CN105603390A - 具有主动冷却型格栅的气体分配装置 - Google Patents

具有主动冷却型格栅的气体分配装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及具有主动冷却型格栅的气体分配装置。用于衬底处理系统的格栅组件包括第一部分，该第一部分包括：第一主体，其限定中心开口；入口；出口；以及上歧管，其位于第一主体中，并且，与入口或出口流体连通。第二部分布置成与第一部分相邻，并且，包括限定中心开口的第二主体。多个管布置于第二主体的中心开口中。多个管中的第一管与上歧管流体连通。下歧管位于第二主体中，并且，与入口或出口中的另一个流体连通。多个管中的第二管与下歧管流体连通。格栅组件布置在远程等离子体源与衬底之间。

Description

具有主动冷却型格栅的气体分配装置
技术领域
本公开涉及衬底处理系统，更具体地，涉及包括具有主动冷却型格栅的气体分配装置的衬底处理系统。
背景技术
此处提供的背景技术描述是出于大体上呈现本公开的背景的目的。当前署名的发明人的工作，就其在该技术背景部分以及说明书方面中所描述的、可能不符合作为提交时的现有技术的工作而言，既不明示地也不暗示地承认是本公开的现有技术。
衬底处理系统典型地用于在诸如半导体晶片之类的衬底上图案化、沉积、蚀刻以及灰化出各种类型的薄膜。衬底处理系统典型地包括具有诸如衬底基座、静电卡盘、板等的衬底支架的处理室。诸如半导体晶片之类的衬底可以布置于衬底支架上。
在化学气相沉积(CVD)或原子层沉积(ALD)处理中，可以将包括一种或更多种前体的气体混合物引入处理室中，以使膜沉积于衬底上。在一些衬底处理系统中，可以将射频(RF)等离子体用于激活化学反应。RF等离子体可以通过气体分配装置而远程地输送至处理室或直接地在处理室中创建。
例如，在处理的期间，可以将光阻层用于限定膜中的特征。然后，典型地去除光阻层。可以将灰化用于去除光阻层。可以使用远程等离子体源来执行灰化。远程等离子体源典型地通过使用射频或微波信号来激励诸如氧气或氟气之类的反应性气体而生成等离子体。
可以将诸如喷头之类的气体分配装置布置在远程等离子体源与衬底之间。喷头可以包括由铝制成的板，该板包括限定孔图案的多个孔。板中的孔图案可以大约延伸至位于下面的衬底的边缘。孔充当离子过滤器。在使用期间，由于孔中的离子的复合而导致板中的热量趋向于增加。
随着衬底尺寸和面积增大，由远程等离子体源供给的RF功率的量典型地需要增大，以针对较大的衬底而维持期望的灰化速率。在较高的RF功率电平下，板的加热升高至不能接受的温度。虽然钎焊型喷头设计允许水冷却，以降低板的温度，但这类设计趋向于具有相对地较低的可靠性。枪钻型喷头设计也允许水冷却，以降低板的温度，但制造昂贵。
发明内容
用于衬底处理系统的格栅组件包括第一部分，该第一部分包括：第一主体，其限定中心开口；入口；出口；以及上歧管，其位于第一主体中，并且，与入口或出口流体连通。第二部分布置成与第一部分相邻，并且，包括限定中心开口的第二主体。多个管布置于第二主体的中心开口中。多个管中的第一管与上歧管流体连通。下歧管位于第二主体中，并且，与入口或出口中的另一个流体连通。多个管中的第二管与下歧管流体连通。格栅组件布置在远程等离子体源与衬底之间。
在其他特征中，第一主体和第二主体为环形。多个管平行地布置于第二部分的中心开口中。上歧管包括具有分别与多个管中的第一管中的多个第二孔流体连通的多个第一孔的底面。O环围绕多个第一孔布置于第一主体的底面，以提供第一主体的底面与第二主体的上表面之间的密封。
在其他特征中，第二部分包括第二主体的外周向侧表面上的多个第一孔。多个管布置于第一孔中。
在其他特征中，第一塞布置于多个管的第一管中。第二塞布置于多个管中的第二管中。第二塞具有与第一塞不同的长度。
