CN111261483A - 一种耦合窗加热装置及具有其的电感耦合等离子处理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种耦合窗加热装置及具有其的电感耦合等离子处理装置。耦合窗加热装置紧密贴合于耦合窗的上表面，包括：加热丝，加热丝外包覆有铜板，加热丝和铜板之间设置有第一绝缘层，耦合窗加热装置整体在一个平面内呈等螺距的螺旋状排布，加热丝的两端与加热电源的正负极相连接，铜板的两端与射频电源的正负极相连接。本发明的耦合窗加热装置，在为耦合窗提供均匀加热的同时，还能够起到增强感应线圈高频磁场的作用。

Description

一种耦合窗加热装置及具有其的电感耦合等离子处理装置
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种耦合窗加热装置及具有其的电感耦合等离子处理装置。
背景技术
近年来，随着半导体设备及其制造工艺的发展，对元件的集成度和性能要求越来越高，等离子工艺被广泛应用于半导体器件的制造中。其中主要的等离子处理装置包括电容耦合型(CCP)和电感耦合型(ICP)两种，其中电感耦合型的等离子处理装置具有等离子浓度高，刻蚀速率快等优点。
电感耦合型等离子处理装置通常包括一个反应腔室，反应腔室内部的下方设置有用于放置待加工基片的基座。反应腔室顶部为一耦合窗，由于耦合窗内不同区域间的温度差异会影响反应腔室内反应进行速度的均一性，温度梯度太大时甚至会造成耦合窗的开裂破损，因而耦合窗的上表面设置有加热部件，其通常为电热线圈，以对耦合窗的温度进行控制。电热线圈通过导线连接到一个加热电源(其既可为交变电源，也可为直流电源)。电热线圈上方设置有感应线圈，感应线圈通过一个匹配网络连接到高频射频电源(如13MHz)，感应线圈在被施加高频射频功率后产生一个高频电磁场，由于耦合窗为电绝缘材料制成，这个高频电磁场向下穿过电热线圈和耦合窗进反应腔室内部，激励反应腔室内的反应气体产生并维持需要的等离子体，对基片进行工艺处理。
然而，电热线圈成闭合回路以实现对耦合窗加热时，其在感应线圈所产生的高频电磁场作用下，会感应产生一个与感应线圈高频电磁场反向的电磁场。该反向电磁场作用至反应腔室内部时，会抵消一部分感应线圈所产生的高频电磁场的作用(相当于抵消了一部分感应线圈解离等离子体的能量)，从而降低了等离子体密度。
发明内容
为了解决上述问题，本发明公开一种耦合窗加热装置及具有其的电感耦合等离子处理装置。此耦合窗加热装置不仅不会感应产生一个和感应线圈高频电磁场反向的电磁场，反而会产生与高频电磁场同向的电磁场，也即对高频电磁场不削弱反而有一定的增强。
本发明的耦合窗加热装置，紧密贴合于耦合窗的上表面，包括：加热丝，所述加热丝外包覆有铜板，所述加热丝和所述铜板之间设置有第一绝缘层，所述耦合窗加热装置整体在一个平面内呈等螺距的螺旋状排布，所述加热丝的两端与加热电源的正负极相连接，所述铜板的两端与射频电源的正负极相连接。
本发明的耦合窗加热装置中，优选为，所述耦合窗加热装置的螺旋中心与所述耦合窗的中心重合。
本发明的耦合窗加热装置中，优选为，所述加热丝在铜板中以相同螺距均匀分布。
本发明的耦合窗加热装置中，优选为，处于螺旋中心的加热丝的一端通过引线从上方向外引出，所述引线外包覆有铜板，所述引线和所述铜板之间设置有第一绝缘层。
本发明的耦合窗加热装置中，优选为，所述引线与以螺旋状方式排布的加热丝间存在交叉点，所述引线与所述加热丝采用不同的材料，所述引线的导电率比所述加热丝的导电率更高。
本发明的耦合窗加热装置中，优选为，所述引线的材质为铜。
本发明的耦合窗加热装置中，优选为，所述引线悬置在耦合窗上方。
