CN112447475B - 一种具有柔性电介质薄片的等离子体处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有柔性电介质薄片的等离子体处理装置。柔性电介质薄片的上部与接地环结构导电连接，下部与围成反应腔的腔体外壁导电连接；接地环结构环绕在等离子体处理装置的基座外围，并可随基座一起在反应腔的腔体内上下移动或定位在设定的高度；柔性电介质薄片的最短长度，与接地环结构到腔体之间的最远距离相匹配。本发明的柔性电介质薄片通过优化，有良好的射频电流通过能力，安装方便，使用寿命长，且不产生金属污染。

Description

一种具有柔性电介质薄片的等离子体处理装置

技术领域

本发明涉及一种具有柔性电介质薄片的等离子体处理装置。

背景技术

现有的等离子体处理装置中，例如是一种电容耦合式的等离子体蚀刻装置，包含一反应腔，该反应腔内设置有用于承载基片的基座、用于引入反应气体至反应腔内的喷淋头，所述喷淋头作为上电极，所述基座作为下电极，两者之一施加有高频射频功率，将处理区域内的反应气体解离为等离子体，到达基片上表面的等离子体可对基片进行刻蚀等处理；等离子体处理装置在反应腔下部的合适位置设有排气区域，排气区域与外部的排气泵相连接，将处理过程中用过的反应气体及副产品气体等抽出反应腔。为了防止等离子体扩散到处理区域以外的其他位置，对未被保护的设备产生腐蚀，或在基片表面产生杂质和污染，通常在处理区域与排气区域之间还设置有等离子体约束系统。

基座形成的下电极与喷淋头形成的上电极之间称为等离子体处理区域，该上下电极间的距离大小是影响基片处理的重要参数，不同工艺的基片处理有时需要不同大小的上下电极之间的间距。

然而，目前现有技术中，上电极和下电极都是固定设置的，上下电极之间的距离难以改变，因此，为了满足同一等离子体处理设备内对不同基片的工艺处理，需要提供一种上下电极距离可调的等离子体处理装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有柔性电介质薄片的等离子体处理装置，对连接在接地环结构与反应腔腔体之间的柔性电介质薄片进行优化，射频电流通过能力好，安装方便，使用寿命久，且不产生金属污染。

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体处理装置，包括：

由腔体外壁围成的真空反应腔；位于所述真空反应腔内的基座，所述基座用于承载待处理基片；环绕设置在所述基座外围的接地环结构；

升降驱动机构，用于驱动所述基座和接地环结构在真空反应腔内上下移动；

所述接地环结构与所述腔体外壁之间设置一柔性电介质薄片，所述柔性电介质薄片一端与所述接地环结构电连接，另一端与所述腔体外壁电连接，所述升降驱动机构驱动所述基座和接地环结构上下移动时，所述接地环结构、所述柔性电介质薄片和所述腔体外壁保持电连接。

可选地，所述柔性电介质薄片的上部，通过若干接地固定点与接地环结构连接，柔性电介质薄片的下部通过若干腔体固定点与腔体外壁的横向延伸段连接；

所述柔性电介质薄片的最短长度，与接地环结构到腔体外壁之间的最远距离b相匹配；所述最远距离b还对应柔性电介质薄片上部到下部之间的纵向距离；

上部与接地环结构接触部分的宽度为a1，上部的接地固定点到上部边缘的距离为a2，腔体固定点及接地固定点之间的横向距离为a3，下部的腔体固定点到下部边缘的距离为a4，下部与腔体接触部分的宽度为a5；

上部到中间部分之间的折弯，以及下部到中间部分之间的折弯，其最小折弯半径均为r；对应于中间部分的斜边长度为z，垂直距离为y，水平距离为x；

柔性电介质薄片的最短长度L为：

L＝a1+a5+z+πr

x＝(a1-a2)+[a3-(a5-a4)]

y＝b-2r

可选地，所述柔性电介质薄片的上部边缘和下部边缘之间的开口朝着腔体外壁一侧，上部与中间部分之间的折弯和下部与中间部分之间的折弯，均朝着基座一侧。

可选地，所述接地环结构随基座向上移动时，所述柔性电介质薄片拉伸，上部边缘和下部边缘相互分离、开口扩大；所述接地环结构随基座向下移动时，所述柔性电介质薄片的上部边缘和下部边缘相互靠近、开口缩小。

