CN104681380A - 一种静电卡盘及其等离子体处理室 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种静电卡盘及其等离子体处理室，在静电卡盘的绝缘层下方均匀设置若干个温度控制单元，每个温度控制单元能独立进行温度调节，同时每个温度控制单元内包括加热测温电路，使得每个温度控制单元在进行温度调节的同时还能准确得知其温度的上升下降情况，电路简化，结构简单，有效控制了静电卡盘表面的温度均匀，保证了刻蚀工艺的稳定性。

Description

一种静电卡盘及其等离子体处理室

技术领域

本发明涉及等离子体处理技术领域，尤其涉及一种静电卡盘的温度控制技术领域。

背景技术

在等离子体处理工艺过程中，常采用静电卡盘（Electro Static Chuck，简称ESC）来固定、支撑及传送晶圆(Wafer)等待加工件。静电卡盘设置于反应腔室中，其采用静电引力的方式，而非机械方式来固定晶圆，可减少对晶圆可能的机械损失，并且使静电卡盘与晶圆完全接触，有利于热传导。

向反应腔室通入反应气体，并施加射频功率后，反应气体电离成等离子体，与晶圆进行等离子体反应。在这一过程中，晶圆的温度对于等离子体处理工艺来说非常重要，而晶圆的温度是通过控制静电卡盘的温度来实现的。

为使静电卡盘具有足够大的升温速度，进而提高晶圆刻蚀的均匀性，绝缘层中或其下方铺设有一加热器，用以通过静电卡盘加热晶圆。加热器通常为至少一组加热丝，盘成螺旋形，由外部电源供电。与此同时，静电卡盘中还需要设置一测温电路，测温电路包括一热传感器，其用于测量静电卡盘的温度，以便实时掌握工艺中晶圆的温度。在现有技术提供的静电卡盘中，加热测温电路和测温电路分开设置，增加了反应腔内元器件的排布和线路的复杂程度。除此之外，随着半导体技术的发展，晶圆的尺寸逐渐变大，刻蚀的精度不断提高，对静电卡盘的温度均匀性要求越来越高。现有技术中采用加热丝加热静电卡盘逐渐不能满足日益提高的对静电卡盘表面温度均匀性的要求。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种具有多个温度控制单元的静电卡盘，所述静电卡盘包括一支撑基片的绝缘层，所述绝缘层下方设置若干温度控制单元，所述每个温度控制单元包括一加热测温电路，所述加热测温电路两端分别通过开关连接一电压源，实现对所述温度控制单元的温度控制。

优选的，所述温度控制单元在所述绝缘层下方均匀设置，有利于实现对静电卡盘的温度均匀控制。

优选的，所述电压源为可变电压源。电压源输出可变电压，有利于调节不同位置的温度控制单元的温度高低，便于更好地调节静电卡盘的温度均匀。

优选的，所述若干加热测温电路的所有开关连接一微处理器，所述微处理器通过控制所述开关的闭合、断开控制所述加热测温电路的工作状态。通过所述微处理器控制所述开关的断开闭合实现对温度控制单元的可编程选址，决定需要进行温度调节的温度控制单元进行加热测温。

优选的，所述加热测温电路包括第一回路，其上流通第一电流，所述第一电流流经一热敏电阻，根据所述热敏电阻阻值测量所述温度控制单元的温度；第二回路，其上流通第二电流，所述第二电流或所述第一电流与第二电流之和流经一加热器，用于加热所述温度控制单元。

优选的，所述加热测温电路还包括一电流测量装置，用于测量所述第一电流与第二电流的电流值之和。

优选的，所述热敏电阻为正温度系数，其阻值与流经所述加热器的电流值成负相关关系；所述第二电流与所述第一电流成正相关关系。

优选的，所述加热测温电路还包括一三极管，所述热敏电阻连接于所述三极管基极与集电极之间，所述集电极还连接于所述电压源正极，所述三极管发射极与所述加热器连接，所述加热器另一端连接于所述电压源负极；其中，所述第一电流流经所述热敏电阻，自所述三极管的基极流向其发射极，所述第二电流自所述三极管的集电极流向其发射极，所述第一电流与所述第二电流之和流经所述加热器。

