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CN116288273A - 喷淋头、加热气体的方法、半导体器件的加工设备及方法 - Google Patents

喷淋头、加热气体的方法、半导体器件的加工设备及方法 Download PDF

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CN116288273A CN202310231923.7A CN202310231923A CN116288273A CN 116288273 A CN116288273 A CN 116288273A CN 202310231923 A CN202310231923 A CN 202310231923A CN 116288273 A CN116288273 A CN 116288273A
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Tuojing Technology Shanghai Co ltd
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Abstract

本发明提供了一种喷淋头、一种加热气体的方法以及一种半导体器件的加工设备。该喷淋头包括：顶盖，由导电材料制成；线圈，连接顶盖，经由交变电流向顶盖输出交变磁场，在顶盖形成感应电流，以加热顶盖；以及喷淋板，设于顶盖的下方，并与顶盖保持间隙以构成混气腔，其中，被加热的顶盖与混气腔中的气体接触，以加热气体。

Description

喷淋头、加热气体的方法、半导体器件的加工设备及方法
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种喷淋头、加热气体的方法、半导体器件的加工设备以及方法。
背景技术
半导体领域中，喷淋板的加热对于半导体的制造至关重要。本领域的现有技术通过加热丝，将喷淋板固定板加热，热量通过周边固定板与喷淋板的接触区域，将热量传递给喷淋板。由于喷淋板的中间中空的结构设计，中间的区域无法通过接触热传导加热，主要的热源通过四周接触热传导。这种加热喷淋板的效率会比较低，加热响应时间长。由于喷淋板与喷淋固定板之间采用橡胶密封圈密封，当喷淋板长时间需要满足230℃或者更高时，密封圈承受的温度会更高，进而导致密封失效。
此外，现有技术还提供了一种电磁感应加热晶圆托盘的方案，能够通过感应电流均匀加热反应腔室内部的晶圆托盘，以加热待加工半导体器件上方的反应气体，从而促进对半导体器件的薄膜沉积。然而，这种在晶圆托盘上产生感应电流的加热方式会向反应腔室内部引入大量电荷，极易在高温、高电压的工艺环境下形成电弧，从而损坏半导体器件。因此，这种在反应腔室内部产生感应电流的加热方式无法适用于原子层薄膜沉积(Atomiclayer deposition，ALD)等涉及高温、高电压的薄膜沉积工艺。
为了克服现有技术存在的上述缺陷，本领域亟需一种半导体器件的加工技术，通过采用电磁感应加热的方式对反应腔室前端的喷淋头进行加热，从而提高反应气体的加热效率、降低加热所需功率，并防止在反应腔室内部形成电弧，以适用于原子层薄膜沉积(ALD)等涉及高温、高电压的薄膜沉积工艺。
发明内容
以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之前序。
为了克服现有技术存在的上述缺陷，本发明提供了一种喷淋头、加热气体的方法以及半导体器件的加工设备，能够通过采用电磁感应加热的方式对反应腔室前端的喷淋头进行加热，从而提高反应气体的加热效率、降低加热所需功率，并防止在反应腔室内部形成电弧，以适用于原子层薄膜沉积(ALD)等涉及高温、高电压的薄膜沉积工艺。
具体来说，根据本发明的第一方面提供的上述喷淋头包括：顶盖，由导电材料制成；线圈，连接所述顶盖，经由交变电流向所述顶盖输出交变磁场，在所述顶盖形成感应电流，以加热所述顶盖；以及喷淋板，设于所述顶盖的下方，并与所述顶盖保持间隙以构成混气腔，其中，被加热的所述顶盖与所述混气腔中的气体接触，以加热所述气体。
进一步地，在本发明的一些实施例中，上述喷淋头还包括：密封圈，设于所述喷淋板的边缘区域，其中，所述顶盖经由所述密封圈被安装在所述喷淋板上；以及冷却结构，位于所述顶盖与所述密封圈之间，用于吸收所述顶盖向所述密封圈传输的热量。
进一步地，在本发明的一些实施例中，所述冷却结构内设有水冷结构，或者冷却结构连接水冷结构。
