靜電卡盤以及等離子體加工設備的制作方法與工藝

本發明涉及半導體設備制造領域，具體地，涉及一種靜電卡盤以及等離子體加工設備。

背景技術：
在制造集成電路（IC）和微機電系統（MEMS）的工藝過程中，特別是在實施等離子刻蝕（ETCH）、物理氣相沉積（PVD）、化學氣相沉積（CVD）等的工藝過程中，常使用靜電卡盤來固定、支撐及加熱晶片等被加工工件，為晶片提供直流偏壓并且控制晶片表面的溫度。圖1為典型的靜電卡盤的結構示意圖。如圖1所示，靜電卡盤包括由上至下依次疊置的絕緣層1、加熱器2和鋁基座3。其中，絕緣層1采用AL2O3或ALN等陶瓷材料制成，并且在絕緣層1中設置有直流電極層（圖中未示出），直流電極層與直流電源電連接后在直流電極層與晶片之間產生靜電引力，從而將晶片等被加工工件固定在絕緣層1的頂部；加熱器2用于對晶片等被加工工件進行加熱；鋁基座3與射頻電源連接，用以在晶片等被加工工件上生成射頻偏壓。此外，在加熱器2與鋁基座3之間還設置有隔熱層4，隔熱層4采用硅橡膠等具有良好隔熱性能的材料制成，以阻擋由加熱器2產生的熱量向鋁基座3傳導，從而可以減少加熱器2的熱量損失，進而提高靜電卡盤的加熱效率。而且，在隔熱層4與加熱器2之間以及隔熱層4與鋁基座3之間分別設置有密封劑，利用密封劑分別對隔熱層4與加熱器2之間的間隙和隔熱層4與鋁基座3之間的間隙進行密封，從而防止空氣自該間隙進入晶片所在的真空環境。上述靜電卡盤是借助隔熱層4來實現加熱器2與鋁基座3之間的隔熱，這在實際應用中不可避免地存在以下問題：其一，由于加熱器2、隔熱層4和鋁基座3緊密地疊置在一起，隔熱層4很難完全阻隔加熱器2產生的熱量向鋁基座3傳導，并且加熱器2的加熱溫度越高，隔熱層4的隔熱效果越差，從而降低了靜電卡盤的加熱效率。其二，由于靜電卡盤采用密封劑來分別對隔熱層4與加熱器2之間的間隙和隔熱層4與鋁基座3之間的間隙進行密封，而密封劑的密封作用在高溫環境下將會失效，導致空氣自該間隙進入晶片所在的真空環境，從而影響工藝的正常進行。其三，由于加熱器2、隔熱層4和鋁基座3的熱膨脹系數不同，三者在加熱過程中產生的熱膨脹的差異將會破壞密封劑的密封效果，導致空氣自該間隙進入晶片所在的真空環境，從而影響工藝的正常進行。為此，公開號為CN102105253A的中國專利申請公開了一種高溫靜電卡盤，如圖2所示，靜電卡盤包括卡盤主體110和平臺組件130。其中，卡盤主體110設置于平臺組件130的上方，其包括設置在其內部的直流電極118和加熱元件116，直流電極118用于以靜電引力的方式將晶片固定在卡盤主體110的頂部；加熱元件116用于加熱晶片。而且，在卡盤主體110與平臺組件130之間設置有膨脹接頭140、環狀絕緣環154和安裝法蘭148。其中，環狀絕緣環154借助安裝法蘭148與平臺組件130固定連接，用以支撐卡盤主體110；膨脹接頭140為薄壁環狀結構，并且膨脹接頭140的外環側壁緊靠環狀絕緣環154的內環側壁設置。而且，膨脹接頭140的上端144借助銅焊接頭142與卡盤主體110焊接在一起，膨脹接頭140的下端146借助銅焊接頭143與安裝法蘭148焊接在一起，以對環狀絕緣環154與卡盤主體110之間的間隙和環狀絕緣環154與安裝法蘭148之間的間隙進行密封。