TWI767166B - 電容耦合電漿處理器及其溫度調節方法 - Google Patents
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Abstract
一種電容耦合電漿處理器及其溫度調節方法，在電容耦合電漿處理器的反應腔中設置至少一個加熱器和至少一個風扇，上電極元件的導電安裝板中具有冷卻管道，冷卻管道中流通著冷卻液，當電容耦合電漿處理器的反應腔內的溫度低於設定溫度時，加熱器通電，對上電極元件加熱，當電容耦合電漿處理器的反應腔內的溫度大於設定溫度時，斷開加熱器，導電安裝板的冷卻管道中的冷卻液保持流通狀態，當電容耦合電漿處理器處於製程狀態時，開啟風扇，當電容耦合電漿處理器處於待機狀態時，關閉風扇。本發明配合使用冷卻管道和風扇，無需增強冷卻管道的冷卻能力，也無需增加加熱器的功率，節約了能源，使反應腔的溫度更容易控制。
Description
本發明涉及半導體製造領域，尤其涉及一種電容耦合電漿處理器及其溫度調節方法。
電容耦合電漿蝕刻工藝要求反應腔在待機(idle)狀態和製程(process)狀態都要保持溫度恒定，如圖1所示，電容耦合電漿處理器的反應腔1’中設置有上電極板2’和下電極3’，下電極與射頻電源6’連接，下電極3’上設置靜電夾盤4’，待處理的基片5’設置在靜電夾盤4’上，上電極3’同時作為氣體噴淋頭，氣體噴淋頭連接到氣體供應裝置7’，氣體供應裝置7’的氣體通過氣體噴淋頭進入反應腔1’，經過電離生成電漿，對基片5’進行處理。設置加熱器8’和冷卻器9’來平衡上電極板2’的溫度，冷卻器9’中設置有冷卻管道10’。當溫度低於設定溫度時，加熱器8’通電，對上電極板2’加熱，冷卻管道10’中的冷卻液保持常開，當溫度大於設定溫度時，就斷開加熱器8’，依靠冷卻液帶走上電極板2’的熱量。但是當電容耦合電漿蝕刻設備從待機狀態變成製程狀態的時候，上電極板2’由於受到電漿的影響，溫度會瞬間飆升，超出工藝要求或者超出零部件承受溫度，從而影響機台性能及產品良率，這時如果想要把電極板的溫度降下來，就需要加強冷卻管道10’的冷卻能力，如果把冷卻管道10’的冷卻能力變得很強，在待機
狀態的時候加熱器8’就需要很高的功率才能達到設定的溫度，並且大部分的加熱能量都被冷卻循環水帶走了，造成了能量的浪費。
本發明提供一種電容耦合電漿處理器及其溫度調節方法，配合使用冷卻管道和風扇，無需增強冷卻管道的冷卻能力，也無需增加加熱器的功率，節約了能源，使反應腔的溫度更容易控制。
為了達到上述目的，本發明提供一種電容耦合電漿處理器，包含：反應腔、至少一個加熱器以及至少一個風扇，反應腔中設置有上電極元件，以及與上電極元件相對設置的下電極，至少一個射頻電源連接到上電極元件或者下電極，上電極元件包含上電極板和導電安裝板，導電安裝板與上電極板互相緊固，導電安裝板中設置多個冷卻管道，冷卻管道中流通著冷卻液，用於冷卻上電極元件；至少一個加熱器設置在導電安裝板上，用於加熱上電極元件；至少一個風扇設置在導電安裝板上方，用於冷卻上電極元件。
較佳地，上電極元件還包含位於導電安裝板上方的頂蓋，頂蓋與反應腔之間包含氣密裝置，實現兩者之間的氣密，反應腔內為真空環境，頂蓋上方為大氣環境。
較佳地，上電極元件中還包含溫度探測器，從上電極元件上方穿過導電安裝板埋設在上電極板中，以監測上電極元件的溫度。
本發明還提供一種電容耦合電漿處理器的溫度調節方法，包含以下步驟：當反應腔內上電極元件的溫度低於設定溫度時，加熱器通電，對上電極元件加熱，當反應腔內的上電極元件溫度大於設定溫度時，斷開加熱器；
導電安裝板的冷卻管道中的冷卻液在電容耦合電漿處理器的製程狀態和待機狀態保持流通；當電容耦合電漿處理器處於製程狀態時，開啟風扇以冷卻上電極元件，當電容耦合電漿蝕刻設備處於待機狀態時，關閉風扇。
較佳地，冷卻管道連接到一個冷卻液源，冷卻液源輸出流量或者溫度可調的冷卻液。
較佳地，當電容耦合電漿處理器處於製程狀態時和處於待機狀態時，冷卻液源輸出恒定溫度和流量的冷卻液。
較佳地，電容耦合電漿處理器處於待機狀態時，加熱器輸出加熱功率加熱上電極元件，同時冷卻液源輸出冷卻液降低溫度，使得上電極元件維持在待機溫度。
