晶圆温度控制器及系统、方法和等离子体处理装置

摘要

本发明适用于半导体技术领域，公开了晶圆温度控制器、晶圆温度控制系统、晶圆温度控制方法和等离子体处理装置。其中，晶圆温度控制系统包括：基座，用于承载一静电卡盘，所述基座内部设置至少两个可独立控温的第一冷却区域；静电卡盘，包括用于承载晶圆的承载面，所述承载面上设置至少两个可独立控温的第二气体冷却区域；所述第一冷却区域和所述第二气体冷却区域在垂直于静电卡盘表面的方向上不完全重合。本发明能够实现晶圆温度分布均匀的效果。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种晶圆温度控制器及系统、方法和等离子体处理装置。

背景技术

在半导体设备制造过程中，控制晶圆温度的稳定和均匀是一项重要的技术，因为晶圆径向温度的均匀性和晶圆圆周方向温度的均匀性直接影响晶圆刻蚀速率的均匀性，进而影响到芯片的质量。

现有技术中使用静电卡盘来实现对晶圆温度的控制，静电卡盘是等离子体刻蚀腔室中的核心部件之一。现有技术中还在静电卡盘和基座之间设置电加热器，但是涉及电加热器会存在许多问题：

1)电加热器响应时间慢，不同温度区域之间存在串扰现象；

2)需要使用射频滤波器，避免射频电流的泄露；

3)当需要控制晶圆同一圆环不同角度方位的温度时，需要增设多个电加热器，以实现补偿晶圆在旋转方向温度不对称的目的。

随着晶圆处理精度要求越来越高，要求静电卡盘上的独立温度控制区域数量越来越多，由于电加热器具有上述若干问题，使得多区控温面临较大的技术难题。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种晶圆温度控制系统，其旨在解决相关技术中晶圆温度控制系统无法快速响应晶圆温度变化且实现晶圆不同部位的温度准确调节的技术问题。

为达到上述目的，本发明提供的方案是：一种晶圆温度控制系统，包括：基座，用于承载一静电卡盘，所述基座内部设置至少两个可独立控温的第一冷却区域；

静电卡盘，包括用于承载晶圆的承载面，所述承载面上设置至少两个可独立控温的第二气体冷却区域；

所述第一冷却区域和所述第二气体冷却区域在垂直于静电卡盘表面的方向上不完全重合。

进一步地，所述晶圆温度控制系统在晶圆上形成可独立控温的冷却区域的数量大于所述第一冷却区域与所述第二气体冷却区域的数量之和。

进一步地，所述承载面上设置若干隔离带，所述隔离带包括呈周向设置的环形隔离带和/或呈径向设置的条形隔离带。

进一步地，所述晶圆温度控制系统还包括：

气体供应组件，所述气体供应组件包括：

若干个输气管，用于向各所述第二气体冷却区域输送气体，

若干个压力控制部件，用于调控各所述输气管上输送气体之压力；

测温组件，所述测温组件包括：

若干个测温传感器，对应各所述第二气体冷却区域设置；

控制器，所述控制器与各所述测温传感器和各所述压力控制部件连接。

进一步地，所述气体供应组件还包括：

主管道，与各所述输气管连接以用于为各所述输气管供应气体，

若干个第一开关控制阀，设置在各所述输气管上以用于分别控制各所述输气管通断。

进一步地，所述气体供应组件还包括：排气管，与各所述输气管连接；

所述排气管包括：

第一分支管，与所述输气管连接，所述第一分支管上设有第二开关控制阀，

第二分支管，与所述第一分支管并联设置，所述第二分支管上设有限流孔。

进一步地，所述第一开关控制阀位于所述压力控制部件与所述第二气体冷却区域之间，所述输气管与所述排气管连接的部位位于所述第一开关控制阀与所述压力控制部件之间。

进一步地，所述气体供应组件还包括：

第三开关控制阀，设于所述主管道上以用于控制所述主管道通断。

进一步地，所述基座内嵌设有冷却管道。

本发明的第二个目的在于提供一种晶圆温度控制方法，包括如下步骤：获取晶圆多个部位的温度检测信息，其中，至少有两个所述温度检测信息是对应晶圆同一圆环不同角度方位的部位温度检测信息；

