CN109727838B - 一种等离子体产生腔及半导体加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种等离子体产生腔及半导体加工设备。所述等离子产生腔包括：陶瓷筒以及环绕所述陶瓷筒并且与所述陶瓷筒之间形成流道的控温套筒，其特征在于，还包括：温度调节部件，其设置在所述陶瓷筒与所述控温套筒之间；通过向所述温度调节部件内通入介质，调节所述陶瓷筒的温度变化速率。本发明通过向温度调节部件内通入介质，保证了陶瓷筒周围温度环境没有骤变，调节立体线圈等离子体源陶瓷筒的温度变化速率，从而降低了温度变化对工艺均匀性的影响，并且能够对陶瓷筒周围温度进行实时调控。

Description

一种等离子体产生腔及半导体加工设备

技术领域

本发明涉及半导体集成电路制造领域，具体地，涉及一种等离子体产生腔及半导体加工设备。

背景技术

近年来，MEMS器件及系统在汽车和消费电子领域应用越来越广泛，并且，TSV通孔刻蚀(Through-Silicon Etch)技术在未来封装领域也具有广阔的应用前景。由于干法等离子体深硅刻蚀工艺应用越来越多，逐渐成为了MEMS加工领域及TSV技术中最炙手可热的工艺之一。

干法刻蚀设备中一般都集成有等离子体系统，包括等离子源系统和下偏压系统。等离子源负责在真空腔室内产生高密度的等离子体，下偏压系统则给等离子体的离子运动以方向，引导带电粒子轰击晶片，从而产生物理刻蚀，等离子环境中的活性自由基和气体本身的化学活性对晶片产生化学刻蚀作用。等离子源系统是刻蚀设备中至关重要的一部分。

随着三维叠层封装、MEMS封装、垂直集成传感器阵列以及台面MOS功率器件倒装焊接技术的开发，硅通孔(TSV)互连技术正在受到越来越广泛的重视和研究。为了实现较高的刻蚀选择比及刻蚀速率，往往采用远程高密度等离子体(remote high density plasma，Remote HDP)，此时基片位于等离子体下游，自由基浓度高，离子密度低，可以减少离子轰击导致的掩膜层的损失，因此可以兼顾实现高刻蚀速率及选择比。

在施加功率的射频线圈作用下，等离子体产生腔(因其材质多是陶瓷，结构呈筒状，故以下简称“陶瓷筒”)内部产生等离子体。随着高刻蚀速率的需求，等离子体功率密度也随之增高，立体线圈的使用成为必然。立体线圈等离子体产生腔在高等离子体功率密度下，其温度很高(例如，对应于3400W具有460℃的高温)，其产生的热辐射可能导致晶片(Wafer)糊胶。另外，高功率下的立体线圈等离子体产生腔温度较高，导致超过O型圈(O-ring)使用温度，使之失效。

刻蚀设备的等离子源分为平面和立体两大类别。立体等离子源能产生更高密度的等离子，从而能够得到更快的刻蚀速率，而平面等离子源则能更好的控制晶片刻蚀的均匀性和刻蚀形貌。

常见的立体等离子源的半导体加工设备的结构如图1所示，其中，射频线圈5、陶瓷筒4、金属腔体8、进气盖板2、腔室盖板7、卡盘9构成一个封闭空间，与真空装置10(分子泵等)连接，将该空间制造成真空环境。工艺气体由进气盖板4上的进气孔进入该空间，陶瓷筒2周边的射频线圈5通以射频能量，在等离子体产生腔中形成等离子体，对卡盘9上的晶片进行刻蚀，反应生成物通过真空装置10被抽走。

如图1所示，冷却气体从线圈盒3底部的进气孔进入，从控温套筒11底部的进气口进入由控温套筒11与陶瓷筒4之间的流道内部，从温控套筒11顶部出口，经导流罩12，并由水冷散热器6冷却后由冷却风扇1吹入厂务排风系统。

