在本發明實施例中，在基座5與卡盤之間設置有冷卻部件7，其壓接在隔熱組件8與基座5的接觸面之間，用以阻隔卡盤產生的熱量朝向基座5傳遞，從而避免基座5的溫度過高。並且，在冷卻部件7的上表面設置有密封槽16，在該密封槽16內設置密封件（圖中未示出），用以將下環板27的下表面和冷卻部件7的上表面之間的間隙密封。而且，在卡盤本體14的下表面和冷卻部件7的上表面之間具有間距，從而在隔熱組件8、卡盤本體14和冷卻部件7之間形成一封閉空間28。並且，卡盤本體14的下表面與冷卻部件7的上表面之間的間距範圍在5~20mm。冷卻部件7可以阻隔熱量向基座5傳遞，從而進一步提高靜電卡盤的加熱效率。在實際應用中，還可以分別對卡盤本體14的下表面與冷卻部件7的上表面塗覆可提高隔熱性能的塗層，以進一步阻隔卡盤與冷卻部件7之間的熱量傳遞。

此外，在冷卻部件7內還設有隔熱通道20，用以減少冷卻部件7自身體積，以進一步阻隔熱量朝向基座5傳遞。在本實施例中，隔熱通道20可以為多個同軸且沿徑向間隔套接設置的環形隔熱通道。優選地，相鄰兩個環形隔熱通道之間的間距相等，以保證卡盤各個區域的熱量損耗趨於均勻。

在本發明實施例中，在冷卻部件7上設置有出氣孔31，其與封閉空間28連通，導熱氣體通過出氣孔31進入封閉空間28。所謂導熱氣體是指用於向被加工工件13傳遞熱量的氣體，其可以為氦氣或氬氣。在卡盤本體14內還設置有導熱氣體通道，其兩端分別與封閉空間28和卡盤本體14的上表面連通，用以供封閉空間28內的導熱氣體通向卡盤本體14的上表面與被加工工件13的下表面之間。在加熱時，導熱氣體在導熱氣體通道內流動時將吸收卡盤產生的熱量並將熱量傳遞至被加工工件13，從而提高靜電卡盤的加熱效率。

具體地，圖5a為本發明實施例提供的包含有導熱氣體通道的靜電卡盤的部分結構的剖面圖。圖5b為圖5a中的導熱氣體通道在卡盤本體14底面所在平面上的投影示意圖。請一併參閱圖5a和圖5b，在本發明實施例中，導熱氣體通道包括環形通道30，其包括兩個沿徑向同軸套接設置的閉合環形通道，並且環形通道30的頂端沿卡盤本體14的軸向延伸至卡盤本體14的上表面。在環形通道30上設置有進氣孔29，用以使環形通道30與封閉空間28連通。此外，優選在兩個閉合環形通道之間設置有連通二者的多個徑向通道301，多個徑向通道301沿環形通道30的周向間隔設置，且其頂端沿卡盤本體14的軸向延伸至卡盤本體14的上表面。借助徑向通道301，可以使導熱氣體更均勻地通向卡盤本體14的上表面與被加工工件13的下表面之間，從而更均勻地將熱量傳遞至被加工工件13。

在發明本實施例中，如圖3a所示，在冷卻部件7上還可以設置有一個沿軸向貫穿冷卻部件7的厚度的通孔19，用於使電連接直流電源和靜電電極11的導線穿過該通孔19並與直流電源電連接。

此外，在冷卻部件7與基座5之間還可以設置絕緣部件6，用以使冷卻部件7與基座5電絕緣。並且，在絕緣部件6的上表面設置有密封槽17，在該密封槽17內設置密封件（圖中未示出），用以對絕緣部件6與冷卻部件7之間的間隙進行密封；以及，在基座5的上表面設置有密封槽18，在該密封槽18內設置密封件（圖中未示出），用以對絕緣部件6與基座5之間的間隙進行密封。

