CN117096006A - 等离子体约束系统及方法 - Google Patents

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CN117096006A CN202210513880.7A CN202210513880A CN117096006A CN 117096006 A CN117096006 A CN 117096006A CN 202210513880 A CN202210513880 A CN 202210513880A CN 117096006 A CN117096006 A CN 117096006A
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plasma confinement
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Abstract

本发明公开了一种等离子体约束系统,包括:内、外隔离环,分别通过射频接地装置接地;支撑组件,设置有热变形释放部;约束环,位于所述内隔离环和外隔离环之间,且底部与所述支撑组件的顶部连接。同时,本发明还公开了一种等离子体处理装置,以及一种保持等离子体约束系统的结构及功能稳定的方法。本发明通过采用双侧射频接地结构和设置热变形释放部,解决了现有技术的等离子体约束系统在非处理区域产生有害等离子体,以及因热变形破坏等离子体约束系统的结构和功能的技术问题。

Description

等离子体约束系统及方法
技术领域
本发明涉及等离子体处理领域,具体涉及一种等离子体约束系统及方法。
背景技术
电容耦合等离子体刻蚀设备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,该反应腔内设置有用于固定基片的基座、用于引入反应气体至反应腔内的喷淋头,通常喷淋头处作为上电极,基座处作为下电极,上电极和下电极之间形成一反应区域。至少一射频电源通过匹配网络施加到上电极或下电极之一,在上电极和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的表面发生多种物理和化学反应,使得基片表面的形貌发生改变,即完成刻蚀过程。
等离子体是扩散性的,虽然大部分等离子体会停留在上下电极之间的处理区域中,但部分等离子体可能充满整个反应腔,扩散到处理区域之外的区域,并会对这些区域造成腐蚀、淀积或者侵蚀,导致反应腔内部的颗粒玷污,进而降低等离子处理装置的重复使用性能,并可能会缩短反应腔或反应腔零部件的工作寿命。同时,如果不将等离子体约束在一定的工作区域内,带电粒子将撞击未被保护的区域,进而导致半导体基片表面杂质和污染。目前,通常通过等离子体约束系统来约束等离子体的分布。
等离子体约束系统需要通过射频接地装置射频接地。现有技术中,通常在等离子体约束系统的靠近基座或靠近反应腔侧壁的其中一侧进行单侧射频接地,其存在的问题是:一方面,在未接地的另一侧容易产生较大的电势差,从而在该侧的非处理区域产生新的等离子体,降低等离子体约束系统的约束效果;另一方面,等离子体约束系统因为等离子体的轰击会产生较高的温度,但接地侧的温度会相对较低,由于温度的不均匀分布会导致等离子体约束系统的部分区域产生热变形,当热变形过大时就会破坏等离子体约束系统的结构和功能,进而影响工艺处理。
发明内容
本发明的目的在于提供一种等离子体约束系统及方法,从而解决现有技术的等离子体约束系统在非处理区域产生有害等离子体,以及因热变形破坏等离子体约束系统的结构和功能的技术问题,实现可靠射频接地。
为了达到上述目的,本发明通过以下技术方案实现:
一种用于等离子体处理装置的等离子体约束系统,所述等离子体处理装置包括一反应腔,所述反应腔内设置一用于支撑基片的基座,
所述等离子体约束系统位于所述基座和所述反应腔的侧壁之间,所述等离子体约束系统包括:
