包括等温处理区的等离子体处理设备的制作方法

包括等温处理区的等离子体处理设备的制作方法
【专利摘要】本发明涉及包括等温处理区的等离子体处理设备，即涉及一种具有等温处理区的用于处理半导体衬底的沉积设备，其包括化学离析室，半导体衬底在化学离析室中处理。处理气体源流体连通喷头模块，喷头模块从处理气体源输送处理气体到等温处理区，其中喷头模块包括：面板，其中面板的下表面形成限定等温处理区的腔体的上壁；背板；和隔离环，隔离环包围面板和背板。至少一个压缩密封件被压缩在面板与背板之间，在面板与背板之间形成中心气体充气室。衬底基座模块被配置为加热并支撑半导体衬底，其中基座模块的上表面在化学离析室内形成限定等温处理区的腔体的下壁。真空源流体连通等温处理区，以便从等温处理区抽空处理气体。
【专利说明】包括等温处理区的等离子体处理设备

【技术领域】 本发明属于用于进行化学沉积的设备，并且可以在进行等离子体增强化学沉积薄膜的 过程中找到特定用途。

【背景技术】
[0001] 等离子体处理设备用于通过以下技术处理半导体衬底：蚀刻、物理气相沉积 (PVD)、化学气相沉积（CVD)、等离子体增强化学气相沉积（PECVD)、原子层沉积（ALD)、等离 子体增强原子层沉积（PEALD)、脉冲沉积层（PDL)、等离子体增强脉冲沉积层（PEPDL)处理 和抗蚀剂剥离。在等离子体处理中使用的一种等离子体处理设备包括含顶电极和底电极的 反应室。在电极之间施加射频（RF)功率以激发处理气体为等离子体，用于处理反应室中的 半导体衬底。在这种室中，半导体衬底上不均匀的加热会导致不均匀的衬底处理。


【发明内容】

[0002] 本文公开了一种用于处理半导体衬底的沉积设备，其中所述沉积设备具有等温处 理区。所述沉积设备包括化学离析室，半导体衬底在所述化学离析室中处理。处理气体源 与所述化学离析室流体连通，以供应处理气体到所述化学离析室中，其中喷头模块从所述 处理气体源输送处理气体到所述等温处理区。所述喷头模块包括：面板，其中所述面板的下 表面形成限定所述等温处理区的腔体的上壁；背板；隔离环，所述隔离环包围所述面板和 所述背板，其中所述隔离环支撑所述背板；支撑元件，所述支撑元件将所述面板连接到所述 背板；和至少一个压缩密封件，所述至少一个压缩密封件在所述面板与所述背板之间形成 中心充气室的外周。所述支撑元件与所述面板之间的接触面积小于所述面板的总表面积的 1 %。衬底基座模块被配置为加热并支撑半导体衬底，其中所述基座模块的上表面在所述化 学离析室内形成限定所述等温处理区的所述腔体的下壁，并且抽空设备流体连通所述等温 处理区，用于从所述处理区抽空处理气体。
[0003] 本文还公开了一种等离子体处理设备的喷头模块。所述喷头模块从处理气体源输 送处理气体到等温处理区。所述喷头模块包括：面板，其中所述面板的下表面形成限定所 述等温处理区的腔体的上壁；背板；隔离环，所述隔离环包围所述面板和所述背板，其中所 述隔离环支撑所述背板；支撑元件，所述支撑元件将所述面板连接到所述背板；和至少一 个压缩密封件，所述至少一个压缩密封件在所述面板与所述背板之间形成中心充气室的外 周。所述支撑元件与所述面板之间的接触面积小于所述面板的总表面积的1%。

【专利附图】

【附图说明】
[0004] 图1示出了根据本文公开的实施方式的化学沉积设备的概观的示意图。
[0005] 图2图示了一个方框图，其描绘了被设置用于实施本文公开的实施方式的多种设 备组件，其中等离子体可以用于在产生薄膜期间增强沉积和/或反应物质之间的表面反 应。
[0006] 图3图示了根据本文公开的实施方式设置的基座模块和喷头模块的横截面。
[0007] 图4A至图4E均图示了根据本文公开的实施方式设置的喷头模块的横截面。
[0008] 图5A、图5B均图示了根据本文公开的实施方式设置的喷头模块的横截面。
[0009] 图6图示了根据本文公开的实施方式设置的喷头模块的横截面。

【具体实施方式】
[0010] 在以下详细说明中，阐述了多个【具体实施方式】以便提供对本文公开的设备和方法 的透彻理解。然而，本领域技术人员会认识到，在没有这些具体细节或通过使用替代的要素 或方法的情况下可以实施本实施方式。在其他情况下，不再描述公知的方法、过程和/或 部件以便不会不必要地模糊本文所述的实施方式的发面。本文中使用的术语"约"指的是 ± 10%。
[0011] 如上所述，本文的实施方式提供了用于操作例如等离子体增强化学气相沉积之类 的化学沉积的设备及相关方法。所述设备和方法特别适用于结合在多步骤沉积工艺中要求 分离自限制沉积工艺的基于半导体制造的电介质沉积方法（例如，原子层沉积（ALD)、等离 子体增强原子层沉积（PEALD)、等离子体增强化学气相沉积（PECVD)、脉冲沉积层（PDL)或 等离子体增强脉冲沉积层（PEPDL)的处理）使用，但是它们不限于此。
