CN107195525A - 一种电感耦合等离子体刻蚀设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电感耦合等离子体刻蚀设备，包括反应腔室，还包括快速无扰动气体注入装置和尾气处理装置，所述快速无扰动气体注入装置包括相互独立的刻蚀气体注入组件和侧壁沉积气体注入组件，所述刻蚀气体注入组件和所述侧壁沉积气体注入组件均包括进气管和两路注入管，所述进气管通过一路所述注入管与所述反应腔室连通，并通过另一路注入管与所述尾气处理装置连通。本发明具有结构简单、切换速度快、反应腔室内压力稳定等优点。

Description

一种电感耦合等离子体刻蚀设备

技术领域

本发明涉及等半导体制造设备，尤其涉及一种电感耦合等离子体（ICP，InductiveCoupled Plasma Emission Spectrometer）刻蚀设备。

背景技术

在半导体制造设备领域，作为在半导体晶片的基板上进行成膜处理或者蚀刻处理的装置，一般使用电感耦合等离子体(ICP) 的等离子体处理装置。具体深反应离子刻蚀方法通常采用刻蚀和侧壁沉积保护循环交替进行，经多次循环交替刻蚀实现深硅刻蚀。这种方法中刻蚀和侧壁沉积的时间都很短，最多十几秒钟，有的工艺甚至更短以获得较好的工艺效果，这就要求刻蚀和侧壁沉积的工艺气体应进行快速切换。如附图1所示，现有的ICP刻蚀设备是将刻蚀和侧壁沉积工艺气体汇集到一根管道，然后从反应室顶部中心注入反应腔室，这样很难保证工艺气体之间的快速切换，且由于刻蚀气体和侧壁沉积气体的分子量不同、在等离子体状态下的解离程度不同等原因，在刻蚀气体和侧壁沉积气体进入反应腔室的瞬间会引起反应腔室压力的变化。这种压力的变化会导致工艺结果的不稳定，引起刻蚀形状不够均匀，侧壁不够光滑等问题。

此外，现有的ICP设备由于工艺气体从反应腔室顶部的中心注入，很难实现气体在反应腔体内快速散开形成均匀的等离子体，也容易导致刻蚀不均匀。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单、切换速度快、反应腔室内压力稳定的电感耦合等离子体刻蚀设备。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种电感耦合等离子体刻蚀设备，包括反应腔室，还包括快速无扰动气体注入装置和尾气处理装置，所述快速无扰动气体注入装置包括相互独立的刻蚀气体注入组件和侧壁沉积气体注入组件，所述刻蚀气体注入组件和所述侧壁沉积气体注入组件均包括进气管和两路注入管，所述进气管通过一路所述注入管与所述反应腔室连通，并通过另一路注入管与所述尾气处理装置连通。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述进气管上设有流量控制阀和第一开关阀，所述注入管上设有第二开关阀。

所述流量控制阀为质量流量控制器，所述第一开关阀和所述第二开关阀均为气动阀。

所述反应腔室的顶部设有匀流顶盖，所述匀流顶盖上设有第一导流环、一对第一连接管及多条第一导流槽，一对第一连接管对称布置于所述第一导流环两侧，刻蚀气体注入组件的注入管通过一对第一连接管与第一导流环连通，多条第一导流槽平行等距布置于第一导流环内且各第一导流槽两端均与第一导流环连通，各第一导流槽底部开设有多个第一进气孔，多个所述第一进气孔沿第一导流槽长度方向均匀布置。

所述匀流顶盖上还设有第二导流环、一对第二连接管及多条第二导流槽，一对第二连接管对称布置于所述第二导流环两侧，侧壁沉积气体注入组件的注入管通过一对第二连接管与第二导流环连通，多条第二导流槽平行等距布置于第二导流环内且各第二导流槽两端均与第二导流环连通，各第二导流槽底部开设有多个第二进气孔，多个所述第二进气孔沿第二导流槽长度方向均匀布置。

所述第一导流环和所述第一导流槽设于所述匀流顶盖上部，所述第二导流环和所述第二导流槽设于所述匀流顶盖底面，所述匀流顶盖底面与所述第二导流槽对应处设有朝下布置的凸起，所述第二进气孔设于所述凸起上。

