CN217426670U - 一种工艺气体分配装置及半导体等离子体刻蚀设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种工艺气体分配装置及半导体等离子体刻蚀设备，其中，工艺气体分配装置，包括连接工艺气体源的第一管道和第二管道，第一管道的另一端连接第一气体分配部件，第二管道的另一端连接第二气体分配部件；第一阀门设置于第一管道，第二阀门设置于第二管道；第一气体分配部件设置于反应腔上部空间的中部区域，第二气体分配部件设置于反应腔上部空间的中部区域外的边缘区域，均用于向下喷淋工艺气体；通过控制阀门打开和关断的脉冲占空比，来调节管道间的气体分配比例，从而控制反应腔中的工艺气体分布情况，实现工艺气体在反应腔中分布的一致性和均匀性，并且，该气体分配装置结构简单，易于生产制造且生产成本合理。

Description

一种工艺气体分配装置及半导体等离子体刻蚀设备

技术领域

本发明涉及半导体制造设备技术领域，尤其涉及一种工艺气体分配装置及半导体等离子体刻蚀设备。

背景技术

等离子体刻蚀是集成电路制造过程中的关键步骤之一，其蚀刻效果直接影响集成电路的产品质量。在典型的等离子体刻蚀工艺中，不同的工艺气体组合 (如C_xF_y、O₂、Ar等)在射频(Radio Frequency)环境中经过射频激励作用形成等离子体。形成的等离子体在刻蚀腔体(等离子体刻蚀设备的反应腔)上下电极电场作用下与晶圆表面发生物理轰击和化学反应，完成对晶圆表面设计图案和关键工艺的处理过程。

典型的刻蚀腔体包括容性耦合腔体(CCP)和感性耦合腔体(ICP)两种，在蚀刻过程中，尤其是使用CCP腔体的蚀刻过程中，等离子体的离子轰击效果明显、化学活性强，如果刻蚀腔室中的工艺气体的均匀性和一致性不好，将会严重影响集成电路的蚀刻质量。而且，现有方案中在工艺气体管路中采用多个用于调节工艺气体进气量的分流器或质量流量计等专用设备，而分流器、质量流量计的价格昂贵，造成等离子体刻蚀工艺中流量控制设备的生产成本居高不下。

发明内容

有鉴于此，本说明书实施例提供一种用于半导体刻蚀设备的工艺气体分配装置及半导体等离子体刻蚀设备，其中工艺气体分配装置能够实现刻蚀腔体内部工艺气体的均匀性和一致性，并且，该气体分配装置结构简单，节省制造成本。

本说明书实施例提供以下技术方案：

一种工艺气体分配装置，用于半导体等离子体刻蚀设备中，所述气体分配装置包括：第一管道、第二管道、第一阀门、第二阀门、第一气体分配部件和第二气体分配部件；

所述第一管道的一端、所述第二管道的一端分别连接工艺气体源，所述第一管道的另一端连接所述第一气体分配部件，所述第二管道的另一端连接所述第二气体分配部件；

所述第一阀门设置于所述第一管道上以用于控制工艺气体流经所述第一管道，所述第二阀门设置于所述第二管道上以用于控制工艺气体流经所述第二管道；

所述第一气体分配部件设置于所述半导体等离子体刻蚀设备的反应腔上部空间的中部区域，以用于向下喷淋所述工艺气体；

所述第二气体分配部件设置于所述半导体等离子体刻蚀设备的反应腔上部空间的中部区域外的边缘区域，以用于向下喷淋所述工艺气体。

通过设置相互独立的管道和气体分配部件，不同的气体分配部件用于向反应腔中的不同区域喷射工艺气体，并在每根独立的管道上设置独立的阀门，控制阀门的打开和关断的脉冲占空比，控制进入反应腔中不同区域的工艺气体，来调节管道间的气体分配比例，从而实现对反应腔中的进气状态的控制，实现工艺气体在刻蚀腔体中的一致性和均匀性，并且，该工艺气体分配装置无需使用分流器或质量流量计，易于生产制造，且制造成本。

本实用新型还提供一种方案，所述工艺气体分配装置还包括第三管道、第三阀门和第三气体分配部件；

所述第三管道的一端连接所述工艺气体源，所述第三管道的另一端连接所述第三气体分配部件，所述第三阀门设置于所述第三管道上以用于控制工艺气体流经所述第三管道，所述第三气体分配部件设置于所述边缘区域和所述中部区域之间的过渡区域以用于向下喷淋所述工艺气体。

