CN108573847B - 反应腔室及半导体加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种反应腔室及半导体加工设备，其包括介质窗、环绕在介质窗内侧的法拉第屏蔽件和绝缘环、环绕在介质窗外侧的射频线圈，绝缘环设置在法拉第屏蔽件的底部，用以支撑法拉第屏蔽件。其中，射频线圈包括线圈本体，该线圈本体沿介质窗的轴向呈螺旋状缠绕，且在线圈本体中设置有冷却通道，该冷却通道沿线圈本体的缠绕方向延伸。通过向冷却通道内通入冷却媒介，来冷却介质窗，从而间接冷却法拉第屏蔽件，进而可以减小法拉第屏蔽件的热膨胀量，从而可以保证绝缘环在高温状态下不被破坏，进而提高工艺稳定性和设备可靠性。

Description

反应腔室及半导体加工设备

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，具体地，涉及一种反应腔室及半导体加工设备。

背景技术

随着摩尔定律的发展，在超大规模集成电路的半导体加工设备的生产中，经常要对于高深宽比的结构，例如通道、沟槽和通孔进行金属涂敷，这可以增加反应腔室内等离子体中的离子密度，以获得更好的深孔淀积能力。为了增加腔室中离子的比重，现有的半导体加工设备是在反应腔室的外围增加射频线圈，用于将电磁能量耦合进反应腔室内，从而增大了离子比重，获得了良好的工艺性能。

在金属沉积的反应腔室中，很容易在采用绝缘介质的腔室内壁上形成金属屏蔽，导致电磁能量被屏蔽在腔室之外，为此，法拉第屏蔽装置则被应用到反应腔室中，用于保证射频能量通过射频线圈顺利耦合进反应腔室内。

图1为现有的半导体加工设备的结构图。如图1所示，半导体加工设备包括反应腔室101、射频线圈105和射频电源107，其中，在反应腔室101内设置有基座103，用以承载被加工工件104；在反应腔室101的顶部，且位于基座103的顶部设置有靶材102；射频线圈105环绕设置在反应腔室101的侧壁(采用绝缘介质材料制作)外侧；射频电源107通过匹配器106与射频线圈105连接，用以向射频线圈105加载射频功率。而且，在反应腔室101的侧壁内侧设置有法拉第屏蔽环108，该法拉第屏蔽环108由陶瓷环109支撑。

在实际应用中，需要法拉第屏蔽环108与反应腔室101的侧壁同轴设置，以保证工艺均匀性，如图2所示，现有的方法是通过使用螺钉110将法拉第屏蔽环108和陶瓷环109连接在一起，使法拉第屏蔽环108和陶瓷环109同轴，从而间接实现法拉第屏蔽环108与反应腔室101的侧壁的同轴。但是，在进行工艺的过程中，法拉第屏蔽环108在溅射粒子轰击及射频能量的双重作用下受热向外膨胀，而与之相连的陶瓷环109由于热膨胀系数较小，其膨胀量比法拉第屏蔽环108的膨胀量小，从而就需要在螺钉110与陶瓷环109之间留设一定的间隙，以抵消膨胀量差异。但这又会存在这样的问题，即：

在工艺过程的稳定阶段，法拉第屏蔽环108的温度在100℃左右，在这种情况下，通过计算，法拉第屏蔽环108的直径膨胀量约为1mm，这样，螺钉110与陶瓷环109之间留设的间距大于0.5mm即可保证陶瓷环109不被破坏，同时该间距较小，能够满足同轴的要求。但是，在对新靶材进行清洗，以去除其表面的氧化物及污染物的时候，法拉第屏蔽环108会因持续被轰击而温度大幅上升(超过300℃)，此时法拉第屏蔽环108的直径膨胀量约为3mm，超过了允许的组件变动量，从而可能造成陶瓷环109被拉断。此外，螺钉110与陶瓷环109之间留设的间距不允许超过1.5mm，否则无法确保法拉第屏蔽环108的准确定位，从而产生法拉第屏蔽环108与反应腔室101的侧壁不同轴的问题，影响最终的工艺结果。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种反应腔室及半导体加工设备，其可以保证绝缘环在高温状态下不被破坏，从而可以提高工艺稳定性和设备可靠性。

为实现本发明的目的而提供一种反应腔室，包括介质窗、环绕在所述介质窗内侧的法拉第屏蔽件和绝缘环、环绕在所述介质窗外侧的射频线圈，所述绝缘环设置在所述法拉第屏蔽件的底部，用以支撑所述法拉第屏蔽件，所述射频线圈包括线圈本体，所述线圈本体沿所述介质窗的轴向呈螺旋状缠绕，且在所述线圈本体中设置有冷却通道，所述冷却通道沿所述线圈本体的缠绕方向延伸；

