CN107305832A - 一种半导体处理装置及处理基片的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种半导体处理装置及处理基片的方法，所述装置包括由顶板及反应腔侧壁围成的密封的反应腔，所述顶板构成射频窗，加热薄膜，紧邻所述射频窗上表面设置，包括加热丝及包覆所述加热丝的绝缘材料层；所述加热薄膜上设置开口，一排气装置通过所述开口将所述加热薄膜与所述射频窗上表面间的气体排出。本发明利用射频窗上表面暴露于大气环境中，受大气压强的压力，通过将加热装置设置为加热薄膜，通过将加热薄膜平铺在射频窗上表面，并将二者之间抽真空使得加热薄膜在大气压强的作用下紧密贴合在射频窗的上表面。由于大气压强超过100kpa，可以保证加热薄膜牢固的贴合在射频窗上表面。

Description

一种半导体处理装置及处理基片的方法

技术领域

本发明涉及等离子体装置技术领域，特别是涉及电感耦合等离子体装置的加热技术领域。

背景技术

等离子体反应器或反应腔在现有技术中是公知的，并广泛应用于半导体集成电路、平板显示器，发光二极管（LED），太阳能电池等的制造工业内。在等离子体反应腔中通常会施加一个射频电源以产生并维持等离子体于反应腔中。其中，有许多不同的方式施加射频功率，每个不同方式的设计都将导致不同的特性，比如效率、等离子解离、均一性等等。其中，一种设计是电感耦合（ICP）等离子体反应腔腔。

在电感耦合等离子反应腔中，一个通常是线圈状的天线用于向反应腔内发射射频能量。为了使来自天线的射频功率耦合到反应腔内，在天线下方放置一个射频窗。射频窗通常由氧化硅或者氧化铝制成，能够让高频磁场穿过同时密封反应器顶部。反应腔内可以处理各种基片，比如硅基片等，基片被固定在静电夹盘上，等离子体在基片上方产生。由于反应器内部等离子体分布不均匀，射频窗的热量也会不均匀的被导走，所以射频窗上整体会出现不均匀的温度分布，这对下方等离子体处理均一性的改善带来不利影响，严重时温度梯度过大还会造成射频窗开裂。为了改善温度均一性通常会在射频窗上设置一个加热装置以补偿下方温度的不均匀。

射频窗（RF window）对于刻蚀工艺的顺利进行至关重要，因为射频窗下表面直接接触等离子体，且沉积在射频窗下表面上的化学物质会影响半导体晶片上的刻蚀质量。另一方面，等离子体能够升温射频窗，使得温射频窗温度上下波动，并导致射频窗温度不均匀。现有技术中加热器通常采用较厚加热丝，连接到外部电源进行加热。但是加热丝无法有效地将产生的热量传导到整个射频窗表面上，所以对温度均匀性的改善有限。此外，现有技术中还有利用导热胶将加热部件黏贴在射频窗的上表面进行加热的方式。这种方式能够增加加热部件与射频窗的贴合程度，提高加热部件的热量传导到射频窗的效率。但是，由于对基片进行等离子体处理工艺中，位于反应腔内部的射频窗下表面会沉积颗粒污染物，需要定期进行清洁，清洁的方法通常为高温烘烤或化学液体浸泡等，都会对加热部件造成损伤。因此，加热装置也需要定期进行替换，不仅大大增加了设备的成本，同时由于黏贴加热部件的黏贴物附着在射频窗的上表面难以去除，使得后续加热部件与射频窗之间存在孔隙，降低了加热部件的热传导率。

发明内容

一种半导体处理装置，包括由顶板及反应腔侧壁围成的密封的反应腔，所述顶板构成射频窗；基片支撑装置，其设置于所述反应腔内的所述射频窗下方；射频功率发射装置，其设置于所述反应腔外部，以发射射频能量到所述反应腔内；反应气体注入装置，其用于向所述反应腔内供应反应气体；加热薄膜，紧邻所述射频窗上表面设置，包括加热丝及包覆所述加热丝的绝缘材料层；所述加热薄膜上设置开口，一排气装置通过所述开口将所述加热薄膜与所述射频窗上表面间的气体排出，使所述加热薄膜在大气压强的作用下与所述射频窗贴合在一起。

