CN110391120B - 一种喷头和等离子体处理腔室 - Google Patents

一种喷头和等离子体处理腔室 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种喷头和等离子体处理腔室，喷头包括多组贯穿第一表面和第二表面的连通结构，连通结构开设在第一表面的通道入口与开设在第二表面的通道出口之间为非直连通道，以避免等离子体沿垂直于第一表面的直线方向通过喷头，这样可以增加H离子与喷头的碰撞几率，使H离子难以通过，提高H离子的过滤效果。而H自由基、H原子和H分子由于与导电材料制成的喷头的复合几率较低，因此可以保证大多数的H自由基、H原子和H分子通过该连通结构，从而保证晶圆表面的氧化物杂质的去除效果。连通结构可以在水平方向上对H离子进行阻挡，可以不再额外设置负直流高压电源和磁场线圈以额外对H离子施加水平方向的力，从而简化设备结构，降低生产成本。

Description

一种喷头和等离子体处理腔室
技术领域
本发明涉及半导体设备制造技术领域，具体涉及一种喷头和等离子体处理腔室。
背景技术
在PVD(物理气相沉积)工艺设备中，特别是对于IC(集成电路)、TSV(硅穿孔)、Packaging(封装)制造工艺，需要一种等离子体处理腔室，该腔室的作用是将待处理晶圆或工件表面的杂质去除，以利于后续PVD的有效进行。
一般的等离子体处理腔室，是将气体，如Ar(氩气)、He(氦气)、H2(氢气)等，激发为等离子体，利用等离子体的化学反应和物理轰击作用，对晶圆或工件进行去杂质的处理。在射频电场作用下，电子与H2不断碰撞产生新的电子以及H自由基和H离子，最终形成稳定的等离子体状态。预清洗工艺需要利用H自由基与晶圆上沟槽或孔洞内的氧化物杂质反应，将其还原，以免影响下一步金属沉积的性能。由于H离子容易进入Low-k(低介电常数)材料中并使Low-k材料劣化，因此，需避免H离子参与，只保留H自由基、H原子和H分子。
图1为现有的等离子体处理腔室的结构，所述腔室包括：腔室本体1、由绝缘材料制成的顶盖3，线圈4安装在顶盖3上。待处理的晶圆或工件放置在基座7上。射频电源6通过匹配器5将射频功率施加至线圈4上，以将H2激发为等离子体。等离子体处理腔室内邻近等离子体产生区域的下方设置有金属的喷头2，喷头2包括多个竖直且贯穿喷头2的连通结构23。等离子体在通过连通结构23时，离子在连通结构23内碰撞复合，实现离子的过滤。为了保证H离子的过滤效果，通常在喷头2上连接负直流高压电源8，同时在等离子体处理腔室外侧增加磁场线圈9，从而向H离子施加水平方向的力，当H离子在通过喷头2时，受偏转电场和磁场的作用发生偏移，增加H离子与连通结构23的碰撞复合几率。
喷头2中连通结构23的孔径决定了对H离子的过滤效果，然而实际工艺过程中，若连通结构23的孔径设计的太小，则会在滤除H离子的同时降低H自由基的通过率，由此降低晶圆工艺处理效率；若连通结构23的孔径设计过大，则无法保证高能H离子的有效滤除。尤其是当等离子体产生区域与等离子体反应区域之间存在一个方向向下的静电场时，带正电的高能H离子在这个电场的作用下会加速向下移动。喷头2中的连通结构23为圆柱型的连通结构，处于连通结构23位置处的H离子，更容易在正向电场作用下未经阻挡通过喷头2，直接嵌入到位于等离子体反应区域内的Low-k材料中，降低Low-k材料的k值(介电常数)，影响器件性能。而且，设置磁场线圈9和负直流高压电源8也会增加设备的复杂程度，增加成本。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供一种喷头和等离子体处理腔室，用以部分解决现有的喷头对H离子过滤效果差的问题，以及设备结构复杂、生产成本高的问题。
