CN108085649B - 反应腔室及半导体加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种反应腔室及半导体加工设备，其包括腔体、上衬环、下衬环和绝缘件，其中，下衬环环绕在腔体的侧壁内侧；上衬环环绕在下衬环的环壁内侧；绝缘件设置在上衬环与下衬环之间；该绝缘件包括闭合的环状本体；上衬环具有第一外沿，下衬环具有第二外沿，第二外沿、环状本体和第一外沿由下而上依次叠置。本发明提供的反应腔室，其不仅可以解决绝缘件易破碎的问题，而且可以简化上衬环、下衬环和绝缘件的安装过程，从而便于设备的维护。

Description

反应腔室及半导体加工设备

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，具体地，涉及一种反应腔室及半导体加工设备。

背景技术

在物理气相沉积设备中，反应腔室为半导体晶片的加工提供真空环境，在进行溅射工艺时，向反应腔室中输送反应气体并激发其形成等离子体，等离子体轰击靶材，溅射出的靶材材料沉积在晶片表面，从而形成所需的薄膜。

图1为现有的半导体加工设备的局部剖视图。图2为图1中I区域的放大图。请一并参阅图1和图2，半导体加工设备包括装卸腔室1、反应腔室12、升降基座2和压环3。其中，反应腔室12设置在装卸腔室1的顶壁10上，且由腔室适配件7限定而成，并且在腔室适配件7的顶部设置有靶材4，靶材4通过绝缘环5与腔室适配件7电绝缘。为了避免在工艺时靶材材料溅射到腔室适配件7的内壁上，在腔室适配件7的内侧分别设置有上衬环8和下衬环9，上衬环8位于下衬环9的内侧，且二者之间具有间隙，并且在腔室适配件7内设置有进气通道13，其输入端与进气管路11连接，输出端与上衬环8和下衬环9之间的间隙相连通，反应气体依次经由进气通道13和上衬环8和下衬环9之间的间隙流入反应腔室12中，气流方向如图1中的箭头所示。升降基座2用于承载晶片6，且可上升至反应腔室12内的工艺位置进行工艺，或者下降至装卸腔室1内的装卸位置进行取放片操作。当升降基座2位于工艺位置时，压环3利用自身重力压住升降基座2上的晶片6的边缘区域，此时反应腔室12的内部形成独立、封闭的真空环境。

此外，如图2所示，在上衬环8和下衬环9之间还设置有沿其周向间隔分布的多个绝缘件14，该绝缘件14为圆柱体，用以将上衬环8和下衬环9电绝缘，以保证上衬环8的电压处于悬浮状态，从而可以通过使靶材4与下衬环9(通过腔室适配件7接地)之间的电压差大于靶材4与上衬环8之间的电压差，而使靶材材料更容易沉积在晶片表面，同时减少沉积在上衬环8上的靶材材料。此外，上衬环8、下衬环9和各个绝缘件14通过螺栓15与腔室适配件7固定在一起。

但是，由于上述绝缘件14为圆柱体，这在实际应用中往往会出现以下问题在现有技术中，针对陶瓷柱的设置引发的以下几点问题：

其一：由于绝缘件14与上衬环8的接触面积较小，导致绝缘件14会因受力较大而容易被压碎。

其二：上衬环8、下衬环9和各个绝缘件14的安装过程较为复杂，不利于设备的维护。

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，提出了一种反应腔室及半导体加工设备，其不仅可以解决绝缘件易破碎的问题，而且可以简化上衬环、下衬环和绝缘件的安装过程，从而便于设备的维护。

为实现本发明的目的而提供一种反应腔室，包括腔体、上衬环、下衬环和绝缘件；其中，所述下衬环环绕在所述腔体的侧壁内侧；所述上衬环环绕在所述下衬环的内侧；所述绝缘件设置在所述上衬环与所述下衬环之间；所述绝缘件包括闭合的环状本体；所述上衬环具有第一外沿，所述下衬环具有第二外沿；其中，所述第二外沿、所述环状本体和所述第一外沿由下而上依次叠置。

