CN106920731B - 一种限制等离子体泄露的接地环以及反应腔 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种限制等离子体泄露的接地环，其设置在一反应腔内，该反应腔内包含一限制环；所述接地环位于所述限制环下方，其包含多个半径逐渐增大的同心接地圆环，每相邻两个同心接地圆环间的间距相等，并且间距为所述限制环上相邻两个同心圆环之间间距的两倍，各个同心接地圆环分别位于所述限制环上相应同心圆环的正下方。其优点是：接地环的相邻环缝间距为限制环的2倍，确保了气流量；另一方面，其径向界面类似于限制环向下延伸，这样可以增加地电位的纵向距离，增强了限制效果。

Description

一种限制等离子体泄露的接地环以及反应腔

技术领域

本发明涉及等离子刻蚀技术领域，具体涉及一种限制等离子体和射频泄露的接地环及其反应腔。

背景技术

在对基片进行等离子刻蚀的过程中，我们希望将等离子体及射频能量限制在有限的刻蚀反应区域内，以提高能效、避免等离子体泄露对腔体造成腐蚀、以及减少对电学信号造成的干扰。

现有技术中，在反应腔内对等离子体向下的束缚是由一等离子体限制环来实现的，但考虑到等离子体限制环金属面上绝缘层（目前为氧化钇）的加工局限和老化问题，该限制环目前是不接地的悬浮电位，也因此其对等离子体的束缚仅仅起到了物理尺寸上对平均自由程的限制，并无电场束缚，存在着对等离子体和射频泄露限制不足的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种限制等离子体与射频泄露的接地环及反应腔，通过将接地环设计成密集环的结构，并设置在反应腔内限制环的正下方，其作为限制环的辅助，起到大大减少等离子体与射频泄露的效果。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种限制等离子体泄露的接地环，其设置在一反应腔腔体内，该腔体内包含一限制环，该限制环包含多个同心圆环，其特征是：

所述接地环包含多个半径逐渐增大的同心接地圆环，以形成一密集环结构，且该接地环位于所述限制环下方；

每相邻两个同心接地圆环之间的间距为所述限制环上相邻两个同心圆环之间间距的1.5倍到3倍。

上述的限制等离子体泄露的接地环，其中：

每相邻两个同心接地圆环间的间距相等。

上述的限制等离子体泄露的接地环，其中：

所述的各个同心接地圆环分别位于所述限制环上相应同心圆环的正下方。

上述的限制等离子体泄露的接地环，其中：

所述的接地环由铝材料制成。

上述的限制等离子体泄露的接地环，其中：

所述接地环还包含一用于托住所述限制环并固定所述的各个同心接地圆环的支架。

一种限制等离子体泄露的反应腔，其特征是，包含：

反应腔腔体；

限制环，其设置在所述的腔体内，其包含多个同心圆环；

接地环，其设置在所述的腔体内，并位于所述限制环下方，该限制环包含多个半径逐渐增大的同心接地圆环，以形成一密集环结构；

每相邻两个同心接地圆环之间的间距为所述限制环上相邻两个同心圆环之间间距的1.5倍到3倍。

上述的限制等离子体泄露的反应腔，其中：

每相邻两个同心接地圆环间的间距相等。

上述的限制等离子体泄露的反应腔，其中：

所述的各个同心接地圆环分别位于所述限制环上相应同心圆环的正下方。

上述的限制等离子体泄露的反应腔，其中：

所述的接地环由铝材料制成。

上述的限制等离子体泄露的反应腔，其中：

所述接地环还包含一用于托住所述限制环并固定所述的各个同心接地圆环的支架。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、由于接地环本身为地电位，它的密集环状结构使得射频几乎无法穿透下去，有效避免了干扰其他电学信号的问题；

2、接地环的相邻环缝间距为限制环的1.5倍到3倍，确保了气流量；另一方面，其径向界面类似于限制环向下延伸，这样可以增加地电位的纵向距离，增强了限制效果；

3、接地环为铝材料，其在不经过阳极氧化处理的情况下，对等离子体泄露的屏蔽效果较表面经过阳极氧化处理过的铝接地环而言有更大改善。

附图说明

图1为本发明的接地环的整体结构示意图；

图2为本发明的接地环的局部剖视图；

图3为本发明的实施例中反应腔的整体结构示意图；

图4为使用本发明的接地环与使用传统接地环时的限制射频效果的前后数据对比；

图5为使用本发明的接地环与使用传统接地环时的限制等离子体泄露效果的前后数据对比。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

