一种衬套及晶圆预处理装置的制作方法

1.本发明涉及用等离子体清洗半导体晶圆的工艺领域，具体涉及一种晶圆预处理装置及其衬套。


背景技术：

2.晶圆暴露在含氧环境时，晶圆表面的硅会和氧气反应，在晶圆表面形成氧化层，氧化层是电绝缘的，这样会造成高接触电阻，且在后续的沉积外延层工艺时，造成外延层质量的下降，因此现有技术通常在外延工艺前对晶圆进行预处理从而将晶圆表面的氧化层去除，去除(或清洗)氧化层一般采用专用的晶圆预处理装置，晶圆预处理装置的腔体是外延设备中重要的腔体。
3.在半导体制造领域，工艺的稳定性决定着制造出来的电子器件的质量。因此，保证各个环节工艺的稳定性显得格外重要。在晶圆预处理工艺中，目前采用的晶圆预处理装置通常使用等离子体对晶圆表面进行清洁处理，去除氧化层，在预处理过程中需要有一个衬套对等离子体以及工艺气体做约束，形成一个稳定的气流场。
4.目前，由于抽气泵偏置会导致衬套内形成的流场不均匀，而且现有的衬套位置不稳定，会产生微小的位移，所以工艺稳定性差。再者，衬套上设置有用于排放尾气的通气孔，传统的通气孔形成的气流场扰动比较大，因此在衬套位置不稳定的前提下，气流场的变化同样会对工艺稳定性造成影响，因此还需解决气流场不一致的问题。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种用于晶圆预处理装置的衬套，保证衬套的位置的稳定性以及保证衬套内气流场的稳定性，以便提高该晶圆预处理装置的工艺一致性以及晶圆清洗效果。本发明提供了一种用于晶圆预处理装置的衬套，所述晶圆预处理装置包括腔体、衬套以及基座，所述基座设置在腔体中，用于承载晶圆；所述衬套设置在腔体的侧壁的内表面，且包围所述晶圆；所述腔体的侧壁设置有尾气通道，用于排出反应气体，其特征在于，所述衬套包括：环形侧壁，所述环形侧壁包括上环部和下环部；所述上环部设置有至少两组通气孔组，所述通气孔组由贯穿衬套内表面和外表面的若干个通气孔构成，每一组通气孔组沿着衬套的周向分布一圈；所述环形侧壁上还设置有晶圆传输口，所述晶圆传输口与尾气通道位置相对。
6.优选地，在至少一组通气孔组中，通气孔的孔径由靠近尾气通道处的向着靠近晶圆传输口处的不断增大。
7.优选地，通气孔组的组数为两组。
8.优选地，通气孔组包括上通气孔组和下通气孔组。
9.优选地，在上通气孔组中，通气孔的孔径由靠近尾气通道处的向着靠近晶圆传输口处的不断增大；在下通气孔组中，不同位置的所述通气孔的孔径是一致的。
10.优选地，在上通气孔组和下通气孔组之间还设置有凸起结构，所述凸起结构用于
防止不同圈层的通气孔组之间排气时气流场形成干扰。
11.优选地，所述凸起结构为沿着衬套周向的连续的环形凸起结构。
12.优选地，所述凸起结构为沿着衬套周向的不连续的多个凸起结构。
13.优选地，所述晶圆传输口位于下环部上。
14.优选地，所述环形侧壁的上环部的外表面设有第一通道，所述环形侧壁的下环部的外表面设有第二通道，且第一通道与第二通道连通，第二通道与尾气通道连通。
15.优选地，所述上环部的顶部外表面沿其周向设置有第一环形凸缘，在下环部的底部外表面沿其周向设置有第二环形凸缘，在上环部和下环部之间的外表面沿周向设置有第三环形凸缘，第三环形凸缘上设置有连通口，所述连通口用于连通所述第一通道与第二通道。
16.优选地，所述衬套的底部设置有定位装置，该定位装置与腔体的侧壁内表面的台阶卡合固定。
17.优选地，所述定位装置为凸台或凹槽。
18.优选地，所述定位装置为凸台，所述凸台沿着衬套周向均匀分布，且所述凸台数量不少于3个。
19.优选地，所述定位装置为凸台，所述台阶上设有与凸台配合的定位槽，所述定位槽与凸台之间具有径向延伸的间隙。
20.优选地，所述凸台为指形。
21.优选地，所述定位装置为凹槽，所述台阶上设有与凹槽配合的凸起，所述凹槽与凸起之间具有径向延伸的间隙。
