CN105742204A - 用于等离子处理装置的加热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于等离子处理装置的加热器，该等离子反应器包括反应腔，反应腔顶部为绝缘窗，绝缘窗上依次设有加热器和线圈，加热器包括金属屏蔽防护层和加热电阻层；金属屏蔽防护层完全覆盖加热电阻层，等离子处理装置的线圈发出的射频功率依次穿过金属屏蔽防护层与加热电阻层进入等离子处理装置的反应腔；金属屏蔽防护层的电阻小于电热器的电阻。本发明在加热电阻层上覆盖电阻低于加热电阻层阻抗的金属屏蔽防护层，金属屏蔽防护层替代加热电阻层对线圈射频功率产生电容耦合，金属屏蔽防护层的低阻抗减小射频功率由于电容耦合在金属屏蔽防护层上产生的耦合电流，降低射频功率因电容耦合而造成的功率损失，避免了对源功率的磁场造成更多影响。

Description

用于等离子处理装置的加热器

技术领域

本发明涉及一种半导体刻蚀技术，具体涉及一种用于电感耦合等离子体反应腔上的加热器。

背景技术

电感耦合等离子体（Inductivelycoupledplasma，ICP）反应腔需要维持恒定的温度来提供一致的刻蚀速率和晶圆表面刻蚀的均一性，其中对反应腔顶棚（chamberlid）的加热也是非常重要的环节。

目前，现有技术中对反应腔盖子的加热方式主要采用电阻加热方式，在反应腔盖子上设置加热组件（heaterelement），对加热组件通电使其产生热能从而进行加热，这种加热方式能够提供优良的加热能力，但其缺点在于，会吸收电感耦合等离子体线圈（ICPcoil）一部分的源功率（sourcepower），从而导致耦合效率的大幅降低。

如图1所示，当电感耦合等离子体线圈101在工作的时候，线圈101所产生的射频（RF）会有电压分布，在线圈输出的射频（RF）电场的作用下，线圈101和阻值为R的加热组件102（heaterelement）之间会产生电容耦合（capacitorcoupling）r1和r2，会造成源功率（sourcepower）损失。在线圈101上A、B两点之间有电压差，A点电压为V1，B点电压为V2，设V1>V2，在A和B两点之间和对应的加热组件102会产生耦合电流I=（V1-V2）/(r1+r2+R)。因为r1和r2是电容耦合产生的等效电阻，电阻值远大于加热组件102的电阻R，所以耦合电流I的大小与加热组件102的电阻大小几乎无关，而由于耦合电流发热I²R会导致的ICP源功率损失，所以想要减少源功率损失即需要减少R的电阻值，然而减小加热组件102的电阻值会影响加热组件102的加热效果，影响刻蚀速率和刻蚀均一性。所以业界需要一种既能使更多的射频功率耦穿过加热电阻合到下方反应腔，同时还要不影响加热电阻的加热效果的加热器设计。

发明内容

本发明提供一种用于等离子处理装置的加热器，可以有效降低反应腔加热对电感耦合等离子体源功率电场产生的影响和损耗，提高耦合效率。

为实现上述目的，本发明提供一种用于等离子处理装置的加热器，该等离子反应器包括反应腔，反应腔顶部为一个绝缘窗，绝缘窗上依次设置有加热器和线圈，其特点是，所述加热器包括金属屏蔽防护层和加热电阻层，金属屏蔽防护层与加热电阻层之间设有内绝缘层；

