基片支承装置及其静电释放方法

专利名称：基片支承装置及其静电释放方法
技术领域：
本发明涉及等离子加工技术领域，特别涉及一种基片支承装置及其静电 释放方法。
背景技术：
在等离子加工领域， 一般在真空反应腔室中对基片进行刻蚀或采用化学 气相沉积法在基片表面形成半导体结构。此过程中，通常需要利用基片支承
装置例如静电卡盘(Electrostatic Chuck, ESC )将基片固定在真空反应腔室内 特定的工位上，而后将用于刻蚀或沉积的工艺气体通过管路输送到真空反应 腔室之中，同时在真空反应腔室内施加射频电场，将工艺气体激发为等离子 状态而开始工作。
目前的等离子加工设备中，静电卡盘等基片支承装置里埋有用于产生静 电的单电极或双电极，例如，埋有双电极的静电卡盘中的一个电极靠近静电 卡盘的上表面，该上表面之上放置有待加工的基片。工艺过程中，先利用ESC 电源在双电极上施加高压直流电，使两个电极分别积聚不同极性的电荷，靠
的感应电荷，也就是说，靠近静电卡盘上表面的电极中的电荷与基片中对应 区域的感应电荷的极性相反，它们之间的静电引力使基片吸附在静电卡盘的 上表面而^皮固定；加工工艺完成后，ESC电源在所述双电才及上再施加反向电
电释放过程，使所述静电引力消失，然后利用升针机构将加工后的基片从静 电卡盘上托起，再用机械手将基片取出。
但是，通过ESC电源施加反向电压的方法一般并不能完全中和基片中的 感应电荷，往往还遗留有残余静电，这是因为静电的消除受到多种因素的影 响，例如反向电压的高低、施加反向电压时间等，而且对于不同的工艺，基 片被静电卡盘吸附后所带静电的电量也是不同的，因此静电释放后残余静电 的电量也不尽相同。
残余静电带来的直接影响是工艺完成后升针机构托起基片的过程中发生粘片现象，也就是说，残余静电产生的静电引力使基片仍然吸附在静电卡盘 的表面，而且随残余静电的增多粘片现象越明显，导致基片可能偏离真空反 应腔室的中心位置或者在升起过程中掉片，导致机械手无法正常取出基片； 更为严重的粘片情况下还会发生碎片现象，污染整个真空反应腔室，需要停 机打开腔室进行清理。
针对上述问题，现有技术中提供了一种半导体基片的支承装置，其结构
如图1所示，所述支承装置包括用于放置半导体基片的基片座，用于将基 片举升离开所述基片座的升针机构，位于升针机构下面的、用于驱动升针机 构升降的马达，连接所述马达与升针机构的导向螺杆，以及用于在举升过程 中限制升针机构对基片作用力的反馈机构。
所述升针机构包括基片座下面的柱状举升板，连接于所述柱状举升板 之上的举升组柱；所述举升组柱穿过基片座并与基片的底面接触，所述柱状 举升板通过开关和可变电阻接地，所述柱状举升板与基片座之间还设有密封 环。所述反馈机构包括应变测量器、马达控制器和编码器；所述基片座中 具有双电极(图中未示出)，其中一个电极靠近基片座的上表面。
等离子加工工艺完成后，在基片座的双电;f及上施加反向电压，然后开启 马达，马达通过导向螺杆带动所述升针机构向上移动， 一旦升针机构的举升 组柱与基片的底面接触，则基片开始向上移动离开基片座。当基片座上遗留 有残余静电时，由于静电引力的作用，举升组柱不能将基片举起，而是使基 片产生应变，随着举升组柱的举升，该应变也越来越大，应变测量器实时监 控该应变值并反馈信号给马达控制器，当残余静电过大，所述应变增加到可 能会引起基片损坏的量值时，马达控制器中止马达运转，停止对升针机构施 加上升作用力，同时，闭合开关使基片接地，开始对基片进行放电，释放完 静电后，马达控制器命令马达重新运转，从而将基片带离基片座。
上述技术方案采用的是典型的闭环反馈系统，基片应变值增加到可能会 引起基片损坏的量值时，开关收到信号进行自动放电，然而问题在于，由于 在基片座中引入了包括应变测量器、马达控制器和编码器等在内的反馈机构, 结构显然较为复杂，提升了设备的制造和维护成本。

发明内容
本发明解决的问题是提供一种结构简单、成本较低的基片支承装置。 本发明解决的另一问题是提供一种放电过程简单、迅速的静电释放方法。
为解决上述问题，本发明提供了一种基片支承装置，包括用于放置基 片的基片座，位于基片下面的升针机构和放电机构，所述放电机构包括
贯穿所述基片座并能够相对于基片座来回移动的探针，驱动所述探针移 动的驱动部件，以及将所述探针与大地之间连接的开关。
可选的，所述升针机构包括贯穿所述基片座并能够相对于基片座来回移 动的举升针组，与所述举升针组连接的举升板，以及驱动所述举升针组移动 的驱动部件；
