CN105374657B - 等离子体处理装置及其温度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等离子体处理装置，其包括反应腔体和冷却器。反应腔体包括用于夹持待处理基片且其中设有冷却通路的静电夹盘，冷却通路具有进口端和出口端。冷却器的输出端和输入端分别通过传输管线与冷却通路的进口端和出口端相连，用以向冷却通路循环供给冷却剂。第一温度传感器设于冷却通路的进口端，第二温度传感器设于冷却通路的出口端。冷却器包括温度控制单元和执行单元，温度控制单元根据进口端和出口端的冷却剂温度的差值以及出口端的冷却剂温度与静电夹盘的目标温度的差值调节执行单元的功率使冷却通路出口端的冷却剂温度达到目标温度。本发明还提供了一种相应的温度控制方法。本发明能够提高基片温度控制的准确性和及时性。

Description

等离子体处理装置及其温度控制方法

技术领域

本发明涉及半导体加工设备，特别涉及一种等离子体处理装置及应用于等离子体处理装置的温度控制方法。

背景技术

随着半导体制造工艺的发展，对元件的集成度和性能要求越来越高，等离子体技术得到了极为广泛的应用，其通过在等离子体处理装置的反应腔体内通入反应气体并引入电子流，利用射频电场使电子加速，与反应气体发生碰撞使反应气体发生电离而等离子体，产生的等离子体可被用于各种半导体制造工艺，例如沉积工艺(如化学气相沉积)、刻蚀工艺(如干法刻蚀)等。

在上述应用等离子体技术的工艺中，很多工艺效果受温度影响，因此温度控制是半导体制造工艺中非常重要的环节。特别地，在进行硅通孔(TSV)刻蚀工艺时需要交替反复进行刻蚀—沉积步骤，而沉积和刻蚀过程的温度要求具有显著差异，因此更需要精确的温度控制系统来实现这一苛刻要求。图1和图2所示为现有技术的电感耦合等离子体处理装置的结构示意图和温度控制示意图。如图1所示，电感耦合等离子体处理装置通常包括反应腔体1，反应腔体1内的底部设置静电卡盘5，待处理基片W被放置在静电卡盘5上。反应腔体1顶板的外侧上方配置有电感耦合线圈2，射频源4通过匹配器(图中未示)与该线圈2连接，射频源4所提供的射频电流流入线圈2，并围绕该线圈2产生磁场，进而在反应腔体1内感生出电场，以此对由气体源3注入到腔体内的工艺气体进行电离并产生等离子体，以对基片进行刻蚀沉积等处理。

为了控制待加工基片的温度，通常在静电夹盘5中设置冷却通路，利用向冷却通路中循环供给冷却剂与静电夹盘上的待加工基片进行热交换。如图所示，等离子体处理装置还包括设置于反应腔体外部的冷却器6，通过两条传输管线与静电夹盘中的冷却通路连接。其中，冷却器6的输出端6b通过其中一条传输管线与静电夹盘的冷却通路的入口端7a连接以供应冷却剂，冷却剂在静电夹盘中完成热交换后从冷却通路的出口端7b通过另一条传输管线回到冷却器的输入端6a而被回收。在冷却器6的输入端6a和输出端6b处分别设置有温度传感器8a和8b，以分别感测输入端6a和输出端6b的冷却剂温度。冷却器6还包括温度控制模块和执行模块(图中未示)，该温度控制模块以温度传感器8b检测的温度为控制对象，控制执行模块进行冷却剂的升温或降温动作，直至温度传感器8b的检测温度达到设定的静电夹盘的目标温度。

然而，由于连接冷却器和静电夹盘之间的传输管线(如金属管线)的长度至少为数米，冷却剂在经过传输管线过程中容易发生温度变化，如热量的损失，这就造成了冷却器侧的温度传感器8a的检测温度与冷却通路的进口端的实际温度、温度传感器8b所检测的温度与冷却通路出口端的实际温度之间都会存在差异。冷却器侧的温度传感器的测温值也就无法正确反映静电夹盘侧的实际温度，若以该测温值作为温控对象，将会严重影响工艺质量。此外，通过冷却器侧的温度传感器进行温度测量也存在一定时间的延迟，使得冷却器无法快速响应基片温度的变化，也进一步降低了基片温度控制的及时性和准确度。

因此，如何能够快速精确地对基片表面进行温度控制是本领域技术人员目前急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种精确控制基片温度并对基片温度变化及时响应的等离子体处理装置。