可选地，所述柔性电介质薄片的上部边缘和下部边缘为圆弧形状，分别配合接地环结构外围形状及腔体外壁的形状；所述中间部分纵向开设有若干槽；

等离子体处理装置包含多个柔性电介质薄片，其各自的上部连接接地环结构，各自的下部连接腔体外壁。

可选地，等离子体处理装置包含分布设置的3片、或6片、或12片柔性电介质薄片，各个柔性电介质薄片的上部连接接地环结构，下部连接腔体外壁的横向延伸段。

可选地，所述柔性电介质薄片由导电金属制成；

所述柔性电介质薄片的中间部分的表面设有防护层，防止金属暴露在等离子体处理装置的处理区域内，且所述防护层与处理区域内的气体或反应物不产生反应。

可选地，所述柔性电介质薄片由铍铜、或不锈钢、或铝制成；

所述柔性电介质薄片的上部和下部分别镀镍，中间部分的表面覆盖有数层聚酰亚胺胶带。

可选地，所述基座上方设置有将反应气体引入至反应腔内的喷淋头；喷淋头与基座之间为处理区域；喷淋头处作为上电极，基座处作为下电极，所述上电极或所述下电极施加有高频射频功率，将处理区域内的反应气体解离为等离子体对基片进行处理；等离子体处理装置在反应腔下部设有排气区域与外部的排气泵相连接；在处理区域与排气区域之间设置有等离子体约束系统；通过升降驱动机构使基座在反应腔内上下移动或定位在设定的高度，以调整基座与喷淋头的间距。

可选地，所述等离子体约束系统包含聚焦环、隔绝环结构、电场限制环；聚焦环环绕设置在基座顶部的外围，隔绝环结构包围基座的下方及外围、聚焦环的外围，电场限制环环绕设置在隔绝环结构外围；

所述接地环结构包含第一接地环和第二接地环；所述第二接地环位于基座下方的隔绝环结构之下并环绕隔绝环结构的下部外围；反应腔的底部延伸到基座下方的隔绝环结构及第二接地环之下，并通过波纹管与第二接地环连接，以承载波纹管、基座、接地环结构及等离子体约束系统；

所述第一接地环一端位于隔绝环结构外围，另一端朝外侧横向延伸并通过第一固定环连接柔性电介质薄片的上部，柔性电介质薄片的下部通过第二固定环连接至腔体外壁上的横向延伸段。

本发明的柔性电介质薄片，可以根据接地环和腔体之间的最远距离，来设计符合寿命要求的薄片最短长度，适应基座可上下移动的等离子体处理装置；本发明通过对柔性电介质薄片的优化设计，使其可以重复拉伸变形以及恢复，且便于安装，射频电流通过能力强，使用寿命更久。柔性电介质薄片的表面覆盖聚酰亚胺胶带，能有效防止腔体内金属污染。

附图说明

图1是本发明等离子体处理装置在基座下移时的结构示意图；

图2是本发明等离子体处理装置在基座上移时的结构示意图；

图3是本发明所述等离子体处理装置的结构示意图；

图4是本发明的等离子体处理装置中基座到腔体之间局部结构的放大图；

图5、图6是本发明中两种柔性电介质薄片的结构示意图；

图7、图8是本发明中两种处于收拢状态的柔性电介质薄片分别与接地环连接的结构示意图；

图9、图10用以说明本发明中柔性电介质薄片的最短长度的计算原理；其中，图9、图10分别对应柔性电介质薄片的侧视图和主视图。

具体实施方式

本发明提供的一种等离子体处理装置，以图3所示的一种电容耦合式等离子体处理装置为例，包括由腔体外壁围成的真空反应腔10，所述反应腔10内设置有基座20，基座20顶部通过静电夹盘来固定基片40；基座20上方设置有将反应气体引入至反应腔10内的进气装置，如喷淋头30；所述喷淋头30与基座20之间为处理区域，所述处理区域被反应腔10的腔体包围；腔体的一侧设有传片口50，方便机械手取放基片40。

所述喷淋头30处作为上电极，基座20作为下电极，可以选择在上电极或下电极施加高频射频功率，将处理区域内的反应气体解离为等离子体80，通过到达基片40上表面的等离子体80对基片40进行刻蚀等处理；等离子体处理装置在反应腔10下部合适位置设有排气区域，所述排气区域与外部的排气泵(图未示出)相连接。在处理区域与排气区域之间还设置有等离子体约束系统。

