CN100437966C - 可分区控温的静电卡盘系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体刻蚀设备中的静电卡盘系统。本发明可分区控温的静电卡盘系统包括静电卡盘和温度控制系统，其中所述在静电卡盘内设有至少两个同心布置、且各自独立的流通冷却液的环形通道，每个环形通道上设有位于同一直径上的冷却液流入口和冷却液流出口，所述温度控制系统是其中设有分别与各个环形通道相通的冷却液路的多路温度控制系统本发明的有益效果是：通过控制每一环形通道内冷却液的温度，就实现了对静电卡盘上不同位置温度的控制。所以可以根据使用者的设定，使静电卡盘的不同区域呈现不同温度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体刻蚀设备中的静电卡盘系统，特别是一种可分区控温的静电卡盘系统。
背景技术
卡盘在半导体生产工艺中被用来固定和支撑晶片，避免晶片在处理过程中出现移动或者错位现象。静电卡盘采用静电引力来固定晶片，相对于以前采用的机械卡盘和真空卡盘，具有很多优势。静电卡盘减少了在使用机械卡盘时由于压力、碰撞等原因造成的晶片破损；增大了晶片可被有效加工的面积；减少了晶片表面腐蚀物颗粒的沉积；并且可以在真空工艺环境下工作。
典型的静电卡盘由基座和固定在其上的静电模块构成。静电模块包含至少一个电极，电极被绝缘层包裹。在静电卡盘工作时，在静电卡盘电极上加直流偏压，从而使电极上产生电荷积累。在使用单电极驱动的情况下，反应腔室内的等离子体的作用使得晶片上出现电荷积累，积累的电荷极性与静电卡盘电极上的电荷极性相反，从而在电极和晶片之间产生库仑引力。在使用双电极驱动的情况下，两个积累了不同极性电荷的电极被用于对晶片产生引力。典型的静电卡盘在其中具有冷却液体通道，通过冷却机(Chiller)控制流过其中的冷却液体的温度，来控制静电卡盘的温度。
在工艺进行过程中，晶片和卡盘都处于高温环境中，这可能造成晶片表面产生有害的温度梯度。例如，晶片的边缘部分与晶片的中心部分的温度经常有差别。在等离子工艺中，等离子体的能量被晶片吸收，会造成晶片的温度升高，在等离子体浓度高的时候，这一现象更为严重。
电场强度和射频能量的不均匀也会造成晶片表面的温度梯度。例如，在靠近晶片边缘的部分，电阻较低，RF能量容易在这里聚集，使得晶片边缘的温度高于靠近中心的位置。另外，晶片在其边缘部分和静电卡盘的导热接触差，造成晶片边缘部分的热量消散效率低，也会使晶片靠近边缘部分温度偏高。在晶片处理工艺进行过程中，晶片边缘和中心的温差可达5到10度。
在刻蚀工艺中，晶片温度不均匀会造成刻蚀结果不均匀，刻蚀后有些区域具有很高的RA值，而另一些区域RA则很差。比预定工艺参数低的温度会造成过多的聚合物沉积，因为在低温下聚合物的沉积系数更高，这就在晶片的某些区域形成了较差的RA值，具有锥形的侧壁，当尽量消除这种刻蚀效应，而且，这些聚合物沉积很难从晶片上清除。
为了抵消由于工艺进行中射频及等离子体能量不均等原因造成的晶片温度梯度，可以采用在静电卡盘上不同区域提供不同的温度的方法对原有温度梯度效应进行中和。例如，由于以上那些原因，晶片的边缘部分温度偏高，则可以让静电卡盘支撑晶片边缘的温度低于支撑晶片中心的部分，从而使晶片温度均匀，当然，利用这种办法，也可以根据具体工艺要求控制晶片表面不同区域上呈现一定规律的温度分布。传统静电卡盘系统中热量产生与传导的不均匀性会在晶片的工艺加工表面形成温度梯度。
在传统的静电卡盘中，如附图1、附图2，静电模块是被直接固定在导热基座上的，晶片上的热量经过静电模块传入静电卡盘基座。传统静电卡盘系统包括静电卡盘1和温度控制系统组成。在静电卡盘1内设有两个同心布置的流通冷却液的内环道2和外环道3，该内、外环道之间由径向通道连通在一起，在内环道2上设有冷却液流出口5，在外环道3上设有冷却液流入口4；温度控制系统包括冷却机和与冷却机相连的冷却液流入管和冷却液流出管，该两根管路分别与静电卡盘1内冷却液流出口5和冷却液流入口4连通。工作时，冷却机内的液体由冷却液流入管进入静电卡盘1内，沿着图中箭头所示方向流动，边流动边完成冷却液与静电卡盘的温度交换，再由冷却液流出管流回冷却机，以冷却机制冷之后的液体再由冷却液流入管进入静电卡盘1内，如此往复循环。因为静电卡盘1内的冷却液通道是相互连通的，其中只有一种温度的冷却液体，因此，整个静电卡盘只能控制在同一个温度，无法对原有的不均匀的温度梯度进行中和。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种可以根据使用者的设定，在静电卡盘的不同区域呈现不同温度的可分区控温的静电卡盘系统。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
