CN101420816A - 容性耦合等离子体反应器 - Google Patents

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Abstract

提供一种容性耦合等离子体反应器，包括：等离子体反应器；容性耦合电极组件，包括多个容性耦合电极，用于在所述等离子体反应器内诱发等离子体放电；主电源，用于提供射频功率；以及分配电路，用于接收所述主电源提供的所述射频功率，并将接收的所述射频功率分配到所述多个容性耦合电极。所述容性耦合等离子体反应器能够通过多个容性耦合电极均匀地产生大面积等离子体。此外，由于在并行驱动多个容性耦合电极时电流自动地平衡，所以更均匀地产生并维持大面积等离子体。

Description

容性耦合等离子体反应器
相关申请的交叉参考
本申请要求2007年  提交的韩国专利申请No.2007-的权益，并通过参考将其全部内容合并于此。
技术领域
本发明涉及一种容性耦合等离子体反应器，尤其涉及一种更均匀地产生大面积等离子体、从而提高要处理的大面积对象(即衬底/表面)的等离子体处理效率的容性耦合等离子体反应器。
背景技术
等离子体是包括正离子和电子的高度电离气体。等离子体放电用于气体激发，以产生包括离子、自由基、原子和分子的活性气体。活性气体广泛用于各种领域。通常，活性气体用于半导体制造工艺，例如蚀刻、沉积、清洗、灰化等工艺。
用于产生等离子体的等离子体源类型多样。等离子体源的典型实例包括使用射频的容性耦合等离子体、感性耦合等离子体。容性耦合等离子体源的优点在于其处理生产率比其它等离子体源高，因为它准确控制容性耦合和离子的能力出色。但是，当用于容性耦合的电极变大，以处理待处理的大衬底时，电极很可能烧结、变形或损坏。在这种情况下，由于电场强度变得不均匀，所以等离子体密度也不均匀，反应器内部很可能被污染。类似地，当感性线圈天线的面积较大时，感性耦合等离子体源难以产生密度均匀的等离子体。
在半导体制造业，由于半导体装置超小型化、制造半导体电路的硅片衬底变大、制造液晶显示器的玻璃衬底变大、开发了新的待处理材料，所以需要更先进的等离子体处理技术。具体而言，需要改进等离子体源和等离子体处理技术，从而能够出色地处理大面积衬底。
因为待处理的衬底变大，整个生产设备也变大，所以设备的整个面积增加。因此，导致生产成本增加。考虑到这一点，可能的话，需要将离子体反应器和等离子体处理系统最小化设备的面积。具体而言，在半导体制造工艺中，每单位面积生产率是影响最终产品价格的重要因素之一。为了提高每单位面积生产率，提出了有效地布置生产设备结构的技术。例如，提供了一种并行处理两个衬底的等离子体反应器。但是，由于大多数处理两个衬底的等离子体反应器有两个等离子体源，所以实际上不能将处理设备最小化。
但是，如果将两个或更多等离子体反应器垂直地或水平地并行设置，以共享每个结构的公共部分，并使用单个等离子体源并行处理两个衬底，则由于设备空间的减少和设备结构的最小化，能够产生很多优点。
像其它工业一样，半导体业做出了大量不懈的努力以提高生产率。为了提高生产率，需要基本上增加或改进生产设备。但是，当只是增加生产设备，会产生增加处理设备的费用，并且用于清洗室的空间设备要增加，导致高成本。
发明内容
因此，本发明旨在提供一种能够均匀地产生并保持大面积等离子体的容性耦合等离子体反应器。
本发明的另一目的是提供一种通过均匀地控制容性耦合电极之间的容性耦合，能够均匀地产生高密度等离子体的容性耦合等离子体反应器。
本发明的另一目的是提供一种通过均匀地控制容性耦合电极的电流供应，能够均匀地产生高密度等离子体的容性耦合等离子体反应器。
本发明的另一目的是提供一种能够均匀地产生易于通过大面积的高密度等离子体的容性耦合等离子体反应器。
本发明的另一目的是提供一种能够均匀地产生易于通过大面积的高密度等离子体、并能够同时处理两个或更多个大面积衬底从而获得单位设备面积的高处理速度的等离子体反应器。
根据示例性实施例，本发明提供一种容性耦合等离子体反应器，包括：等离子体反应器；容性耦合电极组件，包括多个容性耦合电极，用于在所述等离子体反应器内诱发等离子体放电；主电源，用于提供射频功率；以及分配电路，用于接收所述主电源提供的所述射频功率，并将所述射频功率分配到所述多个容性耦合电极。
优选地，所述容性耦合等离子体反应器还可包括阻抗匹配装置用于进行阻抗匹配，所述阻抗匹配装置形成在所述主电源与所述分配电路之间。
优选地，所述分配电路可包括电流平衡电路，用于控制提供给所述多个容性耦合电极的电流的平衡。
优选地，所述电流平衡电路可并行驱动所述多个容性耦合电极，并包括电流平衡的多个变压器。
优选地，每个变压器的第一侧可串联连接在地线与输入所述射频功率的功率输入端子之间，每个变压器的第二侧可连接为对应每个容性耦合电极。
优选地，所述多个变压器的第二侧各可包括接地的中心突出部，每个第二侧的一端输出正电压，另一端输出负电压，其中所述正电压被提供给所述多个容性耦合电极的正电压电极，所述负电压被提供给所述多个容性耦合电极的负电压电极。
优选地，所述电流平衡电路可包括电压电平控制电路，该电压电平控制电路能够改变电流平衡控制范围。
优选地，所述电流平衡电路可包括补偿电路，用于补偿漏功率。
优选地，所述电流平衡电路可包括保护电路，用于防止过量电压产生的损害。
优选地，所述多个容性耦合电极可包括导电区和绝缘区。
优选地，所述容性耦合电极组件可包括绝缘层，该绝缘层形成在所述容性耦合电极之间。
优选地，所述容性耦合电极组件可包括电极安装板，所述容性耦合电极安装在所述电极安装板上。
