一种用于等离子反应装置的喷淋头加热冷却装置及方法与流程

本发明涉及半导体加工领域，具体涉及一种用于等离子反应装置的喷淋头加热冷却装置及方法。

背景技术：

在半导体制造领域，广泛使用向待处理基片以喷淋状供气的喷淋头。例如在等离子体刻蚀处理设备中，在处理室内设置有用于载置基片的载置台，与该载置台相对的位置设置有喷淋头，该喷淋头的表面设置有多个气体喷出孔，以喷淋状供给反应气体来产生等离子体。为了精确控制对载置台上固定的基片的加工效果，获得更高的均一性需要对通入反应腔的气体分区控制。在反应气体被气体分离装置分离为两种气体后分别通入气体喷淋头的不同区域，比如中心区域和外围区域。气体喷淋头包括上下两层气体分布板，上层板与下层板具有相对应的气孔，其中上层板上的气孔口径大于下层板上的气孔。为了避免中心区域和外围区域的气体互相串扰，在两个区域之间要设置隔离装置如气密的环形垫圈，环形垫圈放置在垫圈槽内使垫圈内外的气体通路互相气体隔离，其中垫圈槽可以开设在上层气体分布板也可以开设在下层气体分布板。为了保证中心区域和外围区域气体的隔离，垫圈需要足够厚度使得上层板与下层板用螺栓相互紧固时产生足够的压力。但是较厚的垫圈在保证气体隔离的同时也使得上层板和下层板之间的接触压力不够或者存在间隙，而上层板和下层板之间的间隙会造成上下层板之间的导热能力急剧恶化，最终导致整块气体喷淋头上温度分布的不均匀。气体喷淋头温度分布不均会导致器件变形，以及等离子处理时沉积的聚合物分布的不均匀，这些都会导致等离子处理效果的不均匀。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于等离子反应装置的喷淋头加热冷却装置及方法，采用喷淋头结构、加热结构及冷却结构建立形成喷淋头加热冷却装置；上述部件的组合能够实现反应气体在进入等离子反应腔之前，反应气体在喷淋头结构、加热结构及冷却结构中进行充分混合、预热；并且能够在等离子反应腔内进行晶片刻蚀的过程中，根据实时探测加热结构的温度以及冷却结构不断地对该加热结构进行降温，从而保证反应气体温度保持不变，提高刻蚀效率、产品质量。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种用于等离子反应装置的喷淋头加热冷却装置，该喷淋头加热冷却装置设置于等离子反应装置的反应腔顶部，使得该反应腔内部密封，其特点是，该喷淋头加热冷却装置包含：

喷淋头结构，所述喷淋头结构设置在所述反应腔上方，该喷淋头结构内设置有多个喷淋气道；

加热结构，设置在所述喷淋头结构上方，并且加热结构的下表面与喷淋头结构的上表面接触；

冷却结构，设置在所述加热结构上方；

所述冷却结构的下表面与该加热结构的上表面在贴合区域内互相贴合，所述贴合区域包括中心区域和外围区域，冷却结构下表面和加热结构之间还包括隔离区域，所述隔离区域位于所述中心区域和外围区域之间，隔离区域内设有至少一个环形气体槽将冷却结构的下表面和加热结构的上表面互相隔离，所述环形气体槽与所述喷淋头结构内的多个喷淋气到互相联通；

所述加热结构的中心区域内包括第一加热器，外围区域内包括第二加热器，所述第一加热器和第二加热器独立控制。

优选地，所述加热结构包含：

第一壳体，设置在所述喷淋头结构上；

多个第一反应气体通道，分别间隔设置在所述第一壳体内，并与所述多个喷淋气道相贯通；

多个第一冷却液管道，分别环绕设置在所述第一壳体顶部内。

优选地，所述第一壳体顶部设有开口槽；所述多个加热器、所述多个第一反应气体通道分别设置在该第一壳体底部内；每个所述第一冷却液管道环绕设置在该第一壳体顶部内；每个所述加热器呈环形设置在所述第一壳体底部内；所述第一壳体采用铝制材料制成。

