CN102084726B - 夹持式喷淋头电极总成 - Google Patents

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Abstract

用于半导体基板加工的等离子体反应室的电极总成。所述总成包括上喷淋头电极，所述上喷淋头电极包括通过夹持环机械紧靠在垫板上的内电极和通过一系列间隔布置的凸轮锁紧靠在所述垫板上的外电极。保护环环绕所述垫板，并可移动至使所述保护环上的开口对准所述垫板上的开口的位置，从而能够使用工具旋转所述凸轮锁拆卸凸轮销，所述凸轮销从所述外电极的上表面向上延伸。为容纳热膨胀的差异，所述夹持环可包括位于间隔位置的膨胀部分，所述膨胀部分使所述夹持环能够吸收热应力。

Description

夹持式喷淋头电极总成
技术领域
本发明关于一种等离子处理室中的喷淋头(showerhead)电极总成，在所述等离子处理室中可生产半导体部件。
发明内容
根据一种实施方式，喷淋头电极总成包括夹持在垫板上的内电极和外电极，其中所述喷淋头电极总成形成电容耦合等离子处理室的上电极。所述内电极为圆形盘，有在其下表面的等离子体暴露面和在其上表面的安装面，所述下表面包括在所述盘外周的内部台阶和外部台阶。所述内部台阶的直径比所述外部台阶的直径小，所述外部台阶位于所述内部台阶和所述安装面之间。所述外部台阶配置为与夹持环向内延伸的法兰紧密配合，所述内部台阶配置为与所述外电极的内部台阶紧密配合，所述外电极环绕所述内电极，以使所述外电极的内锥面由所述等离子体暴露面的外缘延伸出来。所述安装面包括多个定位销凹槽(alignment pin recess)，所述定位销凹槽配置为容纳定位销，所述定位销的排布方式匹配垫板上定位销孔，所述盘通过所述夹持环固定并紧靠所述垫板，且所述盘包括加工气体出口，所述加工气体出口的排布方式匹配所述垫板上的气体供应孔。
所述外电极为圆环形板状，包括在其下表面的等离子体暴露面和在其上表面的安装面，所述上表面包括在内部台阶和外部台阶之间的平面环形面，所述等离子体暴露面包括内部和外部倾斜表面。在所述平面环形面上有多个在周向彼此间隔的销座(pocket)，其被配置为在其中容纳锁销(locking pin)，所述锁销适合将所述外电极夹持在垫板上。
根据另一个实施方式，电容耦合等离子处理室的喷淋头电极总成包括热控板、垫板、保护环、内电极、外电极和夹持环。所述热控板通过所述等离子体处理室的温度控制壁支撑，所述热控板直径大于在所述等离子体处理室中拟加工的晶圆直径，并包括在其下表面上的环形凸起，在所述环形凸起之间具有集气室。所述垫板通过所述热控板支撑，且其直径小于所述热控板直径，所述垫板有贯通的气体通道，并且在水平延伸孔内有凸轮锁(cam lock)。所述保护环环绕所述垫板，并且是可旋转到将其上的开孔对准至少一个凸轮锁。所述内电极有贯通的气体通道，其与所述垫板上的所述气体通道之间流体相通，所述内电极的外周包括内部台阶和外部台阶，所述外部台阶位于所述内部台阶和所述内电极的面对所述垫板的表面之间。所述夹持环有覆盖在所述内电极的所述外部台阶上的内法兰，可选在所述内法兰和所述外部台阶之间配置压缩环，所述夹持环包括垂直延伸的阶梯开口，所述阶梯开口对准所述垫板上的螺纹开口，所述阶梯开口上的紧固件将所述夹持环固定在所述垫板上，并在所述内电极的所述外部台阶上施加压力。所述外电极环绕所述内电极并包括垂直延伸的锁销，所述锁销与所述凸轮锁相啮合，所述外电极支撑所述保护环，通过将所述锁销从所述凸轮锁中移出即可拆除所述外电极。
附图简要说明
图1所示为喷淋头电极总成的截面图，所述喷淋头电极总成形成用于蚀刻基板的电容耦合等离子反应室中的带有保护环的上电极。
图2A所示为典型凸轮锁的三维视图，所述凸轮锁用于夹持图1中所示的反应室中的外电极。
图2B所示为图2A中的典型凸轮锁电极夹的截面图。
图3所示为用于图2A和2B中的凸轮锁夹中的典型柱头螺栓侧视图和装配图。
图4A所示为用于图2A和2B中的凸轮锁夹中的典型凸轮杆的侧视图和装配图。
图4B所示为图4A中的凸轮杆的一部分的典型刀具路径边界(cutter-path edge)的截面图。
图5A所示为带有机械夹持在垫板上的内电极和外电极的喷淋头电极总成的截面图，图5B所示为该喷淋头电极在另一个位置上的截面图，图5C为图5B的局部放大图。
图6A-D图示了所述内电极的细节。
图7A-G图示了所述外电极的细节。
图8A-D图示了夹持所述内电极的夹持环的细节。
图9A-F图示了带有热膨胀区域的夹持环的细节。
图10A-C图示了垫板的细节。
具体实施方式
集成电路芯片的生产通常开始于高纯度单晶半导体材料基板(如硅或锗)的抛光薄片，称为“晶圆”。每个晶圆经过一系列的物理和化学加工工序，所述加工工序在所述晶圆上形成各种电路结构。在生产过程中，可采用各种技术在所述晶圆上沉积各种薄膜，所述技术例如热氧化技术以产生二氧化硅膜，化学雾化沉积技术以产生硅、二氧化硅、氮化硅膜，以及喷溅或其他几乎以产生其他金属膜。
在半导体晶圆上沉积一层膜后，使用一种称为“掺杂”的工艺将晶圆中的选定的杂质替换为半导体晶格，以产生半导体的独特电特性。经掺杂的硅晶圆随后可均匀涂敷光敏或辐射敏感材料的薄层，所述材料称“抗蚀剂(resist)”。随后可使用一种称为光刻的技术将限定电路中电子通路的小几何图案转印到所述抗蚀剂上。在光刻工序中，所述集成电路图案可被画在称为“掩模”的玻璃板上，然后所述集成电路图案被光学还原、投射并转印到光敏涂层上。
