TWI628689B - 用於保護電漿處理系統中之真空密封的系統與方法 - Google Patents

Abstract

提供一種在電漿處理系統中用來保護真空密封的系統及其方法。該電漿處理系統能夠包含：一真空室，其界定有一側壁；及一感應線圈，其係包覆在至少一部份的該側壁上。在該真空室的側壁及一散熱器之間，能夠安置一真空密封。一熱傳導橋能夠被耦合在該側壁及該散熱器之間。再者，該熱傳導橋能夠相關於該真空密封來安置，以致於該熱傳導橋使一熱傳導路徑從該側壁或任何熱源改向到該散熱器，進而使該熱路徑繞過該真空密封。

Description

用於保護電漿處理系統中之真空密封的系統與方法

[0001]本發明一般關於電漿處理，尤其是電漿處理系統中用於保護真空密封的系統及方法。

電漿處理在半導體工業中被廣泛地用於沈積、蝕刻、光阻移除、以及半導體晶圓及其他基材的相關加工。感應電漿源通常用來進行電漿處理，以產生高密度電漿及反應性物種，用來處理晶圓。例如，感應電漿源使用標準13.56MHz及較低頻率的電源產生器，夠輕易地產生高密度電漿。

任何低壓或真空電漿處理系統的一種常用元件係真空密封，其將低壓電漿體積與周圍大氣隔開。真空密封的完整性對於電漿產生系統係極端地重要，因為任何氣體經由真空密封外洩，能夠改變處理電漿的化學組合。這能夠影響處理結果，或甚至破壞電漿。

許多電漿處理系統具有多重的真空密封，其中有一些與電漿熱所造成非常熱的表面進行接觸。這能夠導致真空密封的壽命減短。雖然真空密封成本本身相對地較高，但 真空密封故障的主要成本係相關於修理或更換真空密封的加工中斷，這降低了產量。為了避免加工停止時間，真空密封的壽命應該較長於預訂電漿處理工具維修之間的期間。

真空密封故障能夠發生於許多電漿源中，而無關於電漿產生的特定機制。電漿源的能量及真空密封失效的加工時間，係取決於電漿源類型、側壁材料(如石英)及其他細節。然而，在某些能量下，來自任何電漿源類型之電漿的熱負載變得非常高，這能夠造成真空密封故障。電漿處理工具能夠加以設計，以致於真空密封係遠離電漿來安置，因而降低熱負載。然而這種技術只部份地解決問題，因為鄰接密封區的側壁將會緩慢地加熱(起因於熱傳導)。此外，這個技術係難以應用到現有電漿源，因為設計上的任何明顯改變都將會需要工具重新檢定。

因此，目前需要一種系統及方法，在電漿加工設備中保護真空密封以便延長真空密封的壽命。

本發明的觀點及優點將部份地說明以下述的描述中，或可從該描述而自明，或可習自本發明之實施。

本發明一示範性觀點係針對一電漿處理系統。該電漿處理系統包含一真空室，其具有一側壁；及一感應線圈，其被包覆在至少一部份的側壁上。再者，該系統包含至少一真空密封，其耦合在該側壁及一散熱器之間，例如電漿處理 室的頂板、或真空室的頂蓋。一熱傳導橋係耦合在該側壁及該頂板之間，及被安置在該感應線圈及該真空密封之間，以致於該熱傳導橋將一熱路徑從該熱源改向到頂板，進而使該熱路徑繞過該真空密封。

本發明另一示範性觀點係針對一種在電漿處理系統中保護真空密封避免過熱的方法。該方法包含以高熱傳導橋來隔離該真空密封區及該熱源，以致於該橋將一熱傳導路徑從該熱源改向到一散熱器，進而使該熱路徑繞過該真空密封。

本發明另一示範性觀點係針對於在電漿處理系統中用來保護真空密封的加工、方法、系統及裝置。

這些及其他本發明特點、觀點及優點，在參照以下描述及後附的申請專利範圍之下，將會更佳地受到瞭解。所附的圖式，併入本說明書中及作為說明書的一部份，用來圖解本發明的實施例，其連同說明書用來解釋本發明的原理。