需要說明的是，雖然在本發明實施例中膨脹隔熱環22的數量為一個，但是本發明並不局限於此，在實際應用中，膨脹隔熱環22的數量可以為N個，N為大於或等於2的整數。N個膨脹隔熱環22同軸且沿徑向間隔套接設置，並且，在其中的N-1個膨脹隔熱環22上均設置有至少一個沿徑向方向（即，沿側壁的厚度方向）貫穿該膨脹隔熱環22的徑向壁厚的徑向通孔，這樣，在第N個膨脹隔熱環22內周壁以內形成連通的空間，在第N個膨脹隔熱環22外周壁以外形成另一連通的空間，所謂第N個膨脹隔熱環22是指所述N個膨脹隔熱環22中的未設置徑向通孔的那一個膨脹隔熱環22。換言之，在N個膨脹隔熱環22中任意選擇一個作為密封環，並在其餘的N-1個膨脹隔熱環22上設置至少一個上述徑向通孔，此處的密封環的作用是用於保證位於所選定的膨脹隔熱環22（即，第N個膨脹隔熱環22）的外周壁外部的空間處於真空狀態。例如，當N大於等於3時，在N-1個膨脹隔熱環22中的任意兩兩相鄰的膨脹隔熱環22中的至少一個膨脹隔熱環22上設置有至少一個沿徑向方向貫穿該膨脹隔熱環22的側壁的徑向通孔，以使相鄰的兩個膨脹隔熱環之間形成非封閉的連通的空間，並使第N個膨脹隔熱環22作為密封環。

此外，當膨脹隔熱環22的數量為兩個以上時，可以省去支撐部件23，即，僅借助兩個以上的膨脹隔熱環22來支撐上環板25。在這種情況下，膨脹隔熱環22的數量可以根據具體情況自由設定，只要保證可以穩固地在上環板25和下環板27之間進行支撐即可。

還需要說明的是，雖然在本發明實施例中，膨脹隔熱環22是透過焊接的方式分別與上環板25和下環板27密封固定，但是，本發明並不局限於此，在實際應用中，膨脹隔熱環22還可以採用其他方式與上環板25和下環板27密封固定，只要其能夠保證位於膨脹隔熱環22的外周壁外部的空間處於真空狀態即可。

進一步需要說明的是，在本發明實施例中，導熱氣體通道包括兩個沿徑向同軸套接設置的閉合環形通道，但是本發明並不局限於此，在實際應用中，導熱氣體通道還可以包括一個閉合環形通道，或者三個以上的沿徑向同軸套接設置的閉合環形通道，環形通道的數量可以根據具體情況自由設定。並且，相鄰的兩個環形通道之間可以設置有連通二者的多個徑向通道301。

綜上所述，本發明實施例提供的靜電卡盤，其在卡盤和基座5之間設置有隔熱組件8，該隔熱組件8包括上環板25、下環板27和膨脹隔熱環22。其中，連接上環板25和下環板27的膨脹隔熱環22為薄壁結構，可以阻隔卡盤產生的熱量向基座5傳遞，從而可以減少熱量的損失，這不僅能夠提高靜電卡盤的加熱效率，而且能夠提高靜電卡盤的加熱均勻性。而且，由於環形薄壁結構的膨脹隔熱環22在受熱時易於變形，因而能夠隨著卡盤和基座5的熱位移而變形，從而可以適應卡盤和基座5因受熱而產生的形變，以此確保靜電卡盤的密封。此外，隔熱組件8獨立於卡盤和基座5，有利於隔熱組件8的安裝和更換，從而可以降低該靜電卡盤的使用成本。

基於與上述實施例相同或相似的構思，本發明實施例二提供了另一種靜電卡盤，該靜電卡盤與上述實施例中的靜電卡盤的區別在於採用了不同的隔熱組件，在實施例二的靜電卡盤中，除隔熱組件之外的其他部件與上述實施例一中的對應的部件相同或者類似，在此不再贅述。另外，可以理解由於隔熱組件的結構不同，本實施例中隔熱組件與靜電卡盤中其他部件的連接方式將產生相應的變化，這些相應的變化將在下文一併做出說明。

如圖6所示，為本發明實施例二提供的另一種靜電卡盤的剖面圖，圖7為圖6中區域Ⅱ的局部放大圖。請一併參閱圖6和圖7，該靜電卡盤包括用於承載被加工工件13的卡盤、基座5和隔熱組件40。

