用于高溫操作的溫度受控蓮蓬頭的制作方法

專利名稱：用于高溫操作的溫度受控蓮蓬頭的制作方法
用于高溫操作的溫度受控蓮蓬頭相關申請案的交叉參考本申請案主張2009年12月18日申請的第12/642，497號美國專利申請案的優先 權，且所述專利申請案以引用的方式并入本文中。
背景技術：
化學氣相沉積(CVD)腔室通常包含蓮蓬頭，其具有穿孔或多孔平面表面以在例如 半導體襯底表面等第二平行平面表面上以均勻方式分配反應物和載氣。襯底可經加熱到前 驅體反應而導致沉積在襯底表面上的膜的過程溫度。蓮蓬頭反應器或平行板反應器有助于 實施等離子增強型工藝，例如等離子增強型化學氣相沉積(PECVD)。襯底支撐件(例如，支 座)可經接地且用作電極中的一者。蓮蓬頭可用作RF功率所施加到的另一電極。在另一 配置中，RF功率可施加于襯底支撐件，而蓮蓬頭可接地。沉積均勻性可能受到例如襯底和蓮蓬頭的溫度等過程參數的變化的不利影響。這 些變化可能在過程起始(例如，在到達穩定狀態之前)、清潔循環和閑置期間出現。舉例來 說，當初始接通反應器時，蓮蓬頭的溫度穩定可能要花費較長時間。蓮蓬頭可通過來自襯底 (或襯底支座)的輻射和通過等離子來加熱，所述等離子可在處理期間的某點引入，從而引 起額外的溫度波動。在同時，蓮蓬頭由于來自其外表面的輻射而可能將一些熱釋放到流經 蓮蓬頭的過程氣體。此外，溫度變化可能由系統中的其它較持久改變引起，例如蓮蓬頭的表 面發射率的漂移。可變溫度可引起所沉積膜的實質不均勻性。此外，在高溫下操作蓮蓬頭 縮短了其操作壽命且導致粒子污染。舉例來說，高于300°C的溫度可導致鋁蓮蓬頭表面上的 氟化鋁的快速形成。氟化鋁趨于剝落且下落到下方的襯底上。需要新的設備和方法來較精確地控制蓮蓬頭溫度和在較低溫度下操作蓮蓬頭。

發明內容
具有增強的熱傳遞特征的溫度受控CVD蓮蓬頭提供準確且穩定的溫度控制，且減 少由腔室中的變化引起的溫度波動。此蓮蓬頭能夠在操作環境中的改變擾動系統(例如， 接通等離子產生器、將新襯底引入到支座上、改變過程氣體的流動速率)時快速恢復到溫 度設定點。準確的溫度控制改進了襯底與襯底間的均勻性。使用溫度傳感器來監視面板溫度且提供反饋以用于控制加熱元件和/或熱交換 器。有效的熱傳遞路徑存在于面板與加熱元件之間以及面板與熱交換器之間，從而允許有 效的熱供應或從面板的熱移除。熱傳遞特性由背板和桿的大橫截面型面促進。此外，例如 鋁6061-T6等具有高熱傳導率的材料用于元件的構造。由通過使高熱容量冷卻流體通過熱 交換器和安裝在桿中的高功率加熱元件而建立的溫度梯度來驅動熱傳遞。與準確的溫度控制相關的熱傳遞和耗散特性允許在盡管存在從支座到面板的實 質熱通量的情況下與附近支座的溫度相比在大體上更低(例如，約100°c與300°C之間)的 溫度下操作蓮蓬頭。較低溫度延長了蓮蓬頭的操作壽命且最小化粒子污染。在某些實施例 中，熱耗散也是在背板和桿上提供高發射率外表面的結果。
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可容易從蓮蓬頭移除加熱元件、熱交換器和溫度傳感器。在某些實施例中，可在不 影響沉積腔室的內部環境的情況下替換這些組件。換句話說，在替換上述蓮蓬頭組合件組 件中的一者或一者以上的同時，沉積腔室可維持在低操作壓力下。可移除的組件簡化了蓮 蓬頭和總體沉積系統的故障查找和維護且最小化其停工時間。在某些實施例中，一種用于在化學氣相沉積(CVD)設備中使用的溫度受控蓮蓬頭 組合件包含熱傳導桿；背板，其附接到所述熱傳導桿；面板，其熱耦合到所述熱傳導桿且 附接到所述背板；加熱元件，其熱耦合到所述熱傳導桿；熱交換器，其熱耦合到所述熱傳導 桿；以及溫度傳感器，其熱耦合到所述面板。所述溫度受控蓮蓬頭可經配置以通過在所述可 移除加熱元件與所述面板之間和所述可移除熱交換器與所述面板之間提供熱傳遞路徑來 將所述面板的溫度維持于預定范圍內。面板可具有經配置以用于過程氣體的均勻分配的多 個通孔。在特定實施例中，加熱元件、熱交換器和/或溫度傳感器可從溫度受控蓮蓬頭組合 件移除。所述熱傳導桿的實心橫截面沿著軸部分的長度平均來說可為至少約5平方英寸。 熱傳導桿、背板和/或面板可由具有至少約150瓦/ (米 開爾文)的熱傳導率的材料制成。 在特定實施例中，熱傳導桿、背板和/或面板由鋁6061和鋁3003制成。背板的平均厚度可 為至少約2英寸，而面板的平均厚度在約0. 5英寸與1英寸之間。所述面板與所述背板之 間的平均間隙可在約0. 25英寸與0. 75英寸之間。所述面板與所述背板之間的接觸面積可 在約30平方英寸與50平方英寸之間。所述面板可具有約13. 5英寸與16. 5英寸之間的直 徑。在某些實施例中，熱交換器包含經配置以允許冷卻流體的流動的對流冷卻流體通 路。所述冷卻流體可為水或液體防凍溶液。在相同或其它實施例中，熱交換器定位于距所 述面板約7英寸內。溫度受控蓮蓬頭組合件可經配置以針對所述面板的在約0. 2與0. 8之 間的發射率而將所述面板的溫度維持在約200°C與300°C之間。在某些實施例中，加熱元件 包含兩個筒形加熱器，每一筒形加熱器經配置以提供至少約500W的功率輸出。桿可包含頂表面。加熱元件可定位于所述桿內且經配置以通過所述頂表面而放置 于所述桿中和從所述桿移除。