CN104637838B - 一种半导体处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种半导体处理装置。本发明通过设置一个电浮地的电信号检测器在射频环境中，就近接收多个探头接收到的微弱电信号，将这些电信号处理后获得所需的工艺参数数据，并将工艺参数数据转化为光学信号传输到射频环境外，最终获得精确的测量数据，而且避免了射频功率的外泄，节约了多个滤波器的成本和空间。

Description

一种半导体处理装置

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种半导体处理装置。

背景技术

用于集成电路的制造的半导体处理工艺包括化学气相沉积工艺、和等离子体刻蚀工艺等。在等离子辅助的半导体处理装置中，为了产生等离子体需要施加高功率的射频能量到等离子反应腔内，所以整个反应腔空间内存在大幅度的射频电磁场。随着半导体处理精度的日益提高，要获得更均一的处理效果需要更精细的调节各种与处理效果相关的参数，比如半导体基片温度。为了更精确的控制基片温度，业内广泛采用了在放置晶圆的静电夹盘（ESC）内放置加热装置的办法。加热装置放置在静电夹盘的不同区域内独立控制不同区域的温度，以获得均一的温度分布。加热装置典型的如电阻丝等需要功率输入线向加热装置输入电能，输入的加热电压通常是低频交流或者直流的加热电压。加热装置位于被射频辐射的静电夹盘中，所以需要额外配置滤波器防止射频信号从功率输入线逆向流出到加热电压源中。为了控制静电夹盘中每个区的温度，需要测量每个区的温度，以便确定需要输入多少功率到加热装置。温度检测系统主要有两种：一种是如专利US8092639第17栏所述，将一个探头埋设在静电夹盘中，将温度转换为光信号，通过光纤将信号传输到外部没有射频干扰的控制器中。这种温度检测光纤价格昂贵而且由于光纤安装在反应腔内的测量区域，在反应腔清洗或者更换部件时很容易将光纤碰碎，维护难度大。另一种是利用热电偶（thermal coupler）探头来测温，由于热偶探头是导体，而且温度产生的电势信号很微弱只有mv级别，所以需要额外的滤波器将耦合到热偶探头的射频电信号尽可能的滤除。如图1所示为采用热电偶测温方式的反应器结构图。传统反应器中包括反应腔1，反应腔1内包括位于顶部的气体分布装置40，气体分布装置40通过管道和阀门连接到气源50。反应腔内底部包括一个基座33，基座内包括一个下电极，一个射频电源连接到该下电极。下电极上方包括一个静电夹盘34。静电夹盘上方放置有待处理的基片30。围绕在静电夹盘和基片30周围的还包括一个边缘环36。静电夹盘内包括多个加热装置，位于中心位置的加热装置60b和环绕该中心加热装置60b的边缘加热装置60a。这些加热装置通过功率输入线接收加热功率（图中未示出）。两个热电偶104、102的温度探测端分别靠近边缘加热装置60a和中心加热装置60b，以分别探测两个区内各自的温度。两个滤波器103分别连接在热电偶104、102和温度检测器之间，温度检测器将来自热电偶的电信号处理后获得温度信号，并将温度信号传输给工艺控制器。工艺控制器根据温度信号和其它参数如气压，射频功率，处理时间等确定需要调整的工艺参数。半导体处理装置还包括一个抽气装置20排出反应腔的的气体以获得所需的低压。

如图1所示，当需要独立控制的温度区域较多，比如图中的2区时，需要至少2个滤波器分别滤除射频信号，并且让微弱的电信号传输到温度检测器，所以滤波器调试的难度很大。而且多个滤波器不仅体积较大，影响半导体处理装置内机构的排布。由于温度检测器必须设置在射频辐射区以外，所以造成热电偶104、102需要很长的线路才能到达温度控制器，由热电偶的材料特性决定，较长的热电偶会造成热容量增大，进一步造成温度测量时的响应速度降低，无法测量到快速变化的温度。

