处理系统的降温方法
技术领域
本发明属于半导体制造领域,特别是涉及一种处理系统的降温方法。
背景技术
PECVD(PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition)是等离子体增强化学气相沉积的简称,它是通过反应气体的等离子放电来产生活性基团以促进薄膜生成的沉积技术,它能显著降低化学气相沉积(CVD)反应的温度,使某些原本需要在高温条件下才能进行的CVD镀膜反应可以在较低温度下进行。PECVD的主要优点是适合在低温条件下制备大面积的薄膜,且可以制得优质的半导体薄膜或介质薄膜,因此,近年来它在薄膜太阳能电池、平板显示器等领域获得了广泛的应用。
现有用于制造大面积薄膜的PECVD系统包括真空室、位于真空室内的若干等离子体反应器,所述真空室作为PECVD系统的外腔,等离子体反应器作为PECVD系统的内腔,所述真空室与所述等离子体反应器之间通过一道门隔绝,且所述真空室的进气口与等离子体反应器的进气口相互独立,所述真空室的出气口与等离子体反应器的出气口相互独立。具体的,这种PECVD系统的结构可参考公开号为CN2931495Y的中国专利。在有些PECVD系统中,所述真空室内还设有用于冷却所述等离子体反应器的冷却装置,以将等离子体反应器冷却至所需温度。利用PECVD系统在基底上制作薄膜时,可将若干基底分别置于若干等离子体反应器中,并在150℃~230℃的工艺温度下在基底上沉积薄膜。
当PECVD系统使用一段时间之后,或者当PECVD系统出现异常时,需要对PECVD系统进行保养维护。由于在PECVD系统的使用状态下等离子体反应器的温度通常为150℃~230℃,当进行保养维护时,为安全起见,需将等离子体反应器的温度降至80℃以下。现有技术中一般有以下几种方案可以解决等离子体反应器的降温问题:
方案一、停止对等离子体反应器进行加热,并停止向等离子体反应器中通入任何气体,使等离子体反应器自然冷却至80℃。
方案二、停止对等离子体反应器进行加热,调低真空室内冷却装置的温度,使等离子体反应器的温度能尽快降至80℃。
方案三、将方案一与方案二结合起来,即,停止对等离子体反应器进行加热,并停止向等离子体反应器中通入任何热传导气体,同时调低真空室内冷却装置的温度,将等离子体反应器的温度降至80℃。
但上述几种方案均存在许多不足之处:方案一需耗费很长的冷却时间,当将等离子体反应器从160℃冷却至80℃时大概需耗费12个小时,严重影响了PECVD系统的设备稼动率,大大减少了PECVD系统的产能;方案二也需耗费很长的冷却时间;与方案一、方案二相比,虽然方案三所耗费的冷却时间有所减少,但仍需耗费8个小时以上的冷却时间。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种处理系统的降温方法,以使处理系统中的等离子体反应器快速冷却至所需温度。
为解决上述问题,本发明提供了一种处理系统的降温方法,所述处理系统包括真空室、位于所述真空室内并用于在第一温度下处理基底的等离子体反应器,所述真空室设有第一进气口、第一出气口,所述等离子体反应器设有第二进气口、第二出气口,所述第一进气口与第二进气口相互独立,所述第一出气口与第二出气口相互独立,所述等离子体反应器还设有通向所述真空室的门,所述降温方法用于将所述第一温度下的等离子体反应器冷却至第二温度,所述降温方法包括:
开启所述第二进气口,向所述第二进气口通入热传导气体,使所述等离子体反应器及真空室内填充有所述热传导气体且压力均达到预设值;
保持所述等离子体反应器及真空室的压力,直至所述等离子体反应器的温度为所述第二温度。
可选地,所述等离子体反应器及真空室的压力达到所述预设值之后,关闭所述第一进气口、第二进气口、第一出气口、第二出气口,以保持所述等离子体反应器及真空室的压力。
可选地,开启所述第二进气口之前,关闭所述第一进气口、第一出气口,然后向所述第二进气口通入热传导气体并使所述等离子体反应器及真空室的压力达到所述预设值之后,关闭所述第二进气口、第二出气口,以保持所述等离子体反应器及真空室的压力。