本发明的耦合窗加热装置中，优选为，所述引线与以螺旋状方式排布的的加热丝的上表面的距离大于5mm。
本发明的耦合窗加热装置中，优选为，所述引线与以螺旋状方式排布的加热丝之间设置有第二绝缘层。
本发明还公开一种电感耦合等离子处理装置，包括反应腔室，耦合窗，感应线圈和基座，还包括耦合窗加热装置，紧密贴合于耦合窗的上表面，加热丝的两端与加热电源的正负极相连接，铜板的两端与射频电源的正负极相连接。
附图说明
图1是本发明的耦合窗加热装置的结构示意图。
图2是本发明的耦合窗加热装置的俯视图。
图3是本发明的耦合窗加热装置的截面图。
图4是电感耦合型等离子处理装置的结构示意图。
图5是本发明的耦合窗加热装置沿A-A剖开的剖视图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“垂直”“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。除非在下文中特别指出，器件中的各个部分可以由本领域的技术人员公知的材料构成，或者可以采用将来开发的具有类似功能的材料。
图1是本发明的耦合窗加热装置的结构示意图。图2是本发明的耦合窗加热装置的俯视图。图3是耦合窗加热装置的截面图。如图1～图3所示，本发明的耦合窗加热装置3由加热丝31、铜板32和第一绝缘层33组成，其中，加热丝31外包覆有铜板32，在加热丝31和铜板32之间设置有第一绝缘层33。加热丝31通常采用镍镉合金或者钨合金，第一绝缘层材料例如是氮化铝陶瓷。耦合窗加热装置整体在一个平面内呈等螺距的螺旋状排布，也即包覆有绝缘层33和铜板32的加热丝31呈等螺距的螺旋状排布。图4中示出了电感耦合型等离子处理装置的结构示意图。感应耦合型等离子处理装置包括反应腔室1，反应腔室1内部的下方设置有用于放置待加工基片的基座5。反应腔室1顶部为耦合窗2，由于其为电绝缘材料制成，因而上方的电磁场可透过其进入反应腔室1，以激发反应腔室1内的反应气体解离生成等离子体，进行工艺处理。由于耦合窗2内不同区域间的温度差异会影响反应腔室1内反应进行速度的均一性，温度梯度太大时甚至会造成耦合窗2的开裂破损。耦合窗加热装置3紧密贴合于耦合窗2的上表面。耦合窗加热装置3的加热丝31的两端L1′,L2′与加热电源的正负极相连接，铜板32的两端L1,L2与射频电源的正负极相连接。加热装置3上方设置有至少一个感应线圈4，感应线圈4接到高频射频电源。感应线圈4在被施加高频射频功率后产生一个高频电磁场，这个高频电磁场向下穿过加热装置3和耦合窗2进入反应腔室1内部，激励反应腔室1内的反应气体产生并维持需要的等离子体。
耦合窗加热装置3的铜板32具有优良的导热性，因此，加热丝31产生的热量可以顺利的传导到耦合窗2的上表面，此结构设计保证了加热的效率。此外，由于加热丝31被铜板32所包覆并且两者之间有第一绝缘层33隔绝，因此，当射频触发时，虽然加热丝31中有电流，但是由于铜板32的存在，加热丝31不会在感应线圈4产生的高频电磁场作用下，感应产生一个与感应线圈4高频电磁场反向的电磁场，也即加热丝31中的电流不会衰减感应线圈4的电磁场，从而达到了对耦合窗2加热的同时不削弱高频电磁场的目的。
在本发明的耦合窗加热装置的一种实施方式中，如图1和图2所示，包覆有绝缘层33和铜板32的加热丝31从外向内螺旋排布，加热丝31的末端位于螺旋中心区，通过引线6从上方由内向外引出。引线6与加热丝31具有相似的结构，引线6外包覆有铜板，引线6和铜板之间设置有第一绝缘层。耦合窗2上的温度会受加热丝排布密度的影响，单位区域内加热丝存在越多则产生的热量也越多。引线6与以螺旋线方式排布的加热丝31间存在多个交叉点。如果整个加热丝都是均匀发热的话，那么上述交点所在位置处的发热量将会是其它区域的两倍，这样就会产生热点，不利于耦合窗2的温度均匀分布。