專利名稱：溫控噴淋頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于在襯底上沉積膜的設(shè)備和系統(tǒng)。具體地說，本發(fā)明涉及一種用于將 氣體注入反應(yīng)腔室中的化學(xué)氣相沉積(chemical vapor deposition, CVD)設(shè)備。更具體 地說，本發(fā)明涉及一種溫控噴淋頭及其溫度控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
CVD噴淋頭反應(yīng)器使用穿孔或多孔平坦表面來盡可能均勾地在第二平行平坦表面 上分配反應(yīng)物和載氣(carrier gas)。此配置可用于對多個(gè)襯底的連續(xù)批量處理或?qū)蝹€(gè) 圓形晶片的處理。通常將晶片加熱到處理溫度，在所述處理溫度下，反應(yīng)物氣體起反應(yīng)， 且將膜沉積在晶片表面上。
噴淋頭反應(yīng)器或平行板反應(yīng)器有助于實(shí)施等離子體增強(qiáng)的工藝，例如等離子體增強(qiáng) 的化學(xué)氣相沉積(PECVD)。在大多數(shù)PECVD反應(yīng)器中，頂部和底部電極的大小大約 相等。晶片電極可以是襯底支撐件且接地，且噴淋頭可施加RF功率。可將偏壓RF功 率施加到襯底支撐件。噴淋頭中所施加的RF可能需要?dú)怏w供應(yīng)系統(tǒng)中的絕緣部分，以 避免在到達(dá)腔室的饋氣線中形成寄生放電?？赏ㄟ^襯底支撐電極來施加RF功率，同時(shí) 噴淋頭可接地。
可通過在晶片之間改變反應(yīng)溫度來影響晶片到晶片均勻性工藝條件、清潔循環(huán)、 閑置時(shí)間和噴淋頭組件的發(fā)射率隨時(shí)間的變化都可影響襯底或晶片以及氣體反應(yīng)溫度。 盡管在連續(xù)批量處理中的若干晶片之后，噴淋頭最終達(dá)到平衡溫度，但這些因素可在達(dá) 到平衡溫度之前影響所述平衡溫度或沉積循環(huán)的數(shù)目。而且，在多臺式腔室中，噴淋頭 溫度可能在臺與臺之間變化。舉例來說，臺1處的冷的傳入晶片可能導(dǎo)致噴淋頭逐步冷 卻。噴淋頭的熱循環(huán)還可從噴淋頭上與噴淋頭本身具有不同熱膨脹系數(shù)的涂層形成微 粒。
因此，需要準(zhǔn)確地控制腔室中每個(gè)噴淋頭的溫度，以形成具有最佳晶片到晶片均勻 性的值得制造的裝備。所述噴淋頭應(yīng)在不產(chǎn)生微粒的情況下設(shè)計(jì)，且可以最低的成本制 造，而不會(huì)增加占地面積或降低生產(chǎn)量，同時(shí)維持良好的晶片到晶片均勻性。
發(fā)明內(nèi)容
一種具有增強(qiáng)的熱耗散的溫控CVD噴淋頭和溫度控制系統(tǒng)以快速響應(yīng)來實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確且穩(wěn)定的溫度控制。準(zhǔn)確的溫度控制減少了連續(xù)批量處理內(nèi)以及批次與批次之間的晶片 到晶片非均勻性。增強(qiáng)的熱耗散和加熱器在操作環(huán)境中的變化干擾所述系統(tǒng)時(shí)，允許快 速恢復(fù)到溫度設(shè)置點(diǎn)。通過增加穿過噴淋頭桿的傳導(dǎo)、使用流體通路中的流體的額外對 流冷卻以及增加從背板的輻射來實(shí)現(xiàn)增加的熱耗散。溫度控制系統(tǒng)還包含熱交換器，其 連續(xù)冷卻在噴淋頭流體通路中流動(dòng)的對流冷卻流體。另外，噴淋頭溫度可為工藝優(yōu)化提 供額外參數(shù)。
一方面，本發(fā)明涉及一種溫控CVD噴淋頭，其包含具有對流冷卻流體通路的桿、 熱耦合到所述桿的背板、物理附接到所述背板的加熱器、熱耦合到所述背板的面板以及 用于測量所述面板的溫度的溫度傳感器。所述溫度傳感器可以是附接到面板的熱電偶。 還可使用基于紅外輻射、熒光或高溫測定法的非接觸式溫度測量方法。背板可由鋁或鋁 合金制成。背板的外表面可涂覆有某一材料以增加發(fā)射率。涂層可以是經(jīng)陽極氧化的鋁。 加熱器可以是電阻加熱器，且可嵌入背板中。面板可由鋁、經(jīng)陽極氧化或涂覆的鋁或經(jīng) 設(shè)計(jì)以耐高溫、化學(xué)制品和等離子體的其它金屬制成。
所述桿收容通道，穿過所述通道，反應(yīng)物和載氣流動(dòng)到面板，在此處，氣體穿過面 板中的孔或穿孔而分配。導(dǎo)流板或某一其它分配裝置可位于氣體通道的末端與面板之 間，以有助于均勻地分配所述氣體。所述桿還收容對流冷卻流體通路，穿過對流冷卻流 體通路，冷卻流體可流動(dòng)以冷卻噴淋頭。流體通路經(jīng)構(gòu)造以使得其與桿中將反應(yīng)物和載 氣運(yùn)載到噴淋頭的反應(yīng)物通道隔離。對流冷卻流體在入口處進(jìn)入所述桿，且可通過一個(gè) 或一個(gè)以上退出通道退出所述桿。在所述桿中，通路的入口或出口通道或這兩個(gè)通道可 遵循螺旋形路徑，或?yàn)榱黧w與表面之間的對流傳熱而設(shè)計(jì)的某一其它曲折路徑。冷卻流 體可以是清潔干燥空氣(clean dry air， CDA)、氬、氦、氮、氫或其混合物。盡管不是 優(yōu)選的，但可將基于水和油的液態(tài)冷卻劑用作對流冷卻流體。確切地說，CDA可在約 50到100 psi的壓力下由制造設(shè)施(fab facilities)供應(yīng)。還可通過串聯(lián)連接到一個(gè)以上 噴淋頭的熱交換器來冷卻CDA。串聯(lián)冷卻意味著可將CDA供應(yīng)到各個(gè)噴淋頭，中間冷 卻由熱交換器來進(jìn)行。舉例來說，CDA可供應(yīng)到第一噴淋頭、由熱交換器冷卻、供應(yīng)到 第二噴淋頭、由熱交換器冷卻、供應(yīng)到第三噴淋頭、由熱交換器冷卻、供應(yīng)到第四噴淋 頭、由熱交換器冷卻且排出。這種布置使所使用的空氣的量減到最小，且還確保排出氣 體的低溫，消除了安全隱患。
面板含有孔或穿孔，穿過所述孔或穿孔，氣體反應(yīng)物流動(dòng)到晶片。面板可具有不同 大小的孔圖案的各種配置。面板可移除地附接到背板，以便促進(jìn)清潔或改變孔圖案。面 板的溫度可由與面板成物理和熱接觸的熱電偶測量，或由較不易受RF干擾影響的其它手段(例如，光學(xué)溫度測量法)來測量。如果使用熱電偶，則熱電偶可通過背板與面板 之間的間隙器(standoff)且通過所述桿而連接到面板。射頻(RF)濾波器可電耦合到 熱電偶，以減少或消除來自施加到噴淋頭的RF的溫度信號中的干擾。
RF濾波器還可電耦合到加熱器。加熱器和熱電偶中的一者或兩者可與沉積期間所 使用的某一頻率的RF功率隔離?？刂破骺神詈系綗犭娕己图訜崞?，以在面板處維持所 需溫度。
