電容耦合等離子體反應(yīng)器的有嵌入式rf 電極的陶瓷噴頭的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及電容耦合等離子體反應(yīng)器的有嵌入式RF電極的陶瓷噴頭，具體而言，用于襯底處理系統(tǒng)的噴頭組件包括連接到氣體通道的背板。面板被相鄰連接到背板的第一表面且包括氣體擴(kuò)散表面。電極布置在背板和面板之一中且被連接到一或多個(gè)導(dǎo)體。氣體空間被限定在背板和面板之間且與氣體通道流體連通。背板和面板由非金屬材料制成。
【專利說(shuō)明】電容耦合等離子體反應(yīng)器的有嵌入式RF電極的陶瓷噴頭
相關(guān)申請(qǐng)交叉參考
[0001]本申請(qǐng)要求2013年2月28日提交的、申請(qǐng)?zhí)枮?1/770，894的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)的權(quán)益。前述參考申請(qǐng)的全部公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)參考并入本文。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本公開(kāi)涉及襯底處理系統(tǒng)，特別是涉及襯底處理系統(tǒng)的噴頭。
【背景技術(shù)】
[0003]此處提供【背景技術(shù)】描述是出于總體上呈現(xiàn)本公開(kāi)的背景的目的。沒(méi)有明示或默示地承認(rèn)在該【背景技術(shù)】部分中所描述的本發(fā)明人的工作以及其他在提交時(shí)可能不符合現(xiàn)有技術(shù)的說(shuō)明書內(nèi)容是針對(duì)本公開(kāi)的現(xiàn)有技術(shù)。
[0004]襯底處理系統(tǒng)通常包括具有一或多個(gè)反應(yīng)容積腔(reaction volume)的處理室。反應(yīng)容積腔中通常設(shè)有基架。諸如半導(dǎo)體晶片之類的襯底被置于基架上。利用噴頭將一或多種工藝氣體輸送到反應(yīng)容積腔，并可在反應(yīng)容積腔中點(diǎn)燃等離子體。諸如介電層之類的膜被形成在襯底上。
[0005]噴頭可被用在電容耦合等離子體(CCP)反應(yīng)器中。噴頭在襯底上方分配工藝氣體并作為射頻(RF)電極使用以激勵(lì)等離子體。噴頭通常由金屬材料制成。金屬電極大幅減少或消除了噴頭的氣體空間(gas plenum)內(nèi)的電場(chǎng)從而防止噴頭內(nèi)的等離子體形成以及氣體的過(guò)早激活。
[0006]用于CCP反應(yīng)器的噴頭通常由鋁制成并包括焊接到主體的面板(face plate)。噴頭的面板通常具有多個(gè)隔開(kāi)的氣孔以在襯底的暴露表面上方提供均勻的氣體分配。RF電壓可被施加給噴頭、給另一電極(比如基架)、或者給二者。
[0007]鋁噴頭在許多工藝化學(xué)品(或者氣體組合物)下運(yùn)行良好。然而，鋁與從金屬表面提取元素的工藝氣體不相容。特別地，基于氯的化學(xué)品往往在超過(guò)300°C的工作溫度下提取鋁。作為含氯氣體化學(xué)侵蝕噴頭的金屬表面的結(jié)果，金屬材料可能到達(dá)沉積在襯底上的膜中。這對(duì)襯底上的器件制造往往是有害的。例如，在某些情況下，金屬材料成為可危害集成器件操作的摻雜物。
[0008]不希望有的金屬污染還可發(fā)生在處理室的清潔過(guò)程中。因?yàn)橥ǔＳ迷臃鍧?，所以面?噴頭的最熱區(qū)域)與氟反應(yīng)并形成氟化鋁。當(dāng)氟化鋁的厚度隨著時(shí)間增大，噴頭表面的性質(zhì)(例如，粗糙度、導(dǎo)電性和發(fā)射率)改變。結(jié)果，沉積工藝可漂移且處于顆粒污染的高風(fēng)險(xiǎn)下。
