静电夹盘及其所在的等离子体处理装置.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910079596.1 (22)申请日 2019.01.28 (71)申请人 中微半导体设备 （上海） 股份有限公 司 地址 201201 上海市浦东新区金桥出口加 工区 （南区） 泰华路188号 (72)发明人 倪图强梁洁涂乐义 (74)专利代理机构 上海元好知识产权代理有限 公司 31323 代理人 徐雯琼刘琰 (51)Int.Cl. H01J 37/32(2006.01) H01L 21/683(2006.01) (54)发明名称 一种静电夹盘及其所在的等离子体处理装。

2、 置 (57)摘要 本发明公开了一种静电夹盘及其所在的等 离子体处理装置， 本发明所述的静电夹盘包括一 基座及设置在所述基座上方的静电夹层， 贯穿所 述静电夹盘设置若干升举顶针组件， 所述组件包 括升举顶针、 顶针夹持件和升举顶针通道， 所述 顶针夹持件设置在所述升举顶针通道远离所述 基片的一端， 用于带动所述升举顶针在所述通道 内上下移动， 并在上下移动过程中始终位于所述 基座下方。 为了降低高功率可能引发的容纳升举 顶针通道内部的电弧放电现象， 本发明将顶针夹 持件设置在升举顶针通道的外部， 使得升举顶针 通道内只需容纳升举顶针， 进一步减小升举顶针 通道的尺寸， 以在不产生点火现象的前提。

3、下尽量 提高静电夹盘的工作温度适应能力。 权利要求书1页 说明书5页 附图3页 CN 111489950 A 2020.08.04 CN 111489950 A 1.一种静电夹盘， 包括一基座及设置在所述基座上方的静电夹层， 所述静电夹盘用于 在工艺制程中实现对基片的支撑和固定， 其特征在于： 贯穿所述静电夹盘设置若干升举顶 针组件， 所述组件包括升举顶针、 顶针夹持件和升举顶针通道， 所述顶针夹持件设置在所述 升举顶针通道远离所述基片的一端， 用于带动所述升举顶针在所述升举顶针通道内上下移 动， 并在上下移动过程中始终位于所述基座下方。 2.如权利要求1所述的静电夹盘， 其特征在于： 所述升。

4、举顶针组件包括一顶针保护套， 所述升举顶针保护套设置在所述升举顶针通道的内壁。 3.如权利要求2所述的静电夹盘， 其特征在于： 所述升举顶针在上下移动过程中， 所述 升举顶针的侧壁与所述顶针保护套之间的距离大于等于0.01mm。 4.如权利要求1所述的静电夹盘， 其特征在于： 所述静电夹盘的工作温差大于20。 5.如权利要求1所述的静电夹盘， 其特征在于： 所述静电夹盘的工作温差大于50。 6.如权利要求1所述的静电夹盘， 其特征在于： 所述静电夹盘包括一中心， 所述升举顶 针组件与所述中心之间的距离小于等于第一距离， 所述第一距离与所述静电夹盘的热膨胀 系数和所述静电夹盘的工作温差成反比。 。

5、7.如权利要求6所述的静电夹盘， 其特征在于： 所述升举顶针组件到所述静电夹盘中心 的距离小于等于50mm。 8.如权利要求6所述的静电夹盘， 其特征在于： 所述升举顶针组件到所述静电夹盘中心 的距离小于等于30mm。 9.如权利要求2所述的静电夹盘， 其特征在于： 所述升举顶针通道包括所述静电夹层对 应的通道和所述基座对应的通道， 所述顶针保护套设置在所述基座对应的通道的内壁。 10.如权利要求9所述的静电夹盘， 其特征在于： 所述静电夹层对应的通道的开口尺寸 大于所述顶针保护套的内径， 小于所述顶针保护套的外径。 11.如权利要求9所述的静电夹盘， 其特征在于： 所述顶针保护套靠近所述静电。