此外，溫度傳感器可定位于所述桿內且經配置以通過所述頂 表面而放置于所述桿中和從所述桿移除。在某些實施例中，桿和/或背板的外表面具有高發射率。舉例來說，所述高發射率 表面可為陽極氧化鋁。在某些實施例中，一種用于在部分制造的半導體襯底上沉積半導體材料的化學氣 相沉積(CVD)系統包含處理腔室，其經配置以維持所述處理腔室內的低壓力環境；襯底支 撐件，其用于固持所述部分制造的半導體襯底且將所述部分制造的半導體襯底的溫度維持 在約500°C與600°C之間；以及溫度受控蓮蓬頭組合件。所述溫度受控蓮蓬頭組合件可進一 步包含熱傳導桿；背板，其附接到所述熱傳導桿；面板，其熱耦合到所述熱傳導桿且附接 到所述背板；加熱元件，其熱耦合到所述熱傳導桿；熱交換器，其熱耦合到所述熱傳導桿； 以及溫度傳感器，其熱耦合到所述面板。所述溫度受控蓮蓬頭經配置以通過在所述加熱元 件與所述面板之間和所述熱交換器與所述面板之間提供熱傳遞路徑來將所述面板的溫度 維持于預定范圍內。所述溫度受控蓮蓬頭的所述面板可定位于距所述襯底支撐件約0.7英 寸內。所述溫度受控蓮蓬頭可經配置以在所述襯底支撐件維持于約500°C與550°C之間的同時將所述面板的溫度維持于約200°C與300°C之間。在某些實施例中，CVD系統還包含原 位等離子產生器。在某些實施例中，CVD系統是單臺沉積系統。在其它實施例中，CVD系統包含第二 襯底支撐件。第一襯底支撐件和第二襯底支撐件可定位于同一處理腔室內且經配置以暴露 于同一環境。在其它實施例中，CVD系統還包含經配置以維持不同的環境的第二處理腔室。 第一和第二襯底支撐件可定位于不同的處理腔室(例如，第一處理腔室和第二處理腔室) 中。


圖1是四臺腔室中隨著時間的蓮蓬頭溫度的曲線圖。圖2A是在各種蓮蓬頭溫度下沉積的氮化硅間隔物厚度的曲線圖。圖2B是在各種蓮蓬頭溫度下沉積的氮化硅間隔物的膜應力的曲線圖。圖3A是根據某些實施例的溫度受控蓮蓬頭的橫截面圖。圖;3B是根據某些實施例的溫度受控蓮蓬頭的俯視圖。圖4A是根據某些實施例的面板的橫截面圖。圖4B是根據某些實施例的面板的仰視圖。圖5是根據某些實施例的溫度受控蓮蓬頭組合件的示意圖。圖6是根據某些實施例的用以減少或消除RF噪聲的RF濾波器的一個實施例的示 意圖。圖7是根據某些實施例的系統的示意圖。
具體實施例方式在以下描述中，陳述許多具體細節以便提供對本發明的詳盡理解。本發明可在沒 有這些具體細節中的一些或全部的情況下實踐。在其它實例中，未詳細描述眾所周知的過 程操作以免不必要的混淆本發明。雖然將結合具體實施例來描述本發明，但將了解不希望 將本發明限于所述實施例。在本申請案中，術語“襯底”和“晶片”將可互換使用。以下詳細描述假定本發明 實施于半導體處理設備上。然而，本發明不受此限制。所述設備可用以處理各種形狀、大小 和材料的工件。除了半導體晶片以外，可利用本發明的其它工件包含例如顯示器面平面印 刷電路板等各種物件。蓮蓬頭溫度隨著時間漂移且影響沉積反應速率和膜性質。圖1是在無任何溫度控 制(即，不對蓮蓬頭施加加熱或冷卻)的情況下50晶片運行上的四臺沉積腔室中的四個蓮 蓬頭溫度的曲線圖。第一臺蓮蓬頭溫度對應于線102。第二臺蓮蓬頭溫度對應于線104。第 三臺蓮蓬頭溫度對應于線106。且最終，第四臺蓮蓬頭溫度對應于線108。隨著時間過去， 第二、第三和第四臺的蓮蓬頭溫度增加，直到其在約3700秒時達到穩定狀態溫度為止。腔 室中的等離子條件以線110表示為階躍函數。初始地，在虛設沉積模式中提供等離子以加 熱蓮蓬頭，且在約10分鐘之后晶片處理開始。在第一臺中，溫度在晶片處理開始之后開始 逐漸減小，因為所述臺處的每一傳入晶片(其大體上比蓮蓬頭冷)在晶片被加熱到過程溫 度時使腔室組件(包含蓮蓬頭)冷卻。因此，后續臺中的溫度分布漸進地較高。第二臺蓮蓬頭比第三臺蓮蓬頭冷，因為到第二臺的傳入晶片比到第三臺的傳入晶片冷。對于所有的 臺，蓮蓬頭溫度在某個時間之后達到平衡溫度。圖1說明正在多臺腔室中處理的襯底將在不同的臺處經歷不同的蓮蓬頭溫度。同 一問題在典型的單臺腔室中出現。舉例來說，蓮蓬頭溫度可在所述臺上沉積多個子層時波 動。在沉積期間，蓮蓬頭中的熱傳遞是受到支座溫度、等離子存在及其功率以及其它因素影 響的動態過程。如果不有效地控制，那么蓮蓬頭經歷實質的溫度偏差。在蓮蓬頭溫度影響所 沉積膜性質的情形中，在同一晶片上使用不同蓮蓬頭沉積的每一層可能導致不同性質。對 蓮蓬頭溫度的波動尤其敏感的一個CVD工藝實例是氮化硅間隔物的沉積。另一此實例是使 用正硅酸乙酯(TE0Q前驅體的沉積。由不同的蓮蓬頭溫度引起的膜性質差異在以下兩個實例中說明。圖2A展示在不 同蓮蓬頭溫度下沉積的膜厚度的繪圖。在所有其它過程參數保持恒定的情況下，較高的蓮 蓬頭溫度導致較厚的膜。因此，在晶片運行的開始(例如，在某個閑置時間或腔室清潔之后 和在蓮蓬頭仍相對冷時)沉積的層將比一旦過程到達穩定狀態時沉積的層薄。圖2B說明 蓮蓬頭溫度對氮化硅間隔物膜的應力的影響。隨著蓮蓬頭溫度增加，應力水平減小。應力 水平的變化可對裝置性能(例如，晶體管)具有不利影響。溫度受控蓮蓬頭改進了單臺和多臺設備中的塊體膜和個別子層兩者的襯底到襯 底均勻性，通過消除非處理延遲(例如，使溫度穩定)而增加了處理量，通過在較低溫度下 操作蓮蓬頭而減少粒子污染，且允許對各種膜性質的較好控制。