TWI587354B - A heater for a plasma processing device - Google Patents

Description

用於電漿處理裝置的加熱器

本發明有關於一種半導體刻蝕技術，具體是有關於一種用於電感耦合電漿反應腔上的加熱器。

電感耦合電漿(Inductively coupled plasma，ICP)反應腔需要維持恆定的溫度來提供一致的刻蝕速率和晶圓表面刻蝕的均一性，其中對反應腔頂棚(chamber lid)的加熱也是非常重要的環節。

目前，習知技術中對反應腔蓋子的加熱方式主要採用電阻加熱方式，在反應腔蓋子上設置加熱元件(heater element)，對加熱元件通電使其產生熱能從而進行加熱，這種加熱方式能夠提供優良的加熱能力，但其缺點在於，會吸收電感耦合電漿線圈(ICP coil)一部分的源功率(source power)，從而導致耦合效率的大幅降低。

如第1圖所示，當電感耦合電漿線圈101在工作的時候，線圈101所產生的射頻(RF)會有電壓分佈，在線圈輸出的射頻(RF)電場的作用下，線圈101和阻值為R的加熱元件102(heater element)之間會產生電容耦合(capacitor coupling)r1和r2，會造成源功率(source power)損失。在線圈101上A、B兩點之間有電壓差，A點電壓為V1，B點電壓為V2，設V1>V2，在A和B兩點之間和對應的加熱元件102會產生耦合電流I=(V1-V2)/(r1+r2+R)。因為r1和r2是電容耦合產生的等效電阻，電阻值遠大於加熱元件102的電阻R，所以耦合電流I的大小與加熱元件102的電阻大小幾乎無關，而由於耦合電流發熱I²R會導致的ICP源功率損失，所以想要減少源功率損失即需要減少R的電阻值，然而 減小加熱元件102的電阻值會影響加熱元件102的加熱效果，影響刻蝕速率和刻蝕均一性。所以業界需要一種既能使更多的射頻功率耦穿過加熱電阻合到下方反應腔，同時還要不影響加熱電阻的加熱效果的加熱器設計。

本發明提供一種用於電漿處理裝置的加熱器，可以有效降低反應腔加熱對電感耦合電漿源功率電場產生的影響和損耗，提高耦合效率。

為實現上述目的，本發明提供一種用於電漿處理裝置的加熱器，電漿處理裝置包括反應腔，反應腔頂部為一個絕緣窗，絕緣窗上依次設置有加熱器和線圈，加熱器包括金屬遮罩防護層和加熱電阻層，金屬遮罩防護層與加熱電阻層之間設有內絕緣層；金屬遮罩防護層完全覆蓋加熱電阻層，電漿處理裝置的線圈發出的射頻功率依次穿過金屬遮罩防護層與加熱電阻層進入電漿處理裝置的反應腔；金屬遮罩防護層的電阻小於加熱電阻層的電阻。

較佳地，金屬遮罩防護層的形狀結構與加熱電阻層的形狀結構相同；金屬遮罩防護層的面積等於或大於加熱電阻層的面積。

較佳地，金屬遮罩防護層的電阻小於加熱電阻層的電阻的二分之一。

較佳地，金屬遮罩防護層的電阻比加熱電阻層的電阻小兩個數量級。

較佳地，金屬遮罩防護層為薄膜狀的金屬層，金屬遮罩防護層的材料包含有鋁、銅或其組合。

較佳地，加熱器更包含有外絕緣層，其包覆於金屬遮罩防護層與線圈之間。

較佳地，加熱器更包含有連接層，其設置於加熱器朝向絕緣窗的一側，連接層貼設於絕緣窗上；加熱器藉由連接層連接絕緣窗；連接層由絕緣材料製成。

本發明之加熱器的金屬遮罩防護層及設有金屬遮罩防護層的加熱膜和電漿處理裝置和習知技術的電感耦合電漿反應腔的加熱裝置相比，其優點在於，本發明在加熱器上覆蓋電阻低於加熱器阻抗的金屬遮罩防護層，使電漿處理裝置的線圈發出的射頻功率先接觸金屬遮罩防護層，金屬遮罩防護層與射頻功率產生電容耦合後，射頻功率再穿過加熱電阻層進入電漿處理裝置的反應腔，金屬遮罩防護層用於替代加熱器對線圈射頻功率產生電容耦合，在金屬遮罩防護層上產生耦合電流，金屬遮罩防護層的低阻抗可以大大減小射頻功率由於電容耦合在金屬遮罩防護層上產生的耦合電流，從而降低射頻功率因電容耦合而造成的功率損失，同時也避免了對源功率的磁場造成更多影響。

