CN104752140B - 一种反应腔室及等离子体加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种反应腔室及等离子体加工设备，其包括电源、介质窗、连接侧壁和平面线圈；介质窗水平设置于反应腔室的顶部，其由非导电材料制成；介质窗的数量为一个或多个，且其中包括至少一个不与反应腔室的顶壁处于同一水平面上的第一介质窗；第一介质窗通过连接侧壁与反应腔室的顶壁固定连接，且第一介质窗和连接侧壁相配合将反应腔室内部分割为多个区域；平面线圈设置于介质窗的上方，且与电源电连接，用于在与电源连接时，产生电磁场，将反应腔室内与其对应的区域内的工艺气体激发为等离子体。上述反应腔室，可以控制等离子体在反应腔室内的分布和反应腔室内等离子体的密度；并提高感应耦合产生等离子体的效率更高。

Description

一种反应腔室及等离子体加工设备

技术领域

本发明涉及半导体设备制造领域，具体地，涉及一种反应腔室及等离子体加工设备。

背景技术

等离子体加工设备主要借助在反应腔室内产生的等离子体对被加工工件进行刻蚀、沉积等工艺；具体地，其一般通过下述方式在反应腔室内产生等离子体：向设于反应腔室上的感应线圈中加载射频功率，使其在反应腔室内产生电磁场，从而将反应腔室内的工艺气体耦合为等离子体。

图1为现有的第一种反应腔室的结构示意图。请参阅图1，反应腔室1的顶壁上方设有感应线圈2，感应线圈2为在平面内按照一定方式缠绕的平面线圈，其与射频电源3连接。在工艺过程中，射频电源3向感应线圈2加载射频功率，可以使感应线圈2在反应腔室1内产生电磁场，将反应腔室1内的工艺气体耦合为等离子体。

在上述反应腔室1中，由于感应线圈2产生的电磁场不是均匀电磁场，这使得等离子体在反应腔室1内的分布不均匀；并且，在越靠近感应线圈2的区域，等离子体的密度越高，其分布相应地越不均匀。在实际应用中，一般通过增大被加工工件与感应线圈2的距离来使等离子体在被加工工件表面的分布更加均匀，但这样会导致被加工工件表面区域的等离子体的密度较低，从而降低刻蚀或沉积工艺的速率，进而降低等离子体加工设备的生产效率。

图2为现有的第二种反应腔室的结构示意图。请参阅图2，反应腔室4的顶壁上设有一个圆柱形介质窗5以及多个与介质窗5同心的环形介质窗6；其中，介质窗5的侧壁外侧环绕有线圈7，每个介质窗6的侧壁外侧环绕有线圈8；线圈7和线圈8均与射频电源9连接。在工艺过程中，射频电源9向线圈7和线圈8加载射频功率，可以使其在反应腔室4内产生电磁场，将反应腔室4内的工艺气体耦合为等离子体；并且，通过增加加载至线圈7和线圈8上的射频功率，可以在被加工工件距离介质窗5和介质窗6较远的情况下，使被加工工件表面的等离子体具有较高的密度和良好的分布均匀性。

但在实际应用中，上述反应腔室4不可避免地存在下述问题，即：在通过增加加载至线圈7和线圈8上的射频功率使被加工工件表面的等离子体具有较高的密度的工艺过程中，会消耗较多的能量，并使线圈7和线圈8的耦合效率较低；同时，增加加载至线圈7和线圈8上的射频功率，还使介质窗5和介质窗6的侧壁内侧的等离子体的密度相应增大，这样就增大了等离子体对介质窗5和介质窗6的内壁的容性轰击，从而会导致介质窗5和介质窗6的侧壁因此而受到较大的损耗；并且，还导致介质窗5和介质窗6的侧壁因等离子体的容性轰击而升温的幅度增大，这样就增大了介质窗5和介质窗6侧壁上各区域之间的温度梯度，从而导致在上述温度梯度超出介质窗5和介质窗6的承受范围时，介质窗5和介质窗6会因此而断裂。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种反应腔室及等离子体加工设备，其通过在反应腔室内部的一个或多个区域内独立地产生等离子体，控制并调节反应腔室内的等离子体的密度和等离子体在反应腔室内的分布均匀性。

