CN105789015A - 一种实现均匀排气的等离子体处理设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现均匀排气的等离子体处理设备，包括多个相邻排列的等离子体处理腔室及一共享的排气泵，所述每个等离子体处理腔室内设置一用于支撑基片的基座，所述每个等离子体处理腔室内环绕所述基座的外围设置一等离子体约束装置，每个所述等离子体约束装置包括第一区域和第二区域，所述第一区域为对应所述排气泵上方的区域，所述第二区域为除所述第一区域之外的区域，所述第二区域的导流主体厚度大于所述第一区域的导流主体厚度，使得气体在经过所述第一区域内的气体通道时所用的时间大于气体经过所述第二区域内的气体通道时所用的时间。实现将用过的反应气体及副产品气体均匀的排出反应腔，保证等离子体处理区域内气流分布的均匀性。

Description

一种实现均匀排气的等离子体处理设备

技术领域

本发明涉及制造半导体器件，尤其涉及一种等离子体处理过程中的气体导流技术及其所应用的反应腔装置。

背景技术

在利用反应气体处理半导体基片的设备中，如等离子体刻蚀设备中，反应气体在反应腔内解离成等离子体对半导体基片进行工艺处理，随着半导体基片的尺寸逐渐变大，处理工艺的精度要求不断提高，半导体基片处理的均匀程度成为衡量一台半导体设备合格与否的关键参数。

半导体设备具有复杂的内部环境，为了提高基片处理的效率，可以在一台处理设备上设置至少两个反应腔，每个反应腔内至少包括一由反应腔外壁71围成的反应腔70，反应腔内设置一支撑基片的基座30，该基座具有温度调节功能；进气元件20，控制反应气体进入反应腔内，外部射频源50，提供将反应气体解离为等离子体的能量；排气装置40，将反应副产物排出反应腔同时维持反应腔内压力。上述部件都会影响半导体基片处理结果的均匀性的。其中，控制基座的调温功能，进气元件的均匀进气及外部射频源在反应腔内均匀的电场分布均可以有效的调节半导体基片的刻蚀均匀性，然而排气装置的排气均匀性同样可以对半导体基片的刻蚀均匀性结果产生显著影响却往往被人忽略。

现有半导体设备中，为了维持反应腔内的气压均衡，在反应腔的下游位置通常设置一等离子体约束装置10，该气体限制装置可以容许气体的反应副产物排出反应腔，同时将反应腔中的等离子体限制在等离子体的工作区域。气体限制装置通常环绕所述基座设置，包括一主体及若干贯穿所述主体的孔或槽通道，以实现气体副产物的排出。一排气装置40位于两个反应腔内的等离子体约束装置10的相邻区域下方，等离子体约束装置10与排气装置40之间的区域为排气区域，排气区域环绕在位于反应腔中心位置的基座外围。通常具有两个反应腔的等离子体处理设备为了保证不同反应腔内处理工艺的同步运行，多个反应腔的排气区域往往设置为流体连通，并且与所述共同的排气装置40流体连通。因此排气装置只能设置在两反应腔相邻侧壁下方，通过一开口45实现反应腔与排气装置40的连通，这势必导致不同位置的等离子体约束装置10到排气装置40的路径长短不同，导致不同等离子体约束装置10下方的压力不同，进而影响半导体基片表面气体分布的均匀度，降低半导体基片的合格率。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种实现均匀排气的等离子体处理设备，包括多个相邻排列的等离子体处理腔室及一共享的排气泵，所述每个等离子体处理腔室内设置一用于支撑基片的基座，所述每个等离子体处理腔室内环绕所述基座的外围设置一等离子体约束装置，每个所述等离子体约束装置下方设有排气区域；所述等离子体约束装置包括一导流主体和设置在所述导流主体上的若干气体通道，用于将气体排放至排气区域，所述多个等离子体处理腔室的排气区域至少部分相互邻近并且相互流体连通，以构成一相邻排气区域，所述共享的排气泵设置于所述相邻排气区域的下方，并同时与所述每一个等离子体处理腔室的排气区域相互流体连通；每个所述等离子体约束装置包括第一区域和第二区域，所述第一区域为对应位于所述相邻排气区域上方的区域，所述第二区域为除所述第一区域之外的区域，所述第一区域和第二区域气体通道在贯穿所述导流主体的上下表面的方向上为长直通道，所述第二区域的导流主体厚度大于所述第一区域的导流主体厚度，使得气体在经过所述第一区域内的气体通道时所用的时间大于气体经过所述第二区域内的气体通道时所用的时间。

