CN106548917A - 调节等离子体刻蚀腔内器件温度的装置及其温度调节方法 - Google Patents

Abstract

一种调节等离子体刻蚀腔内器件温度的装置及其温度调节方法，该温度调节装置设置在等离子体刻蚀腔内，包含设置在绝缘环内的绝缘密封组件，该绝缘密封组件通过气体通道连接到气体供应单元，绝缘密封组件中具有若干沟槽空间，这些沟槽空间通过气体通道与气体供应单元联通，所述的绝缘密封组件、气体通道和气体供应单元组成一个密闭的空间，气体供应单元通过释放或回收惰性气体来调节沟槽空间中的气体压力，从而调节绝缘密封组件的热传导率，将聚焦环的温度控制在比基片的温度高50°C～100°C。本发明对等离子体刻蚀腔内器件的温度调节更加简单有效，导热效果更好，成本也更低。

Description

调节等离子体刻蚀腔内器件温度的装置及其温度调节方法

技术领域

本发明涉及一种调节等离子体刻蚀腔内器件温度的装置及其温度调节方法。

背景技术

如图1所示，是等离子处理器10的局部剖面结构示意图，图中的虚线OO’是整个等离子体刻蚀设备10的轴心，等离子处理器10内的器件多为圆柱体或圆环体设置，图1仅显示了这些等离子体刻蚀腔内器件的局部剖面。在等离子体刻蚀腔100中（如图1所示），下电极109上设置有静电吸盘102，待刻蚀的基片101设置在静电吸盘102上。下电极109通入高频射频（RF）功率，可以与上电极（图中未示出）电容耦合，在两个电极间产生交变电场，这个电场可以电离通入等离子体刻蚀腔100中的反应气体从而形成等离子体，对基片101进行刻蚀。聚焦环103设置在基片101的周围，绝缘环108设置在下电极109的周围，聚焦环103的周围设置由石英或者氧化铝支撑的边缘环112。因为聚焦环103多数由硅或者碳化硅制成，其材料与基片的材料相似，在刻蚀过程中，等离子体的加热让聚焦环103具有很高的温度，以至于使组成聚焦环103的化合物发生裂解，生成反应副产物并堆积在基片101边缘，这些堆积物会影响基片101的刻蚀速率和刻蚀效果，从而影响基片的性能和尺寸，也会形成污染物颗粒在半导体处理系统中飘散严重影响芯片质量。为了控制基片101边缘的反应副产物的堆积量，希望将聚焦环103的温度控制在比基片101的温度高50°C～100°C，可以利用电阻丝加热器对聚焦环103加热，并利用冷却结构来降低聚焦环103的温度，从而实现聚焦环103的温度控制。但是在采用电阻丝加热器的时候，为了避免电阻丝受射频等离子体的影响产生电感耦合，通常需要为电阻丝加热器设置滤波器，而滤波器比较昂贵，会增加成本。另一方面，聚焦环103的温度也不能太高，如大于100度时也会影响基片边缘区域反应气体的成分，进而影响刻蚀均一性，所以也需要将聚焦环103上的大部分热量导走实现冷却。由于等离子刻蚀腔内接近真空，所以没有气体实现对流传热，只能通过部件之间传导或者辐射传热。反应腔内大部分部件温度都低于100度所以红外辐射不强烈，接触传导成为唯一可行的方式。如图1所示，目前较常规使用的几种冷却方式也存在不同的缺陷：1、将发热器件粘合、或者环氧树脂胶合、或者利用热传导胶带粘合到低温器件109上，以达到热传导降温的效果，比如图1中，利用夹具105将绝缘环108压紧，使绝缘环108与下电极109和等离子体刻蚀腔100紧密接触，从而通过绝缘环108将聚焦环103的热量传导给温度较低的下电极109，达到给聚焦环103降温的目的，但是这种方式通常难以获得充分的热传导降温效果；2、设置密封导热腔来实现热传导，如图1所示，在聚焦环103和绝缘环108之间设置密封导热腔104，气体供应单元107通过气体通道106向密封导热腔104供应惰性气体（比如氦气），将聚焦环103的温度传导给温度较低的绝缘环108，但是这种方式需要良好的密封环境，就势必要施加额外的夹紧力来压紧聚焦环103和绝缘环108，而为了获得密封性能而设置的密封圈又会占据一部分聚焦环103和绝缘环108之间的接触面，从而降低了热传导性能，而且在刻蚀过程中反应腔内大量存在的刻蚀气体会腐蚀密封环，一旦密封环被破坏会导致导热的惰性气体泄漏入反应腔内影响反应气体分布，聚焦环的温度控制功能也会失效。所以业内需要一种能实现对聚焦环有效控温、成本低廉又可靠的机构。

发明内容

本发明提供一种调节等离子体刻蚀腔内器件温度的装置及其温度调节方法，对等离子体刻蚀腔内器件的温度调节更加简单有效，导热效果更好，成本也更低。

为了达到上述目的，本发明提供一种调节等离子体刻蚀腔内器件温度的装置，该温度调节装置设置在等离子体刻蚀腔内，其包含设置在绝缘环内的绝缘密封组件，该绝缘密封组件与绝缘环上表面之间的距离小于绝缘密封组件与绝缘环下表面之间的距离，该绝缘密封组件通过气体通道连接设置到气体供应单元；

