CN101378003A - 用于等离子处理装置的交替气体输送和排空系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于等离子处理装置的交替气体输送和排空系统。提供一种用于供应气体混合物至等离子处理室的气体分配系统。第一阀门装置被连接至第一气体通道和第二气体通道的上游端。第二阀门装置被连接至该第一气体通道和该第二气体通道的下游端。第一气体分配出口管道连接在气体供应源和该第一阀门装置之间，以及第一室入口管道连接在该第二阀门装置和该等离子处理室之间。第一排空管道在该第一阀门装置和该第二阀门装置之间的位置与该第一气体通道连接。第二排空管道在该第一阀门装置和该第二阀门装置之间的位置与该第二气体通道连接。该第一排空管道和第二排空管道与真空管道流体连通。控制器室可操作的以驱动该第一阀门装置和第二阀门装置，以使该气体混合物选择性地沿该第一气体通道从该气体供应源流至该等离子处理室，同时该第二气体由该真空管道选择性排空；或者使该气体混合物选择性地沿该第二气体通道从该气体供应源流至该等离子处理室，同时该第一气体通道由该真空管道选择性地排空。

Description

用于等离子处理装置的交替气体输送和排空系统
相关申请
基于35 U.S.C.119，本申请要求题目为“ALTERNATE GASDELIVERY AND EVACUATION SYSTEM FOR PLASMAPROCESSING APPARATUSES”且于2007年8月29日提出的美国临时申请案No.60/935,750的优先权，其全部内容通过引用结合在此处。
背景技术
半导体结构在等离子处理装置中处理，该等离子处理装置包含等离子处理室、向该室内供应气体混合物的气源和从该工艺气体产生等离子的能量源。在这种装置中，通过金属、介电和半导体材料的干蚀刻工艺、沉积工艺(如化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积或等离子增加化学气相沉积(PECVD))和光刻胶剥离工艺等技术，处理半导体结构。不同工艺气体被用在这些处理技术中，也用在处理不同材料的半导体结构。
发明内容
提供一种用于供应气体混合物至等离子处理室的气体分配系统。第一阀门装置被连接至第一气体管道和第二气体管道的上游端。第二阀门装置被连接至该第一气体管道和该第二气体管道的下游端。第一气体分配出口管道连接在气体供应源和该第一阀门装置之间，及第一室入口管道连接在该第二阀门装置和该等离子处理室之间。第一排空管道在该第一阀门装置和该第二阀门装置之间的位置与该第一气体管道连接。第二排空管道在该第一阀门装置和该第二阀门装置之间的位置与该第二气体管道连接。该第一排空管道和第二排空管道与真空管道流体连通。控制器可操作以驱动该第一阀门装置和第二阀门装置，以使该气体混合物选择性地沿该第一气体管道从该气体供应源流至该等离子处理室，同时该第二气体由该真空管道选择性地排空；或者使该气体混合物选择性地沿该第二气体管道从该气体供应源流至该等离子处理室，同时该第一气体管道由该真空管道选择性地排空。
在另一个实施例中，提供一种在结合该气体分配系统的等离子处理室内处理半导体晶片的方法。该半导体晶片放置于该等离子处理室。第一气体混合物由该第一气体管道流入该等离子处理室，与此同时由真空管道排空该第二气体管道。第一等离子由该第一气体混合物生成。用该第一等离子处理该晶片，及熄灭该第一等离子。终止在该第一气体管道内的该第一气体混合物的流。在终止该第一气体管道内的该第一气体混合物流后小于约10秒内，第二气体混合物由该第二气体管道流入该等离子处理室，与此同时由该真空管道排空该第一气体管道。第二等离子由该第二气体混合物生成。该晶片由该第二等离子处理，及通过终止该第二气体管道内的第二气体混合物流使该第二等离子熄灭。
附图说明
图1A是等离子处理装置的一个示范性实施例的剖面示意图。
图1B说明了气体输送系统的一个实施例，从气体供应源至等离子处理室的中心和边缘区域。
图1C说明了气体输送系统的另一个实施例，从气体供应源至等离子处理室的单个区域。
图2A-2B说明了具有两个交替气体管道以将供应气体混合物提供至等离子室的气体分配系统的实施例。
图3A-3B说明了具有两对交替气体管道以供应气体混合物至等离子处理室的中心区域和边缘区域的气体分配系统的实施例，该气体管道用于。
图4A-4B说明了该气体分配系统的另一个实施例，具有两对交替气体管道以供应气体混合物至中心区域和边缘区域。
图5是单独的气体管道对排空期间生成的压力-时间曲线与交替的气体管道对中先排空的气体管道对的压力-时间曲线的对照图表。
具体实施方式
用于处理半导体材料(如形成于半导体基片(例如硅晶片)上的半导体器件)的等离子处理装置包括可以进行各种工艺步骤(如蚀刻、沉积、光刻胶剥离等)的等离子处理室，和提供工艺气体入该等离子处理室的气体分配系统。在等离子处理期间，该气体分配系统能够将气体分配到整个晶片表面的单个区域或者多个区域，例如中心(内部)区域和边缘(外部)区域。该气体分配系统可包含流量控制器，以控制到这些区域的相同或不同工艺气体、或气体混合物的流率，因此允许进程中调整整个基片的气体流量和气体成分的均匀性。
图1A说明了示范性的半导体材料等离子处理室140A。等离子处理室140A包括含有基片支撑件14的内部，在等离子处理期间，该基片支撑件14上面支撑晶片16。该基片支撑件14含有一个夹紧装置，优选为静电卡盘18，在处理期间其可操作以将该晶片16夹紧在该基片支撑件14上。该晶片可被聚焦环和/或边环(未示)包围，这共有美国专利No.6,984,288中有揭示，通过引用结合在这里。
图1A所示的该示范性的等离子处理室140A包括喷头电极组件，其具有形成等离子室壁的顶板20和连接到该顶板20上的喷头电极22。隔板组件位于该喷头电极22和该顶板20之间以将工艺气体均匀分散至该喷头的背部28。该隔板组件可以包含一个或多个隔板。在该实施例中，该隔板组件包含隔板30A、30B。开放的稳压室(plenum)48A、48B被限定于该隔板30A、30B之间；以及在该隔板30B和该喷头电极22之间。该隔板30A、30B和该喷头电极22包含用于使工艺气体流入该等离子处理室140A的内部的贯通通道(through passages)。