所述平面印刷的抗蚀剂图案随后通过一种称为蚀刻的技术转印到下方的半导体材料晶体表面上。通常使用真空处理室进行蚀刻并在所述基板上化学雾化沉积(CVD)材料，上述工序通过向所述真空处理室中供应蚀刻或沉积气体，并向所述气体施加一射频(RF)场激励所述气体进入等离子体状态实现。
反应离子蚀刻系统通常包含蚀刻室，所述蚀刻室中安装有上电极(或称阳极)和下电极(或称阴极)。所述阴极具有相对所述阳极和容器壁的负向偏压。拟蚀刻的晶圆覆盖合适的掩模并被直接放置于所述阴极上。化学反应气(例如CF4、CHF3、CClF3、HBr、Cl2、SF6或其混合物)与O2、N2、He或Ar被导入所述蚀刻室中，并保持其压强，所述压强通常在毫托范围内。所述上电极设有气孔，使气体通过所述电极均匀扩散到所述室中。在所述正极和所述负极之间建立的电场使所述反应气体离解形成等离子体。通过晶圆与活性离子的化学作用和所述离子碰撞所述晶圆的表面引起的动量交换蚀刻所述晶圆表面。所述电极产生的所述电场会将所述离子吸引向所述负极，从而使所述离子碰撞所述表面的方向几乎都呈垂直方向，由此该工序产生轮廓分明的垂直蚀刻侧壁面。所述蚀刻反应电极的生产可使用机械方法和/或导热胶连结两个或更多的不同部件，由此实现功能多样性。
图1所示为用于蚀刻基板的等离子体加工系统的喷淋头电极总成100的部分截面图。如图1所示，所述喷淋头电极总成100包括上电极110，垫板140和保护环170。所述喷淋头电极总成100还包括环绕在上电极110和垫板140外周的等离子体限制总成(或称晶圆区域等离子体(WAP)总成)180。
总成100还包括热控部件102，以及在其中带有液体流道并构成所述室的温度控制壁的上板104。上电极110优选包含内电极120和外电极130。内电极120优选为圆柱状板并可由导电高纯度材料制成，如单晶硅、多晶硅、碳化硅或其他合适的材料。如下文所述，垫板140通过机械紧固件被机械锁定在内电极120和外电极130上。保护环170包绕垫板140并且(如下文所述)开有通往凸轮锁部件的开口。
如图1所示的喷淋头电极总成100通常与静电卡盘(未图示)共同使用，所述静电卡盘带有一平整的下电极，晶圆被支撑在所述下电极上，位于上电极110下方间隔1-2cm。这样的等离子体加工系统的一个实例是平行板式反应器，例如加州Fremont的朗姆研究公司制造的ExelanTM电介质蚀刻系统。这样的夹持配置通过提供背面氦气(He)压力控制所述晶圆与所述卡盘之间的热交换率，由此提供晶圆的温度控制。
上电极110是消耗件，需要定期更换。为了向所述晶圆与所述上电极之间的间隙供应加工气体，上电极110带有气体释放通道106，所述排气通道的尺寸和分布适应于加工气体的供气，所述加工气体被所述电极激励并在反应区域内上电极110下方形成等离子体。
喷淋头电极总成100还包括环绕在上电极110和垫板140外周的等离子体限制总成(或称晶圆区域等离子体(WAP)总成)180。等离子体限制总成180优选包括一堆或多个彼此间隔开的石英环190，所述石英环环绕在上电极110和垫板140的外周。在加工过程中，等离子体限制总成180在反应区域中形成压力梯度，并增加反应室壁面与等离子体之间的电阻，从而将所述等离子体限制在上电极110和所述下电极(未图示)之间。
在使用过程中，限制环190将所述等离子体限制在所述室容积内，并控制所述反应室内的等离子体的压力。将所述等离子体限制在反应室内的功能决定于许多因素，包括限制环190之间的间距、反应室内限制环外和等离子体内的压力、气体的种类和流量、也包括射频能量的等级和频率。如果限制环190之间的间距很小能够更容易地实现对所述等离子体的限制。通常为了实现所述限制需要0.15英寸或更小的间距。但是，限制环190之间的间距还会决定所述等离子体的压力，需要将所述间距调整到所述压力能够在维持等离子体的同时，达到最佳加工性能。由气源供应的加工气体通过上板104中的一个或多个通道被供应到电极110，上板104允许加工气体被供应到所述晶圆上方的单个或多个区域。
内电极120优选由中心(未图示)到外边界具有均匀厚度的平盘/板状。内电极120的直径可小于、等于或大于拟加工的晶圆直径，例如若所述板由单晶硅制成的话不超过300mm，这是用于300mm晶圆的现有单晶硅材料的直径。为加工300mm晶圆，外电极130被相应调整将上电极110的直径由约15英寸扩大到约17英寸。外电极130可以是一个连续部件(如，环状的单晶硅、多晶硅、碳化硅或其他合适材料)或分段部件(如2-6个单独部分拼成的环，如单晶硅、多晶硅、碳化硅或其他合适材料的部分)。内电极120优选包括多个气体通道106，以将加工气体射入等离子体反应室内上电极110下方的空间。
内电极120和外电极130的等离子体暴露面优选单晶硅材料。高纯度单晶硅由于其向反应室中导入了最小量的非必须元素，因而在等离子体加工中能够使基板的污染最小化，并且其在等离子体加工中平滑磨损，因而能够使颗粒最少化。可用于上电极110的等离子体暴露面的替代材料(包括材料混合物)包括例如SiC，SiN和AlN。
