CN2794658Y - 具有被引导的气流的气体分布器 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种具有被引导的气流的气体分布器。气体分布器将气体分布通过衬底处理室的表面。该气体分布器具有轮轴、从轮轴沿径向向外延伸的导流片、第一组叶片和第二组叶片。在一种方案中，轮轴具有气体进口和气体出口。导流片具有相对的第一和第二表面。第一叶片位于导流片的第一表面上，引导气体通过室表面。在一种方案中，第一叶片包括从轮轴向外弯曲并逐渐变细的弓形板。第二叶片位于导流片的第二表面上，引导气体通过导流片的第二表面。在一种方案中，轮轴中的气体连通管可以允许气体绕开第一和第二组叶片。

Description

具有被引导的气流的气体分布器
技术领域
本实用新型涉及在衬底处理室中引导气流。
背景技术
在半导体和显示器的制造中，材料通过氧化、氮化、离子注入、化学气相沉积(CVD)以及物理气相沉积(PVD)工艺被形成在衬底上。衬底沉积材料还可以被蚀刻，以形成诸如互联线、栅极和屏蔽(barrier)之类的特征。在这样的处理中，工艺残渣沉积在室壁的内表面和曝露的室组件上。工艺残渣可以包括被形成或被蚀刻的材料，以及在工艺过程中发生的化学或物理作用可能产生的其他材料。工艺残渣还可能会以不均匀的方式沉积到表面上。例如，残渣可以在处理气体进口或PVD靶附近形成较厚的层，而在室的其他区域则基本不存在。
工艺残渣从室壁和组件上被周期性地清洗。残渣不受抑制的累积可能会使正在室内进行的工艺降级并减少衬底的产量。例如，残渣可以在沉积工艺过程中从室壁上剥落或者碎裂，并污染正在衬底上形成的层。另外，在气体进口和出口处或其周围聚集的残渣不利地影响处理气体流速或成分。衬底的污染或从指定工艺配方的偏差可能会导致正在衬底上被制造的器件的不可靠或不能工作。
在一种清洗方法中，残渣通过湿式清洗工艺从室内的表面上被清洗，在该工艺中，操作人员将液态溶剂施加到室表面。湿式清洗工艺经常是手工实现的，因此可能会很慢或效率低，导致室的停机时间延长或不完全清洗。举例来说，不同的室操作人员可能会用不同的力量擦洗室壁，在一批衬底和另一批衬底的处理之间导致室的清洗程度不同。
干式清洗工艺也可以用来清洗室，在该洗工艺中使用被激发的清洗气体来从室表面蚀刻残渣。然而，干式清洗工艺具有其他问题。例如，具有不均匀残渣的表面可能需要长时间曝露给清洗气体，以清洗具有较厚残渣的区域，导致具有较薄残渣的室表面的腐蚀或退化。抗化学或难清洗残渣也可能需要长时间曝露给清洗气体，或者使用高腐蚀性清洗气体，这可能导致相似的问题。另外，高腐蚀性清洗气体可能还具有更大的毒性或环境上的不安全性。
传统干式清洗工艺还具有一个问题，就是对处理气体和清洗气两者通常使用同样的气体分布系统。这样的气体传输系统一般在室内以均匀的方式分布通过衬底表面的处理气体，以最优化衬底处理特性。然而，因为在室内的清洗气体的最佳分布与处理气体相比具有不同的要求，所以传统的气体分布系统不足以提供对室内部表面上形成的残渣的满意清洗。
因此，需要从室表面清洗可能不均匀地沉积或对清洗有化学抗性的残渣，而不过多的腐蚀室表面。还希望能够分布通过室表面的清洗气体，以获得残渣的高效或优化的清洗。
实用新型内容
本实用新型提供一种将气体分布通过衬底处理室表面的气体分布器。该分布器具有轮轴、从轮轴沿径向向外延伸的导流片、第一组叶片和第二组叶片。在一种方案中，轮轴具有气体进口和气体出口。导流片具有相对的第一和第二表面。第一叶片位于导流片的第一表面上，并引导气体通过室表面。在一种方案中，第一叶片包括从轮轴向外弯曲并逐渐变细的弓形板。第二叶片在导流片的第二表面上，并引导气体通过导流片的第二表面。在一种方案中，轮轴中的气体连通管可以允许气体绕开第一和第二组叶片。