6、夹层的 一端外侧设置一绝缘环。 12.一种等离子体处理装置， 其特征在于， 包括一反应腔， 所述反应腔内设置一如权利 要求1-11任一项所述的静电夹盘。 权利要求书 1/1 页 2 CN 111489950 A 2 一种静电夹盘及其所在的等离子体处理装置 技术领域 0001 本发明涉及等离子体刻蚀技术领域， 尤其涉及一种在高射频功率下防止静电夹盘 内产生电弧的等离子体处理技术领域。 背景技术 0002 对半导体基片或衬底的微加工是一种众所周知的技术， 可以用来制造例如， 半导 体、 平板显示器、 发光二极管(LED)、 太阳能电池等。 微加工制造的一个重要步骤为等离子体 处理工艺步骤， 该工艺。

7、步骤在一反应室内部进行， 工艺气体被输入至该反应室内。 射频源被 电感和/或电容耦合至反应室内部来激励工艺气体， 以形成和保持等离子体。 在反应室内 部， 暴露的基片被静电夹盘ESC支撑， 并通过某种夹持力被固定在一固定的位置， 以保证工 艺制程中基片的安全性及加工的高合格率。 0003 为了满足工艺要求， 不仅需要对工序处理过程进行严格地控制， 还会涉及到半导 体基片的装载和去夹持。 半导体基片的装载和去夹持是半导体基片处理的关键步骤， 通过 在静电夹盘内部设置若干升举顶针组件， 当工艺制成结束后， 利用升举顶针的支撑力实现 基片与静电夹盘的分离和托举， 位于反应腔外部的机械手探入基片和静电。

8、夹盘之间， 实现 对基片的卸载。 0004 在对基片进行制程工艺过程中， 静电夹盘除了用于支撑固定基片， 还用于对基片 的温度进行控制， 随着基片的加工精度越来越高， 对静电夹盘的温度均匀性控制要求也越 来越高。 随着3D存储技术的发展， 刻蚀工艺需要更高的晶圆温度以及更高的射频功率。 高温 高功率容易导致升举顶针组件内部发生电弧作用， 严重的电弧作用会诱发电弧损伤， 甚至 导致静电夹盘的永久性破坏。 0005 因此， 亟需提供一种升举顶针组件以适应反应腔内不断提高的温度和射频功率以 及基片处理均匀性间的要求。 发明内容 0006 为了解决上述技术问题， 本发明提供一种静电夹盘， 包括一基座及。

9、设置在所述基 座上方的静电夹层， 所述静电夹盘用于在工艺制程中实现对基片的支撑和固定， 贯穿所述 静电夹盘设置若干升举顶针组件， 所述组件包括升举顶针、 顶针夹持件和升举顶针通道， 所 述顶针夹持件设置在所述升举顶针通道远离所述基片的一端， 用于带动所述升举顶针在所 述升举顶针通道内上下移动， 并在上下移动过程中始终位于所述基座下方。 0007 进一步的， 所述升举顶针组件包括一顶针保护套， 所述升举顶针保护套设置在所 述升举顶针通道的内壁。 0008 进一步的， 所述升举顶针在上下移动过程中， 所述升举顶针的侧壁与所述顶针保 护套之间的距离大于等于0.01mm。 0009 进一步的， 所述静。

10、电夹盘的工作温差大于20。 0010 进一步的， 所述静电夹盘的工作温差大于50。 说明书 1/5 页 3 CN 111489950 A 3 0011 进一步的， 所述静电夹盘包括一中心， 所述升举顶针组件与所述中心之间的距离 小于等于第一距离， 所述第一距离与所述静电夹盘的热膨胀系数和所述静电夹盘的工作温 差成反比。 0012 进一步的， 所述升举顶针组件到所述静电夹盘中心的距离小于等于50mm。 0013 进一步的， 所述升举顶针组件到所述静电夹盘中心的距离小于等于30mm。 0014 进一步的， 所述升举顶针通道包括所述静电夹层对应的通道和所述基座对应的通 道， 所述顶针保护套设置在所述。

