CN114521035B - 一种晶圆的直接诱导加热装置和加热方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种晶圆的直接诱导加热装置和加热方法，属于半导体技术领域，用以解决现有技术中晶圆间接诱导加热方式加热速度慢、加热深度不可控的问题。上述晶圆的直接诱导加热装置，包括交变磁束发生组件，利用交变磁束发生组件的交流电产生交变磁束，晶圆置于交变磁束发生组件产生的交变磁束内，置于交变磁束内的晶圆内产生涡电流，涡电流通过晶圆产生焦耳热，对晶圆进行加热。上述晶圆的直接诱导加热方法，包括如下步骤：利用交流电产生交变磁束，将晶圆置于交变磁束内，晶圆内产生涡电流，涡电流通过晶圆产生焦耳热，对晶圆进行加热。本发明的晶圆的直接诱导加热装置和加热方法可用于晶圆的直接诱导加热。

Description

一种晶圆的直接诱导加热装置和加热方法

技术领域

本发明属于半导体技术领域，特别涉及一种晶圆的直接诱导加热装置和加热方法。

背景技术

半导体制造工艺中，需要反复进行刻蚀形成又窄又深的孔，然后，再采用平坦化工艺将孔填满，在上述工艺中，由于晶圆温度会影响产品的良率，因此，维持适当的晶圆温度非常重要。在刻蚀工艺中，依照维持晶圆整体温度均一的需求不同，分为两个以上的温度控制区域，需要使用精细的温度控制技术。随着半导体制造工艺日渐小型化，需要刻蚀的孔比以前要更深更窄，为了改善孔的剖面，需要进行各方面的努力。

现有的光刻工艺中，晶圆采用间接诱导加热方式，具体来说，将晶圆放置在碳卡盘上，碳卡盘利用工作线圈来加热。采用间接诱导加热方式，需要额外设置用于加热的工作线圈，升温速度慢，加热深度不可控。

发明内容

鉴于以上分析，本发明旨在提供一种晶圆的直接诱导加热装置和加热方法，用以解决现有技术中晶圆间接诱导加热方式加热速度慢、加热深度不可控的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种晶圆的直接诱导加热装置，包括交变磁束发生组件，利用交变磁束发生组件的交流电产生交变磁束，晶圆置于交变磁束发生组件产生的交变磁束内，置于交变磁束内的晶圆内产生涡电流，涡电流通过晶圆产生焦耳热，对晶圆进行加热。

进一步地，上述晶圆的直接诱导加热装置还包括演算部，用于根据所需涡电流的电流渗透深度自动计算交流电的频率。

进一步地，根据电流渗透深度计算交流电的频率采用如下公式：

其中，δ为电流渗透深度，ρ为材料的固有电阻(μΩ.cm)，f为交流电的频率(Hz)，μs为比透磁率，c是光速，m是质量。

进一步地，强磁性体μs＞1，常磁性体≈1，反磁性体μs≈(μs＜1)。

进一步地，上述晶圆的直接诱导加热装置还包括温度传感部和控制部，控制部获取温度传感部采集的晶圆温度数据，将晶圆温度数据与阈值范围进行比较。

进一步地，上述晶圆的直接诱导加热装置还包括与控制部连接的报警器，当晶圆温度数据低于或超过阈值范围，控制器控制报警器报警。

进一步地，交变磁束发生组件包括交流电源组件以及与交流电源组件连接的工作线圈，晶圆置于工作线圈产生的交变磁束内。

进一步地，工作线圈采用金属制成，采用电力方式传热。

进一步地，将工作线圈分为靠近工作线圈轴线的内部区域以及靠近边缘的外部区域，位于外部区域的工作线圈的匝间距离大于内部区域的工作线圈的匝间距离，外部区域的工作线圈分布密度大于内部区域的工作线圈分布密度。

进一步地，位于外部区域的工作线圈与晶圆之间的距离小于内部区域的工作线圈与晶圆之间的距离。

进一步地，沿工作线圈的中心至边缘方向，工作线圈的匝间距离逐渐减小。

进一步地，沿工作线圈的中心至边缘方向，工作线圈与晶圆之间的距离逐渐减小。

进一步地，上述交变电源组件包括交流电源、整流器和逆变器，逆变器与工作线圈连接，交流电源产生的交流电通过整流器转换成直流电，直流电通过逆变器转换成高频交流电通入工作线圈。

