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TW201539607A - 電漿處理設備及該設備之具有決定其溫度之光纖的元件 - Google Patents

電漿處理設備及該設備之具有決定其溫度之光纖的元件 Download PDF

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TW201539607A
TW201539607A TW103143610A TW103143610A TW201539607A TW 201539607 A TW201539607 A TW 201539607A TW 103143610 A TW103143610 A TW 103143610A TW 103143610 A TW103143610 A TW 103143610A TW 201539607 A TW201539607 A TW 201539607A
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Abstract

一種用以處理半導體基板之電漿處理設備包含半導體基板係在其中受到處理之電漿處理腔室。製程氣體源係與電漿處理腔室流體連通，並用以將製程氣體供應至該電漿處理腔室中。RF能量源係用以在電漿處理腔室中將製程氣體充能成電漿態。製程氣體及電漿處理之副產物係從電漿處理腔室穿過真空口排放。電漿處理設備之至少一元件包含側向延伸的光纖及溫度監測配置，側向延伸的該光纖係在該元件之電漿曝露的表面下方處，該表面之空間溫度量測係希望於該處進行，該溫度監測配置係耦接至該光纖，俾以監測沿著該光纖之不同位置的溫度。

Description

電漿處理設備及該設備之具有決定其溫度之光纖的元件
本發明關於半導體電漿處理設備之元件，且更具體而言，關於包含側向延伸之光纖以監測沿著該光纖之不同位置的溫度之元件。
電漿處理設備係用以藉由包含蝕刻、電漿增強物理氣相沉積(PEPVD)、化學氣相沉積(CVD)、電漿增強化學氣相沉積(PECVD)、原子層沉積(ALD)、離子佈植、及阻劑移除的技術而處理半導體基板。起因於減縮的特徵部尺寸及新材料的運用，需要在電漿處理設備上有所改善以控制及監測電漿處理條件，像是在處理期間的元件溫度。
在此揭露的是用以處理半導體基板之電漿處理設備。電漿處理設備包含半導體基板係在其中受到處理之電漿處理腔室。製程氣體源係與電漿處理腔室流體連通，並用以將製程氣體供應至電漿處理腔室中。RF能量源係用以在電漿處理腔室中將製程氣體充能成電漿態。製程氣體及電漿處理之副產物係從電漿處理腔室穿過真空口排放。電漿處理設備之至少一元件包含側向延伸的光纖及溫度監測配置，側向延伸的該光纖係在該元件之電漿曝露的表面下方處，該表面之空間溫度量測係希望於該處進行，該溫度監測配置係耦接至該光纖，俾以監測沿著該光纖之不同位置的溫度。
亦在此揭露的是電漿處理設備之元件。元件包含在該元件之電漿曝露的表面下方處之側向延伸的光纖，該表面的空間溫度量測係希望於該處進行，其中側向延伸的該光纖係配置成耦接至溫度監測配置，使得可監測沿著該光纖之不同位置的溫度。
亦在此揭露的是在電漿處理設備中電漿處理半導體基板的方法，該電漿處理設備包含一元件，該元件包含在該元件之電漿曝露的表面下方處之側向延伸的光纖，該表面的空間溫度量測係希望於該處進行，其中側向延伸的該光纖係耦接至溫度監測配置，使得可監測沿著該光纖之不同位置的溫度。方法包含將製程氣體從製程氣體源供應到設備之電漿處理腔室中；將RF能量供應到該電漿處理腔室中，俾以從該製程氣體產生電漿；及在該電漿處理腔室中電漿處理半導體基板。方法更包含提供光至元件之側向延伸的光纖中；偵測離開側向延伸的該光纖的光；及基於進入及離開該光纖之光的參數而判定沿著該光纖之不同位置的溫度。
在此揭露的是半導體電漿處理設備之元件，其各自在該元件之電漿曝露表面下方處包含側向延伸之光纖(光纖)，該表面之空間溫度量測係希望於該處進行，其中該側向延伸之光纖係配置成耦接到溫度監測配置，使得可監測沿著該光纖不同位置的溫度。半導體電漿處理設備較佳地包含真空腔室，其可為半導體電漿處理設備之電漿蝕刻腔室或沉積腔室(在此稱做「真空腔室」)。在接下來的描述中，提出眾多特定細節以提供所呈現實施例的徹底理解。然而，對於該領域中具有通常知識者將顯而易見的是所呈現實施例可在無此等特定細節之一些或所有者的情況下執行。在其它情況中，不詳述為人熟知的製程操作，以免無謂地混淆在此揭露之所呈現實施例。此外，如在此所用，當關於數值而使用用語「約」時，其代表±10%。
電漿處理期間所用之許多元件的適當表現取決於在電漿處理期間維持元件的適當或理想溫度。再者，許多電漿處理製程的表現取決於支撐在基板支撐部組件之上表面上的基板之溫度輪廓。舉例來說，在電漿處理期間，可使用基板支撐部組件以微調支撐在其上表面上的基板之空間及/或時間溫度輪廓。為了微調基板溫度輪廓，可控制包含在基板支撐部組件中的熱控制元件陣列來微調該基板支撐部組件之上表面的溫度，從而控制支撐於該基板支撐部組件之上表面上的基板之溫度輪廓。基板支撐部組件及用於基板支撐部組件之加熱配置(亦即，微調配置)的示範實施例可見於共同受讓之美國專利第8,461,674號、及共同受讓之美國專利公開案第2011/0092072、2012/0097661、2013/0068750、2013/0220989、及2011/0143462號、及共同受讓之美國專利申請案第13/908,676號中，茲將以上各者整體併入做為參考。用於基板支撐部組件(其包含電連接至電源及電力開關系統之熱控制元件陣列)的該電源及該電力開關系統之示範實施例可見於共同受讓之美國專利申請案第13/690,745號中，茲將其整體併入做為參考。
