CN104040024B - 用于电感耦合等离子体室的旋转闭锁气体喷射器总成的窗和安装装置 - Google Patents

用于电感耦合等离子体室的旋转闭锁气体喷射器总成的窗和安装装置 Download PDF

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CN104040024B CN201280052695.7A CN201280052695A CN104040024B CN 104040024 B CN104040024 B CN 104040024B CN 201280052695 A CN201280052695 A CN 201280052695A CN 104040024 B CN104040024 B CN 104040024B
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Abstract

一种用于安装在电感耦合等离子体室的介电窗的中心孔中的改进型气体喷射器总成，所述气体喷射器总成包括窗，所述窗具有中心孔以及被配置为接收具有卡销开口的环形插件的圆柱形凹槽。气体喷射器总成包括气体喷射器、包围所述气体喷射器的射频防护屏以及包围所述射频防护屏的面板，所述面板在其底部包括凸起，用于接合所述环形插件中的卡销开口。所述窗和气体喷射器总成被设计成避免窗产生碎片，所述窗通常是由石英制成的并且在现有的安装装置中，所述窗中有机加工的卡销开口。由于石英材料的易碎性，因此在气体喷射器被插入机加工的卡销开口中时，机加工的卡销开口会产生碎片。

Description

用于电感耦合等离子体室的旋转闭锁气体喷射器总成的窗和安装装置
技术领域
本发明涉及用于处理半导体衬底的等离子体处理室的部件。
发明内容
根据一个实施例，提供了一种等离子体处理室的介电窗。所述窗形成电感耦合等离子体室的顶壁，半导体衬底在等离子体室中进行等离子体处理。等离子体是通过将处理气体激发成等离子体态而产生的。处理气体通过气体喷射器总成被供应到处理室中，所述气体喷射器总成包括气体喷射器、射频防护屏、面板以及安装在所述窗的中心孔中的环形插件。所述窗包括具有均匀厚度的盘，所述盘包括：在所述盘的下表面上的下真空密封表面，其被适配成对所述等离子体处理室的上表面进行密封；中心孔，其被配置为接收传输处理气体到所述等离子体处理室的中心的所述气体喷射器；以及所述上表面上的上凹槽，其包围所述中心孔并且被配置为接收用于在所述窗中安装所述气体喷射器总成的所述环形插件。
根据另一个实施例，所述插件是适于适配在所述介电窗的上凹槽中的环形插件。环形盘具有均匀的厚度并且被适配成接收在上凹槽中，所述盘具有圆柱形外壁、上表面、下表面以及在上表面与下表面之间延伸的卡销开口。
附图说明
图1示出了用于电感耦合等离子体反应室的可替换窗和气体喷射器总成。
图2A至图2C示出了用于等离子体反应室的可替换窗和气体喷射器总成的截面，其中图2A示出了连接到气体供应源的气体喷射器总成，图2B示出了没有连接气体供应源的气体喷射器总成，并且图2C示出了被保持在以螺栓连接在介电窗上的环形插件中的气体喷射器、射频防护屏和面板。
图3A至图3M示出了本文所述的石英窗的细节，其中图3A是窗的透视图，图3B是窗的仰视图；图3C是沿着图3B中的A-A线截取的窗的剖视图；图3D是沿着图3E中的C-C线截取的剖视图；图3E是窗的俯视图；图3F是沿着图3E的D-D线截取的剖视图；图3G是图3D中的细节H的视图，图3H是图3F的细节K的视图，图3I是图3B中的细节G的视图，图3J是沿着图3G的B-B线截取的视图，图3K是图3D中的细节J的视图，图3L是图3E中的细节L的视图，并且图3M是沿着图3L中的E-E线截取的剖视图。
