电感耦合等离子体反应腔室气体流量控制系统

摘要

本发明涉及一种气体流量控制系统，用于控制通入电感耦合等离子体反应腔室的气体流量，反应腔室顶部周边和/或中央位置设有多个气体注入口用于通入反应气体，该系统包括：质量流量控制器，与任一气体注入口连接，用于调节控制注入反应腔室的反应气体流量；气压调节器，其一端与一外部反应气体源连接，另一端与质量流量控制器输入端连接，用于调节质量流量控制器输入端的气压；压力释放单元，接入质量流量控制器与气压调节器之间，用于在质量流量控制器处于关闭状态时降低质量流量控制器输入端的反应气体压力。其克服了质量流量控制器输入端的反应气体压力抖动，从而有利于精确计量通入反应腔室的各类反应气体流量。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体加工制造技术领域，更具体地说，涉及一种电感 耦合等离子体反应腔室气体流量控制系统。

背景技术

在半导体电感耦合(ICP)等离子体体反应腔室中，通常呈线圈状的 天线用于向反应腔内发射射频能量。为了使来自天线的射频功率耦合到 反应腔内，在天线处放置一个绝缘材料窗口。反应腔可以处理各种基片， 比如硅晶圆等，基片被固定在夹盘上，等离子体在基片上方产生。因此， 天线被放置在反应腔顶板上方，反应腔顶板是由绝缘材料制成或者包括 一个绝缘材料窗口。

在等离子体反应腔室中，各种气体被注入到反应腔中，以使得等离 子体和基片之间发生化学反应和/或物理作用，比如刻蚀、沉积等等。 在半导体加工工艺流程中，一个很重要的指数是晶圆内部的加工均一 性。为获得较好的工艺均一性，许多反应腔设计采用安装在晶圆上方的 气体喷淋头，以均匀的注入处理气体。然而，如上所述，在电感耦合（ICP） 反应腔室顶板包括一个使射频功率从天线发射到反应腔中的绝缘窗。因 此，ICP反应腔室中并没有给气体喷淋头留出相应的空间来实现其气体 均匀注入的功能，而是通过气体注入口注入至ICP反应腔室中。

图1示出了现有电感耦合反应腔室设计的截面图。ICP反应腔100 包括基本呈圆筒状的金属侧壁105和绝缘顶板107，构成可被抽真空器 125抽真空的气密空间。基座110支撑夹盘115，夹盘115支撑待处理 的基片120。来自射频功率源145的射频功率被施加到呈线圈状的天线 140。来自气源150的反应气体通过管线155被供应到反应腔内，以点 燃并维持等离子，并由此对基片120进行加工。在标准电感耦合反应腔 中，气体通过在反应腔周围的注入器/喷头130和中间的喷头135之一 或者两者一同注入来供应到真空容器内的。

现有技术中，管线155上安装有多个质量流量控制器(Mass flow  controller，简称MFC)，其可用来调节控制注入反应腔100的反应气体 流量，用户可根据工艺需要对其进行流量设定。每个质量流量控制器均 接收工艺控制端提供的一方波信号以交替地打开或关闭，以向反应腔中 注入不同类或不同比例的反应气体，进而实现控制反应腔室中等离子体 反应的目的。

在MFC关闭时，其输入端的压力为逐渐增加，而在其打开后，其积 累的压力又会突然地得到释放，从而在MFC输入端会有明显的压力抖动， 这会导致MFC计量的反应气体流量不准，从而给工艺控制带来极大的难 度。

因此，业界期望获得一种能克服质量流量控制器在进行开关动作时 因其输入端压力抖动而造成计量不准的气体流量控制系统。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种用于电感耦合等离子体反应腔室 的气体流量控制系统。

为实现上述目的，本发明一技术方案如下：

一种气体流量控制系统，用于控制通入电感耦合等离子体反应腔室 的气体流量，反应腔室顶部周边和/或中央位置设有多个气体注入口用 于通入反应气体，该系统包括：质量流量控制器，与任一气体注入口连 接，用于调节控制注入反应腔室的反应气体流量；气压调节器，其一端 与一外部反应气体源连接，另一端与质量流量控制器输入端连接，用于 调节质量流量控制器输入端的气压；压力释放单元，接入质量流量控制 器与气压调节器之间，用于在质量流量控制器处于关闭状态时降低质量 流量控制器输入端的反应气体压力。

