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CN113366145B - 具有可调式气体出口的喷头 - Google Patents

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CN113366145B
CN113366145B CN202080012187.0A CN202080012187A CN113366145B CN 113366145 B CN113366145 B CN 113366145B CN 202080012187 A CN202080012187 A CN 202080012187A CN 113366145 B CN113366145 B CN 113366145B
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Abstract

一种沉积工具包括：处理室；沉积基座，其用于支撑该处理室内的衬底，并且用于在该衬底的第一表面上沉积材料层；以及喷头组件，其具有相对于该衬底的第二表面的面板，该喷头的该面板具有多个可调式气体出口，其布置成当该材料层通过沉积基座正沉积于该衬底的第一表面上时分配清扫气体于该衬底的第二表面附近。

Description

具有可调式气体出口的喷头
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年1月31日申请的美国专利申请No.62/799,188的优先权利益，其通过引用合并于此以用于所有目的。
背景技术
本发明涉及沉积工具，尤其是具有可调式气体出口的喷头，所述可调式气体出口用于控制清扫气体的流速，以在衬底的一个表面上沉积的期间，防止在衬底的相对表面上伴随地沉积。
沉积工具通常用于沉积各种薄膜至衬底表面上，例如半导体晶圆、平板显示器及/或光伏设备上。这些设备在下文中统称为“衬底”。
在半导体工业中，通常沉积于衬底上的薄膜包括，但不限于，多晶硅、氮化硅、二氧化硅、某些金属(例如钨、镍、铝等)。通常形成于衬底的设备表面上的这些层随后进行图案化，以形成集成电路。
一或更多层的沉积通常引起机械应力，以作用在衬底上。这些机械应力一般会导致翘曲，这意味着衬底不再平坦。翘曲的衬底是有问题的。对于不平坦的衬底，在层的图案化期间可能会发生未对准，其接着可能导致缺陷和较低处理良率。
为了抵消翘曲，已知将一或更多层的材料沉积于与衬底的设备侧相对的背侧表面上。这些背侧层至少在约400℃或在低于约400℃的温度下对衬底提供拉伸和/或压缩强度及刚度。然而，在某些处理步骤中，例如退火或高温沉积，衬底暴露于非常高的温度，通常在800℃或更高的范围内。在这些较高的温度下，背侧层倾向“松弛”并失去其拉伸和/或压缩强度及刚度。因此，衬底将经常在高温下经历翘曲，其主要导致背侧层在防止翘曲方面无法起到作用。
高温下的翘曲问题的已知解决方式是在例如500℃至600℃范围的升高温度下进行背侧沉积。在该升高温度范围内进行背侧沉积时，背侧层的机械特性在很大程度上保持不变。换言之，即使在升高温度下，衬底翘曲的程度也显著降低。
无论温度为何，背侧沉积的附带结果是沉积材料可能环绕并伴随地沉积在衬底的设备侧。该伴随沉积是有问题的，因为其可能对在衬底的设备侧上制造的集成电路造成不利影响。
发明内容
公开了一种沉积工具，其包括具有可调式气体出口的喷头，所述可调式气体出口用于控制清扫气体的流速，以在衬底的一个表面上进行沉积的期间防止在衬底的相对表面上伴随地沉积。
该沉积工具包括：处理室；沉积基座，其用于支撑该处理室内的衬底，并且用于在该衬底的第一表面上沉积材料膜。该沉积工具还包括喷头组件，其具有相对于该衬底的第二表面的面板。该面板具有多个可调式气体出口，其布置成当该材料膜正沉积于该衬底的第一表面上时用于将清扫气体分配于该衬底的第二表面附近。环绕衬底并伴随地进入衬底的设备侧上方空间的任何背侧沉积材料被清扫气体的流动去除。因此，减少或完全消除衬底的设备表面上的伴随膜沉积。