在图1A所示的实施例中，位于该顶板20和该隔板30A之间的稳压室以及位于该隔板30A、30B之间的该稳压室48A、48B由密封件38A、38B、38C(如O环)分成一个中心区域42和一个边缘区域46。可由该气源130A(如含有多个气源的气体分配板)供应具有各自不同气体化学制剂和/或流率的工艺气体至该中心区域42和该边缘区域46。从第一气体管道110A供应气体至该中心区域42，通过一个环形通道44从第二气体管道112A供应气体至该边缘区域46。
该工艺气体流经位于该隔板30A、30B和该喷头电极22内的通道，并进入该等离子处理室140A的内部。然后，在等离子处理室140A内，通过电源52(例如RF驱动喷头电极22的RF(射频)源和/或以一个或多个频率(如2MHz、13.56MHz、60MHz)驱动基片支撑件14内电极的处于一个或者多个频率(如2MHz、13.56MHz、60MHz)的电源54)将该工艺气体激发为等离子状态。可以改变施加于该喷头电极22的RF功率以执行不同的工艺步骤，如当将不同的气体组分提供入该等离子处理室140A时。
在一个实施例中，可在该等离子处理室140A的内部生成该等离子，通过从两个RF源施加RF能量至该喷头电极22和/或该基片支撑件14，或者通过将该喷头电极22电性接地且将单频或多频的RF能量至该基片支撑件14。
图1B说明从气体供应源130B至包含半导体晶片(未示)的等离子处理室140B的中心和边缘区域的气体输送系统的一个实施例。气体混合物分别沿着第一气体管道110B和第二气体管道112B被输送至等离子处理室140B的该中心区域和该边缘区域。该等离子处理室140B内的压力由涡轮分子泵(turbomolecular pump)150B和初步抽气机152B维持在真空压力下(如大于50到200毫托)。由涡轮分子泵150B和初步抽气机152B从该等离子处理室140B和该气体管道排出的气体被释放至设备排气系统。
例如，气体供应源130B可以是一个包含用于干蚀刻的多个气源的气体分配面板，每一个气源与第一气体管道110B和第二气体管道112B流体连通。在沿第一气体管道110B和第二气体管道112B传输之前，各种气体可以预混合。进一步地，气体供应源130B可以包含具有流量控制装置(质量流量控制器)的气体歧管以调整每种气体的流量。气体的示例包括碳氢化合物气体(如CxHy)、碳氟化合物气体(如CxFy)、氟代烷烃气体(如CxHyFz)、含卤气体(如NF3、HBr、Cl2)、含氧气体(如O2)、含氮气体(如N2、NH3)或惰性气体(如He、Ar)。气体混合物可以由快速切换气体系统传输，例如，在共有美国专利申请NO.2005/0241763和No.2007/0066038，其通过引用整体结合于此。
在另一个实施例中，图1A中的隔板30A、30B包含由单个气体管道供应的单个区域，而非多个区域(即中心区域42和边缘区域46)。图1C说明气体输送系统的一个实施例，从气体供应源130C至包含半导体晶片(未示)的等离子处理室140C单个区域的。气体混合物沿单个气体管道110C传输至等离子处理室140C。等离子处理室140C内的压力被涡轮分子泵150C和初步抽气机152C维持在真空压力(如大于50至200毫托)。由涡轮分子泵150C和初步抽气机152C从该等离子处理室140C和该气体管道排出的气体被释放至设备排气系统。
对于某些蚀刻应用，必需在同一等离子处理室140A、140B、140C中利用具有不同气体化学制剂的多个等离子连续蚀刻同一个半导体晶片。例如，两步蚀刻制法可能需要用第一气体混合物产生第一等离子，接着用第二气体混合物产生第二等离子。用该第一气体混合物完成等离子蚀刻后，终止该第一气体混合物的流且该第一等离子熄灭。用第二气体混合物产生第二等离子以进一步蚀刻同一个晶片。对于任何特定气体组分，总蚀刻时间可介于约1到2分钟之间。然而，如果气体分配系统通过同一个气体管道分配第一气体混合物和第二气体混合物，该第一气体混合物的残余物会污染该第二气体混合物，改变该等离子气体化学制剂且对蚀刻形貌产生不利影响。
防止气体混合物污染的一个方法是在从该第一气体混合物转换为该第二气体混合物之前通过排空该气体管道的方式清洗工艺气体残余物。气体管道可以用与该气体管道流体连通的真空泵排空，排空该气体管道至低于30托的压力。该排空步骤会在整体晶片处理中引入一个转换时间，取决于该气体管道的长度和所需的压力。例如，对于从气源至该等离子处理室的约8米长的气体管道，在第一处理流结束和第二气体混合物流开始之间的转换时间可为约10至约15秒。如果总蚀刻时间是约60秒，那么与气体管道的排空相关的15秒的转换时间就是一个显著的延迟，因为这个转换时间代表总蚀刻时间的四分之一。对于高容量的半导体晶片处理设备，这个转换时间会降低等离子蚀刻装置的总产量，高达到每天100个晶片的程度。因此，需要一种用于分配多种工艺气体的气体分配系统，其中在第一气体混合物流结束到第二气体混合物流开始之间的转换时间低于约10秒，优选低于约5秒，更优选低于约3秒。
图2A和2B说明用于单个区域的气体输送系统的实施例，其中该气体混合物流在主要气体管道(第一气体管道210)和轮换(alternate)气体管道(第二气体管道211)之间轮换，以从气体供应源230输送气体混合物至包含半导体晶片(未示)的等离子处理室240。等离子处理室240内的压力被涡轮分子泵250和初步抽气机252维持在真空压力(如大于50至200毫托)。由涡轮分子泵250和初步抽气机252从该等离子处理室240和该气体管道排出的气体被释放至设备排气系统。在这个实施例中，气体混合物沿着第一气体管道210传输，与此同时，第二气体管道211用初步抽气机252排空，反之亦然。开始，第一气体管道210和第二气体管道211保持在排空状态(如低于约30托，20托或10托的真空压力)。
