CN1333917A - 用于半导体处理室的室衬 - Google Patents

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Abstract

公开了一种应用于半导体处理室的室衬和一种含有该室衬的半导体处理室。处理室含有外壳,该外壳具有构成室的内表面,在处理半导体晶片期间,该室被抽成真空。室衬(116)含有具有多个孔隙(116e)的等离子约束屏(116c)。外侧壁(116b)从等离子约束屏(116c)向上延伸。外法兰(116a)从外侧壁(116b)向外延伸使得外法兰(116a)延伸至室外并伸入大气压力下的空间。室衬(116)最好还含有从等离子约束屏(116c)向上延伸的内侧壁(116d)。等离子约束屏(116c)、内及外侧壁(分别为116d及116b)和外法兰(116a)最好互相联成一整体。

Description

用于半导体处理室的室衬
本发明一般地涉及半导体制造，并特别涉及应用于半导体处理室的室衬。
在半导体制造中，等离子蚀刻通常用于蚀刻电导体及绝缘材料。等离子蚀刻的一个问题是：当许多晶片在室内处理时，经过一段时间，在处理室的壁上会生成薄膜。这种薄膜累积物可造成两个方面问题中的每一种。第一，薄膜可使壁面剥落并把颗粒掺入到室内。由于集成电路装置的器件尺寸继续减小，处理过程中允许该颗粒存在的程度急剧地下降。因此，处理期间避免出现颗粒变得更加重要了。第二，薄膜可改变射频接地路径并因此影响所获得的晶片。不希望发生这些情况中的任一种，并给出了需要对处理室进行湿式清洁操作的信息，在这种操作中物理地擦净处理室的壁面以除去薄膜累积物。
在商业的半导体制造中，处理室的湿式清洁法不是首选的，因为它需用离线处理模式而因此降低了生产量。在为避免湿式清洁需求的努力中，一些处理室采用了衬来保护处理室的壁面。衬的应用是有利的，因为当薄膜累积物出现在壁上时，衬可以最短的停工时间容易地被替换。
通常圆柱形衬被应用在处理室内，但是，至少具有两个主要缺点。第一个缺点是这种衬整个地位于真空中，因为真空中的热传导差而缺乏充分的热联系。结果，当射频电源循环地开和关时，衬的温度显著地波动。这种温度波动导致晶片处理中所不希望的变化。第二个缺点是难于在真空中做到与衬进行电连接，这种连接可提供满意的射频接地返回路径。通常为此目的使用的材料，例如不锈钢螺钉、铜条带及铜铍合金指针，因为它们不能在处理室内与活性材料共存，即等离子化学作用，所以会在晶片上产生污染。
从上述观点看，需要一种用于半导体处理室的室衬，它能提供热稳定性，充分的射频接地返回路径以及具有最短停工时间的可操作性。
概括地讲，本发明通过提供一种上室衬满足了这一需求，该衬的结构能提供热稳定性，格栅设计起到射频接地返回路径作用，并为清洁而易于移去。本发明还提供了一种半导体制造用的处理室，该处理室含有本发明的上室衬。
在本发明的一个方面，提供了一种用于半导体制造的处理室。该处理室含有具有内表面的外壳，内表面构成一个室，在处理半导体晶片期间，该室被抽成真空。处理室还含有具有等离子约束屏的上室衬，等离子约束屏具有多个孔隙。外侧壁从等离子约束屏向上延伸。外法兰从外侧壁向外延伸以使外法兰延伸至处理室外并伸入大气压力下的空间。上室衬最好还含有从等离子约束屏向上延伸的内侧壁。等离子约束屏、内及外侧壁和外法兰最好互相构成一个整体。处理室仍含有保护外壳内表面的下室衬，该下室衬不被上室衬所覆盖。
在一个优先实施例中，等离子约束屏具有构成内圆周及外圆周的环形结构。在这个优先实施例中，外及内侧壁是圆柱形的。圆柱形外侧壁从外圆周向上延伸一个第一距离，并最好是基本上垂直于等离子约束屏。圆柱形内侧壁从内圆周向上延伸一个第二距离，第二距离比第一距离短，并最好是基本上垂直于等离子约束屏。如果需要，圆柱形内侧壁可含有内法兰，内法兰朝内延伸的方面实际上与外法兰延伸的方向相反。
