一种反应腔装置及其工作方法与流程

[0001]
本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种反应腔装置及其工作方法。


背景技术：

[0002]
在半导体制造中，涉及多道工序，每道工序都是由一定的设备和工艺来完成的。其中， 等离子体反应常被用于半导体晶圆及其它基片的化学物理沉积、刻蚀以及光刻胶灰化去除等，常用的等离子体源包括icp、ccp以及微波等产生方式。对于光刻胶灰化去除工艺，通常经过下述几个过程：1）将光刻胶旋涂到半导体衬底上；2）有针对性地将光刻胶层暴露在光线中进行显影，在半导体衬底的顶部形成特定的光刻胶图案，即部分待处理的半导体衬底暴露出来；3）刻蚀或者高剂量离子注入到半导体衬底的暴露部分；4）去除刻蚀或者高剂量离子注入过程中起到掩膜作用的光刻胶，即我们说的光刻胶灰化去除工艺。典型地，光刻胶灰化去除工艺包括两种类型：刻蚀过程结束后的光刻胶掩膜去除；高剂量离子注入过程结束后的光刻胶掩膜去除。
[0003]
对于光刻胶灰化去除工艺，通常不希望等离子体中的高能离子与光刻胶进行直接作用，而是期望通过等离子体中的化学活性自由基中间体与光刻胶之间产生高温化学反应。典型地，对于刻蚀过程结束后的光刻胶掩膜去除，常采用包含o
2
的混合气作为等离子体反应气产生高密度等离子体，氧自由基经隔离栅网过滤到达晶圆表面进行高温氧化灰化反应，晶圆的高温环境是由晶圆托盘加热产生，通常反应温度可以达到接近300℃。
[0004]
对于高剂量离子注入过程结束后的光刻胶掩膜去除，由于高剂量离子注入会使残余的光刻胶掩膜上表面发生变性硬化形成一层“硬壳”，相当于对半导体衬底以及光刻胶掩膜“硬壳”以下部分形成密封作用；为了防止“硬壳”下某些残余添加剂受热膨胀出现爆孔（popping）现象，通常这种灰化反应的温度不能过高，一般在100~200℃下完成；另外，高剂量离子注入工艺阶段对衬底掺杂多晶硅的损失比较敏感，而通常氧气灰化反应会在半导体衬底表面形成一层氧化物膜，造成掺杂多晶硅的不可控损失，所以常采用包含h
2
的混合气作为等离子体反应气产生高密度等离子体，氢自由基经隔离栅网过滤到达晶圆表面进行相对低温还原灰化反应。
[0005]
晶圆托盘由于热容量较大，无法做到快速由高温（如280℃）向相对低温（100~200℃）的切换，使得单纯通过晶圆托盘控温改变晶圆温度来实现上述两种灰化反应变得不现实。通常采用的方法是用腔内顶针系统把晶圆顶到特定位置，使晶圆在脱离托盘的状态下进行h
2
混合气还原灰化反应，此时晶圆温度由两个因素决定：一是氢活性自由基对晶圆表面加热；二是高温晶圆托盘（~300℃）对晶圆的辐射和气体传导加热。但是这种反应模式存在一个问题，即晶圆离开托盘后的温度以及h
2
混合气还原灰化反应过程中的温度无法测量，使得h
2
混合气还原灰化反应效果没办法有效控制和调节。


技术实现要素：

[0006]
本发明解决的问题是提供一种反应腔装置及其工作方法，能够对h
2
混合气还原灰
化反应中的晶圆的温度进行有效的控制和调节。
[0007]
为了解决上述技术问题，本发明提供一种反应腔装置，包括：反应腔主体；位于所述反应腔主体内的晶圆夹持平台，所述晶圆夹持平台的表面适于放置晶圆；贯穿所述晶圆夹持平台的若干位移孔；分别位于所述位移孔中的顶针，所述顶针的顶头设置有测温探头，所述顶针适于在所述位移孔中往复移动，使所述顶针的顶头在高于所述晶圆夹持平台的上表面的位置至低于所述晶圆夹持平台的上表面的位置之间变化。
[0008]
可选的，所述顶针包括顶杆主体和与所述顶杆主体连接的测温探头。
[0009]
可选的，还包括：与所述测温探头电学连接的射频过滤器；与所述射频过滤器连接的温度监视器；与所述温度监视器连接的控制装置，所述控制装置用于根据温度监视器获取的温度调节晶圆到反应腔主体的顶部的距离，或者调节晶圆到晶圆夹持平台的距离。
[0010]
可选的，所述顶针包括测温探头和包裹所述测温探头的铠装件，所述铠装件接地；所述铠装件的材料包括不锈钢。
[0011]
可选的，还包括：与所述测温探头电学连接的温度监视器；与所述温度监视器连接的控制装置，所述控制装置用于根据温度监视器获取的温度调节晶圆到反应腔主体的顶部的距离，或者调节晶圆到晶圆夹持平台的距离。
