CN105448633B - 等离子体处理装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种等离子体处理装置，包括真空处理腔室，其具有侧壁和顶板，侧壁的外周卷绕有感应线圈，通过向感应线圈供给电力在真空处理腔室内形成等离子体产生区域。气体导流组件平邻设于顶板下方且固定于顶板和/或侧壁，其包括板状主体和靠近板状主体边缘处的至少一个环形的导流结构。导流结构为由环状分布的多个通孔组成的通孔圈或为环状狭缝，其中通孔或环状狭缝在垂直方向上至少下段径向向外倾斜以引导反应气体朝向侧壁喷射。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
技术领域
本发明涉及半导体加工设备，特别涉及一种等离子体处理装置。
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，使用等离子体来对作为被处理体的基板(如半导体晶片)实施规定的处理已经被广泛应用于半导体制造工序中，如沉积工艺、刻蚀工艺等。作为这种等离子体处理装置，通常有电感耦合型(ICP，Inductive Coupled Plasma)等离子体处理装置和电容耦合型(CCP，CapacitiveCoupled Plasma)处理装置。其中，电感耦合型等离子体处理装置的等离子体密度要比电容耦合型的高，且偏压也比电容耦合型等离子体装置的低，所以可以高效地对基板进行处理。
图1是现有技术中电感耦合型等离子体处理装置的结构示意图。该等离子体处理装置包括真空处理腔室，该真空处理腔室包括圆筒形等离子体产生容器1和处理容器2。处理容器2与等离子体产生容器1的下端连通，其中设有装载作为被处理体的基板W的基座6。处理容器1具有顶板3和侧壁，顶板3中设有用于引入外部气体供应源所供给的反应气体的开口。线圈4在处理容器的长度方向上螺旋形卷绕于处理容器1的侧壁外周，线圈4与高频电源5连接，通过高频电源5向线圈4提供高频电力，从而在等离子体产生容器内形成感应电磁场，并激发引入等离子体产生容器1中的反应气体生成等离子体，该等离子体向下扩散而对基板W实施等离子体处理。
对于电感耦合型等离子体源来说，越靠近感应线圈4，等离子体密度越高。然而现有技术中反应气体从顶板3的中心供给至真空处理腔室，中心区域的等离子体密度较低，造成反应气体的解离效率下降，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电感耦合型等离子体处理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等离子体处理装置。
为达成上述目的，本发明提供一种等离子体处理装置，包括真空处理腔室、射频源和气体导流组件。真空处理腔室具有侧壁和顶板，所述顶板具有用于引入反应气体的进气口，所述侧壁的外周沿长度方向卷绕有感应线圈。射频源用于向所述感应线圈供给电力以在所述真空处理腔室内形成等离子体产生区域。气体导流组件包括板状主体和至少一个环形的导流结构。所述板状主体设于所述真空处理腔室内，其水平邻设于所述顶板下方且固定于所述顶板和/或侧壁。所述至少一个环形的导流结构靠近所述板状主体边缘处，贯穿所述板状主体的上下表面且与所述进气口连通；所述导流结构为由环状分布的多个通孔组成的通孔圈或环状狭缝，所述通孔或环状狭缝在垂直方向上至少下段径向向外倾斜以引导由该进气口引入的反应气体朝向所述侧壁喷射。
优选地，所述导流结构为多个从所述板状主体边缘处向中心同心分布，所述多个导流结构均为所述通孔圈或均为所述环状狭缝或为所述通孔圈和所述环状狭缝的组合。
优选地，对于所述多个导流结构，所述径向向外倾斜的夹角沿所述板状主体径向向内增加。
优选地，所述径向向外倾斜的夹角的范围为大于0度且小于等于30度。
优选地，每一所述通孔或环状狭缝在垂直方向上具有上段和与之连通的所述下段，所述上段垂直于所述板状主体的平面。
优选地，所述通孔的孔径为0.1～5mm。
优选地，所述环状狭缝的缝隙宽度为0.05～5mm。
优选地，所述导流结构与所述侧壁的距离为0～30mm。
优选地，所述真空处理腔室内设有用于保持基板的基座，所述基座位于所述等离子体产生区域下方2～12英寸。
优选地，所述真空处理腔室包括筒状等离子体产生容器和位于该筒状等离子体产生容器下方与之连通的处理容器，所述基座位于所述处理容器中，所述感应线圈卷绕于所述等离子体产生容器的侧壁的外周。
本发明的有益效果在于通过气体导流组件的设置，使反应气体经环形导流结构朝向等离子体处理装置侧壁喷射，从而能够被充分解离，获得较高的等离子体密度。
附图说明
图1为现有技术中电感耦合型等离子体处理装置的结构示意图；
图2为本发明一实施例的等离子体处理装置的结构示意图；
图3a为本发明一实施例的气体导流组件的俯视图；
图3b为本发明另一实施例的气体导流组件的俯视图；
图4a为本发明一实施例的气体导流组件的剖视图；
图4b为本发明另一实施例的气体导流组件的剖视图；
