TW201526155A - 靜電卡盤加熱測溫電路及等離子體反應裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明涉及一種靜電卡盤加熱測溫電路，包括：第一迴路，其上流通第一電流，第一電流流經一熱敏電阻；第二迴路，其上流通第二電流，第二電流或第一電流與第二電流之和流經一加熱器，用於加熱靜電卡盤；一電壓源，用於向第一迴路與第二迴路供電。其將加熱電路和測溫電路合為一個加熱測溫電路，簡化了電路結構、使系統更加穩定可靠，且減少了對射頻功率造成的損耗，提高了反應腔內等離子體的穩定性。

Description

靜電卡盤加熱測溫電路及等離子體反應裝置
本發明涉及半導體加工製造領域，更具體地說，涉及一種靜電卡盤加熱測溫電路。
在等離子體處理工藝過程中，常採用靜電卡盤（Electro Static Chuck，簡稱ESC）來固定、支撐及傳送晶圓（Wafer）等待加工件。靜電卡盤設置於反應腔室中，其採用靜電引力的方式，而非機械方式來固定晶圓，可減少對晶圓可能的機械損失，並且使靜電卡盤與晶圓完全接觸，有利於熱傳導。
向反應腔室通入反應氣體，並施加射頻功率後，反應氣體電離成等離子體，與晶圓進行等離子體反應。在這一過程中，晶圓的溫度對於等離子體處理工藝來說非常重要，而晶圓的溫度是通過控制靜電卡盤的溫度來實現的。
為使靜電卡盤具有足夠大的升溫速度，進而提高晶圓刻蝕的均勻性，絕緣層中或其下方鋪設有一加熱器，用以通過靜電卡盤加熱晶圓。加熱器通常為一組加熱絲，盤成螺旋形，由外部電源供電。與此同時，靜電卡盤中還需要設置一測溫電路，測溫電路包括一熱感測器，其用於測量靜電卡盤的溫度，以便即時掌握工藝中晶圓的溫度。在習知技術提供的靜電卡盤中，加熱電路和測溫電路分開設置，而對處於較高射頻功率作用下的靜電卡盤進行加熱和測溫，又必須在加熱電路和測溫電路分別接入耐高壓和大電流的濾波器，以避免反應腔內高頻率的射頻電壓對加熱電路和測溫電路的影響。
如圖1所示，習知技術中，靜電卡盤包括一絕緣層10和一基座20，絕緣層10中設置有熱感測器101、加熱器102（附圖未示出用於吸附晶圓的直流電極），靜電卡盤加熱電路包括加熱器102、接在電源端的2個濾波器1021以及交流電源1022，交流電源1022向加熱器102供電以通過靜電卡盤加熱晶圓，測溫電路包括熱感測器101、接在電源端的2個濾波器1011、直流電源1012以及電流表1013，熱感測器與靜電卡盤直接接觸，以即時測量靜電卡盤的溫度。基座20中設有冷卻液流道110，以防止靜電卡盤的熱量向下方傳導。
習知技術的靜電卡盤中，為了保證溫度的均勻，經常需要設置多個加熱器102，實現對靜電卡盤的分區加熱。這意味著每個加熱區均需要設置一組加熱電路和一組測溫電路，導致反應腔內元器件以及佈線密集設置，使得靜電卡盤加熱電路和／或測溫電路複雜程度增加，且串擾現象頻發，使工藝控制難度躍升；尤為突出的，由於每組加熱電路和測溫電路均需要設置兩個濾波器，而濾波器製作困難、造價高昂且會造成反應腔內射頻功率的損耗，增加刻蝕工藝的不穩定性。
因此，業內期望獲得一種結構簡單、穩定可靠的靜電卡盤加熱及測溫電路。
本發明的目的在於提供一種結構簡單、穩定可靠的靜電卡盤加熱測溫電路。
為實現上述目的，本發明一技術方案如下：
一種靜電卡盤加熱測溫電路，包括：第一迴路，其上流通第一電流，第一電流流經一熱敏電阻；第二迴路，其上流通第二電流，第二電流或第一電流與第二電流之和流經一加熱器，用於加熱靜電卡盤；一電壓源，用於向第一迴路與第二迴路供電。
優選地，靜電卡盤包括一上表面和一下表面，熱敏電阻靠近靜電卡盤下表面設置，以根據其電阻值測量靜電卡盤的溫度。
