一种滤波电路、加热电路和半导体处理设备

摘要

本发明提供一种滤波电路、加热电路和半导体处理设备。该滤波电路用于连接在加热源和负载之间，对负载进行滤波；包括并联连接的电感支路和电容支路，电感支路包括变压元件和电感元件，电感元件串联连接于变压元件的初级绕组的两端，用于对负载进行滤波；变压元件的次级绕组用于连接负载，变压元件用于将加热源输出的加热电信号传输至负载。该滤波电路通过将电感支路中的电感元件串接于变压元件初级绕组的两端，电感支路的体积大幅减小，从而使电感支路的占用空间相应减小，进而使整个滤波电路的占用空间大幅减小；该滤波电路的电感支路中元器件的设置数量大大减少，从而不仅降低了滤波电路的器件成本，而且减小了滤波电路的整体体积和占用空间。

权利要求

1.一种滤波电路，用于连接在加热源和负载之间，对所述负载进行滤波；包括并联连接的电感支路和电容支路，其特征在于，所述电感支路包括变压元件和电感元件，所述电感元件串联连接于所述变压元件的初级绕组的两端，用于对所述负载进行滤波；所述变压元件的次级绕组用于连接所述负载，所述变压元件用于将所述加热源输出的加热电信号传输至所述负载；其中，所述变压元件包括第一磁芯，所述第一磁芯呈闭合环状；所述电感元件包括第二磁芯，所述第二磁芯连接在所述第一磁芯的第一侧边的两端，且所述第二磁芯与所述第一侧边形成非闭合的开环状结构；

所述第一侧边上绕制初级线圈形成所述初级绕组，所述第一磁芯的与所述第一侧边相对的第二侧边上绕制次级线圈形成所述次级绕组；

所述电感元件还包括电感线圈，所述电感线圈绕制在所述第二磁芯上，且与所述初级线圈串联连接；所述次级线圈用于与所述负载并联连接。

2.根据权利要求1所述的滤波电路，其特征在于，所述第一磁芯和所述第二磁芯采用铁磁材料制备，所述铁磁材料的应用频率范围为400KHz-100MHz。

3.根据权利要求2所述的滤波电路，其特征在于，所述铁磁材料包括镍锌铁磁材料，所述镍锌铁磁材料的相对磁导率范围为100-400，居里温度范围为350-450℃。

4.根据权利要求1所述的滤波电路，其特征在于，所述初级线圈的匝数大于或等于所述次级线圈的匝数。

5.根据权利要求1所述的滤波电路，其特征在于，所述电感元件包括两个，两个所述电感元件的所述第二磁芯分别连接在所述第一侧边的相对两端；两个所述电感元件的所述电感线圈分别绕制在各自的所述第二磁芯上；

所述电感元件的电感值范围为40μH-100μH。

6.根据权利要求5所述的滤波电路，其特征在于，两个所述电感元件的所述电感线圈的匝数相等，两个所述电感元件的电感值相等。

7.根据权利要求5所述的滤波电路，其特征在于，所述电容支路包括至少两个，每个所述电感元件的一端至少与一个所述电容支路的一端相连。

8.根据权利要求7所述的滤波电路，其特征在于，所述电容支路包括电容，所述电容采用陶瓷电容。

9.一种加热电路，用于加热静电卡盘的不同温度区，包括加热源和负载，所述加热源用于为所述负载提供加热电源，其特征在于，还包括权利要求1-8任意一项所述的滤波电路，所述滤波电路的输入端连接所述加热源，输出端连接所述负载，用于对所述负载进行滤波。

10.根据权利要求9所述的加热电路，其特征在于，所述静电卡盘的每个所述温度区对应设置有一个所述负载，所述滤波电路包括多个，每个所述负载对应连接一个所述滤波电路。

11.一种半导体处理设备，其特征在于，包括权利要求9-10任意一项所述的加热电路。

说明书

一种滤波电路、加热电路和半导体处理设备

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体器件制备技术领域，具体地，涉及一种滤波电路、加热电路和半导体处理设备。

