TWI775215B - 電漿處理裝置及其氣體噴嘴、氣體噴嘴組件 - Google Patents

Abstract

本發明揭露一種電漿處理裝置及其氣體噴嘴、氣體噴嘴組件，氣體噴嘴的本體具有噴嘴內腔及向處理裝置的處理腔內輸送製程氣體的噴氣孔，噴嘴內腔包括進氣分佈腔和出氣緩衝腔；進氣分佈腔和出氣緩衝腔的容積V≤1/4V₁ ，其中，V₁ 為氣體噴嘴的本體體積。本發明提供的技術方案係基於氣體噴嘴的結構改進，可以規避噴嘴腔內的電漿點燃風險，有效提升安全可靠性。

Description

電漿處理裝置及其氣體噴嘴、氣體噴嘴組件

本發明涉及半導體製作技術領域，特別涉及一種電漿處理裝置及其氣體噴嘴、氣體噴嘴組件。

源氣體的分佈設計是電感耦合電漿(Inductively Coupled Plasma，ICP)蝕刻技術的關鍵，不同的氣體混合後經氣體噴嘴分佈到蝕刻室。眾所周知，氣體流速和方向、氣體穩定性和均勻性是控制蝕刻速率和均勻性的主要指標。對於矽穿孔(through-silicon via，TSV)技術，氣體通常從邊緣或同時從邊緣和中心進行分佈，其中，氣體噴嘴的氣流中心線處於射頻耦合環境的中心，因此噴嘴內腔存在電漿點燃的風險。

有鑑於此，亟待針對現有電漿處理裝置的氣體噴嘴進行結構優化，以有效規避噴嘴腔內的電漿點燃。

為解決上述技術問題，本發明提供一種電漿處理裝置及其氣體噴嘴、氣體噴嘴組件，其基於氣體噴嘴的結構改進，可以規避噴嘴腔內的電漿點燃風險，有效提升安全可靠性。

本發明提供一種用於電漿處理裝置的氣體噴嘴，氣體噴嘴用於向處理裝置的處理腔內輸送製程氣體，氣體噴嘴的本體具有噴嘴內腔及向處理腔內輸送製程氣體的噴氣孔，噴嘴內腔包括進氣分佈腔和出氣緩衝腔；進氣分佈腔和出氣緩衝腔的容積V

1/4V₁，其中，V₁為氣體噴嘴的本體體積。

較佳地，氣體噴嘴進一步包括置於噴嘴內腔中段位置的絕緣嵌件，進氣分佈腔和出氣緩衝腔分別形成於絕緣嵌件的兩側，且絕緣嵌件具有連通進氣分佈腔和出氣緩衝腔的第一通孔。

較佳地，第一通孔設置為位於中心位置處和相對於中心位置周向均勻佈置的複數個。

較佳地，第一通孔的通流截面為等截面，或者第一通孔的通流截面呈沿氣體流動方向逐漸減小的趨勢變化。

較佳地，出氣緩衝腔的橫截面積小於進氣分佈腔的橫截面積。

較佳地，進氣分佈腔和出氣緩衝腔分別由臺階盲孔的第一徑段和第二徑段形成，且第一徑段的直徑大於第二徑段的直徑，出氣緩衝腔的下部至噴氣孔之間透過氣體噴嘴本體上相應設置的通道連通。