优选地，所述加热结构还包含：多个温度传感器，多个所述温度传感器分别间隔设置在第一壳体底部，并与外部控制结构连接。

优选地，所述冷却结构包含：

第二壳体，设置在所述第一壳体顶部的开口槽内；

多个第二冷却液管道，分别间隔设置在所述第二壳体内；多个所述第一冷却液管道与多个所述第二冷却液管道独立控制；

至少一个第二反应气体通道，设置在第二壳体内，并分别与多个所述第一反应气体通道相贯通。

优选地，所述第二壳体底面积小于所述开口槽的截面积，大于所述多个加热器覆盖的面积；该第二壳体底部完全覆盖所述多个加热器；所述第二壳体采用铝制材料制成；所述多个环形气体槽能够将所述多个加热器产生的热量在对应的所述环形气体槽内进行传导。

一种用于等离子反应装置的喷淋头加热冷却装置的控制方法，其特点是，该控制方法包含：

s1，分别开启加热结构内的多个第一冷却液管道、冷却结构的多个第二冷却液管道对所述加热结构进行冷却；

s2，通过外部控制结构开启所述加热结构的多个加热器；

s3，将反应气体通过所述冷却结构的至少一个第二反应气体通道进行充分混合后送入所述加热结构的多个第一反应气体通道进行加热，加热后将所述反应气体送入喷淋头结构的多个喷淋气道；

s4，所述加热结构的多个温度传感器实时测量该加热结构底部的温度，判断温度是否超过设定的阈值温度；当超过时，外部控制结构控制所述加多个加热器停止加热；当未超过时，所述加多个加热器继续工作直至到达设定的阈值温度。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明公开了一种用于等离子反应装置的喷淋头加热冷却装置及方法，采用喷淋头结构、加热结构及冷却结构建立形成喷淋头加热冷却装置。上述部件的组合能够实现反应气体在进入等离子反应腔之前，反应气体在喷淋头结构、加热结构及冷却结构中进行充分混合、预热；并且能够在等离子反应腔内进行晶片刻蚀的过程中，根据实时探测加热结构的温度以及冷却结构不断地对该加热结构进行降温，从而保证反应气体温度保持不变，提高刻蚀效率、产品质量。本发明在高功率传热状态下能够实现对反应气体温度有效地控制。

附图说明

图1为本发明一种用于等离子反应装置的喷淋头加热冷却装置的整体结构剖视图。

图2为本发明一种等离子反应装置的整体结构示意图。

图3为本发明一种用于等离子反应装置的喷淋头加热冷却装置的控制方法的整体流程图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1所示，一种用于等离子反应装置的喷淋头加热冷却装置，该喷淋头加热冷却装置设置于等离子反应装置的反应腔100顶部，使得该反应腔100内部处于密封状态，该喷淋头加热冷却装置包含：喷淋头结构1、加热结构2及冷却结构3。

其中，喷淋头结构1设置在反应腔上方，该喷淋头结构1内设置有多个喷淋气道11。加热结构2设置在喷淋头结构1上方，并且加热结构2的下表面与喷淋头结构1的上表面接触；冷却结构3设置在加热结构2上方；冷却结构3与该加热结构2的上表面在贴合区域内互相贴合，贴合区域包括中心区域和外围区域，冷却结构3下表面和加热结构2之间还包括隔离区域，隔离区域位于中心区域和外围区域之间，隔离区域内设有至少一个环形气体槽34将冷却结构3的下表面和加热结构2的上表面互相隔离，环形气体槽34与喷淋头结构1内的多个喷淋气到互相联通。