一种具有气体分布器的衬底处理装置，包括用于激发清洗气体的远程室和处理室。气体分布器从远程室接收清洗气体，并沿着处理室内表面和气体分布器周围分布清洗气体进入处理室中。
相比于传统气体分布系统，根据本发明的气体分布器能够从室表面清洗可能不均匀地沉积或对清洗有化学抗性的残渣，而不过多的腐蚀室表面。还能够分布通过室表面的清洗气体，以获得残渣的高效或优化的清洗。例如，分离的气体轨道可以被用于(i)释放用于清洗表面的清洗气体，以及(ii)分别释放衬底处理气体。分离的清洗气体轨道最小化了清洗气体对沟漕的腐蚀，并允许清洗气体沿着需要的表面被引导。分离的沉积气体轨道限制了沉积气体在沟槽的表面和其他邻近表面上的不希望的沉积。
附图说明
参照示出了本实用新型示例的以下描述、所附的权利要求以及附图，本实用新型的这些特征、方面和优点将变得更容易理解。但是，应当理解，各个特征都可以在本实用新型中一般地使用，而不仅用在具体图形的环境中，并且本实用新型包括这些特征的任何组合，其中：
图1是根据本实用新型的气体分布器的实施例的立体图；
图2是图1中的气体分布器的侧视图；
图3A是图1中的气体分布器的俯视图；
图3B是图1中的气体分布器的仰视图；
图4是气体分布器的第二叶片的实施例的立体图；
图5是具有气体分布器的衬底处理室的实施例的剖视示意图；
图6A是与淋浴头型的处理气体分布器结合使用的气体分布器的实施例的剖视示意图；以及
图6B是图6A中所示的气体分布器和淋浴头的示意仰视图。
具体实施方式
如图1和图2所示，气体分布器20的实施例包括轮轴22，该轮轴22具有配合在室壁30的空洞26中的第一端24。轮轴22具有用于接收气体的气体进口32和用于将所接收的气体分布通过室内不同表面的气体出口34。轮轴22包括多个第一沟槽36，第一沟槽36具有开口38和终端46。气体进口32由第一沟槽36的开口38来界定，并从外部源接收气体，例如衬底处理气体或清洗气体。在一种方案中，第一沟槽36由轮轴22外表面42上的第一凹槽40界定，其中轮轴22的外表面42与室壁30中的空洞26的表面28相配合。当轮轴22位于空洞26中时，第一凹槽40在外表面42和空洞26的表面28之间界定出第一沟槽36。在一种方案中，气体出口34包括第一沟槽36的终端46。第一沟槽36还可以由其他构造界定，例如平坦(少凹槽)的外轮轴表面42和有槽的内空洞表面28(未示出)的结合。类似地，两个表面都可以具有凹槽、切口或者空间轮廓区域，或者两个表面也都可以是平滑的，并且第一沟槽36由轮轴外表面和空洞表面28(未示出)之间的间隙形成。
轮轴22还包括多个第二沟槽48，第二沟槽48具有接收来自第一沟槽36的气流的开口49。气体分布器20的气体出口34还包括第二沟槽48的终端50。在一种方案中，第二沟槽48包括第二凹槽52，第二凹槽52沿着轮轴22从第一沟槽36的终端46持续至轮轴22的第二端54。包括第一沟槽36的终端46和第二沟槽48的终端50的气体出口34被构造成引导气体通过室内的和围绕分布器20的不同表面。例如，第一沟槽36的终端46可以被构造成引导气体通过第一室表面，而第二沟槽48的终端50被布置成引导气体通过第二室表面。例如，气体分布器20可以被用来引导清洗气体通过每个表面，以更有效地清洗工艺残渣的两个表面。气体分布器20还可以有助于引导诸如衬底处理气体的之类气体通过诸如室的顶或侧壁之类的气体反射表面，以在室内提供更均匀的气体分布，来得到更好的衬底处理结果。
