TWI570836B

TWI570836B - Electrostatic chuck and its plasma processing chamber

Info

Publication number: TWI570836B
Application number: TW103140135A
Authority: TW
Inventors: Jie Liang; Lei Wan
Priority date: 2013-11-29
Filing date: 2014-11-19
Publication date: 2017-02-11
Also published as: TW201526154A; CN104681380A; CN104681380B

Description

靜電卡盤及其等離子體處理室

本發明涉及等離子體處理技術領域，尤其涉及一種靜電卡盤的溫度控制技術領域。

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。加熱器通常為至少一組加熱絲，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。在現有技術提供的靜電卡盤中，加熱測溫電路和測溫電路分開設置，增加了反應腔內元器件的排布和線路的複雜程度。除此之外，隨著半導體技術的發展，晶圓的尺寸逐漸變大，刻蝕的精度不斷提高，對靜電卡盤的溫度均勻性要求越來越高。現有技術中採用加熱絲加熱靜電卡盤逐漸不能滿足日益提高的對靜電卡盤表面溫度均勻性的要求。

為了解決上述技術問題，本發明提供一種具有多個溫度控制單元的靜電卡盤，所述靜電卡盤包括一支撐基片的絕緣層，所述絕緣層下方設置若干溫度控制單元，所述每個溫度控制單元包括一加熱測溫電路，所述加熱測溫電路兩端分別通過開關連接一電壓源，實現對所述溫度控制單元的溫度控制。

優選的，所述溫度控制單元在所述絕緣層下方均勻設置，有利於實現對靜電卡盤的溫度均勻控制。

優選的，所述電壓源為可變電壓源。電壓源輸出可變電壓，有利於調節不同位置的溫度控制單元的溫度高低，便於更好地調節靜電卡盤的溫度均勻。

優選的，所述若干加熱測溫電路的所有開關連接一微處理器，所述微處理器通過控制所述開關的閉合、斷開控制所述加熱測溫電路的工作狀態。通過所述微處理器控制所述開關的斷開閉合實現對溫度控制單元的可程式設計選址，決定需要進行溫度調節的溫度控制單元進行加熱測溫。

優選的，所述加熱測溫電路包括第一回路，其上流通第一電流，所述第一電流流經一熱敏電阻，根據所述熱敏電阻阻值測量所述溫度控制單元的溫度；第二回路，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，用於加熱所述溫度控制單元。

優選的，所述加熱測溫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。

優選的，所述熱敏電阻為正溫度係數，其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。

優選的，所述加熱測溫電路還包括一三極管，所述熱敏電阻連接於所述三極管基極與集電極之間，所述集電極還連接於所述電壓源正極，所述三極管發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，自所述三極管的基極流向其發射極，所述第二電流自所述三極管的集電極流向其發射極，所述第一電流與所述第二電流之和流經所述加熱器。

優選的，所述加熱測溫電路還包括一三極管，所述熱敏電阻連接於所述三極管基極與所述電壓源正極之間，所述加熱器連接於所述三極管集電極與所述電壓源正極之間，所述三極管發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，自所述三極管的基極流向其發射極，所述第二電流流經所述加熱器，自所述三極管的集電極流向其發射極。

優選的，所述加熱測溫電路還包括一CMOS電晶體和一恒定電阻，所述恒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，所述恒定電阻另一端與所述電壓源負極連接，所述CMOS電晶體門極連接于所述恒定電阻與熱敏電阻之間，其源極與所述電壓源負極相連，其漏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恒定電阻，所述第二電流流經所述加熱器，自所述CMOS電晶體漏極流向其源極。

