TWI822349B - 控溫裝置及相應的等離子體處理器 - Google Patents

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TWI822349B
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吳昊
如彬 葉
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大陸商中微半導體設備（上海）股份有限公司
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    • H01J37/32449—Gas control, e.g. control of the gas flow

Abstract

本發明公開了一種控溫裝置，包括：加熱器，為與控溫目標體熱接觸的加熱裝置，用於使所述控溫目標體接觸受熱升溫；冷卻器，為與所述加熱器熱接觸的冷卻裝置，用於使所述加熱器以及與加熱器熱接觸的所述控溫目標體冷卻降溫；所述冷卻器與加熱器之間的熱接觸面積可以動態調整，用於通過調整熱接觸面積改變熱傳導效率，從而控制所述控溫目標體的降溫或升溫的速度和範圍。本發明還公開了一種等離子體處理器，包括上述的控溫裝置。本發明通過動態改變加熱器與冷卻器之間的熱接觸面積，能夠有效提高熱效率和控溫動態範圍，減小安裝基板的徑向溫度梯度，改善氣體噴淋頭板的溫度可控性、降低加熱器功率輸出及延長加熱器的使用壽命。

Description

控溫裝置及相應的等離子體處理器
本發明涉及半導體技術及控溫技術領域，具體涉及一種控溫裝置及相應的等離子體處理器。
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噴淋頭組件。噴淋頭組件包括一安裝基座(Mounting Base)和安裝在安裝基座底部的一氣體噴淋頭(showerhead)板，氣體噴淋頭板需要被精確控溫。目前氣體噴淋頭板的控溫方式是，通過對安裝基座的直接控溫來實現對氣體噴淋頭板的間接控溫。如圖1所示，原安裝基座b下表面安裝有原氣體噴淋頭板a，其上表面下凹後的空間安裝有原加熱器01，原加熱器01直接對原安裝基座b加熱並通過熱傳導進而間接對原氣體噴淋頭板a加熱；原安裝基座b的掛耳處設有原冷卻通道02，其中通入冷卻水或者控溫製冷劑，對原安裝基座b進行冷卻從而實現間接對原氣體噴淋頭板a冷卻。
該設計存在兩點缺點：一是原冷卻通道距離原氣體噴淋頭板太遠，冷卻導致整個原安裝基座在徑向有溫度梯度，會導致溫度不均勻及熱膨脹尺寸不一樣；二是原加熱器的熱量要穿過被原冷卻通道冷卻的原安裝基座才能作用於原氣體噴淋頭板上，導致大量熱量流失，加熱效率及控溫效率比較低， 需要較大的加熱器功率才能保證原氣體噴淋頭板控溫穩定，而大功率的使用環境會導致原加熱器壽命縮短，局部過熱導致的熱變形會引起原加熱器與原安裝基座熱接觸變差。
本發明的目的在於提供一種控溫裝置及相應的等離子體處理器，能夠減小安裝基板的徑向溫度梯度，有效提高熱效率和控溫動態範圍，改善氣體噴淋頭板的溫度可控性、降低加熱器功率輸出及延長加熱器的使用壽命。
為了達到上述目的，本發明通過以下技術方案實現：一種控溫裝置，包括：加熱器，為與控溫目標體熱接觸的加熱裝置，用於使所述控溫目標體接觸受熱升溫；冷卻器，為與所述加熱器熱接觸的冷卻裝置，用於使所述加熱器以及與加熱器熱接觸的所述控溫目標體冷卻降溫；所述冷卻器與加熱器之間的熱接觸面積可以動態調整，用於通過調整熱接觸面積改變熱傳導效率，從而控制所述控溫目標體的降溫或升溫的速度和範圍。
