TW202111764A - 具有柔性電介質薄片的等離子體處理裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明涉及一種具有柔性電介質薄片的等離子體處理裝置。柔性電介質薄片的上部與接地環結構導電連接，下部與圍成反應腔的腔體外壁導電連接；接地環結構環繞在等離子體處理裝置的基座周邊，並可隨基座一起在反應腔的腔體內上下移動或定位在設定的高度；柔性電介質薄片的最短長度，與接地環結構到腔體之間的最遠距離相匹配。本發明的柔性電介質薄片通過優化，有良好的射頻電流通過能力，安裝方便，使用壽命長，且不產生金屬污染。

Description

具有柔性電介質薄片的等離子體處理裝置
本發明涉及一種具有柔性電介質薄片的等離子體處理裝置。
習知的等離子體處理裝置中，例如是一種電容耦合式的等離子體蝕刻裝置，包含一反應腔，該反應腔內設置有用於承載基片的基座、用於引入反應氣體至反應腔內的噴淋頭，所述噴淋頭作為上電極，所述基座作為下電極，兩者之一施加有高頻射頻功率，將處理區域內的反應氣體解離為等離子體，到達基片上表面的等離子體可對基片進行刻蝕等處理；等離子體處理裝置在反應腔下部的合適位置設有排氣區域，排氣區域與外部的排氣泵相連接，將處理過程中用過的反應氣體及副產品氣體等抽出反應腔。為了防止等離子體擴散到處理區域以外的其他位置，對未被保護的設備產生腐蝕，或在基片表面產生雜質和污染，通常在處理區域與排氣區域之間還設置有等離子體約束系統。
基座形成的下電極與噴淋頭形成的上電極之間稱為等離子體處理區域，該上下電極間的距離大小是影響基片處理的重要參數，不同製程的基片處理有時需要不同大小的上下電極之間的間距。
然而，目前習知技術中，上電極和下電極都是固定設置的，上下電極之間的距離難以改變，因此，為了滿足同一等離子體處理設備內對不同基片的製程處理，需要提供一種上下電極距離可調的等離子體處理裝置。
本發明的目的是提供一種具有柔性電介質薄片的等離子體處理裝置，對連接在接地環結構與反應腔的腔體之間的柔性電介質薄片進行優化，射頻電流通過能力好，安裝方便，使用壽命久，且不產生金屬污染。
為了達到上述目的，本發明的一個技術方案是提供一種等離子體處理裝置，包括： 由腔體外壁圍成的真空反應腔；位於所述真空反應腔內的基座，所述基座用於承載待處理基片；環繞設置在所述基座周邊的接地環結構； 升降驅動機構，用於驅動所述基座和接地環結構在真空反應腔內上下移動； 所述接地環結構與所述腔體外壁之間設置一柔性電介質薄片，所述柔性電介質薄片一端與所述接地環結構電連接，另一端與所述腔體外壁電連接，所述升降驅動機構驅動所述基座和接地環結構上下移動時，所述接地環結構、所述柔性電介質薄片和所述腔體外壁保持電連接。
較佳地，所述柔性電介質薄片的上部，通過複數個接地固定點與接地環結構連接，柔性電介質薄片的下部通過複數個腔體固定點與腔體外壁的橫向延伸段連接； 所述柔性電介質薄片的最短長度，與接地環結構到腔體外壁之間的最遠距離b相匹配；所述最遠距離b還對應柔性電介質薄片上部到下部之間的縱向距離； 上部與接地環結構接觸部分的寬度為a1，上部的接地固定點到上部邊緣的距離為a2，腔體固定點及接地固定點之間的橫向距離為a3，下部的腔體固定點到下部邊緣的距離為a4，下部與腔體接觸部分的寬度為a5； 上部到中間部分之間的折彎，以及下部到中間部分之間的折彎，其最小折彎半徑均為r；對應於中間部分的斜邊長度為z，垂直距離為y，水平距離為x； 柔性電介質薄片的最短長度L為： L=a1+a5+z+πr x=(a1-a2)+[a3-(a5-a4)] y=b-2r z=
