用于承载晶片的静电卡盘以及等离子体加工设备的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种用于承载晶片的静电卡盘以及等离子体加工设备，包括用于承载晶片的卡盘本体，在卡盘本体内设置有沿其厚度方向贯穿的热传导气体通孔，热传导气体通过热传导气体通孔到达晶片与卡盘本体之间的间隙内；而且，在热传导气体通孔内设有用于测量晶片温度的热电偶，且热电偶的测量端与晶片借助热传导气体在热传导气体通孔内的压力向热电偶的测量端施加向上的作用力实现接触。本发明提供的静电卡盘不仅可以在正常工艺过程中直接检测晶片的温度，而且结构简单、容易加工且制造成本低。
【专利说明】用于承载晶片的静电卡盘以及等离子体加工设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及微电子加工【技术领域】，具体地，涉及一种用于承载晶片的静电卡盘以及等离子体加工设备。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]图1为现有的等离子体加工设备的结构示意图。如图1所示，等离子体加工设备包括反应腔室10，在反应腔室10内设置有静电卡盘。静电卡盘包括用于承载晶片15的卡盘本体11，卡盘本体11采用AL2O3或ALN等陶瓷材料制成。在卡盘本体11内设置有直流电极层12，直流电极层12与直流电源(图中未示出)连接，当直流电源向直流电极层12提供电能时，在直流电极层12与晶片15之间产生静电引力，从而将晶片15固定在卡盘本体11的上表面。而且，在卡盘本体11内设置有沿其厚度方向贯穿的热传导气体通孔，并在该热传导气体通孔的下端串接有与之连通的热传导气体输送管13。热传导气体输送管13的相对于热传导气体通孔的另一端与热传导气体源连接，由热传导气体源提供的氦气等热传导气体依次通过热传导气体输送管13和热传导气体通孔到达晶片15与卡盘本体11之间的间隙内，用以增加卡盘本体11与晶片15之间的热量交换，从而对晶片15的温度进行有效地调节。
[0004]此外，在卡盘本体11中还设置有热电偶14，其测量端设置在卡盘本体11的内部，用以检测卡盘本体11的温度，从而间接地获得晶片15的温度。但是，在实际应用中，卡盘本体11与晶片15之间往往存在温差，导致热电偶14所检测的晶片温度不准确，从而对工艺具有一定的不良影响。因此，如何通过热电偶与晶片直接接触实现对晶片温度的精确测量是本领域技术人员面临的一个问题。
【发明内容】
[0005]本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种用于承载晶片的静电卡盘以及等离子体加工设备，其可以在正常工艺过程中直接检测晶片的温度。
[0006]为实现本发明的目的而提供一种用于承载晶片的静电卡盘，包括用于承载晶片的卡盘本体，在所述卡盘本体内设有沿所述卡盘本体厚度方向贯穿的热传导气体通孔，热传导气体通过所述热传导气体通孔到达所述晶片与所述卡盘本体之间的间隙内；而且，在所述热传导气体通孔内设有用于测量所述晶片温度的热电偶，且所述热电偶的测量端与所述晶片的接触是借助所述热传导气体在所述热传导气体通孔内的压力向所述热电偶的测量端施加向上的作用力实现的。
[0007]其中，在所述热电偶的测量端设有肩部，所述肩部的外径小于所述热传导气体通孔的内径，并且，在所述热传导气体通孔内设有支撑部件，所述支撑部件通过所述肩部将所述热电偶设置在所述热传导气体通孔内。
[0008]其中，所述肩部与所述热传导气体通孔的内壁之间的间隙为0.05?0.1_。[0009]其中，所述支撑部件为弹簧，所述弹簧套设于所述热电偶的外侧，所述弹簧的内径小于所述肩部的外径。
[0010]其中，所述热传导气体包括氦气。
[0011]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，其包括反应腔室和热传导气体管路，在所述反应腔室内设置有静电卡盘，其中，所述静电卡盘采用了本发明提供的上述静电卡盘，所述热传导气体管路用于向所述静电卡盘输送热传导气体。
