CN103854947B - 用于带有热控元件阵列的esc的功率切换系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于带有热控元件阵列的ESC的功率切换系统。具体而言，用于在等离子体处理腔室中支撑半导体衬底的半导体衬底支撑件包括：加热器阵列，其包括热控元件，所述热控元件可操作以调节所述半导体衬底上的空间温度分布，所述热控元件限定加热器区域，每个所述加热器区域由两个以上功率供给线路和两个以上功率返回线路供电，其中每个功率供给线路与所述加热器区域中的至少两个连接并且每个功率返回线路与加热器区域中的至少两个连接。功率分配电路与衬底支撑件的底板配合，功率分配电路与加热器阵列的每个功率供给线路和功率返回线路连接。切换装置与功率分配电路连接以通过多个开关的时分多路复用来向每个加热器区域独立地提供时间平均功率。

Description

用于带有热控元件阵列的ESC的功率切换系统
技术领域
本公开涉及等离子体处理腔室，诸如具有衬底支撑组件的等离子体蚀刻腔室，所述衬底支撑组件具有热控元件阵列，热控元件阵列实现了等离子体处理期间半导体衬底分布上的空间温度分布。
背景技术
在诸如等离子体蚀刻的半导体衬底制造步骤中，关键尺寸(CD)控制是难题。在衬底上CD的均匀度还会影响来自衬底的芯片的产量。在公知的半导体制造节点中，能够规定小于1nm的CD均匀度。
由于多方面原因，控制温度不是容易的任务。首先，许多因素会影响热传递，诸如热源和热沉的位置以及介质的移动、材料和形状。其次，热传递是动态的过程。除非所讨论的系统是热均衡的，否则会发生热传递，并且温度分布和热传递将随时间而变化。再次，当然地总是存在于等离子体处理中的诸如等离子体等非均衡现象使得任何实际的等离子体处理装置的热传递行为的理论预测即使可能的话，也是非常难的。
等离子体处理装置中的衬底温度分布受多种因素影响，诸如等离子体密度分布、射频(RF)功率分布和静电卡盘组件中的各种加热和冷却元件的具体结构，因此衬底温度分布经常是不均匀的并且难以通过少量的加热或冷却元件来控制。该缺陷转变成在整个衬底上的处理速率的非均匀性以及衬底上的器件芯片的关键尺寸的非均匀性。
在已知的等离子体处理系统中，用于具有诸如加热器或珀耳帖(peltier)装置的一个或多个热控元件的静电卡盘系统的控制电子装置对RF噪声敏感。结果，通过定位在处理腔室的外部，控制电子装置与等离子体处理的有源RF隔离。也就是说，在已知的系统中，用于衬底支撑组件的控制电子装置定位在RF滤波器的高压侧上且在等离子体处理腔室之外的位置处。另一方面，静电卡盘控制电子装置位于RF滤波器的低RF电压侧。已知该布置可将ESC加热器功率线路上的RF电压降至不干扰控制电子装置的电平。当功率线路的数量较小(例如，小于8-10根功率线路)，诸如用于具有单个温度控制元件的衬底支撑组件时，则RF滤波器能够具有相对小的尺寸和花费。然而，对于具有多个热控元件的静电卡盘系统，切换控制电子装置和静电卡盘组件之间的功率线路的数量能够远大于8-10根线路(例如，16或28对线缆)，并且RF滤波器会变得非常笨重和昂贵。在对处理均匀度具有极严格控制(例如，CD的变化<1nm)的静电卡盘系统和等离子体处理腔室的设计上，用于静电卡盘系统的RF滤波的尺寸、成本和复杂度带来了限制和问题。
发明内容
根据一个实施例，用于在等离子体处理腔室中支撑半导体衬底的半导体衬底支撑件包括：加热器阵列，所述加热器阵列能操作以调节半导体衬底上的空间温度分布，所述加热器由两个以上功率供给线路和两个以上功率返回线路供电，其中每个功率供给线路与所述加热器中的至少两个加热器连接，并且每个功率返回线路与所述加热器中的至少两个加热器连接；功率分配电路，其与衬底支撑件的底板配合，所述功率分配电路包括与所述加热器阵列的每个功率供给和功率返回线路连接的配线；以及切换装置，其与所述功率分配电路连接以使所述加热器中的每一个经由所述功率供给线路中的一条和所述功率返回线路中的一条被独立地供给功率，从而通过多个开关的时分多路复用来向所述加热器中的每个提供时间平均功率。所述功率分配电路包括存储器，所述存储器存储所述功率切换装置的配置数据、标识数据和操作数据中的至少一个。
根据另一实施例，一种在包括前述衬底支撑件的等离子体处理腔室中对诸如晶片之类的半导体衬底进行等离子体蚀刻的方法包括：使热控元件中的每一个经由功率供给线路中的一条和功率返回线路中的一条被独立地供给功率，从而通过功率切换装置的多个开关的时分多路复用来向热控元件中的每一个提供时间平均功率。
附图说明
在下文中，将通过示例性的实施例且参照附图对本公开进行更加详细的说明：
图1示出了依照本公开的示例性实施例的等离子体处理系统的示意性概图。
图2示出了依照本公开的示例性实施例的静电卡盘组件和控制电子装置的第一布置的示意图。
图3示出了依照本公开的示例性实施例的功率分配组件的示意图。
图4示出了依照本公开的示例性实施例的静电卡盘组件和控制电子装置的第一布置的剖切图。
图5示出了依照本公开的示例性实施例的静电卡盘组件和控制电子装置的第二布置的示意图。
图6示出了依照本公开的示例性实施例的静电卡盘组件和控制电子装置的第三布置的示意图。
图7示出了依照本公开的示例性实施例的静电卡盘组件和控制电子装置的第四布置的示意图。
图8A示出了依照本公开的示例性实施例的衬底支撑组件的辅助加热层。
