TWI606510B

TWI606510B - Semiconductor processing equipment and gas shower head cooling plate

Info

Publication number: TWI606510B
Application number: TW101129588A
Authority: TW
Inventors: Tu-Qiang Ni; Qiang Wei; Zhao-Yang Xu
Priority date: 2011-12-23
Filing date: 2012-08-15
Publication date: 2017-11-21
Also published as: CN102522303B; TW201330087A; CN102522303A

Description

一種半導體處理設備及其氣體噴淋頭冷卻板

本發明涉及一種氣體輸送裝置，特別涉及一種通過開關切換及限流孔的組合佈置，對引入的反應氣體實現分佈控制的多分區氣體輸送裝置。

目前在製造半導體器件的過程中，反應氣體一般通過反應腔上部設置的噴淋頭或類似裝置輸送，進入到反應腔內以形成對晶片進行刻蝕、沉積等處理的等離子體。由於氣體輸送、電場作用或抽氣不均勻等多種原因，容易使產生的等離子體在晶片中心和邊緣位置的分佈不均勻，從而對晶片表面不同區域的反應效果和反應效率有很大影響。

為了解決該問題，習知如圖1所示的等離子體處理裝置上，在兩條進氣通道100上分別設置流量控制裝置400，用來調節並引入兩路流量不同的反應氣體，並對應輸送至噴淋頭300的中心和邊緣區域，從而在其下方獲得密度不同的等離子體，以改善對整個晶片表面處理的均勻性。

雖然如果在噴淋頭300上劃分更多的區域，就能夠使等離子體的均勻性控制更加精確，但是每增加一個區域，就需要為該區域獨立配置一條進氣通道100並配置昂貴的流量控制裝置400(如圖1中虛線所示)，增加了生產成本，而且會使整個等離子體處理裝置的系統佈置和控制更加複雜。

本發明的目的是提供一種多分區氣體輸送裝置，通過開關切換及多個限流孔的組合佈置，以低廉的成本，控制兩路反應氣體經由噴淋頭上多個氣體分佈區引入反應腔，例如是徑向上從中心到邊緣劃分的、同圓心佈置的三個區域。通過控制各個區域輸送氣體的流量，來改善晶片表面的等離子體分佈及處理的均勻性。

為了達到上述目的，本發明的技術方案是提供一種多分區氣體輸送裝置，其包含：一個反應氣體調節器，輸出具有可控流量的反應氣體；多個輸氣管包括輸入端接收所述可控流量的反應氣體，並包括各自的輸出端連通至噴淋頭上對應設置的多個氣體分佈區；其中包括：第一輸氣管通過第一限流裝置連通到第一氣體分佈區，還通過第二限流裝置連通到第二氣體分佈區；一個第三輸氣管通過一個常閉可控閥門連通到所述第一輸氣管，並通過一個第三限流裝置也連通到所述第一氣體分佈區。

所述氣體輸送裝置用於輸送反應氣體調節器輸出的第一流量和第二流量的反應氣體；所述氣體輸送裝置還包含第二輸氣管連通至所述第三氣體分佈區；並且，其中所述第一輸氣管用於輸送第一流量的反應氣體；所述第二輸氣管用於輸送第二流量的反應氣體。

所述第一、第二、第三氣體分佈區是在所述噴淋頭上，從邊緣到中心沿徑向依次佈置的三個同圓心的氣體分佈區。

所述第二輸氣管設置有第二常開閥門和篩檢程式；在第二常開閥門開啟時，所述第二輸氣管將第二流量的反應氣體輸送至所述第三氣體分佈區。

在一個較佳實施例中，所述限流裝置為限流孔。

所述常閉可控閥門開通時流過第一和第三輸氣管的氣壓大於反應腔內氣壓的兩倍以上。

與習知技術相比，本發明所述多分區氣體輸送裝置，其優點在於：本發明能夠實現流量比不同的多路反應氣體在噴淋頭上多個區域的分佈控制，從而在晶片表面獲得均勻的等離子體處理效果。由於使用閥門等構成切換開關，只需要具備開啟和關閉兩種狀態，控制簡單；並且，閥門、限流孔的設置成本遠低於流量控制裝置(MFC)，可以節約大量的生產成本。以下結合附圖說明本發明的具體實施方式。

如圖2所示，本發明所述的多分區氣體輸送裝置，用於調整晶片70表面處理的均勻性。該氣體輸送裝置連通至等離子體處理裝置中反應腔頂部的噴淋頭50；所述氣體輸送裝置將兩路反應氣體調整為流量可控的三路，並對應輸送至噴淋頭50上設置的三個氣體分佈區51、52和53。

以下實施例所述裝置中輸送的兩路反應氣體，是從同一路反應氣體中分出的兩路，例如是將一路反應氣體輸送至一個反應氣體調節器60，通過該反應氣體調節器60中設置的氣體分離器及流量控制器(MFC)的對應調節後，形成流量比不同的具有第一流量和第二流量的兩路反應氣體，再輸出至本發明所述氣體輸送裝置。在其他實施例中所述氣體輸送裝置使用的兩路反應氣體，也可以是不同成分的兩種氣體。

