CN105983493A - 分区可控的流量调节喷头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微电子集成电路芯片的制造设备。本发明提供了一种分区可控的流量调节喷头，包括进给管、流量控制器、流体腔、阻隔片和出射板，其中流体腔被阻隔片分隔为数个相互独立的隔离区域，进给管分别向各个隔离区域输送流体，位于不同隔离区域内的流体彼此之间无对流或交换，流体在各个隔离区域内的流量由流量控制器分别加以控制；在喷头的出射板上，开设有喷射孔，流体通过隔离区域后由喷射孔排出。本发明中的喷头解决了以往现有技术中喷头的控制模式单一，出射不均匀的棘手问题，尤其适于作为半导体等高精尖设备中的喷气或喷液装置加以使用。

Description

分区可控的流量调节喷头

技术领域

本发明涉及微电子集成电路芯片的制造设备，尤其涉及一种半导体气相刻蚀工艺中所使用的喷头装置。

背景技术

半导体生产涉及到光刻、涂胶、显影及清洗等多道工艺，用于实施上述工艺的加工设备，其中的多数都离不开喷头这一重要部件。以刻蚀为例，尤其是气相刻蚀，喷头的好坏很大程度上决定了工艺的成败。参考图1所展示的一种用于气相刻蚀的装置，其主要结构包括刻蚀腔101、夹盘102和喷头103，刻蚀气体通过管路被运送至刻蚀腔101后，将由喷头103向放置于夹盘102上的晶圆进行喷洒，通常夹盘102还会旋转，以达到更好的刻蚀目的。

在图2中则给出了这种设备所使用的喷头103的仰视图。由于晶圆为圆形，所以这种喷头通常也被相应地设计为圆形，且其面积与晶圆的大小相当；为了达到均匀刻蚀的目的，其表面会均匀排布有大小相同的喷射孔104，供刻蚀气体排出。

这种喷嘴在实际生产使用时，是存在问题的，比较典型的有：1、喷出气体的方式比较单一，进行流量调节时，喷头上各个区域内的流量同增同减，无法分别加以控制，遇到某些有特殊刻蚀要求的晶圆，比如要求晶圆的中心区域刻蚀速率较慢而边缘区域刻蚀速率较快时，这种喷头很难保证刻蚀效果；2、刻蚀气体在喷头内部也是存在一段运动路径的，通常由喷头的进给管运送至喷头的出射板，进给管的管口相对于喷头出射板的尺寸，要细小的多，而出射板的尺寸为了与晶圆相对应，往往要达到8英寸或12英寸左右，在刻蚀气体由喷头的入口(进给管)流至喷头的出口(出射板)的过程中，很难保证刻蚀气体已均匀的扩散至整个出射板的板面，如果刻蚀气体在喷头内尚未均匀的扩散开就由喷射孔排出，那么晶圆很有可能遭到不均匀地刻蚀，这将严重影响晶圆产品的良率。

发明内容

上述喷头的问题不解决，半导体行业内诸多工艺的良率都将受到不同程度的影响，难以做出完美的晶圆产品回馈大众。本发明正是针对现有喷头在分区可调功能方面的技术缺失，提出了可行的技术方案，设计出一种新式喷头，不仅能够对喷头不同出射区域的流量分别加以控制，而且还具有更好的均匀性，值得广泛推广。

本发明的技术方案可归纳为如下技术内容：

一种分区可控的流量调节喷头，包括进给管、流量控制器、流体腔、阻隔片和出射板，所述流体腔被所述阻隔片分隔为数个相互独立的隔离区域，所述进给管分别向所述隔离区域输送流体，位于所述不同隔离区域内的流体彼此之间无对流或交换，所述流体在各个隔离区域内的流量由所述流量控制器分别加以控制；所述出射板上开设有喷射孔，所述流体通过所述隔离区域后由所述喷射孔排出。

