CN104918401A - 一种感应耦合型等离子体处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种感应耦合型等离子体处理装置，属于等离子体处理技术领域。本发明处理腔室使用超材料顶板，超材料顶板包括基材层和附着在其上的金属线结构单元，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，从而可以精确控制超材料所在空间中每一点的调制，进而得到所需的调制；且在超材料顶板上设置超材料突出部，在RF天线的内侧线圈、中间线圈和外侧线圈的正下方分别形成比合成磁场更强的感应磁场；且内侧线圈、中间线圈和外侧线圈对应位置生成的等离子体能够通过施加的激发用RF的功率对等离子体的强度进行控制，处理腔室内的等离子体的控制性显著提高。

Description

一种感应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，特别涉及一种感应耦合型等离子体处理装置。

背景技术

一般地，在感应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线圈形状的RF天线供给高频电力。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RF天线中流有高频电流，所以磁力线贯穿电介质窗在RF天线周围会产生通过腔室内处理空间的高频的交流磁场，由于该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感应电场。并且，由于该感应电场而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感应耦合型等离子体处理装置。

本发明的技术方案为：

一种感应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、射频单元和高频电源，所述处理腔室顶部气密地安装有由超材料制备而成的超材料顶板；所述超材料顶板包括基材层和附着在所述基材层上的若干金属线结构单元。

作为优选，所述的感应耦合型等离子体处理装置：

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；

所述射频单元包括与所述处理腔室一体设置的天线室，所述天线室位于所述超材料顶板上方并与外部电磁屏蔽地收纳有用于在处理腔室内生成等离子体的射频天线，所述射频天线与所述超材料顶板平行设置；所述射频天线包括在径向上间隔且同轴配置的内侧线圈、中间线圈和外侧线圈；所述内侧线圈、中间线圈和外侧线圈并联设置于第一节点N_A和第二节点N_B之间，所述第一节点N_A通过匹配器连接第二高频电源，所述第二节点N_B连接接地电位的回程线，所述内侧线圈、中间线圈和外侧线圈分别串联连接第一电容器、第二电容器和第三电容器。

进一步的，所述内侧线圈和外侧线圈形成逆时针回路，所述中间线圈形成顺时针回路。

作为优选，所述基材层为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，由金属线构成的若干金属线结构单元呈“工”字形、“T”字形或“十”字形。

作为优选方案，所述超材料顶板面对处理空间侧的表面上设置有超材料突出部；所述超材料突出部与射频天线中各线圈间的间隙相对应。

进一步的，所述超材料突出部与所述超材料顶板的透磁率不同。

作为优选方案，所述超材料顶板面对处理空间侧的表面上设置有凹部；所述凹部与射频天线中各线圈相对应。

优选的，所述载置台与射频天线隔着超材料顶板对置设置。

优选的，所述金属线结构单元呈周期阵列均匀排布。

作为优选，所述内侧线圈、中间线圈和外侧线圈为圆环状线圈或方形线圈。

本发明的有益效果为：

本发明处理腔室使用超材料顶板，且在超材料顶板上设置超材料突出部，在RF天线的内侧线圈、中间线圈和外侧线圈的正下方分别形成比合成磁场更强的感应磁场；且内侧线圈、中间线圈和外侧线圈对应位置生成的等离子体能够通过施加的激发用RF的功率对等离子体的强度进行控制，所以处理腔室内的等离子体的控制性显著提高。

超材料顶板包括基材层和附着在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。

本发明的感应耦合型等离子体处理装置能够精细控制待处理物件附近等离子体的密度分布，且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示意图；

图2为射频天线基本布局结构和电连接结构示意图；

图3为其它实施例RF天线的布局结构和电连接结构示意图；

图4为超材料顶板上金属线结构单元的布局结构示意图；

图5-7为超材料顶板上各种不同方式金属线结构单元的平面布局示意图；

图8为超材料突出部一体形成超材料顶板的结构示意图；

图9为具有超材料突出部的超材料顶板的其它实施例的结构示意图；

图10为具有凹部的超材料顶板的构成示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本发明一种实施方式的感应耦合型等离子体处理装置为利用平面线圈射频天线的感应耦合型等离子体装置，包括由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的顶部气密地安装有由超材料制备而成的超材料顶板52。处理腔室10内设置有由导电材料（例如表面进行了阳极氧化处理的铝）制成的用于载置待处理基板的载置台12，载置台12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33支撑；支柱33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33内的供电线32经由整合器31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：在比超材料顶板52稍低的处理腔室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78；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。

