CN105448770B - 用于半导体设备的进气装置及应用其的反应腔室 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于半导体设备的进气装置及应用其的反应腔室，其包括：外筒，其具有进气口；内筒，其位于外筒内，且二者同轴设置，内筒的外周壁与外筒的内周壁之间形成环形通道；并且，在内筒的下端设置有第一圆锥环，在第一圆锥环的外周壁与外筒的下端之间形成环形的边缘出气口；旋转轴，其位于内筒内，且二者同轴设置，在旋转轴的下端设置有圆锥体，圆锥体嵌套在第一圆锥环内；并且分别在第一圆锥环和圆锥体的外周壁上设置有多个通气孔，多个通气孔形成中心出气口；通过使旋转轴相对于内筒围绕其轴线旋转，而调节中心出气口的通气截面积；通过使内筒和旋转轴相对于外筒沿其轴向同步移动，而调节边缘出气口的通气截面积。

Description

用于半导体设备的进气装置及应用其的反应腔室

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，具体地，涉及一种用于半导体设备的进气装置及应用该进气装置的反应腔室。

背景技术

在等离子体刻蚀工艺中，通常需要将工艺气体输送至反应腔室内，工艺气体在射频功率的激发下形成等离子体，等离子体中的活性基团会与被加工工件表面发生化学反应，并生成反应生成物，该反应生成物脱离被加工工件表面，并被抽出反应腔室，从而实现对被加工工件的刻蚀。

在实际应用中，工艺均匀性会受到诸如工艺气体的分布、射频线圈的设计和腔室环境等多种因素的影响，而大多数情况是，射频线圈的设计和腔室环境往往是不均匀的，针对这种情况，通常采用调节工艺气体在反应腔室内的分布的方式来弥补，以使得最终能够获得均匀的工艺结果。工艺气体在反应腔室内的分布情况取决于进气装置的进气方式，因此，对进气装置的设计就显得非常重要。

图1为现有的一种反应腔室的剖视图。如图1所示，在反应腔室11内设置有基座13，用以承载被加工工件；并且在反应腔室11的顶部设置有进气装置，该进气装置包括进气管12、内匀气筒14和外匀气筒15，其中，进气管12设置在腔室的中心位置处，用以向反应腔室11内输送工艺气体；内匀气筒14和外匀气筒15位于进气管12的下方，且同轴设置，并且二者可以作相对旋转运动；而且，在内匀气筒14的周壁上，以及在外匀气筒15的底壁上均设置有多个匀气孔。在进行工艺的过程中，内匀气筒14和外匀气筒15作相对旋转运动，同时自进气管12流出的工艺气体先后经由内匀气筒14和外匀气筒15上的匀气孔均匀地流向基座13。虽然上述进气装置可以在一定程度上提高等离子体的分布均匀性，但是，该进气装置无法独立地调节工艺气体分别在中心区域和边缘区域的气流量，从而其无法应用在因其他因素产生的等离子体分布不均的情况。

为此，申请号为200510126393.1的中国专利申请提出了一种双区喷嘴，如图2所示，其包括喷嘴主体21，该喷嘴主体21内设有中心通孔22和与该中心通孔22同轴布置的环形孔23，其中，该环形孔23的出口26为喇叭口；并且，在喷嘴主体21上设有中心孔入口24和环形孔入口25。由于喷嘴分为两个互不相通的区，总量一定的流体可以通过内区、外区进行流量调节，从而可以更容易地使工艺气体分布均匀。

然而，上述双区喷嘴在实际应用中不可避免地存在以下问题：

其一，上述双区喷嘴仅依靠自身结构无法实现分别调节工艺气体分别在反应腔室中心区域和边缘区域的气流量，而必须配备具有流量控制阀(或者流量比例控制阀)的气路控制系统，导致设备的制造成本较高。

其二，上述双区喷嘴的气体喷射角度是固定的，其出口只能朝向某个特定方向喷出工艺气体，并且仅能够调节工艺气体在该特定方向上的气流量，从而不仅调节方式不灵活，而且调节工艺气体的分布均匀性的效果有限。

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，提出了一种用于半导体设备的进气装置及应用其的反应腔室，其仅依靠自身结构即可实现独立调节分别流向反应腔室中心区域和边缘区域的工艺气体的喷射角度和气流量，从而不仅可以降低设备的制造成本，而且调节方式更灵活，从而可以更有效地提高工艺气体在反应腔室内的分布均匀性。

