进气装置及等离子体加工设备的制作方法
【专利摘要】本发明提供的进气装置及等离子体加工设备，其包括进气单元和气源，气源经由进气单元向反应腔室的内部提供工艺气体；进气单元包括设置在反应腔室顶部的中央进气嘴以及设置在所述反应腔室的侧壁上的边缘进气嘴组，其中，中央进气嘴分别与气源和反应腔室连通，用以向反应腔室的中心区域喷出工艺气体；边缘进气嘴组包括沿反应腔室的周向排列，且彼此相互独立的至少两个边缘进气嘴，用以向反应腔室的边缘区域喷出工艺气体。本发明提供的进气装置，其可以进一步提高朝向反应腔室边缘区域流动的工艺气体的流量，以使反应腔室边缘区域和中心区域的工艺气体的分布趋于均匀，从而可以提高等离子体加工设备的工艺均匀性。
【专利说明】进气装置及等离子体加工设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体制造【技术领域】，具体地，涉及一种进气装置及等离子体加工设备。
【背景技术】
[0002]等离子体加工设备已广泛地应用在集成电路(IC)和微机电系统(MEMS)等的制造工艺中，例如电感耦合等离子体(ICP)加工设备，其基本原理为:激发反应腔室内的工艺气体形成等离子体，等离子体中含有的诸如离子、电子和自由基等的活性粒子与衬底表面发生各种物理和化学反应，从而实现对衬底表面进行刻蚀或沉积薄膜。
[0003]图1为典型的等离子体加工设备的结构示意图。如图1所示，等离子体加工设备包括反应腔室10、进气装置、偏压电源16和终点检测装置17。其中，在反应腔室10内设置有用于承载衬底12的静电卡盘11，其与偏压电源16电连接；而且，在反应腔室10的顶壁上方设置有线圈14及与之电连接的射频电源15 ;进气装置包括进气嘴13和与之连通的气源(图中未示出)，进气嘴13设置在反应腔室10的顶部中心位置，用以将由气源提供的工艺气体喷入反应腔室10内。在进行工艺的过程中，气源经由进气嘴13向反应腔室10内提供工艺气体；接通射频电源15和偏压电源16，以激发反应腔室10内的工艺气体形成等离子体；偏压电源16对置于静电卡盘11上的衬底12加载偏压，以使等离子体中的活性粒子对衬底12表面进行刻蚀；在完成刻蚀工艺之后，借助终点检测装置17观察置于反应腔室10内的衬底12的刻蚀效果。
[0004]在实际应用中，上述进气嘴13的具体结构如图2A和图2B所示，进气嘴13包括竖直通道130，其上端与气源连通，且在竖直通道130的下端设置有含有多个通孔131的气体喷射部，并且通孔131的两端分别与竖直通道130和反应腔室10连通。在进行工艺的过程中，由气源提供的工艺气体经由竖直通道130和通孔131流入反应腔室10内。然而，由于上述通孔131位于反应腔室10的中心位置，且垂直于置于静电卡盘11上的衬底12表面，这使得经由通孔131朝向反应腔室10的中心区域流动的工艺气体的流量多于朝向反应腔室10的边缘区域流动的工艺气体的流量，导致反应腔室10内的工艺气体分布不均匀，从而造成上述等离子体加工设备的工艺均匀性较差。
[0005]为此，人们采用了另一种结构的进气嘴，如图3A和3B所示，在反应腔室10的顶壁的中心位置设置有下端开口较大的锥状进气口 101 (倾角为a )，进气嘴13设置在进气口101内，且其外周壁与进气口 101形成与反应腔室10的内部连通的环形空间；而且，进气嘴13包括竖直通道130，竖直通道130包括进气端、中央出气端131和边缘出气端132，其中，进气端与气源连通；中央出气端131采用下端开口较大的锥状结构(倾角为β)，且与反应腔室10连通；边缘出气端132与上述环形空间连通。在进行工艺的过程中，由气源提供的工艺气体流入竖直通道130内，其中一部分气体经由中央出气端131流入反应腔室10的中心区域；其中另一部分气体经由边缘出气端132和环形空间流入反应腔室10的边缘区域。
[0006]虽然上述进气嘴13在一定程度上提高了反应腔室10内的工艺气体的分布均匀性，但是其在实际应用中不可避免地存在以下问题，即:由于上述进气嘴13仍然位于反应腔室10的中心位置，这使得该进气嘴13对朝向反应腔室10边缘区域流动的工艺气体的流量的提高程度有限，导致上述等离子体加工设备无法满足对工艺均匀性具有较高要求的工艺。