进一步地，交流电源为商用交流电源。

进一步地，上述逆变器为真空管、电动机、可控硅整流器、变压整流器、绝缘栅双极型晶体管或静电感应晶体管。

进一步地，上述晶圆中注入不纯物。

进一步地，不纯物为Al、Mg或Be。

进一步地，晶圆为P型掺杂晶圆或N型掺杂晶圆。

进一步地，上述直接诱导加热装置还包括置于工作线圈下方的加热器，加热器沿水平方向分为多个温控区，每个温控区对应设置一个温控器。

进一步地，采用溅射工艺对晶圆进行加工时，加热器采用红外加热器。

进一步地，采用等离子体增强化学的气相沉积法对晶圆进行加工时，加热器采用电磁加热器。

进一步地，在工作线圈与晶圆之间设有绝缘层。

进一步地，绝缘层采用陶瓷或者石英材料制成。

进一步地，上述晶圆的直接诱导加热装置还包括用于固定晶圆的静电卡盘。

进一步地，上述直接诱导加热装置还包括层叠于工作线圈下方的基板。

进一步地，基板包括基板本体以及设于基板本体上的冷却管路和电源端子，电源端子用于与外部电源连接，冷却管路中通冷却流体，用于对加热后的晶圆进行降温。

进一步地，基板本体为Al基板。

本发明还提供了一种晶圆的直接诱导加热方法，包括如下步骤：

利用交流电产生交变磁束，将晶圆置于交变磁束内，晶圆内产生涡电流，涡电流通过晶圆产生焦耳热，对晶圆进行加热。

进一步地，上述加热方法还包括如下步骤：根据所需涡电流的渗透深度计算交流电的频率。

根据电流渗透深度计算交流电的频率采用如下公式：

其中，δ为电流渗透深度，ρ为材料的固有电阻(μΩ.cm)，f为交流电的频率(Hz)，μs为比透磁率[强磁性体μs＞1，常磁性体≈1，反磁性体μs≈(μs＜1)]，c是光速，m是质量(kg)。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

a)本发明提供的晶圆的直接诱导加热装置，采用直接诱导加热的方式，利用交变磁束发生组件产生交变磁束，由于诱导电流的存在，置于交变磁束内的晶圆会产生涡电流，涡电流通过晶圆的固有阻抗时，能够产生焦耳热，从而能够实现晶圆的自体发热，不需要额外的加热器，具有快速加热的特点，能够减少升温所需要的时间。

b)本发明的晶圆的直接诱导加热装置属于晶圆自体发热，因此，即使晶圆没有紧密贴合在加热组件(例如，卡盘)上，也能够实现晶圆的直接诱导加热，从而能够避免晶圆位置未校准而产生的无法加热的现象发生。

c)本发明提供的晶圆的直接诱导加热装置，通过调节交变磁束的频率，能够改变涡电流的渗透深度，进而控制晶圆的加热深度，因此，本实施例的晶圆的直接诱导加热装置温度控制的区分不是平面区域，而是垂直区域，从而能够实现晶圆加热的精确控制，可以根据实际工艺对晶圆的加热深度进行精确调节，改善晶圆的剖面工艺。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例一提供的晶圆的直接诱导加热装置的原理图；

图2为本发明实施例一提供的晶圆的直接诱导加热装置的结构示意图。

附图标记：

1-晶圆；2-工作线圈；3-交流电源；4-整流器；5-逆变器；6-加热器；7-绝缘层；8-基板；9-交变磁束；10-涡电流。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明的一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

实施例一

本实施例提供了一种晶圆的直接诱导加热装置，参见图1至图2，包括交变磁束发生组件，利用交变磁束发生组件的交流电产生交变磁束9，晶圆1置于交变磁束发生组件产生的交变磁束9内，置于交变磁束9内的晶圆1产生涡电流10，涡电流10通过晶圆1产生焦耳热，对晶圆1进行加热。

