TWI601452B - 腔室蓋加熱環組件 - Google Patents

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Description

腔室蓋加熱環組件
本發明的實施例大致關於半導體基材製程系統。更具體而言,本發明係關於用於電漿製程系統的蓋加熱器組件。
在積體電路的製造中,需要各種製程參數的精確控制,用於在基材中達成一致的結果,而且結果可從基材複製至另一基材。因為用於形成半導體裝置結構的幾何形狀限制係推向技術的極限,所以更嚴格的容限及精確製程控制對製作成功係為關鍵的。然而,隨著縮小的幾何,精確關鍵尺寸及蝕刻製程控制變得更加困難。
許多半導體裝置係在電漿的存在中製程。若電漿並非均勻地位於基材上,則製程結果亦可能非均勻。各種因素可影響電漿均勻性。舉例而言,在製程期間使用電子構件加熱電漿腔室的蓋的加熱器,可對電漿非均勻性有所貢獻。在加熱器中任何接地的金屬元素可減少從RF功率源至腔室所傳輸的功率。在加熱器中的電子加熱電路可能局部地作用而影響傳輸至腔室中的功率。在加熱中的任何非均勻性可於製程期間增加沈積且產生非所欲的粒子。
第1圖概要地描述具有加熱器13的傳統電漿製程腔室10。電漿製程腔室10包括腔室主體,該腔室主體界定製程腔體15用於在其中處理基材12。一或更多線圈15、16係佈置於腔室主體11的腔室蓋18上。線圈15、16在製程期間於製程腔體15中點燃且維持電漿17。包括電子加熱元件14的加熱器13係配置成加熱腔室蓋18,且被佈置於腔室蓋18及線圈15、16之間。加熱器13的任何金屬元素係與腔室主體11一起接地。接地的元素降低從線圈15、16傳輸至電漿17的功率。電子加熱元件14干擾介於線圈15、16及電漿17之間的功率傳輸,因為電子加熱元件14係位於線圈15、16的視線中。較靠近電子加熱元件14的腔室蓋18的區域相較於較遠離電子加熱元件14的區域,可具有一較高的溫度,高達攝氏10度之差。腔室蓋18的溫度非均勻性直接影響電漿17的均勻性,此可產生製程非均勻性及粒子污染。
儘管傳統電漿製程腔室已證實對較大關鍵尺寸具有健全的表現,但控制電漿均勻性的現存技術係為在電漿均勻性將對下一代、次微米結構的成功製作有所貢獻的一個區域,例如那些具有大約55 nm及更小的關鍵尺寸。
本發明已發現對經利用以控制製程腔室的一蓋的溫度的加熱器之設計的改良,在電漿均勻性及點燃上具有一有利的作用,且有效率地耦合RF功率。
本發明的實施例大致提供用於電漿製程腔室的蓋加熱器。其他實施例提供用於控制電漿製程腔室的蓋溫度的方法及裝置。方法及裝置增強電漿製程腔室之中電漿地點的位置控制,且改善製程腔室之中RF功率源及電漿之間的耦合。本發明的實施例可被利用於蝕刻、沈積、植入及熱處理系統,在意圖控制電漿地點的其他應用之中。
在一個實施例中,提供蓋加熱器組件,該蓋加熱器組件包括導熱底座。該導熱底座具有平面的環形界定內部開口。該蓋加熱器組件亦進一步包括加熱元件佈置於該導熱底座上,及隔絕的中央核心佈置於橫跨該導熱底座的該內部開口上。
在另一實施例中,提供電漿製程腔室,該電漿製程腔室包括腔室主體;腔室蓋,該腔室蓋包覆該腔室主體的製程腔體;基材支撐,該基材支撐佈置於該製程腔體中;及線圈組件,該線圈組件佈置於該腔室蓋的上方,該線圈組件配置成透過該腔室蓋而耦合RF功率至該製程腔體之中的氣體。該電漿製程腔室進一步包括蓋加熱器組件,該蓋加熱器組件耦合至該腔室蓋。該蓋加熱器組件包含:加熱環,該加熱環具有內部開口,其中該內部開口的直徑至少與該線圈組件一樣大;及隔絕的中央核心,該隔絕的中央核心佈置於橫跨該加熱環的該內部開口上。該內部開口的一直徑至少與該線圈組件一樣大,且該加熱環及該線圈組件經置放,使得該線圈組件的磁場係實質上導向該內部開口的內側。