[0009]此外，噴頭的設(shè)計(jì)不允許在噴頭被安裝在處理室中時(shí)清潔噴頭的內(nèi)部(因?yàn)樗缓附?。在極端的情況下，面板的氣孔內(nèi)的鋁表面的氟化可改變所述孔的直徑并改變氣流的均勻性。
[0010]一些金屬材料(比如鋁)在較高的溫度(400°C之上)變得更軟且噴頭的面板會(huì)開(kāi)始下垂。這可引起氣流和等離子體密度分布的變化。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]用于襯底處理系統(tǒng)的噴頭組件包括連接到氣體通道的背板(back plate)。面板(face plate)被相鄰連接到背板的第一表面且包括氣體擴(kuò)散表面。電極布置在背板和面板之一中且被連接到一或多個(gè)導(dǎo)體。氣體空間(gas plenum)被限定在背板和面板之間且與氣體通道流體連通。背板和面板由非金屬材料制成。
[0012]在其它特征中，桿(stem)被連接到背板并限定氣體通道。所述一或多個(gè)導(dǎo)體穿過(guò)所述桿。
[0013]在其它特征中，面板的氣體擴(kuò)散表面包括間隔開(kāi)的孔，所述面板的所述氣體擴(kuò)散表面包括穿孔或者所述面板的所述氣體擴(kuò)散表面是多孔的。
[0014]在其它特征中，鄰近背板的第二表面布置等離子體抑制結(jié)構(gòu)。背板的第一表面在背板的第二表面的對(duì)面。
[0015]在其它特征中，等離子體抑制結(jié)構(gòu)包括以間隔關(guān)系彼此平行設(shè)置的N個(gè)板。N是大于I的整數(shù)，且所述N個(gè)板由介電材料制成。
[0016]在其它特征中，等離子體抑制結(jié)構(gòu)包括從所述N個(gè)板之一向襯底處理系統(tǒng)的處理室的上表面延伸的軸環(huán)。所述軸環(huán)由介電材料制成。
[0017]在其它特征中，N大于2且所述N個(gè)板以均勻的方式間隔。N大于2且所述N個(gè)板中的至少一些以不均勻的方式間隔。所述N個(gè)板中的至少一個(gè)包括多個(gè)穿孔。所述N個(gè)板中的至少一個(gè)包括鋸齒 表面。所述桿、背板和面板由陶瓷材料制成。所述桿、背板和面板由氮化鋁和氧化鋁中的至少一者制成。
[0018]在其它特征中，面板被連接到背板以允許所述面板相對(duì)于所述背板的橫向移動(dòng)，同時(shí)保持它們之間的密封。
[0019]在其它特征中，擋板被布置在氣體通道和氣體空間之間。軸環(huán)將所述桿連接到襯底處理室的上表面。背板通過(guò)緊固件連接到面板。氣體空間的高度大小小于預(yù)計(jì)等離子體鞘厚度的兩倍。電極和背板的第一表面之間的第一尺寸小于電極和背板的第二表面之間的第二尺寸。背板的第一表面在背板的第二表面的對(duì)面。所述電極是盤形的。
[0020]在其它特征中，襯底處理系統(tǒng)包括處理室，處理室包括反應(yīng)容積腔。噴頭組件布置在所述反應(yīng)容積腔中。基架鄰近面板布置在所述反應(yīng)容積腔中。
[0021]在其它特征中，射頻(RF)電路被配置來(lái)提供具有大于IMHz的頻率的RF信號(hào)給所述一或多個(gè)導(dǎo)體?？刂破鞅慌渲脕?lái)控制流到氣體通道的工藝氣體和控制所述RF電路的操作。
[0022]在其它特征中，一或多個(gè)導(dǎo)體包括圍繞氣體通道的圓筒形導(dǎo)體。
[0023]從詳細(xì)描述、權(quán)利要求和附圖，本公開(kāi)的其它應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)變得顯而易見(jiàn)。詳細(xì)描述和具體實(shí)施例出于說(shuō)明目的而不是意在限制本公開(kāi)的范圍。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0024]由詳細(xì)描述和附圖，將更全面地理解本公開(kāi)，其中:
