CN103545162B - 等离子体反应装置和石英窗加热方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等离子体反应装置和石英窗加热方法。该等离子体反应装置，包括：腔体、承载装置、吸热层、红外加热装置和加热电源，所述腔体包括腔体壁和设置于所述腔体壁上方的石英窗，所述承载装置位于所述腔体底部，所述吸热层覆盖于所述石英窗上，所述红外加热装置位于所述石英窗上方；所述加热电源，用于向所述红外加热装置供电；所述红外加热装置，用于向所述石英窗发射红外线；所述吸热层，用于吸收所述红外线以实现对所述石英窗的加热。本发明提高了工艺结果的稳定性以及提高了等离子体反应装置的产出率。

Description

等离子体反应装置和石英窗加热方法

技术领域

本发明涉及半导体设备制造技术领域，特别涉及一种等离子体反应装置和石英窗加热方法。

背景技术

在半导体刻蚀工艺的情况下，必须严格控制等离子体反应装置的大量参数以保持高质量的工艺结果，其中，温度是保证高质量工艺结果和反应室稳定性的重要参数。等离子体反应装置精确的温度控制对刻蚀工艺结果起到至关重要的作用，刻蚀工艺结果对等离子体反应装置中的温度波动高度敏感。精确控制等离子体反应装置中的温度可直接影响刻蚀速率的均匀性和关键尺寸(CriticalDimension，以下简称：CD)的均匀性，减少反应腔侧壁的颗粒沉积，促使挥发性的残留物及时排出反应腔，以及有效延长预防性维护(PreventiveMaintenance，以下简称：PM)的周期。

图1为现有技术中等离子体反应装置的结构示意图，如图1所示，该等离子体反应装置包括：腔体1和承载装置2，腔体1包括腔体壁6和设置于腔体壁6上方的石英窗7，承载装置2位于腔体1的底部，承载装置2用于承载衬底8。腔体1内部形成有一内腔9，该内腔9由腔体壁6和石英窗7形成。腔体壁6和石英窗7之间相互配合密封，腔体壁6和承载装置2之间相互配合密封，从而使内腔9成为一封闭的空间。优选地，承载装置2可采用静电卡盘，衬底8通过静电引力固定于承载装置2上。在等离子体加工过程中，向腔体1内部的内腔9中通入反应气体，射频电源(图中未示出)使该反应气体电离形成等离子体，形成的等离子体位于衬底8上方的内腔9中。上述等离子体反应装置温度的控制通常通过对承载装置2和腔体壁6进行精确温度控制而实现。腔体壁6内可设置有加热器10、热电偶(图中未示出)和过温开关(图中未示出)，加热器10用于对腔体壁6进行加热，热电偶用于测量腔体壁6的温度，过温开关用于控制腔体壁6的温度使其不超过设定值，从而实现对腔体壁6的温度的控制。承载装置2与腔体1外部的温度控制模块(图中未示出)连接，温度控制模块中冷却液通过设置于承载装置2底部的入口11流入承载装置2内部，冷却液与承载装置2进行热量交换后从出口12返回至温度控制模块，温度控制模块通过调整冷却液的流量改变冷却液与承载装置2的热交换量，从而实现了对承载装置2的温度控制。石英窗7没有单独的加热装置，在等离子体加工过程中工艺质量对石英窗7的温度相当敏感，为了得到满意的工艺结果，通常在刻蚀工艺开始前增加预热等离子体启辉的步骤，通过预热等离子体启辉的步骤使石英窗7的温度升高，具体地，在进行加工衬底的等离子体工艺之前，首先进行预热等离子体启辉的步骤，采用等离子体自身的热效应对石英窗7进行加热，当石英窗7的温度达到所需温度时，再执行加工衬底的等离子体工艺。