101、150‧‧‧線圈

102‧‧‧加熱元件

110‧‧‧反應腔

120‧‧‧支撐台

130‧‧‧絕緣窗

140‧‧‧加熱器

160、180‧‧‧匹配網路

170‧‧‧高頻射頻電源

190‧‧‧偏置射頻電源

200‧‧‧高壓電源

210‧‧‧連接層

220‧‧‧加熱電阻層

230‧‧‧內絕緣層

240‧‧‧金屬遮罩防護層

250‧‧‧外絕緣層

A、B‧‧‧點

I‧‧‧電流

R‧‧‧電阻

第1圖為線圈與發熱器之間電容耦合造成功率損失的示意圖。

第2圖為電感耦合電漿的電漿處理裝置的結構示意圖。

第3圖為本發明設有金屬遮罩防護層的加熱器的結構示意圖。

第4圖為本發明中加熱器的局部結構示意圖。

以下結合圖式，進一步說明本發明的具體實施例。

本發明公開了一種用於電感耦合電漿(ICP)的電漿處理裝置的加熱器。

如第2圖所示，在電感耦合電漿的電漿處理裝置的一種實施例中，電漿處理裝置(如電漿反應器)包含有電感耦合電漿反應腔(ICP chamber)110，反應腔110的形狀並非限定於圓筒狀，例如也可以是角筒狀。

在反應腔110的底部設有用於放置晶圓的支撐台120，支撐台120中可根據需要設置有用於吸附晶圓的靜電卡盤、電極及加熱器或製冷劑流路等的溫度調製機構等。在進行半導體處理過程中，處理室內部充滿有電漿(plasma)。

反應腔110的頂部設有絕緣窗(insulator window)130，絕緣窗130採用石英玻璃、陶瓷或氧化鋁(AL₂O₃)等構成。絕緣窗130氣密安裝於反應腔110頂棚(chamber lid)所形成的開口。

支撐台120電路連接高壓電源200和匹配網路180，並藉由匹配網路180電路連接偏置射頻電源190。

在反應腔110外部(通常為反應腔的外部上方)設有電感耦合電漿線圈(ICP coil)150，電感耦合電漿線圈150電路連接匹配網路160，並藉由匹配網路160電路連接高頻射頻電源170，電感耦合電漿線圈150用於向反應腔110發出高頻射頻功率，與偏置射頻電源190輸入反應腔110的偏置射頻功率配合工作，於反應腔110內部產生耦合作用，從而使反應腔110內的晶圓進行電感耦合電漿刻蝕製程。

線圈150的形狀可以採用靠近反應腔絕緣窗的平面線圈，或採用垂直線圈。

平面線圈具體可採用螺旋線圈狀，線圈對應設置於處理室的絕緣窗130處。線圈與絕緣窗130之間間隔設置。線圈可採用例如銅、鋁、不銹鋼等的導體構成。

平面線圈對線圈與反應腔絕緣窗130之間的距離具有一定要求，在保證絕緣的前提下，平面線圈與反應腔絕緣窗130之間的距離越小反應效果越好。而垂直線圈對線圈與反應腔絕緣窗130之間的距離大小沒有特別要求。

反應腔110需要維持恆定的溫度來提供一致的刻蝕速率和均一性，其中對反應腔頂棚的加熱就很重要。本實施例中，採用在反應腔頂棚絕緣窗上貼設一種薄膜狀的電阻式加熱器140，來對反應腔頂棚絕緣窗進行加熱。但是根據上述可知，由於電容耦合，電阻式的加熱器140會吸收電感耦合電漿線圈射頻一部分的源功率(source power)，導致電感耦合電漿刻蝕製程耦合效率的大幅降低，同時導致加熱器140上產生的熱量受射頻功率干擾，無法精確控制。

