本发明涉及用于进行化学沉积和用于进行等离子体增强化学沉积的装置和方法。
背景技术：
等离子体处理装置可以用于通过包括蚀刻、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)处理和抗蚀剂去除的技术处理半导体衬底。例如，用于等离子体处理的一种类型的等离子体处理装置包括含有顶部电极和底部电极的反应室或沉积室。在电极之间施加射频(rf)功率以将工艺气体激发成用于处理反应室中的半导体衬底的等离子体。
技术实现要素：
根据一实施方式，具有气体密封的化学沉积室包括喷头模块和基座模块，所述基座模块被配置为支撑面板下面的晶片腔中的半导体衬底。面板包括多个气体入口，所述多个气体入口被构造成将工艺气体输送到晶片腔。喷头模块包括主排放气体出口，主排放气体出口被配置为从晶片腔中去除反应气体化学物质和惰性气体。喷头模块包括位于晶片腔的外周处的台阶以及被配置为输送惰性气体以在所述台阶与基座模块之间的间隙中形成气体密封的惰性气体供给装置。所述喷头模块包括位于主排放气体出口的径向外侧的次排放气体出口，所述次排放气体出口被构造成去除通过间隙径向向内流动的惰性气体中的至少一些。
根据另一实施方式，一种用于遏制(contain)反应气体化学物质从上述化学沉积室的晶片腔逸出的方法包括以下步骤：(a)将半导体衬底支撑在基座模块上；(b)使工艺气体流过面板的气体入口；(c)通过主排放气体出口从晶片腔中抽出气体；(d)通过使惰性气体流过惰性气体供给装置，使得在所述台阶与所述基座模块之间的间隙中保持气体密封；以及(e)经由次排放气体出口抽出径向向内流过所述间隙的所述惰性气体中的至少一些。
具体而言，本发明的一些方面可以阐述如下：
1.一种具有气体密封的化学沉积室，其包括：
喷头模块和基座模块，所述基座模块被配置为支撑面板下方的晶片腔中的半导体衬底；
所述面板中的气体入口，其被配置为将工艺气体输送至所述晶片腔；
主排放气体出口，其被配置为从所述晶片腔中去除反应气体化学物质和惰性气体；
在所述晶片腔的外周处的环形台阶和惰性气体供给装置，所述惰性气体供给装置被构造成输送惰性密封气体以在所述环形台阶和所述基座模块之间的间隙中形成气体密封；以及
位于所述主排放气体出口的径向外侧的次排放气体出口，所述次排放气体出口被构造成去除通过所述间隙径向向内流动的所述惰性气体中的至少一些。
2.根据条款1所述的化学沉积室，其中所述气体入口位于所述面板的内部中，而所述主排放气体出口位于所述面板的外部中。
3.根据条款1所述的化学沉积室，其中所述主排放气体出口和所述次排放气体出口位于所述环形台阶的下表面中。
4.根据条款1所述的化学沉积室，其还包括围绕所述面板的隔离环，所述环形台阶包括所述隔离环的下部。
5.根据条款1所述的化学沉积室，其中所述主排放气体出口与连接到真空压力源的压力控制节流阀流体连通。
6.根据条款5所述的化学沉积室，其中所述次排放气体出口与恒定的真空压力源流体连通。
7.根据条款1所述的化学沉积室，其中所述间隙具有从所述晶片腔的外边缘至所述台阶的外边缘的约5.0mm至25.0mm的宽度。
8.根据条款1所述的化学沉积室，其中，所述主排放气体出口位于围绕所述面板的隔离环中，所述隔离环包括主排放气体通道，所述主排放气体通道与在所述隔离环与所述喷头模块的背板的外周之间的环形充气室连通。
9.根据条款1所述的化学沉积室，其中所述次排放气体出口位于围绕所述面板的隔离环中，所述隔离环包括内环和外环，所述次排放气体通道与在所述内环的外表面和所述外环的内表面之间的环形充气室连通。
10.根据条款1所述的化学沉积室，其中所述惰性气体供给装置包括在所述喷头模块的背板中的环形充气室，所述背板包括从所述环形充气室径向向外延伸并与在所述背板的外周上的密封气体出口流体连通的密封气体通道。
11.根据条款1所述的化学沉积室，其中所述基座模块能竖直向上移动以将所述半导体衬底置于所述晶片腔中且能向下移动到用于将所述半导体衬底装载到所述衬底基座上以及将所述衬底基座上的所述半导体衬底卸载的位置。
12.根据条款11所述的化学沉积室，其中至少一个排放通道位于所述基座模块中，所述至少一个排放通道位于所述晶片腔的径向外侧并且被配置为去除被供给到所述间隙中的所述惰性气体中的至少一些。
