CN104046964B - 热功率密度径向分布可调的电磁感应加热装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电磁感应加热领域，特别涉及一种热功率密度径向分布可调的电磁感应加热装置，该装置主要由加热基座、基本线圈、叠加线圈、线路切换装置等组成。基本线圈匝数、各匝高度、各匝间距均可调，叠加线圈位于基本线圈正下方，由多层多匝平面线圈串联而成，最上层线圈最内匝的末端与基本线圈最内匝的末端相连，各匝线圈的高度可调。线路切换装置使交流电路存在两种反复交替变换的子状态，子状态各自的持续时间可调节，各子状态热功率密度分布配合不同的权重叠加得到不同交流电路合状态在加热基座中产生的热功率密度分布，大幅减少了仿真工作量。本发明对于研究衬底温场与加热基座热功率密度场间内在联系及灵活调节衬底温度分布有重要意义。

Description

热功率密度径向分布可调的电磁感应加热装置

技术领域

本发明涉及电磁感应加热领域，特别是涉及一种热功率密度径向分布可调的电磁感应加热装置。

背景技术

IC制造设备中硅外延设备及其他CVD类设备的主要工艺效果，是在衬底(例如半导体晶片)上形成所需的材料层。工艺过程中，要确保在加热、处理、冷却期间，衬底上的温度均匀分布。由于衬底上的材料层沉积速率取决于衬底温度及反应物浓度，当衬底表面附近的反应物浓度差异可以忽略时，衬底表面的温度变化就成为影响沉积层厚度均匀性的主要因素，因此提高衬底表面的温度均匀性极其重要。

为了达到衬底表面温度均匀分布的效果，某些早期开发的系统提出了以均匀方式加热整个衬底的方法。然而，由于通常是衬底不同位置(例如边缘与中心)的热损失有差异，这种系统会导致衬底的不同位置之间有明显的温度差，并不能使衬底表面温度梯度减至最小。

目前有些加热方案采用了电磁感应加热，常用的结构是衬底放置在圆形加热基座(材质要具有导电性，例如石墨圆盘)上，加热基座下方安装有沿径向由内到外排列的多匝线圈，当线圈通入一定频率的交流电时，产生交变的激励磁场，在加热基座的内部产生涡流并发热，从而通过加热基座的发热来加热衬底。加热基座可以安装在由电机带动的转轴上，处于旋转状态，这样会使加热基座的同一半径上各个位置的热功率密度分布得均匀，此时，衬底的温度主要沿加热基座的径向变化。由于每匝线圈的影响区域主要集中于其上方的加热基座的环状区域，目前有些系统采用了各匝线圈的高度(线圈上表面到加热基座下表面)分别可调的方法来调节衬底沿加热基座的径向温度变化，有些系统采用了各匝线圈分别控制供电的方式来调节衬底沿加热基座的径向温度变化。

上述系统可以通过人为调节或反馈控制系统调节有效提高衬底的温度均匀性，但是各匝线圈对加热基座影响的区域是相互交叠的，当单独调节一匝线圈时，其他线圈上方的加热基座功率密度也受影响，同时调节多匝线圈时，其影响更是复杂和难以预测的，所以用上述方式调节温场在灵活性上有一些局限性。此外，热功率密度场的变化是驱动温场变化的直接因素，因此，获取每种温场对应的热功率密度场是建立温场数学模型的基础。上述系统调节各匝线圈实际上是间接地通过改变功率密度场来调温场，这种方式更关注于温场本身的调节，却不利于研究温场与热功率密度场间内在联系，原因是每组线圈高度(或电流)配置下的温场较易得到(可由温度传感器得到)，而对应的热功率密度场较难得到，热功率密度场可以通过仿真软件求得，但如果想得到多组对应关系数据，每种线圈配置都需要单独进行一次仿真，仿真的工作量是特别大的。

本发明提出的电磁感应加热装置，提供了一种新的调节衬底温场分布的方式，该装置还可以与线圈高度可调的方式相结合，增强温场调节的灵活性。同时，该装置调节温场，是直接靠改变热功率密度场来实现的，可以直接提供改变后的热功率密度场数据，有利于研究温场与热功率密度场间内在联系，大幅降低仿真工作量。如果建立出了较好的温场模型，即可直接根据热功率密度场预测温场分布，温场就可以根据需要更加灵活的调节了，这是现有同类装置的温场调节方式所难以实现的。

