CN202873172U - 一种等离子反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种等离子反应器，具有电感耦合模式和电容耦合模式两者工作模式。所述反应器包括一个反应腔侧壁和一个覆盖在所述侧壁上方的绝缘材料窗，所述反应器内下方包括一个基座，所述绝缘材料窗上方依次叠放有导电屏蔽板和电感线圈，其中导电屏蔽板和电感线圈之间由绝缘部件隔离，其特征在于：一个射频电源电连接到第一切换开关，所述第一切换开关选择性的电连接到所述电感线圈或导电屏蔽板，所述导电屏蔽板连接到一个第二切换开关所述第二切换开关选择性的连接到接地端。

Description

一种等离子反应器

技术领域

本实用新型涉及等离子体处理领域，尤其涉及一种等离子反应器能够在电感耦合和电容耦合模式之间转换。

背景技术

半导体制造技术领域中，广泛应用等离子来对半导体晶圆或基片进行加工。等离子源包括多个种类，最常用的有电容耦合型CCP(capacitively coupledplasma)sources和电感耦合型ICP(inductively coupled plasma)sources。电容耦合型的等离子源相对其它类型具有很多优点，平板形的几何形状与待处理的晶圆对应，所以施加到晶圆上方的电场具有很高的均一性，所以能够获得更高均一性的刻蚀或沉积效果。而且在进行上述等离子处理时具有较小的滞留时间（residence times）从而使得等离子反应腔具有较高处理效率和更简单的结构。同时CCP型的等离子反应器在能量耦合的效率上并不是很有效，由等离子造成的损害也是要解决的问题之一。而且产生的等离子浓度也不及其它类型的等离子反应器。电感耦合型（ICP）反应器也有自己的优势,主要的优点是在低压情况下产生较高的等离子浓度和较高的能源利用效率。电感耦合型（ICP）反应器的缺点包括：需要巨大的等离子发生空间造成的很长的滞留时间，无法进一步提高上述刻蚀或沉积流程的转换速率。等离子浓度均一性也远不如电容耦合型等离子反应器，造成等离子处理结果的均一性也不高。

现有技术中ICP反应腔上方包括一个绝缘材料窗，绝缘窗上方包括一个通有射频电源的电感线圈，在线圈和绝缘材料窗之间还包括一块法拉第屏蔽板。法拉第屏蔽板如果设计良好并且安装合理的话可以被用来最小化那些有害的效应，现有技术中，法拉第屏蔽板主要用于减少射频电源和反应器内等离子体之间的电容耦合作用，并同时减少绝缘材料窗的溅射。

上述电容耦合型和电感耦合型反应器均具有自己的优缺点，最佳的办法是将两者的特征结合起来。现有技术已有向ICP反应器中的法拉第屏蔽板通入射频电源作为CCP反应器的上电极形成电容耦合作用的。ICP线圈和法拉第屏蔽板共用一个射频电源。典型的射频发生器的输出频率为13.5Mhz。已经公开的专利US2004194890和US6592710、US6531030B1均揭露了射频能量同时给反应腔上方的感应线圈和上电极供电的方法实现混合ICP和CCP特征的等离子反应器，这些等离子反应器虽然具有两者混合的特征但是两者本身的一些优点也被弱化了。比如：这种混合型的反应器向电感线圈和平板电极同时供电最佳的需要至少2个射频电源，只用一个射频电源的话就需要一个主动控制装置调节分配输送给线圈和平板电极的能量比率，这都增加了系统的复杂性和成本。由于传统ICP反应器中的屏蔽板接了射频电源，所以原来屏蔽板所起的对电场的屏蔽作用就丧失了，这会造成电感线圈也会与下方的导体产生电容耦合作用，使得绝缘材料窗更容易被等离子轰击而损坏。不仅传统ICP反应器的优点不突出，而且连传统CCP的优点等离子均一性较好的特性也受到不良影响。

所以业界需要一种更有效的方法或装置同时实现ICP和CCP各自的优点并减少这两种类型的反应器各自的缺点造成的影响。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种可以工作在多个模式的等离子反应器。

本实用新型的一种等离子反应器包括一个反应腔侧壁和一个覆盖在所述侧壁上方的绝缘材料窗，所述反应器内下方包括一个基座，所述绝缘材料窗上方依次叠放有导电屏蔽板和电感线圈，其中导电屏蔽板和电感线圈之间由绝缘部件隔离，其特征在于：一个射频电源电连接到第一切换开关，所述第一切换开关选择性的电连接到所述电感线圈或导电屏蔽板，所述导电屏蔽板连接到一个第二切换开关所述第二切换开关选择性的连接到接地端。

其中反应器内的所述基座中包括一个下电极电连接到一个偏置射频电源。所述导电屏蔽板上包括多条从中心向边缘放射状排布的通槽。

所述反应器中的第一切换开关使得所述射频电源连接到电感线圈时所述第二切换开关电连接到接地端。第一切换开关也可以通过切换使得所述射频电源电连接到导电屏蔽板时所述第二切换开关使导电屏蔽板与接地端断开。

