TWI595529B - A plasma processing chamber and its cooling device - Google Patents

Description

一種電漿處理腔室及其冷卻裝置

本發明涉及半導體製造領域，尤其涉及一種電漿處理腔室及其冷卻裝置。

電漿處理腔室利用真空反應室的工作原理進行半導體基片和電漿平板的基片的加工。真空反應室的工作原理是在真空反應室中通入含有適當蝕刻劑源氣體的反應氣體，然後再對該真空反應室進行射頻能量輸入，以啟動反應氣體，來激發和維持電漿，以便分別蝕刻基片表面上的材料層或在基片表面上沉積材料層，進而對半導體基片和電漿平板進行加工。

電漿處理腔室的系統溫度控制是非常關鍵的問題。電漿處理腔室系統本身除了腔室以外還包括許多組件，組件本身會產生熱量，如果熱量得不到疏散就會造成系統過熱，甚至對基片製程產生影響。以感應耦合型電漿(ICP)處理腔室為例，其頂部的溫度控制從來都是業內工程師持續關注的物件。這是由於感應耦合型電漿處理腔室的頂部設置有若干個感應耦合射頻發射裝置，例如射頻線圈。其中，射頻線圈連接有射頻功率源，當感應耦合型電漿處理腔室內部製程需要而點燃電漿時，射頻功率源通過向射頻線圈發送射頻能量，從而絕緣頂板上所有射頻線圈都會感應熱量。射頻線圈感應的射頻能量再加上腔室 內部的電漿熱量會使得感應耦合型電漿處理腔室的頂板部分達到非常高的溫度，甚至引起絕緣頂板破裂，組件時效或者製程的工藝參數漂移(process drift)。

圖1是習知技術的感應耦合型電漿處理腔室及其冷卻系統的結構示意圖。如圖1所示，感應耦合型電漿處理腔室100對應了一個冷卻裝置102。基片W放置於基台107上進行製程。冷卻裝置102是傳統的風扇，通過扇葉的高速旋轉帶走腔室熱量。

但是由於傳統風扇的扇葉總是處於高速旋轉，因此也具有不可避免的缺陷。例如，傳統風扇的噪音水平總是正比於空氣流量。傳統風扇的扇葉部分也會佔用很多系統空間，如圖1所示，由於傳統風扇是一整片，並且感應耦合型電漿處理腔室100的頂部還必須設置很多其他組件，例如感應耦合型線圈104和射頻功率源105等。因此，冷卻裝置102只能與腔室呈一定角度傾斜地設置於腔室側面部分。這樣的位置並不利於冷卻裝置102帶走腔室頂部106的熱量，會造成一定的資源浪費。其次，冷卻裝置102由於是傳統風扇結構，因此也需要考慮安全方面的因素，應該被保護起來。

本發明正是基於此提出的。

針對背景技術中的上述問題，本發明提出了一種電漿處理腔室及其冷卻裝置。

本發明第一方面提供了一種用於電漿處理腔室的冷卻裝置，所述冷卻裝置包括：中空框狀的出風組件，其主體上設置有多個出風口/出風帶， 固定於所述電漿處理腔室的頂板上；動力裝置，其連接於出風組件，用於驅動所述出風組件產生風力。進一步地，所述中空框狀的出風組件包括以下任一形狀：-三角形；-環形；-矩形；-梯形。

