CN113053715B - 下电极组件、等离子体处理装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

一种下电极组件、等离子体处理装置及其工作方法，其中，所述下电极组件包括：基座，具有预设工作温度，其内具有冷却通道，冷却通道包括冷却输入端和冷却输出端；冷却气体，其液化温度低于所述预设工作温度；冷却装置，用于对冷却气体进行降温；第一气体输送管道，用于将冷却气体输送至冷却装置；第二气体输送管道，与冷却输入端连通，用于将降温后的冷却气体输送入所述冷却通道内，降温后的所述冷却气体对基座进行降温以达到预设工作温度；第三气体输送管道，与冷却输出端连通，用于将对基座降温后的所述冷却气体输出。利用所述下电极组件对基座进行降温时，有利于降低冷却气体对接触部件造成损伤，提高下电极组件的密封性。

Description

下电极组件、等离子体处理装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种下电极组件、等离子体处理装置及其工作方法。

背景技术

等离子体处理装置包括：真空反应腔；基座，位于所述真空反应腔内的基座，所述基座用于承载待处理基片。所述等离子体处理装置的工作原理是在真空反应腔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腔进行射频能量输入，以激活反应气体，来激发和维持等离子体，所述等离子体用于对待处理基片进行处理。

所述基座内设置冷却通道，所述冷却通道内用于输送冷却剂，所述冷却剂在所述冷却通道内进行传输实现对基座的降温。然而，现有的等离子体处理装置对基座进行降温易对接触部件造成损伤，使基座的密封性较差。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种下电极组件、等离子体处理装置及其工作方法，以降低基座的温度，且能够降低冷却气体对接触部件造成损伤，提高下电极组件的密封性。

为解决上述技术问题，本发明提供一种种用于等离子体处理装置的下电极组件，包括：基座，具有预设工作温度，其内具有冷却通道，所述冷却通道包括冷却输入端和冷却输出端；冷却气体，其液化温度低于所述预设工作温度；冷却装置，用于对所述冷却气体进行降温；第一气体输送管道，用于将所述冷却气体输送至冷却装置；第二气体输送管道，与所述冷却输入端连通，用于将降温后的所述冷却气体输送入所述冷却通道内，所述降温后的所述冷却气体对基座进行降温以达到所述预设工作温度；第三气体输送管道，与所述冷却输出端连通，用于将对所述基座降温后的所述冷却气体输出。

可选的，所述冷却气体包括：氮气、氦气、甲烷或氧气中的至少一种。

可选的，所述冷却装置为液氮装置。

可选的，还包括：第一控制阀，用于控制所述冷却气体进入冷却装置的流速。

可选的，还包括：回收气体管道，与所述第三气体输送管道连通，用于将对所述基座降温后输出的所述冷却气体输送至冷却装置。

可选的，还包括：气体输出管道，与所述第三气体输送管道连通，用于输出对所述基座降温后的所述冷却气体；第二控制阀，用于控制所述第三气体输送管道与所述气体输出管道连通还是与回收气体管道连通。

可选的，所述冷却装置的个数为1个或者多个。

可选的，多个所述冷却装置串联设置在第一气体输送管道和第二气体输送管道之间。

可选的，多个所述冷却装置并联设置于第一气体输送管道和第二气体输送管道之间。

可选的，多个所述冷却装置串联与并联相结合的方式设置于第一气体输送管道和第二气体输送管道之间。

可选的，所述基座的材料包括钛。

相应的，本发明还提供一种等离子体处理装置，包括：反应腔；上述下电极组件，位于所述反应腔内底部。可选的，所述等离子体处理装置包括电容耦合等离子体处理装置或者电感耦合等离子体处理装置。

相应的，本发明还提供一种等离子体处理装置的工作方法，包括：提供上述等离子体处理装置；提供冷却气体，通过第一气体输送管道，使所述冷却气体被输送至冷却装置，利用所述冷却装置对冷却气体进行降温；降温后的所述冷却气体通过第二气体输送管道被输送至所述冷却通道，对所述基座进行降温；对所述基座进行降温后的所述冷却气体通过第三气体输送管道输出。

