本发明涉及用于在衬底上沉积膜的设备和系统。具体地说，本发明涉及一种用于将 气体注入反应腔室中的化学气相沉积（chemical vapor deposition, CVD)设备。更具体 地说，本发明涉及一种温控喷淋头及其温度控制系统。 背景技术
CVD喷淋头反应器使用穿孔或多孔平坦表面来尽可能均勾地在第二平行平坦表面 上分配反应物和载气（carrier gas)。此配置可用于对多个衬底的连续批量处理或对单个 圆形晶片的处理。通常将晶片加热到处理温度，在所述处理温度下，反应物气体起反应， 且将膜沉积在晶片表面上。
喷淋头反应器或平行板反应器有助于实施等离子体增强的工艺，例如等离子体增强 的化学气相沉积（PECVD)。在大多数PECVD反应器中，顶部和底部电极的大小大约 相等。晶片电极可以是衬底支撑件且接地，且喷淋头可施加RF功率。可将偏压RF功 率施加到衬底支撑件。喷淋头中所施加的RF可能需要气体供应系统中的绝缘部分，以 避免在到达腔室的馈气线中形成寄生放电。可通过衬底支撑电极来施加RF功率，同时 喷淋头可接地。
可通过在晶片之间改变反应温度来影响晶片到晶片均匀性：工艺条件、清洁循环、 闲置时间和喷淋头组件的发射率随时间的变化都可影响衬底或晶片以及气体反应温度。 尽管在连续批量处理中的若干晶片之后，喷淋头最终达到平衡温度，但这些因素可在达 到平衡温度之前影响所述平衡温度或沉积循环的数目。而且，在多台式腔室中，喷淋头 温度可能在台与台之间变化。举例来说，台1处的冷的传入晶片可能导致喷淋头逐步冷 却。喷淋头的热循环还可从喷淋头上与喷淋头本身具有不同热膨胀系数的涂层形成微 粒。
因此，需要准确地控制腔室中每个喷淋头的温度，以形成具有最佳晶片到晶片均匀 性的值得制造的装备。所述喷淋头应在不产生微粒的情况下设计，且可以最低的成本制 造，而不会增加占地面积或降低生产量，同时维持良好的晶片到晶片均匀性。

一种具有增强的热耗散的温控CVD喷淋头和温度控制系统以快速响应来实现准确且稳定的温度控制。准确的温度控制减少了连续批量处理内以及批次与批次之间的晶片 到晶片非均匀性。增强的热耗散和加热器在操作环境中的变化干扰所述系统时，允许快 速恢复到温度设置点。通过增加穿过喷淋头杆的传导、使用流体通路中的流体的额外对 流冷却以及增加从背板的辐射来实现增加的热耗散。温度控制系统还包含热交换器，其 连续冷却在喷淋头流体通路中流动的对流冷却流体。另外，喷淋头温度可为工艺优化提 供额外参数。
一方面，本发明涉及一种温控CVD喷淋头，其包含具有对流冷却流体通路的杆、 热耦合到所述杆的背板、物理附接到所述背板的加热器、热耦合到所述背板的面板以及 用于测量所述面板的温度的温度传感器。所述温度传感器可以是附接到面板的热电偶。 还可使用基于红外辐射、荧光或高温测定法的非接触式温度测量方法。背板可由铝或铝 合金制成。背板的外表面可涂覆有某一材料以增加发射率。涂层可以是经阳极氧化的铝。 加热器可以是电阻加热器，且可嵌入背板中。面板可由铝、经阳极氧化或涂覆的铝或经 设计以耐高温、化学制品和等离子体的其它金属制成。
所述杆收容通道，穿过所述通道，反应物和载气流动到面板，在此处，气体穿过面 板中的孔或穿孔而分配。导流板或某一其它分配装置可位于气体通道的末端与面板之 间，以有助于均匀地分配所述气体。所述杆还收容对流冷却流体通路，穿过对流冷却流 体通路，冷却流体可流动以冷却喷淋头。流体通路经构造以使得其与杆中将反应物和载 气运载到喷淋头的反应物通道隔离。对流冷却流体在入口处进入所述杆，且可通过一个 或一个以上退出通道退出所述杆。在所述杆中，通路的入口或出口通道或这两个通道可 遵循螺旋形路径，或为流体与表面之间的对流传热而设计的某一其它曲折路径。冷却流 体可以是清洁干燥空气（clean dry air， CDA)、氩、氦、氮、氢或其混合物。尽管不是 优选的，但可将基于水和油的液态冷却剂用作对流冷却流体。确切地说，CDA可在约 50到100 psi的压力下由制造设施（fab facilities)供应。还可通过串联连接到一个以上 喷淋头的热交换器来冷却CDA。串联冷却意味着可将CDA供应到各个喷淋头，中间冷 却由热交换器来进行。举例来说，CDA可供应到第一喷淋头、由热交换器冷却、供应到 第二喷淋头、由热交换器冷却、供应到第三喷淋头、由热交换器冷却、供应到第四喷淋 头、由热交换器冷却且排出。这种布置使所使用的空气的量减到最小，且还确保排出气 体的低温，消除了安全隐患。