進一步地，所述主體上的多個出風口分別包括對應於基片中央區域的中央出風口和對應於基片邊緣區域的邊緣出風口/出風帶。

進一步地，所述主體上的多個出風帶包括設置於所述中空框狀的出風組件的內邊沿和/或外邊沿的出風口/出風帶。

進一步地，所述出風組件包括相互連接的對應於絕緣頂板上方的第一部分和/或對應於腔室側面區域的第二部分。

進一步地，所述主體上的多個出風口分別包括分別對應於基片中央區域和邊緣區域、射頻線圈和射頻電源以及臨近製程區域的腔室側壁的出風口/出風帶。

進一步地，所述主體上的多個出風帶包括設置於所述中空框狀的出風組件的內邊沿和/或外邊沿的出風口/出風帶。

進一步地，所述動力裝置包括：增壓葉輪組件，用於產生風力並輸送至出風口；電機，其連接於所述增壓葉輪組件並驅動所述增壓葉輪組件產生風力。

進一步地，所述動力裝置包括控制裝置，所述控制裝置用於控制增壓葉輪組件產生風力並輸送至出風口。

進一步地，所述控制裝置用於控制增壓葉輪組件產生風力並輸送至所述出風組件的任一出風口/出風帶，並控制每個出風口/出風帶產生的氣流強度。

進一步地，所述動力裝置包括進風口，在所述進風口處設置有噪音減少裝置。

進一步地，所述動力裝置包括進風口包括出風區域，在所述出風口區域設置有抽風裝置。

進一步地，所述出風組件是無扇葉的。

本發明第二方面提供了一種電漿處理腔室，其中，包括本發明第一方面所述的冷卻裝置，所述冷卻裝置設置於所述電漿處理腔室的頂板之上。

進一步地，所述電漿處理腔室包括感應耦合型電漿處理腔室，所述冷卻裝置位於設置了感應耦合線圈和射頻功率源的絕緣頂板以上。

本發明提供的電漿處理腔室及其冷卻裝置噪音小，易於清潔，節省腔室面積，降低功耗。本發明尤其適用於感應耦合型電漿處理裝置。

200‧‧‧感應耦合型電漿處理腔室

201‧‧‧金屬側壁

202‧‧‧氣體源

203a‧‧‧中心氣體注入口

203b‧‧‧邊緣氣體注入口

204‧‧‧感應耦合射頻線圈

205‧‧‧射頻功率源

206‧‧‧絕緣頂板

207‧‧‧基座

208‧‧‧抽真空泵

209、2091、2092、2093‧‧‧出風組件

2091a、2091b、2092a、2092b‧‧‧出風帶

2093a‧‧‧第一部分

2093b‧‧‧第二部分

210‧‧‧動力裝置

2101‧‧‧出風區域

2102‧‧‧增壓葉輪組件

2103‧‧‧電機

2104‧‧‧進風口

2105‧‧‧控制裝置

a、b‧‧‧出風口

c1‧‧‧第一出風口

c2‧‧‧第二出風口

c3‧‧‧第三出風口

c4‧‧‧第四出風口

P‧‧‧製程區域

W‧‧‧基片

〔圖1〕是習知技術的感應耦合型電漿處理腔室及其冷卻裝置的結構示意圖； 〔圖2〕是根據本發明一個具體實施例的電漿處理腔室及其冷卻裝置的結構示意圖；〔圖3a〕~〔圖3b〕是根據本發明一個具體實施例的電漿處理腔室及其冷卻裝置的出風組件的結構示意圖；〔圖4〕是根據本發明另一具體實施例的電漿處理腔室及其冷卻裝置的結構示意圖；〔圖5〕是根據本發明另一具體實施例的電漿處理腔室及其冷卻裝置的出風組件的結構示意圖；〔圖6〕是根據本發明一個具體實施例的電漿處理腔室的冷卻裝置的動力裝置的結構示意圖。

以下結合附圖，對本發明的具體實施方式進行說明。

本發明適用於電漿處理腔室，下文將以感應耦合型電漿處理腔室為例進行說明，但是這不視為對本發明的限制。本領域中具有通常知識者應當理解，本發明適用於任何真空處理腔室，包括電漿處理腔室，例如電容耦合性電漿(CCP)處理腔室以及金屬有機氣相沉積(MOCVD)腔室等。

圖2是根據本發明一個具體實施例的電漿處理腔室及其冷卻裝置的結構示意圖。圖2示出根據本發明一個實施例的感應耦合型電漿處理腔室200。應當理解，其中的感應耦合型電漿處理腔室200僅僅是示例性的，所述腔室200實際上也可以包括更少或額外的部件，部件的排列也可以不同於圖2中所示出。