仍在另一實施例中,提供蓋加熱器組件,該蓋加熱器組件包括導熱底座,其中該導熱底座具有平面環形界定內部開口;及加熱元件,該加熱元件佈置於該導熱底座上。該蓋加熱器組件進一步包括RF外罩,該RF外罩佈置於該加熱元件上。該RF外罩係具有間隙的平面環,且該間隙能夠將該加熱元件從RF功率提供至鄰近的天線,而變成RF熱點(RF hot),使得該電阻加熱元件具有電感加熱器及電阻加熱器兩者的功能。
仍在另一實施例中,提供一種用於電漿製程的方法,該方法包括以下步驟:藉由加熱耦合至腔室蓋的導熱環,來加熱該腔室蓋;及使用隔絕的中央核心,防止熱從該腔室蓋散失,該隔絕的中央核心位於該導熱環的該開口內側。該方法進一步包括以下步驟:將處理氣體引導至該腔室蓋下方的製程腔體;及使用位於該腔室蓋上方的線圈組件點燃電漿。該線圈組件的磁場係實質上在該導熱環內側。
第2圖描繪範例電漿製程腔室100的概要圖,該範例電漿製程腔室100具有本發明的蓋加熱器組件190的一個實施例。顯示於第2圖中的電漿製程腔室的具體實施例係為蝕刻反應器,但應考慮蓋加熱器組件190可有利地利用於其他類型的電漿製程腔室中,包括化學氣相沈積腔室、物理氣相沈積腔室、植入腔室、氮化腔室、電漿退火腔室、電漿處理腔室、灰化腔室及其他者之中。因此,第2圖的電漿製程腔室的實施例係提供用於圖示的目的,且不應被用以限制本發明的範疇。
電漿製程腔室100通常包括腔室主體110、氣體面板138及控制器140。腔室主體110包括底部128、側壁130及蓋120,該蓋120包覆製程腔體127。側壁130及底部128係以導電材料製作,例如不鏽鋼或鋁。蓋120可以鋁、不鏽鋼、陶瓷或其他適當的材料製作。
來自氣體面板138的處理氣體係透過噴淋頭及/或一或更多噴嘴而提供至腔室主體110的製程腔體127。在第2圖中所描繪的實施例中,電漿製程腔室100包括複數個噴嘴136沿著腔室主體的側壁130置放,及中央噴嘴137固定於蓋120的下方。中央噴嘴137可包括可獨立控制的半徑及面向下的氣體出口通口。
控制器140包括中央處理單元(CPU)144、記憶體142及支援電路146。控制器140係耦合至且控制電漿製程腔室100的組件、於腔室主體110中實行的製程、而且可促進與積體電路裝配的資料庫交換的一可選資料。
在所描繪的實施例中,蓋120係實質上平坦的陶瓷部件。腔室主體110的其他實施例可具有其他類型的上板,例如圓頂形狀的上板。在蓋120的上方佈置天線112,該天線112包含一或更多電感線圈元件。在第2圖中所描繪的實施例中,天線112包括兩個同軸線圈元件113、114。然而,可考慮線圈元件的其他配置及組合。天線112係透過第一匹配網路170,而耦合至射頻(RF)電漿功率源118。在電漿製程期間,天線112係以功率源118所提供的RF功率通電(energized),以在腔室主體110的製程腔體127之中維持從處理氣體所形成的電漿106。
在一個實施例中,基材台座組件116係佈置於製程腔體127中。基材台座組件116包括固定組件162、底座組件115及靜電夾盤188。或者,可使用升高的方形表面取代靜電夾盤188。固定組件162將底座組件115耦合至腔室主體110的底部128。
靜電夾盤188通常係由陶瓷或類似的介電材料形成,且包含至少一個夾持電極。在一個實施例中,靜電夾盤188可包含至少一個RF電極186,透過第二匹配網路124,耦合至基材偏壓的功率源122。靜電夾盤188可選地包含一或更多基材加熱器。在一個實施例中,利用兩個同軸且獨立可控制的電阻加熱器(顯示為連接至加熱功率源132的同心加熱器184A、184B)以控制基材150的邊緣至中央的溫度輪廓。