但是，现有技术中对石英窗7进行加热的方案存在如下问题：

1、由于预热等离子启辉的加热方式依赖于等离子体自身的热效应，稳定性较差，从而无法保证工艺结果的稳定性。

2、增加预热等离子体启辉的步骤，会延长工艺的时间，从而降低了等离子体反应装置的产出率。

发明内容

本发明提供一种等离子体反应装置和石英窗加热方法，用以提高工艺结果的稳定性以及提高等离子体反应装置的产出率。

为实现上述目的，本发明提供了一种等离子体反应装置，包括：腔体、承载装置、吸热层、红外加热装置和加热电源，所述腔体包括腔体壁和设置于所述腔体壁上方的石英窗，所述承载装置位于所述腔体底部，其中：

所述吸热层覆盖于所述石英窗上，所述红外加热装置位于所述石英窗上方；

所述加热电源，用于向所述红外加热装置供电；

所述红外加热装置，用于向所述石英窗发射红外线；

所述吸热层，用于吸收所述红外线以实现对所述石英窗的加热。

可选地，所述等离子体反应装置还包括：罩设于所述石英窗之上的壳体，所述红外加热装置固定于所述壳体的内壁上。

可选地，所述红外加热装置包括：内红外加热装置和外红外加热装置，所述外红外加热装置围设于所述内红外加热装置的外侧，所述内红外加热装置通过第一固定件固定于所述壳体的内壁上，所述外红外加热装置通过第二固定件固定于所述壳体的内壁上。

可选地，所述内红外加热装置的形状为环状，所述外红外加热装置的形状为环状。

可选地，所述加热电源位于所述腔体的外部，所述加热电源通过第一连接线与所述内红外加热装置电连接，所述加热电源通过第二连接线与所述外红外加热装置电连接，所述第一固定件上开设有第一连接孔，所述第二固定件上开设有第二连接孔，所述第一连接线穿过所述第一连接孔，所述第二连接线穿过所述第二连接孔。

可选地，所述等离子体反应装置还包括：温度控制器，位于所述内红外加热装置上方的第一测温装置和位于所述外红外加热装置上方的第二测温装置，其中：

所述第一测温装置固定于所述壳体的内壁上，所述第二测温装置固定于所述壳体的内壁上；

所述第一测温装置，用于对所述内红外加热装置的温度进行测量，得出第一测量温度；

所述第二测温装置，用于对所述外红外加热装置的温度进行测量，得出第二测量温度；

所述温度控制器，用于比较所述第一测量温度和第一设定温度，并根据所述第一测量温度和所述第一设定温度的差值控制所述加热电源，由所述加热电源调整所述内红外加热装置的加热功率；以及比较所述第二测量温度和第二设定温度，并根据所述第二测量温度和所述第二设定温度的差值控制所述加热电源，由所述加热电源调整所述外红外加热装置的加热功率。

可选地，所述加热电源包括：第一继电器和第二继电器，所述第一继电器通过所述第一连接线与所述内红外加热装置连接，所述第二继电器通过所述第二连接线与所述外红外加热装置连接；

所述第一继电器，用于在所述温度控制器的控制下导通或者断开，以实现调整所述内红外加热装置的加热功率；

所述第二继电器，用于在所述温度控制器的控制下导通或者断开，以实现调整所述外红外加热装置的加热功率。

可选地，所述等离子体反应装置还包括：设置于所述壳体外部的匹配器和设置于所述壳体内部的线圈，所述线圈位于所述石英窗和所述红外加热装置之间，所述线圈通过所述线圈连接条与所述匹配器连接。

可选地，所述吸热层的材料为吸热胶。

为实现上述目的，本发明还提供了一种石英窗加热方法，所述方法基于等离子体反应装置，所述等离子体反应装置包括：腔体、承载装置、吸热层、红外加热装置和加热电源，所述腔体包括腔体壁和设置于所述腔体壁上方的石英窗，所述承载装置位于所述腔体底部，所述吸热层覆盖于所述石英窗上，所述红外加热装置位于所述石英窗上方，所述加热电源用于向所述红外加热装置供电；

所述方法包括：

所述红外加热装置向所述石英窗发射红外线；

所述吸热层吸收所述红外线以实现对所述石英窗的加热。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的等离子体反应装置和石英窗加热方法的技术方案中，通过红外线加热装置和吸热层实现对石英窗的加热，稳定性较好，从而提高了工艺结果的稳定性；本发明无需通过增设预热等离子体启辉的步骤即可实现对石英窗的加热，减少了工艺时间，从而提高了等离子体反应装置的产出率。