感應耦合電漿處理腔室200包括金屬側壁201和絕緣頂板206，構成一個氣密的真空封閉殼體，並且由抽真空泵208抽真空。所述絕緣頂板206僅作為示例，也可以採用其它的頂板樣式，比如穹頂形狀的，帶有絕緣材料視窗的金屬頂板等。基座207包括一靜電夾盤(未示出)，所述靜電夾盤上放置著待處理的基片W。偏置功率被施加到所述靜電夾盤上，以產生對基片W的夾持力。所述感應耦合型電漿處理腔室200包括位於所述絕緣頂板206上的感應耦合射頻線圈204，用於發射射頻能量到所述封閉殼體內，反應氣體從氣體源202進入腔室內並在射頻能量的作用下激發成電漿，從而對基片進行製程。其中，所述反應氣體可以分別通過腔室的不同區域進入腔室內部，例如從中心氣體注入口203a或若干個邊緣氣體注入口203b。

其中，所述冷卻裝置包括中空框狀的出風組件209，其主體上設置有多個出風口，固定於感應耦合電漿處理腔室200的絕緣頂板206上。所述冷卻裝置還包括動力裝置210，其連接於出風組件209，用於驅動所述出風組件209產生風力。

可選地，所述中空框狀的出風組件可以具有形狀，例如三角形、環形、矩形、梯形等。附圖3a示出了環形的出風組件2091，如圖所示，可選地，在環形的出風組件2091的環形主體上可以設置若干個出風口a。出風口a可以以特定距離均勻地排布在環形主體上，也可以離散地沒有規律地排布在環形主體上的任何位置。可選地，環形的出風組件2091也可以在環形主體內環邊沿設置一個出風帶2091a，也可以在環形主體的外環邊沿設置一個出風帶2091b，或者也可以在內環邊沿和外環邊沿之間的某個區域設置一個環形出風帶。附圖3b示出 了矩形的出風組件2092，如圖所示，可選地，在矩形的出風組件2092的矩形主體上可以設置若干個出風口b。出風口b可以以特定距離均勻地排布在矩形主體上，也可以離散地沒有規律地排布在矩形主體上的任何位置。可選地，矩形的出風組件2092也可以在矩形主體內內邊沿設置一個出風帶2092a，也可以在矩形主體的外邊沿設置一個出風帶2092b，或者也可以在內邊沿和外邊沿之間的某個區域設置一個矩形出風帶。

需要說明的是，上述實施例中提及的出風口或者出風帶可以以擇一的方式設置於出風組件上，也可以將幾種類型的出風口或者出風帶同時設置在出風組件上。具體出風區域的設置應當符合腔室硬體要求或者工藝需求。例如，由於感應耦合型電漿處理腔室200的頂部設置有若干個感應耦合射頻發射裝置，例如射頻線圈。

其中，射頻線圈204連接有射頻功率源205，當感應耦合型電漿處理腔室200內部製程需要而點燃電漿時，射頻功率源205通過向射頻線圈204發送射頻能量，從而絕緣頂板206上所有射頻線圈204都會感應熱量。射頻線圈204感應的射頻能量再加上腔室內部的電漿熱量(如圖2所示，感應耦合型電漿處理腔室200的基片W以上的製程區域P非常靠近絕緣頂板206)會使得感應耦合型電漿處理腔室200的絕緣頂板206部分達到非常高的溫度。因此，本發明可以感應耦合型電漿處理腔室200的絕緣頂板206上面設置冷卻裝置，具體地，尤其可以在每個射頻線圈204的頂部對應設置各個通風口和通風帶。