在某些配置中，較精確的控 制確保腔室中的多個蓮蓬頭是以大體上類似的過程參數且接近于目標參數來操作。因此， 不同子層的膜性質受到較好控制。改進溫度控制和提供較充足的熱路徑可用以減少蓮蓬頭的熱循環。換句話說，蓮 蓬頭溫度可在沉積、閑置和/或清潔期間維持在相當的水平。熱循環的減少增加了處理的 處理量(通過最小化或消除溫度斜升和穩定周期)且幫助減少因蓮蓬頭表面上的沉積物的 剝落引起的粒子污染。蓮蓬頭表面上的沉積物具有與蓮蓬頭的材料不同的熱膨脹系數，從 而導致在熱循環期間沉積物的剝落。粒子污染也可通過降低蓮蓬頭的操作溫度來減少。即使在緊密接近蓮蓬頭處在約 4000C -600°C下處理襯底，與散熱相關的有效熱傳遞允許將蓮蓬頭的面板維持在約200°C 與300°C之間。應注意，為了本文獻的目的，針對面板提供蓮蓬頭溫度參考(除非另外陳 述)。通過將熱從面板通過背板和桿傳遞到熱交換器、通過來自背板的輻射和/或其組合來 移除熱。除了粒子污染的減少以外，某些CVD工藝需要較低的蓮蓬頭溫度來實現特定膜性 質。舉例來說，降低蓮蓬頭溫度改進了某些膜中的應力水平，如圖2B證明。大體上，存在兩種主要類型的CVD蓮蓬頭枝形吊燈(chandelier)型和齊平安裝 型。枝形吊燈型蓮蓬頭具有桿，其在一端附接到腔室的頂部且在另一端附接到面板。桿的 一部分可從腔室頂部突出以用于連接氣體管線和RF功率。齊平安裝型蓮蓬頭集成到腔室 的頂部中且通常不具有桿。本文獻大體上涉及枝形吊燈型蓮蓬頭，然而應了解，某些特征也 可在齊平安裝型蓮蓬頭中使用，如所屬領域的技術人員在給出本文提供的描述的情況下將 容易了解。蓮蓬頭溫度在添加或移除熱時改變。此熱中的一些是以可控方式，例如基于當前 登記溫度和設定點來添加或移除。下文進一步描述的蓮蓬頭的各種組件實現此可控過程。然而，一些熱由于周圍條件的改變而傳遞，且必須對此傳遞進行補償以便維持穩定溫度。舉 例來說，在接通等離子時由于帶電粒子與蓮蓬頭的碰撞而將熱添加到蓮蓬頭。此外，可通過 例如經處理晶片或支座等其它周圍組件來加熱蓮蓬頭。當較冷材料(例如，通過蓮蓬頭供 應的反應物氣體，或從加載鎖(load-lock)或另一較冷的臺引入的襯底)引入到腔室中時， 蓮蓬頭釋放熱。此外，由于向其它腔室組件的傳導(例如，通過蓮蓬頭桿材料到腔室頂篷) 和輻射(例如，來自背板)而損失熱。圖3A是根據本發明某些實施例的溫度受控蓮蓬頭300的示意性橫截面圖。蓮蓬 頭300可為圖5的情形中進一步描述的蓮蓬頭組合件的一部分以及圖7的情形中進一步描 述的沉積系統的一部分。蓮蓬頭300包含熱傳導桿304、背板306以及面板308。桿304和 背板306可為單獨的機械組件或集成為單個主體。以類似方式，背板306和面板308可為 單獨的機械組件或集成為單個主體。舉例來說，這些組件中的兩者或兩者以上可由單個材 料塊制造在一起，或在制造之后以這些組件無法容易分離的方式附接在一起(例如，焊接、 按壓、熔接在一起)。后一種方法可提供集成組件之間的較好熱傳遞。然而，以可移除方式 附接的組件可能在一個或一個以上組件可能需要周期性改變的實施例中是優選的。舉例來 說，面板308可以可移除方式附接到背板306以允許對歧管區域316的維護，以在一個面板 磨損時替換面板308或用具有不同分配圖案(例如，在圖4B的情形中進一步描述的底表面 上的孔圖案)的另一面板替換面板308。以類似方式，背板306可以可移除方式附接到面板 308和/或附接到桿304。在某些實施例中，可用具有不同熱傳遞特性的不同背板來替換背 板 306。在某些實施例中，桿304具有圓柱形形狀，其平均直徑(如圖3A所示的Dstem)在約 2英寸與4英寸之間，或更具體來說約2. 5英寸與3. 5英寸之間，或更加具體來說約2. 75英 寸與3. 25英寸之間。應注意，本文獻中呈現的尺寸對應于針對處理300mm晶片配置的蓮蓬 頭(除非另外說明)。應了解，可針對經配置以處理不同襯底類型和大小(例如，200mm晶 片、450mm晶片等)的蓮蓬頭使用其它尺寸。表征桿304的另一方式是基于其實心橫截面積(即，不包含任何開口的橫截面材 料表面)。在某些實施例中，此橫截面平均來說在約3平方英寸與10平方英寸之間，或更具 體來說約4平方英寸與8平方英寸之間。桿304的高度(圖3A中所示為Hstem)可平均來說 在約1英寸與5英寸之間，或更具體來說約2英寸與4英寸之間，或更加具體來說約2. 5英 寸與3. 5英寸之間。然而，與例如在圖5的情形中論述的距熱耦合到桿的熱交換器的距離相比，桿的 長度對于熱分析來說可能較不相關。此外，當分析桿的熱傳導率時應考慮桿中提供的任何 特征，例如過程氣體饋送開口 310、溫度傳感器開口 312和加熱元件開口 314。其它熱分析考 慮包含用于桿構造的材料的熱性質(例如，熱傳導率、熱容量)、溫度梯度、到其它元件(例 如，熱交換器、背板)的熱耦合以及其它。背板306也可具有圓柱形形狀。在某些實施例中，背板306可表征為如圖3A和圖 3B所示的圓盤堆疊。舉例來說，堆疊可包含兩個、三個、四個、五個或更多圓盤。在特定實 施例中，背板是三個圓盤的堆疊。通常定位于堆疊的底部且與面板308接觸的最大圓盤可 具有約12英寸與14英寸之間的直徑(圖中未做參考)和約0. 5英寸與1英寸之間的厚度 (圖中未做參考)。另一圓盤的直徑(圖:3B中的D2back plate)可比最大圓盤小約0. 5英寸與1. 5英寸之間，且具有約0. 5英寸與1英寸之間的厚度(圖3A中的H2BAcmATE)。又一圓柱 體的直徑(圖3B中的DIbmpute)可比最大圓柱體小約2.0英寸與4.0英寸之間，且具有約 1. 0與2. 0英寸之間的厚度(圖3A中的HIback
