CN111586956B - 一种等离子体真空放电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种等离子体真空放电系统。该等离子体真空放电系统包括真空腔体、上电极和下电极，下电极位于真空腔体内；下电极为上方开口的中空圆柱体；上电极的下部容纳在下电极内，上电极的上部向上延伸至真空腔体外部；在上电极的下部周围沿周向环绕多个电极环；多个电极环沿径向从内向外依次设置；每个电极环均与相邻的电极环紧密贴合，最外侧的电极环与下电极的内壁贴合，最内侧的电极环与上电极的下部贴合；多个电极环中的一个电极环的材质为聚四氟乙烯，剩余电极环的材质为金属。采用本发明的等离子体真空放电系统，能够扩大自偏压的调节范围。

Description

一种等离子体真空放电系统

技术领域

本发明涉及等离子体放电领域，特别是涉及一种等离子体真空放电系统。

背景技术

等离子体是一种由电子、离子以及中性粒子为主要成分的物质形态，被称为除了固、液、气态以外的第四态。它广泛地存在于自然界中，一般在宏观上呈电中性。在等离子体放电过程中，会产生很多具有化学活性的离子以及中性自由基，因此其常用于对材料表面的处理和改性。尤其在集成电路芯片的加工过程中，有近三分之一的工序都是基于低温等离子体处理技术。

在等离子体沉积、刻蚀以及材料表面改性技术中，通常采用容性耦合等离子体(Capacitively Coupled Plasmas，CCP)源。在CCP放电系统中，包含一个接地真空反应腔室和两个平板电极。被处理的基片常放置在连接射频源的驱动电极表面。在许多等离子体加工工艺中，离子能量往往是最重要的参数之一。轰击到绝缘基片表面的离子能量，决定着沉积膜层的某些重要特性，例如，膜层的沉积速率、致密性、附着力、以及内应力和膜层的表面形态和微观结构等。控制等离子体中轰击到绝缘基片表面离子能量的方法有许多，最方便、有效的一种方法就是调控绝缘基片上产生的负偏压。

负偏压幅值的大小直接关系着膜的生长表面或靶的表面所受到的离子轰击能量高低。因此，通过调节改变负偏压幅值的大小，进而实现对离子能量的选择和控制，对提高工艺的稳定性和保证产品的高质量方面具有重要意义。

目前，人们主要通过单独改变电极上所加射频或剪裁电压波形的方式对自偏压进行调节。该方法主要调节电极上所加电压大小，具体为：如果不需要较高的离子能量，就要调小所加电压，减小自偏压。但是，这样就有可能导致进入等离子体中的能量较少不足以产生足够高密度的等离子体。如要想获得较大的离子能量就必须施加更高的电压。但这样有可能会导致离子能量过高，损坏待刻蚀的基片。因此，对于电极上所加电压的大小进行调节的方式使得自偏压的调节范围有限。

发明内容

本发明的目的是提供一种等离子体真空放电系统，扩大自偏压的调节范围。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种等离子体真空放电系统，包括真空腔体、上电极和下电极，所述下电极位于所述真空腔体内；所述下电极为上方开口的中空圆柱体；所述上电极的下部容纳在所述下电极内，所述上电极的上部向上延伸至所述真空腔体外部；在所述上电极的下部周围沿周向环绕多个电极环；多个所述电极环沿径向从内向外依次设置；每个电极环均与相邻的电极环紧密贴合，最外侧的电极环与所述下电极的内壁贴合，最内侧的电极环与所述上电极的下部贴合；多个所述电极环中的一个电极环的材质为聚四氟乙烯，剩余电极环的材质为金属。

可选的，所述上电极的下部的下表面具有向上凹陷的凹槽，所述凹槽内从上到下依次水平设置有多个喷淋板；位于最上方的喷淋板与进气通道连通；所述进气通道位于所述上电极内部且延伸至所述真空腔体外；多个所述喷淋板之间存在间隙；每个所述电极环均为中空结构；在所述每个所述电极环上正对喷淋板之间的间隙开设有气孔；每个所述电极环的底部均开设有气孔；每个所述喷淋板上均匀开设有多个通孔。