一种限制等离子体泄露的接地环，如图3中所示，其设置在一反应腔腔体6内，该腔体6内包含一限制环3，该限制环3包含多个同心圆环；如图1、2所示，所述接地环包含多个半径逐渐增大的同心接地圆环1，以形成一密集环结构，且该接地环位于所述限制环3下方；每相邻两个同心接地圆环1间的间距相等，其间距为所述限制环3上相邻两个同心圆环之间间距的两倍，即，若限制环3的相邻圆环间间距为1.5mm，则接地环的相邻同心接地圆环1间间距约为3mm，并确保各个同心接地圆环1分别位于所述限制环3上相应同心圆环的正下方，这样就不会对系统的气导造成显著影响，保证气体的正常排出，且使得接地环的径向界面类似于限制环3的向下延伸，起到增加地电位纵向距离，增强限制的效果，值得注意的是，说明书中所说的“向下”或“上下方向”等均是相对于设备的实际工作状态而言，具体可参照图2、图3中的方向。

本说明书及权利要求中所称的“间距”指的是两实体（如相邻的两个接地圆环）之间的间隙的宽度，即该两实体的相邻侧壁的距离。假如两实体之间的间隙的宽度是变化的（当然，在附图所对应的实施例中，不管是相邻两个同心接地圆环间的间距，还是相邻两个同心圆环之间的间距，都是恒定不变的），则该“间距”指的是它们的算术平均值。另外，严格说来，“相邻两个同心接地圆环之间的间距为限制环上相邻两个同心圆环之间间距的两倍”中所称的“两倍”也是不准确的，它确切的含义是：接地环内的一个间隙对应限制环内相邻的两个间隙，自限制环的该两个间隙流出的气体会进入接地环的该一个间隙。这要求：接地环的一个间距等于限制环的两个间距与限制环一个圆环的宽度之和。

所述的接地环可由铝材料制成，均不会造成腔体金属污染；从射频泄露限制角度，不管是否对接地环进行阳极化绝缘处理，均可起到显著地减少射频泄露的效果，但表面阳极化处理的接地环可以有更好的抗金属污染和稳定性；从等离子体泄露限制角度，则不做表面阳极化绝缘处理的裸铝接地环效果更佳，因而，在实际应用中，可根据不同效果的优选等级或重要程度来作是否阳极氧化的决定。

所述接地环还包含一用于托住所述限制环3并固定所述的各个同心接地圆环1的支架2，所述支架2包括多个沿径向延伸的托杆21。所述托杆21的靠内一端连接于靠近中央的圆形框架22，靠外一端为自由端。各个同心接地圆环1固定连接于托杆21的下表面。该圆形框架22可看作是支架2的一部分，也可看作是位于最内侧的同心接地圆环1。在本实施例中，各个同心接地圆环1与支架2一体成型。

接地环与限制环的主体材质均为导体，且两者处于不同电位，因而，需有绝缘材料（电气绝缘层）介于两者间。为简化结构，通常可通过阳极氧化支架2的上表面或限制环的下表面来形成该绝缘材料。

本发明还提供了一种限制等离子体泄露的反应腔，如图3所示，其包含：由多个壁围成的反应腔腔体6；限制环3，其设置在所述的腔体6内，其包含多个同心圆环；以及，上述接地环。

如图3所示为本实施例中运用了本发明的接地环后的反应腔整体结构示意图，其具有反应腔的腔体6、限制环3、腔体6内相互平行设置的上电极8a和下电极8b，上电极8a和下电极8b之间形成处理区域5，该区域可以形成高频能量以点燃和维持等离子体；下电极8b上方放置待加工工件，如半导体基片（图中未显示），反应气体被注入腔体6内，一个或多个射频电源9a、9b施加在下电极8b上或同时施加在上电极8a与下电极8b上，从而在腔体6内产生大的电场，大多数电场线在处理区域5内，此电场对少量存在于腔体6内部的电子进行加速，使之与输入的反应气体碰撞，碰撞导致反应气体的离子化和等离子体激发，从而在腔体6内产生等离子体4，反应气体的中性气体分子在经受上述强电场时失去电子，留下带正电的离子，带正电的离子向下电极8b方向加速，与被处理的基片中的中性物质结合，激发基片加工。本实施例中，排气区域7与外置的排气装置连接，用以在处理过程中将用过的反应气体及副产品气体抽出处理区域5。接地环和限制环3分别位于处理区域5周围，并位于处理区域5与排气区域7之间，使得气体必须经由限制环3与接地环后才能被排出，用于控制用过的反应气体的排出并且当反应气体中的带电粒子通过时将它们的电荷消除，从而将放电基本约束在处理区域5内，以防止蚀刻或反应过程中对腔体6的污染。优选的，接地环和限制环3均设置在腔体6内侧壁与下电极12b的外周围之间的间隙内。本发明中与该接地环匹配使用的限制环3的具体结构可参照中国专利公开CN101150909A中的导电元件100。