图5为本发明一实施例的等离子体处理装置的结构示意图；
图6a和图6b分别为利用现有技术和本发明的等离子体处理装置进行等离子体刻蚀得到的结果对比图。
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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“离子体处理装置”可以为等离子体刻蚀、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、等离子体灰化装置。
图2显示了本发明一种实施方式提供的等离子处理装置。应该理解，其仅仅是示例性的，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2所示不同。
等离子体处理装置包括真空处理腔室20，该真空处理腔室20包括顶板21和侧壁22。顶板21通常是绝缘的，例如由陶瓷介电材料制成。顶板21的中心处具有进气口，该进气口用于将真空处理腔室外部的反应气体源供给的反应气体输入到真空处理腔室内。侧壁22由绝缘材料如石英或陶瓷构成，其外周沿长度方向卷绕感应线圈24。射频功率源25与感应线圈24连接，向其供给高频电力，产生的感应磁场。产生的感应磁场会在感应线圈24上轴向感应出射频电场，使反应气体等离子体化，从而在真空处理腔室内形成等离子体产生区域。产生的等离子体扩散下降与被基座26保持的基板W反应，以进行刻蚀或淀积等等离子体工艺。真空处理腔室还连接一排气装置(图中未示)，通过该排气装置将真空处理腔室内的压力调整在5mT～500mT。
为了增加真空处理腔室内反应气体的解离度，本发明在真空处理腔室20内邻近顶板21的下方水平地设有一气体导流组件23，该气体导流组件23固定于顶板21或侧壁22，或同时固定于顶板和侧壁。气体导流组件23的材质可以是金属，也可以是绝缘材料如石英和陶瓷。当气体导流组件23为绝缘材料时，可以与腔室20的顶板或侧壁一体成型。通过本发明的气体导流组件，能够引导由进气口输入的反应气体朝向侧壁22喷射，使更多的反应气体供给至感应线圈附近，以提高反应气体的解离度，产生高密度的等离子体。
接下来将结合图3a～3b和图4a～4b对本发明的气体导流组件23加以详细说明。气体导流组件23包括板状主体和至少一个环形的导流结构。板状主体水平邻设于顶板下方，与顶板和/或侧壁固定连接。环形导流结构形成于板状主体中，靠近板状主体的边缘处且贯穿板状主体的上下表面。导流结构与侧壁的距离为0～30mm。导流结构可以是由环状分布的多个通孔所组成的通孔圈，或者是环状的狭缝。通孔或者环状狭缝在垂直方向上至少其下段是径向向外倾斜的，由此可引导反应气体朝向侧壁22喷射。较佳的，该径向向外倾斜的角度大于0度小于等于30度，使得斜下方向外喷出的反应气体具有适当的流速以在到达侧壁后向下流动的过程中能够被充分解离。
请参考图3a，其所示为本发明一实施例的气体导流组件的俯视图。本实施例中，气体导流组件包括板状主体231和一个环形的导流结构232，该导流结构为环状狭缝。环形狭缝232贯穿板状主体231的上下表面，因此将板状主体231划分为边缘和中心两部分，边缘部分和中心部分均固定于真空处理腔室的内壁，例如边缘部分两端与侧壁固定连接、中心部分则与顶板固定连接。环形狭缝232的中线在垂直方向上径向向外倾斜大于0小于等于30度，因此环形狭缝中线与板状主体轴线的夹角α为0＜α≤30°。为了进一步确保反应气体喷射到达侧壁，环形狭缝232的缝隙应较为狭窄，较佳的缝隙宽度d为0.05～5mm。环形狭缝232的纵向截面形状可以是矩形，即其侧壁垂直于板状主体的平面；但也可以是上大下小的锥形，以增加反应气体喷出的流速。
图3b为本发明另一实施例的气体导流组件的俯视图。本实施例中，气体导流组件包括板状主体231和一个环形的导流结构232，该导流结构为由环状分布的多个通孔组成的通孔圈。这些通孔是均匀分布形成一圈，每个通孔贯穿板状主体231的上下表面，且其轴线在垂直方向上径向向外倾斜大于0小于等于30度，因此通孔轴线与板状主体轴线的夹角α为0＜α≤30°。同样的，为了进一步确保反应气体以合适的流速喷射到达侧壁，每个通孔的孔径d较佳为0.1～5mm。通孔的纵向截面形状可以是矩形，也可以是上大下小的锥形；横截面形状可以是圆形，椭圆形或其他形状。
请继续参考图4a和图4b，气体导流组件包括板状主体和多个环形的导流结构。这些导流结构从板状主体的边缘处向中心方向同心分布，这些导流结构可以都是环形狭缝，或者都是通孔圈，或者可以是通孔圈和环形狭缝的组合。
