CN104576278A - 一种法拉第屏蔽板及其所在的等离子体处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种法拉第屏蔽板及其所在的等离子体处理系统，通过在法拉第屏蔽板的长槽间设置散热孔，可以增大介电窗直接曝露在风扇下方的面积，提高了热量的散失速率，通过控制法拉第屏蔽板上的散热孔的分布，可以降低介电窗中心区域和边缘区域的温度差，实现对介电窗的均匀降温，避免了介电窗中心区域和边缘区域温度差过大造成的介电窗破裂等问题。同时，实现介电窗的温度均匀调节还有利于真空反应室内的刻蚀工艺制程能均匀进行。

Description

一种法拉第屏蔽板及其所在的等离子体处理系统

技术领域

本发明涉及半导体制造设备领域，特别涉及一种等离子体处理设备及其中的温度调节装置。

背景技术

目前，在半导体制造工艺中广泛实施以进行薄膜沉积或蚀刻等作为目的的等离子体处理。例如在图1所示的电感耦合型等离子体处理设备中，设置有真空的腔室30，在腔室30内的底部设有基座60，基座60上设有静电夹具70，被处理的基板50（例如是半导体晶圆，玻璃基板等）放置于所述静电夹具70上。腔室30的顶部设置为介电窗10，一般由陶瓷材料（Al₂O₃）构成。在所述腔室30的环形侧壁顶部设置有环盖20，由环盖20上由内边缘向外延伸的一部分顶面，与介电窗10上由外边缘向内延伸的一部分底面相接触（标号11示出的即是两者的接触面位置），从而通过环盖20对介电窗10进行支撑。在腔室30外，一般在介电窗10的上方，设置有线圈状的射频线圈40。向所述射频线圈40施加RF射频电流，从而在射频线圈40周围产生磁场，该磁场的磁力线贯穿介电窗10，在腔室30内，位于被处理基板50上方与介电窗10底部之间的反应区域产生感应电场，进而通过所述感应电场对导入腔室30内的反应气体的分子或原子发生电离碰撞，从而在反应区域内形成反应气体的等离子体对基板50进行处理。

腔室30内产生的等离子体会在反应区域中高效地向四周扩散，则在长时间的处理过程中等离子体会轰击介电窗10的底面，从而在介电窗10中蓄积足够多的热量，以使介电窗10及其周边的温度升高。然而，由于支撑介电窗10的环盖20以及环盖20下方的腔室30侧壁一般是由金属（例如是铝Al或者其合金等）材料制成，具有良好的导热能力，介电窗10边缘处的热量很容易经由介电窗10与环盖20相接触的边缘区域向环盖20进行传导。其结果是在介电窗10的中心区域与该介电窗10上接触环盖20的边缘区域之间产生巨大的温度梯度，一方面使得在介电窗10下方反应区域内形成的等离子体在中心及边缘区域不均匀分布的问题发生，影响对基片处理的均匀性；另一方面所具有的温度差还使得介电窗10发生变形，从而导致介电窗10开裂并打碎腔室30内的基板或其他设备，严重影响整个等离子体处理装置的安全性。为了防止射频线圈40中的静电进入反应腔30内对反应工艺造成影响，通常在介电窗10和射频线圈40之间设置一法拉第屏蔽板80，所述法拉第屏蔽板80通常为一带有射频通道的金属板，其放置在在介电窗10上方与介电窗贴合，便于带走介电窗处的热量。在刻蚀工艺进行过程中，由于等离子体反应腔温度较高，法拉第屏蔽装置在工作中温度升高，发生变形，不能很好的与介电窗贴合，导致热量不能及时传导到外部；法拉第屏蔽装置温度的升高会影响到其所产生的屏蔽效果，对反应工艺造成干扰。本发明希望提供一种具有快速导热功能的法拉第屏蔽装置来解决这一问题。