此外，膨脹接頭140采用膨脹系數介于卡盤主體110和平臺組件130的膨脹系數的中間值的材料制作，以適應卡盤主體110和平臺組件130的熱膨脹的差異。雖然上述靜電卡盤采用膨脹接頭140可以適應卡盤主體110和平臺組件130之間的熱膨脹的差異，但是，上述靜電卡盤在實際應用中存在以下問題，即：由于膨脹接頭140無法單獨支撐卡盤主體110，因而必須借助絕緣環154支撐卡盤主體110，然而，由于加熱元件116產生的一部分熱量會向絕緣環154傳導，導致加熱元件16的熱量損耗增加，從而降低了靜電卡盤的加熱效率。而且，由于絕緣環154僅與卡盤主體110底部的邊緣區域接觸，導致卡盤主體110的邊緣區域的熱量損耗速率大于中心區域的熱量損耗速率，這使得卡盤主體110的溫度不均勻，從而使晶片的溫度不均勻，進而降低了加工的質量。

技術實現要素：
本發明旨在至少解決現有技術中存在的技術問題之一，提出了一種靜電卡盤以及等離子體加工設備，其可以徹底解決卡盤的隔熱問題，從而可以提高靜電卡盤的加熱效率和加熱均勻性。為實現本發明的目的而提供一種靜電卡盤，包括用于承載被加工工件的卡盤和基座，所述卡盤包括卡盤本體、設置在所述卡盤本體內的靜電電極和加熱單元，所述靜電電極與直流電源連接，用以采用靜電引力的方式將被加工工件固定在所述卡盤上；所述加熱單元用于加熱所述被加工工件；所述基座設置在所述卡盤本體的下方，用以支撐和固定所述卡盤本體；在所述卡盤本體和基座之間設置有隔熱組件，所述隔熱組件包括膨脹隔熱環和冷卻單元，其中所述膨脹隔熱環為閉合的薄壁結構件，其上、下兩端分別與所述卡盤本體和基座密封接觸；所述冷卻單元用于冷卻所述膨脹隔熱環。其中，在所述膨脹隔熱環的上端形成有上環形凸臺，并且在所述上環形凸臺的上表面與所述卡盤本體的下表面之間設置有第一密封件，用以對二者之間的間隙進行密封。其中，在所述膨脹隔熱環的下端形成有下環形凸臺，并且在所述下環形凸臺的下表面與所述基座的上表面之間設置有第二密封件，用以對二者之間的間隙進行密封；或者所述膨脹隔熱環的下端與所述基座的上表面采用焊接的方式進行密封。其中，所述冷卻單元包括冷卻媒介源和冷卻環，其中所述冷卻環位于所述卡盤本體與基座之間，且環繞在所述膨脹隔熱環的內側或外側設置，并且在所述冷卻環內設置有環形的冷卻通道；所述冷卻媒介源用于向所述冷卻通道內通入冷卻媒介。其中，所述冷卻媒介包括冷卻液體或者冷卻氣體。其中，在所述基座與所述卡盤本體之間設置有冷卻板，用以阻隔由所述卡盤本體產生的熱量朝向所述基座輻射；并且所述膨脹隔熱環位于所述卡盤本體與冷卻板之間，且其上、下兩端分別與所述卡盤本體和冷卻板密封接觸，并且所述膨脹隔熱環、所述卡盤本體和所述冷卻板之間形成一封閉空間。其中，所述冷卻環的下表面疊置在所述冷卻板的上表面上，并且在所述冷卻環的下表面上形成有與所述冷卻通道連通的入口和出口；在所述冷卻板內分別設置有第一通道和第二通道，所述第一通道和第二通道的上端位于所述冷卻板的上表面，且分別與所述入口和出口連接；所述第一通道和第二通道的下端位于所述冷卻板的下表面，且與所述冷卻媒介源連接；并且在所述冷卻環的下表面與所述冷卻板的上表面之間設置有第三密封件，用以對所述第一通道和第二通道分別與所述入口和出口連接的連接處進行密封。