TW201340165A - 一種等離子反應器 - Google Patents

Abstract

本發明揭露一種等離子反應器，包括位於反應器底部的一個基座，處理基板放置在所述基座上，基座內包括至少一熱交換管道，所述熱交換管道包括一個冷卻液入口和一個冷卻液出口，一個冷卻器包括一個第一溫度冷卻液容器和第二溫度冷卻液容器，通過閥門控制第一、第二冷卻液容器輸出並到達冷卻液混合室的冷卻液流量比率，冷卻液混合室輸出混合後的冷卻液到所述熱交換管道的冷卻液入口；一個冷卻液回收容器包括第一介面連接到熱交換管道的冷卻液出口，所述冷卻液回收容器還包括一個第二和三介面分別連接到第一溫度冷卻液容器和第二溫度冷卻液容器。

Description

一種等離子反應器

本發明關於一種半導體制程設備，尤其是對於基板實施等離子體處理的等離子體處理裝置，具體地，關於施加到等離子處理裝置的基座溫度控制系統。

在半導體設備的製造過程中，例如蝕刻、沉積、氧化、濺射等處理過程中，通常會利用等離子體對基板(半導體晶片、玻璃基板等)進行處理。

在高頻放電方式的等離子體處理裝置中，包括電容耦合型等離子體反應器，電容耦合型反應器通常配置有上部電極和下部電極，優選地這兩個電極平行設置。而且，通常在下部電極之上載置被處理基板，經由整合器將等離子體生成用的高頻電源施加於上部電極或者下部電極。通過由該高頻電源所生成的高頻電場來使反應氣體的外部電子加速，從而產等離子體對下部基板進行等離子處理。

在習知技術中，很多工藝效果受溫度影響很大，比如CF化合物沉積過程中溫度較低時沉積速率較大，在其它工藝中則要求溫度較高。傳統加工過程中一個工藝步驟時間較長可長達幾分鐘，在不同步驟切換時有足夠的時間來獲得最佳的溫度。但是在現在過孔矽(TSV)蝕刻時需要蝕刻-沉積交替上千步，需要快速的溫度控制系統來實現這一苛刻要求。習知技術通常用冷卻器中溫度受控的冷卻液(水，導熱油等)帶走基板下方基座內的熱量或者給基座加熱實現對基板溫度的控制。如圖1示出為習 知技術的等離子反應器縱截面示意圖。本領域技術人員理解，在習知技術中，等離子體處理裝置通常包括：例如由內部成為密閉空間的真空腔室構成的處理容器100；在該處理容器100的底面中央配設的基座，基座內包括下電極22；以及在基座的上方以與該基座相對的方式設置著的上電極11，上電極通常同時作為氣體噴口，典型的如氣體噴淋頭，該氣體噴淋頭連接到處理氣體氣源110。

上述下電極22形狀與所述上部電極11相適應；基座還可以包括固定基板20用的基板固定裝置21，典型的如靜電夾盤。待加工的基板如晶圓被放置在基板固定裝置21上方。環繞基板固定裝置21和基板20的還包括一個邊緣環10，該邊緣環可以選擇不同材料。所述下電極22通過電纜或者氣體線路連接到射頻電源402。射頻電源供應的射頻可以是13.56-120Mhz的頻率，用以產生等離子體。下電極同時還連接到一個低頻射頻電源，如小於等於2MHz的射頻電源，以控制入射的等離子的能量。本發明所述等離子反應器除了如圖1所示電容耦合型反應器也可以是電感耦合型(ICP)反應器。一個冷卻器30通過冷卻液管道32向等離子反應器基座供應冷卻液，在基座中完成熱交換後冷卻液通過管道34回到冷卻器。所述基座可以是安裝有熱交換管道的靜電夾盤，也可以是包含冷卻液管道下電極。

但是冷卻器中的冷卻液要在冷卻器到等離子反應器基座，再從基座完成熱交換後回到冷卻器完成整個迴圈，迴圈過程中冷卻液溫度會發生變化，冷卻液體積也會發生變化，所以冷卻器中加熱的參數如加熱功率等必須不停變化才可能獲得精確的溫度。這就增加了系統的複雜性和可靠性。而且整個系統中冷卻液會發生滲漏等情況，也會導致冷卻液的總量變化所以無法精確的加熱冷卻液達到最佳的溫度。所以業界需要一個能對基板表面溫度進行精確快速控制的溫度控制系統。

