TWI541894B - A plasma processing chamber, a gas sprinkler head and a method of manufacturing the same - Google Patents

Description

等離子體處理腔室、氣體噴淋頭及其製造方法

本發明涉及半導體製造領域，尤其涉及一種等離子體處理腔室、氣體噴淋頭及其製造方法。

等離子處理裝置利用真空反應室的工作原理進行半導體基片和等離子平板的基片的加工。真空反應室的工作原理是在真空反應室中通入含有適當刻蝕劑源氣體的反應氣體，然後再對該真空反應室進行射頻能量輸入，以啟動反應氣體，來激發和維持等離子體，以便分別刻蝕基片表面上的材料層或在基片表面上澱積材料層，進而對半導體基片和等離子平板進行加工。

氣體噴淋頭是等離子體處理裝置中的重要組成部分。在等離子體處理裝置外部設置有一個或多個氣體源，氣體源通過氣體輸送管道將一種或多種反應氣體輸送到氣體噴淋頭。氣體噴淋頭設置於等離子體處理裝置腔室內部的上方，腔室下方與氣體噴淋頭平行的區域還設置有一個放置基片的基台，在氣體噴淋頭和基台之間是製程區域。氣體噴淋頭之中設置有若干氣孔，反應氣體通過若干氣孔均勻地進入製程區域，並在射頻功率源的作用下被激發成等離子體。由於氣體噴淋頭的下表面直接曝露於等離子體，因此往往需要在其上設置抗腐蝕層，但是，隨著使用時間的增大，氣體噴淋頭往往也會產生開裂等問題。

因此，業內一直致力於研究穩定可靠、抗腐蝕能力強的氣體噴淋頭。

針對背景技術中的上述問題，本發明提出了一種等離子體處理腔室、氣體噴淋頭及其製造方法。

本發明第一方面提供了一種用於等離子體處理腔室的氣體噴淋頭，其中，所述氣體噴淋頭是一體成型的，其中設置有若干個一次加工完成的氣體通孔，所述氣體噴淋頭外壁以及氣體通孔內壁覆蓋有一層第一抗腐蝕層。

進一步地，所述氣體噴淋頭側壁以及曝露於等離子體的下表面上的第一抗腐蝕層上，覆蓋有一層第二抗腐蝕層。

進一步地，所述氣體噴淋頭中設置有加熱裝置。

進一步地，所述第一抗腐蝕層和第二抗腐蝕層的材料選自以下任一項或任多項：Y₂O₃、YF₃、ErO₂、Al₂O₃。

進一步地，所述第一抗腐蝕層和第二抗腐蝕層的沉積方法分別選自以下任一項：等離子體浸沒離子注入與沉積方法、物理氣相沉積、化學氣相沉積。

進一步地，所述第一抗腐蝕層的厚度取值範圍為大於0.5um。

進一步地，所述第二抗腐蝕層的厚度取值範圍是由所述氣體噴淋頭以及所述第一抗腐蝕層的使用壽命決定的，並且所述第二抗腐蝕層的厚度大於所述第一抗腐蝕層的厚度。

進一步地，所述氣體噴淋頭是由鋁合金製成的。

本發明第二方面提供了一種用於等離子體處理腔室的氣體噴淋頭的製造方法，其中，其包括本發明第一方面的氣體噴淋頭，其中，所述製造方法包括如下步驟：提供一鋁合金基底；在所述鋁合金基地上從上到下鑽若干個氣體通孔，形成氣體噴淋頭；在所述氣體噴淋頭的外壁以及氣體通孔的內壁沉積一層第一抗腐蝕層；在所述氣體噴淋頭的側壁和曝露於等離子體的表面沉積一層第二抗腐蝕層。