气流由顶部吸出，这样强制对流方向与自然对流流向相同，降低了对流的阻力，加快了空气对流，提高了系统的散热能力。增加的控温套筒既把热气流与其他器件隔离开又使冷却气流与陶瓷筒充分接触，增强换热效果。导流罩约束并控制气流从排风口排出，不会滞流。

水冷散热器6的具体结构如图2所示，其一端与导流罩连接，另一端接风扇，冷却水在管道内循环，高温热气流经过管道及散热片冷却后由风扇排到厂务排风中或直接排入室内。

上述立体等离子源的半导体加工设备在机台使用时存在如下问题：陶瓷桶在启辉过程中温度迅速升高，散热系统可以及时对高温进行散热处理，灭辉后温度迅速降低，温度差异高达100℃，温度急剧变化对工艺影响很大，造成每次工艺的均匀性变差。因此，有必要提出一种能够进行温度调节的等离子体产生腔及半导体加工设备。

公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

为了解决现有技术中工艺灭辉后温度急剧下降、温度降低速率不可控，以及温度骤变对工艺均匀性产生影响的问题，本发明提出了一种等离子体产生腔及半导体加工设备。

根据本发明的一方面，提出一种等离子体产生腔。包括陶瓷筒以及环绕所述陶瓷筒并且与所述陶瓷筒之间形成流道的控温套筒，还包括：

温度调节部件，其设置在所述陶瓷筒与所述控温套筒之间；

通过向所述温度调节部件内通入介质，调节所述陶瓷筒的温度变化速率。

优选地，在工艺结束时，通过向所述温度调节部件内通入热介质，降低所述陶瓷筒的温度下降速率。

优选地，所述温度调节部件具有多个互不连通的通道，用于通入所述介质；

每个所述通道均为沿所述温度调节部件圆周方向开设的且横截面呈圆形的孔道。

优选地，所述温度调节部件为金属环形件。

优选地，所述介质为高温油，所述高温油自泵泵出后流经所述温度调节部件。

优选地，等离子体产生腔还包括温度感应装置，其基于所述陶瓷筒的温度控制所述介质在所述温度调节部件内的流动速率。

优选地，所述温度感应装置包括：

测温探头，其用于探测所述陶瓷筒的温度；以及

温控器，其基于所述测温探头所探测的温度值发出控制所述介质流动速率大小的信号。

优选地，所述温控器将所述测温探头所探测的温度值与预设值进行比较，在所探测的温度低于所述预设值时发出启动泵信号，在所探测的温度等于或高于所述预设值时发出停止泵信号。

优选地，所述测温探头为红外测温探头。

根据本发明的另一方面，提出一种半导体加工设备，其包括如上所述的等离子体产生腔。

根据本发明的等离子产生腔及半导体加工设备，其通过向温度调节部件内通入介质，保证了陶瓷筒周围温度环境没有骤变，调节立体线圈等离子体源陶瓷筒的温度变化速率，从而降低了温度变化对工艺均匀性的影响。

本发明的方法具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施例中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施例中进行详细陈述，这些附图和具体实施例共同用于解释本发明的特定原理。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出根据现有技术的立体等离子源半导体加工设备的示意图；

图2示出图1半导体加工设备中所应用的水冷散热器的示意图；

图3示出应用根据本发明的示例性实施方案的等离子体产生腔的半导体加工设备的示意图；

图4示出根据本发明的示例性实施方案的温度调节部件的剖面图；

图5示出根据本发明的示例性实施方案的温度调节装置的工作流程图。

主要附图标记说明：

1-冷却风扇，2-进气盖板，3-线圈盒，4-陶瓷筒，5-射频线圈，6-水冷散热器，7-腔室盖板，8-金属腔体，9-卡盘，10-真空装置，11-温控套筒，12-导流罩；

101-冷却风扇，102-进气盖板，103-线圈盒，104-陶瓷筒，105-射频线圈，106-水冷散热器，107-腔室盖板，108-金属腔体，109-卡盘，110-真空装置，111-温控套筒，112-导流罩，113-温度调节部件。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下，底、顶、前、后、左、右、内、外”通常是在本发明提供的阀体组件正常使用的情况下定义的。

