CN103369810A - 一种等离子反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种等离子反应器，包括位于反应器底部的一个基座，处理基片放置在所述基座上，基座内包括至少一热交换管道，所述热交换管道包括一个冷却液入口和一个冷却液出口，一个冷却器包括一个第一温度冷却液容器和第二温度冷却液容器，通过阀门控制第一、第二冷却液容器输出并到达冷却液混合室的冷却液流量比率，冷却液混合室输出混合后的冷却液到所述热交换管道的冷却液入口；一个冷却液回收容器包括第一接口连接到热交换管道的冷却液出口，所述冷却液回收容器还包括一个第二和三接口分别连接到第一温度冷却液容器和第二温度冷却液容器。

Description

一种等离子反应器
技术领域
本发明涉及半导体制程设备，尤其是对于基板实施等离子体处理的等离子体处理装置，具体地，涉及施加到等离子处理装置的基座温度控制系统。
背景技术
在半导体设备的制造过程中，例如蚀刻、沉积、氧化、溅射等处理过程中，通常会利用等离子体对基片(半导体晶片、玻璃基板等)进行处理。
在高频放电方式的等离子体处理装置中，包括电容耦合型等离子体反应器，电容耦合型反应器通常配置有上部电极和下部电极，优选地这两个电极平行设置。而且，通常在下部电极之上载置被处理基板，经由整合器将等离子体生成用的高频电源施加于上部电极或者下部电极。通过由该高频电源所生成的高频电场来使反应气体的外部电子加速，从而产等离子体对下部基片进行等离子处理。
在现有技术中，很多工艺效果受温度影响很大，比如CF化合物沉积过程中温度较低时沉积速率较大，在其它工艺中则要求温度较高。传统加工过程中一个工艺步骤时间较长可长达几分钟，在不同步骤切换时有足够的时间来获得最佳的温度。但是在现在过孔硅(TSV)刻蚀时需要刻蚀-沉积交替上千步，需要快速的温度控制系统来实现这一苛刻要求。现有技术通常用冷却器中温度受控的冷却液(水，导热油等)带走基片下方基座内的热量或者给基座加热实现对基片温度的控制。如图1示出为现有技术的等离子反应器纵截面示意图。本领域技术人员理解，在现有技术中，等离子体处理装置通常包括：例如由内部成为密闭空间的真空腔室构成的处理容器100；在该处理容器100的底面中央配设的基座，基座内包括下电极22；以及在基座的上方以与该基座相对的方式设置着的上电极11，上电极通常同时作为气体喷口，典型的如气体喷淋头，该气体喷淋头连接到处理气体气源110。
上述下电极22形状与所述上部电极10相适应；基座还可以包括固定基片20用的基片固定装置21，典型的如静电夹盘。待加工的基片如晶圆被放置在基片固定装置21上方。环绕基片固定装置21和基片20的还包括一个边缘环10，该边缘环可以选择不同材料。所述下电极20通过电缆或者气体线路连接到射频电源402。射频电源供应的射频可以是13.56-120Mhz的频率，用以产生等离子体。下电极同时还连接到一个低频射频电源，如小于等于2MHz的射频电源，以控制入射的等离子的能量。本发明所述等离子反应器除了如图1所示电容耦合型反应器也可以是电感耦合型(ICP)反应器。一个冷却器30通过冷却液管道32向等离子反应器基座供应冷却液，在基座中完成热交换后冷却液通过管道34回到冷却器。所述基座可以是安装有热交换管道的静电夹盘，也可以是包含冷却液管道下电极。
但是冷却器中的冷却液要在冷却器到等离子反应器基座，再从基座完成热交换后回到冷却器完成整个循环，循环过程中冷却液温度会发生变化，冷却液体积也会发生变化，所以冷却器中加热的参数如加热功率等必须不停变化才可能获得精确的温度。这就增加了系统的复杂性和可靠性。而且整个系统中冷却液会发生渗漏等情况，也会导致冷却液的总量变化所以无法精确的加热冷却液达到最佳的温度。所以业界需要一个能对基片表面温度进行精确快速控制的温度控制系统。