进一步地，在本发明的一些实施例中，所述顶盖由弱磁材料制成，所述顶盖靠近所述线圈的表面覆盖有高磁导率感应层，其中，所述高磁导率感应层在所述交变磁场的驱动下形成感应电流，并向所述顶盖输出所述感应电流，以加热所述顶盖。
进一步地，在本发明的一些实施例中，所述顶盖由含铜材料制成，所述高磁导率感应层选用铁磁性材料。
进一步地，在本发明的一些实施例中，上述喷淋头还包括交流电源，两连接所述线圈，以向所述线圈输出所述交变电流。
此外，根据本发明的第二方面提供的加热气体的方法包括以下步骤：向线圈输入交变电流，经由所述交变电流向喷淋头的顶盖输出交变磁场，在所述顶盖形成感应电流，以加热所述顶盖，其中，所述顶盖由导电材料制成，所述线圈连接所述顶盖；以及向所述喷淋头输入气体，经由被加热的所述顶盖与混气腔中的气体的接触加热所述气体，其中，所述混气腔是由设于所述顶盖下方的喷淋板与所述顶盖的间隙构成。
进一步地，在本发明的一些实施例中，上述加热方法还包括以下步骤：向水冷结构输入低温的冷却液，以吸收所述顶盖向密封圈传输的热量，其中，所述密封圈设于所述喷淋板的边缘区域，所述顶盖经由所述密封圈被安装在所述喷淋板上。
此外，根据本发明的第三方面提供的半导体器件的加工设备包括：气源；反应腔；以及如上所述的喷淋头，其中，所述喷淋头位于所述气源与所述反应腔之间，用于加热所述气源向所述反应腔输出的气体。进一步地，在本发明的一些实施例中，一种半导体器件的加工设备可以包括：
此外，根据本发明的第四方面提供的半导体器件的加工方法包括以下步骤：向上述的喷淋头输入反应气体；经由所述喷淋头加热所述反应气体；以及经由所述喷淋头底部的喷淋板，将加热的反应气体输入下方的反应腔，以加工所述半导体器件。
附图说明
在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。
图1示出了根据本发明的一些实施例提供的喷淋头的结构示意图。
图2示出了根据本发明的一些实施例提供的喷淋头的结构示意图。
图3示出了根据本发明的一些实施例提供的一种加热气体的方法流程示意图。
图4示出了根据本发明的一些实施例提供的一种半导体器件的加工方法流程示意图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。虽然本发明的描述将结合优选实施例一起介绍，但这并不代表此发明的特征仅限于该实施方式。恰恰相反，结合实施方式作发明介绍的目的是为了覆盖基于本发明的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本发明的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本发明也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本发明的重点，有些具体细节将在描述中被省略。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，在以下的说明中所使用的“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“水平”、“垂直”应被理解为该段以及相关附图中所绘示的方位。此相对性的用语仅是为了方便说明之用，其并不代表其所叙述的装置需以特定方位来制造或运作，因此不应理解为对本发明的限制。
能理解的是，虽然在此可使用用语“第一”、“第二”、“第三”等来叙述各种组件、区域、层和/或部分，这些组件、区域、层和/或部分不应被这些用语限定，且这些用语仅是用来区别不同的组件、区域、层和/或部分。因此，以下讨论的第一组件、区域、层和/或部分可在不偏离本发明一些实施例的情况下被称为第二组件、区域、层和/或部分。
如上所述，半导体领域中，喷淋板的加热对于半导体的制造至关重要。本领域的现有技术通过加热丝，将喷淋板固定板加热，热量通过周边固定板与喷淋板的接触区域，将热量传递给喷淋板。由于喷淋板的中间中空的结构设计，中间的区域无法通过接触热传导加热，主要的热源通过四周接触热传导。这种加热喷淋板的效率会比较低，加热响应时间长。由于喷淋板与喷淋固定板之间采用橡胶密封圈密封，当喷淋板长时间需要满足230℃或者更高时，密封圈承受的温度会更高，进而导致密封失效。
此外，现有技术还提供了一种电磁感应加热晶圆托盘的方案，能够通过感应电流均匀加热反应腔室内部的晶圆托盘，以加热待加工半导体器件上方的反应气体，从而促进对半导体器件的薄膜沉积。然而，这种在晶圆托盘上产生感应电流的加热方式会向反应腔室内部引入大量电荷，极易在高温、高电压的工艺环境下形成电弧，从而损坏半导体器件。因此，这种在反应腔室内部产生感应电流的加热方式无法适用于原子层薄膜沉积(Atomiclayer deposition，ALD)等涉及高温、高电压的薄膜沉积工艺。