可选地,所述热传导气体包括氢气、氮气、氩气、氦气中的一种或多种。
可选地,所述预设值为0.3mbar~5mbar。
可选地,所述预设值为0.3mbar~2.5mbar。
可选地,当所述预设值为0.3mbar~5mbar或0.3mbar~2.5mbar时,所述热传导气体为氢气。
可选地,所述门是弹簧门,向所述第二进气口通入热传导气体的过程中,所述门处于关闭状态,所述热传导气体通过所述门与所述等离子体反应器之间的间隙进入所述真空室内。
可选地,向所述第二进气口通入热传导气体的过程中,所述门处于打开状态。
可选地,所述处理系统为PECVD系统、LPCVD系统、APCVD系统、HDPCVD系统中的一种。
可选地,所述真空室内设有用于冷却所述等离子体反应器的冷却装置。
可选地,所述冷却装置包括多个依次堆叠的冷却板,所述冷却板内部填充有循环流动的冷却液,所述真空室内设有多个等离子体反应器,所述等离子体反应器设置于相邻两个冷却板之间。
可选地,所述冷却液的温度大于0℃且小于60℃。
可选地,所述冷却液的温度为10℃~30℃。
可选地,所述等离子体反应器设有热交换设备,向所述第二进气口通入热传导气体之前,利用所述热交换设备对所述热传导气体进行冷却处理。
可选地,所述基底为玻璃基底,所述处理系统为PECVD系统。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
可大幅度缩短处理系统中等离子体反应器的降温时间,提高了处理系统的设备稼动率、产能,而且降温过程很平稳,能确保等离子体反应器中的部件不被损坏。
另外,向等离子体反应器中通入一段时间的热传导气体之后,通过保持真空室及等离子体反应器的压力,缩短了等离子体反应器的降温时间,当通过关闭真空室及等离子体反应器的出气口以保持真空室及等离子体反应器的压力时,还可减少热传导气体的使用量,降低了降温成本。
附图说明
图1是本发明中处理系统的结构简化示意图;
图2是一种内部设置有冷却装置、等离子体反应器的真空室的简化示意图;
图3是本发明处理系统的冷却原理图;
图4是本发明实施例一中等离子体反应器的温度随时间的变化示意图;
图5是本发明实施例二中等离子体反应器的温度随时间的变化示意图;
图6是本发明实施例三中等离子体反应器的温度随时间的变化示意图。
具体实施方式
本发明要解决的问题是提供一种处理系统的降温方法,以使处理系统中的等离子体反应器快速冷却至所需温度。
为解决上述问题,本发明所提供的降温方法包括:向处理系统的等离子体反应器中通入热传导气体,使处理系统的等离子体反应器及真空室内填充有热传导气体且压力均达到预设值;保持等离子体反应器及真空室的压力,直至等离子体反应器的温度冷却至所需温度。
所述热传导气体是指一种能将温度高的物体的热量传到温度低的物体的气体。
通过采用上述降温方法,可使处理系统中的等离子体反应器快速冷却至所需温度,如保养维护温度,大幅度减少了处理系统的维护保养时间,提高了处理系统的机台稼动率、产能。
下面结合附图,通过具体实施例,对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明的可实施方式的一部分,而不是其全部。根据这些实施例,本领域的普通技术人员在无需创造性劳动的前提下可获得的所有其它实施方式,都属于本发明的保护范围。
图1是本发明中处理系统的结构简化示意图,如图1所示,处理系统10包括真空室20、位于真空室20内的等离子体反应器30。真空室20具有第一进气口21、第一出气口22。第一进气口21与第一进气装置23连接,以便可向真空室20内通入气体,如氮气。可选地,第一进气口21与第一进气装置23之间设有气动阀24,当开启气动阀24时,可向第一进气口21通入气体,当关闭气动阀24时,可停止向第一进气口21通入气体。第一出气口22与第一真空泵25连接,以将真空室20调节至一定真空度。可选地,第一出气口22与第一真空泵25之间可设置门阀26,这样,当关闭门阀26、气动阀24时,可将第一进气口21、第一出气口22同时关闭,使真空室20的压力得以保持。