多条所述第一导流槽和多条所述第二导流槽依次间隔布置。

所述匀流顶盖为上中下三层结构。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明公开的电感耦合等离子体刻蚀设备，设置相互独立的刻蚀气体注入组件和侧壁沉积气体注入组件，将刻蚀气体和侧壁沉积气体分别快速注入反应腔室，两种气体的进气时间、流量相互独立，既可以实现同步控制也可以实现准确的差时控制，通过精确地控制两种气体进入反应腔体的时间来获得稳定的腔体压力，容易获得稳定优良的工艺结果；刻蚀气体注入组件、侧壁沉积气体注入组件均采用连通尾气处理装置和反应腔室的结构，刻蚀气体和侧壁沉积气体在不参与反应时通入到尾气处理装置进行等待，当需要进行反应时就控制两路注入管进行切换，将所需的那路注入管切入到通往反应腔室进行反应，如果不需要时再切回到尾气处理装置，实现反应腔室内快速切换、无扰动气体注入，保证优良的工艺结果。

附图说明

图1是现有的电感耦合等离子体刻蚀设备的结构示意图。

图2是本发明的电感耦合等离子体刻蚀设备的结构示意图。

图3是本发明中的匀流顶盖的轴向截面示意图（放大）。

图4是本发明中的匀流顶盖的径向截面示意图（放大）。

图中各标号表示：

100、进气管；101、流量控制阀；102、第一开关阀；200、注入管；201、第二开关阀；1、反应腔室；11、匀流顶盖；111、第一导流环；112、第一连接管；113、第一导流槽；114、第一进气孔；121、第二导流环；122、第二连接管；123、第二导流槽；124、第二进气孔；131、凸起；14、方形腔室；15、圆柱形腔室；16、工件台；17、电感线圈；2、尾气处理装置；3、刻蚀气体注入组件；4、侧壁沉积气体注入组件。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

图2至图4示出了本发明的一种实施例，本实施例的电感耦合等离子体刻蚀设备，包括反应腔室1，还包括快速无扰动气体注入装置和尾气处理装置2（图中仅示出连接管路），快速无扰动气体注入装置包括相互独立的刻蚀气体注入组件3和侧壁沉积气体注入组件4，刻蚀气体注入组件3和侧壁沉积气体注入组件4均包括进气管100和两路注入管200，进气管100通过一路注入管200与反应腔室1连通，并通过另一路注入管200与尾气处理装置2连通。参见图2，其中，反应腔室1包括方形腔室14和圆柱形腔室15，方形腔室14的外壳由金属材料（如铝）构成，圆柱形腔室15的外壳由绝缘材料（如刚玉管、陶瓷等）构成。圆柱形腔室15设于方形腔室14上方并连通、抽真空。两个腔室之间安装有O型密封圈（图中未示出），用于提高两个腔室连接的密封性，构成一个气密的真空封闭壳体。方形腔室14的底板上安装有工件台16，工件台16与圆柱形腔室15同轴布置，工件台16包括一静电夹盘（图中未示出，为现有结构），静电夹盘上放置着待处理的基片，一RF电源为基片提供偏置功率，该电源为13.56MHz、600W的射频电源。圆柱形腔室15外周绕有电感线圈17组成射频发射装置，另一RF电源为电感线圈17提供13.56MHz、2.5kW的电源，工艺气体注入到反应腔室内1时，被电感线圈17电离成等离子体在基片上方形成等离子体制程区域，通过工件台16上静电夹盘上的偏压加速撞击基片进行加工。

该电感耦合等离子体刻蚀设备，设置相互独立的刻蚀气体注入组件3和侧壁沉积气体注入组件4，将刻蚀气体和侧壁沉积气体分别快速注入反应腔室1，两种气体的进气时间、流量相互独立，既可以实现同步控制也可以实现准确的差时控制，通过精确地控制两种气体进入反应腔室1的时间来获得稳定的腔体压力，容易获得稳定优良的工艺结果；刻蚀气体注入组件3、侧壁沉积气体注入组件4均采用连通尾气处理装置2和反应腔室1的结构，刻蚀气体和侧壁沉积气体在不参与反应时通入到尾气处理装置2进行等待，当需要进行反应时就控制两路注入管200进行切换，将所需的那路注入管200切入到通往反应腔室1进行反应，如果不需要时再切回到尾气处理装置2（例如，刻蚀气体在工艺需要时打开通往圆柱形腔室15的气动阀V8，同时关闭通往尾气处理装置2的气动阀V7；刻蚀气体在工艺不需要时关闭通往圆柱形腔室15的气动阀V8，同时打开通往尾气处理装置2的气动阀V7），实现反应腔室1内快速切换、无扰动气体注入，保证优良的工艺结果。