11、基座对应的通道的内壁。 0015 进一步的， 所述静电夹层对应的通道的开口尺寸大于所述顶针保护套的内径， 小 于所述顶针保护套的外径。 0016 进一步的， 所述顶针保护套靠近所述静电夹层的一端外侧设置一绝缘环。 0017 进一步的， 本发明还公开了一种等离子体处理装置， 包括一反应腔， 所述反应腔内 设置所述的静电夹盘。 附图说明 0018 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案， 下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍， 显而易见地， 下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例， 对于本领域普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动的前提下， 还可以 根据这些。

12、附图获得其他的附实施例。 0019 图1示出一种等离子体处理装置结构示意图； 0020 图2和图3示出一种静电夹盘的结构示意图； 0021 图4示出一种静电夹盘受热偏移后的结构示意图； 0022 图5示出静电夹盘上不同位置设置升举顶针组件的俯视示意图； 0023 图6示出另一种实施例的静电夹盘的结构示意图。 具体实施方式 0024 为使本发明实施例的目的、 技术方案和优点更加清楚， 下面将结合本发明实施例 中的附图， 对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完整地描述， 显然， 所描述的实施例是 本发明一部分实施例， 而不是全部的实施例。 基于本发明中的实施例， 本领域普通技术人员 在没有做出创。

13、造性劳动前提下所获得的所有其他实施例， 都属于本发明保护的范围。 0025 图1示出一种等离子体处理装置， 包括一由外壁155围成的可抽真空的反应腔100。 反应腔100用于对基片进行处理。 一静电夹盘(ESC)130设置在所述反应腔的底部， 用于支撑 并固定基片150。 一气体注入装置120将反应气体注入反应腔100， 反应气体在射频功率源 160的激励下解离为等离子体并保持， 实现对基片的等离子体处理。 真空泵170可以对反应 腔抽真空， 以保证等离子体在真空环境中对基片进行处理。 0026 在对基片的处理工艺过程中， 等离子体对基片的轰击会造成基片发热， 温度上升， 为了保证基片不同区域。

14、温度的均匀性和工艺处理的稳定性， 需要在静电夹盘上设置对基片 温度进行均匀冷却的设计， 目前业内常规的做法为向基片背面输送冷却气体， 例如为氦气， 利用该冷却气体在基片背面的均匀扩散， 实现对基片的均匀降温。 冷却气体主要通过静电 夹盘内设置的冷却气体通道140进行输送， 冷却气体到达基片背面后在基片与静电夹层之 说明书 2/5 页 4 CN 111489950 A 4 间扩散， 实现对基片的均匀冷却。 除此之外， 冷却气体还通过升举顶针组件110进行输送。 0027 图2和图3示出本发明所述的静电夹盘的结构示意图， 详细描述了升举顶针组件 110的结构。 升举顶针组件110包括升举顶针115。

15、和升举顶针通道116， 升举顶针通道116远离 基片的一端设置一顶针夹持件114， 顶针夹持件114用于夹紧升举顶针115并在驱动装置的 驱动下带动升举顶针上下移动。 升举顶针通道116内壁设置顶针保护套112， 用于实现升举 顶针115与基座134的有效隔离。 如图3所示， 升举顶针的作用是在完成基片的制程工艺后， 利用升举顶针的托举实现基片150与静电夹盘130的分离， 并将基片150托举到一定高度后， 由反应腔外部的机械手臂接管基片， 实现基片自反应腔的卸载。 0028 随着集成电路行业的不断发展， 半导体基片处理的精度要求越来越高， 为了提高 处理精度， 施加到反应腔内的射频功率源的功。

16、率不断增大。 为了保证对基片的冷却效果， 升 举顶针通道要输送一定压力的冷却气体， 随着施加到反应腔内的射频功率的增大， 升举顶 针通道内冷却气体被点燃成为等离子体的危险性也会变大， 冷却气体被点燃成为等离子体 的现象又成为电弧放电现象。 冷却气体在升举顶针通道内电弧放电会损坏反应腔内部件， 引发一系列危险后果， 因此需要绝对避免。 0029 升举顶针为了能实现对基片的托举需要有一定的机械强度和稳定性能， 因此升举 顶针不能过于纤细， 且与顶针保护套112之间要保证一定的间隙， 这导致升举顶针通道116 尺寸不能过小。 研究发现， 冷却气体发生电弧放电现象与冷却气体所处容器的尺寸以及容 器内的。

