CN108538694A - 一种腔室和等离子体处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种腔室和等离子体处理装置，通过在匀流腔内设置由多个栅板组成的栅型结构，令栅型结构与匀流腔的顶壁之间的第一间距d1与匀流腔内压力p的乘积、栅型结构与匀流腔的底壁之间的第二间距d2与匀流腔内压力p的乘积、相邻栅板之间的第三间距d3与匀流腔内压力p的乘积均小于1.33pa*m或均大于13.3pa*m，从而避免在匀流腔内产生放电现象；即使射频功率较大或气压较高时，该栅型结构仍然可以正常工作，因此可以扩大工艺窗口和适用范围，尤其适用于高气压、高功率的工艺条件。

Description

一种腔室和等离子体处理装置

技术领域

本发明涉及半导体设备制造技术领域，具体涉及一种腔室和等离子体处理装置。

背景技术

等离子体增强化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)是采用等离子体技术制备薄膜的重要手段之一。它是借助等离子体离化反应气体，使反应气体产生的自由基、离子等活性物质在气相或者基片表面产生化学反应，最终在基片上沉积薄膜的一种方法。在PECVD装置中，平板电容耦合放电由于具有大面积基片承载、薄膜生长均匀性好等优点被广泛应用于半导体、光伏等工业领域。

图1为一种现有的PECVD腔室结构。该PECVD腔室包括匀流腔1和反应腔2，匀流腔1的腔室壁与反应腔2的腔室壁通过介质绝缘件303实现高压隔离。匀流腔1的顶壁和侧壁作为高压极上极板，与射频电源201相连，匀流腔1的底壁上设置有多个与反应腔2连通的进气孔，气体供给系统101与高压极上极板相连，用于向匀流腔1内输送工艺气体，工艺气体经匀流腔1匀流后，经由进气孔进入下方的反应腔2。匀流腔1的侧壁开设有出气通道501，出气通道501分别与反应腔2和匀流腔1相连通，可以降低匀流腔1与反应腔2之间的压力差，通过控制出气通道501的尺寸，使得该出气通道501的尺寸小于2倍鞘层的厚度，可以避免在匀流腔1和出气通道501内产生放电现象(即起辉现象)。

虽然出气通道501可以在一定程度上减少匀流腔1内的放电现象，但是，出气通道501的尺寸是一定的，当PECVD腔室的反应条件变化时，例如，当功率或者气压增加时，反应腔2内等离子体密度增加，鞘层的厚度减小，此时出气通道501将失去屏蔽等离子体的作用，在匀流腔1和出气通道501内仍然会产生放电现象，降低匀流腔1内反应气体的稳定性，并产生颗粒，容易堵塞进气孔。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供一种腔室和等离子体处理装置，用以解决匀流腔内放电的问题。

本发明为解决上述技术问题，采用如下技术方案：

本发明提供一种腔室，包括匀流腔，在所述匀流腔内容置有由多个栅板组成的栅型结构，其中，

所述栅型结构与所述匀流腔的顶壁之间具有第一间距d1；

所述栅型结构与所述匀流腔的底壁之间具有第二间距d2；

相邻所述栅板之间具有第三间距d3；以及

所述d1、d2、d3分别与所述匀流腔内压力p的乘积，均小于1.33Pa*m或均大于13.3Pa*m。

优选的，所述d1、所述d2、所述d3均小于2mm。

优选的，所述栅型结构为圆形。

优选的，所述栅板呈环形，各所述栅板的半径不同，且同心套置。

优选的，相邻所述栅板之间的所述第三间距d3均相同。

优选的，所述栅板的高度大于所述d3的七倍。

进一步的，所述栅型结构还包括至少一个支撑梁，所述支撑梁沿所述栅板的径向设置，并连接各所述栅板。

优选的，所述支撑梁包括连接部，所述连接部设置在所述支撑梁邻近最外侧的所述栅板的自由端，并与所述匀流腔的侧壁或顶壁连接。

优选的，所述匀流腔的顶壁上设置有进气口；

所述栅型结构还包括用于阻挡并扩散从所述进气口进入所述匀流腔内气体的阻挡件，所述阻挡件与所述进气口对应设置，并与所述支撑梁的邻近最内侧栅板的一端相连，且所述阻挡件的直径大于所述进气口的直径。