为实现本发明的目的而提供一种用于半导体设备的进气装置，其包括：外筒，其具有进气口；内筒，其位于所述外筒内，且二者同轴设置，所述内筒的外周壁与所述外筒的内周壁之间形成环形通道；并且，在所述内筒的下端设置有第一圆锥环，在所述第一圆锥环的外周壁与所述外筒的下端之间形成环形的边缘出气口；旋转轴，其位于所述内筒内，且二者同轴设置，在所述旋转轴的下端设置有圆锥体，所述圆锥体嵌套在所述第一圆锥环内；并且分别在所述第一圆锥环和圆锥体的外周壁上设置有多个通气孔，所述多个通气孔形成中心出气口；通过使所述旋转轴相对于所述内筒围绕其轴线旋转，而调节所述中心出气口的通气截面积；通过使所述内筒和旋转轴相对于所述外筒沿其轴向同步移动，而调节所述边缘出气口的通气截面积。

优选的，在所述外筒的下端设置有第二圆锥环，所述第二圆锥环的内周壁与所述第一圆锥环的外周壁之间形成圆锥环形的边缘出气口。

优选的，所述第一圆锥环、第二圆锥环和圆锥体各自的母线相对于所述旋转轴的轴线的倾斜角度相同。

优选的，所述第一圆锥环和圆锥体各自的母线相对于所述旋转轴的轴线的倾斜角度相同。

优选的，所述倾斜角度大于等于20°，且小于90°。

优选的，在所述第一圆锥环或者圆锥体上，所有的通气孔沿所述旋转轴的轴向间隔排布有至少一层，每层包含多个通气孔，且沿所述旋转轴的周向间隔排布；所述第一圆锥环上的通气孔的数量和位置与所述圆锥体上的通气孔的数量和位置一一对应。

优选的，在所述圆锥体上，每个通气孔的上端开口小于其下端开口。

优选的，所述第一圆锥环上的通气孔为直通孔，且其直径不大于所述圆锥体上的通气孔的上端开口直径。

优选的，所述直通孔的直径的取值范围在0.5～3mm。

优选的，所述圆锥体上的通气孔的下端开口直径的取值范围在0.6～5mm。

优选的，在所述外筒的上端设置有中心孔，所述内筒的上端沿其轴向自下而上穿过所述中心孔，并延伸至所述外筒之外；并且在所述中心孔内设置有密封件，用以在所述中心孔与所述内筒之间形成往复式动密封。

作为另一个技术方案，本发明还提供一种反应腔室，在其顶部的中心位置处设置有进气装置，用以向所述反应腔室的内部输送工艺气体，所述进气装置采用了本发明提供的上述用于半导体设备的进气装置。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的用于半导体设备的进气装置，其首先使工艺气体通过外筒上的进气口流入由内筒的外周壁与外筒的内周壁之间形成的环形通道内；然后，工艺气体的其中一部分通过由旋转轴上圆锥体和内筒上第一圆锥环的通气孔共同形成的中心出气口，流入反应腔室的中心区域；同时，工艺气体的其中另一部分通过由在该第一圆锥环的外周壁与外筒的下端之间形成的环形边缘出气口，流入反应腔室的边缘区域。而且，通过使旋转轴相对于内筒围绕其轴线旋转，可以改变圆锥体的通气孔与第一圆锥环的通气孔之间的相对位置，以改变上述中心出气口的通气截面积，从而可以实现单独调节流向反应腔室中心区域的工艺气体的气流量；通过使内筒和旋转轴相对于外筒沿其轴向同步移动，可以改变第一圆锥环的外周壁与外筒的下端之间的竖直间距，以改变边缘出气口的通气截面积，从而可以实现单独调节流向反应腔室边缘区域的工艺气体的喷射角度以及气流量。

由此，本发明提供的用于半导体设备的进气装置，其仅依靠自身结构即可实现独立调节分别流向反应腔室中心区域和边缘区域的工艺气体的喷射角度和气流量，从而不仅可以降低设备的制造成本，而且调节方式更灵活，从而可以更有效地提高工艺气体在反应腔室内的分布均匀性。

