上电极组件及反应腔室的制作方法

本发明涉及半导体制造领域，具体地，涉及一种上电极组件及反应腔室。

背景技术：

目前，等离子体加工设备越来越广泛地应用于集成电路(IC)、功率器件、MEMS器件等的制造工艺中。其中一个显著的应用就是电感耦合等离子体(Inductive Coupled Plasma，简称ICP)设备，其由电流通过射频线圈产生的电磁场激发反应气体产生等离子体。随着高刻蚀速率的需求不断增高，要求等离子体的密度也随之增大，为此，采用立体线圈环绕在陶瓷桶外侧已成必然。然而，在进行工艺的过程中，加载有高功率的立体线圈的温度可达460℃，由其辐射出的热量致使陶瓷桶内的温度过高，从而导致晶片糊胶。此外，陶瓷桶内的温度往往会超过密封圈的使用温度，导致其可靠性及寿命大大降低。为此，就需要设置冷却装置对陶瓷桶进行冷却。

图1为现有的上电极组件的剖视图。请参阅图1，上电极组件安装在反应腔室的腔室顶盖1上，且包括陶瓷桶2、上盖板5和立体线圈3和冷却机构。其中，上盖板5设置在陶瓷桶2的顶部，并且在上盖板5与陶瓷桶2之间设置有密封圈4，用以对二者之间的间隙进行密封。立体线圈3环绕设置在陶瓷桶2的外侧。冷却机构包括上冷却件7、下冷却件8和支撑件6，其中，下冷却件8设置在腔室顶盖1上，且环绕在立体线圈3的外侧；上冷却件7通过支撑件6设置在下冷却件8的上方，且与上盖板5相接触。并且，分别在上冷却件7和下冷却件8内设置有两条环形的冷却通道，两条冷却通道的入口(71，81)和出口(72，82)分别位于两个冷却通道的两侧。冷却水自入口(71，81)分别流入两个冷却通道，并在环绕陶瓷桶2半圈之 后自出口(72，82)流出，从而形成循环水路。

上述上电极组件在实际应用中不可避免地存在以下问题：

其一，由于两条冷却通道分别位于陶瓷桶2的两端，这不仅冷却效果有限，而且由于冷却水主要带走了陶瓷桶2两端附近的热量，导致陶瓷桶2的中心部分的温度高于两端部分的温度，从而造成陶瓷桶2的温度不均匀，进而影响工艺的均匀性。

其二，由于冷却水是通过上盖板5间接冷却陶瓷桶2，而在上盖板5与陶瓷桶2之间设置有密封圈4，导致上盖板5与陶瓷桶2之间的热阻较高、传热系数较低，从而冷却效果有限。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种上电极组件及反应腔室，其不仅可以提高对介质桶的冷却效果，而且还可以提高介质桶的温度均匀性，从而可以提高工艺均匀性。

为实现本发明的目的而提供一种上电极组件，包括介质桶、环绕在所述介质桶周围的线圈以及用于冷却所述介质桶的冷却机构，所述冷却机构包括冷却通道，所述冷却通道位于所述线圈的内侧，通过向所述冷却通道内通入冷却介质，来冷却所述介质桶；并且所述冷却通道被设置为：使通入其内的冷却介质直接与所述介质桶相接触；所述冷却通道具有分别用于输入和输出冷却介质的入口和出口。

优选的，所述冷却机构包括环形的冷却部件，所述冷却部件采用绝缘材料制作，且环绕设置在所述介质桶的外周壁上，并且位于所述线圈的内侧；在所述冷却部件的内周壁上形成有环形凹部，所述环形凹部与所述介质桶的外周壁组成所述冷却通道；所述入口和出口为相对设置在所述冷却部件的外周壁上、且与所述冷却通道相连通的两个通孔；在所述冷却部件的内周壁与所述介质桶的外周壁之间、且分别位于所述冷却通道的上方和下方设置有密封圈，用于对所述冷却通道进行密封。

优选的，所述冷却机构包括环形的冷却部件，所述冷却部件采用绝缘材料制作，且环绕设置在所述介质桶的外周壁上，并且位于所 述线圈的内侧；在所述介质桶的外周壁上形成有环形凹部，所述环形凹部与所述冷却部件的内周壁组成所述冷却通道；所述入口和出口为相对设置在所述冷却部件的外周壁上、且与所述冷却通道相连通的两个通孔；在所述冷却部件的内周壁与所述介质桶的外周壁之间、且分别位于所述冷却通道的上方和下方设置有密封圈，用于对所述冷却通道进行密封。