基板支撐部組件可包含有用於在處理期間將半導體基板(基板)以靜電方式固持於基板支撐部組件上的靜電夾頭(ESC)。基板支撐部組件可包含陶瓷基板固持器、流體冷卻式散熱器(亦即，冷卻板)及複數平面加熱器區域以實現基板支撐部組件之逐步且徑向的溫度控制、方位角溫度控制、及/或一個晶粒接著一個晶粒的溫度控制。舉例來說，在實施例中，可將流體冷卻式散熱器維持在約-20°C及80°C之間，其中熱控制元件(加熱器)陣列可將基板支撐部組件的支撐表面(因此還有支撐在該支撐表面上的基板)維持在比該流體冷卻式散熱器之溫度高約0°C到90°C的溫度。藉由改變供應至形成複數平面加熱器區域之熱控制元件陣列的加熱器電力，可控制基板支撐部組件之上表面的溫度輪廓，且因而可控制支撐於該基板支撐部組件之上表面上的基板之溫度輪廓。
然而，就幾個理由而言，控制溫度並非簡單的任務。首先，許多因素可能影響熱傳，像是熱源及散熱器的位置、RF輪廓、及介質的運動、材料及形狀。第二，熱傳為動態過程。除非所涉系統係處於熱平衡，否則便會發生熱傳，且溫度輪廓及熱傳將隨時間改變。第三，非平衡現象(像是在電漿處理期間所產生的電漿)使得任何實際電漿處理設備之熱傳行為的理論預測變得非常困難(假如並非不可能)。
因此，為了提供對於各元件之較佳的溫度控制，提供對於電漿處理中所用之元件(像是基板支撐部組件)及該等元件之電漿曝露表面的精確溫度量測具有益處。然而，當於電漿處理設備中處理基板時，改變的處理條件(像是改變的氣體流率、處理溫度、電漿溫度、電漿密度、RF輪廓及類似者)可能造成許多種監測元件溫度的溫度感測器、或許多種監測推導元件溫度所需之參數的感測器收集到雜訊。因此，期望對於電漿處理設備之元件的精確溫度量測、及對於電漿處理設備之元件的無雜訊之溫度量測。
圖1顯示電漿處理設備之間隙可調電容耦合電漿(CCP)蝕刻腔室300(「腔室」)的實施例，其可包含根據在此所揭露實施例之元件。根據在此所揭露實施例之元件各自包含側向延伸之光纖，該側向延伸之光纖係耦接至溫度監測配置以便監測沿著該光纖之不同位置的溫度，且可運作以判定該元件之電漿曝露表面的空間溫度。腔室300包含腔室外殼302；安裝於腔室外殼302之頂板328的上部電極組件325；安裝於腔室外殼302之底板305、與上部電極組件325之下表面間隔且實質上平行之下部電極組件315(亦即，基板支撐部組件)；圍繞上部電極組件325及下部電極組件315之間之間隙332的侷限環組件306；上部腔室壁304；及包圍上部電極組件325之頂部部份的腔室頂部330。
上部電極組件325較佳地包含上部噴淋頭電極324及支撐板326。上部電極組件325亦可可選地包含圍繞上部噴淋頭電極324之外部電極324a、以及圍繞支撐板326之可選支撐環326a。上部噴淋頭電極324及支撐板326包含用以將製程氣體分配至定義於上部噴淋頭電極324及下部電極組件315之間之間隙332中的氣體通道。上部電極組件325可包含額外的元件，像是RF密合墊320、加熱元件321、及其它零件。腔室外殼302具有基板314係穿過其中載入腔室300或自腔室300卸載的閘口(未顯示)。舉例來說，基板314可穿過負載鎖進入腔室，如共同受讓之美國專利第6,899,109號中所述，茲將其整體併入做為參考。
上部噴淋頭電極324較佳地係由像是單晶矽或多晶矽之半導體相容材料形成。支撐板326係較佳地係由鋁或鋁合金形成。較佳地，支撐板326及噴淋頭電極324係經配置而使其可導熱及導引RF電流穿過其中。
在一些示範實施例中，上部電極組件325在上及下方向(圖1中的箭號A及A')可調整，俾以調整上部及下部電極組件325/315之間的間隙332。上部組件升降致動器356升降上部電極組件325。在例示中，自腔室頂板328鉛直延伸的環形延伸部329係可調整地沿著上部腔室壁304的圓柱形孔303被定位。可使用密封配置(未顯示)來提供329/303之間的真空密封，然而容許上部電極組件325相對於上部腔室壁304及下部電極組件315移動。RF返回帶348可將上部電極組件325及上部腔室壁304電耦接，使得直流電可傳導穿過其中。
為了簡要起見，僅將一連接至氣體源334的氣體管線336顯示於圖1，其中該氣體管線延伸穿過軸388。額外的氣體管線可耦接至上部電極組件325，並可將氣體供應穿過上部腔室壁304及/或腔室頂部330的其它部份。
在其它示範實施例中，下部電極組件315可上下(圖1中的箭號B及B’)移動以調整間隙332，而上部電極組件325可為靜止或可動。圖1顯示連接到軸360之下部組件升降致動器358，軸360延伸穿過腔室外殼302之底板(底部壁)305至支撐下部電極組件315之下部傳導元件364。伸縮囊362形成密封配置之一部分以在軸360及腔室外殼302之底板305之間提供真空密封，然而在軸360藉由下部組件升降致動器358升降時容許下部電極組件315相對於上部腔室壁304及上部電極組件325移動。較佳地，軸360為中空，使得可將磁性敏感之感測器及電連接部供應穿過其中。若有需要，可藉由其它配置升降下部電極組件315。舉例來說，藉由懸臂樑升降下部電極組件315的另一個間隙可調電容耦合電漿處理腔室之實施例係揭露於共同受讓之美國專利第7,732,728號中，茲將其整體併入做為參考。
