CN108257839B - 一种用于晶圆处理的反应腔 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于晶圆处理的反应腔，反应腔内包括一个基座用于支撑待处理晶圆，基座中包括至少一条用于冷却液流动的热交换管道，所述热交换管道包括一个入口端和一个出口端；一个基座温度控制系统包括一个冷却液容器，冷却液容器包括一个输出端，所述输出端通过第一冷却液输送管道联通到所述热交换管道的入口端，所述热交换管道的出口端通过第二冷却液输送管道联通到冷却液容器的回流端。所述冷却液容器中容纳有具有预设温度的蓄热混合液，所述蓄热混合液中包括冷却液和悬浮在冷却液中的相变材料微胶囊，所述微胶囊的直径为1‑500um，所述蓄热混合液流过所述热交换管道使得所述基座具有均一的温度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体加工技术领域，具体涉及一种晶圆处理反应腔，能够使得晶圆安装基座具有均一的温度。
背景技术
等离子处理装置被广泛应用于半导体晶圆加工处理流程中，如图1所示为典型的等离子处理装置结构图。等离子处理装置包括可以抽真空的反应腔100，反应腔包括侧壁以及底壁，整个反应腔100都由金属制成且接地，实现对射频电磁场的屏蔽与气密。反应腔内底部包括基座22用于支撑待处理的晶圆，基座同时作为下电极连接到下方的至少一个射频电源。射频电源也可以设置多个，比如第一射频电源31通过匹配器1连接到基座22，第二射频电源32通过匹配器2连接到基座22。射频电源输出的射频频率可以是2MHz或13MHz或者60MHz，可以根据等离子浓度和离子浓度的需要调节射频电源输出到下电极的功率。基座22上方还包括一个静电夹盘21，通过静电夹盘21固定待处理晶圆20。在电容耦合等离子(CCP)反应腔中与基座相对的反应腔上方包括上电极11，上电极11中还集成了反应气体进气装置连接到气源110，用于均匀输入反应气体到下方的晶圆。在电感耦合等离子(ICP)反应腔顶部不需要设置上电极，代之以一个电感线圈设置在反应腔顶盖上方，一个射频电源连接到该电感线圈，线圈产生的电磁场穿过反应腔顶盖进入反应腔100内形成等离子体。基座22上方还设置有边缘环10，该边缘环10围绕静电夹盘和待处理晶圆20，实现对晶圆边缘区域电场和气流和温度的调节。
图2为现有技术中基座的温度控制系统示意图，图中基座22设置有热交换管道220，管道包括入口端220b和出口端220a。基座温度控制系统还包括冷却液容器31和输入阀门V1，具有设定温度的冷却液30通过阀门V1被送入入口端220b，随后从出口端220a经过阀门V3回流到冷却液容器31中，通过控制冷却液容器31内冷却液30的温度和流入基座22的冷却液流量来控制基座的温度，最终使得基座22具有稳定、可控的温度。实际使用中由于热交换管道220具有很长的长度，冷却液在进入入口端220b时的具有较低温度，随着冷却液在管道内流动逐渐吸收管道壁上传入的热量，最终从出口端220a流出的温度会远高于入口端的温度，所以基座实际的温度分布会受冷却液管道长度、分布的影响。同时，冷却液30从冷却液容器31出口流出，经过阀门V1到达管道入口220b的过程中实际也是在和周围大气空间进行热量交换的，冷却液30的温度也会与设计要求发生偏移。所以现有技术中基座温度控制系统无法在整个基座上表面获得均一的温度分布，无法满足温度均一性要求越来越高的工艺需求。
所以业内需要开发一种新的装置既能够实现基座内部不同部位的温度均匀分布，也能保证从冷却液容器到基座的传输过程中温度不发生偏移。
发明内容