較佳地，通道由斜向設置的第二通孔形成。

較佳地，出氣緩衝腔的直徑a₁與出氣緩衝腔的深度a₂之間的關係為a₁

a₂tanα，其中α為第二通孔與出氣緩衝腔的深度a₂方向之間的夾角。

較佳地，出氣緩衝腔的直徑a₁與出氣緩衝腔的深度a₂之間的尺寸比值介於1：3至2：1之間。

較佳地，第二通孔在出氣緩衝腔的壁面形成的複數個初始貫通孔彼此間隔設置。

較佳地，噴氣孔設置為在同一橫截面內周向均勻佈置。

較佳地，噴氣孔與氣體噴嘴本體的側壁面垂直。

本發明進一步提供一種電漿處理裝置的氣體噴嘴組件，包括氣體噴嘴和透過連接法蘭與氣體噴嘴固定連通的進氣管，氣體噴嘴採用如前所述的電漿處理裝置的氣體噴嘴。

較佳地，氣體噴嘴組件進一步包括可接地設置的電場屏蔽罩，電場屏蔽罩至少包覆於氣體噴嘴的位於絕緣窗體的部分和連接法蘭的外部。

較佳地，電場屏蔽罩的內表面覆有磁屏蔽層。

較佳地，電場屏蔽罩採用導電材料製成，磁屏蔽層採用飽和磁感應強度為0.6~1.0T的材料製成。

較佳地，電場屏蔽罩與磁屏蔽層一體成型或為分體式結構。

本發明進一步提供一種電漿處理裝置，包括蝕刻腔及置於蝕刻腔內的承片台，蝕刻腔頂部的絕緣窗體上設置有氣體噴嘴組件，氣體噴嘴組件採用如前所述的氣體噴嘴組件。

較佳地，電漿處理裝置進一步包括可接地設置的電場屏蔽罩，電場屏蔽罩至少包覆於氣體噴嘴的位於絕緣窗體的部分和連接法蘭的外部。

較佳地，電場屏蔽罩的內表面覆有磁屏蔽層。

較佳地，電場屏蔽罩與磁屏蔽層一體成型或為分體式結構。

針對先前技術，本發明另闢蹊徑針對電漿處理裝置氣體噴嘴進行了改進設計，具體來說，本發明係針對包括進氣分佈腔和出氣緩衝腔的噴嘴內腔容積限定進行了改良。其中，進氣分佈腔和出氣緩衝腔的容積V

1/4V₁，且V₁為氣體噴嘴的本體體積。也就是說，透過限制噴嘴內腔的容積以減小噴嘴內部空間。藉由此設置，在相同電場強度下，對於位於射頻耦合環境中心的氣體噴嘴來說，可規避射頻耦合環境下噴嘴內腔發生電漿點火的可能性，從而為電漿處理裝置的運行安全可靠性提供了技術保障。

在本發明的較佳技術方案中，透過置於噴嘴內腔中段位置的絕緣嵌件以構建小於氣體噴嘴的本體體積的噴嘴內腔，具有結構簡單、可靠的特點。與此同時，絕緣嵌件上設置的第一通孔位於氣體流動路徑，透過第一通孔的節流增速作用進入出氣緩衝腔，可以進一步均勻化氣流，進而增加噴氣孔水平方向噴射的穩定性。

在本發明的較佳技術方案中，採用臺階盲孔以構建小於氣體噴嘴的本體體積的噴嘴內腔，其中，進氣分佈腔和出氣緩衝腔分別由臺階盲孔的第一徑段和第二徑段形成，且第一徑段的直徑大於第二徑段的直徑。相比較來說，氣體氣流進入通流截面變小的出氣緩衝腔能夠提升噴射速率，以獲得良好的各噴射孔之間的噴射均勻性，從而進一步提高蝕刻腔內電漿態氣體的均勻程度。

1:氣體噴嘴

10:氣體噴嘴組件

11:噴嘴內腔

111:進氣分佈腔

112:出氣緩衝腔

12:噴氣孔

13:第二通孔

131:初始貫通孔

2:連接法蘭

20:絕緣窗體

3:進氣管

4:絕緣嵌件

41:第一通孔

41a:第一通孔

5:電場屏蔽罩

6:磁屏蔽層

α:夾角

圖1為實施例一中的氣體噴嘴組件的裝配關係示意圖；圖2為圖1中所示的絕緣嵌件的俯視圖；圖3為實施例二中的氣體噴嘴組件的裝配關係示意圖；圖4為實施例三中的氣體噴嘴組件的裝配關係示意圖；圖5為實施例四中的氣體噴嘴組件的裝配關係示意圖。

