CN111524775B - 一种等离子处理器以及用于等离子处理器的上电极组件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于等离子处理器的上电极组件，包括：安装板和上电极板，所述安装板和上电极板通过机械紧固装置互相连接固定，所述安装板和上电极板之间的间隙中包括多个弹性导热垫片，从内到外依次为第一弹性导热垫片和第二弹性导热垫片。其中第一弹性导热垫片的初始高度低于所述第二弹性垫片的初始高度；在被所述机械紧固装置安装到所述安装板和上电极之间的间隙之后，所述上电极组件升温到等离子处理温度时，所述多个弹性导热垫片各自具有一高温压缩高度，其中第一弹性导热垫片的高温压缩高度低于所述第二弹性导热垫片的高温压缩高度。

Description

一种等离子处理器以及用于等离子处理器的上电极组件

技术领域

本发明涉及半导体加工设备领域，特别涉及一种等离子处理器中的上电极组件。

背景技术

真空处理设备广泛应用于半导体工业，其中的等离子处理设备是最主要的真空处理设备。等离子体处理设备，是借助于射频耦合放电产生等离子体，进而利用等离子体进行沉积、刻蚀等加工工艺。其中，包括上下两个电极的电容耦合型CCP等离子处理器是主要的等离子处理器之一。如图1所示为一种电容耦合等离子处理设备，包括反应腔100，反应腔内包括基座10，基座连接到一个射频电源。基座上的静电夹盘上固定有待处理的基片，围绕基片和静电夹盘的还包括一个聚焦环22。与静电夹盘相对的反应腔上方设置有一个圆盘形的气体喷淋头11，气体喷淋头11通过供气管道与外部的反应气源200连接。反应腔下部还包括排气管道，排气管道下方连接有干泵、分子泵等抽真空装置，使得排气管道中具有低于反应腔内的气压。其中供气管道包括固定的气体管道7和可变形的第二气体管道8串联而成。上电极11也就是气体喷淋头同时作为电极与下方的基座10电场耦合，也作为反应气体的喷头，向下方的反应区域均匀喷射反应气体。上电极需要被安装在上方的安装板13上，通过安装板来控制上电极的温度，以及与外部接地电路联通。安装板13与上电极11之间设置有机械紧固装置，如图1中的螺栓14，通过两端分别固定到安装板和上电极11，实现两者之间的固定。但是在实际运行中这种机械固定方式存在很大的问题，在常温下组装完成的安装板和气体喷淋头之间的结合面可以紧密贴合，但是在进行等离子处理过程中两者会同时大幅升温，达到100度以上，安装板通常由金属制成，典型的为如铝，铝的热膨胀系数22.2*10^-6/C远大于由陶瓷材料(Si/SiC)制成的上电极的膨胀系数2.5*10^-6/C。所以在升温过程中，安装板13的膨胀幅度也远大于上电极11。因此安装板会发生向外侧的膨胀，而且安装板中心区域向下鼓起，外周缘向上翘曲。所以上电极11这些变形会导致安装板13与上电极11之间产生分布不均的间隙。在进行等离子处理过程中反应腔100内需要被抽成真空状态，上电极11和安装板13位于真空环境中，没有气体可以对流实现散热，不同部件之间主要只能通过传导来散热，所以安装板13与上电极11之间分布不均的间隙会严重影响两者之间的导热和导电分布。温度和电场分布的不均匀又会进一步影响气体喷淋头下方的等离子处理效果的不均匀。此外，变形后的安装板会导致垂直穿过安装板和上电极的不同气孔12的反应气体互相之间串扰，气流分布也无法保证有效控制。

综上所述，等离子处理设备中需要开发一种新的上电极组件，使得上电极与安装板之间能够在不同温度下保证两者之间的稳定的热传导，最佳地还需要保证电传导和气体管道之间的隔离。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于等离子处理器的上电极组件，其特征在于，包括：安装板和上电极板，所述安装板和上电极板通过机械紧固装置互相连接固定，所述安装板和上电极板之间的间隙中包括多个弹性导热垫片，从内到外依次为位于所述间隙中心的第一弹性导热垫片，和位于所述间隙外围的围绕所述第一弹性导热垫片的第二弹性导热垫片；其中所述多个弹性导热垫片具有各自的一初始高度，第一弹性导热垫片的初始高度低于所述第二弹性垫片的初始高度；在被所述机械紧固装置安装到所述安装板和上电极之间的间隙之后，所述上电极组件升温到等离子处理温度时，所述多个弹性导热垫片各自具有一高温压缩高度，其中第一弹性导热垫片的高温压缩高度低于所述第二弹性导热垫片的高温压缩高度，使得第二弹性导热垫片紧密接触在所述安装板和所述上电极板之间。其中第二弹性导热垫片的高温压缩高度大于所述第一弹性导热垫片的高温压缩高度0.1-0.2mm。所述第一、第二弹性导热垫片的高温压缩幅度的差小于5％，使得两个弹性导热垫片具有相接近的热导率。