進一步地，所述方法還包括在氣體噴淋頭中設置加熱裝置的步驟。

進一步地，所述製造方法包括如下步驟：在所述氣體噴淋頭的外壁以及氣體通孔的內壁採用等離子體浸沒離子注入與沉積方法沉積一層第一抗腐蝕層。

進一步地，所述製造方法包括如下步驟：在所述氣體噴淋頭的側壁和曝露於等離子體的表面採用物理氣相沉積沉積一層第二抗腐蝕層。

本發明協力廠商面提供了一種等離子體處理腔室，其中，所述等離子體處理腔室包括本發明第一方面所述的氣體噴淋頭。

本發明提供的等離子體處理腔室、氣體噴淋頭及其製造方法 工序簡單、製造成本低。氣體噴淋頭結構更加穩定可靠，並且抗腐蝕層無空隙且更稠密，不會開裂。本發明提供的等離子體處理腔室中基片製程更加穩定。

100‧‧‧氣體噴淋頭

101‧‧‧第一主體

102‧‧‧第二主體

103‧‧‧基板

104‧‧‧氧化釔塗層

105‧‧‧加熱裝置

106a‧‧‧第一通孔

106b‧‧‧第二通孔

106c‧‧‧第三通孔

a‧‧‧接觸面

200‧‧‧氣體噴淋頭

202‧‧‧氣體通孔

204‧‧‧第一抗腐蝕層

205‧‧‧加熱裝置

206‧‧‧第二抗腐蝕層

300‧‧‧氣體源

400‧‧‧基台

500‧‧‧直流電極

700‧‧‧處理腔體側壁

800‧‧‧中空泵

900‧‧‧閥門

A‧‧‧等離子刻蝕腔室

W‧‧‧基片

第1圖，為現有技術的等離子體處理腔室的氣體噴淋頭的結構示意圖。

第2圖，為本發明一個具體實施例的用於等離子體處理腔室的結構示意圖。

第3圖，為本發明一個具體實施例的用於等離子體處理腔室的氣體噴淋頭的結構示意圖。

以下結合附圖，對本發明的具體實施方式進行說明。

要指出的是，“半導體工藝件”、“晶圓”和“基片”這些詞在隨後的說明中將被經常互換使用，在本發明中，它們都指在處理反應室內被加工的工藝件，工藝件不限於晶圓、襯底、基片、大面積平板基板等。為了方便說明，本文在實施方式說明和圖示中將主要以“基片”為例來作示例性說明。

第1圖是現有技術的等離子體處理腔室的氣體噴淋頭的結構示意圖。如第1圖所示，氣體噴淋頭100從上到下包括安裝基板103、第二主體102和第一主體101以及氧化釔塗層104。其中，第一主體101上設置有若干個第一通孔106a，第二主體102上設置有若干個第二通孔106b。第一主體101和第二主體102是分別加工完成的，即，分別提供基地並在其中鑽孔。因此，第一通孔106a和第二通孔106b並不是一次加工完成的。 第一主體101和第二主體102分別鑽孔完成以後再壓合在一起組成氣體噴淋頭100的主體部分。安裝基板103作為氣體噴淋頭100的安裝框架，作為氣體噴淋頭的其他元件的支撐件和安裝件。由於反應氣體是從上而下流入氣體噴淋頭100的，因此，安裝基板103上還適應性地設置有若干個第三通孔106c。也就是，反應氣體按照從上而下的順序分別流經第三通孔106c，第二通孔106b和第一通孔106a進入製程區域，從而在射頻功率的作用下激發成為等離子體，以對基片進行製程。最後，在氣體噴淋頭100曝露於製程區域中的等離子體的背面再塗覆一層氧化釔塗層104，用於防止等離子體的腐蝕，延長氣體噴淋頭的使用壽命。

然而，現有技術的氣體噴淋頭存在很多缺陷。以電容耦合性等離子體處理腔室(Capacitance Couple Plasma；CCP)為例，用碳化矽(SiC)製成的氣體噴淋頭100的第一主體101會在製程過程中被不同種類的鹵素等離子體轟擊，例如由CF₄,Cl₂等反應氣體激發產生的等離子體。這樣的氣體噴淋頭100也會有高成本和使用時間有限的問題。因此，為了改善性能和降低成本，現有技術的氣體噴淋頭100進一步地在其曝露於等離子體的表面採用等離子體噴塗(Plasma Spray)塗覆了一層氧化釔塗層(Y₂O₃)104，而氣體噴淋頭100的其他區域均採用陽極化處理(anodized)以達到抗腐蝕的目的。由於等離子體噴塗的氧化釔塗層104粗糙表面的多孔結構(porous structure)，這樣的氣體噴淋頭100在等離子體製程中具有很高的顆粒污染風險(particle creation risk)。

