CN101315880B - 一种气体分配装置及采用该气体分配装置的等离子体处理设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体分配装置，包括：进气板、嵌入式分配板和下分配板；其中，所述进气板设有进气通路、以及与进气通路连通的容置部，所述嵌入式分配板嵌入容置部内；所述嵌入式分配板具有分配通路并且与容置部之间具有间隙；下分配板位于进气板的下面，将嵌入式分配板封装在所述容置部内。相应的，本发明还公开了一种采用所述气体分配装置的等离子体处理设备。所述的气体分配装置结构简单，对加工精度的要求较低，能够降低制造成本。

Description

一种气体分配装置及采用该气体分配装置的等离子体处理设备

技术领域

本发明涉及等离子体技术领域，特别涉及一种等离子体处理设备的气体分配装置及采用该气体分配装置的等离子体处理设备。

背景技术

在等离子刻蚀、薄膜沉积等等离子体处理设备中，通常设有气体分配装置，用来将刻蚀气体或反应气体输送至真空腔室内。气体分配装置能否实现气体的均匀分配直接关系到等离子体处理工艺的结果，例如，用于沉积薄膜的反应气体如果不能够均匀地分配至真空腔室内，则可能导致沉积形成的薄膜厚度均匀性较差，从而不能达到设计要求。

如图1所示，一种在半导体工艺中广泛使用的平行板等离子体设备。该设备包括真空腔室，设于真空腔室内的顶部的气体分配装置，设于所述气体分配装置上的上电极，与所述上电极相对的下电极，所述下电极与真空腔室外的射频电源连接，工艺气体经过气体分配装置进入真空腔室(当然，等离子体处理设备的具体结构形式可以有多种，不限于此)。进行工艺时，将待加工的加工件置于所述下电极之上，通过射频电源向电极加入射频能量，使上电极与下电极之间的真空腔室内的气体电离，从而产生等离子体，所述等离子体对位于下电极上的加工件进行加工。气体分配装置将气体均匀分配到晶片表面上的空间，从而被射频能量激发出均匀的等离子体，才能得到均匀的加工效果。随着制造技术的发展，基片的尺寸逐渐增加，真空腔室的体积相应增大，这导致气体在更大空间内的均匀分配变得更加困难，进一步提高了气体分配装置的设计难度。

图2为现有技术公开的一种气体分配装置的分解示意图，图3为该气体分配装置的局部放大图。该气体分配装置包括：设有大量通孔的气体分配板208，气体分配板208之上的环形上电极206，上电极206之上的部件234，部件234之上的进气板205；其中进气板205上设有中间进气通路230和边缘进气通路212。部件234朝向上电极206的一面上设有大量凸起圆柱体246，而上电极206中相对圆柱体246的位置上设有大量均匀分布的通孔(图中未标号)，而且圆柱体246的直径小于所述通孔的直径，使得安装后部件234的圆柱体246能够进入上电极206中的通孔内。图3为部件234与气体分配板208组装后的通孔和圆柱体配合位置的局部放大图，可见，通孔247和圆柱体246的中心线基本重合，圆柱体246穿进通孔247之中，并和通孔247之间形成间隙248，该间隙248可使气体流过。气体由进气板205上的中间进气通路230和边缘进气通路212进入部件234与上电极206之间的内腔(图中为示出)，经过所述通孔247和圆柱体246之间的间隙248，再通过气体分配板208，均匀的分配至气体分配板208下方的真空腔室中。

上述气体分配装置使进入的气体流经大量均匀分布的圆柱体246和通孔247之间的间隙248，从而达到均匀分配气体的目的，然而问题在于，圆柱体246和通孔247的位置和尺寸应当相互对应，才可保证部件234和气体分配板208装配后形成所述间隙248，例如，设计间隙为1mm，则圆柱体246直径为3mm，通孔的直径为5mm，而且圆柱体246的中心线应当刚好与通孔247的中心线重合，如此以来，具有大量凸起圆柱体的部件234、以及具有大量通孔的气体分配板208的加工难度较大，从而导致气体分配装置较高的制造成本。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种结构简单、制造成本较低的气体分配装置。

本发明解决的另一问题是提供一种等离子体处理设备，具有结构简单的气体分配装置，能够降低制造成本。

为解决上述问题，本发明提供了一种气体分配装置，包括：进气板、嵌入式分配板和下分配板；其中，所述进气板设有进气通路、以及与进气通路连通的容置部，所述嵌入式分配板嵌入容置部内；所述嵌入式分配板具有分配通路并且与容置部之间具有间隙；下分配板位于进气板的下面，将嵌入式分配板封装在所述容置部内。

