TWI633574B

TWI633574B - 半導體處理裝置及處理基板的方法

Info

Publication number: TWI633574B
Application number: TW106108268A
Authority: TW
Inventors: 黄允文
Original assignee: 大陸商中微半導體設備（上海）有限公司
Priority date: 2016-04-25
Filing date: 2017-03-14
Publication date: 2018-08-21
Also published as: TW201805992A; CN107305832A

Abstract

本發明提供一種半導體處理裝置及處理基板的方法，所述裝置包括由頂板及反應腔側壁圍成的密封的反應腔，所述頂板構成射頻窗，加熱薄膜，緊鄰所述射頻窗上表面設置，包括加熱絲及包覆所述加熱絲的絕緣材料層；所述加熱薄膜上設置開口，一排氣裝置藉由所述開口將所述加熱薄膜與所述射頻窗上表面間的氣體排出。本發明利用射頻窗上表面暴露於大氣環境中，受大氣壓強的壓力，藉由將加熱裝置設置為加熱薄膜，藉由將加熱薄膜平鋪在射頻窗上表面，並將二者之間抽真空使得加熱薄膜在大氣壓強的作用下緊密貼合在射頻窗的上表面。由於大氣壓強超過100kpa，可以保證加熱薄膜牢固的貼合在射頻窗上表面。

Description

半導體處理裝置及處理基板的方法

本發明涉及電漿裝置技術領域，特別是涉及電感耦合電漿裝置的加熱技術領域。

電漿反應器或反應腔在現有技術中是習知的，並廣泛應用於半導體積體電路、平板顯示器，發光二極體(LED)，太陽能電池等的製造工業內。在電漿反應腔中通常會施加一個射頻電源以產生並維持電漿於反應腔中。其中，有許多不同的方式施加射頻功率，每個不同方式的設計都將導致不同的特性，比如效率、電漿解離、均一性等等。其中，一種設計是電感耦合(ICP)電漿反應腔腔。

在電感耦合電漿反應腔中，一個通常是線圈狀的天線用於向反應腔內發射射頻能量。為了使來自天線的射頻功率耦合到反應腔內，在天線下方放置一個射頻窗。射頻窗通常由氧化矽或者氧化鋁製成，能夠讓高頻磁場穿過同時密封反應器頂部。反應腔內可以處理各種基板，比如矽基板等，基板被固定在靜電夾盤上，電漿在基板上方產生。由於反應器內部電漿分佈不均勻，射頻窗的熱量也會不均勻的被導走，所以射頻窗上整體會出現不均勻的溫度分佈，這對下方電漿處理均一性的改善帶來不利影響，嚴重時溫度梯度過大還會造成射頻窗開裂。為了改善溫度均一性通常會在射頻窗上設置一個加熱裝置以補償下方溫度的不均勻。

射頻窗(RF window)對於蝕刻製程的順利進行至關重要，因為射頻窗下表面直接接觸電漿，且沉積在射頻窗下表面上的化學物質會影響半導體晶片上的蝕刻品質。另一方面，電漿能夠升溫射頻窗，使得溫射頻窗溫度上下波動，並導致射頻窗溫度不均勻。習知技術中加熱器通常採用較厚加熱絲，連接到外部電源進行加熱。但是加熱絲無法有效地將產生的熱量傳導到整個射頻窗表面上，所以對溫度均勻性的改善有限。此外，習知技術中還有利用導熱膠將加熱部件黏貼在射頻窗的上表面進行加熱的方式。這種方式能夠增加加熱部件與射頻窗的貼合程度，提高加熱部件的熱量傳導到射頻窗的效率。但是，由於對基板進行電漿處理製程中，位於反應腔內部的射頻窗下表面會沉積顆粒污染物，需要定期進行清潔，清潔的方法通常為高溫烘烤或化學液體浸泡等，都會對加熱部件造成損傷。因此，加熱裝置也需要定期進行替換，不僅大大增加了設備的成本，同時由於黏貼加熱部件的黏貼物附著在射頻窗的上表面難以去除，使得後續加熱部件與射頻窗之間存在孔隙，降低了加熱部件的熱傳導率。

