CN106711006A - 上电极组件及半导体加工设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种上电极组件及半导体加工设备，其包括设置在腔室盖板上的介质桶、环绕在该介质桶周围的线圈、用于加热介质桶的加热机构、上加热带和下加热带，其中，上加热带和下加热带分别套设在介质桶的外周壁的顶部和底部，且分别位于线圈的上方和下方。本发明提供的上电极组件，其不仅可以提高介质桶的温控准确性和温度均匀性，而且还可以提高热传递效率，从而可以提高工艺质量。

Description

上电极组件及半导体加工设备
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，具体地，涉及一种上电极组件及半导体加工设备。
背景技术
目前，等离子体加工设备越来越广泛地应用于集成电路(IC)、功率器件、MEMS器件等的制造工艺中。其中一个显著的应用就是电感耦合等离子体(Inductive Coupled Plasma，简称ICP)设备，其由电流通过射频线圈产生的电磁场激发反应气体产生等离子体。随着高刻蚀速率的需求不断增高，要求等离子体的密度也随之增大，为此，采用立体线圈环绕在陶瓷桶外侧已成必然。在进行工艺的过程中，温度是保证高质量工艺结果和反应腔室稳定性的重要参数，温度的准确性直接影响刻蚀速率的均匀性和CD的均匀性。
图1为现有的上电极组件的剖视图。请参阅图1，上电极组件安装在反应腔室的腔室顶盖1上，且包括陶瓷桶2、上盖板5和立体线圈3和加热机构7。其中，上盖板5设置在陶瓷桶2的顶部，并且在上盖板5与陶瓷桶2之间设置有密封圈4，用以对二者之间的间隙进行密封。立体线圈3环绕设置在陶瓷桶2的外侧。加热机构7通常由多个加热棒组成，且设置在上盖板5上，用以通过加热上盖板5间接加热陶瓷桶2。
上述上电极组件在实际应用中不可避免地存在以下问题：
其一，由于加热机构7是通过加热上盖板5间接加热陶瓷桶2，而且设置在上盖板5与陶瓷桶2之间的密封圈4的导热性很差，因而通过控制上盖板5的温度来间接控制陶瓷桶2的温度，这种控温方式非常不准确。
其二，由于加热机构7设置在上盖板5上，由加热机构7产生的热量，需要自上而下逐渐地传递至陶瓷桶2的底部，这不仅热传递效率较低，而且导致陶瓷桶2在其轴向上的温度分布不均匀。
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，提出了一种上电极组件及半导体加工设备，其不仅可以提高介质桶的温控准确性和温度均匀性，而且还可以提高热传递效率，从而可以提高工艺质量。
为实现本发明的目的而提供一种上电极组件，包括设置在腔室盖板上的介质桶、环绕在所述介质桶周围的线圈以及用于加热所述介质桶的加热机构，所述加热机构包括上加热带和下加热带，二者分别套设在所述介质桶的外周壁的顶部和底部，且分别位于所述线圈的上方和下方。
优选的，还包括用于冷却所述介质桶的冷却机构。
优选的，所述冷却机构包括冷却盖板、冷却套筒和风扇，其中，所述冷却套筒环绕在所述介质桶的周围，且位于所述线圈的外侧，并且在所述冷却套筒的底部设置有排气孔；所述冷却盖板设置在所述冷却套筒的顶部，在所述冷却盖板、冷却套筒和所述介质桶之间形成环形空间，并且在所述冷却盖板中设置有进气通道，所述进气通道与所述环形空间相连通；所述风扇用于通过所述进气通道向所述环形空间内送风。
优选的，所述进气通道包括匀流腔和多个进气孔，其中，所述风扇设置在所述冷却盖板上，且位于所述匀流腔顶部的中心位置处，用以向所述匀流腔送风；所述多个进气孔设置在所述冷却盖板上，且位于所述匀流腔的底部；并且所述多个进气孔沿所述环形空间的周向均匀分布；每个所述进气孔分别与所述匀流腔和所述环形空间相连通。
优选的，所述上电极组件还包括用于向所述介质桶所括空间内输送工艺气体的进气管路，所述进气管路的出气端设置在所述介质桶的内周壁上，所述进气管路的进气端自所述冷却盖板延伸出去。
