CN106663608A - 具有可拆卸高电阻率气体分配板的喷淋头 - Google Patents

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Abstract

本文中提供具有可拆卸气体分配板的喷淋头的实施例。在一些实施例中，在半导体处理腔室中使用的喷淋头可包括：底座，所述底座具有第一侧以及与第一侧相对的第二侧；气体分配板，所述气体分配板设置为接近底座的第二侧，其中气体分配板由具有约60Ω‑cm至90Ω‑cm之间的电阻率的材料形成；夹具，所述夹具绕气体分配板的周缘布置，以便可移除地将气体分配板耦接至底座；以及热垫片，所述热垫片设置在底座与气体分配板之间的间隙中。

Description

具有可拆卸高电阻率气体分配板的喷淋头
技术领域
本公开的实施例总体上关于半导体处理装备。
背景技术
在半导体工艺腔室(例如，沉积腔室、蚀刻腔室等)中利用的常规喷淋头典型地包括永久地接合至底座的气体分配板。归因于在等离子体工艺期间暴露于等离子体所造成的降级，周期性地替换气体分配板。然而，发明人已观察到，由于气体分配板被永久地接合至底座，因此替换整个喷淋头组件以替换气体分配板，从而导致替换过程是昂贵的。此外，已在使用具有低电阻率(例如，0.005-0.015Ω-cm)的气体分配板执行高源功率工艺的应用中观察到起弧(arcing)。
因此，发明人已提供具有可拆卸气体分配板的改进的喷淋头的实施例。
发明内容
本文中提供具有可拆卸气体分配板的喷淋头的实施例。在一些实施例中，一种在半导体处理腔室中使用的喷淋头可包括：底座，所述底座具有第一侧以及与所述第一侧相对的第二侧；气体分配板，所述气体分配板设置为接近所述底座的所述第二侧，其中所述气体分配板由具有约60Ω-cm至约90Ω-cm之间的电阻率的料形成；夹具，所述夹具绕所述气体分配板的周缘设置，以便可移除地将所述气体分配板耦接至所述底座；以及热垫片，所述热垫片设置在所述底座与所述气体分配板之间的间隙中。
在一些实施例中，一种工艺腔室可包括：腔室主体，所述腔室主体具有基板支撑件，所述基板支撑件设置在所述腔室主体的内部容积内；以及喷淋头，所述喷淋头设置在所述腔室主体的所述内部容积内与所述基板支撑件相对。所述喷淋头包括：底座，所述底座具有第一侧以及与所述第一侧相对的第二侧，其中所述底座的所述第一侧耦接至所述工艺腔室的部件；气体分配板，所述气体分配板设置为接近底座的所述第二侧，其中所述气体分配板由具有约60Ω-cm至约90Ω-cm之间的电阻率的材料形成；夹具，所述夹具绕所述气体分配板的周缘设置，以便可移除地将所述气体分配板耦接至所述底座；以及热垫片，所述热垫片设置在所述底座与所述气体分配板之间的间隙中。
在一些实施例中，一种在半导体处理腔室中使用的喷淋头可包括：底座，所述底座具有第一侧以及与所述第一侧相对的第二侧，所述第二侧包括三氟化钇涂层；气体分配板，所述气体分配板设置为接近所述底座的所述第二侧，其中所述气体分配板由具有约60Ω-cm至约90Ω-cm之间的电阻率的材料形成；经阳极化的夹具，所述经阳极化的夹具绕所述气体分配板的周缘设置，以便可移除地将所述气体分配板耦接至所述底座；多个硅酮热垫片，所述多个硅酮热垫片设置在所述底座与所述气体分配板之间的间隙中；以及多个销，所述多个销被按压至所述底座的所述第二侧中并设置在所述间隙中，以便当所述气体分配板朝所述底座偏斜时维持所述间隙的厚度。
描述了本公开的其他和进一步的实施例。
附图说明
可通过参考在所附附图中描绘的本公开的说明性实施例来理解上文中简要概述的且在下文中更详细地讨论的本公开的实施例。然而，所附附图仅图示本公开的典型实施例，因此不视为限制本公开的范围，因为公开可允许其他等效实施例。
图1描绘根据本公开的一些实施例的具有气体分配板的喷淋头。
图2描绘根据本公开的一些实施例的、适合与具有气体分配板的喷淋头一起使用的工艺腔室。
