CN116130325A - 安装底座、喷淋头组件、控温方法及等离子体处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种安装底座、喷淋头组件、控温方法及等离子体处理装置。所述安装底座应用于一喷淋头组件，所述喷淋头组件还包括加热器和喷淋头，所述加热器用于对所述喷淋头进行加热，所述安装底座设有流通冷却液的冷却通道，用于对所述喷淋头进行降温，其特征在于，所述安装底座还包括：控温通道，设置于所述冷却通道与所述喷淋头之间的冷却路径上，用于调节所述喷淋头的降温效率。本发明能够实现在高偏置功率时提高冷却效率、低偏置功率时降低冷却效率，改善喷淋头温度可控性、降低加热器功率输出及延长加热器的使用寿命。

Description

安装底座、喷淋头组件、控温方法及等离子体处理装置

技术领域

本发明涉及半导体设备技术领域，特别涉及一种安装底座、喷淋头组件、控温方法及等离子体处理装置。

背景技术

在等离子体处理工艺中，首先需要将调制气体和制程气体混合为反应气体，再将反应气体导入反应腔室中，并施加射频功率，对半导体待加工件进行等离子体处理工艺。用于将调制气体和制程气体混合的装置为气体喷淋头组件。在喷淋头组件中，喷淋头安装在安装底座(Mounting Base)上，且需要被精确控温。目前喷淋头的控温方式是，通过对安装底座的直接控温来实现对喷淋头的间接控温。如图1所示，安装底座100下表面用于安装喷淋头 200，其上表面下凹后的空间用于安装加热器300和流气装置(未示出)，加热器300直接对安装底座100加热并通过热传导进而间接对喷淋头200加热，安装底座100的挂耳处还设有冷却通道110，其中通入冷却水或者控温制冷剂，对安装底座100进行冷却从而实现间接对喷淋头200冷却。

目前对于高功率的机台，当偏置功率(bias power)开得较高时，由等离子体的热效应导致的喷淋头升温需要安装底座的较大冷却功率才能保证喷淋头温度可控。在目前设计中，由于冷却功率不足，因而高偏置功率时，其实加热器输出的加热功率已经到0了，喷淋头的控温完全是基于冷却水冷却的被动控温。在这种设计下，当机台用于低偏置功率时，为了保证喷淋头控温稳定，需要加热器输出高功率来对安装底座和喷淋头加热，其中很大一部分能量都被冷却水带走了，导致控温困难并且会导致高功率输出时加热器过热发生烧坏、热膨胀发生变形等问题。

因此，需要一种在高偏置功率时冷却效率高、低偏置功率时冷却效率相对较低的设计来改善喷淋头温度可控性、降低加热器功率输出及延长加热器的使用寿命。

发明内容

本发明的目的是提供一种安装底座、喷淋头组件、控温方法及等离子体处理装置，能够在高偏置功率时提高冷却效率、低偏置功率时降低冷却效率，改善喷淋头温度可控性、降低加热器功率输出及延长加热器的使用寿命。

为了实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种安装底座，应用于一喷淋头组件，所述喷淋头组件还包括加热器和喷淋头，所述加热器用于对所述喷淋头进行加热，所述安装底座设有流通冷却液的冷却通道，用于对所述喷淋头进行冷却，所述安装底座还包括：控温通道，设置于所述冷却通道与所述喷淋头之间的冷却路径上，用于调节所述安装底座对所述喷淋头的冷却效率。

进一步的，所述控温通道的数量为至少两条，在所述冷却路径上前后依次分布。

进一步的，所述控温通道设有流体入口和流体出口，流体为冷却液时，所述流体入口低于所述流体出口。

进一步的，所述控温通道设有流体入口和流体出口，流体为气体时，所述流体入口高于所述流体出口。

进一步的，所述控温通道内可切换充入冷却液或气体。

进一步的，所述流体入口和所述流体出口相对设置或同侧设置。

进一步的，在所述控温通道中通入循环冷却液，提高所述安装底座对所述喷淋头的冷却效率。

进一步的，在所述控温通道中通入吹扫气体并维持不流动状态，降低所述安装底座对所述喷淋头的冷却效率。

进一步的，在所述控温通道中维持真空状态，降低所述安装底座对所述喷淋头的冷却效率。

进一步的，所述安装底座的下表面用于安装所述喷淋头，所述安装底座的上表面部分区域向下凹陷形成的容纳空间用于安装所述加热器，所述安装底座的上表面向外延伸形成挂耳，所述冷却通道设于所述挂耳处。

进一步的，所述加热器紧贴所述容纳空间的底部表面设置。

进一步的，所述冷却路径位于所述安装底座的侧壁。

进一步的所述安装底座的形状为底部封闭的圆桶形。

进一步的，所述控温通道为围绕所述圆桶形侧壁内的环形通道。

进一步的，所述控温通道包括在圆周方向间隔设置的多个可独立控制的环段。

一种喷淋头组件，包括喷淋头、加热器以及如上文任一项所述的安装底座，所述喷淋头和所述加热器安装在所述安装底座上。

一种喷淋头的控温方法，包括：

提供如上文所述的喷淋头组件；

当需要提高所述喷淋头的冷却效率时，在所述控温通道内通入循环冷却液；

当需要降低所述喷淋头的冷却效率时，在所述控温通道内通入吹扫气体并维持不流动状态，或在所述控温通道内维持真空状态。

一种等离子体处理装置，包括反应腔和如上文所述的喷淋头组件，所述喷淋头组件安装在所述反应腔的顶部开口处。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

