CN105088353B - 等离子反应设备及其温度监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种等离子反应设备及其温度监控方法，其等离子反应设备包括反应室、位于反应室顶部的耦合窗、位于反应室底部的用于放置晶片的基座和多个测温装置，多个测温装置放置在耦合窗上，多个温度测量装置用于测试耦合窗的不同位置处的温度。其等离子反应设备的温度监控方法应用于上述等离子反应设备。本发明的等离子反应设备及其温度监控方法，将多个测温装置放置到耦合窗上，测量耦合窗的温度，实现对耦合窗温度的整体监控。

Description

等离子反应设备及其温度监控方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种等离子反应设备，以及一种应用上述等离子反应设备的温度监控方法。

背景技术

在半导体工艺加工的过程中，必须要严格控制等离子反应腔室的大量参数以保证获得理想的工艺结果。这些参数包括：腔室气压，腔室温度，耦合窗温度，上下电极功率，静电卡盘温度及其基座温度等。耦合窗温度就是一个十分重要的参数。刻蚀工艺结果对耦合窗温度的变化十分敏感。

目前主要是使用等离子体轰击给耦合窗加热升温，由于腔室结构上的差异，导致等离子体出现不均匀分布，导致其对耦合窗的加热必然存在差异。再加上石英的导热系数很小，热传导效率十分低。这两个因素最终导致窗不同区域出现不同程度的温差。这种温差会对工艺结果造成不良影响。例如，导致缺陷(defect)的产生。刻蚀工艺过程中的气态副产物遇到温度较低区域的耦合窗，会凝固脱落，掉落到正在进行工艺的晶片表面，形成工艺缺陷，最终影响产品的良率。这种影响随着加工线宽的减小变的日益严重。

等离子体反应室耦合窗的温度对刻蚀工艺结果有着十分重要的作用。刻蚀工艺结果对其温度非常敏感。例如：当耦合窗温度为40℃左右时，工艺配方为：30mT/600W/300W/100Cl₂/40HBr/30HeO₂/70He/20N₂对氮化硅的刻蚀速率为310A/min。当石英窗的温度为65℃时，相同工艺配方对对氮化硅的刻蚀速率为280A/min。对耦合窗整体的温度监控可以有效提高刻蚀速率的均匀性，进而改善关键尺寸(CD)，沟槽深度(Trench depth)等关键工艺参数的均匀性。另外，对耦合窗整体的温度监控还可以减小刻蚀副产物的再沉积，进而减小工艺缺陷的形成，提高最终产品的良率。

目前的一种等离子反应腔室，上电极耦合窗是通过等离子体轰击来升温，其温度监控是使用单点监控的方法进行测量，其测温位置靠近耦合窗中心区域。

由于石英的热导率特别差，单点监测中心区域的温度根本不能反应其整体温度的情况。由此判断的最佳工艺开始时间与真实的最佳工艺开始时间会有较大误差，会对工艺结果造成影响。

单点检测的温度结果不能提供有效的判断，为了获得可接受的工艺结果，需延长耦合窗的升温时间。会增大耦合窗部件的损耗，影响机台的生产效率(throughput)。

鉴于上述缺陷，本发明人经过长时间的研究和实践终于获得了本发明创造。

发明内容

基于此，有必要针对等离子反应室的温度测量存在误差等问题，提供一种能够准确测量耦合窗温度的等离子反应设备，以及应用上述等离子反应设备的温度监控方法。上述目的通过下述技术方案实现：

一种等离子反应设备，包括反应室、位于所述反应室顶部的耦合窗、位于所述反应室底部的用于放置晶片的基座和多个测温装置；

多个所述测温装置放置在所述耦合窗上；

多个所述温度测量装置用于测试所述耦合窗的不同位置处的温度。

上述目的还可以通过下述技术方案进一步实现。

其中，每个所述测温装置在所述耦合窗的表面上的垂直投影到所述耦合窗的表面的中心的距离各不相等。

其中，任意一个所述测温装置在所述耦合窗的表面上的垂直投影和所述耦合窗的中心的连线与其他所述测温装置在所述耦合窗的表面上的垂直投影和所述耦合窗的中心的连线之间存在夹角。