在本发明其中一个实施例中，所述喷头的平行于所述出射板的切面为圆形，所述圆形的中心为O。

进一步地，所述隔离区域的平行于所述出射板的切面为以O为中心的圆形和环形。

在本发明其中一个实施例中，所述喷头的平行于所述出射板的切面为正n边形，所述正n边形的中心为O。

进一步地，所述隔离区域的平行于所述出射板的切面为以O为中心的正n边形和包围该正n边形的框形。

进一步地，所述进给管的管口的位置在所述切面的投影与所述隔离区域的中心O点所在的位置重合。

进一步地，所述进给管的管口的位置在所述切面的投影以O为中心对称地设置在所述环形或框形隔离区域的等分位置处。

可选地，所述喷射孔的孔径为0.2mm～1.8mm。

可选地，所述进给管的管口的位置到所述出射板的距离为0.5cm～15cm。

本发明对半导体工艺的促进作用非常明显，不仅提高了喷头喷射的均匀性，更消除了原有喷头在流量调节时同增同减的弊病，非常适用于那些具有特殊喷射要求的情形。

附图说明

图1是一种气相刻蚀设备的结构示意图；

图2是图1中所示的气相刻蚀设备所使用的喷头的仰视图；

图3是本发明所述喷头第一实施例平行于出射板306剖开后的切面图；

图4是本发明所述喷头第一实施例的仰视图；

图5是本发明所述喷头第一实施例沿直线L剖开后的截面图；

图6是本发明所述喷头第一实施例的立体图；

图7是本发明所述喷头第二实施例的结构示意图

图8是本发明所述喷头第三实施例的结构示意图。

具体实施例

为了使本领域技术人员更清晰、明确地理解本发明的设计思路及发明意图，申请人特准备了如下多个翔实的具体实施例加以阐述和说明，请公众及本领域技术人员参考附图知会：

图3-图6是本发明所述喷头第一具体实施例的结构示意图，其中图3是喷头301的水平切面图的俯视图，但为了更清楚的表现进给管303的位置关系，对进给管303在图中的表现形式有所调整。在该实施例中的喷头301在外观上与图1中的喷头103并无太大差别，但在内部结构上却有诸多不同。具体而言喷头301包括三根进给管303、两个闭合的圆柱面状的阻隔片302、三个独立的流量控制器304、流体腔305以及出射板306，在出射板306上开设有许多大小一致、分布均匀的喷射孔310。整个喷头301呈一个扁的圆柱体状，由其顶壁、侧壁和出射板306共同构成一个供流体通过流体腔305。流体腔305的内部被阻隔片302分隔开来构成了三个独立的隔离区域：A区307、B区308以及C区309。由于阻隔片302紧紧抵住喷头301的顶壁和出射板306密封，而流体又是由三根彼此分离的进给管303分别输入至隔离区域的，所以进入流体腔305且位于三个不同隔离区域内的流体彼此之间并不发生对流，也没有其他任何形式的交换。这样，三个隔离区域内的流体在经过流体腔305后即可由出射板306上开设的喷射孔310排出，而互不影响。图5是三个隔离区域沿直线L剖开后的截面图。

同样是出于与晶圆的形状和尺寸相匹配的考虑，本实施例中的喷头301设计成了直径为12英寸的圆柱体状，其出射板306和顶壁为圆形，如果将喷头301沿着平行于出射板306的面切开，得到的切面为如图3所示圆形，其中心(也即圆心)为O。俯视整个切面，图3中不同的阴影部分显示的是三个隔离区域的形状和相对位置，其中A区307为圆形，位于整个切面的中部；C区309为圆环形，位于整个切面的最外侧；B区308介于A区307和C区309之间，也为圆环形。三个隔离区域具有共同的中心，均为O点。

喷头301的进给管303设置在喷头301顶壁所在的面上，三根进给管303每一根分别对应一片隔离区域，且每一根进给管303的流量分别由一个流量控制器304进行调控。流量控制器304在业内也被简称为MFC，其通常被设置在进给管304和流体腔305之间，能够实施的侦测和调节进给管303内流体流量的变化情况。在本实施例中，流量控制器304的调节范围约在0～8000sccm左右，能够保证充足的流量供应，且具有较高的调节精度。由于不同隔离区域内的流体互不对流或交换，再加上各个隔离区域内的流体流量由三个流量控制器304分别加以控制，这样就使得喷头301在使用时调节方式的多样化，而避免了整个喷头301的喷射区域内流量同增同减的弊端。这一优势具有明显的好处，以刻蚀晶圆为例：如果一片晶圆需要在中心区域进行深度刻蚀，在边缘区域仅仅稍作刻蚀，而在中心区域与边缘区域之间的夹心区域处刻蚀深度适中，这时就可以利用该喷头301，在刻蚀时间相同的条件下，使A区307内的流量调至最大，B区308内的流量次之，C区309内的流量更次之，即可刻蚀出符合上述要求的晶圆。

