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TW201541536A - 一種等離子體處理裝置及其靜電卡盤 - Google Patents

一種等離子體處理裝置及其靜電卡盤 Download PDF

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TW201541536A TW103142797A TW103142797A TW201541536A TW 201541536 A TW201541536 A TW 201541536A TW 103142797 A TW103142797 A TW 103142797A TW 103142797 A TW103142797 A TW 103142797A TW 201541536 A TW201541536 A TW 201541536A
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Abstract

本發明提供一種等離子體處理裝置及其靜電卡盤，所述靜電卡盤包括絕緣層和設置在絕緣層下方的導熱層，所述導熱層下方設置加熱裝置，所述導熱層包括第一導熱區域和第二導熱區域，所述第二導熱區域環繞所述第一導熱區域設置，所述第一導熱區域和所述第二導熱區域所在的導熱層厚度不同，由於導熱層厚度不同，其傳導熱的速度不同，實現對靜電卡盤部分區域快速升溫或降溫，以達到與其他區域溫度均勻或具有一定溫度差的目的，本發明提供了一種分區控制靜電卡盤溫度的方案，實現了除調節加熱裝置的加熱電源外的另一種調節方案，可以與調節加熱裝置的加熱電源協同配合，實現靜電卡盤的溫度控制。

Description

一種等離子體處理裝置及其靜電卡盤
本發明涉及半導體加工工藝，更具體地說，涉及一種靜電卡盤加熱技術領域。
在等離子體刻蝕或化學氣相沉積等工藝過程中，常採用靜電卡盤(Electro Static Chuck，簡稱ESC)來固定、支撐及傳送基片(Wafer)等待加工件。靜電卡盤設置於反應腔室中，其採用靜電引力的方式，而非機械方式來固定基片，可減少對基片可能的機械損失，並且使靜電卡盤與基片完全接觸，有利於熱傳導。
現有的靜電卡盤通常包括絕緣層和加熱層，絕緣層中設有直流電極，該直流電極通電後對基片施加靜電引力；為使靜電卡盤具有足夠大的升溫速度，進而提高基片刻蝕的均勻性，絕緣層下方設置一加熱層，加熱層中設有加熱裝置，用以通過靜電卡盤加熱基片；加熱層下方設置一基座，基座上設有冷卻液流道，其注入冷卻液對靜電卡盤進行冷卻。
現有技術中，由於靜電卡盤的面積較大，在靜電卡盤快速升溫的同時，很難保證靜電卡盤各區域溫度的均一性，不同區域的溫度會有較明顯的差異甚至形成冷區和熱區，導致靜電卡盤對基片的加熱不均勻，這將對等離子體刻蝕的工藝效果帶來不良的影響。現有技術為瞭解決靜電卡盤加熱不均勻的技術問題，可以將加熱層分區控制，但在有些等離子體 處理裝置中，只將加熱層分區控制並不能完全解決靜電卡盤溫度分佈不均勻的問題。
本發明的目的在於提供一種靜電卡盤，包括一內置直流電極的絕緣層和位於絕緣層下方的導熱層，所述導熱層包括第一導熱區域和第二導熱區域，所述第二導熱區域環繞所述第一導熱區域設置，所述第一導熱區域和所述第二導熱區域所在的導熱層厚度不同。
熱區域下方設置第一加熱裝置，所述導熱層優選的，所述導熱層的第一導的第二導熱區域下方設置第二加熱裝置。
優選的，所述導熱層材質為鋁或鋁合金或氮化鋁。
優選的，所述第一導熱區域所在的導熱層厚度大於所述第二導熱區域所在的導熱層厚度。
優選的，所述第一導熱區域所在的導熱層厚度小於所述第二導熱區域所在的導熱層厚度。
優選的，所述導熱層還包括第三導熱區域，所述第三導熱區域環繞所述第二導熱區域設置，所述第三導熱區域下方設置第三加熱裝置。
優選的，所述第三導熱區域所在導熱層的厚度與所述第一導熱區域和第二導熱區域所在導熱層厚度為相同或不相同。
優選的，所述加熱裝置包括加熱絲和包裹所述加熱絲的絕緣層。
進一步的，本發明還公開了一種等離子體處理裝置，包括一真空反應腔室，所述真空反應腔室下方設置一靜電卡盤和支撐所述靜電卡 盤的基座，其特徵在於：所述靜電卡盤包括一內置直流電極的絕緣層和位於絕緣層下方的導熱層，所述導熱層包括第一導熱區域和第二導熱區域，所述第二導熱區域環繞所述第一導熱區域設置，所述第一導熱區域和所述第二導熱區域所在的導熱層厚度不同。