為了使本領域具有通常知識者更好地理解本發明的技術方案，下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步的詳細說明。

本實施方式提供的氣體噴嘴主要可應用於電漿處理裝置，如電感耦合電漿處理裝置(Inductively Coupled Plasma，ICP)、電容耦合電漿處理裝置 (Capacitively Coupled Plasma，CCP)。以下以電感耦合電漿蝕刻裝置為例。依據本發明的電漿處理裝置包括由複數個壁(如側壁、頂壁與底壁)圍合而成的蝕刻腔，蝕刻腔通常可呈圓柱形，蝕刻腔的側壁可垂直於頂壁與底壁。蝕刻腔的內部設置有空間，並設置有用於容納基片的承片台(圖中未示出)。

本實施方式以圖中所示設置在蝕刻腔頂部絕緣窗體20上的氣體噴嘴組件10作為說明主體，以詳細說明本發明提供的氣體噴嘴改進方案。應當理解的是，絕緣窗體20與蝕刻腔及射頻線圈的具體配置實現方式，對於本發明的申請專利範圍所保護的技術方案未構成實質性限制。

具體來說，氣體噴嘴組件10的氣體噴嘴1與連接法蘭2封固連接，並透過連接法蘭2與進氣管3連通，以實現源氣體的輸送。氣體噴嘴1的本體具有噴嘴內腔11及向電漿處理裝置的處理腔內輸送製程氣體的噴氣孔12，噴嘴內腔11的容積V由進氣分佈腔111和出氣緩衝腔112構成。本技術方案另闢蹊徑對噴嘴內腔11的容積V作了具體限制，使得進氣分佈腔111和出氣緩衝腔112的容積V

1/4V₁，其中，V₁為氣體噴嘴1的本體體積。藉由透過限制噴嘴內腔11的容積V減小噴嘴內部空間。這樣，相同電場強度下，對於位於射頻耦合環境中心的氣體噴嘴1來說，可規避射頻耦合環境下噴嘴內腔11發生電漿點火的可能性。

實施例一：

請參見圖1，圖1為本方案氣體噴嘴組件的裝配關係示意圖。

氣體噴嘴1的噴嘴內腔11中設置有絕緣嵌件4，如圖中所示，絕緣嵌件4置於噴嘴內腔11中段位置，藉由此配置，進氣分佈腔111和出氣緩衝腔112分別形成於絕緣嵌件4的兩側，且絕緣嵌件4具有連通進氣分佈腔111和出氣緩衝腔112的第一通孔41。

本技術方案透過絕緣嵌件4以構建小於氣體噴嘴1的本體體積V₁的噴嘴內腔11，其具有結構簡單、可靠的特點。絕緣嵌件4可以採用滿足噴嘴功 能需要的絕緣材料製成，例如但不限於：石英材料。同時，絕緣嵌件4上設置的第一通孔41位於氣體流動路徑上，源氣體經第一通孔41的節流增速作用進入出氣緩衝腔112，得以進一步均勻化氣流，進而增加噴氣孔12水平方向噴射的穩定性。

為了進一步提升噴射速率，出氣緩衝腔112的橫截面積較佳地小於進氣分佈腔111的橫截面積。藉由此設置，氣體氣流進入通流截面變小的出氣緩衝腔112能夠提升其噴射速率，以獲得良好的各噴射孔之間的噴射均勻性。

作為較佳實施例，進氣分佈腔111和出氣緩衝腔112的容積V

1/4V₁，其中，V₁為氣體噴嘴1的本體體積。實驗數據表明，在上述閾值區間內選定容積V，均可獲得優良的降低噴嘴內腔11發生電漿點火的有益效果。

對於絕緣嵌件4上建立氣體流動路徑的第一通孔41來說，可以採用不同的通流截面及排布方式。請參見圖2，圖2為圖1中絕緣嵌件4的俯視圖。

結合圖1和圖2所示，第一通孔41設置為複數個，包括位於中心位置處以及相對於中心位置周向均勻佈置的第一通孔41。如圖中所示，周向均勻佈置的第一通孔41在兩個不同直徑的圓周上分別周向均勻設置。可以理解的是，上述周向均勻佈置的方式僅為本實施例的示例性說明，也就是說，複數個第一通孔41在流動路徑上佈置的均勻程度為較佳的考慮方案，且只要滿足具體設備使用需求均在本發明的申請專利範圍所保護的範圍內。