可选地，在室温状态下上述多个弹性导热垫片具有相同的低温压缩高度。

其中安装板下表面或者上电极板上表面包括多个安装槽，所述多个弹性导热片安装在所述安装槽内，所述用于安装第二弹性导热垫片的安装槽深度大于所述用于安装第一弹性导热垫片的安装槽，使得第一和第二弹性导热垫片在室温和等离子处理温度下具有接近的压缩幅度。

本发明中的多个弹性导热垫片包括含氟聚合物层，所述含氟聚合物层掺杂有导热颗粒。或者多个弹性导热垫片由多个不同材料层堆叠而成，其中包括导热铝片层和含氟聚合物层。可选的，所述第一、第二弹性导热垫片由不同材料制成，其中第一弹性导热垫片的导热率低于所述第二弹性导热垫片的导热率。

本发明提供另一用于等离子处理器的上电极组件，其特征在于，包括：安装板和上电极板，所述安装板和上电极板通过机械紧固装置互相连接固定，所述安装板和上电极板之间包括多个弹性导热垫片，从内到外依次为位于上电极组件中心的第一弹性导热垫片，和位于上电极组件外围，围绕所述第一弹性导热垫片的第二弹性导热垫片；所述安装板下表面具有多个不同高度的台阶面，使得所述安装板与上电极板之间具有不同的间距，其中第一弹性导热垫片安装在第一台阶面上，第二弹性导热垫片安装在第二台阶面上；所述第二台阶面与上电极板的间距小于第一台阶面与上电极板的间距0.1-0.2mm；其中所述多个弹性导热垫片在被所述机械紧固装置安装到所述安装板和上电极之间的间隙之后，在室温状态下上述多个弹性导热垫片具各自的低温压缩高度，其中第一弹性导热垫片的低温压缩高度高于所述第二导热垫片的低温压缩高度；所述上电极组件升温到等离子处理温度时，所述多个弹性导热垫片各自具有一高温压缩高度，其中第一弹性导热垫片的高温压缩高度与所述第二弹性导热垫片的高温压缩高度相差小于10％。

多个弹性导热垫片具有各自的一初始高度，第一弹性导热垫片的初始高度与所述第二弹性垫片的初始高度相差小于10％。

本发明还提供一种等离子处理器，其特征在于，包括：反应腔，反应腔内具有一基座用于放置待处理基片，一射频电源连接到所述基座，与基座相对的反应腔顶部包括如上述第一第二实施例的电极组件，一反应气体供应管道联通到所述上电极组件中的气体分布管道，所述上电极组件中的多个弹性导热垫片呈环状排布，将上电极分隔为多个通气区域，使得不同通气区域的反应气体互相隔离。

本发明还提供了一种提供用于等离子处理器的弹性导热垫片的方法，其特征在于，包括：在所述等离子处理器的第一部件和第二部件之间的间隙中设置多个弹性导热垫片，从内到外依次为位于所述间隙的中心的第一弹性导热垫片，和位于所述间隙外围的围绕所述第一弹性导热垫片的第二弹性导热垫片；其中所述多个弹性导热垫片具有各自的一初始高度，第一弹性导热垫片的初始高度低于所述第二弹性垫片的初始高度；在被所述机械紧固装置安装到所述安装板和上电极之间的间隙之后，所述第一部件和所述第二部件升温到等离子处理温度时，所述多个弹性导热垫片各自具有一高温压缩高度，其中第一弹性导热垫片的高温压缩高度低于所述第二弹性导热垫片的高温压缩高度，使得第二弹性导热垫片紧密接触在所述第一部件和所述第二部件之间。可选地，所述第一部件为安装板，所述第二部件为上电极板。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了现有技术电容耦合等离子体处理设备的剖面结构示意图；

