改善气体均一分布的等离子体反应装置的制作方法

[0001]
本发明涉及半导体设备制造技术领域，特别涉及改善等离子体均一分布的技术领域。


背景技术：

[0002]
等离子体反应器是半导体芯片加工的关键装备，广泛用于处理半导体基片以制造集成电路。在基片上形成有图案化的微电子层，在基片处理过程中，经常使用等离子体在基片上沉积薄膜或者刻蚀该薄膜上的预定部分。具体方法是首先将基片固定放置在等离子反应腔内；接着通过射频功率发射装置发射射频能量到等离子体反应腔内形成射频场；然后各种反应气体(蚀刻气体或沉积气体)被注入到等离子反应腔中，在射频场的作用下注入的反应气体在基片上方被激励成等离子体状态；最后等离子体和基片之间发生化学反应和/或物理作用(比如刻蚀、沉积等等)形成各种特征结构，化学反应中形成的挥发性的反应生成物脱离被刻蚀物质表面，并被真空系统抽出腔体。等离子反应腔可以处理各种基片，比如硅晶圆等。
[0003]
有多种不同的方式向等离子腔发射射频能量，电感耦合(icp)反应腔是其中常用的一种设计。icp反应腔包含封闭壳体，壳体上部设有绝缘顶板，绝缘顶板形成绝缘材料窗。一个通常是线圈状的天线被放置在顶板上方向反应腔内发射射频能量。
[0004]
基片成品是否合格，其检验的一个重要标准就是基片加工的均一性。也即是说，一个作用于基片中心区域的工艺流程和作用于基片边缘区域的工艺流程相同或者高度相近。例如，硅晶圆中心区域的刻蚀率应与硅晶圆边缘区域的刻蚀率相同。通过将注入等离子腔的气体均匀分布在等离子腔内，可以有效地提高基片加工工艺的均一性。
[0005]
现有技术中，为获得较好的工艺均一性，许多反应腔设计采用安装在晶圆上方的气体喷淋头，以均匀的注入反应气体。然而，在icp反应腔室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。通常在icp反应腔室顶板中部设置中心喷头，和/或在其腔室侧壁设置一个/多个气体注入通道，实现注入的气体均匀分布在icp反应腔室，从而等离子体也能够均匀分布在icp反应腔室中，提高基片加工的均一性。
[0006]
图1示出了一种现有电感耦合等离子体反应腔设计的截面图。icp反应腔腔体，由壳体105、顶板107和衬套106包围形成，构成可被抽真空装置125抽真空的气密空间。所述顶板107构成绝缘材料窗；基座110支撑夹盘115，所述夹盘115支撑待处理的基片120。来自射频功率源的射频功率被施加到呈线圈状的天线140。等离子反应气体通过进气管线155被供应到反应腔内，以点燃并维持等离子体，并由此对基片120进行加工。在标准电感耦合反应腔中，等离子反应气体通过设置在壳体侧壁的气体注入通道130和设置在顶板的气体注入器135之一或者两者一同注入来供应到反应腔内的。如图1所示，壳体侧壁的气体注入通道130所注入的等离子反应气体集中在反应腔顶部，这会导致反应腔内等离子反应气体的不均一性。
[0007]
现有技术中也揭示了一种等离子反应装置，其在封闭壳体内以及所述基座上方和
所述气体注入器下方设置了一个挡板，通过该挡板以径向不均匀地限制等离子体反应气体的流动。但所述挡板将壳体内的空间分隔成为上下两部分，减少了挡板下方作用于晶圆的气体的流动空间，不利于气体均匀分布，影响晶圆加工的均一性。


技术实现要素：

[0008]
本发明的目的是提供一种等离子体反应装置，通过设置在等离子体反应腔内的气流通道环及连接该气流通道环的一个动力装置。在动力装置的驱动下，实现通过气流通道环改变注入反应腔内气体的流向和高度，同时还可以更进一步的加速反应腔内气体的扩散速度，实现反应腔内气体的均一分布。
[0009]
为了解决上述问题，本发明的技术方案是公开了一种改善气体均一分布的等离子体反应装置，包括：
[0010]
腔体，由壳体、顶板和衬套包围形成的反应腔，所述顶板构成绝缘材料窗；衬套内侧壁的顶部与所述绝缘材料窗底表面共同围绕构成一第一环槽；
[0011]
基座，其设置于所述反应腔内的所述绝缘材料窗下方，用于放置晶圆；基座下方包括用于抽出腔体内气体维持腔体内低压的抽真空装置；