上室衬最好安装在处理室内，以使第一射频密封垫与外法兰的上表面接触，而第二射频密封垫与外法兰的下表面接触。当上室衬由阳极化的铝制成时，第一及第二射频密封垫分别与外法兰的上及下表面部分接触，这些部分实际上是未阳极化的。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于半导体制造的处理室中的室衬。该室衬含有具有多个孔隙的等离子约束屏。最好与等离子约束屏构成一体的外侧壁从等离子约束屏向上延伸。最好与外侧壁构成一体的外法兰从外侧壁向外延伸。外法兰的结构延伸至处理室的内真空区域之外并伸入大气压力下的空间。室衬最好还含有从等离子约束屏向上延伸的内侧壁。内侧壁最好与等离子约束屏构成一体。
在一个优先实施例中，等离子约束屏具有构成内圆周及外圆周的环形结构。在这个优先实施例中，外及内侧壁是圆柱形的。圆柱形的外侧壁从外圆周向上延伸一个第一距离并最好是基本上垂直于等离子约束屏。圆柱形的内侧壁从内圆周向上延伸一个第二距离，第二距离比第一距离短，并最好是基本上垂直于等离子约束屏。如果需要，圆柱形的内侧壁可含有内法兰，内法兰向内延伸的方向实际上与外法兰的延伸方向相反。
室衬最好用阳极化的铝制成。为使室衬被电接地至处理室的外壳，外法兰的上及下表面具有容纳射频密封垫的区域，该区域实际上是未阳极化的。
本发明的室衬，即上室衬，具有几个显著的技术优点。因为外法兰在处理室外延伸并伸入大气中，使用已知的射频密封垫材料，室衬可被电接地至处理室的外壳而不会在晶片上产生污染。通过增大衬的导热率，外法兰也使室衬具有热稳定性。这减小了室衬中在射频电源循环地开及关时产生的温度波动。另一个优点是连续的射频密封垫可用于把外法兰与处理室的外壳电联接。使用连续的射频密封是有利的，因为它比使用分散的螺栓能提供更好的电气接触。还有的另一个优点是室衬的整体式，即一体式，结构使衬易于从处理室取出并易清洁。利用室衬可被取出及清洁的方便性从而通过减少停工时间可有助于增加晶片的产量。
应理解的是上面的概要说明及下面的详细说明仅是示范性的及解释性的，并不对本发明进行限制，如权利要求中所述。
与本说明结合并构成其中一部分的附图和解释本发明原理的描述共同图解阐明了本发明的示范实施例。
图1为表示具有根据本发明的一个实施例的室衬的半导体处理室的剖面的简图。
图2a更详细地图解说明了根据本发明的一个实施例的室衬的内侧壁结构。
图2b更详细地图解说明了根据本发明的另一个实施例的室衬的内侧壁结构。
图3a所示为根据本发明的一个实施例的室衬的三维视图。
图3b所示为根据本发明的另一个实施例的室衬的三维视图。
图4a为本发明的室衬的等离子约束屏的顶部俯视简图。图中等离子约束屏的区域130用虚线标示。
图4b表示的是根据本发明的一个实施例的等离子屏上的小孔。小孔造在整个等离子约束屏上；但为易于解释，小孔只表示在等离子约束屏的有限区域内，即图4a中用虚线标示的区域130。
图4c表示的是造在根据本发明的另一个实施例的等离子约束屏上的孔隙。孔隙造在整个等离子约束屏上，但为易于解释，孔隙只表示在等离子约束屏的有限区域内，即图4a中用虚线标示的区域130。
图5表示的是根据本发明的一个实施例的室衬安装在处理室中的方式。
图6为根据本发明的一个实施例的阳极化铝制成的室衬的外法兰上表面的顶部俯视图。外法兰的上表面具有实际上未阳极化的电接触区域。
现将参考附图中说明的例子来介绍本发明的优先实施例。
图1为表示具有根据本发明的一个实施例的室衬的半导体处理室的剖面的简图。如图1中所示，处理室100，例如高密度等离子蚀刻室，包含具有口部102a及102b的外壳102。外壳102的内表面构成室104，在晶片处理期间，室104由与口部102b联接的真空泵106抽成真空。在处理晶片期间，通过口部102a装入室104的晶片108被布置在静电卡盘及壳件110的上方。如技术人员所熟知的，把由底部聚焦环114支持的聚焦环112插入于晶片108的周围。外壳102的内表面被上衬116及下衬118联合覆盖，其详情在下面的讨论中陈述。