为达成上述目的，本发明提供一种等离子体处理装置，其包括反应腔体，其包括用于夹持待处理基片的静电夹盘，所述静电夹盘中设有冷却通路，所述冷却通路具有进口端和出口端；冷却器，其输出端和输入端分别通过传输管线与所述冷却通路的进口端和出口端相连，用以向所述冷却通路提供冷却剂以及从所述冷却通路回收经热交换的所述冷却剂；第一温度传感器，邻设于所述冷却通路的进口端，用于测量所述进口端的冷却剂温度；第二温度传感器，邻设于所述冷却通路的出口端，用于测量所述出口端的冷却剂温度。其中，所述冷却器包括温度控制单元和执行单元。所述执行单元用于调节经热交换的所述冷却剂的温度；所述温度控制单元与所述第一温度传感器和第二温度传感器相连，其根据所述进口端和所述出口端的冷却剂温度的差值以及所述出口端的冷却剂温度与所述静电夹盘的目标温度的差值调节所述执行单元的功率以使所述出口端的冷却剂温度达到所述目标温度。

优选的，所述执行单元包括用于加热所述冷却剂的加热器模块和用于冷却所述冷却剂的压缩机模块，当所述出口端的冷却剂温度低于所述目标温度时，所述控制单元禁能所述压缩机模块并调节所述加热器模块的加热功率以加热所述冷却剂；当所述出口端的冷却剂温度高于所述目标温度时，所述控制单元禁能所述加热器模块并调节所述压缩机模块的冷却功率以冷却所述冷却剂。

优选的，所述冷却器还包括报警单元，当所述进口端和所述出口端的冷却剂温度的差值大于第一阈值但小于第二阈值时，所述温度控制单元发出第一触发信号，所述报警单元根据该第一触发信号发出提示信号；当所述进口端和所述出口端的冷却剂温度的差值大于等于所述第二阈值时，所述温度控制单元发出第二触发信号，所述报警单元根据该第二触发信号发出报警信号。

优选的，所述冷却通路环绕为至少一圈且其出口端设置于所述静电夹盘的中心区域。

优选的，所述第一温度传感器为测温端子浸没于所述冷却剂中的第一热电偶；所述第二温度传感器为测温端子浸没于所述冷却剂中的第二热电偶。

本发明还提供了一种应用于上述等离子体处理装置的温度控制方法，其包括以下步骤：

S1：通过所述第一温度传感器测量所述进口端的冷却剂温度；

S2：通过所述第二温度传感器测量所述出口端的冷却剂温度；

S3：由所述温度控制单元根据所述进口端和所述出口端的冷却剂温度的差值以及所述出口端的冷却剂温度与所述静电夹盘的目标温度的差值调节所述执行单元的功率以使所述出口端的冷却剂温度达到所述目标温度。

优选的，所述执行单元包括用于加热所述冷却剂的加热器模块和用于冷却所述冷却剂的压缩机模块，步骤S3进一步包括：当所述出口端的冷却剂温度低于所述目标温度时，由所述温度控制单元禁能所述压缩机模块并控制所述加热器模块的加热功率以加热所述冷却剂；当所述出口端的冷却剂温度高于所述目标温度时，由所述温度控制单元禁能所述加热器模块并控制所述压缩机模块的冷却功率以冷却所述冷却剂。

优选的，所述温度控制方法还包括判断所述进口端和所述出口端的冷却剂温度的差值，当所述差值大于第一阈值但小于第二阈值时，发出提示信号；当所述差值大于等于所述第二阈值时发出报警信号。

优选的，所述冷却通路环绕为至少一圈且其出口端设置于所述静电夹盘的中心区域。

优选的，所述第一温度传感器和第二传感器为测温热电偶，通过将所述第一温度传感器和第二温度传感器的测温端子浸没于所述冷却剂中以测量所述进口端和所述出口端的冷却剂温度。

相较于现有技术，本发明的等离子体处理装置通过将两个温度传感器分别邻设于静电夹盘中冷却通路的进口端和出口端处以测量进口端和出口端的冷却剂温度，并以出口端的冷却剂测温值为温控对象控制冷却器的功率来进行冷却剂温度调节，能够对待处理基片的温度变化做出及时响应，同时也避免了冷却剂传输过程造成的温度测量的误差，进一步提高了基片温度控制的准确性。

附图说明

图1为现有技术中等离子体处理装置的结构示意图；

图2为现有技术中等离子体处理装置的温度控制的示意图；

图3为本发明一实施例的等离子体处理装置的结构示意图；

图4为本发明一实施例的冷却通路的俯视图。

图5为本发明一实施例的等离子体处理装置的温度控制的示意图；

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“边缘”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“离子体处理装置”可以为等离子体刻蚀、等离子体物理汽相沉积、等离子体化学汽相沉积、等离子体表面清洗等装置。

