CN111383894A - 一种等离子处理器以及静电夹盘加热方法 - Google Patents

一种等离子处理器以及静电夹盘加热方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种等离子处理器以及静电夹盘加热方法，反应腔内包括支撑基片的基座，射频电源连接并供应射频功率到基座，基座上包括静电夹盘和用于控制静电夹盘温度的加热系统，加热系统包括多个加热器分别用于控制静电夹盘不同区域的温度，加热系统包含：多区加热器，其包含若干个加热器；加热器驱动器，用于驱动多个加热器；控制加热器驱动器以实现控制多区加热器的功率输出进行加热的控制器，与加热器驱动器连接；控制器与主机通信连接，获取主机的指令或反馈指令给主机，实现对加热系统的控制。本发明可减少不必要的射频滤波器，便于配置设计，结构简单，小尺寸可以在满足功能的基础上，还能减轻了设计上对空间的需求。

Description

一种等离子处理器以及静电夹盘加热方法
技术领域
本发明涉及等离子刻蚀领域，特别涉及一种等离子处理器以及静电夹盘加热方法。
背景技术
现有技术中，在等离子体刻蚀或化学气相沉积等工艺过程中，常采用静电夹盘(Electro Static Chuck，简称ESC)来固定、支撑及传送基片(Wafer)等待加工件。静电夹盘设置于反应腔室中，通过对静电夹盘来加热基片，促成基片与反应腔室中的等离子体进行反应，从而实现对基片的加工制造。
静电夹盘的加热区域不止一个，需要通过设置多区加热器对静电夹盘的多个加热区域分别进行加热。由于对多区加热器进行控制的元器件(例如SCR电力调整器和SSR固态继电器等)尺寸较大，在有限的空间内无法直接放置在多区加热器的下方，即射频滤波组件和加热器控制单元只能在偏远位置，此时其与多区加热器并非处于同电位状态，所以需要给每个加热器添加RF滤波器(射频滤波器)，保证正常工作，如图1所示。
由于射频滤波组件和加热器控制单元在偏远位置，各个加热器和加热器控制单元之间均连接有射频滤波器，使得射频功率会在此长距离路径中损耗，这可能导致刻蚀速率降低以及存在其他潜在的射频泄漏风险。
基于上述原因，需要研发一种结构简单、节省空间、简化滤波结构的基于多区加热器的加热系统实为必要。
发明内容
本发明的目的是提供一种等离子处理器以及静电夹盘加热方法，加热器驱动器与MCU(控制器)采用集成结构以及将MCU和主机之间采用不需要射频滤波的光纤通信或无线蓝牙通信方式，将加热器驱动器与MCU直接放置在多区加热器下方，使得加热器驱动器与MCU同多区加热器基本处于同电位状态，减少不必要的射频滤波器，便于配置设计，结构简单，还可以在满足功能的基础上减轻设计上对空间的需求。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种等离子处理器，所述等离子处理器包括一反应腔，反应腔内包括一个用于支撑基片的基座，一个射频电源连接并供应射频功率到所述基座，所述基座上包括一静电夹盘和用于控制静电夹盘温度的一加热系统，所述加热系统包括多个加热器分别用于控制静电夹盘不同区域的温度，所述加热系统还包括：
加热器驱动控制器，其与所述多个加热器连接，用于驱动所述多个加热器，所述加热器驱动控制器位于所述多个加热器下方的射频辐射环境中；
位于反应腔外大气环境中的加热电源，其与所述加热器驱动控制器之间通过一根功率供应线和一根功率回线实现电连接，为所述加热器驱动控制器和所述多个加热器进行供电，所述功率供应线和所述功率回线上还串联有一个射频滤波器，使得所述加热电源经过所述射频滤波器连接到所述加热器驱动控制器；
所述加热器驱动控制器中包括至少一个控制器和至少一个加热器驱动器，通过控制所述加热器驱动器输出到所述多个加热器的驱动信号来对所述多个加热器的功率输出进行控制。
优选地，所述等离子处理器还包括一个主机，用于存储并执行等离子处理工艺；所述控制器通过与所述主机通信连接，获取所述主机的控制指令，将所述控制指令转换成驱动信号发送至所述加热器驱动器，用以驱动所述多个加热器；或者，所述控制器将所述多个加热器接收到的静电夹盘温度经过所述加热器驱动器反馈给所述主机，实现对所述加热系统的控制。
