CN109427610B - 晶片温控系统、晶片温控方法及反应腔室 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种晶片温控系统、晶片温控方法及反应腔室，该晶片温控系统包括用于承载晶片的卡盘、设置在卡盘中的用于加热晶片的加热装置以及用于向晶片与卡盘之间的间隙输送热交换气体的输送装置，该输送装置包括输送管路，该输送管路用于将热交换气体输送至晶片与卡盘之间的间隙；在输送管路上设置有温度控制器，用于加热或冷却输送管路中的热交换气体，以使进入晶片与卡盘之间的间隙中的热交换气体达到目标温度。本发明提供的晶片温控系统，其不仅可以提高晶片的温度控制速度，提高产能，而且还可以提高对晶片温度控制的精确性，从而提高工艺均匀性。

Description

晶片温控系统、晶片温控方法及反应腔室

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，具体地，涉及一种晶片温控系统、晶片温控方法及反应腔室。

背景技术

在制造集成电路的工艺过程中，特别是进行等离子刻蚀(ETCH)、物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)等的工艺过程中，为了固定、支撑及传送晶片(Wafer)并实现对晶片的温度控制，往往使用静电卡盘(Electro Static Chuck，ESC)。通常，利用安装在静电卡盘内部的加热器，来控制晶片的温度。并且，无论使用何种方式加热晶片，都需要在静电卡盘的上表面和晶片的下表面之间的间隙通入一定压力的热交换气体，例如氦气，以实现静电卡盘与晶片之间的热量交换。

图1为现有的在一个完整的工艺过程中晶片的温度曲线图。请参阅图1，晶片的初始温度是室温(一般是20℃)，流入静电卡盘的上表面和晶片的下表面之间的间隙的热交换气体的初始温度也是20℃，在时间t1之前是未启辉时段，晶片仅靠静电卡盘中的加热器加热，而晶片和热交换气体都是加热器加热的负载。在时间t1与时间t2这一过程是启辉时段，晶片依靠加热器和等离子体同时加热，达到工艺目标温度T2。在时间t2与时间t3这一过程是稳定启辉阶段，晶片依靠加热器和等离子体同时加热，温度自工艺目标温度T2逐渐上升至温度T3。在时间t3与时间t4这一过程是启辉结束时段，晶片仅依靠加热器加热，温度降低至T2时被取出。

由于上述热交换气体会消耗加热功率，这会影响对晶片的温度控制速度，从而降低了产能。而且，在上述稳定启辉阶段，晶片依靠加热器和等离子体同时加热，会使晶片温度超过工艺目标温度T2，即出现温度超调的问题，从而影响工艺均匀性。由此可知，晶片依靠加热器和等离子体同时加热对晶片温度控制的精确性较低。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种晶片温控系统、晶片温控方法及反应腔室，其不仅可以提高晶片的温度控制速度，提高产能，而且还可以提高对晶片温度控制的精确性，从而提高工艺均匀性。

为实现本发明的目的而提供一种晶片温控系统，包括用于承载晶片的卡盘、设置在所述卡盘中的用于加热晶片的加热装置以及用于向所述晶片与卡盘之间的间隙输送热交换气体的输送装置，所述输送装置包括输送管路，所述输送管路用于将所述热交换气体输送至所述晶片与卡盘之间的间隙；

在所述输送管路上设置有温度控制器，用于加热或冷却所述输送管路中的所述热交换气体，以使进入所述晶片与卡盘之间的间隙中的热交换气体达到目标温度。

优选的，所述温度控制器包括热交换气体管路、散热片和热交换媒介管路，其中，

所述热交换气体管路串接在所述输送管路上；

所述热交换媒介管路与所述散热片相接触，通过向所述热交换媒介管路中通入热交换媒介，来控制所述散热片的温度；

所述散热片与所述热交换气体管路相接触，用于与所述热交换气体管路进行热交换，使所述热交换气体管路中的热交换气体达到目标温度。

优选的，所述散热片在所述热交换气体管路所在位置呈网格状分布；

优选的，所述热交换媒介管路弯曲延伸，以相对于所述散热片所在区域均匀分布。

优选的，所述热交换媒介包括液体或气体。

优选的，在所述输送管路的输入端设置有压力控制装置，所述压力控制装置用于使进入所述晶片与卡盘之间的间隙中的热交换气体的压力保持恒定。

优选的，所述压力控制装置包括进气支路和第一排气支路，所述第一排气支路的输入端、所述进气支路的输出端和所述输送管路的输入端连接；其中，

所述进气支路的输入端与气源连接；并且，在所述进气支路上设置有第一阀门和压力控制器，所述第一阀门用于接通或断开所述进气支路；所述压力控制器用于控制进入所述晶片与卡盘之间的间隙中的热交换气体的压力；

