喷气装置以及包含该喷气装置的生产机台的制作方法

本实用新型涉及半导体设备技术领域，具体涉及一种喷气装置以及包含该喷气装置的生产机台。

背景技术：

在半导体的制造流程中，涉及两种基本的刻蚀工艺：干法刻蚀和湿法刻蚀。其中，干法刻蚀是把晶圆暴露于刻蚀气体所产生的等离子体中，等离子体与晶圆发生物理和/或化学反应，从而选择性地从晶圆表面除去不需要的材料，且由于干法刻蚀可以使电路图变得更加精细，因此，得到了广泛的应用。

目前一种包含喷气管道的喷气装置应用在干法刻蚀中，该喷气管道使用时向反应腔内喷射刻蚀气体，刻蚀气体进而电离生成等离子体，而等离子体在电场的作用下其正电荷进一步被吸附到被刻蚀晶圆表面后与被刻蚀晶圆表面产生物理和/或化学反应，且反应生成的挥发性物质被真空设备抽离反应腔。

然而，上述喷气管道喷射刻蚀气体时，会造成反应腔中等离子体分布不均匀问题，最终影响了刻蚀的均匀性，降低了硅片刻蚀的质量。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种喷气装置以及生产机台，以解决一种因气体喷射方向不合理而导致生产机台尤其是刻蚀机台，加工质量差的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种喷气装置，包括内部具有空腔的喷气管道，所述喷气管道的外壁上开设有与所述空腔贯通的喷气孔，所述喷气孔的中心轴线与所述喷气管道的横截面的夹角大于或等于0°且小于90°，且所述喷气孔的中心轴线与所述喷气管道的中心轴线不相交。

可选的，所述喷气孔的中心轴线与所述喷气管道的横截面的夹角大于0°；所述喷气管道还包括至少另一空腔，所述至少另一空腔周向围绕所述空腔设置；所述喷气管道具有相对的第一端和第二端，所述至少另一空腔至少贯通所述第一端，所述空腔至多贯通所述第二端，且所述喷气孔的出气口朝向所述第一端；所述喷气管道的外壁上另开设有与所述空腔贯通的第一进气孔；所述喷气管道的外壁上还开设有与所述至少另一空腔贯通的第二进气孔。

可选的，所述喷气孔为多个，多个所述喷气孔围绕所述空腔的周向布置，和/或多个所述喷气孔沿所述喷气管道的中心轴线方向布置。

可选的，所述空腔与所述喷气管道的一端贯通，所述喷气孔的出气口朝向所述喷气管道未被贯通的一端；或者，所述空腔与所述喷气管道的两端均不贯通，所述喷气管道的外壁上另开设有与所述空腔贯通的进气孔；或者，所述空腔与所述喷气管道的一端贯通，所述喷气管道的外壁上另开设有与所述空腔贯通的进气孔，所述喷气孔的出气口朝向所述喷气管道被贯通的一端；或者，所述空腔与所述喷气管道的两端贯通，所述喷气孔的出气口朝向所述喷气管道的其中一端。

可选的，所述喷气孔的中心轴线偏离所述喷气管道径向的角度为60°～70°。

可选的，所述喷气管道的外壁上还开设有与所述空腔贯通的另一喷气孔，所述另一喷气孔的中心轴线与所述喷气管道的横截面的夹角大于或等于0°且小于90°，且所述另一喷气孔的中心轴线与所述喷气管道的中心轴线相交。

