静电卡盘以及半导体设备的制作方法

本实用新型涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种静电卡盘以及半导体设备。

背景技术：

半导体设备广泛用于当今的半导体、太阳能电池、平板显示等制作工艺中。在目前的半导体设备中，通常使用静电卡盘(Electrostatic Chuck，简写为ESC)实现工艺过程中待加工工件的夹持，静电卡盘被广泛应用于集成电路(IC)制造设备中。

静电卡盘长期使用后会出现程度不同的磨损以及一些零部件老损，需要按期更换维护。传统的静电卡盘使用焊接一体式结构，无法对其内部零部件维护保养，其陶瓷部分同样不容易更换维修，需要整体拆下来维修和翻新。

图1是一种现有的可拆卸静电卡盘，包括静电卡盘陶瓷部分100、静电卡盘辅件110、以及固定二者的连接螺钉120。静电卡盘陶瓷部分100包括卡盘功能部分101、底座支撑部分103、以及焊接连接二者的中间焊料部分102。

卡盘功能部分101采用AlN陶瓷，底座支撑部分103采用AlSiC陶瓷，受到加工能力的限制，卡盘功能部分101无法制造得很厚(24mm以上)，尤其是其边缘部分，厚度更小，不能抵抗垂直方向的剪应力，因此需要焊接一块较厚的底座支撑部分103来增加强度、抵抗剪切力。

如图1、图2所示，静电卡盘辅件110包括焊接波纹管底座111、石墨导热膜112、水冷盘上盘113、水冷盘下盘114、推紧弹簧115、电极接线116、水管路117、大密封环118、小密封环119、热电偶1101。底座支撑部分103采用贴合面积较大的订制密封环(宽度一般超过5mm)进行真空密封。热电偶1101穿过底座支撑部分103的孔测量卡盘功能部分101的温度。大密封环118的支撑面为焊接波纹管底座111上部的密封槽，小密封环119的支撑面为水冷盘上盘113，水冷盘上盘113与水冷盘下盘114使用扩散焊的方式焊接，推紧弹簧115向上推紧水冷盘下盘114，水冷盘上盘113向上推紧石墨导热膜112，使水冷盘上部113、石墨导热膜112、底座支撑部分103紧贴无缝隙。电极接线116、水管路117穿过水冷盘上盘113与水冷盘下盘114中心附近的孔洞引出。

在实现本实用新型的过程中，申请人发现现有技术存在以下缺陷：

静电卡盘陶瓷部分100由卡盘功能部分101、底座支撑部分103两部分焊接得到，焊接工艺较复杂、焊接难度大、废品率高、成品成本很高。静电卡盘陶瓷部分100电学性能复杂，包含两种陶瓷、金属焊料且焊接难以非常均匀，不适合物理气相沉积(PVD)腔室内带有射频的电学环境。底部支撑部分103使用AlSiC陶瓷材质，该陶瓷材质的电阻率仅有E-5Ω.cm，属于导体，且与卡盘功能部分101焊接一体，无法轻易更换，对其他与之接触的零部件的电学性能有限制；AlSiC陶瓷材质本身致密性不好，疏松多孔，普通的密封圈无法密封，需要使用特殊订制的密封环与之贴合才能实现真空密封。需要在底座支撑部分103上打孔，热电偶才能测量到卡盘功能部分101的温度。

技术实现要素：

本实用新型旨在至少部分地解决现有技术中存在的技术问题，提出了一种静电卡盘以及半导体设备。

根据本实用新型的一个方面，提供了一种静电卡盘，包括：支撑组件，包括基座和功能部；卡盘本体，通过紧固件固定于所述基座，所述卡盘板体包括主体部：所述主体部背离所述基座的表面设有凸部，所述凸部的上表面用于支撑待加工工件；所述主体部朝向所述基座的表面设有凹部，所述凹部和所述基座构成的空间用于容置所述功能部和与所述功能部连接的管线。