图8B示出了依照本公开的示例性实施例的用于控制辅助加热层的时序电路。
图9示出了依照示例性实施例的用于控制和监控热控元件的控制电路的电路图。
图10示出了依照本公开的示例性实施例的切换电子板的控制电子装置的示意图。
图11为依照本公开的示例性实施例的在等离子体处理腔室中蚀刻等离子体晶片的方法的流程图。
具体实施方式
考虑等离子体处理腔室中的衬底支撑组件的表面上的温度控制的复杂特性，有利的是，将多个独立可控的平面型热控元件合并到衬底支撑组件中以使装置能够主动地创建并保持期望的空间和时间温度分布，并且对影响CD均匀度的其它不利因素(例如，由于上游或下游处理引起的非均匀性)进行补偿。而且，能够通过将功率分配、控制和切换电子装置布置在RF滤波部件的低电压侧上，例如，在等离子体处理腔室内部的位置上，降低RF滤波部件的尺寸、复杂度和数量。
图1示出了依照本公开的示例性实施例的等离子体处理装置的示意性概图。如图1所示，等离子体处理装置100包括腔室102和衬底支撑组件106，腔室102具有上方喷头电极104，所述衬底支撑组件106包括下方电极。诸如晶片之类的衬底108能够通过装载端口110装载到衬底支撑组件106上。气体线路112将处理气体供给到上方喷头电极104上，并且喷头电极将处理气体输送到腔室102中。气体源114(例如，供给适当的气体混合物的质量流量控制器功率)连接至气体线路112。射频(RF)电源116连接至上方喷头电极104。真空泵118能够用于抽空腔室102，以使RF功率电容性地耦合在上方喷头电极104和衬底支撑组件106中的下方电极(未示出)之间，以在衬底108和上方喷头电极104之间的空间中将处理气体激励成等离子体。等离子体能够用于将器件芯片特征蚀刻到衬底108上的层中。
应当理解的是，尽管等离子体处理装置100的具体设计可以变化，但在示例性实施例中，RF功率通过衬底支撑组件106耦合。尽管示出了电容耦合的等离子体腔室，但是等离子体处理装置能够依赖于产生等离子体的其它机制，诸如电感耦合(变压器耦合)、螺旋波、电子回旋共振，等等。例如，能够在变压器耦合等离子体(TCPTM)处理腔室中或在电子回旋共振(ECR)处理腔室中生成高密度等离子体。例如，在变压器耦合等离子体处理腔室中，RF能量通过介电窗电感耦合到腔室中。另外，等离子体处理装置100能够配置有与射频(RF)偏置衬底电极结合的高密度等离子体源，诸如电感耦合等离子体(ICP)源。在本公开的示例性实施例的背景下的等离子体处理装置不限于上述示例，并且可根据需要为多种合适的实现例中的任一种。
图2示出了依照本公开的示例性实施例的衬底支撑组件200和控制电子装置的第一布置的示意性概图。
衬底支撑组件200能够配置为在等离子体处理期间用于各种功能，诸如支撑衬底，调节衬底温度，以及供给射频功率。为了实现这些功能，衬底支撑组件可以包括静电卡盘(ESC)组件202。ESC组件202可以包括陶瓷层204、主加热板206、辅助加热层208和冷却板(例如，底板)210。陶瓷层204包括用于在处理期间通过静电将衬底夹到衬底支撑组件200上的一个或多个夹持电极(例如，单极或双极)212。ESC陶瓷层204定位在主加热板206的上方。在示例性实施例中，ESC陶瓷层204能够接合到辅助加热层208，辅助加热层208接合到主加热板206。当DC电压施加到夹持电极212上时，产生静电夹持力，并且静电夹持力将衬底108附着到ESC陶瓷层204的衬底支撑表面201上。
主加热板206可以包括合并到两个电绝缘层206A和206B的层压件中或附接至金属板(未显示)的一个或多个主加热器214。根据需要，电绝缘层206A、206B能够由聚合物材料、无机材料、陶瓷(诸如二氧化硅、氧化铝、氧化钇、氮化铝)或任何其它适合的绝缘材料形成。当连接至DC功率时，一个或多个主加热器214产生大部分热以实现衬底支撑表面201的期望的表面温度分布。主加热板206可位于辅助加热层208的上方或下方。
辅助加热层208可以为陶瓷或聚合物层并且可包括嵌入其中的多个独立可控的热控元件216。能够通过热控元件216来提供对由主加热板206产生的表面温度分布的微调，热控元件216通过适当的选择和定时能够减小衬底支撑表面201上的温差。热控元件216可包括加热器阵列，加热器阵列可操作以调节半导体衬底支撑表面上的空间温度分布。在示例性实施例中，加热器阵列可包括至少49个局部温度元件，诸如薄膜加热器、二极管、热电(珀耳帖)元件和电阻加热器，这些可以任何适当的几何阵列或图案排布。应当理解，在示例性实施例中，加热器阵列可根据需要包括单一类型的局部温度元件或局部温度元件类型的任意组合。例如，加热器阵列可包括在5％的加热元件和95％的冷却元件至95％的加热元件和5％的冷却元件的范围内的局部温度元件的混合，或者任何其它适合的温度元件的组合以实现期望的空间温度分布。
在优选的实施例中，辅助加热层208定位在ESC陶瓷层204和主加热板206之间。在该布置中，主加热板206形成在热阻隔层218的表面上，热阻隔层218设置在冷却板210上。
冷却板210具有用于冷却剂流动的多个通道220。冷却板210还形成ESC组件202的底板。冷却板210能够经由陶瓷绝缘体环122附接至腔室。将冷却板210附接至陶瓷绝缘体环122能够根据需要通过螺钉或任何其它适合的附接装置来实现。