優選地，熱敏電阻為正溫度係數，其電阻值與流經加熱器的電流值成負相關關係；第二電流與第一電流成正相關關係。
可選地，加熱測溫電路還包括一雙極性電晶體，熱敏電阻連接於雙極性電晶體基極與集極之間，集極還連接於電壓源正極，雙極性電晶體射極與加熱器連接，加熱器另一端連接於電壓源負極；其中，第一電流流經熱敏電阻，自雙極性電晶體的基極流向其射極，第二電流自雙極性電晶體的集極流向其射極，第一電流與第二電流之和流經加熱器。
可選地，加熱測溫電路還包括一雙極性電晶體，熱敏電阻連接於雙極性電晶體基極與電壓源正極之間，加熱器連接於雙極性電晶體集極與電壓源正極之間，雙極性電晶體射極與電壓源負極連接；其中，第一電流流經熱敏電阻，自雙極性電晶體的基極流向其射極，第二電流流經加熱器，自雙極性電晶體的集極流向其射極。
可選地，加熱測溫電路還包括一CMOS電晶體和一恆定電阻，恆定電阻與熱敏電阻串接，熱敏電阻另一端與電壓源正極連接，恆定電阻另一端與電壓源負極連接，CMOS電晶體閘極連接於恆定電阻與熱敏電阻之間，其源極與電壓源負極相連，其汲極與加熱器連接，加熱器另一端與電壓源正極相連；其中，第一電流流經熱敏電阻與恆定電阻，第二電流流經加熱器，自CMOS電晶體汲極流向其源極。
本發明還提供一種等離子體反應裝置，包括反應腔室，反應腔室包括一支撐晶圓的靜電卡盤以及射頻電源，反應腔室內通入反應氣體，在射頻電源的作用下電離成等離子體，與放置於靜電卡盤上的晶圓進行等離子體反應；其中，靜電卡盤以如上所述的靜電卡盤加熱測溫電路進行加熱測溫。
本發明提供的靜電卡盤加熱測溫電路，將加熱電路和測溫電路合為一個加熱測溫電路，只需在加熱測溫電路的輸出端和輸入端分別設置一個濾波器，使得濾波器的數量降低至習知技術中所需數量的一半，簡化了電路結構、增大了反應腔空間，減少了濾波器距離過近造成的串擾，大大節省了成本。此外，其為靜電卡盤加熱系統提供負回饋控制，使其升溫速率不至於過高或過低，進而保證系統更加穩定可靠。同時，由於濾波器本身會對反應腔內的射頻功率造成損耗，本發明電路通過降低濾波器的數量，減少了對射頻功率造成的損耗，提高了反應腔內等離子體的穩定性，保證了刻蝕工藝的穩定合格。
下面結合附圖，對本發明的具體實施方式作進一步的詳細說明。
需要說明的是，本發明實施例中僅以熱敏電阻為正溫度係數作為示例，其溫度值與電阻值具有一一對應關係，熱敏電阻貼近靜電卡盤設置，其可與靜電卡盤具有一直接接觸面，從而根據其電阻值即可測算出靜電卡盤的溫度，也可與靜電卡盤之間具有一定間隙，在間隙內填充導熱材料，從而也可用來測算靜電卡盤的溫度。
如圖2所示，本發明第一實施例提供的靜電卡盤加熱測溫電路包括熱敏電阻201、加熱器202、雙極性電晶體203以及電流表204、直流電壓源205。其中，熱敏電阻201連接於雙極性電晶體基極與集極之間，集極還連接於電壓源205正極，雙極性電晶體射極與加熱器202連接，加熱器202另一端連接於電壓源205負極。電流表204接於主迴路上，例如接在電壓源205正極端。用於避免射頻電壓對電路影響的兩個濾波器211、212分別串接於主迴路上，其中，濾波器211串接於電流表204遠離電壓源205的一端，濾波器212串接於電壓源205的負極端。
該第一實施例中，將電壓源205正極、熱敏電阻202、雙極性電晶體203基極至射極、加熱器202至電壓源205負極形成的迴路定義為第一迴路，第一迴路上流通有第一電流。具體地，第一電流自電壓源205正極依次流經熱敏電阻201，再自雙極性電晶體203的基極流向其射極，第二電流自雙極性電晶體203的集極流向其射極，第一電流與第二電流之和流經加熱器202。
其中，熱敏電阻為正溫度係數，其電阻值與流經加熱器202的電流值成負相關關係。
