TWI817617B - 可變熱導率的控溫組件、方法、系統及等離子體處理裝置 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種可變熱導率的控溫組件，用於等離子體處理裝置，其設置於第一組件和第二組件之間，所述第一組件和第二組件在等離子處理裝置工作時具有溫度差，所述控溫組件用於調節所述第一組件和所述第二組件之間的熱傳導，包括：氣密腔體，其包括第一側和與第一側正對的第二側，所述第一側與所述第一組件相對，所述第二側與所述第二組件相對；支撐骨架，設置於所述氣密腔體內，支撐在所述第一側和所述第二側之間；所述氣密腔體內用於通入或抽出導熱流體，以調節所述控溫組件的熱導率。相應的，還提供一種控溫方法、系統及等離子體處理裝置。本發明通過改變控溫組件的熱導率，調節具有溫度差的兩個組件之間的熱傳導。

Description

可變熱導率的控溫組件、方法、系統及等離子體處理裝置

本發明涉及半導體技術領域，特別涉及一種可變熱導率的控溫組件、方法、系統及等離子體處理裝置。

近年來，隨著半導體製造製程的發展，等離子體處理製程被廣泛應用於半導體元器件的製程中。上述製程，如沉積、蝕刻製程等一般是在等離子體處理裝置內進行。為了滿足製程要求，等離子體處理裝置中的一些結構需要被精確控溫，例如靜電吸盤(ESC)、氣體噴淋頭(shower head)等被控溫結構。通常採用的控溫結構是選擇在帶有製冷劑流、有冷卻功能的基底上安裝加熱器，通過控制加熱器的加熱功率和製冷劑的製冷功率，使得被控溫結構在所要求的溫度點達到溫度平衡。

由於製冷劑熱容值、管道長度及被控溫組件的製冷基底熱容限制，製冷功率的改變響應時間遠比加熱器的加熱功率變化慢，因而通常控溫方式都是選擇改變加熱器功率來實現控溫。然而，在此情景下，加熱器產生的熱量會有很大一部分被製冷劑帶走，使得控溫上限不夠高，需要在加熱器與冷卻基底間加裝絕熱層以減少這部分能量損耗。但加裝絕熱層後會使得降溫過程變得緩慢，影響控溫點切換時的控溫速率，因而需要一款能夠根據需求在線調節熱導率的結構，在需要在高溫度點控溫時降低熱導率形成絕熱層，在需要降溫時提高熱導率加速熱量傳遞以實現快速降溫。

本發明的目的是提供一種可變熱導率的控溫組件、方法、系統及等離子體處理裝置，可根據需求改變熱導率，調節具有溫度差的兩個組件之間的熱傳導。

為了實現以上目的，本發明通過以下技術方案實現：一種可變熱導率的控溫組件，用於等離子體處理裝置，其設置於第一組件和第二組件之間，所述第一組件和第二組件在等離子處理裝置工作時具有溫度差，所述控溫組件用於調節所述第一組件和所述第二組件之間的熱傳導，包括：氣密腔體，其包括第一側和與第一側正對的第二側，所述第一側與所述第一組件相對，所述第二側與所述第二組件相對；支撐骨架，設置於所述氣密腔體內，支撐在所述第一側和所述第二側之間；所述氣密腔體內用於通入或抽出導熱流體，以調節所述控溫組件的熱導率。

進一步的，所述支撐骨架採用熱導率在0.01~1W/m．K之間的材料。

進一步的，所述支撐骨架的材質為高分子材料。

進一步的，所述導熱流體為導熱氣體或導熱液體。

進一步的，所述導熱流體為導熱氣體時，通過改變所述氣密腔體中所述導熱氣體的壓力，改變所述控溫組件的熱導率。

進一步的，所述導熱氣體選擇氦氣。

進一步的，所述導熱流體為導熱液體時，通過在所述氣密腔體中通入或抽出所述導熱液體，改變所述控溫組件的熱導率。

進一步的，所述控溫組件的厚度範圍為200-2000微米。

進一步的，還包括氣密外殼，用於形成所述氣密腔體，所述氣密外殼設有流體進出口。

進一步的，所述第一組件和所述第二組件之間形成所述氣密腔體，所述支撐骨架與所述第一組件和所述第二組件接觸。

進一步的，所述氣密腔體的數量為多個，單獨控制各個所述氣密腔體通入或抽出導熱流體，以調節所述控溫組件中不同所述氣密腔體所在區域的熱導率。

進一步的，所述等離子體處理裝置包括基座和靜電吸盤，所述靜電吸盤設置於基座上，所述靜電吸盤下方設有第一加熱器，用於向所述靜電吸盤提供熱量，所述基座中設有第一冷卻通道，用於流通冷卻液對所述靜電吸盤進行冷卻；所述第一組件和所述第二組件中的其中之一者為所述第一加熱器，另一者為所述基座。