若有需要，可藉由至少一下部RF帶346將可動的下部電極組件315接地到腔室壁，下部RF帶346將外部邊緣環(接地環)322電耦接至像是腔室壁襯墊352之導電性零件，並且為電漿提供短的RF返回路徑，然而容許下部電極組件315在像是多階段電漿處理期間(其中間隙係設定至不同高度)於腔室300內鉛直移動。
下部電極310通常係由一或更多RF電源340供應RF電力，RF電源340係透過阻抗匹配網路338耦接至下部電極310。可以例如400kHz、2MHz、13.56MHz、27MHz及60MHz之一或更多頻率供應RF電力。RF電力激發製程氣體而在間隙332中產生電漿。在一些實施例中，上部噴淋頭電極324及腔室外殼302係電耦接至接地。在其它實施例中，上部噴淋頭電極324係從腔室外殼302絕緣，且係由RF供應器透過阻抗匹配網路來供應RF電力。
上部腔室壁304的底部包含真空口344，其中可將真空泵單元(未顯示)耦接至真空口344，使得氣體可從腔室300排放。較佳地，侷限環組件306實質上終結形成於間隙332內之電場，並防止該電場穿透外部腔室容積368。可藉由至少一可撓性RF帶350將侷限環組件306接地至腔室壁，RF帶350將侷限環組件306電耦接至像是上部腔室壁304之導電性零件。在實施例中，侷限環組件306可受支撐元件308所支撐，使得侷限環組件306可藉致動器(未顯示)而升降。圖1顯示透過水平延伸部354而支撐的傳導性腔室壁襯墊352。較佳地，水平延伸部354為導電性。(複數)RF帶350較佳地藉由將侷限環組件306電耦接至水平延伸部354或者是上部腔室壁304而提供短的RF返回路徑。在腔室300內，(複數)RF帶350可於侷限環組件306的不同鉛直位置提供侷限環組件306及上部腔室壁304之間的傳導路徑。
注入間隙332的製程氣體經充能而產生用以處理基板314的電漿、通過侷限環組件306、並進入外部腔室容積368，直到穿過真空口344藉由真空泵單元加以排放。
在實施例中，RF電源340在操作期間對下部電極組件315供應RF電力，RF電源340經由軸360輸送RF能量至下部電極310。間隙332中的製程氣體被輸送到下部電極310的RF電力電激發而產生電漿。
圖2顯示其中可包含在此所揭露元件之實施例的感應耦合電漿處理設備之實施例。感應耦合電漿處理設備可包含真空腔室200。真空腔室200包含用以在真空腔室200的內部中支撐基板214的下部電極組件215。介電窗20形成真空腔室200之頂壁。製程氣體係透過氣體注射器22而注射至真空腔室200的內部。氣體源234透過氣體注射器22將製程氣體供應至真空腔室200的內部。
一旦製程氣體被引入真空腔室200的內部，便藉由供應能量至真空腔室200之內部內的天線18將該等製程氣體充能成電漿態。較佳地，天線18為藉RF電力源240及RF阻抗匹配電路238所供能而以感應方式將RF能量耦合至真空腔室200內的外部平面天線。然而，在替代性實施例中，天線18可為非平面的外部或嵌入式天線。藉由對平面天線施加RF電力而產生的電場在真空腔室200之內部中將製程氣體充能而在基板214上方形成高密度電漿(例如109 -1012 離子/立方公分)。在蝕刻製程期間，天線18(亦即，RF線圈)執行類似於變壓器中之主線圈者的功能，而在真空腔室200中所產生的電漿執行類似於變壓器中之副線圈者的功能。較佳地，天線18係藉由電連接部238b(亦即，導線)電連接至RF阻抗匹配線路238，而RF電力源240係藉由電連接部240b電連接至RF阻抗匹配線路238。
現在參照圖1及2，電漿腔室元件可包含上部電極組件325、下部電極組件215、侷限環組件306、上部噴淋頭電極324、支撐板326、外部電極324a、可選的支撐環326a、介電窗20、天線18、上部腔室壁304、及腔室壁(像是腔室頂部330、及底板305)，該等電漿腔室元件各自在該元件之電漿曝露表面下方處包含側向延伸光纖，該表面之空間溫度量測係希望於該處進行，其中該側向延伸光纖係配置成耦接至溫度監測配置，使得可監測沿著光纖之不同位置的溫度。
耦接至側向延伸光纖的溫度監測配置係較佳地為感測器系統，其中該感測器系統包含光源及光偵測器。在感測器系統中由光源產生光訊號(像是UV光、自然光、近紅外光、或紅外光訊號)，其中該光訊號進入光纖之一端。然後光離開光纖(已沿著光纖長度行進)，其中光係隨後藉由光可在該處被分析的偵測器加以偵測。取決於實施例的細節，於感測器系統之偵測器所接收的光可能已沿著光纖的整個長度行進，或者可能從光纖的中間點反射回來。在一實施例中，感測器系統可包含兩對光源及偵測器，在光纖之每一端配置一對以在系統中設置備用件。
側向延伸光纖的光學性質會受其溫度上的改變影響。舉例來說，當光纖的一區段在其溫度上經歷改變時，其會遭受熱膨脹及折射率上的改變。此等改變可藉由偵測進入光纖且隨後離開光纖並被偵測器捕捉之光在光學性質上的改變而加以偵測。
在干涉法偵測技術的情況中，係使用由光纖所提供之光徑長度上的改變來提供溫度的表示，該等改變係起因於光纖之物理長度或折射率上的改變。從光纖所發射的光能夠與尚未沿著相同光纖通行之來自光源的光進行干涉而形成干涉訊號。干涉訊號的大小會對於接收之光訊號與原始光訊號之間的相位差敏感。因此，只要選擇原始光源的波長而提供對於光纖所經歷之長度改變敏感的干涉訊號，便可使用該干涉訊號的大小做為光纖(因此還有光纖與之熱接觸的元件部份)之溫度的指標。合適的波長範圍為與電磁光譜之可見光、紫外光、紅外光、及近紅外區域對應者。較佳地，光源為雷射光源，像是SLD光源。特定的波長係取決於特定光纖中之光的行進性質而選定。