本发明为解决上述技术问题，采用如下技术方案：
本发明提供一种喷头，具有相对设置的第一表面和第二表面，并包括多组贯穿所述第一表面和第二表面的连通结构，所述喷头由导电材料制成，且所述连通结构开于所述第一表面的通道入口与开于所述第二表面的通道出口之间为非直连通道，用于避免等离子体沿垂直于所述第一表面和所述第二表面的直线方向通过所述喷头。
优选的，各组所述连通结构包括第一流道和多个第二流道，所述第一流道的一端形成所述通道入口，且所述第一流道的另一端在所述喷头的内部与各所述第二流道的一端相连通，所述第一流道位于与其相连通的各所述第二流道之间；所述第二流道的另一端形成所述通道出口。
优选的，各组所述连通结构包括一个第一流道和两个第二流道，所述第一流道为垂直于所述第一表面的直流道，两个所述第二流道的纵截面为倒U形。
优选的，各组所述连通结构包括第三流道和第四流道，所述第三流道的一端形成所述通道入口，另一端与所述第四流道的一端在所述喷头的内部相连通，所述第四流道的另一端形成所述通道出口；所述通道入口在所述第二表面上的正投影与所述通道出口在所述第二表面上的正投影不重合；其中，所述第三流道和所述第四流道均为垂直于所述第一表面的直流道。
优选的，各组所述连通结构包括第五流道和第六流道，所述第五流道的一端形成所述通道入口，另一端与所述第六流道的一端在所述喷头的内部相连通，所述第六流道的另一端形成所述通道出口，所述第五流道的轴线和所述第六流道的轴线之间形成夹角。
优选的，各组所述连通结构包括两个第七流道和一个第八流道，所述第七流道的一端形成所述通道入口，另一端与所述第八流道的一端在所述喷头的内部相连通，所述第八流道的另一端形成所述通道出口；所述连通结构的纵截面为Y形。
优选的，所述喷头为圆盘状，其厚度为20mm-50mm，所述通道入口和所述通道出口均为圆形，且其孔径为0.2mm-10mm。
本发明还提供一种等离子体处理腔室，包括腔室本体和如前所述的喷头，所述喷头设置在所述腔室本体内，将所述腔室本体的内部分隔成等离子体产生区和等离子体反应区。
优选的，所述喷头接地。
进一步的，所述等离子体处理腔室还包括基座和位于所述基座内的加热装置，所述基座容置于所述等离子体反应区内，位于所述喷头的下方。
本发明能够实现以下有益效果：
本发明提供一种喷头和等离子体处理腔室，所述腔室的腔室本体内设置有由导电材料制成的喷头，喷头包括多组贯穿第一表面和第二表面的连通结构，连通结构开设在第一表面的通道入口与开设在第二表面的通道出口之间为非直连通道，以避免等离子体沿垂直于第一表面和第二表面的直线方向通过喷头，这样可以增加H离子与喷头的碰撞几率，使H离子难以通过，从而提高H离子的过滤效果。而H自由基、H原子和H分子由于与导电材料的复合几率较低，因此可以保证大多数的H自由基、H原子和H分子通过该连通结构，从而保证晶圆表面的氧化物杂质的去除效果。此外，利用连通结构就可以在水平方向上对H离子进行阻挡，因此，可以不再额外设置负直流高压电源和磁场线圈以额外对H离子施加水平方向的力，从而简化设备结构，降低生产成本。
附图说明
图1为现有的等离子体处理腔室的结构示意图；
图2a为本发明实施例1的喷头的整体结构示意图；
图2b为本发明实施例1的喷头的第一部分的结构示意图；
图2c为本发明实施例1的喷头的第二部分的结构示意图；
图3为本发明实施例2的喷头的结构示意图；
图4为本发明实施例3的喷头的结构示意图；
图5为本发明实施例4的喷头的结构示意图；
图6为本发明实施例1-4的喷头的俯视图；
图7为本发明实施例4提供的等离子体处理腔室的结构示意图。
图例说明：
1、腔室本体 2、喷头 3、顶盖
4、线圈 5、匹配器 6、射频电源
7、基座 8、负直流高压电源 9、磁场线圈
21、第一部分 22、第二部分 23、连通结构
