[发明专利]一种等离子体干法刻蚀用的托盘系统

说明书

技术领域

本发明涉及半导体加工技术领域，特别是一种通过引入高导热系数材料来提高晶片表面散热能力和改善温度均匀性的等离子体干法刻蚀用的托盘系统。

背景技术

在半导体加工工艺过程中，特别是等离子干法刻蚀(ICP)过程中，一般使用托盘系统来固定、支撑并传送晶片(Wafer)，避免晶片在工艺过程中出现移动或错位现象。此外，晶片在刻蚀的整个过程中，托盘充当电极系统的下电极，通过接入射频(RF)电源，RF电源会在晶片上形成直流偏压(DCBias)。这样促成等离子体对晶片的刻蚀反应。同时，托盘系统会对晶片实现温度控制，以控制晶片刻蚀的均匀性。

目前，在采用ICP制备图形化蓝宝石衬底(PSS)工艺中，刻蚀蓝宝石衬底所采用的托盘系统是，金属铝托盘1结合盖板4系统，如图(1)所示。待刻蚀的晶片5放置在铝托盘1上，并用铝或石英材料的盖板4固定。铝托盘1底部均有数个气流孔2，在刻蚀过程中，惰性气体氦气(He)通过气流孔填充蓝宝石衬底与托盘之间的缝隙，托盘表面有密封圈3，密封圈3的作用在于密封晶片与托盘间的He气，以免He气进入ICP腔体内而影响刻蚀速率和均匀性。另外，托盘与ICP腔体内的卡盘承载系统之间的间隙也是由He气填充，He气的作用是将晶片表面所产生的热量传导至铝托盘1上，并及时散去，从而起到控制晶片表面温度和刻蚀均匀性的效果。

上述托盘系统至少存在以下缺点：

(1)He气导热系数仅为0.144W/m.K，金属铝的导热系数为237W/m.K，存在的问题是，在大偏压功率刻蚀作业时，晶片表面的温度将持续升高，当表面温度超过光刻胶掩膜的玻璃态转变温度(Tg)时，光刻胶会产生形变甚至烧糊，从而导致刻蚀异常的现象；

(2)刻蚀过程中，因装片环节导致密封效果不好的情况下，He气泄漏将会引起晶片局部温度过高，从而导致晶片表面图形畸变，现有技术的铝托盘系统对装片环节和密封性要求非常高，可调节窗口小；

(3)晶片与铝托盘的间隙要求很窄，因而He气填充的体积有限，不利于He气对晶片进行充分的热传导，致使晶片表面温度偏高且分布不均匀。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种通过在托盘表面和背面引入高导热系数石墨烯或石墨烯复合材料来提高刻蚀过程中晶片瞬时散热能力和改善温度均匀性的等离子体干法刻蚀用的托盘系统。

石墨烯具有极高的导热系数，其导热系数高达6600W/m.K,比导热性能最好的金属银(Ag)材料的导热系数高出一个多数量级，比铝金属的导热系数高出30多倍。将石墨烯引入等离子干法刻蚀的托盘系统中，将有利于大大改善刻蚀过程中晶片的瞬时散热能力，有利于控制晶片表面的温度均匀性和提高刻蚀成品合格率及扩大刻蚀工艺的操作窗口。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：在现有托盘加工工艺兼容的基础上，在托盘上表面和下表面镶嵌高导热性能材料层，所述高导热性能材料层可以是石墨烯或石墨烯复合材料材料层6，如图2所示。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的托盘系统，由于石墨烯具有极高的导热能力，有利于晶片表面在刻蚀过程中产生的热量迅速被散去，并有利于提高晶片表面的温度均匀性。此外，在He气泄漏或He气供量不足的情况下，石墨烯极高的导热特性也能很好地维持晶片表面较低的温度和温度均匀性，因而有利于提高产品品质并扩大生产操作窗口。特别地，本发明的石墨烯材料托盘系统，有利于进一步缩小晶片与托盘间的缝隙而提高晶片刻蚀速率，进而提高等离子刻蚀设备的产能。

附图说明

图(1)为现有技术中托盘系统的结构示意图；

图(2)为本发明的托盘系统的结构示意图；

图(3)为本发明的托盘平面结构和石墨烯分子结构的示意图。

图中：1.铝托盘；2.气流孔；3.密封圈；4.盖板；5.晶片；6.石墨烯材料(或石墨烯复合材料)层。

具体实施方式

下面结合附图，进一步详细说明本发明托盘系统的具体实施方式，但不用来限制本发明的保护范围。