内衬结构、反应腔室和半导体加工设备的制作方法

本发明涉及半导体设备技术领域，具体地，涉及一种内衬结构、反应腔室和半导体加工设备。

背景技术：

等离子体刻蚀机通常用于完成对晶圆的电化学加工。为了得到一个气流平稳流动的腔室环境，并使腔室内壁不受等离子体直接轰击，一般在腔室的侧壁内侧安装有内衬。而且，为了能够将晶圆传入传出腔室内部，需要分别在腔室壁和内衬上设置开口，以供晶圆通过，并且还设置有可升降的内门，用以开启或关闭内衬开口。

但是，现有的内衬结构在实际应用在不可避免地存在以下问题：

其一，由于内门的内径与内衬的外径相同，这内门在上升过程中，很容易与内衬的外周壁发生刮擦，产生颗粒物，从而造成腔室环境被污染，影响晶圆的生产良率；同时，由于内门的内壁与内衬的内壁未对齐，导致内衬开口影响了内衬的圆柱形内壁的完整性，从而影响气流场的均匀性，进而不利于工艺均匀性；

其二，由于内衬与腔室侧壁之间的空间有限，就需要在腔室侧壁上预留出缺口，以能够有足够的空间容纳内门及其驱动机构，这个缺口的存在会影响圆柱形腔室内壁的完整性，这同样会不利于工艺均匀性。

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，提出了一种内衬结构、反应腔室和半导体加工设备，其不仅可以避免内门与内衬发生刮擦，而且可以保证腔体内壁和内衬内壁的完整性，从而可以提高气流场的均匀性。

为实现上述目的，本发明提供了一种内衬结构，包括：

内衬主体，包括构成阶梯结构的上环部和下环部，且所述下环部的外径小于所述上环部的内径；并且，在所述上环部上设置有用于供被加工工件出入的内衬开口，所述内衬开口延伸至所述上环部的下端；

内门，设置在所述上环部的下方，且所述内门的内径与所述上环部的内径相同，并且所述内门是可升降的，以能够开启或关闭所述内衬开口。

可选的，所述内衬开口与所述内门彼此相对的两个表面构成能够阻挡等离子体通过的迷宫式间隙。

可选的，在所述内衬开口的与所述内门相对的表面上设置有凸部，所述凸部的内径大于所述内门的外径。

可选的，分别在所述内衬开口与所述内门彼此相对的两个表面上分别设置有凸部和凹部；所述凹部为一个或多个，且多个所述凹部沿所述上环部的径向间隔设置；所述凸部的数量与所述凹部的数量相同，且在所述内门处于关闭所述内衬开口的位置处时，各个所述凸部一一对应地设置在各个所述凹部中。

可选的，所述内衬结构还包括用于驱动所述内门升降的升降机构，所述升降机构固定在下电极机构上。

可选的，所述升降机构包括：

壳体，用于与所述下电极机构固定连接；

直线驱动源，设置在所述壳体内，用于提供直线动力；

连杆组件，分别与所述内门和所述直线驱动源连接；

导向件，用于限定所述连杆组件沿竖直方向移动。

可选的，所述连杆组件包括连接件和两个连杆，沿所述下电极机构的周向分别位于所述壳体的两侧，两个所述连杆的上端均与所述内门连接，两个所述连杆的下端均通过所述连接件与所述直线驱动源连接；

所述导向件包括两个导向座，两个所述导向座设置在所述壳体的外壁上，且在每个所述导向座上竖直设置有导向孔；两个所述连杆分别穿过两个所述导向座上的所述导向孔。

可选的，在所述壳体的底部设置有贯穿其厚度的通孔；所述直线驱动源的驱动轴的下端经由所述通孔延伸至所述壳体的外部，并与所述连接件连接；

所述升降机构还包括动密封结构，用于对所述通孔与所述驱动轴之间的间隙进行密封。

可选的，所述动密封结构包括波纹管，所述波纹管位于所述壳体内，且套设在所述驱动轴上，并且所述波纹管的下端与所述壳体的底部密封连接，所述波纹管的上端通过法兰与所述驱动轴密封连接。