背景技术

[0002] 半导体装备中，用于硅刻蚀工艺的等离子体设备通常应用电感耦合等离子体(ICP)原理，由射频电源提供射频能量到腔室中电离高真空状态下的特殊气体(如氩气Ar、氦气He、氮气N2等)，产生含有大量的电子、离子、激发态的原子、分子和自由基等活性粒子的等离子体，这些活性粒子和置于腔体并曝露在等离子体环境下的晶圆之间发生相互作用，使晶圆材料表面发生各种物理和化学反应，从而使材料表面性能发生变化，完成晶圆的刻蚀工艺过程。

[0003] 在大尺寸晶圆的刻蚀工艺中，非常重要的一个技术指标是工艺均匀性，决定该均匀性指标的因素包括腔室内电场、磁场、温度、气流场等多个物理场的均匀性，其中，温度是非常关键的因素。在90nm以下的刻蚀工艺中原有的单温度区的静电卡盘已无法满足温度对工艺均匀性的影响，随着更小线宽工艺的开发，双温度区静电卡盘甚至多温度区静电卡盘越来越成为硅刻蚀设备的一项关键技术。如当前的28-65nm硅刻蚀工艺中要求双区静电卡盘，而14-22nm硅刻蚀工艺中则要求四区静电卡盘，在更小的10nm工艺中则需要十六区静电卡盘才能够达到要求的工艺均匀性。

[0004] 图1为双温度区静电卡盘加热电路原理图，例如：双区静电卡盘的加热层分为内圈加热器20和外圈加热器21，这两个加热器需分别达到工艺所需的温度并稳定，温度控制器23分别控制两个加热器加热，交流电源22供电输出电信号到温度控制器23，温度控制器23的输出分为两路分别给内圈加热器20和外圈加热器21进行加热。由于受下射频电源输出的高频信号影响，加热层端会存在高频信号，所以在加热电路中通常设置滤波电路5对加热层端的高频信号进行滤波，防止高频信号通过加热电路传输到温度控制器23及交流电源22端，造成器件损坏。

[0005] 滤波电路5由四个支路组成，分别串联到内圈加热器20和外圈加热器21的输入和输出端，交流电源22输出的交流信号可以通过滤波电路5到达加热层。滤波电路5由电感L和电容C等无源器件组成，从交流电源22向加热层端看，先并联电容C，然后再串联电感L到电路中，形成低通滤波电路。

[0006] 上述滤波电路中对器件的要求比较高，如：电感耐电流要求大于5A；电感的温度特性较好，随着温度变化电感值无较大的波动；电容耐压大于1kV。为了达到对器件的性能要求，电感和电容的体积通常会比较大，这使得整个滤波电路的体积和占用空间随之增大；而且随着晶圆尺寸的不断增大(如大于等于300mm，特别是450mm时)，工艺线宽的逐渐减小(如20nm以下工艺)，静电卡盘上的温度区个数也在不断增大(如由原有的两区增大到四区，八区，十六区甚至三十二区)，按照图1中滤波电路的设置方式，电感电容数量也随之增长，如静电卡盘上有四个温度区时，滤波电路增长为八个支路，每个支路均包括电感和电容的并联电路，这使得滤波电路成本逐渐增大，滤波电路的体积和占用空间也越来越大。

[0007] 另外，上述滤波电路中，为了达到对器件的性能要求，电感的绕线匝数较多，很容易导致电感绕制的一致性差，从而影响电感随温度变化的稳定性，继而影响整个滤波电路的滤波性能。

发明内容

[0008] 本发明针对现有技术中存在的上述技术问题，提供一种滤波电路、加热电路和半导体处理设备。该滤波电路，通过将电感支路中的电感元件串接于变压元件初级绕组的两端，相比于滤波电路的电感支路采用传统电感的情况，在达到同样的电感性能要求的情况下，电感支路的体积大幅减小，从而使电感支路的占用空间相应减小，进而使整个滤波电路的占用空间大幅减小；同时，相比于采用传统电感的滤波电路，该滤波电路的电感支路中元器件的设置数量大大减少，从而不仅降低了滤波电路的器件成本，而且减小了滤波电路的整体体积和占用空间。