为了便于理解，在可能的情况下，已使用相同的元件符号来指定各附图共有的相同的元件。附图并非按照尺寸绘制，并且附图可能为了清楚而简化。一个实施例的元件和特征可有益地并入其他实施例中而无须进一步阐释。
具体实施方式
本文中提供具有可拆卸气体分配板的喷淋头的实施例。在至少一些实施例中，本发明的喷淋头可有益地允许用于气体分配板的移除和替换，由此提供相比具有永久地接合的气体分配板的常规喷淋头更长的有效寿命以及更具成本效益的替换气体分配板的方式的喷淋头。
图1描绘根据本公开的一些实施例的具有气体分配板的喷淋头。喷淋头100通常包含主体102、气体分配板104和夹具110，所述夹具110配置成可移除地将气体分配板耦接至主体102。
主体102包含第一侧150、第二侧140以及形成在主体102中而从第一侧150延伸至第二侧140的多个通孔116。多个通孔116便于工艺气体通过主体102而至气体分配板104。在一些实施例中，通孔116可以是埋头孔(例如，所示的埋孔118)以减少通孔116处的残余电场，并促进至气体分配板104的更均匀的气体流。在一些实施例中，可在主体102的第一侧150中形成凹室114以促进至多个通孔116的更均匀的工艺气体的分配。主体102可由任何适合的工艺兼容材料(例如，铝)制成。通过由诸如铝之类的导电材料制成主体102，主体102可充当电极，以便例如促进从提供至喷淋头100的工艺气体形成等离子体。在一些实施例中，能以材料涂覆主体102的第二侧140以保护第二侧140免受离子、等离子体或点燃。例如，在一些实施例中，涂覆可以是三氟化钇(YF3)涂覆。可使用各种技术将涂层设置在主体102的第二侧140上。用于涂覆主体102的第二侧140的一些示例性非限制性方法可包括：使用对靶材材料的电子束诱导活化从由涂覆材料制成或以其他方式包括涂覆材料的靶材将涂层沉积或蒸发到主体102上。
在一些实施例中，可在主体102的表面中形成一个或更多个通道以容纳一个或更多个O形环和/或射频(RF)垫片(示出的O形环130、132、134以及RF垫片108、126)。当存在时，O形环130、132、134在主体102与夹具110或工艺腔室(未示出)的表面之间提供密封。O形环130、132、134可由任何适合的材料(例如，橡胶)制成以促进上述的密封。RF垫片108、126促进RF功率例如从RF源至主体102和夹具110的导电性。例如，可从RF功率供应器(诸如，下文所述的RF电源286)将RF功率提供至耦接至主体102且与一个或更多个RF垫片(例如，RF垫片126)接触的部件。RF垫片108、126可由任何适合的导电材料(例如，不锈钢)制成。
气体分配板104促进从主体102提供的工艺气体例如经由在气体分配板104中形成的多个气体分配孔142而向工艺腔室的处理容积的分配。气体分配孔142能以适用于提供所需的处理气体分配的方式来布置。例如，在一些实施例中，当气体分配板104耦接至主体102时，气体分配孔142可布置为绕主体102的通孔116设置的群集。
气体分配板104可由任何适合的材料制成，以抵抗在暴露于等离子体(例如，在处理期间形成在工艺腔室中的等离子体)期间的降级。例如，在一些实施例中，气体分配板104可由单晶硅(Si)制成。单晶硅并非典型地用作用于气体分配板的材料，至少部分地归因于单晶硅具有相比受青睐的材料碳化硅更快的蚀刻速率。然而，发明人已观察到，相比用于制造气体分配板的常规材料(诸如，碳化硅)(SiC),单晶硅较不易受表面粗糙度改变、起弧和微掩蔽(micro-masking)的影响，并且在提升的温度(例如，高于约150摄氏度)下提供更好的操作性。此外，相比常规材料，单晶硅更易于取得且能以更低的成本获得。此外，在将喷淋头100使用于涉及含硅气体的基板工艺的实施例中，由硅制成的气体分配板104降低由于气体分配板104的降级而造成的污染的实例。