較佳地，當電容耦合電漿處理器處於製程狀態時，冷卻液源輸出第一溫度和第一流量的冷卻液，當電容耦合電漿處理器處於待機狀態時，冷卻液源輸出第二溫度和第二流量的冷卻液，其中第一溫度低於第二溫度，第一流量大於第二流量。本發明配合使用冷卻管道和風扇，無需增強冷卻管道的冷卻能力，也無需增加加熱器的功率，節約了能源，使反應腔的溫度更容易控制。
1,1’:反應腔
2,2’:上電極板
3,3’:下電極
4,4’:靜電夾盤
5,5’:基片
6,6’:射頻電源
7,7’:氣體供應裝置
8,8’:加熱器
9:導電安裝板
9’:冷卻器
10,10’:冷卻管道
11:風扇
12:溫度探測器
13:頂蓋
圖1是背景技術中電容耦合電漿處理器的加熱和冷卻示意圖。
圖2是本發明提供的一種電容耦合電漿處理器的結構示意圖。
以下根據圖2具體說明本發明的較佳實施例。
如圖2所示，本發明提供一種電容耦合電漿處理器，包含反應腔1，反應腔1中設置有上電極元件以及與上電極元件相對設置的下電極3，至少一個射頻電源6連接到上電極元件或者下電極3，將射頻功率施加到上電極元件或下電極3上，以在上電極元件和下電極3之間形成射頻電場，輸送到反應腔內的工藝氣體在射頻電場的作用下進行解離，形成用於蝕刻工藝或清潔工藝的電漿。下電極3上設置靜電夾盤4，基片5放置在靜電夾盤4上。反應腔1的上部開口，與大氣空間連通，以便風扇運行。上電極元件包含上電極板2和導電安裝板9，導電安裝板9與上電極板2互相緊固，可以實現與上電極板2的溫度傳導，同時該導電安裝板9與反應腔1密封連接，以確保整個反應腔1的密封。反應腔1內設置有氣體分配裝置，該氣體分配裝置可以直接利用上電極板2和導電安裝板9實現，該氣體分配裝置與氣體供應裝置7連接，用於向反應腔1內輸送工藝氣體。該氣體分配裝置採用氣體噴淋頭，上電極板2和導電安裝板9上設置多個氣體分配孔，以便於工藝氣體通過，進入反應腔1中被電離生成電漿，從而對基片5進行處理。由於導電安裝板9上設置了氣體分配孔，為了確保反應腔1的密封，在導電安裝板9的氣體分配孔上方設置頂蓋13，頂蓋13與反應腔1之間包含氣密裝置，實現兩者之間的氣密，反應腔1內為真空環境，頂蓋13上方為大氣環境，則反應腔1壁、部分導電安裝板9和頂蓋13共同構成一個密封的反應腔。上電極元件中還包含溫度探測器12，從上電極元件上方穿過導電安裝板9後埋設在上電極板2中，以監測上電極元件的溫度。
反應腔1內設置有至少一個加熱器8，用於加熱上電極元件，提升反應腔1內的溫度，加熱器8可以設置為直接與上電極板2接觸，或者將加熱器8設置為與導電安裝板9接觸，通過導電安裝板9將熱量傳導給上電極板2。當反應腔1內的溫度低於設定溫度時，加熱器8通電，對上電極元件加熱，根據實際情況決定開啟的加熱器8的數量，如果溫度較低，或者需要在短時間內達到設定溫
度，則可以多開啟一些加熱器8，當反應腔1內的溫度大於設定溫度時，就斷開加熱器8。
相應地，導電安裝板9中設置多個冷卻管道10，冷卻管道10中流通著冷卻液，用於冷卻上電極元件，從而降低反應腔1內的溫度。導電安裝板9的冷卻管道10中的冷卻液在電容耦合電漿處理器的製程狀態和待機狀態保持流通。冷卻管道10連接到一個冷卻液源(圖中未顯示)，冷卻液源輸出流量或者溫度可調的冷卻液。當電容耦合電漿處理器處於製程狀態時和處於待機狀態時，冷卻液源分別輸出恒定溫度和流量的冷卻液，當電容耦合電漿處理器處於製程狀態時，冷卻液源輸出第一溫度和第一流量的冷卻液，當電容耦合電漿處理器處於待機狀態時，冷卻液源輸出第二溫度和第二流量的冷卻液，其中第一溫度低於第二溫度，第一流量大於第二流量。
當電容耦合電漿處理器處於待機狀態時，加熱器8輸出加熱功率加熱上電極元件，同時冷卻液源輸出冷卻液降低溫度，使得上電極元件維持在待機溫度。
為了避免電容耦合電漿處理器從待機狀態變成製程狀態時溫度大幅度飆升，增加至少一個風扇11對上電極元件進行降溫，此風扇11只有在電容耦合電漿處理器處於製程狀態時才會打開，而在電容耦合電漿處理器處於待機狀態時則關閉風扇11，這樣在電容耦合電漿處理器處於待機狀態時就不需要提高加熱器功率而滿足設定溫度，從而節約能源，根據實際情況決定開啟的風扇11的數量，如果溫度很高，或者需要在短時間內降溫到設定溫度，則可以開啟較多數量的風扇11，甚至開啟全部數量的風扇11。
