TWI829979B - 下電極元件、等離子體處理裝置及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
一種下電極元件、等離子體處理裝置及其工作方法，其中，該下電極元件包括：基座，具有預設工作溫度，其內具有冷卻通道，冷卻通道包括冷卻輸入端和冷卻輸出端；冷卻氣體，其液化溫度低於該預設工作溫度；冷卻裝置，用於對冷卻氣體進行降溫；第一氣體輸送管道，用於將冷卻氣體輸送至冷卻裝置；第二氣體輸送管道，與冷卻輸入端連通，用於將降溫後的冷卻氣體輸送入該冷卻通道內，降溫後的該冷卻氣體對基座進行降溫以達到預設工作溫度；第三氣體輸送管道，與冷卻輸出端連通，用於將對基座降溫後的該冷卻氣體輸出。利用該下電極元件對基座進行降溫時，有利於降低冷卻氣體對接觸部件造成損傷，提高下電極元件的密封性。
Description
本發明關於半導體領域，尤指一種下電極元件、等離子體處理裝置及其工作方法。
等離子體處理裝置包括：真空反應腔；基座，位於該真空反應腔內的基座，該基座用於承載待處理基片。該等離子體處理裝置的工作原理是在真空反應腔中通入含有適當刻蝕劑源氣體的反應氣體，然後再對該真空反應腔進行射頻能量輸入，以啟動反應氣體，來激發和維持等離子體，該等離子體用於對待處理基片進行處理。
該基座內設置冷卻通道，該冷卻通道內用於輸送冷卻劑，該冷卻劑在該冷卻通道內進行傳輸實現對基座的降溫。然而，先前技術的等離子體處理裝置對基座進行降溫易對接觸部件造成損傷，使基座的密封性較差。
本發明解決的技術問題是提供一種下電極元件、等離子體處理裝置及其工作方法，以降低基座的溫度，且能夠降低冷卻氣體對接觸部件造成損傷，提高下電極元件的密封性。
為解決上述技術問題，本發明提供一種用於等離子體處理裝置的下電極元件，包括：基座，具有預設工作溫度，其內具有冷卻通道，該冷卻通道包括冷卻輸入端和冷卻輸出端；冷卻氣體，其液化溫度低於該預設工作溫度；
冷卻裝置，用於對該冷卻氣體進行降溫；第一氣體輸送管道，用於將該冷卻氣體輸送至冷卻裝置；第二氣體輸送管道，與該冷卻輸入端連通，用於將降溫後的該冷卻氣體輸送入該冷卻通道內，該降溫後的該冷卻氣體對基座進行降溫以達到該預設工作溫度；第三氣體輸送管道，與該冷卻輸出端連通，用於將對該基座降溫後的該冷卻氣體輸出。
較佳地，該冷卻氣體包括：氮氣、氦氣、甲烷或氧氣中的至少一種。
較佳地，該冷卻裝置為液氮裝置。
較佳地，還包括：第一控制閥，用於控制該冷卻氣體進入冷卻裝置的流速。
較佳地，還包括：回收氣體管道，與該第三氣體輸送管道連通，用於將對該基座降溫後輸出的該冷卻氣體輸送至冷卻裝置。
較佳地，還包括：氣體輸出管道，與該第三氣體輸送管道連通，用於輸出對該基座降溫後的該冷卻氣體；第二控制閥，用於控制該第三氣體輸送管道與該氣體輸出管道連通還是與回收氣體管道連通。
較佳地，該冷卻裝置的個數為一個或者複數個。
較佳地，複數個該冷卻裝置串聯設置在第一氣體輸送管道和第二氣體輸送管道之間。
較佳地，複數個該冷卻裝置並聯設置於第一氣體輸送管道和第二氣體輸送管道之間。
較佳地，複數個該冷卻裝置串聯與並聯相結合的方式設置於第一氣體輸送管道和第二氣體輸送管道之間。
較佳地，該基座的材料包括鈦。
相應的，本發明還提供一種等離子體處理裝置，包括：反應腔；上述下電極組件，位於該反應腔內底部。較佳地，該等離子體處理裝置包括電容耦合等離子體處理裝置或者電感耦合等離子體處理裝置。
相應的，本發明還提供一種等離子體處理裝置的工作方法，包括：提供上述等離子體處理裝置；提供冷卻氣體，通過第一氣體輸送管道，使該冷卻氣體被輸送至冷卻裝置，利用該冷卻裝置對冷卻氣體進行降溫；降溫後的該冷卻氣體通過第二氣體輸送管道被輸送至該冷卻通道，對該基座進行降溫至一預設工作溫度；對該基座進行降溫後的該冷卻氣體通過第三氣體輸送管道輸出。