可选的，所述导向件采用抗腐蚀材料制作；或者，在所述导向件的外表面设置有抗腐蚀层。

可选的，所述内衬主体还包括盘状匀流部，所述盘状匀流部的外周缘与所述下环部的下端连接，且在所述盘状匀流部中设置有栅孔部。

作为另一个技术方案，本发明还提供一种反应腔室，包括腔体、设置在所述腔体内的下电极机构和环绕设置在所述腔体内侧的内衬结构，所述内衬结构采用本发明提供的上述内衬结构；

在所述腔体上设置有腔体开口，所述腔体开口与所述内衬开口相对。

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，所述反应腔室采用本发明提供的上述反应腔室。

本发明的有益效果：

本发明所提供的内衬结构、反应腔室和半导体加工设备的技术方案中，通过使内衬主体的上环部与下环部构成阶梯结构，且使下环部的外径小于上环部的内径，可以在下环部与腔体之间预留出足够的空间容纳内门，从而无需在腔体侧壁上预留出缺口，保证其完整性，进而有利于工艺均匀性。同时，由于下环部的外径小于内门的内径，这可以避免内门与内衬的外周壁发生刮擦产生颗粒物，从而可以提高腔室环境的洁净度，提高产品良率。此外，通过使上环部与下环部构成阶梯结构，可以在保证内门能够通过升降开合内衬开口的同时，使内门的内径与上环部的内径相同，即，内门的内壁与上环部的内壁对齐，从而保证了内衬内壁的完整性，进而可以提高气流场的均匀性，提高工艺均匀性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的反应腔室的剖视图；

图2为图1中i区域的放大图；

图3为本发明实施例采用的内门及其升降机构的立体图；

图4为本发明实施例采用的内门及其升降机构的剖视图；

图5为本发明实施例采用的迷宫式间隙的一种径向剖面图；

图6为本发明实施例采用的迷宫式间隙的另一种径向剖面图。

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，下面结合附图对本发明提供的内衬结构、反应腔室和半导体加工设备进行详细描述。

请参阅图1，本发明实施例提供的反应腔室，其包括腔体1、设置在该腔体1内的下电极机构2和环绕设置在腔体1内侧的内衬结构。下电极机构2用于承载晶圆，并向晶圆加载偏压功率。内衬结构限定了等离子体的产生区域，同时保护腔体1不受等离子体的腐蚀。

请一并参阅图1至图6，在本实施例中，内衬结构包括内衬主体和内门5，其中，该内衬主体包括构成阶梯结构的上环部3和下环部4，该阶梯结构是由下环部4自上环部3的下端向内侧弯曲，并向下延伸而形成的，并且下环部4的外径小于上环部3的内径。可选的，内衬主体还包括盘状匀流部8，该盘状匀流部8的外周缘与下环部4的下端连接，可选的，盘状匀流部8与下环部4一体成型。并且，在盘状匀流部8中设置有栅孔部81，用于供气流通过，且能够提高气流场的均匀性，同时避免等离子体进入腔体1位于匀流部以下的区域。可选的，盘状匀流部8的内周缘延伸至下电极机构2的侧壁，以能够使气流均通过栅孔部81。另外，也可以在盘状匀流部8和下环部4同时设置上述栅孔部81，换言之，栅孔部81同时分布在盘状匀流部8和下环部4上。

而且，在上环部3上设置有内衬开口31，该内衬开口31与设置在腔体1上的腔体开口11相对，均用于供被加工工件进出。并且，该内衬开口31延伸至上环部3的下端，也就是说，内衬开口31相当于在上环部3的厚度方向上形成一贯通上环部3的通道，该通道还具有沿上环部3的轴向向下贯通至上环部3的下端的开口。内门5设置在上环部3的下方，且内门5是可升降的，以能够通过上升自内衬开口31的下端移入内衬开口31，直至到达关闭该内衬开口31的最高位置；或者，通过下降自上环部3的下端移出内衬开口31，直至到达开启该内衬开口31的最低位置，此时被加工工件能够自内衬开口31进出腔室。

