CN101656194A - 一种等离子腔室及其温度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等离子腔室及其温度控制方法，所述等离子腔室包括：下腔体，所述下腔体上面的上腔体，下腔体底部的基片支承装置和设于上腔体之中的控温模块；所述上腔体具有侧壁和覆盖于侧壁上的介质窗；所述下腔体、上腔体之间形成等离子腔室的内腔。本发明公开的等离子腔室的上腔体内设有控温模块，该控温模块可以单独控制覆盖于上腔体侧壁上的介质窗的温度，使介质窗的温度能够达到并稳定在设定温度，并配合等离子腔室的下腔体和基片支承装置的温度控制，能够保证等离子加工工艺的稳定性和准确性。

Description

一种等离子腔室及其温度控制方法

技术领域

本发明涉及等离子技术领域，特别涉及一种等离子腔室及其温度控制方法。

背景技术

等离子加工设备广泛地应用于集成电路、微机电系统或太阳能电池板的制造工艺中。等离子中含有大量的电子、离子、激发态的原子、分子和自由基等活性粒子，这些活性粒子和被加工的衬底相互作用，在衬底表面发生复杂的物理和化学反应，从而使衬底表面的结构和性能发生变化。例如常见的电感耦合等离子(Inductive Coupled Plasma，ICP)设备，在半导体制造方面能够完成多种工艺，如各向异性、等向性刻蚀和化学气相沉积(Chemical VaporDeposition，CVD)等。

为保持高质量的工艺结果，必须严格控制等离子加工设备中等离子腔室的温度、激发功率、偏置电压等各种参数。其中，等离子腔室的温度控制是影响工艺稳定性的重要因素，这一方面是由于等离子中活性粒子的离化率和能量等对腔室的温度十分敏感，另一方面，随着半导体衬底的尺寸越来越大，腔室的温度对等离子加工的均匀性也有重要影响。因此，一般等离子加工设备都设有各种温度控制装置以获得稳定、准确的等离子腔室温度。

图1为一种等离子加工设备的等离子腔室示意图。如图所示，等离子腔室包括：腔体32，腔体32底部的基片支承装置34，腔体32上方的介质窗31；等离子加工过程中，衬底33通过静电引力固定在基片支承装置34上方，在腔体32内通入工作气体并启动等离子激励源(图中未示出)，等离子产生于衬底33和介质窗31之间的腔室空间内。

上述等离子腔室的温度控制一般通过对基片支承装置34及腔体32的侧壁进行精确温度控制而实现。基片支承装置34连接等离子腔室外部的温度控制模块(图中未示出)，温度控制模块中的冷却液通过基片支承装置34底部的进口36流入基片支承装置34内部，与基片支承装置34进行热量交换，然后从出口37返回温度控制模块，温度控制模块根据设于腔体32内部的热电偶(图中未示出)的测温结果，通过调整冷却液的流量而改变冷却液与基片支承装置34的热交换量，从而实现对衬底33的精确温度控制。腔体32的侧壁内靠近腔体32底部的位置设有加热器35、热电偶(图中未示出)和过温开关(图中未示出)，其中，热电偶用于测量腔体32侧壁的温度，加热器35用于给腔体32的侧壁加热，过温开关用于控制温度不超过设定值，从而实现对腔体32侧壁的温度控制。

但是，腔体32上方的介质窗31没有单独的温度控制模块，在等离子加工过程中，工艺质量对介质窗31的温度相当敏感，为了得到满意的工艺结果往往要求介质窗31的温度高于腔体32内部的温度，在实际过程中，往往通过等离子预启辉的步骤来实现介质窗31温度的升高，也就是说，在加工衬底的等离子工艺之前，进行等离子预启辉，采用等离子自身的热效应对介质窗31加热，介质窗达到所需温度后，再进行加工衬底的等离子工艺。然而问题在于，这种控温方式依赖于等离子自身的能量，不仅稳定性较差而且没有对介质窗温度的监控，因此不易保证工艺结果的一致性和准确性。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种等离子腔室，能够单独控制介质窗的温度，保证等离子加工工艺的稳定性和准确性。