另外，将该喷头301分隔成若干个隔离区域还具有提高喷头301的出射均匀性的好处。带来这一好处所依据的原理在于，流体经由进给管303进入流体腔305内后，可以有一个较为充分的扩散过程，由进给管303的管口位置处快速的扩散至相应隔离区域内的其他位置处，之后才由出射板306上的喷射孔310排出。由于各个隔离区域的出射面积显然小于整个喷头301的出射面积，相比于图1中的喷头101，流体由进给管303进入后扩散至较小面积的隔离区域远比由进给管进入后直接扩散至整个喷头的出射面要容易的多，所以本实施例中的喷头301在喷出流体之前，能够得到了更加充分、均匀的扩散，从而有效的提高了喷头301的出射均匀性。

而为了保证流体在隔离区域内得到充分的扩散，有必要对喷头301的一些参数进行限定，主要集中在进给管303到出射板306的距离，以及位于出射板306上的喷射孔310的孔径。其中，进给管303到出射板306的距离宜设置在0.5～15cm的范围之内。如果上述距离小于0.5cm，有可能导致流体在隔离区域内尚未来得及扩散就直接从喷射孔310排出；而如果上述距离过大，超过了15cm，又会导致喷头301的尺寸过大，同时对喷头303的喷洒效率也会造成影响。由于该实施例中进给管303均设置在喷头301的顶壁，所以上述距离也体现为喷头301的长度(顶壁到出射板306的距离)。而关于喷射孔310的孔径，最好在0.2mm～1.8mm的范围内选定，因为如果孔径太大，那么喷头301的喷射速度也会相应的过快，导致流体来不及扩散；孔径太小的情况下，可能导致喷射出的流体在晶圆表面形成的压强偏大，同时也会对喷洒效率产生影响。

图7是本发明所述喷头第二实施例的结构示意图。其基本结构中同样包括了进给管703、阻隔片702、流量调节器704、流体腔705以及出射板，出射板上开设有相应的喷射孔。本实施例中的喷头并不限于刻蚀晶圆之用，所以喷头被设计为方形立柱状，沿平行于出射板的平面剖开喷头后，得到如图7的切面图，该切面为正方向，而其内部也被阻隔片702分割成两部分隔离区域：A区707和B区708。其中A区707位于切面的中部且与切面具有共同的中心O，其形状为正方形；B区708则包围正方形的A区707，其形状呈一个正方框，且该正方框的中心也为O。而之所以将喷头的切面设计成如第一实施例的圆形以及本实施例的正方形，是为了方便调节，使隔离区域内的流量更加趋于均一。

与第一实施例相同的，本实施例中的两根进给管703分别向A区707和B区708内通入流体，且进给管703内的流量由两个流量控制器704分别加以控制，A区707内的流体与B区708内的流体彼此无互换、不对流，从而保证了二者“各行其道”，互不影响。

而为了进一步增进喷头均匀喷洒的效果，向A区707输送流体的进给管703的管口宜设置在垂直于该切面且过O点的直线上，也即进给管703的管口在该切面内的投影能够与O点重合的位置。这样，流体从进给管703溢出后即可各向同速的以O为中心向四周散开，从而能够提升流体在A区707内的均匀性，进而也一定程度上保证了流体由出射板的喷射孔喷出时的均匀性。

另外，在该实施例中，位于出射板上的喷射孔的孔径为1.8mm，进给管703管口到出射板的距离为15cm，但此时进给管703并为设置于喷头的顶壁，而是伸入至喷头的内部，所以该距离不与喷头的长度等同。