另一方面，本發(fā)明涉及一種用于控制CVD腔室中的一個(gè)或一個(gè)以上噴淋頭溫度的 溫度控制系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包含CVD腔室和冷卻系統(tǒng)。CVD腔室包含一個(gè)或一個(gè)以上溫 控噴淋頭。每個(gè)噴淋頭包含桿、背板、面板和用于測量面板的溫度的熱電偶。所述桿包 含對流冷卻流體通路，且熱耦合到背板，背板熱耦合到面板。冷卻系統(tǒng)連接到每個(gè)噴淋 頭中的對流冷卻流體通路，以使冷卻流體連續(xù)流經(jīng)每個(gè)噴淋頭，且流經(jīng)噴淋頭之間的熱 交換器。冷卻系統(tǒng)可包含液體冷卻的熱交換器，以及到達(dá)對流冷卻流體通路的連接。溫 度控制系統(tǒng)還可包含耦合到熱電偶的控制器以及物理附接到背板的加熱器。
對流冷卻流體可以是清潔干燥空氣(CDA)、氬、氦、氮、氫或其組合。對流冷卻 流體可經(jīng)由制造設(shè)備連接來輸送，且可以是CDA?？稍诩s50到100psi的壓力和環(huán)境溫 度下將CDA輸送到第一噴淋頭桿。CDA可在冷卻的不同噴淋頭之間被連續(xù)冷卻，所述 不同噴淋頭可或可不在同一機(jī)床上的同一處理腔室中?？墒褂靡粋€(gè)熱交換器來冷卻一個(gè) 以上機(jī)床的一個(gè)以上腔室中的噴淋頭。CDA可在最后冷卻之后，在環(huán)境壓力和/或環(huán)境 溫度下排出。熱交換器中的液態(tài)冷卻劑可以是設(shè)施水(facilities water)或另一液態(tài)冷卻 劑。熱交換器可以是嵌入有冷卻劑線和對流冷卻流體線的鑄造金屬塊。所述鑄造金屬材 料可以是鋁。冷卻系統(tǒng)還可包含一個(gè)或一個(gè)以上旁通回路，其經(jīng)配置以使一個(gè)或一個(gè)以 上噴淋頭與冷卻系統(tǒng)隔離。冷卻系統(tǒng)還可包含耦合到控制器的流動(dòng)調(diào)制器，以調(diào)節(jié)或控 制進(jìn)入每個(gè)噴淋頭的冷卻流體的流速，以便控制冷卻的量。在一些實(shí)施例中，CVD腔室 還可包含腔室頂部，其具有高發(fā)射率涂層。所述涂層可在腔室頂部的內(nèi)表面上，且可以 是經(jīng)陽極氧化的鋁。
在又一方面，本發(fā)明涉及一種用于控制CVD噴淋頭溫度的溫度控制系統(tǒng)。所述系 統(tǒng)包含熱耦合到噴淋頭的冷卻構(gòu)件；熱耦合到噴淋頭的加熱構(gòu)件；熱耦合噴淋頭的一面 的溫度感測構(gòu)件；電耦合到溫度感測構(gòu)件和加熱構(gòu)件的RF濾波構(gòu)件；以及用于控制溫 度的控制構(gòu)件。所述系統(tǒng)還可包含輻射冷卻構(gòu)件和對流冷卻構(gòu)件。
一方面，本發(fā)明涉及一種溫控CVD噴淋頭，其包含具有對流冷卻流體通路的桿、 熱耦合到所述桿的背板以及熱耦合到所述背板的面板。對流冷卻流體通路可經(jīng)設(shè)計(jì)以使得退出通路的冷卻流體將與噴淋頭處于同一溫度。噴淋頭設(shè)備還可包含溫度傳感器，用 于測量在等離子體RF千擾范圍外的退出冷卻流體溫度。溫度傳感器可以是熱電偶或基 于紅外輻射、熒光或高溫測定法的非接觸式溫度測量方法。背板可由鋁或鋁合金制成。 背板的外表面可涂覆有某一材料以增加發(fā)射率。所述涂層可以是經(jīng)陽極氧化的鋁。在一 些實(shí)施例中，加熱器可附接到背板，所述加熱器可以是電阻加熱器，且可嵌入背板中。
另一方面，本發(fā)明涉及一種用于控制CVD腔室中的噴淋頭溫度的溫度控制系統(tǒng)。 所述系統(tǒng)可包含具有一個(gè)或一個(gè)以上溫控噴淋頭的CVD腔室、流體耦合到對流冷卻流 體通路的冷卻系統(tǒng)以及控制器。每個(gè)噴淋頭可包含具有對流流體通路的桿、熱耦合到所 述桿的背板以及熱耦合到所述背板的面板。所述冷卻系統(tǒng)可包含到達(dá)對流冷卻流體通路 的入口和出口、液體冷卻的熱交換器、流動(dòng)調(diào)制器和熱耦合到退出所述桿的對流冷卻流 體的溫度傳感器。熱交換器可將熱量從連續(xù)流經(jīng)一個(gè)以上噴淋頭的通路且中間由熱交換 器冷卻的對流冷卻流體移除。所述流動(dòng)調(diào)制器可基于來自控制器的信息而控制到達(dá)每個(gè) 噴淋頭的對流冷卻流體的流速。溫度傳感器可測量退出噴淋頭的流體的溫度，使得控制 器可確定面板的溫度?？刂破骺神詈系搅鲃?dòng)調(diào)制器和溫度傳感器，以便確定和控制面板 溫度。在一些情況下，加熱器可附接到背板，且耦合到控制器，以提供加熱。
在又一方面，本發(fā)明涉及一種用于CVD的溫控噴淋頭面板。所述面板包含大體上 平坦且圓形的前表面和背表面。背表面可包含用于將面板附接到背板的若干帶螺紋盲孔 以及一個(gè)或一個(gè)以上配合特征。面板還可包含若干小通孔，供氣體從噴淋頭桿流到面板 另一側(cè)上的處理區(qū)。所述小通孔可為約100到10,000個(gè)、2到5000個(gè)、約3到4000個(gè) 或約200到2000個(gè)孔，其直徑約為0.01到0.5英寸或約0.04英寸，且可形成非均勻孔 密度圖案。面板可具有約0.25到0.5英寸、或約0.125到0.5英寸或約0.25到0.375英 寸的厚度，且可由鋁、經(jīng)陽極氧化或涂覆的鋁或經(jīng)設(shè)計(jì)以耐高溫、化學(xué)制品和等離子體 的其它金屬制成。還可包含熱電偶接觸孔。面板經(jīng)配置以經(jīng)由一個(gè)或一個(gè)以上配合特征 可移除地附接到背板。所述配合特征可以是背表面上方的圓周側(cè)壁、凹槽、若干帶螺紋 盲孔和聯(lián)鎖爪(interlockingjaw)的一半。
因此，本發(fā)明提供了一種溫度控制噴淋頭系統(tǒng)，其可以準(zhǔn)確地控制腔室中每個(gè)噴淋 頭的溫度以形成具有最佳晶片到晶片均勻性的值得制造的裝備。而且本發(fā)明中的淋噴頭 在不產(chǎn)生微粒的情況下設(shè)計(jì)，且以最低的成本制造，而不會(huì)增加占地面積或降低生產(chǎn)量， 同時(shí)維持良好的晶片到晶片均勻性。
下文將參考相關(guān)聯(lián)的圖式更詳細(xì)地描述本發(fā)明的這些和其它特征和優(yōu)勢。

圖1是四臺式腔室中隨時(shí)間的噴淋頭溫度的圖。 圖2A是在各種噴淋頭溫度下沉積的氮化硅間隔物厚度的圖。 圖2B是在各種噴淋頭溫度下沉積的氮化硅間隔物的膜應(yīng)力的圖。 圖3A、圖3B和圖3C是根據(jù)本發(fā)明各個(gè)實(shí)施例的溫控噴淋頭的橫截面示意圖。 圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的冷卻系統(tǒng)的示意圖。 圖5是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的溫度控制系統(tǒng)的示意圖。 圖6是用以減少或消除RF噪聲的RF濾波器的一個(gè)實(shí)施例的示意圖。 圖7是使用根據(jù)本發(fā)明的溫控噴淋頭測量到的噴淋頭溫度的曲線圖。 圖8A是展示使用標(biāo)準(zhǔn)噴淋頭的具有四種不同開始條件的100個(gè)晶片上的TEOS膜 厚度的曲線圖。
