CN105190837B - 用于保护等离子体处理系统中的真空密封件的系统及方法 - Google Patents

用于保护等离子体处理系统中的真空密封件的系统及方法 Download PDF

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Abstract

提供了用于在等离子体处理系统中保护真空密封件的系统和方法。该等离子体处理系统可以包括限定侧壁的真空室以及围绕侧壁的至少一部分包绕的感应线圈。在真空室的侧壁与散热器之间可以定位有真空密封件。在侧壁与散热器之间可以联接有导热桥。此外，导热桥可以相对于真空密封件定位成使得导热桥将从侧壁或任何热源至散热器的导热路径重新定向成使得热路径绕开真空密封件。

Description

用于保护等离子体处理系统中的真空密封件的系统及方法
技术领域
本公开内容总体上涉及等离子体处理，并且更具体地，涉及用于保护等离子体处理系统中的真空密封件的系统和方法。
背景技术
等离子体处理在半导体工业中广泛用于半导体晶片和其他衬底的沉积、蚀刻、抗蚀剂移除、以及相关处理。感应等离子体源经常用于等离子体处理以产生用于处理晶片的高密度等离子体和活性物种。例如，感应等离子体源可以通过使用标准的13.56MHZ以及更低频的功率发生器来容易地产生高密度等离子体。
任何低压或真空等离子体处理系统的通用元件是使低压等离子体体积与周围大气隔开的真空密封件。由于通过真空密封件泄漏的任何气体都可能改变进行处理的等离子体的化学组分，所以真空密封件的完整性对等离子体生成系统是极为重要的。这可能影响处理结果或者甚至可能破坏等离子体。
许多等离子体处理系统具有多个真空密封件，其中一些真空密封件与由等离子体热量造成的非常热的表面接触。这可能导致真空密封件的寿命较短。尽管真空密封件自身的成本相对较高，但是真空密封件的失效的主要成本与修理或更换真空密封件所需的过程中断相关联，这种中断使产量下降。为了避免处理停机时间，真空密封件的寿命应当比预定的等离子体处理工具维护之间的周期更长。
真空密封件失效可以出现在许多等离子体源中而不依赖于等离子体发生器的特定机构。等离子体源的功率和真空密封件失效时的处理时间可以取决于源的类型、侧壁的材料(例如，石英)和其他细节。然而，在某些功率下，来自任何种类的源的等离子体的热负荷会变得非常高，这可能导致真空密封件失效。等离子体处理工具可以设计成 使得真空密封件进一步远离等离子体定位，因此减少热负荷。然而，由于与密封区域相邻的侧壁将会因热传导性而慢慢升温，因此，这种技术仅部分地解决了该问题。另外，由于设计中的任何显著变化将需要重新认证工具，因此，该技术难以被应用至现有的等离子体源。
因此，需要一种在等离子体处理设备中保护真空密封件使得真空密封件的寿命延长的系统及方法。能够进行改造来适应现有等离子体源设计或应用于现有等离子体源设计的系统和方法将尤其有用。
发明内容
在以下的描述中将部分地陈述本发明的各个方面和优点，这些方面和优点或者可以从描述中变得明显，或者可以通过本发明的实施而被获知。
本公开内容的一个示例性方面涉及一种等离子体处理系统。该等离子体处理系统包括真空室，该真空室具有侧壁和围绕侧壁的至少一部分包绕的感应线圈。此外，该系统包括联接在侧壁与散热器——如等离子体处理室的顶板或真空室的顶盖——之间的至少一个真空密封件。在侧壁与顶板之间联接有导热桥并且该导热桥位于感应线圈与真空密封件之间使得导热桥将从热源至顶板的热路径重新定向成使得热路径绕开真空密封件。
本公开内容的另一示例性方面涉及一种在等离子体处理系统中保护真空密封件免于过热的方法。该方法包括通过高导热桥将真空密封区域与热源隔开使得桥将从热源至散热器的导热路径重新定向成使得热路径绕开真空密封件。
本公开内容的其他示例性方面涉及用于在等离子体处理系统中保护真空密封件的过程、方法、系统和装置。
通过参照以下描述和所附权利要求本发明的这些和其他的特征、方面和优点将变得更好地理解。结合在本说明书中并且构成了本说明书的一部分的附图图示了本发明的实施方式，并且这些附图连同以下描述一起用于解释本发明的原理。
附图说明
在说明书的包括对附图的照的其余部分中更具体地陈述了包括最佳方式的对本领域的技术人员而言完整且可实现的公开内容，在附图中：
