专利名称：气体输入装置和等离子体加工设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及等离子体加工技术领域，特别涉及一种气体输入装置和等离子体加工 设备。
背景技术：
集成电路、太阳能电池的制造过程中，通常需要使用等离子体加工设备对单晶硅 等半导体晶片进行薄膜沉积、刻蚀等加工工艺。而在等离子体加工设备中，气体输入装置通 常是为半导体晶片的加工提供所需的工艺气体，也可以在特定情况下或设备维护时提供所 需辅助气体。目前，在集成电路或MEMS器件的制造工艺中广泛应用等离子体加工设备。例如， 电感耦合等离子体装置通常用在干法刻蚀(Dry Etching)或化学气相沉积(CVD)工艺中， 其原理是加工半导体晶片时，气体输入装置向反应腔中输入工艺气体，工艺气体在射频功 率的激发下，产生电离而形成等离子体，等离子体是由带电的电子和离子组成，反应腔中的 工艺气体在电子的撞击下，除了转变成离子外，还能吸收能量并形成大量的活性基团，通过 射频电源的电磁场能量耦合，将工艺气体激发成等离子态，从而对反应腔内的半导体晶片 表面进行相应的材料刻蚀或沉积，而刻蚀或沉积反应的生成物及残余气体脱离半导体晶片 表面，并被真空系统抽出反应腔。例如，图1为目前常用的一种电感耦合等离子体装置的结构示意图，工艺气体通 过管路由固定在石英盖板1上的喷嘴2进入反应腔室3，在施加了射频电源的线圈4的激 发下，工艺气体电离形成等离子体(Plasma)5，等离子体5在偏压的驱动下，对吸附在静电 卡盘6上的晶片(Wafer) 7进行薄膜沉积或刻蚀反应，反应的生成物和残余气体通过分子泵 (Turbo Pump) 8抽离反应腔室3。上述电感耦合等离子体装置采取反应腔室3上部中心进气的方式，虽然喷嘴2可 以设有多个进气口，然而问题在于，喷嘴2固定安装在石英盖板的中心，工艺气体进入反应 腔室3后，从晶片7中心到边缘的气流路径长度的差异，会导致晶片7表面上的气流场从中 心到边缘形成梯度分布，使得工艺气体在晶片7中心浓度较高，在边缘浓度较低，整个晶片 7表面上方气流分布不均勻，影响对半导体晶片3的加工质量。由于参与反应的等离子体是由工艺气体电离形成的，上述气流分布的非均勻性， 将导致整个晶片表面的刻蚀或沉积的速率和均勻性都有很大的差异，从而影响晶片加工的 良品率。而且随着技术的发展，晶片的尺寸逐步增加，其中心与边缘的气流分布的差异将进
一步增大。
发明内容
本发明解决的问题是如何在所处理的晶片整个表面上方获得较均勻的气流分布。为解决上述问题，本发明提供一种气体输入装置和等离子体加工设备，其中所述 气体输入装置，包括
喷嘴，所述喷嘴具有第一通道，以及与所述第一通道连通的喷嘴旁路；盖板，所述盖板内具有凹槽和多个第二通道，所述凹槽基本位于盖板的中心位置， 所述多个第二通道围绕凹槽的中心线在盖板内均勻分布；其中，所述喷嘴嵌入所述凹槽内，所述第一通道的出气端由凹槽的底部伸出盖板，所述 多个第二通道的进气端与所述喷嘴旁路相连通。所述多个第二通道的进气端位于所述凹槽内壁，出气端以盖板中心为对称点均勻 分布于所述盖板远离第一通道进气端的一面。所述多个第二通道在盖板内分布为伞形。所述第二通道为直孔，则该第二通道的轴线与盖板中心线的夹角为锐角。所述喷嘴旁路为多个通孔，所述多个通孔围绕所述第一通道轴线均勻分布并朝向 所述多个第二通道的进气端。所述喷嘴与凹槽之间留有间隙而构成气流分配腔，所述气流分配腔连通所述喷嘴 旁路和第二通道。所述气流分配腔为圆环形。所述第一通道的出气端为直孔、喇叭孔、莲蓬头状孔或筛子状孔。所述喷嘴与凹槽密封连接。所述等离子体加工设备包括反应腔室和气体输入装置，而所述气体输入装置包 括喷嘴，所述喷嘴具有第一通道，以及与所述第一通道连通的喷嘴旁路；盖板，将所述反应腔室密封，所述盖板内具有凹槽和多个第二通道，所述凹槽基本 位于盖板的中心，所述多个第二通道围绕凹槽的中心线在盖板内均勻分布；其中，所述喷嘴嵌入所述凹槽内，所述第一通道的出气端由凹槽的底部伸出盖板，所述 多个第二通道的进气端与所述喷嘴旁路相连通，其出气端朝向所述反应腔室。上述技术方案具有以下优点在所述气体输入装置和等离子体加工设备中，工艺气体由喷嘴的第一通道的进气 端流入，而后分为两部分气流，一部分气流经由第一通道的出气端进入反应腔室，另一部分 气流经由喷嘴旁路流入所述第二通道，由第二通道的出气端进入反应腔室，由于所述多个 第二通道围绕凹槽的中心线在盖板内均勻分布，这样一来，所述第一通道的出气端作为中 央进气口，而第二通道的出气端作为边缘进气口，相比传统技术中仅有中央进气口的结构， 边缘进气口可以调整进入晶片边缘表面上工艺区域内的气体流量，使得在晶片表面上方中 央到边缘具有更加均勻的工艺气体压力及流量分布，从而在晶片整个表面上方获得较均勻 的气流分布，进而能够有效的避免在晶片表面上方中央到边缘气体分布不均勻而造成的刻 蚀或沉积不均勻现象，使得在整个晶片表面上各点的刻蚀或沉积速率更加相近。
