CN104377105B - 等离子体处理装置及氦气管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种等离子体处理装置，包括：一连接盘，位于反应腔室下部，其包括第一气体通道；一静电卡盘，设置于连接盘之上，其包括第二气体通道和一直流电极；一氦气管，其一端外接一氦气源，另一端自反应腔室底面伸入与连接盘底面连接，并与第一气体通道连通，用于向静电卡盘与晶圆之间通入氦气；一下电极，设置于连接盘之中，其外接一射频电源；其中，氦气管至少在位于反应腔室底面与连接盘底面之间的一部内设有多个支管，支管沿氦气管长度方向延伸。其使氦气管中的氦气不会在射频功率的作用下电离成等离子体，进而不会腐蚀氦气管，提高了氦气管使用寿命，增加了等离子体处理装置的稳定性，并避免了对晶圆的污染。

Description

等离子体处理装置及氦气管

技术领域

本发明涉及半导体加工制造设备，更具体地说，涉及一种等离子体处理装置及氦气管。

背景技术

半导体加工领域的等离子体处理工艺是在一反应腔室中进行，反应腔室底部和顶部分别设置有下电极和上电极，下电极连接至少一射频电源，上电极接地，视频电源在上、下电极之间施加射频功率使反应腔室中形成射频电场，向反应腔室中导入由多种原料气体混合成的制程气体后，制程气体在射频电场的作用下电离产生等离子体，并与待加工的晶圆进行等离子体反应。

晶圆由静电卡盘（Electro Static Chuck，简称ESC）来固定、支撑。静电卡盘设置于反应腔室中，其采用静电引力的方式，而非机械方式来吸附晶片。

在等离子体处理工艺中，为防止晶圆过热，常采用氦气来通入静电卡盘与晶圆之间，以带走晶圆上的热量。

如图1所示，现有技术中一等离子体处理装置包括反应腔室、静电卡盘10、连接盘20和氦气管30，静电卡盘10表面为一绝缘层，其内部铺设有一直流电极11，通过外接一直流电源12，而产生静电吸附力，将待处理晶圆40吸附于静电卡盘10上表面，静电卡盘10还设有自底部贯通至顶部的气体通道；连接盘20位于静电卡盘10下方，其内部铺设有下电极21，其通过一射频匹配装置22连接到一射频电源23上，向反应腔室中施加射频功率，反应腔室中的制程气体在射频功率作用下转变为等离子体，与晶圆40进行等离子体反应，连接盘20也设有自底部贯通至顶部的气体通道并与静电卡盘10中的气体通道连通，此外，连接盘20中还可能设有冷却液流道与传感器等。氦气管30内部通有氦气，其从反应腔室底面50伸入，与连接盘20中的气体 通道连通，从而可将氦气通入到静电卡盘10与晶圆40之间，用来带走晶圆40上的热量。

上述等离子体处理装置中，氦气管30在反应腔室底面50与连接盘20底面之间的一段管路直接处于射频功率的作用下，其内部的氦气在射频功率作用下会电离或被击穿而产生等离子体，等离子体与氦气管30的管壁材料发生反应，对管壁产生了腐蚀效果，同时，还在氦气管中产生了一些杂质颗粒，可能给晶圆带来污染。

因此，避免氦气管中的氦气在射频功率的作用下被击穿而产生等离子体，是本发明需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种等离子体处理装置，其采用的氦气管具有防止氦气被击穿的结构。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种等离子体处理装置，用于对放置于反应腔室中的晶圆进行等离子体处理工艺，包括：一连接盘，位于反应腔室下部，其包括第一气体通道，第一气体通道自连接盘底部贯穿至顶部；一静电卡盘，设置于连接盘之上，其包括第二气体通道和一直流电极，第二气体通道自静电卡盘底部贯穿至顶部并与第一气体通道连通，直流电极外接一直流电源将晶圆吸附于静电卡盘上表面；一氦气管，其一端外接一氦气源，另一端自反应腔室底面伸入与连接盘底面连接，并与第一气体通道连通，用于向静电卡盘与晶圆之间通入氦气；一下电极，设置于连接盘之中，其外接一射频电源，用于向反应腔室施加射频功率；其中，氦气管至少在位于反应腔室底面与连接盘底面之间的一部内设有多个支管，支管沿氦气管长度方向延伸。

