CN103903946B - 一种用于等离子反应器的气体喷淋头 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于等离子反应器的气体喷淋头，该气体喷淋头包括上下两层的气体分布板，气体分布板上开设有位置对应的多个气孔。气孔之间互相隔离成不同区域向等离子反应器不同区域供应反应气体的。其中不同分区之间有一个隔离环分隔所述第一组气孔和第二组气孔，所述隔离环包括一个隔离槽和位于隔离槽中的隔离垫圈，隔离垫圈在所述紧固装置使所述上层气体分布板和下层气体分布板紧贴后的压缩高度小于等于5%。
Description
技术领域
本发明涉及等离子体处理领域，尤其涉及一种用于等离子反应器的气体喷淋头结构。
背景技术
在半导体设备的制造过程中，例如蚀刻、沉积、氧化、溅射等处理过程中，通常会利用等离子体对基片(半导体晶片、玻璃基片等)进行处理。一般地，对于等离子体处理装置来说，作为生成等离子体的方式，在高频放电方式的等离子体处理装置中，包括电容耦合型等离子体反应器和电感耦合型等离子体反应器。所述的电容耦合型反应器通常配置有上部电极和下部电极，优选地这两个电极平行设置。而且，通常在下部电极之上载置被处理基片，经由整合器将等离子体生成用的高频电源施加于上部电极或者下部电极。通过由该高频电源所生成的高频电场来使反应气体的外部电子加速，从而产等离子体对下部基片进行等离子处理。
在半导体制造领域，广泛使用向待处理基片以喷淋状供气的喷淋头。例如在等离子体刻蚀处理设备中，在处理室内设置有用于载置基片的载置台，与该载置台相对的位置设置有喷淋头，该喷淋头的表面设置有多个气体喷出孔，以喷淋状供给反应气体来产生等离子体。为了精确控制对载置台上固定的基片的加工效果，获得更高的均一性需要对通入反应腔的气体分区控制。在反应气体被气体分离装置分离为两种气体后分别通入气体喷淋头(showerhead)的不同区域，比如中心区域和外围区域。气体喷淋头包括上下两层气体分布板，上层板与下层板具有相对应的气孔，其中上层板上的气孔口径大于下层板上的气孔。为了避免中心区域和外围区域的气体互相串扰，在两个区域之间要设置隔离装置如气密的环形垫圈(O-ring)，环形垫圈放置在垫圈槽内使垫圈内外的气体通路互相气体隔离，其中垫圈槽可以开设在上层气体分布板也可以开设在下层气体分布板。为了保证中心区域和外围区域气体的隔离，垫圈需要足够厚度使得上层板与下层板用螺栓相互紧固时产生足够的压力。但是较厚的垫圈在保证气体隔离的同时也使得上层板和下层板之间的接触压力不够或者存在间隙，而上层板和下层板之间的间隙会造成上下层板之间的导热能力急剧恶化，最终导致整块气体喷淋头上温度分布的不均匀。气体喷淋头温度分布不均会导致器件变形，以及等离子处理时沉积的聚合物分布的不均匀，这些都会导致等离子处理效果的不均匀。
所以业内需要一种更好的气体隔离结构实现不同区域气体隔离的同时保证气体喷淋头中的上下层气体分布板紧密贴合，使得等离子处理效果在基片上保持均一。
发明内容
本发明的目的是提供一种等离子反应器的气体喷淋头。具体地，提供一种气体喷淋头结够输出互相隔离的至少两种反应气体，同时保证气体喷淋头上具有均一的温度。所述气体喷淋头，包括：一个气体分流装置包括第一出口和第二出口，一个上层气体分布板上包括第一组气孔与所述第一出口连通，第二组气孔与所述第二出口连通，一个下层气体分布板包括分别与所述上层气体分布板第一组气孔和第二组气孔位置对应的多个气孔，一个紧固装置使上层气体分布板和下层气体分布板相互紧贴固定，一个隔离环分隔所述第一组气孔和第二组气孔，所述隔离环包括一个隔离槽和位于隔离槽中的隔离垫圈，其特征在于，所述隔离垫圈在所述紧固装置使所述上层气体分布板和下层气体分布板紧贴后的压缩高度小于等于5％。
其中所述上层气体分布板和下层气体分布板的材料选自Si、SiC、AL以及石墨之一。上层气体分布板上的气孔口径大于所述下层气体分布板上的气孔口径。下层气体分布板下表面还包括一层抗腐蚀材料层。所述紧固装置选自螺栓、螺钉或夹持机构之一
附图说明
图1为本发明等离子反应器整体示意图；
图2为本发明等离子反应器局部放大图；
具体实施方式
以下结合图1和2，详细说明本发明第一实施例。
