CN112713073B - 一种耐腐蚀气体输送部件及其等离子体处理装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耐腐蚀气体输送部件及其等离子体处理装置，通过将进气输送部件、气体扩散部件和衬套主体内的进气容纳孔和扩散容纳空间相结合，采用多部件结构设计，避免了衬套主体因高温造成其表面缺陷使工艺气体直接与衬套主体接触，其优点是有效地防止了工艺气体中的腐蚀性气体对气体输送系统及等离子体处理装置的腐蚀，解决了由于腐蚀性气体造成的反应腔腔室内的金属污染和固体颗粒污染的问题，且多部件结构的设计，便于工作人员日常的维护工作。
Description
技术领域
本发明涉及半导体设备领域，具体涉及一种耐腐蚀气体输送部件及其等离子体处理装置。
背景技术
通常的等离子体处理装置中，其气体输送部件起着至关重要的作用。从气体盒(gas box)输出的工艺气体，通过气体输送部件将工艺气体供应到反应腔中，对工艺气体电离形成等离子体，从而对放置在反应腔内的晶片进行工艺处理。
气体输送部件中的气体输送通道通常为直接在铝合金材质的衬套中直接加工若干个馈入孔，在工艺气体输送过程中，工艺气体先涌入气体输送通道，在气体输送通道中形成相对密闭、高压的气腔。低饱和蒸气压的工艺气体很容易在气体输送通道中聚集凝结，为了防止工艺气体在这个气体输送通道和腔室内部凝结，在等离子体处理装置中一般会设置有加热槽加热衬套内的工艺气体，从而提高工艺气体的饱和蒸气压防止凝结。
另外，为了防止工艺气体中的部分具有腐蚀性的气体会腐蚀衬套，带来金属污染和固体颗粒污染问题，气体输送通道内表面一般都做了硬阳极氧化或高密度阳极氧化处理。一般阳极氧化层为氧化铝材料，它的线膨胀系数与衬套的基材铝合金的线膨胀系数相差较大，两者线膨胀系数的不匹配就会造成在加热衬套时气体输送通道表面上的阳极氧化层产生大量的微裂纹。具有腐蚀性的气体会通过这些微裂纹直接与铝合金接触，从而腐蚀衬套，带来金属污染和颗粒污染问题，长期使用过程中由于气体腐蚀造成的缩孔和裂纹越来越多，也会造成工艺气体参数漂移的问题。为了解决这些问题，通常采用改变气体输送通道内阳极氧化的工艺或喷涂其他材料的膜层来密封微裂纹，但是操作难度较大，且成本很高，质量管控难度大，因此迫切需要一种经济实惠且便捷的方式来应对此问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐腐蚀气体输送部件及其等离子体处理装置，通过将进气输送部件、气体扩散部件和衬套主体内的进气容纳孔和扩散容纳空间相结合，采用多部件结构设计，避免了因高温造成衬套主体表面缺陷使工艺气体直接与衬套主体接触，有效地防止了工艺气体对气体输送系统及等离子体处理装置的腐蚀，解决了由于腐蚀性气体造成的反应腔腔室内的金属污染和固体颗粒污染的问题。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种用于等离子体处理装置中的耐腐蚀气体输送部件，其包含：
衬套主体；
扩散容纳空间，环绕设置于所述衬套主体内；
气体扩散部件，位于所述扩散容纳空间内，所述气体扩散部件的材料为耐腐蚀材料，所述气体扩散部件内环绕地开设有气体扩散通道，所述气体扩散部件的内壁还开设有若干个出气通道，所述出气通道与所述气体扩散通道连通。
可选的，所述扩散容纳空间为一凹槽，所述衬套主体的内侧壁开设有若干个出气孔，所述出气孔与出气通道连通。
可选的，所述扩散容纳空间为一台阶。
可选的，所述气体扩散通道为顶部开放式气体槽或封闭式的气体通道。
可选的，所述衬套主体外壁还设有至少一个进气容纳孔，所述进气容纳孔与扩散容纳空间连通；
位于各个所述进气容纳孔内的进气输送部件，所述进气输送部件的材料为耐腐蚀材料，所述进气输送部件内开设有进气通道，所述进气通道一端连通气体输送系统的气路管道，另一端连通所述气体扩散通道。
可选的，所述衬套主体的材料包括：铝合金；所述进气输送部件的材料包括：陶瓷材料或不锈钢；所述气体扩散部件的材料包括：陶瓷。
可选的，所述扩散容纳空间和所述进气容纳孔表面分别设有耐腐蚀性材料的镀层；
所述进气通道和/或所述气体扩散通道和/或所述出气通道分别设有耐腐蚀性材料的镀层。
