喷头清扫环的制作方法

喷头清扫环
优先权主张
1.本技术要求于2020年3月19日申请的印度专利申请no.202031011832的优先权利益，其全部公开内容都通过引用合并于此。
技术领域
2.本文公开的主题总体上涉及半导体制造装置中的喷头清扫环。


背景技术：

3.这里提供的背景描述是为了总体呈现本公开的背景的目的。当前指定的发明人的工作在其在此背景技术部分以及在提交申请时不能确定为现有技术的说明书的各方面中描述的范围内既不明确也不暗示地承认是针对本公开的现有技术。
4.在一些半导体装置中，例如原子层沉积(ald)装置，可能会出现与喷头背面上的材料堆积有关的问题。在喷头上形成的不希望有的颗粒会落到衬底上，从而损坏衬底。
5.在一些操作中，清扫气体充气室存在于喷头杆和清扫环的内径之间。当喷头杆倾斜或未完全居中时，这种设计会导致清扫气体被夹住。这种倾斜和偏心会导致清扫气体不均匀，从而导致喷头背面沉积和颗粒剥落。
6.需要一种提供更好的清扫气流的喷头清扫环，该清扫气流不受喷头倾斜或居中的影响，以避免在喷头上的背面沉积。


技术实现要素：

7.在一方面，喷头清扫环包括用于清扫气体的内部充气室，因此喷头清扫环不受喷头杆倾斜和不居中的影响。设置清扫气体出口孔的尺寸、位置和方位以提供最佳的喷头背面清扫均匀性。
8.在一个方面，喷头清扫环由多片层压陶瓷结构形成。陶瓷结构也可以进行3d打印的以创建内部清扫腔，而无需将多个陶瓷片层压在一起。新的喷头清扫环使得喷头清扫均匀性与杆同心度以及角度脱耦。设计中清扫孔的尺寸、位置和方位是根据深入的流动建模选择的以产生最佳的清扫均匀性。该设计将清扫充气室移动到清扫环中，因此它不受喷头杆倾斜和同心度的影响。
9.喷头清扫环的一些优点包括：
[0010]-喷头背面清扫气体的均匀性不受喷头倾斜或居中的影响，
[0011]-该设计是单件式结构，从而导致在制造过程中将喷头清扫环组装或安装在工具上的方式很少或没有变化，
[0012]-该设计减少或消除喷头背面沉积和产生的颗粒，并且
[0013]-对于升级当前客户的影响非常低。
[0014]
一个总体方面包括一种喷头清扫环，该喷头清扫环包括顶部部分和底部部分，底部部分耦合到顶部部分并与顶部部分同心。顶部部分具有用于引导工艺气体的中空中心和
位于顶部部分的侧面的用于清扫气体的入口。底部部分具有中空中心，以将工艺气体导向喷头。引导清扫气体的充气室限定在喷头清扫环内，并且底部部分包括用于排放喷头上方的清扫气体的孔。
[0015]
另一个总体方面是用于制造喷头清扫环的方法。该方法包括制造陶瓷材料顶部部分的操作。顶部部分具有用于引导工艺气体的中空中心和位于顶部部分的侧面的用于清扫气体的入口。此外，该方法包括用于制造陶瓷材料的底部部分的操作，其中底部部分具有用于将工艺气体导向喷头的中空中心。该方法还包括在底部部分钻孔以排放喷头上方的清扫气体以及将顶部部分和底部部分结合在一起的操作。底部部分与顶部部分同心，并且用于引导清扫气体的充气室被限定在喷头清扫环内。
附图说明
[0016]
各种附图仅图示了本公开的示例性实施方案并且不能被视为限制其范围。
[0017]
图1图示了根据一个示例性实施方案的原位沉积系统。
[0018]
图2示出了根据一些示例性实施方案的喷头清扫环的位置。
[0019]
图3是根据一些示例性实施方案的喷头和基座组件周围的流量的表示。
[0020]
图4是根据一些示例性实施方案的喷头清扫环的第一设计。
[0021]
图5图示了根据一些示例性实施方案的喷头上沉积物的形成。
[0022]
图6是根据一些示例性实施方案的改进的喷头清扫环。
[0023]
图7是根据一些示例性实施方案的喷头清扫环的底部部分的细节。
[0024]
图8是根据一些示例性实施方案的喷头清扫环的仰视图。
[0025]
图9是根据一些示例性实施方案的喷头清扫环的顶部的透视图。
[0026]
