一种测温结构、上电极组件及等离子体处理装置的制作方法

1.本发明涉及半导体设备技术领域，特别涉及一种测温结构、上电极组件及等离子体处理装置。


背景技术：

2.在半导体器件的制造过程中，等离子刻蚀是将晶圆加工成设计图案的关键工艺。等离子体处理装置，是借助于射频耦合放电产生等离子体，进而利用等离子体进行刻蚀工艺。其中，包括上下两个电极的电容耦合型ccp等离子处理设备是主要的等离子处理器之一。如图1所示的ccp设备，包括反应腔100、上电极组件和下电极组件300，下电极组件300位于反应腔100内部，上电极组件位于反应腔100顶部。在上电极组件中，上电极也就是气体喷淋头210同时作为电极与下方的下电极电场耦合，也作为反应气体的喷头，向下方的反应区域均匀喷射反应气体。喷淋头210需要被安装在上方的安装底座220上，通过安装底座220来控制喷淋头的温度，具体的，安装底座220中设有冷却水路221和加热器222，用于控制喷淋头210的温度，安装底座220中还开设有气体通道223，反应气体经所述气体通道223输入至喷淋头210中，再由喷淋头210均匀喷射至反应区域。
3.在ccp设备执行刻蚀的过程中，喷淋头210的温度均匀性对晶圆的刻蚀速率及质量有很大影响，因此监控喷淋头210的温度分布很有必要。现有技术中采用热电偶或热电阻传感器等接触式测温装置点对点测量喷淋头210在工作时的温度。热电偶或热电阻传感器需要穿过安装底座220从外部插入到喷淋头210的上表面来测量喷淋头210的温度。具体的，如图1所示，安装底座220中开设数个竖直通孔，套有不锈钢套管的热电偶或热电阻传感器400穿过通孔，热电偶或热电阻传感器400的顶部使用法兰500进行密封，测温端接触到通孔正对的喷淋头210上表面，从而得到喷淋头210在测温点上的温度。
4.然而，由于安装底座220中分布有冷却水路221、加热器222管路和气体通道223，并且它们在径向方向上相互重叠，如图1所示，而安装底座上用来安装热电偶或热电阻传感器400的通孔需要避开冷却水路221、加热器222管路和气体通道223，这使得可开孔的数量较少且位置受限，后期无法添加更多的测温点，并且通过受限的各测温点得到的喷淋头210温度并不能完全反映喷淋头210盘面的温度分布。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种测温结构、上电极组件及等离子体处理装置，该测温结构能够不受上电极组件中现有结构中冷却水路、加热器管路和气体通道的限制，对上电极的多个位置进行测温，有利于获得上电极整个盘面的温度分布。
6.为了实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：
7.一种测温结构，应用于等离子体处理装置的上电极组件，包括：
8.n个可以传输光信号的柔性束，所述柔性束包含反馈端和测量端；
9.n个所述柔性束的反馈端从所述上电极组件的上表面的m个位置处穿出与一处理
器相连，其中，1≤m＜n；
10.n个所述柔性束的测量端分布在所述上电极组件的内部不同位置，通过测量端采集光信号后传输至所述处理器处理得到所述上电极组件中上电极的温度。
11.进一步的，所述上电极组件包括安装底座和喷淋头，所述安装底座上方开设有贯穿其下表面和上表面的通孔，所述m个位置为所述通孔的位置，所述反馈端穿过所述通孔至所述安装底座的上表面，所述测量端分布在所述喷淋头上。
12.进一步的，所述通孔的数量为一个。
13.进一步的，所述通孔靠近所述安装底座的中心设置。
14.进一步的，所述安装底座上设有气体通道，所述通孔避开所述气体通道位置。
15.进一步的，所述安装底座的下表面或所述喷淋头的上表面开设有多个安装槽，每一所述安装槽连通所述通孔与所述喷淋头的一个测温点，所述测量端分布在所述测温点处。
16.进一步的，所述安装底座上设有第一气孔，所述喷淋头上设有第二气孔，所述安装槽绕开所述第一气孔和所述第二气孔位置。
17.进一步的，至少两个所述安装槽有部分区段重合。
18.进一步的，所述喷淋头的上表面具有中心区域和与所述中心区域同心的多个同心环区域，所述测温点分布在所述中心区域和不同的所述同心环区域，且位于外侧同心环区域的测温点数量大于位于内侧同心环区域的测温点数量。