所述绝缘部件包括一个绝缘材料板覆盖在所述导电屏蔽板上，也可以是固定在线圈和导电屏蔽板之间的绝缘垫片覆盖部分导电屏蔽板。

所述绝缘材料窗上方还包括一个接地盖固定到所述绝缘材料板并包围所述电感线圈和屏蔽板，其中接地盖由导电材料构成并电连接到接地端。

所述射频电源与第一切换开关之间还连接有一个匹配网络。也可以第一切换开关通过两个匹配网络分别连接到电感线圈或者导电屏蔽板。

本实用新型的一种等离子反应器，也可以包括一个反应腔侧壁和一个覆盖在所述侧壁上方的绝缘材料窗，所述反应器内下方包括一个基座，所述绝缘材料窗上方依次叠放有导电屏蔽板和电感线圈，其中导电屏蔽板和电感线圈之间由绝缘部件隔离，其特征在于：一个第一射频电源通过第一切换开关选择性的电连接到所述电感线圈，一个第二射频电源通过第二切换开关选择性的点连接到所述导电屏蔽板，其中所述导电屏蔽板还连接到一个第三切换开关，所述第三切换开关选择性的电连接到接地端。

附图说明

图1为本实用新型等离子反应器示意图；

图2为本实用新型等离子反应器中导电屏蔽板平面示意图；

具体实施方式

以下结合图1和2，通过优选的具体实施例，详细说明本实用新型。

如图1所示，本实用新型等离子反应器包括一个反应腔侧壁100，侧壁上方覆盖有一个绝缘材料窗110可以密封等离子反应器，绝缘材料窗上方覆盖有一个导电屏蔽板120,，导电屏蔽板上方还一次叠放有一块绝缘材料板130和一个电感线圈140。绝缘材料窗110上方还固定有一个接地罩150包围所述导电屏蔽板120、和电感线圈140。一个高频射频电源通过电缆10连接到匹配网络2，由匹配网络2对输入的阻抗进行调节，并传输射频功率到电感线圈140或所述导电屏蔽板120。一个第一切换开关142连接在所述匹配网络2的输出端，并选择性的连通所述匹配网络2的输出端到电感线圈140或导电屏蔽板120之一。导电屏蔽板还连接到切换开关122，并通过第二切换开关122选择性的电连接到接地端。第一切换开关142和第二切换开关122可以是一个开关装置如一个高压真空开关（relay）也可以是多个开关构成的开关网络，只要能实现射频电路的切换均可以。由于本实用新型所添加的开关的控制方法简单而且制造成本很低，所以相对于现有技术的ICP反应器改造成本很低。反应腔内包括一个基座20，基座上方放置有待加工的半导体基片。基座内包括一个下电极通过一个匹配网络1连接到一个偏置射频电源，并接受来自该偏置视频电源的射频能量。基座内还包括一个静电吸附电极连接到一个高压电源以吸附所述半导体基片到基座20上。反应腔侧壁100下方还包括下方的密封和抽气部件，由于与本实用新型原理无直接关系所以图中未示出。

所述导电屏蔽板120由导电材料制成的，典型的如由金属铝制成。如图2所示为导电屏蔽板的上示图，导电板屏蔽板120上包括多条放射状排布的通槽，使得电磁场能够穿过。其它形状的通槽也能实现本实用新型目标，比如不对称布置的通槽，或者呈环形围绕在圆心的通槽均属于本实用新型所述的导电屏蔽板的实施方式。

绝缘材料板130主要作用是电隔离电感线圈140和导电屏蔽板120，所以除了图1中所示的由整块绝缘材料构成的板状部件外，直接在电感线圈下放置绝缘材料的垫片或垫块也能实现本发明目的，这些垫片或垫块只覆盖部分的导电屏蔽板上表面。绝缘材料窗110的材料与所述绝缘材料板130的材料类似都是选择SiO2或AL2O3等绝缘材料。

反应器内供气管道可以埋设在反应器侧壁与绝缘材料板交接处，通过多个供气管道向反应器内注入反应气体。供气管道也可以是穿过绝缘材料窗的喷气管或者通道，只要能适应于ICP反应器的其它供气方式也可以用于本实用新型。

除了如图1所示的由一个高频射频电源向电感线圈或导电屏蔽板供电，也可以由两个独立的射频电源分别通过各自的一个切换开关向电感线圈140和导电屏蔽板120供电，使得接通射频电源到电感线圈和导电屏蔽板的时间可以独立控制。所述两个独立的射频电源可以是相同的也可以是具有不同频率的射频电源。两个切换开关的导通关断控制信号可以是互补的，也可以根据需要切换成现有技术中所述的ICP线圈和CCP电极同时供电的混合模式。连接到导电屏蔽板的切换开关122也与上述两个射频电源各自的切换开关同步导通或关断，使得等离子反应腔处于CCP模式也就是导电屏蔽板连通到高频射频源时，切换开关122处于关断状态，在等离子反应腔处于ICP模式也就是电感线圈140连接到射频电源时切换开关122处于导通状态。由于采用ICP和采用CCP时反应器内阻抗差别很大，如果匹配网络2的调节能力不够时也可以对应两个不同模式设置两个不同的匹配网络，以优化不同的匹配需求。在高频射频电源输出端连接到一个切换开关，切换开关通过切换选择性的连接到电感线圈或导电屏蔽板，电感线圈和导电屏蔽板的前端还分别串接有一个适合ICP模式阻抗和适合CCP模式阻抗的匹配网络。