現有技術為了進一步改善性能穩定性，氣體噴淋頭100進一步地採用物理氣相沉積沉積沒有孔隙並高密度的氧化釔塗層104於氣體噴 淋頭100曝露於等離子體的表面。這樣的設置使得金屬污染物和顆粒污染物的確減少，這是由於採用了物理氣相沉積塗覆氧化釔塗層104和氣體噴淋頭100的金屬基底(第一主體101)，例如鋁合金。然而，如第1圖所示，在電容耦合型等離子體處理腔室中，加熱裝置105設置在氣體噴淋頭之上的第二主體102中，所述第二主體102由鋁合金製成並內嵌有若干加熱裝置105，其外表面也是經過陽極化處理的。

如第1圖所示，等離子體製程的穩定性會被氣體噴淋頭100和加熱裝置105以及安裝基板103影響，這是由於在內嵌了加熱裝置105的第二主體102和第一主體101之間存在了一個介面/接觸面a，該接觸面a會影響加熱裝置105產生的熱量在第一主體101和第二主體102之間的傳播。並且，雖然現有技術採用各種技術儘量將第一主體101和第二主體102壓制在一起，儘量使得接觸面a是沒有空隙的趨近於0的，但是接觸面a仍然存在空間，使得第一主體101和第二主體102的容量和電勢產生變化，因此會導致基片表面的等離子體分佈。另外，接觸面a的空隙也會使得不同的反應氣體通過此空隙進入各個氣體通道，例如當需要分別通入兩種以上不同反應氣體時，氣體會在進入製程區域之間發生混合從而不能達成製程目的。此外，第一主體101是碳化矽製成的，第二主體102是鋁合金製成的，兩者之間工藝不穩定，並且由於製造工序繁雜製造成本也會上升。

需要說明的是，現有技術的氣體噴淋頭100主體是第一主體101，而第二主體102主要是為了承載加熱裝置105而設置的，並且為了使得反應氣體順利進入腔室而在其中設置了若干氣體通孔。

基於此，本發明提供了一種等離子體處理腔室、氣體噴淋頭 及其製造方法，下文將結合電容耦合型等離子體刻蝕腔室為例對本發明進行描述。需要說明的是，本領域技術人員應當理解，本發明不僅適用於電容耦合型等離子體刻蝕腔室，還適用於化學氣相沉積裝置和金屬有機氣相沉積裝置等。本發明優選實施例中的電容耦合型等離子體刻蝕腔室並不視為對本發明的限制。第2圖是根據本發明一個具體實施例的用於等離子體處理腔室的結構示意圖。如第2圖所示，等離子體刻蝕腔室A具有一個處理腔體，處理腔體基本上為柱形，且處理腔體側壁700基本上垂直，處理腔體內具有相互平行設置的上電極和下電極，其中上電極集成在氣體噴淋頭附近，下電極集成在基台400之中，均未示出。通常，在上電極與下電極之間的區域為處理區域P，該處理區域P將形成高頻能量以點燃和維持等離子體。在基台400中的靜電夾盤上方放置待要加工的基片W，該基片W可以是待要刻蝕或加工的半導體基片或者待要加工成平板顯示器的玻璃平板。其中，所述靜電夾盤用於夾持基片W，夾持力是由設置在靜電夾盤上層絕緣層之上的直流電極500施加了直流電壓600之後產生。反應氣體從氣體源300中被輸入至處理腔體內，一個或多個射頻電源600可以被單獨地施加在下電極上或同時被分別地施加在上電極與下電極上，用以將射頻功率輸送到下電極上或上電極與下電極上，從而在處理腔體內部產生大的電場。大多數電場線被包含在上電極和下電極之間的處理區域內，此電場對少量存在於處理腔體內部的電子進行加速，使之與輸入的反應氣體的氣體分子碰撞。這些碰撞導致反應氣體的離子化和等離子體的激發，從而在處理腔體內產生等離子體。反應氣體的中性氣體分子在經受這些強電場時失去了電子，留下帶正電的離子。帶正電的離子向著下電極方向加速，與 被處理的基片W中的中性物質結合，激發基片加工，即刻蝕、澱積等。在等離子體刻蝕腔室A的合適的某個位置處設置有排氣區域，排氣區域與外置的排氣裝置(例如真空泵800)相連接，用以在處理過程中將用過的反應氣體及副產品氣體抽出腔室。其中，腔室內還設置了等離子體約束環用於將等離子體約束於處理區域內。