优选的，所述冷却机构包括环形的冷却部件，所述冷却部件采用绝缘材料制作，且环绕设置在所述介质桶的外周壁上，并且位于所述线圈的内侧；分别对应地在所述介质桶的外周壁和所述冷却部件的内周壁上形成有两个环形凹部，所述两个环形凹部对接组成所述冷却通道；所述入口和出口为相对设置在所述冷却部件的外周壁上、且与所述冷却通道相连通的两个通孔；在所述冷却部件的内周壁与所述介质桶的外周壁之间、且分别位于所述冷却通道的上方和下方设置有密封圈，用于对所述冷却通道进行密封。

优选的，在所述介质桶的桶体内部形成有环形空腔，所述环形空腔用作所述冷却通道；所述入口和出口为相对设置在所述介质桶的外周壁上、且与所述冷却通道相连通的两个通孔。

优选的，所述入口的数量为一个或多个，且多个所述入口沿所述介质桶的轴向间隔设置；所述出口的数量和位置与所述入口的数量和位置一一对应。

优选的，还包括冷却管路和冷却介质源，其中，所述冷却管路包括主路和至少一个支路，所述支路的数量与所述入口的数量相对应，且各个支路的输出端一一对应地与各个入口连接，各个支路的输入端均与所述主路的输出端连接；所述主路的输入端与所述冷却介质源连接；所述冷却介质源用于提供冷却介质。

优选的，还包括测温单元、控制单元和流量调节单元，其中，所述测温单元用于实时检测所述介质桶的实际温度，并将其发送至所述控制单元；所述控制单元用于根据所述实际温度和预设的目标温度进行计算，而获得所述冷却介质的所需流量值，并根据该所需流量值向所述流量调节单元发送控制信号；所述流量调节单元用于根据所述 控制信号将通入所述冷却通道内的冷却介质的流量调节至所述所需流量值。

优选的，所述冷却介质包括冷却水、冷却液或者冷却气体。

作为另一个技术方案，本发明还提供一种反应腔室，在所述反应腔室的顶部设置有上电极组件，用于激发所述反应腔室内的反应气体形成等离子体，所述上电极组件采用本发明提供的上述上电极组件。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的上电极组件，其借助位于线圈内侧的冷却通道，该冷却通道可以使通入其内的冷却介质直接与介质桶相接触，而且冷却介质与介质桶的接触面面积更大，这不仅可以有效提高对介质桶的冷却效果，而且冷却更均匀，从而可以提高介质桶的温度均匀性，进而可以提高工艺均匀性。

本发明提供的反应腔室，其通过采用本发明提供的上述上电极组件，不仅可以提高对介质桶的冷却效果，而且还可以提高介质桶的温度均匀性，从而可以提高工艺均匀性。

附图说明

图1为现有的上电极组件的剖视图；

图2为本发明第一实施例提供的上电极组件的剖视图；

图3为本发明第二实施例提供的上电极组件的剖视图；

图4为本发明第三实施例提供的上电极组件的剖视图；

图5为本发明第四实施例提供的上电极组件的剖视图；以及

图6为本发明实施例提供的上电极组件的温控原理框图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明提供的上电极组件及反应腔室进行详细描述。

本发明提供的上电极组件包括介质桶、环绕在该介质桶周围的线圈以及用于冷却介质桶的冷却机构，其中，该冷却机构包括冷却通 道，该冷却通道位于线圈的内侧，通过向冷却通道内通入冷却介质，来冷却介质桶，并且冷却通道被设置为：使通入其内的冷却介质直接与介质桶相接触；冷却通道具有分别用于输入和输出冷却介质的入口和出口。

借助位于线圈内侧的冷却通道，该冷却通道可以使通入其内的冷却介质直接与介质桶相接触，而且冷却介质与介质桶的接触面面积更大，这不仅可以有效提高对介质桶的冷却效果，而且冷却更均匀，从而可以提高介质桶的温度均匀性，进而可以提高工艺均匀性。