[0012]其中，还包括温度调节单元和温度控制单元，所述温度控制单元用于根据所述热电偶获得的晶片的实时温度值控制所述温度调节单元对晶片的温度进行调节，以使晶片的温度达到工艺设定温度。
[0013]其中，所述温度调节单元包括设置在所述卡盘本体中的电阻丝和/或冷却剂通道。
[0014]其中，通入所述冷却剂通道中的冷却剂包括水或冷却液体。
[0015]其中，所述温度控制单元接收由所述热电偶获得的实时温度值，并判断所述实时温度值是否超出预设的晶片温度阈值，若所述实时温度值超出预设的所述晶片温度阈值，贝IJ增加所述冷却剂的流量和/或降低所述冷却剂的温度。
[0016]其中，所述热传导气体管路包括第一连接端口、第二连接端口和第三连接端口，其中，所述第一连接端口与所述热传导气体通孔连通；所述第二连接端口作为热传导气体的输入口与所述热传导气体源连通；所述第三连接端口作为所述热电偶的出线口以使所述热电偶的接线通过所述第三连接端口与终端连接。
[0017]本发明具有以下有益效果:
[0018]本发明提供的用于承载晶片的静电卡盘，其在热传导气体通孔内设有用于测量晶片温度的热电偶，且热电偶的测量端与晶片间的接触是借助热传导气体在热传导气体通孔内的压力向热电偶的测量端施加向上的作用力实现的。也就是说，当热传导气体通孔内未通入热传导气体时，热电偶的测量端不高于卡盘本体的上表面，从而使晶片能够与卡盘本体的上表面良好接触；当热传导气体通孔内通入热传导气体时，热电偶的测量端受到热传导气体所施加的作用力而向上移动，以使其与晶片接触，从而可以直接检测晶片的温度。而且，由于热电偶是设置在热传导气体通孔内，即，无需另设可供热电偶通过的通孔而只需利用静电卡盘的现有结构就可以使热电偶与晶片直接接触，这不仅可以简化静电卡盘的结构，而且可以降低静电卡盘的加工难度。
[0019]本发明还提供一种等离子体加工设备，其采用了本发明提供的上述静电卡盘，不仅可以在正常工艺过程中直接检测晶片的实时温度值，而且通过将该实时温度值反馈至温度控制单元，可以使温度控制单元能够根据该实时温度值对晶片的温度进行调节，从而能够更准确地调节晶片的温度，进而提高工艺质量。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为现有技术的等离子体加工设备的结构示意图；
[0021]图2为本发明第一实施例提供的用于承载晶片的静电卡盘的结构示意图；
[0022]图3为本发明第二实施例提供的用于承载晶片的静电卡盘的结构示意图；以及
[0023]图4为本发明提供的等离子体加工设备的密封接头的结构示意图。【具体实施方式】
[0024]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用于承载晶片的静电卡盘以及等离子体加工设备进行详细描述。
[0025]图2为本发明第一实施例提供的用于承载晶片的静电卡盘的结构示意图。请参阅图2，静电卡盘包括用于承载晶片32的卡盘本体30，在卡盘本体30内设置有沿其厚度方向贯穿的热传导气体通孔31，热传导气体通过热传导气体通孔31到达晶片32与卡盘本体30之间的间隙内，用以增加卡盘本体30与晶片32之间的热量交换，从而对晶片32的温度进行有效地调节。热传导气体包括氦气等具有良好导热性的气体。
[0026]在热传导气体通孔31内设有用于测量晶片32的温度的热电偶，其包括测量端33，测量端33设置在热传导气体通孔31内，且当热传导气体通孔31内未通入热传导气体时，测量端33不高于卡盘本体30的上表面，从而能够使晶片32的下表面与卡盘本体30的上表面良好接触，避免了因热电偶的测量端33高于卡盘本体30的上表面而造成晶片32与卡盘本体30的上表面接触不良甚至无法接触，从而影响工艺质量的问题。当热传导气体通孔31内通入热传导气体时，热传导气体在热传导气体通孔31内所产生的气压会对测量端33施加向上的作用力，从而使测量端33向上移动，以使测量端33与晶片32接触，从而使测量端33可以直接检测晶片32的温度。