可调式气体出口各自布置成用于容纳可移除的插件。气体出口可各自使用不同的插件进行配置。例如，可使用具有不同数量的孔、不同孔图案、不同孔直径的插件，或者甚至没有孔的插件。通过选择不同的插件，即可控制清扫气体的流动，以符合工具规格及操作条件。另外，用于给定喷头组件的插件无须全部相同。例如，各个插件可具有更多或更少的孔、不同的孔图案、具有不同直径的孔等。因此，可以在衬底的第一表面正上方的每一插件位置处分别控制清扫气体的局部流动。由于插件是可以移除的，因此其可以在需要时变化，包括当沉积工具在现场时。因此，客户及终端使用者可根据需求或随着操作参数的变化来配置喷头组件。
附图说明
通过参考以下结合附图的描述，可最佳地理解本申请及其优点，其中:
图1为根据本发明的非排他性实施方案的包括具有可调式气体出口的喷头的沉积工具立体剖视图。
图2为根据本发明的非排他性实施方案的具有可调式气体出口的喷头组件的剖视图。
图3A-3B为根据本发明的非排他性实施方案的喷头组件的面板及可调式气体出口的图。
图4A-4B为根据本发明的非排他性实施方案的喷头组件的可调式气体出口中所使用的插件的图。
图5为根据本发明的非排他性实施方案的喷头组件及沉积基座的剖视图。
在附图中，有时可使用类似组件符号，以标示类似结构元件。还应理解，附图中的描绘是示意性的，不一定按比例绘制。
具体实施方式
现在将参考如附图所示的一些非排他性实施方案来详细描述本申请。在以下描述中，阐述许多具体细节以提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域技术人员而言，显而易见，可在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实施本发明。在其他情况下，公知的工艺步骤和/或结构就不再详细描述，以免不必要地使本发明难以理解。
参考图1，其示出了本发明的非排他性实施方案的沉积工具10的立体剖视图。如下详细描述的，工具10能够(1)执行背侧衬底沉积，并且(2)同时通过使用清扫气体来防止背侧沉积材料伴随沉积于衬底的设备侧上。在多种实施方案中，沉积工具10可以是等离子体增强(PECVD)、低压(LPCVD)、超高真空(UHVCVD)、原子层沉积(ALD)、等离子体增强原子层沉积(PEALD)、或任何其他类型的沉积工具。
工具10包括由处理室侧壁14和顶板16所定义的处理室12。位于处理室12内的是沉积基座20。沉积基座20可以是执行以下功能的任何设备：(a)支撑处理室12中的衬底，以及(b)能够在衬底的背侧上沉积薄膜。在非排他性的实施方案中，沉积基座为沉积反应物分散基座。喷头组件18以类似“支形吊灯”方式从顶板16垂下，而沉积基座20提供用于在喷头组件18正下方支撑衬底的平台。
沉积基座20将衬底(未示出)支撑在衬底环22上。沉积基座20还将通过设置于沉积基座20的杆26中的供应管24所接收的沉积气体供应至衬底的背侧。沉积基座20用于将沉积气体分配于跨越衬底背面的间隙28内。沉积基座20还包括加热组件30，其负责于背侧沉积期间将沉积反应物加热至约400℃或更高。
当施加射频(RF)时，在处理室内产生等离子体。因此，在升高的温度下，将薄膜沉积于衬底的背侧上。如上所述，该背侧沉积的目的是为了防止或降低后续处理步骤(包括在高温下进行的步骤，如退火)期间衬底的翘曲。
喷头组件18包括圆柱体32、顶部清扫板34以及至少部分插入圆柱体32中的转接插塞36。转接插塞36包括用于将清扫气体供应至设置于圆柱体32内的充气室40的清扫气体供应入口38。接着，将充气室40中的清扫气体通过在顶部清扫板34下方且在面板42(相对于衬底的顶面)后方的另一充气室41横向分配。利用该布置，由气体供应入口38供应的清扫气体流过两充气室40、41，流出面板42上的多个可调式气体出口44，并且进入衬底的设备侧正上方的区域。真空(未示出)将清扫气体抽出或吸出衬底的设备侧正上方的区域。因此，上方清扫气体的流动起到去除任何沉积材料(其伴随地进入衬底的设备侧上方的区域)的作用。因此，减少或完全消除任何伴随的设备侧沉积。
