CN114551199A - 一种限制环及其制作方法、以及等离子体处理装置 - Google Patents

一种限制环及其制作方法、以及等离子体处理装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种限制环及其制作方法、以及等离子体处理装置，通过在气体通道内设置非纵向弯折部，增大了等离子体与气体通道碰撞几率，有效的将等离子体限制在处理区域内，大大减小了深宽比，从而降低了气阻。

Description

一种限制环及其制作方法、以及等离子体处理装置
技术领域
本发明涉及等离子体处理装置技术领域，尤其涉及一种等离子体处理装置中的等离子体限制环技术领域。
背景技术
等离子体处理装置是利用真空反应腔的工作原理进行半导体基片的加工。真空反应腔的工作原理是在真空反应腔中通入含有适当刻蚀剂或沉积源气体的反应气体，然后再对反应腔进行射频能量输入，以激活反应气体，来点燃和维持等离子体，以便刻蚀基片表面上的材料层或在基片表面上沉淀材料层，进而对半导体基片进行加工。例如，电容性等离子体反应装置已经被广泛应用于加工半导体基片，在电容性等离子体反应装置中，当射频功率被施加到上电极或下电极之一时，就在电极之间形成电容性放电。
在等离子体产生后，大部分等离子体会处于上下电极之间的处理区域，但由于等离子体具有扩散性，还是有部分等离子体可能充满整个反应腔，到达排气区域，若等离子体到达非处理区域，例如排气区域，那么这些区域可能会被等离子体腐蚀、侵蚀，或发生沉积，从而导致反应腔内颗粒污染，降低反应腔内零件工作寿命，影响半导体加工质量。
因此，需要将等离子体限制在处理区域内，现有技术中一般采用限制环将等离子体限制在处理区域内，例如附图1中，限制环200’设置在处理区域201和排气区域202之间，具有多个通道，等离子体中的带电粒子通过通道移动的距离大于该带电粒子的平均自由程，等离子体P中的带电粒子在经过通道时，由于碰撞通道侧壁而发生湮灭，减少了泄露等离子体P’的数量，有效的将等离子体限制在处理区域内，但是这样的设计，为了增加等离子体中带电粒子碰撞通道侧壁的几率，通道的深宽会比较大，即通道的深度D较大，较大的深度D导致气阻的增加，给排气泵140(如附图2中所示)带来极大的工作负荷，减少了排气泵140的使用寿命。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种限制环，其用于等离子体处理装置，设置于所述等离子体处理装置的处理区域和排气区域之间，其特征在于：包括：环状本体，所述环状本体具有上表面和与上表面相对的下表面；所述环状本体包括至少一个气体通道，所述气体通道贯穿所述上表面和下表面；所述气体通道包括位于上表面和下表面之间的至少一个非纵向弯折部。
可选的，位于所述非纵向弯折部的气体通道与上表面或下表面的角度为大于等于0°小于90°。
可选的，所述角度为0°。
可选的，所述气体通道呈环状沿着环状本体周向延伸，相邻的所述气体通道之间相互隔离。
可选的，所述气体通道还包括：主通道、以及至少两个与同一主通道相通的副通道；其中，所述主通道的气体入口位于上表面，所述副通道的气体出口位于下表面，所述非纵向弯折部位于主通道和副通道的连接处。
可选的，所述气体通道还包括：主通道、以及至少两个与同一主通道相通的副通道；其中，所述主通道的气体出口位于下表面，所述副通道的气体入口位于上表面，所述非纵向弯折部位于主通道和副通道的连接处。
可选的，所述限制环还包括间隔部；与同一主通道连通的副通道之间通过间隔部间隔开，所述主通道与副通道均呈环状沿着环状本体周向延伸。
可选的，所述间隔部在朝向上表面一侧具有非纵向面。