请参见图3，其所示为本实施例电感耦合等离子体处理装置的结构示意图，在其他实施例中也可以采用电容耦合式或其他类型的等离子体处理装置，等离子体处理装置，本发明并不加以限制。电感耦合等离子体处理装置包括反应腔体1、设置于反应腔体1外部的冷却器6、温度传感器9a和9b。其中反应腔体1内的底部设置静电卡盘5，待处理基片W被放置在静电卡盘5上，反应腔体1顶板的外侧上方配置有电感耦合线圈2，射频源4通过匹配器(图中未示)与该线圈2连接，射频源4所提供的射频电流流入线圈2，并围绕该线圈2产生磁场，进而在反应腔体1内感生出电场，以此对由气体源3注入到腔体内的工艺气体进行电离并产生等离子体，以对基片W进行刻蚀沉积等处理。

静电夹盘5中设有冷却通路7，冷却器6通过两条传输管线与冷却通路7连接，其向冷却通路7循环供给冷却剂而实现冷却剂与静电夹盘5上的待加工基片W的热交换，从而对基片W的温度进行控制。温度传感器9a和9b邻设于冷却通路的进口端7a和出口端7b，用于分别检测冷却通路进口端7a和出口端7b的冷却剂温度。请参考图4，其所示为冷却通路7的俯视图。在本实施例中，冷却通路7以与基片平行的方式环绕为至少一圈，其出口端7b设置在静电夹盘的中心区域，进口端7a设置在静电夹盘的边缘区域，如此出口端7b测量的温度更能反映基片温度。冷却通路的截面形状可以为矩形，圆形或其他多边形。冷却通路的环绕圈数以及截面形状面积可配合冷却剂的流量和传热能力等参数来选择。温度传感器9a和9b较佳为测温热电偶，其测温端子完全浸没于冷却剂中。在本实施例中，冷却通路的进出口端和传输管线之间均通过一小段连接管(如橡胶软管)连接，而热电偶9a和9b的测温端子则分别垂直插入于该橡胶软管中，浸没于冷却剂中。

请继续参考图5，冷却器6包括输入端6a、输出端6b、温度控制单元61和与温度控制单元相连的执行单元62。输出端6b通过其中一条传输管线与冷却通路的进口端7a连接以供应冷却剂，冷却剂在静电夹盘5中完成与基片的热交换后从冷却通路的出口端7b通过另一条传输管线回到输入端6a而被回收。邻设于冷却通路7的进口端7a和出口端7b处的第一温度传感器9a和第二温度传感器9b分别感测进口端7a和出口端7b的冷却剂温度并将感测的温度信号通过信号传输线10发送至冷却器。冷却器6以温度传感器9b检测的冷却通路出口端7b冷却剂温度为控制对象对供给至静电夹盘的冷却剂进行温度控制。具体来说，温度控制单元61通过信号线10与第一温度传感器9a和第二温度传感器9b相连，其根据温度传感器9a和9b检测的温度的差值以及温度传感器9b检测的温度和设定的静电夹盘的目标温度的差值发出控制信号至执行单元62以调节执行单元62的功率，执行单元62以该功率进行冷却剂的升温或降温动作从而调节冷却器回收的经热交换的冷却剂温度，最终使温度传感器9b的检测温度达到该静电夹盘的目标温度。这里所说的静电夹盘的目标温度为静电夹盘需要加热或冷却达到的温度。其中，温度控制单元61根据温度传感器9a和9b测量的温度差值计算出反应腔体内的加热源(如等离子体产生的高温及电感耦合线圈2辐射到静电夹盘的热量)对静电夹盘(基片W)造成的温度变化速率，温差越大说明反应腔体加热源更多地施加于静电夹盘5上。之后温度控制单元61根据温度传感器9b的检测温度和静电夹盘的目标温度的偏差值以及该加热源造成的冷却通路进口端7a和出口端7b的温度变化速率调节执行单元62的功率，从而调节冷却器输出端6b的冷却剂温度，由于考虑了加热源对静电夹盘5造成的温度变化影响，使得对冷却通路出口端7b处冷却剂温度控制的准确性也更高。

进一步的，冷却器的执行单元62包括加热器模块和压缩机模块。加热器模块用于加热冷却剂，而压缩机模块用于冷却冷却剂。当温度控制单元61判断温度传感器9b检测的冷却剂温度低于目标温度时，温度控制单元61会禁能压缩机模块，使加热器模块工作并发出控制信号调节加热器模块的加热功率，加热器模块对回收的冷却剂进行升温动作。当温度控制单元61判断传感器9b检测的冷却剂温度高于目标温度时会禁能加热器模块，使压缩机模块工作并发出控制信号调节压缩机模块的冷却功率以对回收的冷却剂降温，最终达到使出口端7b的冷却剂温度达到目标温度的目的。