优选的，所述开口与所述排气装置之间设置一连接头，所述连接头与所述开口之间密封设置。

优选的，所述加热薄膜面积小于等于所述射频窗的面积。

优选的，所述加热丝为薄片状结构，所述薄片状加热丝厚度小于1mm。

优选的，所述加热薄膜上设置若干个开口，每个开口连接一个连接头。

优选的，所述若干个开口均匀分布在所述加热薄膜上。

优选的，所以若干个连接头分别连接一个排气装置或者连接同一个排气装置。

优选的，所述加热薄膜的边缘区域设置密封部件，所述密封部件阻止加热薄膜边缘区域的气体进入所述加热薄膜与射频窗之间。

优选的，所述密封部件上方设置压板。

优选的，所述加热薄膜的边缘区域设置压板。

优选的，所述排气装置为真空泵或真空发生器。

进一步的，本发明还公开了一种在半导体处理装置内处理基片的方法，所述方法在上述反应腔内进行，包括下列步骤：

放置待处理基片于基片支撑装置上，向反应腔内提供反应气体；

施加射频功率至射频窗上方的天线，射频功率经射频窗耦合到反应腔内将反应气体激发为等离子体；

在等离子体对基片进行处理过程中，保持排气装置对加热薄膜的开口抽真空，以保证所述加热薄膜在大气压强的作用下与所述射频窗的紧密贴合。

本发明的优点在于：通过在射频窗的上表面设置一加热薄膜，利用射频窗上表面暴露于大气环境中，受大气压强的压力，然后将加热薄膜与射频窗上表面之间抽真空使得加热薄膜在大气压强的作用下紧密贴合在射频窗的上表面。由于大气压强超过100kpa，可以保证加热薄膜牢固的贴合在射频窗上表面，当基片处理工艺结束后需要对射频窗进行高温清洁或者化学溶液浸泡时，只需要停止对加热薄膜上的开口抽真空或者向加热薄膜与射频窗上表面之间吹入一定量气体即可轻松实现二者分离。保证了加热薄膜的重复利用，同时避免了现有技术中需要在专门的车间黏贴加热薄膜带来的时间成本和工艺成本的产生。

附图说明

附图作为本发明说明书的一部分，例证了本发明的实施例，并与说明书一起解释和说明本发明的原理。附图用图解的方式来解释举例实施例的主要特征。附图不是用于描述实际实施例所有特征也不用于说明图中元素间的相对尺寸，也不是按比例绘出。

图1示出本发明所述的半导体处理装置的截面图；

图2示出一种实施例所述加热装置和射频窗的结构示意图；

图3示出另一种实施例所述加热装置和射频窗的结构示意图；

图4示出另一种实施例所述加热装置和射频窗的结构示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种半导体处理装置及在所述装置内制造半导体基片的方法。本发明涉及的技术方案致力于降低所述装置的设备使用成本并获得均匀性良好的基片刻蚀结果，下文将结合具体实施例和附图对本发明的装置和方法进行详细描述。

图1示出一种电感耦合等离子体处理装置（ICP）的截面示意图。ICP反应腔100包括基本呈圆筒状的金属侧壁105 和顶板160，构成可被抽真空器125抽真空的气密空间。基座110支撑静电夹盘115，所述静电夹盘115支撑待处理的基片120。来自射频功率源145的射频功率被施加到呈线圈状的天线140。天线140设置在顶板160上方并与顶板160之间保持一定间隙。顶板160能够容许射频功率耦合到反应腔内，因此，顶板160材料需为绝缘材料，顶板160又称作射频窗。在标准电感耦合反应腔中，来自反应气体源150的反应气体通过管线155及反应腔周围喷头130和/或中间喷头注入供应到真空反应腔内，在射频能量的作用下点燃并维持等离子，并由此对基片120进行加工。

在利用图1所示的电感耦合等离子体反应腔对基片进行加工处理过程中，为保证基片处理工艺的有效进行，反应腔需要维持在一定温度。通常反应腔内设置温度控制***的部件至少包括静电夹盘115，金属侧壁105及射频窗160。静电夹盘115内的温度控制***包括加热***及冷却***，以配合实现静电夹盘温度的调整。为了对不同区域的静电夹盘分别进行温度控制，静电夹盘内的温度控制***可以设置为若干区域，分别可以实现温度的调整。

射频窗160上的温度分布也是影响基片处理结果的一个重要因素，根据背景技术描述，直接放置加热丝在射频窗上方无法有效地将加热丝产生的热量传导到整个射频窗表面上，所以对温度均匀性的改善有限。而将加热装置直接黏贴在射频窗上表面会导致在清洁射频窗的过程中对加热装置造成损伤，增加工艺处理的成本。由于射频窗160的面积较大，为了保证射频窗160温度分布的均匀性，通常选择薄膜状的加热装置对其进行加热。本发明公开一种在射频窗上设置加热装置的技术方案，能够保证工艺过程中加热装置与射频窗紧密贴合，同时在需要清洁射频窗时容易的实现加热装置与射频窗的分离。

