CN104918399A - 一种电容耦合型等离子体处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电容耦合型等离子体处理装置，属于等离子体处理技术领域。本发明处理腔室顶部的等离子体射流放电阵列包括高压电极、阻挡介质平板和工作气流通道层。阻挡介质平板包括超材料基材层和附着在超材料基材层的金属线结构单元，在基材选定的情况下，通过改变金属线结构单元的图案、设计尺寸和/或金属线结构单元在空间中的排布获得想要的调制效果，即可改变超材料所在空间中每一单元的电磁参数ε和μ，可以设计出空间中每一点的等效电磁参数，相应地得到其等效电容，进而获得每个金属线结构单元自身的响应频率，从而可以精确控制超材料所在空间中每一点的调制，进而实现等离子体密度分布的多样化精细控制。

Description

一种电容耦合型等离子体处理装置

技术领域

本发明涉及等离子体处理技术领域，特别涉及一种电容耦合型等离子体处理装置。

背景技术

一般地，在电容耦合型等离子体处理装置中，由电介质的窗构成处理容器的壁部的至少一部分，例如顶部，且向设置在该电介质窗外的高压电极供给高频电力。处理容器形成为能够减压的真空腔室，在腔室内的中央部配置有被处理基板，向设置在电介质窗和基板之间的处理空间中导入处理气体。由于高压电极的高频电流产生的通过腔室内处理空间的高频交流磁场随时间变化，所以在处理空间内的方位角方向上会产生电场，该电场在方位角方向上被加速的电子与处理气体的分子或原子产生电离碰撞，从而生成等离子体。

然而，等离子体具有偏离热力学平衡的性质，一类是等离子体宏观参量产生的不稳定性使等离子体整体的形状改变，另一类是等离子体的速度空间分布函数偏离麦克斯韦分布产生的不稳定性。等离子体中的不稳定性会导致带电粒子的逃逸或输运系数的异常增大，破坏等离子体的约束或限制约束时间。

因此，精细控制等离子体密度分布以及保持良好的谐振电磁波产生稳定的电场，克服等离子体的各种不稳定性，成为亟待解决的问题。

随着材料的发展，人们对“超材料”有了新的认识，迄今发展出的“超材料”包括：“左手材料”、光子晶体、“超磁性材料”等，其往往不主要决定于构成材料的本征性质，而决定于其中的结构单元，具有天然材料所不具备的超常物理性质；通过在超材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通超常材料的功能。

一般的超材料可由介质基材和设置上介质基材上的多个结构单元组成，可提供各种普通材料具有和不具有的材料特性。单个结构单元的大小一般小于1/10个波长，对外加电场和/或磁场具有电响应和/或磁响应，从而具有表现出等效介电常数和/或等效磁导率，或者等效折射率和波阻抗。结构单元的等效介电常数和等效磁导率（或等效折射率和波阻抗）由单元的几何尺寸参数决定，可人为设计和控制。并且结构单元具有人为设计的各向异性的电磁参数，从而产生许多新奇的现象，实现对电磁场的影响。

发明内容

为了弥补以上不足，本发明提供了可精细控制基板附近等离子体密度分布且可增加等离子体稳定性的电容耦合型等离子体处理装置。

本发明的技术方案为：

一种电容耦合型等离子体处理装置，包括处理腔室、处理气体供给单元、等离子体射流放电单元和高频电源，所述等离子体射流放电单元为设置于所述处理腔室顶部的等离子体射流放电阵列，所述等离子体射流放电阵列包括自上而下依次设置的高压电极、阻挡介质平板和工作气流通道层；所述高压电极位于阻挡介质平板上方并紧贴阻挡介质平板，工作气流通道层紧贴阻挡介质平板的下方并与所述处理气体供给单元相连通以输送用于生成等离子体的工作气体；所述阻挡介质平板包括超材料基材层和附着在所述超材料基材层上的若干金属线结构单元。

作为优选，所述金属线结构单元呈周期阵列均匀排布。

优选的，所述处理腔室内设置有由导电材料制成的用于载置待处理基板的载置台，所述载置台兼作为高频电极；所述载置台收纳于绝缘框内，所述绝缘框被中空的支柱支撑；所述支柱底端位于处理腔室外部并被升降机构支撑；所述绝缘框与处理腔室底部设置有气密性包围所述支柱的伸缩管；所述处理腔室底部设有排气口；

