TW202320204A - 安裝底座、噴淋頭組件、噴淋頭的控溫方法及等離子體處理裝置 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種安裝底座、噴淋頭組件、噴淋頭的控溫方法及等離子體處理裝置。所述安裝底座應用於一噴淋頭組件，所述噴淋頭組件還包括加熱器和噴淋頭，所述加熱器用於對所述噴淋頭進行加熱，所述安裝底座設有流通冷卻液的冷卻通道，用於對所述噴淋頭進行降溫，其中，所述安裝底座還包括：控溫通道，設置於所述冷卻通道與所述噴淋頭之間的冷卻路徑上，用於調節所述噴淋頭的降溫效率。本發明能夠實現在高偏置功率時提高冷卻效率、低偏置功率時降低冷卻效率，改善噴淋頭溫度可控性、降低加熱器功率輸出及延長加熱器的使用壽命。

Description

安裝底座、噴淋頭組件、噴淋頭的控溫方法及等離子體處理裝置

本發明涉及半導體設備技術領域，特別涉及一種安裝底座、噴淋頭組件、噴淋頭的控溫方法及等離子體處理裝置。

在等離子體處理製程中，首先需要將調製氣體和製程氣體混合為反應氣體，再將反應氣體導入反應腔室中，並施加射頻功率，對半導體待加工件進行等離子體處理製程。用於將調製氣體和製程氣體混合的裝置為氣體噴淋頭組件。在噴淋頭組件中，噴淋頭安裝在安裝底座（Mounting Base）上，且需要被精確控溫。目前噴淋頭的控溫方式是，通過對安裝底座的直接控溫來實現對噴淋頭的間接控溫。如圖1所示，安裝底座100下表面用於安裝噴淋頭200，其上表面下凹後的空間用於安裝加熱器300和流氣裝置（未示出），加熱器300直接對安裝底座100加熱並通過熱傳導進而間接對噴淋頭200加熱，安裝底座100的掛耳處還設有冷卻通道110，其中通入冷卻水或者控溫製冷劑，對安裝底座100進行冷卻從而實現間接對噴淋頭200冷卻。

目前對於高功率的機台，當偏置功率（bias power）開得較高時，由等離子體的熱效應導致的噴淋頭升溫需要安裝底座的較大冷卻功率才能保證噴淋頭溫度可控。在目前設計中，由於冷卻功率不足，因而高偏置功率時，其實加熱器輸出的加熱功率已經到0了，噴淋頭的控溫完全是基於冷卻水冷卻的被動控溫。在這種設計下，當機台用於低偏置功率時，為了保證噴淋頭控溫穩定，需要加熱器輸出高功率來對安裝底座和噴淋頭加熱，其中很大一部分能量都被冷卻水帶走了，導致控溫困難並且會導致高功率輸出時加熱器過熱發生燒壞、熱膨脹發生變形等問題。

因此，需要一種在高偏置功率時冷卻效率高、低偏置功率時冷卻效率相對較低的設計來改善噴淋頭溫度可控性、降低加熱器功率輸出及延長加熱器的使用壽命。

本發明的目的是提供一種安裝底座、噴淋頭組件、噴淋頭的控溫方法及等離子體處理裝置，能夠在高偏置功率時提高冷卻效率、低偏置功率時降低冷卻效率，改善噴淋頭溫度可控性、降低加熱器功率輸出及延長加熱器的使用壽命。

為了實現以上目的，本發明通過以下技術方案實現： 一種安裝底座，應用於一噴淋頭組件，所述噴淋頭組件還包括加熱器和噴淋頭，所述加熱器用於對所述噴淋頭進行加熱，所述安裝底座設有流通冷卻液的冷卻通道，用於對所述噴淋頭進行冷卻，所述安裝底座還包括：控溫通道，設置於所述冷卻通道與所述噴淋頭之間的冷卻路徑上，用於調節所述安裝底座對所述噴淋頭的冷卻效率。

進一步的，所述控溫通道的數量為至少兩條，在所述冷卻路徑上前後依次分佈。

進一步的，所述控溫通道設有流體入口和流體出口，流體為冷卻液時，所述流體入口低於所述流體出口。

進一步的，所述控溫通道設有流體入口和流體出口，流體為氣體時，所述流體入口高於所述流體出口。

進一步的，所述控溫通道內可切換充入冷卻液或氣體。

進一步的，所述流體入口和所述流體出口相對設置或同側設置。

進一步的，在所述控溫通道中通入循環冷卻液，提高所述安裝底座對所述噴淋頭的冷卻效率。

進一步的，在所述控溫通道中通入吹掃氣體並維持不流動狀態，降低所述安裝底座對所述噴淋頭的冷卻效率。

進一步的，在所述控溫通道中維持真空狀態，降低所述安裝底座對所述噴淋頭的冷卻效率。

進一步的，所述安裝底座的下表面用於安裝所述噴淋頭，所述安裝底座的上表面部分區域向下凹陷形成的容納空間用於安裝所述加熱器，所述安裝底座的上表面向外延伸形成掛耳，所述冷卻通道設於所述掛耳處。