图4A至图4C示出了气体喷射器的细节，其中图4A是喷射器的透视图，图4B是喷射器的俯视图，并且图4C是喷射器的侧视图。
图5A至图5C示出了具有卡销开口的环形插件的细节，其中图5A是插件的透视图，图5B是插件的俯视图，并且图5C是沿着图5B的A-A线截取的剖视图。
图6A至图6C示出了包围气体喷射器的射频防护屏的细节，其中图6A是射频防护屏的透视图，图6B是射频防护屏的俯视图，并且图6C是射频防护屏的侧视图。
图7A至图7D示出了包围射频防护屏并且通过旋转闭锁装置将气体喷射器安装在环形插件中的面板的细节，其中图7A是面板的一半的俯视图，图7B是面板的一半的外侧的透视图，图7C是面板的一半的内部的透视图，并且图7D是面板的一半的侧视图。
具体实施方式
现在将参照如附图所示的一些优选实施例来详细描述本发明。在以下描述中阐述了多个具体细节以便提供对本发明的完全理解。但是，本领域的技术人员应当认识到，在没有这些具体细节的某些或全部的情况下可以实施本发明。在其他情况下，没有详细描述熟知的过程步骤和/或结构，以便不会不必要地模糊本发明。本文中使用的术语“约”应当理解为所述数值以上或以下10％的数值。
本文所述是一种能够处理半导体衬底的等离子体反应室的可置换窗和气体喷射器总成。所述窗和气体喷射器总成被设计成避免窗产生碎片，所述窗通常是由石英制成的，并且在现有的安装装置中，所述窗内有机加工的卡销开口。由于石英材料的易碎性，因此，在气体喷射器被插入机加工的卡销开口中时，机加工的卡销开口会产生碎片。
可置换窗是由例如石英之类的介电材料制成的，并且形状为均匀厚度的盘状。上表面中的中心凹槽被配置为接收具有卡销开口的环形插件，并且窗中的中心孔接收气体喷射器以传输气体到处理室中，所述气体喷射器具有与窗的底面平齐或在其下方的末端。窗上方的感应线圈(未示出)激发处理气体成等离子体状态，用于处理衬底。例如，可以通过喷射器供应蚀刻气体用于等离子体蚀刻衬底。
气体喷射器可以包括一个或多个气体出口，坐靠在中心凹槽的底壁上的凸缘用O型环真空密封所述窗，所述O型环适配在凸缘底部的沟槽中。射频防护屏包围气体喷射器并且面板包围射频防护屏。面板是通过螺栓连接在一起包围射频防护屏的两个零件，并且面板包括凸起(凸耳)以接合插件中的卡销开口。
具有卡销开口的插件可以包括抗拉强度比石英更高的任何材料，例如，塑料。可替代地，具有卡销开口的插件可以是由陶瓷、金属、碳化硅、石墨等制成的。在优选实施例中，具有卡销开口的插件连接到窗上，使用螺栓旋入适配在窗的安装孔中的TORLON插件20a(参照图2C)中。但是，插件可以具有能够旋入窗的螺纹，或者插件可以粘结到窗上。
图1示出了中心安装有气体喷射器总成的窗15的细节。气体喷射器总成包括与具有卡销开口的插件17接合的面板19。气体喷射器总成连接到从供给线21a、21b接收处理气体的气体连接块21，并且延伸穿过窗的喷射器传输处理气体到处理室，用于处理半导体晶片。
图2A至图2C中示出了电感耦合等离子体室的可置换窗和气体喷射器总成的细节。这些零件包括石英窗15、气体喷射器16、通过螺栓20固定在窗上的环形插件17、射频防护屏18和面板19。如图2A所示，气体喷射器总成(气体喷射器16、射频防护屏18和面板19)连接到气体连接块21上。如此后所述，面板19包括以旋转闭锁方式与插件17的卡销开口接合的三个凸起。