Figure 02_image001
。
較佳地，所述柔性電介質薄片的上部邊緣和下部邊緣之間的開口朝著腔體外壁一側，上部與中間部分之間的折彎和下部與中間部分之間的折彎，均朝著基座一側。
較佳地，所述接地環結構隨基座向上移動時，所述柔性電介質薄片拉伸，上部邊緣和下部邊緣相互分離、開口擴大；所述接地環結構隨基座向下移動時，所述柔性電介質薄片的上部邊緣和下部邊緣相互靠近、開口縮小。
較佳地，所述柔性電介質薄片的上部邊緣和下部邊緣為圓弧形狀，分別配合接地環結構周邊形狀及腔體外壁的形狀；所述中間部分縱向開設有複數個槽； 等離子體處理裝置包含多個柔性電介質薄片，其各自的上部連接接地環結構，各自的下部連接腔體外壁。
較佳地，等離子體處理裝置包含分佈設置的3片、或6片、或12片柔性電介質薄片，各個柔性電介質薄片的上部連接接地環結構，下部連接腔體外壁的橫向延伸段。
較佳地，所述柔性電介質薄片由導電金屬製成；
所述柔性電介質薄片的中間部分的表面設有防護層，防止金屬暴露在等離子體處理裝置的處理區域內，且所述防護層與處理區域內的氣體或反應物不產生反應。
較佳地，所述柔性電介質薄片由鈹銅、或不銹鋼、或鋁製成； 所述柔性電介質薄片的上部和下部分別鍍鎳，中間部分的表面覆蓋有複數層聚醯亞胺膠帶。
較佳地，所述基座上方設置有將反應氣體引入至反應腔內的噴淋頭；噴淋頭與基座之間為處理區域；噴淋頭處作為上電極，基座處作為下電極，所述上電極或所述下電極施加有高頻射頻功率，將處理區域內的反應氣體解離為等離子體對基片進行處理；等離子體處理裝置在反應腔下部設有排氣區域與外部的排氣泵相連接；在處理區域與排氣區域之間設置有等離子體約束系統；通過升降驅動機構使基座在反應腔內上下移動或定位在設定的高度，以調整基座與噴淋頭的間距。
較佳地，所述等離子體約束系統包含聚焦環、隔絕環結構、電場限制環；聚焦環環繞設置在基座頂部的周邊，隔絕環結構包圍基座的下方及周邊、聚焦環的周邊，電場限制環環繞設置在隔絕環結構周邊；
所述接地環結構包含第一接地環和第二接地環；所述第二接地環位於基座下方的隔絕環結構之下並環繞隔絕環結構的下部周邊；反應腔的底部延伸到基座下方的隔絕環結構及第二接地環之下，並通過波紋管與第二接地環連接，以承載波紋管、基座、接地環結構及等離子體約束系統； 所述第一接地環一端位於隔絕環結構周邊，另一端朝外側橫向延伸並通過第一固定環連接柔性電介質薄片的上部，柔性電介質薄片的下部通過第二固定環連接至腔體外壁上的橫向延伸段。
本發明的等離子體處理裝置，其柔性電介質薄片，可以根據接地環和腔體之間的最遠距離，來設計符合壽命要求的薄片最短長度，適應基座可上下移動的等離子體處理裝置；本發明通過對柔性電介質薄片的優化設計，使其可以重複拉伸變形以及恢復，且便於安裝，射頻電流通過能力強，使用壽命更久。柔性電介質薄片的表面覆蓋聚醯亞胺膠帶，能有效防止腔體內金屬污染。
本發明提供的一種等離子體處理裝置，以圖3所示的一種電容耦合式等離子體處理裝置為例，包括由腔體外壁圍成的真空反應腔10，所述反應腔10內設置有基座20，基座20頂部通過靜電夾盤來固定基片40；基座20上方設置有將反應氣體引入至反應腔10內的進氣裝置，如噴淋頭30；所述噴淋頭30與基座20之間為處理區域，所述處理區域被反應腔10的腔體包圍；反應腔10的腔體的一側設有傳片口50，方便機械手取放基片40。