所述探针远离基片的一端设有阻尼部件，探针通过所述阻尼部件与所述 举升板活动连接，所述探针的驱动部件即为举升针组的驱动部件。
可选的，探针与举升板活动连接的方式具体为举升板对应探针的位置 设有与探针为间隙配合的导向孔，探针远离基片的一端伸入所述导向孔内并 与阻尼部件的连接，阻尼部件通过举升板下面的套筒固定在升针板上。
可选的，探针与举升板活动连接的方式具体为探针远离基片的一端伸 入套筒内，并通过套筒内嵌阻尼部件与套筒相连，4采针与套筒为间隙配合， 套筒穿过举升板中心并与举升板固定连接。
所述^:针对应于基片的中心位置。
所述阻尼部件的最大阻尼力小于或等于基片的重力。
探针未接触基片底面的状态下，探针的顶端高于举升针组的顶端。
可选的，所述探针的驱动部件为电磁部件，所述探针远离基片的一端为 与所述电磁部件对应的铁磁性末端，所述铁磁性末端通过阻尼部件与基片座 的底部连接。
所述电磁部件的电磁力与阻尼部件的最大阻尼力的差值小于或等于基片 的重力。所述探针为圆柱形，探针的材料为导电材料。 所述导电材料为抗等离子体的材料。
所述阻尼部件为弹簧、液压阻尼部件或气压阻尼部件。
相应的，本发明还提供了一种基片支承装置的静电释放方法，包括 对基片座内的电极施加反向电压； 放电机构的探针在驱动部件的驱动下将基片与大地接通；
举升机构将基片从基片座上升起。 与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点
所述基片支承装置在具有升针机构的基础上仅附加由探针、阻尼部件和 开关组成的放电机构，即可将基片中的残余静电完全释放，相对于现有技术 而言，装置结构简单、制造和维护成本较低。
另外，所述基片支承装置的静电释放方法，实质上是在升针机构升起基 片前释放基片内的残余静电，即"事前放电，，，放电过程简单，不需要复杂的 反馈机构界定一个基片应变的极限进行区分，不受响应时间的限制，能够在 短时间内将基片的残余静电迅速释放，避免发生粘片的可能性。
其次，放电时间可以进行调节，通过控制放电机构的探针与举升针组的 顶部的高度差、以及驱动部件的驱动速度来实现；再次，放电机构的探针实 现放电功能，举升针组实现升起基片的功能，两者的功能各自分开，因而能 够选择适合自身需要的材料；最后，所述基片支承装置的放电机构适应能力 强，能够适应各种量级的残余静电，并进行迅速;^文电。


通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在 全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩 放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图l现有技术中一种静电卡盘的结构示意图2为本发明实施例一中基片支承装置的示意图；图3为图2所示基片支承装置的静电释放状态的示意图； 图4为本发明实施例二中放电机构的示意图； 图5为本发明实施例三中基片支承装置的示意图。
具体实施例方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图 对本发明的具体实施方式
^故详细的i^明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发 明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面 公开的具体实施例的限制。
其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便 于说明，表示装置结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意 图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包 含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
等离子加工设备中，传统的基片支承装置的放电机构由于在基片座中引 入了包括应变测量器、马达控制器和编码器等在内的反馈机构(见图1),结 构显然较为复杂，因而提升了设备的制造和维护成本。