在配置中，喷淋头电极总成110的尺寸足够大，可加工大基板，例如直径为300mm的半导体晶圆。对300mm晶圆，上电极110的直径至少为300mm。但是加工其他尺寸的晶圆时，可采用不同尺寸的喷淋头电极总成100。
制作垫板140的优选材料应当针对加工气体具有化学耐性，所述加工气体用于在等离子体处理室中加工半导体基板；具有与电极材料接近的导热系数；和/或具有导电性及导热性。可用于制造垫板140的优选材料包括，但不限于，石墨、SiC、铝(Al)、或其他合适的材料。
内电极120和外电极130可机械紧靠在垫板140上，而不在所述电极和所述垫板之间使用任何粘性胶连接，即不使用导热和导电的弹性连接材料将所述电极黏连在所述垫板上。
垫板140优选采用合适的机械紧固件紧靠在热控部件102上，所述机械紧固件可以是螺纹栓、螺钉或类似物。例如，可将螺栓(未图示)插入热控部件102的孔内，并转入垫板140上的螺纹开口内。热控部件102包括弯曲部分184，所述热控部件优选由机加工金属材料制造，例如铝、铝合金或类似材料。上温控板104优选由铝或铝合金制造。等离子体限制总成(或称晶圆区域等离子体总成(WAP))180位于喷淋头电极总成100外部。包括多个垂直可调等离子体限制环190的合适的等离子体限制总成180在专利号：5534751的共同所有美国专利中被披露，该专利被全文引述在此作为参考。
如2008年3月14日提交的专利申请号No.61/036862的共同转让美国专利所描述的，所述外电极可通过凸轮锁结构机械连接到所述垫板上，该专利的披露内容被引述在此作为参考。图2A所示为典型凸轮锁电夹盘的三维视图，包括电极201和垫板203的一部分。所述电夹盘能够快速、清洁并准确地将可消耗电极201紧靠在垫板上，所述垫板位于各种生产相关的工具中，例如如图1所示的等离子体蚀刻室。电极201可由各种材料构成，包括，但不限于，硅(Si)、碳化硅(SiC)或多晶所述垫板通常由铝或其他合适材料构成。
所述凸轮锁夹盘包括安装在插孔(socket)213中的柱头螺栓(锁销)205。所述柱头螺栓可由弹簧盘堆栈(disc spring stack)215包绕，例如不锈钢Belleville垫圈。柱头螺栓205与弹簧盘堆栈215可通过使用粘性胶或机械紧固件压入或扣入插孔213中。柱头螺栓205与弹簧盘堆栈215的排布方式使电极201与垫板203之间可能发生限量的侧向运动。限制侧向移动的量使电极201与垫板203之间形成紧密的连接，由此保证良好的热接触，同时为补偿两部件的热膨胀差异提供了移动空间。关于受限侧向移动特征的其他细节将在下文中进行更详细的讨论。
在一个特定典型实施方式中，插孔213由轴承级Torlon生产。作为替代方式，插孔213可由具有某些机械特性的其他材料生产，所述机械特性例如高强度和抗压性、抗蠕变性、尺寸稳定性、抗辐射和化学物质耐受性。多种材料，例如聚酰胺、聚酰亚胺、乙缩醛和极高分子量的聚乙烯材料，均可适用。无需采用高温特种塑料和其他相关材料形成插孔213，因为使用(例如蚀刻室)中所遇到的典型最高温度为230℃。通常，典型的工作温度更靠近130℃。
电极凸轮锁夹的其他部分包括凸轮杆207，所述凸轮杆两端被一对凸轮杆轴承209包绕。凸轮杆207及凸轮杆轴承总成安装在垫板孔211中，所述垫板孔通过机加工在垫板203上形成。在为300mm半导体晶圆设计的蚀刻室的典型应用中，可在电极201/垫板203的结合体的周边间隔排布八个或更多的电极夹。
凸轮杆轴承209可使用多种材料机加工而成，包括Torlon、Vespel、Celcon、Delrin、Teflon、Arlon或其他具有低摩擦系数和低颗粒脱落特性的材料例如含氟聚合物，乙缩醛，聚酰胺，聚酰亚胺，聚四氟乙烯，聚醚醚酮(PEEK)。柱头螺栓205与凸轮杆207可使用不锈钢进行机加工(如316，316L，17-7等)或任何其他提供高强度和抗腐蚀性的材料。
现在参见图2B，所述电极凸轮夹的截面图进一步示例了凸轮夹拉动电极201紧靠垫板203的工作。柱头螺栓205/弹簧盘堆栈215/插孔213的总成被安装在电极201中。如图所示，可转动该总成，将插孔213的外螺纹转入电极201的螺纹销座中。但是，所述插孔也可采用粘性胶或其他形式的机械紧固件安装。
在图3中，柱头螺栓205的正视图和装配图300提供了凸轮锁电夹盘的典型设计的附加细节，所述柱头螺栓有放大的头部、弹簧盘堆栈215和插孔213。在一个特定典型实施方式中，柱头螺栓/弹簧盘总成301被压入插孔213内。插孔213有外螺纹和六角头部件，允许电极201(参见图2A，2B)能够以小转矩(例如，在一个特定典型实施方式中，约20英寸-磅)容易地插入。如前所述，插孔213可由多种塑料机加工生产。使用塑料能够使颗粒的产生最小化，并且在将插孔213装入电极201上的匹配销座时不发生磨损。
柱头螺栓/插孔总成303图示了插孔213上部的内径大于柱头螺栓205中部的外径。这两部分之间的直径差异允许组装电极夹中发生受限的侧向移动，如前所述。柱头螺栓/弹簧盘总成301与插孔213之间在插孔213底部保持刚性接触，同时所述直径差异允许发生一定的侧向移动。(也可见图2B。)
参考图4A，凸轮杆207和凸轮杆轴承209的分解图400还显示了键销401。有键销401的凸轮杆207的端部首先被插入垫板孔211(见图2B)中。在垫板孔211远端的一对小匹配孔(未图示)使凸轮杆207能够在垫板孔211中合适地定位。凸轮杆207的侧面立视图420清晰的显示了六角开孔403在凸轮杆207一端的可能位置，和键销401在另一端的可能位置。