其中，在所述卡盤本體與冷卻板之間設置有支撐環，用以支撐所述卡盤本體；并且，所述支撐環與所述膨脹隔熱環間隔嵌套設置，且所述支撐環的外徑小于所述膨脹隔熱環的內徑。其中，所述支撐環的數量為一個或多個，且多個所述支撐環的內徑不同，并間隔嵌套設置。其中，所述支撐環的數量為一個，且將所述密封空間分隔為分別對應于所述卡盤本體下表面的中心區域和邊緣區域的第一子空間和第二子空間。其中，在所述冷卻板的上表面上，且分別位于所述第一子空間和第二子空間內設置有貫穿所述冷卻板厚度的第一出氣孔和第二出氣孔，導熱氣體通過所述第一出氣孔和第二出氣孔分別進入所述第一子空間和第二子空間內；并且，在所述卡盤本體內分別設置有中心導熱通道和邊緣導熱通道，其中，所述中心導熱通道的下端與所述第一子空間連通，所述中心導熱通道的上端所述卡盤本體上表面的中心區域連通；所述邊緣導熱通道的下端與所述第二子空間連通，所述邊緣導熱通道的上端與所述卡盤本體上表面的邊緣區域連通。其中，所述支撐環采用不銹鋼或Ni-Co-Fe合金制作。其中，所述膨脹隔熱環采用不銹鋼或Ni-Co-Fe合金制作。作為另一個技術方案，本發明還提供一種等離子體加工設備，其包括反應腔室，在所述反應腔室內設置有靜電卡盤，用以采用靜電引力的方式固定被加工工件，所述靜電卡盤采用了本發明提供的上述靜電卡盤。本發明具有以下有益效果：本發明提供的靜電卡盤，其在卡盤和基座之間設置有隔熱組件，該隔熱組件包括膨脹隔熱環和冷卻單元。由于膨脹隔熱環為閉合的薄壁結構件，其可以阻隔卡盤產生的熱量向基座傳遞，從而可以減少卡盤的熱量的損失，這不僅可以提高靜電卡盤的加熱效率，而且可以提高靜電卡盤的加熱均勻性。另外，由于環形薄壁結構的膨脹隔熱環在受熱時易于變形，其能夠隨著卡盤和基座的熱位移而移動，這可以確保隔熱組件的密封性能，從而可以使靜電卡盤保持密封。此外，借助冷卻單元冷卻膨脹隔熱環，可以進一步阻隔卡盤產生的熱量向基座傳遞，從而可以徹底解決卡盤的隔熱問題，進而可以提高靜電卡盤的加熱效率和加熱均勻性。作為本發明的另一個技術方案，本發明還提供一種等離子體加工設備，其通過采用本發明提供的上述靜電卡盤，可以提高等離子體加工設備的加熱效率和加熱均勻性。附圖說明圖1為典型的靜電卡盤的結構示意圖；圖2為現有的高溫靜電卡盤的結構示意圖；圖3A為本發明實施例提供的靜電卡盤的剖視圖；圖3B為圖3A中靜電卡盤的局部放大圖；以及圖3C為圖3A中卡盤的俯視圖。具體實施方式為使本領域的技術人員更好地理解本發明的技術方案，下面結合附圖來對本發明提供的靜電卡盤以及等離子體加工設備進行詳細描述。圖3A為本發明實施例提供的靜電卡盤的剖視圖。圖3B為圖3A中靜電卡盤的局部放大圖。請一并參閱圖3A和圖3B，靜電卡盤包括用于承載被加工工件13的卡盤、基座5、冷卻板7和隔熱組件8。其中，卡盤包括卡盤本體14、設置在卡盤本體14內的靜電電極11和加熱單元12。靜電電極11與直流電源（圖中未示出）連接，直流電源向靜電電極11提供能量，以采用靜電吸附的方式將被加工工件13固定在卡盤本體14的上表面，在實際應用中，卡盤本體14采用陶瓷材料制造，如氮化鋁等。而且，靜電電極11的材料可選用Mo或W，加熱單元12可選用Mo材料。加熱單元12用于加熱被加工工件13；基座5設置在卡盤本體14的下方，用以支撐和固定該卡盤本體14。