CN114334593B - 一种约束环和等离子体处理装置及其排气方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种约束环和等离子体处理装置及其排气方法，所述约束环在等离子体处理装置中，用来约束等离子体反应腔中的等离子体。所述约束环包含多个环体和多个肋条，多个环体同心圆设置，相邻的两个环体之间存在环形间隙，作为约束环的气体通道；所述肋条设置于环体的下方，多个肋条沿环体的周向均匀分布，且每个肋条与所有的环体相交，将多个环体连接形成一体。本发明中，每个肋条至少部分不沿径向设置，从而避免了一个径向上的气流被完全阻挡；所述肋条截面设计为梯形，使肋条顶面变窄、肋条底面宽不超过环体的环壁宽度，从而进一步降低了肋条对气流的阻挡，气体分布均匀、无相互扰动，从而排出颗粒物、使其不在晶圆表面沉积。

Description

一种约束环和等离子体处理装置及其排气方法

技术领域

本发明属于等离子体刻蚀技术领域，具体涉及一种约束环和等离子体处理装置及其装置排气方法。

背景技术

等离子体处理装置，通常将反应气体引入到反应腔内生成等离子体，用来对反应腔内放置的晶圆进行等离子沉积、蚀刻等处理，处理过程中产生的颗粒物通过腔体下方的分子泵或干泵抽排至反应腔外。

约束环在反应腔内环绕承载晶圆的基座设置，图1为现有的约束环结构仰视图。如图1所示，约束环的多个环体1同圆心设置，环体1间形成环形气体通道2，反应腔内的气体经由环形气体通道2进入排气区域。受限于机械结构设计要求，约束环的环体1下方设置有多个肋条3、通过肋条3将各环体1连接成为一体。每个肋条3沿环体1的径向布置，在径向上对气流造成一定程度的阻挡，从而引起局部区域的气体扰动，使得反应腔中局部颗粒物无法沿规定路径排出反应腔，在晶圆表面不均匀的沉积分布。图2为晶圆表面颗粒物分布图，从图2中不难发现，颗粒物沉积的区域与约束环上肋条的分布和数量相对应。颗粒物在晶圆表面的堆积、不均匀分布会导致晶圆刻蚀率的不均匀性，影响刻蚀质量。

发明内容

本发明提供了一种约束环和等离子体处理装置及其排气方法，通过对约束环结构进行优化，使等离子体处理装置反应腔中气体分布均匀，避免径向完全阻挡气流，降低气体之间的相互扰动，进而反应腔中颗粒物沿规定路径排出。

本发明的一个技术方案是提供一种约束环，其包括多个环体和多个肋条；所述环体同圆心布置，相邻环体之间的缝隙形成气体通道；每个所述肋条设置于环体的下方，并与所有的环体相交；每个肋条中的一部分不垂直于所述环体在交点处的切线。

可选地，所述肋条顶面的宽度小于肋条底面的宽度；所述肋条顶面与环体底面连接。

可选地，所述肋条的截面为梯形，所述肋条包含位于肋条顶面和肋条底面之间的侧面，至少一个所述侧面是倾斜的。

可选地，所述倾斜的侧面与肋条底面形成的夹角大于45°。

可选地，所述肋条底面的宽度不大于单个环体的宽度。

可选地，所述多个肋条沿所述环体的周向均匀分布。

可选地，每个肋条与同一个环体上的一处或多处连接。

可选地，每个肋条是直线段，其与环体相交，所述肋条与环体在交点处的切线形成的夹角小于90°。

可选地，每个肋条是弧形段。

可选地，每两个肋条形成一肋条组；肋条组中的两个肋条对称设置，两个肋条相互连接，或相互隔开；多个肋条组沿所述环体的周向均匀分布。

可选地，每个肋条包含一个或多个沿环体圆周方向的第一部分，和一个或多个第二部分，所述第二部分用于连接环体。

可选地，所述环体和所述肋条为铝合金材质。

本发明的另一个技术方案是提供一种等离子体处理装置，包含反应腔，所述反应腔内设有基座，用来承载晶圆；所述反应腔内注有反应气体以形成等离子体，用来处理晶圆；所述反应腔与排气泵连接，用来将处理晶圆产生的副产物排出所述反应腔；