在其他特征中，通过第一主体的孔与入口或出口中的另一个流体连通。孔还与下歧管流体连通。O环围绕孔布置在第一主体的底面，以提供第一主体的底面与第二主体的上表面之间的密封。
在其他特征中，S个上歧管限定于第一主体中。S个上歧管包括上歧管，其中，S是大于一的整数。T个下歧管限定于第二主体中。T个下歧管包括下歧管，其中，T是大于一的整数。
在其他特征中，S个上歧管中的一半位于第一主体的一侧。S个上歧管中的一半位于第一主体的相对侧。T个下歧管中的一半位于第二主体的一侧。T个下歧管中的一半位于第二主体的相对侧。
在其他特征中，衬底处理系统包括格栅组件和面板，面板包括孔图案，孔图案包括多个孔，并且，面板布置成与格栅组件的下部相邻。
在其他特征中，格栅组件的多个管由铝制成，并且，面板由石英制成。多个管具有圆形横截面。多个管具有椭圆形横截面。椭圆形横截面具有平行于包括多个管的平面的短轴。
根据详细描述、权利要求和附图，本公开的适用性的更大的范围将变得显而易见。详细描述和具体示例目的仅在于图示，不旨在限制本公开的范围。
附图说明
根据详细描述和附图，将更充分地理解本公开，其中：
图1是根据本公开的衬底处理系统的示例的功能框图；
图2是根据本公开的格栅组件的示例的透视图；
图3是格栅组件和面板的示例的透视剖视图；
图4是格栅组件的上部的示例的顶面的平面图；
图5是图4的上部的底面的透视图；
图6A是格栅组件的下部的示例的顶面的平面图；
图6B是管的示例的横截面图；
图7是图6的下部的底面的透视图；
图8A和图8B图示管和管相对于面板中的孔的间隔的示例；并且，
图9图示布置在面板上面的多个冷却格栅组件的示例。
在附图中，可以重复使用参考编号来识别类似的和/或相同的元件。
具体实施方式
根据本公开的气体分配装置包括格栅组件，该格栅组件包括上部、下部和多个管。多个管在过滤不需要的离子和有害的离子的同时，使等离子体与衬底隔离。在一些示例中，格栅组件电接地且俘获离子，以防止对衬底的损伤。格栅组件可以通过流过管的冷却流体而冷却，以防止熔融。仅举例而言，冷却流体可以包括水、GaldenTM或其他合适的冷却流体。
在一些示例中，格栅组件的管平行地布置于平行于喷头面板且位于喷头面板上面的平面上或以相交的图案布置。如果使用，则面板可以布置在格栅组件下面。另外，能够将管图案与位于格栅组件上面或下面的另一格栅组件结合。还可以将格栅组件的图案与喷头图案结合使用，以提供另外的气体分配。
如能够理解的，具有冷却格栅组件的气体分配装置可以用于任何衬底处理系统中。仅举例而言，具有冷却格栅组件的气体分配装置可以在用于使膜图案化、沉积、蚀刻并灰化于诸如半导体晶片的衬底上的衬底处理系统中使用。
现在，参考图1，示出了根据本公开的衬底处理系统10的示例。衬底处理系统10包括处理室12和气体分配装置13，气体分配装置13包括格栅组件14。在一些示例中，如将在下文中进一步描述的，远程等离子体可以供给至气体分配装置13或在气体分配装置13中创建。基座16可以布置于处理室12中。在使用期间，可以在基座16上布置衬底18，诸如半导体晶片或其他类型的衬底。
衬底处理系统10包括气体输送系统20。仅举例而言，气体输送系统20可以包括：一个或更多个气体源22-1、22-2、……、以及22-N(统称为气体源22)；阀24-1、24-2、……、以及24-N(统称为阀24)以及质量流量控制器(MFC)26-1、26-2、……、以及26-N(统称为MFC26)，其中，N是大于零的整数。气体输送系统20的输出可以在歧管30中混合并输送至远程等离子体源且/或输送至气体分配装置13。
控制器40可以连接至监测处理室12中的诸如温度、压力等运行参数的一个或更多个传感器41。可以根据需要而设置加热器42，以加热基座16和衬底18。可以设置阀50和泵52，以从处理室12排空气体。
