TW202247236A - 下電極組件和等離子體處理裝置 - Google Patents

Abstract

一種下電極組件和等離子體處理裝置，其中，所述下電極組件包括：基座，其內設有凹槽；靜電夾盤，位於所述基座上，用於吸附待處理基片，其內設有第一氣體通道，所述第一氣體通道與凹槽對應；第一陶瓷件和第二陶瓷件，設於所述凹槽內，且二者相互配合形成第二氣體通道，所述第二氣體通道與第一氣體通道相互連通，用於向待處理基片的背面輸送冷卻氣體，以控制所述待處理基片的溫度，其中，所述第二氣體通道為非直線。所述下電極組件有利於降低靜電夾盤發生點火放電。

Description

下電極組件和等離子體處理裝置

本發明涉及半導體領域，尤其涉及一種下電極組件和等離子體處理裝置。

在半導體器件製造的各種程序中，等離子體處理是將待處理基片加工成設計圖案的關鍵製程。在典型的等離子體處理製程中，製程氣體在射頻（Radio Frequency，RF）激勵作用下形成等離子體。這些等離子體在經過上電極和下電極之間的電場（電容耦合或者電感耦合）作用後與待處理基片表面發生物理轟擊作用及化學反應，從而對待處理基片表面進行處理。

所述等離子體處理製程在等離子體處理裝置內進行，所述等離子體處理裝置包括基座和位於基座上方的靜電夾盤，所述靜電夾盤用於吸附待處理基片。通常所述基座和靜電夾盤內設有氦氣孔，所述氦氣孔用於向所述待處理基片的背面輸送氦氣，以控制所述待處理基片的溫度。然而，習知氦氣孔很容易發生點火放電問題。

本發明解決的技術問題是提供了一種下電極組件和等離子體處理裝置，以減少靜電夾盤內發生點火放電。

為解決上述技術問題，本發明提供一種下電極組件，包括：基座，其內設有凹槽；靜電夾盤，位於所述基座上，用於吸附待處理基片，其內設有第一氣體通道，所述第一氣體通道與凹槽對應；用於向待處理基片的表面輸送冷卻氣體，以控制所述待處理基片的溫度；第一陶瓷件和第二陶瓷件，設於所述凹槽內，且二者相互配合形成第二氣體通道，所述第二氣體通道與第一氣體通道相互連通，用於向待處理基片的背面輸送冷卻氣體，以控制所述待處理基片的溫度，其中，所述第二氣體通道為非直線的。

可選地，所述基座的材料為金屬；所述靜電夾盤的材料為陶瓷材料。

可選地，所述第二氣體通道為：彎折結構或者曲線結構。

可選地，當所述第二氣體通道的非直線為彎折結構時，所述第一陶瓷件底部設有貫穿部分第一陶瓷件的第一開孔，所述第一陶瓷件的頂部的側壁設有第二開孔；所述第二陶瓷件底部設有開口，所述開口用於容納所述第一陶瓷件的頂部，且所述第二開孔被所述開口包圍，所述第一陶瓷件的頂部與開口內側壁之間形成間隙，所述第二陶瓷件的頂部設有第三開孔，且所述第一開孔、第二開孔、間隙和第三開孔連通，所述第一開孔、第二開孔、間隙和第三開孔構成所述第二氣體通道，所述間隙的中心線與第一開孔、第三開孔的中心線不共線。

可選地，所述第一陶瓷件包括底部件和位於底部件上方的凸台件，所述凸台件在基座上的投影面積小於底部件在基座上的投影面積，所述第一開孔貫穿所述底部件和部分凸台件，所述第二開孔設有所述凸台件的側壁，所述第二陶瓷件的開口用於容納凸台件，所述凸台件與開口的側壁形成所述間隙。

可選地，所述第一陶瓷件和第二陶瓷件左右或者上下放置，兩者相互配合形成非直線的第二氣體通道。

可選地，所述第一陶瓷件包括第一側，所述第二陶瓷件包括第二側，所述第一側的第一陶瓷件為鋸齒狀，所述第二側的第二陶瓷件為鋸齒狀，所述第一側與第二側相互配合形成所述第二氣體通道。

