静电卡盘以及等离子体加工设备的制作方法与工艺

本发明涉及半导体设备制造领域，具体地，涉及一种静电卡盘以及等离子体加工设备。

背景技术：
在制造集成电路（IC）和微机电系统（MEMS）的工艺过程中，特别是在实施等离子刻蚀（ETCH）、物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）等的工艺过程中，常使用静电卡盘来固定、支撑及加热晶片等被加工工件，为晶片提供直流偏压并且控制晶片表面的温度。图1为典型的静电卡盘的结构示意图。如图1所示，静电卡盘包括由上至下依次叠置的绝缘层1、加热器2和铝基座3。其中，绝缘层1采用AL2O3或ALN等陶瓷材料制成，并且在绝缘层1中设置有直流电极层（图中未示出），直流电极层与直流电源电连接后在直流电极层与晶片之间产生静电引力，从而将晶片等被加工工件固定在绝缘层1的顶部；加热器2用于对晶片等被加工工件进行加热；铝基座3与射频电源连接，用以在晶片等被加工工件上生成射频偏压。此外，在加热器2与铝基座3之间还设置有隔热层4，隔热层4采用硅橡胶等具有良好隔热性能的材料制成，以阻挡由加热器2产生的热量向铝基座3传导，从而可以减少加热器2的热量损失，进而提高静电卡盘的加热效率。而且，在隔热层4与加热器2之间以及隔热层4与铝基座3之间分别设置有密封剂，利用密封剂分别对隔热层4与加热器2之间的间隙和隔热层4与铝基座3之间的间隙进行密封，从而防止空气自该间隙进入晶片所在的真空环境。上述静电卡盘是借助隔热层4来实现加热器2与铝基座3之间的隔热，这在实际应用中不可避免地存在以下问题：其一，由于加热器2、隔热层4和铝基座3紧密地叠置在一起，隔热层4很难完全阻隔加热器2产生的热量向铝基座3传导，并且加热器2的加热温度越高，隔热层4的隔热效果越差，从而降低了静电卡盘的加热效率。其二，由于静电卡盘采用密封剂来分别对隔热层4与加热器2之间的间隙和隔热层4与铝基座3之间的间隙进行密封，而密封剂的密封作用在高温环境下将会失效，导致空气自该间隙进入晶片所在的真空环境，从而影响工艺的正常进行。其三，由于加热器2、隔热层4和铝基座3的热膨胀系数不同，三者在加热过程中产生的热膨胀的差异将会破坏密封剂的密封效果，导致空气自该间隙进入晶片所在的真空环境，从而影响工艺的正常进行。为此，公开号为CN102105253A的中国专利申请公开了一种高温静电卡盘，如图2所示，静电卡盘包括卡盘主体110和平台组件130。其中，卡盘主体110设置于平台组件130的上方，其包括设置在其内部的直流电极118和加热元件116，直流电极118用于以静电引力的方式将晶片固定在卡盘主体110的顶部；加热元件116用于加热晶片。而且，在卡盘主体110与平台组件130之间设置有膨胀接头140、环状绝缘环154和安装法兰148。其中，环状绝缘环154借助安装法兰148与平台组件130固定连接，用以支撑卡盘主体110；膨胀接头140为薄壁环状结构，并且膨胀接头140的外环侧壁紧靠环状绝缘环154的内环侧壁设置。而且，膨胀接头140的上端144借助铜焊接头142与卡盘主体110焊接在一起，膨胀接头140的下端146借助铜焊接头143与安装法兰148焊接在一起，以对环状绝缘环154与卡盘主体110之间的间隙和环状绝缘环154与安装法兰148之间的间隙进行密封。此外，膨胀接头140采用膨胀系数介于卡盘主体110和平台组件130的膨胀系数的中间值的材料制作，以适应卡盘主体110和平台组件130的热膨胀的差异。虽然上述静电卡盘采用膨胀接头140可以适应卡盘主体110和平台组件130之间的热膨胀的差异，但是，上述静电卡盘在实际应用中存在以下问题，即：由于膨胀接头140无法单独支撑卡盘主体110，因而必须借助绝缘环154支撑卡盘主体110，然而，由于加热元件116产生的一部分热量会向绝缘环154传导，导致加热元件16的热量损耗增加，从而降低了静电卡盘的加热效率。而且，由于绝缘环154仅与卡盘主体110底部的边缘区域接触，导致卡盘主体110的边缘区域的热量损耗速率大于中心区域的热量损耗速率，这使得卡盘主体110的温度不均匀，从而使晶片的温度不均匀，进而降低了加工的质量。

