TW201417178A

TW201417178A - 一種等離子體處理設備及其中的溫度隔離裝置

Info

Publication number: TW201417178A
Application number: TW102137390A
Authority: TW
Inventors: chao-yang Xu; Tuqiang Ni; Songlin Xu; Ning Zhou
Original assignee: Advanced Micro Fab Equip Inc
Priority date: 2012-10-29
Filing date: 2013-10-16
Publication date: 2014-05-01
Also published as: TWI534887B; CN103794457A; CN103794457B

Abstract

本發明涉及一種等離子體處理設備及其中的溫度隔離裝置；所述等離子體處理設備設置有能夠密閉的腔室，所述腔室的側壁頂部設置有環蓋；所述腔室的頂部由介電窗構成，所述環蓋與所述介電窗之間存在溫度差；所述溫度隔離裝置是設置在所述環蓋頂部的隔熱圈；所述隔熱圈的頂面，與所述介電窗的一部分底面相接觸，實現對介電窗的支撐，從而隔絕介電窗與所述環蓋之間的導熱接觸，以阻止熱量由所述介電窗向環蓋傳導，實現減少介電窗中心位置到邊緣位置的溫度梯度的目的。本發明能夠有效提升等離子體處理設備的安全性能。

Description

一種等離子體處理設備及其中的溫度隔離裝置

本發明涉及半導體製造設備領域，特別涉及一種等離子體處理設備及其中的溫度隔離裝置。

目前，在半導體製造工藝中廣泛實施以進行薄膜沉積或蝕刻等作為目的的等離子體處理。例如在圖1、圖2所示的電感耦合型等離子體處理設備中，設置有真空的腔室300，在腔室300內的底部設有基座600，基座600上設有靜電夾具700，被處理的基板500(例如是半導體晶圓，玻璃基板等)放置於所述靜電夾具700上。腔室300的頂部設置為介電窗100，一般由陶瓷材料(Al₂O₃)構成。在所述腔室300的環形側壁頂部設置有環蓋200，由環蓋200上由內邊緣向外延伸的一部分頂面，與介電窗100上由外邊緣向內延伸的一部分底面相接觸(標號110示出的即是兩者的接觸面位置)，從而通過環蓋200對介電窗100進行支撐。在腔室300外，一般在介電窗100的上方，設置有線圈狀的感應天線400。向所述感應天線400施加RF射頻電流，從而在感應天線400周圍產生磁場，該磁場的磁力線貫穿介電窗100，在腔室300內，位於被處理基板500上方與介電窗100底部之間的反應區域產生感應電場，進而通過所述感應電場對導入腔室300內的反應氣體的分子或原子發生電離碰撞，從而在反應區域內形成反應氣體的等離子體對基板500進行處理。

腔室300內產生的等離子體會在反應區域中高效地向四周擴散，則在長時間的處理過程中等離子體會轟擊介電窗100 的底面，從而在介電窗100中蓄積足夠多的熱量(例如是3KW)，以使介電窗100及其周邊的溫度升高。然而，由於支撐介電窗100的環蓋200一般是由金屬(例如是鋁Al或者其合金等)材料製成，則環蓋200與介電窗100在比熱容、熱膨脹係數及導熱能力等方面都有很大差別。並且，除了在環蓋200內部開設有向腔室300內輸送氣體的管道210以外，在環蓋200內部還另外開設有管道220供冷卻液流通來降低環蓋200的溫度。因此，介電窗100的溫度會高於環蓋200的溫度，使得熱量經由介電窗100與環蓋200相接觸的邊緣位置，從介電窗100向環蓋200進行傳導。其結果是在介電窗100的中心位置與該介電窗100上接觸環蓋200的邊緣位置之間產生巨大的溫度梯度，一方面使得在介電窗100下方反應區域內形成的等離子體在中心及邊緣區域不均勻分佈的問題發生，影響對基本處理的均勻性；另一方面所具有的溫度差還使得介電窗100發生變形，從而導致介電窗100開裂並打碎腔室300內的基板或其他設備，嚴重影響整個等離子體處理裝置的安全性。

本發明的目的是設計一種等離子體處理設備及其中的溫度隔離裝置，用隔熱材料製成的隔熱圈，替換環蓋上原先與介電窗相接觸的部分，以阻止介電窗的熱量向環蓋傳導，從而減小介電窗的中心位置與邊緣位置之間的溫度梯度，避免介電窗因溫差所造成的開裂現象，有效提高等離子處理設備的安全性能。