13.根据条款12所述的化学沉积室，其中所述至少一个排放通道包括环形流道。
14.根据条款4所述的化学沉积室，其中：(a)所述隔离环包括在所述隔离环的内表面中的惰性气体供给入口、从惰性气体供给入口径向向外延伸的惰性气体供给通道，并且所述惰性气体供给通道竖直向下延伸到所述台阶的所述下表面，(b)所述主排放气体出口位于所述隔离环的所述内表面的下部中，主排放气体通道从所述主排放气体出口向上延伸，并且所述主排放气体通道水平延伸到所述内表面中的在所述惰性气体供给入口下方的位置处的开口，以及(c)所述次排放气体出口位于所述隔离环的下表面中，次排放气体通道从所述次排放气体出口向上延伸到所述隔离环的外表面中的开口。
15.一种用于遏制反应气体化学物质从化学沉积室的晶片腔逸出的方法，所述方法包括：
(a)将半导体衬底支撑在基座模块上；
(b)使工艺气体流过喷头模块的面板的气体入口；
(c)通过主排放气体出口从所述晶片腔中抽出气体；
(d)通过使惰性气体流过所述喷头模块的台阶的下表面中的密封气体出口，使得在所述台阶与所述基座模块之间的间隙中保持气体密封；以及
(e)经由次排放气体出口抽出径向向内流过所述间隙的所述惰性气体中的至少一些。
16.根据条款15所述的方法，其中所述主排放气体出口与压力控制节流阀流体连通，并且所述次排放气体出口与所述压力控制节流阀下游的真空源流体连通。
17.根据条款16所述的方法，其中所述惰性气体以恒定的流率供应到所述间隙。
18.根据条款15所述的方法，其包括：
使所述惰性密封气体以大于约100的佩克莱特数流入所述间隙。
19.根据条款15所述的方法，其包括：
通过以下工艺中的至少一个在所述半导体衬底上沉积层：
化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积、原子层沉积、等离子体增强原子层沉积、脉冲层沉积和/或等离子体增强脉冲沉积。
20.根据条款15所述的方法，其包括：
以约100cc/分钟至约5.0slm(标准升/分钟)将所述惰性密封气体供给至所述间隙。
附图说明
图1a是示出根据示例性实施方式的具有基座的化学沉积装置的示意图。
图1b是示出根据示例性实施方式的不具有基座的化学沉积装置的示意图。
图2是根据示例性实施方式的基于气体的密封系统的横截面图。
图3是根据示例性实施方式的基于气体的密封系统的横截面图。
图4是根据示例性实施方式的基于气体的密封系统的横截面图。
图5是根据示例性实施方式的基于气体的密封系统的横截面图。
图6是根据示例性实施方式的基于气体的密封系统的横截面图。
图7是根据示例性实施方式的基于气体的密封系统的示意图。
图8是示出根据示例性实施方式的基于气体的密封系统的压力和阀角度与时间的函数关系的图。
图9示出了在具有密封气体设备和围绕面板周边的主排放气体出口的喷头模块中的气流。
图10示出了在喷头模块中的气流，该喷头模块具有气体密封设备、围绕面板周边的主排放气体出口以及在主排放气体出口外且在密封气体入口内的次排放气体出口。
图11示出了具有主排放气体出口和次排放气体出口的喷头模块的气流。
图12示出了具有两件式隔离环的喷头模块，该两件式隔离环在内环的下表面中具有密封气体出口，并且在内环的内表面中具有次排放气体出口。
图13显示了内环如何安装在喷头模块的面板和背板周围。
图14示出了连接到喷头模块的顶板中的次排放通道的气体连接件。
具体实施方式
在以下的详细公开内容中，阐述了示例性实施方式以便提供对本文公开的装置和方法的理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，示例性实施方式可以在没有这些具体的细节的情况下或通过使用替代的元件或工艺来实践。在其它实例中，没有详细描述公知的工艺、过程和/或组件，以免不必要地使本文公开的实施方式的方面难以理解。
根据示例性实施方式，本文公开的装置和相关联的方法可以用于诸如等离子体增强化学沉积之类的化学沉积。该装置和方法可以与基于半导体制造的电介质沉积工艺结合使用，所述工艺在多步骤沉积工艺(例如，原子层沉积(ald)、等离子体增强原子层沉积(peald)、脉冲沉积层(pdl)或等离子体增强脉冲沉积层(pepdl)处理)中需要自限沉积步骤的分离，但是它们不受限于此。