为了解决上述问题，业内需要一种新的系统能够实现在射频环境中对多个加热区域的温度精确快速的测量。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种半导体处理装置，能够低成本且可靠的检测具有多个温控区域的的的支撑盘的温度。本发明半导体处理装置包括：反应腔，反应腔内包括一个基座，基座上设置有绝缘材料支撑盘，支撑盘上设置有待处理基片，射频发生装置，发生射频电磁场并施加到反应腔内；反应腔底部和侧壁包括电场屏蔽导体，屏蔽反应腔内的电场；所述支撑盘内包括第一加热装置加热所述支撑盘的第一区域，一个第二加热装置围绕在第一加入装置外围加热所述支撑盘的第二区域，第一热电偶包括一个探测端设置于所述第一区域，还包括一个第二端连接到一个温度检测器；第二热电偶包括一个探测端设置于所述第二区域，还包括一个第二端连接到所述温度探测器；温度探测器接收并处理来自第一热电偶和第二热电偶的电信号并获得第一区域和第二区域的温度信号，通过一个传输光纤传输所述温度信号到位于屏蔽导体外侧的工艺控制器。

其中温度检测器通过一个滤波器连接到屏蔽导体外侧的直流电源，可以为温度检测器提供稳定的电源供应，所述滤波器安装在所述屏蔽导体内侧，可以防止射频电场泄露到反应腔外。

其中所述第一和第二加热装置分别通过第一加热滤波器和第二加热滤波器连接到第一加热电源和第二加热电源。工艺控制器根据所述第一区域和第二区域的温度信号控制第一加热电源和第二加热电源的功率输出，实现温度的反馈控制。

本发明还提供了一种半导体处理装置，包括：反应腔，反应腔内包括一个基座，基座上设置有绝缘材料支撑盘，支撑盘上设置有待处理基片，一个射频发生装置，产生射频电磁场并施加到反应腔内，反应腔底部和侧壁包括电场屏蔽导体，屏蔽反应腔内的电场，一个电信号检测器位于反应腔内，所述电信号检测器包括至少一个信号输入端，所述信号输入端连接到一个工艺参数探头的信号输出端，所述工艺参数探头还包括一个检测端设置于基座或支撑盘，所述电信号检测器处理来自工艺参数探头的信号以获得工艺参数数据，所述电信号检测器将所述工艺参数数据转换为光学信号，并通过一个光学信号输出端输出；一个传输光纤连接在所述电信号检测器的光学信号输出端和位于电场屏蔽导体外侧的工艺控制器之间。

其中电信号检测器处于电浮地状态，以保证射频信号不会干扰到工艺参数信号的检测。

其中工艺参数是支撑盘温度或者基片的电势或者支撑盘的漏电流，能够更综合的实现工艺参数的检测。

其中电信号检测器可以包括多个信号输入端，每个信号输入端连接到一个工艺参数探头的信号输出端，所述多个信号探头的检测端位于基座或支撑盘不同区域，用于检测不同的工艺参数。多个工艺参数探头的检测端也可以是设置于支撑盘中不同区域，用于检测支撑盘对应的不同区域的温度，其中支撑盘的不同的区域呈网格状分布，且区域数量大于8。在温控区域数量很大时本发明能显著减少滤波器的数量和占用空间。

附图说明

图1是现有技术用热电偶测温的半导体处理装置示意图；

图2是本发明用热电偶测温的半导体处理装置示意图；

图3是本发明第二实施例中静电夹盘具有多个温度控制区的示意图。

图4是本发明用于电势/电流检测的第三实施例示意图。

具体实施方式

请参考图2，图2为本发明用热电偶测温的半导体处理装置示意图，图中包括反应腔1，反应腔1内包括位于顶部的气体分布装置40，气体分布装置40通过管道和阀门连接到气源50。反应腔内底部包括一个基座33，基座内包括一个下电极，一个射频电源连接到该下电极。下电极上方包括一个静电夹盘34。射频电源也可以施加到同时作为上电极的气体分布装置40，或者施加到反应腔1外部的电感线圈，电感线圈产生的电磁场通过反应腔顶部的绝缘材料窗进入反应腔空间，以电离反应腔内的反应气体。静电夹盘上方放置有待处理的基片30。围绕在静电夹盘和基片30周围的还包括一个边缘环36。静电夹盘内包括多个加热装置，位于中心位置的加热装置60b和环绕该中心加热装置60b的边缘加热装置60a。这些加热装置通过功率输入线接收来自加热电源的加热功率（图中未示出），功率输出线上还串联有滤波器连接在加热电源盒加热装置之间。这些滤波器能够滤除反应功率输入线上的射频信号，只允许加热功率（如低频的交流电流或者直流电流）通过功率输入线。