可选的，所述下电极的底部均匀开设有多个气孔。

可选的，所述下电极的底部中央与导电杆的顶端固定连接；所述导电杆的底端向下延伸至所述真空腔体外部。

可选的，在所述上电极与所述真空腔体之间设置有上电极绝缘层。

可选的，在所述导电杆与所述真空腔体之间设置有下电极绝缘层。

可选的，在所述上电极绝缘层与所述真空腔体之间设置有上电极屏蔽罩。

可选的，在所述下电极的侧壁上开设有多个长方形窗口。

可选的，所述进气通道与位于所述真空腔体外部的进气管连通；所述进气管的进气口处连接有射频电路；所述视频电路包括射频源、隔直电容和直流源；

所述射频源的输出端与所述隔直电容的一端连接，所述隔直电容的另一端连接到所述进气管的进气口；所述直流源的正极接地，负极连接到所述进气管的进气口。

可选的，所述导电杆延伸至所述真空腔体外部的部分套设有波纹管；所述波纹管固定在所述真空腔体上。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明所公开的等离子体真空放电系统，在上电极的下部的四周从内向外依次有多个电极环，且有一个电极环的材质为聚四氟乙烯，其他电极环的材质为金属。该等离子体真空放电系统中的材质为聚四氟乙烯为最外侧的电极环时，实现了电极面积的最大化，材质为聚四氟乙烯为最内侧的电极环时，实现了电极面积的最小化。即本发明的等离子体真空放电系统可以实现电极面积的调整，通过调整电极面积使自偏压的调节范围不仅仅受到电压调整范围的限制，扩大了自偏压的调节范围。

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，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明等离子体真空放电系统的剖视图；

图2为本发明等离子体真空放电系统中电极环布置结构图；

图3为本发明等离子体真空放电系统中上电极的下部结构图；

图4为本发明等离子体真空放电系统中下电极的结构图；

图5为本发明等离子体真空放电系统的自偏压最大时的结构图；

图6为本发明等离子体真空放电系统的自偏压最小时的结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种等离子体真空放电系统，扩大自偏压的调节范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明等离子体真空放电系统的剖视图。

参见图1，该等离子体真空放电系统，包括真空腔体2、上电极5和下电极4，所述下电极4位于所述真空腔体2内；所述下电极4为上方开口的中空圆柱体；所述上电极5的下部容纳在所述下电极4内；且所述上电极5的底部与所述下电极4的底部之间存在间隙，所述上电极5的上部向上延伸至所述真空腔体2外部；在所述上电极5的下部周围沿周向环绕多个电极环7；多个所述电极环7沿径向从内向外依次设置；多个所述电极环7的半径从内向外依次增大。每个电极环7均与相邻的电极环7紧密贴合，最外侧的电极环7与所述下电极4的内壁贴合，最内侧的电极环7与所述上电极5的下部贴合；多个所述电极环7中的一个电极环7的材质为聚四氟乙烯，剩余电极环7的材质为金属。每个所述电极环7的截面形状均为Z型，即每个电极环均包括上环和下环；所述上环的外径小于所述下环的外径且大于所述下环的内径；所述上环的内径小于所述下环的内径；所述上环与所述下环内部均为中空结构且互相连通。

所述上电极5的下部的下表面具有向上凹陷的凹槽，所述凹槽内从上到下依次水平设置有多个喷淋板8；位于最上方的喷淋板8与进气通道连通；所述进气通道位于所述上电极5内部且延伸至所述真空腔体2外；所述进气通道与位于所述真空腔体2外部的进气管1连通；所述进气管1通过螺丝与所述上电极5固定。多个所述喷淋板8之间存在间隙；每个所述电极环7均为中空结构；在所述每个所述电极环7上正对喷淋板8之间的间隙开设有气孔；每个所述电极环7的底部均开设有气孔；每个所述喷淋板8上均匀开设有多个通孔。

所述下电极4的底部中央通过螺纹与导电杆10的顶端固定连接；所述导电杆10的底端向下延伸至所述真空腔体2外部。所述导电杆10可以上下运动从而带动下电极4上下运动，从而调节下电极上表面与上电极下表面之间的距离，即图1中所示的电极间距D。图1中导电杆10内的箭头的方向即表示导电杆10的运动方向。