[0012]
射频功率发射装置，其设置于所述绝缘材料窗上方，以发射射频能量到所述反应腔内；
[0013]
气流通道环，设置于所述第一环槽内，气流通道环与第一环槽顶部保持一个间距；所述顶板上设有若干个与所述气流通道环位置对应的边缘气体注入通道；通过所述边缘气体注入通道向下方的所述第一环槽内注入反应气体；
[0014]
执行机构，连接气流通道环，用以驱动气流通道环在第一环槽内上下运动，改变注入腔体内的反应气体的高度和方向。
[0015]
所述第一环槽内设置有若干个气流通道环；所述若干个气流通道环以反应腔的中心为圆心，形成同心圆结构，且气流通道环之间无干涉；所述若干个气流通道环的外径均小于第一环槽的直径。
[0016]
优选的，所述气流通道环上表面沿环向设有若干个台阶段；所述台阶段从台阶段第一端至台阶段第二端包含从若干个逐级升高的台阶；台阶段第一端连接相邻台阶段的第二端。
[0017]
优选的，所述气流通道环上表面为外高内低的倾斜面，所述倾斜面在不同方位角具有不同的倾斜度。
[0018]
优选的，所述执行机构包含若干个动力装置和若干根活动轴；所述动力装置设置在腔体外部，一个动力装置对应一个气流通道环；所述活动轴竖直穿设壳体侧壁，活动轴第一端位于第一环槽内连接气流通道环底部，活动轴第二端位于反应腔外部连接动力装置；动力装置驱动活动轴上下运动带动对应的气流通道环上下运动。
[0019]
优选的，所述气流通道环沿径向被分割为若干个弧段。
[0020]
优选的，所述执行机构包含若干个动力装置和若干根活动轴；所述动力装置设置在腔体外部，一个动力装置对应一个所述弧段；所述活动轴竖直穿设壳体侧壁，活动轴第一端位于第一环槽内连接所述弧段的底部，活动轴第二端位于反应腔外部连接动力装置；动力装置驱动活动轴上下运动带动对应的弧段上下运动，实现调节反应腔内不同区域的气
流。
[0021]
优选的，所述动力装置为电机或气缸。
[0022]
优选的，所述改善气体均一分布的等离子体反应装置，还包含若干个密封圈；所述密封圈套设在活动轴外部，位于壳体侧壁和活动轴之间，封隔反应腔与外部环境。
[0023]
优选的，所述改善气体均一分布的等离子体反应装置，还包含若干个波纹管，一个波纹管对应一个活动轴；所述波纹管套设在活动轴外部，位于壳体侧壁和活动轴之间，封隔反应腔与外部环境。
[0024]
优选的，所述改善气体均一分布的等离子体反应装置，还包含若干个气体通道盖，用于封堵所述边缘气体注入通道；一个所述的气体通道盖对应一个边缘气体注入通道；气体通道盖包含通道盖顶部及通道盖侧壁，其具有顶部封闭的空心腔体结构。
[0025]
通道盖顶部和/或通道盖侧壁还设置有若干个进气口，所述进气口连通进气管线和所述边缘气体注入通道。
[0026]
优选的，所述改善气体均一分布的等离子体反应装置，还包含反应气体注入器，设置在顶板上，用于向所述腔体内注入反应气体。
[0027]
优选的，所述气流通道环包含由塑料、陶瓷、金属镀陶瓷的一种构成。
[0028]
与现有技术相比，本发明的等离子体反应装置及改善等离子反应气体均一分布的方法，其优点在于，本发明通过将一个气流通道环设置在反应腔内，并通过动力装置驱动该气流通道环。将现有技术中设置在腔体侧壁的气体注入通道改为设置在顶板上，并与气流通道环位置对应。在气流通道环的上部注入等离子反应气体时，动力装置驱动该气流通道环上下运动，实现改变注入反应腔内气体的流动模式，并加快了注入气体的扩散速度。同时，本发明的气流通道环通过设置在衬套顶部，使得气流通道环下方有足够的空间实现气体扩散。通过本发明保证了反应腔内等离子处理器体的均一分布。
附图说明
[0029]
附图作为本发明说明书的一部分，例证了本发明的实施例，并与说明书一起解释和说明本发明的原理。附图用图解的方式来解释举例实施例的主要特征。附图不是用于描述实际实施例所有特征也不用于说明图中元素间的相对尺寸，也不是按比例绘出。
[0030]
图1为现有技术中的等离子体反应装置示意图；
[0031]