進一步的，所述加熱器緊貼所述容納空間的底部表面設置。

進一步的，所述冷卻路徑位於所述安裝底座的側壁。

進一步的所述安裝底座的形狀為底部封閉的圓桶形。

進一步的，所述控溫通道為圍繞所述圓桶形側壁內的環形通道。

進一步的，所述控溫通道包括在圓周方向間隔設置的多個可獨立控制的環段。

一種噴淋頭組件，包括噴淋頭、加熱器以及如上文任一項所述的安裝底座，所述噴淋頭和所述加熱器安裝在所述安裝底座上。

一種噴淋頭的控溫方法，包括： 提供如上文所述的噴淋頭組件； 當需要提高所述噴淋頭的冷卻效率時，在所述控溫通道內通入循環冷卻液； 當需要降低所述噴淋頭的冷卻效率時，在所述控溫通道內通入吹掃氣體並維持不流動狀態，或在所述控溫通道內維持真空狀態。

一種等離子體處理裝置，包括反應腔和如上文所述的噴淋頭組件，所述噴淋頭組件安裝在所述反應腔的頂部開口處。

與現有技術相比，本發明具有如下優點： 在安裝底座上除設置冷卻通道外，還在冷卻通道與所述噴淋頭之間冷卻路徑上新增設置控溫通道，通過該控溫通道可以增強或減弱所述安裝底座上所述冷卻通道對所述噴淋頭的冷卻效果，調節安裝底座對噴淋頭的冷卻效率，從而能夠在高偏置功率時提高噴淋頭的冷卻效率、低偏置功率時降低噴淋頭的冷卻效率，改善噴淋頭溫度可控性、降低加熱器功率輸出及延長加熱器的使用壽命。

以下結合附圖和具體實施方式對本發明提出的方案作進一步詳細說明。根據下面說明，本發明的優點和特徵將更清楚。需要說明的是，附圖採用非常簡化的形式且均使用非精準的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發明實施方式的目的。為了使本發明的目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，請參閱附圖。須知，本說明書所附圖式所繪示的結構、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示的內容，以供熟悉此技術的人士瞭解與閱讀，並非用以限定本發明實施的限定條件，故不具技術上的實質意義，任何結構的修飾、比例關係的改變或大小的調整，在不影響本發明所能產生的功效及所能達成的目的下，均應仍落在本發明所揭示的技術內容能涵蓋的範圍內。

如圖2所示，為本發明提供的噴淋頭組件的安裝示意圖。在等離子體處理裝置中，反應腔400的頂部設有開口，用於安裝噴淋頭200及其控溫、流氣裝置。噴淋頭組件包括噴淋頭200以及安裝底座100、加熱器300，其中，噴淋頭200安裝在安裝底座100的下表面，安裝底座100用於將噴淋頭200安裝在反應腔400頂部，安裝基座100和加熱器300作為噴淋頭200的控溫裝置，加熱器300安裝在安裝底座100上，通過加熱安裝底座100從而間接加熱噴淋頭200，安裝底座100的材質通常為鋁合金，其上設有流通冷卻液的冷卻通道110，通過冷卻安裝底座100從而間接冷卻噴淋頭200。

為了實現動態調節安裝底座100對噴淋頭200的冷卻效率，所述安裝底座100上還設有控溫通道120，設置在所述冷卻通道110與所述噴淋頭200之間的冷卻路徑上，通過該控溫通道120可以增強或減弱所述安裝底座100上所述冷卻通道110對所述噴淋頭200的冷卻效果，從而調節安裝底座100對噴淋頭200的冷卻效率。

具體的，在所述控溫通道120中通入循環冷卻液，可以提高所述安裝底座100對所述噴淋頭200的冷卻效率，而在所述控溫通道120中通入吹掃氣體並維持不流動狀態，可以降低所述安裝底座100對所述噴淋頭200的冷卻效率，或者是在所述控溫通道120中維持真空狀態，降低所述安裝底座100對所述噴淋頭200的冷卻效率。