优选的，所述气体通道为环形槽状气体通道，所述导流主体包括若干同心圆环和将所述若干同心圆环连接的连接架。

优选的，所述等离子体约束装置第二区域的同心圆环厚度相同，所述第一区域的同心圆环的厚度逐渐增加，所述第一区域的气体通道长度逐渐增大。

优选的，所述等离子体约束装置自第二区域到第一区域，所述同心圆环的厚度逐渐增加，所述气体通道长度逐渐增大。

优选的，所述连接架呈辐射状位于所述同心圆环的底部，所述等离子体约束装置第一区域的同心圆环下方的所述连接架呈一定角度倾斜。

优选的，所述导流主体靠近排气区域的一端位于同一水平面上，所述连接架呈辐射状位于所述同心圆环的靠近排气区域的一端，所述等离子体约束装置第一区域的导流主体在靠近所述等离子体处理区域的一端高度由内向外呈阶梯状增加。

优选的，所述导流主体靠近所述等离子体处理区域的一端位于同一水平面上，所述等离子体约束装置第一区域的导流主体在靠近所述排气区域的一端高度呈阶梯状增加，所述连接架呈辐射状位于所述同心圆环靠近所述等离子体处理区域一端。

优选的，每个所述等离子体约束装置的第一区域内的环状槽型气体通道的通道宽度小于所述第二区域内的通道宽度。

优选的，所述等离子体约束装置的第二区域到第一区域，所述环形槽状气体通道的通道宽度逐渐变小。

优选的，所述气体通道为设置在所述导流主体上的若干长直孔，所述等离子体约束装置第一区域的孔状气体通道长度大于第二区域的孔状气体通道长度。

优选的，自所述等离子体约束装置第二区域向第一区域所述导流主体厚度逐渐变大，对应所述孔状气体通道的长度逐渐变大。

优选的，自所述等离子体约束装置第二区域向第一区域，所述导流主体厚度呈阶梯状增加，对应所述孔状气体通道的长度呈阶梯状增加。

优选的，所述气体导流主体在靠近所述等离子体处理区域的一端呈阶梯状分布，或者在靠近所述排气区域的一端呈阶梯状分布，或者在两端同时呈阶梯状分布。

优选的，每个所述等离子体约束装置的第一区域内的孔状气体通道孔径小于所述第二区域内的孔状气体通道孔径。

本发明的优点在于：通过设置所述等离子体约束装置的第一区域气体通道长度大于第二区域内气体通道长度，使得用过的反应气体及副产品气体在较长的气体通道内停留的时间较长。采用此种设计可以减缓靠近排气泵一侧的气体通道内的气体向排气区域扩散的速度，使得远离排气泵处的排气区域内的用过的反应气体及副产品气体能更快的向排气泵处流动，排出反应腔内。解决了排气区域不同位置的气体到开口的路径不同带来的等离子体约束装置上方处理区域内的气体分布不均匀的问题。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施方式所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1示出一种现有技术等离子体反应器的前视横载面示意图；

图2示出本发明所述等离子体处理设备的前视横载面示意图；

图3示出本发明具有两个等离子体处理腔室的俯视结构示意图；

图4示出本发明另一种实施例的等离子体约束装置横截面示意图；

图5示出本发明另一种实施例的等离子体约束装置横截面示意图；

图6示出本发明另一种实施例的等离子体约束装置横截面示意图；

图7示出本发明具有两个等离子体处理腔室的俯视结构示意图；

图8示出本发明另一种实施例的等离子体约束装置横截面示意图；

图9示出本发明具有两个等离子体处理腔室的俯视结构示意图。

具体实施方式

图2示出根据本发明实施方式所提供的一种具有双反应腔等离子体处理装置的前视横载面示意图，在另外的实施例中，等离子体处理装置的反应腔数量可以多于两个，其工作原理和排气结构与双反应腔结构类似。

