CN106935470B - 一种带有温度测量装置的等离子处理器 - Google Patents

Abstract

一种等离子处理装置，包括：反应腔，一基座位于反应腔内下方用于固定基片，一射频电源连接到基座内的下电极，一气体喷淋头位于反应腔顶部，反应腔内包括至少一待测温部件，所述待测温部件包括第一表面面向基座上方的基片，还包括一第二表面位于所述第一表面反面；一个加热板与所述待测温部件的第二表面，于待测温部件相互紧固，所述加热板包括一个通孔，通过内包括一个热偶和包裹在热偶外表面的弹性绝缘材料，所述热偶包括一个第一端与所述待测温部件的第二表面形成第一接触区，同时所述弹性绝缘材料也包括第一端与所述待测温部件第二表面形成环形接触区，所述环形接触区围绕所述第一接触区。

Description

一种带有温度测量装置的等离子处理器

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种等离子处理器的温度车里装置。

背景技术

如图1所示，传统等离子处理装置包括一个反应腔100，反应腔100内包括一个基座10，基座内包括下电极下电极连接到一个射频电源，基座10内还包括冷却液通道11。基座上方包括一个加热器，加热器包括上下两层绝缘材料层21、23，以及位于两层绝缘材料层中间的加热元件如电阻丝29。加热器上表面通过硅胶32固定有一个静电夹盘30，待处理的晶圆在处理过程中被固定到静电夹盘30上。反应腔内与基座相对的是气体喷淋头41，气体喷淋头同时作为上电极。气体喷淋头由导体或者半导体制成，通常底面包括大量气体喷口，反应气体通过这些气体喷口向下流入基片上方的反应空间。气体喷淋头通过安装部件40安装到反应腔顶部，安装部件40内包括气流扩散管到实现反应气体的扩散并连接到各个气体喷口，除此之外安装部件40内还包括温度控制装置如加热器和热扩散板等实现对气体喷淋头的温度控制。其中安装部件40与气体喷淋头之间可以通过螺钉相固定也可以通过胶体弹性材料相互粘结，实现两者之间的紧固。由于气体喷淋头温度能间接影响下方处理工艺的效果，为了获得更均一的处理效果，部分加工工艺中，为了抵消其它因素导致的不均性还需要对喷淋头不同区域温度进行独立控制。为了精确控制气体喷淋头41的温度需要准确的检测到喷淋头41的温度，现有半导体工业中广泛采用的是利用热偶（thermal couple）来测温。在等离子处理装置中，由于需要抽成接近真空才能点燃等离子进行处理所以往往反应腔内都是真空状态，这会导致热量无法通过对流传递，只能通过直接传导。由于气体喷淋头41与上方的安装部件40是由不同材料制成的，在温度变化过程中会由于不同的膨胀系数而发生相对位移，所以喷淋头背面只能设计成与热偶光滑接触以使得两者能够相对滑动。同时热偶的外壳是不锈钢制成的，而且前端往往是圆形的，接触面由于加工公差和材料表面粗糙度的存在，其实际有效的接触面积很小而且不均匀。所以使得热偶实际测得的温度失真。同时由于大量射频功率耦合在上下电极之间，而热偶是导电材料制成的，大量射频能量会以热偶为接地通路形成大电流流过，这不仅会导致外部的控制器无法根据电信号判断温度，而且大电流产生的高热量本身也会使得实际温度失真。

所以业内需要一种新的热偶测温结构，减少各种干扰因素实现在真空且具有高功率射频电场的反应腔内实现精确的温度测量。

发明内容

本发明解决的问题是在真空的等离子处理装置内利用热偶实现对待测温部件的准确测温，本发明提供了一种等离子处理装置，包括：反应腔，一基座位于反应腔内下方用于固定基片，一射频电源连接到基座内的下电极，一气体喷淋头位于反应腔顶部，反应腔内包括至少一待测温部件，所述待测温部件包括第一表面面向基座上方的基片，还包括一第二表面位于所述第一表面反面；一个加热板与所述待测温部件的第二表面，于待测温部件相互紧固，所述加热板包括一个通孔，通过内包括一个热偶和包裹在热偶外表面的弹性绝缘材料，所述热偶包括一个第一端与所述待测温部件的第二表面形成第一接触区，同时所述弹性绝缘材料也包括第一端与所述待测温部件第二表面形成环形接触区，所述环形接触区围绕所述第一接触区。

