CN110277298A - 一种射频旋转接头及设置有射频旋转接头的离子刻蚀系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种射频旋转接头及设置有射频旋转接头的离子刻蚀系统，所述射频旋转接头包括用于接入偏置电极的射频转子和用于接入射频电流的射频定子，所述射频定子内设置有转孔；所述射频转子可转动置于转孔内；所述转孔的内壁与射频转子外壁之间嵌入设置有由球状金属颗粒构成的导电夹套。本发明通过射频定子和射频转子之间的由球状金属颗粒构成的导电夹套，保证射频电流在旋转接头和偏置电极之间的有效连接，还能保证射频转子在射频定子内顺滑转动，满足衬底在连接旋转接头后的旋转需求，提高离子刻蚀系统种镀膜和刻蚀的速率和均匀性。所述离子刻蚀系统通过动密封装置连接旋转平台、衬底和射频转子，同时满足刻蚀腔体的真空密封需求。

Description

一种射频旋转接头及设置有射频旋转接头的离子刻蚀系统

技术领域

本发明属于半导体刻蚀技术领域，尤其涉及一种射频旋转接头及设置有射频旋转接头的离子刻蚀系统。

背景技术

在半导体设备中，电气和流体在旋转件和支撑件之间的连接往往是存在的，当旋转件在支撑件上旋转时，这些连接可能不期望的绕自己、旋转件、支撑件或是设备中其他机制扭转或旋绕，这些扭转或旋绕可能会阻止旋转件绕一个方向连续旋转，所以这里就需要旋转接头，使得电气或流体入口端不随着旋转件旋转。

传统的离子束蚀刻工艺通常涉及在蚀刻期间使衬底倾斜和旋转。在传统的方法中，衬底倾斜被用来控制撞击衬底的离子的入射角，从而控制蚀刻特征的蚀刻速率和形成的外形。刻蚀刻速率取决于入射角，最快的蚀刻发生在约60°的入射角处。入射角作为在离子轨迹和衬底表面的垂直线之间的角度。在形成垂直特征的许多情况下，在单一的蚀刻操作中使用多个倾斜角度，在蚀刻期间衬底旋转。第一倾斜角可以用于形成蚀刻特征的侧壁，第二倾斜角可用于清理/ 整形诸如在特征的底部侧壁附近的肩部区的某些区中的特征。这种整形可能有利于去除在蚀刻期间再沉积( 例如，通过回溅射) 到特征的侧壁上的某些物质。在单个蚀刻工艺中，也可以使用其它角度。衬底旋转用于均衡在晶片表面上的离子束覆盖，使得在衬底表面上的离子通量更均匀。同理，在使用离子刻蚀系统进行物理气相沉积工艺时，衬底也将需要旋转，来增加镀膜均匀性。

源于衬底旋转的某些处理困难涉及到在衬底支撑件上或在其内的电气和流体连接。当衬底在衬底支撑件上旋转时，这些连接可能会不期望地绕自己、衬底支撑件或在反应室中的其它机制扭转和/ 或旋绕。这种扭转和/ 或旋绕可能会防止衬底在一个方向上连续旋转。现有技术中，通常采用旋转水接头为衬底提供冷却流体，采用旋转信号接头将信号线接入衬底。

在离子束蚀刻工艺中，衬底如果加入射频会使镀膜和刻蚀的速率大大提高，然而现有技术中向衬底接入射频电流的接头不能满足衬底的旋转要求。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种射频旋转接头及设置有射频旋转接头的离子刻蚀系统，所述射频旋转接头不仅可以保证射频电流在旋转接头和偏置电极之间的有效连接，而且射频旋转接头满足衬底在连接旋转接头后的旋转需求，提高离子刻蚀系统镀膜和刻蚀的速率和均匀性；所述射频旋转接头及离子刻蚀系统的结构简单，所述射频旋转接头与离子刻蚀系统连接方式多样，满足多种应用场合。