可选的，所述间隔部在朝向下表面一侧具有非纵向面。
可选的，同一所述副通道在环状本体周向上被连接部间隔，所述连接部一端与所述间隔部一体连接，所述连接部另一端与环状本体的侧壁一体连接。
可选的，所述主通道宽度等于所有副通道宽度之和。
可选的，所述环状本体表面经过阳极化处理。
可选的，所述环状本体上接触或靠近等离子体的表面涂覆有抗等离子体腐蚀的材料。
进一步的，本发明还公开了一种等离子体处理装置，包括由腔壁围成的反应腔，所述反应腔具有处理区域和排气区域，其特征在于：还包括：如上述的限制环，所述限制环设置于处理区域和排气区域之间。
进一步的，本发明还公开了一种上述限制环的制造方法，所述方法包括：通过机械加工方式一体化加工。
进一步的，本发明还公开了一种上述限制环的制造方法，所述方法包括：分别加工所述环状本体和所述间隔部，将所述环状本体和所述间隔部组装。
可选的，所述组装包括：通过设置在环状本体和间隔部下表面的环形架将二者组装。
本发明的优点在于：本发明提供了一种限制环及其制作方法、以及等离子体处理装置，通过在气体通道内设置非纵向弯折部，增大了等离子体与气体通道碰撞几率，有效的将等离子体限制在处理区域内，大大减小了深宽比，从而降低了气阻。
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示出了现有技术中的限制环的示意图；
图2示出了电容耦合等离子体(CCP)处理装置结构示意图；
图3示出了限制环的俯视图；
图4示出了图3中限制环沿x-x’方向的截面图；
图5示出了气体通道S内部气体分布图；
图6示出了副通道局部仰视图；
图7示出了又一实施例；
图8示出了又一实施例。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
图2示出了电容耦合等离子体(CCP)处理装置结构示意图。图2中，电容耦合等离子体处理装置是一种由施加在极板上的射频电源通过电容耦合的方式在反应腔内产生等离子体并用于刻蚀的设备。其包括真空反应腔100，真空反应腔包括由金属材料制成的大致为圆柱形的反应腔腔壁101，反应腔腔壁上设置一开口102用于容纳基片进出。反应腔上部设置一气体喷淋头120和一与所述气体喷淋头相对设置的基座110，所述气体喷淋头120与一气体供应装置125相连，用于向真空反应腔输送反应气体，同时作为真空反应腔的上电极，所述基座110上方设置一静电吸盘112，同时作为真空反应腔的下电极，所述上电极和所述下电极之间形成一处理区域201。至少一射频电源150通过匹配网络152施加到所述上电极或下电极之一，在所述上电极和所述下电极之间产生射频电场，用以将反应气体解离为等离子体，等离子体中含有大量的电子、离子、激发态的原子、分子和自由基等活性粒子，上述活性粒子可以和待处理基片W的表面发生多种物理和化学反应，使得基片W表面的形貌发生改变，即完成刻蚀过程。真空反应腔100的下方还设置一排气泵140，用于将反应副产物排出反应腔，维持反应腔的真空环境。
静电吸盘112内部设置一静电电极113，用于产生静电吸力，以实现在工艺过程中对待处理基片W的支撑固定。静电吸盘下方设置加热装置114，用于对工艺过程中的基片温度进行控制。环绕所述基座110设置有聚焦环132及边缘环134，所述聚焦环和边缘环用于调节基片周围的电场或温度分布，提高基片处理的均匀性。环绕所述边缘环设置等离子体限制环200，限制环200位于处理区域201和排气区域202之间，将等离子体限制在上下电极之间的处理区域201，避免等离子体泄露到非处理区域，例如排气区域202，造成非处理区域的部件损伤。等离子体限制环200下方设置一中接地环136，中接地环用于为等离子体约束环提供电场屏蔽；中间接地环下方设置一下接地环137，中接地环136和下接地环137保持电连接，以在反应腔内形成一射频接地回路。下接地环与基座之间设置一屏蔽环138，用于将施加到基座上的射频信号屏蔽在基座内，实现基座与下接地环的电隔离。