以下结合图3-图5详细描述根据本发明的示例性实施方案的等离子体产生腔。图3示出包括根据本发明的示例性实施方案的等离子体产生腔的半导体加工设备的示意图；图4示出根据本发明的示例性实施方案的温度调节部件的剖面图；图5示出根据本发明的示例性实施方案的温度调节装置的示意图。

如图3所示，该等离子体产生腔包括陶瓷筒104以及环绕陶瓷筒104并且与陶瓷筒104之间形成流道的控温套筒111，还包括：

温度调节部件113，其设置在陶瓷筒104与控温套筒111之间；

通过向温度调节部件113内通入介质，可以调节陶瓷筒104的温度变化速率。

在图3所示的半导体加工设备中，进气盖板102、陶瓷筒104、射频线圈105、腔室盖板107、金属腔体108、卡盘109构成封闭空间，控温套筒111环绕陶瓷筒104并且与陶瓷筒104之间形成流道，控温套筒111底部具有进气口，控温套筒111顶部与陶瓷筒104顶部之间形成出气口。

在启辉过程中温度快速上升(温度只在启辉过程中升高，并且启辉功率与工艺要求有关，启辉功率越高，温度上升速度越快)，冷却气体从线圈盒103底部的进气孔进入，从控温套筒111底部的进气口进入在控温套筒111与陶瓷筒104形成的流道内部，从温控套筒111顶部与陶瓷筒104顶部之间形成的出气口，经导流罩112，并由水冷散热器106冷却后由冷却风扇1吹入厂务排风系统。

启辉完成后，在灭辉阶段，温度以每分钟20℃的速度快速降低，温度的急剧变化造成每次工艺的均匀性变差。根据本发明的示例性实施方案的等离子体产生腔通过向温度调节部件113内通入介质，可以调节陶瓷筒104的温度变化速率。

在一个示例中，在工艺结束时，通过向温度调节部件113内通入热介质，使温度调节部件113的温度开始升高，从而使陶瓷筒104浸泡在一个高温环境中，保证了陶瓷筒周围温度环境没有骤变，通过热辐射使热量传入陶瓷筒104内，降低陶瓷筒104的温度下降速率。

在一个示例中，温度调节部件113具有多个互不连通的通道，用于通入所述介质；每个所述通道均为沿温度调节部件113圆周方向开设的且横截面呈圆形的孔道。

例如，温度调节部件可以为金属环形件，其剖面图如图4所示，在金属环形件上布置有多个互不连通、沿圆周方向开设的且横截面呈圆形的孔道，介质可以在孔道中流动，具体为：在金属环形件上等间隔布置有5个沿圆周方向开设的且横截面呈圆形的孔道。金属材料的导热性较好，更有利于进行温度调节。

其中，所述介质可以是高温介质，例如为高温油(通常指油温在300度以上的油)，所述高温油自泵泵出后流经温度调节部件113，可以降低陶瓷筒的温度下降速率；所述介质也可以是低温介质，例如为冷却水，可以降低陶瓷筒的温度上升速率，本领域人员可根据陶瓷筒的实际温度变化需求选择高温或低温介质。泵可以放置在机台外围，通过外部管路与温度调节部件113连接。

在一个示例中，等离子体产生腔还包括温度感应装置，其基于陶瓷筒的温度控制介质在温度调节部件内的流动速率，实现了对立体线圈等离子体源陶瓷筒的温度的自动调节，与散热系统配合可以将温度控制在工艺需求的温度范围内。具体地，温度感应装置根据陶瓷筒的温度变化来调节泵速，从而调节泵出的介质在温度调节部件内的流动速率。

具体地，温度感应装置可以包括：

测温探头，其用于探测所述陶瓷筒的温度；以及

温控器，其基于测温探头所探测的温度值发出控制介质流动速率大小的信号。具体地，温控器将该信号发送给泵以控制泵速，从而控制泵出的介质在温度调节部件内的流动速率。

测温探头所探测的温度可以通过热电偶反馈给温控器，温控器对测温探头所探测的温度值，即此时陶瓷筒104的表面温度，与预设值进行比较，在所探测的温度低于预设值时发出启动泵信号，在所探测的温度等于或高于预设值时发出停止泵信号，泵停止泵油，温度调节部件113停止其温度调节作用。

