CN103997843A - 一种改进气体分布的等离子体反应器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种改进等离子体分布的等离子体反应器，在所述封闭壳体内的所述基片支撑装置上方和所述气体注入器下方设置中心挡板和边缘挡板，可以同时对从气体外围喷口和中心喷口处注入反应腔的气体进行限制和/或引导，以根据反应工艺需要对反应气体进行均匀性分布控制。所述中心挡板和边缘挡板的结构、尺寸、位置可以有多种变形实施例，本领域技术人员可以根据实际工艺需要选择合适的挡板。

Description

一种改进气体分布的等离子体反应器

技术领域

本发明涉及等离子体反应器，特别是涉及电感耦合反应器中的气体均一分布的设计。 

背景技术

等离子体反应器或反应腔在现有技术中是公知的，并广泛应用于半导体集成电路、平板显示器，发光二极管（LED），太阳能电池等的制造工业内。在等离子腔中通常会施加一个射频电源以产生并维持等离子于反应腔中。其中，有许多不同的方式施加射频功率，每个不同方式的设计都将导致不同的特性，比如效率、等离子解离、均一性等等。其中，一种设计是电感耦合（ICP）等离子腔。 

在电感耦合等离子处理腔中，一个通常是线圈状的天线用于向反应腔内发射射频能量。为了使来自天线的射频功率耦合到反应腔内，在天线处放置一个绝缘材料窗口。反应腔可以处理各种基片，比如硅晶圆等，基片被固定在夹盘上，等离子在基片上方产生。因此，天线被放置在反应器顶板上方，使得反应腔顶板是由绝缘材料制成或者包括一个绝缘材料窗口。 

在等离子处理腔中，各种气体被注入到反应腔中，以使得离子和基片之间的化学反应和/或物理作用可被用于在所述基片上形成各种特征结构，比如刻蚀、沉积等等。在许多工艺流程中，一个很重要的指数是晶圆内部的加工均一性。也就是，一个作用于基片中心区域的工艺流程应和作用于基片边缘区域的工艺流程相同或者高度相近。因此，例如，当执行工艺流程时，晶圆中心区域的刻蚀率应与晶圆边缘区域的刻蚀率相同。 

一个有助于获得较好工艺均一性的参数是在反应腔内均匀分布的处理气体。要获得这样的均一性，许多反应腔设计采用安装在晶圆上方 的气体喷淋头，以均匀的注入处理气体。然而，如上所述，在电感耦合（ICP）反应腔顶板必须包括一个使射频功率从天线发射到反应腔中的绝缘窗。因此，ICP的结构中并没有给气体喷淋头留出相应的空间来实现其气体均匀注入的功能。 

图1示出了现有电感耦合反应腔设计的截面图。ICP反应腔100包括基本呈圆筒状的金属侧壁105和绝缘顶板107，构成可被抽真空器125抽真空的气密空间。基座110支撑夹盘115，所述夹盘115支撑待处理的基片120。来自射频功率源145的射频功率被施加到呈线圈状的天线140。来自气源150的处理气体通过管线155被供应到反应腔内，以点燃并维持等离子，并由此对基片120进行加工。在标准电感耦合反应腔中，气体通过在反应腔周围的注入器/喷头130和中间的喷头135之一或者两者一同注入来供应到真空容器内的。 

从图1可知，来自外围喷头130的气体被大量抽出了120的表面。因此，从外围喷头130注入的大量气体可能实现对晶圆边缘区域的处理，但是几乎没有能达到晶圆120的中心区域，这会导致不均一性。相反地，中心喷头135注入的大量气体集中在晶圆中心并没有到达边缘区域，也会造成不均一性。 

因此，业内需要一种改进电感耦合反应腔设计，可以优化反应腔内的气体分布以改进加工工艺的均一性。 

发明内容

本发明的发明内容只提供一个对本发明部分方面和特点的基本理解。其不是对本发明的广泛概述，也不是用于特别指出本发明的关键要素或者示意发明的范围。其唯一的目的是简化的呈现本发明的一些概念，为后续详细的描述本发明作铺垫。 

