CN111238669A - 用于半导体射频处理装置的温度测量方法 - Google Patents

用于半导体射频处理装置的温度测量方法 Download PDF

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Abstract

用于半导体射频处理装置的温度测量方法，包含：由电极产生一射频讯号序列，该射频讯号序列包含复数个不连续射频讯号，其中，任一射频讯号与其下一个射频讯号相隔一时间区间；及由温度传感器，于该时间区间期间，产生一温度感测讯号。

Description

用于半导体射频处理装置的温度测量方法
技术领域
本发明是关于一种半导体射频处理装置，尤其是一种用于半导体射频处理装置的温度测量方法。更具体而言是关于晶圆加热盘的温度测量方法。
背景技术
用于晶圆处理的等离子体处理设备包含有射频(Radio Frequency，RF)控制电路。射频控制电路经配置而提供射频讯号并传送给等离子体处理设备中的电极，藉以在一处理腔室中的一处理区域产生电场。反应气体经由电场的施加而离子化并与待处理的晶圆发生反应，像是蚀刻或沉积。一般而言，RF控制电路包含RF讯号产生器及阻抗匹配电路，其中阻抗匹配电路具有电阻组件、电容组件、电感组件或这些的组合。阻抗匹配电路经适当配置以使RF讯号源的阻抗与负载的阻抗匹配。阻抗匹配电路接收RF讯号产生器的RF讯号并通过电路调变而成为供应至等离子体处理设备的RF讯号。
此外，现有技术可将电极与加热圈整合至晶圆加热盘，藉此使晶圆加热盘作为RF讯号发送或接收端。例如，利用已知的陶瓷片堆栈技术制作加热盘的主结构，并将电极、加热线圈及导电组件密封于其中。为了区域调控的需求，所述电极和加热线圈可分别配置在盘体中的不同区域。在某些可能的应用中，电极与加热线圈的功能可由相同的单一线圈所实现。欲实现晶圆温度控制，加热盘通常包含埋设于其中的至少一个温度传感器，用于感测所在盘体区域的温度。所述温度传感器可由已知的电阻温度传感器(ResistanceTemperature Detector，RTD)实现。然而，在实务操作中，在等离子处理设备的射频讯号为开启的状态下，加热盘的温度传感器无法确实反应出真实的盘体温度，导致温度控制的效果不如预期。此原因在于相较于射频讯号的强度，温度传感器所处理的小电流讯号容易受到射频讯号的干扰而产生噪声，从而影响判断结果。
因此，有必要发展一种针对半导体射频处理装置的温度测量方法，使等离子处理及温度量测可同时兼顾。
发明内容
本发明目的在于提供一种用于半导体射频处理装置的温度测量方法，其中，该射频处理装置具有用于产生等离子的一对电极及用于支撑晶圆的一加热盘，该加热盘具有至少一温度传感器及至少一加热线圈，该方法包含：由该对电极，产生一射频讯号序列，该射频讯号序列包含复数个不连续射频讯号，其中任一射频讯号与其下一个射频讯号相隔一时间区间；及由该至少一温度传感器，于该时间区间期间，产生一温度感测讯号。
在一具体实施例中，该时间区间由一时间常数决定，该时间常数与该加热盘的一表面及该至少一加热线圈之间的一热阻值有关。
在一具体实施例中，该时间区间由一时间常数决定，该时间常数与该加热盘的一表面及该至少一加热线圈之间的一热容量值有关。
在一具体实施例中，其中该时间区间小于该时间常数的十分之一。
附图说明
下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1为本发明半导体射频处理装置的一实施例(射频控制电路耦接至上电极)的结构示意图；
图2为本发明半导体射频处理装置的另一实施例(射频控制电路耦接至下电极)的结构示意图；
图3为本发明半导体射频处理装置的电路图；
图4为基于本发明温度测量方法的射频讯号序列；
图5为加热盘中的一热阻及一热容量的示意图。
图中，100、壳体；102、侧壁；104、顶部；106、底部；120、射频讯号产生器；122、匹配器；140、上电极；160、加热盘；300、喷淋组件；320、晶圆支撑座；321、射频产生器；322、匹配盒；323、开关；324、电极；325、加热线圈；326、电力盒；327、低通滤波器；328、温度传感器；329、电阻温度传感器；400、射频讯号；500、加热盘；501、顶面；502、热线圈及/或温度传感器；RF、射频；t、时间区间；T、时间轴。
具体实施方式