可选的，所述另一喷气孔为多个，多个所述另一喷气孔围绕所述空腔的周向布置，和/或多个所述另一喷气孔沿所述喷气管道的中心轴线方向布置。

可选的，所述喷气孔的中心轴线与所述喷气管道的横截面的夹角大于0°，且所述另一喷气孔的中心轴线与所述喷气管道的横截面的夹角等于0°。

此外，本实用新型另提供了一种包括上述喷气装置的生产机台，所述生产机台还包括一容纳空间，所述喷气孔的出气口向所述容纳空间喷气。

可选的，所述生产机台为刻蚀机台。

综上所述，采用本实用新型提供的喷气装置，由于喷气管道上喷气孔的开设方向与喷气管道的中心轴线不相交，使得与喷气孔贯通的空腔内气体自喷气孔喷出后，不但会形成沿喷气管道径向的径向气流，还会形成沿喷气管道周向的周向气流。气流的周向运动尤其可以起到搅拌被该喷气管道喷气的刻蚀机台之容纳空间内等离子体的作用，令等离子体在容纳空间内分布均匀，确保了硅片刻蚀的质量。气流的周向运动还特别可以避免等离子体在喷气管道和电场周边聚集，也就是将刻蚀机台上喷气管道和电场周边聚集的等离子体吹散，由此避免等离子体对喷气管道和电场附近的相关部件的刻蚀效应，从而延长这些设备的使用寿命，降低生产成本。

特别地，在干法刻蚀制程中，相较于刻蚀气体自喷气孔喷出后仅形成单股径向气流，本实用新型的喷气装置通过另形成一股周向气流，减弱了径向气流对等离子体均匀性分布的破坏，从而有效确保了硅片干法刻蚀的质量。

附图说明

图1是一种用于干法刻蚀的喷气装置的立体示意图；

图2是图1所示的喷气装置的纵向剖视图；

图3是图1所示的喷气装置的横向剖视图；

图4是一种刻蚀机台的剖视图；

图5是等离子体在刻蚀机台之反应腔内分布的密度云图；

图6是本实用新型一实施例提供的喷气装置的立体示意图；

图7是图6所示的喷气装置的纵向剖视图；

图8是图6所示的喷气装置的横向剖视图；

图9是本实用新型另一实施例提供的喷气装置的横向剖视图；

图10是本实用新型一实施例提供的刻蚀机台的剖视图。

附图标记说明如下：

10-喷气装置；11、100-喷气管道；111-空腔；105、112-喷气孔；101、113-中心孔；102-环形空腔；103、114-第一进气孔；104、115-第二进气孔；β-喷气孔的开设方向与喷气管道的径向之间的夹角；a-大径部分；b-小径部分；20-刻蚀机台；21-壳体；22-盖板；23-静电吸盘；24-线圈；30、400-硅片；200-反应腔；300-承载盘。

具体实施方式

参考图1至图3，一种用于干法刻蚀的喷气装置包括喷气管道100，所述喷气管道100包括轴向贯通的中心孔101、以及设置在中心孔101外部的环形空腔102，所述环形空腔102与喷气管道100的两端不贯通。其中，所述喷气管道100邻近其一端的外壁上开设有第一进气孔103和第二进气孔104，所述第一进气孔103与中心孔101贯通，所述第二进气孔104与环形空腔102贯通。所述喷气管道100邻近其另一端的外壁上开设有与环形空腔102贯通的喷气孔105，特别地，所述喷气孔105的中心轴线沿喷气孔105的开设方向延伸且与喷气管道100的中心轴线斜相交，也就是喷气孔105的中心轴线在喷气管道100横截面上的投影经过横截面的中心，使刻蚀气体斜向下由环形空腔102的径向喷射而出。

参考图4，使用时，上述喷气管道100向密封的反应腔200内喷射刻蚀气体，一部分刻蚀气体从第一进气孔103进入中心孔101后喷射到反应腔200内，另一部分刻蚀气体从第二进气孔104进入环形空腔102后由喷气孔105喷射到反应腔200内。所述反应腔200内设置有承载盘300，待刻蚀的硅片400固定在承载盘300上，进而由刻蚀气体电离产生的等离子体被静电吸附至硅片表面，以对硅片400实施刻蚀。

申请人研究发现，若采用上述喷气管道100喷射刻蚀气体，所述反应腔200中等离子体的分布如图5所示，图5是等离子体在反应腔200中分布的密度云图，其中由箭头连接成的线表示气流的运动路径。由图5可见，等离子体在硅片400的四周以及喷气管道100的周围比较密集，反而在硅片400的中心附近较为稀疏。然而，等离子体分布的不均匀容易导致硅片400刻蚀的不均匀，降低刻蚀质量。