优选的，所述匀流腔的底壁上设置有多个贯穿的进气孔，所述进气孔与所述栅板对应设置。

本发明还提供一种等离子体处理装置，包括如前所述的腔室。

本发明能够实现以下有益效果：

本发明通过在匀流腔内设置由多个栅板组成的栅型结构，令栅型结构与匀流腔的顶壁之间的第一间距d1与匀流腔内压力p的乘积、栅型结构与匀流腔的底壁之间的第二间距d2与匀流腔内压力p的乘积、相邻栅板之间的第三间距d3与匀流腔内压力p的乘积均小于1.33pa*m或均大于13.3pa*m，从而避免在匀流腔内产生放电现象；即使射频功率较大或气压较高时，该栅型结构仍然可以正常工作，因此可以扩大工艺窗口和适用范围，尤其适用于高气压、高功率的工艺条件。

附图说明

图1为现有的PEVCD腔室结构示意图；

图2为本发明实施例提供的腔室的整体结构示意图；

图3为本发明实施例提供的栅型结构的结构示意图；

图4a为本发明实施例提供的匀流腔的结构示意图；

图4b为图4a中I处的放大图。

图例说明：

1、匀流腔 2、反应腔 3、栅型结构

11、进气口 12、进气孔 32、栅板

33、支撑梁 34、阻挡件 101、气体供给系统

102、绝缘连接件 103、法兰 201、射频电源

202、匹配器 301、金属屏蔽板 303、介质绝缘件

304、密封圈 401、基片 402、基片台

403、接地支撑柱 331、连接部 332、螺纹孔

333、螺钉

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例通过在匀流腔内设置栅型结构，通过控制栅型结构与匀流腔室内壁之间的距离，以及栅型结构的各栅板之间的距离，避免在匀流腔内产生放电现象。

以下结合图2至图4b，详细说明本发明的技术方案。

如图2所示，本发明提供一种腔室，腔室包括匀流腔1和反应腔2，反应腔2与匀流腔1相连，且反应腔2的腔室壁与匀流腔1的腔室壁之间通过介质绝缘件303和密封圈304绝缘且密封连接。匀流腔1的顶壁和侧壁为一体结构，匀流腔1的底壁与匀流腔1的侧壁固定连接。匀流腔1的底壁上设置有多个贯穿的进气孔12，匀流腔1和反应腔2通过进气孔12相连通。射频电源201通过匹配器202与匀流腔1的腔室壁相连，匀流腔1的腔室壁作为高压极上极板。射频电源201为等离子体源功率供给电源，其常用频率为13.56MHz、2MHz和400KHz。匀流腔1的上方和侧围设置有金属屏蔽板301，金属屏蔽板301与反应腔2的腔室壁相连，能够起到屏蔽射频电场作用。匀流腔1的顶壁上设置有用于送入工艺气体的进气口11，气体供给系统101通过法兰103与进气口11相连，能够向匀流腔1内输送工艺气体，工艺气体可以经过进气孔12进入反应腔2。气体供给系统101与法兰103之间设置有绝缘连接件102，以起到高压隔离的作用。反应腔2内设置有接地支撑柱403，接地支撑柱403支撑用于承载基片401的基片台402。

如图2所示，腔室还包括栅型结构3，栅型结构3容置于匀流腔1内，并固定在匀流腔1的内壁上。栅型结构3包括多个栅板32，相邻的栅板32可以形成气体输送通道，以供工艺气体通过。

工艺气体放电的击穿电压是电极距离d和气压P乘积的函数，一般来说，避免起辉现象产生的条件为：p*d<1.33Pa*m，或者，p*d>13.3Pa*m，也就是说，若p*d<1.33Pa*m或p*d>13.3Pa*m，则击穿电压越大，可以避免放电现象。要避免栅型结构3的栅板32之间、栅型结构3与匀流腔1的内壁之间产生空心阴极放电效应，各栅板32之间的间距和栅型结构3与匀流腔1的内壁之间的间距需满足以下条件：p*d<1.33Pa·m或p*d>13.3Pa*m，其中，p为匀流腔1内的压力。

如图4b所示，栅型结构3与匀流腔1的顶壁之间具有第一间距d1，栅型结构3与匀流腔1的底壁之间具有第二间距d2，相邻的栅板32之间具有第三间距d3。d1、d2、d3分别与匀流腔1内压力p的乘积，均小于1.33Pa*m或均大于13.3Pa*m。

优选的，d1、d2、d3均小于2mm。由于匀流腔1内的压力p通常约为5T，若d1、d2、d3均小于2mm，则可以保证p*d1、p*d2、p*d3均<1.33Pa*m，从而避免匀流腔1内放电现象发生。