由此，在高偏置功率時，向所述安裝底座100的控溫通道120內通入循環冷卻水或冷卻劑，可以對安裝底座100上的冷卻通道110的冷卻效果進行補充，兩重冷卻的疊加可以獲得更好的冷卻效果，故在高偏置功率時也不需要把加熱器300完全關閉，可以獲得更好的噴淋頭200控溫結果。

在低偏置功率或待機（idle）時，為了防止冷卻通道110內的冷卻液帶走過多熱量，就可以對控溫通道120內通氣進行吹掃，在該狀況下，由於氣體尤其是不流動的氣體的導熱率比液體（冷卻液）或固體（安裝底座100）低很多，可以防止過多的熱量被冷卻通道110帶走，這樣有效降低加熱器300的輸出功率，減少能耗並延長加熱器300的使用壽命。此外，在對控溫通道120內通氣進行吹掃後，還可以使所述控溫通道120維持真空狀態，從而阻止熱量傳輸至所述冷卻通道110。

由此可見，本發明在安裝底座100中新增設置控溫通道120，在所述控溫通道120內實進行冷卻液和氣體間切換，可以動態改變安裝底座120中冷卻路徑上的熱導率，對原有的冷卻通道110的冷卻產生增加或減小的效果，獲得更加穩定的噴淋頭200控溫結果以及減少加熱器300功率輸出。

可選的，所述控溫通道120設有流體入口121和流體出口122，為實現快速的氣、液交換，當流體為冷卻液時，所述流體入口121低於所述流體出口122，流體為氣體時，所述流體入口121高於所述流體出口122。即在所述控溫通道120中充滿氣體的情況下需要充入循環冷卻液時，則循環冷卻液需要從下方進入、上方流出，當所述控溫通道120中充滿冷卻液後需要充氣時，則氣體需要從上方進入、下方流出。此外，所述流體入口121和所述流體出口122可以相對設置，如圖2所示，所述流體入口121和所述流體出口122分別位於圖示的左右兩側，由此可以在由液體切換為氣體時能夠更徹底的排出所述控溫通道120中的液體。在其它實施例中，所述流體入口121和所述流體出口122也可以同側設置。

本實施例中，所述噴淋頭200安裝在所述安裝底座100的下表面，所述加熱器300安裝在所述安裝底座100的上表面部分區域向下凹陷形成的容納空間A內，所述安裝底座100的上表面向外延伸形成掛耳130，所述冷卻通道110設於所述掛耳130處。可選的，為提高對噴淋頭200的加熱效率，所述加熱器300緊貼所述容納空間A的底部表面設置，所述加熱器300產生的熱量可由所述安裝底座100的底部傳遞至所述噴淋頭200。因此，為了不影響所述安裝底座100傳遞所述加熱器300產生的熱量到所述噴淋頭200，本發明所述的“冷卻路徑”位於所述安裝底座100的側壁，即，所述控溫通道120設置在所述安裝底座100的側壁上。

可選的，所述安裝底座100的形狀為底部封閉的圓桶形。所述控溫通道120為圍繞所述安裝底座100的圓桶形側壁內的環形通道，所述控溫通道120與所述安裝底座100同軸，以保證所述控溫通道120在各個方位上的一致性。進一步的，所述控溫通道120可以包括在圓周方向間隔設置的多個可獨立控制的環段，從而可根據實際需要分段控制不同方位的冷卻效率，實現更加精細的控溫效果。

圖2所示噴淋頭組件中，所述安裝底座100的冷卻路徑上設置了一路控溫通道120，在其它實施例中，所述控溫通道120的數量可以為兩路或兩路以上，各控溫通道120在所述冷卻路徑上前後依次分佈，可以獲得更加精細的控溫調控結果。

圖3示出了另一種噴淋頭組件的結構，該種噴淋頭組件中，所述安裝底座100的冷卻路徑上設置有兩路控溫通道120，每一路可獨立控制，當需要很高的冷卻效率時，兩路控溫通道120內均通入循環冷卻液，當需要很低的冷卻效率時，兩路控溫通道120內均通入吹掃氣體並維持不流動狀態或維持真空狀態。

本發明還提供一種噴淋頭的控溫方法，如圖5所示，包括： 步驟S100，提供上述的噴淋頭組件； 步驟S200，當需要提高所述噴淋頭的冷卻效率時，在所述控溫通道內通入循環冷卻液； 步驟S300，當需要降低所述噴淋頭的冷卻效率時，在所述控溫通道內通入吹掃氣體並維持不流動狀態，或在所述控溫通道內維持真空狀態。