优选地，所述控制器与所述主机之间的通信方式为光缆通信或无线蓝牙通信。
优选地，所述加热器驱动器中包括光耦或者蓝牙信号发射装置或者半导体开关，用于驱动所述多个加热器。
优选地，所述加热器驱动器和所述控制器集成在一个印刷电路板上，或者，所述加热器驱动器和所述控制器分开放置。
优选地，每个所述加热器的两端对应连接到所述加热器驱动器中的一组输出端口。
优选地，每个所述加热器中包括一加热电阻丝。
优选地，所述加热电源为直流电源或交流电源。
优选地，所述等离子处理器为电容耦合等离子处理器或电感耦合等离子处理器。
本发明还提供了一种如上文所述的等离子处理器内静电夹盘的加热控制方法，该方法包含以下过程：
将加热电源设置在反应腔外大气环境中以及将加热器驱动控制器设置在反应腔内的射频辐射环境中；
所述加热电源与所述加热器驱动控制器之间通过一根功率供应线和一根功率回线实现电连接，为所述加热器驱动控制器和反应腔内的多个加热器进行供电；
在所述功率供应线和所述功率回线上串联有一个射频滤波器；
将所述加热器驱动控制器设置有至少一个控制器和至少一个加热器驱动器，通过控制所述加热器驱动器输出到所述多个加热器的驱动信号来对所述多个加热器的功率输出进行控制，控制静电夹盘不同区域的温度。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明的多区加热器可以由光驱动器、蓝牙驱动器、其他半导体驱动器进行驱动实现功率输出进行加热；本发明的加热器驱动器与MCU可集成在小尺寸的PCBA上或者分开设置，加热器驱动器与MCU直接置于多区加热器下方，节省射频滤波器的数目，减少不必要的射频滤波器，避免多个滤波器的存在大幅增加成本以及大量占用反应腔有限的空间，本发明结构简单，小尺寸可以在满足功能的基础上，还能减轻了设计上对空间的需求，特别是位于静电夹盘下方，大尺寸无法实现结构设计；本发明由于大幅减少了滤波器数量，所以也降低了射频功率泄露量和其他潜在的射频泄漏风险；本发明的MCU与主机之间的通信方式为不需要射频滤波的光纤通信或无线蓝牙通信。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图进行简单介绍，显而易见的，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中的多区加热系统控制示意图；
图2为本发明的等离子处理器示意图；
图3为本发明的多区加热系统示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，显然，所描述的实施例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他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”、“具有”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。
图2所示为本发明的一种等离子处理器的结构示意图，等离子处理器包括真空反应腔100，真空反应腔包括由金属材料制成的大致为圆柱形的反应腔侧壁。反应腔侧壁上方设置一气体喷淋装置150，气体喷淋装置与气体供应装置160相连。气体供应装置160中的反应气体经过气体喷淋装置150进入真空反应腔100。
真空反应腔100的下方设置一支撑静电夹盘115的基座110，静电夹盘115上用于放置待处理基片120。真空反应腔100的侧壁上设有传片门，即该传片门为反应腔一侧侧壁上的开口，用于将晶圆在反应腔内外之间传输。本发明的静电夹盘115包含下极板，气体喷淋装置150还作为上极板，两者之间的距离为极板间距。
射频功率源145的射频功率施加到基座110，在真空反应腔100内产生将反应气体解离为等离子体的电场，等离子体中含有大量的电子、离子、激发态的原子、分子和自由基等活性粒子，上述活性粒子可以和待处理基片的表面发生多种物理和化学反应，使得基片表面的形貌发生改变，即完成刻蚀过程。真空反应腔100的下方还设置一排气泵125，用于将反应副产物排出真空反应腔100。
