TWI734304B - 用於組裝靜電式晶圓座的多平面多路可調節溫度的加熱器及調節方法 - Google Patents
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Abstract
本發明是一種用於組裝靜電式晶圓座的多平面多路可調節溫度的加熱器，包含：主加熱器層、子加熱器層、附加子加熱器層；主加熱器層設置在第一層，且主加熱器層設有N個加熱器，使靜電式晶圓座接近靜電式晶圓座頂面上設置的晶片所需溫度；子加熱器層設置在主加熱器層的頂部，且子加熱器層設有X個加熱器，與主加熱器層結合，使得結合後的子加熱器層設有大於X個可控溫區；附加子加熱器層設置在子加熱器層的頂部，且附加子加熱器層設有Y個加熱器，與子加熱器層的可控溫區結合後，使得附加子加熱器層的總可控溫區大於N+X+Y個。
Description
本發明係有關半導體蝕刻設備，具體是一種用於組裝靜電式晶圓座的多平面多路可調節溫度的加熱器。
在製造半導體元件等時，對半導體晶片進行成膜或蝕刻等表面處理。該表面處理中保持半導體晶片的裝置之一為靜電式晶圓座（ESC，靜電卡盤）。現有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，基座藉由電纜連接到至少一個射頻電源。基座10內包括用於冷卻液循環的管路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23，加熱器23上表面藉由黏接層32使靜電式晶圓座30固定到加熱器23上方，待處理晶圓藉由靜電式晶圓座固定到基座上方。反應腔內頂部還包括上電極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。
如第2圖所示，在傳統的電流溫控靜電式晶圓座的加熱器當中，設有兩層加熱器，分別是主加熱器層和子加熱器層。通常使用的加熱器是加熱電阻絲，所以每層加熱器層以絕緣材料層來隔開，並且加熱器的最頂層和最底層設置鋁板來導熱。如第3圖、第4圖所示，主加熱器的加熱區劃分為4個，子加熱器的加熱區劃分為24個。如第5圖所示，在主加熱器的頂部重疊放置子加熱器之後在子加熱器上形成26個可控溫區。由此可見加熱器的可控溫區的數量取決於加熱區的數量，而且可控溫區的數量通常等於子加熱器層（溫度微調層）上的加熱區數量。因此若想要增加溫度微調層上的可控溫區的數量時，需要增加子加熱器層的加熱區數量來匹配相應的可控溫區。當可控溫區的要求變得更精細時，那麼可控溫區的數量就變得更多，這樣一來與相應的可控溫區匹配的加熱區的數量也會增加。因此如果繼續使用傳統的設計方法路徑，則很快就會達到不切實際的水準。而且傳統的設計方法會將增加設計及製造的複雜性和難度，而且可靠性也將受到影響，最終還增加大量的成本。
本發明的目的是使用額外的加熱器層，在層之間實現相互偏移來產生區域組合，創建更多的加熱器控制區域。
為了達到上述目的，本發明藉由如下技術方案來實現。
一種用於組裝靜電式晶圓座的多平面多路可調節溫度的加熱器，包含：主加熱器層、子加熱器層、附加子加熱器層；
主加熱器層設有複數個主加熱區；
子加熱器層設置在主加熱器層的上方，且子加熱器層設有複數個子加熱區，與至少一部分主加熱區疊加；
附加子加熱器層設置在子加熱器層的上方，且附加子加熱器層設有複數個附加加熱區；每個附加加熱區與一個或複數個子加熱區錯位疊加，使得每個附加加熱區和與之錯位疊加的每個子加熱區的縱向投影不完全重合，其中主加熱區、子加熱區和附加子加熱區都具有獨立的加熱功率輸入口，使得加熱功率獨立可調。
較佳地，被疊加的每一個主加熱區上方的空間，被劃分為若干子空間，每個子空間分別有對應的子加熱區。
較佳地，主加熱器層包含同圓心的複數個主加熱圈；