优选地，所述绝缘件还包括环形凸台，所述环形凸台设置在所述环状本体的上端面；所述第一外沿的下表面设置有第一环形凸部；且所述第一环形凸部位于所述第一外沿和所述环状本体之间，所述第一环形凸部的内周壁与所述环形凸台的外周壁相贴合。

优选地，所述绝缘件的热膨胀系数小于所述上衬环的热膨胀系数。

优选地，在所述第二外沿的上表面设置有第二环形凸部，所述第二环形凸部的内周壁与所述环状本体的外环壁相贴合。

优选地，所述绝缘件的热膨胀系数小于所述下衬环的热膨胀系数。

优选地，在所述第一外沿、所述第一环形凸部、所述环状本体、所述第二外沿和所述反应腔室的侧壁之间形成有环形空间；在所述第一环形凸部上设置有多个进气孔，多个所述进气孔沿所述第一环形凸部的周向均匀分布；每个所述进气孔均连通所述环形空间和所述反应腔室的内部；在所述反应腔室的侧壁中设置有进气通道，用以将工艺气体输送至所述环形空间内。

优选地，在所述反应腔室的侧壁内侧环绕设置有环形支撑台，所述第二外沿叠置在所述环形支撑台上；所述反应腔室还包括沿所述反应腔室的周向均匀分布的多个定位螺栓，用于将所述第一外沿、所述第一环形凸部、所述环状本体、所述第二外沿和所述环形支撑台固定在一起；所述定位螺栓分别与所述第二外沿和所述环形支撑台电绝缘。

优选地，在所述第一外沿、所述环状本体、所述第二外沿和所述反应腔室的侧壁之间形成有环形空间；在所述环状本体上设置有多个进气孔，多个所述进气孔沿所述环状本体的周向均匀分布；每个所述进气孔均连通所述环形空间和所述反应腔室的内部；在所述反应腔室的侧壁中设置有进气通道，用以将工艺气体输送至所述环形空间内。

优选地，在所述反应腔室的侧壁内侧环绕设置有环形支撑台，所述第二外沿叠置在所述环形支撑台上；所述反应腔室还包括沿所述反应腔室的周向均匀分布的多个紧固螺栓，用于将所述第一外沿、所述环状本体、所述第二外沿和所述环形支撑台固定在一起；所述紧固螺栓分别与所述第二外沿和所述环形支撑台电绝缘。

优选地，所述进气孔的数量、横截面积和所述工艺气体的流速的乘积大于所述工艺气体的气流量。

优选地，所述绝缘件采用陶瓷或石英制作。

本发明还提供一种半导体加工设备，本发明上述提供的反应腔室。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的反应腔室，其将绝缘件的结构设计为闭合的环状结构，且使下衬环的第二外沿、环状本体和上衬环的第一外沿由下而上依次叠置。由于绝缘件为环状结构，其与第一外沿的接触面为环形面，接触面积较大，同时由于环状本体为整体式结构，其不仅承受能力较大、受力均匀，从而不容易破碎，而且还可以简化上衬环、下衬环和绝缘件的安装过程，从而便于设备的维护。

本发明提供的半导体加工设备，其通过采用本发明提供的上述反应腔室，不仅可以解决绝缘件易破碎的问题，而且可以简化上衬环、下衬环和绝缘件的安装过程，从而便于设备的维护。

附图说明

图1为现有的半导体加工设备的局部剖视图；

图2为图1中I区域的放大图；

图3A为本发明第一实施例提供的反应腔室的局部剖视图；

图3B为图3A中绝缘件的剖视图；

图4为本发明第二实施例提供的反应腔室的局部剖视图。

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反应腔室及半导体加工设备进行详细描述。

图3A为本发明第一实施例提供的反应腔室的局部剖视图。图3B为图3A中绝缘件的剖视图。请一并参阅图3A和图3B，反应腔室200设置在装卸腔室30的顶壁上，且由腔室适配件20限定而成，即，腔室适配件20用作反应腔室200的腔体的侧壁。并且，在腔室适配件20的顶部设置有靶材201，靶材201通过绝缘环与腔室适配件20电绝缘。此外，在反应腔室200中还设置有升降基座31和压环33，其中，升降基座31用于承载晶片32，且可上升至反应腔室200内的工艺位置E进行工艺，或者下降至装卸腔室30内的装卸位置进行取放片操作。当升降基座31位于工艺位置E时，压环33利用自身重力压住升降基座31上的晶片32的边缘区域，此时反应腔室200的内部形成独立、封闭的真空环境。

