CN1251294C - 等离子体加工装置的温度控制系统 - Google Patents

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Abstract

一种包括温度控制系统的等离子体加工系统和方法，它能够实现对等离子体加工装置的非常精确的温度控制。在一个实施方案中，此温度控制系统和方法进行工作，以便在半导体器件的制造过程中实现对与等离子体相互作用的等离子体加工装置的表面的严格温度控制。本发明提供的这一严格的温度控制能够用组合加热和冷却块来实现，以便能够由同一个热界面提供加热和冷却。

Description

等离子体加工装置的温度控制系统
相关案例的交叉引用
本申请主张在此引用的名称为“PROCESSING CHAMBER WITHTEMPERATURE CONTROL”的美国临时申请No.60/165496(律师案卷号：No.LAM1P124.P)。
本申请还涉及到下列当前的美国专利申请：
No.09/439661，名称为“IMPROVED PLASMA PROCESSING SYSTEMS ANDMETHODS THEREFOR”，(律师案卷号：No.LAM1P122/P0527)；
No.09/470236，名称为“PLASMA PROCESSING SYSTEM WITH DYNAMICGAS CONTROL”，(律师案卷号：No.LAM1P123/P0557)；
No.09/440418，名称为“METHOD AND APPARATUS FOR PRODUCINGUNIFORM PORCESSING RATES”，(律师案卷号：No.LAM1P125/P0560)；
No.09/440794，名称为“MATERIALS AND GAS CHEMISTRIES FOR PLASMAPROCESSING SYSTEMS”，(律师案卷号：No.LAM1P128/P0561)；
No.09/439759，名称为“METHOD AND APPARATUS FOR CONTROLLINGTHE VOLUME OF PLASMA”，(律师案卷号：No.LAM1P129/P0593)。
此处将上述各个专利申请作为引用包括进来。
发明的背景
发明领域
本发明涉及半导体集成电路的制造，更确切地说是涉及到等离子体加工系统的温度控制。
相关技术的描述
在以半导体为基础的器件的制造中，例如集成电路或平板显示器的制造中，各种材料层可以被交替淀积在衬底表面上并从衬底表面刻蚀掉材料。在制造过程中，各种材料层，例如硼磷硅化物玻璃(BPSG)、多晶硅、金属等，被淀积在衬底上。可以用例如光抗蚀剂工艺等的熟知技术将淀积的层进行图形化。然后可以刻蚀掉部分淀积的层，以形成各种特征，例如互连线、通道、沟槽等。
可以用包括等离子体增强刻蚀在内的各种各样的熟知技术来完成刻蚀工艺。在等离子体增强刻蚀中，实际的刻蚀通常发生在等离子体加工室内部。为了在衬底晶片表面上形成所希望的图形，通常提供适当的掩模(例如光抗蚀剂掩模)。当衬底处于等离子体加工室中时，由适当的腐蚀剂源气体(或多种气体)形成等离子体。此等离子体被用来刻蚀未被掩模保护的部分，从而形成所需要的图形。以这种方式，淀积的层的一部分被刻蚀掉，从而形成互连线、通道、沟槽以及其他特征。可以重复淀积和刻蚀加工，直至得到所需要的电路。
为了便于讨论，图1示出了适用于制造基于半导体的器件的简化了的等离子体加工装置100。此简化了的等离子体加工装置100包括具有静电吸盘(ESC)或其他晶片支座104的等离子体加工室102。吸盘104在制造过程中用作电极并支持晶片106(亦即衬底)。晶片106的表面被释放到晶片加工室102中的适当的腐蚀剂源气体刻蚀。腐蚀剂源气体可以通过喷头108释放。等离子体加工源气体也可以通过诸如气体分配板中的孔之类的其他机构来释放。真空板110与晶片加工室102的壁112保持着密封接触。设在真空板110上的线圈114被耦合到射频(RF)电源(未示出)，并被用来由通过喷头108释放的等离子体加工源气体触发(点燃)等离子体。在使用RF电源(未示出)的刻蚀过程中，吸盘104通常也利用RF电源供电。为了通过导管从等离子体加工室102抽出加工气体和气态产物，还设有泵116。
如本技术领域熟练人员所知的，在诸如刻蚀工艺之类的半导体加工的情况下，为了保持高的容差结果，必须严格控制晶片加工室中的大量参数。晶片加工室的温度就是这样一个参数。由于刻蚀容差(和得到的半导体基器件的性能)对系统中的各个组成部分的温度起伏高度敏感，故要求精确的控制。为了进一步完善，必须严格控制执行刻蚀工艺时的加工室温度，以便得到所希望的刻蚀特性。而且，随着现代集成电路图形尺寸的不断减小，越来越难以用常规的等离子体加工系统来加工所需要的图形。