可选的，所述出气孔内壁和所述气体扩散部件与所述扩散容纳空间内侧接触面均设有耐腐蚀性材料镀层。
可选的，所述耐腐蚀性材料镀层为特氟龙镀层或氧化钇膜层或阳极氧化层。
可选的，所述衬套主体、气体扩散部件、进气输送部件之间设置有若干个密封结构，若干个密封件分别置于所述密封结构内，所述密封结构设置在所述衬套主体与气体扩散部件交接处、和/或所述气体扩散部件与所述进气输送部件交接处，和/或所述进气输送部件与所述衬套主体交接处。
可选的，所述出气孔为锥型或两端直径一致的直孔型。
可选的，所述气体扩散通道只有一圈或者有多圈；
当包含多圈所述气体扩散通道时，各所述气体扩散通道之间相互连通。
可选的，一种包含耐腐蚀气体输送部件的等离子体处理装置，该装置包含：
反应腔；
耐腐蚀气体输送部件，环绕设置于所述反应腔的腔体侧壁上；
介质窗，位于所述衬套主体上。
可选的，还包含：
位于所述介质窗上的电感耦合线圈，所述电感耦合线圈被加载射频功率，通过介质窗耦合到反应腔内，将通过气体输送系统引入到反应腔内的工艺气体电离形成等离子体，所述等离子体用于对反应腔底部放置的晶圆进行处理。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)本发明提供的一种耐腐蚀气体输送部件及其等离子体处理装置，所述扩散容纳空间用于容纳气体扩散部件，所述气体扩散部件内具有气体扩散通道，所述反应气体只能在所述气体扩散通道内流动，而不会与衬套主体接触，因此，能够有效地防止工艺气体对衬套主体造成腐蚀，并且，由于所述气体扩散部件的材料为耐腐蚀材料，因此，解决了由于腐蚀性气体造成的腔室内的金属污染和固体颗粒污染的问题；
(2)本发明提供的一种耐腐蚀气体输送部件及其等离子体处理装置，将气体扩散通道、进气通道所在的部件各设置为一个独立于衬套主体的部件，对气体输送系统进行维护时，仅需更换个别部件即可，无需耗费整个衬套主体结构，减少了物料资源的浪费，为工作人员的日常维护工作提供了便利；
(3)本发明提供的一种耐腐蚀气体输送部件及其等离子体处理装置，避免了因气体腐蚀造成的衬套主体上缩孔和裂纹越来越多，同时也解决了工艺气体参数漂移的问题；
(4)本发明提供的一种耐腐蚀气体输送部件及其等离子体处理装置，不需要喷嘴结构，整体结构简单，大大简化了部件构造。
附图说明
图1为本发明实施例一中的电感耦合等离子体处理装置；
图2为图1中的气体输送部件结构示意图；
图3为图2中的气体扩散部件和衬套主体部分结构截面三维立体示意图；
图4为本发明实施例二中的气体输送部件结构示意图；
图5为本发明实施例三中的气体输送部件结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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。
需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明一实施例的目的。
如图1所示，为本发明的一种等离子体处理装置。请参考图1，该等离子体处理装置包含：反应腔1001、气体输送部件和介质窗1002。所述气体输送部件包含开设有传输通道的衬套主体1005，所述衬套主体1005环绕设置于所述反应腔1001的腔体侧壁上，所述介质窗1002位于所述衬套主体1005上。
另外，该等离子体处理装置还包含：位于所述介质窗1002上的电感耦合线圈1003，所述电感耦合线圈1003被加载射频功率，通过介质窗1002耦合到反应腔1001内，将通过衬套主体1005引入到反应腔1001内的工艺气体电离形成等离子体，所述等离子体用于对反应腔1001底部基座1004上放置的晶圆1008进行处理。
实施例一
在本实施例中，所述等离子体处理装置为电感耦合等离子体处理装置(ICP装置)。
