CN101488446A - 等离子体处理设备及其气体分配装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种气体分配装置，用于等离子体处理设备，包括支撑板以及与其相平行喷头电极，两者之间的空间中水平地设置第一气体分配板；所述第一气体分配板的顶面设有至少一条环绕其中心位置的周向通气槽，以及多条与所述周向通气槽相连通的径向通气槽；所述周向通气槽以及所述径向通气槽之中设有轴向通孔。工艺气体可以沿所述径向通气槽迅速横向扩散，从而实现工艺气体在径向均匀分布；工艺气体还可以由所述径向通气槽进入所述周向通气槽，从而实现工艺气体在周向的均匀分布。因此，本发明所提供的气体分配装置通过简单的结构即可保证工艺气体在反应腔室具有较高的均匀度。

Description

等离子体处理设备及其气体分配装置
技术领域
本发明涉及微电子技术领域，特别涉及一种用于等离子体处理设备中的气体分配装置。本发明还涉及一种包括上述气体分配装置的等离子体处理设备。
背景技术
等离子体处理设备广泛应用于微电子技术领域。
请参考图1，图1为现有技术中一种典型的等离子体处理设备的结构示意图。
等离子体处理设备1通常包括壳体11，壳体11中具有反应腔室12，反应腔室12的顶部和底部分别相对应地设有上极板13和下极板14。上极板13与壳体11之间由绝缘部件15隔离；下极板14的顶部可以支撑待处理加工件。上述加工件应当包括晶片以及与其具有相同加工原理的其他加工件。下文所述加工件的含义与此相同。
等离子体处理设备1工作时，通过干泵等真空获得装置(图中未示出)在反应腔室12中制造并维持接近真空的状态。在此状态下，通过气体分配装置16向反应腔室12中输入工艺气体，并在上极板13和下极板14之间输入适当的射频，从而激活所述工艺气体，进而在加工件的表面产生并维持等离子体环境。由于具有强烈的刻蚀以及淀积能力，所述等离子体可以与所述加工件发生刻蚀或者淀积等物理化学反应，以获得所需要的刻蚀图形或者淀积层。上述物理化学反应的副产物由所述真空获得装置从反应腔室12中抽出。
众所周知，上述加工件表面工艺气体分布的均匀程度对于加工件的品质具有重要意义。随着晶圆等待加工件整体尺寸的增加，反应腔室12的横截面积越来越大，在其中实现工艺气体的均匀分布越来越困难。
上述工艺气体分布的均匀程度与多种因素相关，其中，气体分配装置的结构在很大程度上决定了反应腔室中工艺气体分布的均匀性。
请参考图2，图2为现有技术中一种典型的气体分配装置的结构示意图。
现有技术中一种典型的气体分布装置2包括大体呈圆形的支撑板21，支撑板21位于等离子体处理设备反应腔室顶部的中央位置，且以常规的方式与上极板固定连接，其中心位置设有进气孔211。
支撑板21的下方固定连接有大体呈圆形且与其同轴的喷头电极23，两者的连接部位保持气密封(此处以及下文所述气密封，均指一种结果，而非手段；也即无论采用何种具体技术手段，支撑板21与喷头电极23的连接部位都不应出现气体泄漏现象)，且两者之间形成一气体分配腔室。上述进气孔211与所述气体分配腔室连通。
所述气体分配腔室中以常规的方式设置多层阻流板22，各层阻流板22之间，以及阻流板22与支撑板21、喷头电极23之间保留适当的距离，因此，所述气体分配腔室自上而下被隔离为若干小腔室。阻流板22包括多个将其轴向贯通的气体通道221，从而将所述各个小腔室连通。
由于各层阻流板22的气体通道221都相错离地设置，因此工艺气体经过阻流板22时被迫产生一定的横向位移，因此径向均匀度可以得到增加；随着阻流板22的层数的增加，工艺气体发生横向位移的次数也增多，因此喷头电极23的上表面232处得到的工艺气体的径向均匀度也将不断提高。