在等离子体加工装置中，通过使加工气体激发形成的等离子体被用于加工半导体器件。为产生等离子体而使加工气体激发是一种高能运行，它引起等离子体加工装置的各种元件发热。这一发热影响到等离子体加工装置所执行的加工的精确性和可重复性。当特征的尺寸不断减小时，更加需要提供具有更好温度控制的等离子体加工装置，以便提供一致和精确的半导体器件制造。
常规地说，借助于提供具有被加热的内壁的等离子体加工室，或借助于用小的加热灯来加热等离子体加工室，为等离子体加工室提供加热。通常加热被用来在加工开始之前对等离子体加工室进行预热。常常不主动地提供冷却，冷却是简单被动地通过对流和辐射来实现。通常，这些热解决方案是为了等离子体加工室的铝衬里设计的，因而不很适合于加热或冷却陶瓷衬里，这是一个更加困难的问题。铝衬里还导致明显的沾污，这就是考虑陶瓷衬里的原因。
考虑到上述情况，故需要一种对半导体加工设备提供更好的温度控制的改进的等离子体加工系统。
发明内容
广义地说，本发明涉及到一种温度控制系统和方法，它能够实现对等离子体加工装置的非常精确的温度控制。在一个实施方案中，此温度控制系统和方法进行工作，以便在半导体器件的制造过程中获得对与等离子体相互作用的等离子体加工装置表面的严格温度控制。本发明提供的这一严格的温度控制，为等离子体加工装置提供了更好的工艺控制，当特征的尺寸不断减小时，这就变得越来越重要。
本发明能够以各种各样的方法来加以实现，包括系统、装置、机械或方法。下面描述本发明的一些实施方案。
作为一种等离子体加工装置，本发明的一个实施方案至少包括：具有壁和盖的加工室，此壁和盖都具有内表面和外表面，此加工室采用由加工气体产生的等离子体来对衬底进行加工；加工装置还包含用来产生RF能量以点燃等离子体的RF线圈；以及热耦合到加工室外表面的热控制系统，此热控制系统包括至少一个组合加热和冷却块，该块受控制来调整加工室内部的温度，其中所述组合加热和冷却块是一种叠层结构且包括：加热元件、冷却元件、和在所述加热元件与所述冷却元件之间的热阻断器，并且加热元件被热耦合到所述加工室的外表面，且冷却元件通过所述热阻断器热耦合到所述加工室的外表面和所述加热元件，其中所述加热元件和所述冷却元件中的至少一个包括狭槽，以便尽量减小从所述RF线圈的RF耦合，并且所述至少一个组合加热和冷却块是弹簧偏压在所述加工室的外表面。
所述加工室的壁包括热和/或电接合的材料叠层；或所述加工室的壁包括通过铺贴热和/或电接合的材料叠层。
作为一种半导体制造装置，本发明的一个实施方案至少包括：由壁和底部表面形成的等离子体加工室；可移动地连接到等离子体加工室壁的顶部密封盖；设在密封盖上表面上的提供有RF电源的电极；耦合到密封盖或等离子体加工室的至少一个温度传感器；耦合到密封盖上表面的第一加热和冷却单元；以及耦合到等离子体加工室壁的外表面的第二加热和冷却单元；其中，第一加热和冷却单元是可拆除地弹簧偏压在所述密封盖的上表面，或第二加热和冷却单元是可拆除地弹簧偏压在所述等离子体加工室壁的外表面；每个所述第一和第二加热和冷却单元是一种叠层结构且包含：加热元件、冷却元件、以及所述加热元件与所述冷却元件之间的热阻断器；所述第一加热和冷却单元的所述加热元件被热耦合到所述等离子体加工室的所述密封盖的上表面，而所述第一加热和冷却单元的所述冷却元件通过所述热阻断器和所述加热元件被热耦合到所述等离子体加工室的所述密封盖的上表面；所述第二加热和冷却单元的所述加热元件被热耦合到所述等离子体加工室的外表面，而所述第二加热和冷却单元的所述冷却元件通过所述热阻断器和所述加热元件被热耦合到所述等离子体加工室的外表面。
作为用来对等离子体加工装置的等离子体加工室的温度控制的一种方法，此方法包括至少下列步骤：直接或间接地测量等离子体加工室内部的温度；将测得的温度与目标温度进行比较；借助于对热耦合到等离子体加工室的热控制块进行加热而加热等离子体加工室；以及借助于主动地冷却热控制块而冷却等离子体加工室。
作为一种等离子体加工装置，本发明的另一个实施方案包括至少：具有壁和盖的加工室，此壁和盖都具有内表面和外表面，此加工室利用加工气体产生的等离子体来加工衬底；以及通过在内部温度低于下目标温度时用加热元件加热加工室，而当内部温度高于上目标温度时用冷却元件经过加热元件来冷却加工室，从而调整加工室的内部温度的装置，其中所述调整加工室内的温度的装置是弹簧偏压在加工室的外表面；所述调整所述加工室内的温度的装置包括：加热元件、冷却元件、以及所述加热元件与所述冷却元件之间的热阻断器；所述加热元件被热耦合到所述加工室的外表面，而所述冷却元件通过所述热阻断器和所述加热元件被热耦合到所述加工室的外表面。
对于供加工室使用的组合加热和冷却块，加工室利用由加工气体产生的等离子体来加工衬底，根据本发明又一个实施方案，组合加热和冷却块具有叠层结构并至少包括加热元件、冷却元件和加热元件与冷却元件之间的热阻断器元件，其中，所述组合加热和冷却块是可拆除地弹簧偏压在所述加工室的外表面；所述加热元件被热耦合到所述加工室的外表面，而所述冷却元件通过所述热阻断器和所述加热元件被热耦合到所述加工室的外表面。