优选的，所述冷却机构还包括上冷却件和下冷却件，其中，所述下冷却件环绕设置在所述腔室盖板与所述冷却套筒之间；所述上冷却件环绕设置在所述冷却盖板与所述冷却套筒之间；分别在所述上冷却件和下冷却件内设置有两条环形的冷却通道，通过分别向所述两条冷却通道内通入冷却水来冷却所述介质桶。
优选的，所述上电极组件还包括：温度传感器，用于检测所述介质桶的实时温度；过热传感器，用于检测所述介质桶的实时温度。
优选的，在所述介质桶的内周壁或者外周壁上设置有采用树脂制作的固定件，所述固定件用于分别将所述温度传感器和所述过热传感器固定在所述介质桶的内周壁或者外周壁上，且使二者与所述线圈之间保持预设的安全间隔。
优选的，所述温度传感器和所述过热传感器均为具有电磁屏蔽功能、且接地的热电偶。
优选的，所述上电极组件还包括控制单元、温度调节单元和通断开关，其中，所述通断开关用于分别接通或断开所述上加热带和下加热带的加热通路；所述控制单元用于接收由所述温度传感器发送而来的实时温度，并基于该实时温度和预设的目标温度进行计算，然后根据计算结果控制所述温度调节单元调节所述上加热带和/或下加热带的加热功率；以及所述控制单元还用于接收由所述过温传感器发送而来的实时温度，并判断其是否超出预设阈值，若是，则断开所述通断开关。
优选的，所述温度传感器包括上传感器和下传感器，二者分别位于靠近所述上加热带和下加热带的位置处；所述通断开关包括分别接通或断开所述上加热带和下加热带的加热通路的第一开关和第二开关；所述控制单元用于分别接收由所述上传感器和下传感器发送而来的实时温度，并基于所述上传感器和下传感器的实时温度和预设的目标温度计算所述上加热带和下加热带各自的加热功率占空比，并根据该加热功率占空比控制所述温度调节单元分别接通或断开所述上加热带和下加热带的加热通路。
优选的，所述温度调节单元包括固态继电器和接触器。
作为另一个技术方案，本发明还提供一种半导体加工设备，其包括反应腔室，在所述反应腔室的顶部设置有上电极组件，所述上电极组件采用本发明提供的上述上电极组件。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的上电极组件，其通过在介质桶的外周壁的顶部和底部，且分别位于线圈的上方和下方套设上加热带和下加热带，可以直接加热介质桶，从而可以提高介质桶的温控准确性。而且，由于上加热带和下加热带可以分别自介质桶的顶部和底部传递热量，这不仅可以提高热传递效率，而且还可以提高介质桶的温度均匀性。
本发明提供的半导体加工设备，其通过采用本发明提供的上述上电极组件，不仅可以提高介质桶的温控准确性和温度均匀性，而且还可以提高热传递效率，从而可以提高工艺质量。
附图说明
图1为现有的上电极组件的剖视图；
图2为本发明实施例提供的上电极组件的剖视图；
图3为本发明实施例的温控方式的原理框图。
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上电极组件及半导体加工设备进行详细描述。
图2为本发明实施例提供的上电极组件的剖视图。请参阅图2，上电极组件包括介质桶19、线圈18、加热机构和冷却机构。其中，介质桶19设置在腔室盖板8上，其采用诸如陶瓷等的绝缘材料制作，用于将等离子产生环境与大气环境进行隔绝；线圈18为立体线圈，且环绕设置在介质桶19的周围，用于在高射频功率的作用下，激发介质桶19内的工艺气体转化为具有高能的等离子体。加热机构包括上加热带15和下加热带21，二者分别套设在介质桶19的外周壁顶部和底部，且分别位于线圈18的上方和下方，用以直接加热介质桶19，从而可以提高介质桶19的温控准确性。而且，由于上加热带15和下加热带21可以分别自介质桶19的顶部和底部传递热量，这不仅可以提高热传递效率，而且还可以提高介质桶的温度均匀性。此外，通过使上加热带15和下加热带21分别位于线圈18的上方和下方，可以避免干扰由线圈18产生的磁场。