申请人进一步研究发现，等离子体分布不均匀是由于刻蚀气体的喷射方向不合理所致，也就是喷气孔105的开设方向存在问题。具体地，刻蚀气体由喷气孔105喷射出后，相应沿与喷气管道100的中心轴线相交的径向方向斜向下喷出，形成沿喷气管道100径向的单股径向气流，该单股径向气流会破坏等离子体分布的均匀性，而且等离子体容易在喷气管道100以及电场周边聚集，从而造成图5所示的等离子体分布不均匀。

因此，为了使等离子体分布均匀，本实用新型提出了一种喷气装置，该喷气装置包括内部设置有空腔的喷气管道，所述喷气管道的外壁上开设有与所述空腔贯通的喷气孔，所述喷气孔的中心轴线与所述喷气管道的横截面的夹角大于或等于0°且小于90°，且所述喷气孔的中心轴线与所述喷气管道的中心轴线不相交。

以下结合附图6至附图10、以及具体实施例对本实用新型提出的喷气装置以及生产机台作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本实用新型的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。如在说明书以及权利要求书中，所述“内部”指的是靠近对应空腔的中心轴线的一侧，所述“外部”指的是远离对应空腔的中心轴线的一侧。

参考图6至图8，图6是本实用新型一实施例提供的喷气装置10的立体示意图，图7是图6所示的喷气装置的纵向剖视图，图8是图6所示的喷气装置的横向剖视图。

如图6至图8所示，所述喷气装置10包括内部设置有空腔111的喷气管道11，所述喷气管道11的外壁上偏斜地开设有与空腔111贯通的喷气孔112，但所述喷气孔112的中心轴线与空腔111的中心轴线不相交(更清楚显示于图8)。所述空腔111在本实施例中，可选为环形空腔并与喷气管道11同轴布置，也就是，所述喷气孔112的中心轴线与喷气管道11的中心轴线不相交。显然，所述喷气孔112的中心轴线沿着喷气孔112的开设方向延伸。应当知晓的是，如图7所示，上述“偏斜”指的是喷气孔112的中心轴线与喷气管道11的横截面呈大于0°或等于0°且小于90°的夹角设置。优选，所述喷气孔112的开设方向与喷气管道11的横截面呈大于0°的夹角设置，令喷气孔112向喷气管道11的一端偏斜，即与喷气管道11的横截面非平行设置，以斜向喷射气体，具体偏斜的角度本实用新型不作特别的限定。

本实施例的喷气管道11喷射气体时，首先外部的气体进入空腔111，之后，至少由喷气孔112将气体喷射至对应的工艺腔体内，且由喷气孔112喷出的气体中，一部分气体沿喷气管道11的周向喷出形成周向气流，另一部分气体沿喷气管道11的径向方向喷出形成径向气流。气流的周向运动可以起到搅拌例如用于干法刻蚀的反应腔内等离子体的作用，令等离子体在反应腔内分布均匀，确保硅片的刻蚀质量。气流的周向运动还可以避免例如等离子体在喷气管道和电场周边聚集，也就是可以将喷气管道和电场周边聚集的等离子体吹散，由此延长这些设备的使用寿命，降低生产成本。

具体来讲，本实施例的喷气管道11特别适用于干法刻蚀的刻蚀机台20(显示于图10)，此时，所述喷气管道11用于向刻蚀机台20的所述反应腔喷射刻蚀气体，喷射的刻蚀气体的周向运动搅拌了所述反应腔内的等离子体，使等离子体在反应腔内均匀分布，确保了干法刻蚀的质量。此外，刻蚀气体的周向运动还将喷气管道11、以及反应腔内电场周边相关部件聚集的等离子体吹散，避免了等离子体对喷气管道11以及相关部件的刻蚀效应，从而延长喷气管道11和所述相关部件的使用寿命。特别地，在干法刻蚀制程中，相较于刻蚀气体自喷气孔112喷出后仅形成单股的径向气流来说，所述喷气装置10通过另形成一股周向气流，减弱了径向气流对等离子体均匀性分布的破坏，确保了干法刻蚀的质量。