例如，继续参考图4A和2B，电极凸轮夹通过将凸轮杆207插入垫板孔211中组装起来。键销401通过与所述一对小匹配孔之一相接，限制凸轮杆207在垫板孔211中的旋转移动。尽管使用了六角形开口403，所述凸轮杆可首先向一个方向旋转(例如逆时针方向)使柱头螺栓205能够进入凸轮杆207，然后顺时针方向旋转至完全啮合，并锁定柱头螺栓205。将电极201固定在垫板203上所需的夹持力，通过将弹簧盘堆栈215压缩超过其自由堆积高度提供。凸轮杆207上有内切偏心孔，与柱头螺栓205的放大的头部相啮合。当弹簧盘堆栈215被压缩时，所述夹持力被转移到弹簧盘堆栈的各个单独的弹簧盘，至插孔213并经过电极201传递到垫板203。
在一个典型的实施模式中，一旦所述凸轮杆轴承被安装到凸轮杆207上并插入垫板孔211中，凸轮杆207被逆时针旋转至其最大旋转路径。随后柱头螺栓/插孔总成303(图3)以小力矩旋转进入电极201中。随后柱头螺栓205头部插入水平延伸的垫板孔211下方的垂直延伸通孔。电极201紧靠垫板203放置，凸轮杆207顺时针旋转直到所述键销进入所述两个小匹配孔中的第二个(未图示)或者听到一可听到的“咔哒”声(下文详细讨论)。该典型的实施模式可逆向操作，将电极201从垫板203中拆卸下来。
参考图4B，图4A中的凸轮杆207的侧面立视图402中A-A截面的截面图显示了将柱头螺栓205的头部充分锁定的刀具路径边界440。在一特定典型实施方式中，选择两个半径R1、R2使柱头螺栓205的头部，当柱头螺栓205被充分锁定时，如前所述，发出一声可听到的咔哒声。
图5A所示为用于电容耦合等离子体室的上电极总成500，所述电容耦合等离子体室具有下述特征：(a)凸轮锁定的非连结的外电极502；(b)夹持的非连结的内电极504；(c)垫板506；以及(d)保护环508，所述保护环允许将所述外电极固定在垫板506上的凸轮锁穿过。图5B所示为该电极总成在另一个位置上的截面图；图5C为图5B的部分放大图，其中显示了用于从所述垫板拆卸所述内电极的螺旋顶(jackscrew)的细节。
电极总成500包括热控板510，所述热控板从所述室外侧通过螺栓连接到所述室的温度控制上壁面512。所述外电极以可拆卸的方式通过凸轮锁514连接到垫板上，参考图2-4如前所述。所述内电极通过一夹持环516夹持到所述热控板上。所述夹持环包括一系列的孔，所述孔容纳转入螺纹开口的紧固件(例如螺栓、螺钉)，所述螺纹开口位于垫板506的下表面。为避免所述夹持环与所述内电极外边界的台阶发生接触，硬质材料(例如硬聚酰亚胺材料，如CIRLEX)的压缩环518被压缩在所述内电极和所述夹持环相对表面之间的空间内。
在优选实施方式中，电极总成500的外电极502可通过下述步骤拆卸：(a)旋转保护环508至第一位置，使所述保护环上的四个孔对准四个凸轮锁514，所述凸轮锁在所述垫板的外围间隔分布；(b)将扳手插入并穿过所述保护环上的每个孔中，并旋转每个凸轮锁，松弛每个凸轮锁的垂直延伸的锁销；(c)将所述保护环旋转90度至第二位置，使所述保护环上四个孔对准另四个凸轮锁；(d)将扳手插入并穿过所述保护环上的每个孔中，并旋转每个凸轮锁，松弛每个凸轮锁的垂直延伸的锁销；由此可放低外电极502并将其从等离子室中取出。
图5A还显示了凸轮锁装置之一的截面图，其中可旋转凸轮锁514位于在垫板506的外围部分中延伸的水平延伸孔560中。圆柱状的凸轮锁514可通过工具(例如扳手)旋转至锁定位置，在该锁定位置上锁销562的放大端与凸轮锁514的凸轮面啮合，所述凸轮锁拉举所述锁销的所述放大端；或者可旋转至释放位置，在释放该位置上锁销562与凸轮锁514不啮合。所述垫板包括垂直延伸孔，所述锁销插入并穿过该垂直延伸孔与所述凸轮锁啮合。
图5B图示了所述电极总成的截面图，所述截面位于通过螺旋顶570和插入拴571的位置，所述插入拴进入保护环508上的入孔574中，并转入所述垫板上的螺纹孔中，以防所述保护环发生转动。优选地，间隔120度配置三个合适材料(例如不锈钢)的螺旋顶570以便拆卸所述内电极。插入拴571优选聚合物或陶瓷螺钉，将其转入垫板506的螺纹开口中。所述外电极的外部阶梯与所述保护环上的匹配阶梯相接，并在垫板506的外围与保护环508的内边界之间保持环形空隙575。螺旋顶570包括上螺纹杆570a，所述上螺纹杆进入垫板506上的螺纹开口中；下杆570b，所述下杆带有键孔570c以便于工具(例如扳手)啮合；环形法兰570d，所述环形法兰位于上、下杆之间。聚合物环572，例如CIRCLEX环，承受垫板506与每个法兰570d的相对表面之间的压力；聚合物垫圈573，例如TEFLON环，承受每个法兰570d的下表面与内电极504、夹持环516之间的相对表面之间的压力。在优选实施方式中，聚合物环572约0.031英寸厚、0.5英寸宽，带有12个供紧固件(用于将所述夹持环固定在垫板上)穿过的孔和3个供所述螺旋顶的杆570a穿过的孔。垫板506包括部分在内电极外边界下方延伸的开口，每个孔的深度足以容纳单独的法兰570和垫圈573。聚合物环572被容纳在所述垫板的环形槽内。在将所述内电极从所述垫板上拆卸的过程中，扳手旋转的方向使法兰570向所述内电极的上表面移动，由此克服由热交换环、O型环或类似中间插入物引起的可能的所述内电极和所述垫板之间的黏附。
