TWI667685B - Reaction chamber for wafer processing - Google Patents

Abstract

本發明提供一種用於晶圓處理的反應腔，反應腔內包括一個基座用於支撐待處理晶圓，基座中包括至少一條用於冷卻液流動的熱交換管道，所述熱交換管道包括一個入口端和一個出口端；一個基座溫度控制系統包括一個冷卻液容器，冷卻液容器包括一個輸出端，所述輸出端透過第一冷卻液輸送管道連通到所述熱交換管道的入口端，所述熱交換管道的出口端透過第二冷卻液輸送管道連通到冷卻液容器的回流端。所述冷卻液容器中容納有具有預設溫度的蓄熱混合液，所述蓄熱混合液中包括冷卻液和懸浮在冷卻液中的相變材料微膠囊，所述微膠囊的直徑為1-500um，所述蓄熱混合液流過所述熱交換管道使得所述基座具有均一的溫度。

Description

用於晶圓處理的反應腔

本發明涉及半導體加工技術領域，具體涉及一種晶圓處理反應腔，能夠使得晶圓安裝基座具有均一的溫度。

等離子處理裝置被廣泛應用於半導體晶圓加工處理流程中，如圖1所示為典型的等離子處理裝置結構圖。等離子處理裝置包括可以抽真空的反應腔100，反應腔包括側壁以及底壁，整個反應腔100都由金屬製成且接地，實現對射頻電磁場的遮罩與氣密。反應腔內底部包括基座22用於支撐待處理的晶圓，基座同時作為下電極連接到下方的至少一個射頻電源。射頻電源也可以設置多個，比如第一射頻電源33透過匹配器1連接到基座22，第二射頻電源32透過匹配器2連接到基座22。射頻電源輸出的射頻頻率可以是2MHz或13MHz或者60MHz，可以根據等離子濃度和離子濃度的需要調節射頻電源輸出到下電極的功率。基座22上方還包括一個靜電夾盤21，透過靜電夾盤21固定待處理晶圓20。在電容耦合等離子(CCP)反應腔中與基座相對的反應腔上方包括上電極11，上電極11中還集成了反應氣體進氣裝置連接到氣源110，用於均勻輸入反應氣體到下方的晶圓。在電感耦合等離子(ICP)反應腔頂部不需要設置上電極，代之以一個電感線圈設置在反應腔頂蓋上方，一個射頻電源連接到該電感線圈，線圈產生的電磁場穿過反應腔頂蓋進入反應腔100內形成等離子體。基座22上方還設置 有邊緣環10，該邊緣環10圍繞靜電夾盤和待處理晶圓20，實現對晶圓邊緣區域電場和氣流和溫度的調節。

圖2為現有技術中基座的溫度控制系統示意圖，圖中基座22設置有熱交換管道220，管道包括入口端220b和出口端220a。基座溫度控制系統還包括冷卻液容器31和輸入閥門V1，具有設定溫度的冷卻液30透過閥門V1被送入入口端220b，隨後從出口端220a經過閥門V3回流到冷卻液容器31中，透過控制冷卻液容器31內冷卻液30的溫度和流入基座22的冷卻液流量來控制基座的溫度，最終使得基座22具有穩定、可控的溫度。實際使用中由於熱交換管道220具有很長的長度，冷卻液在進入入口端220b時的具有較低溫度，隨著冷卻液在管道內流動逐漸吸收管道壁上傳入的熱量，最終從出口端220a流出的溫度會遠高於入口端的溫度，所以基座實際的溫度分佈會受冷卻液管道長度、分佈的影響。同時，冷卻液30從冷卻液容器31出口流出，經過閥門V1到達管道入口220b的過程中實際也是在和周圍大氣空間進行熱量交換的，冷卻液30的溫度也會與設計要求發生偏移。所以現有技術中基座溫度控制系統無法在整個基座上表面獲得均一的溫度分佈，無法滿足溫度均一性要求越來越高的技術需求。

所以業內需要開發一種新的裝置既能夠實現基座內部不同部位的溫度均勻分佈，也能保證從冷卻液容器到基座的傳輸過程中溫度不發生偏移。

本發明揭露一種用於晶圓處理的反應腔，所述反應腔包括反應腔體，反應腔體是由側壁和頂蓋、底壁圍繞構成的氣密腔體，反應腔內包括一個基座用於支撐待處理晶圓，基座中包括至少一條用於冷卻液流動的熱交換管道，所述熱交換管道包括一個入口端和一個出口端；一個基座溫度控制系統用 於控制基座的溫度，基座溫度控制系統包括一個冷卻液容器，冷卻液容器包括一個輸出端，所述輸出端透過第一冷卻液輸送管道連通到所述熱交換管道的入口端，所述熱交換管道的出口端透過第二冷卻液輸送管道連通到冷卻液容器的回流端，其特徵在於，所述冷卻液容器中容納有具有預設溫度的蓄熱混合液，所述蓄熱混合液中包括冷卻液和懸浮在冷卻液中的相變材料微膠囊，所述微膠囊的直徑為1-500um，所述蓄熱混合液流過所述熱交換管道使得所述基座具有均一的溫度。