PLATE/ °大體上，上文描述的各種圓盤堆疊形成單個統一主體(例如，由單個材料塊制造 或使用焊接、按壓、熔接或其它技術而永久附接在一起)。在某些實施例中，每一圓盤可為可 以模塊化方式與相同或不同大小的其它圓盤堆疊在一起以形成背板的單獨組件。圓盤的數 目和大小可基于熱傳遞要求來選擇，且可針對不同要求重新配置到另一堆疊中。面板308可稍微大于襯底，例如對于300mm晶片蓮蓬頭類型，直徑(圖中的Dfkqnt plate)為襯底的約100%與125%之間或在約14英寸與16英寸之間。為了確保整個面板308 上的熱均勻性且向背板306和從背板306傳導熱，面板可具有的厚度(圖3A中的Tfkqnt plate) 為至少約0. 5英寸，或更具體來說約0. 5英寸與1英寸之間，或更加具體來說約0. 7英寸與 0. 8英寸之間。此外，前板308與背板306的組合可由兩者之間的接觸面積來表征，所述接 觸面積在某些實施例中可在約10平方英寸與30平方英寸之間，或更具體來說約15平方英 寸與25平方英寸之間。如圖3A到;3B所示，接觸區域可成形為具有約12英寸與16英寸之 間的直徑和約0. 25英寸與1英寸之間的橫截面的環。上文描述的蓮蓬頭組件可由能夠在典型CVD腔室的環境(例如，基于氟化物的化 學品、等離子)和條件(例如，高達約600°C的溫度)中操作的材料制造。材料的實例包含 鋁(例如，等級6061-T6、3003-0、3003-H12)、不銹鋼和陶瓷(例如，氧化鋁)。過程氣體經由桿304中的氣體饋送通道310引入，且流經背板306，之后進入背板 306與面板308之間的歧管區域316。歧管區域316可包含隔板(未圖示)以用于在整個 區域316上均勻地分配過程氣體。背板306與面板308之間的間隙可平均來說在約0. 25 英寸與1英寸之間。為了維持歧管區域316中的均勻氣流，間隙可保持恒定，其中若干分隔物/間隔物 定位于背板306與面板308之間的各種位置(例如，3、6或多達10個位置)處。在某些實 施例中，如圖4A所示，分隔物/間隔物402是面板308的一部分。背板306可借助于焊接 或銅焊通過分隔物/間隔物402附接到面板308。或者，背板306可在帶螺紋盲孔(未圖 示)處通過分隔物/間隔物緊固到面板308。在其它實施例中，可使用具有或不具有內螺紋 的各種形狀的間隔物或襯套。盡管描述螺釘進入背板306且旋擰到面板308中，但可使用 相反配置(即，進入穿過面板308且旋擰到背板306中)。返回到圖3A和圖3B，桿304還可包含用于插入溫度傳感器(即，溫度傳感器熱電 偶套管)的開口。開口 312可被密封而遠離歧管區域316以防止過程氣體通過開口 312逸 出。開口 312可允許在不拆卸蓮蓬頭300的情況下替換溫度傳感器。在某些實施例中，可 在蓮蓬頭300附接到維持于其操作壓力下的沉積腔室時替換溫度傳感器。溫度傳感器開口 312是以使得所安裝的傳感器(圖5中的元件506 ；圖3A和圖 中未圖示)與面板308熱耦合的方式配置。舉例來說，背板306可具有延伸到歧管區域316 中的特征，其與例如通過蓮蓬頭300的周邊周圍的接觸區域相比建立與面板308的更直接 接觸。在此配置中，溫度傳感器提供關于面板的當前溫度的快速響應，且允許修改通過蓮蓬 頭的熱通量。桿304還可具有用于插入加熱元件的一個或一個以上開口，即圖3A和圖;3B中說明的加熱元件開口 314。此開口 314被密封而與歧管區域316隔離。當將加熱元件(圖5 中的元件504 ；圖3A和圖;3B中未圖示)安裝到開口 314中時，其變為與桿304和/或背板 306熱耦合。加熱元件到面板308的熱耦合是通過桿304和背板306來建立。在某些實施 例中，加熱開口 314經配置以容納筒形加熱器(cartridge heater)。舉例來說，開口 314可 具有的直徑為約0. 25英寸與0. 5英寸之間，或更具體來說約0. 35英寸與0. 4英寸之間，且 可具有的深度為約3英寸與7英寸之間，或更具體來說約4英寸與6英寸之間。圖4B說明根據某些實施例的面板308的仰視圖。面板308具有多個孔或穿孔406 以提供從歧管區域316進入沉積腔室的過程氣體的均勻分配。圖4B中展示此類孔的特定實 例。所述通孔可例如經機械加工、研磨或鉆孔而成。每一孔的直徑可在約0.01英寸與0. 25 英寸之間，或更具體來說約0. 02英寸與0. 1英寸之間。在特定實施例中，孔406的直徑為 約0.04英寸(直徑)。一些孔可具有與其它孔不同的大小。舉例來說，孔大小可隨著遠離 氣體饋送管線310而增加。孔的數目可在約100與10，000之間，或更具體來說在約1，000 與5，000之間。在特定實施例中，孔的數目在約3，750與4，000之間。孔可以各種圖案在 整個面板308上均勻分布，例如蜂巢圖案或逐漸變大的圓。