本发明的优点是很多的。不同的实施方案或实现方法可以产生下列一个或多个优点。本发明的一个优点是，本发明使等离子体加工装置的温度能够以明显降低了的偏差而被控制。本发明的另一个优点是，等离子体加工装置的温度能够以提高了的精度而被控制，从而能够得到器件之间更好的一致性。本发明的另一个优点是，加热和冷却都通过共同的热界面被提供。本发明再一个优点是，利用共同热界面不仅能够提供冷却和加热，而且受到温度控制的表面得到的温度分布图是均匀而平滑的。而且，由晶片加工引起的跃变过程中，受到温度控制的表面的温度分布图能够不随空间和时间而改变。本发明的另一个优点是，它是无损害的并容易拆卸。
从结合附图的以列举方式说明本发明原理所进行的下述详细说明可以明显了解本发明的其他方面和优点。
附图说明
利用结合附图的下列详细描述，能够容易地理解本发明，其中相似的标号表示相似的结构元件，且其中：
图1示出了适合于制造半导体基器件的简化了的等离子体加工装置；
图2A示出了根据本发明一个实施方案的加热和冷却单元；
图2B是根据本发明一个实施方案的温度控制系统的方框图；
图3是根据本发明一个实施方案的等离子体加工装置的剖面图；
图4是根据本发明另一个实施方案的等离子体加工装置的剖面图；
图5是如同根据一个实施方案由图4所示等离子体加工装置所提供的那样的设在真空板上的冷却块的俯视图；
图6示出了根据本发明另一个实施方案的等离子体加工装置的剖面图；
图7是根据本发明又一个实施方案的等离子体加工装置的剖面图；
图8A示出了俯视的部分侧壁加热和冷却系统，它具有二个热耦合于其上的加热和冷却单元；
图8B是等离子体加工装置的加工室壁的一种可选构造的简图；
图9是根据本发明一个实施方案的等离子体加工室的剖面的俯视图；
图10示出了部分等离子体加工室的剖面侧视图，其中提供了加工室壁和外容器壁；而
图11是根据本发明又一个实施方案的等离子体加工装置的剖面图。
发明的详细描述
本发明涉及到一种温度控制系统和方法，它能够实现对等离子体加工装置的非常准确而精确的温度控制。在一个实施方案中，此温度控制系统和方法在半导体器件制造过程中被用来实现对与等离子体相互作用的等离子体加工装置的表面的严格温度控制。本发明提供的严格温度控制为等离子体加工装置提供了更好的工艺控制，当特征尺寸不断减小时，这就变得越来越重要。
在利用被激发的加工气体所形成的等离子体来制造半导体器件的等离子体加工装置中，激发加工气体来产生等离子体，是一种高能运行，它引起等离子体加工装置的各种元件被加热。本发明涉及到一种温度控制系统和方法，它能够实现对等离子体加工装置的非常准确的温度控制。在一个实施方案中，此温度控制系统和方法被用来实现对与用来制造半导体器件的等离子体相互作用的等离子体加工装置的表面的严格温度控制。
在一个实现方法中，温度控制系统包括耦合到待要被控制温度的等离子体加工装置的等离子体加工室的外表面的加热和冷却单元。加热和冷却单元用来通过同一个热界面将热耦合到被控制的表面或将热从被控制的表面耦合出去(亦即加热或冷却)。
下面参照图2-11来讨论本发明的实施方案。但本技术领域熟练人员可以容易地理解的是，此处关于这些附图给出的详细描述是为了说明的目的，本发明可以超越这些有限的实施方案。
图2A示出了根据本发明一个实施方案的加热和冷却单元200。加热和冷却单元200被用来加热或冷却表面202。表面202被假设成需要加热和冷却的表面。例如，表面202开始可能需要加热，然后又需要冷却。无论在何种情况下，表面202的温度都要求被准确和精确地控制。图2A所示的加热和冷却单元200包括共形热界面204、加热块206、热阻断器208、以及冷却块210。共形热界面是一个薄的材料层，例如注入有金属的硅酮橡胶，它由于层较薄而具有比较高的有效热系数并容易适应。因此，共形的热界面204提供了表面202与加热块206之间的高的热耦合。加热块206能够产生通过共形热界面204耦合到表面202的热。为了产生热，加热块206可以包括一个或多个电阻元件。通过采用受到控制的电流或电压，此电阻元件能够对加热块206进行加热。作为例子，此加热块206由铝之类的金属材料制成。
热阻断器208被夹在加热块206与冷却块210之间。热阻断器208是例如硅酮橡胶材料。通常，热阻断器208的热导率由于层的厚度而明显地小于共形热界面204的热导率。热阻断器208用来提供加热块206与冷却块210之间的过渡区，以使二者都能被存在于加热和冷却单元200中。冷却块210能够通过加热块206和共形热界面204来冷却表面202。冷却块210本身由冷却元件来冷却。在一个实现方法中，冷却元件是一种温度被控制的流过冷却块210的液体(例如水)。冷却块210能够例如由铝之类的金属制成。