为了便于叙述，以下描述中以喷气装置10应用于干法刻蚀为例，对本实用新型的喷气装置10作进一步说明，但不应以此作为对本实用新型的限定。

本实施例中，所述喷气管道11还包括设置在空腔111内部的另一空腔。可选的，如图6～图8所示，所述另一空腔由圆形的中心孔113构成，该中心孔113被空腔111周向围绕。实际应用时，如图10所示，所述喷气管道11的一部分伸入刻蚀机台20的反应腔内，以通过中心孔113和喷气孔112向所述反应腔喷射刻蚀气体。

其中，所述喷气管道11具有相对的第一端和第二端，所述第二端用于背离反应腔设置，所述第一端用于朝向反应腔设置。可选的，所述空腔111至多贯穿喷气管道11的第二端，所述中心孔113至少贯通喷气管道11的第一端，这样一来，令一部分刻蚀气体通过空腔111经由喷气孔112喷出，同时令另一部分刻蚀气体通过中心孔113经由喷气管道11的第一端喷出。优选，所述喷气孔112朝喷气管道11未被空腔111贯穿的第一端偏斜，也就是喷气孔112的出气口朝向第一端，以使刻蚀气体的喷射方向朝向待刻蚀的硅片30方向。所述硅片30设置在喷气管道11的一侧，于本实施例中，所述硅片30设置在喷气管道11的正下方。

一个优选方案中，所述喷气管道11的两端均未被空腔111贯通(清楚显示于图7)，而所述中心孔113贯通喷气管道11的两端，此时，所述喷气孔112朝喷气管道11靠近反应腔的一端偏斜，也就是，所述喷气孔112的出气口朝向喷气管道11靠近反应腔的第一端。然而，本实用新型对空腔111和中心孔113是否贯穿喷气管道11的第二端不作特别的限定，具体根据实际需要设置。

在一个较佳实施例中，所述喷气管道11的外壁上邻近第二端开设有第一进气孔114和第二进气孔115，所述第一进气孔114与空腔111贯通，所述第二进气孔115与中心孔113贯通，通过第一进气孔114将刻蚀气体注入空腔111，通过第二进气孔115将另一部分刻蚀气体注入中心孔113。相较于第一进气孔114，所述第二进气孔115更靠近喷气管道11的第二端。

容易理解的是，当所述空腔111或中心孔113贯通喷气管道11的第二端时，所述第一进气孔114或第二进气孔115并非是必要设置，而且，在设置是否贯通喷气管道11的第二端时，所述空腔111和中心孔113之间没有必然的联系，两者既可以同时贯通喷气管道11的第二端，也可以是仅中心孔113贯通第二端，或者仅空腔111贯通第二端。但是，为了避免不同空腔中的刻蚀气体互相产生干扰，当所述空腔111未贯通喷气管道11的第二端时，所述空腔111轴向延伸至第二进气孔115远离喷气管道11之第二端的一侧。

作为一个优选实施例，所述喷气孔112的数量为多个。在一个实施例中，多个所述喷气孔112围绕空腔111的周向优选均匀布置，这样的设置，可形成类似于圆锥面的喷射气流，令反应腔内等离子体分布更为均匀。在另一个实施例中，多个所述喷气孔112沿喷气管道11的中心轴线方向布置。在其他实施例中，多个所述喷气孔112既在空腔111的周向上布置又在喷气管道11的中心轴线方向上布置。

可选的，每个喷气孔112的开设角度为60°～70°，如图8所示，在平行于喷气管道11的横截面的投影平面内，所述喷气孔112的中心轴线偏离空腔111径向的角度β为60°～70°(本文中，角度β也就是所述喷气孔112的中心轴线偏离喷气管道11径向的角度)。更可选的，所述喷气孔112的数量为4～16个，优选10个。

更优选的，所述中心孔113和空腔111与喷气管道11同轴布置。可选的，所述第一进气孔114和第二进气孔115的开设方向沿着对应空腔的径向方向设置。所述第一进气孔114和第二进气孔115的数量不限于一个。

在一个较佳实施例中，所述喷气管道11的外壁上还开设有与空腔111贯通的另一喷气孔(未图示)，所述另一喷气孔的的中心轴线与喷气管道11的横截面的夹角大于或等于0°且小于90°，且所述另一喷气孔的中心轴线与喷气管道11的中心轴线相交，即类似与图1至图3所示的喷气孔。显然，由该另一喷气孔喷射的刻蚀气体仅形成沿喷气管道11径向的单股径向气流。

