靜電卡盤加熱方法及系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種靜電卡盤加熱方法及系統。靜電卡盤用于承載晶圓，其包括上下設置的絕緣層和基座，絕緣層中設有一加熱器，用于通過對靜電卡盤的加熱來加熱晶圓，基座中設有至少一冷卻液流道，用于注入流體調節靜電卡盤的溫度，該方法包括如下步驟：以加熱器將靜電卡盤自第一溫度加熱至第二溫度；向冷卻液流道注入第一氣體，第一氣體經冷卻液流道放熱轉化為第一流體，以將靜電卡盤自第二溫度加熱至第三溫度。本發明在使靜電卡盤快速升溫的同時，有效保證其各區域溫度的均一性，從而使晶圓各區域溫度均一，有利于等離子體刻蝕工藝的進行，提高了晶圓的制成良率。
【專利說明】靜電卡盤加熱方法及系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體加工工藝，更具體地說，涉及一種靜電卡盤加熱方法及系統。
【背景技術】
[0002]在等離子體刻蝕或化學氣相沉積等工藝過程中，常采用靜電卡盤(ElectroStatic Chuck，簡稱ESC)來固定、支撐及傳送晶片(Wafer)等待加工件。靜電卡盤設置于反應腔室中，其采用靜電引力的方式，而非機械方式來固定晶片，可減少對晶片可能的機械損失，并且使靜電卡盤與晶片完全接觸，有利于熱傳導。
[0003]現有的靜電卡盤通常包括絕緣層和基座，絕緣層中設有直流電極，該直流電極通電后對晶片施加靜電引力；為使靜電卡盤具有足夠大的升溫速度，進而提高晶片刻蝕的均勻性，絕緣層中還可以鋪設一加熱器，用以通過靜電卡盤加熱晶片；基座上設有冷卻液流道，其注入冷卻液對靜電卡盤進行冷卻。
[0004]現有技術中，在靜電卡盤快速升溫的同時，很難保證靜電卡盤各區域溫度的均一性，各區域的溫度會有較明顯的差異甚至形成冷區和熱區，從而其對晶片的加熱也是不均勻的，這將對等離子體刻蝕的工藝效果帶來不良的影響。
[0005]因此，在使靜電卡盤快速升溫的同時，保證其各區域溫度的均一性，是本發明需要解決的技術問題。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于提供一種靜電卡盤加熱方法，其在使靜電卡盤快速升溫的同時，保證其各區域溫度的均一性。
[0007]為實現上述目的，本發明的技術方案如下:
[0008]一種靜電卡盤加熱方法，靜電卡盤用于承載晶圓，其包括上下設置的絕緣層和基座，絕緣層中設有一加熱器，用于通過對靜電卡盤的加熱來加熱晶圓，基座中設有至少一冷卻液流道，用于注入流體調節靜電卡盤的溫度，該方法包括如下步驟:a)、以加熱器將靜電卡盤自第一溫度加熱至第二溫度；b)、向冷卻液流道注入第一氣體,第一氣體經冷卻液流道放熱轉化為第一流體，以將靜電卡盤自第二溫度加熱至第三溫度。
[0009]優選地,第二溫度與第一溫度的差值遠大于第三溫度與第二溫度的差值。
[0010]本發明提供的靜電卡盤加熱方法，在使靜電卡盤快速升溫的同時，有效保證其各區域溫度的均一性，從而使晶圓各區域溫度均一，有利于等離子體刻蝕工藝的進行，提高了晶圓的制成良率。
[0011]本發明的另一目的在于提供一種靜電卡盤加熱系統，其利于實現靜電卡盤各區域溫度的均一性。
[0012]為實現上述目的，本發明的又一技術方案如下:
[0013]一種靜電卡盤加熱系統，包括:靜電卡盤，其包括上下設置的絕緣層和基座，絕緣層中設有一加熱器用于將靜電卡盤自第一溫度加熱至第二溫度，基座中設有至少一冷卻液流道；溫控單元，用于向冷卻液流道注入第一氣體，第一氣體經冷卻液流道放熱轉化為第一流體，以將靜電卡盤自第二溫度加熱至第三溫度；第一導管，連接溫控單元和冷卻液流道，第一氣體經第一導管注入冷卻液流道；以及第二導管，第二導管連接冷卻液流道和溫控單元，第一流體經第二導管流向溫控單元；溫控單元將流向溫控單元的第一流體轉化為第一氣體。
