CN105655220B - 电感耦合型等离子体处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电感耦合型等离子体处理装置，包括反应腔室，所述反应腔室顶部具有绝缘盖板，所述绝缘盖板具有一开口；垂直设置于所述绝缘盖板上通过所述开口与所述反应腔室连通的绝缘套筒；卷绕于所述绝缘套筒上的第一电感耦合线圈，所述第一电感耦合线圈中通入射频电流以将引入所述反应腔室的工艺气体在所述绝缘套筒内和/或其下方激发为等离子体；以及设置于所述绝缘套筒中的第一冷却元件，其与所述等离子体接触的部分具有抗等离子体涂层，所述第一冷却元件中流通冷却介质以冷却所述等离子体。本发明能够降低等离子体温度，避免等离子体对基片表面损伤。

Description

电感耦合型等离子体处理装置

技术领域

本发明涉及半导体加工设备，特别涉及一种电感耦合型等离子体处理装置。

背景技术

当前，电感耦合型等离子体处理装置作为在半导体晶片上执行成膜、刻蚀等多种工艺的装置，广泛应用于半导体器件制造的技术领域中。图1示出现有技术的一种电感耦合型等离子体处理装置的结构示意图，真空处理腔室10底部设有承载待处理基片的基座11，真空处理腔室10顶部具有绝缘盖板12。绝缘盖板12上垂直设置与处理腔室10连通的绝缘套筒13，工艺气体可从绝缘套筒顶部输入工艺腔室10。绝缘套筒13外侧缠绕上电感耦合线圈14，电感线圈14通过匹配器与射频源连接。射频源向电感耦合线圈14提供射频交变电流在绝缘套筒13内产生一个交变的感应磁场，将工艺气体激发形成等离子体。

然而，这些等离子体轰击绝缘套筒13内壁往往会产生大量的热量，对等离子体处理工艺产生负面效果。具体来说，一方面高温的等离子体进入处理腔室不利于与待处理基片的反应。例如，在进行去光刻胶工艺时，如果等离子体温度超过120°时，会造成基片表面的光刻胶烧焦、变色等损伤，进而影响后续图案转移等工艺步骤的进行，造成半导体器件制造的产品良率降低。另一方面，绝缘套筒13在高温下也容易损坏，导致使用寿命的缩短，增加了工艺成本。

因此，需要提供一种能够避免等离子体温度过高的等离子体处理装置以改善上述缺陷。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺陷，以有效降低等离子体的温度，避免对等离子体处理装置的部件及等离子体处理工艺造成损害。

为达成上述目的，本发明提供一种电感耦合型等离子体处理装置，包括：反应腔室，所述反应腔室顶部具有绝缘盖板，所述绝缘盖板具有一开口；垂直设置于所述绝缘盖板上通过所述开口与所述反应腔室连通的绝缘套筒；卷绕于所述绝缘套筒上的第一电感耦合线圈，所述第一电感耦合线圈中通入射频电流以将引入所述反应腔室的工艺气体在所述绝缘套筒内和/或其下方激发为等离子体；以及设置于所述绝缘套筒中的第一冷却元件，其与所述等离子体接触的部分具有抗等离子体涂层，所述第一冷却元件中流通冷却介质以冷却所述等离子体。

优选的，所述第一冷却元件为一冷却筒，其中嵌设有流通所述冷却介质的冷却通道，所述冷却通道的进口和出口均位于所述绝缘套筒外部。

优选的，所述冷却通道在所述冷却筒中弯折一次或多次。

优选的，所述冷却元件一端固定于所述绝缘套筒的顶部，所述冷却通道的进口和出口均从所述冷却元件的固定端伸出所述绝缘套筒的顶部。

优选的，所述工艺气体通过所述绝缘套筒的顶部边缘处引入所述反应腔室。

优选的，所述工艺气体通过位于所述反应腔室侧壁顶部的气体输入口引入所述反应腔室。

优选的，所述绝缘盖板上设置嵌套于所述第一电感耦合线圈之外的第二电感耦合线圈，所述第二电感耦合线圈中通入射频电流以将引入所述反应腔室的工艺气体在所述绝缘盖板下方激发为等离子体。

