CN105789089B - 真空处理装置、用于改善真空处理装置工艺结果的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种真空处理装置以及用于改善真空处理装置工艺结果的方法。所述真空处理装置，包括：由底壁、侧壁及顶盖围成的反应腔室，所述顶盖以可转动的方式安装在所述侧壁上，以使得所述反应腔室可通过所述顶盖暴露；气弹簧，所述气弹簧的一端安装在所述顶盖上，另一端安装在所述侧壁上，用于在所述顶盖完全打开、完全关闭时使所述顶盖保持状态；液压阻尼器，所述液压阻尼器的一端安装在所述顶盖上，一端安装在所述侧壁上，用于限制所述顶盖打开或关闭过程中的速度。

Description

真空处理装置、用于改善真空处理装置工艺结果的方法

技术领域

本发明涉及用于半导体制作的真空处理装置，如等离子体刻蚀装置、等离子体沉积装置、等离子体灰化装置、化学气相沉积装置，以及有机金属化学气相沉积装置等，也涉及应用上述装置改善其工艺处理结果的方法。

背景技术

在半导体制造领域，对于给定的真空处理装置，业内人员总是希望它的工艺结果是符合预期的。以等离子体刻蚀装置为例，对它赋以相同的刻蚀参数用来加工不同批次的相同基片时，人们期望各个批次的基片被刻蚀的深度、均匀度等都是大致相同的，至少是差异不大的。通常而言，在设备维修或重新调制后的初期，大体能满足上述要求。然而，长期持续运行很长一段时间，通常两三个月后，同一设备以相同参数生产出来的前后批次产品之间的差异就常常超出允许范围，从而出现不合理的、大量的残次品。这是业内需持续改善的一个问题。

业内通常认为导致上述问题产生的原因主要大致有以下两个。一个是工艺过程中不断产生并累积的颗粒、杂质等污染物。针对此点，给出的解决方案是经常以如清洁气体、等离子体等原位清洁设备内部以去除累积的污染物。另一个原因是工艺(如刻蚀气体、高温活性气体等)对设备主要部件的损伤以及主要部件的自然老化。针对该点，提出的改进方案通常包括更换受损伤部件、优化主要部件的防蚀性能，比如在气体喷淋头、内壁上涂覆抗蚀刻层等。

上述的各种解决手段经实践验证都是确实有效的。它们虽不能完全杜绝该问题的出现，但却可大大延长设备正常运作的时间。

本发明的发明人发现了上述问题产生的另一原因，并据此对现有的半导体加工设备及方法进行了改进。

发明内容

发明人注意到，现有的半导体真空处理装置，每开启一次反应腔室的顶盖，其发生上述问题的可能性就越大；对于运行时间相等的类似设备，累计开启顶盖次数多的，发生上述问题的概率也越大。于是，发明人将反应腔室的顶盖，特别是顶盖的开启，与上述问题联系了起来。

虽然肉眼难以发觉，但借助细部放大工具，发明人还是发现了差异：顶盖开启次数多的真空处理装置(这里以电容耦合式等离子体刻蚀装置为例)内的一些重要元件，如喷淋头、聚焦环等，的位置已发生了细微偏移。发明人推测，这些重要元件的失位是导致上述问题的原因之一。并且，将这些元件恢复正常位置后，大量的测试也表明，设备在这方面的能力基本恢复到正常水平，即，发生上述问题的概率已与不经常开启顶盖的设备处于大体相当的水平。

基于上述发现及相关实验，发明人提出了本发明。

根据本发明的一个方面，提供一种用于半导体加工的真空处理装置，其包括：

由底壁、侧壁及顶盖围成的反应腔室，所述顶盖以可转动的方式安装在所述侧壁上，以使得所述反应腔室在需要时可通过所述顶盖暴露；

气弹簧，所述气弹簧的一端安装在所述顶盖上，另一端安装在所述侧壁上，用于在所述顶盖完全打开、完全关闭时使所述顶盖保持状态；

液压阻尼器，所述液压阻尼器的一端安装在所述顶盖上，一端安装在所述侧壁上，用于限制所述顶盖打开或关闭过程中的速度。

可选的，所述气弹簧的压力缸端安装在所述顶盖上，所述气弹簧的活塞杆端安装在所述侧壁上；所述顶盖完全关闭时，所述侧壁的上表面与所述顶盖之间呈零度角，所述顶盖完全打开时，所述顶盖与所述侧壁的上表面之间呈钝角。