子加熱器層包含同圓心的複數個子加熱圈，疊加在至少一些主加熱圈上方，使得每個子加熱圈和與之疊加的每個主加熱圈的縱向投影重合；或者，複數個子加熱圈錯位疊加在至少一些主加熱圈上方，使得每個子加熱圈和與之錯位疊加的每個主加熱圈的縱向投影不完全重合。
較佳地，每個主加熱圈佈置一個主加熱區；每個子加熱圈佈置複數個扇形的子加熱區。
較佳地，子加熱圈在徑向相互隔開；子加熱器層包含若干非加熱圈，與子加熱圈與圓心設置，將相鄰的子加熱圈隔開。
較佳地，附加子加熱器層包含複數個扇形區，各自從附加子加熱器層的圓心開始沿徑向延伸，且在每個扇形區佈置1個附加加熱區，每個附加加熱區徑向穿過若干個子加熱圈的上方，並與被穿過的至少一個子加熱圈中的每個子加熱區錯位疊加。
較佳地，附加子加熱器層的每個附加加熱區，從附加子加熱器層的圓心延伸到邊緣，徑向穿過子加熱器層所有加熱圈的上方；每個附加加熱區與被其穿過的至少一個子加熱圈中的兩個相鄰的子加熱區對應，使這兩個相鄰的子加熱區的邊界線處在附加加熱區的投影範圍內。
較佳地，所述不完全重合，包含：上方的加熱區的投影落在下方與之對應的加熱區的範圍內，或者上方的加熱區的投影超出下方與之對應的加熱區的範圍，或者上方的加熱區的投影和下方與之對應的加熱區的範圍部分重疊，或者上方的加熱區的投影落在下方相鄰的複數個加熱區合計的範圍內，或者上方的加熱區的投影超出下方相鄰的複數個加熱區合計的範圍，或者上方的加熱區的投影和下方相鄰的複數個加熱區合計的範圍部分重疊。
較佳地，主加熱器層設有N個主加熱區，分別設置有加熱器；子加熱器層設有X個子加熱區，分別設置有加熱器；藉由N個主加熱區和X個子加熱區的疊加，形成的可控溫區大於X個；附加子加熱器層設有Y個附加加熱區，分別設置有加熱器；附加子加熱器層的任意一個扇形區與子加熱器層的可控溫區重疊時，至少一個子加熱器層的扇形區與複數個附加子加熱器層的扇形區重疊，在重疊的部分產生新的可控溫區，在附加子加熱器層產生的可控溫區總數量大於N+X+Y個。
較佳地，主加熱器層與子加熱器層之間設置絕緣材料層，且子加熱器層與附加子加熱器層之間設置絕緣材料層；
附加子加熱器層的頂部設置鋁板，且在鋁板與附加子加熱器層之間設置絕緣材料層；
主加熱器層的底部設置鋁板，且在鋁板與主加熱器層之間設置絕緣材料層。
一種用於組裝靜電式晶圓座的多平面多路加熱器的溫度調節方法，加熱器對放置在靜電式晶圓座上的晶圓加熱；
其中，主加熱器層將靜電式晶圓座上的晶圓接近需要的溫度；
再藉由子加熱器層和主加熱器層的疊加，及附加子加熱器層和子加熱器層的錯位疊加來形成的各自獨立的可控溫區進一步微調溫度，使與各可控溫區域相對應的晶圓各處的溫度分別達到所需要的溫度。
本發明的有益效果在於藉由使用複數個加熱器層，在層之間相互偏移來創建更多加熱器控制區域，明顯比傳統製造技術的結構簡單，而且可靠性也得到了提高，還減少了製造成本。
為了使本發明實現的技術手段、創作特徵、達成目的與功效易於明白瞭解，下面結合圖式和具體實施例對本發明做進一步詳細的說明，但不以任何方式限制本發明的範圍。
本發明的系統包含：包含：AC主加熱器層、DC子加熱器層、DC附加子加熱器層； AC主加熱器層設有複數個AC主加熱區； DC子加熱器層設置在AC主加熱器層的上方，且DC子加熱器層設有複數個DC子加熱區，與至少一部分AC主加熱區疊加； DC附加子加熱器層設置在DC子加熱器層的上方，且DC附加子加熱器層設有複數個DC附加加熱區；每個DC附加加熱區與一個或複數個DC子加熱區錯位疊加，使得每個DC附加加熱區和與之錯位疊加的每個DC子加熱區的縱向投影不完全重合，其中主加熱區、子加熱區和附加子加熱區都具有獨立的加熱功率輸入口，使得加熱功率獨立可調。
