本发明涉及半导体制造领域，具体地，涉及一种反应腔室及半导体加工设备。
背景技术：
随着摩尔定律的发展，在超大规模集成电路的半导体加工设备的生产中，经常要对于高深宽比的结构，例如通道、沟槽和通孔进行金属涂敷，这可以增加反应腔室内等离子体中的离子密度，以获得更好的深孔淀积能力。为了增加腔室中离子的比重，现有的半导体加工设备是在反应腔室的外围增加射频线圈，用于将电磁能量耦合进反应腔室内，从而增大了离子比重，获得了良好的工艺性能。
在金属沉积的反应腔室中，很容易在采用绝缘介质的腔室内壁上形成金属屏蔽，导致电磁能量被屏蔽在腔室之外，为此，法拉第屏蔽装置则被应用到反应腔室中，用于保证射频能量通过射频线圈顺利耦合进反应腔室内。
图1为现有的半导体加工设备的结构图。如图1所示，半导体加工设备包括反应腔室101、射频线圈105和射频电源107，其中，在反应腔室101内设置有基座103，用以承载被加工工件104；在反应腔室101的顶部，且位于基座103的顶部设置有靶材102；射频线圈105环绕设置在反应腔室101的侧壁(采用绝缘介质材料制作)外侧；射频电源107通过匹配器106与射频线圈105连接，用以向射频线圈105加载射频功率。而且，在反应腔室101的侧壁内侧设置有法拉第屏蔽环108，该法拉第屏蔽环108由陶瓷环109支撑。
在实际应用中，需要法拉第屏蔽环108与反应腔室101的侧壁同轴设置，以保证工艺均匀性，如图2所示，现有的方法是通过使用螺钉110将法拉第屏蔽环108和陶瓷环109连接在一起，使法拉第屏蔽环108和陶瓷环109同轴，从而间接实现法拉第屏蔽环108与反应腔室101的侧壁的同轴。但是，在进行工艺的过程中，法拉第屏蔽环108在溅射粒子轰击及射频能量的双重作用下受热向外膨胀，而与之相连的陶瓷环109由于热膨胀系数较小，其膨胀量比法拉第屏蔽环108的膨胀量小，从而就需要在螺钉110与陶瓷环109之间留设一定的间隙，以抵消膨胀量差异。但这又会存在这样的问题，即：
在工艺过程的稳定阶段，法拉第屏蔽环108的温度在100℃左右，在这种情况下，通过计算，法拉第屏蔽环108的直径膨胀量约为1mm，这样，螺钉110与陶瓷环109之间留设的间距大于0.5mm即可保证陶瓷环109不被破坏，同时该间距较小，能够满足同轴的要求。但是，在对新靶材进行清洗，以去除其表面的氧化物及污染物的时候，法拉第屏蔽环108会因持续被轰击而温度大幅上升(超过300℃)，此时法拉第屏蔽环108的直径膨胀量约为3mm，超过了允许的组件变动量，从而可能造成陶瓷环109被拉断。此外，螺钉110与陶瓷环109之间留设的间距不允许超过1.5mm，否则无法确保法拉第屏蔽环108的准确定位，从而产生法拉第屏蔽环108与反应腔室101的侧壁不同轴的问题，影响最终的工艺结果。
技术实现要素：
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种反应腔室及半导体加工设备，其不仅可以保证绝缘环在高温状态下不被破坏，而且可以确保法拉第屏蔽环的准确定位，从而可以提高工艺均匀性、稳定性和设备可靠性。
为实现本发明的目的而提供一种反应腔室，包括法拉第屏蔽环和用于支撑所述法拉第屏蔽环的绝缘环，在所述绝缘环的支撑面设置有凹部，且在所述法拉第屏蔽环的被支撑面设置有凸部，所述凸部位于所述凹部内，其中，
所述凹部包括朝外方向的第一侧面，所述凸部包括朝内方向的第二侧面，所述第一侧面和第二侧面相贴合；
所述凹部被设置为使所述凸部在受热膨胀时不受所述凹部的限制。
优选的，所述凹部为在所述绝缘环的支撑面的边沿形成的台阶。
