CN102522303B - 一种多分区气体输送装置 - Google Patents

Abstract

一种气体输送装置包含输出可控流量反应气体的反应气体调节器；第一输气管将第一流量的反应气体，分别通过第一、第二限流装置输送到第一、第二气体分布区；第三输气管通过一个可控阀门连通到第一输气管，并通过第三限流装置也连通到第一气体分布区；第二输气管将第二流量的反应气体输送至第三气体分布区。本发明能够实现流量比不同的多路反应气体在喷淋头上多个区域的分布控制，从而在晶片表面获得均匀的等离子体处理效果。由于使用阀门等构成切换开关，只需要具备开启和关闭两种状态，控制简单；并且，阀门、限流孔的设置成本远低于流量控制装置（MFC），可以节约大量的生产成本。

Description

一种多分区气体输送装置

技术领域

本发明涉及一种气体输送装置，特别涉及一种通过开关切换及限流孔的组合布置，对引入的反应气体实现分布控制的多分区气体输送装置。

背景技术

目前在制造半导体器件的过程中，反应气体一般通过反应腔上部设置的喷淋头或类似装置输送，进入到反应腔内以形成对晶片进行刻蚀、沉积等处理的等离子体。由于气体输送、电场作用或抽气不均匀等多种原因，容易使产生的等离子体在晶片中心和边缘位置的分布不均匀，从而对晶片表面不同区域的反应效果和反应效率有很大影响。

为了解决该问题，现有如图1所示的等离子体处理装置上，在两条进气通道100上分别设置流量控制装置400，用来调节并引入两路流量不同的反应气体，并对应输送至喷淋头300的中心和边缘区域，从而在其下方获得密度不同的等离子体，以改善对整个晶片表面处理的均匀性。

虽然如果在喷淋头300上划分更多的区域，就能够使等离子体的均匀性控制更加精确，但是每增加一个区域，就需要为该区域独立配置一条进气通道100并配置昂贵的流量控制装置400（如图1中虚线所示），增加了生产成本，而且会使整个等离子体处理装置的系统布置和控制更加复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种多分区气体输送装置，通过开关切换及多个限流孔的组合布置，以低廉的成本，控制两路反应气体经由喷淋头上多个气体分布区引入反应腔，例如是径向上从中心到边缘划分的、同圆心布置的三个区域。通过控制各个区域输送气体的流量，来改善晶片表面的等离子体分布及处理的均匀性。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种多分区气体输送装置，其包含：

一个反应气体调节器，输出具有可控流量的反应气体；

多个输气管包括输入端接收所述可控流量的反应气体，并包括各自的输出端连通至喷淋头上对应设置的多个气体分布区；其中包括：

第一输气管通过第一限流装置连通到第一气体分布区，还通过第二限流装置连通到第二气体分布区；

一个第三输气管通过一个可控阀门连通到所述第一输气管，并通过一个第三限流装置也连通到所述第一气体分布区。

所述气体输送装置用于输送反应气体调节器输出的第一流量和第二流量的反应气体；

所述气体输送装置还包含第二输气管连通至所述第三气体分布区；

并且，其中所述第一输气管用于输送第一流量的反应气体；所述第二输气管用于输送第二流量的反应气体。

所述第一、第二、第三气体分布区是在所述喷淋头上，从边缘到中心沿径向依次布置的三个同圆心的气体分布区。

所述第二输气管设置有第二常开阀门和过滤器；在第二常开阀门开启时，所述第二输气管将第二流量的反应气体输送至所述第三气体分布区。

在一个优选实施例中，所述限流装置为限流孔。

所述可控阀门开通时流过第一和第三输气管的气压大于反应腔内气压的两倍以上。

与现有技术相比，本发明所述多分区气体输送装置，其优点在于：

本发明能够实现流量比不同的多路反应气体在喷淋头上多个区域的分布控制，从而在晶片表面获得均匀的等离子体处理效果。由于使用阀门等构成切换开关，只需要具备开启和关闭两种状态，控制简单；并且，阀门、限流孔的设置成本远低于流量控制装置（MFC），可以节约大量的生产成本。

附图说明

图1是现有等离子体处理装置的进气通道的结构示意图；

图2是本发明所述多分区气体输送装置的总体结构示意图；

图3是本发明所述多分区气体输送装置中喷淋头的分区结构俯视图。

具体实施方式

以下结合附图说明本发明的具体实施方式。

如图2所示，本发明所述的多分区气体输送装置，用于调整晶片70表面处理的均匀性。该气体输送装置连通至等离子体处理装置中反应腔顶部的喷淋头50；所述气体输送装置将两路反应气体调整为流量可控的三路，并对应输送至喷淋头50上设置的三个气体分布区51、52和53。

以下实施例所述装置中输送的两路反应气体，是从同一路反应气体中分出的两路，例如是将一路反应气体输送至一个反应气体调节器60，通过该反应气体调节器60中设置的气体分离器及流量控制器（MFC）的对应调节后，形成流量比不同的具有第一流量和第二流量的两路反应气体，再输出至本发明所述气体输送装置。在其他实施例中所述气体输送装置使用的两路反应气体，也可以是不同成分的两种气体。

