CN112216586B - 实现均匀排气的双工位处理器及等离子体处理设备 - Google Patents

Abstract

一种实现均匀排气的双工位处理器及等离子体处理设备，双工位处理器包含两个相邻排列的等离子体处理腔室和一个共享的排气泵，每个等离子体处理腔室内设置一气体注入装置和一用于支撑基片的基座，每个等离子体处理腔室内环绕所述基座的外围设置一等离子体约束装置，每个等离子体约束装置下方设有排气区域，每一个等离子体处理腔室与排气泵之间具有两个排气通道，每一个排气通道具有进气口和出气口，进气口连接等离子体处理腔室中的排气区域，出气口连接排气泵。本发明提高了等离子体处理设备中反应腔内基片表面的反应气体分布的均匀度，提高了基片的刻蚀均匀度，提高了基片的合格率。

Description

实现均匀排气的双工位处理器及等离子体处理设备

技术领域

本发明涉及一种半导体设备，尤其涉及一种实现均匀排气的双工位处理器及等离子体处理设备。

背景技术

在利用反应气体处理半导体基片的设备中，如等离子体刻蚀设备中，反应气体在反应腔内解离成等离子体对半导体基片进行工艺处理，随着半导体基片的尺寸逐渐变大，处理工艺的精度要求不断提高，半导体基片处理的均匀程度成为衡量一台半导体设备合格与否的关键参数。

半导体设备具有复杂的内部环境，如图1和图2所示，为了提高基片处理的效率，可以在一台等离子体处理设备80上设置至少两个反应腔70和70’，反应腔70由反应腔外壁71围成，反应腔70’由反应腔外壁71’围成。反应腔70内设置一支撑基片90的基座30，反应腔70’内设置一支撑基片90’的基座30’，基座30和基座30’具有温度调节功能。连接供气装置60的进气元件20将反应气体输入反应腔70内，连接供气装置60的进气元件20’将反应气体输入反应腔70’内，外部射频源50和外部射频源50’提供将反应气体解离为等离子体的能量。控制基座的调温功能，进气元件的均匀进气及外部射频源在反应腔内均匀的电场分布均可以有效的调节半导体基片的刻蚀均匀性，排气装置的排气均匀性同样可以对半导体基片的刻蚀均匀性结果产生显著影响。排气装置40用于将反应副产物排出反应腔，同时维持反应腔内的压力。为了维持反应腔内的气压均衡，在反应腔的下游位置通常设置一等离子体约束装置10和10’，该等离子体约束装置通常环绕基座设置，可以容许气体的反应副产物排出反应腔，同时将反应腔中的等离子体限制在等离子体的工作区域。等离子体约束装置通常包含一主体及若干贯穿所述主体的孔或槽通道，以实现气体副产物的排出。等离子体约束装置10与排气装置40之间的区域为排气区域，排气区域环绕在位于反应腔中心位置的基座外围。通常具有两个反应腔的等离子体处理设备为了保证不同反应腔内处理工艺的同步运行，多个反应腔的排气区域往往设置为流体连通，并且与所述共同的排气装置40流体连通，因此排气装置只能设置在两反应腔相邻侧壁下方，通过一开口45实现反应腔与排气装置40的连通，开口45同时贯穿两个反应腔70和70’相邻区域的底部，实现两个反应腔共用一个排气装置40，将反应工艺产生的气体副产物排出反应腔。