所述高频电源包括第一高频电源和第二高频电源；所述第一高频电源经整合器由设置于所述支柱内的供电线连接至所述载置台；

所述气体供给单元包括设置于处理腔室侧壁的气体缓冲部，所述缓冲部周向上间隔设置有面对等离子体生成空间的若干侧壁气体排出孔；所述缓冲部通过管道连通气体供给源。

优选的，所述阻挡介质平板周围的尺寸比高压电极大。

优选的，所述工作气流通道层包括若干并列设置的气流通道；各所述气流通道包括与所述缓冲部连通的进气口、两侧的密封绝缘板和带通孔的绝缘底板；各所述气流通道间相互独立，且各所述气流通道通道的尾部设置有气流密封挡板。

作为优选，所述超材料基材层为FR4、F4B或聚四氟乙烯基材层；所述金属线结构单元中的金属线为银线或铜线。

进一步的，所述由金属线构成的若干结构单元呈“工”字形、“T”字形或“十”字形。

作为优选，所述密封绝缘板、绝缘底板和气流密封挡板由石英玻璃或环氧玻璃制备而成。

作为优选，所述绝缘底板上的通孔等间隔均匀排布。

本发明的有益效果为：

本发明等离子体处理装置中等离子体射流放电阵列包括由超材料基材组成的阻挡介质平板，阻挡介质平板包括超材料基材层和附着在超材料基材层的金属线结构单元，在基材选定的情况下，通过改变金属线结构单元的图案、设计尺寸和/或金属线结构单元在空间中的排布获得想要的调制效果，即可改变超材料所在空间中每一单元的电磁参数ε和μ，可以设计出空间中每一点的等效电磁参数，相应地得到其等效电容，进而获得每个金属线结构单元自身的响应频率，从而可以精确控制超材料所在空间中每一点的调制，进而得到我们想要的各种调制。

本发明的电容耦合型等离子体处理装置能够精细控制待处理物件附近的等离子体的密度分布，同时可以增加等离子体的稳定性，解决了大面积处理时的均匀度问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一个实施方式的等离子体处理装置的纵剖面结构图；

图2为具有阻挡介质平板的等离子体射流放电阵列的侧视结构示意图；

图3为具有阻挡介质平板的等离子体射流放电阵列的俯视结构示意图；

图4为由超材料基材层和附着于其上的金属线结构单元形成的阻挡介质平板的结构示意图；

图5 为阻挡介质平板中超材料基材层上的金属线结构单元格布局示意图；

图6-7表示各种不同方式的金属线结构单元的平面布局示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1、图2、图3所示，本发明一种实施方式的电容耦合型等离子体处理装置为利用高压电极的等离子体装置。具有铝或者不锈钢等金属制成的真空处理腔室10，处理腔室10被安全接地。

处理腔室10顶部气密地安装有等离子体射流放电单元。该等离子体射流放电单元为等离子体射流放电阵列20。等离子体射流放电阵列20包括三层平面层结构，由上自下依次为高压电极11、阻挡介质平板17和工作气流通道层。处理腔室10下方与等离子体射流放电阵列20对置方式设置有用于载置待处理基板的载置台12，载置台12由导电材料（如进行了阳极氧化处理的铝）构成，兼作为高频电极；载置于该载置台12的基板W被静电吸盘吸附并保持。载置台12收纳于绝缘框14内，绝缘框14被中空的支柱34支撑；支柱34底端位于处理腔室10外部并被升降机构支撑；绝缘框14与处理腔室10底部设置有气密性包围支柱的伸缩管16；设置伸缩管16，载置台12上下移动也可保证腔室内的气密性。

利用设置于中空的支柱34内的供电线36经由整合器32将第一高频电源30与载置台12连接。在等离子处理中，该第一高频电源30向载置台12施加偏压用的高频电力、例如频率为6MHz的高频电力。利用该偏压用的高频电力将生成的等离子中的离子有效地导入基板W。

在处理腔室10底部设置有排气口，为了使处理腔室10内的气流相对于载置台12上的基板W轴对称地均匀分布，优选在周向上等间隔地设置多个排气口的结构；各排气口经由排气管24与排气装置26连接，排气装置26具有涡轮分子泵等的真空泵，能够将处理腔室10内的等离子体处理空间减压到所期望的真空度，例如1.33Pa。

