一种聚焦环、等离子体处理器及方法与流程

本发明涉及等离子体刻蚀领域，特别涉及一种基于冷却系统的聚焦环、等离子体处理器及方法。

背景技术：

现有技术中，在等离子体处理设备中通常使用可控温的静电吸盘(electrostaticchuck，简称esc)对基片(wafer)进行温度控制。但是基片的尺寸一般大于静电吸盘，导致基片的边缘温度不可控。

在刻蚀过程中，靠近基片边缘的聚焦环(focusring)的温度会升高，现有技术的聚焦环和其下的插入环均不含有降温功能，则基片的中间和边缘的温度的不均匀性会导致这两处的刻蚀率不同，且基片的刻蚀率随着温度升高而降低，从而出现基片的刻蚀率呈现中间高边缘低的现象。

因此，需要研发一种通过对聚焦环进行降温来改善基片的刻蚀率不均匀性的等离子体处理器。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种聚焦环及等离子体处理器与方法，在聚焦环内开设供冷却液流通的冷却通道，用以对聚焦环进行降温，同时还可在基片和聚焦环之间设置热传导部件，利用热传导作用以增强聚焦环和基片之间的导热效率，提高基片边缘的刻蚀率，进而提高基片的刻蚀率均匀性。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：一种用于等离子体处理器的聚焦环，所述等离子体处理器包含一反应腔，所述反应腔内设置一静电吸盘，用于支撑基片，所述聚焦环环绕设置在所述静电吸盘的外围，通过热交换以实现温度可调的所述聚焦环包括位于所述基片下方的内侧区域和环绕所述内侧区域的外侧区域，所述内侧区域上方设置一热传导部件，当所述基片被所述静电吸盘吸附时，所述基片的背面与所述热传导部件相接触。

优选地，所述聚焦环内部设置热交换通道，所述热交换通道包括热交换媒介入口和热交换媒介出口，热交换媒介经热交换媒介入口进入所述热交换通道，实现对所述聚焦环的温度调节。

优选地，所述热交换通道内填充冷却液，基片边缘区域的热量通过热传导部件传递至所述聚焦环，所述冷却液用于吸收所述聚焦环的热量。

优选地，所述热传导部件与所述基片直接接触或者通过中间导热件进行热传导。

优选地，所述热传导部件由弹性材料制成。

优选地，所述热传导部件为一体的环状结构或者为若干个相互独立的弧形结构。

本发明还提供了一种等离子体处理器，包括一反应腔，所述反应腔内设置一用于承载基片的静电吸盘，环绕所述静电吸盘设置如上文所述的聚焦环，所述聚焦环下方设置一插入环。

优选地，所述聚焦环内部设置热交换通道，所述热交换通道包括热交换媒介入口和热交换媒介出口，热交换媒介经热交换媒介入口进入所述热交换通道，实现对所述聚焦环的温度调节。

优选地，所述插入环内部设置热交换通道且所述聚焦环与所述插入环之间设置导热层和/或所述聚焦环与所述插入环之间设置热交换通道，实现对所述聚焦环的温度调节。

优选地，所述插入环下方设置一温控环，所述温控环内设置热交换通道，所述聚焦环与所述插入环之间，以及所述插入环与所述温控环之间分别设置导热层，以实现对所述聚焦环的温度调节。

优选地，所述热交换通道内填充冷却液，基片边缘区域的热量通过热传导部件传递至所述聚焦环，所述冷却液用于吸收所述聚焦环的热量。

本发明进一步提供了一种在等离子体处理器内控制基片温度的方法，该方法包含以下过程：

将基片置于等离子体处理器内的静电吸盘上；

将通过热交换以实现温度可调的聚焦环环绕设置在用于支撑基片的静电吸盘的外围，所述聚焦环包括位于所述基片下方的内侧区域和环绕所述内侧区域的外侧区域；

所述聚焦环直接连接或间接连接一热交换通道，所述热交换通道包括热交换媒介入口和热交换媒介出口，热交换媒介经热交换媒介入口进入所述热交换通道，实现对所述聚焦环的温度调节；

