具有均匀温度分布晶片支撑的电容耦合等离子体反应装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开具有均匀温度分布晶片支撑的电容耦合等离子体反应装置。用于处理工件的等离子体反应装置包括反应室、在室内用于支撑工件的静电吸盘、耦合用来向静电吸盘施加ＲＦ功率的ＲＦ等离子体偏置功率发生器以及具有在静电吸盘内部并且具有入口和出口的热交换器的相变传热（ＰＣＨＴ）环路。ＰＣＨＴ环路可以工作在两种模式之一，这两种模式是冷却模式和加热模式。ＰＣＨＴ环路还可以包括至少间接耦合到热交换器的出口的压缩器以及（在冷却模式中）耦合到压缩器的出口的冷凝器及耦合在冷凝器的输出和热交换器的入口之间的膨胀阀。优选地，在热交换器内的相变传热（ＰＣＨＴ）介质的一部分是气相和液相的混合物。结果，静电吸盘和热交换器内的ＰＣＨＴ介质之间的传热是恒温过程。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般地涉及等离子体反应装置，更具体而言，本专利技术涉及具有 均匀温度分布的冷却/加热晶片支撑的电容耦合等离子体反应装置。龍絲在电容耦合等离子体反应装置中，对离解的控制已经利用宽广的阻抗 匹配空间在非常高的RF源功率和非常宽的室压强范围内实现。这种宽的 工作范围至少可部分归因于通过具有以下特征的固定阻抗匹配短截线与 RF功率源相匹配的头部电极的独特特征。首先，电极电容与在等离子体-电极谐振频率处的等离子体电抗相匹配。短截线谐振频率、等离子体-电极 谐振频率和源频率在VHF频率处几乎匹配。通过多个特征获得了晶片上 的高度均匀的蚀刻速率。这些特征包括对静电吸盘调节偏置功率馈送点阻 抗以提供吸盘上径向均匀的RF阻抗等等，吸盘既充当RF偏置功率的施加 器，又充当来自头部电极的VHF源功率的RF返回路径。该调节是由具有 唯一选择的介电常数和长度的偏置馈送线周围的电介质套筒进行的。另一 个特征是用于使阴极周边对抗边缘效应的电介质环处理工具箱。可以进一 步提高处理或蚀刻速率分布均匀性的其他特征包括双区气体馈送、头部电 极的曲线化和等离子体转向磁场。包括许多这些关键特征的等离子体反应 装置提供了优于传统技术的蚀刻速率分布均匀性。随着电路特征尺寸的快速縮小，对于蚀刻速率分布均匀性的需求是如 此急迫以致于现在必须使晶片上的小的温度变化最小化或消除这种变化， 同时附加条件是被设计为满足最新的迫切需求的未来复杂的处理方法将需要灵敏和高度精确的随时间变化的晶片温度分布特性和/或RF热负载分 布特性。这些变化必须被实现或补偿以获得最大的晶片上的温度均匀性。 如何作到这一点而不会降低当前由反应装置提供的高度均匀的蚀刻速率分 布是一个困难的问题。而且，这种高度精确和灵敏的温度控制或分布特性 需要在晶片处有精确的温度传感。然而，在晶片附近引入温度探测器会产 生寄生RF场，这会破坏馈送点阻抗电介质套筒和电介质环处理工具箱的 精细效果，从而损害其目的。来源于没有控制的晶片处的温度不均匀性 (其程度足以影响蚀刻化学处理)将会具有破坏均匀环境的相同的最终效 果。用于调整晶片支撑基座或静电吸盘的温度的传统冷却系统采用了制冷 系统，该系统利用传统的热循环冷却制冷剂或冷却剂介质，并通过单独的 液体传热介质在冷却剂和静电吸盘之间传热。冷却剂可以是去离子水与其 他物质(如乙二醇和/或全氟聚醚)的混合物。该系统的一个问题在于，在 高RF功率水平(高RF偏置功率或高RF源功率或这两者)处，这种冷却 系统允许晶片温度在RF功率开启之后在稳定之前漂移(增大) 一段明显 的时间。这种温度漂移有两个阶段。在短暂的初始阶段中，当RF功率首 先施加时静电吸盘处于环境(冷)温度，从而随着RF热负载缓慢地加热 吸盘，要引入的第一晶片的温度快速向平衡爬升。这是不希望出现的，因 为晶片温度在处理期间不可控地上升。即使在静电吸盘(ESC)已被RF 热负载加热之后，晶片温度也会向上漂移并缓慢地接近平衡温度。