仅举例而言，远程等离子体源56可以包括创建远程等离子体的等离子体管、感应线圈或另一装置。仅举例而言，远程等离子体源56可以利用RF或微波功率而使用反应性气体，诸如但不限于氧气、氟气、包括氧气和/或氟气的气体混合物以及/或其他反应性气体来创建远程等离子体。在一些示例中，感应线圈围绕喷头的上杆部缠绕，并且，通过经由RF源和匹配网络而生成的RF信号激励。流过杆部的反应性气体被通过感应线圈而传递的RF信号激励成等离子体状态。
控制器40可以用于控制气体输送系统20、加热器42、阀50、泵52以及通过远程等离子体源56而生成的等离子体。
在一些示例中，冷却流体源64将冷却流体提供给与格栅组件14的流体入口流体连通的阀66和泵68。在循环之后，流体可以经由流体出口而返回至冷却流体源64。虽然阀66和泵68布置于格栅组件14的入口侧，但阀66和泵68也可以布置于格栅组件14的出口侧。
现在，参考图2，示出根据本公开的格栅组件14的示例的透视图。格栅组件14包括多个管100-1、100-2、……、以及100-T(统称为管100)、上部102以及下部(在图3、图6和图7中示出)。在一些示例中，管100、上部102和/或下部可以由铝制成。在一些示例中，管100无缝，并且，具有圆形、椭圆形或另一横截面。包括孔的图案的面板(在图3和图8中示出)可以布置成平行于格栅组件14且位于格栅组件14下面。在一些示例中，面板由石英制成。
上部102可以是大体上环形，并且，可以包括限定中心开口114的上表面110。管100可以按平行的方式布置在位于中心开口114中的平面上。上部102包括主体115，主体115限定用于接收冷却流体的一个或更多个歧管120。可以由歧管盖126将歧管120封闭。
流体入口130与歧管120流体连通。流体出口132与如将在下文中进一步描述的与下部相关联的歧管流体连通。替代地，流体入口可以与下部相关联，并且，流体出口可以与上部相关联。此外，上部中的歧管可以在入口与出口之间交替变化。由上部限定的歧管的数量无需与由下部限定的歧管的数量相同。在一些示例中，M个歧管120布置于主体115的相对侧，其中，M是大于零的整数。在图3中的示例中，M＝3，并且，存在总共6个歧管120。下部可以具有类似的布局。在本示例布置中，从两侧提供和去除流体，以提供等温设计。仍然能预期其他变型。
现在，参考图3，格栅组件14可以布置成与面板156相邻。冷却流体可以经由一个流体入口130而供给至一个歧管120。冷却流体流过歧管120的底面的孔142，流入所选择的管100中。冷却流体(起源于主体110的相对侧的歧管120)流过管100，流入由下部148的主体限定的歧管144中。
示出了一个歧管144中的流体流过上部102中的开口152，流入一个流体出口132中。如能够理解的，可以使冷却流体的流动反向。包括孔158的图案的面板156可以布置在管100和/或下部148下面。在一些示例中，面板156由石英制成。
现在，参考图4-5，分别示出上部102的示例的顶面和底面。孔142穿过歧管120内侧的主体110的底面，并且，提供如图3和图5中所示出的从歧管120至管100的流体路径。可以在孔142周围使用一个或更多个O环160，以提供上部102的底面与下部148的上表面之间的密封。同样地，与流体出口132相关联的孔164可以采用O环168，以提供上部102的底面与下部148的上表面之间的密封。
现在，参考图6A-6B，示出了下部148的示例。在图6A中，下部148包括主体150，可以大体上为环形，并且，可以限定一个或更多个歧管206。歧管盖208可以用于将歧管206封闭。歧管盖208中的开口210可以与上部102中的开口164对准，以允许冷却流体到达流体出口132。