[0027]本实施例提供的用于承载晶片的静电卡盘与另一种将热电偶固定在其中的静电卡盘相比较，本实施例中静电卡盘是将热电偶设置在热传导气体通孔内，即，只需利用静电卡盘的现有结构而不需要在卡盘本体30中专门加工一个通孔来安装热电偶，也不需要采用钎焊方式将该通孔与热电偶之间的间隙密封固定，该钎焊方式是指首先在通孔的孔壁上涂覆金属层，然后在通孔与热电偶之间的间隙填充钎料，最后实施钎焊工艺，导致静电卡盘结构复杂、加工困难。另外，钎焊工艺需要在高温下进行，这就对热电偶的耐高温性能有很高的要求，进而增加了静电卡盘的制造成本。因此，本实施例提供的用于承载晶片的静电卡盘不仅结构简单，而且加工难度较低，从而可以降低静电卡盘的制造成本。
[0028]图3为本发明第二实施例提供的静电卡盘的结构示意图。请参阅图3，本实施例提供的静电卡盘与第一实施例相比，同样包括卡盘本体30。由于卡盘本体30在第一实施例的上述技术方案中已有了详细地描述，在此不再赘述。下面仅对本实施例的技术方案与第一实施例的上述技术方案之间的不同点进行描述。
[0029]具体地，热电偶的测量端33还包括肩部331，在本实施例中，肩部331采用圆柱体的结构，并且肩部331的外径小于热传导气体通孔31的内径，换言之，肩部331的外周壁与热传导气体通孔31的内壁之间具有间隙。当热传导气体通孔31内通入热传导气体时，热传导气体能够通过该间隙到达晶片32的下表面与卡盘本体30的上表面之间的间隙内，以增加卡盘本体30与晶片32之间的热量交换。此外，由于上述间隙的大小与热传导气体对测量端33所施加的向上的作用力的大小具有一定的对应关系，即:在热传导气体的流量和压力不变的情况下，间隙越大，则热传导气体对测量端33所施加的向上的作用力越小；相反地，间隙越小，则热传导气体对测量端33所施加的向上的作用力越大。因此，为了保证热传导气体能够对测量端33施加合适的向上作用力，以使测量端33在与晶片32相接触的前提下保证晶片32与卡盘本体30接触良好，可以在制造静电卡盘的过程中采用实验的方式调整并确定上述间隙的大小。上述间隙的大小优选为0.05?0.1mm。
[0030]而且，在热传导气体通孔31内设有支撑部件，用以支撑热电偶。具体地，支撑部件通过肩部331将热电偶的测量端33设置在热传导气体通孔31内，且当热传导气体通孔31内未通入热传导气体时，使热电偶的测量端33不高于卡盘本体30的上表面。在本实施例中，支撑部件为弹簧37，弹簧37套设于热电偶的外侧且位于肩部331的底部，并且弹簧37的内径小于肩部331的外径，以使弹簧37可以通过肩部331将测量端33设置在热传导气体通孔31内，且当热传导气体通孔31内未通入热传导气体时，使热电偶的测量端33不高于卡盘本体30的上表面。在实际应用中，可以根据具体情况选择弹簧37的规格，只要弹簧37在受到测量端33的重力而产生压缩变形之后，能够使热电偶的测量端33不高于卡盘本体30的上表面即可。
[0031]此外，弹簧37可以与热电偶固定连接，例如，可以将弹簧37的一端与肩部331固定连接，或与热电偶可分离地设置(即，在热传导气体通孔31内通入热传导气体，且测量端33向上移动的过程中，弹簧37可以与测量端33相互分离)；和/或，弹簧37的另一端与热传导气体通孔31固定连接，或可分离地设置，例如，可以在热传导气体通孔31的内壁上设置凸缘，且该凸缘的内径小于弹簧37的外径，用以支撑弹簧37。
[0032]需要说明的是，虽然在本实施例中，肩部331采用圆柱体的结构，但是本发明并不局限于此，在实际应用中，肩部331可以采用任意结构，只要能够与支撑部件配合将热电偶的测量端33设置在热传导气体通孔31内即可。
[0033]综上所述，本实施例提供的用于承载晶片的静电卡盘，其在热传导气体通孔内设有用于测量晶片温度的热电偶，且热电偶的测量端与晶片间的接触借助热传导气体在热传导气体通孔内的压力向热电偶的测量端施加向上的作用力实现的。也就是说，当热传导气体通孔内未通入热传导气体时，热电偶的测量端不高于卡盘本体的上表面，从而使晶片能够与卡盘本体的上表面良好接触；当热传导气体通孔内通入热传导气体时，热电偶的测量端受到热传导气体所施加的作用力而向上移动，以使其与晶片接触，从而可以直接检测晶片的温度。而且，由于热电偶是设置在热传导气体通孔内，即，无需另设可供热电偶通过的通孔而只需利用静电卡盘的现有结构就可以使热电偶与晶片直接接触，这不仅简化了静电卡盘的结构，而且降低了静电卡盘的加工难度。此外，由于热电偶与热传导气体通孔无需进行钎焊工艺密封固定，这不仅进一步降低了静电卡盘的加工难度，而且扩大了热电偶的选择范围，从而降低了静电卡盘的制造成本。
