CN113053712A - 一种等离子体处理装置及其气体喷嘴、气体喷嘴组件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种等离子体处理装置及其气体喷嘴、气体喷嘴组件，该气体喷嘴的本体具有喷嘴内腔及向处理装置的处理腔内输送工艺气体的喷气孔，所述喷嘴内腔包括进气分布腔和出气缓冲腔；所述进气分布腔和出气缓冲腔的容积V≤1/4V1，其中，V1为所述气体喷嘴的本体体积。本方案基于气体喷嘴的结构改进，可规避喷嘴腔内的等离子体点燃风险，有效提升安全可靠性。

Description

一种等离子体处理装置及其气体喷嘴、气体喷嘴组件
技术领域
本发明涉及半导体制作技术领域，具体涉及一种等离子体处理装置及其气体喷嘴、气体喷嘴组件。
背景技术
源气体分布设计是ICP刻蚀工具的关键，不同的气体混合后经气体喷嘴分布到刻蚀室。众所周知，气体流速和方向、气体稳定性和均匀性是控制刻蚀速率和均匀性的主要指标。对于TSV工具，气体通常从边缘或同时从边缘和中心进行分布，其中，气体喷嘴的气流中心线处于射频耦合环境的中心，该喷嘴内腔存在等离子体点燃的风险。
有鉴于此，亟待针对现有等离子体处理装置的气体喷嘴进行结构优化，以有效规避喷嘴腔内的等离子体点燃。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种等离子体处理装置及其气体喷嘴、气体喷嘴组件，基于气体喷嘴的结构改进，可规避喷嘴腔内的等离子体点燃风险，有效提升安全可靠性。
本发明提供一种用于等离子体处理装置的气体喷嘴，所述气体喷嘴用于向所述处理装置的处理腔内输送工艺气体，所述气体喷嘴的本体具有喷嘴内腔及向所述处理腔内输送工艺气体的喷气孔，所述喷嘴内腔包括进气分布腔和出气缓冲腔；所述进气分布腔和出气缓冲腔的容积V≤1/4V1，其中，V1为所述气体喷嘴的本体体积。。
优选地，还包括置于所述喷嘴内腔中段位置的绝缘嵌件，所述进气分布腔和所述出气缓冲腔分别形成于所述绝缘嵌件的两侧，且所述绝缘嵌件具有连通所述进气分布腔和所述出气缓冲腔的第一通孔。
优选地，所述第一通孔设置为位于中心位置处和相对于中心位置周向均布的多个。
优选地，所述第一通孔的通流截面为等截面，或者所述第一通孔的通流截面呈沿气体流动方向逐渐减小的趋势变化。
优选地，所述出气缓冲腔的横截面积小于所述进气分布腔的横截面积。
优选地，所述进气分布腔和所述出气缓冲腔分别由台阶盲孔的大径段和小径段形成，所述出气缓冲腔的下部至所述喷气孔之间通过所述本体上相应设置的通道连通。
优选地，所述通道由斜向设置的第二通孔形成。
优选地，所述出气缓冲腔的直径a1与出气缓冲腔的深度a2之间的关系为a1≥a2tanα，其中α为第二通孔与出气缓冲腔的深度a2方向之间的夹角。
优选地，所述出气缓冲腔的直径a1与出气缓冲腔的深度a2之间的尺寸比值介于1:3至2:1之间。
优选地，所述第二通孔在出气缓冲腔的壁面形成的多个初始贯通孔之间互相间隔设置。
优选地，所述喷气孔设置为在同一横截面内周向均布。
优选地，所述喷气孔与所述气体喷嘴本体的侧壁面垂直。
本发明还提供一种等离子体处理装置的气体喷嘴组件，包括气体喷嘴和通过连接法兰与所述气体喷嘴固定连通的进气管，所述气体喷嘴采用如前所述的等离子体处理装置的气体喷嘴。
优选地，还包括可接地设置的电场屏蔽罩，包覆于所述气体喷嘴的至少位于绝缘窗体的部分和所述连接法兰的外部。
优选地，所述电场隔离罩的内表面覆有磁屏蔽层。
优选地，所述电场屏蔽罩采用导电材料制成，所述磁屏蔽层采用饱和磁感应强度为0.6--1.0T的材料制成。
优选地，所述电场隔离罩与磁屏蔽层固为一体或为分体式结构。