冷却机构用于冷却介质桶19。在本实施例中，该冷却机构包括冷却盖板11、冷却套筒16和风扇9，其中，冷却套筒16环绕在介质桶19的周围，且位于线圈18的外侧，并且在冷却套筒16的底部设置有排气孔20，该排气孔20可以为一个，或者也可以为多个，多个排气孔20沿冷却套筒16的周向均匀分布。冷却盖板11设置在冷却套筒16的顶部，在冷却盖板11、冷却套筒16和介质桶19之间形成环形空间17，并且在冷却盖板11中设置有进气通道，该进气通道包括匀流腔10和多个进气孔12，其中，匀流腔10为在冷却盖板11的本体中形成的空腔结构；风扇9设置在冷却盖板11上，且位于匀流腔10顶部的中心位置处，用以向匀流腔10送风；多个进气孔12设置在冷却盖板11上，且位于匀流腔10的底部；并且多个进气孔12沿环形空间17的周向均匀分布，每个进气孔12分别与匀流腔10和环形空间17相连通。在进行工艺的过程中，由风扇9提供的气流依次通过匀流腔10和多个进气孔12均匀地流入环形空间17中，并朝向环形空间17的底部流动，最后自排气孔20流出，气流的流动方向如图2中的箭头所示。在实际应用中，进气通道还可以采用其他任意结构，只要能够将由风扇9提供的气流输送至环形空间17中即可。
上述冷却机构通过自上而下在介质桶16的周围送风，可以使环形空间17内的温度趋于均匀，从而可以均匀地冷却介质桶16。在此基础上，优选的，还可以利用冷却水同时对介质桶16进行冷却。具体地，冷却机构还包括上冷却件13和下冷却件28，其中，下冷却件28环绕设置在腔室盖板8与冷却套筒16之间；上冷却件13环绕设置在冷却盖板11与冷却套筒16之间。并且，分别在上冷却件13和下冷却件28内设置有两条环形的冷却通道(14，22)，通过分别向,两条冷却通道(14，22)内通入冷却水，可以分别自介质桶16的顶部和底部带走介质桶16的热量，从而可以提高降温速率。
由上可知，同时借助风扇9和冷却水的双向冷却，可以实现迅速、均匀地冷却介质桶16，从而不仅可以及时有效地带走介质桶16的温度，而且可以使介质桶16的整体温度更加均匀，进而可以提高刻蚀均匀性。
另外，可以通过调节冷却水的流量来对介质桶16的温度进行控制，具体地，可以在通入冷却水的输入管路上设置流量计来调节冷却水的输入流量，同时在冷却水的输出管路上设置温度传感器来检测冷却水的实时温度，并利用诸如PLC或控制器等的微处理器将检测到的冷却水的实时温度与预设的目标温度进行比较，若实时温度高于目标温度，则增大冷却水的输入流量；反之，若实时温度低于目标温度，则减小冷却水的输入流量，从而实现对介质桶16的温度进行精确地控制。
在本实施例中，上电极组件中还包括进气管路27，用于向介质桶16所括空间内(即，等离子体产生腔23)输送工艺气体。该进气管路27的出气端设置在介质桶16的内周壁上(图中未示出)，进气管路27的进气端贯穿冷却盖板11并自冷却盖板11延伸出去。在进行工艺时，工艺气体通过进气管路27沿介质桶16的径向进入等离子体产生腔23，从而进气管路27不会与冷却盖板11顶部的风扇9相互干涉，并且通过使工艺气体沿介质桶16的径向进入等离子体产生腔23，有利于提高刻蚀均匀性。
在本实施例中，上电极组件还包括温度传感器24、过热传感器25、控制单元、温度调节单元和通断开关，其中，温度传感器24和过热传感器25均用于检测介质桶16的实时温度，从而获得等离子体产生腔23内的实时温度。优选的，温度传感器24和过热传感器25均为具有电磁屏蔽功能，且接地的热电偶，以避免其对由线圈18产生的磁场产生影响。而且，在介质桶16的内周壁上设置有采用树脂制作的固定件26，该固定件26用于分别将温度传感器24和过热传感器25固定在介质桶16的内周壁上，且使二者与线圈18之间保持预设的安全间隔。