優選的，所述加熱裝置和所述基座之間設置金屬材料或陶瓷材料形成的支撐層。
優選的，所述的等離子體處理裝置為電容耦合型等離子體處理裝置或電感耦合型等離子體處理裝置。
本發明的優點在於：本發明提供一種等離子體處理裝置及其靜電卡盤，所述靜電卡盤包括絕緣層和設置在絕緣層下方的導熱層，所述導熱層下方設置加熱裝置，所述導熱層包括第一導熱區域和第二導熱區域，所述第二導熱區域環繞所述第一導熱區域設置，所述第一導熱區域和所述第二導熱區域所在的導熱層厚度不同，由於導熱層厚度不同，其傳導熱的速度不同，實現對靜電卡盤部分區域快速升溫或降溫，以達到與其他區域溫度均勻或具有一定溫度差的目的，本發明提供了一種分區控制靜電卡盤溫度的方案，實現了除調節加熱裝置的加熱電源外的另一種調節方案，可以與調節加熱裝置的加熱電源協同配合，實現靜電卡盤的溫度控制。
100‧‧‧反應腔
115‧‧‧冷卻液流道
120‧‧‧靜電卡盤
121‧‧‧絕緣層
122‧‧‧導熱層
1221‧‧‧第一導熱區域
1222‧‧‧第二導熱區域
123‧‧‧支撐層
124‧‧‧直流電極
125‧‧‧加熱裝置
1251‧‧‧第一加熱裝置
1252‧‧‧第二加熱裝置
130‧‧‧氣體供應裝置
140‧‧‧基片
150‧‧‧上電極
160‧‧‧等離子體
170‧‧‧射頻功率源
180‧‧‧抽氣泵
221‧‧‧絕緣層
222‧‧‧導熱層
2221‧‧‧第一導熱區域
2222‧‧‧第二導熱區域
2223‧‧‧第三導熱區域
2251‧‧‧第一加熱裝置
2252‧‧‧第二加熱裝置
2253‧‧‧第三加熱裝置
225‧‧‧加熱裝置
第1圖，為本發明等離子體反應室結構示意圖。
第2圖，為本發明所述靜電卡盤及其下方基座結構示意圖。
第3圖，為本發明另一實施例所述靜電卡盤及其下方基座結構示意圖。
下面結合附圖，對本發明的具體實施方式作進一步的詳細說明。
本發明所述的技術方案適用於電容耦合型等離子體反應室或電感耦合型等離子體反應室，以及其他使用靜電卡盤加熱待處理基片溫度的等離子體反應室。示例性的，第1圖示出本發明所述等離子體反應室結構示意圖；所述等離子體反應室為電容耦合型等離子體反應室，本領域技術人員通過本發明揭示的技術方案不經過創造性的勞動做出的變形均屬於本發明的保護範圍。
第1圖示出一種等離子體反應室結構示意圖，包括一大致為圓柱形的反應腔100，反應腔100內設置上下對應的上電極150和下電極110，上電極150連接氣體供應裝置130，上電極150同時作為反應氣體均勻進入等離子體反應腔的氣體分佈板；下電極110連接射頻功率源170，其上方支撐靜電卡盤120，靜電卡盤120用於支撐基片140。本實施例所述等離子體反應室的工作原理為，上電極150和下電極110在射頻功率的作用下對注入等離子體反應腔100的氣體進行解離，生成等離子體160，等離子體160對基片140進行物理轟擊或化學反應，實現對基片140的加工處理。反應後的副產物和未用盡的氣體通過抽氣泵180排出等離子體反應腔100。
第2圖示出本發明所述靜電卡盤及其下方基座的結構示意圖。如第2圖所示，靜電卡盤120設於基座110上方，用於承載基片140。基座110中設有冷卻液流道115，其通常用於注入冷卻液對靜電卡盤進行冷卻。靜電卡盤120包括絕緣層121和設置於絕緣層121下方的導熱層122， 絕緣層121內部埋設直流電極124，直流電極連接一直流電源(圖中未示出)，直流電源作用於直流電極124在靜電卡盤120表面產生靜電吸力，用於固定基片140。絕緣層121下方設置導熱層122，導熱層122的材料可以為金屬材料或陶瓷材料，如鋁或氧化鋁，也可以為氮化鋁等材料。本實施例中導熱層122包括第一導熱區域1221和環繞所述第一導熱區域的第二導熱區域1222，所述導熱層122下方設置加熱裝置125，所述加熱裝置125和基座110之間還包括一支撐層123，所述支撐層123的材料可以為金屬材料或陶瓷材料，其可以與導熱層材料相同，也可以不相同。真空反應腔100通過靜電卡盤120來加熱基片140，促成基片與反應腔室中的等離子體進行反應，從而實現對基片的加工製造。對應於第一導熱區域1221和第二導熱區域1222，其下方的加熱裝置125包括至少第一加熱裝置1251和第二加熱裝置1252。隨著半導體工業的發展，基片的尺寸越來越大，用於支撐固定基片140的靜電卡盤120的尺寸也越來越大，隨著靜電卡盤尺寸的變大，靜電卡盤的溫度均勻與否就成了控制刻蝕工藝能否順利進行關鍵因素。在本實施例中，將所述加熱裝置設置為獨立控制溫度的第一加熱裝置1251和第二加熱裝置1252，第二加熱裝置1252環繞所述第一加熱裝置1251設置。
