CN2775832Y - 进气喷嘴及其电感耦合等离子体装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型所述的进气喷嘴由进气装置、固定装置、装卡装置与盖板组成；盖板固定于上盖上或与上盖为一体结构。进气喷嘴有两路进气气路，对两路气路的气体流量分别控制，以达到向反应腔室内中间进气与边缘进气的可调控制。在前端气路中，每一条气路上都有一个比例调节阀，可以接受控制计算机发送的调节信号，要么为模拟信号，要么为数字信号，以此来控制比例调节阀张开的角度大小，实现控制的目的。使工艺气体在反应腔室中分布更均匀，使晶圆表面发生的化学反应速度差异较小，刻蚀速率均匀，提高晶圆刻蚀均匀性。

Description

进气喷嘴及其电感耦合等离子体装置

技术领域

本实用新型涉及一种半导体晶圆加工设备，尤其涉及一种电感耦合等离子体装置。

背景技术

目前，随着电子技术的高速发展，人们对集成电路的集成度要求越来越高，这就要求生产集成电路的企业不断地提高半导体晶圆的加工能力。等离子体装置广泛地应用于制造集成电路(IC)或MEMS器件的制造工艺中。其中电感耦合等离子体装置(ICP)被广泛应用于刻蚀等工艺中。电感耦合等离子体装置(ICP)属于干法刻蚀(Dry Etching)设备或化学气相沉积(Chemical Vapor Depositing-CVD)设备。在低压下，化学工艺气体在射频功率的激发下，产生电离形成等离子体，等离子体中含有大量的电子、离子、激发态的原子、分子和自由基等活性粒子，这些活性反应基团和被刻蚀物质表面发生各种物理和化学反应并形成挥发性的生成物，从而使材料表面性能发生变化。在这类设备中，化学工艺气体在反应腔室内的分布非常重要，其均匀性直接影响到晶圆(wafer)上反应速率的均匀性。在刻蚀与化学气相沉积设备中，反应腔室内都为高真空状态，晶圆在腔室的底部基座上，在反应过程中，化学工艺气体通过进气系统进入反应腔室。

以电感耦合等离子体刻蚀(Inductively Coupled Plasma-ICP)设备为例，由于机械结构的限制，一般的反应腔室都无法做到完全的轴对称，同时由于在ICP设备中线圈的非轴对称性，使得线圈产生的电磁场也并非轴对称，并且在径向上电磁场强度分布不同。基于以上原因，为了消除不对称造成的影响，尽量使得晶圆表面的等离子体密度分布均匀，进而保证刻蚀速率的均匀。特别是在300mm设备中，保证刻蚀速率的均匀是相当重要的。

图1所示的电感耦合等离子体装置是目前半导体刻蚀设备中大多数采用的结构。在半导体加工过程中，从反应腔室3的上盖1的进气口进入的工艺气体被上方的电感耦合线圈2电离形成等离子体，生成的等离子体刻蚀晶圆4表面的材质。系统中分子泵从出气口5抽出反应腔室3的气体排出。在这一过程中，化学工艺气体从进气口2进入反应腔室3，由于进气口2只是采用简单的喇叭口形状，不利于化学工艺气体在反应腔室3中的扩散。而且目前的晶圆4的尺寸从100mm增加到300mm。反应腔室3的体积也相应的增大，依靠目前这种进气口使工艺气体扩散使等离子体密度达到均匀已经非常的困难了，因此目前大多数的刻蚀设备都存在着刻蚀速率不均匀的问题，这对半导体制造工艺造成了很大的不利影响。

为了在被刻蚀物质表面上得到比较均匀的刻蚀速率，就需要在反应腔室3内部晶圆4上方获得比较均匀的等离子体密度分布。这就需要发明一种新的进气喷嘴，使工艺气体进入反应腔室3后能扩散到较大的空间，使晶圆4上方获得较为均匀的等离子体分布，提高刻蚀的质量。

发明内容

鉴于上述现有技术所存在的问题，本实用新型的目的是提供一种进气喷嘴及其电感耦合等离子体装置，可以使工艺气体在反应腔室的晶圆上方分布均匀，使晶圆表面发生的化学反应速度差异较小，刻蚀速率均匀，提高刻蚀晶圆的质量。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