較佳地，該預設工作溫度為-110攝氏度至25攝氏度。
較佳地，該冷卻氣體通過第一氣體輸送管道進入冷卻裝置前的溫度為：10攝氏度至30攝氏度；該冷卻氣體的流速為：0ml/min至1000ml/min。
與先前技術相比，本發明實施例的技術方案具有以下有益效果：
本發明技術方案提供的下電極元件中，該冷卻氣體通過第一氣體輸送管道輸送至冷卻裝置，在該冷卻裝置的作用下進行降溫，降溫後的冷卻氣體被第二氣體輸送管道輸送入冷卻通道內。降溫後的冷卻氣體在冷卻通道流動的過程中對該基座進行降溫以達到預設工作溫度。由於該冷卻氣體的液化溫度低於基座的預設工作溫度，使得該冷卻氣體無需被冷卻裝置冷卻為液化態，即：該冷卻氣體經冷卻裝置冷卻後仍為氣態，且冷卻後的冷卻氣體的溫度不至於過低，使得冷卻後的冷卻氣體在冷卻通道內傳輸的過程中，不易使與冷卻氣體接觸的部件因溫度過低而發生損傷，因此，有利於提高下電極組件的密封性。
100:基座
101、301:冷卻通道
102、202、302:冷卻氣體
103、203、203a、203b、303:冷卻裝置
104、204:第一氣體輸送管道
105:第二氣體輸送管道
106:第三氣體輸送管道
107:第一控制閥
400:反應腔
401:下電極組件
402:氣體噴淋頭
A1:冷卻輸入端
B1:冷卻輸出端
S1-S4:步驟流程
為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的圖式作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的圖式僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域之通常知識者來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些圖式獲得其他的圖式。
圖1是本發明一種用於等離子體處理裝置的下電極元件的結構示意圖；圖2是本發明另一種用於等離子體處理裝置的下電極元件的結構示意圖；圖3是本發明又一種用於等離子體處理裝置的下電極元件的結構示意圖；圖4為本發明一種等離子體處理裝置的結構示意圖；圖5是本發明等離子體處理裝置工作方法的流程圖。
為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合圖式對本發明的具體實施方式做詳細的說明。
正如背景技術所述，先前技術對基座進行降溫時，易造成下電極元件損傷。
研究發現：在一些半導體製造製程，如：深矽刻蝕製程中，需要使用低溫的條件(零下七十攝氏度或者更低的溫度)來提高刻蝕的深寬比和降低側壁的粗糙度，研究發現在零下110攝氏度即可達到很好的刻蝕效果。先前技術採用迴圈液氮等低溫液體對基座進行製冷，雖然能夠滿足低溫需求，但是低溫液體對接觸部件的低溫耐受性/密封性產生很大的挑戰。
有鑑於此，本發明提供一種下電極元件、等離子體處理裝置及其工作方法，其中，該下電極元件包括：基座，具有預設工作溫度，其內具有冷
卻通道，該冷卻通道包括冷卻輸入端和冷卻輸出端；冷卻氣體，其液化溫度低於該預設工作溫度；冷卻裝置，用於對該冷卻氣體進行降溫；第一氣體輸送管道，用於將該冷卻氣體輸送至冷卻裝置；第二氣體輸送管道，與該冷卻輸入端連通，用於將降溫後的該冷卻氣體輸送入該冷卻通道內，該降溫後的該冷卻氣體對基座進行降溫以達到該預設工作溫度；第三氣體輸送管道，與該冷卻輸出端連通，用於將對該基座降溫後的該冷卻氣體輸出。利用該下電極元件對基座進行降溫時，有利於降低冷卻氣體對接觸部件造成損傷，提高下電極元件的密封性。
為使本發明的上述目的、特徵和有益效果能夠更為明顯易懂，下面結合附圖對本發明的具體實施例做詳細的說明。