[0012] 上述方法会存在与接收沉积材料的晶片或衬底上不均匀的温度有关的一些缺陷。 例如，当与周围的室部件热接触的被动加热喷头损失热量到周围的部件时，会在衬底上形 成不均匀的温度。因此，形成处理区的上壁的喷头优选地与周围的部件热绝缘，使得可以形 成等温的处理区，从而在衬底上形成均匀的温度，并且在喷头的表面（即，处理区的上壁） 上形成均匀的温度。衬底上均匀的温度有助于对半导体衬底进行均匀处理，其中衬底温度 提供用于沉积工艺的激活能量，并且因此是用于驱动沉积反应的控制手段。喷头上的均匀 温度同样有助于在半导体衬底上方均匀的气相反应。均匀的温度同样有助于选择具有较低 的热导率但具有较高耐腐蚀性的材料。
[0013] 另外,一般存在两种主要类型的沉积喷头：吊灯式喷头和吸顶式喷头。吊灯式喷头 的一端具有连接到室顶部的杆，另一端具有面板，颇似吊灯。杆的一部分可以伸出室顶部从 而使气体管道和射频功率能连接上。因此，在处理期间必须抽空的更大的室体积（例如吊 灯式设计需要更大的室体积）会成为生产量的阻碍。然而，顶吸式喷头集成在室顶部中并 且没有杆，因此，可以减小必须抽空的室体积。本文公开的实施方式属于顶吸式喷头，其中 顶吸式喷头减小了在处理期间必须通过真空源抽空的室体积。顶吸式喷头会通过导热从喷 头的表面和主体丧失热量到室的剩余部分。这不仅降低了喷头面板的温度，而且在暴露于 处理区的喷头的表面上引入了径向温度不均匀性。本文公开的实施方式减小了通过导热从 喷头传到室的热量损失，并且增强了在暴露于处理区的喷头的表面上径向温度的均匀性， 从而形成等温处理区。
[0014] 图1是示出了根据本文公开的实施方式的化学沉积设备201的概观的示意图。衬 底13坐靠在活动基座模块223上，该活动基座模块223可以相对于喷头模块211升高或下 降，也可以垂直移动。反应材料气体经由气体管道203引入室的处理区318。要注意，该设 备可以根据使用的反应气体的数量进行修改以具有一个或多个气体管道。室通过连接到真 空源209的真空管道235被抽空。真空源可以是真空泵。
[0015] 本文公开的实施方式优选地在等离子体增强化学沉积设备（即，PECVD设备、 PEALD设备或PEPDL设备）中实施。图2提供了一个简单的方框图，其描绘了用于实施本文 公开的实施方式的多个设备部件，其中等离子体用于增强沉积。如图所示，处理区318用于 容纳由电容性耦合等离子体系统产生的等离子体，该系统包括与基座模块223结合工作的 喷头模块211，其中基座模块223被加热。例如连接到匹配网络206的至少一个高频（HF) 射频发生器204以及任选的低频（LF)射频发生器202之类的一个或多个射频源连接到喷 头模块211。在替代实施方式中，高频发生器204可以连接到基座模块223。匹配网络206 供应的功率和频率足以从处理气体/蒸气产生等离子体。在一个实施方式中，使用高频发 生器和低频发生器两者，在替代实施方式中，仅使用高频发生器。在典型工艺中，高频发生 器一般工作在约2MHz至100MHz ;在优选实施方式中，工作在13. 56MHz或27MHz。低频发生 器一般工作在50kHz至2MHz，在优选实施方式中，工作在约350kHz至600kHz。工艺参数可 以根据室体积、衬底大小和其他因素进行缩放。类似地，处理气体的流速可以取决于真空室 或处理区的自由体积。
[0016] 在室中，基座模块223支撑在上面可以沉积例如薄膜之类的材料的衬底13。基座 模块223可以包括拨叉或升降销以在沉积和/或等离子体处理反应期间或间隙保持并转移 衬底。在实施方式中，衬底13可以被配置为停靠在基座模块223的表面上，然而，在替代实 施方式中，基座模块223可以包括用于将衬底13保持在基座模块223的表面上的静电卡 盘、机械卡盘或真空卡盘。基座模块223可以连接用于加热衬底13到所需温度的加热装置 220。一般来讲，衬底13根据将要沉积的材料维持在约25°C至500°C或更大的温度。
[0017] 在某些实施方式中，采用系统控制器228来控制沉积期间的工艺条件、后沉积处 理和/或其他工艺操作。控制器228通常包括一个或多个存储设备和一个或多个处理器。 处理器可以包括CPU或计算机、模拟和/或数字输入/输出连接、步进电机控制板等。
[0018] 在某些实施方式中，控制器228控制设备的所有活动。系统控制器228执行包括 成组指令的系统控制软件，成组指令用于控制处理操作的计时、低频发生器202和高频发 生器204操作的频率和功率、前体和惰性气体及其相关混合物的流速和温度、加热装置220 和喷头模块211的温度、室的压力和特定工艺的其他参数。在一些实施方式中可以实施存 储在与控制器相关联的存储设备上的其他计算机程序。
[0019] 通常存在与控制器228相关联的用户界面。用户界面可以包括显示屏、设备和/ 或处理条件的图像软件显示器以及用户输入设备，用户输入设备如，指向设备、键盘、触屏、 麦克风等。