如所指出的，本发明的实施方式提供了用于进行化学沉积(例如等离子体增强化学气相沉积)的装置和相关方法。该装置和方法特别适用于与基于半导体制造的电介质沉积工艺结合使用，所述工艺在多步骤沉积工艺(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)处理)中需要自限沉积步骤的分离，然而它们不受限于此。
前述工艺可能遇到一些缺陷，这些缺陷与在接收沉积材料的整个晶片或衬底上的温度不均匀有关联。例如，当与周围室部件热接触的被动加热的喷头向周围部件散热时，可能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部件热隔离，使得可以形成等温处理区，由此在整个衬底上形成均匀的温度。整个衬底上的均匀温度有助于衬底的均匀处理，其中衬底温度为沉积处理提供激活能量，因此是用于驱动沉积反应的控制方式。
此外，通常存在两种主要类型的沉积喷头，即吊灯型和嵌入式(flushmount)喷头。吊灯型喷头具有杆，杆的一端连接到室顶，另一端连接面板，类似吊灯。杆的一部分可以突出室顶部以使得气体管线和rf功率能够连接。嵌入式喷头集成到室的顶部，并且没有杆。本发明的实施方式涉及嵌入式喷头，其中嵌入式喷头减少了室容积，在处理过程中必须通过真空源抽排室容积。
图1a和1b是示出根据本文公开的实施方式的化学沉积装置100的示意图。如图1a和1b所示，化学装置包括化学隔离室或外壳110、沉积室120、喷头模块130和移动基座模块140，移动基座模块140可相对于喷头模块130竖直升高或降低以升高和降低定位在基座模块140的上表面上的衬底(或晶片)190。喷头模块130也可以竖直地升高和降低。反应物材料气体(或工艺气体)192(图3)经由气体管线112通过喷头模块130的中央充气室202(图6)引入到子室(或晶片腔)150中。气体管线112中的每一个可以具有相应的蓄积器(未示出)，其可以使用隔离阀(未示出)与装置100隔离。根据示例性实施方式，装置100可以被修改为具有带有隔离阀和蓄积器的一个或多个气体管线112，具体取决于所使用的反应气体的数量。另外，反应气体输送管线112可以在多个化学沉积装置或多站系统之间共享。
根据示例性实施方式，室120可以通过连接到真空源(未示出)的一个或多个真空管线160(图2)被抽空。例如，真空源可以是真空泵(未示出)。在多站式反应器中，例如具有执行相同沉积工艺的多个站或装置100的那些反应器，来自另一个站的真空管线160可以与该真空管线160共享共同的前级管线。另外，可以修改装置100以使每个站或装置100具有一个或多个真空管线160。
根据一示例性实施方式，多个抽排管道170可以被配置成与喷头模块130的面板136内的一个或多个排放出口174流体连通。排放出口174可以被配置为在沉积工艺之间从晶片腔150去除工艺气体或反应器化学物质192。多个抽排管道170也与一个或多个真空管线160流体连通。抽排管道170可以围绕衬底190周向间隔开，并且可以均匀地隔开。在一些情况下，多个管道170的间隔可以被设计为补偿真空管线160的位置。因为通常具有数量比多个管道170的数量少的真空管线160，因此通过最靠近真空管线160的管道170的流速可以比通过较远离真空管线160的管道170的流速大。为了确保流畅的流动模式，如果管道170距离真空管线160更远，则管道170可以更靠近地间隔开。包括多个包含可变流动导体的管道170的化学沉积装置100的示例性实施方式可以在共同转让的美国专利号7,993,457中找到，其全部内容通过引用并入本文。
在此公开的实施方式优选地在等离子体增强化学沉积装置(例如，pecvd装置、peald装置或pepdl装置)中实施。这样的装置可以采取不同的形式，其中装置可以包括一个或多个室或“反应器”110，其可以包括如上所述的多个站或沉积室120，其容纳一个或多个衬底190并且适合于衬底处理。每个室120可以容纳一个或多个衬底以进行处理。一个或多个室120将衬底190保持在限定的一个或多个位置(在该位置内具有或不具有运动，例如旋转、振动或其他搅动)。在一个实施方式中，正在进行沉积和处理的衬底190可以在处理期间从装置100内的一个站(例如，沉积室120)转移到另一站。在处理过程中，每个衬底190通过基座模块140的基座、晶片卡盘和/或其他晶片保持装置保持在合适的位置。对于其中基座190将被加热的某些操作，基座模块140可以包括加热器，如加热板。