其次，基片残余静电的释放是在升针机构使基片产生应变足够大可能会 碎片时进行的，需要通过应变测量器识别残余静电引起的应变是否达到放电 界限。当应变过大时，应变测量器需要花费一定的时间给马达控制器信号， 马达控制器接到信号后同样需要一定的时间来停止马达工作。在此过程中， 柱状举升板仍旧继续上升，尽管响应时间极短，基片仍可能产生了更大的应 变。反馈机构的响应时间相对太长导致基片可能在没有来得及放电的情况下 碎片。
再次，对放电界限影响因素太多，即当应变达到多大时应变测量器才会 发出停止信号。经过反向电压中和后，基片内残余静电呈不均勻分布，以及 改变工艺参数后基片吸附的位置发生变化，这些对应变测量器的精度或多或 少也造成了影响。另外，基片放电是通过柱状举升板接地完成的，这必然要求柱状举升板 为导电材料。对于一般的导电材料大部分为金属，但金属抗等离子体能力很 差，容易在环境中腐蚀，影响了使用寿命。
基于此，本发明提供一种结构简单、成本较低的基片支承装置，而所述 基片支承装置的静电释放方法实质为，基片中的残余静电可以在基片被升针 机构升起之前被完全消除，能够断绝残余静电带来的粘片或碎片隐患。
实施例一
本实施例中的基片支承装置为静电卡盘，图2为所述基片支承装置的结 构示意图。该基片支承装置包括用于放置基片2的基片座1，位于基片2下 面的升针机构3和放电机构4，所述升针机构3用于在加工工艺完成后将基片 从基片座上举起，放电机构4用于释放基片中的残余静电。
所述基片座1中埋设有双电极(图中未示出)，双电极中的一个电极靠近 基片座的上表面，该双电极与外部直流电源相连，用于使基片中产生感应电 荷，这部分结构与传统:技术相似。
所述升针机构3包括贯穿所述基片座1并能够相对于基片座来回移动 的举升针组31，以及与所述举升针组31连接的举升板32,驱动所述举升针 组31移动的驱动部件(图中未示出)。
具体地，举升针组31位于基片2的正下方，至少包括三个均匀分布的圆 柱形举升针，例如以基片座1的中心对称分布的四针举升针组，基片座1中 对应举升针组31的位置设有通孔11。举升针组31远离基片的一端与举升板 32连接，举升板32通过螺杆与驱动部件相连，驱动部件可以为马达。举升针 组31能够在马达的驱动下在通孔11内来回移动，当举升针组31升起时，可 以将释放完残余静电的基片2从基片座1上举起。
所述放电机构4包括贯穿所述基片座1并能够相对于基片座1来回移 动的探针41,探针41远离基片2的一端412设置的阻尼部件42，将所述4笨 针41与大地之间连接的开关6。
基片座2中具有中心通孔12，探针41伸入中心通孔12中，则4笨针41对
9应于基片2的中心位置。探针41远离基片2的一端412通过阻尼部件42与 举升板32活动连接，探针41的驱动部件即为举升针组31的驱动部件，则驱 动部件能够同时驱动举升针组31和探针41 一起沿垂直于基片2的方向上来 回移动。
探针41与举升板32活动连接的方式具体为举升板32对应探针41的 位置设有与探针41相配合的导向孔321,探针41远离基片2的一端412伸入 所述导向孔321内并与阻尼部件42的连接，阻尼部件42通过举升板32下面 的套筒43固定在升针板32上。
如图2所示，探针41未接触基片2的状态下，探针41的顶端411高于 举升针组31的顶端311，此时阻尼部件42对探针41起支承作用。图3为图 2所示基片支承装置的静电释放状态的示意图，如图3所示，在探针41与基 片2抵接的状态下，探针41沿导向孔321相对于举升板32向套筒43内移动， 阻尼部件42 ^皮压缩，所述阻尼部件42的最大阻尼力小于或等于基片的重力， 这样探针41始终不能够单独将基片2从基片座1上升起。
所述阻尼部件42可以为弹簧、液压阻尼部件或气压阻尼部件，优选的为 弹簧，弹簧成本较低，而且相对于其他种类的阻尼部件，不会对基片支承装 置所在的真空反应腔室造成污染。
所述探针41为圆柱形，探针的材料为导电材料，所述导电材料优选为抗 等离子体的材料，可以保证探针在工艺过程中不被等离子侵蚀，延长使用寿 命。
下面介绍所述基片支承装置的静电释放方法 步骤l，对基片座内的电极施加反向电压。
工艺过程完成后，如图2所示，升针机构3的举升针组31和放电机构4 的探针41均位于基片2的下面，未与基片2接触。外部直流电源对基片座1 中的电极施加反向电压(相对于使基片2吸附在基片座1上时施加的电压)， 这时，基片2底面中的感应电荷大部分被中和，但是仍旧残留有部分的残余 静电，这部分残余静电使得基片2仍吸附在基片座1上。
10步骤2,放电机构将基片与大地接通。
