CN107331595A - 用于等离子处理装置及其温度控制方法和校准方法 - Google Patents

用于等离子处理装置及其温度控制方法和校准方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种等离子处理装置的温度校准方法，等离子处理装置内包括加热器，加热器内包括多个可控独立加热区，所述温度校准方法包括：等离子处理步骤，点燃反应腔内的等离子体对基片进行处理，同时热成像装置停止工作；在温度校准步骤中，熄灭等离子体，热成像装置对整个基片上表面的温度进行探测并获得基片表面温度分布，温度控制器比较目标工艺温度分布数据与探测获得的基片表面温度分布数据，根据比较结果控制加热驱动电路，使得基片表面温度分布符合目标工艺温度分布。

Description

用于等离子处理装置及其温度控制方法和校准方法
技术领域
本发明涉及半导体加工技术领域，具体涉及一种适用于等离子处理装置的基座内的多区温控方法和温度校准方法。
背景技术
等离子处理装置被广泛应用于半导体晶圆加工处理流程中，如图1所示为典型的等离子处理装置结构图。等离子处理装置包括反应腔100，反应腔内底部包括基座用于支撑待处理的晶圆，基座内包括下电极10，下电极10内开始有冷却液管道11，用于基座散热。下电极10上方还包括加热器21，加热器21由绝缘材料制成，绝缘材料层中间夹有加热装置29如（加热电阻丝）。加热器21上方通过一层粘接材料层32连接到静电夹盘30，通过静电夹盘30固定防置在静电夹盘上方的待处理晶圆。与基座相对的反应腔上方包括上电极40，上电极40中还集成了反应气体进气装置41，用于均匀输入反应气体到下方的晶圆。
随着半导体技术的发展，对晶圆（wafer）制程中的均匀度（uniformity）和临界尺寸（critical dimension，CD）要求越来越严格，目前通行的小于数量10个区（zone），通常3到4个区的加热静电吸盘已经慢慢不能满足这些越来越严格的要求。
为了满足工艺制程要求，需要设计更多加热区，例如16至200个区，的加热静电吸盘来更好的解决晶圆（wafer）制程中的均匀度（uniformity）和临界尺寸高要求的问题。如果使用传统的设计方法，大于100区的加热器，每个加热器需要对应设有一根电源供应（power supply）线和一根电源返回（power return）线，即需要大于100根电源供应（power supply）线和大于100根的电源返回（power return）线，这对静电吸盘结构设计来说是一个极大的挑战。例如300毫米、450毫米的静电吸盘，结构上很难、甚至不可能布置这么多的电源线，将这些电源线从静电吸盘引出到控制器也是个很大的问题。同时为了精确控制每个区域的实时温度，还需要在每个加热区内设置至少一个温度探测器（如热偶）用于获得代表目标区域温度的电信号。在等离子处理装置中，通常需要利用射频功率来激励并维持足够的等离子体浓度，这些射频能量会随着每个区域都设置的温度探测器泄露到等离子反应腔外部控制电路。为了防止射频能量泄露和干扰温度信号检测，还需要在每个探测器的输出信号线上串联至少一个滤波器。但是当探测器数量巨大（如25-200区）时，实现大量滤波器的在有限空间内的安装成为巨大难题。如图2所示为现有技术，采用矩阵式多区控温结构时的加热器21结构图，加热器21包括2901~2925共25个加热片，位于平面上均匀分布的25个加热区域内，每个加热片29上还包括一个温度探测器27。温度探测器探测到的微弱电信号被传输线25传输到反应腔外部的温度控制器23中，其中传输线25上还包括滤波器（图中未示出）。
所以采用矩阵式多区控温结构的基座会带来功率导线和温度探测传输线空间排布困难，滤波器安装困难、结构复杂等问题，业内需要简化的方法。
发明内容
