等離子體反應裝置和石英窗加熱方法
2023-06-04 09:56:41 2
等離子體反應裝置和石英窗加熱方法
【專利摘要】本發明公開了一種等離子體反應裝置和石英窗加熱方法。該等離子體反應裝置，包括：腔體、承載裝置、吸熱層、紅外加熱裝置和加熱電源，所述腔體包括腔體壁和設置於所述腔體壁上方的石英窗，所述承載裝置位於所述腔體底部，所述吸熱層覆蓋於所述石英窗上，所述紅外加熱裝置位於所述石英窗上方；所述加熱電源，用於向所述紅外加熱裝置供電；所述紅外加熱裝置，用於向所述石英窗發射紅外線；所述吸熱層，用於吸收所述紅外線以實現對所述石英窗的加熱。本發明提高了工藝結果的穩定性以及提高了等離子體反應裝置的產出率。
【專利說明】等離子體反應裝置和石英窗加熱方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體設備製造【技術領域】，特別涉及一種等離子體反應裝置和石英窗加熱方法。
【背景技術】
[0002]在半導體刻蝕工藝的情況下，必須嚴格控制等離子體反應裝置的大量參數以保持高質量的工藝結果，其中，溫度是保證高質量工藝結果和反應室穩定性的重要參數。等離子體反應裝置精確的溫度控制對刻蝕工藝結果起到至關重要的作用，刻蝕工藝結果對等離子體反應裝置中的溫度波動高度敏感。精確控制等離子體反應裝置中的溫度可直接影響刻蝕速率的均勻性和關鍵尺寸(Critical Dimension,以下簡稱:⑶)的均勻性,減少反應腔側壁的顆粒沉積，促使揮發性的殘留物及時排出反應腔，以及有效延長預防性維護(Preventive Maintenance,以下簡稱:PM)的周期。
[0003]圖1為現有技術中等離子體反應裝置的結構示意圖，如圖1所示，該等離子體反應裝置包括:腔體I和承載裝置2，腔體I包括腔體壁6和設置於腔體壁6上方的石英窗7，承載裝置2位於腔體I的底部，承載裝置2用於承載襯底8。腔體I內部形成有一內腔9，該內腔9由腔體壁6和石英窗7形成。腔體壁6和石英窗7之間相互配合密封，腔體壁6和承載裝置2之間相互配合密封，從而使內腔9成為一封閉的空間。優選地，承載裝置2可採用靜電卡盤，襯底8通過靜電引力固定於承載裝置2上。在等離子體加工過程中，向腔體I內部的內腔9中通入反應氣體，射頻電源(圖中未示出)使該反應氣體電離形成等離子體，形成的等離子體位於襯底8上方的內腔9中。上述等離子體反應裝置溫度的控制通常通過對承載裝置2和腔體壁6進行精確溫度控制而實現。腔體壁6內可設置有加熱器10、熱電偶(圖中未示出)和過溫開關(圖中未示出)，加熱器10用於對腔體壁6進行加熱，熱電偶用於測量腔體壁6的溫度，過溫開關用於控制腔體壁6的溫度使其不超過設定值，從而實現對腔體壁6的溫度的控制。承載裝置2與腔體I外部的溫度控制模塊(圖中未示出)連接，溫度控制模塊中冷卻液通過設置於承載裝置2底部的入口 11流入承載裝置2內部，冷卻液與承載裝置2進行熱量交換後從出口 12返回至溫度控制模塊，溫度控制模塊通過調整冷卻液的流量改變冷卻液與承載裝置2的熱交換量，從而實現了對承載裝置2的溫度控制。石英窗7沒有單獨的加熱裝置，在等離子體加工過程中工藝質量對石英窗7的溫度相當敏感，為了得到滿意的工藝結果，通常在刻蝕工藝開始前增加預熱等離子體啟輝的步驟，通過預熱等離子體啟輝的步驟使石英窗7的溫度升高，具體地，在進行加工襯底的等離子體工藝之前，首先進行預熱等離子體啟輝的步驟，採用等離子體自身的熱效應對石英窗7進行加熱，當石英窗7的溫度達到所需溫度時，再執行加工襯底的等離子體工藝。
