TWI596647B - Induction-coupled plasma processing apparatus - Google Patents

Description

感應耦合型等離子體處理裝置

本發明有關於半導體加工設備，特別有關於一種感應耦合型等離子體處理裝置。

當前，感應耦合型等離子體處理裝置作為在半導體晶片上執行成膜、刻蝕等多種製程的裝置，廣泛應用於半導體元件製造的技術領域中。如第1圖所示，習知技術的感應耦合型等離子體處理裝置包括真空的反應腔室，其底部設有承載待處理基片的基座，頂部具有承載板。承載板上垂直設置有與反應腔室連通的套筒，製程氣體可以從套筒頂部輸入到反應腔室。套筒外側纏繞有感應耦合用的線圈；射頻源藉由連接匹配器向線圈提供射頻電流，使得線圈產生交變磁場，將製程氣體激發為等離子體。在套筒與線圈之間還設有法拉第屏蔽件，用於屏蔽電場耦合。該法拉第屏蔽件是側壁設有多個開口的導電筒狀結構，使該法拉第屏蔽件接地以阻擋電容性電場傳入真空反應腔室，從而避免等離子體中的帶電粒子被加速而轟擊並損傷承載板或套筒。

然而，上述習知感應耦合型等離子體處理裝置有以下的設計難點：

1)套筒必須由介電材料(陶瓷或石英等)製成，導致其易在熱應力及真空應力下斷裂。

2)為了實現射頻耦合，套筒與線圈之間的徑向距離需要精確控制，但是由於任何的機械加工都會在該套筒上產生額外的應力使其斷裂，因此難以在介電材質的套筒上加工任何用來對線圈進行支撐或位置調整的結構。

3)套筒的真空密封性十分重要。但如果在套筒上開槽來放置密封圈，則需要藉由增加套筒厚度等方式來應對開槽加工時的額外應力，否則套筒容易斷裂；但開槽加工使製作複雜，厚度增加有關於套筒與線圈的距離調整，對等離子體的形成產生影響；如果不開槽而使密封圈直接設置在套筒與其他部件的端面，則很難對密封圈的壓縮力變化及介電材料的製造公差進行控制。

本發明的目的在於提供一種感應耦合型等離子體處理裝置，對於藉由法拉第屏蔽件的射頻耦合能夠進行有選擇的控制，在法拉第屏蔽件上設置對線圈校準及安裝的組件及實現對介電套筒的可靠密封，而避免對介電套筒的額外加工。

為了達到上述目的，本發明提供一種感應耦合型等離子體處理裝置，其中包含反應腔室、套筒、法拉第屏蔽件及線圈。反應腔室設有放置待處理基片的基座；介電材料製成的套筒，其底部與反應腔室的頂部連通；接地的法拉第屏蔽件，設有穿透其側壁的複數個開口；法拉第屏蔽件套在套筒的外側；感應耦合的線圈，其藉由支撐組件環繞在法拉第屏蔽件的外側，線圈與射頻源連接，並藉由法拉第屏蔽件的開口將射頻耦合到套筒。其中，法拉第屏蔽件是金屬的筒狀結構，其中包含：上凸緣、下凸緣及沿圓周分佈並連接在上凸緣與下凸緣之間的複數個支撐柱；相鄰的支撐柱之間形成沿軸向延伸的開口供射頻耦合通過。套筒的頂部之上設有進氣板，製程氣體經由進氣板上的通孔輸入到 套筒內；套筒的底部之下設有下支撐環；套筒的頂部嵌入在進氣板的外環部分；套筒的底部嵌入在下支撐環內；法拉第屏蔽件設置在進氣板的外環部分與下支撐環之間；感應耦合型等離子體處理裝置包含以下任意一種結構或其組合：進氣板外環部分的底部內側、套筒的頂部外側、法拉第屏蔽件的上凸緣頂部之間形成有第一裝配間隙，在第一裝配間隙中設置有第一密封圈；下支撐環的頂部內側、套筒的底部外側、法拉第屏蔽件的下凸緣底部之間形成有第二裝配間隙，在第二裝配間隙中設置有第二密封圈。

較佳地，支撐組件包含複數個支撐單元，各支撐單元具有上下排列的複數個安裝孔；線圈環繞穿過各支撐單元的安裝孔，形成螺旋狀的線圈；支撐單元分別連接在與其各自對應的法拉第屏蔽件的支撐柱的外側，使線圈與法拉第屏蔽件之間在徑向保持設定的間隔距離。