19.进一步的，所述柔性束为光纤。
20.进一步的，所述测量端填充有荧光物质。
21.进一步的，所述测量端与所述喷淋头紧密接触。
22.进一步的，所述测量端不填充荧光物质，所述喷淋头上的所述测温点处涂抹荧光物质。
23.进一步的，所述处理器包括变送器，可以发出激光，经所述柔性束传至所述测量端，激励所述荧光物质产生荧光，以及对光信号进行处理得到温度值。
24.进一步的，所述安装底座与各测温点相对的区域设置有隔热层。
25.进一步的，所述通孔的位于所述安装底座的上表面的一端设有法兰，所述柔性束穿过所述法兰，所述法兰与所述通孔以及所述柔性束之间密封。
26.一种上电极组件，设置有如上文任一项所述的测温结构。
27.一种等离子体处理装置，包括反应腔和如上文所述的上电极组件，所述上电极组件安装在所述反应腔的顶部开口处。
28.与现有技术相比，本发明具有如下优点：
29.本发明提供的测温结构，采用多通道柔性束取代热电偶或热电阻传感器等刚性测温装置，每一柔性束可以从上电极组件的上表面的同一位置延伸至内部不同位置，使各个测量端分布在上电极组件内部的不同位置，测量上电极各个位置处的温度。柔性束的数量不受上电极组件中冷却水路、加热器管路和气体通道的限制，可以根据需要任意取舍，而且上电极的测温点位置也可以根据需要任意添加。由此，本发明的测温结构能够测量得到上电极的任意位置的温度，有利于监控上电极整个盘面的温度分布。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：
31.图1为现有技术中上电极组件测温方式示意图；
32.图2为本发明第一实施例提供的在上电极组件中设置测温结构的示意图；
33.图3为图2中柔性束置于安装槽中的示意图；
34.图4为图2中喷淋头上表面开设安装槽的示意图；
35.图5为本发明第二实施例提供的测温结构的柔性束置于安装槽中示意图；
36.图6为本发明第三实施例提供的在上电极组件中设置测温结构的示意图；
37.图7为图6中柔性束置于安装槽中的示意图。
具体实施方式
38.以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的方案作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
39.如背景技术所述，现有的上电极测温装置采用热电偶或热电阻传感器，需要在安装底座上开设多个通孔，每个测温传感器穿过一个通孔后接触上电极进行测温，因此开设一个通孔只能对应测量上电极的一个位置处的温度。由于安装底座中冷却水路、加热器管路和气体通道的限制，使得通孔的开设位置以及数量受限，因此现有的测温装置无法用于测量上电极整个盘面的温度分布。
40.基于此，本发明提供一种应用于等离子体处理装置的上电极组件的测温结构，包括：n个可以传输光信号的柔性束，所述柔性束包含反馈端和测量端；n个所述柔性束的反馈端从所述上电极组件的上表面的m个位置处穿出与一处理器相连，其中，1≤m＜n；n个所述柔性束的测量端分布在所述上电极组件的内部不同位置，通过测量端采集光信号后传输至所述处理器处理得到所述上电极组件中上电极的温度。本发明提供的测温结构，采用多通道柔性束取代热电偶或热电阻传感器等刚性测温装置，每一柔性束可以从上电极组件的上表面的同一位置延伸至内部不同位置，使各个测量端分布在上电极组件内部的不同位置，测量上电极各个位置处的温度。柔性束的数量不受上电极组件中冷却水路、加热器管路和气体通道的限制，可以根据需要任意取舍，而且上电极的测温点位置也可以根据需要任意添加。由此，本发明的测温结构能够测量得到上电极的任意位置的温度，有利于监控上电极整个盘面的温度分布。
41.图2～图4示出了本发明第一实施例提供的一种测温结构。所述上电极组件包括安装底座220和喷淋头210，所述安装底座220上方开设有贯穿其下表面和上表面的通孔，柔性