为实现本发明的目的而提供一种反应腔室，用于对被加工工件进行工艺处理，所述反应腔室包括电源、介质窗、连接侧壁和平面线圈；所述介质窗水平设置于所述反应腔室的顶部，其由非导电材料制成；所述介质窗的数量为一个或多个，且其中包括至少一个不与所述反应腔室的顶壁处于同一水平面上的第一介质窗；所述第一介质窗通过所述连接侧壁与所述反应腔室的顶壁固定连接，且所述第一介质窗和所述连接侧壁相配合将所述反应腔室内部分割为多个区域；所述平面线圈设置于介质窗的上方，且与所述电源电连接，用于在与电源连接时，产生电磁场，将反应腔室内与其对应的区域内的工艺气体耦合为等离子体。

其中，所述连接侧壁由导电材料或非导电材料制成。

其中，所述第一介质窗的数量为一个，其在竖直方向上低于所述反应腔室的顶壁，且其位于所述反应腔室内的被加工工件的竖直上方。

其中，所述介质窗的直径大于所述被加工工件的直径。

其中，所述反应腔室的顶壁由一个或多个介质窗组成。

其中，位于所述第一介质窗上方的平面线圈和位于所述组成反应腔室的顶壁的介质窗上方的平面线圈在竖直方向上的高度差大于50mm。

其中，所述平面线圈与所述介质窗及所述反应腔室的外壁之间的距离大于25mm。

其中，所述介质窗的数量为多个；所述平面线圈的数量为多个，其分别设于不同的介质窗上方；所述每个平面线圈与一个电源一一对应的连接，且与多个平面线圈连接的多个电源之间的相位同步；或者所述多个平面线圈彼此并联或串联后与一个电源连接，且所述多个平面线圈内的电流方向一致。

其中，所述反应腔室包括气体供给***，所述气体供给***包括多个通气孔，所述多个通气孔分别与所述反应腔室内的不同区域连通，用于向所述反应腔室内的不同区域通入相应质量流量的工艺气体。

其中，所述反应腔室还包括气体质量流量控制计或气动阀，所述气体质量流量控制计或气动阀用于控制经多个通气孔通入所述反应腔室内不同区域的工艺气体的质量流量。

作为另一个技术方案，本发明还提供一种等离子体加工设备，包括反应腔室，所述反应腔室采用本发明提供的上述反应腔室。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的反应腔室，其第一介质窗与连接侧壁相配合将反应腔室内分割为多个区域，并通过设于介质窗上方的平面线圈在其中的一个或多个区域内耦合等离子体，从而可以通过控制上述区域内等离子体产生的效率对等离子体在反应腔室内的分布和反应腔室内等离子体的密度进行控制和调节，进而可以使等离子体在反应腔室的相应区域内分布均匀，且具有相应的密度；此外，本发明提供的反应腔室采用平面线圈，相比现有技术中采用的螺线管型线圈，其感应耦合的效率更高，并且可以减少等离子体对介质窗的容性轰击，防止介质窗因此而损坏，从而可以延长介质窗的使用寿命。

本发明提供的等离子体加工设备，其采用本发明提供的上述反应腔室，可以控制反应腔室内等离子体的密度和等离子体在反应腔室内的分布，并使等离子体在反应腔室的相应区域内分布均匀，且具有相应的密度；还可以提高感应耦合产生等离子体的效率，并可以减少等离子体对介质窗的容性轰击，防止介质窗因此而损坏，从而可以延长介质窗的使用寿命。

附图说明

图1为现有的第一种反应腔室的结构示意图；

图2为现有的第二种反应腔室的结构示意图；

图3为本发明第一实施例提供的反应腔室的结构示意图；

图4为图3所示反应腔室的俯视示意图；

图5为平面线圈与电源连接的示意图；

图6为图3所示反应腔室中连接侧壁由非导电材料制成的示意图；

图7为两个平面线圈彼此并联的示意图；

图8为两个平面线圈彼此串联的示意图；

图9为反应腔室中介质窗的数量为一个的示意图；

图10为本发明第二实施例提供的反应腔室的结构示意图；以及

图11为图10所示反应腔室中连接侧壁由非导电材料制成的示意图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明提供的反应腔室及等离子体加工设备进行详细描述。