在图1和图2的方案中，气体分布器20还包括布置在轮轴22第二端54的导流片56，该导流片56从轮轴22沿径向向外延伸。导流片56具有相对的第一(或顶)表面58和第二(或底)表面60。第一表面58被构造成沿室内的表面或特定方向引导来自第一沟槽36终端46的被接收气体的至少一部分的气流59。例如，第一表面58可以被定位成相对于来自第一沟槽36终端46的气体流动方向的一个倾斜角度，或者甚至基本垂直于流动方向，如图2所示。例如，通过提供与壁平行并与其间隔开的气体引导平面，导流片56的第一表面58可以被设置成沿着特定表面引导气体，该特定表面例如是室壁，诸如室的侧壁或顶板。虽然导流片56被示出为从轮轴22的第二端54沿径向向外延伸，但应当理解，导流片56还可以被放置在沿轮轴22的其他地方，例如轮轴22的第一端24或中点。另外，在所示的方案中，导流片56包括围绕轮轴22对称设置的圆形板62。然而，导流片56也可以包括非圆形板，诸如矩形或星形板，并且还可以相对于轮轴22不对称布置。
导流片56包括孔64，孔64被布置以接收从第一沟槽36的终端46释放并沿着轮轴22的第二沟槽48流动的气体的至少一部分。在一种方案中，孔64与导流片56和轮轴22的连接相符合。孔64还可以径向延伸超出轮轴22和导流片56的交点。导流片孔64穿过导流片56，从导流片56的第一表面58到第二表面60。孔64和导流片第二表面60的交点形成第二沟槽48的终端50。导流片孔64为第二沟槽48形成穿过导流片56至第二沟槽48的终端50的通道。
在一种方案中，轮轴22还可以具有气体连通(feed-through)管66，以允许气体通道直接进入室内。气体连通管66穿过轮轴22的中心，从轮轴22的第一端24到轮轴22的第二端54。气体被轮轴22第一端24上的连通管66的进气口68接收，并且绕开了第一和第二沟槽36、48，而通过在轮轴22第二端54的气体连通出口70直接进入室内。气体连通管66允许气体直接释放进入室内。当气体分布器20需要两个可选择的气体通道时，例如一个用来释放用于清洗表面的清洗气体，而另一个用来释放直接来自衬底上方的包括衬底处理成分的气体的时候，这个方案是有用的。分离的气体轨道最小化了腐蚀性清洗或蚀刻气体对沟槽的腐蚀，或沉积气体在沟槽的内表面和其他邻近表面上的沉积。同时，清洗气体可以沿着需要的表面被引导，而并不简单地被直地引入室内。
气体分布器20还包括从轮轴22沿导流片56的第一表面58向外延伸的第一组叶片74。第一叶片74与导流片56相结合，将来自第一沟槽36的终端46的气流的一部分59向轮轴22外引导，并通过室表面。在一种方案中，每个第一叶片74包括弓形板76，弓形板76从轮轴22向外弯曲至导流片56的周边78。在本方案的一个实施例中，弓形板76随着从轮轴22向外延伸而逐渐变细。如从例如图3A的俯视图中所看到的，弓形板76是例如螺旋形模式的对称模式的相同组件。弓形板76的螺旋形模式给予通过室表面的例如清洗气体的气流59向外的旋转方向的运动。通过允许通过室表面的气体更均匀地分布，旋转气体模式提供了这些表面的更好的清洗，并减少了停滞气体区域。均匀分布的清洗气体通过提供这样的气流路径更有效地清洗室表面，该气流路径通过环流来从室内的诸如拐角和缝隙的区域去除停滞气体。另外，因为气体的较低流速可以被用来更有效地清洗室表面，从而减少特定室区域或表面被曝露给过量腐蚀气体的可能性，所以气流59可以减少曝露的室表面的腐蚀。第一叶片74的其他实施例可以包括将弓形板76安排成不同的模式，该模式可以给予通过室表面的清洗气体流59不同的方向性。可替换的模式可以包括不同类型的弯曲或对称，并可以根据清洗气体的类型或待清洗残渣的成分和位置制作。
气体分布器20还包括在导流片56第二表面上60上的第二组叶片80。第二叶片80被布置成至少部分在第二沟槽48的终端50之下。从第二沟槽48的终端50出来的气流的第一部分82被第二叶片80重定向，以流过导流片56的第二表面60，而第二部分84不受约束地进入处理室。通过导流片56第二表面60的气流清洗该表面60，并且气体分布器20从而进行自清洗。第二表面60因其一般朝向室内的衬底并从而靠近室内的工艺集中的处理区域，而容易受影响，所以这种自清洗尤其有益。这与现有技术的气体分布器相比是一个显著的优点，现有技术的气体分布器允许在表面上累积的残渣曝露给室内的等离子或处理气体环境，并且没有被直接曝露给清洗气体的直接气流。