如第3圖所示，為解決上述的問題，本發明公開了一種用於電感耦合電漿(ICP)的電漿處理裝置的加熱器，加熱器設置於反應腔頂棚上用於接收射頻功率的絕緣窗窗口處。加熱器含有依次層疊設置的外絕緣層250、金屬遮罩防護層240、內絕緣層230、加熱電阻層220和連接層210。

加熱器設為一種薄膜結構，並貼設於反應腔頂棚的絕緣窗上，加熱器的薄膜結構為反應腔頂棚的絕緣窗上面節省了空間。鑒於平面線圈與絕緣窗窗口之間的距離越小，射頻功率對反應腔的耦合效率越高，加熱器的薄膜結構為平面線圈提供了充足的調整空間，利於調整平面線圈與絕緣窗之間的距離，有效提高耦合效率。

加熱器藉由其連接層210一側貼設並固定於反應腔頂棚的絕緣窗上，連接層210為絕緣材料製成，藉由連接層與絕緣窗的緊密連接可以促進熱量傳導到絕緣窗上表面。

加熱電阻層(heater)220為採用AC加熱的電阻式加熱裝置，採用設置為薄膜狀的金屬層，通常採用含有鎳、鐵的金屬材料製成。在工作時加熱電阻層220通50至60赫茲的交流電，使加熱電阻層220發熱，從而實現對反應 腔頂棚進行加熱，由於需要保證加熱電阻層220的加熱效果，加熱電阻層的電阻不能隨意減小，難以藉由改變加熱電阻層220的電阻來減少線圈與加熱電阻層220電容耦合所導致的耦合電流發熱帶來的功率損失。

所以本發明在加熱電阻層220上覆蓋一層金屬遮罩防護層240，金屬遮罩防護層240設置於加熱電阻層220與線圈之間，隔離加熱電阻層220(如電熱器)與線圈發出的射頻功率。

電漿處理裝置的線圈發出的射頻功率先接觸金屬遮罩防護層240，金屬遮罩防護層240替代加熱電阻層220與射頻功率產生電容耦合後，射頻功率再穿過加熱電阻層220進入電漿處理裝置的反應腔。

金屬遮罩防護層240採用設置為薄膜狀的金屬層(金屬膜，pattern)，通常採用含有鋁、銅的金屬材料製成。金屬遮罩防護層240的電阻小於加熱電阻層220的電阻。理想狀態中，為減少金屬遮罩防護層240與線圈之間電容耦合所造成的功率損失，金屬遮罩防護層240的電阻越小越好。

在實際操作中，金屬遮罩防護層240的電阻可選小於加熱電阻層220電阻的十分之一。進一步的，金屬遮罩防護層240的電阻取值範圍可選加熱電阻層220電阻的1/10至1/1000。

內絕緣層230夾設於金屬遮罩防護層240與加熱電阻層220之間，內絕緣層230可採用鐵氟龍材料製成，用於保證金屬遮罩防護層240與加熱電阻層220的絕緣。

外絕緣層250朝向線圈設置，為加熱器的最外層。外絕緣層250採用鐵氟龍材料製成，其覆蓋於金屬遮罩防護層240上，外絕緣層250的形狀結構與金屬遮罩防護層240的形狀結構相匹配，並且外絕緣層250的面積大小等於或略大於金屬遮罩防護層240的面積大小，使外絕緣層250可完全包覆於金屬遮 罩防護層240外，保證金屬遮罩防護層240與外界絕緣，也防止金屬遮罩層240的金屬被氧化造成電阻急劇升高，影響遮罩效果。

如第4圖所示，為加熱電阻層220形狀結構的一種實施例，加熱電阻層220採用一種設置為環形的電阻絲，並且為更多覆蓋絕緣窗表面，在電阻絲環形邊上通過彎折設置為齒輪形的結構。