束600的反馈端610穿过所述通孔至所述安装底座220的上表面，测量端620分布在所述喷淋头210上，也即通孔在安装底座上表面开口的位置为m个位置。示意性的，图2中所述通孔的数量为一个，所有柔性束600均汇聚至该通孔处，所有反馈端610穿过该通孔到达所述安装底座220的上表面，因为柔性束600可以在通孔内弯折，所以所有测量端620可以从该通孔处辐射至喷淋头210的不同测量位置处，不同于不能形变的热电偶。由此，只需要在所述安装底座220上开设一个通孔，即可实现对所述喷淋头210上任意多个不同位置(即测温点p)处进行测温，便于监控所述喷淋头210整个盘面的温度分布。当然，所述通孔的数量不限于一个，当测温点的数量较多时可设置多个所述通孔，具体数量可根据实际情况决定。
42.可选的，所述通孔靠近所述安装底座220的中心设置。一方面，如图2所示，所述安装底座220的中心处已经开设有用于流通反应气体的气体通道223，为避开所述气体通道223，所述通孔不能设置在所述安装底座220的中心，另一方面，所述通孔应尽量设置在靠近所述安装底座中心220的位置，以利于各柔性束600的测量端620延伸至相应测温点p的距离最短。此外，所述安装底座220上其它位置处也设有气体通道223、以及冷却水路221和加热器222等其它必要结构，开设所述通孔时也需要避开这些结构所在的位置。
43.如图3、4所示，所述喷淋头210的上表面开设有多个安装槽211，每一所述安装槽211连通所述通孔与所述喷淋头210的一个测温点p，所述测量端620分布在所述测温点p处。即安装槽211起始于与所述安装底座220的通孔相对应的位置，终止于测温点p的位置。由此，每一柔性束600置于一个安装槽211中，且柔性束600的测量端620置于对应的测温点p处，反馈端610从所述通孔处穿出至安装底座220上表面。通过设置安装槽211，便于放置各柔性束600及测量端620并进行固定，且不会影响所述喷淋头210与所述安装底座220之间紧密连接。
44.如图4所述，所述喷淋头210上设有用于喷射反应气体的第二气孔212，所述安装槽211需要绕开所述第二气孔212位置。进一步的，所述喷淋头210上设置的第二气孔212通常数量较多，导致能够开设安装槽211的位置有限，因此为了充分利用所述喷淋头210上表面的非气孔区域，可使至少两个所述安装槽211在从通孔向p处延伸的过程中有部分区段重合。
45.进一步的，如图4所示，所述喷淋头210的上表面具有中心区域y0和与所述中心区域y0同心的多个同心环区域y1、y2，所述测温点p分布在所述中心区域y0和不同的所述同心环区域y1、y2，且位于外侧同心环区域y2的测温点p数量大于位于内侧同心环区域y1的测温点p数量。可以理解的是，中心区域y0的面积小，可设置较少的测温点p，距离中心区域y0越远的同心环区域面积越大，因此需要设置更多的测温点p，从而能够充分监控喷淋头210整个盘面的温度分布。
46.本实施例中，所述柔性束600为光纤，当然，所述柔性束600也可以为其它可传输光信号后的柔性材质。所述测量端620为接触式测温结构，即，所述测量端620内部填充有荧光粉，荧光粉在激光的激励作用下可产生荧光，用于测量温度。具体的，所述处理器包括变送器700，变送器700可以发出激光，经所述柔性束600传至所述测量端620，激励所述荧光物质产生荧光，所产生的荧光通过所述柔性束600再传回变送器700，由变送器700对光信号进行处理得到温度值。由于荧光粉在不同温度下其荧光寿命不同，所以通过检测荧光寿命即可得到测量端620所测得的温度值。由于是接触式测温，为了保证测量的准确性，故所述测量
端620应当与所述喷淋头210紧密接触。
47.进一步的，还可以在所述安装底座220与各测温点p相对的区域设置隔热层，用于隔离安装底座220与位于测温点p处的测量端620，以排除安装底座220的温度对测量端620测温结果的影响。
48.此外，还可以在所述通孔的位于所述安装底座220的上表面的一端设置法兰500，所述柔性束600穿过所述法兰500，所述法兰500与所述通孔以及所述柔性束600之间密封。由此，使用法兰500将通孔与柔性束600之间密封，用于维持所述安装底座220与所述喷淋头210之间的密封环境。
