承载装置及半导体反应腔室的制作方法

1.本实用新型涉及半导体制造领域，具体地，涉及一种承载装置及半导体反应腔室。


背景技术：

2.在刻蚀机中，静电卡盘通过静电力将晶圆固定并对晶圆上的温度进行控制。在刻蚀完成后，使用三针机构将晶圆顶起，使其与静电卡盘脱离。在晶圆和静电卡盘之间的缝隙内，一般会填充氦气用于二者之间的传热。
3.为了实现晶圆与氦气的隔绝，在陶瓷表面加工出约10微米高的圆环，该圆环称之为三针孔密封环。晶圆与三针孔密封环之间通过静电力压紧，防止氦气泄漏。
4.当下电极功率达到500-1000w(瓦)时，意味着晶圆上有相同量级的反应热需要通过氦气层传导到静电卡盘。由于三针孔密封环上顶面与晶圆直接接触，并且材质为陶瓷，陶瓷的导热系数要比周围的氦气高三个量级，所以大量的热量会从密封环直接到达陶瓷层而不经过氦气，这就会导致在晶圆的上表面形成低温区(温差约3.5度左右)，影响晶圆表面温度的均匀性，使得晶圆表面的热量不均匀。


技术实现要素：

5.本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种承载装置及半导体反应腔室，其能够有效的阻滞密封环附近的热量泄漏，提高密封环附近的晶圆表面的温度均匀性。
6.根据本实用新型的第一方面，为实现本实用新型的目的之一而提供一种承载装置，用于半导体工艺腔室，包括：静电卡盘，所述静电卡盘包括绝缘层，所述绝缘层上设有多个凸起支撑部，所述绝缘层设有贯穿其厚度的针孔和气孔，所述针孔用于和顶针装置配合，以升降晶圆，所述气孔用于和气源连通，以向所述绝缘层和所述晶圆之间通入导热气体；密封环，所述密封环设置于所述绝缘层的顶面，且环绕所述针孔设置，所述密封环的顶面位于所述绝缘层的顶面上方，所述密封环的顶面用于和所述凸起支撑部的顶面共同支撑所述晶圆；所述绝缘层的顶面上设有环形凹槽，所述环形凹槽环绕所述密封环设置。
7.可选地，所述环形凹槽的内环壁和所述密封环的外环壁在径向上的间距小于预设距离。
8.可选地，所述预设距离大于等于0且小于等于2毫米。
9.可选地，所述环形凹槽的中心线与所述密封环的中心线位于同一条直线上。
10.可选地，所述环形凹槽的内径与所述密封环的外径相等。
11.可选地，所述环形凹槽的中心线与所述密封环的中心线呈平行设置。
12.可选地，所述环形凹槽的内壁与所述密封环的外壁之间沿径向呈间隔式设置。
13.可选地，所述环形凹槽的深度小于所述绝缘层的厚度。
14.可选地，所述环形凹槽的底壁到所述绝缘层的底壁之间的距离大于等于1毫米且小于等于3.8毫米。
15.可选地，所述静电卡盘还包括：氦气分布盘，设置在所述绝缘层的下端面；铝基底，设置在所述氦气分布盘的下端面，其中，在所述铝基底内沿径向呈间隔式设有多环冷却通道；在所述绝缘层内分别设有加热部件和直流电极；顶针装置，适于穿过所述针孔并将所述晶圆顶起；真空泵，适于抽吸所述针孔内的空气。
16.根据本实用新型的第二方面，还提供一种半导体反应腔室，包括腔体，还包括设置在所述腔体内的上述所述的承载装置。
17.本实用新型具有以下有益效果：
18.本技术通过在绝缘层上并位于该密封环的外周设置该环形凹槽，根据下述公式
[0019][0020]
其中，q为泄漏的热量；λ为固定系数；s为换热面积；δt为沿密封环方向的温度差，本技术通过在该绝缘层的顶面上设有环形凹槽，该环形凹槽环绕该密封环设置，这样，就相当于延长了晶圆上的热量的导热路径，即，在换热面积不变的情况下，导热路径延长、沿密封环的高度方向上的温度差增加的同时，泄漏的热量也会减少，由此，便增大了密封环的上表面和晶圆的上表面的温度，减慢了晶圆的温度散热，提高了晶圆表面温度的均匀性。
附图说明
[0021]
图1为本技术的实施例一的承载装置的正视结构示意图；
[0022]
图2为本技术的实施例一的承载装置的俯视结构示意图；
[0023]
图3为本技术的实施例二的承载装置的正视结构示意图；
[0024]
图4为图3中的密封环、环形凹槽的俯视结构示意图；
[0025]
图5为现有技术的承载装置中的密封环周围的温度分布示意图；
[0026]
图6为现有技术的承载装置中的晶圆热负载为1000w时晶圆的温度分布示意图；
[0027]
图7为本技术的实施例的承载装置中的密封环周围的温度分布示意图；
[0028]
图8为本技术的实施例的承载装置中的晶圆热负载为1000w时晶圆的温度分布示意图。