所述聚焦环的所述内侧区域上方设置一热传导部件，当所述基片被所述静电吸盘吸附时，所述基片的背面与所述热传导部件相接触。

优选地，所述热交换通道内填充冷却液，基片边缘区域的热量通过热传导部件传递至所述聚焦环，所述冷却液用于吸收所述聚焦环的热量。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：(1)本发明在聚焦环内开设冷却通道，供冷却液在其内流通，用以对聚焦环进行降温，提高基片边缘的刻蚀率，进而提高基片的刻蚀率均匀性；(2)本发明在基片和聚焦环之间设置热传导部件，通过热传导的作用来增强聚焦环和基片之间的导热效率，则基片边缘的降温效果更好；该热传导部件为环状结构的传热环，有利于增强导热的均匀性，提高基片的刻蚀率均匀性；(3)本发明的热传导部件由软性材料制成，当基片被静电吸盘吸住后，基片边缘会压在软性材料的热传导部件上，使得聚焦环和基片之间的导热效率更高。

附图说明

图1为本发明实施例一的等离子体处理器装置示意图；

图1a为本发明实施例一的边缘环组件示意图；

图2为本发明实施例二的等离子体处理器装置示意图；

图2a为本发明实施例二的边缘环组件示意图；

图3为本发明实施例一和实施例二的热传导部件安装示意图；

图4为本发明实施例三的边缘环组件和温控环示意图；

图4a为本发明实施例三的温控环内冷却通道结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”、“具有”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。

图1示例性的示出一电感耦合等离子体处理装置的结构示意图，本发明的等离子体处理工艺在真空反应腔室110内进行。基片4放置在反应腔室110内的一静电吸盘5上。反应腔室110上方设置有一介电窗口2，介电窗口2上方设置有射频线圈3，向射频线圈3施加射频信号，急剧变化的感应磁场会在反应腔室110内产生感应电场，实现将反应气体解离为等离子体，用于对基片4进行工艺处理。在另外的实施例中，该所述的静电吸盘5也可用于电容耦合等离子体处理装置内部。

实施例一：

如图1所示，基片4的周围边缘配置有边缘环组件100，边缘环组件100包含聚焦环6和插入环7，聚焦环6环绕设置在静电吸盘5的外围，聚焦环6位于插入环7之上。

如图1a所示，插入环7具有内侧部分71与外侧部分72，插入环7的内侧部分71可以位于基片4外缘的下方，插入环7的外侧部分72向外侧超出了基片4外缘的覆盖范围。图1a中的虚线为基片4的外缘边界，也大体可看作是内侧部分71与外侧部分72的分界线。聚焦环6可由导电材料(比如，si、c或sic)等制成，也可由非导电材料或者说绝缘材料(比如三氧化二铝)制成。聚焦环6覆盖插入环7的外侧部分72(在本实施例中，也覆盖了内侧部分71)，避免插入环7暴露于等离子体环境。尽管聚焦环6直接暴露于等离子体，但由于它的材质为si或c等刻蚀装置中最常见的材质或耐腐蚀的材质，因而，即便聚焦环6有损耗，也不会造成杂质污染。另外，聚焦环6的外表面也可涂覆耐腐蚀材料(如氧化钇或氟化钇等)，用以减小聚焦环的耗损。

插入环7和聚焦环6的电容值之和(即基片边缘处的总电容值)要大致与静电吸盘5的电容值(即基片中央区域的总电容值)相等，用以改善等离子体鞘层的目的。值得说明的是，在实际实施中，允许两者间存在一定的偏差。

如图1所示，本实施例的聚焦环6和插入环7内开设有冷却通道8。冷却通道8包含竖向设置的入口侧的第一支部通道81、中间联通的第二支部通道(图中未示出)和竖向设置的出口侧的第三支部通道82。第一支部通道81的第一入口端8a通入冷却液，第一支部通道81的第一出口端81a位于聚焦环6内部；第二支部通道的第二入口端81b与第一支部通道81的第一出口端81a联通，第二支部通道环抱在聚焦环6内部，第二支部通道的第二出口端82a位于聚焦环6内部；第三支部通道82的第三入口端82b与第二支部通道的第二出口端82a联通，第三支部通道82的第三出口端8b输出经过热交换后的冷却液。从而实现对聚焦环6进行降温，提高基片4边缘的刻蚀率，进而提高基片的刻蚀率均匀性。优选地，第一支部通道81和/或第二支部通道和/或第三支部通道82为管状通道。