圖1是本發明一種用於等離子體處理裝置的下電極元件的結構示意圖。
請參考圖1，基座100，具有預設工作溫度，其內具有冷卻通道101，該冷卻通道101包括冷卻輸入端A1和冷卻輸出端B1；冷卻氣體102，其液化溫度低於該預設工作溫度；冷卻裝置103，用於對該冷卻氣體102進行降溫；第一氣體輸送管道104，用於將該冷卻氣體102輸送至冷卻裝置103；第二氣體輸送管道105，與該冷卻輸入端A1連通，用於將降溫後的該冷卻氣體102輸送入該冷卻通道101內，該降溫後的該冷卻氣體102對基座100進行降溫以達到該預設工作溫度；第三氣體輸送管道106，與該冷卻輸出端B1連通，用於將對該基座100降溫後的該冷卻氣體102輸出。
該基座100用於承載待處理基片，在不同的製程中，對基座100的預設工作溫度不同，在一些半導體製造製程，例如深矽刻蝕製程中，需要使用較低的預設工作溫度來提高刻蝕的深寬比和降低側壁的粗糙度。
在本實施例中，該預設工作溫度的範圍為：-110攝氏度至25攝氏度。
在本實施例中，該冷卻氣體102為氮氣。在其他實施例中，該冷卻氣體包括：氦氣、甲烷或氧氣中的至少一種，或者氮氣與氦氣、甲烷或氧氣中的至少一種氣體的組合。
在本實施例中，選擇氮氣作為冷卻氣體102的意義在於：一方面氮氣價格較便宜，另一方面，氮氣為惰性氣體，在使用的過程中較安全。
在本實施例中，該冷卻裝置103為液氮裝置。在其他實施例中，該冷卻裝置還可以為其他具有冷卻能力的裝置。該冷卻氣體102通過第一氣體輸送管道104輸送至該冷卻裝置103，該冷卻裝置103用於對冷卻氣體102進行冷卻。
在本實施例中，還包括：第一控制閥107，該第一控制閥107用於控制該冷卻氣體102的流速大小。當該基座的預設工作溫度較低時，可透過減小該冷卻氣體102的流速，使該冷卻氣體102流經冷卻裝置103的時間較長，那麼該冷卻氣體102被冷卻裝置103冷卻的較充分，從冷卻裝置103流出的冷卻氣體102的溫度較低，有利於使該基座的溫度達到較低的預設工作溫度；相反的，當該基座的預設工作溫度較高時，可透過增大該冷卻氣體102的流速，使該冷卻氣體102流經冷卻裝置103的時間較短，則該冷卻氣體102被冷卻裝置103冷卻的不那麼充分，從冷卻裝置103流出的冷卻氣體102的溫度較高，有利於使該基座的溫度達到較高的預設工作溫度。
經該冷卻裝置103冷卻後的冷卻氣體102通過第二氣體輸送管道105輸入至冷卻通道101的冷卻輸入端A1，該冷卻氣體102在該冷卻通道101內傳輸的過程中對基座100進行降溫以達到該預設工作溫度。
由於該冷卻氣體102的液化溫度低於該預設工作溫度，使得該冷卻氣體102經冷卻裝置103冷卻時只需冷卻至預設工作溫度即可，而該冷卻氣體102在預設工作溫度時仍為氣體，即：該冷卻氣體102的溫度不至於過低，使得該冷卻氣體102不易對冷卻氣體接觸部件造成損傷，有利於提高下電極元件的密封性。
在本實施例中，該基座100的材料包括鈦，選擇鈦作為基座100的材料，防止冷卻氣體102對基座100進行冷卻時，因該冷卻氣體102溫度過低使基座100發生裂紋。
該冷卻氣體102經冷卻輸出端B1流出，通過第三氣體輸送管道106輸出。
在本實施例中，由於該冷卻氣體102為氮氣，氮氣為無害氣體，因此，從冷卻輸出端B1輸出的冷卻氣體102可直接被排放至大氣中。
在其他實施例中，還包括：回收氣體管道，與該第三氣體輸送管道連通，用於將對該基座降溫後輸出的該冷卻氣體輸送至冷卻裝置；氣體輸出管道，與該第三氣體輸送管道連通，用於輸出對該基座降溫後的該冷卻氣體；第二控制閥，用於控制該第三氣體輸送管道與該氣體輸出管道連通還是與回收氣體管道連通。
在本實施例中，以該冷卻裝置103的個數為一個進行說明。在其他實施例中，該冷卻裝置的個數大於一個。
