CN104916564B - 反应腔室以及等离子体加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种反应腔室以及等离子体加工设备，其包括设置在反应腔室内部的承载装置，以及环绕在反应腔室的内侧壁上部的上内衬，在上内衬的底端设置有环绕在反应腔室的内侧壁与承载装置之间的环形挡板，在环形挡板上表面上均匀分布有多个贯穿其厚度的条状通孔。本发明提供的反应腔室，其不仅可以满足在反应腔室的腔室压力较低的前提下，同时具有较大的气体流量的要求，而且还可以提高等离子体的分布对称性和均匀性。

Description

反应腔室以及等离子体加工设备

技术领域

本发明涉及半导体加工技术领域，具体地，涉及一种反应腔室以及等离子体加工设备。

背景技术

随着微电子技术的快速发展，生产企业间的竞争越来越激烈，这就要求生产企业不断地提高其产品质量以应对激烈的市场竞争。例如，在利用等离子体加工设备进行等离子体刻蚀工艺的过程中，刻蚀均匀性是影响产品质量的主要因素之一，而且，进入32～22纳米技术代后，刻蚀工艺对刻蚀均匀性的要求越来越高，特别是进入22nm以下技术代，要求在反应腔室的腔室压力较低的前提下，同时具有较大的气体流量，这就需要通过优化反应腔室的结构设计来实现上述目标。

图1为现有的等离子体加工设备的剖视图。如图1所示，等离子体加工设备包括反应腔室4，在反应腔室4内设置有静电卡盘7以及用于支撑静电卡盘7的基座8，衬底5借助工艺组件6固定在静电卡盘7上；介质窗1通过调整支架2固定在反应腔室4的顶部，并且在介质窗1的中心位置处设置有进气口11，以供工艺气体流入反应腔室4内，以及在反应腔室4的底部设置有出气口41，以供刻蚀反应后的气体排出反应腔室4。此外，在反应腔室4内，且位于介质窗1与工艺组件6之间设置有内衬3，该内衬3环绕反应腔室4的内侧壁设置，用于将等离子体限制在其内部的特定区域内，以起到限制等离子体的分布及屏蔽的作用。并且，在内衬3的底端设置有环形挡板31，如图2所示。在该环形挡板31上还按一定间隔分布有若干通孔311，用以供刻蚀反应后的气体通过。通孔311可以为圆孔，也可以为方孔，如图3A和3B所示。在进行工艺的过程中，工艺气体经由进气口11流入反应腔室4内，并被激发形成等离子体，等离子体被内衬3限制在图1所示的区域，以对衬底5进行刻蚀；刻蚀反应后的气体经由环形挡板31上的通孔311流入反应腔室4的下部，并自出气口41排出。

然而，由于环形挡板31上的通孔311均属于“点状”通孔，这种“点状”通孔之间的间隙会对刻蚀反应后的气体起到较大的阻挡作用，从而导致反应腔室的腔室压力较大，而刻蚀反应后的气体通过通孔311的流量较小，进而无法满足在反应腔室的腔室压力较低的前提下，同时具有较大的气体流量的要求，而且，通过实验发现，上述阻挡作用也对等离子体的分布对称性和均匀性带来了一定的不良影响。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种反应腔室以及等离子体加工设备，其不仅可以满足在反应腔室的腔室压力较低的前提下，同时具有较大的气体流量的要求，而且还可以提高等离子体的分布对称性和均匀性。

为实现本发明的目的而提供一种反应腔室，包括设置在所述反应腔室内部的承载装置，以及环绕在所述反应腔室的内侧壁上部的上内衬，在所述上内衬的底端设置有环绕在所述反应腔室的内侧壁与所述承载装置之间的环形挡板，其特征在于，在所述环形挡板上表面上均匀分布有多个贯穿其厚度的条状通孔。

其中，所述多个条状通孔被均匀划分为多组环状的通孔组，所述多组通孔组沿所述环形挡板的径向彼此间隔且相互嵌套；每组通孔组中的多个条状通孔沿所述环形挡板的周向间隔设置。

优选的，在相邻的两组通孔组中，其中一组通孔组中的相邻两个条状通孔之间的间隙与对应地其中另一组中的相邻两个条状通孔之间的间隙交错设置。

其中，所述条状通孔在所述环形挡板上表面上的投影形状为长条形，且所述长条形的长度方向上的中心线在所述环形挡板的径向上延伸；并且，多个所述条状通孔沿所述环形挡板的周向间隔设置。