[0009] 本发明提供一种滤波电路，用于连接在加热源和负载之间，对所述负载进行滤波；包括并联连接的电感支路和电容支路，所述电感支路包括变压元件和电感元件，所述电感元件串联连接于所述变压元件的初级绕组的两端，用于对所述负载进行滤波；所述变压元件的次级绕组用于连接所述负载，所述变压元件用于将所述加热源输出的加热电信号传输至所述负载。

[0010] 优选地，所述变压元件包括第一磁芯，所述第一磁芯呈闭合环状；所述电感元件包括第二磁芯，所述第二磁芯连接在所述第一磁芯的第一侧边的两端，且所述第二磁芯与所述第一侧边形成非闭合的开环状结构；

[0011] 所述第一侧边上绕制初级线圈形成所述初级绕组，所述第一磁芯的与所述第一侧边相对的第二侧边上绕制次级线圈形成所述次级绕组；

[0012] 所述电感元件还包括电感线圈，所述电感线圈绕制在所述第二磁芯上，且与所述初级线圈串联连接；所述次级线圈用于与所述负载并联连接。

[0013] 优选地，所述第一磁芯和所述第二磁芯采用铁磁材料制备，所述铁磁材料的应用频率范围为400KHz-100MHz。

[0014] 优选地，所述铁磁材料包括镍锌铁磁材料，所述镍锌铁磁材料的相对磁导率范围为100-400，居里温度范围为350-450℃。

[0015] 优选地，所述初级线圈的匝数大于或等于所述次级线圈的匝数。

[0016] 优选地，所述电感元件包括两个，两个所述电感元件的所述第二磁芯分别连接在所述第一侧边的相对两端；两个所述电感元件的所述电感线圈分别绕制在各自的所述第二磁芯上；

[0017] 所述电感元件的电感值范围为40μH-100μH。

[0018] 优选地，两个所述电感元件的所述电感线圈的匝数相等，两个所述电感元件的电感值相等。

[0019] 优选地，所述电容支路包括至少两个，每个所述电感元件至少并联一个所述电容支路。

[0020] 优选地，所述电容支路包括电容，所述电容采用陶瓷电容。

[0021] 本发明还提供一种加热电路，用于加热静电卡盘的不同温度区，包括加热源和负载，所述加热源用于为所述负载提供加热电源，还包括上述滤波电路，所述滤波电路的输入端连接所述加热源，输出端连接所述负载，用于对所述负载进行滤波。

[0022] 优选地，所述静电卡盘的每个所述温度区对应设置有一个所述负载，所述滤波电路包括多个，每个所述负载对应连接一个所述滤波电路。

[0023] 本发明还提供一种半导体处理设备，包括上述加热电路。

[0024] 本发明所提供的滤波电路，通过将电感支路中的电感元件串接于变压元件初级绕组的两端，相比于滤波电路的电感支路采用传统电感的情况，在达到同样的电感性能要求的情况下，电感支路的体积大幅减小，从而使电感支路的占用空间相应减小，进而使整个滤波电路的占用空间大幅减小；同时，相比于采用传统电感的滤波电路，该滤波电路的电感支路中元器件的设置数量大大减少，从而不仅降低了滤波电路的器件成本，而且减小了滤波电路的整体体积和占用空间，实现了滤波电路小型化的要求。

[0025] 本发明所提供的加热电路，通过采用实施例1中的滤波电路，不仅能够对负载端产生的高频信号进行滤除，从而避免负载端的高频信号对加热源造成干扰和损坏；而且由于滤波电路的体积大幅减小，所使用的元器件数量大大减少，从而不仅减小了该加热电路的占用空间，实现了滤波电路小型化的要求，而且还降低了该加热电路的成本。

[0026] 本发明所提供的半导体处理设备，通过采用上述加热电路，不仅确保了该半导体处理设备对静电卡盘上不同温度区温度的精确控制，从而实现了该半导体处理设备对处理工艺的均匀性要求，而且还大幅减小了该半导体处理设备的体积，并降低了其成本。