在一较佳实施例中，冷却器6中还包括一个报警单元(图中未示)，用于在冷却通路的进口端温度和出口端温度偏差较大时发出提示信息或报警信息。具体来说，温度控制单元61接收温度传感器9a和9b检测的温度值，通常在冷却剂流量稳定的情况下(如7-10lpm)，两者的最大温差为5℃左右。假如温度控制单元62判断在冷却通路两端测得的温差大于第一阈值如5℃但小于第二阈值如10℃，则会发出第一触发信号至报警单元，报警单元根据该第一触发信号发出提示信号，提醒操作维护人员冷却通路两端的温差已经超出合理范围，让操作维护人员知晓异常以便于在下次维护中检查冷却器和静电夹盘的状态。假如冷却通路两端温差大于等于10℃，则温度控制单元61发出第二触发信号至报警单元，报警单元根据第二触发信号发出报警信息，提示操作维护人员传输管线可能发生泄漏或冷却器或温度传感器可能发生故障，需要停止装置运作进行故障检测。

接下来将对基于上述等离子体处理装置的温度控制方法作进一步说明。该温度控制方法包括以下步骤：

步骤S1，通过第一温度传感器9a测量冷却通路的进口端7a的冷却剂温度。

步骤S2，通过第二温度传感器9b测量冷却通路的出口端7b的冷却剂温度。

上述步骤中，第一温度传感器9a和第二传感器9b可以是测温热电偶，通过将测温热电偶9a和9b分别邻设于进口端7a和出口端7b并使其测温端子浸没于冷却剂中以测量进口端7a和出口端7b的冷却剂温度。在本实施例中，测温端子是插入连接冷却通路进出口和传输管线之间的橡胶软管中。

步骤S3，由温度控制单元61根据冷却通路进口端7a的冷却剂温度和出口端7b的冷却剂温度的差值以及出口端7b的冷却剂温度与静电夹盘的目标温度的差值调节执行单元的功率以使冷却通路出口端7b的冷却剂温度达到目标温度。

在该步骤中，冷却器是以出口端7b的冷却剂温度作为温控对象，温度控制单元根据冷却通路进口端7a和出口端7b的温度差值计算出反应腔体内的加热源对静电夹盘(基片W)造成的温度变化率，再根据温度传感器9b的检测温度和目标温度的偏差值以及该加热源造成的冷却通路进口端7a和出口端7b的温度变化速率计算出执行单元的功率，执行单元以该功率调节冷却器输出端6b的冷却剂温度，最终使得作为温控对象的出口端7b的冷却剂温度达到目标温度。

其中，执行单元可包括加热器模块和压缩机模块。当温度控制单元61判断出口端7b的冷却剂温度低于目标温度时，会禁能压缩机模块，使加热器模块工作并发出控制信号调节加热器模块的加热功率，加热器模块以该加热功率对回收的冷却剂进行升温动作。当温度控制单元61判断出口端7b的冷却剂温度高于目标温度时，禁能加热器模块，使压缩机模块工作并发出控制信号调节压缩机模块的冷却功率，压缩机模块以该冷却功率对回收的冷却剂降温。最终达到使温度传感器9b检测的出口端7b的冷却剂温度与目标温度一致的目的。

进一步的，温度控制单元61在接收温度传感器9a和9b的温度测量值后，还会判断冷却通路的进口端7a和出口端7b的温度差值是否处于合理范围内。若冷却通路两端测得的温差大于第一阈值但小于第二阈值，则温度控制单元61发出第一触发信号至报警单元，报警单元根据该第一触发信号会发出提示信号，提醒操作维护人员冷却通路两端的温差已经超出合理范围，让操作维护人员知晓异常以便于在下次维护中检查冷却器和静电夹盘的状态。若冷却通路两端温差大于等于第二阈值，则温度控制单元61发出第二触发信号至报警单元，报警单元据此发出报警信息，提示操作维护人员传输管线可能发生泄漏或冷却器或温度传感器可能发生故障，需要停止装置运作进行故障检测。

综上所述，本发明的等离子体处理装置通过将两个温度传感器分别邻设于静电夹盘的冷却通路的进口端和出口端处以测量进口端和出口端冷却剂温度，并以出口端的冷却剂测温值为温控对象，根据出口端和进口端测温差值以及出口端测温值与静电夹盘的目标温度的差值来控制冷却器的功率进行冷却剂温度的调节，直至出口端的冷却剂测温值与目标温度一致，如此能够对待处理基片的温度变化作出及时响应，同时也避免了冷却剂传输过程造成的温度测量的误差，进一步提高了基片温度控制的准确性。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述诸多实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (10)