分析评估各所述温度检测信息；

依据各所述温度检测信息，发送调节静电卡盘上第二气体冷却腔之气体输入压力的压力调节信息。

进一步地，依据各所述温度检测信息，发送调节静电卡盘上第二气体冷却区之气体输入压力的压力调节信息的步骤包括：

依据所述温度检测信息，判断晶圆某一个部位的温度检测信息是否低于或者高于其他部位的温度；

如果是低于晶圆其他部位的温度，则发送的压力调节信息用于控制减小与该晶圆部位对应的第二气体冷却区域的气体输入压力；

如果是高于晶圆其他部位的温度，则发送的压力调节信息为用于控制增大与该晶圆部位对应的第二气体冷却腔的气体输入压力。

本发明的第三个目的在于提供一种晶圆温度控制器，所述晶圆温度控制器包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的晶圆温度控制程序，所述晶圆温度控制程序被所述处理器执行时实现上述的晶圆温度控制方法的步骤。

本发明的第四个目的在于提供一种计算机可读存储介质，所述存储介质上存储有晶圆温度控制程序，所述晶圆温度控制程序被处理器执行时实现上述的晶圆温度控制方法的步骤。

本发明的第五个目的在于提供一种等离子体处理装置，所述等离子体处理装置包括一真空反应腔和上述的晶圆温度控制系统，所述晶圆温度控制系统设置在所述真空反应腔内。

本发明提供的晶圆温度控制器及系统、方法和等离子体处理装置，其中，晶圆温度控制系统通过基座来承载静电卡盘，且基座内设置至少两个可独立控温的第一冷却区域，还通过静电卡盘来承载晶圆，且静电卡盘上设置至少两个独立控温的第二气体冷却区域，这样，通过基座内的第一冷却区域对静电卡盘的温度进行调整，由此间接调整晶圆的温度，还通过静电卡盘上的第二气体冷却区域对晶圆的温度进行直接调整，由此能够快速响应晶圆温度变化。另外，还通过设置第一冷却区域和第二气体冷却区域在垂直于静电卡盘表面的方向上不完全重合，由此能够通过叠加得到多个冷却区域，以实现精确控制晶圆温度变化的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的晶圆温度控制系统的晶圆、静电卡盘、基座和隔离带的装配剖面示意图；

图2是本发明实施例提供的第二气体冷却区域与气体供应组件的连接示意图；

图3是本发明实施例提供的第一冷却区域结构示意图；

图4是本发明实施例提供的第二气体冷却区域结构示意图；

图5是本发明实施例提供的静电卡盘上第二气体冷却区域和基座内的第一冷却区域的一种实施方案分布示意图；

图6是本发明实施例提供的静电卡盘上第二气体冷却区域和基座内的第一冷却区域的另一种实施方案分布示意图；

图7是本发明实施例提供的等离子体处理装置结构示意图。

附图标记：

10、静电卡盘；11、第二气体冷却区域；12、隔离带；20、基座；21、第一冷却区域；30、晶圆；31、第三冷却区域；

40、测温组件；41、测温传感器；

50、气体供应组件；51、主管道；52、排气管；53、输气管；54、第一开关控制阀；55、第二开关控制阀；56、第三开关控制阀；57、限流孔；58、压力控制部件；

60、真空反应腔；70、离子发生器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

还需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上时，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接另一个元件或者可能同时存在居中元件。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图1至图7所示，本发明实施例提供的一种晶圆温度控制系统，包括基座20，用于承载一静电卡盘10，基座20内部设置至少两个可独立控温的第一冷却区域21；静电卡盘10，包括用于承载晶圆30的承载面，承载面上设置至少两个可独立控温的第二气体冷却区域11；第一冷却区域21和第二气体冷却区域11在垂直于静电卡盘10表面的方向上不完全重合。这样，通过第一冷却区域21间接调控晶圆30的温度，通过第二气体冷却区域11直接调控晶圆30的温度，即能够实现快速响应晶圆30温度变化的目的。且第一冷却区域21和第二气体冷却区域11在垂直于静电卡盘10表面的方向上不完全重合，即通过多个冷却区域实现调控晶圆30温度变化的目的。

随着半导体工艺的不断发展，晶圆30的尺寸越来越大，这要求支撑晶圆30的静电卡盘10的尺寸越来越大，不断变大的静电卡盘10在加工工艺中的一个制约因素是温度难以达到均匀。为实现温度在整个静电卡盘10表面的均匀控制或者可控的设置为不同的温度梯度，可以将静电卡盘10进行分区控制，划分为若干个第二气体冷却区域11，同时，在基座20内设置第一冷却区域21，将第二气体冷却区域11和第一冷却区域21结合，通过设置若干个第一冷却区域21和若干个第二气体冷却区域11在垂直于静电卡盘10的方向上不完全重合，使得一个第一冷却区域21对应两个或两个以上的第二气体冷却区域11，或者一个第二气体冷却区域21对应两个或两个以上的第一冷却区域11，因此，可独立控制温度的冷却区域数量增多，可以更好地实现对晶圆30温度的控制。第二气体冷却区域11在使静电卡盘10快速升温的同时，有效的保证晶圆30各部位温度的均一性，从而有利于等离子体处理工艺的进行，提高了晶圆30的加工合格率。