較佳地，所述冷卻器與加熱器之間通過導熱材料實現熱接觸，所述導熱材料在工作溫度時為液態；所述冷卻器與加熱器之間的熱接觸面積調整，是通過調整所述冷卻器與導熱材料之間和/或所述導熱材料與加熱器之間的熱接觸面積實現的。
較佳地，所述冷卻器設置在所述加熱器頂部且垂直相對距離可調整。
較佳地，所述加熱器頂部設置有導熱槽，所述導熱材料容納於所述導熱槽，用於實現所述導熱材料與加熱器之間的熱接觸。
較佳地，所述冷卻器底部設置有下凸的導熱座，所述導熱座的設置位置、形狀、尺寸與所述導熱槽相適配，所述導熱座可全部容納於所述導熱槽中，用於實現所述冷卻器與導熱材料之間的熱接觸。
較佳地，調整所述冷卻器和加熱器之間的垂直相對距離，可改變所述導熱座與導熱材料之間和/或所述導熱材料與導熱槽之間的熱接觸面積。
較佳地，所述導熱槽的槽底設置有下凹的導熱材料積存部，用於容納所述導熱材料；所述導熱座的底部設置有下凸的導熱材料擠壓部，所述導熱材料擠壓部的設置位置、形狀、尺寸與所述導熱材料積存部相適配，所述導熱材料擠壓部可部分或全部容納於所述導熱材料積存部。
較佳地，調整所述導熱材料擠壓部與導熱材料積存部之間的垂直相對距離，可使所述導熱材料擠壓部擠壓/脫離導熱材料積存部內的導熱材料，不同程度地擠壓可以使所述導熱材料不同程度地填充所述導熱材料擠壓部與導熱材料積存部之間的空隙，導致所述導熱材料與所述導熱材料擠壓部及導熱材料積存部之間的熱接觸面積相應地增加/減少。
較佳地，所述導熱材料積存部為V形槽。
較佳地，所述導熱槽的內側側壁與導熱座的側壁之間通過不導熱的動密封裝置抵接，用於防止導熱槽的側壁與導熱座的側壁之間熱傳導，以及防止所述導熱材料溢出所述導熱槽。
較佳地，所述動密封裝置為兩個內徑不同的動密封圈。
較佳地，所述導熱材料為液態導熱油或熔點為40~200℃的導熱脂。
較佳地，所述導熱座上設置有泄壓補液口，所述泄壓補液口將所述導熱材料與外部連通，用於所述導熱材料的泄壓、檢測餘量及填充口。
較佳地，所述導熱材料為熔點為40~200℃的合金。
較佳地，所述控溫裝置還包括與所述冷卻器頂部連接的升降裝置，所述冷卻器和加熱器之間垂直相對距離的調整是通過所述升降裝置實現的。
較佳地，所述控溫裝置是用於等離子體處理器，並且所述控溫目標體為所述等離子體處理器中的氣體噴淋頭板，所述等離子體處理器還包括與所述氣體噴淋頭板頂部固定連接的安裝基座，所述安裝基座的下表面用於安裝所述氣體噴淋頭板，所述安裝基座的上表面的部分區域向下凹陷形成容納空間，用於安裝所述控溫裝置。
較佳地，所述加熱器和冷卻器為軸線垂直於所述安裝基座的環體。
一種等離子體處理器，包括：氣體噴淋頭板、設置在所述氣體噴淋頭板頂部的安裝基座，所述等離子體處理器還包括上述的控溫裝置，所述控溫裝置固定設置在所述安裝基座的頂部。
本發明與現有技術相比具有以下優點：1、通過動態改變加熱器與冷卻器之間的熱接觸面積，可以實現加熱器不需要工作在高功率下即可實現對氣體噴淋頭板的有效控溫，提高了熱效率和控溫動態範圍，延長了加熱器的使用壽命；2、通過將冷卻器設置到離安裝基板中心更近的地方，減小了安裝基板的徑向溫度梯度。
01:原加熱器
02:原冷卻通道
1:加熱器
11:導熱槽
111:導熱材料積存部
2:冷卻器
21:導熱座
211:導熱材料擠壓部
22:泄壓補液口
23:冷卻通道
3:導熱材料
4:動密封圈
A:噴淋頭組件
a:原氣體噴淋頭板
A1:氣體噴淋頭板
