工艺腔室的制作方法

1.本实用新型涉及半导体制造领域，具体地，涉及一种工艺腔室。


背景技术：

2.碳化硅(sic)材料因其禁带宽度大、热导率高、击穿电场强度大、饱和电子漂移速度大和能承受极端环境变化等优点，在半导体制造领域得到了广泛地应用。目前，现有的技术方案通常采用干法刻蚀对sic材料进行加工。
3.现有的干法刻蚀设备通常包括工艺腔室和设置在工艺腔室顶部的介质筒组件。在对sic晶圆进行干法刻蚀的过程中通常会产生大量的固态副产物，固态副产物往往以微小粉末状附着在工艺腔室内壁上以及介质筒组件的内侧。由于固态副产物不容易挥发，因此若附着介质筒组件上的固态副产物积累到一定程度，其则会在重力作用下落到sic晶圆表面。如图1和图2所示，现有的介质筒组件包括介质筒01和环形衬板02，而且如图3所示，介质筒01通常直接叠置在环形衬板02的上表面，这会导致环形衬板02的支撑介质筒01的位置容易变形，从而导致副产物在该处的附着力减弱，容易脱落至晶圆表面，导致开腔更换环形衬板的平均维护间隔时间(mtbc)缩短，进而导致工艺设备维护成本和工艺成本升高。


技术实现要素：

4.本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种工艺腔室，其中的环形衬板的形变量较小，以能够减少吸附在环形衬板下表面的工艺副产物的脱落，从而保证工艺效果。
5.为实现本实用新型的目的而提供一种工艺腔室，应用于半导体工艺设备，所述工艺腔室包括腔室本体和设置在所述腔室本体顶部的介质筒组件，其中，所述介质筒组件包括主介质筒和环形衬板，所述主介质筒位于所述环形衬板背离所述腔室本体的一侧；其中，
6.所述主介质筒包括介质筒本体和由所述介质筒本体的底部向外延伸出的连接部，所述连接部包括第一凸部和第二凸部，所述第一凸部的底面与所述环形衬板内缘处的上表面相配合，所述第二凸部的外周面与所述环形衬板的内周面相配合。
7.可选的，所述第一凸部的底面与所述第二凸部的外周面之间的夹角成90
°
。
8.可选的，所述环形衬板的内侧边缘朝向所述第一凸部的一侧具有环形凸台，所述第一凸部与所述环形凸台相配合。
9.可选的，所述环形凸台上设有定位部，所述定位部环绕在所述第一凸部的外侧壁。
10.可选的，所述第二凸部的底面与所述环形衬板的朝向所述腔室本体的表面平齐。
11.可选的，所述环形衬板的朝向所述腔室本体的表面经过喷砂工艺处理，以使其表面粗糙度大于等于ra3，小于等于ra4。
12.可选的，所述介质筒组件还包括控温板，所述控温板套设于所述第一凸部的外侧，且置于所述环形衬板背离所述腔室本体的一侧，用于调节所述环形衬板的温度。
13.可选的，所述环形衬板的外侧边缘的上表面具有定位凹槽，所述控温板的下表面
具有与所述定位凹槽相配合的定位凸起。
14.可选的，所述介质筒组件还包括副介质筒，所述环形衬板的底面置于所述副介质筒的上缘处，所述副介质筒的下缘与所述腔室本体的上缘密封连接；所述副介质筒的内径大于所述介质筒本体的内径。
15.可选的，所述主介质筒和所述副介质筒的外周均设置有线圈，所述线圈用于通过匹配器与射频电源连接，以向所述工艺腔室内部加载射频功率。
16.本实用新型具有以下有益效果：
17.本实用新型提供的工艺腔室，包括主介质筒和环形衬板，其中主介质筒包括介质筒主体和位于介质筒主体下端的连接部，连接部包括分别与衬板的上表面和内周面相配合的第一凸部和第二凸部，从而使连接部能够插接在环形衬板中，且能够从两种不同方向向环形衬板施力，进而能够有效阻挡环形衬板的形变趋势，降低环形衬板的形变量，从而使吸附在环形衬板朝向半导体腔室的一侧表面上的固态副产物粉末不容易脱落，以保证工艺腔室的工艺效果。
附图说明
18.图1为现有的介质筒组件中的介质筒的结构示意图；
19.图2为现有的介质筒组件中的环形衬板的结构示意图；
20.图3为现有的介质筒与环形衬板的连接处的局部剖视图；
21.图4为碳化硅晶圆背孔刻蚀工艺原理图；
22.图5为本实施例提供的工艺腔室的结构示意图；
23.图6为与图5中虚线框区域相应的局部剖视图；
24.图7为本实施例提供的主介质筒的侧视剖面图；
