CN101151702B - 用于等离子体处理设备的气体喷头盘 - Google Patents

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Abstract

在等离子体处理设备中，在下电极(3)和上电极(4)之间的等离子体发生空间(A)中产生等离子体，使得在下电极(3)上安装的处理对象(W)受到等离子体处理，多个剪切部分(S)用于吸收由于等离子体处理时的迅速温升导致的热膨胀引起的应力，并以等间距形成在上电极(4)所包括的气体喷头盘(43)的外边缘部分中。因此，可以防止气体喷头盘免于由于在所述气体喷头盘等的外部边缘部分中出现裂缝引起的损坏。

Description

用于等离子体处理设备的气体喷头盘
技术领域
本发明涉及一种等离子体处理设备使用的气体喷头盘，其被包括在等离子体处理设备中，用于对诸如晶片等之类的处理对象执行等离子体处理。
背景技术
作为用于执行诸如晶片等之类的处理对象的表面处理的设备，存在公知的等离子体处理设备。等离子体处理设备操作用于在减压氛围下产生等离子体，以允许通过等离子体的物理和化学动作，使处理对象的表面受到刻蚀处理等。等离子体是通过在将等离子体处理设备的密封处理腔室内的内部压强减小到特定压强(其中，向其馈送在下文中简称为“气体”的等离子体发生气体)的同时向上电极或下电极施加高频电压来产生的。
对于这种等离子体处理，在一些情况下希望依赖于处理的目的产生高密度等离子体。例如，在目标为诸如晶片等之类的硅衬底的等离子体刻蚀中，在改善处理效率方面来看，使用向硅晶片的表面均匀地喷射并且馈送相对高压气体的工艺。
适用于这种等离子体处理的公知气体喷头盘是平行盘电极构件，包括由作为陶瓷颗粒的烧结体(例如，参见日本未审专利公开No.2002-231638A、JP2003-7682A和JP2003-282462A)的透气多孔盘形成的气体喷头盘。通过使用这种形成为多孔盘的气体喷头盘，可以均匀地产生高密度等离子体，使得以高刻蚀效率执行可靠的等离子体处理。
发明内容
利用在处理腔室内部的下电极上设定的处理对象，当通过向上电极或下电极施加高频电压来开始等离子体处理时，在与上电极靠近的一侧上设置的多孔盘迅速升温，所述上电极作为下电极的相对电极。而多孔盘典型地具有约220mm或320mm的直径和约2至10mm的厚度，气体喷头盘整体不会均匀地升温，但是首先确实在与下电极相对的相对表面(一般为下表面)的中心部分附近迅速升温(典型地，在约30秒从正常温度迅速升温到约200℃)，然后在气体喷头盘的外边缘部分比中心部分附近更慢地升温。结果，由于气体喷头盘出现由于不均匀升温导致的应力，使得可能在气体喷头盘的外边缘部分处出现裂缝(例如，因为气体喷头盘一般是碟形的，所以外围边缘部分出现径向裂缝)。不利地，这可能引起气体喷头盘断裂并且损坏。
因此，用于解决以上问题的本发明的目的是提出一种等离子体处理设备使用的气体喷头盘，所述气体喷头盘可以防止通过由于等离子体处理中的快速升温导致的热膨胀引起的裂缝导致的损坏，因此允许执行可靠的等离子体处理。
根据本发明的第一方面，提出了一种等离子体处理设备使用的气体喷头盘，用于向等离子体处理设备的上电极和下电极之间限定的等离子体处理空间馈送从供气部分提供的等离子体发生气体，所述喷头盘包括：
多孔盘，具有透气性，由陶瓷颗粒的烧结体形成，所述盘具有多个剪切部分，所述剪切部分形成于所述盘的外部边缘部分中，以便沿其厚度方向延伸通过所述盘，并且用于吸收所述盘的热膨胀。