本发明还提供一种等离子体处理装置，包括刻蚀腔及置于所述刻蚀腔内的承片台，所述刻蚀腔顶部的绝缘窗体上设置有气体喷嘴组件，所述气体喷嘴组件采用如前所述的气体喷嘴组件。
优选地，还包括可接地设置的电场屏蔽罩，所述电场屏蔽罩包覆于所述气体喷嘴的至少位于绝缘窗体的部分和所述连接法兰的外部。
优选地，所述电场隔离罩的内表面覆有磁屏蔽层。
优选地，所述电场隔离罩与磁屏蔽层固为一体或为分体式结构。
针对现有技术，本发明另辟蹊径针对等离子体处理装置气体喷嘴进行了改进设计，具体针对包括进气分布腔和出气缓冲腔的喷嘴内腔容积限定进行了优化，其中，进气分布腔和出气缓冲腔的容积V≤1/4V1，其中，V1为所述气体喷嘴的本体体积。也就是说，通过限制喷嘴内腔的容积减小喷嘴内部空间。如此设置，在相同电场强度下，对于位于射频耦合环境中心的气体喷嘴来说，可规避射频耦合环境下喷嘴内腔发生等离子体点火的可能性，从而为等离子体处理装置的运行安全可靠性提供了技术保障。
在本发明的优选方案中，通过置于喷嘴内腔中段位置的绝缘嵌件构建小于气体喷嘴的本体体积的喷嘴内腔，具有结构简单、可靠的特点；与此同时，绝缘嵌件上设置的第一通孔位于气体流动路径，经第一通孔的节流增速作用进入出气缓冲腔，可进一步均匀化气流，进而增加喷气孔水平方向喷射的稳定性。
在本发明的优选方案中，采用台阶盲孔构建小于气体喷嘴的本体体积的喷嘴内腔，其中，进气分布腔和出气缓冲腔分别由该台阶盲孔的大径段和小径段形成，相比较来说，气体气流进入通流截面变小的出气缓冲腔能够提升喷射速率，以获得良好的各喷射孔间的喷射均匀性，从而进一步提高刻蚀腔内等离子态气体的均匀程度。
附图说明
图1为实施例一所述气体喷嘴组件的装配关系示意图；
图2为图1中所示绝缘嵌件的俯视图；
图3为实施例二所述气体喷嘴组件的装配关系示意图；
图4为实施例三所述气体喷嘴组件的装配关系示意图；
图5为实施例四所述气体喷嘴组件的装配关系示意图。
图中：
气体喷嘴组件10、绝缘窗体20；
气体喷嘴1、喷嘴内腔11、进气分布腔111、出气缓冲腔112、喷气孔12、第二通孔13、初始贯通孔131、连接法兰2、进气管3、绝缘嵌件4、第一通孔41、第一通孔41a、电场屏蔽罩5、磁屏蔽层6；
α：夹角。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
本实施方式提供的气体喷嘴主要可应用于等离子体处理装置，如电感耦合等离子体处理装置(Inductively Coupled Plasma，简称ICP)、电容耦合等离子体处理装置(Capacitively Coupled Plasma，简称CCP)。以下以电感耦合等离子体刻蚀装置为例。依据本发明的等离子体处理装置包括由多个壁(如侧壁、顶壁与底壁)围合而成的刻蚀腔，该刻蚀腔通常可呈圆柱形，刻蚀腔的侧壁可垂直于顶壁与底壁。刻蚀腔的内部设置有空间，并设置有用于容纳基片的承片台(图中未示出)。
本实施方式以图中所示设置在刻蚀腔顶部绝缘窗体20上的气体喷嘴组件10作为描述主体，详细说明本申请提供的气体喷嘴改进方案。应当理解，绝缘窗体20与刻蚀腔及射频线圈的具体配置实现方式，对于本申请请求保护的技术方案未构成实质性限制。
具体地，该组件10的气体喷嘴1与连接法兰2封固连接，并通过连接法兰2与进气管3连通，实现源气体的输送。气体喷嘴1的本体具有喷嘴内腔11及向等离子体处理装置的处理腔内输送工艺气体的喷气孔12，喷嘴内腔11的容积V由进气分布腔111和出气缓冲腔112构成；本方案另辟蹊径对喷嘴内腔11的容积V作了具体限制：进气分布腔111和出气缓冲腔112的容积V≤1/4V1，其中，V1为气体喷嘴的本体体积。由此通过限制喷嘴内腔的容积V减小喷嘴内部空间。这样，相同电场强度下，对于位于射频耦合环境中心的气体喷嘴来说，可规避射频耦合环境下喷嘴内腔发生等离子体点火的可能性。