通过使上环部3与下环部4构成阶梯结构，且使下环部4的外径小于上环部3的内径，可以在下环部4与腔体1之间预留出足够的空间容纳内门5，从而无需在腔体1的侧壁上预留出缺口，保证腔体1的圆柱形内壁的完整性，进而有利于工艺均匀性。同时，由于下环部4的外径小于内门5的内径，这可以避免内门5与下环部4的外周壁发生刮擦产生颗粒物，从而可以提高腔室环境的洁净度，提高产品良率。此外，通过使上环部3与下环部4构成阶梯结构，可以在保证内门5能够通过升降开合内衬开口31的同时，使内门5的内径与上环部3的内径相同，即，内门5的内壁与上环部3的内壁对齐，从而保证了上环部3的内壁的完整性，进而可以提高气流场的均匀性，提高工艺均匀性。

在实际应用中，若内门5在到达关闭内衬开口31的最高位置时直接与内衬开口31的内壁边缘对接，可能会因摩擦或碰撞而产生颗粒物，使腔室环境受到污染，为此，优选的，内衬开口31与内门5彼此相对的两个表面，即，内衬开口31的内壁与内门5的四周侧面不相接触，且在二者之间构成能够阻挡等离子体通过的迷宫式间隙33，以保证腔体1的侧壁不会被等离子体腐蚀。所谓迷宫式间隙33，是指该间隙具有特定的径向截面形状，来达到阻挡等离子体通过的目的，该迷宫式间隙的径向截面形状例如包括诸如“l”形、“v”形、“w”形等的折线形、波浪线形、圆弧形等等。

在本实施例中，为了形成上述迷宫式间隙33，内衬开口31和内门5各自的边缘结构可以采用如下两种方式，第一种方式如图5所示，上环部3的内径d1等于内门5的内径d2，而上环部3的外径d1大于内门5的外径d2，并且，在内衬开口31的与内门5相对的表面上设置有凸部32，该凸部32的内径d3大于内门5的外径d2。由此，内门5处于关闭内衬开口31的最高位置时，形成了如图5所示的一种折线形的迷宫式间隙33。

第二种方式如图6所示，分别在内门5与内衬开口31彼此相对的两个表面上分别设置有凸部54和凹部34；内门5处于关闭内衬开口31的最高位置时，凸部54位于凹部34中，这同样可以形成迷宫式间隙33。在实际应用中，凹部34还可以为多个，且沿上环部3的径向间隔设置；凸部54的数量与凹部34的数量相同，且在内门5处于关闭内衬开口31的最高位置时，各个凸部54一一对应地设置在各个凹部34中。凹部34和凸部54的数量越多，迷宫式间隙33的长度越长，则阻挡等离子体通过的效果越好。

需要说明的是，内衬开口31的内壁具有三个边面，分别为朝下的下边面和在上环部3的周向上的两个侧边面，与之相对应的，如图4所示，内门5的边缘也具有与上述三个边面一一对应的三个边面，分别为朝上的上边面52和在内门5的周向上的两个侧边面51。上述凸部54和凹部34分别设置在内衬开口31和内门5的三个边面上，每个边面上的凸部54和凹部34构成的迷宫式结构能够阻挡等离子体自该边面所在的间隙通过。

在本实施例中，内衬结构还包括用于驱动内门5升降的升降机构6，该升降机构6固定在下电极机构2上。这样，可以节省空间，从而无需在腔体1的侧壁上预留出缺口，保证其完整性，进而有利于工艺均匀性。

在本实施例中，升降机构6包括壳体60、直线驱动源61、连杆组件和导向件64，其中，壳体60用于与下电极机构2固定连接，具体地，壳体60可以安装在下电极机构2的侧部，且位于内衬开口31所在位置的下方。直线驱动源61设置在壳体60内，用于提供直线动力，例如为直线气缸、直线电缸等等。连杆组件分别与内门5和直线驱动源61连接；导向件64用于限定连杆组件沿竖直方向移动。借助导向件64，可以精确引导内门5沿竖直方向移动，避免内门5与内衬发生机械接触。可选的，导向件64选用抗腐蚀性较好的材料制作，例如聚四氟乙烯，以抵抗等离子体的腐蚀作用，延长使用寿命。当然，在实际应用中，也可以在导向件64的外表面设置有抗腐蚀层。