25.图8为本实施例提供的环形衬板的侧视剖面图；
26.图9为本实施例提供的环形衬板的俯视结构简图；
27.图10为本实施例提供的控温板的结构示意图；
28.图11为现有的环形衬板的变形仿真结果效果图；
29.图12为本实施例提供的环形衬板的变形仿真结果图。
具体实施方式
30.为使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图来对本实用新型提供的工艺腔室进行详细描述。
31.现有的刻蚀工艺腔室的通常包括腔室主体和设置在腔室主体顶部的介质筒组件。其中，介质筒组件外周环绕有射频线圈，用以形成电磁场，以对工艺气体进行电离，从而能够在下方的腔室主体中进行刻蚀工艺。以如图4所示的碳化硅(sic)晶圆背孔刻蚀的工艺过程为例，碳化硅晶圆上表面覆盖的掩膜材料采用镍(ni)、用于刻蚀的工艺气体为氟(f)，在工艺过程中，ni和f会发生反应并生成大量的固态副产物nif
x
，而nif
x
往往难以挥发，因此其会附着在刻蚀工艺腔室的内部结构表面上。而如图1和图2所示，介质筒组件通常包括介质筒01和环形衬板02，其中，如图3所示，环形衬板02叠置在腔室主体(图中未示出)的上缘，介质筒01叠置在环形衬板02的上表面，可见，环形衬板02的内缘部分会受到向下的压力，而这
一压力会造成环形衬板02具有中心区域向下凹陷的形变趋势。而且，介质筒01在工艺过程中的温度较高，通常能够达到350℃，这会导致根据环形衬板02受热形变。由此可见，环形衬板02会在介质筒01的影响下发生受力和/或受热形变，而形变会造成环形衬板02的下表面的吸附能力下降，进而导致吸附在环形衬板02下表面的固态副产物nif
x
容易脱落，影响工艺效果。
32.而且，在实际生产中，为了避免吸附在环形衬板表面的固态副产物应累积过多而脱落，在半导体工艺腔室进行了一定的工艺时长后，就应当开腔更换环形衬板，其中每次更换的间隔时长通常被称为“维护间隔时间(mtbc)”。如上述，环形衬板越容易发生形变就越不容易吸附固态副产物，因此，环形衬板易发生形变还会导致平均维护间隔时间缩短，进而导致设备维护成本和工艺成本升高。
33.请参考图5和图6，为了解决上述技术问题，本实施例提供一种应用于半导体工艺设备的工艺腔室，其包括腔室本体3和设置在腔室本体3的顶部的介质筒组件。本实施提供的工艺腔室不限于应用于刻蚀工艺设备，其还可以应用于沉积工艺设备等可能会在工艺过程中产生难挥发副产物的半导体工艺设备。
34.本实施例中的介质筒组件包括主介质筒1和环形衬板2，其中，主介质筒1位于环形衬板2背离腔室本体3的一侧。
35.主介质筒1包括介质筒本体11和由介质筒本体11的底部向外延伸出的连接部12。连接部12包括第一凸部121和第二凸部122，其中，第一凸部121的底面与环形衬板2内缘处的上表面相配合，第二凸部122的外周面与环形衬板2的内周面相配合，从而使连接部能够与环形衬板2插接。具体的，在一些实施例中，第一凸部121和第二凸部122均为环状体。
36.需要说明的是，如图5和图6所示，第一凸部121的底面a和环形衬板2的上表面均为平面，因此两者之间的“配合”是指相互叠置；而第二凸部的外周面b与环形衬板2的内周面之间的“配合”是指过渡配合、过盈配合或者间隙配合，这是因为在进行工艺时工艺腔室内部温度较高，第二凸部122会受热膨胀，因此在对本实施例提供的工艺腔室进行安装时，第二凸部的外周面b和环形衬板的内周面可以采用间隙配合或者过渡配合，以在第二凸部122受热膨胀后，第二凸部的外周面b和环形衬板的内周面可以变为过渡配合或者过盈配合，以使第二凸部的外周面b和环形衬板的内周面相接触甚至相抵，从而保证第二凸部的外周面b和环形衬板的内周面均不会暴露在工艺环境中。
37.在一些实施例中，如图5所示，上述介质筒组件还包括副介质筒5，环形衬板2的底面置于副介质筒5的上缘处，副介质筒5的下缘与腔室本体3的上缘密封连接；副介质筒5的内径大于介质筒本体11的内径。而且，在一些实施例中，主介质筒1和副介质筒5的外周均设置有线圈，线圈用于通过匹配器与射频电源连接，以向工艺腔室内部加载射频功率。