[0020] 非临时性计算机的机器可读介质可以包括用于控制设备的程序指令。用于控制处 理操作的计算机程序代码可以编写成任何常规的计算机可读的编程语言，例如，汇编语言、 C、C++、Pascal、Fortran等。由处理器执行编译后的目标代码或脚本以执行程序中指定的 任务。
[0021] 控制器参数涉及例如处理步骤的计时、前体和惰性气体的流速和温度、晶片的温 度、室的压力和特定工艺的其他参数等处理条件。这些参数通过配方的形式提供给使用者， 并且可以利用用户界面来输入。
[0022] 用于监测过程的信号可以通过系统控制器的模拟和/或数字输入通信线 (connection)来提供。用于控制过程的信号可以输出到设备的模拟和数字输出通信线。
[0023] 系统软件可以被设计或配置成许多不同的方式。例如，可以编写多种室部件的子 程序或控制对象以控制进行沉积工艺所需的室部件的操作。实现该目的的程序或程序段 的实例包括处理步骤的衬底计时代码、前体和惰性气体的流速和温度代码以及室的压力代 码。
[0024] 图3更详细地图示了化学离析室319的横截面，该化学离析室319包括图1和图 2的基座模块223和喷头模块211，其中基座模块223和喷头模块211形成在里面处理半导 体衬底的腔体318。腔体318形成在喷头模块211与基座模块223之间，其中喷头模块211 的面板301的下表面形成腔体318的上壁和侧壁，并且基座模块223的上表面形成腔体318 的下壁。在共同转让的美国专利7, 737, 035中可以找到包括双室密封件的沉积设备的示例 性实施方式，该专利的全部内容通过引用的方式并入本文中。
[0025] 基座模块223包括底部射频电极317,衬底13坐靠在基座模块223上。优选地，底 部射频电极317接地。在处理期间，衬底13的顶部与喷头模块211的底面之间的距离优选 地约5mm至16mm。基座模块223包括加热器（参见图2)，并且喷头模块211的面板301在 处理期间被基座模块223释放的热量加热，并且在处理期间受到腔体318中的等离子体的 撞击。在一些实施方式中，室内部的温度可以通过喷头模块211和基座模块223中的加热 机构来维持。优选地，衬底13位于等温环境下。通过维持腔体318的每个暴露表面在所需 的温度来形成等温处理区。等温处理区允许衬底13均匀受热并且维持在所需的温度，使得 不会在衬底13上形成不期望的温度梯度。为了形成等温处理区，使从面板301到背板302 的热量损失以及从面板301到隔离环303的热量损失最小化。在一个实施方式中，喷头模 块211可以被加热到高于约250°C，并且/或者基座模块223可以被加热到高于约250°C至 500°C或高于约500°C。在一些实施方式中，腔体318的每个暴露表面是由陶瓷材料形成的。
[0026] 喷头模块211包括面板301、背板302和隔尚环303,其中隔尚环包围面板301和背 板302并且支撑背板302。隔离环303优选地是由例如三氧化二铝（A1 203)或氮化铝（A1N) 之类的陶瓷材料形成的并且能被支撑在化学离析室319的接地的室壁322上。
[0027] 背板302是由金属材料形成的。例如，背板302可以是由例如A16061之类的铝合 金或不锈钢形成的，其中背板302可以包括陶瓷外涂层，例如，氧化铝外涂层、氧化钇外涂 层或聚合物涂层，具体取决于预期用途。在优选实施方式中，背板302是射频热点，S卩，由射 频源提供能量。在一个实施方式中，背板302可以是冷却的背板。面板301优选地是由陶 瓷或金属材料形成的，并且在优选实施方式中，背板可以是由三氧化二铝（A1 203)或氮化铝 (A1N)形成的。面板301可以导电的，或者是由嵌有射频电极310的陶瓷材料制成的，其中 嵌入的射频电极310优选地是网状电极。气体充气室308形成在面板301与背板302之间。 优选地，面板301与背板302之间的气体充气室308的高度在提供最小的充气室308体积 的同时使气流能很好地从充气室308流到腔体318。优选地，充气室308的高度约为2mm至 6mm。至少一个射频接触件312电性连接背板302和嵌入面板301中的射频电极310。在一 个实施方式中，射频接触件312可以是环形射频接触件，该环形射频接触件是由具有至少 一个弯曲的金属带制成的，其中射频接触件312形成面板301与背板302之间的气体充气 室308的外周。优选地，射频接触件312形成面板301与背板302之间的热壅塞（thermal choke)〇
[0028] 图4A图示了形成等温处理区的喷头模块211和衬底支架223的示例性实施方式， 其中支撑元件将喷头模块的面板连接到喷头模块的背板。优选地，暴露于等温处理区的每 个表面是维持在所需温度的陶瓷表面。喷头模块211包括面板301、背板302和隔离环303， 其中面板的下表面形成限定等温处理区的腔体318上壁以及任选地腔体318的侧壁，并且 其中隔离环303包围面板301和背板302。背板302可以包括一个或多个气体入口 305和 一个或多个气体出口 315 (参见图4E)，并且面板301优选地包括多个通孔304,这些通孔用 于输送处理气体到等温处理区，输送惰性气体到等温处理区，或者从等温处理区清除处理 气体和/或惰性气体。
