CN103730392A - 一种半导体处理装置的供气系统 - Google Patents

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Abstract

一种半导体处理装置的供气系统，其特征在于，包括：压力调节器，流量控制器，反应腔；压力调节器包括一个输入端接收来自气源的处理气体，还包括一个输出端输出处理气体；流量控制器包括一个输入端接收来自压力调节器的处理气体，还包括一个输出端连接到反应腔；其特征在于，在压力调节器输出端与流量控制器输入端之间还连接有储气腔，所述储气腔内的储气空间大于5立方厘米。通过本发明储气腔的设置可以避免在气体流通瞬间产生过冲。

Description

一种半导体处理装置的供气系统
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种半导体处理装置的供气系统。
背景技术
用于集成电路的制造的半导体处理工艺中包括化学气相沉积工艺、和等离子体刻蚀工艺等。其中主要是利用等离子辅助工艺实现对半导体基片的处理，所述等离子体处理工艺的原理包括：使用射频功率源驱动等离子体发生装置（例如电感耦合线圈）产生较强的高频交变磁场，使得低压的反应气体被电离产生等离子体。等离子体中含有大量的电子、离子、激发态的原子、分子和自由基等活性粒子，所述活性粒子可以和待处理晶圆的表面发生多种物理和化学反应，使得晶圆表面的形貌发生改变，即完成等离子体处理工艺。
在等离子处理工艺中需要通入指定数量、指定气压和特定气体成分的反应气体或者其它辅助气体。要获得这些具有特定参数的反应气体或辅助气体需要一个能精确控制气体流量、压力的供气系统连接在气源和反应腔之间。
如图1a所示为现有技术的供气系统示意图，供气系统包括手动阀门10，接收来自气源的气体，来自气源的气体可以是单种气体也可以是混合后的气体。图1a中气体从左侧也就是输入端流入手动阀门10，从输出端流出，经过一段管道连接到压力调节器20的输入端，压力调节器20可以根据设定的压力控制其内部机构的移动来确保流过调节器内的气体压力保持在设定的压力。压力调节器的输出端连接到一个气体监控装置30，气体监控装置30内可以包括互相气体联通的多个部件，如气压计、气体过滤器、气动阀门等。气体监控装置30包括一个输出端，通过气体管路连接到一个流量控制器（MFC）40，流量控制器40能够实现对流过的气体流量的精确控制。经过流量控制器40调节后输出的反应气体被送入后端的反应腔100，反应腔内包括待加工的基片，反应腔内还包括一个抽真空装置，保持反应腔内的气压相对供气系统内的气压处于较低位置。图1a所示的现有技术在开始供应气体前压力调节器20和流量控制器40内以及供气系统管道内没有气体流动，内部气压维持在压力调节器所设定气压数值。图1b所示为在开通前后流过压力控制器20和流量控制器40的气体流量和压力变化图，其中51为流量变化图形，52是压力变化图形。图中横坐标为时间轴，左侧纵坐标为气体流量，右侧纵坐标为气体压力。从图中可知在开通瞬间，由于流量控制器40内的气体被抽到低压的反应腔100内，流量控制器40输入端的气压也迅速下降。由于压力调节器20的响应速度无法跟上下游MFC的响应速度，所以压力调节器20在气体流通瞬间无法进行有效调节，造成其输出端的气压同步快速下降，而且往往会有过冲（图1b中P1点），下降幅度超过设定数值。经过一定时间如1.5秒以后压力调节器20开始起作用，供气系统内的气压开始快速恢复到设定数值。在气压过冲偏低现象发生之后，气体流量为了补偿这一低压也会相应的产生一个气体流量的过冲（图1b中流量曲线51上的P2点）。这些过冲在部分处理工艺中危害不大，但是在一些对流量精度要求很高的场合（比如气体流量过冲P2点不能大于目标气流1%）或者需要频繁开关的处理工艺，如循环交替进行刻蚀和沉积步骤的Bosch刻蚀法，Bosch刻蚀法中如果每次开关都会存在过冲，在长期快速交替的刻蚀工艺中会造成严重的处理效果偏差。
为了解决供气系统在开通瞬间能柔和的实现气体流量增加，需要一种低成本的、简单的方法防止过冲现象的出现。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种避免供气系统在开通瞬间产生过冲的装置，使半导体处理装置内的气流更稳定，半导体体处理的质量提高。
为解决上述问题，本发明提供一种处理气体供气系统，其特征在于，包括：压力调节器，流量控制器，反应腔；压力调节器包括一个输入端接收来自气源的处理气体，还包括一个输出端输出处理气体；流量控制器包括一个输入端接收来自压力调节器的处理气体，还包括一个输出端连接到反应腔；其特征在于，在压力调节器输出端与流量控制器输入端之间还连接有储气腔，所述储气腔内的储气空间大于5立方厘米。通过本发明储气腔的设置可以避免在气体流通瞬间产生气流过冲。
其中压力调节器输出端与流量控制器输入端之间还包括至少一个气体监控装置，所述气体监控装置选自气压计、气体过滤器、气动阀门三种部件之一，或者多种部件的串联组合，其中本发明的储气腔可以设置在气体监控装置前端或后端，也可以串联在气体监控装置中两个部件之间。
可以包括一个手动阀门联通在气源和压力调节器输入端之间，可以实现供气系统的手动开关。
其中本发明储气空间是一个储气筒或者也可以是具有预定长度的气体管道。本发明供气系统用于循环交替进行的刻蚀步骤和沉积步骤的刻蚀工艺，在晶体硅基片上刻蚀形成深度大于30um的深孔，在这种Bosch刻蚀工艺中本发明能抑制频繁出现的气流过冲的产生，显著的改善气流稳定性。
附图说明
图1a是现有技术供气系统示意图；
图1b是现有技术中供气系统开通瞬间的气压和流量波形图；
图2a是本发明实施例的供气系统示意图；
图2b是本发明实施例中供气系统开通瞬间的气压和流量波形图；
具体实施方式
请继续参考图1a，如图1a所示在气体开始向反应腔100流动瞬间由于流量控制器40先于压力调节器20开启流通通道，压力调节器20反应速度慢于下游的流量控制器40，这一反应速度的差距导致气流会存在过冲现象。要解决这一问题的最简单方法是设计反应速度能够足够快的压力调节器，但是在现有技术水平下，要使压力调节器20的响应速度达到或超过MFC的响应速度成本会非常高，而其所起的作用只是保证开通瞬间不会出现气流过冲，成本与效果严重不匹配。所以本发明提出了一种简单有效，而且成本低廉的解决方案。请参考图2a，本发明在图1a所示的供气系统内添加了一个储气腔90，该储气腔90连接在压力调节器20的输出端和监控装置30的输入端之间。由于储气腔90的存在，在气体开始流通前大量气体被储存在储气腔90内。当气体开始流通进入反应腔100时，流量控制器40内的气体首先被抽走，储气腔90内的气体随后也开始被抽走。由于储气腔90腔内空间足够大，（典型的具有内部容积5-100立方厘米，最佳的大于10立方厘米）在压力调节器开始工作控制整个管道内的气压前的1秒内，压力调节器输出端的气压会相对缓慢的下降，如图2b中的气压曲线52所示，在开始流通1秒时（X2点），管道内的气压会均匀的降至38psia，不会如图1b中所示的现有技术气压急剧下降，在1秒时也就是图1b中X1点时降至28.7psia。随后压力调节器的开始控制管道内的气压，最后经过平缓的曲线达到目标气压。由于压力调节器内没有出现气压过冲，所以伴随气压过冲出现气体流量过冲也消失了。如图2b所示，气体流量波形51显示采用本发明供气系统后气体流量是快速上升，直到达到预定流量，中间只有轻微的跳变，但是其突变的量远小于工艺需要的标准1%。
本发明中的储气腔90可以是一个桶状部件，该桶状部件至少包括一个输入端接收来自压力调节器20输出的气体，还包括一个输出端将气体输出都下游的流量控制器40。储气腔90也可以是一段螺旋状管道或者其它形状、口径的管道或者容器，只要其内部容积能大于5立方厘米就能保证本发明效果的实现。
本发明储气腔90除了如图2a所述可以设置在监控装置30前端，也可以设置在该监控装置30的后端，或者在监控装置内任意两个部件之间。本发明储气腔90只要能连接在压力调节器输出端和流量控制器40的输入端之间就能起到抑制管道内气压过冲和流量过冲的作用，监控装置可以连接在整个流通管道的其它部位。
本发明可以应用于各种半导体处理装置的供气系统，特别是需要执行频繁开关供气系统以进行处理工艺的半导体处理装置。典型的如进行Bosch刻蚀法的等离子刻蚀器，在处理过程中需要快速切换不同的气体供应到反应腔中。美国专利US6924235和US5501893均介绍典型的Bosch刻蚀工艺，用于在晶体硅基片上刻蚀形成TSV（Through Silicon Via）深孔，其孔的深度均大于30um。在Bosch刻蚀工艺中，刻蚀气体和沉积气体循环交替的供应到反应腔中，每次刻蚀步骤完成时，刻蚀气体会被关闭或者被直接排入抽真空通道，直到沉积步骤完成再次进行刻蚀步骤。每个步骤执行时间只有1-6秒，所以如果采用现有技术每个步骤中气体流量都会存在不可测的过冲，这会对整个工艺的精确调控带来很大的干扰。利用本发明提供的供气系统能够使得在进行TSV刻蚀时具有更高精度的气体流量和刻蚀效果。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (7)