技术实现要素：
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种静电卡盘以及等离子体加工设备，其可以彻底解决卡盘的隔热问题，从而可以提高静电卡盘的加热效率和加热均匀性。为实现本发明的目的而提供一种静电卡盘，包括用于承载被加工工件的卡盘和基座，所述卡盘包括卡盘本体、设置在所述卡盘本体内的静电电极和加热单元，所述静电电极与直流电源连接，用以采用静电引力的方式将被加工工件固定在所述卡盘上；所述加热单元用于加热所述被加工工件；所述基座设置在所述卡盘本体的下方，用以支撑和固定所述卡盘本体；在所述卡盘本体和基座之间设置有隔热组件，所述隔热组件包括膨胀隔热环和冷却单元，其中所述膨胀隔热环为闭合的薄壁结构件，其上、下两端分别与所述卡盘本体和基座密封接触；所述冷却单元用于冷却所述膨胀隔热环。其中，在所述膨胀隔热环的上端形成有上环形凸台，并且在所述上环形凸台的上表面与所述卡盘本体的下表面之间设置有第一密封件，用以对二者之间的间隙进行密封。其中，在所述膨胀隔热环的下端形成有下环形凸台，并且在所述下环形凸台的下表面与所述基座的上表面之间设置有第二密封件，用以对二者之间的间隙进行密封；或者所述膨胀隔热环的下端与所述基座的上表面采用焊接的方式进行密封。其中，所述冷却单元包括冷却媒介源和冷却环，其中所述冷却环位于所述卡盘本体与基座之间，且环绕在所述膨胀隔热环的内侧或外侧设置，并且在所述冷却环内设置有环形的冷却通道；所述冷却媒介源用于向所述冷却通道内通入冷却媒介。其中，所述冷却媒介包括冷却液体或者冷却气体。其中，在所述基座与所述卡盘本体之间设置有冷却板，用以阻隔由所述卡盘本体产生的热量朝向所述基座辐射；并且所述膨胀隔热环位于所述卡盘本体与冷却板之间，且其上、下两端分别与所述卡盘本体和冷却板密封接触，并且所述膨胀隔热环、所述卡盘本体和所述冷却板之间形成一封闭空间。其中，所述冷却环的下表面叠置在所述冷却板的上表面上，并且在所述冷却环的下表面上形成有与所述冷却通道连通的入口和出口；在所述冷却板内分别设置有第一通道和第二通道，所述第一通道和第二通道的上端位于所述冷却板的上表面，且分别与所述入口和出口连接；所述第一通道和第二通道的下端位于所述冷却板的下表面，且与所述冷却媒介源连接；并且在所述冷却环的下表面与所述冷却板的上表面之间设置有第三密封件，用以对所述第一通道和第二通道分别与所述入口和出口连接的连接处进行密封。其中，在所述卡盘本体与冷却板之间设置有支撑环，用以支撑所述卡盘本体；并且，所述支撑环与所述膨胀隔热环间隔嵌套设置，且所述支撑环的外径小于所述膨胀隔热环的内径。其中，所述支撑环的数量为一个或多个，且多个所述支撑环的内径不同，并间隔嵌套设置。其中，所述支撑环的数量为一个，且将所述密封空间分隔为分别对应于所述卡盘本体下表面的中心区域和边缘区域的第一子空间和第二子空间。其中，在所述冷却板的上表面上，且分别位于所述第一子空间和第二子空间内设置有贯穿所述冷却板厚度的第一出气孔和第二出气孔，导热气体通过所述第一出气孔和第二出气孔分别进入所述第一子空间和第二子空间内；并且，在所述卡盘本体内分别设置有中心导热通道和边缘导热通道，其中，所述中心导热通道的下端与所述第一子空间连通，所述中心导热通道的上端所述卡盘本体上表面的中心区域连通；所述边缘导热通道的下端与所述第二子空间连通，所述边缘导热通道的上端与所述卡盘本体上表面的边缘区域连通。其中，所述支撑环采用不锈钢或Ni-Co-Fe合金制作。其中，所述膨胀隔热环采用不锈钢或Ni-Co-Fe合金制作。