TWI611477B - 壓力控制熱管溫度控制板 - Google Patents

Abstract

一種用於電漿處理腔室的噴淋頭電極組件，包含一噴淋頭電極；一加熱板，固定至噴淋頭電極；至少一個壓力控制熱管，固定至加熱板的上表面，該至少一個壓力控制熱管具有容納於其中的一傳熱液，及一加壓氣體，該加壓氣體產生可變內壓於該至少一個壓力控制熱管內；一頂板，固定至該至少一個熱管的上表面；及其中在藉由加熱板加熱噴淋頭電極期間，該至少一個壓力控制熱管內的可變內壓從頂板和加熱板之間的熱途徑移開傳熱液，且當從噴淋頭電極中移除多餘熱量時，將傳熱液返回該熱途徑。

Description

壓力控制熱管溫度控制板

本發明係一種壓力控制熱管溫度控制板。

在半導體材料處理的領域中，將包含真空處理腔室的半導體材料處理裝置，用於執行不同的電漿製程，如：基板上材料的蝕刻。這些蝕刻製程的效果通常係取決於控制處理腔室某些位置處之溫度條件的能力。

目前的溫度控制器由冷卻頂板及加熱熱控板所組成。熱控板中的加熱器或加熱元件係用於在處理之前來預熱矽的上部電極(或噴淋頭電極)。根據製程功率及熱阻塞組態(thermal choke configuration)，於處理時，電漿將加熱電極至一穩定狀態的溫度。加熱器用於在電漿處理之前來預熱電極。藉由在處理時限制腔室的可變因素，預熱電極的步驟將增加蝕刻的均勻度。如無預熱的步驟，腔室中聚合物的沉積將持續轉變，一直到電極達到穩定狀態的溫度。

隨著使用越來越高製程功率的當前趨勢，期望具有一溫控板，產生對頂板的可變導熱阻塞。

根據一範例實施例，用於電漿處理腔室的噴淋頭電極組件包含：一噴淋頭電極；一加熱板，其固定至噴淋頭電極的上表面；至少一個 壓力控制熱管，其固定至加熱板的上表面，該至少一個該壓力控制熱管具有容納於其中的一傳熱液與一加壓氣體，該加壓氣體產生可變內壓於該至少一個壓力控制熱管內；一頂板，其固定至該至少一個熱管的上表面；在噴淋頭電極、加熱板、及頂板之中的數個垂直氣體通道，其用於輸送電漿處理氣體至位於噴淋頭電極下表面之下的電漿處理腔室；以及其中藉由加熱板加熱噴淋頭電極期間，該至少一個壓力控制熱管內的可變內壓將從頂板和加熱板之間的熱途徑移開傳熱液，且當從噴淋頭電極中移除多餘熱量時，則將傳熱液返回該熱途徑。

根據另一範例實施例，一種控制噴淋頭電極組件之頂部電極溫度的方法，該噴淋頭電極組件位於一電漿處理腔室中，且該電漿處理腔室包含具有底部電極的基板支持部，該方法包含：在電漿處理腔室中來產生電漿於頂部電極和基板支持部之間的間隙中；由至少一個電源供應器來施加功率至噴淋頭電極組件之加熱板的至少一個加熱器，以便加熱頂部電極；由至少一個液體源來供應溫控液體至噴淋頭電極組件之冷卻板的液體通道，以便控制冷卻板的溫度；及在藉由設置至少一個壓力控制熱管於冷卻板和加熱板之間來產生介於冷卻板和加熱板之間的可變導熱阻塞，控制冷卻板和加熱板之間的熱傳導，從而保持頂部電極於所期望的溫度，該至少一個壓力控制熱管具有容納於其中的一熱傳液及一加壓氣體，該加壓氣體產生可變內壓於該至少一個壓力控制熱管內。