[0004]但是，現有技術中對石英窗7進行加熱的方案存在如下問題:
[0005]1、由於預熱等離子啟輝的加熱方式依賴於等離子體自身的熱效應，穩定性較差，從而無法保證工藝結果的穩定性。
[0006]2、增加預熱等離子體啟輝的步驟，會延長工藝的時間，從而降低了等離子體反應 裝置的產出率。
【發明內容】
[0007]本發明提供一種等離子體反應裝置和石英窗加熱方法，用以提高工藝結果的穩定性以及提高等離子體反應裝置的產出率。
[0008]為實現上述目的，本發明提供了一種等離子體反應裝置，包括:腔體、承載裝置、吸熱層、紅外加熱裝置和加熱電源，所述腔體包括腔體壁和設置於所述腔體壁上方的石英窗，所述承載裝置位於所述腔體底部，其中:
[0009]所述吸熱層覆蓋於所述石英窗上，所述紅外加熱裝置位於所述石英窗上方；
[0010]所述加熱電源，用於向所述紅外加熱裝置供電；
[0011]所述紅外加熱裝置，用於向所述石英窗發射紅外線；
[0012]所述吸熱層，用於吸收所述紅外線以實現對所述石英窗的加熱。
[0013]可選地，所述等離子體反應裝置還包括:罩設於所述石英窗之上的殼體，所述紅外加熱裝置固定於所述殼體的內壁上。
[0014]可選地，所述紅外加熱裝置包括:內紅外加熱裝置和外紅外加熱裝置，所述外紅外加熱裝置圍設於所述內紅外加熱裝置的外側，所述內紅外加熱裝置通過第一固定件固定於所述殼體的內壁上，所述外紅外加熱裝置通過第二固定件固定於所述殼體的內壁上。
[0015]可選地，所述內紅外加熱裝置的形狀為環狀，所述外紅外加熱裝置的形狀為環狀。
[0016]可選地，所述加熱電源位於所述腔體的外部，所述加熱電源通過第一連接線與所述內紅外加熱裝置電連接，所述加熱電源通過第二連接線與所述外紅外加熱裝置電連接，所述第一固定件上開設有第一連接孔，所述第二固定件上開設有第二連接孔，所述第一連接線穿過所述第一連接孔，所述第二連接線穿過所述第二連接孔。
[0017]可選地，所述等離子體反應裝置還包括:溫度控制器，位於所述內紅外加熱裝置上方的第一測溫裝置和位於所述外紅外加熱裝置上方的第二測溫裝置，其中:
[0018]所述第一測溫裝置固定於所述殼體的內壁上，所述第二測溫裝置固定於所述殼體的內壁上；
[0019]所述第一測溫裝置，用於對所述內紅外加熱裝置的溫度進行測量，得出第一測量溫度;
[0020]所述第二測溫裝置，用於對所述外紅外加熱裝置的溫度進行測量，得出第二測量溫度;
[0021]所述溫度控制器，用於比較所述第一測量溫度和第一設定溫度，並根據所述第一測量溫度和所述第一設定溫度的差值控制所述加熱電源，由所述加熱電源調整所述內紅外加熱裝置的加熱功率；以及比較所述第二測量溫度和第二設定溫度，並根據所述第二測量溫度和所述第二設定溫度的差值控制所述加熱電源，由所述加熱電源調整所述外紅外加熱裝置的加熱功率。
[0022]可選地，所述加熱電源包括:第一繼電器和第二繼電器，所述第一繼電器通過所述第一連接線與所述內紅外加熱裝置連接，所述第二繼電器通過所述第二連接線與所述外紅外加熱裝置連接；
[0023]所述第一繼電器，用於在所述溫度控制器的控制下導通或者斷開，以實現調整所述內紅外加熱裝置的加熱功率；
