TWI728436B - 一種多區控溫電漿反應器 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種電漿反應器，包含：反應腔體，反應空間底部包含一個基座，用於支撑處理基板；一射頻電源輸出射頻功率到反應腔體內；基座中包含一靜電夾盤，靜電夾盤中包含一加熱器組，加熱器組中包含複數個加熱模組，其中加熱模組包含串聯的一個加熱器和一個電子開關，所述加熱模組中的加熱器連接到加熱電源或者接地端之一，電子開關連接到加熱電源或接地端中的另一端；一加熱控制器包含一接收端用於接收溫度控制訊號，進一步包含一驅動訊號輸出端連接到所述電子開關，用於輸出所述電子開關的驅動訊號；所述加熱控制器中進一步包含至少一光電驅動電路，使得所述加熱控制器的接收端與所述驅動訊號輸出端之間互相電隔離。

Description

一種多區控溫電漿反應器
本發明涉及電漿反應器，特別涉及電漿反應器的中多區控溫基座的控溫裝置。
半導體晶片生產過程中，需要進行大量的微觀加工，常見的電漿蝕刻反應器能夠在晶圓上形成各種微米甚至奈米級尺寸的通孔或溝槽，再結合其它化學氣相沉積等製程，最終形成各種半導體晶片成品。隨著蝕刻製程要求日益提高，電漿處理過程中對晶圓或基板溫度的控制精度要求也越來越高。原有從內到外2到3個圓環的獨立控溫區域，對於同一個控制區域內不同部位存在的溫度差已經無法滿足製程要求了。為了進一步提高對晶圓的溫度控制能力，現有技術提出了矩陣式排布的獨立控制的加熱器陣列，積體在靜電夾盤和作為下電極的導電基座之間。
如第1圖所示為典型的電漿反應器，包含腔體100，腔體內底部為導電基座30，導電基座同時作為下電極連接到至少一個高頻射頻電源19，點燃晶圓(或其它形狀的基板)上方的電漿體後，射頻電源19可以調節電漿濃度或者能量。電漿反應器中還可以設置其它的射頻電源，比如將射頻電源連接到反應腔內頂部的氣體噴頭，或者一個電感線圈設置在反應腔上方，使得電感線圈產生的磁場進入反應腔產生並維持電漿體濃度。導電基座藉由一個支撑裝置20 固定到腔體底部，其中腔體100和支撑裝置20均由導體製成且電接地，以防止射頻電場向外洩露。
導電基座上包含靜電夾盤40，靜電夾盤40由絕緣材料製成，內部埋設有用於實現靜電吸附的電極42，電極42與外部高壓直流電源相聯通時使得待處理晶圓50被靜電吸附到靜電夾盤40上。絕緣材料層中電極42下方進一步包含一多區加熱的加熱器組41，加熱器組包含大量獨立可控的加熱器，其中加熱器的數量可以是10*10=100個，或者15*15=225個，甚至更多個。加熱器41可以是電阻絲或者其它能夠接受電流發熱的裝置。
為了獨立控制上述大量獨立控制的加熱器，需要大量的電流供應線和電流迴路，其中電流供應線連接到高電壓的加熱電源，電流迴路連接到接地端。以10*10矩陣為例，每一行和每一列的加熱器均連接到一個功率供應線或電流迴路，這樣的排布需要至少10+10=20根上述電流供應線和電流迴路。如第1圖所示，加熱電源功率藉由電源總線進入加熱器組控制器60，同時加熱器組控制器60還藉由控制訊號輸入線12連接到製程控制器，以接收製程需要的加熱功率分布數據，控制器60根據接收到的加熱功率分布數據可以轉化成對驅動開關的開通時間，或者開關工作比的驅動訊號。加熱器組控制器60中進一步包含複數個(如20個)驅動開關，藉由選擇一組驅動開關的開通或關斷狀態，使得加熱器組中一個電流供應線和一個電流迴路與外部加熱功率源和接地端聯通，聯通的一根電流供應線與一根電流迴路構成一個回路，加熱器組中的一個加熱器被加熱，被加熱一段時間後轉而加熱另一個加熱器，這樣輪流掃描需要加熱的每個加熱器，最終使得每個加熱器的加熱功率獨立可調。採用這樣的被動式加熱功率供應和控制方法，需要將電流供應線和電流迴路聯通到位於靜電夾盤40 中的加熱器組，但是靜電夾盤又是處於射頻輻射環境中的，所以還需要設置一個濾波器組16，每一個電流供應線和電流迴路上都需要串聯一個濾波器。加熱器組控制器60連接的加熱功率供應線15(包含20根電流供應線和電流迴路)經過濾波器組16，再藉由第二加熱功率供應線17進入反應腔體內部的射頻環境，隨後穿過導電基座30上開設的通孔(圖中未示出)連接到靜電夾盤40中的加熱器組41。這樣大量設置的濾波器不僅成本高昂，而且占用很大空間，給電漿處理設備設計製造和維護提高難度，而且這種被動式加熱的加熱器組，每個時刻只能加熱一個加熱器，所以要改變溫度分布必須經過複數個對加熱器組41內全部加熱器的掃描周期，無法實現快速變化。另一方面單個濾波器長期連接到射頻輻射環境中，能阻擋主要的射頻功率洩漏，但是濾波器的數量很多仍然會導致可觀的射頻能量向下方的加熱器組控制器60洩漏，不僅導致功率損失，嚴重的還會損壞控制器60。
