专利名称：耦合窗的温度测量装置、等离子体设备及温度测量方法
技术领域：
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种耦合窗的温度测量装置、等离子体设备及温度测量方法。
背景技术：
等离子设备广泛地应用于集成电路(IC)等半导体器件的制造工艺中，例如，电感耦合等离子体设备，在半导体器件的制造中，它可以通过产生的等离子体将多层材料交替的沉积到衬底表面并从衬底表面刻蚀该多层材料。其中，对等离子体反应室精确的温度控制对刻蚀工艺结果起到至关重要的作用，可直接影响刻蚀速率的均勻性和器件关键尺寸的均勻性，而且可以减少反应室侧壁的颗粒沉积，促使挥发性的残留物及时排出反应室，还可以有效延长预防性维护的周期。现有技术中，对等离子体反应室的温度控制通常采用对反应室底部的静电卡盘和反应室侧壁进行精确温度控制的方式实现，这两方面的温度控制已经比较成熟，然而，在刻蚀工艺过程中，耦合窗在朝向反应室内部的表面(下表面)的温度对于刻蚀工艺质量也会产生重要的影响。在实际工艺中，如图1所示，位于反应室11顶部的耦合窗12通过增加等离子体启辉的工艺过程来实现温度的升高，其温度的测量则通过安装在耦合窗12上的热电偶13来实现。然而，发明人经过研究发现，由于实际工艺中要求控制的是耦合窗12下表面(朝向反应室11内部)的温度，而现有技术中热电偶13只能安装在耦合窗12的中部，测量的是耦合窗12中部的温度，所以，现有技术中对耦合窗12下表面温度的测量不准确，进而影响了对耦合窗12的温度控制的准确性。
发明内容
本发明实施例提供一种耦合窗的温度测量装置、等离子体设备及温度测量方法， 能够提高对耦合窗下表面温度测量的准确度。为了解决上述技术问题，本发明实施例的技术方案如下—种耦合窗的温度测量装置，应用于包括耦合窗和反应室的等离子体设备中，所述装置包括位于所述耦合窗下表面的测温终端和用于通过对所述测温终端进行测量以确定所述耦合窗下表面温度的红外线测温仪器，所述测温终端具有与所述耦合窗不同的发射率，其中，所述耦合窗下表面为所述耦合窗的朝向所述反应室内部的表面。进一步，所述测温终端的材料为玻璃。进一步，所述测温终端的外表面覆盖有抗等离子体轰击的材料。进一步，所述抗等离子体轰击的材料为陶瓷。进一步，所述测温终端与所述耦合窗下表面的接触面为直径大于2. 5mm的圆。进一步，所述测温终端为边长是5mm的立方体。进一步，所述红外线测温仪器发出的红外线的波长范围为3um 5um。
进一步，所述红外线测温仪器的探头安装在所述耦合窗的上表面，且所述探头的位置与所述测温终端相对，所述上表面与所述耦合窗的下表面相对。 一种等离子体设备，包括耦合窗和反应室，所述耦合窗的下表面上具有用于红外线测温仪器测量以确定所述耦合窗下表面温度的测温终端，所述测温终端具有与所述耦合窗不同的发射率，其中，所述耦合窗下表面为所述耦合窗的朝向所述反应室内部的表面。进一步，所述测温终端的材料为玻璃。进一步，所述测温终端的外表面覆盖有抗等离子体轰击的材料。进一步，所述抗等离子体轰击的材料为陶瓷。进一步，所述测温终端与所述耦合窗下表面的接触面为直径大于2. 5mm的圆。进一步，所述测温终端为边长是5mm的立方体。进一步，所述耦合窗的上表面上还设置有红外线测温仪器的探头，且所述探头的位置与所述测温终端相对，所述上表面与所述耦合窗的下表面相对。一种耦合窗的温度测量方法，应用于包括耦合窗和反应室的等离子体设备中，包括红外线测温仪器对位于所述耦合窗下表面的测温终端进行测量；确定所述耦合窗下表面的温度；其中，所述测温终端与所述耦合窗的发射率不同，所述耦合窗下表面为所述耦合窗的朝向所述反应室内部的表面。进一步，所述红外线测温仪器发出的红外线的波长范围为3um 5um。本发明实施例通过在耦合窗的下表面设置测温终端，然后利用外置的红外线测温仪器对该测温终端进行温度测量，确定了耦合窗下表面的温度，该非接触测温方式代替了现有技术中采用热电偶进行的接触式测温，不仅可以直接获取耦合窗下表面的温度，提高温度测量的准确度，而且便于安装和维护，无需在耦合窗中安插热电偶，有效延长了耦合窗的使用寿命，降低了设备的运营成本。
通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。图1是现有技术中的等离子体设备结构示意图；图2是本发明实施例一种耦合窗的温度测量装置的结构示意图；图3是本发明实施例一种等离子体设备的结构示意图；图4是本发明实施例一种耦合窗的温度测量方法流程图。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式
