CN111489948B - 半导体腔室及其进气结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种半导体腔室及其进气结构，该进气结构包括设置在所述半导体腔室的腔室壁中的通孔和设置在所述通孔中的柱塞件，所述柱塞件的外周壁与所述通孔的孔壁之间形成缓冲腔和环形孔隙，其中，所述缓冲腔与所述半导体腔室的进气管路连接；所述环形孔隙的两端分别与所述缓冲腔和所述半导体腔室的内部相连通。应用本发明，提高了单位时间内的进气量，在工艺过程中进行气体切换时，可以实现快速进气，且气流更加分散和稳定，可以避免引发灭辉的现象，继而可以达到工艺过程中快速切换工艺气体的工艺需求。

Description

半导体腔室及其进气结构

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体地，涉及一种半导体腔室及其进气结构。

背景技术

随着半导体元器件的迅速发展，在应用过程中，对元器件的性能与集成度的要求也越来越高，使得等离子体刻蚀技术得到了极广泛的应用。而等离子体刻蚀过程中，反应腔室中流场的分布及稳定性对工艺结果中起到了至关重要的作用。

现有技术中，某一用于等离子体刻蚀的反应腔室的结构如图1 所示(图中仅示出反应腔室的局部结构)，由图1可知，该反应腔室包括筒体、射频线圈和进气结构，其中，筒体包括位于中部的主筒 01和位于边缘的副筒02，主筒01顶部设有上盖板，副筒02的顶部通过连接盖板03与主筒01的底部连接。射频线圈包括位于主筒01 外侧的中心射频线圈04和位于副筒02的外侧的边缘射频线圈05。

进气结构包括位于上盖板的中心进气结构和位于连接盖板03上的边缘进气结构，其中，中心进气结构通常包括较多个数(如16个)的中心通孔，而边缘进气结构由于结构限制通常包括较少个数(如4 个，个数较多无法保证气流稳定性)的边缘通孔06，且为了避免空心阴极而放电，边缘通孔06的直径也不能设置的过大。

但是，由于在反应腔室内可能会切换进行两种工艺(如沉积和刻蚀)，而上述边缘进气结构的总进气面积往往较小，使得边缘进气无法按照工艺需求顺利通入，无法实现工艺过程中快速切换工艺气体的工艺需求(如0.4s以内达到切换后的稳定状态)。

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，提出了一种半导体腔室及其进气结构。

为实现本发明的目的，第一方面提供一种半导体腔室的进气结构，包括设置在所述半导体腔室的腔室壁中的通孔和设置在所述通孔中的柱塞件，所述柱塞件的外周壁与所述通孔的孔壁之间形成缓冲腔和环形孔隙，其中，所述缓冲腔与所述半导体腔室的进气管路连接；所述环形孔隙的两端分别与所述缓冲腔和所述半导体腔室的内部相连通。

可选地，所述通孔包括自所述半导体腔室的内部向外部的方向依次设置的第一孔段和第二孔段，所述第一孔段的直径小于所述第二孔段的直径，在所述第一孔段的孔壁与所述柱塞件的外周壁之间形成所述环形孔隙，在所述第二孔段的孔壁与所述柱塞件的外周壁之间形成所述缓冲腔。

可选地，所述通孔还包括连接在所述第一孔段和第二孔段之间的过渡孔段，所述过渡孔段的直径自所述半导体腔室的内部向外部的方向逐渐增大。

可选地，所述通孔还包括第三孔段，所述第三孔段从所述第二孔段靠近所述半导体腔室外部的一端向所述半导体腔室外部延伸；

所述柱塞件包括柱体和设置在所述柱体的一端的定位部，所述定位部的直径大于所述柱体的直径，所述定位部的外周壁与所述通孔的孔壁之间具有间隙，且所述定位部的外周壁的型面与所述第三孔段的孔壁的型面相互配合，以对所述柱塞件的环向位置进行定位。

可选地，所述第三孔段的直径大于等于所述第二孔段的直径，所述定位部的外周壁与所述第三孔段的孔壁之间的径向间距小于所述环形孔隙的径向间距。

可选地，所述第三孔段的孔壁包括在环向首尾相接的至少一个第一曲面和一个第一平面，所述定位部的外周壁包括在环向首尾相接的至少一个第二曲面和一个第二平面，所述第一曲面和所述第二曲面匹配设置，所述第一平面和所述第二平面匹配设置。

可选地，所述通孔包括多个，每个所述通孔内设置有所述柱塞件，多个所述通孔环绕所述半导体腔室的中心轴均匀分布，且每相邻两个所述通孔之间通过进气槽连通，所述进气槽与所述进气管路连接，并将所述进气管路中的气体同时输送至与所述进气槽连接的两个所述通孔中。