其中反應腔中基座由金屬製成，所述基座連接到射頻電源，射頻電源輸出的射頻功率輸入到反應腔，使得基座上方產生等離子體並對晶圓進行等離子處理。反應腔頂部還包括進氣裝置用於輸入反應氣體，所述反應氣體在所述晶圓上反應形成化學氣相沉積材料層。所述冷卻液是電絕緣的導熱液，進一步的，冷卻液可以是熱傳導液(Galden液)。

其中相變材料微膠囊中為單一相變材料，所述蓄熱混合液的預設溫度為相變材料微膠囊中相變材料的熔點。相變材料微膠囊中也可以包括多種相變材料，每種相變材料具有各自的熔點。

本發明還提供了一種用於晶圓處理的反應腔的第二實施例，所述反應腔包括反應腔體，反應腔體是由側壁和頂蓋、底壁圍繞構成的氣密腔體，反應腔內包括一個基座用於支撐待處理晶圓，基座中包括至少一條用於冷卻液流動的熱交換管道，所述熱交換管道包括一個入口端和一個出口端；一個基座溫度控制系統用於控制基座的溫度，基座溫度控制系統包括第一和第二冷卻液容器，每個冷卻液容器包括一個上部輸出端和一個下部輸出端，每個冷卻液容器內還包括一個微膠囊濾網，所述微膠囊濾網使得微膠囊只能在濾網下方擴 散，所述上部輸出端位於濾網上方，下部輸出端位於濾網下方，每個冷卻液容器還包括一個輸入端位於濾網下方；所述第一冷卻液容器中含有第一蓄熱混合液，第二冷卻液容器中含有第二蓄熱混合液；第一、第二冷卻液容器的上部、下部輸出端透過多個閥門和冷卻液輸送管道連通到所述基座熱交換管道的入口端，第一、第二冷卻液容器的輸入端透過至少一個閥門和冷卻液輸送管道連接到所述基座熱交換管道的出口端。

所述第二實施例的反應腔可以採用如下控制方法：所述基座的溫度在三個階段內變化，第一階段內第一冷卻液容器從下部輸出端輸出第一溫度的第一蓄熱混合液到基座，使基座穩定在所述第一溫度；第二階段內，進行蓄熱混合液切換：第一步中停止第一冷卻液容器下部輸出端的第一蓄熱混合液的輸出，同時第二冷卻液容器的上部輸出端輸出第二溫度的冷卻液到基座熱交換管道入口端，基座熱交換管道的出口端輸出冷卻液到第一冷卻液容器的輸入端直到基座中的微膠囊被沖刷完；沖刷完第一蓄熱混合液中的微膠囊後，停止第二冷卻液容器上部輸出端輸出；第三階段內第二冷卻液容器從下部輸出端輸出第二溫度的第二蓄熱混合液到基座，同時基座熱交換管道的出口端輸出的蓄熱混合液回流到第二冷卻液容器的輸入端，使基座穩定在所述第二溫度。其中所述相變材料微膠囊中的相變材料為石蠟。

1、2‧‧‧匹配器

10‧‧‧邊緣環

11‧‧‧上電極

100‧‧‧反應腔

110‧‧‧氣源

20‧‧‧晶圓

21‧‧‧靜電夾盤

22‧‧‧基座

220‧‧‧熱交換管

220a‧‧‧熱交換管道出口端

220b‧‧‧熱交換管道入口端

30‧‧‧第一蓄熱混合液

31‧‧‧冷卻液容器

33‧‧‧第一射頻電源

32‧‧‧第二射頻電源

40‧‧‧第二蓄熱混合液

41‧‧‧冷卻液容器

F1、F2‧‧‧微膠囊濾網

V1、V2‧‧‧閥門

V3‧‧‧共用的閥門

圖1為現有技術等離子處理裝置示意圖；圖2為現有技術基座溫度控制系統示意圖；圖3是本發明基座溫度控制系統示意圖；圖4是本發明與現有技術溫度控制系統溫度轉換過程示意圖。