100‧‧‧Plasma processing system 電漿處理系統

112‧‧‧Top cap 頂蓋

114‧‧‧Top plate 頂板

116‧‧‧Vacuum chamber 真空室

118‧‧‧Inductive coil 感應線圈

120‧‧‧Vacuum seal 真空密封

122‧‧‧Gas inlet 氣體入口

124‧‧‧Faraday shield 法拉第屏蔽

124‧‧‧Top cap support 頂蓋支架

125‧‧‧Vacuum seal 真空密封

126‧‧‧Independent support 獨立式支架

128‧‧‧Sidewall 側壁

130‧‧‧Heat sink 散熱器

132‧‧‧Plasma screen 電漿屏幕

134‧‧‧Conductive heat path 熱傳導路徑

136‧‧‧Heat conductive bridge 熱傳導橋

137‧‧‧spacer 隔片

138‧‧‧Spiral gasket 螺旋墊圈

140‧‧‧Metal sleeve 金屬套筒

142‧‧‧Spring-loaded C-clamp configuration 載有彈簧的C-夾配置

144‧‧‧C-shaped clamp C形夾

146‧‧‧spring 彈簧

148‧‧‧washer 墊圈

150‧‧‧cut 切口

152‧‧‧Timing-belt configuration 正時皮帶配置

200‧‧‧Plasma processing system 電漿處理系統

212‧‧‧Ceiling 天花板

218‧‧‧Inductive coil 感應線圈

220‧‧‧Vacuum seal 真空密封

228‧‧‧Chamber wall 室壁

234‧‧‧Heat path 熱路徑

236‧‧‧Heat conductive bridge 熱傳導橋

238‧‧‧Second thermally conductive element 第二熱傳導元件

對於一般熟於本項技藝人士而言的完整而可實施的揭示(包含最佳模式)係更具體描述在本說明書的其他部份，包含參照附屬的圖式。其中：第一圖係一示範性電漿處理設備的示意圖。

第二圖係一示範性電漿處理設備的詳細示意圖。

第三圖係一示範性電漿處理設備的詳細示意 圖，其設有一依照本發明示範性實施例的熱傳導橋。

第四圖係一示範性電漿處理設備的詳細示意圖，其設有一依照本發明示範性實施例的熱傳導橋。

第五圖係一依照本發明示範性實施例的熱傳導橋的示意圖。

第六圖係一依照本發明示範性實施例的熱傳導橋的示意圖。

第七圖係一電漿處理設備的詳細示意圖，其設有一依照本發明示範性實施例的熱傳導橋。

第八圖係一依照本發明示範性實施例的熱傳導橋的示意圖。

第九圖係一電漿處理設備的詳細示意圖，其設有一依照本發明示範性實施例的熱傳導橋。

第十圖係一依照本發明示範性實施例的熱傳導橋的示意圖。

第十一圖係一水平電漿處理設備的詳細示意圖，其設有一依照本發明示範性實施例的熱傳導橋。

現在詳細地參照本發明的實施例，其一或更多的例子係圖解在圖式中。每一個例子係為了解釋本發明而提供，而非本發明限制。事實上，一般熟悉本項技藝人士將明瞭的是，本發明內能夠作成許多修改及變型，而不離開本發 明的範圍或精神。例如，作為實施一部份的所解說的或所描述的特徵，能夠被使用在另一實施例中，以便產生一進一步的實施例。因此，吾人想要的是，本發明涵蓋這類的在後附權利項範圍內及其等價者之內的修改及變型。

一般而言，本發明係針對在電漿處理設備中用來保護真空密封的系統及方法。真空密封能夠被安置在一真空室側壁及一散熱器之間。該散熱器能夠是該真空室本身的一部份，例如，真空室的頂蓋或電漿處理室的頂板。在該側壁及該散熱器之間能夠設有一熱傳導橋(thermally conductive bridge)。該熱傳導橋能夠由金屬、或其他具有高熱傳導能力的材料(如石墨發泡材料(graphite foam))來形成。起因於熱傳導橋的安置及高熱傳導能力，典型地從該側壁經由真空密封到該散熱器流動的熱路徑係被改向，以致於該熱路徑繞過該真空密封。更具體地說，該熱傳導橋接觸到該散熱器及被加熱的區域(即真空室的側壁)，及被安放在密切靠近真空密封的熱傳導路徑之中，以便在被加熱區及散熱器之間提供一條捷徑。

