CN216161704U - 等离子喷头及半导体用大气等离子清洗设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种等离子喷头及半导体用大气等离子清洗设备，涉及半导体加工技术领域。等离子喷头包括外壳、管状电极和绝缘体。外壳内部具有容纳腔，管状电极设置于容纳腔内，管状电极的两侧与外壳的内壁间填充有绝缘体且将容纳腔分隔成第一腔室和第二腔室，外壳的进气口与第一腔室连通，外壳的喷气口与第二腔室连通，第一腔室与第二腔室通过管状电极的内部通道连通，管状电极的出气口与外壳的内壁之间具有间隙。等离子喷头可以应用于半导体用大气等离子清洗设备，并且可以允许气流从管状电极内部通过，提高等离子体的均匀性，达到媲美于真空等离子清洗的效果，甚至较之更为出色，有效解决了真空等离子清洗的效率不高的问题。

Description

等离子喷头及半导体用大气等离子清洗设备

技术领域

本申请涉及半导体加工技术领域，具体而言，涉及一种等离子喷头及半导体用大气等离子清洗设备。

背景技术

半导体材料，例如晶圆，通常需要使用等离子清洗去除光刻胶等，但真空等离子面临抽真空的复杂过程，不利于生产效率的提升，且容易导入真空室污染至晶圆表面，影响品质。

一般来讲，等离子清洗半导体晶圆，等离子体拥有两种清洗能量，一种是等离子体中的化学反应能量，可以与晶圆表面的污染物产生反应，从而去除有机物，例如氧等离子体的活性很大，可以迅速与有机物反应，导致有机物的分解与挥发，达到清洁的目的，另一种是物理反应能量，在气压和偏压的作用下，等离子体撞击晶圆的表面，这种撞击导致晶圆表面污染物的脱落，从而实现清洁。而等离子清洗的过程中，往往是这两种能量的结合。

半导体晶圆，由于表面镀有各种纳米级的材料，因此在清洗时需要均匀柔和的等离子体，减少物理撞击作用，降低电极电压，避免对晶圆产生损伤，这是真空等离子体的优势，但也面临效率低的问题。

发明内容

本申请的目的在于提供一种等离子喷头，其能够用于改善现有的晶圆清洗设备效率不高或者容易损伤晶圆表面的导电材料的问题。

本申请的另外一个目的在于提供一种半导体用大气等离子清洗设备，其包括上述等离子喷头，其具有该等离子喷头的全部特性。

本申请的实施例是这样实现的：

本申请的实施例提供了一种等离子喷头，包括：外壳、管状电极和绝缘体；

所述外壳内部具有容纳腔，所述管状电极设置于所述容纳腔内，所述管状电极的两侧与所述外壳的内壁间填充有所述绝缘体且将所述容纳腔分隔成第一腔室和第二腔室，所述外壳的进气口与所述第一腔室连通，所述外壳的喷气口与所述第二腔室连通，所述第一腔室与所述第二腔室通过所述管状电极的内部通道连通，所述管状电极的出气口与所述外壳的内壁之间具有间隙。

另外，根据本申请的实施例提供的等离子喷头，还可以具有如下附加的技术特征：

在本申请的可选实施例中，所述管状电极的入气口位于所述管状电极的顶部，所述出气口位于所述管状电极的底部两侧，所述第一腔室内的气流能够通过所述入气口进入所述管状电极内部并从两侧的所述出气口进入到所述第二腔室。

在本申请的可选实施例中，所述出气口与所述外壳的内壁之间的间隙为G，0.2mm≤G≤4mm。

在本申请的可选实施例中，所述喷气口的宽度为0.1mm-3mm，长度为10mm-320mm。

本申请的实施例提供了一种半导体用大气等离子清洗设备，包括：等离子射频电源组件、气源和上述任一项所述的等离子喷头，所述等离子射频电源组件与所述管状电极电连接，所述气源与所述进气口连接。

在本申请的可选实施例中，所述气源提供的气体中，至少含有90％的氩气或氦气。

在本申请的可选实施例中，所述等离子射频电源组件包括射频电源、匹配器，所述射频电源与所述匹配器连接，所述匹配器与所述管状电极连接，所述射频电源的频率大于15MHz，所述射频电源施加于所述管状电极的电压小于1000V。

在本申请的可选实施例中，所述所述射频电源的频率为27.12MHz或40MHz。

在本申请的可选实施例中，所述气源供气时，所述外壳的喷气口的气体流量为15-50ml/min。

在本申请的可选实施例中，所述半导体用大气等离子清洗设备还包括载物台，所述外壳的喷气口与所述载物台上的待清洗物件的间距为1-15mm。

本申请的有益效果是：

本申请的等离子喷头可以应用于半导体用大气等离子清洗设备，并且可以允许气流从管状电极内部通过，提高等离子体的均匀性，达到媲美于真空等离子清洗的效果，甚至较之更为出色，有效解决了真空等离子清洗的效率不高的问题，也避免了大气等离子清洗中的损伤晶圆表面材料的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请的实施例提供的半导体用大气等离子清洗设备的示意图；

