CN104103484A - 气体供应装置及等离子体处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等离子体处理装置，包括等反应腔体和水平设置于反应腔体上方的气体供应装置，所述气体供应装置包括环形主体、用于引入反应气体的气体入口、嵌设于所述环形主体内与所述气体入口连通的一个气体通道以及用于排出所述反应气体的多个喷气孔。所述喷气孔的进气口与所述气体通道相连，出气口设于所述环形主体的内侧壁上，其中，所述喷气孔的出气口位于所述气体通道上方，且所述喷气孔的轴心线与所述气体供应装置的轴心线形成第一夹角。本发明能够有效提高反应气体的解离度及产生的等离子体的密度。

Description

气体供应装置及等离子体处理装置

技术领域

本发明涉及半导体加工设备，特别涉及一种气体供应装置及具有该气体供应装置的等离子体处理装置。

背景技术

近年来，随着半导体制造工艺的发展，对元件的集成度和性能要求越来越高，等离子体技术(Plasma Technology)通过使反应气体激发形成的等离子体，被广泛应用在许多半导体工艺，如沉积工艺(如化学气相沉积)、刻蚀工艺(如干法刻蚀)中，其在半导体制造领域中正起着举足轻重的作用。通常来说，在等离子体处理装置中，等离子体一般是由位于反应腔室顶部排出的反应气体经过射频激发形成，然后通过静电夹盘的偏置电压使等离子体轰击位于卡盘上的晶片，从而实现对晶片的刻蚀、沉积等工艺。

图1示出一种等离子体处理装置的结构示意图。等离子体处理装置包括反应腔体2和位于反应腔体2上方的绝缘盖板1，气体供应装置5水平设置于绝缘盖板1和反应腔体4之间，气体供应装置5连接位于反应腔体2之外的反应气体源4，用于将反应气体源4中的反应气体输入反应腔体2中。所述反应腔体2内设有放置待处理半导体晶片的静电夹盘6，静电夹盘6连接射频偏置功率源9。绝缘盖板1上方设置有连接射频功率源8的电感线圈3，射频功率源8产生的感应磁场会在电感线圈3上轴向感应出射频电场，该电场对反应腔体内的电子进行激发，使它们与反应气体的气体分子碰撞产生反应气体的等离子体，该等离子体与半导体晶片反应，以进行刻蚀或淀积等等离子体工艺。反应腔体2与外置的排气装置7（例如真空泵）相连接，用以在处理过程中将用过的反应气体及副产品气体抽出反应腔体2。

图2a和图2b所示为现有技术的一种气体供应装置。如图2a所示，气体供应装置5包括环形主体10，气体入口（图中未示），与气体入口连通的气体通道11以及多个喷气孔12。气体入口与反应气体源4相连，喷气孔12的进气口与气体通道11连通，出气口设于环形主体10的内侧壁上。反应气体通过气体通道11从气体入口输送至每个喷气孔12，从而注入到等离子体反应腔体2。请参考图2a和图2b，在环形主体10的水平面上，喷气孔12为水平设置，朝向环形主体10的中心，因此反应气体直接朝向环形主体10的中心区域排出。

图3a和图3b为现有技术中的另一种气体供应装置。其与上述的气体供应装置的区别在于，喷气孔12垂直于环形主体的水平面，其出气口设于环形主体10的下表面，因此反应气体直接朝向环形主体的下方排出。然而，在上述两种气体供应装置中，由于反应气体排出时具有较大的初始速度且其排出方向为水平朝向气体供应装置中心或垂直向下（如图1中箭头方向所示），加上外置排气装置7通常具有较强的抽气能力，在两者作用下会使得反应气体排出后急速下降，迅速通过电场而未能充分解离，导致反应气体所形成的等离子体密度降低，不利于等离子体处理工艺的进行。

因此，需要提供一种能够使反应气体充分解离的气体供应装置以改善上述缺陷。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种有助于使反应气体充分解离，提高等离子体密度的气体供应装置。

为达成上述目的，本发明提供一种等离子体处理装置，包括等反应腔体和气体供应装置，所述气体供应装置水平设置于所述反应腔体上方，所述气体供应装置包括：环形主体；气体入口，用于将所述反应腔体外的反应气体引入所述反应腔体内；一个气体通道，嵌设于所述环形主体内，与所述气体入口连通；以及多个喷气孔，用于将所述气体通道中的所述反应气体排出到所述反应腔体内，所述喷气孔的进气口与所述气体通道相连，出气口设于所述环形主体的内侧壁上；其中，所述喷气孔位于所述气体通道的上方，且所述喷气孔的轴心线与所述环形主体的轴心线形成第一夹角。