針對習知技術等離子反應器中基板溫度無法精確而快速的 切換的缺陷，本發明的目的是提供一種等離子反應器，包括位於反應器底部的一個基座，處理基板放置在所述基座上，一個反應氣體供應裝置向反應器供應反應氣體，一個等離子發生裝置使反應氣體產生等離子體，所述基座內包括至少一熱交換管道，所述熱交換管道包括一個冷卻液入口和一個冷卻液出口，一個冷卻器向所述熱交換管道供應具有設定溫度的冷卻液，其特徵在於：所述冷卻器包括一個第一溫度冷卻液容器和第二溫度冷卻液容器，一個控制器使第一溫度冷卻液容器中的冷卻液具有第一溫度，使第二溫度冷卻液容器中的冷卻液具有第二溫度；第一溫度冷卻液容器輸出口通過第一可控閥門輸出具有第一溫度的冷卻液到冷卻液混合室，第二溫度冷卻液容器輸出口通過第二可控閥門輸出具有第二溫度的冷卻液到冷卻液混合室，所述冷卻液混合室輸出混合後的冷卻液到所述熱交換管道的冷卻液入口；一個冷卻液回收容器包括第一介面連接到所述熱交換管道的冷卻液出口，所述冷卻液回收容器還包括一個第二和三介面分別連接到第一溫度冷卻液容器和第二溫度冷卻液容器。

其中第一、第二溫度冷卻液容器輸出口與第一、第二可控閥門之間各包括一個泵。

第一可控閥門包括一輸入端連接到第一溫度冷卻液容器的輸出口，還包括一個輸出端和一個回流端，所述輸出端輸出冷卻液到所述冷卻液混合室，所述回流端回流所述冷卻液到所述第一溫度冷卻液容器。通過可控閥門控制閥門的開度使流入可控閥門輸入端的冷卻液按比例流到輸出端和回流端。所述控制器控制所述第一和第二可控閥的開度，使所述冷卻液混合室輸出的溫度在所述第一溫度和第二溫度之間。所述第一溫度和第二溫度相差大於30℃，或者所述第一溫度大於40℃，第二溫度小於0 ℃。

其中冷卻液回收容器位於所述第一、第二溫度冷卻液容器上方。

所述控制器驅動一個溫度控制裝置使所述第一、第二溫度冷卻液容器內的冷卻液具有第一溫度和第二溫度，所述溫度控制裝置選自壓縮製冷機和加熱器。

熱交換管道具有第二冷卻液入口和第二冷卻液出口；所述第一溫度冷卻液容器輸出口通過第三可控閥門輸出具有第一溫度的冷卻液到一個第二冷卻液到混合室，第二溫度冷卻液容器輸出口通過第四可控閥門輸出具有第二溫度的冷卻液到第二冷卻液混合室，所述第二冷卻液混合室輸出混合後的冷卻液到熱交換管道的第二冷卻液入口，熱交換管道的第二冷卻液出口連接到所述冷卻液回收容器。

本發明提出的冷卻器通過將兩種具有不同溫度的冷卻液通過閥門混合實現冷卻液輸出溫度的快速切換。同時本發明還提供了一個冷卻液回收容器使回流後的冷卻液位於兩個不同溫度冷卻液容器上方，保證兩個不同溫度冷卻液容器始終保持填滿狀態，保證溫度的精確性。

