一种等离子体干法刻蚀用的托盘系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体加工技术领域，特别是一种通过引入高导热系数材料来提高晶片表面散热能力和改善温度均匀性的等离子体干法刻蚀用的托盘系统。
【背景技术】
[0002]在半导体加工工艺过程中，特别是等离子干法刻蚀(ICP)过程中，一般使用托盘系统来固定、支撑并传送晶片(Wafer)，避免晶片在工艺过程中出现移动或错位现象。此外，晶片在刻蚀的整个过程中，托盘充当电极系统的下电极，通过接入射频(RF)电源，RF电源会在晶片上形成直流偏压(DC Bias)。这样促成等离子体对晶片的刻蚀反应。同时，托盘系统会对晶片实现温度控制，以控制晶片刻蚀的均匀性。
[0003]目前，在采用ICP制备图形化蓝宝石衬底(PSS)工艺中，刻蚀蓝宝石衬底所采用的托盘系统是，金属铝托盘I结合盖板4系统，如图(I)所示。待刻蚀的晶片5放置在铝托盘I上，并用铝或石英材料的盖板4固定。铝托盘I底部均有数个气流孔2，在刻蚀过程中，惰性气体氦气(He)通过气流孔填充蓝宝石衬底与托盘之间的缝隙，托盘表面有密封圈3，密封圈3的作用在于密封晶片与托盘间的He气，以免He气进入ICP腔体内而影响刻蚀速率和均匀性。另外，托盘与ICP腔体内的卡盘承载系统之间的间隙也是由He气填充，He气的作用是将晶片表面所产生的热量传导至铝托盘I上，并及时散去，从而起到控制晶片表面温度和刻蚀均匀性的效果。
[0004]上述托盘系统至少存在以下缺点:
[0005](I)He气导热系数仅为0.144W/m.K，金属铝的导热系数为237W/m.K，存在的问题是，在大偏压功率刻蚀作业时，晶片表面的温度将持续升高，当表面温度超过光刻胶掩膜的玻璃态转变温度(Tg)时，光刻胶会产生形变甚至烧糊，从而导致刻蚀异常的现象；
[0006](2)刻蚀过程中，因装片环节导致密封效果不好的情况下，He气泄漏将会引起晶片局部温度过高，从而导致晶片表面图形畸变，现有技术的铝托盘系统对装片环节和密封性要求非常高，可调节窗口小；
[0007](3)晶片与铝托盘的间隙要求很窄，因而He气填充的体积有限，不利于He气对晶片进行充分的热传导，致使晶片表面温度偏高且分布不均匀。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种通过在托盘表面和背面引入高导热系数石墨烯或石墨烯复合材料来提高刻蚀过程中晶片瞬时散热能力和改善温度均匀性的等离子体干法刻蚀用的托盘系统。
[0009]石墨烯具有极高的导热系数，其导热系数高达6600W/m.K,比导热性能最好的金属银(Ag)材料的导热系数高出一个多数量级，比铝金属的导热系数高出30多倍。将石墨烯引入等离子干法刻蚀的托盘系统中，将有利于大大改善刻蚀过程中晶片的瞬时散热能力，有利于控制晶片表面的温度均匀性和提高刻蚀成品合格率及扩大刻蚀工艺的操作窗口。
[0010]为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是:在现有托盘加工工艺兼容的基础上，在托盘上表面和下表面镶嵌高导热性能材料层，所述高导热性能材料层可以是石墨烯或石墨烯复合材料材料层6，如图2所示。
[0011]由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的托盘系统，由于石墨烯具有极高的导热能力，有利于晶片表面在刻蚀过程中产生的热量迅速被散去，并有利于提高晶片表面的温度均匀性。此外，在He气泄漏或He气供量不足的情况下，石墨烯极高的导热特性也能很好地维持晶片表面较低的温度和温度均匀性，因而有利于提高产品品质并扩大生产操作窗口。特别地，本发明的石墨烯材料托盘系统，有利于进一步缩小晶片与托盘间的缝隙而提闻晶片刻蚀速率，进而提闻等尚子刻蚀设备的广能。
【附图说明】
[0012]图(I)为现有技术中托盘系统的结构示意图；
[0013]图(2)为本发明的托盘系统的结构示意图；
[0014]图(3)为本发明的托盘平面结构和石墨烯分子结构的示意图。
[0015]图中:1.招托盘；2.气流孔；3.想'封圈；4.盖板；5.晶片；6.石墨稀材料(或石墨烯复合材料)层。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图，进一步详细说明本发明托盘系统的【具体实施方式】，但不用来限制本发明的保护范围。