为了实现上电极和下电极之间距离的调节，一些示例中，通过固定上电极与腔体的位置，并由升降驱动机构(图未示出)对基座(下电极)进行上下移动，实现在线调整上下电极之间的距离，将基片带至不同工艺制程规定的高度或带至传片口所在的高度，从而扩大等离子体处理装置的适用范围，使其对不同工艺要求的兼容性更好。示例地，如图1所示，可以在将基片4从外部传送到基座2上或将基座2上的基片4取走时，将基座2下移，喷淋头3下表面到基座2上表面的距离为h1，使基座2上表面对准开设在腔体一侧的传片口5，方便机械手通过传片口5取放基片4；而如图2所示，在刻蚀等工艺开始前，则将基座2上移至工艺所需位置(通常更靠近上电极)，喷淋头3下表面到基座2上表面的距离为h2，之后再进行相应的工艺制程。

基座2外围环绕设置有接地环结构6。为了确保射频路径的畅通，需要在接地环结构6与反应腔1的腔体之间通过导电的联结体7连接，使射频电流可以通过。所述联结体7，例如包含由低阻抗金属导体制成的本体，确保良好的导电性能，然而又需要其在腔体内应用时不会与引入的反应气体或生成的等离子体发生反应，避免联结体7自身损耗、产生金属污染附着到基片4或扩散到处理区域内的设备表面等问题；同时，所述联结体7需柔软，可重复拉伸变形及恢复，以适应接地环结构5随基座2上下移动时接地环结构5与腔体之间的距离变化。本发明即提供一种柔性电介质薄片，用作所述的联结体7。

配合参见图3、图4所示，等离子体约束系统和接地环结构分别环绕设置在基座20的外围，所述接地环结构通过若干个柔性电介质薄片70与反应腔10的腔体进行导电连接，供射频电流通过，实现接地。本例的等离子体约束系统，包含电场限制环63、第一隔绝环64、第二隔绝环65、第三隔绝环66、聚焦环67。接地环结构包含第一接地环61和第二接地环62。第二接地环62的截面呈侧置的Z字型结构，设有纵向布置的第一段、第三段分别连接在横向布置的第二段两端，且第一段、第三段朝着不同方向延伸。接地环结构、等离子体约束系统的具体部件及结构，不限于以下示例的记载。

本示例中，第三隔绝环66位于基座20下方，并有横向延伸超出基座20边缘的部分以承载第二隔绝环65，该第二隔绝环65环绕设置在基座20的中部到下部；聚焦环67放置在第二隔绝环65上，该聚焦环67环绕设置在基座20的顶部外围。第二隔绝环65的外围环绕设置有电场限制环63；第一隔绝环64环绕设置在聚焦环67的外围及电场限制环63顶部的外围，并覆盖第二隔绝环65和电场限制环63的顶部。第一隔绝环64、聚焦环67的顶面与基座20的上表面齐平。

第二接地环62位于第三隔绝环66的边缘下方及外围，即该第二接地环62的第一段朝上，且环绕设置在第三隔绝环66中部到下部的外围，第二段位于第三隔绝环66边缘的下方；第二接地环62的第三段朝下与波纹管15的上部连接，反应腔10的底部延伸到基座20、第三隔绝环66等的下方，并与所述波纹管15的下部连接，以承载波纹管15、基座20、接地环结构、等离子体约束系统等。

电场限制环63在第二接地环62的上方，两者之间设有第一接地环61；该第一接地环61一端环绕在第三隔绝环66的外围，另一端朝外横向延伸并通过第一固定环91连接柔性电介质薄片70的上部72。柔性电介质薄片70的下部73通过第二固定环92连接至设在腔体外壁上的延伸段11。

柔性电介质薄片70整体的侧向截面大致呈倾斜的括号状，通过材质及结构等的设计，使薄片具备一定的拉伸变形及恢复能力；该柔性电介质薄片70的上边缘和下边缘之间的开口朝着腔体外壁一侧，上部72的折弯和下部73的折弯均朝着基座20一侧。