反应腔内设置有基于多区加热器121的加热系统，该多区加热器121位于静电夹盘115和基座110之间，用于控制静电夹盘不同区域的温度，促成静电夹盘115上的基片120与反应腔室中的等离子体进行反应，从而实现对基片120的加工制造。
如图2和图3结合所示，本发明的加热系统包含多区加热器121、加热器驱动控制器和加热电源。多区加热器121包含多个加热器，如图3中的加热器1、加热器2、加热器3、加热器4等等，分别用于控制静电夹盘115的不同区域的温度。加热器驱动控制器中包括至少一个MCU(也称控制器)和至少一个加热器驱动器。
加热器驱动控制器与多个加热器连接，用于驱动多个加热器。每个多个加热器均包括一加热电阻丝，且每个加热器的两端对应连接到加热器驱动器中的一组输出端口。加热器驱动器中包括光耦或者蓝牙信号发射装置或者半导体开关，用于驱动多个加热器。MCU与加热器驱动器连接，通过控制加热器驱动器输出到多个加热器的驱动信号来对多个加热器的功率输出进行控制，以实现对静电夹盘的不同区域进行升温或降温操作。
反应腔体内部均受到射频功率的辐射，任何从射频辐射区连出的导线均需要通过滤波器才能将射频功率阻挡在反应腔体内，防止射频功率泄露。其中，加热器驱动控制器位于反应腔内射频辐射环境中，加热电源位于反应腔外大气环境中。本发明的加热器需要通过导电线路向反应腔内的加热系统供电，所以位于反应腔外大气环境中的加热电源通过导线和串联在导线上的射频滤波器进入反应腔内。
本发明的等离子处理装置中还包括一个主机，用于存储处理工艺的参数如温度、频率、功率、气体成分流量，执行时间等，也用于执行等离子处理工艺执行，也可以检测上述各种参数。具体地，MCU与主机通信连接，MCU获取主机的控制指令，并将该控制指令转换成驱动信号发送给加热器驱动器，使得加热器驱动器对应地驱动多个加热器对静电夹盘进行加热工作，MCU还可以将多个加热器接收到的静电夹盘温度通过加热器驱动器反馈给主机，实现对加热系统的控制。
本发明的MCU与主机之间的通信方式为不需要射频滤波的光纤通信或无线蓝牙通信。
与现有技术不同，本发明的加热器驱动器可以是光驱动器、蓝牙驱动器、半导体驱动器中的任意一种，该加热器驱动器可与MCU集成在一种小尺寸的PCBA(印刷电路板)上，或者该加热器驱动器也可以与MCU分开放置，可以满足空间要求，所以，加热器驱动器和MCU可以直接放置在多区加热器下方，此时加热器驱动器与MCU同多区加热器处于同电位状态，节省射频滤波器的数目，便于配置设计。而现有技术中的尺寸相对较大的加热器控制单元不能直接放置在多区加热器下方，无法带来本发明的上述技术效果。
如图3所示，加热电源与加热器驱动控制器之间通过一根功率供应线和一根功率回线实现电连接，为加热器驱动控制器和多个加热器进行供电。功率供应线和功率回线上串联有一个射频滤波器，使得加热电源经过该射频滤波器连接到位于反应腔内射频辐射环境中的加热器驱动控制器。本发明减小少了射频滤波器数量，避免多个滤波器的存在大幅增加成本以及大量占用反应腔有限的空间；由于大幅减少了滤波器数量，所以也降低了射频功率泄露量和其他潜在的射频泄漏风险。
本发明中的加热电源除了是直流电源也可以是交流电源，只要加热器驱动器中的驱动开关支持交流驱动就能实现本发明目的，比如晶闸管(thyristor)。
本发明的多区加热器的若干个加热器分对应地对静电夹盘的不同区域进行升温或降温，不同加热区域的加热器相互独立，从而实现不同加热区域温度的独立控制。加热器驱动器和MCU可以控制静电夹盘不同区域的温度，实现调节静电夹盘温度均匀的作用。
作为本发明的一个实施例，当静电夹盘的A加热区域与相邻的B加热区域的温度差别较大时，例如A加热区域的温度低于其相邻的B加热区域的温度时，主机可以接收MCU向其发送的多区加热器所接收的A加热区域和B加热区域的静电夹盘温度，主机再根据该反馈结果，向MCU发送对A加热区域进行升温的指令，MCU将该升温指令转换成升温驱动信号发送至A加热区域对应的加热器1，使得加热器1对静电夹盘进行升温加热，直至A加热区域的静电夹盘温度与B加热区域的静电夹盘温度相等或近似相等。
