CN104681462B - 静电卡盘加热测温电路及等离子体反应装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种静电卡盘加热测温电路，包括：第一回路，其上流通第一电流，第一电流流经一热敏电阻；第二回路，其上流通第二电流，第二电流或第一电流与第二电流之和流经一加热器，用于加热静电卡盘；一电压源，用于向第一回路与第二回路供电。其将加热电路和测温电路合为一个加热测温电路，简化了电路结构、使***更加稳定可靠，且减少了对射频功率造成的损耗，提高了反应腔内等离子体的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体加工制造领域，更具体地说，涉及一种静电卡盘加热测温电路。
背景技术
在等离子体处理工艺过程中，常采用静电卡盘（Electro Static Chuck，简称ESC）来固定、支撑及传送晶圆(Wafer)等待加工件。静电卡盘设置于反应腔室中，其采用静电引力的方式，而非机械方式来固定晶圆，可减少对晶圆可能的机械损失，并且使静电卡盘与晶圆完全接触，有利于热传导。
向反应腔室通入反应气体，并施加射频功率后，反应气体电离成等离子体，与晶圆进行等离子体反应。在这一过程中，晶圆的温度对于等离子体处理工艺来说非常重要，而晶圆的温度是通过控制静电卡盘的温度来实现的。
为使静电卡盘具有足够大的升温速度，进而提高晶圆刻蚀的均匀性，绝缘层中或其下方铺设有一加热器，用以通过静电卡盘加热晶圆。加热器通常为一组加热丝，盘成螺旋形，由外部电源供电。与此同时，静电卡盘中还需要设置一测温电路，测温电路包括一热传感器，其用于测量静电卡盘的温度，以便实时掌握工艺中晶圆的温度。在现有技术提供的静电卡盘中，加热电路和测温电路分开设置，而对处于较高射频功率作用下的静电卡盘进行加热和测温，又必须在加热电路和测温电路分别接入耐高压和大电流的滤波器，以避免反应腔内高频率的射频电压对加热电路和测温电路的影响。
如图1所示，现有技术中，静电卡盘包括一绝缘层10和一基座20，绝缘层10中设置有热传感器101、加热器102（附图未示出用于吸附晶圆的直流电极），静电卡盘加热电路包括加热器102、接在电源端的2个滤波器1021以及交流电源1022，交流电源1022向加热器102供电以通过静电卡盘加热晶圆，测温电路包括热传感器101、接在电源端的2个滤波器1011、直流电源1012以及电流表1013，热传感器与静电卡盘直接接触，以实时测量静电卡盘的温度。基座20中设有冷却液流道201，以防止静电卡盘的热量向下方传导。
现有技术的静电卡盘中，为了保证温度的均匀，经常需要设置多个加热器102，实现对静电卡盘的分区加热。这意味着每个加热区均需要设置一组加热电路和一组测温电路，导致反应腔内元器件以及布线密集设置，使得静电卡盘加热电路和/或测温电路复杂程度增加，且串扰现象频发，使工艺控制难度跃升；尤为突出的，由于每组加热电路和测温电路均需要设置两个滤波器，而滤波器制作困难、造价高昂且会造成反应腔***频功率的损耗，增加刻蚀工艺的不稳定性。
因此，业内期望获得一种结构简单、稳定可靠的静电卡盘加热及测温电路。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、稳定可靠的静电卡盘加热测温电路。
为实现上述目的，本发明一技术方案如下：
一种静电卡盘加热测温电路，包括：第一回路，其上流通第一电流，第一电流流经一热敏电阻；第二回路，其上流通第二电流，第二电流或第一电流与第二电流之和流经一加热器，用于加热静电卡盘；一电压源，用于向第一回路与第二回路供电。
优选地，静电卡盘包括一上表面和一下表面，热敏电阻靠近静电卡盘下表面设置，以根据其电阻值测量静电卡盘的温度。
优选地，热敏电阻为正温度系数，其阻值与流经加热器的电流值成负相关关系；第二电流与第一电流成正相关关系。
可选地，加热测温电路还包括一三极管，热敏电阻连接于三极管基极与集电极之间，集电极还连接于电压源正极，三极管发射极与加热器连接，加热器另一端连接于电压源负极；其中，第一电流流经热敏电阻，自三极管的基极流向其发射极，第二电流自三极管的集电极流向其发射极，第一电流与第二电流之和流经加热器。
可选地，加热测温电路还包括一三极管，热敏电阻连接于三极管基极与电压源正极之间，加热器连接于三极管集电极与电压源正极之间，三极管发射极与电压源负极连接；其中，第一电流流经热敏电阻，自三极管的基极流向其发射极，第二电流流经加热器，自三极管的集电极流向其发射极。