本实用新型还提供一种方案，所述中部区域设置为与所述反应腔中晶圆载盘同心的圆形区域，所述边缘区域设置为与所述圆形区域同心的环形区域，其中所述第一气体分配部件的喷淋头均匀分布于所述圆形区域中，所述第二气体分配部件的喷淋头均匀分布于所述环形区域中。

本实用新型还提供一种方案，所述工艺气体分配装置还包括第一气体缓冲器，其中所述第一气体缓冲器设置于所述第一管道上且位于所述第一阀门后；

和/或，所述工艺气体分配装置还包括第二气体缓冲器，其中所述第二气体缓冲器设置于所述第二管道上且位于所述第二阀门后。

本实用新型还提供一种方案，所述工艺气体分配装置还包括阀门控制器，所述阀门控制器用于分别控制所述第一阀门和所述第二阀门的通断。

本实用新型还提供一种方案，当所述第一阀门为电平控制的阀门时，所述阀门控制器用于向所述第一阀门输出第一电平，所述第一电平用于控制所述第一阀门打开或关断；

和/或，当所述第二阀门为电平控制的阀门时，所述阀门控制器用于向所述第二阀门输出第二电平，所述第二电平用于控制所述第二阀门打开或关断。

本实用新型还提供一种方案，所述阀门控制器用于向所述第一阀门输出第一电平，包括：所述阀门控制器用于向所述第一阀门输出脉冲式的第一电平；

和/或，所述阀门控制器用于向所述第二阀门输出第二电平，包括：所述阀门控制器用于向所述第二阀门输出脉冲式的第二电平。

本实用新型还提供一种方案，所述阀门控制器用于分别控制所述第一阀门和所述第二阀门的通断，包括：所述阀门控制器用于分别控制所述第一阀门和所述第二阀门的同步打开或同步关断。

本实用新型还提供一种方案，所述工艺气体分配装置还包括工艺气体输出管道，其中所述工艺气体输出管道的一端连接所述工艺气体源，所述工艺气体输出管道上设置有若干连接口；

所述第一管道的一端、所述第二管道的一端分别连接工艺气体源，包括：所述第一管道的一端、所述第二管道的一端分别与对应的所述连接口连接。

本说明书实施例还提供一种等离子体刻蚀设备，包括工艺气体源、刻蚀反应腔以及如前面任意一项所述的工艺气体分配装置。

与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：在本发明提供的工艺气体分配装置中，每根用于进气的管道中设置有独立的阀门，以及每个气体分配部件用于向反应腔中的不同区域喷射工艺气体，通过控制阀门打开和关断的脉冲占空比，来调节管道间的气体分配比例，从而控制反应腔中的工艺气体分布情况，实现反应腔中不同区域的进气控制，保证工艺气体在反应腔中的均匀性和一致性，此外，上述结构的工艺气体分配装置结构简单，无需使用分流器或质量流量计，便于生产制造，有利于降低生产成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是包含两根进气管道的工艺气体分配装置的结构示意图；

图2是包含气体缓冲器的工艺气体分配装置的结构示意图；

图3是反应腔内部上方安装气体喷嘴的工艺气体分配装置的结构示意图；

图4是包含三根进气管道的工艺气体分配装置的结构示意图；

图5是包含两个进气控制区域的反应腔上部空间的仰视示意图；

图6是包含三个进气控制区域的反应腔上部空间的仰视示意图；

图7是一种脉冲式电平控制阀门打开或关闭的示意图；

图8是一种同步控制第一阀门和第二阀门打开的示意图；

其中，10、反应腔，12、晶圆，13、晶圆载盘，14、第一气体分配部件， 15、第二气体分配部件，21、工艺气体源，22、工艺气体输出管道，231、第一管道，232、第二管道，233、第三管道，241、第一阀门，242、第二阀门，243、第三阀门，251、第一进气口，252、第二进气口，261、第一气体缓冲器， 262、第二气体缓冲器，31、圆形区域，32、环形区域，33、过渡环形区域，40阀门控制器。

具体实施方式

下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本申请，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目和方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

另外，本说明书的描述中，需要理解的是，本说明书的示例实施例中所描述的“上”、“下”、“内”、“外”等方位词，“第一”、“第二”、“第三”、等数量词，是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本说明书的示例实施例的限定。