靜電夾盤188可進一步包含諸如溝槽的複數個氣體通道(未顯示),該複數個氣體通道形成於夾盤的基材支撐表面中,且流體耦合至熱傳輸氣體(或背側氣體)的來源148。在操作中,以經控制的壓力提供背側氣體(例如,氦氣(He))至氣體通道中,以增強靜電夾盤188及基材150之間的熱傳輸。傳統上,在處理基材期間所使用的靜電夾盤的至少基材支撐表面,係以能夠抵抗化學及溫度的塗料提供。
底座組件115通常係以鋁或其他金屬材料形成。底座組件115包括一或更多冷卻通道,該一或更多冷卻通道係耦合至加熱或冷卻液體的來源182。可為諸如氟氯烷、氦氣或氮氣、其他者的至少一者氣體,或諸如水或油、其他者的液體的熱傳輸流體,係藉由來源182通過通道而提供,以控制底座組件115的溫度,從而加熱或冷卻底座組件115,從而部分控制在製程期間佈置於底座組件115上的基材150的溫度。
台座組件116的溫度,且因此基材150的溫度,係使用複數個感測器監控(於第2圖中未顯示)。通過台座組件116的感測器的路由係於以下進一步說明。諸如光纖溫度感測器的溫度感測器係耦合至控制器140,以提供台座組件116的溫度輪廓的度量指示。
蓋120的溫度係由蓋加熱器組件190控制。在蓋120係由陶瓷材料製作的實施例中,蓋加熱器組件190可黏著或夾持至蓋120的外部表面。蓋加熱器組件190係配置成藉由直接接觸蓋120的上表面120a而提供熱能。在一個實施例中,可使用一或更多感測器123監控蓋120的溫度,且可使用控制器140調整蓋加熱器組件190以控制蓋120的溫度。
第3圖係根據本發明的一個實施例的蓋加熱器組件190的立體分解等角視圖。第4圖係電漿製程腔室100的部分剖面視圖,顯示蓋加熱器組件190的細節。
蓋加熱器組件190包括具有中央開口194的加熱環189,及隔絕的中央核心193佈置於橫跨加熱環189的中央開口上。隔絕的中央核心193係經置放以控制從蓋120對流的熱散失。在一個實施例中,隔絕的中央核心193的外部側壁193OW直接接觸加熱環189的內部側壁192IW。隔絕的中央核心193係耦合至蓋120,且配置成維持橫跨蓋120的實質上均勻的溫度,該蓋120在加熱環189內部的區域中控制熱散失的比率。在一個實施例中,隔絕的中央核心193具有實質上盤的形狀,且下部表面193I(顯示於第4圖中)係附加至蓋120的上部表面120a。
如第2圖中所顯示,加熱環的中央開口194具有直徑D,該直徑D夠大使得加熱環189係在天線112的視線外側。結果,來自天線112的RF功率無須與加熱環189相交以與電漿106耦合。
加熱環189包括具有中央開口194的導電底座192、電子加熱元件198配置成加熱導電底座192、熱隔絕器191佈置於電子加熱元件198上。導電底座192、電子加熱元件198及熱隔絕器191係垂直地堆疊在一起。在一個實施例中,加熱環189亦包括RF外罩199,該RF外罩199佈置於熱隔絕器191及電子加熱元件198之間。
導電底座192係為平面環的形狀。導電底座192提供結構及幾何形狀,以及均勻的加熱表面,以與蓋120交合。導電底座192係可導熱。導電底座192通常具有足夠的質量,以在電子加熱元件198及蓋120之間提供均勻的熱傳輸。導電底座192亦可導電。在一個實施例中,導電底座192係以具有良好的熱傳輸特性的金屬材料製作,例如鋁及類似者。
電子加熱元件198通常包括電阻元件198a嵌入電隔絕器198b中。電阻元件198a係耦合至功率源178。在一個實施例中,功率源178係AC功率源。功率源178可連接至控制器140,以調整供應至蓋加熱器組件190的功率。
熱隔絕器191係黏著至電子加熱元件198的頂部表面,或當存在RF外罩199時,熱隔絕器191係黏著至RF外罩199的頂部表面。熱隔絕器191係配置成在加熱環189中維持均勻的溫度。熱隔絕器191提供對燒傷的保護,該燒傷係當於高溫時若不慎地觸碰蓋加熱器組件190所接收到。熱隔絕器191係通常由在RF磁場及電場上具有很少通量的材料製作,例如高溫彈性體,例如矽或其他高溫泡棉。