根据本发明的另一个方面，提供一种用于改善真空处理装置工艺结果的方法，所述真空处理装置包括由底壁、侧壁及顶盖围成的反应腔室，所述顶盖以可转动的方式安装在所述侧壁上，以使得在需要时所述反应腔室可通过所述顶盖暴露；所述真空处理装置还包括气弹簧，所述气弹簧的一端安装在所述顶盖上，另一端安装在所述侧壁上，用于在所述顶盖完全打开、完全关闭时使所述顶盖保持状态；所述方法，包括：

在转动所述顶盖以打开或关闭所述反应腔室的过程中，减缓所述顶盖转动的速度。

可选的，利用液压阻尼器减缓所述顶盖转动的速度，所述液压阻尼器的一端安装在所述顶盖上，一端安装在所述侧壁上。

附图说明

图1与图2是真空处理装置顶盖开启与关闭状态的示意图；

图3是气弹簧的结构示意图；

图4是根据本发明一个实施例的真空处理装置的侧视图；

图5是图4的后视图；

图6是图4中液压阻尼器的结构示意图；

图7是图6中提升阀与节流阀并联结构的结构示意图；

图8是图4所示装置的局部结构的立体示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例及附图，对本发明真空处理装置、用于改善真空处理装置工艺结果的方法进行说明。需强调的是，这里仅是示例型的阐述，不排除有其它利用本发明的实施方式。

图1与图2分别是真空处理装置在顶盖开启与关闭状态的示意图。这里所说的真空处理装置可以是等离子体刻蚀装置、等离子体沉积装置、等离子体灰化装置、化学气相沉积装置，以及有机金属化学气相沉积装置等。虽然这些装置是利用不同的原理对半导体基片进行相同或不同的处理，但它们在顶盖开启与关闭结构设计方面并无实质的差别，至少在这方面是可替换或相互借鉴的。

如图1与图2所示，所述真空处理装置包括由底壁27、侧壁21，22，23等以及顶盖3围成的反应腔室10。在顶盖3完全关闭后，所述反应腔室10可被抽真空，以满足基片进行半导体加工的苛刻环境要求。其中的一个侧壁，如23，上通常设置有通道(未图示)，以作为基片进出反应腔室10的进出口。当一片或一批基片加工完毕后，经由所述通道运出；而后，新的待加工基片经由所述通道进入所述反应腔室10以进行加工。基片进出过程中，侧壁上的该通道的打开并不会改变反应腔室10内的气体环境，因而基本不会对基片的连续加工造成不良影响。

顶盖3以可转动的方式安装在侧壁21上，以使得所述反应腔室10在需要时(比如，需进行内部元件的维修替换或深度清洁时)可通过翻转所述顶盖3而暴露；人手或工具等可自该因顶盖3而出现的上方开口进入，内部元件也可经由该开口而被移出。顶盖3转动所围绕的转轴32设置在顶盖3与侧壁21的连接处。

为避免设备体积的过度膨大，顶盖3的打开和关闭通常都由人工(而非自动装置)完成。顶盖3的外表面上通常设置有把手8，操作人员用手抓握把手8通过拉/压顶盖3即可完成反应腔室10的打开与关闭。另外，所述真空处理装置还设置有气弹簧(gas spring)5，所述气弹簧5的一端52安装在顶盖3上，另一端54安装在侧壁22上，至少用于在所述顶盖3完全打开或完全关闭时使所述顶盖3保持在该状态。