為金屬遮罩防護層240可隔離加熱電阻層220與線圈的射頻功率，並替代加熱電阻層220與射頻功率產生電容耦合，金屬遮罩防護層240可設置為與加熱電阻層220的形狀結構相同的齒輪形結構，同時金屬遮罩防護層240的面積可等於或略大於加熱電阻層220的面積，以保證對加熱電阻層220的覆蓋。本實施例中，只要保證金屬遮罩防護層240與加熱電阻層220共形，從而完全覆蓋加熱電阻層220，金屬遮罩防護層240也可設置為圓形、方形等任意形狀大小。

同時，連接層210、內絕緣層230、外絕緣層250的形狀大小可設置與金屬遮罩防護層240完全一致或面積略大於金屬遮罩防護層240，以保證完全包覆金屬遮罩防護層240和加熱電阻層220。

進一步的，加熱電阻層220除了設置為齒輪形結構，也可以根據加熱的製程要求設置為任意形狀和大小。金屬遮罩防護層240設置為可保證完全覆蓋加熱電阻層220的任意形狀和大小。同時，連接層210、內絕緣層230、外絕緣層250的形狀大小可設置與金屬遮罩防護層240完全一致或面積略大於金屬遮罩防護層240。

金屬遮罩防護層240的面積通常會大於加熱電阻層220。根據電阻計算公式：電阻=電阻率*長度/面積。可見，金屬遮罩防護層240的面積增大進一步相對於加熱電阻層220降低了電阻，從而進一步減小金屬遮罩防護層240與射頻功率造成的功率損失。

進一步的，根據實際製程要求，金屬遮罩防護層240的電阻可調，可根據具體製程要求，根據上述電阻計算公式，改變金屬遮罩防護層240的電阻率、長度、面積，從而減小或增大金屬遮罩防護層240的電阻。

本發明第4圖所示的加熱電阻層圖案可以優化設計均勻排布在絕緣窗上方，以改善絕緣窗上溫度的均勻性，比如在絕緣窗上層漸開線形或者在圓周上呈齒輪狀排布。感應電壓只在線圈與加熱電阻層圖形的交叉點影響較大，其它區域基本影響不大，多個交叉點之間的電勢差藉由本發明金屬遮罩防護層在加熱電阻層上方的設置可以完全排出對加熱功率的干擾。

儘管本發明的內容已經藉由上述實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域具通常知識者閱讀了上述內容後，對於本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護範圍應由所附的申請專利範圍來限定。

210‧‧‧連接層

220‧‧‧加熱電阻層

230‧‧‧內絕緣層

240‧‧‧金屬遮罩防護層

250‧‧‧外絕緣層

Claims (6)

1. 一種用於電漿處理裝置的加熱器，該電漿處理裝置包括反應腔，該反應腔頂部為一個絕緣窗，該絕緣窗上依次設置有加熱器和線圈，其特徵在於，該加熱器包括金屬遮罩防護層和加熱電阻層，該金屬遮罩防護層與該加熱電阻層之間設有內絕緣層，該金屬遮罩防護層完全覆蓋該加熱電阻層，該電漿處理裝置的該線圈發出的射頻功率依次穿過該金屬遮罩防護層與該加熱電阻層進入該電漿處理裝置的該反應腔，該金屬遮罩防護層的電阻小於該加熱電阻層的電阻。
2. 如申請專利範圍第1項所述之加熱器，其中該金屬遮罩防護層的形狀結構與該加熱電阻層的形狀結構相同，該金屬遮罩防護層的面積等於或大於該加熱電阻層的面積。
3. 如申請專利範圍第1項所述之加熱器，其中該金屬遮罩防護層的電阻小於該加熱電阻層的電阻的二分之一。
4. 如申請專利範圍第1項所述之加熱器，其中該金屬遮罩防護層為薄膜狀的金屬層，該金屬遮罩防護層的材料包含有鋁、銅或其組合。
5. 如申請專利範圍第1項所述之加熱器，其中該加熱器更包含外絕緣層，其包覆於該金屬遮罩防護層與該線圈之間。
6. 如申請專利範圍第1項所述之加熱器，其中該加熱器更包含有連接層，其設置於該加熱器朝向該絕緣窗的一側，該連接層貼設於該絕緣窗上，該加熱器藉由該連接層連接該絕緣窗，該連接層由絕緣材料製成。