CN105225983A - 耦合窗的加热装置及应用其的反应腔室 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种耦合窗的加热装置及应用其的反应腔室，其包括边缘加热单元和中心加热单元，二者分别对应于耦合窗的边缘区域和中心区域进行加热，其中，中心加热单元包括：环形护板，其设置在耦合窗的外围，且围绕形成一空气循环空间；加热罩，其设置在耦合窗的上表面上，且与该上表面的中心区域形成一加热空间，并且在加热罩上设置有出气孔，用以将加热空间与空气循环空间连通；空气循环机构，其用于抽取和加热空气循环空间内的空气，并将加热后的空气输送至加热空间内。本发明提供的耦合窗的加热装置，其不仅可以实现对耦合窗的均匀加热，而且还可以保证等离子体的正常启辉。

Description

耦合窗的加热装置及应用其的反应腔室

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，具体地，涉及一种耦合窗的加热装置及应用该加热装置的反应腔室。

背景技术

在半导体刻蚀工艺中，需要严格控制反应腔室的大量参数，以保证高质量的工艺结果。针对等离子体刻蚀工艺，尤其需要对反应腔室的温度进行精确控制，这是因为刻蚀工艺结果对等离子体处理系统中的温度波动高度敏感，温度的精确度直接影响刻蚀速率的均匀性以及工艺的稳定性。

在典型的等离子体反应腔室中，仅能够对腔室侧壁和静电卡盘的温度进行精确控制，而无法单独控制位于腔室顶部的耦合窗的温度，这使得在刻蚀工艺开始时，耦合窗的温度会低于腔室和静电卡盘的温度，从而影响工艺结果。为此，通常在进行刻蚀工艺之前，增设预热等离子体启辉的步骤，以使耦合窗的温度升高。但是，这种方式不仅稳定性差、控温的精确度低，而且还会延长单片工艺的时间，从而降低设备的产出率。此外，在利用等离子体反应腔室进行大批量生产的过程中，正常等离子体启辉还会导致耦合窗的温度因热量的累积效应而高于腔室温度，从而不利于工艺结果。

为此，如图1所示，为现有的一种反应腔室的剖视图。反应腔室11包括设置在腔室顶部的耦合窗12(通常采用石英材料制作)，设置在耦合窗12上方且与射频电源电连接的射频线圈13以及设置在腔室内的静电卡盘14。其中，在耦合窗12上设置有一个环绕在其外周壁上的加热带15，用于对耦合窗12的加热；并且，在耦合窗12上设置有热电偶(图中未示出)，用于实现在线监控耦合窗12的温度。然而，由于石英材料是热的不良导体，而由加热带15产生的热量需要自耦合窗12的外周向其内部的方式传导，这使得在耦合窗12的径向上产生较大的温度梯度，从而不仅无法满足工艺对温控均匀性的要求，而且还会影响石英盖的使用寿命。

因此，目前亟需一种能够在不影响等离子体正常启辉的前提下，实现对耦合窗均匀加热的装置。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种耦合窗的加热装置及应用其的反应腔室，其不仅可以实现对耦合窗的均匀加热，而且还可以保证等离子体的正常启辉。

为实现本发明的目的而提供一种温度控制装置，其包括边缘加热单元和中心加热单元，二者分别对应于所述耦合窗的边缘区域和中心区域进行加热，所述中心加热单元包括：环形护板，其设置在所述耦合窗的外围，且围绕形成一空气循环空间；加热罩，其设置在所述耦合窗的上表面上，且与该上表面的中心区域形成一加热空间，并且在所述加热罩上设置有出气孔，用以将所述加热空间与所述空气循环空间连通；空气循环机构，其用于抽取和加热所述空气循环空间内的空气，并将加热后的空气输送至所述加热空间内。