进气管100上设有流量控制阀101和第一开关阀102，注入管200上设有第二开关阀201。本实施例中，流量控制阀101为质量流量控制器（MFC1～MFC5），利用质量流量控制器精确控制气体流量；第一开关阀102和第二开关阀201均为气动阀（V1～V9），利用气动阀实现气体的开关控制。在其他实施例中，流量控制阀101、第一开关阀102和第二开关阀201也可采用其他结构，能够实现气体精确的流量控制、开关控制即可。

本实施例中，反应腔室1的顶部设有匀流顶盖11，匀流顶盖11上设有第一导流环111、一对第一连接管112及多条第一导流槽113，一对第一连接管112对称布置于第一导流环111两侧，刻蚀气体注入组件3的注入管200通过一对第一连接管112与第一导流环111连通，多条第一导流槽113平行等距布置于第一导流环111内且各第一导流槽113两端均与第一导流环111连通，各第一导流槽113底部开设有多个第一进气孔114，多个第一进气孔114沿第一导流槽113长度方向均匀布置。各路刻蚀气体汇集后进入右侧的注入管200，右侧的注入管200分为两条支路并分别与一对第一连接管112一一对应连通，然后刻蚀气体依次经过第一导流环111、第一导流槽113及第一进气孔114均匀注入反应腔室1内，该匀流顶盖11结构有利于刻蚀气体快速地散开并形成均匀的等离子体，保证刻蚀的均匀性。

本实施例中，匀流顶盖11上还设有第二导流环121、一对第二连接管122及多条第二导流槽123，一对第二连接管122对称布置于第二导流环121两侧，侧壁沉积气体注入组件4的注入管200通过一对第二连接管122与第二导流环121连通，多条第二导流槽123平行等距布置于第二导流环121内且各第二导流槽123两端均与第二导流环121连通，各第二导流槽123底部开设有多个第二进气孔124，多个第二进气孔124沿第二导流槽123长度方向均匀布置。各路侧壁沉积气体汇集后进入右侧的注入管200，右侧的注入管200分为两条支路并分别与一对第二连接管122一一对应连通，然后侧壁沉积气体依次经过第二导流环121、第二导流槽123及第二进气孔124均匀注入反应腔室1内，该匀流顶盖11结构有利于侧壁沉积气体快速地散开并形成均匀的等离子体，保证刻蚀的均匀性。

本实施例中，第一连接管112、第二连接管122采用孔径为Φ1/4″的内抛光不锈钢管焊接，第一导流环111、第二导流环121、第一导流槽113及第二导流槽123的孔径均为Φ1/4″，第一进气孔114、第二进气孔124的孔径均为Φ1.5mm。

本实施例中，第一导流环111和第一导流槽113设于匀流顶盖11上部，第二导流环121和第二导流槽123设于匀流顶盖11底面，匀流顶盖11底面与第二导流槽123对应处设有朝下布置的凸起131，第二进气孔124设于凸起131上，该种结构一方面便于第一导流环111、第一导流槽113、第二导流环121及第二导流槽123在匀流顶盖11有限体积上的布局，另一方面能够有效地防止侧壁沉积气体反应时侧壁沉积在第一进气孔114附近，造成第一进气孔114堵塞。

本实施例中，多条第一导流槽113和多条第二导流槽123依次间隔布置，或者每两条第一导流槽113之间设置有一条第二导流槽123，每两条第二导流槽123之间设置有一条第一导流槽113，有利于保证刻蚀气体和侧壁沉积气体在反应腔室1内的均匀性。

