CN104789947A - 上电极结构及等离子体增强化学气相沉积装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种上电极结构及等离子体增强化学气相沉积装置。该上电极结构包括中心电极板和围绕中心电极板并与中心电极板连接的外围电极板，外围电极板的底面低于中心电极板的底面，且上电极结构中具有贯穿上电极结构的通气孔道。由于外围电极板的底面低于中心电极板的底面，且上电极结构中具有贯穿上电极结构的通气孔道，从而能够使上电极结构的底面形成有拱形结构，进而提高了通过上电极结构的工艺气体的气流均匀性，使利用工艺气体沉积形成的薄膜具有更好的均匀性；并且，由于上电极结构包括有连接设置的中心电极板和外围电极板，从而能够通过调节中心电极板和外围电极板的位置关系进一步地对工艺气体的气流均匀性进行优化。

Description

上电极结构及等离子体增强化学气相沉积装置

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，具体而言，涉及一种上电极结构及等离子体增强化学气相沉积装置。

背景技术

现有镀膜工艺中，微电子等离子真空工艺设备广泛应用于半导体工业、太阳能电池制作工艺中，用于沉积各种薄膜。微电子等离子真空工艺设备主要包括微电子领域的CVD设备、ETCH设备以及其他相关设备，如TFT液晶显示用CVD设备、ETCH设备，或太阳能非晶微晶用PECVD设备。

在微电子等离子真空工艺设备中，上电极连接于射频电源，工艺气体通入上电极，反应气体在射频电源作用下，电离产生等离子体，等离子体在腔室中进行反应，在衬底基片上沉积特定的膜层。并且，反应需要在特定的温度下进行，因此一般需要把衬底基片加热到适当的温度。但是，随着基片衬底越来越大，射频电源的频率越来越高，工艺中会产生驻波效应，驻波效应使得在基片衬底上的沉积的膜层或者刻蚀的深度在整个衬底上不均匀，影响整个工艺效果。

现有技术中公开了一种提高等离子均匀性以及气流均匀性的方法(中国专利CN200710166935.7)，其中公开了一种等离子体制程室中用以分配气体的气体扩散板。该气体分配板包括一个具有一上游侧与一下游侧的扩散板，以及多个通过该扩散板上游侧与下游侧间的气体通道。该气体通道包括中空阴极腔，且该中空阴极腔位于气体通道的下游侧，用以增强等离子体的游离。该气体扩散板中的该中空阴极腔为多个，且该中空阴极腔的深度、直径、表面积及密度从扩散板的中央往边缘逐步地增加，从而改善沉积在基板上的膜层的厚度与性质的均一性。

现有技术中还公开了一种提高等离子均匀性以及气流均匀性的方法(中国专利CN200580022984.2)，其中公开了一种等离子体制程室中用以分配气体的气体扩散板。该扩散板被分割成N个同心区块。同心区块被定义成介于内与外界限之间的区域，其中该内与外界限具有与扩散板整体形状相同的几何形状。在同一区块内，扩散板的孔洞是相同的。区块可以是方形、矩形或圆形。其中，孔洞密度变化和孔洞设计变化能够改变膜层沉积厚度与性质均匀性。

但是，在现有提高等离子均匀性以及气流均匀性的方法中，均存在设备加工上比较困难的问题，而且一旦设备加工完毕，便无法通过调节设备来改善工艺结果中膜层厚度与膜层性质的均匀性。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种上电极结构及等离子体增强化学气相沉积装置，以优化等离子的均匀性以及气流的均匀性，从而有效地提高工艺均匀性。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种上电极结构，该上电极结构包括中心电极板和围绕中心电极板并与中心电极板连接的外围电极板，外围电极板的底面低于中心电极板的底面，且上电极结构中具有贯穿上电极结构的通气孔道。