一种进气喷嘴，由进气装置、固定装置、装卡装置与盖板组成；进气装置包括两根进气管、压盖、喷嘴本体与喷嘴内芯；两根进气管分别设于压盖上的两通气孔处，喷嘴内芯安装于喷嘴本体中由压盖固定，压盖与喷嘴本体间通过固定装置连接，喷嘴本体与盖板安装孔间通过装卡装置连接。

所述的喷嘴内芯中心设有观察孔，观察孔顶端设有观察窗，观察窗通过压盖固定。

所述的进气管与压盖的通气孔通过螺纹连接。

所述的固定装置由卡具与固定螺钉组成，卡具位于喷嘴本体的卡槽内，固定螺钉穿过压盖上的开孔或开槽与卡具连接。

所述的装卡装置包括弹性挡圈与垫圈，弹性挡圈位于盖板的凹槽中压住喷嘴本体，垫圈位于压盖与观察窗间压紧观察窗。

所述的喷嘴本体的中心通气孔与喷嘴内芯的下端间有空隙；所述的喷嘴本体开有斜通气孔一端与前述的空隙相通，另一端与压盖上的两通气孔之一相通；所述的空隙处对应斜通气孔位置的喷嘴本体或喷嘴内芯上还可以开有环形槽。

所述的喷嘴本体下端与盖板间设有缝隙，所述的喷嘴本体开有轴向通孔一端与前述的缝隙相通另一端与压盖上的两通气孔之一相通；所述的缝隙处对应轴向通孔位置的喷嘴本体或盖板上还可以开有环形槽。

所述的进气管与压盖间设有密封圈；压盖与喷嘴本体间设有密封圈；喷嘴本体与盖板间设有密封圈；喷嘴本体与喷嘴内芯间设有密封圈；观察窗与喷嘴内芯间设有密封圈。

所述的喷嘴本体与喷嘴内芯为一体结构成一阀体，在阀体的下方设有缓冲环，缓冲环上设有缓冲槽与出气孔，斜通气孔一端与压盖上的两通气孔之一相通，另一端直接通缓冲槽，出气孔连通缓冲槽。

一种使用上述进气喷嘴的电感耦合等离子体装置，包括反应腔室、静电卡盘、进气喷嘴、电感耦合线圈与电源部份；静电卡盘位于反应腔室中，进气喷嘴安装于反应腔室的上盖上；所述的盖板固定于上盖上或与上盖为一体结构；电感耦合线圈位于反应腔室外上盖上；电源部份由匹配器和射频源组成；静电卡盘与电感耦合线圈分别依次连接匹配器和射频源。

由上述本实用新型提供的技术方案可以看出，本实用新型所述的进气喷嘴由进气装置、固定装置、装卡装置与盖板组成；盖板固定于上盖上或与上盖为一体结构。进气喷嘴有两路进气气路，对两路气路的气体流量分别控制，以达到向反应腔室内中间进气与边缘进气的可调控制。在前端气路中，每一条气路上都有一个比例调节阀，可以接受控制计算机发送的调节信号，要么为模拟信号，要么为数字信号，以此来控制比例调节阀张开的角度大小，实现控制的目的。使工艺气体在反应腔室中分布更均匀，使晶圆表面发生的化学反应速度差异较小，刻蚀速率均匀，提高晶圆刻蚀均匀性。