根据本发明的第二方面，提出了一种如第一方面中所定义的等离子体处理设备使用的气体喷头盘，其中：
所述多孔盘具有碟形形状所述盘具有支架区域和气体通路区域，所述支架区域是位于碟形形状的外部边缘部分中的环形区域，并且在所述支架区域上通过等离子体处理设备支撑所述盘，所述气体通路区域是位于碟形形状的外部边缘部分内部、并且由支架区域包围的环形区域，所述气体通路区域允许等离子体发生气体通过；以及
在支架区域中形成每一个剪切部分，以便处于与气体通路区域的边界相邻。
根据本发明的第三方面，提出了一种如第一方面所定义的等离子体处理设备使用的气体喷头盘，其中所述气体喷头盘具有碟形形状，并且在碟形形状的外围边缘部分中按照相等的间距形成各个剪切部分。
根据本发明的第四方面，提出了一种如第三方面所定义的等离子体处理设备使用的气体喷头盘，其中：所述剪切部分具有相同的尺寸和形状。
根据本发明的第五方面，提出了一种如第一方面所定义的等离子体处理设备使用的气体喷头盘，其中在每一个剪切部分中，至少将更靠近多孔盘的中心一侧上的内周表面形成为曲面。
根据本发明的第六方面，提出了一种如第五方面所定义的等离子体处理设备使用的气体喷头盘，其中形成每一个剪切部分，使得所述剪切部分的内周表面整体变为曲面。
根据本发明的第七方面，提出了一种如第一方面所定义的等离子体处理设备使用的气体喷头盘，其中每一个剪切部分具有狭缝形状。
根据本发明，当开始等离子体处理时，气体喷头盘首先在其中心部分的周围迅速升温，引起其外边缘部分与中心部分附近之间的较大温差，使得出现由于温升导致的应力，具体地在外部边缘部分。因为这种出现的应力可以通过在外边缘部分处设置的各个剪切部分吸收，可以防止气体喷头盘由于在气体喷头盘的外边缘部分处出现裂缝或其他原因导致的损坏。
附图说明
根据结合参考附图的优选实施例的以下描述，本发明的这些和其他方面和特征将变得清楚，其中：
图1是根据本发明实施例的包括气体喷头盘的等离子体处理设备的剖面图；
图2是所述实施例的气体喷头盘的透视图；
图3是其中在所述实施例中容纳气体喷头盘的支架构件的透视图(包括部分剪切的剖面)；
图4是所述实施例中的上电极部分的部分放大剖面图；
图5A是传统气体喷头盘的示意性平面图；
图5B是沿图5A的传统气体喷头盘的A-A线得到的示意性剖面图；
图6A是根据实施例的气体喷头盘的示意性平面图；
图6B是沿图6A的气体喷头盘的B-B线得到的示意性剖面图；
图7是示出了根据实施例的修改示例的气体喷头盘的狭缝结构的部分示意性平面图；
图8是用于解释图7的狭缝形成方法的示意性示范图；
图9是示出了根据实施例的另一个修改示例的气体喷头盘的剪切部分结构的部分示意性平面图；
图10是用于解释图9的剪切部分形成方法的示意性示范图。
具体实施方式
在进行本发明的描述之前，应该注意的是在所有附图中，相似的部分用相似的附图标记来表示。
在下文中，参考附图详细描述本发明的一个实施例。
首先，参考图1解释根据该实施例的包括气体喷头盘的等离子体处理设备。参考图1，真空腔室1在内部具有用于执行等离子体处理的处理腔室2，并且将下电极3和上电极4放置在处理腔室2内部彼此相对的上下处，通过这些部件组成平行盘型的等离子体处理设备。
将下电极3经由设置在台31的外边缘部分周围的绝缘构件33装配到真空腔室1内部，所述下电极3包括用作高频电极的台31和从台31的中心部分向下凸出的凸出部分32。高频电源单元5与下电极3的凸出部分32电连接。在绝缘构件33的侧部形成排气道6，用作通过诸如真空泵之类的排气单元7对处理腔室2的内部进行真空抽气。在台31上，将要安装诸如晶片之类的处理对象W。