本实施例中，匀流顶盖11为上中下三层结构，便于匀流顶盖11的加工制造。

以典型硅通孔刻蚀为例说明本发明的工作原理：典型硅通孔刻蚀时，刻蚀气体和侧壁沉积气体交替循环地通入反应腔室1内部，其中，刻蚀气体和侧壁沉积气体的执行时间是相同的。并且，刻蚀气体在每次侧壁沉积气体还在持续供应时通入反应腔室1。示例性地，各路刻蚀气体汇集后进入右侧的注入管200，右侧的注入管200分为两条支路并分别与一对第一连接管112一一对应连通，然后刻蚀气体依次经过第一导流环111、第一导流槽113及第一进气孔114均匀注入反应腔室1内。各路侧壁沉积气体汇集后进入右侧的注入管200，右侧的注入管200分为两条支路并分别与一对第二连接管122一一对应连通，然后侧壁沉积气体依次经过第二导流环121、第二导流槽123及第二进气孔124均匀注入反应腔室1内。示例性地，气体1、气体2、气体3、气体4、气体5分别为：SF6、C4F8、O2、N2、Ar，根据ICP特性的不同，气体不限于以上几种。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种电感耦合等离子体刻蚀设备，包括反应腔室（1），其特征在于：还包括快速无扰动气体注入装置和尾气处理装置（2），所述快速无扰动气体注入装置包括相互独立的刻蚀气体注入组件（3）和侧壁沉积气体注入组件（4），所述刻蚀气体注入组件（3）和所述侧壁沉积气体注入组件（4）均包括进气管（100）和两路注入管（200），所述进气管（100）通过一路所述注入管（200）与所述反应腔室（1）连通，并通过另一路注入管（200）与所述尾气处理装置（2）连通。

2.根据权利要求1所述的电感耦合等离子体刻蚀设备，其特征在于：所述进气管（100）上设有流量控制阀（101）和第一开关阀（102），所述注入管（200）上设有第二开关阀（201）。

3.根据权利要求2所述的电感耦合等离子体刻蚀设备，其特征在于：所述流量控制阀（101）为质量流量控制器，所述第一开关阀（102）和所述第二开关阀（201）均为气动阀。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的电感耦合等离子体刻蚀设备，其特征在于：所述反应腔室（1）的顶部设有匀流顶盖（11），所述匀流顶盖（11）上设有第一导流环（111）、一对第一连接管（112）及多条第一导流槽（113），一对第一连接管（112）对称布置于所述第一导流环（111）两侧，刻蚀气体注入组件（3）的注入管（200）通过一对第一连接管（112）与第一导流环（111）连通，多条第一导流槽（113）平行等距布置于第一导流环（111）内且各第一导流槽（113）两端均与第一导流环（111）连通，各第一导流槽（113）底部开设有多个第一进气孔（114），多个所述第一进气孔（114）沿第一导流槽（113）长度方向均匀布置。

5.根据权利要求4所述的电感耦合等离子体刻蚀设备，其特征在于：所述匀流顶盖（11）上还设有第二导流环（121）、一对第二连接管（122）及多条第二导流槽（123），一对第二连接管（122）对称布置于所述第二导流环（121）两侧，侧壁沉积气体注入组件（4）的注入管（200）通过一对第二连接管（122）与第二导流环（121）连通，多条第二导流槽（123）平行等距布置于第二导流环（121）内且各第二导流槽（123）两端均与第二导流环（121）连通，各第二导流槽（123）底部开设有多个第二进气孔（124），多个所述第二进气孔（124）沿第二导流槽（123）长度方向均匀布置。

6.根据权利要求5所述的电感耦合等离子体刻蚀设备，其特征在于：所述第一导流环（111）和所述第一导流槽（113）设于所述匀流顶盖（11）上部，所述第二导流环（121）和所述第二导流槽（123）设于所述匀流顶盖（11）底面，所述匀流顶盖（11）底面与所述第二导流槽（123）对应处设有朝下布置的凸起（131），所述第二进气孔（124）设于所述凸起（131）上。

7.根据权利要求5所述的电感耦合等离子体刻蚀设备，其特征在于：多条所述第一导流槽（113）和多条所述第二导流槽（123）依次间隔布置。

8.根据权利要求6所述的电感耦合等离子体刻蚀设备，其特征在于：所述匀流顶盖（11）为上中下三层结构。