在本实施例中，固定件26采用整体结构，且为竖直设置的条状板，但是本发明并不局限于此，在实际应用中，固定件26还可以采用分体结构，例如可以采用多个固定块将各个温度传感器24和各个过热传感器25固定在介质桶16的内周壁上。当然，在实际应用中，温度传感器和过热传感器还可以固定在介质桶16的外周壁上，且使二者与线圈18之间保持预设的安全间隔。在这种情况下，固定件26应设置在介质桶16的外周壁上，以分别固定温度传感器24和过热传感器25。当然，还可以采用其他任意方式将温度传感器24和过热传感器25固定在介质桶16的内周壁或者外周壁上。
优选的，温度传感器24包括上传感器和下传感器，二者分别位于介质桶16靠近上加热带15和下加热带21的位置处，从而可以获得等离子体产生腔23内分别靠近上加热带15和下加热带21的位置处的温度。与之相类似的，过热传感器25也可以分别在介质桶16靠近上加热带15和下加热带21的位置处设置传感器。
通断开关包括第一开关和第二开关，用于分别接通或断开上加热带15和下加热带21的加热通路，该加热通路即为用于分别向上加热带15和下加热带21输入加热功率的电路。当加热通路被接通时，开始向上加热带15和下加热带21输入加热功率，从而二者开始加热介质桶16；当加热通路被断开时，停止向上加热带15和下加热带21输入加热功率，从而二者停止加热介质桶16。
控制单元用于分别接收由上传感器和下传感器发送而来的实时温度，并基于该实时温度和预设的目标温度进行计算，然后根据计算结果控制温度调节单元调节上加热带15和/或下加热带21的加热功率，同时，控制单元还用于接收由过温传感器25(也包括上、下两个传感器)发送而来的实时温度，并判断其是否超出预设阈值，若是，则断开通断开关，以停止加热介质桶16。
优选的，借助上传感器和下传感器，分别检测介质桶16靠近上加热带15和下加热带21的位置处的温度，从而可以获得等离子体产生腔23内分别靠近上加热带15和下加热带21的位置处的温度。由此，可以通过控制上加热带15和下加热带21各自的加热功率占空比，自动控制第一开关和第二开关接通或断开上加热带和下加热带的加热通路。所谓加热功率占空比，是指在工艺过程中向加热带通入加热功率的时间与整个工艺时间的比值。
具体地，图3为本发明实施例的温控方式的原理框图。请参阅图3，温度传感器24的上、下两个传感器向控制单元发送介质桶16靠近上加热带15和下加热带21的位置处的实时温度；控制单元基于该实时温度和预设的目标温度计算上加热带15和下加热带21各自的加热功率占空比，并根据该加热功率占空比控制温度调节单元接通或断开上加热带和下加热带的加热通路。在这种情况下，温度调节单元可以采用固态继电器(SSR)和接触器，其中，固态继电器用于根据控制单元的控制信号控制接触器的接通或断开，从而可以实现通过控制向上加热带15(或下加热带21)输入加热功率的时间，来控制加热温度。同时，过温传感器25的上、下两个传感器也向控制单元发送介质桶16靠近上加热带15和下加热带21的位置处的实时温度；控制单元判断该实时温度是否超出预设阈值，若是，则断开通断开关，以停止加热介质桶16。该通断开关可以采用继电器等。
作为另一个技术方案，本发明还提供一种半导体加工设备，包括反应腔室，在该反应腔室顶部设置有上电极组件，该上电极组件采用了本发明提供的上述上电极组件。
本发明提供的半导体加工设备，其通过采用本发明提供的上述上电极组件，不仅可以提高介质桶的温控准确性和温度均匀性，而且还可以提高热传递效率，从而可以提高工艺质量。
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 (13)

1.一种上电极组件，包括设置在腔室盖板上的介质桶、环绕在所述介质桶周围的线圈以及用于加热所述介质桶的加热机构，其特征在于，所述加热机构包括上加热带和下加热带，二者分别套设在所述介质桶的外周壁的顶部和底部，且分别位于所述线圈的上方和下方。