【发明内容】
[0007]本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种进气装置及等离子体加工设备，其可以进一步提高朝向反应腔室边缘区域流动的工艺气体的流量，以使反应腔室边缘区域和中心区域的工艺气体的分布趋于均匀，从而可以提高等离子体加工设备的工艺均匀性。
[0008]为实现本发明的目的而提供一种进气装置，包括进气单元和气源，所述气源经由所述进气单元向反应腔室的内部提供工艺气体；所述进气单元包括设置在所述反应腔室顶部的中央进气嘴，所述中央进气嘴分别与所述气源和反应腔室连通，用以向所述反应腔室的中心区域喷出工艺气体；所述进气单元还包括设置在所述反应腔室的侧壁上的边缘进气嘴组，所述边缘进气嘴组包括沿所述反应腔室的周向排列，且彼此相互独立的至少两个边缘进气嘴，用以向所述反应腔室的边缘区域喷出工艺气体。
[0009]其中，所述边缘进气嘴组的数量为一组或多组，且多组所述边缘进气嘴组沿竖直方向间隔排列。
[0010]其中，在每组所述边缘进气嘴组中，所述至少两个边缘进气嘴沿所述反应腔室的周向对称排列；或者所述至少两个边缘进气嘴根据所述反应腔室的不对称的内部结构沿所述反应腔室的周向不对称排列。
[0011]其中，所述气源包括中央气源和边缘气源，其中，所述中央气源经由所述中央进气嘴向所述反应腔室的中心区域提供工艺气体；所述边缘气源经由所述边缘进气嘴组向所述反应腔室的边缘区域提供工艺气体。
[0012]其中，所述边缘气源的数量为一个,且与所有的边缘进气嘴连接；或者,所述边缘气源的数量为多个，且每个所述边缘气源与所有的所述边缘进气嘴中的其中至少一个连接。
[0013]其中，所述边缘气源的数量与所述边缘进气嘴的数量相对应，且二者一一对应地连接。
[0014]其中，每个所述边缘进气嘴包括分别与所述气源和反应腔室连通的进气通道，由所述气源提供的工艺气体经由所述进气通道流入所述反应腔室的边缘区域。
[0015]其中，所述进气通道为两端分别与所述气源和反应腔室连通的直通孔，所述直通孔的轴向与竖直方向呈直角、钝角或锐角；并且，所述直通孔在其横截面上的投影形状包括圆形、椭圆形、三角形或多边形。
[0016]其中，所述进气通道包括自所述反应腔室的外部向内部依次设置的进气部和出气部，其中，所述进气部为一个第一直通孔，所述第一直通孔的外端与所述气源连通；所述出气部包括多个轴线相互平行的第二直通孔，且相对于所述第一直通孔的横截面均匀分布；并且，所述多个第二直通孔的外端与所述第一直通孔的内端连通，所述多个第二直通孔的内端与所述反应腔室连通。
[0017]其中，所述第一直通孔的轴线与竖直方向呈直角；并且各个第二直通孔的轴线与所述第一直通孔的轴线相互平行，或者呈锐角或钝角。
[0018]其中，每个所述第二直通孔在其横截面上的投影形状包括圆形、椭圆形、三角形或多边形。
[0019]作为另一技术方案，本发明还提供一种等离子体加工设备，其包括反应腔室和进气装置，所述进气装置用于向反应腔室内输送工艺气体，并且所述进气装置采用了本发明提供的上述进气装置。
[0020]本发明具有以下有益效果:
[0021]本发明提供的进气装置，其通过在反应腔室的侧壁上另设边缘进气嘴组，且包括沿反应腔室的周向排列的至少两个边缘进气嘴，可以向反应腔室的边缘区域喷出工艺气体，这与现有技术中仅在反应腔室的中心位置设置进气嘴相比，可以进一步提高朝向反应腔室边缘区域流动的工艺气体的流量，从而可以更有效地提高反应腔室边缘区域和中心区域的工艺气体的分布均匀性，进而可以提高等离子体加工设备的工艺均匀性。
[0022]而且，由于上述各个边缘进气嘴彼此相互独立，这不仅可以使由气源提供的工艺气体在经由各个边缘进气嘴流入反应腔室之前保持彼此独立而不会相互混合，而且还可以实现对经由各个边缘进气嘴流入反应腔室不同区域的工艺气体的种类和/或流量进行单独控制，从而可以提高调节反应腔室各个区域的工艺气体的种类和/或流量的灵活性，进而可以避免因反应腔室的内部结构不对称等的因素而使反应腔室不同区域的工艺气体分布不均匀。