在典型的等离子体刻蚀工艺中，不同的工艺气体组合(如氟碳化合物、氧气、氩气等)在射频环境中经过射频激励作用形成等离子体，等离子体在刻蚀腔体(等离子体刻蚀设备的反应腔)的上下电极电场作用下与晶圆表面发生物理轰击和化学反应，以获得所需要的刻蚀图形或者淀积层。典型的刻蚀腔体包括容性耦合腔体(CCP)和感性耦合腔体(ICP)两种。传统的等离子体刻蚀设备的气体控制装置包括分流器或质量流量计构成。以双路进气分流装置为例，分流装置由一个分流器或两个质量流量计组成，通过调节分流器或两个质量流量计来实现双路反应气体进气量的调节，其控制过程复杂，并且使用分流器或质量流量计会造成成本的增加。

为了解决上述问题，发明人经过深入分析、研究，探索出一个结构简单的工艺气体分配装置，该工艺气体分配装置包括多根独立的管道、多个设置在半导体等离子体刻蚀设备的反应腔中的气体分配部件，并且气体分配部件与管道对应设置，气体分配器设置在反应腔中的不同位置，以向反应腔中的不同区域喷出工艺气体，每根管道中设置有一个阀门，通过控制阀门的打开和关断的脉冲占空比，控制管道中的工艺气体的打开和关断，调节管道间的气体分配比例，进而实现刻蚀腔体的不同区域的进气状态的调节，实现工艺气体在刻蚀腔体中的一致性和均匀性。

在一些实施方式中，如图1和图2所示，工艺气体分配装置，用于半导体等离子体刻蚀设备中，包括：第一管道231、第二管道232、第一阀门241、第二阀门242、第一气体分配部件14和第二气体分配部件15。

其中，第一管道231的一端、第二管道232的一端分别连接工艺气体源 21，第一管道231的另一端连接第一气体分配部件14，管道232的另一端连接第二气体分配部件15。第一气体分配部件14设置于半导体等离子体刻蚀设备的反应腔10上部空间的中部区域，以用于向下喷淋所述工艺气体；第二气体分配部件15设置于半导体等离子体刻蚀设备的反应腔10上部空间的中部区域外的边缘区域，以用于向下喷淋所述工艺气体。

第一阀门241设置于第一管道231上，以用于控制工艺气体流经所述第一管道231，第二阀门242设置于第二管道232上，以用于控制工艺气体流经所述第二管道232。

需要说明的是，反应腔的下部空间设置有晶圆载盘13，其上表面用于承载晶圆12。通过第一气体分配部件14和第二气体分配部件15向下喷淋工艺气体，使得晶圆12的待加工面得到工艺气体。

使用上述的工艺气体分配装置，通过第一阀门241控制第一管道231中的工艺气体的流量和流速，具体的，通过控制第一阀门241打开和关断的脉冲占空比，来控制从第一气体分配部件14进入反应腔10中部区域的工艺气体的流量和流速；通过第二阀门242控制第二管道232中的工艺气体的流量和流速，具体的，通过控制第二阀门242打开和关断的脉冲占空比，来控制从第二气体分配部件15进入反应腔10边缘区域的工艺气体的流量和流速，通过控制第一阀门241和第二阀门242打开和关断的脉冲占空比，使得工艺气体按照刻蚀作业的要求进入反应腔10中，从而控制反应腔10中的工艺气体的分布情况，实现工艺气体在反应腔10中的一致性和均匀性，即为刻蚀作业提供一致的和均匀的工艺气体，并且，使用该工艺气体分配装置的半导体等离子体刻蚀设备无需使用分流器或质量流量计，节省设备的制造成本。

可选的，第一气体分配部件14和第二气体分配部件15可以是反应腔10 上侧内壁的一部分，通过在上侧内壁开设喷气孔以实现喷射气体的功能(如图 1所示)；也可以是安装在反应腔10内部上方的气体喷嘴(如图3所示)。

可选的，第一阀门241和第二阀门242包括真空电磁阀、气动球阀、止逆阀等。

需要说明的是，如图1所示，第一管道231通过第一进气口251连接第一气体分配部件14，第二管道232通过第二进气口252连接第二气体分配部件15。第一进气口251可以为一个也可以为多个，同样的，第二进气口252可以为一个也可以为多个，可以根据进气设计的要求，另外的设置第一进气口251 和/或第二进气口252的数量和位置。

在一些实施方式中，如图4所示，工艺气体分配装置还包括第三管道233、第三阀门243和第三气体分配部件16。第三管道233的一端连接工艺气体源 21，第三管道233的另一端连接所述第三气体分配部件16，第三阀门243设置于第三管道233上以用于控制工艺气体流经所述第三管道233，第三气体分配部件16设置于所述边缘区域和所述中部区域之间的过渡区域以用于向下喷淋所述工艺气体。

