CN104952682A - 一种等离子体处理腔室及其基台 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于等离子体处理腔室及其基台，其中，所述基台包括：基台基体，其中设置有冷却液通道；基台基体的上层结构包括：第二绝缘层，其中设置有加热器；以及直接设置于该第二绝缘层之上的第一绝缘层，其中设置有静电电极；其中，在所述基台基体的所述冷却液通道上表面所在平面与所述第二绝缘层下表面之间的材料层中设置有若干空洞。本发明提供的一种等离子体处理腔室及其基台能够极大地增加基台中的基体中冷却液通道和第二绝缘层中内嵌的加热器之间的温度差，以满足制程所需。

Description

一种等离子体处理腔室及其基台

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种等离子体处理腔室及其基台。

背景技术

等离子处理腔室利用真空反应室的工作原理进行半导体基片和等离子平板的基片的加工。真空反应室的工作原理是在真空反应室中通入含有适当刻蚀剂源气体的反应气体，然后再对该真空反应室进行射频能量输入，以激活反应气体，来激发和维持等离子体，以便分别刻蚀基片表面上的材料层或在基片表面上淀积材料层，进而对半导体基片和等离子平板进行加工。

等离子体处理腔室中包括一腔体，腔体下方设置有一用于放置基片的基台，基台中设置有温度调节装置用于对***以及基片的温度进行控制。其中，所述温度调节装置包括设置于基台基体的冷却液供应***以及设置于基体以上的加热器层。在某些制程中，对温度调节装置的冷却液供应层和加热器层有明确的温差要求，有时达到50摄氏度及以上。

因此，如何将基台中的冷却液供应层以及加热器层的温度差维持在制程所需范围，又能不浪费资源和能量，是业内急待解决的问题。

发明内容

针对背景技术中的上述问题，本发明提出了一种等离子体处理腔室及其基台。

本发明第一方面提供了一种用于等离子体处理腔室的基台，其中，所述基台包括：

基台基体，其中设置有冷却液通道；

基台基体的上层结构包括：第二绝缘层，其中设置有加热器；以及直接设置于该第二绝缘层之上的第一绝缘层，其中设置有静电电极；

其中，在所述基台基体的所述冷却液通道上表面所在平面与所述第二绝缘层下表面之间的材料层中设置有若干空洞。

进一步地，所述基台基体和所述第二绝缘层之间还包括一温度隔离层，在该温度隔离层中设置有若干空洞。

进一步地，所述基台基体中位于所述冷却液通道之上的区域设置有若干空洞。

进一步地，所述基台基体是由金属钛制成的。

进一步地，所述基台基体中的至少冷却液通道上表面以下的区域是由金属钛制成的。

进一步地，所述温度隔离层的主体是由金属钛制成的。

进一步地，所述温度隔离层中至少其不包括若干空洞的区域是由金属钛制成的。

进一步地，所述空洞的体积范围占所述冷却液通道上表面与所述第二绝缘层下表面之间的材料层总体积的30%到90%。

进一步地，所述冷却液通道还通过若干管道外接有一冷却液循环装置，所述冷却液循环装置用于循环提供冷却液。

进一步地，所述加热器还外接有一电源装置。

进一步地，所述直流电极还外界有一直流电源。

本发明第二方面提供了一种等离子体处理腔室，其中，所述等离子体进一步地，所述基台基体是由金属钛制成的。

进一步地，所述基台基体中的至少冷却液通道上表面以下的区域是由金属钛制成的。

进一步地，所述温度隔离层的主体是由金属钛制成的。

进一步地，所述温度隔离层中至少其不包括若干空洞的区域是由金属钛制成的。

本发明提供的一种等离子体处理腔室及其基台能够极大地增加基台中的基体中冷却液通道和第二绝缘层中内嵌的加热器之间的温度差，以满足制程所需。

附图说明

图1是等离子体处理腔室的结构示意图；

图2是根据本发明一个具体实施例的等离子体处理腔室的基台的结构示意图；

图3是根据本发明一个具体实施例的等离子体处理腔室的基台的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的具体实施方式进行说明。

