TWI556308B - A plasma reactor with improved gas distribution - Google Patents

Description

一種改進氣體分佈的等離子體反應器

本發明涉及等離子體反應器，特別是涉及電感耦合反應器中的氣體均一分佈的設計。

等離子體反應器或反應腔在現有技術中是公知的，並廣泛應用於半導體積體電路、平板顯示器，發光二極體(LED)，太陽能電池等的製造工業內。在等離子腔中通常會施加一個射頻電源以產生並維持等離子於反應器中。其中，有許多不同的方式施加射頻功率，每個不同方式的設計都將導致不同的特性，比如效率、等離子解離、均一性等等。其中，一種設計是電感耦合(ICP)等離子反應器。

在電感耦合等離子反應器中，一個通常是線圈狀的天線用於向反應器內發射射頻能量。為了使來自天線的射頻功率耦合到反應器內，在天線處放置一個絕緣材料視窗。反應器可以處理各種基片，比如矽基片等，基片被固定在夾盤上，等離子在基片上方產生。因此，天線被放置在反應器頂板上方，使得反應器頂板是由絕緣材料製成或者包括一個絕緣材料視窗。

在等離子處理腔中，各種氣體被注入到反應器中，以使得離子和基片之間的化學反應和/或物理作用可被用於在所述基片上形成各種特徵結構，比如蝕刻、沉積等等。在許多工藝流程中，一個很重要的指數是基片內部的加工均一性。也就是，一個作用於基片中心區域的工藝流程應和作用於基片邊緣區域的工藝流程相同或者高度相近。因此，例如，當執行工藝流程時，基片中心區域的蝕刻率應與基片邊緣區域的蝕刻率相同。

一個有助於獲得較好工藝均一性的參數是在反應器內 均勻分佈的處理氣體。要獲得這樣的均一性，許多反應器設計採用安裝在基片上方的氣體噴頭，以均勻的注入處理氣體。然而，如上所述，在電感耦合(ICP)反應器頂板必須包括一個使射頻功率從天線發射到反應器中的絕緣窗。因此，ICP的結構中並沒有給氣體噴淋頭留出相應的空間來實現其氣體均勻注入的功能。

圖1示出了現有電感耦合反應器設計的截面圖。ICP反應器100包括基本呈圓筒狀的金屬側壁105和絕緣頂板107，構成可被抽真空泵125抽真空的氣密空間。基座110支撐夾盤115，所述支撐夾盤115支撐待處理的基片120。來自射頻功率源145的射頻功率被施加到呈線圈狀的天線140。來自氣源150的處理氣體通過管線155被供應到反應器內，以點燃並維持等離子，並由此對基片120進行加工。在標準電感耦合反應器中，氣體通過在反應器周邊注入器/或噴頭130和中心噴頭135之一或者兩者一同注入來供應到真空容器內的。

從圖1可知，來自週邊噴頭130的氣體被大量抽出了基片120的表面。因此，從週邊噴頭130注入的大量氣體可能實現對基片邊緣區域的處理，但是幾乎沒有能達到基片120的中心區域，這會導致不均一性。相反地，中心噴頭135注入的大量氣體集中在基片中心並沒有到達邊緣區域，也會造成不均一性。

因此，業內需要一種改進電感耦合反應器設計，可以優化反應器內的氣體分佈以改進加工工藝的均一性。

本發明的發明內容只提供一個對本發明部分方面和特點的基本理解。其不是對本發明的廣泛概述，也不是用於特別指出本發明的關鍵要素或者示意發明的範圍。其唯一的目的是簡化的呈現本發明的一些概念，為後續詳細的描述本發明作鋪陳。

根據本發明的一個方面，提供了一種改進氣體分佈的等離子體反應器，包括：封閉殼體，其包括頂板，所述頂板構成一絕緣材料窗；基片支撐裝置，設置於所述封閉殼體內的絕緣材料窗下方；射頻功率發射裝置，設置於所述絕緣材料窗上方，以發射射頻 能量到所述封閉殼體內；氣體注入器，用於向所述封閉殼體內供應等離子體處理氣體，擋板，設置於所述封閉殼體內以及所述基片支撐裝置上方和所述氣體注入器下方，以限制處理氣體的流動；所述擋板包括邊緣擋板和中心擋板，所述中心擋板位於所述邊緣擋板內側。