具體地，靜電卡盤包括一上表面和一下表面，該熱敏電阻202可與靜電卡盤下表面直接接觸，也可以一定間隙與下表面間隔開，並在間隙中填充導熱材料，從而根據熱敏電阻202的電阻值可測算出靜電卡盤的溫度。
進一步地，第二電流與第一電流成正相關關係。
例如，靜電卡盤溫度升高時，其電阻值變大，在電壓源電壓恆定的情況下，第一電流電流值變小，因雙極性電晶體放大倍數為恆定值，第二電流電流值也變小，進而使得流經加熱器202的電流變弱，加熱功率下降。反之，靜電卡盤溫度降低時，其電阻值變小，第一電流電流值變大，第二電流電流值也變大，加熱功率上升。
因雙極性電晶體放大倍數為恆定值，第二電流與第一電流成正比例關係，第二電流電流值為第一電流電流值的30-1000倍。
在上述加熱測溫電路實現對靜電卡盤的加熱功能的同時，其同時可利用熱敏電阻201測知靜電卡盤的即時溫度。
具體地，熱敏電阻201的電阻值與電流表204的計量電流值滿足如下公式，，其中，V為電壓源205電壓值，I為電流表204計量電流值，R1為熱敏電阻201電阻值，R2為加熱器202電阻值，Rbe 為雙極性電晶體203基極與射極之間的電阻值，β為雙極性電晶體203放大倍數。
根據上述公式，在測知電流表204計量電流值後，即可算出熱敏電阻201電阻值，隨後，根據熱敏電阻201溫度與電阻值的對應關係，即可確定靜電卡盤的溫度。
該第一實施例提供的靜電卡盤加熱測溫電路，以一個電路同時實現了加熱和測溫的功能，只需設計一對濾波器，減少了濾波器的使用，其還簡化了電路結構、增大了反應腔空間，並降低了串擾問題給工藝控制帶來的不利影響，節省了工藝成本。同時，由於濾波器本身會對反應腔內的射頻功率造成損耗，而因濾波器數量的減少，也必然減少了對射頻功率造成的損耗，提高了反應腔內等離子體的穩定性。此外，其為靜電卡盤加熱系統提供負回饋控制，即熱敏電阻201電阻值與流經加熱器202的電流值成負相關關係，使其升溫速率不至於過高或過低，進而保證系統更加穩定可靠。
如圖3所示，本發明第二實施例提供的靜電卡盤加熱測溫電路包括熱敏電阻301、加熱器302、雙極性電晶體303以及電流表304、直流電壓源305。其中，熱敏電阻301連接於雙極性電晶體303基極與電壓源305正極之間，加熱器202連接於雙極性電晶體303集極與電壓源305正極之間，雙極性電晶體303射極與電壓源305負極連接；電流表304例如可接在電壓源305的負極端。用於避免射頻電壓對電路影響的兩個濾波器311、312分別串接於主迴路上，其中，濾波器311串接於電流表304遠離電壓源305負極的一端，濾波器312串接於電壓源305的正極端。
該實施例中，第一電流流經熱敏電阻301，自雙極性電晶體303的基極流向其射極，形成第一迴路；第二電流流經加熱器302，自雙極性電晶體303的集極流向其射極，形成第二迴路。
其中，熱敏電阻301為正溫度係數，其電阻值與流經加熱器302的電流值成負相關關係。熱敏電阻301靠近於靜電卡盤下表面，其溫度可表徵靜電卡盤的溫度。雙極性電晶體303放大倍數恆定，從而第二電流與第一電流成正比例關係，例如第二電流電流值為第一電流電流值的30-1000倍。
進一步地，熱敏電阻301的電阻值與電流表304的計量電流值滿足如下公式，，其中，V為電壓源305電壓值，I為電流表304計量電流值，R1為熱敏電阻301電阻值，Rbe 為雙極性電晶體303基極與射極之間的電阻值，β為雙極性電晶體放大倍數。
根據上述公式、以及熱敏電阻301的阻值與溫度的對應關係，在讀出電流表304的電流值後，即可確定靜電卡盤的溫度。