另外，本技術方案中第一通孔41的通流截面為等截面，即等徑孔。需要說明的是，第一通孔41也可基於設備整體的設計選擇非等截面的通流截面，如倒錐形截面。

實施例二：

請參見圖3，圖3示出了本技術方案氣體噴嘴組件的裝配關係示意圖。為了清楚示出本技術方案與實施例一的區別和關聯，具有相同功能的構成和結構在圖中以相同元件符號標示。

本技術方案中，絕緣嵌件4的第一通孔41a的通流截面呈沿氣體流動方向逐漸減小的趨勢變化，大體上呈圖中所示的倒錐形。工作過程中，源氣體經倒錐形的第一通孔41a使得節流增速作用更加顯著，以進一步獲得均勻化氣流的效果。

為了降低感應電場產生的影響，較佳地增設可接地設置的電場屏蔽罩5，如圖所示，該電場屏蔽罩5包覆於連接法蘭2，以及氣體噴嘴1的至少位於絕緣窗體20外部的部分，由此將射頻線圈形成的電場有效隔離。

其中，電場屏蔽罩5較佳地採用導電材料製成，例如但不限於銅材等導電材料。其他構成和設計構思與實施例一相同，在此不再贅述。

本方案中的第一通孔41a為非等截面的通流截面，即倒錐形截面，但也可以設計為其他形態的非等截面的通流截面或者如實施例一中的等徑孔截面。

實施例三：

請參見圖4，圖4示出了本技術方案氣體噴嘴組件的裝配關係示意圖。為了清楚示出本技術方案與前述實施例的區別和關聯，相同功能構成和結構在圖中以相同元件符號標示。

本技術方案中，絕緣嵌件4的第一通孔41的通流截面與實施例一相同，均為等截面通孔。進一步地，為了降低感應磁場產生的影響，較佳地電場屏蔽罩5的內表面覆有磁屏蔽層6。

其中，磁屏蔽層6採用飽和磁感應強度為0.6~1.0T的材料製成，例如但不限於軟磁合金1J79等磁屏蔽材料。在此，磁屏蔽層6可以與電場屏蔽罩5 一體成型，也可與電場屏蔽罩5為分體式結構，由此將磁場與射頻耦合隔離。其他構成和設計構思與實施例一、二相同，在此不再贅述。

上述三個實施例均透過設置絕緣嵌件4的方式實現限制噴嘴內腔11的容積V，以減小噴嘴內部空間。實際上，可以進一步採用其他方式滿足本發明的核心設計構思：噴嘴內腔11的容積V

1/4V₁，其中，V₁為氣體噴嘴1的本體體積。

本技術方案中第一通孔41的通流截面為等截面，也即等徑孔，但也可以設計為非等截面的通流截面，如倒錐形截面。

實施例四：

請參見圖5，圖5為本方案氣體噴嘴的結構示意圖。同樣地，相同功能構成和結構在圖中以相同元件符號標示。

如圖所示，氣體噴嘴1開設有形成噴嘴內腔11的臺階盲孔，進氣分佈腔111和出氣緩衝腔112分別由臺階盲孔的第一徑段和第二徑段形成，且第一徑段的直徑大於第二徑段的直徑，臺階盲孔的容積即為噴嘴內腔11的容積V。同樣地，對噴嘴內腔11的容積V作了具體限制：進氣分佈腔111和出氣緩衝腔112的容積V

1/4V₁，其中，V₁為氣體噴嘴1的本體體積。在相同裝配關係的關聯結構尺寸不變的基礎上，透過增大氣體噴嘴1本體的實體尺寸保障了上述容積限制要求。同時，出氣緩衝腔112的下部至噴氣孔12之間透過本體上相應設置的通道連通。