所述等离子体处理装置进一步包含上述任意一种所述约束环，所述约束环在反应腔内环绕基座设置；所述约束环设置在所述排气泵上方，用来约束等离子体；所述约束环包含多个环体和多个肋条；所述环体同圆心布置，相邻环体之间的缝隙形成气体通道；每个所述肋条设置于环体的下方，并与所有的环体相交；每个肋条中的一部分不垂直于所述环体在交点处的切线。

本发明的另一个技术方案是提供一种排气方法，适用上述等离子体处理装置，反应腔内的气体流向围绕基座的约束环，穿过所述约束环的气体通道，排放到约束环下方的排气区域，通过排气泵排出；从气体通道流出的气体，在流向设有肋条的区域时，沿着肋条的侧面流动到排气区域，使得气体在设有肋条的区域分布均匀。

与现有技术相比，本发明所述约束环和等离子体处理装置及其排气方法，其优点在于：

本发明中环体下方设置的肋条，至少部分不垂直于所述环体在交点处的切线，减少了肋条在径向对气流的阻挡；示例的肋条截面设计为梯形，使连接环体的肋条顶面变窄，从气体通道中流出的气流沿肋条倾斜的侧面流动到排气区域，降低气体之间的扰动，反应腔中气体分布均匀，颗粒物随气流排出反应腔，从而避免发生颗粒物在晶圆表面的堆积、不均匀分布等问题。

附图说明

图1为现有的约束环结构俯视图；

图2为晶圆表面颗粒物分布图；

图3为本发明所述肋条在A-A方向的截面示意图；

图4为本发明实施例中所述环体结构俯视图；

图5和图6为本发明实施例一中约束环结构俯视图；

图7和图8为本发明实施例二中约束环结构俯视图；

图9和图10为本发明实施例三中约束环结构俯视图；

图11和图12为本发明实施例四中约束环结构俯视图；

图13为本发明实施例五中约束环结构俯视图；

图14和图15为本发明实施例六中约束环结构俯视图；

图16为本发明所述等离子体处理装置结构示意图。

具体实施方式

本发明提供的一种用于等离子体处理装置的约束环，包含多个环体1和多个肋条3。多个环体1同圆心布置，相邻的两个环体1之间存在环形间隙，作为约束环的气体通道2。所述肋条3设置于环体的下方，具体的，在环体底面，多个肋条3沿环体的周向均匀分布；每个肋条3与所有的环体1相交；可以通过肋条3将多个环体1连接。示例的环体1和肋条材质相同，均采用铝合金制备。

示例的一种肋条，其A-A方向的截面为梯形，如图3所示。所述肋条包含肋条顶面a、与肋条顶面相对的肋条底面b，以及位于肋条顶面和肋条底面之间的侧面c。所述肋条顶面a的宽度小于肋条底面b的宽度；所述肋条通过肋条顶面a与环体底面连接。所述肋条底面b的宽度等于或小于单个环体的宽度，对应于气体通道2处的肋条顶面a较窄小，可以减小肋条对气流的阻挡。在某些特殊情况下，例如，需要通过肋条改变气流方向时，所述肋条底面的宽度也可以大于环体壁宽度或者使肋条底面与侧面的夹角具有其他的角度。所述肋条的侧面c至少有一个是倾斜的，且倾斜的侧面与肋条底面之间的夹角θ需要大于45°。气体从气体通道2中流出后，可沿环体1下方的肋条的侧面c继续流动。

每个肋条与一个环体1可以有一处相交，也可以有多处相交(一个肋条与一个环体1可以有一交点或多个交点)。每个肋条中至少一部分不垂直其与环体交点处的切线。示例地，每个肋条可以不沿环体的径向设置，或者每个肋条有一部分可以不沿环体的径向设置。

