一种气体分布扩散板、等离子体处理器的制作方法

本发明涉及半导体加工设备领域，尤其涉及一种气体分布扩散板以及包括该气体分布扩散板的等离子体处理器。

背景技术：

采用远程等离子体对晶圆进行处理的工艺中，在反应腔外部产生反应气体等离子体，这些反应气体等离子体粒子(主要包含的大量气体分子及其高活性原子自由基)从反应腔顶部的等离子源喷出后经过气体分布扩散板，气体分布扩散板会对进入的气体等离子体粒子进行分配和扩散，经过扩散后的反应气体等离子体粒子从气体分布扩散板流出后，到达晶圆表面对晶圆进行处理。

进入反应腔内的反应气体自由基(radical)在经过气体分布扩散板表面过程中会在扩散面板表面发生吸附以及复合反应，减少到达晶圆表面参与处理的气体分子数量特别是气体原子自由基的数量。高化学活性的气体原子自由基是参与晶圆处理的主要粒子，因而发生在气体分布扩散板表面的吸附以及复合反应会极大地影响晶圆处理工艺的效率和能力。特别是在用于光刻胶剥除工艺的等离子处理器中，通入大量氧气形成的等离子和自由基的混合气体在穿过气体分布扩散板时会有部分自由基会发生复合，影响下方晶圆的处理速度的均一性。由于在前一个刻蚀步骤中剩余的光刻胶厚度在晶圆上分布本身就不均一，又由于自由基的分布也不同，所以为了保证光刻胶被完全剥除，需要设置很长的时间余量，比如晶圆上部分区域的光刻胶10秒钟就能完成剥除，但是其他区域需要15秒以上才能完成。为了确保各种情况下所有晶圆上的光刻胶都内被完全剥除，需要设置如20秒等更长的时间。

反应气体等离子体中的自由基(radical)粒子与气体分布扩散板表面的吸附率和复合几率会随气体分布扩散板表面温度的变化而变化。然而，在整个工艺过程中，气体分布扩散板表面的温度并不稳定，这就导致反应气体等离子体中的自由基与气体分布扩散板表面的吸附率和复合几率在整个工艺过程中不断变化，从而导致参与晶圆表面处理的反应气体等离子体中的自由基浓度在整 个工艺过程中持续波动，进而导致晶圆处理工艺的不稳定性。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的第一方面提供了一种可控温的气体分布扩散板，以提高半导体加工工艺的稳定性。

基于本发明的第一方面，本发明的第二方面提供了一种等离子体处理器。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

一种气体分布扩散板，包括：温度控制装置，所述温度控制装置用于控制所述气体分布扩散板的温度保持稳定，所述温度控制装置将所述气体分布扩散板的温度控制在预设温度，所述预设温度低于阈值温度，所述阈值温度为复合产物的解离速率处于极小值时的温度，所述复合产物为反应气体粒子与气体分布扩散板之间由于吸附及复合作用产生的反应产物。

可选地，所述预设温度比所述阈值温度低50K。

可选地，当气体分布扩散板为铝金属板，反应气体为氧气时，所述阈值温度在600±50K之间。

可选地，所述温度控制装置包括设置在气体分布扩散板上的温度测量装置、加热装置和冷却装置；当所述温度测量装置测量的气体分布扩散板的温度不等于预设温度时，开启所述加热装置和/或冷却装置将所述气体分布扩散板的温度控制在预设温度。