优选的，所述凹部还包括朝内方向的第三侧面，所述凸部包括朝外方向的第四侧面；并且，
所述第三侧面与所述第四侧面相对，且在二者之间具有第一间隙，并且所述第一间隙在水平方向上的宽度满足使所述凸部在受热膨胀时不受所述凹部的限制。
优选的，所述第一间隙在水平方向上的宽度大于3mm。
优选的，所述凹部和所述凸部均为闭合的环体；或者，
所述凹部由多个弧形的子凹部组成，且所述多个子凹部沿所述绝缘环的周向间隔分布；所述凸部由多个弧形的子凸部组成，且所述子凸部的数量与所述子凹部的数量相对应，并且各个所述子凸部一一对应地位于所述子凹部内。
优选的，在所述法拉第屏蔽环的被支撑面还设置有环形延伸部，所述环形延伸部竖直向下延伸至所述绝缘环的环孔中；并且，在所述环形延伸部的外周面与所述绝缘环的内环面之间具有第二间隙，并且所述第二间隙在水平方向上的宽度满足使所述环形延伸部在受热膨胀时不受所述绝缘环的限制。
优选的，所述第二间隙在水平方向上的宽度大于3mm。
作为另一个技术方案，本发明还提供一种半导体加工设备，包括反应腔室、射频线圈和射频电源，其中，所述反应腔室的腔室壁采用绝缘材料制作；所述射频线圈设置在所述反应腔室的腔室壁外侧，且与所述射频电源电连接；所述射频电源用于向所述射频线圈输送射频功率，其特征在于，所述反应腔室采用本发明提供的上述反应腔室，所述法拉第屏蔽环设置在所述反应腔室的腔室壁内侧；并且，在所述反应腔室内设置有用于承载被加工工件的基座。
优选的，还包括第一内衬和第二内衬，其中，
所述第一内衬环绕设置在所述反应腔室的腔室壁内侧，且位于所述法拉第屏蔽环的上方，用以遮挡所述法拉第屏蔽环的上端与所述反应腔室的腔室壁之间的间隙；
所述第二内衬环绕设置在所述反应腔室的腔室壁内侧，且位于所述绝缘环的下方，用以遮挡所述绝缘环与所述基座之间的间隙。
优选的，在所述第二内衬上还设置有遮挡环，用以遮挡所述第二内衬与所述基座之间的间隙。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的反应腔室，其通过在绝缘环的支撑面和法拉第屏蔽环的被支撑面分别设置凹部和凸部，且使凹部朝外方向的第一侧面与凸部朝内方向的第二侧面相贴合，可以实现绝缘环与法拉第屏蔽环的对中，即二者同轴，从而可以实现法拉第屏蔽环的准确定位，保证工艺均匀性。同时，上述凹部被设置为使凸部在受热膨胀时不受凹部的限制，这可以使法拉第屏蔽环的变形不与绝缘环发生关联，从而可以保证绝缘环在高温状态下不被破坏，进而可以提高工艺稳定性和设备可靠性。
本发明提供的半导体加工设备，其通过采用本发明提供的上述反应腔室，不仅可以保证绝缘环在高温状态下不被破坏，而且可以确保法拉第屏蔽环的准确定位，从而可以提高工艺均匀性、稳定性和设备可靠性。
附图说明
图1为现有的半导体加工设备的结构图；
图2为图1中i区域的放大图；
图3为本发明实施例提供的反应腔室的剖视图；
图4为图3中ii区域的放大图；
图5为图3中法拉第屏蔽环的凸部的仰视图；
图6为本发明实施例的变型实施例提供的反应腔室的局部剖视图；以及
图7为本发明实施例提供的半导体加工设备的剖视图。
具体实施方式
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反应腔室及半导体加工设备进行详细描述。