可选地，加热测温电路还包括一CMOS晶体管和一恒定电阻，恒定电阻与热敏电阻串接，热敏电阻另一端与电压源正极连接，恒定电阻另一端与电压源负极连接，CMOS晶体管门极连接于恒定电阻与热敏电阻之间，其源极与电压源负极相连，其漏极与加热器连接，加热器另一端与电压源正极相连；其中，第一电流流经热敏电阻与恒定电阻，第二电流流经加热器，自CMOS晶体管漏极流向其源极。
本发明还提供一种等离子体反应装置，包括反应腔室，反应腔室包括一支撑晶圆的静电卡盘以及射频电源，反应腔室内通入反应气体，在射频电源的作用下电离成等离子体，与放置于静电卡盘上的晶圆进行等离子体反应；其中，静电卡盘以如上所述的静电卡盘加热测温电路进行加热测温。
本发明提供的静电卡盘加热测温电路，将加热电路和测温电路合为一个加热测温电路，只需在加热测温电路的输出端和输入端分别设置一个滤波器，使得滤波器的数量降低至现有技术中所需数量的一半，简化了电路结构、增大了反应腔空间，减少了滤波器距离过近造成的串扰，大大节省了成本。此外，其为静电卡盘加热***提供负反馈控制，使其升温速率不至于过高或过低，进而保证***更加稳定可靠。同时，由于滤波器本身会对反应腔内的射频功率造成损耗，本发明电路通过降低滤波器的数量，减少了对射频功率造成的损耗，提高了反应腔内等离子体的稳定性，保证了刻蚀工艺的稳定合格。
附图说明
图1示出现有技术中静电卡盘加热电路与测温电路结构示意图；
图2示出本发明第一实施例提供的静电卡盘加热测温电路结构示意图；
图3示出本发明第二实施例提供的静电卡盘加热测温电路结构示意图；
图4示出本发明第三实施例提供的静电卡盘加热测温电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
需要说明的是，本发明实施例中仅以热敏电阻为正温度系数作为示例，其温度值与电阻值具有一一对应关系，热敏电阻贴近静电卡盘设置，其可与静电卡盘具有一直接接触面，从而根据其电阻值即可测算出静电卡盘的温度，也可与静电卡盘之间具有一定间隙，在间隙内填充导热材料，从而也可用来测算静电卡盘的温度。
如图2所示，本发明第一实施例提供的静电卡盘加热测温电路包括热敏电阻201、加热器202、三极管203以及电流表204、直流电压源205。其中，热敏电阻201连接于三极管基极与集电极之间，集电极还连接于电压源205正极，三极管发射极与加热器202连接，加热器202另一端连接于电压源205负极。电流表204接于主回路上，例如接在电压源205正极端。用于避免射频电压对电路影响的两个滤波器211、212分别串接于主回路上，其中，滤波器211串接于电流表204远离电压源205的一端，滤波器212串接于电压源205的负极端。
该第一实施例中，将电压源205正极、热敏电阻202、三极管203基极至发射极、加热器202至电压源205负极形成的回路定义为第一回路，第一回路上流通有第一电流。具体地，第一电流自电压源205正极依次流经热敏电阻201，再自三极管203的基极流向其发射极，第二电流自三极管203的集电极流向其发射极，第一电流与第二电流之和流经加热器202。
其中，热敏电阻为正温度系数，其阻值与流经加热器202的电流值成负相关关系。
具体地，静电卡盘包括一上表面和一下表面，该热敏电阻202可与静电卡盘下表面直接接触，也可以一定间隙与下表面间隔开，并在间隙中填充导热材料，从而根据热敏电阻202的电阻值可测算出静电卡盘的温度。
进一步地，第二电流与第一电流成正相关关系。
例如，静电卡盘温度升高时，其电阻值变大，在电压源电压恒定的情况下，第一电流电流值变小，因三极管放大倍数为恒定值，第二电流电流值也变小，进而使得流经加热器202的电流变弱，加热功率下降。反之，静电卡盘温度降低时，其电阻值变小，第一电流电流值变大，第二电流电流值也变大，加热功率上升。
因三极管放大倍数为恒定值，第二电流与第一电流成正比例关系，第二电流电流值为第一电流电流值的30-1000倍。
在上述加热测温电路实现对静电卡盘的加热功能的同时，其同时可利用热敏电阻201测知静电卡盘的实时温度。
具体地，热敏电阻201的电阻值与电流表204的计量电流值满足如下公式，V-I*R2=I*(R1+Rbe)/(1+β)，其中，V为电压源205电压值，I为电流表204计量电流值，R1为热敏电阻201阻值，R2为加热器202电阻值，Rbe为三极管203基极与发射极之间的电阻值，β为三极管203放大倍数。
