专利名称：用于处理晶圆的反应装置、静电吸盘和晶圆温度控制方法
技术领域：
本发明涉及半导体工艺技术领域，特别涉及一种用于处理晶圆的反应装置、静电吸盘(Electrostatic Chuck, ESC)和晶圆温度控制方法。
背景技术：
晶圆(Wafer)(例如，硅晶圆)是用来制造芯片的基础半导体材料，也是半导体产业中最重要的材料。在晶圆上制作的芯片的最终质量与开始制作时所采用的晶圆的质量有直接关系。如果原始晶圆上有缺陷，那么最终芯片上也肯定会存在缺陷。对于可用于制造半导体器件的晶圆而言，需要满足严格的材料和物理要求。成本是半导体产业中的关键因素。基于成本考虑，现代半导体技术中一方面减小晶圆上制造的器件的物理尺寸，另一方面扩大晶圆的尺寸。上述两个方向都可以用相似的成本生产更多的芯片。随着晶圆尺寸也从5英寸(Inch)、8英寸，发展到现在的12英寸、18英寸，甚至下一代更大的尺寸，各种新的问题也不断出现。—致性控制(Uniformity Control)是晶圆相关工艺中的一个重要问题。随着晶圆尺寸变大，一致性控制变得更加关键，并且将成为工艺发展的主要挑战。ESC冷却系统(Coolant system)是用于晶圆温度一致性控制的重要手段。现有的ESC冷却系统是环状(Ring type)多带(Mult1-Zone)设计。这种设计能够为不同的冷却带设置不同的温度，以调整晶圆内温度一致性。该设计能较好地调整径向(radial)温度不一致性。但是，对于非径向的温度不一致性分布，现有的ESC设计不能很好地进行一致性调整。图1示出了现有的ESC设计对于温度不一致性的调整结果。如图1所示，该ESC设计可以调整径向温度分布不一致性，但对于非径向部分不能很好地调整，温度范围(Range)甚至变得更大。此外，现有冷却系统的温度控制精度不够。
发明内容
鉴于以上问题提出本发明。本发明的一个目的是提供一种用于吸引晶圆的静电吸盘的技术方案。根据本发明的第一方面，提供了一种静电吸盘，包括:用于支撑晶圆的绝缘层；和位于绝缘层中的半导体温控模块阵列。优选地，半导体温控模块阵列中各个半导体温控模块的制冷/制热开关和/或输出功率能够独立控制。优选地，该静电吸盘还包括:程控选择器，与半导体温控模块阵列电连接，用于控制半导体温控模块阵列中各个半导体温控模块的制冷/制热开关和/或输出功率。优选地，该静电吸盘还包括:温度探测器，用于探测吸附于静电吸盘上的晶圆的不同位置的温度；程控选择器与温度探测器相连，用于根据温度探测器探测的温度控制半导体温控模块阵列中每个半导体温控模块的制冷/制热开关和/或输出功率。优选地，温度探测器以预定图形分布于静电吸盘上。
优选地，半导体温控模块阵列为蜂窝状、矩阵排列，或者线阵列。优选地，该静电吸盘还包括:位于静电吸盘上的流体冷却系统。根据本发明的另一方面，提供一种用于处理晶圆的反应装置，包括:腔室，在腔室内用于支撑晶圆的上述静电吸盘。根据本发明的又一方面，提供一种晶圆温度控制方法，包括:确定静电吸盘中半导体温控模块阵列的各个半导体温控模块的输出参数，半导体温控模块阵列位于静电吸盘的用于支撑晶圆的绝缘层中，输出参数包括制冷/制热开关和/或输出功率；根据各个半导体温控模块的输出参数对半导体温控模块阵列中各个半导体温控模块进行控制以便控制晶圆的温度。优选地，半导体温控模块阵列中各个半导体温控模块的制冷/制热开关和/或输出功率能够独立控制。优选地，该方法还包括:探测吸附于静电吸盘上的晶圆的不同位置的温度；根据晶圆的不同位置的温度确定温度补偿图；确定静电吸盘中半导体温控模块阵列的各个半导体温控模块的输出参数包括:根据温度补偿图确定静电吸盘包括的半导体温控模块阵列中各个半导体温控模块的输出参数。优选地，探测吸附于静电吸盘上的晶圆的不同位置的温度包括:探测吸附于静电吸盘上的晶圆的预定图形位置上的温度。优选地，半导体温控模块阵列为蜂窝状、矩阵排列，或者线阵列。优选地，该方法还包括:通过位于静电吸盘上的流体冷却系统结合半导体温控模块阵列控制晶圆的温度。本发明的一个优点在于，通过控制静电吸盘上的半导体温控模块阵列能够更精细地控制晶圆的温度。本发明的另一个优点在于，通过独立控制静电吸盘上的半导体温控模块阵列，能够改善晶圆温度的非径向不一致性。通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