图3A示出了窗15的细节，所述窗包括用于接收环形插件17的中心圆柱形凹槽15a以及用于接收螺栓20的3个螺纹孔或盲孔15b，所述螺栓20能够旋入窗中或者旋入安装在孔15中的螺纹插件以连接插件17到窗15。窗包括用于接收气体喷射器16的中心孔15c以及用于接收温度传感器的上表面15e内的至少一个盲孔15d。在底部外侧面15h内设有定时特征15f，并且细长沟槽15g位于外侧面15h内。
图3B是图3A所示的窗的仰视图，其中的一个区域表示细节G。窗的底面15i具有环形真空密封表面15j。窗优选地具有约20英寸的外径，并且真空密封表面从窗的外缘向内延伸约1英寸。定时特征15f由直径约为0.4英寸并且高度约为0.3英寸的凹槽形成。
图3C是沿着图3B的A-A线截取的窗的剖视图。窗优选地具有约1.75英寸的厚度，沟槽15g具有约0.6英寸的宽度，延伸窗的圆周的约八分之一，并且位于侧面15h的中间，圆柱形凹槽15a具有约3.4英寸的直径以及约0.5英寸的深度。
图3D是窗的剖视图，具有用于表示细节H和J的视图的区域；图3E是窗的俯视图，具有用于表示剖面线C-C和细节L的区域；并且图3F是窗的侧视图，具有用于表示细节K的区域。
图3G是细节H的视图，并且示出了在窗的外表面15g内的沟槽15g之一的剖视图。沟槽延伸到外表面15h的深度不均，使得深度在沟槽的中点最大。如图3C所示，沟槽具有与窗的上下表面平行的平面侧壁，并且侧壁通过圆滑的底壁连接。侧壁优选地间隔约0.6英寸并且圆滑的底壁的曲率半径约0.3英寸。圆滑的底壁沿着外表面15h在两个位置之间呈直线地延伸，使得沟槽在其中点具有约0.9英寸的最大深度。如图3E所示，在窗的相对侧上的沟槽的底壁彼此平行。如图3E所示，盲孔15d位于沟槽15g之一的中点的45°方向。图3H是细节K的视图并且示出了盲孔15d的相对尺寸，所述盲孔15d优选地具有约0.22英寸的直径，约1.2英寸的深度，以及延伸到上表面15e的直径约0.48英寸的锥形开口。
图3I是细节G的俯视图，并且示出了定时特征15f的相对尺寸。图3J是沿着图3I中的B-B线截取的侧视图。图3I示出了定时特征15f包括与窗的下表面平行的平面壁以及优选为半径约0.6英寸且深度约0.3英寸的弯曲侧壁。
图3K示出了圆柱形凹槽15a的相对尺寸，所述圆柱凹槽15a优选为直径约3.4英寸且深度约0.5英寸的环形凹槽。3个螺纹孔15b相距120°并且与中心孔15c的中心相距约1.25英寸。螺纹孔可以具有约0.4英寸的直径以及约0.5英寸的深度，并且可以是机加工1/4-32螺纹孔或者包含例如螺纹TORLON套筒之类的螺纹聚合物套筒以啮合螺栓20。中心孔15c优选地具有约1英寸的直径以及约1.25英寸的深度，中心孔的上下边缘以约0.06英寸的曲率半径圆滑过渡。圆柱形凹槽15a的底部优选地被抛光以提供真空密封表面，凹槽15a的上下边缘优选地以约0.02英寸的曲率半径圆滑过渡。定位盲孔15k位于与中心孔15c的中心相距约0.9英寸处，并且优选地具有约0.09英寸的直径以及约0.15英寸的深度。图3M是沿着图3L的E-E线截取的定位孔15k的放大图。
图4A示出了气体喷射器16的细节，所述气体喷射器16具有一组内部气体出口16a、一组外部气体出口16d以及凸缘16b，所述喷射器被配置为使得具有出口16a和16d的端部适配在窗15的中心孔15c中并且凸缘16b停靠在石英窗的圆柱形凹槽15a的底部上。
图4B是气体喷射器的仰视图，其示出了内部成组气体出口16a和外部成组气体出口16d的细节，内部和外部出口以可调的流速供应相同或不同的气体。气体喷射器16具有以六边形配置布置在气体喷射器16的末端上的19个内部气体出口16a，并且出口16a被定向成朝着正在处理的衬底轴向地喷射气体。八个外部出口16d被设置成绕着喷射器的侧边间隔45°并且朝着衬底以锥形路径喷射气体。喷射器的下端具有约1英寸的直径，并且凸缘具有定时特征16c。图4C示出了图4A所示的气体喷射器的侧视图的细节和尺寸。