需要说明的是，气体输送通道的方向与工艺气体的传输方向一致，由于工艺气体是从进气口11进入匀流腔1内，从进气孔12输出匀流腔1并进入反应腔2，因此，工艺气体的传输方向即为进气口11到进气孔12的方向。气体供给系统101通过进气口11向匀流腔1内输送的工艺气体可以直接进入栅型结构3形成的各气体输送通道内，由各气体输送通道对工艺气体进行分流后，分别送入各个进气孔12。

优选的，栅型结构3可以选用金属材料或绝缘材料制成。

本发明通过在匀流腔内设置由多个栅板组成的栅型结构，令栅型结构与匀流腔的顶壁之间的第一间距d1与匀流腔内压力p的乘积、栅型结构与匀流腔的底壁之间的第二间距d2与匀流腔内压力p的乘积、相邻栅板之间的第三间距d3与匀流腔内压力p的乘积均小于1.33pa*m或均大于13.3pa*m，从而避免在匀流腔内产生放电现象；当射频功率较大或气压较高时，会增加匀流腔中放电的几率,但是由于本发明的腔室增加了栅型结构,降低了放电几率,因此其仍然可以正常工作，因此可以扩大工艺窗口和适用范围，尤其适用于高气压、高功率的工艺条件。

需要说明的是，栅板32邻近进气口11的一端与匀流腔1的顶壁间隙设置(即d1)，栅板32的另一端与匀流腔1的底壁间隙设置(即d2)，这样，工艺气体在进入栅型结构3之前，以及从栅型结构3输出之后，均可以在匀流腔1内进行流动，以实现匀流效果。

通过控制栅板32的数量和相邻栅板32之间的第三间距d3，可以控制栅型结构3的匀流效果，d3越小、栅板32的数量越多，则匀流效果越好。

为了清楚描述本发明的技术方案，以下结合图3-图4b，对栅型结构3进行详细说明。

结合图3-4b所示，栅型结构3为圆形，各栅板32呈环形，各栅板32的半径不同，且同心套置。具体的，各栅板32的圆心与进气口11相对应，以使栅型结构3位于匀流腔1的正中，以进一步提高匀流效果。

优选的，如图4a和4b所示，相邻的栅板32之间的第三间距d3均相同，也就是说，嵌套的各个栅板32均匀设置，这样可以进一步提高匀流效果。

如图4b所示，栅板32的高度为H，优选的，栅板32的高度H大于相邻栅板32之间的第三间距d3的七倍。

结合图3和图2所示，栅型结构3还包括至少一个支撑梁33，支撑梁33沿栅板32的径向设置，并连接各栅板32。具体的，支撑梁33与栅板32的顶端和匀流腔1的内壁相连，用于将栅型结构3固定在匀流腔1内，并将相邻的栅板分隔为多个格栅，增强匀流效果。

优选的，支撑梁33包括连接部331，连接部331设置在支撑梁33邻近最外侧的栅板32的自由端，并与匀流腔1的侧壁或顶壁连接。

在本发明实施例中，支撑梁33与匀流腔1的顶壁连接，结合图3和图4b所示，连接部331可以形成于支撑梁33的下表面，并位于最外侧栅板32的外侧。具体的，连接部331上设置有贯穿支撑梁33上下表面的螺纹孔332，匀流腔1的顶壁边缘也设置有螺纹孔(图中未示出)，螺钉333从螺纹孔332下方穿过，并与匀流腔1的顶壁边缘的螺纹孔螺纹连接，从而将栅型结构3固定在匀流腔1的顶壁上。

为了达到更好的固定效果，保证栅型结构3在匀流腔1内的稳定性，优选的，支撑梁33为至少两个。当支撑梁33为多个时，各支撑梁33根据各栅板的圆心中心对称设置。

需要说明的是，本发明只是示例性给出了栅型结构3与匀流腔1的连接关系，栅型结构3也可以通过连接部331与匀流腔1的侧壁固定连接，连接方式也不限于螺纹连接，任何能够实现将栅型结构3固定在匀流腔1内的实现方式均属于本发明的保护范围。