所述第一排气支路的输出端与抽气泵连接；并且，在所述第一排气支路上设置有第二阀门和流量调节阀，所述第二阀门用于接通或断开所述第一排气支路；所述流量调节阀用于控制所述进入所述晶片与卡盘之间的间隙中的热交换气体的流量。

优选的，所述压力控制装置还包括第二排气支路，所述第二排气支路的输入端与所述输送管路连接，所述第二排气支路的输出端与所述第二排气支路连接，且位于所述第二阀门和所述流量调节阀的下游；

在所述第二排气支路上设置有第三阀门，用于接通或断开所述第二排气支路；

在所述输送管路上设置有第四阀门，用于控制所述输送管路的接通或断开。

作为另一个技术方案，本发明还提供一种晶片温控方法，采用本发明提供的上述晶片温控系统控制晶片的温度，所述晶片温控方法包括：

在未启辉时段，通过所述温度控制器加热所述输送管路中的所述热交换气体，以使其进入所述晶片与卡盘之间的间隙中的热交换气体自原始温度达到第一温度；同时，将所述加热装置的加热温度设定为所述第一温度，所述热交换气体和所述加热装置共同加热，使所述晶片的温度达到所述第一温度；

在启辉时段，所述温度控制器停止加热所述输送管路中的所述热交换气体；所述加热装置和等离子体共同加热，使所述晶片的温度达到所述第二温度；所述第二温度高于所述第一温度；

在稳定启辉时段，通过所述温度控制器冷却所述输送管路中的所述热交换气体，以使其进入所述晶片与卡盘之间的间隙中的热交换气体降低至所述原始温度；所述热交换气体冷却所述晶片、所述加热装置和等离子体共同加热所述晶片，以使所述晶片的温度保持在所述第二温度；

在启辉结束阶段，所述热交换气体继续冷却所述晶片，以使所述晶片的温度逐渐下降，直至到达所述第一温度时自所述卡盘取走所述晶片。

作为另一个技术方案，本发明还提供一种反应腔室，包括本发明提供的上述晶片温控系统。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的晶片温控系统、晶片温控方法的技术方案中，借助温度控制器在启辉阶段以前加热交换气体，可以避免热交换气体消耗加热功率，从而可以提高晶片的温度控制速度，提高产能。同时，借助上述温度控制器在稳定启辉阶段冷却热交换气体，可以避免出现温度超调的问题，从而可以提高工艺均匀性。总之，在完整的工艺过程中，借助上述温度控制器对进入晶片与卡盘之间的间隙中的热交换气体的温度进行控制，可以提高对晶片温度控制的精确性，从而提高工艺均匀性。

本发明提供的反应腔室，其通过采用本发明提供的上述晶片温控系统，不仅可以提高晶片的温度控制速度，提高产能，而且还可以提高对晶片温度控制的精确性，从而提高工艺均匀性。

附图说明

图1为现有的在一个完整的工艺过程中晶片的温度曲线图；

图2为本发明实施例提供的晶片温控系统的结构图；

图3为本发明实施例采用的温度控制器的剖视图；

图4为采用本发明实施例提供的晶片温控系统在一个完整的工艺过程中晶片的温度曲线图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明提供的晶片温控系统、晶片温控方法及反应腔室进行详细描述。

请参阅图2，本发明实施例提供一种晶片温控系统，其包括卡盘1及输送装置，其中，卡盘1用于承载晶片2，该卡盘1例如为静电卡盘或者机械卡盘等。并且，在卡盘1中设置有用于加热晶片2的加热装置(图中未示出)。输送装置用于向晶片2与卡盘1之间的间隙11输送热交换气体，以在晶片2与卡盘1之间进行热量交换。该热交换气体例如为氦气。