图3是气弹簧5的结构示意图。如图3所示，所述气弹簧5包括压力缸52、活塞56以及活塞杆54等。其中，活塞56设置在压力缸52内，并将压力缸52分为两部分；填充物(通常为惰性气体或油气混合物；未图示)填充在该两部分内，使缸体内的压力高于大气压的几倍或者几十倍。并且，活塞56上设有通道560，以将该两部分相连通，使它们的内部压强总是保持相等。沿压力缸52长度方向延伸的活塞杆54的一端接触并占据活塞56表面的一部分，另一端延伸出压力缸52以与外物相连。

为后文描述的方便，以下将气弹簧5的两端分别称为压力缸端52(靠近压力缸52的一端)、活塞杆端54(靠近活塞杆54的一端)。由于活塞杆54霸占活塞56的一部分表面，使得该部分表面不能为填充物接触而被给予作用力，因而活塞56的相对的两个受力表面与填充物之间的接触面积总是不等，进而活塞56两侧的受力总是不相等。具体而言，与活塞杆54相连的活塞56一侧所受到的填充物推力总是小于另外一侧。因而，在外力作用下，活塞56在压力缸52内持续有向活塞杆端54滑动的趋势。

请继续参照图3所示，并结合图1与图2，气弹簧5的压力缸端52安装在顶盖3上，活塞杆端54安装在侧壁22上，从而，气弹簧5本身总是提供指向侧壁22的作用力。在顶盖3完全关闭时，如图2所示，侧壁21、22、23的上表面与顶盖3之间所成的角为零度，此时该气弹簧5提供的力为顺时针方向(以转轴32为圆心)，从而可迫使顶盖3关闭严密，并保持该关闭状态。顶盖3完全打开时，如图1所示，顶盖3与侧壁21、22、23的上表面之间所成的角为钝角，此时该气弹簧5提供的力为逆时针方向，从而可迫使顶盖3保持在该完全打开状态。

以顶盖3的关闭过程为例来进行动态的受力分析。(1)、从顶盖3的完全打开位置(如图1所示)到顶盖3与反应腔室10上表面呈直角，在这个过程中，顶盖3的重力与气弹簧5提供的都是反对关闭的力，只是这两个力都在逐渐减小；相应的，在此阶段，操作人员需克服该两个力的作用。(2)、从上述的直角位置到顶盖3完全关闭，在这个过程中，顶盖3的重力以及气弹簧5都成为实现关闭的动力，并且这两个力都在逐渐增强；相应的，在该阶段，操作人员基本不需提供动力即可实现该关闭过程，不仅如此，操作人员还需注意在必要时给予阻力，以防止闭合速度过快。

顶盖3打开过程中的受力分析与前述过程类似，只是时间顺序上相反而已。这里不再赘述。

图1至图3所示的装置，结合针对上述装置所制定的合理的操作规范以及严格依照该规范的人工作业，通常已被业界大多数人认为可完全适应顶盖打开与关闭的技术需要，并几乎不会伴随明显的缺陷。然而，如前面已描述过的，发明人发现，尽管严格按规程操作，上述装置在经多次开关顶盖后，仍可观察到其内部元件位置发生轻度偏移，从而影响工艺结果的现象。基于此，发明人提出在上述装置上增设至少一个液压阻尼器(hydraulicdamper)，该液压阻尼器的一端安装在所述顶盖上，一端安装在所述侧壁上，用于限制所述顶盖打开或关闭过程中的速度，从而避免内部元件位置发生偏移，改善上述问题。大量的验证试验也证实了上述液压阻尼器的上述作用。下面是这种新装置的具体描述。

图4是本发明真空处理装置一个实施例的侧面视图。图5是后视图。如图4与图5所示，所述真空处理装置包括：

由底壁(未标号)、侧壁21，22，23及顶盖3围成的反应腔室10，顶盖10以可转动的方式安装在侧壁21上，以使得所述反应腔室10可通过所述顶盖10而暴露；

气弹簧5，所述气弹簧5的一端安装在所述顶盖3上，另一端安装在所述侧壁22上，用于在所述顶盖3完全打开、完全关闭时使所述顶盖3保持状态；

液压阻尼器7，所述液压阻尼器7的一端安装在所述顶盖3上，一端安装在所述侧壁22上，用于限制所述顶盖3打开或关闭过程中的速度。

由于液压阻尼器7可限制顶盖3打开或关闭的速度，因而可减缓上述过程对转轴32以及反应腔室10的冲击，从而可防止反应腔室10内部元件的位置发生偏移，避免或降低工艺结果不符预期的可能性。

