TWI809280B - 實現均勻排氣的雙工位處理器及電漿處理設備 - Google Patents
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Abstract
一種實現均勻排氣的雙工位處理器及電漿處理設備，雙工位處理器包含兩個相鄰排列的電漿處理腔室和一個共用的排氣泵，各電漿處理腔室內設置氣體注入裝置和用於支撐基片的基座，各電漿處理腔室內環繞基座的外圍設置電漿約束裝置，各電漿約束裝置下方設有排氣區域，各電漿處理腔室與排氣泵之間具有兩個排氣通道，各排氣通道具有進氣口和出氣口，進氣口連接電漿處理腔室中的排氣區域，出氣口連接排氣泵。本發明提高了電漿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，且提高了基片的合格率。
Description
本發明涉及一種半導體設備，尤其涉及一種實現均勻排氣的雙工位處理器及電漿處理設備。
在利用反應氣體處理半導體基片的設備中，如電漿蝕刻設備中，反應氣體在反應腔內解離成電漿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，如第1圖和第2圖所示，為了提高基片處理的效率，可以在一台電漿處理設備80上設置至少兩個反應腔70和70’，反應腔70由反應腔外壁71圍成，反應腔70’由反應腔外壁71’圍成。反應腔70內設置支撐基片90的基座30，反應腔70’內設置支撐基片90’的基座30’，基座30和基座30’具有溫度調節功能。連接供氣裝置60的進氣元件20將反應氣體輸入反應腔70內，連接供氣裝置60的進氣元件20’將反應氣體輸入反應腔70’內，外部射頻源50和外部射頻源50’提供將反應氣體解離為電漿的能量。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，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。排氣裝置40用於將反應副產物排出反應
腔，同時維持反應腔內的壓力。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電漿約束裝置10和10’，電漿約束裝置通常環繞基座設置，可以容許氣體的反應副產物排出反應腔，同時將反應腔中的電漿限制在電漿的工作區域。電漿約束裝置通常包含主體及複數個貫穿此主體的孔或槽通道，以實現氣體副產物的排出。電漿約束裝置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外圍。通常具有兩個反應腔的電漿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，透過開口45實現反應腔與排氣裝置40的連通，開口45同時貫穿兩個反應腔70和70’相鄰區域的底部，實現兩個反應腔共用一個排氣裝置40，將反應製程產生的氣體副產物排出反應腔。
第3圖是電漿處理設備中一個反應腔70’中的排氣區域和排氣裝置40的流速分佈圖。第4圖是第3圖中C-C向橫截面的壓力分佈圖。第5圖是反應腔70’中的電漿約束裝置和基片表面的流速分佈圖。從第3圖至第5圖可以看出，由於兩個反應腔共用一個排氣裝置40，為了保證兩個反應腔排氣速率的對稱性，故排氣裝置40設置在兩個反應腔相鄰側壁的下方，每一個反應腔與排氣裝置40之間都只有一個排氣通道401，排氣通道401連接開口和反應腔中的排氣區域，這勢必會導致兩個反應腔的排氣區域中的不同位置的氣體到達開口45的路徑不同，因此靠近開口45的排氣區域的氣體沿A路線透過排氣裝置40排出反應腔，其排出速率較快，此處區域氣壓較小，此排出區域對應的電漿約束裝置上方用過的反應氣體及副產品氣體會較快的經排氣通道進入排氣裝置40，而遠離開口45部分的排氣區域的氣體沿B路線透過排氣裝置40排出反應腔，其排出速率
較慢，此處區域氣壓較大，此排出區域對應的電漿約束裝置上方用過的反應氣體及副產品氣體會較慢的經排氣通道進入排氣裝置40，從第3圖和第4圖可以看出，排氣通道401中部位置的流速最快，從第5圖也可以看出，基片上方的處理區域內，靠近排氣通道401一側的氣體流速明顯大於遠離排氣通道401一側的氣體流速，這會導致電漿約束裝置上方處理區域內的氣體分佈不均勻，進而影響半導體基片表面氣體分佈的均勻度，導致不同區域的半導體基片處理不均勻，降低半導體基片的合格率。
本發明提供一種實現均勻排氣的雙工位處理器及電漿處理設備，提高了電漿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，且提高了基片的合格率。