这种漂 移代表了晶片温度的缺少控制，并且降低了处理的性能。漂移是由传统冷 却处理的低效率引起的。另一个问题是由于两个原因不能执行两个温度水平之间的快速温度变 化。首先，提供ESC和冷却剂之间的传热的传热流体具有热传播时间，该 时间在制冷环路中发起温度变化的时间和晶片实际经历温度变化的时间之 间引入了明显的延迟。其次，在ESC底座的被冷却部分和ESC顶部处的 晶片之间有热传播时间延迟，该时间延迟由ESC中材料的质量和热容确 定。一个最困难的问题是，在晶片上的高RF热负载需要通过被冷却的ESC的高传热速率的情况下，传热流体的温度在流经ESC内的流体通路时 发生明显改变，从而ESC上的温度分布(因此，晶片上的温度分布)变得 不均匀。这种不均匀性在较老的设计规则(较大的半导体电路特征尺寸) 下还未表现出明显的问题，因为沿晶片直径的蚀刻速率均匀性在较早的 (较大的)特征尺寸/设计规则时还不严格。然而，当前的特征尺寸需要由 上述特征(例如，RF偏置馈送点阻抗调节、处理工具箱电介质边缘环) 实现的极其均匀的ESC上的电场。然而，某些最新的等离子体蚀刻处理方 法所需要的高RF热负载导致沿晶片直径产生温度不均匀性(由于ESC内 的传热流体的可感知加热)，这种不均匀性破坏了晶片上的本来均匀的蚀 刻速率分布。我们已经发现，在不限制施加到晶片的RF功率的情况下， 这一问题无法避免。然而，随着蚀刻速率均匀性的需求在未来变得更加迫 切，进一步减小RF功率限制以满足这些需求将产生更加严重的处理结 果，该结果最终是不可接受的。因此，需要一种在高RF热负载的条件下 提取来自晶片的热量而不会在ESC上或晶片上引入温度不均匀性的方式。
技术实现思路
用于处理工件的等离子体反应装置包括反应室、在室内用于支撑工件 的静电吸盘、耦合用来向静电吸盘施加RF功率的RF等离子体偏置功率发 生器以及具有在静电吸盘内部并且具有入口和出口的热交换器的相变传热(PCHT)环路。PCHT环路可以工作在两种模式之一，这两种模式是冷却 模式(其中热交换器充当蒸发器)和加热模式(其中热交换器充当冷凝 器)。PCHT环路还可以包括至少间接耦合到热交换器的出口的压縮器(用于泵浦相变传热介质通过环路)以及(在冷却模式中)耦合到压縮器 的出口的冷凝器及耦合在冷凝器的输出和热交换器的入口之间的膨胀阀。 优选地，热交换器包括分布在静电吸盘的顶面下方的平面中的长的高横截 面积通路。可选地，累积器可以耦合在蒸发器的出口和压縮器的输入之 间，以用于保持从蒸发器出口接收的任何液体形式的制冷剂，从而允许其 在到达压縮器之前转换为气体。优选地，在热交换器内的相变传热(PCHT)介质的一部分是气相和液相的混合物。结果，静电吸盘和热交换器内的PCHT介质之间的传热是恒温过程。该特征提高了静电吸盘的直 径上的温度分布的均匀性。例如，当PCHT环路工作在冷却模式中时，流 经热交换器的PCHT介质的气相-液相比或质量分数在出口处比在热交换器 的入口处更大。结果，从静电吸盘到PCHT环路的传热主要通过PCHT环 路的蒸发潜热发生。在热交换器的入口和出口处的气相-液相比或质量分数 之间的差主要是PCHT介质的蒸发潜热的函数，PCHT介质的蒸发潜热是 由来自静电吸盘的热(以及相应的热交换器上的压强降)进行的。附图说明图1示出了实现本专利技术特征的电容耦合等离子体反应装置。图2是图1的反应装置的RF偏置功率馈送电路的示意图。图3是对应于图2的俯视图。图4是图2的电路的同轴馈送部分的细节图。图5示出了图1的反应装置中的第一电介质环处理工具箱。图6示出了图1的反应装置中的第二电介质环处理工具箱。图7示出了实现本专利技术的包括图l的反应装置的系统。图8是温度与图7的蒸发器内部的冷却剂的焓之间的函数关系图，并且还示出了圆顶形的液相-气相边界。图9是本专利技术的两相恒温冷却处理的流程框图。图10示出了可利用本专利技术实现的示例性晶片温度-时间分布特性。图IIA和IIB是根据用于领先于相应ESC温度变化使晶片温度陡降的处理，晶片温度和晶片背侧气体压强各自的同期定时图。