面板含有孔或穿孔，穿过所述孔或穿孔，气体反应物流动到晶片。面板可具有不同 大小的孔图案的各种配置。面板可移除地附接到背板，以便促进清洁或改变孔图案。面 板的温度可由与面板成物理和热接触的热电偶测量，或由较不易受RF干扰影响的其它手段（例如，光学温度测量法）来测量。如果使用热电偶，则热电偶可通过背板与面板 之间的间隙器（standoff)且通过所述杆而连接到面板。射频（RF)滤波器可电耦合到 热电偶，以减少或消除来自施加到喷淋头的RF的温度信号中的干扰。
RF滤波器还可电耦合到加热器。加热器和热电偶中的一者或两者可与沉积期间所 使用的某一频率的RF功率隔离。控制器可耦合到热电偶和加热器，以在面板处维持所 需温度。
另一方面，本发明涉及一种用于控制CVD腔室中的一个或一个以上喷淋头温度的 温度控制系统。所述系统包含CVD腔室和冷却系统。CVD腔室包含一个或一个以上温 控喷淋头。每个喷淋头包含杆、背板、面板和用于测量面板的温度的热电偶。所述杆包 含对流冷却流体通路，且热耦合到背板，背板热耦合到面板。冷却系统连接到每个喷淋 头中的对流冷却流体通路，以使冷却流体连续流经每个喷淋头，且流经喷淋头之间的热 交换器。冷却系统可包含液体冷却的热交换器，以及到达对流冷却流体通路的连接。温 度控制系统还可包含耦合到热电偶的控制器以及物理附接到背板的加热器。
对流冷却流体可以是清洁干燥空气（CDA)、氩、氦、氮、氢或其组合。对流冷却 流体可经由制造设备连接来输送，且可以是CDA。可在约50到100psi的压力和环境温 度下将CDA输送到第一喷淋头杆。CDA可在冷却的不同喷淋头之间被连续冷却，所述 不同喷淋头可或可不在同一机床上的同一处理腔室中。可使用一个热交换器来冷却一个 以上机床的一个以上腔室中的喷淋头。CDA可在最后冷却之后，在环境压力和/或环境 温度下排出。热交换器中的液态冷却剂可以是设施水（facilities water)或另一液态冷却 剂。热交换器可以是嵌入有冷却剂线和对流冷却流体线的铸造金属块。所述铸造金属材 料可以是铝。冷却系统还可包含一个或一个以上旁通回路，其经配置以使一个或一个以 上喷淋头与冷却系统隔离。冷却系统还可包含耦合到控制器的流动调制器，以调节或控 制进入每个喷淋头的冷却流体的流速，以便控制冷却的量。在一些实施例中，CVD腔室 还可包含腔室顶部，其具有高发射率涂层。所述涂层可在腔室顶部的内表面上，且可以 是经阳极氧化的铝。
在又一方面，本发明涉及一种用于控制CVD喷淋头温度的温度控制系统。所述系 统包含热耦合到喷淋头的冷却构件；热耦合到喷淋头的加热构件；热耦合喷淋头的一面 的温度感测构件；电耦合到温度感测构件和加热构件的RF滤波构件；以及用于控制温 度的控制构件。所述系统还可包含辐射冷却构件和对流冷却构件。
一方面，本发明涉及一种温控CVD喷淋头，其包含具有对流冷却流体通路的杆、 热耦合到所述杆的背板以及热耦合到所述背板的面板。对流冷却流体通路可经设计以使得退出通路的冷却流体将与喷淋头处于同一温度。喷淋头设备还可包含温度传感器，用 于测量在等离子体RF千扰范围外的退出冷却流体温度。温度传感器可以是热电偶或基 于红外辐射、荧光或高温测定法的非接触式温度测量方法。背板可由铝或铝合金制成。 背板的外表面可涂覆有某一材料以增加发射率。所述涂层可以是经阳极氧化的铝。在一 些实施例中，加热器可附接到背板，所述加热器可以是电阻加热器，且可嵌入背板中。
另一方面，本发明涉及一种用于控制CVD腔室中的喷淋头温度的温度控制系统。 所述系统可包含具有一个或一个以上温控喷淋头的CVD腔室、流体耦合到对流冷却流 体通路的冷却系统以及控制器。每个喷淋头可包含具有对流流体通路的杆、热耦合到所 述杆的背板以及热耦合到所述背板的面板。所述冷却系统可包含到达对流冷却流体通路 的入口和出口、液体冷却的热交换器、流动调制器和热耦合到退出所述杆的对流冷却流 体的温度传感器。热交换器可将热量从连续流经一个以上喷淋头的通路且中间由热交换 器冷却的对流冷却流体移除。所述流动调制器可基于来自控制器的信息而控制到达每个 喷淋头的对流冷却流体的流速。温度传感器可测量退出喷淋头的流体的温度，使得控制 器可确定面板的温度。控制器可耦合到流动调制器和温度传感器，以便确定和控制面板 温度。在一些情况下，加热器可附接到背板，且耦合到控制器，以提供加热。
在又一方面，本发明涉及一种用于CVD的温控喷淋头面板。所述面板包含大体上 平坦且圆形的前表面和背表面。背表面可包含用于将面板附接到背板的若干带螺纹盲孔 以及一个或一个以上配合特征。面板还可包含若干小通孔，供气体从喷淋头杆流到面板 另一侧上的处理区。所述小通孔可为约100到10,000个、2到5000个、约3到4000个 或约200到2000个孔，其直径约为0.01到0.5英寸或约0.04英寸，且可形成非均匀孔 密度图案。面板可具有约0.25到0.5英寸、或约0.125到0.5英寸或约0.25到0.375英 寸的厚度，且可由铝、经阳极氧化或涂覆的铝或经设计以耐高温、化学制品和等离子体 的其它金属制成。还可包含热电偶接触孔。面板经配置以经由一个或一个以上配合特征 可移除地附接到背板。所述配合特征可以是背表面上方的圆周侧壁、凹槽、若干带螺纹 盲孔和联锁爪（interlockingjaw)的一半。