RF外罩199實質上防止電阻元件198a影響由天線112所產生的磁場線及電場線的方向。或者,如以下第6圖所討論,RF外罩199可用以增強電漿的點燃。RF外罩199係通常由諸如鋁的金屬材料製作。RF外罩199可為鋁箔或平板。
隔絕的中央核心193係盤狀主體佈置於加熱環189的中央開口194內側。隔絕的中央核心193的外部直徑係夠大,以在電漿產生期間覆蓋天線112的視線。隔絕的中央核心193係RF可穿透,使得蓋加熱器組件190可提供蓋120的均勻加熱,而無須干擾天線112及電漿106之間的耦合。
第5圖係蓋加熱器組件190的俯視圖,而並無熱隔絕器191或RF外罩199。如第5圖所顯示,隔絕的中央核心193具有複數個外部通孔195形成橫跨於外部範圍195a,及複數個內部通孔196形成橫跨於中央範圍196a。外部通孔195及內部通孔196配置成控制蓋120的輻射冷卻。外部通孔195的直徑係比內部通孔196更大,以在接近隔絕的中央核心193的外部範圍195a提供比隔絕的中央核心193的中央範圍196a更多的冷卻。因為外部範圍195a比中央範圍196a更靠近加熱環189,所以更多輻射冷卻透過外部通孔196而發生,以在加熱環189附近補償較熱的蓋溫度,從而在蓋120中給予更均勻的溫度輪廓。在第5圖所顯示的一個實施例中,外部通孔195在外部範圍195a中以圓形的圖案形成,且內部通孔196在中央範圍196a中以圓形的圖案形成。然而,其他圖案的冷卻孔及其他形狀的冷卻孔可用以在蓋120中獲得均勻的溫度輪廓。舉例而言,外部通孔196可被安排,以具有比容納內部通孔196的中央範圍更大的開口區域。
在一個實施例中,中央孔197可形成穿過隔絕的中央核心193,以允許中央噴嘴137(顯示於第2圖中)延伸通過核心193且與氣體源連接。
隔絕的中央核心193係通常以RF穿透、熱隔絕、適用於潔淨室、抗化學且防火的材料形成。在一個實施例中,隔絕的中央核心193可以高溫彈性體形成,例如泡棉矽或其他高溫泡棉。
在操作中,加熱環189係由來自功率源178的電功率加熱。加熱環189接著透過接觸蓋120的導電底座192的部分來導通,而加熱蓋120。隔絕的中央核心193控制從蓋120的熱散失。隔絕的中央核心193的熱隔絕及通孔195、196的分佈之結合,允許橫跨蓋120之區域獲得實質上均勻的溫度輪廓。在一個實施例中,可使用感測器123以監控蓋120中的溫度,且可使用控制器140以調整蓋加熱器組件190,以達成所欲的溫度及/或均勻性。在點燃及/或維持電漿106的同時,天線112的磁場112a通過隔絕的中央核心193及蓋120,而不被電阻元件198a或導電底座192干擾。
在本發明的另一實施例中,除了加熱之外,具有環加熱器及隔絕的中央核心的蓋加熱器組件可用以幫助電漿的維持及/或點燃。
第6圖係根據本發明的一個實施例的蓋加熱器組件600的頂部透視圖。蓋加熱器組件600包括加熱環602,且可選地包括隔絕的中央核心193。加熱環602包括導電底座192,該導電底座192具有電阻加熱元件、RF外罩199a且可選地具有熱隔絕器。類似於RF外罩199,RF外罩199a具有環的形狀用於覆蓋電子加熱元件198。然而,RF外罩199a具有間隙199b。間隙199b允許導電主體192變成RF熱點(RF hot)。RF功率在RF外罩199a中產生渦電流,使得外罩199a具有電感加熱器的功能,同時導電底座192具有電阻加熱器及天線兩者的功能,用於將RF功率耦合至蓋加熱器組件600下方的腔室之中的氣體。來自RF外罩199a的電感加熱提供來自電子加熱元件198的電阻加熱之外的額外的加熱,從而減少以電阻加熱腔室蓋所需的功率。
