CN106816354B - 一种下电极和反应腔室 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种下电极和反应腔室，下电极包括静电卡盘和设置于静电卡盘下方的下电极接口盘，下电极接口盘用于安装与静电卡盘连接的元件接口，下电极接口盘包括下电极接口盘本体、下电极接口盘上设置的容纳部，下电极接口盘还包括与下电极接口盘的介电常数不同的局部介电常数调整块，容纳部用于容纳局部介电常数调整块，通过在容纳部内选择性容纳局部介电常数调整块来调整下电极接口盘的介电常数。本发明的下电极的接口盘的局部介电常数能够在一定范围内进行调整，从而改善下电极接口盘的介电常数分布，通过调整下电极接口盘的局部电容，可以调节下电极接口盘的局部射频强度，从而调节局部刻蚀或沉积速率，改善和提高晶片刻蚀或沉积时的均匀性。

Description

一种下电极和反应腔室

技术领域

本发明属于半导体制造技术领域，具体涉及一种下电极和反应腔室。

背景技术

等离子装置广泛地应用于集成电路(IC)或MEMS器件的制造工艺中，其中一个显著的用途就是电感耦合等离子体(ICP)装置。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，这些活性粒子和衬底相互作用使材料表面发生各种物理和化学反应,从而使材料表面性能获得变化。在基于半导体装置的制造中，可以将多层材料交替的沉积到衬底表面并从衬底表面刻蚀该多层材料。

静电卡盘(Electro Static Chuck简称ESC)广泛的应用于集成电路(IC)制造工艺过程中，特别是等离子刻蚀(ETCH)、物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)等工艺，用于在反应室内固定、支撑及传送晶片(Wafer)；为晶片提供直流偏压并且控制晶片表面的温度。

进入32-22纳米技术代后，高K栅介质和金属栅电极MOS器件被引入IC生产工艺，刻蚀均匀性需要进一步提高，wafer-in-wafer晶体管栅极长度的均匀性(3σ)由45nm节点时的3nm减小到32nm节点的1.56nm；栅宽CD刻蚀均匀性由光刻胶trimming和刻蚀工艺共同决定，其所允许的3σ约0.78nm，其中栅极刻蚀所导致的3σ需<0.64nm。单纯的针对静电卡盘进行温度控制，无法满足32-22纳米技术的对中心及边缘刻蚀均匀性的要求，需要引入新的技术提高刻蚀均匀性。

如图1所示，下电极1包括静电卡盘2、设置于所述静电卡盘2下方的下电极接口盘7、设置于所述下电极接口盘7下方的总基座14。静电卡盘2采用静电引力的方式承载被加工工件，例如晶片13(衬底)。典型的静电卡盘2(低温静电卡盘)主要由两部分组成：(1)绝缘层3，(2)静电卡盘本体基座4。通常在绝缘层3和静电卡盘本体基座4之间还有硅胶5，绝缘层3通过硅胶5与静电卡盘本体基座4粘接。绝缘层3目前采用陶瓷材料(Al₂O₃、AlN等)加工制造或陶瓷喷涂的形式进行制造，直流电极层通过烧结或喷涂的方式埋藏在绝缘层3中，静电卡盘2就是利用直流电极层与晶片13之间产生的静电引力达到固定晶片13的目的。静电卡盘本体基座4用来支撑绝缘层3，导入射频电源(RF)，形成RF偏压，内有冷却水道，在冷却水道内通入循环冷却液，循环冷却液的温度和流量通过冷却器(Chiller)控制，实现对静电卡盘2的温度控制，从而使得晶片13达到指定温度。静电卡盘本体基座4上也有对应的接口位置。