38.如图5所示，当连接部12与环形衬板2插接时，在介质筒1自身重力作用下，第一凸部的底面a会向环形衬板2施加向下的压力，加之环形衬板2的外缘部分被副介质筒5的上缘支撑，所以环形衬板2的受力状况可以被视作的内缘部分和外缘部分受到大小相同且方向相反的力矩，这对力矩会造成环形衬板2的中心区域存在向下凹陷的形变趋势；当环形衬板2的形变趋势产生时，环形衬板2的内周面存在向内收缩或向下翻转的运动趋势，而由于第二凸部的外周面b与环形衬板2的内周面相配合，因此第二凸部的外周面b可以与环形衬板2的内周面相抵或者在环形衬板2的内周面上施加与之运动趋势方向相反的静摩擦力，以能
够有效地阻挡环形衬板2的内周面的运动趋势，从而能够阻挡环形衬板2的形变趋势，即，阻止环形衬板2发生形变，从而降低环形衬板2的形变量。优选的，在一些实施例中，第一凸部的底面a与第二凸部的外周面b之间的夹角呈90
°
，即第一凸部的底面a与第二凸部的外周面b相垂直，以在第一凸部的底面a向环形衬板2施加向下的压力时，第二凸部的外周面b能够向环形衬板2的内周面施加水平方向的压力以及向上的静摩擦力，从而能够实现最佳的阻挡环形衬板2的形变趋势的效果。与此相比，第一凸部的底面a与第二凸部的外周面b之间的夹角若呈钝角，则第二凸部的外周面b会向环形衬板2内周面施加斜向下的压力以及斜向上的静摩擦力，因此其阻止环形衬板形变的效果会大大减弱；若呈锐角，则不便于对主介质筒1与环形衬板2进行安装。
39.而且，基于环形衬板2的外缘部分被副介质筒5的上缘支撑且介质筒1向环形衬板2的内缘部分施加压力，如图6所示，若将环形衬板2在径向上的截面视作一个悬臂梁，那么容易理解的，这个悬臂梁越短就越不易受力形变，相应的，环形衬板2的环宽越小环，形衬板就越不容易发生形变。如图3所示，在现有的介质筒01和环形衬板02的安装方式中，介质筒01直接叠置在环形衬板02的上表面上，这导致在介质筒01直径一定的条件下，若要增大环形衬板02的内径，则需要增大介质筒01底部的凸缘外径，进而导致介质筒01重量增大；若要保证介质筒01重量不会过大，则需要缩小环形衬板02的内径；可见，无论如何，现有的介质筒组件都会存在环形衬板形变过大的问题。而如图5和图6所示，在本实施例的介质筒组件中，第二凸部122的外径的大小不取决于介质筒本体11的尺寸，且其可以根据实际需要进行设计，从而能够增大环形衬板2的内径，可见，与现有的介质筒组件的结构相比，本实施例提供的环形衬板的环宽更小，因此其形变量更小。
40.在一些实施例中，环形衬板2的内侧边缘朝向第一凸部121的一侧具有环形凸台21，第一凸部121与环形凸台21的上表面相配合。如图8所示，由于在环形衬板2表面设置环形凸台21，因此第一凸部121与环形衬板2叠置处的厚度要比其余部分的厚度更大，以能够提高环形衬板2内缘部分的强度。如图1和图8所示，现有的环形衬板的与介质筒接触的部分的厚度为h，而本实施例中的环形衬板2的与主介质筒1接触的部分的厚度为h，由于环形衬板厚度越大，环形衬板的强度就越大，那么环形衬板的形变量就越小，因此本实施例中的环形衬板2的与主介质筒1接触的部分的厚度h应当大于现有的环形衬板的与介质筒接触的部分的厚度h。而且，优选的，可以通过对环形凸台21的厚度进行设计，来保证环形衬板2变形量尽可能地小。
41.在一些实施例中，环形衬板2还包括相对于环形凸台21的上表面凸出的定位部22，定位部22环绕在第一凸部121的外周侧。如图8和图9所示，定位部22例如为弧形凸起，其延伸方向与环形衬板2上表面所在平面相平行，且与环形衬板2的形变趋势方向相垂直，从而能够增强环形衬板2对应位置处的强度和刚度，避免环形衬板2发生形变，起到“加强筋”的作用。而且相较于环形凸起，间隔设置的弧形凸起在温差或外力影响下发生形变时，有一定的余裕空间以容纳其形变量，以通过弹性形变消除材料内部应力。
42.在一些实施例中，如图7所示，介质筒主体11的底部开口的内缘设置有60
°
的倒角。
43.在一些实施例中，环形衬板2朝向腔室本体3的表面为平面。而且，第二凸部122的底面与环形衬板2的朝向腔室本体3的表面平齐，以避免主介质筒1的第二凸部122的外周面或环形衬板2的内周面暴露在工艺环境中而导致介质筒1或环形衬板2需要频繁更换。