为了避免在工艺时靶材材料溅射到腔室适配件20的内壁上，反应腔室200还包括上衬环21、下衬环22和绝缘件23，其中，下衬环22固定在反应腔室200中，且环绕在腔室适配件20的内侧(即反应腔室200的腔体的侧壁内侧)；上衬环21环绕在下衬环22的环壁内侧，用于在进行工艺时，分别对腔体的内壁和底部进行隔离保护，以防止颗粒附着。

绝缘件23采用诸如陶瓷或石英等的绝缘材料制作，其设置在上衬环21与下衬环22之间，用于起到支撑作用，同时将上衬环21与下衬环22电绝缘。在本实施例中，绝缘件23为闭合的环状本体，并且上衬环21具有第一外沿211，其为在上衬环21的环壁外侧形成的环形凸沿；下衬环22具有第二外沿221，其为在下衬环22的环壁顶部形成的环形凸沿，第二外沿221、绝缘件23的环状本体和第一外沿211由下而上依次叠置。并且，下衬环22与反应腔室200的腔体的固定方式具体为：在腔室适配件20的内侧环绕设置有环形支撑台，第二外沿221叠置在该环形支撑台上，并且利用多个紧固螺栓将第一外沿211、绝缘件23的环状本体、第二外沿221和环形支撑台固定在一起，多个紧固螺栓沿反应腔室200的腔体的周向均匀分布，并且每个紧固螺栓分别与第二外沿221和环形支撑台电绝缘，以确保与紧固螺栓相接触的上衬环21分别与第二外沿221和环形支撑台电绝缘。由上可知，上述第一外沿211和第二外沿221的设置有利于将上衬环21、绝缘件23和下衬环22与反应腔室200固定在一起，同时使绝缘件23能够更稳定地支撑上衬环21，同时保证上衬环21与下衬环22的电绝缘。

由于绝缘件23为闭合的环状结构，其与第一外沿211的接触面为环形面，接触面积较大，同时由于环状本体为整体式结构，其不仅承受能力较大、受力均匀，从而不容易破碎，而且还可以简化上衬环21、下衬环22和绝缘件23的安装过程，从而便于设备的维护。

在本实施例中，在第一外沿211、绝缘件23、第二外沿221和腔室适配件20之间形成有封闭的环形空间24。并且，如图3B所示，在绝缘件23上设置有多个进气孔231，多个进气孔231沿环状本体的周向均匀分布，每个进气孔231均连通环形空间24和反应腔室200的内部。此外，在腔室适配件20中设置有进气通道25，其输入端与气源的进气管路26连接，输出端与环形空间24相连通，用以将自气源的进气管路26输出的工艺气体输送至环形空间24内，然后工艺气体由各个进气孔231流入反应腔室200的内部，气体的流动方向如图3A中的箭头所示。借助上述环形空间24，可以使自进气通道25流出的工艺气体能够更均匀地流入反应腔室200内。

在设计进气孔231的数量和直径时，应保证工艺气体在充满环形空间24之后再自各个进气孔231流出，基于该目的，优选的，可以使所有进气孔231允许通过的气流量之和大于工艺气体的气流量，由于每个进气孔231允许通过的气流量等于横截面积和工艺气体的流速，而所有进气孔231允许通过的气流量之和等于进气孔231的数量、横截面积和工艺气体的流速的乘积，因此，进气孔231的数量、横截面积和工艺气体的流速的乘积大于工艺气体的气流量，这里，工艺气体的气流量可以根据具体的工艺要求而定。

