CN106937473B - 一种电感耦合等离子处理器 - Google Patents

Abstract

一种电感耦合等离子处理器，包括：一反应腔体围绕构成气密空间，反应腔体包括：反应腔体侧壁以及反应腔侧壁顶部依次叠放的一气体聚焦环、一上盖环，上盖环上方的绝缘材料窗。所述气体聚焦环包括中心的开口部和外侧的环形部，外侧环形部的上下表面通过环形密封圈与反应腔侧壁顶部以及上盖环实现密封。其特征在于所述上盖环下表面包括多个凹进的空腔，空腔内包括：弹性部件提供向下压力，一顶推部件包括上端连接到弹性部件，所述顶推部件可在弹性部件的驱动下进行上下移动，一限位部件固定到空腔内壁，所述限位部件包括横向延展的阻挡部以限制顶推部件的移动范围。

Description

一种电感耦合等离子处理器

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种电感耦合等离子处理器的上盖环。

背景技术

等离子处理器被广泛应用在半导体工业内，用来对待处理基片进行高精度的加工如等离子刻蚀、化学气相沉积（CVD）等。其中部分等离子处理工艺需要高浓度的等离子体，比如硅刻蚀工艺典型的如深孔硅刻蚀（TSV），因为需要刻蚀的通孔深度需要100um以上，所以只有高浓度的等离子处理腔才能达到具有经济价值的刻蚀速率（大于1um/s），而电感耦合等离子处理器就具有等离子浓度高的优势，所以被广泛应用。如图1为电感耦合等离子处理器的典型结构，等离子处理器包括反应腔壁100，腔壁100内包括位于底部的基台14，基台14用于支撑待处理基片，基台内还包括下电极。一个射频电源10输送低频的射频功率（2Mhz）到射频匹配器12，经过阻抗匹配后输出低频射频功率到基台14.围绕基台还设置有约束环18，用于防止反应腔内的等离子体泄露到下方排气系统形成污染。反应腔壁100顶部包括上盖环29用于反应气体进气管道设置和热量隔离。反应腔顶部上方包括绝缘材料窗28，绝缘材料窗通常由石英制成。绝缘材料窗28可以是如图1所示的圆形平板的也可以是向上隆起的穹顶形的，绝缘材料窗28上方设置有电感线圈24，线圈24通过至少两个射频电缆23a，23b连接到高频射频匹配器22，高频射频匹配器接收来自高频射频电源20（13.56Mhz）输出的射频功率，最终点燃反应腔100内的反应气体进行等离子处理。图2所示为图1中A处的局部放大图，图中一个气体聚集环27设置在上盖环29和反应腔侧壁100顶部之间，气体聚集环27包括位于外侧的环形部27a，和位于中心的圆形开口27b，环形部27a围绕开口27b。其中环形部27a可以由金属，比如铝制成，也可以在表面生长一层耐等离子刻蚀的材料层。环形部27a进一步包括第一部分位于上盖环29和反应腔侧壁上端之间，同时第一部分上下表面还包括用于容纳密封橡胶垫圈31、32的沟槽。环形部27a还包括过渡部分和第二部分，其中过渡部分从第一部分内侧向下垂直延伸，以在装配过程中实现位置匹配，第二部分位于第一部分下方呈圆环形，第二部分的外侧与过渡部分连接，内侧包括开口27b。

上盖环29可以具有不同的高度，通过选择不同高度的上盖环29，可以调控绝缘材料窗28与气体聚集环之间的空间高度。进一步的可以改变下方等离子的分布。一个接地的屏蔽罩30围绕电感线圈，防止射频能量向外部空间扩散。屏蔽罩30上开设有多个气流通道以使得气流流通带走射频功率馈入电感线圈24带来的热量。

电感线圈产生的磁场穿透过绝缘材料窗28进入反应腔，但是电感线圈本身作为导体也会与下方的基台14和接地的反应腔100形成电容耦合，电容耦合会导致绝缘材料窗28下表面的等离子鞘层变厚，更多高能粒子轰击绝缘材料窗28，这会导致颗粒物从绝缘材料窗28向下掉落到下方基片形成污染。所以现有技术在电感线圈24和绝缘材料窗28之间设置了一个法拉第屏蔽板25，法拉第屏蔽板25的面积非常大，覆盖了所有电感线圈与绝缘材料窗之间的空间。法拉第屏蔽板上同时开设足够面积的槽或孔形开口，以允许少量射频电场产生在电感线圈和下方电极之间，用于下方反应腔内等离子的点燃。