本发明解决的另一问题是提供一种等离子腔室的温度控制方法，能够单独的控制介质窗的温度，保证等离子加工工艺的稳定性和准确性。

为解决上述问题，本发明提供了一种等离子腔室，包括：下腔体，位于下腔体上面的上腔体，位于下腔体底部的基片支承装置和位于上腔体之中的控温模块；所述上腔体具有侧壁和覆盖于侧壁上的介质窗；所述下腔体、上腔体之间形成等离子腔室的内腔。

所述控温模块包括加热单元、测温单元和冷却单元；所述加热单元和冷却单元设置于所述上腔体的侧壁内，所述测温单元设置于介质窗的上表面或侧面；其中，加热单元用于对所述上腔体加热，测温单元用于测量所述介质窗的温度，冷却单元用于对所述上腔体冷却。

所述测温单元位于介质窗上表面直径200mm至直径350mm的环形区域内。

所述测温单元为抗射频干扰的热电偶或光纤测温装置。

所述加热单元为沿上腔体的周长方向环绕上腔体侧壁的加热带。

所述加热带环绕成直径为500mm至700mm的圆形。

所述加热单元为分布于上腔体的侧壁内的至少4个加热棒。

所述冷却单元为沿上腔体的周长方向环绕上腔体侧壁的冷却液通道。

所述加热单元和冷却单元集成为一个部件，该部件沿上腔体的周长方向环绕上腔体的侧壁。

相应的，本发明还提供了上述等离子腔室的温度控制方法，包括：

设定等离子腔室的内腔温度T₁，设定所述等离子腔室上腔体的介质窗温度T₂，其中T₂大于T₁；

通过下腔体和基片支承装置中的温度控制装置对所述内腔加热而达到并稳定在设定内腔温度T₁；

位于上腔体中的控温模块控制介质窗达到并稳定在设定的介质窗温度T₂。

所述在控温模块的控制下使介质窗达到并稳定在设定的介质窗温度T₂包括：

通过所述控温模块的加热单元对上腔体进行加热使介质窗升温，并且通过所述控温模块的冷却单元对上腔体进行冷却控制介质窗升温速度；

测温单元监控介质窗的实际温度，当实际温度达到设定温度T₂后，通过加热单元对上腔体的加热和冷却单元对上腔体的冷却而使介质窗的温度稳定在设定温度T₂。

上述技术方案具有以下优点：所述等离子腔室包括上腔体、下腔体和基片支承装置，上腔体内设有控温模块，该控温模块可以单独控制覆盖于上腔体侧壁上的介质窗的温度，使介质窗的温度能够达到并稳定在设定温度，并配合等离子腔室的下腔体和基片支承装置的温度控制，能够保证等离子加工工艺的稳定性和准确性。其次，在工艺过程中或不同工艺间歇时都可以实现对介质窗的温度控制，有利于缩短等离子腔室温度状态的恢复时间，及时进行下次工艺，能够提高等离子加工设备的产出率，提高生产效率。另外，由于对介质窗进行加热，减少等离子加工产生的挥发性聚合物在介质窗的沉积，有利于延长介质窗的使用寿命，能够降低等离子设备的维护成本。

所述等离子腔室的温度控制方法，不仅能够控制腔室的内腔温度，而且能够单独控制覆盖于上腔体侧壁上的介质窗的温度，从而能够保证等离子加工工艺的稳定性和准确性。

附图说明

通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为一种等离子腔室的结构示意图；

图2为实施例一中等离子腔室的结构示意图；

图3为实施例一中另一等离子腔室的结构示意图；

图4为实施例二中等离子腔室的结构示意图；

图5为实施例三中等离子腔室的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

本发明实施例提供的等离子腔室包括：下腔体，位于下腔体上面的上腔体，位于下腔体底部的基片支承装置和位于上腔体之中的控温模块；所述上腔体具有侧壁和覆盖于侧壁上的介质窗；所述下腔体、上腔体之间形成等离子腔室的内腔。

所述控温模块可以包括加热单元、测温单元和冷却单元；所述加热单元和冷却单元设置于所述上腔体的侧壁内，所述测温单元设置于介质窗的上表面或侧面；其中，加热单元用于对所述上腔体加热，测温单元用于测量所述介质窗的温度，冷却单元用于对所述上腔体冷却。