2.根据权利要求1所述的上电极组件，其特征在于，还包括用于冷却所述介质桶的冷却机构。
3.根据权利要求2所述的上电极组件，其特征在于，所述冷却机构包括冷却盖板、冷却套筒和风扇，其中，
所述冷却套筒环绕在所述介质桶的周围，且位于所述线圈的外侧，并且在所述冷却套筒的底部设置有排气孔；
所述冷却盖板设置在所述冷却套筒的顶部，在所述冷却盖板、冷却套筒和所述介质桶之间形成环形空间，并且在所述冷却盖板中设置有进气通道，所述进气通道与所述环形空间相连通；
所述风扇用于通过所述进气通道向所述环形空间内送风。
4.根据权利要求3所述的上电极组件，其特征在于，所述进气通道包括匀流腔和多个进气孔，其中，
所述风扇设置在所述冷却盖板上，且位于所述匀流腔顶部的中心位置处，用以向所述匀流腔送风；
所述多个进气孔设置在所述冷却盖板上，且位于所述匀流腔的底部；并且所述多个进气孔沿所述环形空间的周向均匀分布；每个所述进气孔分别与所述匀流腔和所述环形空间相连通。
5.根据权利要求3所述的上电极组件，其特征在于，所述上电极组件还包括用于向所述介质桶所括空间内输送工艺气体的进气管路，所述进气管路的出气端设置在所述介质桶的内周壁上，所述进气管路的进气端自所述冷却盖板延伸出去。
6.根据权利要求3所述的上电极组件，其特征在于，所述冷却机构还包括上冷却件和下冷却件，其中，
所述下冷却件环绕设置在所述腔室盖板与所述冷却套筒之间；
所述上冷却件环绕设置在所述冷却盖板与所述冷却套筒之间；
分别在所述上冷却件和下冷却件内设置有两条环形的冷却通道，通过分别向所述两条冷却通道内通入冷却水来冷却所述介质桶。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的上电极组件，其特征在于，所述上电极组件还包括：
温度传感器，用于检测所述介质桶的实时温度；
过热传感器，用于检测所述介质桶的实时温度。
8.根据权利要求7所述的上电极组件，其特征在于，在所述介质桶的内周壁或者外周壁上设置有采用树脂制作的固定件，所述固定件用于分别将所述温度传感器和所述过热传感器固定在所述介质桶的内周壁或者外周壁上，且使二者与所述线圈之间保持预设的安全间隔。
9.根据权利要求7所述的上电极组件，其特征在于，所述温度传感器和所述过热传感器均为具有电磁屏蔽功能、且接地的热电偶。
10.根据权利要求7所述的上电极组件，其特征在于，所述上电极组件还包括控制单元、温度调节单元和通断开关，其中，
所述通断开关用于分别接通或断开所述上加热带和下加热带的加热通路；
所述控制单元用于接收由所述温度传感器发送而来的实时温度，并基于该实时温度和预设的目标温度进行计算，然后根据计算结果控制所述温度调节单元调节所述上加热带和/或下加热带的加热功率；以及
所述控制单元还用于接收由所述过温传感器发送而来的实时温度，并判断其是否超出预设阈值，若是，则断开所述通断开关。
11.根据权利要求10所述的上电极组件，其特征在于，所述温度传感器包括上传感器和下传感器，二者分别位于靠近所述上加热带和下加热带的位置处；
所述通断开关包括分别接通或断开所述上加热带和下加热带的加热通路的第一开关和第二开关；
所述控制单元用于分别接收由所述上传感器和下传感器发送而来的实时温度，并基于所述上传感器和下传感器的实时温度和预设的目标温度计算所述上加热带和下加热带各自的加热功率占空比，并根据该加热功率占空比控制所述温度调节单元分别接通或断开所述上加热带和下加热带的加热通路。
12.根据权利要求11所述的上电极组件，其特征在于，所述温度调节单元包括固态继电器和接触器。
13.一种半导体加工设备，其包括反应腔室，在所述反应腔室的顶部设置有上电极组件，其特征在于，所述上电极组件采用权利要求1-12任意一项所述的上电极组件。
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