在較佳實施例中，於光纖內沿著其長度形成一或更多光學光柵(像是一或更多布拉格光纖光柵(FBG))。舉例來說，如圖7中所示，光纖155可包含被覆部156、核心157、及核心157中的光柵(像是FBG 158)。每一FBG係經微調而使得其會反射由光柵之各尺寸所決定之特定波長的光。假如具有FBG的光纖區段係安置成與希望於該處進行溫度量測之元件部份(像是該元件之電漿曝露表面下方處)熱接觸，則在與該元件熱接觸的位置之光纖長度上的改變將造成FBG之尺寸及光纖之折射率兩者上的改變。該二效果皆改變任何由FBG所反射及/或傳輸之光的波長，因而可被用來做為光纖在FBG位置之溫度的指標。亦可以類似於FBG的方式使用長週期光柵(LPG)，但是在利用LPG的實務上，用作感測器之基礎的通常只有傳輸光的波長，而非反射者。在以下討論中，適當時係將該二用語交替使用。
FBG具有好處，因為單一光纖可沿著其長度設置有複數FBG，其中每一FBG對於不同波長的光敏感，且沿著光纖長度的每一FBG對應至元件之希望溫度受到量測的各位置(像是元件之一表面)。因此，舉例來說，可藉由以下者而使支撐在基板支撐部組件上表面上之基板的特定晶粒之溫度獨立於該基板之剩餘晶粒受判定：藉由安排光纖而使其每一FBG對應到基板之各晶粒、然後射入與各晶粒熱接觸之每一FBG之對應波長的光來判定其局部溫度。在如此技術中，光源可有用地為窄光譜或寬光譜光源、及/或調諧或非調諧光源。可使用複數FBG，其反射/傳輸基本上處於相同波長的光。在此情況中，需要分時多工(time division multiplexing)以區分每一FBG之不同的感測器訊號。
光源本身可為任何合適的光電光源，像是光發射二極體、超級發光二極體(super luminescent diode，SLD)、或類似的雷射元件。
干涉法技術亦可基於光纖之長度及折射率隨溫度的改變而使用。可輕易將此等技術用於判定較大面積各處(通常像是橫跨基板支撐部組件之上表面)的溫度。
在較佳實施例中，元件為用以將基板支撐在其上表面上的靜電夾頭(ESC)，其中該靜電夾頭在其中的通道內包含側向延伸光纖，或在替代性實施例中，在ESC之單一通道中或在ESC之至少二個別通道中包含至少二側向延伸光纖。在較佳實施例中，光纖係以黏著劑黏接在ESC之通道中，其中該通道係在該ESC之下表面。可使用膠或黏著劑(像是玻璃強化環氧樹脂)來達成對於ESC、或任何個別元件之固定附著，亦可將該膠或黏著劑選定成具有與其所附著之ESC、或個別元件、及/或光纖者類似或實質上相同的熱膨脹。亦可使用矽氧樹脂凝膠或黏著劑(像是低模數矽氧樹脂)來做附著。光纖及元件之間在熱膨脹係數上的微小差異可能造成應力透過黏著劑之不同的膨脹而引入光纖，且可能在溫度量測上造成不精確，所以可能的話應加以避免或減少。
可使用任何合適的光纖寬度。在此範例中，光纖直徑可為約0.1mm至5mm。光纖在其當中可包含1-40或更多的FBG。
感測器系統較佳地為詢問器，像是搭配寬帶光源使用的高解析度近紅外光譜儀，其用以詢問每一FBG感測器、可調諧雷射系統、掃描標準具(etalon)或干涉儀、或類似者的狀態。較佳地，詢問器的數據獲取速率為約1Hz至約5MHz、或更大。在較佳實施例中，詢問器使用經常用於WDM(分波多工(wave division multiplexing))通訊網路中之分波解多工(wavelength division demultiplexing，WDDM)的原理來即時分離來自FBG之每一者的訊號及詢問沿著單一光纖分佈之(約1到40)FBG的陣列中每一FBG的狀態。在較佳實施例中的詢問器可使用被動解調變技術(基於WDM干涉濾波器)，其中於感測器系統的每一偵測器將陣列中之每一FBG的波長編碼光學特徵轉換成電訊號，該感測系統的每一偵測器藉由干涉濾波器之帶通(bandpass)光學性質而接收該光學特徵。載送來自每一FBG之資訊的轉換之電訊號可藉由CPU或微處理器控制器加以處理，該CPU或該微處理器控制器可安裝在裝備有習知的快閃記憶體資料儲存器及資料傳輸元件(像是USB、乙太網路、無線、或藍芽者)的PC板上。
在實施例中，沿著光纖分佈的每一布拉格光纖光柵反射部份進入光纖的光(由光柵的布拉格條件決定)，並將剩餘的光傳輸至下一光柵。返回之來自分佈之FBG之每一者的波長編碼光訊號係由感測器系統加以接收及處理。位在偵測器前方的波長選擇性WDM干涉光學濾波器容許選定之FBG波長傳輸至偵測器，同時反射其它FBG感測器波長之所有者。針對每一FBG重複此程序，使得可收集每一FBG之光學訊號。
元件較佳地包含延伸於該元件之曝露表面下方處的通道，該表面之一或更多溫度量測係希望於該處進行；及包含在其通道中的側向延伸光纖，其中該光纖係耦接至溫度監測配置以便監測沿著該光纖之不同位置的溫度。在實施例中，元件可在其曝露表面下方處包含至少二側向延伸光纖，該表面之空間溫度量測係希望於該處進行。每一光纖係配置成耦接至溫度監測配置以便監測在每一光纖之不同位置的溫度，其中至少二側向延伸光纖係各自配置成在希望於該處進行空間溫度量測之元件的曝露表面之個別部份下方處。該至少二側向延伸光纖可在該元件之單一通道或該元件之至少二個別通道中。元件之通道係較佳地在其下表面。較佳地，通道或至少二通道包含一或更多彎部；為直線形；為圓形；為半圓形；具有鋸齒形圖案、螺旋形圖案、蛇形圖案。在實施例中，通道可為圓形，其中該通道可在其當中包含中斷部。