在一些示例中，可以在下部148的外周向侧表面242制成多个孔240-1、240-2、……、以及240-T(统称为孔240)。管100可以插入孔240中，并且，穿过歧管206。在一些示例中，具有第一长度的第一塞250和具有第二长度的第二塞252可以插入如图6B中所示出的交替的一些管100中。第一塞250可以比第二塞252更长。塞250和塞252用于将管100的端部密封。
参考图3和图7，将描述用于装配下部148的示例方法。管100通过孔240而插入下部148。塞250和塞252如上所述地插入管100的端部。在去除歧管盖208的情况下，如在图3和图7中能够在260看到的，在歧管206的内侧的区域中切割管100。在切割之后，管100的带有第二塞252的一端与下部148的歧管206流体连通。与此相反，管的与第一塞250相关联的两端都依然堵塞，并且，不与下部148的对应的歧管206直接流体连通。而与第一塞250相关联的管100被钻孔，并且，与孔142连通，以提供从歧管120至与第一塞250相关联的管100的流体路径。
现在，参考图8A，示出管相对于面板中的孔的间隔的示例。在本示例中，管100具有直径0.25”(英寸)，并且，如以d1示出的，中心以0.375”隔开，但可以使用其他尺寸。在本示例中，面板孔直径为0.25”，并且，如以d2示出的，中心隔开0.350”，但可以使用其他尺寸。在图8B中，示出了使用椭圆形管的示例。在一些示例中，格栅组件可以包括具有两种或更多种管直径、两种或更多种管形状或者两种或更多种管间隔尺寸的管。
现在，参考图9，示出了多个冷却格栅组件220-1、220-2、……、以及220-G(统称为冷却格栅组件220)的示例，其中，G是大于1的整数。冷却格栅组件220布置在面板224上面。冷却格栅组件220可以布置成彼此对准或相对于彼此而旋转。替代地，各冷却格栅组件220可以具有不同的管间隔和/或直径，并且，可以布置成彼此对准或相对于彼此而旋转。
当格栅组件由等离子体加热时，冷却流体使管冷却。格栅图案的间隔充当保护衬底免受损伤的离子过滤器，并且，改善气体分配的均匀性。
在处理直径增大的衬底时，需要大量的另外的等离子体功率，以使衬底灰化。典型地，等离子体功率随着衬底的面积增大而增大。例如，将衬底直径从300mm增大至450mm(面积增大到2.25倍)要求等离子体功率类似地增大。例如，等离子体功率可能需要从5kW增大至12.5kW。面板的温度随着等离子体功率增大而增大。面板的典型的最大运行温度可以是300℃。冷却格栅组件允许在不使面板超过最大运行温度的情况下，增大等离子体功率。在一些示例中，冷却格栅组件使面板的温度降低近似地大约50℃至超过200℃。
在模拟中，显示与石英面板结合的主动冷却型格栅组件具有与钎焊型喷头设计和枪钻型喷头设计类似的灰化率(大约18％)。
在一些示例中，管涂有对于等离子体中的中性物而具有低的复合系数的导电材料。在一些示例中，管的横截面是圆形、正方形、具有三条边或更多条边的多边形或椭圆形。椭圆形管将增大相邻的管之间的空间的深宽比，以更有效地去除朝向面板前进的离子。含能离子碰撞管并附着于管，然而，中性物从管弹回，最终行进至面板下面。
前文的描述在本质上仅仅是说明性的，并且决不意在限制本发明及其应用或用途。本发明的广泛教导可以以各种形式来实现。因此，虽然本发明包括特定实施例，但本发明的真实范围不应被如此限制，这是因为，在研究了附图、说明书和以下的权利要求书后，其它的修改将变得显而易见。如本文所用的，短语“A、B和C中的至少一个”应当解释为意味着使用非排他逻辑“或”的逻辑(A或B或C)，并且不应当被解释为是指“至少一个A，至少一个B，和至少一个C”。应该理解的是，方法中的一个或多个步骤可以以不改变本公开的原理的不同的顺序(或同时)来执行。