图2示出根据本发明所提供的一种等离子体处理设备的前视横载面示意图。在图2所示的等离子体反应器100中，包括两个相邻排列的反应腔，两个反应腔分别由反应腔壁101和101’围成，并设有一个相邻的侧壁105，在等离子体工艺处理过程中，等离子体反应器100内通常设置为真空环境，工艺开始时，一气体注入装置将反应气体源160中的反应气体注入反应器100内，气体注入装置可以有多种形式，根据不同工艺和反应腔的具体结构可以设置为平板型气体喷淋头或其他结构，本实施例中，气体注入装置设置为平板型气体喷淋头120和120’，气体喷淋头120和120’能够将反应气体均匀注入反应器内，选择气体喷淋头的材料为适合做电极的材料还可以将气体喷淋头连接射频电源或接地，作为平行板电容的一部分，用以产生等离子体。气体喷淋头120和120’下方分别设置一支撑半导体基片135的基座130和130’，通常基座130和130’上方分别设置静电夹盘133和133’，通过静电夹盘133和133’产生的静电吸力实现对半导体基片135在工艺过程中的固定。基座130和130’的通常为圆柱形，坐落于反应腔底部的中心位置，以提供较为对称的工艺环境，有利于反应工艺的顺利进行。射频功率源系统150和150’作用于基座130和130’，并在气体喷淋头120与基座130之间，气体喷淋头120’与基座130’产生电场，将自气体喷淋头120和气体喷淋头120’注入的反应气体解离为等离子体，并维持等离子体对半导体基片进行作用。环绕基座130设置一等离子体约束装置110，环绕基座130’设置一等离子体约束装置110’。等离子体约束装置110和110’水平面以上区域为等离子体处理区域102和102’，等离子体约束装置110和110’下方区域为排气区域103和103’。多个等离子体处理腔室的排气区域至少部分相互邻近并且相互流体连通，以构成一相邻排气区域，两个反应腔相邻的侧壁105的下方设置一开口145，用以实现两个反应腔排气区域103和103’的联通；开口145同时贯穿两个反应腔相邻区域的底部，在所述相邻排气区域的下方设置一排气泵140，实现两个反应腔共用一个排气泵的设计，用于将反应工艺产生的气体副产物排出反应腔。

由于两个反应腔具有大致相同的结构，为便于描述，现选取一个反应腔的结构进行详细介绍。其中，环绕基座130设置的等离子体约束装置110包括一大致呈环状的导流主体111以及设置在导流主体111内的若干气体通道112，以利于所述处理区域102里用过的反应气体及副产品气体通过此气体通道进入排气区域103，所述用过的反应气体及副产品气体内包括带电粒子及中性粒子，所述气体通道112的大小被设置成当等离子体内的带电粒子通过所述气体通道112时可以使带电粒子被中和，同时允许中性粒子通过。排气区域103和103’为环绕在基座130和基座130’的环形区域，由于两个反应腔共用一个排气泵140，为了保证两个反应腔排气速率的对称性，故排气泵140需要设置在两个反应腔相邻侧壁105的下方，这必会导致两个反应腔排气区域103和103’不同位置的气体到开口145的路径不同，因此靠近开口145的排气区域气体沿A路线通过排气泵排出反应腔，其排出速率较快，此处区域气压较小，此区域对应的等离子体约束装置110和等离子体约束装置110’上方用过的反应气体及副产品气体会较快的经气体通道进入排气区域103和103’，远离开口145部分的排气区域气体沿B路线通过排气泵140排出反应腔，其排出速率较慢，此处区域气压较大，此区域对应的等离子体约束装置110和等离子体约束装置110’上方用过的反应气体及副产品气体会较慢的经气体通道进入排气区域，导致等离子体约束装置上方处理区域102和处理区域102’内的气体分布不均匀，进而导致不同区域的半导体基片处理不均匀。

