气体输入装置和半导体加工设备

摘要

本发明提供一种气体输入装置，用于向半导体晶片表面输入工艺气体，包括：主进气部，基本朝向所述半导体晶片的中心；补偿环，所述主进气部基本位于所述补偿环的轴线位置；密封环，与所述补偿环密封连接，从而在所述密封环和补偿环之间形成有气流分配腔；所述密封环具有至少两个进气口，所述补偿环具有出气口，所述出气口朝向所述补偿环的轴线方向。所述气体输入装置和半导体加工设备，能够改善所处理的半导体晶片整个表面上方气流分布的均匀性。

权利要求

1.一种气体输入装置，用于向半导体晶片表面输入工艺气体，其特征在于，包括：主进气部，朝向所述半导体晶片的中心；

补偿环，所述主进气部位于所述补偿环的轴线位置；

密封环，与所述补偿环密封连接，从而在所述密封环和补偿环之间形成有气流分配腔；

所述密封环具有至少两个进气口，所述补偿环具有出气口，所述出气口朝向所述补偿环的轴线方向，用于将流过所述气流分配腔的工艺气体以边缘进气的方式喷射到工艺区域，由所述补偿环输入的气流位于所述主进气部输入气流的周围。

2.根据权利要求1所述的气体输入装置，其特征在于，所述至少两个进气口在所述密封环上对称布置。

3.根据权利要求1所述的气体输入装置，其特征在于，所述出气口为一系列通孔，所述一系列通孔环绕补偿环的轴线均匀布置。

4.根据权利要求3所述的气体输入装置，其特征在于，所述通孔的轴线与半导体晶片表面平行或相交。

5.根据权利要求3所述的气体输入装置，其特征在于，所述一系列通孔中，越靠近半导体晶片的通孔其孔径越大。

6.根据权利要求1所述的气体输入装置，其特征在于，所述补偿环的内壁为朝向半导体晶片的喇叭口形。

7.根据权利要求1所述的气体输入装置，其特征在于，所述补偿环为圆环形，所述密封环位于补偿环的外圆，则所述气流分配腔也为圆环形。

8.根据权利要求1所述的气体输入装置，其特征在于，所述补偿环和密封环为金属材质，则该补偿环和密封环的接触面设有导电件和/或密封件。

9.根据权利要求1所述的气体输入装置，其特征在于，所述气体输入装置还包括控制气路，所述控制气路包括主要气路和补偿气路，其中，所述主要气路与所述主进气部连通，用于给主进气部供气；

所述补偿气路与所述密封环的至少两个进气口连通，用于给所述补偿环供气。

10.根据权利要求9所述的气体输入装置，其特征在于，所述补偿气路包括至少两条支路，每条支路上设有开关装置和限流装置。

11.一种半导体加工设备，包括：反应腔，位于反应腔一侧的、用于固定半导体晶片的晶片支撑装置，位于反应腔的另一侧的、与所述晶片支撑装置相对的气体输入装置，其特征在于，所述气体输入装置包括：主进气部，朝向所述半导体晶片的中心；

补偿环，所述主进气部位于所述补偿环的轴线位置；

密封环，与所述补偿环密封连接，从而在所述密封环和补偿环之间形成有气流分配腔；

所述密封环具有至少两个进气口，所述补偿环具有出气口，所述出气口朝向所述补偿环的轴线方向，用于将流过所述气流分配腔的工艺气体以边缘进气的方式喷射到工艺区域，由所述补偿环输入的气流位于所述主进气部输入气流的周围。

12.根据权利要求11所述的半导体加工设备，其特征在于，还包括排气通道，位于所述晶片支撑装置周围。

说明书

气体输入装置和半导体加工设备

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体加工技术领域，特别涉及一种气体输入装置和半导体加工设备。

背景技术

[0002] 集成电路、太阳能电池的制造过程中，通常需要使用半导体加工设备对单晶硅等半导体晶片进行薄膜沉积、刻蚀等加工工艺。而在半导体加工设备中，气体输入装置通常是为半导体晶片的加工提供所需的工艺气体，也可以在特定情况下或设备维护时提供所需辅助气体。