为了克服现有技术存在的上述缺陷，本发明提供了一种喷淋头、一种加热气体的方法、一种半导体器件的加工设备及一种半导体器件的加工方法，通过采用电磁感应加热的方式对反应腔室前端的喷淋头进行加热，从而提高反应气体的加热效率、降低加热所需功率，并防止在反应腔室内部形成电弧，以适用于原子层薄膜沉积(ALD)等涉及高温、高电压的薄膜沉积工艺。
在一些非限制性的实施例中，本发明的第四方面提供的上述半导体器件的加工方法可以经由本发明的第三方面提供的上述半导体器件的加工装置来实施。本发明的第一方面提供的上述喷淋头可以被配置于本发明的第三方面提供的上述半导体加工设备以实施上述半导体器件的加工方法。本发明的第二方面提供的上述加热气体方法可以被配置于上述喷淋头以实施上述半导体器件的加工方法。
首先请参考图1。图1示出了根据本发明的一些实施例提供的喷淋头的结构示意图。
如图1所示，本发明的第一方面提供的喷淋头可以包括顶盖11、线圈12以及喷淋板13。在此，该喷淋头可以设于反应腔室的上方，用于均匀地向反应腔室内部的晶圆托盘喷洒反应气体，以在晶圆托盘上的半导体器件上进行原子层薄膜沉积等半导体加工工艺。该顶盖11可以由导电材料制成，位于喷淋头的上部。该线圈12可以连接该顶盖11，经由交变电流向该顶盖输出交变磁场，在该顶盖形成感应电流，以加热该顶盖11。该喷淋板13可以设于该顶盖11的下方，并与该顶盖11保持间隙以构成混气腔。在此，被加热的该顶盖11可以与该混气腔中的气体接触，以加热该气体。如此，上述喷淋头便可以先在混气腔内均匀加热反应气体，再经由喷淋板13向下方的反应腔室中的晶圆托盘均匀喷洒加热的反应气体，从而提高反应气体的加热效率、降低加热所需功率、缩短加热响应时间，并防止在反应腔室内部形成电弧，以适用于原子层薄膜沉积(ALD)等涉及高温、高电压的薄膜沉积工艺。
请结合参考图1以及图2。图2示出了根据本发明的一些实施例提供的喷淋头的结构示意图。
进一步地，在本发明的一些实施例中，如图1以及图2所示，上述喷淋头还可以包括密封圈21以及冷却结构22。在此，该密封圈21可以设于上述喷淋板13的边缘区域。在此，该顶盖11可以经由上述密封圈21被安装在该喷淋板13上。该冷却结构22可以位于该顶盖11与该密封圈21之间，用于吸收该顶盖11向该密封圈21传输的热量。如此，上述喷淋头便可以避免温度过高导致的密封失效、实现大于230℃的喷淋板加热以及保护密封圈及延长其使用寿命。
进一步地，在本发明的一些实施例中，上述冷却结构内可以设有水冷结构或者冷却结构连接水冷结构。
进一步地，在本发明的一些实施例中，上述顶盖11可以由弱磁材料制成。该顶盖11靠近上述线圈12的表面可以覆盖有高磁导率感应层。在此，该高磁导率感应层可以在上述交变磁场的驱动下形成感应电流，并向该顶盖11输出所述感应电流，以加热该顶盖11。如此上述喷淋头便可以实现弱磁材料喷淋板的电磁感应加热。
进一步地，在本发明的一些实施例中，上述顶盖11可以由含铜材料制成，上述高磁导率感应层可以选用铁磁性材料。
进一步地，在本发明的一些实施例中，上述喷淋头还可以包括交流电源。该交流电源可以连接上述线圈12，以向该线圈12输出上述交变电流。
进一步地，在本发明的一些实施例中，本发明的第二发明提供的半导体器件的加工设备可以包括气源、反应腔以及本发明的第一方面提供的喷淋头。在此，该喷淋头可以位于该气源与该反应腔之间，用于加热该气源向该反应腔输出的气体。
以下将结合一些加热气体的方法的实施例来描述上述喷淋头的工作原理。本领域的技术人员可以理解，这些加热气体的方法的实施例只是本发明提供的一些非限制性的实施方式，旨在清楚地展示本发明的主要构思，并提供一些便于公众实施的具体方案，而非用于限制该喷淋头的全部功能或全部工作方式。同样地，该喷淋头也只是本发明提供的一种非限制性的实施方式，不对这些加热气体的方法中各步骤的执行主体构成限制。
请参考图3。图3示出了根据本发明的一些实施例提供的一种加热气体的方法流程示意图。
在使用上述喷淋头对于上述气源提供的气体进行加热时，上述加热气体方法可以先经由上述交流电源向上述线圈输入交变电流。之后，该方法可以经由该交变电流向喷淋头的上述顶盖11输出交变磁场，在该顶盖11形成感应电流，以加热该顶盖11。在此，该顶盖12可以由导电材料制成。该线圈12可以连接该顶盖11。再之后，上述方法可以经由上述气源向上述喷淋头输入气体。该方法还可以经由被加热的该顶盖11与上述混气腔中的气体的接触加热上述气体。在此，该混气腔可以由设于上述顶盖11下方的上述喷淋板13与该顶盖11的间隙构成。