[0012]
可选的，所述位移孔和所述顶针围绕所述晶圆夹持平台的中心轴均匀分布；所述位移孔的数量至少为三个，所述顶针的数量至少为三个。
[0013]
可选的，还包括：位于所述反应腔主体内且位于所述晶圆夹持平台底部的顶针位置调节件，所述顶针位置调节件与所述顶针的底端接触。
[0014]
可选的，还包括：位于所述反应腔主体上方的感性耦合射频单元；所述感性耦合射频单元包括：反应室介质管；分布于所述反应室介质管侧部的射频天线；所述反应腔主体的顶部设置有隔离栅网；所述感性耦合射频单元位于所述隔离栅网的上方。
[0015]
可选的，所述反应腔装置适于进行光刻胶灰化去除反应。
[0016]
相应的，本发明还提供一种反应腔装置的工作方法，包括：将晶圆放置在所述晶圆夹持平台的表面之后，进行第一工艺反应；所述顶针将所述晶圆顶起，进行第二工艺反应，第二工艺反应的反应温度低于第一工艺反应的反应温度，在进行第二工艺反应的过程中，所述测温探头实时监测所述晶圆的温度；根据测温探头监测到的所述晶圆的温度，调节晶圆到反应腔主体的顶部的距离，或者调节晶圆到晶圆夹持平台的距离。
[0017]
可选的，所述反应腔装置还包括：温度监视器；与所述温度监视器连接的控制装置；所述反应腔装置的工作方法还包括：第二工艺反应的过程中，采用温度监视器实时获取所述晶圆的温度；所述控制装置根据温度监视器实时获取的温度调节晶圆到反应腔主体的顶部的距离或者调节晶圆到晶圆夹持平台的距离，使得晶圆的温度在第二工艺反应的过程中保持在阈值范围内。
[0018]
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：本发明技术方案提供的反应腔装置，晶圆夹持平台中具有贯穿所述晶圆夹持平台的若干位移孔，所述位移孔中具有顶针，所述顶针适于在所述位移孔中往复移动，使所述顶针的顶头在高于所述晶圆夹持平台的上表面的位置至低于所述晶圆夹持平台的上表面的位置之间变化，这样顶针能够将晶圆顶离晶圆夹持平台或者将晶圆落在晶圆夹持平台的表面。所述顶针的顶头在高于所述晶圆夹持平台的上表面的位置时，可以对晶圆进行温度要求较
低的工艺反应。所述顶针的顶头设置有测温探头，所述测温探头能实时测量放置在顶针上的晶圆的温度，即使晶圆离开晶圆夹持平台的表面，也能够监控晶圆的温度保持在一定的阈值范围，满足工艺的要求。因此，所述反应腔装置能够对h
2
混合气还原灰化反应中的晶圆的温度进行有效的控制和调节。
[0019]
进一步，所述顶针包括测温探头和包裹所述测温探头的铠装件。所述铠装件对所述测温探头具有射频屏蔽的作用，避免测温探头受到灰化反应腔装置内的射频信号的干扰。无需为反应腔装置额外设置射频过滤的部件。
[0020]
本发明技术方案提供的反应腔装置的工作方法中，将晶圆放置在所述晶圆夹持平台的表面，进行第一工艺反应；所述顶针将所述晶圆顶起，进行第二工艺反应，第二工艺反应的温度需要低于第一工艺反应的温度。采用顶针能对晶圆在第一工艺反应和第二工艺反应之间进行快速切换，避免晶圆受到第一工艺反应的持续高温的影响。由于所述顶针的顶头设置有测温探头，因此在进行第二工艺反应的过程中，所述测温探头能实时测量放置在顶针上的晶圆的温度，即使晶圆离开晶圆夹持平台的表面，也能根据测温探头监测到的所述晶圆的温度，调节晶圆到反应腔主体的顶部的距离，或者调节晶圆到晶圆夹持平台的距离，使得晶圆的温度保持在一定的阈值范围，满足工艺的要求。因此，所述反应腔装置能够对处于相对低温的第二工艺反应中的晶圆的温度进行有效的控制和调节。
附图说明
[0021]
图1是本发明一实施例中反应腔装置的剖面结构示意图；图2为本发明一实施例中的顶针的结构示意图；图3为本发明另一实施例中反应腔装置的剖面结构示意图；图4为本发明另一实施例中顶针的结构示意图；图5是本发明又一实施例中反应腔装置的工作流程图。
具体实施方式
[0022]