下电极接口盘7位于静电卡盘2之下，用于静电卡盘2的冷却液、氦气、吹扫气体等输入及输出接口安装，当然，下电极接口盘7还可以用于热传感器等电气元件、升针系统、下射频连接柱等安装，同时，下电极接口盘7也用于固定静电卡盘2。下电极接口盘7的材料包括主体材料金属和设置于所述主体材料金属外的氧化层。下电极接口盘7一般采用铝或其它金属进行加工，同时表面进行氧化处理，氧化层一般为绝缘体，因此下电极接口盘7整体表现出的电特性并非良导体，而是有一定的阻抗特性，在射频环境中，一部分射频能量会通过下电极接口盘7。由于下电极接口盘7采用单一均值的材料加工，除下电极接口盘7安装所述静电卡盘的接口6位置外各处厚度一致，因此圆周方向上各处阻抗基本一致，从而造成下电极接口盘7各处阻抗对下电极1电场的影响一样。由于下电极1电场分布与等离子体分布正相关，因此现有技术的下电极接口盘7虽能影响电场分布，却不能调节电场分布进而调节晶片13的刻蚀均匀性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种下电极和反应腔室，本发明的下电极的接口盘的局部介电常数能够在一定范围内进行调整，从而改善下电极接口盘的介电常数分布，通过调整下电极接口盘的局部电容，可以调节下电极接口盘的局部射频强度。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是提供一种下电极，下电极包括静电卡盘和设置于所述静电卡盘下方的下电极接口盘，所述下电极接口盘用于安装与所述静电卡盘连接的元件接口，所述下电极接口盘包括下电极接口盘本体、所述下电极接口盘上设置的容纳部，所述下电极接口盘还包括与所述下电极接口盘本体的介电常数不同的局部介电常数调整块，所述容纳部用于容纳所述局部介电常数调整块，通过在所述容纳部内选择性容纳所述局部介电常数调整块来调整所述下电极接口盘的介电常数。所述静电卡盘的接口部件包括冷却液的输入接口、冷却液的输出接口、氦气的输入接口、氦气的输出接口、吹扫气体的输入接口、吹扫气体的输出接口。

优选的是，所述容纳部为盲孔，所述局部介电常数调整块从所述下电极接口盘上方插入所述容纳部。

更优选的是，所述盲孔的底面为圆形、矩形、三角形中的一种或几种。

优选的是，所述容纳部为通孔，所述局部介电常数调整块设置在所述容纳部内。

更优选的是，所述容纳部的底面积小于所述局部介电常数调整块的底面积，所述局部介电常数调整块能卡在所述容纳部内；或者所述局部介电常数调整块包括卡接部，所述卡接部使得所述局部介电常数调整块卡在所述容纳部内。

优选的是，所述下电极接口盘本体的材料包括主体材料金属和设置于所述主体材料金属外的绝缘层。

优选的是，所述局部介电常数调整块的材料为陶瓷、石英、碳化硅中的一种。

优选的是，所述局部介电常数调整块的材料为陶瓷。

优选的是，所述容纳部在所述下电极接口盘上以同心圆的形式排布，使得能够容纳于所述容纳部内的所述局部介电常数调整块呈同心圆的形式排布。

优选的是，在所述下电极接口盘上由中心向外的所述容纳部的分布密度由低到高。

优选的是，在所述下电极接口盘上由中心向外的所述容纳部容纳的局部介电常数调整块的介电常数由低到高。

优选的是，所述的下电极还包括设置于所述下电极接口盘下方的铝制基座和设置于所述铝制基座下方的底座，所述铝制基座和所述底座可拆卸连接，所述下电极接口盘、所述铝制基座、所述底座形成容纳空间，该容纳空间用于容纳从所述静电卡盘的接口穿过的部件。

本发明还提供一种反应腔室，该反应腔室内设置有上述的下电极。

本发明设计一种下电极，其下电极接口盘的局部介电常数能够在一定范围内进行调整，从而改善下电极接口盘的介电常数分布，通过调整下电极接口盘的局部电容，可以调节下电极接口盘的局部射频强度，从而调节局部的刻蚀或沉积速率，改善和提高晶片刻蚀或沉积时的均匀性。

附图说明

图1是本发明背景技术中的下电极的剖面图；

图2是刻蚀设备的下电极1等效电路图；

图3是本发明实施例1中的下电极接口盘的剖面图；

图4是本发明实施例1中的下电极接口盘的剖面图；

图5是本发明实施例1中的下电极接口盘的俯视图；

图6是本发明实施例1中的下电极的剖面图。

图中：1-下电极；2-静电卡盘；3-绝缘层；4-静电卡盘本体基座；5-硅胶；6-元件接口；7-下电极接口盘；8-下电极接口盘本体；9-下电极边缘环；10-局部介电常数调整块；11-盲孔；12-通孔；13-晶片；14-总基座；15-铝制基座；16-底座。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

实施例1

如图3～6所示，本实施例提供一种下电极1，下电极1包括静电卡盘2和设置于所述静电卡盘2下方的下电极接口盘7，所述下电极接口盘7用于安装与所述静电卡盘2连接的元件接口6，所述下电极接口盘7包括下电极接口盘本体8，所述下电极接口盘7上设置的容纳部，所述下电极接口盘7还包括与所述下电极接口盘本体8的介电常数不同的局部介电常数调整块10，所述容纳部用于容纳所述局部介电常数调整块10，通过在所述容纳部内选择性容纳所述局部介电常数调整块10来调整所述下电极接口盘7的介电常数。使用下电极1时，将局部介电常数调整块10从下电极接口盘7的容纳部的开口上方插入，之后安装静电卡盘2从而固定局部介电常数调整块10。