进一步地，在上述气体加热过程中，上述加热方法还可以向上述水冷结构输入低温的冷却液，以吸收该顶盖11向密封圈传输的热量。在此，该密封圈21可以设于上述喷淋板13的边缘区域。该顶盖11可以经由该密封圈21被安装在该喷淋板13上。
以下将结合一些半导体器件的加工方法的实施例来描述上述半导体器件的加工装置的工作原理。本领域的技术人员可以理解，这些半导体器件的加工方法的实施例只是本发明提供的一些非限制性的实施方式，旨在清楚地展示本发明的主要构思，并提供一些便于公众实施的具体方案，而非用于限制该半导体器件的加工装置的全部功能或全部工作方式。同样地，该半导体器件的加工装置也只是本发明提供的一种非限制性的实施方式，不对这些半导体器件的加工方法中各步骤的执行主体构成限制。
请结合参考图1以及图4。图4示出了根据本发明的一些实施例提供的一种半导体器件的加工方法流程示意图。
在上述半导体器件的加工过程中，上述半导体器件的加工方法可以首先向上述喷淋头输入反应气体。之后，该方法还可以经由该喷淋头加热该反应气体。再之后，该方法还可以经由该喷淋头底部的喷淋板13，将加热的反应气体输入下方的反应腔，从而经由原子层薄膜沉积(ALD)工艺高温和/或高电压地加工上述半导体器件。在上述加热气体的方法的实施例中已经详细介绍了加热气体的原理，在此不再多做赘述。
相较于现有技术通过加热丝、加热环等部件加热喷淋板固定板，再将热量通过周边固定板与喷淋板的接触区域传递给喷淋板的现有技术，本发明采用电磁感应加热的方式，直接对喷淋板进行加热，能够显著提高反应气体的加热效率、降低加热所需功率及响应时间，并提升反应气体的受热均匀性。此外，相较于电磁感应加热晶圆托盘的现有技术，本发明能够防止在反应腔室内部形成电弧，以适用于原子层薄膜沉积(ALD)等涉及高温、高电压的薄膜沉积工艺。
尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。
提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (10)

1.一种喷淋头，其特征在于，包括：
顶盖，由导电材料制成；
线圈，连接所述顶盖，经由交变电流向所述顶盖输出交变磁场，在所述顶盖形成感应电流，以加热所述顶盖；以及
喷淋板，设于所述顶盖的下方，并与所述顶盖保持间隙以构成混气腔，其中，被加热的所述顶盖与所述混气腔中的气体接触，以加热所述气体。
2.如权利要求1所述的喷淋头，其特征在于，还包括：
密封圈，设于所述喷淋板的边缘区域，其中，所述顶盖经由所述密封圈被安装在所述喷淋板上；以及
冷却结构，位于所述顶盖与所述密封圈之间，用于吸收所述顶盖向所述密封圈传输的热量。
3.如权利要求2所述的喷淋头，其特征在于，所述冷却结构内设有水冷结构，或者冷却结构连接水冷结构。
4.如权利要求1所述的喷淋头，其特征在于，所述顶盖由弱磁材料制成，所述顶盖靠近所述线圈的表面覆盖有高磁导率感应层，其中，所述高磁导率感应层在所述交变磁场的驱动下形成感应电流，并向所述顶盖输出所述感应电流，以加热所述顶盖。
5.如权利要求4所述的喷淋头，其特征在于，所述顶盖由含铜材料制成，所述高磁导率感应层选用铁磁性材料。
6.如权利要求1所述的喷淋头，其特征在于，还包括：
交流电源，两连接所述线圈，以向所述线圈输出所述交变电流。
7.一种加热气体的方法，其特征在于，包括以下步骤：
向线圈输入交变电流，经由所述交变电流向喷淋头的顶盖输出交变磁场，在所述顶盖形成感应电流，以加热所述顶盖，其中，所述顶盖由导电材料制成，所述线圈连接所述顶盖；以及
向所述喷淋头输入气体，经由被加热的所述顶盖与混气腔中的气体的接触加热所述气体，其中，所述混气腔是由设于所述顶盖下方的喷淋板与所述顶盖的间隙构成。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
向水冷结构输入低温的冷却液，以吸收所述顶盖向密封圈传输的热量，其中，所述密封圈设于所述喷淋板的边缘区域，所述顶盖经由所述密封圈被安装在所述喷淋板上。
9.一种半导体器件的加工设备，其特征在于，包括：
气源；
反应腔；以及
如权利要求1～6中任一项所述的喷淋头，其中，所述喷淋头位于所述气源与所述反应腔之间，用于加热所述气源向所述反应腔输出的气体。
10.一种半导体器件的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
向如权利要求1～6中任一项所述的喷淋头输入反应气体；
经由所述喷淋头加热所述反应气体；以及
经由所述喷淋头底部的喷淋板，将加热的反应气体输入下方的反应腔，以加工所述半导体器件。
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