闭合开关6，使放电机构4与大地接通，在驱动部件的驱动下，放电机构 4与升针机构3 —起上升，由于探针41的顶端411高于举升针组31的顶端 311,探针41先于举升针组31接触到基片2的底面，于是，探针41的顶端 411抵接基片2,基片2底面内的残余静电通过导电材料构成的探针41而被 导入大地，基片2恢复电中性。
驱动部件驱动探针41和举升针组31继续上升，探针41由于被基片2抵 住而相对于举升板32向下运动，使阻尼部件42^皮压缩；因为阻尼部件42的 最大阻尼力小于或等于基片2的重力，所以在举升针组31接触基片2之前， 基片2不会被探针41升起。
步骤3,举升机构将基片从基片座上升起。
举升针组31继续上升并抵接到基片2,残余静电释放的过程至此结束， 基片2与基片座1之间的静电引力消失，于是，基片2被举升针组31和探针 41升起，离开基片座l，进而利用机械手将基片2取出。
在基片2升起过程中，由于探针41位于基片座1的中心位置，与均匀分 布的举升针组31配合，可以保持升起过程基片2的平衡。
本实施例所述基片支承装置在具有升针机构的基础上仅附加由探针、阻 尼部件和开关组成的放电机构，即可将基片的残余静电完全释放，相对于现 有技术而言，结构简单、制造和维护成本较低。
另外，所述基片支承装置的静电释放方法，实质上是在升针机构升起基 片前释放基片内的残余静电，即"事前放电"，不需要复杂的反馈机构界定一 个基片应变的极限进行区分，不受响应时间的限制，能够在短时间内将基片 的残余静电释放，避免了所有发生粘片的可能性。
其次，放电时间可以进行调节，通过控制放电机构的探针与举升针组的 顶部的高度差、以及驱动部件的驱动速度来实现；再次，放电机构的探针实 现放电功能，举升针组实现升起基片的功能，两者的功能各自分开，因而能够选择适合自身需要的材料；最后，所述基片支承装置的放电机构适应能力 强，能够适应各种量级的残余静电，并进行迅速放电。
以上所述基片支承装置中，探针通过举升板上的导向孔伸入套筒内，探 针相对于举升板来回移动时，导向孔将探针的移动方向限定于垂直与举升板 的方向，除此以外，探针和套筒还可以为一个整体式的部件，具体在以下实 施例中详细说明。
实施例二
图4为本实施例中放电机构的结构示意图，如图4所示，探针44远离基 片的一端伸入套筒45内，并通过套筒内嵌阻尼部件46与套筒45相连，探针 44与套筒45为间隙配合，探针44能够在套筒45内来回移动，套筒45穿过 举升板中心并与举升板固定连接。其他结构与实施例一类似，在此不再赘述。
, 与实施例一的区别在于，探针44不再通过举升板进行导向，而是直接通 过内嵌阻尼部件46的套筒45进行导向。其中，套筒45外壁可以加工外螺紋 或其它结构，以便固定到举升板上。这种整体式的结构简单而且便于组装。
以上实施例一和实施例二中，所述探针的驱动部件即为举升针组的驱动
部件，也即，驱动部件同时驱动探针和举升针组移动，除此以外，探针还可 以具有单独的驱动部件。
实施例三
图5为本实施例所述基片支承装置的结构示意图，所述基片支承装置包 括用于放置基片的基片座l,位于基片2下面的升针机构(图中未示出)和放 电机构7。
所述放电机构7包括贯穿所述基片座1并能够相对于基片座1来回移 动的探针71，驱动所述探针71移动的驱动部件，将所述探针71与大地之间 连接的开关6。
探针71的驱动部件为电磁部件72，探针71远离基片1的一端为与所述 电磁部件72对应的铁磁性末端712,所述铁磁性末端712通过阻尼部件73与 基片座1的底部连接。
12所述电磁部件72为连接外部电源的电磁铁，本实施例中电磁铁位于探针
71的铁磁性末端712的下方，闭合开关721使电磁铁的线圈通电后，电磁铁 对探针施加朝向基片2方向的电磁力，通过调节电磁铁上线圈的匝数或直流 电源的电压能够改变电磁力的大小。此外电磁铁也可以位于探针71的铁磁性 末端712的上方。
升针机构与前述实施例和现有技术中的升针机构类似，在此不再赘述。