与现有技术相比，本实施例提供的晶圆的直接诱导加热装置，采用直接诱导加热的方式，利用交变磁束发生组件产生交变磁束9，由于诱导电流的存在，置于交变磁束9内的晶圆1会产生涡电流10，涡电流10通过晶圆1的固有阻抗时，能够产生焦耳热，从而能够实现晶圆1的自体发热，不需要额外的加热器，具有快速加热的特点，能够减少升温所需要的时间。同时，由于上述晶圆的直接诱导加热装置属于晶圆1自体发热，因此，即使晶圆1没有紧密贴合在加热组件(例如，卡盘)上，也能够实现晶圆1的直接诱导加热，从而能够避免晶圆1位置未校准而产生的无法加热的现象发生。

此外，通过调节交变磁束9的频率，能够改变涡电流10的渗透深度，进而控制晶圆1的加热深度，因此，本实施例的晶圆的直接诱导加热装置温度控制的区分不是平面区域，而是垂直区域，从而能够实现晶圆1加热的精确控制，可以根据实际工艺对晶圆1的加热深度进行精确调节，改善晶圆1的剖面工艺。

由于表皮效果的关系会集中加热晶圆1的表面，通过调节交变磁束9的频率，可以调节渗透深度，交流电的频率越高，渗透深度越低。为了自动计算涡电流10的渗透深度，也就是晶圆1的加热深度，上述晶圆的直接诱导加热装置还包括演算部(图中未示出)，用于根据所需涡电流10的渗透深度自动计算交流电的频率。

根据电流渗透深度计算交流电的频率采用如下公式：

其中，δ为电流渗透深度，ρ为材料的固有电阻(μΩ.cm)，f为交流电的频率(Hz)，μs为比透磁率[强磁性体μs＞1，常磁性体≈1，反磁性体μs≈(μs＜1)]，c是光速，m是质量(kg)。

如果知道掺杂的晶圆1的固有电阻，就可以计算得到渗透深度的频率。示例性地，当利用2.45Mhz的频率时，可以将电流渗透深度控制至微米水平，也就是说，采用本实施例提供的晶圆的直接诱导加热装置，能够精确控制电流渗透深度，可以达到毫米以下设置微米以下。

为了保持晶圆1在加热过程中的温度稳定性，上述晶圆的直接诱导加热装置还包括温度传感部(图中未示出)和控制部(图中未示出)，控制部获取温度传感部采集的晶圆温度数据，将晶圆温度数据与阈值范围进行比较，晶圆温度数据低于或超过阈值范围，发出报警，以便操作者能够及时调整晶圆1的整体温度。

可以理解的是，为了能够使上述晶圆的直接诱导加热装置具有报警功能，上述晶圆的直接诱导加热装置还包括报警器(图中未示出)，报警器与控制部连接的当晶圆温度数据低于或超过阈值范围，控制器控制报警器报警。

对于交变磁束发生组件的结构，具体来说，其包括交流电源组件以及与交流电源组件连接的工作线圈2，晶圆1置于工作线圈2的上方，工作线圈2产生的交变磁束9内。这样，交流电源组件产生的交流电导入工作线圈2，产生交变磁束9和交变磁通量，位于交变磁束9内的晶圆1内产生涡电流10，涡电流10通过晶圆1的固有阻抗时可以产生焦耳热，从而实现晶圆1的直接诱导加热。

为了形成交变磁通量，工作线圈2采用低电阻的金属制成，采用电力方式传热。

考虑到交变磁束9会集中在工作线圈2的中心，与工作线圈2的中心位置想对应的晶圆1加热温度较高，为了提高晶圆1加热的均匀性，晶圆1边缘的涡电流10密度要比晶圆1中心的涡电流10密度低，因此，将工作线圈2分为靠近工作线圈2轴线的内部区域以及靠近边缘的外部区域，位于外部区域的工作线圈2的匝间距离大于内部区域的工作线圈2的匝间距离，也就是说，外部区域的工作线圈2分布密度大于内部区域的工作线圈2分布密度；或者，位于外部区域的工作线圈2与晶圆1之间的距离小于内部区域的工作线圈2与晶圆1之间的距离，也就是说，采用此种结构的晶圆1为立体结构；或者，沿工作线圈2的中心至边缘方向，工作线圈2的匝间距离逐渐减小；或者，沿工作线圈2的中心至边缘方向，工作线圈2与晶圆1之间的距离逐渐减小。