优选地，所述电极安装板可包括多个气体注入孔和气体供应单元，以通过所述气体注入孔向所述等离子体反应器内供应气体。
优选地，所述等离子体反应器可包括支撑座，待处理的衬底放置在所述支撑座上，并且所述支撑座可被偏压或者不被偏压。
优选地，所述支撑座可由单一频率功率源偏压，或者由两个或更多个不同频率功率源偏压。
优选地，所述支撑座可包括静电卡盘。
优选地，所述支撑座可包括加热器。
优选地，所述多个容性耦合电极包括多个正电压电极和多个负电压电极，所述正电压电极和所述负电压电极可具有从相互交替的直线阵列结构、矩阵式阵列结构、相互交替的螺旋阵列结构以及相互交替的同心阵列结构中选择的一种或多种阵列结构。
优选地，所述正电压电极和所述负电压电极可具有从栅栏式结构、平板式结构、突出式结构、圆柱式结构、环形结构、螺旋结构以及直线结构中选择的一种或多种结构。
根据另一示例性实施例，本发明提供一种容性耦合等离子体反应器，包括：第一等离子体反应器；第二等离子体反应器；第一容性耦合电极组件，包括多个容性耦合电极，用于在所述第一等离子体反应器内诱发等离子体放电；第二容性耦合电极组件，包括多个容性耦合电极，用于在所述第二等离子体反应器内诱发等离子体放电；主电源，用于提供射频功率；以及分配电路，用于接收所述主电源提供的所述射频功率，并将所述射频功率分配到所述第一、第二容性耦合电极组件的所述多个容性耦合电极。
优选地，所述容性耦合等离子体反应器还可包括阻抗匹配装置用于进行阻抗匹配，所述阻抗匹配装置形成在所述主电源与所述分配电路之间。
优选地，所述分配电路可包括电流平衡电路，用于控制提供给所述第一、第二容性耦合电极组件的所述多个容性耦合电极的电流的平衡。
优选地，所述电流平衡电路可并行驱动所述第一、第二容性耦合电极组件的所述多个容性耦合电极，并包括电流平衡的多个变压器。
优选地，每个变压器的第一侧可串联连接在地线与输入所述射频的功率输入端子之间，每个变压器的第二侧可连接为对应所述第一、第二容性耦合电极组件的每个容性耦合电极。
优选地，所述多个变压器的第二侧各可包括接地的中心突出部，每个第二侧的一端输出正电压，另一端输出负电压，其中所述正电压被提供给所述多个容性耦合电极的正电压电极，所述负电压被提供给所述多个容性耦合电极的负电压电极。
优选地，所述电流平衡电路可包括电压电平控制电路，该电压电平控制电路能够改变电流平衡控制范围。
优选地，所述电流平衡电路可包括补偿电路，用于补偿漏功率。
优选地，所述电流平衡电路可包括保护电路，用于防止过量电压产生的损害。
优选地，所述多个容性耦合电极可包括导电区和绝缘区。
优选地，每个所述第一、第二容性耦合电极组件可包括绝缘层，该绝缘层形成在所述容性耦合电极之间。
优选地，每个所述第一、第二容性耦合电极组件可包括电极安装板，所述多个容性耦合电极安装在所述电极安装板上。
优选地，每个所述第一、第二容性耦合电极组件的所述电极安装板可包括多个气体注入孔和气体供应单元，以通过所述气体注入孔向所述第一、第二等离子体反应器内供应气体。
优选地，所述气体供应单元可包括多个气体供应管道。
优选地，每个气体供应管道可包括控制阀，用于独立地控制气体供应流量。
优选地，所述第一、第二等离子体反应器可包括支撑座，待处理的衬底放置在所述支撑座上，所述支撑座可被偏压或者不被偏压。
优选地，所述支撑座可由单一频率功率源偏压，或者由两个或更多个不同频率功率源偏压。
优选地，所述支撑座可包括静电卡盘。
优选地，所述支撑座可包括加热器。
优选地，所述多个容性耦合电极包括多个正电压电极和多个负电压电极，所述正电压电极和所述负电压电极可具有从相互交替的直线阵列结构、矩阵式阵列结构、相互交替的螺旋阵列结构以及相互交替的同心阵列结构中选择的一种或多种阵列结构。
优选地，所述正电压电极和所述负电压电极可具有从栅栏式结构、平板式结构、突出式结构、圆柱式结构、环形结构、螺旋结构以及直线结构中选择的一种或多种结构。
附图说明
对于本领域技术人员来说，通过参照附图对优选实施例的详细描述，本发明的上述和其它特点、优点将更加明显，附图中：
图1是示出根据本发明第一示例性实施例的等离子体反应器的剖视图；
图2是反应器上部的部分剖视图，示出设置在容性耦合电极安装板上的气体供应单元；
图3是示出容性耦合电极组件的立体图；
图4是示出容性耦合电极的剖视图；
图5至图11是容性耦合电极组件的剖视图，示出容性耦合电极的各种改进型；
图12至图22是容性耦合电极组件的底部平面图，示出容性耦合电极的平面结构和平面阵列结构的各种改进型；
图23示出包括电流平衡电路的分配电路的实例；
图24至图26示出分配电路的各种改进型；
图27是示出根据本发明第二示例性实施例的等离子体反应器的剖视图；
图28是示出容性耦合电极组件和气体供应单元的立体图；
图29是示出容性耦合电极的剖视图；
图30至图36是容性耦合电极组件的剖视图，示出容性耦合电极的各种修改实例；
图37至图47是容性耦合电极组件的底部平面图，示出容性耦合电极的平面结构和平面阵列结构的各种改进型；
图48示出包括电流平衡电路的分配电路的实例；以及
图49至图54示出分配电路的各种改进型。
具体实施方式
下面参照附图更详细地描述本发明，附图中示出本发明的优选实施例。但是，本发明可实施为许多不同形式，不应认为是限制于在此提出的示例性实施例。此外，提供这些实施例使得公开的内容详尽、完整，能够将本发明的范围全部传达给本领域技术人员。附图中为了清楚起见，可将元件的形状夸大。整个说明书中相同的附图标记表示相似的元件。对于现有技术中公知的功能和结构，在本发明的详细说明书中不做进一步讨论，以避免不必要地造成本发明的要点不清楚。