圖3顯示可包含根據在此所揭露實施例之元件的基板支撐部組件100之示範實施例。在一實施例中，基板支撐部組件100可包含加熱板，該加熱板具有附接於介電層120之底側的加熱器層123。介電層120在其當中具有至少一ESC(靜電固持)電極124(例如單極或雙極)，俾以藉由施加DC電壓至該夾持電極而將基板以靜電方式固持於組件100之曝露的上表面。加熱器層123可由一或更多層製成，該一或更多層由聚合物材料、無機材料、陶瓷(像是氧化矽)、鋁、釔、氮化鋁或其它合適材料所做成。介電層120較佳地包含通道165及以黏著劑160附著於通道165之壁的側向延伸光纖155，其中光纖155係耦接至用以判定沿著光纖155之長度之不同位置的溫度之感測器系統150。通道165及附著在其中的光纖155係較佳地圖案化於介電層120之下表面(見圖6A、6B)。包含供冷卻劑流用之冷卻劑通道126的冷卻板105係附接於加熱器層123的下表面。
可將冷卻板105的溫度例如從約-20°C至+80°C動態調整，或替代地可將其維持在例如從約-20°C至+80°C的一恆定溫度。包含展延範圍之溫度控制的基板支撐部組件之示範性實施例可見於共同受讓之美國專利第8,546,732、及6,921,724號中，茲將其整體併入做為參考。基板支撐部組件100亦較佳地包含複數加熱器區域，像是合併於加熱器層123中的加熱器區域T1、T2、T3、T4，其每一者皆包含連接到共同線路107、正電壓線路128及負電壓線路109之各單一熱電帕耳帖(Peltier)裝置(亦即，熱電模組)或各帕耳帖元件模組(P1、P2、P3、P4)。在替代性實施例中，基板支撐部組件100可包含多於四加熱器區域或少於四加熱器區域。可在線路128、109及帕耳帖裝置P1、P2、P3、P4之間設置二極體121以控制電流流動方向。靜電固持電極124係連接到固持電壓供應線路111。
如圖3中所示，平面加熱器區域之每一者(例如T1、T2、T3、T4)係連接到正電壓線路128、負電壓線路109及共同線路107。沒有兩個平面加熱器區域T1、T2等共用相同一對線路128/109及107。藉由合適的電開關配置，能夠將正電壓線路128或負電壓線路109兩者之一、及共同線路107之一者連接到電源(未顯示)，藉以僅對連接到此對線路的該平面加熱器區域供能。每一平面加熱器區域之時間平均加熱電力可藉由時域多工來個別微調。包含時域多工之基板支撐部組件的示範性實施例可見於共同受讓之美國專利第8,587,113號中，茲將其整體併入做為參考。連接於每一平面加熱器區域T1、T2、T3、T4及正電壓線路或負電壓線路之間的二極體121不允許電流從平面加熱器區域至未作用之電壓線路的流動。二極體121可實體地位於加熱器層中或任何合適的位置。藉由啟動正電壓線路或負電壓線路，可造成平面加熱器區域之上表面的加熱或冷卻，而帕耳帖裝置的相反側係藉由冷卻板105而冷卻或加熱。
在較佳實施例中，光纖155透過入口501進入基板支撐部組件，其中光纖155包含複數布拉格光纖光柵158，像是布拉格光纖光柵158a、158b、158c、158d。每一布拉格光纖光柵係較佳地配置成使其對應各加熱器區域T1、T2、T3、T4，其中每一布拉格光纖光柵係用以量測每一加熱器區域T1、T2、T3、T4之各自的溫度。
在替代性實施例中，如圖4中所示，基板支撐部組件400可包含可支撐熱絕緣體404的冷卻板405。介電層420係較佳地安裝在熱絕緣體404上方，其中介電層420較佳地包含嵌入於其中之至少一ESC電極424及加熱器408。較佳地，加熱器408為電阻式加熱器並配置於介電層420中而使其形成複數加熱器區域，像是矩形網格之加熱器區域、同心環形加熱器區域、輻射形加熱器區域、或輻射形及環形加熱器區域之組合，其中一或更多加熱器形成每一加熱器區域。較佳地，每一加熱器係個別供能，或替代地，每一加熱器群組係個別供能。介電層420較佳地包含通道165及在嵌入之加熱器408下方以黏著劑160附著到通道165之壁的側向延伸光纖155，其中光纖155係耦接至用以判定沿著光纖155的長度之不同位置的溫度之感測器系統150。通道165及附著在其中的光纖155係較佳地圖案化於介電層420之下表面(見圖5A、5B)。
在較佳實施例中，光纖155透過入口401進入基板支撐部組件400，其中光纖155包含複數布拉格光纖光柵158，像是對應到每一加熱器408之布拉格光纖光柵。然而，在替代性實施例中，於光纖155內可能具有比嵌入於介電層中之加熱器408更少的布拉格光纖光柵。在另一替代性實施例中，可將一或更多布拉格光纖光柵158配置成使得布拉格光纖光柵之一或更多者對應到基板支撐部組件400之各加熱器區域，其中每一布拉格光纖光柵係用以量測每一加熱器區域之各自的溫度。
在實施例中，如圖5中所示，加熱器層123可包含複數平面加熱器區域101、及與每一個別平面加熱器區域101熱接觸以判定每一平面加熱器區域101之個別溫度的光纖155，光纖155包含FBG 158、或在替代性實施例中包含長週期光柵。較佳地，平面加熱器區域101係配置成各自對應到將於基板支撐部組件之上表面上受處理之各基板的晶粒。感測器系統(未顯示)可用以藉由從每一FBG 158所反射之分時多工的光而判定每一平面加熱器區域101的溫度。光纖較佳地透過加熱器層之非曝露表面中的入口501進入加熱器層123。平面加熱器區域可藉由電源及複數電力供應線路及複數電力返回線路加以供能，其中每一電力供應線路係連接到電源以及連接到至少二平面加熱器區域，每一電力返回線路係連接到至少一平面加熱器區域，且沒有兩個平面加熱器區域共用相同對電力供應線路及電力返回線路。