图6A-D图示了内电极504的细节。内电极504优选高纯度(杂质少于10ppm)、低电阻(0.005至0.02欧-厘米)的单晶硅板，其带有在上表面(安装面)522的定位销孔(alignment pin hole)520，所述定位销孔容纳聚合物材料(例如TORLON5030)的定位销524；并带有在外边界526上的阶梯，所述阶梯与夹持环516、外电极502的内边界紧密配合。具有合适直径和/或构造(例如，直径0.017英寸的孔)的气孔528由所述上表面延伸到所述下表面(等离子体暴露面)530，且可依照任何合适的图案分布。在所示的实施方式中，所述气孔沿周向排布为13排，在距离电极中心点0.25英寸的第一排有4个气孔，在距离电极中心点0.7英寸的第二排有10个气孔，在距离电极中心点1.25英寸的第三排有20个气孔，在距离电极中心点1.95英寸的第四排有26个气孔，在距离电极中心点2.3英寸的第五排有30个气孔，在距离电极中心点2.7英寸的第六排有36个气孔，在距离电极中心点3.05英寸的第七排有40个气孔，在距离电极中心点3.75英寸的第八排有52个气孔，在距离电极中心点4.1英寸的第九排有58个气孔，在距离电极中心点4.5英寸的第十排有62个气孔，在距离电极中心点5.2英寸的第十一排有70个气孔，在距离电极中心点5.45英寸的第十二排有74个气孔，在距离电极中心点5.75英寸的第十三排有80个气孔。
所述电极的所述上表面包括6个定位销孔520，其中3个销孔在中心点附近，3个销孔在所述电极的外边界附近。所述销孔的直径可为约0.116英寸。所述3个中心附近的销孔径向分布，并包括一个在所述内电极中心点的约0.160英寸深的销孔，和两个距离所述内电极中心点约1.6英寸(在所述气孔的第三排和第四排之间)的约0.200英寸深的销孔。所述外边界附近的销孔约0.100英寸深，并包括一个与所述中心附近的销孔径向对齐的销孔，该销孔距离中心点的销孔约6英寸；和与第一个外边界附近的销孔偏移97.5°和170°的另两个销孔，所述另两个销孔距离中心点销孔的距离与第一个外边界附近的销孔相等，所述两个销孔之间偏移92.5°。
所述外部阶梯包括机加工至所述硅板上的内部台阶532和外部台阶534，由此完全围绕所述硅板周围延伸。在一个优选实施方式中，所述硅板厚度约0.400英寸、外径约12.560英寸，所述内部台阶532内径约12.004英寸、外径12.135英寸并向等离子体暴露面530中延伸约0.13英寸，外部台阶534内径约12.135英寸、外径12.560英寸，并向等离子体暴露面530中延伸约0.24英寸。内部台阶532有约0.13英寸长的纵向表面532a和约0.065英寸长的横向表面532b，外部台阶534有0.11英寸长的纵向表面534a和约0.218英寸长的横向表面534b。
图6A显示了内电极504的等离子体暴露面530及其带有的13排气孔的正视图。图6B显示了上表面522及其带有的13排气孔和6个销孔520的正视图。图6C显示了最靠近等离子体暴露面的内部台阶和最靠近所述内电极的所述上表面的外部台阶的侧视图。图6D为图6C中细节D的放大图，显示了带有6个圆角的内部和外部阶梯，所述圆角分别位于上表面522的外缘、下表面530的外缘、水平和垂直表面(532a、532b、534a、534b)与彼此之间以及其与上下表面之间的夹角处(例如以0.025的半径导圆角)。
外电极502包括外部台阶536(支撑保护环508)、内部台阶538(覆盖所述夹持环和所述内电极的内部台阶)、上表面(即安装面)540(与垫板506的下表面相啮合)、下表面(即等离子体暴露面)542(包括内锥面544、水平表面546、外锥面548和8个位于上表面540的安装所述锁销的销座550)。
图7A-G显示了所述外电极的不同视图。图7A显示了外电极502的等离子体暴露面542的俯视平面图，图7B显示了所述外电极的侧视图。所述外电极是圆环，所述圆环带有内/外锥面544、548以及在其之间形成等离子体暴露面542的水平表面546。所述外电极优选高纯度低电阻的单晶硅或高纯度多晶硅单片。作为替代方式，所述外电极可由高纯度单晶硅或多晶硅散片拼接而成。图7C显示了通过整个外电极的截面图，图7D显示了图7C中细节D的局部放大图。在优选实施方式中，所述外电极外径约17英寸、内径约12.024英寸。水平表面546由其约12.552英寸的内径径向延伸1.709英寸，至其约15.97英寸的外径。所述外电极的所述上表面包括内部台阶538和外部台阶536，以及在内外部台阶之间延伸的平面环形水平安装面552。安装面552内径约13.665英寸，外径约16.752英寸。图7C显示了8个安装锁销的销座550中的两个。
