TWI660395B - 均勻抽真空的雙工位真空處理器 - Google Patents

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狄 吳
寧 周
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Abstract

本發明涉及一種均勻抽真空的雙工位真空處理器，設置有可作為製程處理反應室的兩個真空處理腔，和連通這兩個真空處理腔的共用的偏心抽氣口及真空泵，其中每個真空處理腔內在靠近偏心抽氣口的區域設有在垂直方向具有設定厚度的阻尼體，來降低對偏心抽氣口近端氣體的抽氣速率，來與偏心抽氣口遠端氣體的抽氣速率平衡，改善腔體偏心對製程處理均勻性的影響。本發明還可以在作為阻尼體的筋條內部進一步開設連通腔體外部大氣環境的通道，方便腔內纜線管路與外界的連接。

Description

均勻抽真空的雙工位真空處理器
本發明涉及等離子體處理裝置的抽真空技術，特別涉及一種均勻抽真空的雙工位真空處理器。
蝕刻設備中製程的壓力控制、蝕刻指標的均勻性等，都與其中真空處理腔的設計有關。與只有一個真空處理腔的單腔設備相比，設計有多工位元真空處理器的設備具有更高產出：例如一種雙工位真空處理器，同時配備兩個真空處理腔分別用於蝕刻處理，提高了生產效率；這兩個腔體共用了一套真空發生回路的真空泵、節流閥及控制單元等器件，可以節省成本，並且有效節約空間，使產品結構緊湊。
在只有一個真空處理腔的單腔設備中，抽氣口與其腔體同心佈置，能夠將該腔體各處均勻抽氣至製程壓力，並確保壓力和流速的均勻性。如圖1所示，雙工位真空處理器中共用的真空泵，連通一個開設在兩真空處理腔鄰接位置底部的偏心抽氣口，從而在兩個工位中間抽真空，實現“偏心抽真空（Offset-Pumping）”的方式。
這樣對雙工位真空處理器的每一個真空處理腔而言，偏心抽氣口不對稱地定位在該腔體內（偏離單個腔體所對應的同心抽氣口）；則每個真空處理腔內距離偏心抽氣口較近的位置，具有較快的抽氣速率，也容易被抽到較低的壓力，但距離偏心抽氣口較遠的位置，由於路徑比較長，抽氣速率和壓力都會受到影響，因而極易造成0~360°方位蝕刻的不均勻。此外，雙工位真空處理器的真空容積增大，導致真空泵的負荷增加，不易達到製程需要的真空度，難以實現“高產出”與“高性能”之間的平衡，這些缺點阻礙了雙工位元真空處理器在高性能蝕刻製程中的應用。
本發明提供一種均勻抽真空的雙工位真空處理器，針對其中兩個真空處理腔偏心抽真空的情況，提出一種補償機制，在保證達到製程壓力的前提下，能夠有效地改善腔體偏心對蝕刻等製程處理均勻性的影響。
為了達到上述目的，本發明的一個技術方案是提供一種雙工位真空處理器，其設置有作為製程處理反應室的兩個真空處理腔，和連通這兩個真空處理腔的共用的偏心抽氣口及真空泵，其中，
所述雙工位真空處理器中，每個真空處理腔內在調節區域設有阻尼體；所述阻尼體在垂直方向具有設定的厚度，並且該阻尼體橫向延伸使其向下的投影與所述偏心抽氣口具有相互重疊的區域；
每個真空處理腔的底板上設有縱向延伸的擋板，擋板頂部設置的密封板上安裝有放置基片的基座，所述密封板和所述擋板共同圍繞構成的空間底部具有與大氣環境相連通的第一大氣環境通道，密封板的頂部和所述擋板的外側壁位於真空處理腔內的真空環境；
所述阻尼體包含從其所在真空處理腔的擋板外側壁，朝著兩個真空處理腔之間共用側壁橫向延伸的一個或多個筋條，所述筋條的末端連接至共用側壁；