圖8B是展示使用溫控噴淋頭的具有相同的四種開始條件的100個(gè)晶片上的TEOS 膜厚度的曲線圖。
具體實(shí)施方式
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目u百
在以下對本發(fā)明的詳細(xì)描述中，為了提供對本發(fā)明的全面理解，陳述大量具體實(shí)施 例。然而，如所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將明白，可在沒有這些具體細(xì)節(jié)的情況下或通過使用 替代元件或工藝來實(shí)踐本發(fā)明。在其它例子中，未詳細(xì)描述眾所周知的工藝、程序和組 件，以便不會(huì)不必要地混淆本發(fā)明的各方面。
在本申請案中，術(shù)語"襯底"和"晶片"將可互換地使用。以下詳細(xì)描述假定本發(fā)
明在半導(dǎo)體處理裝備上實(shí)施。然而，本發(fā)明并非局限于此?？衫盟鲈O(shè)備來處理各種 形狀、大小和材料的工件。除半導(dǎo)體晶片之外，可利用本發(fā)明的其它工件包含例如顯示 器面板、印刷電路板及其類似物的各種物品。
噴淋頭溫度隨時(shí)間而有所偏差，且依據(jù)反應(yīng)速率和膜特性而影響沉積反應(yīng)。圖l是
在無任何溫度控制(即，無加熱或冷卻)的情況下50晶片生產(chǎn)(50 wafer mn)期間的 4種噴淋頭溫度的圖。在持續(xù)約4000秒的50晶片生產(chǎn)期間標(biāo)繪四臺式腔室中的四個(gè)噴 淋頭。臺1噴淋頭對應(yīng)于線102;臺2對應(yīng)于線104;臺3對應(yīng)于線106，且臺4對應(yīng)于 線108。隨著時(shí)間的過去，臺2到4中的溫度增加，直到其在約3700秒時(shí)達(dá)到穩(wěn)定的狀 態(tài)溫度為止。在線UO處將等離子體條件標(biāo)繪為階躍函數(shù)。最初，等離子體保持處于虛 擬沉積模式以加熱噴淋頭，且在約IO分鐘之后，晶片處理開始。在臺1中，在晶片處 理開始之后，溫度開始逐漸降低，因?yàn)楫?dāng)臺1處的每個(gè)傳入晶片加熱到處理溫度時(shí)，所述晶片冷卻腔室組件(包含噴淋頭)。因此，后繼臺中的溫度曲線逐漸變高。臺2噴淋 頭的溫度比臺3噴淋頭的溫度低，因?yàn)閭魅氲脚_2的晶片的溫度比傳入到臺3的晶片的
溫度低。對于所有臺，噴淋頭溫度在某一時(shí)間之后達(dá)到平衡溫度。
圖1展示正在多臺式腔室中處理的晶片將在每個(gè)臺處經(jīng)歷不同的噴淋頭溫度。因此， 當(dāng)噴淋頭溫度影響所沉積的膜的特性時(shí)，沉積在晶片上的每個(gè)層將具有略有不同的特
性。對噴淋頭溫度敏感的CVD工藝的一個(gè)實(shí)例是氮化硅間隔物。對噴淋頭溫度敏感的 CVD工藝的另一實(shí)例是四乙基原硅酸鹽(TEOS)。
圖2A展示在不同噴淋頭溫度下沉積的膜厚度。在所有其它工藝參數(shù)都相等的情況 下，在較高的噴淋頭溫度下沉積更多的膜。因此，在晶片生產(chǎn)開始時(shí)(例如，在某一閑 置時(shí)間或腔室清潔之后)沉積的膜厚度將小于在噴淋頭溫度已達(dá)到平衡之后沉積的膜厚 度。視膜而定，此厚度差異可或可不對所制造的最終裝置的性能產(chǎn)生影響。圖2B展示 噴淋頭溫度對氮化硅間隔物膜特性(即其應(yīng)力)。隨著噴淋頭溫度增加，應(yīng)力減小。所 沉積的膜的應(yīng)力，尤其在晶體管級處，可能對裝置性能產(chǎn)生較大影響。因此，可通過操 縱噴淋頭溫度來實(shí)現(xiàn)所需的應(yīng)力?？刂茋娏茴^溫度的能力將提供另一工藝參數(shù)，使用所 述工藝參數(shù)來實(shí)現(xiàn)所需的膜特性，且減少沉積厚度和膜特性的晶片到晶片變化(非均勻 性)。
溫控噴淋頭
溫控噴淋頭改進(jìn)了整塊膜和各個(gè)子層兩者的晶片到晶片均勻性、通過消除非處理延 遲來增加生產(chǎn)量、通過減少或消除熱循環(huán)來減少微粒且添加了有價(jià)值的工藝參數(shù)以精細(xì) 調(diào)諧膜特性。膜晶片到晶片均勻性得到改進(jìn)，因?yàn)闇囟仍谶B續(xù)批次的晶片上變化較小(在 一批內(nèi)和批次之間，且與機(jī)床條件無關(guān))。這減少了當(dāng)噴淋頭較冷時(shí)的批次中的第一晶 片與當(dāng)噴淋頭已經(jīng)達(dá)到平衡溫度時(shí)的批次中的最后一個(gè)晶片之間的膜特性的差異。通過
將腔室中的所有噴淋頭都控制在同一溫度，還改進(jìn)了不同子層中的膜特性均勻性。可消 除非處理時(shí)間，例如用以加熱噴淋頭的虛擬沉積時(shí)間，從而增加了生產(chǎn)量?？蓽p少熱循 環(huán)，因?yàn)樵谒雠_閑置或被清洗時(shí)，噴淋頭溫度可維持，而不是允許噴淋頭冷卻。熱循 環(huán)的減少將減少腔室組件與組件上的涂層之間的不同熱膨脹系數(shù)的影響，且從而減少微 粒。如上文所論述，對于一些CVD工藝，可通過以其它工藝參數(shù)控制噴淋頭溫度來實(shí) 現(xiàn)所需的膜特性。舉例來說，對于具有較高應(yīng)力的氮化硅間隔物，較低噴淋頭溫度是合 乎需要的。
通常存在兩種主要類型的CVD噴淋頭枝形吊燈型和嵌入安裝型(flushmoimt)。 枝形吊燈型噴淋頭具有一端附接到腔室頂部且另一端附接到面板的桿，類似枝形吊燈。所述桿的一部分可伸出腔室頂部，以允許連接氣體線與RF功率。嵌入安裝型噴淋頭整 合到腔室的頂部中，且不具有桿。本發(fā)明涉及溫控枝形吊燈型噴淋頭。
為了控制溫度，基于噴淋頭溫度而添加或移除熱量。當(dāng)?shù)入x子體接通時(shí)，噴淋頭溫 度增高，因?yàn)?1)帶電微粒與噴淋頭碰撞以給予能量，(2)所施加的RF能量耦合到噴 淋頭，且/或(3)有意通過(例如)來自電加熱器的電能來添加外部熱量。當(dāng)較冷的材
料(例如，較低溫度下的反應(yīng)物氣體或環(huán)境溫度下的晶片)進(jìn)入腔室時(shí)、當(dāng)通過傳導(dǎo)(例 如，通過噴淋頭桿材料一直到腔室天花板的熱量傳導(dǎo))且通過來自噴淋頭表面的輻射而 移除熱量時(shí)，噴淋頭溫度降低。這些熱事件中的一些作為正常腔室操作的一部分而發(fā)生， 且其它熱事件可用于控制噴淋頭溫度。