通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中 相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示 出本发明的主旨。图1为常用的一种电感耦合等离子体装置的结构示意图2为本发明实施例中电感耦合等离子体设备的结构示意图；图3为图2中气体输入装置的盖板的剖视图；图4为图3中盖板的仰视图；图5为图3中盖板的俯视图；图6为本发明实施例中另一盖板的结构示意图。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明 的具体实施方式
做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以 采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限 制。其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表 示装置结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应 限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。随着集成电路、太阳能电池等半导体行业的发展，作为衬底的半导体晶片的尺寸 逐步增加，关键尺寸不断减小，这些导致加工半导体晶片的反应腔的体积也相应的增大，对 晶片表面的气流均勻性要求也越来越高，需要在一个更大的空间内，在一个更大的表面上， 获得更加均勻的气流分布。发明人研究发现，传统的等离子体加工设备的气体输入装置，由于只设有中央进 气孔，进入反应腔室后的工艺气体在晶片表面中央到周围的分布不一致，致使形成等离子 体中的反应基团与被处理物质表面发生的化学反应速度差异较大，最终导致中央与周围刻 蚀或沉积速率的不均勻性。虽然利用多区喷嘴不同输入气路之间的进气比例可以改善半导 体晶片表面气流分布不均勻的现象，但也仅能在一定程度内减小梯度分布，本质原因在于， 反应腔室的进气位置单一，因此导致半导体晶片中心附近的气体相对于边缘附近来说总是 更加难以抽离，从而造成所处理半导体晶片中心与边缘气流分布的差异。基于此，本发明提出一种用于等离子体加工设备的气体输入装置，该装置将进入 反应腔室的工艺气体分成两路，分别由反应腔室的中央及四周进入，从而在反应腔室内的 晶片上方获得比较均勻的工艺气体分布。下面结合附图详细说明所述的气体输入装置及具有该气体输入装置的等离子体 加工设备的具体实施例。图2为本实施例中电感耦合等离子体设备的结构示意图，图3为图2中气体输入 装置的盖板的剖视图，图4为图3中盖板的仰视图，图5为图3中盖板的俯视图。为突出本 发明的特点，附图中没有给出与本发明的发明点必然直接相关的部分，例如，射频电源、功 率匹配装置、静电卡盘的具体结构。如图所示，所述电感耦合等离子体设备包括反应腔室10，位于反应腔室10内部 的晶片支撑装置11，以及，位于反应腔室10 —侧的、与所述晶片支撑装置11相对的气体输 入装置12。其中，晶片支撑装置11和气体输入装置12之间的反应腔内部空间构成工艺区域。
5所述晶片支撑装置11例如为静电卡盘，用来固定半导体晶片4。反应腔室10的上部为盖 板13，该盖板13通常由陶瓷或者石英材料构成。盖板13的上方安装有连接射频电源的线 圈(图中未示出)，其将能量通过盖板耦合至所述工艺区域，将其中的工艺气体激发成等离 子体，从而对晶片支撑装置11上的半导体晶片4进行处理，处理后的残余气体或反应生成 物通过排气通道15抽离反应腔室10。所述排气通道15位于晶片支撑装置11的周围。