优选的，所述加热测温电路还包括一三极管，所述热敏电阻连接于所述三极管基极与所述电压源正极之间，所述加热器连接于所述三极管集电极与所述电压源正极之间，所述三极管发射极与所述电压源负极连接；其中，所述第一电流流经所述热敏电阻，自所述三极管的基极流向其发射极，所述第二电流流经所述加热器，自所述三极管的集电极流向其发射极。

优选的，所述加热测温电路还包括一CMOS晶体管和一恒定电阻，所述恒定电阻与所述热敏电阻串接，所述热敏电阻另一端与所述电压源正极连接，所述恒定电阻另一端与所述电压源负极连接，所述CMOS晶体管门极连接于所述恒定电阻与热敏电阻之间，其源极与所述电压源负极相连，其漏极与所述加热器连接，所述加热器另一端与所述电压源正极相连；其中，所述第一电流流经所述热敏电阻与恒定电阻，所述第二电流流经所述加热器，自所述CMOS晶体管漏极流向其源极。

进一步的，本发明还公开了一种等离子体处理室，所述等离子体处理室包括一反应腔，所述反应腔内设有一用于支撑基片的静电卡盘，所述静电卡盘下方设有一基座用于支撑所述静电卡盘，所述静电卡盘包括一绝缘层，所述绝缘层下方设置若干温度控制单元，所述每个温度控制单元内包括一加热测温电路，所述若干加热测温电路的两端分别通过开关连接到一可变电压，所述等离子体处理室还包括一微处理器，所述微处理器控制所述开关的闭合、断开控制所述加热测温电路是否进行加热测温，实现对所述温度控制单元的温度控制。

优选的，所述微处理器输出控制信号至所述可变电压，控制所述可变电压的输出电压大小。

本发明的优点在于：在静电卡盘的绝缘层下方均匀设置若干个温度控制单元，每个温度控制单元能独立进行温度调节，同时每个温度控制单元内包括加热测温电路，使得每个温度控制单元在进行温度调节的同时还能准确得知其温度的上升下降情况，电路简化，结构简单，有效控制了静电卡盘表面的温度均匀，保证了刻蚀工艺的稳定性。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

如下附图构成了本说明书的一部分，和说明书一起列举了不同的实施例，以解释和阐明本发明的宗旨。以下附图并没有描绘出具体实施例的所有技术特征，也没有描绘出部件的实际大小和真实比例。

图1示出本发明所述静电卡盘的结构示意图；

图2示出温度控制单元在所述静电卡盘上的分布示意图；

图3示出若干温度控制单元间的连接结构示意图；

图4示出本发明一种实施例的加热测温电路示意图；

图5示出本发明另一种实施例的加热测温电路示意图；

图6示出本发明另一种实施例的加热测温电路示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种具有多个温度控制单元的静电卡盘及其温度控制方法，为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。

图1示出本发明所述静电卡盘的结构示意图；静电卡盘10包括用于支撑基片的绝缘层14，绝缘层内设置一电极12，电极12连接一直流电源（图中未示出）从而产生静电吸力，将静电卡盘10上方的基片固定在静电卡盘上。绝缘层下方设置一加热层16，所述加热层内设置若干温度控制单元100，加热层16下方设置基座20，用于支撑所述静电卡盘10，为了控制静电卡盘的温度均衡，基座20内可以设置冷却系统25。

图2示出本发明所述温度控制单元在所述静电卡盘上的分布示意图，由图可见，静电卡盘10内设有多片温度控制单元100，多片温度控制单元100在静电卡盘上均匀分布，在本发明中个，每个温度控制单元均匀可以实现独立的温度调节与监控，通过分别对温度控制单元100进行温度调节，实现对静电卡盘10的温度均匀性控制。本发明温度控制单元的具体控制原理为：每个温度控制单元100内包括一加热测温电路，所述加热测温电路两端通过开关连接到一电压源的正极和负极，本实施例中，若干温度控制单元100共用一个电压源，即加热测温电路110一端通过开关全部连接到所述电压源的正极，另一端全部通过开关连接到所述电压源的负极。若干温度控制单元100受一微处理器MCU控制，所述微处理器MCU与所述开关相连，通过MCU选择开关的闭合和断开，控制所述加热测温电路是否进行工作，进而控制此处的静电卡盘是否进行温度加热。