可选地，所述环形孔隙的径向间距小于或等于0.8mm。

为实现本发明的目的，另一方面提供一种半导体腔室，所述半导体腔室包括第一方面提供的进气结构。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的半导体腔室的进气结构，具有设置在半导体腔室的腔室壁中的进气本体，且进气本体中靠近半导体腔室内部的一端设有环形孔隙，半导体腔室的进气管路输送的气体可以从环形孔隙进入半导体腔室内，而环形孔隙的进气面积相较于单个通孔(通孔的孔径与环形间隙的宽度相当或略大)的进气面积则大大提升，从而提高了单位时间内的进气量，在工艺过程中进行气体切换(如薄膜刻蚀工艺的沉积步骤和刻蚀步骤之间的气体切换)时，可以实现快速进气，且气流更加分散和稳定。另外，进气本体中靠近半导体腔室外部的一端设有缓冲腔，从半导体腔室的进气管路输送的气体可以先在缓冲腔进行缓冲，然后再从环形孔隙进入到半导体腔室内，气体在环形孔隙内流动过程中阻抗稳定，从而可以避免引发灭辉的现象，继而可以达到工艺过程中快速切换工艺气体的工艺需求(如0.4s以内达到切换后的稳定状态)。

附图说明

图1为现有技术中某一用于等离子体刻蚀的反应腔室的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的半导体腔室的进气结构剖面图；

图3为本申请实施例提供的半导体腔室的进气结构从腔室内部观察的内侧结构示意图；

图4为本申请实施例提供的半导体腔室的进气结构从腔室外部观察的外侧结构示意图；

图5为图4中外侧结构示意图的局部放大示意图。

具体实施方式

下面详细描述本申请，本申请的实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的部件或具有相同或类似功能的部件。此外，如果已知技术的详细描述对于示出的本申请的特征是不必要的，则将其省略。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本申请的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、元件和/或组件等，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、元件、组件和/或它们的组等。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

下面以具体地实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。

为本实施例提供的半导体腔室的进气结构包括开设在半导体腔室的腔室壁200中的通孔和设置在通孔中的柱塞件20，参照附图2 和附图3，该柱塞件20的外周壁与通孔的孔壁之间能够形成缓冲腔 102和环形孔隙101，其中，缓冲腔102与半导体腔室的进气管路连接；环形孔隙101的两端分别与缓冲腔102和半导体腔室的内部相连通。

可以理解的是，通孔的内端与半导体腔室的内部相连通，环形孔隙101的径向间距小于缓冲腔102的径向间距。另外，本实施例对柱塞件20的具体结构和材质也不做具体限定，只要其能设置在半导体腔室的腔室壁200中形成该进气结构，以向半导体腔室内通入气体即可。

本实施例提供的半导体腔室的进气结构，包括开设在半导体腔室的腔室壁200中的通孔和设置在该通孔中的柱塞件20，且柱塞件 20的外周壁与通孔的孔壁之间形成有环形孔隙101和缓冲腔102，半导体腔室的进气管路输送的气体可以从环形孔隙101进入半导体腔室内，而环形孔隙101的进气面积相较于单个通孔(通孔的孔径与环形间隙的宽度相当或略大)的进气面积则大大提升，从而提高了单位时间内的进气量，在工艺过程中进行气体切换(如薄膜刻蚀工艺的沉积步骤和刻蚀步骤之间的气体切换)时，可以实现快速进气，且气流更加分散和稳定。另外，从半导体腔室的进气管路输送的气体可以先在缓冲腔102进行缓冲，然后再从环形孔隙101进入到半导体腔室内，气体在环形孔隙101内流动过程中阻抗则较为稳定，从而可以避免引发灭辉的现象，继而可以达到工艺过程中快速切换工艺气体的工艺需求(如0.4s以内达到切换后的稳定状态)。且在通孔中设置柱塞件 20，通过柱塞件20与通孔的配合设置形成环形孔隙101和缓冲腔 102，便于该进气结构的加工，降低了加工成本，也便于该进气结构与半导体腔室的进气管路的连接(使进气管路与通孔靠近半导体腔室外侧的孔口处连通即可)，使得本实施例的可实施性更强。

需要说明的是，该进气结构可以直接形成于半导体腔室的腔室壁200中，也可以作为一个独立的元件单独制作，然后安装于半导体腔室的腔室壁200中，本实施例对此不做具体限定。