进一步的，所述另一喷气孔为多个。在一个实施例中，多个所述另一喷气孔围绕空腔111的周向布置。在另一个实施例中，多个所述另一喷气孔沿喷气管道11的中心轴线方向布置。在其他实施例中，多个所述另一喷气孔不仅在空腔111的周向上布置，而且在喷气管道11的中心轴线方向布置。更进一步的，所述喷气孔112和所述另一喷气孔在空腔111的周向上交替重复布置，更优选的，当所述另一喷气孔的中心轴线与喷气管道11的横截面的夹角为0°、以及所述喷气孔112的中心轴线与喷气管道11的横截面的夹角大于0°时，所述喷气孔112和所述另一喷气孔在周向上交替重复设置，以分散气流的分布，更进一步确保等离子体分布的均匀性。

在一个实施例中，所述喷气管道11的形状为圆柱体。在其他实施例中，如图9所示，所述喷气管道11的形状为多棱柱，优选正多棱柱，在相邻棱柱所在的外壁上开设有一个喷气孔112，如图中的四个喷气孔112。相较于圆柱体，设于多棱柱外壁上的喷气孔112喷射气体的均匀性相对较差，因此，更优选为圆柱体的喷气管道11。此外，所述空腔111的一侧内壁可以是多个平面弯折相连而成。

本实施例中，如图7所示，所述喷气管道11沿其轴向为阶梯型结构，也就是所述喷气管道11包括相连的大径部分a和小径部分b，所述大径部分a的横截面宽度大于所述小径部分b的横截面宽度，所述中心孔113和空腔111位于所述大径部分a和所述小径部分b，且所述小径部分b的外壁上开设有喷气孔112，而所述大径部分a设置有第一进气孔114和第二进气孔115。在此，通过大径部分a和小径部分b相连的台阶面将喷气管道11固定于反应腔上。

本实施例中，所述喷气管道11的长度例如是15cm～25cm，其中心孔113的直径例如是22mm～35mm。所述第一进气孔113、第二进气孔115和喷气孔112优选为圆形孔，加工方便。所述喷气孔112的孔径优选是1.5mm～2mm，相邻喷气孔112中心轴线之间的距离例如是4.5mm～5.5mm。

进一步地，如图10所示，本实施例提供的刻蚀机台20，除包括本实施例的喷气管道11外，还包括接收喷气管道11所喷射的刻蚀气体的反应腔(未标示)，在该反应腔内完成对硅片30的等离子体刻蚀。由于本实施例的刻蚀机台20采用本实施例的喷气管道11，因此，由喷气管道11所带来的有益效果请相应参考上述实施例。

更进一步地，所述刻蚀机台20还包括顶部开口的壳体21，所述壳体21的内腔构成所述反应腔。可选的，所述顶部开口处安装有盖板22，所述壳体21和盖板22所形成的容纳空间便构成所述反应腔。其中，所述盖板22的中央设置有一个通孔，所述喷气管道11插设于所述通孔中并一部分延伸至壳体21内，以向所述反应腔喷射刻蚀气体。可选的，所述喷气管道11通过其台阶面与盖板22的上表面贴合并密封固定。

可选的，所述壳体21内的底部设置有静电吸盘23，所述静电吸盘23用于静电吸附待刻蚀的硅片30。

可选的，所述盖板22上设置有线圈24，与射频电源连接，例如脉冲电感耦合线圈，所述线圈24用于在壳体21内形成电场。具体地，从喷气管道11进入反应腔的刻蚀气体被上方的线圈24电离形成等离子体，生成的等离子体刻蚀硅片30表面的材质。所述刻蚀机台20的抽气泵从壳体21上的出气口(在图10中未画出)抽出反应腔内的气体排出。

在刻蚀过程中，使刻蚀气体产生电离形成等离子体的射频功率来自于线圈24，由于施加在线圈24上的激励方式为射频，使得线圈24内存在射频电流从而产生变化的磁场，根据法拉第电磁感应定律，该变化的磁场感应出电场，从而在反应腔内将刻蚀气体电离成等离子体，被激发的等离子体在反应腔内与硅片相互作用，对硅片进行刻蚀。