下文以包含四个环体1的约束环为实施例，对设置于环体底部的肋条进行详细说明介绍，应当指出的是，本发明对约束环中环体1的数量以及肋条的形状不做限制，实际应用中可以根据需要分别进行选择，特此说明。下文的每个实施例中，约束环中环体从圆心向外依次为：第一环体11、第二环体12、第三环体13和第四环体14；气体通道从圆心向外依次为：第一气体通道21、第二气体通道22和第三气体通道23，如图4所示。

实施例一

图5为本发明实施例一中约束环结构俯视图。在所述环体底面设置弧形的肋条31，如图5所示。本示例用了四个肋条31，这些肋条在环体底面沿环体圆周方向均匀分布；每一个肋条31都与所有的环体相交，将各个环体连接形成一体。具体的，每个肋条31的两端311分别连接在第四环体14的不同位置处，肋条31的弧顶312连接在第一环体11上，所述肋条31与最内层的第一环体11有一个交点，与第二环体12、第三环体13和第四环体14分别有两个交点，如图5所示。

或者，如图6所示，实施例一中每个肋条31的两端311分别连接在第一环体11的不同位置处，肋条31的弧顶312连接在第四环体14上，所述肋条31与最外层的第四环体14有一个交点，与第一环体11、第二环体12、第三环体13分别有两个交点。弧形设计避免了肋条在一个径向方向上完全阻挡气流。

实施例二

图7为本发明实施例二中约束环结构俯视图。在所述环体底面设置直线形的肋条32，如图7所示。本示例用了八个肋条32，这些肋条在环体底面沿环体圆周方向均匀分布；每一个肋条32都与所有的环体相交，将各个环体连接形成一体。具体的，每个肋条32的一端321与最内层的第一环体11连接，另一端322与最外层的第四环体14连接，肋条32的中间部分与第二环体12、第三环体13对应连接；一个肋条32与一个环体上的一处相交连接(一个肋条32与一个环体有一个交点)。每个肋条32与环体在交点处的切线形成的夹角α小于90°，即每个肋条32不垂直于环体在交点处的切线，所述肋条非径向设置，从而避免了直线形肋条32在一个径向方向上完全阻挡气流。

或者，实施例二中，在所述环体的底面设置直线形的肋条32，每一个肋条32都与所有的环体相交一次；每个肋条32与环体在交点处的切线形成的夹角α可以具有不同的角度和/或方向。例如，如图8所示，相邻的两个肋条32对称设置。

实施例三

图9为本发明实施例三中约束环结构俯视图。在所述环体底面设置弧形肋条33，如图9所示。本示例用了八个弧形肋条33在环体底面沿环体圆周方向均匀分布；每一个肋条33都与所有环体相交，将各个环体连接形成一体。具体的，所述弧形肋条33的一端331与最内层的第一环体11连接，另一端332与最外层的第四环体14连接，肋条33的中间部分与第二环体12、第三环体13对应连接。

与实施例一中的弧形肋条31不同的是，本示例中所述肋条33与一个环体上的一处相交连接，一个肋条33与一个环体只有一个交点。

每个弧形肋条弯曲的方向和/或弧度，可以是相同的，也可以是不同的。

例如，实施例三中，在所述环体的底面设置弧形的肋条33，每一个肋条33都与所有的环体相交一次，且相邻的两个肋条33对称设置，如图10所示。

实施例四

图11为本发明实施例四中约束环结构俯视图。如图11所示，在环体底面沿环体圆周方向均匀分布有多个肋条34，每个肋条34为类似Z形。每个肋条34都与所有的环体相交，将各个环体连接形成一体。

所述肋条34包含第一部分341和两个第二部分342。具体的，在第一部分的两端分别连接第二部分，且两个第二部分分别在第一部分两侧延伸设置，从而形成类似Z形的肋条34。所述第一部分341为弧形段，沿其所对应的环体的周向设置，且贴合对应环体的底面。