图3为本发明第一实施例提供的反应腔室的结构示意图。图4为图3所示反应腔室的俯视示意图。请一并参阅图3和图4，反应腔室10用于对被加工工件11进行工艺处理，其包括电源12、介质窗13、平面线圈14、连接侧壁15和气体供给***16。其中，介质窗13水平设置于反应腔室10的顶部，其由非导电材料制成；介质窗13的数量为一个或多个，且其中包括至少一个不与反应腔室10的顶壁处于同一水平面上的第一介质窗131；第一介质窗131通过连接侧壁15与反应腔室10的顶壁连接，且第一介质窗131与连接侧壁15相配合将反应腔室10内部分割为多个区域。具体地，在本实施例中，连接侧壁15由导电材料制成；介质窗13的数量为两个，其中一个为第一介质窗131；该第一介质窗131在竖直方向上低于反应腔室10的顶壁，其位于反应腔室10内被加工工件11的竖直上方，且其直径大于被加工工件11的直径，从而该第一介质窗131与连接侧壁15相配合可以将反应腔室10内部分割为处于第一介质窗131下方的区域A和环绕区域A的环形区域B等两个区域，且使被加工工件11完全处于区域A内。

在本实施例中，反应腔室10的顶壁为两个介质窗13中除第一介质窗131外的另一个介质窗132。具体地，介质窗132为环形，其环绕第一介质窗131；且介质窗132的外径和内径之间的差值大于40mm。

气体供给***16包括多个通气孔，多个通气孔分别与反应腔室10内的不同区域连通，用于向反应腔室10内的不同区域通入相应质量流量的工艺气体。具体地，在本实施例中，多个通气孔包括与区域A连通的通气孔161和与环形区域B连通的通气孔162；其中，通气孔161和162的数量可以为一个或多个。

平面线圈14设置于介质窗13的上方，且与电源12电连接，用于在与电源12连接时，穿过介质窗13在反应腔室10内产生电磁场，进而将反应腔室10内与其对应的区域内的工艺气体耦合为等离子体。具体地，在本实施例中，平面线圈14包括设于第一介质窗131上方的平面线圈141和设于介质窗132上方的平面线圈142。并且，如图5所示，平面线圈141通过匹配器121与一个电源12连接，平面线圈142通过匹配器122与另一个电源12连接；并且，与平面线圈141和平面线圈142连接的两个电源12之间通过相位同步控制线缆120连接，使两个电源12之间的相位同步，以避免平面线圈141和平面线圈142彼此之间产生干扰。

在本实施例中，反应腔室10内产生等离子体的过程如下：气体供给***16通过通气孔161和162向反应腔室10内的区域A和环形区域B中通入工艺气体；平面线圈141和142分别与电源12连接，并在反应腔室10内产生电磁场；其中，平面线圈141产生的电磁场将区域A内的工艺气体耦合为等离子体，平面线圈142产生的电磁场将环形区域B内的工艺气体耦合为等离子体；从而在反应腔室10内产生等离子体。

在上述过程中，由于平面线圈141在区域A内耦合等离子体和平面线圈142在环形区域B内耦合等离子体的过程是彼此独立的，因此在实际应用中，可以通过分别控制平面线圈141在区域A内和平面线圈142在环形区域B内耦合等离子体的速率来使区域A和环形区域B内的等离子体具有相应的密度，从而可以控制并调节等离子体在反应腔室10内的分布；进而可以通过上述方式使反应腔室10内的等离子体具有较好的均匀性以及较高的密度，使反应腔室10对被加工工件的刻蚀、沉积等工艺具有较高的均匀性，同时还具有较高的生产效率。

在本实施例中，等离子体由平面线圈14耦合工艺气体而产生，相比现有技术中使用螺线管型线圈耦合工艺气体为等离子体，其感应耦合的效率更高；并且可以减少等离子体对介质窗13的容性轰击，从而减小介质窗13受到的损耗和介质窗13因等离子体轰击而升温的幅度，防止介质窗13因此而损坏，进而可以延长介质窗13的使用寿命。