图2A说明第一气体混合物流通过主要气体管道，第一气体管道210(如单箭头所标示)，与此同时轮换气体管道，第二气体管道211被排空(如双箭头所标示)。从图2A，第一阀门装置212和第二阀门装置213位于第一气体管道210和第二气体管道211的上游端和下游端。第一气体分配出口管道214将该气体供应源230连接到该第一阀门装置212。第一室入口管道215将该第二阀门装置213连接到该等离子处理室240。第一阀门装置212和第二阀门装置213能够自动运转以限制沿第一气体管道210或者第二气体管道211的气体混合物流。第一阀门装置212和第二阀门装置213的黑色区域表示阀门关闭到第二气体管道211的流。该第一阀门装置212和第二阀门装置213可以双向驱动(double-actuated)三通气体阀门，其中电信号被用于在两个气体流的位置之间驱动该阀门(如第一气体混合物流经第一气体分配出口管道214到该第一气体管道210或第二气体管道211)。可使用其他阀门装置完成该气体转换。在一个实施例中，第一气体分配出口管道214可被分成两个连接到在第一气体管道210和第二气体管道211的上游端的两个上游阀门的分支，以及第一室入口管道215可被分成两个连接至在第一气体管道210和第二气体管道211的下游端的两个下游阀门(如Y型双阀门)(未示于图2)的分支。
图2A还说明第二气体管道211的同时排空。初步抽气机252分别沿第一排空管道216和第二排空管道217与第一气体管道210和第二气体管道211流体连通。第三阀门装置218连接在真空管道219和该第一排空管道216和该第二排空管道217的下游端之间。如图2A所述，第三阀门装置218关闭到第一排空管道216的流，如黑色区域所示，以通过第二排空管道217选择性地排空第二气体管道211。在一个实施例中，第三阀门装置218是双向驱动三通气体阀门，其中电信号被用于在两个气体流位置之间驱动该阀门。然而，如果有需要，单独的阀门可被连接至该第一排空管道216和第二排空管道217的下游端，以及真空管道219可被分成连接到这样的单独阀门(如Y型双阀门)的两个分支。
从图2A，控制器260是可控的以驱动第一阀门装置212、第二阀门装置213和第三阀门装置218以选择性地使该第一气体混合物沿该第一气体管道210从该气体供应源230向该处理室240流动，而该第二气体管道211由该初步抽气机250选择性排空。从控制器260至每一个单独的阀门的电连接在图2A中以虚线说明。该控制器260可以是一个单独的部件或者结合在如气体供应源230和/或处理室240的部件中。
第一等离子是由用于处理等离子处理室240内的晶片的该第一气体混合物生成。在利用该第一气体混合物的蚀刻完成后，通过终止来自气体供应源230的该第一气体混合物流使该第一等离子熄灭。因此，与使用单个到该等离子处理室(即图1A的实施例)管道相比，在第一气体管道210内的该第一气体混合物流的终止与第二气体管道211内的该第二气体混合物流的开始之间的转换时间可以显著减少，因为在第一气体管道210内的第一气体混合物流动期间第二气体管道211被排空，并且因此作好当该第一气体混合物流终止时立即转换至该第二气体混合物的准备。
在转换期间，该第一气体混合物、第二气体混合物等的残余物会保持停留在该第一气体分配出口管道214和该第一室入口管道215中，因为该气体分配系统的这些部分没有被排空。因此，第一气体出口管道214和该第一室入口管道215的长度应当最小化。例如，如果第一气体管道210或第二气体管道211分别长约8米，该第一气体出口管道214或第一室入口管道215的长度小于第一气体管道210或第二气体管道211的长度的10％，优选小于5％(如小于4％，小于3％或者小于2％)，如约12到15厘米长。
分别沿第一排空管道216和第二排空管道217设置第一压力开关270和第二压力开关272。第一压力开关270和第二压力开关272确保该第一排空管道210或者该第二排空管道211被适当排空(如低于约30托，20托或10托的真空压力)。例如，在该第一气体混合物经过第一气体管道210流动以及第二气体管道211排空期间，第二压力开关272发送一个电信号至控制器260，指示何时将第二气体管道211和第二排空管道217排空至10托或更低的压力。同样地，在第二气体混合物经过第二气体管道211流动以及第一管道210排空期间，第一压力开关270发送一个电信号至控制器260，指示何时将第一气体管道210和第一排空管道216排空至10托或更低的压力。从控制器260至每一个独立的压力开关的电连接在图2A中以虚线说明。
图2B说明第二气体混合物经过该轮换气体管道，第二气体管道211(如单箭头所标示)流动，与此同时，该主要气体管道，第一气体管道210被排空(如双箭头所标示)。第一阀门装置212和第二阀门装置213的黑色区域表明该阀门阻止该第二气体混合物从供应源230沿第一气体管道210流动。第二等离子是由用于在等离子处理室240内处理该晶片的第二气体混合物生成。
从图2B，控制器260是可控制的用以监测第一压力开关270和第二压力开关272以及驱动第一阀门装置212、第二阀门装置213和第三阀门装置218，以选择性地使第二混合气体从该气体供应源230沿该第二气体管道211流动至该等离子处理室240，同时该第一气体管道210由该初步抽气机252选择性地排空。从控制器260至每一个单独的阀门的电连接在图2B中以虚线说明。
图2B还说明第一气体管道210的同时排空。如图2B所示，第三阀门装置218对第二排空管道217关闭，如黑色区域所示，以选择性排空第一气体管道210。在利用该第二气体混合物的蚀刻完成后，熄灭该第二等离子且终止来自气体供应源230的该第二气体混合物的流。因此，该第二气体混合物流终止与第一气体管道210内的任何额外气体混合物的流动之间的该转换时间显著地减少，因为在第二气体管道211内的第二气体混合物流动期间，第一气体管道210被排空，而不是在该第二气体混合物流动完成后。