其中，所述空气循环机构包括风道、风扇和加热器，其中，所述风道包括分别位于所述环形护板的外侧和内侧的外风道段和内风道段，其中，所述外风道段具有第一入风口和第一出风口，二者均与所述空气循环空间相连通；所述内风道段具有第二入风口和第二出风口，所述第二入风口与所述第一出风口相连通；所述第二出风口与所述加热空间相连通；所述风扇设置在所述第一入风口处，用于将所述空气循环空间内的空气吸入所述外风道段内；所述加热器设置在所述第一出风口处，用于对流经的空气进行加热。

优选的，所述风扇和加热器均位于所述环形护板的外侧。

优选的，所述风道的数量为一个或多个，且多个风道沿所述耦合窗上表面的周向均匀分布；所述风扇和加热器各自的数量与所述风道的数量相对应，且所述风扇一一对应地设置在所述第一入风口处；所述加热器一一对应地设置在所述第一出风口处。

优选的，所述出气孔的数量为多个，且被划分为多组出气孔组，并且所述出气孔组的组数与所述风扇的数量相对应，且所述出气孔组一一对应地设置在与所述风扇相对的位置处。

优选的，所述加热装置还包括边缘温度检测单元、中心温度检测单元、边缘温度调节单元、中心温度调节单元和温控单元，其中所述边缘温度检测单元和中心温度检测单元用于分别检测所述耦合窗的边缘区域实际温度和中心区域实际温度，并发送至所述温控单元；所述温控单元用于计算所述边缘区域实际温度与预设的边缘区域目标温度的差值，并根据该差值向所述边缘温度调节单元发送控制信号；以及，计算所述中心区域实际温度与预设的中心区域目标温度的差值，并根据该差值向所述中心温度调节单元发送控制信号；所述边缘温度调节单元用于根据所述控制信号调节所述边缘加热单元的加热温度，或者，开启或关闭所述边缘加热单元；所述中心温度调节单元用于根据所述控制信号调节所述空气循环机构的加热温度，或者，开启或关闭所述空气循环机构。

其中，所述边缘加热单元包括加热带，所述加热带环绕设置在所述耦合窗的外周壁上，用以采用热传导的方式加热所述耦合窗。

其中，所述边缘加热单元包括薄片状的加热环，所述加热环设置在所述耦合窗的上表面的边缘区域，用以采用热传导的方式加热所述耦合窗。

优选的，在所述风道内，且分别位于所述第一入风口和第二出风口处设置有屏蔽网，用以防止射频泄漏。

优选的，所述耦合窗所采用的材料包括陶瓷。

作为另一个技术方案，本发明还提供一种反应腔室，包括设置在其顶部的耦合窗，以及用于加热所述耦合窗的加热装置，所述加热装置采用了本发明提供的上述耦合窗的加热装置。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的耦合窗的加热装置，其通过借助边缘加热单元和中心加热单元分别对应于耦合窗的边缘区域和中心区域进行加热，可以对耦合窗径向上存在的温度梯度进行补偿，从而可以实现对耦合窗的均匀加热。同时，该中心加热单元通过借助环形护板、加热罩和空气循环机构，可以实现采用气体加热的方式对耦合窗的中心区域进行加热，这种加热方式不会影响耦合窗的耦合作用，从而可以保证等离子体的正常启辉。

本发明提供的反应腔室，其通过采用本发明提供的上述加热装置，不仅可以实现对耦合窗的均匀加热，而且还可以保证等离子体的正常启辉。

附图说明

图1为现有的一种反应腔室的剖视图；

图2为本发明实施例提供的耦合窗的加热装置的立体图；

图3A为本发明实施例提供的耦合窗的加热装置的俯视图；

图3B为沿图3A中A-A线的剖视图；以及

图4为本发明实施例提供的耦合窗的加热装置的原理框图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明提供的耦合窗的加热装置及应用其的反应腔室进行详细描述。