附图说明

[0027] 图1为现有技术中双温度区静电卡盘加热电路的电路原理图；

[0028] 图2为本发明实施例1中滤波电路的电路原理图；

[0029] 图3为图2中电感支路的结构示意图；

[0030] 图4为本发明实施例2中加热电路的电路原理图。

[0031] 其中的附图标记说明：

[0032] 1.加热源；11.加热电源；12.温度控制电路；2.负载；3.电感支路；4.电容支路；5.滤波电路；31.变压元件；311.初级绕组；312.次级绕组；32.电感元件；300.第一磁芯；301.第一侧边；302.第二侧边；321.第二磁芯；T1.初级线圈；T2.次级线圈；T3.电感线圈；C.电容；20.内圈加热器；21.外圈加热器；22.交流电源；23.温度控制器；L.电感。

具体实施方式

[0033] 为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明所提供的一种滤波电路、加热电路和半导体处理设备作进一步详细描述。

[0034] 实施例1：

[0035] 本实施例提供一种滤波电路，如图2和图3所示，用于连接在加热源1和负载2之间，对负载2进行滤波；包括并联连接的电感支路3和电容支路4，电感支路3包括变压元件31和电感元件32，电感元件32串联连接于变压元件31的初级绕组311的两端，用于对负载2进行滤波；变压元件31的次级绕组312用于连接负载2，变压元件31用于将加热源1输出的加热电信号传输至负载2。

[0036] 需要说明的是，在半导体处理工艺过程中，由于下射频电源在静电卡盘上的加载，会使负载2端产生高频信号，该高频信号的频率小于等于下射频电源的射频频率，该高频信号容易对加热源1造成干扰或损坏。该滤波电路中电感元件32和电容支路4的设置，能够对负载2端产生的高频信号进行滤除，从而使高频信号不会对加热源1造成干扰和损坏；同时，该滤波电路中变压元件31的设置，能够将加热源1输出的加热电信号传输至负载2，以对负载2进行加热。

[0037] 该电感支路3通过将电感元件32串接于变压元件31初级绕组311的两端，相比于现有技术中滤波电路的电感支路采用传统电感的情况，在达到同样的电感性能要求的情况下，本发明中的电感支路3相比传统的电感支路体积大幅减小，从而使电感支路3的占用空间相应减小，进而使整个滤波电路的占用空间大幅减小，实现了滤波电路小型化的要求；同时，相比于现有技术中采用传统电感的滤波电路(即一个负载2需要在其对应的滤波电路中设置两个电感，两个电感分别串接在负载2的两端，以避免负载2的任意一端将高频干扰信号传输到加热源1侧)，本发明中的滤波电路由于将电感元件32和变压元件31连接为一体，使得一个负载2在其对应的滤波电路中只需要设置一个由电感元件32和变压元件31组成的连接件即可实现对该负载2两端的高频信号滤除的功能，因此，相比现有技术滤波电路中元器件的数量，本发明滤波电路中元器件的设置数量大大减少，从而不仅降低了滤波电路的器件成本，而且减小了滤波电路的整体体积和占用空间。

[0038] 其中，如图3所示，变压元件31包括第一磁芯300，第一磁芯300呈闭合环状；电感元件32包括第二磁芯321，第二磁芯321连接在第一磁芯300的第一侧边301的两端，且第二磁芯321与第一侧边301形成非闭合的开环状结构；第一侧边301上绕制初级线圈T1形成初级绕组311，第一磁芯300的与第一侧边301相对的第二侧边302上绕制次级线圈T2形成次级绕组312；电感元件32还包括电感线圈T3，电感线圈T3绕制在第二磁芯321上，且与初级线圈T1串联连接；次级线圈T2用于与负载2并联连接。初级线圈T1和次级线圈T2采用耦合方式传递加热电信号至加热负载2，减少了电路的接触点，从而减小了接触阻抗引起的发热问题，进而减少了能量损耗。

[0039] 电感支路3的上述结构设置使其整体外形呈“R”形，这使电感支路3相对现有技术滤波电路中电感支路(即一个负载2需要在其对应的滤波电路中设置两个电感，两个电感分别串接在负载2的两端)的体积大幅减小，从而减小了整个滤波电路的体积和占用空间；同时，电感支路3中仅需设置一个由电感元件32和变压元件31组成的连接件，相比现有技术的电感支路(即一个电感支路中需要设置两个电感，两个电感分别串接在负载2的两端)中的器件数量大大减少，从而降低了滤波电路的器件成本。