第一支部通道81的第一入口端8a位于反应腔体外侧，入口通道部分81依次从反应腔体外部向上延伸穿过反应腔侧壁1后经过插入环7直至伸进聚焦环6内部，且第一支部通道81顶部的第一出口端81a也位于聚焦环6的内部。同样地，第三支部通道82的第三出口端8b位于反应腔体外侧，冷却通道8的第三支部通道82从聚焦环6内部的第三入口端82b起始，依次从聚焦环6内部开始向下延伸，依次经过插入环7并穿过反应腔体侧壁1后直至伸出反应腔体外部，第三支部通道82顶部的第三入口端82b位于聚焦环6的内部。优选地，中间联通的第二支部通道为环抱在聚焦环6内部任意一截面的环状管道。

第一支部通道81的第一入口端8a还与反应腔体外部的第一冷却液容器连通；第三支部通道82的第三出口端8b还与反应腔体外部的第二容器连接，用于收集流回的冷却液。第一冷却液容器以一定流速输出设定温度的冷却液，冷却液从入口端流入到第一支部通道81并在其内部流动，该冷却液依次经过第一支部通道81、第二支部通道和第三支部通道82，并最终从第三支部通道82的第三出口端8b流出到第二容器。

冷却液的温度越低时，聚焦环6和插入环7的降温效果越好；冷却液的流速越大时，则聚焦环6和插入环7的降温效果越显著。入口通道部分8a和/或出口通道部分8b的直径越大时，则聚焦环6和插入环7的降温效果越好。进一步地，本发明的冷却通道通入的冷却媒介可以是液体，也可以是气体等，只要能起到冷却作用即可，本实施例对此不做限定，也不限定在其他示例中。

本实施例中，聚焦环6和插入环7之间使用螺钉9进行连接；聚焦环6和插入环7之间设有密封圈10(例如o型圈)，且密封圈10套设在入口通道部分81和/或出口通道部分82的外侧，用于保证真空反应腔室的真空环境。

如图1和图3结合所示，本实施例在基片4和聚焦环6之间设置有一热传导部件11，聚焦环6包括位于基片下方的内侧区域和环绕内侧区域的外侧区域，热传导部件11位于该内侧区域上方，当基片被静电吸盘5吸附时，基片的背面与热传导部件11相接触。热传导部件11的上端与基片4的边缘的下端连接，热传导部件11的下端与聚焦环6的上端连接。因此，当冷却通道内填充冷却液，基片边缘区域的热量通过热传导部件11传递至聚焦环6，冷却液用于吸收聚焦环6的热量。

相比现有技术中基片和聚焦环之间仅通过热辐射和极少部分的热对流进行导热，导热效率稍低以及基片边缘的温度可调范围较小，基片边缘的降温效果较弱，本实施例在基片4和聚焦环6之间设置热传导部件11，可以通过热传导作用来增强聚焦环6和基片4之间的导热效率，使得基片边缘的降温效果更好。

示例地，热传导部件11分别与基片4和聚焦环6直接接触，也可以通过导入中间件间接连接，本发明对此不做限制，只要能实现基片4和聚焦环6的热传导作用即可，用以增强聚焦环6和基片4之间的导热效率。

可选地，热传导部件11为传热环，环状结构的热传导部件11有利于增强导热的均匀性，提高基片的刻蚀率均匀性。进一步地，本实施例还可通过改变传热环的截面积，进而调整聚焦环6和基片4之间的导热效率大小。所述热传导部件11可以为连续的环状结构；也可以为相互独立的若干个部件，该若干个部件可以为相同的材料，也可以选择不同的材料，以实现对不同位置的边缘区域温度的独立可控。

示例地，热传导部件11由软材料(如弹性材料)制成，例如teflon密封圈或者全氟密封圈等。当基片4被静电吸盘5吸住后，基片4边缘会压在软性材料的热传导部件11上，使得聚焦环6和基片4之间的导热效率更高。