22.优选地，该衬套采用陶瓷制成。
23.本发明还提供了一种晶圆预处理装置，所述晶圆预处理装置用于去除晶圆表面的氧化物，其特征在于，包括：腔体，所述腔体的侧壁设置有尾气通道，用于排出反应气体；基座，所述基座设置在腔体中，用于承载晶圆；如上述的衬套，所述衬套设置在腔体的侧壁的内表面，且包围所述晶圆。
24.本发明具有以下有益效果：
25.本发明提供的衬套通过改进通气孔的大小排布规律，减小了气流分布的不均匀性，以及设置防干扰的环形凸缘结构减少了排气时上下两圈通气孔的气流干扰，减小了扰动，从而在晶圆表面形成稳定均匀的流场，进而能实现较好的清洗效果；
26.另外，通过在衬套上底部设置定位凸起结构，能够实现衬套的精确定位，保证每次工艺的一致性，间隙的设置确保发生热膨胀时引导衬套沿着径向移动，保证了衬套中心的稳定，进一步提高了气流的均匀性；
27.另外，采用上述衬套构成的晶圆预处理装置清洗效果更好，提高了工艺稳定性。
附图说明
28.图1为本发明晶圆预处理装置结构示意图；
29.图2为本发明其中一实施例的衬套结构图；
30.图3为本发明其中一实施例的衬套沿位置p1、p2剖面的截面图；
31.图4为本发明衬套的局部放大图；
32.图5为本发明另一实施例的衬套结构图；
33.图6为本发明衬套底部视图；
34.图7为本发明另一实施例的衬套底部视图。
35.图8为本发明衬套和腔体局部放大图。
36.图9为本发明衬套凸台和腔体台阶截面图。
具体实施方式
37.以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的一种用于晶圆预处理装置的衬套作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
38.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
39.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心、“高度”、“厚度”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
40.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
41.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
42.如图1和如图2所示，本发明提供的一种用于晶圆预处理装置的衬套200，图1示出
了晶圆预处理装置结构示意图。所述晶圆预处理装置包括：衬套200、腔体105、升降装置109、基座104、等离子体源100、喷头102。所述腔体105包括侧壁，所述侧壁内表面大致呈环形；所述衬套200大致呈环形，且设置在腔体105侧壁的内表面，具体的，所述腔体105侧壁的内表面具有台阶，可以将衬套200置于台阶上；腔体105的顶部上方设置有等离子体源100以及工艺气体入口喷头102，腔体105的底部设置有所述升降装置109，位于所述升降装置109的顶部设置有所述基座104，该基座104用于放置待清洗晶圆101，所述基座104位于所述衬套200内部，通过升降装置109改变基座104的高度，使基座104下降，晶圆101在销110的支撑下，基座104与晶圆101分离，以便机械手拿取晶圆101；工作时对腔体105进行抽真空处理，所述等离子体源100产生的等离子体通过喷头102和输入的工艺气体混合生成反应气体117，反应气体进入腔体105后与晶圆101表面的氧化硅反应，从而去除晶圆101表面的氧化层，清洗完成后的反应气体117通过衬套200上的通气孔204、以及腔体105侧壁上设置的尾气通道106排放至腔体外部。