以下隨附圖示及發明說明將闡述本發明揭露內容之一個以上實施例的細節。其它的特徵、目的、及優點可從發明說明、圖示、與申請專利範圍中變得顯而易見。

100‧‧‧電漿處理腔室

110‧‧‧噴淋頭電極組件

111‧‧‧半導體基板

112‧‧‧下部電極組件

113‧‧‧上表面

114‧‧‧噴淋頭電極

116‧‧‧背襯構件

118‧‧‧頂板

120‧‧‧加熱板

130/132‧‧‧氣體通道

140‧‧‧侷限環組件

160‧‧‧溫度感應器裝置

200‧‧‧溫控模組(溫控板)

210‧‧‧熱管

220‧‧‧管狀構件

221‧‧‧上部表面

222‧‧‧傳熱液(工作流體)

223‧‧‧下部表面

224‧‧‧汽相空間

226‧‧‧氣體供應

230‧‧‧壓力控制構件

232‧‧‧控制系統

240‧‧‧壓力控制系統

250‧‧‧中心部分(歧管)

252‧‧‧開口

本說明書所包含的數個圖示係用於提供本發明進一步的理解，且這些附圖將被整合以及構成說明書的一部分。該等圖示將與發明說明一同說明本發明的實施例，且用於解釋本發明的原理。

圖1根據範例實施例顯示電漿處理裝置的一橫剖面圖。

圖2根據範例實施例顯示電漿處理裝置的一橫剖面圖，該電 漿處理裝置具有壓力控制熱管形式的溫控模組。

圖3根據範例實施例顯示壓力控制熱管的一橫剖面圖。

圖4根據範例實施例顯示溫控模組的頂視圖，該溫控模組包含數個壓力控制熱管。

圖5顯示圖4的溫控模組的橫剖面圖，該溫控模組包含數個壓力控制熱管。

於處理半導體基板時，期望控制電漿參數(如：電漿化學、離子能量、密度、及分布、電子溫度等)，以改變電漿處理結果。除了這些電漿參數控制外，電漿腔室(其侷限住了電漿)中的表面溫度也可用於控制電漿化學，以及從而控制半導體基板(如：晶圓)的處理結果。於是，期望具有溫控模組或溫控板(plate)，該溫控模組或溫控板可以與噴淋頭電極組件的選定部分熱隔離，且具有所希望的快速反應時間，以便允許可靠及敏感的溫度控制。

圖1說明電漿處理腔室100，且半導體基板(如：矽晶圓)於其中加以處理。電漿處理腔室100包含：一噴淋頭電極組件110；及一下部電極組件112，其安裝於噴淋頭電極組件110之下，一間隙位於噴淋頭電極組件110和下部電極組件112之間，且電漿於該間隙產生。噴淋頭電極組件110包含：一噴淋頭電極(或頂部電極)114；一選擇性背襯構件116，其固定至噴淋頭電極114；一頂板(冷卻板)118；及一加熱板120，其設置於噴淋頭電極114、選擇性背襯構件116、及頂板118之間。一侷限環組件(圖未顯示)圍繞著噴淋頭電極114和下部電極組件112之間的間隙。下部電極組件112用於接收半導體基板111。

下部電極組件112較佳包含一底部電極和一選擇性靜電夾持電極(ESC)，該靜電夾持電極用以靜電夾持住基板111，基板111於下部電極組件112的上表面113上受到電漿處理。

根據範例實施例，噴淋頭電極(或頂部電極)114較佳由矽所構成(單晶矽係較佳)，且包含一內部電極構件和一外部電極構件，或圍 繞著內部電極構件的電極延伸部。噴淋頭電極114係一圓柱板，其用於圓形半導體基板之電漿處理。噴淋頭電極114包含數個氣體通道130，製程氣體通過該等氣體通道130注入至噴淋頭電極114和下部電極組件112之間的間隙。藉由對噴淋頭電極114及/或下部電極組件112供應RF功率，在該間隙中產生電漿。