继续参考图1所示,等离子体反应器30具有第二进气口31、第二出气口32。第二进气口31与第二进气装置33连接,以便可向等离子体反应器30中通入气体。可选地,第二进气口31与第二进气装置33之间可设置流量控制部件(MFC)34,以控制气体的流量。还可在流量控制部件34与第二进气口31之间设置气动阀35,当开启气动阀35时,可向第二进气口31通入气体,当关闭气动阀35时,可停止向第二进气口31通入气体。第二出气口32与第二真空泵36连接,以调节等离子体反应器30的压力。可选地,可在第二出气口32与第二真空泵36之间设置门阀37,这样,当关闭门阀37、气动阀35时,可将第二进气口31、第二出气口32同时关闭,使等离子体反应器30的压力得以保持。可选地,还可在门阀37与第二真空泵36之间设置蝶形阀38,这样,当利用第二真空泵36抽取等离子体反应器30中的气体时,通过控制蝶形阀38的开启角度可以调节等离子体反应器30的压力。
真空室20的第一进气口21与等离子体反应器30的第二进气口31相互独立,真空室20的第一出气口22与等离子体反应器30的第二出气口32相互独立。
等离子体反应器中还设置有其它装置(未图示),如上电极、下电极、用于支撑基底的基座、用于向上电极及下电极提供RF射频的高频电源等等。当向等离子体反应器30的第二进气口31通入气体,并向上电极、下电极施加RF高频时,可将等离子体反应器30中的气体等离子体化,以对基底进行处理。此处的基底可以是常见的半导体衬底,如硅衬底、硅锗衬底、绝缘体上硅(SiliconOnInsulator,简称SOI)衬底等,还可以是玻璃基底;另外,所述基底上可已形成半导体结构。此处的处理包括干法刻蚀、CVD等半导体处理工艺,因此,本发明中所述处理系统可为刻蚀系统、CVD系统等。
图2是一种内部设置有冷却装置、等离子体反应器的真空室的简化示意图,结合图2所示,真空室20内可同时设置两个或两个以上的等离子体反应器30,这样,可将多个基底分别放入各个等离子体反应器30中,以同时对多个基底进行处理。可选地,还可使多个(两个或以上)等离子体反应器30平行设置在真空室20内。需说明书的是,图1中的真空室内仅显示一个等离子体反应器,实际上还可在真空室内设置其它等离子体反应器,在图1中不一一显示了。
利用等离子体反应器对基底进行处理时,设定等离子体反应器内的温度为第一温度,通常所述第一温度为150℃~230℃。一段时间之后,为了对处理系统进行其它操作,需将等离子体反应器的温度调节至第二温度,所述第二温度小于所述第一温度。例如,当需对处理系统进行保养维护或处理系统出现异常时,需将处理系统中的等离子体反应器冷却至保养维护温度,所述保养维护温度通常为80℃以下。
将等离子体反应器的温度由所述第一温度降至所述第二温度时,所述降温方法包括:继续参图1所示,停止对等离子体反应器30继续加热,开启等离子体反应器30的第二进气口31,向第二进气口31通入热传导气体,使等离子体反应器30及真空室20内填充有所述热传导气体,一段时间之后,等离子体反应器30及真空室20的压力一起稳定到预设值;保持等离子体反应器30及真空室20的压力,以将等离子体反应器30的温度由第一温度冷却至第二温度。
图3是本发明处理系统的冷却原理图,结合图3所示,真空室20的外壁20a与空气接触,因此,外壁20a的温度通常能维持在40℃~60℃左右。向等离子体反应器30的第二进气口31通入热传导气体41之后,在热传导气体41的热传导作用下,等离子体反应器30的热量可被传递至真空室20的外壁20a,而且,由于真空室20及等离子体反应器30的压力保持在所述预设值,故能保证等离子体反应器30内的热量被充分带走。