[0024]所述第二繼電器，用於在所述溫度控制器的控制下導通或者斷開，以實現調整所述外紅外加熱裝置的加熱功率。
[0025]可選地，所述等離子體反應裝置還包括:設置於所述殼體外部的匹配器和設置於所述殼體內部的線圈，所述線圈位於所述石英窗和所述紅外加熱裝置之間，所述線圈通過所述線圈連接條與所述匹配器連接。
[0026]可選地，所述吸熱層的材料為吸熱膠。
[0027]為實現上述目的，本發明還提供了一種石英窗加熱方法，所述方法基於等離子體反應裝置，所述等離子體反應裝置包括:腔體、承載裝置、吸熱層、紅外加熱裝置和加熱電源，所述腔體包括腔體壁和設置於所述腔體壁上方的石英窗，所述承載裝置位於所述腔體底部，所述吸熱層覆蓋於所述石英窗上，所述紅外加熱裝置位於所述石英窗上方，所述加熱電源用於向所述紅外加熱裝置供電；
[0028]所述方法包括:
[0029]所述紅外加熱裝置向所述石英窗發射紅外線；
[0030]所述吸熱層吸收所述紅外線以實現對所述石英窗的加熱。
[0031]本發明具有以下有益效果:
[0032]本發明提供的等離子體反應裝置和石英窗加熱方法的技術方案中，通過紅外線加熱裝置和吸熱層實現對石英窗的加熱，穩定性較好，從而提高了工藝結果的穩定性；本發明無需通過增設預熱等離子體啟輝的步驟即可實現對石英窗的加熱，減少了工藝時間，從而提高了等離子體反應裝置的產出率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0033]圖1為現有技術中等離子體反應裝置的結構示意圖；
[0034]圖2為本發明實施例一提供的一種等離子體反應裝置的結構示意圖；
[0035]圖3為圖2中紅外加熱裝置的平面示意圖。
【具體實施方式】
[0036]為使本領域的技術人員更好地理解本發明的技術方案，下面結合附圖對本發明提供的等離子體反應裝置和石英窗加熱方法進行詳細描述。
[0037]圖2為本發明實施例一提供的一種等離子體反應裝置的結構示意圖，如圖2所示，該等離子體反應裝置包括:腔體1、承載裝置2、吸熱層3、紅外加熱裝置4和加熱電源5，腔體I包括腔體壁6和設置於腔體壁6上方的石英窗7，承載裝置2位於腔體I底部，吸熱層3覆蓋於石英窗7上，紅外加熱裝置4位於石英窗7上方。承載裝置2用於承載襯底8。加熱電源5用於向紅外加熱裝置4供電。紅外加熱裝置4用於向石英窗7發射紅外線。吸熱層3用於吸收紅外線以實現對石英窗7的加熱。
[0038]本實施例中，吸熱層3的材料優選為吸熱膠。由於石英窗7對紅外線有較大的通過率，所以僅通過紅外線無法實現對石英窗7的加熱。為此，在石英窗7上設置吸熱層3，該吸熱層3可以吸收紅外線以使石英窗7被紅外線加熱，從而提高了紅外加熱裝置4的加熱效率。[0039]腔體I內部形成有一內腔9，該內腔9由腔體壁6和石英窗7形成。腔體壁6和石英窗7之間相互配合密封，腔體壁6和承載裝置2之間相互配合密封，從而使內腔9成為一封閉的空間。優選地，承載裝置2可採用靜電卡盤，襯底8通過靜電引力固定於承載裝置2上。在等離子體加工過程中，向腔體I內部的內腔9中通入反應氣體，射頻電源(圖中未示出)使該反應氣體電離形成等離子體，形成的等離子體位於襯底8上方的內腔9中。