第3圖是根據本發明一個具體實施例的用於等離子體處理腔室的氣體噴淋頭的結構示意圖。其中，氣體噴淋頭200設置於腔室上部，其通過氣體管路連接於氣體源300，在所述氣體噴淋頭200和氣體源300之間連接有一閥門900。開啟閥門900，一種或多種反應氣體便從氣體源300流經氣體管路進入氣體噴淋頭200。氣體噴淋頭200中設置有若干個氣體通孔202，氣體噴淋頭200的形狀是有一定厚度的平板狀，氣體通孔202均勻地分散地設置在氣體噴淋頭200中，因此，反應氣體通過氣體通孔202均勻地進入到製程空間P在射頻能量的作用下被激發成等離子體，從而對基台400上放置的基片W進行製程。

其中，在本發明中，所述氣體噴淋頭200是一體成型(one piece)的。如第3圖所示，氣體噴淋頭200是一整塊基體製造而成的，並不是現有技術將兩塊主體壓制在一起。所述氣體噴淋頭200中設置有若干個從上到下一次加工完成的氣體通孔202。因此，本發明避免了現有技術中氣體噴淋頭由上下兩個主體壓制而成，其接觸面產生空隙，從而產生反應氣體在進入製程區域P之前的相互混合，也避免了現有技術氣體噴淋頭由於上下兩個主體製成材料不同而產生的不穩定性，以及製程工序繁複和成本上升的問題。

此外，所述氣體噴淋頭200外壁以及氣體通孔202內壁覆蓋有一層第一抗腐蝕層204。這樣的表面處理使得鋁合金製成的氣體噴淋頭200被合成在曝露於等離子體表面的薄薄的第一抗腐蝕層204所保護，而由於第一抗腐蝕層204的隔離氣體噴淋頭200不再直接接觸到腐蝕性的製程氣體，而起氣體通孔202也不再由於製程氣體的通過而受到製程氣體的腐蝕作用。此外，本發明也避免了由於施加了射頻能量而導致製程氣體激發產生的等離子體直接接觸到氣體噴淋頭200曝露於製程區域P的表面。

進一步地，第一抗腐蝕層204的材料包括Y₂O₃或YF₃，其厚度大約為至少0.5um。

進一步地，所述氣體噴淋頭200側壁以及曝露於等離子體的下表面上的第一抗腐蝕層204上，覆蓋有一層第二抗腐蝕層206。所述第二抗腐蝕層206的厚度是根據所需的氣體噴淋頭200以及第一抗腐蝕層204的使用壽命決定的。並且，第二抗腐蝕層206的厚度大於第一抗腐蝕層204。

進一步地，加熱裝置205直接設置在氣體噴淋頭200的基體中。由於加熱裝置205內嵌在氣體噴淋頭200中，因此具有加熱的功能。

進一步地，所述第一抗腐蝕層204和第二抗腐蝕層206的材料選自以下任一項或任多項：Y₂O₃、YF₃、ErO₂、Al₂O₃。優選地，所述第一抗腐蝕層204和第二抗腐蝕層206為Y₂O₃或YF₃。