本發明配合使用冷卻管道和風扇，無需增強冷卻管道的冷卻能力，也無需增加加熱器的功率，節約了能源，使反應腔的溫度更容易控制。特別適用於電漿處理器領域，由於高功率射頻功率和反應腔中的電漿能夠迅速加
熱上電極，所以為了保證上電極的溫度不會過高，需要在上電極板上方的導電安裝板中配置很高流量的冷卻液管道。但是在電漿處理器待機時一方面射頻功率沒有輸入，但是電漿處理器內部仍然需要維持足夠的溫度(與電漿製程時的溫度接近)，以使得電漿處理器內部保持最佳的狀態，可以迅速進入下一個電漿處理工藝過程。在待機保溫過程中，需要加熱器持續加熱上電極元件，同時冷卻液也不能停止流動或者流速過慢，因為流速過慢會導致冷卻液中出現沉澱，導致冷卻液管道情況惡化。所以在待機過程中既要加熱也要冷卻，兩者抵消，最終達到一個平衡的待機溫度。本發明由於在電漿處理過程中添加了輔助冷卻的頂部風扇，所以冷卻液管道的可以設置的較小，或者管道長度變短，降低了冷卻管道的冷卻速度，在待機階段，這些具有較低冷卻量的管道與較低的加熱器發熱功率互相抵消也能達到上述平衡的待機溫度。所以每降低1kW的冷卻管道冷卻功率，同時能在待機狀態降低1kW左右的加熱器功率，最終能在待機時降低2kW的功率損耗。相比只在電漿處理狀態中添加的冷卻風扇帶來的少量成本，本發明節能和降低運行成本的功效非常顯著。
儘管本發明的內容已經通過上述較佳的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。在本領域技術人員閱讀了上述內容後，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申請專利範圍來限定。
1:反應腔
2:上電極板
3:下電極
4:靜電夾盤
5:基片
6:射頻電源
7:氣體供應裝置
8:加熱器
9:導電安裝板
10:冷卻管道
11:風扇
12:溫度探測器
13:頂蓋
Claims (5)
- 一種電容耦合電漿處理器的溫度調節方法，該電容耦合電漿處理器包含：一反應腔，該反應腔中設置有一上電極元件，以及與該上電極元件相對設置的一下電極，至少一個射頻電源連接到該上電極元件或者該下電極，其中該上電極元件包含一上電極板和一導電安裝板，該導電安裝板與該上電極板互相緊固，該導電安裝板中設置多個冷卻管道，該多個冷卻管道中流通著冷卻液，用於冷卻該上電極元件，該上電極板和該導電安裝板上設置多個貫穿的氣體分配孔，以便於工藝氣體通過；至少一個加熱器，設置在該導電安裝板上，用於加熱該上電極元件；一頂蓋，位於該導電安裝板上方，該頂蓋與該導電安裝板相互匹配形成一擴散空間，該擴散空間與該等氣體分配孔相互連通，該頂蓋與該反應腔之間包含一氣密裝置，實現兩者之間的氣密，該反應腔內為一真空環境，該頂蓋上方為一大氣環境；以及至少一個風扇，其設置在該頂蓋上方，位於該大氣環境中，用於冷卻該上電極元件該溫度調節方法包含以下步驟：當該反應腔內該上電極元件的溫度低於一設定溫度時，該至少一個加熱器通電，對該上電極元件加熱，當該反應腔內的該上電極元件溫度大於該設定溫度時，斷開該至少一個加熱器；該導電安裝板的該多個冷卻管道中的冷卻液在該電容耦合電漿處理器的製程狀態和待機狀態保持流通；以及當該電容耦合電漿處理器處於製程狀態時，開啟該至少一個風扇以冷 卻該上電極元件，當該電容耦合電漿蝕刻設備處於待機狀態時，關閉該至少一個風扇。
- 如請求項1所述的電容耦合電漿處理器的溫度調節方法，其中該多個冷卻管道連接到一冷卻液源，該冷卻液源輸出流量或者溫度可調的冷卻液。
- 如請求項2所述的電容耦合電漿處理器的溫度調節方法，當該電容耦合電漿處理器處於製程狀態時和處於待機狀態時，該冷卻液源分別輸出恒定溫度和流量的冷卻液。
- 如請求項2所述的電容耦合電漿處理器的溫度調節方法，其中該電容耦合電漿處理器處於待機狀態時，該至少一個加熱器輸出加熱功率加熱該上電極元件，同時該冷卻液源輸出冷卻液降低溫度，使得該上電極元件維持在待機溫度。
- 如請求項2所述的電容耦合電漿處理器的溫度調節方法，當該電容耦合電漿處理器處於製程狀態時，該冷卻液源輸出一第一溫度和一第一流量的冷卻液，當該電容耦合電漿處理器處於待機狀態時，該冷卻液源輸出一第二溫度和一第二流量的冷卻液，其中該第一溫度低於該第二溫度，該第一流量大於該第二流量。
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