進一步的，所述等離子體處理裝置包括安裝座和氣體噴淋頭，所述氣體噴淋頭設置於所述安裝座下方，所述安裝座與所述氣體噴淋頭之間設有第二加熱器，或者所述安裝座上方設置所述第二加熱器，用於向所氣體噴淋頭提供熱量，所述安裝座中設有第二冷卻通道，用於流通冷卻液對所述氣體噴淋頭進行冷卻；所述第一組件和所述第二組件中的其中之一者為所述第二加熱器，另一者為所述安裝座。

一種控溫方法，包括：提供如上文所述的控溫組件； 向所述氣密腔體中通入或抽出導熱流體，改變所述控溫組件的熱導率。

進一步的，所述氣密腔體為真空時，所述控溫組件作為絕熱層；所述氣密腔體充滿所述導熱流體時，所述控溫組件作為導熱層。

一種控溫系統，包括高溫組件、低溫組件和如上文所述的可變熱導率的控溫組件，所述控溫組件設置在所述高溫組件和低溫組件之間。

一種等離子體處理裝置，其特徵在於，配置有如上文所述的控溫系統。

與現有技術相比，本發明具有如下優點：控溫組件的氣密腔體內設置支撐骨架可以提高機械強度，腔體內通入或抽出導熱流體可以改變其熱導率；將該控溫組件集成到控溫結構中，通過調節熱導率可以提高控溫結構的控溫動態範圍。

100:真空反應腔

101:反應腔側壁

102:開口

110:基座

112:靜電吸盤

113:靜電電極

114:第一加熱器

120:氣體噴淋頭

122:安裝座

125:氣體供應裝置

150:射頻電源

152:匹配網路

200:控溫組件

210:氣密腔體

220:支撐骨架

230:氣密外殼

231:流體進出口

300:控溫組件

310:氣密腔體

320:支撐骨架

400:控溫組件

410:氣密腔體

A:第一組件

B:第二組件

W:待處理晶圓

S100~S200:步驟

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，對於本案所屬技術領域中具有通常知識者來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖：圖1為一種電容耦合等離子體處理設備的結構示意圖；圖2為本發明第一實施例提供的一種可變熱導率的控溫組件的結構示意圖；圖3為本發明第二實施例提供的一種可變熱導率的控溫組件的結構示意圖；圖4為本發明第三實施例提供的一種可變熱導率的控溫組件的結構示意圖；圖5為本發明一實施例提供的一種控溫方法的流程示意圖。

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。

圖1示出了一種電容耦合等離子體(CCP)處理設備的結構示意圖，電容耦合等離子體處理設備是一種由施加在極板上的射頻電源通過電容耦合的方式在反應腔內產生等離子體並用於蝕刻的設備。其包括真空反應腔100，真空反應腔100包括由金屬材料製成的大致為圓柱形的反應腔側壁101，反應腔側壁上設置一開口102用於容納晶圓進出。真空反應腔100內設置一氣體噴淋頭120和一與所述氣體噴淋頭相對設置的基座110，所述氣體噴淋頭120與一氣體供應裝置125相連，用於向真空反應腔100輸送反應氣體，同時作為真空反應腔100的上電極，所述基座上方設置一靜電吸盤112，同時作為真空反應腔100的下電極，所述上電極和所述下電極之間形成一反應區域。靜電吸盤112內部設置一靜電電極113，用於產生靜電吸力，以實現在製程過程中對待處理晶圓W的支撐固定。至少一射頻電源150通過匹配網路152施加到所述上電極或下電極之一，在所述上電極和所述下電極之間產生射頻電場，用以將反應氣體解離為等離子體，等離子體中含有大量的電子、離子、激發態的原子、分子和自由基等活性 粒子，上述活性粒子可以和待處理晶圓W的表面發生多種物理和化學反應，使得晶圓表面的形貌發生改變，即完成蝕刻過程。