综上所述，本实施例提供的反应腔室，其第一介质窗131与连接侧壁15相配合将反应腔室10内分割为多个区域，并通过设于介质窗13上方的平面线圈14在其中的一个或多个区域内耦合等离子体，从而可以通过控制上述区域内等离子体产生的效率对等离子体在反应腔室10内的分布和反应腔室10内等离子体的密度进行控制和调节，进而可以使等离子体在反应腔室10的相应区域内分布均匀，且具有相应的密度；此外，本实施例提供的反应腔室采用平面线圈，相比现有技术中采用的螺线管型线圈，其感应耦合的效率更高，并且可以减少等离子体对介质窗13的容性轰击，防止介质窗13因此而损坏，从而可以延长介质窗13的使用寿命。

在本实施例中，反应腔室10还包括气体质量流量控制计或气动阀，其用于控制经通气孔161和162通入反应腔室10内不同区域的工艺气体的质量流量；在实际应用中，通过控制通入反应腔室10内不同区域的工艺气体的质量流量，可以控制平面线圈14在反应腔室10不同区域内耦合等离子体的效率，从而控制反应腔室10内的等离子体的密度和等离子体在反应腔室10内的分布。

在本实施例中，平面线圈14与介质窗13及反应腔室10的外壁之间的距离大于25mm；位于第一介质窗131上方的平面线圈141与位于介质窗132上方的平面线圈142之间的高度差大于50mm。

需要说明的是，在本实施例中，连接侧壁15由导电材料制成，但本发明并不限于此，在实际应用中，如图6所示，连接侧壁15还可以由非导电材料制成；在此情况下，连接侧壁15除连接第一介质窗131和介质窗132外，其还相当于平面线圈141的竖直介质窗，使平面线圈141可以穿过连接侧壁15将环形区域B内的工艺气体耦合为等离子体，从而可以增加其耦合效率，并提高反应腔室10内相应区域的等离子体的密度。

还需要说明的是，在本实施例中，平面线圈141和142分别与一个电源12电连接，与平面线圈141和142连接的两个电源12的相位相同，但本发明并不限于此，在实际使用中，如图7和图8所示，平面线圈141和142还可以彼此并联或串联后与一个电源12连接，并使平面线圈141和142内的电流方向一致，以避免平面线圈141和142彼此之间产生干扰。

此外，在本实施例中，介质窗13的数量为两个，但本发明并不限于此，在实际应用中，介质窗13的数量还可以为一个；具体地，如图9所示，该介质窗13在竖直方向上低于反应腔室10的顶壁，且其位于反应腔室10内的被加工工件11的竖直上方；并且，该介质窗13的直径大于被加工工件11的直径；在此情况下，该介质窗13与连接侧壁15相配合同样将反应腔室10内部分割为区域A和环形区域B等两个区域；在实际使用中，设于该介质窗13上方的平面线圈14将区域A内的工艺气体感应耦合为等离子体，且其在区域A上方靠近介质窗13的区域的耦合效率较高，在区域A下方远离介质窗13的区域的耦合效率较低；同时，区域A上方的等离子体会向环形区域B上方扩散，从而可以使工艺气体在与被加工工件11对应的区域A内具有较好的分布均匀性。

图10为本发明第二实施例提供的反应腔室的结构示意图。请参看图10，本实施例提供的反应腔室10与上述第一实施例相比，同样包括电源12、介质窗13、平面线圈14、连接侧壁15和气体供给***16，由于上述电源12、介质窗13、平面线圈14、连接侧壁15和气体供给***16的结构和功能在上述第一实施例中已有了详细描述，在此不再赘述。

下面仅就本实施例提供的反应腔室与上述第一实施例的不同之处进行详细描述。在本实施例中，第一介质窗131的数量为一个，反应腔室10的顶壁由多个介质窗132组成；具体地，第一介质窗131上方设置由平面线圈141，组成反应腔室10的顶壁的每个介质窗132上方设置平面线圈142；第一介质窗131通过由导电材料制成的连接侧壁151和152与反应腔室10的顶壁，即多个介质窗132固定连接；且第一介质窗131与连接侧壁151和152将反应腔室10内分割为区域A、环形区域B和环形区域C。