熱傳導橋保護真空密封避免高溫，及延長在電漿處理系統所生的熱之下的曝露。再者，該熱傳導橋能夠為可撓曲性的及彈性的，以便在該橋及周遭的接觸表面之間提供良好的接觸。在本文中字詞”可撓曲性的”意指，能夠被彎曲或撓曲。在本文中字詞”彈性的”意指，一材料的行為類似橡 膠，亦即，該材料在一方向上被壓縮時，將會在橫斷方向上膨脹(帕桑比大於零，較佳地接近0.5)，及在拉長、彎曲、膨脹、收縮或扭曲於至少一個方向之後，將會恢復幾乎為其原有形狀(例如在任一方向上其原有形狀的90%之內)。

依照本發明觀點的熱傳橋具有經濟性特色，其能夠輕易地被合併到各種不同配置的現有電漿處理系統中，無需實質地再設計。在這種方式下，本發明的主題提供了有效的工具，可供延長電漿處理設備內的真空密封的壽命。

現在參照圖式，本發明的示範性實施例將詳細地加以討論。第一圖圖解一示範性電漿處理系統100。如所示者，該系統100包含一垂直的圓柱形真空室116，其界定有一側壁128。側壁128的底部係連接到該電漿處理系統100之處理室(未示)的頂板114。側壁128的頂部可以連接到真空室116的頂蓋112。感應線圈118的射頻(RF)可安置在真空室116之側壁128(或管子)附近。例如，如所示者，該感應線圈118在該側壁128附近包含三匝。在進一步的實施例中，該感應線圈118在該側壁128附近能夠包含更多或較少於三匝。

該側壁128能夠包含任何能夠忍耐廣大溫度梯度及/或高溫的材料(例如介電材料)。例如，該側壁128能夠包含一石英材料。在另一實施例中，該真空室116能夠具有多數個側壁128，其具有非圓柱形的形狀，例如矩形。

藉由在頂板114及側壁128及/或頂蓋112及側壁 128之間安置一或更多的真空密封120、125，真空室116內能夠形成真空。再者，該真空密封120、125可以被耦合在該側壁128及一散熱器130之間。在許多實施例中，該散熱器130可為該處理室的頂板114、該真空室的頂蓋112、及/或一法拉第屏蔽124。例如，如所示者，一第一真空密封120係設在該頂蓋112及該側壁128之間，及一第二真空密封125係設在該頂板114及該側壁128之間。該真空密封120、125能夠為任何合適的密封，以便提供適當的真空。例如在一實施例中，該真空密封120、125能夠為O-環型密封。

頂蓋112係藉由位在該感應線圈118及該側壁128之間的法拉第屏蔽124來支承，或可由獨立式支架126(如虛線所示)來支撐。如此，該真空密封120、125能夠提供支承給予該側壁128，因為作用在該側壁128上的向下的力被限制為零。例如，如所示者，該側壁128”漂浮”在真空密封120、125之上，及並未直接接觸該頂蓋112或頂板114。這樣的限制接觸，降低了在真空室內116可能產生的微粒或殘渣，但在使用高能量時，也增加了這兩個密封過熱的可能性。

在電漿處理系統100操作時，氣體經由氣體入口122進入真空室116。該氣體入口122典型地係安置在該真空室116的頂部，使氣體經由該頂蓋112進入該真空室116。然後，感應線圈118加以激發，在真空室116內產生電漿。當真空室116內能量增加時，額外的熱係沉降到側壁128上。例如，側 壁128上典型的熱負載可以超過3~5W/cm²。再者，側壁128的典型溫度可以到達或超過400~500℃。只要溫度變化及壓力所生的機械應力不超過臨界值，該側壁可能輕鬆地在這種高溫下存活，但這樣的高溫能夠造成真空密封嚴重的故障。

側壁128的冷卻典型地係由空氣流動及幅射來提供，當系統100內溫度高時，這兩者係有效的。散熱器130典型地包含水冷卻，以便幫助冷卻頂蓋112、頂蓋支架124、及頂部的真空密封120。更具體地說，散熱器130能夠包含水冷式通道。如前文所述，散熱器130能夠是頂蓋112、法拉第屏蔽124及/或頂板114。雖然已冷卻的頂蓋及頂板的溫度是低的，但與真空密封接觸位置上的側壁128，可能超過真空密封120、125的臨界值，這能夠造成真空密封120、125失效。