具体地，第二气体冷却区域11的形状可以为任意的几何形状，第二气体冷却区域11的形状微调并不困难。圆形或者椭圆形或者四边形等形状均可以，具体应用中，可以根据实际需求灵活的调整第二气体冷却区域11的形状，以实现对晶圆30温度分布控制的微调。只要保证静电卡盘10的边缘为圆形即可。同理，第一冷却区域21的形状也可以为任意的几何形状。

其中，晶圆温度控制系统在晶圆30上形成可独立控温的冷却区域的数量大于第一冷却区域21与第二气体冷却区域11的数量之和，这样，晶圆温度控制系统能够形成多个独立调节温度的冷却区域，以实现对晶圆30温度的精确控制。

其中，在本发明一实施例中，承载面上设置若干隔离带12，隔离带12包括呈周向设置的环形隔离带和呈径向设置的条形隔离带，隔离带12用于间隔静电卡盘10的承载面，以形成独立控温的第二气体冷却区域11。在本发明另一实施例中，隔离带12为呈周向设置的环形隔离带，具体应用中，隔离带12也可以为呈径向设置的隔离带。隔离带12设于静电卡盘10的顶部，隔离带12的粗糙程度，可以根据实际的第二气体冷却区域11的气体泄漏率来调整。隔离带12的表面越平整，气体的泄漏率越低，反之亦然。

具体地如图4所示，多个第二气体冷却区域11包括沿静电卡盘10中心轴凹设的圆形冷却区域和多个沿静电卡盘10径向依次间隔分布于圆形冷却区域外周的冷却区域组，每个冷却区域组都包括至少两个沿水平圆周方向间隔分布的弧形冷却区域。采用这种分布方式，可以便于分别控制晶圆30不同圆环区域的温度和晶圆30同一圆环不同方位角度的温度。当然了，具体应用中，多个第二气体冷却区域11也可为多个排成一排沿静电卡盘10径向从静电卡盘10一侧朝向静电卡盘10依次设置的矩形冷却区域；或者，多个第二气体冷却区域11还可为多个分成若干排和若干列阵列分布于静电卡盘10上阵列冷却区域。

如图3所示，基座20内嵌设有若干个用于间隔形成第一冷却区域21的冷却管道。基座20内的冷却管道由铝制成，冷却管道用于控制第一冷却区域21的温度，作为本发明的一种实施例，基座20包括两个或以上从中心到外围排布的独立环形热交换区。基座20内的第一冷却区域21可以控制静电卡盘10半径方向的温度分布，间接控制晶圆30不同区域的温度。在本发明另一实施例中，基座20内的第一冷却区域21也可以设为扇形独立控制区或环形与弧形结合的独立控制区，其具体设计可参考图4所示的静电卡盘10上的第二气体冷却区域21的设置。

作为本实施例的一实施方案，参考图5，第二气体冷却区域11包括1个第一圆形气体冷却区域和4个沿第一圆形气体冷却区域外围设置的弧形气体冷却区域组成的气体冷却区域组。本实施方案中，4个弧形气体冷却区域到静电卡盘10的中心轴距离相同，即4个弧形气体冷却区域位于以静电卡盘10中心为圆心的同一圆环区域上。基座20内的第一冷却区域21数量为2个，包括1个第二圆形冷却区域和1个沿第二圆形冷却区域外围设置的环形冷却区域，第二气体冷却区域11和基座20内的第一冷却区域21组共同组成9个晶圆30温度控制区域。根据图5所示，实线形成的两个圆为基座20上的两个第一冷却区域21，虚线形成的小圆及沿该小圆的径向延伸线形成的区域表示静电卡盘10上的第二气体冷却区域21，由于第一冷却区域11和第二气体冷却区域21在垂直于承载面的方向上不完全重合，因此静电卡盘10和基座20叠加后，出现了可相对独立控温的第三冷却区域31，第三冷却区域31的温度调节通过第一冷却区域21和第二气体冷却区域11的配合实现。如当第三冷却区域31需要降低2℃时，可以通过将第一冷却区域21和第二气体冷却区域11分别降低1℃实现。以尽量增加晶圆30上的温度调节区域的数量。

