CN108022821B - 等离子体处理装置及气体通道的耐腐蚀防护方法 - Google Patents

等离子体处理装置及气体通道的耐腐蚀防护方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种等离子体处理装置及气体通道的耐腐蚀防护方法，在向反应腔引入反应气体的气体通道内侧设置衬套，使反应气体在衬套内输送；所述衬套由防止反应气体腐蚀的材料制成；所述衬套与气体通道的内壁接触或存在间隙，或与气体通道内壁上形成的表面处理保护层的内壁接触或存在间隙，实现双重保护。还可以环绕所述衬套上的反应气体的出口端和/或入口端设置O型槽。本发明解决了反应腔腔盖的表面处理保护层与基底材料的热膨胀系数不一致带来的问题，避免由表面处理保护层的热微裂现象对腔盖造成腐蚀的影响；衬套的设置避免了由于腐蚀性气体不断消耗造成的工艺结果漂移。

Description

等离子体处理装置及气体通道的耐腐蚀防护方法
技术领域
本发明涉及蚀刻设备的耐腐蚀防护技术，特别涉及一种等离子体处理装置及气体通道的耐腐蚀防护方法。
背景技术
等离子体处理装置，通常将反应气体引入到反应腔内生成等离子体，用来对反应腔内底部基座上的半导体基板进行蚀刻等处理。
如图1所示，现有的电感耦合型等离子体处理装置(以下简称ICP装置)中，反应腔的腔体10侧壁之上设有环形的腔盖20，并在腔盖20之上设有介电窗30；气体通道40的第一通道41与腔盖20外的气体管道连通，还在腔盖20内部与横向布置的第二通道42连通，通过第二通道42连通开设在腔盖20内侧侧壁的开口，将反应气体从侧边引入到反应腔内。
为了提高气体通道40的耐腐蚀效果，通常进行表面处理，如阳极氧化工艺，如图2所示，第一通道41及第二通道42表面形成的表面处理保护层60(阳极氧化层)可以有效地抵抗腐蚀性气体。然而，在腔盖20内一般配备有加热器50，用来满足ICP装置的温度控制需求。腔盖20(即气体通道)的基底为铝材，其热膨胀系数约在21.6×10E-6，而阳极氧化层的热膨胀系数一般小于10×10E-6；高温情况下，所述阳极氧化层与基底铝材的热膨胀系数不一致，再加上频繁的热循环(thermal cycle)，导致基底铝材表面的阳极氧化层被热破坏，产生微裂纹，进而将基底铝材暴露。这种情况下腐蚀性气体可以穿过阳极氧化层的微裂纹接触基底铝材，会局部腐蚀基底铝材，造成腔体10内部的金属污染，对腐蚀性反应气体的消耗也会引起刻蚀结果的不断漂移。一旦气体通道40被腐蚀严重，就需要直接更换新的腔盖20，成本巨大。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提供一种等离子体处理装置及气体通道的耐腐蚀防护方法，设置耐腐蚀的衬套，保护反应腔腔盖内的气体通道不被输送的反应气体腐蚀。
为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供一种等离子处理装置，其包括一腔体，所述腔体上端包括腔盖，该腔盖上方包括介电窗，所述腔体、腔盖和介电窗围绕形成反应腔；
反应腔的腔盖内设有气体通道包含的一个第一通道和多个第二通道，经过多个所述第二通道将所述第一通道与腔盖内侧壁上的多个导气孔相应连通，通过多个导气孔将所述气体通道内的反应气体导入到反应腔内，所述反应腔内设有底部基座来放置待处理的基板；
所述腔盖或者腔体设置有加热器；