图2B是根据本发明一个实施方案的温度控制系统250的方框图。温度控制系统250进行工作来控制表面252的温度。例如，表面252能够与等离子体加工装置的等离子体加工室的外表面相关。
温度控制系统250包括热控制器254，它控制温度控制系统250的整个工作，使表面252被保持在适当的温度。热控制器254能够根据需要而控制表面252的加热和冷却以保持所希望的温度。热控制器254从耦合到表面252的温度传感器256获得表面252的温度。根据从温度传感器256得到的温度，热控制器254确定表面252需要加热还是冷却。当热控制器254确定表面252需要加热时，热控制器254能够激活加热元件258和加热元件260。通常，加热元件258和260被同时激活，从而以相似的方式加热表面252。另一方面，当热控制器确定表面需要冷却时，热控制器254能够激活冷却元件262和冷却元件264。通常，冷却元件262和264被同时激活，从而以相似的方式冷却表面252。如图2B所示，冷却元件262和264分别通过加热元件258和260被耦合到表面252。借助于通过加热元件258和260将冷却元件耦合到表面252，能够将平滑的空间和时间上的温度分布提供给表面252，从而在表面252处产生更均匀的温度分布。
通常，当加热元件258和260被激活时，冷却元件262和264不被激活，而当冷却元件262和264被激活时，加热元件258和260被停止激活。尽管如此，在某些情况下，同时使各个加热和冷却元件都被激活仍然可能是有用的。在一个实施方案中，加热元件258与冷却元件262的组合以及加热元件260与冷却元件264的组合可以如图2A所示的加热和冷却单元200那样被构造。
图3是根据本发明一个实施方案的等离子体加工装置300的剖面图。等离子体加工装置300包括热耦合到等离子体加工室304的加热和冷却板302。等离子体加工室304具有晶片固定机构306，以便在制造过程中支持晶片308(亦即衬底)。作为例子，晶片固定机构306可以是静电吸盘(ESC)。晶片308的表面由释放到晶片加工室304中的适当的等离子体加工源气体刻蚀。等离子体加工源气体可以用各种机制来释放，包括喷头或气体分配板。真空板310与等离子体加工室304的壁312保持密封接触。设在真空板310上的线圈314被耦合到射频(RF)电源(未示出)，并被用来由释放到等离子体加工室304中的等离子体加工源气体触发(点燃)出等离子体。在采用RF电源(未示出)的刻蚀工艺过程中，晶片固定机构306常常也被RF供电。为了通过导管318从等离子体加工室304引出加工气体和气态产物，还包括有泵316。
加热和冷却板302进行工作来控制等离子体加工装置300的真空板310的温度，使工作过程中暴露于等离子体的真空板310内表面保持在受控的温度。加热和冷却板302由几个不同的材料层组成，以提供加热和冷却作业。更确切地说，加热和冷却板302包括直接耦合到真空板310的热接合垫320。热接合垫320是一种相对于真空板310外表面提供共形热截面的柔软材料。加热和冷却板302也包括提供在热接合垫320上的加热块322。加热块322包括电阻元件，当馈以电流时，电阻元件就对加热块进行加热。热阻断器324被提供在加热块322上。热阻断器324在热表面与冷表面之间提供热分隔区。在热阻断器324上是冷却块326。冷却块326包括多个用来冷却冷却块326的冷却元件。因此，加热和冷却板302能够被看作一种叠层结构，它包括热接合垫320、加热块322、热阻断器324、以及冷却块326。因此，能够通过激活加热块322的加热元件或冷却块326的冷却元件来控制真空板310的温度。
图4是根据本发明另一个实施方案的等离子体加工装置400的剖面图。等离子体加工装置400相似于图3所示的等离子体加工装置300。等离子体加工装置400包括耦合到真空板310的加热和冷却板402。加热和冷却板402相似于图3所示的加热和冷却板302，其中包括叠层结构，此叠层结构包括热接合垫320、加热块322、热阻断器324、以及冷却块326。此外，加热和冷却板402包括加热块322中的凹槽404和冷却块326中的凹槽406。假定加热和冷却板402位于用来激活等离子体加工室中的等离子体的RF线圈314附近，则大量射频(RF)能量就能够环绕RF线圈314。结果，分别提供在加热块322和冷却块326中的凹槽404和406就用来基本上防止来自Rf线圈314的RF能量耦合到加热块322或冷却块326中的一个或二者。更确切地说，若提供环绕RF线圈314的导电环路以方便电磁能量的耦合，则RF线圈314就能够在加热块322或冷却块326中感应环形电流。此外，不环绕RF线圈314的涡流也能够根据其面积和到RF线圈314的距离而耦合能量。但提供在加热块322和冷却块326中的凹槽(或狭缝)用来避免出现可能用作接收从RF线圈314耦合的能量的导电环路，从而减小涡流的面积。凹槽404和406就这样防止了RF能量被耦合到加热和冷却板402。若RF能量能够被耦合到加热和冷却板402，则有可能损伤加热和冷却板402、干扰温度控制、降低可用来产生等离子体的功率和/或要求采取其它耗费成本的措施来尽量减小RF耦合。
