CN112687583A - 半导体工艺设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种半导体工艺设备，包括顶部设有工艺窗的工艺腔室、控制装置、边缘测温件、第一测温件和第二测温件，其中，边缘测温件由工艺窗边缘的侧壁插入工艺窗内且靠近工艺窗的底面设置；工艺窗包括中心区域和环绕中心区域的边缘区域，第一测温件和第二测温件均设置在工艺窗上方，第一测温件与中心区域位置对应，第二测温件与边缘测温件的位置对应；控制装置用于根据边缘测温件、第一测温件和第二测温件的温度检测值确定工艺窗中心区域底面的温度。在本发明中，控制装置能够根据工艺窗的顶面与底面之间的温差以及工艺窗的中心区域顶面的温度得到工艺窗中心区域底面的实际温度，从而实现对工艺窗中心区域底面温度的精确监测及控制。
Description
技术领域
本发明涉及半导体工艺设备领域，具体地，涉及一种半导体工艺设备。
背景技术
半导体刻蚀设备通常包括射频电源和工艺腔室，该射频电源提供的射频能量传输到工艺腔室中，并电离工艺腔室中高真空状态下的特殊气体(如氩气Ar、氦气He、氮气N2等)产生等离子体，这些活性粒子和置于腔体并曝露在等离子体环境下的晶圆之间发生复杂的相互作用，使晶圆材料表面发生各种物理和化学反应，从而使材料表面性能发生变化，完成晶圆的刻蚀工艺。
在半导体刻蚀工艺过程中，如何保证介质窗(陶瓷window)温度的一致性是实现工艺腔室中颗粒控制的关键问题。现有的半导体刻蚀设备难以准确监测介质窗温度，无法稳定控制介质窗的温度。
发明内容
本发明旨在提供一种半导体工艺设备，该半导体工艺设备能够精确监测工艺窗的温度。
为实现上述目的，本发明提供一种半导体工艺设备，包括工艺腔室，所述工艺腔室的顶部设置有工艺窗，所述半导体工艺设备还包括控制装置、边缘测温件、第一测温件和第二测温件，其中，
所述边缘测温件由所述工艺窗边缘的侧壁插入所述工艺窗内且靠近所述工艺窗的底面设置，用于检测所述工艺窗的温度；
所述工艺窗包括中心区域和环绕所述中心区域的边缘区域，所述第一测温件和所述第二测温件均设置在所述工艺窗上方，均用于检测所述工艺窗的温度，所述第一测温件与所述中心区域位置对应，所述第二测温件与所述边缘测温件的位置对应；
所述控制装置用于根据所述边缘测温件、所述第一测温件和所述第二测温件的温度检测值确定所述工艺窗中心区域底面的温度。
可选地，所述第一测温件和所述第二测温件为光学测温器，所述工艺窗的顶面上开设有与所述第一测温件和所述第二测温件位置一一对应的多个测温槽。
可选地，所述测温槽上对应设置有用于封闭所述测温槽的透明密封件，所述工艺窗的顶面上环绕所述测温槽还开设有多个安装盲孔，所述透明密封件上形成有多个安装通孔，所述透明密封件通过一一对应地依次穿过所述安装通孔和所述安装盲孔的紧固件与所述工艺窗固定连接。
可选地，所述透明密封件与所述工艺窗的顶面之间设置有密封圈，所述工艺窗的顶面上环绕所述测温槽开设有密封圈槽，所述密封圈设置在所述密封圈槽中。
可选地，所述透明密封件上形成有抽气口，用于与抽气装置连接以抽出所述测温槽中的气体。
可选地，所述抽气装置包括抽气管和抽气泵，所述抽气管用于将所述抽气口与所述抽气泵连通，所述抽气管上设置有截止阀，用于选择性地导通所述抽气管，所述抽气泵用于通过所述抽气管抽出所述测温槽中的气体。
可选地，所述工艺窗的材质为陶瓷，所述透明密封件的材质为玻璃。
可选地，所述半导体工艺设备还包括加热装置和散热装置，所述加热装置用于对所述工艺窗进行加热，所述散热装置用于对所述工艺窗进行降温，所述控制装置用于在所述工艺窗中心区域底面的温度高于预设温度范围时，启动所述散热装置，停止所述加热装置；在所述工艺窗中心区域底面的温度低于所述预设温度范围时，启动所述加热装置，停止所述散热装置。