上衬116包含外法兰116a、外侧壁116b、等离子约束屏116c及内侧壁116d。等离子约束屏116c具有多个孔隙116e并把等离子约束在室104的上区域，即等离子屏116c上方的室104部分，如下面将更详细描述那样。外侧壁116b从等离子约束屏116c向上延伸并且通常与外壳102的内表面相一致。如此，外侧壁116b收集了晶片处理期间产生的聚合物残渣并成为覆盖在外壳上的外壳102内表面部分的保护板。外法兰116a从外侧壁116b向外延伸，于是外法兰116a的实体部分延伸出室104外并进入大气压力下的空间。内侧壁116d从等离子约束屏116c向上延伸并提高了与晶片108的耦合效率，如下面将更详细解释的那样。通常与外壳102内表面相一致的下衬118收集了晶片处理期间产生的聚合物残渣并因此成为覆盖在外壳上的外壳102内表面部分的保护板。
外法兰116a的作用是把上衬116从处理期间处于真空状态下的室104中取出并与大气相接触。借助于外法兰116a与大气相接触，使上衬116的导热率提高，这是因为大气中的热传导比在真空中的效率更高。这种导热率的提高使上衬116具有热稳定性，使得当射频电源循环地开和关时，上衬116的温度不会因来自等离子的热流通而显著地波动。除形成热稳定性外，外法兰11 6a还能使衬116被电接地至外壳102而不污染晶片108。特别是，通过把外法兰116a置于两个射频密封垫之间，可使衬116电气被电接地至外壳102，如下面将更详细地描述那样。因为外法兰116a延伸至室外，射频密封垫不暴露在室104内的等离子化学作用下。因此，即使射频密封垫是由在室104内与等离子化学作用不能相容的材料制成的，也不会对晶片产生污染。
图2a更详细地说明了根据本发明的一个实施例的上衬116的内侧壁116d的构造。如图2a中所示，静电卡盘及壳件110(在图1中它通常表示为单独的部件)含有：静电卡盘120(它具有背侧冷却及压力单元)、下绝缘体124及电极罩102’(它是外壳102的延伸部分)。当射频电源被施加在静电卡盘120上时，射频电源必须有效地被上引通过晶片108。内侧壁116d作为静电卡盘120的屏蔽(例如法拉第屏蔽)，并因此防止了射频电源与等离子及其它损耗路径产生耦合。结果，内侧壁11d有利地提高了与晶片108的耦合效率。如图2a中所示，内侧壁116d的顶部的位置略低于晶片108。然而，这个相对位置是可改变的，所以内侧壁116d的顶部可与晶片108平齐或略高于它。
图2b更详细地说明了根据本发明的另一个实施例的上衬116′的内侧壁116d′的构造。在这一实施例中，内侧壁116d′含有内法兰116f。如图2b中所示，内法兰116f从内侧壁116d′朝着静电卡盘及壳件110向内延伸。相对于图1中所示的内侧壁116d，内侧壁116d′可更有效地隔绝射频损耗，因为通过插入聚焦环112，内法兰116f阻止了射频电源与等离子的任何实际耦合。相对于图2a中所示的底部聚焦环114，图2b中所示的聚焦环114′的构造已作了改进以适应内法兰116f。
图3a所示为根据本发明的一个实施例的上衬116的三维视图。如图3a中所示，等离子约束屏116c具有构成内圆周及外圆周部分的环状结构。在这一简化的图示中，为清楚起见，等离子约束屏116上的孔隙(见图1的例子)被略去。外侧壁116b是圆柱形的和从等离子约束屏116c向上延伸并在屏116c的外圆周上延伸一个第一距离。内侧壁116d是圆柱形的和从等离子约束屏116c向上延伸并在屏116c的内圆周上延伸一个第二距离，第二距离比第一距离短。外侧壁116b及内侧壁116d最好是基本上垂直于等离子约束屏116c。
