CN113727478A - 加热结构和半导体工艺设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于半导体工艺设备的加热结构，加热结构设置于介质窗和射频线圈之间，加热结构包括加热层，加热层设置于介质窗上；加热层包括加热丝，加热丝围绕介质窗中心呈辐射状盘绕，加热丝包括多个沿介质窗的径向延伸的辐条段，且每条辐条段的两端分别与两侧相邻两条辐条段中的一条的临近端连接。在本发明中，加热丝径向绕制形成的加热层设置在介质窗与射频线圈之间，从而在避免产生涡旋电流的同时，实现对介质窗的表面进行均匀加热，提高了工艺腔室中温度场的均匀性；并且，加热层还能减小上电极电感耦合放电中寄生的容性耦合电场，提高工艺腔室中电场的均匀性；此外，还为上电极提供了更大的散热空间。本发明还提供一种半导体工艺设备。

Description

加热结构和半导体工艺设备
技术领域
本发明涉及半导体工艺设备领域，具体地，涉及一种用于半导体工艺设备的加热结构和一种包括该加热结构的半导体工艺设备。
背景技术
随着半导体元器件制造工艺的迅速发展，对元器件性能与集成度要求越来越高，等离子体加工技术得到了极广泛的应用。电感耦合等离子体源以其高选择性、高各向异性及高刻蚀速率的优势广泛应用在微电子加工领域。而随着其特征尺度的日益缩小，在工艺加工过程中所面临的挑战也越来越严峻，其中一个很重要的要求是等离子源的一致性。
为保证电感耦合等离子的一致性，不仅需要提高工艺腔室中磁场分布的均匀性，同时也需要补偿工艺腔室中温度分布的一致性。因此，在优化电感耦合等离子体线圈分布对称性的同时，亟需对介质窗的加热方式进行优化，以提升刻蚀机制造高度集成器件工艺的能力。然而，现有的介质窗加热方案加热均匀性低、且加热结构体积较大，影响上电极散热性能。因此，如何提供一种加热均匀性高、且体积较小的介质窗加热结构，成为本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明旨在提供一种用于半导体工艺设备的工艺腔室，该工艺腔室能够提高工艺腔室中温度场、电场的均匀性，并提高上电极的散热效率。
为实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供一种用于半导体工艺设备的加热结构，所述加热结构设置于介质窗和射频线圈之间，所述加热结构包括加热层，所述加热层设置于所述介质窗上；
所述加热层包括加热丝，所述加热丝围绕所述介质窗中心呈辐射状盘绕，所述加热丝包括多个沿所述介质窗的径向延伸的辐条段，且每条所述辐条段的两端分别与两侧相邻两条所述辐条段中的一条的临近端连接。
可选地，所述加热结构还包括屏蔽层，所述屏蔽层设置于所述加热层上方；
所述屏蔽层为导电材质，所述屏蔽层上设有多个沿周向环绕设置的扇形孔；
多个所述扇形孔在所述介质窗上的投影位于所述加热丝在所述介质窗上的投影内。
可选地，所述屏蔽层的材料为铜或铝。
可选地，所述屏蔽层的厚度大于0.3mm。
可选地，所述加热结构还包括绝热层，所述绝热层设置于所述加热层和所述屏蔽层之间。
可选地，所述加热层、所述绝热层和所述屏蔽层彼此之间通过粘胶固定。
可选地，所述加热结构还包括加热交流电源，所述加热交流电源用于向所述加热层的加热丝提供交流电压信号。
可选地，所述加热结构还包括射频电压源和切换模块，所述切换模块用于在上电极点火阶段使所述射频电压源向所述屏蔽层提供射频电压信号，以及在点火完成后，使所述屏蔽层接地。
可选地，所述射频电压源通过多个接入点与所述屏蔽层连接，多个所述接入点沿轴向等间隔分布在所述屏蔽层的边缘。
作为本发明的第二个方面，提供一种半导体工艺设备，包括反应腔室、介质窗和射频线圈，所述介质窗设置于所述反应腔室的顶部，所述射频线圈设置于所述介质窗背离所述反应腔室的一侧，用于馈入射频，其特征在于，还包括前面所述的加热结构。
在本发明提供的加热结构和半导体工艺设备中，加热丝径向绕制形成的加热层设置在介质窗与射频线圈之间，从而在避免产生涡旋电流的同时，实现对介质窗的表面进行均匀加热，提高了工艺腔室中温度场的均匀性。并且，加热层不仅能够实现均匀加热介质窗，还能减小上电极电感耦合放电中寄生的容性耦合成分产生的轴向电场分量的不均匀性，进而提高工艺腔室中电场的均匀性。此外，加热层贴附在介质窗上，为上电极提供了更大的散热空间，提高了上电极在高功率模式下的散热效率，进而提高了工艺腔室的整体性能。