根据本发明的一个方面，提供了一种改进气体分布的等离子体反应器，包括：封闭壳体，其包括顶板，所述顶板构成一绝缘材料窗；基片支撑装置，设置于所述封闭壳体内的绝缘材料窗下方；射频功率发射装置，设置于所述绝缘材料窗上方，以发射射频能量到所述封 闭壳体内；气体注入器，用于向所述封闭壳体内供应等离子体处理气体，挡板，设置于所述封闭壳体内以及所述基片支撑装置上方和所述气体注入器下方，以限制处理气体的流动；所述挡板包括边缘挡板和中心挡板，所述中心挡板位于所述边缘挡板内侧。 

优选的，所述边缘挡板和所述中心挡板通过固定杆固定连接。 

优选的，所述边缘挡板和所述中心挡板之间的连接装置为一支撑架，所述支撑架与所述边缘挡板固定连接，所述中心挡板放置在所述支撑架上方。 

优选的，所述边缘挡板和所述中心挡板通过机械臂连接，所述机械臂可以伸缩移动，实现所述中心挡板相对于所述边缘挡板的位置可调。 

优选的，所述边缘挡板和所述中心挡板分别与所述封闭壳体的侧壁和绝缘顶板机械连接，所述中心挡板位置上下可调。 

优选的，所述中心挡板的形状大致为圆形，所述边缘挡板的形状大致为环形，所述中心挡板和所述边缘挡板位于同一平面或不同平面内。 

优选的，所述中心挡板上设置若干个通气孔。 

优选的，所述边缘挡板位置可以上下移动。 

优选的，所述边缘挡板和所述中心挡板材料可以为阳极化的铝、陶瓷和石英的任一项。 

本发明优点在于：在所述封闭壳体内的所述基片支撑装置上方和所述气体注入器下方设置中心挡板和边缘挡板，可以同时对从气体外围喷口和中心喷口处注入反应腔的气体进行限制和/或引导，以根据反应工艺需要对反应气体进行均匀性分布控制。所述中心挡板和边缘挡板的结构、尺寸、位置可以有多种变形实施例，本领域技术人员可以根据实际工艺需要选择合适的挡板。 

附图说明

附图作为本发明说明书的一部分，例证了本发明的实施例，并与说明书一起解释和说明本发明的原理。附图用图解的方式来解释举例实施 例的主要特征。附图不是用于描述实际实施例所有特征也不用于说明图中元素间的相对尺寸，也不是按比例绘出。 

图1是现有技术的电感耦合反应腔的截面图; 

图2是本发明实施例的电感耦合反应腔的截面图; 

图3是本发明第二实施例的电感耦合反应腔的截面图; 

图4是本发明第三实施例电感耦合反应腔的截面图； 

图5是本发明第四实施例电感耦合反应腔的截面图； 

图6是本发明第五实施例电感耦合反应腔的截面图； 

图7是本发明第六实施例电感耦合反应腔的截面图； 

图8是根据本发明上述任一实施例的变形实施例的截面图，目的在于更好的控制中心喷头的气体分布； 

图9是根据本发明上述任一实施例的变形实施例的截面图，目的在于更好的控制中心喷头的气体分布。 

具体实施方式

本发明涉及电感耦合等离子体腔的实施例改进了均一性，特别是气体分布的均匀性。本发明实施例中的反应腔中添加了预设装置使喷头中流出的气体被重新引导流动方向，以改进反应腔中的气体分布，从而使得晶圆上的均一性得到了改善。 

下文将结合图2对本发明的一个实施例进行详细描述。图2示出根据本发明一个实施例的等离子处理装置200。除了2XX系列附图标记外，图2中示出的对应于图1中的要素具有相同的附图标记。应当理解，其中的反应腔装置200仅仅是示例性的，所述200装置实际上也可以包括更少或额外的部件，部件的排列也可以不同于图2中所示出。 

