TWM634330U - 預清潔反應器 - Google Patents

Abstract

本創作提供一種預清潔反應器，包括：反應腔體，腔體頂部包括一等離子產生裝置，以及位於等離子產生裝置下方的氣體擴散板，使得等離子產生裝置中產生的等離子體流經所述氣體擴散板後熄滅，並向下到達待處理晶圓；反應腔體內底部包括一基座用於承載待處理晶圓，所述基座包括冷卻液通道、位於冷卻液通道上方的加熱器和加熱器上方的熱傳導空間；還包括一冷卻液供應系統用於供應冷卻液到所述基座中的冷卻液通道，其中冷卻液供應系統包括一冷卻液源、多根流通管道和一閥門組，所述閥門組選擇性的使所述冷卻液流入基座或者經過所述至少一根流通管道回流到冷卻液源。

Description

預清潔反應器

本創作涉及半導體的技術領域，尤其涉及一種預清潔反應器，用於實現對晶圓的表面的自然氧化物和其它污染物的清潔。

在半導體元件製造的各種工序中，隨著技術的演進，半導體元件的關鍵尺寸(Critical Dimension)越來越小，半導體元件中不同結構層之間的材料層厚度也越來越小。當前的高端半導體處理工藝的關鍵尺寸已經小於5nm，所以材料層的厚度也只有幾十層原子的厚度。在材料層如此薄的前提下，晶體結構就會對半導體元件造成很大的影響，所以需要半導體元件中的材料層最佳的為具有規則晶體結構的材料層。但是晶圓需要在不同處理設備之間傳輸，傳輸過程需要進入大氣環境，這會導致晶圓表面存在大量被自然氧化的材料(SiO₂)，這些氧化矽覆蓋在單晶矽基片表面會導致材料層無法形成均一的晶體材料層。為此在進行矽或者其它半導體材料外延生長前，需要利用專用的預清潔反應器將這種自然氧化物或者其它污染物清除。

現有的預清潔反應需要經過兩個步驟進行：低溫成鹽步驟(20-70度)，首先通入經過遠程等離子啟動後的清潔反應氣體組，反應氣體組包括氟、氮、氫等成分的自由基，與晶片表面的氧化矽反應產生固體鹽；然後進行高溫昇華步驟，升高晶圓溫度，使得晶圓溫度上升到使所述固體鹽昇華氣化的溫度(大於110度)，昇華後的氣體被排氣系統抽走，完成一個成鹽昇華迴圈，蝕 刻掉表面的氧化矽。完成固體鹽昇華後，進入下一個氧化矽清除迴圈，降低晶圓溫度進入下一個迴圈中的低溫成鹽步驟。為了提高預清潔反應器的處理速度，就需要使得晶圓升溫降溫速度最大化，同時還需要保持晶圓內的溫度均一性。如圖1所示為現有技術預清潔反應器的基本結構，包括反應腔體10，反應腔體10的側面包括一傳輸口103用於晶圓傳入/傳出反應腔體10。反應腔體10內頂部上方包括一個遠端等離子體源(RPS)，遠端等離子體源將反應氣體或者惰性氣體點燃等離子後，向下經過第一氣體擴散板22和第二氣體擴散板24擴散並且熄滅帶電粒子，形成自由基向下到達待處理晶圓W。第二氣體擴散板24外周圍還包括加熱器25，實現對第二氣體擴散板24的加熱。待處理的晶圓W放置在基座14上方，基座14中包括冷卻液管道12，冷卻液管道12與外部的冷卻液源聯通，使得基座14維持在低溫以進行低溫成鹽步驟。基座14的頂部表面包括一個晶圓熱傳導空間16，晶圓熱傳導空間16中包括多個向上凸起的支撐部，使得晶圓W放置在支撐部上，支撐部之間的空間聯通到一個導熱氣體供應系統，導熱氣體供應系統提供穩定的壓力到晶圓熱傳導空間16。其中導熱氣體供應系統通過調控可以使得導熱氣體的壓力維持在2-3Torr，略小於晶圓W上方的反應氣壓。這樣的導熱氣體壓力既能保證晶圓W穩定吸附在基座14上方，又能保證足夠的導熱氣壓，使得晶圓W上的熱量可以經過導熱氣體傳遞到基座14上，實現晶圓W降溫。一個支撐座11位於基座14下方，用於支撐基座14，並且支撐座11中可以設置包括熱傳導氣體管道和冷卻液管道。基座14中還包括一個舉升裝置150，通過幾個分開設置的舉升頂針151、152支撐上方晶圓W。在進行預清潔處理時，首先使舉升裝置150處於低位元，晶圓W固定在基座14上實現降溫，同時控制加熱器25使得第二氣體擴散板24 維持在足夠高的溫度(180度以上)。完成低位元成鹽步驟後，通過舉升裝置150升起晶圓使得晶圓W貼近高溫的第二氣體擴散板24，兩者的間距需要極小(小於2mm)，使得高溫氣體擴散板24的熱量通過輻射和少量氣流擴散到晶圓W以減少升溫時間。