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是一种现有的上电极补偿加热方案的示意图；
图2是图1中结构的俯视示意图；
图3是图1所示上电极补偿加热方案的加热效果示意图；
图4是本发明实施例提供的半导体工艺设备的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的半导体工艺设备中上电极工作时产生电场的示意图；
图6是本发明实施例提供的半导体工艺设备中上电极工作时所产生电场的简化示意图；
图7是本发明实施例提供的加热结构的示意图；
图8是本发明实施例提供的加热结构中加热图案与金属图案之间的位置关系示意图；
图9是本发明实施例提供的加热结构中金属图案的结构示意图；
图10是本发明实施例提供的本发明实施例提供的半导体工艺设备中加热结构所接电路的结构示意图；
图11是本发明一种实施例提供的加热结构中屏蔽层的结构示意图；
图12是本发明另一实施例提供的加热结构中屏蔽层的结构示意图。
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。
现有的介质窗加热方案通常采用热风加热与气体分布盘(gapdistribute plate，GDP)加热相结合的方式，其技术方案如图1、图2所示。其中，热风加热方式由于线圈的阻挡，热风系统只能通过压缩的干燥空气(comprise dry air，CDA)风道11将加热气体(由空气加热模块12加热空气得到)导入内外电感线圈之间，实现对介质窗(window)的中间加热功能。GDP加热方式采用环形加热丝13固定在介质窗周边，实现对介质窗边缘加热的功能。通过调节热风加热系统与GDP加热系统比例关系实现对介质窗的加热均匀性控制。
然而，现有技术方案存在线圈下方的控温能力不足，出现局域温度过低问题，并且通过调节热风加热系统与GDP加热系统比例关系无法实现对介质窗均匀加热，从而影响介质窗下方的温度均匀性，造成刻蚀速率的差异，如图3所示。更严重的是，随着刻蚀的进行，由于温差不一样，可能会导致非挥发性颗粒物从窗口脱落到晶圆上，对刻蚀过程造成影响。此外，在电感耦合等离子体技术中，线圈高功率模式下，通常需要更大的散热及绝缘空间，而现有的加热技术方案不利于电感耦合等离子高功率工作。
为解决上述技术问题，作为本发明的一个方面，提供一种用于半导体工艺设备的加热结构100，如图4、图7所示，该加热结构100设置于介质窗200和射频线圈(如图2、图4、图7所示，包括外圈310、内圈320以及连接在二者的端部之间的连接条330)之间，加热结构100包括加热层110，加热层110设置于介质窗200上。如图8所示，加热层110包括加热丝111，加热丝111围绕介质窗200中心呈辐射状盘绕，加热丝111包括多个沿介质窗200的径向延伸的辐条段，且每条辐条段的两端分别与两侧相邻两条辐条段中的一条的临近端连接。
在本发明中，加热结构100中的加热层110包括围绕介质窗200中心呈辐射状盘绕的加热丝111，加热丝111能够在通电时产生热量，从而实现对介质窗200进行均匀加热。需要说明的是，本发明中加热层110由加热丝111径向绕制形成，类似环绕成了多个独立的扇形区域。
具体地，如图5、图6所示，当射频电源通过匹配网络向射频线圈提供射频信号时，射频线圈下方将产生且沿反应腔室400轴向分布沿周向传播的感性耦合射频电场(感性耦合射频电场用于与反应腔室400中的工艺气体耦合激发等离子体(plasma))，以及在反应腔室400的轴向、径向均具有分量的容性耦合射频电场(寄生于感性耦合电场中)。如果加热丝111角向绕制(即加热丝111周向延伸)，则射频线圈产生的周向传播的射频电场将作用于加热丝111，使角向绕制的加热丝111中产生涡旋电流，不仅影响射频线圈与反应腔室400中气体之间的耦合效率，在功率较大的情况下甚至可能导致加热丝111熔断。
因此，本发明中加热丝111由多条径向延伸的辐条段首尾相接绕制形成，从而在避免与上电极的射频电场耦合产生涡旋电流的同时，实现了加热丝111沿角向、径向均匀铺展在介质窗200的表面，进而能够对介质窗200的表面进行均匀加热，提高了反应腔室400中温度场的均匀性。
同时，射频线圈电流自身的相位差异常常导致感性耦合中寄生的容性耦合不均匀，进而影响反应腔室400中气体所处电场的均匀性，而本发明中加热丝111包括径向延伸的辐条段，从而能够在一定程度上屏蔽容性耦合射频电场，进而提高反应腔室400中的电场均匀性。