图10是根据一些示例性实施方案的喷头清扫环的有线线路表示。
[0027]
图11示出了根据一些示例性实施方案的喷头清扫环的横截面以及内部几何形状的一些细节。
[0028]
图12a-12d示出了根据一些示例性实施方案的喷头清扫环设计的实验结果。
[0029]
图13是根据一些示例性实施方案的用于制造喷头清扫环的方法的流程图。
具体实施方式
[0030]
示例性方法、系统和计算机程序针对新喷头清扫环的设计。示例仅代表可能的变化。
[0031]
图1图示了根据一个示例性实施方案的原位沉积系统。作为示例，本文提供的沉积技术可以在等离子体增强化学气相沉积(pecvd)反应器或保形膜沉积(cfd)反应器中实施。这样的反应器可以采取多种形式并且可以是包括一个或多个室或反应器的装置的一部分——有时包括多个站——每个站可以容纳一个或多个晶片并且可以被配置为执行各种晶片操作。一个或多个室可以将晶片保持在一个或多个限定位置(在该位置内有或没有运动，例如旋转、振动或其他搅动)。在一种实现方案中，在所公开的实施方案中执行的操作之前，可以在工艺期间将经历膜沉积的晶片从反应器或室内的一个站转移到另一个站。在其他实现方案中，晶片可以在装置内从一个室转移到另一个室以执行不同的操作。完全沉积或用于任何沉积步骤的总膜厚度的任何部分可以完全在单个站发生。在处理过程中，每个
晶片可以通过基座、晶片卡盘和/或其他晶片保持装置保持在适当位置。对于要加热晶片的某些操作，该装置可以包括加热器，例如加热板。由lam research corp.(fremont,calif.)生产的vector
tm
(例如，c3 vector)或sequel
tm
(例如，c2 sequel)反应器都是可用于实施本文所述技术的合适反应器的示例。
[0032]
图1提供了一个框图，其描述了为实施本文所述的方法而布置的各种反应器部件。如图所示，反应器系统100包括处理室136，该处理室136包围反应器系统100的其他部件并用于容纳由电容放电型系统产生的等离子体，该系统包括与接地加热器块132一起工作的喷头108。高频(hf)射频(rf)hfrf发生器102和低频(lf)射频(rf)lfrf发生器104连接到匹配网络106和喷头108。由匹配网络106提供的功率和频率可能足以从供应给处理室136的工艺气体产生等离子体。在典型的工艺中，hfrf分量通常可以在5mhz到60mhz之间，例如，13.56mhz。在存在lf分量的操作中，lf分量可以从大约100khz到2mhz，例如430khz。
[0033]
在处理室136内，基座130支撑衬底(例如，晶片128)。基座130包括卡盘、叉(未示出)或升降销(未示出)以在操作之间保持晶片128并将晶片128进出处理室136传送。卡盘可以是静电卡盘、机械卡盘或可用于工业和/或研究的各种其他类型的卡盘。
[0034]
可以通过入口124引入各种工艺气体。多个源气体管线(例如，气体管线118、气体管线120)连接到歧管122。气体可以预混合或可以不被预混合。可以采用相应的阀和质量流量控制机构(例如，阀110、阀116)来确保在工艺中每个操作的沉积和等离子体处理阶段期间输送正确的工艺气体。在化学前体以液体形式输送的情况下，可以采用液体流动控制机制。然后在到达处理室136之前，在加热到高于以液体形式供应的化学前体的汽化点的歧管中的运输过程中，这些液体可以汽化并与工艺气体混合。
[0035]
分配器114连接到入口124。分配器114分配包含在与分配器114耦合的小瓶126中的化学物质，例如tma、锌、镁或氟。在一个示例性实施方案中，小瓶126中的前体包括涂敷处理室136内壁的化学物质(例如tma)。这些涂层防止衬底材料(例如铝)的扩散和/或释放，防止化学侵蚀(例如氟)，提供所需的电性能，或修复表面损坏(例如，通过原位清洁)。
[0036]