1.一种半导体处理装置的供气系统，其特征在于，包括：
压力调节器，流量控制器，反应腔；
压力调节器包括一个输入端接收来自气源的处理气体，还包括一个输出端输出处理气体；
流量控制器包括一个输入端接收来自压力调节器的处理气体，还包括一个输出端连接到反应腔；
其特征在于，在压力调节器输出端与流量控制器输入端之间还连接有储气腔，所述储气腔内的储气空间大于5立方厘米。
2.如权利要求1所述供气系统，其特征在于，所述压力调节器输出端与流量控制器输入端之间还包括至少一个气体监控装置，所述气体监控装置选自气压计、气体过滤器、气动阀门三种部件之一，或者所述三种部件中任意多种部件的串联组合。
3.如权利要求2所述供气系统，其特征在于，还包括手动阀门联通在气源和压力调节器输入端之间。
4.如权利要求1所述供气系统，其特征在于，所述储气空间是一个储气筒。
5.如权利要求1所述供气系统，其特征在于，所述储气空间是具有预定长度的气体管道。
6.如权利要求1所述供气系统，其特征在于，所述储气空间大于5小于100立方厘米。
7.一种处理气体供气系统，其特征在于，如权利要求1所述的供气系统用于循环交替进行的刻蚀步骤和沉积步骤，在晶体硅基片上刻蚀形成深度大于30um的深孔。
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