图2是根据示例性实施方式的具有基于气体的密封系统200的化学沉积装置100的横截面图。如图2所示，化学沉积装置100包括衬底基座模块140，该衬底基座模块140被配置为从基座模块140的上表面142接收和/或排出半导体衬底(或晶片)190。在较低位置，衬底190放置在基座模块140的表面142上，然后基座模块140竖直向上朝向喷头模块130升高。根据示例性实施方式，形成晶片腔150的在基座模块140的上表面142与喷头模块130的下表面132之间的距离可以是大约0.2英寸(5毫米)至大约0.6英寸(15毫米)。基座模块140向上以关闭晶片腔150的竖直移动在基座模块140与围绕喷头模块130的面板136(图1a和1b)的外部部分131的台阶135之间产生狭窄间隙240。
在一示例性实施方式中，室120内的温度可以通过喷头模块130和/或基座模块140中的加热机构来保持。例如，衬底190可以位于等温环境中，其中喷头模块130和基座模块140被配置为将衬底190保持在期望的温度。在一示例性实施方式中，喷头模块130可以被加热到高于250℃，并且/或者基座模块140可以在50℃到550℃的范围内被加热。沉积室或腔150用于容纳由电容耦合等离子体类型系统产生的等离子体，该系统包括与基座模块140一起工作的喷头模块130。
诸如连接到匹配网络(未示出)的高频(hf)rf发生器以及低频(lf)rf发生器之类的rf源(未示出)连接到喷头模块130。通过匹配网络提供的功率和频率足以从工艺气体/蒸气中产生等离子体。在一实施方式中，可以使用hf发生器和lf发生器。在典型的工艺中，hf发生器通常在约2-100mhz的频率下工作；在一优选实施方式中，在13.56mhz的频率下工作。lf发生器通常在约50khz至2mhz下工作；在一优选实施方式中，在约350至600khz下工作。工艺参数可以基于室容积、衬底尺寸和其他因素来缩放。例如，lf和hf发生器的功率输出通常与衬底的沉积表面积成正比。在300毫米晶片上使用的功率一般是用于200毫米晶片的功率的至少2.25倍。类似地，例如标准蒸气压的流率可以取决于沉积室120的自由体积。
在沉积室120内，基座模块140支撑衬底190，在衬底190上可沉积材料。基座模块140通常包括卡盘、叉或升降销，以在沉积和/或等离子体处理反应期间和之间保持和传送衬底。基座模块140可以包括可用于工业和/或研究中的静电卡盘、机械卡盘或各种其他类型的卡盘。基座模块140可以与加热器块连接以将衬底190加热至期望的温度。一般而言，衬底190保持在约25℃至500℃的温度，具体取决于待沉积的材料。
根据示例性实施方式，基于气体的密封系统200可以被配置为在处理材料或清扫气体的流动期间帮助控制和调节从晶片腔150向外的流动。根据示例性实施方式，晶片腔150的抽空或清扫使用通过喷头模块130被馈送到晶片腔150中的惰性或清扫气体(未示出)。根据示例性实施方式，一个或者多个管道170可以经由环形抽排通道176连接到真空管线160，环形抽排通道176被配置为从基座模块140下方的区域去除惰性密封气体182(图2)。
根据示例性实施方式，喷头模块130被配置为将反应器化学物质输送到晶片腔(或反应室)150。喷头模块130可以包括背板139和具有多个入口或通孔138的面板136。根据示例性实施方式，面板136可以是具有多个入口或通孔138和台阶135的单个板，台阶135围绕面板136的外周137延伸。替代地，台阶135可以是分开的环133，其被固定到下部可选地，台阶135可以是分离的环133，环133被固定到面板136的外部部分131的下表面。例如，台阶135可以用螺钉143固定到面板136的外部部分131。用于分配工艺气体的包括具有同心排放出口174的面板136的喷头模块130的示例性实施方式可以在共同转让的美国专利no.5,614,026中找到，其全部内容通过引用合并于此。例如，根据示例性实施方式，排放出口174围绕多个入口138。