本示例中，第一部分341的弧度与第二环体12保持一致，使第一部分341贴合第二环体12的底面、沿环体周向设置，减少第一部分341对周围气体通道中气流的阻挡。同时，第二部分342为直线形，一个第二部分342伸向第一环体11，并与第一环体11相交；另一个第二部分342伸向第三环体13和第四环体14，并分别与第三环体13和第四环体14相交，从而将各环体连体成一体，如图14所示。

或者，第一部分341的弧度与第三环体13保持一致，使第一部分341贴合第三环体13的底面、沿环体周向设置；同时，第二部分342为直线形，一个第二部分342伸向第一环体11和第二环体12，并分别与第一环体11和第二环体12相交；另一个第二部分342伸向第四环体14，并与第四环体14相交，从而将各环体连体成一体，如图12所示。

本示例中，两个第二部分342可以均为直线形，也可以均为弧形，甚至可以一个为直线形，另一个为弧形；且，在第一部分的两端，两个第二部分可以均沿径向设置，也可以都不沿径向设置，还可以一个沿径向设置，另一个不沿径向设置，实际应用中可以根据需要灵活选择。

实施例五

本发明中，环体的下方还可以设置肋条组，在环体底面，多个肋条组沿环体的周向均匀分布。下文通过多个实施例，对设置于环体底部的肋条组在进行详细说明介绍，应当指出的是，本发明对肋条组的具体形状不做限制，实际应用中可以根据需要进行设定，特此说明。

图13为本发明实施例五中约束环结构俯视图。如图13所示，在环体底面沿环体圆周方向均匀分布有多个肋条组41，每个肋条组41为X形。本实例中，所述肋条组41由两个直线形的肋条交叉连接形成；所述肋条组41的交点O位于第二气体通道22上，避免了所述肋条组41中的两个肋条分别在不同位置阻挡气体通道，减小肋条组对气流的阻挡，所述肋条组41中的每个肋条与所有环体连接，使各个环体连接形成一体；并且每个肋条通过其顶面与环体底面相交连接。

本示例中所述肋条组41还可以由两个弧形肋条，或一个直线形的肋条和一个弧形肋条形成。

或者，在其他一些示例中，每个肋条是一种X形的结构，能用来替换实施例五所述的各个肋条组41。

实施例六

图14为本发明实施例六中约束环结构俯视图。如图14所示，在环体底面沿环体圆周方向均匀分布有多个肋条组42，所述肋条组42为人字形。本示例中，所述肋条组42有两个直线形的肋条，各有一端(称为连接端421)相互连接(各肋条的另一端称为分支端422)；所述肋条组42的连接端421与最外层的第四环体14连接，两个分支端422分别连接在第一环体11的不同位置处，如图14所示；或者，所述肋条组42的连接端421与最内层的第一环体11连接，两个分支端422分别连接在第四环体14的不同位置处，如图15所示。

本示例中所述肋条组42还可以由两个弧形肋条，或一个直线形的肋条和一个弧形肋条形成。

或者，在其他一些示例中，每个肋条是一种人字形的结构，能用来替换实施例六所述的各个肋条组42。

本发明还提供了一种等离子体处理装置，所述等离子体处理装置为电容耦合型等离子刻蚀设备，或电感耦合型等离子体反应装置。所述等离子体处理装置使用了上述任意一种约束环，如图16所示。所述等离子体处理装置用来对晶圆进行等离子沉积、蚀刻等处理，其包含反应腔，所述反应腔内设有基座6，用来承载晶圆7。在等离子体处理装置的反应腔内，所述约束环位于所述基座6和所述反应腔的腔壁5之间，且所述约束环环绕基座6设置。所述约束环以下为排气区，如图16所示。所述反应腔与一供气装置8连通，通过供气装置8向反应腔内注入反应气体，用以形成等离子体10对晶圆7进行处理；所述反应腔还与一排气泵9连通，通过排气泵9将反应气体抽排出反应腔，同时将处理晶圆产生的副产物，如颗粒物等随气流排出所述反应腔。所述排气泵9可采用分子泵或干泵。