隔熱組件40設置在卡盤本體14和基座5之間，隔熱組件40能夠阻止卡盤本體14的熱量向下傳播。隔熱組件40包括膨脹隔熱環41、上環板42和下環板43。其中，膨脹隔熱環41為中空的薄壁筒狀結構，其固定於上環板42和下環板43之間，且其軸線方向與上環板42和下環板43的軸線方向一致，以使膨脹隔熱環41適應於卡盤本體14和基座5因受熱而產生的形變。

上環板42和下環板43均為環形板，並且二者沿靜電卡盤的軸向方向相對設置。上環板42設置在膨脹隔熱環41的上方，下環板43設置在膨脹隔熱環41的下方。上環板42和下環板43在徑向方向上的厚度均大於膨脹隔熱環41的厚度，以便於隔熱組件40與卡盤本體14之間、以及隔熱組件40與基座5之間的密封連接。上環板42、下環板43和膨脹隔熱環41均可以採用不銹鋼或Ni-Co-Fe合金製作，以降低靜電卡盤的製造成本。

膨脹隔熱環41的上下兩端可以透過焊接方式分別和上環板42和下環板43密封固定。其中，膨脹隔熱環41可以焊接在上環板42和下環板43的環形結構的靠近側邊的位置，也可以焊接在上環板42和下環板43的環形結構的中部。本發明實施例中，膨脹隔熱環41的壁厚範圍在4～10mm；隔熱組件40的高度範圍在15～30mm。在隔熱組件40設置有上環板42和下環板43的情況下，使上環板42和下環板43的高度遠小於膨脹隔熱環41的高度，例如，使上環板42和下環板43的高度範圍分別為2～5mm，膨脹隔熱環41的高度範圍為10～28mm，以保證隔熱組件40的隔熱性能。

本實施例二中的隔熱組件40包括膨脹隔熱環41，該膨脹隔熱環41能夠根據受熱程度發生變形，因而能夠適應卡盤本體14和基座5因受熱而產生的形變，進而能夠保證隔熱組件40與其上方的卡盤本體14之間，以及與其下方的基座5之間的密封連接；而且，該膨脹隔熱環41可以減少自上向下的熱量傳遞，因此提高了隔熱組件40的隔熱性能，同時，由於減少了透過隔熱組件40向下傳遞的熱量，因而改善了靜電卡盤的加熱均勻性，並提高了靜電卡盤的加熱效率；此外，本發明實施例二中的隔熱組件40可以單獨更換，從而降低了靜電卡盤的使用成本。

同樣，可以在隔熱組件40的下方設置冷卻部件7，將基座5設置在冷卻部件7的下方，冷卻部件7用於阻隔卡盤本體14發散的熱量向下傳遞。隔熱組件40的下環板43與冷卻部件7之間可以透過真空螺釘（圖中未示出）固定連接，以將隔熱組件40固定在卡盤本體14和冷卻部件7之間。

為了進一步減少卡盤本體14向隔熱組件40傳遞的熱量，優選地，在上環板42頂端設置有第一凸台45，其上表面作為隔熱組件40與卡盤本體14密封連接的連接面，由於第一凸台45上表面的面積較小，因而，借助於第一凸台45可以減小卡盤本體14和隔熱組件40的接觸面積，進而減少卡盤本體14向隔熱組件40傳遞的熱量；同樣地，在下環板43的底部設置有第二凸台46，其下表面作為隔熱組件40與冷卻部件7密封連接的連接面，借助於第二凸台46可以減小卡盤本體14和冷卻部件7的接觸面積，進而減少隔熱組件40向冷卻部件7傳遞的熱量。透過第一凸台45和第二凸台46的設置，不僅能夠減少卡盤本體14向隔熱組件40傳遞的熱量，而且也因卡盤本體14向隔熱組件40傳遞的熱量減少而減少了隔熱組件40的熱變形，並進而減小甚至避免由於熱變形產生的熱應力。此外，第一凸台45和第二凸台46的數目可以是一個或者多個，例如，如圖7所示，下環板43的底部設置有兩個第二凸台46。其中，膨脹隔熱環41、上環板42、下環板43、第一凸台45、和第二凸台46可以透過一體加工的方式製成。