示例性实施例1
图1是示出根据本发明第一示例性实施例的等离子体反应器的剖视图。
参照图1，根据本发明优选实施例的容性耦合等离子体反应器包括：等离子体反应器10、气体供应单元20、以及容性耦合电极组件30。等离子体反应器10内包括支撑座12，待处理的衬底13放在支撑座12上。等离子体反应器10上形成有容性耦合电极组件30。容性耦合电极组件30上形成有气体供应单元20，气体供应单元20通过容性耦合电极组件30中形成的气孔32向等离子体反应器10内供应气体，该气体由气体供应源(未示出)提供。主电源40产生的射频功率通过阻抗匹配装置41和分配电路50供应给包括在容性耦合电极组件30中的多个容性耦合电极31和33，从而在等离子体反应器10内诱发容性耦合等离子体。利用等离子体反应器10内产生的等离子体在待处理的衬底13上进行等离子体处理。
等离子体反应器10包括反应器体11和支撑座12，待处理的衬底13放在支撑座12上。反应器体11可由金属材料制成，例如铝、不锈钢或铜。反应器体11可由被包覆的金属制成，例如阳极处理的铝或镀镍铝。反应器体11可由难熔金属制成。或者，反应器体11可完全地或部分地由电绝缘材料制成，例如石英或陶瓷。如上所述，反应器体11可用适于进行所需等离子体处理的任何材料制造。根据待处理的衬底13，反应器体11可具有适于均匀产生等离子体的结构，例如圆形结构、方形结构或任何其它形状的结构。
待处理的衬底13的实例可包括晶圆衬底、玻璃衬底、塑料衬底等等，用于制造各种装置，例如半导体装置、显示器装置、太阳能电池等等。等离子体反应器10连接到真空泵8。在本发明的示例性实施例中，等离子体反应器10以低于大气压的低压对待处理的衬底进行等离子体处理。但是，根据本发明的容性耦合等离子体反应器可用作在大气压下对待处理的衬底进行等离子体处理的大气压等离子体处理系统。
图2是反应器10上部的部分剖视图，示出设置在容性耦合电极安装板34上的气体供应单元20。
参照图2，气体供应单元20设置在容性耦合电极组件30上。气体供应单元20包括气体入口21、一个或多个气体分配板22、以及多个气体注入端口23，该气体入口21连接到气体供应源(未示出)。多个气体注入端口23各被连接以对应于电极安装板34的多个气体注入孔32。通过气体入口21输入的气体由一个或多个气体分配板22均匀分配，并通过多个气体注入端口23以及各对应于多个气体注入端口23的多个气体注入孔32均匀地注入等离子体反应器10内。气体供应单元20可包括两个或更多分离的气体供应通道(未示出)，以分离地将不同的气体供应到等离子体反应器10内，从而提高等离子体处理的均匀性。
图3是示出容性耦合电极组件30的立体图，图4是示出容性耦合电极31和33的剖视图。
参照图3，容性耦合电极组件30包括多个容性耦合电极31和33，以诱发等离子体反应器10内容性耦合等离子体的放电。容性耦合电极31和33安装在电极安装板34上。电极安装板34可安装为覆盖反应器体11的顶板。容性耦合电极31和33的结构是：成直线地设置在反应器体11顶部的每个正电压电极33和每个负电压电极31平行地交替排列。多个容性耦合电极31和33具有直线的栅栏式结构，其中容性耦合电极31和33从电极安装板34向下突出。多个容性耦合电极31和33可包括传导区71和绝缘区70，该绝缘区70覆盖传导区71的外表面，如图4所示。多个容性耦合电极31和33可仅仅包括传导区71。每个容性耦合电极31和33的形状和阵列结构可被多样地修改，如下所述。
电极安装板34包括多个气体注入孔32。气体注入孔32形成为在容性耦合电极31与33之间分隔开预定距离。电极安装板34可由金属材料、非金属材料或者它们的混合物构成。如果电极安装板34由金属材料构成，则在容性耦合电极31与33之间具有电绝缘结构。电极安装板34安装为形成反应器体11的顶板，但是可以沿着反应器体11的侧壁安装，以提高等离子体处理效率。另外，电极安装板34可以同时安装在顶板和侧壁。电极安装板34可包括冷却通道(未示出)或加热通道(未示出)，以适当地控制温度。
图5至图11是容性耦合电极组件的剖视图，示出容性耦合电极的各种改进型。
如图5所示，容性耦合电极31和33可以是栅栏式结构，其中每个容性耦合电极的截面为“T”形结构。在这种结构中，每个容性耦合电极安装的方式是，头部固定在电极安装板34上，或上侧朝下。如图6所示，容性耦合电极31和33的截面可以是宽度窄的平板式结构。如图7或图8所示，容性耦合电极31和33的截面可以是三角形结构或倒三角形结构。另外，如图9至图11所示，容性耦合电极31和33的截面可以是圆柱杆形结构、水平方向更宽的椭圆结构或垂直方向更宽的椭圆结构。如上所述，容性耦合电极31和33可具有其截面结构为圆形、椭圆形或多边形的各种结构。
图12至图22是容性耦合电极组件的底部平面图，示出容性耦合电极的平面结构和平面阵列结构的各种改进型。
如图12所示，形成多个容性耦合电极31和33的正电压电极33和负电压电极31排列为相互交替。多个气体注入孔32可设置在每个正电压电极33和每个负电压电极31之间。如图13或图14所示，每个正电压电极33以预定长度分成多个部分，每个负电压电极31也以预定长度分成多个部分。正电压电极33的分开的部分排列在同一行(或列)中，负电压电极31的分开的部分也排列在同一行(或列)中。一个行(或列)中的正电压电极33的分开的部分排列为与一个行(或列)中的负电压电极31的分开的部分交替(如图13所示)，或者排列为矩阵形式(如图14所示)。如图15或图16所示，容性耦合电极31和33可形成为多个方形或圆形平板式的区域电极。如图17所示，容性耦合电极31和33可形成为圆柱形状的柱式结构。如图18至图22所示，容性耦合电极31、33可形成为平板式螺旋结构或同心圆圈结构，其中，容性耦合电极相互交替。在这些结构中，多个容性耦合电极31、33可仅仅包括一个正电压电极33和一个负电压电极31。