[0025]圖1A和IB是根據(jù)本公開(kāi)的襯底處理系統(tǒng)的實(shí)施例的功能框圖和簡(jiǎn)化的剖視圖；
[0026]圖2A和2B是根據(jù)本公開(kāi)的噴頭的實(shí)施例的一部分的局部剖視圖；[0027]圖3示出了在等離子體抑制結(jié)構(gòu)的板之間的不均勻間隔的示例；
[0028]圖4示出了在等離子體抑制結(jié)構(gòu)的板上的帶齒表面(scalloped surface)的示例；以及
[0029]圖5示出了等離子體抑制結(jié)構(gòu)的帶孔的板的示例。
[0030]在附圖中，可重復(fù)使用附圖標(biāo)記以標(biāo)識(shí)類似和/或相同的元件。
【具體實(shí)施方式】
[0031]圖1A、1B、2A和2B示出了根據(jù)本公開(kāi)的噴頭10的實(shí)施例。在圖1A中，噴頭10包括背板20、桿24和面板30。在一些實(shí)施例中，噴頭10的背板20、桿24和面板30由非金屬材料(比如陶瓷材料)制成。雖然示出了桿24，但桿24可被省略且背板可被布置在處理室的表面上、鄰近處理室的表面布置和/或凹進(jìn)處理室的表面中(圖1B)。在一些實(shí)施例中，陶瓷材料包括氮化鋁(A1N)、氧化鋁(Al2O3)或其它合適的陶瓷材料。
[0032]在一些實(shí)施例中，背板20包括大體平坦的盤(planar disc)。桿24連接到背板20。在一些實(shí)施例中，桿24是圓筒形的且桿24的軸垂直連接到包括背板20的平面。僅僅作為例子，桿24和背板20可利用擴(kuò)散接合或釬焊固定地連接在一起。替代地，桿24和背板20可利用緊固件、公母連接件或其它方法可拆卸地連接。
[0033]桿24限定軸向延伸穿過(guò)桿24的氣體通道34。氣體流過(guò)氣體通道34到可選的擋板38上并進(jìn)入氣體空間3 2，氣體空間32被限定在背板20和面板30之間。背板20和面板30中的一者或二者可包括凹部36以限定氣體空間32的高度。
[0034]面板30限定作為氣體空間32和反應(yīng)容積腔44之間的氣體擴(kuò)散器的氣體擴(kuò)散表面41。氣體擴(kuò)散表面41可以是穿孔的、具有孔、或是多孔的，等等。僅僅以圖1A舉例，氣體空間32中的工藝氣體可流過(guò)面板30的隔開(kāi)的孔42進(jìn)入反應(yīng)容積腔44。隔開(kāi)的孔42以相對(duì)均勻的方式在置于基架48上的襯底46的整個(gè)暴露表面上分配工藝氣體。
[0035]射頻(RF)電極50被嵌在背板20 (圖1和2A)或面板30 (圖2B)內(nèi)。一或多個(gè)導(dǎo)體或連桿54穿過(guò)桿24和部分背板20。導(dǎo)體54與RF電極50電接觸。在一些實(shí)施例中，使用四個(gè)導(dǎo)體54，但也可使用更多或更少的導(dǎo)體54。沿著氣體通道34的電場(chǎng)隨著連桿的數(shù)量的增加而減少。在一些實(shí)施例中，導(dǎo)體54是圓筒形的且圍繞氣體通道34。一或多個(gè)導(dǎo)體54可連接到RF電壓或連接到參考電位(比如，如果噴頭10被構(gòu)造為接地電極，則一或多個(gè)導(dǎo)體54連接到地電位)。
[0036]噴頭10包括等離子體抑制結(jié)構(gòu)60，等離子體抑制結(jié)構(gòu)60布置在背板20的上表面和處理室的上表面之間以減少或消除通過(guò)背板20驅(qū)動(dòng)的寄生放電。在一些實(shí)施例中，等離子體抑制結(jié)構(gòu)60可根據(jù)2011年11月23日提交的、申請(qǐng)序號(hào)為13/303，386、名稱為“MECHANICAL SUPPRESSION OF PARASITIC PLASMA IN SUBSTRATE PROCESSING CHAMBER”的共同受讓的美國(guó)專利申請(qǐng)進(jìn)行制造，該申請(qǐng)通過(guò)參考全文并入本文。