图7D图示了内、外锥面544、548和外电极502上的内部、外部阶梯536、538的优选实施方式的细节，其中所述锥面形成与水平等离子体暴露面546的20到40°的夹角。更优选地，内锥面544的形成的夹角为34.3°，外锥面548形成的夹角为24.9°。内部台阶538包括高约0.145英寸的纵向表面538a，和径向延伸约0.825英寸的横向表面538b。外部台阶536约0.076英寸的纵向表面536a，和径向延伸约0.124英寸的横向表面536b。内部台阶538与内锥面548之间的内纵向表面538c的高度约0.115英寸。外部台阶536和外锥面544之间的外纵向表面536c的高度约0.125英寸。安装锁销的销座550深约0.325英寸，所述外电极的整个厚度约0.440英寸。所述销座可为宽0.5英寸的螺纹孔，用于安装锁销的螺纹安装基底(图2-3中所示的插孔213)。所述销座的开口处可包括一个锥角，而所述销座的底部可包括无螺纹的螺纹隙段(thread relief section)，其最大长度为0.040英寸。所述内部/外部阶梯和内/外锥面的所有夹角均导圆角(例如以0.025的半径导圆角)。
图7E为外电极502的上表面540的俯视图，其中8个安装锁销的8个销座550的位置为所述锁销的中心点与彼此间隔15.244英寸。还图示了一组37个孔552(与真空压强感应装置，例如压力计，相通)，所述孔直径约0.025英寸、排列成7排、间隔0.07英寸，在安装面540上的部分排列成六边形形状，所述安装面沿约0.480英寸的半径略微延伸至所述内部台阶以内。三个定位销孔554半径约0.016英寸、深0.200英寸、在所述安装面的外周附近间隔120°布置。图7F是显示外电极502的所述上表面的立体图，图7G是显示外电极502的所述下表面的立体图。
夹持环516用螺栓固定到垫板506上，并紧压高硬度的聚合物压缩环518。聚合物环518紧压内电极504的外部台阶534和贴合在夹持环516上的外电极502的内部台阶538，所述外电极与所述内电极的内部台阶534贴合，所述外电极带有内锥面544，所述内锥面由内电极504的平面暴露面开始延伸。由于8个锁销施加的夹持力，所述外电极的安装面540紧靠垫板506的上的相对面，所述锁销通过所述垫板内的8个凸轮锁固定。保护环508覆盖垫板506的安装孔，所述保护环上的通孔524填入可移除的插入物571，所述插入物由抗等离子体聚合材料制成，例如Torlon、Vespel、Celcon、Delrin、Teflon、Arlon或其他具有低摩擦系数和低颗粒脱落的材料，例如含氟聚合物、乙缩醛、聚酰胺、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚醚醚酮(PEEK)。
参考图5，垫板506和内电极504之间的电接触通过一个或多个热交界材料(TIM)和/或Q-垫556实现，所述TIM和/或Q-垫位于所述内电极的外围及所述中心定位销和外部Q垫之间的一个或多个位置。这样的TIM可以是带有导电材料的聚合物层压环，例如Geltec交界材料COH-4000、COH-2003、RE-10、COH-1002、DP-100、DP-200或DP-300，其使用的厚度可以是0.5mm、1.0mm、2.0mm或3.0mm，优选厚度0.012或0.02英寸和0.31英寸。例如TIM环或Q-垫可位于距离所述内电极中心2英寸和6英寸的位置。为了提供不同的加工气混合物和/或流量，可在中心定位销和外部Q-垫之间配置一种或多种可选气体分隔密封物。例如可在内电极504和垫板506之间配置一个O型环，其位置在内部和外部Q-垫之间，由此将内部气体分布区域与外部气体分布区域区分开来。O型环558位于内电极504和垫板506之间，沿所述外部Q-垫的内周布置，可实现所述内电极和垫板之间的气体和颗粒密封。
图8A-D图示了夹持环516的细节，所述夹持环厚0.419英寸、外径约13.575英寸、内径约12.590英寸、法兰由内径开始延伸约0.212英寸。夹持环516包括径向向内延伸的法兰564，所述法兰与内电极504的外部台阶534紧密配合。12个阶梯孔566穿过所述夹持环的上、下表面，容纳紧固件，例如螺钉、螺栓或其他合适的机械紧固件，所述紧固件转入垫板506上的螺纹开口内。法兰564和内电极504的相对面之间的压缩环518保护内电极免受由于铝垫板在紧固螺钉过程中的破裂导致的磨损。所述环优选0.031英寸厚、0.071英寸宽的矩形截面的CIRLEX。法兰564可包括容纳压缩环518的矩形槽。例如，所述槽可具有0.10英寸的宽度和0.01英寸的厚度。
图8A为夹持环516的侧视图，图8B是显示均匀分布的孔566的仰视图。图8C是所述夹持环在细节C位置的截面图，图8D是图8B中细节D的所述夹持环平面图。由8B和8D可见，阶梯孔566的较大部分为多边形，可防止多边形锁定垫圈的旋转，所述多边形锁定垫圈在面对螺钉头的面上带有锯齿以防在喷淋头电极总成的温度循环中螺钉发生松动。所述夹持环可包括开口568，以容纳由垫板506延伸出的螺旋顶570的下杆。所述螺旋顶的法兰容纳在所述夹持环的反面的凹处内。由此，在内电极的安装过程中，所述螺旋顶有助于将所述夹持环对准垫板。如前文所解释的，考虑到拆卸，可采用三个均匀间隔的螺旋顶将所述内电极从垫板506上拆除。
如前文所解释的，夹持环516可包括锁定垫圈，以防将夹持环固定在垫板上的紧固件由于热膨胀与收缩的差异发生松动。例如，锁定垫圈包括上、下两半的垫圈，一端具有径向槽，另一端具有一系列倾斜台阶，所述锁定垫圈被用于具有相对的倾斜表面的螺钉，以保持开槽的上、下表面在螺栓紧固过程中保持平行。在所述室对单独晶圆的一系列加工中，热膨胀与收缩的差异可引起紧固件(例如螺钉或螺栓)退出。所述夹持环为所述内电极提供适度夹持的时间至少需要达到500射频小时(在晶圆加工中在所述室中产生等离子体的时间)。假设每块晶圆的等离子体加工时间为300秒，500射频小时即可加工6000块晶圆。
