CN206432235U - 一种气体喷头以及等离子体处理设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型揭示一种气体喷头以及等离子体处理设备。所述气体喷头具有一中心，所述气体喷头包括至少两个相对所述中心对称设置且互不连通的喷淋区；其中，每个所述喷淋区内设有多个喷嘴，且每个所述喷淋区还包括：中心子喷淋区，靠近所述中心设置；以及边缘子喷淋区，远离所述中心设置。该气体喷头可以通过调节局部区域的气体流量，以此调节通入等离子体处理腔室内的反应气体分布，提高半导体制程工艺的可调节性及灵活性并且改善半导体制程工艺的均匀性。

Description

一种气体喷头以及等离子体处理设备

技术领域

本实用新型涉及半导体制程领域，特别涉及一种气体喷头以及具有该气体喷头的等离子体处理设备。

背景技术

在半导体制造的相关工艺中，如等离子体刻蚀、化学气相沉积等工艺过程，需要对反应气体进行离化以产生等离子体。一般情况下，等离子体都需要在减压气氛下产生及进行工艺，例如对晶片上的膜层产生刻蚀或沉积相关膜层。在这些工艺中，等离子体处理腔室内气流、压强等参数对工艺效果有显著影响，因此，对这些参数的控制就尤为重要。而对这些参数的控制主要是通过气体传输系统及真空控制系统相互配合完成的。其中，气体喷头是气体传输系统的主要部件之一，对工艺的均匀性影响较大。

目前等离子体处理设备及其等离子体处理腔室的设计形式多样，根据工艺类型及需求，气体喷头主要有喷淋式和喷注式两类。喷注式应用于超低压(<80mtorr)的工艺过程，喷淋式适用的工艺压强略高(100～2000mtorr)的工艺过程。对于喷注式喷头，是利用气体分子在腔室内的扩散将气体供给晶片表面；而对于喷淋式喷头，则是直接将工艺气体均匀地供给晶片表面。由于半导体制程工艺中对均匀性具有较高的要求，而现有的喷淋式喷头大多无法实现对局部区域的气体流量进行调整，即使部分存在可分区的喷淋式喷头一般也仅仅将喷头分为中心区域和边缘区域。这些喷淋式喷头对于局部区域的气体流量进行调整效果并不明显。

实用新型内容

针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是提供一种气体喷头以及等离子体处理设备。该气体喷头可以通过调节局部区域的气体流量，以此调节通入等离子体处理腔室内的反应气体分布，提高半导体制程工艺的可调节性及灵活性并且改善半导体制程工艺的均匀性。

根据本实用新型的一个方面提供一种气体喷头，所述气体喷头具有一中心，所述气体喷头包括至少两个相对所述中心对称设置且互不连通的喷淋区；其中，每个所述喷淋区内设有多个喷嘴，且每个所述喷淋区还包括：中心子喷淋区，靠近所述中心设置；以及边缘子喷淋区，远离所述中心设置。

可选地，所述气体喷头具有一经过所述中心的第一中心线，所述气体喷头包括分别设置于所述第一中心线两侧的两个喷淋区。

可选地，所述气体喷头还具有一经过所述中心的第二中心线，所述气体喷头包括分别设置于所述第一中心线和所述第二中心线之间的四个喷淋区。

可选地，所述第一中心线与所述第二中心线相互垂直。

可选地，所述气体喷头还具有多条与所述第一中心线平行且两两相对所述第一中心线对称的第一分割线以及多条与所述第二中心线平行且两两相对所述第二中心线对称的第二分割线，所述气体喷头包括分别设置于所述第一中心线、第二中心线、多条第一分割线以及多条第二分割线之间的多个呈矩阵排列的喷淋区。