进一步地，中心电极板的上表面与外围电极板的上表面齐平。

进一步地，中心电极板与外围电极板的厚度相同。

进一步地，外围电极板包括n个依次连接设置的环形电极板，第n个环形电极板环绕第n-1个环形电极设置，第n个环形电极板的底面低于第n-1个环形电极，且n≥2。

进一步地，中心电极板和/或环形电极板由多块电极板组成，各电极板中具有通气孔道。

进一步地，中心电极板中各电极板具有相同的形状和尺寸；和/或环形电极板中各电极板具有相同的形状和尺寸。

进一步地，外围电极板和中心电极板中包括依次层叠设置的通气基板、匀流板和喷淋板，通气基板具有第一通气孔道，匀流板具有第二通气孔道，喷淋板具有第三通气孔道，外围电极板中的喷淋板的底面构成外围电极板的底面，中心电极板中的喷淋板的底面构成中心电极板的底面。

进一步地，匀流板具有多个第二通气孔道，喷淋板具有多个第三通气孔道，且第三通气孔道横截面的面积小于第二通气孔道横截面的面积，第三通气孔道的数量大于第二通气孔道的数量。

根据本发明的另一方面，提供了一种等离子体增强化学气相沉积装置，包括腔室、设置于腔室上方的上电极结构和与上电极结构连接设置的射频电源，腔室的顶部设置有进气口，且上电极结构为权利要求1至7中任一项的上电极结构。

进一步地，当上电极结构中的中心电极板和/或外围电极板由多块电极板组成时，射频电源为多个，各射频电源连接有数量相同的电极板，且与同一射频电源连接的各电极板具有持平的表面和底面。

进一步地，射频电源与电极板一一对应连接。

进一步地，等离子体增强化学气相沉积装置还包括设置于上电极结构和进气口之间的气体管路，气体管路包括有依次连接的主管段、第一分管段和第二分管段，且主管段的进气端连接进气口，第二分管段的出气端连接上电极结构中的通气孔道。

进一步地，当上电极结构中的中心电极板和/或外围电极板由多块电极板组成、各电极板中具有通气孔道时，主管段的出气端与多个第一分管段的进气端连接，各第一分管段的出气端与多个第二分管段的进气端连接，各第二分管段的出气端与电极板中的通气孔道连接。

进一步地，各第一分管段具有相同的长度，各第二分管段具有相同的长度。

应用本发明的技术方案，本发明提供了一种上电极结构，上电极结构包括中心电极板和围绕中心电极板并与中心电极板连接的外围电极板，由于外围电极板的底面低于中心电极板的底面，且上电极结构中具有贯穿上电极结构的通气孔道，从而能够使上电极结构的底面形成有拱形结构，进而提高了流经上电极结构的工艺气体的气流均匀性，使得利用工艺气体沉积形成的薄膜具有更好的均匀性；并且，由于上电极结构包括有连接设置的中心电极板和外围电极板，从而能够通过调节中心电极板和外围电极板的位置关系进一步地对工艺气体的气流均匀性进行优化。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了本申请实施方式所提供的中心电极板的上表面与外围电极板的上表面齐平的上电极结构的剖面结构示意图；

图2示出了本申请实施方式所提供的中心电极板与外围电极板的厚度相同的上电极结构的剖面结构示意图；

图3示出了本申请实施方式所提供的由电极板组成的中心电极板和环形电极板为方形的上电极结构的俯视图；

图4示出了本申请实施方式所提供的由电极板组成的中心电极板和环形电极板也为圆形的上电极结构的俯视图；

图5示出了本申请实施方式所提供的外围电极板和中心电极板的剖面结构示意图；

图6示出了本申请实施方式所提供的等离子体增强化学气相沉积装置的结构示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

正如背景技术中所介绍的，在现有提高等离子均匀性以及气流均匀性的方法中，均存在加工上比较困难，而且一旦加工完毕，没有办法进行调节，工艺结果的均匀性已经确定的问题。本申请的发明人针对上述问题进行研究，提出了一种上电极结构及等离子体增强化学气相沉积装置。如图1至2所示，该上电极结构包括中心电极板10和围绕中心电极板10并与中心电极板10连接的外围电极板20，外围电极板20的底面低于中心电极板10的底面，且上电极结构中具有贯穿上电极结构的通气孔道。