[0003] 加工半导体晶片时，气体输入装置向半导体加工设备的反应腔中输入工艺气体，工艺气体在射频功率的激发下，产生电离而形成等离子体。所述等离子体是由带电的电子和离子组成，反应腔中的工艺气体在电子的撞击下，除了转变成离子外，还能吸收能量并形成大量的活性基团，通过射频电源的电磁场能量耦合，将工艺气体激发成等离子态，从而对反应腔内的半导体晶片表面进行相应的材料刻蚀或沉积，而刻蚀或沉积反应的生成物及残余气体脱离半导体晶片表面，并被真空系统抽出反应腔。

[0004] 对于半导体晶片加工来说，整个半导体晶片表面处理的均匀性是加工工艺的一个极其重要的指标，而与该指标密切相关的是工艺气体进入反应腔后在半导体晶片表面形成的气流场，该气流场均匀性对加工工艺的结果相当重要。影响半导体晶片表面气流场的均匀性的因素有很多，气体注入装置就是其中一个直接因素，气流注入装置的结构、位置和输气方式对气流场会产生很大的影响。

[0005] 如图1所示为一种常用的半导体加工设备的结构，其特点为在反应腔1顶部的中心安装有一多区喷嘴2，该多区喷嘴2具有多个输入气路，工艺气体可以分多路进入到反应腔，对各个输入气路之间的气流比例进行调节，从而使所处理的半导体晶片3表面气流更加均匀，如图中虚线所示为反应腔内气流的分布情况。

[0006] 上述半导体加工设备采取反应腔1顶部中心进气的方式，通过位于半导体晶片四周的环形区域的排气通道4将残余气体及反应生成物抽离反应腔，由于从半导体晶片3中心到边缘的气流路径长度的差异，会导致晶片表面上的气流场从中心到边缘形成梯度分布，使得工艺气体在中心浓度较高，在边缘浓度较低，整个半导体晶片3上方气流分布不均匀，影响对半导体晶片3的加工质量。

[0007] 虽然可以通过改变多区喷嘴2不同输入气路之间的进气比例来改善上述气流分布不均匀的现象，但也仅能在一定程度内减小梯度分布，而且随着技术的发展，半导体晶片的尺寸逐步增加，其中心与边缘的气流分布的差异将进一步增大。

发明内容

[0008] 本发明解决的问题是提供一种气体输入装置和半导体加工设备，能够改善所处理的半导体晶片整个表面上方气流分布的均匀性。

[0009] 为解决上述问题，本发明提供一种气体输入装置，用于向半导体晶片表面输入工艺气体，包括：

[0010] 主进气部，基本朝向所述半导体晶片的中心；

[0011] 补偿环，所述主进气部基本位于所述补偿环的轴线位置；

[0012] 密封环，与所述补偿环密封连接，从而在所述密封环和补偿环之间形成有气流分配腔；

[0013] 所述密封环具有至少两个进气口，所述补偿环具有出气口，所述出气口朝向所述补偿环的轴线方向。

[0014] 所述至少两个进气口在所述密封环上对称布置。

[0015] 所述出气口为一系列通孔，所述一系列通孔环绕补偿环的轴线均匀布置。

[0016] 所述通孔的轴线与半导体晶片表面平行或相交。

[0017] 所述一系列通孔中，越靠近半导体晶片的通孔其孔径越大。

[0018] 所述补偿环的内壁为朝向半导体晶片的喇叭口形。

[0019] 所述补偿环为圆环形，所述密封环位于补偿环的外圆，则所述气流分配腔也为圆环形。

[0020] 所述补偿环和密封环为金属材质，则该补偿环和密封环的接触面设有导电件和/或密封件。

[0021] 所述气体输入装置还包括控制气路，所述控制气路包括主要气路和补偿气路，其中，

[0022] 所述主要气路与所述主进气部连通，用于给主进气部供气；

[0023] 所述补偿气路与所述密封环的至少两个进气口连通，用于给所述补偿环供气。

[0024] 所述补偿气路包括至少两条支路，每条支路上设有开关装置和限流装置。

[0025] 本发明还提供一种半导体加工设备，包括：反应腔，位于反应腔一侧的、用于固定半导体晶片的晶片支撑装置，位于反应腔的另一侧的、与所述晶片支撑装置相对的气体输入装置，所述气体输入装置包括：