因此，本发明提供了一种温度控制喷淋头系统，其可以准确地控制腔室中每个喷淋 头的温度以形成具有最佳晶片到晶片均匀性的值得制造的装备。而且本发明中的淋喷头 在不产生微粒的情况下设计，且以最低的成本制造，而不会增加占地面积或降低生产量， 同时维持良好的晶片到晶片均匀性。
下文将参考相关联的图式更详细地描述本发明的这些和其它特征和优势。 附图说明图1是四台式腔室中随时间的喷淋头温度的图。 图2A是在各种喷淋头温度下沉积的氮化硅间隔物厚度的图。 图2B是在各种喷淋头温度下沉积的氮化硅间隔物的膜应力的图。 图3A、图3B和图3C是根据本发明各个实施例的温控喷淋头的横截面示意图。 图4是根据本发明实施例的冷却系统的示意图。 图5是根据本发明实施例的温度控制系统的示意图。 图6是用以减少或消除RF噪声的RF滤波器的一个实施例的示意图。 图7是使用根据本发明的温控喷淋头测量到的喷淋头温度的曲线图。 图8A是展示使用标准喷淋头的具有四种不同开始条件的100个晶片上的TEOS膜 厚度的曲线图。
图8B是展示使用温控喷淋头的具有相同的四种开始条件的100个晶片上的TEOS 膜厚度的曲线图。

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在以下对本发明的详细描述中，为了提供对本发明的全面理解，陈述大量具体实施 例。然而，如所属领域的技术人员将明白，可在没有这些具体细节的情况下或通过使用 替代元件或工艺来实践本发明。在其它例子中，未详细描述众所周知的工艺、程序和组 件，以便不会不必要地混淆本发明的各方面。
在本申请案中，术语"衬底"和"晶片"将可互换地使用。以下详细描述假定本发
明在半导体处理装备上实施。然而，本发明并非局限于此。可利用所述设备来处理各种 形状、大小和材料的工件。除半导体晶片之外，可利用本发明的其它工件包含例如显示 器面板、印刷电路板及其类似物的各种物品。
喷淋头温度随时间而有所偏差，且依据反应速率和膜特性而影响沉积反应。图l是
在无任何温度控制（即，无加热或冷却）的情况下50晶片生产（50 wafer mn)期间的 4种喷淋头温度的图。在持续约4000秒的50晶片生产期间标绘四台式腔室中的四个喷 淋头。台1喷淋头对应于线102;台2对应于线104;台3对应于线106，且台4对应于 线108。随着时间的过去，台2到4中的温度增加，直到其在约3700秒时达到稳定的状 态温度为止。在线UO处将等离子体条件标绘为阶跃函数。最初，等离子体保持处于虚 拟沉积模式以加热喷淋头，且在约IO分钟之后，晶片处理开始。在台1中，在晶片处 理开始之后，温度开始逐渐降低，因为当台1处的每个传入晶片加热到处理温度时，所述晶片冷却腔室组件（包含喷淋头）。因此，后继台中的温度曲线逐渐变高。台2喷淋 头的温度比台3喷淋头的温度低，因为传入到台2的晶片的温度比传入到台3的晶片的
温度低。对于所有台，喷淋头温度在某一时间之后达到平衡温度。
图1展示正在多台式腔室中处理的晶片将在每个台处经历不同的喷淋头温度。因此， 当喷淋头温度影响所沉积的膜的特性时，沉积在晶片上的每个层将具有略有不同的特
性。对喷淋头温度敏感的CVD工艺的一个实例是氮化硅间隔物。对喷淋头温度敏感的 CVD工艺的另一实例是四乙基原硅酸盐（TEOS)。
图2A展示在不同喷淋头温度下沉积的膜厚度。在所有其它工艺参数都相等的情况 下，在较高的喷淋头温度下沉积更多的膜。因此，在晶片生产开始时（例如，在某一闲 置时间或腔室清洁之后）沉积的膜厚度将小于在喷淋头温度已达到平衡之后沉积的膜厚 度。视膜而定，此厚度差异可或可不对所制造的最终装置的性能产生影响。图2B展示 喷淋头温度对氮化硅间隔物膜特性（即其应力）。随着喷淋头温度增加，应力减小。所 沉积的膜的应力，尤其在晶体管级处，可能对装置性能产生较大影响。因此，可通过操 纵喷淋头温度来实现所需的应力。控制喷淋头温度的能力将提供另一工艺参数，使用所 述工艺参数来实现所需的膜特性，且减少沉积厚度和膜特性的晶片到晶片变化（非均匀 性）。
温控喷淋头