电感耦合反应器虽然有等离子浓度高的优点但是也有等离子浓度分布不均的缺点，电感线圈24产生的磁场向下进入反应腔，产生的感应电场强度由区域内的交变磁通量决定，而外围区域围绕中心区域所以外围的磁通量远大于中心区域，所以反应腔100内，外围区的等离子浓度高于中心区域的等离子浓度，相应的刻蚀速度也是外围的高于中心区域。同时下方的抽气装置位于基座外围，上方高浓度的等离子体在气流引导大部分都直接被抽到约束环18然后排出反应腔100，只有少部分扩散到基片表面进行等离子处理。这样的反应腔既无法获得高浓度等离子更无法获得等离子浓度的均匀分布。通过气体聚集环的设置可以使得气体聚焦环27上方原位产生的等离子体被引导流到中间的开口27b再向下扩散，在到达基座14上方基片位置时能够得到需要的均匀的等离子分布。

在带有气体聚焦环27的反应腔使用过程中，需要从反应腔顶部开腔维护或者更换部件时，由于气体聚焦环27质量较轻只有几公斤（比如2-6公斤），而且密封垫圈32与气体聚焦环27以及上盖环长期紧贴，两者互相粘结，在反应腔顶盖开启时气体聚焦环27会同时被带起。但是由于上盖环和气体聚焦环之间的粘接不是很紧密、很容易随着开启角度的增加而脱落，下落的气体聚焦环可能会砸伤操作人员，也可能倾斜砸到下方基座14上的昂贵的静电夹盘，造成其破损失效。

所以业内需要一种新的方法或装置解决在电感耦合等离子处理装置开启维护过程中气体聚焦环可能被粘在盖环上升起并脱落的风险。

发明内容

本发明解决的问题是在电感耦合等离子处理器在开腔过程中，防止质量较低的气体聚焦环被抬升并掉落，提高处理器的可靠性。

本发明提出了一种电感耦合等离子处理器，包括：一反应腔体围绕构成气密空间，反应腔体包括：反应腔体侧壁以及反应腔侧壁顶部依次叠放的一气体聚焦环、一上盖环，上盖环上方的绝缘材料窗；所述气体聚焦环包括中心的开口部和外侧的环形部，外侧环形部的上下表面通过环形密封圈与反应腔侧壁顶部以及上盖环实现密封；所述反应腔体内包括一基座，待处理基片固定到基座上方，绝缘材料窗上方包括电感线圈装置；所述电感线圈装置通过一个第一匹配器联通到第一射频电源；所述基座通过一个第二匹配器联通到第二射频电源；其特征在于所述上盖环下表面包括多个凹进的空腔，空腔内包括：一弹性部件提供向下压力，一顶推部件包括上端连接到弹性部件，所述顶推部件可以在所述弹性部件驱动下上下移动，一限位部件固定到空腔内壁，所述限位部件包括横向延展的阻挡部以限制顶推部件的移动范围。所述反应腔上盖环向上开启后所述顶推部件下端向下伸出所述空腔的下表面。

其中气体聚焦环的外侧环形部包括第一部分、第二部分和连接在第一、二部分之间的过渡部分，所述第一部分高于第二部分，其中过渡部分从第一部分内侧向下垂直延伸并与第二部分外周缘连接。上盖环上设置有多个进气口，向反应腔内通入反应气体。

所述限位部件可以是一个螺栓，第一端固定到空腔顶壁，第二端位于下方且包括一横向延展的阻挡部，所述弹性部件为弹簧，第一端接触所述空气顶壁，第二端接触所述顶推部件。所述顶推部件为一环套，围绕所述螺栓，所述环套包括上表面与所述弹簧第二端接触，还包括一下表面与所述气体聚焦环外侧的环形部接触，环套包括一向内延展的延伸部。