[0026] 主进气部，基本朝向所述半导体晶片的中心；

[0027] 补偿环，所述主进气部基本位于所述补偿环的轴线位置；

[0028] 密封环，与所述补偿环密封连接，从而在所述密封环和补偿环之间形成有气流分配腔；

[0029] 所述密封环具有至少两个进气口，所述补偿环具有出气口，所述出气口朝向所述补偿环的轴线方向。

[0030] 所述半导体加工设备还包括排气通道，位于所述晶片支撑装置周围。

[0031] 上述技术方案具有以下优点：

[0032] 所述气体输入装置用于向反应腔内的半导体晶片表面输入工艺气体，一方面，通过基本朝向半导体晶片的中心主进气部，工艺气体以中央进气的方式输入到晶片表面上的工艺区域，而另一方面，工艺气体由所述密封环的至少两个进气口进入所述密封环和补偿环之间的气流分配腔，再通过与所述气流分配腔连通的补偿环上的出气口输入至晶片表面上的工艺区域，由于主进气部基本位于所述补偿环的轴线位置，而所述出气口朝向所述补偿环的轴线方向，也就是说，由补偿环输入的气流位于进气部输入气流的周围，这样一来，从补偿环输入的工艺气体补偿了晶片表面边缘区域的气流，可以减小晶片表面上边缘与中心之间气流场的分布梯度，从而能够改善所处理的半导体晶片整个表面上方气流分布的均匀性。

[0033] 所述半导体加工设备，由于采用上述气体输入装置向反应腔输送工艺气体，因此，能够减小晶片表面上边缘与中心之间气流场的分布梯度，进而能够改善所处理的半导体晶片整个表面上方气流分布的均匀性。

[0034] 而且，所述气体输入装置仅在传统的中央主进气部周围增加补偿环和密封环，因此结构相对简单，制造成本较低。此外，通过控制气路分配主进气部和补偿环输入气流的配比，有利于进一步提高气流的均匀性。

附图说明

[0035] 通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

[0036] 图1为一种常用的半导体加工设备的结构示意图；

[0037] 图2为实施例一中半导体加工设备的立体结构示意图；

[0038] 图3为图2中沿A-A方向的剖视图；

[0039] 图4为图3中的补偿环的剖视图；

[0040] 图5为图4中的补偿环的局部放大图；

[0041] 图6为实施例一中另一补偿环的局部放大图；

[0042] 图7为图2中半导体加工设备的俯视图；

[0043] 图8为实施例二中气体输入装置的控制气路的原理示意图。

具体实施方式

[0044] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

[0045] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

[0046] 其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示装置结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

[0047] 为突出本发明的特点，附图中没有给出与本发明的发明点必然直接相关的部分，例如，射频电源、功率匹配装置、静电卡盘的具体结构。

[0048] 随着集成电路、太阳能电池等半导体行业的发展，作为衬底的半导体晶片的尺寸逐步增加，关键尺寸不断减小，这些导致半导体加工设备的反应腔的体积也相应的增大，对晶片表面的气流均匀性要求也越来越高，需要在一个更大的空间内，在一个更大的表面上，获得更加均匀的气流分布。

[0049] 发明人研究发现，传统的半导体加工设备，虽然改变多区喷嘴不同输入气路之间的进气比例来改善半导体晶片表面气流分布不均匀的现象，但也仅能在一定程度内减小梯度分布，本质原因在于，反应腔的进气位置单一，而且气流是经过所处理的半导体晶片四周的环形区域被抽离反应腔，因此导致半导体晶片中心附近的气体相对于边缘附近来说总是更加难以抽离，从而造成所处理半导体晶片中心与边缘气流分布的差异。

[0050] 基于此，本发明提出一种用于半导体加工设备的气体输入装置，在传统的中心进气的基础上增加边缘进气以对边缘气流进行补偿，从而减小半导体晶片表面中心到边缘的气流分布梯度，而且该气体输入装置结构简单，控制灵活。

[0051] 下面结合附图详细说明所述的气体输入装置及具有该气体输入装置的半导体加工设备的具体实施例。

[0052] 实施例一

[0053] 图2为本实施例中半导体加工设备的立体结构示意图，图3为图2中沿A-A方向的剖视图。

[0054] 如图所示，半导体加工设备包括：反应腔10，位于反应腔10内部的晶片支撑装置11，以及，位于反应腔10一侧的、与所述晶片支撑装置11相对的气体输入装置12。