作为相对电极的上电极4包括：平板(碟形盘)状本体部分41、设置在本体部分41的下表面外围部分的环形支架构件45、以及容纳在本体部分41以下的支架构件45内部的气体喷头盘43。将上电极4经由凸出部分42装配到真空腔室1，所述凸出部分42从本体部分41的中心部分向上凸出。
气体喷头盘43是从多孔材料形成为碟形形状的陶瓷多孔盘，由陶瓷颗粒的烧结体形成，并且具有透气性。更具体地，气体喷头盘43(即，陶瓷多孔盘)具有三维网格状结构，所述三维网格状结构具有陶瓷骨骼部分，陶瓷骨骼部分形成为连续的三维网格状并且在内部具有多种空洞部分(间隙)。然后，该三维网格状结构的单个空洞部分彼此连通，并且形成多种不规则通路以便允许馈送到气体喷头盘43的一个表面的气体传送到另一个表面。
对于这种陶瓷多孔材料，优选地使用泡沫陶瓷(ceramic foam)。泡沫陶瓷可以通过如下方法获得：利用陶瓷浆覆盖已去除单元骨架(cellmembrane)的可变形的聚氨酯(聚亚安酯)的表面，随后烘烤可变形的聚氨酯泡沫。因为即使泡沫陶瓷气孔尺寸非常小，泡沫陶瓷也具有较高的空洞比率和较低的压力损失，可以更均匀地分散等离子体。更优选地，这种泡沫陶瓷是这样的材料，其化学成分包括95wt％或更多Al2O3成分和2％更少SiO2成分。绘制在Al2O3中包含的SiO2的轨迹提供作为具有良好耐热冲击性的电极构件的优化泡沫陶瓷。那么优选地，泡沫陶瓷具有1.0至2.0g/cm3的体密度，更优选地1.2至1.8g/cm3的体密度，以及5至15Mpa的弯曲强度。小于1.0g/cm3的体密度使得骨架部分太薄以至于强度和耐热冲击性变得不够，而大于2.0g/cm3的体密度引起压力损失变得更高。另外，小于5Mpa的弯曲强度使得强度和耐热冲击性变得不足，而大于15Mpa的弯曲强度使得压力损失变得更高，导致不能很好地散布等离子体。应该注意的是，术语“体密度”指的是表示为质量(g)/体积(cm3)的密度。作为用于测量体积的方法，准备了通过将泡沫陶瓷切割为立方体或矩长方体形式而获得的测试片，并且通过测径器正方形或其他测量工具来测量其外部尺寸(长度、宽度、高度)，其中可以通过测量所得到的值来计算所述体积。
支架构件45具有这种环形形状，以便允许将气体喷头盘43放置在所述支架构件内部并且支撑所述气体喷头盘。另外，支架构件45还配置有凸出部分(或者环形支架末端部分)45’，所述凸出部分45’从其内壁下部向内环形地凸出(朝向中心部分)。将气体喷头盘43容纳在由本体部分41和支架构件45限定的内部空间中，并且其外部边缘部分(外围边缘部分，因为该实施例的气体喷头盘43是碟形形状的)完全置于凸出部分45’上。
在图2和图3中，在上电极4一侧上设置的气体喷头盘43是碟形形状的，并且作为剪切部分的示例的狭缝S按照特定间隔形成于气体喷头盘的外围边缘部分上，以便在厚度方向上(垂直地)延伸通过气体喷头盘43，并且所述气体喷头盘的径向与狭缝S的纵向对齐。例如，在气体喷头盘43具有约220mm或320mm的直径的情况下，希望每一个狭缝S具有约3至10mm的长度L1和约0.5mm至1.0mm的宽度L2，并且此外理想地，按照小于等于120mm的间隔间距L3形成所述狭缝S。应该注意的是，当沿其径向观看气体喷头盘43时，还可以说这种剪切部分是凹入部分。