可选地，所述控制装置还用于在所述工艺窗中心区域底面的温度高于所述预设温度范围时，控制所述散热装置的功率，使所述散热装置的功率与所述工艺窗中心区域底面的温度高于所述预设温度范围的温度差值正相关；在所述工艺窗中心区域底面的温度低于所述预设温度范围时，控制所述加热装置的功率，使所述加热装置的功率与所述工艺窗中心区域底面的温度低于所述预设温度范围的温度差值正相关。
可选地，所述控制装置还用于在所述工艺窗中心区域底面的温度处于所述预设温度范围内时，控制所述散热装置和所述加热装置保持当前工作状态。
在本发明实施例提供的半导体工艺设备中，控制装置能够根据工艺窗的顶面与底面之间的温差以及工艺窗的中心区域顶面的温度得到工艺窗中心区域底面的实际温度，从而实现对工艺窗底面温度的精确监测，进而能够实现对工艺窗中心区域底面温度的精确控制，提高半导体工艺的工艺效果。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是现有技术中的一种半导体工艺设备中工艺窗部分的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的半导体工艺设备中工艺窗部分的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的半导体工艺设备中工艺窗上测温槽部分的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的半导体工艺设备中平面加热器的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的半导体工艺设备中控制装置调节散热装置和加热装置的流程示意图。
附图标记说明：
1：工艺窗 2：透明密封件
3：紧固件 4：抽气管
5：密封圈 6：测温槽
7：测温槽底面 100：第一测温件
200：第二测温件 300：边缘测温件
400：加热装置 500：散热装置
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
如图1所示为现有技术中的一种介质窗温控方案的结构示意图，介质窗的侧壁上插入有热电偶，该热电偶靠近介质窗的底面设置，用于检测介质窗底面(即朝向工艺腔室一面)的温度，为避免影响线圈向工艺腔室中馈入的电磁场，该热电偶伸入介质窗的端部不超过感应线圈覆盖的范围。然而，加热器对介质窗的加热并不均匀，介质窗中心区域的温度和边缘的温度之间存在差异，热电偶只能测量介质窗边缘温度，导致整个温控系统无法准确测得介质窗的温度，无法实现对介质窗中心温度的精确控制。
为解决上述技术问题，作为本发明的一个方面，提供一种半导体工艺设备，如图2所示，该半导体工艺设备包括工艺腔室，工艺腔室的顶部设置有工艺窗1，该半导体工艺设备还包括控制装置(未在图中示出)、边缘测温件300、第一测温件100和第二测温件200。其中，边缘测温件300由工艺窗1边缘的侧壁沿垂直于工艺窗1的厚度方向插入工艺窗1内且靠近工艺窗1的底面设置，用于检测工艺窗1的温度。
工艺窗1包括中心区域和环绕中心区域的边缘区域，第一测温件100和第二测温件200均设置在工艺窗1上方。第一测温件100与中心区域位置对应，第二测温件200与边缘测温件300的位置对应，该控制装置用于根据边缘测温件300、第一测温件100和第二测温件200的温度检测值确定工艺窗1中心区域底面的实际温度。
具体地，本发明的发明人在研究中发现，虽然工艺窗1的中心区域与边缘区域之间存在温度差异，但工艺窗1在各个位置的材料及厚度均一致，使得工艺窗1边缘区域的顶面与边缘区域的底面之间的温差△t1(即工艺窗1边缘区域的顶面与边缘测温件300测得温度之差)与工艺窗1中心区域的顶面与底面之间的温差△t2也近似相等。
因此，即便靠近工艺窗1的底面设置的边缘测温件300无法伸入至感应线圈所在区域(即中心区域)，只需测得工艺窗1的顶面与底面之间的温差△t1(△t2)，即可通过工艺窗1中心区域的顶面温度推算其中心区域的底面温度。