喷头电极23中均匀地分布着多个通气孔231，用以连通所述气体分配腔室中最下层的小腔室以及喷头电极23下方的反应腔室。喷头电极23的上表面232处较为均匀的工艺气体可以自通气孔231流入等离子体处理设备的反应腔室中。
然而，如上所述，上述气体分配装置是通过阻流板22的阻碍作用迫使工艺气体产生横向位移，并进而使其径向均匀度得到增加的；因此，要想获得较高的横向均匀度，就需要设置较多层的阻流板22。这将导致上述气体分配装置的结构过于复杂，体积较大，加工成本较高；而减少阻流板22的数目则会降低工艺气体分布的均匀度。
因此，现有技术的气体分配装置要么结构过于复杂、加工成本较高；要么难以获得较高的气体分布均匀度。如何在不降低工艺气体分布的均匀度的前提下简化气体分配装置的结构，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种气体分配装置，结构较为简单而且能够提供具有较高均匀度的工艺气体。本发明的另一目的是提供一种包括上述气体分配装置的等离子体处理设备。
为解决上述技术问题，本发明提供一种气体分配装置，用于等离子体处理设备，包括固定连接于所述等离子体处理设备上电极且水平设置的支撑板，其中心部位具有第一进气通道；所述支撑板的下方固定连接与其相平行喷头电极，两者之间的空间中水平地设置具有多个轴向通孔的第一气体分配板；所述第一气体分配板的中心部位与所述支撑板的中心部位相对应；所述第一气体分配板的顶面设有至少一条环绕其中心位置的周向通气槽，以及多条与所述周向通气槽相连通的径向通气槽；所述轴向通孔设置于所述周向通气槽以及所述径向通气槽之中。
优选地，所述径向通气槽均匀分布且其宽度自中心部分向外侧逐渐缩小。
优选地，同一所述周向通气槽中各轴向通孔的最小横截面积相等；同一所述径向通气槽中各轴向通孔的最小横截面积自中心部分向外侧逐渐增大。
优选地，同一所述径向通气槽中轴向通孔的密度自中心部分向外侧逐渐增大。
优选地，所述第一气体分配板包括多条周向通气槽，各条所述周向通气槽的宽度自中心部分向外侧依次增加。
优选地，所述支撑板进一步包括偏离其中心部位的第二进气通道，所述第二进气通道与所述第一进气通道的距离大于所述第一气体分配板的半径；第二气体分配板紧密环绕所述第一气体分配板，两者顶部的腔体由密封圈相隔离；所述第二气体分配板包括至少一条周向通气槽，以及多条与所述周向通气槽相连通的径向通气槽，两者之中设有多个轴向通孔。
优选地，所述第二进气通道与所述第二气体分配板的一条周向通气槽相对应。
优选地，与所述第二进气通道相对应的周向通气槽的宽度沿气流方向渐缩。
优选地，所述第二气体分配板中径向通气槽的宽度向外侧逐渐增加。
优选地，所述第二气体分配板中位于同一径向通气槽的各轴向通孔的最小横截面积向外侧依次增加。
优选地，所述第二气体分配板中位于同一径向通气槽的各轴向通孔的密度向外侧依次增大。
优选地，所述第二气体分配板包括多条周向通气槽，各条所述周向通气槽的宽度自中心部分向外侧依次增加。
本发明还提供了一种等离子体处理设备，包括如上所述的气体分配装置。
优选地，所述等离子体处理设备具体为等离子体刻蚀设备。
相对上述背景技术，本发明所提供的气体分配装置，其第一气体分配板的顶面设有环绕其中心位置的周向通气槽，以及多条与所述周向通气槽相连通的径向通气槽；自第一进气通道流入的工艺气体可以沿所述径向通气槽迅速横向扩散，从而实现工艺气体在径向均匀分布；然后，工艺气体由所述径向通气槽进入所述周向通气槽，从而实现工艺气体在周向的均匀分布。因此，本发明所提供的气体分配装置通过简单的结构即可保证工艺气体在反应腔室具有较高的均匀度，克服了现有技术中气体分配装置结构过于复杂、加工成本较高的缺陷；本发明所提供的等离子体处理设备的结构因而也得到了简化，成本也得到了降低。
附图说明
