CN111385917B - 一种用于组装esc的多平面多路可调节温度的加热器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于组装ESC的多平面多路可调节温度的加热器，包含：主加热器层、子加热器层、附加子加热器层；所述主加热器层设置在第一层，且所述主加热器层设有N个加热器，使ESC接近ESC顶面上设置的晶片所需温度；所述子加热器层设置在主加热器层的顶部，且所述子加热器层设有X个加热器，与所述主加热器层结合，使得结合后的子加热器层设有大于X个可控温区；所述附加子加热器层设置在子加热器层的顶部，且所述附加子加热器层设有Y个加热器，与所述子加热器层的可控温区结合后，使得附加子加热器层的总可控温区大于N+X+Y个。

Description

一种用于组装ESC的多平面多路可调节温度的加热器

技术领域

本发明涉及半导体刻蚀设备，具体是一种用于组装ESC的多平面多路可调节温度的加热器。

背景技术

在制造半导体器件等时，对半导体晶片进行成膜或刻蚀等表面处理。该表面处理中保持半导体晶片的装置之一为ESC(静电卡盘)。现有技术的等离子处理器结构如图1所示，包括反应腔100，位于反应腔内底部的基座10，基座通过电缆连接到至少一个射频电源。基座10内包括用于冷却液循环的管道11以带走等离子处理过程中产生的多余热量。基座10上方包括加热器23，加热器23上表面通过粘接层32使ESC30固定到加热器23上方，待处理基片通过ESC固定到基座上方。反应腔内顶部还包括上电极40，以及上电极下表面的气体喷头41实现反应气体的均匀通入。

如附图2所示，在传统的电流温控ESC的加热器当中，设有两层加热器，分别是主加热器层和子加热器层。通常使用的加热器是加热电阻丝，所以每层加热器层以绝缘材料层来隔开，并且加热器的最顶层和最底层设置铝板来导热。如附图3、附图4所示，主加热器的加热区划分为4个，子加热器的加热区划分为24个。如附图5所示，在主加热器的顶部重叠放置子加热器之后在子加热器上形成26个可控温区。由此可见加热器的可控温区的数量取决于加热区的数量，而且可控温区的数量通常等于子加热器层(温度微调层)上的加热区数量。因此若想要增加温度微调层上的可控温区的数量时，需要增加子加热器层的加热区数量来匹配相应的可控温区。当可控温区的要求变得更精细时，那么可控温区的数量就变得更多，这样一来与相应的可控温区匹配的加热区的数量也会增加。因此如果继续使用传统的设计方法路径，则很快就会达到不切实际的水平。而且传统的设计方法会将增加设计及制造的的复杂性和难度，而且可靠性也将受到影响，最终还增加大量的成本。

发明内容

本发明的目的是使用额外的加热器层，在层之间实现相互偏移来产生区域组合，创建更多的加热器控制区域。

为了达到上述目的，本发明通过如下技术方案来实现。

一种用于组装ESC的多平面多路可调节温度的加热器，包含：主加热器层、子加热器层、附加子加热器层；

所述主加热器层设有多个主加热区；

所述子加热器层设置在主加热器层的上方，且所述子加热器层设有多个子加热区，与至少一部分主加热区叠加；

所述附加子加热器层设置在子加热器层的上方，且所述附加子加热器层设有多个附加加热区；每个所述附加加热区与一个或多个所述子加热区错位叠加，使得每个所述附加加热区和与之错位叠加的每个子加热区的纵向投影不完全重合，其中所述主加热区、子加热区和附加加热区都具有独立的加热功率输入口，使得加热功率独立可调。

优选地，被叠加的每一个所述主加热区上方的空间，被划分为若干子空间，每个子空间分别有对应的子加热区。

优选地，所述主加热器层包含同圆心的多个主加热圈；

所述子加热器层包含同圆心的多个子加热圈，叠加在至少一些主加热圈上方，使得每个子加热圈和与之叠加的每个主加热圈的纵向投影重合；或者，多个子加热圈错位叠加在至少一些主加热圈上方，使得每个子加热圈和与之错位叠加的每个主加热圈的纵向投影不完全重合。