做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示装置结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度 及深度的三维空间尺寸。现有技术中，等离子体反应室中耦合窗下表面的温度是通过插放在耦合窗中部的热电偶进行测量的，发明人研究发现，耦合窗的材质为石英，由于石英的导热系数非常�。� 所以用热电偶测得的耦合窗中部的温度和耦合窗下表面(朝向反应室)的温度是有差异的，现有技术中对耦合窗下表面的温度测量不准确，后续会影响对耦合窗温度控制的准确性。而且，发明人进一步研究发现，该耦合窗中部和下表面的温度差异无法通过校准的方式来补偿，因为即便使用同样的等离子体起辉工艺给耦合窗升温，由于生产线上各等离子体设备闲置的时间不一致，容易造成各装置之间实际测温点(耦合窗中部)和目标测温点 (耦合窗下表面)的温度差异均不相同，所以无法进行校准补偿。发明人还发现，为了达到准确测温把热电偶安装的尽量接近耦合窗的下表面的方法，也就是说让热电偶正下方的耦合窗很薄，这会大大降低耦合窗的使用寿命，由于耦合窗在等离子体的轰击下会消耗掉，安装了热电偶的地方会最先破真空，此时耦合窗就废掉了。基于发明人对现有技术中对耦合窗的测温方法及可能方案的分析，本申请提出了一种耦合窗的温度测量装置、等离子体设备及温度测量方法，其中，该温度测量装置在耦合窗的下表面设置测温终端，然后通过外置的红外线测温仪器对该测温终端进行温度测量， 确定了耦合窗下表面的温度，该非接触测温装置代替了现有技术中采用热电偶进行的接触式测温，不仅可以直接获取耦合窗下表面的温度，提高温度测量的准确度，而且便于安装和维护，无需在耦合窗中安插热电偶，有效延长了耦合窗的使用寿命。下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案进行描述。参见图2，为本发明实施例一种耦合窗的温度测量装置的结构示意图。耦合窗的温度测量装置，可以应用于等离子体设备中，该等离子体设备中包括耦合窗和反应室。该温度测量装置主要包括两个部件，分别是位于耦合窗下表面的测温终端和红外线测温仪器，其中，耦合窗的下表面是耦合窗朝向反应室内部的表面。该红外线测温仪器用于对测温终端进行测量以确定耦合窗下表面的温度，其中，测温终端与耦合窗的发射率不同，从而该红外线测温仪器可以根据测温终端的发射率对测温终端的温度进行测量。 在本实施例中，该耦合窗温度测量装置的具体结构，如图2所示。该装置应用于等离子体设备中，该设备包括反应室21和位于反应室21上方的耦合窗22。该温度测量装置包括测温终端31和红外线测温仪器32。测温终端31位于耦合窗22的下表面221，也即耦合窗22朝向反应室21内部的表面，从而可以在后续的测温过程中，通过测量测温终端31的温度即可获知耦合窗22的下表面221的温度。根据红外线测温仪器32的工作原理，为了使红外线测温仪器32可以检测到测温终端31的温度，测温终端31所选的材料需要具有与耦合窗22不同的发射率。在本实施例中，如果耦合窗22的材质为石英，则测温终端31的材料可以选择玻璃，玻璃具有与石英不同的发射率，而且，玻璃还具备射频耦合率好以及导热系数和石英接近的特点，这样可以减少测温终端31对等离子体产生的影响，而且可以与耦合窗22具有相同的温度敏感度。但是，玻璃和石英一样都会在等离子体轰击下被消耗，而且，玻璃因为纯度的问题，在被轰击后可能会产生杂质，污染反应室21，所以，在本实施例中，如果测温终端 31选择玻璃等容易受等离子体轰击的材料，则测温终端31的外表面还可以覆盖有抗等离子体轰击的材料，这种材料在非金属里面可以有很多选择，在本实施例中，测温终端31的外表面上覆盖有陶瓷311，玻璃和石英的导热系数远远大于陶瓷，所以陶瓷的加入不会影响到测温，而陶瓷又可以保护玻璃不受轰击，不带来杂质，而且，由于陶瓷在石英盖的使用过程中不易消耗，起到了对包裹部分的玻璃和接触部分的石英的保护，所以这种结构是永久性的，基本上不用考虑安装 和维护。进一步的，还可以将测温终端31安装在耦合窗22上不易被等离子体轰击到的位置，比如说线圈比较稀疏的圆周上。本实施例中的红外线测温仪器32可以设置在等离子体设备以外，通过探头非接触性的检测测温终端31的表面温度。