可選地，所述第一陶瓷件的外壁設有螺旋形的溝槽，所述第二陶瓷件與為筒狀結構，所述第二陶瓷件套設在所述第一陶瓷件的外部，所述螺旋形的溝槽與第二陶瓷件的內壁之間形成所述第二氣體通道。

可選地，所述第一陶瓷件與第二陶瓷件一體成型，所述第一陶瓷件和第二陶瓷件內設有所述第二氣體通道，所述第二氣體通道是由複數個菱形通道堆疊而成，且每個菱形通道還包括連接對角線的連接通道。

可選地，還包括：高頻功率源，與所述下電極電連接。

可選地，所述高頻功率源的功率為：3KW~12KW。

可選地，所述第一陶瓷件和第二陶瓷件的材料包括：氧化鋁、氮化鋁或者氧化鋯。

可選地，所述冷卻氣體包括：惰性氣體、N ₂和O ₂中的至少一種。

相應地，本發明還提供一種等離子體處理裝置，包括：反應腔；上述的下電極組件，位於所述反應腔內的底部。

可選地，所述等離子體處理裝置為電感耦合等離子體處理裝置，所述電感耦合等離子體處理裝置還包括：絕緣窗口，位於所述反應腔的頂部；電感線圈，位於所述絕緣窗口上方。

可選地，所述等離子體處理裝置為電容耦合等離子體處理裝置，所述電容耦合等離子體處理裝置包括：安裝基板，位於所述反應腔的頂部；氣體噴淋頭，位於所述安裝基板的下方，與所述下電極組件相對設置，用於向所述反應腔內輸送反應氣體。

與習知技術相比，本發明實施例的技術方案具有以下有益效果：

本發明技術方案提供的等離子體處理裝置中，所述等離子體處理裝置包括下電極組件，所述下電極組件的基座中設有凹槽，所述凹槽用於容納第一陶瓷件和第二陶瓷件，所述第一陶瓷件與第二陶瓷件之間相互配合形成第二氣體通道，所述靜電夾盤內設有第一氣體通道，所述第一氣體通道與第二氣體通道相互連通，形成用於向待處理基片背面輸送冷卻氣體的傳輸路徑，其中所述第二氣體通道為非直線的，使得所述冷卻氣體在傳輸的過程中發生拐彎，並且在拐彎處發生熄滅，因此，有利於降低靜電夾盤內發生點火放電的問題。

正如先前技術所述，習知等離子體處理裝置的靜電夾盤內易發生點火放電，為此，本發明致力於提供一種等離子體處理裝置，以降低靜電夾盤內發生點火放電，以下進行詳細說明：

圖1為本發明一種等離子體處理裝置的結構示意圖。

請參考圖1，等離子體處理裝置100包括：反應腔10；下電極組件，位於所述反應腔10內的底部，所述下電極組件包括基座12和基座12上方的靜電夾盤13，所述靜電夾盤13內設有電極14，用於吸附待處理基片W。

在本實施例中，所述等離子體處理裝置100為電容耦合等離子體處理裝置，所述電容耦合等離子體處理裝置還包括：安裝基板15，位於所述反應腔10的頂部；氣體噴淋頭16，位於所述安裝基板15的下方，與反應氣體源17相連，用於向反應腔10內輸送反應氣體，與所述下電極組件相對設置。所述氣體噴淋頭16作為等離子體處理裝置100的上電極，所述靜電夾盤13作為等離子體處理裝置100的下電極，所述上電極和所述下電極之間形成一反應區域。至少一射頻電源19通過匹配網路18施加到所述上電極或下電極之一，在所述上電極和所述下電極之間產生射頻電場，用以將反應氣體解離為等離子體，等離子體中含有大量的電子、離子、激發態的原子、分子和自由基等活性粒子，上述活性粒子可以和待處理基片W的表面發生多種物理和化學反應，使得基片表面的形貌發生改變，即完成蝕刻過程。反應腔10的下方還設置一排氣泵20，用於將反應副產物排出反應腔，維持反應腔的真空環境。