图3示出若干温度控制单元间的连接结构示意图，为了详细描述温度控制单元100的工作原理，同时为便于描述，此处选择4个温度控制单元100进行描述，由图3可知，加热测温电路110一端通过开关k11与电压源160的正极相连，另一端通过开关k11’与电压源160的负极相连，开关k11和k11’分别与MCU150相连，类似的，另外三个温度控制单元的加热测温电路110具有同样地连接关系。具体工作时，对MCU150进行编辑设定，为了便于编辑，设定加热测温电路110与电压源160正极连接端为x值，热测温电路110与电压源160负极连接端为y值，x值和y值为1时代表开关闭合，为0时代表开关断开。MCU150设定某一加热测温电路的x和y值同时为1即表示选中该加热测温电路进行加热测温工作。否则，该加热测温电路不进行加热测温工作。本发明所述的电压源160为可变电压，其与MCU150相连接，通过对MCU150进行编辑设定，可以确定电压源160的输出电压，进而对加热测温电路的升温大小进行控制。电压源160的负极可以接地。

在具体工作中，结合图2所示，MCU150可以控制温度控制单元100进行逐点加热，MCU150将静电卡盘10上的所有温度控制单元100进行坐标定位，按照其所在的位置将所有温度控制单元100定义为一个阵列，每一个温度控制单元100位于所述坐标上的一横轴和一纵轴的连接点上。根据上文描述，x值和y值分别代表一个加热测温电路110的两端与电压源的正极和负极的连接。当MCU150设定某一行的横坐标x为1时，位于该行内的加热测温电路与电压源160正极连接的开关闭合，此时根据需要再设定某一列的y值为1，该列上的加热测温电路110与电压源160负极连接的开关闭合，处于所述列与所述行处的温度控制单元100被选中，温度控制单元100内的加热测温电路进行加热工作。MCU150再设定一个z值，用于控制电压源160的输出电压大小，进而调节此处的静电卡盘的温度大小。通过对MCU进行编辑设定，可以控制所有温度控制单元的加热顺序，可以先设置静电卡盘上的所有温度控制单元进行迅速的逐点加热，监控加热结果，如果发现静电卡盘某处温度偏高或偏低，对该点处的温度控制单元的电压进行调节，实现对此处温度的补偿。MCU可以设定每个温度控制单元的加热时间很短，从而实现所有温度控制单元加热一遍的时间很短，实现温度的快速调节。

图4-图6示出本发明所述加热测温电路连接示意图，在图4所示的第一实施例提供的静电卡盘加热测温电路包括热敏电阻201、加热器202、三极管203以及电流表204、直流电压源260。其中，热敏电阻201连接于三极管基极与集电极之间，集电极还连接于电压源260正极，三极管发射极与加热器202连接，加热器202另一端通过开关208’连接于电压源260负极。电流表204接于主回路上，通过开关208连接在电压源260正极端。

该第一实施例中，将电压源260正极、热敏电阻202、三极管203基极至发射极、加热器202至电压源260负极形成的回路定义为第一回路，第一回路上流通有第一电流。具体地，第一电流自电压源260正极依次流经热敏电阻201，再自三极管203的基极流向其发射极，第二电流自三极管203的集电极流向其发射极，第一电流与第二电流之和流经加热器202。其中，热敏电阻为正温度系数，其阻值与流经加热器202的电流值成负相关关系。进一步地，第二电流与第一电流成正相关关系。例如，静电卡盘温度升高时，其电阻值变大，在电压源电压恒定的情况下，第一电流电流值变小，因三极管放大倍数为恒定值，第二电流电流值也变小，进而使得流经加热器202的电流变弱，加热功率下降。反之，静电卡盘温度降低时，其电阻值变小，第一电流电流值变大，第二电流电流值也变大，加热功率上升。