本发明限位部件也可以是一环套，所述环套外侧固定到空腔内侧壁，所述环套包括一向内延展的阻挡部，所述顶推部件为一推杆，所述推杆中间包括一延展部，所述弹性部件第一端固定到空腔顶部，第二端接触并给顶推部件的延展部上表面施加向下压力，顶推部件延展部的移动范围在所述套环的延伸部之上。

本发明多个空腔围绕在所述密封胶环外侧，所述气体聚焦环重量大于2公斤小于6公斤。

附图说明

图1是现有技术电感耦合等离子处理器示意图；

图2是图1现有技术电感耦合等离子处理器中A处的放大图；

图3是本发明电感耦合等离子处理器示意图；

图4a、4b本发明电感耦合等离子处理器下压机构第二实施例图。

具体实施方式

如图3所示为本发明电感耦合等离子处理器示意图，本发明与图1所示的现有技术相比具体相类似的基本结构，主要区别在于本发明的上盖环29底部包括一个下压机构，该下压机构包括多个为于上盖环29内的向上凹进的空腔，空腔内包括一个弹簧36，弹簧36的顶部压到空腔顶表面，弹簧36的底部接触一个提供向下压力的环套34，环套34内壁包括向内延伸的延伸部34a。弹簧底部与延伸部34a的上表面互相压紧，最终通过延伸部34a将压力传递到整个环套34，使得环套34具有向下方向的压力。下压机构还包括位于空腔中心的螺栓38，螺栓穿过所述环套延伸部34a内的孔和上方弹簧36的中心固定到空腔内顶部预设的带有内部螺纹的孔中。

在气体聚焦环27被安装到等离子反应腔100时，上盖环29与气体聚焦环、反应腔壁100依次互相通过外部机构如卡扣实现机械紧压，以实现气密，随后抽走反应腔100内的空气实现真空，此时气体聚焦环27和上盖环29之间的压力包括内外气压差施加在上盖环的压力P2，以及外部的机械压紧力P1，两个力均远大于下压机构向气体聚焦环27下压而对上盖环29产生的向上推力，所以气体聚焦环27能与上方的上盖环实现紧压和气密。随后就可以进行在真空环境下的等离子处理，在反应腔长期运行后，内部暴露到等离子体的部件会被腐蚀或者被反应产生的污染物覆盖，覆盖的污染物脱落或者碎裂都会对使基片造成质量影响。所以长时间运行后需要维护上述部件，以减少对等离子处理效果的影响。对这些部件如气体聚焦环27的维护，往往需要开腔才能实现。

当反应腔需要开腔维护或者替换部件时，首先向反应腔中充入空气，使得反应腔内气压与外界达到平衡，然后解除反应腔外侧的机械压紧装置提供的下压力P1，再由操作人员在支撑臂的辅助下手动向上掀起顶盖。在顶盖上升过程中，气体聚焦环27本身的重力与环套34向下推力大于密封胶环32与上盖环29之间的粘附的力，所以能够保证气体聚焦环27不会随着顶盖的上升而上升，被环套34产生的推力从上盖环29上分离，固定在反应腔侧壁100顶部。环套34向下压的过程中，延伸部34a会向下移动直到被螺栓38的向外扩的延展部38a上表面阻挡。

反应腔顶盖开启完成后可以手动将气体聚焦环27拿出并进行清洁等处理。完成反应腔开腔维护后可以将新的或者处理过的部件再次安装进反应腔，比如气体聚焦环27和密封胶环31、32安原有位置安装，然后降下反应腔顶盖，上盖环29也随顶盖同步下降，环套34的下端向下伸出上盖环内的空腔，环套34下端接触下方的气体聚焦环27上表面时开始收缩，直到上盖环29与气体聚焦环紧密贴合时环套34上升到最高位置，环套34内的延伸部34a与螺栓38的延展部38a之间存在一个间隙。