发明内容

本发明的目的是提出一种热功率密度径向分布可调的电磁感应加热装置，其特征在于：由加热基座、基本线圈、叠加线圈和线路切换装置组成；加热基座安装于工艺气体参与反应的工艺腔室内部，加热基座的下表面靠近但不接触工艺腔室底部壁面；基本线圈与叠加线圈安装于工艺腔室外部，基本线圈位于加热基座正下方，叠加线圈与基本线圈串联，位于基本线圈正下方；线路切换装置包含两个支路开关，与交流电源、基本线圈和叠加线圈相连，控制基本线圈和叠加线圈在两种子状态间反复交替工作。

所述基本线圈为多匝平面线圈，各匝线圈的半径依次增大，各匝线圈的高度相同或不相同；所述叠加线圈由多层多匝平面线圈串联而成，同层各匝线圈的高度相同或不相同；所述基本线圈和所述叠加线圈串联后的每匝线圈的绕行方向都一致。

所述基本线圈最内匝的末端与所述叠加线圈最上层线圈最内匝的末端相连；从基本线圈最外匝线圈的末端引出第一馈电端，从基本线圈与叠加线圈连接处引出第二馈电端，从叠加线圈最下层最外匝线圈的末端引出第三馈电端；第一馈电端连接于交流电源一侧，第二馈电端和第三馈电端分别通过两个支路开关连接至交流电源另一端；所述两个支路开关交替导通，使电磁感应加热装置工作在两种状态，两个支路开关各自导通的持续时间能够调节，各导通一次为一个交替周期。

所述工艺腔室内压强在0Pa—500MPa之间。

工艺腔室的底部材料、基本线圈与加热基座之间的介质材料的磁导率为真空磁导率。

所述加热基座采用具有导电性的材料，能通过正向和反向涡电流，电阻率在工艺温度附近的变化率较小，无突变。

所述加热基座主体外形为圆盘形，上表面具有一定数量的凹凸结构，下表面中心处有一定的凹陷或凸起结构。

所述两种线路连接子状态的合状态的加热基座的热功率密度径向分布的计算公式为：

F_合＝Q₁×F₁+Q₂×F₂

其中：

F_合为合状态的加热基座的热功率密度径向分布；

F₁、F₂为两种线路连接子状态的加热基座的热功率密度径向分布；

Q₁、Q₂为两种线路连接子状态对合状态的权重，由两种线路连接子状态在每个交替周期内的持续时间与交替周期的占比确定。

本发明的有益效果是通过特有的线圈结构以及线路切换装置，使交流电路可以灵活的在两种连接状态间切换。和目前现有的电磁感应加热装置相比，将交流电路由原来的单一工作状态拆解成由两种工作状态(子状态)交替而成的合状态。通过控制信号调节每个交替周期内的两种连接状态的持续时间，即可调整两种状态对合状态的权重。通过电磁场仿真软件进行两次仿真，求得的状态一、二的热功率密度径向分布，可以预测任意多个不同合状态(权重因子在0≤Q1≤1的情况下可任意变化)的F合，即加热基座热功率密度径向分布可方便的进行连续调整。同时，不用再对每种合状态进行单独仿真，大幅降低了仿真工作量。此外，可结合安装温度传感器，读取每种合状态下衬底沿加热基座径向的温度分布，即可得到衬底沿加热基座的径向温度分布与加热基座的热功率密度径向分布对应的多组数据，这些数据对于研究温场与热功率密度场间内在联系衬底的热损失规律及对灵活调节衬底温度分布有重要意义。

附图说明

图1是电磁感应加热装置的水平视角视图；

图2是加热基座的倾斜俯视图；

图3是基本线圈及叠加线圈的倾斜俯视图；

图4是基本线圈及叠加线圈的倾斜仰视图；

图5是交流电路的等效电路图；

图6是状态一、状态二、合状态的加热基座热功率密度径向分布图。

图中标号：

1-加热基座；2-基本线圈；3-叠加线圈；4-卡槽；5-底面凹槽；6-第一馈电端；7-第二馈电端；8-第三馈电端；9-线路切换装置；10-支路开关S1；11-支路开关S2；12-交流电源。