如果需要，可以通过将第三气体混合物经第一气体管道210流入等离子处理室240来执行附加的处理步骤。如图2A的实施例所述，第三气体混合物流经第一气体管道210(如单箭头所示)，与此同时第二气体管道211被排空(如双箭头所示)。第三等离子由用于处理等离子处理室240内晶片的该第三气体混合物生成。
这个在第一气体管道210和第二气体管道211之间的交替气体分配过程能够进一步实现分配第四气体混合物、第五气体混合物等至等离子处理室240，直到完成该晶片的多步处理。
图3A和3B说明气体输送系统的实施例，包含第一气体管道310、第二气体管道311、第三气体管道320和第四气体管道321，对于等离子处理室340，用于将气体传输至中心区域和围绕该中心区域的边缘区域。等离子处理室340内的压力由涡轮分子泵350和初步抽气机352维持在真空压力(如对于电容性耦合等离子处理室大于50至200毫托)。由涡轮分子泵350和初步抽气机352从该等离子处理室340和该气体管道排出的气体被释放到设备排气系统。第一气体管道310和第二气体管道311传输工艺气体至该等离子处理室340的中心区域。第三气体管道320和第四气体管道321传输工艺气体至该等离子处理室340的边缘区域。
不同气体混合物的流在:(1)两个主要气体管道，第一气体管道310和第三气体管道320；及(2)两个轮换气体管道，第二气体管道311和第四气体管道321之间轮换，以传输气体混合物从气体供应源330至包含半导体晶片(未示)的等离子处理室340。在这个实施例中，气体混合物沿第一气体管道310和第三气体管道320传输，与此同时，第二气体管道311和第四气体管道321用初步抽气机352排空，反之亦然。起初，所有四个气体管道维持在排空状态(如低于约30托，20托或10托的真空压力)。
图3A说明第一气体混合物通过第一气体管道310和第三气体管道320流动(如单箭头所示)，与此同时，第二气体管道311和第四气体管道321被排空(如双箭头所示)。
从图3A，第一阀门装置312和第二阀门装置313被连接至第一气体管道310和第二气体管道311的上游端和下游端。第一气体分配出口管道314连接在该气体供应源330和第一阀门装置312之间；第一室入口管道315连接在该第二阀门装置313和等离子处理室340之间。另外，第三阀门装置322和第四阀门装置323被连接至第三气体管道320和第四气体管道321的上游端和下游端。第二气体分配出口管道324连接在该气体供应源330和第三阀门装置322之间；第二室入口管道325连接在该第四阀门装置323和等离子处理室340之间。
初步抽气机352分别沿着第一排空管道316、第二排空管道317、第三排空管道326和第四排空管道327与第一气体管道310、第二气体管道311、第三气体管道320和第四气体管道321流体连通。第五阀门装置318连接在真空管道319和第一排空管道316与第三排空管道326的下游端之间。第六阀门装置328连接在该真空管道319和第二排空管道317与第四排空管道327的该下游端之间。真空管道319连接在第五阀门装置318、第六阀门装置328和初步抽气机352之间。
第一阀门装置312和第二阀门装置313限制气体混合物沿第一气体管道310或第二气体管道311的流动，其分配气体混合物至等离子处理室340的该中心区域。同样地，第三阀门装置322和第四阀门装置323限制气体混合物沿第三气体管道320或第四气体管道321的流动，其分配气体混合物至等离子处理室340的该边缘区域。第一阀门装置312与第二阀门装置313的黑色区域指明这些阀门阻止气体从供应源330至第二气体管道311的流动。同样地，第三阀门装置322与第四阀门装置323的黑色区域指明这些阀门阻止气体从供应源330至第四气体管道321的流动。在一个实施例中，第一阀门装置312、第二阀门装置313、第三阀门装置322和第四阀门装置323可为双向驱动三通气体阀门，其中电信号被用于在两个气体流动位置之间驱动阀门。然而，这样的三通阀门可以被其他阀门装置代替，如上述的一对阀门(如Y型双阀门)。
图3A还说明第二气体管道311和第四气体管道321的同时排空。第五阀门装置318关闭以防止沿该第一排空管道316和该第三排空管道326(黑色区域所示)至该真空管道319的气体流动。第六阀门装置328打开以选择性排空第二气体管道311和第四气体管道321。在一个实施例中，第五阀门装置318和第六阀门装置328是单向驱动三通气体阀门，其中单个电信号打开或者关闭所有的三个入口。然而，其他阀门装置如单独的阀门可以用在第一排空管道316、第二排空管道317、第三排空管道326和第四排空管道327(如Y型双阀门)。
从图3A，控制器360是可操作的以驱动第一阀门装置312、第二阀门装置313、第三阀门装置322、第四阀门装置323、第五阀门装置318和第六阀门装置328，以选择性地使第一混合气体沿该第一气体管道310和第三气体管道320从该气体供应源330流至该处理室340，同时该第二气体管道311和第四气体管道321由该初步抽气机352选择性排空。从控制器360至每一个单独阀门的电连接如图3A中的虚线所示。
第一等离子是由用于处理等离子处理室340内的晶片的该第一气体混合物生成。在利用该第一气体混合物的蚀刻完成后，通过终止来自气体供应源330的该第一气体混合物的流动使该第一等离子熄灭。因此，与使用单个通道到该等离子处理室(即图1B的实施例)相比，在第一气体管道310和第三气体管道320内的该第一气体混合物流动终止与第二气体管道311和第四气体管道321内的第二气体混合物流动开始之间的转换时间会显著减少，因为在第一气体管道310和第三气体管道320内的该第一气体混合物流动期间，第二气体管道311和第四气体管道321被排空，并因此作好当该第一气体混合物流动终止立即转换至该第二气体混合物的准备。