其中，所述测温装置的数量为三个；

任意一个所述测温装置在所述耦合窗的表面上的垂直投影和所述耦合窗的中心的连线与另外两个所述测温装置在所述耦合窗的表面上的垂直投影和所述耦合窗的中心的连线之间的夹角为120°。

其中，所述测温装置的数量为三个；

所述三个测温装置在所述耦合窗的表面上的垂直投影到所述耦合窗的表面的中心的距离分别等于所述晶片直径的四分之一、所述晶片直径的二分之一和所述晶片直径的四分之三。

其中，所述测温装置为热电偶或红外线测温仪。

其中，所述测温装置为热电偶；

所述耦合窗的表面上设置有多个凹槽；

所述凹槽的数量与所述测温装置的数量相一致；

多个所述测温装置分别安装到多个所述凹槽中。

还涉及一种等离子反应设备的温度监控方法，应用于等离子反应设备，包括如下步骤：

在反应室内产生等离子体；

测量所述耦合窗的温度；

通过所述耦合窗的温度对工艺结果的影响，调整工艺配方的具体参数。

其中，所述测温装置的数量为三个；

任意一个所述测温装置在所述耦合窗的表面上的垂直投影和所述耦合窗的中心的连线与另外两个所述测温装置在所述耦合窗的表面上的垂直投影和所述耦合窗的中心的连线之间的夹角为120°。

其中，所述测温装置的数量为三个；

所述三个测温装置在所述耦合窗的表面上的垂直投影到所述耦合窗的表面的中心的距离分别等于所述晶片直径的1/4、所述晶片直径的1/2和所述晶片直径的3/4。

本发明的有益效果是：

本发明的等离子反应设备及其温度监控方法，结构设计简单合理，通过采用多点测温的方式，即多个测温装置分别放置到耦合窗的另一表面上，来测量耦合窗的温度，实现对耦合窗温度的整体监控，为产品提供最佳工艺配方，提高反应室的生产效率和产品的良率。

附图说明

图1为本发明的等离子反应设备一实施例的主视图；

图2为图1所示的等离子反应设备中测温装置与晶片、耦合窗的位置图；

图3为本发明的等离子反应设备的温度监控方法的流程图；

其中：

1-耦合窗；2-反应室；3-晶片；4-静电卡盘；5-加热器；

6-进口；7-出口；8-第一测温装置；9-第二测温装置；10-第三测温装置。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本发明的等离子反应设备及其温度监控方法进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1和图2，本发明的等离子反应设备包括反应室2、耦合窗1和多个测温装置，耦合窗1为平板状，耦合窗1位于反应室2的顶部，晶片3通过库伦力固定在静电卡盘4正上方，且晶片3的轴线与耦合窗1的轴线共线，静电卡盘4安装在反应室的底部，静电卡盘4外接温度控制模块(Chiller，未显示)，温度控制模块中冷却液通过进口6流入静电卡盘4内部，在静电卡盘4内部进行热量交换，从出口7返回温度控制模块，从而实现对晶片3的精确温度控制。反应室2的侧壁通过加热器5、测温装置和过温开关的组合形成对反应室2的温度控制。

耦合窗1的一表面朝向反应室2的内部空腔，该表面为下表面，将多个测温装置放置到耦合窗1的另一表面上，该表面为上表面，通过多个测温装置测量耦合窗的不同位置处的温度。进一步地，本发明中的测温装置为热电偶或红外线测温仪等测测温装置。在本实施例中，测温装置为热电偶。

本发明的等离子反应设备，通过采用多点测温的方式，将多个测温装置分别放置到耦合窗1上，来测量耦合窗1的温度，实现对耦合窗1温度的整体监控，为产品提供最佳工艺配方，提高反应室2的生产效率和产品的良率。

作为一种可实施方式，测温装置的数量为三、四、五或六个，每个测温装置在耦合窗1的表面上的垂直投影到耦合窗1的表面的中心的距离各不相等。进一步地，任意一个测温装置在耦合窗1的表面上的垂直投影和耦合窗1的中心的连线与其他测温装置在耦合窗1的表面上的垂直投影和耦合窗1的中心的连线之间存在夹角。