内隔离环,环绕于所述基座的外周,通过射频接地装置接地;
外隔离环,环绕于所述反应腔的侧壁的内周,通过射频接地装置接地;
支撑组件,为沿所述内隔离环的径向设置的一组导电板,位于所述内隔离环和外隔离环之间,各所述导电板均设置有热变形释放部;
约束环,位于所述内隔离环和外隔离环之间,且底部与所述支撑组件的顶部连接;
其中,所述内隔离环与外隔离环之间通过所述支撑组件和约束环构成导电连接。
优选地,各所述导电板的两端分别与所述内隔离环和外隔离环相连接,所述热变形释放部为设置在导电板上的缺口,以及连接缺口两端的导电板的弹性连接件,所述弹性连接件为导电材质制作的能够产生形变的结构。
优选地,所述缺口均设置在各所述导电板的中部。
优选地,所述缺口的宽度为1.5mm-2.0mm。
优选地,所述弹性连接件为弧形软金属片。
优选地,所述弹性连接件两端通过焊接或螺栓与所述缺口两端的导电板固定。
优选地,各所述导电板沿所述内隔离环的周向均匀分布。
优选地,各所述导电板包括:
若干个内连接导电板,各所述内连接导电板的一端与所述内隔离环连接,所述热变形释放部为设置在该所述内连接导电板的另一端与外隔离环之间的缺口;
若干个外连接导电板,各所述外连接导电板的一端与所述外隔离环连接,所述热变形释放部为设置在该所述外连接导电板的另一端与内隔离环之间的缺口。
优选地,各所述内连接导电板和外连接导电板交错分布。
优选地,各所述内连接导电板和外连接导电板交错均匀分布。
优选地,各所述缺口的宽度为1.5mm-2.0mm。
优选地,所述约束环为沿所述内隔离环的径向分布的一组同心环。
优选地,所述射频接地装置为电容。
优选地,所述电容采用石墨垫片制成。
一种等离子体处理装置,包括一反应腔,所述反应腔内设置一用于支撑基片的基座,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;所述喷淋头与基座之间为处理区域,所述处理区域被反应腔的腔壁包围;等离子体处理装置在反应腔下部设有排气区域,所述排气区域与外部的排气泵相连接;还包括:
上述的等离子体约束系统,设置在所述处理区域与排气区域之间,且位于所述基座与反应腔的侧壁之间。
一种保持等离子体约束系统的结构及功能稳定的方法,基于上述的等离子体处理装置实现,该方法包含以下过程:
待处理基片置于所述等离子体处理装置的基座顶部,所述基座处作为下电极被施加高频射频功率,将所述处理区域内的反应气体解离为等离子体,所述等离子体对待处理基片进行等离子体刻蚀;
在等离子体刻蚀过程中,所述等离子体约束系统的内隔离环和外隔离环分别通过射频接地装置接地,所述等离子体约束系统位于内隔离环与外隔离环之间的中间区域受等离子体轰击产生较两端更高的温度,从而使得所述等离子体约束系统的结构发生热变形;
所述热变形通过所述热变形释放部全部或部分释放,从而所述等离子约束系统保持结构及功能稳定。
本发明与现有技术相比具有以下优点:
1、通过采用双侧射频接地结构,消除电势差,从而避免在非处理区域产生等离子体;
2、通过设置热变形释放部,可以提供一定的变形余量,释放因温度分布不均匀造成的热变形,避免热变形影响等离子体约束系统的结构和功能,实现可靠射频接地。
附图说明
为了更清楚地说明本发明专利实施例的技术方案,下面将对实施例描述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专利的一些实施例,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为安装有本发明的等离子体约束系统的等离子处理装置的结构示意图;
图2a、2b为本发明的等离子体约束系统其中一部分实施例的部分结构正视图和俯视结构图;