A2:安裝基座
B:基座
b:原安裝基座
C:反應腔壁
為了更清楚地說明本發明專利實施例的技術方案，下面將對實施例描述所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明專利的一些實施例，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為現有技術的等離子體處理器控溫裝置的安裝示意圖；圖2為包含本發明的控溫裝置的等離子體處理器的結構示意圖；圖3為本發明實施例中等離子體處理器控溫裝置的低熱導率狀態示意圖；圖4為本發明實施例中等離子體處理器控溫裝置的高熱導率狀態示意圖；圖5為本發明實施例中加熱器的結構示意圖；圖6為本發明實施例中冷卻器的結構示意圖。
為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明作進一步地描述，所描述的實施例不應視為對本發明的限制，本發明所屬技術領域中具有通常知識者在沒有做出具進步性改變前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
在以下的描述中，涉及到“一些實施例”、“一個或多個實施例”，其描述了所有可能實施例的子集，但是可以理解，“一些實施例”、“一個或多個實施例”可以是所有可能實施例的相同子集或不同子集，並且可以在不衝突的情況下相互組合。
在以下的描述中，所涉及的術語“第一\第二\第三”僅僅用於分別類似的物件，不代表針對物件的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允許的情況下可以互換特定的順序或先後次序，以使這裡描述的本發明實施例能夠以除了在圖示或描述的以外的順序實施。
除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬於本發明所屬技術領域中具有通常知識者通常理解的含義相同。本文中所使用的術語只是為了描述本發明實施例的目的，不是旨在限制本發明。
圖2示出了包含本發明的控溫裝置的等離子體處理器的結構示意圖，該等離子處理器包括一由反應腔壁C圍合而成的反應腔，反應腔內設置有用於支撐基片的基座B，反應腔的頂部設有用於將製程氣體引入反應腔的噴淋頭組件A；製程處理時由一高頻射頻功率源施加高頻射頻訊號至噴淋頭組件A或基座B至少之一，以在噴淋頭組件A和基座B之間形成射頻電場，將反應腔內的製程氣體激發為等離子體，實現等離子體對待處理基片的處理。圖3、4示出了包含本發明的控溫裝置的噴淋頭組件A的部分實施例的結構示意圖，噴淋頭組件A包括氣體噴淋頭板A1、安裝基座A2和控溫裝置，其中，安裝基座A2設置在反應腔頂部，通常為鋁製的，用於吊裝氣體噴淋頭板A1；氣體噴淋頭板A1吊裝在安裝基座A2的下表面，通常由陶瓷(Al2O3，AlN，AlF3，Y2O3等)或半導體(SiC，Si等)製成，氣體噴淋頭板A1需要被精確控溫以對抗當偏置電壓開得較高時由等離子體熱效應導致的氣體噴淋頭板A1的升溫；氣體噴淋頭板A1的控溫是通過本發明的控溫裝置實現的，控溫裝置安裝在安裝基座A2的上表面上，其通過控制安裝基座A2的溫度從而間接控溫氣體噴淋頭板A1。
較佳地，本實施例的控溫裝置採用軸線垂直於所述安裝基座A2的環體，採用環體的優點是熱傳導均勻，控溫速度快、效果理想，且結構簡單、加工難度小。在其他一些實施例中，控溫裝置也可以為其他形狀，也可以為均勻分佈在安裝基座A2上表面的多個控溫裝置。