可选地，所述加热装置设置在所述气体分布扩散板的靠近边缘的区域。

可选地，所述冷却装置为设置在所述气体分布扩散板内部的能够灌入冷却剂的冷却管道，所述冷却管道上设置有冷却剂的入口和出口。

可选地，所述冷却管道均匀分布在气体分布扩散板内。

可选地，所述加热装置均匀分布在整个气体分布扩散板内。

一种等离子体处理器，所述等离子处理器内包括一个反应腔，反应腔内下部包括一个固定待处理晶圆的安装平台；

等离子处理器还包括一个固定在反应腔顶部的等离子源，所述等离子源将反应气体电离形成等离子体，并通过位于反应腔顶部的开口向下流入反应腔；

所述等离子体处理器还包括上述任一项所述的气体分布扩散板，所述扩散 板位于所述反应腔顶部的开口和安装平台之间。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明提供了一种气体分布扩散板，其包括温度控制装置，所述温度控制装置用于控制所述气体分布扩散板的温度保持稳定。并且该控制控制在预设温度。稳定的表面温度使得进入反应腔内的反应气体吸附在气体分布扩散板表面的几率以及该反应气体原子活性基与气体分布扩散板表面的复合速率保持稳定，所以，通过本发明提供的气体分布扩散板，在整个工艺过程中，能够保证参与晶圆处理的反应气体中的气体分子和原子自由基浓度基本稳定。反应气体与晶圆反应的速率在整个工艺过程中基本稳定，从而保证了晶圆处理工艺的稳定性，提高了晶圆处理的质量和性能。稳定的表面的温度可以降低工艺处理中反应副产物在扩散板表面的沉积形成固体颗粒掉落处理晶圆表面的风险，提高产品良率。

附图说明

为了清楚地理解本发明的技术方案，下面将描述本发明的具体实施方式时用到的附图做一简要说明。显而易见地，这些附图仅是本发明的部分实施例，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以获得其它附图。

图1是本发明实施例提供的气体分布扩散板的具体结构的平面示意图；

图2是图1中沿A-A’的剖面结构示意图；

图3是本发明实施例提供的等离子体处理腔的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术效果更加清楚、完整，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述。

发明人研究发现，现有技术中，应用在反应腔室内的气体分布扩散板通常是由整块金属板加工成型，其内部没有测温及控温装置。在反应腔室内，影响气体分布扩散板表面温度的因素主要包括：反应腔室底部用于给晶圆加热的晶圆载盘的热量以及反应腔室顶部等离子源辐射出的热量。然而，在整个工艺过程中，从机械臂将晶圆送入反应腔室开始至工艺结束晶圆传出，气体分布扩 散板表面的温度都在随反应腔室门的开关、流经的工艺气体(例如，氧气、氮气)的传热过程以及等离子源的热辐射作用而时刻发生变化。而气体分布扩散板表面温度的变化会导致反应气体自由基在气体分布扩散板表面的吸附率以及复合率的变化，从而使得参与晶圆处理的反应气体中的粒子(主要包含气体分子以及高化学活性气体原子自由基)浓度也在时刻发生变化，从而影响晶圆处理工艺的稳定性。特别地，当工艺时间较长，气体扩散板温度不断升高超过阈值温度时，由于气体原子活性自由基在扩散板表面的损失率会大幅增加，使得参加晶圆处理的气体原子活性自由基浓度大幅下降，降低处理工艺效率。

阈值温度的涵义如下：

气体原子自由基的复合反应一般情况下都是可逆反应，以氧原子为例反应可写为如下过程：

其中，M即为参与反应的接触面表面原子，因而扩散板的表面温度会对反应产生影响。

根据化学平衡原理，反应产物的解离速率会影响反应方向，反应产物的解离是由其振动激发态决定的，而振动激发态的分布是分离的能量状态，既不是连续的能量态分布，表现为在若干个不同温度下会存在解离速率的极大值或极小值，在某一温度时当反应产物的解离速率有一极小值时，化学反应会正向进行，即向生成产物的方向进行，即对应气体原子的复合效率增大，因而，当气体分布扩散板的表面温度处于这一温度时，反应气体粒子的表面复合速率会大幅增加，这一温度称为阈值温度。因此，在本发明实施例中，阈值温度是指复合反应的复合产物的解离速率处于极小值时的温度。

以应用较多的金属铝气体分布扩散板为例来说，氧原子自由基在铝和金属铝表面的复合几率远高于石英表面上的几率。更严重的问题在于氧原子自由基在金属铝表面的损失率会随表面温度的变化而变化，在缺少对金属铝气体分布扩散板温度控制时，参与晶圆处理的氧原子自由基浓度将随气体分布扩散板温度的变化而发生波动，尤其当气体分布扩散板的表面温度超过阈值温度时，氧原子自由基在铝的表面损失率会随着温度的升高而大幅增加，引起工艺效率明显下降，影响工艺的稳定性。

为了保证晶圆处理工艺的稳定性，本发明提供了一种气体分布扩散板。在该气体分布扩散板上设置有用于传输反应气体的气体通道，此外，为了控制气体分布扩散板的温度，在气体分布扩散板上还设置有温度控制装置，所述温度控制装置用于控制所述气体分布扩散板表面的温度恒定。