进一步的，对于这些环形的导流结构来说，其径向向外倾斜的夹角沿板状主体径向向内增加，从而改善不同导流结构喷出的气体流速场分布的均匀性。具体来说，最外侧也即是最靠近板状主体边缘的导流结构，不论导流结构是通孔圈或环状狭缝，通孔轴线或环状狭缝中线在垂直方向上径向向外倾斜的角度最小，接近于0度。之后沿着板状主体向中心的方向，导流结构的倾斜夹角逐渐增大，直到最内侧的导流结构，通孔轴线或环状狭缝中线在垂直方向上径向向外倾斜的角度最大。通孔或环状狭缝可以是整体为一段，轴线或中线径向向外倾斜，如图4a所示；也可以是由两段或多段组成，如图4b所示，通孔或环状狭缝在垂直方向上具有上段和与之连通的下段，其中上段是垂直于板状主体的平面，而下段则径向向外倾斜。在其他实施例中，通孔还可以是阶梯斜孔，具有上段、水平段和径向向外倾斜的下段；同样的环状狭缝也可以分为上段、水平段和下段三部分。通过将通孔或环状狭缝设计成多段，可以有效防止等离子体在导流结构中被点燃。
需要注意的是，等离子体产生区域的高度应满足等离子体产生后有足够的空间使其扩散并均匀分布至基板表面，较佳的，等离子体产生区域位于基座上方2～12英寸。图2和图5分别是本发明的等离子体处理装置的两种实施方式，在图2所示的实施例中，真空处理腔室由等离子体产生容器20a和处理容器20b组成，处理容器20b在等离子体产生容器20a的下方并与之连通。等离子体产生容器20a为圆筒状，其外周等间隔地卷绕感应线圈24。保持基板W的基座26位于处理容器20b中，等离子体产生容器20a中产生的反应气体的等离子体向下扩散至基板W表面对其实施等离子体处理。在图5所示的实施例中，真空处理腔室20整体为圆筒形，基座26容纳于其中。真空处理腔室20的侧壁外周从靠近气体导流组件23处向下的一部分卷绕感应线圈24，感应线圈24下端与基座之间保持能使等离子体充分均匀扩散的适当高度。通过射频源25向感应线圈24施加电力在基座26上方2～12英寸处形成等离子体产生区域。
图6a和图6b分别是利用现有技术和本发明的等离子体处理装置进行等离子体刻蚀工艺后得到的结果对比图，可以看到在同样时间内，图6b的刻蚀深度要明显大于图6a的刻蚀深度，经计算图6b的刻蚀速率为15.8um/min，大于现有技术得到的刻蚀速率13.5um/min。
综上所述，本发明的等离子体处理装置通过气体导流组件的设置，使反应气体经环形导流结构朝向等离子体处理装置侧壁喷射，而更多地到达感应线圈附近，从而能够被充分解离，获得较高的等离子体密度，最终提高等离子体工艺的处理效率。
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：
真空处理腔室，其具有侧壁和顶板；所述顶板具有用于引入反应气体的进气口；所述侧壁的外周沿长度方向卷绕有感应线圈；
射频源，用于向所述感应线圈供给电力以在所述真空处理腔室内形成等离子体产生区域；以及
气体导流组件，设于所述真空处理腔室内，水平邻设于所述顶板下方且固定于所述顶板和/或侧壁，其包括：
板状主体；
至少一个环形的导流结构，其靠近所述板状主体边缘处，贯穿所述板状主体的上下表面且与所述进气口连通；所述导流结构为由环状分布的多个通孔组成的通孔圈或环状狭缝，所述通孔或环状狭缝在垂直方向上至少下段径向向外倾斜以引导由该进气口引入的反应气体朝向所述侧壁的所述感应线圈喷射。
2.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述导流结构为多个从所述板状主体边缘处向中心方向同心分布，所述多个导流结构均为所述通孔圈或均为所述环状狭缝或为所述通孔圈和所述环状狭缝的组合。
3.根据权利要求2所述的等离子体处理装置，其特征在于，对于所述多个导流结构，所述径向向外倾斜的夹角沿所述板状主体径向向内增加。
4.根据权利要求1或3所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述径向向外倾斜的夹角的范围为大于0度且小于等于30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，每一所述通孔或环状狭缝在垂直方向上具有上段和与之连通的所述下段，所述上段垂直于所述板状主体的平面。
6.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述通孔的孔径为0.1～5mm。
7.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述环状狭缝的缝隙宽度为0.05～5mm。
8.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述导流结构与所述侧壁的距离为0～30mm。
9.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述真空处理腔室内设有用于保持基板的基座，所述基座位于所述等离子体产生区域下方2～12英寸。
10.根据权利要求9所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述真空处理腔室包括筒状等离子体产生容器和位于该筒状等离子体产生容器下方与之连通的处理容器，所述基座位于所述处理容器中，所述感应线圈卷绕于所述等离子体产生容器的侧壁的外周。
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