典型的刻蚀设备的下电极1等效电路图如图2所示，在射频环境中，下电极接口盘7存在等效电容，使得射频产生一部分分路，从而消耗了一部分射频能量。下电极接口盘7的等效电容可根据平行板电容器的电容计算公式C_interface＝f(ε，s，d)计算。其中，ε为下电极接口盘7的介电常数，s为下电极接口盘7的盘口面积，_d为下电极接口盘7的厚度。由于一般下电极接口盘7的厚度是常数，故下电极接口盘7的局部电容的计算公式为：dC_interface/ds＝g(ε(s))。由此可知，调整下电极接口盘7的局部电容分布的变量只有调整相对应的下电极接口盘7的局部介电常数ε(s)。因此本实施例设计了一种下电极1，其下电极接口盘7的局部介电常数能够在一定范围内进行调整，从而改善下电极接口盘7的介电常数分布，通过调整下电极接口盘7的局部电容，可以调节下电极接口盘7的局部射频强度，从而调节局部的刻蚀速率，改善和提高晶片13刻蚀时的均匀性。当然，下电极接口盘7也可以用于物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)等工艺。

优选的是，所述容纳部为盲孔11，所述局部介电常数调整块10从所述下电极接口盘7上方插入所述容纳部。具体的本实施例中的被加工工件为晶片13，晶片13放置在静电卡盘2之上，下电极边缘环9设置在静电卡盘2和晶片13的外围。

更优选的是，所述盲孔11的底面为圆形、矩形、三角形中的一种或几种。

如图3所示，更优选的是，所述盲孔11的底面为圆形，所述盲孔11为盲圆孔。盲圆孔加工更为方便。

如图4所示，优选的是，所述容纳部为通孔12，所述局部介电常数调整块10设置在所述容纳部内。

更优选的是，所述容纳部的底面积小于所述局部介电常数调整块10的底面积，所述局部介电常数调整块10能卡在所述容纳部内；或者所述局部介电常数调整块10包括卡接部，所述卡接部使得所述局部介电常数调整块10卡在所述容纳部内。

优选的是，所述下电极接口盘7的材料为铝。本实施例所采用的接口盘材料为铝，由于表面氧化特性，整体呈现电介质特性。

优选的是，所述局部介电常数调整块10的材料为陶瓷、石英、碳化硅中的一种。当下电极接口盘7的介电常数不需要调整时，所述局部介电常数调整块10的材料也可以为铝，进行安装平衡介电常数。

优选的是，所述局部介电常数调整块10的材料为陶瓷。

优选的是，所述容纳部在所述下电极接口盘7上以同心圆的形式排布，使得能够容纳于所述容纳部内的所述局部介电常数调整块10呈同心圆的形式排布。在理想情况下硅片刻蚀速率是以同心圆的形式从中心到边缘梯度升高，因此下电极接口盘本体8的正面以同心圆的形式打入均布的盲圆孔，由于下电极接口盘7上分布有下电极接口盘7的接口，所以盲圆孔的位置需避开下电极接口盘7的静电卡盘的元件接口6。

优选的是，在所述下电极接口盘7上由中心向外的所述容纳部的分布密度由低到高。

优选的是，在所述下电极接口盘7上由中心向外的所述容纳部容纳的局部介电常数调整块10的介电常数由低到高。对于等离子体刻蚀设备，由于高介电常数情况下下电极接口盘7的局部等效电容变大，偏置电压增大，从而使得刻蚀速率降低，反之，低介电常数情况下局部刻蚀速率变低，通过调节局部刻蚀速率从而调节晶片13的刻蚀均匀性。

下电极接口盘7上的容纳部的设置根据实际设计加工能力而定，分布尽量密集，容纳部的高度根据具体工艺和局部介电常数调整块10的材料性质通过计算局部介电常数而定。例如：将陶瓷局部介电常数调整块10放入容纳部，下电极接口盘7的材料为铝，由于陶瓷的介电常数高于接口盘整体本体铝基材料表现出的介电常数，通过改变下电极接口盘7局部的介电常数，从而调节了射频的能量分布，对于等离子体刻蚀设备来说可以改善刻蚀均匀性。同时，不同材质的局部介电常数调整块10可以混搭插入容纳部，例如，对于等离子体刻蚀设备，在下电极接口盘7中心部位的容纳部中插入低介电常数材料的局部介电常数调整块10以进一步调整刻蚀速率从而整体能量分布的调节范围增大。平行板电容器电容计算公式为：C_interface＝εs/d，根据公式，相同距离平行板下，介电常数ε高的地方局部电容高，介电常数ε低的地方局部电容低，且其成线性关系，而局部电容高的地方刻蚀速率低，局部电容低的地方刻蚀速率高。实际使用下电极接口盘7时，在刻蚀速率较高对应的容纳部内放入高介电常数的局部介电常数调整块10，在刻蚀速率较低对应的容纳部内放入低介电常数的局部介电常数调整块10。根据C_interface＝εs/d，可以通过增大容纳部的深度和局部介电常数调整块10的高度进行调节。同时孔的分布密度越高，孔径越小，调节精细度越高。