图2为本发明的等离子体反应装置结构示意图；
[0032]
图3为本发明第一个实施例中气流通道环底部结构示意图；
[0033]
图4为本发明第一个实施例中气流通道环连接活动轴剖面图；
[0034]
图5为本发明第一个实施例中的密封圈设置方式示意图；
[0035]
图6为本发明第二个实施例中气流通道环结构示意图；
[0036]
图7为本发明第三个实施例中气流通道环连接活动轴侧视图；
[0037]
图8为本发明第三个实施例中气流通道环的宽度示意图；
[0038]
图9为本发明第六个实施例中气流通道环被分割成若干个弧段示意图；
[0039]
图10为本发明第七个实施例中气流通道环x方位向、y方位向示意图；
[0040]
图11为本发明的第七个实施例中气流通道环x方位向纵剖面示意图；
[0041]
图12为本发明的第七个实施例中气流通道环y方位向纵剖面示意图
[0042]
图13为本发明的第八个实施例中的两个气流通道环连接活动轴侧视图。
具体实施方式
[0043]
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，所描述的实施例仅仅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。
[0044]
下文将结合如图2所示对本发明的一个实施例进行详细描述。图2式出了根据本发明一个实施例的等离子体反应装置。除了2xx系列附图标记外，图2中示出的对应于图1中的要素均具有相同的附图标记，应当理解，其中的等离子体反应装置仅仅是示例性的，所述等离子体反应装置实际上也可以包含更少或额外的部件，部件的排列也可以不同于图2中所示出。
[0045]
图2式出了根据本发明第一实施例的等离子反应装置截面图。所述等离子体反应装置包括腔体，所述腔体为由壳体205、顶板207和衬套206包围形成密闭的反应腔。所述顶板207构成绝缘材料窗，图2中的顶板207仅作为实例，也可以采用其他的顶板207样式，如穹顶形状的。基座设置于所述反应腔内的所述绝缘材料窗下方，用于放置晶圆，基座下方包括用于抽出腔体内气体维持腔体内低压的抽真空装置。射频功率发射装置设置于所述绝缘材料窗上方，以发射射频能量到所述反应腔内。所述射频功率被施加到天线240，该天线240基本是线圈状的。反应气体经过气体分离器被分为多路，通过进气管线255被供应到反应腔内以点燃并维持等离子体，其中一路通过反应气体注入器进入反应腔内。
[0046]
在衬套内侧壁的顶部开有与衬套206同中心轴的第一环槽270；如图2所示，衬套内侧壁的顶部与所述绝缘材料窗底表面共同围绕构成第一环槽270；
[0047]
在第一环槽270内设置有一个气流通道环261，该气流通道环261与第一环槽270顶部保持一个间距。优选的，所述气流通道环261包含由耐等离子体腐蚀的塑料、陶瓷、金属镀陶瓷的一种构成。所述气流通道环261的外径匹配第一环槽270的直径，保证第一环槽270侧壁与气流通道环261之间无摩擦力。
[0048]
执行机构，连接气流通道环261，用以驱动气流通道环261在第一环槽270内上下运动，改变注入腔体内的等离子反应气体的高度和方向。气流通道环261在第一环槽270内运动时始终和顶板207、第一环槽270底部保持一个距离，气流通道环261与顶板207距离最近时，气流通道环261位于第一位置；气流通道环261与顶板207最远时，气流通道环261位于第二位置。
[0049]
在本实施例中，所述执行机构包含动力装置264和若干根活动轴260；所述活动轴260竖直穿设壳体205的侧壁，嵌入设置在壳体侧壁内，活动轴第一端位于第一环槽270内连接气流通道环261的底部，活动轴第二端位于反应腔外；所述动力装置264设置在腔体外部，连接活动轴第二端；动力装置264驱动活动轴260上下运动。优选的，所述动力装置264为电机或气缸。
[0050]
如图2所示，顶板207还设有均匀分布的若干个与所述气流通道环261位置对应的边缘气体注入通道263；通过所述边缘气体注入通道263向下方的所述第一环槽270内注入反应气体。若干个气体通道盖262用于封堵所述边缘气体注入通道263；一个所述的气体通
