CN111211029B - 一种多区控温等离子反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种等离子反应器，包括：反应腔体，反应空间底部包括一个基座，用于支撑处理基片；一射频电源输出射频功率到反应腔体内；基座中包括一静电夹盘，静电夹盘中包括一加热器组，加热器组中包括多个加热模块，其中加热模块包括串联的一个加热器和一个电子开关，所述加热模块中的加热器连接到加热电源或者接地端之一，电子开关连接到加热电源或接地端中的另一端；一加热控制器包括一接收端用于接收温度控制信号，还包括一驱动信号输出端连接到所述电子开关，用于输出所述电子开关的驱动信号；所述加热控制器中还包括至少一光电驱动电路，使得所述加热控制器的接收端与所述驱动信号输出端之间互相电隔离。

Description

一种多区控温等离子反应器
技术领域
本发明涉及等离子反应器，特别涉及等离子反应器的中多区控温基座的控温装置。
背景技术
半导体芯片生产过程中，需要进行大量的微观加工，常见的等离子刻蚀反应器能够在晶圆上形成各种微米甚至纳米级尺寸的通孔或沟槽，再结合其它化学气相沉积等工艺，最终形成各种半导体芯片成品。随着刻蚀工艺要求日益提高，等离子处理过程中对晶圆或基片温度的控制精度要求也越来越高。原有从内到外2到3个圆环的独立控温区域，对于同一个控制区域内不同部位存在的温度差已经无法满足工艺要求了。为了进一步提高对晶圆的温度控制能力，现有技术提出了矩阵式排布的独立控制的加热器阵列，集成在静电夹盘和作为下电极的导电基座之间。
如图1所示为典型的等离子反应器，包括腔体100，腔体内底部为导电基座30，导电基座同时作为下电极连接到至少一个高频射频电源19，点燃晶圆(或其它形状的基片)上方的等离子体后，射频电源19可以调节等离子浓度或者能量。等离子反应器中还可以设置其它的射频电源，比如将射频电源连接到反应腔内顶部的气体喷头，或者一个电感线圈设置在反应腔上方，使得电感线圈产生的磁场进入反应腔产生并维持等离子体浓度。导电基座通过一个支撑装置20固定到腔体底部，其中腔体100和支撑装置20均由导体制成且电接地，以防止射频电场向外泄漏。
导电基座上包括静电夹盘40，静电夹盘40由绝缘材料制成，内部埋设有用于实现静电吸附的电极42，电极42与外部高压直流电源相联通时使得待处理晶圆50被静电吸附到静电夹盘40上。绝缘材料层40中电极42下方还包括一多区加热的加热器组41，加热器组包括大量独立可控的加热器，其中加热器的数量可以是10*10＝100个，或者15*15＝225个，甚至更多个。加热器41可以是电阻丝或者其它能够接受电流发热的装置。
为了独立控制上述大量独立控制的加热器，需要大量的电流供应线和电流回线，其中电流供应线连接到高电压的加热电源，电流回线连接到接地端。以10*10矩阵为例，每一行和每一列的加热器均连接到一个功率供应线或电流回线，这样的排布需要至少10+10＝20根上述电流供应线和电流回线。如图1所示，加热电源功率通过电源总线11进入加热器组控制器60，同时加热器组控制器60还通过控制信号输入线12连接到工艺控制器，以接收工艺需要的加热功率分布数据，控制器60根据接收到的加热功率分布数据可以转化成对驱动开关的开通时间，或者开关占空比的驱动信号。加热器组控制器60中还包括多个(如20个)驱动开关，通过选择一组驱动开关的开通或关断状态，使得加热器组中一个电流供应线和一个电流回线与外部加热功率源和接地端联通，联通的一根电流供应线与一根电流回线构成一个回路，加热器组中的一个加热器被加热，被加热一段时间后转而加热另一个加热器，这样轮流扫描需要加热的每个加热器，最终使得每个加热器的加热功率独立可调。采用这样的被动式加热功率供应和控制方法，需要将电流供应线和电流回线联通到位于静电夹盘40中的加热器组，但是静电夹盘又是处于射频辐射环境中的，所以还需要设置一个滤波器组16，每一个电流供应线和电流回线上都需要串联一个滤波器。