图3是等离子体处理设备中一个反应腔70’中的排气区域和排气装置40的流速分布图。图4是图3中C-C向横截面的压力分布图。图5是反应腔70’中的等离子体约束装置和基片表面的流速分布图。从图3～图5可以看出，由于两个反应腔共用一个排气装置40，为了保证两个反应腔排气速率的对称性，故排气装置40设置在两个反应腔相邻侧壁的下方，每一个反应腔与排气装置40之间都只有一个排气通道401，排气通道401连接开口和反应腔中的排气区域，这势必会导致两个反应腔的排气区域中的不同位置的气体到达开口45的路径不同，因此靠近开口45的排气区域的气体沿A路线通过排气装置40排出反应腔，其排出速率较快，此处区域气压较小，此排出区域对应的等离子体约束装置上方用过的反应气体及副产品气体会较快的经排气通道进入排气装置40，而远离开口45部分的排气区域的气体沿B路线通过排气装置40排出反应腔，其排出速率较慢，此处区域气压较大，此排出区域对应的等离子体约束装置上方用过的反应气体及副产品气体会较慢的经排气通道进入排气装置40，从图3和图4可以看出，排气通道401中部位置的流速最快，从图5也可以看出，基片上方的处理区域内，靠近排气通道401一侧的气体流速明显大于远离排气通道401一侧的气体流速，这会导致等离子体约束装置上方处理区域内的气体分布不均匀，进而影响半导体基片表面气体分布的均匀度，导致不同区域的半导体基片处理不均匀，降低半导体基片的合格率。

发明内容

本发明提供一种实现均匀排气的双工位处理器及等离子体处理设备，提高了等离子体处理设备中反应腔内基片表面的反应气体分布的均匀度，提高了基片的刻蚀均匀度，提高了基片的合格率。

为了达到上述目的，本发明提供一种实现均匀排气的双工位处理器，所述的双工位处理器包含：两个相邻排列的等离子体处理腔室，以及一个共享的排气泵，每个所述的等离子体处理腔室内设置一气体注入装置和一用于支撑基片的基座，每个所述的等离子体处理腔室内环绕所述基座的外围设置一等离子体约束装置，每个所述的等离子体约束装置下方设有排气区域，所述的等离子体约束装置上设置若干气体通道，用于将气体排放至排气区域，每一个等离子体处理腔室与排气泵之间具有两个排气通道，每一个排气通道具有进气口和出气口，所述的进气口连接等离子体处理腔室中的排气区域，所述的出气口连接排气泵。

所述的排气通道为长直通道。

所述的两个排气通道水平地设置在每一个等离子体处理腔室与排气泵之间。

所述的两个排气通道的进气口之间的最小距离大于等于100mm。

所述的两个排气通道的进气口之间的最大距离小于等于圆形等离子体处理腔室的直径。

所述的两个排气通道的进气口之间的最大距离小于等于矩形等离子体处理腔室的对角线长度。

在竖直方向上，所述的排气泵设置在两个等离子体处理腔室的下方，在水平方向上，所述的排气泵与两个等离子体处理腔室的位置关系满足：排气泵的中心点与两个等离子体处理腔室的中心点组成一个三角形。