优选的，所述电感耦合型等离子体处理装置还包括第二冷却元件，所述第二冷却元件包括设置于所述绝缘套筒上方的风扇以及从所述风扇向下延伸并容纳所述绝缘套筒的风扇外罩，所述风扇外罩底部与所述绝缘盖板顶面具有间隔，所述风扇从所述绝缘套筒顶部吹入气体，用于冷却所述绝缘套筒及所述绝缘盖板。

优选的，所述风扇外罩内设置导流叶片，所述导流叶片形成引导由所述风扇吹出的气体流动的导流路径，使所述气体沿所述导流路径流动以增加与所述绝缘套筒的接触。

优选的，所述第一冷却元件包括金属主体部及位于所述金属主体部外表面、与所述等离子体接触的抗等离子体涂层。

优选的，所述绝缘套筒材料为陶瓷介电材料或石英材料。

本发明的有益效果在于通过在反应腔室上部缠绕有电感线圈的绝缘套筒中设置第一冷却元件，对绝缘套筒中的等离子体以及绝缘套筒本身予以降温，从而防止等离子体在工艺过程中对光刻胶的损伤，提高绝缘套筒的使用寿命。

附图说明

图1为现有技术中等离子体处理装置的结构示意图；

图2为本发明一实施例的等离子体处理装置的结构示意图；

图3为本发明一实施例的等离子体处理装置的第一冷却元件的结构示意图；

图4为本发明另一实施例的等离子体处理装置的结构示意图；

图5为本发明另一实施例的等离子体处理装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

图2显示了本发明一种实施方式提供的使用本发明气体导流环的等离子处理装置。应该理解，等离子体处理装置仅仅是示例性的，其可以包括更少或更多的组成元件，或该组成元件的安排可能与图2所示不同。

等离子体处理装置包括反应腔室10和位于反应腔室10上方的绝缘盖板12。绝缘盖板12通常为陶瓷介电材料。反应腔室10内部下方设有放置待处理基片的基座11，基座11可连接射频偏置功率源(图中未示)，以便增加等离子体与基片碰撞的能量。反应腔室10底部与外置的排气装置如真空泵(图中未示)相连接，用以在处理过程中将用过的反应气体及副产品气体抽出反应腔室10。绝缘盖板12上垂直设置有绝缘套筒13，绝缘套筒13通过绝缘盖板12中的开口与反应腔室10连通。绝缘套筒13的材料一般为陶瓷介电材料或石英材料。绝缘套筒13中可设有进气通道，用于引入等离子体处理所需的工艺气体，本实施例中进气口设置于绝缘套筒顶部边缘处。绝缘套筒13内保持与反应腔室10内相同的真空环境。绝缘套筒13外侧壁上卷绕电感耦合线圈14，该电感耦合线圈14可通过匹配器(图中未示)与射频功率源(图中未示)，射频功率源提供射频电流至电感耦合线圈14而使线圈14感应出射频电场，将绝缘套筒内的反应气体激发形成等离子体，绝缘套筒选择耐等离子体腐蚀且容许射频功率穿透的材料。所述等离子体进入反应腔室10与待处理基片反应，以进行刻蚀或淀积等等离子体处理工艺。为了避免所产生的等离子体温度过高，本发明在绝缘套筒13中设置一内部流通冷却介质的第一冷却元件15，起到有效控制或者降低等离子体的温度和绝缘套筒温度的目的。其中，第一冷却元件15与等离子体接触的表面具有抗等离子体涂层，或其本身由抗等离子体材料制成，以防止被等离子体轰击损坏。在一具体实施例中，该抗等离子体涂层由第一冷却元件15的表面经表面氧化处理形成，在另一具体实施例中，抗等离子体涂层为的材料为Y₂O₃或YF₃。