所以，需要提出一種新的多區控溫電漿反應器，能夠簡化結構，降低成本，提高系統的可靠性，同時還能更快的改變溫度分布。
本發明提供一種電漿反應器，以實現穩定可靠對基板進行矩陣式多區溫度控制，其中電漿反應器包含：反應腔體，所述反應腔體圍繞形成反應空間；反應空間底部包含一個基座，用於支撑基板；一射頻電源輸出射頻功率到反應腔體內，以產生並維持電漿體；基座中包含一個電極和位於電極上方的靜電夾盤，所述靜電夾盤包含多層絕緣材料層，至少一層絕緣材料層中包含一加熱器組，加熱器組中包含複數個加熱模組，每個加熱模組與上方基板的不同 部位對應，其中每個加熱模組包含串聯的一個加熱器和一個電子開關，所述加熱模組的一端連接到加熱電源另一端連接到接地端；一加熱控制器包含一接收端用於接收溫度控制訊號，進一步包含一驅動訊號輸出端連接到所述電子開關，用於輸出所述電子開關的驅動訊號；所述加熱控制器中進一步包含至少一光電驅動電路，使得所述加熱控制器的接收端與所述驅動訊號輸出端之間互相電隔離。其中光電驅動電路包含至少一光耦。或者所述加熱控制器中也可以包含複數個光電驅動電路，每個光電驅動電路的輸出端連接到所述一個加熱模組中的電子開關的驅動端，以控制所述電子開關的開通或關斷。
進一步地，所述接收端藉由一光纖接收溫度控制訊號，以進一步實現加熱控制器的電隔離。
可選地，所述加熱器組中的複數個加熱模組固定連接到加熱電源或者接地端。或者所述電子開關包含一驅動端連接到所述加熱控制器的驅動訊號輸出端，進一步包含第二端連接到所述加熱器，第三端連接到加熱電源或者接地端。這樣加熱模組與電源或接地端固定連接，使得所述加熱電源藉由一個濾波器連接到所述複數個加熱模組，不需要採用大量濾波器。
可選地，所述加熱模組的數量大於100個。
可選地，本發明電漿反應器中進一步包含一解析模組，所述解析模組包含一接收端連接到所述光電驅動電路的輸出端，進一步包含複數個解析模組輸出端，每個輸出端連接到一個加熱模組中的電子開關的驅動端，使得光電驅動電路輸出的驅動訊號經過解析後能夠驅動複數個加熱模組中的電子開關。
所述加熱控制器設置在腔體內基座的下方，且加熱控制器外設置一導電導電屏蔽殼體，使得反應腔體內部的射頻電場被屏蔽在導電屏蔽殼體外部。
100:腔體
10a、10b、10c:驅動線
11:功率供應線
12、13:控制訊號輸入線
15:加熱功率供應線
16:濾波器組
17:第二加熱功率供應線
18:濾波器
19:射頻電源
20:支撑裝置
30:導電基座
40:靜電夾盤
41:加熱器組
41a、41b、41c:加熱器
42:電極
50:晶圓
60、62:控制器
63:處理器
64:光電驅動電路
64a:第一光電驅動電路
64b:第二光電驅動電路
65:光電組件
65a、65b、65c、65:光電組件
67a:電阻
69a、69b、69c、69x:電子開關
70:解析模組
M41:加熱器模組
M41a:第一加熱器模組
M41b:第二加熱器模組
第1圖 是現有技術電漿反應器示意圖；第2圖是本發明電漿反應器示意圖；第3圖是本發明加熱器驅動控制電路示意圖；第4a圖是本發明另一種電漿反應器示意圖；第4b圖是本發明另一種加熱器驅動控制示意圖。
下文將結合附圖對本發明的技術方案進行詳細描述，需强調的是，這裏僅是例示性的闡述，不排除有其它利用本發明思想的實施方式。
如第2圖所示，本發明的電漿反應器與現有技術基本結構相同，主要區別在於多區控溫加熱器41的驅動和控制系統不同。本發明的加熱器組控制器62藉由一個控制訊號輸入線13連接到電漿反應器的製程控制器，其中控制訊號輸入線最佳的是光纖，控制器62內再藉由光電轉化裝置可以識別光訊號中傳輸的製程參數，這樣可以進一步電隔離控制器62與外部電路，減少對控制電訊號的干擾。加熱器控制器也可以藉由其它方式接受控制訊號，比如藉由藍牙或微波的無線訊號，因為這些訊號的頻率與反應腔中的射頻訊號頻率相差很大不會互相干擾，所以也能有效地傳遞控制訊號，而且由於是無線傳輸的所以也不會導致射頻功率洩漏到反應腔外。本發明中的加熱電源藉由一根共用的功率供應線11，經過一個濾波器18濾除射頻訊號後進入加熱器組41，使得加熱器組中的每個加熱器模組均連接到加熱電源，不需要經過外部開關選擇性連接到加熱電源。