所述的绝缘密封组件中具有若干沟槽空间，这些沟槽空间通过气体通道与气体供应单元联通，所述的绝缘密封组件、气体通道和气体供应单元组成一个密闭的空间；

所述的绝缘密封组件采用低导热性的电绝缘材料；

气体供应单元通过释放或回收惰性气体来调节沟槽空间中的气体压力，从而调节绝缘密封组件的热传导率。

所述的温度调节装置将聚焦环的温度控制在比基片的温度高50°C～100°C。

所述的绝缘密封组件采用氧化铝或者氧化锆。

利用陶瓷烧结工艺将两个组件烧结形成具有沟槽空间的绝缘密封组件。

所述的沟槽空间的宽度范围为0.1～0.3mm。

气体供应单元控制沟槽空间内的气体压力范围保持在0.5～100Torr。

本发明还提供一种等离子处理器，包含设置在等离子体刻蚀腔中的下电极和上电极、设置在下电极上用于放置基片的静电吸盘、设置在下电极周围的绝缘环、设置在绝缘环上并位于基片周围的聚焦环，设置在聚焦环周围的边缘环，该等离子处理器还包含温度调节装置，用于控制等离子体刻蚀腔内器件的温度。

本发明还提供一种等离子体刻蚀腔内温度调节装置的温度调节方法，气体供应单元通过释放惰性气体，提高绝缘密封组件中沟槽空间内的气体压力，使得绝缘密封组件的热传导率上升，增加聚焦环的热量传导；气体供应单元通过回收惰性气体，降低绝缘密封组件中沟槽空间内的气体压力，使得绝缘密封组件的热传导率下降，减少聚焦环的热量传导。

气体供应单元控制沟槽空间内的气体压力范围保持在0.5～100Torr，从而调节绝缘密封组件的热传导率，将聚焦环103的温度保持在比基片的温度高50°C～100°C的范围。

本发明使等离子体刻蚀腔内器件的温度调节更加简单有效，导热效果更好，成本也更低。

附图说明

图1是背景技术中调节等离子体刻蚀腔内器件温度的装置的示意图。

图2是本发明提供的调节等离子体刻蚀腔内器件温度的装置的示意图。

具体实施方式

以下根据图2，具体说明本发明的较佳实施例。

如图2所示，本发明提供一种调节等离子体刻蚀腔内器件温度的装置，该温度调节装置设置在等离子体刻蚀腔内，其包含设置在绝缘环108内部的绝缘密封组件110，该绝缘密封组件110与绝缘环108上表面之间的距离小于绝缘密封组件110与绝缘环108下表面之间的距离，该绝缘密封组件110通过气体通道106连接到气体供应单元107。

所述的绝缘密封组件110中具有若干沟槽空间111，这些沟槽空间111通过气体通道106与气体供应单元107联通，所述的绝缘密封组件110与气体通道106和气体供应单元107一起组成一个密闭的空间。

利用陶瓷烧结工艺将两个组件烧结形成具有沟槽空间111的绝缘密封组件110。

所述的沟槽空间111的宽度范围为0.1～0.3mm。

气体供应单元107中存储惰性气体（比如：氦气），该气体供应单元107通过气体通道106将惰性气体供应到沟槽空间111中，以提高绝缘密封组件110的热传导率，利于将聚焦环103的温度传导给绝缘环108，并进一步传导给下电极109，下电极109内具有冷却液循环管道可以带走热量。

气体供应单元107通过释放或回收惰性气体来控制沟槽空间111中的气体压力变化，使沟槽空间111内的气体压力范围保持在0.5～100Torr，根据沟槽空间111内气体压力的变化，绝缘密封组件110的热传导率也随之发生变化，绝缘密封组件110的热传导率与沟槽空间111内的气压成正比关系，气压越小，热传导率越小，气压越大，热传导率越大，通过调节沟槽空间111内的气体压力，来调节绝缘密封组件110的热传导率。

本发明的目的是将聚焦环103的温度控制在比基片101的温度高50°C～100°C，因此绝缘密封组件110不能由具有良好热传导性的材料制成，否则聚焦环103上的所有热量都会通过绝缘密封组件110进行传导散热，无法将聚焦环103的温度保持在需要的数值，所述的绝缘密封组件110采用导热系数低于40w/mk的低导热性的电绝缘材料。所述的绝缘密封组件110采用电绝缘材料，并且该材料应该具有较差的导热性，陶瓷材料是一个较佳的选择，例如：氧化铝或者氧化锆。

本发明提供的一种调节等离子体刻蚀腔内器件温度的装置，通过改变低导热性的电绝缘材料中的惰性气体压力来调节热传导性能，实现聚焦环103的温度保持在比基片101的温度高50°C～100°C的范围，这种温度调节装置不需要为聚焦环103提供额外的热源，也就不需要配备昂贵的滤波器，从而节省了成本，利用密闭空间中气体压力的变化来调节热传导率，也使得导热更加简单有效。