作为另一个技术方案，本发明还提供一种等离子体加工设备，其包括反应腔室，在所述反应腔室内设置有静电卡盘，用以采用静电引力的方式固定被加工工件，所述静电卡盘采用了本发明提供的上述静电卡盘。本发明具有以下有益效果：本发明提供的静电卡盘，其在卡盘和基座之间设置有隔热组件，该隔热组件包括膨胀隔热环和冷却单元。由于膨胀隔热环为闭合的薄壁结构件，其可以阻隔卡盘产生的热量向基座传递，从而可以减少卡盘的热量的损失，这不仅可以提高静电卡盘的加热效率，而且可以提高静电卡盘的加热均匀性。另外，由于环形薄壁结构的膨胀隔热环在受热时易于变形，其能够随着卡盘和基座的热位移而移动，这可以确保隔热组件的密封性能，从而可以使静电卡盘保持密封。此外，借助冷却单元冷却膨胀隔热环，可以进一步阻隔卡盘产生的热量向基座传递，从而可以彻底解决卡盘的隔热问题，进而可以提高静电卡盘的加热效率和加热均匀性。作为本发明的另一个技术方案，本发明还提供一种等离子体加工设备，其通过采用本发明提供的上述静电卡盘，可以提高等离子体加工设备的加热效率和加热均匀性。附图说明图1为典型的静电卡盘的结构示意图；图2为现有的高温静电卡盘的结构示意图；图3A为本发明实施例提供的静电卡盘的剖视图；图3B为图3A中静电卡盘的局部放大图；以及图3C为图3A中卡盘的俯视图。具体实施方式为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明提供的静电卡盘以及等离子体加工设备进行详细描述。图3A为本发明实施例提供的静电卡盘的剖视图。图3B为图3A中静电卡盘的局部放大图。请一并参阅图3A和图3B，静电卡盘包括用于承载被加工工件13的卡盘、基座5、冷却板7和隔热组件8。其中，卡盘包括卡盘本体14、设置在卡盘本体14内的静电电极11和加热单元12。静电电极11与直流电源（图中未示出）连接，直流电源向静电电极11提供能量，以采用静电吸附的方式将被加工工件13固定在卡盘本体14的上表面，在实际应用中，卡盘本体14采用陶瓷材料制造，如氮化铝等。而且，静电电极11的材料可选用Mo或W，加热单元12可选用Mo材料。加热单元12用于加热被加工工件13；基座5设置在卡盘本体14的下方，用以支撑和固定该卡盘本体14。冷却板7设置在基座5和卡盘本体14之间，用以阻隔由卡盘本体14产生的热量朝向基座5辐射。隔热组件8设置在卡盘本体14和冷却板7之间，其包括膨胀隔热环29和冷却单元。其中，膨胀隔热环29采用不锈钢或Ni-Co-Fe合金制作，且为闭合的薄壁结构件，并且膨胀隔热环29的上、下两端分别与卡盘本体14和冷却板7密封接触，膨胀隔热环29、卡盘本体14和冷却板7之间形成一封闭空间。在本实施例中，在膨胀隔热环29的上端形成有上环形凸台28，并且，在上环形凸台28的上表面与卡盘本体14的下表面之间设置有第一密封件15，用以对二者之间的间隙进行密封。优选地，第一密封件15可以采用CF法兰形式、C型或U型等结构的金属密封圈，以防止在进行工艺的过程中，第一密封件15因卡盘本体14的温度过高而密封失效。此外，上环形凸台28与卡盘本体14通过真空螺钉（图中未示出）固定连接，以将膨胀隔热环29固定在卡盘和冷却板7之间。在本实施例中，上环形凸台28与膨胀隔热环29在其横截面上的形状为倒置的“L”形，如图3B所示，但是本发明并不局限于此，在实际应用中，上环形凸台28与膨胀隔热环29在其横截面上的形状还可以为“T”形等其他任意形状，而且，上环形凸台28在水平方向上的长度可以根据具体情况自由设定，只要其能够稳定地放置第一密封件15，且有足够的面积实现与卡盘本体14通过真空螺钉（图中未示出）固定连接即可。在本实施例中，膨胀隔热环29的下端与冷却板7的上表面采用焊接的方式进行密封。当然，在实际应用中，也可以在膨胀隔热环29的下端形成下环形凸台，该下环形凸台的结构和功能与上述上环形凸台28的结构和功能相类似，并且在下环形凸台的下表面与冷却板7的上表面之间设置有第二密封件，用以对二者之间的间隙进行密封。