本发明公开一种等离子处理装置的温度校准方法，所述等离子处理装置包括反应腔，反应腔内包括一个下电极，下电极上设置有一个多区加热器，加热器上方包括一个静电夹盘，所述静电夹盘用于固定待处理基片，所述多区加热器包括多个独立加热区，每个加热区内包括至少一独立可控加热片，一加热驱动电路包括多个驱动线分别连接到所述每个加热片，并控制输入到所述每个加热片的功率，其特征在于，所述反应腔顶部或者侧壁包括一个热成像装置面向所述待处理基片，所述热成像装置连接并输出信号到一个温度控制器，所述温度控制器连接到所述加热驱动电路；所述温度校准方法包括：等离子处理步骤，点燃反应腔内的等离子体对基片进行处理；温度校准步骤，熄灭等离子体，热成像装置对整个基片表面的温度进行探测并获得基片表面温度分布，温度控制器比较目标工艺温度分布数据与探测获得的基片表面温度分布数据，根据比较结果控制所述加热驱动电路，使得基片表面温度分布符合目标工艺温度分布。
其中热成像装置是红外探头。在所述等离子处理步骤中，热成像装置不对基片表面温度进行探测。
其中所述等离子处理器还包括一个工艺控制器用于存储等离子处理的工艺参数，所述工艺控制器连接并传输所述目标工艺温度分布数据到所述温度控制器。
所述温度校准步骤中，根据所述目标工艺温度分布数据与探测获得的基片表面温度分布数据比较结果，修改至少一个加热片的加热功率数值，并存入温度控制器中，在下一次进入等离子处理步骤时，根据修改后的加热功率数值控制加热驱动电路。
第一次执行等离子处理步骤时，加热控制器根据预设的加热功率初始值控制所述加热驱动电路。
本发明还提供了一种用于等离子处理装置的温度控制方法，所述等离子处理装置包括反应腔，反应腔内包括下电极，下电极上设置有一个多区加热器，加热器上方包括一个静电夹盘，所述静电夹盘用于固定待处理基片，所述多区加热器包括多个独立加热区，每个加热区内包括至少一独立可控加热片，一加热驱动电路包括多个驱动线路分别连接到所述每个加热片，并控制输入到所述每个加热片的功率，所述反应腔顶部或者侧壁包括一个热成像装置面向所述待处理基片，所述热成像装置连接并输出信号到一个温度控制器，所述温度控制器连接到所述加热驱动电路；所述温度控制方法包括：温度控制数据表获取步骤和等离子处理步骤在温度控制数据表获取步骤中，调节输入到加热片的功率，通过所述热成像装置获取基片上表面的温度分布数据，形成温度控制数据表并储存入温度控制器，所述温度控制数据表包括每个加热片的温度和对应的每个加热片加热功率数值，
在等离子处理步骤中，温度控制器接收等离子处理工艺需要的目标温度分布数据，根据所述目标温度分布数据查找所述温度控制数据表，获得最接近目标温度分布数据的每个加热片的加热功率数值；驱动电路根据所述获得的多个加热功率数值驱动每个加热片，施加射频功率到反应腔内形成等离子体，进行等离子处理。还可以包括一个工艺控制器接收并存储等离子处理的工艺参数，所述工艺参数包括目标温度分布数据；
其中所述温度控制数据表还包括下电极的可变温度数据和静电夹盘的温度，以获得更精确的温度数据匹配。
本发明还提供了一种等离子处理装置，所述等离子处理装置包括反应腔，反应腔内包括一个下电极，下电极上设置有一个多区加热器，多区加热器上方包括一个静电夹盘，所述静电夹盘用于固定待处理基片，所述多区加热器包括多个独立加热区，每个加热区内包括至少一独立可控加热片，一加热驱动电路包括多个驱动线分别连接到所述每个加热片，并控制输入到所述每个加热片的功率，其特征在于，所述反应腔顶部或者侧壁包括一个热成像装置面向所述待处理基片，所述热成像装置连接并输出测得的基片温度分布数据到一个温度控制器，所述温度控制器连接到所述加热驱动电路；一个工艺控制器接收并存储等离子处理的工艺参数，所述工艺参数包括目标温度分布数据；所述温度控制器通过比较所述测得的基片温度分布数据和目标温度分布数据，产生控制信号控制所述加热驱动电路，使得基片温度分布满足目标温度分布。其中多区加热器包括大于16个区的独立加热区。
附图说明
图1为现有技术等离子处理装置示意图；
图2为现有技术等离子处理装置中矩阵式加热器的结构示意图；
图3为本发明矩阵式加热器的温度控制系统。
具体实施方式
以下结合附图3，进一步说明本发明的具体实施例。
本发明公开了一种可实现多区矩阵式温控的等离子处理装置，该等离子处理装置包含有等离子体反应腔，该等离子体反应腔的形状并非限定于圆筒状，例如也可以是角筒状。在进行等离子体刻蚀时，向等离子体反应腔提供反应气体，在等离子体反应腔中设有对应的上电极和下电极，用于激发反应气体从而产生等离子体，使工艺过程中等离子体反应腔内部充满有等离子体（plasma）。