发明内容

本发明公开了一种法拉第屏蔽板及其所在的等离子体处理系统，所述等离子体处理系统包括至少一个反应腔室，所述反应腔室包括一介电窗口，所述法拉第屏蔽板位于所述介电窗口上方，所述法拉第屏蔽板上设置若干呈辐射状分布的长槽，所述长槽间设置若干散热孔，所述散热孔的孔径小于等于所述长槽的槽宽。

优选的，所述散热孔均匀分布于所述法拉第屏蔽板上。

优选的，所述法拉第屏蔽板包括中心区域和环绕所述中心区域设置的边缘区域，所述中心区域散热孔的密度大于所述边缘区域散热孔的密度。

优选的，所述散热孔的形状为圆形、方形、腰形、三角形或不规则形状。

优选的，所述散热孔的孔径小于等于10mm。

优选的，所述法拉第屏蔽板上设置的长槽包括第一长度的长槽和第二长度的长槽，所述第一长度的长槽和所述第二长度的长槽间隔设置。

进一步的，本发明还公开了一种等离子体处理系统，包括至少一密闭的反应腔室，所述反应腔室上方设置一介电窗口，所述介电窗口上方设置一法拉第屏蔽板，所述法拉第屏蔽板上设置若干呈辐射状分布的长槽，所述长槽间设置若干散热孔，所述散热孔的孔径小于等于所述长槽的槽宽。

优选的，所述法拉第屏蔽板上方设置至少一风扇。

优选的，所述风扇所在的平面与所述法拉第屏蔽板所在的平面呈一范围在30°-60°的角度。

优选的，所述等离子体处理系统为电感耦合型等离子体处理系统。

本发明提供一法拉第屏蔽板及其所在的等离子体处理系统，其优点在于：通过在法拉第屏蔽板的长槽间设置散热孔，可以增大介电窗直接曝露在风扇下方的面积，提高了热量的散失速率，通过控制法拉第屏蔽板上的散热孔的分布，可以降低介电窗中心区域和边缘区域的温度差，实现对介电窗的均匀降温，避免了介电窗中心区域和边缘区域温度差过大造成的介电窗破裂等问题。同时，实现介电窗的温度均匀调节还有利于真空反应室内的刻蚀工艺制程能均匀进行。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。如下附图构成了本说明书的一部分，和说明书一起列举了不同的实施例，以解释和阐明本发明的宗旨。以下附图并没有描绘出具体实施例的所有技术特征，也没有描绘出部件的实际大小和真实比例。

图1示出现有等离子体处理系统的总体结构示意图；

图2示出本发明所述的等离子体处理系统的总体结构示意图；

图3示出本发明一种实施例的法拉第屏蔽板结构示意图；

图4示出本发明另一实施例的法拉第屏蔽板结构示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种法拉第屏蔽板及其所在的等离子体处理系统，为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。

图2示出本发明所述等离子体处理系统的结构示意图，所述等离子体处理系统为电感耦合型等离子体处理系统，所述电感耦合型等离子体处理系统包括至少一个真空反应腔101，该腔室侧壁300的内部和外部能够密闭隔离，使得腔室内部的压力可以设置为真空或低压环境，而腔室外部一般为大气环境。所述腔室的顶部由介电窗100构成，介电窗100通常为陶瓷材料，侧壁300顶部设置一环盖200，用于支撑介电窗100，环盖200和介电窗100的接触区域称为介电窗100的边缘区域，介电窗的边缘区域环绕中心区域设置。腔室内的底部设有基座600，基座600上还设有静电夹具700，被处理的基板500（例如是半导体晶圆，玻璃基板等）放置于静电夹具700的顶面上。介电窗100上方设置法拉第屏蔽板800，所述法拉第屏蔽板上方设置有线圈状的射频线圈400，向射频线圈400施加RF射频电流，从而在射频线圈400周围产生磁场，该磁场的磁力线贯穿法拉第屏蔽板800和其下方的介电窗100，从而在腔室内位于被处理基板500上方与介电窗100底部之间的反应区域产生反应气体的等离子体，等离子体对基板500进行作用，完成对基板500的刻蚀过程。