進一步的，本發明還公開了一種等離子體處理室，所述等離子體處理室包括一反應腔，所述反應腔內設有一用於支撐基片的靜電卡盤，所述靜電卡盤下方設有一基座用於支撐所述靜電卡盤，所述靜電卡盤包括一絕緣層，所述絕緣層下方設置若干溫度控制單元，所述每個溫度控制單元內包括一加熱測溫電路，所述若干加熱測溫電路的兩端分別通過開關連接到一可變電壓，所述等離子體處理室還包括一微處理器，所述微處理器控制所述開關的閉合、斷開控制所述加熱測溫電路是否進行加熱測溫，實現對所述溫度控制單元的溫度控制。

優選的，所述微處理器輸出控制信號至所述可變電壓，控制所述可變電壓的輸出電壓大小。

本發明的優點在於：在靜電卡盤的絕緣層下方均勻設置若干個溫度控制單元，每個溫度控制單元能獨立進行溫度調節，同時每個溫度控制單元內包括加熱測溫電路，使得每個溫度控制單元在進行溫度調節的同時還能準確得知其溫度的上升下降情況，電路簡化，結構簡單，有效控制了靜電卡盤表面的溫度均勻，保證了刻蝕工藝的穩定性。

本發明公開了一種具有多個溫度控制單元的靜電卡盤及其溫度控制方法，為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更為明顯易懂，下面結合附圖和實施例對本發明的具體實施方式做詳細的說明。

圖1示出本發明所述靜電卡盤的結構示意圖；靜電卡盤10包括用於支撐基片的絕緣層14，絕緣層內設置一電極12，電極12連接一直流電源（圖中未示出）從而產生靜電吸力，將靜電卡盤10上方的基片固定在靜電卡盤上。絕緣層下方設置一加熱層16，所述加熱層內設置若干溫度控制單元100，加熱層16下方設置基座20，用於支撐所述靜電卡盤10，為了控制靜電卡盤的溫度均衡，基座20內可以設置冷卻系統25。

圖2示出本發明所述溫度控制單元在所述靜電卡盤上的分佈示意圖，由圖可見，靜電卡盤10內設有多片溫度控制單元100，多片溫度控制單元100在靜電卡盤上均勻分佈，在本發明中個，每個溫度控制單元均勻可以實現獨立的溫度調節與監控，通過分別對溫度控制單元100進行溫度調節，實現對靜電卡盤10的溫度均勻性控制。本發明溫度控制單元的具體控制原理為：每個溫度控制單元100內包括一加熱測溫電路，所述加熱測溫電路兩端通過開關連接到一電壓源的正極和負極，本實施例中，若干溫度控制單元100共用一個電壓源，即加熱測溫電路110一端通過開關全部連接到所述電壓源的正極，另一端全部通過開關連接到所述電壓源的負極。若干溫度控制單元100受一微處理器MCU控制，所述微處理器MCU與所述開關相連，通過MCU選擇開關的閉合和斷開，控制所述加熱測溫電路是否進行工作，進而控制此處的靜電卡盤是否進行溫度加熱。

圖3示出若干溫度控制單元間的連接結構示意圖，為了詳細描述溫度控制單元100的工作原理，同時為便於描述，此處選擇4個溫度控制單元100進行描述，由圖3可知，加熱測溫電路110一端通過開關k11與電壓源160的正極相連，另一端通過開關k11’與電壓源160的負極相連，開關k11和k11’分別與MCU150相連，類似的，另外三個溫度控制單元的加熱測溫電路110具有同樣地連接關係，分別為：加熱測溫電路110一端通過開關k21與電壓源160的正極相連，另一端通過開關k21’與電壓源160的負極相連；加熱測溫電路110一端通過開關k12與電壓源160的正極相連，另一端通過開關k12’與電壓源160的負極相連；加熱測溫電路110一端通過開關k22與電壓源160的正極相連，另一端通過開關k22’與電壓源160的負極相連。開關k12和k12’， k21和k21’， k22和k22’分別與MCU150相連。具體工作時，對MCU150進行編輯設定，為了便於編輯，設定加熱測溫電路110與電壓源160正極連接端為x值，熱測溫電路110與電壓源160負極連接端為y值，x值和y值為1時代表開關閉合，為0時代表開關斷開。MCU150設定某一加熱測溫電路的x和y值同時為1即表示選中該加熱測溫電路進行加熱測溫工作。否則，該加熱測溫電路不進行加熱測溫工作。本發明所述的電壓源160為可變電壓，其與MCU150相連接，通過對MCU150進行編輯設定，可以確定電壓源160的輸出電壓，進而對加熱測溫電路的升溫大小進行控制。電壓源160的負極可以接地。