[0037]桿24可被附著到軸環(huán)80(collar)。軸環(huán)80進(jìn)而可被附著到處理室的上表面。軸環(huán)80可包括桿85和自鄰近軸環(huán)80的頂部的桿85徑向向外延伸的凸緣86。軸環(huán)80可由介電(絕緣)材料制成且可具有使耦合到接地的電容最小化的維度(即可具有厚度或高度)。閥90和泵92可被用來(lái)在反應(yīng)容積腔44中創(chuàng)建真空。
[0038]面板30以一定方式被附著到背板20以提供氣體密封以及在它們之間允許因熱膨脹的差異而引起的相對(duì)橫向移動(dòng)。此處所用的橫向移動(dòng)是指與包括面板的平面平行的移動(dòng)。換句話說(shuō)，面板30被安裝到背板20使得面板30能夠熱膨脹卻不傳遞應(yīng)力給背板20，同時(shí)密封氣體空間32內(nèi)的氣體/蒸汽。
[0039]從圖2A中最清楚可見(jiàn)，在一些實(shí)施例中，背板20和面板30的邊緣使用緊固件64連接。在一些實(shí)施例中，緊固件64包括與墊圈67 —起預(yù)裝的螺絲66。螺絲66可被旋轉(zhuǎn)直到預(yù)定轉(zhuǎn)矩被施加以維持面板30和背板20之間的接觸。在一些實(shí)施例中，緊固件64可以是帶肩螺釘而墊圈67可以是彈簧墊圈。帶肩螺釘施加預(yù)定的壓力給彈簧墊圈以產(chǎn)生預(yù)定義的負(fù)荷。在一些實(shí)施例中，噴頭10的面板30可通過(guò)去除緊固件64而進(jìn)行替換，安裝新的面板并重新安裝緊固件64。
[0040]在一些實(shí)施例中，面板30中的隔開(kāi)的孔42具有0.02英寸至0.06英寸范圍內(nèi)的直徑以防止隔開(kāi)的孔42內(nèi)部的等離子體點(diǎn)燃。面板30的隔開(kāi)的孔42可以不同的圖案被布置以優(yōu)化片上膜的性質(zhì)。隔開(kāi)的孔42的數(shù)量可在50至6000的范圍內(nèi)，但也可使用更多或更少的孔。針對(duì)給定的面板，隔開(kāi)的孔42的直徑可以是相同的，或者針對(duì)給定的面板，可使用兩或更多種不同的尺寸。
[0041]在一些實(shí)施例中，嵌在背板20中的RF電極50具有盤形且由具有第一熱膨脹系數(shù)(CTE)的金屬制成，該第一 CTE與用于噴頭10的材料的第二 CTE不相上下。從圖2B中可見(jiàn)，電極50可被布置在面板30中?？梢岳斫獾氖牵姌O50可按一定方式圖案化以適應(yīng)隔開(kāi)的孔42的圖案。背板20或面板30中的RF電極50使高頻RF能夠穿過(guò)噴頭10的氣體空間32卻不點(diǎn)火。
[0042]從圖2A中最清楚可見(jiàn)，在一些實(shí)施例中，RF電極50被設(shè)置得盡量靠近背板20的面向襯底的下表面以改善功率耦合(圖2A中的尺寸(12)。在一些實(shí)施例中,尺寸Cl1大于尺寸d2。導(dǎo)體54被嵌在桿24的壁中以將RF電極50連接到RF電路70。在一些實(shí)施例中，導(dǎo)體54被設(shè)置來(lái)使沿著通道的電場(chǎng)最小化，通過(guò)所述通道，氣體被引入。面板30可具有任意合適的厚度(尺寸山)。
[0043]當(dāng)RF電極50被嵌在背板20中時(shí)，驅(qū)動(dòng)放電的電場(chǎng)需要穿過(guò)氣體空間32和面板30。在一些實(shí)施例中，氣體空間的高度大小(圖2A中的尺寸d3)小于預(yù)計(jì)等離子體鞘厚度的兩倍。利用這種方法，確保了寄生等離子體放電不能維持。在一些實(shí)施例中，尺寸屯是1/8英寸或更小從而防止在氣體空間32內(nèi)部維持寄生等離子體的情況以及從而使跨越氣體空間32的壓降最小化。
