TWI812899B - 實現均勻排氣的雙工位處理器及其排氣方法、等離子體處理設備 - Google Patents
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Abstract
本發明公開了一種實現均勻排氣的雙工位處理器及其排氣方法，該雙工位處理器包括：兩個相鄰排列的等離子體處理腔室，以及一個共用的排氣泵，每個等離子體腔室內設有一基座，每個等離子處理腔室內環繞基座的周邊設有一限制環，限制環下方設有排氣區域，限制環上設有複數個氣體通道，用於將氣體排放至排氣區域，排氣泵與每個等離子體處理腔室的排氣區域相互流體連通，該雙工位處理器還包括一設置於限制環下方的旋轉環，旋轉環設有複數個阻擋區域，複數個阻擋區域與限制環的部分氣體通道相對應，並且隨著旋轉環的轉動，調整阻擋區域與氣體通道的對應位置。本發明通過旋轉環的部分阻擋，改變排氣區域的氣流分佈，同時採用不對稱轉速實現氣體流場的對稱。
Description
本發明涉及半導體設備的技術領域，特別涉及一種實現均勻排氣的雙工位處理器及其排氣方法、等離子體處理設備。
在利用反應氣體處理半導體基片的設備中，如等離子體蝕刻設備中，反應氣體在反應腔內解離成等離子體對半導體基片進行製程處理，隨著半導體基片的尺寸逐漸變大，處理製程的精度要求不斷提高，半導體基片處理的均勻程度成為衡量一台半導體設備合格與否的關鍵參數。
半導體設備具有複雜的內部環境，為了提高基片處理的效率，可以在一台處理設備上設置至少兩個反應腔，每個反應腔內至少包括一由反應腔外壁71圍成的反應腔70，反應腔內設置一支撐基片的基座30，該基座具有溫度調節功能；進氣元件72，控制反應氣體進入反應腔內，外部射頻源50，提供將反應氣體解離為等離子體的能量；排氣裝置40，將反應副產物排出反應腔同時維持反應腔內壓力。上述部件都會影響半導體基片處理結果的均勻性的。其中，控制基座的調溫功能，進氣元件的均勻進氣及外部射頻源在反應腔內均勻的電場分佈均可以有效的調節半導體基片的蝕刻均勻性，然而排氣裝置的排氣均勻性同樣可以對半導體基片的蝕刻均勻性結果產生顯著影響卻往往被人忽略。
如圖1所示，習知的半導體設備中，為了維持反應腔內的氣壓均衡，在反應腔的下游位置通常設置一等離子體約束裝置10，該氣體限制裝置可以容許氣體的反應副產物排出反應腔，同時將反應腔中的等離子體限制在等離子體的工作區域。氣體限制裝置通常環繞所述基座設置，包括一主體及複數個貫穿所述主體的孔或槽通道，以實現氣體副產物的排出。一排氣裝置40位於兩個反應腔內的等離子體約束裝置10的相鄰區域下方，等離子體約束裝置10與排氣裝置40之間的區域為排氣區域，排氣區域環繞在位於反應腔中心位置的基座周邊。通常具有兩個反應腔的等離子體處理設備為了保證不同反應腔內處理製程的同步運行，複數個反應腔的排氣區域往往設置為流體連通，並且與所述共同的排氣裝置40流體連通。因此，排氣裝置只能設置在兩反應腔相鄰側壁下方，通過一開口45實現反應腔與排氣裝置40的連通，這勢必導致不同位置的等離子體約束裝置10到排氣裝置40的路徑長短不同，導致不同等離子體約束裝置10下方的壓力不同，進而影響半導體基片表面氣體分佈的均勻度，降低半導體基片的合格率。
本發明的目的是提供一種實現均勻排氣的雙工位處理器及其排氣方法、等離子體處理設備，通過在限制環下方設置一旋轉環，通過旋轉環的部分阻擋，改變排氣區域的氣流分佈，同時採用不對稱轉速實現氣體流場的對稱。
為了實現以上目的，本發明是通過以下技術方案實現的：