根据上述公式，在测知电流表204计量电流值后，即可算出热敏电阻201阻值，随后，根据热敏电阻201温度与电阻值的对应关系，即可确定静电卡盘的温度。
该第一实施例提供的静电卡盘加热测温电路，以一个电路同时实现了加热和测温的功能，只需设计一对滤波器，减少了滤波器的使用，其还简化了电路结构、增大了反应腔空间，并降低了串扰问题给工艺控制带来的不利影响，节省了工艺成本。同时，由于滤波器本身会对反应腔内的射频功率造成损耗，而因滤波器数量的减少，也必然减少了对射频功率造成的损耗，提高了反应腔内等离子体的稳定性。此外，其为静电卡盘加热***提供负反馈控制，即热敏电阻201阻值与流经加热器202的电流值成负相关关系，使其升温速率不至于过高或过低，进而保证***更加稳定可靠。
如图3所示，本发明第二实施例提供的静电卡盘加热测温电路包括热敏电阻301、加热器302、三极管303以及电流表304、直流电压源305。其中，热敏电阻301连接于三极管303基极与电压源305正极之间，加热器202连接于三极管303集电极与电压源305正极之间，三极管303发射极与电压源305负极连接；电流表304例如可接在电压源305的负极端。用于避免射频电压对电路影响的两个滤波器311、312分别串接于主回路上，其中，滤波器311串接于电流表304远离电压源305负极的一端，滤波器312串接于电压源305的正极端。
该实施例中，第一电流流经热敏电阻301，自三极管303的基极流向其发射极，形成第一回路；第二电流流经加热器302，自三极管303的集电极流向其发射极，形成第二回路。
其中，热敏电阻301为正温度系数，其阻值与流经加热器302的电流值成负相关关系。热敏电阻301靠近于静电卡盘下表面，其温度可表征静电卡盘的温度。三极管303放大倍数恒定，从而第二电流与第一电流成正比例关系，例如第二电流电流值为第一电流电流值的30-1000倍。
进一步地，热敏电阻301的电阻值与电流表304的计量电流值满足如下公式，I=V*(1+β)/(R1+Rbe)，其中，V为电压源305电压值，I为电流表304计量电流值，R1为热敏电阻301阻值，Rbe为三极管303基极与发射极之间的电阻值，β为三极管放大倍数。
根据上述公式、以及热敏电阻301的阻值与温度的对应关系，在读出电流表304的电流值后，即可确定静电卡盘的温度。
该实施例提供的静电卡盘加热测温电路同时实现了加热以及测温的功能，减少了滤波器的使用、简化了电路结构，降低了串扰给电路带来的影响，节省了工艺成本。且该实施例通过降低滤波器的数量，减少了对射频功率造成的损耗，提高了反应腔内等离子体的稳定性，保证了刻蚀工艺的稳定合格。同时，该加热测温电路具有负反馈控制功能，使静电卡盘升温速率不至于过高或过低。
如图4所示，本发明第三实施例提供的静电卡盘加热测温电路包括热敏电阻401、加热器402、CMOS晶体管403、恒定电阻404以及电流表405、直流电压源406，其中，恒定电阻404与热敏电阻401串接，热敏电阻401另一端与电压源406正极连接，恒定电阻404另一端与电压源406负极连接，CMOS晶体管403门极连接于恒定电阻404与热敏电阻401之间，其源极与电压源406负极相连，其漏极与加热器402连接，加热器402另一端与电压源406正极相连。用于避免射频电压对电路影响的两个滤波器411、412分别串接于主回路上，其中，滤波器411串接于电流表405远离电压源406负极的一端，滤波器412串接于电压源406的正极端。
第一电流流经热敏电阻401与恒定电阻404，形成第一回路；第二电流流经加热器402，自CMOS晶体管403漏极流向其源极，形成第二回路。在CMOS晶体管403门极导通后，加热器402上流通的电流值等于由CMOS晶体管403漏极流向其源极的电流值。
具体地，热敏电阻401为正温度系数，其阻值与流经加热器402的电流值成负相关关系。热敏电阻401可与静电卡盘下表面直接接触，也可间隔一定间隙，并在间隙中填充导热材料。
进一步地，热敏电阻401的电阻值与电流表405的计量电流值满足如下公式，I=GV*R3/(R1+R3)+V/(R1+R3)，其中，V为电压源406电压值，I为电流表405计量电流值，R1为热敏电阻401阻值，R3为恒定电阻404阻值，G为CMOS晶体管403放大倍数。
根据上述公式、热敏电阻401的阻值与温度的对应关系以及电流表405的读数，可获知静电卡盘的温度。
上述第三实施例提供的静电卡盘加热测温电路采用了电压控制元件，即一CMOS晶体管，将测温电路与加热电路合并，简化了电路结构，降低了发生串扰问题的可能性，且其仅需接入一对滤波器，使滤波器对射频功率造成的损耗降低，节省了工艺成本，该加热测温电路还提供了负反馈控制，以有效控制静电卡盘升温速率，进而保证整个***更加稳定可靠。