通过向所述冷却通道内通入冷却媒介，来冷却所述介质窗，从而间接冷却所述法拉第屏蔽件。

优选的，所述线圈本体与所述介质窗的外周壁相贴合。

优选的，在所述线圈本体与所述介质窗的外周壁之间设置有可提高热传导效率的导热层。

优选的，所述介质窗的内周壁与所述法拉第屏蔽件的外周壁相贴合。

优选的，所述介质窗采用氮化铝陶瓷制作。

优选的，在所述绝缘环的支撑面设置有凹部，且在所述法拉第屏蔽环的被支撑面设置有凸部，所述凸部位于所述凹部内，其中，

所述凹部包括朝外方向的第一侧面，所述凸部包括朝内方向的第二侧面，所述第一侧面和第二侧面相贴合；

所述凹部被设置为使所述凸部在受热膨胀时不受所述凹部的限制。

优选的，所述凹部为在所述绝缘环的支撑面的边沿形成的台阶。

优选的，在所述法拉第屏蔽环的被支撑面还设置有环形延伸部，所述环形延伸部竖直向下延伸至所述绝缘环的环孔中；并且，在所述环形延伸部的外周面与所述绝缘环的内环面之间具有间隙，并且所述间隙在水平方向上的宽度满足使所述环形延伸部在受热膨胀时不受所述绝缘环的限制。

作为另一个技术方案，本发明还提供一种半导体加工设备，其包括本发明提供的上述反应腔室。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的反应腔室，其通过在呈螺旋状缠绕的线圈本体中设置沿该线圈本体的缠绕方向延伸的冷却通道，并通过向该冷却通道内通入冷却媒介，来冷却介质窗，从而间接冷却法拉第屏蔽件，进而可以减小法拉第屏蔽件的热膨胀量，从而可以保证绝缘环在高温状态下不被破坏，进而提高工艺稳定性和设备可靠性。

本发明提供的半导体加工设备，其通过采用本发明提供的上述反应腔室，可以保证绝缘环在高温状态下不被破坏，进而提高工艺稳定性和设备可靠性。

附图说明

图1为现有的半导体加工设备的结构图；

图2为图1中I区域的放大图；

图3为本发明实施例提供的反应腔室的剖视图；

图4为图3中II区域的放大图；以及

图5为图3中III区域的放大图。

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反应腔室及半导体加工设备进行详细描述。

图3为本发明实施例提供的反应腔室的剖视图。图4为图3中II区域的放大图。请一并参阅图3和图4，反应腔室包括介质窗1、环绕在该介质窗1内侧的法拉第屏蔽件2和绝缘环4、环绕在该介质窗1外侧的射频线圈3。当反应腔室1应用在金属沉积工艺时，很容易在采用绝缘介质的腔室内壁上形成金属屏蔽，导致电磁能量被屏蔽在腔室之外，为此，通过在反应腔室的侧壁内侧环绕设置法拉第屏蔽环2，可以保证射频能量通过射频线圈3顺利耦合进反应腔室1内。绝缘环3用于支撑法拉第屏蔽环2，且使其电位悬浮。绝缘环3可以采用陶瓷或石英等的绝缘材料制作。

如图4所示，射频线圈3包括线圈本体31，该线圈本体31沿介质窗1的轴向呈螺旋状缠绕，且在线圈本体31中设置有冷却通道32，该冷却通道32沿线圈本体31的缠绕方向延伸，从而冷却通道32能够环绕在介质窗1的周围。通过向冷却通道32内通入冷却媒介，来冷却介质窗1，从而间接冷却法拉第屏蔽件2。冷却媒介可以为冷却液体或者冷却气体等。

在进行工艺的过程中，通过向冷却通道32内通入冷却媒介，可以减小法拉第屏蔽件2的热膨胀量，从而可以保证绝缘环4在高温状态下不被破坏，进而提高工艺稳定性和设备可靠性。

在实际应用中，冷却通道32的入口和出口可以分别位于线圈本体31的两个端部，或者也可以设置在线圈本体31的两个端部之间的相应位置处。另外，可以根据具体工艺要求设定线圈本体31的尺寸及冷却通道32的横截面积等参数。

优选的，为了保证良好的热量传递，可以使线圈本体31与介质窗1的外周壁相贴合。

进一步优选的，在线圈本体31与介质窗1的外周壁之间设置有可提高热传导效率的导热层(图中未示出)，该导热层可以采用高导热性材料制作，以增加线圈本体31与介质窗1之间的导热效率，例如氮化铝陶瓷。在实际应用中，可以在线圈本体31与介质窗1之间留设一定的间隙，并将上述导热层填充在该间隙中。

优选的，介质窗1的内周壁与法拉第屏蔽件2的外周壁相贴合。这不仅可以实现介质窗1与法拉第屏蔽件2之间良好的热量传递，而且可以确保介质窗1与法拉第屏蔽件2能够同心设置，从而可以保证工艺均匀性。另外，优选的，介质窗1可以采用例如氮化铝陶瓷等的高导热性材料制作，以进一步提高导热效率。