优选地，每个所述主加热圈布置一个主加热区；每个所述子加热圈布置多个扇形的子加热区。

优选地，所述子加热圈在径向相互隔开；所述子加热器层包含若干非加热圈，与所述子加热圈同圆心设置，将相邻的所述子加热圈隔开。

优选地，所述附加子加热器层包含多个扇形区，各自从附加子加热器层的圆心开始沿径向延伸，且在每个扇形区布置1个附加加热区，每个附加加热区径向穿过若干个子加热圈的上方，并与被穿过的至少一个子加热圈中的每个子加热区错位叠加。

优选地，所述附加子加热器层的每个附加加热区，从附加子加热器层的圆心延伸到边缘，径向穿过子加热器层所有加热圈的上方；每个附加加热区与被其穿过的至少一个子加热圈中的两个相邻的子加热区对应，使这两个相邻的子加热区的边界线处在该附加加热区的投影范围内。

优选地，所述不完全重合，包含：上方的附加加热区的投影落在下方与之对应的子加热区的范围内，或者上方的附加加热区的投影超出下方与之对应的子加热区的范围，或者上方的附加加热区的投影和下方与之对应的子加热区的范围部分重叠，或者上方的附加加热区的投影落在下方相邻的多个子加热区合计的范围内，或者上方的附加加热区的投影超出下方相邻的多个子加热区合计的范围，或者上方的附加加热区的投影和下方相邻的多个子加热区合计的范围部分重叠。

优选地，所述主加热器层设有N个主加热区，每一主加热区分别设置有加热器；所述子加热器层设有X个子加热区，每一子加热区分别设置有加热器；通过N个主加热区和X个子加热区的叠加，形成的可控温区大于X个；所述附加子加热器层设有Y个附加加热区，每一附加加热区分别设置有加热器；所述附加子加热器层的任意一个扇形区与子加热器层的子加热区重叠时，至少一个子加热器层的扇形区与多个附加子加热器层的扇形区重叠，在重叠的部分产生新的可控温区，在附加子加热器层产生的可控温区总数量大于N+X+Y个。

优选地，主加热器层与子加热器层之间设置绝缘材料层，且子加热器层与附加子加热器层之间设置绝缘材料层；

附加子加热器层的顶部设置铝板，且在铝板与附加子加热器层之间设置绝缘材料层；

主加热器层的底部设置铝板，且在铝板与主加热器层之间设置绝缘材料层。

一种用于组装ESC的多平面多路加热器的温度调节方法，所述的加热器对放置在ESC上的晶圆加热；

其中，主加热器层将ESC上的晶圆加热至接近需要的温度；

再通过子加热器层和主加热器层的叠加，及附加子加热器层和子加热器层的错位叠加来形成的各自独立的可控温区进一步微调温度，使与各可控温区域相对应的晶圆各处的温度分别达到所需要的温度。

本发明的有益效果在于通过使用多个加热器层，在层之间相互偏移来创建更多加热器控制区域，明显比传统制造技术的结构简单，而且可靠性也得到了提高，还减少了制造成本。

附图说明

图1为表示等离子刻蚀机腔体内部结构示意图；

图2为传统方案ESC各加热器层的结构示意图；

图3为主加热器层的俯视图；

图4为子加热器层的俯视图；

图5为主加热器层和子加热器层叠加之后产生的可控温区结构示意图；

图6为本发明方案ESC各加热器层的结构示意图；

图7为附加子加热器层的俯视图；

图8为附加子加热器层的两个加热区与子加热器层结合后产生的可控温区结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明，但不以任何方式限制本发明的范围。

本发明的系统包含：包含：AC主加热器层、DC子加热器层、DC附加子加热器层；所述AC主加热器层设有多个AC主加热区；所述DC子加热器层设置在AC主加热器层的上方，且所述DC子加热器层设有多个DC子加热区，与至少一部分AC主加热区叠加；所述DC附加子加热器层设置在DC子加热器层的上方，且所述DC附加子加热器层设有多个DC附加加热区；每个所述DC附加加热区与一个或多个所述DC子加热区错位叠加，使得每个所述DC附加加热区和与之错位叠加的每个DC子加热区的纵向投影不完全重合，其中所述主加热区、子加热区和附加加热区都具有独立的加热功率输入口，使得加热功率独立可调。

