CN117253770A - 等离子体处理装置、聚焦环温度调整装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种聚焦环温度调整装置，设置于等离子体处理装置，所述等离子体处理装置包括用于承载基片的基座，环绕于所述基座外周的聚焦环，所述聚焦环的外侧壁，以及部分顶面被固定环覆盖；或者，所述聚焦环的外侧壁被所述固定环覆盖；所述聚焦环温度调整装置包括：第一控温单元，设置在所述固定环内部顶部，可以控温并通过热传导经由所述固定环对聚焦环的温度进行调整。同时，本发明还公开了一种等离子体处理装置和聚焦环的温度调整方法。本发明解决了聚焦环的加热路径与冷却路径相互重合干扰、温控效率低的技术问题，提高了对聚焦环温控的热传导效率，改善了温控效果。

Description

等离子体处理装置、聚焦环温度调整装置及方法

技术领域

本发明涉及等离子体处理领域，具体涉及一种等离子体处理装置、聚焦环温度调整装置及方法。

背景技术

等离子处理装置是在真空反应腔室中通入含有适当刻蚀剂或淀积源气体的反应气体，然后再对该真空反应腔室进行射频能量输入，以激活反应气体，来点燃和维持等离子体，以便通过等离子体刻蚀基片表面上的材料层或在基片表面上淀积材料层，进而对半导体基片或等离子平板等进行加工。

如图1所示，在现有的一种电容耦合型等离子体处理装置(CCP)中，包含真空的反应腔室01，反应腔室01内的顶部设有气体喷淋头02等进气装置，并设置耦接于大地或者射频电位的上电极03。反应腔室01内的底部设有基座04，通过基座04设置的静电吸盘在制程中对基片05进行承载；基座04处设有下电极并对其施加射频功率，从而在反应腔室01内形成射频电场，将引入的反应气体生成等离子体。在基座04外缘环绕设置有聚焦环06，其通过调节反应腔室01内整个射频电场的分布，尤其是在基片05边缘的电场分布，实现对等离子体均一性的控制。

除了电学效应，聚焦环06的温度也会影响到基片05边缘聚合物的沉积，从而导致微观关键尺寸的差异。随着刻蚀工艺对高深宽比的需求，高功率(低频)刻蚀得到广泛应用。高功率(低频)刻蚀会使反应腔室01内温度急剧升高，基片05与聚焦环06都将获得大量热量。为了保证待处理基片05的刻蚀均匀性，基座04内部设置有用于冷却基座04的冷却介质管路08，基片05通过静电吸盘将热量传递到基座04以进行快速散热。与此同时，如聚焦环06无优良散热路径，将会使聚焦环06与基片05之间的温差拉大，这将导致基片05边缘刻蚀工艺失谐。

考虑到上述问题，通常在聚焦环06的下方围绕基座04的外缘环绕设置绝缘环07等作为导热层，将聚焦环06的热量传递至基座04进行冷却散热。进一步，因为不同的刻蚀工艺制程中对聚焦环06的工作温度的要求不同，为了更好、更快地调控聚焦环06的温度，通常还设置加热器用于加热聚焦环06。目前，一般将加热器09设置在绝缘环07的内部。

但是该设计存在一些问题，一方面，聚焦环06的温度调控目标是其顶面的温度，但加热器09设置在聚焦环06的底面下方，至其顶面的传热路径较远，导致加热器09到聚焦环顶面的热传导效率不高，升温较慢；另一方面，加热器09对聚焦环06的加热路径与冷却介质管路08对聚焦环06的冷却路径相互重合，会导致加热与冷却相互干扰，温控效果不理想、速度慢。

基于上述，本发明提出一种等离子体处理装置、聚焦环温度调整装置及方法，以解决现有技术中存在的缺点和限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种等离子体处理装置、聚焦环温度调整装置及方法，从而解决现有技术的对聚焦环的加热与冷却过程相互干扰，热传导效率低，温控效果不理想、速度慢的技术问题。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种聚焦环温度调整装置，设置于等离子体处理装置，所述等离子体处理装置包括用于承载基片的基座，环绕于所述基座外周的聚焦环，所述聚焦环的外侧壁，以及部分顶面被固定环覆盖；

