CN103155118A - 腔室盖加热器环组件 - Google Patents
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Abstract
本发明的实施例大致提供用于等离子体加工腔室的盖加热器。在一个实施例中，提供盖加热器组件，包括导热底座。所述导热底座具有平面环形，用于界定内部开口。所述盖加热器组件进一步包括：加热元件，所述加热元件布置于导热底座上；及绝缘的中央核心，所述绝缘的中央核心布置于横跨导热底座的内部开口。
Description
技术领域
本发明的实施例大致关于半导体基板加工系统。更具体而言，本发明关于用于等离子体加工系统的盖加热器组件。
背景技术
在集成电路的制造中，需要对各种工艺参数进行精确控制，以用于在基板中实现一致的结果，而且所述结果可从一基板复制至另一基板。因为用于形成半导体装置的结构的几何形状限制推向技术的极限，所以更严格的容限及精确的工艺控制对制作成功是关键的。然而，随着缩小几何形状，精确的关键尺寸及蚀刻工艺控制变得越来越困难。
许多半导体装置是在等离子体存在的情况下进行加工的。若等离子体并非均匀地位于基板上，则加工结果也可能非均匀。各种因素可影响等离子体均匀性。举例而言，在加工过程中使用电子装置加热等离子体腔室的盖的加热器，可对等离子体非均匀性有影响。在加热器中的任何接地的金属组件可减少从RF功率源至腔室所传输的功率。在加热器中的电子加热电路可能局部地作用而影响传输至腔室中的功率。在加热中的任何非均匀性可在加工过程中增加沉积并产生不希望的粒子。
图1示意性地描述具有加热器13的传统等离子体加工腔室10。等离子体加工腔室10包括腔室主体，所述腔室主体界定加工腔体15用于在所述腔体15中加工基板12。一个或多个线圈15、16布置于腔室主体11的腔室盖18上。线圈15、16在加工过程中在加工腔体15中点燃且维持等离子体17。包括电子加热元件14的加热器13配置成加热腔室盖18，且被布置在腔室盖18与线圈15、16之间。加热器13的任何金属组件与腔室主体11一样接地。接地的组件降低从线圈15、16传输至等离子体17的功率。电子加热元件14干扰在线圈15、16与等离子体17之间的功率传输，因为电子加热元件14位于线圈15、16的视线中。较靠近电子加热元件14的腔室盖18的区域相比于较远离电子加热元件14的区域，可具有较高的温度，达到10摄氏度。腔室盖18的温度非均匀性直接影响等离子体17的均匀性，这可产生工艺非均匀性及粒子污染。
尽管传统等离子体加工腔室已证实对较大关键尺寸具有稳固的表现，但控制等离子体均匀性的现有技术是这样一个区域，在该区域上等离子体均匀性的改进将有助于对下一代次微米结构的成功制作，诸如那些具有大约55nm及更大关键尺寸的结构。
本发明人已发现，对经利用以控制加工腔室的盖的温度的加热器的设计的改良，在等离子体均匀性及点燃上具有有益的作用，且有效率地耦合RF功率。
发明内容
本发明的实施例总体上提供用于等离子体加工腔室的盖加热器。其它实施例提供用于控制等离子体加工腔室的盖温度的方法及装置。所述方法及装置增强对等离子体加工腔室中的等离子体位置的位置控制，且改善加工腔室中的RF功率源与等离子体之间的耦合。本发明的实施例可被利用于蚀刻、沉积、植入及热处理系统，以及期望控制等离子体位置的其它应用。
在一个实施例中，提供盖加热器组件，所述盖加热器组件包括导热底座。所述导热底座具有平面的环形，用以界定内部开口。所述盖加热器组件还进一步包括布置于所述导热底座上的加热元件，及布置于横跨所述导热底座的所述内部开口的绝缘的中央核心。
在另一实施例中，提供等离子体加工腔室，所述等离子体加工腔室包括腔室主体；腔室盖，所述腔室盖包封所述腔室主体的加工腔体；基板支撑件，所述基板支撑件布置于所述加工腔体中；及线圈组件，所述线圈组件布置于所述腔室盖的上方，所述线圈组件配置成通过所述腔室盖而将RF功率耦合至所述加工腔体中的气体。所述等离子体加工腔室进一步包括盖加热器组件，所述盖加热器组件耦合至所述腔室盖。所述盖加热器组件包含：加热环，所述加热环具有内部开口；及绝缘的中央核心，所述绝缘的中央核心布置于横跨所述加热环的所述内部开口。所述内部开口的直径至少与所述线圈组件一样大，且所述加热环及所述线圈组件经安置，使得所述线圈组件的磁场实质上导向所述内部开口之内。
