CN117116731A - 等离子体处理装置、等离子体约束系统及方法 - Google Patents

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，设置在内、外隔离环之间；约束环，位于内、外隔离环之间，且位于所述支撑组件的顶部；热变形释放部，设置在任意一个射频接地装置的下方。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

等离子体处理装置、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处理装置、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；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处理装置、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，底部固定设置有接地的第一射频接地装置；

外隔离环，环绕于所述反应腔的侧壁内周，底部固定设置有接地的第二射频接地装置；

支撑组件，设置在所述内隔离环和外隔离环之间；

约束环，位于所述内隔离环和外隔离环之间，且其底部与所述支撑组件的顶部连接；

热变形释放部，设置在任意一个所述射频接地装置的下方，其第一端与所述射频接地装置的底部固定，第二端接地，所述第一端与第二端之间可以产生形变且保持物理连接及导电。

优选地，所述热变形释放部包括：

上滑块，其顶表面为所述第一端；

下滑块，位于上滑块的下方，其底表面为所述第二端；

滑核，为可以产生形变的结构，位于所述上滑块和下滑块之间，可以使所述上滑块与下滑块之间发生相对位移且保持与所述滑核接触。

优选地，所述上滑块的底表面设置有开口向下的第一凹槽；

所述下滑块的顶表面设置有开口向上的第二凹槽；

所述滑核容纳于所述第一凹槽和第二凹槽所围合的空间内，且所述上滑块与下滑块不抵接。

优选地，所述滑核为导电弹性体。

优选地，所述导电弹性体为包裹导电材料的橡胶体。

优选地，所述导电弹性体为导电弹性环体，环体的轴线水平。

优选地，所述导电弹性环体为包裹导电材料的橡胶圈。

优选地，所述滑核为导电弹簧，所述导电弹簧两端分别与所述上滑块和下滑块固定连接。

优选地，所述滑核为导电弹簧，所述导电弹簧两端分别与所述第一凹槽和第二凹槽固定连接，且所述导电弹簧压缩后的最短长度大于所述第一凹槽与第二凹槽的深度之和。

优选地，所述热变形释放部有多个，且在所述内隔离环或外隔离环的周向均匀分布。

优选地，所述第一、第二射频接地装置为电容。

优选地，所述电容由阳极氧化层和石墨垫片制成。

优选地，所述等离子体处理装置的反应腔内还包括一腔内接地装置，所述热变形释放部的第二端通过所述腔内接地装置接地。

优选地，所述腔内接地装置是接地环。

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和腔内接地装置，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2为本发明的等离子体约束系统其中一个实施例的部分结构正视图；

图3为本发明的等离子体约束系统其中一个实施例的俯视图；

图4为本发明的热变形释放部其中一个实施例的正视图。

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(通常为铝制的)、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，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，同时约束环63上在工艺过程中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1～4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的侧壁免受等离子体侵蚀，通常采用表面抗腐蚀处理的金属材质制作；其通过第一射频接地装置651(图2)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；并且第一射频接地装置651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的内壁免受等离子体侵蚀，通常采用表面抗腐蚀处理的金属材质制作；其通过第二射频接地装置652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；并且第二射频接地装置652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；在一些实施例中，如图2、3所示，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导电连接；内隔离环61和外隔离环62底部的射频接地装置一般采用几十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；在一些实施例中，反应腔1内还包括一腔内接地装置，例如接地环，所述接地面是指该腔内接地装置接地；在一些实施例中，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，阳极氧化膜充当电容，石墨垫片充当导体用来填充缝隙保持良好接触，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，进而容抗增大，相应的与形变前相比电势差提高，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，如图2、4所示，本发明进一步在任意一个射频接地装置的下方设置一热变形释放部66，其第一端与所述射频接地装置的底部固定，第二端接地并与反应腔1或其他部件固定，所述第一端与第二端之间可以产生形变且保持物理连接及导电；需要指出的是，当射频接地装置的下方设置热变形释放部66时，相对于该射频接地装置而言，上述的接地面是指热变形释放部66的第一端，即该射频接地装置需要维持所连接的隔离环底面与热变形释放部66第一端的平行关系；而另一侧未设置热变形释放部66的射频接地装置，则需维持所连接的隔离环底面与接地面之间的平行关系。

优选地，在一些实施例中，所述热变形释放部66有多个，且在所述内隔离环61或外隔离环62的周向均匀分布；优选地，在一些实施例中，热变形释放部66设置在第一射频接地装置651底部；在一些实施例中，所述热变形释放部66包括：上滑块661，其顶表面为所述第一端；下滑块662，位于上滑块661的下方，其底表面为所述第二端；滑核663，为可以产生形变的结构，位于所述上滑块661和下滑块662之间，可以使所述上滑块661与下滑块662之间发生相对位移且保持与所述滑核663接触；进一步地，在一些实施例中，所述上滑块661的底表面还设置有开口向下的第一凹槽；所述下滑块662的顶表面还设置有开口向上的第二凹槽；所述滑核663容纳于所述第一凹槽和第二凹槽所围合的空间内，且所述上滑块661与下滑块662不抵接。