上述上电极结构中由于外围电极板的底面低于中心电极板的底面，且上电极结构中具有贯穿上电极结构的通气孔道，从而能够使上电极结构的底面形成有拱形结构，进而提高了通过上电极结构的工艺气体的气流均匀性；并且，由于上电极结构包括有连接设置的中心电极板和中心电极板，从而能够通过调节中心电极板和中心电极板的位置关系进一步地对工艺气体的气流均匀性进行优化。

在本申请上述的上电极结构中，外围电极板20的数量可以根据实际需求进行设定，优选地，外围电极板20包括n个依次套设连接设置的环形电极板，第n个环形电极板环绕第n-1个环形电极设置，第n个环形电极板的底面低于第n-1个环形电极，且n≥2。依次连接的多个外围电极板20能够使形成上电极结构的底面具有更好的平滑度，从而提高了通过上电极结构的工艺气体的气流均匀性。

在本申请上述的上电极结构中，中心电极板10和外围电极板20的形状以及位置关系也可以根据实际需求进行设定，在一种优选的实施方式中，中心电极板10的上表面与外围电极板20的上表面齐平，其结构如图1所示。在上述上电极结构中，中心电极板10与外围电极板20的厚度不同，位于中心位置的中心电极板10具有最大的厚度，围绕中心电极板10的至少一个外围电极板20在远离中心电极板10的方向上厚度依次递减。由于上述中心电极板10的上表面与外围电极板20的上表面齐平，从而能够便于上电极结构在设备中安装。

在另一种优选的实施方式中，中心电极板10与外围电极板20的厚度相同，其结构如图2所示。在上述上电极结构中，中心电极板10与外围电极板20的厚度相同，由于上电极结构具有近似于拱形的底面，因此上电极结构的表面与底面对应形成拱形。并且由于中心电极板10与外围电极板20的厚度相同，因此便于上电极结构的制作与加工。

在本申请上述的上电极结构中，优选地，中心电极板10和/或环形电极板由多块电极板30组成，各电极板30中具有通气孔道。更为优选地，中心电极板10中各电极板30具有相同的形状和尺寸，或者环形电极板中各电极板30具有相同的形状和尺寸，或者中心电极板10中各电极板30以及环形电极板中各电极板30均具有相同的形状和尺寸。其中，由电极板30组成的中心电极板10和环形电极板可以为方形，其结构如图3所示；由电极板30组成的中心电极板10和环形电极板也可以为圆形，其结构如图4所示。由于上述电极板30具有相同的形状和尺寸，从而使中心电极板10和/或外围电极板20便于安装和调节。

在本申请上述的上电极结构中，上电极结构中外围电极板20和中心电极板10的组成可以根据现有技术进行设定。优选地，外围电极板20和中心电极板10中包括依次层叠设置的通气基板110、匀流板210和喷淋板310，通气基板110具有第一通气孔道120，匀流板210具有第二通气孔道220，喷淋板310具有第三通气孔道320，外围电极板20中的喷淋板310的底面构成外围电极板20的底面，中心电极板10中的喷淋板310的底面构成中心电极板10的底面，其结构如图5所示。其中，上述通气基板110中设置有至少一个通气孔，用于将进入到镀膜设备的工艺气体通入上电极结构中；上述匀流板210用于分散通入上电极结构中的工艺气体；上述喷淋板310用于将工艺气体从上电极结构中喷出。

更为优选地，匀流板210具有多个第二通气孔道220，喷淋板310具有多个第三通气孔道320，且第三通气孔道320横截面的面积小于第二通气孔道220横截面的面积，第三通气孔道320的数量大于第二通气孔道220的数量。由于喷淋板310中设置有多于匀流板210中第二通气孔道220数量的第三通气孔道320，从而能够使从上电极结构中喷出的工艺气体更为均匀。

同时，本申请还提供了一种等离子体增强化学气相沉积装置。如图6所示，该等离子体增强化学气相沉积装置包括腔室40、设置于腔室40上方的上电极结构50和与上电极结构50连接设置的射频电源60，腔室40的顶部设置有进气口70，且上电极结构50为上述的上电极结构50。