在本发明中，介质窗200与射频线圈之间设置有加热丝111径向绕制形成的加热层110，从而在避免产生涡旋电流的同时，实现对介质窗200的表面进行均匀加热，提高了反应腔室400中温度场的均匀性。并且，加热层110不仅能够实现均匀加热介质窗200，还能减小上电极电感耦合放电中寄生的容性耦合成分产生的轴向电场分量的不均匀性，进而提高反应腔室400中电场的均匀性。此外，加热层110贴附在介质窗200上，从而与现有技术中通过压缩的干燥空气风道以及气体分布盘加热系统对介质窗200进行加热的方案相比，为上电极(射频线圈)提供了更大的散热空间，提高了上电极在高功率模式下的散热效率，进而提高了反应腔室400的整体性能。
在本发明中，加热层110的加热丝111需在通电状态下产生热量以实现加热功能，为提高生热效率，加热丝111需具有较大的电阻值，因而加热丝111需具有较小的横截面。经发明人研究后确认，为获得良好的容性耦合电场屏蔽效果，介质窗200上的金属膜层需对介质窗200表面实现40％～65％的屏蔽覆盖率，典型的屏蔽覆盖率为52％，即开口率(开口面积，即无金属覆盖面积与介质窗200总面积之比)为48％。但由于加热丝111的截面尺寸较小，仅能实现5％-20％的屏蔽覆盖率，无法达到理想的屏蔽效果。
为解决上述技术问题，作为本发明的一种优选实施方式，如图7、图8、图9所示，加热结构100还包括屏蔽层120，屏蔽层120设置于加热层110上方。屏蔽层120为导电材质(例如，可以是金属材质)，屏蔽层120上设有多个沿周向环绕设置的扇形孔121(如图9所示，屏蔽层120形成为具有径向延伸并辐射分布的多个扇形孔121的栅格(grid)状导电膜层)。多个扇形孔121在介质窗200上的投影位于加热丝111在介质窗200上的投影内。
如图8所示为仰视视角下(隐藏加热层110与屏蔽层120之间的结构)加热层110的加热丝111与屏蔽层120的扇形孔121之间的位置关系示意图，在本发明实施例中，加热结构100还包括设置在加热层110之上的屏蔽层120，加热丝111环绕于屏蔽层120的各个扇形孔121的外侧，从而通过屏蔽层120覆盖加热丝111，并代替加热丝111屏蔽射频线圈产生的容性耦合电场。并且，可根据需求调整扇形孔121的宽度，以实现对介质窗200表面40％～65％的屏蔽覆盖率，提高对射频线圈产生的容性耦合电场的屏蔽效果，进而提高反应腔室400中电场的均匀性。
需要说明的是，屏蔽层120与加热层110之间绝缘间隔设置，以避免二者之间出现短路现象。作为本发明的一种优选实施方式，扇形孔121的尺寸略小于相邻两加热丝111之间的投影空间，从而使屏蔽层120对介质窗200实现典型的52％屏蔽覆盖率。
为进一步提高屏蔽层120对容性耦合电场的屏蔽效果，作为本发明的一种优选实施方式，屏蔽层120的材料为具有高电导率的材料，例如，可选地，屏蔽层120的材料为铜(Cu)或铝(Al)。
本发明实施例对屏蔽层120和加热层110的厚度不作具体限定，例如，作为一种易于实现的实施方式，屏蔽层120和加热层110的厚度可以为0.5mm。为保证屏蔽层120对容性耦合电场的屏蔽效果，优选地，屏蔽层120的厚度可略厚一些，例如，屏蔽层120的厚度可以大于0.3mm。
为进一步提高反应腔室400的整体性能，作为本发明的一种优选实施方式，如图7所示，加热结构100还包括绝热层130，绝热层130设置于射频线圈与加热层110之间。在本发明实施例中，加热层110背向介质窗200的一侧设置有绝热层130，从而能够保证加热层110所产生的热量向介质窗200单向传递(最终馈入反应腔室400内的等离子体中)，提高了加热层110所产生热量的利用率，并且，绝热层130能够防止加热层110的热功率辐射至上电极(射频线圈)，从而降低上电极的升温速率，进一步提高上电极的散热效率，进而提高反应腔室400的整体性能。
为降低加热结构100的整体厚度，作为本发明的一种优选实施方式，如图7所示，绝热层130设置于加热层110和屏蔽层120之间。在本发明实施例中，绝热层130位于屏蔽层120与加热层110之间，在控制绝热层130产生热量的导热方向的同时，绝热层130还能够起到将屏蔽层120与加热层110绝缘隔开的作用，从而节省了屏蔽层120与加热层110之间设置绝缘层的空间，进而降低了加热结构100的整体厚度。