图4为本发明第二实施例提供的反应腔室的局部剖视图。请参阅图4，本实施例提供的反应腔室与上述第一实施例相比，同样包括上衬环21、下衬环22和绝缘件23，三者的功能与上述第一实施例相同，而仅仅是结构作了相应的优化。

具体地，绝缘件23还包括环形凸台231，该环形凸台231设置在环状本体的上端面，并且在第一外沿21的下表面设置有第一环形凸部212，其位于第一外沿21和绝缘件23之间，且第一环形凸部212的内周壁与环形凸台231的外周壁相贴合，换言之，第一环形凸部212与环形凸台231在二者的轴向上相互交错，而在二者的径向上相互重叠，从而不仅可以限定第一环形凸部212与环形凸台231的相对位置，以便于二者的定位和安装，而且还可以提高上衬环21与绝缘件23之间的密封效果。

优选的，绝缘件23的热膨胀系数小于上衬环21的热膨胀系数，这样，当环形凸台231和第一环形凸部212发生热膨胀时，第一环形凸部212和环形凸台231均会产生沿径向向外扩张的形变，且第一环形凸部212的形变量大于环形凸台231的形变量，从而可以保证第一环形凸部212与环形凸台231之间无相互作用力，进而可以避免绝缘件23因产生挤压变形而损坏。绝缘件23的材料可以为陶瓷，上衬环21的材料可以为铝合金。

优选的，在第二外沿221的上表面设置有第二环形凸部222，第二环形凸部222的内周壁与绝缘件23的环状本体的外环壁相贴合，换言之，第二环形凸部222与绝缘件23的环状本体在二者的轴向上相互交错，而在二者的径向上相互重叠，从而不仅可以限定第二环形凸部222与绝缘件23的环状本体的相对位置，以便于二者的定位和安装，而且还可以提高下衬环22与绝缘件23之间的密封效果。

优选的，绝缘件23的热膨胀系数小于下衬环22的热膨胀系数，这样，当绝缘件23和第二环形凸部222发生热膨胀时，第二环形凸部222和绝缘件23的环状本体均会产生沿径向向外扩张的形变，且第二环形凸部222的形变量大于绝缘件23的环状本体的形变量，从而可以保证第二环形凸部222与绝缘件23之间无相互作用力，进而可以避免绝缘件23因产生挤压变形而损坏。绝缘件23的材料可以为陶瓷，下衬环22的材料可以为铝合金。

在本实施例中，在第一外沿211、第一环形凸部212、绝缘件23的环状本体、第二外沿221和腔室适配件20之间形成有封闭的环形空间24，并且，在第一环形凸部212上设置有多个进气孔213，多个进气孔213沿第一环形凸部212的周向均匀分布；每个进气孔213均连通环形空间24和反应腔室200的内部。此外，在腔室适配件20中设置有进气通道，其与上述第一实施例中的进气通道25的结构和功能相同，由于在上述第一实施例中已有了详细描述，再此不再赘述。

在进行工艺时，由气源的进气管路26输出的工艺气体经由进气通道输送至环形空间24内，然后通过各个进气孔231流入反应腔室200的内部，从而科员使工艺气体能够更均匀地流入反应腔室200内。容易理解，环形凸台231的顶端应低于进气孔213，以保证工艺气体能够自进气孔213流入上衬环21与下衬环22之间的间隙，并最终进入反应腔室200的内部。

另外，在本实施例中，下衬环22与反应腔室200的固定方式与上述第一实施例相类似，而区别仅在于：利用多个紧固螺栓将第一外沿211、第一环形凸部212、绝缘件23的环状本体、第二外沿221和环形支撑台固定在一起，即，由于增设了第一环形凸部212，还需要使紧固螺栓相应的穿过第一环形凸部212。

综上所述，本发明上述各个实施例提供的反应腔室，其将绝缘件的结构设计为闭合的环状结构，且使下衬环的第二外沿、环状本体和上衬环的第一外沿由下而上依次叠置。由于绝缘件为环状结构，其与第一外沿的接触面为环形面，接触面积较大，同时由于环状本体为整体式结构，其不仅承受能力较大、受力均匀，从而不容易破碎，而且还可以简化上衬环、下衬环和绝缘件的安装过程，从而便于设备的维护。