43.本装置去除晶圆表面的氧化层(或称清洗或预处理)的过程具体为：等离子体源100产生的等离子体通过喷头102和其他进入喷头中的工艺气体进行混合生成反应气体117，然后由喷头102将反应气体117通入腔体105内，并喷淋至晶圆101的上表面，反应气体117在晶圆101的上表面进行反应，去除晶圆表面的氧化层，反应后的反应气体117将沿着衬套200上的通气孔204，经第一通道113汇合，然后进入第二通道112，接着通过抽气泵的作用，经尾气通道106及尾气接口107被抽走。当清洗完成后，通过升降装置109降低基座104的高度，此时销110支撑起晶圆101，从而将基座104与晶圆101分离，然后机械手伸到晶圆101的底部，抬起晶圆101，将晶圆101传送出晶圆预处理装置的腔体105，完成清洗过程。反应气体117的气体流场的均匀性会直接影响到晶圆101表面清洗的质量，例如由于抽气泵只在腔体105的一侧设置，因此反应气体117倾向于向抽气泵的方向集中，这会导致晶圆上偏向抽气泵所在的区域过度反应，因此造成此区域的硅的厚度会减小。
44.参见图2，衬套200包括环形侧壁，所述环形侧壁包括上环部和下环部，所述环形侧壁具有内表面和外表面，所述内表面为面向晶圆101的一面，所述外表面与内表面相对，即面向尾气通道106的一面。所述上环部设置有通气孔组，每一组通气孔组沿着衬套的周向分布一圈，所述通气孔组的组数为至少两组，所述通气孔组204由贯穿内表面和外表面的若干个通气孔构成，所述通气孔用于排放通入腔体105内的反应气体117；所述通气孔组包括一组上通气孔组2041和一组下通气孔组2042，所述上通气孔组2041设置在下通气孔组2042上方，可选的，上通气孔组2041和下通气孔组2042之间还可以设有另外的通气孔组，在上通气孔组2041上方也可以设有通气孔组，下通气孔组2042的下方也可以设有通气孔组。优选的，所述通气孔组204的组数为两组；
45.继续参见图2，在所述环形侧壁的上环部的外表面设有第一通道113，在所述环形侧壁的下环部的外表面设有第二通道112，且第一通道113与第二通道112连通，第二通道112与尾气通道106连通，最终将废气排出腔体105。具体的，所述上环部的顶部外表面沿其周向设置有第一环形凸缘205，在下环部的底部外表面沿其周向设置有第二环形凸缘207，在上环部和下环部之间的外表面沿周向设置有第三环形凸缘206。所述下环部设有晶圆传输口202，通过所述晶圆传输口202将晶圆101由腔体105外部放置于衬套200内部或将晶圆101从衬套200内部取出至腔体105外部。所述衬套200上具有位置p1和位置p2，所述位置p2
为衬套200上靠近尾气通道106的位置，p1与p2相对，所述晶圆传输口202置于位置p1。衬套200上还具有相对的位置p3和p4，所述位置p3和p4的连线与位置p1和p2的连线垂直相交，所述交点为衬套200的中心。
46.由图1可以看出，上述的第一环形凸缘205、第三环形凸缘206以及衬套200的环形侧壁构成的槽型空间与腔体105侧壁之间形成第一通道113；上述的第二环形凸缘207、第三环形凸缘206以及衬套200的环形侧壁构成的槽型空间与腔体105侧壁之间形成第二通道112。所述第一通道113与第二通道112通过设置在第三环形凸缘206上的连通口210连通。所述连通口210为两个，所述两个连通口210分别设置于位置p3和p4。腔体105上设置有与腔体外部连通的尾气通道106，所述尾气通道106的一端端部与第二通道112连通，尾气通道106的另一端端部设有尾气接口107。
47.参见图2，反应气体117的排出路径具体为：反应气体117经通气孔组204进入第一通道113，在环形的第一通道113内形成气流f1，气流f1经过两个在第三环形凸缘206周向上对称分布的连通口210进入第二通道112，在大致半环形的第二通道112内形成气流f2，气流f2流出衬套200，再流入尾气通道106内形成气流f3，排出腔体。其中，多组通气孔组加大了气流排出的流量，从而可以减小气流在腔体内淤积导致的分布不均匀，且多组通气孔组之间是上下排布的，避免了仅在某一平面抽气带来的气流湍急。
