机械卡盘及半导体加工设备的制作方法

本发明涉及半导体设备制造领域，具体地，涉及一种机械卡盘及半导体加工设备。

背景技术：

在集成电路的制造过程中，通常采用物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，以下简称PVD)技术进行在晶片上沉积金属层等材料的沉积工艺。随着硅通孔(Through Silicon Via，以下简称TSV)技术的广泛应用，PVD技术主要被应用于在硅通孔内沉积阻挡层和铜籽晶层。

目前，PVD技术主要采用静电卡盘固定晶片，但是在进行硅通孔的沉积工艺时，由于沉积在硅通孔中的薄膜厚度较大，薄膜应力较大，导致静电卡盘无法对晶片进行静电吸附；而且，在后续的后道封装工艺中，晶片的厚度被减薄，且在其底部粘结有玻璃基底，静电卡盘无法对具有玻璃基底的晶片进行静电吸附，在这种情况下，就需要采用机械卡盘代替静电卡盘固定晶片。

图1为现有的PVD设备的剖视图。如图1所示，PVD设备包括反应腔室1，在反应腔室1内的顶部设置有靶材4，其与直流电源(图中未示出)电连接；在反应腔室1内，且位于靶材4的下方设置有机械卡盘，机械卡盘包括基座9和卡环8，其中，基座9是可升降的，用于承载晶片10，且与射频电源11连接；卡环8用于在进行工艺时压住置于基座9上的晶片10的边缘区域，以将晶片10固定在基座9上；并且，卡环8在基座9下降时由内衬7支撑。此外，上述机械卡盘还连接有负偏压测量模块12，用于监控在基座9上形成的负偏压的大小。在进行PVD工艺的过程中，直流电源向靶材4施加负偏压，以激发反应腔室1内的工艺气体形成等离子体，并吸引等离子体中的 高能离子轰击靶材4，以使靶材4表面的金属原子逸出并沉积在晶片10上；与此同时，射频电源11向基座9施加射频功率，以在晶片10上表面上形成负偏压，这可以吸引被溅射出的金属原子沉积至硅通孔中，从而实现对硅通孔的填充。

在上述机械卡盘中，基座9和卡环8均采用不锈钢材质制作。由于基座9带有射频功率，其会产生一个负电位。在这种情况下，如果卡环8和基座9的电位不相同，二者之间就会发生打火(Arcing)，导致卡环8和基座9之间的晶片10因被击穿而碎裂。由于卡环8和晶片10直接接触，卡环8和基座9之间的竖直间距小于1mm，二者之间的电位差超过100V就非常容易发生打火(通常，打火电压为300V/mm，而施加600W的射频功率会在基座上产生300V的负偏压，因此打火情况非常容易发生)。为此，如图2所示，在卡环8和基座9之间设计有一个等电位环13，并且在该等电位环13的内部设置有诱电线圈14，该诱电线圈14在卡环8压住晶片10时与卡环8相接触、且产生弹性变形，从而可以实现较好的电接触，进而可以使卡环8和基座9电导通，以达到等电位状态，减少卡环8和基座9之间打火的风险。但是，这在实际应用中会出现以下问题：

其一，卡环8、诱电线圈14和等电位环13之间均存在接触电阻，即便在理想状态下，卡环8和基座9之间的电位差仍然存在，仍然存在卡环8和基座9之间打火的风险。

其二，由于诱电线圈14的直径只有约0.3mm，而采用不锈钢制作的卡环8的硬度较高，且机械组件在设计上往往存在尺寸公差，这些因素都可能会导致卡环8和诱电线圈14之间的接触不良，从而造成卡环8和基座9之间的电位差在接触不好的区域依然存在，仍然存在卡环8和基座9之间打火的风险。

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，提出了一种机械卡盘及半导体加工设备，其可以避免在卡环和基座之间出现打火的情况，进而避免晶片被击穿。

