CN105695957B - 进气装置及半导体加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种进气装置及半导体加工设备。该进气装置用于向反应腔室内输送工艺气体，进气装置包括装置本体和一个或多个进气管，装置本体内设置有未贯穿其下表面的主进气通道，主进气通道与工艺气源相连通；每个进气管的进气端贯穿装置本体的侧壁与主进气通道相连通，每个进气管朝向装置本体侧壁外侧延伸，且其出气端远离装置本体，以使工艺气源提供的工艺气体自主进气通道和进气管输送至反应腔室内。本发明提供的进气装置和半导体加工设备，其可以解决反应腔室内气体分布不均匀的问题，从而可以提高衬底的工艺均匀性和工艺质量。

Description

进气装置及半导体加工设备

技术领域

本发明属于微电子加工技术领域，具体涉及一种进气装置及半导体加工设备。

背景技术

等离子体加工设备已广泛地应用在集成电路(IC)和微机电系统(MEMS)等的制造工艺中，例如电感耦合等离子体(ICP)加工设备，其基本原理为：激发反应腔室内的工艺气体形成等离子体，等离子体中含有的诸如离子、电子和自由基等的活性粒子与衬底表面发生各种物理和化学反应，从而实现对衬底表面进行刻蚀或沉积薄膜。

图1为典型的等离子体加工设备的结构示意图。如图1所示，等离子体加工设备包括反应腔室10和进气装置13。其中，在反应腔室10内设置有用于承载衬底12的静电卡盘11，静电卡盘11与反应腔室10同轴设置，且与偏压电源16电连接；而且，在反应腔室10的顶壁上方设置有线圈14及与之电连接的射频电源15；进气装置13设置在反应腔室10的顶部中心位置，且与工艺气源相连通。在进行工艺的过程中，工艺气源经由进气装置13向反应腔室10内提供工艺气体；接通射频电源15和偏压电源16，以激发反应腔室10内的工艺气体形成等离子体；偏压电源16对置于静电卡盘11上的衬底12加载偏压，以使等离子体中的活性粒子对衬底12表面进行刻蚀。

上述进气装置13的具体结构如图2所示，进气装置13包括未贯穿进气装置13下表面的主进气通道130，该主进气通道130的上端与气源连通，且在主进气通道130的底面上设置有与之连通的中心喷气孔131和环形喷气孔132，中心喷气孔131设置在主通道130底面的中心位置，环形喷气孔132沿主通道130的周向设置，且其内径沿气流方向逐渐增大。在进行工艺的过程中，由气源提供的工艺气体经由主进气通道130、中心喷气孔131和环形喷气孔132输送至反应腔室10内。

在实际应用中，采用上述进气装置13存在以下问题：反应腔室10的中心区域内的工艺气体的气流密度大于边缘区域内的工艺气体的气流密度，因而导致反应腔室10内的工艺气体分布不均匀，从而造成衬底的工艺均匀性较差。另外，随着衬底12尺寸的逐渐增大，例如，从200mm增加到300mm，需要增大反应腔室10的体积来保证单次产量，反应腔室10的体积越大实现工艺气体均匀就更加困难，而采用上述进气装置13也就更不能满足要求。

因此，目前亟需一种能够向反应腔室10均匀输送工艺气体的进气装置。

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，提出了一种进气装置及半导体加工设备，其可以解决反应腔室内气体分布不均匀的问题，从而可以提高衬底的工艺均匀性和工艺质量。

为解决上述问题之一，本发明提供了一种进气装置，用于向反应腔室内输送工艺气体，所述进气装置包括装置本体和一个或多个进气管，所述装置本体内设置有未贯穿其下表面的主进气通道，所述主进气通道与工艺气源相连通；每个所述进气管的进气端贯穿所述装置本体的侧壁与所述主进气通道相连通，每个所述进气管朝向所述装置本体侧壁外侧延伸，且每个所述进气管的出气端远离所述装置本体，所述工艺气源提供的工艺气体自所述主进气通道和所述进气管输送至反应腔室内，以使所述反应腔室内的工艺气体趋于均匀。