本发明公开一种用于晶圆处理的反应腔，所述反应腔包括反应腔体，反应腔体是由侧壁和顶盖、底壁围绕构成的气密腔体，反应腔内包括一个基座用于支撑待处理晶圆，基座中包括至少一条用于冷却液流动的热交换管道，所述热交换管道包括一个入口端和一个出口端；一个基座温度控制系统用于控制基座的温度，基座温度控制系统包括一个冷却液容器，冷却液容器包括一个输出端，所述输出端通过第一冷却液输送管道联通到所述热交换管道的入口端，所述热交换管道的出口端通过第二冷却液输送管道联通到冷却液容器的回流端，其特征在于，所述冷却液容器中容纳有具有预设温度的蓄热混合液，所述蓄热混合液中包括冷却液和悬浮在冷却液中的相变材料微胶囊，所述微胶囊的直径为1-500um，所述蓄热混合液流过所述热交换管道使得所述基座具有均一的温度。
其中反应腔中基座由金属制成，所述基座连接到射频电源，射频电源输出的射频功率输入到反应腔，使得基座上方产生等离子体并对晶圆进行等离子处理。反应腔顶部还包括进气装置用于输入反应气体，所述反应气体在所述晶圆上反应形成化学气相沉积材料层。所述冷却液是电绝缘的导热液，进一步的，冷却液可以是Galden液。
其中相变材料微胶囊中为单一相变材料，所述蓄热混合液的预设温度为相变材料微胶囊中相变材料的熔点。相变材料微胶囊中也可以包括多种相变材料，每种相变材料具有各自的熔点。
本发明还提供了一种用于晶圆处理的反应腔的第二实施例，所述反应腔包括反应腔体，反应腔体是由侧壁和顶盖、底壁围绕构成的气密腔体，反应腔内包括一个基座用于支撑待处理晶圆，基座中包括至少一条用于冷却液流动的热交换管道，所述热交换管道包括一个入口端和一个出口端；一个基座温度控制系统用于控制基座的温度，基座温度控制系统包括第一和第二冷却液容器，每个冷却液容器包括一个上部输出端和一个下部输出端，每个冷却液容器内还包括一个微胶囊滤网，所述微胶囊滤网使得微胶囊只能在滤网下方扩散，所述上部输出端位于滤网上方，下部输出端位于滤网下方，每个冷却液容器还包括一个输入端位于滤网下方；所述第一冷却液容器中含有第一蓄热混合液，第二冷却液容器中含有第二蓄热混合液；第一、第二冷却液容器的上部、下部输出端通过多个阀门和冷却液输送管道联通到所述基座热交换管道的入口端，第一、第二冷却液容器的输入端通过至少一个阀门和冷却液输送管道连接到所述基座热交换管道的出口端。
所述第二实施例的反应腔可以采用如下控制方法：所述基座的温度在三个阶段内变化，第一阶段内第一冷却液容器从下部输出端输出第一温度的第一蓄热混合液到基座，使基座稳定在所述第一温度；第二阶段内，进行蓄热混合液切换：第一步中停止第一冷却液容器下部输出端的第一蓄热混合液的输出，同时第二冷却液容器的上部输出端输出第二温度的冷却液到基座热交换管道入口端，基座热交换管道的出口端输出冷却液到第一冷却液容器的输入端直到基座中的微胶囊被冲刷完；冲刷完第一蓄热混合液中的微胶囊后，停止第二冷却液容器上部输出端输出；第三阶段内第二冷却液容器从下部输出端输出第二温度的第二蓄热混合液到基座，同时基座热交换管道的出口端输出的蓄热混合液回流到第二冷却液容器的输入端，使基座稳定在所述第二温度。其中所述相变材料微胶囊中的相变材料为石蜡。
附图说明
图1为现有技术等离子处理装置示意图；
图2为现有技术基座温度控制系统示意图；
图3是本发明基座温度控制系统示意图；
图4是本发明与现有技术温度控制系统温度转换过程示意图。
具体实施方式