图1描绘了示例性等离子体处理装置；
图2描绘了示例性等离子体处理装置的细节图；
图3描绘了具有根据本公开内容的示例性实施方式的导热桥的等离子体处理装置的细节图；
图4描绘了具有根据本公开内容的示例性实施方式的导热桥的等离子体处理装置的细节图；
图5描绘了根据本公开内容的示例性实施方式的导热桥；
图6描绘了根据本公开内容的示例性实施方式的导热桥；
图7描绘了具有根据本公开内容的示例性实施方式的导热桥的等离子体处理装置的细节图；
图8描绘了根据本公开内容的示例性实施方式的导热桥；
图9描绘了具有根据本公开内容的示例性实施方式的导热桥的等离子体处理装置的细节图；
图10描绘了根据本公开内容的示例性实施方式的导热桥；以及
图11描绘了具有根据本公开内容的示例性实施方式的导热桥的水平等离子体处理装置的细节图。
具体实施方式
现在将详细参照本发明的实施方式，在附图中图示了本发明的一个或更多个示例。提供各个示例以说明本发明而非限制本发明。实际上，对本领域的技术人员来说将会明显的是，在不脱离本发明的范围和精神的情况下可以对本发明作出各种改型和变型。例如，图示和描述为一个实施方式的一部分的特征可以与另一实施方式一起使用以产生又一实施方式。因此，旨在使本发明覆盖落入所附权利要求的范围内的这样的改型和变型及其等效技术方案。
总体上，本公开内容涉及用于保护用于等离子体处理装置中的真空密封件的系统和方法。真空密封件可以布置在真空室的侧壁与散热器之间。散热器可以是真空室自身的一部分，比如真空室的顶盖或等离子体处理室的顶板。在侧壁与散热器之间可以设置导热桥。导热桥可以由金属或具有高热导率的其他材料(例如，石墨泡沫)形成。由于导热桥的定位和高热导率，通常将会从侧壁通过真空密封件流动至散热器的导热路径被重新定向成使得热路径绕开了真空密封件。更具体地，导热桥接触散热器和受热区域(即，真空室的侧壁)两者并且在导热路径中紧靠真空密封件放置以提供在受热区域与散热器之间的近路(shortcut)。
导热桥保护真空密封件免受高温并且免于长期暴露于由等离子体处理系统产生的热。此外，导热桥可以是挠性且弹性的以便在桥与周围接触表面之间提供良好的接触。如在本文中使用的，术语“挠性的”意指能够被弯曲或挠曲。如在本文中使用的，术语“弹性的”意指性能类似橡胶的材料，即，当沿一个方向压缩时该材料将沿横向方向展开(泊松比大于零，优选为接近0.5)并且在沿至少一个方向被伸展、弯曲、展开、收缩或扭曲之后将恢复到接近其原始形状(例如，其原始形状的任何尺寸的90％以内)。
根据本公开内容的各个方面的导热桥具有经济性，因为该导热桥可以被容易地结合到具有不同构型的现有的等离子体处理系统中而不需要大量再设计。以此方式，本公开内容的主题提供了一种用于延长等离子体处理装置中的真空密封件的寿命的有效工具。
现在将参照附图，详细讨论本公开内容的示例性实施方式。图1图示了示例性等离子体处理系统100。如图所示，系统100包括限定侧壁128的竖向筒形真空室116。侧壁128的底部连接至等离子体处理系统100的处理室(未示出)的顶板114。侧壁128的顶部可以连接至真空室116的顶盖112。射频(RF)感应线圈118可以绕真空室116的侧壁128(或管)定位。例如，如图所示，感应线圈118包括绕侧壁128的三匝线圈。在另外的实施方式中，感应线圈118也可以包括绕侧壁128的多于三匝或少于三匝的线圈。
侧壁128可以包括能够耐受较宽温度梯度和/或高温的任何材料(例如，电介质材料)。例如，侧壁128可以包括石英材料。在另一实施方式中，真空室116可以具有呈非筒形形状、如矩形形状的多个侧壁128。
通过位于顶板114与侧壁128之间和/或位于顶盖112与侧壁128之间的一个或更多个真空密封件120、125，能够在真空室116中实现真空。此外，真空密封件120、125可以联接在侧壁128与散热器130之间。在各种实施方式中，散热器130可以是处理室的顶板114、真空室的顶盖112和/或法拉第屏障124。例如，如图所示，第一真空密封件120设置在顶盖112与侧壁128之间而第二真空密封件125设置在顶板114与侧壁128之间。真空密封件120、125可以是用以提供适当真空的任何合适的密封件。例如，在一种实施方式中，真空密封件120、125可以是O型环式密封件。