如图1所示，为本实施例的一种电感耦合等离子体处理装置。加载到电感耦合线圈1003上的射频功率，通过介质窗1002耦合至反应腔1001内，在反应腔1001内形成电子区域，以将通过气体输送系统供应到反应腔1001的工艺气体电离形成等离子体或离子，对放置在反应腔1001底部基座1004上的晶圆1008进行刻蚀等处理。在反应腔1001的腔体侧壁之上环绕地设置一衬套主体1005(liner)，所述衬套主体1005对其上方的介质窗1002边缘进行承载。所述衬套主体1005通过接触腔体而接地，从衬套主体1005的内壁向下延伸设置有环绕反应腔1001腔体内侧的挡板1051，通过该挡板1051来实现等离子体约束，以保护反应腔1001腔体等部件不被侵蚀，另外，所述衬套主体1005内还设有加热槽，用以加热工艺气体。
所述气体输送系统中，通过气体盒(gas box)输出的工艺气体，先经过分流器(splitter)分成中间进气和边缘进气两路。中间进气的一路通过介质窗1002处安装的进气装置向反应腔1001内供气，边缘进气的一路经气体输送系统内的气路管道输送到衬套主体1005内的气路，再经衬套主体1005内侧壁上分布式开设的若干个出气孔1052将工艺气体供应到反应腔1001内。中间进气和边缘进气的双进气口结构的设置，提高了工艺气体在反应腔1001内分布的均匀性。
以下对边缘进气进行详细说明：如图2所示，为本实施例的等离子体处理装置(图2)中的气体输送部件结构示意图，所述衬套主体1005内的气路的具体结构为：所述衬套主体1005外壁分布式开设有若干个进气容纳孔1053，若干个进气输送部件1006与所述进气容纳孔1053相匹配且分别镶嵌进所述进气容纳孔1053内，所述进气输送部件1006开设有进气通道1061(gas feed)，所述进气通道1061连通气体输送系统内的气路管道；
图3为图2中的气体扩散部件1007和衬套主体1005部分结构截面的三维立体图，如图2结合图3所示，所述衬套主体1005内环绕地设置有与所述进气容纳孔1053连通的环形扩散容纳空间1054(如图2所示)，所述扩散容纳空间1054为一凹槽，一环形的气体扩散部件1007与所述扩散容纳空间1054相匹配且镶嵌进所述扩散容纳空间1054内，所述气体扩散部件1007环绕地开设有至少一圈气体扩散通道1071(gas groove)，当含有多圈所述气体扩散通道1071时，各所述气体扩散通道1071之间相互连通，在本实施例中，包含一圈所述气体扩散通道1071，所述气体扩散通道1071与所述进气通道1061连通，所述气体扩散通道1071为顶部开放式气体槽结构，其顶部与所述介质窗1002接触；
所述气体扩散部件1007的内壁还分布式开设有若干个出气通道1072，所述出气通道1072直径等于或小于1mm，各个所述出气通道1072一端连通所述气体扩散通道1071，另一端连通所述衬套主体1005内侧壁上的出气孔1052；工艺气体从气路管道经所述进气通道1061输送到所述气体扩散通道1071，进而通过出气通道1072和出气孔1052横向地输送到反应腔1001内。
其中，所述衬套主体1005由铝合金制成，所述进气容纳孔1053和所述扩散容纳空间1054内表面分别设有耐腐蚀性材料的镀层，优选地，所述耐腐蚀性材料的镀层由硬阳极氧化或高密度阳极氧化处理制备，阳极氧化层一般为氧化铝层，从而防止输送的工艺气体和等离子体对这些部件的腐蚀。
所述进气输送部件1006和所述气体扩散部件1007的材料为耐腐蚀材料，例如，所述气体扩散部件1007可由氧化铝类的陶瓷材料制成，所述进气输送部件1006可由陶瓷材料或真空熔炼的316L不锈钢材料制成，所述进气输送部件1006内的进气通道1061采用化学腐蚀的清洗方法来清洗，以钝化所述进气通道1061壁面。
优选地，所述进气输送部件1006、气体扩散部件1007均由陶瓷材料制成，所述衬套主体1005、进气输送部件1006、气体扩散部件1007两两之间的所有拼接处采用粘结、焊接、设置紧固件等各种方式拼接。所述进气通道1061、气体扩散通道1071和出气通道1072拼接成陶瓷材料制备的一个密闭气体通道，以使工艺气体进入衬套主体1005内的气路后只能在密闭气路内流动，不会与铝合金制备的衬套主体1005有任何接触，从而彻底避免工艺气体中的腐蚀性气体在通道内产生腐蚀带来的金属污染和固体颗粒污染问题。