加热器组控制器60连接的加热功率供应线15(包括20根电流供应线和电流回线)经过滤波器组16，再通过第二加热功率供应线17进入反应腔体内部的射频环境，随后穿过导电基座30上开设的通孔(图中未示出)连接到静电夹盘40中的加热器组41。这样大量设置的滤波器不仅成本高昂，而且占用很大空间，给等离子处理设备设计制造和维护提高难度，而且这种被动式加热的加热器组，每个时刻只能加热一个加热器，所以要改变温度分布必须经过多个对加热器组41内全部加热器的扫描周期，无法实现快速变化。另一方面单个滤波器长期连接到射频辐射环境中，能阻挡主要的射频功率泄露，但是滤波器的数量很多仍然会导致可观的射频能量向下方的加热器组控制器60泄露，不仅导致功率损失，严重的还会损坏控制器60。
所以，需要提出一种新的多区控温等离子反应器，能够简化结构，降低成本，提高系统的可靠性，同时还能更快的改变温度分布。
发明内容
本发明提供一种等离子反应器，以实现稳定可靠对基片进行矩阵式多区温度控制，其中等离子反应器包括：反应腔体，所述反应腔体围绕形成反应空间；反应空间底部包括一个基座，用于支撑基片；一射频电源输出射频功率到反应腔体内，以产生并维持等离子体；基座中包括一个电极和位于电极上方的静电夹盘，所述静电夹盘包括多层绝缘材料层，至少一层绝缘材料层中包括一加热器组，加热器组中包括多个加热模块，每个加热模块与上方基片的不同部位对应，其中每个加热模块包括串联的一个加热器和一个电子开关，所述加热模块的一端连接到加热电源另一端连接到接地端；一加热控制器包括一接收端用于接收温度控制信号，还包括一驱动信号输出端连接到所述电子开关，用于输出所述电子开关的驱动信号；所述加热控制器中还包括至少一光电驱动电路，使得所述加热控制器的接收端与所述驱动信号输出端之间互相电隔离。其中光电驱动电路包括至少一光耦。或者所述加热控制器中也可以包括多个光电驱动电路，每个光电驱动电路的输出端连接到所述一个加热模块中的电子开关的驱动端，以控制所述电子开关的开通或关断。
进一步地，所述接收端通过一光缆接收温度控制信号，以进一步实现加热控制器的电隔离。
可选地，所述加热器组中的多个加热模块固定连接到加热电源或者接地端。或者所述电子开关包括一驱动端连接到所述加热控制器的驱动信号输出端，还包括第二端连接到所述加热器，第三端连接到加热电源或者接地端。这样加热模块与电源或接地端固定连接，使得所述加热电源通过一个滤波器连接到所述多个加热模块，不需要采用大量滤波器。
可选地，所述加热模块的数量大于100个。
可选地，本发明等离子反应器中还包括一解析模块，所述解析模块包括一接收端连接到所述光电驱动电路的输出端，还包括多个解析模块输出端，每个输出端连接到一个加热模块中的电子开关的驱动端，使得光电驱动电路输出的驱动信号经过解析后能够驱动多个加热模块中的电子开关。
所述加热控制器设置在腔体内基座的下方，且加热控制器外设置一导电导电屏蔽壳体，使得反应腔体内部的射频电场被屏蔽在导电屏蔽壳体外部。
附图说明
图1是现有技术等离子反应器示意图；
图2是本发明等离子反应器示意图；
图3是本发明加热器驱动控制电路示意图；
图4a是本发明另一种等离子反应器示意图；
图4b是本发明另一种加热器驱动控制示意图。
具体实施方式
下文将结合附图对本发明的技术方案进行详细描述，需强调的是，这里仅是示例性的阐述，不排除有其它利用本发明思想的实施方式。
