TWI631621B - Semiconductor processor and multi-zone temperature control heater for semiconductor processor - Google Patents

Semiconductor processor and multi-zone temperature control heater for semiconductor processor Download PDF

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Abstract

一種半導體處理器，包括：一反應腔體圍繞構成氣密空間，反應腔體包括：反應腔體側壁以及位於反應腔體內的一基座，基座上方包括一加熱器，加熱器上方固定有靜電夾盤用於固定待處理基板，其中，所述加熱器包括下層加熱層及上層加熱層，其中下層加熱層藉由第一絕緣層固定到所述基座，上層加熱層及下層加熱層之間更包括第二絕緣材料層，其中上層加熱層中的電熱絲的加熱功率小於下層加熱層的電熱絲的功率。

Description

半導體處理器及用於半導體處理器的多區控溫加熱器
本發明涉及半導體製造技術領域，尤其涉及一種電漿處理器的多區控溫加熱器。
電漿處理器被廣泛應用在半導體工業內，用來對待處理基板進行高精度的加工如電漿蝕刻、化學氣相沉積(CVD)等。電漿處理中基板的溫度對處理的效果具有很大的影響，基板表面不同的溫度分佈會使得處理效果也不同。為了更好的控制溫度習知技術會在支撐基板的基座及靜電夾盤之間設置一個可主動控制加熱功率的加熱器，藉由對不同區域的加熱器輸入不同功率實現對溫度的調控。習知技術的電漿處理器結構如第1圖所示，包括反應腔100，位於反應腔內底部的基座10，基座藉由電纜連線到至少一個射頻電源。基座10內包括用於冷卻液迴圈的管道11以帶走電漿處理過程中產生的多餘熱量。基座10上方包括加熱器，加熱器通常包括上下兩層絕緣材料21、25以實現加熱器與其它部件之間的電絕緣，以及夾在絕緣材料間的加熱電阻絲層23。加熱器上表面藉由黏接層32使靜電夾盤30固定到加熱器上方，待處理基板藉由靜電夾盤固定到基座上方。反應腔內頂部更包括上電極40，以及上電極下表面的氣體噴頭41實現反應氣體的均勻通入。為了使得基板溫度均勻，需要加熱器中的電阻絲也進行分區控制，常見的是同心圓環形分佈，可以是2區、3區甚至4區。但是圓環形分佈無法補償因冷卻氣體(氦氣)通孔及頂升腳等帶來的局部區域溫度不均，所以習知技術也提出將加熱器分隔成棋盤狀的大量(通常大於9個區)獨 立控制單元實現對各種區域獨立控制。過多的獨立控制區不僅造成加熱器結構複雜、成本高昂，而且溫度控制很難穩定，每個獨立溫度區如果與相鄰的加熱器區域溫差過大，往往會導致周圍相鄰的加熱器區域熱量向目的地區域傳入或導走，最終要達到的理想溫度分佈需要多次調整複數個獨立加熱區域的加熱功率才能達到穩定。對於需要快速變換處理溫度的加工製程來說，長時間的調整達到較佳溫度是不能接受的。
所以業內需要一種新的方法或裝置，不僅能夠快速實現溫度分佈的精確控制，而且結構簡單，成本低廉。
本發明解決的問題是在電漿處理器中基板在電漿處理過程中獲得均一的溫度分佈，而且在不同處理製程中能實現快速切換。
本發明提出一種電漿處理器，包括：一反應腔體圍繞構成氣密空間，反應腔體包括：反應腔體側壁以及位於反應腔體內的一基座，基座上方包括一加熱器，加熱器上方固定有靜電夾盤用於固定待處理基板，其中，所述加熱器包括下層加熱層及上層加熱層，其中下層加熱層藉由第一絕緣層固定到所述基座，上層加熱層及下層加熱層之間更包括第二絕緣材料層，其中上層加熱層中的電熱絲的加熱功率小於下層加熱層的電熱絲的功率。上層加熱層中電熱絲的電阻大於下層加熱層中電熱絲的電阻。
其中上層加熱層上方更包括第三絕緣材料層藉由一層黏接材料層與靜電夾盤相固定。
上層、下層加熱層具有複數個獨立控制的加熱區域，其中下層加熱層加熱整個靜電夾盤，上層加熱層覆蓋部分靜電夾盤區域。上層加熱層中的 獨立控制加熱區域數量大於下層加熱層獨立控制加熱區的數量。更包括第一加熱驅動電路接收所述下層加熱層中複數個加熱區域的溫度，並將獲得的溫度與預設的基礎溫度比較，根據比較結果輸出加熱功率到所述下層加熱層的複數個加熱區域中的電熱絲，使得下層加熱層各個加熱區域具有預設的基礎溫度。更包括第二加熱驅動電路接收所述上層加熱層中複數個加熱區域的溫度，並將獲得的溫度與預設處理溫度比較，並獲得複數個溫度差值△T，查詢溫度差值△T與對應的基礎溫度關聯式資料庫，獲得輸入複數個加熱區域電熱絲的功率。使得加熱器上表面具有預設的處理溫度。
10‧‧‧基座
11‧‧‧管道
21、25、27‧‧‧絕緣層、絕緣材料
23‧‧‧加熱電阻絲層
30‧‧‧靜電夾盤