如圖6A、6B中所示，通道165係較佳地圖案化於元件500之下表面。較佳地，光纖155透過入口501進入元件500並透過出口502離開(見圖6A)，其中該入口及該出口係在元件500之非曝露表面。在替代性實施例中，可省去出口502。在一實施例中，元件500可包含至少二通道(見圖6B)，像是第一通道165a及第二通道165b，其中個別的光纖155a、155b係在該元件之每一個別通道中且其中每一光纖155a、155b係在希望於該處進行溫度量測之該元件的電漿曝露表面下方處。
在進一步的實施例中，揭露於包含在此揭露元件之實施例的半導體電漿處理設備中電漿處理半導體基板的方法。方法包含將製程氣體從製程氣體源供應到電漿處理腔室中；將RF能量供應到該電漿處理腔室中以從該製程氣體產生電漿；及在該電漿處理腔室中電漿處理半導體基板。在處理之前、處理期間及/或處理之後，可將光提供到元件之側向延伸光纖中，其中可偵測離開該光纖的光而使得可基於進入及離開該光纖的光的參數判定沿著光纖長度的溫度。在該方法之實施例中，光纖沿著其長度包含複數布拉格光纖光柵，該方法更包含偵測從每一布拉格光纖光柵所反射的光及基於從各布拉格光纖光柵所反射之光的參數判定光纖在該等布拉格光纖光柵之至少二者之位置的溫度。在替代性實施例中，光纖沿著其長度包含複數長週期光柵，該方法更包含偵測傳輸穿過每一長週期光柵的光及基於傳輸穿過各長週期光柵之光的參數判定光纖在該等長週期光柵之至少二者之位置的溫度。較佳地係在電漿蝕刻或沉積製程期間監測溫度。
控制系統(像是控制系統385(見圖1))較佳地控制由電漿處理設備、基板支撐部及/或溫度監測配置所執行的製程。非暫態電腦機器可讀媒體可包含用以控制電漿處理設備及溫度監測配置(像是感測器系統150)的程式指令。可以任何習知電腦可讀程式語言撰寫用以控制處理操作的電腦程式碼，舉例來說：組合語言、C、C++、Pascal、Fortran或其它者。由處理器執行編譯之目的碼或指令碼以實行在程式中所識別的工作。
儘管本發明係已參照其特定實施例而詳加描述，對於該領域中具有通常知識者將顯而易見的是在不偏離隨附請求項之範圍的情況下可做改變及修飾，並可運用相當件。
18‧‧‧天線
20‧‧‧介電窗
22‧‧‧氣體注射器
100‧‧‧基板支撐部組件
101‧‧‧加熱器區域
105‧‧‧冷卻板
107‧‧‧共同線路
109‧‧‧負電壓線路
111‧‧‧固持電壓供應線路
120‧‧‧介電層
121‧‧‧二極體
123‧‧‧加熱器層
124‧‧‧ESC電極
126‧‧‧冷卻劑通道
128‧‧‧正電壓線路
150‧‧‧感測器系統
155‧‧‧光纖
155a‧‧‧光纖
155b‧‧‧光纖
156‧‧‧被覆部
157‧‧‧核心
158‧‧‧布拉格光纖光柵
158a‧‧‧布拉格光纖光柵
158b‧‧‧布拉格光纖光柵
158c‧‧‧布拉格光纖光柵
158d‧‧‧布拉格光纖光柵
160‧‧‧黏著劑
165‧‧‧通道
165a‧‧‧第一通道
165b‧‧‧第二通道
200‧‧‧真空腔室
214‧‧‧基板
215‧‧‧下部電極組件
234‧‧‧氣體源
238‧‧‧RF阻抗匹配電路
238b‧‧‧電連接部
240‧‧‧RF電力源
240b‧‧‧電連接部
300‧‧‧腔室
302‧‧‧腔室外殼
303‧‧‧圓柱形孔
304‧‧‧上部腔室壁
305‧‧‧底板
308‧‧‧支撐元件
306‧‧‧侷限環組件
310‧‧‧下部電極
314‧‧‧基板
315‧‧‧下部電極組件
320‧‧‧RF密合墊
321‧‧‧加熱元件
322‧‧‧外部邊緣環
324‧‧‧上部噴淋頭電極
324a‧‧‧外部電極
325‧‧‧上部電極組件
326‧‧‧支撐板
326a‧‧‧支撐環
328‧‧‧頂板
329‧‧‧環形延伸部
330‧‧‧腔室頂部
332‧‧‧間隙
334‧‧‧氣體源
336‧‧‧氣體管線
338‧‧‧阻抗匹配網路
340‧‧‧RF電源
344‧‧‧真空口
346‧‧‧RF返回帶
348‧‧‧RF返回帶
350‧‧‧RF帶
352‧‧‧腔室壁襯墊
354‧‧‧水平延伸部
356‧‧‧上部組件升降致動器
358‧‧‧下部組件升降致動器
360‧‧‧軸
362‧‧‧伸縮囊
364‧‧‧下部傳導元件
368‧‧‧外部腔室容積
385‧‧‧控制系統
388‧‧‧軸
400‧‧‧基板支撐部組件
401‧‧‧入口
404‧‧‧熱絕緣體
405‧‧‧冷卻板
408‧‧‧加熱器
420‧‧‧介電層
424‧‧‧ESC電極
500‧‧‧元件
501‧‧‧入口
502‧‧‧出口
A‧‧‧箭號
A’‧‧‧箭號
B‧‧‧箭號
B’‧‧‧箭號
P1‧‧‧帕耳帖裝置
P2‧‧‧帕耳帖裝置
P3‧‧‧帕耳帖裝置
P4‧‧‧帕耳帖裝置
T1‧‧‧加熱器區域
T2‧‧‧加熱器區域
T3‧‧‧加熱器區域
T4‧‧‧加熱器區域
圖1顯示元件之實施例可安裝在其中的電容耦合電漿蝕刻腔室之示範實施例。
圖2顯示元件之實施例可安裝在其中的感應耦合電漿蝕刻腔室之示範實施例。
圖3顯示元件之實施例可安裝在其中的基板支撐部組件之示範實施例。
圖4顯示元件之實施例可安裝在其中的基板支撐部組件之示範實施例。
圖5顯示基板支撐部組件之加熱器層的下表面，其包含平面加熱器區域及與每一平面加熱器區域熱接觸的側向延伸之光纖。
圖6A、6B顯示各自在其中包含側向延伸之光纖的示範元件之表面。
圖7顯示包含布拉格光纖光柵的光纖。
105‧‧‧冷卻板
107‧‧‧共同線路