优选的，在所述环形主体的水平面上，所述喷气孔的投影与所述进气口的投影至所述环形主体中心的连线形成第二夹角。

优选的，所述第一夹角为锐角。

优选的，所述第二夹角的范围为大于0度且小于45度。

优选的，所述喷气孔的数量为8～300个。

优选的，所述气体通道为圆环形气体通道，所述多个喷气孔沿所述圆环形气体通道的圆周均匀分布。

优选的，所述喷气孔的横截面为进气口大出气口小的锥形。

优选的，靠近所述气体入口的喷气孔的孔径小于远离所述气体入口的喷气孔的孔径。

优选的，所述气体供应装置的材质为铝合金、钛合金或不锈钢。

根据本发明的另一方面，本发明还提供了一种应用于上述等离子体处理装置的气体供应装置。

本发明的有益效果在于通过气体供应装置中喷气孔的设置，使反应气体向上喷出并可进一步在喷出后沿气体供应装置的周向回旋，从而增加反应气体通过电场的时间，提高其解离程度，以获得较高的等离子体密度。

附图说明

图1为现有技术中等离子体处理装置的结构示意图；

图2a为现有技术中气体供应装置的俯视图；

图2b为现有技术中气体供应装置的剖视图；

图3a为现有技术中另一气体供应装置的俯视图；

图3b为现有技术中另一气体供应装置的剖视图；

图4为本发明实施例等离子体处理装置的结构示意图；

图5为本发明一实施例气体供应装置的剖视图；

图6为本发明另一实施例气体供应装置的俯视图。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

图4显示了本发明一种实施方式提供的使用本发明气体供应装置的等离子处理装置。应该理解，等离子体处理装置仅仅是示例性的，其可以包括更少或更多的组成元件，或该组成元件的安排可能与图4所示不同。

等离子体处理装置包括反应腔体2和位于反应腔体2上方的绝缘盖板1。绝缘盖板1通常为陶瓷介电材料。绝缘盖板1和反应腔体4之间水平设置有一气体供应装置5，气体供应装置5连接位于反应腔体2外部的反应气体源4，用于将等离子体处理工艺中所需的反应气体输入等反应腔体2内。绝缘盖板1上方设置有连接射频功率源8的电感线圈3，射频功率源8产生的感应磁场会在电感线圈3上轴向感应出射频电场，该电场对反应腔体内的电子进行加速，使它们与输入的反应气体的气体分子碰撞，这些碰撞导致反应气体的离子化和等离子体的激发，从而在腔体2内产生等离子体，等离子体与晶片反应，以进行刻蚀或淀积等等离子体工艺。反应腔体2内设有放置待处理半导体晶片的静电夹盘6，静电夹盘6连接射频偏置功率源9，以便增加等离子体与半导体晶片碰撞的能量。反应腔体2与外置的排气装置7（例如真空泵）相连接，用以在处理过程中将用过的反应气体及副产品气体抽出反应腔体2。

请继续参考图5，其所示为本发明一实施例的气体供应装置的剖视图。气体供应装置5设有环形主体20，气体入口（图中未示），嵌设于环形主体20内并与气体入口连通的气体通道21以及多个喷气孔22。气体入口连接反应气体源4，喷气孔22的进气口与气体通道21连通，出气口设于环形主体20的内侧壁上。反应气体源4供应的反应气体从气体入口引入，通过气体通道21输送至每个喷气孔22，从而将反应气体注入等离子体反应腔体2内。气体通道21可为圆环形环绕环形主体20的内侧壁360度。气体通道21的截面形状可为圆形，本发明并不限于此。喷气孔22的数量可为8～300个，较佳的，喷气孔22沿着圆环形气体通道21的圆周均匀分布，以保证气体流场分布的均匀性。气体供应装置5的材质可为铝合金或钛合金或不锈钢。

本发明中通过喷气孔22的设置改善现有技术中反应气体气流下降速度过快导致反应气体解离不足的缺陷。如图5所示，喷气孔22的出气口位于气体通道21的上方，喷气孔22相对于环形主体20的水平面向上倾斜，其轴心线与环形主体20的轴心线（z轴）形成夹角α，其中，夹角α为锐角。因此反应气体从喷气孔22的出气口排出时是向上喷出，之后再下降，也就增加了气体通过电磁场的时间。

在另一较佳的实施例中，如图6所示，在环形主体20所在的水平面上，喷气孔22的投影与其进气口至环形主体20中心的连线（x轴）也形成夹角β，夹角β的范围为0°<β<45°或-45°<β<0°，以顺时针为正方向。由于喷气孔22向上倾斜与垂直于水平面的z轴形成一定角度，同时又在环形主体20所在的水平面的投影与水平面的x轴形成一定角度而非朝向环形主体20中心，因此反应气体从喷气孔22的出气口向上喷出后还会沿着气体供应装置5的周向旋转，从而进一步减缓了反应气体下降的速度。