在还有一个实施例中，提供盖加热器组件，所述盖加热器组件包括导热底座，其中所述导热底座具有平面环形，所述平面环形用以界定内部开口；及加热元件，所述加热元件布置于所述导热底座上。所述盖加热器组件进一步包括RF外罩，所述RF外罩布置于所述加热元件上。所述RF外罩是具有间隙的平面环，且所述间隙能够使所述加热元件通过提供至邻近天线的RF功率而变成RF热点（RF hot），使得所述电阻加热元件用作电感加热器及电阻加热器两者。
在还有一个实施例中，提供一种用于等离子体加工的方法，所述方法包括以下步骤：通过加热耦合至腔室盖的导热环，来加热所述腔室盖；及使用绝缘的中央核心来防止热从所述腔室盖散失，所述绝缘的中央核心位于所述导热环的所述开口内。所述方法进一步包括以下步骤：将加工气体引导至所述腔室盖下方的加工腔体；及使用位于所述腔室盖上方的线圈组件点燃等离子体。所述线圈组件的磁场实质上在所述导热环内。
附图说明
可参考实施例，以可详细了解本发明上述特征的方式，对如上所简要概述的本发明作出更具体的说明，其中某些实施例示于附图中。然而应注意，附图仅示出本发明的典型实施例，且因为本发明可接纳其它等效的实施例，所以所述实施例不视作为限制本发明的范围。
图1是具有用于加热腔室盖的加热器的传统等离子体加工腔室的示意性剖面视图。
图2是根据本发明一个实施例的等离子体加工腔室的示意性剖面视图。
图3是图2的等离子体加工腔室的盖加热器组件的分解等角视图。
图4是根据本发明一个实施例的等离子体加工腔室的部分剖面视图。
图5是图3的盖加热器的俯视图。
图6是根据本发明一个实施例的加热器组件的俯视透视图。
为了促进理解，尽可能地使用完全相同的标号以标明完全相同的元件为附图所共有。也考虑一个实施例的元件及特征可有利地并入其它实施例上，而无需进一步叙述。
具体实施方式
图2描绘示例性等离子体加工腔室100的示意图，所述示例性等离子体加工腔室100具有本发明的盖加热器组件190的一个实施例。图2中以蚀刻反应器示出等离子体加工腔室100的具体实施例，但应考虑到，盖加热器组件190可有利地用于其它类型的等离子体加工腔室中，包括化学气相沉积腔室、物理气相沉积腔室、植入腔室、氮化腔室、等离子体退火腔室、等离子体处理腔室、灰化腔室及其它腔室。因此，提供图2的等离子体加工腔室的实施例用于图示的目的，而不应被用以限制本发明的范围。
等离子体加工腔室100通常包括腔室主体110、气体面板138及控制器140。腔室主体110包括底部128、侧壁130及盖120，所述盖120包封加工腔体127。侧壁130及底部128由导电材料制作，诸如不锈钢或铝。盖120可由铝、不锈钢、陶瓷或其它适当的材料制作。
来自气体面板138的加工气体通过喷头及/或一个或多个喷嘴而提供至腔室主体110的加工腔体127。在图2中所描绘的实施例中，等离子体加工腔室100包括沿着腔室主体的侧壁130安置的多个喷嘴136，及安装于盖120下方的中央喷嘴137。中央喷嘴137可包括可独立控制的半径及面向下的气体出口孔。
控制器140包括中央处理单元（CPU）144、存储器142及支持电路146。控制器140耦合至且控制等离子体加工腔室100的组件、在腔室主体110中进行的工艺，而且可促进与集成电路加工的数据库进行的可选数据交换。
在所描绘的实施例中，盖120是基本上平坦的陶瓷部件。腔室主体110的其它实施例可具有其它类型的顶板，例如圆顶形状的顶板。在盖120的上方布置天线112，所述天线112包含一个或多个电感线圈元件。在图2中所描绘的实施例中，天线112包括两个同轴线圈元件113、114。然而，可考虑线圈元件的其它配置及组合。天线112通过第一匹配网络170耦合至射频（RF）等离子体功率源118。在等离子体加工过程中，天线112以功率源118所提供的RF功率通电（energized），以在腔室主体110的加工腔体127中维持由加工气体所形成的等离子体106。
在一个实施例中，基板基座组件116布置于加工腔体127中。基板基座组件116包括安装组件162、底座组件115及静电夹盘188。或者，可使用升高的方形表面取代静电夹盘188。安装组件162将底座组件115耦合至腔室主体110的底部128。