在一些实现方式中，控制器是系统的一部分，该系统可以是上述实例的一部分。这种系统可以包括半导体处理设备，包括一个或多个处理工具、一个或多个处理室、用于处理的一个或多个平台和/或具体的处理组件(晶片基座、气流系统等)。这些系统可以与用于控制它们在处理半导体晶片或衬底之前、期间和之后的操作的电子器件一体化。电子器件可以称为“控制器”，该控制器可以控制一个或多个系统的各种元件或子部件。根据处理要求和/或系统的类型，控制器可以被编程以控制本文公开的任何工艺，包括控制工艺气体输送、温度设置(例如，加热和/或冷却)、压强设置、真空设置、功率设置、射频(RF)发生器设置、RF匹配电路设置、频率设置、流速设置、流体输送设置、位置及操作设置、晶片转移进出工具和其他转移工具和/或与具体系统连接或通过接口连接的装载锁。
宽泛地讲，控制器可以定义为接收指令、发布指令、控制操作、启用清洁操作、启用端点测量等等的具有各种集成电路、逻辑、存储器和/或软件的电子器件。集成电路可以包括存储程序指令的固件形式的芯片、数字信号处理器(DSP)、定义为专用集成电路(ASIC)的芯片和/或一个或多个微处理器或执行程序指令(例如，软件)的微控制器。程序指令可以是以各种单独设置的形式(或程序文件)通信到控制器、定义用于在半导体晶片或系统上或针对半导体晶片或系统执行特定过程的操作参数的指令。在一些实施方式中，操作参数可以是由工艺工程师定义的用于在制备晶片的一个或多个(种)层、材料、金属、氧化物、硅、二氧化硅、表面、电路和/或管芯期间完成一个或多个处理步骤的配方(recipe)的一部分。
在一些实现方式中，控制器可以是与系统集成、耦接或者说是通过网络连接系统或它们的组合的计算机的一部分或者与该计算机耦接。例如，控制器可以在“云端”或者是fab主机系统的全部或一部分，它们可以允许远程访问晶片处理。计算机可以启用对系统的远程访问以监测制造操作的当前进程，检查过去的制造操作的历史，检查多个制造操作的趋势或性能标准，改变当前处理的参数，设置处理步骤以跟随当前的处理或者开始新的工艺。在一些实例中，远程计算机(例如，服务器)可以通过网络给系统提供工艺配方，网络可以包括本地网络或互联网。远程计算机可以包括允许输入或编程参数和/或设置的用户界面，该参数和/或设置然后从远程计算机通信到系统。在一些实例中，控制器接收数据形式的指令，该指令指明在一个或多个操作期间将要执行的每个处理步骤的参数。应当理解，参数可以针对将要执行的工艺类型以及工具类型，控制器被配置成连接或控制该工具类型。因此，如上所述，控制器可以例如通过包括一个或多个分立的控制器而分布，这些分立的控制器通过网络连接在一起并且朝着共同的目标(例如，本文所述的工艺和控制)工作。用于这些目的的分布式控制器的实例可以是与结合以控制室内工艺的一个或多个远程集成电路(例如，在平台水平或作为远程计算机的一部分)通信的室上的一个或多个集成电路。
在没有限制的条件下，示例的系统可以包括等离子体蚀刻室或模块、沉积室或模块、旋转清洗室或模块、金属电镀室或模块、清洁室或模块、倒角蚀刻室或模块、物理气相沉积(PVD)室或模块、化学气相沉积(CVD)室或模块、原子层沉积(ALD)室或模块、原子层蚀刻(ALE)室或模块、离子注入室或模块、轨道室或模块、以及在半导体晶片的制备和/或制造中可以关联上或使用的任何其他的半导体处理系统。
如上所述，根据工具将要执行的一个或多个工艺步骤，控制器可以与一个或多个其他的工具电路或模块、其他工具组件、组合工具、其他工具界面、相邻的工具、邻接工具、位于整个工厂中的工具、主机、另一个控制器、或者将晶片的容器搬运到半导体制造工厂中的工具位置和/或装载口以及从工具位置和/或装载口搬运晶片的容器的材料搬运中使用的工具通信。

Claims (21)

1.一种用于衬底处理系统的格栅组件，其包括：
第一部分，其包括：
第一主体，其限定中心开口；
入口；
出口；以及
上歧管，其位于所述第一主体中，并且，与所述入口或所述出口流体连通；和