49.图5示出了本发明第二实施例提供的一种测温结构中的测量端。该实施例的测温结构与第一实施例的测温结构的区别在于，测量端620的测温方式不同。该实施例的测温结构中测量端620为非接触式测温，即所述测量端620不填充荧光物质，而是在所述喷淋头210上的所述测温点p处涂抹荧光物质a。为保证非接触测温的准确性，测量端620需要正对p处的荧光物质a，以便变送器的激光可以直射荧光物质以及激发出的荧光可以通过测量端620进入柔性束中给到变送器。
50.本实施例采用非接触式测温方式，可避免第一实施例所示的接触式测温方式可能存在测量端610与喷淋头210接触不良导致测温不准确的问题。
51.图6、7示出了本发明第三实施例提供的一种测温结构。该实施例的测温结构与第一实施例的测温结构的区别在于，安装槽的开设位置不同。本实施例中，如图7所示，在安装底座220的下表面开设多个安装槽224，安装槽224起始于所述安装底座220的通孔处，终止于与所述喷淋头210上测温点p位置相对应的位置。由此，每一柔性束600置于一个安装槽224中，且柔性束600的测量端620置于安装槽224的终止位置，从而与喷淋头210上对应的测温点p位置接触，反馈端610从所述通孔处穿出至安装底座220上表面。通过设置安装槽224，便于放置各柔性束600及其测量端620并进行固定，且不会影响所述喷淋头210与所述安装底座220之间紧密连接。
52.本实施例中，所述测量端620为接触式测温，故所述测量端620需要与所述喷淋头210紧密接触，以提高测温的准确性。具体的，如图7所示，所述安装槽224的深度可设置为较小，以使所述测量端620置于所述安装槽224中时所述测量端620可略突出于所述安装底座220的下表面，由此，当将所述喷淋头210安装到所述安装底座220上后，可保证所述测量端620与所述喷淋头210的上表面紧密接触。当然，在其它实施例中，所述测量端620也可以是非接触式测温，此时需要在喷淋头210的测温点p处涂抹荧光物质，此外也并不要求所述测量端620与所述喷淋头210紧密接触。
53.本实施例中，安装槽224在安装底座220下表面的分布与第一实施例中在喷淋头上表面的分布相似。所述安装底座220下表面上设有用于将反应气体传输至喷淋头210的第一气孔，所述安装槽224需要绕开所述第一气孔位置。进一步的，各个第一气孔与各个第二气孔212的位置是相对应设置的，因此所述安装底座220上设置的第一气孔通常数量较多，导致能够开设安装槽224的位置有限，因此为了充分利用所述安装底座220下表面的非气孔区域，可使至少两个所述安装槽224有部分区段重合。
54.对于第一实施例的测温结构，是在喷淋头210上表面开设安装槽211用于安装柔性束600，可将此喷淋头210和柔性束600安装到不同的安装底座220上，在运行同样的刻蚀工
艺时监控喷淋头210盘面的温度分布，通过对比此喷淋头210安装在不同安装底座220上产生的温度差，可判断各安装底座220之间传热能力的差异。
55.对于第三实施例的测温结构，是在安装底座220下表面开设安装槽224用于安装柔性束600，可将不同的喷淋头210安装到此带有柔性束600的安装底座220上，在运行同样的刻蚀工艺时监控各个喷淋头210盘面的温度分布，通过对比各喷淋头210之间的温度差，可判断各喷淋头210之间的差异。
56.由以上描述可知，现有的喷淋头测温方法中每个通道的刚性测温装置都需要在安装底座上开设对应的安装孔以安装测温装置，测温点的位置和数量受到安装底座的结构限制。本发明的上述三个实施例，通过安装在喷淋头或安装底座上的多通道柔性测温装置得到喷淋头整个盘面的温度分布。所有通道的柔性测温装置通过安装底座上的一个通孔引入到喷淋头的上表面，测温点位置和数量可灵活选择，不受其他零部件结构的影响。通过合理的测温点分布，便可得到喷淋头盘面的温度分布。若后期需要添加测温点，只需要在喷淋头上表面或安装底座下表面添加对应的安装槽，并将对应的柔性束埋入槽中即可。
57.基于同一发明构思，本发明还提供一种上电极组件和一种等离子体处理装置，该上电极组件设置有上文所述的测温结构，该测温结构在该上电极中设置方式如前所述，在此不做赘述。所述等离子体处理装置包括反应腔和该上电极组件，该上电极组件安装在所述反应腔的顶部开口处。所述等离子体处理装置可以为如图1所示的ccp设备，也可以为其它类型的半导体设备。