具体实施方式
[0029]
为使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图来对本实用新型提供的温度控制装置及应用其的反应腔室进行详细描述。
[0030]
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0031]
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术
语在本实用新型中的具体含义。
[0032]
此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
[0033]
随着刻蚀技术的发展，对下电极功率的需求越来越高，为了更好的固定晶圆并控制晶圆的温度，需要提高氦气压力和静电电极电压，但在静电卡盘的三针孔(在静电卡盘上，共有三个针孔，所以称之为三针孔)内，由于填充了氦气并存在较大的电势差，为了避免三针孔内出现打火现象，目前通用的做法是使用密封环将氦气层和三针孔的空间隔开，并使用真空泵在三针孔内维持真空状态，刻蚀机的下电极主要部件从下向上依次由接口盘、绝缘盘、铝基底、氦气分布盘以及陶瓷层组成，其中，铝基底与陶瓷层构成静电卡盘的主体。陶瓷层内埋入的加热丝为静电卡盘提供热源，铝基底内的冷却通道可以带走静电卡盘上多余的热量，二者配合可以实现对静电卡盘的温控。同时，陶瓷层内还埋有直流电极，在陶瓷层和晶圆之间提供静电力。为了将刻蚀过程中产生的热量带走，在陶瓷层和晶圆之间还填充有高导热率的氦气。可升降的针伸入到静电卡盘上的针孔内并到达晶圆的底部，针孔的下部连接真空泵，使针孔内保持真空状态，避免静电卡盘的各层间因存在电势差而引起打火。为了实现晶圆与氦气的隔绝，在陶瓷表面加工出约10微米高的圆环，该圆环称之为三针孔密封环。晶圆与三针孔密封环之间通过静电力压紧，防止氦气泄漏。
[0034]
如图5和图6所示，当下电极功率达到500-1000w(瓦)时，意味着晶圆上有相同量级的反应热需要通过氦气层传导到静电卡盘。由于三针孔密封环上顶面与晶圆直接接触，并且材质为陶瓷，陶瓷的导热系数要比周围的氦气高三个量级，所以大量的热量会从密封环直接到达陶瓷层而不经过氦气，这就会导致在晶圆的上表面形成低温区 (温差约3.5度左右)，影响晶圆表面温度的均匀性，使得晶圆表面的热量不均匀。
[0035]
基于上述情况，本技术提供一种承载装置，用于半导体工艺腔室。
[0036]
如图1至图4所示，图中示意性地显示了该承载装置包括静电卡盘1、密封环3、环形凹槽4以及凸起支撑部5。
[0037]
在本技术的实施例中，该静电卡盘1包括绝缘层12，该绝缘层 12上设有多个凸起支撑部5，该绝缘层12设有贯穿其厚度的针孔11 和气孔30，该针孔11用于和顶针装置10配合，以升降晶圆200，该气孔30用于和气源连通，以向该绝缘层12和该晶圆200之间通入导热气体。
[0038]
该密封环3设置于该绝缘层12的顶面，且环绕该针孔11设置，该密封环3的顶面位于该绝缘层12的顶面上方，该密封环3的顶面和凸起支撑部5的顶面共同支撑该晶圆200。
[0039]
该绝缘层12的顶面上设有环形凹槽4，该环形凹槽4环绕该密封环3设置。具体地，本技术通过在绝缘层12上并位于该密封环3 的外周设置该环形凹槽4，根据下述公式(1)
[0040][0041]
其中，q为泄漏的热量；λ为固定系数；s为换热面积；δt为沿密封环3方向的温度差，本技术通过在该绝缘层12的顶面上设有环形凹槽4，该环形凹槽4环绕该密封环3设置，这样，就相当于延长了晶圆200上的热量的导热路径，即，在换热面积不变的情况下，导热路径延长、沿密封环3的高度方向上的温度差增加的同时，泄漏的热量也会减少，由此，便增大了密封环3的上表面和晶圆200的上表面的温度，减慢了晶圆200的温度散热，提高了晶圆
200表面温度的均匀性。
[0042]
如图1和图2所示，在本技术的一个可选的实施例中，该凸起支撑部5设置在该绝缘层12和晶圆200之间，该凸起支撑部5的数量为多个并呈间隔式设设置，且各个该凸起支撑部5均朝该晶圆200 方向进行延伸，各个该凸起支撑部5的上端面适于与该晶圆200的下端面相抵接。具体地，本技术通过在绝缘层12和晶圆200之间呈间隔式设有多个凸起支撑部5，并使得各个该凸起支撑部5的上端面与晶圆200的下端面相抵接，从而可以达到支撑晶圆200的作用，避免晶圆200因缺少支撑而发生变形的情况。