静电夹盘188通常由陶瓷或类似的介电材料形成，且包含至少一个箝位电极。在一个实施例中，静电夹盘188可包含至少一个RF电极186，所述RF电极186通过第二匹配网络124耦合至基板偏压的功率源122。静电夹盘188可以可选地包含一个或多个基板加热器。在一个实施例中，利用两个同轴且可独立控制的电阻加热器（显示为连接至加热功率源132的同轴加热器184A、184B）来控制基板150的边缘至中央的温度分布。
静电夹盘188可进一步包含诸如沟槽的多个气体通道（未显示），所述多个气体通道形成于所述夹盘的基板支撑表面中，且流体耦合至热传输气体（或后侧气体）的来源148。在操作中，以经控制的压力提供后侧气体（例如，氦气(He)）至气体通道中，以增强静电夹盘188与基板150之间的热传输。传统上，在加工基板过程中，所述静电夹盘的至少所述基板支撑表面提供有能够抵抗所用化学及温度的涂层。
底座组件115通常由铝或其它金属材料形成。底座组件115包括一个或多个冷却通道，所述一个或多个冷却通道耦合至加热或冷却液体的来源182。可为诸如氟利昂、氦气或氮气等的至少一种气体，或诸如水或油等的液体的热传输流体，由来源182通过通道而提供，以控制底座组件115的温度，从而加热或冷却底座组件115，从而在加工过程中部分控制布置于底座组件115上的基板150的温度。
基座组件116的温度以及由此基板150的温度使用多个传感器进行监控（在图2中未显示）。以下进一步描述通过基座组件116对传感器的路由。诸如光纤温度传感器的温度传感器耦合至控制器140，以提供基座组件116的温度分布的度量指示。
盖120的温度由盖加热器组件190控制。在盖120由陶瓷材料制作的实施例中，盖加热器组件190可黏着或夹钳至盖120的外部表面。盖加热器组件190配置成通过直接接触盖120的上表面120a而提供热能。在一个实施例中，可使用一个或多个传感器123来监控盖120的温度，且可使用控制器140来调整盖加热器组件190以控制盖120的温度。
图3是根据本发明一个实施例的盖加热器组件190的分解等角视图。图4是等离子体加工腔室100的部分剖面视图，其中显示了盖加热器组件190的细节。
盖加热器组件190包括具有中央开口194的加热环189，及绝缘的布置于横跨加热环189的中央开口的中央核心193。绝缘的中央核心193经安置以控制从盖120对流的热损失。在一个实施例中，绝缘的中央核心193的外部侧壁193OW直接接触加热环189的内部侧壁192IW。绝缘的中央核心193耦合至盖120，且配置成维持横跨盖120基本为均匀的温度，所述盖120控制在加热环189内的区域中的热损失的比率。在一个实施例中，绝缘的中央核心193具有基本上为盘的形状，且下部表面193I（显示于图4中）附着于盖120的上部表面120a。
如图2中所显示，加热环的中央开口194具有直径D，所述直径D足够大，使得加热环189在天线112的视线外侧。结果，来自天线112的RF功率无需与加热环189相交以与等离子体106耦合。
加热环189包括具有中央开口194的导体底座192、配置成加热导体底座192的电子加热元件198、布置于电子加热元件198上的热绝缘体191。导体底座192、电子加热元件198及热绝缘体191垂直地堆叠在一起。在一个实施例中，加热环189还包括RF外罩199，所述RF外罩199布置于热绝缘体191与电子加热元件198之间。
导体底座192为平面环的形状。导体底座192提供结构及几何形状，以及均匀的加热表面，以与盖120紧密配合。导体底座192是导热的。导体底座192通常具有足够的质量，以在电子加热元件198与盖120之间提供均匀的热传输。导体底座192也可以导电。在一个实施例中，导体底座192由具有良好热传输特性的金属材料制作，例如铝及类似的物质。
电子加热元件198通常包括嵌入电绝缘体198b中的电阻元件198a。电阻元件198a耦合至功率源178。在一个实施例中，功率源178是AC功率源。功率源178可连接至控制器140，以调整供应至盖加热器组件190的功率。