作为本发明的一种可选实施方式，加热层110可通过交流电源供电，具体地，如图10所示，加热结构100还包括加热交流电源112(Alternating Current，AC)，加热交流电源112用于向加热层110的加热丝111提供交流电压信号。
为便于加热交流电源112与加热丝111连接，如图8所示，加热丝111优选在外圈310某点位断开，断开形成的两个端部之间接入加热交流电源112的两极，从而实现AC供电。
作为本发明的一种优选实施方式，屏蔽层120还能够配合特定电信号参与半导体工艺步骤，具体地，如图10所示(图中R+jXc表示加热结构100通过腔室中的等离子体与腔室接地端连接的等效阻抗)，加热结构100还包括射频电压源122和切换模块(图未示)，切换模块用于在上电极点火阶段使射频电压源122(通过匹配电路Match)向屏蔽层120提供射频电压信号(RF Voltage)，以及在点火完成后，使屏蔽层120接地。
在本发明实施例中，加热结构100还包括射频电压源122和切换模块，在小功率(射频电源的功率小于200W)条件下，切换模块可在电感耦合点火时(即上电极点火阶段)，使射频电压源122(通过匹配器124(Match))向屏蔽层120提供瞬间容性高压(如，幅值P为50V～1000V，频率F为13.56MHz)射频信号，在点火完成后，再将屏蔽层120接地，继续利用屏蔽层120屏蔽上电极寄生的容性耦合成分产生的轴向电场分量，提高等离子体分布的均匀性。
本发明实施例对切换模块如何使屏蔽层120在与射频电压源122连接以及接地状态之间切换不作具体限定，例如，可选地，切换模块包括高压继电开关，屏蔽层120通过高压继电开关选择性地与射频电压源122以及地线中的一者连通，在半导体工艺中，可由反应腔室400的控制模块控制高压继电开关的连接状态。在本发明的一些实施例中，射频电压源122可直接由上电极射频电源(SRF)分流得到，或者也可采用单独的射频源。
本发明实施例对射频电压源122与屏蔽层120之间如何连接不作具体限定，例如，可选地，如图11所示，射频电压源122可通过位于屏蔽层120边缘的接入点(即图中竖直的金属接头123(srap)所在位置)向屏蔽层120馈入射频电压信号。
发明人在研究中还发现，中间馈入的方式常带来电场悬浮的问题，为解决该技术问题，作为本发明的一种优选实施方式，射频电压源122通过位于屏蔽层120外侧边缘的接入点向屏蔽层120馈入射频电压信号。
具体地，如图12所示，射频电压源122通过多个接入点与屏蔽层120连接，多个接入点沿轴向等间隔分布在屏蔽层120的边缘。在本发明实施例中，射频电压源122通过等间隔分布在屏蔽层120边缘的多个接入点与屏蔽层120连接，从而在保证屏蔽层120产生电场的周向均匀性的同时解决了中间馈入电场悬浮问题。
本发明实施例对屏蔽层120边缘的接入点数量不作具体限定，例如，可选地，射频电压源122通过2至8个接入点与屏蔽层120连接，进一步地，如图12所示，射频电压源122可通过4个接入点与屏蔽层120连接。
为保证加热层110与介质窗200紧密贴合，以提高加热层110通过介质窗200向反应腔室400传热的导热效率，优选地，加热层110通过粘性材料粘贴于介质窗200上。
为进一步提高加热层110与介质窗200之间的接触效果，以提高加热层110向介质窗200传输热量的导热效率，作为本发明的一种优选实施方式，加热层110通过印刷的方式直接形成在介质窗200的表面上。
在此情况下，为降低加热结构100的厚度，避免膜层之间产生空隙，作为本发明的一种优选实施方式，加热层110、绝热层130和屏蔽层120彼此之间均通过粘胶固定。
为保证屏蔽层120与加热层110的轴向对位精确性，作为本发明的一种优选实施方式，屏蔽层120与加热层110的边缘均具有边缘定位孔图案，且在屏蔽层120转动至加热丝在水平面上的投影位于屏蔽层120的图案在水平面上的投影内时，两膜层上的边缘定位孔图案能够一一对应重合，从而在屏蔽层120与其他膜层粘贴连接时，可根据边缘定位孔图案进行角度定位，保证加热丝111分布于屏蔽层120的扇形孔121投影外侧。
为提高加热结构100的维护性能，作为本发明的一种优选实施方式，加热结构100可独立制作后设置在介质窗200上，即，先将屏蔽层120和加热层110分别粘贴至绝热层130相对的两侧表面得到加热结构100，再将加热结构100设置在介质窗200上。