可分区控温的静电卡盘系统，包括静电卡盘和温度控制系统，所述在静电卡盘内设有至少两个同心布置、且各自独立的流通冷却液的环形通道，每个环形通道上设有位于同一直径上的冷却液流入口和冷却液流出口，所述温度控制系统是设置在与各个环形通道相连接的冷却液管路上的冷却机、或冷却机加温控器。
其中在所述环形通道为两个分别与内环道和外环道连通的冷却液管路，设置在内环道上的冷却液流入口和冷却液流出口分别为内冷却液流入口和内冷却液流出口；设置在外环道上的冷却液流入口和冷却液流出口分别为外冷却液流入口和外冷却液流出口；所述温度控制系统中设有两路分别与内环道(2)和外环道连通的冷却液路。
其中所述温度控制系统包括冷却机I和冷却机II，其中冷却机I上连接有冷却液流入管和冷却液流出管，所述两个冷却液管分别连接到内冷却液流入口和内冷却液流出口；冷却机II上连接有冷却液流入管和冷却液流出管，该两个冷却液管分别连通到外冷却液流入口和外冷却液流出口。
其中所述温度控制系统包括具有输出温度不同的两种冷却液的冷却机III、所述冷却机III上连通有冷却液流入管、冷却液流出管、所述冷却机III上还连通有冷却液流入管、冷却液流出管，其中冷却液流入管和冷却液流出管分别连接到内冷却液流入口和内冷却液流出口；冷却液流入管和冷却液流出管分别连接到外冷却液流入口和外冷却液流出口。
其中所述温度控制系统包括冷却机IV，所述冷却机IV上设有两条冷却液总管道，其中一条冷却液总管分成两路，分别是冷却液流入管IVa和冷却液流入管IVd，该两条管路分别连接到外冷却液流入口(6)和内冷却液流入口(8)；另一条冷却液总管也分成两路，分别是冷却液流出管IVc、冷却液流出管IVb，该两条管路分别连接到内冷却液流出口(9)和外冷却液流出口(7)，在冷却液流入管IVa和冷却液流入管IVd上各自设有一个控温器。
其中所述控温器包括：连接在冷却液流入管上的密封容器、温度控制器、加热器以及固态继电器，其中温度控制器上设有用于探测密封容器出口温度的测温传感器，加热器用于加热密封容器内的液体，固态继电器用于控制加热器的温度。
(三)有益效果
本发明的可分区控温的静电卡盘系统的优点和积极效果在于：本发明中，由于静电卡盘中包括至少两个独立的流通冷却液的环形通道，并且温度控制系统是其中设有分别与各个环形通道相通的冷却液路的多路温度控制系统，因此，通过控制每一环形通道内冷却液的温度，就实现了对静电卡盘上不同位置温度的控制。所以可以根据使用者的设定，使静电卡盘的不同区域呈现不同温度。
附图说明
图1是传统的静电卡盘内的冷却液通道示意图；
图2是传统的静电卡盘的温控系统示意图；
图3是本发明可分区控温的静电卡盘系统内冷却液通道的示意图；
图4是本发明中的温控系统的第一种实施例示意图；
图5是本发明中的温控系统的第二种实施例示意图；
图6是本发明中的温控系统的第三种实施例示意图；
图7是本发明中的温控系统中的控温装置的结构示意图。
图中：1.静电卡盘；2.内环道；3.外环道；4.冷却液流入口；5.冷却液流出口；6.外冷却液流入口；7.外冷却液流出口；8.内冷却液流入口；9.内冷却液流出口；13.测温传感器；12.加热器；14.密封容器。
具体实施方式
下面结合附图，进一步详细说明本发明可分区控温的静电卡盘系统的具体实施方式，但不用来限制本发明的保护范围。
参见图3和图4。本发明的可分区控温的静电卡盘系统的第一种实施例结构，包括静电卡盘1和多路温度控制系统。其中在静电卡盘1内设有两个同心布置的流通冷却液的内环道2和外环道3，内环道2和外环道3为自独立的两个液体通道，互不连通。在外环道3上设有外冷却液流入口6和外冷却液流出口7，内环道2上设有内冷却液流入口8和内冷却液流出口9。外冷却液流入口6、外冷却液流出口7、内冷却液流入口8和内冷却液流出口9布置在同一直径上，且外冷却液流出口7和内冷却液流入口8相邻，这样布置的好处在于：可以弥补因管路上的热量损失而引起的静电卡盘1上温度的差异。外冷却液流入口6、外冷却液流出口7、内冷却液流入口8和内冷却液流出口9也可以不在同一直径上，但要保证外冷却液流入口6、外冷却液流出口7在同一直径上，内冷却液流入口8和内冷却液流出口9在同一直径上，以利于更均匀地控制静电卡盘1温度。
多路温度控制系统包括冷却机I和冷却机II，其中冷却机I上连接有冷却液流入管Ia和冷却液流出管Ib，该两个冷却液管分别连接到内冷却液流入口8和内冷却液流出口9；冷却机II上连接有冷却液流入管IIc和冷却液流出管IId，该两个冷却液管分别连通到外冷却液流入口6和外冷却液流出口7。这时冷却机I、冷却液流入管Ia、冷却液流出管Ib和外环道3组成循环回路；冷却机II、冷却液流入管IIc、冷却液流出管IId和内环道2组成循环回路。