冷卻板7設置在基座5和卡盤本體14之間，用以阻隔由卡盤本體14產生的熱量朝向基座5輻射。隔熱組件8設置在卡盤本體14和冷卻板7之間，其包括膨脹隔熱環29和冷卻單元。其中，膨脹隔熱環29采用不銹鋼或Ni-Co-Fe合金制作，且為閉合的薄壁結構件，并且膨脹隔熱環29的上、下兩端分別與卡盤本體14和冷卻板7密封接觸，膨脹隔熱環29、卡盤本體14和冷卻板7之間形成一封閉空間。在本實施例中，在膨脹隔熱環29的上端形成有上環形凸臺28，并且，在上環形凸臺28的上表面與卡盤本體14的下表面之間設置有第一密封件15，用以對二者之間的間隙進行密封。優選地，第一密封件15可以采用CF法蘭形式、C型或U型等結構的金屬密封圈，以防止在進行工藝的過程中，第一密封件15因卡盤本體14的溫度過高而密封失效。此外，上環形凸臺28與卡盤本體14通過真空螺釘（圖中未示出）固定連接，以將膨脹隔熱環29固定在卡盤和冷卻板7之間。在本實施例中，上環形凸臺28與膨脹隔熱環29在其橫截面上的形狀為倒置的“L”形，如圖3B所示，但是本發明并不局限于此，在實際應用中，上環形凸臺28與膨脹隔熱環29在其橫截面上的形狀還可以為“T”形等其他任意形狀，而且，上環形凸臺28在水平方向上的長度可以根據具體情況自由設定，只要其能夠穩定地放置第一密封件15，且有足夠的面積實現與卡盤本體14通過真空螺釘（圖中未示出）固定連接即可。在本實施例中，膨脹隔熱環29的下端與冷卻板7的上表面采用焊接的方式進行密封。當然，在實際應用中，也可以在膨脹隔熱環29的下端形成下環形凸臺，該下環形凸臺的結構和功能與上述上環形凸臺28的結構和功能相類似，并且在下環形凸臺的下表面與冷卻板7的上表面之間設置有第二密封件，用以對二者之間的間隙進行密封。在實際應用中，若分別在膨脹隔熱環29的上、下兩端設置上環形凸臺28和下環形凸臺，則使得膨脹隔熱環29能夠分別與卡盤本體14和冷卻板7可拆卸地裝配在一起，從而便于對膨脹隔熱環29的安裝和更換，而且，當膨脹隔熱環29損壞時，只需更換隔熱組件8，而無需更換整個靜電卡盤，從而可以降低等離子體加工設備的使用成本。由于膨脹隔熱環29為閉合的薄壁結構件，其可以阻隔卡盤產生的熱量向基座5傳遞，從而可以減少卡盤的熱量的損失，這不僅可以提高靜電卡盤的加熱效率，而且可以提高靜電卡盤的加熱均勻性。另外，由于環形薄壁結構的膨脹隔熱環29在受熱時易于變形，其能夠隨著卡盤和基座5的熱位移而移動，這可以確保隔熱組件的密封性能，從而可以使靜電卡盤保持密封。冷卻單元用于冷卻膨脹隔熱環29，其包括冷卻媒介源（圖中未示出）和冷卻環16。其中，冷卻環16位于卡盤本體14與冷卻板7之間，且環繞在膨脹隔熱環29的內側設置，并且在冷卻環16內設置有環形的冷卻通道30；冷卻媒介源用于向冷卻通道30內通入冷卻媒介，冷卻媒介可以為冷卻水、冷卻液等的冷卻液體，或者為冷卻氣體。而且，冷卻環16的下表面疊置在冷卻板7的上表面上，并且在冷卻環7的下表面上形成有與冷卻通道30連通的入口和出口；并且，在冷卻板7內分別設置有第一通道19和第二通道24，第一通道19和第二通道24的上端位于冷卻板7的上表面，且分別與入口和出口連接；第一通道19和第二通道24的下端位于冷卻板7的下表面，且與冷卻媒介源連接，在冷卻環16冷卻膨脹隔熱環29時，由冷卻媒介源提供冷卻媒介經由第一通道19和入口進入冷卻通道30，并在流經冷卻通道30的全程之后，自出口和第二通道24排出。