上述金属屏蔽防护层完全覆盖加热电阻层，等离子处理装置的线圈发出的射频功率依次穿过金属屏蔽防护层与加热电阻层进入等离子处理装置的反应腔；

上述金属屏蔽防护层的电阻小于电热器的电阻。

上述金属屏蔽防护层的形状结构与加热电阻层的形状结构相同；金属屏蔽防护层的面积等于或大于加热电阻层的面积。

上述金属屏蔽防护层的电阻小于加热电阻层的电阻的二分之一。

上述金属屏蔽防护层的电阻比加热电阻层的电阻小两个数量级。

上述金属屏蔽防护层为薄膜状的金属层，金属屏蔽防护层的材料包含有铝和/或铜。

上述加热器还包含有外绝缘层，其包覆于金属屏蔽防护层与线圈之间。

上述加热器还包含有连接层，其设置于加热器朝向绝缘窗的一侧，连接层贴设于绝缘窗上；加热器通过连接层连接绝缘窗；连接层由绝缘材料制成。

本发明加热器的金属屏蔽防护层及设有金属屏蔽防护层的加热膜和等离子处理装置和现有技术的电感耦合等离子体反应腔的加热装置相比，其优点在于，本发明在加热器上覆盖电阻低于加热器阻抗的金属屏蔽防护层，使等离子处理装置的线圈发出的射频功率先接触金属屏蔽防护层，金属屏蔽防护层与射频功率产生电容耦合后，射频功率再穿过电热器进入等离子处理装置的反应腔，金属屏蔽防护层用于替代加热器对线圈射频功率产生电容耦合，在金属屏蔽防护层上产生耦合电流，金属屏蔽防护层的低阻抗可以大大减小射频功率由于电容耦合在金属屏蔽防护层上产生的耦合电流，从而降低射频功率因电容耦合而造成的功率损失，同时也避免了对源功率的磁场造成更多影响。

附图说明

图1为线圈与发热器之间电容耦合造成功率损失的示意图；

图2为电感耦合等离子体的等离子处理装置的结构示意图；

图3为本发明设有金属屏蔽防护层的加热器的结构示意图；

图4为本发明中加热器的局部结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图，进一步说明本发明的具体实施例。

本发明公开了一种用于电感耦合等离子体（ICP）的等离子处理装置的加热器。

如图2所示，在电感耦合等离子体的等离子处理装置的一种实施例中，等离子处理装置包含有电感耦合等离子体反应腔（ICPchamber）110，该反应腔110的形状并非限定于圆筒状，例如也可以是角筒状。

在反应腔110的底部设有用于放置晶圆的支撑台120，支撑台120中可根据需要设置有用于吸附晶圆的静电卡盘，电极以及加热器或制冷剂流路等的温度调制机构等。在进行半导体处理过程中，处理室内部充满有等离子体（plasma）。

反应腔110的顶部设有绝缘窗口（insulatorwindow）130，该窗口130采用石英玻璃、陶瓷或氧化铝（AL₂O₃）等构成。该窗口130气密安装于反应腔110顶棚（chamberlid）所形成的开口。

支撑台120电路连接高压电源200和匹配网络180，并通过180电路连接偏置射频电源190。

在反应腔110外部（通常为反应腔的外部上方）设有电感耦合等离子体线圈（ICPcoil）150，电感耦合等离子体线圈150电路连接匹配网络160，并通过匹配网络160电路连接高频射频电源170，电感耦合等离子体线圈150用于向反应腔发出高频射频功率，与偏置射频电源190输入反应腔110的偏置射频功率配合工作，于反应腔110内部产生耦合作用，从而使反应腔110内的晶圆进行电感耦合等离子体刻蚀工艺。

线圈150的形状可以采用靠近反应腔绝缘窗的平面线圈，或采用垂直线圈。

平面线圈具体可采用螺旋线圈状，该线圈对应设置于处理室的绝缘窗口150处。线圈与绝缘窗口150之间间隔设置。该线圈可采用例如铜、铝、不锈钢等的导体构成。

平面线圈对线圈与反应腔窗口150之间的距离具有一定要求，在保证绝缘的前提下，平面线圈与反应腔窗口150之间的距离越小反应效果越好。而垂直线圈对线圈与反应腔窗口150之间的距离大小没有特别要求。