所述间隙沿着气体在间隙中流动的方向逐渐减小。

所述嵌入式分配板包括第一分配板和围绕在所述第一分配板外的第二分配板；所述容置部包括用于嵌入第一分配板的第一容置部和用于嵌入第二分配板的第二容置部；所述进气通路包括中间进气通路和边缘进气通路；所述第一容置部与中间进气通路连通，所述第二容置部与边缘进气通路连通。

所述第一分配板为圆盘形，所述第二分配板为圆环形，所述第二分配板围绕在第一分配板的圆周外。

所述嵌入式分配板包括与所述进气通路相对的上表面，所述上表面中具有均匀分布的分配通路。

所述嵌入式分配板还包括位于所述上表面周围的侧表面，所述侧表面中具有均匀分布的分配通路；所述上表面和侧表面之间形成有内腔，所述内腔和下分配板之间具有间隙。

所述嵌入式分配板的上表面中具有至少一个形状与嵌入式分配板的形状相同的凹槽，所述凹槽的中心与进气通路的中心重合。

所述容置部与嵌入式分配板的上表面相对的表面中具有至少一个形状与嵌入式分配板的形状相同的凹槽，所述凹槽的中心与进气通路的中心重合。

在所述嵌入式分配板中，对应较小间隙位置的分配通路尺寸大于对应较大间隙位置的分配通路尺寸。

所述分配通路沿圆周方向均匀分布，其截面形状为圆形、四边形、三角形或其组合。

相应地，本发明还提供了一种等离子体处理设备至少包括以上所述的任一气体分配装置。

与现有技术相比，本发明的技术方案提供的气体分配装置具有以下优点：该气体分配装置包括进气板、嵌入式分配板和下分配板，而嵌入式分配板结构较为简单，便于加工，例如所述第一分配板仅需在圆盘上表面和侧表面加工分配通路，在上表面加工凹槽；同样的，第二分配板仅需在圆环上表面和侧表面加工分配通路，在上表面加工凹槽，因此便于加工；此外，对于嵌入式分配板与进气板上的容置部之间的间隙，由于容置部和嵌入式分配板的自身尺寸较大，因此对精度的要求较低，能够降低制造成本。

本发明的技术方案还提供了一种等离子体处理设备，由于采用所述的气体分配装置，因此结构简单，能够降低制造成本。

附图说明

通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为现有技术公开的一种平行板等离子刻蚀设备示意图；

图2为现有技术公开的一种气体分配装置示意图；

图3为图2所示气体分配装置的局部放大图；

图4为实施例一中气体分配装置的拆解结构示意图；

图5为实施例一中进气板沿图4中A-A方向的剖视图；

图6为实施例一中第一分配板沿图4中B-B方向的剖视图；

图7为实施例一中第一分配板的立体结构示意图；

图8为实施例一中第二分配板沿图4中C-C方向的剖视图；

图9为实施例一中第二分配板的立体结构示意图；

图10为实施例一中气体分配装置的组装剖视图；

图11为实施例二中气体分配装置的组装剖视图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的实施例的限制。

所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。

实施例一

以下结合附图4至图10详细描述本实施例提供的气体分配装置。

图4为所述气体分配装置的拆解结构示意图，该气体分配装置包括：进气板1、第一分配板2、第二分配板3和下分配板4。

进气板1设有进气通路，所述进气通路包括中间进气通路11和边缘进气通路12；中间进气通路11位于进气板1的中心附近，为气体分配装置的中间区域提供气体，优选的，位于进气板1的中心；边缘进气通路12位于进气板1的边缘附近，相对于中间进气通路11而言更靠近边缘，为气体分配装置的边缘区域提供气体。中间进气通路11和边缘进气通路12优选为相同的尺寸，也可以不同，他们的截面形状可以为圆形、四边形、三角形或其组合，优选的为圆形。

图5为进气板1沿图4中A-A方向的剖视图，进气板1背向进气通路的一面具有容置部，所述容置部包括第一容置部15和第二容置部16；所述第一容置部15与中间进气通路11连通，所述第二容置部16与边缘进气通路12连通。

如图4所示，所述嵌入式分配板包括第一分配板2和第二分配板3，其中，第一分配板2为圆盘形，第二分配板3为圆环形，第二分配板3围绕在第一分配板2的圆周外。所述嵌入式分配板与进气板1装配后，第一分配板2嵌入图5所示的第一容置部15内，第二分配板3嵌入图5所示的第二容置部内16内，相应的，第一容置部15的形状为圆形，第二容置部16的形状为圆环形。