在特定實施例中，建立圖案的圓 的數目在約5與50個圓之間，或更具體來說約20與40個圓之間，或更加具體來說約25與 30個圓之間。舉例來說，一個孔可位于中心，隨后是定位于距中心孔相同距離處的6到15 個孔(即，圓形圖案)，隨后是同樣定位于距中心孔相同距離處的另外12到30個孔，但此第 二距離是第一距離的兩倍，等等。在某些實施例中，第一距離在約0. 20英寸與0. 30英寸之 間。此外，孔406可形成具有不均勻分布的各種圖案，例如與面板的中間相比在邊緣周圍更 密集填充，或反之亦然。一般來說，面板308中的孔406的分布取決于各種因素，例如所需 膜均勻性、膜型面和過程氣體參數(例如，粘度、流動速率)。在一些實施例中，面板308以可移除方式附接到背板306以使得可由于壽命結束 而更換面板308，或提供新的孔圖案。面板308的背表面可包含配合特征以與背板306附接 和分離。舉例來說，一個合適的配合特征可為凹槽和帶螺紋盲孔。根據此實例，凹槽可配合 到背板306上的對應唇緣上。背板306或面板308上的螺釘孔沿圓周定位且匹配于配合板 上的孔。螺釘將背板306和面板308附接在一起。沿圓周定位的螺釘的數目可為至少約4、 至少約10、至少約M或至少約50。可使用用于背板306和面板308的其它配合特征。舉 例來說，其它緊固機構可包含條帶或夾，或可使用簡單的基于摩擦的嚙合，其中面板308的 尺寸緊密匹配于背板306中的對應容器(receptacle)的尺寸。將面板附接到背板的額外 細節在2008年7月四日申請的第12/181，927號美國專利申請案中描述，所述美國專利申 請案為了描述面板附接的目的全文以引用的方式并入本文中。在某些其它實施例中，面板 308不可從背板306移除。舉例來說，所述兩個元件可由同一材料塊制造，或在制造之后集 成在一起(例如，焊接、熔接、按壓)。面板308與背板306之間的永久附接可提供所述兩個 組件之間的增強的熱傳遞。圖5說明根據某些實施例的溫度受控蓮蓬頭組合件500。除了上文描述的包含桿 304、背板306和面板308的蓮蓬頭以外，組合件500還可包含加熱元件504、熱交換器502 以及溫度傳感器506。這些元件中的任一者可為可移除的。加熱元件504熱耦合到桿304和/或背板306。在某些實施例中，加熱元件504是 定位于桿的加熱元件開口內的一個或一個以上筒形加熱器。舉例來說，可使用兩個筒形加熱器，其組合功率輸出在約250W與2，500W之間，或更具體來說約500W與1，500W之間。在 某些實施例中，加熱元件包含RF絕緣物，例如通過使用EMI/RFI濾波器或任何其它市售的 RF隔離裝置。如圖5所示，熱電偶506可插入穿過桿304中的開口且延伸穿過背板306。在某些 實施例中，整個溫度傳感器開口 312由同一材料塊進行機械加工。在一些實施例中已發現， 焊接或以另外方式集成熱電偶套管的單獨零件容易在蓮蓬頭的熱循環期間破裂，且可能導 致熱電偶的真空泄漏和/或故障，從而可能導致系統的熱逸散。熱電偶506的直徑平均來 說可在約0. 05英寸與0. 25英寸之間，或更具體來說約0. 10英寸與0. 20英寸之間。熱電 偶的長度由桿304和背板306的設計決定，且通常允許熱電偶一直延伸到開口 312的底部 (見圖3A)。在某些實施例中，熱電偶506的長度在約4英寸與8英寸之間，或更具體來說 約6英寸與7英寸之間。可代替熱電偶506使用的溫度感測裝置的另一實例是無接觸溫度 傳感器(例如，高溫測定法、基于熒光的測溫法或紅外測溫法)。熱電偶506還可絕緣且隔離于RF。RF隔離可通過在一個頻率下操作RF陷波器且 在另一頻率下操作RF濾波器來實現。通常，在PECVD操作中施加的RF具有兩個頻率分量 高頻(例如，13. 56MHz)陷波和低頻(例如，400kHz)陷波。RF隔離裝置可包含一個或一個 以上濾波器。在一個實施例中，RF隔離裝置包含高頻和低頻濾波器。在無RF隔離的情況 下，相信熱電偶測量將無效，因為來自等離子產生器的RF干擾將太大。圖6中展示RF隔離裝置的可能配置的示意圖。熱電偶506/601由不銹鋼護套 (sheath)圍繞。此護套纏繞到與電容器605并聯的線圈603。線圈充當電感器且電容器形 成諧振電路，其阻擋13. 56MHz信號。線圈可具有約1微亨的電感，且電容器605可具有約 85pf(皮法)的電容。其余13.56MHz RF以第二電容器607短接到接地609，第二電容器 607可具有約IOOOOpf的電容。以護套對高頻進行陷波也阻擋嵌入此護套中的熱電偶線中 的RF。400kHz頻率不被603/605濾波器阻擋，且由于其較低頻率而不通過電容器607短接 到接地。因此在13. 56MHz濾波器的末端處，仍存在400kHz噪聲，其隨后被低頻濾波器611 過濾掉。在一種設計中，低頻濾波器可為兩級低通濾波器。兩個級均可為類似于高頻濾波 器的LC設計。請注意，低頻濾波器可直接連接到熱電偶線，但高頻濾波器僅可連接到護套。返回到圖5，為了將面板308維持在大體上低于襯底和支座的溫度，有時需要從面 板308移除一些熱。通過背板306和桿304在面板308與熱交換器502之間提供熱路徑。 熱交換器502經配置以從桿304移除熱或在某些實施例中向桿304遞送熱。