進一步地，所述第一抗腐蝕層204和第二抗腐蝕層206的沉積方法分別選自以下任一項：等離子體浸沒離子注入與沉積方法、物理氣相沉積、化學氣相沉積。上述製程方法將在下文中進行介紹。

進一步地，氣體噴淋頭200是由鋁合金(Al alloy)材料製 成的，氣體噴淋頭200的氣體分佈模式(gas distribution patterns)具有特定的結構和氣體通孔202的分佈，這樣的幾何特徵可以輕易地配合或者安裝在安裝板(未示出，一般設置於氣體噴淋頭上方)上以形成等離子體刻蝕腔室A的整個包括上電極的氣體噴淋頭。

本發明第二方面提供了一種用於等離子體處理腔室的氣體噴淋頭200的製造方法。首先，提供一鋁合金基底。然後，在所述鋁合金基地上從上到下均勻而分散地鑽若干個氣體通孔202，形成氣體噴淋頭200，以形成特定的幾何特徵。接著，在所述氣體噴淋頭200的外壁以及氣體通孔202內壁沉積一層第一抗腐蝕層204。最後，在所述氣體噴淋頭200的側壁和曝露於等離子體的表面沉積一層第二抗腐蝕層206。

具體地，第一抗腐蝕層通過等離子體浸沒離子注入與沉積方法(plasma immersion ion deposition，PIID)、電鍍(electroplating)、濕法化學塗覆(wet chemical coating)例如溶膠凝膠等合成在氣體噴淋頭200的側壁以及氣體通孔202內壁。以上工藝製程方法能夠執行沒有視角線(none-line-of-sight)沉積以均勻分佈在氣體噴淋頭200的側壁以及氣體通孔202內壁。本發明的上述步驟是為了替代現有技術的氣體噴淋頭的表面陽極化處理，由此提高氣體噴淋頭的抗腐蝕能力，以氣體噴淋頭200能同時承受例如鹵素等離子體和鹵素氣體(例如Cl₂)的腐蝕，從而使得氣體噴淋頭200具有更長的使用壽命。根據本發明的一個具體實施例，第一抗腐蝕層204是在低沉積溫度下(低於200℃)沉積在氣體噴淋頭200的側壁以及氣體通孔202內壁，這樣制得的塗層具有良好的粘附性，使得第一抗腐蝕層204能夠在以鋁合金、其他合金或者抗等離子體的塑膠等為基體的氣 體噴淋頭200上。

優選地，所述第一抗腐蝕層204由等離子體浸沒離子注入與沉積方法製成，其中，氣體噴淋頭的鋁合金基底被浸入在等離子體中並通常經過脈衝援助(pulse bailed)，然後加速離子從等離子體中提取(extracted)出來撞擊在鋁合金基底表面，其中離子與反應氣體和材料表面反應從而同時濃縮(condensed)為第一抗腐蝕層204。由於等離子體能夠在真空處理腔室中不同等離子體源的作用下產生，以及氣體噴淋頭基底通過離子植入被塗覆塗層，因此可以獲得均一和稠密(uniform and dense)的第一抗腐蝕層於氣體噴淋頭200的側壁以及氣體通孔202內壁。

進一步地，所述方法還包括在氣體噴淋頭200中設置加熱裝置205的步驟。關於加熱裝置205如何設置在氣體噴淋頭200中，現有技術有成熟的技術支援，為簡明起見，不再贅述。

其中，所述第二抗腐蝕層206典型地為氧化釔，其厚度典型地為大於20um，或者甚至大於80um。可選地，第二抗腐蝕層206可選地採用物理氣相沉積塗覆在所述氣體噴淋頭200側壁以及曝露於等離子體的下表面上的第一抗腐蝕層204上。

根據本發明提供的等離子體處理腔室、氣體噴淋頭及其製造方法，氣體噴淋頭被安裝於等離子體處理腔室內並形成了具有抗等離子體輔食的表面的整個上電極。由於氣體噴淋頭是一體成型的，加熱裝置也一併設置於氣體噴淋頭中，氣體噴淋頭的溫度在多個具體製程中能夠被更加精確地控制。並且，由於沒有額外的例如現有技術氣體噴淋頭的上下兩個主體的接觸面空隙帶來的容量變化，基片製程的穩定性被改善了。由於氣 體噴淋頭具有抗腐蝕層以及沒有空隙並稠密的結構，腔室內顆粒污染也被極大降低，腔室使用壽命得到了提高。現有技術氣體噴淋頭的陽極化表面在100℃的溫度下容易開裂，本發明也不存在這個缺陷。