本發明所採用的具體實施例，將藉由以下之實施例及附呈圖式作進一步之說明。

100‧‧‧處理容器

10‧‧‧邊緣環

11‧‧‧電極

110‧‧‧氣體氣源

20‧‧‧基板

21‧‧‧基板固定裝置

22‧‧‧電極

30‧‧‧冷卻器

302‧‧‧第一冷卻液容器

304‧‧‧第二冷卻液容器

306‧‧‧回收容器

312‧‧‧管道

313‧‧‧閥門

314‧‧‧管道

315‧‧‧閥門

316‧‧‧管道

317‧‧‧管道

318‧‧‧管道

319‧‧‧管道

32‧‧‧管道

322‧‧‧混合室

34‧‧‧管道

402‧‧‧射頻電源

圖1示出根據習知技術的等離子反應器縱截面圖；圖2示出了根據本發明的冷卻器實施例的結構圖。

如圖2所示本發明對冷卻器系統30進行了改進，本發明冷卻器包括第一冷卻液容器302，其中的冷卻液具有第一溫度。第一冷卻液容 器302具有配套的溫度控制裝置比如加熱器進行加熱或者壓縮機進行冷卻。同時冷卻器包括第二冷卻液容器304，其中的冷卻液具有第二溫度，第二冷卻液容器304也具有配套的溫度控制裝置。通過一個控制器(圖中未示出)來控制溫度控制裝置使得第一、第二冷卻液容器中的冷卻液具有精確的第一、第二溫度，其中第一和第二溫度不同。第一冷卻液容器302通過管道312連接到第一可控閥門313，管道312上還可以包括泵以驅動冷卻液在管道內流動。第一可控閥門313包括一個輸出端，通過管道316輸出具有第一溫度的冷卻液到一個混合室322。第一可控閥門還包括一個回流端，通過管道317將沒有輸出的冷卻液回流入第一冷卻液容器302同樣第二冷卻液容器304通過管道314連接到第二可控閥門315，第二可控閥門315包括一輸出端，所述輸出端通過管道318輸出具有第二溫度的冷卻液到混合室322。第二可控閥門還包括一個回流端，所述回流端通過管道319將沒有輸出的冷卻液回流入第二冷卻液容器304。混合室322將來自第一和第二冷卻液容器的具有不同溫度的冷卻液混合，形成具有目標溫度的混合冷卻液通過冷卻液管道32向等離子反應器內的基座供應冷卻液。

所述控制器還對所述第一和第二可控閥門進行控制，使閥門具有不同開度，比如從0%-100%。其中0%代表冷卻液全部回流入冷卻液容器沒有流入下游的混合室，100%代表冷卻液全部流入下有的混合室322。這樣一來通過控制每個可控閥門的開度就能控制不同溫度冷卻液的混合比率，最終在混合室中混合後的冷卻液溫度也能得到精確控制。由於閥門可以快速切換，而不需要溫度控制裝置緩慢調整溫度，只要調節兩種不同溫度的比率就能實現混合冷卻液在第一溫度到第二溫度間的切換。其中第一溫度和第二溫度可根據實際加工工藝的需要自由選擇，比如第一溫度可以是80℃，第二溫度可以是-20℃。這樣在不同加工步驟切換中就可以實現-20到80℃之間的大範圍溫度切換。比如第一個加工步驟要求70℃的最佳溫 度，此時設置具有第一溫度80℃的冷卻液有90%流入混合室，另有第二溫度-20℃的冷卻液10%，最終混合後兩種的輸出溫度為70℃。在其後的第二加工步驟要求溫度為10℃，則可以選擇第一溫度的冷卻液30%流入混合室，第二溫度的冷卻液70%流入混合室。由於閥門切換速度很快，所以從70℃到10℃的冷卻液切換速度也很快，在幾十秒如60秒內就能實現不同工作溫度的切換。溫度受控的冷卻液最後輸出到基座內的熱交換管道，控制基板的溫度。所述第一溫度和第二溫度的選擇可以根據加工工藝的要求作不同設置，只要兩個溫度差距足夠大而且覆蓋加工工藝可能需要的所有溫度。比如兩者溫度差大於30℃，或者更優的大於50℃，或者第一溫度大於40℃，第二溫度小於0℃。

經過基座內熱交換管道的熱交換後，基座的溫度能夠得到精確控制，從而放置在基座上的基板溫度得到控制。

本發明冷卻器還包括一個冷卻液回收容器306，將經過基座內熱交換後回流到冷卻器的冷卻液儲存起來。因為第一、二冷卻液容器302,304的輸出流量在不停切換中所以回流的冷卻液補充入不同冷卻液容器的流量也要求不同。由於回收容器306的存在，只要其中的液面高於第一、二冷卻液容器302、304的液面，冷卻液能夠自動向下流入下方的冷卻液容器並且填滿。由於冷卻液經過一個迴圈後溫度會發生變化，而且管道中長期運行會有滲漏，所以回收容器306中的液面會發生變化，但是下方的冷卻液容器302、304始終保持填滿狀態，這樣所述溫度控制裝置如加熱器在液體總量不變的情況下能夠更精確的控制加熱功率，獲得精確的溫度，其精度可以達到±2℃。最終獲得混合室輸出時的溫度精度也能夠達到±2℃以內如±1℃。

本發明冷卻器的第一、二冷卻液容器302,304的冷卻液出口和混合室322冷卻液輸出口都設有溫度感測器或者壓力感測器用，所述控 制器通過感測器檢測到的資訊來控制溫度控制裝置或者可控閥門313、315的工作。

本發明第二實施例，對於具有多個熱交換管道來獨立控制不同區域溫度的基座，所述熱交換管道具有第二組冷卻液入口和出口。除了如圖2中的一個輸出端管道32供應基座內的熱交換管道，還包括第二套冷卻液輸出系統。比如由可控閥門連接到第一、二冷卻液容器302、304，可控閥門通過管道輸出冷卻液到第二個混合室，混合室通過管道輸出到基座中另一個溫控區域。最後回流的冷卻液仍然流到冷卻液回收容器306，實現整個迴圈。除了第二套冷卻液輸出系統也可以有第三套甚至更多輸出系統，這樣本發明冷卻器就能夠對基座中多個區域進行精確的快速的溫度控制。