图2示出了根据本发明第一实施例的ICP反应腔的截面图，其执行了气体受控流动的特点。ICP反应腔200包括金属侧壁205和绝缘顶板207，构成一个气密的真空封闭壳体，并且由抽真空泵225抽真空。所述绝缘顶板207仅作为示例，也可以采用其它的顶板样式，比如穹顶形状的，带有绝缘材料窗口的金属顶板等。基座210支撑夹盘215，所述 夹盘上放置着待处理的基片220。偏置功率被施加到所述夹盘215上，但是由于与揭露的本发明实施例无关，在图2中未示出。所述射频电源245的射频功率被施加到天线240，该天线基本是线圈状的。 

处理气体从气源250经过管线225被供应到反应腔内，以点燃并维持等离子，从而对基片220进行加工。在本实施例中，气体通过外围注入器或喷头230被供应到真空空间中，但是额外的气体也可以选择性的从中心喷头235注入反应腔。如果气体从注入器230和喷头235同时供应，每个的气体流量都可独立控制。任何这些用于注入气体的设置可称为等离子气体注入器。在图2中，挡板270设置于反应腔中以限制和/或引导散发自气体喷头230的气体流动。根据附图标记所示，在上述实施例中挡板基本是中间带孔或开口的圆盘形。所述挡板位于气体喷头下方但是在基片所在位置上方。这样，气体在向下流向基片前被限制为进一步流向反应腔中间，如图中虚线箭头所示。 

通常地，所述挡板270可由金属材料制成，如阳极化的铝。用金属材料来制造挡板能够有利于限制所述挡板上方的等离子体，因为来自线圈的射频能量被所述挡板阻挡了传播。另一方面，所述挡板270也可以是由绝缘材料制成，比如陶瓷或石英。在采用绝缘档板的实施例中，来自线圈的射频（RF）能量能够穿过所述挡板，使得等离子体能够被维持在所述挡板下方（虚线部分显示），其依赖于到达所述挡板下方的气体量。 

在部分应用场景下，需要进一步限制气体流动使得气体有更多时间位于晶圆中心位置上方，以保证在整个晶圆上方获得足够的等离子解离。得益于上述应用的实施例在图3中示出。除了编号为3XX系列的附图标记外，图3与图2中相同的要素具有相同的附图标记。如图3及图3中附图标记所示，本实施例的挡板372具有圆盘形的外形并具有一个环形竖直方向延伸部373，基本呈一圆筒形状。竖直延伸部与基片间构成一个间隙374，通过该间隙气体可以流到边缘，比如流向腔体内超过基片外围的区域。所述间隙374的尺寸确定了基片上方气体的流动以及气体流过所述基片所需的时间，以使得气体被等离子解离。 

在图3所示的实施例中，环形开口的直径d的尺寸可与基片直径相同，或者大于或小于所述基片直径。所述环形开口的直径取决于所需的气体流动限制。同时，因为竖直方向环形延伸部设置为与圆盘形基片呈直角，所述环形延伸部373的开口直径与环形盘372本身的开口直径相同。 

另一方面，有时需要限制气体从圆环向基片流出，但是一旦气体向所述基片方向流动，有时也需要强化气体在水平方向上向腔体外围流动。一个得益于上述设置的设计由附图4示出。在图4中，挡板475由一个环型部和一个圆锥形延伸部476构成，所述圆锥形延伸部476具有上开口直径d，其小于所述圆锥形延伸部476的下开口直径d’，其中所述下开口靠近基片。设置了下开口以定义间隙477，气体通过该间隙在水平方向朝反应腔侧壁流动。锥形部分的侧壁与环形部之间构成夹角φ，其中该夹角φ小于90度。 