优选的，相邻的两个长条形的长度方向上的中心线之间的中心角为3～4°。

优选的，所述长条形的宽度为8～12cm。

优选的，相邻的两个条状通孔之间的间隙在所述环形挡板的周向上的最小宽度为1～2cm。

优选的，在每组通孔组中，相邻的两个条状通孔之间的间隙的宽度为1～2cm。

优选的，相邻的两组通孔组之间的间隙的宽度为1～2cm。

优选的，所述反应腔室还包括下内衬，所述下内衬覆盖所述反应腔室的内侧壁下部以及反应腔室的底部。

其中，所述承载装置包括用于承载被加工工件的卡盘及用于支撑所述卡盘的基座；在所述反应腔室内设置有基座支撑件，所述基座支撑件的一端与所述反应腔室固定连接；所述基座支撑件的另一端与所述基座固定连接；并且在所述基座支撑件上设置有扰流板，所述扰流板覆盖所述基座支撑件的上表面和两个侧表面，并且，所述扰流板的分别与两个侧表面相对应的两个下端向上翘曲。

作为另一个技术方案，本发明还提供一种等离子体加工设备，其包括反应腔室，所述反应腔室采用了本发明提供的上述反应腔室。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的反应腔室，其通过在环形挡板上表面上均匀分布有多个贯穿其厚度的条状通孔，可以增大刻蚀反应后的气体通过条状通孔的有效截面面积，同时减小条状通孔之间的间隙的截面积，从而不仅可以增大刻蚀反应后的气体排出反应腔室的速度，降低反应腔室的腔室压力，以使其满足工艺要求，而且通过减小条状通孔之间的间隙的截面积，还可以减弱该间隙对刻蚀反应后的气体的阻隔作用，从而可以在一定程度上提高等离子体的分布对称性和均匀性。

本发明提供的等离子体加工设备，其通过采用本发明提供的反应腔室，不仅可以满足在反应腔室的腔室压力较低的前提下，同时具有较大的气体流量的要求，而且还可以提高等离子体的分布对称性和均匀性。

附图说明

图1为现有的等离子体加工设备的剖视图；

图2为环形挡板的结构示意图；

图3A为具有圆孔的环形挡板的局部俯视图；

图3B为具有方孔的环形挡板的局部俯视图；

图4为本发明实施例提供的反应腔室的剖视图；

图5为具有一种条状通孔的环形挡板的俯视图；

图6A为具有另一种条状通孔的环形挡板的俯视图；

图6B为图6A的局部放大图；以及

图7为基座支撑件的截面图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明提供的反应腔室以及等离子体加工设备进行详细描述。

图4为本发明实施例提供的反应腔室的剖视图。请参阅图4，反应腔室21包括设置在反应腔室21内部的承载装置，该承载装置包括用于承载被加工工件25的卡盘27，以及用于支撑卡盘27的基座28，卡盘27可以是机械卡盘或者静电卡盘，被加工工件25借助工艺组件26固定在卡盘27上。而且，在反应腔室21内设置有基座支撑件29，基座支撑件29的一端与反应腔室21固定连接，基座支撑件29的另一端与基座28固定连接，用以将基座28固定在反应腔室21内靠近中心的位置处，换言之，基座支撑件29的结构与悬臂结构相类似，借助基座支撑件29，可以将基座28悬空固定在反应腔室21内。

此外，反应腔室21还包括介质窗24，介质窗24通过调整支架23固定在反应腔室21的顶部，并且在介质窗24的中心位置处设置有进气口241，以供工艺气体流入反应腔室21内，以及在反应腔室21的底部设置有出气口211，以供刻蚀反应后的气体排出反应腔室21。

反应腔室21还包括上内衬51，上内衬51环绕在反应腔室21的内侧壁上部，并且在上内衬51的底端设置有环绕在反应腔室21的内侧壁与承载装置之间的环形挡板512，用于将等离子体限制在其内部的特定区域内，以起到限制等离子体的分布及屏蔽的作用。上内衬51可以采用整体式的环形结构，即，采用一体成型的方式加工获得；或者，上内衬51包括沿其径向截面分割而成的多个分体，且多个分体采用可拆卸的方式装配形成环形结构，即，多个分体沿圆周方向依次对接形成环状，并利用螺钉紧固的方式装配在反应腔室21内。

上内衬51所采用的材料包括铝合金，优选的，可以对上内衬51的表面进行硬质阳极氧化处理，以提高上内衬51的抗腐蚀性，从而可以提高上内衬51的使用寿命，另外，还可以在上内衬51的朝向反应腔室21内部的表面上，即，上内衬51的对应于等离子体所在区域的表面上涂覆三氧化二钇层，这不仅可以进一步提高上内衬51的使用寿命，而且还可以减少颗粒污染。