如图2和图3结合所示，所述衬套主体1005、进气输送部件1006、气体扩散部件1007设置有若干个密封结构，若干个密封件分别置于所述密封结构内以隔离工艺气体或隔离工艺气体与大气环境。在本实施例中，所述密封结构为密封槽1009(seal groove)，所述密封件为O型圈，若干个O型圈分别置于所述密封槽1009内，其中，所述O型圈为能够耐腐蚀且提供气密功能的氟橡胶或硅氟橡胶。所述密封槽1009设置在环绕着工艺气体出口端和/或入口端的部位，或环绕着各个部件交接的部位，示例地，所述密封槽1009设置在所述衬套主体1005与气体扩散部件1007交接处、所述气体扩散部件1007与所述进气输送部件1006交接处、所述进气输送部件1006与所述衬套主体1005交接处、所述衬套主体1005与所述介质窗1002交接处。
所述出气孔1052均匀分布在所述衬套主体1005的内侧壁上，用于工艺气体的均匀馈入，其气路长度远小于所述出气通道1072的气路长度，其孔径大于所述出气通道1072的直径。所述出气孔1052侧壁及其周围和所述气体扩散部件1007内侧与衬套主体1005接触面均物理喷射沉积(PS)或物理气相沉积(PVD)一层耐腐蚀材料膜层。优选地，所述耐腐蚀材料膜层为氧化钇膜层，用以防止等离子体的腐蚀。所述出气孔1052为锥型出气孔1052(反应腔1001一端的直径大于气体扩散部件1007一端的直径)或两端直径一致的直孔型出气孔1052，优选地，所述出气孔1052为锥型出气孔1052。
另外，所述气体扩散通道1071、进气通道1061和出气通道1072等多处均物理喷射沉积或物理气相沉积一层耐腐蚀性材料的镀层，从而防止该衬套主体1005输送的工艺气体对这些部位的腐蚀。示例地，所述气体扩散通道1071等处镀有耐卤素气体腐蚀的材料，比如特氟龙(Teflon)，则该气体扩散通道1071等部位不会被其输送的BCl3、Cl2等气体腐蚀。
实施例二
基于实施例一的电感耦合等离子体处理装置的结构特性，本实施例对所述衬套主体2005的结构做出了一些改变，主要针对所述衬套主体2005的内侧壁及扩散容纳空间2054做了改变。
如图4所示，为本实施例的电感耦合等离子体处理装置的气体输送部件的结构示意图。与实施例一相比，本实施例中的所述衬套主体2005内侧壁没有开设所述出气孔1052，所述扩散容纳空间2054为一台阶，所述扩散容纳空间2054内的所述气体扩散部件2007内侧壁直接接触反应腔2001腔体环境，工艺气体从气路管道经所述进气输送部件2006的所述进气通道2061输送到气体扩散部件2007的所述气体扩散通道2071，进而通过气体扩散部件2007的出气通道2072输送到反应腔内。本实施例的电感耦合等离子体处理装置，大大简化了部件构造，具有结构简单、方便安装的优势，气体输送系统结构的部分模块拆卸方便，更利于工作人员的日常使用和维护。
另外，本实施例的其他结构及各组件作用方式，如密封槽2009、O型圈等，都与实施例一中的组件相同，在此不再加以赘述。
实施例三
基于实施例二的电感耦合等离子体处理装置的结构特性，本实施例对所述气体扩散部件3007的结构做出了一些改变，主要针对所述气体扩散部件3007内的气体扩散通道3071做了改变。
如图5所示，为本实施例的电感耦合等离子体处理装置的气体输送部件的结构示意图。与实施例二相比，本实施例中气体扩散部件3007的气体扩散通道3071为封闭式的气体通道，例如截面为环形的通道，所述介质窗3002接触气体扩散部件3007的上表面而不与所述气体扩散通道3071接触。该装置的工艺气体输送过程与实施例二的相同。需要说明的是，本实施例的扩散容纳空间3054不仅限于为台阶状，还可以为一凹槽或其他结构，只要可与所述气体扩散部件3007相匹配即可。
本实施例的电感耦合等离子体处理装置，避免了介质窗3002和工艺气体在气体输送过程中的接触，使工艺气体一直在所述进气输送部件3006和气体扩散部件3007所构造的气路通道里，有利于减小所述介质窗3002被工艺气体中的腐蚀成分腐蚀的可能性，避免了固体颗粒污染，减少了物料资源的浪费，为工作人员的日常维护工作提供了便利。
另外，本实施例的其他结构及各组件作用方式，如进气输送部件3006与气体扩散部件3007和主体衬套3005的关系，都与实施例二中的组件相同，在此不再加以赘述。