作为另一个技术方案，本发明实施例还提供一种半导体加工设备，其包括反应腔室，该反应腔室采用了本发明上述各个实施例提供的反应腔室。

本发明实施例提供的半导体加工设备，其通过采用本发明上述各个实施例提供的上述反应腔室，不仅可以解决绝缘件易破碎的问题，而且可以简化上衬环、下衬环和绝缘件的安装过程，从而便于设备的维护。

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)

1.一种反应腔室，包括腔体、上衬环、下衬环和绝缘件；其中，所述下衬环环绕在所述腔体的侧壁内侧；所述上衬环环绕在所述下衬环的内侧；所述绝缘件设置在所述上衬环与所述下衬环之间；其特征在于，

所述绝缘件包括闭合的环状本体；所述上衬环具有第一外沿，所述下衬环具有第二外沿；其中，

所述第二外沿、所述环状本体和所述第一外沿由下而上依次叠置；其中，

所述绝缘件还包括环形凸台，所述环形凸台设置在所述环状本体的上端面；

所述第一外沿的下表面设置有第一环形凸部；且

所述第一环形凸部位于所述第一外沿和所述环状本体之间，所述第一环形凸部的内周壁与所述环形凸台的外周壁相贴合。

2.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，所述绝缘件的热膨胀系数小于所述上衬环的热膨胀系数。

3.根据权利要求1或2所述的反应腔室，其特征在于，在所述第二外沿的上表面设置有第二环形凸部，所述第二环形凸部的内周壁与所述环状本体的外环壁相贴合。

4.根据权利要求3所述的反应腔室，其特征在于，所述绝缘件的热膨胀系数小于所述下衬环的热膨胀系数。

5.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，在所述第一外沿、所述第一环形凸部、所述环状本体、所述第二外沿和所述反应腔室的侧壁之间形成有环形空间；

在所述第一环形凸部上设置有多个进气孔，多个所述进气孔沿所述第一环形凸部的周向均匀分布；每个所述进气孔均连通所述环形空间和所述反应腔室的内部；

在所述反应腔室的侧壁中设置有进气通道，用以将工艺气体输送至所述环形空间内。

6.根据权利要求5所述的反应腔室，其特征在于，在所述反应腔室的侧壁内侧环绕设置有环形支撑台，所述第二外沿叠置在所述环形支撑台上；

所述反应腔室还包括沿所述反应腔室的周向均匀分布的多个定位螺栓，用于将所述第一外沿、所述第一环形凸部、所述环状本体、所述第二外沿和所述环形支撑台固定在一起；

所述定位螺栓分别与所述第二外沿和所述环形支撑台电绝缘。

7.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，在所述第一外沿、所述环状本体、所述第二外沿和所述反应腔室的侧壁之间形成有环形空间；

在所述环状本体上设置有多个进气孔，多个所述进气孔沿所述环状本体的周向均匀分布；每个所述进气孔均连通所述环形空间和所述反应腔室的内部；

在所述反应腔室的侧壁中设置有进气通道，用以将工艺气体输送至所述环形空间内。

8.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，在所述反应腔室的侧壁内侧环绕设置有环形支撑台，所述第二外沿叠置在所述环形支撑台上；

所述反应腔室还包括沿所述反应腔室的周向均匀分布的多个紧固螺栓，用于将所述第一外沿、所述环状本体、所述第二外沿和所述环形支撑台固定在一起；

所述紧固螺栓分别与所述第二外沿和所述环形支撑台电绝缘。

9.根据权利要求5或7所述的反应腔室，其特征在于，所述进气孔的数量、横截面积和所述工艺气体的流速的乘积大于所述工艺气体的气流量。

10.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，所述绝缘件采用陶瓷或石英制作。

11.一种半导体加工设备，其特征在于，包括权利要求1-10任意一项所述的反应腔室。

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