在本实用新型的一些实施例中，所述基座周缘沿周向开有多个螺纹孔；所述紧固件包括：压环，沿周向开有多个通孔；多个螺钉，通过所述压环的通孔与所述基座的螺纹孔将所述压环固定于所述基座，所述压环压紧所述卡盘本体的主体部。

在本实用新型的一些实施例中，所述压环包括：固定部，所述螺纹孔开设于所述固定部；压紧部，压紧所述主体部背离所述基座的表面边缘。

在本实用新型的一些实施例中，所述压环的高度小于所述凸部的高度。

在本实用新型的一些实施例中，所述螺纹孔沿周向均匀分布。

在本实用新型的一些实施例中，所述压环采用陶瓷材质或者金属材质。

在本实用新型的一些实施例中，所述基座包括：周边部；凸出部，位于所述周边部内侧，紧贴所述主体部的凹部底面，且与所述凹部底面之间通过标准O型密封圈密封；腔体，位于所述凸出部内侧，用于容置所述功能部，所述功能部紧贴所述主体部的凹部底面；管路，与所述腔体连通，用于容置与所述功能部连接的管线。

在本实用新型的一些实施例中，所述功能部包括：水冷盘体，其底部通过顶紧弹簧支撑于所述腔体，其顶部紧贴所述主体部的凹部底面。

在本实用新型的一些实施例中，所述功能部还包括：中心气管基座，设置于所述水冷盘体顶部的凹槽内，且紧贴所述主体部的凹部底面，所述中心气管基座与所述凹部底面之间通过标准O型密封圈密封。

在本实用新型的一些实施例中，所述功能部还包括：热电偶，其底部通过自带的弹簧结构支撑于所述水冷盘体顶部的凹槽底面，其顶针紧贴所述主体部的凹部底面。

在本实用新型的一些实施例中，所述卡盘本体的整体高度H1＝18～24mm；所述主体部的高度H2＝10～15mm；所述凹部的深度H3＝13～15mm。

在本实用新型的一些实施例中，所述主体部的凸部和凹部形成同心圆结构，且所述凹部的直径小于所述凸部的直径。

在本实用新型的一些实施例中，所述凹部的直径比所述凸部的直径小8mm～12mm。

在本实用新型的一些实施例中，所述卡盘本体采用一体成形的单一陶瓷材料。

在本实用新型的一些实施例中，其中陶瓷材料包括AIN陶瓷或Al2O3陶瓷。

在本实用新型的一些实施例中，还包括与所述卡盘本体的主体部一体烧结成型的电极接线柱和电位测量接线柱。

根据本实用新型的另一个方面，还提供了一种半导体设备，其包括：反应腔室，在所述反应腔室中设置有静电卡盘，所述静电卡盘采用上述任一静电卡盘。

本实用新型的卡盘本体的台阶具有较大的厚度，提高了卡盘本体的结构强度，可直接固定于支撑组件上使用，通过在卡盘本体下表面开设凹部减小厚度，避免出现烧结不透彻，陶瓷颗粒大小不均匀，影响卡盘本体的强度和力学性能的情况。卡盘本体无需打孔固定，减小了出现微细裂纹的几率，有效防止微细裂纹的扩散，增大了卡盘本体的断裂强度，使卡盘本体的强度达到可以抵抗剪切力的程度。水冷盘体直接贴紧卡盘本体，提高了传热的均匀性；无需使用类似石墨导热膜的部件来增强传热能力，简化了静电卡盘的结构，节省了成本。卡盘本体致密性好，采用标准品O型密封圈即可实现与基座的密封。热电偶直接紧贴卡盘本体，提高了传热的均匀性以及温度测量的准确性。