可选的，所述预设工作温度为-110摄氏度～25摄氏度。

可选的，所述冷却气体通过第一气体输送管道进入冷却装置前的温度为：10摄氏度～30摄氏度；所述冷却气体的流速为：0ml/min～1000ml/min。

与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：

本发明技术方案提供的下电极组件中，所述冷却气体通过第一气体输送管道输送至冷却装置，在所述冷却装置的作用下进行降温，降温后的冷却气体被第二气体输送管道输送入冷却通道内。降温后的冷却气体在冷却通道流动的过程中对所述基座进行降温以达到预设工作温度。由于所述冷却气体的液化温度低于基座的预设工作温度，使得所述冷却气体无需被冷却装置冷却为液化态，即：所述冷却气体经冷却装置冷却后仍为气态，且冷却后的冷却气体的温度不至于过低，使得冷却后的冷却气体在冷却通道内传输的过程中，不易使与冷却气体接触的部件因温度过低而发生损伤，因此，有利于提高下电极组件的密封性。

附图说明

图1是本发明一种用于等离子体处理装置的下电极组件的结构示意图；

图2是本发明另一种用于等离子体处理装置的下电极组件的结构示意图；

图3是本发明又一种用于等离子体处理装置的下电极组件的结构示意图；

图4为本发明一种等离子体处理装置的结构示意图；

图5是本发明等离子体处理装置工作方法的流程图。

具体实施方式

正如背景技术所述，现有对基座进行降温时，易造成下电极组件损伤。

研究发现：在一些半导体制造工艺，如：深硅刻蚀工艺中，需要使用低温的条件(零下七十摄氏度或者更低的温度)来提高刻蚀的深宽比和降低侧壁的粗糙度，研究发现在零下110摄氏度即可达到很好的刻蚀效果。现有采用循环液氮等低温液体对基座进行制冷，虽然能够满足低温需求，但是低温液体对接触部件的低温耐受性/密封性产生很大的挑战。

有鉴于此，本发明提供一种下电极组件、等离子体处理装置及其工作方法，其中，所述下电极组件包括：基座，具有预设工作温度，其内具有冷却通道，所述冷却通道包括冷却输入端和冷却输出端；冷却气体，其液化温度低于所述预设工作温度；冷却装置，用于对所述冷却气体进行降温；第一气体输送管道，用于将所述冷却气体输送至冷却装置；第二气体输送管道，与所述冷却输入端连通，用于将降温后的所述冷却气体输送入所述冷却通道内，所述降温后的所述冷却气体对基座进行降温以达到所述预设工作温度；第三气体输送管道，与所述冷却输出端连通，用于将对所述基座降温后的所述冷却气体输出。利用所述下电极组件对基座进行降温时，有利于降低冷却气体对接触部件造成损伤，提高下电极组件的密封性。

为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

图1是本发明一种用于等离子体处理装置的下电极组件的结构示意图。

请参考图1，基座100，具有预设工作温度，其内具有冷却通道101，所述冷却通道101包括冷却输入端A1和冷却输出端B1；冷却气体102，其液化温度低于所述预设工作温度；冷却装置103，用于对所述冷却气体102进行降温；第一气体输送管道104，用于将所述冷却气体102输送至冷却装置103；第二气体输送管道105，与所述冷却输入端A1连通，用于将降温后的所述冷却气体102输送入所述冷却通道101内，所述降温后的所述冷却气体102对基座100进行降温以达到所述预设工作温度；第三气体输送管道106，与所述冷却输出端B1连通，用于将对所述基座100降温后的所述冷却气体102输出。

所述基座100用于承载待处理基片，在不同的工艺过程中，对基座100的预设工作温度不同，在一些半导体制造工艺，例如深硅刻蚀工艺中，需要使用较低的预设工作温度来提高刻蚀的深宽比和降低侧壁的粗糙度。

在本实施例中，所述预设工作温度的范围为：-110摄氏度～25摄氏度。

在本实施例中，所述冷却气体102为氮气。在其他实施例中，所述冷却气体包括：氦气、甲烷或氧气中的至少一种，或者氮气与氦气、甲烷或氧气中的至少一种气体的组合。

在本实施例中，选择氮气作为冷却气体102的意义在于：一方面氮气价格较便宜，另一方面，氮气为惰性气体，在使用的过程中较安全。

在本实施例中，所述冷却装置103为液氮装置。在其他实施例中，所述冷却装置还可以为其他具有冷却能力的装置。所述冷却气体102通过第一气体输送管道104输送至所述冷却装置103，所述冷却装置103用于对冷却气体102进行冷却。

在本实施例中，还包括：第一控制阀107，所述第一控制阀107用于控制所述冷却气体102的流速大小。当所述基座的预设工作温度较低时，可通过减小所述冷却气体102的流速，使所述冷却气体102流经冷却装置103的时间较长，那么所述冷却气体102被冷却装置103冷却的较充分，从冷却装置103流出的冷却气体102的温度较低，有利于使所述基座的温度达到较低的预设工作温度；相反的，当所述基座的预设工作温度较高时，可通过增大所述冷却气体102的流速，使所述冷却气体102流经冷却装置103的时间较短，则所述冷却气体102被冷却装置103冷却的不那么充分，从冷却装置103流出的冷却气体102的温度较高，有利于使所述基座的温度达到较高的预设工作温度。