本发明第四实施例提供一种等离子体反应装置，其包括反应腔室，反应腔室包括用于支撑晶圆的静电卡盘以及射频电源，通入反应腔室中的反应气体在射频电源的作用下电离成等离子体，与放置于静电卡盘上的晶圆进行等离子体反应；其中，静电卡盘以如本发明第一、第二或第三实施例提供的静电卡盘加热测温电路进行加热。
该等离子体反应装置电路结构简单、串扰现象少、射频功率损耗小，并对静电卡盘升温速率具有有效的控制，从而更加稳定可靠。
以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种静电卡盘加热测温电路，包括：
第一回路，其上流通第一电流，所述第一电流流经一热敏电阻；
第二回路，其上流通第二电流，所述第二电流或所述第一电流与第二电流之和流经一加热器，用于加热所述静电卡盘；所述热敏电阻为正温度系数，其阻值与流经所述加热器的电流值成负相关关系；
一电压源，用于向所述第一回路与第二回路供电；
其中所述加热测温电路还包括一三极管或所述加热测温电路还包括一CMOS晶体管和一恒定电阻；
当所述加热测温电路还包括一三极管时，所述热敏电阻连接于所述三极管基极与集电极之间，所述集电极还连接于所述电压源正极，所述三极管发射极与所述加热器连接，所述加热器另一端连接于所述电压源负极；其中，所述第一电流流经所述热敏电阻，自所述三极管的基极流向其发射极，所述第二电流自所述三极管的集电极流向其发射极，所述第一电流与所述第二电流之和流经所述加热器；
当所述加热测温电路还包括一CMOS晶体管和一恒定电阻时，所述恒定电阻与所述热敏电阻串接，所述热敏电阻另一端与所述电压源正极连接，所述恒定电阻另一端与所述电压源负极连接，所述CMOS晶体管门极连接于所述恒定电阻与热敏电阻之间，其源极与所述电压源负极相连，其漏极与所述加热器连接，所述加热器另一端与所述电压源正极相连；其中，所述第一电流流经所述热敏电阻与恒定电阻，所述第二电流流经所述加热器，自所述CMOS晶体管漏极流向其源极。
2.如权利要求1所述的静电卡盘加热测温电路，其特征在于，所述静电卡盘包括一上表面和一下表面，所述热敏电阻靠近所述静电卡盘下表面设置，以根据其电阻值测量所述静电卡盘的温度。
3.如权利要求2所述的静电卡盘加热测温电路，其特征在于，所述热敏电阻与所述下表面具有一接触面。
4.如权利要求2所述的静电卡盘加热测温电路，其特征在于，所述热敏电阻与所述下表面间存在一定间隙，所述间隙内填充导热材料。
5.如权利要求1所述的静电卡盘加热测温电路，其特征在于，所述电路还包括一电流测量装置，用于测量所述第一电流与第二电流的电流值之和。
6.如权利要求1所述的静电卡盘加热测温电路，其特征在于，所述第二电流与所述第一电流成正相关关系。
7.如权利要求2所述的静电卡盘加热测温电路，其特征在于，所述第二电流电流值为所述第一电流电流值的30-1000倍。
8.一种等离子体反应装置，包括反应腔室，所述反应腔室包括一支撑晶圆的静电卡盘以及射频电源，所述反应腔室内通入反应气体，在所述射频电源的作用下电离成等离子体，与放置于所述静电卡盘上的晶圆进行等离子体反应；其中，所述静电卡盘以如权利要求1至7中任一项所述的静电卡盘加热测温电路进行加热测温。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
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Address after: 201201 Shanghai City Jingqiao export processing zone of Pudong New Area (South) Taihua Road No. 188 Patentee after: China micro semiconductor equipment (Shanghai) Co.,Ltd. Address before: 201201 Shanghai City Jingqiao export processing zone of Pudong New Area (South) Taihua Road No. 188 Patentee before: China micro semiconductor equipment (Shanghai) Co.,Ltd. |