或者，所述聚焦环的外侧壁被所述固定环覆盖；

所述聚焦环温度调整装置包括：第一控温单元，设置在所述固定环内部顶部，可以控温并通过热传导经由所述固定环对聚焦环的温度进行调整。

优选地，所述聚焦环温度调整装置还包括第二控温单元，且所述第二控温单元与第一控温单元的控温方向相反；

所述第二控温单元位于聚焦环的下方，所述第一控温单元和第二控温单元分列于所述聚焦环的上下两侧，以减少所述第一控温单元与第二控温单元之间的控温效果干扰。

优选地，所述第一控温单元为加热器，所述第二控温单元为冷却器。

优选地，所述聚焦环的顶面外周设置有向下的台阶；

所述固定环包括水平延伸段和竖直延伸段，所述水平延伸段覆盖聚集环的台阶顶面，所述竖直延伸段覆盖聚焦环的台阶顶面下方的侧壁。

优选地，所述第一控温单元设置在水平延伸段内部。

优选地，所述聚焦环的外侧壁为第一斜面，所述第一斜面沿聚焦环的离心径向自上而下倾斜；

所述固定环内侧设置有与第一斜面相适配的第二斜面，所述第二斜面与第一斜面相抵接。

优选地，所述第一控温单元靠近所述聚焦环的顶面。

优选地，所述第一控温单元有多个，沿所述聚焦环的周向均匀分布。

优选地，所述第一控温单元为与聚焦环同轴的环体，所述环体的宽度一致。

优选地，所述第一控温单元包含对所述聚焦环的温度进行探测的感温探头。

优选地，所述基座外缘设置有台阶，所述聚焦环位于基座的台阶上方；所述第二控温单元设置在基座的内部。

优选地，所述等离子体处理装置还包括绝缘环，所述绝缘环位于聚焦环和基座的台阶之间。

优选地，所述第二控温单元为环状的冷却通道，内部填充有冷却介质。

优选地，所述基座内部设置有接地的屏蔽环，在所述屏蔽环的内部设置有线缆，所述线缆用于向所述第一控温单元提供电能。

优选地，所述等离子体装置设置有覆盖环，其环绕所述固定环并覆盖固定环的顶面及外侧壁。

一种等离子体处理装置，包括：

反应腔，其内设置有用于固定基片的基座；

聚焦环，环绕于所述基座的外周；

固定环，环绕于所述聚焦环的外周；

上述的聚焦环温度调整装置。

一种聚焦环的温度调整方法，利用上述的等离子体处理装置实现，包含：

对所述等离子体处理装置中的聚焦环实施冷却降温过程，或者可控升温过程；

其中，所述冷却降温过程为：等离子体辐射到所述聚焦环上的热量，通过与所述聚焦环下表面接触的绝缘环，向下传递到与所述绝缘环抵接的基座，通过所述基座内设置的第二控温单元进行冷却降温；

所述可控升温过程为：开启所述固定环中所设置的第一控温单元来产生可控的外加热源，所述外加热源的热量通过所述固定环传递到与固定环抵接的聚焦环，对所述聚焦环进行可控升温。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、通过将第一控温单元与第二控温单元分列于聚焦环的上下两侧，使得第一控温单元和第二控温单元对聚焦环的温控路径相分离，避免了对聚焦环的加热与冷却过程相互干扰，改善了对聚焦环的温控效果，加快了温控速度；

2、通过将第一控温单元设置在固定环内部靠近聚焦环顶面的位置，缩短了第一控温单元至聚焦环顶面的热传导路径，提高了第一控温单元经固定环到聚焦环顶面的热传导效率；

3、通过聚焦环与固定环的斜面接触设计，增大了聚焦环与固定环之间的热接触面积，提高了聚焦环与固定环之间的热传导效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明专利实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明专利的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术的等离子处理装置的结构示意图；