一種半導體處理裝置，包括由頂板及反應腔側壁圍成的密封的反應腔，所述頂板構成射頻窗；基板支撐裝置，其設置於所述反應腔內的所述射頻窗下方；射頻功率發射裝置，其設置於所述反應腔外部，以發射射頻能量到所述反應腔內；反應氣體注入裝置，其用於向所述反應腔內供應反應氣體；加熱薄膜，緊鄰所述射頻窗上表面設置，包括加熱絲及包覆所述加熱絲的絕緣材料層；所述加熱薄膜上設置開口，一排氣裝置藉由所述開口將所述加熱薄膜與所述射頻窗上表面間的氣體排出，使所述加熱薄膜在大氣壓強的作用下與所述射頻窗貼合在一起。

較佳地，所述開口與所述排氣裝置之間設置一連接頭，所述連接頭與所述開口之間密封設置。

較佳地，所述加熱薄膜面積小於等於所述射頻窗的面積。

較佳地，所述加熱絲為薄片狀結構，所述薄片狀加熱絲厚度小於1mm。

較佳地，所述加熱薄膜上設置複數個開口，每個開口連接一個連接頭。

較佳地，所述複數個開口均勻分佈在所述加熱薄膜上。

較佳地，所述複數個連接頭分別連接一個排氣裝置或者連接同一個排氣裝置。

較佳地，所述加熱薄膜的邊緣區域設置密封部件，所述密封部件阻止加熱薄膜邊緣區域的氣體進入所述加熱薄膜與射頻窗之間。

較佳地，所述密封部件上方設置壓板。

較佳地，所述加熱薄膜的邊緣區域設置壓板。

較佳地，所述排氣裝置為真空泵或真空發生器。

進一步的，本發明還公開了一種在半導體處理裝置內處理基板的方法，所述方法在上述反應腔內進行，包括下列步驟：放置待處理基板於基板支撐裝置上，向反應腔內提供反應氣體。

施加射頻功率至射頻窗上方的天線，射頻功率經射頻窗耦合到反應腔內將反應氣體激發為電漿。

在電漿對基板進行處理過程中，保持排氣裝置對加熱薄膜的開口抽真空，以保證所述加熱薄膜在大氣壓強的作用下與所述射頻窗的緊密貼合。

本發明的優點在於：藉由在射頻窗的上表面設置一加熱薄膜，利用射頻窗上表面暴露於大氣環境中，受大氣壓強的壓力，然後將加熱薄膜與射頻窗上表面之間抽真空使得加熱薄膜在大氣壓強的作用下緊密貼合在射頻窗的上表面。由於大氣壓強超過100kpa，可以保證加熱薄膜牢固的貼合在射頻窗上表面，當基板處理製程結束後需要對射頻窗進行高溫清潔或者化學溶液浸泡時，只需要停止對加熱薄膜上的開口抽真空或者向加熱薄膜與射頻窗上表面之間吹入一定量氣體即可輕鬆實現二者分離。保證了加熱薄膜的重複利用，同時避免了習知技術中需要在專門的車間黏貼加熱薄膜帶來的時間成本和製程成本的產生。

105‧‧‧金屬側壁

115‧‧‧靜電夾盤

120‧‧‧基板

130‧‧‧周圍噴頭

140‧‧‧天線

150、250‧‧‧反應氣體源

155‧‧‧管線

160、260‧‧‧頂板、射頻窗

170、270‧‧‧加熱薄膜

171、271a、271b‧‧‧連接頭

172‧‧‧排氣裝置

173、273‧‧‧密封環

175、275a、275b‧‧‧開口

174、274‧‧‧壓板

272a、272b‧‧‧真空泵

圖式作為本發明說明書的一部分，例證了本發明的實施例，並與說明書一起解釋和說明本發明的原理。圖式用圖解的方式來解釋舉例實施例的主要特徵。圖式不是用於描述實際實施例所有特徵也不用於說明圖中元素間的相對尺寸，也不是按比例繪出。

第1圖示出本發明所述的半導體處理裝置的截面圖。

第2圖示出一種實施例所述加熱裝置和射頻窗的結構示意圖。

第3圖示出另一種實施例所述加熱裝置和射頻窗的結構示意圖。

第4圖示出另一種實施例所述加熱裝置和射頻窗的結構示意圖。

本發明公開了一種半導體處理裝置及在所述裝置內製造半導體基板的方法。本發明涉及的技術方案致力於降低所述裝置的設備使用成本並獲得均勻性良好的基片蝕刻結果，下文將結合具體實施例和圖式對本發明的裝置和方法進行詳細描述。