加熱器組控制器62中包含複數個光電組件65，用於將控制訊號藉由光電組件使驅動訊號實現電-光-電訊號的轉換。如第3圖所示，加熱器組控制器62包含複數個光電驅動電路64，光電驅動電路中的每一個均包含光電組件65。下面以第一光電驅動電路64a和第二光電驅動電路64b為例來說明本發明控制結構。第一光電驅動電路64a其中包含處理器63，處理器63接收並處理來自控制訊號輸入線13的訊號，輸出控制加熱器組41中任意一個加熱器模組是否加熱以及加熱時長等參數。光電組件65a中包含一個光耦，用於將電訊號轉化為光訊號，再將光訊號轉換為電訊號輸出。加熱器組41包含複數個加熱器模組M41，其中每一個加熱模組均包含加熱器和串聯的電子開關，加熱器的第一端藉由功率供應線11連接到加熱電源。上述光電組件65a的輸出端連接到第一加熱器模組M41a中的電子開關69a的驅動端，驅動端和接地端之間連接有一個電阻67a，電子開關69a第二端連接到加熱器41a，第三端連接到接地端。當處理器63輸出高電位時，電子開關69a藉由驅動線10a接收到高電位的電壓訊號而導通，使得加熱器41a的第二端藉由導通的電子開關69a連接到接地端，加熱電源中的電流流入加熱器41a使得加熱器升溫。
其中電子開關可以是MOSFET也可以是其它的可控開關，如閘流體(thyristor)矽控整流器(Silicon Controlled Rectifier)等，只要是電壓/電流驅動的電子開關，均能應用於本發明加熱模組中。本發明中的加熱電源可以是高壓直流電源，也可以是交流電源，只要能實現加熱器加熱的均可採用。
同樣的結構，第二光電驅動電路64b藉由光電組件65b傳輸驅動訊號，驅動訊號經過驅動線10b驅動電子開關69b導通，使得第二加熱器模組M41b中的第二加熱器41b獨立可控的連接到接地端。這樣大量的光電驅動電路64只提供微弱的電壓驅動訊號就能控制每個加熱器獨立加熱，所以可以藉由同時驅動複數個電子開關導通，來同時加熱複數個加熱器，實現加熱器的獨立控制。
每個光電驅動電路均藉由光耦設置實現了控制器62與上方加熱器之間的電隔離，較佳地，控制器62可以設置在一個導電材料(如金屬)製成屏蔽殼體的內部，使得控制器62可以隔絕周圍的射頻輻射。最終使得控制器62既不會受周圍射頻電場輻射，也不會有射頻訊號藉由驅動線10a傳導進入，既避免了射頻功率的洩漏也保證的控制器62的穩定運行。由於所有加熱器均連接到共用的一根功率供應線11，所以只需要一個濾波器就實現了功率供應線的射頻功率隔離，相對現有技術大幅減少了濾波器的成本和空間。
上述驅動電路結構隨著獨立控溫區域數量的增加也會導致光電驅動電路64數量的同步大幅增加，為了進一步簡化驅動電路，本發明提出了另一個實施例。如第4a圖、第4b圖所示為本發明第三實施例，與本發明第3圖所示的第一實施例的區別在於光電組件65的輸出端並不是直接連接到一個加熱模組中的電子開關69x，而是連接到一個解析模組70的輸入端，解析模組70進一步解析來自光耦的控制訊號，轉化為對複數個加熱模組的驅動訊號，藉由多根驅動線10a、驅動線10b以及驅動線10c驅動複數個獨立加熱模組中的電子開關69a電子開關69b以及電子開關69c，進一步的驅動相應的加熱器41a、加熱器41b以及加熱器41c獨立加熱。其中解析模組70可以是PLC晶片，或者其它數字或模擬電路。光電組件65輸出的訊號變為控制訊號，控制訊號代表的參數也變為包含所要驅動的加熱器位置，加熱時長等參數的數字化電壓訊號，藉由解析模組70分析、識別後將其中的控制訊號轉化為驅動訊號輸出。藉由解析模組70的設置可以只用一個或少數幾個光電組件中的光耦傳輸控制訊號，實現對大量加熱模組的獨立控制。解析模組70可以積體在得到外部導電材料殼體屏蔽的控制器62中，這樣可以實現解析模組70的射頻電場屏蔽和供電，也可以設置在導電基座或者靜電夾盤40中，但是需要相應的增加獨立的低壓供電和濾波器以防止射頻功率洩漏。
本發明中的各個加熱模組(如M41a、M41b)中的加熱器也可以統一連接到接地端，另一端藉由電子開關選擇性的連接到加熱電源，這樣的電路結構也能實現本發明的目的。