在安装底座上除设置冷却通道外，还在冷却通道与所述喷淋头之间冷却路径上新增设置控温通道，通过该控温通道可以增强或减弱所述安装底座上所述冷却通道对所述喷淋头的冷却效果，调节安装底座对喷淋头的冷却效率，从而能够在高偏置功率时提高喷淋头的冷却效率、低偏置功率时降低喷淋头的冷却效率，改善喷淋头温度可控性、降低加热器功率输出及延长加热器的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：

图1为现有的喷淋头组件的结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的喷淋头组件的结构示意图；

图3为本发明另一实施例提供的喷淋头组件的结构示意图；

图4为本发明一实施例提供的喷淋头的控温方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的方案作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

如图2所示，为本发明提供的喷淋头组件的安装示意图。在等离子体处理装置中，反应腔400的顶部设有开口，用于安装喷淋头200及其控温、流气装置。喷淋头组件包括喷淋头200以及安装底座100、加热器300，其中，喷淋头200安装在安装底座100的下表面，安装底座100用于将喷淋头200 安装在反应腔400顶部，安装基座100和加热器300作为喷淋头200的控温装置，加热器300安装在安装底座100上，通过加热安装底座100从而间接加热喷淋头200，安装底座100的材质通常为铝合金，其上设有流通冷却液的冷却通道110，通过冷却安装底座100从而间接冷却喷淋头200。

为了实现动态调节安装底座100对喷淋头200的冷却效率，所述安装底座100上还设有控温通道120，设置在所述冷却通道110与所述喷淋头200 之间的冷却路径上，通过该控温通道120可以增强或减弱所述安装底座100 上所述冷却通道110对所述喷淋头200的冷却效果，从而调节安装底座100 对喷淋头200的冷却效率。

具体的，在所述控温通道120中通入循环冷却液，可以提高所述安装底座100对所述喷淋头200的冷却效率，而在所述控温通道120中通入吹扫气体并维持不流动状态，可以降低所述安装底座100对所述喷淋头200的冷却效率，或者是在所述控温通道120中维持真空状态，降低所述安装底座100 对所述喷淋头200的冷却效率。

由此，在高偏置功率时，向所述安装底座100的控温通道120内通入循环冷却水或冷却剂，可以对安装底座100上的冷却通道110的冷却效果进行补充，两重冷却的叠加可以获得更好的冷却效果，故在高偏置功率时也不需要把加热器300完全关闭，可以获得更好的喷淋头200控温结果。

在低偏置功率或待机(idle)时，为了防止冷却通道110内的冷却液带走过多热量，就可以对控温通道120内通气进行吹扫，在该状况下，由于气体尤其是不流动的气体的导热率比液体(冷却液)或固体(安装底座100)低很多，可以防止过多的热量被冷却通道110带走，这样有效降低加热器300的输出功率，减少能耗并延长加热器300的使用寿命。此外，在对控温通道120 内通气进行吹扫后，还可以使所述控温通道120维持真空状态，从而阻止热量传输至所述冷却通道110。

由此可见，本发明在安装底座100中新增设置控温通道120，在所述控温通道120内实进行冷却液和气体间切换，可以动态改变安装底座120中冷却路径上的热导率，对原有的冷却通道110的冷却产生增加或减小的效果，获得更加稳定的喷淋头200控温结果以及减少加热器300功率输出。

可选的，所述控温通道120设有流体入口121和流体出口122，为实现快速的气、液交换，当流体为冷却液时，所述流体入口121低于所述流体出口122，流体为气体时，所述流体入口121高于所述流体出口122。即在所述控温通道120中充满气体的情况下需要充入循环冷却液时，则循环冷却液需要从下方进入、上方流出，当所述控温通道120中充满冷却液后需要充气时，则气体需要从上方进入、下方流出。此外，所述流体入口121和所述流体出口122可以相对设置，如图2所示，所述流体入口121和所述流体出口122 分别位于图示的左右两侧，由此可以在由液体切换为气体时能够更彻底的排出所述控温通道120中的液体。在其它实施例中，所述流体入口121和所述流体出口122也可以同侧设置。

本实施例中，所述喷淋头200安装在所述安装底座100的下表面，所述加热器300安装在所述安装底座100的上表面部分区域向下凹陷形成的容纳空间A内，所述安装底座100的上表面向外延伸形成挂耳130，所述冷却通道110设于所述挂耳130处。可选的，为提高对喷淋头200的加热效率，所述加热器300紧贴所述容纳空间A的底部表面设置，所述加热器300产生的热量可由所述安装底座100的底部传递至所述喷淋头200。因此，为了不影响所述安装底座100传递所述加热器300产生的热量到所述喷淋头200，本发明所述的“冷却路径”位于所述安装底座100的侧壁，即，所述控温通道 120设置在所述安装底座100的侧壁上。