本發明還提供一種等離子體處理裝置，包括反應腔和如前所述的噴淋頭組件，所述噴淋頭組件安裝在所述反應腔的頂部開口處。該等離子體處理裝置可以是電容耦合等離子體（CCP）處理設備，也可以是電感耦合等離子體（ICP）處理設備。

需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關係術語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關係或者順序。而且，術語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個……”限定的要素，並不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。

儘管本發明的內容已經通過上述較佳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。在本發明所屬技術領域中具有通常知識者閱讀了上述內容後，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申請專利範圍來限定。

100:安裝底座 110:冷卻通道 120:控溫通道 121:流體入口 122:流體出口 130:掛耳 200:噴淋頭 300:加熱器 400:反應腔 A:容納空間

為了更清楚地說明本發明的技術方案，下面將對描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一個實施例，對於本發明所屬技術領域中具有通常知識者來講，在不付出具進步性改變的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖： 圖1為現有的噴淋頭組件的結構示意圖； 圖2為本發明一實施例提供的噴淋頭組件的結構示意圖； 圖3為本發明另一實施例提供的噴淋頭組件的結構示意圖；以及 圖4為本發明一實施例提供的噴淋頭的控溫方法的流程圖。

100:安裝底座

110:冷卻通道

120:控溫通道

121:流體入口

122:流體出口

200:噴淋頭

300:加熱器

400:反應腔

A:容納空間

Claims (18)

1. 一種安裝底座，應用於一噴淋頭組件，該噴淋頭組件還包括一加熱器和一噴淋頭，該加熱器用於對該噴淋頭進行加熱，該安裝底座設有流通冷卻液的一冷卻通道，用於對該噴淋頭進行冷卻，其中，該安裝底座還包括：一控溫通道，設置於該冷卻通道與該噴淋頭之間的一冷卻路徑上，用於調節該安裝底座對該噴淋頭的冷卻效率。
2. 如請求項1所述的安裝底座，其中，該控溫通道的數量為至少兩條，在該冷卻路徑上前後依次分佈。
3. 如請求項1所述的安裝底座，其中，該控溫通道設有一流體入口和一流體出口，流體為冷卻液時，該流體入口低於該流體出口。
4. 如請求項1所述的安裝底座，其中，該控溫通道設有一流體入口和一流體出口，流體為氣體時，該流體入口高於該流體出口。
5. 如請求項3或4所述的安裝底座，其中，該控溫通道內可切換充入冷卻液或氣體。
6. 如請求項3或4所述的安裝底座，其中，該流體入口和該流體出口相對設置或同側設置。
7. 如請求項1所述的安裝底座，其中，在該控溫通道中通入循環冷卻液，提高該安裝底座對該噴淋頭的冷卻效率。
8. 如請求項1所述的安裝底座，其中，在該控溫通道中通入吹掃氣體並維持不流動狀態，降低該安裝底座對該噴淋頭的冷卻效率。
9. 如請求項1所述的安裝底座，其中，在該控溫通道中維持真空狀態，降低該安裝底座對該噴淋頭的冷卻效率。
10. 如請求項1所述的安裝底座，其中，該安裝底座的下表面用於安裝該噴淋頭，該安裝底座的上表面部分區域向下凹陷形成的一容納空間用於安裝該加熱器，該安裝底座的上表面向外延伸形成一掛耳，該冷卻通道設於該掛耳處。
11. 如請求項10所述的安裝底座，其中，該加熱器緊貼該容納空間的底部表面設置。
12. 如請求項10所述的安裝底座，其中，該冷卻路徑位於該安裝底座的側壁。
13. 如請求項10所述的安裝底座，其中，該安裝底座的形狀為底部封閉的圓桶形。
14. 如請求項13所述的安裝底座，其中，該控溫通道為圍繞該圓桶形側壁內的環形通道。
15. 如請求項14所述的安裝底座，其中，該控溫通道包括在圓周方向間隔設置的多個可獨立控制的環段。
16. 一種噴淋頭組件，其中，包括一噴淋頭、一加熱器以及如請求項1～15任一項所述的安裝底座，該噴淋頭和該加熱器安裝在該安裝底座上。
17. 一種噴淋頭的控溫方法，其中，包括： 提供如請求項16所述的噴淋頭組件； 當需要提高該噴淋頭的冷卻效率時，在該控溫通道內通入循環冷卻液；以及 當需要降低該噴淋頭的冷卻效率時，在該控溫通道內通入吹掃氣體並維持不流動狀態，或在該控溫通道內維持真空狀態。
18. 一種等離子體處理裝置，其中，包括一反應腔和如請求項16所述的噴淋頭組件，該噴淋頭組件安裝在該反應腔的頂部開口處。

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