图5是如根据一个实施方案由图4所示等离子体加工装置400所提供的那样设在真空板310上的冷却块326的俯视图。冷却块326包括由在冷却块326中循环的冷却管提供的冷却元件。在图5中，冷却管具有冷却液体的进口500和出口502。在此实施方案中，冷却液体可以是水(亦即H2O)，这是一种安全而价廉的液体，但也可以采用其它的流体。于是在冷却块326中循环的单个冷却管可用于提供冷却元件。如图5所示，单个冷却管能够被用来提供冷却元件。换言之，在此实施方案中，设在冷却块326中的冷却管的不同部分能够实现各个冷却元件。
此外，冷却块326还包括实现图4所示凹槽404和406的切口504和506。切口504和506的图形用来防止冷却块326中可能用来从线圈314接收RF能量的导电环路。换言之，在冷却块326中形成切口504和506，以便防止或至少是明显地减小RF能量被耦合到加热和冷却板302的冷却块326中。
虽然图5示出了冷却块326的冷却元件以及切口504和506的特定图形，但本技术领域熟练人员可以理解的是，也可以利用其它的冷却元件和凹槽。例如，可以由多个流动路径来代替冷却液体的单个进口和出口而提供冷却元件。而且，能够不同地布置冷却元件和凹槽(切口)，以便利用径向图形来获得相似的效果。
虽然图5示出了具有用来明显地减小从线圈314的任何RF耦合切口504和506的冷却板326，但加热板322也能够相似地被图形化成具有切口以便防止可能用来从线圈314接收RF能量的加热块322中的导电环路。而且，在一个实施方案中，加热板322中的切口被同样图形化并位于冷却板326的切口504和506上，虽然被热阻断器324分隔开了。
而且，虽然图3-5未示出在RF线圈314内部真空板310上提供加热或冷却元件，但应该指出的是，在RF线圈内部能够提供更小的加热和冷却板以提供额外的加热和冷却。这种加热和冷却板能够以相似于加热和冷却板302和402的方式被控制和利用。
图6示出了根据本发明另一个实施方案的等离子体加工装置600的剖面图。等离子体加工装置600相似于图3所示的等离子体加工装置300或图4所示的等离子体加工装置400。但等离子体加工装置600还包括提供在加热和冷却块302和402的冷却块326上的盖板602。盖板602由例如尼龙制成。
此外，具有固定位置的支持板604能够被用来将加热和冷却板302和402固定到真空板310的适当位置处，还使加热和冷却板302，402能够移动，以便维护或重构等离子体加工装置600。等离子体加工装置600包括相对于支持板604导引弹簧610和612的销606和608。弹簧610和612用来对盖板602施加压力，以便将加热和冷却板302，402偏压于真空板310的外表面。因此，支持板604、销606和608、以及弹簧610和612一起作用来使加热和冷却板302和402固定成与真空板310的外表面形成良好的热接触。而且，借助于退出销606和608并抽出加热和冷却板302和402，能够轻易地从真空板310除去加热和冷却板302，402。加热和冷却板302，402的容易移动性能够实现快速修理、维护、或重构，还能够实现按始终如一的位置和热接触重新装配。
图7是根据本发明再一个实施方案的等离子体加工装置700的剖面图。等离子体加工装置700相似于图3所示的等离子体加工装置300，但还包括多个侧壁加热和冷却单元。在图7中，示出了多个侧壁加热和冷却单元中的二个单元702和704。通常，加热和冷却单元以下面参照图9要描述的均匀方式被提供在加工室周边。
侧壁加热和冷却单元702包括热接合垫706、加热块708、热阻断器710、以及冷却块712。同样，侧壁加热和冷却单元704包括热接合片714、加热块718、热阻断器720、以及冷却块722。因此，加热和冷却单元702和704具有相似于图2A所示加热和冷却块200的布置。加热和冷却元件702和704热耦合到等离子体加工室304侧壁的外表面。加热和冷却块702和704被控制来对等离子体加工室304的侧壁进行加热或冷却，从而控制等离子体加工室304侧壁内表面的温度。
虽然图7示出了提供在真空板310上的加热和冷却板302，但应该理解的是，加热和冷却板302在本实施方案中是可选的，且等离子体加工装置700可以进行操纵以便提供耦合到等离子体加工室304侧壁的多个加热和冷却单元，并可以包括或可以不包括耦合到真空板310的加热和冷却板302。尽管如此，若等离子体加工装置700配备有加热和冷却板302，则加热和冷却板302也能够包括凹槽404和406或支持板604、销606和608、以及弹簧610和612(见图4和6)。