以下将进一步说明本发明的工作原理。限制环3为导电元件且是不接地的悬浮电位，其位于接地环的上方，且两者之间相互电绝缘；基片处理过程中，处理区域5内用过的反应气体及副产品气体通过限制环3的多个同心圆环之间的间隙通过，此时，等离子体内包括带电粒子及中性粒子，在通过限制环3的同心圆环之间的间隙时带电粒子被熄灭，同时中性粒子通过，但经过这一层约束限制后，实际上但仍会有少数带电粒子被逸出，而接地环内的狭长通道（即相邻同心接地圆环1之间所形成的通道）可进一步消除该少数带电粒子。更重要的是，接地环的存在还可显著减少反应腔内的射频泄露，增强设备的能源利用效率。

综上所述，现有技术（如中国专利公开CN101150909A）的接地环只具有上述的支架部分，仅依靠限制环对等离子体进行限制，强度不够，容易造成污染以及对腔体的腐蚀，并且，其射频泄露也较严重，射频能源利用效率较低；本发明引入了密集环结构的接地环概念，以辅助原限制环在保证气体进出流畅性的情况下对等离子体泄露进行进一步限制，并大幅降低射频能量的泄露程度，如图4、5所示，使用本发明所述的改进后的接地环代替现有的标准接地环后，对射频泄露的抑制效果和等离子体泄露的限制效果都大大增强（图4显示，使用本发明的接地环〈该接地环内相邻接地圆环之间的间距为限制环内相邻圆环之间间距的两倍〉后，使得在同等条件下，射频能量的泄露由约0.63大幅降低至约0.13，即降低了约80%；图5显示，使用本发明的接地环后，使得在其他同等条件下，射频源功率在7500W、9000W、11000W、12000W的状态下时，等离子体泄露分别由原先的约10、18、23、30降低至约4.5、5.5、8、9.5，即至少降低了50%或更多，图4与图5中作为本发明对比例的标准接地环是如中国专利公开CN101150909A中所示的电气接地元件71。），修正了现有技术对等离子体及射频限制不足的问题，实现了所期望的功效。

另外的实验也表明：当接地环内相邻接地圆环之间的间距为限制环内相邻圆环之间间距的1.5倍到3倍时，同样既可保证气体流畅性，也可改善射频与等离子体泄露。

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)

1.一种限制等离子体泄露的接地环，其设置在一反应腔腔体（6）内，该腔体（6）内包含一限制环（3），该限制环（3）包含多个同心圆环，其特征在于：

所述接地环包含多个半径逐渐增大的同心接地圆环（1），以形成一密集环结构，且该接地环位于所述限制环（3）下方，各个同心接地圆环（1）分别位于所述限制环（3）上相应同心圆环的正下方；所述接地环还包含一用于托住所述限制环（3）并固定所述的各个同心接地圆环（1）的支架（2），所述支架（2）包括多个沿径向延伸的托杆（21），所述托杆（21）的靠内一端连接于靠近中央的圆形框架（22），靠外一端为自由端；

每相邻两个同心接地圆环（1）之间的间距为所述限制环（3）上相邻两个同心圆环之间间距的1.5倍到3倍。

2.如权利要求1所述的限制等离子体泄露的接地环，其特征在于：

每相邻两个同心接地圆环（1）间的间距相等。

3.如权利要求1所述的限制等离子体泄露的接地环，其特征在于：

所述的接地环由铝材料制成。

4.如权利要求1所述的限制等离子体泄露的接地环，其特征在于：

所述的各个同心接地圆环（1）固定连接于托杆（21）的下表面。

5.如权利要求1所述的限制等离子体泄露的接地环，其特征在于：

所述的各个同心接地圆环（1）与所述支架（2）一体成型。

6.一种限制等离子体泄露的反应腔，其特征在于，包含：

反应腔腔体（6）；

限制环（3），其设置在所述的腔体（6）内，其包含多个同心圆环；

接地环，其设置在所述的腔体（6）内，并位于所述限制环（3）下方，该限制环（3）包含多个半径逐渐增大的同心接地圆环（1），以形成一密集环结构；所述接地环还包含一用于托住所述限制环（3）并固定各个同心接地圆环（1）的支架（2），所述支架（2）包括多个沿径向延伸的托杆（21），所述托杆（21）的靠内一端连接于靠近中央的圆形框架（22），靠外一端为自由端；

每相邻两个同心接地圆环（1）之间的间距为所述限制环（3）上相邻两个同心圆环之间间距的1.5倍到3倍。

7.如权利要求6所述的限制等离子体泄露的反应腔，其特征在于：

每相邻两个同心接地圆环（1）间的间距相等。

8.如权利要求6所述的限制等离子体泄露的反应腔，其特征在于：

各个同心接地圆环（1）分别位于所述限制环（3）上相应同心圆环的正下方。

9.如权利要求6所述的限制等离子体泄露的反应腔，其特征在于：

所述的接地环由铝材料制成。

10.如权利要求6所述的限制等离子体泄露的反应腔，其特征在于：

所述的各个同心接地圆环（1）固定连接于托杆（21）的下表面。