CN103177996B - 用于处理晶圆的反应装置、静电吸盘和晶圆温度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于处理晶圆的反应装置、静电吸盘和晶圆温度控制方法，涉及半导体工艺技术领域。该静电吸盘包括用于支撑晶圆的绝缘层；和能够安装于绝缘层的第一表面上方的光投射源。光投射源投射在晶圆表面的光图案可调整。与流体冷却系统配合，通过控制光投射源的光图案来调节被吸附在ESC上面的晶圆的温度，从而能够更好地调整温度的不一致性，可以大大提高晶圆温度一致性，特别是改善非径向温度不一致性。

Description

用于处理晶圆的反应装置、静电吸盘和晶圆温度控制方法

技术领域

本发明涉及半导体工艺技术领域，特别涉及一种用于处理晶圆的反应装置、静电吸盘(ElectroStatic Chuck，ESC)和晶圆温度控制方法。

背景技术

晶圆(Wafer)(例如，硅晶圆)是用来制造芯片的基础半导体材料，也是半导体产业中最重要的材料。在晶圆上制作的芯片的最终质量与开始制作时所采用的晶圆的质量有直接关系。如果原始晶圆上有缺陷，那么最终芯片上也肯定会存在缺陷。对于可用于制造半导体器件的晶圆而言，需要满足严格的材料和物理要求。

成本是半导体产业中的关键因素。基于成本考虑，现代半导体技术中一方面减小晶圆上制造的器件的物理尺寸，另一方面扩大晶圆的尺寸。上述两个方向都可以用相似的成本生产更多的芯片。随着晶圆尺寸也从5英寸(Inch)、8英寸，发展到现在的12英寸、18英寸，甚至下一代更大的尺寸，各种新的问题也不断出现。

一致性控制(Uniformity Control)是晶圆相关工艺中的一个重要问题。随着晶圆尺寸变大，一致性控制变得更加关键，并且将成为工艺发展的主要挑战。

ESC冷却系统(Coolant system)是用于晶圆温度一致性控制的重要手段。现有的ESC冷却系统是环状(Ring type)多带(Multi-Zone)设计。这种设计能够为不同的冷却带设置不同的温度，以调整晶圆内温度一致性。该设计能较好地调整径向(radial)温度不一致性。但是，对于非径向的温度不一致性分布，现有的ESC设计不能很好地进行一致性调整。图1示出了现有的ESC设计对于温度不一致性的调整结果。如图1所示，该ESC设计可以调整径向温度分布不一致性，但对于非径向部分不能很好地调整，温度范围(Range)甚至变得更大。此外，现有冷却系统的温度控制精度不够。

发明内容

鉴于以上问题提出本发明。

本发明的一个目的是提供一种用于吸引晶圆的静电吸盘的技术方案。

根据本发明的第一方面，提供了一种静电吸盘，包括：绝缘层，绝缘层具有支撑晶圆的第一表面；和能够安装于绝缘层的第一表面上方的光投射源，用于投射光图案到晶圆表面以控制晶圆温度。

优选地，包括两个以上光投射源，每个光投射源在晶圆表面的对应区域形成子光图案。

优选地，子光图案在晶圆表面不重叠。

优选地，子光图案在晶圆表面叠加形成晶圆表面的光强图案。

优选地，光投射源包括光源和透镜系统；透镜系统用于以预定的比例(designedscale)将光源中的光图案投射到晶圆表面。

优选地，光源为LED或激光，或者，透镜系统为反射/折射系统。

优选地，还包括投射源控制器，与光投射源连接，用于控制光源的功率和透镜系统的角度。

优选地，还包括多个温度探测器，用于分别探测吸附于静电吸盘上的晶圆的不同位置的温度；投射源控制器与多个温度探测器相连，用于根据多个温度探测器探测的温度控制光投射源的光图案。

优选地，光投射源发出光束为普通可见光、红外光或者紫外线光。

优选地，还包括：位于绝缘层的第一表面下方的流体冷却系统。

根据本发明第二方面，提供一种用于处理晶圆的反应装置，包括：腔室，在腔室内用于支撑晶圆的如上的静电吸盘，光投射源安装于腔室中绝缘层的第一表面的上方。

优选地，该装置还包括：位于腔室中的水晶板，在光投射源和绝缘层的第一表面之间，光投射源投射的光图案透过水晶板到达晶圆的表面。

优选地，水晶板具有高透光率。

优选地，水晶板上透过光图案的部分具有高透光率，且与水晶板的其他部分可分离。

根据本发明的第三方面，提供一种晶圆温度控制方法，包括：确定静电吸盘中光投射源的光图案，静电吸盘包括绝缘层，绝缘层具有支撑晶圆的第一表面，光投射源能够安装于绝缘层的第一表面上方；控制光投射源投射到晶圆表面的光图案以调整晶圆的温度。

