CN103866399B - 一种含有气流控制装置的去耦反应离子刻蚀设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含有气流控制装置的去耦反应离子刻蚀设备，通过在设备双反应腔室底部公用的排气口内密封设置带有均匀密布气孔的整流罩，对伺服压力阀门上方的气体先进行整流，极大改善了整流罩上方气体的均匀性和稳定性。气体经整流后，左、右腔室的压力得以保持一致，改善了产品的均一性，同时，聚合物也不会产生在腔室间聚集不同步的现象，使腔室间环境保持一致，提高了工艺的稳定性，并延长设备清扫的周期，因而提高了设备的生产效率，降低了设备维护费用。

Description

一种含有气流控制装置的去耦反应离子刻蚀设备

技术领域

本发明涉及一种半导体集成电路制造领域的去耦反应离子刻蚀设备，更具体地，涉及一种用于半导体去耦反应离子刻蚀设备改善腔体压力和气体均匀性的含有气流控制装置的去耦反应离子刻蚀设备。

背景技术

去耦反应离子刻蚀(Decouple Reaction Ion Etching，DRIE)设备是半导体微纳器件制备的重要设备，其原理是在有反应气体的腔室内，通过辉光放电使之形成低温等离子体，对晶圆表面未被掩蔽部分进行腐蚀的设备，是利用活性离子对衬底的物理轰击与化学反应的双重作用进行刻蚀的。

现有的DRIE设备，例如AMEC(中微半导体设备有限公司)的一种设备采用Dualstage(多种设备有类似设计)设计，即在一个腔体内具有双反应腔室，可同时处理2枚wafer(晶圆)。每个腔室设有独立的射频发生器，并可消除耦合作用，实现各腔室均匀度的分别控制和刻蚀终点控制，使每片wafer可以在独立的反应环境中被刻蚀处理。

图1是现有技术的AMEC的一种DRIE设备腔体部分的结构示意图。图中设备的腔体上部分隔成相互独立的左、右腔室1、4，2枚wafer2、3分别放置在左、右腔室内，相互分隔开。二个腔室完全独立，只通过设置在腔体底部5正中公用的排气口6相连接。排气口下方设有伺服压力阀，用于调节腔室内的压力；阀门7下方连通排气系统的排气管路8。图中箭头代表腔体内气流的方向。

在实际应用中，使用的伺服压力阀的形式通常是钟摆阀，在调节压力特别是低压时，由于阀门开启会有一定的角度，必然是会偏向一侧。阀门开启时的不对称，使其下部排气系统对左、右腔室的实际抽气速率并不一致。图2是图1中DRIE设备的伺服压力阀为钟摆阀时的阀门开启状态示意图。如图所示，当钟摆阀的阀门7按图中左侧箭头方向向左开启时，阀门7其实是沿支点12作一个如图中上方箭头指示的扇形展开，可见阀口左、右部分的开口先后差别明显(向右开启类推)。这使得阀门上方的右腔室气体流通更为顺畅，而左腔室气体会有阻塞现象。这样会造成2片wafer所处腔室压力变化不完全一致，实际压力伺服过程有先后区别。

在工艺的后段刻蚀过程中，多采用低压工艺，对压力变化非常敏感。当上述阀门开启角度发生变化、特别是处于刚开启的小角度时，腔室间压力会有短暂的差异。在多步骤的工艺转换中，由于腔室间压力伺服存在时间差，导致左、右腔室间的wafer会造成差异，影响产品的均一性。

压力的不同步，还会影响气体的均匀性，导致Polymer(聚合物)聚集的不同步，使腔室环境发生差异。在钝化膜TiN刻蚀(Passivation Al)工艺过程中，排气能力较差的腔室，聚合物不能被完全抽走，随射频时间增长逐渐堆积并形成翘曲，经过一定时间后，翘曲的聚合物会开始剥落。上述缺陷会造成腔室使用寿命降低，进而使整个腔体使用寿命下降，生产率降低，维护成本提高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种能改善去耦反应离子刻蚀设备腔体压力和气体均匀性的含有气流控制装置的去耦反应离子刻蚀设备，通过在调压阀上方的公用排气口内设置整流罩，对阀门上方气体进行整流，极大改善了整流罩上方气体的均匀性。气体经整流后，可使左、右腔室压力变化保持一致，改善产品的均一性，并使腔室间环境保持一致。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种含有气流控制装置的去耦反应离子刻蚀设备，所述刻蚀设备的腔体具有左、右独立的双反应腔室，所述腔体底部正中设有公用的排气口，所述排气口下方设有伺服压力阀，所述伺服压力阀连通其下方排气系统的排气管路，其特征在于，所述气流控制装置在所述伺服压力阀上方的所述双反应腔室底部正中公用的所述排气口内设置整流罩，所述整流罩与所述排气口内壁相固连；所述整流罩为倒置的圆台形或喇叭口形中空结构，其下端为开口，封闭的水平上表面具有许多密布的气孔；所述伺服压力阀为钟摆阀，用于调节腔室内的压力，所述钟摆阀的阀门沿水平的左、右方向开闭；所述整流罩控制所述腔体底部的气流均匀通过所述气孔，并按垂直方向经过所述钟摆阀进入所述排气管路；其中，当所述整流罩为倒置的圆台形时，所述圆台形的底部朝向上方，当所述整流罩为喇叭口形时，所述喇叭口端朝向上方。设置整流罩后，可对阀门上方的气体先进行整流，极大改善了整流罩上方气体的均匀性和稳定性，从而消除了原先因阀门开启角度的不对称，造成各腔室压力变化的不完全一致、实际压力伺服过程有先后的缺陷。气体经整流后，左、右腔室的压力得以保持一致，改善了产品的均一性；同时，压力一致表示给排气一致，两个腔室的排气能力达到一致状态，聚合物也不会产生在腔室间聚集不同步的现象，使腔室间环境保持一致，提高了工艺的稳定性，并延长了设备清扫的周期。因此，本发明的应用提高了设备的生产效率，降低了设备维护费用。