加热结构2的中心区域内包括第一加热器，外围区域内包括第二加热器，第一加热器和第二加热器独立控制。

本实施例中，喷淋头结构1采用硅或碳化硅等材料制成。

如图1所示，加热结构2包含：第一壳体25、多个第一反应气体通道22、多个第一冷却液管道23及多个温度传感器24。

其中，第一壳体25设置在喷淋头结构1上；多个加热器21分别间隔设置在第一壳体25内，并与外部控制结构连接；多个第一反应气体通道22分别间隔设置在第一壳体25内，并与多个喷淋气道11相贯通；多个第一冷却液管道23，分别环绕设置在第一壳体25顶部内。

如图1、图2所示，第一壳体25顶部设有开口槽。多个加热器21、多个第一反应气体通道22分别设置在该第一壳体25底部内。每个第一冷却液管道23环绕设置在该第一壳体25顶部内。每个加热器21呈环形设置在第一壳体25底部内。多个温度传感器24分别间隔设置在第一壳体25底部，并与外部控制结构连接。本发明中，第一壳体25采用铝制材料制成；多个环形气体槽34能够将多个加热器21产生的热量在对应的环形气体槽34内进行传导。

本实施例中，多个环形气体槽34能使得加热结构2与冷却结构3之间中心区域和外围区域的温度能够独立控制，否则无法分区独立控制。多个环形气体槽34能够使处于中心区域加热器21产生的热量基本不会横向传导到外围区域，反之外围区域也不会横向传递到中心区域，两者都只会在各种区域内垂直方向的传递热量，这就实现了独立控温。

如图1、图2所示，冷却结构3包含：第二壳体33、多个第二冷却液管道31及至少一个第二反应气体通道32。

其中，第二壳体33设置在第一壳体25顶部的开口槽内；多个第二冷却液管道31分别间隔设置在第二壳体33内。多个第二冷却液管道31与多个多个第一冷却液管道23分别被独立控制。至少一个第二反应气体通道32设置在第二壳体33内，并分别与多个第一反应气体通道22相贯通。

如图1所示，第二壳体33底面积小于开口槽的截面积，大于多个加热器21覆盖的面积。该第二壳体33底部完全覆盖多个加热器21。本发明中，第二壳体33采用铝制材料制成。

当不同种反应气体通过冷却结构3的第二反应气体通道32进入加热结构2的多个第一反应气体通道22后，进行充分混合。本发明中，多个加热器21能够对进入加热结构2的反应气体进行充分加热。多个温度传感器24测量加热结构2不同部位的温度，当温度未到预设值时，外部控制结构控制加热器21进行继续加热；当温度超过预设值时，外部控制结构控制加热器21停止加热。在整个过程中，加热器21的多个第一冷却液管道23中充满冷却液体对加热结构2进行持续降温；同时冷却结构3的多个第二冷却液管道31内充满冷却液体，使得该冷却结构3能够持续对与加热结构2接触部位进行持续降温，尤其是针对设置有加热器21的位置进行降温，实现改善加热结构2的温度均匀性，从而改善反应气体温度的均匀性，提高刻蚀效果。

如图2所示，加热结构2包含：第一壳体25、多个加热器21、多个第一反应气体通道22、多个第一冷却液管道23及多个温度传感器24。

其中，第一壳体25设置在喷淋头结构1上；多个加热器21分别间隔设置在第一壳体25内，并与外部控制结构连接；多个第一反应气体通道22分别间隔设置在第一壳体25内，并与多个喷淋气道11相贯通；多个第一冷却液管道23，分别设置在第一壳体25内。

如图2所示，第一壳体25顶部设有开口槽。多个加热器21、多个第一反应气体通道22分别设置在该第一壳体25底部内。每个第一冷却液管道23环绕设置在该第一壳体25顶部内。每个加热器21呈环形设置在第一壳体25底部内。多个温度传感器24分别间隔设置在第一壳体25底部，并与外部控制结构连接。本发明中，第一壳体25采用铝制材料制成。