所述不完全重合，包含：上方的附加加热区的投影落在下方与之对应的子加热区的范围内，或者上方的附加加热区的投影超出下方与之对应的子加热区的范围，或者上方的附加加热区的投影和下方与之对应的子加热区的范围部分重叠，或者上方的附加加热区的投影落在下方相邻的多个子加热区合计的范围内，或者上方的附加加热区的投影超出下方相邻的多个子加热区合计的范围，或者上方的附加加热区的投影和下方相邻的多个子加热区合计的范围部分重叠。

进一步地，被叠加的每一个所述AC主加热区上方的空间，被划分为若干子空间，每个子空间分别有对应的DC子加热区。

进一步地，所述AC主加热器层包含同圆心的多个AC主加热圈；

所述DC子加热器层包含同圆心的多个DC子加热圈，叠加在至少一些AC主加热圈上方，使得每个DC子加热圈和与之叠加的每个AC主加热圈的纵向投影重合；或者，多个DC子加热圈错位叠加在至少一些AC主加热圈上方，使得每个DC子加热圈和与之错位叠加的每个AC主加热圈的纵向投影不完全重合。

进一步地，每个所述AC主加热圈布置一个AC主加热区；每个所述DC子加热圈布置多个扇形的DC子加热区。

进一步地，所述DC子加热圈在径向相互隔开；所述DC子加热器层包含若干非加热圈，与所述DC子加热圈同圆心设置，将相邻的所述DC子加热圈隔开。

进一步地，所述DC附加子加热器层包含多个扇形区，各自从DC附加子加热器层的圆心开始沿径向延伸，且在每个扇形区布置1个DC附加加热区，每个DC附加加热区径向穿过若干个DC子加热圈的上方，并与被穿过的至少一个DC子加热圈中的每个DC子加热区错位叠加。

进一步地，所述DC附加子加热器层的每个DC附加加热区，从DC附加子加热器层的圆心延伸到边缘，径向穿过DC子加热器层所有加热圈的上方；每个DC附加加热区与被其穿过的至少一个DC子加热圈中的两个相邻的DC子加热区对应，使这两个相邻的DC子加热区的边界线处在该DC附加加热区的投影范围内。

进一步地，所述AC主加热器层设有N个AC主加热区，每一主加热区分别设置有加热器；所述DC子加热器层设有X个DC子加热区，每一子加热区分别设置有加热器；通过N个AC主加热区和X个DC子加热区的叠加，形成的可控温区大于X个；所述DC附加子加热器层设有Y个DC附加加热区，每一附加加热区分别设置有加热器；所述DC附加子加热器层的任意一个扇形区与DC子加热器层的子加热区重叠时，至少一个DC子加热器层的扇形区与多个DC附加子加热器层的扇形区重叠，在重叠的部分产生新的可控温区，在DC附加子加热器层产生的可控温区总数量大于N+X+Y个。

进一步地，AC主加热器层与DC子加热器层之间设置绝缘层，其材料可以选择聚酰亚胺(POLYIMIDE)、氧化铝、氮化铝、氧化硅等，且DC子加热器层与DC附加子加热器层之间设置聚酰亚胺层。DC附加子加热器层的顶部设置铝板，且在铝板与DC附加子加热器层之间设置聚酰亚胺层。AC主加热器层的底部设置铝板，且在铝板与主加热器层之间设置绝缘材料层。

本发明中使用的AC主加热器层的加热丝的电阻较小，施加同样电源时发热功率大，能够快速达到目标温度。DC子加热器层和DC附加子加热器层电阻较大，AC主加热器层发热功率较低，但能够精确的微调温度。