该第一气体混合物、第二气体混合物等的残余物会保持停留在该第一气体出口管道314、第一室入口管道315、第二气体出口管道324和第二室入口管道325，因为该气体分配系统的这些部分没有被排空。为了使在第一气体混合物到第二气体混合物的转换期间这样的残留气体最少，第一气体出口管道314、第一室入口管道315、第二气体出口管道324和第二室入口管道325的长度应当最小。例如，如果第一气体管道310、第二气体管道311、第三气体管道320或第四气体管道321的长度分别为约8米，第一气体出口管道314、第二室入口管道315、第二气体出口管道324或第二室入口管道325的长度小于第一气体管道310、第二气体管道311、第三气体管道320或第四气体管道321长度的10％，优选小于5％(如小于4％、小于3％或小于2％)，如长约12到15厘米。
第一压力开关370、第二压力开关372、第三压力开关374和第四压力开关376分别沿第一排空管道316、第二排空管道317、第三排空管道326和第四排空管道327设置。这些压力开关输出信号至控制器360以确保:(1)第一气体管道310和第三气体管道320；以及(2)第二气体管道311和第四气体管道321在发生气体转换之前被适当排空(如低于约30托、20托或10托的真空压力)。例如，在该第一气体混合物流开始经过第一气体管道310和第三气体管道320之前，该控制器360监测来自第一压力开关370和第三压力开关374的信号以确保第一排空管道316、第三排空管道326、第一气体管道310和第三气体管道320被排空至10托或更低的压力。同样地，在该第二气体混合物流开始经过第二气体管道311和第四气体管道321之前，该控制器360监测来自第二压力开关372和第四压力开关376的信号以确保第二排空管道317、第四排空管道318、第二气体管道311和第四气体管道321被排空至10托或更低的压力。从控制器360至每一个单独的压力开关的电连接如图3A中的虚线所示。
图3B说明第二气体混合物通过第二气体管道311和第四气体管道321流动(如单箭头所示)，与此同时，第一气体管道310和第三气体管道320被排空(如双箭头所示)。第一阀门装置312和第二阀门装置313的黑色区域表明这些阀门阻止气体沿第一气体管道310从气体供应源330至等离子处理室340的流动。同样地，第三阀门装置322和第四阀门装置323的黑色区域表明这些阀门阻止气体沿第三气体管道320从气体供应源330至等离子处理室340的流动。第二等离子由用于处理等离子处理室340内晶片的该第二气体混合物生成。
从图3B，控制器是可操作的以驱动第一阀门装置312、第二阀门装置313、第三阀门装置322、第四阀门装置323、第五阀门装置318和第六阀门装置328，以选择性地使该第二混合气体沿该第二气体管道311和第四气体管道321从该气体供应源330流至该处理室340，同时该第一气体管道310和第三气体管道320被初步抽气机352选择性排空。从控制器360至每一个单独的阀门的电连接如图3B中的虚线所示。
如果需要，可以通过使第三气体混合物流经第一气体管道310和第三气体管道320进入等离子处理室340来执行额外的处理步骤。如图3A的实施例所述，第三气体混合物流经第一气体管道310和第三气体管道320(如单箭头所示)，与此同时，第二气体管道311和第四气体管道321被排空(如双箭头所示)。第一阀门装置312和第二阀门装置313的黑色区域表示这些阀门沿第二气体管道311处于关闭位置。同样地，第六阀门装置328沿第二排空管道317和第四排空管道327关闭，如黑色区域所示，以选择性排空第二气体管道311和第四气体管道321。第三等离子由用于处理等离子处理室340内晶片的第三气体混合物生成。
介于:(1)两个主要气体管道，第一气体管道310和第三气体管道320；以及(2)两个轮换气体管道，第二气体管道311和第四气体管道321，之间的交替气体分配过程，可以进一步实现第四气体混合物、第五气体混合物等分配至等离子处理室340，直到完成该晶片的多步骤处理。
图4A和4B说明气体输送系统的另一个实施例，其包含用于输送气体至中心区域和边缘区域的第一气体管道410、第二气体管道411、第三气体管道420和第四气体管道421。第一气体管道410和第二气体管道411传送工艺气体至该等离子处理室440的中心区域。第三气体管道420和第四气体管道421传送工艺气体至该等离子处理室440的边缘区域。
气体混合物流在:(1)两个主要气体管道，第一气体管道410和第三气体管道420；以及(2)两个轮换气体管道，第二气体管道411和第四气体管道421之间交替，以将气体混合物从气体供应源430传送至包含半导体晶片(未示)的等离子处理室440。在这个实施例中，气体混合物沿第一气体管道410和第三气体管道420传送，与此同时，第二气体管道411和第四气体管道421由初步抽气机452排空，反之亦然。起初，在等离子处理该等离子处理室440内的晶片之前，第一气体管道410、第二气体管道411、第三气体管道420和第四气体管道421被维持在排空状态(如低于约30托、20托或10托的真空压力)。
图4A说明第一气体混合物流经两个主要气体管道，第一气体管道410和第三气体管道420(如单箭头所示)，与此同时，两个轮换气体管道，第二气体管道411和第四气体管道421被排空(如双箭头所示)。
从图4A，第一阀门装置412和第二阀门装置413连接到第一气体管道410和第二气体管道411的上游端和下游端。第一气体出口管道414连接在该气体供应源430和第一阀门装置412之间；第一室入口管道415连接在第二阀门装置413和等离子处理室440之间。初步抽气机452沿第一排空管道416和第二排空管道417分别与第一气体管道410和第二气体管道411流体连通。第三阀门装置418连接在该真空管道419和第一排空管道416和第二排空管道417的下游端之间。
