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CN113811979B - 用于基板工艺腔室的杂散等离子体预防设备 - Google Patents

用于基板工艺腔室的杂散等离子体预防设备 Download PDF

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CN113811979B CN202080034956.7A CN202080034956A CN113811979B CN 113811979 B CN113811979 B CN 113811979B CN 202080034956 A CN202080034956 A CN 202080034956A CN 113811979 B CN113811979 B CN 113811979B
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Abstract

本文提供一种用于基板处理腔室的杂散等离子体预防的设备。在一些实施例中，用于在基板处理腔室中预防杂散等离子体的设备包含：管状主体，所述管状主体由介电材料形成且限定从管状主体的第一端通过管状主体到管状主体的第二端的中心开口；以及轮缘，所述轮缘从管状主体的第一端径向延伸。设备可由工艺兼容的塑料材料形成，诸如聚甲醛(POM)、聚醚醚酮(PEEK)、或聚四氟乙烯(PTFE)。

Description

用于基板工艺腔室的杂散等离子体预防设备
技术领域
本公开的实施例总体涉及基板处理装备，并且更具体地涉及等离子体增强基板处理装备。
背景技术
在半导体工业中，通过多个制造工艺(诸如蚀刻和沉积)来制造器件，从而产生尺寸不断减小的结构。通常在处理腔室中提供衬垫以最小化沉积在腔室壁上和不期望地重新沉积在基板上的工艺副产物。另外，许多蚀刻和沉积工艺经常利用等离子体来辅助对基板的处理。随着器件几何尺寸的缩小，一些工艺利用较高功率的等离子体工艺。发明人已观察到，这些较高功率的等离子体工艺能够不期望地导致在先前对等离子体点火或侵入是安全的腔室的位置处的等离子体点亮(light up)。
因此，发明人已提供了一种用于基板处理腔室的杂散等离子体预防设备。
发明内容
本文提供一种用于基板处理腔室的杂散等离子体预防的设备。在一些实施例中，用于在基板处理腔室中预防杂散等离子体的设备包含：管状主体，所述管状主体由介电材料形成并且限定从管状主体的第一端通过管状主体到管状主体的第二端的中心开口；以及轮缘，所述轮缘从管状主体的第一端径向延伸。设备可由工艺兼容的塑料材料形成，诸如聚甲醛(POM)、聚醚醚酮(PEEK)、或聚四氟乙烯(PTFE)。
在一些实施例中，一种用于处理基板的设备包含：腔室壁，所述腔室壁具有凹部，所述凹部在腔室壁的面向内部空间的侧面上在腔室壁中形成；以及用于预防杂散等离子体的设备，所述用于预防杂散等离子体的设备部分地设置在凹部中。用于预防杂散等离子体的设备包含：管状主体，所述管状主体由介电材料形成并且限定从管状主体的第一端通过管状主体到管状主体的第二端的中心开口；以及轮缘，所述轮缘从管状主体的第一端径向延伸，其中管状主体延伸到凹部中，并且轮缘沿着腔室壁围绕凹部延伸。在一些实施例中，衬垫设置成与腔室壁相邻，其中用于预防杂散等离子体的设备设置在腔室壁与衬垫之间。
在一些实施例中，在等离子体处理腔室中减少或预防杂散等离子体的方法可包含以下步骤：放置杂散等离子体预防设备，所述杂散等离子体预防设备包括在等离子体处理腔室的腔室壁与衬垫之间的介电材料，以限定杂散等离子体预防设备与衬垫的面对表面之间的小于腔室壁与衬垫之间的距离的间隙。杂散等离子体预防设备可以是如本文公开的任何实施例中任一者中所描述的。可在杂散等离子体预防设备就位的情况下在等离子体处理腔室中执行等离子体工艺。
下文描述本公开的其他及进一步的实施例。
附图说明
可通过参考在附图中描绘的本公开的说明性实施例来理解以上简要概述并在下面更详细地讨论的本公开的实施例。然而，附图仅图示了本公开的典型实施例，并且因此不应视为对范围的限制，因为本公开可允许其他等效的实施例。
图1是根据本公开的至少一些实施例的具有等离子体预防设备的半导体处理腔室的截面图。