进一步地，所述气孔为栅格形或圆形，可以起到较好的整流效果。

进一步地，所述气孔为栅格形或圆形，所述气孔的孔口设有倒角。

进一步地，所述气孔为栅格形或圆形，所述气孔的孔口设有圆角。倒角或圆角(R角)可起到较好的导入气流的作用。

进一步地，所述整流罩的上表面具有许多密布的气孔，所述气孔为栅格形或圆形，所述气孔在整流罩的上表面均匀分布，由所述上表面中心呈圆形或多边形展开，以提高经入气流的均匀性和稳定性。

进一步地，所述整流罩的上端外壁与所述排气口的内壁密封连接，以避免气流从整流罩外壁与排气口内壁间的缝隙泄漏，影响整流效果。

从上述技术方案可以看出，本发明通过在去耦反应离子刻蚀设备双反应腔室底部公用的排气口内密封设置带有均匀密布气孔的整流罩，对伺服压力阀门上方的气体先进行整流，极大改善了整流罩上方气体的均匀性和稳定性。气体经整流后，左、右腔室的压力得以保持一致，改善了产品的均一性；同时，聚合物也不会产生在腔室间聚集不同步的现象，使腔室间环境保持一致，提高了工艺的稳定性，并延长了设备清扫的周期。实验表明：

1、采用现有技术时，在钝化膜TiN刻蚀(Passivation Al)工艺过程中，排气能力较差的腔体，聚合物不能被完全抽走，随射频时间增长逐渐堆积并形成翘曲，约100射频小时后，翘曲聚合物开始剥落。采用本发明后，两个腔室内聚合物堆积缓慢并均匀，可以达到150-180射频小时再清扫。

2、采用现有技术时，两个腔室在初始压力设定(200-300mt)后，5s后达到设定值，3-5mt的波动继续存在时间为5s。采用本发明后，初始压力设定5s后达到设定值，2mt的波动存在时间为3s。本发明有更稳定的压力表现。

因此，本发明的应用改善了产品的均一性，使腔室间环境保持一致，提高了工艺的稳定性，并延长了设备清扫的周期，因而提高了设备的生产效率，降低了设备维护费用。

附图说明

图1是现有技术的AMEC的一种DRIE设备腔体部分的结构示意图；

图2是图1中DRIE设备的伺服压力阀为钟摆阀时的阀门开启状态示意图；

图3是本发明的含有气流控制装置的去耦反应离子刻蚀设备结构示意图；

图4是本发明的气流控制装置整流罩的一种结构示意图；

图5是图4中整流罩与图3的DRIE设备的排气口和钟摆阀的配合状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

在本实施例中，先通过图1、2介绍一下现有技术的情况。请参阅图1，图1是现有技术的AMEC的一种DRIE设备腔体部分的结构示意图。如图所示，设备的腔体上部分隔成相互独立的左、右腔室1、4，2枚wafer2、3分别放置在左、右腔室内，相互分隔开。二个腔室完全独立，只通过设置在腔体底部5正中公用的排气口6相连接。排气口下方设有伺服压力阀，用于调节腔室内的压力；阀门7下方连通排气系统的排气管路8。图中箭头代表腔体内气流的方向。

请参阅图2，图2是图1中DRIE设备的伺服压力阀为钟摆阀时的阀门开启状态示意图。如图所示，当钟摆阀的阀门7按图中左侧箭头方向向左开启时，阀门7其实是沿支点12作一个如图中上方箭头指示的扇形展开，可见阀口左、右部分的开口先后差别明显(向右开启类推)。这使得阀门上方的右腔室气体流通更为顺畅，而左腔室气体会有阻塞现象。这样会造成2片wafer所处腔室压力变化不完全一致，实际压力伺服过程有先后区别。