211、第一表面 212、第三表面 221、第四表面
222、第二表面 223、U型槽 231、第一流道
232、第二流道 233、第三流道 234、第四流道
235、第五流道 236、第六流道 237、第七流道
238、第八流道
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下结合图2至图6，详细说明本发明的技术方案。
实施例1
本发明实施例1提供一种喷头，如图2-6所示，喷头2具有相对设置的第一表面211(即喷头2的上表面)和第二表面222(即喷头2的下表面)，并包括多组贯穿第一表面211和第二表面222的连通结构23。喷头2由导电材料制成，且连通结构开于第一表面211的通道入口与开于第二表面222的通道出口之间为非直连通道，用于避免等离子体沿垂直于第一表面211和第二表面222的直线方向通过喷头2。
优选的，喷头2的材料可以为铝。
本发明提供的喷头2，包括多组贯穿第一表面211和第二表面222的连通结构23，连通结构23开设在第一表面211的通道入口与开设在第二表面222的通道出口之间为非直连通道，以避免等离子体沿垂直于第一表面211和第二表面222的直线方向通过喷头2，这样可以增加H离子与喷头2的碰撞几率，使H离子难以通过，从而提高H离子的过滤效果。喷头2由导电材料制成，而H自由基、H原子和H分子由于与导电材料的复合几率较低，因此可以保证大多数的H自由基、H原子和H分子通过该连通结构23，从而保证晶圆表面的氧化物杂质的去除效果。此外，利用连通结构23就可以在水平方向上对H离子进行阻挡，因此，可以不再额外设置负直流高压电源和磁场线圈以额外对H离子施加水平方向的力，从而简化设备结构，降低生产成本。
结合图2a至图2c所示，各组连通结构23可以包括第一流道231和多个第二流道232，第一流道231的一端形成通道入口，且第一流道231的另一端在喷头2的内部与各第二流道232的一端相连通，第一流道231位于与其相连通的各第二流道231之间，第二流道232的另一端形成通道出口。
在本实施例中，优选的，如图2a所示，各组连通结构23包括一个第一流道231和两个第二流道232，第一流道231为垂直于第一表面211的直流道，两个第二流道232的纵截面为倒U形。
以下结合图2b和图2c，详细说明图2a所示的连通结构23的加工方式。如图2b和图2c所示，喷头2包括层叠设置的第一部分21和第二部分22。如图2b所示，第一部分21具有第一表面211和与第一表面211相对设置的第三表面212，第一表面211即为喷头2的上表面，也即是喷头2的第一部分21的上表面，第三表面212为喷头2的第一部分21的下表面。喷头2的第一部分21开设有多个贯穿第一表面211和第三表面212的第一流道231，即第一流道231在喷头2的第一部分21的厚度方向贯穿第一部分21。
如图2c所示，第二部分22具有第二表面222和与第二表面222相对设置的第四表面221，第二表面222即为喷头2的下表面，也是喷头2的第二部分21的下表面，第四表面221为喷头2的第二部分21的上表面。喷头2的第二部分22上设置有多个U型槽223，U型槽223的数量与喷头2的第一部分21上的第一流道231的数量相同。U型槽223的两个侧壁贯穿第二表面222，分别为两个第二流道232，U型槽223的槽底贯穿第四表面221，并连接两相邻的第二流道232。
U型槽223的加工方式如下：首先，在喷头2的第二部分22上形成多个贯穿的环形槽，作为U型槽223的侧壁。然后，在第四表面221上，减薄环形槽中间部分的厚度，得到第五表面224，从而形成U型槽223。