[0040] 以两温度区静电卡盘的滤波电路为例，现有技术中，传统的电感支路采用传统的电感，传统电感的直径为35mm，电感长度为140mm，电感绕线直径为1.5mm；电容支路采用标准高压陶瓷电容，其尺寸为长15mm，宽10mm，高3mm。滤波电路中需要设置由传统电感和电容组成的滤波支路共四个，四个滤波支路形成总的滤波电路盒，该滤波电路盒的尺寸为：长*宽*高为420*210*105mm。本实施例中，电感支路3由电感元件32串接于变压元件31初级绕组311的两端形成R形结构，该R形结构的呈闭合环状的第一磁芯300外环边长48mm，宽32mm，高
8mm；第一磁芯300内环边长16mm，宽16mm，高8mm，绕线直径1.5mm；本实施例中的滤波电路中需要设置由R形电感结构和电容组成的滤波支路共两个，两个滤波支路形成总的滤波电路盒，在本实施例中的电容支路的体积与现有技术中电容支路的体积相同的情况下，该滤波电路盒的尺寸为：长*宽*高为64*48*24mm，远小于现有技术中滤波电路盒的尺寸。同时，在电感支路元器件的数量上，现有技术中的滤波电路需要四个传统电感，而本实施例中的滤波电路只需要两个R形电感结构，因此，在本实施例中的电容数量与现有技术中电容数量相同的情况下，本实施例中滤波电路中的元器件数量减少了一半。由此可见，本实施例中的滤波电路应用到四温度区及16温度区的加热电路中，其相对于现有技术中的滤波电路体积减小和元器件数量减少会更加明显。

[0041] 本实施例中，第一磁芯300和第二磁芯321采用铁磁材料制备，铁磁材料的应用频率范围为400KHz-100MHz。即铁磁材料的磁芯在该频率范围内磁性不会达到饱和，磁芯的磁通量在该频率范围内能够正常变化，由于负载2端产生的高频信号的频率基本在该应用频率范围内，所以铁磁材料的第二磁芯321能够使电感元件32很好地滤除高频信号。铁磁材料的应用频率范围广，采用该磁芯材料的电感元件32基本能够对半导体处理工艺中可能产生的各种频率的高频信号进行滤除。

[0042] 优选的，本实施例中的铁磁材料为镍锌铁磁材料，镍锌铁磁材料的相对磁导率范围为100-400，居里温度范围为350-450℃，应用频率范围为小于20MHz。采用该磁芯材料的电感元件32能够对负载2端的高频信号(如13.56MHz的信号)进行很好的滤除，从而避免高频信号对加热源1的干扰。采用该磁芯材料的电感元件32随温度变化电感值不会有较大波动，从而使整个滤波电路的滤波性能更加稳定。

[0043] 本实施例中，初级线圈T1的匝数大于或等于次级线圈T2的匝数。如初级线圈T1的匝数与次级线圈T2的匝数比为1:1、2:1、3:1或10:1等。这样能使负载2端获得更大的加热电流，从而有利于负载2对静电卡盘上的相应温度区进行快速加热。

[0044] 本实施例中，电感元件32包括两个，两个电感元件32的第二磁芯321分别连接在第一侧边301的相对两端；两个电感元件32的电感线圈T3分别绕制在各自的第二磁芯321上；电感元件32的电感值范围为40μH-100μH。电感元件32的实际电感值与要滤除的高频信号的频率有关，在该电感值范围内的电感元件32能够对半导体处理工艺中可能产生的各种频率的高频信号进行很好的滤除。半导体处理工艺中可能产生的高频信号的频率如13.56MHz、
400KHz、2MHz、27.12MHz、40MHz、60MHz、100MHz等。

[0045] 需要说明的是，设计时用于滤波的电感元件32的电感值可以根据下述公式(1)计算确定：

[0046]

[0047] 其中，r为电感线圈T3的半径，l为电感线圈T3的长度，N为电感线圈T3的匝数，u0为真空磁导率常数，ur为第二磁芯321的相对磁导率。

[0048] 通过调整电感线圈T3的半径、电感线圈T3的长度和电感线圈T3的匝数，即可调整用于滤波的电感元件32的电感值大小，从而减少了电感元件32的设置数量，进而减小了电感支路3乃至整个滤波电路的体积。