工艺气体可以通过出口112离开处理室136。真空泵134(例如，一级或二级机械干泵和/或涡轮分子泵)可以用于将工艺气体抽出处理室136并且通过使用诸如节流阀或摆阀之类的闭环控制的限流设备(未示出)来维持处理室136内的适当低压。
[0037]
如上所述，本文讨论的沉积技术可以在多站或单站工具上实施。在一些实现方案中，可以使用用于处理450mm晶片的工具。在各种实现方案中，可以在每个沉积工艺之后对晶片进行转位，或者如果蚀刻室或站也是同一工具的一部分，则可以在蚀刻步骤之后对晶片进行转位，或者在对晶片进行转位之前可以在单个站上进行多次沉积和处理。在一些实现方案中，可以在沉积每一层之后，例如在沉积底层之后，或在沉积原子级平滑层之后，对晶片进行转位。
[0038]
在一些实施方案中，可以提供一种装置，其被配置为执行本文所述的技术。根据公开的实施方案，合适的装置可以包括用于执行各种工艺操作的硬件以及具有用于控制工艺操作的指令的系统控制器138。系统控制器138包括一个或多个存储器设备和一个或多个处理器，它们与各种工艺控制设备(例如阀、rf发生器、晶片搬运系统等)通信连接，并被配置为执行指令，以便该装置将执行根据公开的实施方案的技术。包含用于控制根据本公开的工艺操作的指令的机器可读介质可以耦合到系统控制器138。系统控制器138可以与各种硬
件设备(例如分配器114、质量流量控制器、阀、rf发生器、真空泵等)通信连接，以便于控制与本文所述的沉积操作相关的各种工艺参数。
[0039]
在一些实施方案中，系统控制器138控制反应器系统100的所有活动。系统控制器138可以执行存储在大容量存储设备中、加载到存储器设备中并且在处理器上执行的系统控制软件。替代地，控制逻辑可硬编码在系统控制器138中。专用集成电路、可编程逻辑设备(例如，现场可编程门阵列或fpga)等可用于这些目的。在以下讨论中，无论在何处使用“软件”或“代码”，都可以使用功能上相当的硬编码逻辑来代替它。系统控制软件可以包括用于控制从小瓶126分配化学品的时序、气流的时序、晶片移动、rf发生器激活等的指令，以及用于控制气体的混合物、室和/或站压力、室和/或站温度、晶片温度、目标功率电平、rf功率电平、衬底基座、卡盘和/或基座位置，以及由反应器系统100执行的特定工艺的其他参数的指令。可以以任何合适的方式配置系统控制软件。例如，可以编写各种处理工具组件子例程或控制对象以控制执行各种处理工具工艺所必需的处理工具部件的操作。系统控制软件可以任何合适的计算机可读编程语言编码。
[0040]
系统控制器138通常可以包括一个或多个存储器设备和一个或多个被配置为执行指令的处理器，使得该装置将执行根据本公开的技术。包含用于控制根据公开的实施方案的工艺操作的指令的机器可读介质可以耦合到系统控制器138。
[0041]
本文所述的方法和装置可以与诸如以下描述的那些用于制造或制造半导体器件、显示器、led、光伏面板等的光刻图案化工具或工艺结合使用。通常，虽然不是必要地，这些工具/工艺将在共同的制造设施中一起使用或操作。膜的光刻图案化通常包括以下步骤中的一些或所有，每个步骤用多个可行的工具执行：(1)使用旋涂或喷涂工具在工件(例如，公开的实施方案中提供的衬底或多层堆叠)上涂覆光致抗蚀剂；(2)使用热板或加热炉或紫外线固化工具固化光致抗蚀剂；(3)使用例如晶片步进曝光机之类的工具使光致抗蚀剂暴露于可见光或紫外线或x射线；(4)使抗蚀剂显影以便选择性地去除抗蚀剂并且从而使用例如湿式清洗台之类的工具将其图案化；(5)通过使用干式或等离子体辅助蚀刻工具将抗蚀剂图案转印到下方的膜或工件(例如无定形碳底层)上；并且(6)使用例如射频或微波等离子体抗蚀剂剥离器之类的工具去除抗蚀剂。
[0042]
图2示出了根据一些示例性实施方案的喷头清扫环206的位置。气体流过喷头清扫环206的中心开口208进入室。在一些示例性实施方案中，位于室顶壁202上的喷头108内衬在室的顶部并且气体通过喷头108进入室。室底壁204保持用于在半导体制造装置的操作期间支撑衬底的基座210。