本发明还提供一种实现均匀排气的等离子体处理设备，包含至少一个所述的双工位处理器，每一个双工位处理器中的每一个等离子体处理腔室中的气体注入装置都连接到反应气体源。

本发明提高了等离子体处理设备中反应腔内基片表面的反应气体分布的均匀度，提高了基片的刻蚀均匀度，提高了基片的合格率。

附图说明

图1是背景技术中具有两个反应腔的等离子体处理设备的结构示意图。

图2是图1中两个真空反应腔和排气装置的俯视图。

图3是背景技术中等离子体处理设备中其中一个反应腔中的排气区域和排气通道的流速分布图。

图4是图3中C-C向横截面的压力分布图。

图5是背景技术中等离子体处理设备中其中一个反应腔中的等离子体约束装置和基片表面的流速分布图。

图6是本发明实施例中具有双工位处理器的等离子体处理设备的结构示意图。

图7是图6中双工位处理器的俯视图。

图8是图6中等离子体处理设备中其中一个反应腔中的排气区域和排气通道的流速分布图。

图9是图8中C-C向横截面的压力分布图。

图10是图6中等离子体处理设备中其中一个反应腔中的等离子体约束装置和基片表面的流速分布图。

图11是图3与图8中反应腔中不同方位角对应的流速分布图表。

具体实施方式

以下根据图6～图11，具体说明本发明的较佳实施例。

图6是根据本发明实施方式所提供的一种具有双工位处理器的等离子体处理设备的主视图的横截面示意图，该等离子体处理设备中，包含两个反应腔，这两个反应腔共用一个排气泵，两个反应腔和一个排气泵共同组成一个双工位处理器。在另外的实施例中，等离子体处理设备中的反应腔可以多于两个，仍然采用两个反应腔公用一个排气泵的模式，也就是说该等离子体处理设备可以包含多个双工位处理器，每个双工位处理器中的结构和排气原理都是类似的。

在图6所示的等离子体处理设备100中，包含两个相邻排列的反应腔，反应腔170由反应腔壁101围成，反应腔170’由反应腔壁101’围成，两个反应腔共用一个相邻的侧壁105。在等离子体处理工艺中，等离子体处理设备100内通常设置为真空环境，等离子体处理工艺开始时，一气体注入装置将反应气体源160中的反应气体注入等离子体处理设备100内。气体注入装置可以有多种形式，根据不同工艺和反应腔的具体结构可以设置为平板型气体喷淋头或其他结构，本实施例中，气体注入装置设置为平板型气体喷淋头120和120’，气体喷淋头120和120’能够将反应气体均匀注入等离子体处理设备内，选择气体喷淋头的材料为适合做电极的材料，还可以将气体喷淋头连接射频电源或接地，作为平行板电容的一部分，用以产生等离子体。气体喷淋头120和120’下方分别设置一支撑半导体基片135的基座130和130’，通常基座130和130’上方分别设置静电夹盘133和133’，通过静电夹盘133和133’产生的静电吸力实现对半导体基片135在等离子体处理工艺过程中的固定。基座130和130’通常为圆柱形，坐落于反应腔底部的中心位置，以提供较为对称的工艺环境，有利于等离子体处理工艺的顺利进行。射频功率源系统150和150’作用于基座130和130’，并在气体喷淋头120与基座130之间，气体喷淋头120’与基座130’之间产生电场，将自气体喷淋头120和气体喷淋头120’注入的反应气体解离为等离子体，并维持等离子体对半导体基片进行作用。环绕基座130设置一等离子体约束装置110，环绕基座130’设置一等离子体约束装置110’。在等离子体约束装置110和110’水平面以上的区域为等离子体处理区域102和102’，在等离子体约束装置110和110’下方的区域为排气区域103和103’。由于两个反应腔具有大致相同的结构，为便于描述，现选取一个反应腔的结构进行详细介绍。其中，环绕基座130设置的等离子体约束装置110包含一大致呈环状的导流主体111以及设置在导流主体111内的若干气体通道112，以利于所述处理区域102里用过的反应气体及副产物气体通过此气体通道进入排气区域103，所述用过的反应气体及副产物气体内包含带电粒子及中性粒子，所述气体通道112的大小被设置成当等离子体内的带电粒子通过所述气体通道112时可以使带电粒子被中和，同时允许中性粒子通过。排气区域103为环绕在基座130周围的区域。在两个反应腔的下方设置一开口145，该开口145与设置在两个反应腔下方的排气泵140连通。

如图7所示，以其中一个反应腔为例进行描述，在反应腔170的排气区域与开口145之间的排气通道的位置上设置一隔离部件190，从而将完整的排气通道分隔为第一排气通道201和第二排气通道202，该隔离部件190应该设置在原排气通道的中部，使得第一排气通道201和第二排气通道202分别位于该隔离部件190的两侧，这样就使得原排气通道中流速最快的部分变成了非流通部分，气体受到隔离部件190的阻挡，无法从原排气通道的中部进入排气泵140，而只能转为从两侧的第一排气通道201和第二排气通道202进入排气泵140。第一排气通道201和第二排气通道202都具有进气口和出气口，所述的进气口连接反应腔中的排气区域，所述的出气口连接排气泵140。在一个实施例中，第一排气通道201和第二排气通道202水平设置在反应腔170与排气泵140之间