優選的，所述邊緣擋板和所述中心擋板通過固定杆固定連接。

優選的，所述邊緣擋板和所述中心擋板之間的連接裝置為一支撐架，所述支撐架與所述邊緣擋板固定連接，所述中心擋板放置在所述支撐架上方。

優選的，所述邊緣擋板和所述中心擋板通過機械臂連接，所述機械臂可以伸縮移動，實現所述中心擋板相對於所述邊緣擋板的位置可調。

優選的，所述邊緣擋板和所述中心擋板分別與所述封閉殼體的側壁和絕緣頂板機械連接，所述中心擋板位置上下可調。

優選的，所述中心擋板的形狀大致為圓形，所述邊緣擋板的形狀大致為環形，所述中心擋板和所述邊緣擋板位於同一平面或不同平面內。

優選的，所述中心擋板上設置若干個通氣孔。

優選的，所述邊緣擋板位置可以上下移動。

優選的，所述邊緣擋板和所述中心擋板材料可以為陽極化的鋁、陶瓷和石英的任一項。

本發明優點在於：在所述封閉殼體內的所述基片支撐裝置上方和所述氣體注入器下方設置中心擋板和邊緣擋板，可以同時對從氣體週邊噴頭和中心噴頭處注入反應器的氣體進行限制和/或引導，以根據反應工藝需要對反應氣體進行均勻性分佈控制。所述中心擋板和邊緣擋板的結構、尺寸、位置可以有多種變形實施例，本領域技術人員可以根據實際工藝需要選擇合適的擋板。

100‧‧‧電感耦合反應器

105‧‧‧金屬側壁

107‧‧‧絕緣頂板

110‧‧‧基座

115‧‧‧支撐夾盤

120‧‧‧基片

125‧‧‧抽真空泵

130‧‧‧噴頭

135‧‧‧噴頭

140‧‧‧天線

145‧‧‧射頻功率源

150‧‧‧氣源

155‧‧‧管線

200、300、400、500、600、700、800、900‧‧‧等離子反應器

205、305、405、505、605、705、805、905‧‧‧金屬側壁

207、307、407、507、607、707、807、907‧‧‧絕緣頂板

210、310、410、510、610、710、810、910‧‧‧基座

215、315、415、515、615、715、815、915‧‧‧支撐夾盤

220、320、420、520、620、720、820、920‧‧‧基片

225、325、425、525、625、725、825、925‧‧‧抽真空泵

230、330、430、530、630、730、830、930‧‧‧噴頭

235、335、435、535、735、835、935‧‧‧中心噴頭

240、340、440、540、640、682、740、840、940‧‧‧天線

245、345、445、545、645、647、745、845、945‧‧‧射頻功率源

250、350、450、550、650、750、850、950‧‧‧氣源

255、355、455、555、655、755、855、955‧‧‧管線

270、372、474、475、578、580、680、772、870、970‧‧‧擋板

373、476‧‧‧延伸部

374、477‧‧‧間隙

579‧‧‧開口

683‧‧‧導體盤

685‧‧‧陶瓷盤

690‧‧‧步進電機

771‧‧‧隔板

773‧‧‧側壁

872、972‧‧‧邊緣擋板

875、975‧‧‧中心擋板

976‧‧‧連接裝置

h1、h2‧‧‧側壁高度

d、d’‧‧‧直徑

φ‧‧‧夾角

圖1是現有技術的電感耦合反應器的截面圖；圖2是本發明實施例等離子體反應器的截面圖；圖3是本發明第二實施例等離子體反應器的截面圖；圖4是本發明第三實施例等離子體反應器的截面圖；圖5是本發明第四實施例等離子體反應器的截面圖；圖6是本發明第五實施例等離子體反應器的截面圖；圖7是本發明第六實施例等離子體反應器的截面圖；圖8是根據本發明上述任一實施例的變形實施例的截面圖；圖9是根據本發明上述任一實施例的變形實施例的截面圖。

本發明涉及電感耦合等離子體反應器的實施例，改進了均一性，特別是氣體分佈的均勻性。本發明實施例中的反應器中添加了預設裝置使噴頭中流出的氣體被重新引導流動方向，以改進反應器中的氣體分佈，從而使得基片上的均一性得到了改善。