图1为现有技术中一种典型的等离子体处理设备的结构示意图；
图2为图1所示等离子体处理设备中气体分配装置的结构示意图；
图3为本发明实施例所提供的气体分配装置第一种具体实施方式的结构示意图；
图4为图3中第一气体分配板一种具体实施方式的轴测示意图；
图5为图4所示第一气体分配板的俯视示意图；
图6为图5中A部位的局部放大图；
图7为本发明实施例所提供的气体分配装置第二种具体实施方式的结构示意图；
图8为图7中第二气体分配板第一种具体实施方式的轴测示意图；
图9为图8所示第二气体分配板的俯视示意图；
图10为图9中B部位的局部放大图；
图11为图7中第二气体分配板第二种具体实施方式的俯视示意图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种气体分配装置，结构较为简单而且能够提供具有较高均匀度的工艺气体。本发明的另一核心是提供一种包括上述气体分配装置的等离子体处理设备。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
请参考图3，图3为本发明实施例所提供的气体分配装置第一种具体实施方式的结构示意图。
在第一种具体实施方式中，本发明实施例所提供的气体分配装置包括支撑板3，支撑板3通常水平地设置，位于等离子体处理设备反应腔室顶部的中央位置，且以常规的方式与所述离子体处理设备的上极板固定连接。支撑板3设有大体位于其中心位置的第一进气通道31。
支撑板3的下方固定连接有同样大体上水平设置的喷头电极5，两者之间形成一气体分配腔室。所述气体分配腔室中以常规的方式设置第一气体分配板4，第一气体分配板4与支撑板3以及喷头电极5之间均相平行且保留适当的距离，从而在阻流板4的顶部和底部均形成具有适当厚度的腔体。
阻流板4具有多个将其贯通的轴向通孔43(图3未示出)，因而可以将其顶部和底部的腔体连通；喷头电极5具有若干均匀分布的通气孔(图中未添加附图标记)，以便连通阻流板4底部的腔体和等离子体处理设备的反应腔室。
请参考图4、图5以及图6，图4为图3中第一气体分配板一种具体实施方式的轴测示意图；图5为图4所示第一气体分配板的俯视示意图；图6为图5中A部位的局部放大图。
在第一种具体实施方式中，本发明所提供的第一气体分配板4大体为圆形；当然，如果将其设为正多边形等其他形状也是可以的。第一气体分配板4的中心位置最好与支撑板3的第一进气通道31相对应，以便由第一进气通道31流入的工艺气体可以首先到达第一气体分配板4的中心位置。
第一气体分配板4朝向支撑板3的表面设有至少一条环绕其中心位置的周向通气槽41；周向通气槽41具体可以是圆形，当其数目为两条或者两条以上时，各周向通气槽41最好同心地设置。本具体实施方式中第一气体分配板4包括三条周向通气槽：第一周向通气槽41a、第二周向通气槽41b和第三周向通气槽41c(示于图6中)。
第一气体分配板4朝向支撑板3的表面进一步设有多条径向通气槽42，各条径向通气槽42由周向通气槽41分隔为内段42a、中段42b以及外段42c；如图6所示，上述三者的数目依次增加，从而使径向通气槽42均匀地分布于整个第一气体分配板4。各条径向通气槽42在圆周方向上最好也均匀分布，即各条径向通气槽42之间的夹角最好大体相等。
此外，各径向通气槽42之间，以及径向通气槽42与周向通气槽41之间最好具有相同的深度；各通气槽横截面的形状可以为方形、梯形、圆形、椭圆形等，为了加工方便，最好将其设为方形。
各径向通气槽42交汇于第一气体分配板4的中心部分，因此在该中心部分形成一中心凹槽44；中心凹槽44对应于支撑板3的第一进气通道31。
贯穿第一气体分配板4的轴向通孔43分布于上述周向通气槽41和径向通气槽42之中。轴向通孔43的截面形状可以为圆形、方形、三角形等，轴向通孔43可以为直孔、阶梯孔或者斜孔；最好将其设为圆形直孔，以方便加工。