所述射頻電源19為高頻功率源，所述高頻功率源的功率範圍為：3KW~12KW。所述基座12的材料為金屬；所述靜電夾盤13的材料為陶瓷材料，所述靜電夾盤13用於靜電吸附待處理基片W，當所述基座12上施加所述高頻功率源的功率時，所述靜電夾盤13之間存在電壓差。

在對待處理基片W表面進行處理的過程中，需要精確控制待處理基片W的溫度，所述基座12內通常還設置有冷卻通道，所述冷卻通道內用於輸送冷卻液，所述冷卻液用於對基座12進行冷卻。所述靜電夾盤13與基座12之間還設置有絕緣層（圖中未示出），所述絕緣層內設有加熱器（圖中未示出），所述加熱器用於對待處理基片進行加熱。另外，為了更好地控制待處理基片W的溫度，通常會在基座12和靜電夾盤13內設置氣體通道21，所述氣體通道21用於向待處理基片W的背面輸送冷卻氣體，所述冷卻氣體包括：惰性氣體、N ₂和O ₂中的至少一種，所述惰性氣體包括氦氣。由於所述靜電夾盤13之間存在電壓差，因此，所述冷卻氣體在氣體通道21內傳輸的過程中易發生點火放電。

圖2為本發明另一種等離子體處理裝置的結構示意圖。

在本實施例中，等離子體處理裝置為電感耦合等離子體處理裝置5，所述電感耦合等離子體處理裝置5包括反應腔501，反應腔501包括由金屬材料製成的大致為圓柱形的反應腔側壁，反應腔側壁上設置一開口502用於容納基片進出。反應腔側壁上方設置一絕緣窗口517，絕緣窗口517上方設置電感耦合線圈515，射頻功率源518通過射頻匹配網路516將射頻電壓施加到電感耦合線圈515上。

反應腔內部設置一內襯520，用以保護反應腔內壁不被等離子體腐蝕，反應腔側壁靠近絕緣窗口的一端設置氣體注入口503，在其他實施例中也可以在絕緣窗口517的中心區域設置氣體注入口503，氣體注入口503用於將反應氣體注入反應腔501內，射頻功率源518的射頻功率驅動電感耦合線圈515產生較強的高頻交變磁場，使得反應腔內低壓的反應氣體被電離產生等離子體。反應腔501的下游位置設置一基座510，基座510上設置靜電吸盤512，靜電吸盤512內部設置一靜電電極513，用於產生靜電吸力，以實現在製程過程中對待處理基片W的支撐固定。等離子體中含有大量的電子、離子、激發態的原子、分子和自由基等活性粒子，上述活性粒子可以和待處理基片的表面發生多種物理和化學反應，使得基片表面的形貌發生改變，即完成蝕刻過程。一偏置射頻功率源550通過射頻匹配網路552將偏置射頻電壓施加到基座上，用於控制等離子體中帶電粒子的轟擊方向。反應腔501的下方還設置一排氣泵540，用於將反應副產物排出反應腔501，維持反應腔501的真空環境。

同樣的，為了更好地控制待處理基片W的溫度，通常會在基座510和靜電夾盤512內設置氣體通道51，所述氣體通道51用於向待處理基片W的背面輸送冷卻氣體，所述冷卻氣體包括：惰性氣體、N ₂和O ₂中的至少一種，所述惰性氣體包括氦氣。由於所述靜電夾盤512之間存在電壓差，因此，所述冷卻氣體在氣體通道51內傳輸的過程中易發生點火放電。

以下對下電極組件進行詳細說明：

請參考圖3至圖5，圖3為圖1中區域A的一種放大示意圖，下電極組件包括：基座12，其內設有凹槽120（見圖2）；靜電夾盤13，位於所述基座12上，用於吸附待處理基片W，其內設有第一氣體通道131，所述第一氣體通道131與凹槽120對應；第一陶瓷件121和第二陶瓷件122，設於所述凹槽120內，且二者相互配合形成第二氣體通道，所述第二氣體通道與第一氣體通道131相互連通，用於向待處理基片W的背面輸送冷卻氣體，以控制所述待處理基片W的溫度，其中，所述第二氣體通道為非直線的。