温控喷淋头改进了整块膜和各个子层两者的晶片到晶片均匀性、通过消除非处理延 迟来增加生产量、通过减少或消除热循环来减少微粒且添加了有价值的工艺参数以精细 调谐膜特性。膜晶片到晶片均匀性得到改进，因为温度在连续批次的晶片上变化较小（在 一批内和批次之间，且与机床条件无关）。这减少了当喷淋头较冷时的批次中的第一晶 片与当喷淋头已经达到平衡温度时的批次中的最后一个晶片之间的膜特性的差异。通过
将腔室中的所有喷淋头都控制在同一温度，还改进了不同子层中的膜特性均匀性。可消 除非处理时间，例如用以加热喷淋头的虚拟沉积时间，从而增加了生产量。可减少热循 环，因为在所述台闲置或被清洗时，喷淋头温度可维持，而不是允许喷淋头冷却。热循 环的减少将减少腔室组件与组件上的涂层之间的不同热膨胀系数的影响，且从而减少微 粒。如上文所论述，对于一些CVD工艺，可通过以其它工艺参数控制喷淋头温度来实 现所需的膜特性。举例来说，对于具有较高应力的氮化硅间隔物，较低喷淋头温度是合 乎需要的。
通常存在两种主要类型的CVD喷淋头：枝形吊灯型和嵌入安装型（flushmoimt)。 枝形吊灯型喷淋头具有一端附接到腔室顶部且另一端附接到面板的杆，类似枝形吊灯。所述杆的一部分可伸出腔室顶部，以允许连接气体线与RF功率。嵌入安装型喷淋头整 合到腔室的顶部中，且不具有杆。本发明涉及温控枝形吊灯型喷淋头。
为了控制温度，基于喷淋头温度而添加或移除热量。当等离子体接通时，喷淋头温 度增高，因为（1)带电微粒与喷淋头碰撞以给予能量，（2)所施加的RF能量耦合到喷 淋头，且/或（3)有意通过（例如）来自电加热器的电能来添加外部热量。当较冷的材
料（例如，较低温度下的反应物气体或环境温度下的晶片）进入腔室时、当通过传导（例 如，通过喷淋头杆材料一直到腔室天花板的热量传导）且通过来自喷淋头表面的辐射而 移除热量时，喷淋头温度降低。这些热事件中的一些作为正常腔室操作的一部分而发生， 且其它热事件可用于控制喷淋头温度。
图3A、图3B和图3C是根据本发明各个实施例的喷淋头的横截面示意图。参看图 3A，喷淋头300包含杆304、背板306和面板310。可将杆304分成上部分和下部分， 其可具有不同的直径。在一个实施例中，上杆具有约1.5到2英寸（优选约为1.75英寸） 的直径。下杆的直径约为2到2.5英寸，优选约为2.25英寸。面板直径可稍大，且与晶 片大小相当或比晶片大小稍大，优选约为晶片大小的100%到125%。举例来说，对于300 mm(12英寸）的处理腔室，面板直径可为约13英寸或约15英寸。面板和背板每一者 可具有约0.25到0.5英寸、或约0.125到0.5英寸或约0.25到0.375英寸的厚度。面板 可由铝、经阳极氧化或涂覆的铝或经设计以耐高温、化学制品和等离子体的其它金属制 成。
在一个实施例中，背板的厚度约为0.5英寸，且面板的厚度约为八分之三英寸。反 应物气体通过喷淋头杆304中的进气通道302引入，流经背板306且进入背板306与面 板310之间的歧管区308。参看图3B，导流板312使气体均匀地分布在整个歧管区308 上。导流板312可经由导流板中的带螺纹插入物或带螺纹孔342和若干螺丝344附接到 背板306。歧管区的体积由背板与面板之间的间隙界定。所述间隙可约为0.5到1英寸， 优选约为0.75英寸。为了维持所述间隙中的均匀气流，所述间隙可借助在各个位置（例 如，3个、6个或至多10个位置）处定位于背板与面板之间的若干隔开物/间隔物332 而保持恒定。如图所示，螺丝338穿过隔开物/间隔物332而在带螺纹盲孔328处将背板 306紧固到面板。在其它实施例中，可使用具有或不具有内部螺纹的各种形状的间隔物 或衬套。尽管所示的螺丝进入背板且拧到面板中，但可使用反向配置。举例来说，螺丝 可嵌入面板中，且穿过间隔物而进入背板中的通孔。可用螺母将螺丝紧固到背板。
气体通过面板310中的穿孔或孔（334)进入处理区，以导致晶片表面上的沉积。 可对通孔进行机械加工、铣削或钻孔。每个孔的直径可约为0.04英寸，或直径约为O.Ol至U0.5英寸。 一些孔可具有不同大小。孔的数目可为100到10,000个、2到5000个、约 3到4000个或约200到2000个孔。所述孔可以各种图案（例如，蜂巢图案或逐渐增大 的圆形）均匀地分布在整个面板上。视包含所需膜均匀性、膜轮廓和气流的各种因素而 定，所述孔可具有非均匀分布的各种图案，例如较稠密地分布在面板的中间，或较稠密 地分布在面板的边缘处。在一个实施例中，所述孔可具有均匀间隔的圆形的图案，其中 所述孔逐渐远离中心而放置。 一般来说，可使用各种孔图案和密度。