优选地，氦气自如下通路中的至少一种通入静电卡盘与晶圆之间：至少一支管内部；支管之间的间隙；以及支管与氦气管内壁之间的间隙。

优选地，氦气管内氦气的间隙距离为0.5mm-1.5mm，氦气气压为10-30Torr。

优选地，氦气自至少一支管内部通入静电卡盘与晶圆之间，氦气管的内径为0.5-1cm，支管的内径为0.5-1.5mm。

优选地，支管的数目为2至10根。

优选地，各支管内径相同，均匀分布于氦气管中。

优选地，支管管壁厚度为0.1-0.5mm。

本发明还公开了一种氦气管，与等离子体反应腔室配合使用，反应腔室下部设有一连接盘，连接盘之上设有一静电卡盘用于吸附晶圆，氦气管自反应腔室底面伸入与连接盘底面连接，并通过连接盘与静电卡盘中的气体通道向静电卡盘与晶圆之间通入氦气，其中，氦气管至少在位于反应腔室底面与连接盘底面之间的一部内设有多个支管，支管沿氦气管长度方向延伸。

本发明提供的等离子体处理装置，在氦气管内设置了多个支管，从支管内或支管与氦气管内壁之间的间隙通入氦气，从而减小了氦气管中氦气的间隙距离，根据帕邢定律，其相应地提高了氦气的击穿电压，使氦气管中的氦气不会在射频功率的作用下电离成等离子体，进而不会腐蚀氦气管，提高了氦气管使用寿命，增加了等离子体处理装置的稳定性，同时不会在氦气管中产生杂质颗粒，避免了对晶圆的污染。

附图说明

图1示出现有技术中一等离子体处理装置结构示意图；

图2示出本发明第一实施例的等离子体处理装置结构示意图；

图3示出本发明第一实施例的等离子体处理装置中氦气管结构示意图；

图4示出本发明第二实施例的等离子体处理装置中氦气管结构示意图；

图5示出本发明第三实施例的氦气管结构示意图；

图6示出氦气与氩气的击穿电压与气体间隙距离和气压乘积的关系曲线图。

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。

本发明第一实施例提供的等离子体处理装置，与现有技术中等离子体处理装置具有类似的部件连接关系，如图2、并结合图1所示，其包括反应腔室、静电卡盘10、连接盘20和氦气管30，静电卡盘10和连接盘20叠放于反应腔室下部。静电卡盘10表面为一绝缘层，其内部铺设有一直流电极11， 通过外接一直流电源12，而产生静电吸附力，将待处理晶圆40吸附于静电卡盘10上表面；静电卡盘10自底部至顶部贯通设有第二气体通道13，第二气体通道13在静电卡盘10上表面形成多个出气口131；静电卡盘10下方设有连接盘20，连接盘20中铺设有下电极21，其通过一射频匹配装置22连接到一射频电源23上，射频电源23通过下电极21施加射频功率，反应腔室中的制程气体在射频功率作用下转变为等离子体，与晶圆40进行等离子体反应；连接盘20自底部至顶部贯通设有第一气体通道24，第一气体通道24上端与第二气体通道13连通，下端连通氦气管30。

其中，射频功率可为3000-11000W，射频电源23频率可为400KHz-60MHz之间任意值，例如可为13.56MHz。

根据上述实施例，具体地，氦气源36通过一阀门352连接至压力流量控制单元34，压力流量控制单元34再通过另一阀门351连接至氦气管30一端，压力流量控制单元34用于控制氦气管30中氦气的压力与流量，通常使氦气管30中气压保持为10-30Torr。

