CN106920725A - 一种聚焦环的温度调整装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种聚焦环的温度调整装置及方法，等离子体辐射到聚焦环上的热量，通过与聚焦环下表面接触的第一导热垫、与第一导热垫下表面接触的绝缘环、与绝缘环下表面接触的第二导热垫，向下传递到与第二导热垫接触的基座，通过基座设置的冷却系统进行冷却降温；开启接地的屏蔽环中所设置的加热器来产生可控的外加热源，所述外加热源的热量通过屏蔽环、与屏蔽环接触的第三导热垫、与第三导热垫接触的绝缘环、第一导热垫传递到聚焦环，对聚焦环实施可控升温。本发明通过提供良好的导热冷却路径，并结合可控参数的加热方式，实现对聚焦环工作温度的精细控制，使其在刻蚀等处理中可调谐，从而满足工艺需求。

Description

一种聚焦环的温度调整装置及方法
技术领域
本发明涉及半导体器件的制造领域，特别涉及一种聚焦环的温度调整装置及方法。
背景技术
等离子处理装置是在真空反应腔室中通入含有适当刻蚀剂或淀积源气体的反应气体，然后再对该真空反应腔室进行射频能量输入，以激活反应气体，来点燃和维持等离子体，以便通过等离子体刻蚀基片表面上的材料层或在基片表面上淀积材料层，进而对半导体基片或等离子平板等进行加工。
如图1所示，在现有的一种电容耦合型等离子体处理装置中，包含真空的反应腔室1，反应腔室1内的顶部设有气体喷淋头2等进气装置，并可同时实现上电极的功能，使其耦接于大地或者射频电位。反应腔室1内的底部设有基座3，通过基座3设置的静电吸盘在制程中对基片4进行承载；基座3处设有下电极并对其施加射频功率，从而在反应腔室1内形成射频电场，将引入的反应气体生成等离子体。在基片4外缘环绕设置有聚焦环5，其通过调节反应腔室1内整个射频电场的分布，尤其是在基片3边缘的电场分布，实现对等离子体均一性的控制。
除了电学效应，聚焦环5的温度也会影响到基片4边缘聚合物的沉积，从而导致微观关键尺寸的差异。随着刻蚀工艺对高深宽比的需求，高功率（低频）刻蚀得到广泛应用。高功率（低频）刻蚀会使反应腔室1内温度急剧升高，基片4与聚焦环5都将获得大量热量。为了保证待处理基片4的刻蚀均匀性，基座3内部设置有维持基座3温度恒定的冷却系统的冷却介质管路，基片4直接通过基座3上的静电吸盘进行快速散热。与此同时，聚焦环5如无优良散热路径，将会使其与基片4之间的温差拉大。这将导致基片4边缘刻蚀工艺失谐。
通常在聚焦环5下方设置有绝缘环6等作为导热层，将聚焦环5的热量传递至基座3。然而，不同的工艺制程中对聚焦环5的工作温度的要求不同，现有技术仅考虑到如何提高聚焦环5的传热性能或如何保持其温度恒定，但缺乏有效手段能够对聚焦环5的工作温度做进一步的控制调整。此外，聚焦环5处在射频区域内，如果直接在聚焦环5中设置加热器等温度调节装置，不仅线路布置复杂，而且必须设置滤波器将高频过滤，否则会产生射频干扰，影响整个装置的处理反应效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种聚焦环的温度调整装置及方法，通过提供良好的导热冷却路径，并结合可控参数的加热方式，实现对聚焦环工作温度的精细控制，使其在刻蚀等处理中可调谐，从而满足工艺需求。
为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供一种聚焦环的温度调整装置，其设置于等离子体处理装置；
所述等离子体处理装置包含可被抽真空的反应腔室，其内部形成有对基片进行处理的等离子体；所述反应腔室内的底部设有承载基片的基座，在所述基片的外缘环绕设置有聚焦环；所述聚焦环下方设置有绝缘环，该绝缘环位于基座边缘的台阶上；