考虑到晶圆1小型化的要求，示例性地，上述交变电源组件包括交流电源3(例如，商用交流电源)、整流器4和逆变器5，逆变器5与工作线圈2连接，交流电源3产生的交流电通过整流器4转换成直流电，直流电通过逆变器5转换成高频交流电通入工作线圈2，需要说明的是，上述公式中，f(交流电的频率)即是指高频交流电的频率。这是因为，工作线圈2的交变磁束9的频率越高，渗透深度越小，晶圆1的加热深度越小，通过整流器4和逆变器5能够将交流电源3提供的交流电转换成高频交流电，从而减小晶圆1的加热深度，使得上述晶圆的直接诱导加热装置更加适用于小型化的晶圆1。

示例性地，上述逆变器5为真空管、电动机(Motor，是指可以通过电动机旋转，使得电流逆变，将直流电逆变成交流电)、可控硅整流器(SCR)、变压整流器(TR)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、静电感应晶体管(SIT)等具有可调节频率功能的装置，在实际应用中，可以根据实际需求进行选择。

需要说明的是，为了进一步加快晶圆1的直接诱导加热速度，上述晶圆1中注入不纯物，例如，Al、Mg、Be等，这是因为，实现直接诱导加热晶圆1需要在交变磁束9内因诱导电流产生涡电流10，但是，裸硅晶圆1用来当作半导体，其自由电子较少，产生的涡电流10较小，诱导加热的速度较慢。半导体工艺中，通过晶圆1(例如，硅晶圆)上注入不纯物，不只会产生自由电子或阳孔，沉积很多不纯物薄膜(例如，金属薄膜)的晶圆1上也会形成可以诱导加热的状态。

示例性地，晶圆1为P型掺杂晶圆或N型掺杂晶圆，移动电子充分所以可以诱导加热；其中，NP型是硅中掺不同的杂质得到的，N型是多电子，一般掺P(磷)，P型是多空穴一般掺B(硼)。

为了控制晶圆1整体的温度，上述直接诱导加热装置还包括置于工作线圈2下方的加热器6，加热器6沿水平方向分为多个温控区，每个温控区对应设置一个温控器，从而实现每个温控区的独立可控加热。

具体来说，晶圆1的加工工艺不同加热器6的种类也不同，示例性地，采用溅射工艺对晶圆1进行加工时，加热器6采用红外加热器，采用等离子体增强化学的气相沉积法(PECVD)对晶圆1进行加工时，加热器6采用电磁加热器。

为了能够在晶圆1上生成诱导电流，晶圆1和工作线圈2之间需要绝缘，因此，在工作线圈2与晶圆1之间设有绝缘层7(或诱电层、介电质层)，一般是陶瓷或者石英材料，通过绝缘层7的设置，能够隔离晶圆1和工作线圈2，避免两者形成电连接，从而能够通过工作线圈2产生的交变磁束9在晶圆1上产生涡电流10。

示例性地，上述晶圆的直接诱导加热装置还包括用于固定晶圆1的静电卡盘(electrostatic chuck；ESC)，值得注意的是，从结构的紧凑性考虑，静电卡盘中可能会***电极或加热器6。其中，电极用于在制造过程中吸住晶圆1，加热器6为静电卡盘上的控温单元，电极和加热器6均使用传导性较好的Cu等来制作，此种材料的透磁率低，无法吸收磁场，所以不会影响晶圆1的诱导加热。

可以理解的是，为了保证上述直接诱导加热装置的结构稳定性，其还包括层叠于工作线圈2下方的基板8，通过基板8对直接诱导加热装置中的其他部件进行支撑，提高上述直接诱导加热装置的结构稳定性。

具体来说，基板8包括基板本体(例如，Al基板)以及设于基板本体上的冷却管路和电源端子，电源端子用于与外部电源连接，外部电源用于静电卡盘的电力加热，冷却管路中通冷却流体(例如，冷却水)，用于对加热后的晶圆1进行降温。