并且，在环形挡板512上表面上均匀分布有多个贯穿其厚度的条状通孔511。在进行工艺的过程中，工艺气体经由进气口241流入反应腔室21内，并被激发形成等离子体，等离子体被上内衬51限制在图4所示的区域内，以对被加工工件25进行刻蚀；刻蚀反应后的气体经由环形挡板512上的条状通孔511流入反应腔室21的下部，并自出气口211排出。

优选的，环形挡板512可以设置在靠近卡盘27上表面，且位于其下方，以便于刻蚀后的气体排出。另外，环形挡板512的内周壁和外周壁可以分别紧靠卡盘27的外周壁和反应腔室21的内周壁设置，以便更好地将等离子体限制在特定区域内。

容易理解，条状通孔511的形状和分布方式，以及条状通孔之间的间隙大小势必会影响刻蚀反应后的气体通过环形挡板512的流量以及反应腔室的腔室压力，即：条状通孔511的有效截面面积越大，同时条状通孔511之间的间隙的截面积越小，则刻蚀反应后的气体通过条状通孔的流量则越大，从而刻蚀反应后的气体越容易排出反应腔室21，同时也降低了反应腔室的腔室压力。

本发明的技术方案正是根据上述原理而在环形挡板512上表面上均匀分布多个条状通孔511。所谓条状通孔，是指贯穿环形挡板512厚度的通孔在环形挡板512上表面上的投影形状为长宽比不等于1的长条形，该长条形的长边可以是直的，也可以是弯曲的。

借助条状通孔511，可以增大刻蚀反应后的气体通过条状通孔511的有效截面面积，同时减小条状通孔511之间的间隙的截面积，从而不仅可以增大刻蚀反应后的气体排出反应腔室的速度，降低反应腔室的腔室压力，以使其满足工艺要求，而且通过减小条状通孔511之间的间隙的截面积，还可以减弱该间隙对刻蚀反应后的气体的阻隔作用，从而可以在一定程度上提高等离子体的分布对称性和均匀性。当然，在实际应用中，还可以采用其他任意结构的条状通孔，只要可以增大刻蚀反应后的气体通过条状通孔的有效截面面积，同时减小条状通孔之间的间隙的截面积即可。

下面结合图5对一种条状通孔的具体结构进行详细描述。具体地，多个条状通孔511被均匀划分为多组环状的通孔组，多组通孔组沿环形挡板512的径向彼此间隔且相互嵌套，每组通孔组中的多个条状通孔511沿环形挡板512的周向间隔设置。也就是说，每组通孔组由沿环形挡板512的周向间隔设置的多个条状通孔511组合形成环状，而各个通孔组沿环形挡板512的径向间隔设置，且互为同心环。例如，如图5所示，通孔组的数量为5组，每组通孔组中具有4个条状通孔511，并且每个条状通孔511在环形挡板512上表面上的投影形状为长条的弧形段，且4个条状通孔511组合形成一个圆环。

优选的，在相邻的两组通孔组中，其中一组通孔组中的相邻两个条状通孔511之间的间隙513与对应地其中另一组中的相邻两个条状通孔之间的间隙513交错设置，以使所有间隙513能够相对于环形挡板512上表面均匀地分布，从而有利于提高气流的均匀性，从而可以提高等离子体的分布对称性和均匀性。例如，如图5所示，在相邻的两组通孔组中，其中一组通孔组中的间隙513可以位于与之对应地另一组通孔组中的条状通孔511的中心位置处。

优选的，在每组通孔组中，相邻的两个条状通孔511之间的间隙513的宽度为1～2cm；相邻的两组通孔组之间的间隙的宽度为1～2cm。

下面结合图6A和图6B对另一种条状通孔的具体结构进行详细描述。具体地，条状通孔511在环形挡板512上表面上的投影形状为长条形，且该长条形的长度方向（长边所在方向）上的中心线在环形挡板513的径向上延伸；并且，多个条状通孔511沿环形挡板513的周向间隔设置。如图6A所示，条状通孔511的长边是直的，且所有条状通孔511均以环形挡板512上表面的中心为中心，呈放射状分布。

优选的，如图6B所示，相邻的两个长条形的长度方向上的中心线之间的中心角A°为3～4°；每个长条形的宽度B为8～12cm。相邻的两个条状通孔511之间的间隙在环形挡板512的周向上的最小宽度为1～2cm。另外，进一步优选的，可以对条状通孔511的四角采用圆弧过渡，以提高气流的稳定性和均匀性。