所述不完全重合，包含：上方的加熱區的投影落在下方與之對應的加熱區的範圍內，或者上方的加熱區的投影超出下方與之對應的加熱區的範圍，或者上方的加熱區的投影和下方與之對應的加熱區的範圍部分重疊，或者上方的加熱區的投影落在下方相鄰的複數個加熱區合計的範圍內，或者上方的加熱區的投影超出下方相鄰的複數個加熱區合計的範圍，或者上方的加熱區的投影和下方相鄰的複數個加熱區合計的範圍部分重疊。
進一步地，被疊加的每一個AC主加熱區上方的空間，被劃分為若干子空間，每個子空間分別有對應的DC子加熱區。
進一步地，AC主加熱器層包含同圓心的複數個AC主加熱圈；
DC子加熱器層包含同圓心的複數個DC子加熱圈，疊加在至少一些AC主加熱圈上方，使得每個DC子加熱圈和與之疊加的每個AC主加熱圈的縱向投影重合；或者，複數個DC子加熱圈錯位疊加在至少一些AC主加熱圈上方，使得每個DC子加熱圈和與之錯位疊加的每個AC主加熱圈的縱向投影不完全重合。
進一步地，每個AC主加熱圈佈置一個AC主加熱區；每個DC子加熱圈佈置複數個扇形的DC子加熱區。
進一步地，DC子加熱圈在徑向相互隔開；DC子加熱器層包含若干非加熱圈，與DC子加熱圈同圓心設置，將相鄰的DC子加熱圈隔開。
進一步地，DC附加子加熱器層包含複數個扇形區，各自從DC附加子加熱器層的圓心開始沿徑向延伸，且在每個扇形區佈置1個DC附加加熱區，每個DC附加加熱區徑向穿過若干個DC子加熱圈的上方，並與被穿過的至少一個DC子加熱圈中的每個DC子加熱區錯位疊加。
進一步地，DC附加子加熱器層的每個DC附加加熱區，從DC附加子加熱器層的圓心延伸到邊緣，徑向穿過DC子加熱器層所有加熱圈的上方；每個DC附加加熱區與被其穿過的至少一個DC子加熱圈中的兩個相鄰的DC子加熱區對應，使這兩個相鄰的DC子加熱區的邊界線處在該DC附加加熱區的投影範圍內。
進一步地，AC主加熱器層設有N個AC主加熱區，分別設置有加熱器；DC子加熱器層設有X個DC子加熱區，分別設置有加熱器；藉由N個AC主加熱區和X個DC子加熱區的疊加，形成的可控溫區大於X個；DC附加子加熱器層設有Y個DC附加加熱區，分別設置有加熱器；DC附加子加熱器層的任意一個扇形區與DC子加熱器層的可控溫區重疊時，至少一個DC子加熱器層的扇形區與複數個DC附加子加熱器層的扇形區重疊，在重疊的部分產生新的可控溫區，在DC附加子加熱器層產生的可控溫區總數量大於N+X+Y個。
進一步地，AC主加熱器層與DC子加熱器層之間設置絕緣層，其材料可以選擇聚醯亞胺（POLYIMIDE）、氧化鋁、氮化鋁、氧化矽等，且DC子加熱器層與DC附加子加熱器層之間設置聚醯亞胺層。DC附加子加熱器層的頂部設置鋁板，且在鋁板與DC附加子加熱器層之間設置聚醯亞胺層。AC主加熱器層的底部設置鋁板，且在鋁板與主加熱器層之間設置絕緣材料層。
本發明中使用的AC主加熱器層的加熱絲的電阻較小，施加同樣電源時發熱功率大，能夠快速達到目標溫度。DC子加熱器層和DC附加子加熱器層 電阻較大，AC主加熱器層發熱功率較低，但能夠精確的微調溫度。
本發明的第一實施例的結構如第6圖所示，AC主加熱器層、DC子加熱器層、DC附加子加熱器層的形狀為圓形，且總面積都相同；AC主加熱器層設有同圓心的4圈，且每一圈設有1個加熱區。DC子加熱器層也設有同圓心的4圈，與AC主加熱器層的4圈加熱區的位置相對應；從內到外依次稱第一圈到第四圈，第一圈和第三圈沒有加熱區；第二圈設有8個加熱區，各分佈在8個均等劃分的扇形區，第四圈設有16個加熱區，各分佈在16個均等劃分的扇形區。DC子加熱器層與AC主加熱器層結合之後，在DC子加熱器層的第一圈和第三圈分別產生了1個可控溫區，最終總共產生了26個可控溫區。
如第7圖所示，DC附加子加熱器層設有16個均等的扇形區，各自從圓心延伸到該層的外側邊緣，並且在每個扇形區內設置一個加熱區。當DC附加子加熱器層與DC子加熱器層相結合之後， DC附加子加熱器層的16個扇形區各與DC子加熱器層第四圈的16個扇形區之間產生錯位，使得DC附加子加熱器層的每個扇形區接觸DC子加熱器層第四圈的兩個扇形區，且接觸DC子加熱器層的第三圈和第一圈以及第二圈的1個或2個扇形區。此時，DC附加子加熱器層的每一個加熱區與DC子加熱器層的每一個可控溫區相重疊的區域變成獨立的可控溫區。