图2为图1的A部分的局部放大图；

图3为等离子喷头的示意图；

图4为等离子喷头的管状电极在外壳内的示意图；

图5为管状电极的示意图；

图6为外壳的喷气口的示意图；

图7为等离子喷头与晶圆的配合示意图。

图标：1-射频电源；2-匹配器；3-气源；4-外壳；41-喷气口；5-管状电极；51-入气口；6-绝缘体；7-等离子体；8-晶圆；9-进气接头；10-高压接头；101-连接线。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

实施例

请参照图1，本申请的实施例提供了一种半导体用大气等离子清洗设备，包括：等离子射频电源组件、气源3和等离子喷头，等离子射频电源组件与管状电极5电连接，气源3与进气口连接。

其中，等离子射频电源组件包括射频电源1、匹配器2，射频电源1与匹配器2连接，匹配器2与管状电极5连接，射频电源1的频率大于15MHz，射频电源1施加于管状电极5的电压小于1000V。

进一步的，本实施例优选的射频电源1的频率为27.12MHz或40MHz。

气源3提供的气体中，至少含有90％的氩气或氦气。气源3供气时，外壳4的喷气口41的气体流量为15-50ml/min。可以理解的是，气体流量可以根据下文中的管状电极5的出气口和外壳4内壁之间的间距进行调整，本实施例的气体流量是匹配下文中的间隙G，本领域人员根据设备尺寸或者加工对象尺寸的要求，可以参考本申请的举例，对外壳4喷气口41的尺寸设计以及间隙G的设计，对气体流量进行试验调整，当然，该类调整也属于本申请所保护的范围之内。

简单而言，半导体用大气等离子清洗设备是减少了等离子体7的动能，避免对晶圆8表面的材料造成损伤，还通过提高等离子体7的均匀性，达到如同真空等离子清洗一样，甚至更优的清洗效果。

关于等离子喷头，具体的，请结合图1至图7，本申请的等离子喷头，包括：外壳4、管状电极5和绝缘体6；

外壳4内部具有容纳腔，管状电极5设置于容纳腔内，管状电极5的两侧与外壳4的内壁间填充有绝缘体6且将容纳腔分隔成第一腔室和第二腔室，外壳4的进气口(图示中设置进气接头99的位置)与第一腔室连通，外壳4的喷气口41与第二腔室连通，第一腔室与第二腔室通过管状电极5的内部通道连通，管状电极5的出气口与外壳4的内壁之间具有间隙。

其中，本实施例采用的绝缘体6为玻璃或陶瓷材料。外壳4则是由铜、铝或不锈钢等导电金属材料或导电合金材料制成。管状电极5也是由铜、铝或不锈钢等导电金属材料或导电合金材料制成。如图3所示，管状电极5通过连接线101与外壳4顶部设置的高压接头10连接，从而为管状电极5提供高电压，用于激发等离子体7。

请结合图2，出气口与外壳4的内壁之间的间隙为G，0.2mm≤G≤4mm。

请结合图3和图5，本实施例的管状电极5的入气口51位于管状电极5的顶部，出气口位于管状电极5的底部两侧(图中分别标注为52和53，以作区分)，第一腔室内的气流能够通过入气口51进入管状电极5内部并从两侧的出气口进入到第二腔室。其中，外壳4的进气口到管状电极5的距离为20-150mm，当然，这里只是本实施例的举例，并不限制二者之间的间距必须如此。详细的，如图5所示，管状电极5的的入气口51和出气口都是可以直接开槽形成，加工方便，利于实际生产应用。

请结合图6，喷气口41的宽度W为0.1mm-3mm，长度L为10mm-320mm。而管状电极5的长度与喷气口41的长度适配(如图4所示，管状电极5的长度方向与喷气口41的长度方向一致，在出气口的长度尺寸方面也基本一致)，以进一步保障在长度方向上喷出的等离子体7也呈均匀分布。

半导体用大气等离子清洗设备还包括载物台，外壳4的喷气口41与载物台上的待清洗物件的间距H为1-15mm。其中，图7示出了晶圆8，喷气口41的规格是根据晶圆8的尺寸进行匹配，比如4寸晶圆8，喷气口41长度可以设为100mm，12寸晶圆8则喷气口41长度制成300mm。喷气口41的长度等于晶圆8的直径。清洗时，喷气口41对准晶圆8中心并不动，晶圆8进行旋转，从而实现晶圆8表面所有位置的均匀清洗。

在本实施例中，对于待清洗物件与喷气口41之间的间距经过设计，使得间距不会过近而使得半导体晶圆8的表面损伤，也不会由于间距过大而使得大量等离子体7在传递到晶圆8表面之前就损耗掉，影响处理效果。可以理解的是，本实施例所针对的清洗对象是晶圆8，当有其他的需要等离子清洗的对象时，喷气口41与该对象之间的间距可以不限制为本申请的举例，只要间距适合清洗且不会损坏清洗对象或者不会不能保障清洗效果即可。