如图3a中所示，外侧壁116b具有晶片装入口126及3个判断口128。晶片装入口126使能利用机器人臂把晶片装入室104或从其中取出(见图1)，因此，晶片装入口126必须足够大，以适应晶片及机器人臂。在这种限制下，晶片装入口126的尺寸应保持最小，以避免破坏晶片上方的等离子外形。判断口128可用于监视室104内的(加工)处理状况。例如，利用判断口128探测室104内的压力或用于特殊处理中的光学检测边界点。如图3a所示，判断口128含有多个成六边型分布的孔以约束室104内的等离子。技术人员将理解判断口128的数量及形状两者是可改变的，以适应特殊处理的需要。
外法兰116a从外侧壁116b朝外地延伸并最好是基本垂直于它。如图3a所示，外法兰116a通常具有矩形的外形并具有数个切口及小孔以易于在处理室中安装上衬116。对技术人员是明显的，外法兰116a的外形是可变的，以适应其内要使用上衬116的处理室。
图3b所示为根据本发明的另一个实施例的上衬116′的三维视图。上衬116′含有内侧壁116d′，内侧壁116d′上具有从其上朝内延伸的内法兰116f。内法兰116f从内侧壁116d’延伸的方向实际上和外法兰116a从外侧壁116b延伸的方向相反。内法兰116f最好基本上垂直于内侧壁116d′。如上描述的与图2b有关的说明，内法兰116f使得内侧壁116d′在阻隔射频损耗方面比图3a中所示的内侧壁116d更有效。
图4a-4c更详细地说明了等离子约束屏116c上的孔隙116e。图4a是等离子约束屏116c的顶部俯视图，其中区域130用虚线标示。图4b说明的是根据本发明的一个实施例的等离子约束屏116c的区域130上的孔隙116e。如图4b所示，孔隙116e通常是圆形的孔，它们一般呈六角型分布。图4c说明的是根据本发明的另一个实施例的等离子约束屏116c的区域130上的孔隙116e′。如图4c中所示，孔隙116e′是环绕等离子约束屏呈径向型分布的槽。槽的方位最好是其纵向轴线基本上垂直于等离子约束屏116c的内及外圆周。应理解的是，孔隙116e及116e′构造在整个等离子约束屏116c上而不只是在屏116c的区域130上。技术人员都清楚，其它的格栅设计可以造在等离子约束屏116c上。再者，技术人员将理解格栅设计必须使其结构能平衡等离子约束与气体传导率两者相矛盾的要求。一方面，较小的孔隙可提供较好的等离子约束。另一方面，较大的孔隙提供了较好的气体传导率，它需要在室104(见图1)的上区域中保持足够的真空。通常，在等离子约束屏116c上具有约50％至约80％之间的开通面积的任何格栅设计都是可接受的。
图5表示的是根据本发明的一个实施例的上衬116安装于处理室100中的方式。如图5所示，外法兰116a被夹在气体分配板132与外壳102的顶部表面之间。第一真空密封件133，例如O型圈，配置在外法兰116a的顶部表面与气体分配板132之间。第二真空密封件133配置在外法兰116a底部表面与外壳102的顶部表面之间。第一射频密封垫134配置在第一真空密封件133的直径外边并位于外法兰116a的顶部表面与气体分配板132之间。第二射频密封垫134配置在第二真空密封件的直径外边并位于外法兰116a的底部表面与外壳102的顶部表面之间。射频密封垫134最好是连续的密封垫以便提供与外法兰116a的顶部及底部表面的连续电接触。顶板件136，它可包含射频分配系统，配置在气体分配板132的上方并与它电接地。