在所述上电极5与所述真空腔体2之间设置有上电极绝缘层3。

在所述导电杆10与所述真空腔体2之间设置有下电极绝缘层9。导电杆10接地。

在所述上电极绝缘层3与所述真空腔体2之间设置有上电极屏蔽罩6。

所述上电极屏蔽罩6位于所述真空腔体2内部，所述上电极屏蔽罩6与所述下电极4将位于真空腔体2内部的所述上电极5与真空腔体2隔绝。所述上电极绝缘层3填充在上电极5与上电极屏蔽罩6之间以及上电极5与真空腔体2的腔壁之间。所述上电极屏蔽罩6通过螺丝与真空腔体2的腔壁固定连接，并接地。

所述上电极绝缘层3和所述下电极绝缘层9均为聚四氟乙烯材质，用于绝缘；所述下电极绝缘层9还用于支撑下电极4。

所述导电杆10延伸至所述真空腔体2外部的部分套设有波纹管11；所述波纹管11固定在所述真空腔体2上。

所述波纹管11包括上法兰、中间波纹管和下法兰；上法兰和下法兰均带有螺孔。中间波纹管通过上法兰的螺孔由螺丝固定在真空腔体2的腔壁上，下法兰固定在导电杆10上。所述波纹管11具有密封和改变电极间距的作用。

图2为本发明等离子体真空放电系统中电极环布置结构图。

参见图2，作为一种可选的实施方式，电极环的数量为4个，从内向外依次为第一电极环701、第二电极环702、第三电极环703和第四电极环704。可通过将任意一个电极环换为同样形状和大小的聚四氟乙烯材质的电极环即可实现上下电极面积比的调节。

图3为本发明等离子体真空放电系统中上电极的下部结构图。

参见图3，作为一种可选的实施方式，所述喷淋板包括多个内部喷淋板和一个底部喷淋板804；多个内部喷淋板为从上至下依次水平设置的第一内部喷淋板801、第二内部喷淋板802和第三内部喷淋板803；在所述凹槽的底部设置有水平金属板，所述水平金属板与所述上电极的下部固定连接或一体成型，所述底部喷淋板804通过导电胶粘贴在所述水平金属板的下表面；多个内部喷淋板之间以及位于最下方的内部喷淋板与水平金属板之间均具有间隙。电极环对应第二内部喷淋板802和第三内部喷淋板803之间的间隙以及第三内部喷淋板803和水平金属板之间的间隙开设有侧壁气孔705。底部喷淋板804为带孔硅片喷淋板；所述水平金属板上开设有与所述底部喷淋板804上的通孔相对应的通孔；底部喷淋板804用于防止等离子体直接与金属电极接触从而产生溅射污染。

图4为本发明等离子体真空放电系统中下电极的结构图。

参见图4，在所述下电极4的侧壁上开设有多个长方形窗口。所述长方形窗口用于观察和放入探针进行诊断。所述下电极4的底部均匀开设有多个气孔。

本发明的等离子体真空放电系统中，气体从进气管进入进气通道，从而流向上电极的下部，经过部分喷淋板后，一部分气体流向四周的电极环内，另一部分继续沿喷淋板向下流动；电极环内的气体和喷淋板之间的气体均向下流动进入上电极与下电极之间的间隙，在进行等离子体放电完成后经下电极的气孔排出。

图5为本发明等离子体真空放电系统的自偏压最大时的结构图。

图6为本发明等离子体真空放电系统的自偏压最小时的结构图。

参见图5和图6，作为一种可选的实施方式，该等离子体真空放电系统利用射频电路辅助调节自偏压。射频电路连接在所述进气管1的进气口处；所述视频电路包括射频源、隔直电容和直流源；

所述射频源的输出端与所述隔直电容的一端连接，所述隔直电容的另一端连接到所述进气管1的进气口；所述直流源的正极接地，负极连接到所述进气管1的进气口。隔直电容用于产生自偏压。

本发明的自偏压调整原理为：四个电极环在安装完成后彼此紧密接触，导电良好。并且最外层电极环同下电极的内壁接触紧密。通过改变电极环中聚四氟乙烯电极环(图5和图6中灰色电极环)的位置，我们便可以获得不同的上下电极面积比值，进而在较大的范围内改变自偏压大小。当最外侧和下电极内壁接触的为金属电极环时，我们还可以通过改变电极间距D使电极面积比值连续可调。