圖3A、圖3B和圖3C是根據(jù)本發(fā)明各個(gè)實(shí)施例的噴淋頭的橫截面示意圖。參看圖 3A，噴淋頭300包含桿304、背板306和面板310?？蓪U304分成上部分和下部分， 其可具有不同的直徑。在一個(gè)實(shí)施例中，上桿具有約1.5到2英寸(優(yōu)選約為1.75英寸) 的直徑。下桿的直徑約為2到2.5英寸，優(yōu)選約為2.25英寸。面板直徑可稍大，且與晶 片大小相當(dāng)或比晶片大小稍大，優(yōu)選約為晶片大小的100%到125%。舉例來說，對于300 mm(12英寸)的處理腔室，面板直徑可為約13英寸或約15英寸。面板和背板每一者 可具有約0.25到0.5英寸、或約0.125到0.5英寸或約0.25到0.375英寸的厚度。面板 可由鋁、經(jīng)陽極氧化或涂覆的鋁或經(jīng)設(shè)計(jì)以耐高溫、化學(xué)制品和等離子體的其它金屬制 成。
在一個(gè)實(shí)施例中，背板的厚度約為0.5英寸，且面板的厚度約為八分之三英寸。反 應(yīng)物氣體通過噴淋頭桿304中的進(jìn)氣通道302引入，流經(jīng)背板306且進(jìn)入背板306與面 板310之間的歧管區(qū)308。參看圖3B，導(dǎo)流板312使氣體均勻地分布在整個(gè)歧管區(qū)308 上。導(dǎo)流板312可經(jīng)由導(dǎo)流板中的帶螺紋插入物或帶螺紋孔342和若干螺絲344附接到 背板306。歧管區(qū)的體積由背板與面板之間的間隙界定。所述間隙可約為0.5到1英寸， 優(yōu)選約為0.75英寸。為了維持所述間隙中的均勻氣流，所述間隙可借助在各個(gè)位置(例 如，3個(gè)、6個(gè)或至多10個(gè)位置)處定位于背板與面板之間的若干隔開物/間隔物332 而保持恒定。如圖所示，螺絲338穿過隔開物/間隔物332而在帶螺紋盲孔328處將背板 306緊固到面板。在其它實(shí)施例中，可使用具有或不具有內(nèi)部螺紋的各種形狀的間隔物 或襯套。盡管所示的螺絲進(jìn)入背板且擰到面板中，但可使用反向配置。舉例來說，螺絲 可嵌入面板中，且穿過間隔物而進(jìn)入背板中的通孔?？捎寐菽笇⒙萁z緊固到背板。
氣體通過面板310中的穿孔或孔(334)進(jìn)入處理區(qū)，以導(dǎo)致晶片表面上的沉積。 可對通孔進(jìn)行機(jī)械加工、銑削或鉆孔。每個(gè)孔的直徑可約為0.04英寸，或直徑約為O.Ol至U0.5英寸。 一些孔可具有不同大小?？椎臄?shù)目可為100到10,000個(gè)、2到5000個(gè)、約 3到4000個(gè)或約200到2000個(gè)孔。所述孔可以各種圖案(例如，蜂巢圖案或逐漸增大 的圓形)均勻地分布在整個(gè)面板上。視包含所需膜均勻性、膜輪廓和氣流的各種因素而 定，所述孔可具有非均勻分布的各種圖案，例如較稠密地分布在面板的中間，或較稠密 地分布在面板的邊緣處。在一個(gè)實(shí)施例中，所述孔可具有均勻間隔的圓形的圖案，其中 所述孔逐漸遠(yuǎn)離中心而放置。 一般來說，可使用各種孔圖案和密度。
在一些情況下，面板310可移除地附接到背板306，使得穿孔/孔配置可容易改變， 且面板容易被清洗。面板310的背表面可包含配合特征以附接背板和與背板分離。如圖 所示，配合特征可以是凹槽330和帶螺紋盲孔346。凹槽330可配合到背板上的對應(yīng)唇 緣上。背板或面板上的螺絲孔340和匹配孔346沿圓周定位。螺絲將背板與面板附接在 一起。沿圓周定位的螺絲的數(shù)目可大于4、大于10、約為24或至多約50?？墒褂帽嘲?和面板的其它配合特征。舉例來說，其它緊固機(jī)構(gòu)可包含皮帶或夾子，或可在面板的尺 寸緊密匹配背板中的對應(yīng)插口的尺寸時(shí)使用簡單的基于摩擦的嚙合。如圖3A中所示， 面板可包含具有凸緣的圓周側(cè)壁。背板可位于所述凸緣上且用螺絲附接。在一個(gè)實(shí)施例 中，在背板或面板的圓周側(cè)壁邊緣上的經(jīng)特殊機(jī)械加工的凹口與對應(yīng)物上的齒配合的情 況下，使用聯(lián)鎖爪機(jī)構(gòu)。當(dāng)噴淋頭被加熱且所述齒和凹口膨脹時(shí)，背板和面板可變成通 過摩擦附接。涉及非移動(dòng)部分的此機(jī)構(gòu)對螺絲(其必須帶螺紋)來說可能是優(yōu)選的，且 可除去和釋放微粒。又一可能的機(jī)構(gòu)涉及可旋入相應(yīng)的對應(yīng)物中的面板或背板的圓周側(cè) 壁上的螺紋。不管配合特征和緊固機(jī)構(gòu)如何，背板和面板均以此方式附接，以維持其間 良好的電和熱接觸。
在操作期間，噴淋頭面板在腔室中經(jīng)歷有應(yīng)力的條件。舉例來說，來自至多達(dá)非常 高的溫度(例如，高于300'C)的溫度變化的熱應(yīng)力可能使背板或面板彎曲，且使材料 降級。操作期間的等離子體可侵蝕表面材料，從而導(dǎo)致微粒和疵點(diǎn)。反應(yīng)物(例如，氟 氣)也可能以化學(xué)侵蝕的方式腐蝕面板。不需要的反應(yīng)產(chǎn)物或副產(chǎn)物的沉積可能堵塞氣 流孔，從而影響工藝性能，在膜積聚在表面上時(shí)導(dǎo)致微粒，或在氟化鋁的情況下影響等 離子體特性。長此以往，這些事件可能在微粒、均勻性和等離子體性能方面影響工藝性 能。如果能僅清潔或更換面板則會(huì)節(jié)約成本，而不必更換整個(gè)噴淋頭組合件。
再次參看圖3A,加熱器314可熱附接到背板306。加熱器314可以是電加熱器，且 可嵌入背板306中。可通過真空銅焊工藝來附接加熱器。加熱器線圈314由通過桿連接 到所述線圈的加熱器線316控制。因?yàn)閲娏茴^在腔室操作期間經(jīng)受較高的RF能量，所 以加熱器的所有或一部分與RF絕緣且隔離?？赏ㄟ^RMI/RFI濾波器或任何其它商業(yè)上
11可用的RF隔離裝置來實(shí)現(xiàn)RF隔離。在一些實(shí)施例中，不使用加熱器。
圖3C展示用以強(qiáng)調(diào)其它元件的噴淋頭的略有不同的橫截面圖。熱電偶318與面板 310熱接觸，以測量面板的溫度。熱電偶318從上桿穿過背板306與面板310之間的間 隙器320而連接。在面板310處，熱電偶可接觸熱電偶接觸孔中的面板材料。類似于加 熱器線和元件，熱電偶也與RF絕緣且隔離?？赏ㄟ^某一頻率的RF陷波器和另一頻率 下的RF濾波器來實(shí)現(xiàn)RF隔離。在其它實(shí)施例中，可使用其它溫度感測裝置來測量面 板的溫度。明確地說，可使用非接觸式溫度傳感器。實(shí)例包含高溫測定法、基于熒光的 溫度測量法和紅外溫度測量法。