附图说明

图1为现有技术中等离子体反应装置的结构示意图；

图2为本发明实施例一提供的一种等离子体反应装置的结构示意图；

图3为图2中红外加热装置的平面示意图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的等离子体反应装置和石英窗加热方法进行详细描述。

图2为本发明实施例一提供的一种等离子体反应装置的结构示意图，如图2所示，该等离子体反应装置包括：腔体1、承载装置2、吸热层3、红外加热装置4和加热电源5，腔体1包括腔体壁6和设置于腔体壁6上方的石英窗7，承载装置2位于腔体1底部，吸热层3覆盖于石英窗7上，红外加热装置4位于石英窗7上方。承载装置2用于承载衬底8。加热电源5用于向红外加热装置4供电。红外加热装置4用于向石英窗7发射红外线。吸热层3用于吸收红外线以实现对石英窗7的加热。

本实施例中，吸热层3的材料优选为吸热胶。由于石英窗7对红外线有较大的通过率，所以仅通过红外线无法实现对石英窗7的加热。为此，在石英窗7上设置吸热层3，该吸热层3可以吸收红外线以使石英窗7被红外线加热，从而提高了红外加热装置4的加热效率。

腔体1内部形成有一内腔9，该内腔9由腔体壁6和石英窗7形成。腔体壁6和石英窗7之间相互配合密封，腔体壁6和承载装置2之间相互配合密封，从而使内腔9成为一封闭的空间。优选地，承载装置2可采用静电卡盘，衬底8通过静电引力固定于承载装置2上。在等离子体加工过程中，向腔体1内部的内腔9中通入反应气体，射频电源(图中未示出)使该反应气体电离形成等离子体，形成的等离子体位于衬底8上方的内腔9中。

上述等离子体反应装置温度的控制通常通过对承载装置2和腔体壁6进行精确温度控制而实现。腔体壁6内可设置有加热器10、热电偶(图中未示出)和过温开关(图中未示出)，加热器10用于对腔体壁6进行加热，热电偶用于测量腔体壁6的温度，过温开关用于控制腔体壁6的温度使其不超过设定值，从而实现对腔体壁6的温度的控制。承载装置2与腔体1外部的温度控制模块(图中未示出)连接，温度控制模块中冷却液通过设置于承载装置2底部的入口11流入承载装置2内部，冷却液与承载装置2进行热量交换后从出口12返回至温度控制模块，温度控制模块通过调整冷却液的流量改变冷却液与承载装置2的热交换量，从而实现了对承载装置2的温度控制。

可选地，等离子体反应装置还可以包括：罩设于石英窗7之上的壳体13，红外加热装置4固定于壳体13的内壁上。

图3为图2中红外加热装置的平面示意图，如图2和图3所示，本实施例中，红外加热装置4可包括：内红外加热装置14和外红外加热装置15，外红外加热装置15围设于内红外加热装置14的外侧，内红外加热装置14通过第一固定件16固定于壳体13的内壁上，外红外加热装置15通过第二固定件17固定于壳体13的内壁上。内红外加热装置14用于向石英窗7发射红外线，外红外加热装置15用于向石英窗7发射红外线。本实施例中，内红外加热装置14可采用红外灯管，外红外加热装置15可采用红外灯管。优选地，内红外加热装置14的形状为环状，外红外加热装置15的形状为环状。由于石英窗7的形状通常为圆盘状，因此内红外加热装置14和外红外加热装置15采用环状的形状，可以实现对石英窗7均匀加热的目的，尤其解决了石英窗7径向温度不均匀的问题，从而达到使石英窗7的径向温度均匀的目的。在实际应用中，内红外加热装置14和外红外加热装置15均还可以采用其它形状，例如：内红外加热装置14的形状还可以为圆盘状。