以下結合圖2，進一步說明本發明的具體實施例。本發明揭露了一種新的冷卻液用於等離子體反應腔中基座22的溫度控制系統。現有技術中，為了防止通入基座22的射頻能量透過冷卻液輸送管道洩漏到外部環境，所以冷卻液採用具有絕緣特性的液體，典型的為Galden液，也可以是其它電絕緣的液體。由於不斷的和基座22進行熱交換，冷卻液溫度逐漸變化無法保證冷卻液管道入口到出口之間溫度的均一。本發明提出一種蓄熱冷卻液，該蓄熱冷卻液主體仍然是傳統的冷卻液如Galden液，但是在冷卻液中懸浮有大量微膠囊，微膠囊內部包裹有相變材料，這些相變材料具有穩定的相變溫度，如20度，當蓄熱冷卻液吸收外部熱量時，這些熱量被微膠囊中的相變材料吸收，相變材料吸熱逐漸相變為液態，但是整個相變材料顆粒的溫度恆定不變。由於冷卻液中大量懸浮有相變材料微膠囊，所以冷卻液流動過程中從冷卻液管道壁傳入蓄熱冷卻液的熱量只會引起這些微膠囊內相變材料的相變，整體冷卻液的溫度不會發生明顯變化。最終從冷卻液容器31出口到熱交換管道入口端220b再到熱交換管道出口端220a直到流回冷卻液容器31，蓄熱冷卻液不會發生明顯的溫度變化。所以基座22中具有均一的溫度分佈，不再受管道長度、管道空間排布等因素的影響。其中相變材料微膠囊的直徑可以是1um-500um不等，相變材料可以選擇有機化合物，只要該有機化合物的熔點是在等離子處理技術所需的溫度範圍就能應用于本發明場合，如20-80度。相變材料最典型、成本最低的是石蠟，石蠟是有多種直鏈烷烴混合而成，其中短鏈的烷烴如C₁₆H₃₄的熔點為16.7度，C₂₁H₄₄的熔點為44度，長鏈的烷烴如C₃₀H₆₂的熔點為65度，所以本發明中的相變材料可以選擇的成分範圍很廣，需要根據具體等離子處理技術的需要選擇優化。比如當等離子 處理裝置長期只運行同一種技術時，可以選擇該技術對應的基座溫度如21度，對應的可以選擇主要成分為C₁₇H₃₆(熔點21.4度)作為相變材料。當等離子處理技術需要在不同溫度範圍內變化時，可以將具有不同熔點的材料混合成。隨著溫度上升，這種混合材料的相變微膠囊中不同材料逐次融化。比如等離子處理技術需要在21-65度之間變化，基座溫度控制系統中的冷卻液容器31初始輸出的溫度可以是20度左右，經過基座22中的熱交換管道220後只有熔點為21度的相變材料融化，其它具有更高熔點的材料吸收了熱量溫度沒有變化，同樣的當需要工作在65度時，冷卻液容器31需要輸入大量熱到蓄熱混合液30，在輸送熱量過程中逐漸將低熔點的材料全部融化，直到達到65度左右再將蓄熱混合液30送入基座22內進行熱量交換。這種由混合相變材料構成的相變材料膠囊也能實現基座22上具有均勻的溫度，所以也能夠實現本發明目的。但是這種混合相變材料也具有部分缺點，在基座22內流動過程中實際只有一種成分的相變材料在進行相變吸熱，其餘不是這個熔點的相變材料成分均已全部變為固態或者液態，所以這種混合相變材料只有部分材料具有蓄熱能力，相比單一材料蓄熱能力明顯不足，對於需要高功率的等離子技術來說，有可能發生蓄熱混合液還未流出出口端220a時有效的相變材料已經全部發生相變，無法再透過相變吸熱並維持微膠囊的溫度，這時出口端220a的溫度會高於入口端220b的溫度。另一方面，這種混合相變材料中已經全部變為固體的材料會阻隔有效相變材料與微膠囊外部冷卻液溶液之間的熱量傳導通路，這也會明顯減小蓄熱混合液的蓄熱能力。在技術溫度需要快速變化的場合，透過冷卻液容器31的快速加熱或散熱實現蓄熱混合液快速變化很難實現，容器31內大量蓄熱混合液升溫本身需要加熱，同時額外的相變所需熱量也要同步輸入，所以這種蓄熱混合液從20到60度需要的熱 量會高於傳統的冷卻液，而且全部相變材料完成相變需要時間傳遞熱量到每一個懸浮在冷卻液中的微膠囊。短時間內快速加熱蓄熱混合液，將需要大功率的加熱或散熱裝置，不具有經濟價值。