优选地，压力释放单元包括一调节阀和一压力控制器，调节阀包括 第一连接端、第二连接端与一流通开口，第一连接端接入质量流量控制 器与气压调节器之间，第二连接端与压力控制器串接，压力控制器用于 在第二连接端维持一恒定压力，流通开口根据第一连接端与第二连接端 的压力差而打开以释放部分反应气体。

本发明另一目的在于提供一种电感耦合等离子体反应装置，其可精 确计量通入反应腔室的反应气体流量。

为实现上述目的，本发明又一技术方案如下：

一种电感耦合等离子体反应装置，包括：反应腔室，其包括一绝缘 顶板和多个气体注入口，绝缘顶板包括一绝缘材料窗，气体注入口设于 反应腔室顶部周边和/或中央位置；基片支撑装置，其设置于反应腔室 内绝缘材料窗下方；射频功率发射装置，其设置于绝缘材料窗上方，用 于发射射频能量到反应腔室内；以及，至少一气体流量控制系统，与任 一气体注入口连接，其用于向反应腔室内供应反应气体。

本发明提供的气体流量控制系统，有效克服了在质量流量控制器交 替进行开/关动作时其输入端的反应气体压力抖动，从而有利于精确计 量通入反应腔室的各类反应气体流量，进而控制反应腔室中的等离子体 反应。此外，该气体流量控制系统结构简单、造价低廉，便于在半导体 行业内推广应用。

附图说明

图1示出现有技术中一电感耦合等离子体反应腔室结构示意图；

图2示出本发明第一实施例的电感耦合等离子体反应腔室气体流量 控制系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

如图2所示，本发明第一实施例提供的气体流量控制系统，与电感 耦合等离子体反应腔室10配套使用，其包括一质量流量控制器201、一 气压调节器202和一压力释放单元203，其中，气压调节器202一端连 接反应气体源，另一端连接质量流量控制器201，质量流量控制器201 另一端与反应腔室10的注入器/气体注入口连接，其中，注入器/气体 注入口为多个，设置于反应腔室顶部周边位置和/或中央位置，从而， 质量流量控制器201可向反应腔室10通入反应气体，气压调节器202 可实现对反应气体气压的调节，以上连接均通过气体管路实现。

在质量流量控制器201处于关闭状态时，其输入端压力会渐增，而 在质量流量控制器201打开后，为避免反应气体压力抖动或突变造成质 量流量控制器201计量不准的情况，本发明在质量流量控制器201与气 压调节器202之间接入一压力释放单元203，其可在质量流量控制器处 于关闭状态时释放出部分反应气体，从而降低质量流量控制器201输入 端的反应气体压力，进而避免反应气体压力抖动或突变。

具体地，压力释放单元203包括一调节阀2031和一压力控制器 2032，调节阀2031包括第一连接端P1、第二连接端P2与一流通开口 P3，第一连接端P1接入质量流量控制器201与气压调节器202之间， 第二连接端P2与压力控制器2032串接，压力控制器2032用于在第二 连接端P2维持一恒定压力，流通开口P3根据第一连接端P1与第二连 接端P2的压力差而打开，释放出部分反应气体，在该两端压力差极小 时，流通开口P3关闭。

进一步地，流通开口P3与外部反应气体源连接，其可在释放部分 反应气体时将释放出的反应气体收集起来，以便循环利用、并防止反应 气体对环境的污染。

在一具体实施情况中，在质量流量控制器201关闭时，第一连接端 P1压力上升至22Psig，在质量流量控制器201打开时，第一连接端P1 压力下降至20Psig，即，在质量流量控制器201进行开关切换动作时， 将在第一连接端P1产生2Psig左右的压力抖动，从而可能造成质量流 量控制器201计量不准。为避免这种计量不准的情况，设定调节阀2031 的泄压阈值为20-20.5Psig，即，以压力控制器2032在第二连接端P2 维持一恒定压力，例如20Psig，当第一连接端P1压力超出该恒定压力 时，调节阀2031的流通开口P3打开，释放出部分反应气体，从而降低 第一连接端P1压力，直至第一连接端P1与第二连接端P2压力持平。 此后，在质量流量控制器201打开后，在第一连接端P1不产生压力抖 动或突变，从而使质量流量控制器201计量得到的反应气体流量更加准 确。