在具體工作中，結合圖2所示，MCU150可以控制溫度控制單元100進行逐點加熱，MCU150將靜電卡盤10上的所有溫度控制單元100進行座標定位，按照其所在的位置將所有溫度控制單元100定義為一個陣列，每一個溫度控制單元100位於所述座標上的一橫軸和一縱軸的連接點上。根據上文描述，x值和y值分別代表一個加熱測溫電路110的兩端與電壓源的正極和負極的連接。當MCU150設定某一行的橫坐標x為1時，位於該行內的加熱測溫電路與電壓源160正極連接的開關閉合，此時根據需要再設定某一列的y值為1，該列上的加熱測溫電路110與電壓源160負極連接的開關閉合，處於所述列與所述行處的溫度控制單元100被選中，溫度控制單元100內的加熱測溫電路進行加熱工作。MCU150再設定一個z值，用於控制電壓源160的輸出電壓大小，進而調節此處的靜電卡盤的溫度大小。通過對MCU進行編輯設定，可以控制所有溫度控制單元的加熱順序，可以先設置靜電卡盤上的所有溫度控制單元進行迅速的逐點加熱，監控加熱結果，如果發現靜電卡盤某處溫度偏高或偏低，對該點處的溫度控制單元的電壓進行調節，實現對此處溫度的補償。MCU可以設定每個溫度控制單元的加熱時間很短，從而實現所有溫度控制單元加熱一遍的時間很短，實現溫度的快速調節。

圖4-圖6示出本發明所述加熱測溫電路連接示意圖，在圖4所示的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、三極管203以及電流錶204、直流電壓源260。其中，熱敏電阻201連接於三極管基極與集電極之間，集電極還連接於電壓源260正極，三極管發射極與加熱器202連接，加熱器202另一端通過開關208’連接於電壓源260負極。電流錶204接於主回路上，通過開關208連接在電壓源260正極端。

該第一實施例中，將電壓源260正極、熱敏電阻202、三極管203基極至發射極、加熱器202至電壓源260負極形成的回路定義為第一回路，第一回路上流通有第一電流。具體地，第一電流自電壓源260正極依次流經熱敏電阻201，再自三極管203的基極流向其發射極，第二電流自三極管203的集電極流向其發射極，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，其阻值與流經加熱器202的電流值成負相關關係。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，在電壓源電壓恒定的情況下，第一電流電流值變小，因三極管放大倍數為恒定值，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。

因三極管放大倍數為恒定值，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的電阻值與電流錶204的計量電流值滿足如下公式，，其中，V為電壓源260電壓值，I為電流錶204計量電流值，R1為熱敏電阻201阻值，R2為加熱器202電阻值，Rbe為三極管203基極與發射極之間的電阻值，β為三極管203放大倍數。

根據上述公式，在測知電流錶204計量電流值後，即可算出熱敏電阻201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，簡化了電路結構，降低了元器件之間的串擾給電路帶來的影響。同時，其具有負反饋控制功能，使靜電卡盤升溫速率不至於過高或過低。