图3示出了附图2中限制环200具体实施例的俯视图，限制环200包括环状本体210和间隔部240，所述环状本体210包括上表面230和与上表面相对的下表面231，所述上表面230面向处理区域201，所述下表面231面向排气区域202；可选的，上表面平行于下表面；所述环状本体210包括至少一个气体通道S，所述气体通道S贯穿所述上表面230和下表面231，所述气体通道S呈环状沿着环状本体210周向延伸，相邻的所述气体通道S之间相互隔离，所述气体通道S两两之间在周向上相互平行，形成多个同心环。在纵向方向上，即与上、下表面垂直的方向，每个气体通道S大致与纵向平行。
图4示出了图3中限制环沿x-x’方向的截面图。由图4所示，所述每个气体通道S包括：主通道S1、以及与同一主通道S1分别相连通的第一副通道S2a、第二副通道S2b；其中，所述主通道S1的气体入口220位于上表面230，所述副通道的气体出口221位于下表面231；每个气体通道S还包括两个非纵向弯折部。以纸张所在平面的方位区分左右，两个非纵向弯折部260为左侧的非纵向弯折部和右侧的非纵向弯折部，所述非纵向弯折部260位于主通道和副通道的连接处；对于其中一个气体通道S，第一副通道S2a通过左侧的非纵向弯折部260与主通道S1相连，第二副通道S2b通过右侧的非纵向弯折部260与主通道S1相连，非纵向弯折部260具有大致沿着横向延伸的趋势，其中横向是与上表面和下表面平行的方向，位于所述非纵向弯折部的气体通道与上表面或下表面的角度为大于等于0°小于90°，可选地，角度为大于等于0°小于等于45°，可选地，角度为0°，附图4仅示出了角度为0°的情况。
进一步地，由附图4可以看出：气体G经过S1，经由非纵向弯折部260，气体G被分成两路，在非纵向弯折部260处，气体G被迫沿着大致横向流动。由于等离子体中的带电粒子在处理区域201的电场中具有方向性和较快的速度，因而包含在用过的反应气体中的绝大多数的带电粒子在被排气泵140抽吸时会由于方向性和速度碰撞在限制环200的上表面230而无法通过，而一小部分没有撞击到上表面230的带电粒子会流向气体通道S。
附图5示出了一个气体通道S内部气体分布图。所述限制环200包括环状本体210和间隔部240，环状本体210包括多个侧壁250。气体通道S由两个相对的侧壁250和间隔部240构成，间隔部240设置在相对的两个侧壁250之间，侧壁250包括由上到下依次连接的上侧壁252、侧壁非纵向面251、下侧壁253，其中，上侧壁252和下侧壁253基本上沿着纵向延伸，侧壁非纵向面251与上表面或下表面成一角度，所述角度为大于等于0°小于90°，可选地，所述角度为大于等于0°小于45°，可选地，所述角度为0°；间隔部240包括非纵向面241和两个侧面242，侧面242基本上沿着纵向延伸，非纵向面241可以与上、下表面上平行(即角度等于0°的情况)，非纵向面与两侧的侧面连接形成墙体状；可选的，非纵向面241成山峰状，山峰状的坡面与侧壁非纵向面251平行，此时非纵向弯折部的角度与上表面或下表面成一角度(即角度为大于0°小于90°的情况)；可选的，上侧壁252向下的延长线与间隔部240的非纵向面241相交。