在本发明实施例中，加热结构100制作为独立于介质窗200的分体结构，从而可以在加热结构100中的部分膜层出现故障时将加热结构100拆下并进行单独检修，提高了维护加热结构100的便捷性。
作为本发明的第二个方面，提供一种半导体工艺设备，包括反应腔室400、介质窗200和射频线圈，介质窗200设置于反应腔室400的顶部，射频线圈设置于介质窗200背离反应腔室400的一侧，用于向反应腔室400中馈入射频，该半导体工艺设备还包括本发明实施例提供的加热结构100。
在本发明提供的半导体工艺设备中，介质窗200与射频线圈之间设置有加热丝111径向绕制形成的加热层110，从而在避免产生涡旋电流的同时，实现对介质窗200的表面进行均匀加热，提高了反应腔室400中温度场的均匀性。并且，加热层110不仅能够实现均匀加热介质窗200，还能减小上电极电感耦合放电中寄生的容性耦合成分产生的轴向电场分量的不均匀性，进而提高反应腔室400中电场的均匀性。此外，加热层110贴附在介质窗200上，为上电极(射频线圈)提供了更大的散热空间，提高了上电极在高功率模式下的散热效率，进而提高了反应腔室400的整体性能。
作为本发明的一种可选实施方式，如图4所示，半导体工艺设备还包括静电卡盘510、接口盘520、上匹配器340和下匹配器530，其中，静电卡盘510和接口盘520沿高度方向层叠设置在反应腔室400中，下匹配器530用于通过接口盘520向静电卡盘510提供偏压信号，上匹配器340用于向射频线圈(上电极)提供射频信号。
作为本发明的一种可选实施方式，如图4所示，反应腔室400的侧壁上形成有传片口410，用于供机械手等晶圆承载装置将晶圆传入、传出反应腔室400。
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)

1.一种用于半导体工艺设备的加热结构，其特征在于，所述加热结构设置于介质窗和射频线圈之间，所述加热结构包括加热层，所述加热层设置于所述介质窗上；
所述加热层包括加热丝，所述加热丝围绕所述介质窗中心呈辐射状盘绕，所述加热丝包括多个沿所述介质窗的径向延伸的辐条段，且每条所述辐条段的两端分别与两侧相邻两条所述辐条段中的一条的临近端连接。
2.根据权利要求1所述的加热结构，其特征在于，所述加热结构还包括屏蔽层，所述屏蔽层设置于所述加热层上方；
所述屏蔽层为导电材质，所述屏蔽层上设有多个沿周向环绕设置的扇形孔；
多个所述扇形孔在所述介质窗上的投影位于所述加热丝在所述介质窗上的投影内。
3.根据权利要求2所述的加热结构，其特征在于，所述屏蔽层的材料为铜或铝。
4.根据权利要求3所述的加热结构，其特征在于，所述屏蔽层的厚度大于0.3mm。
5.根据权利要求2所述的加热结构，其特征在于，所述加热结构还包括绝热层，所述绝热层设置于所述加热层和所述屏蔽层之间。
6.根据权利要求5所述的加热结构，其特征在于，所述加热层、所述绝热层和所述屏蔽层彼此之间通过粘胶固定。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的加热结构，其特征在于，所述加热结构还包括加热交流电源，所述加热交流电源用于向所述加热层的加热丝提供交流电压信号。
8.根据权利要求2至6中任意一项所述的加热结构，其特征在于，所述加热结构还包括射频电压源和切换模块，所述切换模块用于在上电极点火阶段使所述射频电压源向所述屏蔽层提供射频电压信号，以及在点火完成后，使所述屏蔽层接地。
9.根据权利要求8所述的加热结构，其特征在于，所述射频电压源通过多个接入点与所述屏蔽层连接，多个所述接入点沿轴向等间隔分布在所述屏蔽层的边缘。
10.一种半导体工艺设备，包括反应腔室、介质窗和射频线圈，所述介质窗设置于所述反应腔室的顶部，所述射频线圈设置于所述介质窗背离所述反应腔室的一侧，用于馈入射频，其特征在于，还包括如权利要求1-9中任一项所述的加热结构。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2024078063A1 (zh) * 2022-10-14 2024-04-18 江苏鲁汶仪器股份有限公司 等离子体刻蚀设备、介质窗加热装置及系统

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