CN113130281B - 一种等离子体处理系统及其包含的法拉第屏蔽装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种等离子体处理系统及其包含的法拉第屏蔽装置，其中等离子体处理系统包括设置在射频线圈和介质窗之间的法拉第屏蔽装置本体，其中心设有空心结构，空心结构套设在进气喷嘴上；还包括驱动装置，法拉第屏蔽装置本体通过驱动装置实现在介质窗中心轴线上的旋转；本发明选用合适的清洗工艺即可实现对介质窗以及反应腔室内壁的清洗，可以避免反应产物在介质窗以及反应腔室腔体内壁沉积造成的颗粒污染，同时也可以避免射频线圈进行能量耦合过程中均匀性无法得到保证的问题。

Description

一种等离子体处理系统及其包含的法拉第屏蔽装置

技术领域

本发明涉及一种等离子体处理系统及其包含的法拉第屏蔽装置，属于等离子体处理工艺设备。

背景技术

目前Pt、Ru、Ir、NiFe、Au等非挥发性材料主要通过电感耦合等离子体（ICP）进行干法刻蚀，电感耦合等离子通常由置于等离子体处理腔室外部与电介质窗相邻的线圈产生，腔室内的工艺气体被点燃后形成等离子体，在对非挥发性材料的干法刻蚀工艺过程中，由于反应产物的蒸汽压较低，难以被真空泵抽走，导致反应产物沉积在电介质窗和其他等离子体处理腔室内壁上沉积，这不仅会产生颗粒沾污，也会导致工艺随时间漂移使工艺过程的重复性下降，因此需要对等离子体处理腔室进行清洗，但是在实际使用过程中，清洗将导致工艺中断，降低等离子体处理设备的生产效率；随着近年来第三代存储器——磁存储器（MRAM）的不断发展和集成度的不断提高，对金属栅极材料（如Mo、Ta等）和高k栅介质材料（如Al2O3、HfO2和ZrO2等）等新型非挥发性材料的干法刻蚀需求不断增加，解决非挥发性材料在干法刻蚀过程中产生的侧壁沉积和颗粒沾污，同时提高等离子体处理腔室的清洗工艺效率是十分必要的。

实验者经过多次实验，发现将法拉第屏蔽装置置于射频线圈与电介质窗之间可以减少由射频电场诱发的离子对腔壁的侵蚀，将屏蔽功率耦合进法拉第屏蔽装置，选用合适的清洗工艺，可以实现对介质窗以及腔体内壁的清洗，避免了反应产物在介质窗以及腔体内壁沉积而造成的颗粒污染、射频不稳、工艺窗口漂移等问题。

如申请号为201220244746.3的实用新型，公开了一种等离子体处理装置及其包含的法拉第屏蔽装置，用于等离子体处理设备中，等离子体处理设备包括至少一个反应腔室和与每个反应腔室成对设置的射频线圈，该法拉第屏蔽装置设置于反应腔室和相对应的射频线圈之间，其包括一块圆形屏蔽板，屏蔽板上设置有至少一个径向槽，用于使线圈产生的电磁场均匀地分布在反应腔室中，其中径向槽在靠近屏蔽板的中心部所具有的宽度小于其在靠近该屏蔽板的边缘部所具有的宽度；将上述的法拉第屏蔽装置选用合适的清洗工艺在一定程度上可以实现对介质窗以及反应腔侧壁的清洗，但其受限于等离子体处理腔室内部的等离子体分布，法拉第屏蔽装置组件缝隙投影部分的介质窗区域无法实现有效清洗，造成污染颗粒在介质窗局部沉积，影响等离子体场分布，对射频功率传输以及工艺过程造成不利影响，因此亟需一种新的法拉第屏蔽装置，使其实现对等离子体处理腔体内壁尤其是介质窗的高效清洗。

发明内容

本发明提供一种等离子体处理系统及其包含的法拉第屏蔽装置，可以实现对离子体处理腔体内壁尤其是介质窗的全方位清洗。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种等离子体处理系统，包括反应腔室，其端面安装介质窗，在介质窗的中心位置开设进气口，进气口上安装进气喷嘴，