图2a示出了本发明上电极组件低温状态的剖面示意图；

图2b示出了本发明上电极组件高温状态的剖面示意图；

图3示出了本发明上电极组件第二实施例低温状态的剖面示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如图2a所示，本发明上电极组件处于低温状态的剖面示意图。本发明中的安装板13与上电极11之间设置有多个弹性导热垫片(S0、S1、S2)，弹性导热垫片从内向外构成多个环形圈，将气体喷淋头分隔为多个互相隔离的气体流通区域。弹性导热垫片(S0、S1、S2)具有不同的初始高度，该初始高度是指弹性导热垫片在未受到压缩时的高度。最内侧的弹性导热垫片S0的初始高度低于中间的弹性导热垫片S1的初始高度，中间的弹性导热垫片S1的初始高度低于最外侧的弹性导热垫片S2的初始高度。其中最内侧的弹性导热垫片S0内部围绕而成的区域为中心通气区。弹性导热垫片S0和S1之间的环形区域为中间通气区，弹性导热垫片S1与S2之间的环形区域为边缘通气区域。每个通气区域中都包括从安装板13向下贯通下来的上层气体通孔，上电极中与上层气体通孔位置相对处设置有下层气体通孔。反应气体从上层气孔向下流入下层气孔，然后流入下方反应空间。在低温，或室温状态下，安装板13的下表面139与上电极板11的上表面119之间互相平行，具有均一的间距。如果在安装板13的下表面139或者上电极板11的上表面119之间没有安装槽，则设置在安装板13和上电极板11之间的多个弹性导热垫片(S0、S1、S2)具有相同的低温压缩高度(图2a中未示出)。该低温压缩高度是指在没有产生等离子体时，置于上电极板和安装板之间的弹性导热垫片的受压缩后的高度。如果在安装板13的下表面139或者上电极板11的上表面119之间具有安装槽，如图2a所示，则最内侧的弹性导热垫片S0具有低温压缩高度D1，最外侧的弹性导热垫片S2具有低温压缩高度D2，其中D2大于D1，弹性导热垫片S0-S1-S2的高度呈逐渐增加的分布。因此，上述多个弹性导热垫片在被夹持到安装板13和上电极11之间后仍然具有与初始高度的高度分布相同的压缩后的低温压缩高度的高度分布。图2b为本发明上电极组件高温状态的剖面示意图。在进行一定时间的等离子处理后，上电极11和安装板大幅升温达到140℃，此时上电极由于是陶瓷材料制成，形状基本保持不变，安装板的金属发生大幅膨胀，中心部分向下膨出，边缘区域向上翘起。此时中心的弹性导热垫片S0具有高温压缩高度D1’(高温压缩高度是指在进行等离子处理后，置于上电极板和安装板之间的弹性导热垫片的受压缩后的高度)，该高度D1’等于低温压缩高度D1，或者低于低温压缩高度D1。与之相反的，边缘区域的弹性导热垫片S2能够大幅向上延伸达到高温压缩高度D2’，中间区域的弹性导热垫片S1也会进行与安装板变形程度相匹配的高度增加。这样在安装板翘曲变形过程中，各个弹性导热垫片通过弹性变形，保持安装板与上电极之间的足够的压力，保持两者之间的热传导持续稳定的进行。这样也就保证了上电极具有稳定的温度分布。

在从室温到等离子处理温度变化过程中安装变发生翘曲变形导致的安装板与上电极之间的间隙变化幅度大约0.1-0.2mm，所以上述D2’也大于D2的约0.1-0.2mm。

其中弹性导热垫片S0～S2可以是由有机聚合物制成的，特别是含氟的氟碳有机聚合物，如

或者硅胶等弹性材料，用于等离子刻蚀工艺需要耐受含氟反应气体的腐蚀。本发明弹性材料中还可以掺杂导热/导电颗粒，这些颗粒可以是金属粉，石墨粉等。弹性导热垫片也可以是由多层材料制成的，其中中间或者上下多层可以是铝片，铝片之间通过上述弹性材料填充。只要具有上下延展的弹性，并且具有足够的导热系数，任何材料或者材料层的组合都可以作为本发明的弹性导热垫片。

本发明中由于采用了具有不同高度的弹性导热垫片，所以在安装板13变形过程中，仍能保持弹性导热垫片与上下两个部件之间的紧密接触，保证了不同通气区域之间的隔离，所以不同通气区域之间的反应气体也不会发生互相串扰的问题。为了保证弹性导热垫片在频繁的左右运动和上下压缩-弹回的循环中不会变形或者发生位置滑动，安装板下表面139可以设置多个安装槽130、131、132，分别用于固定弹性导热垫片S0、S1、S2。这样就可以避免弹性导热垫片在升温过程中相对安装板13或者上电极发生水平滑动，进而避免因互相滑动摩擦产生的颗粒物，减少污染颗粒物的产生。根据同样的原理，本发明中的安装槽也可以设置在下方上电极11的上表面119上。