图4示出了本体部分41、支架构件45和气体喷头盘43中的理想连接结构。支架构件45通过诸如螺钉10或螺母11之类的装置与本体部分41相连。凸出部分45’的上表面“a”是向内渐降的倾斜锥形表面，气体喷头盘43的外围边缘部分的下表面“b”是向外渐升的锥形表面，其中上表面“a”和下表面“b”通过紧密接触接合在一起，以便不会形成任何间隙。同样，凸出部分45’比狭缝S更向内(朝向中心部分)延伸，使得狭缝S在其下部一侧通过凸出部分45’而闭合。作为其结果，将本体部分41的下部一侧上的供气端口T(随后描述)保持为密封，使得防止提供给供气端口T的气体通过狭缝S泄漏到等离子体发生空间A。此外，通过以下布置，可以使气体喷头盘43的下表面和支架构件45的下表面在通过凸出部分45’支撑气体喷头盘43的状态下就高度而言基本等高，从而使得与没有设置锥形表面的情况相比可以改善等离子体处理中的放电可靠性，所述布置为气体喷头盘43的外围边缘部分和支架构件45的凸出部分45’均具有锥形表面。
外围边缘部分附近的气体喷头盘43的上表面是向外渐降的锥形表面“c”，并且将减震构件12设置在气体喷头盘43的外围边缘部分附近的锥形表面“c”和本体部分41之间。由诸如树脂橡胶之类的弹性材料制造的减震构件12是沿平面观看的环形形状，确保供气端口(或者用于提供气体的空间)T的密封性，所述供气端口T是本体部分41的下表面一侧上的减震构件12和气体喷头盘43的一部分之间的窄气流空间。
在图1中，在本体部分41和凸出部分42中形成供气通路46，以便垂直地延伸通过那些构件。本体部分41电学接地到地部分44。将供气部分13处的气体通过供气通路46提供给供气端口T，通过气体喷头盘43的内部，以便提供给下电极3和上电极4之间的等离子体发生空间(等离子体处理空间)A。尽管在该实施例中上电极4电学接地，但是也可以是下电极3接地而上电极4与高频电源电连接。
该等离子体处理设备具有上述结构，现在将解释所述等离子体处理设备的操作。在将诸如晶片之类的处理对象W安装到台31上的状态下，开动排气单元7以减小处理腔室2的内部压强。在已经将处理腔室2的内部减小到特定压强之后，将气体从供气部分13提供给供气端口T，并且让所述气体通过气体喷头盘43内部，以便馈送到两个电极3、4之间的等离子体发生空间A。在这种状态下，当将高频电压施加到下电极3上时，在等离子体发生空间A中产生等离子体，其中使处理对象W承受诸如等离子体刻蚀处理之类的表面处理。
当等离子体处理如上所述开始时，等离子体发生空间A迅速地升温，使得气体喷头盘43首先在下电极3对面的气体喷头盘43的相对表面(下表面)的中心部分附近迅速地升温。因为由于该温升导致的热膨胀，尤其在其外围边缘部分处出现了对于气体喷头盘43的应力。然而，因为通过狭缝S将所述应力吸收，没有在外围边缘部分出现可能引起气体泄漏的裂缝，使得执行了均匀可靠的等离子体处理。
现在参考附图具体地解释由该实施例的气体喷头盘43的热膨胀导致的应力吸收的原理。结合该解释，在图5A中示出了传统气体喷头盘543的示意性平面图，所述传统气体喷头盘543具有其中没有形成诸如狭缝之类的剪切部分的结构，并且在图5B中示出了沿图5A的传统气体喷头盘543中的A-A线得到的示意性剖面图。同样，在图6A中示出了根据本发明该实施例形成的具有狭缝S的气体喷头盘43的示意性平面图，并且在图6B中示出了沿图6A的气体喷头盘43中的B-B线得到的示意性剖面图。
