CN103545164A

CN103545164A - 一种射频等离子体反应室

Info

Publication number: CN103545164A
Application number: CN201310521255.8A
Authority: CN
Inventors: 高飞; 王友年
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2013-10-30
Filing date: 2013-10-30
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2033-10-30
Also published as: CN103545164B

Abstract

一种射频等离子体反应室，广泛应用于材料表面改性及表面处理等领域。这种射频等离子体反应室包括设置在真空腔室中的上基片台和下基片台，上基片台通过上支撑筒固定在密封盖上的上基片台固定装置上，上基片台采用容性耦合基片台或感性耦合基片台；下基片台通过下基片台轴向位置调节机构固定在底板上，调整调节螺母时，移动法兰在导向杆上滑动，使波纹管变形，位于波纹管内的下支撑筒移动，改变与下支撑筒连接在一起的下基片台与上基片台之间的距离。该等离子体反应器的优点在于能够根据不同的工艺需求，选择不同的等离子体产生区的直径、高度及放电模式，从而能够优化半导体器件加工设备的设计和制造，缩短不同工艺所需等离子体反应器的研制周期。

Description

一种射频等离子体反应室

技术领域

本发明涉及一种射频等离子体反应室，广泛应用于材料表面改性及表面处理等领域。

背景技术

等离子体放电可以产生具有化学活性的物质，所以被广泛应用于材料表面改性及表面处理等领域。对于全球制造工业来说，等离子体处理技术起着极为重要的作用，尤其是在超大规模集成电路制造工艺中，有近三分之一的工序是借助等离子体加工技术完成的，如等离子体刻蚀、等离子体薄膜沉积以及等离子体去胶等。近年来，随着国际半导体技术发展，对等离子体刻蚀的要求越来越高，如线宽越来越细、层数越来越多和芯片面积越来越大。目前，国际工业上正在研制腔室直径为450 mm的芯片生产工艺。而应用在等离子体刻蚀和材料表面处理及薄膜材料生长的等离子体源主要有微波电子回旋共振（ECR）等离子体源、单频或双频容性耦合等离子体源（CCP）和感性耦合等离子体源（ICP）等。

上述几种等离子体源中，微波ECR源具有工作气压低、各向异性好和介质损失低等优点，但是由于其需要借助磁场来约束等离子体，因此很难做到大面积均匀性刻蚀的效果。而单频或双频CCP及ICP做到大面积均匀性就相对容易很多。在刻蚀工艺中，其中CCP由于电子及离子能量较高主要应用于介质刻蚀，如SiO₂的刻蚀；而ICP由于具有高密度低离子能量的特点，主要应用于半导体材料以及金属材料的刻蚀，如Si和Cu刻蚀。目前国际上主流刻蚀机的反应室直径是300 mm，同时正在研制更大反应室尺寸（直径450 mm）的刻蚀机。但是设计和加工一个固定尺寸的反应性腔室成本太高、周期太长，而且对应CCP和ICP来讲要至少设计两套反应性腔室。因此本发明人设计了一套变直径变高度的感性/容性混合耦合及单一耦合的等离子体源反应室。该反应室既可以用于产生容性耦合等离子，又可以产生感性耦合等离子体，同时又可以调整反应室内等离子体的面积和高度。从而能够解决等离子体源研制周期长、成本高等难题。

发明内容

为了克服现有技术中存在的问题，本发明提供一种射频等离子体反应室，该反应室能够在不同气压下产生大面积均匀性等离子体。而且随着选择不同的上基片台可以产生不同密度的等离子体，感性耦合基片台可以产生高密度（10¹¹-10¹² cm^-3）等离子体，容性耦合基片台可以产生低密度（10⁹-10¹⁰ cm^-3）等离子体。