图6为第一分配板2沿图4中B-B方向的剖视图，第一分配板2具有上表面20和位于上表面20周围的侧表面29，上表面20和侧表面29之间形成内腔28，上表面20中具有大量分配通路21，分配通路21可以沿圆周方向均匀分布，也可以按照其他方式均匀分布；分配通路21沿径向的距离可以相等，优选为间距逐渐减小，以增加边缘气体的流动能力；侧表面29中具有大量在均匀分布的分配通路22，分配通路21或分配通路22的截面形状为圆形、四边形、三角形或其组合。

图7为所述第一分配板的立体结构示意图，第一分配板2的上表面20具有圆形的凹槽201和凹槽202，凹槽201和凹槽202的中心的相互重合，凹槽201的深度比凹槽202大，而凹槽201的直径比凹槽202小。

凹槽201表面上具有分配通路211，凹槽202表面上具有分配通路212，如凹槽201和凹槽202这样的凹槽在上表面20上可以仅有一个，也可以有两个以上。

图8为第二分配板3沿图4中C-C方向的剖视图，第二分配板3具有上表面30和位于上表面30周围的侧表面39，上表面30和侧表面39之间形成内腔38；上表面30中具有大量的分配通路31，分配通路31沿圆周方向均匀分布，，也可以按照其他方式均匀分布；侧表面39中具有大量均匀分布的分配通路32，分配通路31或分配通路32的截面形状为圆形、四边形、三角形或其组合。

图9为所述第二分配板的立体结构示意图，第二分配板3的上表面30具有圆环形的凹槽301，凹槽301在剖视图中的中心与第二分配板3在剖视图中的中心重合，也即圆环形的凹槽301位于圆环形的第二分配板3宽度方向的中间位置。如凹槽301这样的凹槽在上表面30上也可以有两个或两个以上。

如图4所示，下分配板4位于第一分配板2和第二分配板3的下方，下分配板4上具有大量均匀分布的通路(图中未标号)，下分配板4与进气板1装配后，将第一分配板2和第二分配板3封在进气板1的容置部内。

图10为所述气体分配装置的组装剖视图，如图所示，进气板1背向进气通路的一面具有连通中间进气通路11的第一容置部15，以及连通边缘进气通路12的第二容置部16；第一分配板2嵌入第一容置部15内，上表面20与中间进气通路11相对，优选的，中间进气通路11的中心与第一分配板2的中心重合；第一分配板2的上表面20与第一容置部15之间具有间隙23，第一分配板2的侧表面29与第一容置部15之间具有间隙24；由于第一分配板2的上表面20具有中心相互重合的圆形凹槽201和凹槽202，并且凹槽201的深度比凹槽202的深度大，则间隙23从第一分配板2的中心向边缘逐渐减小。

第二分配板3嵌入第二容置部16内，上表面30与边缘进气通路12相对，优选的，边缘进气通路12的中心与第二分配板3圆环宽度的中间位置重合；第二分配板3的上表面30与第二容置部16之间具有间隙33，第二分配板3的侧表面39与第二容置部16之间具有间隙34；由于第二分配板3的上表面30具有圆环形的凹槽301，凹槽301位于圆环形的第二分配板3宽度方向的中间位置，则间隙33从第二分配板3宽度方向的中间位置向边缘逐渐减小，换言之，间隙33以进气通路12为中心对称，由中心向边缘逐渐减小。

下分配板4与进气板1的底部连接，将第一分配板2和第二分配板3封装在容置部内，并且与第一分配板2和第二分配板3的底部之间具有间隙45。下分配板4也可以兼有电极板的作用，则下分配板4与进气板1之间还具有绝缘垫5。

进气板1、第一分配板2、第二分配板3和下分配板4的材料优选为铝合金，表面均进行阳极氧化处理，下分配板4的下表面进行三氧化二钇喷涂；第一分配板2、第二分配板3和下分配板4的材料也可以选用硅、碳化硅(SiC)；进气板1的材料也可以选用不锈钢等其他金属。

上述气体分配装置的工作原理如下：

从中间进气通路11进入第一分配板2的气体一部分经过间隙23、分配通路21进入内腔28，由于间隙23的存在，原来集中的气流被均匀的分配，流过分配通路21；另一部分气体经过间隙24、分配通路22进入内腔28；然后，进入内腔28的气体流经间隙45，再通过下分配板4上的分配通路41后流出，从而在下分配板4以下的等离子体处理腔室中获得均匀的气体分布。