如圖5所示，本發明另一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、三極管303以及電流錶304、直流電壓源360。其中，熱敏電阻301連接於三極管303基極與電壓源360正極之間，加熱器202連接於三極管303集電極與電壓源360正極之間，電壓源360正極前方設置一開關308，三極管303發射極通過開關308’與電壓源360負極連接；電流錶304可接在電壓源360正極端或負極端。該實施例中，第一電流流經熱敏電阻301，自三極管303的基極流向其發射極，形成第一回路；第二電流流經加熱器302，自三極管303的集電極流向其發射極，形成第二回路。其中，熱敏電阻301為正溫度係數，其阻值與流經加熱器302的電流值成負相關關係。三極管303放大倍數恒定，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的電阻值與電流錶304的計量電流值滿足如下公式，，其中，V為電壓源360電壓值，I為電流錶304計量電流值，R1為熱敏電阻301阻值，Rbe為三極管303基極與發射極之間的電阻值，β為三極管放大倍數。根據上述公式、以及熱敏電阻301的阻值與溫度的對應關係，在讀出電流錶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，簡化了電路結構，降低了元器件之間的串擾給電路帶來的影響。同時，其具有負反饋控制功能，使靜電卡盤升溫速率不至於過高或過低。

如圖6所示，本發明另一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、恒定電阻404以及電流錶405、直流電壓源460，其中，恒定電阻404與熱敏電阻401串接，熱敏電阻401另一端通過開關408與直流電壓源460正極連接，恒定電阻404另一端通過開關408’與直流電壓源460負極連接，CMOS電晶體403門極連接于恒定電阻404與熱敏電阻401之間，其源極與直流電壓源460負極相連，其漏極與加熱器402連接，加熱器402另一端與直流電壓源460正極相連。

第一電流流經熱敏電阻401與恒定電阻404，形成第一回路；第二電流流經加熱器402，自CMOS電晶體403漏極流向其源極，形成第二回路。在CMOS電晶體403門極導通後，加熱器402上流通的電流值等於由CMOS電晶體403漏極流向其源極的電流值。具體地，熱敏電阻401為正溫度係數，其阻值與流經加熱器402的電流值成負相關關係。進一步地，熱敏電阻401的電阻值與電流錶405的計量電流值滿足如下公式，，其中，V為直流電壓源460電壓值，I為電流錶405計量電流值，R1為熱敏電阻401阻值，R3為恒定電阻404阻值，G為CMOS電晶體403放大倍數。根據上述公式、熱敏電阻401的阻值與溫度的對應關係以及電流錶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，將測溫電路與加熱測溫電路融為一體，簡化了電路結構，降低了發生串擾問題的可能性，並提供了負反饋控制，有效控制了靜電卡盤升溫速率，進而保證整個系統更加穩定可靠。

本發明雖然以較佳實施例公開如上，但其並不是用來限定本發明，任何本領域技術人員在不脫離本發明的精神和範圍內，都可以做出可能的變動和修改，因此本發明的保護範圍應當以本發明權利要求所界定的範圍為准。

10‧‧‧靜電卡盤
12‧‧‧電極
14‧‧‧絕緣層
16‧‧‧加熱層
20‧‧‧基座
25‧‧‧冷卻系統
100‧‧‧溫度控制單元
110‧‧‧測溫電路
150‧‧‧MCU
160‧‧‧電源件
201‧‧‧熱敏電阻
202‧‧‧加熱器
203‧‧‧三極管
204‧‧‧電流表
208‧‧‧開關
260‧‧‧電壓源
301‧‧‧熱敏電阻
302‧‧‧加熱管
303‧‧‧三極管
304‧‧‧電流表
308‧‧‧開關
308’‧‧‧開關
360‧‧‧電壓源
401‧‧‧熱敏電阻
402‧‧‧加熱器
403‧‧‧CMOS晶體管
404‧‧‧恒定電阻
405‧‧‧電流表
408‧‧‧開關
408’‧‧‧開關
460‧‧‧電壓源
k11‧‧‧開關
k11’‧‧‧開關
k12‧‧‧開關
k12’‧‧‧開關
k21‧‧‧開關
k21’‧‧‧開關
k22‧‧‧開關
k22’‧‧‧開關