此外，一些熱 可能由于輻射而從背板和桿的暴露表面移除。現在將更詳細論述這些熱移除特征中的每一 者ο熱交換器502可定位于桿304上以使得兩個組件熱耦合。舉例來說，熱交換器502 和桿304可具有約20cm2與^cm2之間的接觸表面(例如，在桿的頂部處形成安裝表面的熱 交換器，或桿周圍的套管)。熱交換器502可在不影響系統的其它組件或沉積腔室的環境的 情況下容易從桿移除。可通過循環冷卻流體經過熱交換器502來控制熱交換器502中的溫度。冷卻流體 的實例包含水、防凍溶液和各種冷卻氣體(例如，干潔空氣(CDA)、氬氣、氦氣、氮氣、氫氣或 其混合物)。在特定實施例中，冷卻流體是以至少約0.5加侖/分鐘(GPM)的流動速率在約 15°C與30°C之間供應到熱交換器中的水。應了解，冷卻流體的溫度和流動速率可經調整以
12控制熱交換器502與桿304之間的熱通量。在某些實施例中，冷卻流體可另外以外部冷凍 器來冷卻或以外部加熱器來加熱。此外，控制進入熱交換器502的冷卻流體的流動速率的 閥510可經調整以打開或限制流量，如下文所述。在某些要求較低的應用中，熱交換器502可單獨地用以控制蓮蓬頭溫度(即，在桿 中不提供加熱元件)。舉例來說，蓮蓬頭可從其它外部元件(例如，襯底)來加熱，且熱交換 器僅用以冷卻蓮蓬頭。在其它實施例中，熱交換器可經配置以通過供應各種溫度下的循環 流體來提供加熱和冷卻兩者。在其它實施例中，組合件包含如上所述的一個或一個以上加 熱元件504。除了由熱交換器提供的冷卻以外，熱還可輻射離開蓮蓬頭表面。為了改進輻射冷 卻，桿和/或蓮蓬頭的外表面可以高發射率材料涂覆。舉例來說，涂層可為陽極氧化鋁。輻 射由大體上比蓮蓬頭組件冷得多(例如，室溫左右)的腔室的壁吸收。腔室頂部也可用高 發射率材料來處理以增加輻射熱傳遞。腔室頂部的內表面也可用例如陽極氧化鋁來涂覆。 腔室頂部可例如用冷卻水管線來獨立地冷卻。在某些實施例中，組合件500包含溫度控制器508。控制器508可用以從熱電偶 506讀取溫度信息，且調整遞送到加熱器504的功率和/或通過熱交換器502的冷卻流體的 流動速率。舉例來說，如果控制器508感測到面板308的溫度大體上低于設定點(例如，沉 積腔室正被帶到操作條件)，那么其可封閉(或某種程度上關閉)閥510且增加供應到加熱 器504的功率。控制器508還可連接到測量冷卻流體流動速率、冷卻流體在進入和/或離開熱交 換器時的溫度和其它過程參數的傳感器。舉例來說，溫度控制器508還可取得前饋信息。前 饋信息可為等離子接通之前的時間周期。在一些情況下，前饋信息還可包含影響蓮蓬頭溫 度的其它可預測的事件，例如關于冷晶片的晶片處理或進入蓮蓬頭的氣流。舉例來說，控制 器508可預期冷卻事件(例如，腔室清洗)而增加加熱器輸出，或預期加熱事件(例如，等 離子“接通”)而減小加熱器輸入。控制器508還可通過預期加熱事件而增加冷卻流體流量 來增加冷卻，或通過預期冷卻事件而減小冷卻流體流量來減小冷卻。在不同的控制方案中可使用輸入與輸出組件的各種組合。舉例來說，主動冷卻 (調制冷卻流體流量)可與主動加熱(背板中的加熱器)一起使用以準確控制蓮蓬頭溫度。 蓮蓬頭溫度可從附接到面板的熱電偶直接測量，或從退出的冷卻流體溫度間接確定。在一 些情況下，控制系統中可僅包含主動冷卻或僅包含主動加熱。可包含另外其它輸入，例如入 口處的冷卻流體的溫度感測，以準確確定從蓮蓬頭移除的熱。圖7說明根據本發明某些實施例的沉積系統700的實例。系統700的實例包含可 從加利福尼亞州圣何塞市的諾發系統(Novellus Systems)公司購得的VECTOR Express 系統和VECTOR Extreme 系統。這兩個系統也可以可灰化硬掩模(AHM)配置使用。應注意， 上文描述的新穎蓮蓬頭可在不具有原位等離子的CVD系統(例如，熱CVD、遠程等離子增強 型CVD)和在具有原位等離子的CVD系統(例如，PECVD、微波等離子輔助CVD)中使用。為 了簡明起見，圖7中說明且下文描述PECVD實例。然而應注意，本發明不限于此類型的CVD 系統。如圖所示，系統700包含處理腔室718，其封閉系統700的其它組件，且在某些實施 例中用以收容等離子。腔室718含有蓮蓬頭714和其它過程氣體遞送硬件、襯底支座720以及傳感器724。任選的原位等離子產生器716，例如低頻RF產生器和/或高頻RF產生 器，可連接到蓮蓬頭714和/或支座720。功率和頻率足以從過程氣體產生等離子，例如用 于沉積的400到8000W總能量，和用于等離子退火的較高功率。在某些實施例中，在沉積期 間不使用產生器，例如，沉積在“暗”或無等離子條件下發生。在等離子退火步驟期間，可使 用一個或一個以上HF、MF和LF產生器。舉例來說，在典型工藝中，高頻RF分量大體上在2 到60MHz之間；在優選實施例中，所述分量為13. 56MHz。在處理腔室718內，支座720支撐襯底721。支座720通常包含卡盤，和用以在沉 積和/或等離子處理反應期間和之間升高和降低襯底721的起模頂桿。卡盤可為靜電卡盤、 機械卡盤、真空卡盤或可在工業和/或研究中使用的各種其它類型的卡盤。從一個或一個以上過程氣體源702通過蓮蓬頭714將過程氣體引入到腔室718 中。源702可包含閥和質量流量控制器(MFC)。