其中，在所述主进气通道的底面上设置有至少一个通孔，以使工艺气体经由所述主进气通道和所述通孔输送至所述反应腔室内。

其中，所述通孔的数量为一个，所述通孔设置在所述主进气通道底面的中心位置。

其中，多个所述通孔沿所述主进气通道底面的周向间隔形成多个通孔组，每个通孔组包括沿所述主进气通道底面的半径上均匀设置的多个通孔。

其中，每个所述进气管沿水平方向延伸。

其中，在所述进气管与所述装置本体相接触的位置处设置有密封件，用以密封二者之间的间隙。

其中，多个所述进气管沿所述装置本体的周向间隔设置。

其中，多个所述进气管沿所述装置本体的周向间隔且均匀设置。

其中，多个所述进气管中，每个所述进气管的长度相等，或者，部分所述进气管的长度相等，或者，每个所述进气管的长度不相等。

其中，所述装置本体和/或所述进气管采用石英材料制成。

作为另外一个技术方案，本发明还提供一种半导体加工设备，包括反应腔室和进气装置，所述进气装置用于向反应腔室内输送工艺气体，所述进气装置采用本发明上述技术方案提供的进气装置。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的进气装置，其借助进气管的进气端贯穿装置本体的侧壁与主进气通道相连通，每个进气管朝向装置本体的侧壁外侧延伸，且每个进气管的出气端远离装置本体，工艺气源提供的工艺气体自主进气通道和进气管输送至反应腔室内，可以根据需求设置每个进气管在装置本体周向上的位置，来实现向反应腔室周向上的不同区域输送工艺气体，以及设置每个进气管的长度，来实现向反应腔室径向上的不同区域输送工艺气体，这与现有技术中的进气装置的中心喷气孔和环形喷气孔相对位于反应腔室的中心区域相比，可以实现控制向反应腔室内不同区域输送工艺气体，来使反应腔室内工艺气体的分布趋于均匀，从而可以提高衬底的工艺均匀性和工艺质量。

本发明提供的半导体加工设备，其采用本发明另一技术方案提供的进气装置，可以提高反应腔室内工艺气体的分布均匀性，从而可以提高工艺质量。

附图说明

图1为典型的等离子体加工设备的结构示意图；

图2为图1中的进气装置的剖视图；

图3为本发明实施例提供的第一种进气装置的立体图；

图4为图3所示的装置本体的剖视图；

图5为本发明实施例提供的进气装置应用在反应腔室的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的第二种进气装置的立体图；

图7为图6所示的进气装置的剖视图；以及

图8为本发明实施例提供的第三种进气装置的立体图。

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进气装置及半导体加工设备进行详细描述。

所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的组件或具有相同或类似功能的组件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，“装置本体的下表面”、“主进气通道的底面”和“水平设置”等指示的方位或位置关系基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，“进气管的长度”是指进气管沿其内气体流向的长度大小。

图3为本发明实施例提供的第一种进气装置的立体图；图4为图3所示的装置本体的剖视图。请一并参阅图3和图4，本实施例提供的进气装置20用以向反应腔室内输送工艺气体，该进气装置20包括装置本体21和一个或多个进气管22。其中，装置本体21采用石英材料制成，且装置本体21内设置有未贯穿其下表面的主进气通道211，如图3所示，装置本体21为圆筒状结构，主进气通道211与工艺气源相连通，工艺气源用于提供工艺气体。

每个进气管22的轴线为直线，换言之，每个进气管22为直管道，其采用石英材料制成，并且，每个进气管22的进气端22a贯穿装置本体21的侧壁与主进气通道211相连通，换言之，进气管22设置在装置本体21的侧壁上，每个进气管22朝向装置本体21侧壁外侧延伸，且其的出气端22b远离装置本体21，以使工艺气源提供的工艺气体自主进气通道211和进气管22输送至反应腔室100内。具体地，如图5所示，在装置本体21的侧壁上设置有安装孔212，每个进气管22的进气端22a插入该安装孔212内，以实现进气管22与主进气通道211相连通。