上述現有技術可以快速實現晶圓W的溫度從高溫狀態降低到低溫狀態，但是在升溫過程中由於輻射的功率較小，加熱需要較長時間。此外習知技術還存在其它技術問題，晶圓W在舉升到氣體擴散板時晶圓W與第二氣體擴散板24之間的間距需要非常均一，這就要求舉升裝置150上連接的舉升頂針上端確定的平面與第二氣體擴散板24下表面之間具有極高的平行度，實際反應器很難保證這一點。在進行高溫昇華後晶圓W的溫度也已到達高溫狀態，在短時間內大幅升溫會導致晶圓W發生微量的變形翹曲。在放回低溫的基座14上時，邊緣翹曲的晶圓W與基座14上的晶圓熱傳導空間16無法實現密閉，晶圓W無法被有效吸附在基座14上，反應氣體也會從晶圓W邊緣與基座14之間的縫隙流入晶圓W背面的晶圓熱傳導空間W，晶圓W背面橫向流動的氣流導致晶圓W溫度不均勻、污染物在晶圓W背面生成等一系列問題。同時由於晶圓W邊緣漏氣也會導致晶圓W無法有效緊貼吸附雜基座14的表面，只有部分晶圓W區域與基座14的表面存在直接接觸形成高導熱區，其它區域只能通過輻射降溫，因此會進一步惡化晶圓W的溫度均一性。

所以習知技術的預清潔反應器雖然能實現晶圓快速降溫，但是無法實現快速升溫，同時在晶圓加熱和冷卻過程中會帶來一系列影響溫度均一性的問題。業內需要一種新的預清潔反應器設計，實現晶圓快速加熱和快速降溫，同時保證晶圓具有溫度均一性。

與習知技術相比，本創作實施例的技術方案具有以下有益效果：提高預清潔反應器的處理效率，減少晶圓背面污染物產生，提高預清潔處理效果的穩定性。

本創作提供了一種預清潔反應器，包括：反應腔體，反應腔體內底部包括一基座用於承載待處理晶圓，所述基座包括冷卻液通道、位於冷卻液通道上方的加熱器和加熱器上方的熱傳導空間；腔體頂部包括一等離子體產生裝置，以及位於等離子產生裝置下方的氣體擴散板，等離子產生裝置使得反應氣體點燃並形成等離子體，所述反應氣體流經所述氣體擴散板後熄滅，並向下到達待處理晶圓；還包括一冷卻液供應系統用於供應冷卻液到所述基座中的冷卻液通道，其中冷卻液供應系統包括一冷卻液源、多根流通管道和至少一閥門組，所述閥門組選擇性的使所述冷卻液流入基座或者經過所述至少一根流通管道回流到冷卻液源。

其中熱傳導空間中包括多個支撐棱，以及多個貫穿所述多個支撐棱的熱傳導氣體通道。多個支撐棱中包括一個位於基座上表面外側的圓形第一支撐棱，所述第一支撐棱的高度高於被第一支撐棱包圍的其它支撐棱，使得晶圓背面邊緣與最外側支撐棱互相緊貼實現密封，保證熱傳導的高效。

其中冷卻液供應系統包括與基座連接的第一流通管道和形成旁路的第二流通管道，所述閥門組位於第一流通管道和第二流通管道之間。進一步地，可以在所述旁路管道上設置有一個限流閥，使得昇華步驟中流過旁路管道上的流量與成鹽步驟中流經基座的流量保持基本一致。其中所述閥門組可以包 括第一閥門連接在第一流通管道和冷卻液源之間，還包括一第二閥門連接在冷卻液源和第二流通管道之間。或者所述閥門組也可以是一個三通閥門。

進一步的，所述閥門組還包括一排液閥門，所述排液閥門連接在外部氣體源和所述第一流通管道之間，在加熱昇華步驟中可以進一步減少加熱器向下的熱傳導，減少升溫時間，提供處理效率。

