一种用于真空处理装置的静电夹盘维护装置及维护方法与流程

本发明涉及半导体加工技术领域，具体涉及一种用于真空处理装置中的静电夹盘的维护装置和维护方法。

背景技术：

半导体加工技术中等离子刻蚀、等离子辅助化学气相沉积等处理工艺均需要在真空处理腔中进行，为了固定待处理的基片30需要在真空处理腔中的下部空间设置一静电夹盘，将高压直流电连接到静电夹盘中的电极，从而产生静电吸力将位于静电夹盘上的基片牢牢吸附在静电夹盘上。图1所示为典型的静电夹盘结构示意图，其中真空处理腔体内部包括一个基片承载台，基片承载台包括导电基座10和位于导电基座上的静电夹盘。其中导电基座通常由铝制成，内设多个热交换管道以允许大量冷却液流过热交换管道控制导电基座的温度。静电夹盘包括底部绝缘层20，顶部绝缘层23以及位于两层绝缘层中间的电极层21，其中两层绝缘层通常由氧化铝或者氮化铝制成，电极层通常由钨或钼制成。基座10通过电缆连接到外部的射频电源，同时基座10内开设有一个贯穿基座上下表面的通孔，通孔内设置有绝缘管道，绝缘管道内设置有导电元件131，连接在高压直流电源(hv)和电极层21之间。

在真空处理装置进行处理过程中需要点燃等离子体，为了控制基片30的温度，需要在静电夹盘上表面和基片30底面之间通入冷却气体如氦气，为了防止氦气在静电夹盘边缘位置泄露，静电夹盘边缘位置处还包括一个凸起的密封圈23a，密封圈23a突出于静电夹盘上表面的材料层厚约3um，密封圈的横向宽度约2-4mm。

通常静电夹盘是由氧化铝或者氮化铝制成的，可以避免被等离子体和各自腐蚀性的反应气体腐蚀掉，但是不可避免的制造静电夹盘的陶瓷材料会混入各种杂质(如硅)，在静电夹盘长期工作中，这部分微量的硅等杂质被腐蚀掉了，对静电夹盘大部分功能没有严重的影响，但是在密封圈23a的上表面处，这些微量腐蚀形成的不平整表面会导致氦气从密封环23a处泄露到真空处理装置中。泄露的氦气会影响基片边缘区域的气体成分，也会影响基片的降温，同时会影响后续基片从静电夹盘解吸附的过程，所以需要尽量避免。为了维护静电夹盘，现有技术是人工用砂纸磨密封环23a的表面，但是由于工作人员习惯和经验的差别，这种方法的维护效果不稳定，也有将整个静电夹盘从真空处理装置中取出，用翻新工艺对静电夹盘进行处理，但是这种翻新工艺不仅成本高昂而且由于静电夹盘表面的材料厚度差很小(3um)，密封环23a的宽度也很窄所以静电夹盘中央表面和密封环两个区域很难单独处理，会将两者同时向下磨削，最终的磨削量可以达到约9um。采用翻新工艺处理后的静电夹盘虽然各个部位的表面粗糙度能够达到要求，但是实际的表面材料的微观结构已经发生了变化，这会导致再次使用时与翻新前的静电夹盘在很多参数上的不同，最终使得处理效果发生大幅偏移，偏移过大的还会导致静电夹盘报废。

所以业内需要开发一种新的静电夹盘维护工具，可以在真空处理装置内部实现对静电夹盘的维护，只将密封环上表面磨平，减少氦气泄露，同时经过维护后的精度夹盘仍能保持原有各项参数，保证等离子处理效果的长期稳定不偏移。

技术实现要素：

本发明公开一种用于真空处理装置的静电夹盘维护工具，包括：支撑底板，所述支撑底板下表面用于放置在静电夹盘上表面，所述支撑底板上表面固定有一个旋转基座，一个旋转臂，所述旋转臂包括第一端连接到所述旋转基座上，使得旋转臂围绕所述旋转基座作圆周运动，所述旋转臂还包括第二端连接到一个压力杆；所述压力杆下端包括一个摩擦头，摩擦头底面包括摩擦片，摩擦片围绕所述支撑底板的外边缘作圆周运动，且所述圆周运动能够覆盖所述静电夹盘上表面的密封环。

其中旋转基座为一个旋转轴和位于所述旋转轴外侧壁的一个旋转轴承，所述旋转臂第一端连接到所述旋转轴承。旋转基座也可以包括一个圆通形的支持壁，以及位于支持壁外侧的圆环形轨道，所述旋转臂第一端连接到所述圆环形轨道中。