第二圖圖解一條經過真空密封120的示範性熱傳導路徑134。靠近感應線圈118的側壁上的熱通量典型地較強(如較長箭號所示)，及沿著側壁128而經過真空密封120被傳導到散熱器130(本例中係經由蓋子112)。結果，真空密封120能夠曝露在側壁128所經歷的高溫下。相同的情況也適用於位在相對端上的真空密封125(在本圖中未示)。

如第二圖所示，真空密封120能夠被安置在真空室116之熱負載明顯降低的區域中，其中該真空密封120係遠離該感應線圈118來安置。針對真空密封120的熱及UV負載，能夠藉由膨脹該頂蓋112及/或包含一電漿屏幕132來進一步地 降低。例如，一電漿屏幕132可以被安置靠近該真空密封120，及降低密封區內來自該真空室116的直接熱。真空密封120的主要熱源係傳導熱，其從側壁128的較熱區域流動過來，如該熱傳導路徑134所示。

為了解決這個令人關切的問題，本發明一示範性觀點係包含一熱傳導橋來改向該熱路徑，以致於其繞過該真空密封。第三圖圖解一電漿處理系統100，其包含位在散熱器130及側壁128之間的示範性熱傳導橋136，以便進一步來保護真空密封。該熱傳導橋136能夠耦合在該熱源及該散熱器130之間，及相對於該真空密封120來安置，以致於其使一熱傳導路徑134從該熱源(即真空室)改向到散熱器130。例如，熱傳導橋136的溫度及與該熱傳導橋136接觸之熱源，能夠實質地相等於散熱器130的溫度。再者，熱傳導橋136能夠被安置在該感應線圈118及真空密封120之間。結果，至少一部份的熱路徑134係藉由熱傳導橋136來改向到散熱器130，藉此降低流向真空密封120的熱通量及保護真空密封120的完整性。在進一步的實施例中，該熱傳導橋136能夠加以安置，以致於該熱路徑134繞過一部份與該真空密封120接觸的側壁128。

熱傳導橋136能夠由高傳導材料來製成，例如金屬或石墨發泡材料。這類高傳導材料提供從該熱源到散熱器130的適當的熱傳輸。再者，該熱傳導橋136能夠加以設計，而具有可撓曲的及彈性的兩種性質。撓曲能力將允許該橋對 於容器、真空密封或橋用通道等形狀的適形性，而彈性將提供與相關表面間良好的接觸(藉由該橋與這些表面間簡單的壓縮來完成，而無破壞其任一者之風險)。因此，熱傳導橋136，相似於該真空密封120，能夠維持與周圍表面的充分接觸，而不產生機械應力。在一具體實施例中，該熱傳導橋136能夠包含一熱傳導元件及一耦合到該熱傳導元件上的可撓曲元件。

第四圖圖解該電漿處理系統100，其包含一位在該散熱器130及側壁128之間的熱傳導橋136。熱傳導橋136係加以提供，以便改向該熱路徑134從該側壁128到該散熱器130，進而使該熱路徑134繞過真空密封120。再者，一隔片137係設在該真空密封120及熱傳導橋136之間。

第五及六圖圖解該熱傳導橋136的示範性實施例，其能夠被使用於本文所述之實施例中。例如，參照第五圖，其圖解一具有螺旋熱圈配置138的熱傳導橋136。該螺旋墊圈138能夠由許多種高傳導材料來製成，包含但不限於許多種金屬。可撓曲性的螺旋熱圈138能夠順應任何表面形狀，及能夠被製成具有彈性，以便提供與全部接觸表面間的充分接觸。螺旋的範例係購自Spira^TM公司的RF遮蔽用SPIRA-Shield、Flexi-Shield墊圈。

現在參照第六圖，其圖示一熱傳導橋136，包含一金屬套筒140。該金屬套筒具有天然的撓曲能力，但缺乏彈性，因此其能夠與彈性填料一同使用，例如矽膠、橡膠等等(如 O-環類型)。金屬套筒140提供一適當的傳導能力，以便改向該熱路徑134，其中該填料提供良好彈性能力，可供該橋及表面間進行良好接觸。