其中，在製程過程中所述氣體噴淋頭120和所述靜電吸盤112需要被精確控溫。以所述靜電吸盤112為例對其控溫方式進行說明，所述靜電吸盤112下方設置第一加熱器114，用於向所述靜電吸盤112提供熱量，所述基座110中設置有第一冷卻通道，用於流通冷卻液對所述靜電吸盤112進行冷卻。本發明提供的可變熱導率的控溫組件可用於調節所述第一加熱器114與所述基座110之間的熱導率，以實現對靜電吸盤112的精確控溫。以所述氣體噴淋頭120為例對其控溫方式進行說明，所述氣體噴淋頭120安裝在安裝座122下方，所述安裝座與所述氣體噴淋頭120之間可以設置第二加熱器，通常所述安裝座122內設有第二冷卻通道，其中通入冷卻流體，其與第二加熱器一起對所述氣體噴淋頭120進行控溫，本發明提供的可變熱導率的控溫組件設置於所述安裝座122與所述第二加熱器之間，用於調節二者之間的熱導率。在其它實施例中，所述第二加熱器也可以設置在所述安裝座122上方，所述本發明提供的可變熱導率的控溫組件設置於所述安裝座122與所述第二加熱器之間。

圖2示出了本發明第一實施例的可變熱導率的控溫組件200，可用於等離子體處理裝置，其設置於第一組件和第二組件之間，所述第一組件和第二組件在等離子處理裝置工作時具有溫度差，所述控溫組件200用於調節所述第一組件和所述第二組件之間的熱傳導。具體的，在對如圖1所示的等離子體處理裝置中的靜電吸盤112控溫時，所述第一組件例如為第一加熱器114，則所述第二組件相應的為基座110。在其它實施例中，在對如圖1所示的等離子體處理裝置中的氣體噴淋頭120控溫時，所述第一組件例如為第二加熱器，則所述第二組件相應的為安裝座122。

所述控溫組件200包括：氣密腔體210，其包括第一側和與第一側正對的第二側，所述第一側與所述第一組件相對，所述第二側與所述第二組件相對；支撐骨架220，設置於所述氣密腔體210內，支撐在所述第一側和所述第二側之間，維持氣密腔體210的整體結構不塌陷，使第一側和第二側與第一組件和第二組件有良好的接觸，避免傳熱產生不均勻，而且可以使靜電吸盤對基片的承載具有足夠的平整度；所述氣密腔體210內用於通入或抽出導熱流體，以調節所述控溫組件200的熱導率。即，在對靜電吸盤112控溫時，所述控溫組件200安裝於所述第一加熱器114和所述基座110之間，其第一側靠近所述第一加熱器114，第二側靠近所述基座110，所述氣密腔體210內通入導熱流體，可增加所述第一加熱器114和所述基座110之間的熱傳導，當抽出所述氣密腔體210內的導熱流體後，所述第一加熱器114和所述基座110之間的熱傳導降低，由此可根據實際的製程需求控制所述氣密腔體210內導入或抽出導熱流體的量，以調節所述第一加熱器114和所述基座110之間的熱傳導。可見，將所述控溫組件200集成到靜電吸盤112的控溫結構中的基座110與第一加熱器114之間，即可通過調節其熱導率而大大提高控溫結構對靜電吸盤112的控溫動態範圍。

所述導熱流體可以為導熱氣體，例如氦氣。氣體的導熱率和氣壓存在對應的變化關係，通過改變所述氣密腔體210中所述導熱氣體的壓力，從而改變所述控溫組件200的熱導率。即，當氣密腔體210中充入導熱氣體，隨著氣體壓力的增大，所述控溫組件200的熱導率隨之升高，傳熱加快，所述控溫組件200可作為導熱層，當氣密腔體210中導熱氣體被抽出，所述控溫組件200的熱導率降低，傳熱減少，待抽至接近真空時，可作為絕熱層。

可以理解的是，當所述氣密腔體210接近真空時，所述控溫組件200的熱導率與所述支撐骨架220有關。常見物質的熱導率參考值如表1所示，由於固體物質在結構、材料固定的情況下，其熱導率是相對固定的，為降低所述 支撐骨架220的熱導率，故所述支撐骨架220採用熱導率在0.01~1W/m．K之間的材料製成，例如Vespel、Kapton聚醯亞胺、PTFE聚四氟乙烯等高分子材料。