经所述冷却装置103冷却后的冷却气体102通过第二气体输送管道105输入至冷却通道101的冷却输入端A1，所述冷却气体102在所述冷却通道101内传输的过程中对基座100进行降温以达到所述预设工作温度。

由于所述冷却气体102的液化温度低于所述预设工作温度，使得所述冷却气体102经冷却装置103冷却时只需冷却至预设工作温度即可，而所述冷却气体102在预设工作温度时仍为气体，即：所述冷却气体102的温度不至于过低，使得所述冷却气体102不易对冷却气体接触部件造成损伤，有利于提高下电极组件的密封性。

在本实施例中，所述基座100的材料包括钛，选择钛作为基座100的材料，防止冷却气体102对基座100进行冷却时，因所述冷却气体102温度过低使基座100发生裂纹。

所述冷却气体102经冷却输出端B1流出，通过第三气体输送管道106输出。

在本实施例中，由于所述冷却气体102为氮气，氮气为无害气体，因此，从冷却输出端B1输出的冷却气体102可直接被排放至大气中。

在其他实施例中，还包括：回收气体管道，与所述第三气体输送管道连通，用于将对所述基座降温后输出的所述冷却气体输送至冷却装置；气体输出管道，与所述第三气体输送管道连通，用于输出对所述基座降温后的所述冷却气体；第二控制阀，用于控制所述第三气体输送管道与所述气体输出管道连通还是与回收气体管道连通。

在本实施例中，以所述冷却装置103的个数为1个进行说明。在其他实施例中，所述冷却装置的个数大于1个。

图2是本发明另一种用于等离子体处理装置的下电极组件的结构示意图。

在本实施例中，所述冷却装置203的个数为两个，两个所述冷却装置203并联。

在其他实施例中，所述冷却装置的个数为多个，多个所述冷却装置并联。

在本实施例中，所述冷却气体202通过第一气体输送管道204输送的过程中进行了分支，其中一部分冷却气体202通过冷却装置203a冷却，另一部分冷却气体202通过冷却装置203b冷却，与所有的冷却气体202通过一个冷却装置203冷却相比，所述冷却气体202与冷却装置203a和冷却装置203b的接触面积较大，因此，当流速相等时，所述冷却气体202经冷却装置203a和冷却装置203b后的温度较低，有利于提高冷却效率。

图3是本发明又一种用于等离子体处理装置的下电极组件的结构示意图。

在本实施例中，所述冷却装置303的个数为两个，且两个所述冷却装置303串联。在其他实施例中，所述冷却装置的个数为两个以上，且两个以上的冷却装置串联。

在本实施例中，由于两个所述冷却装置303串联，使得所述冷却气体302依次被各个所述冷却装置303冷却，使得所述冷却气体302的温度不断被降低，当冷却气体的流速与只有一个冷却装置303时的流速相等时，被输送至冷却通道301的温度较低，因此，当预设工作温度不变时，可增大冷却气体302的流速即可实现所述预设工作温度，有利于提高冷却效率。

在其他实施例中，多个所述冷却装置串联与并联组合设置。

图4为本发明一种等离子体处理装置的结构示意图。

请参考图4，反应腔400；下电极组件401，位于所述反应腔400内底部。

在本实施例中，以所述等离子体处理装置为电容耦合等离子体处理装置进行说明。当所述等离子体处理装置为电容耦合等离子体处理装置时，还包括：位于所述反应腔400内的气体喷淋头402，所述气体喷淋头402与下电极组件401相对设置；

在其他实施例中，所述等离子体处理装置包括：电感耦合等离子体处理装置，所述电感耦合等离子体处理装置还包括：位于所述反应腔顶部的绝缘窗口和位于所述绝缘窗口上的电感线圈。

请参考图5，步骤S1：提供上述等离子体处理装置；步骤S2：提供冷却气体，通过第一气体输送管道，使所述冷却气体被输送至冷却装置，利用所述冷却装置对冷却气体进行降温；步骤S3：降温后的所述冷却气体通过第二气体输送管道被输送至所述冷却通道，对所述基座进行降温；步骤S4：对所述基座进行降温后的所述冷却气体通过第三气体输送管道输出。