44.为了防止固态副产物由环形衬板2表面脱落，还可以提高环形衬板2表面的吸附性。具体的，在一些实施例中，环形衬板2的朝向腔室本体3的表面为经过喷砂工艺处理的表面，具体的，可以采用白刚玉进行喷砂，以使环形衬板2的朝向腔室本体3的表面的粗糙度大于等于ra3，小于等于ra4；这样，通过提高环形衬板2的朝向腔室本体3的表面的粗糙度，可以有效提高该表面的吸附性，以使固态副产物不容易从该表面脱落。
45.在一些实施例中，环形衬板2的材料包括铝合金；主介质筒1的材料为工业陶瓷。
46.在一些实施例中，介质筒组件还包括控温板4。控温板4置于环形衬板2上，以能够通过与环形衬板2进行热量交换，来调节环形衬板2的温度。如图5所示，控温板4套设于第一凸部121的外侧，且置于环形衬板2背离腔室本体3的一侧。如上述，本实施例中的第二凸部122有效增大了环形衬板2的内径，同时也缩短了控温板4传递热量的路径，以能够有效降低环形衬板2的外缘位置处与内缘位置处的温差，使环形衬板2的温度更均匀，从而能够降低环形衬板2内部产生的变温应力，进而降低环形衬板2因温差而形变的形变量。
47.在一些实施例中，如图8和图10所示，环形衬板2的外侧边缘的上表面具有定位凹槽23，控温板4的下表面具有与定位凹槽23相配合的定位凸起41，以使控温板4与环形衬板2能够连接固定。
48.如图1和图2所示，现有的介质筒组件中的环形衬板02内径为d5；环形衬板02的与介质筒接触的部分的外径为d4；介质筒01内径为d1；介质筒01底部内径为d2，环形衬板02的内径为d5，且d5＝d2；由此可知，在现有技术中，环形衬板与介质筒的接触面积s1为(d4
2-d52)/4。如图7和图8所示，本实施例中的介质筒组件中的环形衬板2的内缘直径为d5；环形衬板2的与主介质筒1接触的部分的外径为d4；主介质筒1的内径为d1；第二凸部122的外径为d2，环形衬板2的内径为d5，且d5＝d2；主介质筒1的第一凸部121的外径为d3；由此可知，在本实施例中，环形衬板与主介质筒的接触面积s2为(d4
2-d52)/4。由于环形衬板的与主介质筒接触的面积越大，该接触面的单位面积内受力就越小，那么环形衬板的形变量就越小，因此，可以通过对环形衬板2的内缘直径d5、环形衬板2的与主介质筒1接触的部分的外径d4、第一凸部121的外径d3以及第二凸部122的外径d2进行调节，以使s2大于s1，以增大环形衬板与主介质筒的接触面积，从而减少环形衬板的形变量。
49.发明人对现有的介质筒组件和本实施例提供的上述介质筒组件的进行多次受力、受热形变仿真，得到了如图11和图12所示的形变仿真结果，由仿真结果可以明显看出，相较于现有技术方案，本实施例提供的环形衬板的形变量更小，进而使环形衬板的表面的附着力更强。而且经过多次测试得出，现有的介质筒组件中环形衬板的形变量约为0.22mm，而本实施例提供的上述介质筒组件中环形衬板的形变量可以达到0.08mm，远小于现有的环形衬板的形变量。而且，发明人还对本实施例提供的上述工艺腔室的平均维护间隔时间进行了测试，实验结果显示，本实施例提供的工艺腔室能够将平均维护间隔时间由40rfh(射频开启小时数)提升至100rfh。
50.本实施例提供的工艺腔室，包括主介质筒和环形衬板，其中主介质筒包括介质筒主体和位于介质筒主体下端的连接部，连接部包括分别与衬板的上表面和内周面相配合的第一凸部和第二凸部，从而使连接部能够插接在环形衬板中，且能够从两种不同方向向环形衬板施力，进而能够有效阻挡环形衬板的形变趋势，降低环形衬板的形变量，从而使吸附在环形衬板朝向半导体腔室的一侧表面上的固态副产物粉末不容易脱落，以保证工艺腔室
的工艺效果。
51.可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本实用新型的原理而采用的示例性实施方式，然而本实用新型并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本实用新型的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本实用新型的保护范围。