作为本发明的另一个实施例，当静电夹盘的某一加热区域与相邻的加热区域的温度差别较大时，例如该加热区域的温度高于其相邻的加热区域的温度时，主机可以接收MCU向其发送的多区加热器所接收的A加热区域和B加热区域的静电夹盘温度，主机再根据该反馈结果，向MCU发送对A加热区域进行降温的指令，MCU将该降温指令转换成降温驱动信号发送至A加热区域对应的加热器1，使得加热器1对静电夹盘进行降温，直至A加热区域的静电夹盘温度与B加热区域的静电夹盘温度相等或近似相等。
本发明的多区加热器可以是光驱动器、蓝牙驱动器、其他半导体驱动器中任意一种，加热器驱动器与MCU可以集成在小尺寸的PCBA或者分开，加热器驱动器与MCU直接置于多区加热器下方，可以节省射频滤波器的数目，减小不必要的射频滤波器，便于配置设计，结构简单，且小尺寸可以在满足功能的基础上，还能减轻了设计上对空间的需求，特别是位于静电夹盘下方，大尺寸无法实现结构设计，本发明的MCU与主机之间的通信方式还可以是不需要射频滤波的光纤通信或无线蓝牙通信。
本发明中的多区加热系统除了可以用于电容耦合等离子处理器，也可以用于电感耦合(ICP)等离子处理器。
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 (10)

1.一种等离子处理器，所述等离子处理器包括一反应腔，反应腔内包括一个用于支撑基片的基座，一个射频电源连接并供应射频功率到所述基座，所述基座上包括一静电夹盘和用于控制静电夹盘温度的一加热系统，所述加热系统包括多个加热器分别用于控制静电夹盘不同区域的温度，其特征在于，所述加热系统还包括：
加热器驱动控制器，其与所述多个加热器连接，用于驱动所述多个加热器，所述加热器驱动控制器位于所述多个加热器下方的射频辐射环境中；
位于反应腔外大气环境中的加热电源，其与所述加热器驱动控制器之间通过一根功率供应线和一根功率回线实现电连接，为所述加热器驱动控制器和所述多个加热器进行供电，所述功率供应线和所述功率回线上还串联有一个射频滤波器，使得所述加热电源经过所述射频滤波器连接到所述加热器驱动控制器；
所述加热器驱动控制器中包括至少一个控制器和至少一个加热器驱动器，通过控制所述加热器驱动器输出到所述多个加热器的驱动信号来对所述多个加热器的功率输出进行控制。
2.如权利要求1所述的等离子处理器，其特征在于，
所述等离子处理器还包括一个主机，用于存储并执行等离子处理工艺；
所述控制器通过与所述主机通信连接，获取所述主机的控制指令，将所述控制指令转换成驱动信号发送至所述加热器驱动器，用以驱动所述多个加热器；或者，所述控制器将所述多个加热器接收到的静电夹盘温度经过所述加热器驱动器反馈给所述主机，实现对所述加热系统的控制。
3.如权利要求2所述的等离子处理器，其特征在于，
所述控制器与所述主机之间的通信方式为光缆通信或无线蓝牙通信。
4.如权利要求1所述的等离子处理器，其特征在于，
所述加热器驱动器中包括光耦或者蓝牙信号发射装置或者半导体开关，用于驱动所述多个加热器。
5.如权利要求1所述的等离子处理器，其特征在于，
所述加热器驱动器和所述控制器集成在一个印刷电路板上，或者，所述加热器驱动器和所述控制器分开放置。
6.如权利要求1所述的等离子处理器，其特征在于，
每个所述加热器的两端对应连接到所述加热器驱动器中的一组输出端口。
7.如权利要求1所述的等离子处理器，其特征在于，
每个所述加热器中包括一加热电阻丝。
8.如权利要求1所述的等离子处理器，其特征在于，
所述加热电源为直流电源或交流电源。
9.如权利要求1所述的等离子处理器，其特征在于，
所述等离子处理器为电容耦合等离子处理器或电感耦合等离子处理器。
10.一种如权利要求1-9任意一项所述的等离子处理器内静电夹盘的加热控制方法，其特征在于，该方法包含以下过程：
将加热电源设置在反应腔外大气环境中以及将加热器驱动控制器设置在反应腔内的射频辐射环境中；
所述加热电源与所述加热器驱动控制器之间通过一根功率供应线和一根功率回线实现电连接，为所述加热器驱动控制器和反应腔内的多个加热器进行供电；
在所述功率供应线和所述功率回线上串联有一个射频滤波器；
将所述加热器驱动控制器设置有至少一个控制器和至少一个加热器驱动器，通过控制所述加热器驱动器输出到所述多个加热器的驱动信号来对所述多个加热器的功率输出进行控制，控制静电夹盘不同区域的温度。
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