从间隙23进入分配通路21的气流会从中间向边缘减小，但是由于间隙24的存在，气体能够从侧表面29的分配通路22流入内腔28，从而补偿由上表面20上中间和边缘的分配通路21的气流差异。合理设计间隙23和间隙24的尺寸、气体通道22和气体通道21的尺寸，可以使由进气通路11进入的气体均匀分布在第一分配板2的内腔28中。

此外，间隙23从第一分配板2的中心向边缘逐渐减小，也即沿着气体流动的方向，间隙23逐渐减小，以增大气体从中心向边缘的流动能力，从而增强位于上表面20边缘的分配通路21的气体流量，能够进一步使气流均匀分配。由于凹槽201表面上的分配通路211的尺寸小于凹槽202表面上的分配通路212的尺寸(见图7)，也即间隙23较大处对应的分配通路211的尺寸大于间隙23较小处对应的分配通路212的尺寸，可以补偿因分配通路212相对于进气通路211距离进气通路11较远而导致的气流差异。

从边缘进气通路12进入第二分配板3的气体一部分经过间隙33、分配通路31进入内腔38，由于间隙33的存在，原来集中的气流被均匀分配流过分配通路31；另一部分气体经过间隙34、分配通路32进入内腔38，然后，进入内腔38的气体流经间隙45，再通过下分配板4上的分配通路41后流出气体分配装置。

由于间隙34的存在，气体能够从侧表面39的分配通路32流入内腔38，从而补偿由上表面30上中间和边缘的分配通路31的气流差异。合理设计间隙33和间隙34的尺寸、气体通道32和气体通道31的尺寸，可以使由进气通路12进入的气体均匀分布在第二分配板3的内腔38中。

此外，间隙33从第二分配板3宽度方向的中间位置向边缘逐渐减小，也即沿着气体流动的方向间隙33逐渐减小，以增大气体从中心向边缘的流动能力，从而增强位于上表面30边缘的分配通路31的气体流量，进一步的使流入内腔38中的气流均匀分配。

另外，从第二分配板3的内腔38流出的气体、以及从第一分配板2的内腔28出的气体，最后均流经间隙45，再通过下分配板4上的分配通路41后流出气体分配装置，如此将进入气体分配装置的气体分为两路，可以分别独立控制中间进气通路11的气体流量和边缘进气通路12的气体流量，平衡由下分配板4中间和边缘流出的气体流量，使气体可以在大的范围内分布均匀，也可以根据工艺需求使中间区域的进气量大于或者小于边缘区域的进气量。

以上所述的气体分配装置包括进气板、第一分配板、第二分配板和下分配板，与现有的气体分配装置相比优点在于结构较为简单，例如第一分配板仅需在圆盘上表面和侧表面加工分配通路，在上表面加工凹槽；同样的，第二分配板仅需在圆环上表面和侧表面加工分配通路，在上表面加工凹槽，因此便于加工；此外，对于嵌入式分配板与进气板上的容置部之间的间隙，由于容置部和嵌入式分配板的自身尺寸较大，因此对精度的要求较低，能够降低制造成本。

上述的嵌入式分配板包括第一分配板和第二分配板，除此以外，也可以仅有一个分配板，相应的进气通路也仅有一个；也可以包括两个以上的分配板，相应的进气通路也有两个以上。更多的分配板可以将气体分为多路独立控制，更有利于在更大范围内将气体均匀分配。

为适应不同形状的基片，本实施例所述的第一分配板也可以为四边形或者其他的形状，则第二分配板相应的为环形四边形或者环形的其他形状。

以上实施例披露的气体分配装置中，凹槽201、凹槽202或凹槽203均位于嵌入式分配板的上表面中(见图10)，使得间隙23或间隙33从中心向边缘逐渐减小，除此以外，凹槽还可以设置于容置部内，具体在以下实施例中描述。

实施例二

图11为本实施例中气体分配装置的组装剖视图，所述气体分配装置包括：进气板1’、第一分配板2’、第二分配板3’和下分配板4’；进气板1’设有进气通路，所述进气通路包括中间进气通路11’和边缘进气通路12’，进气板1’中背向进气通路的一面设有容置部，所述容置部包括第一容置部15’和第二容置部16’；第一分配板2’嵌入第一容置部15’中，第二分配板3’嵌入第二容置部16’中，第一分配板2’具有上表面20’和位于上表面20’周围的侧表面29’，上表面20’和侧表面29’之间形成内腔28’；第二分配板3’具有上表面30’和位于上表面30’周围的侧表面39’，上表面30’和侧表面39’之间形成内腔38’；下分配板4’与进气板1’的底部连接，将第一分配板2’和第二分配板3’封装在容置部内。