图2为本发明的等离子处理装置的结构示意图；

图3为本发明的聚焦环温度调整装置其中一个实施例的结构示意图；

图4为本发明的聚焦环温度调整装置其中一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地描述，所描述的实施例不应视为对本发明的限制，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在以下的描述中，涉及到“一些实施例”、“一个或多个实施例”，其描述了所有可能实施例的子集，但是可以理解，“一些实施例”、“一个或多个实施例”可以是所有可能实施例的相同子集或不同子集，并且可以在不冲突的情况下相互组合。

在以下的描述中，所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅用于分别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序，以使这里描述的本发明实施例能够以除了在图示或描述的以外的顺序实施。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述本发明实施例的目的，不是旨在限制本发明。

图2示出了一种电容耦合式等离子体处理装置(CCP)，其包括一由反应腔壁围成的可抽真空的反应腔1，反应腔1内的顶盖下方设有气体喷淋头2，气体喷淋头2与反应气体源连接，用于引入用于刻蚀工艺的反应气体，并维持一定的流量。同时，反应腔1的顶盖处设置有接地的上电极3。

反应腔1内的底壁上设有基座4，用于承载放置在该基座4上的待处理基片5，该基座4可以是铝制的；基座4被施加射频功率RF作为下电极，进而在反应腔1内的上电极2与下电极(基座4)之间形成射频电场，将引入反应腔1内的反应气体解离，并在基座4与气体喷淋头2之间的区域形成刻蚀反应用的等离子体，对基片5进行表面刻蚀等工艺处理。

在基座4的外周环绕设置有聚焦环6，聚焦环6可调节反应腔1内整个射频电磁的分布，尤其在基本边缘的电场分布，实现刻蚀过程中等离子体的均匀控制。在聚焦环6的外缘还环绕设置有固定环7，用于固定聚焦环5。并且，环绕固定环7并覆盖固定环7的顶面及外侧壁，还环绕设置有覆盖环8，用于防止反应腔1内的等离子体对覆盖环8下方各部件的侵蚀。

在实际刻蚀工艺过程中，聚焦环6表面会沉积聚合物，进而导致基片5微观关键尺寸的差异。为了减少聚焦环6表面聚合物的沉积，本实施例提供一种聚焦环温度调整装置，对聚焦环6的顶面温度进行控制。如图3、4所示，该聚焦环温度调整装置包括第一控温单元11a和第二控温单元11c；其中，

第一控温单元11a设置在固定环7的内部顶部，可以控温并通过热传导经由固定环7对聚焦环6的温度进行调整。在一些实施例中，第一控温单元11a有多个，沿聚焦环6的周向均匀分布，以实现对聚焦环6温控的均匀性；在另一些实施例中，第一控温单元11a为与聚焦环同轴的环体，所述环体的宽度一致，可以使得对聚焦环6的温控更加地均匀。在一些实施例中，第一控温单元11a包含感温探头，用于对聚焦环6顶面的温度进行探测，以实现精确控制对聚焦环6的温控。

第二控温单元11c位于聚焦环6的下方，第二控温单元11c与第一控温单元11a的控温方向相反，二者分列于聚焦环6的上下两侧，以减少第一控温单元11a与第二控温单元11c之间的控温效果干扰。在一些实施例中，基座4的外缘设置有台阶，聚焦环6位于基座4的台阶上方，第二控温单元11c设置在基座4的内部。在一些实施例中，围绕基座04的外缘、且在聚焦环6和基座4的台阶之间，还设置有作为导热层的绝缘环9，在刻蚀过程中，第二控温单元11c通过绝缘环9的热传导对聚焦环6进行控温，并且通过设置绝缘环9，还可以减少第一控温单元11a与第二控温单元11c之间的控温效果干扰。

进一步地，在一些实施例中，第一控温单元11a为加热器，用于对聚焦环6进行升温控制；第二控温单元11c为冷却器，用于对聚焦环6进行降温控制。在一些实施例中，第二控温单元11c为环状的冷却通道，内部填充有冷却介质，用于冷却基座4和基片5，以及聚焦环6。