在一些实施例中，气体分配板104由单晶硅材料制成，所述单晶硅材料具有在约60Ω-cm与90Ω-cm之间的高电阻率以减少起弧。如上所述，发明人已观察到，低电阻率气体分配板(例如，具有约0.005-0.015Ω-cm的电阻率的气体分配板)在源功率处于162MHz而大于或等于2000瓦的工艺期间将起弧。由此，当喷淋头100用在高源功率工艺中时，气体分配板104的高电阻率有益地减少起弧。在一些实施例中，可掺杂通过其来获得单晶硅的晶锭以改变晶锭的电阻率。例如，能以诸如硼之类的高电阻率材料掺杂或涂覆单晶硅晶锭以增加材料的电阻率。在一些实施例中，如果气体分配板104由低电阻率材料制成，则能以高电阻率材料处理、涂覆或掺杂气体分配板104，以增加气体分配板104的电阻率。
气体分配板104可具有足以提供所需的气体分配和适合的有效功能寿命的任何适合的厚度。此外，在一些实施例中，气体分配板104可具有适合的厚度，足以确保当气体分配板104耦接至主体102时与设置在气体分配板104与主体102之间的一个或更多个热垫片(示出的三个热垫片120、122、124)的持续接触。例如，在一些实施例中，气体分配板104的厚度可经选择，使得由夹具110在气体分配板104的边缘处提供的力而导致的气体分配板104的躬曲量小于当压缩时热垫片120、122、124变形的量，由此确保当夹持时与热垫片120、122、124中的每一个的持续接触。替代地或组合地，在一些实施例中，气体分配板104的厚度可经选择，以提供适于减少等离子体穿透且改善气体分配板104的有效功能寿命的气体分配孔142的纵横比(aspect ratio)。例如，在气体分配孔142具有约0.5mm直径的实施例中，气体分配板104可具有约9mm的厚度。
夹具110促进将气体分配板104耦接至主体102。在一些实施例中，夹具110经由紧固件106来促进此类耦接，所述紧固件106提供至形成在主体102中的通孔136，所述通孔136对应于形成在夹具中的螺纹孔138。夹具110可由任何工艺兼容的导电材料(例如，铝)制成。在一些实施例中，能以喷洒涂层(例如，氧化钇(Y2O3))来涂覆夹具110以减小夹具110在等离子体环境中的降级。在一些实施例中，替代地，能以氧化铝涂层来阳极化夹具110。
在一些实施例中，夹具110可包括形成在夹具110的表面中的一个或更多个通道以容纳一个或更多个O形环和RF垫片(示出的O形环128和RF垫片148)。当存在时，O形环128对气体分配板104提供缓冲，以防止当夹持至主体102时气体分配板104的破损。当存在时，RF垫片148促进RF功率从主体102通过夹具110而至气体分配板104的导电性，由此允许气体分配板104充当RF电极。对气体分配板104提供RF电流路径也遮蔽了在主体102与气体分配板104之间的间隙146，这例如在主体102的通孔116处减少了起弧。O形环128和RF垫片148可由任何材料(例如上文中针对O形环130、132、134和RF垫片108、126所讨论的材料)制成。
在一些实施例中，热垫片120、122、124可设置在主体102与气体分配板104之间。当存在时，热垫片120、122、124可促进主体102与气体分配板104之间的热交换，以便例如跨气体分配板104提供更均匀的热梯度。此外，热垫片120、122、124可在主体102与气体分配板104之间提供间隙146，并且为通孔116和对应的气体分配孔142的组限定分开的充气部(plenum)(例如，区)。在一些实施例中，喷淋头100也可包括按压到主体102中的多个销152。当气体分配板104向主体102偏斜时，多个销152确保间隙146基本上维持不改变。销152各自都包括通孔153，以确保在销152后方的任何间隙被适当地排空。