[0029] 例如，完全延伸到晶片上方的面板的中心区可以包括同心的气体入口和气体出 口以输送处理气体并且从等温处理区提取反应后的气体。在美国专利No. 5, 102, 523或 No. 5, 614, 026中公开了同心入口和出口的合适构造，这两个专利通过引用的方式并入本文 中。
[0030] 至少一个压缩密封件可以位于背板与面板之间，其中每个压缩密封件可以形成至 少一个气体充气室的边界。例如，两个压缩密封件可以用于形成气体充气室，其中第一压缩 密封件是被压缩在面板301与背板302之间的第一环形杆密封件306a，并且其中第一环形 杆密封件306a形成内部气体充气室308a。内部气体充气室308a可以流体连通背板302的 一个或多个气体入口 305以及面板301的一个或多个通孔304,使得可以输送处理气体穿过 这些通孔进入限定等温处理区的腔体318。第二压缩密封件可以是包围第一环形杆密封件 306a并且被压缩在面板301与背板302之间的第二环形杆密封件306b，其中第二环形杆密 封件306b形成包围内部气体充气室308a的中间充气室308b。中间充气室308b可以流体 连通背板302的一个或多个气体出口 315以及面板301的一个或多个通孔304,使得真空源 可以从腔体318中的等温处理区清除处理气体。在一个实施方式中，外部气体充气室308c 包围中间充气室308b。优选地，外部气体充气室308c可以输送惰性气体到面板301与等温 环303之间流体连通腔体318中的等温处理区的间隙，并且其中隔离环303形成外部气体 充气室308c的外周。优选地，每个环形杆密封件306a、306b提供反作用于面板301和背板 302的弹力，其中每个杆密封件306a、306b具有至少一个弯曲，该弯曲在与面板301接触的 下自由端以及与背板302接触的上自由端之间的长度为约0. 5英寸至1. 5英寸，厚度为约 0. 003英寸至0. 009英寸。优选地，每个杆密封件306a、306b具有S形、C形、E形、Z形或V 形横截面。
[0031] 在一个实施方式中，面板301利用支撑元件连接到背板302上，该支撑元件包括多 个凸轮锁组件309。在联接时，每个凸轮锁组件309被配置为压缩面板301与背板302之间 的每个环形杆密封件306a、306b。每个受:压的环形杆密封件306a、306b在面板301与背板 302之间形成热壅塞，使得在面板301与背板302之间形成气体充气室308a、308b、308c的 同时可以使从面板301到背板302的热损失最小化。
[0032] 优选地，每个凸轮锁组件309包括安装在插槽513中的螺柱（锁销）505。插槽 513可以安装在面板中的插槽孔513a中。在一个实施方式中，插槽513包括外螺纹，其中插 槽513安装在具有对应的内螺纹的插槽孔513a中。可替代地，插槽513可以结合到插槽孔 513a中。凸轮锁组件309能快速地、干净利索且精确地将面板301连接到背板302上。螺 柱505可以是由包括例如不锈钢（例如Nitronic-60)或钥在内的金属或金属合金形成的， 并且可以被碟形弹簧组515 (例如，不锈钢Belleville垫圈或由例如Haynes 242?之类的 合金形成的垫圈）包围。螺柱505和碟形弹簧组515布置在插槽513中使得由于两种零部 件之间的热膨胀的差异，在面板301与背板302之间可能发生有限量的侧向运动。
[0033] 每个凸轮锁组件309的其他部分可以包括安装在背板302的背板孔511中的凸轮 轴轴承组件507,该背板孔511被配置为接收螺柱505。在共同转让的美国专利8, 272, 346 中可以找到凸轮锁组件的示例性实施方式，该凸轮锁组件可以用于将喷头组件的面板连接 到喷头组件的背板，该专利的全部内容通过引用的方式并入本文中。
[0034] 每个凸轮锁组件309可以包括形成射频接触件312的导电插槽，其中射频接触件 312电性连接面板301的射频电极310和作为射频热点的背板302。每个射频接触件312可 以是由金属或任何合适的导电材料形成的，然而，在优选实施方式中，每个射频接触件312 是由钨形成的。可替代地，每个射频接触件312可以是由不锈钢或奥氏体镍铬基合金形成 的。另外，每个射频接触件312可以包括镍外涂层。每个凸轮锁组件309优选地在面板301 与背板302之间提供最小的接触面积，使得面板301可以与喷头模块211的剩余部分热绝 缘。热绝缘喷头模块211的面板301就减小了从面板的上表面到背板302的热损失以及在 面板的外周到包围面板301的隔离环303的热损失，从而在腔体318内形成等温处理区。使 面板301热绝缘允许在面板301的下表面上维持所需的温度，并且导致更加均匀的衬底处 理。支撑元件（凸轮锁）与面板之间的接触面积小于面板的总表面积的1%。优选地，总接 触面积小于面板的总表面积的〇. 5%，小于面板的总表面积的0. 3%，小于面板的总表面积 的0. 2%，小于面板的总表面积的0. 1 %，或小于面板的总表面积的0. 05%。如图4C所不， 射频接触件312可以形成凸轮锁组件309的插槽，其中射频接触件312的下部312a可以安 装在面板301中，以便使面板301与背板302之间的接触面积最小化并且使两者之间热传 递减少。射频接触件312的下部312a优选地钎焊到嵌入式射频电极310上。