图3示出了依照本公开的示例性实施例的功率分配组件的示意图。功率分配组件211能够电连接至等离子体处理腔室内部的冷却板210以在等离子体处理期间将AC、DC和/或RF功率分配到支撑组件200。功率分配组件211包括：功率分配电路219，其被配置为将AC和DC功率中的至少一种供给到支撑组件200；以及设施板224，其电连接至功率分配电路219并且被配置以使得当设施板224与支撑组件200的冷却板210配合(例如，附接、电连接)且RF功率被供给到设施板224时，功率分配电路219处于设施板224和冷却板210所共有的RF电位。
如图2所示，冷却板210设置在设施板224上，设施板224将冷却剂流体、气体和电功率提供给静电卡盘组件。冷却板210能够根据需要经由螺钉或其它适合的附接装置附接(例如，电连接)至设施板224。在本文所描述的示例性实施例中，静电卡盘组件的冷却剂板和设施板由诸如金属之类的导电材料制成，或涂覆有导电材料。导电的RF垫圈(未示出)能够设置在冷却板210的外缘和设施板224之间以在它们之间建立电连接。设施板224连接至RF电源VRF并且将RF功率提供给冷却板210。在另一示例性实施例中，设施板224可以包括绝缘和/或屏蔽连接件以及将RF功率和/或其它规定设施(例如氦、冷却剂或所期望的其它适合的供给品)提供到ESC组件202的导管。用于静电卡盘组件的全部的DC和AC功率能够通过设施板224经由单根电缆(未示出)来馈送。任何组合和数量的RF滤波器可根据需要设置在设施板224和位于等离子体处理腔室外部的AC或DC电源之间。在连接AC电源以将功率馈送到设施板224的示例性实施例中，一个或多个AC-DC转换器能够在将来自AC电源的电信号转换成DC电信号后才将信号馈送到设施板224。
功率分配电路219形成在第一电路板(例如，分配板228)上，分配板228被配置为在支撑组件200的冷却板210和设施板224之间的封闭空间234中与冷却板210配合。分配板228能够经由粘合(诸如粘结剂层)或通过诸如螺钉(未示出)等机械装置或所期望的其它适合的结合装置附接至冷却板210的底面。冷却板210和设施板224在由导电材料制成或涂有导电材料时，充当RF屏蔽件(例如，静电屏蔽件)，以使RF电流沿着设施板224和冷却板210的外表面且围绕封闭的空间234行进，而不是穿过分配板和控制电子装置。在该布置中，使分配板228屏蔽RF噪声(例如，干扰)。在本公开的示例性实施例的背景下，RF噪声可以为任何不期望的或寄生的RF信号，无论其是否具有随机功率谱或通过与静电卡盘组件202连接的诸如偏置发生器之类的系统中的RF源产生的特定频率的不期望耦合。根据本公开的示例性实施例，RF屏蔽件为包含有限数量的连接器穿透部的闭合导体屏蔽件(例如，冷却板210和设施板224)，通常利用旁通电容器使每个连接器穿透部与RF解耦。旁通连接器定位在电连接件和RF屏蔽件之间并且位于封闭空间234的外部。
分配板228可包括多层，其中一层为用于与设施板224连接的电子装置的共电压平面(例如，共导电平面)，使得共平面上的电压处于与设施板224和冷却板210相同的电位，从而当RF功率供给到冷却板210时，降低从设施板或冷却板210到分配板228上的部件或电路进行电弧放电的可能性。分配板228包括用于将功率分配电路219的输入功率线路与AC或DC电源连接的至少两个端子。分配板228还包括将功率分配电路219的输入功率线路与静电卡盘组件202中的热阵列的热控元件216连接的至少个输出功率线路，其中N等于热控元件216的数量。分配板228还可以包括从焊盘路由电流至穿过冷却板210的线缆的轨迹。分配板228可以包括滤波元件，诸如连接在一条或多条输入功率线路和设施板224之间、从输出功率线路到设施板、和/或在共电压平面和冷却板210和/或设施板224之间的电容器，以使流经设施板的RF电流分流，从而防止RF电流流经分配板228的部件。在示例性实施例中，分配板228可包括用于存储ESC组件202的校准数据或标识号的存储器。
在另一示例性实施例中，设施板224可以由非导电的、介电的和/或网状的材料形成。在该情况下，通过附接(例如，电连接)至冷却板210，分配板228的共电压平面能够形成用于分配板228的屏蔽外壳。应当理解的是，在该示例性实施例中，共电压平面为金属板或金属形成物，使得当附接至冷却板210时建立法拉第屏蔽，从而等离子体处理腔室中的有源RF不会进入外壳。
如图3所示，功率分配组件211还包括功率切换装置221。功率切换装置221包括切换电路222和控制电路223。切换装置221的切换电路222连接至功率分配电路219，以使每一个热控元件216经由功率供给线路中的一条和功率返回线路中的一条被独立地供给功率，从而通过衬底支撑组件200的热阵列的一个或多个热控元件216可寻址地连接至AC或DC功率，借助多个开关的时分多路复用来向每个热控元件216提供时间平均功率。控制电路223与诸如位于等离子体处理腔室外部的处理器或计算机等外部装置通信，用于功率分配和切换电路的命令和控制。在示例性实施例中，切换和控制电路222、223能够形成在功率分配组件211的分配电路板228上。在另一示例性实施例中，切换和控制电路222、223能够形成在第二电路板上，例如，切换电子板226上，切换电子板226能够与功率分配电路219的分配板228配合。