图3示出本发明具有两个等离子体处理腔室的俯视结构示意图，在图3所示的俯视图中，两相邻的反应腔并行排列，圆形虚线内示出两反应腔的排气区域相互邻近的相邻排气区域，相邻排气区域下方设置所述的排气泵，其中，每个所述等离子体约束装置110包括位于相邻排气区域上方的第一区域1101和1101’和位于相邻排气区域以外区域上方的第二区域1102和1102’，下文将详细描述等离子体约束装置第一区域和第二区域的具体结构。

气体通道112可以为孔型通道也可以为槽型通道，在本实施例中，气体通道选择环状槽型气体通道，图4示出一种等离子体约束装置横截面结构示意图，导流主体111由若干个同心圆环1111和若干个连接架113组成，若干个连接架113呈辐射状设置在导流主体111靠近处理区域102的一端或靠近排气区域103的一端，将两个相邻的同心圆环之间连接在一起，保证导流主体111的一体设置，相邻的两个同心圆环1111之间形成气体通道112，气体通道112的大小设置成当等离子体中的带电粒子通过时使带电粒子被中和，同时允许中性粒子通过。所述气体通道112的长度设置为大于所述带电粒子的平均自由程。为了减小排气区域不同位置的气体到开口145的路径不同带来的等离子体约束装置110上方处理区域102内的气体分布不均匀的问题，本发明中将等离子体约束装置110第一区域1101的气体通道112长度设置为大于等离子体约束装置110第二区域1102的气体通道长度。如图4所示，环形槽状气体通道112在贯穿导流主体的方向上为长直通道，在第一区域1101，导流主体111的厚度逐渐增加，长直气体通道长度逐渐增加，因此用过的反应气体及副产品气体在较长的气体通道内停留的时间较长，第二区域1102内的导流主体厚度不变，气体通道长度不变。采用此种设计可以减缓第一区域1101的气体通道内的气体向排气区域103扩散的速度，降低第一区域1101下方排气区域的气压，使得第二区域1102的上方用过的反应气体及副产品气体能更快的向排气泵140处流动，排出反应腔内。本实施例中，连接架113设置在等离子体约束装置110靠近排气区域103的一端，即等离子体约束装置的底面。在等离子体约束装置110的第二区域1102，连接架113为水平设置，在等离子体约束装置110的第一区域1101，连接架113位于厚度不断增加的同心圆环底面，呈一定的角度倾斜。类似的，连接架113可以呈辐射状分布在等离子体约束装置靠近处理区域102的一端，即位于等离子体约束装置110的上表面，此时所有的连接架113处于水平位置。

由于等离子体约束装置110是一个环状结构，其下方的排气区域103到排气泵140的距离各不相同，为了保证等离子体约束装置110上方的气体分布均匀，图5示出另一种等离子体约束装置的变形实施例，在图5所示的实施例中，气体通道112的长度自第二区域向第一区域逐渐增大，连接架113呈辐射状均匀分布在等离子体约束装置靠近处理区域102一端或靠近排气区域103一端。若连接架113位于靠近排气区域103一端设置，连接架113会随着同心圆环的厚度不断增加呈现一定的倾斜角度。