[0035] 图4B图示了喷头模块211和衬底支架223的实施方式，该喷头模块和衬底支架被 配置为在具有改善的射频分布的腔体318中形成等温处理区。如图4B所示，基座模块223 的底部射频电极317可以变长，使得该电极可以延伸到腔体318的外周，或超出该外周。优 选作为接地电极的底部射频电极317延伸超出腔体318的外周减小了基座模块223与周围 的接地室壁322之间的电场强度，使得同样减小了导致两者之间产生电弧的电势。优选地， 底部射频电极317的直径大于约12. 5英寸，并且更优选地，底部射频电极317的直径大于 约15英寸，例如直径约为15. 6英寸。
[0036] 在一个实施方式中，如图4D所示，隔离环303包括将面板301连接到背板302的 支撑元件，并且压缩面板301与背板302之间的每个环形杆密封件306a、306b，其中隔离环 303包括位于面板301外部下的内部环形凸缘313,并且内部环形凸缘313上具有支撑面板 301的至少一个向上延伸的凸起314。至少一个向上延伸的凸起314与面板301接触，并且 提供使面板301抵靠背板302偏置的热壅塞（S卩，维持面板301相对于背板302平行）。优 选地，至少三个向上延伸的凸起314支撑面板301。至少一个向上延伸的凸起314使隔离环 303与面板301之间的接触面积最小化，使得面板301可以在其外周与隔离环303以及喷 头模块211的剩余部分热绝缘。使面板301与喷头模块211的剩余部分热绝缘可以在腔体 318内提供等温处理区，从而导致更加均匀的衬底处理。隔离环303的至少一个向上延伸的 凸起314与面板301之间的最大总接触面积小于约0. 05平方英寸，并且优选地小于约0. 02 平方英寸，并且更优选地小于约〇. 01平方英寸。在联接时，隔离环303被配置为压缩面板 301与背板302之间的第一环形杆密封件306a，以便形成内部气体充气室308a，并且压缩第 二环形杆密封件306b，以便形成中间气体充气室308b。在一个实施方式中，面板301的上 表面可以包括环形凹槽360,其中每个环形杆密封件306a、306b的下部被支撑在对应的环 形凹槽360中。在又一个的实施方式中，背板302的下表面也可以包括环形凹槽360,其中 每个环形杆密封件306a、306b的上部被支撑在对应的环形凹槽360中。射频接触件312电 性连接嵌入面板301的射频电极310和作为射频热点的背板302。射频接触件312可以是 由任何合适的导电材料形成的，合适的导电材料如，不锈钢、钨、奥氏体镍铬基合金，优选地 包括外部镀镍的，例如镀镍IncuneU(.等。在优选实施方式中，射频接触件312是由具有至 少一个弯曲的金属带制成的环形射频接触件，其中该射频接触件电性连接到嵌入陶瓷面板 中的射频电极，并且其中环形射频接触件包围第二环形杆密封件306b并且在背板302与面 板301之间形成外部气体充气室308c的外周。背板302中的气体入口 305可以被配置为 输送惰性气体到外部气体充气室308c，其中，惰性气体接着可以经由在面板301中的流体 连通外部气体充气室308c的通孔304被输送到腔体318的外周。射频接触件312中具有 至少一个可压缩的弯曲，其中该弯曲的直径被配置为使得导致在隔离环303的内表面303a 与射频接触件312的外表面之间产生电弧的电势最小化。
[0037] 在一个实施方式中，如图4E所示，支撑元件包括射频接触件312,该射频接触件将 面板301连接到背板302,并且将面板301电性连接到背板302。射频接触件312优选为由 具有至少一个弯曲的金属带制成的环形射频接触件，其中射频接触件312在面板301与背 板302之间提供压缩力以压缩杆密封件306a、306b。至少一个弯曲优选地具有一直径，该 直径被配置为使得导致隔离环303的内表面303a与射频接触件312的外表面之间产生电 弧的电势最小化。环形射频接触件312在背板302与面板301之间形成外部气体充气室 308c的外周。射频接触件312的下端优选地钎焊到嵌入面板301中的射频电极310的暴露 部分上，同时射频接触件312的上端优选地使用合适的机械紧固件320连接到背板302,该 紧固件可以是螺栓、螺钉等。在一个优选的实施方式中，约9至12个机械紧固件320可以 将射频接触件312的上端连接到背板302,然而，在替代实施方式中，可以利用更多的紧固 件320。射频接触件312优选地在与面板接触的下自由端以及与背板接触的上自由端之间 具有约〇. 5英寸至1. 5英寸的长度，约0. 003英寸至0. 009英寸的厚度。优选地，射频接触 件具有S形、C形、E形、Z形或V形横截面。在连接时，射频接触件312压缩面板301与背 板302之间的每个环形杆密封件306a、306b，其中射频接触件312包围第二环形杆密封件 306b并且形成充气室308c。射频接触件312电性连接面板301的射频电极310和作为射 频热点的背板302。射频接触件312可以是由任何合适的导电材料形成的，合适的导电材料 如，不锈钢、钨、奥氏体镍铬基合金，并且射频接触件312优选地包括外部镀镍层，例如镀镍 的 Inconel? 等。