进一步的，结合图3和图4a所示，栅型结构3还可以包括阻挡件34，阻挡件34用于阻挡从进气口11进入匀流腔1内的工艺气体使其扩散至阻挡件周边的格栅中，使匀流效果更好。阻挡件34与匀流腔1的进气口11对应设置，并与支撑梁33的邻近最内侧栅板32的一端相连，且阻挡件34的直径大于进气口11的直径。阻挡件34位于各栅板32的圆心位置。从进气口11输送进匀流腔1内的工艺气体被阻挡件34阻挡后，向四周流动，进入分布在阻挡件34周围的由相邻栅板32形成的气体输送通道内。

在本发明实施例中，如图3所示，阻挡件34为平板结构。需要说明的是，阻挡件34也可以为椎体结构或锥台结构。

需要说明的是，本发明的栅型结构3的具体结构不限于图3至图4b所示的结构。栅型结构3还可以呈圆柱状，栅型结构3上设置有贯穿其上、下表面的通孔，通孔即为气体输送通道，通孔所在的区域与进气口11在栅型结构3上的投影区域不重合，也就是说，通孔分布在栅型结构3的非中心区域，栅型结构3的中心区域与进气口11相对应。

为了避免从栅型结构3出来的工艺气体直接进入进气孔12，优选的，如图4b所示，各进气孔12与各栅板32对应设置。也就是说，相邻栅板32形成的气体输送通道与进气孔12交错设置，即栅板32在匀流腔1的底壁上的投影与进气孔12的在流腔1的底壁上的投影至少部分重合，这样，从气体输送通道出来的工艺气体还可以进一步在栅型结构3与匀流腔1的底壁之间的间隙内流动，从而提高匀流效果。如图4b所示，栅板32的厚度为d4，进气孔12的直径通常小于d4。

本发明还提供一种等离子体处理装置，等离子体处理装置包括如前的腔室。

腔室可以为PECVD腔室。

本发明通过在匀流腔内设置由多个栅板组成的栅型结构，令栅型结构与匀流腔的顶壁之间的第一间距d1与匀流腔内压力p的乘积、栅型结构与匀流腔的底壁之间的第二间距d2与匀流腔内压力p的乘积、相邻栅板之间的第三间距d3与匀流腔内压力p的乘积均小于1.33pa*m或均大于13.3pa*m，从而避免在匀流腔内产生放电现象；即使射频功率较大或气压较高时，该等离子体处理装置仍然可以正常工作，因此可以扩大工艺窗口和适用范围，尤其适用于高气压、高功率的工艺条件。

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)

1.一种腔室，包括匀流腔，其特征在于，在所述匀流腔内容置有由多个栅板组成的栅型结构，其中，

所述栅型结构与所述匀流腔的顶壁之间具有第一间距d1；

所述栅型结构与所述匀流腔的底壁之间具有第二间距d2；

相邻所述栅板之间具有第三间距d3；以及

所述d1、d2、d3分别与所述匀流腔内压力p的乘积，均小于1.33Pa*m或均大于13.3Pa*m。

2.如权利要求1所述的腔室，其特征在于，所述d1、所述d2、所述d3均小于2mm。

3.如权利要求1所述的腔室，其特征在于，所述栅型结构为圆形。

4.如权利要求3所述的腔室，其特征在于，所述栅板呈环形，各所述栅板的半径不同，且同心套置。

5.如权利要求4所述的腔室，其特征在于，相邻所述栅板之间的所述第三间距d3均相同。

6.如权利要求4所述的腔室，其特征在于，所述栅板的高度大于所述d3的七倍。

7.如权利要求4所述的腔室，其特征在于，所述栅型结构还包括至少一个支撑梁，所述支撑梁沿所述栅板的径向设置，并连接各所述栅板。

8.如权利要求7所述的腔室，其特征在于，所述支撑梁包括连接部，所述连接部设置在所述支撑梁邻近最外侧的所述栅板的自由端，并与所述匀流腔的侧壁或顶壁连接。

9.如权利要求1～8任一项所述的腔室，其特征在于，所述匀流腔的顶壁上设置有进气口；

所述栅型结构还包括用于阻挡并扩散从所述进气口进入所述匀流腔内气体的阻挡件，所述阻挡件与所述进气口对应设置，并与所述支撑梁的邻近最内侧栅板的一端相连，且所述阻挡件的直径大于所述进气口的直径。

10.如权利要求1～8任一项所述的腔室，其特征在于，所述匀流腔的底壁上设置有多个贯穿的进气孔，所述进气孔与所述栅板对应设置。

11.一种等离子体处理装置，其特征在于，包括如权利要求1-10任一项所述的腔室。