热绝缘体191黏着至电子加热元件198的顶部表面，或当存在RF外罩199时，热绝缘体191黏着至RF外罩199的顶部表面。热绝缘体191配置成在加热环189中维持均匀的温度。热绝缘体191提供对烧伤的保护，当在高温时若不慎地触碰盖加热器组件190，则会遭到所述烧伤。热绝缘体191通常由在RF磁场及电场上具有很少影响的材料制作，诸如高温弹性体，例如硅或其它高温泡沫塑料。
RF外罩199基本上防止了电阻元件198a影响由天线112所产生的磁场线及电场线的方向。或者，如以下结合图6所讨论地，RF外罩199可用以增强等离子体的点燃。RF外罩199通常由诸如铝的金属材料制作。RF外罩199可为铝箔或铝板。
绝缘的中央核心193是布置于加热环189的中央开口194内的盘状主体。绝缘的中央核心193的外部直径足够大，以在等离子体产生过程中覆盖天线112的视线。绝缘的中央核心193是RF可穿透的，使得盖加热器组件190可提供盖120的均匀加热，而不会干扰天线112与等离子体106之间的耦合。
图5是盖加热器组件190的俯视图，其中并无热绝缘体191或RF外罩199。如图5中所显示，绝缘的中央核心193具有横跨于外部区域195a形成的多个外部通孔195，及横跨于中央区域196a形成的多个内部通孔196。外部通孔195及内部通孔196配置成控制盖120的辐射冷却。外部通孔195的直径比内部通孔196大，以在绝缘的中央核心193的外部区域195a附近提供比绝缘的中央核心193的中央区域196a附近更多的冷却。因为外部区域195a比中央区域196a更靠近加热环189，所以更多的辐射冷却透过外部通孔196而发生，以补偿在加热环189附近较热的盖温度，从而在盖120中给予更均匀的温度分布。在图5中所显示的一个实施例中，外部通孔195在外部区域195a中以圆形的图案形成，且内部通孔196在中央区域196a中以圆形的图案形成。然而，可使用其它图案的冷却孔及其它形状的冷却孔以在盖120中获得均匀的温度分布。举例而言，外部通孔196可被安排，以具有比容纳内部通孔196的中央区域更大的开口区域。
在一个实施例中，中央孔197可穿过绝缘的中央核心193形成，以使中央喷嘴137（显示于图2中）延伸通过核心193并与气体源连接。
绝缘的中央核心193通常由RF可穿透的、热绝缘的、应用于清洁室的、抗化学且阻燃的材料形成。在一个实施例中，绝缘的中央核心193可由高温弹性体形成，诸如泡沫塑料硅或其它高温泡沫塑料。
在操作中，加热环189由来自功率源178的电功率加热。加热环189接着透过接触盖120的导体底座192的部分来传导地加热盖120。绝缘的中央核心193控制从盖120的热损失。绝缘的中央核心193的热绝缘与通孔195、196的分布的结合，使得横跨盖120获得基本上均匀的温度分布。在一个实施例中，可使用传感器123以监控盖120中的温度，且可使用控制器140以调节盖加热器组件190，以达到所期望的温度及/或均匀性。在点燃及/或维持等离子体106的同时，天线112的磁场112a通过绝缘的中央核心193及盖120，而不被电阻元件198a或导体底座192干扰。
在本发明的另一实施例中，除了加热之外，可使用具有环加热器及绝缘的中央核心的盖加热器组件来协助等离子体的维持及/或点燃。
图6是根据本发明一个实施例的盖加热器组件600的俯视透视图。盖加热器组件600包括加热环602，且可选地包括绝缘的中央核心193。加热环602包括导体底座192，所述导体底座192具有电阻加热元件、RF外罩199a，且可选地具有热绝缘体。类似于RF外罩199，RF外罩199a具有环形，用于覆盖电子加热元件198。然而，RF外罩199a具有间隙199b。间隙199b使得导体192变成RF热点（RF hot）。RF功率在RF外罩199a中产生涡电流，使得外罩199a用作电感加热器，同时导体192用作电阻加热器及天线两者，用于将RF功率耦合至盖加热器组件600下方的腔室之中的气体。来自RF外罩199a的感应加热提供来自电子加热元件198的电阻加热之外的额外的加热，从而减少电阻加热腔室盖所需的功率。