10,100:反應腔體

101,11:支撐座

103:傳輸口，開口

110,14:基座

112,12:冷卻液管道

114,125,25:加熱器

116:熱傳導空間

116a:支撐棱

116b:流通槽

1160:導熱氣體流通孔

120:頂蓋

122,22:第一氣體擴散板

124,24:第二氣體擴散板

150:舉升裝置

151,152:舉升頂針

16:晶圓熱傳導空間

200:冷卻液源

201a,201b,201c,202a,202b:管道

203:供氣管道

204:限流閥

213:閥門組

V1:第一閥門

V2:第二閥門

V3:第三閥門

W:晶圓

圖1為習知技術預清潔反應器的結構示意圖；圖2為本創作預清潔反應器的結構示意圖；圖3為本創作預清潔反應器中基座頂視圖和局部剖面示意圖；圖4為本創作預清潔反應器中冷卻液供應系統示意圖；以及圖5為本創作預清潔反應器中冷卻液供應系統另一實施例示意圖。

正如背景技術所述，現有預清潔反應器無法快速加熱同時存在加熱和降溫過程中溫度不均一的問題，嚴重影響晶圓處理的效率和品質，為此，本創作致力於提供一種新的預清潔反應器，以下進行詳細說明。

圖2為本創作一種預清潔反應器的結構示意圖。

請參考圖2，預清潔反應器包括：反應腔體100；反應腔體100內包括一個能實現加熱和冷卻的基座110，基座110由鋁等高導熱金屬材料製成，基座110內包括位於下方的冷卻液管道112，位於冷卻液管道112上方加熱器114，加熱器114的上方的基座110頂面包括一熱傳導空間116，待處理晶圓放置在熱傳導空間116上方。基座110通常可以選擇高導熱的金屬製成，比如鋁，在暴 露於反應氣體的上表面可以塗覆或者形成一層耐腐蝕材料層，比如陽極氧化鋁或者氧化釔等，防止基座110表面材料被腐蝕帶來顆粒污染。基座110底部還包括一支撐座101，支撐座101內包括冷卻液管道、提供加熱器114加熱功率的線路、氣體管道與外部導熱氣體供應系統聯通的管道。反應腔體100的側壁包括用於晶圓傳輸的開口(或稱傳輸口)103。反應腔體100頂部包括頂蓋120，頂蓋120上方為遠端等離子體源提供等離子體進入頂蓋120下方的第一氣體擴散板122和第二氣體擴散板124，並使自由基均勻的流入下方晶圓上方的反應空間。第二氣體擴散板124外周圍設置有一個功率較小的加熱器125，加熱器125加熱第二氣體擴散板124，使得第二氣體擴散板124一直維持在一個穩定的溫度，如50-60度，使得第二氣體擴散板124不會因溫度的大幅變化發生變形，進而避免流過第二氣體擴散板24下表面的氣體流量分佈不均。習知技術中由於第二氣體擴散板124需要維持在高於180度的高溫狀態，所以從室溫組裝完成到反應器到高溫工作狀態下，第二氣體擴散板124會發生大幅膨脹，受外部反應腔體100限制時第二氣體擴散板24會被擠壓發生變形，這會導致氣流分佈會隨著溫度變化而變化，無法達到穩定均一的氣流分佈。本創作中的第一氣體擴散板122和第二氣體擴散板124僅為示例，可以只用一個氣體擴散板實現氣體的均勻擴散和熄滅等離子的功效，也是本創作預清潔反應器中氣體擴散板的一種實施例。

圖1所示遠程等離子源位於腔體上方，直接供應等離子到反應腔體內，也可以被其它等離子源替代。如設置在反應腔體100內頂部的等離子源，在反應腔體100內通過電容耦合(CCP)或電感耦合(ICP)等激勵裝置點燃等離子體後經過下方氣體擴散板熄滅等離子，只有自由基向下到達晶圓與晶圓表 面的氧化矽反應形成鹽。上述多種等離子源都可以作為等離子產生裝置應用於本創作的反應腔體中。