综上所述，本发明提供了一种耐腐蚀气体输送部件及其等离子体处理装置，通过将进气输送部件1006、气体扩散部件1007和衬套主体1005内的进气容纳孔1053和扩散容纳空间1054相结合，避免了衬套主体1005因高温造成其表面缺陷使工艺气体直接与衬套主体1005接触，有效地防止了工艺气体对气体输送系统及等离子体装置的腐蚀，解决了由于腐蚀性气体造成的腔室内的金属污染和固体颗粒污染的问题，且将气体扩散通道1071、进气通道1061所在的部件各设置为一个独立于衬套主体1005的部件，装置长期使用使气体输送系统的部分部件需要更换时，仅需更换个别部件即可，无需耗费整个衬套主体1005结构，减少了物料资源的浪费。
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)
1.一种用于等离子体处理装置中的耐腐蚀气体输送部件，其特征在于，包含：
衬套主体，所述衬套主体的内壁向下延伸设置有环绕反应腔腔体内侧的挡板，以约束等离子体；
扩散容纳空间，环绕设置于所述衬套主体内；
气体扩散部件，位于所述扩散容纳空间内，所述气体扩散部件的材料为耐腐蚀材料，所述气体扩散部件内环绕地开设有气体扩散通道，所述气体扩散部件的内壁还开设有若干个出气通道，所述出气通道与所述气体扩散通道连通，所述出气通道位于所述气体扩散部件的内壁内，所述气体扩散部件可自上而下嵌入所述扩散容纳空间中；
至少一个进气输送部件，其内开设有进气通道，所述进气通道一端连通气体输送系统的气路管道，另一端连通所述气体扩散通道，所述进气输送部件的材料为耐腐蚀材料。
2.如权利要求1所述的耐腐蚀气体输送部件，其特征在于，
所述扩散容纳空间为一凹槽，所述衬套主体的内侧壁开设有若干个出气孔，所述出气孔与所述出气通道连通。
3.如权利要求1所述的耐腐蚀气体输送部件，其特征在于，
所述扩散容纳空间为一台阶。
4.如权利要求1所述的耐腐蚀气体输送部件，其特征在于，
所述气体扩散通道为顶部开放式气体槽或封闭式的气体通道。
5.如权利要求1所述的耐腐蚀气体输送部件，其特征在于，
所述衬套主体外壁还设有至少一个进气容纳孔，所述进气容纳孔与扩散容纳空间连通；
所述进气输送部件位于所述进气容纳孔内。
6.如权利要求5所述的耐腐蚀气体输送部件，其特征在于，
所述衬套主体的材料包括：铝合金；所述进气输送部件的材料包括：陶瓷或不锈钢；所述气体扩散部件的材料包括：陶瓷。
7.如权利要求5所述的耐腐蚀气体输送部件，其特征在于，
所述扩散容纳空间和所述进气容纳孔表面分别设有耐腐蚀性材料的镀层；
所述进气通道和/或所述气体扩散通道和/或所述出气通道分别设有耐腐蚀性材料的镀层。
8.如权利要求2所述的耐腐蚀气体输送部件，其特征在于，
所述出气孔内壁和所述气体扩散部件与所述扩散容纳空间内侧接触面均设有耐腐蚀性材料镀层。
9.如权利要求7或8所述的耐腐蚀气体输送部件，其特征在于，所述耐腐蚀性材料镀层为特氟龙镀层或氧化钇膜层或阳极氧化层。
10.如权利要求1所述的耐腐蚀气体输送部件，其特征在于，
所述衬套主体、气体扩散部件、进气输送部件之间设置有若干个密封结构，若干个密封件分别置于所述密封结构内，所述密封结构设置在所述衬套主体与气体扩散部件交接处，和/或所述气体扩散部件与所述进气输送部件交接处，和/或所述进气输送部件与所述衬套主体交接处。
11.如权利要求2所述的耐腐蚀气体输送部件，其特征在于，
所述出气孔为锥型或两端直径一致的直孔型。
12.如权利要求1所述的耐腐蚀气体输送部件，其特征在于，
所述气体扩散通道只有一圈或者有多圈；
当包含多圈所述气体扩散通道时，各所述气体扩散通道之间相互连通。
13.一种包含耐腐蚀气体输送部件的等离子体处理装置，其特征在于，该装置包含：
反应腔；
如权利要求1至权利要求12任一项所述耐腐蚀气体输送部件，环绕设置于所述反应腔的腔体侧壁上；
介质窗，位于所述衬套主体上。
14.如权利要求13所述的等离子体处理装置，其特征在于，还包含：
位于所述介质窗上的电感耦合线圈，所述电感耦合线圈被加载射频功率，通过介质窗耦合到反应腔内，将通过气体输送系统引入到反应腔内的工艺气体电离形成等离子体，所述等离子体用于对反应腔底部放置的晶圆进行处理。
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