优选的，反应腔室21还包括下内衬52，下内衬52覆盖反应腔室21的内侧壁下部以及反应腔室21的底部，用以保护反应腔室21的内侧壁下部以及反应腔室21的底部不被腐蚀。下内衬52所采用的材料包括铝合金，并且优选的，与上内衬51相类似，可以对下内衬52的表面进行硬质阳极氧化处理，并在下内衬52的朝向反应腔室21内部的表面上设置三氧化二钇层。此外，由于基座支撑件29的存在，下内衬52只能采用分体对接，并利用螺钉紧固的方式装配在反应腔室21内。容易理解，在下内衬52上，且位于与排气口211相对应的位置处开设有通孔521，以供刻蚀反应后的气体排出反应腔室21。

优选的，在基座支撑件29上还设置有扰流板53，图7为基座支撑件的截面图。如图7所示，扰流板53覆盖基座支撑件29的上表面和两个侧表面，并且，扰流板53的分别与两个侧表面相对应的两个下端向上翘曲。借助扰流板53，可以改善基座支撑件29周围的气流分布，从而可以进一步提高反应腔室21的气流均匀性，同时可以保护基座支撑件29免于等离子体的轰击。扰流板53可以通过螺钉（图中未示出）固定在基座支撑件29上。

需要说明的是，在本实施例中，反应腔室21采用介质窗24（通常为陶瓷或石英材料）作为其顶壁，用以参加形成等离子体的能量耦合过程。但是，本发明并不局限于此，在实际应用中，反应腔室可以根据不同的工艺或应用采用其他材料和结构的顶壁（例如采用金属制作的顶盖）来代替介质窗。并且，用于向反应腔室内输送反应气体的进气口，以及将反应气体自反应腔室排出的排气口可以根据反应腔室的具体结构进行适应性设计。

作为另一个技术方案，本发明实施例还提供一种等离子体加工设备，其包括反应腔室，该反应腔室采用了本发明实施例提供的上述反应腔室。

本发明实施例提供的等离子体加工设备，其通过采用本发明实施例提供的上述反应腔室，不仅可以满足在反应腔室的腔室压力较低的前提下，同时具有较大的气体流量的要求，而且还可以提高等离子体的分布对称性和均匀性。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种反应腔室，包括设置在所述反应腔室内部的承载装置，以及环绕在所述反应腔室的内侧壁上部的上内衬，在所述上内衬的底端设置有环绕在所述反应腔室的内侧壁与所述承载装置之间的环形挡板，其特征在于，在所述环形挡板上表面上均匀分布有多个贯穿其厚度的条状通孔；

所述承载装置包括用于承载被加工工件的卡盘及用于支撑所述卡盘的基座；在所述反应腔室内设置有基座支撑件，所述基座支撑件的一端与所述反应腔室固定连接；所述基座支撑件的另一端与所述基座固定连接；并且在所述基座支撑件上设置有扰流板，所述扰流板覆盖所述基座支撑件的上表面和两个侧表面，并且，所述扰流板的分别与两个侧表面相对应的两个下端向上翘曲。

2.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，所述多个条状通孔被均匀划分为多组环状的通孔组，所述多组通孔组沿所述环形挡板的径向彼此间隔且相互嵌套；

每组通孔组中的多个条状通孔沿所述环形挡板的周向间隔设置。

3.根据权利要求2所述的反应腔室，其特征在于，在相邻的两组通孔组中，其中一组通孔组中的相邻两个条状通孔之间的间隙与对应地其中另一组中的相邻两个条状通孔之间的间隙交错设置。

4.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，所述条状通孔在所述环形挡板上表面上的投影形状为长条形，且所述长条形的长度方向上的中心线在所述环形挡板的径向上延伸；并且，

多个所述条状通孔沿所述环形挡板的周向间隔设置。

5.根据权利要求4所述的反应腔室，其特征在于，相邻的两个长条形的长度方向上的中心线之间的中心角为3～4°。

6.根据权利要求4所述的反应腔室，其特征在于，所述长条形的宽度为8～12cm。

7.根据权利要求4所述的反应腔室，其特征在于，相邻的两个条状通孔之间的间隙在所述环形挡板的周向上的最小宽度为1～2cm。

8.根据权利要求2所述的反应腔室，其特征在于，在每组通孔组中，相邻的两个条状通孔之间的间隙的宽度为1～2cm。

9.根据权利要求2所述的反应腔室，其特征在于，相邻的两组通孔组之间的间隙的宽度为1～2cm。

10.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，所述反应腔室还包括下内衬，所述下内衬覆盖所述反应腔室的内侧壁下部以及反应腔室的底部。

11.一种等离子体加工设备，其包括反应腔室，其特征在于，所述反应腔室采用权利要求1-10任意一项所述的反应腔室。