具体实施方式

本发明提出一种热功率密度径向分布可调的电磁感应加热装置，下面结合附图和具体实施例进一步详细描述本发明。

图1是电磁感应加热装置的水平视角视图，加热基座1安装于工艺气体参与反应的工艺腔室内部中央，工艺腔室中包含一种或多种任意的工艺气体，腔室内压强在0Pa与500MPa之间；加热基座的下表面靠近但不接触腔室底部壁面(图1中省略了腔室结构)；基本线圈2及叠加线圈3位于工艺腔室外部，加热基座1和基本线圈2之间隔着一层腔室底部的壁，材料为石英；加热基座1下表面距基本线圈2上表面的间距为25mm。加热基座1的工作温度约1350K。

图2为加热基座的倾斜俯视图，加热基座1为直径334mm且厚度12mm的圆盘形石墨，加热基座1的上表面有4个大小相同的圆形凹陷卡槽4，用来放置和固定晶片，4个凹陷卡槽4的圆心均在加热基座1半径100mm的圆边上；待放置的晶片直径100mm，厚度约0.5mm，晶片全部位于加热基座1半径50mm～150mm之间的圆环状区域。加热基座1底面中心处制作有底面凹槽5，用于与转轴的一端卡紧，使加热基座在旋转时不与转轴发生相对移动。

图3和图4分别是基本线圈2及叠加线圈3的倾斜俯视图和倾斜仰视图，基本线圈2及叠加线圈3的材质均为铜，其外部由冷却系统使其保持正常工作温度。基本线圈2共9匝，最外匝线圈的外径与加热基座直径相等，9匝线圈位于同一高度，相邻线圈的水平间距各异；叠加线圈3由3层线圈组成，每层线圈均为4匝，每层线圈的各匝线圈位于同一高度，层间隙2mm。所有线圈的绕行方向均一致。基本线圈2最内匝线圈的末端与叠加线圈3最上层线圈最内匝的末端相连；从基本线圈2的最外匝线圈引出第一馈电端6，从基本线圈2与叠加线圈3连接处引出第二馈电端7，从叠加线圈3的最下层结构的最外匝线圈引出第三馈电端8。

在3个馈电端之间配置交流电源12与线路切换装置9，组成了交流电路。如图5所示，第一馈电端6连接交流电源12的一端，第二馈电端7和第三馈电端8分别通过支路开关10和支路开关11连接交流电源12的另一端；支路开关10与支路开关11为双向可控硅元件，控制着分支线路接通或断开，可由远程控制端通过信号控制；交流电源12提供频率4000Hz的正弦交流电。

线路切换装置9可在两种工作状态间切换，状态一是指支路开关10接通，支路开关11断开，即第一馈电端6、第二馈电端7连接交流电源12，第三馈电端8断路；状态二是指支路开关10断开，支路开关11接通，即第一馈电端6、第三馈电端8连接交流电源12，第二馈电端7断路。正常工作时两种状态反复交替变换，交替周期为3s，每个交替周期内状态一和状态二的持续时间T1、T2可人为调节。每个正常工艺周期里，线圈工作时间约为50min，远大于交替周期，因此合状态可认为包含相等个数的T1，T2，状态一和状态二的权重分别为其持续周期T1和T2在交替周期中的占比。

在获取加热基座1的热功率密度场分布情况时，首先将加热基座1的几何模型分解为一个中心区和20个等宽且依次相邻的环形区，针对这21个区域中的每个区域，就状态一和状态二分别进行仿真，得到状态一和状态二情况下各自的加热基座热功率密度径向分布。划分区域多少需结合具体精度需求、计算机计算能力和问题时效性综合考虑而定。图6所示为状态一、状态二和合状态的加热基座热功率密度径向分布，其中状态一、状态二的该分布可由仿真得出，合状态的该分布由状态一、状态二的该分布以及权重Q1即可求出。在T1＝1.5s，T2＝1.5s，交替周期3s的情况下，Q1＝T1/(T1+T2)＝0.5，Q2＝T2/(T1+T2)＝1-Q1＝0.5；在Excel中拖动滚动条改变状态一的权重值时(对应不同的T1和T2值)，合状态的加热基座热功率密度径向分布亦同时在图中发生变化，由此可以清楚直观的看到合状态的分布与Q1的关系，不用再对每一种射频电路合状态单独进行仿真，大幅降低了仿真工作量。