根据示例性实施方式，晶片腔150形成在喷头模块130的面板136的下表面132下方且在衬底基座模块140的上表面142上方。喷头模块130的面板136内的多个同心抽排管道或排放出口174可流体连接到多个管道170中的一个或多个，以在沉积工艺之间从晶片腔150中去除工艺气体或反应器化学物质192。
如图2所示，装置100还包括惰性气体或密封气体源180，其通过一个或多个管道184被馈送到基于气体的密封系统200的外部充气室204。根据示例性实施方式，惰性或密封气体182可以是氮气或氩气。根据一示例性实施方式，惰性气体源180被配置为经由一个或多个管道184供给惰性密封气体182，以便径向向内流动通过窄间隙240，窄间隙240从晶片腔150向外延伸并形成在围绕面板136的外周137的台阶135的下表面134与基座模块140的上表面142之间。根据一示例性实施方式，在处理期间，惰性密封气体182与来自晶片腔150的工艺气体或反应器化学物质192(图3)在窄间隙240内连通，以形成气体密封。如图3和图4所示，惰性密封气体182仅部分地进入窄间隙240，从而在窄间隙内在反应器化学物质192和惰性气体182之间形成气体密封。替代地，如图5和图6所示，惰性气体182的流动可以到达晶片腔150的外边缘，并且通过喷头模块130内的一个或多个排放出口174从晶片腔150去除。
根据一示例性实施方式，环形抽排通道176流体连接到多个抽排管道170中的一个或多个。根据示例性实施方式，环形抽排通道176具有一个或多个出口(未示出)并且被配置为去除来自环绕衬底190周边的区域的惰性气体182和通过窄间隙240向内径向行进或流动的惰性气体182。抽排通道176形成在衬底基座140的外部144内。环形抽排通道176也可以被配置为从衬底基座140的下面去除惰性气体182。具有类似于176的多个管道的另外的实施方式可以帮助将更多的惰性气体182抽出，并且使得惰性气体能以较高流率进入排放通道178和基座模块140下方的部分。排放通道178还可以帮助在密封气体上产生较高的压降并且使密封气体较低地扩散到晶片腔150中。
图3是根据示例性实施方式的具有基于气体的密封系统200的化学沉积装置100的沉积室120的一部分的横截面图。如图3所示，外充气室204可以形成在面板136的外部部分131中。外充气室204可以包括一个或多个管道220，其被配置为从惰性气体源180接收惰性气体182。惰性气体182通过一个或多个管道220流过外充气室204到达下出口228。下出口228与窄间隙240流体连通。根据一示例性实施方式，从晶片腔150的外边缘152到面板136的与外充气室204连通的外围141的距离处于有限受控的距离。例如，从腔150的外边缘152到面板136的与外充气室204连通的外边缘141的距离(或宽度)可以是从约5.0mm到25.0mm。
根据一示例性实施方式，外充气室204可以是外部环形凹槽222。外部环形凹槽222构造成经由一个或多个管道220与晶片腔150的外边缘上的窄间隙240流体连通。外部环形凹槽222可以构造成具有上部环形凹槽224和下部环形凹槽226，其中上部环形凹槽224比下部环形凹槽226具有更宽的宽度。根据示例性实施方式，下部出口228是下部环形凹槽226的下部上的环形出口，其与窄间隙240流体连通。
根据示例性实施方式，如图3所示，惰性气体182被供给通过外充气室204到达以有限受控的距离间隔开的晶片腔150的外边缘处。流过外充气室204的惰性气体182的流率可以使得佩克莱特数(pecletnumber)大于约1.0，从而将反应气体化学物质192抑制在晶片腔150内，如图3所示。例如，如果佩克莱特数大于1.0，则惰性气体182和反应器气体化学物质192可以在窄间隙240的内部242内建立平衡。结果，可以防止反应器气体化学物质192在衬底基座模块140下方流动并且防止污染晶片腔150外部的沉积室120的部分。