為了保證隔熱組件40與所述卡盤本體14之間以及與冷卻部件7之間的密封連接，在第一凸台45的上表面與卡盤本體14的下表面之間還設置有第一密封件48，用以對第一凸台45的上表面與卡盤本體14的下表面之間的間隙進行密封；在冷卻部件7的上表面設置有第二密封槽49，在該第二密封槽49內設置第二密封件（圖中未示出），用以對第二凸台46的下表面與冷卻部件7的上表面之間的間隙進行密封。優選地，第一密封件48和第二密封件採用金屬密封圈，以防止第一密封件48和第二密封件因卡盤的溫度過高而造成密封失效。第一密封件48和第二密封件可以採用諸如CF法蘭形式或金屬C型（U型）圈等方式。當第一凸台45的數目為多個時，可以在其中的一個的上表面設置第一密封件48，也可以針對多個第一凸台45的上表面分別設置第一密封件48，以增強密封效果，基於相同或相似的原理，可以對多個第二凸台46對應的密封進行設置。可以理解，當隔熱組件40不包括第一凸台45和第二凸台46時，可以將第一密封件48設置在上環板42的上表面，將第二密封件設置在下環板43的下表面，以同樣實現減少熱量傳遞以及實現密封的效果。

另外，為了進一步減小隔熱組件40的熱量傳導，在隔熱組件40中，且位於與第一凸台45和/或第二凸台46相對應的位置處設置有內嵌水道50。請參閱圖8，其為第一凸台45和第二凸台46包括內嵌水道50時的圖6中區域Ⅱ的局部放大圖。其中，在冷卻部件7中，且位於與內嵌水道50相對應的位置處分別設置有進水通道52和回水通道（圖中未示出）。容易理解，進水通道52和回水通道分別在內嵌水道50的不同位置處與內嵌水道50連接，進水通道52用於向內嵌水道50內通入冷卻水，回水通道用於排出進水通道52內的冷卻水，並回流至進水通道52，從而三者形成迴圈的冷卻水通道。而且，內嵌水道50和進水通道52之間透過冷卻液密封圈54實現冷卻液的密封，且內嵌水道50和回水通道之間同樣透過冷卻液密封圈（圖中未示出）實現冷卻液的密封。另外可以採用冷卻機（Chiller）對溫度進行控制，透過冷卻機的精確溫度控制，可以實現對隔熱組件40的冷卻，使得從卡盤本體14傳遞到隔熱組件40的熱量快速地被冷卻液帶走，也同時減小了隔熱組件40由於受熱產生的熱膨脹對靜電卡盤的影響，從而擴大了靜電卡盤的溫度使用範圍。

基於與上述實施例相同或相似的原理，在卡盤本體14的下表面和冷卻部件7的上表面之間具有間距，從而在隔熱組件40、卡盤本體14和冷卻部件7之間形成一封閉空間28。透過將卡盤本體14的下表面與冷卻部件7的上表面之間的間距設置為合適的距離，可以有效避免卡盤本體14的熱量傳遞，例如，可以將該間距範圍設置為5~20mm，冷卻部件7可以阻隔熱量向基座5傳遞，從而進一步提高靜電卡盤的加熱效率。

另外，在冷卻部件7中設置出氣孔31，其與封閉空間28連通，導熱氣體通過出氣孔31進入封閉空間28，並從封閉空間28進入導熱氣體通道，並通過導熱氣體通道流向卡盤本體14的上表面與被加工工件13的下表面之間，從而將卡盤本體14產生的熱量傳遞至被加工工件13，從而提高靜電卡盤的加熱效率，同時導熱氣體的引入也能夠進一步提高靜電卡盤的溫度均勻性。