当气体分布扩散板表面的温度稳定后，反应气体中的自由基在所述气体分布扩散板上的吸附率及复合率也能够保持稳定。如此，在进入反应腔室内的反应气体浓度一定时，参与晶圆处理的反应气体的浓度在整个工艺过程中不会产生较大的波动，如此，反应腔室内的晶圆处理工艺能够保持稳定，有利于提高晶圆处理的质量和性能。

在本发明实施例中，为了保证晶圆处理工艺的稳定性，将气体分布扩散板表面温度恒定在预设温度。当气体分布扩散板表面温度高于预设温度时，通过设置在气体分布扩散板上的温度控制装置将表面温度降至预设温度内，当气体分布扩散板表面温度低于预设温度时，通过温度控制装置将表面温度升至预设温度。因此，通过设置在气体分布扩散板上的温度控制装置可以将气体分布扩散板表面的温度稳定在预设温度。另外，由于温度控制装置为气体分布扩散板上的一个部件，所以，本发明提供的气体分布扩散板为一个可以自动控制温度的气体分布扩散板，其能够将其表面温度自动控制在某一预设温度，以保持反应腔室内的晶圆处理工艺的稳定性。

将反应气体中的粒子(主要是气体原子自由基)在扩散板表面的吸附和复合作用引起的表面损失率γ的定义如下：

其中，F_in为进入气体分布扩散板表面的气体原子总数；

F_out为离开气体分布扩散板表面的气体原子总数。

试验表明，气体原子自由基在气体分布扩散板表面的损失率受气体分布扩散板表面温度的影响，并且γ随温度变化的幅度与温度之间并不是线性关系，

当所述气体分布扩散板的表面温度低于阈值温度时，反应气体粒子在所述气体分布扩散板上的表面损失率γ随着温度的变化保持平稳，当所述气体分布扩散板的表面温度超过阈值温度时，反应气体粒子在所述气体分布扩散板上的 表面损失率γ随着温度的升高而大幅增加。为了提高反应气体的利用率和晶圆处理速率，将气体分布扩散板的表面温度控制在该阈值温度以下的某一温度，以减少反应气体在气体分布扩散板表面上的吸附几率和复合几率，进而增加参与晶圆处理的反应气体中粒子的浓度。利用扩散板的加热装置使得其表面保持较高温度，可以使得气体分子在表面有较低的吸附率的同时降低晶圆处理中的反应副产物沉积在气体挡板表面形成固体小颗粒掉落在处理的晶圆表面的风险，提高产品良率。

需要说明的是，所述阈值温度与气体分布扩散板的材质、反应气体的类型有关。当气体分布扩散板为铝金属板，反应气体为氧气时，该阈值温度在600±50K之间。在这种具体情况下，将气体分布扩散板的表面温度控制在低于600±50K的预设温度上。

另外，较高的气体分布扩散板表面温度，能够减少反应副产物在气体分布扩散板表面的沉积，降低副产物沉积物颗粒掉落在晶圆表面影响生产良率的风险。同时，较高的表面温度能够降低反应气体中的粒子的吸附作用，所以，低于阈值温度的预设温度优选为低于阈值温度的较高的温度。一般情况下，预设温度比阈值温度低50K。

下面结合附图对本发明实施例提供的气体分布扩散板的具体结构进行说明。

图1是本发明实施例提供的气体分布扩散板的具体结构的平面示意图。图2是图1中沿A-A’的剖面结构示意图。

如图1和图2所示，该气体分布扩散板100上设置有多个用于反应气体传输的气体通道(图中未示出)和与气体通道连通的气孔101，该气体分布扩散板100上还包括设置在气体分布扩散板上的温度测量装置(图中未示出)、加热装置102以及冷却装置103。

其中，温度测量装置、加热装置102以及冷却装置103之间组成了气体分布扩散板的温度控制装置。

温度测量装置用于测量气体分布扩散板表面的温度，其一般为热电耦。在气体分布扩散板的整个表面上可以设置多个温度测量装置，以对气体分布扩散板表面上的多个点进行温度测量，从而使得测量的温度更加准确。

加热装置102一般为设置在气体分布扩散板上的电阻线圈，其可以设置在气体分布扩散板的靠近边缘区域，该位置关系如图2所示。作为另一种实施方式，加热装置102也可以均匀分布在整个气体分布扩散板内，即加热装置102分布在气体分布扩散板的内部。当加热装置102分布在气体分布扩散板的内部时，有利于提高气体分布扩散板的温度均匀性。