為了達到上述目的，本發明提供一種實現均勻排氣的雙工位處理器，雙工位處理器包含：兩個相鄰排列的電漿處理腔室，以及一個共用的排氣泵，各電漿處理腔室內設置氣體注入裝置和用於支撐基片的基座，各電漿處理腔室內環繞基座的外圍設置電漿約束裝置，各電漿約束裝置下方設有排氣區域，電漿約束裝置上設置複數個氣體通道，用於將氣體排放至排氣區域，各電漿處理腔室與排氣泵之間具有兩個排氣通道，各排氣通道具有進氣口和出氣口，進氣口連接電漿處理腔室中的排氣區域，出氣口連接排氣泵。
較佳地，排氣通道為長直通道。
較佳地，兩個排氣通道水平地設置在各電漿處理腔室與排氣泵之間。
較佳地，兩個排氣通道的進氣口之間的最小距離大於等於100mm。
較佳地，兩個排氣通道的進氣口之間的最大距離小於等於圓形電漿處理腔室的直徑。
較佳地，兩個排氣通道的進氣口之間的最大距離小於等於矩形電漿處理腔室的對角線長度。
較佳地，在豎直方向上，排氣泵設置在兩個電漿處理腔室的下方，在水平方向上，排氣泵與兩個電漿處理腔室的位置關係滿足：排氣泵的中心點與兩個電漿處理腔室的中心點組成一個三角形。
本發明進一步提供一種實現均勻排氣的電漿處理設備，包含至少一個雙工位處理器，各雙工位處理器中的各電漿處理腔室中的氣體注入裝置都連接到反應氣體源。
本發明提高了電漿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，且提高了基片的合格率。
10,10’,110,110’:電漿約束裝置
20,20’:進氣元件
30,30’,130,130’:基座
40:排氣裝置
45,145:開口
50,50’:外部射頻源
60:連接供氣裝置
70,70’,170,170’:反應腔
71,71’:反應腔外壁
90,90’,135,135’:基片
80,100:電漿處理設備
101,101’:反應腔壁
102,102’:電漿處理區域
103,103’:排氣區域
105:側壁
111:導流主體
112,401:氣體通道
120,120’:氣體噴淋頭
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
180,180’:開閥
190:隔離部件
201:第一排氣通道
202:第二排氣通道
第1圖是先前技術中具有兩個反應腔的電漿處理設備的結構示意圖。
第2圖是第1圖中兩個真空反應腔和排氣裝置的俯視圖。
第3圖是先前技術中電漿處理設備中其中一個反應腔中的排氣區域和排氣通道的流速分佈圖。
第4圖是第3圖中C-C向橫截面的壓力分佈圖。
第5圖是先前技術中電漿處理設備中其中一個反應腔中的電漿約束裝置和基片表面的流速分佈圖。
第6圖是本發明實施例中具有雙工位處理器的電漿處理設備的結構示意圖。
第7圖是第6圖中雙工位處理器的俯視圖。
第8圖是第6圖中電漿處理設備中其中一個反應腔中的排氣區域和排氣通道的流速分佈圖。
第9圖是第8圖中C-C向橫截面的壓力分佈圖。
第10圖是第6圖中電漿處理設備中其中一個反應腔中的電漿約束裝置和基片表面的流速分佈圖。
第11圖是第3圖與第8圖中反應腔中不同方位角對應的流速分佈圖表。
以下根據第6圖至第11圖，具體說明本發明的較佳實施例。
第6圖是根據本發明實施方式所提供的一種具有雙工位處理器的電漿處理設備的主視圖的橫截面示意圖，此電漿處理設備中，包含兩個反應腔，這兩個反應腔共用一個排氣泵，兩個反應腔和一個排氣泵共同組成一個雙工位處理器。在另外的實施例中，電漿處理設備中的反應腔可以多於兩個，仍然採用兩個反應腔共用一個排氣泵的模式，也就是說該電漿處理設備可以包含複數個雙工位處理器，各雙工位處理器中的結構和排氣原理都是類似的。
在第6圖所示的電漿處理設備100中，包含兩個相鄰排列的反應腔，反應腔170由反應腔壁101圍成，反應腔170’由反應腔壁101’圍成，兩個反應腔共用一個相鄰的側壁105。在電漿處理製程中，電漿處理設備100內通常設置為真空環境，電漿處理製程開始時，氣體注入裝置將反應氣體源160中的反應氣
體注入電漿處理設備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電漿處理設備內，選擇氣體噴淋頭的材料為適合做電極的材料，可以進一步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，用以產生電漿。氣體噴淋頭120和120’下方分別設置支撐半導體基片135和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’，透過靜電夾盤133和133’產生的靜電吸力實現對半導體基片135在電漿處理製程過程中的固定。基座130和130’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，有利於電漿處理製程的順利進行。