CN103915307B - 等离子体处理室及用于该等离子体处理室的气体注入装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等离子体处理室及用于该等离子体处理室的气体注入装置，本发明在所述环形气体注入管道内壁设置若干气体注入口，并且使得所述气体输出的方向与所述气体注入口指向所述环形气体注入管道圆心的方向呈一锐角，确保气体注入反应腔后在解离区域内形成涡流状分布，延缓了气体下沉的速率，延长了气体到达基片的走行距离，使得气体在解离区域内尽可能的得到解离，与传统的垂直所述环形气体注入管道内壁的气体注入口相比，气体下沉速率减慢，气体解离率提高，从而提高了反应气体的利用效率，同时由于反应腔内等离子体浓度升高，提高了刻蚀速率。

Description

等离子体处理室及用于该等离子体处理室的气体注入装置

技术领域

本发明涉及等离子体刻蚀设备气体供应技术领域，尤其涉及一种提高气体解离效率的气体输送技术领域。

背景技术

等离子反应器或反应腔在现有技术中是公知的，并广泛应用于半导体集成电路、平板显示器，发光二极管（LED），太阳能电池等的制造工业内。在等离子腔中通常会施加一个射频电源以产生并维持等离子于反应腔中。其中，有许多不同的方式施加射频功率，每个不同方式的设计都将导致不同的特性，比如效率、等离子解离、均一性等等。其中，一种设计是电感耦合（ICP）等离子腔。

在电感耦合等离子处理腔中，一个通常是线圈状的天线用于向反应腔内发射射频能量。为了使来自天线的射频功率耦合到反应腔内，在天线处放置一个绝缘材料窗口。反应腔可以处理各种基片，比如硅晶圆等，基片被固定在夹盘上，等离子在基片上方产生。因此，天线被放置在反应器顶板上方，使得反应腔顶板是由绝缘材料制成或者包括一个绝缘材料窗口。

在等离子处理腔中，各种气体被注入到反应腔中，以使得离子和基片之间的化学反应和/或物理作用可被用于在所述基片上形成各种特征结构，比如刻蚀、沉积等等。在许多工艺流程中，晶圆的刻蚀速率和刻蚀均匀性是很重要的指标参数。一个有助于获得较好工艺均匀性的参数是在反应腔内均匀分布的处理气体。要获得这样的均一性，许多反应腔设计采用安装在晶圆上方的气体喷淋头，以均匀的注入处理气体。然而，如上所述，在电感耦合（ICP）反应腔顶板必须包括一个使射频功率从天线发射到反应腔中的绝缘窗。因此，ICP的结构中并没有给气体喷淋头留出相应的空间来实现其气体均匀注入的功能。

在目前标准电感耦合反应腔中，气体通过在反应腔周围的注入器/喷头和中间的喷头之一或者两者一同注入来供应到真空容器内。采用该方法所述的技术，反应气体呈直线状注入真空容器中后很容易扩散到真空容器的解离区域以外然后被排出真空容器，导致反应气体在解离区域解离时间过短，解离不充分，造成反应气体的利用率不高，浪费反应气体。

因此，业内需要一种改进电感耦合反应腔气体注入装置设计，可以优化反应腔内的气体分布以改进加工工艺的均一性，提高反应气体的利用效率。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种用于等离子体处理室的气体注入装置，所述装置包括环形气体注入管道，所述环形气体注入管道内壁设置若干气体注入口，所述气体输出的方向与所述气体注入口指向所述环形气体注入管道圆心的方向呈一锐角。

优选的，所述的气体注入口数量≥3，在所述环形气体注入管道内壁上均匀分布。

优选的，所述环形气体注入管道的内壁厚度大于等于1mm，所述气体注入口为穿透所述内壁的孔或窄槽，所述孔或窄槽的开口方向与所述气体注入口指向所述环形气体注入管道圆心的方向呈一锐角。

优选的，所述气体注入口包括穿透所述内壁的孔或窄槽，每个孔或窄槽的出口处设置一挡板，所述挡板方向与气体注入口指向所述环形气体注入管道圆心的方向呈一锐角。

优选的，穿透所述内壁的孔或窄槽在所述内壁上的切口方向垂直于所述内壁或者与所述内壁呈其他角度；所述挡板的形状可以为平板，也可以为带有一定弧度的弧形板。

优选的，所述气体注入口包括穿透所述内壁的孔或窄槽和位于孔或窄槽出气方向末端的喷嘴，所述喷嘴方向与气体注入口指向所述环形气体注入管道圆心的方向呈一锐角。

优选的，穿透所述内壁的孔或窄槽在所述内壁的切口方向和位于孔或窄槽出气方向末端的喷嘴方向相同或有一定的角度。

优选的，所述若干气体注入口的气体输出方向与所述气体注入口指向所述环形气体注入管道圆心的方向呈同一锐角。

本发明还提供一种电感耦合式等离子处理装置，包括金属侧壁和绝缘顶板构成的真空封闭壳体，所述真空封闭壳体内设置基座和位于基座上方的待处理基片，以及施加到所述绝缘顶板上方圈状天线上的射频电源，所述金属侧壁和所述绝缘顶板间设置一气体注入装置，所述装置包括环形气体注入管道，所述环形气体注入管道内壁设置若干气体注入口，所述气体输出的方向与所述气体注入口指向所述环形气体注入管道圆心的方向呈一锐角。