优选地，该方法还包括：探测吸附于静电吸盘上的晶圆的不同位置的温度；根据晶圆的不同位置的温度确定温度补偿图；确定静电吸盘中光投射源的光图案包括：根据温度补偿图确定静电吸盘中光投射源的光图案。

优选地，探测吸附于静电吸盘上的晶圆的不同位置的温度包括：探测吸附于静电吸盘上的晶圆的预定图形位置上的温度。

优选地，光投射源发出的光为普通可见光、红外光或者紫外线光。

优选地，该方法还包括：通过位于绝缘层的第一表面下方的流体冷却系统结合光投射源控制晶圆的温度。

本发明的一个优点在于，通过控制静电吸盘上的光投射源能够更精细地控制晶圆的温度。

本发明的另一个优点在于，通过控制静电吸盘上的光投射源能够改善晶圆温度的非径向不一致性。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

构成说明书的一部分的附图描述了本发明的实施例，并且连同说明书一起用于解释本发明的原理。

参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本发明，其中：

图1示出现有技术中基于环状多带冷却系统的晶圆温度补偿示图。

图2A示出根据本发明的用于处理晶圆的反应装置的一个实施例的结构图。

图2B示出根据本发明的用于处理晶圆的反应装置的另一个实施例的结构图。

图2C示出根据本发明的用于处理晶圆的反应装置的又一个实施例的结构图。

图3A示出根据用于处理晶圆的反应装置的再一个实施例的结构图。

图3B示出图3A中投射源控制器和光投射源的局部示意图。

图4示出根据本发明的晶圆温度控制方法的一个实施例的流程图。

图5示出根据本发明的晶圆温度控制方法的另一个实施例的流程图。

图6示出根据本发明的晶圆温度控制方法的又一个实施例的流程图。

图7示出根据本发明的晶圆温度控制的应用例的示意图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

本发明实施例的基本构思是提供投射光图案到晶圆表面的光投射源，通过光投射源和流体冷却系统(Fluid cooling system)来控制晶圆的温度。

图2A示出根据本发明的用于处理晶圆的反应装置的一个实施例的结构图。如图2A所示，该实施例中反应装置包括腔室200，在腔室200内用于支撑晶圆25的静电吸盘21。静电吸盘21具有向内部施加来自ESC电源的直流电压的电极板或者导电栅23，利用由该施加的直流电压产生的库仑力或者Johnsen-Rahbek力吸附并保持晶圆25。静电吸盘21包括用于支撑晶圆的绝缘层，该绝缘层具有支撑晶圆25的第一表面22。在第一表面22的上方安装有光投射源26，光投射源26投射特定的光图案27到保持在静电吸盘21上的晶圆25表面。光投射源26发出的光可以是普通可见光、红外线光或者紫外线光。在一个实施例中，采用能量比较高的短波长光，例如，短波长激光。波长分布集中，定向性好，便于光束方向、位置的精确控制。可以通过折射/反射系统控制光源发出的光束的方向。标号29表示用于隔离腔室内的等离子体(plasma)28和等离子体的点火线圈的水晶板。通过控制光投射源投射到晶圆表面的光图案，可以调整被吸附在ESC上面的晶圆的温度，从而能够更好地调整温度的不一致性，可以大大提高晶圆温度一致性，特别是改善非径向温度不一致性。

在一个实施例中，静电吸盘21还具有流体冷却系统。流体冷却系统位于第一表面22的下方，包括例如在圆周方向上延伸的环状多带制冷剂室24，从ESC冷却器(未示出)经过制冷剂用配管向该制冷剂室24中循环供给规定温度的制冷剂(例如，冷却水、液氦(He)等)，利用该制冷剂的温度来控制被吸附保持在ESC上面的晶圆25的处理温度。光投射源和流体冷却系统配合，能够更好地调整晶圆的温度，大大提高晶圆温度一致性，改善非径向温度不一致性。除了和传统的流体冷却系统配合，光投射源也可以和其他的冷却系统配合。

图2B示出根据本发明的用于处理晶圆的反应装置的另一个实施例的结构图。和图2A相比，图2B中示出两个光投射源26。每个光投射源26都在晶圆25表面形成子光图案，各个子光图案叠加形成晶圆表面的光图案。各个子光图案的光强图案组合形成晶圆表面的光图案的光强图案。本领域的技术人员应当理解，该实施例中的光投射源也可以是3个甚至更多个。各个子图案之间可以只有部分重叠。