所述气体输入装置12用于向半导体晶片4表面上的工作区域输入工艺气体，其包 括喷嘴14，所述喷嘴14具有第一通道141，以及与所述第一通道141连通的喷嘴旁 路142 ；所述第一通道141贯穿喷嘴14内部，其进气端141a与外部的输气通路连接(图中 箭头表示工艺气体的流动方向)；盖板13，将所述反应腔室10密封，所述盖板13内具有凹槽131和多个(即至少两 个)第二通道132，所述凹槽131基本位于盖板13的中心位置，所述多个第二通道132围绕 凹槽131的中心线A-A在盖板13内均勻分布；其中，所述喷嘴14嵌入所述凹槽131内，所述第一通道141的出气端141b由凹槽131 的底部伸出盖板13，正对反应腔室10内的晶片4，所述多个第二通道132的进气端132a与 所述喷嘴旁路142相连通。所述多个第二通道132的进气端132a位于所述凹槽13内壁， 出气端132b均勻分布于所述盖板13朝向反应腔室10的一侧。如图2和图3所示，喷嘴14 一端的形状与凹槽131的形状相配合。例如凹槽131 由上下依次叠加、半径逐渐减小的三个圆柱形孔组成，其中半径最大的圆柱形孔位于盖板 13的外侧(即背向反应腔室10的一侧)，半径最小的圆柱形孔位于盖板13的内侧(即朝 向反应腔室10的一侧)，这样一来，凹槽131贯穿盖板13内部；相应的，喷嘴14由上下依次叠加、半径逐渐减小的三个圆柱形凸起组成，半径最 小的圆柱形凸起嵌入半径最小的圆柱形孔内，使得位于半径最小的圆柱形凸起内的出气端 141b由凹槽131的底部伸出盖板13，半径最大的圆柱形凸起嵌入半径最大的圆柱形孔内， 这样一来，喷嘴14被固定在凹槽131内。于是，工艺气体由喷嘴14的第一通道141的进气端141a流入，而后分为两部分气 流，一部分气流经由第一通道141的出气端141b进入反应腔室10，另一部分气流经由喷嘴 旁路142流入所述第二通道132，由第二通道132的出气端132b进入反应腔室10，由于所 述多个第二通道132围绕凹槽131的中心线A-A在盖板13内均勻分布，这样一来，所述第 一通道141的出气端141b作为中央进气口，而第二通道132的出气端132b为边缘进气口， 相比传统技术中仅有中央进气口的结构，边缘进气口可以调整进入晶片边缘表面上工艺区 域内的气体流量，使得在晶片4表面上方中央到边缘具有更加均勻的工艺气体压力及流量 分布，从而在晶片整个表面上方获得较均勻的气流分布，进而能够有效的避免在晶片4表 面上方中央到边缘气体分布不均勻而造成的刻蚀或沉积不均勻现象，使得在整个晶片表面 上各点的刻蚀或沉积速率更加相近。盖板13的形状与反应腔室10的形状相匹配，例如反应腔室10为圆形，则盖板13 为圆形，凹槽131基本位于盖板13的圆心位置，而第二通道132的出气端132b在盖板13 的同心圆周上均勻分布。
实际上，第二通道132的出气端132b的分布形状与待处理的晶片4形状相对应， 例如，晶片4为方形，则出气端132b在以盖板13的中心的对称轴的正方形周长上均勻分布。优选的，所述多个第二通道132在盖板13内分布为伞形，所述第二通道132优选 为直孔，当然也可以为弯曲孔或折线孔。则当第二通道132为直孔时，该第二通道132的轴 线与盖板中心线的夹角a为锐角，如图3所示，在第二通道132的出气端132b能进入反应 腔室10的情况下，所述夹角a可以是任意值，可以根据反应腔室10的尺寸设计。所述喷嘴旁路142用于将流经第一通道141的气体分流，使其一部分流入第二通 道132。优选的，所述喷嘴旁路142为多个通孔，所述多个通孔围绕所述第一通道141的轴 线均勻分布并朝向所述多个第二通道132的进气端132a，使得气体均勻的被分流进入第二 通道内。另外，在更为优选的实施例中，如图2所示，所述喷嘴14与凹槽13之间留有间隙 而构成气流分配腔16，所述气流分配腔16连通喷嘴旁路142和第二通道132，气体由喷嘴 旁路142分流进入气流分配腔16后，再分配至各个第二通道132，从而使气体能够进一步均 勻分配。当所述凹槽包括圆柱形孔，而所述喷嘴包括圆柱形凸起时，所述气流分配腔为圆 环形。以上实施例中所述第一通道的出气端为直孔，此外，本发明的其他实施例中，所述 第一通道的出气端也可以为喇叭孔、莲蓬头状孔或筛子状孔。所述喷嘴与凹槽通过密封圈19密封连接，以保证工艺气体顺利进入反应腔室而 不泄露。此外，喷嘴14与盖板13、盖板13与反应腔室10、反应腔室10与静电卡盘11之间 均采用密封圈19进行密封。上述电感耦合等离子体设备的工作原理如下如图2所示，图中箭头表示气流的方向，工艺气体由第一通道141直接由盖板13 的中心位置通入反应腔室10，并且，工艺气体还可以由喷嘴支路142分流进入喷嘴14与凹 槽131之间的气流分配腔16，之后进入盖板13内均勻分布的各个第二通道132，再由这些 第二通道132从盖板13的边缘进入反应腔室10，进入反应腔室10内的工艺气体在射频功 率的激发下形成等离子体，并与固定在静电卡盘11上的晶片4经过物理及化学反应后，最 后由反应腔室10的排气通道15抽走。