此外，在冷卻環16的下表面與冷卻板7的上表面之間設置有第三密封件31，用以對第一通道19和第二通道24分別與入口和出口連接的連接處進行密封，從而密封冷卻通道30。借助冷卻單元冷卻膨脹隔熱環29，可以進一步阻隔卡盤產生的熱量向基座5傳遞，從而可以徹底解決卡盤的隔熱問題，進而可以提高靜電卡盤的加熱效率和加熱均勻性。在本實施例中，在卡盤本體14與冷卻板7之間設置有一個支撐環27，用以支撐卡盤本體14；并且，支撐環27與膨脹隔熱環29間隔嵌套設置，且支撐環27的外徑小于膨脹隔熱環29的內徑，即，支撐環27位于膨脹隔熱環29的內側。而且，支撐環27將由膨脹隔熱環29、卡盤本體14和冷卻板7形成的密封空間分隔為分別對應于卡盤本體14下表面的中心區域和邊緣區域的第一子空間33和第二子空間32。在冷卻板7的上表面上，且分別位于第一子空間33和第二子空間32內設置有貫穿冷卻板7厚度的第一出氣孔22和第二出氣孔23，而且，在卡盤本體14內分別設置有中心導熱通道和邊緣導熱通道，其中，中心導熱通道的下端與第一子空間33連通，中心導熱通道的上端卡盤本體14上表面的中心區域連通；邊緣導熱通道的下端與第二子空間32連通，邊緣導熱通道的上端與卡盤本體14上表面的邊緣區域連通。在靜電卡盤加熱被加工工件時，導熱氣體通過第一出氣孔22和第二出氣孔23分別進入第一子空間33和第二子空間32內，并且第一子空間33內的導熱氣體經由中心導熱通道流入卡盤本體14上表面的中心區域與被加工工件13下表面的中心區域之間的間隙中；第二子空間32內的導熱氣體經由邊緣導熱通道流入卡盤本體14上表面的邊緣區域與被加工工件13下表面的邊緣區域之間的間隙中。所謂導熱氣體是指用于向被加工工件13傳遞熱量的氣體，其可以為氦氣或氬氣。通過借助支撐環27以及中心導熱通道和邊緣導熱通道，可以分別獨立地控制在卡盤本體14上表面與被加工工件13下表面之間的間隙內，對應于被加工工件13的中心區域和邊緣區域的氣壓，從而可以單獨對被加工工件13的中心區域或邊緣區域的溫度進行微調，進而可以提高靜電卡盤的溫控的靈活性。下面分別對中心導熱通道和邊緣導熱通道的具體結構進行詳細描述。具體地，圖3C為圖3A中卡盤的俯視圖。請參閱圖3C，在本實施例中，中心導熱通道包括對應于卡盤本體14上表面的中心區域的中心環形通道35，中心環形通道35包括兩個同軸且間隔嵌套設置的閉合環形通道，并且中心環形通道35的上端沿卡盤本體14的軸向延伸至卡盤本體14的上表面。在中心環形通道35上設置有第一進氣孔26，用以使中心環形通道35與第一子空間33連通。此外，優選在兩個閉合環形通道之間設置有連通二者的多個徑向通道351，多個徑向通道351沿中心環形通道35的周向間隔設置，且其上端沿卡盤本體14的軸向延伸至卡盤本體14的上表面。借助徑向通道351，可以使導熱氣體更均勻地通向卡盤本體14的上表面與被加工工件13的下表面之間，從而更均勻地將熱量傳遞至被加工工件13。