聚焦环6和固定环7可以设计为很多种不同的形状，图3示出了其中一种优选方案，聚焦环6的顶面外周设置有向下的台阶，而固定环7包括水平延伸段和竖直延伸段，所述水平延伸段覆盖聚集环6的台阶顶面，所述竖直延伸段覆盖聚焦环6的台阶顶面下方的侧壁，第一控温单元11a设置在水平延伸段内部，这种设计可以使固定环7较好地固定聚焦环6，聚焦环6和固定环7的接触面积较大，并且第一控温单元11a更靠近聚焦环6的顶面，使得温控效果更好。进一步，图4示出了另一种优选方案，聚焦环6的外侧壁为第一斜面，所述第一斜面沿聚焦环6的离心径向自上而下倾斜；固定环7内侧设置有与第一斜面相适配的第二斜面，所述第二斜面与第一斜面相抵接，这种设计也可以使固定环7较好地固定聚焦环6，并且通过第一斜面与第二斜面相抵接，进一步增加了聚焦环6和固定环7的接触面积，增强了固定环7对聚焦环6的热传导效率。

优选地，在一些实施例中，第一控温单元11a靠近聚焦环6的顶面，用于缩短第一控温单元11a到聚焦环6顶面的热传导路径，改善温控效果，提高温控速度。

在一些实施例中，基座4内部设置有接地的屏蔽环10，在屏蔽环10的内部设置有线缆11b，线缆11b用于向第一控温单元11a提供电能；在设置有绝缘环9的实施例中，绝缘环9在线缆11b的路径上设置有通孔，线缆11b自该通孔穿过绝缘环9。

本实施例中的聚焦环温度调整装置的工作原理是，一方面，第一控温单元11a在需要控温时可以通过自体控温，并通过固定环7热传导至聚焦环6，从而改变聚焦环6顶面的温度；另一方面，第二控温单元11c在需要控温时可以通过自体控温，并直接或通过绝缘环9热传导至聚焦环6，从而改变聚焦环6顶面的温度。由于第一控温单元11a设置在固定环7的内部顶部，且靠近聚焦环6顶面的位置，所以其至聚焦环6顶面的热传导路径较短，热传导效率较高，控温效果较好，反应迅速。另外，由于第一控温单元11a至聚焦环6顶面的热传导路径与第二控温单元11c至聚焦环6顶面的热传导路径不同，避免了对聚焦环6顶面的加热与冷却相互干扰，改善了温控效果，提高了温控速度。

本实施例还提供一种等离子体处理装置，如图2～4所示，其包括：

反应腔1，其内设置有用于固定基片5的基座4；聚焦环6，环绕于基座4的外周，用于实现对等离子体均一性的控制；固定环7，环绕于聚焦环6的外周，用于固定聚焦环6；以及，本实施例所提供的聚焦环温度调整装置。

另外，如图2～4所示，本实施例还提供一种聚焦环的温度调整方法，其利用本实施例所提供的等离子体处理装置实现，包含对等离子体处理装置中的聚焦环6实施冷却降温过程，或者可控升温过程；

其中，冷却降温过程为：等离子体辐射到聚焦环6上的热量，通过与聚焦环6下表面接触的绝缘环9，向下传递到与绝缘环9抵接的基座4，通过基座4内设置的第二控温单元11c进行冷却降温；

可控升温过程为：开启固定环7中所设置的第一控温单元11a来产生可控的外加热源，所述外加热源的热量通过固定环7传递到与固定环7抵接的聚焦环6，对聚焦环6进行可控升温。

本发明所提供的聚焦环温度调整装置，不仅适用于电容耦合型等离子体处理装置(CCP)，并且同样适用于电感耦合型等离子体处理装置(ICP)。

以上所述，仅为本发明的实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和范围之内做出的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (17)