半导体处理装置的反应腔1底部和侧壁包括接地的屏蔽导体，能够屏蔽射频电场，使得射频电场只存在屏蔽导体内侧，保证屏蔽导体外侧不会出现射频电场。

两个热电偶104’、102’的温度探测端分别靠近边缘加热装置60a和中心加热装置60b，以分别探测两个区内各自的温度,同时两个热电偶104’、102’的检测端分别连接到一个温度检测器的两个输入端。温度检测器将来自热电偶的电信号处理后获得温度数据，再将温度数据转换为光学信号，通过传输光纤106将带有温度数据的光学信号传输到反应腔底部屏蔽导体以下，一个工艺控制器接收光学信号并解码出温度数据，再根据温度数据或其它工艺参数如气压、处理时间、射频功率等控制不同加热电源的功率输出大小，最终控制中心区域和边缘区域的温度分布。本发明传输光纤106也可以横向穿过反应腔侧壁的屏蔽导体连接到工艺控制器，具体结构可以根据设计需要调整。只要能使光学信号从射频环境内穿过屏蔽导体到不受射频电场干扰的区域的均属于本发明传输光纤的实施方式。

温度检测器位于受射频电场影响（RF-hot）区域内，处于电悬浮（floating）状态，这样射频电场在两个热电偶104’、102’和温度检测器之间就没有明显的电势差，也就不会有大幅度的射频电流从热电偶上流到温度检测器中影响检测的精度了。在检测端产生的电势（mv级别）信号非常微弱，极易受外部信号干扰，即使如图1所示的现有技术那样用滤波器103来率波也不能保证所有干扰信号都被滤除，所以测量精度无法保证。本发明奖温度检测器直接就近设置在待测温区域附近，而且与待测温区域具有相同的电磁环境，能够彻底避免这些干扰的存在，获得高精度的温度数据。

温度检测器内的处理电路或芯片工作需要电源供应，在射频环境中可以从给加热装置供电的功率输入线上取电，因为功率输入线在出射频环境前已经设置了一个滤波器，所以温度检测器供电线上的射频电场不会流到反应腔外面造成射频能量泄露。也可以如图2所示的专门设置一个检测器电源107，通过一个专用的滤波器105向温度检测器供电。检测器电源107输出的可以是5-12V的稳定直流电压，相对给加热装置60a、60b供电的电源来说不仅功率低，而且上面功率输出几乎恒定，所以滤波器设计比较简单而且占用体积也小，所以并不会造成额外的空间或成本负担。

本发明半导体处理装置的隔离测量系统，除了如图2所示的可以用于检测内外多个分区的温度，也可以用于如图3所示的网格状分区的温度检测。在部分应用场合由于温度分布不只是和基片半径有关，也和方位相关，甚至会出现不连续的多个温度不均匀区域，所以要用这种网格状分区的温度控制才能解决这种温度不均匀问题。要更好的解决这些问题，就要设置尽可能多的温控区域，如图3中就包括大于8个，甚至多达50多个温控区域，每个控温区域61对应上方不同的基片部位。在这种应用场合中如果用传统的每个加热装置配一个热电偶，每个热电偶通过一个滤波器连接到反应腔外的温度检测器，总共就需要50多个滤波器，不仅成本昂贵，而且空间大量被占用，造成其它部件无法安装，基本不可行。利用本发明方法实现网格状分区控温只需要每个控温区设置一个热电偶，这些热电偶均连接到一个在射频区域内的统一的温度检测器即可，温度检测器会将不同区域的温度信号通过一根光纤106传输到反应腔外的工艺控制器最终实现多区的控温。

本发明检测系统也可以用来检测其它位于射频环境中的微弱的电信号，比如在等离子处理过程中基片上的电荷会逐渐积累或者去夹持（De-chucking）过程中电荷会快速减少，所以其电势会发生变化，这些电势信号对等离子处理和去夹持过程很重要，需要监控，但是在射频环境中这些微弱的电势信号经过滤波器滤波之后都很难被检测到，只能用其它参数推算。同样的原理在夹持和去夹持过程中静电夹盘中流过的漏电流也是检测夹持动作是否完成的重要依据，也可以用本发明提供的隔离检测系统来实现。如图4所示为本发明另一实施例：用于电势/电流检测的半导体处理装置示意图。图4中一个探头108，其上端连接到基片下表面，下端连接到电势/电流检测器。电势/电流检测器检测器根据接收到的微弱电信号转化为光学信号并通过传输光纤106传输到反应腔外部的工艺控制器。工艺控制器根据处理接收到的光学信号转化为所测得的电势/电流信号，并根据这些信号控制工艺参数。探头108也可以是埋入静电夹盘等支撑盘结构的内部，检测流过静电夹盘的漏电流。本发明的电势/电流检测器也可以和图2所述的实施例中的温度检测器集成，构成电信号检测器，电信号检测器可以接收并处理上述实施例的各种温度、电势、电流信号，转化为光学信号输出到射频环境外的工艺控制器中。