虽然一般根据图2A所示加热和冷却块200来设计加热和冷却单元702和704，但图8A示出了侧壁加热和冷却单元702和704的一种特别的组合。
图8A示出了侧壁加热和冷却系统800的一部分的俯视图。加热和冷却系统800用来对等离子体加工室壁802的外表面因而也是内表面进行加热或冷却。在此例子中，等离子体加工室具有圆形结构，因而壁802的示例性部分在图8A中被示为具有弯曲部分。图8A还示出了热耦合到壁802示例性部分的二个加热和冷却单元。图8A示出了各个加热和冷却单元的俯视剖面图。此加热和冷却单元包括提供薄的共形热界面的热接合片804。热接合片于是提供加热和冷却单元与壁802外表面之间的良好热耦合。加热和冷却单元还包括加热块806。各个加热块806包括电阻元件807，当电流被导通过电阻元件807时，电阻元件807用来加热加热块806。加热和冷却单元还包括一对冷却块808和810。这些冷却块分别包括冷却元件809和811。例如，冷却元件809和811可以涉及到冷却液体在其中流过的管。加热和冷却单元还包括冷却块808与加热块806之间的热阻断器812以及冷却块810与加热块806之间的热阻断器814。热阻断器812和814提供一个区域，通过此区域冷却块808和810与加热块806之间的温度差能够具有热梯度。
虽然壁802在图8A中被示为单片，但图8B示出了另一个实施方案，其中的壁是一种叠层结构802d。内壁元件802a可以由适合于等离子体加工室应用的特定材料制成。外壁元件802b可以是具有起到内壁支持物的物理特性的任何适当的材料。外壁802a以及耦合二个壁元件802a和802b的接合材料802c，必须具有适当的热导率，以便能够用图8A所示的加热和冷却系统800对内壁元件802a的内表面进行温度控制。接合材料802c的厚度和组分可以变化，以便适应所希望的热控制性能，并适应内壁材料与外壁材料802b与802a之间热膨胀系数失配的补偿。键合材料802c的厚度和组分也可以变化以改变内壁元件与外壁元件之间的电导率，从而若有需要就能够使内壁带电，同时仍然控制温度。在某些情况下，这种构造具有一些其它优点。内壁802a的材料可以被选择而不太考虑壁802的结构要求，从而能够扩大面对等离子体加工室内部的材料的化学或电学性能的选择范围。此外，这还允许选择对于壁所希望的尺寸或形状方面可能不适用的材料，但其面对反应器内部的材料是重要的。如图8B中结合部分802e所示，可以借助于适当成形为瓦片状和适当放置来得到这种内壁材料的铺贴。
图7和8所示的用于等离子体加工室侧壁的加热和冷却单元不需要包括诸如图4所示的提供在加热和冷却板302中的凹槽或狭缝，因为用于等离子体加工室侧壁的加热和冷却单元不从点燃等离子体的真空板上的线圈接收任何显著的RF耦合。
图9是根据本发明一个实施方案的等离子体加工室900的俯视剖面图。等离子体加工室900包括加工室壁902以及外容器壁904。一系列加热和冷却块906被热耦合到加工室壁902的外表面。如图9所示，加热和冷却块906可以被等距离地置于加工室壁902外围。在此实施方案中，有16个加热和冷却块906被提供来控制加工室壁902的温度。但应该理解的是，特别是若加工室壁902的热导率被明显地改变或加热和冷却块的表面面积被增大，则能够容易地提供不同数目的加热和冷却块。加工室壁902也能够是图8B所示的叠层或铺贴壁构造。而且，各个加热和冷却块906被弹簧偏压的销908偏压加工室壁902的外表面。弹簧偏压的销908被弹簧偏压到外容器壁904，从而将加热块906压向加工室壁902的外表面。此弹簧偏压不仅改善了热耦合和可重复性，而且提供了容易的可移动性，这就简化了修理、维护或重构。
图10示出了等离子体加工室1000一部分的剖面侧视图，其中能够提供加工室壁1002和外容器壁1004。例如，可以提供与图9所示的加工室壁902和外容器壁904相似的加工室壁1002和外容器壁1004。这里等离子体加工室1000包括一对垂直定位的加热和冷却块，亦即加热和冷却块1006和1008。弹簧偏压的销1010和1012分别将加热和冷却块1006和1008偏压即压向加工室壁1002。弹簧偏压的销1010和1012压向外容器壁1004。此外，弹簧偏压的销1010和1012被耦合到手柄1018。手柄1018使技术人员能够容易地从加工室壁1002移走加热和冷却块1006和1008，以便对加工室壁1002或加热和冷却块1006和1008本身进行维护、修理、更换、或其它操作。借助于将手柄拉回(离开外容器壁1004)，弹簧偏压的销1010和1012退回，致使加热和冷却块1006和1008不再压向加工室壁1002，并允许各个零件彼此相对运动而不刮擦以便于拆除或维修。
