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TW201724402A - 聚焦環的溫度調整裝置及方法 - Google Patents

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TW201724402A
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Rubin Ye
Bryan Pu
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Advanced Micro-Fabrication Equipment Inc
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Abstract

本發明提供一種聚焦環的溫度調整裝置及方法，等離子體輻射到聚焦環上的熱量，藉由與聚焦環下表面接觸的第一導熱墊、與第一導熱墊下表面接觸的絕緣環、與絕緣環下表面接觸的第二導熱墊，向下傳遞到與第二導熱墊接觸的基座，藉由基座設置的冷卻系統進行冷卻降溫；開啟接地的遮罩環中所設置的加熱器來產生可控的外加熱源，外加熱源的熱量藉由遮罩環、與遮罩環接觸的第三導熱墊、與第三導熱墊接觸的絕緣環、第一導熱墊傳遞到聚焦環，對聚焦環實施可控升溫。本發明藉由提供良好的導熱冷卻路徑，並結合可控參數的加熱方式，實現對聚焦環工作溫度的精細控制，使其在刻蝕等處理中可調諧，從而滿足製程需求。

Description

聚焦環的溫度調整裝置及方法
本發明有關於半導體元件的製造領域，特別是有關於一種聚焦環的溫度調整裝置及方法。
等離子處理裝置是在真空反應腔室中通入含有適當刻蝕劑或澱積源氣體的反應氣體，然後再對該真空反應腔室進行射頻能量輸入，以啟動反應氣體，來點燃和維持等離子體，以便藉由等離子體刻蝕基片表面上的材料層或在基片表面上澱積材料層，進而對半導體基片或等離子平板等進行加工。
如第1圖所示，在習知的一種電容耦合型等離子體處理裝置中，包含真空的反應腔室1，反應腔室1內的頂部設有氣體噴淋頭2等進氣裝置，並可同時實現上電極的功能，使其耦接於大地或者射頻電位。反應腔室1內的底部設有基座3，藉由基座3設置的靜電吸盤在制程中對基片4進行承載；基座3處設有下電極並對其施加射頻功率，從而在反應腔室1內形成射頻電場，將引入的反應氣體生成等離子體。在基片4外緣環繞設置有聚焦環5，其藉由調節反應腔室1內整個射頻電場的分佈，尤其是在基片4邊緣的電場分佈，實現對等離子體均一性的控制。
除了電學效應，聚焦環5的溫度也會影響到基片4邊緣聚合物的沉積，從而導致微觀關鍵尺寸的差異。隨著刻蝕製程對高深寬比的需求，高功率(低頻)刻蝕得到廣泛應用。高功率(低頻)刻蝕會使反應腔室1內溫度急劇升高，基片4與聚焦環5都將獲得大量熱量。為了保證待處理基片4的刻蝕均勻性，基座3內部設置有維持基座3溫度恒定的冷卻系統的冷卻介質管路，基片4直接藉由基座3上的靜電吸盤進行快速散熱。與此同時，聚焦環5如無優良散熱路徑，將會使其與基片4之間的溫差拉大。這將導致基片4邊緣刻蝕製程失諧。
通常在聚焦環5下方設置有絕緣環6等作為導熱層，將聚焦環5的熱量傳遞至基座3。然而，不同的製程中對聚焦環5的工作溫度的要求不同，習知技術僅考慮到如何提高聚焦環5的傳熱性能或如何保持其溫度恒定，但缺乏有效手段能夠對聚焦環5的工作溫度做進一步的控制調整。此外，聚焦環5處在射頻區域內，如果直接在聚焦環5中設置加熱器等溫度調節裝置，不僅線路佈置複雜，而且必須設置濾波器將高頻過濾，否則會產生射頻干擾，影響整個裝置的處理反應效果。
本發明的目的在於提供一種聚焦環的溫度調整裝置及方法，藉由提供良好的導熱冷卻路徑，並結合可控參數的加熱方式，實現對聚焦環工作溫度的精細控制，使其在刻蝕等處理中可調諧，從而滿足製程需求。
為了達到上述目的，本發明提供一種聚焦環的溫度調整裝置，其設置於等離子體處理裝置；等離子體處理裝置包含可被抽真空的反應腔室，其內部形成有對基片進行處理的等離子體；反應腔室內的底部設有承載基片的基座，在基片的外緣環繞設置有聚焦環；聚焦環下方設置有絕緣環，該絕緣環位於基座邊緣的臺階上；其中，溫度調整裝置中包含產生外加熱源的加熱器，其設置在接地的遮罩環中；遮罩環環繞著基座邊緣的臺階外緣及絕緣環的外緣；遮罩環與絕緣環相互接觸的位置設有導熱墊，使得外加熱源的熱量經由遮罩環、導熱墊、絕緣環傳遞給聚焦環，對聚焦環的溫度進行調整。