下文將結合圖2對本發明的一個實施例進行詳細描述。圖2示出根據本發明一個實施例的等離子處理裝置200。應當理解，其中的等離子反應器200僅僅是示例性的，所述等離子反應器200實際上也可以包括更少或額外的部件，部件的排列也可以不同於圖2中所示出。

圖2示出了根據本發明第一實施例的ICP等離子反應器的截面圖，其執行了氣體受控流動的特點。ICP等離子反應器200包括金屬側壁205和絕緣頂板207，構成一個氣密的真空封閉殼體，並且由抽真空泵225抽真空。所述絕緣頂板207僅作為示例，也可以採用其他的頂板樣式，比如穹頂形狀的，帶有絕緣材料視窗的金屬頂板等。基座210支撐夾盤215，所述夾盤上放置著待處理的基片220。偏壓功率被施加到所述夾盤215上，但是由於與揭露的本發明實施例無關，在圖2中未示出。所述射頻電源245的射頻功率被施加到天線240，該天線240基本是線圈狀的。

處理氣體從氣源250經過管線225被供應到反應器內，以點燃並維持等離子，從而對基片220進行加工。在本實施例中，氣體通過週邊注入器/或噴頭230被供應到真空空間中，但是額外的氣體也可以選擇性的從中心噴頭235注入反應器。如果氣體從注入器/或噴頭230和噴頭235同時供應，每個的氣體流量都可獨立控制。任何這些用於注入氣體的設置可稱為等離子氣體注入器/或噴頭。在圖2中，擋板270設置於反應器中以限制和/或引導散發自氣體噴頭230的氣體流動。根據附圖標記所示，在上述實施例中擋板基本是中間帶孔或開口的圓盤形。所述擋板位於氣體噴頭下方但是在基片所在位置上方。這樣，氣體在向下流向基片前被限制為進一步流向反應器中間，如圖中虛線箭頭所示。

通常地，所述擋板270可由金屬材料製成，如陽極化的鋁。用金屬材料來製造擋板能夠有利於限制所述擋板270上方的等離子體，因為來自天線240的射頻能量被所述擋板270阻擋了傳播。另一方面，所述擋板270也可以是由絕緣材料製成，比如陶瓷或石英。在採用絕緣檔板的實施例中，來自天線240的射頻(RF)能量能夠穿過所述擋板270，使得等離子體能夠被維持在所述擋板270下方(虛線部分顯示)，其依賴於到達所述擋板270下方的氣體量。

在部分應用場景下，需要進一步限制氣體流動使得氣體有更多時間位於基片220中心位置上方，以保證在整個基片220上方獲得足夠的等離子解離。得益于上述應用的實施例在圖3中示出。本實施例的擋板372具有圓盤形的外形並具有一個環形豎直方向延伸部373，基本呈一圓筒形狀。豎直延伸部與基片320間構成一個間隙374，通過該間隙氣體可以流到邊緣，比如流向反應器內超過基片320週邊的區域。所述間隙374的尺寸確定了基片上方氣體的流動以及氣體流過所述基片320所需的時間，以使得氣體被等離子解離。

在圖3所示的實施例中，環形開口的直徑d的尺寸可與基片320直徑相同，或者大於或小於所述基片320直徑。所述環形開口的直徑d取決於所需的氣體流動限制。同時，因為豎直方向環形延 伸部373設置為與環形盤372呈直角，所述環形延伸部373的開口直徑與環形盤372本身的開口直徑相同。

另一方面，有時需要限制氣體從環形盤372向基片320流出，但是一旦氣體向所述基片320方向流動，有時也需要強化氣體在水準方向上向反應器週邊流動。一個得益於上述設置的設計由附圖4示出。在圖4中，擋板475由一個環形部和一個圓錐形延伸部476構成，所述圓錐形延伸部476具有上開口直徑d，其小於所述圓錐形延伸部476的下開口直徑d’，其中所述下開口靠近基片420。設置了下開口以定義間隙477，氣體通過該間隙477在水準方向朝反應器側壁流動。圓錐形延伸部476的側壁與環形部之間構成夾角φ，其中該夾角φ小於90度。