所述测温单元位于介质窗上表面直径200mm至直径350mm的环形区域内。

所述测温单元可以为抗射频干扰的热电偶或光纤测温装置。

所述加热单元可以为沿上腔体的周长方向环绕上腔体侧壁的加热带。

所述加热带环绕成直径为500mm至700mm的圆形。

此外，所述加热单元还可以为分布于上腔体的侧壁内的至少4个加热棒。

所述冷却单元可以为沿上腔体的周长方向环绕上腔体侧壁的冷却液通道。

此外，所述加热单元和冷却单元还可以集成为一个部件，该部件沿上腔体的周长方向环绕上腔体的侧壁。

实施例一

图2为本实施例所述等离子腔室的结构示意图，其包括：下腔体13，位于下腔体13底部的基片支承装置4，下腔体13上面的上腔体12和设于上腔体12之中的控温模块，在本实施例中，所述基片支承装置4为静电卡盘，所述控温模块包括测温单元9、冷却单元10和加热单元11；上腔体12具有侧壁14和覆盖于侧壁14上的介质窗1，所述控温模块用于实现对介质窗1的温度控制，所述介质窗1可以为石英窗。下腔体13、上腔体12之间形成等离子腔室的内腔15，基片支承装置4上通过静电引力固定有待加工的衬底3，等离子设备工作时，射频激励源使工作气体电离，产生的等离子位于衬底3上方的内腔15中。内腔15通常为圆形，上腔体12、下腔体13和基片支承装置4相互配合密封。

所述控温模块的作用是在等离子加工工艺之前使介质窗1的温度达到设定温度并在工艺过程中稳定在设定温度。如图2所示，该控温模块包括设置于上腔体12的侧壁14内的加热单元和冷却单元，以及设置于介质窗1上表面16的测温单元。

所述加热单元为加热带11，加热带11沿上腔体12的周长方向环绕侧壁14，用于给上腔体12提供热量，优选的，加热带11环绕成直径为500mm至700mm的圆形，对上腔体12的加热效果较好；上腔体12采用导热率高的铝材料加工而成，可以通过热传导效应实现对介质窗1加热。

所述冷却单元为冷却液通道17，其中通有循环流动的冷却液，冷却液通道17沿上腔体12的周长方向环绕侧壁14，冷却液由进口8进入上腔体12内再由出口10流出，用于从上腔体12吸收热量，以对介质窗1降温，从而在介质窗1升温过程中防止被加热到过热状态(实际温度高于设定温度)；相对于加热带11，冷却液通道17的位置更靠近内腔15，优选的，冷却液通道17螺旋形环绕侧壁14，所述冷却液可以为中水。

所述测温单元包括但不限于热电偶9，用于对介质窗1的温度进行实时的监控并反馈到等离子腔室外部的比例积分微分(Proportional-Integral-Differential，PID)温度控制器。由于在等离子加工过程中，电感耦合的介质窗1受到等离子的辐射，因此热电偶9采用具有抗射频干扰的热电偶。此外，所述测温单元也可以为光纤测温装置。优选的，测温单元设于介质窗上表面的直径200mm至直径350mm的环形区域内，由于内腔15中的等离子对所述环形区域的温度最为敏感，监控所述环形区域内的温度能够更有利于提高等离子工艺的稳定性。

而下腔体13的控温模块采用加热器5、热电偶(图中未示出)和过温开关(图中未示出)的组合来实现温度控制；其中，加热器5设置于下腔体13的侧壁中，用于给下腔体13加热；热电偶设置于内腔15中靠近下腔体13侧壁的位置，用于测量下腔体13的温度；而过温开关设置于等离子腔室的外部，用于控制温度不超过设定值。

基片支承装置4内具有冷却液通道(图中未示出)，基片支承装置4连接等离子腔室外部的温度控制器(图中未示出)，所述温度控制器中的冷却液通过基片支承装置4底部的冷却液通道进口6流入基片支承装置4内部，与基片支承装置4进行热量交换，然后从出口7返回温度控制器，温度控制器根据设于内腔15中的热电偶(图中未示出)的测温结果，调整冷却液的流量从而改变冷却液与基片支承装置4的热交换量，实现对衬底3的精确温度控制。