当温度测量装置测量的气体分布扩散板表面的温度低于预设温度时，控制加热装置102加热，使气体分布扩散板的温度升高到预设温度。为了使得反应气体粒子在气体分布扩散板表面有较低的吸附率的同时，降低晶圆处理中的反应副产物沉积在气体挡板表面形成固体小颗粒掉落在处理的晶圆表面的风险，可以利用加热装置102将其气体分布扩散板表面的温度保持在较高温度。也就是说，所述预设温度为一个较高温度。

并且，当气体分布扩散板的表面温度超过阈值温度时，反应气体粒子在气体分布扩散板上的表面吸附率大幅增加，为了避免这一现象的发生，可选地，将预设温度控制在阈值温度以下。一般情况下，预设温度比阈值温度低50K。

冷却装置103一般为嵌入到气体分布扩散板边缘内部的能够灌入冷却剂的管道，该管道的两端均设置有开口，其分别作为冷却剂的入口和出口。该管道与气体分布扩散板外部的循环冷却剂。需要说明的是，本发明实施例所述的循环冷却剂可以液态的冷却液体，也可以为气态的冷却气体。

当测量的气体分布扩散板表面的温度高于预设温度时，启动冷却装置103对气体分布扩散板进行降温处理。具体地，向冷却管道内通入冷却剂，并且根据降温的温差以及降温速率，可以选择通入的冷却剂流速。当温差较大时，可以选择较大的流速，以在较短时间内，将气体分布扩散板的温度降下来。

以上为本发明实施例提供的气体分布扩散板的具体结构示例。

需要说明的是，本发明提供的气体分布扩散板能够应用于反应等离子体产生于反应腔室内的半导体加工工艺中，也可以应用于反应等离子体产生在反应腔室外的半导体加工工艺中，即远程等离子体的等离子体加工工艺。而且，由 于本发明提供的气体分布扩散板的温度可以控制在某一恒定温度上，因而能够控制反应气体自由基在气体分布扩散板上的吸附几率和复合几率，所以，通过该气体分布扩散板能够保证参与晶圆处理的反应粒子浓度，进而保证等离子体处理工艺的稳定性，因而，本发明提供的气体分布扩散板特别适用于远程等离子处理工艺。该远程等离子体处理工艺可以包括远程等离子体去除光阻的等离子处理工艺。

基于上述实施例提供的气体分布扩散板，本发明实施例还提供了一种等离子体处理器。具体参见图3。

图3是本发明实施例提供的等离子体处理器的结构示意图，如图3所示，等离子体处理器300包括一个位于下部的反应腔C，位于反应腔C底部的安装平台301，所述安装平台301用于承载待处理晶圆W。安装平台301能够加热，以使在等离子体处理过程中，放置在其上的待处理晶圆保持恒定温度。

在处理器300的底表面上设置有真空排气口302，当真空排气口302与真空泵(图中未示出)连接时，能够使得等离子体处理腔C内保持真空状态。

在处理器300的顶部设置有气体分布扩散板303，该气体分布扩散板303为上述实施例所述的气体分布扩散板。在气体分布扩散板303的上方设置有等离子体源304。来自反应气体源的反应气体进入等离子源304后，设置在等离子体源304内的等离子发生装置将反应气体电离形成等离子体，这些反应气体形成的等离子体向下流动，经过气体分布扩散板303达到处理腔300的内部，然后对放置在静电吸盘301上的待处理晶圆W进行处理。其中气体扩散板303除了能够实现气体的均匀扩散还能够使得等离子体中的带电粒子熄灭形成高能的中性气体，典型的如自由基(radical)能够穿过气体扩散板向下到达晶圆，对晶圆进行处理。其中气体扩散板303也可以安装在更下方的位置，比如扩散板外周固定到处理腔侧壁上，不同的高度选择可以获得不同的气体分布比例。

由于气体分布扩散板303的温度可以控制在某一恒定温度上，因而能够控制反应自由基等活性粒子流经或者接触气体分布扩散板303时,这些活性粒子的吸附几率和复合几率维持在一个稳定的比例，所以，通过该气体分布扩散板303能够保证参与晶圆处理W的反应活性粒子的浓度，进而保证等离子体处理工艺的稳定性。

本发明在光刻胶剥除工艺中应用时，可以在开始剥除工艺时预热气体扩散板使得反应气体在穿过气体扩散板时，主要反应物氧自由基能够最大限度保存，而且分布均匀，这样整体的反应时间就能得到相当程度的缩短，处理效率也得到提高。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。