CN107146753A - 一种等离子体处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等离子体处理装置，包括一反应腔，所述反应腔内设置一上电极和一下电极，一供电装置设置于所述下电极下方，将射频功率施加到所述下电极上，所述下电极下方设置管道和电线，所述供电装置包括空心的射频输送管道，所述管道和电线设置于所述空心的射频输送管道内，不仅大大节约了下电极内部的空间，使得下电极内部有更多的空间实现对其他部件进行改进，同时，将材质较软的液体输送管道、气体输送管道及电线设置在形状较为固定的射频传输通道内部，避免了其在工艺过程中由于形状改变或位置改变导致的与接地环之间的距离发生改变进而对反应腔内的电场分布造成的影响。

Description

一种等离子体处理装置

技术领域

本发明涉及等离子体处理腔的电场分布调节领域，尤其涉及能够实现等离子体处理腔内电场分布稳定可控的技术领域。

背景技术

在等离子体处理装置中，一般包括圆柱形或其他形状的反应腔室，在反应腔室的底部设置有用于放置被处理基片的下电极，在反应腔室的顶部设置有上电极，所述上电极与所述下电极相对设置并在之间形成等离子体产生空间，通过在上电极和下电极之间施加射频电压，使得通入反应腔室内的气体形成等离子体，进而可以对放置在下电极上的被处理基片进行处理。

所述上电极和所述下电极之间形成的电磁场使得低压的反应气体被电离产生等离子体，电磁场强度能否均匀分布决定等离子体在反应腔室中能否均匀分布，从而决定待处理基片能否处理均匀；故电磁场在上下电极间的均匀分布是决定被处理基片加工能否均匀的关键因素。目前常用的射频电压通常施加于所述下电极，射频功率源通过射频匹配网络和射频输送棒与下电极相连，在下电极上方形成电磁场。在等离子体处理工艺中，不仅要向下电极施加射频功率，为了维持工艺所需的温度还需要在下电极内设置温度调节系统，因此，反应腔室内还需要设置控制温度调节系统的液体输送管道、电缆等线路，众多的线路会使得下电极内部空间拥挤，并且，由于下电极周围环绕设置一接地环，而管道、电缆等线路较为柔软，与接地环之间的距离很容易发生改变，会对下电极上方的电场分布造成影响。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种等离子体处理装置，包括一反应腔，所述反应腔内设置上下对应的一上电极和一下电极，一供电装置设置于所述下电极下方，将射频功率施加到所述下电极上，所述下电极下方设置管道和电线，所述供电装置包括至少一根空心的射频输送管道，所述管道和电线设置于所述空心的射频输送管道内。

优选的，所述供电装置包括三根空心的射频输送管道，所述三根射频输送管道与所述下电极有三个电连接点，所述三个电连接点构成一个同心圆。

优选的，所述三个电连接点中相邻两电连接点的距离相等。

优选的，所述管道包括至少一液体输送管道和至少一气体输送管道，所述液体输送管道，所述气体输送管道和所述电线分别位于一根射频输送管道内部。

优选的，所述液体输送管道，所述气体输送管道和所述电线位于同一根射频输送管道内部，也可分别位于不同的射频输送管道内部。

优选的，所述液体输送管道内部填充冷却水或其它冷却液，所述下电极下方设置若干液体输送管道，每一射频输送管道内设置一根液体输送管道。

优选的，所述气体输送管道内部填充氦气，所述下电极下方设置若干氦气输送管道，每一射频输送管道内设置一根氦气输送管道。

优选的，所述供电装置还包括至少一射频匹配电路，所述射频输送管道连接所述射频匹配电路。

优选的，所述的射频输送管道主体材料为铜。

优选的，所述射频输送管道的主体表面镀金或银材料。

本发明的优点在于：通过将射频传输通道设置为空心结构，并将向控制下电极加热冷却作用的管道、气体输送管道及电线放置在射频传输通道的空心结构内，不仅大大节约了下电极内部的空间，使得下电极内部有更多的空间实现对其他部件进行改进，同时，将材质较软的液体输送管道、气体输送管道及电线设置在形状较为固定的射频传输通道内部，避免了其在工艺过程中由于形状改变或位置改变导致的与接地环之间的距离发生改变进而对反应腔内的电场分布造成的影响， 而且管道、气体输送管道及电线和射频输送管道之间没有射频耦合的产生，从而避免管道、气体输送管道及电线等受到射频的干扰。采用本发明所述的等离子体处理装置具有更加简洁的结构设置，部件设置更为合理。