图2C示出根据本发明的用于处理晶圆的反应装置的又一个实施例的结构图。和图2A相比，图2B中示出三个光投射源26。每个光投射源26在晶圆25表面的对应区域形成子光图案，每个光投射源26对应的区域不重叠，因此，各个光投射源26在晶圆表面投射的光图案也在晶圆表面也不重叠，各个子光图案叠加形成晶圆表面的光图案。本领域的技术人员应当理解，该实施例中的光投射源可以是2个、3个甚至更多个。

对于腔室中的水晶板，一般位于光投射源和绝缘层的第一表面之间，光投射源投射的光图案透过水晶板到达晶圆的表面。水晶板可以采用具有高透光率的水晶板。

图3A示出本发明用于处理晶圆的反应装置的再一个实施例的结构图。如图3A所示，ESC 21还包括与光投射源26连接的投射源控制器30。投射源控制器30能够控制光投射源26投射的光图案27和光强。图3A中示出水晶板上透过光图案的部分32，水晶板上透过光图案的部分32具有高透光率，并且与水晶板的其他部分29可分离。ESC 21还包括位于其中的多个温度探测器31，多个温度探测器31探测吸附于静电吸盘上的晶圆的不同位置的温度。投射源控制器30与温度探测器31相连，根据温度探测器31探测的温度和输入的期望温度控制光投射源26的光图案和光强，从而更好地调整晶圆温度一致性。在一个实施例中，温度探测器为红外(Infra-red，IR)温度监测芯片，具有射频(RF)功能，位于ESC-TE的表面，通过射频设备连接到投射源控制器，进行信息交互。在一个实施例中，温度探测器以预定图形分布于静电吸盘上。在一个实施例中，温度探测器位于静电吸盘内部，断面高度1/2处左右。

图3B示出图3A中投射源控制器和光投射源的局部示意图。如图3B所示，光投射源26包括光源261和透镜系统262。光源261例如是可以是普通光源(如LED)或者激光光源；透镜系统262例如是反射/折射系统，或者LED投射机、或者激光投射系统。透镜系统262例如以预定的比例(designed scale)将光源261中的光图案投射到晶圆表面。投射源控制器30与光投射源26连接，能够控制光源261的功率以及透镜系统262的角度。

上述实施例中，投射源控制器根据温度探测器获得温度来控制光投射源的方向和输出功率，可以更好、更精确地实现晶圆温度控制。

图4示出根据本发明的晶圆温度控制方法的一个实施例的流程图。

如图4所示，步骤402，确定静电吸盘中光投射源的光图案，静电吸盘包括绝缘层，绝缘层具有支撑晶圆的第一表面，光投射源能够安装于绝缘层的第一表面上方。光投射源可以是普通光源或者激光光源，发出的光束可以是普通可见光、红外线光或者紫外线光。在一个实施例中，优选短波长激光。

步骤404，控制光投射源投射到晶圆表面的光图案以调整晶圆的温度。可以控制光投射源投射的光图案以及光图案中各个点的光强。

上述实施例中，通过控制光投射源投射到晶圆表面的光图案，可以调整被吸附在ESC上面的晶圆的温度，从而能够更好地调整温度的不一致性，可以大大提高晶圆温度一致性，特别是改善非径向温度不一致性。

图5示出根据本发明的晶圆温度控制方法的另一个实施例的流程图。

如图5所示，步骤502，探测吸附于静电吸盘上的晶圆的不同(关键)位置的温度。根据晶圆不同位置的温度可以获得整个晶圆的温度分布图。

步骤504，根据晶圆的不同位置的温度计算温度补偿图，即用来补偿晶圆温度不一致性的温度图。

步骤506，根据温度补偿图确定流体冷却系统的输出功率。

步骤508，根据温度补偿图和冷却系统的输出功率确定光投射源的光图案。

步骤510，对光投射源投射的光图案进行控制以便控制吸附于静电吸盘上的晶圆的温度达到预定的温度分布。

图6示出根据本发明的晶圆温度控制方法的另一个实施例的流程图。

如图6所示，步骤602，收集物理参数图。选取一个关心(或重要)图形进行全晶圆所有Die(单元晶片)的CD量测，根据CD量测结果通过软件作图得到全晶圆的CD分布图。CD量测设备可以是量测机台，例如CDSEM或者OCD。

步骤604，根据物理参数图计算温度补偿图。准备冷却系统的工作曲线，建立(例如蚀刻)关键步骤中ESC温度与CD的关系；基于物理参数图，计算出与设置值的偏差，通过工作曲线计算出需要调整的温度值，获得温度补偿图。

