[发明专利]用于真空等离子体工艺的晶片衬底承载装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于真空等离子体工艺的晶片衬底承载装置，属于真空等离子体工艺技术领域。

背景技术

等离子体工艺今天被广泛地应用于制造半导体芯片和其它各种形形色色的微电子芯片，当然，不同芯片的制造用到的材料和等离子体工艺会有所不同。从衬底材料看，大多数半导体芯片使用硅晶圆片作为衬底，也有使用化合物半导体（比如砷化镓、碳化硅素）和其它材料（比如石英、蓝宝石，甚至陶瓷或金属材料）作为衬底的。从等离子体的工艺看，大多数芯片的制造都要涉及到在衬底表面有局域选择性地生长新物质的薄膜生长工艺和去除物质的刻蚀工艺。这种局域选择性，要通过敷盖在衬底表面的光阻掩膜板产生精确的图形转移，使衬底表面有的局部区域被光阻掩膜板所遮盖，有的局部区域则被裸露出来。

晶片衬底表面暴露在等离子体中，在电场和等离子体介质的作用下，能量被传递到衬底表面。如果不能有效地散除这些能量，衬底温度就会升高。尽管在少数特定的场合，衬底温度升高对芯片制造工艺可能有用，但是在绝大多数场合，衬底温度升高如果得不到有效控制，就会对芯片制造工艺造成损害。比如，许多光阻掩膜材料在温度超过120-150℃时，表面会发生焦糊现象，既降低掩膜板的保护功能，又对后续去除光胶掩膜板的工艺步骤造成困难。又比如，有些芯片的制造工艺要求晶片衬底保持较低温度，否则芯片的功能就会受损。而在另一方面，为了提高芯片制造工艺的生产效率，人们要求提高薄膜生长或刻蚀的速率，因而需要增加等离子体的能量密度和介质密度。增加等离子体的能量密度，必然的结果是造成晶片衬底在工艺过程中升温的趋向更大。

为了有效地去除晶片衬底从等离子体中得到的能量，就必须在真空环境下对晶片衬底进行冷却。一般的技术办法是：将晶片衬底放置于下电极的表面，在衬底与下电极表面之间的空隙内引入气体作为导热介质，从晶片衬底背面对其实施冷却。通常使用最多的气体是氦气（He），因为氦气既是惰性气体，即使泄露到工艺腔室中，也不会对等离子体的化学气氛带来较大的改变；氦气又具有较好的导热性能。为了达到足够的冷却效果，晶片衬底背面的氦气压力一般要维持在1-10托（Torr）的范围内，可是，等离子体工艺腔室的工作压力一般只有几十毫托（mTorr），因此，对晶片衬底背面的氦气有必要进行密封处理。如果衬底背面的周边与下电极表面之间的空隙足够微小，比如几个微米或者更小，就可以达到良好的密封效果。通常使用机械卡盘，从晶片衬底正面边缘施加机械压力，将衬底紧密接触地压固在下电极表面上，从而起到密封氦气的效果。这种办法在实践中有效，但是也存在诸如在衬底正面造成机械损伤和产生颗粒污染的问题，限制芯片制造的成品率。此外，机械卡片的方式不适用于超薄晶片（≤150μm厚度），因为在晶片两边压力差的作用下，晶片中间部分会发生弯曲，导致冷却不均匀，甚至晶片破裂。对于大直径（＞8英寸）晶片衬底，使用机械卡盘实现氦气密封，晶片中央可能会发生较大的鼓起，造成氦气背冷不均匀。

另一种经常采用的办法，是采用静电吸盘的方式，从衬底背面施加较大的吸附力，从而将衬底均匀、紧密地吸固在下电极表面，起到密封氦气的效果。一般的静电吸盘，是由一个或多个导体电极和包裹电极的绝缘介质材料（比如陶瓷）组成，如图1所示为现有的一种双电极型静电吸盘，其包括电极静电吸盘部分01和电极射频源部分02，在静电吸盘部分01中设置静电吸盘直流电极03。在双电极之间设置氦气通道04，引入氦气到电极静电吸盘与晶片05之间。当静电吸盘中电极与直流高电压（几百到几千伏特）电源连通时，就会在覆盖电极的绝缘介质材料表面产生极化静电荷，并形成静电场。当晶片衬底表面与静电吸盘的表面接近时，在该静电场的作用下，在衬底表面就会产生感应静电荷。异性电荷间的吸引力，使晶片衬底被吸引紧固在下电极表面，这种吸引力，往往可以达到100托以上，甚至接近大气压力。此时，如果其它的工艺条件也具备，就可以开启射频电源06，进行工艺操作。

以双极静电吸盘为例，当直流电压V接通其电极后，在晶片衬底产生的静电吸引力为：