附图说明

本说明书中包含的附图，作为本说明书的一部分，示例性地示出了本发明的实施方式，并与说明书一起用于解释和说明本发明的原理。附图旨在以图示的方式说明所述实施例的主要特征。附图的目的并不在于描述实际实施方式的每个特征和所描绘元件的相对尺寸，所述元件并非按比例绘制。

图1示出本发明所述的等离子体处理腔的结构示意图；

图2示出本发明所述下电极及其下方部件的立体示意图。

具体实施方式

图1示出了本发明所述的一种等离子体处理装置的结构示意图，所述等离子体处理装置100包括由外壁1围成的可抽真空反应腔110，靠近反应腔底部设置一用于支撑待处理基片10的下电极3，环绕下电极3设置隔离环7及环绕隔离环7设置的接地环6等部件。靠近反应腔顶部与下电极3对应设置上电极13，上电极13背对下电极3的一面连接反应气体源120，上电极13上设置有允许反应气体通过的小孔，同时作为将反应气体源120中的反应气体输送到反应腔110内的气体喷淋头。在反应腔下方设置一真空泵14用于对反应腔抽真空并维持反应腔内气压在所需大小。为了将反应气体解离为等离子体，需要向反应腔内提供射频功率，本发明中，射频功率源20通过供电装置将射频信号施加到所述下电极3的适合位置。使得上电极和下电极之间形成一个均匀电场，从而反应气体能在上电极和下电极之间解离为均匀分布的等离子体，实现对基片10的均匀处理。

供电装置包括一射频匹配网络25和射频传输通道，射频功率源20输出的射频信号经射频匹配网络25及射频传输通道施加到下电极3 上。为了将射频功率源20中的射频功率施加到反应腔内，首先射频功率源的输出要进入一个射频匹配网络25内，在将射频功率输入到反应腔时，并非所有的射频能量都能被顺利的输入，真空反应腔一般具有上下电极的容性阻抗。其对射频能量输入具有一定的反射率，因此一部分能量不能输入造成了能量的浪费，更严重的是这部分能量被反馈回输入电路，导致输入电路发热甚至烧毁。由于对射频功率源而言真空反应腔可以等效为一个容性阻抗的负载，因而其阻抗值是一个负数阻抗。理论证明当输入电路的阻抗值与之互为共轭复阻抗时，其反射率最低，能量能够充分输入。因此在输入网络中加入适当的电容和电感组成与真空反应室的阻抗相共轭的匹配。这种利用电容和电感组成的输入网络被称之为射频匹配网络。射频匹配网络25的输出通过至少一个射频传输通道输送到下电极3上。

在等离子体处理过程中，为了达到工艺所需的温度，下电极3内设置有加热系统和冷却系统。通常，下电极3内的加热系统采用加热丝的方式进行加热，通过在反应腔外部设置加热电源，利用电线将加热电源与加热丝连接实现对加热丝的加热控温。冷却系统通常采用液体冷却的方式，通过在下电极3内设置冷却通道15，利用冷却液输送管道将反应腔外部的冷却液输送到冷却通道内，实现对下电极的降温控制。此外，在处理过程中，为了保持基片在处理过程中位置固定，需要在下电极3上设置直流电极，用于吸附基片，在等离子体处理工艺结束后，为了实现对基片10的去夹持，还需要在基片背面通入氦气，这也需要电线及气体管道从反应腔外部输送到下电极内。由此可见，由于反应工艺必不可少的需求，下电极内部除了要设置输送射频功率的射频传输通道外，至少还需要设置气体输送管道，液体输送管道以及电线等。

下电极内部设置众多管道及线路不仅会使得下电极内部空间非常凌乱拥挤，同时，上述管道和线路多为软体材料，易在工艺过程中发生位置变动，由于下电极3外围设置接地环6，当下电极空间内的管道或线路与接地环6之间的距离发生变化时，会对上电极和下电极之间的电场分布造成影响，进而会影响反应腔内的电场分布。

本发明为了解决下电极内部管道线路拥挤的问题，同时为了保证工艺过程中反应腔内电场分布的均匀性和稳定性，本发明提供一种等离子体处理装置。图2示出本发明所述下电极及其下方部件的立体示意图，在本发明中，射频传输通道2设置为空心结构，将下电极内部的管道线路设置在射频传输通道2的空心结构内部。这种设计不仅能够大大节省下电极内部空间，还可以对材质较软的气体输送管道、液体输送管道及电线形成约束，避免其位置发生变化。