所述噴淋頭30處作為上電極，基座20作為下電極，可以選擇在上電極或下電極施加高頻射頻功率，將處理區域內的反應氣體解離為等離子體80，通過到達基片40上表面的等離子體80對基片40進行刻蝕等處理；等離子體處理裝置在反應腔10下部合適位置設有排氣區域，所述排氣區域與外部的排氣泵（圖未示出）相連接。在處理區域與排氣區域之間還設置有等離子體約束系統。
為了實現上電極和下電極之間距離的調節，一些示例中，通過固定上電極與腔體的位置，並由升降驅動機構（圖未示出）對基座（下電極）進行上下移動，實現線上調整上電極、下電極之間的距離，將基片40帶至不同製程制程規定的高度或帶至傳片口50所在的高度，從而擴大等離子體處理裝置的適用範圍，使其對不同製程要求的相容性更好。示例地，如圖1所示，可以在將基片4從外部傳送到基座2上或將基座2上的基片4取走時，將基座2下移，噴淋頭3下表面到基座2上表面的距離為h1，使基座2上表面對準開設在腔體一側的傳片口5，方便機械手通過傳片口5取放基片4；而如圖2所示，在刻蝕等製程開始前，則將基座2上移至製程所需位置（通常更靠近上電極），噴淋頭3下表面到基座2上表面的距離為h2，之後再進行相應的製程制程。
基座2周邊環繞設置有接地環結構6。為了確保射頻路徑的暢通，需要在接地環結構6與反應腔1的腔體之間通過導電的聯結體7連接，使射頻電流可以通過。所述聯結體7，例如包含由低阻抗金屬導體製成的本體，確保良好的導電性能，然而又需要其在腔體內應用時不會與引入的反應氣體或生成的等離子體發生反應，避免聯結體7自身損耗、產生金屬污染附著到基片4或擴散到處理區域內的設備表面等問題；同時，所述聯結體7需柔軟，可重複拉伸變形及恢復，以適應接地環結構6著隨基座2上下移動時接地環結構6與腔體之間的距離變化。本發明即提供一種柔性電介質薄片，用作所述的聯結體7。
配合參見圖3、圖4所示，等離子體約束系統和接地環結構6分別環繞設置在基座20的周邊，所述接地環結構通過複數個個柔性電介質薄片70與反應腔10的腔體進行導電連接，供射頻電流通過，實現接地。本例的等離子體約束系統，包含電場限制環63、第一隔絕環64、第二隔絕環65、第三隔絕環66、聚焦環67。接地環結構6包含第一接地環61和第二接地環62。第二接地環62的截面呈側置的Z字型結構，設有縱向佈置的第一段、第三段分別連接在橫向佈置的第二段兩端，且第一段、第三段朝著不同方向延伸。接地環結構、等離子體約束系統的具體部件及結構，不限於以下示例的記載。
本示例中，第三隔絕環66位於基座20下方，並有橫向延伸超出基座20邊緣的部分以承載第二隔絕環65，該第二隔絕環65環繞設置在基座20的中部到下部；聚焦環67放置在第二隔絕環65上，該聚焦環67環繞設置在基座20的頂部周邊。第二隔絕環65的周邊環繞設置有電場限制環63；第一隔絕環64環繞設置在聚焦環67的周邊及電場限制環63頂部的周邊，並覆蓋第二隔絕環65和電場限制環63的頂部。第一隔絕環64、聚焦環67的頂面與基座20的上表面齊平。
第二接地環62位於第三隔絕環66的邊緣下方及周邊，即該第二接地環62的第一段朝上，且環繞設置在第三隔絕環66中部到下部的周邊，第二段位於第三隔絕環66邊緣的下方；第二接地環62的第三段朝下與波紋管15的上部連接，反應腔10的底部延伸到基座20、第三隔絕環66等的下方形成延伸部12，延伸部12並與所述波紋管15的下部連接，以承載波紋管15、基座20、接地環結構6、等離子體約束系統等。