在一个实施例中，所述的隔离部件190可以设置为挡板形式，即采用实体形式的部件形成对原排气通道的阻挡隔离，该挡板190实现对反应腔中的排气区域和排气泵140之间的原排气通道的阻挡，因此该挡板190的一端可以与单个反应腔中靠近开口145侧的底部腔壁固定连接，该挡板190的另一端则可以与两个反应腔之间的侧壁105固定连接，或者与单个反应腔中靠近开口145侧的顶部腔壁固定连接。所述的挡板190可以采用平板形式，或者具有一定弧度的曲板形式，甚至是任何具有一定表面积的形式，为了获得更好地阻挡效果，必须使第一排气通道201和第二排气通道202之间具有足够的宽度，因此挡板190的宽度(平板形式)或弧面长度(曲板形式)需要大于等于100mm。对挡板190的厚度没有限制，只要能够阻挡住气流即可。

在另一个实施例中，所述的隔离部件190还可以设置为空腔形式，即采用镂空的方法将原排气通道分隔为第一排气通道201和第二排气通道202。该空腔190具有侧壁，该侧壁的横截面可以是任意形状的封闭曲线，所述的侧壁的一端可以与单个反应腔中靠近开口145侧的底部腔壁固定连接，侧壁的另一端则可以与两个反应腔之间的侧壁105固定连接，或者与单个反应腔中靠近开口145侧的顶部腔壁固定连接。所述的空腔190的宽度也需要大于等于100mm。

如图7所示，为了更方便地设置所述的隔离部件190，可以将排气泵140的设置位置做一些调整，使其从设置在两个反应腔之间侧壁105的下方，改为设置到两个反应腔的底部中点连线的一侧，这样一来，就可以更加容易地使隔离部件190连接到反应腔的顶部腔壁和底部腔壁。需要注意的是，将排气泵140设置在两个反应腔的底部中点连线的哪一侧，并不是任意选择的。因为反应腔170上具有开阀180，反应腔170’上具有开阀180’，该开阀设置在反应腔与传输腔(图中未示出)之间，当开阀打开时，反应腔中反应完毕的基片可以通过开阀传输至传输腔中，当开阀关闭时，反应腔与传输腔之间隔离，反应腔为密闭状态，反应腔中可以保持真空状态或者充满反应气体的状态。因此，只能将排气泵140设置在与开阀180相对的一侧，以免影响工艺操作。基本上，如果说背景技术中两个反应腔的中心点和排气装置的中心点，这三点是位于一条直线上的，那么在本发明中，两个反应腔的中心点与排气泵140的中心点之间则形成一个三角形。

隔离部件190实现了第一排气通道201和第二排气通道202之间的距离隔离，第一排气通道201和第二排气通道202的通道宽度也需要满足一定条件，一般来说，第一排气通道201和第二排气通道202都是具有一定长度的通道，通道的横截面形状不限，第一排气通道201和第二排气通道202可以是均匀的通道，即通道入口、通道出口和通道本体处的宽度都大致相同，要保证第一排气通道201的截面积与第二排气通道202的截面积之和等于原排气通道的截面积，也就是说，本发明虽然通过设置隔离部件190将原来的一个排气通道分隔成了两个排气通道，但是隔离部件190的设置不能减少排气通道的排气量，第一排气通道201和第二排气通道202的排气能力仍然要达到原来单独排气通道的排气能力。而第一排气通道201和第二排气通道202的排气能力之和也无需超过原来单独排气通道的排气能力，所以没必要将第一排气通道201和第二排气通道202设置的太宽(横截面太大)，针对圆形反应腔，则基本上保证第一排气通道201的通道外侧壁与第二排气通道202的通道外侧壁之间的距离小于等于单个反应腔的直径即可，针对矩形反应腔，则基本上保证第一排气通道201的通道外侧壁(第一排气通道201与隔离部件190相邻的侧壁为内侧壁，相应地，离隔离部件190最远的就是外侧壁)与第二排气通道202的通道外侧壁(同理，第二排气通道202与隔离部件190相邻的侧壁为内侧壁，相应地，离隔离部件190最远的就是外侧壁)之间的距离小于等于单个反应腔的对角线距离即可。