其中所述待测温部件是气体喷淋头。进一步的气体喷淋头第二表面还包括一垫片，所述垫片包括下表面与所述喷淋头第二表面接触，垫片上表面与述热偶第一端和弹性绝缘材料第一端接触。最佳的，所述垫片由绝缘陶瓷材料制成，绝缘陶瓷材料可以是氮化铝或者氧化铝。

其中所述弹性绝缘材料是特氟龙，加热板由铝板制成，一加热电阻丝植入所述铝板。本发明等离子处理装置还包括一安装板，位于所述弹性绝缘材料的第二端，所述安装板包括一安装孔，安装孔的口径大于热偶的直径小于所述绝缘弹性材料的直径，用于压紧所述绝缘弹性材料到待测温部件。

本发明热偶第一端包括一探头部，所述探头部的直径随着向气体喷淋头第二表面靠近而逐渐减小，所述弹性绝缘材料第一端与所述热偶探头部之间存在间隙。

本发明中的待测温部件可以是位于基座上的静电夹盘或聚焦环。其中本发明应用于聚焦环侧温时需要包括：反应腔，一基座位于反应腔内下方用于固定待处理基片，一射频电源连接到基座内的下电极，一气体喷淋头位于反应腔顶部，反应腔内包括至少一聚焦环围绕所述待处理基片，所述聚焦环包括第一表面面向基座上方的等离子反应区域，还包括一第二表面位于所述第一表面反面；一个耦合环与所述聚焦环的第二表面相互紧贴，所述耦合环包括一个通孔，通孔内包括一个热偶和包裹在热偶外表面的弹性绝缘材料，所述热偶包括一个第一端与所述聚焦环的第二表面形成第一接触区，同时所述弹性绝缘材料也包括第一端与所述聚焦环第二表面形成环形接触区，所述环形接触区围绕所述第一接触区，所述基座下部包括一向外延伸部，所述耦合环固定在所述向外延伸部上。

附图说明

图1是现有技术等离子处理装置的示意图；

图2是本发明等离子处理装置中热偶安装结构示意图；

图3是本发明等离子处理装置中热偶第二安装结构示意图。

具体实施方式

如图2所示为本发明等离子处理装置中热偶安装结构示意图，图2为图1中A处的放大结构图，以清楚的显示结构特征。本发明中，气体喷淋头41上表面包括一个加热板43，加热板包括铝制的扩散板和植入其中的加热元件如电阻丝（图中未示出）。加热板43上方还包括一块安装板45用于安装固定下方的加热板43热偶42和气体喷淋头41。本发明热偶42包括一个外壳通常由不锈钢制成，外壳内部是不同材料制成的至少两个金属丝，这两根金属丝会随着温度的不同产生不同的电势差。特别的是本发明在热偶之外还套设了一层绝缘弹性材料层44，比如特氟龙，通过安装板45将套设有绝缘弹性材料层44的热偶紧压到气体喷淋头41的背面，同时绝缘弹性材料层44的下端也与气体喷淋头背面材料紧密接触。安装板45包括一安装孔其口径大于热偶的直径小于所述绝缘弹性材料的直径，用于压紧所述绝缘弹性材料到待测温部件。热偶42的上端通过一个导线将对应温度值的直流电压数据传输到控制器50，由控制器进行解读并获得所需要测量的温度数值。