可选地，所述气体喷头还具有第三中心线和第四中心线，所述气体喷头包括分别设置于所述第一中心线、所述第三中心线以及所述第四中心线之间的六个喷淋区。

可选地，所述第一中心线与所述第三中心线之间的夹角以及所述第一中心线与所述第四中心线之间的夹角均为60度。

可选地，设置于每个所述喷淋区内的喷嘴的数量相等。

可选地，每个所述喷嘴的尺寸相同。

根据本实用新型的另一个方面，还提供一种等离子体处理设备，所述等离子体处理设备包括上述的气体喷头。

可选地，所述等离子体处理设备还包括第一气体控制单元，所述第一气体控制单元与所述气体喷头相连接，控制通入所述气体喷头的各个喷淋区的反应气体的流量。

可选地，所述等离子体处理设备还包括多个用于通入反应气体的气体管路以及控制每个所述气体管路流量的第二气体控制单元。

可选地，所述气体管路的数量大于10。

相比于现有技术，本实用新型实施例提供的气体喷头以及等离子体处理设备中，将气体喷头分为至少两个相对中心对称设置且互不连通的喷淋区，且每个喷淋区还包括中心子喷淋区以及边缘子喷淋区，通过改进气体喷头的分区，使等离子体处理设备的第一气体控制单元可以对气体喷头的不同区域的反应气体的流量进行控制，进而，可以有效地调节通入等离子体处理腔室内的反应气体的分布，提高半导体制程工艺的可调节性及灵活性并且有助于改善半导体制程工艺的均匀性、稳定性和一致性。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本实用新型的一种气体喷头的结构示意图；

图2为本实用新型的一种气体喷头中通入各个区域的反应气体的比例图；

图3为本实用新型的另一种气体喷头中通入各个区域的反应气体的比例图；

图4为本实用新型的另一种气体喷头的结构示意图；

图5为本实用新型的另一种气体喷头的结构示意图；

图6为本实用新型的另一种气体喷头的结构示意图；

图7为本实用新型的一种等离子体处理设备的结构示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本实用新型将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略对它们的重复描述。

所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本实用新型的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员应意识到，没有特定细节中的一个或更多，或者采用其它的方法、组元、材料等，也可以实践本实用新型的技术方案。在某些情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本实用新型。

根据本实用新型的主旨构思，本实用新型的气体喷头具有一中心，所述气体喷头包括至少两个相对所述中心对称设置且互不连通的喷淋区；其中，每个所述喷淋区内设有多个喷嘴，且每个所述喷淋区还包括：中心子喷淋区，靠近所述中心设置；以及边缘子喷淋区，远离所述中心设置。

下面结合附图和实施例对本实用新型的技术内容进行进一步地说明。

请参见图1，其示出了本实用新型的一种气体喷头的结构示意图。如图1所示，在本实用新型的实施例中，气体喷头1具有一中心。在图1所示的实施例中，气体喷头1呈圆盘状，气体喷头1的中心即为其圆心。由于通常待加工的硅片可以为300mm，因此，可选地，气体喷头1盘面(即图1所示的表面)直径可以为310～330mm。气体喷头1可选地由硅或陶瓷等材料制成。

气体喷头1包括至少两个相对其中心对称设置且互不连通的喷淋区。其中，每个喷淋区内设有多个喷嘴，且每个喷淋区还包括中心子喷淋区以及边缘子喷淋区。具体来说，在图1所示的实施例中，气体喷头1具有一经过中心的第一中心线101。气体喷头1包括分别设置于第一中心线101两侧的两个喷淋区11和12。其中，喷淋区11与喷淋区12相对气体喷头1的中心(即圆心)对称，且面积相同。喷淋区11与喷淋区12内均设有多个喷嘴19。如图1所示，喷淋区11包括中心子喷淋区111和边缘子喷淋区112。中心子喷淋区111靠近气体喷头1的中心设置。边缘子喷淋区112远离气体喷头1的中心设置。类似地，喷淋区12包括中心子喷淋区121和边缘子喷淋区122。中心子喷淋区121靠近气体喷头1的中心设置。边缘子喷淋区122远离气体喷头1的中心设置。在图1所示的实施例中，中心子喷淋区111和中心子喷淋区121相对第一中心线101对称且面积相等；边缘子喷淋区112和边缘子喷淋区122相对第一中心线101对称且面积相等。

进一步地，在本实用新型的可选实施例中，设置于每个喷淋区内的喷嘴的数量相等；且每个喷嘴的尺寸相同。具体来说，如图1所示，喷淋区11内的喷嘴19与喷淋区12内的喷嘴19数量相等。优选地，中心子喷淋区111内的喷嘴19与中心子喷淋区121内的喷嘴19数量相等；边缘子喷淋区112内的喷嘴19与边缘子喷淋区122内的喷嘴19数量相等。进一步优选地，喷淋区11内的喷嘴19与喷淋区12内的喷嘴19相对气体喷头的中心对称。其中，整个气体喷头1中的所有喷嘴19的尺寸均相同。

进一步地，当该气体喷头应用于等离子体处理设备中时，可由等离子体处理设备中的第一气体控制单元对通入该气体喷头的各个喷淋区(如图1中的喷淋区11的中心子喷淋区111和边缘子喷淋区112、喷淋区12的中心子喷淋区121和边缘子喷淋区122)的反应气体的流量进行控制。基于上述相对气体喷头的中心对称的喷淋区11和12的结构，当通入对称喷淋区的反应气体的流量相同时(中心子喷淋区111和121相同，边缘子喷淋区112和122相同)，其工艺结果也是反应气体在等离子体处理设备的等离子体处理腔室中呈中心对称分布，进而，可有效提高工艺参数的均匀性。

