CN103866296B - 等离子体处理设备及其下电极机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于等离子体处理设备的下电极机构，包括：下电极底板、接地柱支撑件、接地柱、载板支撑件、载板和加热器，其中，下电极底板接地。接地柱支撑件位于下电极底板的上方，并沿着竖直方向可升降。接地柱的上端与载板支撑件连接，接地柱的下端与接地柱支撑件连接。载板支撑件位于接地柱支撑件的上方，载板支撑件接地且与接地柱电绝缘。载板支撑在载板支撑件上，且通过载板支撑件直接接地。以及加热器设置在载板支撑件和接地柱支撑件之间。根据本发明实施例的下电极机构，接地电流路径简单，且重复性高，解决了下电极接地不良的问题。本发明还公开了一种具有上述下电极机构的等离子体处理设备。

Description

等离子体处理设备及其下电极机构

技术领域

本发明涉及半导体设备制造领域，尤其是涉及一种等离子体处理设备及其下电极机构。

背景技术

目前的太阳能行业等离子体增强化学气相沉积系统（PECVD系统）的工艺腔室中，如图6所示，腔室底板202做了接地处理，电位与地相同，接地柱204、气缸201及用于支撑接地柱的接地柱支撑件207组成下电极升降装置，且接地柱204通过接地线203和腔室底板202相连。载板205放置在接地柱204上面，从而使得载板205接地。加热器支撑件208支撑加热器206以对进入到工艺腔室内的特定气体进行加热。工艺腔室在真空环境下，通入的特定气体在加热到特定的温度后，被电离成为等离子体，这些等离子体在晶片的表面生成所需的膜结构。

在整个工艺过程中，工艺腔室内部温度均匀性、气流均匀性、下电极接地均匀性对晶片的镀膜工艺有着决定性的影响，均匀的工艺环境才能保证等离子体的均匀性，进而才能保证镀膜的均匀性，因此下电极接地均匀性是该设备的重要技术环节之一。同时，下电极升降模块在升降过程中需要完全水平定位，这样才能保证其与上电极之间各个位置的间距完全一致，这也是镀膜均匀的必要条件之一。

因为加工精度以及受热膨胀的原因，每个接地柱的高度都是有差异的，为保证所有接地柱都与载板接触良好，如图7所示，现有的接地柱204与载板205之间通过接地柱连接杆301相连，接地柱连接杆301的顶端设置有接地柱端盖303且上端套设有高温弹簧302。接地柱端盖303可以沿着接地柱连接杆301做轴向滑动，当接地柱204拖起载板205时，金属导电材质的高温弹簧302因受力而压缩，高的接地柱受力大，接地柱端盖303滑到下限位，使上端面与载板205接触。低的接地柱受力小，虽然接地柱端盖落不到下限位，但因受弹簧的推力，其上端面也能与载板接触，从而实现所有接地柱都能与载板接触，进而保证了流经载板的电流路径为：沿着接地柱端盖303、金属导电材质的高温弹簧302、接地柱连接杆301、接地柱204、接地柱支撑件207与腔室底板202接地。

但现有技术的缺点是：1、接地柱支撑件热变形严重，导致部分接地柱高度不一致，部分接地柱和载板接触不良，造成工艺时载板与反应腔内零件之间放电、打火。2、接地柱结构复杂，由于接地柱端盖、接地柱连接杆和接地柱支撑件在加工、安装调试及高温受热变形上所产生的误差，使得电流所走的路径不一样，导致电势分布不均匀。3、金属导电材质的高温弹簧为开环连接，弹簧会产生电感。影响接地效果。4、接地柱支撑件通过接电线与腔室底板接地，但当载板经长时间工艺过程后，载板的上下表面会镀上一层绝缘的SiNx膜，使得载板的下电极作用削减甚至丧失，导致RF直接与下盖放电，影响晶片镀膜质量。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种接地路径简单且重复性高的用于等离子体处理设备的下电极机构。其能够在保证下电极升降高度可以准确调节的同时，还能够保证其接地的均匀性。