為了更好的適應在兩個技術溫度之間快速切換的應用需要，本發明提供了如圖3所示的另一個實施例。圖3所示的基座溫度控制系統與圖2相比包括了兩個冷卻液容器31、41，以及兩個容器各自對應的閥門V1、V2、共用的閥門V3。同時上述冷卻液容器31、41內的中上部還設置了相變材料微膠囊濾網F1、F2，只能允許冷卻液在濾網上下流通，相變材料微膠囊無法穿過。上述兩個微膠囊濾網F1、F2將容器31、41分隔為上部純冷卻液區和下部冷卻液和相變材料微膠囊的混合區，上下兩部均包括一個液體出口連通到對應的閥門V1、V2

冷卻液容器31內存儲的第一蓄熱混合液30中含有大量第一相變材料微膠囊，第一相變材料微膠囊中的相變材料熔點在20度，冷卻液容器41內存儲的第二蓄熱混合液40含有大量第二相變材料微膠囊，其相變材料的熔點在60度。在工作過程中冷卻液容器透過加熱/散熱的機構使得第一蓄熱混合液30保持在20度，第二蓄熱混合液40保持在60度。在第一處理技術中需要使基座22具有20度的溫度，所以冷卻液容器31下部出口透過開通的閥門V1流入基座22中的熱交換管道220，使得基座22保持在20度恆定不變。

當等離子處理裝置需要運行第二處理技術時，基座22需要快速轉換到60度，需要一個蓄熱混合液切換過程。在蓄熱混合液切換過程至少包括兩個步驟，步驟1：首先將冷卻液容器41上部的具有60度溫度的純冷卻液透過閥門V2輸送入該基座22內熱交換管220，在加熱基座22的同時將殘留在基座22內熱交換管220內的具有第一相變材料微膠囊顆粒沖刷出來。沖刷出來的第一相變材料 微膠囊隨著與基座22進行過熱交換後的冷卻液流過閥門V3到達冷卻液容器31的下部，這樣第一相變材料微膠囊實現了有效回收，避免了不同熔點的相變材料微膠囊發生混合後無法分離。步驟2：隨後控制閥門V2的機構，停止從冷卻液容器41的上部輸出冷卻液，改為從冷卻液容器的下部輸出混合有第二相變材料微膠囊的第二蓄熱液到基座22，直到基座溫度達到目標溫度60度，隨後進行第二處理技術。圖4所示為上述蓄熱混合液切換過程中溫度變化曲線，步驟1中採用與現有技術相同的純冷卻液加熱，所以其溫度曲線與現有技術重合，在步驟2中本發明改為第二蓄熱混合液輸送到基座22，其中蓄積的熱量可以保證第二蓄熱混合液在整個回路中始終保持在60度，快速加熱基座22。現有技術由於純冷卻液在基座22的管道內流動過程中不斷被基座22帶走熱量，所以冷卻液溫度不斷降低，到出口端220a時溫度明顯低於入口端220b時的溫度，所以現有技術加熱基座22的速度明顯低於本發明，最終的溫度曲線如圖4中虛線部分所示，現有技術溫升更慢，需要耗費更多時間。

第二處理技術完成需要切換回到第一處理技術時進行反向操作：步驟1：容器31內上部具有20度的純冷卻液將管道內剩餘的第二相變材料微膠囊沖刷送回容器41下部；步驟2：完成沖刷後切換為容器31下部的第一蓄熱混合液31經過V1流入基座22。

本發明圖3所示的各個閥門V1、V2、V3和附屬的冷卻液供應管道，可以有其它多種實施例，比如閥門V1、V2、V3可以是多個單通閥門的組合，透過分別控制各個單通閥門的開關實現本發明中V1的三通閥門功能。V1和V2的輸出端也可以透過兩個獨立的冷卻液供應管道連接到基座22的入口端220b。上述這些改動均為業內人士很容易想到的簡單替換，仍然屬於本發明方案範圍。

本發明藉由在冷卻液中添加相變材料微膠囊使得冷卻液形成蓄熱混合液，蓄熱混合液流過基座22過程中不會發生溫度變化，從而使得基座22內熱交換管道220不同部位均勻進行熱交換，基座22具有均一的溫度分佈。相變材料微膠囊中包裹的相變材料可以具有單一的熔點，也可以是多種不同熔點材料的混合物，實現一定溫度範圍內的多熔點相變材料。本發明也可以設置兩種以上具有單一熔點的相變材料在兩個獨立的冷卻液容器中，透過蓄熱混合液切換過程實現兩者蓄熱混合液在切換過程中兩種相變材料微膠囊的隔離。

