CN104425197B - 一种等离子体处理设备及其机台外罩 - Google Patents

一种等离子体处理设备及其机台外罩 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种等离子体处理设备及其机台外罩，通过在机台外罩的侧壁安装与介电窗呈一定角度的风扇，并在未安装风扇的侧壁设置若干气孔，可以实现对介电窗口的快速均匀降温。同时，在环盖上设置隔热/绝热材料的隔热圈与介电窗相接触，能够有效阻止热量从介电窗的边缘区域向环盖方向传导，因此，介电窗的中心区域到边缘区域的温度相对更为平均，温度梯度减小，从而避免介电窗因温差所造成的开裂现象，提供了一种安全性能更高的等离子处理设备。

Description

一种等离子体处理设备及其机台外罩
技术领域
本发明涉及半导体制造设备领域，特别涉及一种等离子体处理设备及其中的温度调节装置。
背景技术
目前，在半导体制造工艺中广泛实施以进行薄膜沉积或蚀刻等作为目的的等离子体处理。例如在图1所示的电感耦合型等离子体处理设备中，设置有真空的腔室300，在腔室300内的底部设有基座600，基座600上设有静电夹具700，被处理的基板500（例如是半导体晶圆，玻璃基板等）放置于所述静电夹具700上。腔室300的顶部设置为介电窗100，一般由陶瓷材料（Al2O3）构成。在所述腔室300的环形侧壁顶部设置有环盖200，由环盖200上由内边缘向外延伸的一部分顶面，与介电窗100上由外边缘向内延伸的一部分底面相接触（标号110示出的即是两者的接触面位置），从而通过环盖200对介电窗100进行支撑。在腔室300外，一般在介电窗100的上方，设置有线圈状的感应天线400。向所述感应天线400施加RF射频电流，从而在感应天线400周围产生磁场，该磁场的磁力线贯穿介电窗100，在腔室300内，位于被处理基板500上方与介电窗100底部之间的反应区域产生感应电场，进而通过所述感应电场对导入腔室300内的反应气体的分子或原子发生电离碰撞，从而在反应区域内形成反应气体的等离子体对基板500进行处理。
腔室300内产生的等离子体会在反应区域中高效地向四周扩散，则在长时间的处理过程中等离子体会轰击介电窗100的底面，从而在介电窗100中蓄积足够多的热量，以使介电窗100及其周边的温度升高。然而，由于支撑介电窗100的环盖200以及环盖200下方的腔室300侧壁一般是由金属（例如是铝Al或者其合金等）材料制成，具有良好的导热能力，介电窗100边缘处的热量很容易经由介电窗100与环盖200相接触的边缘区域向环盖200进行传导。其结果是在介电窗100的中心区域与该介电窗100上接触环盖200的边缘区域之间产生巨大的温度梯度，一方面使得在介电窗100下方反应区域内形成的等离子体在中心及边缘区域不均匀分布的问题发生，影响对基片处理的均匀性；另一方面所具有的温度差还使得介电窗100发生变形，从而导致介电窗100开裂并打碎腔室300内的基板或其他设备，特别是当射频功率源功率超过5千瓦时，介电窗100非常容易碎裂，严重影响整个等离子体处理装置的安全性。
发明内容
本发明公开了一种机台外罩，用于等离子体处理设备；所述等离子体处理设备设置有能够密闭的腔室，所述腔室的顶部由介电窗构成，所述机台外罩设置于所述介电窗上方，所述机台外罩包括环绕所述介电窗的侧壁和侧壁上方的顶壁；所述机台外罩上设置至少一吹气扇，所述吹气扇所在平面与所述介电窗所在平面间设置一角度α，α的范围在40度—50度之间；所述侧壁上还设置若干气体通道。
优选的，所述机台外罩上设置两个并列的吹气扇，每个吹气扇吹向机台外罩内部的风速大于等于400立方英尺每分钟。