以下结合附图2，进一步说明本发明的具体实施例。本发明公开了一种新的冷却液用于等离子体反应腔中基座的温度控制系统。现有技术中，为了防止通入基座22的射频能量通过冷却液输送管道泄漏到外部环境，所以冷却液采用具有绝缘特性的液体，典型的为Galden液，也可以是其它电绝缘的液体。由于不断的和基座进行热交换，冷却液温度逐渐变化无法保证冷却液管道入口到出口之间温度的均一。本发明提出一种蓄热冷却液也，该蓄热冷却液主体仍然是传统的冷却液如Galden液，但是在冷却液中悬浮有大量微胶囊，微胶囊内部包裹有相变材料，这些相变材料具有稳定的相变温度，如20度，当蓄热冷却液吸收外部热量时，这些热量被微胶囊中的相变材料吸收，相变材料吸热逐渐相变为液态，但是整个相变材料颗粒的温度恒定不变。由于冷却液中大量悬浮有相变材料微胶囊，所以冷却液流动过程中从冷却液管道壁传入蓄热冷却液的热量只会引起这些微胶囊内相变材料的相变，整体冷却液的温度不会发生明显变化。最终从冷却液容器31出口到热交换管道入口端220b再到热交换管道出口端220a直到流回冷却液容器31，蓄热冷却液不会发生明显的温度变化。所以基座22中具有均一的温度分布，不在受管道长度、管道空间排布等因素的影响。其中相变材料微胶囊的直径可以是1um-500um不等，相变材料可以选择有机化合物，只要该有机化合物的熔点是在等离子处理工艺所需的温度范围就能应用于本发明场合，如20-80度。相变材料最典型、成本最低的是石蜡，石蜡是有多种直链烷烃混合而成，其中短链的烷烃如C16H34的熔点为16.7度，C21H44的熔点为44度，长链的烷烃如C30H62的熔点为65度，所以本发明中的相变材料可以选择的成分范围很广，需要根据具体等离子处理工艺的需要选择优化。比如当等离子处理装置长期只运行同一种工艺时可以选择该工艺对应的基座温度如21度，对应的可以选择主要成分为C17H36(熔点21.4度)作为相变材料。当等离子处理工艺需要在不同温度范围内变化时，可以将具有不同熔点的材料混合成。随着温度上升，这种混合材料的相变微胶囊中不同材料逐次融化。比如等离子处理工艺需要在21-65度之间变化，基座温度控制系统中的冷却液容器31初始输出的温度可以是20度左右，经过基座中的热交换管道220后只有熔点为21度的相变材料融化，其它具有更高熔点的材料吸收了热量温度没有变化，同样的当需要工作在65度时，冷却液容器31需要输入大量热到蓄热混合液30，在输送热量过程中逐渐将低熔点的材料全部融化，直到达到65度左右再将蓄热混合液30送入基座22内进行热量交换。这种由混合相变材料构成的相变材料胶囊也能实现基座上具有均匀的温度，所以也能够实现本发明目的。但是这种混合相变材料也具有部分缺点，在基座22内流动过程中实际只有一种成分的相变材料在进行相变吸热，其余不是这个熔点的相变材料成分均已全部变为固态或者液态，所以这种混合相变材料只有部分材料具有蓄热能力，相比单一材料蓄热能力明显不足，对于需要高功率的等离子工艺来说，有可能发生蓄热混合液还未流出出口端220a时有效的相变材料已经全部发生相变，无法再通过相变吸热并维持微胶囊的温度，这时出口端220a的温度会高于入口端的温度220b。另一方面，这种混合相变材料中已经全部变为固体的材料会阻隔有效相变材料与微胶囊外部冷却液溶液之间的热量传导通路，这也会明显减小蓄热混合液的蓄热能力。在工艺温度需要快速变化的场合，通过冷却液容器31的快速加热或散热实现蓄热混合液快速变化很难实现，容器31内大量蓄热混合液升温本身需要加热，同时额外的相变所需热量也要同步输入，所以这种蓄热混合液从20到60度需要的热量会高于传统的冷却液，而且全部相变材料完成相变需要时间传递热量到每一个悬浮在冷却液中的微胶囊。短时间内快速加热蓄热混合液，将需要大功率的加热或散热装置，不具有经济价值。