可以理解，压力控制器2032在第二连接端P2维持的恒定压力可根 据反应腔室配置与工艺制程需要进行设定。

在等离子体处理工艺中，为控制各反应气体的比例或混合程度，使 接于一气体管路上的质量流量控制器201交替地打开或关闭。根据本发 明上述实施例，质量流量控制器201接收一外部提供的方波信号，在高 电平时打开，从而连通其前端管路和后端管路，向反应腔室10中通入 反应气体，在低电平时质量流量控制器201关闭，暂停通入反应气体； 另一气体管路上的质量流量控制器则可接收与上述方波信号互补的方 波信号，从而可交替地向反应腔室10通入另一类的反应气体。

在本发明其他实施例中，控制两类反应气体从不同管路分别通入反 应腔室的两路方波信号也可以不互补，从而可根据工艺要求在反应腔室 中实现不同比例的混合。

该第一实施例提供的气体流量控制系统克服了在质量流量控制器 交替进行开/关动作时其输入端（即第一连接端P1）的反应气体压力抖 动，从而可精确计量通入反应腔室的各类反应气体流量，进而有利于控 制反应腔室中的等离子体反应。

本领域技术人员理解，压力释放单元203具有多种实现方式，从现 有技术中可得到大量可直接利用的实施例或技术启示，并不局限于上述 实施提供的调节阀2031和压力控制器2032的组合结构，因此，只要在 MFC输入端启用了使反应气体压力自动释放的结构，从而有利于精确计 量MFC的气体流量，均可视为不脱离本发明思想的简单变形设计。

本发明第二实施例提供一种电感耦合等离子体反应装置，其至少包 括反应腔室、基片支撑装置、射频功率发射装置以及两个上述第一实施 例中提供的气体流量控制系统，即第一、第二气体流量控制系统。

具体地，请参考图1示出的现有技术中电感耦合等离子体反应腔室 的结构，反应腔室包括一绝缘顶板，该绝缘顶板上设有一绝缘材料窗； 基片支撑装置设于反应腔室底部、绝缘材料窗下方，用于支撑待反应的 晶圆；射频功率发射装置设于绝缘材料窗上方，透过绝缘材料窗发射射 频能量到反应腔室内；第一、第二气体流量控制系统分别连接于第一、 第二气体管路上，以通过气体注入口向反应腔室中分别通入第一、第二 反应气体。

由一抽真空器对反应腔室抽真空后，第一、第二反应气体在反应腔 室中混合，在射频功率发射装置透过绝缘材料窗发射出的射频能量作用 下，被电离或点燃成为等离子体，与置于基片支撑装置上方的晶圆发生 等离子体反应，产生刻蚀和/或沉积的作用。

进一步地，该电感耦合等离子体反应装置还包括一控制单元或一控 制主机，其用于控制整个等离子体处理工艺，例如设定工艺配方、调节 工艺时间，该控制单元/主机输出两路方波信号，分别控制第一、第二 气体流量控制系统中相应的MFC交替地打开或关闭。根据工艺的不同要 求，反应气体可作不同比例的混合，该两路方波信号可为互补方波，也 可选用周期不同、和/或占空比不同的两路方波。

其中，第一、第二反应气体的主要成分例如分别为C₄F₈和SF₆。根 据具体制程的不同，第一、第二反应气体可交错地通入反应腔室，也可 根据其对应的方波信号同时通入。

该第二实施例提供的电感耦合等离子体反应装置，可精确计量通入 反应腔室的各类反应气体流量，有利于更精确地控制反应腔室中的等离 子体反应过程，适合于在半导体行业内推广应用。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本 发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的 等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。