实施例一：
请参见图1，该图为本方案所述气体喷嘴组件的装配关系示意图。
该气体喷嘴1的喷嘴内腔11中设置有绝缘嵌件4，图中所示，绝缘嵌件4置于喷嘴内腔11中段位置，由此，进气分布腔111和出气缓冲腔112分别形成于绝缘嵌件4的两侧，且该绝缘嵌件4具有连通进气分布腔111和出气缓冲腔112的第一通孔41。
本方案通过绝缘嵌件4构建小于气体喷嘴的本体体积V1的喷嘴内腔11，其具有结构简单、可靠的特点；该绝缘嵌件4可以采用满足喷嘴功能需要的绝缘材料制成，例如但不限于：石英材料。同时，绝缘嵌件4上设置的第一通孔41位于气体流动路径上，源气体经第一通孔41的节流增速作用进入出气缓冲腔112，得以进一步均匀化气流，进而增加喷气孔12水平方向喷射的稳定性。
为了进一步提升喷射速率，出气缓冲腔112的横截面积优选小于进气分布腔111的横截面积。如此设置，气体气流进入通流截面变小的出气缓冲腔112能够提升喷射速率，以获得良好的各喷射孔间的喷射均匀性。
作为优选，进气分布腔111和出气缓冲腔112的容积V≤1/4V1，其中，V1为所述气体喷嘴的本体体积。试验数据表明，在上述阈值区间内选定容积V，均可获得优良的降低喷嘴内腔发生等离子体点火的有益效果。
对于绝缘嵌件4上建立气体流动路径的第一通孔41来说，可以采用不同的通流截面及排布方式。请参见图2，该图为图1中所述绝缘嵌件4的俯视图。
结合图1和图2所示，第一通孔41设置为多个，包括位于中心位置处以及相对于中心位置周向均布的第一通孔41。图中所示，周向均布的第一通孔41在两个不同直径的圆周上分别周向均布设置，可以理解的是，上述周向均布方式仅为本优选示例性说明，也就是说，多个第一通孔41在流动路径上布置的均匀程度为优选考虑方案，只要满足具体设备使用需求均在本申请请求保护的范围内。
另外，本方案中第一通孔41的通流截面为等截面，也即等径孔。需要说明的是，第一通孔41也可基于设备总体设计选择非等截面的通流截面，如倒锥形截面。
实施例二：
请参见图3，该图示出了本方案气体喷嘴组件的装配关系示意图。为了清楚示出本方案与实施例一的区别和联系，相同功能构成和结构在图中以相同附图标记示明。
本方案中，绝缘嵌件4的第一通孔41a的通流截面呈沿气体流动方向逐渐减小的趋势变化，大体上呈图中所示的倒锥形。工作过程中，源气体经倒锥形第一通孔41a的节流增速作用更加显著，以进一步获得均匀化气流的效果。
为了降低感应电场产生的影响，优选增设可接地设置的电场屏蔽罩5，如图所示，该电场屏蔽罩5包覆于连接法兰2，以及气体喷嘴1的至少位于绝缘窗体20外部的部分，由此将射频线圈形成的电场有效隔离。
其中，电场屏蔽罩5优选采用导电材料制成，例如但不限于铜材等导电材料。其他构成和设计构思与实施例一相同，在此不再赘述。
本方案中的第一通孔为非等截面的通流截面，即倒锥形截面，但也可以设计为其他形态的非等截面的通流截面或者如实施例一中的等径孔截面。
实施例三：
请参见图4，该图示出了本方案气体喷嘴组件的装配关系示意图。为了清楚示出本方案与前述实施例的区别和联系，相同功能构成和结构在图中以相同附图标记示明。
本方案中，绝缘嵌件4的第一通孔41的通流截面与实施例一相同，具体为等截面通孔。进一步地，为了降低感应磁场产生的影响，优选电场隔离罩5的内表面覆有磁屏蔽层6。
其中，该磁屏蔽层6采用饱和磁感应强度为0.6--1.0T的材料制成，例如但不限于软磁合金1J79等磁屏蔽材料。这里，磁屏蔽层6可以与电场隔离罩5固为一体，也可与电场隔离罩5为分体式结构，由此将磁场与射频耦合隔离。其他构成和设计构思与实施例一、二相同，在此不再赘述。