本实施例的原理是：

在现有的一些真空清洗方案中，真空腔体涉及抽真空、充气的真空管道和各种真空阀门，因此这个管路如果被污染了，会释放污染物到腔体内，导致等离子清洗时产生不良，但这个管道的清洗是很复杂的，使用等离子清洗腔室，但很难清洗到管路，需要拆卸了才能清洗，此时就需要停机进行拆卸清洗然后再安装，非常影响生产效率，且清洗的有效性也并不稳定。

一些使用大气等离子清洗的方案中，所用的电压很高，需要10-60KV，晶圆8表面一般会磁控溅射铜、铝等各种金属材料，在电极高电压情况下，即使电极没有与晶圆8接触，也会由于电压过高产生电火花，从而导致金属导电材料与高压电极之间短路，造成晶圆8的导电材料烧损。

有鉴于此，本申请提出了一种半导体用大气等离子清洗设备，以解决现有的问题，保障清洗效果，又保障生产效率，且能够降低不良率。

具体的，目前大气等离子的主要频率是中频，即20kHz、40kHz等，而真空主要频率是射频频率13.56MHz，而我们使用的频率要大于真空普遍使用的频率，即大于14MHZ。即使频率提升，由于在空气中，其等离子密度也不够均匀，因此通过改变主要使用氮气的传统工艺，使用氩或氦气，提升等离子体7的均匀性，这样频率提升、气体改变后等离子均匀性和密度基本可以媲美真空等离子。

间隙G的距离关系着等离子激发能量能否被气体充分吸收，形成等离子体7，如果间隙过大，则一些气体被激发，一些气体没有被激发，导致等离子密度变差。

因此，等离子均匀性涉及到多个参数，包括射频频率、气体种类、间隙、气体流动分布、与晶圆8这类基材的距离等。本申请提升了射频频率至15MHZ以上，以氩气或氦气为主、间隙G设计在0.2～4mm，气体流动依靠管状电极5的三个槽让气体更均匀的从两侧流出，并从喷气口41最终喷出，同时使得喷气口41与基材距离在1～15mm，既保障等离子体7的动能不会过大，也不会导致喷到基材表面的等离子体7过少，保障清洗效果。

此外，现有技术中的电极所需的电压过高，因此需要靠绝缘材料将电极进行包裹，本申请通过提升等离子射频频率，降低了电压需求，因此，可以允许气体从管状电极5的内部通过，不需要用绝缘材料将整个管状电极5包裹，保障了等离子体7的均匀性和数量，最终保障清洗效果符合要求，且不会损伤晶圆8上的各类材料。而从管状电极5内部流过，气流不会像从电极两侧流过那样产生不均匀的扰动，进一步保障了等离子体7的均匀性。

综上所述，本申请的等离子喷头可以应用于半导体用大气等离子清洗设备，并且可以允许气流从管状电极5内部通过，提高等离子体7的均匀性，达到媲美于真空等离子清洗的效果，甚至较之更为出色，有效解决了真空等离子清洗的效率不高的问题，也避免了大气等离子清洗中的损伤晶圆8表面材料的问题。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种等离子喷头，其特征在于，包括：外壳、管状电极和绝缘体；所述外壳内部具有容纳腔，所述管状电极设置于所述容纳腔内，所述管状电极的两侧与所述外壳的内壁间填充有所述绝缘体且将所述容纳腔分隔成第一腔室和第二腔室，所述外壳的进气口与所述第一腔室连通，所述外壳的喷气口与所述第二腔室连通，所述第一腔室与所述第二腔室通过所述管状电极的内部通道连通，所述管状电极的出气口与所述外壳的内壁之间具有间隙，所述出气口位于所述管状电极的底部两侧。

2.根据权利要求1所述的等离子喷头，其特征在于，所述管状电极的入气口位于所述管状电极的顶部，所述第一腔室内的气流能够通过所述入气口进入所述管状电极内部并从两侧的所述出气口进入到所述第二腔室。

3.根据权利要求2所述的等离子喷头，其特征在于，所述出气口与所述外壳的内壁之间的间隙为G，0.2mm≤G≤4mm。

4.根据权利要求1所述的等离子喷头，其特征在于，所述喷气口的宽度为0.1mm-3mm，长度为10mm-320mm。

5.一种半导体用大气等离子清洗设备，其特征在于，包括：等离子射频电源组件、气源和权利要求1-4任一项所述的等离子喷头，所述等离子射频电源组件与所述管状电极电连接，所述气源与所述进气口连接。

6.根据权利要求5所述的半导体用大气等离子清洗设备，其特征在于，所述等离子射频电源组件包括射频电源、匹配器，所述射频电源与所述匹配器连接，所述匹配器与所述管状电极连接，所述射频电源的频率大于15MHz，所述射频电源施加于所述管状电极的电压小于1000V。

7.根据权利要求6所述的半导体用大气等离子清洗设备，其特征在于，所述射频电源的频率为27.12MHz或40MHz。

8.根据权利要求5所述的半导体用大气等离子清洗设备，其特征在于，所述气源供气时，所述外壳的喷气口的气体流量为15-50ml/min。

9.根据权利要求8所述的半导体用大气等离子清洗设备，其特征在于，所述半导体用大气等离子清洗设备还包括载物台，所述外壳的喷气口与所述载物台上的待清洗物件的间距为1-15mm。

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