其特征在于，所述温度调整装置中包含产生外加热源的加热器，其设置在接地的屏蔽环中；所述屏蔽环环绕着基座边缘的台阶外缘及绝缘环的外缘；所述屏蔽环与绝缘环 相互接触的位置设有导热垫，使得所述外加热源的热量经由屏蔽环、导热垫、绝缘环传递给聚焦环，对聚焦环 的温度进行调整。
优选地，称在所述屏蔽环与绝缘环 相互接触位置所设的导热垫，为第三导热垫；则，所述温度调整装置进一步包含：设置在所述聚焦环与绝缘环相互接触位置的第一导热垫，所述外加热源的热量经由屏蔽环、第三导热垫、绝缘环、第一导热垫传递给聚焦环，对聚焦环 的温度进行调整。
优选地，所述温度调整装置进一步包含设置在所述绝缘环与基座相互接触位置的第二导热垫；
等离子体辐射到聚焦环上的热量，通过第一导热垫、绝缘环、第二导热垫传递到基座，通过基座设置的冷却系统将热量带走。
优选地，所述第一导热垫、第二导热垫、第三导热垫由弹性硅胶材料制成。
优选地，所述屏蔽环包含上屏蔽部和下屏蔽部，所述加热器位于上屏蔽部的内部；
所述上屏蔽部与下屏蔽部相互隔开，防止加热器提供的外加热源的热量流失到下屏蔽部；
所述上屏蔽部与下屏蔽部之间以电极相连，实现接地导电。
优选地，所述上屏蔽部包含水平延伸段和竖直延伸段，所述水平延伸段位于绝缘环边缘的台阶上；所述竖直延伸段环绕着绝缘环的外缘；
所述下屏蔽部环绕着基座边缘的台阶的外缘。
优选地，所述屏蔽环中划分上屏蔽部与下屏蔽部的横断面处进行阳极化处理或者加入有绝缘介质。
优选地，所述温度调整装置包含感温探头对聚焦环的温度进行探测；
对探测后产生电信号的感温探头，设置有射频屏蔽的滤波器；
或者，探测后产生光学信号的感温探头，利用光纤将光学信号引到非射频区域进行采样处理。
优选地，所述等离子体装置设置有覆盖环，其围绕在聚焦环的外缘，并覆盖在绝缘环未被聚焦环遮蔽的位置以及屏蔽环上。
本发明的另一个技术方案是提供一种聚焦环的温度调整方法，其中包含：
对等离子体处理装置中的聚焦环单独实施冷却降温过程，或者配合实施冷却降温及可控升温的过程；
其中，等离子体辐射到聚焦环上的热量，通过与聚焦环下表面接触的第一导热垫、与第一导热垫下表面接触的绝缘环、与绝缘环下表面接触的第二导热垫，向下传递到与第二导热垫接触的基座，通过基座设置的冷却系统进行冷却降温；
开启接地的屏蔽环中所设置的加热器来产生可控的外加热源，所述外加热源的热量通过屏蔽环、与屏蔽环接触的第三导热垫、与第三导热垫接触的绝缘环、第一导热垫传递到聚焦环，对聚焦环实施可控升温。
与现有技术相比，本发明提供的聚焦环的温度调整装置及方法，其优点在于：本发明中对聚焦环的温控，是通过冷却模式单独实施或使其与可控加热模式配合实施而完成。冷却模式中，等离子体源辐射到聚焦环的热量通过两层硅胶导热垫和中间的陶瓷隔离环导入控温的铝基座上。可控加热模式中，将产生外加热源的加热器安置在接地的屏蔽环中，屏蔽环分为上下两部分用来隔热，中间以电极相连实现接地导电功能，避免射频干扰。再结合硅胶导热垫的良好传热性能，实现对聚焦环温度的大幅度调节，从而改良等离子体处理工艺。
附图说明
图1是现有等离子体处理装置的结构示意图；
图2是本发明中聚焦环温度调整装置的结构示意图；
图3是本发明中等离子体处理装置的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供一种聚焦环的温度调整装置，其适用于电容耦合型等离子体处理装置。所述等离子体处理装置中，如图2与图3，包含内部基本为真空环境的反应腔室10，反应腔室10内的顶部设有气体喷淋头20等进气装置与反应气体源连接，进气装置处设置有接地的上电极。反应腔室10内的底部设有承载基片40的基座30，基座30可以是铝制的，内部设置有冷却介质管路与冷却系统连接；基座30处设置有下电极并施加有射频功率，在上电极与下电极之间形成射频电场，将引入反应腔室10内的反应气体生成工艺处理所需的等离子体。