道盖262对应一个边缘气体注入通道263；气体通道盖262包含通道盖顶部及通道盖侧壁，其具有顶部封闭的空心腔体结构。通道盖顶部和/或通道盖侧壁还设置有若干个进气口266，所述进气口266连通进气管线255和所述边缘气体注入通道263。等离子反应气体从进气管线255依次通过气体通道盖262上的进气口266、边缘气体注入通道263进入反应腔。气流通道环261位于第一环槽270内在所述第一位置和第二位置之间重复的上下运动。通过气流通道环261的运动对反应腔内气流产生扰动，改变注入反应腔内气体的流动状态，进一步加速反应腔内气体分布均匀。
[0051]
图3式出了本实施例中气流通道环261底部的一种结构。图4式出了气流通道环261与活动轴260连接的一种方式。如图3所示。所述气流通道环261底部均匀分布有若干个第一突起290，所述第一突起290可以是偶数个也可以是奇数个，其形状可以是圆柱形、长方体形、多棱柱形的任意一种。一根活动轴260对应一个所述第一突起290。如图4所示，活动轴第一端设有同轴且与所述第一突起290匹配的活动轴开孔，第一突起290嵌入设置在所述活动轴开孔内，实现活动轴260连接气流通道环261。
[0052]
如图5所示，在本实施例中，在活动轴260上还套设有密封圈280，所述密封圈280位于壳体205的侧壁和活动轴260之间，封隔反应腔与外部环境；一个活动轴260可套设一个或多个密封圈280。
[0053]
在本发明的第二个实施例中，进一步使得注入反应腔内的气体形成一个环形的涡流，改变气体流动方向。如图6所示，气流通道环361的上表面沿环向设有若干个台阶段；所述台阶段从台阶段第一端至台阶段第二端包含从若干个逐级升高的台阶；台阶段第一端连接相邻台阶段的第二端。图6中示出的是气流通道环上表面设有两个台阶段。当等离子反应气体从进气管线依次通过气体通道盖上的进气口、边缘气体注入通道进入反应腔，由于台阶高度不同，气体在台阶上产生不同的冲击力，改变注入气体的流向，因而使注入的气体沿气流通道环上表面形成一个环形涡流，使得注入的气体具有更好的均一性。
[0054]
在本发明的第三个实施例中，所述第一环槽内设有一个气流通道环461，动力装置驱动活动轴绕中心轴螺旋式上下运动。所述螺旋式上下运动是指活动轴上下运动的同时还绕自身中心轴转动。如图7所述，气流通道环461的外周设有第一轮齿491。所述活动轴第一端外壁，从活动轴第一端端面开始设有与所述第一轮齿491啮合的第二轮齿492；若干个活动轴啮合在气流通道环周围，活动轴460带动气流通道环461上下运动的同时，还驱动气流通道461环绕气流通道环中心轴转动。优选的，在活动轴第一端设置一个台阶493，所述第二轮齿492设置在台阶端面与活动轴第一端端面之间；通过台阶端面对气流通道环461进一步提供支承。
[0055]
在本发明的第四个实施例中，活动轴外部还套设有波纹管，一个波纹管对应一个活动轴；波纹管位于壳体侧壁和活动轴之间，封隔反应腔与外部环境。
[0056]
在本发明的第五个实施例中，如图5所示，优选的，所述气流通道环561的宽度l1小于或等于第一环槽570的宽度l2，使得反应腔不被气流通道环分隔为上、下两个空间，保证了反应腔内给注入的气体提供足够的流动空间。
[0057]
如图9所示，在本发明的第六个实施例中，所述气流通道环661沿径向被分割为四个弧段6661。每个弧段底部均连接有活动轴，不同的弧段可以由不同的气缸驱动，实现各个弧段6661各自独立的上下运动。通过每个弧段独立的上下运动，实现调节反应腔内不同区
域的气流。
[0058]