[0043]
需要说明的是，所谓的“氦气层”是指在晶圆200和绝缘层12 之间形成的空间内充入氦气，从而形成氦气层2，该氦气层2可以起到将晶圆200的热量传递给绝缘层12的作用。
[0044]
在本技术的一个可选的实施例中，该环形凹槽4的内环壁和该密封环3的外环壁在径向上的间距小于预设距离。这样，可以确保该环形凹槽4的设置，可以起到延长晶圆200的导热路径的作用，避免该环形凹槽4的内环壁和该密封环3的外环壁在径向上的间距过大，致使无法起到延长晶圆200的表面的导热路径的作用。
[0045]
在本技术的一个可选的实施例中，该预设距离大于等于0且小于等于2毫米。
[0046]
在本技术的一个具体的实施例中，在不开设本技术的环形凹槽4 的情况下，当密封环3的高度与氦气层2的高度均为10微米时，泄漏热量q为3w，此时，密封环3的顶面与底面的温差约为0.1℃，该密封环3的上顶面温度接近绝缘层12的顶面温度，导致冷点与周围的温差约3.5℃。
[0047]
然而，本技术通过在密封环3的周围开设该环形凹槽4时，在该环形凹槽4的开槽深度为1.2mm的情况下，泄漏热量会减小至 0.6w，此时，密封环3的顶面与底面的温差为2.4℃，晶圆200的上表面的冷点与周围的温差为1.2℃。可见，通过在该密封环3的外周开设该环形凹槽4，从而有效地减少了晶圆200表面热量的散失，确保晶圆200表面温度的均匀性。
[0048]
本技术通过在密封环3的外周设置该环形凹槽4，由于延长了晶圆200的导热路径，晶圆200表面的温差可以从3.5度降低到1度左右，有效地确保了晶圆200表面温度的均匀性。
[0049]
如图1和图2所示，在本技术的一个可选的实施例中，该环形凹槽4的中心线与该密封环3的中心线位于同一条直线上。具体地，通过使得该环形凹槽4的中心线与该密封环3的中心线位于同一条直线上，也就是说，该环形凹槽4与该密封环3的为同心设置，方便环形凹槽4的加工制造。
[0050]
如图1和图2所示，在本技术的一个可选的实施例中，该环形凹槽4的内径与该密封环3的外径相等。即，本技术的环形凹槽4 能够较好地延长晶圆200表面的导热路径，确保了晶圆200表面温度的均匀性。
[0051]
如图3和图4所示，在本技术的一个可选的实施例中，该环形凹槽4的中心线与该密封环3的中心线呈平行设置。具体地，该环形凹槽4与密封环3可为非同心设置，该环形凹槽4的中心线与密封环3的中心线呈平行式设置，即，环形凹槽4与密封环3之间形成有台肩40，为了保证晶圆200表面温度的均匀性，该台肩40的宽度大于 0且小于等于2毫米，优选地，该台肩40的宽度可为1毫米或1.5 毫米。
[0052]
需要说明的是，该台肩40的宽度若太大，则就不能起到延长晶圆200的导热路径的作用。
[0053]
如图3和图4所示，在本技术的一个可选的实施例中，该环形凹槽4的内壁41与该密封环3的外壁31之间沿径向呈间隔式设置。也就是说，在该环形凹槽4的内壁41与该密封环3的外壁31之间沿径向呈间隔式设有台肩40，在确保台肩40的宽度为大于等于0且小于等于2毫米的情形下，设置在该密封环3的外周的环形凹槽4依然可以起到延长晶圆200的导热路径的作用，避免晶圆200的上的热量不经过氦气层2直接传导给绝缘层12，该环形凹槽4的设置，延长了晶圆200的导热路径，确保了晶圆200表面温度的均匀性。
[0054]
在本技术的一个可选的实施例中，该环形凹槽4的内径需大于等于密封环3的外径，该环形凹槽4的内径大于等于0.5毫米且小于等于3毫米。优选地，该环形凹槽4的内径可为1.5毫米或2毫米。
[0055]
如图1至图4所示，在本技术的一个可选的实施例中，该环形凹槽4的深度小于该绝缘层12的厚度。具体地，本技术通过确保该环形凹槽4的深度小于该绝缘层12的厚度，避免该环形凹槽4穿透整个绝缘层12，确保在可以达到延长晶圆200的导热路径的同时，不会贯穿整个绝缘层12。
[0056]
在本技术的一个具体的实施例中，该绝缘层12可为陶瓷层。
[0057]
在本技术的一个可选的实施例中，该环形凹槽4的底壁到该绝缘层12的底壁121之间的距离大于等于1毫米且小于等于3.8毫米。这样，可以确保在可以达到延长晶圆200的导热路径的同时，不会贯穿整个绝缘层12。
[0058]