请继续参考图3，其所示为本发明一实施例的第一冷却元件的结构示意图。第一冷却元件为冷却筒，具有圆筒状结构，其内部嵌设冷却通道151，该冷却通道151中流通冷却介质，如冷却液或冷却水。由于等离子体处理过程中绝缘套筒13内为真空环境，因此冷却通道的进口和出口均需设置在绝缘套筒13的外部，以与外部的冷却管线或温控装置连接。本实施例中，冷却筒15以上端固定于绝缘套筒13的顶盖131，下端悬空的方式设置于绝缘套筒13中。冷却通道151的进口和出口均从冷却筒15的上端伸出顶盖131而以输入和输出冷却介质。本实施例的冷却通道151在冷却筒15内弯折多次，增加了冷却筒内流通的冷却介质容量，使冷却筒的冷却作用发挥更大，在其他实施例中，冷却通道151也可仅弯折一次。进一步地，为了提高热传导效率，可将冷却筒15的主体部分都采用导热系数较好的金属材料，而仅在暴露于等离子体的表面涂覆抗等离子体涂层，以期更加快速地使等离子体和绝缘套筒15降温。

本实施例中，工艺气体是从绝缘套筒13顶部导入，但也可以考虑从处理腔室10侧壁顶部，即绝缘盖板12下方导入。这样等离子体产生在绝缘套筒13内靠近绝缘盖板的开口处或绝缘套筒13下方，第一冷却元件15同样可以对等离子体加以冷却，减小因等离子体轰击绝缘套筒内壁产生的热量。当然，在此情况下为增加工艺气体的解离时间，可通过气体导流环的设计将工艺气体的喷出方向设置为倾斜向上，使工艺气体具有向上的初始速度。

图4所示为本发明另一实施例的等离子体处理装置。本实施例中，在绝缘盖板12下方的处理腔室侧壁上设置工艺气体输入口，在绝缘盖板12上设置第二电感耦合线圈17。第二电感耦合线圈17嵌套在第一电感耦合线圈14之外，其可通过匹配器(图中未示)与射频功率源(图中未示)连接，该匹配器与射频功率源可与第一电感耦合线圈所配套连接的不同或相同。通过向第二电感耦合线圈通入射频电流在绝缘盖板12下方将反应腔侧壁的气体输入口所导入的工艺气体激发为等离子体。虽然图中未示，但在本实施例中绝缘套筒的顶板上也可设置另一工艺气体输入口，本发明并不加以限制。在等离子体工艺过程中，第一电感耦合线圈14和第二电感耦合线圈同时作用，可以形成两个区域的等离子体，既可以提供所需的等离子体的密度，又可以调节等离子体均匀性。在其他实施例中，工艺气体也可仅从绝缘套筒的顶板上的输入口输入，则第二电感耦合线圈14对等离子体中的气体分子进行二次轰击，进一步将气体分子解离成自由基。

图5所示为本发明另一实施例的等离子体处理装置的结构示意图。本实施例中，为进一步降低绝缘套筒13，或同时降低绝缘套筒15和绝缘盖板12的温度，还设置第二冷却元件。如图所示，第二冷却元件包括交流/直流驱动的风扇181、从风扇181向下延伸并容纳绝缘套筒的风扇外罩182。风扇外罩182底部并未延伸至绝缘盖板12，而是悬空在绝缘盖板12上方与之顶面保留一定间隔。风扇181从绝缘套筒的上方吹入气体，该气体沿风扇外罩182向下流动以冷却绝缘套筒13，并从风扇外罩182与绝缘盖板12的间隔处水平吹出进一步冷却绝缘盖板12。进一步地，为了更好实现风扇冷却绝缘套筒13的目的，在风扇外罩182内设置多个导流叶片183，导流叶片形成了引导风扇吹出气体流动的导流路径，使得风扇181吹出的气体能够沿导流路径流动而增加与绝缘套筒13外壁的接触。本实施例中，导流叶片183具有朝向绝缘套筒13向下倾斜的表面，使得原本垂直下降的吹出气体能够吹向绝缘套筒13。虽然图中未示，但本实施例的绝缘盖板12上也可设置第二电感耦合线圈，工艺气体输入口也可设置在绝缘盖板下方或同时设置于绝缘盖板下方和绝缘套筒顶部，本发明并不加以限制。