17、气体压力有关， 容器尺寸越大， 或者容器内气体压力越大， 气体越容易发生电弧放电 现象。 为了避免发生电弧放电现象， 应该尽量控制升举顶针通道116的尺寸。 0030 在图2公开的静电夹盘结构示意图中， 顶针夹持件114设置在升举顶针通道116远 离基片的一端， 位于基座134下方， 在驱动升举顶针115上下移动的过程中， 顶针夹持件114 始终位于升举顶针通道116的外部， 在基座下表面下方移动。 本发明通过将顶针夹持件设置 到升举顶针通道116的外部， 使得升举顶针通道116内只需要容纳升举顶针115， 可以进一步 减小升举顶针通道116的开口尺寸。 然而由于静电夹盘在工作过程中温度会发生。

18、较大变化， 随着静电夹盘温度的变化， 基座受热膨胀会使得升举顶针通道116沿着径向方向向外移动， 而升举顶针本身由于部分静电夹盘热接触仍处于低温状态， 所以顶针位置保持不变。 这会 导致出现如图4所示的现象发生， 升举顶针通道116内靠近静电夹盘边缘一侧的顶针保护套 与升举顶针之间的距离大于靠近静电夹盘中心一侧的升举保护套与升举顶针之间的距离。 靠近静电夹盘边缘一侧的顶针保护套与升举顶针之间的距离增大会大大缩小冷却气体的 压力适用范围。 除此之外， 当静电夹盘的温差超过一定数值， 顶针保护套向外横向位移过 大， 会发生与升举顶针的贴合挤压， 使得升举顶针无法顺利上下移动， 造成部件工作失灵。 。

19、0031 为解决上述问题， 本发明设计将升举顶针组件向静电夹盘中心移动。 在本实施例 中， 基座134的材质为铝， 热膨胀系数为-23.6*10-6/， 静电夹层132的材质为陶瓷， 热膨胀 系数为-7.9*10-6/。 本实施例中选择顶针孔径为2.2毫米(mm)， 顶针外径为2.0毫米(mm)。 图5示出逐渐将升举顶针组件向静电夹盘中心移动的示意图， 表1示出当升举顶针组件在图 5所示的不同位置时， 升举顶针通道116在不同温度下的偏移尺寸， 其中Z为静电夹盘受热 膨胀时顶针保护套向外偏移的尺寸，“通道两侧尺寸” 指顶针保护套向外偏移后升举顶针通 道116内靠近静电夹盘边缘一侧的顶针保护套与。

20、升举顶针之间的距离和靠近静电夹盘中心 一侧的升举保护套与升举顶针之间的距离。 说明书 3/5 页 5 CN 111489950 A 5 0032 表1 0033 0034 由表1可知， 当静电夹盘温度在20常温条件下， 无论升举顶针位于静电夹盘的何 处， 顶针保护套都不会向外发生偏移。 但在80度时， 升举顶针在距离静电夹盘中心90mm和 70mm的(A1， B1,C1)(A2， B2,C2)处都会发生由于顶针保护套偏移尺寸过大导致无法使用的 情况发生。 由表1中的数据规律可知， 升举顶针组件越靠近静电夹盘中心位置， 热膨胀效应 对升举顶针通道116偏移的影响越小， 升举顶针组件越能适应更高温。

21、度的静电夹盘工作条 件。 0035 本发明人发现， Z与静电夹盘的热膨胀系数、 顶针通道到静电夹盘中心的距离以 及静电夹盘的工作温差均成正比。 在静电夹盘的热膨胀系数一定的情况下， 为了适应不断 提高的静电夹盘温度， 需要减小顶针通道到静电夹盘中心的距离。 在实际工作中， 当升举顶 针与顶针保护套之间的距离小于0.01mm时， 升举顶针即面临被挤压不能正常工作的危险， 因此升举顶针与顶针保护套之间的距离需要大于等于0.01mm。 0036 当设计升举顶针组件到静电夹盘中心的距离时， 需要考虑静电夹盘可能需要的最 高温度， 对于需要应付较高工作温度的静电夹盘， 升举顶针组件需要设置在离静电夹盘中。