氦气管30另一端自反应腔室底面50伸入反应腔室中，通过连接件33与连接盘20底面密接，并与连接盘20中的第一气体通道24连通，从而通过第一气体通道24以及静电卡盘10中的第二气体通道13，由静电卡盘10上表面设有的多个出气口131，将氦气喷出至静电卡盘10与其吸附的晶圆之间。

可以理解，反应腔室底面50接地，连接盘20内部铺设有连接射频电源的下电极21，氦气管30在反应腔室底面50与连接盘20底面之间的管路部分处于射频功率的作用范围内。

为避免氦气管30中的氦气在射频功率的作用下被击穿，根据本发明上述实施例，结合图3所示，在氦气管30中设有多个支管301、302、303、304（为方便起见，图2中仅显示2个支管），由固设于氦气管30内部的一塞子32支撑，各支管301、302、303、304分离设置并沿氦气管30长度方向延伸，可与氦气管30整体的长度一致，也可仅与氦气管30中处于射频功率作用下的一部分管路长度一致，即至少应在氦气管30位于反应腔室底面50与连接盘20底面之间的管路内延伸分布。氦气管30中在支管301、302、303、304外部形成间隙区域310。氦气自该4个支管301、302、303、304内部通入静电卡盘10和晶圆40之间，也可仅从其中任一个或任多个支管内部通入。

该4个支管的内径可以相同，也可以不同，支管内径的取值范围为0.5-1.5mm。氦气管30的内径取值范围为0.5-1cm。各支管301、302、303、304可均匀分布于氦气管30中，也可以不均匀分布。

本领域技术人员理解，帕邢定律（Paschen law）表征均匀电场气体间隙击穿电压、间隙距离和气压间关系的定律，其由F.帕邢根据平行平板电极的间隙击穿试验结果得出。表达为:击穿电压U（千伏）是间隙距离d（厘米）和气压P（托）乘积的函数。应用汤森击穿条件以及电离系数与间隙距离d和气压P乘积的关系式，可以求出气体的击穿电压公式：

U=B.P.d/In[A.P.d/In(1+1/γ)]

该公式中，A和B通常是常数。γ为离子撞击阴极时所发生的电子发射的过程系数。帕邢定律在一定Pd（即间隙距离d和气压P乘积）范围内有效。

图6示出根据帕邢定律，氦气和氩气两种气体的击穿电压U与气体间隙距离d和气压P乘积Pd的关系曲线图，击穿电压U单位为伏特，Pd单位为Torr.cm，曲线A对应于氦气的表现，曲线B对应于氩气的表现。从图中可看出，当氦气的Pd值位于1-2Torr.cm之间时，其击穿电压最低。欲提高气体的击穿电压使气体难以被击穿或电离，可减小Pd值使其落入曲线左端近乎垂直的曲线段。

对于氦气而言，当其Pd值减小到1Torr.cm以下时，氦气的击穿电压明显提高。而在等离子体处理装置中，氦气管30中通入的氦气，其气压P通常需要在一较固定的范围内取值，因而，为减小氦气的Pd值，本发明采用了减少氦气间隙距离d的思想。

现有技术中采用的氦气管30，其内径为0.5-1cm，在其内部通入氦气后，氦气的间隙距离为0.5-1cm。

根据本发明上述实施例，氦气管30内氦气气压为10-30Torr，氦气管30中设有4个支管301、302、303、304，氦气自上述支管内部通入静电卡盘10与晶圆40之间。支管内径的取值范围为0.5-1.5mm，相应地，氦气的间隙距离即为0.5-1.5mm。例如，氦气管内径为0.5cm，支管内径为0.5mm，相比于现有技术，氦气的间隙距离d明显减小，在氦气气压P不变（例如为10Torr）的情况下，Pd值也由5Torr.cm明显减小至0.5Torr.cm，根据图4示出的氦气与氩气的击穿电压与气体间隙距离和气压乘积的关系曲线图，氦气的击穿 电压明显提高。

可以理解，氦气管30中支管数目不限于4根，而可为任意多根，优选为2至10根。

进一步地，各支管内径相同、规格统一；支管管壁厚度可为0.1-0.5mm。氦气管30及支管301、302、303、304可由介电材料制成，包括但不限于聚四氟乙烯材料。