进一步地，在一些实施例中，所述滑核663为导电弹性体，该导电弹性体可以为包裹导电材料的橡胶体，也可以为轴线水平放置的导电弹性环体，例如包裹导电材料的橡胶圈。而在另一些实施例中，所述滑核663为导电弹簧，所述导电弹簧两端分别与所述上滑块661和下滑块662固定连接；进一步地，当上滑块661和下滑块662内分别设置有第一凹槽和第二凹槽时，所述导电弹簧两端分别与所述第一凹槽和第二凹槽固定连接，且所述导电弹簧压缩后的最短长度大于所述第一凹槽与第二凹槽的深度之和，以免上滑块661和下滑块662直接接触而导致导电弹簧不能发挥弹性连接作用，即上滑块661与下滑块662之间不能相对位移以释放压力。

其工作原理是，当各导电板产生形变压力时，由于未设置热变形释放部66的一侧的隔离环与反应腔1或其他部件固定连接，所以形变压力通过各导电板传递至设置了热变形释放部66的一侧的隔离环，并同步传递到与该隔离环底部连接的射频接地装置及与该射频接地装置底部连接的热变形释放部66上滑块661，而下滑块662与反应腔1或其他部件固定，上滑块661与下滑块662之间会存在形变压力，该形变压力通过滑核663的形变得到释放，该侧的隔离环带动射频接地装置及热变形释放部66上滑块661同步位移，三者之间没有形变压力，不会发生形变，该侧的隔离环底部与上滑块661之间保持平行；而未设置热变形释放部66的一侧的隔离环由于未被传递形变压力，故该侧的隔离环底部与接地面之间保持平行。所以第一、第二射频接地装置的第一极与第二极之间均始终保持稳定的平行关系，从而使第一、第二射频接地装置保持稳定的电容值，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。对于该等离子体处理装置而言，在采用了本实施例所提供的等离子体约束系统6之后，一方面，由于本实施例的等离子体约束系统6的双侧可靠射频接地结构避免了底部与接地面产生过大的电势差，进而避免在排气区域产生新的等离子体，而对排气区域的部件造成腐蚀破坏；另一方面，由于本实施例的等离子体约束系统6的可以在发生热变形时有效释放，不会破坏自身结构，从而始终保持稳定的等离子体隔离能力及气导率，避免影响工艺处理效果。

另外，结合图1～4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，实现可靠射频接地。

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，底部固定设置有接地的第一射频接地装置；

外隔离环，环绕于所述反应腔的侧壁内周，底部固定设置有接地的第二射频接地装置；

支撑组件，设置在所述内隔离环和外隔离环之间；

约束环，位于所述内隔离环和外隔离环之间，且其底部与所述支撑组件的顶部连接；

热变形释放部，设置在任意一个所述射频接地装置的下方，其第一端与所述射频接地装置的底部固定，第二端接地，所述第一端与第二端之间可以产生形变且保持物理连接及导电。

2.如权利要求1所述的等离子体约束系统，其特征在于，

所述热变形释放部包括：

上滑块，其顶表面为所述第一端；

下滑块，位于上滑块的下方，其底表面为所述第二端；

滑核，为可以产生形变的结构，位于所述上滑块和下滑块之间，可以使所述上滑块与下滑块之间发生相对位移且保持与所述滑核接触。

3.如权利要求2所述的等离子体约束系统，其特征在于，

所述上滑块的底表面设置有开口向下的第一凹槽；

所述下滑块的顶表面设置有开口向上的第二凹槽；

所述滑核容纳于所述第一凹槽和第二凹槽所围合的空间内，且所述上滑块与下滑块不抵接。

4.如权利要求3所述的等离子体约束系统，其特征在于，

所述滑核为导电弹性体。

5.如权利要求4所述的等离子体约束系统，其特征在于，

所述导电弹性体为包裹导电材料的橡胶体。

6.如权利要求4所述的等离子体约束系统，其特征在于，

所述导电弹性体为导电弹性环体，环体的轴线水平。

7.如权利要求6所述的等离子体约束系统，其特征在于，

所述导电弹性环体为包裹导电材料的橡胶圈。

8.如权利要求2所述的等离子体约束系统，其特征在于，

所述滑核为导电弹簧，所述导电弹簧两端分别与所述上滑块和下滑块固定连接。

9.如权利要求3所述的等离子体约束系统，其特征在于，

所述滑核为导电弹簧，所述导电弹簧两端分别与所述第一凹槽和第二凹槽固定连接，且所述导电弹簧压缩后的最短长度大于所述第一凹槽与第二凹槽的深度之和。

10.如权利要求1所述的等离子体约束系统，其特征在于，

所述热变形释放部有多个，且在所述内隔离环或外隔离环的周向均匀分布。

11.如权利要求1所述的等离子体约束系统，其特征在于，

所述第一、第二射频接地装置为电容。

12.如权利要求11所述的等离子体约束系统，其特征在于，

所述电容由阳极氧化层和石墨垫片制成。

13.如权利要求1所述的等离子体约束系统，其特征在于，

所述等离子体处理装置的反应腔内还包括一腔内接地装置，所述热变形释放部的第二端通过所述腔内接地装置接地。

14.如权利要求13所述的等离子体约束系统，其特征在于，

所述腔内接地装置是接地环。

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和腔内接地装置，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。