本发明的另一个目的在于提出一种具有上述下电极机构的等离子体处理设备。

根据本发明第一方面实施例的用于等离子体处理设备的下电极机构，包括：下电极底板、接地柱支撑件、接地柱、载板支撑件、载板和加热器，其中，所述下电极底板接地；所述接地柱支撑件位于所述下电极底板的上方，并沿着竖直方向可升降；所述接地柱的上端与所述载板支撑件连接，所述接地柱的下端与所述接地柱支撑件连接；所述载板支撑件位于所述接地柱支撑件的上方，所述载板支撑件接地且与所述接地柱电绝缘；所述载板支撑在所述载板支撑件上，且通过所述载板支撑件直接接地；以及所述加热器设置在所述载板支撑件和所述接地柱支撑件之间。

根据本发明的下电极机构，通过将载板放置在载板支撑件上，且载板支撑件接地，载板支撑件与接地柱电绝缘，从而使得通过载板的电流经过载板支撑件直接接地，保证了接地电流路径简单且重复性高，解决了载板接地不良的问题，使得载板上的电势分布均匀，减少了工艺时载板与等离子体处理设备内的零件之间的打火放电，提高了设备稳定性和产品良率。且该载板支撑件有良好的平面度，使得载板与上电极之间各个位置的间距完全一致，载板与载板支撑件有良好的接触，从而保证了待加工晶片的镀膜均匀性，保证了待加工晶片的镀膜质量。

另外，根据本发明的下电极机构还具有如下附加技术特征：

进一步地，所述下电极机构还包括：至少一个斜圈弹簧导电触头，所述斜圈弹簧导电触头设置在所述载板支撑件的上表面上，以使所述载板和所述载板支撑件电连接。从而保证了载板与载板支撑件能够充分接触且导电良好。

在本发明的一些实施例中，所述接地柱支撑件通过多个驱动器而被驱动沿着竖直方向可升降，且所述驱动器与所述接地柱支撑件电绝缘。从而使得接地柱支撑件结构简单，且通过驱动器与接地柱支撑件电绝缘，进一步保证了接地电流路径简单，重复性高。

进一步地，当所述载板支撑件的变形量为f₁，厚度为d₁，所述接地柱支撑件的变形量为f₂，厚度为d₂，且变形量和厚度满足：f₁/_f2=E₂d₂ ³/E₁d₁ ³比例关系时，所述载板支撑件与所述接地柱支撑件的热变形方向相反且应力相同，其中：E₁为载板支撑件的弹性模量，E₂为接地柱支撑件的弹性模量。从而保证了载板支撑件有良好的平面度。

具体地，所述载板支撑件上形成有与所述接地柱对应的第一沉头孔，所述载板支撑件通过套设有第一陶瓷套筒的第一螺杆连接至所述接地柱的顶部。从而保证了载板支撑件与接地柱电绝缘，且使得载板支撑件与接地柱之间连接简单、可靠。

进一步地，所述接地柱还包括：第一陶瓷垫片，所述第一陶瓷垫片套设在所述接地柱的顶部，使所述载板支撑件与所述接地柱电绝缘。从而进一步保证了载板支撑件与接地柱电绝缘。

具体地，所述驱动器为驱动汽缸，且所述接地柱支撑件上形成有分别与所述驱动汽缸对应的第二沉头孔，且所述接地柱支撑件通过第二螺杆连接至所述驱动汽缸的活塞杆，且所述第二螺杆上依次套设有第二陶瓷套筒和第二陶瓷垫片，以将所述接地柱支撑件与所述汽缸的活塞杆电绝缘。从而保证了接地柱支撑件与驱动器电绝缘，且使得接地柱支撑件与驱动器之间连接简单、可靠。