为了抵消热膨胀的差异，夹持环516可被设计成吸收热载荷，这是由于利用了热膨胀区域577的膨胀，所述热膨胀区域在温度的循环中沿周向压缩以保持基本一致的夹持环直径。合适的夹持环设计在美国专利号：6200415的共同所有专利中被披露，该专利被全文引述在此作为参考。
图9A-F图示了另一个合适的夹持环设计，其中图9A是夹持环576的侧视图，图9B显示了图9A中的特征B的细节，图9C是所述夹持环的部分俯视图，显示了槽578形成的热膨胀区域577的特征，图9D是图9A中所示的环的俯视图，图9E显示了图9D中的细节E，图9F显示了图9D中的细节F。
如图9A所示，夹持环576可包括径向延伸槽578形式的热膨胀区域577。优选地，槽578配置为多个组，带有由所述夹持环的内周或外周延伸邻近槽。例如每组槽可包括两个或更多的槽，所述槽形成U型扩张/收缩区域577(例如，3个槽形成一个U型区域，5个槽形成两个U型区域)。在5个槽的实施方式中，3个槽578a由外周576a开始向内延伸，两个槽578b由内周576b开始向外延伸，向外延伸的槽位于向内延伸的槽之间。每个槽的末端可采取一个圆形端壁578c，位于内周/外周附近。例如，所述向内延伸的槽其延伸长度可超过50％的夹持环宽度，由此所述圆形端壁的位置在距离内周1/2宽度以内。优选地，所述槽延伸超过75％，更优选地超过80％，最佳地超过90％的夹持环宽度。
为了加工300mm的晶圆，所述内电极具有宽度12到13英寸，所述夹持环直径略大，带有向内延伸的法兰580以啮合内电极504的外部台阶534。夹持环576可包括至少4组槽，优选至少8组槽，更优选16组槽，最佳地24组槽。在一个优选实施方式中，所述槽的宽度约0.03到0.1英寸，优选0.05到0.09英寸，最优选0.06到0.08英寸，所述圆形端壁直径大于所述槽的宽度。每个容纳夹持紧固件的阶梯孔582可位于每组槽之间；或者如果所使用的紧固件数量少于所述槽的组数，阶梯孔582可在每组槽之间间隔分布，或者以其他任何的所需方式排布。
为了防止紧固件的退出，紧固件的杆可包括锁定垫圈，例如上述的成对的两半的锁定垫圈。例如，可使用一个或多个锁定垫圈啮合所述紧固件头部的下表面，以防止所述紧固件在所述夹持环温度的循环变化中的转动，由于所述阶梯孔上较大部分区域的对应形状，所述锁定垫圈无法转动。
图10A-C图示了垫板506的细节，其中图10A是所述垫板的正面584的正视图，图10B是所述垫板下表面586的正视图，图10C是截面位置在两个凸轮锁的锁孔560的截面图。
垫板506的上表面584与热控板510上的三个环形凸出511(见图5A)在环形区域588内啮合，环形区域588包括螺纹开口，所述螺纹开口用于容纳延伸穿过热控板510并将其紧靠在所述垫板上的紧固件。额外的螺纹开口位于所述上表面的周边部分，以安装额外的紧固件。十三排孔590在上、下表面之间延伸，以便对准所述内电极上的所述气孔。孔590比内电极气体通道大，以在热膨胀的差异中保持对准。调节热膨胀的孔尺寸的细节在共同转让的美国专利，公布号2008/0141941和2008/0090417中被披露，其内容被引述在此作为参考。热交界垫优选插入在凸出511和区域588之间以强化热与电传导。为监控室的真空压强，将一组孔592布置在槽594内侧，所述孔与所述外电极上的孔522紧密配合，所述槽中安装气体密封件，例如O型圈。
下表面586包括环形区域596，在该环形区域中热交界材料(例如Q-垫)被插入所述垫板和所述内电极之间。用于安装气体密封件(O型圈)的凹槽598将气孔590分隔至中心区域和外部环形区域。确定定位销孔600的尺寸以容纳定位销，所述定位销由内、外电极向上延伸，距离中心销孔相对较远的定位孔被放大或加长以适应所述电极和所述垫板之间热膨胀或收缩的差异。所述下表面包括8个纵向延伸的阶梯孔602，所述阶梯孔容纳锁销562，所述锁销由外电极向上延伸。水平延伸孔604容纳前文所述的圆柱凸轮锁514。
尽管本发明参考特定的实施方式进行了细节的描述，但显然对本领域的技术人员而言，在所附的权利要求范围内可进行多种变化和调整，并可采用等价物替换。

Claims (16)

1.一种喷淋头电极总成，其中所述喷淋头电极总成构成电容耦合
等离子处理室的上电极，所述喷淋头电极总成包括：
垫板，所述垫板具有在其上、下表面之间延伸的气体通道；
夹持环，所述夹持环具有法兰和阶梯孔，所述法兰向内延伸，所述阶梯孔配置为容纳紧固件，所述紧固件与所述垫板的所述下表面中的螺纹开口相啮合；
内电极，所述内电极包括圆形板，所述圆形板具有位于该圆形板下表面的等离子体暴露面；位于该圆形板上表面的安装面；所述内电极包括在所述圆形板外周的台阶，所述台阶被配置为与所述夹持环的所述向内延伸的法兰配合；所述圆形板包括加工气体出口，该加工气体出口以与所述垫板上的所述气体通道相匹配的布局设置；
压缩环，所述压缩环位于所述夹持环的所述法兰和所述内电极的所述台阶的相对表面之间；以及