由于在第一气体分配板4的顶面设置了相互连通的周向通气槽41以及径向通气槽42，自支撑板3的第一进气通道31流入中心凹槽44的工艺气体可以沿径向通气槽42迅速横向扩散，从而实现工艺气体在第一气体分配板4径向上的均匀分布；然后，工艺气体由各径向通气槽42进入各周向通气槽41，从而实现工艺气体在第一气体分配板4圆周方向上的均匀分布。因此，本发明所提供的气体分配装置通过简单的结构即可保证工艺气体在反应腔室具有较高的均匀度，克服了现有技术中气体分配装置结构过于复杂、加工成本较高的缺陷。
可以对上述第一种具体实施方式中的第一气体分配板进行若干改进。
首先，可以将径向通气槽42的宽度设置为自第一气体分配板4的中心部分向其外周部分逐渐缩小。如图6所示，径向通气槽42的内段42a、中段42b以及外段42c的宽度依次减小，且上述各段自身的宽度也是向外侧渐缩的。
第一气体分配板4外周部分下方反应腔室的空间较大，因此工艺气体需求量也较大；将径向通气槽42的宽度设置为如上所述的向外渐缩，有利于工艺气体自中心凹槽44沿径向通气槽42向第一气体分配板4的外周部分以较高的速度流动，进而保证了外周部分下方的反应腔室能够得到足够的工艺气体量，避免该外周部分出现缺气现象。
其次，可以调整轴向通孔43的最小横截面积(也即其气体通过能力)，使位于径向通气槽42的内段42a、中段42b以及外段42c中的轴向通孔43的最小横截面积依次增大；即，轴向通孔43a、轴向通孔43b、轴向通孔43c的最小横截面积依次增大。
如上所述，第一气体分配板4外周部分下方反应腔室的工艺气体需求量较大，因此，适当增大所述外周部分的轴向通孔43的最小横截面积，可以提高其工艺气体通过能力，进而增大气体供应量，进一步避免所述反应腔室的外周部分出现缺气现象。
再次，还可以调整轴向通孔43的密度，使轴向通孔43在第一气体分配板4外周部的密度较大；即，轴向通孔43a与轴向通孔43b的间距大于轴向通孔b与轴向通孔c的间距。这样设置的目的，同样是为了增大反应腔室外周部分的气体供应量，避免出现缺气现象。
最后，可以调整各周向通气槽41的宽度，使位于外圈的周向通气槽的宽度，略大于其内侧的周向通气槽的宽度；即，第一周向通气槽41a、第二周向通气槽41b和第三周向通气槽41c的宽度依次增大。随着宽度的增大，各周向通气槽的工艺气体通过能力依次增强，进一步保证了反应腔室外周部分的气体供应量。
请参考图7，图7为本发明实施例所提供的气体分配装置另一种具体实施方式的结构示意图。
在第二种具体实施方式中，本发明所提供的气体分配装置是在上述第一种具体实施方式的基础上进行的改进。
支撑板3进一步设有偏离第一进气通道31的第二进气通道32。同时，减小了设置第一气体分配板4的半径，使其小于第一进气通道31与第二进气通道32的距离。
进一步设置第二气体分配板6，第二气体分配板6的内径等于第一气体分配板4的外径，并水平地环绕于第一气体分配板4的外侧；两者作为一个整体设置于支撑板3与喷头电极5之间。支撑板3与第一气体分配板4以及第二气体分配板6之间的腔体中设置密封圈(图中未示出)，所述密封圈将上述腔体分隔为相互隔离的中心部分以及环形外周部分，两者的底部分别为第一气体分配板4以及第二气体分配板6。上述第一进气通道31连通所述中心部分；上述第二进气通道32连通所述环形外周部分。
请参考图8、图9以及图10，图8为图7中第二气体分配板第一种具体实施方式的轴测示意图；图9为图8所示第二气体分配板的俯视示意图；图10为图9中B部位的局部放大图。
在一种具体实施方式中，本发明所提供的第二气体分配板6大体为圆环形；其内径与第一气体分配板4的外径相适应，两者以常规的方式，比如台阶面，固定连接于一体。