图2A至图2C是根据本公开的至少一些实施例的等离子体预防设备的详细局部视图。
为了便于理解，在可能的情况下使用相同的附图标记来标示附图共有的相同元件。附图未按比例绘制，并且为清楚起见可被简化。一个实施例的元件和特征可有益地并入其他实施例中，而无需进一步叙述。
具体实施方式
本公开的实施例总体涉及等离子体预防设备，所述等离子体预防设备适合于预防或限制在处理腔室中不期望的杂散等离子体的形成。发明人已观察到，等离子体预防设备对于在高等离子体功率状态中的处理特别有用。另外，发明人已发现，所公开的设备对于预防在腔室壁和与腔室壁相邻的衬垫之间的位置处的不期望的等离子体点亮是有用的。另外，发明人已发现，所公开的设备对于预防在腔室壁和与腔室壁相邻的衬垫之间的穿过腔室壁或穿过腔室壁和衬垫形成的窗口的位置处的不期望的等离子体点亮是有用的，诸如用于光学发射光谱法(OES)等。
图1是根据本公开的至少一些实施例的具有等离子体预防设备的半导体处理腔室100的一个实施例的截面图。处理腔室100包含封闭内部空间106的腔室主体102和盖104。图1中描述的处理腔室100是说明性的且不意味着限制本公开，因为可在具有其他配置的许多不同处理腔室中使用本文所述的等离子体预防设备，在这些处理腔室中，在处理腔室的某些位置中不期望的等离子体形成是令人担忧的。
腔室主体102通常由铝、不锈钢或其他合适的材料制成。腔室主体102通常包含至少部分地限定处理腔室100的内部空间106的腔室壁(例如，侧壁108)和底部110。基板进出口(未图示)通常被限定在侧壁108中且由狭缝阀选择性地密封以便于基板144从处理腔室100进入和离开。
可将一个或多个衬垫设置在腔室主体102的内部空间106中。例如，可将外衬垫116定位成抵靠腔室主体102的侧壁108或在腔室主体102的侧壁108上。可由氧化铝和/或涂有耐等离子体或耐含卤素气体的材料(诸如氧化钇、氧化钇合金或其氧化物，诸如Y2O3)制造外衬垫116。
可在处理腔室100中形成窗口112，例如，以便于经由光学发射光谱法(OES)或需要向处理腔室100的内部空间106中观察的其他技术来进行工艺监视和控制。可穿过侧壁108和衬垫(例如，外衬垫116)来形成窗口112。可将杂散等离子体预防设备靠近窗口112设置在侧壁108与外衬垫116之间以防止等离子体点亮。下面参考图2A至图2C更详细地描述杂散等离子体预防设备。
排气口126限定在腔室主体102中并且将内部空间106耦合到泵系统128。泵系统128通常包含一个或多个泵和节流阀以用于抽空和调节处理腔室100的内部空间106的压力。在一个实施例中，泵系统128保持内部空间106内部的压力。
盖104被密封地支撑在腔室主体102的侧壁108上。可开启盖104以允许访问处理腔室100的内部空间106。盖104可以可选地包含便于光学工艺监视的窗口142。在一个实施例中，窗口142由石英或其他合适的材料组成以允许传输由光学监视系统140所使用的信号。
气体面板158耦合到处理腔室100，以提供处理和/或清洁气体至内部空间106。处理气体的示例可包含含卤素气体，诸如C2F6、SF6、SiCl4、HBr、NF3、CF4、Cl2、CHF3、CF4和SiF4等，以及诸如O2或N2O之类的其他气体。载气的示例包含N2、He、Ar、对工艺呈惰性的其他气体和非反应性气体。在盖104中提供入口端口132'和可选的入口端口132”，以允许将气体穿过气体分配组件130从气体面板158输送到处理腔室100的内部空间106。
基板支撑组件148设置在气体分配组件130下方的处理腔室100的内部空间106中。基板支撑组件148在处理期间保持基板144。边缘沉积环146被尺寸设计成在其上接收基板144，同时保护基板支撑组件148免受等离子体和沉积材料的影响。内衬垫118可涂覆在基板支撑组件148的周边上。内衬垫118可以是与用于外衬垫116的材料基本上类似的耐含卤素气体的材料。在一个实施例中，内衬垫118可由与外衬垫116的材料相同的材料制成。
在一个实施例中，基板支撑组件148包含安装板162、基座164和静电吸盘166。安装板162耦合到腔室主体102的底部110，包含用于布线诸如流体、电源线路和传感器引线等公用设施到基座164和静电吸盘166的通道。