在本实施例中，如图3和图4所示，连杆组件包括连接件62和两个连杆63，其中，两个连杆63沿下电极机构2的周向分别位于壳体60的两侧，两个连杆63的上端均与内门5连接，两个连杆63的下端均通过连接件62与直线驱动源61连接。导向件64包括两个导向座，两个导向座设置在壳体60的外壁上，且在每个导向座上竖直设置有导向孔；两个连杆63分别穿过两个导向座上的导向孔。由于上述两个导向座更靠近内门5，导向精确度较高，从而不仅可以进一步减小内门5的运动误差，避免内门5与内衬发生机械接触。同时，还可以保证内门5的内壁与上环部3的内壁能够保持相互平齐，从而可以提高结构的一致性。

在实际应用中，导向座还可以根据具体需要设定为4个或者其他任意数量。并且，每个连杆63上，也可以设置2个以上的导向座。

在本实施例中，壳体60的底壁具有贯穿其厚度的开口，直线驱动源61包括驱动缸(电缸或气缸)、与之连接的驱动轴65、套设在驱动轴65上的套筒66和端盖法兰67，其中，驱动缸位于壳体60的内部，套筒66分别与驱动缸和端盖法兰67固定连接；端盖法兰67密封安装在壳体60的底壁底部，以密封该底壁上的开口。而且，在端盖法兰67上设置有贯穿其厚度的通孔，驱动轴65的下端经由该通孔向下延伸至壳体60的外部，并与连接件62连接，例如使用螺钉固定连接。通过将驱动缸设置在壳体60的内部，可以进一步减少颗粒的产生，提高腔室的清洁度。

而且，升降机构6还包括动密封结构，用于对通孔与驱动轴65之间的间隙进行密封，从而可以保证壳体60内部的密封性。在本实施例中，动密封结构包括波纹管7，该波纹管7位于壳体60内，且套设在驱动轴65上，并且波纹管7的下端与端盖法兰67密封连接，波纹管60的上端通过法兰与驱动轴65密封连接。由此，可以在保证驱动轴65能够运动的前提下，实现壳体60内部的密封。当然，在实际应用中，还可以采用其他动密封结构，例如动密封圈、磁流体密封轴承等等。

综上所述，本发明实施例提供的内衬结构，通过使内衬主体的上环部3与下环部4构成阶梯结构，且使下环部4的外径小于上环部3的内径，可以在下环部4与腔体1之间预留出足够的空间容纳内门5，从而无需在腔体1侧壁上预留出缺口，保证其完整性，进而有利于工艺均匀性。同时，由于下环部4的外径小于内门5的内径，这可以避免内门5与内衬的外周壁发生刮擦产生颗粒物，从而可以提高腔室环境的洁净度，提高产品良率。此外，通过使上环部3与下环部4构成阶梯结构，可以在保证内门5能够通过升降开合内衬开口31的同时，使内门5的内径与上环部3的内径相同，即，内门5的内壁与上环部3的内壁对齐，从而保证了内衬内壁的完整性，进而可以提高气流场的均匀性，提高工艺均匀性。

作为另一个技术方案，本发明实施例提供的反应腔室，其通过采用本发明实施例提供的上述内衬结构，不仅可以避免内门与内衬发生刮擦，而且可以保证腔体内壁和内衬内壁的完整性，从而可以提高气流场的均匀性。

作为另一个技术方案，本发明实施例提供的半导体加工设备，包括反应腔室，该反应腔室采用发明实施例提供的上述反应腔室。

上述半导体加工设备例如为等离子体刻蚀设备。

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，不仅可以避免内门与内衬发生刮擦，而且可以保证腔体内壁和内衬内壁的完整性，从而可以提高气流场的均匀性。

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。