本发明通过设置一个电浮地的电信号检测器在射频环境中，就近接收各种探头接收到的微弱电信号，将这些电信号处理后获得所需的数据，并将数据转化为光学信号传输到射频环境外（比如反应腔屏蔽导体外）最终获得精确的测量数据，而且避免了射频功率的外泄，节约了多个滤波器的成本和空间。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (11)

1.一种半导体处理装置，包括：

反应腔，反应腔内包括一个基座，基座上设置有绝缘材料支撑盘，支撑盘上设置有待处理基片，

射频发生装置，发生射频电磁场并施加到反应腔内；

反应腔底部和侧壁包括电场屏蔽导体，屏蔽反应腔内的电场；

所述支撑盘内包括第一加热装置加热所述支撑盘的第一区域，一个第二加热装置围绕在第一加入装置外围加热所述支撑盘的第二区域，

第一热电偶包括一个探测端设置于所述第一区域，还包括一个第二端连接到一个温度检测器；

第二热电偶包括一个探测端设置于所述第二区域，还包括一个第二端连接到所述温度检测器；

所述温度检测器位于由所述电场屏蔽导体所包围的受射频电场影响区域内，处于电悬浮状态，接收并处理来自第一热电偶和第二热电偶的电信号并获得第一区域和第二区域的温度信号，通过一个传输光纤传输所述温度信号到位于屏蔽导体外侧的工艺控制器。

2.如权利要求1所述半导体处理装置，其特征在于，所述温度检测器通过一个滤波器连接到屏蔽导体外侧的直流电源。

3.如权利要求2所述半导体处理装置，其特征在于，所述滤波器安装在所述屏蔽导体内侧。

4.如权利要求1所述半导体处理装置，其特征在于，所述第一加热装置通过第一加热滤波器连接到第一加热电源；所述第二加热装置通过第二加热滤波器连接到第二加热电源。

5.如权利要求4所述半导体处理装置，其特征在于，所述工艺控制器根据所述第一区域和第二区域的温度信号控制第一加热电源和第二加热电源的功率输出。

6.一种半导体处理装置，包括：

反应腔，反应腔内包括一个基座，基座上设置有绝缘材料支撑盘，支撑盘上设置有待处理基片，

一个射频发生装置，产生射频电磁场并施加到反应腔内，

反应腔底部和侧壁包括电场屏蔽导体，屏蔽反应腔内的电场，

一个电信号检测器位于反应腔内，所述电信号检测器包括至少一个信号输入端，所述检测器的信号输入端连接到一个工艺参数探头的信号输出端，所述工艺参数探头还包括一个检测端设置于基座或支撑盘，

所述电信号检测器位于由所述电场屏蔽导体所包围的受射频电场影响区域内，处于电悬浮状态，处理来自工艺参数探头的信号以获得工艺参数数据，所述电信号检测器将所述工艺参数数据转换为光学信号，并通过一个光学信号输出端输出，

一个传输光纤连接在所述电信号检测器的光学信号输出端和位于电场屏蔽导体外侧的工艺控制器之间。

7.如权利要求6所述半导体处理装置，其特征在于，所述电信号检测器处于电浮地状态。

8.如权利要求6所述半导体处理装置，其特征在于，所述工艺参数是支撑盘温度或者基片的电势或者支撑盘的漏电流。

9.如权利要求6所述半导体处理装置，其特征在于，所述电信号检测器包括多个信号输入端，每个信号输入端连接到一个工艺参数探头的信号输出端，所述多个信号探头的检测端位于基座或支撑盘不同区域，用于检测不同的工艺参数。

10.如权利要求6所述半导体处理装置，其特征在于，所述电信号检测器包括多个信号输入端，每个信号输入端连接到一个工艺参数探头的信号输出端，所述多个工艺参数探头的检测端设置于支撑盘中不同区域，用于检测支撑盘对应的不同区域的温度。

11.如权利要求10所述半导体处理装置，其特征在于，所述支撑盘不同的区域呈网格状分布，且区域数量大于8。