如图4所示为本发明上盖环29内多个空腔内设置的下压机构的第二实施例，与图3中的第一实施例相比区别在于，环套34的通过设置在外壁的螺纹固定到空腔内，螺栓38包括位于底部的延展部38a，和位于中间的延展部38b。延展部38b上表面与弹簧36下端接触，同时弹簧的上端固定到空腔顶部内壁，以施加向下压力到螺栓。如图4a所示，在反应腔运行过程中，螺栓38底部的延展部38a被压缩在空腔与气体聚焦环27a的接触面上。如图4b所示，在反应腔开腔之后，螺栓底部的延展部38a向下伸出，延展部38b的下表面与套环34内的延伸部34a接触，使得螺栓38不会向下掉落。

本发明通过在电感耦合等离子处理装置的上环盖下表面设置一个下压机构防止了反应腔开腔过程中发生的气体聚焦环掉落的风险。本发明下压机构包括位于反应腔上盖环内的空腔，空腔内包括一个弹性部件提供下压力，还包括一个可上下移动的顶推部件一端连接到弹性部件，以实现向下顶推，同时还包括一个限位装置使得顶推部件不会向下掉落出空腔。本发明下压机构结构简单，功能可靠，无需额外操作自动实现气体聚焦环的分离。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种电感耦合等离子处理器，包括：

一反应腔体围绕构成气密空间，反应腔体包括：反应腔体侧壁以及反应腔侧壁顶部依次叠放的一气体聚焦环、一上盖环，上盖环上方的绝缘材料窗；

所述气体聚焦环包括中心的开口部和外侧的环形部，外侧环形部的上下表面通过环形密封圈与上盖环以及反应腔侧壁顶部实现密封；

所述反应腔体内包括一基座，待处理基片固定到基座上方，绝缘材料窗上方包括电感线圈装置；所述电感线圈装置通过一个第一匹配器联通到第一射频电源；所述基座通过一个第二匹配器联通到第二射频电源；

其特征在于所述上盖环下表面包括多个凹进的空腔，空腔内包括：

一弹性部件提供向下压力，

一顶推部件包括上端连接到弹性部件，所述顶推部件在所述弹性部件驱动下上下移动，

一限位部件固定到空腔内壁，所述限位部件包括横向延展的阻挡部以限制顶推部件的移动范围。

2.如权利要求1所述的电感耦合等离子处理器，其特征在于，所述气体聚焦环的外侧环形部包括第一部分、第二部分和连接在第一、二部分之间的过渡部分，所述第一部分高于第二部分，其中过渡部分从第一部分内侧向下垂直延伸并与第二部分外周缘连接。

3.如权利要求2所述的电感耦合等离子处理器，其特征在于，所述上盖环上设置有多个进气口，向反应腔内通入反应气体。

4.如权利要求1所述的电感耦合等离子处理器，其特征在于，所述限位部件是一个螺栓，第一端固定到空腔顶壁，第二端位于下方且包括一横向延展的阻挡部，所述弹性部件为弹簧，所述弹簧的第一端接触所述空腔顶壁，第二端接触所述顶推部件。

5.如权利要求4所述的电感耦合等离子处理器，其特征在于，所述顶推部件为一环套，围绕所述螺栓，所述环套包括上表面与所述弹簧第二端接触，还包括一下表面与所述气体聚焦环外侧的环形部接触。

6.如权利要求5所述的电感耦合等离子处理器，其特征在于，所述环套包括一向内延展的延伸部与所述螺栓的阻挡部配合限制所述环套的上下运动范围。

7.如权利要求1所述的电感耦合等离子处理器，其特征在于，所述限位部件为一环套，所述环套外侧固定到空腔内侧壁，所述环套包括一向内延展的阻挡部，所述顶推部件为一推杆，所述推杆中间包括一延展部，所述弹性部件第一端固定到空腔顶部，第二端接触并给推杆的延展部上表面施加向下压力，顶推部件延展部的移动范围在所述套环的延伸部之上。

8.如权利要求1所述的电感耦合等离子处理器，其特征在于，所述多个空腔围绕在所述密封胶环外侧。

9.如权利要求1所述的电感耦合等离子处理器，其特征在于，所述气体聚焦环重量大于2公斤小于6公斤。

10.一种如权利要求1所述的电感耦合等离子处理器， 其特征在于，所述反应腔上盖环向上开启后所述顶推部件下端向下伸出所述空腔的下表面。