法拉第屏蔽装置本体中心设有空心结构，空心结构套设在进气喷嘴上，且空心结构与进气口同轴设置；

还包括绝缘支撑结构，其套设在空心结构上，射频线圈通过绝缘支撑结构安装在介质窗表面，法拉第屏蔽装置本体设置在射频线圈和介质窗之间；

还包括驱动装置，法拉第屏蔽装置本体通过驱动装置实现在介质窗中心轴线上的旋转；

作为本发明的进一步优选，

驱动装置包括电机、偏心轮以及绝缘杆，电机的电机轴上安装偏心轮，绝缘杆的一端可旋转连接在偏心轮上，绝缘杆的另一端可旋转连接在法拉第屏蔽装置本体表面；

绝缘杆、偏心轮以及法拉第屏蔽装置本体均在同一平面上旋转；

空心结构的顶端通过舒展装置与射频柱固定连接；

作为本发明的进一步优选，绝缘杆的一端通过销钉可旋转连接在偏心轮上，绝缘杆的另一端同样通过销钉可旋转连接在法拉第屏蔽装置本体上；

作为本发明的进一步优选，前述的舒展装置呈弧状结构设置，其一端固定在射频柱上，舒展装置的另一端固定在空心结构的顶端；

舒展装置采用铜片制作；

作为本发明的进一步优选，驱动装置包括电机，电机固定在射频柱上，电机的电机轴通过联轴器与空心结构的顶端固定连接，且电机的电机轴与空心结构同轴设置；

一种法拉第屏蔽装置，其为安装在等离子体处理系统内的法拉第屏蔽装置本体；

前述的法拉第屏蔽装置本体包括若干片结构相同的叶片，若干片叶片均呈扇形结构设置，叶片的顶端均固定在空心结构上；若干片叶片整体呈圆形，以介质窗的中心轴线为中心线发散对称排布，且相邻两片叶片之间的间距均相等；

作为本发明的进一步优选，前述的叶片的片数选用范围为15-20片；

作为本发明的进一步优选，若干片叶片整体构成的圆形状的圆周上固定绝缘圈，绝缘圈与叶片接触部分通过螺钉固定。

通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明将法拉第屏蔽装置本体通过驱动装置的设置，使其产生旋转，可以实现对反应内腔壁以及介质窗的全面清洗；

2、本发明法拉第屏蔽装置本体的结构设置，可以在射频线圈与介质窗之间较小的空间内，实现在不降低射频功率的前提下，达到较优的清洗效果。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明提供的第一种优选等离子体处理系统的侧视图；

图2是本发明提供的第一种优选等离子体处理系统的俯视图；

图3是本发明提供的第二种优选等离子体处理系统的侧视图；

图4是本发明提供的法拉第屏蔽装置本体的优选实施例；

图5是本发明提供的法拉第屏蔽装置本体安装在等离子体处理系统时的侧视图；

图6是本发明绝缘支撑套设在空心结构上的俯视图；

图7是本发明的法拉第屏蔽装置本体安装绝缘圈时的结构示意图；

图8是本发明的法拉第屏蔽装置未旋转以及旋转时清洗效果的结论图。

图中：1为射频线圈，2为介质窗，3为进气喷嘴，4为法拉第屏蔽装置本体，5为空心结构，6为绝缘杆，7为电机，8为舒展装置，9为联轴器，10为绝缘支撑，11为绝缘圈。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

工艺气体通过进气喷嘴3穿过介质窗2进入反应腔室内，电感耦合离子通常由置于介质窗2上方的射频线圈1产生，反应腔室内的工艺气体被点燃后形成等离子体，由射频电场诱发的等离子体对反应腔室的内壁形成侵蚀，因此在射频线圈1与介质窗2之间设置法拉第屏蔽装置本体4可以减少等离子体对反应腔室内壁的侵蚀，同时将屏蔽功率耦合进法拉第屏蔽装置本体4，选用合适的清洗工艺即可实现对介质窗2以及反应腔室内壁的清洗，可以避免反应产物在介质窗2以及反应腔室腔体内壁沉积而造成的颗粒污染，同时也可以避免射频线圈1进行能量耦合过程中均匀性无法得到保证的问题；