图2为本发明实施例提供的耦合窗的加热装置的立体图。图3A为本发明实施例提供的耦合窗的加热装置的俯视图。图3B为沿图3A中A-A线的剖视图。请一并参阅图2、图3A和图3B，本发明实施例提供的耦合窗的加热装置，其包括边缘加热单元71和中心加热单元，二者分别对应于耦合窗38的边缘区域和中心区域进行加热。

在本实施例中，边缘加热单元71为加热带，该加热带环绕设置在耦合窗38的外周壁上，用以采用热传导的方式加热耦合窗38。

在本实施例中，中心加热单元包括环形护板31、加热罩37和空气循环机构。其中，环形护板31设置在耦合窗38的外围，且围绕形成一空气循环空间311；加热罩37设置在耦合窗38的上表面上，且与该上表面的中心区域形成一加热空间371，并且在加热罩37上设置有出气孔39，用以将加热空间371与空气循环空间311连通；空气循环机构用于抽取和加热空气循环空间311内的空气，并将加热后的空气输送至加热空间371内。

在加热过程中，空气循环空间311内的空气被上述空气循环机构抽出并加热；然后，加热后的空气又被该空气循环机构输送至加热空间371内，并与耦合窗38上表面的中心区域(即，位于该加热空间371内的区域)进行热交换，从而使耦合窗38在该中心区域的温度快速上升；加热空间371内的空气会通过加热罩37上的出气孔39重新排入空气循环空间311内，从而实现气体的循环流动。

通过借助边缘加热单元71和中心加热单元分别对应于耦合窗38的边缘区域和中心区域进行加热，可以对耦合窗38径向上存在的温度梯度进行补偿，从而可以实现对耦合窗38的均匀加热。同时，该中心加热单元通过借助环形护板31、加热罩37和空气循环机构，可以实现采用气体加热的方式对耦合窗38的中心区域进行加热，这种加热方式不会影响耦合窗的耦合作用，从而可以保证等离子体的正常启辉。

下面对本实施例中空气循环机构的具体结构进行详细描述。具体地，该空气循环机构包括风道、风扇33和加热器34。其中，风道包括分别位于环形护板31的外侧和内侧的外风道段32和内风道段36，其中，外风道段32具有第一入风口(图3A中上方的外风道段32的右端)和第一出风口(图3A中上方的外风道段32的左端)，第一入风口和第一出风口均与空气循环空间311相连通。内风道段36具有第二入风口(图3A中上方的内风道段36的上端)和第二出风口(图3A中上方的内风道段36的下端，且开口朝向纸面)，其中，第二入风口与外风道段32的第一出风口相连通；第二出风口与加热空间371相连通。也就是说，外风道段32的第一出风口与内风道段36的第二入风口相互对接，且外风道段32的第一入风口与空气循环空间311相连通，内风道段36的第二出风口与加热空间371相连通，即，空气循环空间311和加热空间371通过风道相互连通。

风扇33设置在外风道段32的第一入风口处，用于将空气循环空间311内的空气吸入外风道段32内。优选的，风扇33采用耐高温风扇。加热器34设置在外风道段32的第一出风口处，用于对流经的空气进行加热。

在加热过程中，空气循环空间311内的空气被风扇33抽入外风道段32内，并朝向第一出风口的方向流动；流经第一出风口的空气在被加热器34加热后，经由第二入风口流入内风道段36内，并自第二出风口流入加热空间371内，以实现与耦合窗38上表面的中心区域(即，位于该加热空间371内的区域)进行热交换，从而使耦合窗38在该中心区域的温度快速上升。

优选的，风扇33和加热器34均位于环形护板31的外侧，以避免对反应腔室周围的电磁场产生影响。

在本实施例中，风道的数量为两个，且关于耦合窗的中心对称(亦即，沿耦合窗28上表面的周向均匀分布)，以使空气分别在空气循环空间311和加热空间371内的分布更均匀。此外，风扇33和加热器34各自的数量也为两个，且风扇33一一对应地设置在外风道段32的第一入风口处；加热器34一一对应地设置在外风道段32的第一出风口处。当然，在实际应用中，风道的数量也可以为一个，或者三个以上，对于三个以上的风道，可以通过沿耦合窗上表面的周向均匀分布，而使空气分别在空气循环空间311和加热空间371内的分布更均匀。并且，风扇和加热器各自的数量应与风道的数量相对应。