本发明提供的反应腔室，其通过采用本发明提供的上述进气装置，不仅可以降低设备的制造成本，而且调节方式更灵活，从而可以更有效地提高工艺气体在反应腔室内的分布均匀性。

附图说明

图1为现有的一种反应腔室的剖视图；

图2为现有的一种双区喷嘴的结构示意图；

图3A为本发明实施例提供的用于半导体设备的进气装置的剖视图；

图3B为图3A中I区域的放大图；

图3C为本发明实施例提供的用于半导体设备的进气装置的仰视图；

图3D为本发明实施例提供的用于半导体设备的进气装置的内筒的俯视图；

图3E为本发明实施例提供的用于半导体设备的进气装置在内筒和旋转轴上升至最高位置时的剖视图；

图3F为本发明实施例提供的用于半导体设备的进气装置在旋转轴旋转至使中心进气口关闭的位置时的剖视图；

图3G为图3F中内筒的俯视图；

图4为内筒在旋转轴旋转某一位置时的剖视图；

图5A为本发明实施例提供的用于半导体设备的进气装置具有另一种外筒的剖视图；

图5B为本发明实施例提供的用于半导体设备的进气装置在内筒和旋转轴上升至最高位置时的剖视图；以及

图6为本发明实施例提供的反应腔室的剖视图。

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用于半导体设备的进气装置及应用其的反应腔室进行详细描述。

请一并参阅图3A-图4，进气装置包括外筒31、内筒32和旋转轴33。其中，外筒31其具有进气口311，该进气口311设置在外筒31的侧壁上；内筒32位于外筒31内，且二者同轴设置，并且内筒32的外周壁与外筒31的内周壁之间形成环形通道312；在内筒32的下端设置有第一圆锥环321，在第一圆锥环321的外周壁与外筒31的下端之间形成环形的边缘出气口。旋转轴33位于内筒32内，且二者同轴设置，在旋转轴33的下端设置有圆锥体331，圆锥体331嵌套在第一圆锥环321内；并且分别在第一圆锥环321和圆锥体331的外周壁上设置有多个通气孔，多个通气孔形成中心出气口。

在利用上述进气装置向反应腔室内输送工艺气体时，首先，使工艺气体通过外筒31上的进气口311流入环形通道312内；然后，工艺气体的其中一部分通过中心出气口(先流经第一圆锥环321上的通气孔，后流经圆锥体331上的通气孔)，流入反应腔室的中心区域；同时，工艺气体的其中另一部分通过边缘出气口流入反应腔室的边缘区域。工艺气体的流动方式如图3A所示的箭头方向。

由上可知，本发明实施例提供的用于半导体设备的进气装置可以实现对工艺气体分区输送，除此之外，其还具有下述功能，即：可以独立调节分别向反应腔室边缘区域和中心区域流动的工艺气体的喷射角度以及气流量。

具体地，通过使内筒32和旋转轴33相对于外筒31沿其轴向同步移动，可以改变第一圆锥环321的外周壁与外筒31的下端之间的竖直间距，即，调节该边缘出气口的通气截面积。所谓通气截面积，是指出气口在垂直于气体流动方向上的投影面积。在使内筒32沿其轴向向下移动的过程中，上述边缘出气口的通气截面积逐渐增大，流经边缘出气口的工艺气体的气流量逐渐增大，且喷射角度(相对于旋转轴33的倾斜角度)逐渐减小。当第一圆锥环321完全伸出外筒31时，如图3B所示，上述边缘出气口的通气截面积几乎达到最大值(还会增大，但增大的幅度较小)，此时流经边缘出气口的工艺气体的气流量最大，且喷射角度最小。与之相反的，在使内筒32沿其轴向向上移动的过程中，上述边缘出气口的通气截面积逐渐减小，流经边缘出气口的工艺气体的气流量逐渐减小，且喷射角度逐渐增大。当第一圆锥环321的外周壁与外筒31的下端相接触时，上述边缘出气口的通气截面积为零，即，该边缘出气口被完全关闭，如图3E所示，此时工艺气体仅通过中心出气口流向反应腔室的中心区域。

在本实施例中，外筒31与内筒32之间采用可移动的方式连接，具体地，在外筒31的上端设置有中心孔，内筒32的上端沿其轴向自下而上穿过该中心孔，并延伸至外筒31之外。优选的，为了防止环形通道内的工艺气体自中心孔与内筒32之间的间隙流出，在中心孔内设置有密封件34，用以在中心孔与内筒32之间形成往复式动密封。

在本实施例中，第一圆锥环321和圆锥体331上的多个通气孔的结构和排布方式具体为：在第一圆锥环321上设置有多个第一通气孔322，且多个第一通气孔322沿旋转轴33的轴向间隔排布有三层，每层包含6个通气孔，且6个通气孔沿旋转轴33的周向间隔排布，如图3B-3C所示。而且，在圆锥体331上设置有多个第二通气孔332，且第二通气孔332的数量和位置与第一通气孔322的数量和位置一一对应。容易理解，对于第二通气孔332，是其上端开口沿旋转轴33的轴向间隔排布有三层，而其下端开口均位于圆锥体331的底面上。