在实际应用中，若分别在膨胀隔热环29的上、下两端设置上环形凸台28和下环形凸台，则使得膨胀隔热环29能够分别与卡盘本体14和冷却板7可拆卸地装配在一起，从而便于对膨胀隔热环29的安装和更换，而且，当膨胀隔热环29损坏时，只需更换隔热组件8，而无需更换整个静电卡盘，从而可以降低等离子体加工设备的使用成本。由于膨胀隔热环29为闭合的薄壁结构件，其可以阻隔卡盘产生的热量向基座5传递，从而可以减少卡盘的热量的损失，这不仅可以提高静电卡盘的加热效率，而且可以提高静电卡盘的加热均匀性。另外，由于环形薄壁结构的膨胀隔热环29在受热时易于变形，其能够随着卡盘和基座5的热位移而移动，这可以确保隔热组件的密封性能，从而可以使静电卡盘保持密封。冷却单元用于冷却膨胀隔热环29，其包括冷却媒介源（图中未示出）和冷却环16。其中，冷却环16位于卡盘本体14与冷却板7之间，且环绕在膨胀隔热环29的内侧设置，并且在冷却环16内设置有环形的冷却通道30；冷却媒介源用于向冷却通道30内通入冷却媒介，冷却媒介可以为冷却水、冷却液等的冷却液体，或者为冷却气体。而且，冷却环16的下表面叠置在冷却板7的上表面上，并且在冷却环7的下表面上形成有与冷却通道30连通的入口和出口；并且，在冷却板7内分别设置有第一通道19和第二通道24，第一通道19和第二通道24的上端位于冷却板7的上表面，且分别与入口和出口连接；第一通道19和第二通道24的下端位于冷却板7的下表面，且与冷却媒介源连接，在冷却环16冷却膨胀隔热环29时，由冷却媒介源提供冷却媒介经由第一通道19和入口进入冷却通道30，并在流经冷却通道30的全程之后，自出口和第二通道24排出。此外，在冷却环16的下表面与冷却板7的上表面之间设置有第三密封件31，用以对第一通道19和第二通道24分别与入口和出口连接的连接处进行密封，从而密封冷却通道30。借助冷却单元冷却膨胀隔热环29，可以进一步阻隔卡盘产生的热量向基座5传递，从而可以彻底解决卡盘的隔热问题，进而可以提高静电卡盘的加热效率和加热均匀性。在本实施例中，在卡盘本体14与冷却板7之间设置有一个支撑环27，用以支撑卡盘本体14；并且，支撑环27与膨胀隔热环29间隔嵌套设置，且支撑环27的外径小于膨胀隔热环29的内径，即，支撑环27位于膨胀隔热环29的内侧。而且，支撑环27将由膨胀隔热环29、卡盘本体14和冷却板7形成的密封空间分隔为分别对应于卡盘本体14下表面的中心区域和边缘区域的第一子空间33和第二子空间32。在冷却板7的上表面上，且分别位于第一子空间33和第二子空间32内设置有贯穿冷却板7厚度的第一出气孔22和第二出气孔23，而且，在卡盘本体14内分别设置有中心导热通道和边缘导热通道，其中，中心导热通道的下端与第一子空间33连通，中心导热通道的上端卡盘本体14上表面的中心区域连通；边缘导热通道的下端与第二子空间32连通，边缘导热通道的上端与卡盘本体14上表面的边缘区域连通。在静电卡盘加热被加工工件时，导热气体通过第一出气孔22和第二出气孔23分别进入第一子空间33和第二子空间32内，并且第一子空间33内的导热气体经由中心导热通道流入卡盘本体14上表面的中心区域与被加工工件13下表面的中心区域之间的间隙中；第二子空间32内的导热气体经由边缘导热通道流入卡盘本体14上表面的边缘区域与被加工工件13下表面的边缘区域之间的间隙中。所谓导热气体是指用于向被加工工件13传递热量的气体，其可以为氦气或氩气。通过借助支撑环27以及中心导热通道和边缘导热通道，可以分别独立地控制在卡盘本体14上表面与被加工工件13下表面之间的间隙内，对应于被加工工件13的中心区域和边缘区域的气压，从而可以单独对被加工工件13的中心区域或边缘区域的温度进行微调，进而可以提高静电卡盘的温控的灵活性。下面分别对中心导热通道和边缘导热通道的具体结构进行详细描述。具体地，图3C为图3A中卡盘的俯视图。