根据示例性实施方式，如果该过程是恒压过程，则惰性气体182的单一(或恒定)的流动与来自基座模块140下方的压力的组合可以足以确保在晶片腔150内的反应器气体化学物质192与通过窄间隙240径向向内流动的惰性气体180之间的惰性气体密封。例如，根据示例性实施方式，基于气体的密封系统200可以与si的ald氧化物一起使用，其通常可以以相对恒定的压力模式运行。另外，基于气体的密封系统200可以用作工具以例如在ald氮化物工艺期间通过改变基座模块140下方的惰性气体182的流率或压力和/或两者的组合来控制在沉积室120和晶片腔150内的在不同工艺和压力状态下的气体密封。
根据示例性实施方式，所公开的密封气体系统200单独或与抽排管道174、176相关联的压力相结合可在处理期间帮助防止反应器化学物质192从晶片腔150流出和/或扩散。另外，系统200单独地或者与抽排管道174、176以及与抽排管道174,176相关联的压力结合也可以防止惰性气体182大量流入晶片腔150并且到达衬底190上。可以基于由排放出口174产生的压力来调节进入窄间隙240中以隔离晶片腔150的惰性气体182的流率。根据示例性实施方式，例如，惰性气体或密封气体182可以以约100cc/分钟至约5.0标准升/分钟(slm)的速率通过外部充气室204供给，其可以用于隔离晶片腔150。
根据示例性实施方式，一个或多个抽排腔250可位于基座模块140的围绕晶片腔150的外部。一个或多个抽排腔250可与窄间隙240和下出口228流体连通，从而可以增加从晶片腔150到惰性或气体供给装置180的压降。一个或多个抽排腔250(或环形流道)还可以提供附加的控制机制，以实现例如，在ald氮化物处理期间在各种工艺和压力状态下的气体密封。根据示例性实施方式，一个或多个抽排腔250可围绕沉积室120等距地间隔开。在示例性实施方式中，一个或多个抽排腔250可为环形流道，其为同心的且宽度大于下出口228。
图4是具有基于气体的密封系统200的化学沉积装置100的沉积室120的一部分的横截面图。如图4所示，如果反应器化学物质192的流率大于或大约等于惰性气体182的流率，则反应器化学物质192的流动可能延伸到晶片腔150的外部，这可能是不期望的。
如图4所示，除了面板136中的主抽排路径174之外，环形抽排通道176还提供次级抽排路径。环形抽排通道176被配置为从衬底基座140下方和从围绕衬底190的周边的区域去除惰性气体182。根据示例性实施方式，环形抽排通道176具有一个或多个出口(未示出)并且被配置为去除来自围绕衬底190的周边的区域的惰性气体182以及去除通过窄间隙240径向向内流动或扩散的惰性气体182。
图5是根据示例性实施方式的具有基于气体的密封系统200的化学沉积装置100的沉积室120的一部分的横截面图。可以通过减小反应器化学物质192的流率和/或增大惰性气体182的流率来产生从腔150外部流动的惰性气体182流。根据一示例性实施方式，来自外充气室204的惰性气体182将流入晶片腔150中，并且可以通过喷头模块130内的一个或多个排放出口174被去除。
图6是根据示例性实施方式的具有基于气体的密封系统300的化学沉积装置100的沉积室120的一部分的横截面图。根据示例性实施方式，喷头模块130的中央充气室202包括多个入口或通孔138，其将反应器化学物质192输送到晶片腔150。晶片腔150还包括同心管道或排放出口174，同心管道或排放出口174从晶片腔150去除反应器化学物质192和惰性气体182。同心管道或排放出口174可以与背板139和上板310之间的中间充气室208流体连通。中间充气室208与多个抽排管道170中的一个或多个抽排管道170流体连通。
喷头模块130还可以包括竖直气体通道370，该竖直气体通道370被配置成围绕面板136的外周137输送惰性气体182。根据示例性实施方式，外充气室206可以形成在面板136的外周137与隔离环214的内周边或边缘212之间。
如图6所示，系统300包括在上板310内的内部流道360内和背板139的外部320内形成的竖直气体通道370。竖直气体通道370包括一个或多个管道312,322，管道312,322被配置以接收来自惰性气体源或供给装置180的惰性气体182。根据示例性实施方式，惰性气体182经由一个或多个管道312,322流过上板310和背板139的外部320到达一个或多个凹槽和/或流道330,340,350，再到达晶片腔150的外边缘。