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’之間產生電場，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電漿，並維持電漿對半導體基片進行作用。環繞基座130設置電漿約束裝置110，且環繞基座130’設置電漿約束裝置110’。在電漿約束裝置110和110’水平面以上的區域為電漿處理區域102和102’，在電漿約束裝置110和110’下方的區域為排氣區域103和103’。由於兩個反應腔具有大致相同的結構，為便於說明，下文中將選取一個反應腔的結構進行詳細說明。其中，環繞基座130設置的電漿約束裝置110包含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，以利於電漿處理區域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，用過的反應氣體及副產物氣體內包含帶電粒子及中性粒子，氣體通道112的大小設置成當電漿內的帶電粒子通過氣體通道112時可以使帶電粒子被中和，同時允許中性粒子透過。排氣區域103為環繞在基座130周圍的區域。在兩個反應腔的下方設置一開口145，開口145與設置在兩個反應腔下方的排氣泵140連通。
如第7圖所示，以其中一個反應腔為例進行說明，在反應腔170的排氣區域與開口145之間的排氣通道的位置上設置隔離部件190，從而將完整的排氣通道分隔為第一排氣通道201和第二排氣通道202，隔離部件190應該設置在原排氣通道的中部，使得第一排氣通道201和第二排氣通道202分別位於隔離部件190的兩側，這樣就使得原排氣通道中流速最快的部分變成了非流通部分，氣體受到隔離部件190的阻擋，無法從原排氣通道的中部進入排氣泵140，而只能轉為從兩側的第一排氣通道201和第二排氣通道202進入排氣泵140。第一排氣通道201和第二排氣通道202都具有進氣口和出氣口，進氣口連接反應腔中的排氣區域，出氣口連接排氣泵140。在一個實施例中，第一排氣通道201和第二排氣通道202水平設置在反應腔170與排氣泵140之間。
在一個實施例中，隔離部件190可以設置為擋板形式，即採用實體形式的部件形成對原排氣通道的阻擋隔離，此擋板實現對反應腔中的排氣區域和排氣泵140之間的原排氣通道的阻擋，因此擋板的一端可以與單個反應腔中靠近開口145側的底部腔壁固定連接，擋板的另一端則可以與兩個反應腔之間的側壁105固定連接，或者與單個反應腔中靠近開口145側的頂部腔壁固定連接。擋板可以採用平板形式，或者具有一定弧度的曲板形式，甚至是任何具有一定表面積的形式，為了獲得更好地阻擋效果，必須使第一排氣通道201和第二排氣通道202之間具有足夠的寬度，因此擋板的寬度(平板形式)或弧面長度(曲板形式)需要大於等於100mm。對擋板的厚度沒有限制，只要能夠阻擋住氣流即可。
在另一個實施例中，隔離部件190可以進一步設置為空腔形式，即採用鏤空的方法將原排氣通道分隔為第一排氣通道201和第二排氣通道202。此空腔具有側壁，側壁的橫截面可以是任意形狀的封閉曲線，側壁的一端可以與單個反應腔中靠近開口145側的底部腔壁固定連接，側壁的另一端則可以與兩
個反應腔之間的側壁105固定連接，或者與單個反應腔中靠近開口145側的頂部腔壁固定連接。此空腔的寬度也需要大於等於100mm。
如第7圖所示，為了更方便地設置隔離部件190，可以將排氣泵140的設置位置做一些調整，使其從設置在兩個反應腔之間側壁105的下方，改為設置到兩個反應腔的底部中點連線的一側，這樣一來，就可以更加容易地使隔離部件190連接到反應腔的頂部腔壁和底部腔壁。需要注意的是，將排氣泵140設置在兩個反應腔的底部中點連線的哪一側，並不是任意選擇的。因為反應腔170上具有開閥180，反應腔170’上具有開閥180’，開閥設置在反應腔與傳輸腔(圖中未示出)之間，當開閥打開時，反應腔中反應完畢的基片可以透過開閥傳輸至傳輸腔中，當開閥關閉時，反應腔與傳輸腔之間隔離，反應腔為密閉狀態，反應腔中可以保持真空狀態或者充滿反應氣體的狀態。因此，只能將排氣泵140設置在與開閥180相對的一側，以免影響製程操作。基本上，如果說先前技術中兩個反應腔的中心點和排氣裝置的中心點，這三點是位於一條直線上的，那麼在本發明中，兩個反應腔的中心點與排氣泵140的中心點之間則形成一個三角形。
隔離部件190實現了第一排氣通道201和第二排氣通道202之間的距離隔離，第一排氣通道201和第二排氣通道202的通道寬度也需要滿足一定條件，一般來說，第一排氣通道201和第二排氣通道202都是具有一定長度的通道，通道的橫截面形狀不限，第一排氣通道201和第二排氣通道202可以是均勻的通道，即通道入口、通道出口和通道本體處的寬度都大致相同，要保證第一排氣通道201的截面積與第二排氣通道202的截面積之和等於原排氣通道的截面積，也就是說，本發明雖然透過設置隔離部件190將原來的一個排氣通道分隔成了兩個排氣通道，但是隔離部件190的設置不能減少排氣通道的排氣量，第一排氣通道201和第二排氣通道202的排氣能力仍然要達到原來單獨排氣通道的排氣能