优选的，所述吹气扇安装于所述机台外罩的一侧壁处，所述吹气扇所在的侧壁相对的侧壁设置至少一吸气扇。
优选的，所述机台外罩未安装吹气扇和吸气扇的侧壁设置若干气体通道。
优选的，所述气体通道为气孔或气槽。
优选的，所述吸气扇所在平面与所述介电窗所在平面间设置一角度β，β的范围在80度-100度间。
优选的，所述吹气扇和所述吸气扇的数量分别为2，所述两吹气扇所在平面与所述介电窗所在平面间的角度相同，均为46度，所述两吸气扇所在平面与所述介电窗所在平面间的角度相同，均为90度。
优选的，所述吹气扇和所述吸气扇位于机台外罩内部的区域周围设置金属网罩。
进一步的，本发明还公开了一种等离子体处理设备，包括一反应腔室，所述腔室的顶部由介电窗构成；所述介电窗上方设置一机台外罩，所述机台外罩具有上文描述的技术特征。
进一步的，所述反应腔室包括腔室侧壁，所述腔室侧壁与所述介电窗间设置隔热圈。
优选的，所述隔热圈是由绝热材料制成。
优选的，所述等离子体处理设备为电感耦合型等离子体处理设备。
本发明提供等离子体处理设备及其散热机台外罩，其优点在于：通过在机台外罩的侧壁安装与介电窗呈一定角度的吹气扇，并在未安装吹气扇的侧壁设置若干气孔，可以实现对介电窗口的快速均匀降温。同时，在环盖上设置隔热/绝热材料的隔热圈与介电窗相接触，能够有效阻止热量从介电窗的边缘区域向环盖方向传导，因此，介电窗的中心区域到边缘区域的温度相对更为平均，温度梯度减小，从而避免介电窗因温差所造成的开裂现象，提供了一种安全性能更高的等离子处理设备。
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。如下附图构成了本说明书的一部分，和说明书一起列举了不同的实施例，以解释和阐明本发明的宗旨。以下附图并没有描绘出具体实施例的所有技术特征，也没有描绘出部件的实际大小和真实比例。
图1是现有等离子体处理设备的总体结构示意图；
图2是本发明所述带机台外罩的等离子体处理设备结构示意图；
图3是本发明所述实施例一种机台外罩的结构示意图；
图4是沿图3A-A处切割得到的剖面结构示意图；
图5示出另一种实施例的带机台外罩的等离子体刻蚀设备的结构示意图。
具体实施方式
本发明公开了一种等离子体处理设备及其机台外罩，为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
图2示出本发明所述带机台外罩的等离子体处理设备结构示意图，本实施例提供的等离子体处理设备是一种电感耦合型等离子体处理设备，设置有一个腔室101，该腔室侧壁30的内部和外部能够密闭隔离，使得腔室内部的压力可以设置为真空或低压环境，而腔室外部一般为大气环境。所述腔室的顶部由介电窗10构成，介电窗10通常为陶瓷材料，侧壁30顶部设置一环盖20，用于支撑介电窗10，环盖20和介电窗10的接触区域称为介电窗10的边缘区域，介电窗的边缘区域环绕中心区域设置。腔室内的底部设有基座60，基座60上还设有静电夹具70，被处理的基板50（例如是半导体晶圆，玻璃基板等）放置于静电夹具70的顶面上。位于腔室外、介电窗10上方设置有线圈状的感应天线40，向感应天线40施加RF射频电流，从而在腔室内位于被处理基板50上方与介电窗10底部之间的反应区域产生反应气体的等离子体，等离子体对基板50进行作用，完成对基板50的刻蚀过程。
腔室101内产生的等离子体会在反应区域中高效地向四周扩散，在长时间的处理过程中等离子体会轰击介电窗10的底面，从而在介电窗10中蓄积过多热量，导致介电窗10及其周边的温度升高。由于介电窗10的边缘区域与环盖20接触，而环盖20与侧壁30通常由金属材料（例如是铝Al或其合金）制成，具有良好的导热性，使得介电窗10边缘区域的温度被降低，与中心区域存在较大的热梯度，导致介电窗10的破碎。为了解决该技术问题，本实施例提供一具有良好散热功能的机台外罩80。