[0043]
喷头清扫环206围绕中心开口208，并且惰性气体(例如，氮气)流过喷头清扫环206流向喷头108上方的底部，并在喷头顶部周围环状分散以离开朝向室的底部。喷头清扫环206上有槽，其使得惰性气体能在室顶壁202内流动。
[0044]
具有清扫气体的目的是防止从喷头出来的气体(例如，沉积型气体)积聚在喷头上或喷头上方。如果没有良好的清扫，气体可能会在喷头上方再循环，并在喷头上产生不希望的颗粒积聚。
[0045]
在半导体制造装置的操作期间，喷头108可能不完全平行于基座210，这意味着喷头的面不完全平行于衬底。存在用于调整喷头108的面的平面以使其平行于基座210的机构，例如将喷头调整1
°
。此外，喷头108可能不完全围绕基座210居中。
[0046]
然而，这些调整通常会导致清扫气体在衬底的整个区域上不均匀地流动。清扫气体可能被夹在一侧，并且在喷头清扫环206的圆周上具有不同的流速。这些小的调整会导致清扫气体流量的大变化，并产生易于经受喷头108背面沉积的小流量区域。
[0047]
实验表明，喷头108倾斜1
°
可能导致室顶壁202的某些部分中的流速是其他部分的两倍或更多，这会导致不希望的不均匀性。有时，喷头的某些部分可能会接收到非常少量的清扫气体。
[0048]
图3是根据一些示例性实施方案的喷头和基座组件周围的流量的表示。清扫入口302是清扫气体进入喷头清扫环206的入口点。清扫气体通过侧面的槽离开喷头清扫环206，并且清扫气体在喷头周围循环并流向气体出口306，气体出口306连接到气体真空排气泵以排出清扫气体和工艺气体。
[0049]
在一些示例性实施方案中，在室204的底部的基座的相对角上存在两个气体出口306。从靠近出口306之一的喷头清扫环206流出的气体具有直接路径并且容易流动；然而，从其他角落之一流出的气体必须围绕底部流动，靠近喷头，并流向出口306之一。这种较长的流动路径会产生问题区域，其中气体流动可以再循环并夹带喷头上方的沉积材料。
[0050]
在一些示例性实施方案中，在室底部使用挡板(未示出)以改进所有方向上的流动并使流动均匀。该挡板置于底座下方。
[0051]
图4是根据一些示例性实施方案的喷头清扫环206的第一设计。喷头清扫环206是图2-3中所示的那个。清扫气体通过入口302进入喷头清扫环206并向下流过喷头清扫环206以通过槽402离开。在一些示例性实施方案中，提供三排槽402并且每排包括四个槽402，但其他实施方案可以使用不同数量的排和每排不同数量的槽。
[0052]
工艺气体通过中心开口208进入并向下流动以在喷头清扫环206的底部离开。安装孔408用于安装清扫气体管线。喷头清扫环206顶部的三个孔410用于将喷头清扫环206安装到调节机构和顶板上。
[0053]
图5根据一些示例性实施方案示出了喷头上沉积物的形成。图5显示了喷头108左侧周围的区域。在对室进行操作之后，在喷头108上方和室顶壁202的壁上发现了沉积残留物积累。这表明室顶壁202正获得再循环、积累、然后剥离以迁移到衬底表面的前体。
[0054]
在一些示例中，工艺气体包括氩气、氧气、n2o和n2中的一种或多种，其流速在4000和25000标准立方厘米每分钟(sccm)之间。在一些示例性实施方案中，清扫气体是流速为25000sccm的n2，但也可以使用其他清扫气体和流速。
[0055]
改变喷头清扫环206的设计的挑战之一是用户已经建立了良好的沉积工艺，并且用户不希望必须重新设计他们的所有工艺。此外，用户需要一个在现有配置内合适的替换部件，而不需要对室结构进行昂贵的替换操作。目标是改变喷头清扫环206，以便可以在不重新设计室的情况下更换喷头清扫环并改进清扫气流。
[0056]
图6是根据一些示例性实施方案的改进的喷头清扫环602。喷头清扫环602用分布在整个侧面的孔608替代了底部部分周围的通风槽。