本發明中的加熱器與一個電子開關串聯積體為一個加熱器模組，每個模組的一端與外部的加熱電流供應線/電流迴路固定連接，另一端藉由電子開關連接到加熱電流迴路或者電流供應線。至少一個實現電隔離的光電轉換器輸出驅動訊號到電子開關以驅動電子開關選擇性的導通。藉由這樣的驅動電路結構設計，可以大幅減少電漿反應器中需要設置的濾波器，就能防止射頻訊號的洩漏。另一方面，每個加熱模組中的電子開關均可以獨立控制，可以同時加熱複數個加熱器，加熱器驅動方式的操作範圍更大，改善了多區溫度控制中的靈活性。
儘管本發明的內容已經藉由上述優選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。在所屬技術領域中具有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。
100:腔體
11:功率供應線
13:控制訊號輸入線
18:濾波器
19:射頻電源
20:支撐裝置
30:導電基座
40:靜電夾盤
41:加熱器組
42:電極
50:晶圓
62:控制器
64:光電驅動電路

Claims (8)

  1. 一種電漿反應器，包含：一反應腔體，該反應腔體圍繞形成一反應空間；一個基座，包含在該反應空間底部，該基座用於支撑一基板；一射頻電源，輸出射頻功率到該反應腔體內，以產生並維持電漿體；該基座中包含一個電極和位於該電極上方的一靜電夾盤，該靜電夾盤包含一多層絕緣材料層，該多層絕緣材料層中的至少一層包含一加熱器組，該加熱器組中包含複數個加熱模組，該複數個加熱模組中的每一個與上方該基板的不同部位對應，其中該加熱模組中的每一個包含串聯的一個加熱器和一個電子開關，該加熱模組的一端連接到一加熱電源，另一端連接到一接地端；一加熱控制器，包含一接收端用於接收溫度控制訊號，進一步包含一驅動訊號輸出端連接到該電子開關，用於輸出該電子開關的驅動訊號；該加熱控制器中進一步包含至少一光電驅動電路，使得該加熱控制器的該接收端與該驅動訊號輸出端之間互相電隔離；其中，該電子開關包含一驅動端連接到該加熱控制器的該驅動訊號輸出端，進一步包含一第二端連接到該加熱器組，一第三端連接到該加熱電源或者該接地端； 其中，進一步包含一解析模組，該解析模組包含一接收端連接到該至少一光電驅動電路的一輸出端，進一步包含複數個解析模組輸出端，該複數個解析模組輸出端中的每一個連接到該複數個加熱模組中一個的該電子開關的該驅動端，使得該至少一光電驅動電路輸出的驅動訊號經過解析後能夠驅動該複數個加熱模組中的該電子開關。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電漿反應器，其中，該接收端藉由一光纖接收溫度控制訊號。
  3. 一種使用如申請專利範圍第1項所述之電漿反應器，其中，該至少一光電驅動電路包含一光耦。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之電漿反應器，其中，該加熱器組中的該複數個加熱模組固定連接到該加熱電源或者該接地端。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之電漿反應器，其中，該複數個加熱模組的數量大於100個。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之電漿反應器，其中，該加熱控制器中包含複數個光電驅動電路，該複數個光電驅動電路中的每一個的一輸出端連接到該複數個加熱模組中的一個的該電子開關的一驅動端，以控制該電子開關的開通或關斷。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之電漿反應器，其中，該加熱電源藉由一個濾波器連接到該複數個加熱模組。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之電漿反應器，其中，該加熱控制器設置在該反應腔體內，且該加熱控制器外設置一導電屏蔽殼體，使得該反應腔體內部的射頻電場被屏蔽在該導電屏蔽殼 體外部。
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