说明一点，图4与图5中的反应腔室10、气弹簧5等主要部件的结构均与图1至图3中对应部件相同，欲了解其结构细节可参考前面介绍，这里不再重复描述。两者的唯一区别在于液压阻尼器7的设置。以下重点介绍液压阻尼器7。

图6是图4与图5所示装置中液压阻尼器7的结构示意图。图7是图6中提升阀与节流阀并联结构的结构示意图。如图6所示的液压阻尼器7对速度敏感，因而能够实现对顶盖3运动速度的限制，其包括：

油缸72；

位于所述油缸72内的活塞76，所述活塞76将所述油缸72分为两部分；

储油箱S，所述油缸72的两部分各通过一并联的提升阀VT与节流阀VJ分别与所述储油箱S相连通；

活塞杆74，所述活塞杆74的一端连接在所述活塞76上，另一端延伸出所述油缸72外。

由于液压阻尼器7的一端连接在顶盖3上，因而，顶盖3转动的过程中就会带动活塞杆74以及活塞76相对油缸72滑动，从而改变油缸72内的、由活塞76分割而成的所述两部分的空间，导致油缸72与储油箱S内的液压油的流动。活塞76滑动得越快，液压油流动得越快。当油速超过允许速度时，提升阀VT与节流阀VJ会大幅提升阻尼力，从而限制活塞76滑动的速度。具体而言，当液压油速超过允许速度时，参照图7所示，液压油沿图中箭头方向推动阀芯70，使阀芯70克服弹簧T的弹簧力而关闭，液压油只能从阻尼小孔703(其对应的是节流阀VJ)流过，形成强大的阻尼力FN。当液压油速在允许速度范围内时，阀芯70处于正常位(如图中所示的状态)，液压油主要自大的通道707(其对应的是提升阀VT)流过，液压油流动的阻力极小，通常小于上述阻尼力FN的百分之一到百分之二。

图8是图4与图5所示装置的局部结构的立体示意图，用以清楚展示气弹簧5、液压阻尼器7的一种可行的安装方式。如图8所示，气弹簧5与液压阻尼器7均安装在所述装置的外表面，而非反应腔室10内，既可避免气弹簧5与液压阻尼器7等占用基片的处理空间，也可防止加工过程中的处理气体等损伤气弹簧5与液压阻尼器7。

气弹簧5与液压阻尼器7平行设置，并以类似的方式安装，从而既可简化安装结构，也可规范两者占用的空间、避免影响其他元件的布局设置。具体地，顶盖3的侧面上设置有安装座92，侧壁22(或24)的表面上设置有安装座94，安装座92与94上分别设置有与气弹簧5、液压阻尼器7相铰接的连接结构。

说明一点，在本实施例中，共设置有气弹簧5与液压阻尼器7各一对，它们分别安装在相对的侧壁22与24上。在其它实施例中，可仅设置一个气弹簧5与液压阻尼器7。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (14)

1.用于半导体加工的真空处理装置，包括：

由底壁、侧壁及顶盖围成的反应腔室，所述顶盖以可转动的方式安装在所述侧壁上，以使得所述反应腔室可通过所述顶盖暴露；

气弹簧，所述气弹簧的一端安装在所述顶盖上，另一端安装在所述侧壁上，用于在所述顶盖完全打开、完全关闭时使所述顶盖保持状态，当所述顶盖完全关闭时，所述侧壁的上表面与所述顶盖之间呈零度角，当所述顶盖完全打开时，所述顶盖与所述侧壁的上表面之间呈钝角；