32‧‧‧黏接層
40‧‧‧上電極
41‧‧‧氣體噴頭
100‧‧‧反應腔體
HA‧‧‧上層加熱層
HB‧‧‧下層加熱層
A1~A4‧‧‧圓環形區域
B1~B16‧‧‧獨立控溫區域
第1圖是習知技術電漿處理器示意圖。
第2圖是本發明加熱器結構示意圖。
第3a圖是本發明加熱器下層加熱層平面示意圖。
第3b圖是本發明加熱器上層加熱層平面示意圖。
如第2圖所示為本發明加熱器示意圖，本發明與第1圖所示的習知技術相比具體相類似的基本結構，主要區別在於本發明的加熱器包括了雙層加熱層，包括位於下方的加熱層HA以及位於上方的加熱層HB，加熱器更包括位於加熱層HB上表面的絕緣層27，位於兩層加熱層之間的絕緣層25，位於加熱層HA下表面的絕緣層21。上下加熱層HA、HB除了空間位置呈上下相疊外，還存在以下諸多區別： 兩者所用的加熱絲材料不同，加熱層HA的電阻較小，施加同樣電源時發熱功率大，能夠快速達到目標溫度，但是由於功率過大，要達到非常精確的溫度較難實現，適於溫度的粗調。加熱層HB的電阻較大，相對加熱層HA發熱功率較低，由於功率較低和對溫度進行精確的微調。
兩者的加熱絲的圖形分佈不同，加熱層HA由於只進行大範圍內的溫度粗調所以對應的獨立控溫區域範圍較大，可以是如第3a圖所示劃分成複數個同心的圓形或圓環形區域A1-A4，這樣就能使得靜電夾盤溫度整體上具有接近的基礎溫度，不同區域可以有少量誤差(如1-2度)。上層加熱層HB的圖形可以是如第3b圖所示，只對週邊容易發生溫度不均的區域，如對應下方HA的A3、A4區域，對整個圓環進行均勻劃分，形成複數個弧形的獨立加熱區域B1-B16。獨立加熱區的劃分不限於第3b圖所示，如果中心區域因為硬體結構的原因存在導致局部溫度不均勻的現象，也可以在中心區域的相應部位設置獨立的加熱區域。獨立加熱區的數量也不是固定的可以設置多於16個區域，也可以更少，可以根據實際需求自由選擇獨立加熱區的分佈和數量。藉由加熱層HB的設置可以藉由控制輸入到各個獨立控溫區域B1-B16中功率的不同實現溫度的精確控制，補償下方HA環形區域A1-A4上產生的或者其它硬體原因帶來的少量溫度差異，實現靜電夾盤上更均一的溫度分佈。
兩者的控制方法也不同，加熱層HA的功能是快速達到製程需要的目標溫度，所以加熱層HA採用溫度回饋控制的方法。第一加熱驅動電路採集A1-A4上溫度探頭檢測到的實際溫度，與製程需要設定的基礎溫度進行比較，根據比較結果設定輸入到A1-A4相應的功率，最終達到目標基礎溫度。加熱層HB的功能是補嘗加熱層HA無法實現的少量溫度差異，由於不同的製程中加熱層HA會具有不同的溫度，所以HA層基礎溫度不同時，加熱層HB中同樣的加熱功率輸入會帶來不同的溫升。因此加熱層HB需要在調試階段記錄加熱層HA具有不同基礎溫度時，不同加熱功率相應會在B1-B16各個區域產生的溫度變數 △T，將這些功率參數存入資料庫。在實際的電漿處理中，一個第二加熱驅動電路收集檢測到的B1-B16區域的實際溫度，對比預設的處理溫度，獲得兩者在不同控溫區域的溫度差△T，最後根據△T和調試階段獲得的資料庫查詢對應區域的輸入功率，將查詢獲得的輸入功率輸入上層電熱層對應的區域，最終實現靜電夾盤上溫度的均勻分佈。本發明中的處理溫度是指實際到達絕緣層27的溫度，由於上、下加熱層之間存在絕緣層25所以下加熱層獲得的基礎溫度與上加熱層上表面測得的處理溫度有少量差異，其中處理溫度更接近上方基板的實際溫度。
本發明中由於下層加熱器已經為上層加熱器提供了接近的基礎溫度，所以B1-B16區域不同區域間的溫度差本身很小，相鄰區域間也不會產生大量的熱量流動，只需要直接查表獲得設定的加熱功率輸入就能達到精確的溫度。
本發明藉由設置具有不同功能的雙層加熱層，實現了對基板溫度快速而且精確的控制，能夠選擇不同的加熱區域排布來適應不同的硬體情況。其中下層加熱層藉由高功率加熱，使得基板快速達到基礎溫度，上層加熱層藉由獨特控制，藉由查表直接獲得所需要輸入的加熱功率。
本發明應用的場合除了可以是第1圖所示的電容耦合型電漿處器外，也可以是電感耦合型處理器(ICP)，同樣也適用於其它需要快速精確多區控溫的半導體處理裝置，比如去光阻的反應腔等需要對基板進行精確控溫的應用場合。第2圖所示的本發明加熱器結構中的絕緣層27也可以省略，因為上方的靜電夾盤本身底部材料就是絕緣的陶瓷材料，所以只要能實現上層加熱層HB與靜電夾盤30內的電極互相電絕緣的結構都能應用于本發明。其中絕緣材料主要是氧化鋁、氮化鋁、氧化矽等陶瓷材料也可以是有機聚會物構成的絕緣材料。
雖然本發明披露如上，但本發明並非限定於此。任何本領域技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，均可作各種更動與修改，因此本發明的保護範圍應當以申請專利範圍所限定的範圍為准。