如图2所示，冷却结构3包含：第二壳体33、多个第二冷却液管道31及至少一个第二反应气体通道32。

其中，第二壳体33设置在第一壳体25顶部的开口槽内；多个第二冷却液管道31分别间隔设置在第二壳体33内；至少一个第二反应气体通道32设置在第二壳体33内，并分别与多个第一反应气体通道22相贯通。

如图2所示，第二壳体33底面积小于开口槽的截面积，大于多个加热器21覆盖的面积。该第二壳体33底部完全覆盖多个加热器21。本发明中，第二壳体33采用铝制材料制成；多个环形气体槽34能够将多个加热器21产生的热量在对应的环形气体槽34内进行传导。

本实施例中，多个环形气体槽34能使得加热结构2与冷却结构3之间中心趋于和外围区域的温度能够独立控制，否则无法分区独立控制。多个环形气体槽34能够使处于中心区域加热器21产生的热量基本不会横向传导到外围区域，反之外围区域也不会横向传递到中心区域，两者都只会在各种区域内垂直方向的传递热量，这就实现了独立控温。

当不同种反应气体通过冷却结构3的第二反应气体通道32进入加热结构2的多个第一反应气体通道22后，进行充分混合。本发明中，多个加热器21能够对进入加热结构2的反应气体进行充分加热。多个温度传感器24测量加热结构2不同部位的温度，当温度未到预设值时，外部控制结构控制加热器21进行继续加热；当温度超过预设值时，外部控制结构控制加热器21停止加热。在整个过程中，加热器21的多个第一冷却液管道23中充满冷却液体对加热结构2进行持续降温；同时冷却结构3的多个第二冷却液管道31内充满冷却液体，使得该冷却结构3能够持续对与加热结构2接触部位进行持续降温，尤其是针对设置有加热器21的位置进行降温，从而实现改善加热结构2的温度均匀性，从而改善反应气体温度的均匀性。使得进入反应腔100内部的反应气体能够有效地对其内的待处理晶圆120进行有效的刻蚀。

如图3所示，一种用于等离子反应装置的喷淋头加热冷却装置的控制方法，该控制方法包含：

s1，分别开启加热结构2内的多个第一冷却液管道23、冷却结构3的多个第二冷却液管道31对加热结构2进行冷却。

本实施例中，将冷却液分别充满多个第一冷却液管道23及多个第二冷却液管道31，从而对加热结构2进行循环冷却。

s2，通过外部控制结构开启加热结构2的多个加热器21。

在本发明的真空环境中没有空气对流传热，只能通过直接接触传递热量，开设环形气体扩散槽34后加热器21和第二冷却液管道31之间在对应的环形气体槽34附近区域的热传导能力相对其它紧贴部位明显下降。流入气体扩散至环形气体槽34外的反应气体气压极低只有毫托级别，所以基本对热传导能力不起影响。

本实施例中，多个温度传感器24分别测量加热结构2不同位置的温度，当所有温度传感器24的温度均达到了设定值时，执行步骤s3；否则多个加热器21对加热结构2进行持续加热直至达到设定值。

s3，将反应气体通过冷却结构3的至少一个第二反应气体通道32进行充分混合后送入加热结构2的多个第一反应气体通道22进行加热，加热后将反应气体送入喷淋头结构1的多个喷淋气道11。

s4，加热结构2的多个温度传感器24实时测量该加热结构2底部的温度，判断温度是否超过设定的阈值温度；当超过时，外部控制结构控制加多个加热器21停止加热；当未超过时，加多个加热器21继续工作直至到达设定的阈值温度。

本实施例中，在加热结构2进行持续加热的过程中，冷却结构3、多个第一冷却液管道23持续对该加热结构2进行冷却降温，由于冷却结构3能够覆盖所有加热器21，使得该冷却结构3对与其接触的加热结构2部分进行降温，从而提高加热结构2的温度均匀性，最终实现对进入多个第一反应气体通道22的反应气体进行充分加热，且能够达到加热温度一致。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。