图5A示出了具有三个开叉的卡销开口17c的环形插件17，卡销开口17c被固定窗15的圆柱形凹槽15a中。图5B示出了具有三个间隔120°的阶梯孔17a的环形插件17的俯视图。插件优选地具有约3.4英寸的外径以及约0.5英寸的厚度。阶梯孔17a优选地在其上部具有约0.3英寸的直径并且在其下部具有约0.2英寸的直径，三个阶梯孔都位于距离中心孔17c的中心约1.3英寸的半径上。阶梯孔17a接收螺栓，螺栓可以旋入窗的螺纹孔或者位于窗15的盲孔15b中的聚合物套管中。
环形插件17具有形成卡销开口的三个向内延伸的凸起17b。优选地，每个凸起在周向上延伸约58°并且相邻凸起之间的空间延伸约62°，由此凸起的中点间隔120°。凸起17b的内表面位于具有约2英寸的直径的圆上。凸起17b的高度约0.35英寸并且从直径约2.3英寸的卡销开口向内延伸约0.15英寸。
为了在窗中安装喷射器16，插件17可以通过使用螺栓将螺纹插件接合在盲孔15b中而被固定在窗的圆柱形凹槽15a中。然后，具有围绕的射频防护屏18和面板19的喷射器16被插入使得喷射器的下端延伸穿过中心孔15c，并且面板19转动使得面板19的下端上的三个向外延伸的凸缘19c接合在凸起17b与窗15的上表面之间的间隙中。
图6A是射频防护屏18的透视图，所述射频防护屏18包括方形上段18a、销钉18b、四个螺纹孔18c、O型环沟槽18d、四个螺纹孔18c、下圆柱段18e和中间圆柱段18f。四个螺纹孔18c接收将射频防护屏18连接到气体连接块21(参见图1)上的螺栓，所述气体连接块21具有用于供应内部气体出口16a和外部气体出口16d的两条气体管线21a、21b。O型环沟槽18d接收O型环以在气体连接块21与射频防护屏18之间提供气体密封。气体连接块21底部上的另一个O型环在喷射器16的顶部与气体连接块21之间提供气体密封。射频防护屏18的下圆柱段18e和中间圆柱段18f适配在喷射器16上使得销钉18b的上部与喷射器16的外表面上的沟槽接合，并且销钉18b的下部适配在定位销钉孔15k中。
图6B是射频防护屏18的俯视图，并且图6C是射频防护屏18的侧视图。射频防护屏18优选地是由例如铜或铝之类的金属制成的，任选地镀有例如银之类的金属。
图7A至图7D示出了面板19的细节。面板19包括绕着射频防护屏18通过螺栓连接在一起的两个半段，并且面板的底部包括用于将喷射器16、射频防护屏18和面板19固定在插件17中的旋转闭锁装置。
图7A至图7D示出了面板19的半段，这个半段在连接到另一个半段时形成圆柱形内区19a以及在其下端具有三个倾斜凸起19c的六边形外区19b。一个半段包括侧面19f上的螺纹孔19d，用于接收从另一个半段延伸的螺栓，从而将两个半段连接在一起。侧面19f还包括定位销钉孔19c，所述销钉孔接收从另一个半段延伸的定位销钉。
面板19的每个半段包括使四个外表面以120°相交的三个角19g。每个半段的底部包括适配在射频防护屏18的下圆柱段18e上的台阶19h。凸起19c之间的间隙19i的大小适于允许插件17的凸起17b沿着面板18的外侧滑动，并且当面板18的底部与窗15接合时，面板19可以被转动以移动凸起19c到凸起17b下方的间隙17c中。面板被转动直到凸起19c与凸起17b的下侧接合，并且每个凸起19c上方的三个纵肋19j提供凸起17b的内表面与面板19的外表面之间的摩擦配合。