热垫片120、122、124可由在工艺压力和温度(例如，真空条件以及处于或高于150摄氏度的温度)处具有低释气(out-gassing)的任何可压缩、导热材料制成。在一些实施例中，垫片可包含含硅酮材料，例如，可从取得的GR-M或具有高导热性和阻燃特性的其他硅酮橡胶材料。热垫片120、122、124可具有适用于维持主体102与气体分配板104之间的接触的任何形状。例如，在一些实施例中，热垫片120、122、124可以是多个同心环，所述同心环具有如图1中所示的矩形截面。在一些实施例中，热垫片120、122、124的几何形状可优化，以容纳当夹持在一起时归因于由夹具110在气体分配板104的边缘处提供的力而导致的主体102与气体分配板104之间的距离的差异(例如，气体分配板104的躬曲)。
在一些实施例中，保护环112可围绕喷淋头而设置以遮蔽主体102、夹具110和气体分配板104的多个部分。保护环112可由任何适合的工艺兼容材料(例如，石英(SiO2))制成。
图2描绘根据本公开的一些实施例的、适合与喷淋头一起使用的说明性工艺腔室200的示意图。示例性工艺腔室可包括可从加利佛尼亚州圣克拉拉市的应用材料公司购得的E5、ADVANTEDGETM或其他工艺腔室。具有喷淋头或经修改以具有喷淋头的其他适合的工艺腔室可类似地受益于本公开。
在一些实施例中，工艺腔室200可通常包含：腔室主体202，具有基板支撑基座208，所述基板支撑基座208设置在腔室主体的内部容积205内，用于在其上支撑基板210；以及排气系统220，用于从腔室主体202的内部容积205去除过量的工艺气体、处理副产物等。
在一些实施例中，上衬套264和下衬套266可覆盖腔室主体202的内部，以在处理期间保护腔室主体202。在一些实施例中，腔室主体202具有可包括处理容积204的内部容积205。处理容积204可例如限定在基板支撑基座208与喷淋头214(例如，上述的喷淋头100)和/或设在所需位置的喷嘴之间。在一些实施例中，气体供应器288可将一种或更多种工艺气体提供至喷淋头214，以便将这一种或更多种工艺气体分配至腔室主体202的处理容积204。
在一些实施例中，基板支撑基座208可包括将基板210保持或支撑在基板支撑基座208的表面上的机构，诸如，静电夹盘、真空夹盘、基板保持夹具等。附加地或组合地，在一些实施例中，基板支撑基座208可包括用于控制基板温度(诸如，加热和/或冷却装置，未示出)和/或用于控制接近基板表面的物质通量和/或离子能量的机构。例如，在一些实施例中，基板支撑基座208可包括电极240以及经由相应的匹配网络236、262而耦接至电极240的一个或更多个电源(两个偏压电源238、244)。例如，基板支撑基座208可经配置为经由匹配网络262而耦接至偏压电源244的阴极。上述偏压电源(例如，偏压电源238、244)可以能够在约2MHz、或约13.56MHz、或约60MHz的频率处产生高达约12000W。至少一个偏压电源可提供连续或脉冲电源中的任一者。在一些实施例中，偏压电源替代地可以是DC或脉冲DC源。
在一些实施例中，基板支撑基座208可包括基板支撑环280，所述基板支撑环280设置在基板支撑基座208顶部，并且配置成在处理期间支撑基板210的至少部分。在一些实施例中，一个或更多个环(示出的插入环278和阻挡环242)可绕基板支撑基座208而设置。一个或更多个环可由任何适合的工艺兼容材料制成。例如，在一些实施例中，插入环可由硅(Si)制成。在一些实施例中，阻挡环242可由石英(SiO2)制成。在一些实施例中，接地网格260可绕基板支撑基座208的周缘而设置，并且可耦接至腔室主体202。
基板210可经由腔室主体202的壁中的开口212进入腔室主体202。可经由狭缝阀218或其他机构选择性地密封开口212，以便选择性地通过开口212提供对腔室的内部的接取。基板支撑基座208可耦接至举升机构234，所述举升机构234可将基板支撑基座208的位置控制在适合用于经由开口212而将基板传送进入和传送出腔室的较低位置(未示出)与适用于处理的可选择的较高位置之间。工艺位置可经选择以使特定工艺的工艺均匀性最大化。当在抬升的处理位置中的至少一个位置时，基板支撑基座208可设置在开口212上方以提供对称的处理区域。