所述气体通道内设置有衬套，所述衬套由防止反应气体腐蚀的材料制成；所述衬套包括在所述第一通道内壁设置的第一衬套部，和在多个第二通道内壁对应设置的多个第二衬套部，所述第一衬套部与第二衬套部互相气密，使反应气体通过第一衬套部及第二衬套部内部输送到反应腔内。
优选地，所述第一衬套部外壁与气体通道的第一通道内壁之间存在间隙。
优选地，制成所述第一衬套部的材料选自Al2O3、Y2O3、AlN、哈氏合金之一。
优选地，所述气体通道的内壁包括表面处理保护层，所述表面处理保护层是阳极氧化层；所述气体通道的基底由铝制成。
优选地，制成所述衬套的材料是以下的任意一种：特氟龙、聚醚酰亚胺、聚醚醚酮，所述衬套外壁与气体通道内壁接触。
优选地，所述腔盖内设有O型圈，其环绕着所述衬套上对应反应气体出口端和/或入口端的部位，或环绕着所述衬套上对应气体通道管段交接的部位。
优选地，所述气体通道包含相连通的多个管段，所述衬套包含多个衬套组件，各个衬套组件分别设置于结构相匹配的管段内，组装这些衬套组件得到所述衬套。
本发明的另一个技术方案是提供一种气体通道的耐腐蚀防护方法，其中在向反应腔导入反应气体的气体通道内侧设置衬套，使反应气体在衬套内输送；所述衬套由防止反应气体腐蚀的材料制成；
所述衬套外壁与气体通道的内壁接触或存在间隙，或者所述衬套外壁与表面处理保护层的内壁接触或存在间隙；位于气体通道的内壁上的所述表面处理保护层，由防止反应气体腐蚀气体通道内壁的材料制成；
所述反应腔内设有底部基座来放置待处理的基板；所述反应腔包括一腔体，所述腔体上端包括腔盖，该腔盖上方包括介电窗，所述腔体、腔盖和介电窗围绕形成反应腔；所述腔盖或腔体内设置有根据热循环指令开启或关闭的加热器。
优选地，将O型圈设置在环绕所述衬套上对应反应气体出口端和/或入口端的部位，或环绕所述衬套上对应气体通道管段交接的部位。
优选地，所述表面处理保护层是阳极氧化层；所述气体通道的基底由铝制成；制成衬套的防止反应气体腐蚀的材料，是以下的任意一种：特氟龙、聚醚酰亚胺、聚醚醚酮、Al2O3、Y2O3、AlN、哈氏合金。
与现有技术相比，本发明提供的等离子体处理装置及气体通道的耐腐蚀防护方法，解决了反应腔腔盖的表面处理保护层与基底材料的热膨胀系数不一致带来的问题，避免由表面处理保护层的热微裂现象对腔盖造成腐蚀的影响；衬套的设置避免了由于腐蚀性气体不断消耗造成的工艺结果漂移。在表面处理保护层基础上设置衬套，实现双重保护。
附图说明
图1是等离子体处理装置中侧边进气的反应腔的结构示意图；
图2是现有技术中气体通道设置表面处理保护层的示意图；
图3是本发明中气体通道设置衬套的示意图；
图4是本发明中气体通道设置表面处理保护层及衬套的示意图；
图5是本发明中设置O型圈的示意图。
具体实施方式
配合参见图1、图3所示，本发明示出一种等离子体处理装置，例如是电感耦合型等离子体处理装置(以下简称ICP装置)。其中，在反应腔的腔体10侧壁之上设有环形的腔盖20，并在腔盖20之上设有介电窗30，用以布置连接射频功率的感应线圈等。腔盖20内设有气体通道40将反应气体从外部引入到反应腔内，电离形成反应气体的等离子体，用来对腔内底部基座上承载的半导体基片进行蚀刻等处理。
本示例中，在与腔盖20中心径向距离相同的环形位置开设气体通道40的第一通道41；第一通道41与腔盖20外的气体管道连通，还在腔盖20内部与横向布置的第二通道42连通；第二通道42在腔盖20内侧侧壁设置开口，例如是在腔盖20内侧侧壁上环向均匀排列的一组导气孔，或者是一个整体的环形导气槽等，将气体通道40输送的反应气体从侧边导入到反应腔内。然而，本发明对于气体通道以其他形式设置，或者使反应气体从其他位置进入反应腔不做限制。