附图说明

通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1是现有技术的静电卡盘结构示意图。

图2是图1所示静电卡盘的静电卡盘辅件俯视图。

图3是本实用新型实施例静电卡盘的拆解结构图。

图4是本实用新型实施例静电卡盘的剖面结构图。

图5是本实用新型实施例静电卡盘的局部剖面图。

图6是本实用新型实施例静电卡盘的卡盘本体的仰视图。

图7是本实用新型实施例静电卡盘的卡盘本体的尺寸图。

图8是本实用新型实施例等离子设备的结构示意图。

符号说明

20-静电卡盘；

21-紧固件；211-压环；2111-固定部；2112-压紧部；212-螺钉；

22-卡盘本体；220-主体部；221-凸部；2211-第一圆角；2212-第二圆角；2213-中心气孔；2214-支气孔；2215-顶针孔；222-电极接线柱；223-电位测量接线柱；224-边缘部分；225-凹部；

23-支撑组件；

231-基座；2311-周边部；2312-凸出部；2313-腔体；2314-管路；

232-大密封圈；233-水冷盘体；234-热电偶；235-小密封圈；236-中心气管基座；237-顶紧弹簧；238-中心气管；239-波纹管；

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本实用新型的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本实用新型的概念。

如图3所示，根据本实用新型实施例的静电卡盘，包括卡盘本体22、支撑组件23以及紧固件21。请同时参见图4，卡盘本体22具有一主体部220，支撑组件23的主体结构为基座231，主体部220固定于基座231，具体来说固定于基座231的上表面。该主体部220背离基座231的表面设有凸部221，凸部221的上表面支撑待加工工件，该主体部220朝向基座231的表面设有凹部225，凹部225和基座231构成一空间，卡盘本体22整体呈凸台形状。

本实施例的卡盘本体22采用一体成形的单一陶瓷材料，陶瓷材料可以是AIN或Al2O3。凸部221四周为本体部的边缘部分224，边缘部分224具有较大的厚度，通过增大边缘部分224的厚度提高了卡盘本体22的结构强度，增强了抵抗剪切力的能力，相对于现有技术，无需再焊接底座支撑件来增加强度，可以直接固定于支撑组件23上使用。边缘部分224厚度的增大会导致卡盘本体22整体高度的增加，使主体部220的中心部分过厚，这会导致加工卡盘本体22时烧结不透彻，制成后陶瓷颗粒大小不均匀，影响卡盘本体22的强度和力学性能。而本实施例通过在主体部220下表面开设凹部225，减小了中心部分的厚度，使得主体部220的高度增大但厚度不增大，即边缘部分224厚度增大但除边缘部分224之外的中心部分厚度不增大，这样不会出现烧结不透彻，陶瓷颗粒大小不均匀，影响卡盘本体的强度和力学性能的情况。

卡盘本体22通过紧固件21固定于基座231，本实施例的紧固件21包括压环211和螺钉212。压环211压住主体部的边缘部分224，压环211沿周向开有多个通孔，基座231周缘沿周向开有均匀分布的螺纹孔，多个螺钉一一对应穿过压环211的通孔与基座231的螺纹孔配合，通过螺钉212压紧压环211，压环211压紧主体部220，从而将卡盘本体22固定于基座231。

其中，如果压环通孔、基座螺纹孔、螺钉的数量过少，则无法有效地减小卡盘本体的局部应力，不利于增强抵抗剪切力的能力；如果数量过多，则会增加拆装的劳动强度。本实施例的压环通孔、基座螺纹孔、螺钉数量优选10～50，这样既可以有效减小卡盘本体的局部应力，又不会使拆装劳动强度过大。压环211可以采用陶瓷材质或者金属材质，通过选用不同材质的压环，就可以方便地改变压环的电学性能，适应不同导电性需求的反应腔室。

本实施例通过压环211和螺钉212固定卡盘本体22，相对于现有技术的卡盘本体焊接于底座支撑件、在底座支撑件打孔的固定方式，可以非常方便地对卡盘本体进行拆装和更换，并且不需要在卡盘本体上打孔，减小了卡盘本体加工中出现微细裂纹的几率，有效防止微细裂纹的扩散，增大了卡盘本体的断裂强度，使卡盘本体的强度达到可以抵抗剪切力的程度。