图8展示的本发明的第三具体实施例。其喷头形状及包含的部件与第一实施例基本相同，而其自身的特点主要集中在进给管803的数目以及管口的设置位置。本实施例中的喷头，其流体腔805同样被两个圆柱面状的阻隔片802分割为了三部分隔离区域：A区807、B区808以及C区809。A区807位于喷头切面的中心区域，为圆形；B区808位于喷头切面的夹心区域，为圆环形；C区809位于喷头切面的边缘，也为圆环形，三者拥有共同的中心O。而为了使流体在各个隔离区域内得以均匀扩散，该实施例中对进给管803设置的数目及位置进行了更为精细的设计，并分别由若干个流量控制器804加以控制，图中并为画出全部的流量控制器，仅以两个示意。

具体而言，以进给管803的高度位置作喷头的切面，针对三个隔离区域，由于A区807为圆形，所以向该区域输送流体的进给管803仅设置了一根，且其管口设置在了切面的中心O点位置处，这样即可保证A区807内流体流量的均匀性。

而B区808为圆环形，虽然B区808的面积相对于整个喷头的切面面积已经被分割的较小了，但如果仅设置一根进给管803，流体在靠近管口处流量较大，而远离管口位置处流量小，仍然对B区808内的均匀性存在一定影响，为了尽可能的消除这一影响，本实施例将B区808所对应的圆环平均的分为4等分，并在其等分位置处分别设置了4根进给管803，这4根进给管803的管口位置关于O点对称。这样，当4根进给管803内的流量彼此均相同时，B区808内的流体流量就会比较均匀。而为了保证4根进给管803内的流量彼此均相同，作一其中的一种设计思路，可以将4根进给管803接至一分叉状的总管，将作为各个分管的进给管803的尺寸等物理参数设置相同，这样通过一个流量控制器804对总管中的流体流量进行调节，而由于各个分管的物理参数均相同，各自分到的流量理论上也应该是相同的。

基于同样的原理，C区809内的进给管803也按照B区808的设计理念进行了设置，也即C区共设置了4根进给管803，其管口的分布位置分别位于C区的等分位置处，且关于O点对称。

另外，本实施例中设置于喷头出射板上的喷射孔的孔径为0.2mm，进给管803到出射板的距离为0.5cm。

以上实施例旨在示例性的说明本发明的原理及功效，并非用于限制本发明的技术方案，本领域及相近领域的从业技术人员可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变，但仍然归属于本发明的发明构思之内。

Claims (9)

1.一种分区可控的流量调节喷头，其特征在于，包括进给管、流量控制器、流体腔、阻隔片和出射板，所述流体腔被所述阻隔片分隔为数个相互独立的隔离区域，所述进给管分别向所述隔离区域输送流体，位于所述不同隔离区域内的流体彼此之间无对流或交换，所述流体在各个隔离区域内的流量由所述流量控制器分别加以控制；所述出射板上开设有喷射孔，所述流体通过所述隔离区域后由所述喷射孔排出。

2.根据权利要求1所述的流量调节喷头，其特征在于，所述喷头的平行于所述出射板的切面为圆形，所述圆形的中心为O。

3.根据权利要求2所述的流量调节喷头，其特征在于，所述隔离区域的平行于所述出射板的切面为以O为中心的圆形和环形。

4.根据权利要求1所述的流量调节喷头，其特征在于，所述喷头的平行于所述出射板的切面为正n边形，所述正n边形的中心为O。

5.根据权利要求4所述的流量调节喷头，其特征在于，所述隔离区域的平行于所述出射板的切面为以O为中心的正n边形和包围该正n边形的框形。

6.根据权利要求3或5所述的流量调节喷头，其特征在于，所述进给管的管口的位置在所述切面的投影与所述隔离区域的中心O点所在的位置重合。

7.根据权利要求3或5所述的流量调节喷头，其特征在于，所述进给管的管口的位置在所述切面的投影以O为中心对称地设置在所述环形或框形隔离区域的等分位置处。

8.根据权利要求1所述的流量调节喷头，其特征在于，所述喷射孔的孔径为0.2mm～1.8mm。

9.根据权利要求1所述的流量调节喷头，其特征在于，所述进给管的管口的位置到所述出射板的距离为0.5cm～15cm。