在本发明实施例中，工艺窗1的中心区域上方设置有第一测温件100，工艺窗1的边缘区域上方设置有第二测温件200，该控制装置用于根据边缘测温件300的温度检测值T3和第二测温件200的温度检测值T2得到温差△t1(△t2)，并根据第一测温件100的温度检测值T1与温差△t1确定工艺窗1中心区域底面的温度T4，即T4＝T1-△T2＝T1-△T1＝T1-(T2-T3)。
在本发明实施例提供的半导体工艺设备中，控制装置能够根据工艺窗1的顶面与底面之间的温差以及工艺窗1的中心区域顶面的温度得到工艺窗1中心区域底面的温度，从而实现对工艺窗1底面温度的精确监测，进而能够实现对工艺窗1中心区域底面温度的精确控制，提高半导体工艺的工艺效果。
需要说明的是，本发明实施例对中心区域和边缘区域的划分方式不做具体的限制，可根据不同设备结构或需要灵活地进行划分。
本发明实施例对该半导体工艺设备如何控制工艺窗1的温度不做具体限定，例如，如图2所示，该半导体工艺设备还包括加热装置400和散热装置500，加热装置400用于对工艺窗1进行加热，散热装置500用于对工艺窗1进行降温。控制装置用于在工艺窗1中心区域底面的温度T4高于预设温度范围时，启动散热装置500；在工艺窗1中心区域底面的温度T4低于预设温度范围时，启动加热装置400。
本发明实施例对该预设温度范围的大小不做具体限定，例如，该预设温度范围可以是工艺窗1的预设目标温度上下1℃。
本发明实施例对边缘测温件300的结构种类不做具体限定，例如，作为本发明的一种可选实施方式，边缘测温件300可以为防射频热偶，通过工艺窗1上的侧壁开孔安装在工艺窗1内，该防射频热偶沿水平方向插入工艺窗1的侧壁20至40mm，以实现对工艺窗底面温度的测量。
本发明实施例对加热装置400的结构种类不做具体限定，例如，作为本发明的一种可选实施方式，加热装置400可以为平面加热器，如图4所示，该平面加热器部分覆盖工艺窗1的顶面，第一测温件100和第二测温件200用于对该平面加热器未覆盖的区域进行测温。
本发明实施例对散热装置500的结构种类不做具体限定，例如，作为本发明的一种可选实施方式，散热装置500包括安装在工艺窗1正上方的风扇，通过加速工艺窗1顶面的空气对流实现对工艺窗1的降温功能。
本发明实施例对第一测温件100和第二测温件200的温度检测原理不做具体限定，例如，作为本发明的一种可选实施方式，第一测温件100和第二测温件200可以为光学测温器(如，红外测温器)。为提高第一测温件100和第二测温件200的温度监测精度，优选地，如图2、图3所示，工艺窗1的顶面上开设有与第一测温件100和第二测温件200位置一一对应的多个测温槽6。
在本发明实施例中，第一测温件100和第二测温件200分别对相应位置的测温槽6的底面7进行温度检测，能够有效避免工艺窗1的顶面发生温度骤变时对温度检测结果稳定性的影响，提高了工艺窗1顶面温度检测结果的精确性。
为进一步提高第一测温件100和第二测温件200的温度监测精度，作为本发明的一种优选实施方式，如图2、图3所示，测温槽6上对应设置有用于封闭测温槽6的透明密封件2，工艺窗1的顶面上环绕测温槽6还开设有多个安装盲孔，透明密封件2上形成有多个安装通孔，透明密封件2通过一一对应地依次穿过安装通孔和安装盲孔的紧固件3与工艺窗1固定连接。本发明实施例对紧固件3的材质不做具体限定，例如，作为本发明的一种可选实施方式，紧固件3的材质为树脂。
在本发明实施例中，第一测温件100和第二测温件200分别透过相应的透明密封件2对测温槽底面7进行温度检测，透明密封件2能够封闭测温槽6，稳定测温槽6中的气体，从而有效避免采用风扇等空气对流方式散热时，风速对温度检测结果稳定性的影响(如，风扇开启时造成工艺窗1顶面温度的瞬降)，进一步提高了工艺窗1顶面温度检测结果的精确性。
本发明实施例对工艺窗1和透明密封件2的材质不做具体限定，例如，作为本发明的一种可选实施方式，工艺窗1的材质为陶瓷，透明密封件2的材质为玻璃。