由第2圖可以看出，導熱層122的第一導熱區域1221和第二導熱區域1222所在的導熱層的厚度並非完全相同，本實施例中，第一導熱區域1221的加熱層厚度大於第二導熱區域1222的加熱層厚度，相應的第二加熱裝置在垂直方向上到靜電卡盤的絕緣層121的距離小於第一加熱裝置1251到靜電卡盤絕緣層121的距離，由於導熱層122的厚度不同，其傳導由加熱裝置125產生熱量的速度不同，且由於第一加熱裝置1251和第二 加熱裝置1252的溫度可以單獨控制調節，在刻蝕工藝中，為了準確調節靜電卡盤120的溫度均勻性，除了可以通過分別設置第一加熱裝置1251和第二加熱裝置1252的溫度進行調節，還可以通過設置第一導熱區域1221導熱層和第二導熱區域1222導熱層的不同厚度來調節。通過對第一加熱裝置1251和第二加熱裝置1252的加熱功率與其上方對應的導熱層的厚度進行協同調節，有效的調節了靜電卡盤120的溫度均勻性，特別是對於一些直徑尺寸較大的靜電卡盤，具有明顯的效果。
為了便於固定加工，絕緣層121和導熱層122之間設置一層黏結層，由於黏結層厚度很小，本發明附第2圖中未予以顯示。由於導熱層122需要與絕緣層121黏結固定，保持導熱層122的上表面平坦可以更好地實現與絕緣層121的黏結。靜電卡盤120的不同加熱裝置上方對應的導熱層122的厚度不一致時，保持上表面平坦，使得上表面更好地通過黏結層與絕緣層黏結固定，由於導熱層122下表面與分區的加熱裝置相連，加熱裝置通常被導熱層122和支撐層123夾合在中間，可以方便地進行加工製作。加熱裝置125包括加熱絲和包裹在加熱絲外的絕緣材料，在某些實施例中個，加熱裝置125可以先貼合在導熱層122下表面，然後再與支撐層123連接固定。
除第2圖所示的實施例外，本發明所述的技術方案還包括其他實施方式。第3圖示出本發明另一實施例的靜電卡盤結構示意圖。在第3圖所示的實施例中，導熱層222包括第一導熱區域2221、第二導熱區域2222和第三導熱區域2223，第二導熱區域2222環繞第一導熱區域2221設置，第三導熱區域2223環繞第二導熱區域2222設置，對應的，導熱層下方的加熱 裝置225包括第一加熱裝置2251，第二加熱裝置2252和第三加熱裝置2253，上述三個加熱裝置到絕緣層221之間設置導熱層222，不同加熱裝置上方的導熱層的厚度不同。三個加熱裝置溫度可以獨立控制。在本實施例中，第一加熱裝置2251上方的導熱層厚度大於第二加熱裝置2252上方的導熱層厚度，第二加熱裝置2252上方的導熱層厚度大於第三加熱區上方的導熱層厚度。由於等離子體反應腔內進行的處理工藝各不相同，靜電卡盤上的溫度分佈受等離子體反應腔內其他參數的影響不盡相同，因此靜電卡盤的導熱層222厚度的設置可以不同於上述實施例。在某些實施例中，可以設置中心區域的加熱裝置上方的導熱層的厚度小於邊緣區域的導熱層厚度。具體情況根據等離子體反應腔內的情況具體設置，不能局限於上述實施例，本實施例的其他部件標示同上述實施例，為區別於上述實施例，將1xx標示為2xx，具體工作原理同上，在此不再贅述。
本發明所述的導熱層可以為鋁或者鋁合金，也可以為其他熱的良導體材料，或者為氮化鋁等材料。利用導熱層的厚度不同，傳熱速度不同，實現靜電卡盤的溫度均勻調節，為靜電卡盤的溫度調節增加了除調節加熱裝置的加熱電源以外的新的途徑。可以協調配合對靜電卡盤的溫度進行調節。為了實現靜電卡盤的溫度均勻調節，每個加熱裝置附近設置一測溫元件(圖中未示出)，所述若干測溫元件連接一溫度控制系統(圖中未示出)，由溫度控制系統統一進行調節控制，實現調節靜電卡盤溫度均勻的目的。
根據本發明上述實施例提供的等離子體處理裝置，在使靜電卡盤快速升溫的同時，有效保證其各區域溫度的均一性，從而使基片各區 域溫度均一，有利於等離子體處理工藝的進行，提高了基片的加工合格率。
以上所述的僅為本發明的優選實施例，所述實施例並非用以限制本發明的專利保護範圍，因此凡是運用本發明的說明書及附圖內容所作的等同結構變化，同理均應包含在本發明的保護範圍內。
100‧‧‧真空反應腔
110‧‧‧基座
120‧‧‧靜電卡盤
130‧‧‧氣體供應裝置
140‧‧‧固定基片
150‧‧‧上電極
160‧‧‧等離子體
170‧‧‧射頻功率源
180‧‧‧抽氣泵