用于向处理腔室10内的处理空间供给处理气体的处理气体供给部包括：在工作气流通道层所在高度的处理腔室10的侧壁中（或者外）设置的环状歧管或者缓冲部76；以在周向上等间隔方式设置的、从缓冲部76开始面对等离子体生成空间的多个侧壁气体排出孔和从处理气体供给源80延伸到缓冲部76的气体供给部82；处理气体供给源80包括流量控制器和开闭阀。

等离子体射流放电阵列20包括三层平面层结构，由上自下依次为高压电极11、阻挡介质平板17和工作气流通道层。高压电极11位于上方，与高频供电部66相接；具体地，高频供电部包括依次连接的第二高频电源72、匹配器74、电容器85、供电线68；高频供电部可为工频、中频或重复脉冲高压电源。高压电极11与供电线68相接。高压电极11可为铜、不锈钢或铝合金电极，高压电极的尺寸和结构可选择。高压电极11下表面紧贴阻挡介质平板17，阻挡介质平板17周围的尺寸比高压电极11大（1-3cm）。阻挡介质平板17下方铺设一层多个并列的气流通道，每个气流通道包括与缓冲部连通的进气口。气流通道为中空结构，包括两侧的密封绝缘板13和带通孔15的绝缘底板19。

各气流通道之间相互独立，在通道尾部设有气流密封挡板18，使工作气流循环流动于各个气流通道内；进气口可以为圆口，与处理气体供给源80相连；工作气体可为高纯度的惰性气体，如He、Ar和Ne，也可以是其它需要的气体；每个工作气流通道的两侧均用绝缘板密封；最后在工作气流通道的底部覆盖住开有均匀通孔15的绝缘底板19，绝缘底板19上的通孔15是贯穿的；工作气流从进气口进入工作气流通道后，将顺着工作气流通道向前流动，在底板的每个通孔处向下流出；最后放电等离子体将顺着气流在通孔外形成射流放电，每个通孔下方产生一束等离子体射流，并且每一束等离子体射流之间是独立的，最后形成等离子体射流的阵列。通孔的尺寸和数量是可以随意扩展，也可通过改变高压电极和阻挡介质平板的尺寸和结构来改变等离子体射流阵列的整体尺寸和结构。最后可将待处理物件置于等离子体射流下方的载置台12上，即可达到理想效果。其中密封绝缘板13、绝缘底板19和气流密封挡板18均为石英玻璃或环氧玻璃板。

本发明实施例中的阻挡介质平板17如图4所示，该阻挡介质平板17由超材料基材层50以及附着在超材料基材层50上的若干金属线结构单元51组成，超材料基材层50分成若干个单元格53，所述金属线结构单元51置于每个单元格53中形成一个单元；这里的“单元格”是指在超材料中每个金属线结构单元51所占用的尺寸。金属线结构单元51呈周期阵列均匀排布。超材料能够对电场或者磁场或者两者同时进行相应，对电场的响应取决于超材料的介电常数ε，而对磁场的响应取决于超材料的磁导率μ。通过对超材料空间中每一点的介电常数ε与磁导率μ的精确控制，以实现通过超材料对电磁场的影响。电磁参数在空间中的均匀分布由空间中排列的各个单元结构的特性所决定。因此，通过设计空间中排列的每个结构的特性，就可以设计出整个超材料在空间中每一点的电磁特性起到特殊的引导作用。其中超材料基材层50可以由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。优选地，选用FR4、F4B、聚四氟乙烯，其中，聚四氟乙烯的电绝缘性非常好，因此不会对电磁波的电场产生干扰，并且具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性，使用寿命长。所述的金属线结构单元51为由金属线形成的图案附着在超材料基材层50上形成；该金属线及其图案通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在超材料基材层50上；所述金属线优选为铜线或银线。作为一个具体金属线结构单元的实施例，如图4所示的单元格所示，所述金属线呈“工”字状，即其具有相互垂直呈“工”字的一主线、和在第一主线的两端垂直设置的两个支线。