优选的，所述的气体注入口在所述环形气体注入管道内壁上均匀分布。

本发明优点在于：本发明在所述环形气体注入管道内壁设置若干气体注入口，并且使得所述气体输出的方向与所述气体注入口指向所述环形气体注入管道圆心的方向呈一锐角，确保气体注入反应腔后在解离区域内形成涡流状分布，延长了气体到达基片的走行距离，延缓了气体下沉的速率，使得气体在解离区域内尽可能的得到解离，与传统的垂直所述环形气体注入管道内壁的气体注入口相比，气体下沉速率减慢，气体解离率提高，从而提高了反应气体的利用效率，同时由于反应腔内等离子体浓度升高，提高了刻蚀速率。

附图说明

图1为气体注入装置所处等离子体刻蚀设备的反应腔结构示意图；

图2为一种实施例的气体注入装置剖面结构示意图；

图3为另一种实施例的气体注入装置剖面结构示意图；

图4为另一种实施例的气体注入装置剖面结构示意图；

图5为另一种实施例的气体注入装置剖面结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示出本发明所述气体注入装置所处等离子体刻蚀设备的反应腔结构示意图，包括根据本发明一个实施例的等离子反应腔装置100。应当理解，其中的反应腔装置100仅仅是示例性的，所述100装置实际上也可以包括更少或额外的部件，部件的排列也可以不同于图1中所示出。

图1示出了根据本发明第一实施例的电感耦合式等离子体反应腔（ICP）的截面图，其执行了气体受控流动的特点。ICP反应腔100包括金属侧壁105和绝缘顶板130，构成一个气密的真空封闭壳体，并且由抽真空泵125抽真空。所述绝缘顶板130仅作为示例，也可以采用其它的顶板样式，比如穹顶形状的，带有绝缘材料窗口的金属顶板等。基座110支撑夹盘115，所述夹盘上放置着待处理的基片120。偏置功率被施加到所述夹盘115上，但是由于与揭露的本发明实施例无关，在图1中未示出。所述射频电源145的射频功率被施加到天线140，该天线基本是线圈状的。

反应气体经过气体注入装置注入到反应腔内，以点燃并维持等离子，从而对基片120进行加工。在本实施例中，气体通过环形气体注入管道150被供应到真空空间中，但是额外的气体也可以选择性的从绝缘顶板130的中心区域注入反应腔（图中未示出）。通常气体从气体注入装置注入真空反应腔，经过解离区域160后很快的被抽真空泵125排出反应腔外，气体的解离度不高，造成反应气体的利用率不高。

图2示出本发明所述的一种气体注入装置的剖面结构示意图，所述气体注入装置为环形的气体注入管道，图中仅部分的示出气体注入管道的内壁结构，所述反应气体充斥在所述内壁151和外壁（图中未示出）之间，经由气体注入口152注入反应腔内部。气体注入口152与传统的气体注入口区别在于：传统的气体注入口垂直所述内壁指向圆心，本发明所述的气体注入口152的切口方向与气体注入口指向圆心的方向呈一锐角，气体注入口152在环形气体注入管道内壁均匀分布，通常数量为偶数，在某些实施例中也可以为奇数，本实施例个数为8个，为了更好的实现本发明的目的，多个气体注入口152的切口方向与气体注入口指向圆心的方向呈同一锐角。

根据本发明所述的技术方案，反应气体通过气体注入口152进入反应腔后方向不指向环形气体注入管道的圆心，从多个气体注入口152中进入反应腔的气体形成一个涡流状下沉的气体分布结构，改变了传统结构中反应气体进入反应腔后迅速下沉并被真空泵125抽走的现状，延长了气体到达基片的走行距离，延缓了气体下沉的速率，使反应气体处于解离区域160内的时间增加，使得反应气体可以进行充分解离，提高了气体利用效率。

本发明所述的实施例中环形气体注入管道的内壁厚度对反应气体进入反应腔的方向有一定影响，厚度过薄会导致气体注入口152倾斜角度过小，反应气体不能在反应腔内形成明显的涡流状气体分布，反应气体会迅速下沉并被真空泵125抽走，不能起到提高气体解离率的目的。故本实施例中环形气体注入管道的内壁151厚度大于等于1mm。