其中，所述压力杆顶部可以包括一个重锤，以提供预设的向下压力。所述压力杆上还可以套设有一个弹簧，所述弹簧一端固定到所述摩擦头，另一端固定到所述压力杆或者连接杆。

所述摩擦头内侧具有一第一倾斜侧壁，支撑底板外侧具有一第二倾斜侧壁，所述第一和第二倾斜侧壁形状匹配。所述摩擦头通过第一倾斜侧壁向第二倾斜侧壁施加斜向下的压力，第二倾斜侧壁产生反方向的力。

本发明还提供了一种用于真空处理装置的静电夹盘维护方法，包括步骤：

打开真空处理装置顶部的顶盖；放入权利要求1所述的静电夹盘维护工具到真空处理装置内的静电夹盘上；执行抛光步骤，驱动静电夹盘维护工具上的摩擦片围绕所述支撑底板的外边缘作圆周运动，并且所述圆周运动能够覆盖所述静电夹盘上表面的密封环；所述抛光步骤结束后，取出所述静电夹盘维护工具，关闭所述真空处理装置顶部的顶盖。较佳地，所述抛光过程使得密封环厚度减少小于1um。

其中所述抛光步骤中，摩擦片抛光所述密封环超过10圈。在完成对密封环抛光后还包括环境恢复步骤，在环境恢复步骤中对至少10片晶圆进行处理。

附图说明

图1为现有技术静电夹盘和基座结构示意图；

图2为本发明静电夹盘维护工具结构示意图；

图3是图2中虚线框x内的局部放大图；

图4是本发明静电夹盘维护工具另一实施例示意图；

图5是本发明静电夹盘维护工具另一实施例示意图；

图6a是应用本发明静电夹盘维护工具对密封环抛光后密封环粗糙度变化图；

图6b是应用本发明静电夹盘维护工具对密封环进行不同数量的抛光循环后测得的氦气泄露量变化图。

具体实施方式

以下结合附图2～5，进一步说明本发明的具体实施例。

本发明公开了一种用于真空处理装置的静电夹盘维护工具。如图2所示，本发明的静电夹盘维护工具40包括支撑底板42，支撑底板42的直径正好能覆盖静电夹盘中间区域，同时暴露出静电夹盘边缘的密封环23a。支撑底板42中心固定有一个旋转轴43，垂直方向固定在支撑底板42上。旋转轴43上设置有一个轴承44，轴承44的旋转部分通过旋转臂46横向延伸并连接到一个垂直方向设置的压力杆45上。压力杆45包括位于顶部的压力器p，比如是具有合适重量的重物，以提供最佳的向下压力。压力杆下方包括一个摩擦头47，摩擦头47的底面上固定有摩擦片49，典型的可以是一片砂纸。

在真空处理装置进行一段时间的工作后，需要对静电夹盘进行维护时，首先打开真空处理装置顶部的顶盖，然后将本发明的静电夹盘维护工具40放入真空处理装置中，设置的位置使得支撑底板42能覆盖不需要抛光的静电夹盘上表面，同时暴露出需要进行表面抛光的密封环23a上表面。然后手动或者机械驱动旋转臂46，使得旋转臂46围绕旋转轴43为圆心旋转，压力杆下端摩擦头47上固定的摩擦片49会沿着静电夹盘边缘的密封环23a上表面作圆周运动，同时顶部的压力器p给出向下的最佳压力，实现对密封圈的摩擦抛光。

由于在摩擦头47转动过程中，压力杆45、旋转臂46和旋转轴43等零部件会发生机械变形或者振动，这些变形或者振动最终会导致摩擦头47底部的摩擦片49的位置也发生一定范围内的偏移，对于只有2-4mm宽度的密封环23a来说这种水平方向的微量偏移也会导致摩擦片49在整个密封环23a上摩擦抛光效果的不稳定分布。为了尽量减少摩擦头47在圆周运动中的轨迹波动，本发明还提出了一种改进的结构。如图3所示是本发明图2所示实施例中虚线框x内装置的放大图，其中摩擦头47包括一个位于内侧下部的倾斜侧面47a，相应的支撑底板42也包括一个倾斜的外侧面42a，倾斜侧面47a与侧面42a形状匹配，使得压力器通过压力杆45提供向下压力时，摩擦头47作圆周运动时侧面47a与42a互相紧贴。摩擦头47受到向下压力使得侧面47a向下压到支撑底板42的外侧面42a上，支撑底板42外侧面42a同时提供对应大小的方向相反的作用力，使得两者紧贴的同时也保证了摩擦头47在水平方向上的位置稳定，最终实现在施加均匀的压力到摩擦片49，密封环上表面也得到均匀的抛光。除了图3所示的倾斜面形状外其它具有对应倾斜面的摩擦头47和支撑底板组合也能够实现本发明目的，只要摩擦头47具有的内侧倾斜面提供斜下的压力到支撑底板外侧倾斜面上，同时支撑底板外侧的倾斜面提供相应的斜向上的支撑力，最终水平方向的力互相抵消，只有垂直向下的部分压力被传递到摩擦片49，执行对密封环23a的抛光作业。