第1圖示出一種電感耦合電漿處理裝置(ICP)的截面示意圖。ICP反應腔100包括基本呈圓筒狀的金屬側壁105和頂板160，構成可被抽真空器125抽真空的氣密空間。基座110支撐靜電夾盤115，所述靜電夾盤115支撐待處理的基板120。來自射頻功率源145的射頻功率被施加到呈線圈狀的天線140。天線140設置在頂板160上方並與頂板160之間保持一定間隙。頂板160能夠容許射頻功率耦合到反應腔內，因此，頂板160材料需為絕緣材料，頂板160又稱作射頻窗。在標準電感耦合反應腔中，來自反應氣體源150的反應氣體藉由管線155及反應腔周圍噴頭130和/或中間噴頭注入供應到真空反應腔內，在射頻能量的作用下點燃並維持電漿，並由此對基板120進行加工。

在利用第1圖所示的電感耦合電漿反應腔對基板進行加工處理過程中，為保證基板處理製程的有效進行，反應腔需要維持在一定溫度。通常反應腔內設置溫度控制系統的部件至少包括靜電夾盤115，金屬側壁105及射頻窗160。靜電夾盤115內的溫度控制系統包括加熱系統及冷卻系統，以配合實現靜電夾盤溫度的調整。為了對不同區域的靜電夾盤分別進行溫度控制，靜電夾盤內的溫度控制系統可以設置為複數個區域，分別可以實現溫度的調整。

射頻窗160上的溫度分佈也是影響基板處理結果的一個重要因素，根據背景技術描述，直接放置加熱絲在射頻窗上方無法有效地將加熱絲產生的熱量傳導到整個射頻窗表面上，所以對溫度均勻性的改善有限。而將加熱裝置直接黏貼在射頻窗上表面會導致在清潔射頻窗的過程中對加熱裝置造成損傷，增加製程處理的成本。由於射頻窗160的面積較大，為了保證射頻窗160溫度分佈的均勻性，通常選擇薄膜狀的加熱裝置對其進行加熱。本發明公開一種在射頻窗上設置加熱裝置的技術方案，能夠保證製程過程中加熱裝置與射頻窗緊密貼合，同時在需要清潔射頻窗時容易的實現加熱裝置與射頻窗的分離。

第2圖示出本發明所述加熱裝置和射頻窗160的結構示意圖，在本實施例中，加熱裝置包括按照一定規則排布的加熱絲及包覆所述加熱絲的上下絕緣薄膜，形成本發明所述的加熱薄膜170。所述加熱薄膜面積小於等於所述射頻窗的面積。加熱絲呈薄片型，較佳地，加熱絲的厚度小於1mm。從而使得加熱絲具有體積小，形變大，易彎曲的特點，佈置時加熱絲部分覆蓋或全部覆蓋在射頻窗160上(即覆蓋射頻窗的中心、中部和邊緣區域)。加熱絲的排布可以有多種實施方式，本發明所述的加熱薄膜適用於任何形式的加熱絲排布，在此不再予以贅述。該上下絕緣薄膜的夾固能夠保持中間加熱絲的形狀同時能夠更好的擴散加熱絲產生的熱量到射頻窗。絕緣薄膜可以採用聚醯亞胺(PI)等材料。

第2圖所示實施例公開的加熱薄膜170上設置一開口175，連接頭171一端與開口175連接，另一端連接一排氣裝置172，本實施例選擇的排氣裝置172為真空泵。將加熱薄膜170平鋪在射頻窗上方，利用真空泵將加熱薄膜170與射頻窗160之間的氣體排空，由於射頻窗160的上表面暴露在大氣環境中，利用大氣壓強實現加熱薄膜170與射頻窗160的緊密貼合。為了保證真空泵實現快速排光加熱薄膜170與射頻窗160之間的氣體的目的，連接頭171與加熱薄膜上的開口175之間的連接密封設置。在對基板加工處理的過程中，只要真空泵一直保持將加熱薄膜與射頻窗之間抽真空的狀態，即可保證加熱薄膜與射頻窗的緊密貼合，當需要對射頻窗進行清潔時，只需要停止真空泵的工作，或者藉由連接頭171向加熱薄膜與射頻窗之間鼓入一定氣體即可實現二者的分離。