要指出的是，“半导体工艺件”、“晶圆”和“基片”这些词在随后的说明中将被经常互换使用，在本发明中，它们都指在处理反应室内被加工的工艺件，工艺件不限于晶圆、衬底、基片、大面积平板基板等。为了方便说明，本文在实施方式说明和图示中将主要以“基片”为例来作示例性说明。

图1示出了等离子体处理腔室的结构示意图。等离子体处理腔室100具有一个处理腔体（未示出），处理腔体基本上为柱形，且处理腔体侧壁102基本上垂直，处理腔体内具有相互平行设置的上电极和下电极。通常，在上电极与下电极之间的区域为处理区域P，该区域P将形成高频能量以点燃和维持等离子体。在基台106上方放置待要加工的基片W，该基片W可以是待要刻蚀或加工的半导体基片或者待要加工成平板显示器的玻璃平板。其中，所述基台106上设置有静电夹盘用于夹持基片W。反应气体从气体源103中被输入至处理腔体内的气体喷淋头109，一个或多个射频电源104可以被单独地施加在下电极上或同时被分别地施加在上电极与下电极上，用以将射频功率输送到下电极上或上电极与下电极上，从而在处理腔体内部产生大的电场。大多数电场线被包含在上电极和下电极之间的处理区域P内，此电场对少量存在于处理腔体内部的电子进行加速，使之与输入的反应气体的气体分子碰撞。这些碰撞导致反应气体的离子化和等离子体的激发，从而在处理腔体内产生等离子体。反应气体的中性气体分子在经受这些强电场时失去了电子，留下带正电的离子。带正电的离子向着下电极方向加速，与被处理的基片中的中性物质结合，激发基片加工，即刻蚀、淀积等。在等离子体处理腔室100的合适的某个位置处设置有排气区域，排气区域与外置的排气装置（例如真空泵105）相连接，用以在处理过程中将用过的反应气体及副产品气体抽出腔室。其中，等离子体约束环107用于将等离子体约束于处理区域P内。腔室侧壁102上连接有接地端，其中设置有一电阻108。

图2是根据本发明一个具体实施例的等离子体处理腔室的基台的结构示意图。如图1所示，基台106包括一基体1061，在所述基体1061中设置有若干冷却液通道1062用于降低基台106以及其上放置的基片W的温度。其中，冷却液通道1062下接一冷却液循环装置（未示出），冷却液循环装置用于循环向设置于基台主体1061中的冷却液通道1062提供冷却液体。基台106的最上层设置了一层第一绝缘层1063，其中内嵌有静电电极1064。其中，所述静电电极1064外接有一静电电源（未示出），用于产生静电吸附力从而将基片W夹持于第一绝缘层1063上方进行制程。在该第一绝缘层1063下方设置有第二绝缘层1066，其中内嵌有加热器1065。加热器1065由金属制成，有可能是一整片式结构，也可以是若干基本处于同一平面上的小金属薄片。加热器1065外接电源装置，从而在通电的情况下发热使得基台106以及其上放置的基片W的问题得到提升。因此，基台106的温度调节装置由冷却液循环通道1062以及加热器1065构成，前者用于降温，后者用于升温，两者共同作用，协同控制基台106及其上放置的基片W的温度。

前文已述及，在某些特定制程中，制程需要基台106中的基体1061中冷却液通道1062上表面所在平面和第二绝缘层1066中内嵌的加热器1065下表面之间的温度差达到一定数值，例如大于50℃。

热量公式为：

$Q=A\frac{K}{\mathrm{\Δx}}\mathrm{\ΔT}$

其中，Q为热量，A为常数系数，K为热导率，Δx和基体1061中冷却液通道1062和第二绝缘层1066中内嵌的加热器1065之间的材料厚度有关，而ΔT则表示基体1061中冷却液通道1062和第二绝缘层1066中内嵌的加热器1065之间的温度差。