在本实用新型反应器可以工作在两个模式：ICP工作模式和CCP工作模式。在ICP工作模式时第一切换开关142连通匹配网络2的输出端到电感线圈，第二切换开关122连通导电屏蔽板120到一个接地端，此时来自高频射频电源的射频能量通入电感线圈，产生交变的电磁场穿过屏蔽板120和绝缘材料窗110进入反应器内的反应空间，形成等离子体。处于接地电位的导电屏蔽板120使得电场无法穿过进入下方的反应空间，屏蔽了电场，只有交变的磁场能够穿过，从而减小了ICP模式时电感线圈140与下方等离子体之间的电容耦合程度。同时接地的屏蔽板120也可以减小绝缘材料窗110下表面负电势，减少等离子体对介电材料窗的轰击，降低介电材料窗的维护成本。在本实用新型反应器处于ICP模式时，反应器内等离子浓度高，并且等离子的能量较低可以减小等离子引起的的破坏。由于上述特性，ICP模式时更适合化学反应为主导的需要更快反应速率的等离子处理工艺。在CCP模式时，第一切换开关142切换使得匹配网络2的输出端连接到导电屏蔽板120，第二切换开关122使导电屏蔽板120处于电浮地状态，这样导电屏蔽板120就能接受来自高频射频电源的能量与基座内的下电极形成电容耦合，产生电容耦合的等离子体。此时等离子浓度较低，但是等离子能量高，且等离子分布均一性较好，所以CCP模式适合进行高精度的处理。

由于本实用新型等离子反应器具有这样多模式工作的特点，所以在某些加工工艺如深孔硅刻蚀（TSV）时，大部分时间需要进行ICP刻蚀以获得更高的刻蚀速率，在部分时间需要较高的加工精度如进行掩膜刻蚀则切换到CCP模式，这样只需要本实用新型反应器一台设备就能实现整个加工流程，而不需要艰难的调试现有ICP反应器，或者把晶片先送入CCP反应器再移入ICP反应器，占用了两台等离子加工设备的时间和资源。其它刻蚀流程中需要用到不同的加工精度和加工速度的等离子处理工艺也可以采用本实用新型反应器。

尽管本实用新型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实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种等离子反应器，所述反应器包括一个反应腔侧壁和一个覆盖在所述侧壁上方的绝缘材料窗，所述反应器内下方包括一个基座，所述绝缘材料窗上方依次叠放有导电屏蔽板和电感线圈，其中导电屏蔽板和电感线圈之间由绝缘部件隔离，其特征在于：

一个射频电源电连接到第一切换开关，所述第一切换开关选择性的电连接到所述电感线圈或导电屏蔽板，所述导电屏蔽板连接到一个第二切换开关所述第二切换开关选择性的连接到接地端。

2.如权利要求1所述的等离子反应器，其特征在于所述基座中包括一个下电极电连接到一个偏置射频电源。

3.如权利要求1所述的等离子反应器，其特征在于所述导电屏蔽板上包括多条从中心向边缘放射状排布的通槽。

4.如权利要求1所述的等离子反应器，其特征在于所述反应器中的第一切换开关使得所述射频电源连接到电感线圈时所述第二切换开关电连接到接地端。

5.如权利要求1所述的等离子反应器，其特征在于所述反应器中第一切换开关使得所述射频电源电连接到导电屏蔽板时所述第二切换开关使导电屏蔽板与接地端断开。

6.如权利要求1所述的等离子反应器，其特征在于所述绝缘部件包括一个绝缘材料板覆盖在所述导电屏蔽板上。

7.如权利要求1所述的等离子反应器，其特征在于所述所述绝缘部件包括固定在线圈和导电屏蔽板之间的绝缘垫片覆盖部分导电屏蔽板。

8.如权利要求1所述的等离子反应器，其特征在于所述绝缘材料窗上方还包括一个接地盖固定到所述绝缘材料板并包围所述电感线圈和屏蔽板，其中接地盖由导电材料构成并电连接到接地端。

9.如权利要求1所述的等离子反应器，其特征在于所述射频电源与第一切换开关之间还连接有一个匹配网络。

10.一种等离子反应器，所述反应器包括一个反应腔侧壁和一个覆盖在所述侧壁上方的绝缘材料窗，所述反应器内下方包括一个基座，所述绝缘材料窗上方依次叠放有导电屏蔽板和电感线圈，其中导电屏蔽板和电感线圈之间由绝缘部件隔离，其特征在于：

一个第一射频电源通过第一切换开关选择性的电连接到所述电感线圈，

一个第二射频电源通过第二切换开关选择性的点连接到所述导电屏蔽板，

其中所述导电屏蔽板还连接到一个第三切换开关，所述第三切换开关选择性的电连接到接地端。

Images