然而，在一些实际的实施过程中，由于等离子体处理设备中等离子体处理腔室内的部分部件为非对称分布的原因或其他相关因素，在有些刻蚀工艺中，其刻蚀结果会出现单侧或者局部区域的刻蚀速率偏高(或偏低)的情况，进而，就无法通过上述的中心对称的反应气体分布来改善其工艺的均匀性。

例如，基于上述图1所示的体喷头的结构，在一些刻蚀工艺中，刻蚀速率对反应气体的流量较为敏感(正相关)，若在正常气体流量分布(即通入各区域的反应气体流量相同)的条件下出现与一侧的边缘子喷淋区对应的区域的刻蚀速率异常偏高，则可单独调节(降低)该侧的边缘子喷淋区的气体流量。请参见图2，其示出了本实用新型的一种气体喷头中通入各个区域的反应气体的比例图。如图2所示，在此实施中，若与图1中的喷淋区11的边缘子喷淋区112对应的区域的刻蚀速率异常偏高，则可单独降低通入边缘子喷淋区112的气体流量。进而，在图2所示的实施例中，通入边缘子喷淋区112的气体流量小于通入中心子喷淋区111、中心子喷淋区121以及边缘子喷淋区122的气体流量，而通入中心子喷淋区111、中心子喷淋区121以及边缘子喷淋区122的气体流量相等。以此改善在该情况下的刻蚀工艺的均匀性。

又例如，在另一些刻蚀工艺中，若在正常气体流量分布(即通入各区域的反应气体流量相同)的条件下出现与一侧的整个喷淋区所对应的区域的刻蚀速率异常偏高，则可同时调节(降低)该侧的中心子喷淋区和边缘子喷淋区的气体流量。请参见图3，其示出了本实用新型的另一种气体喷头中通入各个区域的反应气体的比例图。如图3所示，在此实施中，若与图1中的整个喷淋区11(即中心子喷淋区111和边缘子喷淋区112)所对应的区域的刻蚀速率均偏高，则同时降低通入中心子喷淋区111和边缘子喷淋区112的气体流量。进而，在图3所示的实施例中，通入边缘子喷淋区112的气体流量小于通入边缘子喷淋区122的气体流量；通入中心子喷淋区111的气体流量小于通入中心子喷淋区121的气体流量。以此改善在该情况下的刻蚀工艺的均匀性。

结合上述图1至图3所示实施例，由于气体喷头包括至少两个相对中心对称设置且互不连通的喷淋区，且每个喷淋区还包括中心子喷淋区以及边缘子喷淋区，通过该气体喷头分区的改进，使等离子体处理设备的第一气体控制单元可以对气体喷头的不同区域的反应气体的流量进行控制，进而，可以有效地调节通入等离子体处理腔室内的反应气体的分布，提高半导体制程工艺的可调节性及灵活性并且有助于改善半导体制程工艺的均匀性、稳定性和一致性。

图4为本实用新型的气体喷头的另外一种实施方式，请参见图4，其示出了本实用新型的另一种气体喷头的结构示意图。与上述图1所示的气体喷头不同的是，该气体喷头还具有一经过所述中心的第二中心线，且气体喷头包括分别设置于第一中心线和第二中心线之间的四个喷淋区。具体来说，如图4所示，气体喷头1还具有一经过其中心的第二中心线102。其中，气体喷头1的中心即为第一中心线101和第二中心线102的交点。在图4所示的实施例中，第一中心线101与第二中心线102相互垂直。

气体喷头1包括分别设置于第一中心线101和第二中心线102之间的四个喷淋区11’、12’、13’以及14’。其中，喷淋区11’与喷淋区14’相对气体喷头1的中心对称，且面积相同；喷淋区12’与喷淋区13’相对气体喷头1的中心对称，且面积相同。喷淋区11’、12’、13’以及14’内均设有多个喷嘴19。

进一步地，与上述图1所示实施例类似的，喷淋区11’包括中心子喷淋区111’和边缘子喷淋区112’；喷淋区12’包括中心子喷淋区121’和边缘子喷淋区122’；喷淋区13’包括中心子喷淋区131’和边缘子喷淋区132’；喷淋区14’包括中心子喷淋区141’和边缘子喷淋区142’。其中，中心子喷淋区111’、121’、131’和141’均靠近气体喷头1的中心设置；边缘子喷淋区112’、122’、132’和142’均远离气体喷头1的中心设置。