[0023]作为本发明的另一个技术方案，本发明还提供一种等离子体加工设备，其通过采用本发明提供的上述进气装置，不仅可以提高调节反应腔室各个区域的工艺气体的种类和/或流量的灵活性，而且还可以更有效地提高反应腔室边缘区域和中心区域的工艺气体的分布均匀性，从而可以提高等离子体加工设备的工艺均匀性。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为典型的等离子体加工设备的结构示意图；
[0025]图2A为一种进气嘴的剖视图；
[0026]图2B为一种进气嘴的俯视图；
[0027]图3A为另一种进气嘴的剖视图；
[0028]图3B为与图3A中进气嘴相配合的反应腔室顶壁的剖视图；
[0029]图4为本发明第一实施例提供的一种进气装置的剖视图；
[0030]图5为本发明第一实施例提供的另一种进气装置的剖视图；
[0031]图6A为图4中边缘进气嘴的一种进气通道的剖视图；
[0032]图6B为图4中边缘进气嘴的另一种进气通道的剖视图；
[0033]图7A为本发明第二实施例提供的一种进气装置的局部剖视图；
[0034]图7B为图7A中边缘进气嘴沿A向的侧视图；以及
[0035]图8为本发明第二实施例提供的另一种进气装置的局部剖视图。
【具体实施方式】
[0036]为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明提供的进气装置及等离子体加工设备进行详细描述。
[0037]图4为本发明第一实施例提供的一种进气装置的剖视图。请参阅图4，进气装置包括进气单元和气源。其中，气源包括中心气源和边缘气源，进气单元包括中央进气嘴24和边缘进气嘴组23，其中，中央进气嘴24设置在反应腔室20顶部，且分别与中心气源和反应腔室20连通，用以向反应腔室20的中心区域喷出工艺气体。在本实施例中，中央进气嘴24为在反应腔室20的顶壁上形成的直通孔，但是本发明并不局限于此，在实际应用中，中央进气嘴24也可以采用与反应腔室20相互独立的结构，例如，如图2A和图3A中所示的两种中央进气嘴，当然，还可以采用其他任意结构的中央进气嘴，只要能够将由中心气源提供的工艺气体朝向反应腔室20的中心区域喷出即可。
[0038]在本实施例中，边缘进气嘴组23的数量为一组，且设置在反应腔室20的侧壁上，其包括沿反应腔室20的周向排列，且彼此相互独立的两个边缘进气嘴(231，232)，并且，每个边缘进气嘴包括分别与边缘气源和反应腔室20连通的进气通道，该进气通道为沿水平方向贯穿反应腔室20的侧壁厚度的直通孔，且该直通孔的两端分别与边缘气源和反应腔室20连通。而且，边缘气源的数量与边缘进气嘴(231，232)的数量相对应，且二者一一对应地连接，在进行工艺的过程中，由每个边缘气源提供的工艺气体经由与之相对应的边缘进气嘴(231，232)流入反应腔室20的边缘区域。
[0039]本实施例提供的进气装置，其通过在反应腔室20的侧壁上另设沿反应腔室的周向排列的两个边缘进气嘴(231，232)，可以向反应腔室20的边缘区域喷出工艺气体，这与现有技术中仅在反应腔室的中心位置设置进气嘴相比，可以进一步提高朝向反应腔室边缘区域流动的工艺气体的流量，从而可以更有效地提高反应腔室边缘区域和中心区域的工艺气体的分布均匀性，进而可以提高等离子体加工设备的工艺均匀性。
[0040]而且，由于上述边缘进气嘴(231，232)彼此相互独立，且边缘气源的数量与边缘进气嘴(231，232)的数量相对应，且二者一一对应地连接，这不仅可以使由边缘气源提供的工艺气体在经由各个边缘进气嘴流入反应腔室之前保持彼此独立而不会相互混合，而且还可以实现对经由各个边缘进气嘴流入反应腔室不同区域的工艺气体的种类和/或流量进行单独控制，从而可以提高调节反应腔室各个区域的工艺气体的种类和/或流量的灵活性，进而可以避免因反应腔室的内部结构不对称等的因素而使反应腔室不同区域的工艺气体分布不均匀。