与实施例一的区别仅在于：第一分配板2’的上表面20’和/或第二分配板3’的上表面30’中没有凹槽，而第一容置部15’与第一分配板2’的上表面20’相对的表面60上设有凹槽601和凹槽602，凹槽601和凹槽602的中心的相互重合且与中间进气通路11’的中心重合，凹槽601的深度比凹槽602大，而凹槽601的直径比凹槽602小，从而使上表面20’与第一容置部15’之间的间隙23’从中心向边缘逐渐减小。类似的，第二容置部16’与第二分配板3’的上表面30’相对的表面70上设有凹槽701，凹槽701的中心与边缘进气通路12’重合，从而使上表面30’与第二容置部16’之间的间隙33’从中心向边缘逐渐减小。

本实施例所述的气体分配装置的其他结构与实施例一类似，在此不再赘述。除此以外，其他能够使容置部与嵌入式分配板之间的间隙从中间向边缘逐渐减小的结构，例如，在所述容置部和嵌入式分配板相对的表面中均设有凹槽，再例如，所述容置部和/或嵌入式分配板相对的表面设为由中间向边缘升高的斜坡，以上的结构也可实现本发明的目的，同样在本发明所要求的保护范围之内。

本发明的技术方案还提供了一种等离子体处理设备，所述等离子体处理设备至少包括以上任一实施例所述的气体分配装置。

需要说明的是，以上所述气体分配装置可以应用于等离子刻蚀、薄膜沉积等等离子体处理设备中，本领域内技术人员应当可以知晓，本发明技术方案提供的气体分配装置也可以应用于其他需要对气体进行大面积均匀分配的设备中，例如太阳能电池板的制造装置。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种气体分配装置，其特征在于，包括：进气板、嵌入式分配板和下分配板；其中，所述进气板设有进气通路、以及与进气通路连通的容置部，所述嵌入式分配板嵌入容置部内；下分配板位于进气板的下面，将嵌入式分配板封装在所述容置部内；

所述嵌入式分配板包括与所述进气通路相对的上表面，所述上表面中具有均匀分布的分配通路；所述嵌入式分配板还包括位于所述上表面周围的侧表面，所述侧表面中具有均匀分布的分配通路；所述上表面和侧表面之间形成有内腔，所述内腔和下分配板之间具有间隙；所述上表面和侧表面与容置部之间均具有间隙。

2.根据权利要求1所述的气体分配装置，其特征在于，嵌入式分配板的所述上表面与容置部之间的间隙沿着气体在该间隙中流动的方向逐渐减小。

3.根据权利要求1或2所述的气体分配装置，其特征在于，所述嵌入式分配板包括第一分配板和围绕在所述第一分配板外的第二分配板；所述容置部包括用于嵌入第一分配板的第一容置部和用于嵌入第二分配板的第二容置部；所述进气通路包括中间进气通路和边缘进气通路；所述第一容置部与中间进气通路连通，所述第二容置部与边缘进气通路连通。

4.根据权利要求3所述的气体分配装置，其特征在于，所述第一分配板为圆盘形，所述第二分配板为圆环形，所述第二分配板围绕在第一分配板的圆周外。

5.根据权利要求1所述的气体分配装置，其特征在于，所述嵌入式分配板的上表面中具有至少一个形状与嵌入式分配板的形状相同的凹槽，所述凹槽的中心与进气通路的中心重合。

6.根据权利要求1所述的气体分配装置，其特征在于，所述容置部与嵌入式分配板的上表面相对的表面中具有至少一个形状与嵌入式分配板的形状相同的凹槽，所述凹槽的中心与进气通路的中心重合。

7.根据权利要求1或2所述的气体分配装置，其特征在于，在所述嵌入式分配板中，对应嵌入式分配板的所述上表面与容置部之间的较小间隙位置的分配通路尺寸大于对应嵌入式分配板的所述上表面与容置部之间的较大间隙位置的分配通路尺寸。

8.根据权利要求1或2所述的气体分配装置，其特征在于，所述分配通路沿圆周方向均匀分布，其截面形状为圆形、四边形、三角形或其组合。

9.一种等离子体处理设备，其特征在于，至少包括如权利要求1至8任一项所述的气体分配装置。

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