超材料顶板52上方设置有与处理腔室10一体的天线室56。天线室56与外部电磁屏蔽地收纳有用于在处理腔室10内生成感应结合的等离子体的射频天线（RF天线）54。载置台12与射频天线54隔着超材料顶板52对置设置。

射频天线54与超材料顶板52平行，且具有分别在径向上隔开间隔地配置在内侧、中间和外侧的内侧线圈58、中间线圈60和外侧线圈62。该实施方式中的内侧线圈58、中间线圈60和外侧线圈62分别具有螺旋状的线圈形体，互相同轴地进行配置，并且相对于处理腔室10或者载置台12同轴地配置。内侧线圈58、中间线圈60和外侧线圈62在来自等离子体生成用的高频供电部66的高频供电线68与连至接地电位部件的回程线70之间，通过2个节点N_A、N_B并联电连接。这里，回程线70是接地电位的接地线，与保持接为接地电位的接地电位部件（例如处理腔室10）电连接。在接地线70侧的节点N_B与内侧线圈58、中间线圈60和外侧线圈62之间，分别串联电连接（插入）有可变电容器85、86、88。这些可变电容器85、86、88在主控制部的控制下通过容量可变部90可在一定范围内彼此独立地并且任意地改变。该高频供电部66包括第二高频电源72和匹配器74，第二高频电源72能够以可变功率输出适于通过感应结合的高频放电生成等离子体的一定频率（通常13.56MHz以下）的高频RF。匹配器74收纳有用于在第二高频电源72侧的阻抗和负载（主要是RF天线，等离子体）侧的阻抗之间进行调整的电抗可变的匹配电路。

本发明等离子体装置中射频天线54的布局和电接线（电路）的基本结构如图2所示，内侧线圈58由夹着间隙或者切缝卷绕一周或多周的半径一定的单匝或多匝圆环状线圈形成，在径向上位于靠近处理腔室10的中心的位置。内侧线圈58的一端（即RF入口端）经由向上方延伸的接线导体和第一节点N_A与高频供电部66的RF供电线68连接；另一端（就是RF出口端）经由向在上方延伸的接线导体和第二节点NB与接地线70连接。根据上述相似的构成方式形成中间线圈60和外侧线圈62；该中间线圈60在径向上与内侧线圈58相比在外侧位于腔室10的中间部；外侧线圈62在径向上与中间线圈60相比在外侧位于靠近腔室10的侧壁的位置。在如上所述的射频天线54的线圈配置和连接结构中，在从第二高频电源72通过RF供电线68、射频天线54和接地线70到接地电位部件进行旋绕的情况下，更确切而言，在从第一节点N_A到第二节点N_B，将构成射频天线54的各线圈58、60、62的高频分支输送线路进行旋绕的情况下，在分别通过内侧线圈58和外侧线圈62时形成逆时针回路，相对于此，通过中间线圈60时形成顺时针回路。这样，通过中间线圈60时的方向与分别通过内侧线圈58和外侧线圈62时的方向在周向上相反。

在如上述的线圈配置和连接结构之下，通过在各自规定的范围内使内侧电容器85、中间电容器86和外侧电容器88的静电电容C85、C86、C88可变化或进行选择，能够在射频天线54内使分别流入这些线圈58、60、62的线圈电流Ii（内侧线圈电流）、Im（中间线圈电流）、Io（外侧线圈电流）在周向上全部统一为相同的方向。

对于处理腔室10内为方形的载置台12的情况，为了与之相适应，射频天线54的各个线圈设置成方形，本实施方式中，举出一例与图3所示RF天线相对应的变形例，如图3所示，其中构成方式基本上与图相同，而线圈为与载置台12相适应的方形结构。

另外，在射频天线54中不仅限于上述所述，其也可以是在内侧线圈58的径向内侧和/或在外侧线圈62的径向外侧再配置另外的线圈，使共计4个以上的线圈并联连接的结构。或者，也可以是省略内侧线圈58仅由中间线圈60和外侧线圈62构成的结构（这种情况下中间线圈60就变成相对内侧的线圈）。此外，也可以是省略外侧线圈62仅由内侧线圈58和中间线圈60构成的结构（在这种情况下中间线圈60就变成相对外侧的线圈）。