继续参图3所示,等离子体反应器30中还设有通向真空室20的门39,一般情况下,只有当需将基底放入等离子体反应器30中,或将基底从等离子体反应器30中拿出来时才会开启门39;大多时候,为避免真空室20内部被等离子体反应器30中的气体严重污染,门39都是处于关闭状态。所述关闭状态并不是指真空室20与等离子体反应器30之间是绝对不连通的,即,当门39处于关闭状态时,气体仍可通过等离子体反应器30与门39之间的间隙进入真空室20内。因此,由于弹簧门39与等离子体反应器30之间不是绝对不连通的,结合图1可知,故在向等离子体反应器30的第二进气口31中通入热传导气体41时,弹簧门39可以处于关闭状态,此时热传导气体41依然可通过所述门39与等离子体反应器30之间的间隙进入真空室20内。在本发明的另一实施例中,在向等离子体反应器30的第二进气口31中通入热传导气体41时,所述门39可处于打开状态,这样能使真空室20及等离子体反应器30的压力更快稳定到所述预设值。
在本发明的一个实施例中,门39是弹簧门,即门39是由一片片弹片连续粘连起来的,且门39与等离子体反应器30的接触面之间没有设置密封圈。
上述使等离子体反应器及真空室的压力保持在所述预设值的方式包括以下三种:
一种方式为:继续参图1所示,在向等离子体反应器30的第二进气口31通入所述热传导气体时,真空室20的第一进气口21及第一出气口22、等离子体反应器30的第二出气口32均处于开启状态;保持真空室20与等离子体反应器30之间是相互连通的,这样,等离子体反应器30中的热传导气体可进入真空室20内;一段时间之后,当等离子体反应器30及真空室20的压力达到所述预设值之后,才关闭第一进气口21、第二进气口31、第一出气口22、第二出气口32,这样即可保持等离子体反应器30及真空室20的压力。
第二种方式为:继续参图1所示,在向等离子体反应器30的第二进气口31通入所述热传导气体之前,关闭真空室20的第一进气口21、第一出气口22,然后向等离子体反应器30的第二进气口31通入热传导气体,保持真空室20与等离子体反应器30之间是相互连通的,这样,等离子体反应器30中的热传导气体可进入真空室20内;一段时间之后,等离子体反应器30及真空室20的压力达到所述预设值,然后关闭等离子体反应器30的第二进气口31、第二出气口32,这样即可保持等离子体反应器30及真空室20的压力。
第三种方式为:继续参图1所示,向等离子体反应器30的第二进气口31通入热传导气体,并打开等离子体反应器30的第二出气口32,第二真空泵36抽走部分热传导气体以调节等离子体反应器30内的压力;保持真空室20与等离子体反应器30之间是相互连通的,这样,等离子体反应器30中的热传导气体可进入真空室20内;一段时间之后,等离子体反应器30及真空室20的压力达到所述预设值,继续向等离子体反应器30的第二进气口31通入热传导气体并利用第二真空泵36抽走部分热传导气体使等离子体反应器30及真空室20的压力维持在所述预设值。
与第三种方式相比,第一种、第二种方式中等离子体反应器及真空室的压力达到所述预设值之后,通过关闭真空室及等离子体反应器的出气口以保持真空室及等离子体反应器的压力,减少了热传导气体的使用量,降低了降温成本。并且,与第一种方式相比,第二种方式能使用更少的热传导气体。
需强调的是,在执行所述降温的过程中,根据所选用的热传导气体,在某些情况下应停止继续向等离子体反应器的上电极、下电极施加RF高频,以避免所述热传导气体会与基底或基底上已形成的半导体结构发生反应。较佳地,在执行所述降温的过程中,无论选择哪种类型的热传导气体,均停止向等离子体反应器的上电极、下电极施加RF高频。
为使等离子体反应器的温度能在最短的时间内由第一温度降至第二温度,可选择比热容比较大的热传导气体。所述比热容比较大的热传导气体包括但不局限于氢气、氮气、氩气、氦气。因此,在本发明的优选实施例中,所述热传导气体至少包括氢气、氮气、氩气、氦气中的一种。与氮气、氩气、氦气相比,氢气的比热容最大,其热传导效果最佳,故优选地,所述热传导气体为氢气。
当真空室及等离子体反应器内所保持的压力预设值越大时,等离子体反应器的冷却速度越快。但考虑到冷却速度太快的话,有可能会造成等离子体反应器中某些元件,如等离子体反应器内部的陶瓷片等的损坏。发明人经大量研究之后发现,较佳地,所述预设值为0.3mbar~5mbar,在此压力下对等离子体反应器进行降温时,既能保证等离子体反应器的冷却速度,还可保证等离子体反应器内部的元件不被损坏。进一步地,发明人发现,当所述预设值为0.3mbar~2.5mbar时,在保证等离子体反应器具有较快冷却速度的同时,还可最大程度的保证等离子体反应器内部的元件不被损坏。