本发明的第一实施例的结构如附图6所示，所述AC主加热器层、DC子加热器层、DC附加子加热器层的形状为圆形，且总面积都相同；AC主加热器层设有同圆心的4圈，且每一圈设有1个加热区。DC子加热器层也设有同圆心的4圈，与AC主加热器层的4圈加热区的位置相对应；从内到外依次称第一圈到第四圈，第一圈和第三圈没有加热区；第二圈设有8个加热区，各分布在8个均等划分的扇形区，第四圈设有16个加热区，各分布在16个均等划分的扇形区。DC子加热器层与AC主加热器层结合之后，在DC子加热器层的第一圈和第三圈分别产生了1个可控温区，最终总共产生了26个可控温区。

如附图7所示，DC附加子加热器层设有16个均等的扇形区，各自从圆心延伸到该层的外侧边缘，并且在每个扇形区内设置一个加热区。当DC附加子加热器层与DC子加热器层相结合之后，DC附加子加热器层的16个扇形区各与DC子加热器层第四圈的16个扇形区之间产生错位，使得DC附加子加热器层的每个扇形区接触DC子加热器层第四圈的两个扇形区，且接触DC子加热器层的第三圈和第一圈以及第二圈的1个或2个扇形区。此时，DC附加子加热器层的每一个加热区与DC子加热器层的每一个可控温区相重叠的区域变成独立的可控温区。

如附图8所示，以DC附加子加热器层的两个扇形区为例，其中第一扇形区与DC子加热器层的5个可控温区重叠(1-1、2-3、3-1、4-5、4-4)，由此在DC附加子加热器层的第一扇形区产生5个可控温区(1、2、3、4、5)；第二扇形区与DC子加热器层的6个可控温区重叠(1-1、2-3、2-2、3-1、4-3、4-4)，由此在DC附加子加热器层的第二扇形区产生6个可控温区(1’、2’、3’、4’、5’、6’)。DC附加子加热器层的其他14个扇形区与这两个扇形区类似，各与DC子加热器层的5个可控温区或6个可控温区接触。

因此DC附加子加热器层的每个加热器与DC子加热器层的可控温区组合时会产生5到6个可控温区，所以DC附加子加热器层的总可控温区将超过5×16＝80，这远远大于实际的加热器数量(4+24+16＝44)。

本发明的DC附加子加热器层设有的16个扇形区只是一个优选方案，也可以按照实际情况适当加减扇形区的数量。本发明可以通过增加DC附加子加热器层上的DC加热器的数量或添加额外的DC附加子加热器层来扩展该方案。

本发明加热器的温度调节方法是先利用AC主加热器层将ESC上的晶圆加热至接近需要的温度；再通过DC子加热器层和AC主加热器层的叠加，及DC附加子加热器层和DC子加热器层的错位叠加来形成的各自独立的可控温区进一步微调温度，使与各可控温区域相对应的晶圆各处的温度分别达到所需要的温度。

本发明应用的场合除了可以是图1所示的电容耦合型等离子处器外，也可以是电感耦合型处理器(ICP)，同样也适用于其它需要快速精确多区控温的半导体处理装置，比如去光刻胶的反应腔等需要对基片进行精确控温的应用场合。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种用于组装ESC的多平面多路可调节温度的加热器，其特征在于，包含：主加热器层、子加热器层、附加子加热器层；

所述主加热器层设有多个主加热区；

所述子加热器层设置在主加热器层的上方，且所述子加热器层设有多个子加热区，与至少一部分主加热区叠加；被叠加的每一个所述主加热区上方的空间，被划分为若干子空间，每个子空间分别有对应的子加热区；

所述附加子加热器层设置在子加热器层的上方，且所述附加子加热器层设有多个附加加热区；每个所述附加加热区与一个或多个所述子加热区错位叠加，使得每个所述附加加热区和与之错位叠加的每个子加热区的纵向投影不完全重合，其中所述主加热区、子加热区和附加加热区都具有独立的加热功率输入口，使得加热功率独立可调。