支撑组件23的基座231包括周边部2311、位于周边部2311内侧的凸出部2312、位于凸出部2312内侧的腔体2313、与腔体2313连接的管路2314。

基座231的螺纹孔沿周向开设于周边部2311的周缘，压环211和螺钉212将卡盘本体22固定于基座的周边部2311。凸出部2312紧贴主体部凹部225的底面，凸出部2312与凹部225的底面之间通过大密封圈232实现密封，使基座的周边部2311、凸出部2312、主体部的凹部225与大密封圈232之间围成的区域为真空状态。

支撑组件23还包括水冷盘体233、热电偶234、中心气管基座236等功能部以及与功能部连接的管线。凹部和基座构成的空间用于容置功能部和与功能部连接的管线。

具体来说，腔体2313用于容置功能部。例如，水冷盘体233的底部通过顶紧弹簧237支撑于腔体2313，顶紧弹簧237处于压缩状态，向上推紧水冷盘体233。由于本实施例的卡盘本体没有焊接AlSiC陶瓷材料的底座支撑件，水冷盘体233直接贴紧在主体部凹部225的底面。卡盘本体22的陶瓷材料致密性好，保证了卡盘本体22与水冷盘体233之间无细小缝隙，提高了传热的均匀性；同时也不需要使用类似石墨导热膜的部件来增强传热能力，简化了静电卡盘的结构，节省了成本。

中心气管基座236设置于水冷盘体中心的凹槽中，并直接贴紧在主体部凹部225的底面，中心气管基座236与凹部225的底面之间通过小密封圈235实现密封，使主体部的凹部225、小密封圈235和中心气管基座236之间形成真空状态，主体部的凹部225、小密封圈235、中心气管基座236、基座腔体2313、凸出部2312、大密封圈232围成的区域为大气状态。

由于本实施例的卡盘本体没有焊接AlSiC陶瓷材料的底座支撑件，因此大密封圈232和小密封圈235采用标准品O型圈即可，不需要使用特殊订制的密封环，即可实现密封。

水冷盘体中心的凹槽中还设置有自带弹簧机构的热电偶234，热电偶234顶端的顶针紧贴在主体部的凹部225底面，即可测量到卡盘本体22的温度。卡盘本体22的陶瓷材料致密性好，提高了传热的均匀性以及温度测量的准确性。由于本实施例的卡盘本体没有焊接底座支撑件，热电偶234可以直接接触到卡盘本体22，因此不需要在底座支撑件打孔的步骤，使得静电卡盘的加工工艺得到简化。

管路2314外部套设有波纹管239，用于容置连接功能部的各种管线。例如，管路2314中的中心气管238经中心气管基座236连接卡盘本体的中心气孔2213(参见图6)，与卡盘本体22内的气路连通，用于通入冷却气体。另外，管路2314中的水管与水冷盘体233连通，用于提供冷却水；管路2314中的导线与热电偶234电性连接，用于传输热电偶234信号。

参见图5，对本实施例的静电卡盘作进一步说明。压环211包括固定部2111与压紧部2112，螺纹孔开设于固定部2111，压紧部2112按压主体部的边缘部分224。其中压环211的高度应小于主体部的凸部221高度，以免影响在主体部220的四周放置聚焦环等其他部件。

主体部边缘部分224上表面与凸部221侧面的交汇处形成第一圆角2211，凹部225底面与侧面的交汇处形成第二圆角2212，经过第一圆角2211和第二圆角2212的截面为卡盘本体22的剪切面，第一圆角2211与第二圆角2212之间的部分为卡盘本体22的结构薄弱部分，该结构薄弱部分的强度比卡盘本体22的其他部分低。为保证卡盘本体22具有足够的结构强度来抵抗剪切力，本实施例的凹部225直径小于凸部221的直径，即凹部225的侧面应比凸部221的侧面更靠近卡盘本体22的中心，这样使得结构薄弱部分具有较大的厚度，剪切面具有更大的面积，保证了卡盘本体22具有足够的结构强度，直接固定于支撑组件23也具有抵抗剪切力的能力。