可选的，所述线圈24的数量为多个，多个所述线圈24间隔排列在盖板22上。更可选的，所述盖板22和静电吸盘23构成一对位置对称且平行设置的金属板，且所述静电吸盘23接地构成阴极，而所述盖板22接电源阳极。

本实用新型较佳实施例如上所述，但并不局限于上述实施例所公开的范围，例如本实施例的喷气管道不限应用于刻蚀机台，其他需要通过喷气管道上开设的喷气孔喷射气体的生产机台，也可采用本申请的喷气装置来解决气体喷射至生产机台的工艺腔体内后导致工艺腔体内反应物质分布不均匀问题，其他生产机台例如是气相沉积机台，以解决喷气管道喷射气相沉积气体所导致气相沉积粒子在气相沉积腔中分布不均匀问题。

此外，本实用新型的喷气管道不限于只包括两个空腔，且其中一个空腔不限于环形空腔，而另一个空腔不限于中心孔的形式，上述实施例仅是以刻蚀机台上应用的喷气管道示意，来说明本实用新型的喷气孔的结构以及气体喷射的路径，本领域技术人员在本申请公开的基础上，容易得到在本申请保护范围之内的其他空腔结构，例如，在其他实施例中，所述喷气管道可以仅包括一个空腔，也可以包括两个或两个以上的空腔，而且，与喷气孔贯通的空腔不限于环形，也可以是圆形、环形的一部分等。

举例来说，以中心孔形式的一个空腔为例：在一个实施例中，所述空腔与喷气管道的一端贯通，所述喷气孔的出气口朝向喷气管道未被贯通的一端，即气体仅由喷气孔喷出；在另一个实施例中，所述空腔与喷气管道的两端均不贯通，所述喷气孔的出气口朝向任意一端均可，且所述喷气管道的外壁上另开设有与空腔贯通的第一进气孔，同理，气体仅由喷气孔喷出；在又一个实施例中，所述空腔与喷气管道的一端贯通，所述喷气管道的外壁上另开设有与空腔贯通的第一进气孔，且所述喷气孔的出气口朝向喷气管道被贯通的一端，此时，一部分气体由喷气管道被贯穿的一端喷出，另一部分气体由喷气孔喷出，在这种结构中，气体的喷射路径不限于喷气孔；在其他实施例中，所述空腔与喷气管道的两端均贯通，且所述喷气孔的出气口朝向喷气管道的任意一端，与上述第三个实施方式相同，一部分气体由喷气管道的一端喷出，另一部分气体由喷气孔喷出，但该两部分气体的喷射方向均朝向工艺腔体方向。需要说明的是，此部分引用的喷气孔是其中心轴线与喷气管道的中心轴线不相交，当然，中心轴线与喷气管道的中心轴线相交的另一喷气孔也可类似设置，此处不再详细叙述。

综上所述，采用本实用新型提供的喷气装置，由于喷气管道上喷气孔的开设方向与喷气管道的中心轴线不相交，使得与喷气孔贯通的空腔内气体自喷气孔喷出后，不但会形成沿喷气管道径向的径向气流，还会形成沿喷气管道周向的周向气流。气流的周向运动尤其可以起到搅拌被该喷气管道喷气的刻蚀机台之反应腔内等离子体的作用，令等离子体在反应腔内分布均匀，确保了硅片的刻蚀质量。气流的的周向运动还特别可以避免等离子体在喷气管道和电场周边聚集，由此避免等离子体对喷气管道和电场附近的相关部件的刻蚀效应，从而延长这些设备的使用寿命，降低生产成本。

特别地，在干法刻蚀制程中，相较于刻蚀气体自喷气孔喷出后仅形成单股径向气流，本实用新型的喷气装置通过另形成一股周向气流，减弱了径向气流对等离子体均匀性分布的破坏，确保了硅片干法刻蚀的质量。

上述描述仅是对本实用新型较佳实施例的描述，并非对本实用新型范围的任何限定，本实用新型领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。