本发明采用的技术解决方案：一种射频等离子体反应室，包括设置在真空腔室中的上基片台和下基片台，所述真空腔室采用主腔体、密封盖和底板构成，并固定在实验台架上，主腔体的周边设有多个石英观察窗，底板上设有金属套筒，金属套筒内侧的底板上设有出气口；所述上基片台通过上支撑筒固定在密封盖上的上基片台固定装置上，上基片台采用容性耦合基片台或感性耦合基片台；所述下基片台通过下基片台轴向位置调节机构固定在底板上，下基片台轴向位置调节机构包括调节螺母、导向杆、移动法兰和保持所述真空腔室密封的波纹管；调整调节螺母时，移动法兰在导向杆上滑动，使波纹管变形，位于波纹管内的下支撑筒移动，改变与下支撑筒连接在一起的下基片台与上基片台之间的距离。

所述容性耦合基片台采用上支撑筒依次连接上座板、上顶部法兰和上金属外罩，在上顶部法兰的下部设有一个带凹坑的第一上绝缘法兰，在第一上绝缘法兰的凹坑内，第一上金属底部法兰与带凹坑的第二上金属底部法兰之间的空腔连接上冷水进管和上冷水出管，第二上金属底部法兰依次连接带多个孔的第一上进气法兰和第二上进气法兰，在第二上金属底部法兰与第一上进气法兰之间的空腔连接进气管及射频功率传输线，所述上冷水进管、上冷水出管和进气管及射频功率传输线穿过第一上金属底部法兰、第一上绝缘法兰和上顶部法兰后，在位于上支撑筒的上端部位设有上固定环和上金属盖板。

所述感性耦合基片台采用上支撑筒依次连接上座板、上顶部法兰和上金属外罩，在上顶部法兰的下部设有一个第二上绝缘法兰，在上金属外罩的内侧下部位置设有一个用石英介质耦合窗封口的支撑环，在支撑环上设有一个上进气管，在第二上绝缘法兰与石英介质耦合窗之间的空腔内设有一个两端分别连接射频功率传输线输入端和射频功率传输线输出端的平面线圈，所述上进气管、射频功率传输线输入端和射频功率传输线输出端穿过第二上绝缘法兰和上顶部法兰后，在位于上支撑筒的上端部位设有上固定环和上金属盖板。

所述下基片台采用下支撑筒依次连接下座板、下顶部法兰和下金属外罩，在下顶部法兰的上部设有一个带凹坑的下绝缘法兰，在下顶部法兰的凹坑内，金属平板法兰与带凹坑的下底部法兰之间的空腔连接下冷水进管和下冷水出管，下底部法兰连接套有下绝缘管的射频功率传输线；所述下冷水进管、下冷水出管和射频功率传输线穿过下底部法兰、下绝缘法兰、下顶部法兰和下座板后，在位于下支撑筒的下端部位设有后盖和底部盖子。

所述平面线圈的线圈匝数N为1-5，当线圈匝数N大于2时，线圈匝与匝之间的间距采用等间距或不等间距。

所述金属套筒上设有与石英观察窗相对应的内观察窗。

本发明的有益效果是：这种射频等离子体反应室包括设置在真空腔室中的上基片台和下基片台，上基片台通过上支撑筒固定在密封盖上的上基片台固定装置上，上基片台采用容性耦合基片台或感性耦合基片台；下基片台通过下基片台轴向位置调节机构固定在底板上，调整调节螺母时，移动法兰在导向杆上滑动，使波纹管变形，位于波纹管内的下支撑筒移动，改变与下支撑筒连接在一起的下基片台与上基片台之间的距离。该反应室以实验中得到的单频或双频CCP放电中能够得到低密度、大面积均匀等离子体和ICP放电中能够得到高密度、大面积均匀等离子体为基础，能够在大范围的气压（0.1-100 Pa）下产生不同面积不同高度的均匀等离子体，并且等离子体的密度覆盖范围广（10⁹-10¹²cm^-3），解决了目前射频耦合刻蚀机研制周期长及成本高的难点，并且解决了射频耦合等离子体应用中面积和密度均匀性之间的矛盾。该等离子体反应器的优点在于能够根据不同的工艺需求，选择不同的等离子体产生区的直径、高度及放电模式，从而能够优化半导体器件加工设备的设计和制造，缩短不同工艺所需等离子体反应器的研制周期。