為了達到上述目的，本發明的一個技術方案是提供一種溫度隔離裝置，用於等離子體處理設備；所述等離子體處理設備設置有能夠密閉的腔室，所述腔室的側壁頂部設置有環蓋；所述腔室的頂部由介電窗構成，所述環蓋與所述介電窗之間存在溫度差；所述溫度隔離裝置是設置在所述環蓋頂部的隔熱圈；所述隔熱圈的頂面，與所述介電窗的一部分底面相接觸，實現對介電窗的支撐，從而隔絕介電窗與所述環蓋之間的導熱接觸，以阻止熱量由所述介電窗向環蓋傳導，減少介電窗中心位置到邊緣位置的溫度梯度。

所述的隔熱圈是由不受等離子體處理設備中進行的處理反應影響的隔熱或絕熱材料製成。

優選的實施例中，所述隔熱圈使用特氟龍或石英材料製成。

所述介電窗由陶瓷材料製成；所述環蓋由金屬材料製成。

優選的實施例中，在所述環蓋頂部切除了由環蓋內邊緣向外徑向延伸一段設定距離後的部分形成有環狀槽，所述隔熱圈嵌設在該環狀槽內。

優選的實施例中，所述環蓋頂部嵌入設置有O型密封圈，所述隔熱圈的外側邊緣與所述O型密封圈的內邊緣相貼合；所述介電窗底面的最外側部分懸空設置於所述O型密封圈的上方，所述介電窗與所述O型密封圈之間沒有導熱接觸；將所述介電窗底面上從最外側部分向內徑向延伸一段設定距離後的表面設為次外側部分，則所述介電窗底面的次外側部分與所述隔熱圈的頂面相接觸。

本發明的另一個技術方案是提供一種等離子體處理設備，設置有如上所述的溫度隔離裝置；所述等離子體處理設備設置有一個能夠密閉的腔室，腔室內的底部設有基座，基座上還設有靜電夾具，被處理的基板放置於靜電夾具的頂面上；所述腔室的頂部由介電窗構成；在腔室外、所述介電窗的上方設置有感應天線，向所述感應天線施加RF射頻電流後，能夠在腔室內位於被處理基板上方與介電窗底部之間的反應區域，產生引入該反應區域的反應氣體的等離子體；所述腔室的側壁頂部設置有環蓋，所述環蓋與所述介電窗之間存在溫度差；所述環蓋頂部設置有隔熱圈，並且，通過使所述隔熱圈的頂面，與所述介電窗的一部分底面相接觸，實現對介電窗的支撐，從而隔絕介電窗與所述環蓋之間的導熱接觸，以阻止熱量由所述介電窗向環蓋傳導，減少介電窗中心位置到邊緣位置的溫度梯度。

所述的隔熱圈是由不受等離子體處理設備中進行的處理反應影響的隔熱或絕熱材料製成，所述隔熱或絕熱材料具有小於1W/(m-K)的導熱係數。

優選的實施例中，所述隔熱圈使用特氟龍或石英材料製成。

所述介電窗由陶瓷材料製成；所述環蓋由金屬材料製成。

優選的實施例中，在所述環蓋頂部切除了由環蓋內邊緣向外徑向延伸一段設定距離後的部分形成了環狀槽，所述隔熱圈嵌設在該環狀槽內。

優選的實施例中，所述環蓋頂部嵌入設置有O型密封圈，所述隔熱圈的外側邊緣與所述O型密封圈的內邊緣相貼合；所述介電窗底面的最外側部分懸空設置於所述O型密封圈的上方，所述介電窗與所述O型密封圈之間沒有導熱接觸；將所述介電窗底面上從最外側部分向內徑向延伸一段設定距離後的表面設為次外側部分13，則所述介電窗底面的次外側部分與所述隔熱圈的頂面相接觸。

優選的實施例中，所述等離子體處理設備中，通過設置在所述介電窗上方的風冷結構，對該介電窗進行散熱。

優選的實施例中，所述環蓋內部分別開設有能夠向所述腔室內輸送氣體的第一管道，和供冷卻液流通以降低環蓋溫度的第二管道。

優選的實施例中，所述腔室內部為真空或低壓環境，所述腔室外部為大氣環境。

本發明的還有一個技術方案是提供一種電感耦合型等離子反應器，所述等離子體處理設備設置有能夠密閉的腔室，一個介電窗安裝到所述腔室的側壁頂部，介電窗上方安裝有電感線圈；其特徵在於：所述側壁頂部與介電窗之間通過一個安裝環相連接固定，所述安裝環在與所述介電窗相接觸的上表面包括一個由低導熱材料製成接觸部，其中所述低導熱材料具有小於1w/(m-K)的導熱係數。