在一些情况下，面板310可移除地附接到背板306，使得穿孔/孔配置可容易改变， 且面板容易被清洗。面板310的背表面可包含配合特征以附接背板和与背板分离。如图 所示，配合特征可以是凹槽330和带螺纹盲孔346。凹槽330可配合到背板上的对应唇 缘上。背板或面板上的螺丝孔340和匹配孔346沿圆周定位。螺丝将背板与面板附接在 一起。沿圆周定位的螺丝的数目可大于4、大于10、约为24或至多约50。可使用背板 和面板的其它配合特征。举例来说，其它紧固机构可包含皮带或夹子，或可在面板的尺 寸紧密匹配背板中的对应插口的尺寸时使用简单的基于摩擦的啮合。如图3A中所示， 面板可包含具有凸缘的圆周侧壁。背板可位于所述凸缘上且用螺丝附接。在一个实施例 中，在背板或面板的圆周侧壁边缘上的经特殊机械加工的凹口与对应物上的齿配合的情 况下，使用联锁爪机构。当喷淋头被加热且所述齿和凹口膨胀时，背板和面板可变成通 过摩擦附接。涉及非移动部分的此机构对螺丝（其必须带螺纹）来说可能是优选的，且 可除去和释放微粒。又一可能的机构涉及可旋入相应的对应物中的面板或背板的圆周侧 壁上的螺纹。不管配合特征和紧固机构如何，背板和面板均以此方式附接，以维持其间 良好的电和热接触。
在操作期间，喷淋头面板在腔室中经历有应力的条件。举例来说，来自至多达非常 高的温度（例如，高于300'C)的温度变化的热应力可能使背板或面板弯曲，且使材料 降级。操作期间的等离子体可侵蚀表面材料，从而导致微粒和疵点。反应物（例如，氟 气）也可能以化学侵蚀的方式腐蚀面板。不需要的反应产物或副产物的沉积可能堵塞气 流孔，从而影响工艺性能，在膜积聚在表面上时导致微粒，或在氟化铝的情况下影响等 离子体特性。长此以往，这些事件可能在微粒、均匀性和等离子体性能方面影响工艺性 能。如果能仅清洁或更换面板则会节约成本，而不必更换整个喷淋头组合件。
再次参看图3A,加热器314可热附接到背板306。加热器314可以是电加热器，且 可嵌入背板306中。可通过真空铜焊工艺来附接加热器。加热器线圈314由通过杆连接 到所述线圈的加热器线316控制。因为喷淋头在腔室操作期间经受较高的RF能量，所 以加热器的所有或一部分与RF绝缘且隔离。可通过RMI/RFI滤波器或任何其它商业上
11可用的RF隔离装置来实现RF隔离。在一些实施例中，不使用加热器。
图3C展示用以强调其它元件的喷淋头的略有不同的横截面图。热电偶318与面板 310热接触，以测量面板的温度。热电偶318从上杆穿过背板306与面板310之间的间 隙器320而连接。在面板310处，热电偶可接触热电偶接触孔中的面板材料。类似于加 热器线和元件，热电偶也与RF绝缘且隔离。可通过某一频率的RF陷波器和另一频率 下的RF滤波器来实现RF隔离。在其它实施例中，可使用其它温度感测装置来测量面 板的温度。明确地说，可使用非接触式温度传感器。实例包含高温测定法、基于荧光的 温度测量法和红外温度测量法。
温控喷淋头通过传导、对流和辐射来增强热量移除。通过连接到腔室顶部的喷淋头 杆本身将热量传导走。杆的直径可经设计以使到达腔室顶部的传导热量损失增至最大。 还通过在杆304的对流冷却流体通路中流动的冷却流体以对流的方式来移除热量。图3B 中的实施例包含冷却流体入口 322，冷却流体（例如，清洁干燥空气（CDA)、氩、氦、 氮、氢或其混合物）可流到冷却流体入口 322中。流体可遵循螺旋形路径沿所述杆而下。 图3B中将螺旋形路径展示为穿过对流冷却流体通路的开口 324。冷却流体可穿过一个 或一个以上冷却流体退出通道326而退出所述杆。在一个实施例中，提供两个冷却流体 退出通道。尽管此处的实例使用螺旋形通路和两个退出通道，但所属领域的技术人员可 设计另一曲折通路，以将热量从喷淋头有效地传递到冷却流体。
流体冷却通道可经设计以使得退出流体完全被加热到喷淋头杆的温度。因为面板温 度和杆温度是相关的，所以有可能通过测量退出流体的温度来推断面板温度。可在远离 RF所导致的电磁干扰的情况下，测量退出流体的温度。这种设计可避免在喷淋头及其 相关联的RF滤波电路内部使用热电偶。
在另一种情形下，冷却流体可进一步经调制以控制冷却的量。基于退出流体温度的 反馈回路可增加或减小流动以改变冷却的量。此冷却可加入或代替背板上的热量。对于 要求较低的应用，可仅使用冷却来控制喷淋头温度；且可省略加热器元件和RF隔离装 置。对于要求较高的应用，冷却流体的调制是用以控制喷淋头温度的额外参数。
除传导和对流之外，热量可从背板辐射远离喷淋头。为了改进辐射冷却，背板的外 表面可涂覆有高发射率材料。举例来说，所述涂层可以是经阳极氧化的铝。辐射可由腔 室的顶部吸收。也可用高发射率材料来处理腔室顶部，以增加辐射传热。腔室顶部的内 表面可涂覆有经阳极氧化的铝。腔室顶部可（例如）通过冷却水线而独立地冷却。