第二气体分配板6朝向支撑板3的表面设有至少一条环绕第一气体分配板4的周向通气槽61；本具体实施方式中第二气体分配板6仅包括一条周向通气槽61。周向通气槽61具体可以是圆形，当其数目为两条或者两条以上时，各周向通气槽41最好同心地设置。第二进气通道32最好对应于周向通气槽41，以便工艺气体可以顺利地沿周向通气槽41沿圆周方向扩散。
第二气体分配板6朝向支撑板3的表面进一步设有多条均匀分布的径向通气槽62，各条径向通气槽62由周向通气槽61分隔为内段62a和外段62b。
各径向通气槽62之间以及径向通气槽62与周向通气槽61之间最好具有相同的深度；各通气槽横截面的形状可以为方形、梯形、圆形、椭圆形等，为了加工方便，最好将其设为方形。
贯穿第二气体分配板6的轴向通孔63分布于上述周向通气槽61和径向通气槽62之中。轴向通孔63的截面形状可以为圆形、方形、三角形等，轴向通孔63可以为直孔、阶梯孔或者斜孔；最好将其设为圆形直孔，以方便加工。
工艺气体可以自第一进气通道31和第二进气通道32分别进入支撑板3下部腔体的中心部分和环形外周部分，并可以分别经由第一气体分配板4和第二气体分配板6进入喷头电极5顶部的腔体，然后通过均匀分布于喷头电极的通气孔进入等离子体处理设备的反应腔室中。
因此，可以分别调整第一进气通道31和第二进气通道32的工艺气体流量，从而避免所述反应腔室的中心部分和外周部分工艺气体密度差异过大。
还可以对上述第二气体分配板进行若干改进。
首先，可以将径向通气槽62的宽度设置为自第二气体分配板6的内侧向外侧逐渐增大。如图10所示，径向通气槽62的内段62a、外段62b的宽度依次减小，且上述两段自身的宽度也是向外侧渐缩的。
第二气体分配板6外侧部分下方反应腔室的空间较大，工艺气体需求量也较大；而其内侧部分下方反应腔室的空间相对较小，工艺气体需求量也较小。当工艺气体自第二进气通道32流入周向通气槽61后，较多的部分将沿较宽的径向通气槽62外段62b流向外侧，而较少的部分将沿较窄的径向通气槽62内段62a流向内侧；因此，工艺气体分布的均匀度可以得到提高。
其次，可以调整轴向通孔63的最小横截面积，使位于径向通气槽62的内段62a、外段62b中轴向通孔63的最小横截面积依次增大；即，轴向通孔63a、轴向通孔43b的最小横截面积依次增大。
随着最小横截面积的增大，轴向通孔63的气体通过能力得到增强；因此，第二气体分配板6外侧的气体供应能力得到增强，可以进一步避免反应腔室的外周部分出现缺气现象。
再次，还可以调整轴向通孔63的密度，使轴向通孔63在第二气体分配板6外周部的密度较大；即，径向通气槽62内段62a中轴向通孔63a的密度，小于径向通气槽62内外62b中轴向通孔63b的密度。这样设置的目的，同样是为了增大反应腔室外周部分的气体供应量，避免出现缺气现象。
请参考图11，图11为图7中第二气体分配板第二种具体实施方式的俯视示意图。
在第二种具体实施方式中，本发明所提供的第二气体分配板是在上述第一种具体实施方式的基础上所作的改进；改进点主要在于与第二进气通道32相对应的周向通气槽61的形状。
图11中轴向通孔631所在的位置与第二进气通道32相对应，因此自第二进气通道32流入的工艺气体首先到达轴向通孔631所在的位置，然后分两股沿着图中箭头所示方向向两侧发散，两股气流最终相汇合于轴向通孔632所在的位置。显然，轴向通孔631与轴向通孔632所在的位置大体相对称。
可以将周向通气槽61的宽度设为沿气流方向(也即图11中箭头所示方向)渐缩。随着工艺气体自周向通气槽61向其两侧的径向通气槽62中扩散，沿着图中箭头所示方向工艺气体流量不断降低；但是，由于周向通气槽61的宽度逐渐缩小，因此其流速不会显著下降，也即工艺气体向轴向通孔632扩散的能力不会显著降低，这样，工艺气体分布的均匀度也就得到进一步的保障。