进一步地，静电卡盘10上表面的多个出气口13呈均匀分布、例如呈环形分布于静电卡盘10上表面，氦气自这些出气口13中喷出至静电卡盘10与晶圆40之间。

本发明上述第一实施例，以设于氦气管30内部的、管径较小的多个支管通入氦气，提高了氦气的击穿电压，从而使氦气管中的氦气不会在射频功率的作用下电离成等离子体，进而不会腐蚀氦气管，提高了氦气管使用寿命，增加了等离子体处理装置的稳定性，同时不会在氦气管30中产生杂质颗粒，避免了对晶圆40的污染。

根据本发明第二实施例的等离子体处理装置，氦气管30与等离子体处理装置其他部件连接关系同上述第一实施例中相同，结合图2所示，氦气管30一端通过阀门351连接压力流量控制单元40，随后经由阀门352连接氦气源36；氦气管30另一端自反应腔室底面50伸入反应腔室中，通过连接件33与连接盘20底面密接，并通过连接盘20中的第一气体通道24、静电卡盘10中的第二气体通道13，由静电卡盘10上表面的多个出气口131，将氦气送入静电卡盘10与其吸附的晶圆之间。

具体地，该氦气管30内部包括4个支管301、302、303、304，各支管301、302、303、304相互接触，并与氦气管30内壁接触，如图4所示。支管301、302、303、304至少在氦气管30位于反应腔室底面50与连接盘20底面之间的管路内延伸分布，也可在氦气管30中延伸更长的长度，从而可以保证氦气管30处于射频功率作用下的管路部分，其内部均分布有上述支管301、302、303、304。

支管301、302与氦气管30内壁围成了一个截面形状不规则的间隙312，支管301、302、303、304又围成了一个截面形状不规则的间隙311，类似的，还可形成其他截面形状不规则的间隙。氦气自间隙311、312形成的管路通入静 电卡盘10与晶圆40之间，也即从支管之间的间隙以及支管与氦气管30内壁之间的间隙通入静电卡盘10与晶圆40之间；氦气也可仅从管路311通入，或仅从管路312通入；氦气还可同时从间隙311、312形成的管路、以及支管301、302、303、304内部通入。

具体地，氦气管30的内径为0.5-1cm，氦气管30内氦气气压为10Torr。支管301、302、303、304的内径为0.5-1.5mm。支管的管壁厚度为0.1-0.5mm，材料可为聚四氟乙烯或类似介电材料。

相比于现有技术，氦气管30中氦气的间隙距离从0.5-1cm被明显减小，从而使氦气的间隙距离d和气压P乘积Pd明显减小，当减小至图6中曲线A左端部对应的Pd值的时候，根据图6示出的氦气与氩气的击穿电压与气体间隙距离和气压乘积的关系曲线图，氦气的击穿电压明显提高。

可以理解，氦气管内支管的数目不限于4根，可为4-8根。各支管可以与氦气管内壁接触，也可以不接触。

进一步地，各支管内径相同、规格统一；各支管可在氦气管30的横截面上呈均匀分布。

该第二实施例提供的等离子体处理装置，其氦气管中的氦气具有较高的击穿电压，从而不会在射频功率的作用下被击穿成等离子体而腐蚀氦气管，提高了氦气管使用寿命，同时不会在氦气管中产生杂质颗粒，避免了对晶圆的污染。

本发明第三实施例提供一种氦气管，其与等离子体反应腔室配合使用。其中，反应腔室下部设有一连接盘，连接盘之上设有一静电卡盘用于吸附晶圆，氦气管自反应腔室底部伸入并与连接盘底面连接，通过连接盘与静电卡盘中的气体通道向静电卡盘与晶圆之间通入氦气。