构成说明书的一部分的附图描述了本发明的实施例，并且连同说明书一起用于解释本发明的原理。参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本发明，其中:图1示出现有技术中基于环状多带冷却系统的晶圆温度补偿示图。图2A示出根据本发明的用于处理晶圆的反应装置的一个实施例的结构图。图2B示出根据本发明一个实施例中ESC中半导体温控模块阵列的俯视图。图2C示出根据本发明一个实施例中半导体温控模块的电路图。图3A示出根据本发明ESC的一个实施例的结构图。图3B示出图3A实施例中ESC中程控选择器电路示意图。图4示出根据本发明的晶圆温度控制方法的一个实施例的流程图。图5示出根据本发明的晶圆温度控制方法的另一个实施例的流程图。
图6示出根据本发明的晶圆温度控制方法的又一个实施例的流程图。图7示出根据本发明的晶圆温度控制方法的再一个实施例的流程图。图8示出根据本发明的晶圆温度控制的应用例的示意图。
具体实施例方式现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到:除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到:相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。本发明实施例的基本构思是提供嵌有半导体温控模块阵列的ESC，通过半导体温控模块阵列和流体冷却系统(Fluid coolant system)来控制晶圆的温度。图2A示出根据本发明的用于处理晶圆的反应装置的一个实施例的结构图。如图2所示，该实施例中反应装置包括腔室200，在腔室200内用于支撑晶圆25的静电吸盘21。静电吸盘21具有向内部施加来自ESC电源的直流电压的电极板或者导电栅23，利用由该施加的直流电压产生的库仑力或者Johnsen-Rahbek力吸附并保持晶圆25。静电吸盘21包括用于支撑晶圆的绝缘层和位于绝缘层中的半导体温控(Thermoelectricity，TE)模块阵列22。半导体温控模块阵列22中各个半导体温控模块的制冷/制热开关和/或输出功率能够独立控制。其中，半导体温控模块可以是半导体制冷/制热模块。半导体制冷/制热模块例如采用基于 Bi2Te3-Sb2Te3，Bi2Te3-Sb2Te3_Sb2Se3，P 型 Ag (l_x) Cu (x) Ti Te，N 型B1-Sb合金(alloy) ,YBaCuO的超导体(super conductor)。可以通过半导体温控模块阵列22独立实现晶圆温度的控制。通过控制半导体温控模块阵列22中各个半导体温控模块的制冷/制热开关和输出功率来调节被吸附在ESC上面的晶圆21的温度，从而能够更好地调整温度的不一致性，可以大大提高晶圆温度一致性，特别是改善非径向温度不一致性。本领域的技术人员可以理解，ESC中半导体温控模块阵列中的各个半导体温控模块可以独立控制，因此，能够较好地控制晶圆各个方向、各个位置的温度，更好地实现晶圆温度的一致性。ESC上半导体温控模块阵列22可以有多种排列方式，例如蜂窝状、矩阵排列，或者线阵列。图2B示出根据本发明一个实施例中ESC中半导体温控模块阵列的俯视图，在该实施例中，ESC 21上的半导体温控模块阵列22呈蜂窝状排列。