[0014]本發明還公開了一種等離子體處理裝置，用于對放置在其中的待加工件進行等離子體處理工藝，包括:反應腔室，用于在其中進行等離子體處理工藝；靜電卡盤加熱系統，靜電卡盤位于反應腔室中，用于固定待加工件。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1示出本發明第一實施例的靜電卡盤加熱方法流程示意圖；
[0016]圖2示出本發明第二實施例的靜電卡盤加熱方法流程示意圖；
[0017]圖3示出本發明第三實施例的靜電卡盤加熱方法流程示意圖；
[0018]圖4示出本發明第四實施例的靜電卡盤加熱系統結構示意圖。
【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖，對本發明的【具體實施方式】作進一步的詳細說明。
[0020]需要說明的是，本發明任一實施例提供的靜電卡盤加熱方法以及系統均用于對晶圓進行等離子體處理工藝，該工藝在一反應腔室中進行，靜電卡盤設于反應腔室下部，用于承載晶圓。靜電卡盤包括上下設置的絕緣層和基座，絕緣層中設有加熱器，加熱器通過對靜電卡盤的加熱來加熱晶圓，促成晶圓與反應腔室中的等離子體進行反應，從而實現對晶圓的加工制造；基座中設有冷卻液流道，其通常用于注入冷卻液對靜電卡盤進行冷卻。在本發明中，通過向冷卻液流道注入氣體，通過氣體的熱傳導或氣體的液化來進一步加熱靜電卡盤。。
[0021]如圖1所示，本發明第一實施例的靜電卡盤加熱方法包括如下步驟:
[0022]步驟S11、加熱器將靜電卡盤加熱至第二溫度。
[0023]具體地，以靜電卡盤中的加熱器將靜電卡盤自第一溫度加熱至第二溫度。
[0024]步驟S12、向冷卻液流道注入第一氣體，第一氣體在冷卻液流道中放熱轉化為第一流體，并將靜電卡盤自第二溫度加熱至第三溫度。
[0025]具體地，第一氣體可在冷卻液流道中液化，并散發熱量，這些熱量被靜電卡盤吸收，從而使得靜電卡盤自第二溫度升至第三溫度。
[0026]進一步地,第二溫度與第一溫度的差值遠大于第三溫度與第二溫度的差值。
[0027]在一個具體的工藝過程中，需要在使晶圓快速升溫的同時，保持晶圓各區域的溫度均一性。根據該實施例，以加熱器將靜電卡盤自20攝氏度加熱至80攝氏度，即第一溫度為20攝氏度、第二溫度為80攝氏度；再向冷卻液流道注入第一氣體，第一氣體在其中液化以將靜電卡盤自80攝氏度加熱至90攝氏度，即第三溫度為90攝氏度。
[0028]該實施例提供的靜電卡盤加熱方法，首先以加熱器對靜電卡盤加熱，以使其快速升溫從而加熱晶圓，在溫度升到接近于第三溫度的第二溫度時，停止使用加熱器加熱靜電卡盤；隨后，基于氣體液化會散發熱量這一原理，以第一氣體在冷卻液流道中液化，從而再次加熱靜電卡盤，使其升溫至第三溫度。
[0029]從第二溫度升溫至第三溫度的過程，相對于從第一溫度升溫至第二溫度的過程，較為緩慢，從而溫度變化的坡度較小，在升溫的同時有利于達成靜電卡盤上表面各區域溫度的均一性。根據本發明，晶圓在快速升溫的同時，晶圓各區域保持了溫度的均一性，從而有利于等離子體處理工藝的進行，提高了晶圓的制成良率。
[0030]根據本實施例的另一【具體實施方式】，第一氣體為溫度較高的氣體，其經過冷卻液流道時變為溫度較低的氣體，通過熱傳導的方式進一步加熱靜電卡盤，使其從第二溫度升
至第三溫度。
[0031 ] 可以理解，第一氣體經過冷卻液流道時也可能變為溫度較低的氣體與液化產生的液體的混合，通過熱傳導或氣體液化的方式，將靜電卡盤從第二溫度加熱至第三溫度。
[0032]如圖2所示，本發明第二實施例的靜電卡盤加熱方法包括如下步驟:
[0033]步驟S21、加熱器將靜電卡盤加熱至第二溫度。
[0034]具體地，以靜電卡盤中的加熱器將靜電卡盤自第一溫度快速加熱至第二溫度。
[0035]步驟S22、加熱單元向冷卻液流道注入第一氣體，第一氣體液化以加熱靜電卡盤。
[0036]具體地，基于氣體液化會散發熱量這一原理，以一加熱單元向冷卻液流道注入第一氣體，通過第一氣體的液化平緩地加熱靜電卡盤。加熱單元包括一臺泵和一個加熱裝置，泵用于向冷卻液流道注入第一氣體，加熱裝置用于在后續步驟S24中使用。