请参考图4，从气体供应装置5排出的反应气体向上喷出经回旋后再下降，其通过电磁场的时间得以增加；此外反应气体向上喷出后更为靠近电感线圈3，而靠近电感线圈3处的电场强度也更高，反应气体更加容易解离，因此反应气体在从气体供应装置5排出后气体分子能够充分与反应腔体2内的电子发生碰撞以产生高密度的等离子体的激发，从而改善了现有技术中因反应气体迅速通过电场或被排气装置抽走导致气体的解离度低，等离子体密度低的缺陷。较佳的，喷气孔的截面形状还可以为进气口大出气口小的锥形，如此可进一步增加反应气体喷出时的初始速度，使其向上喷出更加靠近电感线圈3。

如前所述，反应气体是通过气体通道21从气体入口输送至喷气孔22，而对于每个喷气孔22而言，其与气体入口之间的路径长度各不相同。由于这一路径长度的差异，会使得从各个喷气孔喷出的气体压力和气体流量不均匀。因此，在本发明的一较佳实施例中，靠近气体入口的喷气孔的孔径要小于远离气体入口的喷气孔的孔径。由此，靠近气体入口的孔径较小的喷气孔会使反应气体通过速度减缓，而背离气体入口的孔径较大的喷气孔则有利于提高气体的通过效率，从而达到从每个喷气孔22输送至反应腔体2的气体流量均匀的目的。

综上所述，本发明的气体供应装置通过对喷气孔进行设置，使得反应气体排出时是向上喷出，延长了反应气体经过电场的时间，并进一步在向上喷出后沿气体供应装置的周向回旋，使反应气体更加能够充分解离，从而获得较高的等离子体密度，更利于等离子体工艺的进行，大大提高了产品的加工精度。

此外，由于气体喷出具有角度，会在腔室内部形成涡旋，有利于制程气体混合，均匀充分地产生等离子体。

可以理解的是，本发明中的气体供应装置，可应用于各种等离子体处理装置中，如等离子体刻蚀、等离子体物理汽相沉积、等离子体化学汽相沉积、等离子体表面清洗等装置。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述诸多实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (10)

1.一种等离子体处理装置，包括等反应腔体和气体供应装置，所述气体供应装置水平设置于所述反应腔体上方，其中，所述气体供应装置包括： 

环形主体； 

气体入口，用于将所述反应腔体外的反应气体引入所述反应腔体内； 

一个气体通道，嵌设于所述环形主体内，与所述气体入口连通；以及 

多个喷气孔，用于将所述气体通道中的所述反应气体排出到所述反应腔体内，所述喷气孔的进气口与所述气体通道相连，出气口设于所述环形主体的内侧壁上； 

其中，所述喷气孔的出气孔位于所述气体通道的上方，且所述喷气孔的轴心线与所述环形主体的轴心线形成第一夹角。 

2.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，在所述环形主体的水平面上，所述喷气孔的投影与所述进气口的投影至所述环形主体中心的连线形成第二夹角。 

3.根据权利要求1或2所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述第一夹角为锐角。 

4.根据权利要求3所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述第二夹角的范围为大于0度且小于45度。 

5.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述喷气孔的数量为8～300个。 

6.根据权利要求1或5所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述气体通道为圆环形气体通道，所述多个喷气孔沿所述圆环形气体通道的圆周均匀分布。 

7.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述喷气孔的横截面为进气口大出气口小的锥形。 

8.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，靠近所述气体入口的喷气孔的孔径小于远离所述气体入口的喷气孔的孔径。 

9.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述气体供应装置的材质为铝合金、钛合金或不锈钢。 

10.一种气体供应装置，应用于等离子体处理装置，所述气体供应装置水平设置于所述等离子体处理装置的反应腔体上方，其特征在于，所述气体供应装置包括： 

环形主体； 

气体入口，用于将所述反应腔体外的反应气体引入所述反应腔体内； 

一个气体通道，嵌设于所述环形主体内，与所述气体入口连通；以及 

多个喷气孔，用于将所述气体通道中的所述反应气体排出到所述反应腔体内，所述喷气孔的进气口与所述气体通道相连，出气口设于所述环形主体的内侧壁上； 

其中，所述喷气孔相对于所述环形主体的水平面向上倾斜，且所述喷气孔的轴心线与所述环形主体的轴心线形成第一夹角。