切换电子板226为印刷电路板(PCB)，其包括用于将切换的功率可寻址地供给到辅助加热层208的热控元件216的阵列的电路系统。切换电子板226能够设置在设施板224和冷却板210之间的封闭空间234中且在分配电路板228和设施板224之间的位置。切换电子板226包括共电压平面，共电压平面用于电连接至设施板224的电子装置，以使共平面上的电压处于与设施板224相同的电位，从而降低在设施板224与切换电子板226上的部件或电路之间的电弧放电的可能性。切换电子板226还可以包括连接在一条或多条输入功率线路和设施板224之间、从输出功率线路到设施板224、和在共电压平面与设施板224之间的电容器，以使流经设施板224的RF电流分流，从而防止RF电流流经切换电子板226的切换和控制电路。在另一示例性实施例中，切换电子板226能够附接至设施板224的上表面。例如，切换电子板226能够与分配板228的下表面配合以使切换电子板226位于分配板228和设施板224的上表面之间的封闭空间234内。
通过设施板224从RF源VRF接收到的RF功率经由与冷却板210的电连接被提供给ESC组件202。如已经讨论过的，RF垫圈能够设置在设施板224和冷却板210之间，并且提供在两个部件之间建立电连接的接口。应当理解的是，ESC组件202可以包含可调节ESC(T-ESC)的特征。在通过引用合并于此的共同受让的美国专利No.6,847,014和No.6,921,724中描述了所述组件。
分配板228可以包括焊盘，焊盘提供与切换电子板226上的引脚的电接触。分配板228还可以包括将电流从焊盘路由至穿过冷却板210的线缆的轨迹。在另一示例性实施例中，插口定位在分配板228的每个输入线路上并且与定位在切换电子板226上的引脚配合。分配板228可以包括用于存储用于ESC组件202的校准数据或标识号的存储器。通过该构造，切换电子板226具有对分配板228的存储器的读/写访问权。
在另一示例性实施例中，切换电子板226包括在每个输出线路上的插口，该插口与附接至冷却板210的位于分配板228上的引脚配合，从而能够建立电连接。在示例性实施例中，切换电子板226包括在每个输出线路上的焊盘，该焊盘接触冷却板210的分配板228上的引脚以建立电连接。
图4示出了依照本公开的示例性实施例的电子卡盘组件和控制电子装置的第一布置的剖视图。
如图4中所示，分配板228和切换电子板226设置在设施板224和冷却板210之间的封闭空间234中。封闭空间234是通过冷却板210的底面中的凹口与设施板224的顶面中的凹口的对准而形成的。冷却板210和设施板224的外表面(例如边缘)236a、238a分别形成封闭空间234的侧壁。对准销240用于在装配过程中将冷却板210和设施板224对准。对准销240从设施板224延伸出并且与从冷却板210延伸出的受器242配合。功率通过供给线路244供给到主加热板206，以及通过供给线路246供给到辅助加热层208。RF功率能够通过RF供给源250供给到设施板224。
供给线路244和246中的每条都延伸贯通(例如，穿透)冷却板，供给线路244终止于主加热板206和分配板228，并且供给线路246终止于辅助加热层208和分配板228。
如已经讨论过的，分配板228附接至封闭空间234内的冷却板210的底面。切换电子板226附接至封闭空间234内的设施板224的顶面。分配板228和切换电子板226电连接，以使切换电子板226的切换装置221能够使每一个热控元件经由功率供给线路中的一条和功率返回线路中的一条被供给功率，从而通过多个开关的时分多路复用来向每一个热控元件提供时间平均功率。
切换电子板226包括在其至少一个表面上的晶体管。每个晶体管对应于切换电路222的多个开关中的一个，并且可包括金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)、功率切换FET或所需要的任何其它适合的晶体管。在示例性实施例中，切换装置可以为从切换电子板226的表面延伸通过设施板224的顶面而到达设施板224的底面的MOSFET，其充当冷却晶体管的热沉。设施板224包括从第一表面延伸到第二表面的多个孔，并且每个孔被构造为接纳一个MOSFET。诸如至少一个密封帽之类的密封部件247能够附接至设施板224的底面且附接至多个垂直的MOSFET终止的位置处。密封部件247提供了保护MOSFET免受RF影响的屏障和外壳。
图5示出了依照本公开的示例性实施例的静电卡盘组件和控制电子装置的第二布置的示意性概图。在本公开的背景下，在各附图中相同的元件标记用于指示共同的特征。图5中所示的示例性布置具有与如图2中所示的ESC组件202构造基本相同的ESC组件202构造。然而，关于控制电子装置，切换电子板226形成在设施板224的下表面上。金属罩230能够形成在切换电子板226的上方以将切换电子板226封闭在金属罩230和设施板224之间的空间内。切换电子板226电连接至设施板224，设施板224为金属或涂有金属，以使封闭空间234建立保护板电子装置免受RF噪声影响的法拉第氏罩。例如，如已经讨论过的，切换电子板226可以为具有与设施板224连接的共电压平面的多层板。金属罩230能够经由螺钉或其它合适的附接装置附接(例如，电连接)至设施板224的外表面，以使切换电子板226被完全地封闭在金属罩230内。
图6示出了依照本公开的示例性实施例的静电卡盘组件和控制电子装置的第三布置的示意性概观。