传导和辐射热量移除使喷淋头保持在足够低的温度，借此电加热器可准确地将其加 热回来。在没有热量移除的情况下，喷淋头温度将保持较高且无法控制。热量移除为温度控制形成净空（headroom)。在一个实施例中，热量移除使喷淋头温度保持在低于约 20(TC。加热器是围绕背板的周长的简单线圈，因为面板与背板之间的大部分传热都是 围绕所述周长。喷淋头与背板之间较佳的热接触也会改进温度控制，因为传导传热且因 此穿过杆的热损失增强。 冷却系统
连接到一个或一个以上喷淋头杆的冷却系统冷却流经每个喷淋头杆的对流冷却流 体。冷却系统包含液体冷却的热交换器和到达喷淋头的连接。图4是根据本发明一个实 施例的冷却系统的示意图。在此实施例中，热交换器401连接到四个喷淋头411、 413、 415和417。对流冷却流体连续流经每个喷淋头以及热交换器401的隔间。对流冷却流 体在入口 409处进入系统，在入口 409处，对流冷却流体进入第一喷淋头杆。在流经一 个喷淋头之后，在流经下一个喷淋头之前，对流冷却流体由热交换器中的液态冷却剂冷 却。在穿过热交换器中的最后一个隔间的最后一次冷却之后，对流冷却流体在出口 411 处从冷却系统排出。对流冷却流体可以是清洁干燥空气（CDA)、氩、氦、氮、氢或其 中的一者或一者以上的组合。在一个实施例中，对流冷却流体是在设施压力下的由设施 提供的CDA。针对不同的设施压力可能需要不同的流速。举例来说，在80psi的设施压 力下，可使用IOO标准升每分钟（slm)的CDA。排出气体可约处于或略高于环境温度 和压力。尽管展示对流冷却流体不返回到系统的开放式系统，但穿过喷淋头的连续流和 穿过一个热交换器的中间冷却的概念也可用封闭式系统来实施。
在一些实施例中，测量从喷淋头退出的冷却流体的温度，且使用所述温度来确定喷 淋头温度。温度传感器441、 443、 445和447可热耦合到退出的冷却流体，且仍在RF 干扰范围之外。此配置将消除对RF滤波装置的需要。如上文所论述，对流冷却通路可 经设计以使得退出冷却流体的温度与喷淋头杆的温度相同。所属领域的技术人员于是将 能够在知道各个组件的热特性的情况下，设计算法来使测量到的退出流体温度与喷淋头 温度相关。
在某些实施例中，喷淋头可不包含附接到背板的加热器。喷淋头温度在处理、预加 热和远程等离子体清洁期间增高。在这些实施例中，可使用来自冷却流体的主动式冷却 来控制喷淋头温度。控制阀421、 423、 425和427基于来自控制器的输入而控制到达喷 淋头的冷却流体的流动。冷却流体流动到喷淋头杆或在旁通回路431、 433、 435或437 中转向。可基于到达喷淋头的冷却流体的流动而实现更多或更少冷却。在可接受喷淋头 温度的范围较大的某些要求减低的应用中，仅主动式冷却的设计可能是适当的。在这些 实施例中，喷淋头温度可基于退出冷却流体的温度而确定，或通过接触热电偶或通过非接触热感测构件在喷淋头处测量到。
在一个实施例中，图4中展示四个喷淋头和四个隔间，但冷却系统可设计为具有另 一数目的喷淋头和隔间。在一些情况下，所述冷却系统可用于冷却一个以上半导体处理 机床的喷淋头。如果每个半导体处理机床具有一个多台式腔室（其每一者具有四个台）， 则可设计具有到达8个喷淋头的8个隔间连接的冷却系统以服务于2个机床。 一些半导
体处理机床可具有一个以上多台式腔室。在此情况下，可将冷却系统设计为服务于单个 机床上的一个以上腔室中的所有喷淋头。如果在具有一个以上四台式腔室的机床上使用 四隔间热交换器，则可每机床使用一个以上热交换器。
在一些情况下，喷淋头中的一者或一者以上可针对全部的对流冷却流体流动而旁 通。因此，每个喷淋头连接还可包含具有对应阀的旁通回路。对于某些工艺，不是每个
台都可经配置以将材料沉积在晶片上，或需要温控喷淋头。在此情况下，可在台4处使 用旁通回路。
用于热交换器401的液态冷却剂在入口 405处进入系统，且在其在出口 407处退出 系统之前遵循冷却剂路径403。尽管针对冷却剂路径403仅展示一个回路，但冷却剂路 径可由许多回路组成，这取决于冷却剂路径的直径、所需的传热、入口处的冷却剂温度 和出口处的任何冷却剂温度要求。液态冷却剂可以是水或任何其它类型的已知液态冷却 剂，例如氟利昂。在一个实施例中，液态冷却剂是设施输送的水。在退出热交换器之后， 在被释放（例如）到排水沟之前，可或可不对液态冷却剂进行进一步处理。举例来说， 可直接排出作为液态冷却剂的设施输送的水。然而，如果使用其它液态冷却剂，则可对 冷却剂进行压縮，且将其再循环回到热交换器中，从而形成闭合回路冷却剂系统。