为实现本发明的目的而提供一种机械卡盘，包括基座和卡环，晶片放置于所述基座上；所述卡环压住所述晶片上表面的边缘区域；在所述基座的整个上表面上设置有第一绝缘层，且在所述卡环表面至少与所述晶片上表面相接触的位置设置有第二绝缘层。

优选的，所述基座和卡环采用金属材料制作；所述第一绝缘层采用在所述基座的与所述晶片下表面相接触的表面上进行氧化处理的方式获得；所述第二绝缘层采用在所述卡环的与所述晶片上表面相接触的表面上进行氧化处理的方式获得。

优选的，所述基座和卡环采用铝制作，所述第一绝缘层和第二绝缘层为氧化铝；或者，所述基座和卡环采用铜制作，所述第一绝缘层和第二绝缘层为氧化铜。

优选的，所述第一绝缘层及所述第二绝缘层均采用陶瓷材料制作。

优选的，在所述卡环上还设置有用于增加所述卡环重量的配重件。

优选的，所述配重件所采用的材料包括铜和/或不锈钢。

优选的，所述第一绝缘层和第二绝缘层各自厚度的取值范围在50～100um。

优选的，在所述卡环和基座之间还设置有等电位环，且在所述等电位环上设置有诱电线圈，所述诱电线圈用于在所述卡环压住所述晶片时，使所述基座与所述卡环电连接。

作为另一个技术方案，本发明还提供一种半导体加工设备，其包括反应腔室和机械卡盘，所述机械卡盘用于将晶片固定在所述反应腔室内，所述机械卡盘采用本发明提供的上述机械卡盘。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的机械卡盘，其在基座的与晶片下表面相接触的表面上设置有第一绝缘层，且在卡环的与晶片上表面相接触的表面上设置有第二绝缘层，由于上述第一绝缘层和第二绝缘层具有较高的击穿电压，即使卡环和基座之间具有一定的电位差，仍可以避免卡环和基座之间出现打火现象，进而避免晶片被击穿。

本发明提供的半导体加工设备，其通过采用本发明提供的上述机械卡盘，即使卡环和基座之间具有一定的电位差，仍可以避免卡环和基座之间出现打火现象，进而避免晶片被击穿。

附图说明

图1为现有的PVD设备的剖视图；

图2为图1中I区域的放大图；以及

图3为本发明实施例提供的机械卡盘的局部剖视图。

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机械卡盘及半导体加工设备进行详细描述。

图3为本发明实施例提供的机械卡盘的局部剖视图。请参阅图3，机械卡盘包括基座21和卡环22，其中，基座21用于承载晶片23；卡环22压住晶片23上表面的边缘区域，从而实现将晶片23固定在基座21上。在本实施例中，在卡环22和基座21之间还设置有等电位环26，且在等电位环26上设置有诱电线圈27，该诱电线圈27用于在卡环22压住晶片23时，使基座21与卡环22电连接，从而使卡环22和基座21达到等电位状态，减少卡环22和基座21之间打火的风险。

此外，在基座21的与晶片23下表面相接触的整个上表面上设置有第一绝缘层24，且在卡环22表面上至少与晶片23上表面相接触的位置设置有第二绝缘层25。由于第一绝缘层24和第二绝缘层25具有较高的击穿电压，即使卡环22和基座21之间具有一定的电位差，仍可以避免卡环22和基座21之间出现打火现象，从而可以降低晶片23因被击穿而碎裂的风险。优选的，第一绝缘层24和第二绝缘层25各自厚度的取值范围在50～100um。

优选的，仅在卡环22下表面上与晶片23上表面相接触的区域设置第二绝缘层25。当然，并不局限于此，第二绝缘层25的面积可以大于以上所述，即在卡环22下表面上与晶片23上表面不相接触的 区域也设置第二绝缘层25。