图3a、3b、3c为本发明的等离子体约束系统其中一部分实施例的部分结构正视和俯视图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明作进一步地描述,所描述的实施例不应视为对本发明的限制,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。
在以下的描述中,涉及到“一些实施例”、“一个或多个实施例”,其描述了所有可能实施例的子集,但是可以理解,“一些实施例”、“一个或多个实施例”可以是所有可能实施例的相同子集或不同子集,并且可以在不冲突的情况下相互组合。
在以下的描述中,所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅用于分别类似的对象,不代表针对对象的特定排序,可以理解地,“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序,以使这里描述的本发明实施例能够以除了在图示或描述的以外的顺序实施。
除非另有定义,本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述本发明实施例的目的,不是旨在限制本发明。
图1示出了一种电容耦合式等离子体处理装置(CCP),其包括一由反应腔壁围成的可抽真空的反应腔1,反应腔1与反应气体供应装置2连接,该反应腔1内设置有用于固定基片4的基座3、用于引入反应气体至反应腔内的喷淋头5,所述喷淋头5与基座3之间为处理区域;通常喷淋头5处作为上电极,基座3处作为下电极,至少一射频电源7通过匹配网络施加到上电极或下电极之一,在上电极和下电极之间产生射频电场,将处理区域内的反应气体解离为等离子体,到达基片4上表面的等离子体可对基片4进行刻蚀等处理;反应腔1底部为排气区域,排气区域与外部的排气泵8相连接,将处理过程中刻蚀反应后产生的工艺废气抽出反应腔。并且,在处理区域与排气区域之间,且基座3外周围与反应腔1的侧壁之间,还设置有等离子体约束系统6,用于将等离子体约束在处理区域,防止其扩散出去对未被保护的设备产生腐蚀。
等离子体约束系统6包括:环绕于基座3外周的内隔离环61和环绕于反应腔1的侧壁内周的外隔离环62,并分别将基座3的金属侧壁、反应腔1的金属内壁与等离子体隔开,以保护不受等离子体的侵蚀;等离子体约束系统6还包括位于内隔离环61和外隔离环62之间的约束环63,以及在约束环63底部支撑约束环63的支撑组件64,用于在垂直方向将等离子体约束在处理区域,内隔离环61与外隔离环62之间通过支撑组件构成导电连接。
为了避免基座中的射频电场传播到约束环63下方,将已经恢复到中性的排气区域的工艺废气再次点燃,形成二次等离子体并污染排气区域的反应腔1的内壁和排气管道,同时在工艺过程中,等离子体在约束环63上积累的大量电荷也需要导向接地面的导通渠道,等离子体约束系统6需要通过射频接地装置射频接地,这样就能将射频能量屏蔽在排气区域上方,避免二次等离子体产生,同时导走约束环63上的积累电荷。
现有技术中,通常内隔离环61和外隔离环62的其中之一通过射频接地装置单侧射频接地,该单侧射频接地结构存在两个问题:一是在未接地的一侧相对于接地面容易产生较大的电势差,从而在等离子体约束系统6靠近的该侧底部(排气区域)产生新的等离子体,达不到理想的等离子体约束效果;二是因为等离子体约束系统作为直接接受等离子体轰击的结构,其会产生较高的温度,在非接地侧会较接地侧产生更高的温度,从而产生不均匀的热变形,当热变形过大时,会导致等离子体约束系统的射频接地结构被破坏,从而影响工艺处理。
致力于解决上述技术问题,结合图1、2a、2b和3a~3c所示,本发明提供一种用于等离子体处理装置的等离子体约束系统6,为位于基座3和反应腔1的侧壁之间的环体,其包括:
内隔离环61,环绕于基座3的外周,用于将等离子体与基座3的外周隔离,保护基座3的金属壁免受等离子体侵蚀,通常采用表面具有抗腐蚀涂层的金属材质制作;其通过射频接地装置65(图2a、3a、3b)接地,此接地是指射频接地,内隔离环61与接地面之间不直接导电;并且射频接地装置65的底端与反应腔1或其他部件固定;