预设值可以利用与温控器通过串口连接的下位机进行设定，具体数值可以根据实际工艺过程中陶瓷筒104的最佳工作温度设置。

测温探头可以是红外测温探头，其可以设置在温控套筒111顶部，通过温控套筒111顶部与陶瓷筒104顶部之间的出气口通过红外线探测陶瓷筒104的温度。本领域技术人员应当理解，测温探头可以是任意形式的适于探测陶瓷筒表面温度的探头。

根据本发明的示例性实施方案的温度调节装置的工作流程图，如图5所示，首先，利用通过串口与温控器连接的下位机给温控器设置预设值，该预设值可以根据工艺要求确定。其次，红外测温探头测试陶瓷筒104表面温度，并通过热电偶将温度信号反馈给温控器，温控器对此时陶瓷筒表面温度与预设值进行比较，热电偶反馈的温度比该预设值低则温控器发出启动泵信号，温度调节部件的温度开始升高带动陶瓷筒内部温度升高。

红外测温探头时时监测陶瓷筒的温度并时时反馈给温控器，温控器根据陶瓷筒的温度变化来调节泵泵出的介质(例如，高温油)的流动速率，与散热系统配合可以将温度控制在工艺需求的温度范围内。温控器时时作出对泵的动作指令，形成一个闭环系统，直至红外测温探头反馈给温控器的温度与预设值相同，所述温控器发出停止泵信号，泵停止工作。

本发明还提出一种半套体加工设备，其包括如上所述的等离子体产生腔。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种等离子体产生腔，包括陶瓷筒以及环绕所述陶瓷筒并且与所述陶瓷筒之间形成流道的控温套筒，所述控温套筒底部具有进气口，所述控温套筒顶部与所述陶瓷筒顶部之间形成出气口，冷却气体从所述进气口进入，流经所述流道，从所述出气口排出，其特征在于，还包括：

温度调节部件，其设置在所述陶瓷筒与所述控温套筒之间；

通过向所述温度调节部件内通入介质，调节所述等离子体产生腔在启辉或灭辉时，所述陶瓷筒的温度变化速率；所述介质为高温介质或低温介质。

2.根据权利要求1所述的等离子体产生腔，其特征在于：

在工艺结束时，通过向所述温度调节部件内通入所述高温介质，降低所述陶瓷筒的温度下降速率。

3.根据权利要求1所述的等离子体产生腔，其特征在于，

所述温度调节部件具有多个互不连通的通道，用于通入所述介质；

每个所述通道均为沿所述温度调节部件圆周方向开设的且横截面呈圆形的孔道。

4.根据权利要求1所述的等离子体产生腔，其特征在于，所述温度调节部件为金属环形件。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的等离子体产生腔，其特征在于，所述高温介质为高温油，所述高温油自泵泵出后流经所述温度调节部件。

6.根据权利要求5所述的等离子体产生腔，其特征在于，还包括：

温度感应装置，其基于所述陶瓷筒的温度控制所述介质在所述温度调节部件内的流动速率。

7.根据权利要求6所述的等离子体产生腔，其特征在于，所述温度感应装置包括：

测温探头，其用于探测所述陶瓷筒的温度；以及

温控器，其基于所述测温探头所探测的温度值发出控制所述介质流动速率大小的信号。

8.根据权利要求7所述的等离子体产生腔，其特征在于，所述温控器将所述测温探头所探测的温度值与预设值进行比较，在所探测的温度低于所述预设值时发出启动泵信号，在所探测的温度等于或高于所述预设值时发出停止泵信号。

9.根据权利要求8所述的等离子体产生腔，其特征在于，所述测温探头为红外测温探头。

10.一种半导体加工设备，其特征在于，包括如权利要求1-9中的任一项所述的等离子体产生腔。

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