該實施例提供的靜電卡盤加熱測溫電路同時實現了加熱以及測溫的功能，減少了濾波器的使用、簡化了電路結構，降低了串擾給電路帶來的影響，節省了工藝成本。且該實施例通過降低濾波器的數量，減少了對射頻功率造成的損耗，提高了反應腔內等離子體的穩定性，保證了刻蝕工藝的穩定合格。同時，該加熱測溫電路具有負回饋控制功能，使靜電卡盤升溫速率不至於過高或過低。
如圖4所示，本發明第三實施例提供的靜電卡盤加熱測溫電路包括熱敏電阻401、加熱器402、CMOS電晶體403、恆定電阻404以及電流表405、直流電壓源406，其中，恆定電阻404與熱敏電阻401串接，熱敏電阻401另一端與電壓源406正極連接，恆定電阻404另一端與電壓源406負極連接，CMOS電晶體403閘極連接於恆定電阻404與熱敏電阻401之間，其源極與電壓源406負極相連，其汲極與加熱器402連接，加熱器402另一端與電壓源406正極相連。用於避免射頻電壓對電路影響的兩個濾波器411、412分別串接於主迴路上，其中，濾波器411串接於電流表405遠離電壓源406負極的一端，濾波器412串接於電壓源406的正極端。
第一電流流經熱敏電阻401與恆定電阻404，形成第一迴路；第二電流流經加熱器402，自CMOS電晶體403汲極流向其源極，形成第二迴路。在CMOS電晶體403閘極導通後，加熱器402上流通的電流值等於由CMOS電晶體403汲極流向其源極的電流值。
具體地，熱敏電阻401為正溫度係數，其電阻值與流經加熱器402的電流值成負相關關係。熱敏電阻401可與靜電卡盤下表面直接接觸，也可間隔一定間隙，並在間隙中填充導熱材料。
進一步地，熱敏電阻401的電阻值與電流表405的計量電流值滿足如下公式，，其中，V為電壓源406電壓值，I為電流表405計量電流值，R1為熱敏電阻401電阻值，R3為恆定電阻404電阻值，G為CMOS電晶體403放大倍數。
根據上述公式、熱敏電阻401的電阻值與溫度的對應關係以及電流表405的讀數，可獲知靜電卡盤的溫度。
上述第三實施例提供的靜電卡盤加熱測溫電路採用了電壓控制元件，即一CMOS電晶體，將測溫電路與加熱電路合併，簡化了電路結構，降低了發生串擾問題的可能性，且其僅需接入一對濾波器，使濾波器對射頻功率造成的損耗降低，節省了工藝成本，該加熱測溫電路還提供了負回饋控制，以有效控制靜電卡盤升溫速率，進而保證整個系統更加穩定可靠。
本發明第四實施例提供一種等離子體反應裝置，其包括反應腔室，反應腔室包括用於支撐晶圓的靜電卡盤以及射頻電源，通入反應腔室中的反應氣體在射頻電源的作用下電離成等離子體，與放置於靜電卡盤上的晶圓進行等離子體反應；其中，靜電卡盤以如本發明第一、第二或第三實施例提供的靜電卡盤加熱測溫電路進行加熱。
該等離子體反應裝置電路結構簡單、串擾現象少、射頻功率損耗小，並對靜電卡盤升溫速率具有有效的控制，從而更加穩定可靠。
以上所述的僅為本發明的優選實施例，所述實施例並非用以限制本發明的專利保護範圍，因此凡是運用本發明的說明書及附圖內容所作的等同結構變化，同理均應包含在本發明的保護範圍內。
10‧‧‧絕緣層
101‧‧‧熱感測器
1011‧‧‧濾波器
1012‧‧‧直流電源
1013‧‧‧電流表
102‧‧‧加熱器
1021‧‧‧濾波器
1022‧‧‧交流電源
110‧‧‧冷卻液流道
20‧‧‧基座
201、301、401‧‧‧熱敏電阻
202、302、402‧‧‧加熱器
203、303‧‧‧雙極性電晶體
204、304、405‧‧‧電流表
205、305、406‧‧‧直流電壓源
211、212、311、312、411、412‧‧‧濾波器
403‧‧‧CMOS電晶體
404‧‧‧恆定電阻