電場限制環63在第二接地環62的上方，兩者之間設有第一接地環61；該第一接地環61一端環繞在第三隔絕環66的周邊，另一端朝外橫向延伸並通過第一固定環91連接柔性電介質薄片70的上部72。柔性電介質薄片70的下部73通過第二固定環92連接至設在腔體外壁上的延伸段11。
柔性電介質薄片70整體的側向截面大致呈傾斜的括弧狀，通過材質及結構等的設計，使薄片具備一定的拉伸變形及恢復能力；該柔性電介質薄片70的上邊緣和下邊緣之間的開口朝著腔體外壁一側，上部72的折彎和下部73的折彎均朝著基座20一側。
接地環結構、等離子體約束系統等隨基座20向上移動，使基座20與噴淋頭30的間距變小時，波紋管15可拉伸變長；柔性電介質薄片70拉伸開，使其上下邊緣分離、開口擴大。接地環結構、等離子體約束系統等隨基座20向下移動，使基座20與噴淋頭30的間距變大時，波紋管15可壓縮變短；柔性電介質薄片70的上下邊緣靠近、開口縮小（見圖7、圖8）。
配合參見圖5至圖8所示，每個柔性電介質薄片70上部72和下部73的邊緣為圓弧形狀，以分別配合第一接地環61及腔體外壁的形狀；柔性電介質薄片70的上部72、下部73分別通過複數個固定點74（固定點74的位置及數量可根據實際應用調整），與第一接地環61和腔體外壁的延伸段11相應連接。柔性電介質薄片70與第一接地環61的連接至少有兩個固定點74，以保證柔性電介質薄片70邊緣的圓弧和第一接地環61的圓弧同心，使得柔性電介質薄片70在拉伸時不會被扭轉，防止薄片斷裂，並且安裝更簡便。
每個柔性電介質薄片70的中間部分，縱向開設有複數個條長形槽71（不延伸到上部72和下部73的邊緣），在拉伸時能夠釋放一些應力，薄片的上下邊緣就不容易被拉斷，從而增加柔性電介質薄片70的使用壽命。根據應用需要，可以分佈設置3片（圖未示出），6片（圖7）或者12片（圖8）柔性電介質薄片70’或70”，來與第一接地環61及腔體外壁連接。圖5、圖6分別對應6片、12片時的薄片70’和70”， 薄片70’與70”的寬度、開槽數量不同，相鄰兩片的間隔距離也適應調整。
如圖9、圖10所示，根據接地環結構和腔體之間的最遠距離來設計柔性電介質薄片70的最短長度L。拉伸時的柔性電介質薄片70處，上部72與接地環結構接觸部分的寬度為a1，上部的接地固定點到上部邊緣的距離為a2（接地固定點對應薄片與接地環結構的連接位置），腔體固定點及接地固定點之間的橫向距離為a3（指薄片與接地環結構的連接位置和薄片與腔體的連接位置之間的水平距離），下部73的腔體固定點到下部邊緣的距離為a4，下部73與腔體接觸部分的寬度為a5。其中，a1，a5分別根據具體的設計要求確定。
最遠距離b對應上部72到下部73之間的縱向距離，表示接地環結構與腔體的最大距離（本例指第一接地環61與腔體外壁的延伸段11的最大距離）。上部72到中間部分之間的折彎，及下部73到中間部分之間的折彎，其最小折彎半徑均為r（指根據選擇的材質和厚度，薄片不會產生永久變形的最小折彎半徑）。對應於中間部分的斜邊長度為z，垂直距離為y，水平距離為x。 則，柔性電介質薄片70的長度計算公式為： x=(a1-a2)+[a3-(a5-a4)] y=b-2r z=
Figure 02_image001
L=a1+a5+z+πr 柔性電介質薄片的長度越短，射頻電流通過能力越好，本設計能保證柔性電介質薄片70在最短的長度內能符合壽命要求。
示例的柔性電介質薄片70，其材料可以選擇鈹銅、不銹鋼，或者鋁。上部72和下部73作為直接接地的部分，根據材質以及製程，可以對其鍍鎳；其餘的中間部分可以貼複數層聚醯亞胺膠帶，用來覆蓋住金屬表面，防止金屬在腔體內產生污染。