另外，第四阀门装置422和第五阀门装置423连接在第三气体管道420和第四气体管道421的上游端和下游端之间。第二气体出口管道424连接在该气体供应源430和第四阀门装置422之间；第二室入口管道425连接在第五阀门装置423和等离子处理室440之间。初步抽气机452沿第三排空管道426和第四排空管道427分别与第三气体管道420和第四气体管道421流体连通。第六阀门装置428连接在该真空管道419和第三排空管道426与第四排空管道427的下游端之间。
第一阀门装置412和第二阀门装置413限制气体混合物沿第一气体管道410或第二气体管道411的流动，其分配气体混合物至等离子处理室440的该中心区域。同样地，第四阀门装置422和第五阀门装置423限制气体混合物沿第三气体管道420或第四气体管道421的流动，其分配气体混合物至等离子处理室440的该边缘区域。第一阀门装置412和第二阀门装置413的黑色区域表明这些阀门沿第二气体管道411处于关闭位置。同样地，第四阀门装置422和第五阀门装置423的黑色区域表明这些阀门沿第四气体管道421处于关闭位置。在一个实施例中，第一阀门装置412、第二阀门装置413、第四阀门装置422和第五阀门装置423可为双向驱动三通气体阀门，其中电信号被用于在两个位置之间驱动该阀门。然而，其他阀门装置(如单独的阀门)可以用来实现第一气体管道410、第二气体管道411、第三气体管道420和第四气体管道421(如Y型双阀门)上气体切换。
图4A还说明第二气体管道411和第四气体管道421的同时排空。如图4A所述，第三阀门装置418沿第一排空管道416(黑色区域所示)关闭。同样地，第六阀门装置428沿第三排空管道426关闭，以选择性排空第二气体管道411和第四气体管道421。在一个实施例中，第三阀门装置418和第六阀门装置428是双向驱动三通气体阀门，其中电信号被用于在于两个气体流动位置之间驱动该阀门。然而，其他阀门装置如单独的阀门可用于第一排空管道416、第二排空管道417、第三排空管道426和第四排空管道427(如Y型双阀门)上。
从图4A，控制器460可操作以驱动第一阀门装置412、第二阀门装置413、第三阀门装置418、第四阀门装置422、第五阀门装置423和第六阀门装置428，以选择性地使第一气体混合物沿该第一气体管道410和第三气体管道420从该气体供应源430流至等离子处理室440，同时该第二气体管道411和第四气体管道421被初步抽气机452选择性排空。从控制器460到每一个单独的阀门的电连接如图4A中虚线所示。
第一等离子由用于处理等离子处理室440内晶片的该第一气体混合物生成。在利用该第一气体混合物的蚀刻完成后，通过终止来自气体供应源430的第一气体混合物的流动使该第一等离子熄灭。因此，与使用单个通道至等离子处理室(如图1B的实施例)相比，在第一气体管道410和第三气体管道420内的该第一气体混合物流动终止与第二气体管道411和第四气体管道421内的该第二气体混合物的流动开始之间的转换时间可以显著地减少，因为在第一气体管道410和第三气体管道420内的该第一气体混合物流动期间，第二气体管道411和第四气体管道421被排空，因此作好了当第一气体混合物的流动终止时立即转换到该第二气体混合物的准备。
该第一气体混合物、第二气体混合物等的残余物会保持停留在该第一气体出口管道414、第一室入口管道415、第二气体出口管道424和第二室入口管道425内，因为该气体分配系统的这些部分没有被排空。为了使该第一气体混合物到该第二气体混合物的转换期间这些残余气体最少，第一气体出口管道414、第一室入口管道415、第二气体出口管道424和第二室入口管道425的长度应当最小。例如，如果第一气体管道410、第二气体管道411、第三气体管道420或第四气体管道421的长度分别为约8米，第一气体出口管道414、第一室入口管道415、第二气体出口管道424或第二室入口管道425的长度小于第一气体管道410、第二气体管道411、第三气体管道420或第四气体管道421的长度的10％，优选小于5％(如小于4％、小于3％或小于2％)，如长约12到15厘米。
第一压力开关470、第二压力开关472、第三压力开关474和第四压力开关476分别沿第一排空管道416、第二排空管道417、第三排空管道426和第四排空管道427设置。这些压力开关输出信号至控制器460以确保:(1)第一气体管道410和第三气体管道420；以及(2)第二气体管道411和第四气体管道421在发生气体转换之前被恰当排空(如低于约30托、20托或10托的真空压力)。例如，在第一气体混合物开始流经第一气体管道410和第三气体管道420之前，该控制器460监测来自第一压力开关470和第三压力开关474的信号以确保第一排空管道416、第三排空管道426、第一气体管道410和第三气体管道420被排空至10托或更低的压力。同样地，在该第二气体混合物开始流经第二气体管道411和第四气体管道421之前，该控制器460监测来自第二压力开关472和第四压力开关476的信号，以确保第二排空管道417、第四排空管道418、第二气体管道411和第四气体管道421被排空至10托或更低的压力。从控制器460至每一个单独的压力开关的电连接图4A中虚线所示。
图4B说明第二气体混合物流经两个轮换气体管道，第二气体管道411和第四气体管道421(如单箭头所示)，与此同时，两个主要通道，第一气体管道410和第三气体管道420被排空(如双箭头所示)。第一阀门装置412和第二阀门装置413的黑色区域表明这些阀门沿第一气体管道410处于关闭位置。同样地，第四阀门装置422和第五阀门装置423的黑色区域表明这些阀门沿第三气体管道420处于个关闭位置。
从图4B，控制器460可操作以驱动第一阀门装置412、第二阀门装置413、第三阀门装置418、第四阀门装置422、第五阀门装置423和第六阀门装置428，以选择性地使该第二混合气体沿第二气体管道411和第四气体管道421从该气体供应源430至该处理室440流动，同时，第一气体管道410和第三气体管道420由初步抽气机452选择性排空。从控制器460至每一个单独的阀门的电连接如图4B中的虚线所示。