根据示例性实施方式，一个或多个管道312可以包括上部环形凹槽314和下部外部环形凹槽316。根据示例性实施方式，上部凹槽314比下部凹槽316具有更大的宽度。另外，一个或多个管道322可以位于上板310和背板139的外部320内。一个或多个管道322可形成环形凹槽，其具有与上板310上的出口318流体连通的入口326和与窄间隙240流体连通的出口328。根据示例性实施方式，外部320内的出口328可以与一个或多个凹槽和/或流道330,340,350流体连通，凹槽和/或流道330,340,350引导惰性气体182围绕喷头模块130的面板136的外周流动到达窄间隙240的外边缘243。
根据一示例性实施方式，惰性气体182通过竖直气体通道370被馈送到外充气室206，并且径向地向内至少部分地通过窄间隙240朝向晶片腔150。惰性气体182流过一个或多个凹槽和/或流道330,340,350的流速可以使得佩克莱特数大于1.0，从而将反应气体化学物质192包含在晶片腔150内。根据示例性实施方式，如果佩克莱特数大于1.0，则惰性气体182和反应气体化学物质192在窄间隙240的内部242内建立平衡，这防止反应气体化学物质192在基座模块140下面流动，并防止污染沉积室120的在晶片腔150外部的部分。根据示例性实施方式，通过容纳流向晶片腔150的反应气体化学物质192流，系统200可以减少工艺气体192的使用。另外，系统200还可以减少在处理期间利用工艺气体192填充晶片腔150的时间。
图7是根据示例性实施方式的基于气体的密封系统400的示意图。如图7所示，系统400包括惰性或密封气体源180和工艺气体源19，其被配置为分别向晶片腔150输送惰性或密封气体182和工艺气体192。系统400还可以包括晶片腔或腔压力阀410和下室压力阀412，其分别控制晶片腔或腔压力414和下室压力416。
图8是根据示例性实施方式示出基于气体的密封系统400的压力和阀角与时间的函数关系的图表500。根据示例性实施方式，如图8所示，氦气形式的工艺气体192以0至约20slm(标准升/分钟)的流率供应至晶片腔150。氮气(n2)形式的惰性或密封气体182以约2slm提供给该腔。根据示例性实施方式，腔室压力414和下室压强416约为10托。如图8所示，在高达约20slm的氦气192和2slm的氮气182的操作条件下，氦气192没有通过清扫流道泄漏，如由残留气体分析仪(rga)测量结果所证明的那样
本发明还公开了一种在处理装置中处理半导体衬底的方法。该方法包括将来自工艺气体源的工艺气体供应到沉积室中，并且在等离子体处理室中处理半导体衬底。该方法优选地包括对衬底进行等离子体处理，其中使用rf发生器将rf能量施加到工艺气体，从而在沉积室中产生等离子体。
根据一实施方式，佩克莱特数沿着半导体衬底的外围可以大于100。优选地，将前体气体以最小的入口体积和轴对称流动方式从中心注入到反应器腔中，同时将密封气体围绕反应器腔的外周周向地注入。前体气体反应以在半导体上沉积膜，并且副产品气体径向向外流向围绕反应器腔的外周周向分布的排放出口。同时，密封气体通过围绕反应器腔的外周周向分布的入口径向向内流动。为了获得高佩克莱特数，根据以下等式来控制气体压力：
图9示出了一实施方式，其中喷头模块400包括具有气体出口404的面板402、具有中央气体通道408的背板406、以及具有密封气体通道412的隔离环410，密封气体通道412围绕反应腔周向分布以利用通过气体通道412供应的气体提供惰性气体密封。工艺气体经由围绕面板402的外部周向分布的主排放通道414被抽出。在图9和下列等式中，
在晶片处理期间，反应器室和主室内的压力被调节，而密封气体流率保持恒定。如果反应器腔压强相对于主室压强保持±1托，则有可能将前体气体包含在反应腔内。利用虚拟气体密封装置，可以用惰性气体密封维持反应器腔内的期望的压力。
图10示出了一实施方式，其中喷头模块500包括具有气体出口504的面板502，具有中心气体通道508的背板506以及具有密封气体通道512的隔离环510，密封气体通道512沿周向分布在反应腔周围以便用通过气体通道512供应的气体提供惰性气体密封。工艺气体通过主排放气体通道514和次排放气体通道抽出，主排放气体通道514围绕面板502的外部部分周向分布，而所述次排放气体通道周向分布在隔离环510周围在气体通道512和主排放通道514之间的位置。次排放通道516通过由流动传导率c5和c6表示的流动路径去除气体，并且次排放气体路径c5可以根据以下等式进一步增加佩克莱特数：