图3为本发明实施例提供的反应腔室的剖视图。请参阅图3，反应腔室1包括法拉第屏蔽环2和绝缘环3。其中，当反应腔室1应用在金属沉积工艺时，很容易在采用绝缘介质的腔室内壁上形成金属屏蔽，导致电磁能量被屏蔽在腔室之外，为此，通过在反应腔室1的侧壁内侧环绕设置法拉第屏蔽环2，可以保证射频能量通过射频线圈顺利耦合进反应腔室1内。绝缘环3用于支撑法拉第屏蔽环2，且使其电位悬浮。绝缘环3可以采用陶瓷或石英等的绝缘材料制作。另外，为了保证工艺均匀性，需要法拉第屏蔽环2与反应腔室1的侧壁同轴设置，由于绝缘环3与反应腔室1的侧壁同轴连接，因此，相当于需要绝缘环3和安装在其上的法拉第屏蔽环2同轴设置，即可实现法拉第屏蔽环2的定位。
具体地，法拉第屏蔽环2与绝缘环3的连接方式为：如图4所示，为图3中ii区域的放大图。在绝缘环3的支撑面31设置有凹部32，且在法拉第屏蔽环2的被支撑面21设置有凸部22，该凸部22位于凹部32内。其中，凹部32包括朝外方向(即，如图4中示出的箭头方向)的第一侧面321，凸部22包括朝内方向(即，与如图4中示出的箭头相反的方向)的第二侧面221，第一侧面321和第二侧面221相贴合。在将法拉第屏蔽环2安装在绝缘环3上时，第一侧面321和第二侧面221之间的紧密配合可以实现绝缘环3与法拉第屏蔽环2的对中，即二者同轴，从而可以实现法拉第屏蔽环2的准确定位，保证工艺均匀性。
而且，上述凹部32被设置为使凸部22在受热膨胀时不受凹部32的限制。在本实施例中，凹部32为在绝缘环3的支撑面31的边沿形成的台阶，即，凹部32沿朝外的方向贯穿绝缘环3，从而使法拉第屏蔽环2的凸部22在朝外的方向不受凹部32的限制。
由于法拉第屏蔽环2为闭合的筒状结构，在稳定的工艺过程中，其受热后能够沿直径方向向外均匀膨胀，而且由于法拉第屏蔽环2的材料为良导体，其热膨胀系数大于诸如陶瓷或石英等的绝缘材料，法拉第屏蔽环2沿直径方向的膨胀量大于绝缘环3沿直径方向的膨胀量，因此，法拉第屏蔽环2的变形不会与绝缘环3发生关联，当法拉第屏蔽环2的直径尺寸不再变化时，形成了稳定的工艺环境，法拉第屏蔽环2与绝缘环3仍然能够保持同轴，从而保证了工艺的均匀性，一致性。
在对新靶材进行清洗，以去除其表面的氧化物及污染物的时候，虽然法拉第屏蔽环2积累了大量的热，温度大幅升高，但是由于拉第屏蔽环2的凸部22在朝外的方向不受凹部32的限制，其仍然可以自由、均匀的向外膨胀而不与绝缘环3发生关联，拉第屏蔽环2在温度下降时收缩，第一侧面321和第二侧面221重新贴合，从而恢复正常的工艺稳定阶段所处的状态，因此，通过使法拉第屏蔽环2的凸部22在朝外的方向不受凹部32的限制，无论工艺处于任何阶段，法拉第屏蔽环2的变形均不与绝缘环3发生关联，从而可以保证绝缘环3在高温状态下不被破坏，进而提高工艺稳定性和设备可靠性。
在实际应用中，凹部和凸部均可以为闭合的环体；或者，凹部和凸部也可以采用由多个分体组成的分体式结构。具体地，如图5所示，法拉第屏蔽环2的凸部22由多个弧形的子凸部20组成，与之相对应的，绝缘环3的凹部32由多个弧形的子凹部组成，该子凹部的形状与子凸部20的形状一致。并且，多个子凹部沿绝缘环3的周向间隔分布，子凸部20的数量与子凹部的数量相对应，并且各个子凸部20一一对应地位于子凹部内。
作为本实施例的一个变型实施例，图6为本发明实施例的变型实施例提供的反应腔室的局部剖视图。请参阅图6，本变型实施例提供的反应腔室与上述实施例相比，其区别仅在于：凹部32’的结构不同。
具体地，在本变型实施例中，凹部32’还包括朝内方向(与图6中示出的箭头相反的方向)的第三侧面322，凸部22包括朝外方向(图6中示出的箭头方向)的第四侧面222；并且，第三侧面322与第四侧面222相对，且在二者之间具有第一间隙b2，并且第一间隙b2在水平方向上的宽度满足使凸部22在受热膨胀时不受凹部32’的限制。也就是说，法拉第屏蔽环2可以自由、均匀的向外膨胀，在此过程中，第三侧面322与第四侧面222始终不相接触，从而使法拉第屏蔽环2的受热膨胀不会与绝缘环3发生关联。