儘管本發明的內容已經通過上述優選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容後，對於本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護範圍應由所附的權利要求來限定。此外，不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求；“包括”一詞不排除其它權利要求或說明書中未列出的裝置或步驟；“第一”、“第二”等詞語僅用來表示名稱，而並不表示任何特定的順序。

202‧‧‧氣體通孔

204‧‧‧第一抗腐蝕層

205‧‧‧加熱裝置

206‧‧‧第二抗腐蝕層

Claims (12)

1. 一種用於等離子體處理腔室的氣體噴淋頭，其特徵在於，所述氣體噴淋頭是一體成型的，其中設置有若干個一次加工完成的氣體通孔，所述氣體噴淋頭外壁以及氣體通孔內壁覆蓋有一層第一抗腐蝕層，所述氣體噴淋頭側壁以及曝露於等離子體的下表面上的第一抗腐蝕層上，覆蓋有一層第二抗腐蝕層。
2. 如申請專利範圍第1項所述之氣體噴淋頭，其特徵在於，所述氣體噴淋頭中設置有加熱裝置。
3. 如申請專利範圍第1項所述之氣體噴淋頭，其特徵在於，所述第一抗腐蝕層和第二抗腐蝕層的材料選自以下任一項或任多項：Y₂O₃、YF₃、ErO₂、Al₂O₃。
4. 如申請專利範圍第3項所述之氣體噴淋頭，其特徵在於，所述第一抗腐蝕層和第二抗腐蝕層的沉積方法分別選自以下任一項：等離子體浸沒離子注入與沉積方法、物理氣相沉積、化學氣相沉積。
5. 如申請專利範圍第4項所述之氣體噴淋頭，其特徵在於，所述第一抗腐蝕層的厚度取值範圍為大於0.5um。
6. 如申請專利範圍第4項所述之氣體噴淋頭，其特徵在於，所述第二抗腐蝕層的厚度取值範圍是由所述氣體噴淋頭以及所述第一抗腐蝕層的使用壽命決定的，並且所述第二抗腐蝕層的厚度大於所述第一抗腐蝕層的厚度。
7. 如申請專利範圍第6項所述之氣體噴淋頭，其特徵在於，所述氣體噴淋頭是由鋁合金製成的。
8. 一種用於等離子體處理腔室的氣體噴淋頭的製造方法，其中，其包括如請求項1至7任一項所述的氣體噴淋頭，其特徵在於，所述製造方法包括如下步驟：提供一鋁合金基底；在所述鋁合金基底上從上到下鑽若干個氣體通孔，形成氣體噴淋頭；在所述氣體噴淋頭的外壁以及氣體通孔的內壁沉積一層第一抗腐蝕層；在所述氣體噴淋頭的側壁和曝露於等離子體的表面沉積一層第二抗腐蝕層。
9. 如申請專利範圍第8項所述之製造方法，其特徵在於，所述方法還包括在氣體噴淋頭中設置加熱裝置的步驟。
10. 如申請專利範圍第8項所述之製造方法，其特徵在於，所述製造方法包括如下步驟：在所述氣體噴淋頭的外壁以及氣體通孔的內壁採用等離子體浸沒離子注入與沉積方法沉積一層第一抗腐蝕層。
11. 如申請專利範圍第8項所述之製造方法，其特徵在於，所述製造方法包括如下步驟：在所述氣體噴淋頭的側壁和曝露於等離子體的表面採用物理氣相沉積沉積一層第二抗腐蝕層。
12. 一種等離子體處理腔室，其特徵在於，所述等離子體處理腔室包括如請求項1至7任一項所述的氣體噴淋頭。