本實施例中，控溫裝置包括：加熱器1，為設置在安裝基座A2上表面的加熱功率可調整的加熱裝置，與安裝基座A2上表面抵接，並通過熱傳導使安裝基座A2及氣體噴淋頭板A1受熱升溫，從而使氣體噴淋頭板A1達到製程處理所需要的高溫；當製程處理控溫點由高轉低時，通過降低加熱器1的功率或使加熱器1斷電以實現降溫，但是其降溫過程非常緩慢，不能滿足控溫點切換時的控溫速率要求。
為了在需要降溫時增強加熱器1的降溫速度，實現加熱器1及氣體噴淋頭板A1快速降溫，控溫裝置還包括一冷卻器2：冷卻器2為與加熱器1的之間熱接觸面積可以按需動態調整的冷卻裝置，用於通過改變熱接觸面積的大小來改變熱傳導效率，實現加熱器1的可控冷卻降溫，進而通過加熱器1的熱傳導實現安裝基座A2及氣體噴淋頭板A1的可控冷卻降溫。
在一些實施例中，加熱器1與冷卻器2之間的熱接觸是通過導熱材料3實現的，控溫裝置還包括設置在加熱器1和冷卻器2之間的導熱材料3；其在工作溫度時為液態，可以選用液態導熱油或者熔點為40~200℃的導熱脂，又或者熔點為40~200℃的合金；通過調整冷卻器2與導熱材料3之間的熱接觸面積，或者導熱材料3與加熱器1之間的熱接觸面積，又或者同時調整加熱器1、冷卻器2和導熱材料3三者之間的熱接觸面積，即可實現冷卻器2與加熱器1之間的熱接觸面積的動態調整，進而實現控溫目的。
在一些實施例中，冷卻器2設置在加熱器1頂部，冷卻器2與加熱器1的垂直相對距離可調整；在加熱器1的頂部設置有導熱槽11(圖5)，導熱材料3容納於導熱槽11中，導熱槽11用於實現導熱材料3與加熱器1之間的熱接觸；並且，在冷卻器2的底部設置有下凸的導熱座21(圖6)，導熱座21的設置位置、形狀、尺寸與導熱槽11相適配，導熱座21可全部容納於導熱槽11中，用於實現冷卻器2與導熱材料3之間的熱接觸。通過調整冷卻器2和加熱器1之間的垂直相對距離，即可改變所述導熱座21與導熱材料3之間、或者導熱材料3與導熱槽11之間、又或者導熱座21、導熱材料3、導熱槽11三者之間的熱接觸面積，進而實現控溫目的。
為了進一步提高冷卻器2和加熱器1之間的熱接觸面積調整範圍，從而改善控溫效果，在一些實施例中，在導熱槽11的槽底還設置有下凹的導熱材料積存部111，用於容納導熱材料3；並且，在導熱座21的底部設置有下凸的導熱材料擠壓部211，導熱材料擠壓部211的設置位置、形狀、尺寸與導熱材料積存部111相適配，導熱材料擠壓部211可部分或全部容納於所述導熱材料積存部111。通過調整導熱材料擠壓部211與導熱材料積存部111之間的垂直相對距離，可使所述導熱材料擠壓部211擠壓或者脫離導熱材料積存部111內的導熱材料，不同程度地擠壓可以使導熱材料3不同程度地填充導熱材料擠壓部211與導熱材料積存部111之間的空隙，導致導熱材料3與導熱材料擠壓部211及導熱材料積存部111之間的熱接觸面積相應地增加或者減少，從而實現控溫目的。較佳地，導熱材料積存部111為V形槽，導熱材料擠壓部211為適配的V形凸起，可以實現小範圍調整冷卻器2和加熱器1之間的垂直距離，即可實 現冷卻器2和加熱器1之間熱接觸面積的線性大範圍調整，可以實現最佳的控溫效果。
為了防止導熱槽11的側壁與導熱座21的側壁之間熱傳導，以及防止所述導熱材料3溢出所述導熱槽11，如圖3、4所示，在一些實施例中，在所述導熱槽11的內側側壁與導熱座21的側壁之間通過不導熱的動密封裝置抵接；本實施例中，動密封裝置為兩個內徑不同的動密封圈4。