基座164或静电吸盘166中的至少一者可包含至少一个可选的嵌入式加热器176和多个导管170，以控制基板支撑组件148的横向温度分布。导管170流体耦合到流体源172，流体源172使温度调节流体通过导管循环。通过电源178来调节加热器176。利用导管170和加热器176来控制基座164的温度，从而加热和/或冷却静电吸盘166。
静电吸盘166包括使用吸盘电源182控制的至少一个夹持电极180。电极180可进一步通过匹配电路188耦合到一个或多个RF电源184以用于保持从工艺形成的等离子体和/或处理腔室100内的其他气体。RF电源184通常能够产生具有从约50kHz至约3GHz的频率和高达约10,000瓦的功率的RF信号。
气体分配组件130耦合到盖104的内部表面114。气体分配组件130具有气体分配板194。气体分配组件130具有限定在盖104和气体分配板194之间的气室127。气体分配板194可耦合到或具有导电底板196。导电底板196可用作RF电极。气体分配板194可以是具有形成在气体分配板194面向基板144的下表面中的多个孔134的平盘。气体分配板194也可具有对应于窗口142的部分138。部分138可由与窗口142类似的材料制成以便于光学工艺监视。孔134允许气体以预定义的分布跨处理腔室100中正处理的基板144的表面从入口端口132(图示为132'、132”)流动经过气室127并离开孔134而流入处理腔室100的内部空间106。进入内部空间106的气体可由RF电极激励以用于将等离子体保持在处理腔室100的内部空间106中。尽管被描述为具有耦合到静电吸盘166的一个或多个RF源，一个或多个RF源可替代地或附加地耦合到导电底板196或设置在盖104中或靠近盖104的一些其他电极。
图2A至图2C是根据本公开的至少一些实施例的等离子体预防设备(例如，如在图1所描绘的处理腔室中所使用)的详细局部视图。如图2A至图2C所图示，在腔室壁(例如，侧壁108)中在腔室壁的面向内部空间的侧面上形成凹部。杂散等离子体预防设备206部分地设置在凹部中。在一些实施例中，杂散等离子体预防设备206可靠近窗口112设置在侧壁108与外衬垫116之间以防止等离子体点亮。例如，凹部可以是在处理腔室100中(例如穿过侧壁108和外衬垫116)形成的窗口112的部分。杂散等离子体预防设备206的尺寸可根据处理腔室的配置(例如，侧壁108的厚度、侧壁108与外衬垫116之间的距离或间隙等)而改变。然而，在一些实施例中，尺寸可被选择成使侧壁108与外衬垫116之间的间隙中的等离子体爬电(creepage)长度增加到足够长以防止等离子体泄漏到窗口112处的腔室主体(例如，侧壁108)或外衬垫116。
通常由穿过腔室壁(侧壁108)设置的开口和密封开口的插塞202来形成窗口112。插塞202延伸到开口中且部分地填充开口的深度，使得杂散等离子体预防设备206可部分地设置并保持在开口中。也可穿过外衬垫116中的开口设置对应的插塞204，以提供从腔室主体102的外部到内部空间106中的视线。插塞202或插塞204可由光学透明、工艺兼容的材料(诸如石英)制成。
例如，杂散等离子体预防设备206包含由介电材料形成的管状主体208，管状主体208限定了从管状主体208的第一端通过管状主体208到管状主体208的第二端的中心开口210。中心开口保持通过窗口112的视线，使得保持通过窗口112的任何信号的完整性。中心开口210具有合适的直径以便于保持通过窗口112的任何信号的完整性，所述直径诸如约0.2英寸至约0.4英寸、或约0.25英寸至约0.35英寸、或约0.3英寸。在一些实施例中，诸如在图2A中所描绘的，管状主体208可具有约1.5英寸至约2英寸的长度，尽管在其他实施例中可使用其他尺寸，包含更长的长度(例如，参见图2C)。