接地环结构、等离子体约束系统等随基座20向上移动，使基座20与喷淋头30的间距变小时，波纹管15可拉伸变长；柔性电介质薄片70拉伸开，使其上下边缘分离、开口扩大。接地环结构、等离子体约束系统等随基座20向下移动，使基座20与喷淋头30的间距变大时，波纹管15可压缩变短；柔性电介质薄片70的上下边缘靠近、开口缩小(见图7、图8)。

配合参见图5～图8所示，每个柔性电介质薄片70上部72和下部73的边缘为圆弧形状，以分别配合第一接地环61及腔体外壁的形状；柔性电介质薄片70的上部72、下部73分别通过若干固定点74(固定点74的位置及数量可根据实际应用调整)，与第一接地环61和腔体外壁的延伸段11相应连接。柔性电介质薄片70与第一接地环61的连接至少有两个固定点74，以保证柔性电介质薄片70边缘的圆弧和第一接地环61的圆弧同心，使得柔性电介质薄片70在拉伸时不会被扭转，防止薄片断裂，并且安装更简便。

每个柔性电介质薄片70的中间部分，纵向开设有若干条长形槽71(不延伸到上部72和下部73的边缘)，在拉伸时能够释放一些应力，薄片的上下边缘就不容易被拉断，从而增加柔性电介质薄片70的使用寿命。根据应用需要，可以分布设置3片(图未示出)，6片(图7)或者12片(图8)柔性电介质薄片70’或70”，来与第一接地环61及腔体外壁连接。图5、图6分别对应6片、12片时的薄片70’和70”，薄片70’与70”的宽度、开槽数量不同，相邻两片的间隔距离也适应调整。

如图9、图10所示，根据接地环结构和腔体之间的最远距离来设计柔性电介质薄片70的最短长度L。拉伸时的柔性电介质薄片70处，上部72与接地环结构接触部分的宽度为a1，上部的接地固定点到上部边缘的距离为a2(接地固定点对应薄片与接地环结构的连接位置)，腔体固定点及接地固定点之间的横向距离为a3(指薄片与接地环结构的连接位置和薄片与腔体的连接位置之间的水平距离)，下部73的腔体固定点到下部边缘的距离为a4，下部73与腔体接触部分的宽度为a5。其中，a1，a5分别根据具体的设计要求确定。

最远距离b对应上部72到下部73之间的纵向距离，表示接地环结构与腔体的最大距离(本例指第一接地环61与腔体外壁的延伸段11的最大距离)。上部72到中间部分之间的折弯，及下部73到中间部分之间的折弯，其最小折弯半径均为r(指根据选择的材质和厚度，薄片不会产生永久变形的最小折弯半径)。对应于中间部分的斜边长度为z，垂直距离为y，水平距离为x。

则，柔性电介质薄片70的长度计算公式为：

x＝(a1-a2)+[a3-(a5-a4)]

y＝b-2r

L＝a1+a5+z+πr

薄片的长度越短，射频电流通过能力越好，本设计能保证柔性电介质薄片70在最短的长度内能符合寿命要求。

示例的柔性电介质薄片70，其材料可以选择铍铜、不锈钢，或者铝。上部72和下部73作为直接接地的部分，根据材质以及制程，可以对其镀镍；其余的中间部分可以贴数层聚酰亚胺胶带，用来覆盖住金属表面，防止金属在腔体内产生污染。

综上所述，本发明的柔性电介质薄片通过优化，有良好的射频电流通过能力，安装方便，使用寿命长，且不产生金属污染，适用于基座可上下移动的等离子体处理装置。

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)

1.一种等离子体处理装置，其特征在于，包括：

由腔体外壁围成的真空反应腔；位于所述真空反应腔内的基座，所述基座用于承载待处理基片；环绕设置在所述基座外围的接地环结构；

升降驱动机构，用于驱动所述基座和接地环结构在真空反应腔内上下移动；

所述接地环结构与所述腔体外壁之间设置一柔性电介质薄片，所述柔性电介质薄片一端与所述接地环结构电连接，另一端与所述腔体外壁电连接，所述升降驱动机构驱动所述基座和接地环结构上下移动时，所述接地环结构、所述柔性电介质薄片和所述腔体外壁保持电连接；