109‧‧‧負電壓線路
111‧‧‧固持電壓供應線路
120‧‧‧介電層
121‧‧‧二極體
123‧‧‧加熱器層
124‧‧‧ESC電極
126‧‧‧冷卻劑通道
128‧‧‧正電壓線路
150‧‧‧感測器系統
155‧‧‧光纖
158a‧‧‧布拉格光纖光柵
158b‧‧‧布拉格光纖光柵
158c‧‧‧布拉格光纖光柵
158d‧‧‧布拉格光纖光柵
160‧‧‧黏著劑
165‧‧‧通道
501‧‧‧入口
P1‧‧‧帕耳帖裝置
P2‧‧‧帕耳帖裝置
P3‧‧‧帕耳帖裝置
P4‧‧‧帕耳帖裝置
T1‧‧‧加熱器區域
T2‧‧‧加熱器區域
T3‧‧‧加熱器區域
T4‧‧‧加熱器區域

Claims (20)

  1. 一種用以處理半導體基板之電漿處理設備，包含： 一電漿處理腔室，一半導體基板係在其中受處理； 一製程氣體源，與該電漿處理腔室流體連通，用以將製程氣體供應至該電漿處理腔室中； 一RF能量源，用以在該電漿處理腔室中將該製程氣體充能成電漿態； 一真空源，用以從該電漿處理腔室排放該製程氣體及電漿處理之副產物；及 至少一元件，包含側向延伸的一光纖、及一溫度監測配置，側向延伸的該光纖係在該元件之電漿曝露的表面下方處，該表面之空間溫度量測係希望於該處進行，該溫度監測配置係耦接至該光纖，俾以監測沿著該光纖之不同位置的溫度。
  2. 如申請專利範圍第1項之用以處理半導體基板之電漿處理設備，其中該溫度監測配置為耦接至該光纖的一感測器系統，其中該感測器系統包含一光源及一偵測器，該光源係可運作而提供近紅外光、紅外光、自然光、或紫外光至該光纖中，且該偵測器係可運作而量測離開該光纖的光，其中該感測器系統可基於進入及離開該光纖之光的參數判定沿著該光纖之不同位置的溫度。
  3. 如申請專利範圍第1項之用以處理半導體基板之電漿處理設備，更包含： (a)一黏著劑，其中該黏著劑將該光纖黏接至該元件中的一通道之壁； (b)一控制系統，用以控制由該電漿處理設備及/或該溫度監測配置所執行的製程； (c)一非暫態電腦機器可讀媒體，包含用於該溫度監測配置之控制的程式指令；及/或 (d)在該元件之曝露的該表面下方處之一或更多側向延伸的光纖，該表面之空間溫度量測係希望於該處進行，其中每一光纖係配置成耦接至該溫度監測配置，俾以監測每一光纖之不同位置的溫度，其中一或更多側向延伸的該光纖係各自配置成在希望於該處進行空間溫度量測之曝露的該表面之個別部份下方處，且一或更多側向延伸的該光纖係在該元件之一單一通道中或在該元件之至少二個別的通道中，其中每一通道(a)包含一或更多彎部、(b)為直線形、(c)為圓形、(d)為半圓形、且/或係圖案化成鋸齒形圖案、蛇形圖案、或螺旋形圖案。
  4. 如申請專利範圍第1項之用以處理半導體基板之電漿處理設備，其中該光纖沿著該光纖的長度包含複數布拉格光纖光柵、或沿著該光纖的長度包含複數長週期光柵，其中每一布拉格光纖光柵反射指示其局部溫度的光波長，其中每一長週期光柵傳輸指示其局部溫度的光波長。
  5. 如申請專利範圍第1項之用以處理半導體基板之電漿處理設備，其中該元件： (a)為一基板支撐部組件之一加熱器層； (b)為一噴淋頭電極組件之一熱控制板； (c)為一腔室壁； (d)為可運作而以靜電方式將一基板固持在其上表面上的一靜電夾頭； (e)為一噴淋頭電極； (f)為一侷限環； (g)為一介電窗； (h)為一RF天線；且/或 (i)為一熱電模組。
  6. 如申請專利範圍第1項之用以處理半導體基板之電漿處理設備，其中側向延伸的該光纖係在該元件中的一通道內，其中： (a)該通道包含一或更多彎部； (b)該通道為直線形； (c)該通道為圓形； (d)該通道為半圓形； (e)該通道係圖案化成鋸齒形圖案、蛇形圖案、或螺旋圖案；且/或 (f)該通道包含一入口，其中該入口係在該元件之非曝露的表面中或該元件之下表面中；或 (g)該通道包含一入口及一出口，其中該入口及該出口係在該元件之非曝露的表面中。
  7. 一種電漿處理設備之元件，包含在該元件之電漿曝露的表面下方處之側向延伸的光纖，該表面的空間溫度量測係希望於該處進行，其中側向延伸的該光纖係配置成耦接至一溫度監測配置，使得可監測沿著該光纖之不同位置的溫度。
  8. 如申請專利範圍第7項之電漿處理設備之元件，其中側向延伸的該光纖係在該元件之一通道中，其中： (a)該通道包含一或更多彎部； (b)該通道為直線形； (c)該通道為圓形； (d)該通道為半圓形；且/或 (e)該元件之該通道係圖案化成鋸齒形圖案、蛇形圖案、或螺旋圖案；且/或 (f)該通道包含一入口，其中該入口係在該元件之非曝露的表面中；或 (g)該通道包含一入口及一出口，其中該入口及該出口係在該元件之非曝露的表面中。
  9. 如申請專利範圍第7項之電漿處理設備之元件，其中該光纖沿著該光纖的長度包含複數布拉格光纖光柵、或沿著該光纖的長度包含複數長週期光柵，其中每一布拉格光纖光柵係用以反射指示其局部溫度的光波長，其中每一長週期光柵係用以傳輸指示其局部溫度的光波長。
  10. 如申請專利範圍第7項之電漿處理設備之元件，更包含： (a)一黏著劑，其中該黏著劑將該光纖黏接至該元件中的一通道之壁；及/或 (b)在該元件之曝露的該表面下方處的一或更多側向延伸的光纖，該表面之空間溫度量測係希望於該處進行，其中每一光纖係配置成耦接至該溫度監測配置，俾以監測每一光纖之不同位置的溫度，其中一或更多側向延伸的該光纖係各自配置成在希望於該處進行空間溫度量測之曝露的該表面之個別部份下方處，且一或更多側向延伸的該光纖係在該元件之一單一通道中或在該元件之至少二個別的通道中，其中每一通道(a)包含一或更多彎部、(b)為直線形、(c)為圓形、(d)為半圓形、且/或係圖案化成鋸齒形圖案、蛇形圖案、或螺旋形圖案。