图12A和12B是根据用于在相应ESC温度变化完成后使晶片温度陡降的处理，晶片温度和晶片背侧气体压强各自的同期定时图。图13示出了本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于处理工件的等离子体反应装置，包括：　反应室；　在所述室内的静电吸盘，所述静电吸盘包括具有用于支撑工具的顶表面的上绝缘圆盘层、下导电基底层以及沿轴向延伸穿过所述基底层到达所述圆盘层的圆柱形探测器孔；　所述静电吸盘中的 温度探测器，所述温度探测器包括上部探测器，所述上部探测器包括：　轴向延伸到所述探测器孔中的长的不透明绝缘圆柱形上部探测器壳体，所述探测器孔开始于所述上部探测器壳体的底端，并终止于所述上部探测器壳体的顶端，所述顶端位于所述顶层下方的所述 探测器孔的顶端，所述底端位于所述探测器孔的底部开口处；　在所述上部探测器壳体内的所述顶端处的光响应温度变换器；以及　具有耦合到所述光响应温度变换器的顶端并且径向延伸穿过所述上部探测器壳体的光纤。

【技术特征摘要】
US 2005-10-20 60/729,3141.一种用于处理工件的等离子体反应装置，包括反应室；在所述室内的静电吸盘，所述静电吸盘包括具有用于支撑工具的顶表面的上绝缘圆盘层、下导电基底层以及沿轴向延伸穿过所述基底层到达所述圆盘层的圆柱形探测器孔；所述静电吸盘中的温度探测器，所述温度探测器包括上部探测器，所述上部探测器包括轴向延伸到所述探测器孔中的长的不透明绝缘圆柱形上部探测器壳体，所述探测器孔开始于所述上部探测器壳体的底端，并终止于所述上部探测器壳体的顶端，所述顶端位于所述顶层下方的所述探测器孔的顶端，所述底端位于所述探测器孔的底部开口处；在所述上部探测器壳体内的所述顶端处的光响应温度变换器；以及具有耦合到所述光响应温度变换器的顶端并且径向延伸穿过所述上部探测器壳体的光纤。2. 如权利要求1所述的反应装置，其中所述温度探测器还包括下部探 测器，所述下部探测器包括从面对并接触所述上部探测器壳体的所述底端的顶端轴向延伸的长圆 柱形下部探测器壳体；以及具有耦合到所述上部探测器的所述光纤的底端的顶端并且轴向延伸穿 过所述下部探测器壳体的光纤。3. 如权利要求11所述的反应装置，其中所述上部探测器壳体具有小 于所述反应装置中的等离子体的Debeye长度的直径。4. 如权利要求2所述的反应装置，其中所述温度探测器还包括 使所述上部探测器壳体向所述探测器孔的所述顶端偏置的上部螺旋弹簧；以及使所述下部探测器壳体向所述上部探测器壳体的底端偏置的下部螺旋弹簧，所述上部螺旋弹簧比所述下部螺旋弹簧具有更大的硬度。5. 如权利要求1所述的反应装置，还包括制冷环路，所述制冷环路包括用于所述静电吸盘的蒸发器，所述蒸发器具有制冷剂入口和制冷剂出□;压縮器，至少间接耦合到所述蒸发器的所述出口； 冷凝器，耦合到所述压縮器的出口；以及膨胀阀，耦合在所述冷凝器的出口和所述蒸发器的所述入口之间。6. 如权利要求5所述的反应装置，其中所述蒸发器位于所述静电吸盘 的所述下导电基底层内。7. 如权利要求6所述的反应装置，其中所述蒸发器包括分布在所述静 电吸盘的顶表面的下方平面中的弯曲通路。8. 如权利要求5所述的反应装置，还包括耦合在所述热交换器的所述 出口和所述压縮器的输入之间的累积器，用于保存从所述热交换器接收的 的液体形式的相变传热介质。9. 如权利要求5所述的反应装置，还包括管理所述膨胀阀的反馈环路控制处理器，其被耦合用来接收(a)所 述温度探测器的输出和(b)期望温度。10. 如权利要求9所...

【专利技术属性】
技术研发人员：丹尼尔J霍夫曼，保罗卢卡丝比瑞哈特，理查德弗威尔，哈密迪塔瓦索里，道格拉斯A小布什伯格，道格拉斯H伯恩斯，卡洛贝拉，
申请(专利权)人：应用材料公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]