2.如权利要求1所述的一种用于组装ESC的多平面多路可调节温度的加热器，其特征在于，所述主加热器层包含同圆心的多个主加热圈；

所述子加热器层包含同圆心的多个子加热圈，叠加在至少一些主加热圈上方，使得每个子加热圈和与之叠加的每个主加热圈的纵向投影重合；或者，多个子加热圈错位叠加在至少一些主加热圈上方，使得每个子加热圈和与之错位叠加的每个主加热圈的纵向投影不完全重合。

3.如权利要求2所述的一种用于组装ESC的多平面多路可调节温度的加热器，其特征在于，每个所述主加热圈布置一个主加热区；每个所述子加热圈布置多个扇形的子加热区。

4.如权利要求2所述的一种用于组装ESC的多平面多路可调节温度的加热器，其特征在于，所述子加热圈在径向相互隔开；所述子加热器层包含若干非加热圈，与所述子加热圈同圆心设置，将相邻的所述子加热圈隔开。

5.如权利要求3所述的一种用于组装ESC的多平面多路可调节温度的加热器，其特征在于，所述附加子加热器层包含多个扇形区，各自从附加子加热器层的圆心开始沿径向延伸，且在每个扇形区布置1个附加加热区，每个附加加热区径向穿过若干个子加热圈的上方，并与被穿过的至少一个子加热圈中的每个子加热区错位叠加。

6.如权利要求5所述的一种用于组装ESC的多平面多路可调节温度的加热器，其特征在于，所述附加子加热器层的每个附加加热区，从附加子加热器层的圆心延伸到边缘，径向穿过子加热器层所有加热圈的上方；每个附加加热区与被其穿过的至少一个子加热圈中的两个相邻的子加热区对应，使这两个相邻的子加热区的边界线处在该附加加热区的投影范围内。

7.如权利要求1所述的一种用于组装ESC的多平面多路可调节温度的加热器，其特征在于，所述不完全重合，包含：上方的附加加热区的投影落在下方与之对应的子加热区的范围内，或者上方的附加加热区的投影超出下方与之对应的子加热区的范围，或者上方的附加加热区的投影和下方与之对应的子加热区的范围部分重叠，或者上方的附加加热区的投影落在下方相邻的多个子加热区合计的范围内，或者上方的附加加热区的投影超出下方相邻的多个子加热区合计的范围，或者上方的附加加热区的投影和下方相邻的多个子加热区合计的范围部分重叠。

8.如权利要求2所述的一种用于组装ESC的多平面多路可调节温度的加热器，其特征在于，所述主加热器层设有N个主加热区，每一主加热区分别设置有加热器；所述子加热器层设有X个子加热区，每一子加热区分别设置有加热器；通过N个主加热区和X个子加热区的叠加，形成的可控温区大于X个；所述附加子加热器层设有Y个附加加热区，每一附加加热区分别设置有加热器；所述附加子加热器层的任意一个扇形区与子加热器层的子加热区重叠时，至少一个子加热器层的扇形区与多个附加子加热器层的扇形区重叠，在重叠的部分产生新的可控温区，在附加子加热器层产生的可控温区总数量大于N+X+Y个。

9.如权利要求1-8任一项所述的一种用于组装ESC的多平面多路可调节温度的加热器，其特征在于，主加热器层与子加热器层之间设置绝缘材料层，且子加热器层与附加子加热器层之间设置绝缘材料层；

附加子加热器层的顶部设置铝板，且在铝板与附加子加热器层之间设置绝缘材料层；

主加热器层的底部设置铝板，且在铝板与主加热器层之间设置绝缘材料层。

10.一种用于组装ESC的多平面多路加热器的温度调节方法，其特征在于，利用权利要求1-9任一项所述的一种用于组装ESC的多平面多路可调节温度的加热器，对放置在ESC上的晶圆加热；

其中，主加热器层将ESC上的晶圆加热至接近需要的温度；

再通过子加热器层和主加热器层的叠加，及附加子加热器层和子加热器层的错位叠加来形成的各自独立的可控温区进一步微调温度，使与各可控温区域相对应的晶圆各处的温度分别达到所需要的温度。

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