溫控噴淋頭通過傳導(dǎo)、對流和輻射來增強(qiáng)熱量移除。通過連接到腔室頂部的噴淋頭 桿本身將熱量傳導(dǎo)走。桿的直徑可經(jīng)設(shè)計(jì)以使到達(dá)腔室頂部的傳導(dǎo)熱量損失增至最大。 還通過在桿304的對流冷卻流體通路中流動(dòng)的冷卻流體以對流的方式來移除熱量。圖3B 中的實(shí)施例包含冷卻流體入口 322，冷卻流體(例如，清潔干燥空氣(CDA)、氬、氦、 氮、氫或其混合物)可流到冷卻流體入口 322中。流體可遵循螺旋形路徑沿所述桿而下。 圖3B中將螺旋形路徑展示為穿過對流冷卻流體通路的開口 324。冷卻流體可穿過一個(gè) 或一個(gè)以上冷卻流體退出通道326而退出所述桿。在一個(gè)實(shí)施例中，提供兩個(gè)冷卻流體 退出通道。盡管此處的實(shí)例使用螺旋形通路和兩個(gè)退出通道，但所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員可 設(shè)計(jì)另一曲折通路，以將熱量從噴淋頭有效地傳遞到冷卻流體。
流體冷卻通道可經(jīng)設(shè)計(jì)以使得退出流體完全被加熱到噴淋頭桿的溫度。因?yàn)槊姘鍦?度和桿溫度是相關(guān)的，所以有可能通過測量退出流體的溫度來推斷面板溫度?？稍谶h(yuǎn)離 RF所導(dǎo)致的電磁干擾的情況下，測量退出流體的溫度。這種設(shè)計(jì)可避免在噴淋頭及其 相關(guān)聯(lián)的RF濾波電路內(nèi)部使用熱電偶。
在另一種情形下，冷卻流體可進(jìn)一步經(jīng)調(diào)制以控制冷卻的量?；谕顺隽黧w溫度的 反饋回路可增加或減小流動(dòng)以改變冷卻的量。此冷卻可加入或代替背板上的熱量。對于 要求較低的應(yīng)用，可僅使用冷卻來控制噴淋頭溫度；且可省略加熱器元件和RF隔離裝 置。對于要求較高的應(yīng)用，冷卻流體的調(diào)制是用以控制噴淋頭溫度的額外參數(shù)。
除傳導(dǎo)和對流之外，熱量可從背板輻射遠(yuǎn)離噴淋頭。為了改進(jìn)輻射冷卻，背板的外 表面可涂覆有高發(fā)射率材料。舉例來說，所述涂層可以是經(jīng)陽極氧化的鋁。輻射可由腔 室的頂部吸收。也可用高發(fā)射率材料來處理腔室頂部，以增加輻射傳熱。腔室頂部的內(nèi) 表面可涂覆有經(jīng)陽極氧化的鋁。腔室頂部可(例如)通過冷卻水線而獨(dú)立地冷卻。
傳導(dǎo)和輻射熱量移除使噴淋頭保持在足夠低的溫度，借此電加熱器可準(zhǔn)確地將其加 熱回來。在沒有熱量移除的情況下，噴淋頭溫度將保持較高且無法控制。熱量移除為溫度控制形成凈空(headroom)。在一個(gè)實(shí)施例中，熱量移除使噴淋頭溫度保持在低于約 20(TC。加熱器是圍繞背板的周長的簡單線圈，因?yàn)槊姘迮c背板之間的大部分傳熱都是 圍繞所述周長。噴淋頭與背板之間較佳的熱接觸也會(huì)改進(jìn)溫度控制，因?yàn)閭鲗?dǎo)傳熱且因 此穿過桿的熱損失增強(qiáng)。 冷卻系統(tǒng)
連接到一個(gè)或一個(gè)以上噴淋頭桿的冷卻系統(tǒng)冷卻流經(jīng)每個(gè)噴淋頭桿的對流冷卻流 體。冷卻系統(tǒng)包含液體冷卻的熱交換器和到達(dá)噴淋頭的連接。圖4是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí) 施例的冷卻系統(tǒng)的示意圖。在此實(shí)施例中，熱交換器401連接到四個(gè)噴淋頭411、 413、 415和417。對流冷卻流體連續(xù)流經(jīng)每個(gè)噴淋頭以及熱交換器401的隔間。對流冷卻流 體在入口 409處進(jìn)入系統(tǒng)，在入口 409處，對流冷卻流體進(jìn)入第一噴淋頭桿。在流經(jīng)一 個(gè)噴淋頭之后，在流經(jīng)下一個(gè)噴淋頭之前，對流冷卻流體由熱交換器中的液態(tài)冷卻劑冷 卻。在穿過熱交換器中的最后一個(gè)隔間的最后一次冷卻之后，對流冷卻流體在出口 411 處從冷卻系統(tǒng)排出。對流冷卻流體可以是清潔干燥空氣(CDA)、氬、氦、氮、氫或其 中的一者或一者以上的組合。在一個(gè)實(shí)施例中，對流冷卻流體是在設(shè)施壓力下的由設(shè)施 提供的CDA。針對不同的設(shè)施壓力可能需要不同的流速。舉例來說，在80psi的設(shè)施壓 力下，可使用IOO標(biāo)準(zhǔn)升每分鐘(slm)的CDA。排出氣體可約處于或略高于環(huán)境溫度 和壓力。盡管展示對流冷卻流體不返回到系統(tǒng)的開放式系統(tǒng)，但穿過噴淋頭的連續(xù)流和 穿過一個(gè)熱交換器的中間冷卻的概念也可用封閉式系統(tǒng)來實(shí)施。
在一些實(shí)施例中，測量從噴淋頭退出的冷卻流體的溫度，且使用所述溫度來確定噴 淋頭溫度。溫度傳感器441、 443、 445和447可熱耦合到退出的冷卻流體，且仍在RF 干擾范圍之外。此配置將消除對RF濾波裝置的需要。如上文所論述，對流冷卻通路可 經(jīng)設(shè)計(jì)以使得退出冷卻流體的溫度與噴淋頭桿的溫度相同。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員于是將 能夠在知道各個(gè)組件的熱特性的情況下，設(shè)計(jì)算法來使測量到的退出流體溫度與噴淋頭 溫度相關(guān)。
在某些實(shí)施例中，噴淋頭可不包含附接到背板的加熱器。噴淋頭溫度在處理、預(yù)加 熱和遠(yuǎn)程等離子體清潔期間增高。在這些實(shí)施例中，可使用來自冷卻流體的主動(dòng)式冷卻 來控制噴淋頭溫度。控制閥421、 423、 425和427基于來自控制器的輸入而控制到達(dá)噴 淋頭的冷卻流體的流動(dòng)。冷卻流體流動(dòng)到噴淋頭桿或在旁通回路431、 433、 435或437 中轉(zhuǎn)向?？苫诘竭_(dá)噴淋頭的冷卻流體的流動(dòng)而實(shí)現(xiàn)更多或更少冷卻。在可接受噴淋頭 溫度的范圍較大的某些要求減低的應(yīng)用中，僅主動(dòng)式冷卻的設(shè)計(jì)可能是適當(dāng)?shù)?。在這些 實(shí)施例中，噴淋頭溫度可基于退出冷卻流體的溫度而確定，或通過接觸熱電偶或通過非接觸熱感測構(gòu)件在噴淋頭處測量到。
在一個(gè)實(shí)施例中，圖4中展示四個(gè)噴淋頭和四個(gè)隔間，但冷卻系統(tǒng)可設(shè)計(jì)為具有另 一數(shù)目的噴淋頭和隔間。在一些情況下，所述冷卻系統(tǒng)可用于冷卻一個(gè)以上半導(dǎo)體處理 機(jī)床的噴淋頭。如果每個(gè)半導(dǎo)體處理機(jī)床具有一個(gè)多臺式腔室(其每一者具有四個(gè)臺)， 則可設(shè)計(jì)具有到達(dá)8個(gè)噴淋頭的8個(gè)隔間連接的冷卻系統(tǒng)以服務(wù)于2個(gè)機(jī)床。 一些半導(dǎo)