圖3為本創作的基座110的基座頂視圖和局部剖面，位於上方的基座頂視圖示出了基座頂表面中心為一個導熱氣體流通孔1160，環繞導熱氣體流通孔1160的包括多個環形支撐棱116a，支撐棱116a從中心到邊緣呈同心圓排布，還包括多個流通槽116b，呈放射狀排布實現各個支撐棱116a之間互相氣體聯通。導熱氣體通過流通槽116b擴散到各個支撐棱116a之間的空隙，通過導熱氣體實現晶圓與基座110之間的熱傳遞。其中位於基座110上表面內側的支撐棱116a也可以不是環形的，而是多個小形的圓柱形支撐台，大量支撐台互相間隔分佈在整個基座110上表面，實現對晶圓的支撐，導熱氣體的流通在各個支撐台之間。圖3中位於下方的圖片為基座頂視圖中X處的局部剖面圖，在局部剖面圖中示出了晶圓W放置在基座表面，其中最外側的支撐棱116a的高度略高於內側的其它支撐棱或支撐台的高度，使得最外側的支撐棱與晶圓W外圈底面互相緊貼形成密封，防止晶圓W上方反應空間中的反應氣體與晶圓W背面的熱傳導氣體互相流動。從而保證晶圓W背面維持穩定的熱傳導係數，也避免反應氣體進入晶圓W背面形成污染物。

如圖4所示，本創作中基座內的冷卻液管道112連接到一個可切換的冷卻液供應系統。該冷卻液供應系統包括冷卻液源200用於輸出低溫冷卻液，通過管道201a到達一個閥門組213，閥門組213中至少包括一個第一閥門V1和一個第二閥門V2。管道201a通過第一閥門V1選擇性聯通到管道201b的第一端，其中管道201b上還串聯有一個限流閥204。管道201a通過第二閥門V2聯通到管道202a，並輸送冷卻液到基座110中的冷卻液管道112的輸入端，最後通過冷 卻液管道112的輸出端聯通到管道202b，管道202b與管道201b的第二端相聯通，最後冷卻液經過一個管道201c回流到冷卻液源200。

採用本創作提供的預清潔反應器後，待處理晶圓W被傳輸進入反應腔體內的基座110上後，熱傳導空間116內維持在較低壓(2-3torr)，晶圓W上表面的反應空間氣壓約為3-5torr，實現晶圓W的真空吸附。

進入成鹽步驟進行如下操作：基座110內的加熱器114停止輸入加熱功率，冷卻液供應系統中的第一閥門V1關閉，同時開通第二閥門V2使得冷卻液流入基座110，基座110被快速降溫。冷卻液管道112中的冷卻液快速流動帶走基座110中的熱量，晶圓W上的熱量通過熱傳導空間116與基座110互相傳遞，最終使得晶圓W的溫度降低或者維持在可以適合進行成鹽步驟的溫度，如30-80度。

在完成成鹽步驟後，需要進入昇華步驟使得晶圓W溫度達到能使生成在晶圓W上的鹽昇華的溫度。在昇華步驟中，停止向基座110中輸入冷卻液，並且加熱器114開始輸入加熱功率進行升溫，加熱器114中產生的熱量大部分向上用於加熱上方的晶圓W，少量熱量會向下穿過沒有冷卻液或者少量冷卻液殘留的冷卻液管道112區域向下擴散。加熱器114在整個基座110上均勻排布，可以是漸開線形的也可以是多個環形加熱絲組合成的，或者多個傘形獨立加熱絲的組合，只要能夠均勻加熱上方晶圓W均適用於本創作。在昇華步驟中，需要關閉第二閥門V2使得冷卻液不再流入基座110，同時開通第一閥門V1使得冷卻液經過管道201b和限流閥204回流，防止冷卻液流量急劇變化導致冷卻液供應系統中的裝置損壞，同時冷卻液管道112中的冷卻液也會有部分流 出基座110回流到冷卻液源200。由於冷卻液管道內只有少量高熱導的冷卻液，所以冷卻液管道112形成的熱阻使得向下傳遞的熱量最小化。

為了進一步排空冷卻液管道112中殘餘的冷卻液，本創作提出了如圖5所示的冷卻液供應系統變形實施例。如圖5所示，該冷卻液供應系統中還包括一個供氣管道203，通過第三閥門V3聯通到管道202a，在進入昇華步驟，關閉第二閥門V2後，導通第三閥門V3使得高壓空氣進入管道202a，將冷卻液管道112中的剩餘冷卻液排出冷卻液管道112，並回流到冷卻液源200。在進入成鹽步驟時關閉第一閥門V1、第三閥門V3，導通第二閥門V2，使得冷卻液再次流入基座110。