因三极管放大倍数为恒定值，第二电流与第一电流成正比例关系，第二电流电流值为第一电流电流值的30-1000倍。在上述加热测温电路实现对静电卡盘的加热功能的同时，其同时可利用热敏电阻201测知静电卡盘的实时温度。具体地，热敏电阻201的电阻值与电流表204的计量电流值满足如下公式，V-I*R2＝I*(R1+R_be)/(1+β)，其中，V为电压源260电压值，I为电流表204计量电流值，R1为热敏电阻201阻值，R2为加热器202电阻值，Rbe为三极管203基极与发射极之间的电阻值，β为三极管203放大倍数。

根据上述公式，在测知电流表204计量电流值后，即可算出热敏电阻201阻值，随后，根据热敏电阻201温度与电阻值的对应关系，即可确定静电卡盘的温度。该实施例提供的静电卡盘加热测温电路同时实现了加热以及测温的功能，简化了电路结构，降低了元器件之间的串扰给电路带来的影响。同时，其具有负反馈控制功能，使静电卡盘升温速率不至于过高或过低。

如图5所示，本发明另一实施例提供的静电卡盘加热测温电路包括热敏电阻301、加热器302、三极管303以及电流表304、直流电压源360。其中，热敏电阻301连接于三极管303基极与电压源360正极之间，加热器202连接于三极管303集电极与电压源360正极之间，电压源360正极前方设置一开关308，三极管303发射极通过开关308’与电压源360负极连接；电流表304可接在电压源360正极端或负极端。该实施例中，第一电流流经热敏电阻301，自三极管303的基极流向其发射极，形成第一回路；第二电流流经加热器302，自三极管303的集电极流向其发射极，形成第二回路。其中，热敏电阻301为正温度系数，其阻值与流经加热器302的电流值成负相关关系。三极管303放大倍数恒定，从而第二电流与第一电流成正比例关系，例如第二电流电流值为第一电流电流值的30-1000倍。

进一步地，热敏电阻301的电阻值与电流表304的计量电流值满足如下公式，I＝V*(1+β)/(R1+R_be)，其中，V为电压源360电压值，I为电流表304计量电流值，R1为热敏电阻301阻值，Rbe为三极管303基极与发射极之间的电阻值，β为三极管放大倍数。根据上述公式、以及热敏电阻301的阻值与温度的对应关系，在读出电流表304的电流值后，即可确定静电卡盘的温度。该实施例提供的静电卡盘加热测温电路同时实现了加热以及测温的功能，简化了电路结构，降低了元器件之间的串扰给电路带来的影响。同时，其具有负反馈控制功能，使静电卡盘升温速率不至于过高或过低。

如图6所示，本发明另一实施例提供的静电卡盘加热测温电路包括热敏电阻401、加热器402、CMOS晶体管403、恒定电阻404以及电流表405、直流电压源460，其中，恒定电阻404与热敏电阻401串接，热敏电阻401另一端通过开关408与电压源460正极连接，恒定电阻404另一端通过开关408’与电压源460负极连接，CMOS晶体管403门极连接于恒定电阻404与热敏电阻401之间，其源极与电压源460负极相连，其漏极与加热器402连接，加热器402另一端与电压源460正极相连。

第一电流流经热敏电阻401与恒定电阻404，形成第一回路；第二电流流经加热器402，自CMOS晶体管403漏极流向其源极，形成第二回路。在CMOS晶体管403门极导通后，加热器402上流通的电流值等于由CMOS晶体管403漏极流向其源极的电流值。具体地，热敏电阻401为正温度系数，其阻值与流经加热器402的电流值成负相关关系。进一步地，热敏电阻401的电阻值与电流表405的计量电流值满足如下公式，I＝GV*R3/(R1+R3)+V/(R1+R3)，其中，V为电压源460电压值，I为电流表405计量电流值，R1为热敏电阻401阻值，R3为恒定电阻404阻值，G为CMOS晶体管403放大倍数。根据上述公式、热敏电阻401的阻值与温度的对应关系以及电流表405的读数，可获知静电卡盘的温度。