进一步，所述下电极机构还包括陶瓷帽，所述陶瓷帽的边沿与所述第二陶瓷垫片相连，以盖住所述第二螺杆的顶部。从而进一步保证了接地柱支撑件与驱动器电绝缘。

根据本发明第二方面实施例的等离子体处理设备，包括：真空腔室；设置在所述真空腔室中的上电极机构；以及如本发明第一方面实施例所述的下电极机构，所述下电极机构设置在所述真空腔室内且与所述上电极机构相对。

根据本发明的等离子体处理设备，下电极机构和上电极机构之间的各个位置的间距相同，且下电极机构接地效果好，载板上的电势分布均匀，进而可以提高对晶片进行镀膜的均匀性，且降低了设备成本。

可选地，所述等离子体处理设备为等离子体增强化学气相沉积设备。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的下电极机构的主视图；

图2为图1所示的下电极机构中的多个斜圈弹簧导电触头放置在载板支撑件上时的俯视图；

图3为图1所示的下电极机构中的载板支撑件与接地柱的连接处的剖切示意图；

图4为图1所示的下电极机构中的接地柱支撑件与驱动器的连接处的剖切示意图；

图5为图1所示的下电极机构中的接地柱支撑件和载板支撑件受热变形时的示意图；

图6为现有的下电极机构的示意图；和

图7为图6所示的下电极机构中的载板与接地柱的连接处的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

下面参考图1-图5描述根据本发明第一方面实施例的一种用于等离子体处理设备的下电极机构100，该下电极机构100设在等离子体处理设备内，且与设在等离子体处理设备内的上电极机构（图未示出）共同作用以对放置在下电极机构100上的待加工晶片（图未示出）进行工艺处理。该下电极机构100可应用于太阳能电池生产薄膜生长工艺环节，同时还可用于对多点对地电阻（或接触）的均匀性要求较高的技术领域。

如图1所示，根据本发明实施例的用于等离子体处理设备的下电极机构包括：下电极底板1、接地柱支撑件2、接地柱4、载板支撑件3、载板5和加热器6。其中，下电极底板1接地。接地柱支撑件2位于下电极底板1的上方，并沿着竖直方向可升降。载板支撑件3位于接地柱支撑件2的上方，并通过设置在接地柱支撑件2上的多个接地柱4支撑，载板支撑件3接地且与接地柱4电绝缘，换言之，接地柱4的上端与载板支撑件3连接，接地柱4的下端与接地柱支撑件2连接。载板5支撑在载板支撑件3上，且通过载板支撑件3直接接地。加热器6设置在载板支撑件3和接地柱支撑件2之间。在图1的示例中，载板支撑件3通过接地线17与下电极底板1相连，从而实现载板支撑件3接地的目的。

其中，载板5为下电极，并做接地处理，此时载板5的电位与地相同，同时对上电极做通电处理，上电极和载板5之间形成电势差，以将通入到等离子体处理设备内的 工艺气体电离成等离子体，这些等离子体在待加工晶片的表面生成膜结构。

载板5放置在载板支撑件3上，载板支撑件3由多个接地柱4支撑，多个接地柱4设置在接地柱支撑件2上。由于载板支撑件3接地，且载板支撑件3与接地柱4电绝缘，从而使得流经载板5的电流经过载板支撑件3直接接地，保证了接地电流路径简单且重复性高。

由于加热器6设置在载板支撑件3和接地柱支撑件2之间，即载板支撑件3和接地柱支撑件3分布在加热器6的两侧。从热力学角度分析，由于受加热器6的温度影响，载板支撑件3上冷下热，即载板支撑件3的上表面温度小于下表面温度，发生凹向变形，即如图5所示，载板支撑件3向上弯曲变形，此时设载板支撑件3的变形量为f₁，厚度为d₁。接地柱支撑件2上热下冷，即接地柱支撑件2的上表面温度大于下表面温度，发生凸向变形，即如图5所示，接地柱支撑件2向下弯曲变形，此时设接地柱支撑件2的变形量为f₂，厚度为d₂。载板支撑件3与接地柱支撑件2的热变形方向相反，当应力相同时，变形量f和厚度d满足：f₁/f₂=E₂d₂ ³/E₁d₁ ³，（E₁为载板支撑件3的弹性模量，E₂为接地柱支撑件2的弹性模量）比例关系时，热变形可以互相抵消，保证了载板支撑件3有良好的平面度。