实施例1：

基于上述，本申请提供一种图4所示的法拉第屏蔽装置本体4，包括若干片结构相同的叶片，若干片叶片均呈扇形结构设置，叶片的顶端均固定在空心结构5上；若干片叶片整体呈圆形，以介质窗2的中心轴线为中心线发散对称排布，且相邻两片叶片之间的间距均相等。

在实施例1中叶片的片数选用范围为15-20片，将叶片选用在这个范围内，是用于构成法拉第屏蔽装置的叶片厚度较薄，如果叶片较少，在一定程度上可以实现覆盖面积变大的效果，但是射频线圈1产生的电感耦合离子同时被阻挡，使其射频功率衰减，那么将实施例1中的法拉第屏蔽装置本体4应用在清洗过程中的效果也会降低。

叶片的材料选用铝、铜、钼、钽等导电金属或合金的一种或多种。

将实施例1中的法拉第屏蔽装置本体4应用在等离子体处理系统中，通过选用合适的清洗工艺实现对介质窗2以及反应腔室内壁的清洗，但是由于法拉第屏蔽装置本体4结构的约束，相邻叶片之间形成的缝隙投影部分对应的介质窗2区域无法实现有效的清洗，同样还是会造成污染颗粒在介质窗2局部的沉积，影响等离子体场分布，因此本申请的实验人员在经过多次实验后，发现清洗过程中将实施例1中的法拉第屏蔽装置本体4在某个角度范围内进行旋转，旋转范围覆盖法拉第屏蔽装置本体4相邻叶片之间的间隙，可以实现介质窗2全方位的有效清洗。

基于上述，将实施例1运用至等离子体处理系统中，同时使其实现旋转功能，本申请提供两种优选实施例，分别为实施例2和实施例3，

实施例2：

提供一种图1所示的等离子体处理系统，包括反应腔室，其端面安装介质窗2，在介质窗2的中心位置开设进气口，进气口上安装进气喷嘴3， 法拉第屏蔽装置本体4中心设有空心结构5，空心结构5套设在进气喷嘴3上，且空心结构5与进气口同轴设置；由于叶片的顶端均连接在空心结构5上，而空心结构5套设在进气喷嘴3上，那么通过空心结构5围绕进气喷嘴3的旋转实现法拉第屏蔽装置本体4的旋转。

图6所示，绝缘支撑10结构套设在空心结构5上，图5所示，射频线圈1通过绝缘支撑10结构安装在介质窗2表面，法拉第屏蔽装置本体4设置在射频线圈1和介质窗2之间；

还包括驱动装置，法拉第屏蔽装置本体4通过驱动装置实现在介质窗2中心轴线上的旋转；驱动装置包括电机7、偏心轮以及绝缘杆6，电机7的电机7轴上安装偏心轮，图2所示，绝缘杆6的一端通过销钉可旋转连接在偏心轮上，绝缘杆6的另一端同样通过销钉可旋转连接在法拉第屏蔽装置本体4的其中一片叶片表面；

绝缘杆6、偏心轮以及法拉第屏蔽装置本体4均在同一平面上旋转；

清洗工况下，启动电机7，偏心轮在电机7轴的旋转下进行运转，带动绝缘杆6的转动，由于联动作用，绝缘杆6带动与绝缘杆6连接的叶片进行旋转，最终实现法拉第屏蔽装置整体的旋转，同时法拉第屏蔽装置的旋转仅仅是以介质窗2中心轴线为基准的旋转，由于叶片的旋转，使得相邻叶片之间的间隙阴影部分获得清洗，避免了沉淀物的沉积，也可以避免射频线圈1进行能量耦合过程中不均匀的问题。

为了更好的保证法拉第屏蔽装置本体4基于介质窗2中心轴线的旋转，实施例2中安装了舒展装置8，图1中可明显看出，舒展装置8是一个呈圆弧状的结构，其一端固定在射频柱上，舒展装置8的另一端固定在空心结构5的顶端，舒展装置8采用导电材料如铜片制作，使其具有延展性，当法拉第屏蔽装置本体4在旋转过程时，舒展装置8对法拉第屏蔽装置本体4提供一定的旋转导向，同时舒展装置8通过导电材料进行制作，实现射频柱与法拉第屏蔽装置本体4的软连接，避免射频不稳的现象。