如图2所示，本发明的等离子反应器与现有技术基本结构相同，主要区别在于多区控温加热器41的驱动和控制系统不同。本发明的加热器组控制器62通过一个控制信号输入线13连接到等离子反应器的工艺控制器，其中控制信号输入线最佳的是光缆，控制器62内再通过光电转化装置可以识别光信号中传输的工艺参数，这样可以进一步电隔离控制器62与外部电路，减少对控制电信号的干扰。加热器控制器也可以通过其它方式接受控制信号，比如通过蓝牙或微波的无线信号，因为这些信号的频率与反应腔中的射频信号频率相差很大不会互相干扰，所以也能有效的传递控制信号，而且由于是无线传输的所以也不会导致射频功率泄露到反应腔外。本发明中的加热电源通过一根共用的功率供应线11，经过一个滤波器18滤除射频信号后进入加热器组41，使得加热器组中的每个加热器模块均连接到加热电源，不需要经过外部开关选择性连接到加热电源。
加热器组控制器62中包括多个光电组件65，用于将控制信号通过光电组件使驱动信号实现电-光-电信号的转换。如图3所示，加热器组控制器62包括多个光电驱动电路64，光电驱动电路中的每一个均包括光电组件65。下面以第一和第二光电驱动电路(64a、64b)为例来说明本发明控制结构。第一光电驱动电路64a其中包括处理器63，处理器63接收并处理来自控制信号输入线13的信号，输出控制加热器组41中任意一个加热器模块是否加热以及加热时长等参数。光电组件65a中包括一个光耦，用于将电信号转化为光信号，再将光信号转换为电信号输出。加热器组41包括多个加热器模块M41，其中每一个加热模块均包括加热器和串联的电子开关，加热器的第一端通过功率供应线11连接到加热电源。上述光电组件65a的输出端连接到第一加热器模块M41a中的电子开关69a的驱动端，驱动端和接地端之间连接有一个电阻67a，电子开关69a第二端连接到加热器41a，第三端连接到接地端。当处理器63输出高电位时，电子开关69a通过驱动线10a接收到高电位的电压信号而导通，使得加热器41a的第二端通过导通的开关69a连接到接地端，加热电源中的电流流入加热器41a使得加热器升温。
其中电子开关可以是MOSFET也可以是其它的可控开关,如晶闸管(thyristor)可控硅(Silicon Controlled Rectifier)等，只要是电压/电流驱动的电子开关，均能应用于本发明加热模块中。本发明中的加热电源可以是高压直流电源，也可以是交流电源，只要能实现加热器加热的均可采用。
同样的结构，第二光电驱动电路64b通过光电组件65b传输驱动信号，驱动信号经过驱动线10b驱动电子开关69b导通，使得第二加热模块M41b中的第二加热器41b独立可控的连接到接地端。这样大量的光电驱动电路64只提供微弱的电压驱动信号就能控制每个加热器独立加热，所以可以通过同时驱动多个电子开关导通，来同时加热多个加热器，实现加热器的独立控制。
每个光电驱动电路均通过光耦设置实现了控制器62与上方加热器之间的电隔离，较佳地，控制器62可以设置在一个导电材料(如金属)制成屏蔽壳体的内部，使得控制器62可以隔绝周围的射频辐射。最终使得控制器62既不会受周围射频电场辐射，也不会有射频信号通过驱动线10a传导进入，既避免了射频功率的泄露也保证的控制器62的稳定运行。由于所有加热器均连接到共用的一根功率供应线11，所以只需要一个滤波器就实现了功率供应线的射频功率隔离，相对现有技术大幅减少了滤波器的成本和空间。
上述驱动电路结构随着独立控温区域数量的增加也会导致光电驱动电路64数量的同步大幅增加，为了进一步简化驱动电路，本发明提出了另一个实施例。如图4a、4b所示为本发明第三实施例，与本发明图3所示的第一实施例的区别在于光电组件65的输出端并不是直接连接到一个加热模块中的电子开关69x，而是连接到一个解析模块70的输入端，解析模块70进一步解析来自光耦的控制信号，转化为对多个加热模块的驱动信号，通过多根驱动线10a-10c驱动多个独立加热模块中的电子开关69a-69c，进一步的驱动相应的加热器41a-41c独立加热。其中解析模块70可以是PLC芯片，或者其它数字或模拟电路。光电组件65输出的信号变为控制信号，控制信号代表的参数也变为包括所要驱动的加热器位置，加热时长等参数的数字化电压信号，通过解析模块70分析、识别后将其中的控制信号转化为驱动信号输出。通过解析模块70的设置可以只用一个或少数几个光电组件中的光耦传输控制信号，实现对大量加热模块的独立控制。解析模块70可以集成在得到外部导电材料壳体屏蔽的控制器62中，这样可以实现解析模块70的射频电场屏蔽和供电，也可以设置在导电基座或者静电夹盘40中，但是需要相应的增加独立的低压供电和滤波器以防止射频功率泄露。