在所述筋條內開設有第一通道，所述第一通道與在所述共用側壁內開設的第二通道連通，並經由所述第二通道設置的介面與真空處理腔外部的大氣環境連通以形成第二大氣環境通道。
較佳地，所述第一大氣環境通道與所述第二大氣環境通道內均設置有連通到所述密封板的電纜或管道。
較佳地，所述阻尼體上方還設置有一個等離子約束環，其覆蓋放置基片的所述基座與真空處理腔內側壁之間的空間，所述等離子約束環上具有多個氣流通道。
較佳地，通過設置阻尼體使調節區域內氣體的抽氣速率降低後，與真空處理腔的其他區域內氣體的抽氣速率相比，兩者的差值處在設定的閾值範圍之內。
較佳地，未設置阻尼體時所述調節區域內氣體流動到偏心抽氣口的路徑，小於所述真空處理腔的其他區域內氣體流動到偏心抽氣口的路徑；設置阻尼體後所述調節區域內氣體繞過阻尼體流動到偏心抽氣口，使所述調節區域內氣體流動到偏心抽氣口的路徑得以增加。
較佳地，所述調節區域包含真空處理腔內靠近偏心抽氣口的區域，所述真空處理腔的其他區域包含遠離偏心抽氣口的區域。
較佳地，所述筋條的一端連接在擋板外側壁靠近偏心抽氣口的一側，另一端連接至共用側壁。
較佳地，相連通的所述第一通道及第二通道，與真空發生回路、真空處理腔內的真空環境相互隔開。
較佳地，該筋條的一端連接在該擋板外側壁靠近該偏心抽氣口的一側，另一端連接至共用側壁。
與習知技術相比，本發明的優點是能夠在雙工位真空處理器的各個真空處理腔內距離抽氣口較近的位置增加流阻，利用擋板和/或筋條等形成阻尼，有效削弱抽氣口的抽氣速率，而遠離抽氣口的位置由於路徑比較長，實際抽氣速率較慢能夠與削弱後的抽氣速率相平衡。應用在雙工位或多工位的腔體時，可以有效改善偏心抽真空對製程處理均勻性造成的影響。
本發明的優點還在於能夠最大限度的利用空間。本發明中橫向延伸的筋條，不僅能夠遮擋抽氣口，形成對抽真空氣流的偏心阻尼，同時還可以利用該筋條在垂直方向的厚度將其設計為中空結構，進而連通筋條的內部空間及腔體共用側壁的內部空間，增設與真空發生回路及腔體內真空環境隔離的、能夠連通外部的第二大氣環境通道，以擴展腔體內部纜線管路與外界連接的路徑，使得原先僅設在由擋板構建的第一大氣環境通道內的纜線管路，能分出一些電纜放到第二大氣環境通道進行佈置，實現有效的電隔離。
下文將以等離子體處理裝置（如蝕刻設備）所使用的，由兩個真空處理腔共用一套真空發生回路的偏心抽真空的雙工位真空處理器為例，對本發明進行說明。
雙工位元真空處理器的設計，需要解決兩個問題：
1) 儘量保證抽氣通道的暢通，增加流導以最大限度發揮真空泵的工作性能，使得腔體能夠獲得比較理想的真空度，保證製程壓力的最大可調節性。
2) 設計補償機制，保證單工位腔體內0~360度壓力和流速的均勻性：壓力均勻性：＜ 1%；流速均勻性：＜ 20%。
所述雙工位真空處理器的兩個真空處理腔在同一個殼體結構中相鄰佈置；每個真空處理腔都配備有作為蝕刻設備反應腔室所需的部件（或共用部件），例如包含但不限於：真空處理腔的環形腔壁及對其封閉的腔蓋、向真空處理腔內導入反應氣體的進氣結構、放置待處理基片的基座90等等，不一一贅述。
如圖2、圖3所示，每個真空處理腔10內的底板向上設有一圈縱向延伸的擋板50；放置待處理基片的基座90安裝於設在擋板50頂部的密封板80上。本例的擋板50環繞真空處理腔10的圓心佈置。所述密封板80的上方為真空環境，密封板80的下方為大氣環境。即，利用密封板80進行封閉，使所述擋板50內部圍成的區域，構成一個與真空處理腔10內其他部位隔開的密閉室，所述真空處理腔10內抽成真空時，該密閉室仍可以通過若干個介面與真空處理腔10外部的大氣環境連通；其中可與大氣環境連通的第一介面，例如開設在擋板50所圍成區域的底部。