[0034]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，在该反应腔室内设置有静电卡盘，该静电卡盘采用了本实施例提供的上述静电卡盘。
[0035]在本实施例中，等离子体加工设备还包括温度调节单元和温度控制单元。其中，温度调节单元包括设置在卡盘本体中的电阻丝和/或冷却剂通道。其中，电阻丝用于在温度控制单元的控制下对卡盘本体进行加热，从而间接加热置于卡盘本体上的晶片。在工艺进行的过程中，温度控制单元可以接收由热电偶获得的实时温度值，并判断该实时温度值是否超出预设的晶片温度值(即，进行工艺时设定的晶片温度)，若实时温度值超出预设的晶片温度值，则通过采用提高或降低电阻丝的输出功率等方式调节晶片的温度。或者，温度控制单元还可以根据所接收的热电偶获得的晶片的实时温度值进行相应的计算而获得电阻丝的输出功率值，且根据该输出功率值调节电阻丝的输出功率，即可实现对晶片的温度进行调节。
[0036]冷却剂通道用于在温度控制单元的控制下对卡盘本体进行冷却，S卩，通过向冷却剂通道中通入冷却剂来降低卡盘本体的温度，从而间接降低置于卡盘本体上的晶片的温度。冷却剂包括水或者冷却液体，冷却液体可以为Galden液等。在工艺进行的过程中，温度控制单元接收由热电偶获得的实时温度值，并判断该实时温度值是否超出预设的晶片温度值，若实时温度值超出预设的晶片温度值，则可以增加冷却剂的流量和/或降低冷却剂的温度。
[0037]在本实施例中，在热传导气体通孔31的下端还串接有热传导气体输送管35。如图3所示，热传导气体输送管35包括三个连接端口，分别为第一连接端口 351、第二连接端口352和第三连接端口 353。其中，第一连接端口 351与热传导气体通孔31连通；第二连接端口 352作为热传导气体的输入口与热传导气体源连通，用以供热传导气体源输出的热传导气体进入热传导气体输送管35;第三连接端口 353作为热电偶的出线口，用以使热电偶的接线332通过该出线口与相应的终端连接。需要说明的是，热电偶的接线332的长度应满足当热电偶的测量端33向上移动时能够与晶片32的下表面接触，也就是说热电偶的接线332的长度应能够满足热电偶由低位(热电偶的测量端33低于卡盘本体30的上表面的位置)到高位(热电偶的测量端33与晶片32的下表面接触的位置)所经过的路径长度。在本实施例中，第三连接端口 353为设置在热传导气体输送管35的管壁上的通孔，而且，在该通孔内还设有密封件36，用以将通孔与热电偶的接线332之间的间隙进行密封。
[0038]在实际应用中，还可以将第三连接端口 353作为热传导气体的输入口，以及将第二连接端口 352作为热电偶的出线口。在这种情况下，应在第二连接端口 352内设置上述密封件36，用以将第二连接端口 352与热电偶的接线332之间的间隙进行密封。
[0039]此外，热电偶的出线口与热电偶的接线332之间的密封方式不仅包括采用密封件36将出线口与热电偶的接线332之间的间隙进行密封的密封方式，还包括以下两种密封方式，即:第一种密封方式可以采用焊接的方式将出线口与热电偶的接线332之间的间隙进行密封；第二种密封方式可以采用密封接头的方式将出线口与热电偶的接线332之间的间隙进行密封。
[0040]在采用第二种密封方式时，如图4所示，为本发明提供的等离子体加工设备的密封接头的结构示意图。密封接头包括热电偶密封接头和热传导气体密封接头。其中，热电偶密封接头用于对热电偶的出线口与热电偶的接线332之间的间隙进行密封，其包括第一接头43和堵头44。当第三连接端口 353作为热传导气体的输入口，以及第二连接端口 352作为热电偶的出线口时，第一接头43的一端与第二连接端口 352密封连接，第一接头43的另一端与堵头44密封连接；在堵头44内设置有通孔，用以使热电偶的接线332通过该通孔与相应的终端连接，并且接线332与通孔可以采用焊接的方式密封连接。