在以下多个具体实施例中结合附图对本发明进行了详细叙述。提供足够的细节以使本领域技术人员能够实现所述具体实施例，但应了解到在不背离其精神或范围下，也可以使用其他具体实施例，并可以进行其他改变。此外，虽然可以如此，但对于「一具体实施例」的参照并不用于限制该相同或单数的具体实施例。因此，以下详细叙述并不具有限制的想法，而该等叙述具体实施例的范围仅由权利要求书的范围所定义。
图1至图2分别显示半导体射频处理装置的两个实施例示意图。在这两种型态中，所述射频处理装置包含一壳体100，该壳体100形成一腔室以容置用于各种处理的装置及部件。该壳体100具有一侧壁102、一顶部104及一底部106。一般而言，侧壁102可与一排气系统连接(未显示)，所述排气系统经配置以控制腔室的压力；顶部104可与一气体供应系统连接(未显示)，该气体供应系统系配置以提供反应气体至腔室中；底部106可与一驱动马达(未显示)及支撑部件(未显示)连接，所述驱动马达及支撑部件系配置以支撑送入腔室的晶圆。壳体100的全部或至少一部分为导体。
本发明射频处理装置包含一射频控制装置。如图所示，所述射频控制装置包含一射频(RF)讯号产生器120及一匹配器122。该RF讯号产生器120的一输出端电性耦接至该匹配器122的一输入端。匹配器122的一输出端电性耦接至壳体100中的一电极。如图1所示，壳体100中提供有一上电极140靠近顶部104，匹配器122电性耦接至上电极140。例如，匹配器122可经由导线穿越壳体100并耦接至上电极140。该上电极140可包含于一喷淋组件。如图2所示，壳体100中还提供有一晶原支撑座或加热盘160靠近底部106，一下电极(未显示在该图)包含于该加热盘160，匹配器122电性耦接至所述下电极。
RF讯号产生器120经配置而产生一或多个RF讯号。在一实施例中，RF讯号产生器120可包含一或多个RF讯号产生单元，其中多个RF讯号产生单元的每一者的工作频率不同于另一者。在已知的技术中，RF讯号产生器120可以为至少一低频RF讯号产生单元及至少一高频RF讯号产生单元所实施。
匹配器122经配置以达到RF讯号产生器120及负载端(壳体中的各种阻抗)的阻抗匹配。一般而言，匹配器122包含一阻抗匹配电路。在已知的技术中，可经由一控制手段控制阻抗匹配电路的可变电抗(reactance)来达成所述阻抗匹配目的。阻抗匹配电路接收RF讯号产生器120的一或多个RF讯号并整合成适用于等离子处理的一RF讯号提供至壳体100中的上电极或下电极。
在一实施例中，所述射频控制装置还电性耦接至壳体100。在图1的配置中，当匹配器122与上电极140耦接，支撑座160的下电极是经由提供在底部106附近的连接器(未显示)与壳体100电性耦接。在图2的配置中，匹配器122与支撑座160的下电极耦接，上电极140是经由提供在顶部104附近的连接器(未显示)与壳体100电性耦接。
承上述，供应的RF讯号可在腔室的上下电极之间的一处理区形成特定的电场(如图中上下电极间所绘示的虚线箭头)，该区域中的反应气体可藉此被离子化而应用于各种处理，像是蚀刻或沉积。贯穿上/下电极的RF讯号可经由沿着壳体100的一返回路径(如图中由壳体内延伸至壳体外的虚线箭头)而返回匹配器122。如图1，当RF电压施加在上电极140，则下电极可配置为接地或给予一参考电压。相反地，当RF电压施加在下电极，则上电极可配置为接地或给予一参考电压。因此，图1和图2所显示的电场方向相反。
图3显示本发明射频处理装置的一方块示意图，包含一喷淋组件300及一晶圆支撑座320，且分别作为上电极和下电极使用。此处的射频控制装置电连接至晶圆支撑座320的下电极，而喷淋组件300的上电极接地。当然在其他实施例中，前述配置也可以是反向的。射频控制装置包含一射频产生器321、一匹配盒322及连接两者的一开关323。该匹配盒322经导线连接至晶圆支撑座320加热盘的下电极324，其材质可为钨。该开关323可由一数字逻辑实现，藉此选择性启闭射频讯号。该开关323可经配置以周期性地开启关闭以产生一连串射频讯号，即包含复数个射频讯号的射频讯号序列。
晶圆支撑座320的加热盘具有至少一加热线圈325或称加热电路图案。一电力盒326经由一低通滤波器327与加热线圈325电连接以供应使加热线圈325发热的电力讯号。一般而言，加热线圈325在加热盘中是低于电极324，且由钨材质形成特定的线圈图案。在一些实施例中，可以配置成位于加热盘的多个独立区域的加热线圈，用于区域温度控制的需求。若是如此，每个加热线圈则可连接各自的电力供应源。