外隔离环62,环绕于所述反应腔1的侧壁的内周,用于将等离子体与反应腔1侧壁的内周隔离,保护反应腔1的金属壁免受等离子体侵蚀,通常采用表面具有抗腐蚀涂层的金属材质制作;其通过射频接地装置65接地,此接地是指射频接地,外隔离环62与接地面之间不直接导电;并且射频接地装置65的底端与反应腔1或其他部件固定;
约束环63,为位于所述内隔离环61和外隔离环62之间的一组同心环,各同心环之间的空隙形成了多个环状通道,各通道均连通处理区域和排气区域,各通道的相邻侧壁之间在工艺过程中存在的电荷形成了电容,用于将等离子体约束在处理区域;
支撑组件64,位于所述内隔离环61和外隔离环62之间,且顶部与约束环63的底部连接,用于内隔离环61和外隔离环62之间的物理连接和电连接,并且支撑约束环63;支撑组件64为沿内隔离环61的径向设置的、呈放射性分布的一组导电板,每根导电板的一端连接内隔离环61,另一端连接外隔离环62,采用导电材料制作。
其中,内隔离环61与外隔离环62之间通过支撑组件64为导电连接;内隔离环61和外隔离环62底部的射频接地装置65一般采用几十nF的大电容,其阻抗足够小,可以实现隔离环与接地面之间不直接导电但射频接地,本实施例中,该大电容为表面设置有一层绝缘的阳极氧化膜的石墨垫片,其上端与下端之间形成电容结构,其上端为电容的第一极,下端为第二极;所以,内隔离环61和外隔离环62分别与接地面之间实现射频接地,二者之间又为导电连接,通过采用这种双侧射频接地结构(双侧分别指内隔离环61侧和外隔离环62侧)可有效降低等离子体约束系统6底部与接地面之间的电势差,从而避免了因电势差在排气区域产生新的等离子,解决了上述第一个技术问题;但是对于上述第二个技术问题来说并没有较好地解决,因为使用双侧射频接地结构后,一方面,在内隔离环61侧和外隔离环62侧的热变形量不同,导致各导电板发生形变;另一方面,在各导电板的中间区域因为远离两端的射频接地点,会产生较两端更高的温度产生更大的热变形而拱起。而当各导电板发生形变时,会改变两端所连接的隔离环底面与接地面之间的平行面关系,带动射频接地装置65的第一极与第二极之间不平行,两极之间因为改变了平行结构会充入空气层,而该空气层会导致射频接地装置65的电容值迅速减小,导致等离子体约束系统6的功能破坏。
为进一步解决该技术问题,本发明进一步在各所述导电板上均设置有热变形释放部642,热变形释放部642为能够产生自身形变的结构,用于通过自身形变释放导电板的热变形,使两端的隔离环底部与接地面之间,以及射频接地装置65的第一极与第二极之间始终保持稳定的平行关系,从而使射频接地装置65保持稳定的电容值。
图2a、2b示出了本发明的等离子体约束系统6的其中一部分实施例,其中,各导电板641的两端分别与所述内隔离环61和外隔离环62相连接,所述热变形释放部642为设置在导电板641上的缺口,以及连接缺口两端的导电板641的弹性连接件,所述弹性连接件为导电材质制作的能够产生形变的结构;在一些实施例中,弹性连接件采用弧形软金属片,其在两端受力时其可以产生形变而释放两端的压力;在一些实施例中,弹性连接件与两端的导电板641的连接方式为通过螺钉连接,也可以采取焊接方式连接;在一些实施例中,各导电板641沿内隔离环61的周向均匀分布,其结构和受力更加均匀;在一些实施例中,导电板641上的缺口统一设置在各导电板641的中部,受力更加均匀;在一些实施例中,导电板641上的缺口为约束环63的相邻两个同心环之间的空隙,其宽度约为1.5-2.0mm,从而为热变形释放部642提供足够的变形空间,并兼顾约束环63的结构和功能。其工作原理是,一方面,各导电板641的缺口两端通过导电材质的热变形释放部642连接,可以实现内、外隔离环之间的导电连接;另一方面,当各导电板641产生形变压力时,压力经各导电板641传递到各自的热变形释放部642,热变形释放部642发生形变从而释放两端的形变压力,从而使各导电板641两端所连接的隔离环不会受力而发生形变,进而使内、外隔离环底部与接地面之间,以及射频接地装置65的第一极与第二极之间始终保持稳定的平行关系,从而使射频接地装置65保持稳定的电容值,实现可靠射频接地。