兩個真空處理腔10共用了一套真空發生回路，所述真空發生回路設置有真空泵，還可以包含節流閥、控制單元等器件。兩個真空處理腔10相鄰一側的側壁共用，共用側壁30下方的底板位置對應開設有一個偏心抽氣口20，兩個真空處理腔10都與該偏心抽氣口20連通；共用的真空泵從下方與該偏心抽氣口20連通，在製程處理中用來對各真空處理腔10抽真空。
為解決雙工位真空處理器的上述問題，本發明提出的補償機制，其原理是在各真空處理腔10內靠近偏心抽氣口20的區域（稱為抽氣口近端41）增加流阻，如設置在垂直方向具有一定厚度的筋條和/或擋板等部件來構成偏心阻尼，來削弱抽氣口20附近的抽氣速率；而各真空處理腔10內遠離偏心抽氣口20的區域（稱為抽氣口遠端42），由於該區域氣體流動至偏心抽氣口20的路徑比較長，實際抽氣速率較慢而能夠與抽氣口近端41補償後的抽氣速率相平衡，從而改善偏心抽真空對製程處理均勻性造成的影響。
在擋板50外表面靠近偏心抽氣口20的一側，設置有朝著共用側壁30方向橫向延伸並在垂直方向具有一定厚度的筋條60，該筋條60向下的投影遮擋了偏心抽氣口20在該腔體一側的一部分，構成抽氣口近端41的偏心阻尼。各真空處理腔10的筋條60末端，分別連接至這兩個真空處理腔10的共用側壁30；並且，各真空處理腔10的筋條60內部形成有第一通道71，其一端連通擋板50所圍成的區域，另一端連通共用側壁30內開設的第二通道72，該第二通道72進一步通過第二介面連通至真空處理腔10外界的大氣環境。
因而，密閉室的範圍被擴大為擋板50所圍成的區域、第一通道71及第二通道72，通過第一介面及第二介面分別與大氣環境連通的該密閉室，與真空發生回路、密封板80上方抽成真空的各真空處理腔10內其他部位都隔開。抽真空時各真空處理腔10內抽氣口近端41的氣體，仍可以繞過成為偏心阻尼的筋條60，流動至偏心抽氣口20，使該區域的抽氣速率得以減緩。
在各個真空處理腔10內，需要佈置連接真空處理腔10內外相應部件的纜線管路，例如氣體輸送管道、冷卻液管道、高壓直流電纜、RF電纜等等。這些纜線管路的數量眾多，均需在真空處理腔10內的大氣環境佈置並連接真空處理腔10內的真空環境下的相應部件。其中，不同的電纜需要電隔離以避免信號干擾，所以多根電纜的支架之間應保證具有足夠的間隔距離。而單獨依靠從擋板50所圍成區域到第一介面的第一大氣環境通道51，其空間不足以佈設所有電纜的支架，為此本例中與擋板50所圍成的區域相連通的，增設有從第一通道71、第二通道72到第二介面的第二大氣環境通道61，來佈設其中需要電隔離的一部分電纜；位於第二大氣環境通道61的電纜，可以方便地穿過密封板80連接至放置待處理基片的基座90，實現與第一大氣環境通道51內電纜的有效隔離。在其他示例中，也可以使第一大氣環境通道和第二大氣環境通道相互不連通（圖未示出），而各自連通外部大氣環境。
圖4是本發明所述雙工位元真空處理器的模型驗證示意圖，示出其中一個腔體及共用真空泵處的氣壓分佈；圖5是本發明的示例結構在400sccm流量時進行流速驗證的示意圖（均勻性達到18.9%）；圖6是本發明的示例結構在400sccm流量時進行壓力驗證的示意圖（均勻性達到0.9%）。可見，本發明可以有效改善雙工位真空處理器中單個腔體內部流速、壓力的均勻性。