发明内容
针对现有技术等离子反应器中基片温度无法精确而快速的切换的缺陷，本发明的目的是提供一种等离子反应器，包括位于反应器底部的一个基座，处理基片放置在所述基座上，一个反应气体供应装置向反应器供应反应气体，一个等离子发生装置使反应气体产生等离子体，所述基座内包括至少一热交换管道，所述热交换管道包括一个冷却液入口和一个冷却液出口，一个冷却器向所述热交换管道供应具有设定温度的冷却液，其特征在于：所述冷却器包括一个第一温度冷却液容器和第二温度冷却液容器，一个控制器使第一温度冷却液容器中的冷却液具有第一温度，使第二温度冷却液容器中的冷却液具有第二温度；第一温度冷却液容器输出口通过第一可控阀门输出具有第一温度的冷却液到冷却液混合室，第二温度冷却液容器输出口通过第二可控阀门输出具有第二温度的冷却液到冷却液混合室，所述冷却液混合室输出混合后的冷却液到所述热交换管道的冷却液入口；一个冷却液回收容器包括第一接口连接到所述热交换管道的冷却液出口，所述冷却液回收容器还包括一个第二和三接口分别连接到第一温度冷却液容器和第二温度冷却液容器。
其中第一、第二温度冷却液容器输出口与第一、第二可控阀门之间各包括一个泵。
第一可控阀门包括一输入端连接到第一温度冷却液容器的输出口，还包括一个输出端和一个回流端，所述输出端输出冷却液到所述冷却液混合室，所述回流端回流所述冷却液到所述第一温度冷却液容器。通过可控阀门控制阀门的开度使流入可控阀门输入端的冷却液按比例流到输出端和回流端。所述控制器控制所述第一和第二可控阀的开度，使所述冷却液混合室输出的温度在所述第一温度和第二温度之间。所述第一温度和第二温度相差大于30℃，或者所述第一温度大于40℃，第二温度小于0℃。
其中冷却液回收容器位于所述第一、第二温度冷却液容器上方。
所述控制器驱动一个温度控制装置使所述第一、第二温度冷却液容器内的冷却液具有第一温度和第二温度，所述温度控制装置选自压缩制冷机和加热器。
热交换管道具有第二冷却液入口和第二冷却液出口；所述第一温度冷却液容器输出口通过第三可控阀门输出具有第一温度的冷却液到一个第二冷却液到混合室，第二温度冷却液容器输出口通过第四可控阀门输出具有第二温度的冷却液到第二冷却液混合室，所述第二冷却液混合室输出混合后的冷却液到热交换管道的第二冷却液入口，热交换管道的第二冷却液出口连接到所述冷却液回收容器。
本发明提出的冷却器通过将两种具有不同温度的冷却液通过阀门混合实现冷却液输出温度的快速切换。同时本发明还提供了一个冷却液回收容器使回流后的冷却液位于两个不同温度冷却液容器上方，保证两个不同温度冷却液容器始终保持填满状态，保证温度的精确性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1示出根据现有技术的等离子反应器纵截面图；
图2示出了根据本发明的冷却器实施例的结构图。
具体实施方式
如图2所示本发明对冷却器系统30进行了改进，本发明冷却器包括第一冷却液容器302，其中的冷却液具有第一温度。第一冷却液容器302具有配套的温度控制装置比如加热器进行加热或者压缩机进行冷却。同时冷却器包括第二冷却液容器304，其中的冷却液具有第二温度，第二冷却液容器304也具有配套的温度控制装置。通过一个控制器(图中未示出)来控制温度控制装置使得第一、第二冷却液容器中的冷却液具有精确的第一、第二温度，其中第一和第二温度不同。第一冷却液容器302通过管道312连接到第一可控阀门313，管道312上还可以包括泵以驱动冷却液在管道内流动。第一可控阀门313包括一个输出端，通过管道316输出具有第一温度的冷却液到一个混合室322。第一可控阀门还包括一个回流端，通过管道317将没有输出的冷却液回流入第一冷却液容器302同样第二冷却液容器304通过管道314连接到第二可控阀门315，第二可控阀门315包括一输出端，所述输出端通过管道318输出具有第二温度的冷却液到混合室322。第二可控阀门还包括一个回流端，所述回流端通过管道319将没有输出的冷却液回流入第二冷却液容器304。混合室322将来自第一和第二冷却液容器的具有不同温度的冷却液混合，形成具有目标温度的混合冷却液通过冷却液管道32向等离子反应器内的基座供应冷却液。