上衬116及下衬118最好用铝制成，并顶好是用阳极化的铝。在本发明的一个优先实施例中，阳极化层的厚度约为2～3mm，通常它已足以防止铝受到等离子化学作用的实际破坏。对于有关不会显著破坏铝的等离子化学作用的处理，技术人员将理解上衬116及下衬118可用未曾阳极化的铝制成。上衬116及下衬118也可用铝以外的材料制成，例如，包括碳化硅及聚酰亚胺材料。从处理加工的观点看，碳化硅是理想材料，但制造成本昂贵。聚酰亚胺材料，例如特拉华州的威尔明顿的E.I.duPontde Nemours公司出售的VESPEL商标材料，从处理加工的观点看也是理想的，但不能提供可接受的射频接地返回路径。射频密封垫134可用熟知的射频密封垫材料制成，例如铜铍合金。
当上衬116由阳极化的铝制成时，外法兰116a最好具有实际上未阳极化的电接触区。图6是外法兰116a的上表面的顶部俯视图，其中除了用于电接触的区138外，整个表面都已阳极化处理。如图6中所示，电接触区138具有环状结构，用于接纳连续的射频密封垫。连续的射频密封垫的一个例子就是射频密封垫134，如图5a所示，它是环形的。在外法兰116a的下表面上也造有相似的电接触区。射频密封垫与外法兰116a的上及下表面上的电接触区138之间的接触使上衬116电接地至外壳102及气体分配板132。由于通过外法兰116a使上衬116与外壳102及气体分配板132电相联而接地，等离子约束屏116c提供了射频接地返回路径并因此把等离子约束在室104的上区域内。
上衬116及下衬118可根据熟知的金属成形技术来制成。在本发明的一个优先实施例中，上衬116由铝片利用旋压技术制成，其中使用心轴来形成衬各部分的形状，即外法兰116a、外侧壁116b、等离子约束屏116c、内侧壁116d或116d’，以及如果存在，还有内法兰116f。旋压技术是理想的，因为它提供一体式上衬，在上衬中，上衬的上述部分互相联接成一体而不用联接件或其它的联接技术，例如铜焊。下衬118最好也利用旋压技术制成一体式的。
本发明的上衬可以单独使用，或与此处描述的下衬结合使用，上衬适于作为具有顶部线圈、感应耦合的等离子系统的处理室的工具，处理室的一个例子，如TCP9100商标的等离子蚀刻反应器，可从加利福尼亚州的弗里蒙特市的拉姆研究公司买到。再有，本发明的上衬，不论单独使用或与下衬结合使用，可用于被构造用来蚀刻导电的或绝缘的材料，例如多晶硅、金属及氧化物，的处理空中。本发明的上衬，不论是单独使用或与下衬结合使用，也可应用于其它的半导体制造，例如淀积，设备中，在该设备中应用了等离子而且射频接地是重要的。
例如，如图3a及3b所示，外侧壁116b的高度大于内侧壁116d及116d’的高度。具有别的结构的处理室，例如具有可变高度的卡盘，对于把内侧壁116d或116d’的高度调整至与外侧壁116b的相同或更高，它是理想的。另外，例如图3a及3b中所示，外侧壁116b及内侧壁116d及116d’是圆柱形的。对于技术人员来说是明显的，外侧壁116b和内侧壁116d及116d’可具有其它的形状，例如锥形的。另外，外法兰116a可以延伸以在外侧壁116b与外壳102的内表面之间形成更大的间隙。
本发明的上衬，对传统的圆柱形室衬产生的射频接地、热稳定及等离子约束的问题给出了精练而简单的解决办法。外法兰能使上衬电锚定在处理室的外壳上。结果，结合在上衬中的等离子约束屏为射频系统提供了充电返回路径，并因此把等离子约束在室的上部分之中。通过暴露在大气中来增加衬的导热率，外法兰也使得上衬具有热稳定性。这有助于减小上衬中的温度波动，温度波动不利于晶片处理。此外，上衬的一体式制造使衬易于取去和清洁。通过减少停工时间而增加晶片产量来得利。
总之，本发明提供的室衬具有保护格栅、等离子约束屏及防射频损耗屏的功能，以提高射频电源与被处理晶片的耦合效率。此处依据几个优先实施例描述了本发明。从本发明的规格参数及实践方面考虑的本发明其它实施例，对技术人员将是显而易见的。例如，如上所述，室衬可制成多片的以代替此处所示和描述的一体式的。另外，如上所述，等离子约束屏的格栅设计可在此处所示和所述的基础上改进。以上描述的实施例及优选特点应视为示范例子，而本发明由所附的权利要求所限定。