體處理機(jī)床可具有一個(gè)以上多臺式腔室。在此情況下，可將冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)為服務(wù)于單個(gè) 機(jī)床上的一個(gè)以上腔室中的所有噴淋頭。如果在具有一個(gè)以上四臺式腔室的機(jī)床上使用 四隔間熱交換器，則可每機(jī)床使用一個(gè)以上熱交換器。
在一些情況下，噴淋頭中的一者或一者以上可針對全部的對流冷卻流體流動(dòng)而旁 通。因此，每個(gè)噴淋頭連接還可包含具有對應(yīng)閥的旁通回路。對于某些工藝，不是每個(gè)
臺都可經(jīng)配置以將材料沉積在晶片上，或需要溫控噴淋頭。在此情況下，可在臺4處使 用旁通回路。
用于熱交換器401的液態(tài)冷卻劑在入口 405處進(jìn)入系統(tǒng)，且在其在出口 407處退出 系統(tǒng)之前遵循冷卻劑路徑403。盡管針對冷卻劑路徑403僅展示一個(gè)回路，但冷卻劑路 徑可由許多回路組成，這取決于冷卻劑路徑的直徑、所需的傳熱、入口處的冷卻劑溫度 和出口處的任何冷卻劑溫度要求。液態(tài)冷卻劑可以是水或任何其它類型的已知液態(tài)冷卻 劑，例如氟利昂。在一個(gè)實(shí)施例中，液態(tài)冷卻劑是設(shè)施輸送的水。在退出熱交換器之后， 在被釋放(例如)到排水溝之前，可或可不對液態(tài)冷卻劑進(jìn)行進(jìn)一步處理。舉例來說， 可直接排出作為液態(tài)冷卻劑的設(shè)施輸送的水。然而，如果使用其它液態(tài)冷卻劑，則可對 冷卻劑進(jìn)行壓縮，且將其再循環(huán)回到熱交換器中，從而形成閉合回路冷卻劑系統(tǒng)。
可使用熱交換器401的不同設(shè)計(jì)。圖4展示水流近似彼此垂直而流動(dòng)的交叉流熱交 換器。然而，可使用逆流或并流熱交換器。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將能夠設(shè)計(jì)具有足夠的 表面積以導(dǎo)致所需的傳熱的熱交換器。在某些實(shí)施例中，熱交換器401可以是封圍著液 態(tài)冷卻劑和對流冷卻流體管道系統(tǒng)的鑄造金屬。所述金屬可以是鋁或具有所需傳熱特征 的其它金屬。鑄造金屬設(shè)計(jì)允許具有較少占地面積或空間要求的緊湊熱交換器。
溫度控制系統(tǒng)
噴淋頭溫度控制系統(tǒng)包含一個(gè)或一個(gè)以上噴淋頭、冷卻系統(tǒng)和用于控制每個(gè)噴淋頭 的溫度的控制器。圖5描繪溫度控制系統(tǒng)與一個(gè)噴淋頭相關(guān)時(shí)的主要組件。注意，此圖 中的噴淋頭圖形包含到達(dá)腔室頂部的附接零件。對流冷卻流體從組件502流入噴淋頭桿 中，在冷卻噴淋頭的過程中，對流冷卻流體在噴淋頭桿中被加熱，且對流冷卻流體退出 到熱交換器506。在一些實(shí)施例中，進(jìn)入噴淋頭中的冷卻流體流動(dòng)由控制閥或其它流動(dòng)調(diào)制器522調(diào)制。通過調(diào)制所述流動(dòng)，冷卻流體所提供的冷卻可增加或減少。
如上文所論述，對流冷卻流體可從熱交換器506流動(dòng)到另一組件，例如504。如果 將噴淋頭配置為腔室中的第一個(gè)臺，那么組件502可以是設(shè)施空氣，且組件504可以是 另一噴淋頭，例如臺噴淋頭。如果未將噴淋頭配置為第一個(gè)臺，那么組件502和506可 以是同一組件，如上文所論述的液體冷卻的熱交換器。注意，此冷卻回路可不具有反饋 回路，其中可調(diào)節(jié)更多或更少冷卻。簡單的設(shè)計(jì)僅足夠地冷卻噴淋頭，使得電加熱器518 可準(zhǔn)確地將噴淋頭加熱到某一溫度。
如上文所論述，熱電偶510與面板物理接觸。熱電偶510連接到RF隔離裝置512， 以移除從熱電偶信號施加到作為電極的噴淋頭上的RF的影響。通常，PECVD中所施加 的RF具有兩個(gè)頻率分量，高頻率(例如，13.56 MHz)陷波器和低頻率(例如，400 kHz)。 RF隔離裝置可包含一個(gè)或一個(gè)以上濾波器。在一個(gè)實(shí)施例中，RF隔離裝置包含高頻率 和低頻率濾波器。在無RF隔離的情況下，相信熱電偶測量將無用，因?yàn)镽F干擾將太 大。'
圖6中展示RF隔離裝置的可能配置的示意圖。熱電偶510/601由不銹鋼護(hù)套環(huán)繞。 此護(hù)套平行于電容器605而纏繞到線圈603。所述線圈作為電感器，且所述電容器形成 阻斷13.56 MHz信號的儲能電路(tank circuit)。所述線圈可具有約l微亨的電感，且電 容器605可具有約85pf (皮法)的電容。用可具有約10000 pf的電容的第二電容器607 將剩余的13.56 MHzRF短路到接地609。用護(hù)套來俘獲高頻率還阻斷嵌入此護(hù)套中的熱 電偶線中的RF。 400 kHz頻率不會(huì)被603/605濾波器阻擋，且由于其較低頻率而不會(huì)被 電容器607短路到接地。所以在13.56 MHz濾波器的末端仍存在400 kHz噪聲，其隨后 由低頻率濾波器611過濾掉。在一種設(shè)計(jì)中，低頻率濾波器可以是雙階段低通濾波器。 兩個(gè)階段可為類似于高頻率濾波器的LC設(shè)計(jì)。請注意，低頻率濾波器可直接連接到熱 電偶線，但高頻率濾波器只可連接到護(hù)套。
再次參看圖5，加熱器元件518連接到其RF隔離裝置508。 RF隔離裝置508可以 是RF濾波器或用以使加熱器電信號與所施加的RF的效應(yīng)隔離的其它可用裝置。溫度 控制器516通過隔離裝置512從熱電偶510讀取溫度信息，且在反饋回路中通過RF隔 離裝置508調(diào)節(jié)到達(dá)加熱器518的輸入。
在另一實(shí)施例中，可通過在RF干擾范圍外的溫度感測裝置520來測量退出冷卻流 體的溫度。在此實(shí)施例中，溫度感測裝置520不需要RF濾波器?？刂破骺墒雇顺隼鋮s 流體的溫度與噴淋頭溫度相關(guān)。
溫度控制器516還可從組件514獲取前饋信息。所述前饋信息可以是直到等離子體接通為止的時(shí)間周期。在一些情況下，前饋信息還可包含其它影響噴淋頭溫度的可預(yù)測 事件，例如用冷晶片的晶片處理，進(jìn)入噴淋頭中的氣體流動(dòng)?？刂破骺稍陬A(yù)期到冷卻事 件(例如，腔室清洗)的情況下增加加熱器輸入，或在預(yù)期到加熱事件(例如，等離子 體"接通")的情況下減少加熱器輸入?？刂破鬟€可在預(yù)期到加熱事件的情況下通過增 加冷卻流體流動(dòng)來增加冷卻，或在預(yù)期到冷卻事件的情況下通過減少冷卻流體流動(dòng)來減 少冷卻。