一種實現均勻排氣的雙工位處理器，所述的雙工位處理器包括：兩個相鄰排列的等離子體處理腔室，以及一個共用的排氣泵，每個所述的等離子體腔室內設有一用於支撐基片的基座，每個所述的等離子處理腔室內環繞所述基座的周邊設有一限制環，所述限制環下方設有排氣區域，所述限制環具有複數個氣體通道，用於將氣體排放至排氣區域，所述的兩個等離子體處理腔室的排氣區域至少部分相互臨近並且相互流體連通，以構成一相鄰通氣區域，所述共用的排氣泵設置於所述相鄰通氣區域的下方，並同時與所述每個等離子體處理腔室的排氣區域相互流體連通，每個所述限制環包括第一區域和第二區域，所述第一區域為對應位於所述相鄰通氣區域上方的區域，所述第二區域為除所述第一區域之外的區域，其特點是，該雙工位處理器還包括一旋轉環，所述的旋轉環設置於限制環下方，所述的旋轉環設有複數個阻擋區域，所述複數個阻擋區域與限制環的部分氣體通道相對應。
較佳地，所述的旋轉環還設有複數個透氣區域，相鄰的兩個透氣區域之間形成阻擋區域。
較佳地，位於所述限制環的第一區域的下方的旋轉環的阻擋區域的表面積大於位於所述限制環的第二區域的下方的旋轉環的阻擋區域的表面積。
較佳地，所述阻擋區域位於所述限制環的第一區域下方。
較佳地，所述的旋轉環在旋轉一周的過程中，所述旋轉環的阻擋區域位於限制環的第一區域內氣體通道的下方的停留時間長於位於限制環的第二區域內氣體通道的下方的停留時間。
較佳地，所述的旋轉環包括：內邊緣和外邊緣，所述的阻擋區域設置於內邊緣和外邊緣之間。
一種實現均勻排氣的方法，其利用上述的雙工位處理器，其特點是，所述的方法包括：
根據當前的製程及等離子體處理腔室內的氣流分佈，調整旋轉環轉動時旋轉環的阻擋區域與限制環氣體通道的對應位置；
通過調節阻擋區域與限制環部分氣體通道的對應位置關係，調整整個限制環下方的排氣區域的氣體流量分佈。
較佳地，所述的旋轉環在旋轉一周的過程中，所述旋轉環的阻擋區域位於限制環的第一區域內氣體通道的下方的停留時間長於位於限制環的第二區域內氣體通道的下方的停留時間。
較佳地，所述調整整個限制環下方的排氣區域氣體流量分佈包括使得所述排氣區域的氣體流量分佈均勻。
一種實現均勻排氣的等離子體處理設備，其特點是，包括上述的雙工位處理器，每一個雙工位處理器中的每一個等離子體處理腔室中的氣體注入裝置都連接到反應氣體源。
本發明與習知技術相比，具有以下優點：
本發明通過在限制環下方設置一旋轉環，通過旋轉環的部分阻擋，改變排氣區域的氣流分佈，同時採用不對稱轉速實現氣體流場的對稱；
旋轉環的旋轉速度可控，可以動態調節限制環的各個部分氣體通道的開口率，進而滿足所有製程的均勻排氣要求；
提高了等離子體處理設備中反應腔內基片表面的反應氣體分佈的均勻度，提高了基片的蝕刻均勻度，提高了基片的合格率。
以下結合附圖，通過詳細說明一個較佳的具體實施例，對本發明做進一步闡述。
圖2示出根據本發明實施方式所提供的一種具有雙反應腔等離子體處理裝置的剖視圖，在另外的實施例中，等離子體處理裝置的反應腔數量可以多於兩個，其工作原理和排氣結構類似與雙反應腔結構。
在圖2所示的等離子體反應器100中，包括兩個相鄰排列的反應腔，兩個反應腔分別由反應腔壁101和101’圍成，並設有一個相鄰的側壁105，在等離子體製程處理過程中，等離子體反應器100內通常設置為真空環境，製程開始時，一氣體注入裝置將反應氣體源160中的反應氣體注入等離子體反應器100內，氣體注入裝置可以有多種形式，根據不同製程和反應腔的具體結構可以設置為平板型氣體噴淋頭或其他結構，本實施例中，氣體注入裝置設置為平板型的氣體噴淋頭120和120’，氣體噴淋頭120和120’能夠將反應氣體均勻注入反應器內，選擇氣體噴淋頭的材料為適合做電極的材料還可以將氣體噴淋頭連接射頻電源或接地，作為平行板電容的一部分，用以產生等離子體。氣體噴淋頭120和120’下方分別設置一支撐半導體基片135的基座130和130’，通常基座130和130’上方分別設置靜電夾盤133和133’，通過靜電夾盤133和133’產生的靜電吸力實現對半導體基片135在製程過程中的固定。基座130和130’的通常為圓柱形，坐落於反應腔底部的中心位置，以提供較為對稱的製程環境，有利於反應製程的順利進行。