由于U型槽223的槽底与第四表面221连通，各U型槽223处的第二部分22的厚度较小，而各U型槽223之间位置处的第二部分22的厚度较大，因此，当喷头2的第一部分21与第二部分22层叠设置时，相邻U型槽223之间的第四表面221与相邻第一流道231之间的第三表面212贴合。各第一流道231与各U型槽223一一对应，即各第一流道231与各U型槽223的槽底(即相邻两第二流道231之间的位置)相对应，从而形成各连通结构23。
需要说明的是，各组连通结构23在喷头2上可以均匀分布，也可以不均匀分布，可以根据针对晶圆进行的工艺来调节连通结构23的分布。
包括H自由基、H原子、H分子和H离子的等离子体从第一流道231在第一表面211形成的通道入口进入喷头2，H离子被喷头2的第二部分22的第五表面224复合，而H自由基、H原子和H分子则从第二流道232位置通过，从而实现H离子的过滤。
如图6所示，优选的，喷头2为圆盘状，通道入口和通道出口均为圆形。由于一组连通结构23中的两个第二流道232的纵截面为倒U形，喷头2的通道入口(即第一流道231)的截面积小于两个通道出口(即第二流道232)的截面积之和，因此，为了保证H离子的过滤效果，优选的，第一流道231的孔径大于第二流道232的孔径。
优选的，喷头2的厚度可以为20nm-50nm，需要说明的是，喷头2的厚度为第一部分21与第二部分22的厚度之和。连通结构23的孔径可以为0.2nm-10nm。喷头2的厚度与连通结构23的孔径相关，一般来讲，连通结构23的孔径小则喷头2的厚度小，反之亦然。
实施例2
本发明实施例2提供一种喷头，实施例2的喷头与实施例1的喷头的区别在于，连通结构23的结构不同，实施例1的各组连通结构23包括一个通道入口和两个通道出口，而实施例2的连通结构23呈上下交错型，包括一个通道入口和一个通道出口。
以下结合图3对实施例2提供的喷头2的结构进行详细说明。
如图3所示，在实施例2中，喷头2也具有第一表面211和第二表面222，第一表面211为喷头2的上表面，第二表面222为喷头2的下表面。连通结构23包括第三流道233和第四流道234，第三流道233的一端形成所述通道入口，另一端与第四流道234的一端在喷头2的内部相连通，第四流道234的另一端形成所述通道出口，且通道入口在第二表面222上的正投影与通道出口在第二表面222上的正投影不重合。其中，第三流道233和第四流道234均为垂直于第一表面211的直流道。也就是说，第三流道233和第四流道234在垂直于第一表面211和第二表面222的方向上交错设置且相互连通，从而形成上下交错型的连通结构23。
优选的，第三流道233和第四流道234的孔径相同。
实施例2的喷头与实施例1的喷头的其他结构均相同，在此不再赘述。
实施例3
本发明实施例3提供一种喷头，实施例3的喷头与实施例2的喷头的区别在于，连通结构23的结构不同。以下结合图4对实施例3提供的喷头2的结构进行详细说明。
如图4所示，在实施例3中，喷头2也具有第一表面211和第二表面222，第一表面211为喷头2的上表面，第二表面222为喷头2的下表面。连通结构23包括第五流道235和第六流道236，第五流道235的一端形成所述通道入口，另一端与第六流道236的一端在喷头2的内部相连通，第六流道236的另一端形成通道出口，第五流道235的轴线和第六流道236的轴线之间形成夹角。在本实施例中，第五流道235和第六流道236均相对于第一表面211和第二表面222倾斜设置，从而形成折弯型的连通结构232。
优选的，第五流道235和第六流道236的长度和/或倾斜角度相同。优选的，第五流道235和第六流道236的倾斜角度均为45度，这样，既保证了H离子的过滤效果，又不会影响H自由基、H原子和H分子的通过。
优选的，第五流道235和第六流道236的孔径相同。
实施例3的喷头与实施例1的喷头的其他结构均相同，在此不再赘述。