目前常用的射频传输通道通常为实心结构，在将射频功率源中的射频信号施加给下电极时，由于射频功率源输出的射频信号频率较高，基于交流电流传导会产生“趋肤效应”，高频电流在导线中产生的磁场在导线的中心区域感应出最大的电动势，由于感应的电动势在闭合电路中产生感应电流，在导线中心的感应电流最大。因为感应电流总是在减小原来电流的方向，它迫使电流只限于靠近导线外表面处。“趋肤效应”产生的原因主要是变化的电磁场在导体内部产生了涡旋电场，与原来的电流相抵消。因此，在射频传输通道传输射频功率过程中，射频信号主要通过射频传输通道的外表面进行传输。因此，本发明将射频传输通道设置为空心结构并不会影响射频信号的传输。

图2所示的实施例示意性的示出了射频传输通道2的数量为3，并且分别列举了气体管道4，液体输送管道8、加热电线5及施加到下电极的直流电极上的电线数量不限。液体输送管道8内部填充冷却水或其它冷却液，气体管道4内部填充氦气等。气体管道4，液体输送管道8及加热电线5分别设置在一个射频传输通道2的空心结构内。施加到下电极的直流电极上的电线可以位于任何一个射频传输通道2内部。

在其他实施例中，所述下电极下方设置若干液体输送管道，因此在每一射频输送管道内设置至少一根液体输送管道。所述下电极下方设置若干氦气输送管道，每一射频输送管道内设置至少一根氦气输送管道。射频传输通道2也可以为其他数量，气体管道4，液体输送管道8及电线也可以选择设置在一个或两个射频传输通道内。为了保证射频传输通道2能将射频功率源20中的射频功率均匀的施加到下电极上，优选的设置所述射频输送管道与所述下电极的电连接点构成一个同心圆，所述电连接点中相邻两电连接点的距离相等。

射频传输通道2的材料通常选择电的良导体，本发明选择射频输送管道主体材料为铜，同时在主体表面铜表面镀金或银材料。

本发明通过将射频传输通道2设置为空心结构，并将向控制下电极加热冷却作用的管道电线放置在射频传输通道的空心结构内，不仅大大节约了下电极内部的空间，使得下电极内部有更多的空间实现对其他部件进行改进，同时，将材质较软的液体输送管道、气体输送管道及电线设置在形状较为固定的射频传输通道2内部，避免了其在工艺过程中由于形状改变或位置改变导致的与接地环之间的距离发生改变进而对反应腔内的电场分布造成的影响。采用本发明所述的等离子体处理装置具有更加简洁的结构设置，部件设置更为合理。

本发明是参照具体实施方式描述的，其所有方面都应为示例性而非限定性的。此外，通过本文所描述的本发明具体实施例和实施，本发明其他实施方式对于本领域技术人员应是显而易见的。所述实施方式的不同方面和/或元件可以在等离子体处理腔领域中单独或以任意组合使用。上述具体实施例应被视为仅为示例性的，本发明的范围和精神则是由权利要求书定义的。

Claims (10)

1.一种等离子体处理装置，包括一反应腔，所述反应腔内设置一上电极和一下电极，一供电装置设置于所述下电极下方，将射频功率施加到所述下电极上，其特征在于：所述下电极下方设置管道和电线，所述供电装置包括空心的射频输送管道，所述管道和电线设置于所述空心的射频输送管道内。

2.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述供电装置包括三根空心的射频输送管道，所述三根射频输送管道与所述下电极有三个电连接点，所述三个电连接点构成一个同心圆。

3.如权利要求2所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述三个电连接点中相邻两电连接点的距离相等。

4.如权利要求2所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述管道包括液体输送管道和气体输送管道，所述液体输送管道，所述气体输送管道和所述电线分别位于一根射频输送管道内部。

5.如权利要求4所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述液体输送管道，所述气体输送管道和所述电线位于同一根射频输送管道内部。

6.如权利要求4所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述液体输送管道内部填充冷却水或其它冷却液，所述下电极下方设置若干液体输送管道，每一射频输送管道内设置至少一根液体输送管道。

7.如权利要求4所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述气体输送管道内部填充氦气，所述下电极下方设置若干氦气输送管道，每一射频输送管道内设置至少一根氦气输送管道。

8.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述供电装置还包括至少一射频匹配电路，所述射频输送管道连接所述射频匹配电路。

9.如权利要求2所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述的射频输送管道主体材料为铜。

10.如权利要求9所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述射频输送管道的主体表面镀金或银材料。