本实施例中，放电机构通过电磁铁产生的电磁力来控制探针71的升降， 从而实现对基片2的迅速放电。放电机构与升针机构并不连接，因此放电机 构的工作独立于升针机构，放电时间完全由电磁铁的开关闭合时间来决定。 另外，放电探针因为放电机构与升针机构并不连接，因此可以放置在其它位 置，不必一定是中心位置。这样的结构能够进一步简化结构，降低制造和维 护成本。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上 的限制。需要说明的是，升针机构不限于以上的结构，还可以为现有技术中 的其他结构形式的升针机构，所述探针与升针机构连接并被同 一个驱动部件 驱动而相对于基片座来回移动，同样也能够实现本发明技术方案的目的，也 在本发明的保护范围之内。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何 熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上 述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或 修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容， 依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰， 均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
权利要求
1、一种基片支承装置，其特征在于，包括用于放置基片的基片座，位于基片下面的升针机构和放电机构，所述放电机构包括贯穿所述基片座并能够相对于基片座来回移动的探针，驱动所述探针移动的驱动部件，以及将所述探针与大地之间连接的开关。
2、 根据权利要求1所述的基片支承装置，其特征在于，所述升针机构包 括贯穿所述基片座并能够相对于基片座来回移动的举升针组，与所述举升针 组连接的举升板，以及驱动所述举升针组移动的驱动部件；所述探针远离基片的一端设有阻尼部件，探针通过所述阻尼部件与所述 举升板活动连接，所述探针的驱动部件即为举升针组的驱动部件。
3、 根据权利要求2所述的基片支承装置，其特征在于，探针与举升板活 动连接的方式具体为举升板对应探针的位置设有与探针为间隙配合的导向 孔，探针远离基片的一端伸入所述导向孔内并与阻尼部件的连接，阻尼部件 通过举升板下面的套筒固定在升针板上。
4、 根据权利要求2所述的基片支承装置，其特征在于，探针与举升板活 动连接的方式具体为探针远离基片的一端伸入套筒内，并通过套筒内嵌阻 尼部件与套筒相连，探针与套筒为间隙配合，套筒穿过举升板中心并与举升 板固定连接。
5、 根据权利要求2至4任一项所述的基片支承装置，其特征在于，所述 探针对应于基片的中心位置。
6、 根据权利要求2至4任一项所述的基片支承装置，其特征在于，所述 阻尼部件的最大阻尼力小于或等于基片的重力。
7、 根据权利要求2至4任一项所述的基片支承装置，其特征在于，探针 未接触基片底面的状态下，探针的顶端高于举升针组的顶端。
8、 根据权利要求1所述的基片支承装置，其特征在于，所述探针的驱动 部件为电磁部件，所述探针远离基片的一端为与所述电磁部件对应的铁磁性 末端，所述铁磁性末端通过阻尼部件与基片座的底部连接。
9、 根据权利要求8所述的基片支承装置，其特征在于，所述电磁部件的电磁力与阻尼部件的最大阻尼力的差值小于或等于基片的重力。
10、 根据权利要求l、 2或8所述的基片支承装置，其特征在于，所述探 针为圆柱形，4笨针的材料为导电材料。
11、 根据权利要求IO所述的基片支承装置，其特征在于，所述导电材料 为抗等离子体的材料。
12、 根据权利要求2或8所述的基片支承装置，其特征在于，所述阻尼 部件为弹簧、液压阻尼部件或气压阻尼部件。
13、 一种如权利要求1所述的基片支承装置的静电释放方法，包括 对基片座内的电极施加反向电压；放电机构的探针在驱动部件的驱动下将基片与大地接通； 举升机构将基片从基片座上升起。
全文摘要
本发明公开了一种基片支承装置及其静电释放方法，所述基片支承装置包括用于放置基片的基片座，位于基片下面的升针机构和放电机构，所述放电机构包括贯穿所述基片座并能够相对于基片座来回移动的探针，驱动所述探针移动的驱动部件，以及将所述探针与大地之间连接的开关。本发明公开的基片支承装置在具有升针机构的基础上仅附加由探针、阻尼部件和开关组成的放电机构，即可将基片中的残余静电完全释放，相对于现有技术而言，装置结构简单、制造和维护成本较低。另外，所述基片支承装置的静电释放方法，放电过程简单，不需要复杂的反馈机构界定一个基片应变的极限进行区分，不受响应时间的限制，能够在短时间内将基片的残余静电迅速释放。
文档编号C23F4/00GK101685791SQ200810223308
公开日2010年3月31日 申请日期2008年9月25日 优先权日2008年9月25日
发明者张小昂 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