图2C示出根据本发明一个实施例中半导体温控模块的电路图。如图2C所示，半导体温控模块包括N型半导体221、P型半导体222，导流条223和224，通过电源225为半导体温控模块提供电能。当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成电偶对时，在这个电路中接通直流电流后，就能产生能量的转移，电流由N型元件流向P型元件的接头吸收热量，成为冷端，由P型元件流向N型元件的接头释放热量，成为热端。图2C中示出导流条223为冷端，可以吸热，导流条224为热端，可以放热。如果改变电源225的正负极方向，导流条223将变为热端，导流条224将变为冷端。这样，对于每个半导体温控模块，不仅能够单独控制，而且可以根据需要进行制冷或者制热，从而能够更好地调整温度的不一致性，大大提高晶圆温度一致性，以及改善非径向温度不一致性。在一个实施例中，静电吸盘21还具有流体冷却系统。流体冷却系统位于半导体温控模块阵列22的下方，包括例如在圆周方向上延伸的环状多带制冷剂室24，从ESC冷却器(未示出)经过制冷剂用配管向该制冷剂室24中循环供给规定温度的制冷剂(例如，冷却水、液氦(He)等)，利用该制冷剂的温度来控制被吸附保持在ESC上面的晶圆21的处理温度。半导体温控模块阵列和流体冷却系统配合，能够更好地调整晶圆的温度，大大提高晶圆温度一致性，改善非径向温度不一致性。除了和传统的流体冷却系统配合，半导体温控模块阵列也可以和其他的冷却系统配合。图3A示出根据本发明ESC的一个实施例的结构图。如图3所示，ESC 21还包括与半导体温控模块阵列22电连接的程控选择器36，程控选择器36能够独立控制半导体温控模块阵列22中各个半导体温控模块的制冷/制热开关和/或输出功率。ESC 21还包括位于其中的多个温度探测器37，温度探测器37探测吸附于静电吸盘上的晶圆的不同位置的温度。程控选择器36与温度探测器37相连，根据温度探测器37探测的温度和输入的期望温度控制半导体温控模块阵列22中每个半导体温控模块的制冷/制热开关和/或输出功率，从而更好地调整晶圆温度一致性。在一个实施例中，温度探测器为红外(Infra-red，IR)温度监测芯片，具有射频(RF)功能，位于ESC-TE的表面，通过射频设备和处理器连接到半导体温控阵列，进行信息交互。温度探测器可以和半导体温控模块对应放置。在一个实施例中，温度探测器以预定图形分布于静电吸盘上。例如，温度探测器的分布和半导体温控模块阵列保持一致，实现对每个小区域的探测与控制。在一个实施例中，温度探测器位于静电吸盘内部，断面高度1/2处左右。上述实施例中，程控选择器根据温度探测器获得温度来控制半导体温控模块阵列中各个半导体温控模块的输出，可以更好、更精确地实现晶圆温度控制。图3B示出图3A实施例中ESC中程控选择器的一个例子的电路示意图。在图3B中，程控选择器36和半导体温控模块阵列22中的每个半导体温控模块分别连接，用于控制每个半导体温控模块的制冷/制热开关和输出功率。电源38为程控选择器36提供电力。图4示出根据本发明的晶圆温度控制方法的一个实施例的流程图。如图4所示，步骤402，确定静电吸盘中半导体温控模块阵列的各个半导体温控模块的输出参数，半导体温控模块阵列位于静电吸盘的用于支撑晶圆的绝缘层中，输出参数包括制冷/制热开关和/或输出功率。半导体温控模块阵列中各个半导体温控模块的制冷/制热开关和/或输出功率能够独立控制。步骤404，根据各个半导体温控模块的输出参数对半导体温控模块阵列中各个半导体温控模块进行控制以便控制晶圆的温度。图5示出根据本发明的晶圆温度控制方法的另一个实施例的流程图。如图5所示，步骤502，探测吸附于静电吸盘上的晶圆的不同(关键)位置的温度。根据晶圆不同位置的温度可以获得整个晶圆的温度分布图。