在使用液態導熱油或者熔點為40~200℃的導熱脂作為導熱材料3的一些實施例中，由於液態導熱油或導熱脂具有一定揮發性，如圖4所示，在所述導熱座21上還設置有泄壓補液口22，所述泄壓補液口22將所述導熱材料3與外部連通，用於所述導熱材料的泄壓、檢測餘量及填充口。使用熔點為40~200℃的合金作為導熱材料3的實施例，則不需要設置該泄壓補液口22。
控溫裝置還包括與冷卻器2連接的升降裝置(圖中未示出)，用於提升或降低冷卻器2的高度，從而實現冷卻器2和加熱器1之間垂直相對距離的調整；在一些實施例中，升降裝置為與冷卻器2頂部連接的機械臂，可以受控提升或降低需要的垂直調整距離。
在一些實施例中，安裝基座A2上表面的部分區域向下凹陷形成容納空間(圖3、4)，控溫裝置安裝在容納空間內。
在一些實施例中，冷卻器2內部設置有冷卻通道23(圖6)，其中通入冷卻水或者控溫製冷劑，用於實現冷卻器2的降溫冷卻功能。
需要指出的是，本發明的控溫裝置不局限於應用於等離子體處理器，其可以應用於任何具有需要控溫的裝置或場景。
另外，本實施例還提供一種等離子體處理器，包括：一氣體噴淋頭板A1、一設置在所述氣體噴淋頭板A1頂部的安裝基座A2，以及固定設置在所述安裝基座A2頂部的一控溫裝置。在一些實施例中，安裝基座A2的上表面的部分區域向下凹陷形成容納空間，用於安裝該控溫裝置。
另外，本實施例還提供一種等離子體處理器氣體噴淋頭板控溫方法，通過上述的等離子體處理器實現，包含步驟：S1、當導熱材料3為液態導熱油或者熔點為40~200℃的導熱脂時，每次作業前應首先通過泄壓補液口22檢測導熱材料3的液量，補充揮發量，使導熱材料3維持在指定液量，從而實現精準控溫；S2、當期望將氣體噴淋頭板A1升溫時，加熱器1按需要的加熱功率通電加熱，並且升降裝置將冷卻器2提升至一定高度，使得冷卻器2完全脫離導熱材料3，導熱材料3全部積存在導熱材料積存部111中；此時冷卻器2與導熱材料3及加熱器1的熱接觸面積為零，冷卻器2不與加熱器1進行熱傳導，加熱器1熱傳導安装基座A2及氣體噴淋頭板A1，最終使氣體噴淋頭板A1升溫至期望溫度；S3、當期望使氣體噴淋頭板A1降低升溫速率、保持某一溫度或者降溫時，加熱器1降低加熱功率或停止加熱，並且升降裝置根據需要的熱接觸面積將冷卻器2降低至一定高度，使得冷卻器2的導熱座21不同程度地進入導熱槽11中，進而使得導熱座21不同程度地擠壓導熱材料3填充在導熱座21與導熱槽11之間的空隙中，導致導熱材料3與導熱座21與導熱槽11之間的熱接觸面積相應地增加；冷卻器2與加熱器1進行相應地熱傳導，使得加熱器1升溫放緩、保持某一溫度或降溫，並且通過加熱器1熱傳導安装基座A2及氣體噴淋頭板A1，最終使氣體噴淋頭板A1達到期望溫度。
以上所述，僅為本發明的實施例而已，並非用於限定本發明的保護範圍。凡在本發明的精神和範圍之內做出的任何修改、等同替換和改進等，均包含在本發明的保護範圍之內。
A:噴淋頭組件
B:基座
C:反應腔壁

Claims (18)

  1. 一種控溫裝置，其中，包括： 一加熱器，為與一控溫目標體熱接觸的加熱裝置，用於使該控溫目標體接觸受熱升溫；以及 一冷卻器，為與該加熱器熱接觸的冷卻裝置，用於使該加熱器以及與該加熱器熱接觸的該控溫目標體冷卻降溫； 該冷卻器與該加熱器之間的熱接觸面積可以動態調整，用於通過調整熱接觸面積改變熱傳導效率，從而控制該控溫目標體的降溫或升溫的速度和範圍。
  2. 如請求項1所述的控溫裝置，其中，該冷卻器與該加熱器之間通過一導熱材料實現熱接觸，該導熱材料在工作溫度時為液態； 該冷卻器與該加熱器之間的熱接觸面積調整，是通過調整該冷卻器與該導熱材料之間和/或該導熱材料與該加熱器之間的熱接觸面積實現的。