如图3所示，所述的三个气体分布区，可以是从圆形喷淋头50的边缘到中心，沿径向依次布置的三个同圆心的气体分布区：第三气体分布区53与喷淋头50的中心区域（Central，下文及附图中简称CTR）相对应；第二气体分布区52在第三气体分布区53的外围环绕设置；第一气体分布区51进一步在第二气体分布区52的外围环绕设置，并与喷淋头50的最边缘区域相对应（Extreme Edge，下文及附图中简称X-EDGE）；并且，本文中称喷淋头50上与第二气体分布区52对应的区域为次边缘区域（下文及附图中简称EDGE）。

配合参见图2、图3所示，图2所示的气体输送装置中设置有三个输气管11~13，其配合连通至如图3所示喷淋头50的三个气体分布区51~53。其中，第二输气管12依次设置有第二常开阀门22和过滤器30，并最终连通至位于喷淋头50中心区域（CTR）的第三气体分布区53。第一输气管11依次设置有第一常开阀门21、过滤器30和一个第二限流孔42（Orifice），并连通至位于喷淋头50次边缘区域（EDGE）的第二气体分布区52。第三输气管13是连接到第一输气管11的一条支路，其在所述第一常开阀门21之后依次设置有常闭阀门23、过滤器30及一个第三限流孔43，并最终连通至位于喷淋头50最边缘区域（X-EDGE）的第一气体分布区51。另外，还设置有一个带第一限流孔41的气体通道14，从所述第一输气管11的过滤器30之后连通到所述第三输气管13的第三限流孔43之后，也就是最终连通到所述的第一气体分布区51。

所述的第一常开阀门21、第二常开阀门22和所述的常闭阀门23，都只有开启或关闭两种状态。所述的限流孔（Orifice）是只要在其输入口有气压，就可以输出特定流量气体的器件；各个限流孔输出的最大气体流量具体由该限流孔自身的规格决定，例如是限流孔的口径越大，其输出的气体流量就越大。本发明中将选择适应口径的第一、第二、第三限流孔41~43相互配合，来满足喷淋头50上对各个气体分布区51~53的不同的气体流量要求，下文中会具体说明。而且限流孔具有一个特性，当限流孔上游气压大于下游2倍以上时，其流量只与上游气压有关而与下游气压无关。所以只要选择合适的限流孔42,42,43组合，再加上流过输气管的气压足够高就能或得稳定的气体流量比，而不用考虑反应腔内气压变化。

第二输气管12的第二常开阀门22一般处在开启状态，使流量为b的第二流量反应气体，通过第二输气管12输送至喷淋头50中心区域（CTR）的第三气体分布区53。而总流量为a的第一流量反应气体，需要由所述常闭阀门23及若干限流孔来分配调整，进而分别通过所述的第一输气管11、第一限流孔41所在的气体通道14及第三输气管13，对应输送至喷淋头50次边缘区域（EDGE）的第二气体分布区52和最边缘区域（X-EDGE）的第一气体分布区51上。

在常规模式下，第一输气管11的第一常开阀门21处在开启状态，而第三输气管13的常闭阀门23处在关闭状态，则第一流量反应气体只在第一输气管11中流过，通过其中第二限流孔42的限流作用，将第一流量反应气体中一部分流量为a11的气体，输送至所述喷淋头50次边缘区域（EDGE）的第二气体分布区52。同时，第一流量反应气体中其余部分流量为a12的气体，经由第二限流孔42所在的气体通道14输送至所述喷淋头50最边缘区域（X-EDGE）的第一气体分布区51。在该模式下，第二气体分布区52上的气体流量a11与第一气体分布区51上的气体流量a12相加的数值，与第一流量反应气体总的流量a一致，即a11+a12 = a。

在增强模式下，第一输气管11的第一常开阀门21，和第三输气管13的常闭阀门23都处在打开状态，则总流量为a的第一流量反应气体首先被分到第一输气管11和第三输气管13中，由第二限流孔42所在的第一输气管11，将第一流量反应气体中流量为a21的部分，输送至所述喷淋头50次边缘区域（EDGE）的第二气体分布区52；再由第一限流孔41所在的气体通道14，与第三限流孔43所在的第三输气管13一起，将第一流量反应气体中剩余流量为a22的部分输出至所述喷淋头50最边缘区域（X-EDGE）的第一气体分布区51。在该模式下，第二气体分布区52上的气体流量a21与第一气体分布区51上的气体流量a22相加的数值，与第一流量反应气体总的流量a一致，即a21+a22 = a。

表1所示的是使用0.035英寸口径的第二限流孔42，及0.0155英寸口径的第一限流孔41和第三限流孔43的具体实施例。第一、第二流量的反应气体是从同一路反应气体中流量分别为a和b的两路，表中列举了a、b流量比不同的几种情况。