上述现有技术的设备在腔室压力和气体控制方面存在的缺陷，在前述的背景技术里已作详细描述，不再赘述。

下面介绍本发明的具体实施方式。

请参阅图3，图3是本发明的含有气流控制装置的去耦反应离子刻蚀设备结构示意图。如图所示，设备的腔体上部分隔成相互独立的左、右腔室1、4，2枚wafer2、3分别放置在左、右腔室内，相互分隔开。二个腔室完全独立，只通过设置在腔体底部5正中公用的排气口6相连接。排气口下方设有钟摆阀，用于调节腔室内的压力；钟摆阀的阀门7下方连通排气系统的排气管路8。本发明的气流控制装置包括整流罩9，竖直设于DRIE设备腔体下部5的排气口6内。排气口6的形状为上大下小的喇叭口形，整流罩9的形状同样为喇叭口形，整流罩9的上端外径略小于排气口6上端的内径。这样，整流罩可以水平放置在排气口上端部位，利用相互间的形状特点与排气口压紧配合，且不会掉落。当然，也可以采用其他方式进行连接。为避免气流从整流罩外壁与排气口内壁间的缝隙泄漏，影响整流效果，在整流罩的上端外壁与排气口的内壁配合处装有密封圈10。

请参阅图4，图4是本发明的气流控制装置整流罩的一种结构示意图。如图所示，整流罩的形状为上大下小的喇叭口形，内部为中空结构。整流罩的下端为开口，封闭的水平上表面加工有许多密布的气孔11。气孔的形状为圆形，可以起到较好的整流效果。气孔的孔口设有圆角(R角，图略)，可起到较好的导入气流的作用。气孔在整流罩的上表面均匀分布，并由上表面中心呈多边形向外侧方向展开，以提高经入气流的均匀性和稳定性。

请继续参阅图5，图5是图4中整流罩与图3的DRIE设备的排气口和钟摆阀的配合状态示意图。如图所示，DRIE设备的排气口6与排气管路之间装有伺服压力阀，形式为钟摆阀。钟摆阀的阀门沿水平的左、右方向开闭，当阀门7开启时，是向一侧偏转的。因此，会造成下部排气系统对上方二个腔室的实际抽气速率不相一致，并使上方二个腔室压力变化不完全一致，实际压力伺服过程有先后区别。为此，在排气口6内增设一个外形与排气口相同的整流罩9，并通过密封圈10将整流罩上端外壁与排气口内壁密封连接。

整流罩控制腔体底部的气流均匀通过整流罩上表面的气孔，并按垂直方向经过钟摆阀进入排气管路。设置整流罩后，可对阀门上方的气体先进行整流，极大改善了整流罩上方气体的均匀性和稳定性，从而消除了原先因阀门开启角度的不对称，造成各腔室压力变化的不完全一致、实际压力伺服过程有先后的缺陷。气体经整流后，左、右腔室的压力得以保持一致，改善了产品的均一性；同时，压力一致表示给排气一致，两个腔室的排气能力达到一致状态，聚合物也不会产生在腔室间聚集不同步的现象，使腔室间环境保持一致，提高了工艺的稳定性，并延长了设备清扫的周期。因此，本发明的应用提高了设备的生产效率，降低了设备维护费用。

需要说明的是，不同厂商设备的排气口的形状可能并不相同，因此，本发明整流罩的形状可以加工成与所对应的排气口的形状相一致，例如可为倒置的圆台形、圆筒形等，并可与排气口相配合密封安装在排气口内。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种含有气流控制装置的去耦反应离子刻蚀设备，所述刻蚀设备的腔体具有左、右独立的双反应腔室，所述腔体底部正中设有公用的排气口，所述排气口下方设有伺服压力阀，所述伺服压力阀连通其下方排气系统的排气管路，其特征在于，所述气流控制装置在所述伺服压力阀上方的所述双反应腔室底部正中公用的所述排气口内设置整流罩，所述整流罩与所述排气口内壁相固连；所述整流罩为倒置的圆台形或喇叭口形中空结构，其下端为开口，封闭的水平上表面具有许多密布的气孔；所述伺服压力阀为钟摆阀，用于调节腔室内的压力，所述钟摆阀的阀门沿水平的左、右方向开闭；所述整流罩控制所述腔体底部的气流均匀通过所述气孔，并按垂直方向经过所述钟摆阀进入所述排气管路；其中，当所述整流罩为倒置的圆台形时，所述圆台形的底部朝向上方，当所述整流罩为喇叭口形时，所述喇叭口端朝向上方。

2.如权利要求1所述的含有气流控制装置的去耦反应离子刻蚀设备，其特征在于，所述气孔为栅格形或圆形。

3.如权利要求1或2所述的含有气流控制装置的去耦反应离子刻蚀设备，其特征在于，所述气孔为栅格形或圆形，所述气孔的孔口设有倒角。

4.如权利要求1或2所述的含有气流控制装置的去耦反应离子刻蚀设备，其特征在于，所述气孔为栅格形或圆形，所述气孔的孔口设有圆角。

5.如权利要求1所述的含有气流控制装置的去耦反应离子刻蚀设备，其特征在于，所述整流罩的上表面具有许多密布的气孔，所述气孔为栅格形或圆形，所述气孔在整流罩的上表面均匀分布，由所述上表面中心呈圆形或多边形展开。

6.如权利要求1所述的含有气流控制装置的去耦反应离子刻蚀设备，其特征在于，所述整流罩的上端外壁与所述排气口的内壁密封连接。