CN100568453C - 等离子体处理设备、气体分配装置以及气体输送方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种气体分配装置及其所应用的等离子体处理设备，所述气体分配装置包括上中下三层分配板，三层分配板之间形成两条相互隔离的气体输送路径，该两条气体输送路径完全隔离，容易反应的气体因此可以通过不同的输送路径进入等离子体处理设备的反应腔室，有效避免了容易反应的气体在气体分配装置中的接触，进而完全消除了气体在进入反应腔室之前发生反应的可能。同时，由于上述两条气体输送路径相交错，自不同输送路径进入反应腔室的两路气体可以实现较为充分的混合。本发明还提供一种用于向等离子体处理设备的反应腔室中输送气体的方法，将容易反应的气体自不同的路径输入反应腔室中，消除了气体进入反应腔室之前发生反应的可能。

Description

等离子体处理设备、气体分配装置以及气体输送方法
技术领域
本发明涉及等离子体加工技术，特别涉及一种用于等离子体处理设备的气体分配装置。本发明还涉及一种包括上述气体分配装置的等离子体处理设备，以及一种向等离子体处理设备的反应腔室中输送气体的方法。
背景技术
等离子体处理设备广泛应用于微电子技术领域。
请参考图1，图1为一种典型的等离子体处理设备的结构示意图。
等离子体处理设备1通常包括壳体11，壳体11中具有反应腔室12，反应腔室12的顶部和底部分别相对应地设有上极板13和下极板14；下极板14的顶部可以设置待处理的加工件。
等离子体处理设备1工作时，通过干泵等真空获得装置(图中未示出)在反应腔室12中制造并维持接近真空的状态。在此状态下，通过气体分配装置16向反应腔室12中输入气体，并在上极板13和下极板14之间输入适当的射频，从而激活所述气体，进而在加工件的表面产生并维持等离子体环境。由于具有强烈的刻蚀以及淀积能力，所述等离子体可以与所述加工件发生刻蚀或者淀积等物理化学反应，以获得所需要的刻蚀图形或者淀积层。上述物理化学反应的副产物由所述真空获得装置从反应腔室12中抽出。
请参考图2，图2为一种典型的气体分配装置的结构示意图。
一种典型的气体分布装置2包括大体呈圆形的支撑板21，支撑板21位于等离子体处理设备反应腔室顶部的中央位置，且可以以常规的方式固定安装，其中心位置设有进气孔211。
支撑板21的下方固定连接有喷头电极23，两者的连接部位保持气密封(此处以及下文所述气密封，均指一种结果，而非手段；也即无论采用何种具体技术手段，支撑板21与喷头电极23的连接部位都不应出现气体泄漏现象)，且两者之间形成气体分配腔室。上述进气孔211与所述气体分配腔室连通。
所述气体分配腔室中以常规的方式设置多层阻流板22，各层阻流板22之间，以及阻流板22与支撑板21、喷头电极23之间保留适当的距离；阻流板22包括多个将其轴向贯通的气体通道221。
由于各层阻流板22的气体通道221均可以相错离地设置，因此气体经过阻流板22时被迫产生一定的横向位移，因此径向均匀度可以得到增加；随着阻流板22的层数的增加，气体发生横向位移的次数也增多，因此喷头电极23的上表面232处得到的气体的径向均匀度也将不断提高。
喷头电极23中均匀地分布着多个通气孔231，用以连通所述气体分配腔室中最下层的小腔室以及喷头电极23下方的反应腔室；气体可以自通气孔231流入等离子体处理设备的反应腔室中。
从上述气体分布装置2的具体结构以及工作过程可以明显地看出，进入反应腔室之前，各种气体已经在气体分布装置2中混合；因此，进入反应腔室之前，容易反应的气体在气体分布装置2中将发生反应，这显然是应当避免的。
因此，如何将容易反应的气体有效地隔离从而避免该气体在进入反应腔室前发生反应，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种气体分配装置，能够将容易反应的气体有效隔离，从而避免上述气体在进入反应腔室前发生反应；同时，进入反应腔室后各种气体可以实现较为充分的混合。本发明的另一目的是提供一种包括上述气体分配装置的等离子体处理设备。本发明的第三个目的是提供一种向等离子体处理设备的反应腔室中输送气体的方法。