如图4中所示，每个第二叶片80包括相对于导流片第二表面60倾斜的表面86，用于引导气流。在一种方案中，倾斜表面86被成对设置。倾斜表面86设置成对86a、86b，有助于组织他们的功能性。在图3B所示的实施例中，两表面86相互呈90度对准，以形成一对表面86a、86b。单对表面86a、86b起到引导通过导流片第二表面60的扇区90的一部分气体的作用。导流片第二表面60可以被划分为多个扇区90。在图3B所示的实施例中，导流片第二表面60的扇区90包含导流片第二表面60的四分之一。导流片第二表面60的每四分之一接收来自一对表面86a、86b的清洗气流。
在其他实施例中，第二叶片80可以包括单独或成对的倾斜表面86的不同物理设置。倾斜表面86的交替的成对86a、86b设置可以提供导流片第二表面60划分成扇区90的交替的结构。倾斜表面86还可以单独地设置成某个模式。总之，第二叶片表面86针对的所有扇区90的组合包括基本上全部的导流片第二表面60，以提供第二表面60的清洗。在一种方案中，倾斜表面86是位于导流片孔64之下以某个模式组织的板92。例如，板92可以彼此呈角度，以形成楔形块94。楔形块94以它们的顶点95朝向导流片56的第二表面60而被定向。因此，在本方案中，第二叶片80包括被布置在导流片孔64下方的多个楔形块94，它们的顶点95至少部分在导流片第二表面60上。
倾斜表面86相对于导流片第二表面60的倾斜角，如图4中用角θ所示，可以小于90度，或更优选地从约5度至约60度。该角θ可以在此范围内变化，以控制通过导流片第二表面60的清洗气体流的重定向角度。越小的倾斜角度θ将重定向通过导流片第二表面60的清洗气体的越大的部分。越大的倾斜角度θ将重定向越小部分的清洗气体。被重定向通过导流片第二表面60的清洗气体的量还可以通过选择孔64的大小和第二叶片表面86的面积来控制。
根据本实用新型的气体分布器20可以包括较宽范围的多种材料，包括金属、陶瓷、半导体、玻璃、聚合物、塑料或任何适合在半导体处理室中应用的其他材料。例如，在一种方案中，气体分布器20可以包括铝、氮化铝、氧化铝中的一个或多个。气体分布器20可以通过较宽范围的多种方法制造，包括机加工、模铸、烧结、焊接、组装、粘接或任何适合在衬底处理室中使用的适于元件生产的其他制造方法。
在一个实施例中，气体分布器20提供了清洗气体，以从化学气相沉积(CVD)工艺中清洗残渣，该CVD工艺例如是高密度等离子CVD(HDP-CVD)工艺。实现这样的工艺的衬底处理室96是U1Tima PlusHDP-CVD处理室，其可以从位于加利福尼亚州的圣克拉拉的应用材料公司(Applied Materials，Inc.)得到。图5中示意性地示出了HDP-CVD衬底处理室的示例实施例。室96可以由包括金属、陶瓷、玻璃、聚合物和合成材料的多种材料中的任一种来制造。室96被制造，使得它们能够经受住和容纳处理环境，处理环境可以包括极端的温度和压力，以及气体和等离子体的存在。图5中所示的室96是气体分布器20可被用于其中的一种类型的衬底处理室的示例，但是，气体分布器20也可以用在其他类型的衬底处理室中。
处理室96包括室壁30，室壁30包括顶壁98、侧壁100和底壁102。如图5所示，室壁30可以包括扁平形、矩形、弓形、圆锥形、圆顶形或多半径弓形形状。室壁30定义了在待处理衬底106上方的处理区域104。衬底106一般在衬底支撑部件108上被保持在处理区域104内，衬底支撑部件108可以包括衬底支撑110，衬底支撑110例如是可充电以静电保持衬底106的静电卡盘。