通过使旋转轴33相对于内筒32围绕其轴线旋转，可以改变圆锥体331上的通气孔与第一圆锥环321上的通气孔之间的相对位置，即，调节中心出气口的通气截面积。具体地说，当每个第一通气孔322的中心和与之相对应的第二通气孔332的中心重合时，如图3D所示，此时由二者形成的出气口的通气截面积最大，从而流经该出气口的工艺气体的气流量最大；在旋转轴33顺时针或逆时针旋转的过程中，每个第二通气孔332会和与之相对应的第一通气孔322相互交错，如图4所示，此过程中由二者形成的出气口的通气截面积逐渐减小，且流经该出气口的工艺气体的气流量逐渐减小；当每个第一通气孔322和与之相对应的第二通气孔332完全错开时，由二者形成的出气口被关闭，如图3F-3G所示，此时工艺气体仅通过边缘出气口流向反应腔室的边缘区域。

由上可知，通过使内筒32和旋转轴33相对于外筒31沿其轴向同步移动，同时使旋转轴33相对于内筒32围绕其轴线旋转，可以任意调节分别流向反应腔室中心区域和边缘区域的工艺气体的流量比例，而且调节范围较大、调节方式更灵活，从而可以更有效地提高工艺气体在反应腔室内的分布均匀性。此外，本发明提供的用于半导体设备的进气装置仅依靠自身结构即可实现独立调节分别流向反应腔室中心区域和边缘区域的工艺气体的喷射角度和气流量，从而可以降低设备的制造成本。

优选的，在圆锥体331上，每个第二通气孔332的上端开口小于其下端开口，这可以使工艺气体更容易向四周扩散，从而可以提高工艺气体的分布均匀性。此外，第一通气孔322为直通孔，且其直径不大于第二通气孔332的上端开口直径。优选的，直通孔的直径的取值范围在0.5～3mm；同样的，第二通气孔332的上端开口的取值范围在0.5～3mm；第二通气孔332的下端开口直径的取值范围在0.6～5mm。

优选的，第一圆锥环321和圆锥体331各自的母线相对于旋转轴33的轴线的倾斜角度相同，即，第一圆锥环321的内周壁和圆锥体331的外周壁相互平行，这可以使二者之间的间隙尽可能地减小，从而可以使工艺气体能够顺利地先后从第一、第二通气孔通过，而不会受到该间隙的影响。另外，上述倾斜角度可以根据工艺气体的喷射角度的不同进行适应性设计，优选的，该倾斜角度大于等于20°，且小于90°。

进一步优选的，请一并参阅图5A-5B，在外筒31的下端设置有第二圆锥环313，第二圆锥环313的内周壁与第一圆锥环321的外周壁之间形成圆锥环形的边缘出气口，如图5A所示。锥环形的边缘出气口的喷射角度更大，从而可以扩大工艺气体朝向反应腔室的周围流动的范围。

优选的，第一圆锥环321、第二圆锥环313和圆锥体331各自的母线相对于旋转轴33的轴线的倾斜角度相同，即，第一圆锥环321的内周壁与第二圆锥环313的外周壁相互平行，同时第二圆锥环313的内周壁与圆锥体331的外周壁相互平行。其中，通过使第一圆锥环321的内周壁与第二圆锥环313的外周壁相互平行，不仅可以使边缘进气口在不同位置处的通气截面积相同，而且还可以使二者在相互接触时形成面-面接触，如图5B所示。

需要说明的是，在本实施例中，多个第一通气孔322沿旋转轴33的轴向间隔排布有三层，每层包含6个通气孔，但是本发明并不局限于此，在实际应用中，在第一圆锥环或者圆锥体上，所有的通气孔可以沿旋转轴的轴向间隔排布有至少一层，而且每层可以包含任意数量的通气孔，且沿旋转轴的周向间隔排布。并且，第一圆锥环上的第一通气孔的数量和位置与圆锥体上的第二通气孔的数量和位置一一对应。

还需要说明的是，在实际应用中，第一圆锥环的底面直径应大于外筒的下端直径，以保证第一圆锥环的外周壁能够与外筒的下端或者第二圆锥环的内周壁相接触。

综上所述，本发明实施例提供的用于半导体设备的进气装置，其仅依靠自身结构即可实现独立调节分别流向反应腔室中心区域和边缘区域的工艺气体的喷射角度和气流量，从而不仅可以降低设备的制造成本，而且调节方式更灵活，从而可以更有效地提高工艺气体在反应腔室内的分布均匀性。