下面将结合图1至5更详细地描述根据本申请提供的等离子体增强化学气相沉积装置。

上述等离子体增强化学气相沉积装置中由于设置有上电极结构50，且该上电极结构50中的外围电极板20的底面低于中心电极板的底面，上电极结构50中具有贯穿上电极结构50的通气孔道，从而能够使上电极结构50的底面形成有拱形结构，这种拱形的结构方式有效地减缓了驻波效应所带来的等离子体不均匀性，进而使在等离子体增强化学气相沉积装置中形成的薄膜具有更好的均匀性；并且，由于上电极结构50包括有连接设置的中心电极板和中心电极板，从而能够通过调节中心电极板和中心电极板的位置关系进一步地对工艺气体的气流均匀性进行优化。

在本申请上述的等离子体增强化学气相沉积装置中，射频电源60用于将通入上电极结构50的工艺气体电离为等离子体。射频电源60的数量可以根据本申请的教导进行设定。优选地，当上电极结构50中的中心电极板10和/或外围电极板20由多块电极板30组成时，射频电源60为多个，各射频电源60连接有数量相同的电极板30，且与同一射频电源60连接的各电极板30具有齐平的表面和底面。更为优选地，射频电源60与电极板30一一对应连接。

在上述射频电源60与电极板30的连接关系中，射频电源60接入时，通过调节射频电源60相位，把不同的电源调节到不同的相位，可以相互错开；这样不同相位，同频率的射频电源60加载到上电极结构50之后，不同相位的射频交变电场在腔室40内相互作用，可以有效解决驻波效应带来的等离子体不均匀性。

在本申请上述的等离子体增强化学气相沉积装置中，等离子体增强化学气相沉积装置还可以包括设置于上电极结构50和进气口70之间的气体管路80，气体管路80包括有依次连接的主管段810、第一分管段820和第二分管段830，且主管段810的进气端连接进气口70，第二分管段830的出气端连接上电极结构50中的通气孔道。上述气体管路80用于将通入等离子体增强化学气相沉积装置中的工艺气体通入到上电极结构50中。

当上电极结构50中的中心电极板10和/或外围电极板20由多块电极板30组成、各电极板30中具有通气孔道时，主管段810的出气端可以与多个第一分管段820的进气端连接，各第一分管段820的出气端可以与多个第二分管段830的进气端连接，各第二分管段830的出气端可以与电极板30中的通气孔道连接。由于通气孔道中包括有多个第一分管段820和多个第二分管段830，从而能够将气体管路80中的工艺气体分散地通入到不同的电极板30中，进而提高了气体管路80中工艺气体的输送效率。

更为优选地，上述通气孔道中的各第一分管段820具有相同的长度，各第二分管段830具有相同的长度。通气孔道中主管段810、第一分管段820和第一分管段820的总体长度即工艺气体的进气端到每个电极板30的通气孔道端口的距离，由于工艺气体的进气端到每个电极板30的通气孔道端口的距离相同，从而保证了向每个电极板30中通入的气体量是一致的。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：本发明提供了一种包括中心电极板和围绕中心电极板并与中心电极板连接的中心电极板的上电极结构，由于外围电极板的底面低于中心电极板的底面，且上电极结构中具有贯穿上电极结构的通气孔道，从而能够使上电极结构的底面形成有拱形结构，进而提高了通过上电极结构的工艺气体的气流均匀性，使利用工艺气体沉积形成的薄膜具有更好的均匀性；并且，由于上电极结构包括有连接设置的中心电极板和外围电极板，从而能够通过调节中心电极和外围电极板的位置关系进一步地对工艺气体的气流均匀性进行优化。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种上电极结构，其特征在于，所述上电极结构包括中心电极板(10)和围绕所述中心电极板(10)并与所述中心电极板(10)连接的外围电极板(20)，所述外围电极板(20)的底面低于所述中心电极板(10)的底面，且所述上电极结构中具有贯穿所述上电极结构的通气孔道。