图6示出等离子体约束装置110的另一种变形实施例，在该实施例中，等离子体约束装置第一区域的导流主体的厚度呈阶梯状增加，目的是为了增加第一区域1101的气体通道112的长度，基于此设计原理，可以有如下几种设计，所述若干同心圆环靠近排气区域的一端位于一水平面上，连接架113呈辐射状位于所述同心圆环的靠近排气区域103的一端，等离子体约束装置110第一区域1101的同心圆环1111在靠近处理区域102的一端高度由内向外呈阶梯状增加；或者，所述若干同心圆环1111靠近所述等离子体处理区域102的一端位于一水平面上，等离子体约束装置110第一区域1101的同心圆环1111靠近所述排气区域的一端高度由内向外呈阶梯状增加，所述连接架呈辐射状位于所述同心圆环靠近所述等离子体处理区域一端；或者等离子体约束装置110第一区域的同心圆环1111高度在靠近排气区域103和处理区域102的两端同时呈阶梯状分布增加。在该实施例中，考虑到等离子体约束装置110下方的排气区域103到排气泵140的距离各不相同，为了保证等离子体约束装置110上方的气体分布均匀，同心圆环1111厚度自等离子体约束装置110第二区域到第一区域逐渐增大，并由内圈圆环向外圈圆环呈阶梯状增大，因此气体通道112的长度自远离排气泵140的一侧向靠近排气泵140的一侧开始逐渐增大。

图7示出本发明具有两个等离子体处理腔室的俯视结构示意图，为了更好的控制第一区域和第二区域的排气速率，所述等离子体约束装置的第一区域1101内的环状槽型气体通道112的通道宽度小于所述第二区域1102内的气体通道宽度。优选的，所述等离子体约束装置的第二区域到第一区域，所述环形槽状气体通道的通道宽度逐渐变小。

图8示出一种孔状气体通道的等离子体约束装置横截面示意图，等离子体约束装置110包括导流主体115及设置在导流主体115上的孔状气体通道116，孔状气体通道116为长直孔，在离子体约束装置110的第一区域，导流主体115厚度逐渐增大，设置在该区域的导流主体115上的气体通道116的长度逐渐增大，因此用过的反应气体及副产品气体在该较长的气体通道内停留的时间较长。有利于控制等离子体约束装置表面的气体流动均匀。为了保证等离子体约束装置110上方的气体分布均匀，导流主体115厚度自等离子体约束装置110第二区域到第一区域逐渐增大，使得气体通道116的长度自远离排气泵140的一侧向靠近排气泵140的一侧开始逐渐增大。

图9示出本发明具有两个等离子体处理腔室的俯视结构示意图，为了更好的控制等离子体约束装置第一区域和第二区域的排气均匀性，所述等离子体约束装置第一区域的孔状气体通道孔径小于第二区域的孔状气体通道孔径。因此，第一区域上方的气体在第一区域的气体通道内的流速小于第二区域上方的气体在第二区域的气体通道内的流速。以调节整个反应腔气体排放的均匀度。

在另外的实施例中等离子体约束装置在第一区域，导流主体115厚度呈阶梯状由内向外逐渐增大，设置在该区域的导流主体115上的气体通道的长度116也呈阶梯状逐渐增大，目的是为了增加靠近排气泵140的气体通道的长度，基于此设计原理，可以有如下几种设计，导流主体115靠近排气区域的一端位于一水平面上，靠近处理区域的一端导流主体115高度由内向外呈阶梯状增加；或者，导流主体115靠近所述等离子体处理区域的一端位于一水平面上，靠近所述排气区域的一端高度由内向外呈阶梯状增加，或者导流主体115高度在靠近排气区域和处理区域的两端同时呈阶梯状由内向外增加。

通过将两个反应腔内靠近排气泵的区域的气体通道长度设置为大于远离所述排气泵区域的气体通道长度。使得用过的反应气体及副产品气体在较长的气体通道内停留的时间较长。采用此种设计可以减缓等离子体约束装置110第一区域的气体通道内的气体向排气区域扩散的速度，使得第二区域上方用过的反应气体及副产品气体能更快的向排气泵处流动，排出反应腔内。解决了排气区域不同位置的气体到开口的路径不同带来的等离子体约束装置上方处理区域内的气体分布不均匀的问题。以保证两个反应腔内的半导体基片处理均匀。

本发明虽然以较佳实施方式公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (14)