如上所述，多个容性耦合电极31、33可具有从栅栏式结构、平板式结构、突出式结构、圆柱式结构、同心圆圈或环形结构、螺旋结构以及直线结构中选择的一种或多种结构。此外，正电压电极33和负电压电极31可具有从各种阵列结构中选择的一种或多种阵列结构，例如相互交替的直线阵列结构、矩阵式阵列结构、相互交替的螺旋阵列结构以及相互交替的同心阵列结构。在容性耦合电极31与33之间可形成绝缘层(未示出)。
再次参照图1，支撑待处理的衬底的支撑座12包括在等离子体反应器10内。衬底支撑座12连接到偏压电源42、43，并且被偏压。例如，提供不同射频功率的两个偏压电源42、43通过阻抗匹配装置44电连接到衬底支撑座12，从而使衬底支撑座12被偏压。衬底支撑座12的双偏压结构使其易于在等离子体反应器10内产生等离子体，并更好地改善等离子体离子能量的控制，从而改善处理生产率。衬底支撑座12可修改为单一偏压结构。支撑座12可修改为零电势结构，不提供偏压功率。此外，衬底支撑座12可包括静电卡盘。衬底支撑座12还可包括加热器。
多个容性耦合电极31、33通过经由阻抗匹配装置41和分配电路50接收主电源40产生的射频功率而被驱动，从而在等离子体反应器10内诱发容性耦合等离子体。主电源40可利用能够控制输出功率的射频发生器形成，不需要任何单独的阻抗匹配装置。分配电路50将主电源40提供的射频功率分配到要被并行驱动的多个容性耦合电极31、33。优选地，分配电路50包括电流平衡电路，使得提供给多个容性耦合电极31、33的电流在每个电极中自动平衡。通过多个容性耦合电极31、33，根据本发明的容性耦合等离子体反应器能够均匀地产生大面积等离子体。此外，由于在并行驱动多个容性耦合电极中自动进行电流平衡，所以更均匀地产生并维持大面积等离子体。
图23示出包括电流平衡电路的分配电路的实例。
参照图23，分配电路50包括多个变压器52，变压器52并行驱动多个容性耦合电极31、33，并进行电流的平衡。每个变压器52的第一侧串联连接在地线与输入射频的功率输入端子之间。每个变压器52的第二侧的一端被连接以对应多个容性耦合电极31、33，每个变压器52的第二侧的另一端共同接地。变压器52相等地划分功率输入端子与地线之间的电压，并将多个划分后的电压输出到多个容性耦合电极31、33之中的相应正电压电极33。多个容性耦合电极31、33之中的负电压电极31共同接地。
由于流向每个变压器52的第一侧的电流相同，所以供应给每个正电压电极33的功率相同。当多个容性耦合电极31、33之中的任何阻抗改变，从而改变电流的大小时，多个变压器52全部相互作用，进行电流平衡。因此，提供给多个容性耦合电极31、33的电流被连续、自动地控制为彼此相同。在多个变压器52中，第一侧与第二侧的绕组比基本上设定为1:1，但也可以不同。
上述电流平衡电路50可包括保护电路(未示出)，以防止变压器52的任何过量电压。当相应变压器电开路时，保护电路防止任一变压器的过量电压增加。优选地，具有这种功能的保护电路可通过将变阻器连接到每个变压器52的第一侧的两端来实现，或者通过利用例如齐纳二极管的正电压二极管来实现。电流平衡电路50还可包括例如补偿电容器51的补偿电路，以补偿每个变压器52中的漏电流。
图24至图26示出分配电路的各种改进型。
参照图24，在修改后的电流平衡电路50中，多个变压器52的第二侧各包括接地的中心突出部，使得每个第二部分的一端输出正电压，而另一端输出负电压。正电压被提供给多个容性耦合电极的正电压电极33，而负电压被提供给多个容性耦合电极的负电压电极31。
参照图25和图26，另一种修改后的电流平衡电路可包括电压电平控制电路60，电压电平控制电路60能够改变电流平衡控制范围。电压电平控制电路60包括：线圈61，包括多个突出部；以及多个突出部的开关电路62，用于将多个突出部中的任一个接地。电压电平控制电路60将取决于多个突出部的开关电路62的开关位置而改变的电压电平施加到电流平衡电路50。通过电压电平控制电路60确定的电压电平，电流平衡电路50改变电流平衡控制范围。
示例性实施例2
图27为示出根据本发明第二示例性实施例的等离子体反应器的剖视图。
参照图27，根据本发明优选实施例的容性耦合等离子体反应器包括：并行形成的第一、第二等离子体反应器110和115；以及第一、第二容性耦合电极组件130和135，分别在第一、第二等离子体反应器110和115内诱发等离子体放电。气体供应单元120设置在第一、第二容性耦合电极组件130和135之间。在第一、第二等离子体反应器110和115中，容置待处理的衬底113和118的支撑座112和117设置在一个侧壁上，该侧壁与第一、第二容性耦合电极组件130和135相对。气体供应单元120形成在第一、第二容性耦合电极组件130和135之间，并通过第一、第二容性耦合电极组件130和135的气体注入孔132和137，将气体供应源(未示出)提供的气体供应到第一、第二等离子体反应器110和115内。通过阻抗匹配装置141和分配电路150，主电源140产生的射频功率被提供给包括在第一、第二容性耦合电极组件130和135中的多个容性耦合电极131、133、136和138，从而在第一、第二等离子体反应器110和115内诱发容性耦合等离子体。通过第一、第二等离子体反应器110和115内产生的等离子体进行待处理的衬底113和118的等离子体处理。
