[实用新型]用于真空等离子体工艺的机械式晶片卡压装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种用于真空等离子体工艺的机械式晶片卡压装置，属于真空等离子体工艺技术领域。

背景技术

在半导体芯片以及其它种类的微电子芯片的生产制造过程中，等离子体工艺技术，尤其是等离子体刻蚀技术和气相薄膜生长技术，被广泛地应用。等离子体刻蚀，就是在衬底材料表面有局域选择性地去除物质；气相薄膜生长，就是在衬底表面有局域选择性地生长出新的物质。而实现这种局域选择性，则要利用敷盖在衬底表面的掩膜板产生精确的图形转移，使衬底表面有的区域被遮盖，有的区域则被裸露出来。通常所涉及到的衬底材料，大致有三类：元素半导体（如硅、锗等）、化合物半导体（如砷化镓、碳化硅等）和其它材料（如石英、蓝宝石、玻璃等）。在大多数情况下，衬底材料呈现晶体形态，并且以圆形薄片的形式应用于芯片制造过程。

当晶片衬底暴露在等离子体中时，由于电场和等离子体介质的作用，能量被传递到晶片衬底的表面。如果这种能量不能有效地散除，衬底温度就会升高。在大多数时候，衬底温度升高如果得不到有效控制，就会对芯片的制造工艺造成有害影响。比如，在许多工艺中，人们使用有机光阻胶材料作为掩膜板，在温度超过120-150℃时，其表面会发生焦糊现象，既降低掩膜板的选择保护功能，又对后续清除光阻胶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到损害。在另一方面，为了提高芯片制造工艺的生产效率，人们往往要通过增加等离子体的能量密度和介质密度来提高薄膜生长或刻蚀的速率，其结果是增大晶片衬底在工艺过程中升温的趋向。

去除晶片衬底从等离子体中所获得的热量，就需要在真空环境下对晶片衬底进行冷却。一般的技术办法是：将晶片衬底放置于电极上，在衬底背面与电极表面之间的空隙内引入气体作为导热介质，对晶片衬底进行冷却。使用最多的气体是惰性气体氦气（He），因为它具有较好的导热性能。为了达到足够的冷却效率，晶片衬底背面的氦气压力一般要维持在几托至几十托（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需要进行密封处理，否则氦气就会泄漏到工艺气氛中。通常使用机械式卡压装置，从晶片衬底正面的周围边缘对晶片施加机械压力，将衬底紧密地压固在电极表面上，从而实现对氦气的密封。另一种办法是采用静电吸盘的方式，从晶片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电极表面，起到密封氦气的效果。

机械式卡压装置比静电吸盘简单，具有适用范围较广、机械可靠性较好、制造成本较低等特点。目前，在各种类型的真空等离子体工艺设备中，有一半以上的设备采用机械式卡压装置来紧固晶片衬底。传统的机械式卡压装置由几部分组成，主要包括陶瓷压环、压环连杆、支架，以及与支架直接连接在一起的驱动电机等。一般而言，陶瓷压环和金属连杆的一部分要置于真空工艺腔室内，压环连杆的其余部分、支架和驱动电机要置于工艺腔室外，处在大气压环境中，因此，在系统中还需要能够实现真空密封的机构。陶瓷压环的外径大于电极的外径；陶瓷压环的内径小于晶片衬底的外径，以便于在与晶片衬底对准位置的条件下，能够完全覆盖晶片衬底的边缘。

在使用时，驱动电机作竖直方向的上下运动，并且通过与该电机直接相连的支架和与支架直接相连的连杆，带动陶瓷压环发生上下运动。晶片衬底放置在等离子体工艺设备的电极上表面，但是处于陶瓷压环的下方。陶瓷压环向下运动，直到与晶片衬底的上表面相接触，从而到达其至最低位置。在此位置上，驱动电机停止运动并且锁紧，继续对支架、压环连杆和陶瓷压环施加向下的拉力。依靠这个拉力，就可以将晶片衬底紧密地压固在电极表面上，实现密封氦气的目的。陶瓷压环向上运动，与晶片衬底脱离接触，直到可允许的最高位置。此时，晶片衬底在驱动机构的作用下，也可以向上运动，与电极表面脱离接触，升至某个特定的位置，等待机械手将其移卸和传送。在这里描述的运动过程，涉及到几个特定的位置，包括陶瓷压环的最低位置、陶瓷压环的最高位置和晶片衬底的最高位置，这些位置需要通过控制驱动机构的参数来实现，比如在装置中设置限位开关或者行程开关，或/和预先通过校准调节来设定驱动电机在不同步骤下的运动行程，等等。