除了如图2所示的静电夹盘维护工具结构，本发明还提供了如图4所示的另一静电夹盘维护工具实施例。如图4所示，本发明变形实施例的静电夹盘维护工具40’也具有支撑底板42，但是没有旋转轴43，而提供一个圆桶形的支撑壁244,支撑壁244的外侧壁具有环形轨道241a、241b。一个连接杆246一端被设置到环形轨道241a、241b之间，另一端连接到压力杆245。压力杆245上还套设有一个压力弹簧248用以提供合适的向下压力。压力弹簧248下方包括一个摩擦头47，摩擦头47下表面设有摩擦片49。压力杆245内部还具有一个可在压力杆内部垂直运动的活动部件固定到摩擦头47，以保证摩擦头47只进行垂直方向的运动。

本发明还提供了一种变形实施例，如图5所示是静电夹盘维护工具40”。与第一个实施例中的维护工具40具有类似结构，主要区别在于旋转臂346、压力杆345和连接部348，其中压力杆345不是垂直设置的，连接部348内设有弹性部件，能够使压力杆345具有向下的压力。

本发明静电夹盘维护工具的支撑底板42可以选用金属或者陶瓷或者树脂制成，旋转臂(46，246)、压力杆(45，245)、旋转轴43、轴承44、支撑臂244可以由金属材料制成，结构简单材料易得成本低，可以显著提高静电夹盘的使用寿命，节约成本。

利用本发明静电夹盘维护工具时，对位于真空处理装置中静电夹盘进行的少量几个循环圈数的摩擦抛光就能够显著改善气密效果。如图6a所示，密封圈23a在利用本发明提供的维护工具进行10圈摩擦抛光后，其表面粗糙度从1.2um降至0.9um，随着表面粗糙度的降低静电夹盘上氦气的泄露量也同步减少。如图6b所示真空处理装置在进行了长期运行出现氦气严重泄露后，选用750片晶圆的处理周期进行测试，其中0-40片的t0段未用本发明维护工具进行静电夹盘维护；41-140片的t1段采用本发明工具对静电夹盘密封圈进行两圈的抛光；141-280片的t2段，采用本发明工具再次进行抛光，总抛光次数达到4圈；281-425片的t3段，采用本发明工具再次进行抛光，总抛光次数达到8圈；426-750片的t4段，采用本发明工具再次进行抛光，总抛光次数达到10圈；从图6b中可以看到采用本发明维护工具进行抛光达到10圈以上后氦气的泄露量基本达到了稳定，每次抛光完成后由于部分打磨下来的颗粒还残余在密封环上表面会影响气密效果，所以会在后续的几片或十几片基片处理过程中出现氦气泄露量反弹的状况。经过大约10片以上基片的处理流程后，这些残余的颗粒被带走，摩擦抛光的效果得到稳定。由于半导体工业中本身就要求在开启真空处理腔之后需要进行一段时间的腔内环境恢复流程(seasoningprocess)才能再次进行真空处理工艺，如等离子刻蚀工艺。在环境恢复流程中将环境恢复流程专用的晶圆送入真空处理装置的处理腔中，执行预设的环境恢复工艺，直到完成对多片专用晶圆的处理。所以采用本发明静电夹盘维护工具进行抛光后不需要额外的处理工艺，只需要执行环境恢复流程就能达到本发明的目的，大幅减少氦气泄露，使得气体泄露量小于3sccm，甚至2.5sccm。

本发明提出的静电夹盘维护工具，能够在不从真空处理装置中取出静电夹盘的情况下，对静电夹盘上表面边缘的密封圈单独进行抛光，而且抛光过程中能够保证整个密封圈的抛光效果均一稳定。在进行多个循环(>10次)的抛光后密封圈上表面被磨掉一层，抛光工艺的循环次数也不能太多使得密封圈被磨掉的材料层厚度过大，使得密封圈材料接近被磨光失效，最佳的在一次抛光过程中，需要使得密封圈厚度的减小量小于等于1um，以保证下可以再次执行抛光工序。在完成对静电夹盘上的密封圈的抛光工艺后，取出静电夹盘维护工具，对真空处理装置进行一段时间的环境恢复流程就能够使得静电夹盘的使用状态再次恢复到接近出厂设置。相对于现有技术需要对整个静电夹盘进行大范围表面材料磨削，本发明通过简单的工具短时间恢复了静电夹盘的性能，而且还不会导致静电夹盘报废，具有显著的经济效果。

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。