第一、第二等离子体反应器110和115各包括反应器体111和116以及支撑座112和117，待处理的衬底113和118放在支撑座112和117上。反应器体111和116可由金属材料制成，例如铝、不锈钢或铜。反应器体111和116可由被包覆的金属制成，例如阳极处理的铝或镀镍铝。反应器体111和116可由难熔金属制成。或者，反应器体111和116可完全地或部分地由电绝缘材料制成，例如石英或陶瓷。如上所述，反应器体111和116可用适于进行所需等离子体处理的任何材料制造。根据待处理的衬底113和118，反应器体111和116可具有适于均匀产生等离子体的结构，例如圆形结构、方形结构或任何其它形状的结构。
待处理的衬底113和118的实例可包括晶圆衬底、玻璃衬底、塑料衬底等等，用于制造各种装置，例如半导体装置、显示器装置、太阳能电池等等。第一、第二等离子体反应器110和115连接到真空泵(未示出)。通过使用单个真空泵，第一、第二等离子体反应器110和115可具有共同的抽空结构，或者通过使用分离的真空泵，第一、第二等离子体反应器110和115可具有它们各自的抽空结构。在本发明的此实施例中，第一、第二等离子体反应器110和115以低于大气压的低压分别对待处理的衬底113和118进行等离子体处理。但是，根据本发明的容性耦合等离子体反应器可用作在大气压下对待处理的衬底进行等离子体处理的大气压等离子体处理系统。
图28是示出容性耦合电极组件130和135以及气体供应单元120的立体图。
参照图28，气体供应单元120设置在第一、第二容性耦合电极组件130和135之间。气体供应单元120包括连接到气体供应源(未示出)的多个气体供应管道121。每个气体供应管道121独立地包括控制阀124以控制气体供应流量。多个气体供应管道121可配置为使得其气体供应流量无区别地受控。或者，多个气体供应管道121可配置为使得其气体供应流量全体地或个别地受控。
每个气体供应管道121包括多个气体注入端口122和123，多个气体注入端口122和123连接到电极安装板134和139的多个相应气体注入孔132和137。气体供应源提供的气体通过多个气体供应管道121均匀地分配，并通过多个气体注入端口122、123以及与气体注入端口122、123相应的多个气体注入孔132、137均匀地注入第一、第二等离子体反应器110和115内。多个气体供应管道121可配置为包括分为两组的气体供应通道。多个气体供应管道121可配置为单独地供应不同的气体，从而提高等离子体处理的均匀性。
第一、第二容性耦合电极组件130和135包括多个容性耦合电极131、133、136和138，以在第一、第二等离子体反应器110和115内诱发容性耦合等离子体的放电。多个容性耦合电极131、133、136和138分别安装在电极安装板134和139上。电极安装板134和139设置为与第一、第二等离子体反应器110和115的支撑座112和117相对。多个容性耦合电极131、133、136和138水平地或垂直地排列，以安装在电极安装板134和139上。多个容性耦合电极131、133、136和138具有的结构是：多个正电压电极133、138平行排列，与多个负电压电极131、136交替。多个容性耦合电极131和133具有直线的栅栏式结构，在该结构中，它们从电极安装板134突出。如图29所示，多个容性耦合电极131、133、136和138可由导电区171以及覆盖导电区171外表面的绝缘区170形成。或者，多个容性耦合电极131、133、136和138可只包括导电区171。容性耦合电极131、133、136和138的形状和阵列结构可被多样地修改，如下所述。
电极安装板134包括多个气体注入孔132，电极安装板139包括多个气体注入孔137。气体注入孔132设置在多个容性耦合电极131和133之间，从而相互分隔开预定距离，气体注入孔137设置在多个容性耦合电极136和138之间，从而相互分隔开预定距离。每个电极安装板134和139可由金属材料、非金属材料或者它们的混合物构成。当电极安装板134和139由金属材料构成时，各电绝缘结构形成在容性耦合电极131与133之间和容性耦合电极136与138之间。每个电极安装板134和139安装为形成每个反应器体111和116的一个侧壁，但是也可以沿着每个反应器体111和116的顶板和底部的两侧的壁表面安装，以提高等离子体处理效率。每个电极安装板134和139可沿着每个反应器体111和116的一个侧壁和每个反应器体111和116的顶板和底部的两侧的壁表面安装。每个电极安装板134和139可包括冷却通道(未示出)或加热通道(未示出)，以适当地控制温度。
图30至图36是容性耦合电极组件的剖视图，示出容性耦合电极的各种修改实例。
如图30所示，每个容性耦合电极131、133、136和138可具有栅栏式结构，其截面可为“T”形结构。在这种结构中，每个容性耦合电极安装的方式可以是，头部固定在电极安装板134上，或上侧朝下。如图31所示，每个容性耦合电极131、133、136和138的截面可以是宽度窄的平板式结构。如图32或图33所示，每个容性耦合电极131、133、136和138的截面可以是三角形结构或倒三角形结构。或者，如图34至图36所示，每个容性耦合电极131、133、136和138的截面可以是圆柱杆形结构、水平方向更宽的椭圆结构或垂直方向更宽的椭圆结构。如上所述，容性耦合电极131、133、136和138的截面可以是各种形状，例如圆形、椭圆形或多边形。