顶盖112由位于感应线圈118与侧壁128之间的法拉第屏障124支承或由独立的支承件126(如通过虚线指示的)支承。由此，在被限制成没有向下的力作用在侧壁128上时，真空密封件120、125可以对侧壁128提供支承。例如，如图所示，侧壁128“漂浮”在真空密封件120、125上并且并不直接接触顶盖112或顶板114。这种受限的接触减少了在真空室116中产生的潜在的颗粒或碎屑，但同时增加了在使用高功率时使两个密封件过热的可能性。
在等离子体处理系统100的操作期间，气体通过气体入口122进入真空室116。气体入口122通常位于真空室116的顶部上使得气体通过顶盖112进入真空室116。接着，感应线圈118被激励并且在真空室116中产生了等离子体。当真空室116中功率增大时，额外的热量在侧壁128上累积。例如，侧壁128上的标准热负荷可能超过3W/cm2至5W/cm2。此外，侧壁128的标准温度可能达到或超过400℃至500℃。尽管侧壁可以容易地经受这些高温，但只要由温度变化和压力导致的机械应力未超过临界值，则这样的高温就可能导致真空密封件的破坏性失效。
侧壁128的冷却通常由空气流和辐射提供，在系统100中的温度很高时二者都是有效的。散热器130通常包括水冷装置以帮助冷却顶盖112、顶盖支承件124、以及顶部真空密封件120。更具体地，散 热器130可以包括水冷通道。如提到的，散热器130可以是顶盖112、法拉第屏障124和/或顶板114。尽管已冷却的顶盖和顶板的温度很低，但侧壁128的与真空密封件接触的位置处的温度可能超过真空密封件120、125的临界值，这可能会导致真空密封件120、125失效。
图2描绘了通过真空密封件120的示例性导热路径134。至侧壁的热通量通常在感应线圈118附近较强(如由较长的箭头指示的)并且沿着侧壁128并穿过真空密封件120(在本示例中经由盖112)传导至散热器130。因此，真空密封件120可能暴露于侧壁128所经受的高温下。相同的情况适用于在相反端处的真空密封件125(在本细节图中未示出)。
真空密封件120可以位于如图2中所示的来自真空室116的热负荷显著地减小的区域中，在所述区域中，真空密封件120定位成远离感应线圈118一定距离。真空密封件120的热负荷和UV负荷可以通过扩大顶盖112和/或包括等离子体挡板132而进一步减小。例如，等离子体挡板132可以定位成靠近真空密封件120而减少密封区域中的来自真空室116的直接热量。真空密封件120的主要热源是来自侧壁128的较热区域的传导热流，如由导热路径134指示的。
为了解决该问题，本公开内容的示例性方面涉及包括导热桥以将热路径重新定向成使得热路径绕开了真空密封件。图3图示了包括示例性导热桥136的等离子体处理系统100，该导热桥136位于散热器130与侧壁128之间以便进一步保护真空密封件120。导热桥136可以联接在热源与散热器130之间并且相对于真空密封件120定位成使得导热桥136重新定向了从热源(即，真空室)至散热器130的导热路径。例如，导热桥136和接触导热桥136的热源的温度可以大致上等于散热器130的温度。此外，导热桥136可以位于感应线圈118与真空密封件120之间。因此，热路径134的至少一部分通过导热桥136重新定向至散热器130，由此减小了至真空密封件120的热通量并且保护了真空密封件120的完整性。在另外的实施方式中，导热桥136可以定位成使得热路径134绕开侧壁128的与真空密封件120抵接的部分。
导热桥136可以由高传导性材料比如金属或石墨泡沫制成。这种高传导性材料提供了从热源到散热器130的合适的热传递。此外，导 热桥136可以设计成具有挠性特性和弹性特性这两者。挠性将允许桥与容器、真空密封件或用于桥的通道的形状相符合，并且弹性将通过在不存在损坏相关表面中任何表面的危险的情况下对位于相关的表面之间的桥进行简单的压缩来提供与这些表面的良好接触。因此，如同真空密封件120一样，导热桥136能够保持与周围表面的充分接触并且不产生机械应力。在一个特定的实施方案中，导热桥136可以包括热传导部件和联接至热传导部件的挠性部件。
图4图示了包括示例性导热桥136的等离子体处理系统100，该导热桥136位于散热器130与侧壁128之间。导热桥136设置成使得能够重新定向从侧壁128至散热器130的热路径134，使得热路径134绕开真空密封件120。此外，在真空密封件120与导热桥136之间设置有间隔件137。