在另一个实施例中，可以使用多个主要气体管道(如三个气体管道、四个气体管道、五个气体管道等)来传输来自气源的气体混合物至一个处理室。为了显著减少不同气体混合物流的终止之间的转换时间，每一个主要通道可以有一个对应的带有适当阀门装置和排空管道的轮换管道。
举例
进行一些测试，以确定在气体混合物的流动完成后，与将气体管道排空至某一具体压力有关的延迟时间。这个测试包括生成排空单独一对气体管道(如图1B的实施例)与第一对气体管道和第二对气体管道之间交替(如图3A和3B的实施例)相对比的压力-时间曲线。该测试是在由位于Fremont，California的Lam ResearchCorporation制造的
Figure A200810146790D00291
 HPTTM等离子处理系统进行。从该气体供应源至该等离子处理室的该气体管道的近似长度大约为8米。
在一个测试中，应用具有类似图1B实施例的结构的
Figure A200810146790D00292
HPTTM等离子处理系统。第一气体管道110B和第二气体管道112B用来将第一气体混合物分配(110托压力和600标准立方厘米每分钟(SCCM)Ar/50 SCCM CF4/10 SCCM N2的气体混合物)从气体供应源130B至等离子处理室140B。该气体流动终止，及供应中心区域的第一气体管道110B和供应边缘区域的第二气体管道112B利用初步抽气机152B排空，准备第二气体混合物的流动。因为第一气体管道110B和第二气体管道112B都被用来传输该Ar/CF4/N2的第一气体混合物，在这些气体管道能被用于传输第二气体混合物之前，同一对气体管道必须用初步抽气机152B排空。使用位于该气体供应源130B附近的上游压力计和位于该等离子处理室140B附近的下游压力计测量出压力-时间曲线。单独一对气体管道排空的该压力-时间曲线如图5所示。虚线表明用上游压力计测量的压力-时间曲线，而实线表明用下游压力计测量的压力-时间曲线。
在第二个测试中，应用具有类似图3A-3B实施例的结构的 HPTTM等离子处理系统。通过使第一气体混合物经过第一气体管道310和第三气体管道320流动来传输第一气体混合物，与此同时排空第二气体管道311和第四气体管道321。600 SCCM Ar/50SCCM CF4/10 SCCM N2的第一气体混合物在110托的压力下沿第一气体管道310和第三气体管道320从该气体供应源330传输至该处理室340。在第一气体管道310和第三气体管道320中的该Ar/CF4/N2气体混合物流终止后，调整第一阀门装置312、第二阀门装置313、第三阀门装置322和第四阀门装置323以为第二工艺气体沿第二气体管道311和第四气体管道321的流动做准备。第二气体管道311和第四气体管道321的压力-时间曲线在用初步抽气机352排空期间测量。用位于该气体供应源330附近的上游压力计和位于等离子处理室340附近的下游压力计测量排空期间的压力-时间曲线。这些压力-时间曲线如图5所示。虚线表明用上游压力计测量的该压力-时间曲线，而实线表明用下游压力计测量的该压力-时间曲线。
如图5所示，气体混合物流动完成后，相比与使用单独的气体管道对(如图1B的实施例)相关的排空时间，该交替的气体管道对(如图3A和3B的实施例)显著减少了排空时间延迟。
尽管本发明按照其一些具体实施例详细描述，但是对本领域技术人员而言，显然，可对本发明进行某些改变或修正，以及采用等同方式，而没有脱离所附权利要求的范围。

Claims (20)

1.一种用于供应气体混合物至等离子处理室的气体分配系统，包含:
连接至第一气体管道和第二气体管道的上游端的第一阀门装置；
连接至该第一气体管道和该第二气体管道的下游端的第二阀门装置；
连接在气体供应源和该第一阀门装置之间的第一气体分配出口管道和连接在该第二阀门装置和该等离子处理室之间的第一室入口管道；
在该第一阀门装置和该第二阀门装置之间的位置与该第一气体管道连接的第一排空管道，该第一排空管道与真空管道流体连通；
在该第一阀门装置和该第二阀门装置之间的位置与该第二气体管道连接的第二排空管道，该第二排空管道与该真空管道流体连通；和
控制器，可操作以驱动该第一阀门装置和第二阀门装置以使该气体混合物选择性地沿该第一气体管道从该气体供应源流至该等离子处理室，同时该第二气体由该真空管道选择性地排空；或者使该气体混合物选择性地沿该第二气体管道从该气体供应源流向该等离子处理室，同时该第一气体管道由该真空管道选择性地排空。
2.根据权利要求1所述的气体分配系统，进一步包含:
连接在该真空管道和该第一排空管道与该第二排空管道的下游端之间的第三阀门装置；和
该控制器进一步可操作以驱动该第三阀门装置，以选择性地使该气体混合物沿该第一气体管道从该气体供应源流至该等离子处理室，同时该第二气体由该真空管道选择性地排空；或者使该气体混合物沿该第二气体管道选择性地从该气体供应源流至该等离子处理室，同时该第一气体管道由该真空管道选择性地排空。
3.根据权利要求2所述的气体分配系统，进一步包含:
连接至第三气体管道与第四气体管道的上游端的第四阀门装置；
连接至该第三气体管道与该第四气体管道的下游端的第五阀门装置；
连接在该气体供应源和该第四阀门装置之间的第二气体分配出口管道，和连接在该第五阀门装置和该等离子处理室之间的第二室入口管道；
在该第四阀门装置和该第五阀门装置之间的位置与该第三气体管道连接的第三排空管道，该第三排空管道与该真空管道流体连通；
在该第四阀门装置和该第五阀门装置之间的位置与该第四气体管道连接的第四排空管道，该第四排空管道与该真空管道流体连通；
连接在该真空管道和该第三排空管道与第四排空管道的下游端的第六阀门装置；