本发明所提供的等离子体处理设备包括如上所述的气体分配装置。具体地，所述等离子体处理设备可以是等离子体刻蚀设备或者等离子体淀积设备。
以上对本发明所提供的气体分配装置以及应用了该气体分配装置的等离子体处理设备进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (14)

1、一种气体分配装置，用于等离子体处理设备，包括固定连接于所述等离子体处理设备上电极且水平设置的支撑板(3)，其中心部位具有第一进气通道(31)；所述支撑板(3)的下方固定连接与其相平行喷头电极(5)，两者之间的空间中水平地设置具有多个轴向通孔(43)的第一气体分配板(4)；所述第一气体分配板(4)的中心部位与所述支撑板(3)的中心部位相对应；其特征在于，所述第一气体分配板(4)的顶面设有至少一条环绕其中心位置的周向通气槽(41)，以及多条与所述周向通气槽(41)相连通的径向通气槽(42)；所述轴向通孔(43)设置于所述周向通气槽(41)以及所述径向通气槽(42)之中。
2、如权利要求1所述的气体分配装置，其特征在于，所述径向通气槽(42)均匀分布且其宽度自中心部分向外侧逐渐缩小。
3、如权利要求2所述的气体分配装置，其特征在于，同一所述周向通气槽(41)中各轴向通孔(43)的最小横截面积相等；同一所述径向通气槽(42)中各轴向通孔(43)的最小横截面积自中心部分向外侧逐渐增大。
4、如权利要求3所述的气体分配装置，其特征在于，同一所述径向通气槽(42)中轴向通孔(43)的密度自中心部分向外侧逐渐增大。
5、如权利要求4所述的气体分配装置，其特征在于，所述第一气体分配板(4)包括多条周向通气槽(41)，各条所述周向通气槽(41)的宽度自中心部分向外侧依次增加。
6、如权利要求1至5中任一项所述的气体分配装置，其特征在于，所述支撑板(3)进一步包括偏离其中心部位的第二进气通道(32)，所述第二进气通道(32)与所述第一进气通道(31)的距离大于所述第一气体分配板(4)的半径；第二气体分配板(6)紧密环绕所述第一气体分配板(4)，两者顶部的腔体由密封圈相隔离；所述第二气体分配板(6)包括至少一条周向通气槽(61)，以及多条与所述周向通气槽(61)相连通的径向通气槽(62)，两者之中设有多个轴向通孔(63)。
7、如权利要求6所述的气体分配装置，其特征在于，所述第二进气通道(32)与所述第二气体分配板(6)的一条周向通气槽(61)相对应。
8、如权利要求7所述的气体分配装置，其特征在于，与所述第二进气通道(6)相对应的周向通气槽(61)的宽度沿气流方向渐缩。
9、如权利要求8所述的气体分配装置，其特征在于，所述第二气体分配板(6)中径向通气槽(62)的宽度向外侧逐渐增加。
10、如权利要求9所述的气体分配装置，其特征在于，所述第二气体分配板(6)中位于同一径向通气槽(61)的各轴向通孔(63)的最小横截面积向外侧依次增加。
11、如权利要求10所述的气体分配装置，其特征在于，所述第二气体分配板(6)中位于同一径向通气槽(61)的各轴向通孔(63)的密度向外侧依次增大。
12、如权利要求11所述的气体分配装置，其特征在于，所述第二气体分配板(6)包括多条周向通气槽(61)，各条所述周向通气槽(61)的宽度自中心部分向外侧依次增加。
13、一种等离子体处理设备，其特征在于，包括如权利要求1至12任一项所述的气体分配装置。
14、如权利要求13所述的等离子体处理设备，其特征在于，具体为等离子体刻蚀设备或者等离子体淀积设备。
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