作为一种可实施方式，测温装置的数量为三个，任意一个测温装置在耦合窗1的表面上的垂直投影和耦合窗1的中心的连线与另外两个测温装置在耦合窗1的表面上的垂直投影和耦合窗1的中心的连线之间的夹角为120°。

进一步地，三个测温装置在耦合窗1的表面上的垂直投影到耦合窗1的表面的中心的距离分别等于晶片3直径的四分之一、晶片3直径的二分之一和晶片3直径的四分之三。

一般而言，受等离子体扩散、腔室进气、排气位置等各种因素影响，晶片3边缘和晶片3中心的工艺结果存在一定差异，反应室2边缘和反应室2中心的工艺环境也不尽相同。故选择多个测温装置的位置时，应尽可能的使其温度测量结果能够全面的反应晶片3表面和反应室2内的温度分布，从而保证晶片3从中心到边缘上的各点工艺结果一致，获得较高的产品良率。

进一步地，如图2所示，测温装置的数量为三个，且分别为第一测温装置8、第二测温装置9、第三测温装置10，相邻两个测温装置之间的夹角为120°，第一测温装置8、第二测温装置9与第三测温装置10在耦合窗1的上表面的位置为：第一测温装置8在耦合窗1的表面上的垂直投影到耦合窗1的表面的中心距离等于晶片3直径的四分之一；第二测温装置9在耦合窗1的表面上的垂直投影到耦合窗1的表面的中心距离等于晶片3直径的二分之一；第三测温装置10在耦合窗1的表面上的垂直投影到耦合窗1的表面的中心距离等于晶片3直径的四分之三。

在本实施例中，晶片3的直径为300mm，此时第一测温装置8、第二测温装置9、第三测温装置10在耦合窗1的表面上的垂直投影到耦合窗1中心的距离分别为：第一测温装置8在耦合窗1的表面上的垂直投影到耦合窗1中心的距离为75±10mm，第二测温装置9在耦合窗1的表面上的垂直投影到耦合窗1中心的距离为150±10mm，第三测温装置10在耦合窗1的表面上的垂直投影到耦合窗1中心的距离为225±10mm。

第一测温装置8、第二测温装置9、第三测温装置10三个测温点采用“三叉星”排列，即第一测温装置8在耦合窗1的表面上的垂直投影和耦合窗1的表面的中心的连线与第二测温装置9在耦合窗1的表面上的垂直投影和耦合窗1的表面的中心的连线之间的夹角为120°，第二测温装置9在耦合窗1的表面上的垂直投影和耦合窗1的表面的中心的连线与第三测温装置10在耦合窗1的表面上的垂直投影和耦合窗1的表面的中心的连线之间的夹角为120°，第三测温装置10在耦合窗1的表面上的垂直投影和耦合窗1的表面的中心的连线与第一测温装置8在耦合窗1的表面上的垂直投影和耦合窗1的表面的中心的连线之间的夹角为120°，第一测温装置8、第二测温装置9、第三测温装置10分布在不同的环向方向和不同径向方向上。

由于耦合窗的导热系数很小，热传递效率较差。不同区域会出现温度梯度。本发明的等离子反应设备设计的“三叉星”排列的测温方案，可以同时监控耦合窗在不同环向方向和不同径向方向的真实温度情况。掌握由于热导系数小以及等离子反应不均匀引起的耦合窗温度分布的不均匀情况，为后续工艺提供指导，进而改善尺寸(CD)，沟槽深度(Trench)等均匀性，减小缺陷的形成和产生，提高产品的良率。

例如，在对耦合窗进行升温预处理时，可以通过对三个测温点温度的收集，准确的判断出预处理工艺结束完成时间，准确停止对耦合窗进行过热升温，省去了热传导步骤，延长了耦合窗1的工作时间，提高了机台的生产效率。