本發明也可以是兩種不同溫度的冷卻液混合，只調節其中一種溫度的流量，另一溫度的冷卻液具有固定流量，也就是閥門開度固定。雖然這樣相對第一第二實施例可調溫度範圍較小，但是也能夠實現本發明目的。本發明所述各種容器其內部體積遠大於各種冷卻液輸送管道及熱交換管道內的容積，其比率大於20：1，所以所述各種冷卻液容器具有相對精確而穩定的溫度，不易受其它外部因素的干擾。採用閥門控制混合液比率後同時能兼顧輸出冷卻液溫度的靈活性。

以上之敘述僅為本發明之較佳實施例說明，凡精於此項技藝者當可依據上述之說明而作其它種種之改良，惟這些改變仍屬於本發明之發明精神及以下所界定之專利範圍中。

100‧‧‧處理容器

10‧‧‧邊緣環

11‧‧‧電極

110‧‧‧氣體氣源

20‧‧‧基板

21‧‧‧基板固定裝置

22‧‧‧電極

30‧‧‧冷卻器

32‧‧‧管道

34‧‧‧管道

402‧‧‧射頻電源

Claims (10)

1. 一種等離子反應器，包括位於該反應器底部的一個基座，一處理基板放置在該基座上，一個反應氣體供應裝置向該反應器供應反應氣體，一個等離子發生裝置使該反應氣體產生等離子體，該基座內包括至少一熱交換管道，該熱交換管道包括一個冷卻液入口和一個冷卻液出口，一個冷卻器向該熱交換管道供應具有設定溫度的冷卻液，其中：該冷卻器包括一個第一溫度冷卻液容器和第二溫度冷卻液容器，一個控制器使該第一溫度冷卻液容器中的冷卻液具有第一溫度，且使該第二溫度冷卻液容器中的冷卻液具有第二溫度；一第一溫度冷卻液容器輸出口通過一第一可控閥門輸出具有該第一溫度的冷卻液到一冷卻液混合室，一第二溫度冷卻液容器輸出口通過一第二可控閥門輸出具有該第二溫度的冷卻液到該冷卻液混合室，該冷卻液混合室輸出混合後的冷卻液到該熱交換管道的冷卻液入口；一個冷卻液回收容器包括一第一介面連接到該熱交換管道的冷卻液出口，該冷卻液回收容器還包括一個第二介面和一個第三介面分別連接到該第一溫度冷卻液容器和該第二溫度冷卻液容器。
2. 如請求項1所述的等離子反應器，其中該第一溫度冷卻液容器輸出口與該第一可控閥門之間包括一個泵。
3. 如請求項1所述的等離子反應器，其中該第一可控閥門包括一輸入端連接到該第一溫度冷卻液容器的輸出口，還包括一個輸 出端和一個回流端，該輸出端輸出冷卻液到該冷卻液混合室，該回流端回流該冷卻液到該第一溫度冷卻液容器。
4. 如請求項3所述的等離子反應器，其中該可控閥門控制其開度使流入該可控閥門之輸入端的冷卻液按比例流到該輸出端和該回流端。
5. 如請求項1所述的等離子反應器，其中該冷卻液回收容器位於該第一溫度冷卻液容器及該第二溫度冷卻液容器的上方。
6. 如請求項1所述的等離子反應器，其中該控制器驅動一個溫度控制裝置維持該第一溫度和該第二溫度，該溫度控制裝置選自一壓縮製冷機和一加熱器。
7. 如請求項1所述的等離子反應器，其中該控制器控制該第一可控閥和該第二可控閥的開度，使該冷卻液混合室輸出的溫度在該第一溫度和該第二溫度之間。
8. 如請求項1所述的等離子反應器，其中該第一溫度和該第二溫度相差大於30℃。
9. 如請求項8所述的等離子反應器，其中該第一溫度大於40℃，該第二溫度小於0℃。
10. 如請求項1所述的等離子反應器，其中該熱交換管道具有一第二冷卻液入口和一第二冷卻液出口；該第一溫度冷卻液容器輸出口通過一第三可控閥門輸出具有該第一溫度的冷卻液到一個第二冷卻液混合室，該第二溫度冷卻液容器輸出口通過一第四可控閥門輸出具有該第二溫度的冷卻液到該第二冷卻液混合室，該第二冷卻液混合室輸出混合後的冷卻液到該熱交換管道的第二冷卻液入口， 該熱交換管道的第二冷卻液出口連接到該冷卻液回收容器。