在上述的任一實施例中，有時可能需要讓部分氣體在到達擋板中心開口前流出。圖5示出了第四實施例是對圖2所示實施例的部分修改。如圖5所示，擋板578是帶有一個中心開口盤型結構，有些類似於圖2所示的擋板270。所述中間開口的直徑可與圖2中的相同或不同。此外，次級開口579設置在所述中心開口邊，以使得部分氣體在到達所述中心開口前下漏。所述次級開口579的直徑可小於所述中心開口的直徑。所述次級開口579可以應用到前述任一實施例，並且可在中心開口周圍均勻設置。比如，圖5示出了與圖3中的擋板372類似的改進的擋板580，除了在延伸部周圍添加了次級開口的安排，以使得氣體在到達中心開口前下漏並流向所述延伸部373。

在上述實施例中，所述擋板用於控制處理氣體的流動。此外，所述擋板也可用於被動地控制等離子。通常，等離子可以通過所述擋板上的孔洞擴散到反應器下部。所述孔洞越大，所述等離子濃度越高。通過改變所述孔洞的數量和位置，在反應器中分佈的等離子濃度也可同時改變。所述擋板也可用於主動控制所述等離子。圖6示出了上述實施例。

在圖6所示的實施例中，擋板680用於主動控制等離子。如圖所示，次級天線682嵌入所述擋板680中。所述次級天線682 可為線圈狀。如圖所示，所述次級天線682可為單圈線圈的(圖中用虛線示出)，但也可採用其他設計。所述次級天線682可以同主天線一樣採用電源645(虛線箭頭所示)供電，或者採用一個不同的射頻電源647供電。不管採用何電源供電，施加到所述次級天線682上的功率幅度(amplitude)是獨立於施加到主天線640的電源功率之外來控制的。

根據上述實施例，所述擋板680是由絕緣材料製成，且所述次級天線682嵌入該絕緣材料。比如，擋板680可以是由燒結的陶瓷材料製成，其中金屬線圈嵌入所述陶瓷材料。如此，來自次級天線682的功率可施加于擋板680上方和下方的等離子。另一方面，根據另一實施例，所述擋板680也可由一面是絕緣材料另一面是導體材料製成，以使得射頻功率只能施加到擋板680的其中一面。比如，所述擋板680的上層可由導體材料製成，以便來自次級天線682的射頻功率僅施加到所述擋板680下方的等離子中。這種設計可由圖6示出，其中次級天線682嵌入陶瓷盤685，使得所述次級天線682中產生的射頻能量可施加到所述擋板680下方的等離子，但導體盤683設置於所述陶瓷盤685上方，使得來自所述次級天線682的射頻能量無法施加於所述擋板680上方。此外，這種設計結構也會阻擋主天線640產生的射頻能量施加於所述擋板680下方。因此，所述主天線640的射頻能量可被調整(如頻率，功率等)以控制所述擋板680上方的等離子，同時次級天線682的射頻能量可調整來控制所述擋板680下方的等離子。

前述任何實施例都可作近一步改進，使擋板成為可移動的。這種設計由圖6示出。圖6中的步進電機690通過例如齒條和齒輪之類機構耦合到擋板680，使得所述步進電機690能夠通電並豎直地驅動所述擋板680上下移動，使得所述擋板680和基片620之間的空隙可被調整。

圖7示出另一實施例的電感耦合等離子體反應器橫截面示意圖，目的在於克服徑向不對稱問題。例如，某些設計的反應器內 部空間與待處理基片720的中心軸不對稱，這會導致電荷或/和中性粒子在等離子體中分佈不對稱。儘管離子的分佈可以通過射頻電源耦合控制，但中性粒子的分佈不受射頻電源耦合影響，而是更多地依賴於反應器內的氣流。因此，在圖7所描述的實施例中，擋板772被設計用於改變氣流以此來控制中性自由基的流動。