由于本发明提出的弹性导热垫片S0～S2具有不同的初始高度，所以在常温时如果安装槽132就与130具有相同的深度，会导致S2的压缩幅度大于S0的压缩幅度。采用同样的弹性材料时，压缩幅度越大则材料越紧密，其导热系数会越大。因此本发明采用相同材料制成的弹性导热垫片，在温度较低安装板没有发生足够变形前，实际边缘区域的由于压缩幅度更大，相应的导热系数会大于中心区域，这也会导致上电极温度在升温过程总温度分布不均。为了改善这一问题，本发明中的安装槽可以设置不同深度，以匹配不同高度的弹性导热垫片。比如安装槽132的深度高于安装槽130的深度，使得弹性导热垫片S0在低温时的压缩幅度为20％(1-压缩后高度/初始高度)，弹性导热垫片S2在低温时的压缩幅度为40％。随着温度的升高安装板发生变形，其中弹性导热垫片S0的压缩幅度基本不变或者略微增加，S2的压缩幅度大幅减少到20％或者更低，此时安装板与上电极板之间不同区域的弹性导热垫片具有类似的压缩幅度，也就具有接近的热导率最终实现了等离子处理过程中整个上电极的温度均衡。其中不同区域的弹性导热垫片的压缩率只要接近，并不一定完全相同，比如垫片S0和S2的压缩压缩幅度差小于5％就能够实现不同区域中的导热垫片导热系数相同的发明目的。具体的安装槽深度可以根据弹性导热垫片的高度参数，等离子处理工艺的射频功率参数的优化选择，通过安装槽深度参数选择可以使得等离子处理过程中上电极温度分布更稳定。除了选择安装槽深度，也可以通过选择不同的材料来实现补偿不同弹性导热垫在不同压缩幅度下热导率不同的问题，比如位于边缘的S2的弹性材料的热导率可以高于位于中心的弹性导热垫S2的热导率。

如图3所示为本发明上电极组件第二实施例低温状态的剖面示意图，其中安装板底部表面具有三个不同的台阶面，其中最外侧的表面1391具有最低的高度Da，中间的台阶面1392具有中间高度Db，中心台阶面1393具有最高的高度Dc，每个台阶面的高度差约0.1mm。在等离子处理开始进行，达到稳定的工作温度后安装板发生的变形正好使得中心凹陷的台阶面1393向下鼓出，边缘的台阶面1391向上翘起，而且变形幅度(0.1-0.2mm)与初始的高度差接近，两者互相抵消，最终使得高温状态时，安装板13与上电极11之间的间隙比较均衡。此时安装板13与上电极11之间的的多个弹性导热垫片S10～S12需要与图2a、2b所示的第一实施例具有不同的高度分布。其中在低温状态时，位于中心的弹性导热垫片S10的低温压缩高度需要大于位于边缘的弹性导热垫片S12的低温压缩高度。在升温达到工作温度后，上述多个弹性导热垫片S10～S12具有相似的高温压缩高度(高度差小于10％)，所以也能保证等离子处理器处理过程中上电极上的温度分布均匀。

本发明中的导热垫片除了可以上述的3个以外，也可以是更多个如4个或5个，或者至少需要2个。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (13)

1.一种用于等离子处理器的上电极组件，其特征在于，包括：

安装板和上电极板，所述安装板和上电极板通过机械紧固装置互相连接固定，所述安装板和上电极板之间的间隙中包括多个弹性导热垫片，从内到外依次为位于所述间隙中心的第一弹性导热垫片，和位于所述间隙外围的围绕所述第一弹性导热垫片的第二弹性导热垫片；

其中所述多个弹性导热垫片具有各自的一初始高度，所述第一弹性导热垫片的初始高度低于所述第二弹性导热垫片的初始高度；

在被所述机械紧固装置安装到所述安装板和所述上电极之间的间隙之后，所述上电极组件升温到等离子处理温度时，所述多个弹性导热垫片各自具有一高温压缩高度，其中所述第一弹性导热垫片的高温压缩高度低于所述第二弹性导热垫片的高温压缩高度，使得所述第二弹性导热垫片紧密接触在所述安装板和所述上电极板之间。