另外，优选的，为了进一步提高法拉第屏蔽环2的位置准确性，保证工艺均匀性，同时即使法拉第屏蔽环2出现热膨胀变形，也不会破坏绝缘环4，法拉第屏蔽环2与绝缘环4的连接方式可以为：如图5所示，为图3中III区域的放大图。在绝缘环4的支撑面41设置有凹部42，且在法拉第屏蔽环2的被支撑面21设置有凸部22，该凸部22位于凹部42内。其中，凹部42包括朝外方向(即，如图5中示出的箭头方向)的第一侧面421，凸部22包括朝内方向(即，与如图5中示出的箭头相反的方向)的第二侧面221，第一侧面421和第二侧面221相贴合。在将法拉第屏蔽环2安装在绝缘环4上时，第一侧面421和第二侧面221之间的紧密配合可以实现绝缘环4与法拉第屏蔽环2的对中，即二者同轴，从而进一步提高了法拉第屏蔽环2的位置准确性。

而且，上述凹部42被设置为使凸部22在受热膨胀时不受凹部42的限制。在本实施例中，凹部42为在绝缘环4的支撑面41的边沿形成的台阶，即，凹部42沿朝外的方向贯穿绝缘环4，从而使法拉第屏蔽环2的凸部22在朝外的方向不受凹部42的限制。

由于法拉第屏蔽环2为闭合的筒状结构，在稳定的工艺过程中，其受热后能够沿直径方向向外均匀膨胀，而且由于法拉第屏蔽环2的材料为良导体，其热膨胀系数大于诸如陶瓷或石英等的绝缘材料，法拉第屏蔽环2沿直径方向的膨胀量大于绝缘环4沿直径方向的膨胀量，因此，法拉第屏蔽环2的变形不会与绝缘环4发生关联，当法拉第屏蔽环2的直径尺寸不再变化时，形成了稳定的工艺环境，法拉第屏蔽环2与绝缘环4仍然能够保持同轴，从而保证了工艺的均匀性，一致性。

在对靶材进行清洗，以去除其表面的氧化物及污染物的时候，虽然法拉第屏蔽环2积累了大量的热，温度大幅升高，但是由于拉第屏蔽环2的凸部22在朝外的方向不受凹部42的限制，其仍然可以自由、均匀的向外膨胀而不与绝缘环4发生关联，法拉第屏蔽环2在温度下降时收缩，第一侧面421和第二侧面221重新贴合，从而恢复正常的工艺稳定阶段所处的状态，因此，通过使法拉第屏蔽环2的凸部22在朝外的方向不受凹部42的限制，无论工艺处于任何阶段，法拉第屏蔽环2的变形均不与绝缘环4发生关联，从而可以保证绝缘环4在高温状态下不被破坏，进而提高工艺稳定性和设备可靠性。

作为另一个技术方案，本发明实施例还提供一种半导体加工设备，其采用了本发明实施例提供的上述反应腔室。

本发明实施例提供的半导体加工设备，其通过采用本发明实施例提供的上述反应腔室，可以保证绝缘环在高温状态下不被破坏，进而提高工艺稳定性和设备可靠性。

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。

Claims (7)

1.一种反应腔室，包括介质窗、环绕在所述介质窗内侧的法拉第屏蔽件和绝缘环、环绕在所述介质窗外侧的射频线圈，所述绝缘环设置在所述法拉第屏蔽件的底部，用以支撑所述法拉第屏蔽件，其特征在于，所述射频线圈包括线圈本体，所述线圈本体沿所述介质窗的轴向呈螺旋状缠绕，且在所述线圈本体中设置有冷却通道，所述冷却通道沿所述线圈本体的缠绕方向延伸；

通过向所述冷却通道内通入冷却媒介，来冷却所述介质窗，从而间接冷却所述法拉第屏蔽件；其中，

所述线圈本体与所述介质窗的外周壁相贴合；

在所述绝缘环的支撑面设置有凹部，且在所述法拉第屏蔽环的被支撑面设置有凸部，所述凸部位于所述凹部内，其中，

所述凹部包括朝外方向的第一侧面，所述凸部包括朝内方向的第二侧面，所述第一侧面和第二侧面相贴合；

所述凹部被设置为使所述凸部在受热膨胀时不受所述凹部的限制。

2.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，在所述线圈本体与所述介质窗的外周壁之间设置有可提高热传导效率的导热层。

3.根据权利要求1-2任意一项所述的反应腔室，其特征在于，所述介质窗的内周壁与所述法拉第屏蔽件的外周壁相贴合。

4.根据权利要求1-2任意一项所述的反应腔室，其特征在于，所述介质窗采用氮化铝陶瓷制作。

5.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，所述凹部为在所述绝缘环的支撑面的边沿形成的台阶。

6.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，在所述法拉第屏蔽环的被支撑面还设置有环形延伸部，所述环形延伸部竖直向下延伸至所述绝缘环的环孔中；并且，在所述环形延伸部的外周面与所述绝缘环的内环面之间具有间隙，并且所述间隙在水平方向上的宽度满足使所述环形延伸部在受热膨胀时不受所述绝缘环的限制。

7.一种半导体加工设备，其特征在于，包括权利要求1-6任意一项所述的反应腔室。

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