在多种实施方案中，所使用的一或更多种清扫气体为惰性气体，例如氮、氩、氦或其组合。
参考图2，其仅示出喷头组件18的立体剖视图。如图所示，该喷头组件18包括圆柱体32、顶部清扫板34、转接插塞36、清扫气体供应入口38、包含于圆柱体32中的充气室40、形成于顶部清扫板34与面板42之间的气室41、以及多个可调式气体出口44。
另外，喷头组件18包括压缩环46以及用于将压缩环46和转接插塞36一起夹持于圆柱体32内的夹具47。该转接插塞36还布置成用于容纳处理室12内所需的若干“实用件(utilities)”。这些实用件包括(但不限于)射频(RF)杆48、功率供应导管50以及热电偶或“TC”52。
参考图3A-3B，其示出了包括面板42以及可调式出口44的喷头组件18的图。
如图3A所示，面板42包括多个可调式气体出口44。在所示的该特定实施方案中，共有十八(18)个可调式气体出口44布置于面板42的表面上。
如图3B所示，每一可调式气体出口44包括穿过面板42的厚度而形成的孔54。在每一孔54内，插入了插件56。在所示的特定实施方案中，插件56包括七(7)个较小的孔58。因此，该特定的喷头组件18共有十八(18)个可调式气体出口44，以及(b)每个可调式气体出口44有七(7)个孔58，或者共有一百二十六(126)个遍及面板42而设置的孔56。
参考图4A-4B，其示出了示例性插件56的图。图4A示出了插件56的立体图，而图4B则示出了剖视图。
如两个图中所示，插件56包括具有清扫气体入口端62及清扫气体出口端64的中空圆柱体60。孔58设置于气体清扫出口端处。
插件56配置成选择性地插入设置于面板42中的孔54中。当被插入时，清扫气体入口62与形成于顶部清扫板34与面板42之间的充气室41流体连通。因此，清扫气体从充气室41向下流至中空圆柱体60，并且流出衬底的设备侧正上方的孔58。
应当注意，如图3A-3B及4A-4B所示的面板42、可调式气体出口44以及插件56的特定实施方案仅为示例，其在任何方面均不应被解释为限制性的。相反，面板42可假定为任何所期望的形状，尽管通常其将假定为与衬底有相同或相似的形状。另外，可调式气体出口44的数量以及布置也可以广泛地变化。可调式气体出口44的数量可多于或少于十八(18)个，且其可以任何图案布置于面板42上。另外，插件56还可以根据需要或根据期望进行修改。例如，根据需求、流速或其他规格，可改变插件56的清扫气体出口端64处的孔58的数量，以增加或减少孔的总数。
于一特定但非排他性的实施方案中，孔56的直径为约0.04英寸或1.0毫米。在其他实施方案中，孔的直径可以更大或更小，例如在0.001至0.06英寸之间的范围内。孔56的尺寸或直径也可以根据需要进行变化，以符合清扫气体的流速或其他规格。
处理室12中所使用的RF的频率也可能影响可使用的孔56的直径。例如，就27.112MHz的RF而言，相比于使用13.56MHz，其要求较小的孔56直径。在较高RF频率下，需要较小的直径，以防止中空阴极放电或电弧放电，其会损坏衬底上的设备。
通过使用插件56，可以若干方式选择性地调整或控制清扫气体的流速。第一，可改变可调式气体出口44的数量。第二，如果特定喷头组件18具有可能所需的更多可调式气体出口44，则可插入没有孔58的插件56用作“插塞”。第三，当使用具有孔58的插件56时，孔58的数量、间距以及直径都可以改变，以符合所期望或所需的流速。插件56的使用提供下述优点，即使在沉积工具10已安装在客户位置后，喷头组件18也可以在现场配置。通过拆卸喷头组件18，例如在例行维护期间，可根据需要改变插件56，以符合变化的操作条件。类似地，如果工具所使用的RF发生变化，则可基于该理由而在现场轻易替换具有合适尺寸孔58的新插件。