本发明中的各个加热模块(如M41a、b)中的加热器也可以统一连接到接地端，另一端通过电子开关选择性的连接到加热电源，这样的电路结构也能实现本发明的目的。
本发明中的加热器与一个电子开关串联集成为一个加热器模块，每个模块的一端与外部的加热电流供应线/电流回线固定连接，另一端通过电子开关连接到加热电流回线或者电流供应线。至少一个实现电隔离的光电转换器64输出驱动信号到电子开关以驱动电子开关选择性的导通。通过这样的驱动电路结构设计，可以大幅减少等离子反应器中需要设置的滤波器，就能防止射频信号的泄露。另一方面，每个加热模块中的电子开关均可以独立控制，可以同时加热多个加热器，加热器驱动方式的操作范围更大，改善了多区温度控制中的灵活性。
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 (9)

1.一种等离子反应器，包括：
反应腔体，所述反应腔体围绕形成反应空间；
反应空间底部包括一个基座，用于支撑基片；
一射频电源输出射频功率到反应腔体内，以产生并维持等离子体，所述射频电源电连接到所述基座；
基座中包括一个电极和位于电极上方的静电夹盘，所述静电夹盘包括多层绝缘材料层，至少一层绝缘材料层中包括一加热器组，加热器组中包括多个加热模块，每个加热模块与上方基片的不同部位对应，
其中每个加热模块包括串联的一个加热器和一个电子开关，所述加热模块的一端连接到加热电源另一端连接到接地端；所述多个加热模块固定连接到所述加热电源或者接地端；
一加热控制器包括一接收端用于接收温度控制信号，还包括一驱动信号输出端连接到所述电子开关，用于输出所述电子开关的驱动信号；所述加热控制器中还包括至少一光电驱动电路，所述光电驱动电路包括处理器和光电组件，所述光电组件设置于所述电子开关和所述处理器之间，使得所述加热控制器的接收端与所述驱动信号输出端之间互相电隔离；
所述加热控制器位于所述基座和反应腔体的底壁之间，所述光电组件通过驱动线与所述电子开关连接。
2.如权利要求1所述的等离子反应器，其特征在于，所述接收端通过一光缆接收温度控制信号。
3.一种使用权利要求1所述的等离子反应器，其特征在于，所述光电驱动电路包括一光耦。
4.如权利要求1所述的等离子反应器，其特征在于，所述加热模块的数量大于100个。
5.如权利要求1所述的等离子反应器，其特征在于，所述电子开关包括一驱动端连接到所述加热控制器的驱动信号输出端，还包括第二端连接到所述加热器，第三端连接到加热电源或者接地端。
6.如权利要求1所述的等离子反应器，其特征在于，所述加热控制器中包括多个光电驱动电路，每个光电驱动电路的输出端连接到所述一个加热模块中的电子开关的驱动端，以控制所述电子开关的开通或关断。
7.如权利要求5所述的等离子反应器，其特征在于，还包括一解析模块，所述解析模块包括一接收端连接到所述光电驱动电路的输出端，还包括多个解析模块输出端，每个输出端连接到一个加热模块中的电子开关的驱动端，使得光电驱动电路输出的驱动信号经过解析后能够驱动多个加热模块中的电子开关。
8.如权利要求1所述的等离子反应器，其特征在于，所述加热电源通过一个滤波器连接到所述多个加热模块。
9.如权利要求1所述的等离子反应器，所述加热控制器设置在腔体内，且加热控制器外设置一导电屏蔽壳体，使得反应腔体内部的射频电场被屏蔽在导电屏蔽壳体外部。
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