实施例二：

如图2所示，基片4的周围边缘配置有边缘环组件100，边缘环组件100包含聚焦环6和插入环7，聚焦环6环绕设置在静电吸盘5的外围，且聚焦环6位于插入环7之上。如图2a所示，插入环7具有内侧部分与外侧部分，插入环7的内侧部分位于基片4外缘的下方，插入环7的外侧部分向外侧超出了基片4外缘的覆盖范围。图1a中的虚线为基片4的外缘边界，也大体可看作是内侧部分与外侧部分的分界线。聚焦环6可由导电材料(比如，si、c或sic)等制成，也可由非导电材料或者说绝缘材料(比如三氧化二铝)制成。

聚焦环6覆盖插入环7的外侧部分(在本实施例中，也覆盖了内侧部分)，同时，聚焦环6的外侧部分向外侧超出了插入环7外缘的覆盖范围。其中，聚焦环6和插入环7之间使用螺钉9进行连接。

本实施例中，聚焦环6与一冷却通道8连接，且冷却通道8伸进聚焦环6内部，冷却通道8用于供冷却液流通，对聚焦环6进行降温。冷却通道8包含竖向设置的入口侧的第一支部通道81、中间联通的第二支部通道(图中未示出)和竖向设置的出口侧的第三支部通道82。第一支部通道81的第一入口端8a通入冷却液，第一支部通道81的第一出口端81a位于聚焦环6内部；第二支部通道的第二入口端81b与第一支部通道81的第一出口端81a联通，第二支部通道环抱在聚焦环6内部，第二支部通道的第二出口端82a位于聚焦环6内部；第三支部通道82的第三入口端82b与第二支部通道的第二出口端82a联通，第三支部通道82的第三出口端8b输出经过热交换后的冷却液。从而实现对聚焦环6进行降温，提高基片4边缘的刻蚀率，进而提高基片的刻蚀率均匀性。优选地，第一支部通道81和/或第二支部通道和/或第三支部通道82为管状通道。

第一支部通道81的第一入口端8a位于反应腔体外侧；与实施例一不同，实施例二中的第一支部通道81未先穿过插入环7再伸进聚焦环6内，而是第一支部通道81从反应腔体外部向上延伸并穿过反应腔侧壁1后直接伸进聚焦环6内部，且第一支部通道81顶部的第一出口端81a位于聚焦环6的内部。同样地，第三支部通道82的第三出口端8b位于反应腔体外侧；与实施例一不同，实施例二中的冷却通道8的第三出口端8b从聚焦环6内部开始向下延伸，并直接穿过反应腔体侧壁1后直至反应腔体外部，且第三出口端顶部的第三入口端82b位于聚焦环6的内部。优选地，中间联通的第二支部通道为环抱在聚焦环6内部任意一截面的环状管道。

本实施例中，第一支部通道81的第一入口端8a还与反应腔体外部的第一冷却液容器连通；第三支部通道82的第三出口端8b还与反应腔体外部的第二容器连接，用于收集流回的冷却液。第一冷却液容器以一定流速输出设定温度的冷却液，冷却液从入口端流入到第一支部通道81并在其内部流动，该冷却液依次经过第一支部通道81、第二支部通道和第三支部通道82，并最终从第三支部通道82的第三出口端8b流出到第二容器。

本实施例中，聚焦环6与第一支部通道81或第三支部通道82的连接处通过密封圈10-1进行密封，和/或，第一支部通道81或第三支部通道82与反应腔体壁的连接处通过密封圈10-2进行密封，用于保证真空反应腔室的真空环境。

冷却液的温度越低时，聚焦环6和插入环7的降温效果越好；冷却液的流速越大时，则聚焦环6和插入环7的降温效果越显著。第一支部通道81和/或第三支部通道82的直径越大时，则聚焦环6和插入环7的降温效果越好。

如图2和图3结合所示，本实施例在基片4和聚焦环6之间设置有一热传导部件11，聚焦环6包括位于基片下方的内侧区域和环绕内侧区域的外侧区域，热传导部件11位于该内侧区域上方，当基片被静电吸盘5吸附时，基片的背面与热传导部件11相接触。热传导部件11的上端与基片4的边缘的下端连接，热传导部件11的下端与聚焦环6的上端连接。因此，当冷却通道内填充冷却液，基片边缘区域的热量通过热传导部件11传递至聚焦环6，冷却液用于吸收聚焦环6的热量。