射频线圈400在产生磁场的同时，还会在法拉第屏蔽板上方产生感应电流，射频线圈400产生的磁场会作用于反应腔内的反应气体生成等离子体，而感应电流则会影响刻蚀工艺制程。法拉第屏蔽板800的作用在于既能让磁力线穿过其中，进入真空反应腔101，又能屏蔽感应电流，避免对工艺造成影响，故法拉第屏蔽板要设置为金属材质，且考虑到法拉第屏蔽板中心区域要设置反应气体通过的路径，所述法拉第屏蔽板通常为中心区域挖空的金属圆盘形状。为了保证磁力线的通过，法拉第屏蔽板800上设置若干条长槽，以中心区域为圆心呈辐射状均匀分布在金属法拉第圆盘上，所述长槽贯穿法拉第屏蔽板800。

图3示出本发明所述的一种法拉第屏蔽板800的结构示意图，为了保证射频线圈400产生的磁力线均匀穿过法拉第屏蔽板800，图3所述的法拉第屏蔽板800上设置一组第一长度长槽850和一组第二长度长槽860，所述第一长度大于第二长度。所述第一长度的长槽850和第二长度的长槽860间隔设置，均匀分布在法拉第屏蔽板800上。射频线圈400产生的磁力线进入真空反应腔101后会在真空反应腔101内产生等离子体，等离子体在反应区域中高效地向四周扩散，在长时间的处理过程中等离子体会轰击介电窗100的底面，从而在介电窗100中蓄积过多热量，导致介电窗100及其周边的温度升高，同时由于介电窗100的边缘区域与环盖200接触，而环盖200与侧壁300通常由金属材料（例如是铝Al或其合金）制成，具有良好的导热性，使得介电窗100边缘区域的温度被降低，与中心区域存在较大的热梯度，极易导致介电窗100的破碎。对反应制程造成严重破坏，故而需要对介电窗进行降温。由于法拉第屏蔽板800设置在介电窗100的上方，会对介电窗100的快速散热造成影响，本发明在法拉第屏蔽板800上方设置若干散气孔805，用以提高介电窗100的散热效率。

在本实施例中，散热孔805均匀设置于法拉第屏蔽板800的第一长度长槽850和第二长度长槽860之间，为了保证介电窗100的散热速率较高，散热孔805设置的尽量紧密，以增大介电窗的散热面积。在本发明所述的实施例中，介电窗上方设置一机台外罩900，机台外罩900内部设置风扇950，能够快速降低介电窗100的温度。风扇950与介电窗100间的角度是关系到介电窗100边缘区域和中心区域热梯度能否降低的关键因素。现有技术中，通常采用在机台外罩顶壁安装风扇的方式，即风扇的安装面与介电窗100所在的平面平行，此时，风扇吹出的风垂直吹向介电窗上表面，携带了介电窗热量的空气在溢出时不断受到吹向介电窗上表面的风力影响，很难快速排出机台外罩，从而不能迅速降低介电窗100的温度，当在射频功率范围较大的应用中，如射频功率大于5千瓦时，极易导致介电窗100的破碎，对整台设备造成严重破坏。而本实施例中，将风扇950安装在机台外罩900的侧壁上，设置风扇950与介电窗100角度为α，α的范围为30度—60度，使风扇950吹出的风在与介电窗接触后，携带介电窗热量的热风能迅速的散出，提高了散热效率。本发明设置的风扇950与介电窗100的角度范围能最佳的降低介电窗边缘区域和中心区域的热梯度，同时迅速的降低介电窗的温度，实现介电窗100均匀快速地降温。