可在不同控制方案中使用輸入和輸出組件的各種組合。舉例來說，主動(dòng)式冷卻(調(diào) 制冷卻流體流動(dòng))可與主動(dòng)式加熱(背板中的加熱器) 一起使用，以準(zhǔn)確地控制噴淋頭 溫度?？芍苯訌母浇拥矫姘宓臒犭娕紲y量噴淋頭溫度，或可從退出冷卻流體溫度間接確 定噴淋頭溫度。在一些情況下，控制系統(tǒng)中可僅包含主動(dòng)式冷卻或僅包含主動(dòng)式加熱。 還可包含其它輸入(例如入口處的冷卻流體的溫度感測)以準(zhǔn)確地確定從噴淋頭移除的熱量。
在某些實(shí)施例中，溫度控制器可與系統(tǒng)控制器整合。在那些情況下，組件514將不 與控制器516分離。 實(shí)驗(yàn)
根據(jù)本發(fā)明來實(shí)施噴淋頭溫度控制系統(tǒng)。所實(shí)施的控制系統(tǒng)包含如上文所論述的溫 控噴淋頭和僅使用反饋(僅熱電偶)輸入的控制器。四臺式腔室的噴淋頭溫度在50晶 片生產(chǎn)期間測量，且在圖7中標(biāo)繪。在單獨(dú)的曲線上標(biāo)繪總共四個(gè)噴淋頭中的每個(gè)噴淋 頭的溫度。設(shè)置點(diǎn)是260°C。將針對臺1測量到的溫度表示為線701。針對臺2到臺4 測量到的溫度彼此非常接近，且表示為線703。正如圖1，在705處也將等離子體條件 標(biāo)繪為階躍函數(shù)。
在加熱器關(guān)閉且溫度不受控制的情況下，噴淋頭溫度與圖l相比的差異是顯著的。 在至多約1800秒的虛擬沉積期間，噴淋頭溫度表現(xiàn)為類似于圖1的噴淋頭溫度。所述 溫度在晶片沉積開始之后，在約1800秒的時(shí)間處快速穩(wěn)定。至少對于臺2到臺4中的 噴淋頭來說，溫度遠(yuǎn)為更早地穩(wěn)定。臺1的溫度701趨向于向下，持續(xù)約500秒的周期， 下降到約256°C，但在晶片處理的其余部分期間恢復(fù)并保持在設(shè)置點(diǎn)處。
數(shù)據(jù)顯示，通過溫度控制方案，可在50晶片批次內(nèi)將噴淋頭溫度控制為沒有約4 °C。因?yàn)樵诓皇褂们梆伩刂频那闆r下產(chǎn)生數(shù)據(jù)，所以包含前饋控制的實(shí)施方案可將響應(yīng) 改進(jìn)為甚至小于約4'C。
在另一測試中，使用標(biāo)準(zhǔn)噴淋頭和根據(jù)本發(fā)明的溫控噴淋頭來研究針對四乙基原硅 酸鹽(TEOS)沉積的沉積速率的晶片到晶片結(jié)果。標(biāo)準(zhǔn)噴淋頭不包含本發(fā)明的溫控特征。其不包含冷卻機(jī)構(gòu)或加熱器。為了測試溫控噴淋頭對變化的條件的響應(yīng)性，在四種 條件下，用每個(gè)噴淋頭沉積100個(gè)晶片。在每種條件之前，處理腔室經(jīng)受遠(yuǎn)程等離子體 清潔(RPC)，其中從饋入距處理腔室遠(yuǎn)程定位的腔室中的氣體點(diǎn)燃等離子體。來自RPC 腔室的等離子體激活的物質(zhì)接著流經(jīng)輸送線并流向處理腔室。因此在晶片l、 26、 51和 76之前進(jìn)行RPC。在第一種條件下，TEOS沉積對于每晶片持續(xù)12秒，且測量所沉積 的厚度。在第二種條件下，在RPC之后，用來自反應(yīng)物通道的氮?dú)饫鋮s噴淋頭，持續(xù) 20分鐘。估計(jì)在標(biāo)準(zhǔn)噴淋頭中，在用氮?dú)鈴?qiáng)制冷卻約20分鐘之后，噴淋頭溫度達(dá)到約 240°C。在第三種條件下，處理腔室在RPC之后閑置整晚。在此閑置期間，基座保持被 加熱到約35(TC，使得在標(biāo)準(zhǔn)噴淋頭中，在此持續(xù)時(shí)間期間，噴淋頭平衡在小于350'C 的溫度。在第四種條件下，在RPC之后，用高功率等離子體來加熱噴淋頭，持續(xù)20分 鐘。使用氮來以約10slm的流速產(chǎn)生此等離子體。將腔室壓力維持在約2.5托，且將高 頻率功率維持在約1500瓦。
圖8A和圖8B是每個(gè)所測量的晶片的以埃計(jì)的沉積厚度的曲線圖。針對每種條件測 量六個(gè)晶片。區(qū)域801對應(yīng)于上文所論述的第一條件。在RPC之后，噴淋頭溫度升高， 因?yàn)榉艧岱磻?yīng)在噴淋頭表面處釋放能量。在無額外冷卻(額外冷卻在溫控噴淋頭中是可 能的)的情況下，標(biāo)準(zhǔn)噴淋頭保持較熱持續(xù)較長時(shí)間，如由厚度數(shù)據(jù)展示。注意，在較 高的噴淋頭溫度下，TEOS沉積速率較高。在幾個(gè)晶片之后，標(biāo)準(zhǔn)噴淋頭和溫控噴淋頭 兩者處的沉積減少，接著緩慢地增加。溫控噴淋頭維持相對較穩(wěn)定的沉積速率，但對于 標(biāo)準(zhǔn)噴淋頭，沉積速率開始再次減小。相信標(biāo)準(zhǔn)噴淋頭臺中的第二次減小是歸因于進(jìn)入 所述臺的冷晶片的影響，很像圖1的曲線102上所示的溫度降低。數(shù)據(jù)顯示在RPC序列 之后，溫控噴淋頭能夠平衡到恒定溫度，且因此沉積速率比標(biāo)準(zhǔn)噴淋頭快。
區(qū)域802對應(yīng)于第二種條件。在RPC序列之后，用氮來冷卻處理腔室。在此區(qū)域中， 使用溫控噴淋頭的沉積最初較少受影響，與標(biāo)準(zhǔn)噴淋頭相比，沉積厚度的下降較少。區(qū) 域803對應(yīng)于第三種條件。在整晚的閑置之后，使用溫控噴淋頭的沉積具有與在RPC 序列之后的特征相同的特征。沉積最初下降，且恢復(fù)到相對恒定的值。使用標(biāo)準(zhǔn)噴淋頭 的沉積在初始晶片上減少，且也維持相對恒定的值。注意，盡管沉積參數(shù)是相同的，但 與所有其它區(qū)域相比，在區(qū)域803中，標(biāo)準(zhǔn)噴淋頭維持較低沉積速率。最后，區(qū)域804 對應(yīng)于第四種條件。在RPC序列之后，高能量等離子體將噴淋頭加熱到比單獨(dú)RPC高 的溫度。在標(biāo)準(zhǔn)噴淋頭中，在區(qū)域4中記錄最高沉積速率。在沉積的初始下降之后， 度在較高值處表現(xiàn)為平衡。在溫控噴淋頭中，高能量等離子體似乎不影響沉積，也許除 第一個(gè)晶片之外?？傊?，針對標(biāo)準(zhǔn)噴淋頭測量到的厚度范圍為約37埃，且針對溫控噴淋頭測量到的 厚度范圍僅為約13埃。沉積的晶片到晶片非均勻性針對標(biāo)準(zhǔn)噴淋頭為3.7%，且針對溫 控噴淋頭為1.3%。溫控噴淋頭的較佳的晶片到晶片均勻性比標(biāo)準(zhǔn)噴淋頭的晶片到晶片均 勻性改進(jìn)了 66%。
盡管為了清楚起見已省略了各種細(xì)節(jié)，但可實(shí)施各種設(shè)計(jì)替代方案。因此，本實(shí)例 應(yīng)被視為說明性的而非限制性的，且本發(fā)明不限于本文所給出的細(xì)節(jié)，而是可在所附權(quán) 利要求書的范圍內(nèi)修改。