力。而第一排氣通道201和第二排氣通道202的排氣能力之和也無需超過原來單獨排氣通道的排氣能力，所以沒必要將第一排氣通道201和第二排氣通道202設置的太寬(橫截面太大)，針對圓形反應腔，則基本上保證第一排氣通道201的通道外側壁與第二排氣通道202的通道外側壁之間的距離小於等於單個反應腔的直徑即可，針對矩形反應腔，則基本上保證第一排氣通道201的通道外側壁(第一排氣通道201與隔離部件190相鄰的側壁為內側壁，相應地，離隔離部件190最遠的就是外側壁)與第二排氣通道202的通道外側壁(同理，第二排氣通道202與隔離部件190相鄰的側壁為內側壁，相應地，離隔離部件190最遠的就是外側壁)之間的距離小於等於單個反應腔的對角線距離即可。
第8圖是第6圖中電漿處理設備中其中一個反應腔中的排氣區域和排氣通道的流速分佈圖。第9圖是第8圖中C-C向橫截面的壓力分佈圖。從第8圖和第9圖可以看出，經過隔離部件的阻擋分流，反應腔中的反應氣體分別從兩側的第一排氣通道和第二排氣通道進入排氣泵，隔離部件處的氣體流速得到了減緩。
第10圖是第6圖中電漿處理設備中其中一個反應腔中的電漿約束裝置和基片表面的流速分佈圖。從第9圖可以看出，基片上方的處理區域內，靠近排氣通道一側的氣體流速與遠離排氣通道一側的氣體流速趨近於相等，這使得電漿約束裝置上方處理區域內的氣體分佈均勻，有利於提高蝕刻均勻性。
如第11圖所示，先前技術中的電漿約束裝置上方處理區域內的氣體流速不均勻，最大值與最小值之間相差幅度很大，而本發明提供的雙工位處理器及電漿處理設備極大地均衡了電漿約束裝置上方處理區域內的氣體流速，從圖表中可以看出，流速最大值和最小值之間的幅度縮減為先前技術的一半，較好地均勻了基片表面的氣體流速，有利於提高蝕刻均勻性。
本發明提高了電漿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，且提高了基片的合格率。
儘管本發明的內容已經透過上述較佳實施例作了詳細說明，但應當認識到上述的說明不應被認為是對本發明的限制。在本領域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。
110:電漿約束裝置
133:靜電夾盤
135:基片
140:排氣泵
170:反應腔
180:開閥
190:隔離部件
201:第一排氣通道
202:第二排氣通道
Claims (8)
- 一種實現均勻排氣的雙工位處理器，該雙工位處理器包含：兩個相鄰排列的一電漿處理腔室，以及一個共用的一排氣泵，在兩個該電漿處理腔室的下方設置一開口，該開口與該排氣泵連通，各該電漿處理腔室內設置一氣體注入裝置和用於支撐基片的一基座，各該電漿處理腔室內環繞該基座的外圍設置一電漿約束裝置，各該電漿約束裝置下方設有一排氣區域，該電漿約束裝置上設置複數個氣體通道，用於將氣體排放至該排氣區域，其中，在該排氣區域與該開口之間設置一隔離部件，使各該電漿處理腔室與該排氣泵之間具有兩個排氣通道，各該排氣通道具有一進氣口和一出氣口，該進氣口連接該電漿處理腔室中的該排氣區域，該出氣口連接該排氣泵。
- 如請求項1的實現均勻排氣的雙工位處理器，其中該排氣通道為長直通道。
- 如請求項1的實現均勻排氣的雙工位處理器，其中兩個該排氣通道水平地設置在各該電漿處理腔室與該排氣泵之間。
- 如請求項1的實現均勻排氣的雙工位處理器，其中兩個該排氣通道的該進氣口之間的最小距離大於等於100mm。
- 如請求項3的實現均勻排氣的雙工位處理器，其中兩個該排氣通道的該進氣口之間的最大距離小於等於圓形的該電漿處理腔室的直徑。
- 如請求項3的實現均勻排氣的雙工位處理器，其中兩個該排氣通道的該進氣口之間的最大距離小於等於矩形的該電漿處理腔室的對角線長度。
- 如請求項1的實現均勻排氣的雙工位處理器，其中在豎直方向上，該排氣泵設置在兩個該電漿處理腔室的下方，在水平方向上，該排氣泵與兩個該電漿處理腔室的位置關係滿足：該排氣泵的中心點與兩個該電漿處理腔室的中心點組成一個三角形。
- 一種實現均勻排氣的電漿處理設備，其中該電漿處理設備包含至少一個如請求項1至請求項7中任意一項的雙工位處理器，各該雙工位處理器中的各該電漿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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