热偶42下端包括一探头部，所述探头部的直径随着向气体喷淋头第二表面靠近而逐渐减小，比如图中所示的半球形，圆柱状的弹性绝缘材料44的下端与所述热偶探头部之间存在间隙。现有技术中热量只能通过探头部最下端的接触区域传导热量，间隙中的热传导率非常低，基本对探头温度没有影响。本发明中绝缘弹性材料层底部与气体喷淋头41上表面直接接触，并向上传递到达探头部最上端与热偶的圆柱形部分交界处，随后热量到达热偶，在这个热量传导路径上虽然要经过热导率不高的特氟龙等材料，但是由于传导距离非常近通常小于2mm的距离不会造成很大的温度梯度，所以本发明中热偶能够精确测量气体喷淋头41的温度。

在等离子处理装置处理基片过程中，这样的测温结构能够使得测温目标气体喷淋头41背面的热量不仅可以通过热偶最下方的直接点接触，同时还可以通过绝缘弹性材料层下端与喷淋头背面的环形接触面，将热量导到热偶下部侧面，虽然特氟龙等绝缘弹性材料的导热系数很低只有0.2W/m.k,但是由于绝缘弹性材料层44下端是与加热板43和气体喷淋头41紧贴的，保证了接触的面积和稳定性，而且绝缘弹性材料层44下端的环形接触区与最近的热偶下端接触点非常近，小于2mm，所以两点之间的温度差非常小，最终导热效果仍然远好于现有技术只通过热偶下端位置点接触来传递热量，温度测量也足够精确。

为了进一步防止射频电流经过热偶42流向外部接地端，本发明进一步提供了如图3所示的第二实施例，图3为图2等离子处理装置中热偶安装结构示意图中B处的放大图，其中热偶和绝缘弹性材料层下端并不与气体喷淋头41之间接触，两者之间还设置有一个绝缘材料制成的垫片46，该垫片46可以是由氮化铝或者氧化铝制成的，不仅能够提供绝缘还具有较高的热导率。在等离子处理过程中气体喷淋头41不仅会受加热板43加热，同时会受气体喷淋头41下方的等离子轰击和辐射加热，最终温度会非常高，一般工艺中都能达到100多摄氏度，在少数极端情况下能够达到200多度。而特氟龙等绝缘弹性材料的耐受温度只有260度，所以如果特氟龙直接接触由铝或者碳化硅、硅等制成的气体喷淋头，在少数情况下特氟龙会发生融化或者烧焦的现象，导致传热功能失效。由于垫片46的设置可以隔离部分热量，最终使得特氟龙等绝缘弹性材料下端温度不会到达260度。为了减少由于垫片46的设置导致的热偶42测得温度和气体喷淋头41的实际温度的偏差，可以在实验室中模拟真空环境下气体喷淋头具有不同温度时热偶的测得值，将两者的偏差值存入控制器50，在实际等离子处理装置工艺过程中实时测量获得的值，只要利用软件自动修正就可以获得精确的实际温度。

本发明结构的测温装置可以选用常见的热偶，其直径大约3.1mm，然后选用直径小于约2.9mm的特氟龙软管，撑大后将热偶套如加热板43对应的孔中直到压到气体喷淋头41上表面面，最后安装上安装板45以向下压紧热偶42。

本发明结构的测温装置除了可以用在气体喷淋头的温度测量，还可以用于等离子处理装置内如反应腔下方的静电夹盘30或者围绕晶圆的聚焦环（图中未示出）等其它部件。本发明测温装置在用于聚焦环测温时，由于聚焦环下方没有加热器，本发明的热偶和绝缘弹性材料管是安装在位于耦合环内的通孔中的。基座10下部包括一向外延伸部，耦合环设置于向外延伸部的上方，聚焦环设置于耦合环上方，且聚焦环围绕所述静电夹盘30。耦合环可以选用氧化铝或者氮化铝制成，也可以在陶瓷材料中掺杂其它元素以调节导电、导热性能。本发明的热偶和绝缘弹性材料管从下向上穿过耦合环，使得热偶和绝缘弹性材料管的上端与聚焦环的下表面接触并测取温度。聚焦环的上表面面向静电夹盘30和气体喷淋头之间的等离子反应区。