上述三个实施例均通过设置绝缘嵌件4的方式实现限制喷嘴内腔的容积V，以减小喷嘴内部空间。实际上，还可以采用其他方式满足本申请的核心设计构思：喷嘴内腔的容积≤1/4V1，其中，V1为气体喷嘴的本体体积。。
本方案中第一通孔的通流截面为等截面，也即等径孔，但也可以设计为非等截面的通流截面，如倒锥形截面。
实施例四：
请参见图5，该图为本方案所述气体喷嘴的结构示意图。同样地，相同功能构成和结构在图中以相同附图标记示明。
如图所示，该气体喷嘴1开设有形成喷嘴内腔11的台阶盲孔，进气分布腔111和出气缓冲腔112分别由台阶盲孔的大径段和小径段形成，该台阶盲孔的容积即为喷嘴内腔11的容积V，同样地，喷嘴内腔11的容积V作了具体限制：进气分布腔111和出气缓冲腔112的容积V≤1/4V1，其中，V1为所述气体喷嘴的本体体积。在相同装配关系的关联结构尺寸不变的基础上，通过增大气体喷嘴1本体的实体尺寸保障上述容积限制要求。同时，出气缓冲腔112的下部至喷气孔12之间通过本体上相应设置的通道连通。
实际使用时，气体气流进入通流截面变小的出气缓冲腔112能够有效提升喷射速率，以获得良好的各喷射孔间的喷射均匀性。如图所示，该通道由斜向设置的第二通孔13形成，具有较好的加工工艺性。
在本实施例中，为实现在喷嘴本体内设置倾斜分布的第二通孔13的工艺需求，需要设置合理的出气缓冲腔112的直径a1与出气缓冲腔112的深度a2，在合理的直径a1与深度a2的关系下，才能满足于喷嘴本体内挖设所需要的倾斜程度的第二通孔13，因为若出气缓冲腔112的直径a1被设置的过于短小，则很难使得挖设第二通孔13的工具进入出气缓冲腔112内进行挖设。发明人发现，当实际需要挖设的第二通孔的倾斜度为α(α为第二通孔13与出气缓冲腔112的深度a2之间的夹角)的情况下，需满足出气缓冲腔112的直径a1与出气缓冲腔112的深度a2的关系为：a1≥a2tanα。一般的，第二通孔13的倾斜度设于30°至60°之间，则出气缓冲腔112的直径a1与出气缓冲腔112的深度a2之间的尺寸比值介于1:3至2:1之间。另外，挖设的这些第二通孔13在出气缓冲腔112的壁面形成的多个初始贯通孔131之间互相间隔设置。同样的如实施例二与三，为了降低感应电场产生的影响，优选增设可接地设置的电场屏蔽罩5，该电场屏蔽罩5包覆于连接法兰2，以及气体喷嘴1的至少位于绝缘窗体20外部的部分，由此将射频线圈形成的电场有效隔离。进一步地，为了降低感应磁场产生的影响，优选电场隔离罩5的内表面覆有磁屏蔽层6，磁屏蔽层6可以与电场隔离罩5固为一体，也可与电场隔离罩5为分体式结构，由此将磁场与射频耦合隔离。其他构成和设计构思与实施例二、三相同，在此不再赘述。
此外，本申请优选将多个喷气孔12设置为在同一横截面内周向均布，且喷气孔12与气体喷嘴本体的侧壁面相垂直。如此设置，相对于多排设置的相同数量、相同孔径的多个喷气孔12，布置在同一横截面内可获得最佳的气流周向均布喷射的效果。其他构成和设计构思与前述实施例相同，在此不再赘述。
除前述气体喷嘴外，本实施方式还提供一种应用该气体喷嘴的等离子体处理装置，需要说明的是，该等离子体处理装置的其他功能构成非本申请的核心发明点所在，本领域技术人员可以基于现有技术实现，故本文不再赘述。具体地，例如但不限于刻蚀腔、排气部件以及基片进出通道等功能构成。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (21)