第五及第六圖的實施例提供適當的傳導能力及必要的彈性及可撓曲能力，以便維持與該熱源及散熱器130的充分接觸。例如，在第五圖的金屬螺旋墊圈138的情況下，彈性能力係由墊圈的螺旋形狀來提供。在第六圖的金屬套筒140的情況下，彈性係由內部填料來提供。熱傳導橋的彈性及可撓曲能力提供了在相鄰表面間的改良的接觸，且使其對於側壁128及散熱器130表面之間的不符值係不敏感的。例如，熱源的輕微橢圓形及散熱器130內的圓形通道，將會造成熱傳導橋136橫斷面上輕微的差異，該差異能夠被調節成為該不符值。使用可撓曲性及彈性的橋，能夠減輕對於接觸區域進行機械加工的需求，以致於全部的元件都有充足的接觸表面。

參照第七及八圖，現在將要描述另一依照本發明示範性實施例的熱傳導橋。電漿處理系統100包含被提供在該側壁128及該頂蓋112之間的熱傳導橋136。如第八圖所示，該熱傳導橋136包含一載有彈簧的C-夾配置142。該載有彈簧的C-夾配置142包含一C形夾144，其由一彈簧146來壓縮。壓縮該夾144的彈簧146，提供該夾144及該側壁128之間的接觸。雖然這個橋本身並不具有橋136與第二(冷的)表面128之間所需要的橫向上的彈性能力，但其係由密封120本身來提供。來 自真空密封120的壓力，提供充足的作用力，使夾144及散熱器130之間具有良好的接觸。這樣的配置在夾144及側壁128之間提供一個大型接觸區域(亦即最重要的點)。

第九圖及第十圖圖解一電漿處理系統100，其包含依照本發明另一示範性實施例的熱傳導橋136。熱傳導橋136具有一正時皮帶構形152，其如第十圖之橫斷面頂示圖所示。更詳細地說，該熱傳導橋136包含一載有彈簧的C-夾(相似於第七及八圖)，其設有多數個切口150。這樣的切口150增加了C夾144的撓曲能力，允許夾144針對熱源(或側壁128)內多種不符值來調節。在一具體的實施中，如第九圖所示，該熱傳導橋136能夠藉由墊圈148而與該真空密封120相隔離(其提供彈性能力來接觸)，避免該真空密封與該橋的不規則表面進行接觸，這可能機械性損害該密封。

現在參照第十一圖，其圖示一電漿處理系統200，具有一電漿處理室，該室配備有平坦的熱頂板。系統200包含一室，其具有一室壁228、一通過真空密封220而耦合到室壁228的天花板212、一相鄰於至少一部份天花板212的感應線圈218。在一實施例中，該天花板212能夠包含一介電材料，例如石英材料。在該室壁228及天花板212之間提供一熱傳導橋236。該熱傳導橋236從相鄰於該感應線圈218的一部份天花板212，改向一熱路徑234到該室壁228，以致於該熱路徑234繞過該真空密封220。一第二熱傳導元件238也能夠被耦合在 相對側的室壁228及靠近真空密封的天花板212之間。能夠包含該第二熱傳導元件238，以便在真空密封220附近提供輔助性冷卻(亦即再也沒有被改向的熱路徑234)。

本文所描述的熱傳導橋可以使用任何合適的材料來製成。例如，該熱傳導橋可由金屬、石墨發泡材料或任何其他具有高熱傳導能力的材料來製成。再者，該熱傳導橋能夠有一個接觸長度，以便改向所需要的熱路徑部份到該散熱器。例如，在一實施例中，該接觸長度能夠實質地大於該側壁的厚度。如此，基本上全部的熱通量將會被改向到該散熱器。

本發明這些及其他修改及變型可由一般精於本項技藝人士加以實施，而不離開本發明的精神及範圍，其係更加具體地陳述於後附的權利項之內。此外，應該瞭解的是，許多實施例的觀點可全部地或部份地加以互換。又，一般精於本項技藝人士將明瞭的是，前述的描述謹作為例子而已，並不打算限制如後附權利項所描述的本發明。

Claims (22)