附图说明

图1是一种射频等离子体反应室的结构图。

图2是容性耦合基片台的结构图。

图3是感性耦合基片台的结构图。

图4是下基片台的结构图。

图中：1、主腔体，2、密封盖，2a、底板，3、上基片台，4、上基片台固定装置，5、下基片台，6、金属套筒，6a、内观察窗，7、出气口，8、石英观察窗，9、下基片台轴向位置调节机构，9a、调节螺母，9b、导向杆，9c、波纹管，9d、移动法兰，10、实验台架，11、上金属外罩，12、第一上金属底部法兰，13、上绝缘垫片，14、上螺母，15、上顶部法兰，16、第一上绝缘法兰，17、上座板，18、上支撑筒，19、上冷水进管，20、上固定环，21、第一上绝缘环，22、第二上绝缘环，23、上金属盖板，24、第三上绝缘环，25、进气管及射频功率传输线，26、第一上绝缘管，27、第四上绝缘环，28、第五上绝缘环，29、上冷水出管，30、第六上绝缘环，31、第二上金属底部法兰，32、第一上进气法兰，33、第二上进气法兰，34、第二上绝缘法兰，35、上进气管，36、第二上绝缘管，37、射频功率传输线输入端，38、射频功率传输线输出端，39、平面线圈，40、石英介质耦合窗口，41、支撑环，42、下金属外罩，43、下顶部法兰，44、下绝缘法兰，45、下座板，46、射频功率传输线，47、下绝缘管，48、下冷出水管，49、后盖，50、底部盖子，51、第一下绝缘环，52、第二下绝缘环，53、下支撑筒，54、下冷进水管，55、下底部法兰，56、下绝缘垫片，57、下螺母，58、金属平板法兰。

具体实施方式

图1示出了一种射频等离子体反应室的结构图。图中，射频等离子体反应室包括设置在真空腔室中的上基片台3和下基片台5，真空腔室采用主腔体1、密封盖2和底板2a构成，并固定在实验台架10上，主腔体1的周边设有4个石英观察窗8，底板2a上设有金属套筒6，金属套筒6上设有与石英观察窗8相对应的内观察窗6a。金属套筒6内侧的底板2a上设有出气口7。上基片台3通过上支撑筒18固定在密封盖2上的上基片台固定装置4上，上基片台3采用容性耦合基片台或感性耦合基片台。下基片台5通过下基片台轴向位置调节机构9固定在底板2a上，下基片台轴向位置调节机构9包括调节螺母9a、导向杆9b、移动法兰9d和保持所述真空腔室密封的波纹管9c。调整调节螺母9a时，移动法兰9d在导向杆9b上滑动，使波纹管9c变形，位于波纹管9c内的下支撑筒53移动，改变与下支撑筒53连接在一起的下基片台5与上基片台3之间的距离。

图2示出了容性耦合基片台的结构图。容性耦合基片台采用上支撑筒18依次连接上座板17、上顶部法兰15和上金属外罩11，在上顶部法兰15的下部设有一个带凹坑的第一上绝缘法兰16，在第一上绝缘法兰16的凹坑内，第一上金属底部法兰12与带凹坑的第二上金属底部法兰31之间的空腔连接上冷水进管19和上冷水出管29，第二上金属底部法兰31依次连接带多个孔的第一上进气法兰32和第二上进气法兰33，在第二上金属底部法兰31与第一上进气法兰32之间的空腔连接进气管及射频功率传输线25，所述上冷水进管19、上冷水出管29和进气管及射频功率传输线25穿过第一上金属底部法兰12、第一上绝缘法兰16和上顶部法兰15后，在位于上支撑筒18的上端部位设有上固定环20和上金属盖板23。