为解决上述技术问题，本发明提供一种气体分配装置，用于等离子体处理设备，包括：上分配板，设于等离子体处理设备反应腔室上方，且具有第一进气孔和第二进气孔，两者均大体竖直地贯穿该上分配板；中分配板，设于所述上分配板下方；该中分配板与所述上分配板之间具有相互隔离的第一腔室和第二腔室，两者分别与所述第一进气孔和第二进气孔连通；所述中分配板的底部具有多个向下凸出的凸台，多个第一送气通道大体竖直地贯穿所述中分配板以及所述凸台，该第一送气通道的顶部开口位于所述第一腔室中；所述中分配板进一步具有将其贯通且顶部开口位于所述第二腔室中的第二送气通道；下分配板，设于所述中分配板下方，该下分配板具有多个将其贯通的通孔；任一所述凸台均位于一所述通孔中，且两者之间具有贯穿所述下分配板的间隙，该间隙与所述第二送气通道相连通。
进一步，所述第一进气孔位于所述上分配板的中部；各所述第一送气通道底部开口的高度自所述中分配板的中部向外周部逐渐降低。
进一步，所述第一送气通道的底部开口与其所在通孔的底部开口的高度大体相同。
进一步，具有相同高度的所述第一送气通道的底部开口形成围绕所述中分配板中心的圆形或者多边形。
进一步，所述凸台可拆卸地安装于所述中分配板的底部。
进一步，所述凸台通过螺纹连接于所述中分配板的底部。
进一步，所述凸台的横截面形状、所述第一送气通道的横截面形状以及所述通孔的横截面形状均为圆形或者均为正多边形。
进一步，所述第一送气通道的底部开口以及所述通孔的底部开口均渐扩。
进一步，所述凸台外壁的底部渐缩。
本发明还提供一种等离子体处理设备，包括上述任一项所述的气体分配装置。
本发明还提供了一种气体输送方法，用于向等离子体处理设备的反应腔室中输送气体，容易发生反应的气体分别自不同的进气路径进入所述反应腔室，所述进气路径包括第一进气路径以及与所述第一进气路径相邻的第二进气路径；所述第一进气路径和第二进气路径的数目均为多条，且两者的末端大体均匀分布于所述反应腔室的顶部。
进一步，所述第二进气路径的末端包围所述第一进气路径的末端。
进一步，自所述反应腔室的中心位置向外周位置，所述第一进气路径和第二进气路径末端所处的位置逐渐降低。
相对上述背景技术，本发明所提供的气体分配装置具有两条相互隔离的气体输送路径，即由上分配板的第一进气孔、上分配板和中分配板之间的第一腔室、中分配板的第一送气通道所形成的第一条气体输送路径，以及由上分配板的第二进气孔、上分配板和中分配板之间的第二腔室、中分配板的第二送气通道、下分配板的通孔所形成的第二条气体输送路径。上述第一条路径与第二条路径完全隔离，容易反应的气体因此可以通过不同的输送路径进入等离子体处理设备的反应腔室，有效避免了容易反应的气体在气体分配装置中的接触，进而完全消除了气体在进入反应腔室之前发生反应的可能。同时，由于上述第一条路径的底端开口位于所述凸台之中，而上述第二条路径的底端开口围绕所述凸台；这样，自不同输送路径进入反应腔室的两路气体可以实现较为充分的混合。本发明所提供的等离子体处理设备以及气体输送方法同样可以实现上述技术效果，不再赘述。
在一种优选的实施方式中，所述第一进气孔位于所述上分配板的中部，且所述第一送气通道底部开口的高度自所述中分配板的中部向外周部逐渐降低，从而使所述第一送气通道到下电极的距离自所述中分配板的中部向外周部逐渐减小。由于气体是自所述上分配板的中部进入第一腔室的，因此即使在第一腔室中进行多次匀流，位于中部的第一送气通道中气体的浓度仍会高于位于外周部的第一送气通道中气体的浓度。众所周知，所述第一送气通道底部开口与所述下电极的距离越大，气体在反应腔室中的扩散路径将越长、扩散也就越充分；上述距离越小，气体在反应腔室中的扩散程度越低。因此，在第一送气通道到下电极的距离自中分配板的中部向外周部逐渐减小的情况下，气体在中分配板中部的浓度较高但扩散较为充分，气体在外周部的浓度较低但扩散程度较低，从而在整体上提高了下电极上方的气体的径向分布均匀度。
附图说明
图1为一种典型的等离子体处理设备的结构示意图；
图2为一种典型的气体分配装置的结构示意图；
图3为本发明所提供的气体分配装置一种具体实施方式的结构示意图；
图4为图3所示中分配板的俯视示意图；
图5为图3所示中分配板的侧视示意图；
图6为图3所示中分配板的仰视示意图；
图7为图3所示中分配板的轴测视示意图；
图8为图3所示气体分配装置的剖视结构示意图；
图9为图8中A部位的局部放大图；
图10为本发明所提供的气体分配装置另一种具体实施方式的剖视示意图；
图11为本发明所提供凸台的一种具体安装方式示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