所述腔盖20内，设置有实现温度调控的加热器50。考虑到气体通道40的表面处理保护层60(如阳极氧化层)的热膨胀系数，难以和基底铝材热膨胀系数一致，在不均匀加热、热循环频繁发生等情况下，不可避免地会由于热膨胀系数不一致造成表面处理保护层的热微裂，进而腐蚀性气体可以穿过表面处理保护层60的微裂纹接触基底铝材，使零件失效。而如果气体通道40表面不做表面处理，直接裸露，会引起更严重的腐蚀结果。
鉴于此，本发明在腔盖20内的气体通道40中设置衬套70，这种衬套70被直接安放在气体通道40的第一通道41及第二通道42中，不会由于热膨胀系数与腔盖20基底铝材的不同而造成热裂。为了抵抗腐蚀性气体，衬套70的材料为耐蚀性材料，如Teflon(特氟龙),ULTEM(聚醚酰亚胺)，PEEK(聚醚醚酮)，Al2O3，Y2O3，AlN等非金属材料，或哈氏合金等耐蚀合金的金属材料等。
在不同的示例中，根据气体通道的不同结构，衬套可以由一个整体部件构成，也可以由多个组件组装而成；各组件分别置于气体通道中形状、尺寸与该组件均相互匹配的管段后，将组件相应连接且连通，并对组件间的接口处进行密封处理防止腐蚀性气体漏出。
本例中，所述衬套70包含第一衬套部71和多个第二衬套部72，分别与气体通道40的第一通道41和多个第二通道42相匹配。这些第二通道42在腔盖20内沿径向呈放射状布置，并在腔盖20内侧壁形成多个导气孔，多个第二衬套部72相应安装到这些第二通道42内；第一衬套部71大致为环形槽状结构，其通过腔盖20顶部的开口安装到第一通道41内，第一衬套部71与第二衬套部72通过粘结、焊接、设置紧固件等各种方式相互连接，使第一衬套部71内侧壁开设的接口与各个第二衬套部72相应连通且气密。
在如图4所示的另一些示例中，腔盖20的气体通道40内同时具有表面处理保护层60(如阳极氧化层)及上述衬套70，使所述衬套70位于表面处理保护层60的内侧，腐蚀性反应气体在衬套70内输送，形成双重保护。
所述衬套70与气体通道40/表面处理保护层60的内壁之间，可以相互接触或存在间隙，该间隙使得衬套70和气体通道40内壁在温度变化中不会发生互相挤压，避免在衬套70上形成材料微裂缝。一些示例中，特氟龙、聚醚酰亚胺、聚醚醚酮等材质较软的衬套70可以与气体通道40/表面处理保护层60内壁接触，Al2O3、Y2O3、AlN、哈氏合金等材质较硬的衬套70则一般留有间隙。另一些示例中，使第一衬套部71与第一通道41或其表面处理保护层60内壁存在间隙。
如图5所示，还可以为上述任意一种示例结构的衬套70的反应气体出口端和/或入口端附近配置有O型圈80来加强密封效果。例如，在腔盖20或衬套70上对应气体通道40输入口(本例中分别环绕第一通道41顶部内侧和外侧)的位置，开设凹槽并布置O型圈80，防止因腔盖20与介电窗30等部件连接不严密、外部气体管道破损等，导致反应气体漏出并对气体通道40输入口附近腐蚀；例如，在腔盖20或衬套70上对应气体通道40输出口(本例中分别环绕第二通道42的导气孔处)开设凹槽并布置O型圈80，防止反应气体未及时从输出口向反应腔内其他区域扩散，而对气体通道40输出口附近腐蚀。又例如，还可以在衬套70外侧对应第一通道41与第二通道42交接的位置设置O型圈，等等。
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 (9)