[0040]上述等離子體反應裝置溫度的控制通常通過對承載裝置2和腔體壁6進行精確溫度控制而實現。腔體壁6內可設置有加熱器10、熱電偶(圖中未示出)和過溫開關(圖中未示出)，加熱器10用於對腔體壁6進行加熱，熱電偶用於測量腔體壁6的溫度，過溫開關用於控制腔體壁6的溫度使其不超過設定值，從而實現對腔體壁6的溫度的控制。承載裝置2與腔體I外部的溫度控制模塊(圖中未示出)連接，溫度控制模塊中冷卻液通過設置於承載裝置2底部的入口 11流入承載裝置2內部，冷卻液與承載裝置2進行熱量交換後從出口 12返回至溫度控制模塊，溫度控制模塊通過調整冷卻液的流量改變冷卻液與承載裝置2的熱交換量，從而實現了對承載裝置2的溫度控制。
[0041]可選地，等離子體反應裝置還可以包括:罩設於石英窗7之上的殼體13，紅外加熱裝置4固定於殼體13的內壁上。
[0042]圖3為圖2中紅外加熱裝置的平面示意圖，如圖2和圖3所示，本實施例中，紅外加熱裝置4可包括:內紅外加熱裝置14和外紅外加熱裝置15，外紅外加熱裝置15圍設於內紅外加熱裝置14的外側，內紅外加熱裝置14通過第一固定件16固定於殼體13的內壁上，外紅外加熱裝置15通過第二固定件17固定於殼體13的內壁上。內紅外加熱裝置14用於向石英窗7發射紅外線，外紅外加熱裝置15用於向石英窗7發射紅外線。本實施例中，內紅外加熱裝置14可採用紅外燈管，外紅外加熱裝置15可採用紅外燈管。優選地，內紅外加熱裝置14的形狀為環狀,外紅外加熱裝置15的形狀為環狀。由於石英窗7的形狀通常為圓盤狀，因此內紅外加熱裝置14和外紅外加熱裝置15採用環狀的形狀，可以實現對石英窗7均勻加熱的目的，尤其解決了石英窗7徑向溫度不均勻的問題，從而達到使石英窗7的徑向溫度均勻的目的。在實際應用中，內紅外加熱裝置14和外紅外加熱裝置15均還可以採用其它形狀，例如:內紅外加熱裝置14的形狀還可以為圓盤狀。
[0043]加熱電源5位於腔體I的外部，該加熱電源5為交流電源。加熱電源5通過第一連接線18與內紅外加熱裝置14電連接，加熱電源5通過第二連接線19與外紅外加熱裝置15電連接。第一固定件16上開設有第一連接孔，第二固定件17上開設有第二連接孔，第一連接線18穿過第一連接孔以使加熱電源5與內紅外加熱裝置14電連接，第二連接線19穿過第二連接孔以使加熱電源5與外紅外加熱裝置15電連接。其中，第一連接孔開設於第一固定件16內部，第二連接孔開設於第二固定件17內部，第一連接孔和第二連接孔在圖2中未示出。進一步地，第一連接線18還可以通過其他方式設置於第一固定件16上，第二連接線19還可以通過其他方式設置於第二固定件17上。例如:第一連接線18可以纏繞於第一固定件16上，第二連接線19可以纏繞於第二固定件17上。
[0044]進一步地，該等離子體反應裝置還可以包括:溫度控制器20，位於內紅外加熱裝置14上方的第一測溫裝置21和位於外紅外加熱裝置15上方的第二測溫裝置22，第一測溫裝置21固定於殼體13的內壁上，第二測溫裝置22固定於殼體14的內壁上，溫度控制器20通過連接線與第一測溫裝置21連接，溫度控制器20通過連接線與第二測溫裝置22連接。其中，第一測溫裝置21可以採用紅線溫度傳感器，第二測溫裝置22可以採用紅外線溫度傳感器。第一測溫裝置21用於對內紅外加熱裝置14的溫度進行測量，得出第一測量溫度。第二測溫裝置22用於對外紅外加熱裝置15的溫度進行測量，得出第二測量溫度。溫度控制器20用於比較第一測量溫度和第一設定溫度，並根據第一測量溫度和第一設定溫度的差值控制加熱電源5，由加熱電源5調整內紅外加熱裝置14的加熱功率。溫度控制器20還用於比較第二測量溫度和第二設定溫度，並根據第二測量溫度和第二設定溫度的差值控制加熱電源5，由加熱電源5調整外紅外加熱裝置15的加熱功率。具體地，加熱電源5中可包括:第一繼電器23和第二繼電器24，第一繼電器23通過第一連接線18與內紅外加熱裝置14連接，第二繼電器24通過第二連接線19與外紅外加熱裝置15連接。第一繼電器