图7D是半段之一的透视侧视图，示出了六边形外区19b和凸起19c之一，所述凸起优选地以约4°的角度倾斜，并且凸起19c的上方设有三个纵肋19i。
环形插件17、射频防护屏18和面板19在介电窗15中提供用于气体喷射器16的改进的安装系统。改进的安装系统克服了以下问题：具有用于安装喷射器的卡销开口的介电窗易于产生碎片并且由于窗材料的易碎性而受损。
具有卡销开口的环形插件适配在窗的圆柱形凹槽中并且通过使用螺栓将适配在孔中的螺纹插件接合在窗的凹槽中。可替代地，可以使用合适的粘结材料将插件粘结在窗上。当窗中机处理卡销开口时，例如石英等具有低抗拉强度的窗会产生碎片。当安装了气体喷射器总成时，由于窗上产生了点载荷，所以低抗拉强度的石英窗产生碎片。插件优选地是由抗拉强度比窗的抗拉强度高的材料制成的，优选地是由例如“ULTEM”等塑料制成的，但是任何其他合适的材料可以用于插件，其他合适的材料如，陶瓷、金属、碳化硅、石墨等。由非易碎材料构造成的插件会消除与以下问题有关的安装问题：当窗构件由低拉伸屈服强度的材料构造成时，窗构件产生碎片。
在最优选的安装配置中，带有凸缘(在其底部具有用于O型环的沟槽)的气体喷射器停靠在石英盘的凹槽中，并且使用凸缘的沟槽中的O型环将窗真空密封，以在气体喷射器与窗的开口之间提供密封，并且具有卡销开口的环形插件附接在石英窗上。在另一个实施例中，利用在气体喷射器上的凸缘与石英窗之间的一个或多个O型环，将气体喷射器安装在窗的开口中。气体喷射器的末端上的气体出口优选地位于窗的下方或者与窗的内表面平齐。利用卡销开口将具有三个凸起(凸耳)的面板插入插件中，并且凸耳被手动紧固以保持喷射器在合适位置。在一个优选的实施例中，射频防护屏包围气体喷射器并且面板包围射频防护屏。
气体喷射器优选地是由例如石英等介电材料制成的。可替代地，喷射器可以是由例如铝、不锈钢、氧化铝、氮化硅等其他材料制成的。气体出口可以具有期望的形状，例如，沿其整个长度的直径均匀的形状，或者其他形状，例如圆锥渐狭表面、圆锥展开表面或径向波浪形表面。气体出口可以被定向成在任意方向上喷出气体，包括径直地对着衬底并且/或者相对于衬底成锐角。在优选实施例中，19个轴向延伸的气体出口以六边形配置设置在气体喷射器的末端上，并且八个非轴向延伸的气体出口位于喷射器的外侧壁附近或其上。
通过插入插件的卡销开口中的面板，将气体喷射器夹持在合适位置。在最优选的实施例中，面板通过三个凸耳被手动紧固在插件上，由此面板能够以旋转闭锁的方式被插入插件的卡销开口中。面板的外表面可以具有六边形形状以允许将面板手动紧固在插件的卡销开口中。
已经公开了示例性实施例和最佳实施方式，在保持由以下权利要求书所限定的本发明的主题和精神内的同时，可以对公开的实施例进行修改和变化。

Claims (18)

1.一种等离子体处理室的介电窗，半导体衬底在所述等离子体处理室中进行等离子体处理并且包括气体喷射器、射频防护屏、面板和环形插件的喷射器总成安装在所述窗中以供应处理气体到所述等离子体处理室中，所述窗包括：
具有均匀厚度的盘，所述盘包括：在所述盘的下表面上的下真空密封表面，其被适配成对所述等离子体处理室的上表面进行密封；中心孔，其被配置为接收传输处理气体到所述等离子体处理室的中心的所述气体喷射器；以及所述上表面内的中心凹槽，其包围所述中心孔并且被配置为接收用于在所述窗中安装所述气体喷射器总成的所述环形插件。
2.如权利要求1所述的窗，其包括用于在所述上表面内接收温度传感器的盲孔以及所述下表面的外缘上的定时特征。
3.如权利要求1所述的窗，其包括在所述窗的外周上的四个周向延伸的沟槽，所述四个沟槽的中点间隔90°。