[0055] 其中，晶片支撑装置11和气体输入装置12之间的反应腔内部空间构成工艺区域B。所述晶片支撑装置11例如为静电卡盘，用来固定半导体晶片3。反应腔10内部还具有腔室内衬13，反应腔10的上部为介质窗101，该介质窗101通常由陶瓷或者石英材料构成。介质窗101的上方安装有连接射频电源的线圈(图中未示出)，其将能量通过介质窗耦合至所述工艺区域B，将其中的工艺气体激发成等离子体，从而对晶片支撑装置11上的半导体晶片3进行处理，处理后的残余气体或反应生成物通过排气通道102抽离反应腔10。所述排气通道102位于晶片支撑装置11的周围。

[0056] 所述气体输入装置12用于向半导体晶片3表面上的工作区域B输入工艺气体，包括：

[0057] 主进气部121，基本朝向所述半导体晶片3的中心；

[0058] 补偿环122，所述主进气部121基本位于所述补偿环122的轴线C-C位置；

[0059] 密封环123，与所述补偿环122密封连接，从而在所述密封环123和补偿环122之间形成气流分配腔124。

[0060] 其中，该主进气部121优选安装在所述介质窗101的中心，例如为气体分配板、多区喷嘴等，工艺气体从该主进气部121以中央进气的方式喷射到工艺区域B中。

[0061] 密封环123具有至少两个进气口125，所述至少两个进气口在所述密封环123上对称布置，如图2所示，密封环123的外形基本为正方形，四个进气口125分别位于正方形的四个角处，用于向气流分配腔124输入工艺气体。本发明的其他实施例中，进气口的数量不限为四个，也不限为均匀布置，也可以根据实际的反应腔和补偿环的结构非均匀布置，以便进入气流分配腔的工艺气体沿补偿环的方向尽量均匀，从而达到进入气流分配腔的工艺气体均匀分布的目的。

[0062] 所述补偿环122具有出气口126，所述出气口126朝向所述补偿环122的轴线的方向，用于将流过气流分配腔124的工艺气体以边缘进气的方式喷射到工艺区域B中。

[0063] 所述气体输入装置用于向反应腔内的半导体晶片3表面输入工艺气体，一方面，通过基本朝向半导体晶片3的中心主进气部121，工艺气体D以中央进气的方式输入到晶片表面中心附近的工艺区域，而另一方面，工艺气体E由所述密封环123的至少两个进气口125进入所述密封环123和补偿环122之间的气流分配腔124，再通过与所述气流分配腔
124连通的补偿环122上的出气口126输入至晶片表面边缘附近的工艺区域，由于主进气部121基本位于所述补偿环122的轴线位置，而所述出气口126朝向所述补偿环122的轴线方向，也就是说，由补偿环122输入的气流E位于主进气部121输入气流D的周围，这样一来，从补偿环122输入的工艺气体E补偿了晶片表面边缘区域的气流，可以减小晶片表面上边缘与中心之间气流场的分布梯度，参见图中虚线所示反应腔内气流的分布情况，从而能够改善所处理的半导体晶片整个表面上方气流分布的均匀性。

[0064] 图4为图3中的补偿环122的剖视图，如图所示，优选的，所述补偿环122的内壁122a为朝向半导体晶片的喇叭口形，所述出气口126为一系列通孔126，所述一系列通孔
126环绕补偿环122的轴线C-C均匀布置。该补偿环122的内壁122a为喇叭口，该喇叭口靠近介质窗101一侧的半径小于靠近半导体晶片3一侧的半径(见图3)，所述一系列通孔
126由内壁122a延伸至外壁122b而贯穿补偿环122，这样一来，一系列通孔126沿内壁122a发散式分布，可以在平行于半导体晶片3的水平面内的一定圆环宽度范围内多层次输出气体，从而对半导体晶片3边缘附近的区域补偿工艺气体，获得更好的气流均匀性。

[0065] 图5为图4中的补偿环122的局部放大图，优选的，通孔126的轴线与所述半导体晶片表面平行，越靠近半导体晶片的通孔126其孔径越大，以使半导体晶片边缘区域由内到外的工艺气体补偿量逐渐增加，从而使得越靠近边缘区域补偿的气流越大，进一步提高补偿效果，改善半导体晶片表面气流场分布梯度。除此之外，如图6所示，所述一系列通孔126的轴线也可以与半导体晶片表面相交成一定的角度，例如0°-90°，通孔126的孔径也可以都相等，或者，越靠近半导体晶片的通孔126其孔径越小。