图5和图6图示了可以在本文中描述的实施方式中使用的导热桥136的示例性实施方式。例如，参照图5，图示了具有螺旋衬垫构型138的导热桥136。螺旋衬垫138可以由包括但不限于各种金属的各种高传导性材料制成。挠性螺旋衬垫138能够与表面的任何形状相符合并且可以被制成是弹性的以提供所有的接触表面之间的充分接触。螺旋物(spirals)的示例为SpiraTM的用于RF屏蔽的SPIRA屏蔽衬垫、Flexi屏蔽衬垫。
现参照图6，图示了包括金属套筒140的导热桥136。金属套筒具有自然挠性但是缺少弹性，所以其可以与弹性填料、如硅胶、橡胶等(比如O形环式)一起使用。金属套筒140提供了合适的传导率以重新定向热路径134，而填料为在桥和表面之间形成良好接触提供了充分弹性。
图5和图6中的实施方式提供了合适的传导率以及用以保持与热源和散热器130的充分接触的必要的弹性和挠性。例如，在图5中的金属螺旋衬垫138的情况下，通过衬垫的螺旋形外形提供了弹性。在图6中的金属套筒140的情况下，通过内部填料提供了弹性。导热桥的挠性和弹性提供了邻近表面之间的改善的接触并且对侧壁128的表面与散热器130的表面之间的不符不敏感。例如，热源和散热器130的圆形通道的略微椭圆度将导致导热桥136的截面略微不同，导热桥能够进行调节以适应这样的不符。使用挠性且弹性的传导桥可以消除加工出接触区域使得所有的部件具有充分的接触表面的需求。
参照图7和图8，现将阐述根据本公开内容的示例性实施方式的另一示例性导热桥。等离子体处理系统100包括设置在侧壁128与顶盖112之间的导热桥136。如在图8中示出的，导热桥136包括弹簧加载式C形夹构型142。弹簧加载式C形夹构型142包括通过弹簧146进行压缩的C状夹144。对夹144进行压缩的弹簧146提供了夹144与侧壁128之间的接触。尽管该桥自身在此处不具有桥136与第二(冷的)表面128之间的接触所需的横向弹性，但是该横向弹性由密封件120自身提供。来自真空密封件120的压力提供了充分的力以在夹144与散热器130之间形成良好的接触。这样的构型提供了夹144与侧壁128之间的较大的接触面积(即，最关键的点)。
图9和图10描绘了包括根据本公开内容的另一示例性实施方式的导热桥136的等离子体处理系统100。导热桥136具有如图10的俯视截面图中示出的同步带构型152。更具体地，导热桥136包括具有多个切口150的弹簧加载式C形夹(与图7和图8类似)。这样的切口150增加了C形夹144的柔性，从而允许夹144调节成适应热源(或侧壁128)中的各种差异。在特定实施方案中，如在图9中示出的，导热桥136可以通过垫圈48与密封件120(其提供用于接触的弹性)隔开，以避免真空密封件与桥的不规则表面的接触，这样的接触会机械地损坏密封件。
现参照图11，图示了具有等离子体处理室的等离子体处理系统200，其中，等离子体处理室具有平的热顶板。系统200包括具有室壁228、顶板212和感应线圈218的室，顶板212经由真空密封件220联接至室壁228，感应线圈218与顶板212的至少一部分相邻。在一种实施方式中，顶板212可以包括电介质材料比如石英材料。在室壁228与顶板212之间设置有导热桥236。导热桥236将从顶板212的与感应线圈218相邻的部分至室壁228的热路径234重新定向成使得热路径234绕开真空密封件220。在室壁228的相反侧与顶板212之间、靠近真空密封件220处也可以联接有第二导热元件238。可以包括该第二导热元件238以在真空密封件220周围(即，这里不再有可重新定向的热路径234)提供辅助冷却。
本文中描述的导热桥可以使用任何合适的装置来构造。例如，导 热桥可以由金属、石墨泡沫、或具有高热导率的任何其他材料制成。此外，导热桥可以具有一定的接触长度以便将热路径的所需部分重新定向至散热器。例如，在一种实施方式中，接触长度可以大体上大于侧壁的厚度。由此，基本上所有的热通量将被重新定向至散热器。