相比上述图1所示实施例，在此实施例中，由于气体喷头的各个区域划分更为细致，因此，可使反应气体的流量的控制可以更加灵活。如若局部的参数(如刻蚀速率)出现异常，则可以针对性地调节通入该区域对应的喷淋区的气体流量，以此实现工艺(例如刻蚀)过程中的均匀性、稳定性和一致性。

图5为本实用新型的气体喷头的另外一种实施方式，请参见图5，其示出了本实用新型的另一种气体喷头的结构示意图。与上述图1所示的气体喷头不同的是，该气体喷头还具有一经过气体喷头的中心的第三中心线和第四中心线。且气体喷头包括分别设置于第一中心线、第三中心线以及第四中心线之间的六个喷淋区。具体来说，如图5所示，气体喷头1还具有一经过其中心的第三中心线103和第四中心线104。其中，气体喷头1的中心即为第一中心线101和第三中心线103、第四中心线104的交点。在图5所示的实施例中，第一中心线101与第三中心线103间的夹角以及第一中心线101与第四中心线104之间的夹角均为60度。

气体喷头1包括分别设置于第一中心线101和第二中心线102之间的六个喷淋区11”、12”、13”、14”、15”和16”。其中，喷淋区11”与喷淋区16”相对气体喷头1的中心对称，且面积相同；喷淋区12”与喷淋区15”相对气体喷头1的中心对称，且面积相同；喷淋区13”与喷淋区14”相对气体喷头1的中心对称，且面积相同。喷淋区11”、12”、13”、14”、15”和16”内均设有多个喷嘴。并且，与上述图1和图2所示实施例类似的，喷淋区11”、12”、13”、14”、15”和16”内均包括各自的中心子喷淋区和边缘子喷淋区，在此不予赘述。

相比上述图1和图2所示实施例，在此实施例中，由于气体喷头的各个区域划分更为细致，因此，可使反应气体的流量的控制可以更加灵活。如若局部的参数(如刻蚀速率)出现异常，则可以针对性地调节通入该区域对应的喷淋区的气体流量，以此实现工艺(例如刻蚀)过程中的均匀性。

图6为本实用新型的气体喷头的另外一种实施方式，请参见图6，其示出了本实用新型的另一种气体喷头的结构示意图。与上述图2所示的气体喷头不同的是，该气体喷头还具有多条与第一中心线平行且两两相对第一中心线对称的第一分割线以及多条与第二中心线平行且两两相对第二中心线对称的第二分割线。该气体喷头包括分别设置于第一中心线、第二中心线、多条第一分割线以及多条第二分割线之间的多个呈矩阵排列的喷淋区。具体来说，如图6所示，在图2所示实施例的基础上，气体喷头1还具有多条与第一中心线101平行且两两相对第一中心线101对称的第一分割线151以及多条与第二中心线102平行且两两相对第二中心线102对称的第二分割线152。其中，第一中心线101、两条第一分割线151、第二中心线102以及两条第二分割线152将气体喷头分割形成多个呈矩阵排列的喷淋区。在此实施例中，多个呈矩阵排列的喷淋区中两两相对气体喷头的中心对称，且相对气体喷头的中心对称的两个喷淋区的面积相等，喷嘴的数量相同。

相比上述图1至图5所示实施例，在此实施例中，由于气体喷头的各个区域划分更为细致，因此，可使反应气体的流量的控制可以更加灵活。如若局部的参数(如刻蚀速率)出现异常，则可以针对性地调节通入该区域对应的喷淋区的气体流量，以此实现工艺(例如刻蚀)过程中的均匀性。

进一步地，本实用新型还提供一种等离子体处理设备，该等离子体处理设备包括如图1至图6所示的气体喷头。具体来说，如图7所示，该等离子体处理设备包括等离子体处理腔室2、上电极3、气体喷头1、静电卡盘4、下电极5以及真空系统6。上电极3和下电极5分别设置于等离子体处理腔室2内的上方和下方，上电极3和下电极5相对、形成平行板型结构。气体喷头1位于上电极3的下方，静电卡盘4位于下电极5的上方，起到固定和承载待加工硅片的作用。真空系统6(包括真空泵、真空规、真空阀)，与用于维持等离子体处理腔室2内的压强。