进一步地，耦合窗1放置测温装置的表面上设置有多个凹槽，凹槽的数量与测温装置的数量相一致，凹槽的位置与测温装置的位置相匹配，多个测温装置分别安装多个凹槽中，将多个测温装置固定。将测温装置放入到耦合窗1的预留凹槽中固定，可以使测量的温度更接近耦合窗1的下表面的真实温度，并且受耦合窗1上表面的环境影响较小，使测试结果更稳定。

在本实施例中，测温装置的数量为三个，且分别为第一测温装置8、第二测温装置9、第三测温装置10，通过将第一测温装置8、第二测温装置9、第三测温装置10插入到耦合窗1的预留凹槽中固定，可以使测量的温度更接近耦合窗1的下表面的真实温度，并且受耦合窗1的上表面的环境影响较小，使测试结果更稳定。

参见图3，本发明的等离子反应设备的温度监控方法，应用于等离子反应设备，包括如下步骤：

S100，在反应室内产生等离子体；

S200，测量耦合窗的温度；

S300，通过耦合窗的温度对工艺结果的影响，调整工艺配方的具体参数。

作为一种可实施方式，测温装置的数量为三个，任意一个测温装置在耦合窗1的表面上的垂直投影和耦合窗1的中心的连线与另外两个测温装置在耦合窗1的表面上的垂直投影和耦合窗1的中心的连线之间的夹角为120°。

作为一种可实施方式，测温装置的数量为三个，三个测温装置在耦合窗1的表面上的垂直投影到耦合窗1的表面的中心的距离分别等于晶片3直径的四分之一、晶片3直径的二分之一和晶片3直径的四分之三。

上述发明的等离子反应设备及其温度监控方法，结构设计简单合理，通过采用多点测温的方式，即多个测温装置分别放置到耦合窗的另一表面上，来测量耦合窗的温度，实现对耦合窗温度的整体监控，为产品提供最佳工艺配方，提高反应室的生产效率和产品的良率。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种等离子反应设备，包括反应室、位于所述反应室顶部的耦合窗和位于所述反应室底部的用于放置晶片的基座，其特征在于：

还包括三个测温装置；

多个所述测温装置放置在所述耦合窗上；

多个所述温度测量装置用于测试所述耦合窗的不同位置处的温度；

每个所述测温装置在所述耦合窗的表面上的垂直投影到所述耦合窗的表面的中心的距离各不相等；

任意一个所述测温装置在所述耦合窗的表面上的垂直投影和所述耦合窗的中心的连线与另外两个所述测温装置在所述耦合窗的表面上的垂直投影和所述耦合窗的中心的连线之间的夹角为120°；

所述三个测温装置在所述耦合窗的表面上的垂直投影到所述耦合窗的表面的中心的距离分别等于所述晶片直径的四分之一、所述晶片直径的二分之一和所述晶片直径的四分之三。

2.根据权利要求1所述的等离子反应设备，其特征在于：

所述测温装置为热电偶或红外线测温仪。

3.根据权利要求2所述的等离子反应设备，其特征在于：

所述测温装置为热电偶；

所述耦合窗的表面上设置有多个凹槽；

所述凹槽的数量与所述测温装置的数量相一致；

多个所述测温装置分别安装到多个所述凹槽中。

4.一种等离子反应设备的温度监控方法，应用于如权利要求1至3任一项所述的等离子反应设备，其特征在于：包括如下步骤：

在反应室内产生等离子体；

测量所述耦合窗的温度；

通过所述耦合窗的温度对工艺结果的影响，调整工艺配方的具体参数。

5.根据权利要求4所述的等离子反应设备的温度监控方法，其特征在于：

所述测温装置的数量为三个；

任意一个所述测温装置在所述耦合窗的表面上的垂直投影和所述耦合窗的中心的连线与另外两个所述测温装置在所述耦合窗的表面上的垂直投影和所述耦合窗的中心的连线之间的夹角为120°。

6.根据权利要求4所述的等离子反应设备的温度监控方法，其特征在于：

所述测温装置的数量为三个；

所述三个测温装置在所述耦合窗的表面上的垂直投影到所述耦合窗的表面的中心的距离分别等于所述晶片直径的1/4、所述晶片直径的1/2和所述晶片直径的3/4。