相比现有技术中基片和聚焦环之间仅通过热辐射和极少部分的热对流进行导热，导热效率稍低以及基片边缘的温度可调范围较小，基片边缘的降温效果较弱，本实施例在基片4和聚焦环6之间设置热传导部件11，可以通过热传导作用来增强聚焦环6和基片4之间的导热效率，使得基片边缘的降温效果更好。

示例地，热传导部件11分别与基片4和聚焦环6直接接触，也可以通过导入中间件间接连接，本发明对此不做限制，只要能实现基片4和聚焦环6的热传导作用即可，用以增强聚焦环6和基片4之间的导热效率。

可选地，热传导部件11为传热环，环状结构的热传导部件11有利于增强导热的均匀性，提高基片的刻蚀率均匀性。进一步地，本实施例还可通过改变传热环的截面积，进而调整聚焦环6和基片4之间的导热效率大小。所述热传导部件11可以为连续的环状结构；也可以为相互独立的若干个部件，该若干个部件可以为相同的材料，也可以选择不同的材料，以实现对不同位置的边缘区域温度的独立可控。

示例地，热传导部件11由软材料(如弹性材料)制成，例如teflon密封圈或者全氟密封圈等。当基片4被静电吸盘5吸住后，基片4边缘会压在软性材料的热传导部件11上，使得聚焦环6和基片4之间的导热效率更高。

实施例三：

实施例一至实施例二均为冷却通道8设置在聚焦环6内部，直接对聚焦环6进行温度控制，此时只要保证冷却通道8的流通路径至少要经过聚焦环6内部，保证直接对聚焦环6的降温作用即可，至于冷却通道8是否经过插入环7或其他部分以及整个冷却通道的具体路径，本发明对此不做限制。值得说明是，本发明不仅限于上述实施例中记载的冷却通道设置在聚焦环6内部，还可以设置在聚焦环6与插入环7之间，或插入环7内部，或其他相应位置，例如温控环12内。

如图4和图4a所示，温控环12环绕在静电吸盘5下方的基座101的周围，并位于插入环7的下方。示例地，当冷却通道13设置在温控环12内，冷却通道13的包含用于冷却液输入与输出的入口13a和出口13b，以及位于温控环12内部的环形通道部分13c。同时，本实施例还在聚焦环6与插入环7之间，以及在插入环7与温控环12之间分别设置导热层，保证真空环境中聚焦环6与插入环7之间以及插入环7与温控环12之间高效率的导热作用，从而间接实现对聚焦环6的温度调节。

在另外一个示例中，当冷却通道设置在插入环内部时，该冷却通道包含供冷却液输入与输出的入口和出口，以及位于插入环内的环形通道部分，同时，还在聚焦环与插入环之间设置导热层，保证真空环境中聚焦环与插入环之间高效率的导热作用，从而间接实现对聚焦环的温度调节。

示例地，当冷却通道设置在聚焦环与插入环之间时，该冷却通道同样地包含供冷却液输入与输出的入口和出口，以及位于聚焦环与插入环之间的环形通道部分，可选地，该环形通道部分置于聚焦环下端开设的凹槽与插入环上端开设的凹槽内，用以实现对聚焦环的温度调节。

针对上述示例，冷却通道的形状、路径、出口与入口位于同侧或不同侧、冷却通道通入的冷却媒介的性质等，本发明均不做限制，可以根据实际应用情况设计。

综上所述，本发明在聚焦环内或聚焦环与插入环之间或插入环内部或其他相应位置开设冷却通道，供冷却液或其他冷却媒介在其内流动，对聚焦环进行降温，提高基片边缘的刻蚀率以及基片的刻蚀率均匀性；本发明还在基片和聚焦环之间设置热传导部件，通过热传导以增强聚焦环和基片之间的导热效率，基片边缘的降温效果更好；热传导部件为环状结构，有利于增强导热的均匀性，提高基片的刻蚀率均匀性；本发明的热传导部件由软材料制成，当基片被静电吸盘吸住后，基片边缘会压在软性材料的热传导部件上，使得聚焦环和基片之间的导热效率更高。

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。