較佳地，在遮罩環與絕緣環相互接觸位置所設的導熱墊為第三導熱墊；溫度調整裝置進一步包含：設置在聚焦環與絕緣環相互接觸位置的第一導熱墊，外加熱源的熱量經由遮罩環、第三導熱墊、絕緣環、第一導熱墊傳遞給聚焦環，對聚焦環的溫度進行調整。
較佳地，溫度調整裝置進一步包含設置在絕緣環與基座相互接觸位置的第二導熱墊，等離子體輻射到聚焦環上的熱量，藉由第一導熱墊、絕緣環、第二導熱墊傳遞到基座，藉由基座設置的冷卻系統將熱量帶走。
較佳地，第一導熱墊、第二導熱墊、第三導熱墊由彈性矽膠材料製成。
較佳地，遮罩環包含上遮罩部和下遮罩部，加熱器位於上遮罩部的內部，上遮罩部與下遮罩部相互隔開，防止加熱器提供的外加熱源的熱量流失到下遮罩部，上遮罩部與下遮罩部之間以電極相連，實現接地導電。
較佳地，上遮罩部包含水平延伸段和豎直延伸段，水平延伸段位於絕緣環邊緣的臺階上；豎直延伸段環繞著絕緣環的外緣，下遮罩部環繞著基座邊緣的臺階的外緣。
較佳地，遮罩環中劃分上遮罩部與下遮罩部的橫斷面處進行陽極化處理或者加入有絕緣介質。
較佳地，溫度調整裝置包含感溫探頭對聚焦環的溫度進行探測，對探測後產生電訊號的感溫探頭，設置有射頻遮罩的濾波器，或探測後產生光學訊號的感溫探頭，利用光纖將光學訊號引到非射頻區域進行採樣處理。
較佳地，等離子體裝置設置有覆蓋環，其圍繞在聚焦環的外緣，並覆蓋在絕緣環未被聚焦環遮蔽的位置以及遮罩環上。
本發明另提供一種聚焦環的溫度調整方法，其包含：對等離子體處理裝置中的聚焦環單獨實施冷卻降溫過程，或者配合實施冷卻降溫及可控升溫的過程；其中，等離子體輻射到聚焦環上的熱量，藉由與聚焦環下表面接觸的第一導熱墊、與第一導熱墊下表面接觸的絕緣環、與絕緣環下表面接觸的第二導熱墊，向下傳遞到與第二導熱墊接觸的基座，藉由基座設置的冷卻系統進行冷卻降溫；開啟接地的遮罩環中所設置的加熱器來產生可控的外加熱源，外加熱源的熱量藉由遮罩環、與遮罩環接觸的第三導熱墊、與第三導熱墊接觸的絕緣環、第一導熱墊傳遞到聚焦環，對聚焦環實施可控升溫。
與習知技術相比，本發明提供的聚焦環的溫度調整裝置及方法，其優點在於：本發明中對聚焦環的溫控，是藉由冷卻模式單獨實施或使其與可控加熱模式配合實施而完成。冷卻模式中，等離子體源輻射到聚焦環的熱量藉由兩層矽膠導熱墊和中間的陶瓷隔離環導入控溫的鋁基座上。可控加熱模式中，將產生外加熱源的加熱器安置在接地的遮罩環中，遮罩環分為上下兩部分用來隔熱，中間以電極相連實現接地導電功能，避免射頻干擾。再結合矽膠導熱墊的良好傳熱性能，實現對聚焦環溫度的大幅度調節，從而改良等離子體處理製程。
本發明提供一種聚焦環的溫度調整裝置，其適用於電容耦合型等離子體處理裝置。等離子體處理裝置中，如第2圖與第3圖，包含內部基本為真空環境的反應腔室10，反應腔室10內的頂部設有氣體噴淋頭20等進氣裝置與反應氣體源連接，進氣裝置處設置有接地的上電極。反應腔室10內的底部設有承載基片40的基座30，基座30可以是鋁制的，內部設置有冷卻介質管路與冷卻系統連接；基座30處設置有下電極並施加有射頻功率，在上電極與下電極之間形成射頻電場，將引入反應腔室10內的反應氣體生成製程處理所需的等離子體。
在待處理的基片40外緣環繞設置有聚焦環50，用於控制等離子體均一性。本發明所述的溫度調整裝置中包含在聚焦環50下方設置的絕緣環60，該絕緣環60位於基座30邊緣的臺階上。絕緣環60可以由陶瓷材料製成，藉由該絕緣環60將等離子體輻射到聚焦環50上的熱量向下傳遞給基座30的同時，又不影響反應腔室10內的電場分佈。
在聚焦環50與絕緣環60之間相互接觸的位置設置有第一導熱墊91；在絕緣環60與基座30之間相互接觸的位置設置有第二導熱墊92。第一導熱墊91和第二導熱墊92可以由彈性的矽膠材料製成，使之與其上下方部件的接觸面能夠可靠地貼合。聚焦環50的熱量藉由第一導熱墊91、絕緣環60、第二導熱墊92傳遞到基座30，藉由基座30設置的冷卻系統將熱量帶走。