步骤504，根据晶圆的不同位置的温度计算温度补偿图，即用来补偿晶圆温度不一致性的温度图。步骤506，根据温度补偿图确定流体冷却系统的输出功率。步骤508，根据温度补偿图和冷却系统的输出功率确定半导体温控模块阵列中各个半导体温控模块的输出功率。步骤510，对半导体温控模块阵列中各个半导体温控模块进行控制以便控制吸附于静电吸盘上的晶圆的温度达到预定的温度分布。图6示出根据本发明的晶圆温度控制方法的另一个实施例的流程图。如图6所示，步骤602，探测吸附于静电吸盘上的晶圆的不同(关键)位置的温度。根据晶圆不同位置的温度可以获得整个晶圆的温度分布图。步骤604，根据晶圆的不同位置的温度计算温度补偿图，即用来补偿晶圆温度不一致性的温度图。步骤606，根据温度补偿图确定半导体温控模块阵列中各个半导体温控模块制冷/制热开关、和制冷/制热的输出功率。也就是说，部分半导体温控模块用于对晶圆的对应位置进行制冷，而部分半导体温控模块用于对晶圆的对应位置进行制热。步骤608，对半导体温控模块阵列中各个半导体温控模块进行控制以便控制吸附于静电吸盘上的晶圆的温度达到预定的温度分布。图7示出根据本发明的晶圆温度控制方法的再一个实施例的流程图。如图7所示，步骤702，收集物理参数图。选取一个关心(或重要)图形进行全晶圆所有DIE(单元晶片)的CD量测，根据CD量测结果通过软件作图得到全晶圆的CD分布图。⑶量测设备可以是量测机台，例如⑶SEM或者O⑶。步骤704，根据物理参数图计算温度补偿图。准备冷却系统的工作曲线，建立(例如蚀刻)关键步骤中ESC温度与CD的关系；基于物理参数图，计算出与设置值的偏差，通过工作曲线计算出需要调整的温度值，获得温度补偿图。步骤706，根据温度补偿图确定冷却系统和半导体温控模块阵列中各个半导体温控模块的输出功率。步骤708，控制冷却系统和半导体温控模块阵列中各个半导体温控模块的输出功率。图8示出图7实施例中的晶圆温度控制的工作示意图。例如，在干法蚀刻中，随着持续的等离子(plasma) 87轰击，晶圆84的温度会不断升高。ESC在夹紧晶圆的同时，与半导体温控模块82对应设置的温度探测器86监测晶圆各个位置的温度，通过流体冷却系统83内部流动的制冷剂流体来释放并且控制晶圆84温度，通过半导体温控模块阵列82中的各个半导体温控模块提供额外的制冷/制热来源。通过工作曲线85来控制流体冷却系统83，程控选择器81根据工作曲线85和温度参数图确定温度补偿图，控制半导体温控模块阵列82中各个半导体温控模块的输出功率。在实际操作中可以适当整体降低ESC的温度，通过半导体温控模块阵列中半导体温控模块将晶圆的温度控制到设定值。至此，已经详细描述了根据本发明的静电吸盘和晶圆温度控制方法。为了避免遮蔽本发明的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。
权利要求
1.一种用于吸引晶圆的静电吸盘(ESC)，其特征在于，包括: 用于支撑晶圆的绝缘层；和 位于所述绝缘层的半导体温控模块阵列。
2.根据权利要求1所述的静电吸盘，其特征在于，所述半导体温控模块阵列中各个半导体温控模块的制冷/制热开关和/或输出功率能够独立控制。
3.根据权利要求1所述的静电吸盘，其特征在于，还包括:程控选择器，与所述半导体温控模块阵列电连接，用于控制所述半导体温控模块阵列中各个半导体温控模块的制冷/制热开关和/或输出功率。
4.根据权利要求3所述的静电吸盘，其特征在于，还包括:温度探测器，用于探测吸附于所述静电吸盘上的晶圆的不同位置的温度； 所述程控选择器与所述 温度探测器相连，用于根据所述温度探测器探测的温度控制所述半导体温控模块阵列中每个半导体温控模块的制冷/制热开关和/或输出功率。
5.根据权利要求4所述的静电吸盘，其特征在于，所述温度探测器为红外温度探测器，具有射频芯片。