在本发明的第七个实施例中，所述气流通道环761上表面为外高内低的倾斜面，所述倾斜面在不同方位角具有不同的倾斜度。所述外高内低是指，气流通道环761的上表面，从气流通道环内侧壁向气流通道环外侧壁的方向逐渐升高。如图10所示，x和y分别为气流通道环761的两个方位向。如图11所示，在x方位向，气流通道环761的上表面与水平面具有一个倾斜角θ1；如图12所示，在y方位向，气流通道环761的上表面与水平面具有一个倾斜角θ2，θ1＞θ2。通过向气流通道环761具有不同倾斜角度的上表面注入反应气体，以选择性的补偿气流通道环761下方反应区域的不均匀性。
[0059]
如图13所示，在本发明的第八个实施例中，在第一环槽内包含两个气流通道环861，所述两个气流通道环861形成同心圆，两个气流通道环861的外径均小于反应腔直径。两个气流通道环861互不干涉，分别由不同的动力装置驱动实现各自独立的上下运动，改变反应腔内气流分布形态。
[0060]
本发明还提供一种改善等离子反应气体均一分布的方法，采用一等离子体反应装置实现，该等离子体反应装置包含一个由圆柱形壳体、顶板和衬套包围形成的反应腔，所述顶板构成绝缘材料窗，所述改善等离子反应气体均一分布的方法包含步骤：
[0061]
s1、在衬套内壁顶部开设与衬套同中心轴的第一环槽；
[0062]
s2、在所述第一环槽内设置若干个气流通道环；所述若干个气流通道环以反应腔的中心为圆心，形成同心圆结构；气流通道环与所述顶板保持一个间距；
[0063]
s3、在反应腔外部设置若干个动力装置，一个动力装置对应一个气流通道环；将若干个活动轴竖直穿设壳体侧壁；活动轴第一端位于第一环槽内并连接气流通道环底部；活动轴第二端位于反应腔外部连接动力装置；
[0064]
s4、在所述顶板设置均匀分布的边缘气体注入通道，所述边缘气体注入通道与气流通道环位置对应；通过所述边缘气体注入通道向反应腔内提供等离子反应气体；
[0065]
s5、启动动力装置，驱动活动轴上下运动，实现对应的气流通道环在第一环槽内上下运动，改变注入反应腔内气流的方向。
[0066]
优选的，步骤s2还包含在气流通道环上表面沿径向设置若干个台阶。
[0067]
优选的，所述步骤s2还包含在气流通道环上表面设置外高内低的倾斜面。
[0068]
优选的，所述步骤s2还包含将气流通道环沿径向分割为若干个弧段。
[0069]
本发明还提供另一种改善等离子反应气体均一分布的方法，采用一等离子体反应装置实现，该等离子体反应装置包含一个由圆柱形壳体、顶板和衬套包围形成的反应腔，所述顶板构成绝缘材料窗，所述改善等离子反应气体均一分布的方法包含步骤：
[0070]
f1、在衬套内壁顶部开设与衬套同中心轴的第一环槽；
[0071]
f2、将若干个活动轴竖直穿设壳体侧壁；活动轴第一端外壁设有第二轮齿；活动轴竖直穿设壳体侧壁，活动轴第一端位于第一环槽内并与顶板保持一个间距，活动轴第二端位于反应腔外部；
[0072]
f3、在所述第一环槽内设置一个气流通道环；在气流通道环外侧壁设置与所述第二轮齿啮合第一轮齿；将该气流通道环啮合设置在活动轴之间；
[0073]
f4、在所述顶板设置均匀分布的边缘气体注入通道，所述边缘气体注入通道与气流通道环位置对应；通过所述边缘气体注入通道和/或气体注入器向反应腔内提供等离子
反应气体；
[0074]
f5、在反应腔外不设置一个动力装置，所述动力装置连接活动轴第二端；启动动力装置，驱动活动轴绕活动轴的中心轴螺旋式上下运动，实现驱动气流通道环绕气流通道环中心轴螺旋式上下运动，改变注入反应腔内气流的方向。
[0075]
与现有技术相比，本发明的等离子体反应装置及改善等离子反应气体均一分布的方法，其优点在于，本发明通过将一个气流通道环设置在反应腔内，并通过动力装置驱动该气流通道环。将现有技术中设置在腔体侧壁的气体注入通道改为设置在顶板上，并与气流通道环位置对应。在气流通道环的上部注入等离子反应气体时，动力装置驱动该气流通道环上下运动和/或旋转，实现改变注入反应腔内气体的流动模式，并加快了注入气体的扩散速度。同时，本发明的气流通道环通过设置在衬套顶部，使得气流通道环下方有足够的空间实现气体扩散。通过本发明保证了反应腔内等离子处理器体的均一分布。
[0076]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。