作为另一个技术方案，本发明实施例还提供一种反应腔室，图6为本发明实施例提供的反应腔室的剖视图。请参阅图6，在反应腔室100内设置有承载装置101，用以承载被加工工件102；在反应腔室100的顶部的中心位置处设置有进气装置200，用以向反应腔室100内输送工艺气体；并且在反应腔室100的上方还设置有射频线圈103，其与射频电源(图中未示出)电连接，用以激发反应腔室100内的工艺气体形成等离子体，从而对被加工工件102进行工艺。

其中，上述进气装置200采用了本发明实施例提供的上述进气装置，其仅依靠自身结构即可实现独立调节分别流向反应腔室中心区域和边缘区域的工艺气体的喷射角度和气流量。

在实际应用中，反应腔室内的等离子体的分布情况往往会因受到诸如射频能量的分布不均、腔室结构等因素的影响而出现不均匀的情况，在这种情况下，通过借助本发明实施例提供的上述进气装置，来独立调节分别流向反应腔室中心区域和边缘区域的工艺气体的喷射角度和气流量，可以补偿等离子体的密度在反应腔室中心区域和边缘区域之间存在的偏差，从而可以提高工艺的均匀性。

本发明实施例提供的反应腔室，其通过采用本发明实施例提供的上述进气装置，不仅可以降低设备的制造成本，而且调节方式更灵活，从而可以更有效地提高工艺气体在反应腔室内的分布均匀性。

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 (12)

1.一种用于半导体设备的进气装置，其特征在于，包括：

外筒，其具有进气口；

内筒，其位于所述外筒内，且二者同轴设置，所述内筒的外周壁与所述外筒的内周壁之间形成环形通道；并且，在所述内筒的下端设置有第一圆锥环，在所述第一圆锥环的外周壁与所述外筒的下端之间形成环形的边缘出气口；

旋转轴，其位于所述内筒内，且二者同轴设置，在所述旋转轴的下端设置有圆锥体，所述圆锥体嵌套在所述第一圆锥环内；并且分别在所述第一圆锥环和圆锥体的外周壁上设置有多个通气孔，所述多个通气孔形成中心出气口；

通过使所述旋转轴相对于所述内筒围绕其轴线旋转，而调节所述中心出气口的通气截面积；通过使所述内筒和旋转轴相对于所述外筒沿其轴向同步移动，而调节所述边缘出气口的通气截面积。

2.根据权利要求1所述的用于半导体设备的进气装置，其特征在于，在所述外筒的下端设置有第二圆锥环，所述第二圆锥环的内周壁与所述第一圆锥环的外周壁之间形成圆锥环形的边缘出气口。

3.根据权利要求2所述的用于半导体设备的进气装置，其特征在于，所述第一圆锥环、第二圆锥环和圆锥体各自的母线相对于所述旋转轴的轴线的倾斜角度相同。

4.根据权利要求1所述的用于半导体设备的进气装置，其特征在于，所述第一圆锥环和圆锥体各自的母线相对于所述旋转轴的轴线的倾斜角度相同。

5.根据权利要求3或4所述的用于半导体设备的进气装置，其特征在于，所述倾斜角度大于等于20°，且小于90°。

6.根据权利要求1所述的用于半导体设备的进气装置，其特征在于，在所述第一圆锥环和圆锥体上，所有的通气孔沿所述旋转轴的轴向间隔排布有至少一层，每层包含多个通气孔，且沿所述旋转轴的周向间隔排布；

所述第一圆锥环上的通气孔的数量和位置与所述圆锥体上的通气孔的数量和位置一一对应。

7.根据权利要求6所述的用于半导体设备的进气装置，其特征在于，在所述圆锥体上，每个通气孔的上端开口小于其下端开口。

8.根据权利要求6或7所述的用于半导体设备的进气装置，其特征在于，所述第一圆锥环上的通气孔为直通孔，且其直径不大于所述圆锥体上的通气孔的上端开口直径。

9.根据权利要求8所述的用于半导体设备的进气装置，其特征在于，所述直通孔的直径的取值范围在0.5～3mm。

10.根据权利要求8所述的用于半导体设备的进气装置，其特征在于，所述圆锥体上的通气孔的下端开口直径的取值范围在0.6～5mm。

11.根据权利要求1所述的用于半导体设备的进气装置，其特征在于，在所述外筒的上端设置有中心孔，所述内筒的上端沿其轴向自下而上穿过所述中心孔，并延伸至所述外筒之外；并且在所述中心孔内设置有密封件，用以在所述中心孔与所述内筒之间形成往复式动密封。

12.一种反应腔室，在其顶部的中心位置处设置有进气装置，用以向所述反应腔室的内部输送工艺气体，其特征在于，所述进气装置采用权利要求1-11任意一项所述的用于半导体设备的进气装置。