  11. 如申請專利範圍第7項之電漿處理設備之元件，其中該元件： (a)為一基板支撐部組件之一加熱器層； (b)為一噴淋頭電極組件之一熱控制板； (c)為一腔室壁； (d)為可運作而以靜電方式將一基板固持在其上表面上的一靜電夾頭； (e)為一噴淋頭電極； (f)為一侷限環； (g)為一介電窗； (h)為一RF天線；且/或 (i)為一熱電模組。
  12. 一種電漿處理設備之基板支撐部組件，該基板支撐部組件包含如申請專利範圍第7項之電漿處理設備之元件。
  13. 如申請專利範圍第12項之電漿處理設備之基板支撐部組件，更包含： (a) 耦接至該光纖之一感測器系統，其中該感測器系統包含一光源及一偵測器，該光源係可運作而提供近紅外光、紅外光、自然光、或紫外光至該光纖中，且該偵測器係可運作而量測離開該光纖的光，其中該感測器系統可基於進入及離開該光纖之光的參數判定沿著該光纖之不同位置的溫度； (b)一控制系統，用以控制由該基板支撐部組件及/或該溫度監測配置所執行的製程； (c)一非暫態電腦機器可讀媒體，包含用於該溫度監測配置之控制的程式指令；及/或 (d)在該元件之曝露的該表面下方處的一或更多側向延伸的光纖，該表面之空間溫度量測係希望於該處進行，其中每一光纖係配置成耦接至該溫度監測配置，俾以監測每一光纖之不同位置的溫度，其中一或更多側向延伸的該光纖係各自配置成在希望於該處進行空間溫度量測之曝露的該表面之個別部份下方處，且一或更多側向延伸的該光纖係在該元件之一單一通道中或在該元件之至少二個別的通道中，其中每一通道(a)包含一或更多彎部、(b)為直線形、(c)為圓形、(d)為半圓形、且/或係圖案化成鋸齒形圖案、蛇形圖案、或螺旋形圖案。
  14. 如申請專利範圍第12項之電漿處理設備之基板支撐部組件，其中該元件為： (a)一靜電夾頭； (b)一加熱器層；及/或 (c)一冷卻板。
  15. 如申請專利範圍第12項之電漿處理設備之基板支撐部組件，其中側向延伸的該光纖係在該元件中的一通道內，其中： (a)該通道包含一或更多彎部； (b)該通道為直線形； (c)該通道為圓形； (d)該通道為半圓形；且/或 (e)該元件之該通道係圖案化成鋸齒形圖案、蛇形圖案、或螺旋圖案；且/或 (f)該通道包含一入口，其中該入口係在該元件之非曝露的表面中；或 (g)該通道包含一入口及一出口，其中該入口及該出口係在該元件之非曝露的表面中。
  16. 如申請專利範圍第12項之電漿處理設備之基板支撐部組件，其中： (a)該基板支撐部組件包含複數平面加熱器區域，其中每一平面加熱器區域對應至要支撐於該基板支撐部組件之上表面上的一半導體基板之各元件晶粒位置；或包含複數平面加熱器區域，其中每一平面加熱器區域對應至該基板支撐部組件之該上表面的一部份，且其中該光纖包含複數布拉格光纖光柵，其中(i)每一布拉格光纖光柵係用以反射指示沿著該光纖之不同位置的溫度之光波長；(ii)每一布拉格光纖光柵係用以反射指示各平面加熱器區域之每一者的溫度之光波長；或(iii)至少二布拉格光纖光柵係用以各自反射指示各平面加熱器區域之每一者的不同位置之溫度的光波長；或 (b)該基板支撐部組件包含複數平面加熱器區域，其中每一平面加熱器區域對應至要支撐於該基板支撐部組件之上表面上的一半導體基板之各元件晶粒位置；或包含複數平面加熱器區域，其中每一平面加熱器區域對應至該基板支撐部組件之該上表面的一部份，且其中該光纖包含複數長週期光柵，其中(i)每一長週期光柵係用以傳輸指示沿著該光纖之不同位置的溫度之光波長；(ii)每一長週期光柵係用以傳輸指示各平面加熱器區域之每一者的溫度之光波長；或(iii)至少二長週期光柵係用以各自傳輸指示各平面加熱器區域之每一者的不同位置之溫度的光波長。
  17. 如申請專利範圍第16項之電漿處理設備之基板支撐部組件，更包含複數電力供應線路及複數電力返回線路，其中每一電力供應線路係連接到至少二平面加熱器區域，每一電力返回線路係連接到至少一平面加熱器區域，且沒有二平面加熱器區域共用相同對電力供應線路及電力返回線路。
  18. 一種在設備中電漿處理半導體基板的方法，該設備係如申請專利範圍第1項之用以處理半導體基板之電漿處理設備，該方法包含： 將該製程氣體從該製程氣體源供應到該電漿處理腔室中； 將RF能量供應到該電漿處理腔室中，俾以從該製程氣體產生電漿；及 在該電漿處理腔室中電漿處理該半導體基板； 提供光至該元件之側向延伸的該光纖中； 偵測離開側向延伸的該光纖的光；及 基於進入及離開該光纖之光的參數判定沿著該光纖之不同位置的溫度。
  19. 如申請專利範圍第18項之在設備中電漿處理半導體基板的方法，其中： (a)該光纖沿著其長度包含複數布拉格光纖光柵，該方法更包含偵測從每一布拉格光纖光柵所反射的光及基於從各布拉格光纖光柵所反射之光的參數判定該光纖在該等布拉格光纖光柵之至少二者之位置的溫度；或 (b)該光纖沿著其長度包含複數長週期光柵，該方法更包含偵測傳輸穿過每一長週期光柵的光及基於傳輸穿過各長週期光柵之光的參數判定該光纖在該等長週期光柵之至少二者之位置的溫度。
  20. 如申請專利範圍第18項之在設備中電漿處理半導體基板的方法，其中該處理包含電漿蝕刻該基板或執行一沉積製程。
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