相对于传统的等离子腔室，本实施例中所提供的等离子腔室分为上、下两个腔体，其中，设于上腔体中的控温模块能够对介质窗的温度进行控制。等离子工艺进行时，等离子腔室外部的PID温度控制器根据设定的介质窗1温度，控制加热带11对上腔体12加热，利用上腔体12的热传导作用对介质窗1加热，与此同时，冷却液通道17中循环流动的冷却液对上腔体12进行冷却，防止其升温过快，而热电偶9测定介质窗1的实际温度，并反馈到PID温度控制器，PID温度控制器比较实际温度和设定温度调整加热带输入功率和冷却液流速，从而控制介质窗1的升温速度，介质窗1温度达到设定温度时，PID温度控制器再次调整加热带11输入功率和冷却液的流速，使介质窗1冷却速度和吸热速度达到相对平衡，从而稳定在设定温度附近。

如此以来，介质窗1不必通过等离子启辉的方式加热，而是具有独立的温度控制模块进行稳定的温度控制，结合下腔体13的温度控制，从而能够保证等离子加工工艺的一致性和准确性。其次，在工艺过程中或不同工艺间歇时都可以实现对介质窗1的温度控制，有利于缩短等离子腔室温度状态的恢复时间，及时进行下次工艺，能够提高等离子加工设备的产出率。另外，由于对介质窗1进行加热，减少等离子加工产生的挥发性聚合物在介质窗1的沉积，有利于延长介质窗的使用寿命，能够降低等离子设备的维护成本。

以上实施例中热电偶9设置在介质窗1的上表面16，如图3所示，热电偶9’也可在设置在介质窗1的侧面18，除此以外，图3中的等离子腔室的结构与前述图2中的等离子腔室相同，在此不再赘述。因为介质窗1也兼有等离子腔室观察窗的功能，所以热电偶9’设在介质窗1的侧面可以不影响对等离子腔室内的观察。

实施例一中加热单元与冷却单元是彼此独立的两个部件，分别设置在上腔体的侧壁中，此外，加热单元和冷却单元还可以为集成在一起的一个部件，在以下实施例中详细描述。

实施例二

图4为本实施例所述等离子腔室的结构示意图，其包括：下腔体13，位于下腔体13底部的基片支承装置4，下腔体13上面的上腔体12；与实施例一中的等离子腔室的区别在于，加热单元和冷却单元集成为一个部件19，部件19沿周长方向环绕在上腔体12的侧壁14内，例如，加热单元为加热带，冷却单元为冷却液通道，该冷却液通道可以由柔性管道制作，所述加热带和冷却液通道集成为环状的部件19，其中，所述部件19具有冷却液进口8’和出口10’；测温单元设于介质窗1的上表面16，所述测温单元为热电偶9，也可以为光纤测温装置等其他测温装置；所述等离子腔体的下腔体、基片支承装置等其他部分结构与实施例一类似，在此不再赘述。

本实施例中的部件19和热电偶9组成控温模块，与实施例一类似，该控温模块能够单独对介质窗1的温度进行控制，在等离子加工工艺之前使介质窗1的温度达到设定温度并在工艺过程中稳定在设定温度附近。另外，加热单元和冷却单元集成为一个部件，不需要在上腔体12中加工冷却液通道，能够大大降低上腔体12的加工难度。

以上实施例一和实施例二的加热单元均为加热带，除此以外，加热单元还可以为加热棒，具体在以下实施例中描述。

实施例三

图5为本实施例所述等离子腔室的结构示意图，与实施例一中的等离子腔室的区别在于，所述加热单元为加热棒，如图5所示，4个加热棒20沿上腔体12侧壁14的周长方向均匀分布，每个加热棒嵌入上腔体12的侧壁14中，对上腔体12进行加热，上腔体12将热量传递给介质窗1，而冷却单元和测温单元的其他部分与实施例一所述的等离子腔室相同，在此不再赘述。

另外，加热棒20不限于4个，为提高加热效率，加热棒也可以为6个或8个，加热棒的数量越多，在侧壁14中分布的就越密集，加热效果就越好。

以下详述本发明技术方案提供的等离子腔室的温度控制方法的具体实施方式。

所述等离子腔室的温度控制方法包括：

设定等离子腔室的内腔温度T₁，设定介质窗温度T₂，由于等离子加工过程中，介质窗的温度高于内腔的温度，有利于获得更好的工艺质量，因此设定T₂大于T₁。

使内腔的温度达到并稳定在设定的内腔温度T₁。内腔的温度是通过对下腔体和基片支承装置的温度进行控制而实现的，与传统技术类似，在此不再赘述。

在上腔体中的控温模块的控制下使介质窗达到并稳定在设定的介质窗温度T₂，具体包括：

在等离子加工工艺进行之前，加热单元对上腔体进行加热，以使介质窗升温，并且冷却单元对上腔体冷却，以控制介质窗升温速度；所述加热单元包括但不限于加热带或加热棒，所述冷却单元包括但不限于设在上腔体中的冷却液通道。