轮缘212从管状主体208的第一端径向延伸。在一些实施例中，轮缘212在轮缘212的与管状主体208的第二端相对的一侧上具有弯曲或倾斜的外半径。当插入凹部中时，管状主体208延伸到凹部中，并且轮缘212沿着腔室壁的面向内部空间的表面围绕凹部延伸。轮缘212通常具有一厚度以限定轮缘212与外衬垫116的面对表面之间的狭窄间隙。在一些实施例中，轮缘212的厚度可为约0.1英寸至约0.15英寸，或在一些实施例中为约0.125英寸。在一些实施例中，跨间隙测量的距离可为约0.5mm至约1.5mm之间，或在一些实施例中为约1mm。例如，在一些实施例中，轮缘212可具有约1/8英寸的厚度以在轮缘212与外衬垫116的面对表面之间限定约1mm的间隙。当执行等离子体工艺时，可根据侧壁108与外衬垫116之间的间隔以及处理腔室内的工艺条件来使用其他尺寸。狭窄间隙有利地限定或预防了窗口112位置处的等离子体泄漏(例如，泄漏到窗口112处的侧壁108或外衬垫116)。
在一些实施例中，轮缘可具有约1英寸至约1.5英寸或更大的外直径以有利地增加间隙的长度，以预防等离子体沿着间隙爬电。在一些实施例中，轮缘212的直径比间隙的厚度大至少约10倍(例如，对于1mm的间隙，轮缘212可具有至少约0.4英寸的直径)。在一些实施例中，轮缘212的直径比间隙的厚度大至少约20倍(例如，对于1mm的间隙，轮缘212可具有至少约0.8英寸的直径)。在一些实施例中，轮缘212的直径比间隙的厚度大至少约30倍(例如，对于1mm的间隙，轮缘212可具有至少约1.2英寸的直径)。
在一些实施例中，并且如图2A中所描绘，当插入凹部中时，管状主体208可延伸到凹部中，或者开口被形成在腔室壁(侧壁108)中，使得管状主体208的第二端在靠近插塞202的末端表面处终止。在一些实施例中，并且也如图2A中所描绘，插塞202可主要延伸穿过开口并且在未达到(shy of)或靠近腔室壁(例如，侧壁108)的面向内部空间的表面处终止。
在一些实施例中，并且如图2B中所描绘，当插入凹部中时，管状主体208延伸到开口中，使得管状主体208的第二端与插塞202的末端表面重叠。在一些实施例中，并且也如图2B中所描绘，插塞202的第一端包含肩部214，肩部214限定靠近第一端的插塞202的第一部分中的较小半径，使得管状主体208沿着第一部分与插塞202重叠。
在一些实施例中，并且如图2C中所描绘，插塞202可仅设置成靠近开口的第一端在腔室壁(例如，侧壁108)的外表面附近。在此类实施例中，管状主体208可具有被选择成内衬(line)整个开口或基本上整个开口的长度，使得管状主体208的第二端在靠近插塞202的末端表面处终止并且基本上内衬或覆盖形成在侧壁108中的开口(或凹部)。
杂散等离子体预防设备206由介电工艺兼容的塑料材料(例如，能够承受工艺温度、压力、化学物质(诸如蚀刻化学物质等))形成。例如，杂散等离子体预防设备206可由以下各项中的至少一项形成：聚甲醛(POM)(例如，)、聚醚醚酮(PEEK)、或聚四氟乙烯(PTFE)。在一些实施例中，杂散等离子体预防设备206由PTFE(例如，)形成。
在操作中，减少或预防等离子体处理腔室中的杂散等离子体的方法可包含：放置杂散等离子体预防设备，所述杂散等离子体预防设备包括在等离子体处理腔室的腔室壁与衬垫之间的介电材料，以限定杂散等离子体预防设备及衬垫的面对表面之间的小于腔室壁与衬垫之间的距离的间隙。杂散等离子体预防设备可以是如上文公开的任何实施例中任一者中所描述的。等离子体处理腔室可以是如上所述的，或可至少包含如上所述的腔室壁和衬垫。可在杂散等离子体预防设备就位的情况下在等离子体处理腔室中执行等离子体工艺。杂散等离子体预防设备可有利地减少或消除例如在穿过等离子体处理腔室的侧壁和衬垫的窗口开口的边缘或角落附近的等离子体点亮。
尽管前述内容针对本公开的实施例，但在不脱离本公开的基本范围的情况下，可设计本公开的其他和进一步的实施例。

Claims (20)

1.一种用于处理基板的设备，包括：
腔室壁，具有穿过所述腔室壁形成的窗口；
在基板处理腔室中预防杂散等离子体的设备，包括：
管状主体，所述管状主体由介电材料形成并且限定从所述管状主体的第一端通过所述管状主体到所述管状主体的第二端的中心开口；以及
轮缘，所述轮缘从所述管状主体的所述第一端径向延伸；以及
插塞，其中所述插塞部分地填充所述窗口，使得所述管状主体的第二端在靠近所述插塞的末端表面处终止。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述预防杂散等离子体的设备由工艺兼容的塑料材料形成。