所述第一陶瓷件121和第二陶瓷件122的材料包括：氧化鋁、氮化鋁或者氧化鋯。

設置所述第一陶瓷件121和第二陶瓷件122的意義在於：由於所述第一陶瓷件121和第二陶瓷件122均為陶瓷材料，使得所述待處理基片W到基座12的距離需跨越靜電夾盤13、第一陶瓷件121和第二陶瓷件122，因此，所述待處理基片W到基座12的距離較遠，則有利於防止所述第一氣道131發生電弧放電（arcing）。

圖4為第一陶瓷件121的立體圖，結合圖3和圖4可以看出，在本實施例中，所述第一陶瓷件121包括：底部件121a和位於底部件121a上方的凸台件121b，所述凸台件121b在基座12上的投影面積小於底部件121a在基座12上的投影面積，所述第一陶瓷件121設有貫穿底部件121a和部分凸台件121b的第一開孔123，所述凸台件121b的側壁設有第二開孔124。

在其它實施例中，所述第一陶瓷件底部設有貫穿部分第一陶瓷件的第一開孔，所述第一陶瓷件的頂部的側壁設有第二開孔；所述第二陶瓷件底部設有開口，所述開口用於容納所述第一陶瓷件的頂部，且所述第二開孔被所述開口包圍，且所述第一陶瓷件的頂部與開口內側壁之間形成間隙，所述第二陶瓷件的頂部設有第三開孔，且所述第一開孔、第二開孔、間隙和第三開孔連通，所述第一開孔、第二開孔、間隙和第三開孔構成所述第二氣體通道。

圖5a和圖5b為圖2中一種第二陶瓷件的立體圖。

請參考圖3、圖4、圖5a和圖5b，所述第二陶瓷件122底部設有開口127，所述開口127用於容納所述凸台件121b，且所述凸台件121b與開口127內側壁之間形成間隙125，所述第二陶瓷件122的頂部設有第三開孔126，且所述第一開孔123、第二開孔124、間隙125和第三開孔126連通，所述第一開孔123、第二開孔124、間隙125和第三開孔126構成第二氣體通道，所述第二氣體通道與第一氣體通道131連通，則所述第一開孔123、第二開孔124、間隙125、第三開孔126和第一氣體通道131形成所述冷卻氣體的傳輸路徑，所述間隙的中心線與第一開孔、第三開孔的中心線不共線。

由於所述第一開孔123貫穿所述底部件121a和部分凸台件121b，而所述第二開孔124設於所述凸台件121b的側壁，因此，所述第一開孔123與第二開孔124構成夾角，而所述間隙125包括：所述凸台件121b側壁與第二陶瓷件122的開口127的內側壁之間的第一間隙、以及凸台件121b頂部與第二陶瓷件122的開孔127底部之間的第二間隙，所述第一間隙與第二間隙之間構成夾角，且所述所述凸台件121b的側壁與第二陶瓷件122的開口127的內側壁之間的第一間隙與第二開孔124構成夾角，而所述第三開孔126設於所述開口127底部的第二陶瓷件122內，因此，所述第二間隙與所述第三開孔126之間構成夾角，由此可見，所述第二氣體通道為多次彎折結構，使得冷卻氣體在第二氣體通道內傳輸的過程中不斷拐彎，使其能量不斷降低，因此，儘管所述靜電夾盤13上下表面存在電壓差，也不易發生點火放電。

所述冷卻氣體的傳輸路徑為非直線傳輸，所述非直線傳輸除了上述的彎折結構外，還可以為曲線傳輸。

圖6為圖1中區域A的另一種放大示意圖。

在本實施例中，靜電夾盤23內設於第一氣體通道231，基座22內設於凹槽，所述凹槽內設於第一陶瓷件221和第二陶瓷件222，所述第一陶瓷件221包括第一側1，所述第二陶瓷件222包括第二側2，所述第一側1與第二側2左右相互匹配放置，在所述第一陶瓷件221與第二陶瓷件222之間形成第二氣體通道223。