[0041]热传导气体密封接头用于对热传导气体的输入口与热传导气体源之间的间隙进行密封，其包括第二接头41和三通接头42。其中，三通接头42的一端与第三连接端口 353密封连接，三通接头42的另一端与第二接头41的一端密封连接；第二接头41的另一端与热传导气体源连通。
[0042]容易理解，若第二连接端口 352作为热传导气体的输入口，以及第三连接端口 353作为热电偶的出线口时，则只需将热电偶密封接头和热传导气体密封接头的位置互换，即可实现分别对热电偶的出线口与热电偶的接线332之间的间隙，以及热传导气体的输入口与热传导气体源之间的间隙进行密封。
[0043]本实施例提供的上述等离子体加工设备，其通过采用本实施例提供的静电卡盘，不仅可以在正常工艺过程中直接检测晶片的实时温度值，而且通过将该实时温度值反馈至温度控制单元，可以使温度控制单元能够根据该实时温度值对晶片的温度进行调节，从而能够更准确地调节晶片的温度，进而提高工艺质量。
[0044]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。
【权利要求】
1.一种用于承载晶片的静电卡盘，包括用于承载晶片的卡盘本体，在所述卡盘本体内设有沿所述卡盘本体厚度方向贯穿的热传导气体通孔，热传导气体通过所述热传导气体通孔到达所述晶片与所述卡盘本体之间的间隙内； 其特征在于，在所述热传导气体通孔内设有用于测量所述晶片温度的热电偶，且所述热电偶的测量端与所述晶片的接触是借助所述热传导气体在所述热传导气体通孔内的压力向所述热电偶的测量端施加向上的作用力实现的。
2.根据权利要求1所述的静电卡盘，其特征在于，在所述热电偶的测量端设有肩部，所述肩部的外径小于所述热传导气体通孔的内径，并且，在所述热传导气体通孔内设有支撑部件，所述支撑部件通过所述肩部将所述热电偶设置在所述热传导气体通孔内。
3.根据权利要求2所述的静电卡盘，其特征在于，所述肩部与所述热传导气体通孔的内壁之间的间隙为0.05?0.1mm。
4.根据权利要求2所述的静电卡盘，其特征在于，所述支撑部件为弹簧，所述弹簧套设于所述热电偶的外侧，所述弹簧的内径小于所述肩部的外径。
5.根据权利要求1所述的静电卡盘，其特征在于，所述热传导气体包括氦气。
6.一种等离子体加工设备，其包括反应腔室和热传导气体管路，在所述反应腔室内设置有静电卡盘，其特征在于，所述静电卡盘采用权利要求1-5任意一项权利要求所述的静电卡盘，所述热传导气体管路用于向所述静电卡盘输送热传导气体。
7.根据权利要求6所述的等离子体加工设备，其特征在于，还包括温度调节单元和温度控制单元， 所述温度控制单元用于根据所述热电偶获得的晶片的实时温度值控制所述温度调节单元对晶片的温度进行调节，以使晶片的温度达到工艺设定温度。
8.根据权利要求7所述的等离子体加工设备，其特征在于，所述温度调节单元包括设置在所述卡盘本体中的电阻丝和/或冷却剂通道。
9.根据权利要求8所述的等离子体加工设备，其特征在于，通入所述冷却剂通道中的冷却剂包括水或冷却液体。
10.根据权利要求9所述的等离子体加工设备，其特征在于，所述温度控制单元接收由所述热电偶获得的实时温度值，并判断所述实时温度值是否超出预设的晶片温度阈值，若所述实时温度值超出预设的所述晶片温度阈值，则增加所述冷却剂的流量和/或降低所述冷却剂的温度。
11.根据权利要求6所述的等离子体加工设备，其特征在于，所述热传导气体管路包括第一连接端口、第二连接端口和第三连接端口，其中，所述第一连接端口与所述热传导气体通孔连通；所述第二连接端口作为热传导气体的输入口与所述热传导气体源连通；所述第三连接端口作为所述热电偶的出线口以使所述热电偶的接线通过所述第三连接端口与终端连接。
【文档编号】H01L21/683GK103811393SQ201210439837
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2012年11月7日 优先权日:2012年11月7日
【发明者】武学伟, 王厚工 申请人:北京北方微电子基地设备工艺研究中心有限责任公司