[0037]步驟S23、檢測靜電卡盤是否升溫至第三溫度。
[0038]具體地，通過一感測裝置判斷靜電卡盤是否已升溫至第三溫度。
[0039]步驟S24、若靜電卡盤已升溫至第三溫度，則停止；否則，加熱單元加熱第一液體以生成第一氣體，并回到步驟S22繼續執行。
[0040]具體地，將第一氣體在冷卻液流道中液化而產生的第一液體導回加熱單元，以便實現一循環利用的過程。若靜電卡盤已升溫至第三溫度，則停止通入第一氣體；否則，加熱單元的加熱裝置將流回的第一液體加熱氣化，重新生成第一氣體，回到步驟S22繼續通過第一氣體的液化而平緩地加熱靜電卡盤。
[0041]根據該實施例，第二溫度與第一溫度的差值遠大于第三溫度與第二溫度的差值。
[0042]進一步地，第一氣體為全氟聚醚氣體，第一液體為液態全氟聚醚。
[0043]根據根據本實施例的另一【具體實施方式】，第一氣體為溫度較高的氣體，其經過冷卻液流道時變為溫度較低的氣體，通過熱傳導的方式進一步加熱靜電卡盤；溫度較低的第一氣體流出冷卻液流道后，將其導回加熱單元，加熱單元對其加熱，重新生成溫度較高的第一氣體，以循環利用第一氣體來加熱靜電卡盤，使其從第二溫度升至第三溫度。
[0044]該實施例的靜電卡盤加熱方法，既能實現靜電卡盤的快速升溫，又能使靜電卡盤上表面各區域溫度均一；此外，以第一氣體循環利用，節省了原料及成本、提高了能量利用率，更加環保。
[0045]如圖3所示，本發明第三實施例的靜電卡盤加熱方法包括如下步驟:
[0046]步驟S31、加熱器將靜電卡盤加熱至第二溫度。
[0047]具體地，以靜電卡盤中的加熱器將靜電卡盤自第一溫度快速加熱至第二溫度。
[0048]步驟S32、降壓單元向冷卻液流道注入第一氣體，第一氣體液化以加熱靜電卡盤。
[0049]具體地，基于氣體液化會散發熱量這一原理，以一降壓單元向冷卻液流道注入第一氣體，通過第一氣體的液化平緩地加熱靜電卡盤。降壓單元包括一臺泵和一臺壓縮機，泵用于向冷卻液流道注入第一氣體，壓縮機用于在后續步驟S34中使用。
[0050]步驟S33、檢測靜電卡盤是否升溫至第三溫度。
[0051]具體地，通過一感測裝置判斷靜電卡盤是否已升溫至第三溫度。
[0052]步驟S34、若靜電卡盤已升溫至第三溫度，則停止；否則，降壓單元對第一液體降壓以生成第一氣體，并回到步驟S32繼續執行。
[0053]具體地，將第一氣體在冷卻液流道中液化而產生的第一液體導回降壓單元，以便實現一循環利用的過程。若靜電卡盤已升溫至第三溫度，則停止通入第一氣體；否則，降壓單元的壓縮機對流回的第一液體降壓使其氣化，重新生成第一氣體，回到步驟S32繼續通過第一氣體的液化而平緩地加熱靜電卡盤。
[0054]根據該實施例，第二溫度與第一溫度的差值遠大于第三溫度與第二溫度的差值。
[0055]進一步地，降壓單元對第一液體降壓以重新生成第一氣體后，再通過一增壓單元對第一氣體進行增壓，一方面使其順利通入冷卻液流道，另一方面導入壓力較高的第一氣體可以提高與靜電卡盤的熱交換效果。
[0056]進一步地，第一氣體為氣態氟里昂，第一液體為液態氟里昂。
[0057]該實施例的靜電卡盤加熱方法，在實現靜電卡盤快速升溫的同時，使靜電卡盤上表面各區域溫度均一；此外，以第一氣體循環利用，節省了原料及成本、提高了能量利用率，更加環保。
[0058]如圖4所示，本發明第四實施例的靜電卡盤加熱系統包括靜電卡盤10、溫控單元20和第一導管31，靜電卡盤10和溫控單元20以第一導管31連接。其中，靜電卡盤10具體包括上下設置的絕緣層102和基座101，絕緣層102中設有一加熱器1021，用于通過對靜電卡盤10的加熱來加熱晶圓，基座101中設有至少一冷卻液流道1011，其通常用于注入冷卻液來冷卻靜電卡盤10，但在本發明中用于以第一氣體液化而產生的熱量進一步加熱靜電卡盤10。
[0059]溫控單元20通過第一導管31向冷卻液流道1011注入第一氣體，第一氣體在其中液化為第一液體，液化過程中產生的熱量進一步加熱靜電卡盤10。