请参考图3，图3为本发明所提供的气体分配装置一种具体实施方式的结构示意图。
在第一种具体实施方式中，本发明所提供的气体分配装置3包括上分配板31、中分配板32以及下分配板33；三者具有大体相同的形状，可以同是正多边形或者同是圆形。
上分配板31大体水平地固定安装于等离子体处理设备顶壁的下方，且具有第一进气孔311和第二进气孔312，两者均大体竖直地贯穿上分配板31。
第一进气孔311和第二进气孔312的横截面可以是圆形或者多边形，两者的数目均可以是一个或者多个。可以将第一进气孔311设置于上分配板31的中部，而将第二进气孔312设置于上分配板31的外周部，此时，第一进气孔311的数目可以少于第二进气孔312的数目，如图所示第一进气孔311可以仅设置一个，同时可以设置四个第二进气孔312；但第一进气孔311的横截面积可以大于第二进气孔312的横截面积。
请同时参考图4至图7，图4为图3所示中分配板的俯视示意图；图5为图3所示中分配板的侧视示意图；图6为图3所示中分配板的仰视示意图；图7为图3所示中分配板的轴测视示意图。
中分配板32大体水平地固定安装于上分配板31的下方，两者具有适当的间距；中分配板32具有围绕其顶面的第一凸起部325，从而当中分配板32安装于上分配板31下方式可以在上分配板31与中分配板32之间形成密封的腔体(当然，该腔体通过上述第一进气孔311、第二进气孔312以及下文即将描述的第一送气通道322、第二送气通道323与外部连通)。
中分配板32的顶面还具有第二凸起部321。第二凸起部321将上述密封的腔体分隔为相互隔离的第一腔室341和第二腔室342(两者均示于图8中)；其中，第一进气孔311连通所述第一腔室341，第二进气孔312连通所述第二腔室342。
当第一进气孔311、第二进气孔312分别设置于上分配板31的中部、外周部时，第一腔室341可以位于中分配板32上方的中部，而第二腔室342可以位于中分配板32上方的外周部并将第一腔室341包围。
中分配板32的底部设有多个凸台324，显然，凸台324大体竖直向下凸出。中分配板32还具有第一送气通道322以及第二送气通道323，两者横截面的形状可以均为圆形或者均为正多边形；第一送气通道322大体竖直延伸，并沿厚度方向贯穿中分配板32且沿轴向贯穿凸台324；第二送气通道323同样大体竖直延伸，并沿厚度方向贯穿中分配板32。
第一送气通道322的顶部开口可以设于第一腔室341中，即第二凸起部321的内侧；第二送气通道323的顶部开口可以设于第二腔室342中，即第二凸起部321的外侧。
中分配板32还设有围绕其底部边缘并向下凸出的第三凸起部326，以便在中分配板32和即将描述的下分配板33之间保持适当的距离，进而在两者之间形成第三腔室343(示于图8中)。
气体分配装置3还包括下分配板33。下分配板33大体水平地固定安装于中分配板32的下方，大体竖直设置的通孔331贯穿下分配板33。通孔331的数目和设置位置均与中分配板32底部的凸台324相适应，以便下分配板33安装于中分配板32下方时，每一凸台324恰好可以位于一通孔331之中。
凸台324进入通孔331之后，两者之间应当具有在竖直方向延伸的间隙，该间隙可以将下分配板33的上下表面连通。例如，凸台324和通孔331的横截面形状可以均为圆形或者均为正多边形，当然，两者横截面的形状并不限于此；凸台324的横截面适当小于通孔331的横截面，且两者同轴设置，从而使上述间隙大体呈筒状。
请参考图8和图9，图8为图3所示气体分配装置的剖视结构示意图；图9为图8中A部位的局部放大图。
上述具体实施方式中的气体分配装置3具有两条相互隔离的气体输送路径，第一条路径由上分配板31的第一进气孔311、上分配板31和中分配板32之间的第一腔室341、中分配板32的第一送气通道322所形成，该条路径在图9中用虚线以及空心箭头表示；第二条路径由上分配板31的第二进气孔312、上分配板31和中分配板32之间的第二腔室342、中分配板32的第二送气通道323、中分配板32和下分配板33之间的第三腔室343、下分配板33的通孔331所形成，该条路径在图9中用虚线以及实心箭头表示。