4.如权利要求3所述的窗，其中所述沟槽中的每一个具有直底壁和成对的直壁，两个所述沟槽的底壁彼此平行并且另外两个所述沟槽的底壁彼此平行。
5.如权利要求1所述的窗，其中所述中心凹槽由圆柱形侧壁和平面底壁限定，所述底壁包括三个垂直的安装孔，所述安装孔间隔120°并且位于所述中心孔与所述侧壁之间的中间。
6.如权利要求5所述的窗，其中所述平面底壁是真空密封表面并且包括定位孔，所述定位孔被配置为接收在所述射频防护屏的下端的定位销钉。
7.如权利要求1所述的窗，其中所述窗具有约20英寸的直径、约1.75英寸的厚度以及在所述下表面的外部上约1英寸宽的环形真空密封表面，所述中心凹槽具有约3.4英寸的直径以及约0.5英寸的深度，所述中心孔具有约1英寸的直径，其中术语“约”应当理解为所述数值以上或以下10％的数值。
8.如权利要求2所述的窗，其中所述盲孔具有约0.22英寸的直径、约1.2英寸的深度以及直径约0.48英寸的渐狭开口，其中术语“约”应当理解为所述数值以上或以下10％的数值。
9.如权利要求5所述的窗，其中所述安装孔与所述中心孔的中心间距约1.25英寸，所述安装孔中的每一个具有约0.4英寸的直径以及约0.5英寸的深度，其中术语“约”应当理解为所述数值以上或以下10％的数值。
10.如权利要求6所述的窗，其中所述定位孔与所述中心孔的中心相距约0.9英寸，具有约0.09英寸的直径以及约0.15英寸的深度，其中术语“约”应当理解为所述数值以上或以下10％的数值。
11.如权利要求4所述的窗，其中每个沟槽具有约0.6英寸的宽度，所述底壁以约0.3英寸的曲率半径圆滑过渡，并且所述沟槽在其中点的最大深度是0.9英寸，其中术语“约”应当理解为所述数值以上或以下10％的数值。
12.如权利要求2所述的窗，其中所述定时特征包括所述窗的外周内的凹形凹陷，其中所述凹陷具有约0.3英寸的深度并且由与所述下表面平行的平面以及延伸到所述外周并且具有约0.4英寸的曲率半径的弯曲侧壁限定，其中术语“约”应当理解为所述数值以上或以下10％的数值。
13.如权利要求1所述的窗，其中所述窗由石英组成。
14.一种环形插件，所述环形插件适于适配在等离子体处理室的介电窗的上表面内的圆柱形凹槽中，半导体衬底在所述等离子体处理室中进行等离子体处理并且其中包括气体喷射器、射频防护屏、面板和所述环形插件的喷射器总成安装在所述窗中以供应处理气体到所述等离子体处理室中，所述环形插件包括：
环形盘，所述环形盘具有均匀厚度并且被适配成被接收在所述窗的所述上表面的圆柱形凹槽中，所述盘具有圆柱形外壁、上表面、下表面以及在所述上表面与所述下表面之间延伸的卡销开口。
15.如权利要求14所述的插件，其中所述卡销开口包括三个向内延伸的凸起以及使所述凸起分隔开的三个间隙，所述凸起中的每一个延伸约58°并且所述间隙中的每一个延伸约62°，所述凸起具有约0.35英寸的厚度，其中术语“约”应当理解为所述数值以上或以下10％的数值。
16.如权利要求14所述的插件，其中所述盘具有约3.4英寸的直径以及约0.5英寸的厚度，其中术语“约”应当理解为所述数值以上或以下10％的数值。
17.如权利要求14所述的插件，其中所述上表面包括三个阶梯孔，所述阶梯孔间隔120°并且与所述卡销开口的中心相距约1.3英寸，所述孔中的每一个具有有约0.3英寸的直径的上部以及有约0.2英寸的直径的下部，其中术语“约”应当理解为所述数值以上或以下10％的数值。
18.如权利要求14所述的插件，其中所述插件由聚合材料组成。
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