如图1所示，本发明等离子反应器100内包括基座22，基座22上固定有待处理基片20，气体喷淋头11同时作为上电极与基座22相对，且固定在反应器顶部。气体喷淋头11通过气体管道连接到气源110。基座22上包括一个基片固定装置如静电夹盘21。一个边缘环10围绕基片20和基片固定装置21。至少一个射频电源向基座内的下电极提供射频电场。其中气体喷淋头内上部包括气体分流装置，气体分流装置将来自气源的气体分为第一反应气体和第二反应气体分别通过第一出口和第二出口输出到后端位于气体喷淋头下部的气体分布板。由于气体分流装置属于半导体加工业的内习知技术，可用于实现的结构种类很多所以此处不再赘述。图1中气体喷淋头11中A处的局部放大截面图如图2所示，气体分布板包括上层气体分布板120和下层气体分布板130，上层气体分布板120包括多个第二气体孔122，和多个第一气体分布孔121。第一气体分布孔121和第二气体分布孔122之间由一个隔离环实现隔离。隔离环包括一个隔离槽124，隔离槽内包括一个垫圈126。下层气体分布板130包括多个第一气体分布孔131和第二气体分布孔132。上下两层气体分布板120、130通过机械紧固装置123(如螺栓、螺钉或夹持机构)实现相互固定，并使上层气体分布板的下表面和下层气体分布板130的上表面紧贴。图2中虽然只示出里一个螺栓的结果，实际上可以有多个，如2-4个甚至更多个，在整个气体分布板上多处设置。在上下层气体分布板120和130相互贴合时，第一气体分布孔121和131位置相匹配，第二气体分布空122和132位置相匹配。而且上层气体分布板上的气体孔121,122具有较大的口径，下层气体分布板上的气孔具有较小口径，两者在装配时少量的位置偏移也不会造成气孔堵塞或扭曲。
其中气体分布板也作为上电极耦合电场，所以气体分布板120,130的材料可以选自Si、SiC、AL以及石墨等导体或半导体。其中下层气体分布板面向等离子处理空的下表面还可以镀有一层耐等离子腐蚀的防腐材料层140，如氧化铝或者氧化钇。
为了保证第一气体孔和第二气体孔中流过的气体不会在上下层气体分布板之间的缝隙中交叉混合，所以传统气体隔离环中的垫圈在选择参数时要求具有足够的厚度，比如在螺栓紧固前后垫圈会压缩10％以上的高度(如20％)。压缩率越高则垫圈126上下表面与隔离槽124上壁和下层板130上表面之间的压力越大。虽然这样能保证气体不会泄露，但是垫圈126与下层板之间太大的压力，会导致上下层气体分布板之间出现缝隙，这样不仅会使第一气孔121或者第二气孔122之间的气体互相扩散，同时也会使上下两层气体分布板之间无法进行有效的热传导，近一步的会造成整个气体分布板上温度不均匀。气体分布板上的温度分布不均会造成等离子反应器100内的等离子处理效果不均匀。
本发明的设计使得垫圈尺寸相对传统垫圈较小，从未被压缩前的直径到压缩装配后的直径只减小了5％左右，如4％。这样的压缩比能够保证在上下层气体分布板装配完成后不会由于隔离环压力过大使得两层气体分布板之间接触不良。虽然可能会导致隔离环上部分区域出现少量漏气，但是由于两个区域的气体本身性质接近，气压也接近所以对整体的反应效果影响不大。整体来看由于保证温度均一带来的等离子处理效果均一的好处远大于气体局部少量泄漏带来的不利。
本发明所述的隔离环能够将气体分布板上的多个气孔划分成至少两个区，如中心区和外围区，也可以是划分成超过两个区域如中心区，中间区，外围区等任何需要对反应气体分区供应的场合。此时隔离环将包括至少2个以上，实现多个区域之间的隔离。不同区域供应的气体可以相同也可以具有不同的流量或者气体成分。本发明除了可以用来进行刻蚀外还可以进行化学气相沉积等其他等离子处理。
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 (5)
1.一种用于等离子反应器的气体喷淋头，包括：
一个气体分流装置包括第一出口和第二出口，
一个上层气体分布板上包括第一组气孔与所述第一出口连通，第二组气孔与所述第二出口连通，
一个下层气体分布板包括分别与所述上层气体分布板第一组气孔和第二组气孔位置对应的多个气孔，
一个紧固装置使上层气体分布板和下层气体分布板相互紧贴固定，
一个隔离环位于所述上层和下层气体分布板之间以分隔所述第一组气孔和第二组气孔，所述隔离环包括一个隔离槽和位于隔离槽中的隔离垫圈，其特征在于，所述隔离垫圈在所述紧固装置使所述上层气体分布板和下层气体分布板紧贴后的压缩高度小于等于5％，所述上层气体分布板上的气孔口径大于所述下层气体分布板上的气孔口径。
2.如权利要求1所述的气体喷淋头，其特征在于：所述上层气体分布板和下层气体分布板的材料选自Si、SiC、AL以及石墨之一。
3.如权利要求1所述的气体喷淋头，其特征在于：所述隔离垫圈的压缩高度小于4％。
4.如权利要求1所述的气体喷淋头，其特征在于：所述下层气体分布板下表面还包括一层抗腐蚀材料层。
5.如权利要求1所述的气体喷淋头，其特征在于：所述紧固装置选自螺栓、螺钉或夹持机构之一。
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