[0038] 优选地，面板301在其外周的上表面301a上包括至少一个向上延伸的间隔物 307 (图5A)，其中至少一个向上延伸的间隔物307在面板301与背板302之间维持所需的 充气室高度，并且其中至少一个间隔物307被配置为维持面板301相对于背板302平行。 在优选实施方式中，至少三个向上延伸的间隔物307位于面板301与背板302之间。在替 代实施方式中，至少一个间隔物307能够以向下延伸的方式设置在背板302的下表面302a 上。例如，间隔物307可以是被压入背板302的下表面302a中的蓝宝石球。面板301的至 少一个向上延伸的间隔物307与背板302之间的总接触面积小于约0. 5平方英寸，优选地 小于约0. 05平方英寸，并且更优选地小于约0. 01平方英寸。
[0039] 图5B图示了喷头模块211的实施方式，其中至少一个间隔物307位于面板301与 背板302之间，其中所述间隔物307在两者之间维持所需的气体充气室高度，其中所述至少 一个间隔物307被配置为维持面板301相对于背板302平行。优选地，至少三个间隔物307 位于面板301与背板302之间。间隔物307可以整合到面板301中（参见图5A)，或者可替 代地间隔物307可以是位于气体充气室308外周的球，其中间隔物307可自由移动使得间 隔物可以允许面板301和背板302热膨胀和热收缩，进而可以在两者之间维持所需的充气 室高度。优选地，间隔物307是由陶瓷材料形成的。在替代的优选实施方式中，间隔物307 可以是由石英或蓝宝石形成的。
[0040] 图6图示了喷头模块211的实施方式，其中射频接触件312与面板301的金属表 面401形成摩擦接触，该金属表面401与嵌入面板301的射频电极310电接触，其中射频接 触件312电连接面板301的射频电极310和作为射频热点的背板302。面板301的下表面 形成腔体318的上壁，其中面板301的下表面包括绕着其外周的同类材料的环402,其中环 402的内表面形成腔体318的侧壁，该侧壁限定腔体318中的等温处理区。优选地，环402 使用合适的紧固件（例如，螺钉403)结合或机械连接到面板301的下表面上。
[0041] 虽然参照【具体实施方式】详细描述了包括等温处理区的等离子体处理设备，但是本 领域的技术人员会明白在不脱离所附权利要求书的范围的情况下可以进行多种变更和修 改并且采用等同方案。
【权利要求】
1. 一种具有等温处理区的用于处理半导体衬底的沉积设备，其包括： 化学离析室，半导体衬底在所述化学离析室中处理； 处理气体源，其与所述化学离析室流体连通，以供应处理气体到所述化学离析室中； 喷头模块，其将来自所述处理气体源的处理气体输送到所述等温处理区，其中所述喷 头模块包括：面板，其中所述面板的下表面形成限定所述等温处理区的腔体的上壁；背板； 隔离环，所述隔离环包围所述面板和所述背板，其中所述隔离环支撑所述背板；支撑元件， 所述支撑元件将所述面板连接到所述背板；和至少一个压缩密封件，所述至少一个压缩密 封件在所述面板与所述背板之间形成中心充气室的外周，其中所述支撑元件与所述面板之 间的接触面积小于所述面板的总表面积的1% ;以及 衬底基座模块，其被配置为加热并支撑半导体衬底，其中所述基座模块的上表面在所 述化学离析室内形成限定所述等温处理区的所述腔体的下壁。
2. 如权利要求1所述的沉积设备，其中所述沉积设备包括： (a) 射频能量源，其适于在所述等温处理区中将所述处理气体激发成等离子体状态； (b) 控制系统，其被配置为控制由所述沉积设备执行的过程； (c) 非临时性计算机的机器可读介质，其包括用于控制所述沉积设备的程序指令；和/ 或 (d) 真空源，其与所述等温处理区流体连通，以便从所述等温处理区抽空处理气体。