[0066] 图7为图2中半导体加工设备的俯视图(其中点划线表示透视的结构)，所述补偿环优选为圆环形，其半径大于介质窗101，所述密封环123位于补偿环的外圆周，补偿环的外壁122b和密封环123的内壁123a之间构成所述气流分配腔，则所述气流分配腔也为圆环形，而密封环123的外壁123b基本为正方形。本实施例中所述的“环”并不限于圆环，还可以是矩形环、三角形环、椭圆形环等，形状与所处理的半导体晶片的形状匹配即可，例如，在太阳能电池制造工艺中所处理的半导体晶片为方形，则所述补偿环、气流分配腔、密封环(内壁)均为方形环。

[0067] 在本发明的其他实施例中，所述补偿环的内壁也可以为圆柱形，也就是说，从靠近介质窗一侧的半径到靠近半导体晶片一侧的半径均相等，则一系列通孔的末端到补偿环轴线的距离均相等，这种结构相对于喇叭口的结构更容易制造。

[0068] 本实施例中，如图3所示，反应腔10、腔室内衬13、补偿环122、密封环123优选均为金属材质。反应腔10与腔室内衬13之间、腔室内衬13与补偿环122之间、以及补偿环122与密封环123之间的接触面分别具有密封件127来实现密封，同时还具有导电件128来实现彼此之间的电导通，当然也可以根据需要选择其他非导电材料，那样它们之间不需要电导通。

[0069] 本发明所述的气体输入装置还可以包括控制气路，以下实施例中结合附图详细说明。

[0070] 实施例二

[0071] 图8为本实施例中气体输入装置的控制气路的原理示意图，气体输入装置和半导体加工设备与实施例一类似，在此不再赘述。

[0072] 如图所示，所述控制气路20包括：主要气路21和补偿气路22，其中，[0073] 所述主要气路21与所述主进气部121连通，用于给主进气部121供气；

[0074] 所述补偿气路22与所述密封环123的至少两个进气口连通，用于给所述补偿环122供气。所述补偿气路22包括至少两条支路221，其中每条支路221上沿气流方向依次设有开关装置222和限流装置223。

[0075] 所述开关装置例如为气动截止阀，用于控制所在支路的气流通断，所述限流装置例如为限流器，用于限制支路中气流的流量大小。

[0076] 每条支路限流器的规格不同，支路的数量可以根据功能需要自行设定，经过限流器后补偿气路合并为一条气路经补偿环进入反应腔。

[0077] 半导体加工设备正常工作时，可以根据实际工艺过程所需的工艺气体流量设置补偿气路流量，一般情况下工艺气体整体流量大时，补偿气路流过的气体流量也大，但不仅限于这种情况。

[0078] 该补偿气路的支路可以单条独立工作，也可以多条组合工作。如图7所示，在有三条支路221A、221B、221C的情况下，补偿气路可以实现7种情况的限流。比如三条支路221A、221B、221C的气流比例分别为1∶2∶5，若将补偿气路总流通能力设置为8(单位例如为SCCM)的话，则分别单开221A、221B、221C三路的时候通过的气体分别为补偿气路总流通能力的1/8，1/4，5/8；如果打开两条支路，即221A与221B，221B与221C，221A与221C，则流通气体为补偿气路总流通能力3/8，7/8，3/4；如果全打开则达到了补偿气路的总流通能力。此外，该补偿气路配合主要气路一起工作，也可以在特定情况下单独工作，在一些特定场合，可以将主要气路关闭，补偿气路单独工作。例如在设备空闲状态时，可以通过某条支路将特定的气体以相对较小的流量通入，从而使设备维持在一个稳定的状态。

[0079] 采用上述的控制气路可以灵活的控制由进入气体输入装置的工艺气体流量，便于分配主进气部和补偿环输入气流的配比，有利于提高气流的均匀性。

[0080] 所述气体输入装置可以用于各种基于气相反应的半导体加工设备中，向反应腔内输送气体，所述半导体加工设备例如为等离子体刻蚀设备、化学气相沉积设备等。

[0081] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。