步骤606，根据温度补偿图确定光投射源的光图案和光强。

步骤608，对光投射源的光图案和光强进行控制以便控制吸附于静电吸盘上的晶圆温度。

图7示出本发明的的晶圆温度控制的应用例的工作示意图。例如，在干法蚀刻中，随着持续的等离子(plasma)28轰击，腔室200内晶圆25的温度会不断升高。ESC 21在夹紧晶圆25的同时，通过温度探测器监测晶圆各个位置的温度，确定温度补偿图71，结合流体冷却系统的工作曲线72确定光投射源的光强图案73。通过工作曲线72来控制流体冷却系统，投射源控制器30根据光强图案73控制光投射源26的光图案和光强。通过流体冷却系统内部流动的冷却剂流体来释放并且控制晶圆25的温度，通过光投射源26投射的光图案27提供额外的加热来源来补偿晶圆表面的温度。在实际操作中可以适当整体降低ESC的温度，通过光投射源和冷却系统将晶圆的温度控制到设定值。

至此，已经详细描述了根据本发明的静电吸盘和晶圆温度控制方法。为了避免遮蔽本发明的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。

虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (14)

1.一种用于吸引晶圆的静电吸盘(ESC)，其特征在于，包括：

绝缘层，所述绝缘层具有支撑晶圆的第一表面；

多个温度探测器，用于分别探测吸附于所述静电吸盘上的晶圆的不同位置的温度；

位于所述绝缘层的第一表面下方的流体冷却系统；

能够安装于所述绝缘层的第一表面上方的光投射源，所述光投射源包括光源和透镜系统，用于投射光图案到所述晶圆表面以控制所述晶圆温度；所述透镜系统用于控制所述光源发出的光束的方向和位置，以形成所述光图案；

投射源控制器，与所述多个温度探测器、所述光投射源相连，用于根据晶圆的不同位置的温度计算温度补偿图，根据所述温度补偿图确定所述流体冷却系统的输出功率，根据所述温度补偿图和所述流体冷却系统的输出功率确定光投射源的所述光图案，控制所述光源的功率和所述透镜系统的角度，以控制所述光投射源投射的所述光图案和所述光图案中各个点的光强。

2.根据权利要求1所述的静电吸盘，其特征在于，包括两个以上光投射源，每个光投射源在所述晶圆表面的对应区域形成子光图案。

3.根据权利要求2所述的静电吸盘，其特征在于，所述子光图案在所述晶圆表面不重叠。

4.根据权利要求2所述的静电吸盘，所述子光图案在所述晶圆表面叠加形成所述晶圆表面的光强图案。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的静电吸盘，其特征在于，所述透镜系统用于以预定的比例将所述光源中的光图案投射到所述晶圆表面。

6.根据权利要求5所述的静电吸盘，其特征在于，所述光源为LED或激光，或者，所述透镜系统为反射/折射系统。

7.根据权利要求1所述的静电吸盘，其特征在于，所述光投射源发出光束为普通可见光、红外光或者紫外线光。

8.一种用于处理晶圆的反应装置，其特征在于，包括：

腔室，

在所述腔室内用于支撑晶圆的如权利要求1至7中任意一项所述的静电吸盘，所述光投射源安装于所述腔室中所述绝缘层的第一表面的上方。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，还包括：

位于所述腔室中的水晶板，在所述光投射源和所述绝缘层的第一表面之间，所述光投射源投射的光图案透过所述水晶板到达所述晶圆的表面。

10.根据权利要求9所述的反应装置，其特征在于，所述水晶板具有高透光率。

11.根据权利要求10所述的反应装置，其特征在于，所述水晶板上透过所述光图案的部分具有高透光率，且与所述水晶板的其他部分可分离。

12.一种晶圆温度控制方法，其特征在于，包括：

通过多个温度探测器探测吸附于静电吸盘上的晶圆的不同位置的温度，其中，所述静电吸盘包括绝缘层，所述绝缘层具有支撑晶圆的第一表面；

根据所述晶圆的不同位置的温度确定温度补偿图；

根据所述温度补偿图确定位于所述绝缘层的第一表面下方的流体冷却系统的输出功率；

根据所述温度补偿图和所述流体冷却系统的输出功率确定静电吸盘中光投射源的光图案，其中，所述光投射源安装于所述绝缘层的第一表面上方，所述光投射源包括光源和透镜系统，所述透镜系统用于控制所述光源发出的光束的方向和位置，以形成所述光图案；

控制所述光源的功率和所述透镜系统的角度以控制所述光投射源投射到所述晶圆表面的光图案和所述光图案中各个点的光强以调整所述晶圆的温度。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述探测吸附于所述静电吸盘上的晶圆的不同位置的温度包括：

探测吸附于所述静电吸盘上的晶圆的预定图形位置上的温度。

14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述光投射源发出的光为普通可见光、红外光或者紫外线光。