为进一步提高透明密封件2的密封效果，优选地，透明密封件2与工艺窗1的顶面之间设置有密封圈5，工艺窗1的顶面上环绕测温槽6开设有密封圈槽，密封圈5设置在该密封圈槽中。
为进一步提高工艺窗1顶面温度检测结果的精确性，优选地，如图2至图3所示，该半导体工艺设备还可以包括抽气装置，透明密封件2上形成有抽气口，用于与抽气装置连接以抽出测温槽6中的气体，从而进一步降低测温槽6中物质的温度对工艺窗1顶面温度检测结果的干扰，提高温度检测精度。
本发明实施例对该抽气装置的结构不做具体限定，例如，作为本发明的一种可选实施方式，该抽气装置包括抽气管4和抽气泵，抽气管4用于将抽气口与该抽气泵连通，抽气管4上设置有截止阀，用于选择性地导通抽气管4，该抽气泵用于通过抽气管4抽出测温槽6中的气体。在该抽气泵将测温槽6中的气体尽量抽净后，通过抽气管4上的截止阀保持测温槽6中的压强不变。
本发明实施例对第一测温件100、第二测温件200等结构的设置位置不做具体限定，例如，作为本发明的一种可选实施方式，如图2所示，该半导体工艺设备还包括接地壳体，工艺窗1设置在该接地壳体的底部，第一测温件100和第二测温件200均设置在该接地壳体的上顶盖上。
如图2所示，该接地壳体的上顶盖上还可设置有用于向感应线圈引入射频信号的匹配器Match，匹配器Match与工艺窗的中心相对，第一测温件100设置在距离匹配器5mm处(即最近的可设置位置)。
本发明实施例对测温槽6的深度不做具体限定，例如，可选地，测温槽6的深度可以为5mm。
本发明实施例对测温槽6的形状不做具体限定，例如，可选地，测温槽6可以为圆柱槽，其横截面直径可根据第一测温件100(第二测温件200)的光学分辨率决定，具体地，可通过如下公式确定：
k＝d/r，其中，k为测温件的光学分辨率，d为测温件到测温槽底面7的距离，r为测温槽6的横截面直径。
为提高该控制装置对工艺窗1的温度控制效果，优选地，该控制装置可通过PID算法控制散热装置500和加热装置400的功率，从而降低工艺窗1的温度波动，具体地：
该控制装置还用于在工艺窗1中心区域底面的温度T4高于预设温度范围时，控制散热装置500的功率，使散热装置500的功率与工艺窗1中心区域底面的温度T4高于预设温度范围的温度差值正相关；
以及，在工艺窗1中心区域底面的温度T4低于预设温度范围时，控制加热装置400的功率，使加热装置400的功率与工艺窗1中心区域底面的温度T4低于预设温度范围的温度差值正相关。
如图5所示为该控制装置根据工艺窗1中心区域底面的温度T4调节散热装置500和加热装置400的流程示意图。当散热装置500包括风扇时，该控制装置可根据工艺窗1中心区域底面的温度T4与工艺窗1的预设目标温度之间的差值控制风扇的转速，当该差值大于10℃时，风扇全功率输出；
当加热装置400包括平面加热器时，该控制装置可根据工艺窗1中心区域底面的温度T4与工艺窗1的预设目标温度之间的差值控制平面加热器的加热功率，当该差值大于10℃时，该平面加热器全功率输出。
可选地，该控制装置还用于在工艺窗1中心区域底面的温度T4处于预设温度范围内时，控制散热装置500和加热装置400保持当前工作状态。
例如，当该预设温度范围是工艺窗1的预设目标温度上下1℃，且工艺窗1中心区域底面的温度T4与预设目标温度之间的温差在0.5℃，且此时风扇处于开启状态，平面加热器处于关闭状态时，根据上述控制原理，该控制装置控制风扇继续根据温差进行调控，并控制平面加热器维持关闭状态不变。
为进一步提高半导体设备的安全性，优选地，该控制装置还用于在边缘测温件300的温度检测值超过预设过温阈值时，输出过温报警信号并输出开关信号切断交流接触器，从而使控制加热器的固态继电器断开，切断平面加热器的供电，以避免执行部件(平面加热器和风扇)频繁的启停后损坏导致控温异常，进而保护机台。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种半导体工艺设备，包括工艺腔室，所述工艺腔室的顶部设置有工艺窗，其特征在于，所述半导体工艺设备还包括控制装置、边缘测温件、第一测温件和第二测温件，其中，