上述输送装置包括输送管路3，该输送管路3用于将热交换气体输送至晶片2与卡盘1之间的间隙11。并且，在输送管路3上设置有温度控制器4，用于加热或冷却输送管路3中的热交换气体，以使进入晶片2与卡盘1之间的间隙11中的热交换气体达到目标温度，即，利用温度控制器4来控制热交换气体的温度。温度控制器4优选设置在靠近卡盘1的位置处，从而减少自温度控制器4流出的热交换气体的热量损失，使其在进入上述间隙11中时，仍然保持目标温度。

在本实施例中，如图3所示，上述温度控制器4包括热交换气体管路41、散热片42和热交换媒介管路43，其中，热交换气体管路41串接在输送管路3上；热交换媒介管路43与散热片42相接触，通过向热交换媒介管路43中通入热交换媒介，来控制散热片42的温度；散热片42与热交换气体管路41相接触，用于与热交换气体管路41进行热交换，使热交换气体管路41中的热交换气体达到目标温度。具体地，热交换气体从热交换气体管路41的进气口41a进入，从热交换气体管路41的出气口41b流出，在此过程中，热交换气体经过散热片42的加热或冷却达到目标温度。热交换媒介通过热交换媒介管路43的入口43a进入热交换媒介管路43，并通过热交换媒介管路43的出口43b流出，从而实现热交换媒介的循环流动。在需要冷却热交换气体时，向热交换媒介管路43中通入冷媒流体；在需要加热热交换气体时，向热交换媒介管路43中通入热媒流体。热交换媒介可以是液体或者气体。

优选的，散热片42在热交换气体管路41所在位置呈网格状分布，以提高热交换效率和均匀性。进一步优选的，热交换媒介管路43弯曲延伸，以相对于散热片42所在区域均匀分布，以进一步提高热交换效率和均匀性。在实际应用中，热交换媒介管路43弯曲延伸的方式并不局限于图3中示出的方式，还可以采用其他任意方式，只要能够提高热交换效率和均匀性即可。

如图4所示，为采用本发明实施例提供的晶片温控系统在一个完整的工艺过程中晶片的温度曲线图。在晶片2放置在卡盘1上时，晶片2的初始温度为B℃，B℃例如为20℃。通过输送管路3进入晶片2与卡盘1之间的间隙11中的热交换气体的原始温度为20℃。

在未启辉时段(0～t1)，通过温度控制器4加热输送管路3中的热交换气体，以使其进入晶片2与卡盘1之间的间隙11中的热交换气体自上述原始温度达到第一温度T1；同时，将卡盘1中的加热装置的加热温度设定为第一温度T1，即，热交换气体和加热装置共同加热晶片2，使晶片2的温度达到第一温度T1。借助温度控制器4在未启辉阶段加热交换气体，可以避免热交换气体消耗加热功率，从而可以缩短未启辉时段(0～t1)的时长，进而可以提高晶片的温度控制速度，提高产能。

在启辉时段(t1～t2)，反应腔室内的工艺气体被激发形成等离子体。在此过程中，等离子体起到主要加热作用。因此，温度控制器4停止加热输送管路中的所述热交换气体；加热装置和等离子体共同加热晶片2，使晶片2的温度达到第二温度T2；该第二温度T2高于第一温度T1，通常高于5℃左右。

在稳定启辉时段(t2～t3)，通过温度控制器4冷却输送管路3中的热交换气体，以使其进入晶片2与卡盘1之间的间隙11中的热交换气体降低至上述原始温度。在此过程中，热交换气体冷却晶片2、加热装置和等离子体共同加热晶片2，以使晶片2的温度保持在第二温度T2。通过温度控制器4冷却输送管路3中的热交换气体，可以防止等离子体的加热效果太强，使热交换气体的冷却作用与加热装置和等离子体的加热作用达到平衡，从而使晶片2的温度保持在第二温度T2，进而可以避免出现温度超调的问题，从而可以提高工艺均匀性。

在启辉结束阶段(t3～t4)，工艺结束，停止产生等离子体。在此过程中，仅加热装置加热晶片，而热交换气体继续冷却晶片2，从而热交换气体的冷却作用与加热装置的加热作用重新达到平衡，以使晶片2的温度逐渐下降，直至到达第一温度T1时自卡盘1取走晶片。