圖4是根據本發明另一具體實施例的電漿處理腔室及其冷卻裝置的結構示意圖。圖5是根據本發明另一具體實施例的電漿處理腔室及其冷卻裝置 的出風組件的結構示意圖。參照圖4和圖5，所述出風組件2093包括位於感應耦合型電漿處理腔室200的絕緣頂板206上方的第一部分2093a，以及位於感應耦合型電漿處理腔室200腔室兩側的第二部分2093b。其中，在所述出風組件2093的第一部分2093a和第二部分2093b都分別設置了多個區域的出風口。具體地，其第一部分2093a上設置有對應於基片W的中央區域部分的第一出風口c1和對應於基片W的邊緣區域的第二出風口c2。同時，其第二部分2093b還設置有對應於冷卻射頻線圈204以及射頻功率源205的第三出風口c3，以及對應於製程區域P腔室側壁的第四出風口c4。因此，當腔室內製程出現溫度不均一的情況時，例如基片W的中央區域蝕刻速率較快時，則可以控制第一出風口c1對基片W的中央區域進行冷卻，反之，當基片W的中央區域蝕刻速率較快時，則可以控制第二出風口c2對基片W的邊緣區域進行冷卻。或者，也可以控制第一出風口c1或者第二出風口c2在不同的出風速率，以達到對基片W的不同區域的不同冷卻程度。可選地，當射頻線圈204及其射頻功率源205或者任何其他設置於感應耦合型電漿處理腔室200的絕緣頂板206上方的系統組件需要冷卻時，可以控制第三出風口c3進行冷卻。當腔室側壁201對應於製程區域P的部分區域溫度過高時，可以控制第四出風口c4進行冷卻。當然，也可以分別控制第三出風口c3和第四出風口c4以達到不同的冷卻程度。

進一步地，所述出風組件的主體上的多個出風帶包括設置於所述中空框狀的出風組件的內邊沿和/或外邊沿的出風口/出風帶。

圖6是根據本發明一個具體實施例的電漿處理腔室的冷卻裝置的動力裝置的結構示意圖。如圖6所示，其中，所述動力裝置210包括增壓葉輪組 件2102，其用於產生風力並輸送至出風口。所述動力裝置210還包括電機2103，其連接於所述增壓葉輪組件2102並驅動所述增壓葉輪組件2102產生風力。至於增壓葉輪組件2102和電機2103的具體結構和功能在習知技術中已有成熟技術支援，例如，增壓葉輪組件2102可以包括空氣導向片、出風導葉、轉子葉輪、外轉子電機和導葉等，空氣導向片位於增壓葉輪組件2102的上部，主要用於引導空氣從動力裝置210流出，從而進入到冷卻裝置的出風組件內。也是示例性地，電機2103採用外轉子電機，定子安裝在轉子內部，轉子上設置轉子葉輪。

進一步地，所述動力裝置210包括控制裝置2105，所述控制裝置2105用於控制增壓葉輪組件2102產生風力並輸送至出風口。

進一步地，所述控制裝置2105用於控制增壓葉輪組件產生風力並輸送至所述出風組件209的任一出風口/出風帶，並控制每個出風口/出風帶產生的氣流強度。本領域中具有通常知識者應當理解，控制裝置2105的具體結構和功能在習知技術中已有成熟的支援，為簡明起見，不再贅述。

進一步地，所述動力裝置210包括進風口2104，在所述進風口2104處設置有噪音減少裝置，從而進一步地減少冷卻裝置的噪音。

進一步地，所述動力裝置210包括出風區域2101，在所述出風口區域設置有抽風裝置，從而進一步地加強冷卻空氣地流通，從而加強冷卻效果。

本發明第二方面提供了一種電漿處理腔室，其中，所述電漿處理腔室包括上文所述的冷卻裝置，所述冷卻裝置設置於所述電漿處理腔室的頂板之上。

進一步地，所述電漿處理腔室包括感應耦合型電漿處理腔室，所述冷卻裝置位於設置了感應耦合線圈和射頻功率源的絕緣頂板以上。

本發明提供的冷卻裝置的動力裝置和出風組件的結構是分離的，可以只在腔室內部設置出風組件，而出風組件是空中的框架結構，原本需要在電漿處理裝置的頂板上設置的多個組件都可以在框架結構的中空區域設置，大大節省了空間。並且，由於框架結構和腔室組件集成在一起，距離較近，也更易於冷卻。同時，本發明提供的出風組件只有框架結構，因此更加易於清洗。此外，本發明提供的出風組件直接設置在腔室頂板上方，因此相對於習知技術設置在側面的冷卻裝置(參見圖1)更加容易降低溫度，節省了能耗。本發明還進步地採用了針對腔室和基片的多個區域分別進行控制，不僅可以控制哪個區域的出風口/出風帶打開關閉，還能控制每個出風口/出風帶的風力強度，能夠改善製程的溫度均一性，提高系統的穩定性。本發明提供的冷卻裝置是無扇葉的，因此更加節省腔室空間。