如图6中所示，ESC组件202的陶瓷层204包括夹持电极212和RF电极232。在该示例性实施例中，RF源连接至RF电极232。该布置的有利之处在于，其减少了与主加热板206和辅助加热层208耦合的RF的量。
图7示出了依照本公开的示例性实施例的静电卡盘组件和控制电子装置的第四布置的示意性概图。图7示出了图5的布置的另一示例性实施例，其中图6的示例性布置包括陶瓷层204中的RF电极232以及将RF功率提供给RF电极232的RF源。
图8A示出了依照本公开的示例性实施例的衬底支撑组件的辅助加热层。
如图8A中所示，ESC组件202包括热控元件216(例如，加热器，局部温度元件)的阵列，通过与两条以上功率供给线路302和两条以上功率返回线路304的连接为热控元件供电。每条功率供给线路连接至至少两个热控元件216，并且每条功率返回线路连接至至少两个热控元件216。没有两个局部热控元件216共用同一对功率供给线路302和功率返回线路304。通过适当的电切换布置，可以将成对的功率供给线路302和功率返回线路304连接至电源(未示出)，由此仅连接至该对线路的热控元件216被接通。例如，限定局部加热器区域的每个热控元件216能够通过切换电子板226寻址以按规定时序将功率提供给相关联的热控元件216。能够通过时域多路复用来单独地调节每个热控元件216的时间平均加热功率。为了防止不同的热控元件216之间的串扰，二极管306能够串联地连接在每个热控元件216和功率供给线路302之间或者每个热控元件216和功率返回线路304之间。
在示例性实施例中，主加热板206能够包括中央加热器和围绕中央加热器的三个同心加热器。辅助加热层208可包括薄膜电阻加热器阵列，每个薄膜电阻加热器均与衬底上的单器件芯片或器件芯片组有约相同的尺寸或均比衬底上的单器件芯片或器件芯片组小。其结果是，在每个热控元件216上方的位置处，衬底温度以及因此等离子体蚀刻工艺能够被控制以使得来自衬底的器件产量最大化。辅助加热层208的可缩放结构能够容易地容纳如逐芯片衬底温度控制所规定的任何数量的局部热控元件216(例如，加热器或珀耳帖器件)。例如，在示例性实施例中，范围为16至26、26-46至49、50至99或多于100个的局部温度元件能够遍及300mm或更大直径的衬底设置。在共同拥有的公开的美国专利申请No.2011/0092072和No.2011/0143462中公开了在具有多个独立可控的平面型热控元件的半导体处理装置中用于衬底支撑组件的ESC组件的详细说明，这些专利申请的公开内容通过引用合并于此。
图8B示出了依照本公开的示例性实施例的用于控制热控元件的时序电路的示意性概图。
功率切换电路221被配置为控制辅助加热层208中的每个热控元件216并且对其提供功率以生成期望的温度分布。为了简化，仅示出了四个热控元件216。应当理解的是，热阵列可包括适于获得ESC组件202的期望的表面温度分布的任意数量的热控元件。
功率切换电路221包括与每个功率返回线路304连接的切换装置310以及与每条功率供给线路302连接的切换装置312。切换装置312能够将每条功率供给线路302连接至电源(例如，功率供给源)314或者将功率供给线路302与电源电隔离。切换装置310能够将每条功率返回线路304连接至地电位或者将返回线路与地或者与电源314的低电压侧电隔离。控制电路223的处理器316(例如，微控制器单元、计算机等)控制切换装置310和312。例如，当且仅当连接至相应的热控元件216的功率供给线路302连接至电源314的高电压侧以及连接至该热控元件216的功率返回线路304连接至电源的地电位或低电压侧时，热控元件216被供电。为防止各热控元件216之间的串扰，二极管318能够串联地连接在每个热控元件216和与其连接的功率供给线路302之间或者在每个热控元件216和与其连接的功率返回线路304之间。切换装置可以为晶体管，诸如金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)、功率切换FET或所期望的任何其它合适的晶体管开关。
功率切换电路221还包括一个或多个温度传感器，所述温度传感器被配置为监控分配板或切换电子板226上的相应位置的温度和/或板构件的温度。温度传感器的位置和每个热控元件216的位置可以重合或者可以不重合。每个热控元件216的温度能够通过实际测量、校准或基于理论或经验模型的计算来获得或估算出。例如，估算的测量值能够基于校正估计值、预测估计值或建模估计值。
为了启动相应的热控元件216，控制电路223基于热控元件216的设定点温度来计算每个热控元件216的工作周期。每个热控元件216的设定点温度是通过整个加热板的期望温度分布确定的。在时域多路复用方案中，控制电路223控制切换电路221的时序以在持续时间T内保持一次一个功率供给线路302和电源314之间的连接，在该持续时间T内，切换电路221保持地电位和电源的低电压端子和在持续时间Ti内连接至一条功率供给线路302的每个热控元件216之间的连接，其中i表示每个热控元件216。用于每个热控元件216的Ti不一定为相同的值，因为每个加热器区域可具有不同的温度设定点并且因此要求不同的功率工作周期。如果电源314输出恒定的DC电压V0且全部热控元件216均具有相同的电阻R0，并且阵列具有N条功率供给线路302，则热控元件216的平均加热功率与比值N成正比。控制电路223在持续时间T起始时开始每个热控元件216的持续时间Ti，然而，这导致在持续时间T起始时一条功率供给线路302所承载的总电流的峰值。有利的是，在根据实施例的时域多路复用方案中，控制器能够在时间上扩展持续时间Ti的起始跨越持续时间T，即，不是同时开始全部的持续时间Ti，从而减小一条功率供给线路302在整个持续时间T内所承载的最大总电流。