其可由系統控制器722以如下方式控制過 程腔室中實現過程氣體的濃度或部分壓力的所需比率。反應產物和其它氣體經由出口 7 退出腔室718。真空泵(例如，一級或兩級機械干式泵和/或渦輪分子泵)通常將過程氣體 抽出，且通過例如節流閥或擺式閥(pendulum valve)等閉環控制流量限制裝置來維持處理 腔室內的適當低的壓力。腔室718可包含用于感測各種過程參數的傳感器724，所述參數例如為襯底721和 支座的溫度、腔室壓力、腔室內的過程氣體的濃度和其它參數。傳感器7M可將所感測信息 提供到系統控制器722。傳感器7M的實例包含殘余氣體分析器、壓力傳感器、熱電偶、紅外 高溫計和其它傳感器。應注意，其它傳感器可被包含于如上所述的蓮蓬頭714中。在某些實施例中，采用系統控制器722來控制過程參數。系統控制器722通常包 含一個或一個以上存儲器裝置和一個或一個以上處理器。處理器可包含CPU或計算機、模 擬和/或數字輸入/輸出連接、步進電動機控制器板等。通常，將存在與系統控制器722相 關聯的用戶接口。用戶接口可包含顯示屏、設備和/或過程條件的圖形軟件顯示，以及例如 指向裝置、鍵盤、觸摸屏、麥克風等用戶輸入裝置。雖然系統控制器722被展示為連接到等 離子產生器716，但其放置和連接性可基于特定實施方案而變化。在某些實施例中，系統控制器722并入有上文描述的溫度控制器(圖5中的元件 508)的一些或全部功能。舉例來說，系統控制器722可搜集關于面板的溫度的信息且使用 此信息來調整加熱器輸出和/或通過熱交換器的流量。系統控制器722執行包含指令集的 系統控制軟件，所述指令用于控制特定過程的溫度、氣體和流體的流動速率、腔室壓力、襯 底溫度、各種操作的時序以及其它參數。在一些實施例中可采用存儲在與控制器相關聯的 存儲器裝置上的其它計算機程序。用于控制工序中的過程的計算機程序代碼可以任何常規的計算機可讀編程語言 來編寫例如，匯編語言、C、C++、Pascal, Fortran或其它語言。經編譯的目標代碼或腳本 由處理器執行以執行程序中識別的任務。系統軟件可以許多不同方式來設計或配置。舉例 來說，可編寫各種腔室組件子例程或控制對象以控制實行所描述過程所必要的腔室組件的 操作。用于此目的的程序或程序片段的實例包含過程氣體控制代碼、壓力控制代碼和等離 子控制代碼。控制器參數與以處方形式提供到用戶的過程條件相關，且可利用用戶接口來輸 入。用于監視過程的信號可由系統控制器722的模擬和/或數字輸入連接提供。用于控制過程的信號在設備700的模擬和數字輸出連接上輸出。設備700可為多臺或單臺設備。在多臺配置中，腔室718可具有若干臺，例如兩個 臺、三個臺、四個臺、五個臺、六個臺、七個臺、八個臺、十個臺或任一其它數目的臺。此數目 通常由總體過程的復雜性和/或不同操作共享同一環境的能力決定。在某些實施例中，多 臺設備中的兩個或兩個以上臺暴露于同一處理環境(例如，壓力)。然而，每一臺可具有通 過專用等離子產生器和受熱支座實現的個別局部等離子和/或加熱條件。在某些實施例中，設備700可為多腔室系統的一部分。舉例來說，系統可具有兩 個、三個或甚至四個單獨腔室，其中每一腔室中有一個或一個以上臺。每一腔室可具有一個 或一個以上對應的傳送口(例如，加載鎖)以便獨立地控制每一腔室中的內部環境。結論雖然已為了理解清楚的目的而以某種細節描述了上述發明，但將了解，在所附權 利要求書的范圍內可實踐特定改變和修改。應注意，存在實施本發明的過程、系統和設備的 許多替代方式。因此，本發明實施例應視為說明性而不是限制性的，且本發明不限于本文給 出的細節。
權利要求
1.一種用于在化學氣相沉積(CVD)設備中使用的溫度受控蓮蓬頭組合件，所述溫度受 控蓮蓬頭組合件包括熱傳導桿；背板，其附接到所述熱傳導桿；面板，其熱耦合到所述熱傳導桿且附接到所述背板；加熱元件，其熱耦合到所述熱傳導桿；熱交換器，其熱耦合到所述熱傳導桿；以及溫度傳感器，其熱耦合到所述面板，其中所述溫度受控蓮蓬頭經配置以通過在所述加熱元件與所述面板之間和所述熱交 換器與所述面板之間提供熱傳遞路徑而將所述面板的溫度維持于預定范圍內。
2.根據權利要求1所述的溫度受控蓮蓬頭組合件，其中所述熱傳導桿的實心橫截面沿 著軸部分的長度平均來說為至少約5平方英寸。
3.根據權利要求1所述的溫度受控蓮蓬頭組合件，其中選自由所述熱傳導桿、所述背 板和所述面板組成的群組的一個或一個以上組件包括具有至少約150瓦/ (米·開爾文) 的熱傳導率的材料。
4.根據權利要求1所述的溫度受控蓮蓬頭組合件，其中選自由所述熱傳導桿、所述背 板和所述面板組成的群組的一個或一個以上組件包括選自由鋁6061和鋁3003組成的群組 的材料。
5.根據權利要求1所述的溫度受控蓮蓬頭組合件，其中所述背板的平均厚度為至少約 2英寸。
6.根據權利要求1所述的溫度受控蓮蓬頭組合件，其中所述面板的平均厚度在約0.5 英寸與1英寸之間。
7.根據權利要求1所述的溫度受控蓮蓬頭組合件，其中所述面板與所述背板之間的平 均間隙在約0. 25英寸與0. 75英寸之間。
8.根據權利要求1所述的溫度受控蓮蓬頭組合件，其中所述面板與所述背板之間的接 觸面積在約30平方英寸與50平方英寸之間。
9.根據權利要求1所述的溫度受控蓮蓬頭組合件，其中所述面板具有約13.5英寸與 16. 5英寸之間的直徑。