與中心導熱通道的結構相類似，邊緣導熱通道包括對應于卡盤本體14上表面的邊緣區域的邊緣環形通道34，邊緣環形通道34包括兩個同軸且間隔嵌套設置的閉合環形通道，并且邊緣環形通道34的上端沿卡盤本體14的軸向延伸至卡盤本體14的上表面。在邊緣環形通道34上設置有第二進氣孔25，用以使邊緣環形通道34與第二子空間32連通。此外，優選在兩個閉合環形通道之間設置有連通二者的多個徑向通道341，多個徑向通道341沿邊緣環形通道34的周向間隔設置，且其上端沿卡盤本體14的軸向延伸至卡盤本體14的上表面。借助徑向通道341，可以使導熱氣體更均勻地通向卡盤本體14的上表面與被加工工件13的下表面之間，從而更均勻地將熱量傳遞至被加工工件13。在實際應用中，中心導熱通道或邊緣導熱通道也可以包括一個閉合環形通道，或者三個以上的同軸且間隔嵌套設置的閉合環形通道，環形通道的數量可以根據具體情況自由設定。在本實施例中，在冷卻板7與基座5之間還可以設置有絕緣部件6，用以使冷卻板7與基座5電絕緣。并且，在絕緣部件6與冷卻板7相互疊置的兩個表面之間設置有密封件17，用以對絕緣部件6與冷卻板7之間的間隙進行密封；以及，在絕緣部件6與基座5相互疊置的兩個表面之間設置有密封件18，用以對絕緣部件6與基座5之間的間隙進行密封。此外，在冷卻板7內還設有隔熱通道21，用以減少冷卻板7自身體積，以進一步阻隔熱量朝向基座5輻射。在本實施例中，隔熱通道21可以為多個同軸且間隔嵌套設置的環形隔熱通道。優選地，相鄰兩個環形隔熱通道之間的間距相等，以保證卡盤各個區域的熱量損耗趨于均勻。在本實施例中，如圖3A所示，在冷卻板7上還可以設置有一個貫穿其軸向厚度的通孔20，用于電連接直流電源和靜電電極11的導線穿過該通孔20與直流電源電連接。需要說明的是，在本實施例中，冷卻環16環繞在膨脹隔熱環29的內側設置，但是本發明并不局限于此，在實際應用中，冷卻環也可以環繞在膨脹隔熱環的外側設置，這同樣可以冷卻膨脹隔熱環29。還需要說明的是，雖然在本實施例中支撐環27的數量為一個，但是本發明并不局限于此，在實際應用中，支撐環27的數量可以為兩個以上，且多個支撐環27的內徑不同，并間隔嵌套設置。支撐環27的數量可以根據具體情況自由設定，只要保證可以穩固地支撐卡盤本體14即可。進一步需要說明的是，在本實施例中，膨脹隔熱環29的上端借助上環形凸臺28與卡盤本體14密封接觸，但是本發明并不局限于此，在實際應用中，還可以省去上環形凸臺28，并采用焊接等的其他方式將膨脹隔熱環29的上端與卡盤本體14密封接觸。進一步需要說明的是，在實際應用中，也可以省去冷卻板7，即，隔熱組件設置在卡盤本體和基座之間。作為本發明的另一個技術方案，本發明還提供一種等離子體加工設備，其包括反應腔室，在反應腔室內設置有靜電卡盤，用以采用靜電引力的方式固定被加工工件，該靜電卡盤采用了本發明實施例提供的靜電卡盤。本發明實施例提供的等離子體加工設備，其通過采用上述靜電卡盤，不僅能夠提高等離子體加工設備的加熱效率和加熱均勻性，而且還能夠降低等離子體加工設備的使用成本。可以理解的是，以上實施方式僅僅是為了說明本發明的原理而采用的示例性實施方式，然而本發明并不局限于此。對于本領域內的普通技術人員而言，在不脫離本發明的精神和實質的情況下，可以做出各種變型和改進，這些變型和改進也視為本發明的保護范圍。