提供至导体192的RF功率可用作RF源，用于电容性耦合的等离子体的产生。导体192及在加工腔室中的RF接地导体变成电容性耦合的等离子体源的两个电极。电容性耦合等离子体的功能尤其有利于当等离子体点燃为困难时以低功率水平及/或低气体密度水平进行的等离子体加工。举例而言，在用于光刻的掩模的制作过程中，铬的蚀刻通常在低功率水平进行，诸如小于500w，例如于在大约250W。用于铬蚀刻中的加工气体（诸如SF6）难以维持且点燃为等离子体。当SF6高度稀释，例如，以大约1：30的容积比例用He稀释SF6，维持且点燃为等离子体甚至变得更加困难。来自RF外罩199a的额外的电容性耦合使得更容易在低功率水平或低的气体密度水平点燃等离子体。
盖加热器组件600适用于用位于加热环602下方具有喷嘴的等离子体加工腔室对等离子体进行点燃。举例而言，诸如图2中所示的加工腔室200，其中喷嘴136经定位以将气体引导入加工腔室中。RF外罩199a能够进行额外的RF耦合及/或加热。
RF外罩199a通常由诸如铝的金属材料制作。RF外罩199a可为铝箔或铝板。在一个实施例中，RF外罩199a可由具有大约0.062英寸厚度的铝片形成。
本发明的实施例相对于传统的外部腔室盖加热器提供了数个优点。本发明的实施例减少了RF功率与等离子体之间的干扰，因为盖加热器的电阻加热元件及导电组件位于RF线圈的视线之外。因此，已改善等离子体的均匀性。本发明的实施例还通过基本上以绝缘的中央核心覆盖腔室盖，而减少由对流带来的热损失。本发明的实施例还通过在电阻加热器上使用具有间隙的RF外罩，来提供额外的加热及耦合，此举能够使用热，以在等离子体工艺中承受诸如SF6的气体。
尽管以上针对的是本发明的实施例，但也可设计本发明的其它及进一步实施例而不悖离本发明的基本范围，且本发明的范围由以下的权利要求书决定。
Claims (13)
1.一种盖加热器组件，包含：
导热底座，其中所述导热底座具有平面环形，所述平面环形界定内部开口；
加热元件，所述加热元件布置于所述导热底座上；及
绝缘的中央核心或RF外罩，所述绝缘的中央核心或RF外罩布置于所述加热元件上。
2.如权利要求1所述的盖加热器组件，其特征在于，所述绝缘的中央核心布置为横跨所述导热底座的内部开口。
3.如权利要求1所述的盖加热器组件，其特征在于，所述盖加热器组件进一步包含热绝缘体，所述热绝缘体布置于所述加热元件上。
4.如权利要求3所述的盖加热器组件，其特征在于，所述RF外罩布置于所述加热元件和热绝缘体之间。
5.如权利要求1－4中任一权利要求所述的盖加热器组件，其特征在于，所述绝缘的中央核心由RF可穿透材料形成。
6.如权利要求1－5中任一权利要求所述的盖加热器组件，其特征在于，所述绝缘的中央核心具有多个冷却孔，所述多个冷却孔穿过所述绝缘的中央核心而形成。
7.如权利要求5或6所述的盖加热器组件，其特征在于，所述绝缘的中央核心相对于所述导体核心的中央具有更多邻近所述导热底座的开口区域。
8.如权利要求7所述的盖加热器组件，其特征在于，所述多个冷却孔包含：
多个内部孔，所述多个内部孔位于所述绝缘的中央核心的中央区域附近；及
多个外部孔，所述多个外部孔位于所述绝缘的中央核心的外部区域附近，其中所述多个内部孔小于所述多个外部孔。
9.如权利要求1－8中任一权利要求所述的盖加热器组件，其特征在于，所述RF外罩是平面环，在所述平面环中形成有间隙。
10.如权利要求9所述的盖加热器组件，其特征在于，所述RF外罩由铝形成。
11.如权利要求1－10中任一权利要求所述的盖加热器组件，其特征在于，所述RF外罩使所述加热元件和接地导体形成一对电容性电极，所述一对电容性电极用于点燃和维持所述加热元件附近的等离子体。
12.一种等离子体加工系统，包含：
腔室主体；
腔室盖，所述腔室盖包封所述腔室主体的加工腔体；
基板支撑件，所述基板支撑件布置于所述加工腔体中；
线圈组件，所述线圈组件布置于所述腔室盖的上方，所述线圈组件配置成通过所述腔室盖而将RF功率耦合至所述加工腔体中的气体；及
如权利要求1－11中任一权利要求所述的盖加热器组件。
13.如权利要求12所述的等离子体加工系统，其特征在于，所述盖加热器组件与所述线圈组件经安置，使得所述线圈组件的磁场基本上导向所述内部开口内，所述内部开口由所述盖加热器组件的所述导热底座界定。
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