图37至图47是容性耦合电极组件的底部平面图，示出容性耦合电极的平面结构和平面阵列结构的各种改进型。
如图37所示，形成多个容性耦合电极131、133、136和138的多个正电压电极133、138以及多个负电压电极131、136交替排列。多个气体注入孔132可设置在多个容性耦合电极131和133之间，多个气体注入孔137可设置在多个容性耦合电极136和138之间。
如图38或图39所示，每个正电压电极133、138以预定长度分成多个部分，每个负电压电极131、136也以预定长度分成多个部分。每个正电压电极133、138的分开的部分排列在同一行(或列)中，每个负电压电极131、136的分开的部分也排列在同一行(或列)中。一个行(或列)中的每个正电压电极133、138的分开的部分排列为与一个行(或列)中的每个负电压电极131、136的分开的部分交替(如图38所示)，或者排列为矩阵形式(如图39所示)。如图40或图41所示，容性耦合电极131、133、136和138可形成为多个方形或圆形平板式区域电极。如图42所示，容性耦合电极131、133、136和138可形成为如圆柱形状的柱式结构。如图43至图48所示，容性耦合电极131、133、136和138可形成为平板式螺旋结构或同心圆圈结构，其中，容性耦合电极131、133相互交替，而容性耦合电极136、138相互交替。在这些结构中，多个容性耦合电极131、133可仅仅包括一个正电压电极133和一个负电压电极131，而多个容性耦合电极136、138可仅仅包括一个正电压电极138和一个负电压电极136。
如上所述，多个容性耦合电极131、133、136和138可具有从栅栏式结构、平板式结构、突出式结构、圆柱式结构、同心圆圈或环形结构、螺旋结构以及直线结构中选择的一种或多种结构。此外，多个正电压电极133和多个负电压电极131可具有从各种阵列结构中选择的一种或多种阵列结构，例如相互交替的直线阵列结构、矩阵式阵列结构、相互交替的螺旋阵列结构以及相互交替的同心阵列结构。以同样的方式，多个正电压电极138和多个负电压电极136可具有从各种阵列结构中选择的一种或多种阵列结构，例如相互交替的直线阵列结构、矩阵式阵列结构、相互交替的螺旋阵列结构以及相互交替的同心阵列结构。在容性耦合电极131与133之间以及在容性耦合电极136与138之间可形成绝缘层(未示出)。
再次参照图27，支撑每个待处理的衬底113、118的每个支撑座112、117包括在第一、第二等离子体反应器110、115的每一个内。衬底支撑座112连接到偏压电源142、143，并被偏压，而衬底支撑座117连接到偏压电源145、146，并被偏压。例如，提供不同射频功率的两个偏压电源142、143通过阻抗匹配装置144电连接到衬底支撑座112，使衬底支撑座112被偏压，而提供不同射频功率的两个偏压电源145、146通过阻抗匹配装置147电连接到衬底支撑座117，使衬底支撑座117被偏压。
每个衬底支撑座112、117的双偏压结构使其易于在第一和第二等离子体反应器110、115的每一个内产生等离子体，并更好地改善等离子体离子能量的控制，从而改善处理生产率。每个衬底支撑座112、117可修改为单一偏压结构。每个衬底支撑座112、117可修改为零电势结构，不提供偏压功率。此外，每个衬底支撑座112、117可包括静电卡盘。每个衬底支撑座112、117还可包括加热器。
多个容性耦合电极131、133、136和138通过经由阻抗匹配装置141和分配电路150接收主电源140产生的射频功率而被驱动，从而在第一、第二等离子体反应器110、115内诱发容性耦合等离子体。主电源140可利用能够控制输出功率的射频发生器形成，不需要任何单独的阻抗匹配装置。分配电路150将主电源140提供的射频功率分配到要被并行驱动的多个容性耦合电极131、133、136和138。优选地，分配电路150包括电流平衡电路，使得提供给多个容性耦合电极131、133、136和138的电流在每个电极中自动平衡。通过多个容性耦合电极131、133、136和138，根据本发明的容性耦合等离子体反应器能够均匀地产生大面积等离子体。此外，由于在并行驱动多个容性耦合电极中自动进行电流平衡，所以更均匀地产生并维持大面积等离子体。
图48示出包括电流平衡电路的分配电路的实例。
参照图48，分配电路150包括多个变压器152，变压器152并行驱动多个容性耦合电极131、133、136和138，并进行电流的平衡。每个变压器152的第一侧串联连接在地线与输入射频的功率输入端子之间。每个变压器152的第二侧的一端被连接以对应多个容性耦合电极131、133、136和138，每个变压器152的第二侧的另一端共同接地。变压器152相等地划分功率输入端子与地线之间的电压，并将许多划分后的电压输出到多个容性耦合电极131、133、136和138之中的相应正电压电极133、138。多个容性耦合电极131、133、136和138之中的负电压电极131、136共同接地。
由于流向每个变压器152的第一侧的电流相同，所以供应给每个正电压电极133、138的功率相同。当多个容性耦合电极131、133、136和138之中的任何阻抗改变，从而改变电流的大小时，多个变压器152全部相互作用，进行电流平衡。因此，提供给多个容性耦合电极131、133、136和138的电流被连续、自动地控制为彼此相同。在多个变压器152中，第一侧与第二侧的绕组比基本上设定为1:1，但也可以不同。