为能将等离子体反应器快速冷却至所需温度,在本发明的一实施例中,真空室内还设有用于冷却等离子体反应器的冷却装置。所述冷却装置可以多种结构形式存在,继续参图2所示,冷却装置包括多个(两个或两个以上)依次堆叠的冷却板42,冷却板42内部填充有循环流动的冷却液(未图示),所述冷却液可以是水、油等冷却介质,冷却液可将传递至冷却板41的热量快速带走。真空室20内设有多个(两个或以上)等离子体反应器30,等离子体反应器30设置于相邻两个冷却板42之间,并可被上下两个冷却板42中的任意一个冷却板42固定。
继续参图3所示,在向等离子体反应器30中通入热传导气体41以对其进行冷却的同时,可使冷却板42中冷却液的温度大于0℃且小于60℃。在本发明的优选实施例中,还可使所述冷却液的温度设置为10℃~30℃,以进一步地缩短等离子体反应器的冷却时间。这样,一方面,等离子体反应器30中的热量可通过热传导气体41的热传导作用传递到真空室20的外壁20a,另一方面,等离子体反应器30中的热量还可传递到冷却板42中的冷却液,这样可快速带走等离子体反应器30中的热量,从而使等离子体反应器30快速冷却至所需温度。结合图1所示,将等离子体反应器冷却至所需温度之后,可开启真空室20的第一真空泵25及等离子体反应器30的第二真空泵36,以将真空室20及等离子体反应器30中温度较高的热传导气体抽走。
为能将等离子体反应器快速冷却至所需温度,在本发明的一实施例中,等离子体反应器中还设有热交换设备,这样,在向等离子体反应器的第二进气口通入热传导气体之前,可利用所述热交换设备对热传导气体进行冷却处理,冷却过的热传导气体可带走等离子体反应器中更多的热量。
如前所述,本发明中的处理系统可以是刻蚀系统、CVD系统,更具体的,在CVD系统中,所述处理系统可以是PECVD系统、LPCVD(LowPressureChemicalVaporDeposition)系统、APCVD(AtmosphericPressureChemicalVaporDeposition)系统、HDPCVD(HighDensityPlasmaChemicalVaporDeposition)系统中的一种。
由于PECVD的主要优点是适合在低温条件下制备大面积的薄膜,且可以制得优质的半导体薄膜或介质薄膜,因此,可将本发明中的降温方法具体应用在PECVD系统中。更进一步地,还可将该降温方法应用在制作薄膜太阳能电池的PECVD系统中,而薄膜太阳能电池通常都是制作在玻璃基底上的,则此时可在PECVD系统的等离子体反应器中对玻璃基底进行处理。
下面通过三个具体实施例来介绍本发明中处理系统的降温方法。
实施例一
所述处理系统为PECVD系统。正常工作时,对PECVD系统的等离子体反应器进行加热,并向等离子体反应器的第二进气口通入气体,使其温度保持在160℃,同时向等离子体反应器内的上电极、下电极施加RF高频,以将等离子体反应器中的气体等离子化,利用PECVD工艺在玻璃基底上制作太阳能电池薄膜。
需要对PECVD系统进行保养维护时,停止对等离子体反应器加热、对等离子体反应器中的上电极及下电极施加RF高频,向等离子体反应器的第二进气口通入氢气,并使等离子体反应器与真空室之间的门处于关闭状态,氢气可通过门与等离子体反应器之间的间隙进入真空室内,当等离子体反应器的压力达到2.5mbar时,关闭等离子体反应器的第二进气口、第二出气口及真空室的第一进气口、第二进气口,3分钟左右之后等离子体反应器及真空室的压力会一起稳定在0.55mbar左右。在向等离子体反应器的第二进气口中通入氢气的同时,使真空室内冷却板的冷却液的温度设置在25℃。这样,一方面,等离子体反应器中的热量可通过热传导气体的热传导作用传递到真空室的外壁,另一方面,等离子体反应器中的热量还可传递到冷却板中的冷却液,这样可快速带走等离子体反应器中的热量,从而使等离子体反应器快速冷却至所需温度。图4是本发明实施例一中等离子体反应器的温度随时间的变化示意图,如图4所示,实施例一中的降温方法可使等离子体反应器的温度大约在120分钟内由160℃快速降至80℃。