較佳地，在進氣板的外環部分的底部內側設有倒角，從而在由外環部分的倒角處的斜面、法拉第屏蔽件的上凸緣頂部的法蘭面、套筒頂部的外側面之間，形成容納第一密封圈的第一裝配間隙；或在法拉第屏蔽件的上凸緣的頂部內側設有倒角，從而在由上凸緣倒角處的斜面、進氣板的外環部分的底面、套筒頂部的外側面之間，形成容納第一密封圈的第一裝配間隙。

較佳地，在下支撐環的頂部內側設有倒角，從而在由下支撐環倒角處的斜面、法拉第屏蔽件的下凸緣底部的法蘭面、套筒底部的外側面之間形成容納第二密封圈的第二裝配間隙；或在法拉第屏蔽件的下凸緣的底部內側設有倒角，從而在由下凸緣倒角處的斜面、下支撐環的頂面、套筒底部的外側面之間，形成容納第二密封圈的第二裝配間隙。

較佳地，感應耦合型等離子體處理裝置包含以下任意一種結構或其組合：在套筒頂部嵌入到進氣板外環部分的位置設置有第三密封圈；在套筒底部嵌入至下支撐環的位置設置有第四密封圈。

較佳地，進氣板的上方設有上蓋；製程氣體經由上蓋的進氣孔進入到上蓋與進氣板之間的氣體擴散腔，再經由進氣板上的通孔輸入到套筒內；上蓋在其接觸於進氣板的外環部分的表面，開設有放置第五密封圈的安裝槽；安裝槽環繞著氣體擴散腔。

較佳地，藉由螺釘將上蓋、進氣板的外環部分與法拉第屏蔽件的上凸緣連接；或法拉第屏蔽件的上凸緣的外圍環繞設置有上支撐環；藉由螺釘將上蓋、進氣板的外環部分與上支撐環連接，將法拉第屏蔽件的上凸緣固定在由外環部分的底部內側及上支撐環的頂部內側裝配形成的空隙內。

較佳地，下支撐環的下方設置有承載板，承載板設有通孔使反應腔室與套筒連通；藉由螺釘將承載板、下支撐環連接至法拉第屏蔽件的下凸緣連接；承載板在其接觸於下支撐環的表面開設有放置第六密封圈的安裝槽；安裝槽環繞著套筒與反應腔室連通的區域。

本發明的感應耦合型等離子體處理裝置，其優點在於：與習知技術中利用了法拉第屏蔽件在設定位置屏蔽掉射頻耦合的「屏蔽」功能相比，本發明中則利用法拉第屏蔽件的「非屏蔽」部分(即，開口處)來有選擇地使射頻耦合通過，藉由控制法拉第屏蔽件上開口的位置及大小比例等，可以對允許通過開口的射頻耦合進行控制。

習知技術中介電材質的套筒十分脆弱難以用來安裝線圈，本發明中將支撐線圈的組件連接在金屬結構的法拉第屏蔽件上。藉由支撐組件能夠有效控制線圈到法拉第屏蔽件(及到套筒)的徑向距離。

與習知技術中在套筒上開槽來設置密封圈相比，本發明中在足以應對真空應力、熱應力的金屬結構上進行簡單倒角加工，充分利用法拉第屏蔽件、進氣板外環部分(或下支撐環)、套筒之間形成的裝配間隙來容納密封圈，實現有效控制容差，匹配密封圈的壓縮及熱膨脹係數，提升密封性能的效果。