在等离子体反应腔的底部设有用于放置晶圆的基座，基座中设置有用于吸附晶圆的静电吸盘，可根据需要在静电吸盘或基座中设有加热器或制冷剂流路等温控系统。在实际应用中，下电极可以设置在上述基座中。
如图3所示，本发明公开了一种矩阵式加热器21，其结构与图2所示的现有技术基本相同，包括多个加热片2901~2925，这些加热片矩阵均匀排布在加热器平面上，通过控制输入到每个加热片上的电功率来控制发热功率。但是在这种具有大量加热片的应用场合中，由于加工精度问题或者空间排布的原因，导致采用同样功率输入到同样排布的矩阵式加热器21 也会在不同批次或者不同位置的加热片中出现不同的温度分布情况，需要逐个加热片测温来修正实际施加到每个加热片的输出功率。这种在不同批次的加热器上出现的温度分布差异还会随着输入功率的变化而变化，比如加热器具有较低加热功率时，其中一个或数个加热片上产生的热量少于周边的其它加热片的热量，所以出现温度不均，但是温度差距不大；在加热器具有较高加热功率时，上述一个或数个加热片上的温度会与其它加热片的温度差距拉大。所以为了修正每个批次在不同加热片上产生的温度差异不仅需要测量每个加热片的温度，同时还要测试不同功率输出情况下的温度差数据，这需要进行大量的温度数据检测。在如图2所示的在等离子处理器中，采用热偶测温会带来温度探测传输线空间排布困难，滤波器安装困难、结构复杂等问题，所以无法设置大量的温度探测器和相应的温度探测传输线，但是在加热功率修正过程中又需要获得每个加热片各自的温度数据。本发明提出了在加热功率修正过程中在加热器上方设置一个热成像装置22，通过接受整个加热器29上方辐射出的电磁波辐射，形成图形化的温度分布信号，将温度分布信号输出到温度控制器23中，温度控制器处理上述信号形成代表整个加热器平面温度分布的图形，并根据图形来判断需要修正输出功率的具体加热片位置以及需要修正的输出功率数值。本发明还可以包括一个工艺控制器28用来接收并存贮各种工艺参数，工艺参数包括射频功率数值、气体成分、流量、气压、目标温度等数据。
本发明包括一个加热驱动电路26，用于驱动加热器29内各个独立的加热片。 随着加热器29接收的加热功率逐渐变化，其上表面的温度也相应的逐渐变化，温度控制器23通过热成像装置22接收的信号将不同加热功率下加热器上表面的温度分布图形存入数据库。温度控制器23内运行的软件程序通过调整输出到加热器29中特定加热片的功率，使得加热器29上表面具有均匀的温度分布，也可以根据工艺要求使得加热器29上表面具有特定的不均匀分布，比如外圈的加热片温度大于中心的或者中心的加热片温度大于外圈的加热片。温度控制器将这些对应每片加热片的功率输出数值和温度数值一一对应存贮，形成各种功率输出状态下的温度分布数据表，以便在后续正式等离子处理过程中，根据工艺需要调整加热器内各个加热片的温度。
在等离子处理过程中，等离子反应腔100内可以不安装热成像装置，只要将工艺控制器中输出的目标工艺温度分布数据与温度控制器中存储的各种温度分布数据表进行查找和匹配，获得温度数据表中最接近的温度分布数据，以及相应的每个加热片功率输出数值，利用这些加热片功率输出值驱动加热器就能实现等离子处理工艺过程中加热器上的温度分布满足工艺效果最佳化的要求。通过本发明方法将现有技术中只在等离子处理过程中进行的实时测量，改变为在分时测量，在温度修正阶段获得每个加热片的加热功率和对应温度参数，在等离子处理阶段根据获得的参数调整加热器功率输出，可以在不采用大量温度检测器的情况下获得最佳的温度分布。
为了更精确的模拟等离子处理阶段中的温度分布，在温度修正阶段中可以在加热器29上方设置静电夹盘30，这样静电夹盘上测得的实际温度更接近等离子处理过程中基片的温度，经过修正后使得基片上的温度分布状态更接近工艺需要的最佳分布状态。
在温度修正阶段中也可以同时改变流入下电极的制冷剂的流速或温度以改变下电极的温度，并将不同下电极温度下上述每个加热片的加热功率和温度数值作为温度分布数据表，存储在温度控制器中，这样温度分布数据表更能接近实际的等离子处理过程中基座内的温度分布情况。