优选地，该环形凹槽4的底壁到该绝缘层12的底壁121之间的距离可为3毫米，减少晶圆200表面的热量泄漏，使得晶圆200的表面温度更均匀，确保晶圆200表面的温差可控制在1℃左右。
[0059]
在本技术的一个可选的实施例中，该环形凹槽4的宽度一般为 0.5毫米至5毫米之间。
[0060]
该环形凹槽4需要确保其槽深才能达到绝热的效果，该环形凹槽4的槽深要小于绝缘层12的厚度，该环形凹槽4的深度取值范围为大于等于0.5毫米且小于等于10毫米。优选地，该环形凹槽4的深度可为4.5毫米。
[0061]
如图1至图4所示，在本技术的一个可选的实施例中，该静电卡盘1还包括氦气分布盘6、铝基底7、加热部件8、直流电极9、顶针装置10以及真空泵20。
[0062]
该氦气分布盘6设置在该绝缘层12的下端面。
[0063]
该铝基底7设置在该氦气分布盘6的下端面，其中，在该铝基底7内沿径向呈间隔式设有多环冷却通道71。其中，通过在铝基底7 内沿径向呈间隔式设有多环冷却通道71，从而可以均匀地将承载装置上的热量带走，达到均匀、高效散热的目的。
[0064]
在该绝缘层12内分别设有加热部件8和直流电极9。其中，该加热部件8可为加热丝，其中，该加热部件8与直流电极9为上下间隔式设置，该加热部件8可以为承载装置提供热源，该直流电极9 可以在绝缘层12和晶圆200之间提供静电力，通过静电吸附该静电卡盘1上的晶圆200。
[0065]
顶针装置10适于穿过该针孔11并将该晶圆200顶起。其中，当晶圆200被刻蚀完成后，通过顶针装置10在气缸(图中未示出) 的推动作用下，将顶针装置10顶起，在顶针装置10的上端面接触到晶圆200的下端面后，气缸中的伸缩杆继续朝上升起，以达到将晶圆 200顶起的目的，使得晶圆200与绝缘层12的上端面相分离。
[0066]
真空泵20适于抽吸该针孔11内的空气，具体地，真空泵20伸入到针孔11内，以抽吸该针孔11内的空气，使其保持在针孔状态，确保承载装置中的各层间不会存在电势差，避免产生打火的现象。
[0067]
如图2所示，该针孔11的数量可为三个，三个针孔11之间呈三角形布设，该布设可以使得顶针装置10能够更加稳固地支撑晶圆 200。
[0068]
该环形凹槽4的内径大于等于密封环3的外径，该环形凹槽4 的内径大于等于0.5毫米且小于等于3毫米；该环形凹槽4的外径位于加热部件8的上方，有利于晶圆200温度的均匀性；同时，环形凹槽4的外径与直流电极9的边缘保持一定距离，该距离的取值范围为大于等于0.2毫米且小于等于5毫米。这样，可以有效避免影响直流电极9的位置，避免导致静电力分布不均匀。
[0069]
还需要说明的是，该针孔11从下至上依次贯穿铝基底7、氦气分布盘6以及绝缘层12。
[0070]
如图7和图8所示，本技术的承载装置可以有效的提高晶圆200 表面的密封环3附近的温度均匀性，根据图7和图8的仿真结果显示，晶圆200表面的温差可以从3.5度降低到1度左右，减慢了晶圆200 的温度散热，提高了晶圆200表面温度的均匀性。
[0071]
根据本实用新型的第二方面，还提供一种半导体反应腔室，包括腔体，还包括设置在所述腔体内的上述实施例所述的承载装置。
[0072]
综上所述，本技术通过在绝缘层12上并位于该密封环3的外周设置该环形凹槽4，根据下述公式(1)
[0073][0074]
其中，q为泄漏的热量；λ为固定系数；s为换热面积；δt为沿密封环3方向的温度差，本技术通过在该绝缘层12的顶面上设有环形凹槽4，该环形凹槽4环绕该密封环3设置，这样，就相当于延长了晶圆200上的热量的导热路径，即，在换热面积不变的情况下，导热路径延长、沿密封环3的高度方向上的温度差增加的同时，泄漏的热量也会减少，由此，便增大了密封环3的上表面和晶圆200的上表面的温度，减慢了晶圆200的温度散热，提高了晶圆200表面温度的均匀性。
[0075]
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本实用新型的原理而采用的示例性实施方式，然而本实用新型并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本实用新型的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本实用新型的保护范围。