可见，均勻分布在盖板内的第二通道为反应腔室提供了中心周围的进气方式，作 为中心进气的补充，此外，第二通道的结构并不限于以上实施例所示，例如，也可以为多层 的多个伞形分布，如图6所示，也就是说，每层第二通道与盖板中心线的夹角不同，而第二 通道的出气口在盖板朝向反应腔室的面上，以围绕盖板中心的同心圆周均勻分布，不同层 的第二通道的孔径相等或者依次增大或减小。需要说明的是，以上实施例以电感耦合等离子体设备为例进行说明，实际上，所述 气体输入装置可以用于各种基于气相反应的半导体加工设备中，向反应腔内输送气体，所 述半导体加工设备例如为等离子体刻蚀设备、化学气相沉积设备等。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内 容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此， 凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单 修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
权利要求
一种气体输入装置，其特征在于，包括喷嘴，所述喷嘴具有第一通道，以及与所述第一通道连通的喷嘴旁路；盖板，所述盖板内具有凹槽和多个第二通道，所述凹槽基本位于盖板的中心位置，所述多个第二通道围绕凹槽的中心线在盖板内均匀分布；其中，所述喷嘴嵌入所述凹槽内，所述第一通道的出气端由凹槽的底部伸出盖板，所述多个第二通道的进气端与所述喷嘴旁路相连通。
2.根据权利要求1所述的气体输入装置，其特征在于，所述多个第二通道的进气端位 于所述凹槽内壁，出气端以盖板中心为对称点均勻分布于所述盖板远离第一通道进气端的
3.根据权利要求2所述的气体输入装置，其特征在于，所述多个第二通道在盖板内分 布为伞形。
4.根据权利要求1或3所述的气体输入装置，其特征在于，所述第二通道为直孔，则该 第二通道的轴线与盖板中心线的夹角为锐角。
5.根据权利要求1所述的气体输入装置，其特征在于，所述喷嘴旁路为多个通孔，所述 多个通孔围绕所述第一通道轴线均勻分布并朝向所述多个第二通道的进气端。
6.根据权利要求1或5所述的气体输入装置，其特征在于，所述喷嘴与凹槽之间留有间 隙而构成气流分配腔，所述气流分配腔连通所述喷嘴旁路和第二通道。
7.根据权利要求2所述的气体输入装置，其特征在于，所述气流分配腔为圆环形。
8.根据权利要求1所述的气体输入装置，其特征在于，所述第一通道的出气端为直孔、 喇叭孔、莲蓬头状孔或筛子状孔。
9.根据权利要求1所述的气体输入装置，其特征在于，所述喷嘴与凹槽密封连接。
10.一种等离子体加工设备，包括反应腔室和气体输入装置，其特征在于，所述气体输 入装置包括喷嘴，所述喷嘴具有第一通道，以及与所述第一通道连通的喷嘴旁路；盖板，将所述反应腔室密封，所述盖板内具有凹槽和多个第二通道，所述凹槽基本位于 盖板的中心，所述多个第二通道围绕凹槽的中心线在盖板内均勻分布；其中，所述喷嘴嵌入所述凹槽内，所述第一通道的出气端由凹槽的底部伸出盖板，所述多个 第二通道的进气端与所述喷嘴旁路相连通，其出气端朝向所述反应腔室。
全文摘要
本发明提供一种气体输入装置和等离子体加工设备，其中所述气体输入装置，包括喷嘴，所述喷嘴具有第一通道，以及与所述第一通道连通的喷嘴旁路；盖板，所述盖板内具有凹槽和多个第二通道，所述凹槽基本位于盖板的中心位置，所述多个第二通道围绕凹槽的中心线在盖板内均匀分布；其中，所述喷嘴嵌入所述凹槽内，所述第一通道的出气端由凹槽的底部伸出盖板，所述多个第二通道的进气端与所述喷嘴旁路相连通。所述气体输入装置和等离子体加工设备能够在所处理的晶片整个表面上方获得较均匀的气流分布，进而能够有效的避免在晶片表面上方中央到边缘气体分布不均匀而造成的刻蚀或沉积不均匀现象，使得在整个晶片表面上各点的刻蚀或沉积速率更加相近。
文档编号H01J37/02GK101930889SQ200910087928
公开日2010年12月29日 申请日期2009年6月25日 优先权日2009年6月25日
发明者林挺昌 申请人:北京北方微电子基地设备工艺研究中心有限责任公司