反应腔110需要维持恒定的温度来提供一致的刻蚀速率和均一性，其中对反应腔顶棚的加热就很重要。本实施例中，采用在反应腔顶棚窗口上贴设一种薄膜状的电阻式式加热器140，来对反应腔顶棚窗进行加热。但是根据上述可知，由于电容耦合，电阻式的加热器140会吸收电感耦合等离子体线圈射频一部分的源功率（sourcepower），导致电感耦合等离子体刻蚀工艺耦合效率的大幅降低，同时导致加热器140上产生的热量受射频功率干扰，无法精确控制。

如图3所示，为解决上述的问题，本发明公开了一种用于电感耦合等离子体（ICP）的等离子处理装置的加热器，该加热器设置于反应腔顶棚上用于接收射频功率的窗口处。该加加热器含有依次层叠设置的外绝缘层250、金属屏蔽防护层240、内绝缘层230、加热电阻层220和连接层210，该加热器的总体厚度小于1毫米。

加热器设为一种薄膜结构，并贴设于反应腔顶棚的窗口上，加热器的薄膜结构为反应腔顶棚的窗口上面节省了空间。鉴于平面线圈与窗口之间的距离越小，射频功率对反应腔的耦合效率越高，加热器的薄膜结构为平面线圈提供了充足的调整空间，利于调整平面线圈与窗口之间的距离，有效提高耦合效率。

加热器通过其连接层210一侧贴设并固定于反应腔顶棚的窗口上，连接层210为绝缘材料制成，通过连接层与绝缘窗口的紧密连接可以促进热量传导到绝缘窗上表面。

加热电阻层（heater）220为采用AC加热的电阻式加热装置，采用设置为薄膜状的金属层，通常采用含有镍、铁的金属材料制成。在工作时加热电阻层220通50至60赫兹的交流电，使加热电阻层220发热，从而实现对反应腔顶棚进行加热，由于需要保证加热电阻层220的加热效果，加热电阻层的电阻不能随意减小，难以通过改变加热电阻层220的电阻来减少线圈与加热电阻层220电容耦合所导致的耦合电流发热带来的功率损失。

所以本发明在加热电阻层220上覆盖一层金属屏蔽防护层240，该金属屏蔽防护层240设置于加热电阻层220与线圈之间，隔离电热器220与线圈发出的射频功率。

等离子处理装置的线圈发出的射频功率先接触金属屏蔽防护层240，金属屏蔽防护层240替代加热电阻层220与射频功率产生电容耦合后，射频功率再穿过电热器220进入等离子处理装置的反应腔。

金属屏蔽防护层240采用设置为薄膜状的金属层（金属膜，pattern），通常采用含有铝、铜的金属材料制成。金属屏蔽防护层240的电阻小于加热电阻层220的电阻。理想状态中，为减少金属屏蔽防护层240与线圈之间电容耦合所造成的功率损失，金属屏蔽防护层240的电阻越小越好。

在实际操作中，金属屏蔽防护层240的电阻可选小于加热电阻层220电阻的十分之一。进一步的，金属屏蔽防护层240的电阻取值范围可选加热电阻层220电阻的1/10至1/1000。

优选的，金属屏蔽防护层240的电阻需比加热电阻层220的电阻小两个数量级。

内绝缘层230夹设于金属屏蔽防护层240与加热电阻层220之间，内绝缘层230可采用特氟龙材料制成，用于保证金属屏蔽防护层240与加热电阻层220的绝缘。

外绝缘层250朝向线圈设置，为加热器的最外层。外绝缘层250采用特氟龙材料制成，其覆盖于金属屏蔽防护层240上，该外绝缘层250的形状结构与金属屏蔽防护层240的形状结构相匹配，并且外绝缘层250的面积大小等于或略大于金属屏蔽防护层240的面积大小，使外绝缘层250可完全包覆于金属屏蔽防护层240外，保证金属屏蔽防护层240与外界绝缘，也防止金属屏蔽层的金属被氧化造成电阻急剧升高，影响屏蔽效果。

如图4所示，为加热电阻层220形状结构的一种实施例，该加热电阻层220采用一种设置为环形的电阻丝，并且为更多覆盖窗口表面，在电阻丝环形边上通过弯折设置为齿轮形的结构。