实施例二

本实施例提供了一种晶圆的直接诱导加热方法，包括如下步骤：

利用交流电产生交变磁束，将晶圆置于交变磁束内，晶圆内产生涡电流，涡电流通过晶圆产生焦耳热，对晶圆进行加热。

与现有技术相比，本实施例提供的晶圆的直接诱导加热方法的有益效果与实施例一提供的晶圆的直接诱导加热装置的有益效果基本相同，在此不一一赘述。

具体来说，由于表皮效果的关系会集中加热晶圆的表面，通过调节交变磁束9的频率，可以调节渗透深度，交流电的频率越高，渗透深度越低因此，上述加热方法还包括如下步骤：根据所需涡电流的渗透深度计算交流电的频率。

根据电流渗透深度计算交流电的频率采用如下公式：

其中，δ为电流渗透深度，ρ为材料的固有电阻(μΩ.cm)，f为交流电的频率(Hz)，μs为比透磁率[强磁性体μs＞1，常磁性体≈1，反磁性体μs≈(μs＜1)]，c是光速，m是质量(kg)。

如果知道掺杂的晶圆1的固有电阻，就可以计算得到渗透深度的频率。示例性地，当利用2.45Mhz的频率时，可以将电流渗透深度控制至微米水平，也就是说，采用本实施例提供的晶圆的直接诱导加热方法，能够精确控制电流渗透深度，可以达到毫米以下设置微米以下。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种晶圆的直接诱导加热方法，采用晶圆的直接诱导加热装置，所述晶圆的直接诱导加热装置包括交变磁束发生组件，利用交变磁束发生组件的交流电产生交变磁束，所述晶圆置于交变磁束发生组件产生的交变磁束内，晶圆内产生涡电流，所述涡电流通过晶圆产生焦耳热，对晶圆进行加热；

所述交变磁束发生组件包括交流电源组件以及与交流电源组件连接的工作线圈，所述晶圆置于工作线圈产生的交变磁束内，所述晶圆置于工作线圈的上方；

所述晶圆的直接诱导加热装置还包括层叠于工作线圈下方的基板；

所述直接诱导加热方法包括如下步骤：

利用交流电产生交变磁束，将晶圆置于交变磁束内，所述晶圆内产生涡电流，所述涡电流通过晶圆产生焦耳热，对晶圆进行加热；

根据电流渗透深度计算交流电的频率采用如下公式：

其中，δ为电流渗透深度，ρ为材料的固有电阻，μΩ.cm，f为交流电的频率，Hz，μs为比透磁率[强磁性体μs＞1，常磁性体≈1，反磁性体μs≈(μs＜1)]，c是光速，m是质量，kg；

当交流电的频率为2.45Mhz时，将电流渗透深度控制至微米水平。

2.根据权利要求1所述的晶圆的直接诱导加热方法，其特征在于，还包括演算部，用于根据所需涡电流的电流渗透深度自动计算交流电的频率。

3.根据权利要求1所述的晶圆的直接诱导加热方法，其特征在于，还包括温度传感部和控制部，所述控制部获取温度传感部采集的晶圆温度数据，将晶圆温度数据与阈值范围进行比较。

4.根据权利要求3所述的晶圆的直接诱导加热方法，其特征在于，还包括与控制部连接的报警器，当晶圆温度数据低于或超过阈值范围，所述控制器控制报警器报警。

5.根据权利要求1所述的晶圆的直接诱导加热方法，其特征在于，将工作线圈分为靠近工作线圈轴线的内部区域以及靠近边缘的外部区域；

位于外部区域的工作线圈的匝间距离大于内部区域的工作线圈的匝间距离；

或者，位于外部区域的工作线圈与晶圆之间的距离小于内部区域的工作线圈与晶圆之间的距离。

6.根据权利要求1所述的晶圆的直接诱导加热方法，其特征在于，沿工作线圈的中心至边缘方向，所述工作线圈的匝间距离逐渐减小；

或者，沿工作线圈的中心至边缘方向，所述工作线圈与晶圆之间的距离逐渐减小。

7.根据权利要求1所述的晶圆的直接诱导加热方法，其特征在于，所述交流电源组件包括交流电源、整流器和逆变器，所述逆变器与工作线圈连接，所述交流电源产生的交流电通过整流器转换成直流电，所述直流电通过逆变器转换成高频交流电通入工作线圈。

8.根据权利要求1所述的晶圆的直接诱导加热方法，其特征在于，所述工作线圈与晶圆之间设有绝缘层。