［圖1］示出習知技術中靜電卡盤加熱電路與測溫電路結構示意圖； ［圖2］示出本發明第一實施例提供的靜電卡盤加熱測溫電路結構示意圖； ［圖3］示出本發明第二實施例提供的靜電卡盤加熱測溫電路結構示意圖； ［圖4］示出本發明第三實施例提供的靜電卡盤加熱測溫電路結構示意圖。
201‧‧‧熱敏電阻
202‧‧‧加熱器
203‧‧‧雙極性電晶體
204‧‧‧電流表
205‧‧‧直流電壓源
211、212‧‧‧濾波器

Claims (11)

  1. 一種靜電卡盤加熱測溫電路，包括： 第一迴路，其上流通第一電流，所述第一電流流經一熱敏電阻； 第二迴路，其上流通第二電流，所述第二電流或所述第一電流與第二電流之和流經一加熱器，用於加熱所述靜電卡盤； 一電壓源，用於向所述第一迴路與第二迴路供電。
  2. 如請求項1所述的靜電卡盤加熱測溫電路，其中所述靜電卡盤包括一上表面和一下表面，所述熱敏電阻靠近所述靜電卡盤下表面設置，以根據其電阻值測量所述靜電卡盤的溫度。
  3. 如請求項2所述的靜電卡盤加熱測溫電路，其中所述熱敏電阻與所述下表面具有一接觸面。
  4. 如請求項2所述的靜電卡盤加熱測溫電路，其中所述熱敏電阻與所述下表面間存在一定間隙，所述間隙內填充導熱材料。
  5. 如請求項1所述的靜電卡盤加熱測溫電路，其中所述電路還包括一電流測量裝置，用於測量所述第一電流與第二電流的電流值之和。
  6. 如請求項1所述的靜電卡盤加熱測溫電路，其中所述熱敏電阻為正溫度係數，其電阻值與流經所述加熱器的電流值成負相關關係；所述第二電流與所述第一電流成正相關關係。
  7. 如請求項2所述的靜電卡盤加熱測溫電路，其中所述第二電流電流值為所述第一電流電流值的30-1000倍。
  8. 如請求項2所述的靜電卡盤加熱測溫電路，其中所述加熱測溫電路還包括一雙極性電晶體，所述熱敏電阻連接於所述雙極性電晶體基極與集極之間，所述集極還連接於所述電壓源正極，所述雙極性電晶體射極與所述加熱器連接，所述加熱器另一端連接於所述電壓源負極； 其中，所述第一電流流經所述熱敏電阻，自所述雙極性電晶體的基極流向其射極，所述第二電流自所述雙極性電晶體的集極流向其射極，所述第一電流與所述第二電流之和流經所述加熱器。
  9. 如請求項2所述的靜電卡盤加熱測溫電路，其中所述加熱測溫電路還包括一雙極性電晶體，所述熱敏電阻連接於所述雙極性電晶體基極與所述電壓源正極之間，所述加熱器連接於所述雙極性電晶體集極與所述電壓源正極之間，所述雙極性電晶體射極與所述電壓源負極連接； 其中，所述第一電流流經所述熱敏電阻，自所述雙極性電晶體的基極流向其射極，所述第二電流流經所述加熱器，自所述雙極性電晶體的集極流向其射極。
  10. 如請求項2所述的靜電卡盤加熱測溫電路，其中所述加熱測溫電路還包括一CMOS電晶體和一恆定電阻，所述恆定電阻與所述熱敏電阻串接，所述熱敏電阻另一端與所述電壓源正極連接，所述恆定電阻另一端與所述電壓源負極連接，所述CMOS電晶體閘極連接於所述恆定電阻與熱敏電阻之間，其源極與所述電壓源負極相連，其汲極與所述加熱器連接，所述加熱器另一端與所述電壓源正極相連； 其中，所述第一電流流經所述熱敏電阻與恆定電阻，所述第二電流流經所述加熱器，自所述CMOS電晶體汲極流向其源極。
  11. 一種等離子體反應裝置，包括反應腔室，所述反應腔室包括一支撐晶圓的靜電卡盤以及射頻電源，所述反應腔室內通入反應氣體，在所述射頻電源的作用下電離成等離子體，與放置於所述靜電卡盤上的晶圓進行等離子體反應；其中，所述靜電卡盤以如請求項1至10中任一項所述的靜電卡盤加熱測溫電路進行加熱測溫。
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