如果耦合窗22的材质为石英，测温终端31选择的材料为玻璃，则该红外测温仪32可以设置发出的红外线波长范围为3um 5um，该波长范围内的红外线能穿过石英，但是不能穿过玻璃。另外，由于测温终端32的尺寸越�。蝰詈洗�22因结构的改变而对原有性能产生的影响就越�。圆馕轮斩�32的尺寸越小越好，对红外线测温仪器32来说，测温终端31 的尺寸大小取决于红外线测温仪器的探头321的安装位置和红外线测温仪器的距离系数， 该距离系数即D :S，其中，D为探头和被测对象的距离，S为被测物体的面积，对于一个选定的红外线测温仪器，D越�。琒就可以越�。裕诒臼凳├校焱庀卟馕乱瞧�32的探头 321安装在耦合窗22的上表面，且探头321的位置与测温终端31相对，其中耦合窗22上表面与耦合窗22的下表面相对，这样，D达到最小值，即耦合窗22的厚度。通常情况下耦合窗22的厚度小于50mm，一般的红外线测温仪器距离系数可以做到20 1，则该条件下测温终端31与耦合窗22下表面的接触面为直径大于2. 5mm的圆即可。在本实施例中，测温终端31为边长5mm的立方体，外表面覆盖有陶瓷311的测温终端31可以为边长IOmm的立方体。本实施例温度测量装置通过在耦合窗的下表面设置测温终端，然后通过外置的红外线测温仪器对该测温终端进行温度测量，确定了耦合窗下表面的温度，该非接触测温装置代替了现有技术中采用热电偶进行的接触式测温，不仅可以直接获取耦合窗下表面的温度，提高温度测量的准确度，而且便于安装和维护，无需在耦合窗中安插热电偶，有效延长了耦合窗的使用寿命。在本发明的其它实施例中，若耦合窗为石英之外的其它材料，则测温终端也可以选用其它的材料，只要与耦合窗具有不同的发射率即可；覆盖在测温终端外表面的抗等离子体轰击材料也可以选择除陶瓷之外的其它材料。红外线测温仪器可以根据测温终端和耦合窗的材质确定最佳红外线波长，还可以根据红外线测温仪器的距离系数和探头的安装位置进一步确定测温终端的尺寸。如图3所示，为本发明实施例一种等离子体设备的结构示意图。在本实施例中，该等离子体设备包括反应室41和位于反应室41上方的耦合窗42。 耦合窗42的下表面上具有测温终端421，用于红外线测温仪器通过测量该测温终端421以确定耦合窗42下表面的温度，测温终端421与耦合窗42的发射率不同，其中，耦合窗42下表面为耦合窗42的朝向反应室内部的表面。
在本实施例中，测温终端421的材质、外表面覆盖物、尺寸，及其在耦合窗42下表面上的位置等可以与前述温度测量装置实施例中的测温终端31类似，此处不再赘述。在其它实施例中，耦合窗的上表面上还可以设置有红外线测温仪器的探头，且探头的位置与测温终端相对。本实施例的等离子体设备中，在耦合窗的下表面设置有测温终端，从而可以为外置的红外线测温仪器提供检测目标，使得红外线测温仪器通过对该测温终端的温度测量， 即可确定耦合窗下表面的温度，该等离子体设备的结构只要通过一个红外线测温仪器即可实现非接触测温，代替了现有技术中在耦合窗上安插热电偶进行的接触式测温方式，不仅可以简单易行地获取耦合窗下表面的温度，提高温度测量的准确度，而且便于安装和维护， 无需在耦合窗中安插热电偶，有效延长了耦合窗的使用寿命。参照图4，为本发明实施例一种耦合窗的温度测量方法流程图。该方法可以包括 步骤401，红外线测温仪器对位于耦合窗下表面的测温终端进行测量。首先红外线测温仪器根据耦合窗和测温终端不同的发射率，确定其检测的目标测温终端的发射率，发出一定波长的红外线，对测温终端进行检测，以获得测温终端的温度。在本实施例中，耦合窗和测温终端与前述实施例类似，此处不再赘述。红外线测温仪器发出的红外线的波长范围可以为3um 5um。步骤402，确定耦合窗下表面的温度。耦合窗下表面为耦合窗朝向反应室内部的表面。由于测温终端位于耦合窗的下表面，在上步骤测得测温终端的表面温度后，该温度也即耦合窗下表面的温度。本发明实施例通过外置的红外线测温仪器对位于耦合窗下表面的测温终端进行温度测量，从而确定了耦合窗下表面的温度，该非接触测温的方式代替了现有技术中采用热电偶进行的接触式测温，不仅可以直接获取耦合窗下表面的温度，提高温度测量的准确度，而且便于安装和维护，无需在耦合窗中安插热电偶，有效延长了耦合窗的使用寿命，降低了设备的运营成本。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此， 凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