3.如权利要求1所述的设备，其中所述预防杂散等离子体的设备由以下各项中的至少一项形成：聚甲醛(POM)、聚醚醚酮(PEEK)、或聚四氟乙烯(PTFE)。
4.如权利要求1所述的设备，其中所述轮缘在所述轮缘的与所述管状主体的所述第二端相对的一侧上具有倾斜的外半径。
5.如权利要求1至4中任一者所述的设备，其中所述预防杂散等离子体的设备由所述管状主体和所述轮缘组成。
6.如权利要求1至4中任一者所述的设备，其中所述中心开口具有0.2英寸至0.4英寸的直径。
7.如权利要求1至4中任一者所述的设备，其中所述轮缘具有以下各项中的至少一项：至少1英寸的外直径、或0.1英寸至0.15英寸的厚度。
8.如权利要求1至4中任一者所述的设备，其中所述预防杂散等离子体的设备由所述管状主体和所述轮缘组成，其中所述中心开口具有0.2英寸至0.4英寸的直径，并且其中所述轮缘具有至少1英寸的外直径和0.1英寸至0.15英寸的厚度。
9.一种用于处理基板的设备，包括：
腔室壁，所述腔室壁具有凹部和窗口，所述凹部在所述腔室壁的面向内部空间的侧面上在所述腔室壁中形成，所述窗口穿过所述腔室壁形成；以及
用于预防杂散等离子体的设备，所述用于预防杂散等离子体的设备部分地设置在所述凹部中，所述用于预防杂散等离子体的设备包括：
管状主体，所述管状主体由介电材料形成并且限定从所述管状主体的第一端通过所述管状主体到所述管状主体的第二端的中心开口；以及
轮缘，所述轮缘从所述管状主体的所述第一端径向延伸，其中所述管状主体延伸到所述凹部中并且所述轮缘沿着所述腔室壁围绕所述凹部延伸；以及
插塞，其中所述插塞部分地填充所述窗口，使得所述管状主体的第二端在靠近所述插塞的末端表面处终止。
10.如权利要求9所述的设备，进一步包括：
衬垫，所述衬垫设置成与所述腔室壁相邻，其中所述用于预防杂散等离子体的设备设置在所述腔室壁与所述衬垫之间。
11.如权利要求10所述的设备，进一步包括间隙，所述间隙被限定在所述用于预防杂散等离子体的设备的所述轮缘与所述衬垫的面对表面之间，其中跨所述间隙测量的距离为0.5mm至1.5mm。
12.如权利要求9至11中任一者所述的设备，其中所述凹部为所述窗口的部分。
13.如权利要求12所述的设备，其中所述窗口由穿过所述腔室壁设置的开口和部分地填充所述开口的所述插塞形成，其中所述管状主体延伸到所述开口中。
14.如权利要求13所述的设备，其中所述插塞部分地延伸穿过所述开口并且在未达到但靠近所述腔室壁的所述面向内部空间的表面处终止。
15.如权利要求13所述的设备，其中所述插塞仅设置成靠近所述开口的第一端在所述腔室壁的外表面附近。
16.如权利要求12所述的设备，其中由穿过所述腔室壁设置的开口和部分地填充所述开口的所述插塞形成所述窗口，其中所述管状主体延伸到所述开口中，使得所述管状主体的所述第二端与所述插塞的末端表面重叠。
17.如权利要求16所述的设备，其中所述插塞的第一端包含肩部，所述肩部限定靠近所述第一端的所述插塞的第一部分中的较小半径，使得所述管状主体沿着所述第一部分与所述插塞重叠。
18.一种在等离子体处理腔室中减少或预防杂散等离子体的方法，包括以下步骤：
放置杂散等离子体预防设备，所述杂散等离子体预防设备包括在所述等离子体处理腔室的腔室壁与衬垫之间的介电材料，以限定所述杂散等离子体预防设备与所述衬垫的面对表面之间的小于所述腔室壁与所述衬垫之间的距离的间隙，其中所述腔室壁具有穿过所述腔室壁形成的窗口；以及
设置插塞，所述插塞部分地填充所述窗口，使得管状主体的第二端在靠近所述插塞的末端表面处终止。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述腔室壁包含凹部，所述凹部在所述腔室壁的面向内部空间的侧面上在所述腔室壁中形成，并且所述方法进一步包括以下步骤：将所述杂散等离子体预防设备部分地放置在所述凹部内。
20.如权利要求19所述的方法，其中跨所述杂散等离子体预防设备与所述衬垫的面对表面之间的所述间隙测量的距离为0.5mm至1.5mm。
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