1.一种实现均匀排气的等离子体处理设备，包括多个相邻排列的等离子体处理腔室及一共享的排气泵，所述每个等离子体处理腔室内设置一用于支撑基片的基座，所述每个等离子体处理腔室内环绕所述基座的外围设置一等离子体约束装置，每个所述等离子体约束装置下方设有排气区域；所述等离子体约束装置包括一导流主体和设置在所述导流主体上的若干气体通道，用于将气体排放至排气区域，其特征在于：所述多个等离子体处理腔室的排气区域至少部分相互邻近并且相互流体连通，以构成一相邻排气区域，所述共享的排气泵设置于所述相邻排气区域的下方，并同时与所述每一个等离子体处理腔室的排气区域相互流体连通；每个所述等离子体约束装置包括第一区域和第二区域，所述第一区域为对应位于所述相邻排气区域上方的区域，所述第二区域为除所述第一区域之外的区域，所述第一区域和第二区域气体通道在贯穿所述导流主体的上下表面的方向上为长直通道，所述第二区域的导流主体厚度大于所述第一区域的导流主体厚度，使得气体在经过所述第一区域内的气体通道时所用的时间大于气体经过所述第二区域内的气体通道时所用的时间。

2.根据权利要求1所述的等离子体处理设备，其特征在于：所述气体通道为环形槽状气体通道，所述导流主体包括若干同心圆环和将所述若干同心圆环连接的连接架。

3.根据权利要求2所述的等离子体处理设备，其特征在于：所述等离子体约束装置第二区域的同心圆环厚度相同，所述第一区域的同心圆环的厚度逐渐增加，所述第一区域的气体通道长度逐渐增大。

4.根据权利要求2所述的等离子体处理设备，其特征在于：所述等离子体约束装置自第二区域到第一区域，所述同心圆环的厚度逐渐增加，所述气体通道长度逐渐增大。

5.根据权利要求3或4所述的等离子体处理设备，其特征在于：所述连接架呈辐射状位于所述同心圆环的底部，所述等离子体约束装置第一区域的同心圆环下方的所述连接架呈一定角度倾斜。

6.根据权利要求3或4所述的等离子体处理设备，其特征在于：所述导流主体靠近排气区域的一端位于同一水平面上，所述连接架呈辐射状位于所述同心圆环的靠近排气区域的一端，所述等离子体约束装置第一区域的导流主体在靠近所述等离子体处理区域的一端高度由内向外呈阶梯状增加。

7.根据权利要求3或4所述的等离子体处理设备，其特征在于：所述导流主体靠近所述等离子体处理区域的一端位于同一水平面上，所述等离子体约束装置第一区域的导流主体在靠近所述排气区域的一端高度呈阶梯状增加，所述连接架呈辐射状位于所述同心圆环靠近所述等离子体处理区域一端。

8.根据权利要求3或4所述的等离子体处理设备，其特征在于：每个所述等离子体约束装置的第一区域内的环状槽型气体通道的通道宽度小于所述第二区域内的通道宽度。

9.根据权利要求8所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述等离子体约束装置的第二区域到第一区域，所述环形槽状气体通道的通道宽度逐渐变小。

10.根据权利要求1所述的等离子体处理设备，其特征在于：所述气体通道为设置在所述导流主体上的若干长直孔，所述等离子体约束装置第一区域的孔状气体通道长度大于第二区域的孔状气体通道长度。

11.根据权利要求10所述的等离子体处理设备，其特征在于：自所述等离子体约束装置第二区域向第一区域所述导流主体厚度逐渐变大，对应所述孔状气体通道的长度逐渐变大。

12.根据权利要求10所述的等离子体处理设备，其特征在于：自所述等离子体约束装置第二区域向第一区域，所述导流主体厚度呈阶梯状增加，对应所述孔状气体通道的长度呈阶梯状增加。

13.根据权利要求12所述的等离子体处理设备，其特征在于：所述气体导流主体在靠近所述等离子体处理区域的一端呈阶梯状分布，或者在靠近所述排气区域的一端呈阶梯状分布，或者在两端同时呈阶梯状分布。

14.根据权利要求8所述的等离子体处理设备，其特征在于：每个所述等离子体约束装置的第一区域内的孔状气体通道孔径小于所述第二区域内的孔状气体通道孔径。