上述静电夹盘和下电极的温度可以通过设置在反应腔内的温度探测器如热偶等器件，实时检测获得，由于只需要具备特定位置（如静电夹盘中心位置）的参考值，不需要获得整个静电夹盘平面上的温度分布，所以只需要在静电夹盘和下电极上设置一个探测器和一根引出线就可以实现对两者的温度监控，结构简单、占用体积小。在温度修正阶段中同时测量上述静电夹盘和下电极的温度作为参考值，集成进本发明的温度分布数据表，在后续的等离子处理阶段中，可以利用在等离子处理装置中实时测量的这两个数据和更精确的温度分布数据表查找匹配获得跟精确的加热片加热功率数值。
本发明还包括第二实施例，第二实施例中热成像装置22也可以集成到如图1所示等离子反应腔中，比如反应腔内上电极40中，一条导线穿过上电极40连接到位于进气装置41如气体喷淋头内的热成像装置22。进气装置41面向下方待处理基片的下表面开设有一个开口，用以容纳本发明热成像装置22。在等离子处理过程中由于上下电极之间存在着等离子体，所以会严重干扰热成像装置22对下方待处理基片温度分布图像的检测，为了避免这些干扰可以在每个等离子处理步骤结束、等离子熄灭之后再开启热成像装置22进行检测。由于等离子刚刚熄灭时间很短基片上表面的温度与等离子处理步骤中相比并未发生明显变化，所以此时测得的温度分布图形能够准确反映实际等离子处理过程中的温度分布数据。控制器将检测到的温度分布数据与工艺需要的最佳温度分布进行比较，根据比较结果修改下方加热器29中特定区域的加热片驱动功率，在下一个等离子处理步骤中采用修改后的驱动功率以获得最佳的温度分布。这样本发明在不需要大量温度测量探头、导线和滤波器的情况下只用一个热成像装置在等离子熄灭状态时就能实现一次性的全面测温，通过测得的温度分布图像修正下方的加热器中各个加热片的输入功率。
本发明还可以包括第三实施例，与上述第二实施例类似，主要区别在于，在等离子处理步骤之前包括一个温度控制数据表获取步骤，在温度控制数据表获取步骤中，温度控制器调节输入到加热片的的功率，通过所述热成像装置获取基片上表面的温度分布数据，形成温度控制数据表并储存入温度控制器，所述温度控制数据表包括每个加热片的温度和对应的每个加热片加热功率数值。温度控制数据表还可以进一步包括下电极温度、静电夹盘温度等辅助参数。在温度控制数据表获取步骤中，可以模仿后续等离子处理步骤中的参数输入反应气体和射频功率以形成等离子体，基片可以是模拟基片，基片可以是没有任何器件结构的单纯晶圆，或者其它仅供实验用的基片，这些基片只是为了获取温度参数，不用担心基片表面的等离子处理效果。
在等离子处理步骤中，温度控制器接收等离子处理工艺需要的目标温度分布数据，根据所述目标温度分布数据查找所述温度控制数据表，获得最接近目标温度分布数据的每个加热片的加热功率数值；驱动电路根据所述获得的多个加热功率数值驱动每个加热片，施加射频功率到反应腔内形成等离子体，进行等离子处理。所以本发明经过温度控制数据表获取步骤获取参考数据后，在等离子处理步骤中无需设置大量的温度检测线路和滤波器，直接通过查找最接近的数值驱动加热器，使得加热器的温度接近理想的目标温度分布。
本发明热成像装置也可以设置在反应腔侧壁，只要能够接收到整个基片上表面的红外辐射信号就可以实现本发明目标。
本发明热成像装置也可以应用于电感耦合等离子处理装置中（ICP），电感耦合处理装置中通常没有上电极，但是包括一个绝缘材料制成的顶盖，顶盖上方还设置有电感线圈连接到外部射频电源用以在反应腔内形成并维持等离子体。所以热成像装置也可以设置在绝缘材料顶盖上，也可以设置在电感耦合等离子处理装置的反应腔侧壁。
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 (14)

1.一种等离子处理装置的温度校准方法，所述等离子处理装置包括反应腔，反应腔内包括一个下电极，下电极上设置有一个多区加热器，加热器上方包括一个静电夹盘，所述静电夹盘用于固定待处理基片，所述多区加热器包括多个独立加热区，每个加热区内包括至少一独立可控加热片，一加热驱动电路包括多个驱动线分别连接到所述每个加热片，并控制输入到所述每个加热片的功率，
其特征在于，所述反应腔顶部或者侧壁包括一个热成像装置面向所述待处理基片，所述热成像装置连接并输出信号到一个温度控制器，所述温度控制器连接到所述加热驱动电路；
所述温度校准方法包括：
等离子处理步骤，点燃反应腔内的等离子体对基片进行处理；