上述电流平衡电路150可包括保护电路(未示出)，以防止变压器152的任何过量电压。当相应变压器电开路时，保护电路防止任一变压器152的过量电压增加。优选地，具有这种功能的保护电路可通过将变阻器连接到每个变压器152的第一侧的两端来实现，或者通过利用例如齐纳二极管的正电压二极管来实现。电流平衡电路150还可包括例如补偿电容器151的补偿电路，以补偿每个变压器152中的漏电流。
图49至图54示出分配电路的各种改进型。
参照图49，在修改后的电流平衡电路150中，多个变压器152的第二侧各包括接地的中心突出部，使得每个第二部分的一端输出正电压，而另一端输出负电压。正电压被提供给多个容性耦合电极的正电压电极133、138，而负电压被提供给多个容性耦合电极的负电压电极131、136。
参照图50，另一种修改后的电流平衡电路150a可包括第一电流平衡电路150a，另一种修改后的电流平衡电路150b可包括第二电流平衡电路150b。第一、第二电流平衡电路150a、150b并联连接到阻抗匹配装置141。第一电流平衡电路150a配置为对应于第一容性耦合电极组件130的多个容性耦合电极131、133，而第二电流平衡电路150b配置为对应于第二容性耦合电极组件135的多个容性耦合电极136、138。
参照图51和图52，另一种修改后的电流平衡电路150可包括电压电平控制电路160，电压电平控制电路160能够改变电流平衡控制范围。电压电平控制电路160包括：线圈161，包括多个突出部；以及多个突出部的开关电路162，用于将多个突出部中的任一个接地。电压电平控制电路160将取决于多个突出部的开关电路162的开关位置而改变的电压电平施加到电流平衡电路150。通过电压电平控制电路160确定的电压电平，电流平衡电路150改变电流平衡控制范围。此外，如图53和图54所示，在包括第一、第二电流平衡电路150a、150b的情形下，可以以相同的方式分别包括电压电平控制电路160a、160b。
根据本发明的容性耦合等离子体反应器，通过多个容性耦合电极均匀地产生大面积等离子体。此外，由于在并行驱动多个容性耦合电极时电流自动地平衡，所以容性耦合电极的容性耦合得到均匀的控制，从而均匀地产生高密度等离子体。此外，由于使用多个容性耦合电极，所以易于实现大面积等离子体。此外，由于同时处理两个或更多个大面积衬底，所以提高了单位设备面积的衬底处理速度。
通过优选实施例描述了本发明。但是，应理解本发明的范围不限于所公开的实施例。相反，本发明的范围意欲包括落入本领域技术人员使用目前已知的技术或未来技术以及等同物的能力范围内的各种改进型和替代装置。因此，权利要求书的范围应当符合最宽泛的解释，以包含所有这样的改进型和类似装置。
工业实用性
根据本发明的容性耦合等离子体反应器可非常有效地应用于等离子体处理工艺以形成各种薄膜，例如半导体集成电路制造、平板显示器制造以及太阳能电池制造。具体而言，根据本发明的容性耦合等离子体反应器能够利用多个容性耦合电极均匀地产生大面积等离子体。此外，在并行驱动多个容性耦合电极时电流自动地平衡，使得更均匀地产生并维持大面积等离子体。

Claims (40)

1.一种容性耦合等离子体反应器，包括：
等离子体反应器；
容性耦合电极组件，包括多个容性耦合电极，用于在所述等离子体反应器内诱发等离子体放电；
主电源，用于提供射频功率；以及
分配电路，用于接收所述主电源提供的所述射频功率，并将接收的所述射频功率分配到所述多个容性耦合电极。
2.如权利要求1所述的容性耦合等离子体反应器，还包括：
阻抗匹配装置，设置在所述主电源与所述分配电路之间，用于进行阻抗匹配。
3.如权利要求1所述的容性耦合等离子体反应器，其中，所述分配电路包括电流平衡电路，用于控制提供给所述多个容性耦合电极的电流的平衡。
4.如权利要求3所述的容性耦合等离子体反应器，其中，所述电流平衡电路并行驱动所述多个容性耦合电极，并包括多个变压器，用于进行所述电流的所述平衡。
5.如权利要求4所述的容性耦合等离子体反应器，其中，所述多个变压器具有第一侧和第二侧，所述第一侧串联连接在地线与输入所述射频的功率输入端子之间，所述第二侧连接到所述多个相应容性耦合电极。
6.如权利要求5所述的容性耦合等离子体反应器，其中，所述多个变压器的所述第二侧各包括接地的中心突出部，每个第二侧的一端输出正电压，其另一端输出负电压，并且所述正电压被提供给所述多个容性耦合电极的正电压电极，所述负电压被提供给所述多个容性耦合电极的负电压电极。
7.如权利要求3所述的容性耦合等离子体反应器，其中，所述电流平衡电路包括电压电平控制电路，该电压电平控制电路能够改变电流平衡控制范围。
8.如权利要求3所述的容性耦合等离子体反应器，其中，所述电流平衡电路包括补偿电路，用于补偿漏电流。
9.如权利要求3所述的容性耦合等离子体反应器，其中，所述电流平衡电路包括保护电路，用于防止过量电压产生的任何损害。
10.如权利要求1所述的容性耦合等离子体反应器，其中，所述多个容性耦合电极包括导电区和绝缘区。
11.如权利要求1所述的容性耦合等离子体反应器，其中，所述容性耦合电极组件包括绝缘层，该绝缘层设置在所述多个容性耦合电极之间。
12.如权利要求1所述的容性耦合等离子体反应器，其中，所述容性耦合电极组件包括电极安装板，所述多个容性耦合电极安装在所述电极安装板上。