此外，所述控溫組件200的厚度可在200-2000微米範圍內。在所述氣密腔體210內設置所述支撐骨架220，可用於在抽真空時增強所述氣密腔體210的機械強度。

所述導熱流體還可以選擇導熱液體，通過在所述氣密腔體210中通入或抽出所述導熱液體，改變所述控溫組件200的熱導率，實現在有、無導熱液體兩種導熱係數之間切換：當所述氣密腔體210排空導熱液體時，所述控溫組件200作為絕熱層，減少熱傳導；當所述氣密腔體210充滿導熱液體時，所述控溫組件200作為導熱層，加強熱傳導。

如圖2所示，為保證氣密性，所述控溫組件200還包括氣密外殼230，用於形成所述氣密腔體210，所述氣密外殼230包覆所述支撐骨架220，所述氣密外殼設有流體進出口231，通過所述流體進出口231向所述氣密腔體210內 通入或抽出導熱流體。所述氣密外殼230的材質可以與所述支撐骨架220相同或不同。

圖3示出了本發明第二實施例的可變熱導率的控溫組件300，所述第一組件A和所述第二組件B之間形成所述氣密腔體310，所述支撐骨架320與所述第一組件A和所述第二組件B接觸。即所述氣密腔體310內的導熱流體可直接接觸所述第一組件A和所述第二組件B。

本實施例與第一實施例的區別在於，該控溫組件300不包括氣密外殼。舉例而言，在對如圖1所示的等離子體處理裝置中的靜電吸盤112控溫時，所述控溫組件300作為中間層置於所述第一加熱器114和所述基座110之間，可直接利用基座110與第一加熱器114的表面作為氣密外殼。

圖4示出了本發明第三實施例的可變熱導率的控溫組件400，所述氣密腔體410的數量為多個，單獨控制各個所述氣密腔體410通入或抽出導熱流體，以調節所述控溫組件400中不同所述氣密腔體410所在區域的熱導率。由此可實現分區控溫。本實施例的控溫組件400中每一氣密腔體410可採用第一實施例或第二實施例所示的結構。

本實施例與第一、第二實施例的區別在於，將該控溫組件400做內部分區，從而對熱導率進行分區調控。舉例而言，在對如圖1所示的等離子體處理裝置中的靜電吸盤112控溫時，該控溫組件400可疊加在基座110冷卻控溫基礎上，實現對靜電吸盤112溫度的分區控制，或配合動態靜電吸盤控溫設計使用，控制第一加熱器114到基座110的傳熱。

以上以靜電吸盤112為例對本發明提供的可變熱導率的控溫組件及其控溫原理進行了詳細介紹。本案所屬技術領域中具有通常知識者可以理解的是，在其它控溫結構例如氣體噴淋頭120的控溫結構中，本發明提供的可變熱導率的控溫組件的設置方式以及控溫原理基本類似，在此不做贅述。

基於同樣的發明構思，本發明還提供一種控溫系統，包括高溫組件、低溫組件和如前述三個實施例所述的可變熱導率的控溫組件，所述控溫組件設置在所述高溫組件和低溫組件之間，用於調節所述高溫組件和所述低溫組件之間的熱傳導。例如所述控溫系統可用於對靜電吸盤或氣體噴淋頭進行控溫。

本發明還提供一種等離子體處理裝置，其特徵在於，配置有如前所述的控溫系統。該等離子體處理裝置可以為圖1所示的電容耦合等離子體(CCP)處理設備，也可以是電感耦合等離子體(ICP)處理設備。

本發明還提供一種控溫方法，如圖5所示，包括：步驟S100，提供上述的控溫組件；步驟S200，向所述氣密腔體中通入或抽出導熱流體，改變所述控溫組件的熱導率。

具體的，將所述控溫組件安裝於第一組件和第二組件之間，在工作時所述第一組件和第二組件具有溫度差。

當需要降低所述第一組件和第二組件之間的熱傳導時，例如期望增強加熱組件對第一組件的升溫範圍而降低第二組件對第一組件的降溫效果時，從所述氣密腔體抽出導熱流體至真空，降低所述控溫組件的熱導率，在所述第一組件和第二組件之間形成絕熱層。在需要加快所述第一組件和第二組件之間的熱傳導時，例如增強第二組件對第一組件的降溫速度，使第一組件的溫度快速下降時，將所述氣密腔體充滿導熱流體，提高所述控溫組件的熱導率，作為所述第一組件和第二組件之間的導熱層，加速熱量傳遞。