[0060]進一步地，溫控單元20和冷卻液流道1011間還以第二導管32連接，第一氣體液化后產生的第一液體通過第二導管32流回溫控單元20，以便于實現第一氣體的循環利用。
[0061]根據該實施例的一種【具體實施方式】，溫控單元20包括一加熱單元和一臺泵，加熱單元加熱第一液體以重新生成第一氣體，泵用于將第一氣體導入冷卻液流道1011中。
[0062]根據該實施例的另一種【具體實施方式】，溫控單元20包括一降壓單元、一增壓單元和一臺泵，該降壓單元對第一液體降壓以重新生成第一氣體，增壓單元用于對第一氣體增壓以提高第一氣體和靜電卡盤的熱交換效率，泵用于將第一氣體導入冷卻液流道1011中。
[0063]可以理解，第一氣體可在冷卻液流道1011中液化，以進一步加熱靜電卡盤10，也可僅由溫度較高的氣體變為溫度較低的氣體，以通過熱傳導進一步加熱靜電卡盤，此時，溫控單元20將導回的溫度較低的第一氣體通過加熱的方式重新變為溫度較高的第一氣體，以循環利用，均落入本發明的范圍。
[0064]在加熱靜電卡盤進而加熱晶圓的工藝過程中，具體地，加熱器1021首先將靜電卡盤10由第一溫度加熱至第二溫度，再由溫控單元20向冷卻液流道1011注入第一氣體，第一氣體在其中液化或進行熱傳導以進一步加熱靜電卡盤10至第三溫度。第二溫度與第一溫度的差值遠大于第三溫度與第二溫度的差值，例如第一溫度為20攝氏度、第二溫度為80攝氏度、第三溫度為90攝氏度。
[0065]從第二溫度升溫至第三溫度的過程，相對于從第一溫度升溫至第二溫度的過程，較為緩慢，從而溫度變化的坡度較小，在升溫的同時有利于達成靜電卡盤上表面各區域溫度的均一'I"生。
[0066]進一步地，第一導管31、第二導管32的長度小于15米，從而使溫控單元20緊挨著靜電卡盤10所處的反應腔室。這種設置便于減少第一氣體傳輸中的熱量損失,避免第一氣體在未進入冷卻液流道1011前液化。
[0067]進一步地，由于第一導管31中傳輸的是氣體，因此溫控單元20設有的泵可以采用小功率、小體積，從而便于設置。
[0068]進一步地，第一導管31、第二導管32由絕緣材料制成，包括但不限于聚醚酰亞胺塑料、聚四氟乙烯或氧化鋁，以避免等離子體處理工藝中RF功率泄漏。
[0069]進一步地，冷卻液流道1011的橫截面大于60mm2，例如為72mm2、144mm2，橫截面較大的冷卻液流道1011更便于靜電卡盤10充分吸收第一氣體液化而產生的熱量，提高靜電卡盤10的升溫效率以及保持各區域溫度的均一性。
[0070]本發明第五實施例提供一種等離子體處理裝置，用于對放置在其中的晶圓等待加工件進行等離子體處理工藝，包括:反應腔室和靜電卡盤加熱系統，靜電卡盤加熱系統可以如發明第四實施例中提供的，包括一靜電卡盤和一溫控單元，靜電卡盤設于反應腔室中，用于固定待加工件，其中設有一加熱器，使靜電卡盤快速升溫；溫控單元用于向靜電卡盤的冷卻液流道提供第一氣體，以第一氣體液化或進行熱傳導進一步平緩地加熱靜電卡盤。離子體處理工藝在反應腔室中進行，晶圓被吸附固定于靜電卡盤之上，一起設置于反應腔室中。
[0071]根據本發明上述實施例提供的等離子體處理裝置，在使靜電卡盤快速升溫的同時，有效保證其各區域溫度的均一性，從而使晶圓各區域溫度均一，有利于等離子體處理工藝的進行，提高了晶圓的制成良率。
[0072]以上所述的僅為本發明的優選實施例，所述實施例并非用以限制本發明的專利保護范圍，因此凡是運用本發明的說明書及附圖內容所作的等同結構變化，同理均應包含在本發明的保護范圍內。
【權利要求】