如图2所示，本发明还提供一种等离子处理器10，包含设置在等离子体刻蚀腔100中的下电极109和上电极（图中未示出）、设置在下电极109上用于放置基片101的静电吸盘102、设置在下电极109周围的绝缘环108、设置在绝缘环108上并位于基片101周围的聚焦环103，设置在聚焦环103周围的边缘环112，该等离子处理器还包含设置在等离子体刻蚀腔100中的温度调节装置，用于控制等离子体刻蚀腔内器件的温度。

所述的温度调节装置包含设置在绝缘环108内部绝缘密封组件110，该绝缘密封组件110接触设置在绝缘环108上的聚焦环103，该绝缘密封组件110通过气体通道106连接设置在下电极109内部的气体供应单元107。

本发明还提供一种等离子体刻蚀腔内温度调节装置的温度调节方法，包含以下步骤：

气体供应单元107通过释放惰性气体，提高绝缘密封组件110中沟槽空间111内的气体压力，使得绝缘密封组件110的热传导率上升，增加聚焦环103的热量传导；

气体供应单元107通过回收惰性气体，降低绝缘密封组件110中沟槽空间111内的气体压力，使得绝缘密封组件110的热传导率下降，减少聚焦环103的热量传导。

气体供应单元107控制沟槽空间111内的气体压力范围保持在0.5～100Torr，将聚焦环103的温度保持在比基片101的温度高50°C～100°C的范围。

本发明提供的温度调节方法，更加简单有效，导热效果更好，成本也更低。

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 (9)

1.一种调节等离子体刻蚀腔内器件温度的装置，其特征在于，该温度调节装置设置在等离子体刻蚀腔（100）内，其包含设置在绝缘环（108）内的绝缘密封组件（110），该绝缘密封组件（110）与绝缘环（108）上表面之间的距离小于绝缘密封组件（110）与绝缘环（108）下表面之间的距离，该绝缘密封组件（110）通过气体通道（106）连接设置到气体供应单元（109）；

所述的绝缘密封组件（110）中具有若干沟槽空间（111），这些沟槽空间（111）通过气体通道（106）与气体供应单元（109）联通，所述的绝缘密封组件（110）、气体通道（106）和气体供应单元（109）组成一个密闭的空间；

所述的绝缘密封组件（110）采用低导热性的电绝缘材料；

气体供应单元（109）通过释放或回收惰性气体来调节沟槽空间（111）中的气体压力，从而调节绝缘密封组件（110）的热传导率。

2.如权利要求1所述的调节等离子体刻蚀腔内器件温度的装置，其特征在于，所述的温度调节装置将聚焦环（103）的温度控制在比基片（101）的温度高50°C～100°C。

3.如权利要求1所述的调节等离子体刻蚀腔内器件温度的装置，其特征在于，所述的绝缘密封组件（110）采用氧化铝或者氧化锆。

4.如权利要求3所述的调节等离子体刻蚀腔内器件温度的装置，其特征在于，利用陶瓷烧结工艺将两个组件烧结形成具有沟槽空间（111）的绝缘密封组件（110）。

5.如权利要求1所述的调节等离子体刻蚀腔内器件温度的装置，其特征在于，所述的沟槽空间（111）的宽度范围为0.1～0.3mm。

6.如权利要求1所述的调节等离子体刻蚀腔内器件温度的装置，其特征在于，气体供应单元（109）控制沟槽空间（111）内的气体压力范围保持在0.5～100Torr。

7.一种等离子处理器（10），包含设置在等离子体刻蚀腔（100）中的下电极（109）和上电极、设置在下电极（109）上用于放置基片（101）的静电吸盘（102）、设置在下电极（109）周围的绝缘环（108）、设置在绝缘环（108）上并位于基片（101）周围的聚焦环（103），设置在聚焦环（103）周围的边缘环（112），其特征在于，该等离子处理器还包含如权利要求1-6中任意一个所述的温度调节装置，用于控制等离子体刻蚀腔内器件的温度。

8.一种等离子体刻蚀腔内温度调节装置的温度调节方法，其用于如权利要求1-6中任意一个所述的调节等离子体刻蚀腔内器件温度的装置，其特征在于，气体供应单元（109）通过释放惰性气体，提高绝缘密封组件（110）中沟槽空间（111）内的气体压力，使得绝缘密封组件（110）的热传导率上升，增加聚焦环（103）的热量传导；气体供应单元（109）通过回收惰性气体，降低绝缘密封组件（110）中沟槽空间（111）内的气体压力，使得绝缘密封组件（110）的热传导率下降，减少聚焦环（103）的热量传导。

9.如权利要求8所述的等离子体刻蚀腔内温度调节装置的温度调节方法，其特征在于，气体供应单元（109）控制沟槽空间（111）内的气体压力范围保持在0.5～100Torr，从而调节绝缘密封组件（110）的热传导率，将聚焦环103的温度保持在比基片（101）的温度高50°C～100°C的范围。