为了更好的适应在两个工艺温度之间快速切换的应用需要，本发明提供了如图3所示的另一个实施例。图3所示的基座温度控制系统与图1相比包括了两个冷却液容器31、41，以及两个容器各自对应的阀门V1、V2、共用的阀门V3。同时上述冷却液容器31、41内的中上部还设置了相变材料微胶囊滤网F1、F2，只能允许冷却液在滤网上下流通，相变材料微胶囊无法穿过。上述两个微胶囊滤网F1、F2将容器31、41分隔为上部纯冷却液区和下部冷却液和相变材料微胶囊的混合区，上下两部均包括一个液体出口联通到对应的阀门V1、V2
冷却液容器31内存储的第一蓄热混合液30中含有大量第一相变材料微胶囊，第一相变材料微胶囊中的相变材料熔点在20度，冷却液容器41内存储的第二蓄热混合液40含有大量第二相变材料微胶囊，其相变材料的熔点在60度。在工作过程中冷却液容器通过加热/散热的机构使得第一蓄热混合液30保持在20度，第二蓄热混合液40保持在60度。在第一处理工艺中需要使基座具有20度的温度，所以冷却液容器31下部出口通过开通的阀门V1流入基座22中的热交换管道，使得基座保持在20度恒定不变。
当等离子处理装置需要运行第二处理工艺时，基座22需要快速转换到60度，需要一个蓄热混合液切换过程。在蓄热混合液切换过程至少包括两个步骤，步骤1：首先将冷却液容器41上部的具有60度温度的纯冷却液通过阀门V2输送入基座内管道220，在加热基座22的同时将残留在基座管道220内的具有第一相变材料微胶囊颗粒冲刷出来。冲刷出来的第一相变材料微胶囊随着与基座进行过热交换后的冷却液流过阀门V3到达冷却液容器31的下部，这样第一相变材料微胶囊实现了有效回收，避免了不同熔点的相变材料微胶囊发生混合后无法分离。步骤2：随后控制阀门V2的机构，停止从冷却液容器41的上部输出冷却液，改为从冷却液容器的下部输出混合有第二相变材料微胶囊的第二蓄热液到基座22，直到基座温度达到目标温度60度，随后进行第二处理工艺。图4所示为上述蓄热混合液切换过程中温度变化曲线，步骤1中采用与现有技术相同的纯冷却液加热，所以其温度曲线与现有技术重合，在步骤2中本发明改为第二蓄热混合液输送到基座，其中蓄积的热量可以保证第二蓄热混合液在整个回路中始终保持在60度，快速加热基座。现有技术由于纯冷却液在基座22的管道内流动过程中不断被基座22带走热量，所以冷却液温度不断降低，到出口端220a时温度明显低于入口端220b时的温度，所以现有技术加热基座的速度明显低于本发明，最终的温度曲线如图4中虚线部分所示，现有技术温升更慢，需要耗费更多时间。
第二处理工艺完成需要切换回到第一处理工艺时进行反向操作：步骤1：容器31内上部具有20度的纯冷却液将管道内剩余的第二相变材料微胶囊冲刷送回容器41下部；步骤2：完成冲刷后切换为容器31下部的第一蓄热混合液31经过V1流入基座22。
本发明图3所示的各个阀门V1、V2、V3和附属的冷却液供应管道，可以有其它多种实施例，比如阀门V1、V2、V3可以是多个单通阀门的组合，通过分别控制各个单通阀门的开关实现本发明中V1的三通阀门功能。V1和V2的输出端也可以通过两个独立的冷却液供应管道连接到基座的入口端220b。上述这些改动均为业内人士很容易想到的简单替换，仍然属于本发明方案范围。
本发明通过在冷却液中添加相变材料微胶囊使得冷却液形成蓄热混合液，蓄热混合液流过基座过程中不会发生温度变化，从而使得基座内热交换管道不同部位均匀进行热交换，基座具有均一的温度分布。相变材料微胶囊中包裹的相变材料可以具有单一的熔点，也可以是多种不同熔点材料的混合物，实现一定温度范围内的多熔点相变材料。本发明也可以设置两种以上具有单一熔点的相变材料在两个独立的冷却液容器中，通过蓄热混合液切换过程实现两者蓄热混合液在在切换过程中两种相变材料微胶囊的隔离。