处理气体供给设备111包括处理气体进气口113、处理气体源112和处理气体阀114。例如，在图5所示的方案中，处理气体进口113包括形成气环118的管嘴116，气环118围绕处理区域104，向处理区域104提供处理气体的均匀气体传输。从处理气体源112到处理气体管嘴116的处理气体的流速通过处理气体阀114来控制。处理区域104中的气体通过排气装置119来排出，其中排气装置119包括诸如涡轮分子泵的排气泵120以及具有至少一个阀或例如双刃节流阀122和闸门阀124的排气管道121，以控制室96内的气流和压力。处理气体供给装置111和排气装置119通过控制126来控制。
室96包括其上沉积了处理残渣的内部室表面128，例如在衬底106处理过程中曝露给处理气体的表面128。内部室表面128可以包括组件的表面，例如室壁30、衬底支撑110、支撑部件108、处理气体管嘴116、节流阀122或曝露到室96内部的其他组件表面。
气体可以在室96内通过气体激发器(energizer)129来激发，气体激发器129适于将RF或微波能量耦合到处理区域104中的气体。在一种方案中，气体激发器129包括感应线圈，感应线圈包括顶线圈130和侧线圈132，它们可以由RF电源134供电，以将RF能量耦合到气体。这种双线圈系统允许控制在处理室96中的辐射离子密度，藉此提高等离子体均匀性。虽然双线圈系统允许示例性的离子控制，但是根据本实用新型的适合的室96可以只包括这样的气体激发器129，其只具有一个线圈，或用于电容性耦合能量的电极，或用于耦合微波能量的微波激励器(activator)。
在一种方案中，气体分布器20是清洗气体供给装置136的一部分，清洗气体供给装置136包括清洗气体源138、清洗气体源控制阀140、远程室或区域142以及清洗气流控制阀146。远程室142包括气体进口148、远程气体激励器144和气体出口150。清洗气体可以在远程室142中被远程气体激励器144激发，远程气体激励器144能够将RF或微波能量耦合到气体。气体出口150的确切结构以及其通过清洗气流控制阀146到处理室96的连接可以根据被激发的清洗气体的类型而变化。限制清洗气体从远程室142传输至处理室96时所必须经过的物理距离是重要的。在清洗气体被气体分布器20分布到处理室96中后，清洗气体的激发状态可以有选择地由室气体激发器129维持，例如，通过向顶线圈130和侧线圈132施加RF电源。或者，清洗气体可以最初由室气体激发器129激发，而不是由远程气体激励器144。
室96包括向诸如衬底支撑部件108之类的组件提供适当偏置电压的电源152、静电卡盘110和顶壁98。室96还包括控制器126，控制器126具有程序代码，用于控制室96的组件。例如，控制器126可以包括用于控制进入室96内气流的气流控制代码、气体激发器控制代码、衬底传输控制代码、温度控制代码、排出系统控制代码以及操作衬底处理室96所需的其他控制代码。
根据从室96中被移除的残渣的类型，清洗气体可以具有不同的化学成分。清洗气体可以包括活性和惰性成分。活性成分可以与残渣化学反应，以将它们去除。惰性成分可以存在以帮助活性成分的激发。惰性成分还可以存在以引起溅射反应，其中残渣被物理性地去除。活性和惰性成分可能不总是很容易地彼此分辨开，并且可能参与或增强另一者的清洗活动。
在操作中，待处理的衬底106通过诸如机械手的衬底传输装置被传输到处理室96中，并被放置在衬底支撑装置110上。处理气体通过处理气体供给装置111被提供在处理区域104内，并由气体激发器129激发以处理衬底106。例如，在一种方案中，处理气体可以包括沉积气体，沉积气体包括硅烷、SiF4、氧气以及氮气中的一种或多种，它们用来在衬底106上沉积二氧化硅、氮化硅、和氟硅酸盐玻璃中的一种或多种，并从而在室96内的表面128上产生残渣。处理气体还可以是诸如氟气、SF6、氯气、BCl3和N2的蚀刻气体。被激发的清洗气体通过清洗气体供给装置136被提供到室96内，以清洗表面128。例如，清洗气体可以包括NF3、C2F6和CF4中的一种或几种。气体从室96中通过排气装置119排出。