如第8圖所示，以DC附加子加熱器層的兩個扇形區為例，其中第一扇形區與DC子加熱器層的5個可控溫區重疊（1-1、2-3、3-1、4-5、4-4），由此在DC附加子加熱器層的第一扇形區產生5個可控溫區（1、2、3、4、5）；第二扇形區與DC子加熱器層的6個可控溫區重疊（1-1、2-3、2-2、3-1、4-3、4-4），由此在DC附加子加熱器層的第二扇形區產生6個可控溫區（1’、2’、3’、4’、5’、6’）。DC附加子加熱器層的其他14個扇形區與這兩個扇形區類似，各與DC子加熱器層的5個可控溫區或6個可控溫區接觸。
因此DC附加子加熱器層的每個加熱器與DC子加熱器層的可控溫區組合時會產生5到6個可控溫區，所以DC附加子加熱器層的總可控溫區將超過5 ×16 = 80，這遠遠大於實際的加熱器數量(4 + 24 +16 = 44)。
本發明的DC附加子加熱器層設有的16個扇形區只是一個較佳方案，也可以按照實際情況適當加減扇形區的數量。本發明可以藉由增加DC附加子加熱器層上的DC加熱器的數量或添加額外的DC附加子加熱器層來擴展該方案。
本發明加熱器的溫度調節方法是先利用AC主加熱器層將靜電式晶圓座上的晶圓接近需要的溫度；再藉由DC子加熱器層和AC主加熱器層的疊加，及DC附加子加熱器層和DC子加熱器層的錯位疊加來形成的各自獨立的可控溫區進一步微調溫度，使與各可控溫區域相對應的晶圓各處的溫度分別達到所需要的溫度。
本發明應用的場合除了可以是第1圖所示的電容耦合型等離子處理器外，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，比如去光刻膠的反應腔等需要對晶圓進行精確控溫的應用情境。
儘管本發明的內容已經藉由上述較佳實例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是本發明的限制。在本領域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。
10:基座
11:管路
23:加熱器
30:靜電式晶圓座
32:黏接層
40:上電極
41:氣體噴頭
100:反應腔
第1圖為表示電漿蝕刻機腔體內部結構示意圖；
第2圖為傳統方案靜電式晶圓座各加熱器層的結構示意圖；
第3圖為主加熱器層的俯視圖；
第4圖為子加熱器層的俯視圖；
第5圖為主加熱器層和子加熱器層疊加之後產生的可控溫區結構示意圖；
第6圖為本發明方案靜電式晶圓座各加熱器層的結構示意圖；
第7圖為附加子加熱器層的俯視圖；以及
第8圖為附加子加熱器層的兩個加熱區與子加熱器層結合後產生的可控溫區結構示意圖。
Claims (11)
- 一種用於組裝靜電式晶圓座的多平面多路可調節溫度的加熱器，其包含：一主加熱器層、一子加熱器層、以及一附加子加熱器層； 該主加熱器層設有複數個主加熱區； 該子加熱器層設置在該主加熱器層的上方，且該子加熱器層設有複數個子加熱區，與至少一部分該主加熱區疊加；以及 該附加子加熱器層設置在該子加熱器層的上方，且該附加子加熱器層設有複數個附加加熱區；每個該附加加熱區與一個或複數個該子加熱區錯位疊加，使得每個該附加加熱區和與之錯位疊加的每個該子加熱區的縱向投影不完全重合，其中該主加熱區、該子加熱區和該附加加熱區都具有獨立的加熱功率輸入口，使得加熱功率獨立可調。
- 如請求項1所述的用於組裝靜電式晶圓座的多平面多路可調節溫度的加熱器，其中被疊加的每一個該主加熱區上方的空間，被劃分為複數個子空間，每個該子空間分別有對應的該子加熱區。