在上述的任一实施例中，有时可能需要让部分气体在到达挡板中心开口前流出。图5示出了第四实施例是对图2所示实施例的部分修改。如图5所示，挡板578是带有一个中心开口盘型结构，有些类似于图2所示的挡板272。所述中间开口的直径可与图2中的相同或不同。此外，辅助/次级开口589设置在所述中心开口边，以使得部分气体在到达所述中心开口前下漏。所述次级开口的直径可小于所述中心开口的直径。所述次级开口可以应用到前述任一实施例，并且可在中心开口周围均匀设置。比如，图5示出了与图3中的挡板类似的改进的挡板580，除了在延伸部周围添加了次级开口的安排，以使得气体在到达中心开口前下漏并流向所述延伸部。 

在上述实施例中，所述挡板用于控制处理气体的流动。此外，所述挡板也可用于被动地控制等离子。通常，等离子可以通过所述挡板上的孔洞扩散到反应腔下部。所述孔洞越大，所述等离子浓度越高。通过改变所述孔洞的数量和位置，在反应腔中分布的等离子浓度也可同时改变。所述挡板也可用于主动控制所述等离子。图6示出了上述实施例。 

在图6所示的实施例中，挡板680用于主动控制等离子。如图所示， 次级天线682嵌入所述挡板680中。所述辅助天线可为线圈状。如图所示，所述天线可为单圈线圈的（图中用虚线示出），但也可采用其它设计。所述辅助天线可以同主天线一样采用电源645（虚线箭头所示）供电，或者采用一个不同的射频电源647供电。不管采用何电源供电，施加到所述辅助天线682上的功率幅度（amplitude）是独立于施加到主天线640的电源功率之外来控制的。 

根据上述实施例，所述挡板680是由绝缘材料制成，且所述线圈嵌入该绝缘材料。比如，挡板680可以是由烧结的陶瓷材料制成，其中金属线圈嵌入所述陶瓷材料。如此，来自次级线圈的功率可施加于挡板上方和下方的等离子。另一方面，根据另一实施例，所述挡板680也可由一面是绝缘材料另一面是导体材料制成，以使得射频功率只能施加到挡板的其中一面。比如，所述挡板680的上层可由导体材料制成，以便来自次级线圈682的射频功率仅施加到所述挡板下方的等离子中。这种设计可由图6示出，其中线圈682嵌入陶瓷盘685，使得所述线圈中产生的射频能量可施加到所述挡板下方的等离子，但导体盘683设置于所述陶瓷盘685上方，使得来自所述线圈682的射频能量无法施加于所述挡板上方。此外，这种设计结构也会阻挡主线圈640产生的射频能量施加于所述挡板680下方。因此，所述主天线640的射频能量可被调整（如频率，功率等）以控制所述挡板680上方的等离子，同时次级天线680的射频能量可调整来控制所述挡板下方的等离子。 

前述任何实施例都可作近一步改进，使挡板成为可移动的。这种设计由图6示出。图6中的步进电机690通过例如齿条和齿轮之类机构耦合到挡板680，使得所述步进电机690能够通电并竖直地驱动所述挡板上下移动，使得所述挡板680和基片620之间的空隙可被调整。 

图7示出另一实施例的电感耦合等离子体反应腔横截面示意图，目的在于克服径向不对称问题。例如，某些设计的反应腔内部空间与待处理基片的中心轴不对称，这会导致电荷或/和中性粒子在等离子体中分布不对称。尽管离子的分布可以通过射频电源耦合控制，但中性粒子的分布不受射频电源耦合影响，而是更多地依赖于反应腔内的气流。因此， 在图7所描述的实施例中，挡板772被设计用于改变气流以此来控制中性自由基的流动。 