在待处理的基片40外缘环绕设置有聚焦环50，用于控制等离子体均一性。本发明所述的温度调整装置中包含在聚焦环50下方设置的绝缘环60，该绝缘环60位于基座30边缘的台阶上。所述绝缘环60可以由陶瓷材料制成，通过该绝缘环60将等离子体辐射到聚焦环50上的热量向下传递给基座30的同时，又不影响反应腔室10内的电场分布。
在聚焦环50与绝缘环60之间相互接触的位置设置有第一导热垫91；在绝缘环60与基座30之间相互接触的位置设置有第二导热垫92。所述第一导热垫91和第二导热垫92可以由弹性的硅胶材料制成，使之与其上下方部件的接触面能够可靠地贴合。聚焦环50的热量通过第一导热垫91、绝缘环60、第二导热垫92传递到基座30，通过基座30设置的冷却系统将热量带走。
同时，在本发明所述的温度调整装置中还包含加热器73，其设置在接地的屏蔽环70中，加热器73开启时形成有外加热源用来对聚焦环50温度进行调整；在接地的屏蔽环70与绝缘环60之间相互接触的位置设有第三导热垫93。第三导热垫93可以由弹性的硅胶材料制成。外加热源的热量，经由屏蔽环70、第三导热垫93、绝缘环60、第一导热垫91传递给聚焦环50。所述屏蔽环70在绝缘环60的外缘环绕设置，用来将等离子体主要限定在基片40上方，防止其发散。由于所述加热器73是包覆在接地的屏蔽环70内部，因此，有效地避免了射频干扰。
所述屏蔽环70包含上屏蔽部71和下屏蔽部72，所述加热器73位于上屏蔽部71内部。本例中，上屏蔽部71的水平延伸段位于绝缘环60边缘的台阶上；上屏蔽部71的竖直延伸段环绕着绝缘环60的外缘；下屏蔽部72环绕着绝缘环60下方的基座30边缘台阶的外部。所述上屏蔽部71与下屏蔽部72的主体相互隔开实现隔热，在两者之间以电极74相连实现屏蔽环70自身的接地导电功能。屏蔽环70的横断面可以进行阳极化处理或者加入绝缘介质，以确保外加热源的热量不会向下流失。
所述等离子体装置设置有覆盖环80，其围绕在聚焦环50的外缘，并覆盖在绝缘环60未被聚焦环50遮蔽的位置以及屏蔽环70等器件上，用于防止等离子体的活性成分对所述覆盖环80下方器件的侵蚀。
为了精确控制聚焦环50的加热温度，可以设置感温探头（图中未示出）对聚焦环50的温度进行探测。对探测后产生电信号的感温探头，需要设置滤波器等进行射频屏蔽。或者，可以使用基于光学信号的感温探头，其对所探测到的不同温度发射不同频谱或波长的光信号，利用光纤将光信号引到没有射频的区域再进行采样处理。
本发明提供的一种聚焦环的温度调整方法中，等离子体辐射到聚焦环50上的热量，主要通过第一导热垫91、绝缘环60、第二导热垫92传递到基座30处进行冷却；基于这样的导热冷却路径，聚焦环50的温度得以降低；假设降温后的聚焦环50处在第一温度。
若第一温度低于某项制程中对聚焦环50规定的第二温度时，现有技术缺乏对聚焦环50温度再进行调整的手段。而本发明中则可以通过开启屏蔽环70中的加热器73，向聚焦环50提供可控的外加热源，该外加热源的热量通过屏蔽环70、第三导热垫93、绝缘环60、第一导热垫91传递到聚焦环50，使聚焦环50升温；调整加热器73的参数，以控制外加热源提供给聚焦环40的热量，直到聚焦环50达到所要求的第二温度，实现对聚焦环50工作温度的控制及调整，从而满足工艺需求。
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)

1.一种聚焦环的温度调整装置，设置于等离子体处理装置，
所述等离子体处理装置包含可被抽真空的反应腔室（10），其内部形成有对基片（40）进行处理的等离子体；所述反应腔室（10）内的底部设有承载基片（40）的基座（30），在所述基片（40）的外缘环绕设置有聚焦环（50）；所述聚焦环（50）下方设置有绝缘环（60），该绝缘环（60）位于基座（30）边缘的台阶上；