图6中矩形虚线框横跨的半径区间是晶圆所在的半径区间，状态一分布、状态二分布在晶圆所在半径区间内的趋势一个是上升的，一个是下降的，通过调节Q1，可以灵活的调节晶圆所在半径区间的热功率密度径向分布，进而调节衬底上的温度分布。另外，可结合安装温度传感器，读取每种合状态下衬底沿加热基座径向的温度分布，即可得到衬底沿加热基座的径向温度分布与加热基座的热功率密度径向分布对应的多组数据，这些数据对于研究衬底的热损失规律及对灵活调节衬底温度分布有重要意义。

以上具体实施方式及附图中提到的装置结构、应用环境以及装置所用材料，只是一个具体特例，不应作为本发明的限制条件。本发明所用的两组线圈，在满足技术方案中所述的连接方式下，其各匝线圈的高度、截面、间隔等均不做具体限制，每层线圈不必在同一平面。在实际使用中，本发明中部分或全部的线圈，可根据具体需要，结合安装线圈高度可调的实现装置(例如需要调节高度的线圈可以打上螺纹孔，安装相应附加装置以实现其高度可调)，使之同时具有调节线圈高度的功能并具有两种线圈连接状态交替变换的功能，以增强温场调节的灵活性。

Claims (8)

1.一种热功率密度径向分布可调的电磁感应加热装置，其特征在于：由加热基座、基本线圈、叠加线圈和线路切换装置组成；加热基座安装于工艺气体参与反应的工艺腔室内部，加热基座的下表面靠近但不接触工艺腔室底部壁面；基本线圈与叠加线圈安装于工艺腔室外部，基本线圈位于加热基座正下方，叠加线圈与基本线圈串联，位于基本线圈正下方；线路切换装置包含两个支路开关，与交流电源、基本线圈和叠加线圈相连，控制基本线圈和叠加线圈在两种子状态间反复交替工作；

所述基本线圈最内匝的末端与所述叠加线圈最上层线圈最内匝的末端相连；从基本线圈最外匝线圈的末端引出第一馈电端，从基本线圈与叠加线圈连接处引出第二馈电端，从叠加线圈最下层最外匝线圈的末端引出第三馈电端；第一馈电端连接于交流电源一侧，第二馈电端和第三馈电端分别通过两个支路开关连接至交流电源另一端。

2.根据权利要求1所述的一种热功率密度径向分布可调的电磁感应加热装置，其特征在于：所述基本线圈为多匝平面线圈，各匝线圈的半径依次增大，各匝线圈的高度相同或不相同；所述叠加线圈由多层多匝平面线圈串联而成，同层各匝线圈的高度相同或不相同；所述基本线圈和所述叠加线圈串联后的每匝线圈的绕行方向都一致。

3.根据权利要求2所述的一种热功率密度径向分布可调的电磁感应加热装置，其特征在于：所述两个支路开关交替导通，使电磁感应加热装置工作在两种状态，两个支路开关各自导通的持续时间能够调节，各导通一次为一个交替周期。

4.根据权利要求1所述的一种热功率密度径向分布可调的电磁感应加热装置，其特征在于：所述工艺腔室内压强在0Pa—500MPa之间，不包括0Pa。

5.根据权利要求1所述的一种热功率密度径向分布可调的电磁感应加热装置，其特征在于：工艺腔室的底部材料、基本线圈与加热基座之间的介质材料的磁导率为真空磁导率。

6.根据权利要求1所述的一种热功率密度径向分布可调的电磁感应加热装置，其特征在于：所述加热基座采用具有导电性的材料，能通过正向和反向涡电流，电阻率在工艺温度附近的变化率较小，无突变。

7.根据权利要求1所述的一种热功率密度径向分布可调的电磁感应加热装置，其特征在于：所述加热基座主体外形为圆盘形，上表面具有一定数量的凹凸结构，下表面中心处有一定的凹陷或凸起结构。

8.根据权利要求3所述的一种热功率密度径向分布可调的电磁感应加热装置，其特征在于：所述两种线路连接子状态的合状态的加热基座的热功率密度径向分布的计算公式为：

F_合＝Q₁×F₁+Q₂×F₂

其中：

F_合为合状态的加热基座的热功率密度径向分布；

F₁、F₂为两种线路连接子状态的加热基座的热功率密度径向分布；

Q₁、Q₂为两种线路连接子状态对合状态的权重，由两种线路连接子状态在每个交替周期内的持续时间与交替周期的占比确定。