[0044]從圖1A中最清楚可見(jiàn)，當(dāng)RF電極50被嵌在背板20內(nèi)部時(shí)，噴頭10的背面或上表面上的寄生放電的抑制可利用等離子體抑制結(jié)構(gòu)60來(lái)執(zhí)行。在一些實(shí)施例中，等離子體抑制結(jié)構(gòu)60包括兩或更多間隔開(kāi)的板100-1、100-2、……、以及100-N (統(tǒng)稱為板100)，其中N是大于I的整數(shù)。在一些實(shí)施例中，N等于5，但也可使用更多或更少的板100。在一些實(shí)施例中，板100由陶瓷材料或任意其它合適的介電材料制成。板100之間的間隔被優(yōu)化從而防止板100之間的自持放電，以及從而顯著降低等離子體抑制結(jié)構(gòu)60內(nèi)的電壓使得寄生放電在等離子體抑制結(jié)構(gòu)60后面不能持久。一或多個(gè)墊片102可被提供來(lái)限定等離子體抑制結(jié)構(gòu)60的板100之間的間隔。此外，可在板100的最上面一個(gè)(在圖1A的實(shí)施例中是100-5)上方且圍繞軸環(huán)80的桿85設(shè)置軸環(huán)110。軸環(huán)110可由介電材料制成。
[0045]控制器120可被連接到一或多個(gè)傳感器124，傳感器124可被布置在處理室的內(nèi)部和外部。傳感器124感測(cè)系統(tǒng)操作條件且可包括壓力傳感器、溫度傳感器和/或其它傳感器?？刂破?20利用一或多個(gè)質(zhì)量流量控制器(MFC) 128和閥130選擇性地從氣源126供應(yīng)工藝氣體給氣體通道34。
[0046]在一些實(shí)施例中，RF電極50被連接到RF電路70，RF電路70提供高頻激勵(lì)。在一些實(shí)施例中，高頻激勵(lì)大于或等于IMHz。陶瓷材料的疊摞層和氣體空間32創(chuàng)建了增加放電阻抗的電容結(jié)構(gòu)。隨著激勵(lì)頻率增大，阻抗減小。為了提供噴頭10的高效運(yùn)行，大部分輸送功率應(yīng)當(dāng)在放電時(shí)在襯底上方耗散。噴頭10后面的等離子體被認(rèn)為是寄生的。為了使襯底上方的功率耗散最大化，通過(guò)面板30的阻抗小于通過(guò)背板20的阻抗(否則背面等離子體會(huì)消耗很大部分輸送功率)。當(dāng)噴頭10包括嵌在背板20中的RF電極50時(shí)，更多功率傾向于通過(guò)背板20耦合。利用等離子體抑制結(jié)構(gòu)60可減少這種情況。
[0047]可根據(jù)阻抗模型分析功率耦合。針對(duì)發(fā)生在面板前面(即，在晶片上方)的等離子體放電，阻抗Zf.被估算為:
【權(quán)利要求】
1.一種用于襯底處理系統(tǒng)的噴頭組件，其包括: 連接到氣體通道的背板； 相鄰連接到所述背板的第一表面且包括氣體擴(kuò)散表面的面板； 一或多個(gè)導(dǎo)體；以及 布置在所述背板和所述面板之一中且被連接到所述一或多個(gè)導(dǎo)體的電極， 其中氣體空間被限定在所述背板和所述面板之間且與所述氣體通道流體連通，且 其中所述背板和所述面板由非金屬材料制成。
2.如權(quán)利要求1所述的噴頭組件，其還包括 連接到所述背板并限定所述氣體通道的桿， 其中所述桿由非金屬材料制成，且 其中所述一或多個(gè)導(dǎo)體穿過(guò)所述桿。
3.如權(quán)利要求1所述的噴頭組件，其中有下列之一: 所述面板的所述氣體擴(kuò)散表面包括間隔開(kāi)的孔； 所述面板的所述氣體擴(kuò)散表面包括穿孔；或者 所述面板的所述氣體擴(kuò) 散表面是多孔的。