優選的實施例中，所述接觸部上表面具有至少一個溝槽。

優選的實施例中，所述安裝環還包括一氣密環圍繞在所述接觸部外圍。

本發明提供等離子體處理設備及其中的溫度隔離裝置，其優點在於：本發明由於在環蓋上設置隔熱/絕熱材料的隔熱圈，通過隔熱圈的頂面與介電窗的底面相接觸，能夠有效阻止熱量從介電窗的邊緣位置向環蓋方向傳導。相比現有技術中直接使金屬的環蓋與介電窗接觸，或者在環蓋上使用陶瓷材料製成的環狀與介電窗接觸來比，本發明中介電窗的中心位置到邊緣位置的溫度相對更為平均，溫度梯度顯著減小，從而能夠避免介電窗因溫差所造成的開裂現象，提供了一種安全性能更高的等離子處理設備。

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。

〔本發明〕

10‧‧‧介電窗

12‧‧‧最外側部分

13‧‧‧次外側部分

20‧‧‧環蓋

21‧‧‧第一管道

22‧‧‧第二管道

23‧‧‧O型密封圈

30‧‧‧側壁

50‧‧‧基板

60‧‧‧基座

70‧‧‧靜電夾具

80‧‧‧隔熱圈

〔習知〕

100‧‧‧介電窗

110‧‧‧接觸面位置

200‧‧‧環蓋

210、220‧‧‧管道

300‧‧‧腔室

400‧‧‧感應天線

500‧‧‧基板

600‧‧‧基座

700‧‧‧靜電夾具

圖1是現有等離子體處理設備的總體結構示意圖；圖2是現有等離子體處理設備中介電窗與環蓋接觸位置的放大結構示意圖；圖3是本發明所述帶溫度隔離裝置的等離子體處理設備的總體結構示意圖；圖4是本發明所述帶溫度隔離裝置的等離子體處理設備中介電窗與環蓋接觸位置的放大結構示意圖；圖5~圖10是比較現有技術與本發明的多個測試實例得到的對介電窗中心位置與邊緣位置的溫度的圖表，其中：圖5是現有技術中沒有在環蓋上設置隔熱圈，介電窗積蓄了2.3KW熱量且通過風冷結構散熱時，介電窗的中心位置與邊緣位置的溫度示意圖；圖6是現有技術中沒有在環蓋上設置隔熱圈，介電窗積蓄了2.5KW熱量且通過風冷結構散熱時，介電窗的中心位置與邊緣位置的溫度示意圖；圖7是在環蓋上設置了與介電窗相同陶瓷材料的隔熱圈，介電窗積蓄了2.5KW熱量且通過風冷結構散熱時，介電窗的中心位置與邊緣位置的溫度示意圖；圖8是在環蓋上設置了與介電窗相同陶瓷材料的隔熱圈，使該隔熱圈結構有所不同，介電窗積蓄了2.5KW熱量且通過風冷結構散熱時，介電窗的中心位置與邊緣位置的溫度示意圖；圖9是本發明中的一個實施例，在環蓋上設置了石英材料的隔熱圈，介電窗積蓄了2.5KW熱量且通過風冷結構散熱時，介電窗的中心位置與邊緣位置的溫度示意圖；圖10是本發明中的另一個實施例，在環蓋上設置了特氟龍材料的隔熱圈，介電窗積蓄了2.5KW熱量且通過風冷結構散熱時，介電窗的中心位置與邊緣位置的溫度示意圖。

配合參見圖3、圖4所示，本實施例提供的等離子體處理設備是一種電感耦合型等離子體處理設備，設置有一個腔室，該腔室側壁30的內部和外部能夠密閉隔離，使得腔室內部的壓力可以設置為真空或低壓環境，而腔室外部一般為大氣環境。下文中將各個零部件上，靠近真空環境的一側稱為“內側”、“內邊緣”等，而將遠離真空環境、靠近大氣環境的一側稱為“外側”、“外邊緣”等。

腔室內的底部設有基座60，基座60上還設有靜電夾具70，被處理的基板50(例如是半導體晶圓，玻璃基板等)放置於靜電夾具70的頂面上。腔室的頂部設置有陶瓷材料(Al₂O₃)的介電窗10。向位於腔室外、介電窗10上方的線圈狀的感應天線40施加RF射頻電流，從而在腔室內位於被處理基板50上方與介電窗10底部之間的反應區域產生反應氣體的等離子體。