热量Q不能改变，因为为了基体1061中冷却液通道1062和第二绝缘层1066中内嵌的加热器1065之间的温度差而导致热能消耗过高是得不偿失的。因此，在热量Q和A不变的情况下，能够改变的只有Δx和K。由于Δx和基体1061中冷却液通道1062和第二绝缘层1066中内嵌的加热器1065之间的材料厚度有关，由于等离子体处理腔室内部的真空空间有限，因此不可能增加基体1061中冷却液通道1062和第二绝缘层1066中内嵌的加热器1065之间的材料厚度来增加Δx，从而拉大ΔT。因此要提高基体1061中冷却液通道1062和第二绝缘层1066中内嵌的加热器1065之间的温度差ΔT，只能改变热导率K。

其中，热导率K其实是基体1061中冷却液通道1062和第二绝缘层1066中内嵌的加热器1065之间的材料的平均热导率。传统的等离子体处理腔室的基台106的基体1061一般是由铝或者铝合金制程的，它们的热导率大概为167w/m-k。在热量公式中其他参数皆不变的情况下，减小基体1061中冷却液通道1062和第二绝缘层1066中内嵌的加热器1065之间的材料的平均热导率K，就能够提高基体1061中冷却液通道1062和第二绝缘层1066中内嵌的加热器1065之间的温度差ΔT。因此，可以将基台106的基体1061的材料替换成热导率更低的材料，例如金属钛，其热导率仅为15～25w/m-k，相较于原本热导率大概为167w/m-k的铝或者铝合金制成的基体1061，基体1061中冷却液通道1062和第二绝缘层1066中内嵌的加热器1065之间的温度差ΔT得到了升高。

如图2所示，为了进一步地升高基体1061中冷却液通道1062和第二绝缘层1066中内嵌的加热器1065之间的温度差ΔT，本发明在所述基台基体1061的所述冷却液通道1062上表面所在平面与所述第二绝缘层1066下表面之间的材料层中设置有若干空洞。由于空气的热导率仅为0.0257w/m-k，因此设置了若干空洞的基台基体1061的所述冷却液通道1062与所述第二绝缘层1066之间的材料层的等效热导率也得到了极大降低，使得基台基体1061的所述冷却液通道1062与所述第二绝缘层1066之间温度差ΔT得到非常大地提高，满足了制程所需。

需要说明的是，如图2或3所示，上文提及的冷却液通道1062并非占据了机台基体1061的整个平面，从基台106横切面来看，冷却液通道1062是间隔设置的。然而，上文提及的基台基体1061的所述冷却液通道1062的上表面所在的平面是指横亘基台106的连续的平面。

可选地，如图2所示，所述基台基体1061和所述第二绝缘层1066之间还包括一温度隔离层1067，在该温度隔离层1067中设置有若干空洞G1。

可选地，如图3所示，所述基台基体1061中位于所述冷却液通道1062之上的区域设置有若干空洞G2。

典型地，所述基台基体1061是由金属钛制成的。优选地，所述基台基体1061中的至少冷却液通道1062上表面以下的区域是由金属钛制成的。

可选地，所述温度隔离层1067的主体是由金属钛制成的。

需要说明的是，空洞设置于温度隔离层1067中还是所述基台基体1061中位于所述冷却液通道1062之上的区域皆可实现本发明的发明目的，只要空洞位于所述基台基体1061中位于所述冷却液通道1062之上的区域之间就可以。

至于温度隔离层1067还是基台基体1061的材料，其优选地为金属钛。然而，如果局部地将温度隔离层1067或基台基体1061的材料替换成其他金属也可实现本发明的发明目的，只要基体1061中冷却液通道1062和第二绝缘层1066之间材料的等效热导率低于金属钛的热导率15～25w/m-k即可。