10.根據權利要求1所述的溫度受控蓮蓬頭組合件，其中所述熱交換器包括經配置以 允許冷卻流體流動的對流冷卻流體通路。
11.根據權利要求10所述的溫度受控蓮蓬頭組合件，其中所述冷卻流體選自由水和液 體防凍溶液組成的群組。
12.根據權利要求1所述的溫度受控蓮蓬頭組合件，其中所述熱交換器定位于距所述 面板約7英寸內。
13.根據權利要求1所述的溫度受控蓮蓬頭組合件，其中所述溫度受控蓮蓬頭組合件 經配置以針對所述面板的在約0. 2與0. 8之間的發射率而將所述面板的所述溫度維持在約 200°C與 300°C之間。
14.根據權利要求13所述的溫度受控蓮蓬頭組合件，其中所述加熱元件包括兩個筒形 加熱器，每一筒形加熱器經配置以提供至少約500W的功率輸出。
15.根據權利要求1所述的溫度受控蓮蓬頭組合件，其中所述桿包括頂表面，且其中所 述加熱元件定位于所述桿內且經配置以穿過所述頂表面而放置于所述桿中和從所述桿中 移除。
16.根據權利要求1所述的溫度受控蓮蓬頭組合件，其中所述桿包括頂表面，且其中所 述溫度傳感器定位于所述桿內且經配置以穿過所述頂表面而放置于所述桿中和從所述桿 移除。
17.根據權利要求1所述的溫度受控蓮蓬頭組合件，其中選自由所述桿和所述背板組 成的群組的一個或一個以上元件的外表面包括高發射率表面。
18.根據權利要求17所述的溫度受控蓮蓬頭組合件，其中所述高發射率表面是陽極氧化鋁。
19.根據權利要求1所述的溫度受控蓮蓬頭組合件，其中所述面板具有經配置以用于 均勻分配過程氣體的多個通孔。
20.根據權利要求1所述的溫度受控蓮蓬頭組合件，其中所述加熱元件可從所述溫度 受控蓮蓬頭組合件移除。
21.根據權利要求1所述的溫度受控蓮蓬頭組合件，其中所述熱交換器可從所述溫度 受控蓮蓬頭組合件移除。
22.根據權利要求1所述的溫度受控蓮蓬頭組合件，其中所述溫度傳感器可從所述溫 度受控蓮蓬頭組合件移除。
23.一種用于在化學氣相沉積(CVD)設備中使用的溫度受控蓮蓬頭組合件，所述溫度 受控蓮蓬頭組合件包括熱傳導桿，其包括鋁6061 ；背板，其包括鋁6061且具有至少約2英寸的平均厚度，其中所述背板附接到所述熱傳 導桿；面板，其包括鋁6061且具有約0. 5英寸與1英寸之間的平均厚度，其中所述面板熱耦 合到所述熱傳導桿且附接到所述背板，其中所述面板與所述背板之間的平均間隙在約0. 25 英寸與0. 75英寸之間；加熱元件，其包括兩個筒形加熱器，每一筒形加熱器經配置以提供至少約500W的功率 輸出，其中所述加熱元件熱耦合到所述熱傳導桿；熱交換器，其熱耦合到所述熱傳導桿；以及溫度傳感器，其熱耦合到所述面板，其中所述溫度受控蓮蓬頭經配置以通過在所述加熱元件與所述面板之間和所述熱交 換器與所述面板之間提供熱傳遞路徑而將所述面板的溫度維持于預定范圍內。
24.一種用于在部分制造的半導體襯底上沉積半導體材料的化學氣相沉積(CVD)系 統，所述CVD系統包括處理腔室，其經配置以維持所述處理腔室內的低壓力環境；襯底支撐件，其用于固持所述部分制造的半導體襯底且將所述部分制造的半導體襯底 的溫度維持在約500°C與600°C之間；溫度受控蓮蓬頭組合件，其包括熱傳導桿；背板，其附接到所述熱傳導桿；面板，其熱耦合到所述熱傳導桿且附接到所述背板；加熱元件，其熱耦合到所述熱傳導桿；熱交換器，其熱耦合到所述熱傳導桿；以及溫度傳感器，其熱耦合到所述面板，其中所述溫度受控蓮蓬頭經配置以通過在所述加熱元件與所述面板之間和所述熱交 換器與所述面板之間提供熱傳遞路徑而將所述面板的溫度維持于預定范圍內。
25.根據權利要求M所述的CVD系統，其中所述溫度受控蓮蓬頭的所述面板定位于距 所述襯底支撐件約0. 7英寸內，且其中所述溫度受控蓮蓬頭經配置以在所述襯底支撐件維 持于約500°C與550°C之間的同時將所述面板的所述溫度維持于約200°C與300°C之間。
26.根據權利要求M所述的CVD系統，其進一步包括原位等離子產生器。
27.根據權利要求M所述的CVD系統，其中所述CVD系統是單臺沉積系統。
28.根據權利要求M所述的CVD系統，其進一步包括第二襯底支撐件。
29.根據權利要求觀所述的CVD系統，其中所述襯底支撐件和所述第二襯底支撐件定 位于所述處理腔室內且經配置以暴露于同一低壓力環境。
30.根據權利要求觀所述的CVD系統，其進一步包括經配置以維持與所述處理腔室不 同的環境的第二處理腔室，其中所述襯底支撐件定位于所述處理腔室中且所述第二襯底支 撐件定位于所述第二處理腔室中。
全文摘要
一種用于化學氣相沉積(CVD)腔室的溫度受控蓮蓬頭組合件增強熱耗散以提供對蓮蓬頭面板的準確溫度控制，且維持大體上低于周圍組件的溫度。熱通過經由蓮蓬頭桿的傳導而耗散且由安裝在真空環境外的熱交換器移除。熱由插入到所述蓮蓬頭的所述桿中的加熱元件供應。使用由安裝在所述桿中且與所述面板熱接觸的溫度傳感器供應的反饋來控制溫度。
文檔編號C23C16/455GK102102194SQ20101060210
公開日2011年6月22日 申請日期2010年12月20日 優先權日2009年12月18日
發明者喬恩·亨利, 克里斯托弗·M·巴特利特, 李明, 馬歇爾·R·斯托厄爾, 默罕默德·薩布里 申請人:諾發系統有限公司