根据本发明实施例的下电极机构100，通过将载板5放置在载板支撑件3上，且载板支撑件3接地，载板支撑件3与接地柱4电绝缘，从而使得通过载板5的电流经过载板支撑件3直接接地，保证了接地电流路径简单且重复性高，解决了载板5接地不良的问题，使得载板5上的电势分布均匀，减少了工艺时载板5与等离子体处理设备内的零件之间的打火放电，提高了设备稳定性和产品良率。且该载板支撑件3有良好的平面度，使得载板5与上电极之间各个位置的间距完全一致，载板5与载板支撑件3有良好的接触，从而保证了待加工晶片的镀膜均匀性，保证了待加工晶片的镀膜质量。

进一步地，如图2所示，下电极机构100还包括：至少一个斜圈弹簧导电触头7，斜圈弹簧导电触头7设置在载板支撑件3的上表面上，以使载板5和载板支撑件3电连接。该斜圈弹簧导电触头7能在较大范围的工作变形情况下仍可保持几乎恒定的弹簧接触应力，并可补偿大面积的结合公差及表面不平，且斜圈弹簧导电触头7电阻低、多点接触，与高性能的传导材料能保证良好的导电性。从而保证了载板5与载板支撑件3能够充分接触且导电良好。

具体地，接地柱支撑件2通过多个驱动器8而被驱动沿着竖直方向可升降，且驱动器8与接地柱支撑件2电绝缘。从而使得接地柱支撑件2结构简单，且通过驱动器8与接地柱支撑件2电绝缘，进一步保证了接地电流路径简单，重复性高。

如图4所示，进一步地，驱动器8为驱动汽缸，且接地柱支撑件2上形成有分别与驱动汽缸8对应的第二沉头孔20，且接地柱支撑件2通过第二螺杆13连接至驱动汽缸8的活塞杆80，且第二螺杆13上依次套设有第二陶瓷套筒14和第二陶瓷垫片15，以将接地柱支撑件2与汽缸8的活塞杆80电绝缘。从而保证了接地柱支撑件2与驱动器8电绝缘，且使得接地柱支撑件2与驱动器8之间连接简单、可靠。

进一步，如图4所示，下电极机构100还包括陶瓷帽16，陶瓷帽16的边沿与第二陶瓷垫片15相连，以盖住第二螺杆13的顶部。从而进一步保证了接地柱支撑件2与驱动器8电绝缘。

在本发明的一些实施例中，如图1所示，下电极机构100还包括加热器支撑件9，加热器支撑件9设置在下电极底板1上，用于电绝缘地支撑加热器6。从而可便于放置加热器6且使得加热器6位于载板支撑件3和接地柱支撑件2之间。在图1的示例中，加热器支撑件9与下电极底板1之间通过绝缘件18相连，从而实现电绝缘。

根据本发明的一些实施例，如图3所示，载板支撑件3上形成有与接地柱4对应的第一沉头孔30，载板支撑件3通过套设有第一陶瓷套筒10的第一螺杆11连接至接地柱4的顶部。进一步地，下电极机构100还包括第一陶瓷垫片12，第一陶瓷垫片12套设在接地柱4的顶部且位于载板支撑件3和接地柱4的顶部之间，使载板支撑件3与接地柱4电绝缘。从而保证了载板支撑件3与接地柱4电绝缘，且使得载板支撑件3与接地柱4之间连接简单、可靠。

根据本发明第二方面实施例的等离子体处理设备，包括：真空腔室（图未示出）、上电极机构和下电极机构100，其中，上电极机构设置在真空腔室中，下电极机构100为根据本发明第一方面实施例的下电极机构100，下电极机构100设置在真空腔室内且与上电极机构相对。