如圖3所示，所述的三個氣體分佈區，可以是從圓形噴淋頭50的邊緣到中心，沿徑向依次佈置的三個同圓心的氣體分佈區：第三氣體分佈區53與噴淋頭50的中心區域(Central，下文及附圖中簡稱CTR)相對應；第二氣體分佈區52在第三氣體分佈區53的週邊環繞設置；第一氣體分佈區51進一步在第二氣體分佈區52的週邊環繞設置，並與噴淋頭50的最邊緣區域相對應(Extreme Edge，下文及附圖中簡稱X-EDGE)；並且，本文中稱噴淋頭50上與第二氣體分佈區52對應的區域為次邊緣區域(下文及附圖中簡稱EDGE)。

配合參見圖2、圖3所示，圖2所示的氣體輸送裝置中設置有三個輸氣管11~13，其配合連通至如圖3所示噴淋頭50的三個氣體分佈區51~53。其中，第二輸氣管12依次設置有第二常開閥門22和篩檢程式30，並最終連通至位於噴淋頭50中心區域(CTR)的第三氣體分佈區53。第一輸氣管11依次設置有第一常開閥門21、篩檢程式30和一個第二限流孔42(Orifice)，並連通至位於噴淋頭50次邊緣區域(EDGE)的第二氣體分佈區52。第三輸氣管13是連接到第一輸氣管11的一條支路，其在所述第一常開閥門21之後依次設置有常閉可控閥門23、篩檢程式30及一個第三限流孔43，並最終連通至位於噴淋頭50最邊緣區域(X-EDGE)的第一氣體分佈區51。另外，還設置有一個帶第一限流孔41的氣體通道14，從所述第一輸氣管11的篩檢程式30之後連通到所述第三輸氣管13的第三限流孔43之後，也就是最終連通到所述的第一氣體分佈區51。

所述的第一常開閥門21、第二常開閥門22和所述的常閉可控閥門23，都只有開啟或關閉兩種狀態。所述的限流孔(Orifice)是只要在其輸入口有氣壓，就可以輸出特定流量氣體的器件；各個限流孔輸出的最大氣體流量具體由該限流孔自身的規格決定，例如是限流孔的口徑越大，其輸出的氣體流量就越大。本發明中將選擇適應口徑的第一、第二、第三限流孔41~43相互配合，來滿足噴淋頭50上對各個氣體分佈區51~53的不同的氣體流量要求，下文中會具體說明。而且限流孔具有一個特性，當限流孔上游氣壓大於下游2倍以上時，其流量只與上游氣壓有關而與下游氣壓無關。所以只要選擇合適的限流孔41、42、43組合，再加上流過輸氣管的氣壓足夠高就能或得穩定的氣體流量比，而不用考慮反應腔內氣壓變化。

第二輸氣管12的第二常開閥門22一般處在開啟狀態，使流量為b的第二流量反應氣體，通過第二輸氣管12輸送至噴淋頭50中心區域(CTR)的第三氣體分佈區53。而總流量為a的第一流量反應氣體，需要由所述常閉可控閥門23及若干限流孔來分配調整，進而分別通過所述的第一輸氣管11、第一限流孔41所在的氣體通道14及第三輸氣管13，對應輸送至噴淋頭50次邊緣區域(EDGE)的第二氣體分佈區52和最邊緣區域(X-EDGE)的第一氣體分佈區51上。

在常規模式下，第一輸氣管11的第一常開閥門21處在開啟狀態，而第三輸氣管13的常閉可控閥門23處在關閉狀態，則第一流量反應氣體只在第一輸氣管11中流過，通過其中第二限流孔42的限流作用，將第一流量反應氣體中一部分流量為a11的氣體，輸送至所述噴淋頭50次邊緣區域(EDGE)的第二氣體分佈區52。同時，第一流量反應氣體中其餘部分流量為a12的氣體，經由第二限流孔42所在的氣體通道14輸送至所述噴淋頭50最邊緣區域(X-EDGE)的第一氣體分佈區51。在該模式下，第二氣體分佈區52上的氣體流量a11與第一氣體分佈區51上的氣體流量a12相加的數值，與第一流量反應氣體總的流量a一致，即a11+a12=a。

在增強模式下，第一輸氣管11的第一常開閥門21，和第三輸氣管13的常閉可控閥門23都處在打開狀態，則總流量為a的第一流量反應氣體首先被分到第一輸氣管11和第三輸氣管13中，由第二限流孔42所在的第一輸氣管11，將第一流量反應氣體中流量為a21的部分，輸送至所述噴淋頭50次邊緣區域(EDGE)的第二氣體分佈區52；再由第一限流孔41所在的氣體通道14，與第三限流孔43所在的第三輸氣管13一起，將第一流量反應氣體中剩餘流量為a22的部分輸出至所述噴淋頭50最邊緣區域(X-EDGE)的第一氣體分佈區51。在該模式下，第二氣體分佈區52上的氣體流量a21與第一氣體分佈區51上的氣體流量a22相加的數值，與第一流量反應氣體總的流量a一致，即a21+a22=a。