在本实施例中，平面线圈141和设于多个介质窗132上方的平面线圈142与电源12连接，可以在环形区域B和区域A、环形区域C内分别将工艺气体耦合为等离子体；而通过控制平面线圈141和多个平面线圈142在环形区域B和区域A、环形区域C中耦合等离子体的效率可以控制等离子体在区域A、环形区域B和环形区域C等不同区域的分布和上述多个区域内等离子体的密度，从而可以灵活地控制并调节等离子体在反应腔室10内的分布均匀性和密度。

需要说明的是，在本实施例中，连接侧壁151和152由导电材料制成，但本发明并不限于此，在实际应用中，如图11所示，连接侧壁151和152还可以由非导电材料制成，在此情况下，连接侧壁151和152除连接第一介质窗131和介质窗132外，还相当于平面线圈141的竖直介质窗，使平面线圈141可以穿过连接侧壁151和152，在区域A和环形区域C内将工艺气体耦合为等离子体，这样就增加了平面线圈141的耦合效率，同时还可以提高区域A和环形区域C内的等离子体的密度。

作为另一个技术方案，本发明实施例还提供一种等离子体加工设备，其包括反应腔室，该反应腔室采用本发明上述实施例提供的反应腔室。

本发明实施例提供的等离子体加工设备，其采用本发明上述实施例提供的反应腔室，可以控制反应腔室内等离子体的密度和等离子体在反应腔室内的分布，并使等离子体在反应腔室的相应区域内分布均匀，且具有相应的密度；还可以提高感应耦合产生等离子体的效率，并可以减少等离子体对介质窗的容性轰击，防止介质窗因此而损坏，从而可以延长介质窗的使用寿命。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种反应腔室，用于对被加工工件进行工艺处理，其特征在于，所述反应腔室包括电源、介质窗、连接侧壁和平面线圈；

所述介质窗水平设置于所述反应腔室的顶部，其由非导电材料制成；所述介质窗的数量为多个，且其中包括一个在竖直方向上低于所述反应腔室的顶壁的第一介质窗，所述第一介质窗的直径大于所述被加工工件的直径，且所述第一介质窗位于所述反应腔室内的被加工工件的竖直上方；所述第一介质窗通过所述连接侧壁与所述反应腔室的顶壁固定连接，且所述第一介质窗和所述连接侧壁相配合将所述反应腔室内部分割为多个区域；

所述平面线圈设置于介质窗的上方，且与所述电源电连接，用于在与电源连接时，产生电磁场，将反应腔室内与其对应的区域内的工艺气体耦合为等离子体。

2.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，所述连接侧壁由导电材料或非导电材料制成。

3.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，位于所述第一介质窗上方的平面线圈和位于组成反应腔室的顶壁的介质窗上方的平面线圈在竖直方向上的高度差大于50mm。

4.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，所述平面线圈与所述介质窗及所述反应腔室的外壁之间的距离大于25mm。

5.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，所述介质窗的数量为多个；所述平面线圈的数量为多个，其分别设于不同的介质窗上方；

所述每个平面线圈与一个电源一一对应的连接，且与多个平面线圈连接的多个电源之间的相位同步；或者

所述多个平面线圈彼此并联或串联后与一个电源连接，且所述多个平面线圈内的电流方向一致。

6.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，所述反应腔室包括气体供给***，所述气体供给***包括多个通气孔，所述多个通气孔分别与所述反应腔室内的不同区域连通，用于向所述反应腔室内的不同区域通入相应质量流量的工艺气体。

7.根据权利要求6所述的反应腔室，其特征在于，所述反应腔室还包括气体质量流量控制计或气动阀，所述气体质量流量控制计或气动阀用于控制经多个通气孔通入所述反应腔室内不同区域的工艺气体的质量流量。

8.一种等离子体加工设备，包括反应腔室，其特征在于，所述反应腔室采用权利要求1-7任意一项所述的反应腔室。