优选的，第一间隙b2在水平方向上的宽度大于3mm。在对新靶材进行清洗，以去除其表面的氧化物及污染物的时候，法拉第屏蔽环2会因持续被轰击而温度大幅上升(超过300℃)，此时法拉第屏蔽环2的直径膨胀量约为3mm，因此，通过使第一间隙b2在水平方向上的宽度大于3mm，可以确保第三侧面322与第四侧面222始终不相接触。
优选的，在法拉第屏蔽环2的被支撑面21还设置有环形延伸部23，该环形延伸部23竖直向下延伸至绝缘环3的环孔33中；并且，在环形延伸部23的外周面231与绝缘环3的内环面331之间具有第二间隙b1，并且该第二间隙b1在水平方向上的宽度满足使环形延伸部23在受热膨胀时不受绝缘环3的限制。
优选的，第二间隙b1在水平方向上的宽度大于3mm，以确保环形延伸部23的外周面231与绝缘环3的内环面331始终不相接触。
综上所述，本发明实施例提供的上述反应腔室，其通过在绝缘环的支撑面和法拉第屏蔽环的被支撑面分别设置凹部和凸部，且使凹部朝外方向的第一侧面与凸部朝内方向的第二侧面相贴合，可以实现绝缘环与法拉第屏蔽环的对中，即二者同轴，从而可以实现法拉第屏蔽环的准确定位，保证工艺均匀性。同时，上述凹部被设置为使凸部在受热膨胀时不受凹部的限制，这可以使法拉第屏蔽环的变形不与绝缘环发生关联，从而可以保证绝缘环在高温状态下不被破坏，进而可以提高工艺稳定性和设备可靠性。
作为另一个技术方案，图7为本发明实施例提供的半导体加工设备的剖视图。请参阅图7，本发明还提供一种半导体加工设备，包括反应腔室200、射频线圈203和射频电源205，其中，反应腔室200的腔室壁201采用诸如石英或陶瓷等的绝缘材料制作。射频线圈203环绕设置在反应腔室200的腔室壁201外侧，且通过匹配器204与射频电源205电连接。射频电源用于向射频线圈203输送射频功率。反应腔室200采用了本发明实施例提供的上述反应腔室。
其中，法拉第屏蔽环207设置在反应腔室200的腔室壁201内侧，用以保证射频能量通过射频线圈203顺利耦合进反应腔室200内。并且，在反应腔室200内设置有用于承载被加工工件213的基座212；在反应腔室200内的顶部，且位于基座212的上方设置有靶材202，其与直流功率源206电连接，用以在反应腔室200内形成等离子体。
优选的，半导体加工设备还包括第一内衬208和第二内衬209，其中，第一内衬208环绕设置在反应腔室200的腔室壁201内侧，且位于法拉第屏蔽环207的上方，用以遮挡法拉第屏蔽环207的上端与反应腔室200的腔室壁201之间的间隙。第二内衬209环绕设置在反应腔室200的腔室壁201内侧，且位于绝缘环211的下方，用以遮挡绝缘环211与基座212之间的间隙。借助第一内衬208和第二内衬209，可以保护反应腔室200的腔室壁201，保持反应腔室200内的清洁，从而可以延长腔室的维护时间。
进一步优选的，在第二内衬209上还设置有遮挡环210，用以遮挡第二内衬209与基座212之间的间隙，从而可以阻挡等离子体扩散至反应腔室200的底部。
本发明实施例提供的半导体加工设备，其通过采用本发明实施例提供的上述反应腔室，不仅可以保证绝缘环在高温状态下不被破坏，而且可以确保法拉第屏蔽环的准确定位，从而可以提高工艺均匀性、稳定性和设备可靠性。
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。