射頻功率源系統150和150’作用於基座130和130’，並在氣體噴淋頭120與基座130之間，氣體噴淋頭120’與基座130’產生電場，將自氣體噴淋頭120和氣體噴淋頭120’注入的反應氣體解離為等離子體，並維持等離子體對半導體基片進行作用。環繞基座130設置一限制環110，環繞基座130’設置一限制環110’。限制環110和110’水平面以上區域為等離子體處理區域102和102’，限制環110和110’下方區域為排氣區域103和103’。複數個等離子體處理腔室的排氣區域至少部分相互鄰近並且相互流體連通，以構成一相鄰通氣區域，兩個反應腔相鄰的側壁105的下方設置一開口145，用以實現兩個反應腔排氣區域103和103’的連通；開口145同時貫穿兩個反應腔相鄰區域的底部，在所述相鄰通氣區域的下方設置一排氣泵140，實現兩個反應腔共用一個排氣泵的設計，用於將反應製程產生的氣體副產物排出反應腔。
由於兩個反應腔具有大致相同的結構，為便於描述，現選取一個反應腔的結構進行詳細介紹。其中，環繞基座130設置的限制環110包括一大致呈環狀的導流主體111以及設置在導流主體111內的複數個氣體通道112，以利於所述等離子體處理區域102裡用過的反應氣體及副產物氣體通過此氣體通道進入排氣區域103，所述用過的反應氣體及副產物氣體內包括帶電粒子及中性粒子，所述氣體通道112的大小被設置成當等離子體內的帶電粒子通過所述氣體通道112時可以使帶電粒子被中和，同時允許中性粒子通過。排氣區域103和103’為環繞在基座130和基座130’的環形區域，由於兩個反應腔共用一個排氣泵140，為了保證兩個反應腔排氣速率的對稱性，故排氣泵140設置在兩個反應腔相鄰側壁105的下方，這必會導致兩個反應腔排氣區域103和103’不同位置的氣體到開口145的路徑不同，因此靠近開口145的排氣區域氣體沿A路線通過排氣泵排出反應腔，其排出速率較快，此處區域氣壓較小，此區域對應的限制環110和限制環110’上方用過的反應氣體及副產品氣體會較快的經氣體通道進入排氣區域103和103’，遠離開口145部分的排氣區域氣體沿B路線通過排氣泵140排出反應腔，其排出速率較慢，此處區域氣壓較大，此區域對應的限制環110和限制環110’上方用過的反應氣體及副產品氣體會較慢的經氣體通道進入排氣區域，導致限制環上方等離子體處理區域102和等離子體處理區域102’內的氣體分佈不均勻，進而導致不同區域的半導體基片處理不均勻。
圖3示出了本發明一種具有雙反應腔等離子體處理裝置的俯視圖，在圖3所示的俯視圖中，兩相鄰的反應腔並行排列，圓形虛線內示出兩反應腔的排氣區域相互鄰近的相鄰通氣區域，相鄰通氣區域下方設置所述的排氣泵，其中，每個所述限制環110包括位於相鄰通氣區域上方的第一區域1101和1101’和位於相鄰通氣區域以外區域上方的第二區域1102和1102’。
圖4為本發明一種實施例的旋轉環仰視圖；圖5、6為圖4的旋轉環位於等離子體處理裝置的限制環下方時的示意圖。參見圖5、6並結合圖2，在限制環110和限制環110’下方分別設置一個旋轉環20和旋轉環20’。圖5和圖6以在圖2的雙反應腔等離子體處理裝置的左側反應腔中的限制環110下方設置旋轉環為例。該旋轉環設有複數個阻擋區域，所述複數個阻擋區域與限制環的部分氣體通道相對應，並且隨著旋轉環的轉動，調整阻擋區域與氣體通道的對應位置。