通过设置第三气体分配部件16以及第三管道233和第三阀门243，使得反应腔10中位于中部区域和边缘区域之间的过渡区域中获得工艺气体，进一步提升反应腔10中的工艺气体的一致性和均匀性。

在一些实施方式中，如图5所示，反应腔10上部空间的中部区域设置为与反应腔10中晶圆载盘13同心的圆形区域31，反应腔10上部空间的边缘区域设置为与所述圆形区域同心的环形区域32，并且，第一气体分配部件14的喷淋头均匀分布于所述圆形区域中，第二气体分配部件15的喷淋头均匀分布于所述环形区域中。

在一些实施方式中，如图6所示，反应腔10上部空间设置有圆形区域31、环形区域32以及位于两者之间的过渡环形区域33。

通过在反应腔10上部空间设置于晶圆载盘13同心的圆形和环形区域，并且将喷淋头均匀地分布在上述区域中，使得反应腔10中的工艺气体的一致性和均匀性一致性更好。

需要说明的是，反应腔10上部空间的中部区域的形状不限于圆形，也可以是正多边形，例如：正八边形、正十边形等，所述正多边形的中心在晶圆载盘13的投影与晶圆载盘13的圆心重合；同样的，反应腔10上部空间的边缘区域的形状不限于环形，也可以是由两个中心重叠的正多边形的之间区域所构成的形状，或其他形状。

在一些实施方式中，如图2所示，工艺气体分配装置还包括第一气体缓冲器261，第一气体缓冲器261设置于第一管道231上，且位于所述第一阀门241 后。

在一些实施方式中，如图2所示，工艺气体分配装置还包括第二气体缓冲器262，第二气体缓冲器262设置于第二管道232上，且位于所述第二阀门242 后。

需要说明的是，还可以同时在第一管道231上设置第一气体缓冲器261，在第二管道232上设置第二气体缓冲器262。

通过在阀门后上设置气体缓冲器，减缓工艺气体对气体分配部件的冲击力，延长气体分配部件的使用寿命；降低管道中气体压力变化对反应腔10中的气体压力的影响，进而更好地在反应腔中形成均匀的工艺气体工作区域。

在一些实施方式中，工艺气体分配装置还包括阀门控制器40(图中未示出)，阀门控制器40用于分别控制第一阀门241和第二阀门242的通断。

在一些实施方式中，等离子气体刻蚀设备为包括三条气体通道的刻蚀设备，阀门控制器40用于分别控制第一阀门241、第二阀门242、第三阀门243的通断。

通过设置阀门控制器40，保障各管道中的气体流量的稳定控制。

在一些实施方式中，第一阀门241为电平控制的阀门，阀门控制器40用于向第一阀门241输出第一电平，所述第一电平用于控制所述第一阀门241 打开或关断。

在一些实施方式中，第二阀门242为电平控制的阀门，阀门控制器40用于向第二阀门242输出第二电平，所述第二电平用于控制所述第二阀门242 打开或关断。

通过电平控制阀门的打开或关断，可以提高工艺气体分配装置的控制效率。

在一些实施方式中，阀门控制器40用于向第一阀门241输出脉冲式的第一电平，如图7所示。

在一些实施方式中，阀门控制器40用于向第二阀门242输出脉冲式的第二电平，如图7所示。

通过脉冲式的电平控制阀门的打开和关闭，可以更好地控制工艺气体的进气量和进气时间。

在一些实施方式中，阀门控制器40用于分别控制所述第一阀门241和所述第二阀门242的同步打开(如图8所示)或同步关断(图中未示出)。

通过阀门控制器40同步控制各个阀门的打开或关断，使得反应腔10中各个区域的进气状态保持同步，更好地保证反应腔10中的工艺气体的均匀性。

在一些实施方式中，如图1所示，工艺气体分配装置还包括工艺气体输出管道22，工艺气体输出管道22的一端连接工艺气体源21，所述工艺气体输出管道22上设置有2个连接口；第一管道231的一端、第二管道232的一端分别与对应的所述连接口连接。

在一些实施方式中，如图3所示，工艺气体输出管道22的一端连接工艺气体源21，所述工艺气体输出管道22上设置有3个连接口；第一管道231的一端、第二管道232的一端、第三管道233的一端分别与对应的所述连接口连接。