测温单元监控介质窗的实际温度T，当实际温度T达到设定温度T₂后，加热单元对上腔体的加热和冷却单元对上腔体的冷却相对平衡，在等离子加工工艺过程中，以介质窗的温度稳定在设定温度T₂。所述测温单元包括但不限于抗射频干扰的热电偶或光纤测温装置。

上述温度控制方法可利用实施例一至三所提供的任一等离子腔室实现。采用所述的等离子腔室的温度控制方法，能够对介质窗进行独立的温度控制，并结合下腔体的温度控制，从而能够保证等离子加工工艺的稳定性和准确性。其次，在工艺过程中或不同工艺间歇时都可以实现对介质窗的温度控制，有利于缩短等离子腔室温度状态的恢复时间，及时进行下次工艺，能够提高等离子加工设备的产出率。另外，由于对介质窗进行加热，减少等离子加工产生的挥发性聚合物在介质窗的沉积，有利于延长介质窗的使用寿命，能够降低等离子设备的维护成本。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (11)

1、一种等离子腔室，其特征在于，包括：下腔体，位于下腔体上面的上腔体，位于下腔体底部的基片支承装置和位于上腔体之中的控温模块；所述上腔体具有侧壁和覆盖于侧壁上的介质窗；所述下腔体、上腔体之间形成等离子腔室的内腔。

2、根据权利要求1所述的等离子腔室，其特征在于，所述控温模块包括加热单元、测温单元和冷却单元；所述加热单元和冷却单元设置于所述上腔体的侧壁内，所述测温单元设置于介质窗的上表面或侧面；其中，加热单元用于对所述上腔体加热，测温单元用于测量所述介质窗的温度，冷却单元用于对所述上腔体冷却。

3、根据权利要求2所述的等离子腔室，其特征在于，所述测温单元位于介质窗上表面直径200mm至直径350mm的环形区域内。

4、根据权利要求2或3所述的等离子腔室，其特征在于，所述测温单元为抗射频干扰的热电偶或光纤测温装置。

5、根据权利要求2所述的等离子腔室，其特征在于，所述加热单元为沿上腔体的周长方向环绕上腔体侧壁的加热带。

6、根据权利要求5所述的等离子腔室，其特征在于，所述加热带环绕成直径为500mm至700mm的圆形。

7、根据权利要求2所述的等离子腔室，其特征在于，所述加热单元为分布于上腔体的侧壁内的至少4个加热棒。

8、根据权利要求2所述的等离子腔室，其特征在于，所述冷却单元为沿上腔体的周长方向环绕上腔体侧壁的冷却液通道。

9、根据权利要求2所述的等离子腔室，其特征在于，所述加热单元和冷却单元集成为一个部件，该部件沿上腔体的周长方向环绕上腔体的侧壁。

10、一种用于权利要求1所述的等离子腔室的温度控制方法，其特征在于，包括：

设定等离子腔室的内腔温度T₁，设定所述等离子腔室上腔体的介质窗温度T₂，其中T₂大于T₁；

通过下腔体和基片支承装置中的温度控制装置对所述内腔加热而达到并稳定在设定内腔温度T₁；

位于上腔体中的控温模块控制介质窗达到并稳定在设定的介质窗温度T₂。

11、根据权利要求10所述的温度控制方法，其特征在于，所述在控温模块的控制下使介质窗达到并稳定在设定的介质窗温度T₂包括：

通过所述控温模块的加热单元对上腔体进行加热使介质窗升温，并且通过所述控温模块的冷却单元对上腔体进行冷却控制介质窗升温速度；

测温单元监控介质窗的实际温度，当实际温度达到设定温度T₂后，通过加热单元对上腔体的加热和冷却单元对上腔体的冷却而使介质窗的温度稳定在设定温度T₂。

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