上述第三实施例提供的静电卡盘加热测温电路采用了电压控制元件，即一CMOS晶体管，将测温电路与加热测温电路融为一体，简化了电路结构，降低了发生串扰问题的可能性，并提供了负反馈控制，有效控制了静电卡盘升温速率，进而保证整个系统更加稳定可靠。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (12)

1.一种静电卡盘，其特征在于：所述静电卡盘包括一支撑基片的绝缘层，所述绝缘层下方设置若干温度控制单元，所述每个温度控制单元包括一加热测温电路，所述加热测温电路两端分别通过开关连接一电压源，实现对所述温度控制单元的温度控制。

2.根据权利要求1所述静电卡盘，其特征在于：所述温度控制单元在所述绝缘层下方均匀设置。

3.根据权利要求1所述静电卡盘，其特征在于：所述电压源为可变电压源。

4.根据权利要求1所述静电卡盘，其特征在于：所述若干加热测温电路的所有开关连接一微处理器，所述微处理器通过控制所述开关的闭合、断开控制所述加热测温电路的工作状态。

5.根据权利要求1所述静电卡盘，其特征在于：所述加热测温电路包括第一回路，其上流通第一电流，所述第一电流流经一热敏电阻，根据所述热敏电阻阻值测量所述温度控制单元的温度；第二回路，其上流通第二电流，所述第二电流或所述第一电流与第二电流之和流经一加热器，用于加热所述温度控制单元。

6.根据权利要求5所述静电卡盘，其特征在于：所述加热测温电路还包括一电流测量装置，用于测量所述第一电流与第二电流的电流值之和。

7.根据权利要求5所述静电卡盘，其特征在于：所述热敏电阻为正温度系数，其阻值与流经所述加热器的电流值成负相关关系；所述第二电流与所述第一电流成正相关关系。

8.根据权利要求5所述静电卡盘，其特征在于：所述加热测温电路还包括一三极管，所述热敏电阻连接于所述三极管基极与集电极之间，所述集电极还连接于所述电压源正极，所述三极管发射极与所述加热器连接，所述加热器另一端连接于所述电压源负极；其中，所述第一电流流经所述热敏电阻，自所述三极管的基极流向其发射极，所述第二电流自所述三极管的集电极流向其发射极，所述第一电流与所述第二电流之和流经所述加热器。

9.根据权利要求5所述的静电卡盘，其特征在于：所述加热测温电路还包括一三极管，所述热敏电阻连接于所述三极管基极与所述电压源正极之间，所述加热器连接于所述三极管集电极与所述电压源正极之间，所述三极管发射极与所述电压源负极连接；其中，所述第一电流流经所述热敏电阻，自所述三极管的基极流向其发射极，所述第二电流流经所述加热器，自所述三极管的集电极流向其发射极。

10.根据权利要求5所述的静电卡盘，其特征在于：所述加热测温电路还包括一CMOS晶体管和一恒定电阻，所述恒定电阻与所述热敏电阻串接，所述热敏电阻另一端与所述电压源正极连接，所述恒定电阻另一端与所述电压源负极连接，所述CMOS晶体管门极连接于所述恒定电阻与热敏电阻之间，其源极与所述电压源负极相连，其漏极与所述加热器连接，所述加热器另一端与所述电压源正极相连；其中，所述第一电流流经所述热敏电阻与恒定电阻，所述第二电流流经所述加热器，自所述CMOS晶体管漏极流向其源极。

11.一种等离子体处理室，其特征在于：所述等离子体处理室包括一反应腔，所述反应腔内设有一用于支撑基片的静电卡盘，所述静电卡盘下方设有一基座用于支撑所述静电卡盘，所述静电卡盘包括一绝缘层，所述绝缘层下方设置若干温度控制单元，所述每个温度控制单元内包括一加热测温电路，所述若干加热测温电路的两端分别通过开关连接到一可变电压，所述等离子体处理室还包括一微处理器，所述微处理器控制所述开关的闭合、断开控制所述加热测温电路是否进行加热测温，实现对所述温度控制单元的温度控制。

12.根据权利要求11所述等离子体处理室，其特征在于：所述微处理器输出控制信号至所述可变电压，控制所述可变电压的输出电压大小。