Claims (9)

  1. 一種半導體處理器，包括：一反應腔體圍繞構成氣密空間，該反應腔體包括：一反應腔體側壁；以及一基座，位於該反應腔體內，該基座上方包括一加熱器，該加熱器上方固定有一靜電夾盤用於固定待處理基板，其中，該加熱器包括一下層加熱層及一上層加熱層，該下層加熱層藉由一第一絕緣層固定到該基座，該上層加熱層及該下層加熱層之間更包括一第二絕緣材料層，該上層加熱層中的電熱絲的加熱功率小於該下層加熱層的電熱絲的功率，該上層加熱層中電熱絲的電阻大於該下層加熱層中電熱絲的電阻。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之半導體處理器，其中該上層加熱層上方更包括一第三絕緣材料層，藉由一層黏接材料層與該靜電夾盤相固定。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之半導體處理器，其中該上層、下層加熱層具有複數個獨立控制加熱區域，其中該下層加熱層加熱整個靜電夾盤，該上層加熱層覆蓋部分靜電夾盤的區域。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之半導體處理器，其中該上層加熱層中的該獨立控制加熱區域的數量大於該下層加熱層中的該獨立控制加熱區域的數量。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之半導體處理器，其更包括一第一加熱驅動電路接收該下層加熱層中複數個加熱區域的溫度，並將獲得的溫度與預設的基礎溫度比較，根據比較結果輸出加熱功率到該下層加熱層的該複數個加熱區域中的電熱絲，使得該下層加熱層的各該加熱區域具有預設的基礎溫度。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之半導體處理器，其中更包括一第二加熱驅動電路接收該上層加熱層中該複數個加熱區域的溫度，並將獲得的溫度與預設處理溫度比較，並獲得複數個溫度差值△T，查詢該溫度差值△T與對應的基礎溫度關聯式資料庫，獲得輸入該複數個加熱區域電熱絲的功率，使得該加熱器上表面具有預設的處理溫度。
  7. 一種用於半導體處理器的多區控溫加熱器，其包括一下層加熱層及一上層加熱層，其中該下層加熱層下方包括一第一絕緣層，該上層加熱層及該下層加熱層之間更包括一第二絕緣材料層，該上層加熱層的上方包括一第三絕緣層，其中該上層加熱層中的電熱絲的加熱功率小於該下層加熱層的電熱絲的功率，該上層加熱層中的電熱絲的電阻大於該下層加熱層中的電熱絲的電阻。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之多區控溫加熱器，其中該上層、下層加熱層具有複數個獨立控制加熱區域，其中該下層加熱層的複數個加熱區域覆蓋整個加熱器平面，該上層加熱層的複數個加熱區域覆蓋部分加熱器平面。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之多區控溫加熱器，其中該上層加熱層中的獨立控制加熱區域的數量大於該下層加熱層中的獨立控制加熱區域的數量。
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