本发明一实施例提供一种反应腔装置，请参考图1和图2，包括：反应腔主体100；位于所述反应腔主体100内的晶圆夹持平台110，所述晶圆夹持平台110的表面适于放置晶圆10；贯穿所述晶圆夹持平台110的若干位移孔；分别位于所述位移孔中的顶针170， 所述顶针170的顶头设置有测温探头170b，所述顶针170适于在所述位移孔中往复移动，使所述顶针170的顶头在高于所述晶圆夹持平台110的上表面的位置至低于所述晶圆夹持平台110的上表面的位置之间变化。
[0023]
本实施例中，反应腔装置为等离子体反应装置。所述反应腔装置可以进行光刻胶灰化去除反应。
[0024]
本实施例中，所述顶针170包括顶杆主体170a和与所述顶杆主体170a连接的测温探头170b。
[0025]
所述顶杆主体170a为纯导体。
[0026]
本实施例中，反应腔装置还包括：与所述测温探头170b电学连接的射频过滤器
150；与所述射频过滤器150连接的温度监视器160；与所述温度监视器160连接的控制装置190，所述控制装置190用于根据温度监视器160获取的温度调节晶圆到反应腔主体100的顶部的距离，或者调节晶圆到晶圆夹持平台的距离。
[0027]
本实施例中，当顶针顶170起晶圆10时，在反应过程中，顶针170裸漏在射频环境中，为了避免顶针将射频信号传递至温度监视器160，设置了射频过滤器150，射频过滤器150可以阻挡射频信号，射频过滤器150可以通过直流电学信号。
[0028]
在一个实施例中，所述射频过滤器150为用导线绕制的线圈电感元件。
[0029]
本实施例中，所述测温探头170b通过顶杆主体170a与所述射频过滤器150电学连接。
[0030]
所述温度监视器160将测温探头170b测试的信号转换成可视的数字信号，便于读取。
[0031]
所述控制装置190用于根据温度监视器160获取的温度调节晶圆10到反应腔主体100的顶部的距离或者调节晶圆10到晶圆夹持平台110的距离，使得晶圆10在顶针170顶起时保持稳定的温度。
[0032]
本实施例中，所述顶针170围绕所述晶圆夹持平台110的中心轴均匀分布，这样的好处在于：测温探头170b与晶圆10接触的点在晶圆10的表面的分布较为均匀，能够在晶圆10的不同区域分别进行温度的有效采样测量，使得对晶圆10不同区域的温度测量更加有效。
[0033]
在其他实施例中，所述顶针的分布可以不均匀。
[0034]
所述反应腔装置还包括：位于所述反应腔主体100内且位于所述晶圆夹持平台110底部的顶针位置调节件180，所述顶针位置调节件180与所述顶针170的底端接触。
[0035]
本实施例中，所述顶杆主体170a的一端与测温探头170b连接，所述顶杆主体170a的另一端与顶针位置调节件180连接。
[0036]
所述测温探头170b为热敏电阻。
[0037]
在一个具体的实施例中，一个反应腔装置中，所述位移孔的数量至少为三个，所述顶针170的数量至少为三个。
[0038]
所述顶针170的数量等于位移孔的数量，一个位移孔中放置一个顶针170。
[0039]
需要说明的是，在其他实施例中，还可以设置一个反应腔装置中顶针170的数量为一个、两个、或者大于3个。当一个反应腔装置中位移孔的数量至少为三个时，晶圆10在顶针170上的位置稳定性较好。
[0040]
顶针170数量越多，测温点越多，可以更好的定量分析晶圆10温度的均匀性。
[0041]
所述顶针170的高度大于晶圆夹持平台110的厚度，所述顶针170的高度指的是顶针170的顶头至顶针170的底端之间的距离。
[0042]
所述反应腔装置还包括：位于所述反应腔主体100上方的感性耦合射频单元；所述感性耦合射频单元包括：反应室介质管120；分布于所述反应室介质管侧120部的射频天线140。
[0043]
所述反应腔主体100的顶部设置有隔离栅网130；所述感性耦合射频单元位于所述隔离栅网130的上方。
[0044]
所述反应室介质管120中的顶部具有进气口121。
[0045]