圖2是本發明另一種用於等離子體處理裝置的下電極元件的結構示意圖。
在本實施例中，該冷卻裝置203的個數為兩個，兩個該冷卻裝置203並聯。
在其他實施例中，該冷卻裝置的個數為複數個，複數個該冷卻裝置並聯。
在本實施例中，該冷卻氣體202透過第一氣體輸送管道204輸送的過程中進行了分支，其中一部分冷卻氣體202透過冷卻裝置203a冷卻，另一部分冷卻氣體202透過冷卻裝置203b冷卻，與所有的冷卻氣體202透過一個冷卻裝置203冷卻相比，該冷卻氣體202與冷卻裝置203a和冷卻裝置203b的接觸面積較大，因此，當流速相等時，該冷卻氣體202經冷卻裝置203a和冷卻裝置203b後的溫度較低，有利於提高冷卻效率。
圖3是本發明又一種用於等離子體處理裝置的下電極元件的結構示意圖。
在本實施例中，該冷卻裝置303的個數為兩個，且兩個該冷卻裝置303串聯。在其他實施例中，該冷卻裝置的個數為兩個以上，且兩個以上的冷卻裝置串聯。
在本實施例中，由於兩個該冷卻裝置303串聯，使得該冷卻氣體302依序被各個該冷卻裝置303冷卻，使得該冷卻氣體302的溫度不斷被降低，當冷卻氣體的流速與只有一個冷卻裝置303時的流速相等時，被輸送至冷卻通道301的溫度較低，因此，當預設工作溫度不變時，可增大冷卻氣體302的流速即可實現該預設工作溫度，有利於提高冷卻效率。
在其他實施例中，複數個該冷卻裝置串聯與並聯組合設置。
圖4為本發明一種等離子體處理裝置的結構示意圖。
請參考圖4，反應腔400；下電極組件401，位於該反應腔400內底部。
在本實施例中，以該等離子體處理裝置為電容耦合等離子體處理裝置進行說明。當該等離子體處理裝置為電容耦合等離子體處理裝置時，還包括：位於該反應腔400內的氣體噴淋頭402，該氣體噴淋頭402與下電極組件401相對設置；在其他實施例中，該等離子體處理裝置包括：電感耦合等離子體處理裝置，該電感耦合等離子體處理裝置還包括：位於該反應腔頂部的絕緣窗口和位元於該絕緣窗口上的電感線圈。
請參考圖5，步驟S1：提供上述等離子體處理裝置；步驟S2：提供冷卻氣體，通過第一氣體輸送管道，使該冷卻氣體被輸送至冷卻裝置，利用該冷卻裝置對冷卻氣體進行降溫；步驟S3：降溫後的該冷卻氣體通過第二氣體輸送管道被輸送至該冷卻通道，對該基座進行降溫；步驟S4：對該基座進行降溫後的該冷卻氣體通過第三氣體輸送管道輸出。
在本實施例中，該預設工作溫度為-110攝氏度至25攝氏度。
在本實施例中，該冷卻氣體通過第一氣體輸送管道進入冷卻裝置前的溫度為：10攝氏度至30攝氏度；該冷卻氣體的流速為：0ml/min至1000ml/min。
該冷卻氣體通過第一氣體輸送管道輸送至冷卻裝置，在該冷卻裝置的作用下進行降溫，降溫後的冷卻氣體被第二氣體輸送管道輸送入冷卻通道
內。降溫後的冷卻氣體在冷卻通道流動的過程中對該基座進行降溫以達到預設工作溫度。由於該冷卻氣體的液化溫度低於基座的預設工作溫度，使得該冷卻氣體無需被冷卻裝置冷卻為液化態，即：該冷卻氣體經冷卻裝置冷卻後仍為氣態，且冷卻後的冷卻氣體的溫度不至於過低，使得冷卻後的冷卻氣體在冷卻通道內傳輸的過程中，不易使與冷卻氣體接觸的部件因溫度過低而發生損傷，因此，有利於提高下電極組件的密封性。
雖然本發明揭露如上，但本發明並非限定於此。任何本領域技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，均可作各種更動與修改，因此本發明的保護範圍應當以專利範圍所限定的範圍為准。
綜上所陳，本案無論就目的、手段與功效，在在顯示其迥異於習知之技術特徵，且其首先發明合於實用，亦在在符合發明之專利要件，懇請 貴審查委員明察，並祈早日賜予專利，俾嘉惠社會，實感德便。
100:基座