1.一種靜電卡盤加熱方法，所述靜電卡盤用于承載晶圓，其包括上下設置的絕緣層和基座，所述絕緣層中設有一加熱器，用于通過對所述靜電卡盤的加熱來加熱所述晶圓，所述基座中設有至少一冷卻液流道，用于注入流體調節所述靜電卡盤的溫度，該方法包括如下步驟: a)、以所述加熱器將所述靜電卡盤自第一溫度加熱至第二溫度； b)、向所述冷卻液流道注入第一氣體，所述第一氣體經所述冷卻液流道放熱轉化為第一流體，以將所述靜電卡盤自所述第二溫度加熱至第三溫度。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二溫度與所述第一溫度的差值遠大于所述第三溫度與所述第二溫度的差值。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述步驟b)具體包括步驟: bl)、通過一加熱單元向所述冷卻液流道注入所述第一氣體，所述第一氣體經所述冷卻液流道釋放熱量并轉化為所述第一流體，以加熱所述靜電卡盤； b2)、所述加熱單元加熱流向所述加熱單元的所述第一流體以生成所述第一氣體，并循環通入所述冷卻液流道； b3)、重復執行所述步驟bI)、b2)，直至所述靜電卡盤升溫至所述第三溫度。
4.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述步驟b)具體包括步驟: bl)、通過一降壓單元向冷卻液流道注入所述第一氣體，所述第一氣體經所述冷卻液流道釋放熱量并轉化為所述第一流體，以加熱所述靜電卡盤； b2)、所述降壓單元對所`述第一流體降壓以生成所述第一氣體，并循環通入所述冷卻液流道； b3)、重復執行所述步驟bI)、b2)，直至所述靜電卡盤升溫至所述第三溫度。
5.如權利要求4所述的方法，其特征在于，所述步驟b2)具體包括:所述降壓單元對所述第一流體降壓以生成所述第一氣體；以及，通過一增壓單元對所述第一氣體增壓后循環通入所述冷卻液流道。
6.如權利要求1至5中任一項所述的方法，其特征在于，所述第一流體包括溫度較低的所述第一氣體以及第一液體，所述第一液體由所述第一氣體液化而生成。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一氣體為氣態氟里昂或全氟聚醚氣體，所述第一液體為液態氟里昂或液態全氟聚醚。
8.一種靜電卡盤加熱系統，包括: 靜電卡盤，其包括上下設置的絕緣層和基座，所述絕緣層中設有一加熱器用于將所述靜電卡盤自第一溫度加熱至第二溫度，所述基座中設有至少一冷卻液流道； 溫控單元，用于向所述冷卻液流道注入所述第一氣體，所述第一氣體經所述冷卻液流道放熱轉化為第一流體，以將所述靜電卡盤自所述第二溫度加熱至第三溫度； 第一導管，連接所述溫控單元和所述冷卻液流道，所述第一氣體經所述第一導管注入所述冷卻液流道；以及 第二導管，所述第二導管連接所述冷卻液流道和所述溫控單元，所述第一流體經所述第二導管流向所述溫控單元；所述溫控單元將流向所述溫控單元的所述第一流體轉化為所述第一氣體。
9.如權利要求8所述的靜電卡盤加熱系統，其特征在于，所述溫控單元包括如下兩個單元中的至少一種: 加熱單元，所述加熱單元加熱所述第一流體以生成所述第一氣體； 降壓單元，所述降壓單元對所述第一流體降壓以生成所述第一氣體。
10.如權利要求9所述的靜電卡盤加熱系統，其特征在于，所述溫控單元還包括一增壓單元，所述增壓單元對所述第一氣體增壓以循環通入所述冷卻液流道。
11.如權利要求7至10中任一項所述的靜電卡盤加熱系統，其特征在于，所述第一導管、所述第二導管的長度小于15米。
12.如權利要求7至10中任一項所述的靜電卡盤加熱系統，其特征在于，所述第一導管、所述第二導管由絕緣材料制成。
13.如權利要求7至10中任一項所述的靜電卡盤加熱系統，其特征在于，所述冷卻液流道的橫截面大于60mm2。
14.一種等 離子體處理裝置，用于對放置在其中的待加工件進行等離子體處理工藝，包括: 反應腔室，用于在其中進行所述等離子體處理工藝； 如權利要求7至10中任一項所述靜電卡盤加熱系統，所述靜電卡盤位于所述反應腔室中，用于固定所述待加工件。
【文檔編號】H01J37/32GK103794527SQ201210422960
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2012年10月30日 優先權日:2012年10月30日
【發明者】吳狄, 倪圖強, 左濤濤 申請人:中微半導體設備(上海)有限公司