权利要求
1.一种耦合窗的温度测量装置，应用于包括耦合窗和反应室的等离子体设备中，其特征在于，所述装置包括位于所述耦合窗下表面的测温终端和用于通过对所述测温终端进行测量以确定所述耦合窗下表面温度的红外线测温仪器，所述测温终端具有与所述耦合窗不同的发射率，其中，所述耦合窗下表面为所述耦合窗的朝向所述反应室内部的表面。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述测温终端的材料为玻璃。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述测温终端的外表面覆盖有抗等离子体轰击的材料。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述抗等离子体轰击的材料为陶瓷。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的装置，其特征在于，所述测温终端与所述耦合窗下表面的接触面为直径大于2. 5mm的圆。
6.根据权利要求1至4中任意一项所述的装置，其特征在于，所述测温终端为边长是 5mm的立方体。
7.根据权利要求1至4中任意一项所述的装置，其特征在于，所述红外线测温仪器发出的红外线的波长范围为3um 5um。
8.根据权利要求1至4中任意一项所述的装置，其特征在于，所述红外线测温仪器的探头安装在所述耦合窗的上表面，且所述探头的位置与所述测温终端相对，所述上表面与所述耦合窗的下表面相对。
9.一种等离子体设备，包括耦合窗和反应室，其特征在于，所述耦合窗的下表面上具有用于红外线测温仪器测量以确定所述耦合窗下表面温度的测温终端，所述测温终端具有与所述耦合窗不同的发射率，其中，所述耦合窗下表面为所述耦合窗的朝向所述反应室内部的表面。
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述测温终端的材料为玻璃。
11.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述测温终端的外表面覆盖有抗等离子体轰击的材料。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述抗等离子体轰击的材料为陶瓷。
13.根据权利要求9至12中任意一项所述的装置，其特征在于，所述测温终端与所述耦合窗下表面的接触面为直径大于2. 5mm的圆。
14.根据权利要求9至12中任意一项所述的装置，其特征在于，所述测温终端为边长是 5mm的立方体。
15.根据权利要求9至12中任意一项所述的装置，其特征在于，所述耦合窗的上表面上还设置有红外线测温仪器的探头，且所述探头的位置与所述测温终端相对，所述上表面与所述耦合窗的下表面相对。
16.一种耦合窗的温度测量方法，应用于包括耦合窗和反应室的等离子体设备中，其特征在于，包括红外线测温仪器对位于所述耦合窗下表面的测温终端进行测量；确定所述耦合窗下表面的温度；其中，所述测温终端与所述耦合窗的发射率不同，所述耦合窗下表面为所述耦合窗的朝向所述反应室内部的表面。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述红外线测温仪器发出的红外线的波长范围为3um 5um。
全文摘要
本发明提供一种耦合窗的温度测量装置、等离子体设备及温度测量方法。一种耦合窗的温度测量装置，应用于包括耦合窗和反应室的等离子体设备中，所述装置包括位于所述耦合窗下表面的测温终端和用于通过对所述测温终端进行测量以确定所述耦合窗下表面温度的红外线测温仪器，所述测温终端具有与所述耦合窗不同的发射率，其中，所述耦合窗下表面为所述耦合窗的朝向所述反应室内部的表面。本发明实施例通过非接触测温方式代替了现有技术中采用热电偶进行的接触式测温，不仅可以直接获取耦合窗下表面的温度，提高温度测量的准确度，而且便于安装和维护，无需在耦合窗中安插热电偶，有效延长了耦合窗的使用寿命，降低了设备的运营成本。
文档编号G01J5/02GK102313599SQ20101022104
公开日2012年1月11日 申请日期2010年6月29日 优先权日2010年6月29日
发明者武小娟 申请人:北京北方微电子基地设备工艺研究中心有限责任公司
专业数控铣床产品供应商
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