3. 如权利要求1所述的沉积设备，其中所述面板是陶瓷面板并且所述支撑元件包括： (a) 多个凸轮锁组件，其中每个凸轮锁组件包括射频接触件，所述射频接触件电性连接 到嵌入所述陶瓷面板中的射频电极； (b) 环形射频接触件，其由具有至少一个弯曲的金属带制成，其中所述射频接触件电性 连接到嵌入所述陶瓷面板中的射频电极，并且其中所述环形射频接触件在所述背板与所述 陶瓷面板之间形成外部气体充气室的外周；或者 (c) 至少一个向上延伸的凸起，其与所述陶瓷面板接触，其中所述至少一个向上延伸的 凸起位于所述隔离环的内部环形凸缘上，其中所述隔离环的内部环形凸缘位于所述陶瓷面 板的外部下方，并且其中所述沉积设备进一步包括环形射频接触件，所述环形射频接触件 由具有至少一个弯曲的金属带制成，其中所述射频接触件电性连接到嵌入所述陶瓷面板中 的射频电极，并且其中所述环形射频接触件在所述背板与所述陶瓷面板之间形成外部气体 充气室的外周。
4. 如权利要求3所述的沉积设备，其中所述环形射频接触件： (a) 包括鹤、不锈钢或奥氏体镍铬基合金； (b) 包括金属材料并且具有镍外涂层； (c) 钎焊到嵌入所述面板中的射频电极； (d) 在与所述面板接触的下自由端以及与背板接触的上自由端之间具有约0. 5英寸至 1. 5英寸的长度，以及约0. 003英寸至0. 009英寸的厚度； (e) 具有S形、C形、E形、Z形或V形横截面；并且/或者 (f) 与所述面板的金属表面形成摩擦接触，其中所述金属表面与嵌入所述面板中的射 频电极电接触。
5. 如权利要求1所述的沉积设备，其中所述压缩密封件： (a) 包括被压缩在所述面板与所述背板之间的环形杆密封件； (b) 包括鹤、不锈钢或奥氏体镍铬基合金； (c) 包括金属材料并且具有镍外涂层； (d) 提供反作用于所述背板和所述面板的弹力； (e) 包括由金属带材制成的可压缩环，所述可压缩环在其横截面上具有至少一个弯曲， 其中在与所述面板接触的下自由端以及与所述背板接触的上自由端之间的长度是约0. 5 英寸至1. 5英寸，厚度是约0. 003英寸至0. 009英寸；并且/或者 (f) 包括由金属带材制成的可压缩环，所述可压缩环具有S形、C形、E形、Z形或V形 横截面。
6. 如权利要求1所述的沉积设备，其中所述至少一个压缩密封件包括第一和第二压缩 密封件，其中： 所述第一压缩密封件是第一环形杆密封件，所述第一环形杆密封件被压缩在所述面板 与所述背板之间并且在所述面板与所述背板之间形成内部气体充气室；并且 所述第二压缩密封件是第二环形杆密封件，所述第二环形杆密封件被压缩在所述面板 与所述背板之间，其中所述第二杆密封件包围所述第一杆密封件并且形成包围所述内部气 体充气室的中间气体充气室，并且其中外部气体充气室包围所述中间气体充气室。
7. 如权利要求1所述的沉积设备，其中所述总接触面积小于 (a) 所述面板的总表面积的0. 5% ; (b) 所述面板的总表面积的0. 3% ; (c) 所述面板的总表面积的0. 2% ; (d) 所述面板的总表面积的0. 1% ;或 (e) 所述面板的总表面积的0. 05%。
8. 如权利要求3所述的沉积设备，其中所述面板与所述隔离环的所述至少一个向上延 伸的凸起之间的接触面积具有的最大总接触面积： (a) 小于约0· 05平方英寸； (b) 小于约0· 02平方英寸；或 (c) 小于约0· 01平方英寸。
9. 如权利要求1所述的沉积设备，其中所述面板与所述背板之间包括至少一个间隔 物，其中所述至少一个间隔物被配置为维持所述面板相对于所述背板平行。
10. 如权利要求1所述的沉积设备，其中： (a) 所述面板是由三氧化二铝或氮化铝形成的并且包括嵌入其中的射频电极，其中所 述嵌入的射频电极电性连接到射频接触件； (b) 所述面板是由金属材料形成的并且电性连接到射频接触件； (c) 所述衬底基座模块包括底部射频电极，其中所述底部射频电极的外周朝所述腔体 的外周以外延伸； (d) 所述面板与所述背板之间的所述充气室具有约2_至6_的高度； (e) 所述面板的下表面形成所述腔体的所述上壁和侧壁； (f) 所述面板的下表面在其外周包括同类材料的环，其中所述环的内表面形成所述腔 体的所述侧壁； (g) 所述腔体的每个暴露表面是由陶瓷材料形成的； (h) 所述至少一个压缩密封件包括位于所述面板的环形凹槽中的环形杆密封件； (i) 所述至少一个压缩密封件包括位于所述背板的环形凹槽中的环形杆密封件；和/ 或 (j) 所述隔离在所述面板与所述背板之间形成外部气体充气室的外周。
11. 一种在根据权利要求1所述的沉积设备中处理半导体衬底的方法，其包括： 将来自所述处理气体源的处理气体供应到所述等温处理区中；并且 在所述等温处理区中处理半导体衬底； 其中该处理是以下各项中的至少一种：化学气相沉积、等离子体增强的化学气相沉积、 原子层沉积、等离子体增强的原子层沉积、脉冲沉积层和/或等离子体增强的脉冲沉积层。
12. -种等离子体处理设备的喷头模块，所述喷头模块被配置为输送处理气体到所述 等离子体处理设备的等温处理区，所述喷头模块包括： 面板，其中所述面板的下表面形成限定所述等温处理区的腔体的上壁； 背板； 隔离环，其包围所述面板和所述背板，其中所述隔离环支撑所述背板； 支撑元件，其将所述面板连接到所述背板；以及 至少一个压缩密封件，其在所述面板与所述背板之间形成中心气体充气室的外周， 其中所述支撑元件与所述面板之间的接触面积小于所述面板的总表面积的1%。