綜上所述，本發明的等離子體處理裝置，其柔性電介質薄片通過優化，有良好的射頻電流通過能力，安裝方便，使用壽命長，且不產生金屬污染，適用於基座可上下移動的等離子體處理裝置。
儘管本發明的內容已經通過上述較佳實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域的通常知識者閱讀了上述內容後，對於本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護範圍應由所附的申請專利範圍來限定。
1,10:反應腔 11:延伸段 12:延伸部 15:波紋管 2,20:基座 3,30:噴淋頭 4,40:基片 5,50:傳片口 6:接地環結構 61:第一接地環 62:第二接地環 63:電場限制環 64:第一隔絕環 65:第二隔絕環 66:第三隔絕環 67:聚焦環 7:聯結體 70,70’,70’’:柔性電介質薄片 71:長形槽 72:柔性電介質薄片的上部 73:柔性電介質薄片的下部 74:固定點 80:等離子體 91:第一固定環 92:第二固定環
圖1是本發明等離子體處理裝置在基座下移時的結構示意圖； 圖2是本發明等離子體處理裝置在基座上移時的結構示意圖； 圖3是本發明所述等離子體處理裝置的結構示意圖； 圖4是本發明的等離子體處理裝置中基座到腔體之間局部結構的放大圖； 圖5、圖6是本發明中兩種柔性電介質薄片的結構示意圖； 圖7、圖8是本發明中兩種處於收攏狀態的柔性電介質薄片分別與接地環連接的結構示意圖； 圖9、圖10用以說明本發明中柔性電介質薄片的最短長度的計算原理；其中，圖9、圖10分別對應柔性電介質薄片的側視圖和主視圖。
10:反應腔
11:延伸段
12:延伸部
15:波紋管
20:基座
61:第一接地環
62:第二接地環
63:電場限制環
64:第一隔絕環
65:第二隔絕環
66:第三隔絕環
67:聚焦環
70:柔性電介質薄片
91:第一固定環
92:第二固定環

Claims (10)

  1. 一種等離子體處理裝置，其中，包括： 由一腔體外壁圍成的一真空反應腔；位於該真空反應腔內的一基座，該基座用於承載一待處理基片；環繞設置在該基座周邊的一接地環結構； 一升降驅動機構，用於驅動該基座和該接地環結構在該真空反應腔內上下移動； 該接地環結構與該腔體外壁之間設置一柔性電介質薄片，該柔性電介質薄片的一端與該接地環結構電連接，該柔性電介質薄片的另一端與該腔體外壁電連接，該升降驅動機構驅動該基座和該接地環結構上下移動時，該接地環結構、該柔性電介質薄片和該腔體外壁保持電連接。
  2. 如請求項1所述之等離子體處理裝置，其中， 該柔性電介質薄片的上部，通過複數個接地固定點與該接地環結構連接，該柔性電介質薄片的下部通過複數個腔體固定點與該腔體外壁的一橫向延伸段連接； 該柔性電介質薄片的最短長度，與通過接地環結構到該腔體外壁之間的最遠距離b相匹配；該最遠距離b還對應該柔性電介質薄片的上部到該柔性電介質薄片的下部之間的縱向距離； 該柔性電介質薄片的上部與該接地環結構接觸部分的寬度為a1，該柔性電介質薄片的上部的該接地固定點到該柔性電介質薄片的上部邊緣的距離為a2，該腔體固定點及該接地固定點之間的橫向距離為a3，該柔性電介質薄片的下部的該腔體固定點到該柔性電介質薄片的下部邊緣的距離為a4，該柔性電介質薄片的下部與腔體接觸部分的寬度為a5； 該柔性電介質薄片的上部到中間部分之間的折彎，以及該柔性電介質薄片的下部到中間部分之間的折彎，其最小折彎半徑均為r；對應於中間部分的斜邊長度為z，垂直距離為y，水平距離為x； 柔性電介質薄片的最短長度L為： L=a1+a5+z+πr x=(a1-a2)+[a3-(a5-a4)] y=b-2r z=