本創作中的冷卻液只需要進行冷卻，不需要在高溫狀態下保留在高溫基座中，所以可以選擇水等沸點較低的冷卻液，當然也可以選擇沸點更高的冷卻液，只要能夠快速致冷就可實現本創作的目的。為了改善基座中冷卻液入口和出口之間溫度均一性，可以在冷卻液中添加相變材料微膠囊，由於冷卻液中未膠囊的存在，使得冷卻液在基座中吸收熱量後不會升溫，只會發生微膠囊的相變，所以冷卻液在流經基座中冷卻液入口和出口處時溫度能維持穩定，不會因吸熱而導致逐漸升溫，進而導致不同部位的熱吸收量不同。微膠囊中填充由熔點較低的材料如石蠟等。

習知技術中，由於基座需要一直維持在低溫，並且在完成昇華步驟後高溫的晶圓在降回基座上表面時需要快速降溫，所以基座需要極高的熱容量，使得基座能夠吸收晶圓上帶來的熱量後仍能維持在低溫狀態，所以基座中的冷卻液需要持續流動。本創作中的基座聯通到一個可切換的冷卻液供應系統，在進入成鹽步驟需要冷卻基座時通入冷卻液，在昇華步驟中需要快速 升溫時同時加熱基座並且通過閥門組的切換使得冷卻液不流入基座，只經過限流旁路通道回流到冷卻液源。本創作中的閥門組也可以是一個三通閥門或者其它多個閥門元件的組合或者集成，只要能實現本創作中冷卻液選擇性通過不同管道流通，就可以適用於本創作。

雖然本創作披露如上，但本創作並非限定於此。任何本創作所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本創作的精神和範圍內，均可作各種更動與修改，因此本創作的保護範圍應當以申請專利範圍所限定的範圍為原則。

110:基座

112:冷卻液管道

200:冷卻液源

201a,201b,201c,202a,202b:管道

204:限流閥

213:閥門組

V1:第一閥門

V2:第二閥門

Claims (10)

1. 一種預清潔反應器，包括：一反應腔體，該反應腔體內底部包括一基座用於承載待處理的晶圓，該基座包括一冷卻液通道、位於該冷卻液通道上方的一加熱器和該加熱器上方的一熱傳導空間；該反應腔體的腔體頂部包括一等離子產生裝置，以及位於該等離子產生裝置下方的一氣體擴散板，該等離子產生裝置使得反應氣體點燃並形成等離子體，所述反應氣體流經該氣體擴散板後熄滅，並向下到達待處理的晶圓；還包括一冷卻液供應系統用於供應冷卻液到該基座中的該冷卻液通道，其中該冷卻液供應系統包括一冷卻液源、多根流通管道和至少一閥門組，該閥門組選擇性的使所述冷卻液流入該基座或者經過至少一根該流通管道回流到該冷卻液源。
2. 如請求項1所述的預清潔反應器，其中，該氣體擴散板的外周設置有一第二加熱器，用於加熱該氣體擴散板。
3. 如請求項1所述的預清潔反應器，其中，該基座的下方包括一支撐座，該支撐座中設置有用於提供熱傳導氣體的通道、用於輸送冷卻液的通道和用於輸送加熱功率的導線。
4. 如請求項1所述的預清潔反應器，其中，該熱傳導空間中包括多個支撐棱，以及貫穿該多個支撐棱的多個熱傳導氣體通道。
5. 如請求項4所述的預清潔反應器，其中，該多個支撐棱中包括一個位於該基座的上表面外側的圓形的一第一支撐棱，該第一支撐棱的高度高於被該第一支撐棱包圍的其它支撐棱。
6. 如請求項1所述的預清潔反應器，其中，該冷卻液供應系統包括與該基座連接的一第一流通管道和形成旁路的一第二流通管道，該閥門組位於該第一流通管道和該第二流通管道之間。
7. 如請求項6所述的預清潔反應器，其中，該第二流通管道上設置有一個限流閥。
8. 如請求項6所述的預清潔反應器，其中，該閥門組包括一第一閥門連接在該第一流通管道和該冷卻液源之間，還包括一第二閥門連接在該冷卻液源和該第二流通管道之間。
9. 如請求項6所述的預清潔反應器，其中，該閥門組為一個三通閥門。
10. 如請求項6所述的預清潔反應器，其中，該閥門組還包括一個排液閥門，該排液閥門連接在一外部氣體源和該第一流通管道之間。

Images