图2示出本发明所述加热装置和射频窗160的结构示意图，在本实施例中，加热装置包括按照一定规则排布的加热丝及包覆所述加热丝的上下绝缘薄膜，形成本发明所述的加热薄膜170。所述加热薄膜面积小于等于所述射频窗的面积。加热丝呈薄片型，优选的，加热丝的厚度小于1mm。从而使得加热丝具有体积小，形变大，易弯曲的特点，布置时加热丝部分覆盖或全部覆盖在射频窗160上（即覆盖射频窗的中心、中部和边缘区域）。加热丝的排布可以有多种实施方式，本发明所述的加热薄膜适用于任何形式的加热丝排布，在此不再予以赘述。该上下绝缘薄膜的夹固能够保持中间加热丝的形状同时能够更好的扩散加热丝产生的热量到射频窗。绝缘薄膜可以采用聚酰亚胺（PI）等材料。

图2所示实施例公开的加热薄膜170上设置一开口175，连接头171一端与开口175连接，另一端连接一排气装置172，本实施例选择的排气装置172为真空泵。将加热薄膜170平铺在射频窗上方，利用真空泵将加热薄膜170与射频窗160之间的气体排空，由于射频窗160的上表面暴露在大气环境中，利用大气压强实现加热薄膜170与射频窗160的紧密贴合。为了保证真空泵实现快速排光加热薄膜170与射频窗160之间的气体的目的，连接头171与加热薄膜上的开口175之间的连接密封设置。在对基片加工处理的过程中，只要真空泵一直保持将加热薄膜与射频窗之间抽真空的状态，即可保证加热薄膜与射频窗的紧密贴合，当需要对射频窗进行清洁时，只需要停止真空泵的工作，或者通过连接头171向加热薄膜与射频窗之间鼓入一定气体即可实现二者的分离。

传统技术中，利用导热胶将加热薄膜黏贴在射频窗上的工艺控制难度较大，黏贴工艺中经常会有很多气泡存在与贴合面，这些小气泡在常温下不易发现，但随着对射频窗的加热，小气泡会聚集和膨胀从而造成加热薄膜局部与射频窗的贴合不严密，进而导致加热温度不均匀，而贴合不好部分的加热薄膜也可能因为干烧而发生损坏。而采用本实施描述的技术后，由于在加热薄膜工作的过程中，真空泵172始终处于工作状态，因此，即便在加热薄膜与射频窗贴合初期存在小气泡，当小气泡由于温度升高聚集膨胀后，气泡内的气体也会被真空泵抽走，保持该区域加热薄膜与射频窗的良好贴合。

图3示出另一种实施例的加热装置170和射频窗160的结构示意图，在本实施例中，为了防止加热薄膜与射频窗贴合的边缘区域有气体进入，提高二者之间的贴合紧密性，可以在加热薄膜的边缘区域设置密封装置。密封装置可以包括一压板174，通过设置具有一定重量的压板或者对压板施加一定压力实现加热薄膜边缘区域与射频窗的密封设置。进一步的，可以先在加热薄膜与射频窗接触的边缘区域设置一密封环173，如具有弹性的绝缘材料环，通过在密封环173上设置具有一定重量的压板174或者对压板174施加一定压力实现加热薄膜边缘区域与射频窗的密封设置。

本实施例由于设置了边缘区域的密封部件，使得加热薄膜和射频窗之间的贴合效果更好，当真空泵对二者之间抽真空后，由于二者之间不存在气体的泄露，即便真空泵停止工作一段时间，加热薄膜与射频窗的上表面也能保持良好的贴合。

本发明所述的加热薄膜上的开口在理想情况下，可以设置在加热薄膜的中心区域位置，但在某些等离子体处理装置中，射频窗的中心区域需要设置中心喷头以对中心区域的反应气体浓度进行补充，在这种情况下，可以设置开口175位于加热薄膜中心区域外的其他位置。在图4所示的加热装置和射频窗的结构示意图中，为了保证加热薄膜270与射频窗260上表面的贴合效果，可以在加热薄膜270上设置多于一个的开口，例如开口275a和275b。本实施例中射频窗260的中心区域设置与反应气体源250连接的中心喷头，因此，多个开口设置在中心区域以外的其他区域，优选的，多个开口可以在加热薄膜上均匀分布或者对称分布。连接在本实施例中，加热薄膜上设置的若干个开口分别与一连接头连接，即开口275a与连接头271a相连，开口275b与连接头271b相连，同时分别确保连接头与开口之间密封连接。在本实施例中，连接头271a和271b分别连接真空泵272a和272b，在另外的实施例中，若干个连接头也可以连接一个共同的真空泵，以节约设备成本。