在本实施例中，基座21和卡环22采用金属材料制作。在此基础上，第一绝缘层24和第二绝缘层25分别为制作基座21和卡环22的金属材料的氧化物，当然，第一绝缘层24和第二绝缘层25也可以为与制作基座21和卡环22的金属所不同的金属的氧化物。并且，当第一绝缘层24和第二绝缘层25分别为制作基座21和卡环22的金属材料的氧化物时，优选的，第一绝缘层24可以采用在基座21的与晶片23下表面相接触的表面上进行氧化处理的方式获得；第二绝缘层25采用在卡环22的与晶片23上表面相接触的表面上进行氧化处理的方式获得。

优选的，基座21和卡环22可以采用铝制作。由于铝的硬度较低，导电性远远好于不锈钢材质，这可以使诱电线圈27与卡环22的接触更加充分，从而可以使卡环22和基座21形成更加良好的等电位状态；同时，由于铝材质的热导率较高(达到240W/m·k)，因而铝材质的基座21可以对晶片23具有更好的冷却效果。此外，若基座21和卡环22采用铝制作，则第一绝缘层24和第二绝缘层25的材料可以为氧化铝。由于氧化铝的绝缘能力较好，耐击穿电压可以达到1000V以上，而目前的射频电源产生的电压不会超过1000V，因此，借助第一绝缘层24和第二绝缘层25，可以避免在卡环22和基座21之间出现打火现象。

进一步优选的，若基座21和卡环22采用铝制作，且第一绝缘层24和第二绝缘层25分别为氧化铝，在这种情况下，第一绝缘层24可以采用在基座21的与晶片23下表面相接触的表面上进行阳极氧化处理的方式获得；同样的，第二绝缘层25也可以采用在卡环22的与晶片23上表面相接触的表面上进行阳极氧化处理的方式获得。由于铝材质通过阳极氧化可以非常便捷地获得阳极氧化铝层，因此，采用阳极氧化处理的方式获得绝缘层，可以简化绝缘层的制造工艺、降低加工成本。

或者，基座21和卡环22还可以采用铜制作，与前述相类似的，第一绝缘层24和第二绝缘层25可以分别为氧化铜，并且优选的，第 一绝缘层24可以采用在基座21的与晶片23下表面相接触的表面上进行阳极氧化处理的方式获得；第二绝缘层25也可以采用在卡环22的与晶片23上表面相接触的表面上进行阳极氧化处理的方式获得。

优选的，由于卡环22是利用自身重力压住晶片23，但是铝材质的卡环22的重量较轻，为了保证卡环22的重量，使其能够稳定地压住晶片23，在卡环22上还设置有配重件28，用以增加卡环22的重量。该配重件28可以采用诸如铜或者不锈钢等的重量较重的材料制作。在本实施例中，配重件28为固定在卡环22的本体外侧的环体，如图3所示。在实际应用中，可以根据实际情况设计配重件的结构和尺寸。

需要说明的是，在实际应用中，基座和卡环还可以采用诸如不锈钢、铜等的其他金属材料制作，且第一绝缘层和第二绝缘层分别为这些金属材料的氧化物。并且优选的，第一绝缘层和第二绝缘层可以采用分别在这些金属材料的相应表面进行氧化处理的方式获得。或者，第一绝缘层和第二绝缘层还可以采用分别在这些金属材料的相应表面上喷涂陶瓷的方式获得，在这种情况下，第一绝缘层和第二绝缘层的材料均为陶瓷。

综上所述，本发明提供的机械卡盘，其通过在基座的整个上表面上设置有第一绝缘层，且在卡环表面上至少与晶片上表面相接触的位置设置有第二绝缘层，即使卡环和基座之间具有一定的电位差，仍可以避免卡环和基座之间出现打火现象，进而避免晶片被击穿。

作为另一个技术方案，本发明实施例还提供一种半导体加工设备，其包括反应腔室和机械卡盘，该机械卡盘用于将晶片固定在反应腔室内，且采用了本发明实施例提供的上述机械卡盘。

本发明实施例提供的半导体加工设备，其通过采用本发明实施例提供的上述机械卡盘，即使卡环和基座之间具有一定的电位差，仍可以避免卡环和基座之间出现打火现象，进而避免晶片被击穿。

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。