晶圆支撑座320的加热盘还具有至少一温度传感器328，配置于加热盘中的适当位置且面积小于加热线圈325。例如，温度传感器328可配置于加热盘中的下电极324和加热线圈325之间及/或加热线圈325之下，并位于各加热区域。所述温度传感器328为电阻式线圈并具有适当的线宽及长度，其经由多个开关(未标号)电连接至一电阻温度传感器(Resistance Temperature Detector，RTD)329。所述RTD329藉由温度对于电阻的关系而解析出温度传感器328所量测的盘体温度。对应不同加热区域的温度传感器328连接至各自的RTD，温度传感器328的材质可为铂、铜、镍及钨的其中一者，其中钨为较佳。一控制器(图中未示)则基于由RTD329读出的温度数值控制电力盒326的电力讯号以控制加热线圈325的温度。
承前述，在射频产生期间，RTD329无法精确解读出温度传感器328所量测的温度数值。本发明于射频控制装置的射频产生器321和匹配盒322之间配置开关323藉以周期性地产生射频讯号，即射频讯号序列。
图4显示前述射频讯号序列，沿着时间轴T包含多个不连续的射频讯号400，每一射频讯号与其下一个及上一个射频讯号均相隔一时间区间t。在该时间区间t中射频讯号数值为零，代表电极之间没有电场产生，即该开关323为不导通状态。除了该时间区间t以外的区域，射频讯号数值不为零，代表电极间有电场产生，即该开关323为导通状态。RTD329配置成于该时间区间t接收来自温度传感器328的感测讯号。因此，在时间区间t的RTD获得的数值不为零，意即RTD329于射频讯号消失的空档进行温度测量。据此，温度传感器328将温度转换为讯号的过程不会受到射频讯号或电场的干扰，使等离子处理和温度调控可在一处理程序中并存且不相互影响。
图5显示本发明加热盘的示意图，加热盘500具有一顶面501，其也是晶圆的承载面。值得注意的是，加热盘500的加热线圈及/或温度传感器502与加热盘500的一表面之间存在热传导和累积的现象。如图所表示，加热线圈及/或温度传感器502与盘体顶面501具有热阻和热容量，即加热线圈及/或温度传感器502与盘体顶面501之间具有一热阻503及一热容量504，其相应的热阻值R(heat resistance)及/或热容量值C(heat capacitance)决定一时间常数τ，即τ＝R╳C。所述热阻值R和热容量值C为经由测量所获得。举例但非限制，完成加热盘500的安装后，给予一步阶函数信号进行加热并测量加热盘500的温度响应，接着分析并计算所获得的温度响应数据以决定所述热阻值R和热容量值C。
射频讯号序列中的每一时间区间t由所述时间常数τ决定。在一实施例中，时间区间t等于或小于该时间常数τ。在另一实施例中，时间区间t小于该时间常数τ的十分之一。藉此，可确保RTD329获得精确的温度数值。
综上所述，本发明提供的半导体射频处理装置的温度测量方法，利用一开关的启闭操作产生多个不连续的射频讯号，接着利用这些射频讯号之间的空档迅速地感测加热盘的温度，以获得相对精确的测量结果。
上面结合附图对本发明的实施方式做了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，均在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.用于半导体射频处理装置的温度测量方法，其中，该射频处理装置具有用于产生等离子的一对电极及用于支撑晶圆的一加热盘，该加热盘具有至少一温度传感器及至少一加热线圈，其特征在于，该方法包含：
由该对电极，产生一射频讯号序列，该射频讯号序列包含复数个不连续射频讯号，其中任一射频讯号与其下一个射频讯号相隔一时间区间；及
由该至少一温度传感器，于该时间区间的期间，产生一温度感测讯号。
2.按照权利要求1所述的用于半导体射频处理装置的温度测量方法，其特征在于：该时间区间由一时间常数决定，该时间常数与该加热盘的一表面及该至少一加热线圈之间的一热阻值有关。
3.按照权利要求1所述的用于半导体射频处理装置的温度测量方法，其特征在于：该时间区间由一时间常数决定，该时间常数与该加热盘的一表面及该至少一加热线圈之间的一热容量值有关。
4.按照权利要求2或3所述的用于半导体射频处理装置的温度测量方法，其特征在于：该时间区间小于该时间常数的十分之一。
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