通过在工艺气体输出管道22上设置与管道数量相对应的连接口，并将各根管道与与对应的连接口连接，从而向各根管道中输入相同种类的工艺气体，保证进入反应腔10的工艺气体的一致性。

基于同样的发明思路，本说明书的实施例还提供一种半导体等离子体刻蚀设备，该设备包括工艺气体源21、刻蚀反应腔10以及前面任意一项所述的工艺气体分配装置。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种工艺气体分配装置，用于半导体等离子体刻蚀设备中，其特征在于，所述气体分配装置包括：第一管道、第二管道、第一阀门、第二阀门、第一气体分配部件和第二气体分配部件；

所述第一管道的一端、所述第二管道的一端分别连接工艺气体源，所述第一管道的另一端连接所述第一气体分配部件，所述第二管道的另一端连接所述第二气体分配部件；

所述第一阀门设置于所述第一管道上以用于控制工艺气体流经所述第一管道，所述第二阀门设置于所述第二管道上以用于控制工艺气体流经所述第二管道；

所述第一气体分配部件设置于所述半导体等离子体刻蚀设备的反应腔上部空间的中部区域，以用于向下喷淋所述工艺气体；

所述第二气体分配部件设置于所述半导体等离子体刻蚀设备的反应腔上部空间的中部区域外的边缘区域，以用于向下喷淋所述工艺气体。

2.根据权利要求1所述的工艺气体分配装置，其特征在于，所述工艺气体分配装置还包括第三管道、第三阀门和第三气体分配部件；

所述第三管道的一端连接所述工艺气体源，所述第三管道的另一端连接所述第三气体分配部件，所述第三阀门设置于所述第三管道上以用于控制工艺气体流经所述第三管道，所述第三气体分配部件设置于所述边缘区域和所述中部区域之间的过渡区域以用于向下喷淋所述工艺气体。

3.根据权利要求1所述的工艺气体分配装置，其特征在于，所述中部区域设置为与所述反应腔中晶圆载盘同心的圆形区域，所述边缘区域设置为与所述圆形区域同心的环形区域，其中所述第一气体分配部件的喷淋头均匀分布于所述圆形区域中，所述第二气体分配部件的喷淋头均匀分布于所述环形区域中。

4.根据权利要求1所述的工艺气体分配装置，其特征在于，所述工艺气体分配装置还包括第一气体缓冲器，其中所述第一气体缓冲器设置于所述第一管道上且位于所述第一阀门后；

和/或，所述工艺气体分配装置还包括第二气体缓冲器，其中所述第二气体缓冲器设置于所述第二管道上且位于所述第二阀门后。

5.根据权利要求1所述的工艺气体分配装置，其特征在于，所述工艺气体分配装置还包括阀门控制器，所述阀门控制器用于分别控制所述第一阀门和所述第二阀门的通断。

6.根据权利要求5所述的工艺气体分配装置，其特征在于，当所述第一阀门为电平控制的阀门时，所述阀门控制器用于向所述第一阀门输出第一电平，所述第一电平用于控制所述第一阀门打开或关断；

和/或，当所述第二阀门为电平控制的阀门时，所述阀门控制器用于向所述第二阀门输出第二电平，所述第二电平用于控制所述第二阀门打开或关断。

7.根据权利要求6所述的工艺气体分配装置，其特征在于，所述阀门控制器用于向所述第一阀门输出第一电平，包括：所述阀门控制器用于向所述第一阀门输出脉冲式的第一电平；

和/或，所述阀门控制器用于向所述第二阀门输出第二电平，包括：所述阀门控制器用于向所述第二阀门输出脉冲式的第二电平。

8.根据权利要求5所述的工艺气体分配装置，其特征在于，所述阀门控制器用于分别控制所述第一阀门和所述第二阀门的通断，包括：

所述阀门控制器用于分别控制所述第一阀门和所述第二阀门的同步打开或同步关断。

9.根据权利要求1所述的工艺气体分配装置，其特征在于，所述工艺气体分配装置还包括工艺气体输出管道，其中所述工艺气体输出管道的一端连接所述工艺气体源，所述工艺气体输出管道上设置有若干连接口；

所述第一管道的一端、所述第二管道的一端分别连接工艺气体源，包括：所述第一管道的一端、所述第二管道的一端分别与对应的所述连接口连接。

10.一种半导体等离子体刻蚀设备，其特征在于，包括工艺气体源、刻蚀反应腔以及如权利要求1-9中任意一项所述的工艺气体分配装置。

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