[0017]参考图⑵和图(3)。本发明用于提高晶片散热能力和改善温度均匀性的托盘系统，核心创新之处在于铝托盘I的上下表面引入了高导热系数的石墨烯材料(或石墨烯复合材料)层6。所述的石墨烯材料(或石墨烯复合材料)层6为多层叠加的单层石墨烯(或石墨烯复合材料)并嵌入铝托盘表面。上表面石墨烯材料(或石墨烯复合材料)层6，其厚度范围在0.1mm?Imm之间，覆盖部位与晶片放置区域重合，并在石墨烯材料(或石墨烯复合材料)层6表面进行开孔处理，孔尺寸和位置与铝托盘开孔一致，目的在于让He气通过气流孔进入晶片与石墨烯材料(或石墨烯复合材料)层6的间隙，在石墨烯材料(或石墨烯复合材料)层6最外圈设置密封圈3，其作用是对He气进起密封作用。He气的作用是使刻蚀过程中晶片表面产生的热量均匀地传导到石墨烯层，而石墨烯材料(或石墨烯复合材料)层6的作用是迅速将热量传递到铝托盘。在铝托盘下表面整体镶嵌石墨烯材料(或石墨烯复合材料)层6,其厚度范围为0.1mm?5mm,同时按总的气孔需求数开孔。下表面石墨烯层的作用，是迅速将传递到铝托盘的热量转移到卡盘冷却系统，从而实现热量的瞬时转移，最大程度的保持晶片在刻蚀过程中的温度及其均匀性，特别是在存在He气泄露密封性不好的情况下，仍能保持良好的散热能力，改善刻蚀过程中温度分布的均匀性，从而提高产品的均匀性。
[0018]考虑到石墨烯材料在实际生产中稳定性、耐用性，特别是提高该托盘系统的有效使用寿命，对石墨烯材料进行适当加工处理也是可行的，采用石墨烯复合材料来进一步提高耐等离子体轰击和化学侵蚀的能力也是本发明所涉及之处。
[0019]本发明一种等离子体干法刻蚀用的托盘系统，所述的盖板4，是由石英材料或金属铝材料制成，盖板4与密封圈3在外部扭力作用下，对晶片5与托盘I间的缝隙进行密封，以免冷却气体He气进入ICP腔体内而影响晶片刻蚀速率和均匀性。
[0020]本发明一种等离子体干法刻蚀用的托盘系统，不仅可以应用于蓝宝石材料干法刻蚀工艺，还能应用于诸如氮化镓材料、硅材料和碳化硅材料的干法刻蚀工艺中。
[0021]以上所述，仅是为了说明本发明的技术构思和特点，其目的在于让大家了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，任何熟悉本技术领域的技术人员根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰方面，均涵盖在本发明的保护范围内。
【主权项】
1.一种等离子体干法刻蚀用的托盘系统，包括铝托盘(I)、氦气孔(2)、密封圈(3)、盖板(4)，其特征在于铝托盘(I)的上表面和下表面均镶嵌着高导热性能材料层(6)。2.根据权利要求1所述的一种等离子体干法刻蚀用的托盘系统，其特征在于所述高导热性能材料(6)是石墨烯材料或石墨烯复合材料。3.根据权利要求1所述的一种等离子体干法刻蚀用的托盘系统，其特征在于所述的上表面石墨烯材料(或石墨烯复合材料)层厚度范围为0.1mm?Imm,下表面石墨烯材料(或石墨烯复合材料)层厚度范围为0.1mm?5mm。4.根据权利要求1所述的托盘系统，其特征在于该托盘系统不仅可以应用于蓝宝石材料干法刻蚀工艺，还能应用于诸如氮化镓材料、硅材料和碳化硅材料的干法刻蚀工艺中。
【专利摘要】本发明设计半导体加工技术领域。本发明通过引入石墨烯材料或石墨烯复合材料层来提高晶片表面散热能力和改善温度均匀性的等离子体干法刻蚀用托盘系统，包括铝托盘、氦气孔、密封圈、盖板以及嵌入的高导热性能的石墨烯材料(或石墨烯复合材料)层。本发明的优点和积极效果在于：将高导热系统的石墨烯材料或石墨烯复合材料引入等离子干法刻蚀的托盘系统中，有利于大大改善刻蚀过程中晶片的瞬时散热能力，有利于控制晶片表面的温度均匀性和提高刻蚀成品合格率及扩大刻蚀工艺的操作窗口。
【IPC分类】H01L21/67, H01J37/32
【公开号】CN105448776
【申请号】CN201410549580
【发明人】付星星, 陈振浩, 蓝文安, 康凯, 张国义
【申请人】东莞市中镓半导体科技有限公司
【公开日】2016年3月30日
【申请日】2014年10月16日