如图7所示，挡板772包括一个侧壁773，侧壁773沿隔板（绝缘圆盘）771向上延伸，即，侧壁773从隔板771开始沿着远离待处理基片并且朝着反应腔顶板的方向延伸。反应气体被注入到顶板和挡板772之间，使得侧壁773对气流形成一个屏障。然而，根据附图标记A-C所示的例子显示，所述的屏障径向不对称，能够使得气流在某些径向区域高于另外一些径向区域。除了附图标记A-C所示的例子外，所述的屏障还可以有其它变化形式。可选择地，类似图6的实施方式，挡板772的隔板（绝缘圆盘）771还包括有射频天线（未图示）埋设于内，一个导体盘（未图示）设置于挡板772的一侧以阻止射频辐射穿过挡板772。 

在附图标记A描述的实施例中，侧壁773不对称。即，侧壁高度h1高于其对面侧壁h₂的高度。当然，最小高度和最大高度并非一定位于相对立的位置。相反，在需要气流较高的区域，所述侧壁的高度较小。此外，尽管附图标记A中显示的高度是逐渐变化的，但这也不是必须的。相反，所述侧壁的高度可以突然变化，例如，采用台阶式设计。 

可选择的，如附图标记B所示的实施例中，为控制气流，可以在侧壁773上设置若干孔。在附图标记B所示的实施例中，孔在侧壁的分布被设置成不均匀，从而产生不均匀的气流。特别地，在附图标记B所示的实施例中，孔在左边的数量多于右边的数量。然而，可替换的或者可补充的，如附图标记C所示的实施例，孔的大小或形状可以改变，从而使得气流分布不均匀。 

上述描述的实施例中，所述挡板X70(X表示上述任一实施例中后缀序号表示的该部件，下同)，用于对从外围喷头X30注入的气体进行控制，并起到良好的均匀性分布控制效果。在电感耦合等离子体反应腔内，反应气体除从外围喷头X30注入反应腔外还可以从中心喷头X35进入反应腔。中心喷头X35注入的大量气体集中在晶圆中心并没有到达边缘区域，也会造成不均一性。在图8所示的实施例中，所述的挡板870包括边缘挡板872和中心挡板875，边缘挡板872可以为上述实施例中任一X70系列的挡板，中心挡板875位于边缘挡板872内侧，通过机械臂或 者其他连接装置与边缘挡板872或顶板807相连，其可以和边缘挡板872位于同一水平面，也可以为不同水平面。 

中心挡板875设置于反应腔中以限制和/或引导散发自中心喷头235的气体流动，用于对从中心喷头注入的气体进行均匀性分布控制，形状大致为圆形，可以位于中心喷头的正下方，也可以根据基片820表面气体分布需要将中心挡板875位置进行上下或水平方向的移动，中心挡板875位置进行上下或水平方向移动时，其在绝缘顶板807上的投影总是位于边缘挡板872在绝缘顶板807上的投影的内侧。中心挡板875和边缘挡板872通过连接装置相连，所述连接装置通常为固定杆876，将中心挡板875和边缘挡板872固定连接，只有当打开反应腔，取出中心挡板875和边缘挡板872时，才能进行挡板替换或位置移动。在某些实施例中，所述连接装置为可移动的机械臂，机械臂的数量至少为一个，特别的，机械臂在中心挡板875和边缘挡板872之间对称分布。机械臂可以前后伸缩，上下移动，机械臂连接一控制装置（图中未示出），通过调节控制装置实现机械臂的前后伸缩，上下移动，从而实现中心挡板的位置可调。在另外的实施例中，中心挡板875和边缘挡板872之间的连接装置为一支撑架，所述支撑架与边缘挡板固定连接，中心挡板放置在所述支撑架上方，通过选择不同尺寸的中心挡板和放置在支撑架的不同位置实现对气流分布的调节。 