技术方案：本发明提出一种用于离子刻蚀系统的射频旋转接头，包括用于接入偏置电极的射频转子和用于接入射频电流的射频定子，所述射频定子内设置有转孔；所述射频转子可转动置于转孔内；所述转孔的内壁与射频转子外壁之间嵌入设置有由球状金属颗粒构成的导电夹套。

进一步，所述导电夹套的两端设置有转动密封件。

进一步，所述转动密封件是压装在转孔的内壁与射频转子外壁之间的X形密封圈。

进一步，所述射频转子与射频定子之间还设置有轴承。

本发明还提出一种离子刻蚀系统，包括上述的射频旋转接头。

进一步，所述离子刻蚀系统还包括匹配器和射频连接柱；所述射频连接柱的一端导电连接射频定子，所述射频连接柱的另一端连接所述匹配器的输出端口；且所述射频连接柱的外侧包裹设置有绝缘外壳；所述射频连接柱的外周设置有接地的金属屏蔽环。

进一步，所述离子刻蚀系统还包括刻蚀腔体和匹配器连接板；所述匹配器的外壳通过匹配器连接板导电连接固定在刻蚀腔体外壁上。

进一步，所述匹配器连接板与绝缘外壳的外周固定连接；所述绝缘外壳与所述射频连接柱固定连接；所述金属屏蔽环导电连接固定在匹配器连接板上。

进一步，所述离子刻蚀系统还包括位于刻蚀腔体内的衬底和固定在衬底上的偏置电极；所述刻蚀腔体上开设有接入孔；所述刻蚀腔体外侧还设置有旋转平台；所述旋转平台的旋转轴线与射频转子的旋转轴线同轴；所述衬底与旋转平台通过动密封装置连接；

所述动密封装置包括转动件和轴封套装在转动件外侧的静止件；所述静止件密封套装在所述接入孔上；所述转动件的一端密封连接在衬底上，另一端固定在旋转平台上；

所述旋转平台和转动件均设置有沿射频转子的旋转轴线开设的通孔；所述射频转子穿过旋转平台和转动件的通孔，连接衬底。

进一步，所述动密封装置为磁流体密封装置。

有益效果：本发明的射频旋转接头通过射频定子和射频转子之间的由球状金属颗粒构成的导电夹套不仅可以保证射频电流在旋转接头和偏置电极之间的有效连接，还能保证射频转子在射频定子内顺滑转动，满足衬底在连接旋转接头后的旋转需求，提高离子刻蚀系统种镀膜和刻蚀的速率和均匀性。

所述离子刻蚀系统通过动密封装置连接旋转平台、衬底和射频转子，同时满足刻蚀腔体的真空密封需求。

所述射频旋转接头及离子刻蚀系统的结构简单，所述射频旋转接头与离子刻蚀系统连接方式多样，满足多种应用场合。

附图说明

图1为本发明的离子刻蚀系统的结构示意图；

图2为本发明的射频旋转接头的结构示意图；

图3为本发明的射频旋转接头连接匹配器的结构示意图；

图4为本发明的射频转子连接偏置电极的一端的第一实施方式的结构示意图；

图5为本发明的射频转子连接偏置电极的一端的第二实施方式的结构示意图；

图6为本发明的射频转子连接偏置电极的一端的第三实施方式的结构示意图；

图7为本发明的射频定子连接射频连接柱的一端的第一实施方式的结构示意图；

图8为本发明的射频定子连接射频连接柱的一端的第一实施方式的结构示意图；

图9为本发明的射频定子连接射频连接柱的一端的第一实施方式的结构示意图；

图10为本发明的刻蚀腔体内的俯视图。

具体实施方式

如图2，本发明提出一种用于离子刻蚀系统的射频旋转接头，包括用于接入偏置电极19的射频转子1和用于接入射频电流的射频定子2，所述射频定子2内设置有转孔；所述射频转子1可转动置于转孔内；所述转孔的内壁与射频转子1外壁之间嵌入设置有由球状金属颗粒构成的导电夹套3，球状金属颗粒优选采用导电系数优良的铜。