真空腔室在真空环境下通入工艺气体，工艺气体在被加热到预设温度后，被射频电离成为等离子体。这些等离子体在放置在载板5上的晶片的表面生成所需的膜结构。由于本发明上述实施例提供的下电极机构100在升降过程中可以实现水平定位，从而可以保证与上电极机构之间各个位置的间距时一致的，且该下电极机构100的接地路径简单且重复性高，使得下电极机构100接地均匀，进而可以提高利用等离子体处理设备对载板5上的晶片进行镀膜的均匀性。

在本发明的一个实施例中，等离子体处理设备可以为等离子体增强化学气相沉积设备。

根据本发明实施例的等离子体处理设备，下电极机构100和上电极机构之间的各个位置的间距相同，且下电极机构100接地效果好，载板5上的电势分布均匀，进而可以提高对晶片进行镀膜的均匀性，且降低了设备成本。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种下电极机构，其特征在于，包括：下电极底板、接地柱支撑件、接地柱、载板支撑件、载板和加热器，其中，

所述下电极底板接地；

所述接地柱支撑件位于所述下电极底板的上方，并沿着竖直方向可升降；

所述接地柱的上端与所述载板支撑件连接，所述接地柱的下端与所述接地柱支撑件连接；

所述载板支撑件位于所述接地柱支撑件的上方，所述载板支撑件接地且与所述接地柱电绝缘；

所述载板支撑在所述载板支撑件上，且通过所述载板支撑件直接接地；以及

所述加热器设置在所述载板支撑件和所述接地柱支撑件之间。

2.根据权利要求1所述的下电极机构，其特征在于，所述下电极机构还包括：

至少一个斜圈弹簧导电触头，所述斜圈弹簧导电触头设置在所述载板支撑件的上表面上，以使所述载板和所述载板支撑件电连接。

3.根据权利要求1所述的下电极机构，其特征在于，所述接地柱支撑件通过多个驱动器而被驱动沿着竖直方向可升降，且所述驱动器与所述接地柱支撑件电绝缘。

4.根据权利要求1所述的下电极机构，其特征在于，当所述载板支撑件的变形量为f₁，厚度为d₁，所述接地柱支撑件的变形量为f₂，厚度为d₂，且变形量和厚度满足：f₁/f₂=E₂d₂ ³/E₁d₁ ³比例关系时，所述载板支撑件与所述接地柱支撑件的热变形方向相反且应力相同，其中：E₁为载板支撑件的弹性模量，E₂为接地柱支撑件的弹性模量。

5.根据权利要求1所述的下电极机构，其特征在于，所述载板支撑件上形成有与所述接地柱对应的第一沉头孔，所述载板支撑件通过套设有第一陶瓷套筒的第一螺杆连接至所述接地柱的顶部。

6.根据权利要求1所述的下电极机构，其特征在于，所述接地柱包括：第一陶瓷垫片，所述第一陶瓷垫片套设在所述接地柱的顶部，使所述载板支撑件与所述接地柱电绝缘。

7.根据权利要求3所述的下电极机构，其特征在于，所述驱动器为驱动汽缸，且所述接地柱支撑件上形成有分别与所述驱动汽缸对应的第二沉头孔，且所述接地柱支撑件通过第二螺杆连接至所述驱动汽缸的活塞杆，且所述第二螺杆上依次套设有第二陶瓷套筒和第二陶瓷垫片，以将所述接地柱支撑件与所述汽缸的活塞杆电绝缘。

8.根据权利要求7所述的下电极机构，其特征在于，所述下电极机构还包括陶瓷帽，所述陶瓷帽的边沿与所述第二陶瓷垫片相连，以盖住所述第二螺杆的顶部。

9.一种等离子体处理设备，其特征在于，包括：

真空腔室；

设置在所述真空腔室中的上电极机构；以及

如权利要求1-8中任一项所述的下电极机构，所述下电极机构设置在所述真空腔室内且与所述上电极机构相对。

10.根据权利要求9所述的等离子体处理设备，其特征在于，所述等离子体处理设备为等离子体增强化学气相沉积设备。