图9示出了依照示例性实施例的用于控制和监控温度控制元件的控制电路的电路图。如图9中所示，每个热控元件216连接在高电压侧和低电压侧晶体管320、322之间。高电压侧晶体管320具有与诸如霍尔效应电流传感器之类的电流传感器324连接的漏极，电流传感器324还连接至DC功率。低电压侧晶体管322具有与热控元件216连接的漏极和与诸如霍尔效应电流传感器之类的电流传感器326连接的源极，电流传感器326还接地。当通过控制电路223对温度控制元件进行寻址时，高电压侧晶体管和低电压侧晶体管的栅极被选通以启动(例如，加热/冷却)温度控制元件。每个电流传感器324、326的输出被提供给切换电子板226上的电压采样/模拟-数字(A/D)转换器328。与高电压侧晶体管320的漏极连接的分压电路327还提供输出至A/D转换器328。A/D转换器328的输出被提供给处理器330，处理器330诸如可编程逻辑器件、场可编程门阵列(FPGA)或所期望的其它适合的处理器件。处理器330处理所接收到的数据以确定流经每个加热区域216的瞬时电流、DC电源上的瞬时总电流以及DC电源上的电压。这些值能够存储在处理器存储器中、切换电子板226上的存储器或分配板228中。
图10示出了依照本公开的示例性实施例的功率分配组件的控制电子装置的示意图。图9示出了切换和控制电路222、223设置在切换电子板226上，切换电子板226与设置在分配板228上的分配电路连接的示例性实施例。应当理解，在另一示例性实施例中，切换电路222、控制电路223和功率分配电路219可设置在分配板228上，以使功率分配组件仅包括在冷却板210和设施板224之间的封闭空间234中的一个电路板。
如图10中所示，切换电子板226被布置成接收DC功率并且根据需要将功率选择性地提供给热控元件216的阵列的每个元件以控制ESC陶瓷层204的表面201处的温度。在示例性实施例中，切换电子板226可以包括用于经由两条功率线路403(例如，供给线路和返回线路)通过RF滤波器401接收来自DC电源的功率的连接件，所供给的DC功率额定在ESC陶瓷层204的热控元件216的工作电压。切换电子板226还包括功率切换装置402，诸如功率晶体管，诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或所期望的其它适合的晶体管，功率切换装置402连接至每条功率线路403，以将功率提供给热控元件216的阵列。切换电子板226经由分配板228将经切换的DC功率提供给ESC组件202，其连接参考图2进行了说明。
如参照图8B所讨论的，控制电路的处理器316向切换电路的切换装置402提供控制信号，从而能够对每个热控元件216进行唯一地寻址而如所期望的在ESC陶瓷层204的表面201处产生热。切换电子板226经由两条功率供给线路上的RF滤波器来调节从DC电源接收到的DC功率。DC功率从切换电子板226经由分配板228供给到ESC陶瓷层204的热控元件216。切换电子板226被连接以接收DC功率，使得用于辅助加热层208和/或主加热板206的控制电子装置被屏蔽在等离子体处理腔室内的外壳中并且连接至RF滤波器的高RF电压侧，两条功率供给线路403中的一条具有正电位，另一供给线路具有负电压或较低电位。因为切换电子板226仅接收用于DC功率的两条输入功率线路，所以规定用于RF滤波的连接数量减少，这依次减少了从切换电子板226到ESC陶瓷层204的用于功率供给线路403的RF滤波的尺寸、成本和复杂度。
切换电子板226还可包括通信电路406，诸如光发射器和接收器，以通过光纤407建立处理器316和诸如计算机或其它所期望的适合的控制装置之类的外部处理器405(例如，外部通信装置)之间的数据通信。在另一示例性实施例中，通信电路406能够配置为经由诸如选定RF频率之类的无线信道通信。通信电路406应当配置为使得在切换电子板226的处理器316和外部处理器405之间传送的命令和控制信号与等离子体处理腔室内的有源RF隔离。在另一示例性实施例中，该隔离能够利用隔离变压器、光耦合器、在不同于等离子体处理腔室中的有源RF的频率下工作的RF收发器、Wi-Fi收发器或所期望的任何其它适合的通信布置来实现。在另一示例性实施例中，通信电路406能够配置为经由硬接线通信信道通信。在有线信道中，附加的过滤部件能够用于RF、DC和/或流电隔离，使得通信信号隔离且免受RF干扰。
切换电子板226可以包括用于对与外部处理器405通信的控制或状态消息进行加密和解密的逻辑。切换电子板226包括用于对从两条功率线路403接收到的电压进行降压的DC-DC转换器408。各DC-DC转换器408向例如处理器316和切换装置402提供降压后的电压。传感器能够如所期望的按策略安装到切换电子板226上以检测板温度和/或指定的板部件的温度。每个传感器被连接以提供输出至处理器316，处理器316将所接收到的信号存储在存储器中。在示例性实施例中，传感器的输出能够存储在切换电子板226和/或分配板228上的存储器中。位于切换电子板226外部的部件的温度，诸如，例如ESC陶瓷层204或冷却板210的温度，能够由传感器来监控和记录。