导电夹套3的球状金属颗粒一颗颗紧密排列，因此导电夹套3使得射频转子1可在射频定子2的转孔内顺滑转动，同时使得射频转子1和射频定子2之间在转动时保持可靠的电性接触，这样的设计保证了射频的有效连接，不会因为接触不良而产生大量发热的情况。

为防止球状金属颗粒在运动过程中沿轴向位移泄露，所述导电夹套3的两端设置有转动密封件5，所述转动密封件5优选为压装在转孔的内壁与射频转子1外壁之间的X形密封圈。X形密封圈不仅密封效果好，还具有较低的摩擦力、能较好克服扭转、可获得更好的润滑，适合在较低的转速下作为轴向密封使用。

所述射频转子1与射频定子2之间还设置有轴承4，用于提供射频转子1与射频定子2之间的支撑及转动。为了便于安装，同时为了防止射频转子1和轴承4有轴向和径向相对运动，射频转子1设计成多台阶的圆柱形，射频定子2设计成内部多台阶的圆柱套筒，并均开有安装卡簧6的卡槽，台阶和卡簧6共同限制了射频转子1和轴承4的轴向和径向滑动。

射频转子1与偏置电极19的转接固定方式多样，可以采用如图4的内螺纹、如图5的外螺纹和如图6的法兰盘等多种连接方式，适用于多种连接场合。

射频定子2通过一射频连接柱7接入射频，射频定子2与射频连接柱7的连接包括如下三种方式：如图7，射频连接柱7为T形，包括盘状端面和垂直设置在盘状端面上的柱状插头，盘状端面与射频定子2的端面相接，柱状插头用于接入射频电流；如图8，射频连接柱7包括盘状端面和位于盘状端面所在平面的柱状插头，盘状端面与射频定子2的端面相接，柱状插头用于接入射频电流；如图9，射频连接柱7连接在射频定子2的外侧面，射频连接件9连接射频电流。

如图1，本发明还提出一种离子刻蚀系统，包括上述的射频旋转接头。

所述离子刻蚀系统还包括刻蚀腔体18、射频连接柱7、匹配器和匹配器连接板11。本实施例采用如图3所示的T形的射频连接柱7。所述射频连接柱7的一端导电连接射频定子2，所述射频连接柱7的另一端连接所述匹配器的输出端口16，本实施例的输出端口16为套装在所述射频连接柱7的另一端的铜套。

所述匹配器的外壳14通过匹配器连接板11导电连接固定在刻蚀腔体18外壁上。

如图3，射频的连接需要保证绝缘和屏蔽，所述射频连接柱7的外侧包裹设置有绝缘外壳，绝缘外壳的材质优选为ULTEM-1000。所述匹配器连接板11与绝缘外壳的外周固定连接；所述绝缘外壳与所述射频连接柱7固定连接。为便于拆装维修，绝缘外壳包括沿轴向依次布置的第一绝缘件10、第二绝缘件13和第三绝缘件15，所述第一绝缘件10、第二绝缘件13和第三绝缘件15的连接处均设置有互相插接嵌入的插槽和插块，增加爬电距离。

所述射频连接柱7的外周设置有接地的金属屏蔽环12。所述金属屏蔽环12导电连接固定在匹配器连接板11上。所述金属屏蔽环12优选使用铜螺线管制作。

所述离子刻蚀系统还包括位于刻蚀腔体18上的介质窗17，位于介质窗17上的激励电极24、位于刻蚀腔体18内的衬底20和固定在衬底20上的偏置电极19。所述刻蚀腔体18上开设有接入孔；所述刻蚀腔体18外侧还设置有旋转平台23；所述旋转平台23通过固定在腔体外的伺服电机22驱动旋转。所述旋转平台23的旋转轴线与射频转子1的旋转轴线同轴。所述衬底20与旋转平台23通过动密封装置连接。

所述动密封装置包括转动件21A和轴封套装在转动件21A外侧的静止件21B。所述静止件21B密封套装在所述接入孔上，静止件21B与接入孔之间设置有第一密封圈27。所述转动件21A的一端密封连接在衬底上，另一端固定在旋转平台上，所述转动件21A的一端与衬底20的连接处设置有第二密封圈28。