在本实用新型的另一个方面中，气体分布器20可以结合处理气体分布器156来分布清洗气体，以形成组合气体分布器154。组合气体分布器154包括将处理气体引进室96中的处理气体分布器156以及安装在处理气体分布器156中用于向室96中提供清洗气体的清洗气体分布器20。气体分布器20可以安装在处理室96中，处理室96包括淋浴头式处理气体分布器156。这种类型的组合气体分布器154的示意图在图6A和图6B中被示意性地示出。处理气体通过淋浴头气体分布面板158从处理气体分布器进口157被引进室96中。淋浴头面板158具有多个孔160，处理气体通过这些孔160进入处理区域104。气体分布器20被安装在淋浴头面板157中心之下。例如，在一种方案中，气体分布器20被安装到淋浴头面板157中的一个孔159中，该孔159可以容纳气体分布器20的轮轴，并在气体分布器120和例如来自清洗气体供应装置136的清洗气体流之间提供连接。清洗气流被提供到气体分布器20，气体分布器20引导清洗气体，使其沿着包括淋浴头面板158的处理气体分布器156的表面，以及进入室96内，并沿着室96的内部表面128。
参考本实用新型的某些优选方案，已经描述了本实用新型，然而其他方案也是可能的。例如，普通技术人员能够明白，本实用新型的装置或清洗工艺可以被用来处理用在其他类型应用中的室。这些装置或工艺可以被用来处理溅射室、离子注入室、蚀刻室或其他类型的沉积室，包括热CVD、离子增强CVD(PECVD)，或者可以被用来与其他类型清洗工艺结合使用。另外，普通技术人员能够明白，这里所描述的气体分布器20的某些特征的构造可以根据实施方式的参数而变化。例如，第一和第二组叶片74、80的模式可以改变，以适合不同类型的清洗气体，或者待清洗残渣的不同类型或位置。因此，所附的权利要求的精神和范围不应被限制于这里所包含的优选方案的描述。

Claims (10)

1.一种具有被引导的气流的气体分布器，所述气体分布器特征在于：
(a)包括气体进口和气体出口的轮轴；
(b)从所述轮轴沿径向向外延伸的导流片，所述导流片具有相对的第一和第二表面；
(c)在所述导流片的所述第一表面上的第一叶片；和
(d)在所述导流片的所述第二表面上的第二叶片；
其中，所述第一叶片引导所述被接收的气体通过室表面，所述第二叶片引导所述被接收的气体通过所述导流片的所述第二表面。
2.根据权利要求1所述的气体分布器，其中，所述导流片还包括外周边，并且其中，每个第一叶片包括从所述轮轴到所述导流片的所述外周边向外弯曲的弓形板。
3.根据权利要求2所述的气体分布器，其中，每个弓形板从所述轮轴到所述导流片的所述外周边逐渐变细。
4.根据权利要求1所述的气体分布器，其中，所述轮轴包括第一和第二沟槽，并且所述气体出口包括所述第一沟槽的终端和所述第二沟槽的终端。
5.根据权利要求4所述的气体分布器，其中，所述第二叶片包括向所述导流片的所述第二表面倾斜的多个表面，所述倾斜表面的至少一部分在所述第二沟槽的所述终端之下。
6.根据权利要求1所述的气体分布器，其中，所述第二叶片包括被定向以将气体引导通过所述导流片的所述第二表面的扇区的成对倾斜表面。
7.根据权利要求1所述的气体分布器，其中，所述第二叶片包括多个楔形块。
8.根据权利要求1所述的气体分布器，其中，所述第二叶片包括以5度到60度的角度向所述导流片的所述第二表面倾斜的表面。
9.根据权利要求1所述的气体分布器，其中，所述轮轴包括能够允许处理气体绕开所述第一和第二叶片并进入到所述室内的气体连通管。
10.一种组合处理和清洗气体分布器，其特征在于包括根据权利要求1的用于分布清洗气体的气体分布器，和具有处理气体进口和淋浴头气体分布面板的处理气体分布器。
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