进一步地，等离子体处理设备还包括第一气体控制单元(图7中未示出)。该第一气体控制单元与气体喷头1相连接，控制通入气体喷头1的各个喷淋区的反应气体的流量。具体来说，第一气体控制单元可以为C/E气体控制单元，其可以使反应气体分成几路，按设定的流量比例引入气体喷头1上的不同区域，流量比例通常可在等离子体处理设备的工艺菜单中直接设置。气体喷头1与第一气体控制单元相互配合，从而实现了调节反应气体在等离子体处理腔室中的分布，从而改善例如刻蚀等工艺的均匀性。

进一步地，等离子体处理设备还包括多个用于配置反应气体的气体管路以及与控制每个气体管路流量的第二气体控制单元。其中，气体管路用于配置形成反应气体所需的各种气体。由于等离子体工艺日渐复杂，可选地，本实用新型中的气体管路的数量大于10。第二气体控制单元用用于控制每个气体管路的流量。其中，第二气体控制单元可以为质量流量控制器(MFC)。每个气体管路中的气体流量由第二气体控制单元调节并精确控制，进而，将所需的反应气体混合后由第一气体控制单元引入气体喷头的各个喷淋区，通过气体喷头流入等离子体处理腔室。

进一步地，由于该等离子体处理设备具有上述的气体喷头，因此。可使该等离子体处理设备的等离子体处理腔室内的反应气体的分布可控，进而，提高半导体制程工艺的可调节性及灵活性并且有助于改善半导体制程工艺的均匀性、稳定性和一致性。

综上所述，本实用新型实施例提供的气体喷头以及等离子体处理设备中，将气体喷头分为至少两个相对中心对称设置且互不连通的喷淋区，且每个喷淋区还包括中心子喷淋区以及边缘子喷淋区，通过改进气体喷头的分区，使等离子体处理设备的第一气体控制单元可以对气体喷头的不同区域的反应气体的流量进行控制，进而，可以有效地调节通入等离子体处理腔室内的反应气体的分布，提高半导体制程工艺的可调节性及灵活性并且有助于改善半导体制程工艺的均匀性、稳定性和一致性。

虽然本实用新型已以可选实施例揭示如上，然而其并非用以限定本实用新型。本实用新型所属技术领域的技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作各种的更动与修改。因此，本实用新型的保护范围当视权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种气体喷头，其特征在于，所述气体喷头具有一中心，所述气体喷头包括至少两个相对所述中心对称设置且互不连通的喷淋区；

其中，每个所述喷淋区内设有多个喷嘴，且每个所述喷淋区还包括：

中心子喷淋区，靠近所述中心设置；以及

边缘子喷淋区，远离所述中心设置。

2.如权利要求1所述的气体喷头，其特征在于，所述气体喷头具有一经过所述中心的第一中心线，所述气体喷头包括分别设置于所述第一中心线两侧的两个喷淋区。

3.如权利要求2所述的气体喷头，其特征在于，所述气体喷头还具有一经过所述中心的第二中心线，所述气体喷头包括分别设置于所述第一中心线和所述第二中心线之间的四个喷淋区。

4.如权利要求3所述的气体喷头，其特征在于，所述第一中心线与所述第二中心线相互垂直。

5.如权利要求4所述的气体喷头，其特征在于，所述气体喷头还具有多条与所述第一中心线平行且两两相对所述第一中心线对称的第一分割线以及多条与所述第二中心线平行且两两相对所述第二中心线对称的第二分割线，所述气体喷头包括分别设置于所述第一中心线、第二中心线、多条第一分割线以及多条第二分割线之间的多个呈矩阵排列的喷淋区。

6.如权利要求2所述的气体喷头，其特征在于，所述气体喷头还具有第三中心线和第四中心线，所述气体喷头包括分别设置于所述第一中心线、所述第三中心线以及所述第四中心线之间的六个喷淋区。

7.如权利要求6所述的气体喷头，其特征在于，所述第一中心线与所述第三中心线之间的夹角以及所述第一中心线与所述第四中心线之间的夹角均为60度。

8.如权利要求1至7中任一项所述的气体喷头，其特征在于，设置于每个所述喷淋区内的喷嘴的数量相等。

9.如权利要求1至7中任一项所述的气体喷头，其特征在于，每个所述喷嘴的尺寸相同。

10.一种等离子体处理设备，其特征在于，所述等离子体处理设备包括如权利要求1至9中任一项所述的气体喷头，还包括：

第一气体控制单元，所述第一气体控制单元与所述气体喷头相连接，控制通入所述气体喷头的各个喷淋区的反应气体的流量；

多个用于通入反应气体的气体管路以及控制每个所述气体管路流量的第二气体控制单元；其中，所述气体管路的数量大于10。