所述旋转平台23和转动件21A均设置有沿射频转子1的旋转轴线开设的通孔；所述射频转子1穿过旋转平台23和转动件21A的通孔，连接衬底20。

所述动密封装置优选为磁流体密封装置。

所述离子刻蚀系统的偏置电极19的射频电流由匹配器经射频旋转接头接入。用于放置偏置电极19的衬底20的旋转原理为：伺服电机22驱动旋转平台23旋转，旋转平台23通过转动件21A带动衬底20旋转；衬底20带动射频转子1同步旋转。因此，本发明的偏置电极19的射频电流的输入并不受衬底20旋转的影响，从而保证射频电流在射频旋转接头和偏置电极19之间的有效连接。

如图10所示，现有的刻蚀腔体18上均会有若干工艺接口25，工艺接口25会导致刻蚀腔体18不能中心对称，这样的结构造成晶圆上的26-1、26-2、26-3、26-4这四个方位的刻蚀或镀膜均匀性不一致。其中靠近工艺接口25的26-3刻蚀或镀膜偏慢，这样整个晶圆的均匀性最好只能达到3%~4%，就很难达到工艺要求。当偏置电极19使用本发明的射频旋转接头后，在刻蚀和镀膜过程中，偏置电极19可以旋转一个角度，这样就可以弥补晶圆上26-3位置刻蚀或镀膜偏慢的问题，从而使整个晶圆的均匀性达到一个理想数值。

Claims (10)

1.一种用于离子刻蚀系统的射频旋转接头，其特征在于：包括用于接入偏置电极的射频转子和用于接入射频电流的射频定子，所述射频定子内设置有转孔；所述射频转子可转动置于转孔内；所述转孔的内壁与射频转子外壁之间嵌入设置有由球状金属颗粒构成的导电夹套。

2.根据权利要求1所述的射频旋转接头，其特征在于：所述导电夹套的两端设置有转动密封件。

3.根据权利要求2所述的射频旋转接头，其特征在于：所述转动密封件是压装在转孔的内壁与射频转子外壁之间的X形密封圈。

4.根据权利要求3所述的射频旋转接头，其特征在于：所述射频转子与射频定子之间还设置有轴承。

5.一种离子刻蚀系统，其特征在于：包括如权利要求1-4任意一项所述的射频旋转接头。

6.根据权利要求5所述的离子刻蚀系统，其特征在于：还包括匹配器和射频连接柱；所述射频连接柱的一端导电连接射频定子，所述射频连接柱的另一端连接所述匹配器的输出端口；且所述射频连接柱的外侧包裹设置有绝缘外壳；所述射频连接柱的外周设置有接地的金属屏蔽环。

7.根据权利要求6所述的离子刻蚀系统，其特征在于：还包括刻蚀腔体和匹配器连接板；所述匹配器的外壳通过匹配器连接板导电连接固定在刻蚀腔体外壁上。

8.根据权利要求7所述的离子刻蚀系统，其特征在于：所述匹配器连接板与绝缘外壳的外周固定连接；所述绝缘外壳与所述射频连接柱固定连接；所述金属屏蔽环导电连接固定在匹配器连接板上。

9.根据权利要求5-8任意一项所述的离子刻蚀系统，其特征在于：还包括位于刻蚀腔体内的衬底和固定在衬底上的偏置电极；所述刻蚀腔体上开设有接入孔；所述刻蚀腔体外侧还设置有旋转平台；所述旋转平台的旋转轴线与射频转子的旋转轴线同轴；所述衬底与旋转平台通过动密封装置连接；

所述动密封装置包括转动件和轴封套装在转动件外侧的静止件；所述静止件密封套装在所述接入孔上；所述转动件的一端密封连接在衬底上，另一端固定在旋转平台上；

所述旋转平台和转动件均设置有沿射频转子的旋转轴线开设的通孔；所述射频转子穿过旋转平台和转动件的通孔，连接衬底。

10.根据权利要求9所述的离子刻蚀系统，其特征在于：所述动密封装置为磁流体密封装置。