傳統技術中，利用導熱膠將加熱薄膜黏貼在射頻窗上的製程控制難度較大，黏貼製程中經常會有很多氣泡存在與貼合面，這些小氣泡在常溫下不易發現，但隨著對射頻窗的加熱，小氣泡會聚集和膨脹從而造成加熱薄膜局部與射頻窗的貼合不嚴密，進而導致加熱溫度不均勻，而貼合不好部分的加熱薄膜也可能因為幹燒而發生損壞。而採用本實施描述的技術後，由於在加熱薄膜工作的過程中，真空泵172始終處於工作狀態，因此，即便在加熱薄膜與射頻窗貼合初期存在小氣泡，當小氣泡由於溫度升高聚集膨脹後，氣泡內的氣體也會被真空泵抽走，保持該區域加熱薄膜與射頻窗的良好貼合。

第3圖示出另一種實施例的加熱裝置170和射頻窗160的結構示意圖，在本實施例中，為了防止加熱薄膜與射頻窗貼合的邊緣區域有氣體進入，提高二者之間的貼合緊密性，可以在加熱薄膜的邊緣區域設置密封裝置。密封裝置可以包括一壓板174，藉由設置具有一定重量的壓板或者對壓板施加一定壓力實現加熱薄膜邊緣區域與射頻窗的密封設置。進一步的，可以先在加熱薄膜與射頻窗接觸的邊緣區域設置一密封環173，如具有彈性的絕緣材料環，藉由在密封環173上設置具有一定重量的壓板174或者對壓板174施加一定壓力實現加熱薄膜邊緣區域與射頻窗的密封設置。

本實施例由於設置了邊緣區域的密封部件，使得加熱薄膜和射頻窗之間的貼合效果更好，當真空泵對二者之間抽真空後，由於二者之間不存在氣體的洩露，即便真空泵停止工作一段時間，加熱薄膜與射頻窗的上表面也能保持良好的貼合。

本發明所述的加熱薄膜上的開口在理想情況下，可以設置在加熱薄膜的中心區域位置，但在某些電漿處理裝置中，射頻窗的中心區域需要設置中心噴頭以對中心區域的反應氣體濃度進行補充，在這種情況下，可以設置開口175位於加熱薄膜中心區域外的其他位置。在第4圖所示的加熱裝置和射頻窗的結構示意圖中，為了保證加熱薄膜270與射頻窗260上表面的貼合效果，可以在加熱薄膜270上設置多於一個的開口，例如開口275a和275b。本實施例中射頻窗260的中心區域設置與反應氣體源250連接的中心噴頭，因此，多個開口設置在中心區域以外的其他區域，較佳地，多個開口可以在加熱薄膜上均勻分佈或者對稱分佈。連接在本實施例中，加熱薄膜上設置的複數個開口分別與一連接頭連接，即開口275a與連接頭271a相連，開口275b與連接頭271b相連，同時分別確保連接頭與開口之間密封連接。在本實施例中，連接頭271a和271b分別連接真空泵272a和272b，在另外的實施例中，複數個連接頭也可以連接一個共同的真空泵，以節約設備成本。

進一步的，為了防止加熱薄膜與射頻窗貼合的邊緣區域有氣體進入，提高二者之間的貼合緊密性，可以在加熱薄膜的邊緣區域設置密封裝置。密封裝置可以包括一壓板274，藉由設置具有一定重量的壓板或者對壓板施加一定壓力實現加熱薄膜邊緣區域與射頻窗的密封設置。進一步的，可以先在加熱薄膜與射頻窗接觸的邊緣區域設置一密封環273，如具有彈性的絕緣材料環，藉由在密封環273上設置具有一定重量的壓板274或者對壓板274施加一定壓力實現加熱薄膜邊緣區域與射頻窗的密封設置。

本發明所述的排氣裝置除了可以為真空泵外，還可以為其他結構，如：真空發生器，真空發生器只要設備能夠提供壓縮空氣源就可以使用，非常方便安全和環保。

本發明利用射頻窗上表面暴露於大氣環境中，受大氣壓強的壓力，藉由將加熱裝置設置為加熱薄膜，藉由將加熱薄膜平鋪在射頻窗上表面，並將二者之間抽真空使得加熱薄膜在大氣壓強的作用下緊密貼合在射頻窗的上表面。由於大氣壓強超過100kpa，可以保證加熱薄膜牢固的貼合在射頻窗上表面，當基板處理製程結束後需要對射頻窗進行高溫清潔或者化學溶液浸泡時，只需要停止對加熱薄膜上的開口抽真空或者向加熱薄膜與射頻窗上表面之間吹入一定量氣體即可輕鬆實現二者分離。保證了加熱薄膜的重複利用，同時避免了習知技術中需要在專門的車間黏貼加熱薄膜帶來的時間成本和製程成本的產生。