22、 心较近的位置。 0037 根据计算通道偏移量Z的公式， 0038 Z *Z*(T-T0) 0039 其中， 为静电夹盘的热膨胀系数， Z为升举顶针组件到静电夹盘中心的距离， T为 静电夹盘工作的工作温度， T0为静电夹盘工作的常温温度。 当静电夹盘的工作温度高于常 温温度时， 静电夹盘有向外膨胀的趋势， 此时升举顶针通道向外倾斜； 当静电夹盘的工作温 度低于常温温度时， 静电夹盘有向内收缩的趋势， 此时升举顶针通道向内倾斜。 在确定Z的 数值时， 先确定升举顶针的尺寸b和容纳升举顶针通道的尺寸a， 为了满足升举顶针与顶针 保护套之间的距离大于等于0.01mm， 0040 |1/2(a-b)-。

23、Z|0.01 0041 然后再根据T-T0的数值确定Z的数值。 0042 本发明公开的静电夹盘尤其适用于需要工作在较高温度和施加较大功率的等离 子体处理装置内。 为了降低高功率可能引发的容纳升举顶针通道内部的电弧放电现象， 本 发明将顶针夹持件设置在升举顶针通道116的外部， 使得升举顶针通道内只需容纳升举顶 针， 进一步减小升举顶针通道的尺寸。 同时为了满足静电夹盘工作温差较大的需求， 本发明 说明书 4/5 页 6 CN 111489950 A 6 将若干升举顶针组件整体向静电夹盘的中心移动， 减小升举顶针通道到静电夹盘中心的距 离， 以在不产生点火现象的前提下尽量提高静电夹盘的工作温度适。

24、应能力。 0043 图6示出另一种实施例的静电夹盘结构示意图。 在该实施例中， 升举顶针组件包括 升举顶针215和升举顶针通道216和217， 其中基座234对应的为升举顶针通道216， 静电夹层 232对应的为升举顶针通道217。 升举顶针通道216远离基片的一端设置一顶针夹持件214， 顶针夹持件214用于夹紧升举顶针215并在驱动装置的驱动下带动升举顶针上下移动。 升举 顶针通道216内壁设置顶针保护套212， 用于实现升举顶针215与基座234的有效隔离。 由于 静电夹层为绝缘材料， 因此升举顶针通道217内部无需设置顶针保护套。 由于移除基片后反 应腔100内存在用于清洁的等离子体，。

25、 为避免等离子体与基座中的金属接触， 本实施例在顶 针保护套212靠近静电夹层232的一端外侧设置一圈绝缘环213。 升举顶针通道216的开口小 于顶针保护套212的开口， 使得静电夹层232部分覆盖顶针保护套212的上端面， 以避免清洁 等离子体与基座中的金属接触。 静电夹层232和基座234之间还设置一粘结层233。 0044 图6所示的实施例将升举顶针通道设置为两部分， 其中， 在基座234对应的升举顶 针通道侧壁设置顶针保护套212， 而在静电夹层对应的升举顶针通道侧壁不设置顶针保护 套， 避免了由于基座和静电夹层的材料不同， 热膨胀系数存在差异， 当静电夹盘的温度升高 时， 基座和静。

26、电夹层对应的顶针保护罩上受到的横向应力不相同， 可能诱发的顶针保护罩 的损伤。 0045 尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍， 但应当认识到上述的 描述不应被认为是对本发明的限制。 在本领域技术人员阅读了上述内容后， 对于本发明的 多种修改和替代都将是显而易见的。 因此， 本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。 说明书 5/5 页 7 CN 111489950 A 7 图1 图2 说明书附图 1/3 页 8 CN 111489950 A 8 图3 图4 说明书附图 2/3 页 9 CN 111489950 A 9 图5 图6 说明书附图 3/3 页 10 CN 111489950 A 10 。