如图10所示，密封气体从通道512注入到位置pvs处的在基座模块(未示出)和喷头模块500之间的小间隙中，密封气体沿着路径c2径向向内流动并且沿着路径c3径向向外流动。经反应的前体气体和向内流动的密封气体通过位于c4的主排放路径被抽出反应器腔150。另外，在c5处，一些密封气体通过次排放路径(排放通道516)被抽出。密封气体的质量流量由
图12示出了喷头模块600的剖视图，其包括具有气体入口604的面板602、具有中心气体通道608的背板606、具有内环612和外环614的隔离环610。内环612和外环614装配在一起，使得围绕内环612的下部的密封件613在内环和外环的相对表面之间提供环形充气室。内环612包括：围绕内表面618的上部周向分布的密封气体入口616，从入口616径向向外延伸的水平通道620，从水平通道620向下延伸的竖直通道622以及围绕内环612的下表面626周向分布的密封气体出口624。
内环612包括主排放出口627和围绕下表面626周向分布的次排放出口628，主排放出口627包括围绕内表面618的下部周向分布的径向延伸的狭槽。主排放气体出口627连接到竖直通道630和向内延伸的水平通道，竖直通道630从主排放气体出口627向上延伸，而所述向内延伸的水平通道具有在密封气体入口616下方的位置处围绕内表面618周向分布的主排放气体出口632。次排放气体出口628连接到竖直通道(未示出)和水平通道，所述水平通道具有围绕内环612的外表面619周向分布的次排放气体出口629。密封气体出口624传送密封气体以在隔离环610下方形成气体密封，并且一些密封气体在晶片腔150中的半导体衬底处理期间通过次排放气体出口628被抽出。
图13示出了内环612如何围绕面板602和背板(气体分配板或gdp)606的外周安装，使得密封气体可以从gdp606的外部中的密封气体供应充气室650供应到径向延伸密封气体通道652。密封气体通道652通向位于上部气体密封件654和下部气体密封件656之间的环形充气室658中。环形充气室658与内环612的内部表面618中的密封气体入口616流体连通以输送密封气体通过内环612的下表面626中的密封气体出口624。
gdp606包括连接到gdp606外周的径向延伸的主排放出口682的主排放气体充气室680。出口682通向位于下密封件656和环形密封件686之间的环形排放充气室684。环形排放充气室684与内环612的内表面618上的主排放气体出口632连通。主排放气体出口632与竖直通道630和狭槽627连接，以使得主气体能从晶片腔150排出。
外环614围绕内环612，在内环612的外表面619和外环614的内表面615之间具有充气室。次排放出口628使得次排放气体能够通过次排放出口629抽出进入内环612和外环614之间的充气室。gdp包括上表面中的至少一个开口670，以使得次排放气体能被抽出，同时绕过连接到主排放气体充气室680的节流阀抽送装置。优选地，在gdp中提供两个相对的开口670，从而使气流在方位角上均匀。
图14示出了gdp606的上表面上的连接到用于次排放气体去除的两个开口670的两个气体密封连接件630,632。气体连接件630,632连接到两个相应的管段634,636，这些管段634,636连接到与排气泵流体连通的单个管638，从而绕过连接到主排放出口的节流阀。因此，密封气体的产生气体密封的一部分可以独立于主排放气体而被抽出。
此外，当词语“大致”、“相对”和“基本上”结合几何形状使用时，意图是不要求几何形状的精度，但是该形状的范围在本公开的范围内。词语“通常”、“相对”和“基本上”当与几何术语一起使用时，不仅意指包含符合严格定义的特征，而且还包含与严格定义非常接近的特征。
尽管包括等温沉积室的等离子体处理装置已经参考其具体实施方式进行了详细描述，但是对于本领域技术人员来说，显而易见的是，可以做出各种改变和修改，以及采用等同方案，而不离开从所附权利要求的范围。