作为本实施例的另一实施方案，参考图6中的虚线所示，第二气体冷却区域11包括1个第一圆形气体冷却区域和12个沿第一圆形气体冷却区域外围设置的弧形气体冷却区域组成的气体冷却区域组。基座20内的第一冷却区域21为3个，包括1个第二圆形冷却区域和2个沿第二圆形冷却区域外围设置的环形冷却区域，第二气体冷却区域11和基座20内的第一冷却区域21共组成25个晶圆30温度控制区域。在图6示出的实施例中，静电卡盘10上的13个第二气体冷却区域21和基座20上的3个第一冷却区域11叠加后，形成25个能相对独立控制温度的区域。提高了晶圆温度控制系统独立调节温度的区域数量。

在等离子刻蚀过程中，为了更有效的对晶圆30的温度进行控制，本实施例在静电卡盘10和晶圆30之间的第二气体冷却区域11内充入一种导热性较好的气体，即氦气，以实现快速响应对晶圆30温度变化的控制。氦气是一种惰性气体，惰性气体以原子而非分子的形式存在，在等离子体中并不会产生分解碰撞，具有良好的稳定性。本实施例在基座20内嵌的冷却管道中通入冷却液，以实现对第一冷却区域21温度的控制。本发明实施例使用划分多个区域的第二气体冷却区域11和第一冷却区域21来维持晶圆30温度的分布，能够带来很好的温度分布均匀性，解决了晶圆30刻蚀不均匀的问题。

其中，晶圆温度控制系统还包括测温组件40、气体供应组件50和控制器(图未示)，气体供应组件50包括若干个用于向各第二气体冷却区域11输送气体的输气管53和若干个用于调控各输气管53上输送气体之压力的压力控制部件58，测温组件40包括若干个对应各第二气体冷却区域11设置的测温传感器41，各测温传感器41和各压力控制部件58都与控制器(图未示)连接。

测温组件40和压力控制部件58可通过导线与控制器连接，也可通过无线通讯方式与控制器连接。具体地，本发明实施例通过在多个第二气体冷却区域11内设置测温传感器41，实时检测晶圆30温度，并通过控制器(图未示)对压力控制部件58进行控制，以增强或减弱相应的第二气体冷却区域11内的压力，压力越高，氦气的导热性越强，对第二气体冷却区域11对应的晶圆30部位的降温效果越显著，使得晶圆30各部位的温度均匀，从而调整整个晶圆30的刻蚀速率均匀。

其中，本实施例中，输气管53的数量与第二气体冷却区域11的数量相同，且各输气管53用于分别一一向各第二气体冷却区域11输送气体。当然了，具体应用中，输气管53的数量也可与第二气体冷却区域11的数量不同，各输气管53与各第二气体冷却区域11可以不是一一对应关系，例如也可通过两个输气管53同时向与一个第二气体冷却区域11输送气体。

其中，本实施例中，压力控制部件58的数量与输气管53的数量相同，且压力控制部件58用于分别一一调控各输气管53上输送气体的压力。当然了，具体应用中，输气管53的数量也可与压力控制部件58的数量不同，各输气管53与各压力控制部件58可以不是一一对应关系，例如也可通过一个压力控制部件58同时调控两个输气管53上输送的气体压力。

其中，晶圆30的温度调节方式为：当需要调高晶圆30某个部位的温度时，将第二气体冷却区域11内的压力调低，以降低第二气体冷却区域11内气体的导热性，以使得晶圆30温度上升；当需要调低晶圆30某个部位的温度时，将第二气体冷却区域11内的压力调高，以提高第二气体冷却区域11内气体的导热性，以使得晶圆30温度下降。

具体应用中，大部分时候要求晶圆30表面温度均一，将晶圆30温度偏离的区域调整到与其它区域温度接近。但是少数情况下还需要故意保持不同径向区域之间的温度差以补偿其它因素，例如晶圆30极边缘区域出现的半径浓度较高需要更高温来补偿晶圆30边缘的处理效果与晶圆30中心区域的不同。

其中，气体供应组件50还包括与各输气管53连接以用于为各输气管53供应气体的主管道51和若干个设置在各输气管53上以用于分别控制各输气管53通断的第一开关控制阀54。

其中，本实施例中，输气管53的数量与第一开关控制阀54的数量相同，各输气管53连接以用于为各输气管53供应气体的主管道51和若干个分别一一设置在各输气管53上以用于分别控制各输气管53通断的第一开关控制阀54。当然了，具体应用中，输气管53的数量也可与第一开关控制阀54的数量不同，各输气管53与各第一开关控制阀54可以不是一一对应关系，例如也可通过一个第一开关控制阀54同时控制两个输气管53的开启或关闭，也可以设置两个第一开关控制阀54控制一个输气管53的开启或关闭。