13.如权利要求12所述的容性耦合等离子体反应器，其中，所述电极安装板包括多个气体注入孔和气体供应单元，以通过所述气体注入孔向所述等离子体反应器内供应气体。
14.如权利要求1所述的容性耦合等离子体反应器，其中，所述等离子体反应器在内部包括支撑座，并且其上放置待处理的衬底的所述支撑座被偏压或者不被偏压。
15.如权利要求14所述的容性耦合等离子体反应器，其中，所述支撑座由单一频率功率偏压，或者由两个或更多个不同频率功率偏压。
16.如权利要求14所述的容性耦合等离子体反应器，其中，所述支撑座包括静电卡盘。
17.如权利要求14所述的容性耦合等离子体反应器，其中，所述支撑座包括加热器。
18.如权利要求1所述的容性耦合等离子体反应器，其中，所述多个容性耦合电极包括多个正电压电极和多个负电压电极，并且所述正电压电极和所述负电压电极具有从相互交替的直线阵列结构、矩阵式阵列结构、相互交替的螺旋阵列结构以及相互交替的同心阵列结构中选择的一种或多种阵列结构。
19.如权利要求18所述的容性耦合等离子体反应器，其中，所述正电压电极和所述负电压电极具有从栅栏式结构、平板式结构、突出式结构、圆柱式结构、环形结构、螺旋结构以及直线结构中选择的一种或多种结构。
20.一种容性耦合等离子体反应器，包括：
第一等离子体反应器；
第二等离子体反应器；
第一容性耦合电极组件，包括多个容性耦合电极，用于在所述第一等离子体反应器内诱发等离子体放电；
第二容性耦合电极组件，包括多个容性耦合电极，用于在所述第二等离子体反应器内诱发等离子体放电；
主电源，用于提供射频功率；以及
分配器电路，用于接收所述主电源提供的所述射频功率，并将接收的所述射频功率分配到所述第一和第二容性耦合电极组件的所述多个容性耦合电极。
21.如权利要求20所述的容性耦合等离子体反应器，还包括：
阻抗匹配装置，设置在所述主电源与所述分配器电路之间，用于进行阻抗匹配。
22.如权利要求20所述的容性耦合等离子体反应器，其中，所述分配器电路包括电流平衡电路，该电流平衡电路用于控制提供给所述第一和第二容性耦合电极组件的所述多个容性耦合电极的电流的平衡。
23.如权利要求22所述的容性耦合等离子体反应器，其中，所述电流平衡电路并行驱动所述第一和第二容性耦合电极组件的所述多个容性耦合电极，并包括多个变压器，用于进行所述电流的所述平衡。
24.如权利要求23所述的容性耦合等离子体反应器，其中，所述多个变压器具有第一侧和第二侧，所述第一侧串联连接在地线与输入所述射频的功率输入端子之间，所述第二侧连接到所述第一和第二容性耦合电极组件的所述多个相应容性耦合电极。
25.如权利要求24所述的容性耦合等离子体反应器，其中，所述多个变压器的所述第二侧各包括接地的中心突出部，每个第二侧的一端输出正电压，其另一端输出负电压，并且所述正电压被提供给所述多个容性耦合电极的正电压电极，所述负电压被提供给所述多个容性耦合电极的负电压电极。
26.如权利要求22所述的容性耦合等离子体反应器，其中，所述电流平衡电路包括电压电平控制电路，该电压电平控制电路能够改变电流平衡控制范围。
27.如权利要求22所述的容性耦合等离子体反应器，其中，所述电流平衡电路包括补偿电路，用于补偿漏电流。
28.如权利要求22所述的容性耦合等离子体反应器，其中，所述电流平衡电路包括保护电路，用于防止过量电压产生的任何损害。
29.如权利要求20所述的容性耦合等离子体反应器，其中，所述多个容性耦合电极包括导电区和绝缘区。
30.如权利要求20所述的容性耦合等离子体反应器，其中，所述第一和第二容性耦合电极组件的每一个包括绝缘层，该绝缘层设置在所述容性耦合电极之间。
31.如权利要求20所述的容性耦合等离子体反应器，其中，所述第一和第二容性耦合电极组件的每一个包括电极安装板，所述多个容性耦合电极安装在所述电极安装板上。
32.如权利要求31所述的容性耦合等离子体反应器，其中，所述第一和第二容性耦合电极组件的每一个的所述电极安装板包括多个气体注入孔和气体供应单元，以通过所述气体注入孔向所述第一和第二等离子体反应器的每一个的内部供应气体。
33.如权利要求32所述的容性耦合等离子体反应器，其中，所述气体供应单元包括多个气体供应管道。
34.如权利要求33所述的容性耦合等离子体反应器，其中，所述气体供应管道的每一个包括控制阀，该控制阀用于独立地控制气体供应流量。
35.如权利要求20所述的容性耦合等离子体反应器，其中，所述第一和第二等离子体反应器的每一个在内部包括支撑座，并且其上放置待处理的衬底的所述支撑座被偏压或者不被偏压。
36.如权利要求35所述的容性耦合等离子体反应器，其中，所述支撑座由单一频率功率偏压，或者由两个或更多个不同频率功率偏压。
37.如权利要求35所述的容性耦合等离子体反应器，其中，所述支撑座包括静电卡盘。
38.如权利要求36所述的容性耦合等离子体反应器，其中，所述支撑座包括加热器。
39.如权利要求20所述的容性耦合等离子体反应器，其中，所述多个容性耦合电极包括多个正电压电极和多个负电压电极，并且所述正电压电极和所述负电压电极具有从相互交替的直线阵列结构、矩阵式阵列结构、相互交替的螺旋阵列结构以及相互交替的同心阵列结构中选择的一种或多种阵列结构。
40.如权利要求39所述的容性耦合等离子体反应器，其中，所述正电压电极和所述负电压电极具有从栅栏式结构、平板式结构、突出式结构、圆柱式结构、环形结构、螺旋结构以及直线结构中选择的一种或多种结构。
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