借助每个进气管22朝向装置本体21侧壁外侧延伸，可以使得进气装置20的径向尺寸增大，从而使得进气管22的出气端22b输出的工艺气体可以输送至反应腔室的边缘区域。

优选地，在进气管22与装置本体21相接触的位置处设置有密封件(图中未示出)，用以密封二者之间的间隙，在本实施例中，也就是该密封件设置在安装孔212与进气管22相接触的位置处。具体地，密封件包括密封脂，当然，在实际应用中，也可以采用其他密封件，并且，若进气装置20所在的工艺环境温度较高，则应采用耐高温材料制成的密封件、装置本体21和进气管22。

图5为本发明实施例提供的进气装置应用在反应腔室的结构示意图。请一并参阅图3、图4和图5，本实施例提供的进气装置20设置在反应腔室100的顶部，且进气装置20和反应腔室100同轴设置，进气管22的数量为多个，一般为8～14个，多个进气管22沿装置本体21的周向间隔设置，以向反应腔室100周向上的不同区域输送工艺气体。并且，在主进气通道211的底面上设置有一个通孔213，以使工艺气体还可以经由主进气通道211和通孔213输送至主进气通道211下方的区域(即，反应腔室100的中心区域)内。

可以理解，图4所示的进气装置20，借助具有一定长度D且朝向装置本体21侧壁外侧延伸的进气管22，可以使进气管22的出气端22b延伸至反应腔室100的边缘区域，来实现向反应腔室100的边缘区域输送工艺气体，并且，借助通孔213可以实现向反应腔室100的中心区域输送工艺气体，因此，这与现有技术中借助设置在进气装置本身上的中心喷气孔和环形喷气孔向反应腔室输送工艺气体相比，可以补偿反应腔室100的边缘区域和中心区域内的工艺气体的气流密度差，因而可以提高反应腔室100内工艺气体的分布均匀性，从而可以提高衬底的工艺均匀性和工艺质量。

优选地，多个进气管22沿装置本体21的周向间隔且均匀设置，且各个进气管22的长度D相等，可以提高反应腔室100的沿其周向的环形边缘区域内工艺气体的分布均匀性。

另外优选地，该通孔213设置在主进气通道211底面的中心位置，以提高反应腔室100的中心区域内工艺气体的分布均匀性。

可以理解，如图4所示，在进气装置20应用在反应腔室100的顶部时，进气管22应位于反应腔室100的顶部下方，来实现向反应腔室100内输送工艺气体。并且，进气管22与位于反应腔室100底部的静电卡盘上的衬底之间具有一定的空间，以保证工艺气体能够充分扩散，在满足上述情况下，优选地，进气管22设置在装置本体21的靠下位置，以减小进气装置的轴向尺寸。

为便于进气管22与装置本体21固定连接，如图3和图5所示，将安装孔212水平设置，以使每个进气管22水平插入该安装孔212内即可，在这种情况下，每个进气管22的出气端22b沿水平方向延伸。

需要说明的是，在本实施例中，在主进气通道211的底面的中心位置设置有一个通孔213；但是，本发明并不局限于此，在实际应用中，可以根据实际需求在主进气通道211的底面上设置多个通孔213。例如，如图6和图7所示，多个通孔213沿主进气通道211底面的周向间隔形成多个通孔组213’，每个通孔组213’包括沿主进气通道211底面的半径上均匀设置的多个通孔213，并且，该多个通孔组213’沿主进气通道211底面的中心中心对称，这种按照预设规则排列的多个通孔213亦称之为“shower head”结构，多个通孔213采用图6和图7所示的分布，通过多次试验验证可以使得反应腔室100内的工艺气体更加均匀。

还需要说明的是，尽管本实施例中的进气通道20借助多个进气管22以及主进气通道211的底面上设置的至少一个通孔213，实现反应腔室内工艺气体趋于均匀；但是，本发明并不局限于此，在实际应用中，也可以省去通孔213，如图8所示。并且，不管是否具有通孔213，均可以根据进气装置20相对反应腔室100的设置位置、工艺气源的气流量、反应腔室100的内径、静电卡盘的尺寸、衬底的尺寸和数量等参数，设置进气管22的数量、每个进气管22的长度D、位置和内径大小等参数，来实现反应腔室100内工艺气体趋于均匀。例如，在图5所示的情况下，当衬底的尺寸为12英寸时可选用长度D为100mm的进气管22；再如，当衬底的尺寸在2英寸时可选用长度D为20mm和100mm的进气管22进行组合。因此，本实施例提供的进气通道20的多个进气管22中存在以下情况：每个进气管22的长度相等，或者，部分进气管22的长度相等，或者，每个进气管22的长度不相等。