以表中第一行为例，在常规模式和增强模式下，输送至喷淋头50中心区域（CTR）上第二流量反应气体的流量b =10%不变。而喷淋头50的次边缘区（EDGE）和最边缘区（X-EDGE）上气体流量相加的总和，在两种模式下相等，都等于第一流量反应气体总的流量a，即a =a11+a12 = a21+a22；90% =75.2%+14.8% =64.6%+25.4%。并且，由于在增强模式下使第三输气管13导通，将常规模式下原先由第一输气管11输送的一部分流量为10.6% =75.2%-64.6%的气体，被转送到了喷淋头50的最边缘区（X-EDGE）上25.4% =14.8%+10.6%。即是说，与常规模式下相比，增强模式下最边缘区（X-EDGE）上获得的气体流量增加了10.6%；而次边缘区（EDGE）上获得的气体流量就相应减少了10.6%，这一改变的气体流量值由第三输气管13的第三限流孔43的口径决定。

表1  多分区气体流量分布情况

参见上表中同在常规模式下的几种气体分布情况，可知在各个限流孔的口径等规格不变的基础上，当各行中第一、第二流量反应气体的流量比a、b改变时，就可以使喷淋头50三个气体分布区上的气体流量产生相应变化。再比较上表的同一行中常规模式与增强模式下的气体分布情况，可知在第一、第一流量反应气体的流量比固定不变的情况下，还可以通过开启或关闭带常闭阀门23的第三输气管13，进一步调整第一流量反应气体在喷淋头50次边缘区（EDGE）和最边缘区（X-EDGE）的分布比例。

并且，对于同样使用上述规格的限流孔的实施例来说，实际上只要给出例如是第二流量反应气体的流量b =17%，就可以根据限流孔口径与其输出流量的相应关系，计算得到表1中其他各列的数据，即第一流量反应气体的流量a =83%；常规模式下三个区域气体分布依次为b =17%，a11 =69.4%，a12 =13.6%；增加最边缘区域气体流量的增强模式下，三个区域依次为b =17%，a21 =59.6%，a22 =23.4%。因此，可以仅仅通过调整第一、第一流量反应气体的流量比a、b，就可以实现气体流量在喷淋头50上三个气体分布区的连续变化。另外，在其他实施例中，还可以使用其他规格的限流孔相互配合，进一步改变每种流量比的两种模式下气体流量的改变幅度，从而调整喷淋头50上三个区域的气体分布。

本发明所述的气体输送装置，还可以适用于以其他形式来划分各个区域的喷淋头结构，或者在另外增加几路反应气体的情况也可以进行气体流量控制，通过在对应的输气管道上及输气管道之间设置阀门及限流孔，在阀门开关及限流孔的配合作用下对反应气体进行流量调节，并对应分配至喷淋头的各个区域。

综上所述。本发明能够实现流量比不同的多路反应气体在喷淋头上多个区域的分布控制，从而在晶片表面获得均匀的等离子体处理效果。由于使用阀门等构成切换开关，只需要具备开启和关闭两种状态，控制简单；并且，阀门、限流孔的设置成本远低于流量控制装置（MFC），可以节约大量的生产成本。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (4)

1.一种多分区气体输送装置，其特征在于，所述气体输送装置包含：

一个反应气体调节器，输出具有可控流量的反应气体；

多个输气管包括输入端接收所述可控流量的反应气体，并包括各自的输出端连通至喷淋头（50）上对应设置的多个气体分布区；其中包括：

第一输气管（11）通过第一限流装置连通到第一气体分布区（51），还通过第二限流装置连通到第二气体分布区（52）；

一个第三输气管（13）通过一个可控阀门连通到所述第一输气管（11），并通过一个第三限流装置也连通到所述第一气体分布区（51）；

其中所述可控阀门与第一输气管（11）的连接点，与所述第一限流装置和第二限流装置的输入端联通，第一、第二、第三限流装置分别为限流孔，所述可控阀门开通时流过第一和第三输气管的气压大于反应腔内气压的两倍以上。

2.如权利要求1所述的多分区气体输送装置，其特征在于，

所述气体输送装置用于输送反应气体调节器输出的第一流量和第二流量的反应气体；

所述气体输送装置还包含第二输气管（12）连通至第三气体分布区（53）；

并且，其中所述第一输气管（11）用于输送第一流量的反应气体；所述第二输气管（12）用于输送第二流量的反应气体。

3.如权利要求1所述的多分区气体输送装置，其特征在于，

所述第一、第二、第三气体分布区是在所述喷淋头（50）上，从边缘到中心沿径向依次布置的三个同圆心的气体分布区。

4.如权利要求2所述的多分区气体输送装置，其特征在于，

所述第二输气管（12）设置有第二常开阀门（22）和过滤器（30）；在第二常开阀门（22）开启时，所述第二输气管（12）将第二流量的反应气体输送至所述第三气体分布区（53）。