可使用热交换器401的不同设计。图4展示水流近似彼此垂直而流动的交叉流热交 换器。然而，可使用逆流或并流热交换器。所属领域的技术人员将能够设计具有足够的 表面积以导致所需的传热的热交换器。在某些实施例中，热交换器401可以是封围着液 态冷却剂和对流冷却流体管道系统的铸造金属。所述金属可以是铝或具有所需传热特征 的其它金属。铸造金属设计允许具有较少占地面积或空间要求的紧凑热交换器。
温度控制系统
喷淋头温度控制系统包含一个或一个以上喷淋头、冷却系统和用于控制每个喷淋头 的温度的控制器。图5描绘温度控制系统与一个喷淋头相关时的主要组件。注意，此图 中的喷淋头图形包含到达腔室顶部的附接零件。对流冷却流体从组件502流入喷淋头杆 中，在冷却喷淋头的过程中，对流冷却流体在喷淋头杆中被加热，且对流冷却流体退出 到热交换器506。在一些实施例中，进入喷淋头中的冷却流体流动由控制阀或其它流动调制器522调制。通过调制所述流动，冷却流体所提供的冷却可增加或减少。
如上文所论述，对流冷却流体可从热交换器506流动到另一组件，例如504。如果 将喷淋头配置为腔室中的第一个台，那么组件502可以是设施空气，且组件504可以是 另一喷淋头，例如台喷淋头。如果未将喷淋头配置为第一个台，那么组件502和506可 以是同一组件，如上文所论述的液体冷却的热交换器。注意，此冷却回路可不具有反馈 回路，其中可调节更多或更少冷却。简单的设计仅足够地冷却喷淋头，使得电加热器518 可准确地将喷淋头加热到某一温度。
如上文所论述，热电偶510与面板物理接触。热电偶510连接到RF隔离装置512， 以移除从热电偶信号施加到作为电极的喷淋头上的RF的影响。通常，PECVD中所施加 的RF具有两个频率分量，高频率（例如，13.56 MHz)陷波器和低频率（例如，400 kHz)。 RF隔离装置可包含一个或一个以上滤波器。在一个实施例中，RF隔离装置包含高频率 和低频率滤波器。在无RF隔离的情况下，相信热电偶测量将无用，因为RF干扰将太 大。'
图6中展示RF隔离装置的可能配置的示意图。热电偶510/601由不锈钢护套环绕。 此护套平行于电容器605而缠绕到线圈603。所述线圈作为电感器，且所述电容器形成 阻断13.56 MHz信号的储能电路（tank circuit)。所述线圈可具有约l微亨的电感，且电 容器605可具有约85pf (皮法）的电容。用可具有约10000 pf的电容的第二电容器607 将剩余的13.56 MHzRF短路到接地609。用护套来俘获高频率还阻断嵌入此护套中的热 电偶线中的RF。 400 kHz频率不会被603/605滤波器阻挡，且由于其较低频率而不会被 电容器607短路到接地。所以在13.56 MHz滤波器的末端仍存在400 kHz噪声，其随后 由低频率滤波器611过滤掉。在一种设计中，低频率滤波器可以是双阶段低通滤波器。 两个阶段可为类似于高频率滤波器的LC设计。请注意，低频率滤波器可直接连接到热 电偶线，但高频率滤波器只可连接到护套。
再次参看图5，加热器元件518连接到其RF隔离装置508。 RF隔离装置508可以 是RF滤波器或用以使加热器电信号与所施加的RF的效应隔离的其它可用装置。温度 控制器516通过隔离装置512从热电偶510读取温度信息，且在反馈回路中通过RF隔 离装置508调节到达加热器518的输入。
在另一实施例中，可通过在RF干扰范围外的温度感测装置520来测量退出冷却流 体的温度。在此实施例中，温度感测装置520不需要RF滤波器。控制器可使退出冷却 流体的温度与喷淋头温度相关。
温度控制器516还可从组件514获取前馈信息。所述前馈信息可以是直到等离子体接通为止的时间周期。在一些情况下，前馈信息还可包含其它影响喷淋头温度的可预测 事件，例如用冷晶片的晶片处理，进入喷淋头中的气体流动。控制器可在预期到冷却事 件（例如，腔室清洗）的情况下增加加热器输入，或在预期到加热事件（例如，等离子 体"接通"）的情况下减少加热器输入。控制器还可在预期到加热事件的情况下通过增 加冷却流体流动来增加冷却，或在预期到冷却事件的情况下通过减少冷却流体流动来减 少冷却。
可在不同控制方案中使用输入和输出组件的各种组合。举例来说，主动式冷却（调 制冷却流体流动）可与主动式加热（背板中的加热器） 一起使用，以准确地控制喷淋头 温度。可直接从附接到面板的热电偶测量喷淋头温度，或可从退出冷却流体温度间接确 定喷淋头温度。在一些情况下，控制系统中可仅包含主动式冷却或仅包含主动式加热。 还可包含其它输入（例如入口处的冷却流体的温度感测）以准确地确定从喷淋头移除的热量。
在某些实施例中，温度控制器可与系统控制器整合。在那些情况下，组件514将不 与控制器516分离。 实验