所述腔室的側壁30頂部設置有環蓋20，腔室的側壁30及環蓋20分別由金屬材料(例如是鋁Al或其合金)製成。並且，該環蓋20頂部由內邊緣向外延伸的一定距離內開設為環狀的槽，槽內設置有隔熱圈80，通過環蓋20上的該隔熱圈80頂面來接觸介電窗10的一部分底面(大致是介電窗10上由外邊緣向內延伸的其中一部分底面)進行支撐。環蓋20內部還分別開設有向腔室內輸送氣體的第一管道21，和供冷卻液流通的第二管道22。

所述的隔熱圈80可以由多種隔熱或絕熱材料製成，可以根據具體的工藝制程選擇隔熱圈80的相應材料，使得隔熱圈80能夠不受反應氣體及其等離子體處理反應時的影響。優選的實施例中，所述隔熱或絕熱材料具有小於1W/(m-K)的導熱係數。例如，隔熱圈80可以使用特氟龍(Teflon)或石英材料製成。

優選的實施例中，參見圖4所示，在環蓋20頂部嵌入設置有O型密封圈23。可以將環蓋20頂部上，從所述O型密封圈23內邊緣下方的位置徑向延伸至該環蓋20內邊緣的部分都去除，來形成上述用於安裝隔熱圈80的槽。則，可以調整隔熱圈80上部的外側邊緣形狀，使得隔熱圈80的該外側邊緣能夠與O型密封圈23的內邊緣相貼合。隔熱圈80的內側邊緣不超過其下方的環蓋20的內邊緣，兩者可以相互對齊。

此時，介電窗10的整個底面都不會直接與環蓋20的頂面接觸；且O型密封圈23的頂面是低於隔熱圈80的頂面，使得介電窗10底面的最外側部分12是懸空設置於O型密封圈23的上方，相互也沒有接觸；則通過介電窗10底面上的次外側部分13(即從最外側部分12向內延伸的那一部分表面)與隔熱圈80的頂面相接觸。因此，隔熱圈80的設置能夠阻擋熱量從介電窗10的邊緣位置向環蓋20傳遞，有效減少介電窗10中心位置到邊緣位置的溫度梯度。

在本發明所述的等離子體處理設備中，通過風冷結構對介電窗10實現散熱。例如可以將風扇(圖中未示出)佈置在介電窗10的上方。

本發明通過其他一些實施例，還提供一種電感耦合型等離子反應器，設置有能夠密閉的腔室，一個介電窗10安裝到所述腔室的側壁30頂部，介電窗10上方安裝有電感線圈；其中，所述側壁30頂部與介電窗10之間通過一個安裝環相連接固定，所述安裝環在與所述介電窗10相接觸的上表面包括一個由低導熱材料製成接觸部，其中所述低導熱材料具有小於1w/(m-K)的導熱係數。優選的，所述接觸部上表面具有至少一個溝槽。所述安裝環還包括一氣密環圍繞在所述接觸部外圍。

以下提供了6個測試實例，與圖5~圖10所示的圖表相對應，將現有技術與本發明所述的等離子體處理設備相比較，針對是否在環蓋20上設置隔熱圈80，以及選擇不同材料或結構的隔熱圈80等，測得介電窗10上中心位置到邊緣位置的溫度變化，以此來說明本發明減少溫度梯度的有益效果。各圖中橫坐標表示介電窗10的任意位置到圓心之間的半徑距離R，縱坐標表示介電窗10上該位置的溫度。

而下表中例舉了這些測試實例中，與介電窗10邊緣位置進行接觸的隔熱圈80或環蓋20的製作材料(第一列)及其在最後一行所示的溫度(單位：開爾文)下的相應係數，例如是比熱、熱傳導、密度、熱膨脹、楊氏模量、泊松比、抗拉強度。最後一列中對某一項材料具體應用在哪個測試實例中進行說明。