23用於在溫度控制器20的控制下導通或者斷開，以實現調整內紅外加熱裝置14的加熱功率。第二繼電器24用於在溫度控制器20的控制下導通或者斷開，以實現調整外紅外加熱裝置15的加熱功率。
[0045]可選地，等離子體反應裝置還包括:設置於殼體13外部的匹配器25和設置於殼體13內部的線圈26，線圈26位於石英窗7和紅外加熱裝置4之間，線圈26通過線圈連接條27與匹配器25連接。匹配器25連接至射頻電源。射頻電源通過匹配器25向線圈26提供射頻功率，使線圈26產生射頻電場，該射頻電場可使內腔9中的反應氣體電離形成等離子體。
[0046]本實施例提供的等離子體反應裝置通過紅外線加熱裝置和吸熱層實現對石英窗的加熱，穩定性較好，從而提高了工藝結果的穩定性。本實施例無需通過增設預熱等離子體啟輝的步驟即可實現對石英窗的加熱，減少了工藝時間，從而提高了等離子體反應裝置的產出率。本實施例無需增設等離子體啟輝的步驟，從而避免了由於熱量的累積效應而導致的石英窗溫度過高的問題。本實施例提供的等離子體反應裝置通過紅外線加熱裝置和吸熱層對石英窗進行加熱，從而能夠使石英窗快速升溫。本實施例提供的等離子體反應裝置通過第一測溫裝置、第二測量裝置和溫度控制器實現了對石英窗的精確控溫，從而提高了工藝結果的穩定性和準確性。
[0047]本發明實施例二還提供了一種石英窗加熱方法，所述方法基於等離子體反應裝置，等離子體反應裝置包括:腔體、承載裝置、石英窗、吸熱層、紅外加熱裝置和加熱電源，腔體包括腔體壁和設置於腔體壁上方的石英窗，承載裝置位於腔體底部，吸熱層覆蓋於石英窗上，紅外加熱裝置位於石英窗上方，加熱電源用於向紅外加熱裝置供電。對等離子體反應裝置的具體描述可參見上述實施例一，此處不再贅述。則該石英窗加熱方法可包括:紅外加熱裝置向所述石英窗發射紅外線，吸熱層吸收紅外線以實現對石英窗的加熱。
[0048]可以理解的是，以上實施方式僅僅是為了說明本發明的原理而採用的示例性實施方式，然而本發明並不局限於此。對於本領域內的普通技術人員而言，在不脫離本發明的精神和實質的情況下，可以做出各種變型和改進，這些變型和改進也視為本發明的保護範圍。
【權利要求】
1.一種等離子體反應裝置，其特徵在於，包括:腔體、承載裝置、吸熱層、紅外加熱裝置和加熱電源，所述腔體包括腔體壁和設置於所述腔體壁上方的石英窗，所述承載裝置位於所述腔體底部，其中: 所述吸熱層覆蓋於所述石英窗上，所述紅外加熱裝置位於所述石英窗上方； 所述加熱電源，用於向所述紅外加熱裝置供電； 所述紅外加熱裝置，用於向所述石英窗發射紅外線； 所述吸熱層，用於吸收所述紅外線以實現對所述石英窗的加熱。
2.根據權利要求1所述的等離子體反應裝置，其特徵在於，所述等離子體反應裝置還包括:罩設於所述石英窗之上的殼體，所述紅外加熱裝置固定於所述殼體的內壁上。