图3示出本发明实施例描述的一种机台外罩的结构示意图；机台外罩80设置于介电窗10上方，包括环绕介电窗10的侧壁81和侧壁上方的顶壁82（为清楚展示机台外罩80与介电窗10的相对位置，图3隐藏了顶壁82部分）；为了降低介电窗10的温度，同时减小介电窗10的中心区域和边缘区域的热梯度，本发明考虑在机台外罩80侧壁81处设置至少一吹气扇85，同时在未安装风扇的侧壁设置若干气体通道，本实施例的气体通道设置为气孔83，在另外的实施例中，所述的气体通道也可以为气槽。利用吹气扇提供的风能将介电窗10的热量通过气孔83带走。本实施例为了更好的降低介电窗的温度，在侧壁81处安装两个并排的吹气扇85。当等离子体处理设备的射频功率大于5千瓦时，为了保证介电窗10的温度迅速降低，每个吹气扇85吹向机台外罩80内部的风速大于等于400立方英尺每分钟。吹气扇85与介电窗10间的角度是关系到介电窗10边缘区域和中心区域热梯度能否降低的关键因素。现有技术中，通常采用在机台外罩顶壁安装吹气扇的方式，即吹气扇的安装面与介电窗10所在的平面平行，此时，吹气扇吹出的风垂直吹向介电窗上表面，携带了介电窗热量的空气在溢出时不断受到吹向介电窗上表面的风力影响，很难快速排出机台外罩，从而不能迅速降低介电窗10的温度，当在射频功率范围较大的应用中，如射频功率大于5千瓦时，极易导致介电窗10的破碎，对整台设备造成严重破坏。而本实施例中，将吹气扇85安装在机台外罩80的侧壁81处，设置吹气扇85与介电窗10角度为α，α的范围为40度—50度，使吹气扇85吹出的风在与介电窗接触后，携带介电窗热量的热风能迅速的从侧壁81处设置若干气孔83散出，提高了散热效率。本发明设置的吹气扇85与介电窗10的角度范围能最佳的降低介电窗边缘区域和中心区域的热梯度，同时迅速的降低介电窗的温度，实现介电窗10均匀快速地降温。特别的，为了更好的实现介电窗10均匀快速地降温，本实施例设置4个风扇，其中相对的两侧壁81处分别设置2个并列的风扇，一组风扇为吹气扇85，另一组风扇为吸气扇86。
图4示出沿着图3A-A处切割得到的剖面结构示意图，在图4所述的实施例中，设置至少两个风扇，为了更好的对介电窗10进行冷却降温，本实施例设置4个风扇，其中相对的两侧壁81处分别设置2个并列的风扇，一组风扇为吹气扇85，另一组风扇为吸气扇86。本实施例选择设置两吹气扇85与介电窗10的角度为46度；吸气扇86与介电窗10的角度范围为80度-100度，优选的，吸气扇86垂直介电窗10设置。吸气扇86可以迅速的吸走携带了介电窗10热量的空气，在机台外罩80内部形成较强的对流空气，实现介电窗10快速地降温。
在上述实施例中，吹气扇85，吸气扇86可以位于机台外罩内部，也可以位于机台外罩外部，或者部分的位于机台外罩内部，由于机台外罩80环绕介电窗10上方的射频天线40设置，机台外罩内有电磁场，而风扇85为带电部件，未免影响射频天线40的电场分布，故需要将风扇置于机台外罩内部的部分采用金属网罩88进行屏蔽。
图5示出另一种实施例的带机台外罩的等离子体刻蚀设备的结构示意图；考虑到造成介电窗10破碎的原因除了温度过高，还有介电窗10边缘区域和中心区域的热梯度过高，在为介电窗10上风提供快速散热的机台外罩80的同时，需要在介电窗10边缘区域和环盖20之间设置隔热圈90，避免介电窗10边缘区域的热量被迅速传递到侧壁30，增大介电窗边缘区域和中心区域的热梯度。隔热圈90设置于环盖20顶部，通过使所述隔热圈90的顶面，与介电窗10的一部分底面相接触，实现对介电窗10的支撑，从而隔绝介电窗10与所述环盖20之间的导热接触，以阻止热量由介电窗10向环盖20传导，减少介电窗10中心区域到边缘区域的温度梯度。