为金属屏蔽防护层240可隔离加热电阻层220与线圈的射频功率，并替代加热电阻层220与射频功率产生电容耦合，金属屏蔽防护层240可设置为与加热电阻层220的形状结构相同的齿轮形结构，同时金属屏蔽防护层240的面积可等于或略大于加热电阻层220的面积，以保证对加热电阻层220的覆盖。本实施例中，只要保证金属屏蔽防护层240与加热电阻层220共形，从而完全覆盖加热电阻层220，金属屏蔽防护层240也可设置为圆形、方形等任意形状大小。

同时，连接层210、内绝缘层230、外绝缘层240的形状大小可设置与金属屏蔽防护层240完全一致或面积略大于金属屏蔽防护层240，以保证完全包覆金属屏蔽防护层240和加热电阻层220。

进一步的，加热电阻层220除了设置为齿轮形结构，也可以根据加热的工艺要求设置为任意形状和大小。金属屏蔽防护层240设置为可保证完全覆盖加热电阻层220的任意形状和大小。同时，连接层210、内绝缘层230、外绝缘层240的形状大小可设置与金属屏蔽防护层240完全一致或面积略大于金属屏蔽防护层240。

金属屏蔽防护层240的面积通常会大于加热电阻层220。根据电阻计算公式：电阻=电阻率*长度/面积。可见，金属屏蔽防护层240的面积增大进一步相对于加热电阻层220降低了电阻，从而进一步减小金属屏蔽防护层240与射频功率造成的功率损失。

进一步的，根据实际工艺要求，金属屏蔽防护层240的电阻可调，可根据具体工艺要求，根据上述电阻计算公式，改变金属屏蔽防护层240的电阻率、长度、面积，从而减小或增大金属屏蔽防护层240的电阻。

本发明图4所示的加热电阻层图案可以优化设计均匀排布在绝缘窗上方，以改善绝缘窗上温度的均匀性，比如在绝缘窗上层渐开线形或者在圆周上呈齿轮状排布。感应电压只在线圈与加热电阻层图形的交叉点影响较大，其它区域基本影响不大，多个交叉点之间的电势差通过本发明金属屏蔽防护层在加热电阻层上方的设置可以完全排出对加热功率的干扰。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种用于等离子处理装置的加热器，所述等离子反应器包括反应腔，反应腔顶部为一个绝缘窗，绝缘窗上依次设置有加热器和线圈，其特征在于，所述加热器包括金属屏蔽防护层和加热电阻层，金属屏蔽防护层与加热电阻层之间设有内绝缘层；

所述金属屏蔽防护层完全覆盖加热电阻层，等离子处理装置的线圈发出的射频功率依次穿过金属屏蔽防护层与加热电阻层进入等离子处理装置的反应腔；

所述金属屏蔽防护层的电阻小于电热器的电阻。

2.如权利要求1所述的加热器，其特征在于，所述金属屏蔽防护层的形状结构与加热电阻层的形状结构相同；所述金属屏蔽防护层的面积等于或大于加热电阻层的面积。

3.如权利要求1所述的加热器，其特征在于，所述金属屏蔽防护层的电阻小于加热电阻层的电阻的二分之一。

4.如权利要求1或3所述的加热器，其特征在于，所述金属屏蔽防护层的电阻比加热电阻层的电阻小两个数量级。

5.如权利要求1所述的加热器，其特征在于，所述金属屏蔽防护层为薄膜状的金属层，金属屏蔽防护层的材料包含有铝和/或铜。

6.如权利要求1所述的加热器，其特征在于，所述加热器还包含有外绝缘层，其包覆于金属屏蔽防护层与线圈之间。

7.如权利要求1所述的加热器，其特征在于，所述加热器还包含有连接层，其设置于加热器朝向绝缘窗的一侧，连接层贴设于绝缘窗上；所述加热器通过连接层连接绝缘窗；所述连接层由绝缘材料制成。