如圖7所示，擋板772包括一個側壁773，側壁773沿隔板(絕緣圓盤)771向上延伸，即側壁773從隔板771開始沿著遠離待處理基片720並且朝著反應器頂板707的方向延伸。反應氣體被注入到頂板707和擋板772之間，使得側壁773對氣流形成一個屏障。然而，根據附圖標記A-C所示的例子顯示，所述的屏障徑向不對稱，能夠使得氣流在某些徑向區域高於另外一些徑向區域。除了附圖標記A-C所示的例子外，所述的屏障還可以有其他變化形式。可選擇地，類似圖6的實施方式，擋板772的隔板(絕緣圓盤)771還包括有射頻天線(未圖示)埋設於內，一個導體盤(未圖示)設置於擋板772的一側以阻止射頻輻射穿過擋板772。

在附圖標記A描述的實施例中，側壁773不對稱。即，側壁高度h₁高於其對面側壁高度h₂。當然，最小高度和最大高度並非一定位於相對立的位置。相反，在需要氣流較高的區域，所述側壁773的高度較小。此外，儘管附圖標記A中顯示的高度是逐漸變化的，但這也不是必須的。相反，所述側壁773的高度可以突然變化，例如，採用臺階式設計。

可選擇的，如附圖標記B所示的實施例中，為控制氣流，可以在側壁773上設置若干孔。在附圖標記B所示的實施例中，孔在側壁773的分佈被設置成不均勻，從而產生不均勻的氣流。特別地，在附圖標記B所示的實施例中，孔在左邊的數量多於右邊的數量。然而，可替換的或者可補充的，如附圖標記C所示的實施例，孔的大小或形狀可以改變，從而使得氣流分佈不均勻。

上述描述的實施例中，所述擋板X70(X表示上述任一實施例中尾碼序號表示的該部件，下同)，用於對從週邊噴頭X30注入的 氣體進行控制，並起到良好的均勻性分佈控制效果。在電感耦合等離子體反應器內，反應氣體除從週邊噴頭X30注入反應器外還可以從中心噴頭X35進入反應器。中心噴頭X35注入的大量氣體集中在基片中心並沒有到達邊緣區域，也會造成不均一性。在圖8所示的實施例中，所述的擋板870包括邊緣擋板872和中心擋板875，邊緣擋板872可以為上述實施例中任一X70系列的擋板，中心擋板875位於邊緣擋板872內側，通過機械臂或者其他連接裝置與邊緣擋板872或頂板807相連，其可以和邊緣擋板872位於同一水平面，也可以為不同水平面。

中心擋板875設置於反應器中以限制和/或引導散發自中心噴頭235的氣體流動，用於對從中心噴頭注入的氣體進行均勻性分佈控制，形狀大致為圓形，可以位於中心噴頭的正下方，也可以根據基片820表面氣體分佈需要將中心擋板875位置進行上下或水準方向的移動，中心擋板875位置進行上下或水準方向移動時，其在絕緣頂板807上的投影總是位於邊緣擋板872在絕緣頂板807上的投影的內側。中心擋板875和邊緣擋板872通過連接裝置相連，所述連接裝置通常為固定杆876，將中心擋板875和邊緣擋板872固定連接，只有當打開反應器，取出中心擋板875和邊緣擋板872時，才能進行擋板替換或位置移動。在某些實施例中，所述連接裝置為可移動的機械臂，機械臂的數量至少為一個，特別的，機械臂在中心擋板875和邊緣擋板872之間對稱分佈。機械臂可以前後伸縮，上下移動，機械臂連接一控制裝置(圖中未示出)，通過調節控制裝置實現機械臂的前後伸縮，上下移動，從而實現中心擋板的位置可調。在另外的實施例中，中心擋板875和邊緣擋板872之間的連接裝置為一支撐架，所述支撐架與邊緣擋板固定連接，中心擋板放置在所述支撐架上方，通過選擇不同尺寸的中心擋板和放置在支撐架的不同位置實現對氣流分佈的調節。

圖9所示的實施例中，中心擋板975通過連接裝置976和絕緣頂板907相連，連接裝置976包括至少兩條懸掛中心擋板的繩索或直杆，所述繩索或直杆可以採用本領域技術人員常用的技術手段 與中心擋板975和絕緣頂板907相連，並可以控制中心擋板975上下移動。本實施例所述的邊緣擋板972可以採用上述實施例的任一實施方式，邊緣擋板972和中心擋板976配合使用，共同調節反應器內反應氣體的分佈。為了更好的限制和/或引導散發自中心噴頭235的氣體流動，上述實施例和本實施例的中心擋板上可以設置若干通氣孔，通氣孔的數量和大小可以根據實際氣流分佈需要確定，此為本領域技術人員無需經過創造性勞動即可實施的技術手段，在此不予以贅述。