加热电源5位于腔体1的外部，该加热电源5为交流电源。加热电源5通过第一连接线18与内红外加热装置14电连接，加热电源5通过第二连接线19与外红外加热装置15电连接。第一固定件16上开设有第一连接孔，第二固定件17上开设有第二连接孔，第一连接线18穿过第一连接孔以使加热电源5与内红外加热装置14电连接，第二连接线19穿过第二连接孔以使加热电源5与外红外加热装置15电连接。其中，第一连接孔开设于第一固定件16内部，第二连接孔开设于第二固定件17内部，第一连接孔和第二连接孔在图2中未示出。进一步地，第一连接线18还可以通过其他方式设置于第一固定件16上，第二连接线19还可以通过其他方式设置于第二固定件17上。例如：第一连接线18可以缠绕于第一固定件16上，第二连接线19可以缠绕于第二固定件17上。

进一步地，该等离子体反应装置还可以包括：温度控制器20，位于内红外加热装置14上方的第一测温装置21和位于外红外加热装置15上方的第二测温装置22，第一测温装置21固定于壳体13的内壁上，第二测温装置22固定于壳体13的内壁上，温度控制器20通过连接线与第一测温装置21连接，温度控制器20通过连接线与第二测温装置22连接。其中，第一测温装置21可以采用红线温度传感器，第二测温装置22可以采用红外线温度传感器。第一测温装置21用于对内红外加热装置14的温度进行测量，得出第一测量温度。第二测温装置22用于对外红外加热装置15的温度进行测量，得出第二测量温度。温度控制器20用于比较第一测量温度和第一设定温度，并根据第一测量温度和第一设定温度的差值控制加热电源5，由加热电源5调整内红外加热装置14的加热功率。温度控制器20还用于比较第二测量温度和第二设定温度，并根据第二测量温度和第二设定温度的差值控制加热电源5，由加热电源5调整外红外加热装置15的加热功率。具体地，加热电源5中可包括：第一继电器23和第二继电器24，第一继电器23通过第一连接线18与内红外加热装置14连接，第二继电器24通过第二连接线19与外红外加热装置15连接。第一继电器23用于在温度控制器20的控制下导通或者断开，以实现调整内红外加热装置14的加热功率。第二继电器24用于在温度控制器20的控制下导通或者断开，以实现调整外红外加热装置15的加热功率。

可选地，等离子体反应装置还包括：设置于壳体13外部的匹配器25和设置于壳体13内部的线圈26，线圈26位于石英窗7和红外加热装置4之间，线圈26通过线圈连接条27与匹配器25连接。匹配器25连接至射频电源。射频电源通过匹配器25向线圈26提供射频功率，使线圈26产生射频电场，该射频电场可使内腔9中的反应气体电离形成等离子体。

本实施例提供的等离子体反应装置通过红外线加热装置和吸热层实现对石英窗的加热，稳定性较好，从而提高了工艺结果的稳定性。本实施例无需通过增设预热等离子体启辉的步骤即可实现对石英窗的加热，减少了工艺时间，从而提高了等离子体反应装置的产出率。本实施例无需增设等离子体启辉的步骤，从而避免了由于热量的累积效应而导致的石英窗温度过高的问题。本实施例提供的等离子体反应装置通过红外线加热装置和吸热层对石英窗进行加热，从而能够使石英窗快速升温。本实施例提供的等离子体反应装置通过第一测温装置、第二测量装置和温度控制器实现了对石英窗的精确控温，从而提高了工艺结果的稳定性和准确性。

本发明实施例二还提供了一种石英窗加热方法，所述方法基于等离子体反应装置，等离子体反应装置包括：腔体、承载装置、石英窗、吸热层、红外加热装置和加热电源，腔体包括腔体壁和设置于腔体壁上方的石英窗，承载装置位于腔体底部，吸热层覆盖于石英窗上，红外加热装置位于石英窗上方，加热电源用于向红外加热装置供电。对等离子体反应装置的具体描述可参见上述实施例一，此处不再赘述。则该石英窗加热方法可包括：红外加热装置向所述石英窗发射红外线，吸热层吸收红外线以实现对石英窗的加热。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种等离子体反应装置，其特征在于，包括：腔体、承载装置、吸热层、红外加热装置和加热电源，所述腔体包括腔体壁和设置于所述腔体壁上方的石英窗，所述承载装置位于所述腔体底部，其中：