3.根據權利要求2所述的等離子體反應裝置，其特徵在於，所述紅外加熱裝置包括:內紅外加熱裝置和外紅外加熱裝置，所述外紅外加熱裝置圍設於所述內紅外加熱裝置的外偵牝所述內紅外加熱裝置通過第一固定件固定於所述殼體的內壁上，所述外紅外加熱裝置通過第二固定件固定於所述殼體的內壁上。
4.根據權利要求3所述的等離子體反應裝置，其特徵在於，所述內紅外加熱裝置的形狀為環狀，所述外紅外加熱裝置的形狀為環狀。
5.根據權利要求3所述的等離子體反應裝置，其特徵在於，所述加熱電源位於所述腔體的外部，所述加熱電源通過第一連接線與所述內紅外加熱裝置電連接，所述加熱電源通過第二連接線與所述外紅外 加熱裝置電連接，所述第一固定件上開設有第一連接孔，所述第二固定件上開設有第二連接孔，所述第一連接線穿過所述第一連接孔，所述第二連接線穿過所述第二連接孔。
6.根據權利要求3所述的等離子體反應裝置，其特徵在於，所述等離子體反應裝置還包括:溫度控制器，位於所述內紅外加熱裝置上方的第一測溫裝置和位於所述外紅外加熱裝置上方的第二測溫裝置，其中: 所述第一測溫裝置固定於所述殼體的內壁上，所述第二測溫裝置固定於所述殼體的內壁上； 所述第一測溫裝置，用於對所述內紅外加熱裝置的溫度進行測量，得出第一測量溫度； 所述第二測溫裝置，用於對所述外紅外加熱裝置的溫度進行測量，得出第二測量溫度； 所述溫度控制器，用於比較所述第一測量溫度和第一設定溫度，並根據所述第一測量溫度和所述第一設定溫度的差值控制所述加熱電源，由所述加熱電源調整所述內紅外加熱裝置的加熱功率；以及比較所述第二測量溫度和第二設定溫度，並根據所述第二測量溫度和所述第二設定溫度的差值控制所述加熱電源，由所述加熱電源調整所述外紅外加熱裝置的加熱功率。
7.根據權利要求6所述的等離子體反應裝置，其特徵在於，所述加熱電源包括:第一繼電器和第二繼電器，所述第一繼電器通過所述第一連接線與所述內紅外加熱裝置連接，所述第二繼電器通過所述第二連接線與所述外紅外加熱裝置連接； 所述第一繼電器，用於在所述溫度控制器的控制下導通或者斷開，以實現調整所述內紅外加熱裝置的加熱功率；所述第二繼電器，用於在所述溫度控制器的控制下導通或者斷開，以實現調整所述外紅外加熱裝置的加熱功率。
8.根據權利要求1所述的等離子體反應裝置，其特徵在於，所述等離子體反應裝置還包括:設置於所述殼體外部的匹配器和設置於所述殼體內部的線圈，所述線圈位於所述石英窗和所述紅外加熱裝置之間，所述線圈通過所述線圈連接條與所述匹配器連接。
9.根據權利要求1至8任一所述的等離子體反應裝置，其特徵在於，所述吸熱層的材料為吸熱膠。
10.一種石英窗加熱方法，其特徵在於，所述方法基於等離子體反應裝置，所述等離子體反應裝置包括:腔體、承載裝置、吸熱層、紅外加熱裝置和加熱電源，所述腔體包括腔體壁和設置於所述腔體壁上方的石英窗，所述承載裝置位於所述腔體底部，所述吸熱層覆蓋於所述石英窗上， 所述紅外加熱裝置位於所述石英窗上方，所述加熱電源用於向所述紅外加熱裝置供電； 所述方法包括: 所述紅外加熱裝置向所述石英窗發射紅外線； 所述吸熱層吸收所述紅外線以實現對所述石英窗的加熱。
【文檔編號】H01J37/32GK103545162SQ201210236561
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2012年7月9日 優先權日:2012年7月9日
【發明者】魏曉 申請人:北京北方微電子基地設備工藝研究中心有限責任公司