进一步的，为了防止加热薄膜与射频窗贴合的边缘区域有气体进入，提高二者之间的贴合紧密性，可以在加热薄膜的边缘区域设置密封装置。密封装置可以包括一压板274，通过设置具有一定重量的压板或者对压板施加一定压力实现加热薄膜边缘区域与射频窗的密封设置。进一步的，可以先在加热薄膜与射频窗接触的边缘区域设置一密封环273，如具有弹性的绝缘材料环，通过在密封环273上设置具有一定重量的压板274或者对压板274施加一定压力实现加热薄膜边缘区域与射频窗的密封设置。

本发明所述的排气装置除了可以为真空泵外，还可以为其他结构，如：真空发生器，真空发生器只要设备能够提供压缩空气源就可以使用，非常方便安全和环保。

本发明利用射频窗上表面暴露于大气环境中，受大气压强的压力，通过将加热装置设置为加热薄膜，通过将加热薄膜平铺在射频窗上表面，并将二者之间抽真空使得加热薄膜在大气压强的作用下紧密贴合在射频窗的上表面。由于大气压强超过100kpa，可以保证加热薄膜牢固的贴合在射频窗上表面，当基片处理工艺结束后需要对射频窗进行高温清洁或者化学溶液浸泡时，只需要停止对加热薄膜上的开口抽真空或者向加热薄膜与射频窗上表面之间吹入一定量气体即可轻松实现二者分离。保证了加热薄膜的重复利用，同时避免了现有技术中需要在专门的车间黏贴加热薄膜带来的时间成本和工艺成本的产生。

除了本发明上文所述的电感耦合等离子体处理装置外，本发明所述技术方案还适用于电容耦合等离子体处理装置的气体注入装置加热及其他有加热需要的半导体处理装置，尤其适用于利用加热薄膜对某一平面或曲面部件结构进行加热的处理装置。

此外，本领域技术人员通过对本发明说明书的理解和对本发明的实践，能够容易地想到其它实现方式。本文所描述的多个实施例中各个方面和/或部件可以被单独采用或者组合采用。需要强调的是，说明书和实施例仅作为举例，本发明实际的范围和思路通过下面的权利要求来定义。

Claims (15)

1.一种半导体处理装置，其特征在于，所述装置包括：

反应腔，包括由顶板及反应腔侧壁围成的密封的反应腔；

基片支撑装置，其设置于所述反应腔内的所述射频窗下方；

反应气体注入装置，其用于向所述反应腔内供应反应气体；

加热薄膜，紧邻所述顶板上表面设置，包括加热丝及包覆所述加热丝的绝缘材料层；

所述加热薄膜上设置开口，一排气装置通过所述开口将所述加热薄膜与所述顶板上表面间的气体排出，使所述加热薄膜在大气压强的作用下与所述顶板贴合在一起。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述开口与所述排气装置之间设置一连接头，所述连接头与所述开口之间密封设置。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述半导体处理装置还包括一射频功率发射装置，其设置于所述反应腔外部，以发射射频能量到所述反应腔内。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述顶板为绝缘材料构成的射频窗。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述加热丝为薄片状结构，所述薄片状加热丝厚度小于1mm。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述加热薄膜上设置若干个开口，每个开口连接一个连接头。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于：所述若干个开口均匀分布在所述加热薄膜上。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于：所述若干个连接头分别连接一个排气装置或者连接同一个排气装置。

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述加热薄膜的边缘区域设置密封部件，所述密封部件阻止加热薄膜边缘区域的气体进入所述加热薄膜与所述顶板之间。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于：所述密封部件上方设置压板。

11.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述加热薄膜的边缘区域设置压板。

12.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述排气装置为真空泵或真空发生器。

13.一种在半导体处理装置内处理基片的方法，所述方法在上述权利要求1-12中任一项所述的反应腔内进行，所述方法包括下列步骤：

放置待处理基片于基片支撑装置上，向反应腔内提供反应气体；

向反应腔内施加射频功率将反应气体激发为等离子体；

在等离子体对基片进行处理过程中，保持排气装置对加热薄膜的开口抽真空，使得所述加热薄膜在大气压强的作用下与所述顶板紧密贴合。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于：在所述加热薄膜的***设置一压板，在所述排气装置对加热薄膜开口抽真空过程中，所述压板实现对加热薄膜和所述顶板边缘区域的密封设置。

15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于：在所述压板与所述加热薄膜的边缘区域设置一密封环，所述压板施加压力于所述密封环以实现对加热薄膜和所述顶板边缘区域的密封设置。