图9所示的实施例中，中心挡板975通过连接装置976和绝缘顶板907相连，连接装置976包括至少两条悬挂中心挡板的绳索或直杆，所述绳索或直杆可以采用本领域技术人员常用的技术手段与中心挡板975和绝缘顶板907相连，并可以控制中心挡板975上下移动。本实施例所述的边缘挡板972可以采用上述实施例的任一实施方式，边缘挡板972和中心挡板976配合使用，共同调节反应腔内反应气体的分布。为了更好的限制和/或引导散发自中心喷头235的气体流动，上述实施例和本实施例的中心挡板上可以设置若干通气孔，通气孔的数量和大小可以根据实际气流分布需要确定，此为本领域技术人员无需经过创造性劳动即可实施的技术手段，在此不予以赘述。 

在一个变形例中，边缘挡板和中心挡板一体设置，边缘挡板和中心挡板之间设置气体流通通道，特别的，气体流通通道在边缘挡板和中心挡板上均匀分布。 

上述实施例中，中心挡板的位置可以通过控制连接装置进行水平方向和垂直方向的移动，以适应不同反应工艺对气流分布的影响。所述中心挡板和边缘挡板的形状和尺寸的变化需要通过打开反应腔换取不同的中心挡板和边缘挡板。 

应该理解，本发明提到的处理流程和技术并不限于提到的特定装置，也可以是实现本发明的多个部件的组合。进一步地，各种类型的通用设备也可以在本发明技术中被采用。本发明描述了多个特定实施例，这些实施例都在各个方面说明了本发明的内容，其并不是对本发明内容的限制。本领域技术人员应当理解，除了本发明所举例子，还有很多不同的组合可以适用本发明。 

此外，本领域技术人员通过对本发明说明书的理解和对本发明的实践，能够容易地想到其它实现方式。本文所描述的多个实施例中各个方面和/或部件可以被单独采用或者组合采用。需要强调的是，说明书和实施例仅作为举例，本发明实际的范围和思路通过下面的权利要求来定义。 

Claims (9)

1.一种改进气体分布的等离子体反应器，包括：

封闭壳体，其包括顶板，所述顶板构成一绝缘材料窗；

基片支撑装置，设置于所述封闭壳体内的绝缘材料窗下方；

射频功率发射装置，设置于所述绝缘材料窗上方，以发射射频能量到所述封闭壳体内；

气体注入器，用于向所述封闭壳体内供应反应气体，

挡板，设置于所述封闭壳体内以及所述基片支撑装置上方和所述气体注入器下方，以限制处理气体的流动；其特征在于，所述挡板包括边缘挡板和中心挡板，所述中心挡板位于所述边缘挡板内侧。

2.根据权利要求1所述的等离子体反应器，其特征在于：所述边缘挡板和所述中心挡板通过固定杆固定连接。

3.根据权利要求1所述的等离子体反应器，其特征在于：所述边缘挡板和所述中心挡板之间的连接装置为一支撑架，所述支撑架与所述边缘挡板固定连接，所述中心挡板放置在所述支撑架上方。

4.根据权利要求1所述的等离子体反应器，其特征在于：所述边缘挡板和所述中心挡板通过机械臂连接，所述机械臂可以伸缩移动，实现所述中心挡板相对于所述边缘挡板的位置可调。

5.根据权利要求1所述的等离子体反应器，其特征在于：所述边缘挡板和所述中心挡板分别与所述封闭壳体的侧壁和绝缘顶板机械连接，所述中心挡板位置上下可调。

6.根据权利要求2-5任一所述的等离子体反应器，其特征在于：所述中心挡板的形状大致为圆形，所述边缘挡板的形状大致为环形，所述中心挡板和所述边缘挡板位于同一平面或不同平面内。

7.根据权利要求6所述的等离子体反应器，其特征在于：所述中心挡板上设置若干个通气孔。

8.根据权利要求1所述的等离子体反应器，其特征在于：所述边缘挡板位置可以上下移动。

9.根据权利要求1所述的等离子体反应器，其特征在于：所述边缘挡板和所述中心挡板材料可以为阳极化的铝、陶瓷和石英的任一项。