在另外的实施例中，为了使得反应气体注入反应腔的倾斜角度更加明显，同时无需增加环形气体注入管道内壁151的厚度，还可以采用如图3所示的实施例，在图3所示的实施例中，环形气体注入管道的内壁251均匀设置有若干个气体注入口252，气体注入口252的切口方向与气体注入口指向环形气体注入管道圆心的方向呈一锐角角度，反应气体经由气体注入口252进入反应腔后会在气体解离区域形成涡流状气体分布，使得反应气体被充分的解离。本实施例中的气体注入口包括环形气体注入管道内壁251上的切口和设置在切口内部，长度大于内壁251厚度的气体喷嘴253，气体喷嘴253材质与环形气体注入管道内壁相同，可以通过焊接或者粘合等方式与内壁切口固定在一起。本实施例的气体注入口252倾斜角度不受管道内壁251厚度的限制，可以合理设置气体喷嘴253的长度，使得气体注入反应腔后能形成理想涡流状分布，从而延长气体解离时间。

图4为另一种实施例的气体注入装置剖面结构示意图，在图4所示的实施例中，环形气体注入管道内壁351上均匀分布若干气体注入口352，气体注入口352出气口末端设置挡板354。为了便于制作，本实施例中的气体注入口352的切口可以垂直内壁351，也可以呈其他便于制作的角度，为了达到理想的气体涡流分布，挡板354的方向与气体注入口指向环形气体注入管道圆心的方向呈一锐角角度，气体注入口352内流出的气体经挡板354的阻挡，沿着挡板354的延伸方向进入反应腔内，每个气体注入口352出气口末端设置一挡板354，挡板354的形状可以为平板，也可以为带有一定弧度的挡板，所有挡板354的方向与气体注入口指向环形气体注入管道圆心的方向呈同一锐角角度，以确保反应气体在反应腔内呈理想的涡流状分布。挡板354可以焊接在内壁351对应切口的末端，也可以通过其他本领域技术人员容易实现的手段固定，本发明不再赘述。

图5为另一种实施例的气体注入装置剖面结构示意图，在图5所示的实施例中，环形气体注入管道内壁451上均匀分布若干气体注入口452，气体注入口452出气口末端设置气体喷嘴455。为了便于制作，本实施例中的气体注入口352的切口垂直于内壁351，为了达到理想的气体涡流分布，气体喷嘴455的方向与气体注入口指向环形气体注入管道圆心的方向呈一锐角角度，气体注入口452内流出的气体经气体喷嘴455的阻挡，沿着气体喷嘴455的延伸方向进入反应腔内，每个气体注入口452出气口末端设置一气体喷嘴455，所有气体喷嘴455的方向与气体注入口指向环形气体注入管道圆心的方向呈同一锐角角度，以确保反应气体在反应腔内呈理想的涡流状分布。气体喷嘴455可以焊接在内壁451对应切口的末端，也可以通过其他本领域技术人员容易实现的手段固定，本发明不再赘述。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种等离子处理装置，包括金属侧壁和绝缘顶板构成的真空封闭壳体，所述真空封闭壳体内设置基座和位于基座上方的待处理基片，以及施加到所述绝缘顶板上方线圈状天线上的射频电源，其特征在于：所述金属侧壁和所述绝缘顶板间设置一气体注入装置，所述气体注入装置包括环形气体注入管道，所述环形气体注入管道内填充反应气体，所述环形气体注入管道内壁厚度大于等于1mm，其上设置若干气体注入口，所述气体输出的方向与所述气体注入口指向所述环形气体注入管道圆心的方向的夹角呈一锐角，所述气体经所述气体注入口在所述等离子体处理室内形成涡流状分布，用以延长所述气体到达基片的走行距离，延缓气体下沉速率，提高气体解离效率。

2.根据权利要求1所述的等离子处理装置，其特征在于：所述的气体注入口数量≥3，在所述环形气体注入管道内壁上均匀分布。

3.根据权利要求1所述的等离子处理装置，其特征在于：所述气体注入口为穿透所述内壁的孔或窄槽，所述孔或窄槽的开口方向与所述气体注入口指向所述环形气体注入管道圆心的方向的夹角呈一锐角。

4.根据权利要求1所述的等离子处理装置，其特征在于：所述气体注入口包括穿透所述内壁的孔或窄槽，每个孔或窄槽的出口处设置一挡板，所述挡板方向与气体注入口指向所述环形气体注入管道圆心的方向的夹角呈一锐角。

5.根据权利要求4所述的等离子处理装置，其特征在于：穿透所述内壁的孔或窄槽在所述内壁上的切口方向垂直于所述内壁或者与所述内壁呈其他角度；所述挡板的形状可以为平板，也可以为带有一定弧度的弧形板。

6.根据权利要求1所述的等离子处理装置，其特征在于：所述气体注入口包括穿透所述内壁的孔或窄槽和位于孔或窄槽出气方向末端的喷嘴，所述喷嘴方向与气体注入口指向所述环形气体注入管道圆心的方向的夹角呈一锐角。

7.根据权利要求6所述的等离子处理装置，其特征在于：穿透所述内壁的孔或窄槽在所述内壁的切口方向和位于孔或窄槽出气方向末端的喷嘴方向相同或有一定的角度。

8.根据权利要求1所述的等离子处理装置，其特征在于：所述若干气体注入口的气体输出方向与所述气体注入口指向所述环形气体注入管道圆心的方向的夹角呈同一锐角。