根据本发明来实施喷淋头温度控制系统。所实施的控制系统包含如上文所论述的温 控喷淋头和仅使用反馈（仅热电偶）输入的控制器。四台式腔室的喷淋头温度在50晶 片生产期间测量，且在图7中标绘。在单独的曲线上标绘总共四个喷淋头中的每个喷淋 头的温度。设置点是260°C。将针对台1测量到的温度表示为线701。针对台2到台4 测量到的温度彼此非常接近，且表示为线703。正如图1，在705处也将等离子体条件 标绘为阶跃函数。
在加热器关闭且温度不受控制的情况下，喷淋头温度与图l相比的差异是显著的。 在至多约1800秒的虚拟沉积期间，喷淋头温度表现为类似于图1的喷淋头温度。所述 温度在晶片沉积开始之后，在约1800秒的时间处快速稳定。至少对于台2到台4中的 喷淋头来说，温度远为更早地稳定。台1的温度701趋向于向下，持续约500秒的周期， 下降到约256°C，但在晶片处理的其余部分期间恢复并保持在设置点处。
数据显示，通过温度控制方案，可在50晶片批次内将喷淋头温度控制为没有约4 °C。因为在不使用前馈控制的情况下产生数据，所以包含前馈控制的实施方案可将响应 改进为甚至小于约4'C。
在另一测试中，使用标准喷淋头和根据本发明的温控喷淋头来研究针对四乙基原硅 酸盐（TEOS)沉积的沉积速率的晶片到晶片结果。标准喷淋头不包含本发明的温控特征。其不包含冷却机构或加热器。为了测试温控喷淋头对变化的条件的响应性，在四种 条件下，用每个喷淋头沉积100个晶片。在每种条件之前，处理腔室经受远程等离子体 清洁（RPC)，其中从馈入距处理腔室远程定位的腔室中的气体点燃等离子体。来自RPC 腔室的等离子体激活的物质接着流经输送线并流向处理腔室。因此在晶片l、 26、 51和 76之前进行RPC。在第一种条件下，TEOS沉积对于每晶片持续12秒，且测量所沉积 的厚度。在第二种条件下，在RPC之后，用来自反应物通道的氮气冷却喷淋头，持续 20分钟。估计在标准喷淋头中，在用氮气强制冷却约20分钟之后，喷淋头温度达到约 240°C。在第三种条件下，处理腔室在RPC之后闲置整晚。在此闲置期间，基座保持被 加热到约35(TC，使得在标准喷淋头中，在此持续时间期间，喷淋头平衡在小于350'C 的温度。在第四种条件下，在RPC之后，用高功率等离子体来加热喷淋头，持续20分 钟。使用氮来以约10slm的流速产生此等离子体。将腔室压力维持在约2.5托，且将高 频率功率维持在约1500瓦。
图8A和图8B是每个所测量的晶片的以埃计的沉积厚度的曲线图。针对每种条件测 量六个晶片。区域801对应于上文所论述的第一条件。在RPC之后，喷淋头温度升高， 因为放热反应在喷淋头表面处释放能量。在无额外冷却（额外冷却在温控喷淋头中是可 能的）的情况下，标准喷淋头保持较热持续较长时间，如由厚度数据展示。注意，在较 高的喷淋头温度下，TEOS沉积速率较高。在几个晶片之后，标准喷淋头和温控喷淋头 两者处的沉积减少，接着缓慢地增加。温控喷淋头维持相对较稳定的沉积速率，但对于 标准喷淋头，沉积速率开始再次减小。相信标准喷淋头台中的第二次减小是归因于进入 所述台的冷晶片的影响，很像图1的曲线102上所示的温度降低。数据显示在RPC序列 之后，温控喷淋头能够平衡到恒定温度，且因此沉积速率比标准喷淋头快。
区域802对应于第二种条件。在RPC序列之后，用氮来冷却处理腔室。在此区域中， 使用温控喷淋头的沉积最初较少受影响，与标准喷淋头相比，沉积厚度的下降较少。区 域803对应于第三种条件。在整晚的闲置之后，使用温控喷淋头的沉积具有与在RPC 序列之后的特征相同的特征。沉积最初下降，且恢复到相对恒定的值。使用标准喷淋头 的沉积在初始晶片上减少，且也维持相对恒定的值。注意，尽管沉积参数是相同的，但 与所有其它区域相比，在区域803中，标准喷淋头维持较低沉积速率。最后，区域804 对应于第四种条件。在RPC序列之后，高能量等离子体将喷淋头加热到比单独RPC高 的温度。在标准喷淋头中，在区域4中记录最高沉积速率。在沉积的初始下降之后， 度在较高值处表现为平衡。在温控喷淋头中，高能量等离子体似乎不影响沉积，也许除 第一个晶片之外。总之，针对标准喷淋头测量到的厚度范围为约37埃，且针对温控喷淋头测量到的 厚度范围仅为约13埃。沉积的晶片到晶片非均匀性针对标准喷淋头为3.7%，且针对温 控喷淋头为1.3%。温控喷淋头的较佳的晶片到晶片均匀性比标准喷淋头的晶片到晶片均 匀性改进了 66%。
尽管为了清楚起见已省略了各种细节，但可实施各种设计替代方案。因此，本实例 应被视为说明性的而非限制性的，且本发明不限于本文所给出的细节，而是可在所附权 利要求书的范围内修改。