另外，用于给定喷头组件的插件56无须全部相同。例如，某些插件56可以与其他插件56具有不同数量的孔58或不同图案的孔58，或者一些插件56可具有孔58，而其他插件56则没有。因此，每一插件56所产生的清扫气体的局部流动相对于衬底的设备侧可呈高可调性。例如，在某些情况下，衬底中心附近具有较高的清扫气体流速，而周缘处具有较低的流速是可以理解的。在该情况中，用于朝向面板42中心的插件56被配置成具有较高流速，而朝向周缘的插件56则具有较低流速。这仅是喷头组件18的可调式气体出口44可以如何配置成根据需要或期望来控制清扫气体在衬底的设备侧不同区域上方的局部流动的示例。通过使用具有不同数量的孔58、孔58的布置或图案、孔58的直径的插件56、以及策略性地将不同插件56放置于面板42的不同位置处，可以以几乎无数方式来控制或调整衬底的设备侧上方的局部清扫气体流动模式。
在非排他性实施方案中，喷头组件18由陶瓷制成。使用陶瓷提供若干益处，包括热稳定性以及几何稳定性、在高达600℃或甚至更高的升高温度下具较高的耐受性、低颗粒生成、以及对工艺气体(例如三氟化氮(NF3)和/或远程等离子体清洁(RPC)期间可能使用的其他气体)的抗性。陶瓷还具有使用寿命长及制造成本合理的优点。尽管陶瓷是合适的材料，但也可以使用其他材料，例如陶瓷涂覆的金属。
喷头组件18还负责在背侧沉积期间加热衬底。在不同实施方案中，除了如上所述的其他提供的实用件外，喷头组件还包括单区加热组件或多区加热组件(皆未示出)。喷头组件18通常在510℃至520℃的范围内加热衬底。
喷头组件18还可以用于在处理室12的例行清洁循环期间输送原位清洁气体。这种清洁气体可以包括例如氟。除了清洁处理室12内的暴露表面之外，清洁气体还将清洁喷头组件18的暴露部分，其包括面板42以及插件56的各个孔58。
参考图5，其示出了背侧沉积和设备侧清扫期间的喷头组件18以及沉积基座20的剖视图。
衬底70被沉积基座20的衬底环22围绕其外围支撑。通过该布置，衬底的背侧的大部分被暴露于下方间隙28内。
在背侧沉积期间，沉积气体向上流过杆26内的供应管24，被加热组件30加热，并接着横向分配于充气室72内。一旦分配于充气室72内，沉积气体即通过穿过沉积基座20顶面所形成的通孔74的阵列向上流入间隙28。箭头76绘出了沉积气体流过沉积基座20并且进入间隙28的路径。因此，衬底70的背面暴露于沉积气体。当施加RF时，在处理室12以及间隙28中产生等离子体，因而在衬底70的背侧上形成薄膜。
通过控制沉积气体的温度，即可执行所谓的高或低背侧沉积。如前所述，当在较高温度下进行沉积时，所得层在随后高温处理步骤期间则更好地保持其拉伸及压缩强度。因此，即使面临升高温度时，例如退火或高温沉积期间所经历的高温，衬底仍保持实质上平坦。
在多种实施方案中，沉积气体通常含硅，例如含有氮化物、二氧化碳、一氧化碳、硅烷或其组合的气体。在其他实施方案中，也可以使用气化前体，例如四乙基硅氧烷(TEOS)。
在背侧沉积期间，喷头组件18在510℃至520℃的范围内加热衬底70，并供应连续的清扫气体流遍及衬底70的设备表面。清扫气体的行进路径包括供应入口38、充气室40与41、以及穿过设置于面板42的可调式气体出口44中的插件56的孔58。真空80(通过阀82流体耦合至衬底上方的空间)施加真空压力以去除衬底上方的清扫气体。伴随进入衬底的设备侧上方空间的任何背侧沉积材料被清扫气体的流动扫除。因此，减少或完全消除衬底的设备表面上伴随的膜沉积。
应当理解，本文所提供的实施方案仅为示例，不应在任何方面解释为限制性的。尽管仅详细描述一些实施方案，但应当理解，本申请可以在不背离本文所提供的公开内容的精神或范围下，以许多其他形式来实现。因此，本实施方案应被视为说明性而非限制性的，且不限于本文给出的细节，并可在随附的权利要求的范围和等同方案中进行修改。

Claims (17)

1.一种沉积工具，其包括：
处理室；