[0049] 优选地，两个电感元件32的电感线圈T3的匝数相等，两个电感元件32的电感值相等。当然，两个电感元件32的电感值也可以不相等，只要确保由每个电感元件32和与其并联的电容支路4组成的滤波电路能够对负载2端产生的高频信号进行很好的滤除即可。

[0050] 本实施例中，电容支路4包括至少两个，每个电感元件32至少并联一个电容支路4。优选地，本实施例中的电容支路4包括两个，每个电感元件32并联一个电容支路4。电容支路
32包括电容C，电容C采用陶瓷电容。陶瓷电容的耐压范围高(如耐压范围为大于1kV)，从而能够满足滤波电路中对滤波电容的性能要求。电容C的电容值具体根据要滤除的高频信号的频率确定。

[0051] 需要说明的是，电容支路32中也可以包括电阻，电阻与电容C串联连接，用于对高频信号进行滤除。电阻的电阻值同样是根据要滤除的高频信号的频率确定。

[0052] 本实施例中，加热源1包括加热电源11和温度控制电路12，加热电源11连接温度控制电路12，加热电源11用于为负载2提供加热电信号，温度控制电路12用于控制对负载2的加热温度。加热电源11和温度控制电路12容易被负载2端的高频信号干扰，导致其无法正常工作，通过设置滤波电路能够对高频信号进行滤除。

[0053] 实施例1中所提供的滤波电路，通过将电感支路中的电感元件串接于变压元件初级绕组的两端，相比于滤波电路的电感支路采用传统电感的情况，在达到同样的电感性能要求的情况下，电感支路的体积大幅减小，从而使电感支路的占用空间相应减小，进而使整个滤波电路的占用空间大幅减小；同时，相比于采用传统电感的滤波电路，该滤波电路的电感支路中元器件的设置数量大大减少，从而不仅降低了滤波电路的器件成本，而且减小了滤波电路的整体体积和占用空间，实现了滤波电路小型化的要求。

[0054] 实施例2：

[0055] 本实施例提供一种加热电路，如图4所示，用于加热静电卡盘的不同温度区，包括加热源1和负载2，加热源1用于为负载2提供加热电源，还包括实施例1中的滤波电路5，滤波电路5的输入端连接加热源1，输出端连接负载2，用于对负载2进行滤波。

[0056] 静电卡盘的每个温度区对应设置有一个负载2，滤波电路5包括多个，每个负载2对应连接一个滤波电路5。通过设置上述滤波电路5，能使设置有多个负载2的加热电路的体积大幅减小，实现了滤波电路小型化的要求；同时还大幅减少了加热电路中的元器件数量，从而节约了更多成本。

[0057] 本实施例中，静电卡盘上设置有两个温度区，相应地，如图4所示，负载2设置有两个，滤波电路5设置有两个，分别用于对两个负载2端进行滤波。

[0058] 本实施例中，加热源1包括加热电源11和温度控制电路12，加热电源11连接温度控制电路12，加热电源11用于为负载2提供加热电信号，温度控制电路12用于控制对负载2的加热温度。加热电源11和温度控制电路12容易被负载2端的高频信号干扰，导致其无法正常工作，通过设置滤波电路能够对高频信号进行滤除。

[0059] 实施例2的有益效果：实施例2中所提供的加热电路，通过采用实施例1中的滤波电路，不仅能够对负载端产生的高频信号进行滤除，从而避免负载端的高频信号对加热源造成干扰和损坏；而且由于滤波电路的体积大幅减小，所使用的元器件数量大大减少，从而不仅减小了该加热电路的占用空间，实现了滤波电路小型化的要求，而且还降低了该加热电路的成本。

[0060] 实施例3：

[0061] 本实施例提供一种半导体处理设备，包括实施例2中的加热电路。

[0062] 通过采用实施例2中的加热电路，不仅确保了该半导体处理设备对静电卡盘上不同温度区温度的精确控制，从而实现了该半导体处理设备对处理工艺的均匀性要求，而且还减小了该半导体处理设备的体积，实现了滤波电路小型化的要求，并降低了其成本。

[0063] 可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。