    Figure 03_image003
    。
  3. 如請求項1所述的等離子體處理裝置，其中， 該柔性電介質薄片的上部邊緣和下部邊緣之間的開口朝著該腔體外壁一側，該柔性電介質薄片的上部與中間部分之間的折彎和該柔性電介質薄片的下部與中間部分之間的折彎，均朝著該基座一側。
  4. 如請求項1所述的等離子體處理裝置，其中， 該接地環結構隨著該基座向上移動時，該柔性電介質薄片拉伸，該柔性電介質薄片的上部邊緣和下部邊緣相互分離、開口擴大；該接地環結構隨著該基座向下移動時，該柔性電介質薄片的上部邊緣和下部邊緣相互靠近、開口縮小。
  5. 如請求項1所述的等離子體處理裝置，其中， 該柔性電介質薄片的上部邊緣和下部邊緣為圓弧形狀，分別配合該接地環結構周邊形狀及該腔體外壁的形狀；該柔性電介質薄片的中間部分縱向開設有複數個槽； 該等離子體處理裝置包含多個該柔性電介質薄片，其各自的上部連接該接地環結構，各自的下部連接該腔體外壁。
  6. 如請求項5所述的等離子體處理裝置，其中， 該等離子體處理裝置包含分佈設置的3片、或6片、或12片的該柔性電介質薄片，各該柔性電介質薄片的上部連接該接地環結構，各該柔性電介質薄片的下部連接該腔體外壁的一橫向延伸段。
  7. 如請求項1所述的等離子體處理裝置，其中， 該柔性電介質薄片由導電金屬製成； 該柔性電介質薄片的中間部分的表面設有一防護層，其防止金屬曝露在該等離子體處理裝置的一處理區域內，且該防護層與該處理區域內的氣體或反應物不產生反應。
  8. 如請求項7所述的等離子體處理裝置，其中， 該柔性電介質薄片由鈹銅、或不銹鋼、或鋁製成； 該柔性電介質薄片的上部和下部分別鍍鎳，該柔性電介質薄片的中間部分的表面覆蓋有複數層聚醯亞胺膠帶。
  9. 如請求項1至8中任意一項所述的等離子體處理裝置，其中， 該基座上方設置有將反應氣體引入至反應腔內的一噴淋頭；該噴淋頭與該基座之間為處理區域；該噴淋頭處作為一上電極，該基座處作為一下電極，該上電極或該下電極施加有高頻射頻功率，將處理區域內的反應氣體解離為等離子體對該待處理基片進行處理；該等離子體處理裝置在反應腔下部設有一排氣區域與外部的一排氣泵相連接；在處理區域與該排氣區域之間設置有一等離子體約束系統；通過該升降驅動機構使該基座在反應腔內上下移動或定位在設定的高度，以調整該基座與該噴淋頭的間距。
  10. 如請求項9所述的等離子體處理裝置，其中， 該等離子體約束系統包含一聚焦環、一隔絕環結構、一電場限制環；該聚焦環環繞設置在該基座頂部的周邊，該隔絕環結構包圍該基座的下方及周邊、該聚焦環的周邊，該電場限制環環繞設置在該隔絕環結構周邊； 該接地環結構包含一第一接地環和一第二接地環；該第二接地環位於該基座下方的該隔絕環結構之下並環繞該隔絕環結構的下部周邊；反應腔的底部延伸到該基座下方的該隔絕環結構及該第二接地環之下，並通過一波紋管與該第二接地環連接，以承載該波紋管、該基座、該接地環結構及該等離子體約束系統； 該第一接地環的一端位於該隔絕環結構周邊，該第一接地環的另一端朝外側橫向延伸並通過一第一固定環連接該柔性電介質薄片的上部，該柔性電介質薄片的下部通過一第二固定環連接至該腔體外壁上的該橫向延伸段。
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