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。在本案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。

200:控溫組件

210:氣密腔體

220:支撐骨架

230:氣密外殼

231:流體進出口

Claims (16)

1. 一種可變熱導率的控溫組件，用於等離子體處理裝置，其設置於一第一組件和一第二組件之間，該第一組件和該第二組件在等離子處理裝置工作時具有溫度差，該控溫組件用於調節該第一組件和該第二組件之間的熱傳導，其中，包括：一氣密腔體，其包括一第一側和與該第一側正對的一第二側，該第一側與該第一組件相對，該第二側與該第二組件相對；一支撐骨架，設置於該氣密腔體內，支撐在該第一側和該第二側之間，該支撐骨架採用熱導率在0.01~1W/m．K之間的材料；該氣密腔體內用於通入或抽出導熱流體，以調節該控溫組件的熱導率。
2. 如請求項1所述的可變熱導率的控溫組件，其中，該支撐骨架的材質為高分子材料。
3. 如請求項1所述的可變熱導率的控溫組件，其中，導熱流體為導熱氣體或導熱液體。
4. 如請求項3所述的可變熱導率的控溫組件，其中，導熱流體為導熱氣體時，通過改變該氣密腔體中導熱氣體的壓力，改變該控溫組件的熱導率。
5. 如請求項3所述的可變熱導率的控溫組件，其中，導熱氣體選擇氦氣。
6. 如請求項3所述的可變熱導率的控溫組件，其中，導熱流體為導熱液體時，通過在該氣密腔體中通入或抽出導熱液體，改變該控溫組件的熱導率。
7. 如請求項1所述的可變熱導率的控溫組件，其中，該控溫組件的厚度範圍為200-2000微米。
8. 如請求項1所述的可變熱導率的控溫組件，其中，還包括一氣密外殼，用於形成該氣密腔體，該氣密外殼設有一流體進出口。
9. 如請求項1所述的可變熱導率的控溫組件，其中，該第一組件和該第二組件之間形成該氣密腔體，該支撐骨架與該第一組件和該第二組件接觸。
10. 如請求項1~9任一項所述的可變熱導率的控溫組件，其中，該氣密腔體的數量為多個，單獨控制各個該氣密腔體通入或抽出導熱流體，以調節該控溫組件中不同該氣密腔體所在區域的熱導率。
11. 如請求項1所述的可變熱導率的控溫組件，其中，該等離子體處理裝置包括一基座和一靜電吸盤，該靜電吸盤設置於該基座上，該靜電吸盤下方設有一第一加熱器，用於向該靜電吸盤提供熱量，該基座中設有一第一冷卻通道，用於流通冷卻液對該靜電吸盤進行冷卻；該第一組件和該第二組件中的其中之一者為該第一加熱器，另一者為該基座。
12. 如請求項1所述的可變熱導率的控溫組件，其中，該等離子體處理裝置包括一安裝座和一氣體噴淋頭，該氣體噴淋頭設置於該安裝座下方，該安裝座與該氣體噴淋頭之間設有一第二加熱器，或者該安裝座上方設置該第二加熱器，用於向該氣體噴淋頭提供熱量，該安裝座中設有一第二冷卻通道，用於流通冷卻液對該氣體噴淋頭進行冷卻； 該第一組件和該第二組件中的其中之一者為該第二加熱器，另一者為該安裝座。
13. 一種控溫方法，其中，包括：提供如請求項1~12任一項所述的一控溫組件；向該氣密腔體中通入或抽出導熱流體，改變該控溫組件的熱導率。
14. 如請求項13所述的控溫方法，其中，該氣密腔體為真空時，該控溫組件作為絕熱層；該氣密腔體充滿導熱流體時，該控溫組件作為導熱層。
15. 一種控溫系統，其中，包括一高溫組件、一低溫組件和如請求項1~12任一項所述的一可變熱導率的控溫組件，該控溫組件設置在該高溫組件和該低溫組件之間。
16. 一種等離子體處理裝置，其中，配置有如請求項15所述的一控溫系統。