螺旋顶，所述螺旋顶安装在所述垫板的下表面，所述螺旋顶能被旋转以使该螺旋顶上的环形法兰向所述内电极的所述上表面移动，从而在所述内电极的拆卸过程中将所述内电极从所述垫板上分离。
2.如权利要求1所述的喷淋头电极总成，其中所述螺旋顶包括与所述垫板的所述下表面上的螺纹开口相啮合的上螺纹杆，和带有键槽以便与工具相啮合的下杆，所述工具旋转每一个所述螺旋顶；所述电极总成进一步包括上聚合物环和聚合物垫圈，所述上聚合物环带有容纳紧固件的开口和容纳所述上螺纹杆的开口，所述紧固件将所述夹持环固定在所述垫板上，所述聚合物环位于每个所述环形法兰和所述垫板的相对表面之间，所述聚合物垫圈环绕所述下杆并位于每个所述环形法兰和所述内电极的相对表面之间。
3.如权利要求1所述的喷淋头电极总成，其中所述夹持环包括热膨胀区域，以容纳所述夹持环的热膨胀。
4.如权利要求3所述的喷淋头电极总成，其中所述热膨胀区域包括由所述夹持环的外边界向内延伸的槽，以及由所述夹持环的内边界向外延伸的槽。
5.如权利要求4所述的喷淋头电极总成，其中所述由所述夹持环的外边界向内延伸的槽以及由所述夹持环的内边界向外延伸的槽被布置为交替的向内和向外的槽的组，每组槽包括两个由所述夹持环的所述内边界向外延伸的、且终点采取圆形端壁的槽和三个由所述夹持环的所述外边界向内延伸的、且终点采取圆形端壁的槽。
6.如权利要求1所述的喷淋头电极总成，进一步包括在所述垫板和所述内电极之间的热交界环和气体密封件，所述气体密封件位于所述气体通道和所述热交界环的外侧。
7.一种电容耦合等离子处理室的喷淋头电极总成，包括：
热控板，所述热控板由所述等离子处理室的温度控制壁支撑，所述热控板直径大于等离子处理室中拟加工的晶圆直径，并且包括在下表面上的至少一个集气室；
垫板，所述垫板由所述热控板支撑，所述垫板直径小于所述热控板直径，气体通道垂直延伸贯通所述垫板并与所述至少一个集气室相通，在孔内的可旋转的凸轮锁水平延伸进入所述垫板的外周；
保护环，所述保护环环绕所述垫板，所述保护环包括至少一个水平延伸通过所述保护环的通孔，所述保护环可环绕所述垫板旋转，以使所述通孔对准至少一个所述凸轮锁；
内电极，所述内电极具有垂直贯通延伸并与所述垫板内的所述气体通道流体相通的气体通道，所述内电极的外周包括内部台阶和外部台阶，所述外部台阶位于所述内部台阶和所述内电极的面对所述垫板的表面之间；
夹持环，所述夹持环具有覆盖在所述内电极的所述外部台阶上的内部法兰，在所述内部法兰和所述内电极的所述外部台阶之间可选择带有压缩环，所述夹持环包括垂直延伸的阶梯开口，所述阶梯开口对准所述垫板上的螺纹孔，所述阶梯开口内的紧固件将所述夹持环紧靠在所述垫板上；
外电极，所述外电极环绕所述内电极并包括垂直延伸的锁销，所述锁销与所述凸轮锁相啮合，所述外电极支撑所述保护环，并可通过将所述锁销从所述凸轮锁中松弛拆卸所述外电极；以及
螺旋顶，所述螺旋顶安装在所述垫板的下表面，所述螺旋顶能被旋转以使该螺旋顶上的环形法兰向所述内电极的上表面移动，从而在所述内电极的拆卸过程中将所述内电极从所述垫板上分离。
8.如权利要求7所述的电极总成，其中所述垫板包括垂直延伸孔和水平延伸孔，所述垂直延伸孔对准所述外电极上的所述锁销，所述水平延伸孔与所述垂直延伸孔相通，所述凸轮锁包括可旋转的凸轮杆，所述凸轮杆安装在所述水平延伸孔中，所述锁销包括在自由端带有放大头部的杆和位于插孔中的锁销基底，所述凸轮杆包括凸轮面，所述凸轮面与所述锁销的头部相啮合，以将所述外电极机械夹持在所述垫板上。
9.如权利要求8所述的电极总成，其中所述锁销可在所述插孔内垂直和水平移动，以容纳所述垫板和所述外电极在热膨胀中的差异。
10.如权利要求7所述的电极总成，其中所述夹持环包括热膨胀区域，以容纳所述夹持环的热膨胀。
11.如权利要求7所述的电极总成，其中所述内电极为单晶硅板，所述垫板为铝合金板。
12.如权利要求7所述的电极总成，其中所述热控板包括在其下表面的环形凸起，所述环形凸起限制与所述垫板上的所述气体通道相通的集气室，并且在所述内电极和所述垫板之间至少有两个热交界环。
13.如权利要求12所述的电极总成，进一步包括所述垫板和所述内电极之间的气体密封件，所述气体密封件位于所述气体通道和最靠外的热交界环外侧。
14.在具有上电极和下电极的电容耦合等离子室中处理半导体基板的方法，其中所述上电极包括如权利要求7所述的喷淋头电极总成，所述方法包括如下步骤：
将所述半导体基板支撑在所述下电极上；
向所述室中供应加工气体；
通过在所述上下电极之间提供射频能量激励所述加工气体进入等离子体状态；
利用所述等离子体加工所述半导体基板。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述半导体基板包括半导体晶圆，所述加工步骤包括利用所述等离子体蚀刻所述半导体晶圆。
16.如权利要求7所述的电极总成的拆卸方法，包括去除所述保护环的通孔内的插入物；旋转所述保护环至第一位置，使所述通孔对准第一组凸轮锁；旋转所述凸轮锁，拆除所述第一组凸轮锁固定的锁销；旋转所述保护环至第二位置，使所述通孔对准第二组凸轮锁；旋转所述第二组凸轮锁，拆除所述第二组凸轮锁固定的锁销，由此将所述外电极从所述垫板上拆除；并移除所述夹持环中的紧固件并由此将所述夹持环和所述内电极从所述垫板上拆除。
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