参见图6和图7，对本实施例的卡盘本体作进一步说明。主体部220的中心位置开设有中心气孔2213、以及与中心气孔2213连通的三个均匀分布的支气孔2214，组成贯穿卡盘本体22的气路。中心气管238的冷却气体可经中心气孔2213以及各个支气孔2214由主体部220的上表面流出，在工艺时对待加工工件进行冷却。

主体部220还包括两个电极接线柱222和电位测量接线柱223。电极接线柱222由凹部225一侧插入但不穿透主体部220。主体部220内部设置有电极，与电极接线柱222电性连接，支撑组件管路2314中的电极导线与电极接线柱222电性连接，电极导线还连接有电源，用于向电极传输电源功率。该电极接线柱222为直流(DC)电极接线柱，电极为直流电极，直流电源通过电极导线向直流电极供电以产生静电力。该电极接线柱222也可以是直流/射频(DC/RF)电极接线柱，电极包括直流电极和射频电极，直流电源和射频电源通过电极导线分别向直流电极以及射频电极供电。电位测量接线柱223由凹部225一侧插入并穿透主体部220，用于对待加工工件的电位进行测量。电极接线柱222和电位测量接线柱223通过在烧结卡盘本体22时预埋到其中而一体烧结成形。

主体部220还包括三个沿周向均匀分布的顶针孔2215，用于顶针机构顶针穿过，用于升降待加工工件。

请进一步参见图7，第一圆角2211半径＝R1～R3(mm)，第二圆角2212半径＝R1～R3(mm)；主体部的凹部225、凸部221、边缘部分224形成同心圆结构，其中，凸部221直径D1＝Φ292～298(mm)，主体部220直径D2＝Φ308～330(mm)，顶针孔2215直径D3＝R3～R5(mm)之间；凹部225直径D4＝D1-(8mm～12mm)；卡盘本体22整体(凸部221上表面至边缘部分224下表面的直线距离)高度H1＝18～24(mm)，边缘部分224高度H2＝10～15(mm)，凹部225深度H3＝13～15mm。

采用上述尺寸的卡盘本体，凸部221直径比凹部225直径大8mm～12mm，卡盘本体22的结构薄弱部分具有足够的宽度，剪切面具有足够大的面积，保证了卡盘本体22具有足够的结构强度，直接固定于支撑组件23也具有抵抗剪切力的能力。凸部221的厚度不超过11mm，并且主体部220内部的任一点到其任一表面的距离均不超过12mm，保证了加工时烧结透彻，陶瓷颗粒大小均匀，力学性能较好。

由此可见，本实施例静电卡盘，卡盘主体不需要焊接其他材质的陶瓷，该卡盘主体的形状和尺寸可以抵抗剪切力并具有良好的加工工艺性，可以通过烧结得到具有均匀颗粒的陶瓷卡盘本体，简化了制造工艺，降低了加工成本。卡盘主体使用单一陶瓷材料，具有稳定的电学性能，不会因为不同批次的AlN与AlSiC材料焊接工艺的差别带来电学性能的差异性，有利于反应腔室内射频环境控制电场。卡盘本体完全没有孔状结构，可以有效的减少加工产生的微细裂纹，有效地防止陶瓷微细裂纹的扩散，增加卡盘本体的断裂强度。

本实用新型另一实施例提供了一种半导体设备，参见图8，其包括反应腔室，在反应腔室中设置有静电卡盘20，该静电卡盘20采用本实用新型实施例提供的静电卡盘。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本实用新型的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本实用新型的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本实用新型的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意含及代表该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

类似地，应当理解，为了精简本实用新型并帮助理解各个实用新型方面中的一个或多个，在上面对本实用新型的示例性实施例的描述中，本实用新型的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该实用新型的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本实用新型要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，实用新型方面在于少于前面实用新型的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本实用新型的单独实施例。