温度校准步骤，熄灭等离子体，热成像装置对整个基片表面的温度进行探测并获得基片表面温度分布，温度控制器比较目标工艺温度分布数据与探测获得的基片表面温度分布数据，根据比较结果控制所述加热驱动电路，使得基片表面温度分布符合目标工艺温度分布。
2.如权利要求1所述的温度校准方法，其特征在于，所述等离子处理器还包括一个工艺控制器用于存储等离子处理的工艺参数，所述工艺控制器连接并传输所述目标工艺温度分布数据到所述温度控制器。
3.如权利要求1所述的温度校准方法，其特征在于，所述热成像装置是红外探头。
4.如权利要求1所述的温度校准方法，其特征在于，所述温度校准步骤中，根据所述目标工艺温度分布数据与探测获得的基片表面温度分布数据比较结果，修改至少一个加热片的加热功率数值，并存入温度控制器中，在下一次进入等离子处理步骤时，根据修改后的加热功率数值控制加热驱动电路。
5.如权利要求1所述的温度校准方法，其特征在于，所述第一次执行等离子处理步骤时，加热控制器根据预设的加热功率初始值控制所述加热驱动电路。
6.如权利要求1所述的温度校准方法，其特征在于，所述等离子处理步骤中，热成像装置不对基片表面温度进行探测。
7.一种用于等离子处理装置的温度控制方法，所述等离子处理装置包括反应腔，反应腔内包括下电极，下电极上设置有一个多区加热器，加热器上方包括一个静电夹盘，所述静电夹盘用于固定待处理基片，
所述多区加热器包括多个独立加热区，每个加热区内包括至少一独立可控加热片，一加热驱动电路包括多个驱动线路分别连接到所述每个加热片，并控制输入到所述每个加热片的功率，
所述反应腔顶部或者侧壁包括一个热成像装置面向所述待处理基片，所述热成像装置连接并输出信号到一个温度控制器，所述温度控制器连接到所述加热驱动电路；
所述温度控制方法包括：温度控制数据表获取步骤和等离子处理步骤
在温度控制数据表获取步骤中，调节输入到加热片的功率，通过所述热成像装置获取基片上表面的温度分布数据，形成温度控制数据表并储存入温度控制器，所述温度控制数据表包括每个加热片的温度和对应的每个加热片加热功率数值，
在等离子处理步骤中，温度控制器接收等离子处理工艺需要的目标温度分布数据，根据所述目标温度分布数据查找所述温度控制数据表，获得最接近目标温度分布数据的每个加热片的加热功率数值；驱动电路根据所述获得的多个加热功率数值驱动每个加热片，施加射频功率到反应腔内形成等离子体，进行等离子处理。
8.如权利要求7所述的用于等离子处理装置的温度控制方法，其特征在于，所述温度控制数据表还包括下电极的可变温度数据。
9.如权利要求7所述的用于等离子处理装置的温度控制方法，其特征在于，所述温度控制数据表还包括静电夹盘的温度。
10. 如权利要求7所述的用于等离子处理装置的温度控制方法，其特征在于，还包括一个工艺控制器接收并存储等离子处理的工艺参数，所述工艺参数包括目标温度分布数据。
11.如权利要求7所述的用于等离子处理装置的温度控制方法，其特征在于，所述热成像装置是一个红外探头。
12.一种等离子处理装置，所述等离子处理装置包括反应腔，反应腔内包括一个下电极，下电极上设置有一个多区加热器，多区加热器上方包括一个静电夹盘，所述静电夹盘用于固定待处理基片，所述多区加热器包括多个独立加热区，每个加热区内包括至少一独立可控加热片，一加热驱动电路包括多个驱动线分别连接到所述每个加热片，并控制输入到所述每个加热片的功率，其特征在于，
所述反应腔顶部或者侧壁包括一个热成像装置面向所述待处理基片，所述热成像装置连接并输出测得的基片温度分布数据到一个温度控制器，所述温度控制器连接到所述加热驱动电路；
一个工艺控制器接收并存储等离子处理的工艺参数，所述工艺参数包括目标温度分布数据；
所述温度控制器通过比较所述测得的基片温度分布数据和目标温度分布数据，产生控制信号控制所述加热驱动电路，使得基片温度分布满足目标温度分布。
13.如权利要求12所述的一种等离子处理装置，其特征在于，所述多区加热器包括大于16个独立加热区。
14.如权利要求12所述的一种等离子处理装置，其特征在于，所述热成像装置是一个红外探头。
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