噴淋頭電極(或頂部電極)114及背襯構件116可以例如使用彈性材料來加以接合在一起。彈性材料可係可以適應熱應力及傳送熱能和電能之任何合適的導熱性和導電性的彈性材料。如圖1所示，噴淋頭電極114的頂部(或上)表面沿著一平坦介面來固定至背襯構件116的底部(或下)表面。背襯構件116可以包含：一背襯板，固定至內部電極構件的頂部表面；及一背襯環，圍繞該背襯板且固定至外部電極構件的頂部表面。藉由合適的接合技術分別地將內部電極構件和外部電極構件固定至背襯板及背襯環。彈性材料可以適應熱應力，以及於噴淋頭電極114和背襯構件116之接合構件之間傳送熱能和電能。共同所擁有的美國專利案第6,073,577中揭露了用於連接噴淋頭電極114和背襯構件116之合適的彈性接合材料及技術，且其內容於此藉由參照全部納入作為本案揭示內容的一部分。

背襯構件116可以由不同材料所組成，例如：材料可包含鋁(包括鋁和鋁合金，如：6061 Al)、石墨、和碳化矽。鋁製背襯板可以具有一個裸露的鋁外表面(即：原生氧化物外表面)或陽極處理的外表面，其形成於全部或僅部分的外表面之上。背襯構件116中的氣體通道132係與噴淋頭電極(或頂部電極)114中個別的氣體通道130對準，以便從氣體供應器供應製程氣體至電漿處理腔室100中。

頂板118可以由鋁或相似材料來製成。選用性地，藉由將溫控液體(如：於設定的溫度和流速下的水)流過於頂板中形成的液體通道來控制頂板118的溫度。例如：流過液體通道的溫控液體可以係水或Flourinert。頂板118可以形成電漿處理腔室100之可移動式的上壁。

根據範例實施例，加熱板120適用於藉由通過背襯構件116的熱傳導來對噴淋頭電極114供應熱。加熱板120可以係金屬加工件或金 屬鑄件，如：鋁、鋁合金等等。加熱板120可以包含一個以上的加熱器，該加熱器可操作來提供加熱板120中所期望的加熱能力。在噴淋頭電極組件110的操作期間，加熱板120可操作來對噴淋頭電極114提供已知的熱量，或充分地接近所期望的溫度(如：溫度的設定點)。

噴淋頭電極組件110也較佳包含一個以上溫度感應器的溫度感應裝置160，其設置於例如背襯構件116上。個別的溫度感應器可以監控噴淋頭電極114個別部分的溫度，且提供此溫度信息給溫度控制器(圖未顯示)。溫度控制器控制至少一個電源供應器，該電源供應器供應功率至加熱板120之一個以上的加熱元件，該加熱板120加熱噴淋頭電極114。根據噴淋頭電極114之實際和期望的溫度，至少一個電源供應器被控制來對一個以上的加熱元件供應功率。

圖2顯示具有溫控模組(或溫控板)200之電漿處理腔室100的範例實施例之橫剖面圖，該溫控模組(或溫控板)200設置於頂板118和加熱板120之間。依據範例實施例，溫控模組200包含了至少一個壓力控制熱管210，且該壓力控制熱管210與加熱板120上表面及頂板118下表面熱接觸。該至少一個壓力控制熱管210較佳以與頂板118和加熱板120維持熱接觸的任何合適方式來加以固定及/或加以連接至頂板118和加熱板120。依據範例實施例，溫控模組或溫控板200包含至少一個壓力控制熱管210，且更佳包含數個壓力控制熱管210。侷限環組件140圍繞著噴淋頭電極114和下部電極組件112之間的間隙。雖然範例實施例顯示係針對噴淋頭電極組件110，但此處描述的系統和方法也可以實行於下部電極組件112中。

至少一個壓力控制熱管210於頂板118和加熱板120之間來傳遞熱。依據範例實施例，藉由加熱板120的噴淋頭電極(或頂部電極)114加熱期間，該至少一個壓力控制熱管210用於從頂板118和加熱板120之間的熱通道來移動傳熱液(或凝結流體)，且當從噴淋頭電極114移除多餘熱量時，則將傳熱液返回至熱通道。