其特征在于，所述温度调整装置中包含产生外加热源的加热器（73），其设置在接地的屏蔽环（70）中；所述屏蔽环（70）环绕着基座（30）边缘的台阶外缘及绝缘环（60）的外缘；所述屏蔽环（70）与绝缘环（60） 相互接触的位置设有导热垫（93），使得所述外加热源的热量经由屏蔽环（70）、导热垫（93）、绝缘环（60）传递给聚焦环（50），对聚焦环（50） 的温度进行调整。
2. 如权利要求1所述聚焦环的温度调整装置，其特征在于，
称在所述屏蔽环（70）与绝缘环（60） 相互接触位置所设的导热垫，为第三导热垫（93）；
则，所述温度调整装置进一步包含：设置在所述聚焦环（50）与绝缘环（60）相互接触位置的第一导热垫（91），所述外加热源的热量经由屏蔽环（70）、第三导热垫（93）、绝缘环（60）、第一导热垫（91）传递给聚焦环（50），对聚焦环（50） 的温度进行调整。
3. 如权利要求2所述聚焦环的温度调整装置，其特征在于，
所述温度调整装置进一步包含设置在所述绝缘环（60）与基座（30）相互接触位置的第二导热垫（92）；
等离子体辐射到聚焦环（50）上的热量，通过第一导热垫（91）、绝缘环（60）、第二导热垫（92）传递到基座（30），通过基座（30）设置的冷却系统将热量带走。
4. 如权利要求3所述聚焦环的温度调整装置，其特征在于，
所述第一导热垫（91）、第二导热垫（92）、第三导热垫（93）由弹性硅胶材料制成。
5. 如权利要求1或3所述聚焦环的温度调整装置，其特征在于，
所述屏蔽环（70）包含上屏蔽部（71）和下屏蔽部（72），所述加热器（73）位于上屏蔽部（71）的内部；
所述上屏蔽部（71）与下屏蔽部（72）相互隔开，防止加热器（73）提供的外加热源的热量流失到下屏蔽部（72）；
所述上屏蔽部（71）与下屏蔽部（72）之间以电极（74）相连，实现接地导电。
6. 如权利要求5所述聚焦环的温度调整装置，其特征在于，
所述上屏蔽部（71）包含水平延伸段和竖直延伸段，所述水平延伸段位于绝缘环（60）边缘的台阶上；所述竖直延伸段环绕着绝缘环（60）的外缘；
所述下屏蔽部（72）环绕着基座（30）边缘的台阶的外缘。
7. 如权利要求5所述聚焦环的温度调整装置，其特征在于，
所述屏蔽环（70）中划分上屏蔽部（71）与下屏蔽部（72）的横断面处进行阳极化处理或者加入有绝缘介质。
8. 如权利要求1或3所述聚焦环的温度调整装置，其特征在于，
所述温度调整装置包含感温探头对聚焦环（50）的温度进行探测；
对探测后产生电信号的感温探头，设置有射频屏蔽的滤波器；
或者，探测后产生光学信号的感温探头，利用光纤将光学信号引到非射频区域进行采样处理。
9. 如权利要求1所述聚焦环的温度调整装置，其特征在于，
所述等离子体装置设置有覆盖环（80），其围绕在聚焦环（50）的外缘，并覆盖在绝缘环（60）未被聚焦环（50）遮蔽的位置以及屏蔽环（70）上。
10. 一种聚焦环的温度调整方法，其特征在于，包含：
对等离子体处理装置中的聚焦环（50）单独实施冷却降温过程，或者配合实施冷却降温及可控升温的过程；
其中，等离子体辐射到聚焦环（50）上的热量，通过与聚焦环（50）下表面接触的第一导热垫（91）、与第一导热垫（91）下表面接触的绝缘环（60）、与绝缘环（60）下表面接触的第二导热垫（92），向下传递到与第二导热垫（92）接触的基座（30），通过基座（30）设置的冷却系统进行冷却降温；
开启接地的屏蔽环（70）中所设置的加热器（73）来产生可控的外加热源，所述外加热源的热量通过屏蔽环（70）、与屏蔽环（70）接触的第三导热垫（93）、与第三导热垫（93）接触的绝缘环（60）、第一导热垫（91）传递到聚焦环（50），对聚焦环（50）实施可控升温。
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