圖1示出本發明所述靜電卡盤的結構示意圖；圖2示出溫度控制單元在所述靜電卡盤上的分佈示意圖；圖3示出若干溫度控制單元間的連接結構示意圖；圖4示出本發明一種實施例的加熱測溫電路示意圖；圖5示出本發明另一種實施例的加熱測溫電路示意圖；圖6示出本發明另一種實施例的加熱測溫電路示意圖。

10‧‧‧靜電卡盤

12‧‧‧電極

14‧‧‧絕緣層

16‧‧‧加熱層

20‧‧‧基座

25‧‧‧冷卻系統

100‧‧‧溫度控制單元

Claims

一種靜電卡盤，包含：一支撐基片的絕緣層，所述絕緣層下方設置若干溫度控制單元，所述每個溫度控制單元包括一加熱測溫電路，所述加熱測溫電路兩端分別通過開關連接一電壓源，實現對所述溫度控制單元的溫度控制，其中所述加熱測溫電路包括第一回路，其上流通第一電流，所述第一電流流經一熱敏電阻，根據所述熱敏電阻阻值測量所述溫度控制單元的溫度；第二回路，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，用於加熱所述溫度控制單元；所述熱敏電阻為正溫度係數，其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。
如請求項1所述靜電卡盤，其中所述溫度控制單元在所述絕緣層下方均勻設置。
如請求項1所述靜電卡盤，其中所述電壓源為可變電壓源。
如請求項1所述靜電卡盤，其中所述若干加熱測溫電路的所有開關連接一微處理器，所述微處理器通過控制所述開關的閉合、斷開控制所述加熱測溫電路的工作狀態。
如請求項1所述靜電卡盤，其中所述加熱測溫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。
如請求項1所述靜電卡盤，其中所述加熱測溫電路還包括一三極管，所述熱敏電阻連接於所述三極管基極與集電極之間，所述集電極還連接於所述電壓源正極，所述三極管發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，自所述三極管的基極流向其發射極，所述第二電流自所述三極管的集電極流向其發射極，所述第一電流與所述第二電流之和流經所述加熱器。
如請求項1所述的靜電卡盤，其中所述加熱測溫電路還包括一三極管，所述熱敏電阻連接於所述三極管基極與所述電壓源正極之間，所述加熱器連接於所述三極管集電極與所述電壓源正極之間，所述三極管發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，自所述三極管的基極流向其發射極，所述第二電流流經所述加熱器，自所述三極管的集電極流向其發射極。
如請求項1所述的靜電卡盤，其中所述加熱測溫電路還包括一CMOS電晶體和一恒定電阻，所述恒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，所述恒定電阻另一端與所述電壓源負極連接，所述CMOS電晶體門極連接于所述恒定電阻與熱敏電阻之間，其源極與所述電壓源負極相連，其漏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恒定電阻，所述第二電流流經所述加熱器，自所述CMOS電晶體漏極流向其源極。
一種等離子體處理室，其中所述等離子體處理室包括一反應腔，所述反應腔內設有一用於支撐基片的靜電卡盤，所述靜電卡盤下方設有一基座用於支撐所述靜電卡盤，所述靜電卡盤包括一絕緣層，所述絕緣層下方設置若干溫度控制單元，所述每個溫度控制單元內包括一加熱測溫電路，所述若干加熱測溫電路的兩端分別通過開關連接到一可變電壓，所述等離子體處理室還包括一微處理器，所述微處理器控制所述開關的閉合、斷開控制所述加熱測溫電路是否進行加熱測溫，實現對所述溫度控制單元的溫度控制，其中所述加熱測溫電路包括第一回路，其上流通第一電流，所述第一電流流經一熱敏電阻，根據所述熱敏電阻阻值測量所述溫度控制單元的溫度；第二回路，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，用於加熱所述溫度控制單元；所述熱敏電阻為正溫度係數，其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。
如請求項9所述等離子體處理室，其中所述微處理器輸出控制信號至所述可變電壓，控制所述可變電壓的輸出電壓大小。