当排气泵工作时，反应腔中的气体从晶圆7上方流向围绕基座6的约束环，穿过所述约束环的气体通道2，排放到约束环下方的排气区，通过排气泵9排出反应腔。所述约束环将气体排出的同时，将等离子体约束在反应区内，避免等离子体泄露到排气区。从气体通道2流出的气体流向环体1底部设有肋条3的区域时，部分气流遭遇肋条3，则从肋条的顶面流向肋条侧面，沿其倾斜的侧面流动到排气区域。每个肋条中的至少一部分不垂直于所述环体在交点处的切线，避免了肋条在一个径向方向上完全阻挡气流；同时由于肋条顶面窄小，且肋条底面宽度不大于环体的环壁宽度，进一步减小了肋条对气流阻挡。气体在设有肋条的区域分布均匀，避免了局部区域的气体扰动，颗粒物随气流排出反应腔，从而避免了颗粒物在晶圆表面沉积。

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 (14)

1.一种用于等离子体处理装置的约束环，其特征在于，包含多个环体和多个肋条；所述环体同圆心布置，相邻环体之间的缝隙形成气体通道；每个所述肋条设置于环体的下方，并与所有的环体相交；每个肋条中的至少一部分不垂直于所述环体在交点处的切线以避免肋条在一个径向方向上完全阻挡气流。

2.如权利要求1所述约束环，其特征在于，所述肋条顶面的宽度小于肋条底面的宽度；所述肋条顶面与环体底面连接。

3.如权利要求2所述约束环，其特征在于，所述肋条的截面为梯形，所述肋条包含位于肋条顶面和肋条底面之间的侧面，至少一个所述侧面是倾斜的。

4.如权利要求3所述约束环，其特征在于，所述倾斜的侧面与肋条底面形成的夹角大于45°。

5.如权利要求2所述约束环，其特征在于，所述肋条底面的宽度不大于单个环体的宽度。

6.如权利要求1所述约束环，其特征在于，所述多个肋条沿所述环体的周向均匀分布。

7.如权利要求1所述约束环，其特征在于，每个肋条与同一个环体上的一处或多处连接。

8.如权利要求1所述约束环，其特征在于，每个肋条是直线段，其与环体相交，所述肋条与环体在交点处的切线形成的夹角小于90°。

9.如权利要求1所述约束环，其特征在于，每个肋条是弧形段。

10.如权利要求1所述约束环，其特征在于，每两个肋条形成一肋条组；肋条组中的两个肋条对称设置，两个肋条相互连接，或相互隔开；多个肋条组沿所述环体的周向均匀分布。

11.如权利要求1所述约束环，其特征在于，每个肋条包含一个或多个沿环体圆周方向的第一部分，和一个或多个第二部分，所述第二部分用于连接环体。

12.如权利要求1所述约束环，其特征在于，所述环体和所述肋条为铝合金材质。

13.一种等离子体处理装置，包含反应腔，所述反应腔内设有基座，用来承载晶圆；所述反应腔内注有反应气体以形成等离子体，用来处理晶圆；所述反应腔与排气泵连接，用来将处理晶圆产生的副产物排出所述反应腔；其特征在于，

进一步包含权利要求1～12中任意一项所述约束环，所述约束环在反应腔内环绕基座设置；所述约束环设置在所述排气泵上方，用来约束等离子体。

14.一种排气方法，适用于权利要求13中所述等离子体处理装置，反应腔内的气体流向围绕基座的约束环，穿过所述约束环的气体通道，排放到约束环下方的排气区域，通过排气泵排出；其特征在于，从气体通道流出的气体，在流向设有肋条的区域时，沿着肋条的侧面流动到排气区域，使得气体在设有肋条的区域分布均匀。