如圖5所示，現有技術所述的第1測試實例中，沒有設置隔熱圈80，而是使環蓋20直接與介電窗10接觸，因此，與介電窗10接觸的位置相當於使用了鋁Al。測試時，腔室的側壁30及環蓋20為25℃，介電窗10積蓄了2.3KW的熱量，且使用了風量360CFM(立方英尺每分鐘)的風扇作為風冷結構進行散熱後，見圖5的T-C曲線，介電窗10的中心位置的溫度為134℃，介電窗10的中心位置到邊緣位置之間的溫度差△T約為107℃。則，本測試實例中得到的安全係數(safety margin)為×2。其中，介電窗10的中心位置是指的是半徑為0mm的位置，邊緣位置指的是半徑約為250mm的位置。而圖5中示出的dX及dY曲線，分別是介電窗10在水平方向和垂直方向上的膨脹尺寸，其他如圖6~圖10中dX及dY曲線的意義相同。

則在下列進行的其他各項測試中，使用了與上述相同的風冷結構(即，風量360CFM的風扇)來散熱，相同的腔室側壁30及環蓋20的溫度(25℃)，對於介電窗10中心位置與邊緣位置的半徑描述也基本一致(即，都是探查介電窗10上半徑為0mm處到半徑為250mm處的溫度變化)，因此，對這些測試條件的參數不再重複描述。

如圖6所示，現有技術所述的第2測試實例中，也沒有設置隔熱圈80，環蓋20直接與介電窗10接觸。與上述測試例不同的是，介電窗10積蓄的熱量不同，本例中積蓄了2.5KW的熱量；以下的其他測試例中也都各自積蓄了2.5KW的熱量；見圖6的T-C曲線，本例中測得介電窗10的中心位置的溫度為143℃，介電窗10的中心位置到邊緣位置之間的溫度差△T約為116℃，安全係數×1.9。因此，上述的第1測試實例與本測試實例類似，由於使環蓋20與介電窗10直接接觸，所以溫度梯度巨大，安全係數低。

如圖7所示的第3測試實例中，在環蓋20上設置了8mm高的隔熱圈80與介電窗10接觸，且使用了與介電窗10使用的陶瓷材料相同的材料製成；以下的其他測試例中也都各自使用了同樣高度(8mm)的隔熱圈80。見圖7的T-C曲線，本例中測得介電窗10的中心位置的溫度為148℃，介電窗10的中心位置到邊緣位置之間的溫度差△T大於100℃(約107℃)，安全係數×2。因此，本測試實例與上述實例1、2相比，溫度梯度沒有實際減小，安全係數也沒有實際提升。

如圖8所示的第4測試實例中，類似測試例3也在環蓋20上設置了陶瓷材料的隔熱圈80，並且，還改變了該隔熱圈 80的結構，例如在隔熱圈80的頂面做出缺口等，以使隔熱圈80與介電窗10接觸的表面形狀不同，減少了隔熱圈80與介電窗10接觸表面的面積近一半，以期能夠減小導熱能力。見圖8的T-C曲線，本例中測得介電窗10的中心位置的溫度為150℃，介電窗10的中心位置到邊緣位置之間的溫度差△T大於100℃(約105℃)，安全係數×2。因此，本測試實例與上述實例1、2、3相比，溫度梯度和安全係數都沒有實質區別。

如圖9所示的第5測試實例中，根據本發明的一個優選實施例使用了石英材料製成的隔熱圈80與介電窗10接觸，該隔熱圈80的佈置位置及形狀等可以參見上文的描述。則，見圖9的T-C曲線，本例中測得介電窗10的中心位置的溫度為175℃，介電窗10的中心位置到邊緣位置之間的溫度差△T約75℃，安全係數×3.3。因此，本測試實例與上述測試實例1~4中任意一項相比，減少了溫度梯度，安全係數也有所提升。

如圖10所示的第6測試實例中，根據本發明的另一個優選實施例使用了特氟龍材料製成的隔熱圈80與介電窗10接觸，該隔熱圈80的佈置位置及形狀等也可以同樣參見上文的描述。則，見圖10的T-C曲線，本例中測得介電窗10的中心位置的溫度為185℃，介電窗10的中心位置到邊緣位置之間的溫度差△T約57℃，安全係數×4。因此，本測試實例與上述測試實例1~4中任意一項相比，大幅減少了溫度梯度，安全係數也顯著提升。

綜上所述，本發明由於在環蓋20上設置隔熱/絕熱材料的隔熱圈80與介電窗10相接觸，能夠有效阻止熱量從介電窗10的邊緣位置向環蓋20方向傳導，因此，介電窗10的中心位置到邊緣位置的溫度相對更為平均，溫度梯度減小，從而避免介電窗10因溫差所造成的開裂現象，提供了一種安全性能更高的等離子處理設備。

儘管本發明的內容已經通過上述優選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容後，對於本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護範圍應由所附的權利要求來限定。