同時，在本發明所述的溫度調整裝置中更包含加熱器73，其設置在接地的遮罩環70中，加熱器73開啟時形成有外加熱源用來對聚焦環50溫度進行調整；在接地的遮罩環70與絕緣環60之間相互接觸的位置設有第三導熱墊93。第三導熱墊93可以由彈性的矽膠材料製成。外加熱源的熱量，經由遮罩環70、第三導熱墊93、絕緣環60、第一導熱墊91傳遞給聚焦環50。遮罩環70在絕緣環60的外緣環繞設置，用來將等離子體主要限定在基片40上方，防止其發散。由於加熱器73是包覆在接地的遮罩環70內部，因此，有效地避免了射頻干擾。
遮罩環70包含上遮罩部71和下遮罩部72，加熱器73位於上遮罩部71內部。本例中，上遮罩部71的水平延伸段位於絕緣環60邊緣的臺階上；上遮罩部71的豎直延伸段環繞著絕緣環60的外緣；下遮罩部72環繞著絕緣環60下方的基座30邊緣臺階的外部。上遮罩部71與下遮罩部72的主體相互隔開實現隔熱，在兩者之間以電極74相連實現遮罩環70自身的接地導電功能。遮罩環70的橫斷面可以進行陽極化處理或者加入絕緣介質，以確保外加熱源的熱量不會向下流失。
等離子體裝置設置有覆蓋環80，其圍繞在聚焦環50的外緣，並覆蓋在絕緣環60未被聚焦環50遮蔽的位置以及遮罩環70等元件上，用於防止等離子體的活性成分對覆蓋環80下方元件的侵蝕。
為了精確控制聚焦環50的加熱溫度，可以設置感溫探頭(圖中未示出)對聚焦環50的溫度進行探測。對探測後產生電訊號的感溫探頭，需要設置濾波器等進行射頻遮罩。或者，可以使用基於光學訊號的感溫探頭，其對所探測到的不同溫度發射不同頻譜或波長的光訊號，利用光纖將光訊號引到沒有射頻的區域再進行採樣處理。
本發明提供的一種聚焦環的溫度調整方法中，等離子體輻射到聚焦環50上的熱量，主要藉由第一導熱墊91、絕緣環60、第二導熱墊92傳遞到基座30處進行冷卻；基於這樣的導熱冷卻路徑，聚焦環50的溫度得以降低；假設降溫後的聚焦環50處在第一溫度。
若第一溫度低於某項制程中對聚焦環50規定的第二溫度時，習知技術缺乏對聚焦環50溫度再進行調整的手段。而本發明中則可以藉由開啟遮罩環70中的加熱器73，向聚焦環50提供可控的外加熱源，該外加熱源的熱量藉由遮罩環70、第三導熱墊93、絕緣環60、第一導熱墊91傳遞到聚焦環50，使聚焦環50升溫；調整加熱器73的參數，以控制外加熱源提供給聚焦環50的熱量，直到聚焦環50達到所要求的第二溫度，實現對聚焦環50工作溫度的控制及調整，從而滿足製程需求。
儘管本發明的內容已經藉由上述較佳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。在本發明所屬領域具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。
1、10‧‧‧反應腔室
2、20‧‧‧氣體噴淋頭
3、30‧‧‧基座
4、40‧‧‧基片
5、50‧‧‧聚焦環
6、60‧‧‧絕緣環
70‧‧‧遮罩環
71‧‧‧上遮罩部
72‧‧‧下遮罩部
73‧‧‧加熱器
74‧‧‧電極
80‧‧‧覆蓋環
91‧‧‧第一導熱墊
92‧‧‧第二導熱墊
93‧‧‧第三導熱墊
第1圖是習知等離子體處理裝置的結構示意圖。 第2圖是本發明中聚焦環溫度調整裝置的結構示意圖。 第3圖是本發明中等離子體處理裝置的結構示意圖。
30‧‧‧基座
40‧‧‧基片
50‧‧‧聚焦環
60‧‧‧絕緣環
71‧‧‧上遮罩部
72‧‧‧下遮罩部
73‧‧‧加熱器
74‧‧‧電極
80‧‧‧覆蓋環
91‧‧‧第一導熱墊
92‧‧‧第二導熱墊
93‧‧‧第三導熱墊

Claims (10)