第二部分，其布置成与所述第一部分相邻，并且，包括：
第二主体，其限定中心开口；
多个管，其布置于所述第二主体的所述中心开口中，其中，所述多个管中的第一管与所述上歧管流体连通；以及
下歧管，其位于所述第二主体中，并且，与所述入口或所述出口中的另一个流体连通，
其中，所述多个管中的第二管与所述下歧管流体连通，并且，
其中，所述格栅组件布置在远程等离子体源与衬底之间。
2.根据权利要求1所述的格栅组件，其中，所述第一主体和所述第二主体为环形，并且，其中，所述多个管平行地布置于所述第二部分的所述中心开口中。
3.根据权利要求1所述的格栅组件，其中，所述上歧管包括具有分别与所述多个管中的所述第一管中的多个第二孔流体连通的多个第一孔的底面。
4.根据权利要求3所述的格栅组件，还包括围绕所述多个第一孔布置于所述第一主体的底面的O环，以提供在所述第一主体的所述底面与所述第二主体的上表面之间的密封。
5.根据权利要求1所述的格栅组件，其中，所述第二部分包括所述第二主体的外周向侧表面上的多个第一孔，并且，其中，所述多个管布置于所述第一孔中。
6.根据权利要求5所述的格栅组件，还包括：
第一塞，其布置于所述多个管中的所述第一管中；和
第二塞，其布置于所述多个管中的所述第二管中，其中，所述第二塞具有与所述第一塞不同的长度。
7.根据权利要求1所述的格栅组件，还包括：
通过所述第一主体的孔，其与所述入口或所述出口中的另一个流体连通，其中，所述孔还与所述下歧管流体连通；和
O环，其围绕所述孔布置于所述第一主体的底面，以提供所述第一主体的所述底面与所述第二主体的上表面之间的密封。
8.根据权利要求1所述的格栅组件，还包括：
S个上歧管，其限定于所述第一主体中，其中，所述S个上歧管包括所述上歧管，其中，S是大于一的整数；和
T个下歧管，其限定于所述第二主体中，其中，所述T个下歧管包括所述下歧管，其中，T是大于一的整数。
9.根据权利要求8所述的格栅组件，其中：
所述S个上歧管中的一半位于所述第一主体的一侧；
所述S个上歧管中的一半位于所述第一主体的相对侧；
所述T个下歧管中的一半位于所述第二主体的一侧；以及
所述T个下歧管中的一半位于所述第二主体的相对侧。
10.一种衬底处理系统，其包括：
根据权利要求1所述的格栅组件；和
面板，其包括孔图案，该孔图案包括多个孔，并且，该面板布置成与所述格栅组件的下部相邻。
11.根据权利要求10所述的衬底处理系统，其中，所述格栅组件的所述多个管由铝制成，并且，所述面板由石英制成。
12.根据权利要求1所述的衬底处理系统，其中，所述多个管具有圆形横截面。
13.根据权利要求1所述的衬底处理系统，其中，所述多个管具有椭圆形横截面。
14.根据权利要求13所述的衬底处理系统，其中，所述椭圆形横截面具有平行于包括所述多个管的平面的短轴。
15.根据权利要求10所述的衬底处理系统，其中，所述衬底处理系统执行灰化。
16.根据权利要求10所述的衬底处理系统，其中，所述衬底处理系统执行膜沉积。
17.根据权利要求10所述的衬底处理系统，其中，所述衬底处理系统执行蚀刻。
18.一种衬底处理系统，其包括：
根据权利要求1所述的多个所述格栅组件；和
面板，其包括孔图案，该孔图案包括多个孔，并且，该面板布置成与所述多个所述格栅组件中的一个的下部相邻。
19.根据权利要求18所述的衬底处理系统，其中，所述多个所述格栅组件布置成彼此对准。
20.根据权利要求18所述的衬底处理系统，其中，所述多个所述格栅组件相对于彼此而旋转。
21.根据权利要求18所述的衬底处理系统，其中，所述多个所述格栅组件中的至少一个具有与所述多个格栅组件中的另一个不同的管间隔或不同的管直径。
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