附图说明

图1为现有技术的电感耦合等离子体装置结构示意图；

图2为本实用新型所述的进气喷嘴的结构示意图一；

图3为本实用新型所述的进气喷嘴的结构示意图二；

图4为本实用新型所述的进气喷嘴的结构示意图三；

图5为本实用新型所述的固定装置的结构示意图。

具体实施方式

本实用新型所述的进气喷嘴，其具体实施方式如图2与图3所示：由进气装置、固定装置、装卡装置与盖板25组成；进气装置包括两根进气管11、压盖12、喷嘴本体13与喷嘴内芯18；固定装置由卡具23与固定螺钉22组成；装卡装置包括弹性挡圈24与垫圈21。喷嘴内芯18中心设有观察孔17，观察孔17顶端设有观察窗20，观察窗20由压盖12通过垫圈21固定。终点检测设备的探头可以伸入观察窗20上方的检测孔19中，光线透过观察窗20从观察孔17进行终点检测。进气管11与压盖12的通气孔通过螺纹连接。喷嘴内芯18装于喷嘴本体13的中心通气孔内由压盖12固定。固定装置的卡具23位于喷嘴本体13的卡槽内，固定螺钉22穿过压盖12上的开孔或开槽与卡具23连接，将压盖12与喷嘴本体1固定连接。弹性挡圈24位于盖板25的凹槽14中压住喷嘴本体13。喷嘴本体13的固定不仅可以用孔用弹性挡圈24的方式，也可以在盖板25上打盲孔，安装螺丝套以固定喷嘴本体13。

所述的喷嘴本体13的中心通气孔与喷嘴内芯18的下端间有空隙16；所述的喷嘴本体13开有斜通气孔9一端与前述的空隙16相通，另一端与压盖12上的两通气孔之一相通；所述的空隙处对应斜通气孔位置的喷嘴本体13上开有环形槽，也可以在喷嘴内芯18上开有环形槽。

所述的喷嘴本体13下端与盖板25间设有缝隙15，所述的喷嘴本体13开有轴向通孔8一端与前述的缝隙15相通另一端与压盖12上的两通气孔之一相通；所述的缝隙15处对应轴向通孔8位置的喷嘴本体13上开有环形槽，也可以在盖板25上开有环形槽。

另一具体实施方式如图4所示：

所述的喷嘴本体12与喷嘴内芯18为一体结构成一阀体26，在阀体26的下方设有缓冲环27，缓冲环27上设有缓冲槽与出气孔28，斜通气孔9一端与压盖12上的两通气孔之一相通，另一端直接通缓冲槽。制成一体的阀体26减少了喷嘴内芯18处的二次密封，降低了泄漏化学反应气体的风险。缓冲环27与阀体26直接采用热融焊接的方法连接。缓冲环27上有呈环状密布的出气孔28。为增加进气通量，可以将出气孔28为间断窄缝结构。出气孔28的宽度小于等离子体激发时的鞘层厚度。出气孔28不仅可以均匀分布，还可以根据具体的反应腔室3的结构特点来设计，即若反应腔室3抽气非轴对称，则出气孔28的疏密程度以此来相应调整，尽量弥补反应腔室3不对称造成的气体分布均匀性的影响。

固定装置的实施方式如图5所示：

由于喷嘴本体13通常为石英材料，上盖12通常为陶瓷材料，二者之间必须良好的密封，因此需要较强的预紧力。本实用新型采用了两体结构的固定装置，将下端的螺母结构设计成便于石英加工的卡具23，同时保证卡具23安装后无法自旋。材料一般采用树脂等硬度不大的材料。该固定装置结构可以很好的解决诸如石英、陶瓷等这类难以加工的材料的连接、装卡或者紧固等，因此不仅可以应用于此进气系统中，还可应用于更为广泛的领域。固定装置结构不仅可以采用如图中构型，还可以采用其他的分体结构，卡具23的外形可以有多种变形，但凡是采用了内嵌式紧固方式的构型都在该专利的保护范围内。

上述各组件与各零件间通过密封圈密封，如进气管与压盖间设有密封圈；压盖与喷嘴本体间设有密封圈；喷嘴本体与盖板间设有密封圈；喷嘴本体与喷嘴内芯间设有密封圈。

本实用新型的结构上有两路进气气路：

第一路进气气路如图2所示：化学工艺气体由进气管11的进气孔10进气，经压盖12的通气孔至斜通气孔9，再经斜通气孔9至喷嘴本体13上开的环形槽，再由空隙16喷入反应腔室3。此环形槽为一减压腔，使得气体喷入反应腔室3之前减压，用以均衡出口气体均匀性。

另一种方案，如图4所示：化学工艺气体由进气管11的进气孔10进气，经压盖12的通气孔至斜通气孔9，再经斜通气孔9至缓冲环27的缓冲槽，由出气孔28喷入反应腔室3。此缓冲槽为一减压腔，使得气体喷入反应腔室3之前减压，用以均衡出口气体均匀性。