  1. 一種聚焦環的溫度調整裝置，設置於等離子體處理裝置，該等離子體處理裝置包含可被抽真空的反應腔室(10)，其內部形成有對基片(40)進行處理的等離子體；該反應腔室(10)內的底部設有承載該基片(40)的基座(30)，在該基片(40)的外緣環繞設置有聚焦環(50)；該聚焦環(50)下方設置有絕緣環(60)，該絕緣環(60)位於該基座(30)邊緣的臺階上； 其中，該溫度調整裝置中包含產生外加熱源的加熱器(73)，其設置在接地的遮罩環(70)中；該遮罩環(70)環繞著該基座(30)邊緣的臺階外緣及該絕緣環(60)的外緣；該遮罩環(70)與該絕緣環(60)相互接觸的位置設有導熱墊，使得該外加熱源的熱量經由該遮罩環(70)、該導熱墊、該絕緣環(60)傳遞給該聚焦環(50)，對該聚焦環(50)的溫度進行調整。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之聚焦環的溫度調整裝置，其中在該遮罩環(70)與該絕緣環(60)相互接觸位置所設的導熱墊為第三導熱墊(93)，該溫度調整裝置進一步包含：設置在該聚焦環(50)與該絕緣環(60)相互接觸位置的第一導熱墊(91)，該外加熱源的熱量經由該遮罩環(70)、該第三導熱墊(93)、該絕緣環(60)、該第一導熱墊(91)傳遞給該聚焦環(50)，對該聚焦環(50)的溫度進行調整。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之聚焦環的溫度調整裝置，其中該溫度調整裝置進一步包含設置在該絕緣環(60)與該基座(30)相互接觸位置的第二導熱墊(92)，等離子體輻射到該聚焦環(50)上的熱量，藉由該第一導熱墊(91)、該絕緣環(60)、該第二導熱墊(92)傳遞到該基座(30)，藉由該基座(30)設置的冷卻系統將熱量帶走。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之聚焦環的溫度調整裝置，其中該第一導熱墊(91)、該第二導熱墊(92)、該第三導熱墊(93)由彈性矽膠材料製成。
  5. 如申請專利範圍第1或3項所述之聚焦環的溫度調整裝置，其中該遮罩環(70)包含上遮罩部(71)和下遮罩部(72)，該加熱器(73)位於該上遮罩部(71)的內部，該上遮罩部(71)與該下遮罩部(72)相互隔開，防止該加熱器(73)提供的外加熱源的熱量流失到該下遮罩部(72)，該上遮罩部(71)與該下遮罩部(72)之間以電極(74)相連，實現接地導電。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之聚焦環的溫度調整裝置，其中該上遮罩部(71)包含水平延伸段和豎直延伸段，該水平延伸段位於該絕緣環(60)邊緣的臺階上，該豎直延伸段環繞著該絕緣環(60)的外緣，該下遮罩部(72)環繞著該基座(30)邊緣的臺階的外緣。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之聚焦環的溫度調整裝置，其中該遮罩環(70)中劃分該上遮罩部(71)與該下遮罩部(72)的橫斷面處進行陽極化處理或加入有絕緣介質。
  8. 如申請專利範圍第1或3項所述之聚焦環的溫度調整裝置，其中該溫度調整裝置包含感溫探頭對該聚焦環(50)的溫度進行探測，對探測後產生電訊號的該感溫探頭，設置有射頻遮罩的濾波器，或探測後產生光學訊號的感溫探頭，利用光纖將光學訊號引到非射頻區域進行採樣處理。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之聚焦環的溫度調整裝置，其中該等離子體裝置設置有覆蓋環(80)，其圍繞在該聚焦環(50)的外緣，並覆蓋在該絕緣環(60)未被該聚焦環(50)遮蔽的位置以及該遮罩環(70)上。
  10. 一種聚焦環的溫度調整方法，其包含： 對等離子體處理裝置中的聚焦環(50)單獨實施冷卻降溫過程，或配合實施冷卻降溫及可控升溫的過程； 其中，等離子體輻射到該聚焦環(50)上的熱量，藉由與該聚焦環(50)下表面接觸的第一導熱墊(91)、與該第一導熱墊(91)下表面接觸的絕緣環(60)、與該絕緣環(60)下表面接觸的第二導熱墊(92)，向下傳遞到與該第二導熱墊(92)接觸的基座(30)，藉由該基座(30)設置的冷卻系統進行冷卻降溫； 開啟接地的遮罩環(70)中所設置的加熱器(73)來產生可控的外加熱源，該外加熱源的熱量藉由該遮罩環(70)、與該遮罩環(70)接觸的第三導熱墊(93)、與該第三導熱墊(93)接觸的該絕緣環(60)、該第一導熱墊(91)傳遞到該聚焦環(50)，對該聚焦環(50)實施可控升溫。
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