提供至導電底座192的RF功率可具有RF來源的功能,用於產生電容耦合電漿。導電底座192及在製程腔室中的RF接地導體變成電容耦合電漿源的兩個電極。電容耦合電漿的功能尤其有利於低功率位準及/或低的氣體密度級別處,當點燃電漿係為困難時的電漿處理。舉例而言,在用於光蝕刻法的遮罩的製作期間,鉻的蝕刻通常實行於低功率位準,例如小於500w,例如於大約250W。用於鉻的蝕刻的處理氣體(例如SF6)係在電漿中難以維持且點燃。當SF6係高度稀釋時甚至變得更加困難,例如,以容積的大約1:30的比例用He稀釋SF6。來自RF外罩199a的額外的電容耦合使其更易於在低功率位準或低的氣體密度級別處點燃電漿。
蓋加熱器組件600在具有噴嘴位於加熱環602下方的電漿製程腔室中對電漿的點燃工作良好。舉例而言,例如第2圖中圖示的製程腔室200,其中噴嘴136係經定位以引導氣體進入製程腔室中。RF外罩199a能夠額外耦合及/或加熱RF。
RF外罩199a通常由諸如鋁的金屬材料製作。RF外罩199a可為鋁箔或平板。在一個實施例中,RF外罩199a可由具有大約0.062英吋厚度的鋁薄片形成。
本發明的實施例比傳統的外部腔室蓋加熱器提供數個優點。本發明的實施例減少RF功率及電漿之間的干擾,因為蓋加熱器的電阻加熱元件及導電元素係位於RF線圈的視線之外。因此,已改善電漿的均勻性。本發明的實施例亦藉由實質上以隔絕中央核心覆蓋腔室蓋,而減少來自對流的熱散失。本發明的實施例亦藉由在電阻加熱器上使用具有間隙的RF外罩,提供額外的加熱及耦合,此舉能夠使用熱,以在電漿製程中承受諸如SF6的氣體。
儘管以上導向本發明的實施例,亦可設計本發明的其他及進一步實施例而不悖離本發明的基本範疇,且本發明的範疇係由以下的申請專利範圍決定。
10...電漿製程腔室
11...腔室主體
12...基材
13...加熱器
14...加熱元件
15...製程腔體
16...線圈
17...電漿
18...腔室蓋
100...電漿製程腔室
106...電漿
110...腔室主體
112...天線
112a...磁場
113...同軸線圈元件
114...同軸線圈元件
115...底座組件
116...台座組件
118...功率源
120...蓋
120a...上部表面
122...功率源
123...感測器
124...第二匹配網路
127...製程腔體
128...底部
130...側壁
132...加熱功率源
136...噴嘴
137...中央噴嘴
138...氣體面板
140...控制器
142...記憶體
144...中央處理單元
146...支援電路
148...來源
150...基材
162...固定組件
170...第一匹配網路
178...功率源
180...蓋加熱器組件
182...來源
184A...同心加熱器
184B...同心加熱器
186...夾持電極
188...靜電夾盤
189...加熱環
190...蓋加熱器組件
191...熱隔絕器
192...導電底座
192IW...內部側壁
193...隔絕的中央核心
193l...下部表面
193OW...外部側壁
194...中央開口
195...孔
195a...外部範圍
196...孔
196a...中央範圍
197...中央孔
198...電子加熱元件
198a...電阻元件
198b...電隔絕器
199...RF外罩
199a...RF外罩
199b...間隙
212...天線
因此從以上敘述可詳細瞭解本發明的特徵,本發明的更特定說明如以上簡要的概述,可作為實施例的參考,其中某些圖示於隨附的圖式。然而應瞭解,隨附的圖式僅圖示本發明的典型實施例,因為本發明可接納其他均等效果的實施例,所以不考慮作為限制本發明的範疇。
第1圖係具有加熱器用於加熱腔室蓋的傳統電漿製程腔室的概要剖面視圖。
第2圖係根據本發明的一個實施例的電漿製程腔室的概要剖面視圖。