1.一种聚焦环温度调整装置，设置于等离子体处理装置，所述等离子体处理装置包括用于承载基片的基座，环绕于所述基座外周的聚焦环，其特征在于，

所述聚焦环的外侧壁，以及部分顶面被固定环覆盖；

或者，所述聚焦环的外侧壁被所述固定环覆盖；

所述聚焦环温度调整装置包括：第一控温单元，设置在所述固定环内部顶部，可以控温并通过热传导经由所述固定环对聚焦环的温度进行调整。

2.如权利要求1所述的聚焦环温度调整装置，其特征在于，

所述聚焦环温度调整装置还包括第二控温单元，且所述第二控温单元与第一控温单元的控温方向相反；

所述第二控温单元位于聚焦环的下方，所述第一控温单元和第二控温单元分列于所述聚焦环的上下两侧，以减少所述第一控温单元与第二控温单元之间的控温效果干扰。

3.如权利要求2所述的聚焦环温度调整装置，其特征在于，

所述第一控温单元为加热器，所述第二控温单元为冷却器。

4.如权利要求1所述的聚焦环温度调整装置，其特征在于，

所述聚焦环的顶面外周设置有向下的台阶；

所述固定环包括水平延伸段和竖直延伸段，所述水平延伸段覆盖聚集环的台阶顶面，所述竖直延伸段覆盖聚焦环的台阶顶面下方的侧壁。

5.如权利要求4所述的聚焦环温度调整装置，其特征在于，

所述第一控温单元设置在水平延伸段内部。

6.如权利要求1所述的聚焦环温度调整装置，其特征在于，

所述聚焦环的外侧壁为第一斜面，所述第一斜面沿聚焦环的离心径向自上而下倾斜；

所述固定环内侧设置有与第一斜面相适配的第二斜面，所述第二斜面与第一斜面相抵接。

7.如权利要求5或6所述的聚焦环温度调整装置，其特征在于，

所述第一控温单元靠近所述聚焦环的顶面。

8.如权利要求1所述的聚焦环温度调整装置，其特征在于，

所述第一控温单元有多个，沿所述聚焦环的周向均匀分布。

9.如权利要求1所述的聚焦环温度调整装置，其特征在于，

所述第一控温单元为与聚焦环同轴的环体，所述环体的宽度一致。

10.如权利要求1所述的聚焦环温度调整装置，其特征在于，

所述第一控温单元包含对所述聚焦环的温度进行探测的感温探头。

11.如权利要求2所述的聚焦环温度调整装置，其特征在于，

所述基座外缘设置有台阶，所述聚焦环位于基座的台阶上方；

所述第二控温单元设置在基座的内部。

12.如权利要求11所述的聚焦环温度调整装置，其特征在于，

所述等离子体处理装置还包括绝缘环，所述绝缘环位于聚焦环和基座的台阶之间。

13.如权利要求11所述的聚焦环温度调整装置，其特征在于，

所述第二控温单元为环状的冷却通道，内部填充有冷却介质。

14.如权利要求1所述的聚焦环温度调整装置，其特征在于，

所述基座内部设置有接地的屏蔽环，在所述屏蔽环的内部设置有线缆，所述线缆用于向所述第一控温单元提供电能。

15.如权利要求1所述的聚焦环温度调整装置，其特征在于，

所述等离子体装置设置有覆盖环，其环绕所述固定环并覆盖固定环的顶面及外侧壁。

16.一种等离子体处理装置，其特征在于，包括：

反应腔，其内设置有用于固定基片的基座；

聚焦环，环绕于所述基座的外周；

固定环，环绕于所述聚焦环的外周；

如权利要求1-15中任意一项所述的聚焦环温度调整装置。

17.一种聚焦环的温度调整方法，其特征在于，利用如权利要求16所述的等离子体处理装置实现，包含：

对所述等离子体处理装置中的聚焦环实施冷却降温过程，或者可控升温过程；

其中，所述冷却降温过程为：等离子体辐射到所述聚焦环上的热量，通过与所述聚焦环下表面接触的绝缘环，向下传递到与所述绝缘环抵接的基座，通过所述基座内设置的第二控温单元进行冷却降温；

所述可控升温过程为：开启所述固定环中所设置的第一控温单元来产生可控的外加热源，所述外加热源的热量通过所述固定环传递到与固定环抵接的聚焦环，对所述聚焦环进行可控升温。