[0057]
在一些示例性实施方案中，有四排孔608，每排有均匀分布在喷头清扫环602的圆周上的12个孔；即，每个孔与同一排中的相邻孔分开30
°
，从顶部看，该30
°
是从喷头清扫环602的中心测量的。一排中的孔在其上排或下排中的孔之间竖直间隔开；也就是说，从顶部看，这些孔将分开15
°
。
[0058]
此外，每个孔608是从喷头清扫环602的内部通向外部的圆柱形孔。然而，圆柱体向下倾斜，例如从水平面测量的角度为-30
°
。下面参考图11提供关于孔608的结构的更多细节。
[0059]
在一些示例性实施方案中，孔608的直径为0.1英寸(2.54mm)，但是其他实施方案可以使用其他孔尺寸。此外，孔的尺寸可以按排变化以控制不同高度的清扫气体的流动。
[0060]
在其他示例性实施方案中，每排具有18个孔，这在实验期间显示出适当的清扫气体流动性能。然而，孔数量的增加提高了制造成本，而清扫性能却没有大的改善。
[0061]
应当注意，图6中所示的实施方案是示例并且没有描述每个可能的实施方案。其他实施方案可使用不同数量的排(例如，在从2到6的范围内，或在从1到10的范围内)，每排不同数量的孔(例如，在从4到50的范围内，或在范围从6到24)，不同的孔尺寸(例如，在2mm到3mm的范围内，或在1mm到5mm的范围内，或在0.1mm到6mm的范围内)，以及不同的孔角度(例如,在从水平面0
°
到-70
°
的范围内)。因此，图6中所示的实施方案不应被解释为排他性或限制性的，而是说明性的。
[0062]
图6中所示配置的选择是为了产生足够的清扫气流而进行了几个月的测试和优化的结果。例如，实验表明，使不同排的孔竖直对齐会产生更差的清扫气流。
[0063]
在一些示例性实施方案中，喷头清扫环602包括两个部分：底部部分702和顶部部分902。图7是根据一些示例性实施方案的喷头清扫环602的底部部分702的细节。图8是根据一些示例性实施方案的喷头清扫环602的仰视图，其示出了在该环顶部的底侧上的定位销孔。图9是根据一些示例性实施方案的喷头清扫环602的顶部部分902的透视图。
[0064]
顶部部分902具有短的中空圆柱体的形状，其中已经通过直向下切割而取出了一部分。所得平坦表面包括清扫入口302和清扫气体管线安装孔。底部部分702也是中空圆柱体并且包括孔608。
[0065]
在一些示例性实施方案中，顶部部分902和底部部分702是结合在一起以形成喷头清扫环602的陶瓷部件。这两个部分扩散结合在一起以形成用于清扫气体的充气室，如图11中所示。因为部件是陶瓷的，所以增加更多的孔会增加制造工艺的成本。
[0066]
在另一个示例性实施方案中，用3d打印创建喷头清扫环602；因此，不需要结合陶瓷部件。
[0067]
图10是根据一些示例性实施方案的喷头清扫环602的有线线路表示。图10显示了孔如何向下倾斜并设置在中心孔的内表面和喷头清扫环602的外部之间。
[0068]
图11示出了根据一些示例性实施方案的喷头清扫环602的横截面以及内部几何形状的一些细节。充气室604形成在喷头清扫环602内部，紧邻工艺气体流动的中心开口208。图11还示出了孔608是如何向下倾斜的(为简单起见，仅示出了几个孔)。
[0069]
由于充气室604在喷头清扫环602内部，因此喷头的倾斜或居中不会影响清扫气体的流动。即，喷头移动不会夹住(pinch)清扫气体的流动。
[0070]
通过使孔向下倾斜，实验证明清扫气体以更高的速度流向喷头的边缘，这对于保持适当的清扫很重要。
[0071]
图12a-12d示出了根据一些示例性实施方案的喷头清扫环设计的实验结果。图表1202显示了使用喷头清扫环206，对于倾斜1
°
的喷头，在喷头后部的n2o质量分数的俯视图。不同的颜色对应于不同的n2o质量分数，以m/s为单位。