- 如請求項1所述的用於組裝靜電式晶圓座的多平面多路可調節溫度的加熱器，其中該主加熱器層包含同圓心的複數個主加熱圈；以及 該子加熱器層包含同圓心的複數個子加熱圈，疊加在至少一些該主加熱圈上方，使得每個該子加熱圈和與之疊加的每個該主加熱圈的縱向投影重合；或者，該複數個子加熱圈錯位疊加在至少一些該主加熱圈上方，使得每個該子加熱圈和與之錯位疊加的每個該主加熱圈的縱向投影不完全重合。
- 如請求項3所述的用於組裝靜電式晶圓座的多平面多路可調節溫度的加熱器，其中每個該主加熱圈佈置一個該主加熱區；每個該子加熱圈佈置扇形的該複數個子加熱區。
- 如請求項3所述的用於組裝靜電式晶圓座的多平面多路可調節溫度的加熱器，其中該複數個子加熱圈在徑向相互隔開；該子加熱器層包含若干非加熱圈，與該複數個子加熱圈同圓心設置，將相鄰的該子加熱圈隔開。
- 如請求項4所述的用於組裝靜電式晶圓座的多平面多路可調節溫度的加熱器，其中該附加子加熱器層包含複數個扇形區，各自從該附加子加熱器層的圓心開始沿徑向延伸，且在每個該扇形區佈置1個該附加加熱區，每個該附加加熱區徑向穿過若干個該子加熱圈的上方，並與被穿過的至少一個該子加熱圈中的每個該子加熱區錯位疊加。
- 如請求項6所述的用於組裝靜電式晶圓座的多平面多路可調節溫度的加熱器，其中該附加子加熱器層的每個該附加加熱區，從該附加子加熱器層的圓心延伸到邊緣，徑向穿過該子加熱器層所有加熱圈的上方；每個該附加加熱區與被其穿過的至少一個該子加熱圈中的兩個相鄰的該子加熱區對應，使兩個相鄰的該子加熱區的邊界線處在該附加加熱區的投影範圍內。
- 如請求項1所述的用於組裝靜電式晶圓座的多平面多路可調節溫度的加熱器，其中該不完全重合，包含：上方的加熱區的投影落在下方與之對應的加熱區的範圍內，或者上方的加熱區的投影超出下方與之對應的加熱區的範圍，或者上方的加熱區的投影和下方與之對應的加熱區的範圍部分重疊，或者上方的加熱區的投影落在下方相鄰的複數個加熱區合計的範圍內，或者上方的加熱區的投影超出下方相鄰的複數個加熱區合計的範圍，或者上方的加熱區的投影和下方相鄰的複數個加熱區合計的範圍部分重疊。
- 如請求項3所述的用於組裝靜電式晶圓座的多平面多路可調節溫度的加熱器，其中該主加熱器層設有N個該主加熱區，分別設置有一加熱器；該子加熱器層設有X個該子加熱區，分別設置有該加熱器；藉由N個該主加熱區和X個該子加熱區的疊加，形成的一可控溫區大於X個；該附加子加熱器層設有Y個該附加加熱區，分別設置有該加熱器；該附加子加熱器層的任意一個一扇形區與該子加熱器層的該可控溫區重疊時，至少一個該子加熱器層的該扇形區與該附加子加熱器層的該複數個扇形區重疊，在重疊的部分產生新的該可控溫區，在該附加子加熱器層產生的該可控溫區總數量大於N+X+Y個。
- 如請求項1至9中的任一項所述的用於組裝靜電式晶圓座的多平面多路可調節溫度的加熱器，其中該主加熱器層與該子加熱器層之間設置一絕緣材料層，且該子加熱器層與該附加子加熱器層之間設置該絕緣材料層； 該附加子加熱器層的頂部設置一鋁板，且在該鋁板與該附加子加熱器層之間設置該絕緣材料層；以及 該主加熱器層的底部設置該鋁板，且在該鋁板與該主加熱器層之間設置該絕緣材料層。
- 一種用於組裝靜電式晶圓座的多平面多路加熱器的溫度調節方法，其中利用請求項1至10中的任一項所述的用於組裝靜電式晶圓座的多平面多路可調節溫度的加熱器，對放置在一靜電式晶圓座上的一晶圓加熱； 其中，一主加熱器層將該靜電式晶圓座上的該晶圓接近需要的溫度； 再藉由一子加熱器層和該主加熱器層的疊加，及一附加子加熱器層和該子加熱器層的錯位疊加來形成的各自獨立的一可控溫區進一步微調溫度，使與各該可控溫區域相對應的該晶圓各處的溫度分別達到所需要的溫度。
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