Claims (11)

  1. 一種靜電卡盤，其特徵在於：所述靜電卡盤包括一內置直流電極的絕緣層和位於絕緣層下方的導熱層，所述導熱層包括第一導熱區域和第二導熱區域，所述第二導熱區域環繞所述第一導熱區域設置，所述第一導熱區域和所述第二導熱區域所在的導熱層厚度不同。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之靜電卡盤，其特徵在於：所述導熱層的第一導熱區域下方設置第一加熱裝置，所述導熱層的第二導熱區域下方設置第二加熱裝置。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之靜電卡盤，其特徵在於：所述導熱層材質為鋁或鋁合金或氮化鋁。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之靜電卡盤，其特徵在於：所述第一導熱區域所在的導熱層厚度大於所述第二導熱區域所在的導熱層厚度。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之靜電卡盤，其特徵在於：所述第一導熱區域所在的導熱層厚度小於所述第二導熱區域所在的導熱層厚度。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之靜電卡盤，其特徵在於：所述導熱層還包括第三導熱區域，所述第三導熱區域環繞所述第二導熱區域設置，所述第三導熱區域下方設置第三加熱裝置。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之靜電卡盤，其特徵在於：所述第三導熱區域所在導熱層的厚度與所述第一導熱區域和第二導熱區域所在導熱層厚度為相同或不相同。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之靜電卡盤，其特徵在於：所述加熱裝置包括加熱絲和包裹所述加熱絲的絕緣層。
  9. 一種等離子體處理裝置，其特徵在於：包括一反應腔室，所述反應腔室下方設置一靜電卡盤和支撐所述靜電卡盤的基座，其特徵在於：所述靜電卡盤包括一內置直流電極的絕緣層和位於絕緣層下方的導熱層，所述導熱層包括第一導熱區域和第二導熱區域，所述第二導熱區域環繞所述第一導熱區域設置，所述第一導熱區域和所述第二導熱區域所在的導熱層厚度不同。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之等離子體處理裝置，其特徵在於：所述加熱裝置和所述基座之間設置金屬材料或陶瓷材料形成的支撐層。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之等離子體處理裝置，其特徵在於：所述的等離子體處理裝置為電容耦合型等離子體處理裝置或電感耦合型等離子體處理裝置。
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