由于非纵向弯折部260的存在，带电粒子进入气体通道S后，大概率撞击间隔部240的非纵向面241，少量没有撞击非纵向面241的带电粒子会由于气流的转向而撞击下侧壁253，这些撞击将带电粒子上的电荷中和，使得碰撞后离开气体通道S的粒子都是中性的。因此，大大减少了处于非处理区域的带电粒子数，排出的气体也不会使得等离子体的放电延伸至非处理区域，消除了非处理区域的放电现象，避免了反应腔的腐蚀，另外，排气区域的颗粒由于向上涌时会受到侧壁非纵向面251的阻隔，因此还可以起到解决排气区域中颗粒的上涌而影响半导体工艺质量的问题。
附图6示出了副通道局部仰视图，第一副通道S2a、第二副通道S2b至少一个在周向上是非连续的，中间由连接部270间隔，连接部270的一端与间隔部240一体地连接，连接部270的另一端与侧壁250一体地连接；例如，在一个第二副通道S2b的周向上被连接部270间隔，连接部270数量为至少一个，可选的，个数为3个或4个，多个连接部270在周向上是均匀间隔的。连接部270的设置，方便了限制环200的一体化成型，具体的，采用机加工完成，一体化制造的方式便于生产制造，且形成的限制环强度大。
可选地，参见附图5，主通道S1的宽度是均一的，其宽度为W1，副通道S2a、副通道S2b的宽度同样也是均一的，且副通道S2a的宽度为W2，副通道S2b的宽度为W2’；可选地，W1＝W2+W2’，可选地，W2＝W2’，当然W2也可以不等于W2’。这样的好处在于：由于气体进入和排除口相同，气阻会降低。
上述实施例仅例举出副通道为两个的情况。当然，副通道也可以仅有一个，那么主通道通过一个非纵向弯折部与一个副通道连接；可选地，此时，为了保证气阻尽量低，主通道和副通道的宽度相同。
不仅如此，还可以有其他实施方式。副通道个数也可以为两个以上。例如，可以在间隔部240上同样设置有气体通道，气体通道贯穿非纵向面241和下表面，并且气体通道包括主通道、以及通过非纵向弯折部连接的一个或两个副通道；可选地，为了保证气阻尽量低，主通道宽度等于所有副通道宽度之和。
附图7示出了本申请另一实施例。该图示出了4个非纵向弯折部的情况，当然也可以有更多的非纵向弯折部。为了描述清楚、简洁，跟上文相同的零部件采用相同的标号进行描述。在本实施例中，和以上实施例的区别仅在非纵向弯折部有4个。主通道通过两个非纵向弯折部与其中一个副通道连通，在此实施例中，间隔部40具有三个非纵向面241，这样大大增加了带电粒子撞击的可能性；可选的，上侧壁向下延伸的延长线与非纵向面241相交。在此实施例中，为了保证气阻尽量低，主通道宽度等于所有副通道宽度之和。另外，副通道也不仅仅局限于两个，也包括如上文所述的一或更多个副通道的情况。
附图8示出了本申请另一实施例。该实施例和以上实施例的区别仅在于主通道和副通道是上下颠倒的，即：所述气体通道的所述主通道的气体出口位于下表面，所述副通道的气体入口位于上表面，所述非纵向弯折部位于主通道和副通道的连接处；具体的，参见附图8，气体通过两个副通道S1a、S1b进入，然后经过非纵向弯折部流向主通道S2’，该实施例中，带电粒子倾向于撞击侧壁非纵向面和下侧壁；可选地，间隔部240的侧面向下延伸的延长线与侧壁非纵向面相交。
综上，由于所述本发明的限制环200的深度设计无需考虑等离子体的带电粒子通过所述气体通道移动的距离必须大于所述带电粒子的平均自由程，因此本发明的限制环的深度会比现有技术中限制环200’的深度小，深度的降低，大大减小了深宽比，从而降低了气阻，减小了对泵的负荷。
对于上述实施例材料的选择。限制环选用金属制成，例如铝、不锈钢、钨等，为了保护限制环，各个面首先需进行阳极化处理，随后再在面对处理区域的面涂覆一层防止等离子体腐蚀的物质，比如：涂覆一层Y2O3材料，以进一步防止等离子体腐蚀。
对于限制环的制造方法，上文已经提到一体化加工的方法，即：通过机械加工实现一体化加工。