上述第一条路径与第二条路径完全隔离，容易反应的气体因此可以通过不同的输送路径进入等离子体处理设备的反应腔室，有效避免了容易反应的气体在气体分配装置中的接触，进而完全消除了气体在进入反应腔室之前发生反应的可能。同时，由于上述第一条路径的底端开口位于凸台之中，而上述第二条路径的底端开口围绕所述凸台；这样，自不同输送路径进入反应腔室的两路气体可以实现较为充分的混合。
如图8所示，第一送气通道322的底部开口可以渐扩，从而促进自上述第一条路径进入的气体在等离子体处理设备反应腔室的径向上的扩散；同时，通孔331的底部开口同样可以渐扩，从而促进自上述第二条路径进入的气体在反应腔室的径向上的扩散。为了进一步提高自上述第二条路径进入的气体的扩散效果，凸台324外壁的底部可以设置渐缩面327(示于图5中)，该渐缩面327与渐扩的通孔331底部相配合可以使自上述第二条路径进入的气体向两侧同时扩散，扩散效果将显著提高。
请参考图10，图10为本发明所提供的气体分配装置另一种具体实施方式的剖视示意图。
可以在上文所述具体实施方式的基础上对本发明所提供的气体分配装置进行改进。
在另一种具体实施方式中，第一进气孔311位于所述上分配板31的中部；中分配板32底部各凸台324的长度存在差异(即处于不同位置的凸台324底面的高度不同)，进而使各第一送气通道322底部开口与等离子体处理设备下极板的距离存在差异。
具体地说，各凸台324的长度自中分配板32的中部向外周部逐渐增加，因此各第一送气通道322底部开口与等离子体处理设备下极板的距离自中分配板32的中部向外周部逐渐减小。例如，图10中位于中部的凸台324的长度可以为H1，而位于外周部的凸台324的长度可以为H2。
各凸台324的长度与其所在的通孔331的长度可以大体相等，从而使各第一送气通道322的底部开口与其所在的通孔331的底部开口具有大体相同的高度(即两者大体相平)。
具有相同高度的各第一送气通道322的底部开口可以形成围绕中分配板32中心的圆形或者多边形；在中分配板32的径向上，相邻的两第一送气通道322的底部开口的高度可以均不相同。
各第一送气通道32的横截面积也可以不相同，以此调节反应腔室中不同位置中气体的浓度。
在图10所示具体实施方式中，由于气体是自上分配板31的中部进入第一腔室341的，因此即使在第一腔室341中进行多次匀流，位于中分配板32中部的第一送气通道322中气体的浓度仍会高于位于中分配板32外周部的第一送气通道322中气体的浓度。众所周知，第一送气通道322底部开口与所述下电极的距离越大，气体在反应腔室中的扩散路径将越长、扩散也就越充分；上述距离越小，气体在反应腔室中的扩散程度越低。因此，在第一送气通道322到下电极的距离自中分配板32的中部向外周部逐渐减小的情况下，气体在中分配板32中部的浓度较高但扩散较为充分，气体在外周部的浓度较低但扩散程度较低，从而在整体上提高了下电极上方的气体的径向分布均匀度。
在各凸台324的长度与其所在的通孔331的长度可以大体相等的情况下，自通孔331流入反应腔室的气体同样可以在反应腔室的径向上实现更为均匀的分布；原理同上，不再赘述。
请参考图11，图11为本发明所提供凸台的一种具体安装方式示意图。
如前所述，凸台324设置于中分配板32的底部；这可以通过常规的手段实现，例如，将凸台324焊接于中分配板32的底部。当然，凸台324与中分配板32还可以具有一体的结构。
在一种具体实施方式中，凸台324以可拆卸的方式固定安装于中分配板32的底部；例如，凸台324与中分配板32可以通过相配合的内、外螺纹连接于一体。
这样，可以针对不同的工艺要求更换、调整上述凸台324，从而不但可以提高等离子体处理设备的适应性，还可以显著延长气体分配装置3的整体寿命，降低运行成本。
本发明所提供的等离子体处理设备包括如上所述的气体分配装置3；等离子体处理设备的其他结构请参考现有技术，本文不再赘述。所述等离子体处理设备具体可以是等离子体刻蚀设备或者等离子体淀积设备。
本发明所提供的气体输送方法可以用于向等离子体处理设备的反应腔室中输送气体，该气体为多种气体的混合气，其中若干种气体之间容易发生反应，容易发生反应的气体分别自不同的进气路径进入所述反应腔室。由于容易反应的气体通过不同的输送路径进入等离子体处理设备的反应腔室，这就可以完全消除气体在进入反应腔室之前发生反应的可能。
例如，上述进气路径可以包括第一进气路径以及第二进气路径，两者相互独立。假定气体甲与气体乙容易发生反应，则可以通过上述第一进气路径向反应腔室中输送气体甲，而通过上述第二进气路径向反应腔室中输送气体乙。