表1所示的是使用0.035英寸口徑的第二限流孔42，及0.0155英寸口徑的第一限流孔41和第三限流孔43的具體實施例。第一、第二流量的反應氣體是從同一路反應氣體中流量分別為a和b的兩路，表中列舉了a、b流量比不同的幾種情況。

以表中第一行為例，在常規模式和增強模式下，輸送至噴淋頭50中心區域(CTR)上第二流量反應氣體的流量b=10%不變。而噴淋頭50的次邊緣區(EDGE)和最邊緣區(X-EDGE)上氣體流量相加的總和，在兩種模式下相等，都等於第一流量反應氣體總的流量a，即a=a11+a12=a21+a22；90%=75.2%+14.8%=64.6%+25.4%。並且，由於在增強模式下使第三輸氣管13導通，將常規模式下原先由第一輸氣管11輸送的一部分流量為10.6%=75.2%-64.6%的氣體，被轉送到了噴淋頭50的最邊緣區(X-EDGE)上25.4%=14.8%+10.6%。即是說，與常規模式下相比，增強模式下最邊緣區(X-EDGE)上獲得的氣體流量增加了10.6%；而次邊緣區(EDGE)上獲得的氣體流量就相應減少了10.6%，這一改變的氣體流量值由第三輸氣管13的第三限流孔43的口徑決定。

參見上表中同在常規模式下的幾種氣體分佈情況，可知在各個限流孔的口徑等規格不變的基礎上，當各行中第一、第二流量反應氣體的流量比a、b改變時，就可以使噴淋頭50三個氣體分佈區上的氣體流量產生相應變化。再比較上表的同一行中常規模式與增強模式下的氣體分佈情況，可知在第一、第一流量反應氣體的流量比固定不變的情況下，還可以通過開啟或關閉帶常閉可控閥門23的第三輸氣管13，進一步調整第一流量反應氣體在噴淋頭50次邊緣區(EDGE)和最邊緣區(X-EDGE)的分佈比例。

並且，對於同樣使用上述規格的限流孔的實施例來說，實際上只要給出例如是第二流量反應氣體的流量b=17%，就可以根據限流孔口徑與其輸出流量的相應關係，計算得到表1中其他各列的資料，即第一流量反應氣體的流量a=83%；常規模式下三個區域氣體分佈依次為b=17%，a11=69.4%，a12=13.6%；增加最邊緣區域氣體流量的增強模式下，三個區域依次為b=17%，a21=59.6%，a22=23.4%。因此，可以僅僅通過調整第一、第一流量反應氣體的流量比a、b，就可以實現氣體流量在噴淋頭50上三個氣體分佈區的連續變化。另外，在其他實施例中，還可以使用其他規格的限流孔相互配合，進一步改變每種流量比的兩種模式下氣體流量的改變幅度，從而調整噴淋頭50上三個區域的氣體分佈。

本發明所述的氣體輸送裝置，還可以適用於以其他形式來劃分各個區域的噴淋頭結構，或者在另外增加幾路反應氣體的情況也可以進行氣體流量控制，通過在對應的輸氣管道上及輸氣管道之間設置閥門及限流孔，在閥門開關及限流孔的配合作用下對反應氣體進行流量調節，並對應分配至噴淋頭的各個區域。

綜上所述。本發明能夠實現流量比不同的多路反應氣體在噴淋頭上多個區域的分佈控制，從而在晶片表面獲得均勻的等離子體處理效果。由於使用閥門等構成切換開關，只需要具備開啟和關閉兩種狀態，控制簡單；並且，閥門、限流孔的設置成本遠低於流量控制裝置(MFC)，可以節約大量的生產成本。

儘管本發明的內容已經通過上述較佳實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容後，對於本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護範圍應由所附的申請專利範圍來限定。

100‧‧‧進氣通道

11‧‧‧第一輸氣管

12‧‧‧第二輸氣管

13‧‧‧第三輸氣管

14‧‧‧氣體通道

21‧‧‧第一常開閥門

22‧‧‧第二常開閥門

23‧‧‧常閉可控閥門

30‧‧‧篩檢程式

300‧‧‧噴淋頭

400‧‧‧流量控制裝置

41‧‧‧第一限流孔

42‧‧‧第二限流孔

43‧‧‧第三限流孔

50‧‧‧噴淋頭

51‧‧‧第一氣體分佈區

52‧‧‧第二氣體分佈區

53‧‧‧第三氣體分佈區

60‧‧‧反應氣體調節器

70‧‧‧晶片

圖1是習知等離子體處理裝置的進氣通道的結構示意圖；圖2是本發明所述多分區氣體輸送裝置的總體結構示意圖；圖3是本發明所述多分區氣體輸送裝置中噴淋頭的分區結構俯視圖。