图3示出了感性耦合基片台的结构图。感性耦合基片台采用上支撑筒18依次连接上座板17、上顶部法兰15和上金属外罩11，在上顶部法兰15的下部设有一个第二上绝缘法兰34，在上金属外罩11的内侧下部位置设有一个用石英介质耦合窗40封口的支撑环41，在支撑环41上设有一个上进气管35，在第二上绝缘法兰34与石英介质耦合窗40之间的空腔内设有一个两端分别连接射频功率传输线输入端37和射频功率传输线输出端38的平面线圈39，平面线圈39的线圈匝数N为1-5，当线圈匝数N大于2时，线圈匝与匝之间的间距采用等间距或不等间距。上进气管35、射频功率传输线输入端37和射频功率传输线输出端38穿过第二上绝缘法兰34和上顶部法兰15后，在位于上支撑筒18的上端部位设有上固定环20和上金属盖板23。

图4示出了下基片台的结构图。下基片台5采用下支撑筒53依次连接下座板45、下顶部法兰43和下金属外罩42，在下顶部法兰43的上部设有一个带凹坑的下绝缘法兰44，在下顶部法兰43的凹坑内，金属平板法兰58与带凹坑的下底部法兰55之间的空腔连接下冷水进管54和下冷水出管48，下底部法兰55连接套有下绝缘管47的射频功率传输线46；所述下冷水进管54、下冷水出管48和射频功率传输线46穿过下底部法兰55、下绝缘法兰44、下顶部法兰43和下座板45后，在位于下支撑筒53的下端部位设有后盖50和底部盖子50。

采用上述的技术方案，上基片台3和下基片台5有大、中、小直径之分，大直径为500-800mm，中直径为300-500mm，小直径为100-300mm；金属套筒6：大直径为400-600mm，小直径为200-400mm。该射频等离子体反应室具体实施方式有多种方案。

方案1：采用大直径的容性耦合基片台和大直径的下基片台5，可以形成大面积的高度可调的容性等离子体，密度在10⁹-10¹⁰ cm^-3；该方案还可以形成双频CCP（上基片台3和下基片台5分别连接不用的射频功率源）和单频CCP（上基片台3连接射频功率源，下基片台5接地）。

方案2：采用大直径的容性耦合基片台和中或小直径的下基片台5，可以形成非对称面积的容性等离子体，该等离子体在下基片台5上形成较高的自偏压，使得在轰击到下基片台5的离子能量比方案1更高。本方案同样可以和方案1中所述形成单频或双频CCP。

方案3：采用小直径的容性耦合基片台和小直径的下基片台5，然后采用小直径的套筒，可以形成小面积的高度可调的容性等离子体。

方案4：采用大直径的感性耦合基片台和大直径的下基片台5，可以形成大面积高度可调的感性等离子体（即ICP），密度在10¹¹-10¹² cm^-3；如果本方案中，感性耦合基片台连接射频功率源，而下基片台5连接公共地，那么产生的等离子体就是感性耦合等离子体。另外：本方案还可以形成感性/容性混合耦合等离子体，形成方式是感性耦合基片台连接射频功率源，同时下基片台5连接第二台射频功率源，即两台射频功率源分别给感性耦合基片台和下基片台5施加功率，同时调制等离子体的产生和输运。这种调制相比于下基片台5接地能够提高离子轰击下基片台5的离子能量和离子通量。第三：在本方案中如果感性耦合基片台连接脉冲调制的射频功率源，就可以在本方案所述的腔室中产生脉冲调制的感性耦合等离子体。