1.一种等离子处理装置，包括一腔体，所述腔体上端包括腔盖，该腔盖上方包括介电窗，所述腔体、腔盖和介电窗围绕形成反应腔，其特征在于，
反应腔的腔盖内设有气体通道包含的一个第一通道和多个第二通道，经过多个所述第二通道将所述第一通道与腔盖内侧壁上的多个导气孔相应连通，通过多个导气孔将所述气体通道内的反应气体导入到反应腔内，所述反应腔内设有底部基座来放置待处理的基板；
所述腔盖或者腔体设置有加热器；
所述气体通道内设置有衬套，所述衬套安放在气体通道的第一通道及第二通道中，所述衬套由防止反应气体腐蚀的材料制成；所述衬套包括在所述第一通道内壁设置的第一衬套部，和在多个第二通道内壁对应设置的多个第二衬套部，所述第一衬套部与第二衬套部互相气密，使反应气体通过第一衬套部及第二衬套部内部输送到反应腔内；
当衬套采用软质材料，则衬套与气体通道内壁接触，软质材料是以下的任意一种：特氟龙、聚醚酰亚胺、聚醚醚酮；或当衬套采用Al2O3、Y2O3、AlN、哈氏合金之一，则衬套与气体通道之间设有间隙。
2.如权利要求1所述的等离子处理装置，其特征在于，制成所述第一衬套部的材料选自Al2O3、Y2O3、AlN、哈氏合金之一。
3.如权利要求1所述的等离子处理装置，其特征在于，所述气体通道的内壁包括表面处理保护层，所述表面处理保护层是阳极氧化层；所述气体通道的基底由铝制成。
4.如权利要求1所述的等离子处理装置，其特征在于，所述衬套外壁与气体通道内壁接触。
5.如权利要求1或3所述的等离子处理装置，其特征在于，所述腔盖内设有O型圈，其环绕着所述衬套上对应反应气体出口端和/或入口端的部位，或环绕着所述衬套上对应气体通道管段交接的部位。
6.如权利要求1或3所述的等离子处理装置，其特征在于，所述气体通道包含相连通的多个管段，所述衬套包含多个衬套组件，各个衬套组件分别设置于结构相匹配的管段内，组装这些衬套组件得到所述衬套。
7.一种气体通道的耐腐蚀防护方法，其特征在于，在向反应腔导入反应气体的气体通道内侧设置衬套，使反应气体在衬套内输送；所述衬套由防止反应气体腐蚀的材料制成；
当衬套采用软质材料，则衬套外壁与气体通道内壁或表面处理保护层的内壁接触，软质材料是以下的任意一种：特氟龙、聚醚酰亚胺、聚醚醚酮；或当衬套采用硬质材料，则衬套外壁与气体通道内壁或表面处理保护层的内壁之间存在间隙，硬质材料为Al2O3、Y2O3、AlN、哈氏合金之一；
位于气体通道的内壁上的所述表面处理保护层，由防止反应气体腐蚀气体通道内壁的材料制成；
所述反应腔内设有底部基座来放置待处理的基板；所述反应腔包括一腔体，所述腔体上端包括腔盖，该腔盖上方包括介电窗，所述腔体、腔盖和介电窗围绕形成反应腔；所述腔盖或腔体内设置有根据热循环指令开启或关闭的加热器。
8.如权利要求7所述的耐腐蚀防护方法，其特征在于，将O型圈设置在环绕所述衬套上对应反应气体出口端和/或入口端的部位，或环绕所述衬套上对应气体通道管段交接的部位。
9.如权利要求7或8所述的耐腐蚀防护方法，其特征在于，
所述表面处理保护层是阳极氧化层；
所述气体通道的基底由铝制成；
制成衬套的防止反应气体腐蚀的材料，是以下的任意一种：特氟龙、聚醚酰亚胺、聚醚醚酮、Al2O3、Y2O3、AlN、哈氏合金。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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CB02 Change of applicant information
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Address after: 201201 No. 188 Taihua Road, Jinqiao Export Processing Zone, Pudong New Area, Shanghai

Applicant after: Medium and Micro Semiconductor Equipment (Shanghai) Co., Ltd.

Address before: 201201 No. 188 Taihua Road, Jinqiao Export Processing Zone, Pudong New Area, Shanghai

Applicant before: Advanced Micro-Fabrication Equipment (Shanghai) Inc.

GR01 Patent grant
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