在一個變形例中，邊緣擋板和中心擋板一體設置，邊緣擋板和中心擋板之間設置氣體流通通道，特別的，氣體流通通道在邊緣擋板和中心擋板上均勻分佈。

上述實施例中，中心擋板的位置可以通過控制連接裝置進行水準方向和垂直方向的移動，以適應不同反應工藝對氣流分佈的影響。所述中心擋板和邊緣擋板的形狀和尺寸的變化需要通過打開反應器換取不同的中心擋板和邊緣擋板。

應該理解，本發明提到的處理流程和技術並不限於提到的特定裝置，也可以是實現本發明的多個部件的組合。進一步地，各種類型的通用設備也可以在本發明技術中被採用。本發明描述了多個特定實施例，這些實施例都在各個方面說明了本發明的內容，其並不是對本發明內容的限制。本領域技術人員應當理解，除了本發明所舉例子，還有很多不同的組合可以適用本發明。

此外，本領域技術人員通過對本發明說明書的理解和對本發明的實踐，能夠容易地想到其他實現方式。本文所描述的多個實施例中各個方面和/或部件可以被單獨採用或者組合採用。需要強調的是，說明書和實施例僅作為舉例，本發明實際的範圍和思路通過下面的權利要求來定義。

200‧‧‧等離子處理裝置

205‧‧‧金屬側壁

207‧‧‧絕緣頂板

210‧‧‧基座

215‧‧‧支撐夾盤

220‧‧‧基片

225‧‧‧抽真空泵

230‧‧‧噴頭

235‧‧‧中心噴頭

240‧‧‧天線

245‧‧‧射頻功率源

250‧‧‧氣源

255‧‧‧管線

270‧‧‧擋板

Claims (9)

1. 一種改進氣體分佈的等離子體反應器，包括：封閉殼體，其包括頂板，所述頂板構成一絕緣材料窗；基片支撐裝置，設置於所述封閉殼體內的絕緣材料窗下方；射頻功率發射裝置，設置於所述絕緣材料窗上方，以發射射頻能量到所述封閉殼體內；氣體注入器/或噴頭，用於向所述封閉殼體內供應反應氣體，所述氣體注入器/或噴頭包括週邊噴頭和中心噴頭；擋板，設置於所述封閉殼體內以及所述基片支撐裝置上方和所述氣體注入器/或噴頭下方，以限制處理氣體的流動；其特徵在於：所述擋板包括邊緣擋板和中心擋板，所述中心擋板位於所述邊緣擋板內側，用以限制和/或引導所述中心噴頭流出的反應氣體。
2. 根據權利要求1所述的等離子體反應器，其中所述邊緣擋板和所述中心擋板通過固定杆固定連接。
3. 根據權利要求1所述的等離子體反應器，其中所述邊緣擋板和所述中心擋板之間的連接裝置為一支撐架，所述支撐架與所述邊緣擋板固定連接，所述中心擋板放置在所述支撐架上方。
4. 根據權利要求1所述的等離子體反應器，其中所述邊緣擋板和所述中心擋板通過機械臂連接，所述機械臂可以伸縮移動，實現所述中心擋板相對於所述邊緣擋板的位置可調。
5. 根據權利要求1所述的等離子體反應器，其中所述邊緣擋板和所述中心擋板分別與所述封閉殼體的側壁和絕緣頂板機械連接，所述中心擋板位置上下可調。
6. 根據權利要求2、3、4或5任一所述的等離子體反應器，其中所述中心擋板的形狀大致為圓形，所述邊緣擋板的形狀大致為環 形，所述中心擋板和所述邊緣擋板位於同一平面或不同平面內。
7. 根據權利要求6所述的等離子體反應器，其中所述中心擋板上設置若干個通氣孔。
8. 根據權利要求1所述的等離子體反應器，其中所述邊緣擋板位置可以上下移動。
9. 根據權利要求1所述的等離子體反應器，其中所述邊緣擋板和所述中心擋板材料可以為陽極化的鋁、陶瓷和石英的任一項。