方案5：采用中（或小）直径的感性耦合基片台和中（或）小直径的下基片台5，以及采用大（或小）直径的套筒，能够形成中等（或者小）面积的感性耦合等离子体。

总之，本发明可以产生大、中、小不同面积的高度可调的容性、感性单一耦合及混合耦合的等离子体。

Claims

1.一种射频等离子体反应室，包括设置在真空腔室中的上基片台（3）和下基片台（5），其特征在于：所述真空腔室采用主腔体（1）、密封盖（2）和底板（2a）构成，并固定在实验台架（10）上，主腔体（1）的周边设有多个石英观察窗（8），底板（2a）上设有金属套筒（6），金属套筒（6）内侧的底板（2a）上设有出气口（7）；所述上基片台（3）通过上支撑筒（18）固定在密封盖（2）上的上基片台固定装置（4）上，上基片台（3）采用容性耦合基片台或感性耦合基片台；所述下基片台（5）通过下基片台轴向位置调节机构（9）固定在底板（2a）上，下基片台轴向位置调节机构（9）包括调节螺母（9a）、导向杆（9b）、移动法兰（9d）和保持所述真空腔室密封的波纹管（9c）；调整调节螺母（9a）时，移动法兰（9d）在导向杆（9b）上滑动，使波纹管（9c）变形，位于波纹管（9c）内的下支撑筒（53）移动，改变与下支撑筒（53）连接在一起的下基片台（5）与上基片台（3）之间的距离。

2.根据权利要求1中所述的一种射频等离子体反应室，其特征在于：所述容性耦合基片台采用上支撑筒（18）依次连接上座板（17）、上顶部法兰（15）和上金属外罩（11），在上顶部法兰（15）的下部设有一个带凹坑的第一上绝缘法兰（16），在第一上绝缘法兰（16）的凹坑内，第一上金属底部法兰（12）与带凹坑的第二上金属底部法兰（31）之间的空腔连接上冷水进管（19）和上冷水出管（29），第二上金属底部法兰（31）依次连接带多个孔的第一上进气法兰（32）和第二上进气法兰（33），在第二上金属底部法兰（31）与第一上进气法兰（32）之间的空腔连接进气管及射频功率传输线（25），所述上冷水进管（19）、上冷水出管（29）和进气管及射频功率传输线（25）穿过第一上金属底部法兰（12）、第一上绝缘法兰（16）和上顶部法兰（15）后，在位于上支撑筒（18）的上端部位设有上固定环（20）和上金属盖板（23）。

3.根据权利要求1中所述的一种射频等离子体反应室，其特征在于：所述感性耦合基片台采用上支撑筒（18）依次连接上座板（17）、上顶部法兰（15）和上金属外罩（11），在上顶部法兰（15）的下部设有一个第二上绝缘法兰（34），在上金属外罩（11）的内侧下部位置设有一个用石英介质耦合窗（40）封口的支撑环（41），在支撑环（41）上设有一个上进气管（35），在第二上绝缘法兰（34）与石英介质耦合窗（40）之间的空腔内设有一个两端分别连接射频功率传输线输入端（37）和射频功率传输线输出端（38）的平面线圈(39)，所述上进气管（35）、射频功率传输线输入端（37）和射频功率传输线输出端（38）穿过第二上绝缘法兰（34）和上顶部法兰（15）后，在位于上支撑筒（18）的上端部位设有上固定环（20）和上金属盖板（23）。

4.根据权利要求1中所述的一种射频等离子体反应室，其特征在于：所述下基片台（5）采用下支撑筒（53）依次连接下座板（45）、下顶部法兰（43）和下金属外罩（42），在下顶部法兰（43）的上部设有一个带凹坑的下绝缘法兰（44），在下顶部法兰（43）的凹坑内，金属平板法兰（58）与带凹坑的下底部法兰（55）之间的空腔连接下冷水进管（54）和下冷水出管（48），下底部法兰（55）连接套有下绝缘管（47）的射频功率传输线（46）；所述下冷水进管（54）、下冷水出管（48）和射频功率传输线（46）穿过下底部法兰（55）、下绝缘法兰（44）、下顶部法兰（43）和下座板（45）后，在位于下支撑筒（53）的下端部位设有后盖（50）和底部盖子（50）。

5.根据权利要求3中所述的一种射频等离子体反应室，其特征在于：所述平面线圈(39)的线圈匝数N为1-5，当线圈匝数N大于2时，线圈匝与匝之间的间距采用等间距或不等间距。

6.根据权利要求1中所述的一种射频等离子体反应室，其特征在于：所述金属套筒（6）上设有与石英观察窗（8）相对应的内观察窗（6a）。