所述控制器还对所述第一和第二可控阀门进行控制，使阀门具有不同开度，比如从0％-100％。其中0％代表冷却液全部回流入冷却液容器没有流入下游的混合室，100％代表冷却液全部流入下有的混合室322。这样一来通过控制每个可控阀门的开度就能控制不同温度冷却液的混合比率，最终在混合室中混合后的冷却液温度也能得到精确控制。由于阀门可以快速切换，而不需要温度控制装置缓慢调整温度，只要调节两种不同温度的比率就能实现混合冷却液在第一温度到第二温度间的切换。其中第一温度和第二温度可根据实际加工工艺的需要自由选择，比如第一温度可以是80℃，第二温度可以是-20℃。这样在不同加工步骤切换中就可以实现-20到80℃之间的大范围温度切换。比如第一个加工步骤要求70℃的最佳温度，此时设置具有第一温度80℃的冷却液有90％流入混合室，另有第二温度-20℃的冷却液10％，最终混合后两种的输出温度为70℃。在其后的第二加工步骤要求温度为10℃，则可以选择第一温度的冷却液30％流入混合室，第二温度的冷却液70％流入混合室。由于阀门切换速度很快，所以从70℃到10℃的冷却液切换速度也很快，在几十秒如60秒内就能实现不同工作温度的切换。温度受控的冷却液最后输出到基座内的热交换管道，控制基片的温度。所述第一温度和第二温度的选择可以根据加工工艺的要求作不同设置，只要两个温度差距足够大而且覆盖加工工艺可能需要的所有温度。比如两者温度差大于30℃，或者更优的大于50℃，或者第一温度大于40℃，第二温度小于0℃。
经过基座内热交换管道的热交换后，基座的温度能够得到精确控制，从而放置在基座上的基片温度得到控制。
本发明冷却器还包括一个冷却液回收容器306，将经过基座内热交换后回流到冷却器的冷却液储存起来。因为第一、二冷却液容器302，304的输出流量在不停切换中所以回流的冷却液补充入不同冷却液容器的流量也要求不同。由于回收容器306的存在，只要其中的液面高于第一、二冷却液容器302、304的液面，冷却液能够自动向下流入下方的冷却液容器并且填满。由于冷却液经过一个循环后温度会发生变化，而且管道中长期运行会有渗漏，所以回收容器306中的液面会发生变化，但是下方的冷却液容器302、304始终保持填满状态，这样所述温度控制装置如加热器在液体总量不变的情况下能够更精确的控制加热功率，获得精确的温度，其精度可以达到±2℃。最终获得混合室输出时的温度精度也能够达到±2℃以内如±1℃。
本发明冷却器的第一、二冷却液容器302，304的冷却液出口和混合室322冷却液输出口都设有温度传感器或者压力传感器用，所述控制器通过传感器检测到的信息来控制温度控制装置或者可控阀门313、315的工作。
本发明第二实施例，对于具有多个热交换管道来独立控制不同区域温度的基座，所述热交换管道具有第二组冷却液入口和出口。除了如图2中的一个输出端32供应基座内的热交换管道，还包括第二套冷却液输出系统。比如由可控阀门连接到第一、二冷却液容器302、304，可控阀门通过管道输出冷却液到第二个混合室，混合室通过管道输出到基座中另一个温控区域。最后回流的冷却液仍然流到冷却液回收容器306，实现整个循环。除了第二套冷却液输出系统也可以有第三套甚至更多输出系统，这样本发明冷却器就能够对基座中多个区域进行精确的快速的温度控制。