儘管本發明的內容已經通過上述優選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域中具有通常知識者閱讀了上述內容後，對於本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護範圍應由所附的請求項來限定。此外，不應將請求項中的任何附圖標記視為限制所涉及的請求項；“包括”一詞不排除其它請求項或說明書中未列出的裝置或步驟；“第一”、“第二”等詞語僅用來表示名稱，而並不表示任何特定的順序。

200‧‧‧感應耦合型電漿處理腔室

201‧‧‧金屬側壁

202‧‧‧氣體源

203a‧‧‧中心氣體注入口

203b‧‧‧邊緣氣體注入口

204‧‧‧感應耦合射頻線圈

205‧‧‧射頻功率源

206‧‧‧絕緣頂板

207‧‧‧基座

208‧‧‧抽真空泵

209‧‧‧出風組件

210‧‧‧動力裝置

P‧‧‧製程區域

W‧‧‧基片

Claims (15)

1. 一種用於電漿處理腔室的冷卻裝置，所述冷卻裝置包括：中空框狀的出風組件，所述出風組件的主體上設置有多個出風口/出風帶，固定於所述電漿處理腔室的頂板之上方，所述多個出風口/出風帶係位在所述頂板的上外部，所述頂板的上表面係設置有一感應耦合線圈；以及動力裝置，連接於出風組件，用於驅動所述出風組件產生風力，其中，所述出風組件與所述動力裝置為可相分離，以及所述感應耦合線圈的設置範圍係為完全對應於所述出風組件的多個出風口/出風帶的設置範圍。
2. 如請求項1所述的冷卻裝置，其中所述中空框狀的出風組件包括以下任一形狀：-三角形；-環形；-矩形；-梯形。
3. 如請求項2所述的冷卻裝置，其中所述主體上的所述多個出風口分別包括對應於基片中央區域的中央出風口和對應於基片邊緣區域的邊緣出風口/出風帶。
4. 如請求項2所述的冷卻裝置，其中所述主體上的所述多個出風帶包括設置於所述中空框狀的出風組件的內邊沿和/或外邊沿的出風口/出風帶。
5. 如請求項1所述的冷卻裝置，其中所述出風組件包括相互連接的對應於絕緣頂板上方的第一部分和/或對應於腔室側面區域的第二部分。
6. 如請求項5所述的冷卻裝置，其中所述主體上的所述多個出風口分別包括分別對應於基片中央區域和邊緣區域、射頻線圈和射頻電源以及臨近製程區域的腔室側壁的出風口/出風帶。
7. 如請求項5所述的冷卻裝置，其中所述主體上的所述多個出風帶包括設置於所述中空框狀的出風組件的內邊沿和/或外邊沿的出風口/出風帶。
8. 如請求項1所述的冷卻裝置，其中所述動力裝置包括：增壓葉輪組件，用於產生風力並輸送至出風口；電機，連接於所述增壓葉輪組件並驅動所述增壓葉輪組件產生風力。
9. 如請求項8所述的冷卻裝置，其中所述動力裝置包括控制裝置，所述控制裝置用於控制所述增壓葉輪組件產生風力並輸送至出風口。
10. 如請求項9所述的冷卻裝置，其中所述控制裝置用於控制所述增壓葉輪組件產生風力並輸送至所述出風組件的任一出風口/出風帶，並控制每個出風口/出風帶產生的氣流強度。
11. 如請求項8所述的冷卻裝置，其中所述動力裝置包括進風口，在所述進風口處設置有噪音減少裝置。
12. 如請求項8所述的冷卻裝置，其中所述動力裝置包括進風口包括出風區域，在所述出風口區域設置有抽風裝置。
13. 如請求項1所述的冷卻裝置，其中所述出風組件是無扇葉的。
14. 一種電漿處理腔室，包括請求項1至13任一項所述的冷卻裝置，所述冷卻裝置設置於所述電漿處理腔室的頂板之上。
15. 如請求項14所述的電漿處理腔室，其中所述電漿處理腔室包括感應耦合型電漿處理腔室，所述冷卻裝置位於設置了感應耦合線圈和射頻功率源的絕緣頂板以上。