本发明实施例中的超材料顶板52如图4所示，该超材料顶板52由基材层50以及附着在基材层50上的若干金属线结构单元51组成，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）。

如图1所示，在超材料顶板52的面对处理空间侧的表面（下表面）与RF天线相互间对应的位置分别设置有由超材料形成的突出部34。由于突出部34设置成物理性地占领合成磁场产生的位置，所以不会存在基于合成磁场的等离子体，作为结果，在与射频天线各自对应的位置生成等离子体。在本实施方式中，由超材料形成的超材料突出部34，能够使用与超材料顶板52相同的材料一体地形成（参见图1），为了方便理解，也可参见从图1中截取的超材料顶板52，如图8所示。另外，也能够使用与超材料顶板不同的超材料另外形成，其中射频线圈各线圈58、60、62，及突出部34形成方式，如图9所示。

随着作为处理对象的基板W的大型化，处理腔室10也大型化，并且为了保持大的处理腔室10内的内部空间的真空度，超材料顶板52的厚度也变厚。当超材料顶板52变厚时，使超材料顶板52的与射频天线54对应的位置的厚度比其以外的部分的厚度薄。具体而言，不在超材料顶板52的下表面的与射频天线相互间对应的位置设置由电介质形成的超材料突出部34，而在超材料顶板52的下表面的分别与射频天线对应的部分设置的凹部41，使与射频天线对应的部分的超材料顶板52的厚度比其以外的部分的厚度薄，根据本实施方式，其构成方式如图10所示。在RF天线的内侧线圈58、中间线圈60和外侧线圈62的正下方分别形成比合成磁场更强的感应磁场。且内侧线圈58、中间线圈60和外侧线圈62对应位置生成的等离子体能够通过施加的激发用RF的功率对等离子体的强度进行控制，所以处理腔室10内的等离子体的控制性显著提高。

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，根据本发明的感应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 (10)

1.一种感应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、射频单元和高频电源，其特征在于：所述处理腔室顶部气密地安装有由超材料制备而成的超材料顶板；所述超材料顶板包括基材层和附着在所述基材层上的若干金属线结构单元。

2.如权利要求1所述的感应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；

所述射频单元包括与所述处理腔室一体设置的天线室，所述天线室位于所述超材料顶板上方并与外部电磁屏蔽地收纳有用于在处理腔室内生成等离子体的射频天线，所述射频天线与所述超材料顶板平行设置；所述射频天线包括在径向上间隔且同轴配置的内侧线圈、中间线圈和外侧线圈；所述内侧线圈、中间线圈和外侧线圈并联设置于第一节点N_A和第二节点N_B之间，所述第一节点N_A通过匹配器连接第二高频电源，所述第二节点N_B连接接地电位的回程线，所述内侧线圈、中间线圈和外侧线圈分别串联连接第一电容器、第二电容器和第三电容器。

3.如权利要求2所述的感应耦合型等离子体处理装置，其特征在于：所述内侧线圈和外侧线圈形成逆时针回路，所述中间线圈形成顺时针回路。

4.如权利要求1所述的感应耦合型等离子体处理装置，其特征在于：所述基材层为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。

5.如权利要求4所述的感应耦合型等离子体处理装置，其特征在于：由金属线构成的若干金属线结构单元呈“工”字形、“T”字形或“十”字形。

6.如权利要求1-4任一项所述的感应耦合型等离子体处理装置，其特征在于：所述超材料顶板面对处理空间侧的表面上设置有超材料突出部；所述超材料突出部与射频天线中各线圈间的间隙相对应。

7.如权利要求6所述的感应耦合型等离子体处理装置，其特征在于：所述超材料突出部与所述超材料顶板的透磁率不同。

8.如权利要求1-4任一项所述的感应耦合型等离子体处理装置，其特征在于：所述超材料顶板面对处理空间侧的表面上设置有凹部；所述凹部与射频天线中各线圈相对应。

9.如权利要求2所述的感应耦合型等离子体处理装置，其特征在于：所述载置台与射频天线隔着超材料顶板对置设置。

10.如权利要求1所述的感应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。