在一些实施例中，保护环206(例如，上述的保护环112)可绕喷淋头214而设置，并且覆盖的喷淋头214的至少部分，例如，覆盖喷淋头214的主体294(例如，上述的主体102)或气体分配板296(例如，上述的气体分配板104)。在一些实施例中，保护环206可由上衬套264支撑。
在一些实施例中，喷淋头214可耦接至冷却板270和/或由冷却板270支撑。当存在时，冷却板270促进在处理期间对喷淋头214的温度的控制。在一些实施例中，冷却板270包含形成在冷却板270中的多个通道(未示出)，以允许由温度控制流体供应器(冷却器)290提供的温度控制流体流过冷却板270，从而促进对喷淋头214的温度的控制。
在一些实施例中，一个或更多个线圈(示出的内线圈274和外线圈272)可设置在喷淋头214上方和/或设置为接近喷淋头的周缘。当存在时，这一个或更多个线圈可促进使形成在工艺腔室200的处理容积204内的等离子体成形。
在一些实施例中，RF电源286经由同轴短截线(coaxial stub)292将RF功率提供至冷却板270和/或喷淋头214。RF电源286能以大于或等于约2000瓦的功率以及约162MHz的频率操作，并且以约227MHz的频率下高达约5000W来操作。如上所述，本发明的气体分配板104在RF电源在高频下以约2000W或更高的功率操作的工艺期间将不起弧。同轴短截线292是具有特性阻抗、共振频率的固定的阻抗匹配网络，并且在喷淋头214与RF电源286之间提供近似的阻抗匹配。在一些实施例中，同轴短截线292通常包含内圆柱形导体298、外圆柱形导体201以及填充内圆柱形导体298与外圆柱形导体201之间的空间的绝缘体203。
内圆柱形导体298和外圆柱形导体201可由能够经受特定工艺环境的任何适合的导电材料构建。例如，在一些实施例中，内圆柱形导体298和外圆柱形导体201可由涂覆镍的铝制成。一个或更多个分接头221沿同轴短截线292的轴向长度设在特定点处，以便从RF电源286将RF功率提供至同轴短截线292。RF电源286的RF功率端子207和RF返回端子209在同轴短截线292的分接头221处分别连接至内圆柱形导体298和外圆柱形导体201。在同轴短截线292的远端213处的端接导体211将内圆柱形导体298与外圆柱形导体201短接在一起，使得同轴柱292在同轴短截线292的远端213处短路。在同轴短截线292的近端215处，外圆柱形导体201经由环状导电外壳或支撑件276而连接至腔室主体202，而内圆柱形导体298经由导电圆柱体217而连接至冷却板270和/或喷淋头214。在一些实施例中，电介质环219设置在导电圆柱体217与冷却板270之间，并且分开所述导电圆柱体217和冷却板270。
排气系统220通常包括泵送充气部224以及一个或更多个导管，所述一个或更多个导管例如经由一个或更多个入口222而将泵送充气部224耦接至腔室主体202的内部容积205(且通常为处理容积204)。真空泵228可经由泵送端口226而耦接至泵送充气部224，以便从腔室主体202抽出废气。真空泵228可流体地耦接至排气出口232，以便将废气路由至适当的废气处置装备。阀230(例如，闸阀等)可设置在泵送充气部224中，以便与真空泵228的操作结合来促进对废气流率的控制。尽管示出Z-运动闸阀，但是也可利用任何适合的工艺兼容的阀用于控制排气的流动。
为了促进如上所述的对工艺腔室200的控制，控制器250可任何形式的通用计算机处理器中的一者，所述通用计算机处理器可在用于控制各种腔室和子处理器的工业设定中使用。CPU 252的存储器或计算机可读介质256可以是易取得的存储器中的一种或多种，诸如，随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、软盘、硬盘、或本地或远程的任何其他形式的数字存储。支持电路254耦接至CPU 252以便以常规方式支持处理器。这些电路包括高速缓存、电源供应器、时钟电路、输入/输出电路和子系统，等等。