液压阻尼器，所述液压阻尼器的一端安装在所述顶盖上，一端安装在所述侧壁上，用于限制所述顶盖打开或关闭过程中的速度；所述气弹簧与所述液压阻尼器平行设置。

2.如权利要求1所述的真空处理装置，其中，所述气弹簧的压力缸端安装在所述顶盖上，所述气弹簧的活塞杆端安装在所述侧壁上。

3.如权利要求1所述的真空处理装置，其中，所述液压阻尼器包括：

油缸；

位于所述油缸内的活塞，所述活塞将所述油缸分为两部分；

储油箱，所述油缸的两部分各通过一并联的提升阀与节流阀分别与所述储油箱相连通；

活塞杆，所述活塞杆的一端连接在所述活塞上，另一端延伸出所述油缸外。

4.如权利要求3所述的真空处理装置，其中，所述液压阻尼器的活塞杆端安装在所述顶盖上，油缸端安装在所述侧壁上。

5.如权利要求1所述的真空处理装置，其中，所述侧壁的数目为多个，至少包括第一侧壁、以及分别与第一侧壁相连的第二侧壁与第三侧壁，所述顶盖安装在所述第一侧壁的上表面，所述气弹簧与所述液压阻尼器均安装在所述第二侧壁或第三侧壁上。

6.如权利要求5所述的真空处理装置，其中，所述气弹簧与所述液压阻尼器的数目为两个或更多；所述第二侧壁与第三侧壁上均安装有气弹簧与液压阻尼器。

7.如权利要求1所述的真空处理装置，其中，所述气弹簧包括：

压力缸；

设置在所述压力缸内的活塞，所述活塞将所述压力缸分为两部分，所述活塞上设有通道，以将所述两部分相连通，使它们的内部压强相等；

活塞杆，所述活塞杆沿所述压力缸的长度方向延伸，所述活塞杆的一端接触在所述活塞的表面，另一端延伸出所述压力缸。

8.如权利要求1所述的真空处理装置，其中，所述气弹簧与所述液压阻尼器均设置在所述反应腔室外。

9.如权利要求1所述的真空处理装置，其中，所述真空处理装置为等离子体刻蚀装置、等离子体沉积装置、化学气相沉积装置或有机金属化学气相沉积装置。

10.用于改善真空处理装置工艺结果的方法，所述真空处理装置包括由底壁、侧壁及顶盖围成的反应腔室，所述顶盖以可转动的方式安装在所述侧壁上，以使得所述反应腔室可通过所述顶盖暴露；所述真空处理装置还包括气弹簧，所述气弹簧的一端安装在所述顶盖上，另一端安装在所述侧壁上，用于在所述顶盖完全打开、完全关闭时使所述顶盖保持状态，当所述顶盖完全关闭时，所述侧壁的上表面与所述顶盖之间呈零度角，当所述顶盖完全打开时，所述顶盖与所述侧壁的上表面之间呈钝角；所述方法，包括：

在转动所述顶盖以打开或关闭所述反应腔室的过程中，减缓所述顶盖转动的速度。

11.如权利要求10所述的方法，其中，利用液压阻尼器减缓所述顶盖转动的速度，所述液压阻尼器的一端安装在所述顶盖上，一端安装在所述侧壁上。

12.如权利要求11所述的方法，其中，所述气弹簧的压力缸端安装在所述顶盖上，所述气弹簧的活塞杆端安装在所述侧壁上。

13.如权利要求11所述的方法，其中，所述液压阻尼器包括：

油缸；

位于所述油缸内的活塞，所述活塞将所述油缸分为两部分；

储油箱，所述油缸的两部分各通过一并联的提升阀与节流阀分别与所述储油箱相连通；

活塞杆，所述活塞杆的一端连接在所述活塞上，另一端延伸出所述油缸外。

14.如权利要求11所述的方法，其中，所述气弹簧包括：

压力缸；

设置在所述压力缸内的活塞，所述活塞将所述压力缸分为两部分，所述活塞上设有通道，以将所述两部分相连通，使它们的内部压强相等；

活塞杆，所述活塞杆沿所述压力缸的长度方向延伸，所述活塞杆的一端接触在所述活塞的表面，另一端延伸出所述压力缸。