作为另一个具体金属线结构单元的实施例（平面图），如图5所示，所述金属线呈“米”字状、或呈“*”状。作为又一个具体的实施例，如图6所示，所述金属线呈“T”字状。也可如图7所示，所述金属线呈相互垂直呈“十”字形。所述金属线还可呈二维雪花状等。上述只是举出了简单的例子，金属线的图案还可以为其它。可影响调制结果分布的金属线结构单元51还有很多变形图案，例如，超材料上的金属线结构单元51还可以是三角形、四方形、不规则的闭合曲线、开口谐振环结构等。在基材选定的情况下，通过改变金属线结构单元的图案、设计尺寸和/或金属线结构单元在空间中的排布获得想要的调制效果，即可改变超材料所在空间中每一单元的电磁参数ε和μ，可以设计出空间中每一点的等效电磁参数，相应地得到其等效电容，进而获得每个金属线结构单元自身的响应频率，从而可以精确控制超材料所在空间中每一点的调制，进而得到我们想要的各种调制（或整体调制）。

上述实施方式中感应耦合型等离子体装置的结构是一个例子，等离子体生成机构的各部分以及与等离子体生成无直接关系的各部的结构也可以有各种变形。而且，根据本发明的电容耦合型等离子体处理装置或者等离子体方法并不限于等离子体蚀刻技术领域，也可以适用于等离子体CVD、等离子体氧化、等离子体氮化、溅射等其它等离子体工艺。而且，本发明中的被处理基板也不限于半导体晶片，也可以是平板显示器用的各种基板或光掩膜、CD基板、印刷基板等。

Claims (9)

1.一种电容耦合型等离子体处理装置，包括处理腔室、处理气体供给单元、等离子体射流放电单元和高频电源，其特征在于：所述等离子体射流放电单元为设置于所述处理腔室顶部的等离子体射流放电阵列，所述等离子体射流放电阵列包括自上而下依次设置的高压电极、阻挡介质平板和工作气流通道层；所述高压电极位于阻挡介质平板上方并紧贴阻挡介质平板，工作气流通道层紧贴阻挡介质平板的下方并与所述处理气体供给单元相连通以输送用于生成等离子体的工作气体；所述阻挡介质平板包括超材料基材层和附着在所述超材料基材层上的若干金属线结构单元。

2.如权利要求1所述的电容耦合型等离子体处理装置，其特征在于：所述金属线结构单元呈周期阵列均匀排布。

3.如权利要求1所述的电容耦合型等离子体处理装置，其特征在于：

所述处理腔室内设置有由导电材料制成的用于载置待处理基板的载置台，所述载置台兼作为高频电极；所述载置台收纳于绝缘框内，所述绝缘框被中空的支柱支撑；所述支柱底端位于处理腔室外部并被升降机构支撑；所述绝缘框与处理腔室底部设置有气密性包围所述支柱的伸缩管；所述处理腔室底部设有排气口；

所述高频电源包括第一高频电源和第二高频电源；所述第一高频电源经整合器由设置于所述支柱内的供电线连接至所述载置台；

所述气体供给单元包括设置于处理腔室侧壁的气体缓冲部，所述缓冲部周向上间隔设置有面对等离子体生成空间的若干侧壁气体排出孔；所述缓冲部通过管道连通气体供给源。

4.如权利要求1或3所述的电容耦合型等离子体处理装置，其特征在于：所述阻挡介质平板周围的尺寸比高压电极大。

5.如权利要求3所述的电容耦合型等离子体处理装置，其特征在于：所述工作气流通道层包括若干并列设置的气流通道；各所述气流通道包括与所述缓冲部连通的进气口、两侧的密封绝缘板和带通孔的绝缘底板；各所述气流通道间相互独立，且各所述气流通道通道的尾部设置有气流密封挡板。

6.如权利要求1所述的电容耦合型等离子体处理装置，其特征在于：所述超材料基材层为FR4、F4B或聚四氟乙烯基材层；所述金属线结构单元中的金属线为银线或铜线。

7.如权利要求6所述的电容耦合型等离子体处理装置，其特征在于：所述由金属线构成的若干结构单元呈“工”字形、“T”字形或“十”字形。

8.如权利要求5所述的电容耦合型等离子体处理装置，其特征在于：所述密封绝缘板、绝缘底板和气流密封挡板由石英玻璃或环氧玻璃制备而成。

9.如权利要求5所述的电容耦合型等离子体处理装置，其特征在于：所述绝缘底板上的通孔等间隔均匀排布。