实施例4
本发明实施例4提供一种喷头，实施例4的喷头与实施例1的喷头的区别在于，连通结构23的结构不同，实施例1的各组连通结构23包括一个通道入口和两个通道出口，而实施例4的连通结构23包括两个通道入口和一个通道出口。
以下结合图5对实施例4提供的喷头2的结构进行详细说明。
如图5所示，在实施例4中，喷头2也具有第一表面211和第二表面222，第一表面211为喷头2的上表面，第二表面222为喷头2的下表面。各组连通结构23包括两个第七流道237和一个第八流道238，第七流道237的一端形成所述通道入口，另一端与第八流道238的一端在喷头2的内部相连通，第八流道238的另一端形成所述通道出口，连通结构23的纵截面为Y形。也就是说，各组连通结构23中的两个第七流道237相对于第一表面211倾斜设置，一个第八流道238为垂直于第二表面222的直流道。
实施例4的喷头与实施例1的喷头的其他结构均相同，在此不再赘述。
实施例5
本发明实施例5还提供一种等离子体处理腔室，如图7所示，所述等离子体处理腔室包括腔室本体1和如前所述的喷头2，喷头2可以为实施例1、2、3、4之一提供的喷头。喷头2设置在腔室本体1内，将腔室本体1的内部分隔成等离子体产生区和等离子体反应区。本实施例中以实施例1的喷头为例进行说明。
具体的，腔室本体1接地。喷头2的形状与腔室本体1的形状相匹配，例如，可以呈圆盘状，喷头2的外周与腔室本体1的内侧壁固定连接。喷头2将腔室分隔成两个子腔室，喷头2上方的子腔室为等离子体发生区，用于激发掺杂有Ar和He的H2产生H自由基、H原子、H分子和H离子，从而形成等离子体态。喷头2能够复合H离子，并让H自由基、H原子和H分子通过，使其进入下方的子腔室。喷头2下方的子腔室为等离子体反应区，用于利用产生的H自由基、H原子和H分子轰击晶圆或待处理工件的表面，进行去杂质处理。
本发明提供的等离子体处理腔室包括喷头2，喷头2包括多组贯穿第一表面211和第二表面222的连通结构23，连通结构23开设在第一表面211的通道入口与开设在第二表面222的通道出口之间为非直连通道，以避免等离子体沿垂直于第一表面211和第二表面222的直线方向通过喷头2，这样可以增加H离子与喷头2的碰撞几率，使H离子难以通过，从而提高H离子的过滤效果。喷头2由导电材料制成，而H自由基、H原子和H分子由于与导电材料的复合几率较低，因此可以保证大多数的H自由基、H原子和H分子通过该连通结构23，从而保证晶圆表面的氧化物杂质的去除效果。此外，利用连通结构23就可以在水平方向上对H离子进行阻挡，因此，可以不再额外设置负直流高压电源和磁场线圈以额外对H离子施加水平方向的力，从而简化设备结构，降低生产成本。
在本发明实施例5中，喷头2接地。需要说明的是，喷头2也可以与直流电源或交流电源相连。由于H离子为正电荷，喷头2也可以与负直流高压电源相连，从而可以进一步对H离子施加水平方向的力，以增加H离子与喷头2的碰撞几率，提高过滤效果。
进一步的，如图7所示，所述等离子体处理腔室还包括顶盖3，顶盖3设置在腔室本体1的上方，喷头2设置在顶盖3与腔室本体1相连接的位置。在本发明实施例5中，如图7所示，顶盖3呈拱形，当然，本领域技术人员可知，顶盖3也可以为圆柱形。顶盖9通常为绝缘材料，例如陶瓷。
所述等离子体处理腔室还包括线圈4，线圈4为ICP(Inductively CoupledPlasma，感应耦合等离子体)线圈，线圈4设置在顶盖3上。优选的，线圈4为圆锥状或螺线管状，线圈4可以为1匝或多匝。
如图7所示，所述等离子体处理腔室还包括匹配器5和射频电源6，匹配器5分别与射频电源6和ICP线圈4相连，射频电源的频率可以为：400kHz、2MHz，13.56MHz，40MHz，60MHz，100MHz等。