本发明的这些和其他的改型和变型可以由本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下实施，在所附权利要求中更具体地陈述了本发明的精神和范围。另外，应当理解的是，各种实施方式的各个方面可以全部或部分地互换。此外，本领域的技术人员将理解的是前述描述仅作为示例而非旨在对在所附权利要求中描述的发明进行限制。

Claims (23)

1.一种低压等离子体处理系统，包括：
真空室，所述真空室限定侧壁；
真空密封件，所述真空密封件将所述真空室的所述侧壁联接至散热器；以及
导热桥，所述导热桥联接在所述侧壁与所述散热器之间；
感应线圈，所述感应线圈围绕所述侧壁的至少一部分包绕；以及
低频功率发生器，所述低频功率发生器构造为以13.56MHz或更小的频率向所述感应线圈提供功率，
其中，所述导热桥相对于所述真空密封件定位成使得所述导热桥将从热源至所述散热器的导热路径重新定向成使得所述热路径绕开所述真空密封件。
2.根据权利要求1所述的等离子体处理系统，其中，所述桥是挠性的并且能够符合所述真空密封件和所述真空室的形状。
3.根据权利要求2所述的等离子体处理系统，其中，所述桥是弹性的，使得与所述热源以及与所述散热器的接触能够通过沿至少一个方向压缩所述桥而形成。
4.根据权利要求3所述的等离子体处理系统，其中，所述桥包括用于与所述热源形成接触的第一部件和用于与所述散热器形成接触的第二部件。
5.根据权利要求1所述的等离子体处理系统，其中，所述桥包括热传导部件和联接至所述热传导部件的弹性部件。
6.根据权利要求1所述的等离子体处理系统，其中，所述热路径行进经过所述侧壁的至少一部分。
7.根据权利要求1所述的等离子体处理系统，其中，所述导热桥定位成使得所述热路径绕开所述侧壁的与所述真空密封件抵接的部分。
8.根据权利要求1所述的等离子体处理系统，其中，所述侧壁通过所述真空密封件和所述桥机械地连接至所述真空室的顶盖。
9.根据权利要求1所述的等离子体处理系统，其中，所述散热器是等离子体室的顶盖。
10.根据权利要求1所述的等离子体处理系统，其中，所述散热器是与所述真空室连通的等离子体处理室的顶板。
11.根据权利要求1所述的等离子体处理系统，其中，所述侧壁包括石英材料。
12.根据权利要求1所述的等离子体处理系统，其中，所述等离子体处理系统包括靠近所述真空密封件的等离子体挡板。
13.根据权利要求1所述的等离子体处理系统，其中，所述桥位于所述感应线圈与所述真空密封件之间。
14.根据权利要求1所述的等离子体处理系统，其中，所述桥通过垫圈与所述真空密封件隔开。
15.根据权利要求1所述的等离子体处理系统，其中，所述桥由金属或石墨泡沫构成。
16.根据权利要求1所述的等离子体处理系统，其中，所述桥包括热传导部件和联接至所述热传导部件的挠性部件。
17.根据权利要求1所述的等离子体处理系统，其中，所述桥包括螺旋衬垫。
18.根据权利要求1所述的等离子体处理系统，其中，所述桥包括金属套筒，其中，所述金属套筒内部设置有O型环。
19.根据权利要求1所述的等离子体处理系统，其中，所述桥包括弹簧加载式C形夹。
20.根据权利要求19所述的等离子体处理系统，其中，所述弹簧加载式C形夹具有多个切口。
21.一种等离子体处理系统，包括：
真空室，所述真空室包括侧壁；
感应线圈，所述感应线圈围绕所述侧壁的至少一部分包绕；
低频功率发生器，所述低频功率发生器构造为以13.56MHz或更小的频率向所述感应线圈提供功率；
顶盖，所述顶盖经由第一真空密封件联接至所述侧壁；
第一导热桥，所述第一导热桥联接在所述侧壁与所述顶盖之间；
其中，所述导热桥位于所述感应线圈与所述第一真空密封件之间使得所述导热桥将从所述侧壁的与所述感应线圈相邻的部分至所述顶盖的热路径重新定向成使得所述热路径绕开所述第一真空密封件。
22.根据权利要求21所述的等离子体处理系统，其中，所述真空室的所述侧壁经由第二真空密封件联接至等离子体处理室的顶板。
23.根据权利要求22所述的等离子体处理系统，其中，所述系统还包括联接在所述侧壁与所述等离子体处理室的所述顶板之间的第二导热桥，其中，所述第二导热桥位于所述感应线圈与所述第二真空密封件之间使得所述导热桥将自所述侧壁的与所述感应线圈相邻的所述部分开始的热路径重新定向成使得所述热路径绕开所述第二真空密封件。
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