該至少一個壓力控制熱管210對頂板118產生可變導熱阻塞，其中可以依據壓力控制熱管210內的可變內壓來改變熱導性。依據示 範實施例，基於從溫度感應裝置160所接收之腔室製程狀態的目前溫度，可增加或降低壓力控制熱管210的內壓。在加熱板120預熱期間，該至少一個壓力控制熱管210內的壓力被增加以驅動容納於熱管210中的傳送液(或工作流體)離開冷卻的頂板118，此方式將加熱板120與冷卻的頂板118熱隔離。此舉可允許加熱板120快速地加熱噴淋頭電極114而僅傳送極少量的能量至頂板118。除此之外，藉由使用一個以上的壓力控制熱管210來將頂板118與加熱板120隔離(或分離)開來，可使用較小的加熱器預熱噴淋頭電極114。該一個以上的壓力控制熱管210也可以最大化加熱板120的反應時間，此可允許用於噴淋頭電極114之加熱和冷卻的較快速反應時間。除此之外，於處理期間，該至少一個壓力控制熱管210內的壓力較佳被降低，以便允許傳熱流體與冷卻頂板118接觸，如此使電漿加熱的噴淋頭電極114散熱至冷卻頂板118。

圖3係壓力控制熱管210的橫剖面圖。如圖3所示，壓力控制熱管210較佳包括一密封的管狀構件220，及由管狀構件220延伸的一壓力控制構件230。管狀構件220較佳具有環形的橫剖面形狀。然而，根據範例實施例，管狀構件220可以具有相對平的一上表面221及相對平的一下表面223，且上部表面221和下部表面223分別和頂板118及加熱板120為熱連通。管狀構件220可以具有包含圓形、橢圓形、長方形、有角的、和/或實質上平的橫剖面形狀。

管狀構件220較佳由帶有高熱導性的材料(如：銅或鋁)所構成。管狀構件220包含一傳熱液(或工作流體)222、及一汽相空間224，該汽相空間連接至壓力控制構件230。譬如：傳送液或工作流體222可以包含水、乙醇、液態氨、甲醇、丙酮、鈉、或汞。根據範例實施例，傳熱液220較佳為水。

壓力控制構件230也包含一控制系統232，該系統較佳由一壓力轉換器、一加壓氣體供應(即：氦氣的供應)、及一真空泵所構成。可以藉由允許加壓氣體供應(即：氦氣)226進入汽相空間224中或從汽相空間224中來移除加壓氣體供應(即：氦氣)226，維持壓力控制熱管210內的常壓，或者是，依據壓力控制熱管210的功能(即：加熱或冷卻)，可以 視需求來增加或減少熱管210內的壓力。通常會使用一系列的壓力轉換器及電磁閥(圖未顯示)，然而，其它合適的裝置也可以用於控制熱管內的壓力。

依據範例實施例，藉由連接至壓力控制系統240的溫度控制器(圖未顯示)來控制對壓力控制熱管210的電源輸出。數據的收集和指令較佳藉由電腦(或控制器)來執行，該電腦(或控制器)監控加熱板120及/或電漿處理腔室100的溫度。恆定的氦氣壓力轉換成恆定的蒸氣壓及壓力控制熱管210內的溫度。

依據範例實施例，該至少一個壓力控制熱管210對頂板118產生一個可變導熱阻塞。可以藉由壓力控制熱管210內的可變內壓來改變壓力控制熱管210的熱傳導性，且其中內壓可以依據當前腔室製程狀態來加以增加或減少。例如：於腔室100的預熱期間，壓力控制熱管210的壓力可以被增加以驅動熱管中的凝結流體離開頂板118。

圖4依據範例實施例顯示溫控模組或溫控板200的俯視圖，該溫控模組包含複數壓力控制熱管210。如圖4顯示，溫控模組或溫控板200包含複數壓力控制熱管210，每個熱管具有與頂板118為熱連通的一上部部分(或表面)221，及與加熱板120為熱連通的下部部分(或表面)223。該數個壓力控制熱管210中的每一者可以徑向構造及/或其它任何構造由溫控模組200的中心部分(或歧管)250來向外延伸，提供該一個以上壓力控制熱管210所需的溫度控制及熱導性。依據範例實施例，設置於中央的歧管250連接至該複數壓力控制熱管210中每一者的一端。對一個以上壓力控制構件230中的每一者而言，歧管250收容至少一部分的壓力控制構件230。依據範例實施例，設置於中央的歧管250係一液體冷卻歧管。