典型地，所述空洞的体积范围占所述冷却液通道上表面与所述第二绝缘层下表面之间的材料层总体积的30%到70%，包括31%、33.5%、38%、45%、47.77%、50%、53%、55%、61%、64%、67%、85%、87.55%、88%等。

本发明第二方面提供了一种等离子体处理腔室，其中，所述等离子体处理腔室包括本发明第一方面所述的基台106。

可选地，如图3所示，所述基台基体1061中位于所述冷却液通道1062之上的区域设置有若干空洞G2。

典型地，所述基台基体1061是由金属钛制成的。优选地，所述基台基体1061中的至少冷却液通道1062上表面以下的区域是由金属钛制成的。

可选地，所述温度隔离层1067的主体是由金属钛制成的。

需要说明的是，空洞设置于温度隔离层1067中还是所述基台基体1061中位于所述冷却液通道1062之上的区域皆可实现本发明的发明目的，只要空洞位于所述基台基体1061中位于所述冷却液通道1062之上的区域之间就可以。

至于温度隔离层1067还是基台基体1061的材料，其优选地为金属钛。然而，如果局部地将温度隔离层1067或基台基体1061的材料替换成其他金属也可实现本发明的发明目的，只要基体1061中冷却液通道1062和第二绝缘层1066之间材料的等效热导率低于金属钛的热导率15～25w/m-k即可。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。此外，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求；“包括”一词不排除其它权利要求或说明书中未列出的装置或步骤；“第一”、“第二”等词语仅用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (16)

1.一种用于等离子体处理腔室的基台，其中，所述基台包括：

基台基体，其中设置有冷却液通道；

基台基体的上层结构包括：第二绝缘层，其中设置有加热器；以及直接设置于该第二绝缘层之上的第一绝缘层，其中设置有静电电极；

其中，在所述基台基体的所述冷却液通道上表面所在平面与所述第二绝缘层下表面之间的材料层中设置有若干空洞。

2.根据权利要求1所述的基台，其特征在于，所述基台基体和所述第二绝缘层之间还包括一温度隔离层，在该温度隔离层中设置有若干空洞。

3.根据权利要求1所述的基台，其特征在于，所述基台基体中位于所述冷却液通道之上的区域设置有若干空洞。

4.根据权利要求2或3所述的基台，其特征在于，所述基台基体是由金属钛制成的。

5.根据权利要求2或3所述的基台，其特征在于，所述基台基体中的至少冷却液通道上表面以下的区域是由金属钛制成的。

6.根据权利要求2或3所述的基台，其特征在于，所述温度隔离层的主体是由金属钛制成的。

7.根据权利要求2或3所述的基台，其特征在于，所述温度隔离层中至少其不包括若干空洞的区域是由金属钛制成的。

8.根据权利要求1所述的基台，其特征在于，所述空洞的体积范围占所述冷却液通道上表面与所述第二绝缘层下表面之间的材料层总体积的30%到90%。

9.根据权利要求1所述的基台，其特征在于，所述冷却液通道还通过若干管道外接有一冷却液循环装置，所述冷却液循环装置用于循环提供冷却液。

10.根据权利要求9所述的基台，其特征在于，所述加热器还外接有一电源装置。

11.根据权利要求10所述的基台，其特征在于，所述直流电极还外界有一直流电源。

12.一种等离子体处理腔室，其中，所述等离子体处理腔室包括权利要求1至3、8至11中任一项所述的基台。

13.根据权利要求12所述的等离子体处理腔室，其特征在于，所述基台基体是由金属钛制成的。

14.根据权利要求12所述的等离子体处理腔室，其特征在于，所述基台基体中的至少冷却液通道上表面以下的区域是由金属钛制成的。

15.根据权利要求12所述的等离子体处理腔室，其特征在于，所述温度隔离层的主体是由金属钛制成的。

16.根据权利要求12所述的等离子体处理腔室，其特征在于，所述温度隔离层中至少其不包括若干空洞的区域是由金属钛制成的。