[0041]需要说明的是，在本实施例中，边缘进气嘴组23的数量为一组，但是本发明并不局限于此，在实际应用中，边缘进气嘴组23的数量还可以根据具体需要设定两组以上，且两组以上的边缘进气嘴组23沿竖直方向间隔排列，如图5所示。而且，在每组边缘进气嘴组23中，边缘进气嘴的数量也并不局限于本实施例中的两个，例如，如图5所示，边缘进气嘴的数量还可以为两个以上。
[0042]此外，若反应腔室20的内部结构为对称结构，则在每组边缘进气嘴组13中，可以使两个以上的边缘进气嘴沿所述反应腔室的周向对称排列。若反应腔室20的内部结构为不对称结构，则可以使两个以上的边缘进气嘴根据所述反应腔室的不对称的内部结构沿所述反应腔室20的周向不对称排列，这可以弥补因反应腔室的内部结构不对称而产生的反应腔室内的气场不均匀，从而可以进一步提高等离子体加工设备的工艺均匀性。
[0043]另外，如图5所示，在实际应用中，边缘气源的数量也可以仅为一个，且与所有的边缘进气嘴连接；或者，还可以为多个，且每个边缘气源与所有的边缘进气嘴中的其中至少一个连接，也就是说，边缘气源的数量还可以少于或多于所有的边缘进气嘴的数量，且可以使一个边缘气源连通多个边缘进气嘴，也可以使多个边缘气源连通一个边缘进气嘴。
[0044]还需要说明的是，在本实施例中中，上述进气通道为两端分别与所述气源和反应腔室连通的直通孔，且该直通孔的轴向与竖直方向呈直角，但是本发明并不局限于此，在实际应用中，还可以使该直通孔的轴向与竖直方向呈钝角或锐角，如图6A和6B所示。此外，直通孔在其横截面上的投影形状可以包括圆形、椭圆形、三角形或多边形。
[0045]进一步需要说明的是，在本实施例中，每个边缘进气嘴的进气通道采用与反应腔室20的侧壁一体成型的方式加工而成，即，在反应腔室20的侧壁上直接开设直通孔，但是本发明并不局限于此，在实际应用中，也可以使边缘进气嘴的进气通道与在反应腔室的侧壁相互独立，即，分别对反应腔室的侧壁和边缘进气嘴进行加工之后，再对二者进行装配，这有利于对边缘进气嘴进行更换，从而可以降低等离子体加工设备的使用成本和维护成本。
[0046]图7A为本发明第二实施例提供的一种进气装置的局部剖视图。图7B为图7A中边缘进气嘴沿A向的侧视图。请一并参阅图7A和图7B，本实施例提供的进气装置与上述第一实施例相比，二者的区别仅在于:边缘进气嘴的结构不同。具体地，在本实施例中，边缘进气嘴的进气通道包括自反应腔室的外部向内部依次设置的进气部30和出气部31。其中，进气部30为一个第一直通孔，该第一直通孔的外端与边缘气源连通；出气部31包括多个轴线相互平行的第二直通孔，且相对于第一直通孔的横截面均匀分布；并且，多个第二直通孔的外端与第一直通孔的内端连通，多个第二直通孔的内端与反应腔室连通。在进行工艺的过程中，由边缘气源提供的工艺气体经由第一直通孔和多个第二直通孔进入反应腔室内。借助相对于第一直通孔的横截面均匀分布的多个第二直通孔，不仅可以使流经其的工艺气体的气流趋于平稳，而且还可以起到均流的作用，从而可以进一步提高反应腔室内的工艺气体的分布均匀性。
[0047]由于本实施例提供的进气装置的其他结构和功能在上述第一实施例中已有了详细地描述，在此不再赘述。
[0048]需要说明的是，在本实施例中，第一直通孔的轴线与竖直方向呈直角；并且各个第二直通孔的轴线与第一直通孔的轴线相互平行，但是本发明并不局限于此，在实际应用中，也可以使第一直通孔的轴线与竖直方向呈锐角或钝角，并且，使各个第二直通孔的轴线与第一直通孔的轴线呈锐角或钝角，如图8所示。
[0049]而且，每个第二直通孔在其横截面上的投影形状可以包括圆形、椭圆形、三角形或多边形等的任意形状。与之相类似的，第一直通孔在其横截面上的投影形状也可以包括圆形、椭圆形、三角形或多边形等的任意形状。
[0050]作为另一个技术方案，本实施例还提供一种等离子体加工设备，其包括反应腔室和进气装置，该进气装置用于向反应腔室内输送工艺气体，并且，进气装置采用了上述各个实施例提供的进气装置。