综上所述，在完整的工艺过程中，借助上述温度控制器4对进入晶片2与卡盘1之间的间隙11中的热交换气体的温度进行控制，可以提高对晶片温度控制的精确性，从而提高工艺均匀性。

在本实施例中，在输送管路3的输入端设置有压力控制装置5，该压力控制装置5用于使进入晶片2与卡盘1之间的间隙11中的热交换气体的压力保持恒定。具体地，如图2所示，压力控制装置5包括进气支路51和第一排气支路52，该第一排气支路52的输入端、进气支路51的输出端和输送管路3的输入端在位置A处连接；其中，进气支路51的输入端与气源连接；并且，在进气支路51上设置有第一阀门54和压力控制器53，第一阀门54用于接通或断开进气支路51；压力控制器53用于控制进入晶片2与卡盘1之间的间隙11中的热交换气体的压力。

第一排气支路52的输出端与抽气泵6连接；并且，在第一排气支路52上设置有第二阀门56和流量调节阀55，第二阀门56用于接通或断开第一排气支路52；流量调节阀55用于控制进入晶片2与卡盘1之间的间隙11中的热交换气体的流量。该流量调节阀55例如为针阀。

优选的，压力控制装置还包括第二排气支路57，第二排气支路57的输入端与输送管路3连接，第二排气支路57的输出端与第二排气支路52连接，且位于第二阀门56和流量调节阀55的下游；在第二排气支路57上设置有第三阀门58，用于接通或断开第二排气支路57。此外，在输送管路3上设置有第四阀门31，用于控制输送管路3的接通或断开。在工艺结束之后，通过第四阀门31控制输送管路3断开，同时通过第三阀门58接通第二排气支路57，可以将输送管路3中的残余气体排出。

作为另一个技术方案，本发明还提供一种晶片温控方法，其采用本发明实施例提供的上述片温控系统控制晶片的温度。具体地，该晶片温控方法包括：

如图4所示，为采用本发明实施例提供的晶片温控系统在一个完整的工艺过程中晶片的温度曲线图。在晶片2放置在卡盘1上时，晶片2的初始温度为B℃，B℃例如为20℃。通过输送管路3进入晶片2与卡盘1之间的间隙11中的热交换气体的原始温度为20℃。

在未启辉时段(0～t1)，通过温度控制器4加热输送管路3中的热交换气体，以使其进入晶片2与卡盘1之间的间隙11中的热交换气体自上述原始温度达到第一温度T1；同时，将卡盘1中的加热装置的加热温度设定为第一温度T1，即，热交换气体和加热装置共同加热晶片2，使晶片2的温度达到第一温度T1。借助温度控制器4在未启辉阶段加热交换气体，可以避免热交换气体消耗加热功率，从而可以缩短未启辉时段(0～t1)的时长，进而可以提高晶片的温度控制速度，提高产能。

在启辉时段(t1～t2)，反应腔室内的工艺气体被激发形成等离子体。在此过程中，等离子体起到主要加热作用。因此，温度控制器4停止加热输送管路中的所述热交换气体；加热装置和等离子体共同加热晶片2，使晶片2的温度达到第二温度T2；该第二温度T2高于第一温度T1，通常高于5℃左右。

在稳定启辉时段(t2～t3)，通过温度控制器4冷却输送管路3中的热交换气体，以使其进入晶片2与卡盘1之间的间隙11中的热交换气体降低至上述原始温度。在此过程中，热交换气体冷却晶片2、加热装置和等离子体共同加热晶片2，以使晶片2的温度保持在第二温度T2。通过温度控制器4冷却输送管路3中的热交换气体，可以防止等离子体的加热效果太强，使热交换气体的冷却作用与加热装置和等离子体的加热作用达到平衡，从而使晶片2的温度保持在第二温度T2，进而可以避免出现温度超调的问题，从而可以提高工艺均匀性。

在启辉结束阶段(t3～t4)，工艺结束，停止产生等离子体。在此过程中，仅加热装置加热晶片，而热交换气体继续冷却晶片2，从而热交换气体的冷却作用与加热装置的加热作用重新达到平衡，以使晶片2的温度逐渐下降，直至到达第一温度T1时自卡盘1取走晶片。