Claims (20)

1、一种用于半导体制造的处理室，其特征在于，含有：
一具有内表面的外壳，该内表面构成一个室，在半导体晶片处理期间，该室被抽真空；
一具有带多个孔隙的等离子约束屏的室衬，外侧壁从所述等离子约束屏向上延伸，而外法兰从所述外侧壁向外延伸，所述外法兰延伸至所述室外并伸入大气压力下的空间。
2、如权利要求1所述的处理室，其特征在于：所述的室衬还含有从等离子约束屏向上延伸的内侧壁。
3、如权利要求2所述的处理室，其特征在于：所述的等离子约束屏、内及外侧壁和外法兰互相联成一整体。
4、如权利要求2所述的处理室，其特征在于：所述的等离子约束屏具有构成内圆周及外圆周的环形结构，外侧壁是圆柱形的，并从所述外圆周向上延伸一个第一距离，而内侧壁是圆柱形的并从内圆周向上延伸一个第二距离，所述的第一距离比所述的第二距离长。
5、如权利要求4所述的处理室，其特征在于：所述的内、外侧壁基本上垂直于等离子约束屏。
6、如权利要求2所述的处理室，其特征在于：所述的内侧壁含有内法兰，内法兰向内延伸的方向基本上与外法兰延伸的方向相反。
7、如权利要求1所述的处理室，其特征在于：所述的第一射频密封垫与外法兰的上表面接触，而第二射频密封垫与外法兰的下表面接触。
8、如权利要求7所述的处理室，其特征在于：所述的室衬由阳极化的铝构成，而第一及第二射频密封垫分别与外法兰的上及下表面的区域接触，该区域实际上是未阳极化的。
9、一种用于半导体制造的处理室中的室衬，其特征在于，含有：
具有多个孔隙的等离子约束屏、从所述等离子约束屏向上延伸的外侧壁、及从所述外侧壁向外延伸的外法兰，所述外法兰的结构延伸在处理室的内真空区域之外并伸入大气压力下的空间。
10、如权利要求9所述的室衬，其特征在于：所述的还含有从等离子约束屏向上延伸的内侧壁。
11、如权利要求10所述的室衬，其特征在于：所述的等离子约束屏、内及外侧壁和外法兰互相联成一整体。
12、如权利要求10所述的室衬，其特征在于：所述的等离子约束屏具有构成内圆周及外圆周的环形结构，外侧壁是圆柱形的并从所述外圆周向上延伸一个第一距离，而内侧壁是圆柱形的并从内圆周向上延伸一个第二距离，所述第一距离此所述第二距离长。
13、如权利要求12所述的室衬，其特征在于：所述的内及外侧壁基本上垂直于等离子约束屏。
14、如权利要求10所述的室衬，其特征在于：所述的内侧壁含有内法兰，内法兰向内延伸的方向基本上与外法兰延伸的方向相反。
15、如权利要求9所述的室衬，其特征在于：所述的室衬是由阳极化的铝制成的，而外法兰的上及下表面具有与射频密封垫接触的部分，该部分基本上是未阳极化的。
16、一种用于半导体制造的处理室中的室衬，其特征在于，含有：
具有多个孔隙的等离子约束屏、与所述等离子约束屏构成一体并从该屏向上延伸的外侧壁、与所述等离子约束屏构成一体并从屏向上延伸的内侧壁、以及与所述外侧壁构成一体并从外侧壁向外延伸的外法兰，所述外法兰的结构延伸在处理室的内真空区域之外并伸入大气压力下的空间。
17、如权利要求16所述的室衬，其特征在于：所述的等离子约束屏具有构成内圆周及外圆周的环形结构，外侧壁是圆柱形的并从所述外圆周向上延伸一个第一距离，而内侧壁是圆柱形的并从内圆周向上延伸一个第二距离，所述第一距离比所述第二距离长。
18、如权利要求17所述的室衬，其特征在于：所述的内及外侧壁基本上垂直于等离子约束屏。
19、如权利要求16所述的室衬，其特征在于：所述的内侧壁含有内法兰，内法兰向内延伸的方向基本上与外法兰延伸的方向相反。
20、如权利要求16所述的室衬，其特征在于：所述的室衬由阳极化的铝构成，而外法兰的上及下表面具有与射频密封垫接触的区域，该区域基本上是未阳极化的。
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