所述吸热层覆盖于所述石英窗上，所述红外加热装置位于所述石英窗上方；

所述加热电源，用于向所述红外加热装置供电；

所述红外加热装置，用于向所述石英窗发射红外线；

所述吸热层，用于吸收所述红外线以实现对所述石英窗的加热。

2.根据权利要求1所述的等离子体反应装置，其特征在于，所述等离子体反应装置还包括：罩设于所述石英窗之上的壳体，所述红外加热装置固定于所述壳体的内壁上。

3.根据权利要求2所述的等离子体反应装置，其特征在于，所述红外加热装置包括：内红外加热装置和外红外加热装置，所述外红外加热装置围设于所述内红外加热装置的外侧，所述内红外加热装置通过第一固定件固定于所述壳体的内壁上，所述外红外加热装置通过第二固定件固定于所述壳体的内壁上。

4.根据权利要求3所述的等离子体反应装置，其特征在于，所述内红外加热装置的形状为环状，所述外红外加热装置的形状为环状。

5.根据权利要求3所述的等离子体反应装置，其特征在于，所述加热电源位于所述腔体的外部，所述加热电源通过第一连接线与所述内红外加热装置电连接，所述加热电源通过第二连接线与所述外红外加热装置电连接，所述第一固定件上开设有第一连接孔，所述第二固定件上开设有第二连接孔，所述第一连接线穿过所述第一连接孔，所述第二连接线穿过所述第二连接孔。

6.根据权利要求5所述的等离子体反应装置，其特征在于，所述等离子体反应装置还包括：温度控制器，位于所述内红外加热装置上方的第一测温装置和位于所述外红外加热装置上方的第二测温装置，其中：

所述第一测温装置固定于所述壳体的内壁上，所述第二测温装置固定于所述壳体的内壁上；

所述第一测温装置，用于对所述内红外加热装置的温度进行测量，得出第一测量温度；

所述第二测温装置，用于对所述外红外加热装置的温度进行测量，得出第二测量温度；

所述温度控制器，用于比较所述第一测量温度和第一设定温度，并根据所述第一测量温度和所述第一设定温度的差值控制所述加热电源，由所述加热电源调整所述内红外加热装置的加热功率；以及比较所述第二测量温度和第二设定温度，并根据所述第二测量温度和所述第二设定温度的差值控制所述加热电源，由所述加热电源调整所述外红外加热装置的加热功率。

7.根据权利要求6所述的等离子体反应装置，其特征在于，所述加热电源包括：第一继电器和第二继电器，所述第一继电器通过所述第一连接线与所述内红外加热装置连接，所述第二继电器通过所述第二连接线与所述外红外加热装置连接；

所述第一继电器，用于在所述温度控制器的控制下导通或者断开，以实现调整所述内红外加热装置的加热功率；

所述第二继电器，用于在所述温度控制器的控制下导通或者断开，以实现调整所述外红外加热装置的加热功率。

8.根据权利要求2所述的等离子体反应装置，其特征在于，所述等离子体反应装置还包括：设置于所述壳体外部的匹配器和设置于所述壳体内部的线圈，所述线圈位于所述石英窗和所述红外加热装置之间，所述线圈通过所述线圈连接条与所述匹配器连接。

9.根据权利要求1至8任一所述的等离子体反应装置，其特征在于，所述吸热层的材料为吸热胶。

10.一种石英窗加热方法，其特征在于，所述方法基于等离子体反应装置，所述等离子体反应装置包括：腔体、承载装置、吸热层、红外加热装置和加热电源，所述腔体包括腔体壁和设置于所述腔体壁上方的石英窗，所述承载装置位于所述腔体底部，所述吸热层覆盖于所述石英窗上，所述红外加热装置位于所述石英窗上方，所述加热电源用于向所述红外加热装置供电；

所述方法包括：

所述红外加热装置向所述石英窗发射红外线；

所述吸热层吸收所述红外线以实现对所述石英窗的加热。