实施例二
所述处理系统为PECVD系统。正常工作时,对PECVD系统的等离子体反应器进行加热,并向等离子体反应器的第二进气口通入气体,使其温度保持在160℃,同时向等离子体反应器内的上电极、下电极施加RF高频,以将等离子体反应器中的气体等离子化,利用PECVD工艺在玻璃基底上制作太阳能电池薄膜。
需要对PECVD系统进行保养维护时,停止对等离子体反应器加热、对等离子体反应器中的上电极及下电极施加RF高频,向等离子体反应器的第二进气口通入氢气,并使等离子体反应器与真空室之间的门处于关闭状态,氢气可通过门与等离子体反应器之间的间隙进入真空室内,当等离子体反应器的压力达到5mbar时,关闭等离子体反应器的第二进气口、第二出气口及真空室的第一进气口、第二进气口,3分钟左右之后等离子体反应器及真空室的压力会一起稳定在1.6mbar左右。在向等离子体反应器的第二进气口中通入氢气的同时,使真空室内冷却板的冷却液的温度设置在25℃。这样,一方面,等离子体反应器中的热量可通过热传导气体的热传导作用传递到真空室的外壁,另一方面,等离子体反应器中的热量还可传递到冷却板中的冷却液,这样可快速带走等离子体反应器中的热量,从而使等离子体反应器快速冷却至所需温度。图5是本发明实施例二中等离子体反应器的温度随时间的变化示意图,如图5所示,实施例二中的降温方法可使等离子体反应器的温度大约在98分钟内由160℃快速降至80℃。
实施例三
所述处理系统为PECVD系统。正常工作时,对PECVD系统的等离子体反应器进行加热,并向等离子体反应器的第二进气口通入气体,使其温度保持在160℃,同时向等离子体反应器内的上电极、下电极施加RF高频,以将等离子体反应器中的气体等离子化,利用PECVD工艺在玻璃基底上制作太阳能电池薄膜。
需要对PECVD系统进行保养维护时,停止对等离子体反应器加热、对等离子体反应器中的上电极及下电极施加RF高频,向等离子体反应器的第二进气口通入氢气,并使等离子体反应器与真空室之间的门处于关闭状态,氢气可通过门与等离子体反应器之间的间隙进入真空室内,当等离子体反应器的压力达到6mbar时,关闭等离子体反应器的第二进气口、第二出气口及真空室的第一进气口、第二进气口,3分钟左右之后等离子体反应器及真空室的压力会一起稳定在2.4mbar左右。在向等离子体反应器的第二进气口中通入氢气的同时,使真空室内冷却板的冷却液的温度设置在25℃。这样,一方面,等离子体反应器中的热量可通过热传导气体的热传导作用传递到真空室的外壁,另一方面,等离子体反应器中的热量还可传递到冷却板中的冷却液,这样可快速带走等离子体反应器中的热量,从而使等离子体反应器快速冷却至所需温度。图6是本发明实施例三中等离子体反应器的温度随时间的变化示意图,如图6所示,实施例三中的降温方法可使等离子体反应器的温度大约在90分钟内由160℃快速降至80℃。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
可大幅度缩短处理系统中等离子体反应器的降温时间,提高了处理系统的设备稼动率、产能,而且降温过程很平稳,能确保等离子体反应器中的部件不被损坏。
另外,向等离子体反应器中通入一段时间的热传导气体之后,通过保持真空室及等离子体反应器的压力,缩短了等离子体反应器的降温时间,当通过关闭真空室及等离子体反应器的出气口以保持真空室及等离子体反应器的压力时,还可减少热传导气体的使用量,降低了降温成本。
上述通过实施例的说明,应能使本领域专业技术人员更好地理解本发明,并能够再现和使用本发明。本领域的专业技术人员根据本文中所述的原理可以在不脱离本发明的实质和范围的情况下对上述实施例作各种变更和修改是显而易见的。因此,本发明不应被理解为限制于本文所示的上述实施例,其保护范围应由所附的权利要求书来界定。