13. 如权利要求12所述的喷头模块，其中所述面板是陶瓷面板并且所述支撑元件包 括： (a) 多个凸轮锁组件，其中每个凸轮锁组件包括射频接触件，所述射频接触件电性连接 到嵌入所述陶瓷面板中的射频电极； (b) 环形射频接触件，其由金属带制成，所述金属带在其横截面上具有至少一个弯曲， 其中所述射频接触件电性连接到嵌入所述陶瓷面板中的射频电极，并且其中所述环形射频 接触件在所述背板与所述陶瓷面板之间形成外部气体充气室的外周；或者 (c) 至少一个向上延伸的凸起，其与所述陶瓷面板接触，其中所述至少一个向上延伸的 凸起位于所述隔离环的内部环形凸缘上，其中所述隔离环的内部环形凸缘位于所述陶瓷面 板的外部下方，并且其中所述喷头模块进一步包括环形射频接触件，所述环形射频接触件 由金属带制成，所述金属带在其横截面上具有至少一个弯曲，其中所述射频接触件电性连 接到嵌入所述陶瓷面板中的射频电极，并且其中所述环形射频接触件在所述背板与所述陶 瓷面板之间形成外部气体充气室的外周。
14. 如权利要求13所述的喷头模块，其中所述环形射频接触件： (a) 包括鹤、不锈钢或奥氏体镍铬基合金； (b) 包括金属材料并且具有镍外涂层； (c) 钎焊到嵌入所述面板中的射频电极； (d) 在与所述面板接触的下自由端以及与背板接触的上自由端之间具有约0. 5英寸至 1. 5英寸的长度，以及约0. 003英寸至0. 009英寸的厚度； (e) 具有S形、C形、E形、Z形或V形横截面；并且/或者 (f) 与所述面板的金属表面形成摩擦接触，其中所述金属表面与嵌入所述面板中的射 频电极电接触。
15. 如权利要求12所述的喷头模块，其中所述面板与所述背板之间包括至少一个间隔 物，其中所述间隔物被配置为维持所述面板相对于所述背板平行。
16. 如权利要求12所述的喷头模块，其中所述压缩密封件： (a) 包括压缩在所述面板与所述背板之间的环形杆密封件； (b) 包括鹤、不锈钢或奥氏体镍铬基合金； (c) 包括金属材料并且具有镍外涂层； (d) 提供反作用于所述背板和所述面板的弹力； (e) 包括由金属带材制成的可压缩环，所述可压缩环在其横截面上具有至少一个弯曲， 其中在与所述面板接触的下自由端以及与所述背板接触的上自由端之间的长度是约0. 5 英寸至1. 5英寸，厚度是约0. 003英寸至0. 009英寸；并且/或者 (f) 包括由金属带材制成的可压缩环，所述可压缩环具有S形、C形、E形、Z形或V形 横截面。
17. 如权利要求12所述的喷头模块，其中所述至少一个压缩密封件包括第一和第二压 缩密封件，其中： 所述第一压缩密封件是第一环形杆密封件，所述第一环形杆密封件被压缩在所述面板 与所述背板之间并且在所述面板与所述背板之间形成内部气体充气室；并且 所述第二压缩密封件是第二环形杆密封件，所述第二环形杆密封件被压缩在所述面板 与所述背板之间，其中所述第二杆密封件包围所述第一杆密封件并且形成包围所述内部气 体充气室的中间气体充气室，并且其中外部气体充气室包围所述中间气体充气室。
18. 如权利要求12所述的喷头模块，其中所述接触面积小于 (a) 所述面板的总表面积的0. 5% ; (b) 所述面板的总表面积的0. 3% ; (c) 所述面板的总表面积的0. 2% ; (d) 所述面板的总表面积的0. 1% ;或 (e) 所述面板的总表面积的0. 05%。
19. 如权利要求13所述的喷头模块，其中所述面板与所述隔离环的所述至少一个向上 延伸的凸起之间的接触面积具有的最大总接触面积： (a) 小于约0· 05平方英寸； (b) 小于约0· 02平方英寸；或 (c) 小于约0· 01平方英寸。
20. 如权利要求12所述的喷头模块，其中： (a) 所述面板是由三氧化二铝或氮化铝形成的并且包括嵌入其中的射频电极，其中所 述嵌入的射频电极电性连接到射频接触件； (b) 所述面板是由金属材料形成的并且电性连接到射频接触件； (c) 所述面板与所述背板之间的所述充气室具有约2mm至6mm的高度； (d) 所述面板的下表面形成所述腔体的所述上壁和侧壁； (e) 所述面板的下表面在其外周包括同类材料的环，其中所述环的内表面形成所述腔 体的所述侧壁； (f) 所述腔体的每个暴露表面是由陶瓷材料形成的； (g) 所述至少一个压缩密封件包括位于所述面板的环形凹槽中的环形杆密封件； (h) 所述至少一个压缩密封件包括位于所述背板的环形凹槽中的环形杆密封件；和/ 或 (i) 所述隔离环在所述面板与所述背板之间形成外部气体充气室的外周。
【文档编号】H01J37/32GK104282530SQ201410317527
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年7月3日 优先权日:2013年7月3日
【发明者】拉梅什·钱德拉赛卡兰, 杰里米·塔克, 卡尔·利泽, 艾伦·斯考普 申请人:朗姆研究公司