于一具体实施方式中，通孔可以包括自半导体腔室的内部向外部的方向依次设置的第一孔段11和第二孔段12，第一孔段11的直径小于第二孔段12的直径，在第一孔段11的孔壁与柱塞件20的外周壁之间形成环形孔隙101，在第二孔段12的孔壁与柱塞件20的外周壁之间形成缓冲腔102。如此，设置直径不等的第一孔段11和第二孔段12，便可以设置直径相同的柱塞件20，以此形成较大直径的缓冲腔102和较小直径的环形孔隙101，使得柱塞件20的加工、安装操作更加简单，进一步降低了制造成本，提高了本实施例的可实施性。当然，本实施例并不以此为限，例如，也可以通过设置不同直径的柱塞件20形成直径不同的缓冲腔102和环形孔隙101。

更具体地，通孔还可以包括连接在第一孔段11和第二孔段12 之间的过渡孔段14，过渡孔段14的直径自半导体腔室的内部向外部的方向逐渐增大，通过设置过渡孔段14，使得其他从缓冲腔102进入环形孔隙101时，气流更加稳定，可以进一步有利于实现两种气体的快速切换(本文中两种气体的切换均包含气体切换后达到稳定状态的过程，而非仅仅是改变两种通入的气体)。其中，过渡孔段14可以是平滑过渡，也可以是圆滑过渡，本实施例对此不做具体限定。

于另一具体实施方式中，如图2所示，通孔还可以包括第三孔段13，第三孔段13从第二孔段12靠近半导体腔室外部的一端向半导体腔室外部延伸。柱塞件20可以包括柱体21和设置在柱体21一端的定位部22，定位部22的直径大于柱体21的直径，定位部22的外周壁与通孔的孔壁之间具有间隙，且定位部22的外周壁的型面与第三孔段13的孔壁的型面相互配合，以对柱塞件20的环向位置进行定位。其中，柱体21主要用于与通孔之间形成缓冲腔102和环形孔隙101，通孔的外端孔口与半导体腔室的进气管路连通，气体可从定位部22的外周壁与通孔的孔壁之间的间隙进入缓冲腔102。令定位部22的直径大于柱体21的直径，可防止气体将柱塞件20推至半导体腔室内。另外，定位部22的外周壁的型面与第三孔段13的孔壁的型面相互配合，可对柱塞件20的环向位置进行定位，以防止柱塞件 20在通孔中旋转。需要说明的是，本实施例并不对周壁的型面和通孔的孔壁的型面进行具体限定，只要两者配合能够对与通孔的孔壁的型面相互配合，能防止柱塞件20在通孔中旋转即可。且在通孔位于半导体腔室外侧的一端设置第三孔段13，只需在第三孔段13进行加工，使其与定位部22相配合实现上述定位即可，更便于实现柱塞件 20与通孔之间的定位设置。

进一步地，第三孔段13的直径可以大于等于第二孔段12的直径，定位部22的外周壁与第三孔段13的孔壁之间的径向间距可以小于环形孔隙101的径向间距。如此，定位部22的外周壁与第三孔段 13的孔壁之间的间隙总的环向长度要大于环形孔隙101的环向长度，使得在第三孔段13的孔壁之间的径向间距小于环形孔隙101的径向间距时，依然可以提供较大的进气面积，而第三孔段13的孔壁之间的径向间距小于环形孔隙101的径向间距，使得柱塞件20发生微小晃动时，即使定位部22的外周壁与第三孔段13的孔壁局部贴合也不会对环形孔隙101造成太大的影响，基本不会影响整体的进气情况。且还可以防止进气量过大，在环形孔隙101导出不及时而造成的气体压力过大，气流不稳等。

更具体地，如图4和图5所示，第三孔段13的孔壁可以由两个相对设置的第一曲面和两个平行设置的第一平面相互连接组成，定位部22的外周壁也可以由两个相对设置的第二曲面和两个平行设置的第二平面相互连接组成，第一曲面和第二曲面匹配设置，第一平面和第二平面匹配设置，匹配设置的第一曲面和第二曲面及第一平面和第二平面形成定位结构。如此，通过曲面与曲面的配合、平面与平面的配合，可以有效防止柱塞件20在通孔中发生转动。需要说明的是，该实施方式只是本实施例的一具体实施方式，本实施例并不以此为限，第三孔段13的孔壁可以包括在环向首尾相接的至少一个第一曲面和一个第一平面，定位部22的外周壁也可以包括在环向首尾相接的至少一个第二曲面和一个第二平面，只要第三孔段13的孔壁和定位部22的外周壁相配合，能够防止柱塞件20在通孔中转动即可。

于另一具体实施方式中，可以将该进气结构应用在如图1所示的反应腔室中，尤其适用于边缘进气，则如图4所示，通孔可以包括多个，每个通孔内都设置一个柱塞件，以形成上述环形腔101和缓冲腔102，多个通孔环绕半导体腔室的中心轴均匀分布，以实现同时从对称的几个位置向反应腔室内通气，是反应腔室内的气流和气场更加稳定。且每相邻两个通孔之间可以通过一个进气槽201连通，所有进气槽201的结构和尺寸可以均相同(包括镜像)，进气槽201与进气管路连接，并将进气管路中的气体同时输送至与进气槽201连接的两个通孔中，可使得从连接同一进气槽201的两个进气结构通入的气体同时进入反应腔室中，有利于切换气体后气体快速稳定，从而进一步提高两种气体的切换速度。