1. 一種電漿處理系統，包括：一真空室，係界定有一側壁；一真空密封，係耦合該真空室的側壁至一散熱器；及一熱傳導橋，係耦合在該側壁及該散熱器之間；其中，該熱傳導橋係相關於該真空室來安置，以致於該熱傳導橋將一熱傳導路徑從一熱源加以改向到該散熱器，進而使該熱路徑繞過該真空密封；其中該散熱器係該真空室的頂蓋；其中該側壁係藉由該真空密封及該橋而機械式連接到該真空室的頂蓋。
2. 如申請專利範圍第1項的電漿處理系統，其中該橋係可撓曲的的及係可適型該真空密封及真空室的形狀。
3. 如申請專利範圍第2項的電漿處理系統，其中該橋係彈性的，以致於該熱源及該散熱器能夠藉由在至少一個方向上加壓該橋而收縮。
4. 如申請專利範圍第3項的電漿處理系統，其中該橋包括一第一元件，用於接觸該熱源；及一第二元件，用於接觸該散熱器。
5. 如申請專利範圍第1項的電漿處理系統，其中該橋包括一熱傳導元件，及一耦合至該熱傳導元件的彈性元件。
6. 如申請專利範圍第1項的電漿處理系統，其中該熱路徑 係經由至少一部份的側壁來傳導。
7. 如申請專利範圍第1項的電漿處理系統，其中該熱傳導橋係加以安置，以致於該熱路徑繞過鄰接該真空密封的一部份側壁。
8. 如申請專利範圍第1項的電漿處理系統，其中該側壁包括一石英材料。
9. 如申請專利範圍第1項的電漿處理系統，其中該電漿處理系統包括一電漿屏幕，其鄰近該真空密封。
10. 如申請專利範圍第1項的電漿處理系統，其中該電漿處理系統包括一感應線圈，係安放在該電漿室的側壁附近。
11. 如申請專利範圍第10項的電漿處理系統，其中該橋係安置在該感應線圈及該真空密封之間。
12. 如申請專利範圍第1項的電漿處理系統，其中該橋藉由一墊片而與該真空密封加以隔離。
13. 如申請專利範圍第1項的電漿處理系統，其中該橋係由金屬或石墨發泡材料所製。
14. 如申請專利範圍第1項的電漿處理系統，其中該橋包括一熱傳導元件，及一耦合至該熱傳導元件的可撓曲元件。
15. 如申請專利範圍第1項的電漿處理系統，其中該橋包括一螺旋墊圈。
16. 如申請專利範圍第1項的電漿處理系統，其中該橋包括一金屬套筒，在該金屬套筒內部安放有一O-環。
17. 如申請專利範圍第1項的電漿處理系統，其中該橋包括一載有彈簧的C-夾。
18. 如申請專利範圍第17項的電漿處理系統，其中該載有彈簧的C-夾具有多數個切口。
19. 一種電漿處理系統，包括：一真空室，係包括一側壁；一感應線圈，係包覆在至少一部份的該側壁上；一頂蓋，係經由一第一真空密封而耦合至該側壁；一第一熱傳導橋，係耦合在該側壁及該頂蓋之間；其中該第一熱傳導橋係安置在該感應線圈及該第一真空密封之間，以致於該第一熱傳導橋使一熱路徑從鄰近該感應線圈的一部份側壁，改向到該頂蓋，進而使該熱路徑繞過該真空密封。
20. 如申請專利範圍第19項的電漿處理系統，其中該真空室的側壁係經由一第二真空密封而耦合至一電漿處理室的頂板。
21. 如申請專利範圍第20項的電漿處理系統，其中該系統進一步包括一第二熱傳導橋，係耦合在該側壁及該電漿處理室的頂板之間，其中該第二熱傳導橋係安置在該感應線圈及該第二真空密封之間，以致於該第二熱傳導橋將一熱路徑從鄰近該感應線圈的一部份側壁上加以改向，進而使該熱路徑繞過該第二真空密封。
22. 一種在電漿處理系統中保護一密封避免過熱的方法，包括：使用一真空密封來耦合該電漿處理系統的一側壁至一散熱器；及以一熱傳導橋來分離該真空密封及一熱源，該橋使一熱傳導路徑從該熱源改向至該散熱器，以致於該熱路徑繞過該真空密封；其中該散熱器係該真空室的頂蓋；其中該側壁係藉由該真空密封及該橋而機械式連接到該真空室的頂蓋。