6.根据权利要求1所述的静电吸盘，其特征在于，所述半导体温控模块为半导体制冷/制热模块，所述半导体制冷/制热模块采用基于Bi2Te3-Sb2Te3，Bi2Te3-Sb2Te3-Sb2Se3，P型 Ag(l-x)Cu(x)Ti Te，N 型 B1-Sb 合金，YBaCuO 的超导体。
7.根据权利要求1所述的静电吸盘，其特征在于，所述半导体温控模块阵列为蜂窝状、矩阵排列，或者线阵列。
8.根据权利要求1所述的静电吸盘，其特征在于，还包括: 位于所述半导体温控模块阵列下方的流体冷却系统。
9.一种用于处理晶圆的反应装置，其特征在于，包括: 腔室， 在所述腔室内用于支撑晶圆的如权利要求1至8中任意一项所述的静电吸盘。
10.一种晶圆温度控制方法，其特征在于，包括: 确定静电吸盘中半导体温控模块阵列的各个半导体温控模块的输出参数，所述半导体温控模块阵列位于所述静电吸盘的用于支撑晶圆的绝缘层中，所述输出参数包括制冷/制热开关和/或输出功率； 根据所述各个半导体温控模块的输出参数对所述半导体温控模块阵列中各个半导体温控模块进行控制以便控制所述晶圆的温度。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述半导体温控模块阵列中各个半导体温控模块的制冷/制热开关和/或输出功率能够独立控制。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括: 探测吸附于所述静电吸盘上的晶圆的不同位置的温度； 根据所述晶圆的不同位置的温度确定温度补偿图； 所述确定静电吸盘中半导体温控模块阵列的各个半导体温控模块的输出参数包括:根据所述温度补偿图确定静电吸盘包括的半导体温控模块阵列中各个半导体温控模块的输出参数。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述探测吸附于所述静电吸盘上的晶圆的不同位置的温度包括: 探测吸附于所述静电吸盘上的晶圆的预定图形位置上的温度。
14.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述半导体温控模块为半导体制冷/制热模块，所述半导体制冷/制热模块采用基于Bi2Te3-Sb2Te3，Bi2Te3-Sb2Te3-Sb2Se3，P型Ag(l-x)Cu(x)Ti Te，N 型 B1-Sb 合金，YBaCuO 的超导体。
15.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述半导体温控模块阵列为蜂窝状、矩阵排列，或者线阵列。
16.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括: 通过位于所述半导体温控模块阵列下方的流体冷却系统结合所述半导体温控模块阵列控制所述晶圆的温度 。
全文摘要
本发明公开了一种用于处理晶圆的反应装置、静电吸盘和晶圆温度控制方法，涉及半导体工艺技术领域。该静电吸盘包括用于支撑晶圆的绝缘层；和位于绝缘层中的半导体温控模块阵列。半导体温控模块阵列中各个半导体温控模块的制冷/制热开关和/或输出功率能够独立控制。半导体温控模块阵列中各个半导体温控模块的制冷/制热开关和/或输出功率能够独立控制。与流体冷却系统配合，通过控制半导体温控模块阵列中各个半导体温控模块的制冷/制热开关和输出功率来调节被吸附在ESC上面的晶圆的温度，从而能够更好地调整温度的不一致性，可以大大提高晶圆温度一致性，特别是改善非径向温度不一致性。
文档编号H01L21/67GK103137517SQ201110379158
公开日2013年6月5日 申请日期2011年11月25日 优先权日2011年11月25日
发明者何其旸, 三重野文健, 张翼英 申请人:中芯国际集成电路制造(北京)有限公司