具体地，如图4所示，进气结构可设置在用于连接反应腔室的主筒底部和副筒顶部的盖板中，实际应用时，通常盖板外侧还设有其它元件，可将柱塞件20压设在通孔内。上述进气槽201可开设在盖板的外则，并盖板上进气槽201中部的位置开设过孔，并使该过孔与反应腔室的进气管路连通。更具体地，如图4所示，可以在同一直径上环向均布四个进气结构，使得腔室内部气体流场均匀，不产生偏心现象。另外，进气槽201可以为圆弧状，以便于气体流动。

于另一具体实施方式中，环形孔隙101的径向间距可以小于等于预设阈值，以控制环形孔隙101内被离化的工艺气体的电势差，防止气体在环形孔隙101内产生空心阴极放电现象。具体地，预设阈值可以根据在环形孔隙101内产生空心阴极放电的电势差进行具体设定，而环形孔隙101内产生空心阴极放电的电势差主要和射频电压及气体种类相关。例如，在通入的两种气体分别为八氟环丁烷和六氟化硫时，在一定的射频电压下，产生空心阴极放电的临界条件是环形孔隙101的径向间距为0.8毫米，则可以设置环形孔隙101的径向间距小于0.8mm，则预设阈值可以小于或等于0.8mm。

基于相同的构思，本申请实施例还提供一种半导体腔室，该半导体腔室可以设置有如上述任一实施方式的进气结构。

本实施例提供的半导体腔室，至少可以实现上述进气结构的有益效果，在此不再赘述。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上仅是本申请的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (9)

1.一种半导体腔室的进气结构，其特征在于，包括设置在所述半导体腔室的腔室壁中的通孔和设置在所述通孔中的柱塞件，所述柱塞件的外周壁与所述通孔的孔壁之间形成缓冲腔和环形孔隙，其中，所述缓冲腔与所述半导体腔室的进气管路连接；所述环形孔隙的两端分别与所述缓冲腔和所述半导体腔室的内部相连通。

2.根据权利要求1所述的进气结构，其特征在于，所述通孔包括自所述半导体腔室的内部向外部的方向依次设置的第一孔段和第二孔段，所述第一孔段的直径小于所述第二孔段的直径，在所述第一孔段的孔壁与所述柱塞件的外周壁之间形成所述环形孔隙，在所述第二孔段的孔壁与所述柱塞件的外周壁之间形成所述缓冲腔。

3.根据权利要求2所述的进气结构，其特征在于，所述通孔还包括连接在所述第一孔段和第二孔段之间的过渡孔段，所述过渡孔段的直径自所述半导体腔室的内部向外部的方向逐渐增大。

4.根据权利要求2所述的进气结构，其特征在于，所述通孔还包括第三孔段，所述第三孔段从所述第二孔段靠近所述半导体腔室外部的一端向所述半导体腔室外部延伸；

所述柱塞件包括柱体和设置在所述柱体的一端的定位部，所述定位部的直径大于所述柱体的直径，所述定位部的外周壁与所述通孔的孔壁之间具有间隙，且所述定位部的外周壁的型面与所述第三孔段的孔壁的型面相互配合，以对所述柱塞件的环向位置进行定位。

5.根据权利要求4所述的进气结构，其特征在于，所述第三孔段的直径大于等于所述第二孔段的直径，所述定位部的外周壁与所述第三孔段的孔壁之间的径向间距小于所述环形孔隙的径向间距。

6.根据权利要求5所述的进气结构，其特征在于，所述第三孔段的孔壁包括在环向首尾相接的至少一个第一曲面和一个第一平面，所述定位部的外周壁包括在环向首尾相接的至少一个第二曲面和一个第二平面，所述第一曲面和所述第二曲面匹配设置，所述第一平面和所述第二平面匹配设置。

7.根据权利要求1-6任一项所述的进气结构，其特征在于，所述通孔包括多个，每个所述通孔内设置有所述柱塞件，多个所述通孔环绕所述半导体腔室的中心轴均匀分布，且每相邻两个所述通孔之间通过进气槽连通，所述进气槽与所述进气管路连接，并将所述进气管路中的气体同时输送至与所述进气槽连接的两个所述通孔中。

8.根据权利要求1-6任一项所述的进气结构，其特征在于，所述环形孔隙的径向间距小于或等于0.8mm。

9.一种半导体腔室，其特征在于，所述半导体腔室包括如权利要求1-8任一项所述的进气结构。

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