沉积基座，其用于支撑所述处理室内的衬底，并且被配置成当操作期间所述衬底被所述沉积基座支撑时，将沉积气体供应至所述衬底的背侧以在所述衬底的第一表面上沉积材料膜；
喷头组件，其具有在所述衬底被所述沉积基座支撑时在所述衬底的第二表面上方的面板，所述喷头组件的所述面板具有多个可调式气体出口，所述可调式气体出口能调整为：当所述衬底被所述沉积基座支撑时并且所述材料膜在所述衬底的所述第一表面上的背侧沉积期间在所述衬底的所述第二表面附近选择性地控制清扫气体的流；以及
多个插件，所述插件中的每一者能容纳在所述多个可调式气体出口的相应的可调式气体出口中，
其中所述多个插件中的两个或更多者彼此不同，以及
其中所述多个插件中的所述两个或更多者被配置成当操作期间所述衬底被所述沉积基座支撑并且所述清扫气体流动通过所述多个插件时，向所述衬底的所述第二表面提供所述清扫气体的不同局部流动模式，
其中所述多个插件中的至少一者是插塞，以用于在所述清扫气体流动通过所述喷头组件时阻挡所述清扫气体流动穿过所述相应的可调式气体出口。
2.根据权利要求1所述的沉积工具，其中所述插件中的每一者是能移除的，并且所述可调式气体出口中的每个被配置为容纳所述多个插件中的任一插件。
3.根据权利要求1所述的沉积工具，其中所述插件中的每一者具有一或更多个孔，其用于在所述衬底被所述沉积基座支撑并且所述清扫气体从所述喷头组件流动时在所述衬底的所述第二表面附近分配所述清扫气体。
4.根据权利要求3所述的沉积工具，其中所述一或更多个孔中的每一者具有0.001至0.06英寸范围的直径。
5.根据权利要求3所述的沉积工具，其中所述一或更多个孔中每一者的直径的尺寸与在所述衬底被所述沉积基座支撑且所述材料膜正沉积于所述衬底的所述第一表面上时施加于所述处理室的射频(RF)源的频率相关，其中所述射频(RF)源的所述频率越高，所述直径的尺寸则越小，而所述射频(RF)源的所述频率越低，所述直径的尺寸则越大。
6.根据权利要求1所述的沉积工具，其中所述喷头组件至少部分地由能够耐受400℃或更高温度的材料制成。
7.根据权利要求1所述的沉积工具，其中所述喷头组件至少部分地由陶瓷材料制成。
8.根据权利要求1所述的沉积工具，其中所述多个插件由陶瓷材料制成。
9.根据权利要求1所述的沉积工具，其中所述喷头组件还包括：
圆柱体；以及
充气室，其包含于所述圆柱体中，用于在清扫气体被输入所述喷头组件时供应所述清扫气体至所述喷头组件的所述面板。
10.根据权利要求9所述的沉积工具，其中所述喷头组件还包括转接插塞，所述转接插塞至少部分地插入所述圆柱体中，所述转接插塞包括供应入口，以供应所述清扫气体至所述充气室。
11.根据权利要求1所述的沉积工具，其中所述喷头组件还包括：
圆柱体；
转接插塞，其至少部分地插入所述圆柱体中；以及
一或更多夹具，其用于将所述转接插塞夹持于所述圆柱体中。
12.根据权利要求11所述的沉积工具，其还包括压缩环，该压缩环被设置在所述转接插塞与所述圆柱体之间。
13.根据权利要求1所述的沉积工具，其中所述喷头组件还包括：
圆柱体；以及
转接插塞，其至少部分地插入所述圆柱体中，所述转接插塞配置成包含下述一或多者：
(a) 射频（RF）功率供应杆；
(b)功率供应导管；或
(c)热电偶。
14.根据权利要求1所述的沉积工具，其中所述清扫气体为惰性气体。
15.根据权利要求1所述的沉积工具，其中所述清扫气体系选自下述的一者：
(a)氮；
(b)氩；
(c)氦；或
(d) (a)至(c)的任一组合。
16.根据权利要求1所述的沉积工具，其还包括真空和阀，以用于在操作期间所述衬底被所述沉积基座支撑并且所述清扫气体从所述喷头组件流动时，从所述衬底的所述第二表面附近的空间去除所述清扫气体。
17.根据权利要求1所述的沉积工具，其中所述喷头组件还包括充气室，所述充气室在所述面板附近，以在操作期间清扫气体被输入所述喷头组件时供应所述清扫气体至所述可调式气体出口。
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