本發明可以根據對腔體內流速、壓力等均勻性調整的實際需求，來設計偏心阻尼的具體結構、數量或佈置位置等。在不同的實施例中，筋條60的形狀不限，如圓形、半圓形、矩形等等均可；筋條60的數量與層數不限，如可以使多個筋條60縱向疊加和/或平面拼接形成偏心阻尼。筋條60可以與縱向的擋板50一體成型，或是可與該擋板50組裝連接的獨立部件。對密閉室的形狀，圍成密閉室所需擋板自身的形狀、數量等，也都不做限制。
或者，在其他一些示例中，假如不需要設置第二大氣環境通道61（仍保證第一大氣環境通道51與腔體真空環境的隔離），則兩個腔體的共用側壁、各腔體內的筋條60不必設計為中空結構，且各筋條60的末端可不與共用側壁30接觸，即在筋條60末端與共用側壁30之間保留抽真空時供氣體流動至偏心抽氣口20的導氣路徑；腔體中抽氣口近端41的氣體同時也可以繞過筋條60流動至偏心抽氣口20。通過設計橫向延伸長度不同的筋條60，可以調整筋條60末端與共用側壁30之間所述導氣路徑的寬度，從而對抽氣口近端41的抽氣速率進行控制。
除了將阻尼佈置在偏心抽氣口20附近以外，本發明還可以將阻尼設計在各個腔體內其他需要調整流速、壓力等的一個或多個區域，例如對抽氣速率過快的區域設置阻尼進行補償，這樣與未設置阻尼區域實際較慢的抽氣速率進行平衡。或者，本發明還可以在各個腔體內可能的區域設置增強的流通空間，使氣體的流通空間擴大，從而延長到達抽氣口的路徑，減緩抽氣速率，使得不對稱的腔體結構也能在單個腔體內部獲得均勻的流場，壓力場，確保獲得理想的蝕刻製程性能。較佳地，在雙工位真空處理器中，雖然每個腔體自身的偏心抽氣、偏心阻尼或流通空間等的結構不對稱佈置，但兩個腔體內相應的抽氣結構、補償結構都是相互對稱的。
本發明所述阻尼裝置能夠一定程度上改善兩個真空處理腔10在抽氣口近端41與抽氣口遠端42之間的氣流均勻性，但是對於氣流均勻性很高的處理製程來說，單靠阻尼裝置，基片上不同位置流量的均勻性達不到3%以下。所以還可以在所述阻尼裝置上方設置一個等離子約束環，等離子約束環設置在放置基片的基座90與真空處理腔10內壁之間，等離子約束環上設置有多個氣流通道，這些通道可以是小孔或者長槽。通過對這些孔或槽的深度寬度和截面的設計可以使得等離子體只在約束環上方存在，流經約束環的則都被熄滅。約束環上的氣流通道也可以採用不對稱設計以補償氣流量的在抽氣口近端41與抽氣口遠端42之間的不平衡，由於本發明阻尼裝置的存在，再加上約束環對氣流的調節，最終使得基片不同區域都能獲得均勻的氣流分佈。
基於上述補償機制，本發明的抽真空系統，可以適用於多工位真空處理器，對兩個以上真空處理腔體共用真空發生回路時，每個腔體偏心抽真空的影響進行改善。除了改善因偏心抽真空造成單個腔體內各處流速、壓力不均勻的問題，對因其他原因（如腔體內部件不對稱佈置，又如經腔體的進氣結構或基座上方/周邊導氣結構的多次分配後，氣體在腔體內不均勻分佈等）導致腔體內抽氣不均勻的問題，同樣可以適用本發明的抽真空系統及方法來解決。
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。在本技術領域具有通常知識者閱讀了上述內容後，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。
10‧‧‧真空處理腔
20‧‧‧偏心抽氣口
30‧‧‧共用側壁
41‧‧‧抽氣口近端
42‧‧‧抽氣口遠端
50‧‧‧檔板