在本實施例中，所述第一側1為鋸齒狀，所述第二側2為鋸齒狀，二者相互配合形成的第二氣體通道223，由於所述第二氣體通道223為非直線，使得所述冷卻氣體在第一氣體通道231和第二氣體通道223傳輸的過程中發生拐彎，並且在拐彎處發生熄滅，因此，有利於降低待處理基片與靜電夾盤23之間發生點火放電的問題。

圖7為圖1中區域A的又一種放大示意圖。

請參考圖7，所述第一陶瓷件與第二陶瓷件一體成型為一陶瓷件34，所述陶瓷件34內設有所述第二氣體通道341，所述第二氣體通道341包括複數個菱形通道堆疊而成，且每個菱形通道還包括連接對角線的連接通道342。

在本實施例中，由於所述第二氣體通道341為非直線，使得所述冷卻氣體在第一氣體通道331和第二氣體通道341傳輸的過程中發生拐彎，並且在拐彎處發生熄滅，因此，有利於降低待處理基片W與靜電夾盤33之間發生點火放電的問題。

圖8為圖1中區域A的再一種放大示意圖；圖9為圖8中第一陶瓷件與第二陶瓷件的俯視圖。

請參考圖8和圖9，所述第一陶瓷件421的外壁設有螺旋狀的溝槽423，所述第二陶瓷件422為筒狀結構，所述第二陶瓷件422套設在所述第一陶瓷件421的外部，所述螺旋形的溝槽423與第二陶瓷件422的內壁之間形成所述第二氣體通道。

在本實施例中，由於所述螺旋形的溝槽423為非直線，因此，所述螺旋形的溝槽423與第二陶瓷件422的內壁之間形成的所述第二氣體通道為非直線的，使得所述冷卻氣體在第一氣體通道431和第二氣體通道傳輸的過程中發生拐彎，並且在拐彎處發生熄滅，因此，有利於降低待處理基片與靜電夾盤43之間發生點火放電的問題。

雖然本發明披露如上，但本發明並非限定於此。任何本領域技術人員，在不脫離。本發明的精神和範圍內，均可作各種更動與修改，因此本發明的保護範圍應當以申請專利範圍所限定的範圍為準。

1:第一側 2:第二側 5:電感耦合等離子體處理裝置 10,501:反應腔 11,502:開口 12,22,32,42,510:基座 13,23,33,43,512:靜電夾盤 14:電極 15:安裝基板 16:氣體噴淋頭 17:反應氣體源 18:匹配網路 19:射頻電源 20:排氣泵 21,51:氣體通道 34:陶瓷件 100:等離子體處理裝置 120:凹槽 121,221,421:第一陶瓷件 121a:底部件 121b:凸台件 122,222,422:第二陶瓷件 123:第一開孔 124:第二開孔 125:間隙 126:第三開孔 127:開口 131,231,331,431:第一氣體通道 223,341:第二氣體通道 342:連接通道 423:溝槽 503:氣體注入口 513:靜電電極 515:電感耦合線圈 516:射頻匹配網路 517:絕緣窗口 518:射頻功率源 520:內襯 540:排氣泵 550:偏置射頻功率源 552:射頻匹配網路 W:待處理基片

圖1為本發明一種等離子體處理裝置的結構示意圖； 圖2為本發明另一種等離子體處理裝置的結構示意圖； 圖3為圖1中區域A的一種放大示意圖； 圖4為圖3中一種第一陶瓷件的立體圖； 圖5a和圖5b為圖3中一種第二陶瓷件的立體圖； 圖6為圖1中區域A的另一種放大示意圖； 圖7為圖1中區域A的又一種放大示意圖； 圖8為圖1中區域A的再一種放大示意圖； 圖9為圖8中第一陶瓷件與第二陶瓷件的俯視圖。

12:基座

13:靜電夾盤

120:凹槽

121:第一陶瓷件

122:第二陶瓷件

123:第一開孔

124:第二開孔

125:間隙

126:第三開孔

131:第一氣體通道

W:待處理基片

Claims (16)