可选的，所述安装底座100的形状为底部封闭的圆桶形。所述控温通道120为围绕所述安装底座100的圆桶形侧壁内的环形通道，所述控温通道120 与所述安装底座100同轴，以保证所述控温通道120在各个方位上的一致性。进一步的，所述控温通道120可以包括在圆周方向间隔设置的多个可独立控制的环段，从而可根据实际需要分段控制不同方位的冷却效率，实现更加精细的控温效果。

图2所示喷淋头组件中，所述安装底座100的冷却路径上设置了一路控温通道120，在其它实施例中，所述控温通道120的数量可以为两路或两路以上，各控温通道120在所述冷却路径上前后依次分布，可以获得更加精细的控温调控结果。

图3示出了另一种喷淋头组件的结构，该种喷淋头组件中，所述安装底座100的冷却路径上设置有两路控温通道120，每一路可独立控制，当需要很高的冷却效率时，两路控温通道120内均通入循环冷却液，当需要很低的冷却效率时，两路控温通道120内均通入吹扫气体并维持不流动状态或维持真空状态。

本发明还提供一种喷淋头的控温方法，如图4所示，包括：

步骤S100，提供上述的喷淋头组件；

步骤S200，当需要提高所述喷淋头的冷却效率时，在所述控温通道内通入循环冷却液；

步骤S300，当需要降低所述喷淋头的冷却效率时，在所述控温通道内通入吹扫气体并维持不流动状态，或在所述控温通道内维持真空状态。

本发明还提供一种等离子体处理装置，包括反应腔和如前所述的喷淋头组件，所述喷淋头组件安装在所述反应腔的顶部开口处。该等离子体处理装置可以是电容耦合等离子体(CCP)处理设备，也可以是电感耦合等离子体 (ICP)处理设备。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

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 (18)

1.一种安装底座，应用于一喷淋头组件，所述喷淋头组件还包括加热器和喷淋头，所述加热器用于对所述喷淋头进行加热，所述安装底座设有流通冷却液的冷却通道，用于对所述喷淋头进行冷却，其特征在于，所述安装底座还包括：控温通道，设置于所述冷却通道与所述喷淋头之间的冷却路径上，用于调节所述安装底座对所述喷淋头的冷却效率。

2.如权利要求1所述的安装底座，其特征在于，所述控温通道的数量为至少两条，在所述冷却路径上前后依次分布。

3.如权利要求1所述的安装底座，其特征在于，所述控温通道设有流体入口和流体出口，流体为冷却液时，所述流体入口低于所述流体出口。

4.如权利要求1所述的安装底座，其特征在于，所述控温通道设有流体入口和流体出口，流体为气体时，所述流体入口高于所述流体出口。

5.如权利要求3或4所述的安装底座，其特征在于，所述控温通道内可切换充入冷却液或气体。

6.如权利要求3或4所述的安装底座，其特征在于，所述流体入口和所述流体出口相对设置或同侧设置。

7.如权利要求1所述的安装底座，其特征在于，在所述控温通道中通入循环冷却液，提高所述安装底座对所述喷淋头的冷却效率。

8.如权利要求1所述的安装底座，其特征在于，在所述控温通道中通入吹扫气体并维持不流动状态，降低所述安装底座对所述喷淋头的冷却效率。

9.如权利要求1所述的安装底座，其特征在于，在所述控温通道中维持真空状态，降低所述安装底座对所述喷淋头的冷却效率。

10.如权利要求1所述的安装底座，其特征在于，所述安装底座的下表面用于安装所述喷淋头，所述安装底座的上表面部分区域向下凹陷形成的容纳空间用于安装所述加热器，所述安装底座的上表面向外延伸形成挂耳，所述冷却通道设于所述挂耳处。

11.如权利要求10所述的安装底座，其特征在于，所述加热器紧贴所述容纳空间的底部表面设置。

12.如权利要求10所述的安装底座，其特征在于，所述冷却路径位于所述安装底座的侧壁。

13.如权利要求10所述的安装底座，其特征在于，所述安装底座的形状为底部封闭的圆桶形。

14.如权利要求13所述的安装底座，其特征在于，所述控温通道为围绕所述圆桶形侧壁内的环形通道。

15.如权利要求14所述的安装底座，其特征在于，所述控温通道包括在圆周方向间隔设置的多个可独立控制的环段。

16.一种喷淋头组件，其特征在于，包括喷淋头、加热器以及如权利要求1～15任一项所述的安装底座，所述喷淋头和所述加热器安装在所述安装底座上。

17.一种喷淋头的控温方法，其特征在于，包括：

提供如权利要求16所述的喷淋头组件；

当需要提高所述喷淋头的冷却效率时，在所述控温通道内通入循环冷却液；

当需要降低所述喷淋头的冷却效率时，在所述控温通道内通入吹扫气体并维持不流动状态，或在所述控温通道内维持真空状态。

18.一种等离子体处理装置，其特征在于，包括反应腔和如权利要求16所述的喷淋头组件，所述喷淋头组件安装在所述反应腔的顶部开口处。

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