具体地，如图5所示，氦气管30内部设有多片隔膜32，可呈水平或垂直分布，在氦气管30径向方向上，隔膜两端分别固接于氦气管30内壁不同侧，在氦气管30长度方向上，每片隔膜32随氦气管30的长度方向延伸；在相邻的隔膜32之间、以及在隔膜32与氦气管30内壁之间形成了多个间隙33，这些间隙33在长度方向延伸后形成了多个支管结构，氦气可自这些支管中的任意一个或任意多个通入。上述隔膜结构应至少设置在氦气管30位于反应腔室底面与连接盘底面之间的一段管路内。

进一步地，支管内氦气间隙距离为0.5mm-1.5mm，氦气气压为10-30Torr。

在该第三实施例提供的氦气管中，氦气具有较高的击穿电压，从而不易被击穿，提高了氦气管的使用寿命。

可以理解，氦气管中的支管截面可为圆形、矩形或其他的规则或不规则形状；同时，本发明的思想并不限于上述结构的氦气管，只要采用可使氦气管中氦气间隙距离明显减小的结构，均应视为不脱离本发明思想的变形设计，从而落入本发明的保护范围。

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。

Claims (13)

1.一种等离子体处理装置，用于对放置于反应腔室中的晶圆进行等离子体处理工艺，包括：

一连接盘，位于所述反应腔室下部，其包括第一气体通道，所述第一气体通道自所述连接盘底部贯穿至顶部；

一静电卡盘，设置于所述连接盘之上，其包括第二气体通道和一直流电极，所述第二气体通道自所述静电卡盘底部贯穿至顶部并与所述第一气体通道连通，所述直流电极外接一直流电源将所述晶圆吸附于所述静电卡盘上表面；

一氦气管，其一端外接一氦气源，另一端自所述反应腔室底面伸入与所述连接盘底面连接，并与所述第一气体通道连通，用于向所述静电卡盘与晶圆之间通入氦气；

一下电极，设置于所述连接盘之中，其外接一射频电源，用于向所述反应腔室施加射频功率；

其中，所述氦气管至少在位于所述反应腔室底面与连接盘底面之间的一部内设有多个支管，所述支管沿所述氦气管长度方向延伸；

连接件，位于连接盘底面，所述氦气管通过该连接件与连接盘底面密接；连接件内具有第一腔体和套入第一腔体内的第二腔体，第二腔体的截面呈双层堆叠梯形；第二腔体的底部与氦气管连通，第二腔体的顶部与第一气体通道连通，使得流入支管的氦气从而第二腔体底部进入第二腔体内部，并且经第二腔体顶部流入第一气体通道，再经第二气体通道流到静电吸盘和晶圆之间。

2.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述氦气自如下通路中的至少一种通入所述静电卡盘与晶圆之间：

至少一所述支管内部；

所述支管之间的间隙；以及

所述支管与氦气管内壁之间的间隙。

3.如权利要求2所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述氦气管内氦气的间隙距离为0.5mm-1.5mm，氦气气压为10-30Torr。

4.如权利要求2所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述氦气自至少一所述支管内部通入所述静电卡盘与晶圆之间，所述氦气管的内径为0.5-1cm，所述支管的内径为0.5-1.5mm。

5.如权利要求4所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述支管的为2至10根。

6.如权利要求2所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述氦气自所述支管之间的间隙以及所述支管与氦气管内壁之间的间隙通入所述静电卡盘与晶圆之间，所述氦气管的内径为0.5-1cm，所述支管的内径为0.5-1.5mm。

7.如权利要求6所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述支管的数目为4至8根。

8.如权利要求1至7中任一项所述的等离子体处理装置，其特征在于，各所述支管内径相同，均匀分布于所述氦气管中。

9.如权利要求8所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述支管管壁厚度为0.1-0.5mm。

10.如权利要求9所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述支管由介电材料制成。

11.如权利要求1至7中任一项所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述静电卡盘上表面的绝缘层上均匀分布有多个孔隙，所述孔隙与所述氦气管联通，所述氦气自所述孔隙中喷出。

12.如权利要求1至7中任一项所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述射频功率为3000-11000W。

13.如权利要求12所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述射频电源频率的取值范围为400KHz至60MHz。