所述边缘测温件由所述工艺窗边缘的侧壁插入所述工艺窗内且靠近所述工艺窗的底面设置，用于检测所述工艺窗的温度；
所述工艺窗包括中心区域和环绕所述中心区域的边缘区域，所述第一测温件和所述第二测温件均设置在所述工艺窗上方，均用于检测所述工艺窗的温度，所述第一测温件与所述中心区域位置对应，所述第二测温件与所述边缘测温件的位置对应；
所述控制装置用于根据所述边缘测温件、所述第一测温件和所述第二测温件的温度检测值确定所述工艺窗中心区域底面的温度。
2.根据权利要求1所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述第一测温件和所述第二测温件为光学测温器，所述工艺窗的顶面上开设有与所述第一测温件和所述第二测温件位置一一对应的多个测温槽。
3.根据权利要求2所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述测温槽上对应设置有用于封闭所述测温槽的透明密封件，所述工艺窗的顶面上环绕所述测温槽还开设有多个安装盲孔，所述透明密封件上形成有多个安装通孔，所述透明密封件通过一一对应地依次穿过所述安装通孔和所述安装盲孔的紧固件与所述工艺窗固定连接。
4.根据权利要求3所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述透明密封件与所述工艺窗的顶面之间设置有密封圈，所述工艺窗的顶面上环绕所述测温槽开设有密封圈槽，所述密封圈设置在所述密封圈槽中。
5.根据权利要求3所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述透明密封件上形成有抽气口，用于与抽气装置连接以抽出所述测温槽中的气体。
6.根据权利要求3所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述抽气装置包括抽气管和抽气泵，所述抽气管用于将所述抽气口与所述抽气泵连通，所述抽气管上设置有截止阀，用于选择性地导通所述抽气管，所述抽气泵用于通过所述抽气管抽出所述测温槽中的气体。
7.根据权利要求3所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述工艺窗的材质为陶瓷，所述透明密封件的材质为玻璃。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述半导体工艺设备还包括加热装置和散热装置，所述加热装置用于对所述工艺窗进行加热，所述散热装置用于对所述工艺窗进行降温，所述控制装置用于在所述工艺窗中心区域底面的温度高于预设温度范围时，启动所述散热装置，停止所述加热装置；在所述工艺窗中心区域底面的温度低于所述预设温度范围时，启动所述加热装置，停止所述散热装置。
9.根据权利要求8所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述控制装置还用于在所述工艺窗中心区域底面的温度高于所述预设温度范围时，控制所述散热装置的功率，使所述散热装置的功率与所述工艺窗中心区域底面的温度高于所述预设温度范围的温度差值正相关；在所述工艺窗中心区域底面的温度低于所述预设温度范围时，控制所述加热装置的功率，使所述加热装置的功率与所述工艺窗中心区域底面的温度低于所述预设温度范围的温度差值正相关。
10.根据权利要求8所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述控制装置还用于在所述工艺窗中心区域底面的温度处于所述预设温度范围内时，控制所述散热装置和所述加热装置保持当前工作状态。
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