48.为了进一步增加气流分布的均匀性，在至少一组通气孔组204中，通气孔的孔径由靠近尾气通道106处的向着靠近晶圆传输口202处的不断增大，这样可以增加尾气通道106处对应通气孔的气体阻力，减小晶圆传输口202处对应通气孔的气体阻力，从而防止气体堆积在靠近尾气通道106处对应通气孔附近，增加了气流分布的均匀性；图3示出了一种可选的实施例，在上通气孔组2041中，靠近尾气通道106处(即位置p2)的通气孔的孔径r2最小，随着通气孔的孔径大小在周向上的变化，靠近晶圆传输口202处(即位置p1)的通气孔的孔径r1最大，在下通气孔组2042中，不同位置的所述通气孔的孔径是一致的；可选的，根据需要，下通气孔组2042中通气孔的孔径可以和上通气孔组2041的孔径具有相同的变化规律。图3所示实施例的优点在于：上通气孔组2041设置在下通气孔组2042的上方，抽气泵偏置带来的压力在衬套整个周向上分布的不同，在上通气孔组2041所在水平面得到解决，可以让下通气孔组2042所在平面的气流更加稳定和均匀，由于下通气孔组2042所在平面更加靠近晶圆表面，因此可以在晶圆表面形成均匀的气流。
49.另外，由图3-5所示，在衬套200外表面上，且位于上通气孔组2041和下通气孔组2042之间，还设置有凸起结构208，所述凸起结构208可以防止不同圈层的通气孔组之间排气时气流场形成干扰，进而防止了衬套内部气体的扰动，提升了气流场的稳定性。本实施例中，凸起结构208可以采用两种设置方式：
50.一、如图4所示，设置为沿着衬套200周向的连续的环形凸起结构；此结构与上述的第一环形凸缘205、第二环形凸缘207、第三环形凸缘206结构类似，但是尺寸要更小。
51.二、如图5所示，设置为沿着衬套200周向的不连续的多个凸起结构；且每个凸起结构与通气孔的位置对应设置。
52.如图6-8所示，衬套200的底部设置有定位装置211，该定位装置211与腔体105内表面的台阶卡合固定，用于将衬套200的位置固定，保证每次工艺的一致性。所述定位装置211为凸台或凹槽。
53.如图6-7所示，本实施例中，所述定位装置211为沿着衬套底部周向均匀设置的多个凸台，凸台的数量为不少于3个，所述腔体105的台阶上设有与其配合的定位槽；参见附图9，所述凸台的截面形状为指形，所述腔体105台阶上的定位槽仅在径向上的长度大于凸台径向上的长度，即定位槽与凸台之间具有径向延伸的间隙230，所述间隙230可以在衬套200发生热膨胀时引导衬套200沿着径向(图中箭头方向)移动，从而保证了衬套200中心的稳定，保证了气流的均匀性。同理，所述定位装置211还可以是凹槽，那么腔体的台阶上设有与其配合的凸起，凹槽与凸起之间同样具有径向延伸的间隙。
54.对于衬套材料的选择，考虑到加工的难度以及工艺过程的兼容性，本衬套200采用陶瓷材质制成。
55.综上所述，本发明提供的衬套通过改进通气孔的大小排布规律，减小了气流分布的不均匀性，以及设置防干扰的环形凸缘结构减少了排气时上下两圈通气孔的气流干扰，减小了扰动，从而在晶圆表面形成稳定均匀的流场，进而能实现较好的清洗效果；
56.另外，通过在衬套上底部设置定位凸起结构，能够实现衬套的精确定位，保证每次工艺的一致性，间隙的设置确保发生热膨胀时引导衬套沿着径向移动，保证了衬套中心的稳定，进一步提高了气流的均匀性；
57.另外，采用上述衬套构成的晶圆预处理装置清洗效果更好，提高了工艺稳定性。
58.尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。