本发明除了可以应用于等离子处理装置实现对晶圆的刻蚀或者化学气相沉积(CVD)，也可以用于其它反应腔，比如热处理反应腔，只需要将晶圆加热到足够的温度不需要利用等离子对晶圆进行处理，任何对晶圆处理过程中对温度均一性要求高的反应腔均可以采用本发明的蓄热混合液作为基座热交换管道中的冷却液，实现本发明的目的。
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。
Claims (10)
1.一种用于晶圆处理的反应腔，所述反应腔包括反应腔体，反应腔体是由侧壁和顶盖、底壁围绕构成的气密腔体，反应腔内包括一个基座用于支撑待处理晶圆，基座中包括至少一条用于冷却液流动的热交换管道，所述热交换管道包括一个入口端和一个出口端；
一个基座温度控制系统用于控制基座的温度，基座温度控制系统包括第一和第二冷却液容器，每个冷却液容器包括一个上部输出端和一个下部输出端，每个冷却液容器内还包括一个微胶囊滤网，所述微胶囊滤网使得相变材料微胶囊只能在滤网下方扩散，所述上部输出端位于滤网上方，下部输出端位于滤网下方，每个冷却液容器还包括一个输入端位于滤网下方；所述第一冷却液容器中含有第一蓄热混合液，第二冷却液容器中含有第二蓄热混合液；
第一、第二冷却液容器的上部、下部输出端通过多个阀门和冷却液输送管道联通到所述基座热交换管道的入口端，第一、第二冷却液容器的输入端通过至少一个阀门和冷却液输送管道连接到所述基座热交换管道的出口端。
2.如权利要求1所述的用于晶圆处理的反应腔，其特征在于，所述反应腔中基座由金属制成，所述基座连接到射频电源，射频电源输出的射频功率输入到反应腔，使得基座上方产生等离子体并对晶圆进行等离子处理。
3.如权利要求1所述的用于晶圆处理的反应腔，其特征在于，所述反应腔顶部还包括进气装置用于输入反应气体，所述反应气体在所述晶圆上反应形成化学气相沉积材料层。
4.如权利要求1所述的用于晶圆处理的反应腔，其特征在于，所述蓄热混合液的预设温度为相变材料微胶囊中相变材料的熔点。
5.如权利要求1所述的用于晶圆处理的反应腔，其特征在于，所述相变材料微胶囊中包括多种相变材料，每种相变材料具有各自的熔点。
6.如权利要求1所述的用于晶圆处理的反应腔，其特征在于，所述冷却液是电绝缘的导热液。
7.如权利要求6所述的用于晶圆处理的反应腔，其特征在于，所述冷却液是Galden液。
8.如权利要求1所述的用于晶圆处理的反应腔，其特征在于，所述微胶囊的直径为1-500um。
9.如权利要求1所述的用于晶圆处理的反应腔，其特征在于，所述相变材料微胶囊中的相变材料为石蜡。
10.一种如权利要求1所述的用于晶圆处理的反应腔的控制方法，其特征在于，所述基座的温度在三个阶段内变化，
第一阶段内第一冷却液容器从下部输出端输出第一温度的第一蓄热混合液到基座，使基座稳定在所述第一温度；
第二阶段内，进行蓄热混合液切换：
第一步中停止第一冷却液容器下部输出端的第一蓄热混合液的输出，同时第二冷却液容器的上部输出端输出第二温度的冷却液到基座热交换管道入口端，基座热交换管道的出口端输出冷却液到第一冷却液容器的输入端直到基座中的微胶囊被冲刷完；
冲刷完第一蓄热混合液中的微胶囊后，停止第二冷却液容器上部输出端输出；
第三阶段内第二冷却液容器从下部输出端输出第二温度的第二蓄热混合液到基座，同时基座热交换管道的出口端输出的蓄热混合液回流到第二冷却液容器的输入端，使基座稳定在所述第二温度。
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