由于自不同路径进入的气体在反应腔室中应当较为均匀地混合，因此，上述第一进气路径和第二进气路径的数目均可以是多个，且任一第一进气路径均临近至少一个第二进气路径，两者的末端大体均匀分布于所述反应腔室的顶部。这样，自不同路径进入反应腔室的气体可以得到较为充分、均匀的混合。
上述第一进气路径和第二进气路径的具体形式可以有多种。一种较易实现的具体形式是，所述第二进气路径至少在其末端将所述第一进气路径包围，从而使所述第二进气路径的出气口围绕所述第一进气路径的出气口。这种结构形式不但容易实现，而且有利于自不同路径进入反应腔室的气体进一步均匀地混合。
此外，可以进一步改进上述第一进气路径和第二进气路径的末端所处的位置：自所述反应腔室的中心位置向外周位置，所述第一进气路径和第二进气路径末端所处的位置逐渐降低。各进气路径末端与等离子体处理设备下电极的距离越大，气体在反应腔室中的扩散路径将越长、扩散也就越充分；上述距离越小，气体在反应腔室中的扩散程度越低。因此，上述改进可以促进反应腔室中部的气体的扩散，有利于在整体上提高所述下电极上方气体的径向分布均匀度。
可以参考上文关于气体分配装置以及等离子体处理设备的描述，从而更好地理解本发明所提供的气体输送方法。
以上对本发明所提供的气体分配装置、应用了该气体分配装置的等离子体处理设备以及向等离子体处理设备的反应腔室中输送气体的方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (13)

1、一种气体分配装置，用于等离子体处理设备，其特征在于，包括：
上分配板，设于等离子体处理设备反应腔室上方，且具有第一进气孔和第二进气孔，两者均大体竖直地贯穿该上分配板；
中分配板，设于所述上分配板下方；该中分配板与所述上分配板之间具有相互隔离的第一腔室和第二腔室，两者分别与所述第一进气孔和第二进气孔连通；所述中分配板的底部具有多个向下凸出的凸台，多个第一送气通道大体竖直地贯穿所述中分配板以及所述凸台，该第一送气通道的顶部开口位于所述第一腔室中；所述中分配板进一步具有将其贯通且顶部开口位于所述第二腔室中的第二送气通道；
下分配板，设于所述中分配板下方，该下分配板具有多个将其贯通的通孔；任一所述凸台均位于一所述通孔中，且两者之间具有贯穿所述下分配板的间隙，该间隙与所述第二送气通道相连通。
2、如权利要求1所述的气体分配装置，其特征在于，所述第一进气孔位于所述上分配板的中部；各所述第一送气通道底部开口的高度自所述中分配板的中部向外周部逐渐降低。
3、如权利要求2所述的气体分配装置，其特征在于，所述第一送气通道的底部开口与其所在通孔的底部开口的高度大体相同。
4、如权利要求3所述的气体分配装置，其特征在于，具有相同高度的所述第一送气通道的底部开口形成围绕所述中分配板中心的圆形或者多边形。
5、如权利要求1所述的气体分配装置，其特征在于，所述凸台可拆卸地安装于所述中分配板的底部。
6、如权利要求5所述的气体分配装置，其特征在于，所述凸台通过螺纹连接于所述中分配板的底部。
7、如权利要求1所述的气体分配装置，其特征在于，所述凸台的横截面形状、所述第一送气通道的横截面形状以及所述通孔的横截面形状均为圆形或者均为正多边形。
8、如权利要求7所述的气体分配装置，其特征在于，所述第一送气通道的底部开口以及所述通孔的底部开口均渐扩。
9、如权利要求8所述的气体分配装置，其特征在于，所述凸台外壁的底部渐缩。
10、一种等离子体处理设备，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的气体分配装置。
11、一种气体输送方法，用于向等离子体处理设备的反应腔室中输送气体，其特征在于，容易发生反应的气体分别自不同的进气路径进入所述反应腔室，所述进气路径包括第一进气路径以及与所述第一进气路径相邻的第二进气路径；所述第一进气路径和第二进气路径的数目均为多条，且两者的末端大体均匀分布于所述反应腔室的顶部。
12、如权利要求11所述的气体输送方法，其特征在于，所述第二进气路径的末端包围所述第一进气路径的末端。
13、如权利要求11所述的气体输送方法，其特征在于，自所述反应腔室的中心位置向外周位置，所述第一进气路径和第二进气路径末端所处的位置逐渐降低。
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