2.根据权利要求1所述的上电极结构，其特征在于，所述中心电极板(10)的上表面与所述外围电极板(20)的上表面齐平。

3.根据权利要求1所述的上电极结构，其特征在于，所述中心电极板(10)与所述外围电极板(20)的厚度相同。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的上电极结构，其特征在于，所述外围电极板(20)包括n个依次连接设置的环形电极板，第n个所述环形电极板环绕第n-1个所述环形电极设置，第n个所述环形电极板的底面低于第n-1个所述环形电极，且n≥2。

5.根据权利要求4中任一项所述的上电极结构，其特征在于，所述中心电极板(10)和/或各所述环形电极板由多块电极板(30)组成，各所述电极板(30)中具有所述通气孔道。

6.根据权利要求5所述的上电极结构，其特征在于，

所述中心电极板(10)中各所述电极板(30)具有相同的形状和尺寸；和/或

各所述环形电极板中各所述电极板(30)具有相同的形状和尺寸。

7.根据权利要求1所述的上电极结构，其特征在于，所述外围电极板(20)和所述中心电极板(10)中包括依次层叠设置的通气基板(110)、匀流板(210)和喷淋板(310)，所述通气基板(110)具有第一通气孔道(120)，所述匀流板(210)具有第二通气孔道(220)，所述喷淋板(310)具有第三通气孔道(320)，所述外围电极板(20)中的所述喷淋板(310)的底面构成所述外围电极板(20)的底面，所述中心电极板(10)中的所述喷淋板(310)的底面构成所述中心电极板(10)的底面。

8.根据权利要求7所述的上电极结构，其特征在于，所述匀流板(210)具有多个所述第二通气孔道(220)，所述喷淋板(310)具有多个所述第三通气孔道(320)，且所述第三通气孔道(320)横截面的面积小于所述第二通气孔道(220)横截面的面积，所述第三通气孔道(320)的数量大于所述第二通气孔道(220)的数量。

9.一种等离子体增强化学气相沉积装置，其特征在于，包括腔室(40)、设置于所述腔室(40)上方的上电极结构(50)和与所述上电极结构(50)连接设置的射频电源(60)，所述腔室(40)的顶部设置有进气口(70)，且所述上电极结构(50)为权利要求1至7中任一项所述的上电极结构(50)。

10.根据权利要求9所述的等离子体增强化学气相沉积装置，其特征在于，当所述上电极结构(50)中的中心电极板(10)和/或外围电极板(20)由多块电极板(30)组成时，所述射频电源(60)为多个，各所述射频电源(60)连接有数量相同的所述电极板(30)，且与同一所述射频电源(60)连接的各所述电极板(30)具有持平的表面和底面。

11.根据权利要求10所述的等离子体增强化学气相沉积装置，其特征在于，所述射频电源(60)与所述电极板(30)一一对应连接。

12.根据权利要求9所述的等离子体增强化学气相沉积装置，其特征在于，所述等离子体增强化学气相沉积装置还包括设置于所述上电极结构(50)和所述进气口(70)之间的气体管路(80)，所述气体管路(80)包括有依次连接的主管段(810)、第一分管段(820)和第二分管段(830)，且所述主管段(810)的进气端连接所述进气口(70)，所述第二分管段(830)的出气端连接所述上电极结构(50)中的通气孔道。

13.根据权利要求12所述的等离子体增强化学气相沉积装置，其特征在于，当所述上电极结构(50)中的中心电极板(10)和/或外围电极板(20)由多块电极板(30)组成、各所述电极板(30)中具有所述通气孔道时，所述主管段(810)的出气端与多个所述第一分管段(820)的进气端连接，各所述第一分管段(820)的出气端与多个所述第二分管段(830)的进气端连接，各所述第二分管段(830)的出气端与所述电极板(30)中的所述通气孔道连接。

14.根据权利要求13所述的等离子体增强化学气相沉积装置，其特征在于，各所述第一分管段(820)具有相同的长度，各所述第二分管段(830)具有相同的长度。