实施例3：

提供一种图3所示的等离子体处理系统，包括反应腔室，其端面安装介质窗2，在介质窗2的中心位置开设进气口，进气口上安装进气喷嘴3， 法拉第屏蔽装置本体4中心设有空心结构5，空心结构5套设在进气喷嘴3上，且空心结构5与进气口同轴设置；

图6所示，绝缘支撑10结构套设在空心结构5上，图5所示，射频线圈1通过绝缘支撑10结构安装在介质窗2表面，法拉第屏蔽装置本体4设置在射频线圈1和介质窗2之间；

还包括驱动装置，法拉第屏蔽装置本体4通过驱动装置实现在介质窗2中心轴线上的旋转；图3所示，驱动装置包括电机7，电机7固定在射频柱上，电机7的电机7轴通过联轴器9与空心结构5的顶端固定连接，且电机7的电机7轴与空心结构5同轴设置；

清洗工况下，启动电机7，电机7轴通过联轴器9直接带动空心结构5进行旋转，最终实现法拉第屏蔽装置本体4基于介质窗2中心轴线的旋转，由于电机7轴的直接驱动，法拉第屏蔽装置本体4可以以顺时针或者逆时针进行360°旋转，由于叶片的旋转，使得相邻叶片之间的间隙阴影部分获得清洗，避免了沉淀物的沉积。

试验人员在经过多次试验后发现，如图8所示，法拉第屏蔽装置本体4在不旋转时，其清洗的覆盖率在60%-70%之间，而通过实施例2和实施例3的等离子体处理系统进行清洗后，其清洗的覆盖率提高至95%-100%之间，清洗效果得到了很大提升。

实施例4：

本申请的法拉第屏蔽装置本体4在旋转过程中，尤其是实施例2中采用偏心轮的旋转方式，常常由于扭矩不足导致电机7无法带动整个法拉第屏蔽装置本体4旋转，或者由于法拉第屏蔽装置本体4结构的限制，即叶片材质过薄（如叶片选用铝时，其厚度小于1mm），在旋转过程中常常会发生变形甚至断裂，因此如图7所示，若干片叶片整体构成的圆形状的圆周上固定绝缘圈11，绝缘圈11与叶片接触部分通过螺钉固定；

需要说明的是，当在叶片整体构成的圆形状上固定绝缘圈11时，在实施例2中绝缘杆6的一端可以与叶片直接连接，也可以与绝缘圈11连接。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (4)

1.一种等离子体处理系统，包括反应腔室，其端面安装介质窗，在介质窗的中心位置开设进气口，进气口上安装进气喷嘴，其特征在于：

法拉第屏蔽装置本体中心设有空心结构，空心结构套设在进气喷嘴上，且空心结构与进气口同轴设置；

还包括绝缘支撑结构，其套设在空心结构上，射频线圈通过绝缘支撑结构安装在介质窗表面，法拉第屏蔽装置本体设置在射频线圈和介质窗之间；

还包括驱动装置，法拉第屏蔽装置本体通过驱动装置实现在介质窗中心轴线上的旋转；

驱动装置包括电机、偏心轮以及绝缘杆，电机的电机轴上安装偏心轮，绝缘杆的一端可旋转连接在偏心轮上，绝缘杆的另一端可旋转连接在法拉第屏蔽装置本体表面；

绝缘杆、偏心轮以及法拉第屏蔽装置本体均在同一平面上旋转；

空心结构的顶端通过舒展装置与射频柱固定连接。

2.根据权利要求1所述的等离子体处理系统，其特征在于：绝缘杆的一端通过销钉可旋转连接在偏心轮上，绝缘杆的另一端同样通过销钉可旋转连接在法拉第屏蔽装置本体上。

3.根据权利要求1所述的等离子体处理系统，其特征在于：前述的舒展装置呈弧状结构设置，其一端固定在射频柱上，舒展装置的另一端固定在空心结构的顶端；

舒展装置采用铜片制作。

4.根据权利要求1所述的等离子体处理系统，其特征在于：

驱动装置包括电机，电机固定在射频柱上，电机的电机轴通过联轴器与空心结构的顶端固定连接，且电机的电机轴与空心结构同轴设置。

Images