另外，优选的，出气孔的数量为多个，且被划分为多组出气孔组，每组出气孔组中的出气孔的数量可以相同也可以不同，并且出气孔组的组数与风扇的数量相对应，且出气孔组一一对应地设置在与风扇相对的位置处，以使自出气孔流出的空气能够更容易被与之相对应的风扇抽出。例如，如图3A所示，由于风扇33的数量为两个，因此可以这样设计出气孔39，即：出气孔39的数量总共有8个，且被划分为两组出气孔组，在每组出气孔组中，出气孔的数量有4个，且呈团簇状排布；并且，优选的，出气孔组一一对应地设置在与风扇33大致相对的位置处。

优选的，在风道内，且分别位于外风道段32的第一入风口和内风道段36的第二出风口处设置有屏蔽网(图中未示出)，用以防止射频泄漏。

为了能够单独控制耦合窗中心区域和边缘区域的温度，以使耦合窗的温度更精确、且分布更均匀，如图4所示，加热装置还包括边缘温度检测单元41、中心温度检测单元42、边缘温度调节单元61、中心温度调节单元62和温控单元50。其中，边缘温度检测单元41和中心温度检测单元42用于分别检测耦合窗的边缘区域实际温度和中心区域实际温度，并发送至温控单元50；温控单元50用于计算边缘区域实际温度与预设的边缘区域目标温度的差值，并根据该差值向边缘温度调节单元61发送控制信号；以及，计算中心区域实际温度与预设的中心区域目标温度的差值，并根据该差值向中心温度调节单元62发送控制信号；边缘温度调节单元61用于根据控制信号调节边缘加热单元的加热温度，或者，开启或关闭边缘加热单元71；中心温度调节单元62用于根据控制信号调节空气循环机构72的加热温度，或者，开启或关闭空气循环机构72。

在实际应用中，上述边缘(或中心)温度检测单元可以为诸如热电偶等的温度传感器；上述温控单元可以为PLC、计算机等的微处理器；上述边缘(或中心)温度调节单元可以为向加热单元提供输出功率的电路元件，通过调节该输出功率的大小，而实现对上述边缘(或中心)加热单元的加热温度进行调节，以及通过断开该电路元件，而实现开启或关闭边缘(或中心)加热单元。或者，边缘(或中心)温度调节单元还可以为仅能够开启或关闭边缘(或中心)加热单元的通断开关，例如固态继电器。

需要说明的是，在本实施例中，边缘加热单元71为加热带，但是本发明并不局限于此，在实际应用中，边缘加热单元还可以为薄片状的加热环，该加热环设置在耦合窗的上表面的边缘区域，这同样可以实现采用热传导的方式加热耦合窗。本申请对边缘加热单元的具体结构没有特别的限制，只要其能够具有加热耦合窗上表面的边缘区域的功能即可。

另外，优选的，由于陶瓷的导热性能和强度均比石英好，因而耦合窗可以采用陶瓷制作，以更容易地将热量传导至反应腔室内。当然，耦合窗也可以采用石英材料制作。

作为另一个技术方案，本发明实施例提供一种反应腔室，其包括设置在其顶部的耦合窗，以及用于加热该耦合窗的加热装置，该加热装置采用了本发明实施例提供的上述耦合窗的加热装置。

本发明实施例提供的反应腔室，其通过采用本发明实施例提供的上述加热装置，不仅可以实现对耦合窗的均匀加热，而且还可以保证等离子体的正常启辉。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种耦合窗的加热装置，其包括边缘加热单元和中心加热单元，二者分别对应于所述耦合窗的边缘区域和中心区域进行加热，其特征在于，所述中心加热单元包括：