首先，如图5A和图5B所示，在气体喷头盘543的环形外围边缘部分的整个下表面处通过支架构件545的凸出部分545’支撑碟形形状的气体喷头盘543，其中被支撑部分用作支架区域R1，所述支架区域R1是环形区域(或者平面环形区域)，利用所述支架区域R1覆盖气体喷头盘543的下表面，而不将气体喷头盘543的下表面暴露到等离子体发生空间A中。同时，在该外围边缘部分内部，将气体喷头盘543的下表面暴露到等离子体发生空间A中，并且用作气体通路区R2，所述气体通路区R2允许提供给供气端口T的等离子体发生所使用的气体通过气体喷头盘543内部，以便提供给等离子体发生空间A。
在等离子体处理的状态之后，等离子体发生空间A迅速升温，首先在气体喷头盘543中，与气体通路区R2相对应的那部分迅速地升温。同时，与气体通路区R2相比，作为包围气体通路区R2的区域、并且用凸出部分545’覆盖而无需暴露到等离子体发生空间A中的支架区域R1更缓和地升温。因此，与气体通路区R2相对应的部分变得温度较高，而与支架区域R1相对应的部分变得温度相对较低，使得在其间出现较大的温差(例如，约50℃)，导致热膨胀量的差。结果，如图5A和图5B所示，发射状地出现从气体喷头盘543的气体通路区R2指向向其周围支架区R1的径向应力F1。具体地在支架区R1中，应力在其外围末端部分变得最大，引起沿圆周出现作为最终结果的应力F2。在这种情况下，在气体喷头盘543的外围边缘部分处，裂缝等易于由于作用于圆周的应力F2而出现。
另一方面，在图6A和图6B所示的该实施例的气体喷头盘43中，其中支架区R1中形成多个狭缝S，即使径向应力F1在气体通路区域R2中类似地作用，在支架区域R1的外围末端部分处出现的应力(张应力)F3可以分别通过各个狭缝S之间的间隔来分开，使得可以在数值方面减小应力F3。即，在受到微小弹性形变因而其间隙距离扩展的各个狭缝S处，能够减小应力F3的数值。
为了更有效地获得狭缝S的这种热膨胀吸收功能，优选地将狭缝S的末端部分定位在支架区域R1中以便处于气体通路区域R2的边界附近，即在支架区域R1中形成狭缝S，使得狭缝S的径向插入深度变得更深。通过这样形成狭缝S，可以增加归因于其形状的弹性形变量，并且可以进一步地改善由热膨胀引起的应力的抑制效果。
上述实施例已经描述了将狭缝S形成作为气体喷头盘43中的剪切部分的示例。然而，可以应用其他各种修改示例。
例如，如图7(图7是气体喷头盘143的外围边缘部分的部分放大示意性平面图)所示，可以形成粗略U形狭缝S’。在这种U形狭缝S’的情况下，因为气体喷头盘143的中心一侧的内周表面由曲面形成，可以获得抑制应力集中的效果，使得可以防止在狭缝S’的内周表面出现裂缝等。例如，这种狭缝S’可以通过使用具有由曲面形成的外围末端部分的碟形形状切割工具150的切割工艺来形成，如图8的示意性示范性视图所示。应该注意的是，从抑制应力集中的观点，优选地在这种狭缝S’中形成的曲面形成为缓和的曲面。
因此例如，可以如图9所示形成具有由单独曲面构成的内周表面的半圆形剪切部分C，图9是气体喷头盘243的外围边缘部分的部分放大示意性平面图。该剪切部分C尽管具有沿气体喷头盘的径向等于图7的狭缝S’的插入深度A1的插入深度A1，但是具有开口尺寸B2，所述B2是圆周宽度，因为圆周表面整体形成曲面，所述开口尺寸B2形成为比狭缝S’的开口尺寸B1大。通过这种布置：剪切部分C的内周表面由单独一个曲面形成(或者大部分由一个曲面形成)，可以更大程度地分散应力，使得可以更可靠地防止裂缝等的出现。应该注意的是，例如，可以通过利如具有如图10的示意性示范视图中所示的圆形剖面的条形剪切工具250的剪切工艺来形成这种剪切部分C。