综上所述，在完整的工艺过程中，借助上述温度控制器4对进入晶片2与卡盘1之间的间隙11中的热交换气体的温度进行控制，可以提高对晶片温度控制的精确性，从而提高工艺均匀性。

作为另一个技术方案，本发明实施例还提供一种反应腔室，其包括本发明实施例提供的上述晶片温控系统。

本发明实施例提供的反应腔室，其通过采用本发明实施例提供的上述晶片温控系统，不仅可以提高晶片的温度控制速度，提高产能，而且还可以提高对晶片温度控制的精确性，从而提高工艺均匀性。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种晶片温控方法，其特征在于，采用晶片温控系统控制晶片的温度，其中，

所述晶片温控系统包括：

用于承载所述晶片的卡盘、设置在所述卡盘中的用于加热所述晶片的加热装置以及用于向所述晶片与卡盘之间的间隙输送热交换气体的输送装置，所述输送装置包括输送管路，所述输送管路用于将所述热交换气体输送至所述晶片与卡盘之间的间隙；

在所述输送管路上设置有温度控制器，用于加热或冷却所述输送管路中的所述热交换气体，以使进入所述晶片与卡盘之间的间隙中的热交换气体达到目标温度；

所述晶片温控方法包括：

在未启辉时段，通过所述温度控制器加热所述输送管路中的所述热交换气体，以使其进入所述晶片与卡盘之间的间隙中的热交换气体自原始温度达到第一温度；同时，将所述加热装置的加热温度设定为所述第一温度，所述热交换气体和所述加热装置共同加热，使所述晶片的温度达到所述第一温度；

在启辉时段，所述温度控制器停止加热所述输送管路中的所述热交换气体；所述加热装置和等离子体共同加热，使所述晶片的温度达到第二温度；所述第二温度高于所述第一温度；

在稳定启辉时段，通过所述温度控制器冷却所述输送管路中的所述热交换气体，以使其进入所述晶片与卡盘之间的间隙中的热交换气体降低至所述原始温度；所述热交换气体冷却所述晶片、所述加热装置和等离子体共同加热所述晶片，以使所述晶片的温度保持在所述第二温度；

在启辉结束阶段，所述热交换气体继续冷却所述晶片，以使所述晶片的温度逐渐下降，直至到达所述第一温度时自所述卡盘取走所述晶片。

2.根据权利要求1所述的晶片温控方法，其特征在于，所述温度控制器包括热交换气体管路、散热片和热交换媒介管路，其中，

所述热交换气体管路串接在所述输送管路上；

所述热交换媒介管路与所述散热片相接触，通过向所述热交换媒介管路中通入热交换媒介，来控制所述散热片的温度；

所述散热片与所述热交换气体管路相接触，用于与所述热交换气体管路进行热交换，使所述热交换气体管路中的热交换气体达到目标温度。

3.根据权利要求2所述的晶片温控方法，其特征在于，所述散热片在所述热交换气体管路所在位置呈网格状分布。

4.根据权利要求3所述的晶片温控方法，其特征在于，所述热交换媒介管路弯曲延伸，以相对于所述散热片所在区域均匀分布。

5.根据权利要求2所述的晶片温控方法，其特征在于，所述热交换媒介包括液体或气体。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的晶片温控方法，其特征在于，在所述输送管路的输入端设置有压力控制装置，所述压力控制装置用于使进入所述晶片与卡盘之间的间隙中的热交换气体的压力保持恒定。

7.根据权利要求6所述的晶片温控方法，其特征在于，所述压力控制装置包括进气支路和第一排气支路，所述第一排气支路的输入端、所述进气支路的输出端和所述输送管路的输入端连接；其中，

所述进气支路的输入端与气源连接；并且，在所述进气支路上设置有第一阀门和压力控制器，所述第一阀门用于接通或断开所述进气支路；所述压力控制器用于控制进入所述晶片与卡盘之间的间隙中的热交换气体的压力；

所述第一排气支路的输出端与抽气泵连接；并且，在所述第一排气支路上设置有第二阀门和流量调节阀，所述第二阀门用于接通或断开所述第一排气支路；所述流量调节阀用于控制所述进入所述晶片与卡盘之间的间隙中的热交换气体的流量。

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