一种或更多种方法和/或工艺通常可在存储器256中存储为软件例程258，当由CPU252执行所述软件例程258时，所述软件例程258使工艺腔室200执行工艺方法和/或工艺。软件例程258也可由第二CPU(未示出)存储和/或执行，所述第二CPU位于由CPU 252控制的硬件的远程。也可在硬件中执行本公开的方法中的一些或全部。由此，方法和/或工艺可实现在软件中并使用计算机系统来执行；可在硬件中实现为例如专用集成电路或其他类型的而硬件实现；或可实现为软件和硬件的组合。可在基板210定位在基板支撑基座208上之后执行软件例程258。当由CPU 252执行时，软件例程258将通用计算机转换为控制腔室操作使得执行本文中公开的方法的专用计算机(控制器)250。
由此，本文中已提供具有可拆卸气体分配板的喷淋头的实施例。本发明的喷淋头的实施例可有利地提供相比常规喷淋头更长的有效寿命以及更具成本效益的替换气体分配板的方式。
尽管以上内容针对本公开的实施例，但是可设计本公开的其他和进一步的实施例而不背离本公开的基本范围。

Claims (14)

1.一种在半导体处理腔室中使用的喷淋头，包含：
底座，所述底座具有第一侧以及与所述第一侧相对的第二侧；
气体分配板，所述气体分配板设置为接近所述底座的所述第二侧，其中所述气体分配板由具有约60Ω-cm至约90Ω-cm之间的电阻率的材料形成；
夹具，所述夹具绕所述气体分配板的周缘设置，以便可移除地将所述气体分配板耦接至所述底座；以及
热垫片，所述热垫片设置在所述底座与所述气体分配板之间的间隙中。
2.如权利要求1所述的喷淋头，其中所述热垫片包含设置在所述底座与所述气体分配板之间的多个同心环。
3.如权利要求1所述的喷淋头，进一步包含：
所述底座的所述第二侧上的三氟化钇涂层。
4.如权利要求1所述的喷淋头，其中所述气体分配板由单晶硅(Si)制成。
5.如权利要求1至4中的任一项所述的喷淋头，其中所述气体分配板由以高电阻率材料掺杂或涂覆的单晶硅(Si)制成。
6.如权利要求1至4中的任一项所述的喷淋头，其中所述气体分配板由以硼掺杂或涂覆的单晶硅制成。
7.如权利要求1至4中的任一项所述的喷淋头，其中所述底座包含从所述底座的所述第一侧延伸至所述第二侧的多个通孔。
8.如权利要求7所述的喷淋头，其中所述底座包含形成在所述底座的所述第一侧中的充气部，所述充气部流体地耦接至所述多个通孔。
9.如权利要求1至4中的任一项所述的喷淋头，进一步包含：
一个或更多个销，所述一个或更多个销被按压至所述底座的所述第二侧中并设置在所述间隙中，以便当所述气体分配板朝所述底座偏斜时时维持所述间隙的厚度。
10.如权利要求9所述的喷淋头，其中所述多个销中的每一个都包括通孔以允许排空每一个销后面的容积。
11.如权利要求1至4中的任一项所述的喷淋头，其中所述热垫片包括设置在所述底座与所述气体分配板之间的多个同心环。
12.一种工艺腔室，包含：
腔室主体，所述腔室主体具有设置在所述腔室主体的内部容积内的基板支撑件；以及
喷淋头，所述喷淋头设置在所述腔室主体的所述内部容积内与所述基板支撑件相对，所述喷淋头如前述权利要求中的任一项所述，其中所述底座的所述第一侧耦接至所述工艺腔室的部件。
13.如权利要求12所述的工艺腔室，其中所述工艺腔室的所述部件是冷却板，并且其中所述冷却板耦接至所述腔室主体的顶板。
14.如权利要求12所述的工艺腔室，进一步包含射频(RF)电源，所述RF电源耦接至所述喷淋头，其中所述RF电源以大于或等于约2000瓦的功率以及约162MHz的频率操作。
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