圖5顯示圖4的溫控模組200的橫剖面圖，且該溫控模組包含複數壓力控制熱管210。如圖5所示，該複數壓力控制熱管210中每一者的下表面係連接或固定至加熱板120的上表面。依據範例實施例，設置於中央的歧管250通過頂板118中的開口252來向上延伸。

依據範例實施例，本發明係一種控制噴淋頭電極組件之頂部電極溫度的方法，該噴淋頭電極組件位於一電漿處理腔室中，且該電漿處 理腔室包含了具有底部電極的基板支持部，該方法包含數個步驟：在電漿處理腔室中，於頂部電極和基板支持部之間的間隙中產生電漿；從至少一個電源供應器中來施加電源至噴淋頭電極組件之加熱板的至少一個加熱器，以便加熱頂部電極；由至少一個液體源供應溫控液體至噴淋頭電極組件之冷卻板的液體通道，以便控制冷卻板的溫度；及藉由設置至少一個壓力控制熱管於冷卻板和加熱板之間來產生出冷卻板和加熱板之間的可變導熱阻塞，控制冷卻板和加熱板之間的熱傳導，從而保持頂部電極於所期望的溫度，該至少一個壓力控制熱管具有容納於其中的一熱傳液及一加壓氣體，該加壓氣體產生該至少一個壓力控制熱管內的可變內壓。

吾入明白本文說明的本發明形式僅僅係一較佳的實施例。構件的功能和配置均可做各種不同的改變；等同的裝置可代替本文所敘述及說明的裝置；以及在不脫離以下申請專利範圍所定義的本發明之本質和範疇的情況下，某些特徵可獨立於其他特徵來使用。

100‧‧‧電漿處理腔室

110‧‧‧噴淋頭電極組件

111‧‧‧半導體基板

112‧‧‧下部電極組件

113‧‧‧上表面

114‧‧‧噴淋頭電極

116‧‧‧背襯構件

118‧‧‧頂板

120‧‧‧加熱板

130/132‧‧‧氣體通道

160‧‧‧溫度感應器裝置

Claims (19)