在该实施例的上述各个方面中，优选地，各个剪切部分(包括狭缝)在结构和尺寸方面相同，并且按照等间距布置，以便更均匀地释放在气体喷头盘的外围边缘部分处出现的应力。
然而，考虑到剪切部分所占据的体积以及针对气体喷头盘的强度，可以在气体喷头盘的外围边缘部分中复合地形成相对较大的剪切部分和相对较小的剪切部分(即，可以应用较大和较小剪切部分的混合布置)。在这种情况下，考虑到应力释放的均匀性，优选地对称地布置各个剪切部分。
同样，在以上实施例中，可以将其他构件布置在气体喷头盘的各个剪切部分中，除非抑制了用于由于热膨胀导致的任意应力的吸收的剪切部分的弹性形变。另外，可以对剪切部分的内周表面进行表面加工等，以便抑制气体通路。利用这种布置，可以抑制通过气体喷头盘中的剪切部分的内周表面的气体通路。
根据本发明，尽管由于等离子体处理中的迅速升温导致的热膨胀，在气体喷头盘的外部边缘部分出现应力，但是通过剪切部分吸收了应力，使得可以防止气体喷头盘由于在边缘部分等处出现裂缝而被损坏。因此，可以执行可靠的等离子体处理，并且这种气体喷头盘如同用于晶片等的表面刻蚀的等离子体处理设备中的气体喷头盘那样是有用的。
应该注意的是，通过适当地组合前述各种实施例的任意实施例，可以产生它们所拥有的效应。
尽管已经参考附图结合优选实施例全面地描述了本发明，应该注意的是对于本领域普通技术人员而言各种变化和改变是显而易见的。应该理解在不脱离所附权利要求范围的情况下，可以将这些变化和修改包括在由所附权利要求所限定的本发明范围之内。
将2005年4月5日递交的包括说明书、附图和权利要求的日本专利申请No.2005-108330公开通过引用一并结合在此。

Claims (7)

1.一种等离子体处理设备使用的气体喷头盘，用于向等离子体处理设备的上电极和下电极之间限定的等离子体处理空间馈送从供气部分提供的等离子体发生气体，所述气体喷头盘包括：
多孔盘，具有透气性，由陶瓷颗粒的烧结体形成，所述多孔盘具有多个剪切部分，所述剪切部分形成于所述多孔盘的外部边缘部分中，以便沿其厚度方向延伸通过所述多孔盘，并且用于吸收所述多孔盘的热膨胀。
2.根据权利要求1所述的等离子体处理设备使用的气体喷头盘，其中：
所述多孔盘具有碟形形状，所述气体喷头盘具有支架区域和气体通路区域，所述支架区域是位于碟形形状的外部边缘部分中的环形区域，并且通过等离子体处理设备将所述多孔盘支撑在所述支架区域上，所述气体通路区域是位于碟形形状的外部边缘部分内部、并且由支架区域包围的圆形区域，所述气体通路区域允许等离子体发生气体通过；以及
在支架区域中形成每一个剪切部分，以便与气体通路区域的边界紧密相邻。
3.根据权利要求1所述的等离子体处理设备使用的气体喷头盘，其中所述多孔盘具有碟形形状，并且在碟形形状的外围边缘部分中按照相等间距形成各个剪切部分。
4.根据权利要求3所述的等离子体处理设备使用的气体喷头盘，其中所述剪切部分具有相同的尺寸和形状。
5.根据权利要求1所述的等离子体处理设备使用的气体喷头盘，其中在每一个剪切部分中，至少将更靠近多孔盘的中心一侧上的内周表面形成为曲面。
6.根据权利要求5所述的等离子体处理设备使用的气体喷头盘，其中形成每一个剪切部分，使得所述剪切部分的内周表面整体变为曲面。
7.根据权利要求1所述的等离子体处理设备使用的气体喷头盘，其中每一个剪切部分具有狭缝形状。
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