本发明也可以是两种不同温度的冷却液混合，只调节其中一种温度的流量，另一温度的冷却液具有固定流量，也就是阀门开度固定。虽然这样相对第一第二实施例可调温度范围较小，但是也能够实现本发明目的。本发明所述各种容器其内部体积远大于各种冷却液输送管道及热交换管道内的容积，其比率大于20∶1，所以所述各种冷却液容器具有相对精确而稳定的温度，不易受其它外部因素的干扰。采用阀门控制混合液比率后同时能兼顾输出冷却液温度的灵活性。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种等离子反应器，包括位于反应器底部的一个基座，处理基片放置在所述基座上，一个反应气体供应装置向反应器供应反应气体，一个等离子发生装置使反应气体产生等离子体，所述基座内包括至少一热交换管道，所述热交换管道包括一个冷却液入口和一个冷却液出口，
一个冷却器向所述热交换管道供应具有设定温度的冷却液，其特征在于：
所述冷却器包括一个第一温度冷却液容器和第二温度冷却液容器，
一个控制器使第一温度冷却液容器中的冷却液具有第一温度，使第二温度冷却液容器中的冷却液具有第二温度；
第一温度冷却液容器输出口通过第一可控阀门输出具有第一温度的冷却液到冷却液混合室，第二温度冷却液容器输出口通过第二可控阀门输出具有第二温度的冷却液到冷却液混合室，所述冷却液混合室输出混合后的冷却液到所述热交换管道的冷却液入口；
一个冷却液回收容器包括第一接口连接到所述热交换管道的冷却液出口，所述冷却液回收容器还包括一个第二和三接口分别连接到第一温度冷却液容器和第二温度冷却液容器。
2.根据权利要求1所述的等离子反应器，其特征在于，所述第一温度冷却液容器输出口与第一可控阀门之间包括一个泵。
3.根据权利要求1所述的等离子反应器，其特征在于，所述第一可控阀门包括一输入端连接到第一温度冷却液容器的输出口，还包括一个输出端和一个回流端，所述输出端输出冷却液到所述冷却液混合室，所述回流端回流所述冷却液到所述第一温度冷却液容器。
4.根据权利要求3所述的等离子反应器，其特征在于，所述可控阀门控制阀门的开度使流入可控阀门输入端的冷却液按比例流到输出端和回流端。
5.根据权利要求1所述的等离子反应器，其特征在于，所述冷却液回收容器位于所述第一、第二温度冷却液容器上方。
6.根据权利要求1所述的等离子反应器，其特征在于，所述控制器驱动一个温度控制装置维持所述第一温度和第二温度，所述温度控制装置选自压缩制冷机和加热器。
7.根据权利要求1所述的等离子反应器，其特征在于所述控制器控制所述第一和第二可控阀的开度，使所述冷却液混合室输出的温度在所述第一温度和第二温度之间。
8.根据权利要求1所述的等离子反应器，其特征在于，所述第一温度和第二温度相差大于30℃。
9.根据权利要求8所述的等离子反应器，其特征在于，所述第一温度大于40℃，第二温度小于0℃。
10.根据权利要求1所述的等离子反应器，其特征在于，所述热交换管道具有第二冷却液入口和第二冷却液出口；
所述第一温度冷却液容器输出口通过第三可控阀门输出具有第一温度的冷却液到一个第二冷却液到混合室，
所述第二温度冷却液容器输出口通过第四可控阀门输出具有第二温度的冷却液到第二冷却液混合室，
所述第二冷却液混合室输出混合后的冷却液到热交换管道的第二冷却液入口，
所述热交换管道的第二冷却液出口连接到所述冷却液回收容器。
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Patentee before: Advanced Micro-Fabrication Equipment (Shanghai) Inc.

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