为避免这一问题，引线6与加热丝31采用不同的材料，使引线6的导电率比加热丝31的导电率更高。引线6的材料例如是铜。这样，引线6的电阻明显小于其它区域，其单位长度的发热量也明显小于其它区域，因而，交点位置处的发热量也与其它区域接近。此外，也可以将引线6悬置在耦合窗2上方。优选地，引线6距紧贴耦合窗2的以螺旋状排布的加热丝31的上表面的距离大于5mm。另外，还可以在引线6与以螺旋线方式排布的加热丝31间设置第二绝缘层7，如图5所示。第二绝缘层材料例如是聚醚酰亚胺(ULTEM-100)。
在本发明的耦合窗加热装置的一种优选实施方式中，耦合窗加热装置3的螺旋中心与耦合窗2的中心重合。由于耦合窗加热装置3的螺旋中心O与耦合窗2的中心O重合，并且耦合窗2的中心与其上部的感应线圈4的中心重合，即相当于加热装置3的螺旋中心与感应线圈4的中心重合。铜板的两端L1、L2接射频电源的正负极，当射频触发时，耦合窗加热装置3相当于一个感应线圈，其产生的磁场方向与耦合窗加热装置3上方的感应线圈4产生的磁场方向相同，增强了感应线圈解离等离子体的能量，从而起到增强高频电磁场作用。
为了进一步保证加热的均匀性，在本发明的的耦合窗加热装置的一种优选实施方式中，加热丝31在铜板32中间的布线方式如图1所示，可以看出加热丝31在铜板32中呈等螺距均匀分布，这样的结构设计保证了加热丝加热的均匀性，防止大温度梯度的出现导致耦合窗2破裂。
本发明将耦合窗加热装置结构设计为一种等螺距的螺旋排布方式，加热丝被铜板包裹且均匀的布置在铜板之间，加热丝和铜板分别与加热电源和射频电源相连接，当射频触发时，虽然加热丝有电流，但是因为其被一圈铜板包裹，所以不会削弱高频电磁场，相反，由于铜板又与射频电源连接形成一个小型电感线圈，不仅不会削弱感应线圈高频电磁场，反而会产生与高频电磁场同向的电磁场，起到增强作用。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种耦合窗加热装置，紧密贴合于耦合窗的上表面，其特征在于，
包括：加热丝，所述加热丝外包覆有铜板，所述加热丝和所述铜板之间设置有第一绝缘层，
所述耦合窗加热装置整体在一个平面内呈等螺距的螺旋状排布，所述加热丝的两端与加热电源的正负极相连接，所述铜板的两端与射频电源的正负极相连接。
2.根据权利要求1所述的耦合窗加热装置，其特征在于，
所述耦合窗加热装置的螺旋中心与所述耦合窗的中心重合。
3.根据权利要求1所述的耦合窗加热装置，其特征在于，
所述加热丝在铜板中以相同螺距均匀分布。
4.根据权利要求1所述的耦合窗加热装置，其特征在于，
处于螺旋中心的加热丝的一端通过引线从上方向外引出，所述引线外包覆有铜板，所述引线和所述铜板之间设置有第一绝缘层。
5.根据权利要求4所述的耦合窗加热装置，其特征在于，
所述引线与以螺旋状方式排布的加热丝间存在交叉点，所述引线与所述加热丝采用不同的材料，所述引线的导电率比所述加热丝的导电率更高。
6.根据权利要求5所述的耦合窗加热装置，其特征在于，
所述引线的材质为铜。
7.根据权利要求4所述的耦合窗加热装置，其特征在于，
所述引线悬置在所述耦合窗上方。
8.根据权利要求7所述的耦合窗加热装置，其特征在于，
所述引线与以螺旋状方式排布的的加热丝的上表面的距离大于5mm。
9.根据权利要求4所述的耦合窗加热装置，其特征在于，
所述引线与以螺旋状方式排布的加热丝之间设置有第二绝缘层。
10.一种电感耦合等离子处理装置，其特征在于，具有权利要求1～9中任一项所述的耦合窗加热装置。
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