第一开关控制阀54为气体阀门，可以手动对其进行控制，也可以通过压力控制部件58控制。在主管道51上设置第一开关控制阀54，通过对第一开关控制阀54的开启或关闭即可实现对静电卡盘10上各第二气体冷却区域11的气体供应进行单独控制，以达到独立控温的目的。

其中，气体供应组件50还包括数量与输气管53相同并与各输气管53连接的排气管52，排气管52包括第一分支管和与第一分支管并联设置的第二分支管，所诉第一分支管上设有第二开关控制阀55，第二分支管上设有限流孔57。

其中，本实施例中，排气管52的数量与输气管53的数量相同，气体供应组件50还包括数量与输气管53相同并分别一一与各输气管53连接的排气管52，当然了，具体应用中，输气管53的数量也可与排气管52的数量不是一一对应的关系，例如，也可以通过设置两个排气管52对第二气体冷却区域11内的气体进行排出。

排气管52上设置的第二开关控制阀55用于排出各第二气体冷却区域11内的气体，限流孔57用于保持第二气体冷却区域11处于平衡状态。在晶圆温度控制系统运行过程中，限流孔57处于开启状态，而第二开关控制阀55处于关闭状态，以一定泄漏率允许气体泄露至泵口，从而稳定每个第二气体冷却区域11的压力，维持第二气体冷却区域11的气压平衡。当需要排空某个第二气体冷却区域11内的气体时，打开第二开关控制阀55，第二气体冷却区域11内的气体可以较快的被排空。

其中，第一开关控制阀54位于压力控制部件58与第二气体冷却区域11之间，输气管53之与排气管52连接的部位位于第一开关控制阀54与压力控制部件58之间。压力控制部件58可以控制调节各第二气体冷却区域11的压力值高低。第一开关控制阀54作为最后的开关控制设备，需要设置在压力控制部件58与各第二气体冷却区域11之间。而为了将第二气体冷却区域11内的气体以最快的速度排出，在某个第二气体冷却区域11不需要继续充入气体的时候，压力控制部件58调整流入该输气管53的气体，并打开第二开关控制阀55，让气体排出。

其中，气体供应组件50还包括设于主管道51上以用于控制主管道51通断的第三开关控制阀56。第三开关控制阀56是晶圆温度控制系统的气体控制总开关，将第三开关控制阀56关闭，所有第二气体冷却区域11的气体供应均会停止。第三开关控制阀56的设计使得整个晶圆温度控制系统操作方便，达到快速控制气体充入或暂停的目的，也便于后续设备的维护。

其中，本发明实施例还提供一种晶圆温度控制方法，包括如下步骤：

获取晶圆30多个部位的温度检测信息，其中，至少有两个温度检测信息是对应晶圆30同一圆环不同角度方位的部位温度检测信息；

分析评估各温度检测信息；

依据各温度检测信息，发送调节静电卡盘10上第二气体冷却区域11之气体输入压力的压力调节信息。

本实施例提供的晶圆温度控制方法，通过获取晶圆30多个部位上的温度检测信息，并相应的调节充入第二气体冷却区域11内的压力，可以实时精准的调节晶圆30温度分布，以控制晶圆30的刻蚀速率。

其中，依据各温度检测信息，发送调节静电卡盘10上第二气体冷却区11之气体输入压力的压力调节信息的步骤包括：

依据温度检测信息，判断晶圆30某一个部位的温度检测信息是否低于或者高于其他部位的温度；

如果是低于晶圆30其他部位的温度，则发送的压力调节信息用于控制减小与该晶圆部位对应的第二气体冷却区域11的气体输入压力；

如果是高于晶圆30其他部位的温度，则发送的压力调节信息为用于控制增大与该晶圆部位对应的第二气体冷却区域11的气体输入压力。

其中，本发明实施例还提供一种晶圆温度控制器，晶圆温度控制器包括：存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的晶圆温度控制程序，晶圆温度控制程序被处理器执行时实现晶圆温度控制方法的步骤。

其中，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有晶圆温度控制程序，晶圆温度控制程序被处理器执行时实现晶圆温度控制方法的步骤。

其中，本发明实施例还提供一种等离子体处理装置，包括一真空反应腔60和晶圆温度控制系统，晶圆温度控制系统设置在真空反应腔60内。等离子体刻蚀过程中，需要在真空条件下进行加工。由设置在真空反应腔60内的离子发生器70从晶圆30的顶部对晶圆30进行等离子射频。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。