4.如權(quán)利要求2所述的噴頭組件，其還包括鄰近所述背板的第二表面布置的等離子體抑制結(jié)構(gòu)，其中所述背板的所述第一表面在所述背板的所述第二表面的對(duì)面。
5.如權(quán)利要求4所述的噴頭組件，其中所述等離子體抑制結(jié)構(gòu)包括以間隔關(guān)系彼此平行設(shè)置的N個(gè)板，其中N是大于I的整數(shù)，其中所述N個(gè)板由介電材料制成。
6.如權(quán)利要求5所述的噴頭組件，其中所述等離子體抑制結(jié)構(gòu)包括從所述N個(gè)板之一向所述襯底處理系統(tǒng)的處理室的上表面延伸的軸環(huán)，且其中所述軸環(huán)由介電材料制成。
7.如權(quán)利要求5所述的噴頭組件，其中N大于2且所述N個(gè)板以均勻的方式間隔。
8.如權(quán)利要求5所述的噴頭組件，其中N大于2且所述N個(gè)板中的至少一些以不均勻的方式間隔。
9.如權(quán)利要求5所述的噴頭組件，其中所述N個(gè)板中的至少一個(gè)包括多個(gè)穿孔。
10.如權(quán)利要求5所述的噴頭組件，其中所述N個(gè)板中的至少一個(gè)包括鋸齒表面。
11.如權(quán)利要求2所述的噴頭組件，其中所述桿、所述背板和所述面板由陶瓷材料制成。
12.如權(quán)利要求2所述的噴頭組件，其中所述桿、所述背板和所述面板由氮化鋁和氧化鋁中的至少一者制成。
13.如權(quán)利要求1所述的噴頭組件，其還包括布置在所述氣體通道和所述氣體空間之間的擋板。
14.如權(quán)利要求2所述的噴頭組件，其還包括將所述桿連接到襯底處理室的上表面的軸環(huán)。
15.如權(quán)利要求1所述的噴頭組件，其中所述面板被連接到所述背板以允許所述面板相對(duì)于所述背板的橫向移動(dòng)，同時(shí)保持它們之間的密封。
16.如權(quán)利要求1所述的噴頭組件，其中所述氣體空間的高度大小小于預(yù)計(jì)等離子體鞘厚度的兩倍。
17.如權(quán)利要求1所述的噴頭組件，其中所述電極和所述背板的所述第一表面之間的第一尺寸小于所述電極和所述背板的第二表面之間的第二尺寸，其中所述背板的所述第一表面在所述背板的所述第二表面的對(duì)面。
18.如權(quán)利要求1所述的噴頭組件，其中所述電極是盤形的。
19.如權(quán)利要求2所述的噴頭組件，其中所述一或多個(gè)導(dǎo)體包括圍繞所述氣體通道的圓筒形導(dǎo)體。
20.—種襯底處理系統(tǒng),其包括: 包括反應(yīng)容積腔的處理室； 布置在所述反應(yīng)容積腔中的如權(quán)利要求1所述的噴頭組件； 以及 鄰近所述面板布置在所述反應(yīng)容積腔中的基架。
21.如權(quán)利要求20所述的襯底處理系統(tǒng)，其還包括: 配置來(lái)提供具有大于IMHz的頻率的RF信號(hào)給所述一或多個(gè)導(dǎo)體的射頻(RF)電路；以及 配置來(lái)控制流到所述氣體通道的工藝氣體和控制所述RF電路的操作的控制器。
22.如權(quán)利要求21所述的襯底處理系統(tǒng)，其中所述背板直接連接到所述處理室的壁。
【文檔編號(hào)】H01J37/04GK104022008SQ201410073021
【公開(kāi)日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2014年2月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年2月28日
【發(fā)明者】穆罕默德·薩布里, 愛(ài)德華·奧古斯蒂尼克, 道格拉斯·L·基爾, 拉姆基什安·拉奧·林安帕里, 卡爾·利澤, 科迪·巴尼特 申請(qǐng)人:諾發(fā)系統(tǒng)公司