可选的，限制环也可以采用分体加工的方法，首先，分别加工所述环状本体和间隔部，然后将环状本体和间隔部组装，所述组装步骤包括通过设置在环状本体和间隔部下表面的环形架将二者组装；可选的，组装步骤还可以包括采用上文的连接部将环状本体和间隔部组装在一起，该方法中的连接部是分立的，不和间隔部、环状本体一体制造。
本发明公开的限制环不限于应用于上述等离子体处理装置，在其他等离子体处理装置中也可以适用，此处不再赘述。
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 (18)

1.一种限制环，其用于等离子体处理装置，设置于所述等离子体处理装置的处理区域和排气区域之间，其特征在于：包括：
环状本体，所述环状本体具有上表面和与上表面相对的下表面；
所述环状本体包括至少一个气体通道，所述气体通道贯穿所述上表面和下表面；所述气体通道包括位于上表面和下表面之间的至少一个非纵向弯折部。
2.如权利要求1所述的限制环，其特征在于：位于所述非纵向弯折部的气体通道与上表面或下表面的角度为大于等于0°小于90°。
3.如权利要求2所述的限制环，其特征在于：所述角度为0°。
4.如权利要求1所述的限制环，其特征在于：所述气体通道呈环状沿着环状本体周向延伸，相邻的所述气体通道之间相互隔离。
5.如权利要求1或4所述的限制环，其特征在于：所述气体通道还包括：主通道、以及至少两个与同一主通道相通的副通道；其中，所述主通道的气体入口位于上表面，所述副通道的气体出口位于下表面，所述非纵向弯折部位于主通道和副通道的连接处。
6.如权利要求1或4所述的限制环，其特征在于：所述气体通道还包括：主通道、以及至少两个与同一主通道相通的副通道；其中，所述主通道的气体出口位于下表面，所述副通道的气体入口位于上表面，所述非纵向弯折部位于主通道和副通道的连接处。
7.如权利要求5所述的限制环，其特征在于：所述限制环还包括间隔部；与同一主通道连通的副通道之间通过间隔部间隔开，所述主通道与副通道均呈环状沿着环状本体周向延伸。
8.如权利要求6所述的限制环，其特征在于：所述限制环还包括间隔部；与同一主通道连通的副通道之间通过间隔部间隔开，所述主通道与副通道均呈环状沿着环状本体周向延伸。
9.如权利要求7所述的限制环，其特征在于：所述间隔部在朝向上表面一侧具有非纵向面。
10.如权利要求8所述的限制环，其特征在于：所述间隔部在朝向下表面一侧具有非纵向面。
11.如权利要求7-10任一所述的限制环，其特征在于：同一所述副通道在环状本体周向上被连接部间隔，所述连接部一端与所述间隔部一体连接，所述连接部另一端与环状本体的侧壁一体连接。
12.如权利要求5-11任一项所述的限制环，其特征在于：所述主通道宽度等于所有副通道宽度之和。
13.如权利要求1-11任一项所述的限制环，其特征在于：所述环状本体表面经过阳极化处理。
14.如权利要求1-10任一项所述的限制环，其特征在于：所述环状本体上接触或靠近等离子体的表面涂覆有抗等离子体腐蚀的材料。
15.一种等离子体处理装置，包括由腔壁围成的反应腔，所述反应腔具有处理区域和排气区域，其特征在于：还包括：如权利要求1-14任一所述的限制环，所述限制环设置于处理区域和排气区域之间。
16.如权利要求1-14任一所述的限制环的制造方法，所述方法包括：通过机械加工方式一体化加工。
17.如权利要求1-14任一所述的限制环的制造方法，所述方法包括：分别加工所述环状本体和所述间隔部；
将所述环状本体和所述间隔部组装。
18.如权利要求15所述的限制环的制造方法，所述组装包括：通过设置在环状本体和间隔部下表面的环形架将二者组装。
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