1. 一種下電極組件，其包括： 一基座，其內設有一凹槽； 一靜電夾盤，位於該基座上，用於吸附一待處理基片，其內設有一第一氣體通道，該第一氣體通道與一凹槽對應；以及 一第一陶瓷件和一第二陶瓷件，設於該凹槽內，且二者相互配合形成一第二氣體通道，該第二氣體通道與該第一氣體通道相互連通，用於向該待處理基片的背面輸送一冷卻氣體，以控制該待處理基片的溫度，其中，該第二氣體通道為非直線。
2. 如請求項1所述的下電極組件，其中該基座的材料為金屬；該靜電夾盤的材料為陶瓷材料。
3. 如請求項1所述的下電極組件，其中該第二氣體通道為：彎折結構或者曲線結構。
4. 如請求項1所述的下電極組件，其中該第一陶瓷件底部設有貫穿部分該第一陶瓷件的一第一開孔，該第一陶瓷件的頂部的側壁設有一第二開孔；該第二陶瓷件底部設有一開口，該開口用於容納該第一陶瓷件的頂部，且該第二開孔被該開口包圍，該第一陶瓷件的頂部與該開口內側壁之間形成一間隙，該第二陶瓷件的頂部設有一第三開孔，且該第一開孔、該第二開孔、該間隙和該第三開孔連通，該第一開孔、該第二開孔、該間隙和該第三開孔構成該第二氣體通道，該間隙的中心線與該第一開孔、該第三開孔的中心線不共線。
5. 如請求項4所述的下電極組件，其中該第一陶瓷件包括一底部件和位於該底部件上方的一凸台件，該凸台件在該基座上的投影面積小於該底部件在該基座上的投影面積，該第一開孔貫穿該底部件和部分該凸台件，該第二開孔設有該凸台件的側壁，該第二陶瓷件的該開口用於容納該凸台件，該凸台件與該開口的側壁形成該間隙。
6. 如請求項1所述的下電極組件，其中該第一陶瓷件和該第二陶瓷件左右或者上下放置，兩者相互配合形成非直線的該第二氣體通道。
7. 如請求項6所述的下電極組件，其中該第一陶瓷件包括一第一側，該第二陶瓷件包括一第二側，該第一側的該第一陶瓷件為鋸齒狀，該第二側的該第二陶瓷件為鋸齒狀，該第一側與該第二側相互配合形成該第二氣體通道。
8. 如請求項1所述的下電極組件，其該第一陶瓷件的外壁設有螺旋形的一溝槽，該第二陶瓷件為一筒狀結構，該第二陶瓷件套設在該第一陶瓷件的外部，螺旋形的該溝槽與該第二陶瓷件的內壁之間形成該第二氣體通道。
9. 如請求項1所述的下電極組件，其中該第一陶瓷件與該第二陶瓷件一體成型，該第一陶瓷件和該第二陶瓷件內設有該第二氣體通道，該第二氣體通道是由複數個菱形通道堆疊而成，且每個該菱形通道還包括連接對角線的一連接通道。
10. 如請求項1所述的下電極組件，其中還包括：一高頻功率源，與該下電極電連接。
11. 如請求項10所述的下電極組件，其中該高頻功率源的功率為：3KW~12KW。
12. 如請求項1所述的下電極組件，其中該第一陶瓷件和該第二陶瓷件的材料包括：氧化鋁、氮化鋁或者氧化鋯。
13. 如請求項1所述的下電極組件，其中該冷卻氣體包括：惰性氣體、N ₂和O ₂中的至少一種。
14. 一種等離子體處理裝置，其包括： 一反應腔；以及 如請求項1至請求項13任一項所述的下電極組件，位於該反應腔內的底部。
15. 如請求項14所述的等離子體處理裝置，其中該等離子體處理裝置為一電感耦合等離子體處理裝置，該電感耦合等離子體處理裝置還包括：一絕緣窗口，位於該反應腔的頂部；以及一電感線圈，位於該絕緣窗口上方。
16. 如請求項14所述的等離子體處理裝置，其中該等離子體處理裝置為一電容耦合等離子體處理裝置，該電容耦合等離子體處理裝置包括：一安裝基板，位於該反應腔的頂部；以及一氣體噴淋頭，位於該安裝基板的下方，與該下電極組件相對設置，用於向該反應腔內輸送一反應氣體。

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