下面对上述冷却机构的具体实施方式进行详细描述。具体地，图2为本发明第一实施例提供的上电极组件的剖视图。请参阅图2，上电极组件包括介质桶101、线圈102和冷却机构。其中，介质桶101安装在反应腔室的腔室顶盖100上，线圈102为立体线圈，且环绕在介质桶101的周围，在进行工艺时，向线圈102加载射频功率，线圈102通过介质桶101将射频能量馈入介质桶101的内部，以激发反应气体形成等离子体。另外，为了避免由线圈102产生电磁场的干扰，还需要在线圈102的外侧设置金属材质(例如铝)的屏蔽装置(图中未示出)，该屏蔽装置例如可以采用环状的金属罩，且罩设在线圈102的外围。

在本实施例中，冷却机构包括环形的冷却部件103，该冷却部件103采用绝缘材料制作，以避免阻挡射频能量的馈入。而且，冷却部件103环绕设置在介质桶101的外周壁上，并且位于线圈102的内侧。在冷却部件103的内周壁上形成有环形凹部，该环形凹部与介质桶101的外周壁组成冷却通道108，通过向该冷却通道108内通入冷却介质，来冷却介质桶101，冷却介质包括冷却水、冷却液或者冷却气体等等。此外，冷却通道108具有分别用于输入和输出冷却介质的两个入口(104，105)和两个出口(106，107)，各个入口和出口为相对设置在冷却部件103的外周壁上、且与冷却通道108相连通的两个通孔。其中，两个入口(104，105)沿介质桶101的轴向间隔设置，两个出口(106，107)的位置与两个入口(104，105)的位置一一对应，即，入口104和出口106相对设置，入口105和出口107相对设 置。冷却介质同时经由两个入口(104，105)流入冷却通道108，并环绕介质桶101的外周壁流动，然后自两个出口(106，107)流出。当然，在实际应用中，入口的数量还可以根据冷却效果设定为一个、三个或者四个以上，出口的数量与入口的数量相对应。

此外，在冷却部件103的内周壁与介质桶101的外周壁之间、且分别位于冷却通道108的上方和下方设置有两个密封圈(109，110)，用于对冷却通道108进行密封，从而可以避免冷却介质泄漏。

由于通入上述冷却通道108内的冷却介质直接与介质桶101相接触，而且冷却介质与介质桶101的接触面面积更大，这不仅可以有效提高对介质桶101的冷却效果，而且冷却更均匀，从而可以提高介质桶101的温度均匀性，进而可以提高工艺均匀性。

图3为本发明第二实施例提供的上电极组件的剖视图。请参阅图3，本实施例提供的上电极组件与上述第一实施例相比，其区别仅在于，冷却通道的结构不同。

具体地，在本实施例中，上电极组件同样包括介质桶101、线圈102和冷却机构。其中，冷却机构包括环形的冷却部件203，该冷却部件203采用绝缘材料制作，且环绕设置在介质桶201的外周壁上，并且位于线圈102的内侧。而且，在介质桶201的外周壁上形成有环形凹部，该环形凹部与冷却部件203的内周壁组成冷却通道208。冷却通道208具有分别用于输入和输出冷却介质的两个入口(204，205)和两个出口(206，207)，各个入口和出口为相对设置在冷却部件203的外周壁上、且与冷却通道208相连通的两个通孔。此外，在冷却部件203的内周壁与介质桶201的外周壁之间、且分别位于冷却通道208的上方和下方设置有两个密封圈(209，210)，用于对冷却通道208进行密封。

由上可知，本实施例中的冷却通道与上述第一实施例的区别在于：冷却通道208是由介质桶201的外周壁上的环形凹部与冷却部件203的内周壁组成，这同样可以实现通入上述冷却通道208内的冷却介质直接与介质桶201相接触，从而不仅可以有效提高对介质桶的冷却效果，而且冷却更均匀，从而可以提高介质桶的温度均匀性，进而 可以提高工艺均匀性。