图3a~3c示出了本发明的等离子体约束系统6的另一些实施例,其中,导电板包括:若干个内连接导电板6411,各所述内连接导电板6411的一端与所述内隔离环61连接,所述热变形释放部642为设置在该所述内连接导电板6411的另一端与外隔离环62之间的缺口;若干个外连接导电板6412,各所述外连接导电板6412的一端与所述外隔离环62连接,所述热变形释放部642为设置在该所述外连接导电板6412的另一端与内隔离环61之间的缺口。优选地,在一些实施例中,各所述内连接导电板6411和外连接导电板6412交错分布,能够均匀释放形变压力;更佳地,在一些实施例中,各所述内连接导电板6411和外连接导电板6412交错均匀分布,使形变压力释放更加均匀看,结构更加稳定;在一些实施例中,内连接导电板6411和外连接导电板6412上的缺口为约束环63的相邻两个同心环之间的空隙,其宽度约为1.5-2.0mm,从而为热变形释放部642提供足够的变形空间,并兼顾约束环63的结构和功能。其工作原理是,一方面,由于内连接导电板6411和外连接导电板6412的缺口分布在不同端,而约束环63的各同心环与各导电板之间为导电连接,所以支撑组件64和约束环63构成了一个导电网状结构,内、外隔离环之间通过的该导电网状结构实现导电连接;另一方面,当各导电板产生形变压力时,压力通过各导电板上的缺口得到释放,并且与各导电板相连接的约束环63的各同心环,其也可以发生形变以释放来自内连接导电板6411和外连接导电板6412的形变压力,从而使内、外隔离环不会受力而发生形变,进而使内、外隔离环底部与接地面之间,以及射频接地装置65的第一极与第二极之间始终保持稳定的平行关系,从而使射频接地装置65保持稳定的电容值,实现可靠射频接地。
同时,结合图1所示,本发明还提供一种等离子体处理装置,包括一反应腔1,所述反应腔1内设置一用于支撑基片4的基座3,所述基座3上方设置有将反应气体引入至反应腔1内的喷淋头5;所述喷淋头5与基座3之间为处理区域,所述处理区域被反应腔1的腔壁包围;等离子体处理装置在反应腔1下部设有排气区域,所述排气区域与外部的排气泵8相连接;该等离子体处理装置还包括:本实施例所提供的等离子体约束系统6,设置在所述处理区域与排气区域之间,且位于所述基座3与反应腔1的侧壁之间。
另外,结合图1、2a、2b和3a~3c所示,本发明还提供一种保持等离子体约束系统6的结构及功能稳定的方法,基于本发明的等离子体处理装置实现,该方法包含以下过程:
待处理基片4置于所述等离子体处理装置的基座3顶部,所述基座3处作为下电极通过射频电源7被施加高频射频功率,将所述处理区域内的反应气体解离为等离子体,所述等离子体对待处理基片4进行等离子体刻蚀;
在等离子体刻蚀过程中,所述等离子体约束系统6的内隔离环61和外隔离环62分别通过射频接地装置65接地,所述等离子体约束系统6位于内隔离环61与外隔离环62之间的中间区域受等离子体轰击产生较两端更高的温度,从而使得所述等离子体约束系统6的结构发生热变形;
所述热变形通过所述热变形释放部642全部或部分释放,从而所述等离子约束系统6保持结构及功能稳定。
以上所述,仅为本发明的实施例而已,并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和范围之内做出的任何修改、等同替换和改进等,均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种用于等离子体处理装置的等离子体约束系统,所述等离子体处理装置包括一反应腔,所述反应腔内设置一用于支撑基片的基座,其特征在于,