1. 一種噴淋頭電極組件，用於電漿處理腔室，該噴淋頭電極組件包含：一噴淋頭電極；一加熱板，其固定至該噴淋頭電極的上表面；一溫度控制板，其固定至該加熱板的上表面，該溫度控制板包含至少一個壓力控制熱管，該至少一個壓力控制熱管具有容納於其中的一傳熱液與一加壓氣體，該加壓氣體產生一可變內壓於該至少一個壓力控制熱管之內；一頂板，其固定至該溫度控制板的上表面；複數垂直對準的氣體通道，在該噴淋頭電極、該加熱板、該溫度控制板、及該頂板之中，用於輸送一電漿處理氣體至位於該噴淋頭電極下表面之下的該電漿處理腔室；及其中藉由該加熱板加熱該噴淋頭電極期間，該至少一個壓力控制熱管內的該可變內壓從該頂板和該加熱板之間的一熱途徑移開該傳熱液，且當從該噴淋頭電極移除多餘熱量時，將該傳熱液返回至該熱途徑。
2. 如申請專利範圍1項的噴淋頭電極組件，其中該至少一個壓力控制熱管內的該可變內壓被增加以從該熱途徑移開該傳熱液，及被降低以將該傳熱液返回至該熱途徑。
3. 如申請專利範圍1項的噴淋頭電極組件，其中該至少一個壓力控制熱管包含：一密封的管狀構件，該密封的管狀構件容納該傳熱液；及一壓力控制構件，該壓力控制構件從該密封的管狀構件延伸。
4. 如申請專利範圍2項的噴淋頭電極組件，更包含一控制器，該控制器控制該至少一個壓力控制熱管內的該加壓氣體之該可變內壓。
5. 如申請專利範圍1項的噴淋頭電極組件，其中該傳熱液係水。
6. 如申請專利範圍1項的噴淋頭電極組件，其中該加熱板包含具有嵌入其中的數個加熱元件的一塊金屬，該等加熱元件連接至可操作成供應功率至該等加熱元件的至少一個電源供應器，且該頂板包含具有數個液體通道形成於其中的一塊金屬，該等液體通道係和一溫控液體的至少一個來源呈流體連通，該溫控液體被供應至該等液體通道，以便控制該頂板的溫度。
7. 如申請專利範圍1項的噴淋頭電極組件，其中該噴淋頭電極係一矽電極。
8. 如申請專利範圍1項的噴淋頭電極組件，更包含一電漿處理氣體，其係供應至在該噴淋頭電極、該加熱板、該溫度控制板、及該頂板之中的該複數垂直對準的氣體通道。
9. 如申請專利範圍1項的噴淋頭電極組件，其中該溫度控制板具有相對平的一上表面及相對平的一下表面，且其中相對平的該上及下表面係分別與該頂板和該加熱板呈熱連通。
10. 如申請專利範圍1項的噴淋頭電極組件，其中該至少一個壓力控制熱管係複數個壓力控制熱管，該複數個壓力控制熱管每一者具有與該頂板為熱連通的一上部部分，及與該加熱板為熱連通的一下部部分。
11. 如申請專利範圍10項的噴淋頭電極組件，更包含設置於中央的一壓力歧管，該壓力歧管連接至該複數個壓力控制熱管每一者。
12. 如申請專利範圍1項的噴淋頭電極組件，其中該溫度控制板的至少一部分通過該頂板向上延伸。
13. 如申請專利範圍10項的噴淋頭電極組件，其中該複數壓力控制熱管以一徑向構造從一中心歧管向外延伸。
14. 如申請專利範圍13項的噴淋頭電極組件，其中該中心歧管係一液體冷 卻歧管。
15. 一種控制噴淋頭電極組件之頂部電極溫度的方法，該噴淋頭電極組件位於一電漿處理腔室中，該電漿處理腔室包含具有一底部電極的一基板支持部，該方法包含：在該電漿處理腔室中產生電漿於該頂部電極和該基板支持部之間的一間隙中；由至少一個電源供應器施加功率至該噴淋頭電極組件的一加熱板的至少一個加熱器，以便加熱該頂部電極；由至少一個液體源供應一溫控液體至該噴淋頭電極組件的一冷卻板的數個液體通道，以便控制該冷卻板的溫度；及藉由設置至少一個壓力控制熱管於該冷卻板和該加熱板之間來產生介於該冷卻板和該加熱板之間的一可變導熱阻塞，控制該冷卻板和該加熱板之間的熱傳導，從而保持該頂部電極於所期望的溫度，該至少一個壓力控制熱管具有容納於其中的一傳熱液及一加壓氣體，該加壓氣體產生一可變內壓於該至少一個壓力控制熱管內。
16. 如申請專利範圍15項的控制噴淋頭電極組件之頂部電極溫度的方法，其中在藉由該加熱板加熱該噴淋頭電極期間，該至少一個壓力控制熱管從該頂板和該加熱板之間的一熱途徑移開該傳熱液，且當從該噴淋頭電極中移除多餘熱量時，將該傳熱液返回該熱途徑。
17. 如申請專利範圍16項的控制噴淋頭電極組件之頂部電極溫度的方法，更包含：增加該至少一個壓力控制熱管內的該可變內壓，以便從該熱途徑移開該傳熱液，以及降低該可變內壓，以便使該傳熱液返回至該熱途徑。
18. 如申請專利範圍16項的控制噴淋頭電極組件之頂部電極溫度的方法，其中該至少一個壓力控制熱管具有相對平的一上表面，及相對平的一下表 面，且其中相對平的該上表面及相對平的該下表面分別和該頂板與該加熱板為熱連通。
19. 如申請專利範圍16項的控制噴淋頭電極組件之頂部電極溫度的方法，其中該至少一個壓力控制熱管係複數個壓力控制熱管，該複數個壓力控制熱管每一者具有與該頂板為熱連通的一上部部分，及與該加熱板為熱連通的一下部部分。