经由与分配板228的连接，切换电子板226可包括用于将DC或AC功率从外部电源传递到ESC组件202中的电路的电气部件和电路。例如，在示例性实施例中，切换电子板226能够配置为包括将DC功率从外部DC源通过分配板228传递到嵌入在ESC陶瓷层204中的静电夹持电极212的导电轨迹或供给线路413。在另一示例性实施例中，切换电子板226能够配置为包括将AC功率从外部AC源420通过分配板228传递到设置于ESC组件202的主加热板206中的主加热器214的导电轨迹或供给线路418。
如已经讨论过的，为了将来自ESC组件202的辅助加热器(例如，温度控制元件)216的RF电流分流远离切换电子板电路且通过金属制的或涂有金属的设施板224，电容器422能够设置在切换电子板226的功率输入线路和功率输出线路上，其中每个电容器422的一端连接至一条功率线路403，并且每个电容器422的另一端连接至设施板224或PCB上的共电压平面(例如，共导电平面)，PCB连接至设施板以使共电压平面和设施板处于相同的电位。以这样的方式使用在切换电子板226上的电容器422降低切换电子板226上的RF电压干扰也位于其上面的电子电路(切换装置402、处理器316、功率转换器408或其它所期望的适合的部件)的工作的风险。
在示例性实施例中，切换电子板226可包括用于监控输入数据线路和总线电路上的电压/电流的电压和/或电流传感器(参见图10)。处理器316能够配置为根据需要基于电阻变化或传感器中任一个的输出的变化来调整总线电路上的电流或电压输出。
在上述另一示例性实施例中，处理器316能够配置为对传送到外部装置或处理器的数据进行实时加密和解密。例如，在与外部装置或处理器通信期间，能够对包括控制或状态消息的数据和数据记录进行加密和/或解密。处理器还可以包括用于存储与主加热器214相关联的校准数据的非易失性常驻或外部存储器以及ESC组件202的热控元件216的阵列。处理器316能够配置为接收软件更新或者经由通信电路406由外部装置或处理器进行再编程。在另一示例性实施例中，存储在存储器中的数据能够进行密码保护以防止对处理器及其内容的非授权访问。
图11是依照本公开的示例性实施例的在等离子体处理腔室中蚀刻晶片的方法的流程图。
如通过前面的图1-10中已经讨论过的，等离子体处理腔室102包括用于在等离子体处理期间支撑衬底的静电卡盘组件202。静电卡盘组件202包括冷却板210和可操作以调节半导体衬底上的空间温度分布的温度控制元件216的阵列(例如，加热器阵列)。温度控制元件216由两条以上功率供给线路302和两条以上功率返回线路304供电，其中每条功率供给线路302连接至至少两个加热器216，并且每个功率返回线路304连接至至少两个加热器216。静电卡盘组件202经由冷却板210与功率分配组件211配合。功率分配组件211包括功率分配电路219，功率分配电路219连接至加热器阵列的每条功率供给线路302和功率返回线路304，并且功率切换装置221连接至功率分配电路219。如已经讨论过的，静电卡盘组件202还包括设施板224。功率分配组件211安装到冷却板210和设施板224之间的RF屏蔽外壳内的至少冷却板210上。
如图11所示，在操作期间，RF功率经由设施板224供给到静电卡盘组件，以使RF电流沿着设施板和冷却板的外表面且围绕RF屏蔽外壳流动(S500)。当RF功率被供给到静电卡盘组件时，功率分配电路219的RF电位与设施板224的RF电位匹配。命令和控制消息在等离子体处理腔室内的功率分配组件的控制电路223和在等离子体处理腔室外部的处理器405之间传送(S502)。基于命令和控制消息，切换电路222能够被发令以使每一个热控元件经由一条功率供给线路和一条功率返回线路被独立地供给功率，从而通过多个开关的时分多路复用来向每个热控元件提供时间平均功率(S504)。功率分配组件211经由传感器来监控诸如温度、电压和电流等各种参数(S506)，并且将与监控参数相关联的值存储到存储器中(S508)。
尽管已经参考附图和说明书呈现了本公开，但本公开绝不限于这些，因为本公开可在权利要求所容许的范围内进行变型。
本领域技术人员将理解的是，本发明能够以其它具体形式实施，而不偏离本发明的精神或实质特征。因此，当前公开的实施例在所有方面均应视为示例性而非限制性的。本发明的范围由随附的权利要求书而不是前面的说明书来表明，并且落在权利要求书的含义和范围以及等同内容内的全部变化均视为包含在本发明的范围中。

Claims (23)

1.一种在等离子体处理腔室支撑半导体衬底的半导体衬底支撑件，其包括：
加热器阵列，其包括热控元件，所述热控元件能操作以调节所述半导体衬底上的空间温度分布，所述热控元件构造成为由两个以上功率供给线路和两个以上功率返回线路供电，其中每个功率供给线路与至少两个所述热控元件连接并且每个功率返回线路与至少两个所述热控元件连接，
功率分配电路，其与所述衬底支撑件的底板配合，所述功率分配电路与所述加热器阵列的每个功率供给线路和功率返回线路连接，其中所述功率分配电路形成在第一电路板上，所述第一电路板具有导电共平面，所述导电共平面附接至所述底板并且处于所述底板的电位；