图11是根据本发明又一个实施方案的等离子体加工装置1100的剖面图。等离子体加工装置1100相似于图3所示的等离子体加工装置，其中包括加热和冷却板302。但等离子体加工装置1100包括额外的用来冷却等离子体加工装置1100其它区域的元件。确切地说，等离子体加工装置1100包括设在加热和冷却板302的冷却块310上的盖板1102。等离子体加工装置1100还包括支持板1104，它具有相对于等离子体加工室304的固定位置。销1106和1108设置为通过支持板1104向着盖板1102。弹簧1110和1112分别配备有销1106和1108，以便将加热和冷却板302偏压真空板310的外表面。换言之，弹簧1110和1112用来提供从支持板1104向着盖板1102的力，以便将加热和冷却板302压向真空板310。而且，支持板1104也可以支持DC线圈1114和1116。若支持板1104与盖板1102处于接触状态，则DC线圈的重量可以足以施加足够的力而不需要插脚1106和1108以及弹簧1110和1112配置。DC线圈1114和1116能够利用磁场来改变等离子体加工室中的等离子体分布。在此处作为引用的正在申请中的名称为“IMPROVEDPLASMA PROCESSING SYSTEM AND METHODS THEREFOR”的美国申请No.09/439661(代理人案号No.LAM1P122)中，描述了关于DC线圈的工作及其在等离子体加工装置上的应用。而且，为了冷却DC线圈或支持DC线圈1114和1116的支持板1104，支持板1104包括冷却支持板1104的冷却元件1118和1120。在一个实施方案中，能够用其中流过冷却液体的管(管道)来提供冷却元件1118和1120。以这种方式，能够对DC线圈1114和1116的工作温度进行冷却，使之在工作过程中不过热和/或使其温度能够被大致控制，以便提供更均匀的工作。在一个实施方案中，为了更好地冷却DC线圈1114和1116，冷却元件1118和1120可以被直接提供在DC线圈1114和1116下方。若DC线圈1116和1114以及支持板1104的重量被用来将加热和冷却板302(温度控制叠层装配件)压向真空板310(温度被控制的表面)，则可以预见有可能在热学上和机械上用冷却块310和盖板1102的冷却元件1118和1120来代替冷却支持板1104。
冷却块可以利用普通水流过其中的冷却管来冷却有关的表面，在一种实现方法中，冷却水的温度被固定在大约15-20℃，而流速被控制来提高或降低冷却块的冷却速率。
热阻断器一般由诸如硅酮橡胶之类的橡胶制成。隔热层的温度系数一般可以为0.1-2W/m.K，更确切地说是大约1W/m.K。热接合片也可以由诸如注有金属的硅酮橡胶之类的橡胶制成。但热接合片被设计成具有比较高的热导率(例如4W/m.K)，使加热和冷却板被更好地热耦合到真空板的表面。在这方面，用于热接合片的橡胶可以添加有银，以提高其热导率。温度传感器可以设在许多地方。在一个实施方案中，温度传感器被耦合到加热和冷却板使用的真空板的外表面，并被耦合到侧壁的适当位置处，以便监测加热和冷却元件使用的温度。
本发明能够在等离子体加工装置的工作过程中将等离子体加工室的温度控制在大约±5℃。本发明还能够提供关于本发明加工室的平滑的空间温度分布以便适当放置有加热和冷却元件的中。
等离子体加工室可以是碳化硅(SiC)，它具有良好的热导率(例如＞200W/m.K)，但由于热膨胀问题而比金属衬里更难以加热和冷却。本发明特别适合于对碳化硅制成的等离子体加工室的提供温度控制。本发明不仅按需要提供需要的冷却，而且还提供需要的加热。等离子体加工室的加热和冷却从等离子体加工室外部被有利地提供。
本发明的优点是很多。不同的实施方案或实现方法可以产生下列优点中的一个或多个。本发明的一个优点是，本发明使等离子体加工装置的温度能够以明显地提高了的准确性和精确性被控制。本发明的另一个优点是，加热和冷却二者通过共同的热界面而被提供。本发明的又一个优点是，利用共同的热界面，不仅能够提供冷却和加热，而且得到的温度被控制的表面的温度分布还是均匀而平滑的。本发明的再一个优点是，本发明是无损害的并容易拆除。
虽然仅仅详细地描述了本发明的几个实施方案，但应该理解的是，不脱离本发明的构思与范围，本发明可以以许多其它的具体形式加以实施。因此，这些例子被认为是示例性的而非限制性的，且本发明不局限于这里处给出的细节，而是可以在所附权利要求书的范围内变化。

Claims (18)

1.一种等离子体加工装置，它包含：
具有壁和盖的加工室，所述壁和盖都具有内表面和外表面，所述加工室被用来利用由加工气体产生的等离子体来加工衬底；
所述加工装置还包含用来产生RF能量以点燃等离子体的RF线圈；
热耦合到所述加工室外表面的热控制系统，所述热控制系统包括至少一个组合加热和冷却块，它被控制来调整所述加工室内部的温度，所述组合加热和冷却块是一种叠层结构且包括：加热元件、冷却元件、和在所述加热元件与所述冷却元件之间的热阻断器；