图8是图6中等离子体处理设备中其中一个反应腔中的排气区域和排气通道的流速分布图。图9是图8中C-C向横截面的压力分布图。从图8和图9可以看出，经过隔离部件的阻挡分流，反应腔中的反应气体分别从两侧的第一排气通道和第二排气通道进入排气泵，隔离部件处的气体流速得到了减缓。

图10是图6中等离子体处理设备中其中一个反应腔中的等离子体约束装置和基片表面的流速分布图。从图9可以看出，基片上方的处理区域内，靠近排气通道一侧的气体流速与远离排气通道一侧的气体流速趋近于相等，这使得等离子体约束装置上方处理区域内的气体分布均匀，有利于提高刻蚀均匀性。

如图11所示，背景技术中的等离子体约束装置上方处理区域内的气体流速不均匀，最大值与最小值之间相差幅度很大，而本发明提供的双工位处理器及等离子体处理设备极大地均衡了等离子体约束装置上方处理区域内的气体流速，从图表中可以看出，流速最大值和最小值之间的幅度缩减为背景技术的一半，较好地均匀了基片表面的气体流速，有利于提高刻蚀均匀性。

本发明提高了等离子体处理设备中反应腔内基片表面的反应气体分布的均匀度，提高了基片的刻蚀均匀度，提高了基片的合格率。

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 (8)

1.一种实现均匀排气的双工位处理器，所述的双工位处理器包含：两个相邻排列的等离子体处理腔室，以及一个共享的排气泵，每个所述的等离子体处理腔室内设置一气体注入装置和一用于支撑基片的基座，每个所述的等离子体处理腔室内环绕所述基座的外围设置一等离子体约束装置，每个所述的等离子体约束装置下方设有排气区域，所述的等离子体约束装置上设置若干气体通道，用于将气体排放至排气区域，其特征在于，每一个等离子体处理腔室与排气泵之间具有两个排气通道，每一个排气通道具有进气口和出气口，所述的进气口连接等离子体处理腔室中的排气区域，所述的出气口连接排气泵。

2.如权利要求1所述的实现均匀排气的双工位处理器，其特征在于，所述的排气通道为长直通道。

3.如权利要求1所述的实现均匀排气的双工位处理器，其特征在于，所述的两个排气通道水平地设置在每一个等离子体处理腔室与排气泵之间。

4.如权利要求1所述的实现均匀排气的双工位处理器，其特征在于，所述的两个排气通道的进气口之间的最小距离大于等于100mm。

5.如权利要求3所述的实现均匀排气的双工位处理器，其特征在于，所述的两个排气通道的进气口之间的最大距离小于等于圆形等离子体处理腔室的直径。

6.如权利要求3所述的实现均匀排气的双工位处理器，其特征在于，所述的两个排气通道的进气口之间的最大距离小于等于矩形等离子体处理腔室的对角线长度。

7.如权利要求1所述的实现均匀排气的双工位处理器，其特征在于，在竖直方向上，所述的排气泵设置在两个等离子体处理腔室的下方，在水平方向上，所述的排气泵与两个等离子体处理腔室的位置关系满足：排气泵的中心点与两个等离子体处理腔室的中心点组成一个三角形。

8.一种实现均匀排气的等离子体处理设备，其特征在于，所述的等离子体处理设备包含至少一个如权利要求1-6中任意一项所述的双工位处理器，每一个双工位处理器中的每一个等离子体处理腔室中的气体注入装置都连接到反应气体源。

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