图4为本发明第三实施例提供的上电极组件的剖视图。请参阅图4，本实施例提供的上电极组件与上述第一、第二实施例相比，其区别仅在于，冷却通道的结构不同。

具体地，在本实施例中，上电极组件同样包括介质桶301、线圈102和冷却机构。其中，冷却机构包括环形的冷却部件303，该冷却部件303采用绝缘材料制作，且环绕设置在介质桶301的外周壁上，并且位于线圈102的内侧。而且，分别对应地在介质桶301的外周壁和冷却部件303的内周壁上形成有两个环形凹部，两个环形凹部对接组成冷却通道308。冷却通道308具有分别用于输入和输出冷却介质的两个入口(304，305)和两个出口(306，307)，各个入口和出口为相对设置在冷却部件203的外周壁上、且与冷却通道308相连通的两个通孔。此外，在冷却部件303的内周壁与介质桶301的外周壁之间、且分别位于冷却通道308的上方和下方设置有两个密封圈(309，310)，用于对冷却通道308进行密封。

由上可知，本实施例中的冷却通道与上述第一、第二实施例的区别在于：冷却通道208是由分别对应地在介质桶301的外周壁和冷却部件303的内周壁上的两个环形凹部对接组成，这同样可以实现通入上述冷却通道308内的冷却介质直接与介质桶301相接触，从而不仅可以有效提高对介质桶的冷却效果，而且冷却更均匀，从而可以提高介质桶的温度均匀性，进而可以提高工艺均匀性。

图5为本发明第四实施例提供的上电极组件的剖视图。请参阅图5，本实施例提供的上电极组件与上述第一～第三实施例相比，其区别仅在于，冷却通道的结构不同。

具体地，在本实施例中，上电极组件同样包括介质桶401、线圈102和冷却机构。其中，在介质桶401的桶体内部形成有环形空腔，该环形空腔用作冷却通道408。冷却通道408具有分别用于输入和输出冷却介质的两个入口(404，405)和两个出口(406，407)，各个入口和出口为相对设置在介质桶401的外周壁上、且与冷却通道408相连通的两个通孔。

由上可知，本实施例中的冷却通道与上述第一～第三实施例的区别在于：冷却通道408即为在介质桶401的桶体内部形成有环形空腔，从而可以实现通入上述冷却通道408内的冷却介质直接与介质桶401相接触，从而不仅可以有效提高对介质桶的冷却效果，而且冷却更均匀，从而可以提高介质桶的温度均匀性，进而可以提高工艺均匀性。

图6为本发明实施例提供的上电极组件的温控原理框图。请参阅图6，在上述各个实施例的基础上，上电极组件还包括冷却管路、冷却介质源、测温单元、控制单元和流量调节单元。其中，冷却管路包括输入管路和输出管路，其中，输入管路包括主路和两个支路，各个支路的输出端一一对应地与各个入口连接，各个支路的输入端均与主路的输出端连接，主路的输入端与冷却介质源连接，冷却介质源依次经由主路和各个支路同时向各个入口输送冷却介质。同样的，输出管路也包括主路和两个支路，且连接方式与上述输入管路相同。容易理解，支路的数量与入口的数量相对应。

测温单元用于对介质桶的实际温度进行实时检测，并将检测结果发送至控制单元；控制单元用于根据测温单元测得的实际温度和预设的目标温度进行计算，而获得冷却介质的所需流量值，并根据该所需流量值向流量调节单元发送控制信号。流量调节单元用于根据该控制信号将通入冷却通道内的冷却介质的流量调节至所需流量值。该所需流量值是指满足介质桶达到所需的目标温度的条件下，冷却介质的流量值。进一步说，上述测温单元、控制单元和流量调节单元组成了一套完整的自动控温系统，该自动温控系统可以实时地调整冷却介质的流量，以使介质桶的温度满足工艺要求，即对介质桶的温度进行闭环控制，从而可以实现对介质桶温度的精确控制。

在实际应用中，上述流量调节单元可以为节流阀或者流量控制阀等流量控制元件，该流量控制元件可以设置在输入管路的主路上。测温单元可以为温度传感器，其可以通过检测输出管路的主路中冷却介质的温度，用作介质桶的实际温度。

作为另一个技术方案，本发明还提供一种反应腔室，在该反应腔室的顶部设置有上电极组件，用于激发反应腔室内的反应气体形成 等离子体，该上电极组件采用了本发明上述各个实施例提供的上电极组件。

本发明提供的反应腔室，其通过采用本发明提供的上述上电极组件，不仅可以提高对介质桶的冷却效果，而且还可以提高介质桶的温度均匀性，从而可以提高工艺均匀性。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。