综上所述，本发明的等离子体处理装置通过在绝缘套筒中设置第一冷却元件，对绝缘套筒中的等离子体以及绝缘套筒本身予以降温，从而防止等离子体在工艺过程中对光刻胶的损伤，提高绝缘套筒的使用寿命。进一步地，通过第二冷却元件与第一冷却元件配合作用，起到更好的冷却效果。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述诸多实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (9)

1.一种电感耦合型等离子体处理装置，其特征在于，包括：

反应腔室，所述反应腔室顶部具有绝缘盖板，所述绝缘盖板具有一开口；

垂直设置于所述绝缘盖板上通过所述开口与所述反应腔室连通的绝缘套筒；

卷绕于所述绝缘套筒上的第一电感耦合线圈，所述第一电感耦合线圈中通入射频电流以将引入所述反应腔室的工艺气体在所述绝缘套筒内和/或其下方激发为等离子体；以及

设置于所述绝缘套筒中的第一冷却元件，其与所述等离子体接触的部分具有抗等离子体涂层，所述第一冷却元件中流通冷却介质以冷却所述等离子体；

其中所述工艺气体通过位于所述反应腔室侧壁顶部的气体输入口引入所述反应腔室；所述绝缘盖板上设置嵌套于所述第一电感耦合线圈之外的第二电感耦合线圈，所述第二电感耦合线圈中通入射频电流以将引入所述反应腔室的工艺气体在所述绝缘盖板下方激发为等离子体。

2.根据权利要求1所述的电感耦合型等离子体处理装置，其特征在于，所述第一冷却元件为一冷却筒，其中嵌设有流通所述冷却介质的冷却通道，所述冷却通道的进口和出口均位于所述绝缘套筒外部。

3.根据权利要求2所述的电感耦合型等离子体处理装置，其特征在于，所述冷却通道在所述冷却筒中弯折一次或多次。

4.根据权利要求3所述的电感耦合型等离子体处理装置，其特征在于，所述第一冷却元件一端固定于所述绝缘套筒的顶部，所述冷却通道的进口和出口均从所述第一冷却元件的固定端伸出所述绝缘套筒的顶部。

5.根据权利要求1所述的电感耦合型等离子体处理装置，其特征在于，所述工艺气体还通过所述绝缘套筒的顶部边缘处引入所述反应腔室。

6.根据权利要求1所述的电感耦合型等离子体处理装置，其特征在于，还包括第二冷却元件，所述第二冷却元件包括设置于所述绝缘套筒上方的风扇以及从所述风扇向下延伸并容纳所述绝缘套筒的风扇外罩，所述风扇外罩底部与所述绝缘盖板顶面具有间隔，所述风扇从所述绝缘套筒顶部吹入气体，用于冷却所述绝缘套筒及所述绝缘盖板。

7.根据权利要求6所述的电感耦合型等离子体处理装置，其特征在于，所述风扇外罩内设置导流叶片，所述导流叶片形成引导由所述风扇吹出的气体流动的导流路径，使所述气体沿所述导流路径流动以增加与所述绝缘套筒的接触。

8.根据权利要求1所述的电感耦合型等离子体处理装置，其特征在于，所述第一冷却元件包括金属主体部及位于所述金属主体部外表面、与所述等离子体接触的抗等离子体涂层。

9.根据权利要求1-8所述的电感耦合型等离子体处理装置，其特征在于，所述绝缘套筒材料为陶瓷介电材料或石英材料。