功率切换装置，其与所述功率分配电路连接以使所述热控元件中的每一个经由所述功率供给线路中的一条和所述功率返回线路中的一条被独立地供给功率，从而通过多个开关的时分多路复用来向每个所述热控元件提供时间平均功率，以及
设施板，其附接至所述衬底支撑件的所述底板，以使至少所述功率分配电路位于所述底板和所述设施板之间的静电屏蔽空间中。
2.如权利要求1所述的半导体衬底支撑件，其中所述功率切换装置包括切换电路和控制电路。
3.如权利要求1所述的半导体衬底支撑件，其中所述功率切换装置形成在所述第一电路板上。
4.如权利要求2所述的半导体衬底支撑件，其中所述功率切换装置形成在第一电路板上。
5.如权利要求1所述的半导体衬底支撑件，其中所述功率切换装置形成在第二电路板上，所述第二电路板具有附接至所述设施板并且处于所述设施板的DC电位的导电共平面。
6.如权利要求5所述的半导体衬底支撑件，其中所述第二电路板附接至所述设施板的上表面且位于所述设施板的凹口中，以使所述第二电路板位于所述底板和所述设施板之间的静电屏蔽空间中。
7.如权利要求1所述的半导体衬底支撑件，其中所述底板和所述设施板之间的所述静电屏蔽空间为第一静电屏蔽空间，所述衬底支撑件还包括：
金属罩，其附接至所述设施板以使得在所述金属罩和所述设施板之间形成第二静电屏蔽空间。
8.如权利要求7所述的半导体衬底支撑件，其中所述第二静电屏蔽空间位于所述第一静电屏蔽空间的下方。
9.如权利要求8所述的半导体衬底支撑件，其中所述功率分配电路形成在第一电路板上，所述第一电路板具有导电共平面，所述导电共平面附接至所述底板，其中所述导电共平面处于所述底板的DC电位。
10.如权利要求9所述的半导体衬底支撑件，其中所述功率切换装置形成在第二电路板上，所述第二电路板为与地隔离且具有导电共平面的DC，所述导电共平面浮于地面且与所述设施板电连接以与所述设施板保持相同的DC电位。
11.如权利要求10所述的半导体衬底支撑件，其中所述第二电路板附接至所述设施板的下表面，以使所述第二电路板在所述金属罩和所述设施板之间的所述第二静电屏蔽空间内。
12.如权利要求1所述的半导体衬底支撑件，其还包括：
位于所述底板的外周和所述设施板的外周之间的导电垫圈。
13.如权利要求5所述的半导体衬底支撑件，其中所述功率切换装置的所述第二电路板附接至所述设施板的第一表面并且包括作为所述第二电路板的至少一个表面上的晶体管的所述多个开关，每个晶体管在所述设施板的所述第一表面和所述设施板的第二表面之间延伸，并且其中在所述设施板的所述第二表面上的终止点处，通过密封部件将所述晶体管密封避免RF。
14.如权利要求1所述的半导体衬底支撑件，其包括：
至少一个RF滤波器，其被配置为接收来自AC功率源或DC功率源的一个电功率并且将经调整的电功率分别经由所述功率切换装置和所述功率分配电路提供给所述加热器阵列。
15.如权利要求1所述的半导体衬底支撑件，其包括：
通信模块，其提供所述功率切换装置和在所述等离子体处理腔室外部的处理器之间的无线通信。
16.如权利要求15所述的半导体衬底支撑件，其中所述功率切换装置被配置为对与外部的所述处理器通信的数据信号进行加密和解密。
17.如权利要求6所述的半导体衬底支撑件，其中所述第一电路板附接至所述底板的下表面且在所述底板的凹口中。
18.如权利要求17所述的半导体衬底支撑件，其中所述底板的凹口和所述设施板的凹口建立静电屏蔽空间，以使得当RF施加到所述设施板上时，RF电流沿着所述设施板和所述底板的外表面围绕所述第一电路板和所述第二电路板流动。
19.一种在等离子体处理腔室中蚀刻半导体衬底的方法，所述等离子体处理腔室具有用于在等离子体处理期间支撑所述衬底的静电卡盘组件，所述静电卡盘组件包括底板和加热器阵列，所述加热器阵列包括热控元件，所述热控元件能操作以调节所述半导体衬底上的空间温度分布，所述热控元件构造成为由两个以上功率供给线路和两个以上功率返回线路供电，其中每个功率供给线路连接至至少两个所述热控元件并且每个功率返回线路连接至至少两个所述热控元件，所述静电卡盘组件经由所述底板与功率分配组件配合，所述功率分配组件包括功率分配电路和连接至所述功率分配电路的功率切换装置，所述功率分配电路连接至所述加热器阵列的每个功率供给线路和功率返回线路，所述功率分配电路形成在第一电路板上，所述第一电路板具有导电共平面，所述导电共平面附接至所述底板并且处于所述底板的电位，并且所述静电卡盘组件包括附接至所述底板的设施板，以使至少所述功率分配电路位于所述底板和所述设施板之间的静电屏蔽空间中，所述方法包括：
使所述热控元件中的每一个经由功率供给线路中的一条和功率返回线路中的一条被独立地供给功率，从而通过所述功率切换装置的多个开关的时分多路复用来向每个所述热控元件提供时间平均功率。
20.如权利要求19所述的方法，还包括：在所述功率分配组件和外部处理器之间传送命令和控制消息。
21.如权利要求19所述的方法，其中所述功率分配组件在所述底板和所述设施板之间的静电屏蔽外壳中安装到至少所述底板上，所述方法还包括：
将RF功率供给到所述设施板以使RF电流沿着所述设施板和所述底板的外表面且围绕所述静电屏蔽外壳流动。
22.如权利要求19所述的方法，其包括：
经由所述功率分配组件的传感器来监控包括温度、电压和电流中的至少一项的各种参数。
23.如权利要求22所述的方法，包括：
将与所监控的所述参数相关联的值存储在存储器中。
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