在本实施例中，所述预设工作温度为-110摄氏度～25摄氏度。

在本实施例中，所述冷却气体通过第一气体输送管道进入冷却装置前的温度为：10摄氏度～30摄氏度；所述冷却气体的流速为：0ml/min～1000ml/min。

所述冷却气体通过第一气体输送管道输送至冷却装置，在所述冷却装置的作用下进行降温，降温后的冷却气体被第二气体输送管道输送入冷却通道内。降温后的冷却气体在冷却通道流动的过程中对所述基座进行降温以达到预设工作温度。由于所述冷却气体的液化温度低于基座的预设工作温度，使得所述冷却气体无需被冷却装置冷却为液化态，即：所述冷却气体经冷却装置冷却后仍为气态，且冷却后的冷却气体的温度不至于过低，使得冷却后的冷却气体在冷却通道内传输的过程中，不易使与冷却气体接触的部件因温度过低而发生损伤，因此，有利于提高下电极组件的密封性。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (14)

1.一种用于等离子体处理装置的下电极组件，其特征在于，包括：

基座，具有预设工作温度，所述预设工作温度低于零下70摄氏度，其内具有冷却通道，所述冷却通道包括冷却输入端和冷却输出端；

冷却气体，其液化温度低于所述预设工作温度；

冷却装置，用于对所述冷却气体进行降温；

第一气体输送管道，用于将所述冷却气体输送至冷却装置；

第一控制阀，设于所述第一气体输送管道上，用于控制所述冷却气体进入冷却装置的流速，进而控制所述冷却气体在所述冷却装置中冷却的时长；

第二气体输送管道，与所述冷却输入端连通，用于将降温后的所述冷却气体输送入所述冷却通道内，所述降温后的所述冷却气体对基座进行降温以达到所述预设工作温度；

第三气体输送管道，与所述冷却输出端连通，用于将对所述基座降温后的所述冷却气体输出。

2.如权利要求1所述的用于等离子体处理装置的下电极组件，其特征在于，所述冷却气体包括：氮气、氦气、甲烷或氧气中的至少一种。

3.如权利要求1所述的用于等离子体处理装置的下电极组件，其特征在于，所述冷却装置为液氮装置。

4.如权利要求1所述的用于等离子体处理装置的下电极组件，其特征在于，还包括：回收气体管道，与所述第三气体输送管道连通，用于将对所述基座降温后输出的所述冷却气体输送至冷却装置。

5.如权利要求4所述的用于等离子体处理装置的下电极组件，其特征在于，还包括：气体输出管道，与所述第三气体输送管道连通，用于输出对所述基座降温后的所述冷却气体；第二控制阀，用于控制所述第三气体输送管道与所述气体输出管道连通还是与回收气体管道连通。

6.如权利要求1所述的用于等离子体处理装置的下电极组件，其特征在于，所述冷却装置的个数为1个或者多个。

7.如权利要求6所述的用于等离子体处理装置的下电极组件，其特征在于，多个所述冷却装置串联设置在第一气体输送管道和第二气体输送管道之间。

8.如权利要求6所述的用于等离子体处理装置的下电极组件，其特征在于，多个所述冷却装置并联设置于第一气体输送管道和第二气体输送管道之间。

9.如权利要求6所述的用于等离子体处理装置的下电极组件，其特征在于，多个所述冷却装置串联与并联相结合的方式设置于第一气体输送管道和第二气体输送管道之间。

10.如权利要求1所述的用于等离子体处理装置的下电极组件，其特征在于，所述基座的材料包括钛。

11.一种等离子体处理装置，其特征在于，包括：

反应腔；

如权利要求1至权利要求10任一项的下电极组件，位于所述反应腔内底部。

12.如权利要求11所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述等离子体处理装置包括电容耦合等离子体处理装置或者电感耦合等离子体处理装置。

13.一种等离子体处理装置的工作方法，其特征在于，包括：

提供权利要求11至权利要求12任一项所述的等离子体处理装置；

提供冷却气体，通过第一气体输送管道，使所述冷却气体被输送至冷却装置，利用所述冷却装置对冷却气体进行降温；

降温后的所述冷却气体通过第二气体输送管道被输送入所述冷却通道内，降温的所述冷却气体在冷却通道传输的过程中对所述基座进行降温；

对所述基座进行降温后的所述冷却气体通过第三气体输送管道输出。

14.如权利要求13所述的等离子体处理装置的工作方法，其特征在于，所述冷却气体通过第一气体输送管道进入冷却装置前的温度为：10摄氏度～30摄氏度；所述冷却气体的流速为：0ml/min～1000ml/min。

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