参见图5，本发明在电极最外侧为金属环，最内侧为聚四氟乙烯环，并且电极间距D最大时，实际的上电极面积只有上电极的下表面，而下电极实际面积为第二电极环至第四电极环的下表面面积、下电极在上下电极间的内侧面积及下电极内侧下表面面积之和。这时上下电极面积比达到最大，即离子能量最高。

参见图6，当最外侧电极环为聚四氟乙烯电极环，内侧全部为金属电极环，且上下电极间距D最小时，驱动电极的自偏压最小，离子能量较低。

另外，在不同的电极面积比值下，通过改变辅助电路中直流电源的电压值更是增加了对自偏压调节的灵活性，使得对离子能量的控制更加连续有效。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明所公开的等离子体真空放电系统，在上电极的下部的四周从内向外依次有多个电极环，且有一个电极环的材质为聚四氟乙烯，其他电极环的材质为金属。该等离子体真空放电系统中的材质为聚四氟乙烯为最外侧的电极环时，实现了电极面积的最大化，材质为聚四氟乙烯为最内侧的电极环时，实现了电极面积的最小化。即本发明的等离子体真空放电系统可以实现电极面积的调整，通过调整电极面积使自偏压的调节范围不仅仅受到电压调整范围的限制，扩大了自偏压的调节范围。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种等离子体真空放电系统，其特征在于，包括真空腔体、上电极和下电极，所述下电极位于所述真空腔体内；所述下电极为上方开口的中空圆柱体；所述下电极的底部均匀开设有多个气孔；所述上电极的下部容纳在所述下电极内，所述上电极的上部向上延伸至所述真空腔体外部；在所述上电极的下部周围沿周向环绕多个电极环；多个所述电极环沿径向从内向外依次设置；每个电极环均与相邻的电极环紧密贴合，最外侧的电极环与所述下电极的内壁贴合，最内侧的电极环与所述上电极的下部贴合；多个所述电极环中的一个电极环的材质为聚四氟乙烯，剩余电极环的材质为金属；所述系统通过将任意一个电极环换为同样形状和大小的聚四氟乙烯材质的电极环即可实现上下电极面积比的调节。

2.根据权利要求1所述的等离子体真空放电系统，其特征在于，所述上电极的下部的下表面具有向上凹陷的凹槽，所述凹槽内从上到下依次水平设置有多个喷淋板；位于最上方的喷淋板与进气通道连通；所述进气通道位于所述上电极内部且延伸至所述真空腔体外；多个所述喷淋板之间存在间隙；每个所述电极环均为中空结构；在所述每个所述电极环上正对喷淋板之间的间隙开设有气孔；每个所述电极环的底部均开设有气孔；每个所述喷淋板上均匀开设有多个通孔。

3.根据权利要求1所述的等离子体真空放电系统，其特征在于，所述下电极的底部中央与导电杆的顶端固定连接；所述导电杆的底端向下延伸至所述真空腔体外部。

4.根据权利要求1所述的等离子体真空放电系统，其特征在于，在所述上电极与所述真空腔体之间设置有上电极绝缘层。

5.根据权利要求3所述的等离子体真空放电系统，其特征在于，在所述导电杆与所述真空腔体之间设置有下电极绝缘层。

6.根据权利要求4所述的等离子体真空放电系统，其特征在于，在所述上电极绝缘层与所述真空腔体之间设置有上电极屏蔽罩。

7.根据权利要求1所述的等离子体真空放电系统，其特征在于，在所述下电极的侧壁上开设有多个长方形窗口。

8.根据权利要求2所述的等离子体真空放电系统，其特征在于，所述进气通道与位于所述真空腔体外部的进气管连通；所述进气管的进气口处连接有射频电路；所述射 频电路包括射频源、隔直电容和直流源；

所述射频源的输出端与所述隔直电容的一端连接，所述隔直电容的另一端连接到所述进气管的进气口；所述直流源的正极接地，负极连接到所述进气管的进气口。

9.根据权利要求3所述的等离子体真空放电系统，其特征在于，所述导电杆延伸至所述真空腔体外部的部分套设有波纹管；所述波纹管固定在所述真空腔体上。

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