51‧‧‧第一大氣環境通道
60‧‧‧筋條
61‧‧‧第二大氣環境通道
71‧‧‧第一通道
72‧‧‧第二通道
80‧‧‧密封板
90‧‧‧基座
圖1是習知雙工位真空處理器的俯視示意圖；
圖2是本發明中雙工位元真空處理器的結構示意圖；
圖3是本發明中雙工位真空處理器的側剖示意圖；
圖4是本發明中雙工位元真空處理器的模型驗證示意圖；
圖5是本發明示例的雙工位真空處理器的流速驗證示意圖；以及
圖6是本發明示例的雙工位真空處理器的壓力驗證示意圖。

Claims (9)

  1. 一種雙工位真空處理器，設置有作為製程處理反應室的兩個真空處理腔，和連通該兩個真空處理腔的共用的一偏心抽氣口及一真空泵，其中， 該雙工位真空處理器中，各該真空處理腔內在調節區域設有一阻尼體；該阻尼體在垂直方向具有設定的厚度，並且該阻尼體橫向延伸使其向下的投影與該偏心抽氣口具有相互重疊的區域； 各該真空處理腔的底板上設有縱向延伸的一擋板，該擋板頂部設置的一密封板上安裝有放置基片的一基座，該密封板和該擋板共同圍繞構成的空間底部具有與大氣環境相連通的一第一大氣環境通道，該密封板的頂部和該擋板的外側壁位於該真空處理腔內的真空環境； 該阻尼體包含從其所在該真空處理腔的該擋板外側壁，朝著該兩個真空處理腔之間共用側壁橫向延伸的一個或多個筋條，該筋條的末端連接至共用側壁； 在該筋條內開設有一第一通道，該第一通道與在所述共用側壁內開設的一第二通道連通，並經由該第二通道設置的介面與該真空處理腔外部的大氣環境連通以形成一第二大氣環境通道。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的雙工位元處理器，其中，該第一大氣環境通道與該第二大氣環境通道內均設置有連通到該密封板的電纜或管道。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的雙工位元處理器，其中，該阻尼體上方還設置有一個等離子約束環，其覆蓋放置基片的該基座與該真空處理腔內側壁之間的空間，該等離子約束環上具有多個氣流通道。
  4. 如申請專利範圍第1至3項中任意一項所述的雙工位元處理器，其中，通過設置該阻尼體使所述調節區域內氣體的抽氣速率降低後，與該真空處理腔的其他區域內氣體的抽氣速率相比，兩者的差值處在設定的閾值範圍之內。
  5. 如申請專利範圍第4項所述雙工位元處理器，其中，未設置該阻尼體時所述調節區域內氣體流動到該偏心抽氣口的路徑，小於該真空處理腔的其他區域內氣體流動到該偏心抽氣口的路徑；設置該阻尼體後所述調節區域內氣體繞過該阻尼體流動到該偏心抽氣口，使所述調節區域內氣體流動到該偏心抽氣口的路徑得以增加。
  6. 如申請專利範圍第5項所述雙工位元處理器，其中，所述調節區域包含該真空處理腔內靠近該偏心抽氣口的區域，該真空處理腔的其他區域包含遠離該偏心抽氣口的區域。
  7. 如申請專利範圍第6項所述雙工位元處理器，其中，該筋條的一端連接在該擋板外側壁靠近該偏心抽氣口的一側，另一端連接至共用側壁。
  8. 如申請專利範圍第1項所述雙工位元處理器，其中，相連通的該第一通道及該第二通道，與真空發生回路、該真空處理腔內的真空環境相互隔開。
  9. 如申請專利範圍第1項所述雙工位元處理器，其中，該筋條的一端連接在該擋板外側壁靠近該偏心抽氣口的一側，另一端連接至共用側壁。
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