[0072]
区域1210显示出低n2o质量分数，表明良好的清扫。区域1212显示出高n2o质量分数，表明清扫不良。
[0073]
图12c也对应于第一喷头清扫环206并且区域1230示出清扫气体具有至少1m/s的速度的位置。可以观察到区域1232没有至少1m/s的清扫气流。
[0074]
图12b和12d对应于具有改进设计的喷头清扫环602，其使用成角度的孔而不是水平槽。图表1204显示低n2o质量分数，这意味着清扫气体可以很好地防止n2o进入该区域，即使存在1
°
倾斜。类似地，图表1208显示了清扫气体以2m/s或更高的速度流动的区域1240，其覆盖了喷头上方的孔圆周。
[0075]
图13是根据一些示例性实施方案的用于制造喷头清扫环的方法的流程图。尽管顺序地呈现和描述了该流程图中的各种操作，但普通技术人员将理解，一些或所有操作可以以不同的顺序执行、组合或省略、或并行执行。
[0076]
操作1302用于制造陶瓷材料的顶部部分。顶部部分具有用于引导工艺气体的中空中心和位于顶部部分侧面的用于清扫气体的入口。
[0077]
该方法从操作1302流向用于制造陶瓷材料的底部部分的操作1304。底部部分具有用于将工艺气体导向喷头的中空中心。
[0078]
在操作1306，在底部部分中钻出多个孔，以用于排放喷头上方的清扫气体。其他孔形成方法也是可能的。
[0079]
该方法从操作1306流向，在操作1308中顶部部分和底部部分结合在一起。底部部分与顶部部分同心，并且在喷头清扫环内限定用于引导清扫气体的充气室。
[0080]
在一个示例中，底部部分中的多个孔从底部部分的中空中心沿直线延伸到底部部分的外表面，该多个孔与水平面成一定角度朝下定向。
[0081]
在一个示例中，孔的直径在从2mm到3mm的范围内。在另一个示例中，孔的直径在从1mm到5mm的范围内。
[0082]
在一个示例中，多个孔设置在底部部分周围的多排中。
[0083]
在一个示例中，一排中的孔在上方一排或下方一排的孔之间竖直等距间隔开。
[0084]
在一个示例中，每排包括在从6到24范围内的多个孔。
[0085]
在一个示例中，多排包括四排并且每排包括12个孔。
[0086]
在一个示例中，多排包括在从2到6的范围内的排数。
[0087]
在一个示例中，多排包括四排孔。
[0088]
在一个示例中，顶部部分和底部部分是陶瓷。
[0089]
在整个本说明书中，多个实例可以实现描述为单个实例的组件、操作或结构。尽管一种或多种方法的单独操作被图示和描述为单独的操作，但是可以同时执行一个或多个单独的操作，并且不要求以所示的顺序执行这些操作。在示例配置中呈现为单独组件的结构和功能可以实现为组合结构或组件。类似地，作为单个组件呈现的结构和功能可以实现为单独的组件。这些和其他变化、修改、添加和改进都落入本文主题的范围内。
[0090]
在此说明的实施方案被足够详细地描述以使本领域技术人员能够实践所公开的教导。可以使用其他实施方案并从中派生出其他实施方案，从而可以在不脱离本公开的范围的情况下进行结构和逻辑替换和改变。因此，详细描述不应理解为限制性意义，并且各种实施方案的范围仅由所附权利要求以及这些权利要求所享有的全部等效范围来定义。
[0091]
如本文所用，术语“或”可以被解释为包括或排他的意思。此外，可以为这里描述的资源、操作或结构提供多个实例作为单个实例。此外，各种资源、操作、模块、引擎和数据存储之间的边界在某种程度上是任意的，并且在特定说明性配置的上下文中说明了特定操作。可以设想其他功能分配并且可以落入本公开的各种实施方案的范围内。通常，在示例配置中呈现为单独资源的结构和功能可以实现为组合结构或资源。类似地，呈现为单个资源的结构和功能可以实现为单独的资源。这些和其他变化、修改、添加和改进落入如所附权利要求所表示的本公开的实施方案的范围内。因此，说明书和附图被认为是说明性的而不是限制性意义。