第二路进气气路如图4所示：化学工艺气体由进气管11的进气孔10进气，经压盖12的通气孔至轴向通孔8，再经轴向通孔8至嘴本体13上开的环形槽，再由空隙16喷入反应腔室3。此环形槽为一减压腔，使得气体喷入反应腔室3之前减压，用以均衡出口气体均匀性。

使用上述进气喷嘴的电感耦合等离子体装置，包括反应腔室3、静电卡盘、上盖1、进气喷嘴、电感耦合线圈与电源部份；静电卡盘位于反应腔室3中，上盖1为反应腔室3的上盖板，进气喷嘴安装于上盖3上；所述的盖板25固定于上盖1上或与上盖为一体结构；电感耦合线圈位于反应腔室3外上盖上1；电源部份由匹配器和射频源组成；静电卡盘与电感耦合线圈分别依次连接匹配器和射频源。

实际工作中可以根据需要，对两路气路的气体流量分别控制，以达到向反应腔室3内中间进气与边缘进气的可调控制。在前端气路中，每一条气路上都有一个比例调节阀，可以接受控制计算机发送的调节信号，要么为模拟信号，要么为数字信号，以此来控制比例调节阀张开的角度大小，实现控制的目的。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1、一种进气喷嘴，其特征在于由进气装置、固定装置、装卡装置与盖板组成；进气装置包括两根进气管、压盖、喷嘴本体与喷嘴内芯；两根进气管分别设于压盖上的两通气孔处，喷嘴内芯安装于喷嘴本体中由压盖固定，压盖与喷嘴本体间通过固定装置连接，喷嘴本体与盖板安装孔间通过装卡装置连接。

2、根据权利要求1所述进气喷嘴，其特征在于，所述的喷嘴内芯中心设有观察孔，观察孔顶端设有观察窗，观察窗通过压盖固定。

3、根据权利要求1所述进气喷嘴，其特征在于，所述的进气管与压盖的通气孔通过螺纹连接。

4、根据权利要求1所述进气喷嘴，其特征在于，所述的固定装置由卡具与固定螺钉组成，卡具位于喷嘴本体的卡槽内，固定螺钉穿过压盖上的开孔或开槽与卡具连接。

5、据权利要求1所述进气喷嘴，其特征在于，所述的装卡装置包括弹性挡圈与垫圈，弹性挡圈位于盖板的凹槽中压住喷嘴本体，垫圈位于压盖与观察窗间压紧观察窗。

6、据权利要求1所述进气喷嘴，其特征在于，所述的喷嘴本体的中心通气孔与喷嘴内芯的下端间有空隙；所述的喷嘴本体开有斜通气孔一端与前述的空隙相通，另一端与压盖上的两通气孔之一相通；所述的空隙处对应斜通气孔位置的喷嘴本体或喷嘴内芯上还可以开有环形槽。

7、据权利要求1所述进气喷嘴，其特征在于，所述的喷嘴本体下端与盖板间设有缝隙，所述的喷嘴本体开有轴向通孔一端与前述的缝隙相通另一端与压盖上的两通气孔之一相通；所述的缝隙处对应轴向通孔位置的喷嘴本体或盖板上还可以开有环形槽。

8、据权利要求1、2、3、4、5、6或7所述进气喷嘴，其特征在于，所述的进气管与压盖间设有密封圈；压盖与喷嘴本体间设有密封圈；喷嘴本体与盖板间设有密封圈；喷嘴本体与喷嘴内芯间设有密封圈；观察窗与喷嘴内芯间设有密封圈。

9、据权利要求1或6所述进气喷嘴，其特征在于，所述的喷嘴本体与喷嘴内芯为一体结构成一阀体，在阀体的下方设有缓冲环，缓冲环上设有缓冲槽与出气孔，斜通气孔一端与压盖上的两通气孔之一相通，另一端直接通缓冲槽，出气孔连通缓冲槽。

10、一种使用上述进气喷嘴的电感耦合等离子体装置，其特征在于包括反应腔室、静电卡盘、进气喷嘴、电感耦合线圈与电源部份；静电卡盘位于反应腔室中，进气喷嘴安装于反应腔室的上盖上；所述的盖板固定于上盖上或与上盖为一体结构；电感耦合线圈位于反应腔室外上盖上；电源部份由匹配器和射频源组成；静电卡盘与电感耦合线圈分别依次连接匹配器和射频源。

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