进一步的，所述等离子体处理腔室还可以包括基座7和位于基座7内的加热装置(图中未绘示)，基座7容置于腔室本体1的等离子体反应区内，并位于喷头2的下方。
基座7可以为E-chuck(静电卡盘)，其内设置有加热装置，优选的，加热装置的加热温度为100～500℃左右，加热时间为5～60s左右。在基座7上增加加热功能可以提高下腔室内的反应活性，从而提高工艺效率。
所述等离子体处理腔室可以为ICP放电装置，也可以为CCP(电容耦合等离子体)处理装置、ECR(微波电子回旋共振等离子体)处理装置、PEALD(Plasma Enhance AtomicLayer Deposition，等离子体增强原子层沉积)装置。
在所述等离子体处理腔室中，喷头2可以作为离子筛网将H离子过滤，在保证等离子体处理效果的前提下，有效避免H离子对待处理晶圆或工件的影响。
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 (8)

1.一种等离子体处理腔室，其特征在于，包括腔室本体和喷头，所述喷头设置在所述腔室本体内，将所述腔室本体的内部分隔成等离子体产生区和等离子体反应区；
所述喷头具有相对设置的第一表面和第二表面，并包括多组贯穿所述第一表面和第二表面的连通结构，每组所述连通结构独立连通，所述喷头由导电材料制成，所述喷头通过所述腔室本体接地，且所述连通结构开于所述第一表面的通道入口与开于所述第二表面的通道出口之间为非直连通道，用于避免所述等离子体产生区内的等离子体沿垂直于所述第一表面和所述第二表面的直线方向通过所述喷头进入所述等离子体反应区内。
2.如权利要求1所述的等离子体处理腔室，其特征在于，各组所述连通结构包括第一流道和多个第二流道，所述第一流道的一端形成所述通道入口，且所述第一流道的另一端在所述喷头的内部与各所述第二流道的一端相连通，所述第一流道位于与其相连通的各所述第二流道之间；所述第二流道的另一端形成所述通道出口。
3.如权利要求2所述的等离子体处理腔室，其特征在于，各组所述连通结构包括一个第一流道和两个第二流道，所述第一流道为垂直于所述第一表面的直流道，两个所述第二流道的纵截面为倒U形。
4.如权利要求1所述的等离子体处理腔室，其特征在于，各组所述连通结构包括第三流道和第四流道，所述第三流道的一端形成所述通道入口，另一端与所述第四流道的一端在所述喷头的内部相连通，所述第四流道的另一端形成所述通道出口；所述通道入口在所述第二表面上的正投影与所述通道出口在所述第二表面上的正投影不重合；其中，所述第三流道和所述第四流道均为垂直于所述第一表面的直流道。
5.如权利要求1所述的等离子体处理腔室，其特征在于，各组所述连通结构包括第五流道和第六流道，所述第五流道的一端形成所述通道入口，另一端与所述第六流道的一端在所述喷头的内部相连通，所述第六流道的另一端形成所述通道出口，所述第五流道的轴线和所述第六流道的轴线之间形成夹角。
6.如权利要求1所述的等离子体处理腔室，其特征在于，各组所述连通结构包括两个第七流道和一个第八流道，所述第七流道的一端形成所述通道入口，另一端与所述第八流道的一端在所述喷头的内部相连通，所述第八流道的另一端形成所述通道出口；所述连通结构的纵截面为Y形。
7.如权利要求1-6任一项所述的等离子体处理腔室，其特征在于，所述喷头为圆盘状，其厚度为20mm-50mm，所述通道入口和所述通道出口均为圆形，且其孔径为0.2mm-10mm。
8.如权利要求1所述的等离子体处理腔室，其特征在于，还包括基座和位于所述基座内的加热装置，所述基座容置于所述等离子体反应区内，位于所述喷头的下方。
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