所述射频天线140激发通入反应室介质管120中的气体产生等离子体，等离子体内的带电粒子（包括离子和电子）会被隔离栅网130过滤掉，等离子体内的化学活性基团会自由通过隔离栅网130进入反应腔主体100到达晶圆10表面，进而与晶圆10表面的光刻胶进行高温氧化灰化反应和相对低温还原灰化反应。与晶圆10表面光刻胶进行高温氧化灰化反应时，晶圆10放置在所述晶圆加持平台110上表面；与晶圆10表面光刻胶进行相对低温还原灰化反应时，利用顶针170将晶圆10托起至特定位置，测温探头170b对晶圆10温度进行实时监视并反馈至控制装置190。完成高温氧化灰化反应和相对低温还原灰化反应后的晶圆10被顶针170调节至传片位置后传出。
[0046]
在一个实施例中，控制装置190用于根据温度监视器160获取的温度调节晶圆10到反应腔主体100的顶部的距离，也就是调节晶圆10到隔离栅网130的距离。在另一个实施例中，控制装置190用于根据温度监视器160获取的温度调节晶圆10到圆夹持平台110的距离。
[0047]
相应的，本发明另一实施例还提供一种反应腔装置，参考图3和图4，本实施例中的反应腔装置与前一实施例中的反应腔装置的区别在于:所述顶针270包括测温探头270b和包裹所述测温探头270b的铠装件270a, 所述铠装件270a接地，所述铠装件270a的材料包括不锈钢。
[0048]
所述铠装件270a的作用包括：将热量传导至测温探头270b；所述铠装件270a对所述测温探头270b具有射频屏蔽的作用。
[0049]
本实施例中，反应腔装置还包括：与所述测温探头270b电学连接的温度监视器260；与所述温度监视器260连接的控制装置290。
[0050]
所述测温探头270b与所述温度监视器260连接。
[0051]
所述铠装件270a对所述测温探头270b具有射频屏蔽的作用，避免测温探头270b受到灰化反应腔装置内的射频信号的干扰。无需为反应腔装置额外设置射频过滤的部件。
[0052]
关于本实施例与前一实施例相同的内容，不在详述。
[0053]
相应的，本发明另一实施例还提供一种反应腔装置的工作方法，参考图5，包括以下步骤：s01：将晶圆放置在所述晶圆夹持平台的表面之后，进行第一工艺反应；s03：所述顶针将所述晶圆顶起，进行第二工艺反应，第二工艺反应的反应温度低于第一工艺反应的反应温度，在进行第二工艺反应的过程中，所述测温探头实时监测所述晶圆的温度；s04：根据测温探头监测到的所述晶圆的温度，调节晶圆到反应腔主体的顶部的距离，或者调节晶圆到晶圆夹持平台的距离。
[0054]
所述反应腔装置的工作方法还包括：第二工艺反应的过程中，采用温度监视器实时获取所述晶圆的温度；所述控制装置根据温度监视器实时获取的温度调节晶圆到反应腔主体的顶部的距离或者调节晶圆到晶圆夹持平台的距离，使得晶圆的温度在第二工艺反应的过程中保持在阈值范围内。
[0055]
在一个实施例中，所述第一工艺反应为o
2
混合气高温氧化灰化反应, 第二工艺反应为h
2
混合气还原灰化反应。
[0056]
在一个实施例中，所述o
2
混合气高温氧化灰化反应的温度为200℃~300℃，如280℃；所述h
2
混合气还原灰化反应的温度为100~200℃，如150℃。
[0057]
具体的，所述射频天线激发通入反应室介质管中的气体产生等离子体，等离子体内的带电粒子（包括离子和电子）会被隔离栅网过滤掉，等离子体内的化学活性基团会自由通过隔离栅网进入反应腔主体到达晶圆表面与晶圆表面的光刻胶进行高温氧化灰化反应和相对低温还原灰化反应。与晶圆表面光刻胶进行高温氧化灰化反应时，晶圆放置在所述晶圆加持平台上表面；与晶圆表面光刻胶进行相对低温还原灰化反应时，利用顶针将晶圆托起至特定位置，测温探头170b对晶圆温度进行实时监视并反馈至控制装置。完成高温氧化灰化反应和相对低温还原灰化反应后的晶圆被顶针调节至传片位置后传出。
[0058]
采用顶针能对晶圆在第一工艺反应和第二工艺反应之间进行快速切换，避免晶圆受到第一工艺反应的持续高温的影响。由于所述顶针的顶头设置有测温探头，因此在进行第二工艺反应的过程中，所述测温探头能实时测量放置在顶针上的晶圆，即使晶圆离开晶圆夹持平台的表面，也能够监控晶圆的温度保持在一定的阈值范围，满足工艺的要求。因此，所述反应腔装置能够对相对低温的第二工艺反应中的晶圆的温度进行有效的控制和调节。
[0059]
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。