环形护板，其设置在所述耦合窗的外围，且围绕形成一空气循环空间；

加热罩，其设置在所述耦合窗的上表面上，且与该上表面的中心区域形成一加热空间，并且在所述加热罩上设置有出气孔，用以将所述加热空间与所述空气循环空间连通；

空气循环机构，其用于抽取和加热所述空气循环空间内的空气，并将加热后的空气输送至所述加热空间内。

2.根据权利要求1所述的耦合窗的加热装置，其特征在于，所述空气循环机构包括风道、风扇和加热器，其中，

所述风道包括分别位于所述环形护板的外侧和内侧的外风道段和内风道段，其中，所述外风道段具有第一入风口和第一出风口，二者均与所述空气循环空间相连通；所述内风道段具有第二入风口和第二出风口，所述第二入风口与所述第一出风口相连通；所述第二出风口与所述加热空间相连通；

所述风扇设置在所述第一入风口处，用于将所述空气循环空间内的空气吸入所述外风道段内；

所述加热器设置在所述第一出风口处，用于对流经的空气进行加热。

3.根据权利要求2所述的耦合窗的加热装置，其特征在于，所述风扇和加热器均位于所述环形护板的外侧。

4.根据权利要求2所述的耦合窗的加热装置，其特征在于，所述风道的数量为一个或多个，且多个风道沿所述耦合窗上表面的周向均匀分布；

所述风扇和加热器各自的数量与所述风道的数量相对应，且所述风扇一一对应地设置在所述第一入风口处；所述加热器一一对应地设置在所述第一出风口处。

5.根据权利要求4所述的耦合窗的加热装置，其特征在于，所述出气孔的数量为多个，且被划分为多组出气孔组，并且所述出气孔组的组数与所述风扇的数量相对应，且所述出气孔组一一对应地设置在与所述风扇相对的位置处。

6.根据权利要求1所述的耦合窗的加热装置，其特征在于，所述加热装置还包括边缘温度检测单元、中心温度检测单元、边缘温度调节单元、中心温度调节单元和温控单元，其中

所述边缘温度检测单元和中心温度检测单元用于分别检测所述耦合窗的边缘区域实际温度和中心区域实际温度，并发送至所述温控单元；

所述温控单元用于计算所述边缘区域实际温度与预设的边缘区域目标温度的差值，并根据该差值向所述边缘温度调节单元发送控制信号；以及，计算所述中心区域实际温度与预设的中心区域目标温度的差值，并根据该差值向所述中心温度调节单元发送控制信号；

所述边缘温度调节单元用于根据所述控制信号调节所述边缘加热单元的加热温度，或者，开启或关闭所述边缘加热单元；

所述中心温度调节单元用于根据所述控制信号调节所述空气循环机构的加热温度，或者，开启或关闭所述空气循环机构。

7.根据权利要求1所述的耦合窗的加热装置，其特征在于，所述边缘加热单元包括加热带，所述加热带环绕设置在所述耦合窗的外周壁上，用以采用热传导的方式加热所述耦合窗。

8.根据权利要求1所述的耦合窗的加热装置，其特征在于，所述边缘加热单元包括薄片状的加热环，所述加热环设置在所述耦合窗的上表面的边缘区域，用以采用热传导的方式加热所述耦合窗。

9.根据权利要求2所述的耦合窗的加热装置，其特征在于，在所述风道内，且分别位于所述第一入风口和第二出风口处设置有屏蔽网，用以防止射频泄漏。

10.根据权利要求1所述的耦合窗的加热装置，其特征在于，所述耦合窗所采用的材料包括陶瓷。

11.一种反应腔室，包括设置在其顶部的耦合窗，以及用于加热所述耦合窗的加热装置，其特征在于，所述加热装置采用权利要求1-10任意一项所述的耦合窗的加热装置。