第3圖係第2圖的電漿製程腔室的蓋加熱器組件的立體分解等角視圖。
第4圖係根據本發明的一個實施例的電漿製程腔室的部分剖面視圖。
第5圖係第3圖的蓋加熱器的俯視圖。
第6圖係根據本發明的一個實施例的加熱器組件的頂部透視圖。
為了促進瞭解,盡可能地使用完全相同的元件符號以標明通用的圖式中完全相同的元件。亦考慮一個實施例的元件及特徵可有利地併入其他實施例上,而無須進一步列舉。
178...功率源
189...加熱環
190...蓋加熱器組件
191...熱隔絕器
192...導電底座
192iw...內部側壁
193...隔絕的中央核心
193ow...外部側壁
194...中央開口
195...孔
196...孔
197...中央孔
198...電子加熱元件
198a...電阻元件
199...RF外罩

Claims (10)

  1. 一種用於一電漿製程系統的蓋加熱器組件,該電漿製程系統在該蓋加熱器組件上方具有一線圈組件,該蓋加熱器組件包含:一第一線圈及一第二線圈;一導熱底座,其中該導熱底座為界定出一內部開口的一平面環;一加熱元件,該加熱元件佈置於該導熱底座上且在該第一線圈及該第二線圈之間的一視線之外;一隔絕的(insulated)中央核心,該隔絕的中央核心佈置於橫跨該導熱底座的該內部開口;一熱隔絕器,該熱隔絕器佈置於該加熱元件之上;及一RF外罩,該RF外罩為佈置於該加熱元件及該熱隔絕器之間的一環。
  2. 如請求項第1項之蓋加熱器組件,其中該隔絕的中央核心係以一RF穿透材料形成。
  3. 如請求項第2項之蓋加熱器組件,其中該隔絕的中央核心具有複數個冷卻孔穿過該隔絕的中央核心而形成。
  4. 如請求項第3項之蓋加熱器組件,其中該複數個冷卻孔包含: 複數個內部孔,該複數個內部孔位於接近該隔絕的中央核心的一中央範圍;及複數個外部孔,該複數個外部孔位於接近該隔絕的中央核心的一外部範圍,其中該複數個內部孔係小於該複數個外部孔。
  5. 如請求項第1項之蓋加熱器組件,其中該RF外罩為具有一間隙的一平面環,該間隙係形成於該平面環中。
  6. 如請求項第3項之蓋加熱器組件,其中相對於在該隔絕的中央核心的中央處,該隔絕的中央核心在靠近該導熱底座處具有更多開口的區域(area)。
  7. 一種電漿製程系統,包含:一腔室主體;一腔室蓋,該腔室蓋包圍該腔室主體的一製程腔體(processing volume);一基材支撐,該基材支撐佈置於該製程腔體中;一線圈組件,該線圈組件佈置於該腔室蓋之上方,該線圈組件經配置成透過該腔室蓋來將RF功率耦合至該製程腔體內的氣體,該線圈組件包含一第一線圈及一第二線圈;及一蓋加熱器組件,該蓋加熱器組件耦合至該腔室蓋,其中該蓋加熱器組件位在該第一線圈及該第二線圈之間 的一視線之外且包含:一加熱環,該加熱環具有一內部開口,其中該內部開口的一直徑至少與該線圈組件一樣大,且該加熱環及該線圈組件經置放,將使得該線圈組件的一磁場係實質上導向該內部開口的內側,其中該加熱環包含一導熱底座,及其中該導熱底座為界定出該內部開口的一平面環;一加熱元件,該加熱元件佈置於該導熱底座上;一熱隔絕器,該熱隔絕器佈置於該加熱元件之上;一RF外罩,該RF外罩為佈置於該加熱元件及該熱隔絕器之間的一環;及一隔絕的中央核心,該隔絕的中央核心佈置於橫跨該加熱環的該內部開口。
  8. 如請求項第7項之電漿製程系統,其中該隔絕的中央核心具有複數個冷卻孔穿過該隔絕的中央核心而形成。
  9. 如請求項第8項之電漿製程系統,其中相對於在該隔絕的中央核心的中央處,該隔絕的中央核心在靠近該導熱底座處具有更多開口的區域。
  10. 如請求項第7項之電漿製程系統,其中該隔絕的中央核心係以一RF穿透材料形成。
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