其特征在于，所述加热元件被热耦合到所述加工室的外表面，且所述冷却元件通过所述热阻断器热耦合到所述加工室的外表面和所述加热元件，其中所述加热元件和所述冷却元件中的至少一个包括狭槽，以便尽量减小从所述RF线圈的RF耦合，并且所述至少一个组合加热和冷却块是弹簧偏压在所述加工室的外表面。
2.如权利要求1所述的等离子体加工装置，其特征在于，所述组合加热和冷却块被热耦合到所述加工室的一个壁。
3.如权利要求2所述的等离子体加工装置，其特征在于，所述加工室的壁包括热和/或电接合的材料叠层。
4.如权利要求3所述的等离子体加工装置，其特征在于，所述加工室的壁包括通过铺贴热和/或电接合的材料叠层。
5.如权利要求1所述的等离子体加工装置，其特征在于，所述组合加热和冷却块被热耦合到所述加工室的盖。
6.如权利要求1所述的等离子体加工装置，其特征在于，
所述组合加热和冷却块叠层结构还包括共形接合垫，
且，其中所述加热元件通过所述共形接合垫被热耦合到所述加工室的外表面，且所述冷却元件通过所述热阻断器、所述加热元件、和所述共形接合垫热耦合到所述加工室的外表面。
7如权利要求1所述的等离子体加工装置，其特征在于，至少所述加工室的壁和盖的内表面是陶瓷制的。
8.如权利要求7所述的等离子体加工装置，其特征在于，所述陶瓷是SiC。
9.如权利要求1所述的等离子体加工装置，其特征在于，
至少所述加工室的壁和盖的内表面是陶瓷制的，且
其中所述加热元件和所述冷却元件是金属制的。
10.如权利要求6所述的等离子体加工装置，其特征在于，
所述热阻断器和所述共形接合垫是橡胶制的。
11.如权利要求10所述的等离子体加工装置，其特征在于，所述热接合垫的热导率大于所述热阻断器的热导率。
12.一种半导体制造装置，它包括：
由壁和底表面形成的等离子体加工室；
可拆卸地耦合到所述等离子体加工室壁的顶部的密封盖；
设在所述密封盖上表面上的加有RF电的电极；
耦合到所述密封盖或所述等离子体加工室的至少一个温度传感器；
耦合到所述密封盖的上表面的第一加热和冷却单元；以及
耦合到所述等离子体加工室壁的外表面的第二加热和冷却单元；
其特征在于，所述第一加热和冷却单元是可拆除地弹簧偏压在所述密封盖的上表面，或所述第二加热和冷却单元是可拆除地弹簧偏压在所述等离子体加工室壁的外表面；
每个所述第一和第二加热和冷却单元是一种叠层结构且包含：加热元件、冷却元件、以及所述加热元件与所述冷却元件之间的热阻断器；
所述第一加热和冷却单元的所述加热元件被热耦合到所述等离子体加工室的所述密封盖的上表面，而所述第一加热和冷却单元的所述冷却元件通过所述热阻断器和所述加热元件被热耦合到所述等离子体加工室的所述密封盖的上表面；
所述第二加热和冷却单元的所述加热元件被热耦合到所述等离子体加工室的外表面，而所述第二加热和冷却单元的所述冷却元件通过所述热阻断器和所述加热元件被热耦合到所述等离子体加工室的外表面。
13.如权利要求12所述的半导体制造装置，其特征在于，所述第一加热和冷却单元被构型成避免RF能量从所述加有RF电的电极耦合到所述第一加热和冷却单元中。
14.如权利要求13所述的半导体制造装置，其特征在于，所述第一加热和冷却单元包括狭槽，以便避免RF能量从所述加有RF电的电极耦合到所述第一加热和冷却单元中。
15.一种等离子体加工装置，它包括：
具有壁和盖的加工室，该壁和盖都具有内表面和外表面，所述加工室利用由加工气体产生的等离子体来加工衬底；以及
调整所述加工室内的温度的装置，调整是通过当内部温度低于下目标温度时，用加热元件加热所述加工室，而当内部温度高于上目标温度时，用冷却元件经过加热元件冷却所述加工室；
其特征在于，所述调整所述加工室内的温度的装置是弹簧偏压在所述加工室的外表面；
所述调整所述加工室内的温度的装置包括：加热元件、冷却元件、以及所述加热元件与所述冷却元件之间的热阻断器；
所述加热元件被热耦合到所述加工室的外表面，而所述冷却元件通过所述热阻断器和所述加热元件被热耦合到所述加工室的外表面。
16.一种供加工室使用、具有叠层构造的组合加热和冷却块，所述加工室利用由加工气体产生的等离子体来加工衬底，所述组合加热和冷却块包括：
加热元件；
冷却元件；以及
所述加热元件与所述冷却元件之间的热阻断元件；
其特征在于，所述组合加热和冷却块是可拆除地弹簧偏压在所述加工室的外表面；
所述加热元件被热耦合到所述加工室的外表面，而所述冷却元件通过所述热阻断器和所述加热元件被热耦合到所述加工室的外表面。
17.如权利要求16所述的组合加热和冷却块，其特征在于，所述组合加热和冷却块包括：
固定到所述加热元件的共形接合垫。
18.如权利要求17所述的组合加热和冷却块，其特征在于，所述热阻断器是一种橡胶产品，且其中所述加热元件和所述冷却元件是金属制的。
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