1.一种等离子体处理装置，其特征在于，包括：

反应腔体，其包括用于夹持待处理基片的静电夹盘，所述静电夹盘中设有冷却通路，所述冷却通路具有进口端和出口端；

冷却器，其输出端和输入端分别通过传输管线与所述冷却通路的进口端和出口端相连，用以向所述冷却通路提供冷却剂以及从所述冷却通路回收经热交换的所述冷却剂；

第一温度传感器，邻设于所述冷却通路的进口端，用于测量所述进口端的冷却剂温度；

第二温度传感器，邻设于所述冷却通路的出口端，用于测量所述出口端的冷却剂温度；

其中，所述冷却器包括温度控制单元和执行单元；所述执行单元用于调节经热交换的所述冷却剂的温度；所述温度控制单元与所述第一温度传感器和第二温度传感器相连，其根据所述进口端和所述出口端的冷却剂温度的差值计算出所述反应腔体内加热源造成的所述进口端和所述出口端的温度变化速率、再根据所述出口端的冷却剂温度与所述静电夹盘的目标温度的差值和所述温度变化速率调节所述执行单元的功率以使所述出口端的冷却剂温度达到所述目标温度。

2.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述执行单元包括用于加热所述冷却剂的加热器模块和用于冷却所述冷却剂的压缩机模块，当所述出口端的冷却剂温度低于所述目标温度时，所述控制单元禁能所述压缩机模块并调节所述加热器模块的加热功率以加热所述冷却剂；当所述出口端的冷却剂温度高于所述目标温度时，所述控制单元禁能所述加热器模块并调节所述压缩机模块的冷却功率以冷却所述冷却剂。

3.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述冷却器还包括报警单元，当所述进口端和所述出口端的冷却剂温度的差值大于第一阈值但小于第二阈值时，所述温度控制单元发出第一触发信号，所述报警单元根据该第一触发信号发出提示信号；当所述进口端和所述出口端的冷却剂温度的差值大于等于所述第二阈值时，所述温度控制单元发出第二触发信号，所述报警单元根据该第二触发信号发出报警信号。

4.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述冷却通路环绕为至少一圈且其出口端设置于所述静电夹盘的中心区域。

5.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述第一温度传感器为测温端子浸没于所述冷却剂中的第一热电偶；所述第二温度传感器为测温端子浸没于所述冷却剂中的第二热电偶。

6.一种应用于如权利要求1所述的等离子体处理装置的温度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：通过所述第一温度传感器测量所述进口端的冷却剂温度；

S2：通过所述第二温度传感器测量所述出口端的冷却剂温度；

S3：由所述温度控制单元根据所述进口端和所述出口端的冷却剂温度的差值计算出所述反应腔体内加热源造成的所述进口端和所述出口端的温度变化速率、再根据所述出口端的冷却剂温度与所述静电夹盘的目标温度的差值和所述温度变化速率调节所述执行单元的功率以使所述出口端的冷却剂温度达到所述目标温度。

7.根据权利要求6所述的温度控制方法，其特征在于，所述执行单元包括用于加热所述冷却剂的加热器模块和用于冷却所述冷却剂的压缩机模块，步骤S3进一步包括：

当所述出口端的冷却剂温度低于所述目标温度时，由所述温度控制单元禁能所述压缩机模块并控制所述加热器模块的加热功率以加热所述冷却剂；当所述出口端的冷却剂温度高于所述目标温度时，由所述温度控制单元禁能所述加热器模块并控制所述压缩机模块的冷却功率以冷却所述冷却剂。

8.根据权利要求6所述的温度控制方法，其特征在于，还包括：

判断所述进口端和所述出口端的冷却剂温度的差值，当所述进口端和所述出口端的冷却剂温度的差值大于第一阈值但小于第二阈值时，发出提示信号；当所述进口端和所述出口端的冷却剂温度的差值大于等于所述第二阈值时发出报警信号。

9.根据权利要求6所述的温度控制方法，其特征在于，所述冷却通路环绕为至少一圈且其出口端设置于所述静电夹盘的中心区域。

10.根据权利要求6所述的温度控制方法，其特征在于，所述第一温度传感器和第二传感器为测温热电偶，通过将所述第一温度传感器和第二温度传感器的测温端子浸没于所述冷却剂中以测量所述进口端和所述出口端的冷却剂温度。