101:冷卻通道
102:冷卻氣體
103:冷卻裝置
104:第一氣體輸送管道
105:第二氣體輸送管道
106:第三氣體輸送管道
107:第一控制閥
A1:冷卻輸入端
B1:冷卻輸出端
Claims (15)
- 一種用於等離子體處理裝置的下電極元件，其包括：一基座，其具有一預設工作溫度，該預設工作溫度低於零下70攝氏度，且內部具有一冷卻通道，該冷卻通道包括一冷卻輸入端和一冷卻輸出端；一冷卻氣體，其液化溫度低於該預設工作溫度；一冷卻裝置，其用於對該冷卻氣體進行降溫；一第一氣體輸送管道，其用於將該冷卻氣體輸送至該冷卻裝置；一第一控制閥，設於該第一氣體輸送管道上，用於控制該冷卻氣體進入冷卻裝置的流速，進而控制該冷卻氣體在該冷卻裝置中冷卻的時長；一第二氣體輸送管道，其與該冷卻輸入端連通，用於將經該冷卻裝置降溫後的該冷卻氣體輸送入該冷卻通道內，該降溫後的該冷卻氣體對該基座進行降溫以達到該預設工作溫度；以及一第三氣體輸送管道，其與該冷卻輸出端連通，用於將對該基座降溫後的該冷卻氣體輸出。
- 如請求項1所述的用於等離子體處理裝置的下電極元件，其中，該冷卻氣體包括氮氣、氦氣、甲烷或氧氣中的至少一種。
- 如請求項1所述的用於等離子體處理裝置的下電極元件，其中，該冷卻裝置為液氮裝置。
- 如請求項1所述的用於等離子體處理裝置的下電極元件，其還包括：一回收氣體管道，其與該第三氣體輸送管道連通，用於將對該基座降溫後輸出的該冷卻氣體輸送至該冷卻裝置。
- 如請求項4所述的用於等離子體處理裝置的下電極元件，其還包括： 一氣體輸出管道，其與該第三氣體輸送管道連通，用於輸出對該基座降溫後的該冷卻氣體；及一第二控制閥，其用於控制該第三氣體輸送管道與該氣體輸出管道連通還是與該回收氣體管道連通。
- 如請求項1所述的用於等離子體處理裝置的下電極元件，其中，該冷卻裝置的個數為一個或者複數個。
- 如請求項6所述的用於等離子體處理裝置的下電極元件，其中，複數個該冷卻裝置串聯設置在該第一氣體輸送管道和該第二氣體輸送管道之間。
- 如請求項6所述的用於等離子體處理裝置的下電極元件，其中，複數個該冷卻裝置並聯設置於該第一氣體輸送管道和該第二氣體輸送管道之間。
- 如請求項6所述的用於等離子體處理裝置的下電極元件，其中，複數個該冷卻裝置串聯與並聯相結合的方式設置於該第一氣體輸送管道和該第二氣體輸送管道之間。
- 如請求項1所述的用於等離子體處理裝置的下電極元件，其中，該基座的材料包括鈦。
- 一種等離子體處理裝置，其包括：一反應腔；以及如請求項1至10中任一項所述的一下電極元件，其位於該反應腔內底部。
- 如請求項11所述的等離子體處理裝置，其中，該等離子體處理裝置包括一電容耦合等離子體處理裝置或者一電感耦合等離子體處理裝置。
- 一種等離子體處理裝置的工作方法，其包括：提供如請求項11或12所述的一等離子體處理裝置；提供該冷卻氣體通過該第一氣體輸送管道，使該冷卻氣體被輸送至該冷卻裝置，利用該冷卻裝置對該冷卻氣體進行降溫，其中該冷卻氣體的液化溫度係低於該預設工作溫度；降溫後的該冷卻氣體通過該第二氣體輸送管道被輸送入該冷卻通道內，降溫的該冷卻氣體在該冷卻通道傳輸的過程中對該基座進行降溫至該預設工作溫度；以及對該基座進行降溫後的該冷卻氣體通過該第三氣體輸送管道輸出。
- 如請求項13所述的等離子體處理裝置的工作方法，其中，該預設工作溫度為-110攝氏度至-70攝氏度。
- 如請求項14所述的等離子體處理裝置的工作方法，其中，該冷卻氣體通過該第一氣體輸送管道進入該冷卻裝置前的溫度為：10攝氏度至30攝氏度；該冷卻氣體的流速為：0ml/min至1000ml/min。
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