考虑到介电窗100的中心区域和边缘区域的温度存在温度差，为了均匀降低介电窗100的温度，图4示出另一种实施例的法拉第屏蔽板800’。在图4所述的实施例中，只设置一种长度的长槽850’，其分布同样呈辐射状分布。法拉第屏蔽板800的边缘区域810对应介电窗100的边缘区域，法拉第屏蔽板800的中心区域820对应介电窗100的中心区域。为了均衡介电窗100的中心区域和边缘区域的温度差，设置法拉第法拉第屏蔽板800的边缘区域810上的散热孔811密度小于法拉第法拉第屏蔽板800的中心区域820上的散热孔821的密度。实现温度较高区域散热较快，温度较低区域散热稍慢的目的，从而减小介电窗中心区域和边缘区域的热梯度，避免介电窗100由于散热温度不均匀发生破碎现象。

在图3和图4所描述的实施例中，所述散热孔的形状可以为圆形、方形、腰形、三角形或不规则形状等，在同一种实施例里，所述散热孔的形状可以相同，也可以不同，在某些实施例中，为了增大介电窗曝露在风扇950下的面积，可以根据法拉第屏蔽板上的具体空间选择多种不同形状的散气孔组合。为了避免散气孔对真空反应腔内的磁场分布造成影响，同时确保法拉第屏蔽板的静电屏蔽功能，所述散热孔的孔径小于等于法拉第屏蔽板上的长槽的宽度，通常小于等于10mm。

通过在法拉第屏蔽板的长槽间设置散热孔，可以增大介电窗直接曝露在风扇下方的面积，提高了热量的散失速率，通过控制法拉第屏蔽板上的散热孔的分布，可以降低介电窗中心区域和边缘区域的温度差，实现对介电窗的均匀降温，避免了介电窗中心区域和边缘区域温度差过大造成的介电窗破裂等问题。同时，实现介电窗的温度均匀调节还有利于真空反应室内的刻蚀工艺制程能均匀进行。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种法拉第屏蔽板，所述法拉第屏蔽板用于一等离子体处理系统，所述等离子体处理系统包括至少一个反应腔室，所述反应腔室包括一介电窗口，所述法拉第屏蔽板位于所述介电窗口上方，其特征在于：所述法拉第屏蔽板上设置若干呈辐射状分布的长槽，所述长槽间设置若干散热孔，所述散热孔的孔径小于等于所述长槽的槽宽。

2.根据权利要求1所述的法拉第屏蔽板，其特征在于：所述散热孔均匀分布于所述法拉第屏蔽板上。

3.根据权利要求1所述的法拉第屏蔽板，其特征在于：所述法拉第屏蔽板包括中心区域和环绕所述中心区域设置的边缘区域，所述中心区域散热孔的密度大于所述边缘区域散热孔的密度。

4.根据权利要求2或3所述的法拉第屏蔽板，其特征在于：所述散热孔的形状为圆形、方形、腰形、三角形或不规则形状。

5.根据权利要求4所述的法拉第屏蔽板，其特征在于：所述散热孔的孔径小于等于10mm。

6.根据权利要求1所述的法拉第屏蔽板，其特征在于，所述法拉第屏蔽板上设置的长槽包括第一长度的长槽和第二长度的长槽，所述第一长度的长槽和所述第二长度的长槽间隔设置。

7.一种等离子体处理系统，包括至少一密闭的反应腔室，所述反应腔室上方设置一介电窗口，所述介电窗口上方设置一法拉第屏蔽板，其特征在于：所述法拉第屏蔽板上设置若干呈辐射状分布的长槽，所述长槽间设置若干散热孔，所述散热孔的孔径小于等于所述长槽的槽宽。

8.根据权利要求8所述等离子体处理系统，其特征在于：所述法拉第屏蔽板上方设置至少一风扇。

9.根据权利要求9所述等离子体处理系统，其特征在于：所述风扇所在的平面与所述法拉第屏蔽板所在的平面呈一范围在30°-60°的角度。

10.根据权利要求8所述等离子体处理系统，其特征在于：所述等离子体处理系统为电感耦合型等离子体处理系统。