實際使用時，氣體氣流進入通流截面變小的出氣緩衝腔112能夠有效提升噴射速率，以獲得良好的各噴射孔之間的噴射均勻性。如圖所示，此通道由斜向設置的第二通孔13形成，具有較好的加工製程性。

在本實施例中，為實現在噴嘴本體內設置傾斜分佈的第二通孔13的製程需求，需要設置合理的出氣緩衝腔112的直徑a₁與出氣緩衝腔112的深度 a₂。在合理的直徑a₁與深度a₂的關係下，才能滿足於噴嘴本體內挖設所需要的傾斜程度的第二通孔13，因為若出氣緩衝腔112的直徑a₁被設置的過於短小，則很難使得挖設第二通孔13的工具進入出氣緩衝腔112內進行挖設。發明人發現，當實際需要挖設的第二通孔13的傾斜度為α(α為第二通孔13與出氣緩衝腔112的深度a₂方向之間的夾角)的情況下，需滿足出氣緩衝腔112的直徑a₁與出氣緩衝腔112的深度a₂的關係為：a₁

a₂tanα。一般來說，第二通孔13的傾斜度設於30°至60°之間，則出氣緩衝腔112的直徑a₁與出氣緩衝腔112的深度a₂之間的尺寸比值介於1：3至2：1之間。另外，所挖設的這些第二通孔13在出氣緩衝腔112的壁面形成的複數個初始貫通孔131彼此間隔設置。同樣地，如實施例二、三，為了降低感應電場產生的影響，較佳地增設可接地設置的電場屏蔽罩5，電場屏蔽罩5包覆於連接法蘭2，以及氣體噴嘴1的至少位於絕緣窗體20外部的部分，由此將射頻線圈形成的電場有效隔離。進一步地，為了降低感應磁場產生的影響，較佳地電場屏蔽罩5的內表面覆有磁屏蔽層6，磁屏蔽層6可以與電場屏蔽罩5一體成型，也可與電場屏蔽罩5為分體式結構，由此將磁場與射頻耦合隔離。其他構成和設計構思與實施例二、三相同，在此不再贅述。

此外，本發明較佳地將複數個噴氣孔12設置為在同一橫截面內周向均勻佈置，且噴氣孔12與氣體噴嘴1本體的側壁面相垂直。藉由此設置，相對於多排設置的相同數量、相同孔徑的複數個噴氣孔12，佈置在同一橫截面內可獲得最佳的氣流周向均布噴射的效果。其他構成和設計構思與前述實施例相同，在此不再贅述。

除了前述氣體噴嘴外，本實施方式進一步提供一種應用此氣體噴嘴的電漿處理裝置，需要說明的是，電漿處理裝置的其他功能構成並非本發明的核心發明點所在，本領域具有通常知識者可以基於先前技術實現，故本文不 再贅述。具體地，例如但不限於蝕刻腔、排氣部件以及基片進出通道等功能構成。

以上僅是本發明的較佳實施方式，應當指出的是，對於本技術領域具有通常知識者而言，在不脫離本發明原理的前提下，可以進一步做出多種改進和修飾，這些改進和修飾也應視為本發明的保護範圍。

1:氣體噴嘴

10:氣體噴嘴組件

2:連接法蘭

20:絕緣窗體

3:進氣管

4:絕緣嵌件

41:第一通孔

5:電場屏蔽罩

6:磁屏蔽層

Claims (21)

1. 一種氣體噴嘴，係用於一電漿處理裝置，該氣體噴嘴用於向該電漿處理裝置的一處理腔內輸送製程氣體，其中該氣體噴嘴的一氣體噴嘴本體具有一噴嘴內腔及向該處理腔內輸送製程氣體的一噴氣孔，該噴嘴內腔包括一進氣分佈腔和一出氣緩衝腔；該進氣分佈腔和該出氣緩衝腔的容積V

   