另外，本發明實施例二中的靜電卡盤還包括聚焦環10和基環9，如圖6所示，在卡盤本體14的外周緣的上部設有階級面，階級面上設置有由防腐蝕材料製成的聚焦環10，聚焦環10圍繞在卡盤本體14的外側，避免卡盤本體14受到工作氣體(process gas)的腐蝕，以對卡盤本體14起到保護作用。另外，在聚焦環10和絕緣部件6之間設置有由防腐蝕材料製成的基環9，基環9自卡盤本體14上的低於卡盤本體14上表面的階級面起，沿其軸向方向向下延伸包裹住隔熱組件40和冷卻部件7，以避免卡盤本體14、隔熱組件40、以及冷卻部件7受到工作氣體的腐蝕。

需要說明的是，在實際應用中，隔熱組件中的膨脹隔熱環、支撐部件、定位單元、第一凸台、第二凸台等構件可以根據需要進行組合、而不限於本發明上述實施例中列舉的方式。

綜上所述，本發明實施例提供的靜電卡盤，其在卡盤本體14和基座5之間設置有隔熱組件40，其一，該隔熱組件40包括的環形薄壁結構的膨脹隔熱環41可以阻隔卡盤本體14產生的熱量向基座傳遞，從而可以減少熱量的損失，這不僅能夠提高靜電卡盤的加熱效率，而且能夠提高靜電卡盤的加熱均勻性；其二，由於中空的薄壁筒狀結構的膨脹隔熱環41在受熱時易於變形，因而能夠適應卡盤和基座5因受熱而產生的形變，從而可以確保靜電卡盤的密封；其三，隔熱組件40獨立於卡盤和基座5，有利於隔熱組件40的安裝和更換，從而可以降低靜電卡盤的使用成本。

作為本發明的另一個技術方案，本發明還提供一種等離子體加工設備，其包括反應腔室，在反應腔室內設置有本發明提供的上述靜電卡盤，用以採用靜電引力的方式固定被加工工件。

本發明實施例提供的等離子體加工設備，其透過採用本發明提供的上述靜電卡盤，不僅能夠提高等離子體加工設備的加熱效率和加熱均勻性，而且還能夠降低等離子體加工設備的使用成本。

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。

1．．．絕緣層

2．．．加熱器

3．．．鋁基座

4．．．隔熱層

110．．．卡盤主體

116．．．加熱元件

118．．．直流電極

130．．．平台組件

140．．．膨脹接頭

142．．．銅焊接頭

143．．．銅焊接頭

144．．．頂端

146．．．底端

148．．．安裝法蘭

154．．．絕緣環

5．．．基座

6．．．絕緣部件

7．．．冷卻部件

8．．．隔熱組件

9．．．基環

10．．．聚焦環

11．．．靜電電極

12．．．加熱單元

13．．．被加工工件

14．．．卡盤本體

15．．．密封件

16．．．密封槽

17．．．密封槽

18．．．密封槽

19．．．通孔

20．．．隔熱通道

22．．．膨脹隔熱環

23．．．支撐部件

231．．．徑向通孔

25．．．上環板

26．．．定位塊

27．．．下環板

28．．．封閉空間

29．．．進氣孔

30．．．環形通道

301．．．徑向通道

31．．．出氣孔

40．．．隔熱組件

41．．．膨脹隔熱環

42．．．上環板

43．．．下環板

45．．．第一凸台

46．．．第二凸台

48．．．第一密封件

49．．．第二密封槽

50．．．內嵌水道

52．．．進水通道

54．．．冷卻液密封圈

圖1為現有的典型的靜電卡盤的結構示意圖；圖2為現有的高溫靜電卡盤的結構示意圖；圖3a為本發明提供的靜電卡盤的剖面圖；圖3b為圖3a中區域I的局部放大圖；圖4為本發明實施例提供的靜電卡盤中隔熱組件的支撐部件的俯視圖；圖5a為本發明實施例提供的靜電卡盤中導熱氣體通道的剖面圖；圖5b為本發明實施例提供的靜電卡盤中導熱氣體通道的俯視圖；圖6為本發明實施例提供的一種靜電卡盤的結構示意圖；圖7為圖6中區域Ⅱ的局部放大圖；以及圖8為包括內嵌水道的圖6中區域Ⅱ的局部放大圖。