[0051]本实施例提供的等离子体加工设备，其通过采用本实施例提供的上述进气装置，不仅可以提高调节反应腔室各个区域的工艺气体的种类和/或流量的灵活性，而且还可以更有效地提高反应腔室边缘区域和中心区域的工艺气体的分布均匀性，从而可以提高等离子体加工设备的工艺均匀性。
[0052]可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明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发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种进气装置，包括进气单元和气源，所述气源经由所述进气单元向反应腔室的内部提供工艺气体；所述进气单元包括设置在所述反应腔室顶部的中央进气嘴，所述中央进气嘴分别与所述气源和反应腔室连通，用以向所述反应腔室的中心区域喷出工艺气体；其特征在于， 所述进气单元还包括设置在所述反应腔室的侧壁上的边缘进气嘴组，所述边缘进气嘴组包括沿所述反应腔室的周向排列，且彼此相互独立的至少两个边缘进气嘴，用以向所述反应腔室的边缘区域喷出工艺气体。
2.根据权利要求1所述的进气装置，其特征在于，所述边缘进气嘴组的数量为一组或多组，且多组所述边缘进气嘴组沿竖直方向间隔排列。
3.根据权利要求1或2所述的进气装置，其特征在于，在每组所述边缘进气嘴组中，所述至少两个边缘进气嘴沿所述反应腔室的周向对称排列；或者 所述至少两个边缘进气嘴根据所述反应腔室的不对称的内部结构沿所述反应腔室的周向不对称排列。
4.根据权利要求1或2所述的进气装置，其特征在于，所述气源包括中央气源和边缘气源，其中 所述中央气源经由所述中央进气嘴向所述反应腔室的中心区域提供工艺气体； 所述边缘气源经由所述边缘进气嘴组向所述反应腔室的边缘区域提供工艺气体。
5.根据权利要求4所述的进气装置，其特征在于，所述边缘气源的数量为一个，且与所有的边缘进气嘴连接；或者， 所述边缘气源的数量为多个，且每个所述边缘气源与所有的所述边缘进气嘴中的其中至少一个连接。
6.根据权利要求5所述的进气装置，其特征在于，所述边缘气源的数量与所述边缘进气嘴的数量相对应，且二者——对应地连接。
7.根据权利要求1所述的进气装置，其特征在于，每个所述边缘进气嘴包括分别与所述气源和反应腔室连通的进气通道，由所述气源提供的工艺气体经由所述进气通道流入所述反应腔室的边缘区域。
8.根据权利要求7所述的进气装置，其特征在于，所述进气通道为两端分别与所述气源和反应腔室连通的直通孔，所述直通孔的轴向与竖直方向呈直角、钝角或锐角；并且， 所述直通孔在其横截面上的投影形状包括圆形、椭圆形、三角形或多边形。
9.根据权利要求7所述的进气装置，其特征在于，所述进气通道包括自所述反应腔室的外部向内部依次设置的进气部和出气部，其中 所述进气部为一个第一直通孔，所述第一直通孔的外端与所述气源连通； 所述出气部包括多个轴线相互平行的第二直通孔，且相对于所述第一直通孔的横截面均匀分布；并且，所述多个第二直通孔的外端与所述第一直通孔的内端连通，所述多个第二直通孔的内端与所述反应腔室连通。
10.根据权利要求9所述的进气装置，其特征在于，所述第一直通孔的轴线与竖直方向呈直角；并且 各个第二直通孔的轴线与所述第一直通孔的轴线相互平行，或者呈锐角或钝角。
11.根据权利要求9所述的进气装置，其特征在于，每个所述第二直通孔在其横截面上的投影形状包括圆形、椭圆形、三角形或多边形。
12.—种等离子体加工设备，其包括反应腔室和进气装置，所述进气装置用于向反应腔室内输送工艺气体，其特征在于，所述进气装置采用权利要求1-11中任意一项所述的进气>j-U ρ?α装直。
【文档编号】C23C16/455GK104233229SQ201310253092
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年6月24日 优先权日:2013年6月24日
【发明者】彭宇霖 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