   1/4V₁，其中，V₁為該氣體噴嘴本體的體積。
2. 如請求項1所述之氣體噴嘴，其進一步包括置於該噴嘴內腔中段位置的一絕緣嵌件，該進氣分佈腔和該出氣緩衝腔分別形成於該絕緣嵌件的兩側，且該絕緣嵌件具有連通該進氣分佈腔和該出氣緩衝腔的一第一通孔。
3. 如請求項2所述之氣體噴嘴，其中該第一通孔設置為位於中心位置處和相對於中心位置周向均勻佈置的複數個。
4. 如請求項3所述之氣體噴嘴，其中該第一通孔的通流截面為等截面，或者該第一通孔的通流截面呈沿氣體流動方向逐漸減小的趨勢變化。
5. 如請求項2所述之氣體噴嘴，其中該出氣緩衝腔的橫截面積小於該進氣分佈腔的橫截面積。
6. 如請求項1所述之氣體噴嘴，其中該進氣分佈腔和該出氣緩衝腔分別由一臺階盲孔的一第一徑段和一第二徑段形成，且該第一徑段的直徑大於該第二徑段的直徑，該出氣緩衝腔的下部至該噴氣孔之間透過該氣體噴嘴本體上相應設置的一通道連通。
7. 如請求項6所述之氣體噴嘴，其中該通道由斜向設置的一第二通孔形成。
8. 如請求項7所述之氣體噴嘴，其中該出氣緩衝腔的直徑a₁與該出氣緩衝腔的深度a₂之間的關係為a₁

   

   a₂tanα，其中α為該第二通孔與該出氣緩衝腔的深度a₂方向之間的夾角。
9. 如請求項6所述之氣體噴嘴，其中該出氣緩衝腔的直徑a₁與該出氣緩衝腔的深度a₂之間的尺寸比值介於1：3至2：1之間。
10. 如請求項6所述之氣體噴嘴，其中一第二通孔在該出氣緩衝腔的壁面形成的複數個初始貫通孔彼此間隔設置。
11. 如請求項1所述之氣體噴嘴，其中該噴氣孔設置為在同一橫截面內周向均勻佈置。
12. 如請求項11所述之氣體噴嘴，其中該噴氣孔與該氣體噴嘴本體的側壁面垂直。
13. 一種氣體噴嘴組件，係用於一電漿處理裝置，該氣體噴嘴組件包括一氣體噴嘴和透過一連接法蘭與該氣體噴嘴固定連通的一進氣管，其中該氣體噴嘴具體如請求項1至請求項12中的任意一項所述。
14. 如請求項13所述之氣體噴嘴組件，其進一步包括可接地設置的一電場屏蔽罩，該電場屏蔽罩至少包覆該氣體噴嘴的位於絕緣窗體的部分和該連接法蘭的外部。
15. 如請求項14所述之氣體噴嘴組件，其中該電場屏蔽罩的內表面覆有一磁屏蔽層。
16. 如請求項15所述之氣體噴嘴組件，其中該電場屏蔽罩採用導電材料製成，該磁屏蔽層採用飽和磁感應強度為0.6~1.0T的材料製成。
17. 如請求項15所述之氣體噴嘴組件，其中該電場屏蔽罩與該磁屏蔽層一體成型或為分體式結構。
18. 一種電漿處理裝置，包括一蝕刻腔及置於該蝕刻腔內的一承片台，該蝕刻腔頂部的一絕緣窗體上設置有一氣體噴嘴組件，其中該氣體噴嘴組件具體如請求項13所述。
19. 如請求項18所述之電漿處理裝置，其進一步包括可接地設置的一電場屏蔽罩，該電場屏蔽罩至少包覆於該氣體噴嘴的位於該絕緣窗體的部分和該連接法蘭的外部。
20. 如請求項19所述之電漿處理裝置，其中該電場屏蔽罩的內表面覆有一磁屏蔽層。
21. 如請求項20所述之電漿處理裝置，其中該電場屏蔽罩與該磁屏蔽層一體成型或為分體式結構。

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