该控制器进一步可操作以驱动该第四阀门装置、第五阀门装置和第六阀门装置，以使该气体混合物选择性地同时沿该第三气体管道及该第一气体管道从该气体供应源流至等离子处理室的内部和外部区域，同时该第四气体管道及该第二气体管道同时由该真空管道选择性地排空；或者使该气体混合物选择性地同时沿该第四气体管道及该第二气体管道从该气体供应源流至该等离子处理室的内部和外部区域，同时该第三气体管道及该第一气体管道同时由真空管道选择性排空。
4.根据权利要求3所述的气体分配系统，其中该第一阀门装置、第二阀门装置、第三阀门装置、第四阀门装置、第五阀门装置和第六阀门装置的每一个是双向驱动三通气体阀门。
5.根据权利要求1所述的气体分配系统，进一步包含:
连接至第三气体管道和第四气体管道的上游端的第三阀门装置；
连接至该第三气体管道和该第四气体管道的下游端的第四阀门装置；
连接在该气体供应源和该第三阀门装置之间的第二气体分配出口管道，和连接在该第四阀门装置和该等离子处理室的第二室入口管道；
在该第三阀门装置和该第四阀门装置之间的位置与该第三气体管道连接的第三排空管道，该第三排空管道与该真空管道流体连通；
在该第三阀门装置和该第四阀门装置之间的位置与该第四气体管道连接的第四排空管道，该第四排空管道与该真空管道流体连通；
连接在该真空管道和该第一排空管道与该第三排空管道的下游端之间第五阀门装置；
连接在该真空管道和该第二排空管道与该第四排空管道的下游端之间的第六阀门装置；和
该控制器可操作以驱动该第三阀门装置、第四阀门装置、第五阀门装置和第六阀门装置，以使该气体混合物选择性地沿该第一气体管道和该第三气体管道从该气体供应源流至该等离子处理室，与此同时该第二气体管道和该第四气体管道被排空；或者使该气体混合物选择性地沿该第二气体管道和该第四气体管道从该气体供应源流至该等离子处理室，与此同时该第一气体管道和该第三气体管道被排空。
6.根据权利要求5所述的气体分配系统，其中该第一阀门装置、第二阀门装置、第三阀门装置和第四阀门装置中的每一个是双向驱动三通气体阀门；以及该第五阀门和第六阀门是单向驱动三通气体阀门。
7.根据权利要求5所述的气体分配系统，进一步包含沿该第一排空管道设置的第一压力开关、沿该第二排空管道设置的第二压力开关、沿该第三排空管道设置的第三压力开关和沿该第四排空管道设置的第四压力开关，该第一压力开关、该第二压力开关、该第三压力开关和该第四压力开关可操作以供应信号至该控制器，该信号关于该第一排空管道、该第二排空管道、该第三排空管道和该第四排空管道何时处于排空状态。
8.根据权利要求5所述的气体分配系统，其中该第一气体管道和该二气体管道适用于供应该气体混合物至该等离子处理室内的喷头的中心区域，以及该第三气体管道和该第四气体管道适用于供应该气体混合物至该等离子处理室的该喷头的边缘区域。
9.在结合权利要求1所述的气体分配系统的等离子处理室内处理半导体晶片的方法，包括:
在等离子处理室内放置该半导体晶片；
使第一气体混合物通过该第一气体管道流进该等离子处理室，与此同时利用该真空管道排空该第二气体管道；
由该第一气体混合物生成第一等离子；
用该第一等离子处理该晶片；
通过终止该第一气体管道内的该第一气体混合物流使该第一等离子熄灭；
通过在终止该第一气体混合物流后小于约10秒内使第二气体混合物通过该第二气体管道流进等离子处理室，与此同时由该真空管道排空该第一气体管道，来完成气体转换，；
由该第二气体混合物生成第二等离子；
用该第二等离子处理该晶片；
通过终止该第二气体管道内的该第二气体混合物流使该第二等离子熄灭。
10.根据权利要求9所述的方法，其中该气体转换在5秒内完成。
11.根据权利要求9所述的方法，其中该气体转换在3秒内完成。
12.根据权利要求9所述的方法，进一步包括:
使第三气体混合物通过该第一气体管道流入该等离子处理室，与此同时由该真空管道排空该第二气体管道；
由该第三气体混合物生成第三等离子；
用该第三等离子处理该晶片；
通过终止该第一气体管道内的第三气体混合物流使该第三等离子熄灭。
13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括:
使第四气体混合物通过该第二气体管道流入该等离子处理室，与此同时由该真空管道排空该第一气体管道；
由该第四气体混合物生成第四等离子；
用该第四等离子处理该晶片；
通过终止该第二气体管道内的第四气体混合物流使该第四等离子熄灭。
14.根据权利要求9所述的方法，其中处理该晶片包括一个多步骤等离子蚀刻工艺。
15.根据权利要求9所述的方法，包括:
排空该第二气体管道至低于约30托的压力，与此同时使该第一气体混合物通过该第一气体管道流入该等离子处理室；或
排空该第一气体管道至低于约30托的压力，与此同时使该第二气体混合物通过该第二气体管道流入该等离子处理室。
16.根据权利要求9所述的方法，包括:
排空该第二气体管道至低于约20托的压力，与此同时使该第一气体混合物通过该第一气体管道流入该等离子处理室；或
排空该第一气体管道至低于约20托的压力，与此同时使该第二气体混合物通过该第二气体管道流入该等离子处理室。
17.根据权利要求9所述的方法，包括:
排空该第二气体管道至低于约10托的压力，与此同时使该第一气体混合物通过该第一气体管道流入该等离子处理室；或
排空该第一气体管道至低于约10托的压力，与此同时使该第二气体混合物通过该第二气体管道流入该等离子处理室。
18.一种等离子处理装置，包含与该等离子处理室流体连通的权利要求1的该气体分配系统。
19.一种等离子处理装置，包含权利要求1所述的气体分配系统，其中该第一气体分配出口管道或该第一室入口管道的长度小于该第一气体管道或该第二气体管道的长度的5％。
20.一种等离子处理装置，包含权利要求3所述的气体分配系统，其中该第一气体分配出口管道、该第二气体分配出口管道、该第一室入口管道或该第二室入口管道的长度小于该第一气体管道、该第二气体管道、该第三气体管道或该第四气体管道的长度的5％。
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