如圖4所示，在具體實施例中，該旋轉環20包括一內邊緣201、外邊緣202和設置在內邊緣201和外邊緣202之間的阻擋區域203和透氣區域204，該內邊緣201和外邊緣202形成一中空的環狀結構，該內邊緣201對應於限制環110下方的內圈，外邊緣202對應於限制環110下方的外圈，內邊緣201與外邊緣202之間設有阻擋塊，該阻擋塊為上述的阻擋區域203。需要說明的是，該阻擋區域203占整個旋轉環20的比例可以為1/8，1/6，1/4等，具體的比例可根據實際工作需要。本實施例中，該阻擋區域203占整個旋轉環20的比例為3/4。另外，在本實施例中，該限制環的氣體通道可為複數個排氣孔，當旋轉環20處於靜止狀態時，該旋轉環20的阻擋區域203位於限制環的第一區域下方，旋轉環的透氣區域位於限制環的第二區域下方；當旋轉環處於旋轉運動時，旋轉環20在旋轉一周的過程中，如圖5所示，當阻擋區域203位於限制環110的第一區域內氣體通道下方，即位於排氣泵140上方位置時，阻擋區域203降低了第一區域的氣體流速，而第二區域的氣體流速沒有變化，這使得基座130上方氣體流量分佈均勻化甚至出現分佈的反轉；如圖6所示，當阻擋區域203位於限制環110的第二區域下方時，由於阻擋區域203處於氣流流速較慢的第二區域下方，進一步減緩了氣體流速，則基座130上方氣體流量分佈更不均勻。因此，可以通過調節阻擋區域203在各個不同排氣區域的停留時間來調節氣體排氣的均勻性，進一步地，所述旋轉環20的阻擋區域203位於限制環110的第一區域內氣體通道下方的停留時間長於位於限制環110的第二區域內氣體通道下方的停留時間。
需要說明的是，所述的旋轉環20在限制環110下方可以以不同的角速度非勻速旋轉，其中旋轉環20在相鄰通氣區域的轉速小於在非相鄰通氣區域的轉速，使得對應於相鄰通氣區域上方的限制環氣體通道的開口率小於非相鄰通氣區域上方的限制環氣體通道的開口率。
參見圖7，在其他實施例中，所述的旋轉環還設有複數個透氣區域204和阻擋區域203，相鄰的兩個透氣區域204之間形成阻擋區域203，具體地，該旋轉環包括內邊緣201和外邊緣202，並在內邊緣201和外邊緣202之間間隔設置複數個阻擋塊，該阻擋塊為阻擋區域203，阻擋塊之間的區域為透氣區域204，每個阻擋區域203的面積可以相同也可以不同，阻擋區域203面積越大，其覆蓋限制環的氣體通道覆蓋表面積越大，阻擋限制環的氣體通道排氣效果越明顯，較佳地，位於所述限制環的第一區域下方的阻擋區域203的表面積大於位於所述限制環的第二區域下方的阻擋區域203的表面積。
進一步地，上述旋轉環的阻擋區域203可間隔設置且區域面積不同，一方面，當該旋轉環在限制環下方處於靜止狀態時，位於所述限制環的第一區域下方的阻擋區域面積大於位於所述限制環的第二區域下方的阻擋區域面積；另一方面，當該結構的旋轉環可以在限制環下方非勻速轉動時，其具體轉速和停留時間可以參見上述實施例，具體不再贅述。將阻擋區域的面積設為大小不等，並與旋轉角速度配合，可以更精確的控制限制環氣體通道的開口率，滿足排氣均勻性的要求。
需要說明的是，在實際製程中，包括有很多步驟，且每個步驟中需要設定不同的氣體參數，反應腔內氣體流場經常會受到氣體壓力、氣體流量和氣體粘度係數的影響，且不同配方的氣體也會使氣體流場發生變化，因此需要根據當前的氣體流場分佈，選擇合適的旋轉環角速度，得到限制環不同狀態下的開口率，進而滿足所有製程的均勻排氣要求。
綜上所述，本發明一種實現均勻排氣的雙工位處理器及其排氣方法、等離子體處理設備，通過在限制環下方設置一旋轉環，通過旋轉環的部分阻擋，改變排氣區域的氣流分佈，同時採用不對稱轉速實現氣體流場的對稱。
儘管本發明的內容已經通過上述較佳實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在所屬技術領域中具有通常知識者閱讀了上述內容後，對於本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護範圍應由所附的申請專利範圍來限定。
10:等離子體約束裝置
100:等離子體反應器
101, 101’:反應腔壁
102,102’:等離子體處理區域
103,103’:排氣區域
105:側壁
110, 110’:限制環
1101, 1101’:第一區域
1102, 1102’:第二區域
111:導流主體
112:氣體通道
120, 120’:氣體噴淋頭
135:半導體基片