  3. 如請求項2所述的控溫裝置，其中，該冷卻器設置在該加熱器頂部且垂直相對距離可調整。
  4. 如請求項3所述的控溫裝置，其中，該加熱器頂部設置有一導熱槽，該導熱材料容納於該導熱槽，用於實現該導熱材料與該加熱器之間的熱接觸。
  5. 如請求項4所述的控溫裝置，其中，該冷卻器底部設置有下凸的一導熱座，該導熱座的設置位置、形狀、尺寸與該導熱槽相適配，該導熱座可全部容納於該導熱槽中，用於實現該冷卻器與該導熱材料之間的熱接觸。
  6. 如請求項5所述的控溫裝置，其中，調整該冷卻器和該加熱器之間的垂直相對距離，可改變該導熱座與該導熱材料之間和/或該導熱材料與該導熱槽之間的熱接觸面積。
  7. 如請求項5所述的控溫裝置，其中， 該導熱槽的槽底設置有下凹的一導熱材料積存部，用於容納該導熱材料； 該導熱座的底部設置有下凸的一導熱材料擠壓部，該導熱材料擠壓部的設置位置、形狀、尺寸與該導熱材料積存部相適配，該導熱材料擠壓部可部分或全部容納於該導熱材料積存部。
  8. 如請求項7所述的控溫裝置，其中， 調整該導熱材料擠壓部與該導熱材料積存部之間的垂直相對距離，可使該導熱材料擠壓部擠壓/脫離該導熱材料積存部內的該導熱材料，不同程度地擠壓可以使該導熱材料不同程度地填充該導熱材料擠壓部與該導熱材料積存部之間的空隙，導致該導熱材料與該導熱材料擠壓部及該導熱材料積存部之間的熱接觸面積相應地增加/減少。
  9. 如請求項7所述的控溫裝置，其中，該導熱材料積存部為V形槽。
  10. 如請求項5所述的控溫裝置，其中，該導熱槽的內側側壁與該導熱座的側壁之間通過不導熱的一動密封裝置抵接，用於防止該導熱槽的側壁與該導熱座的側壁之間熱傳導，以及防止該導熱材料溢出該導熱槽。
  11. 如請求項10所述的控溫裝置，其中，該動密封裝置為兩個內徑不同的動密封圈。
  12. 如請求項2所述的控溫裝置，其中，該導熱材料為液態導熱油或熔點為40~200℃的導熱脂。
  13. 如請求項5所述的控溫裝置，其中，該導熱座上設置有一泄壓補液口，該泄壓補液口將該導熱材料與外部連通，用於該導熱材料的泄壓、檢測餘量及填充口。
  14. 如請求項2所述的控溫裝置，其中，該導熱材料為熔點為40~200℃的合金。
  15. 如請求項3所述的控溫裝置，其中，該控溫裝置還包括與該冷卻器頂部連接的一升降裝置，該冷卻器和該加熱器之間垂直相對距離的調整是通過該升降裝置實現的。
  16. 如請求項1~15任意一項所述的控溫裝置，其中，該控溫裝置是用於一等離子體處理器，並且該控溫目標體為該等離子體處理器中的一氣體噴淋頭板，該等離子體處理器還包括與該氣體噴淋頭板頂部固定連接的一安裝基座，該安裝基座的下表面用於安裝該氣體噴淋頭板，該安裝基座的上表面的部分區域向下凹陷形成容納空間，用於安裝該控溫裝置。
  17. 如請求項16所述的控溫裝置，其中，該加熱器和該冷卻器為軸線垂直於該安裝基座的環體。
  18. 一種等離子體處理器，包括：一氣體噴淋頭板、設置在該氣體噴淋頭板頂部的一安裝基座，其中，該等離子體處理器還包括如請求項1~15任意一項所述的控溫裝置，該控溫裝置固定設置在該安裝基座的頂部。
TW111135859A 2021-12-30 2022-09-22 控溫裝置及相應的等離子體處理器 TWI822349B (zh)

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