请参阅图3C，在本实施例中，中心导热通道包括对应于卡盘本体14上表面的中心区域的中心环形通道35，中心环形通道35包括两个同轴且间隔嵌套设置的闭合环形通道，并且中心环形通道35的上端沿卡盘本体14的轴向延伸至卡盘本体14的上表面。在中心环形通道35上设置有第一进气孔26，用以使中心环形通道35与第一子空间33连通。此外，优选在两个闭合环形通道之间设置有连通二者的多个径向通道351，多个径向通道351沿中心环形通道35的周向间隔设置，且其上端沿卡盘本体14的轴向延伸至卡盘本体14的上表面。借助径向通道351，可以使导热气体更均匀地通向卡盘本体14的上表面与被加工工件13的下表面之间，从而更均匀地将热量传递至被加工工件13。与中心导热通道的结构相类似，边缘导热通道包括对应于卡盘本体14上表面的边缘区域的边缘环形通道34，边缘环形通道34包括两个同轴且间隔嵌套设置的闭合环形通道，并且边缘环形通道34的上端沿卡盘本体14的轴向延伸至卡盘本体14的上表面。在边缘环形通道34上设置有第二进气孔25，用以使边缘环形通道34与第二子空间32连通。此外，优选在两个闭合环形通道之间设置有连通二者的多个径向通道341，多个径向通道341沿边缘环形通道34的周向间隔设置，且其上端沿卡盘本体14的轴向延伸至卡盘本体14的上表面。借助径向通道341，可以使导热气体更均匀地通向卡盘本体14的上表面与被加工工件13的下表面之间，从而更均匀地将热量传递至被加工工件13。在实际应用中，中心导热通道或边缘导热通道也可以包括一个闭合环形通道，或者三个以上的同轴且间隔嵌套设置的闭合环形通道，环形通道的数量可以根据具体情况自由设定。在本实施例中，在冷却板7与基座5之间还可以设置有绝缘部件6，用以使冷却板7与基座5电绝缘。并且，在绝缘部件6与冷却板7相互叠置的两个表面之间设置有密封件17，用以对绝缘部件6与冷却板7之间的间隙进行密封；以及，在绝缘部件6与基座5相互叠置的两个表面之间设置有密封件18，用以对绝缘部件6与基座5之间的间隙进行密封。此外，在冷却板7内还设有隔热通道21，用以减少冷却板7自身体积，以进一步阻隔热量朝向基座5辐射。在本实施例中，隔热通道21可以为多个同轴且间隔嵌套设置的环形隔热通道。优选地，相邻两个环形隔热通道之间的间距相等，以保证卡盘各个区域的热量损耗趋于均匀。在本实施例中，如图3A所示，在冷却板7上还可以设置有一个贯穿其轴向厚度的通孔20，用于电连接直流电源和静电电极11的导线穿过该通孔20与直流电源电连接。需要说明的是，在本实施例中，冷却环16环绕在膨胀隔热环29的内侧设置，但是本发明并不局限于此，在实际应用中，冷却环也可以环绕在膨胀隔热环的外侧设置，这同样可以冷却膨胀隔热环29。还需要说明的是，虽然在本实施例中支撑环27的数量为一个，但是本发明并不局限于此，在实际应用中，支撑环27的数量可以为两个以上，且多个支撑环27的内径不同，并间隔嵌套设置。支撑环27的数量可以根据具体情况自由设定，只要保证可以稳固地支撑卡盘本体14即可。进一步需要说明的是，在本实施例中，膨胀隔热环29的上端借助上环形凸台28与卡盘本体14密封接触，但是本发明并不局限于此，在实际应用中，还可以省去上环形凸台28，并采用焊接等的其他方式将膨胀隔热环29的上端与卡盘本体14密封接触。进一步需要说明的是，在实际应用中，也可以省去冷却板7，即，隔热组件设置在卡盘本体和基座之间。作为本发明的另一个技术方案，本发明还提供一种等离子体加工设备，其包括反应腔室，在反应腔室内设置有静电卡盘，用以采用静电引力的方式固定被加工工件，该静电卡盘采用了本发明实施例提供的静电卡盘。本发明实施例提供的等离子体加工设备，其通过采用上述静电卡盘，不仅能够提高等离子体加工设备的加热效率和加热均匀性，而且还能够降低等离子体加工设备的使用成本。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。