另外，需要说明的是，本发明并不局限于进气管22为直通道，只要能够实现向反应腔室100内输送工艺气体即可。并且，进气管22不仅可以水平设置，还可以使得进气管22的出气端22b在一定范围内朝上或朝下设置。此外，进气管22只要能够实现其进气端22a与主进气通道211连通，且朝向装置本体21侧壁外侧延伸延伸即可，并不限定进气管22的设置位置。

综上所述，本实施例提供的进气装置20与现有技术相比，增设了一个或多个进气管22，借助朝向装置本体21侧壁外侧延伸的进气管22将主进气通道211内的工艺气体引流输出至反应腔室100内，可以在实际应用中根据需求设置每个进气管22在装置本体21周向上的位置，来实现向反应腔室100周向上的不同区域输送工艺气体，以及设置每个进气管22的长度来调节向反应腔室径向上的不同区域输送工艺气体，这与现有技术中进气装置的中心喷气孔和环形喷气孔相对位于反应腔室的中心区域相比，可以实现控制向反应腔室内的各个区域输送工艺气体，来使反应腔室内工艺气体的分布趋于均匀，从而可以提高衬底的工艺均匀性和工艺质量。

作为另外一个技术方案，本发明实施例还提供一种半导体加工设备，包括反应腔室和进气装置，进气装置用于向反应腔室内输送工艺气体，并且，进气装置采用本发明上述实施例提供的进气装置。

具体地，该半导体加工设备包括等离子体刻蚀设备或化学气相沉积设备。

本发明实施例提供的半导体加工设备，其采用本发明上述实施例提供的进气装置，可以提高反应腔室内工艺气体的分布均匀性，从而可以提高工艺质量。

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)

1.一种进气装置，用于向反应腔室内输送工艺气体，其特征在于，所述进气装置包括装置本体和一个或多个进气管，所述装置本体内设置有未贯穿其下表面的主进气通道，所述主进气通道与工艺气源相连通；

每个所述进气管的进气端贯穿所述装置本体的侧壁与所述主进气通道相连通，每个所述进气管朝向所述装置本体侧壁外侧延伸，且每个所述进气管的出气端远离所述装置本体，所述工艺气源提供的工艺气体自所述主进气通道和所述进气管输送至反应腔室内，以使所述反应腔室内的工艺气体趋于均匀；所述进气管的出气端沿水平方向延伸。

2.根据权利要求1所述的进气装置，其特征在于，在所述主进气通道的底面上设置有至少一个通孔，以使工艺气体经由所述主进气通道和所述通孔输送至所述反应腔室内。

3.根据权利要求2所述的进气装置，其特征在于，所述通孔的数量为一个，所述通孔设置在所述主进气通道底面的中心位置。

4.根据权利要求2所述的进气装置，其特征在于，多个所述通孔沿所述主进气通道底面的周向间隔形成多个通孔组，每个通孔组包括沿所述主进气通道底面的半径上均匀设置的多个通孔。

5.根据权利要求1所述的进气装置，其特征在于，每个所述进气管沿水平方向延伸。

6.根据权利要求1所述的进气装置，其特征在于，在所述进气管与所述装置本体相接触的位置处设置有密封件，用以密封二者之间的间隙。

7.根据权利要求1所述的进气装置，其特征在于，多个所述进气管沿所述装置本体的周向间隔设置。

8.根据权利要求7所述的进气装置，其特征在于，多个所述进气管沿所述装置本体的周向间隔且均匀设置。

9.根据权利要求1所述的进气装置，其特征在于，多个所述进气管中，每个所述进气管的长度相等，或者，部分所述进气管的长度相等，或者，每个所述进气管的长度不相等。

10.根据权利要求1所述的进气装置，其特征在于，所述装置本体和/或所述进气管采用石英材料制成。

11.一种半导体加工设备，包括反应腔室和进气装置，所述进气装置用于向反应腔室内输送工艺气体，其特征在于，所述进气装置采用权利要求1-10任意一项所述的进气装置。