130, 130’:基座
133, 133’:靜電夾盤
140:排氣泵
150,150’:射頻功率源系統
160:反應氣體源
20, 20’:旋轉環
201:內邊緣
202:外邊緣
203:透氣區域
204:阻擋區域
30:基座
40:排氣裝置
45,145:開口
50:外部射頻源
70:反應腔
71:反應腔外壁
72:進氣元件
圖1為習知技術等離子體反應器的剖視圖；
圖2為本發明一種具有雙反應腔等離子體處理裝置的剖視圖；
圖3為本發明一種具有雙反應腔等離子體處理裝置的俯視圖；
圖4為本發明一種實施例的旋轉環仰視圖；
圖5、6為圖4的旋轉環用於等離子體處理裝置時的示意圖；
圖7為本發明另一種實施例的旋轉環仰視圖。
100:等離子體反應器
101,101’:反應腔壁
102,102’:等離子體處理區域
103,103’:排氣區域
105:側壁
110,110’:限制環
111:導流主體
112:氣體通道
120,120’:氣體噴淋頭
130,130’:基座
133,133’:靜電夾盤
135:半導體基片
140:排氣泵
150,150’:射頻功率源系統
160:反應氣體源
Claims (7)
- 一種實現均勻排氣的雙工位處理器，該雙工位處理器包括：兩個相鄰排列的等離子體處理腔室，以及一個共用的排氣泵，每個該等離子體腔室內設有一用於支撐基片的基座，每個該等離子處理腔室內環繞所述基座的周邊設有一限制環，該限制環的下方設有一排氣區域，該限制環具有複數個氣體通道，用於將氣體排放至該排氣區域，該兩個等離子體處理腔室的該排氣區域至少部分相互臨近並且相互流體連通，以構成一相鄰通氣區域，該共用的排氣泵設置於該相鄰通氣區域的下方，並同時與每個該等離子體處理腔室的該排氣區域相互流體連通，每個該限制環包括一第一區域和一第二區域，該第一區域為對應位於該相鄰通氣區域的上方的區域，該第二區域為除該第一區域之外的區域，其中，該雙工位處理器還包括一旋轉環，該旋轉環設置於該限制環的下方，該旋轉環設有複數個阻擋區域，該複數個阻擋區域與該限制環的部分氣體通道相對應，該旋轉環在旋轉一周的過程中，該旋轉環的該阻擋區域位於該限制環的該第一區域內該氣體通道的下方的停留時間長於位於該限制環的該第二區域內該氣體通道的下方的停留時間。
- 如請求項1所述的實現均勻排氣的雙工位元處理器，其中，該旋轉環還設有複數個透氣區域，相鄰的兩個該透氣區域之間形成一阻擋區域。
- 如請求項1所述的實現均勻排氣的雙工位元處理器，其中，位於該限制環的該第一區域的下方的該旋轉環的該阻擋區域的表面積大於位於該限制環的該第二區域的下方的該旋轉環的該阻擋區域的表面積。
- 如請求項1-3中任一項所述的實現均勻排氣的雙工位元處理器，其中，該旋轉環包括：一內邊緣和一外邊緣，該阻擋區域設置於該內邊緣和該外邊緣之間。
- 一種實現均勻排氣的方法，其利用如請求項1-4中任一項所述的雙 工位元處理器，其中，該實現均勻排氣的方法包括：根據當前的製程及該等離子體處理腔室內的氣流分佈，調整該旋轉環轉動時該旋轉環的該阻擋區域與該限制環的該氣體通道的對應位置；通過調節該阻擋區域與該限制環部分的該氣體通道的對應位置關係，調整整個該限制環下方的該排氣區域的氣體流量分佈；所述的旋轉環在旋轉一周的過程中，所述旋轉環的阻擋區域位於限制環的第一區域內氣體通道下方的停留時間長於位於限制環的第二區域內氣體通道下方的停留時間。
- 如請求項5所述的實現均勻排氣的方法，其中，所述調整整個該限制環的下方的該排氣區域的氣體流量分佈包括使得該排氣區域的氣體流量分佈均勻。
- 一種實現均勻排氣的等離子體處理設備，其中，包括如請求項1-4中任一項所述的雙工位處理器，每一個該雙工位處理器中的每一個該等離子體處理腔室中的一氣體注入裝置都連接到一反應氣體源。
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