本发明提供了一种简单的结构能够使得传统的热偶在等离子半导体处理装置中有效的测量目标温度，不需要对原有设计作大幅改动，成本低廉结构简单能够耐受极端温度，保证测温系统的稳定性。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种带有温度测量装置的等离子处理装置，包括：

反应腔，一基座位于反应腔内下方用于固定基片，一射频电源连接到基座内的下电极，一气体喷淋头位于反应腔顶部，反应腔内包括至少一待测温部件，所述待测温部件包括第一表面面向基座上方的等离子反应区域，还包括一第二表面位于所述第一表面反面；

一个加热板与所述待测温部件的第二表面相互紧贴，所述加热板包括一个通孔，通孔内包括一个热偶和包裹在热偶外表面的弹性绝缘材料，所述热偶包括一个第一端与所述待测温部件的第二表面形成第一接触区，同时所述弹性绝缘材料也包括第一端与所述待测温部件第二表面形成环形接触区，所述环形接触区围绕所述第一接触区；

还包括一安装板，位于所述弹性绝缘材料的第二端，所述安装板包括一安装孔，安装孔的口径大于热偶的直径小于所述弹性绝缘材料的直径，用于压紧所述弹性绝缘材料到待测温部件。

2.如权利要求1所述的等离子处理装置，其特征在于，所述待测温部件是气体喷淋头。

3.如权利要求2所述的等离子处理装置，其特征在于，所述气体喷淋头第二表面还包括一垫片，所述垫片包括下表面与所述喷淋头第二表面接触，垫片上表面与述热偶第一端和弹性绝缘材料第一端接触。

4.如权利要求3所述的等离子处理装置，其特征在于，所述垫片由绝缘陶瓷材料制成。

5.如权利要求4所述的等离子处理装置，其特征在于，所述绝缘陶瓷材料是氮化铝或者氧化铝。

6.如权利要求1所述的等离子处理装置，其特征在于，所述弹性绝缘材料是特氟龙。

7.如权利要求2所述的等离子处理装置，其特征在于，所述加热板由铝板制成，一加热电阻丝植入所述铝板。

8.如权利要求1所述的等离子处理装置，其特征在于，所述待测温部件是位于基座上的静电夹盘。

9.如权利要求1所述的等离子处理装置，其特征在于，所述热偶第一端包括一探头部，所述探头部的直径随着向待测温部件第二表面靠近而逐渐减小，所述弹性绝缘材料第一端与所述热偶探头部之间存在间隙。

10.一种带有温度测量装置的等离子处理装置，包括：

反应腔，一基座位于反应腔内下方用于固定待处理基片，一射频电源连接到基座内的下电极，一气体喷淋头位于反应腔顶部，反应腔内包括至少一聚焦环围绕所述待处理基片，所述聚焦环包括第一表面面向基座上方的等离子反应区域，还包括一第二表面位于所述第一表面反面；

一个耦合环与所述聚焦环的第二表面相互紧贴，所述耦合环包括一个通孔，通孔内包括一个热偶和包裹在热偶外表面的弹性绝缘材料，所述热偶包括一个第一端与所述聚焦环的第二表面形成第一接触区，同时所述弹性绝缘材料也包括第一端与所述聚焦环第二表面形成环形接触区，所述环形接触区围绕所述第一接触区，所述基座下部包括一向外延伸部，所述耦合环固定在所述向外延伸部上；

还包括一安装板，位于所述弹性绝缘材料的第二端，所述安装板包括一安装孔，安装孔的口径大于热偶的直径小于所述弹性绝缘材料的直径，用于压紧所述弹性绝缘材料到所述聚焦环第二表面。