工作时，根据工艺需要，冷却机I和冷却机II分别输出不同温度的冷却液，在各自的循环回路中流动，以起到控制静电卡盘1温度的作用。
本实施例是用两个冷却机分别供应该两个独立的冷却液通道中流过的冷却液。
参见图5。本发明的可分区控温的静电卡盘系统的第二种实施例结构，包括静电卡盘1和温度控制系统。其中静电卡盘1的结构与第一种实施例结构完全相同，不在详述。
第二种实施例中的多路温度控制系统包括冷却机III，所述冷却机III上连通有冷却液流入管IIIa、冷却液流出管IIIb、冷却液流入管IIIc、冷却液流出管IIId，其中冷却液流入管IIIa和冷却液流出管IIIb分别连接到内冷却液流入口8和内冷却液流出口9；冷却液流入管IIIc和冷却液流出管IHd分别连接到外冷却液流入口6和外冷却液流出口7。这时冷却机III、冷却液流入管IIIa、冷却液流出管IIIb和外环道3组成循环回路；冷却机III的冷却液流入管IIIc、冷却液流出管IIId和内环道2组成循环回路。该实施例中的冷却机III具有输出温度不同的两种冷却液的功能，该两种冷却液在各自的循环回路中往复循环，进行热交换，控制静电卡盘1的温度。
本实施例是用一个冷却机的两路输出分别供应该两个独立的冷却液通道中流过的冷却液。
参见图6。本发明的可分区控温的静电卡盘系统的第三种实施例结构，包括静电卡盘1和温度控制系统。其中静电卡盘1的结构与第一种实施例结构完全相同，不在详述。
第三种实施例中的多路温度控制系统包括冷却机IV，该冷却机IV上设有两条冷却液总管，其中一条冷却液总管分成两路分别是冷却液流入管IVa和冷却液流入管IVd，该两条管路分别连接到外冷却液流入口6和内冷却液流入口8；另一条冷却液总管也分成两路分别是冷却液流出管IVc、冷却液流出管IVb，该两条管路分别连接到外冷却液流出口7和内冷却液流出口9，在冷却液流入管IVa和冷却液流入管IVd上各自设有一个控温器。本实施例的工作过程与第二种实施例相同。
本实施例是用来自一个冷却机的一路总输出，利用管路将该总输出分为两路后分别通过两个控温器分别控温，随后用于供应该两个独立的冷却液通道中流过的冷却液。
参见图7本实施例中的控温器结构包括：包括连接在冷却液流入管上的密封容器14和温度控制器、加热器12以及继电器，其中温度控制器上设有用于探测密封容器14出口温度的测温传感器13，加热器12用于加热密封容器14内的液体，固态继电器用于控制加热器12的温度。所述温度控制器也可以采用现有的结构。
本发明中，所述静电卡盘内还可以根据需要设有三个、四个等其他个数的独立环形通道，每个环形通道上设有位于同一直径上的冷却液流入口和冷却液流出口，相应地多路温度控制系统中设有分别与各个环形通道相通的冷却液管路。
以上为本发明的最佳实施方式，依据本发明公开的内容，本领域的普通技术人员能够显而易见地想到的一些雷同、替代方案，均应落入本发明保护的范围。
Claims (2)
1.可分区控温的静电卡盘系统，包括静电卡盘(1)和温度控制系统，所述在静电卡盘(1)内设有两个同心布置、且各自独立的流通冷却液的环形通道，分别为内环道(2)和外环道(3)，每个环形通道上设有位于同一直径上的冷却液流入口和冷却液流出口，设置在内环道(2)上的冷却液流入口和冷却液流出口分别为内冷却液流入口(8)和内冷却液流出口(9)；设置在外环道(3)上的冷却液流入口和冷却液流出口分别为外冷却液流入口(6)和外冷却液流出口(7)，所述温度控制系统中设有两路分别与内环道(2)和外环道(3)连通的冷却液路，其特征在于，所述温度控制系统包括冷却机IV，所述冷却机IV上设有两条冷却液总管道，其中一条冷却液总管分成两路，分别是冷却液流入管IVa和冷却液流入管IVd，该两条管路分别连接到外冷却液流入口(6)和内冷却液流入口(8)；另一条冷却液总管也分成两路，分别是冷却液流出管IVc、冷却液流出管IVb，该两条管路分别连接到内冷却液流出口(9)和外冷却液流出口(7)，在冷却液流入管IVa和冷却液流入管IVd上各自设有一个控温器。
2.根据权利要求1所述的可分区控温的静电卡盘系统，其特征在于所述控温器包括：连接在冷却液流入管上的密封容器(14)、温度控制器、加热器(12)以及固态继电器，其中温度控制器上设有用于探测密封容器(14)出口温度的测温传感器(13)，加热器(12)用于加热密封容器(14)内的液体，固态继电器用于控制加热器(12)的温度。
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