所述柔性电介质薄片的上部，通过若干接地固定点与接地环结构连接，柔性电介质薄片的下部通过若干腔体固定点与腔体外壁的横向延伸段连接；所述柔性电介质薄片的上部边缘和下部边缘为圆弧形状，分别配合接地环结构外围形状及腔体外壁的形状；拉伸时柔性电介质薄片的中间部分为斜边；

所述柔性电介质薄片的最短长度，与接地环结构到腔体外壁之间的最远距离b相匹配；所述最远距离b还对应柔性电介质薄片上部到下部之间的纵向距离；

拉伸时的柔性电介质薄片处，上部与接地环结构接触部分的宽度为a1，上部的接地固定点到上部边缘的距离为a2，腔体固定点及接地固定点之间的横向距离为a3，下部的腔体固定点到下部边缘的距离为a4，下部与腔体接触部分的宽度为a5；

上部到中间部分之间的折弯，以及下部到中间部分之间的折弯，其最小折弯半径均为r；对应于中间部分的斜边长度为z，垂直距离为y，水平距离为x；

柔性电介质薄片的最短长度L为：

L＝a1+a5+z+πr

x＝(a1-a2)+[a3-(a5-a4)]

y＝b-2r

2.如权利要求1所述等离子体处理装置，其特征在于，

所述柔性电介质薄片的上部边缘和下部边缘之间的开口朝着腔体外壁一侧，上部与中间部分之间的折弯和下部与中间部分之间的折弯，均朝着基座一侧。

3.如权利要求1所述等离子体处理装置，其特征在于，

所述接地环结构随基座向上移动时，所述柔性电介质薄片拉伸，上部边缘和下部边缘相互分离、开口扩大；所述接地环结构随基座向下移动时，所述柔性电介质薄片的上部边缘和下部边缘相互靠近、开口缩小。

4.如权利要求1所述等离子体处理装置，其特征在于，

所述中间部分纵向开设有若干槽；

等离子体处理装置包含多个柔性电介质薄片，其各自的上部连接接地环结构，各自的下部连接腔体外壁。

5.如权利要求4所述等离子体处理装置，其特征在于，

等离子体处理装置包含分布设置的3片、或6片、或12片柔性电介质薄片，各个柔性电介质薄片的上部连接接地环结构，下部连接腔体外壁的横向延伸段。

6.如权利要求1所述等离子体处理装置，其特征在于，

所述柔性电介质薄片由导电金属制成；

所述柔性电介质薄片的中间部分的表面设有防护层，防止金属暴露在等离子体处理装置的处理区域内，且所述防护层与处理区域内的气体或反应物不产生反应。

7.如权利要求6所述等离子体处理装置，其特征在于，

所述柔性电介质薄片由铍铜、或不锈钢、或铝制成；

所述柔性电介质薄片的上部和下部分别镀镍，中间部分的表面覆盖有数层聚酰亚胺胶带。

8.如权利要求1～7中任意一项所述等离子体处理装置，其特征在于，所述基座上方设置有将反应气体引入至反应腔内的喷淋头；喷淋头与基座之间为处理区域；喷淋头处作为上电极，基座处作为下电极，所述上电极或所述下电极施加有高频射频功率，将处理区域内的反应气体解离为等离子体对基片进行处理；等离子体处理装置在反应腔下部设有排气区域与外部的排气泵相连接；在处理区域与排气区域之间设置有等离子体约束系统；通过升降驱动机构使基座在反应腔内上下移动或定位在设定的高度，以调整基座与喷淋头的间距。

9.如权利要求8所述等离子体处理装置，其特征在于，

所述等离子体约束系统包含聚焦环、隔绝环结构、电场限制环；聚焦环环绕设置在基座顶部的外围，隔绝环结构包围基座的下方及外围、聚焦环的外围，电场限制环环绕设置在隔绝环结构外围；

所述接地环结构包含第一接地环和第二接地环；所述第二接地环位于基座下方的隔绝环结构之下并环绕隔绝环结构的下部外围；反应腔的底部延伸到基座下方的隔绝环结构及第二接地环之下，并通过波纹管与第二接地环连接，以承载波纹管、基座、接地环结构及等离子体约束系统；

所述第一接地环一端位于隔绝环结构外围，另一端朝外侧横向延伸并通过第一固定环连接柔性电介质薄片的上部，柔性电介质薄片的下部通过第二固定环连接至腔体外壁上的横向延伸段。