所述的隔热圈90可以由多种隔热或绝热材料制成，可以根据具体的工艺制程选择隔热圈90的相应材料，使得隔热圈90能够不受反应气体及其等离子体处理反应时的影响。优选的实施例中，隔热圈90可以使用特氟龙（Teflon）或石英材料制成。
综上所述，通过在机台外罩80侧壁81安装与介电窗10呈一定角度的风扇，并在未安装风扇的侧壁设置若干气孔83，可以实现对介电窗口的快速均匀降温。同时，在环盖20上设置隔热/绝热材料的隔热圈90与介电窗10相接触，能够有效阻止热量从介电窗10的边缘区域向环盖20方向传导，因此，介电窗10的中心区域到边缘区域的温度相对更为平均，温度梯度减小，从而避免介电窗10因温差所造成的开裂现象，提供了一种安全性能更高的等离子处理设备。
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 (10)

1.一种机台外罩，用于等离子体处理设备；所述等离子体处理设备设置有能够密闭的腔室，所述腔室的顶部由介电窗(10)构成，其特征在于：
所述机台外罩(80)设置于所述介电窗(10)上方，所述机台外罩(80)包括环绕所述介电窗(10)的侧壁(81)和侧壁上方的顶壁(82)；所述机台外罩(80)上设置至少一吹气扇(85)，所述吹气扇(85)所在的平面与所述介电窗(10)所在的平面间的角度范围为40度—50度；所述侧壁(81)上设置若干气体通道(83)，以降低介电窗边缘区域和中心区域的热梯度，
所述吹气扇(85)安装于所述机台外罩(80)的一侧壁(81)处，所述吹气扇(85)所在的侧壁相对的侧壁设置至少一吸气扇(86)，
所述机台外罩未安装吹气扇(85)和吸气扇(86)的侧壁设置若干气体通道。
2.根据权利要求1所述机台外罩，其特征在于：所述机台外罩上设置两个并列的吹气扇(85)，每个吹气扇吹向机台外罩内部的风速大于等于400立方英尺每分钟。
3.根据权利要求1所述机台外罩，其特征在于：所述气体通道为气孔或气槽。
4.根据权利要求1所述机台外罩，其特征在于：所述吸气扇(86)所在平面与所述介电窗(10)所在平面间的角度范围为80度-100度。
5.根据权利要求4所述机台外罩，其特征在于：所述吹气扇(85)和所述吸气扇(86 )的数量分别为2，所述两吹气扇(85)所在平面与所述介电窗(10)所在平面间的角度相同，均为46度，所述两吸气扇(86)所在平面与所述介电窗(10)所在平面间的角度相同，均为90度。
6.根据权利要求1-5中任一权利要求所述机台外罩，其特征在于：所述吹气扇(85)和所述吸气扇(86)位于机台外罩内部的区域周围设置金属网罩(88)。
7.一种等离子体处理设备，包括一反应腔室，所述腔室的顶部由介电窗(10)构成；其特征在于：所述介电窗(10)上方设置1-6任一权利要求所述机台外罩(80)。
8.根据权利要求7所述的等离子体处理设备，其特征在于：所述反应腔室包括腔室侧壁(30)，所述腔室侧壁(30)与所述介电窗(10)间设置隔热圈(90)。
9.根据权利要求8所述的等离子体处理设备，其特征在于：所述隔热圈(90)是由绝热材料制成。
10.根据权利要求7所述的等离子体处理设备，其特征在于：所述等离子体处理设备为电感耦合型等离子体处理设备。
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