所述等离子体约束系统位于所述基座和所述反应腔的侧壁之间,所述等离子体约束系统包括:
内隔离环,环绕于所述基座的外周,通过射频接地装置接地;
外隔离环,环绕于所述反应腔的侧壁的内周,通过射频接地装置接地;
支撑组件,为沿所述内隔离环的径向设置的一组导电板,位于所述内隔离环和外隔离环之间,各所述导电板均设置有热变形释放部;
约束环,位于所述内隔离环和外隔离环之间,且底部与所述支撑组件的顶部连接;
其中,所述内隔离环与外隔离环之间通过所述支撑组件和约束环构成导电连接。
2.如权利要求1所述的等离子体约束系统,其特征在于,
各所述导电板的两端分别与所述内隔离环和外隔离环相连接,所述热变形释放部为设置在导电板上的缺口,以及连接缺口两端的导电板的弹性连接件,所述弹性连接件为导电材质制作的能够产生形变的结构。
3.如权利要求2所述的等离子体约束系统,其特征在于,
所述缺口均设置在各所述导电板的中部。
4.如权利要求2所述的等离子体约束系统,其特征在于,
所述缺口的宽度为1.5mm-2.0mm。
5.如权利要求2所述的等离子体约束系统,其特征在于,
所述弹性连接件为弧形软金属片。
6.如权利要求2所述的等离子体约束系统,其特征在于,
所述弹性连接件两端通过焊接或螺栓与所述缺口两端的导电板固定。
7.如权利要求2所述的等离子体约束系统,其特征在于,
各所述导电板沿所述内隔离环的周向均匀分布。
8.如权利要求1所述的等离子体约束系统,其特征在于,
各所述导电板包括:
若干个内连接导电板,各所述内连接导电板的一端与所述内隔离环连接,所述热变形释放部为设置在该所述内连接导电板的另一端与外隔离环之间的缺口;
若干个外连接导电板,各所述外连接导电板的一端与所述外隔离环连接,所述热变形释放部为设置在该所述外连接导电板的另一端与内隔离环之间的缺口。
9.如权利要求8所述的等离子体约束系统,其特征在于,
各所述内连接导电板和外连接导电板交错分布。
10.如权利要求8所述的等离子体约束系统,其特征在于,
各所述内连接导电板和外连接导电板交错均匀分布。
11.如权利要求8所述的等离子体约束系统,其特征在于,
各所述缺口的宽度为1.5mm-2.0mm。
12.如权利要求1所述的等离子体约束系统,其特征在于,
所述约束环为沿所述内隔离环的径向分布的一组同心环。
13.如权利要求1所述的等离子体约束系统,其特征在于,
所述射频接地装置为电容。
14.如权利要求13所述的等离子体约束系统,其特征在于,
所述电容采用石墨垫片制成。
15.一种等离子体处理装置,包括一反应腔,所述反应腔内设置一用于支撑基片的基座,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;所述喷淋头与基座之间为处理区域,所述处理区域被反应腔的腔壁包围;等离子体处理装置在反应腔下部设有排气区域,所述排气区域与外部的排气泵相连接;其特征在于,还包括:
如权利要求1-14中任意一项所述的等离子体约束系统,设置在所述处理区域与排气区域之间,且位于所述基座与反应腔的侧壁之间。
16.一种保持等离子体约束系统的结构及功能稳定的方法,其特征在于,基于如权利要求15所述的等离子体处理装置实现,该方法包含以下过程:
待处理基片置于所述等离子体处理装置的基座顶部,所述基座处作为下电极被施加高频射频功率,将所述处理区域内的反应气体解离为等离子体,所述等离子体对待处理基片进行等离子体刻蚀;
在等离子体刻蚀过程中,所述等离子体约束系统的内隔离环和外隔离环分别通过射频接地装置接地,所述等离子体约束系统位于内隔离环与外隔离环之间的中间区域受等离子体轰击产生较两端更高的温度,从而使得所述等离子体约束系统的结构发生热变形;
所述热变形通过所述热变形释放部全部或部分释放,从而所述等离子约束系统保持结构及功能稳定。
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