除了本發明上文所述的電感耦合電漿處理裝置外，本發明所述技術方案還適用於電容耦合電漿處理裝置的氣體注入裝置加熱及其他有加熱需要的半導體處理裝置，尤其適用于利用加熱薄膜對某一平面或曲面部件結構進行加熱的處理裝置。

此外，本領域技術人員藉由對本發明說明書的理解和對本發明的實踐，能夠容易地想到其它實現方式。本文所描述的多個實施例中各個方面和/或部件可以被單獨採用或者組合採用。需要強調的是，說明書和實施例僅作為舉例，本發明實際的範圍和思路藉由下面的申請專利範圍來定義。

Claims

一種半導體處理裝置，其包括：一反應腔，包括由一射頻窗及一反應腔側壁圍成的密封的一反應腔；一基板支撐裝置，其設置於該反應腔內的該射頻窗下方；一反應氣體注入裝置，其用於向該反應腔內供應反應氣體；以及一加熱薄膜，緊鄰該射頻窗上表面設置，包括一加熱絲及包覆該加熱絲的絕緣材料層；其中，該加熱薄膜上設置一開口，一排氣裝置藉由該開口將該加熱薄膜與該射頻窗上表面間的氣體排出，使該加熱薄膜在大氣壓強的作用下與該射頻窗貼合在一起；開口與該排氣裝置之間設置一連接頭，該連接頭與該開口之間密封設置；清潔射頻窗時，藉由連接頭向加熱薄膜與射頻窗之間鼓入氣體，實現二者的分離。
如申請專利範圍第1項所述的裝置，其中，該半導體處理裝置進一步包括一射頻功率發射裝置，其設置於該反應腔外部，以發射射頻能量到該反應腔內。
如申請專利範圍第1項所述的裝置，其中，該射頻窗為絕緣材料構成的射頻窗。
如申請專利範圍第1項所述的裝置，其中，該加熱絲為一薄片狀結構，該薄片狀加熱絲厚度小於1mm。
如申請專利範圍第1項所述的裝置，其中，該加熱薄膜上設置複數個開口，每一該開口連接一個連接頭。
如申請專利範圍第5項所述的裝置，其中，該複數個開口均勻分佈在該加熱薄膜上。
如申請專利範圍第5項所述的裝置，其中，該複數個連接頭分別連接一個排氣裝置或者連接同一個排氣裝置。
如申請專利範圍第1項所述的裝置，其中，該加熱薄膜的邊緣區域設置一密封部件，該密封部件阻止加該熱薄膜邊緣區域的氣體進入該加熱薄膜與該射頻窗之間。
如申請專利範圍第8項所述的裝置，其中，該密封部件上方設置一壓板。
如申請專利範圍第1項所述的裝置，其中，該加熱薄膜的邊緣區域設置一壓板。
如申請專利範圍第1項所述的裝置，其中，該排氣裝置為真空泵或真空發生器。
一種在半導體處理裝置內處理基板的方法，該方法在上述申請專利範圍第1至11項中任一項所述的反應腔內進行，該方法包括下列步驟：放置待處理一基板於該基板支撐裝置上，向該反應腔內提供一反應氣體；向該反應腔內施加射頻功率將該反應氣體激發為電漿；在電漿對該基板進行處理過程中，保持該排氣裝置對該加熱薄膜的該開口抽真空，使得該加熱薄膜在大氣壓強的作用下與該射頻窗緊密貼合；清潔射頻窗時，藉由連接頭向加熱薄膜與射頻窗之間鼓入氣體，實現二者的分離。
如申請專利範圍第12項所述的方法，其中，在該加熱薄膜的週邊設置一壓板，在該排氣裝置對加熱薄膜的該開口抽真空過程中，該壓板實現對加熱薄膜和該射頻窗邊緣區域的密封設置。
如申請專利範圍第13項所述的方法，其中，在該壓板與該加熱薄膜的邊緣區域設置一密封環，該壓板施加壓力於該密封環以實現對該加熱薄膜和該射頻窗邊緣區域的密封設置。