58.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
59.尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。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。

技术特征：
1.一种测温结构，应用于等离子体处理装置的上电极组件，其特征在于，包括：n个可以传输光信号的柔性束，所述柔性束包含反馈端和测量端；n个所述柔性束的反馈端从所述上电极组件的上表面的m个位置处穿出与一处理器相连，其中，1≤m＜n；n个所述柔性束的测量端分布在所述上电极组件的内部不同位置，通过测量端采集光信号后传输至所述处理器处理得到所述上电极组件中上电极的温度。2.如权利要求1所述的测温结构，其特征在于，所述上电极组件包括安装底座和喷淋头，所述安装底座上方开设有贯穿其下表面和上表面的通孔，所述m个位置为所述通孔的位置，所述反馈端穿过所述通孔至所述安装底座的上表面，所述测量端分布在所述喷淋头上。3.如权利要求2所述的测温结构，其特征在于，所述通孔的数量为一个。4.如权利要求2所述的测温结构，其特征在于，所述通孔靠近所述安装底座的中心设置。5.如权利要求2所述的测温结构，其特征在于，所述安装底座上设有气体通道，所述通孔避开所述气体通道位置。6.如权利要求2所述的测温结构，其特征在于，所述安装底座的下表面或所述喷淋头的上表面开设有多个安装槽，每一所述安装槽连通所述通孔与所述喷淋头的一个测温点，所述测量端分布在所述测温点处。7.如权利要求6所述的测温结构，其特征在于，所述安装底座上设有第一气孔，所述喷淋头上设有第二气孔，所述安装槽绕开所述第一气孔和所述第二气孔位置。8.如权利要求6所述的测温结构，其特征在于，至少两个所述安装槽有部分区段重合。9.如权利要求6所述的测温结构，其特征在于，所述喷淋头的上表面具有中心区域和与所述中心区域同心的多个同心环区域，所述测温点分布在所述中心区域和不同的所述同心环区域，且位于外侧同心环区域的测温点数量大于位于内侧同心环区域的测温点数量。10.如权利要求6所述的测温结构，其特征在于，所述柔性束为光纤。11.如权利要求10所述的测温结构，其特征在于，所述测量端填充有荧光物质。12.如权利要求11所述的测温结构，其特征在于，所述测量端与所述喷淋头紧密接触。13.如权利要求10所述的测温结构，其特征在于，所述测量端不填充荧光物质，所述喷淋头上的所述测温点处涂抹荧光物质。14.如权利要求11或13所述的测温结构，其特征在于，所述处理器包括变送器，可以发出激光，经所述柔性束传至所述测量端，激励所述荧光物质产生荧光，以及对光信号进行处理得到温度值。15.如权利要求6所述的测温结构，其特征在于，所述安装底座与各测温点相对的区域设置有隔热层。16.如权利要求2所述的测温结构，其特征在于，所述通孔的位于所述安装底座的上表面的一端设有法兰，所述柔性束穿过所述法兰，所述法兰与所述通孔以及所述柔性束之间密封。17.一种上电极组件，其特征在于，设置有如权利要求1～16任一项所述的测温结构。18.一种等离子体处理装置，其特征在于，包括反应腔和如权利要求17所述的上电极组件，所述上电极组件安装在所述反应腔的顶部开口处。

技术总结
本发明提供一种测温结构、上电极组件及等离子体处理装置。所述测温结构应用于等离子体处理装置的上电极组件，包括：N个可以传输光信号的柔性束，所述柔性束包含反馈端和测量端；N个所述柔性束的反馈端从所述上电极组件的上表面的M个位置处穿出与一处理器相连，其中，1≤M＜N；N个所述柔性束的测量端分布在所述上电极组件的内部不同位置，通过测量端采集光信号后传输至所述处理器处理得到所述上电极组件中上电极的温度。本发明提供的测温结构能够不受上电极组件中现有结构中冷却水路、加热器管路和气体通道的限制，对上电极的多个位置进行测温，有利于获得上电极整个盘面的温度分布。布。布。


技术研发人员：周艳 李开元
受保护的技术使用者：中微半导体设备（上海）股份有限公司
技术研发日：2021.12.31
技术公布日：2023/7/13