具体的，本实施例中的下电极接口盘7广泛的应用于集成电路(IC)制造工艺过程中，特别是等离子刻蚀(ETCH)、物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)等工艺。

如图6所示，优选的是，所述的下电极1还包括设置于所述下电极接口盘7下方的铝制基座15和设置于所述铝制基座15下方的底座16，所述铝制基座15和所述底座16可拆卸连接，所述下电极接口盘7、所述铝制基座15、所述底座16形成容纳空间，该容纳空间用于容纳从所述静电卡盘的元件接口6穿过的部件。铝制基座15和底座16采用分离式结构，能够方便穿过静电卡盘的元件接口6的部件的安装以及静电卡盘2的拆卸。

具体的本实施例中的被加工工件为晶片13，晶片13放置在静电卡盘2之上，下电极边缘环9设置在静电卡盘2和晶片13的外围，下电极边缘环9用于限制晶片13的位置并约束射频通过区域。下电极接口盘7位于静电卡盘2之下，下电极接口盘7用于静电卡盘2的水路、气路和电气的接口连接。铝制基座15和底座16与下电极接口盘7和静电卡盘2组成了完整的密闭腔体。

铝制基座15与底座16的作用是为下电极接口盘7所安装的部件提供安装空间，此两者做成分离式的原因是可以拆掉底座16以方便从下方维护下电极接口盘7安装的各部件。铝制基座15、底座16与下电极接口盘7、静电卡盘22构成了下电极1基本结构。对于等离子刻蚀机来说，下电极1安装在等离子刻蚀机的真空腔室内，外部环境为真空环境，而所述密闭腔体内部的部件需引到刻蚀机的真空腔室外，为常规大气环境，故需要密闭。

实施例2

本实施例还提供一种反应腔室，该反应腔室内设置有实施例1中的下电极。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种下电极，包括静电卡盘和设置于所述静电卡盘下方的下电极接口盘，所述下电极接口盘用于安装与所述静电卡盘连接的元件接口，其特征在于，所述下电极接口盘包括下电极接口盘本体、所述下电极接口盘上设置的容纳部，所述下电极接口盘还包括与所述下电极接口盘本体的介电常数不同的局部介电常数调整块，所述容纳部用于容纳所述局部介电常数调整块，其中，所述容纳部的数量为多个，所述局部介电常数调整块的数量与所述容纳部的数量相同，且一一对应设置，通过调整不同所述容纳部中局部介电常数调整块的介电常数来调整所述下电极接口盘的介电常数；并且，所述容纳部为盲孔，所述局部介电常数调整块从所述下电极接口盘上方插入所述容纳部，或者，所述容纳部为通孔，所述局部介电常数调整块设置在所述容纳部内。

2.根据权利要求1所述的下电极，其特征在于，所述下电极接口盘本体的材料包括主体材料金属和设置于所述主体材料金属外的绝缘层。

3.根据权利要求1所述的下电极，其特征在于，所述局部介电常数调整块的材料为陶瓷、石英、碳化硅中的一种。

4.根据权利要求1～3任意一项所述的下电极，其特征在于，所述容纳部在所述下电极接口盘上以同心圆的形式排布。

5.根据权利要求1～3任意一项所述的下电极，其特征在于，在所述下电极接口盘上由中心向外的所述容纳部的分布密度由低到高。

6.根据权利要求1～3任意一项所述的下电极，其特征在于，在所述下电极接口盘上由中心向外的所述容纳部容纳的局部介电常数调整块的介电常数由低到高。

7.根据权利要求1～3任意一项所述的下电极，其特征在于，还包括设置于所述下电极接口盘下方的铝制基座和设置于所述铝制基座下方的底座，所述铝制基座和所述底座可拆卸连接，所述下电极接口盘、所述铝制基座、所述底座形成容纳空间，该容纳空间用于容纳与所述静电卡盘连接的元件。

8.一种反应腔室，其特征在于，该反应腔室内设置有权利要求1～7任意一项所述的下电极。