1.一种用于等离子体处理装置的气体喷嘴，所述气体喷嘴用于向所述处理装置的处理腔内输送工艺气体，其特征在于，所述气体喷嘴的本体具有喷嘴内腔及向所述处理腔内输送工艺气体的喷气孔，所述喷嘴内腔包括进气分布腔和出气缓冲腔；所述进气分布腔和出气缓冲腔的容积V≤1/4V1，其中，V1为所述气体喷嘴的本体体积。
2.根据权利要求1所述的气体喷嘴，其特征在于，还包括置于所述喷嘴内腔中段位置的绝缘嵌件，所述进气分布腔和所述出气缓冲腔分别形成于所述绝缘嵌件的两侧，且所述绝缘嵌件具有连通所述进气分布腔和所述出气缓冲腔的第一通孔。
3.根据权利要求2所述的气体喷嘴，其特征在于，所述第一通孔设置为位于中心位置处和相对于中心位置周向均布的多个。
4.根据权利要求3所述的气体喷嘴，其特征在于，所述第一通孔的通流截面为等截面，或者所述第一通孔的通流截面呈沿气体流动方向逐渐减小的趋势变化。
5.根据权利要求2所述的气体喷嘴，其特征在于，所述出气缓冲腔的横截面积小于所述进气分布腔的横截面积。
6.根据权利要求1所述的气体喷嘴，其特征在于，所述进气分布腔和所述出气缓冲腔分别由台阶盲孔的大径段和小径段形成，所述出气缓冲腔的下部至所述喷气孔之间通过所述本体上相应设置的通道连通。
7.根据权利要求6所述的气体喷嘴，其特征在于，所述通道由斜向设置的第二通孔形成。
8.根据权利要求7所述的气体喷嘴，其特征在于，所述出气缓冲腔的直径a1与出气缓冲腔的深度a2之间的关系为a1≥a2tanα，其中α为第二通孔与出气缓冲腔的深度a2方向之间的夹角。
9.根据权利要求6所述的气体喷嘴，其特征在于，所述出气缓冲腔的直径a1与出气缓冲腔的深度a2之间的尺寸比值介于1:3至2:1之间。
10.根据权利要求6所述的气体喷嘴，其特征在于，所述第二通孔在出气缓冲腔的壁面形成的多个初始贯通孔之间互相间隔设置。
11.根据权利要求1所述的气体喷嘴，其特征在于，所述喷气孔设置为在同一横截面内周向均布。
12.根据权利要求11所述的气体喷嘴，其特征在于，所述喷气孔与所述气体喷嘴本体的侧壁面垂直。
13.一种用于等离子体处理装置的气体喷嘴组件，包括气体喷嘴和通过连接法兰与所述气体喷嘴固定连通的进气管，其特征在于，所述气体喷嘴具体如权利要求1至12中任一项所述特征。
14.根据权利要求13所述的气体喷嘴组件，其特征在于，还包括可接地设置的电场屏蔽罩，所述电场屏蔽罩包覆于所述气体喷嘴的至少位于绝缘窗体的部分和所述连接法兰的外部。
15.根据权利要求14所述的气体喷嘴组件，其特征在于，所述电场隔离罩的内表面覆有磁屏蔽层。
16.根据权利要求15所述的气体喷嘴组件，其特征在于，所述电场屏蔽罩采用导电材料制成，所述磁屏蔽层采用饱和磁感应强度为0.6--1.0T的材料制成。
17.根据权利要求15所述的气体喷嘴组件，其特征在于，所述电场隔离罩与磁屏蔽层固为一体或为分体式结构。
18.一种等离子体处理装置，包括刻蚀腔及置于所述刻蚀腔内的承片台，所述刻蚀腔顶部的绝缘窗体上设置有气体喷嘴组件，其特征在于，所述气体喷嘴组件采用如权利要求13所述的气体喷嘴组件。
19.根据权利要求18所述的等离子体处理装置，其特征在于，还包括可接地设置的电场屏蔽罩，所述电场屏蔽罩包覆于所述气体喷嘴的至少位于绝缘窗体的部分和所述连接法兰的外部。
20.根据权利要求19所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述电场隔离罩的内表面覆有磁屏蔽层。
21.根据权利要求20所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述电场隔离罩与磁屏蔽层固为一体或为分体式结构。
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