權(quán)利要求1.一種用于化學(xué)氣相沉積的溫控噴淋頭，所述噴淋頭包括(a)桿，其包括對流冷卻流體通路；(b)背板，其熱耦合到所述桿；(c)加熱器，其物理附接到所述背板；(d)面板，其熱耦合到所述背板；以及(e)溫度傳感器，其用于測量所述面板的溫度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴淋頭，其中所述溫度傳感器是物理附接到所述面板的熱電偶，且進(jìn)一步包括電耦合到所述熱電偶的射頻濾波器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴淋頭，其進(jìn)一步包括電耦合到所述加熱器的RF濾波器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的噴淋頭，其中所述背板的外表面包括經(jīng)陽極氧化的鋁涂層。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴淋頭，其中所述加熱器嵌入所述背板中。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的噴淋頭，其中所述面板可移除地附接到所述背板。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴淋頭，其中所述桿具有在約1.5到2.5英寸之間的直徑。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴淋頭，其中所述面板和所述背板具有約0.25到0.5英寸的 厚度。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴淋頭，其中所述背板與所述面板之間的間隙為約0.5到1 英寸。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的噴淋頭，其中所述面板具有約13英寸的直徑。
11. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的噴淋頭，其進(jìn)一步包括所述背板與所述面板之間的間隙器， 所述熱電偶穿過所述間隙器附接到所述面板。
12. —種用于化學(xué)氣相沉積的溫控噴淋頭，所述噴淋頭包括(a) 桿，其包括對流冷卻流體通路；(b) 背板，其熱耦合到所述桿；以及(c) 面板，其熱耦合到所述背板；其中所述對流冷卻流體通路經(jīng)配置以使得退出冷卻流體的溫度與所述桿的溫度 相同。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的噴淋頭，其進(jìn)一步包括經(jīng)配置以測量所述退出冷卻流體溫 度的溫度傳感器。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的噴淋頭，其中所述背板的外表面包括經(jīng)陽極氧化的鋁涂層。
15. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的噴淋頭，其中所述面板可移除地附接到所述背板。
16. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的噴淋頭，其中所述桿具有在約1.5到2.5英寸之間的直徑， 所述面板和所述背板具有約0.25到0.5英寸的厚度，所述背板與所述面板之間的間 隙為約0.5到1英寸，且所述面板具有約13到15英寸的直徑。
17. —種用于化學(xué)氣相沉積的溫控噴淋頭面板，所述面板包括(a) 大體上平坦且圓形的前表面； (b) 大體上平坦且圓形的背表面，其包括用于背板的多個(gè)帶螺紋盲孔和配合特征；以及(C)供氣體流動(dòng)的多個(gè)小通孔；其中所述面板經(jīng)配置以經(jīng)由所述配合特征可移除地附接到所述背板，且其中所述 面板材料為耐化學(xué)制品和等離子體的鋁合金。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的噴淋頭面板，其中所述配合特征包括圓周側(cè)壁。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的噴淋頭面板，其中所述配合特征包括聯(lián)鎖爪的下半部。
20. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的噴淋頭面板，其中所述多個(gè)小通孔為100到10,000個(gè)通孔。
21. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的噴淋頭面板，其中所述多個(gè)小通孔為3到4000個(gè)通孔。
22. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的噴淋頭面板，其中所述小孔形成非均勻孔密度的圖案。其中所述多個(gè)小通孔的直徑為約0.01到0.5
23. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的噴淋頭面板， 英寸。
24. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的噴淋頭面板，
25. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的噴淋頭面板，
26. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的噴淋頭面板， 者或一者以上的多個(gè)間隔物。其中所述面板的厚度為約1/8到1/2英寸。其進(jìn)一步包括熱電偶接觸孔。其進(jìn)一步包括耦合到所述帶螺紋盲孔中的一
專利摘要一種用于化學(xué)氣相沉積(CVD)腔室的溫控噴淋頭增強(qiáng)熱耗散，以實(shí)現(xiàn)用電加熱器來進(jìn)行準(zhǔn)確的溫度控制，所述噴淋頭包括桿，其具有對流冷卻流體通路；背板，其熱耦合到所述桿；加熱器，其物理附接到所述背板；面板，其熱耦合到所述背板；以及溫度傳感器，其用于測量所述面板的溫度。熱量通過穿過噴淋頭桿和流體通路的傳導(dǎo)以及從背板的輻射而耗散。溫度控制系統(tǒng)包含位于CVD腔室中的一個(gè)或一個(gè)以上溫控噴淋頭，其具有串聯(lián)連接到熱交換器的流體通路。
文檔編號C23C16/44GK201343570SQ200820135478
公開日2009年11月11日 申請日期2008年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月16日
發(fā)明者丹·M·多布爾, 亨納·邁因霍爾德, 伊斯瓦爾·斯里尼瓦桑, 文斯·威爾遜, 斯蒂芬·劉 申請人:諾發(fā)系統(tǒng)有限公司