2.根据权利要求1所述的上电极组件，其特征在于，在室温状态下所述多个弹性导热垫片具有相同的低温压缩高度。

3.根据权利要求1所述的上电极组件，其特征在于，所述安装板的下表面或者所述上电极板的上表面具有多个安装槽，所述多个弹性导热片安装在所述安装槽内，用于安装第二弹性导热垫片的安装槽深度大于用于安装第一弹性导热垫片的安装槽，使得第一和第二弹性导热垫片在室温和等离子处理温度下具有接近的压缩幅度。

4.根据权利要求1所述的上电极组件，所述第二弹性导热垫片的高温压缩高度大于所述第一弹性导热垫片的高温压缩高度0.1-0.2mm。

5.根据权利要求2所述的上电极组件，其特征在于，所述第一、第二弹性导热垫片的高温压缩幅度的差小于5%。

6.根据权利要求1所述的上电极组件，其特征在于，所述多个弹性导热垫片包括含氟聚合物层，所述含氟聚合物层掺杂有导热颗粒。

7.根据权利要求6所述的上电极组件，其特征在于，所述多个弹性导热垫片由多个不同材料层堆叠而成，其中包括导热铝片层和含氟聚合物层。

8.根据权利要求1所述的上电极组件，其特征在于，所述第一、第二弹性导热垫片由不同材料制成，其中第一弹性导热垫片的导热率低于所述第二弹性导热垫片的导热率。

9.一种用于等离子处理器的上电极组件，其特征在于，包括：

安装板和上电极板，所述安装板和上电极板通过机械紧固装置互相连接固定，所述安装板和上电极板之间包括多个弹性导热垫片，从内到外依次为位于上电极组件中心的第一弹性导热垫片，和位于上电极组件外围，围绕所述第一弹性导热垫片的第二弹性导热垫片；

所述安装板下表面具有多个不同高度的台阶面，使得所述安装板与上电极板之间具有不同的间距，其中第一弹性导热垫片安装在第一台阶面上，第二弹性导热垫片安装在第二台阶面上；

所述第二台阶面与上电极板的间距小于第一台阶面与上电极板的间距0.1-0.2mm；

其中所述多个弹性导热垫片在被所述机械紧固装置安装到所述安装板和上电极之间的间隙之后，在室温状态下上述多个弹性导热垫片具有各自的低温压缩高度，其中第一弹性导热垫片的低温压缩高度高于所述第二导热垫片的低温压缩高度；

所述上电极组件升温到等离子处理温度时，所述多个弹性导热垫片各自具有一高温压缩高度，其中第一弹性导热垫片的高温压缩高度与所述第二弹性导热垫片的高温压缩高度相差小于10%。

10.根据权利要求9所述的上电极组件，其特征在于，所述多个弹性导热垫片具有各自的一初始高度，第一弹性导热垫片的初始高度与所述第二弹性导热垫片的初始高度相差小于10%。

11.一种等离子处理器，其特征在于，包括：

反应腔，反应腔内具有一基座用于放置待处理基片，一射频电源连接到所述基座，与基座相对的反应腔顶部包括如权利要求1-9中任意一项所述的上电极组件，一反应气体供应管道联通到所述上电极组件中的气体分布管道，所述上电极组件中的多个弹性导热垫片呈环状排布，将上电极分隔为多个通气区域，使得不同通气区域的反应气体互相隔离。

12.一种提供用于等离子处理器的弹性导热垫片的方法，其特征在于，包括：

在所述等离子处理器的第一部件和第二部件之间的间隙中设置多个弹性导热垫片，从内到外依次为位于所述间隙的中心的第一弹性导热垫片，和位于所述间隙外围的围绕所述第一弹性导热垫片的第二弹性导热垫片；

其中所述多个弹性导热垫片具有各自的一初始高度，第一弹性导热垫片的初始高度低于所述第二弹性导热垫片的初始高度；

在被机械紧固装置安装到所述第一部件和第二部件之间的间隙之后，所述第一部件和所述第二部件升温到等离子处理温度时，所述多个弹性导热垫片各自具有一高温压缩高度，其中第一弹性导热垫片的高温压缩高度低于所述第二弹性导热垫片的高温压缩高度，使得第二弹性导热垫片紧密接触在所述第一部件和所述第二部件之间。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述第一部件为安装板，所述第二部件为上电极板。

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