本發明除了可以應用於等離子處理裝置實現對晶圓的刻蝕或者化學氣相沉積(CVD)，也可以用於其它反應腔，比如熱處理反應腔，只需要將晶圓加熱到足夠的溫度不需要利用等離子對晶圓進行處理，任何對晶圓處理過程中對溫度均一性要求高的反應腔均可以採用本發明的蓄熱混合液作為基座22熱交換管道220中的冷卻液，實現本發明的目的。

儘管本發明的內容已經藉由上述較佳地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申請專利範圍來限定。

Claims (10)

1. 一種用於晶圓處理的一反應腔，其包括一反應腔體，該反應腔體是由一側壁和一頂蓋、一底壁圍繞構成的一氣密腔體，該反應腔內包括一基座用於支撐待處理晶圓，該基座中包括至少一用於冷卻液流動的熱交換管道，該熱交換管道包括一入口端和一出口端；一基座溫度控制系統用於控制該基座的溫度，該基座溫度控制系統包括一第一冷卻液容器和一第二冷卻液容器，各該冷卻液容器包括一上部輸出端和一下部輸出端，各該冷卻液容器內還包括一微膠囊濾網，該微膠囊濾網使得一微膠囊只能在該微膠囊濾網下方擴散，該上部輸出端位於該微膠囊濾網上方，該下部輸出端位於該微膠囊濾網下方，各該冷卻液容器還包括一輸入端位於該微膠囊濾網下方；該第一冷卻液容器中含有一第一蓄熱混合液，該第二冷卻液容器中含有一第二蓄熱混合液；該第一冷卻液容器及該第二冷卻液容器的該上部輸出端及該下部輸出端透過複數個閥門和一冷卻液輸送管道連通到該基座的該熱交換管道的該入口端，該第一冷卻液容器及該第二冷卻液容器的該輸入端透過至少一閥門和該冷卻液輸送管道連接到該基座的該熱交換管道的該出口端。
2. 如申請專利範圍第1項所述的用於晶圓處理的反應腔，其中，該反應腔中的該基座由金屬製成，該基座連接到一射頻電源，該射頻電源輸出的射頻功率輸入到該反應腔，使得該基座上方產生一等離子體並對一晶圓進行等離子處理。
3. 如申請專利範圍第1項所述的用於晶圓處理的反應腔，其中，該反應腔頂部還包括一進氣裝置用於輸入一反應氣體，該反應氣體在該晶圓上反應形成化學氣相沉積材料層。
4. 如申請專利範圍第1項所述的用於晶圓處理的反應腔，其中，該蓄熱混合液的預設溫度為一相變材料微膠囊中的相變材料的熔點。
5. 如申請專利範圍第4項所述的用於晶圓處理的反應腔，其中，該相變材料微膠囊中包括複數種類的相變材料，各種類的相變材料具有各自的熔點。
6. 如申請專利範圍第1項所述的用於晶圓處理的反應腔，其中，該冷卻液是電絕緣的導熱液。
7. 如申請專利範圍第6項所述的用於晶圓處理的反應腔，其中，該冷卻液是Galden液。
8. 如申請專利範圍第4項所述的用於晶圓處理的反應腔，其中，該相變材料微膠囊的直徑為1-500um。
9. 如申請專利範圍第1項所述的用於晶圓處理的反應腔，其中，該基座的溫度在三個階段內變化，第一階段內該第一冷卻液容器從該下部輸出端輸出一第一溫度的該第一蓄熱混合液到該基座，使基座穩定在該第一溫度；第二階段內，進行一蓄熱混合液切換：第一步中停止該第一冷卻液容器的該下部輸出端的該第一蓄熱混合液的輸出，同時該第二冷卻液容器的該上部輸出端輸出一第二溫度的一冷卻液到該基座之該熱交換管道的該入口端，該基座之該熱交換管道的該出口端輸出該冷卻液到該第一冷卻液容器的該輸入端直到該基座中的該微膠囊被沖刷完；沖刷完該第一蓄熱混合液中的該微膠囊後，停止該第二冷卻液容器之該上部輸出端輸出；第三階段內該第二冷卻液容器從該下部輸出端輸出該第二溫度的該第二蓄熱混合液到該基座，同時該基座之該熱交換管道的該出口端輸出的該蓄熱混合液回流到該第二冷卻液容器的該輸入端，使該基座穩定在該第二溫度。
10. 如申請專利範圍第4項所述的用於晶圓處理的反應腔，其中，該相變材料微膠囊中的相變材料為石蠟。