本發明中能夠避免對套筒的不必要機械加工以減少應力，降低製造難度，並有效避免套筒斷裂。

10‧‧‧反應腔室

100‧‧‧線圈

101‧‧‧第一密封圈

102‧‧‧第二密封圈

103‧‧‧第五密封圈

104‧‧‧第六密封圈

105‧‧‧第三密封圈

106‧‧‧第四密封圈

11‧‧‧基座

12‧‧‧基片

20‧‧‧承載板

30‧‧‧下支撐環

40‧‧‧套筒

41‧‧‧等離子體發生區域

50‧‧‧進氣板

51‧‧‧通孔

52‧‧‧外環部分

53‧‧‧倒角

60‧‧‧上蓋

61‧‧‧氣體擴散腔

70‧‧‧法拉第屏蔽件

71‧‧‧上凸緣

72‧‧‧下凸緣

73‧‧‧支撐柱

74‧‧‧開口

80‧‧‧支撐組件

81‧‧‧支撐單元

90‧‧‧上支撐環

第1圖是本發明所述之感應耦合型等離子體處理裝置的整體結構剖面示意圖。

第2圖是本發明中套筒及其附近部件的結構示意圖。

第3圖是本發明中法拉第屏蔽件的結構示意圖。

第4圖是本發明中線圈及其支撐組件的結構示意圖。

第5圖是本發明中密封圈的容納空間的局部放大示意圖。

第6圖是本發明中密封圈壓縮的原理示意圖。

以下結合圖式對本發明的一個實施方式進行說明。

如第1及2圖所示，本發明的感應耦合型等離子體處理裝置，包括真空的反應腔室10，反應腔室10內部下方設有放置待處理基片12的基座11(ESC)，基座11可連接射頻偏置功率源(圖中未示)，以便增加等離子體與基 片12碰撞的能量。反應腔室10底部與外置的排氣裝置如真空泵(圖中未示)相連接，用以在處理過程中將用過的反應氣體及副產品氣體抽出反應腔室10。反應腔室10的頂面設置有承載板20，承載板20上垂直設置有中空的圓柱形套筒40，該套筒40底部與反應腔室10連通，與反應腔室10內保持相同的真空環境。套筒40一般由陶瓷或石英等介電材料製成，需要具有足夠的結構強度來應對真空密封及熱應力；對套筒40的機械加工越少越好，以避免加工應力或殘餘應力。套筒40頂部設有進氣口，用於引入等離子體處理所需的製程氣體。在套筒40外側與之靠近地，套設有接地的法拉第屏蔽件70。感應耦合用的線圈100環繞在法拉第屏蔽件70外側；射頻源(圖中未示)藉由連接匹配器(圖中未示)向線圈100提供射頻電流，使得線圈100產生交變磁場將製程氣體激發為等離子體；在套筒40內壁形成等離子體發生區域41。

如第3圖所示，法拉第屏蔽件70由金屬材料(例如是鋁)製成，具有良好的導電性能及結構強度。法拉第屏蔽件70呈筒狀結構，在其側壁設有複數個個沿軸向延伸的開口74，根據應用需要，使得其外側線圈100上施加的射頻穿過這些開口74耦合到套筒40內的等離子體發生區域41，對所產生的等離子體起到調整作用。本實施例的法拉第屏蔽件70包含上凸緣71、下凸緣72及沿圓周分佈並連接在上凸緣71與下凸緣72之間的複數個支撐柱73，相鄰的支撐柱73之間形成能使射頻耦合通過的開口74。各支撐柱73所在的位置，則起到屏蔽相應位置射頻耦合的作用。因此，藉由有選擇地控制法拉第屏蔽件70上開口74的大小及位置(例如藉由設計相鄰支撐柱73的間距，或設計各支撐柱73的寬度或分佈位置等方式實現)，調整法拉第屏蔽件70上開口74的比例，來對透過法拉第屏蔽件70的開口74而作用到套筒40內的射頻耦合的多少進行控制。

如第4圖所示，感應耦合用的線圈100藉由支撐組件80連接在法拉第屏蔽件70的外側。支撐組件80包含複數個支撐單元81，其與法拉第屏蔽件70的支撐柱73一一對應；螺旋狀的線圈100穿過各個支撐單元81處一些上下排列的安裝孔纏繞在法拉第屏蔽件70的外側。利用各支撐單元81，使得線圈100與法拉第屏蔽件70的外壁在徑向保持一定的間隔距離。支撐單元81藉由複數個螺釘固定連接至相應的支撐柱73上，以法拉第屏蔽件70構成線圈100的支撐主體。例如藉由調整螺釘的長度或調整其旋進支撐柱73的深度等類似方式，來控制支撐單元81上線圈100到法拉第屏蔽件70外側面的間距，進而調整線圈100到套筒40的間距。在其他一些示例中，例如可以藉由改變安裝孔的分佈，調整線圈100的纏繞匝數，以改變製程氣體的解離程度；或者，可以設置多區射頻線圈，並使其與一個以上的射頻源分別連接，對等離子體的發生效果進行調整；又例如，在反應腔室10頂部的承載板20上設置第二線圈(圖中未示)，從而在承載板20下方的反應腔室10內形成第二等離子體發生區域等。

如第1及2圖所示，介電材料的套筒40頂部之上設有進氣板50，在進氣板50上方設有上蓋60；在上蓋60及進氣板50之間的間隔空隙形成氣體擴散腔61，製程氣體經由上蓋60的進氣孔進入氣體擴散腔61，進而藉由進氣板50上開設的通孔51輸入到套筒40內部。上蓋60、進氣板50的外徑基本一致，均大於套筒40的外徑。套筒40頂部嵌入在進氣板50的外環部分52。進氣板50的外環部分52有一部分覆蓋著套筒40的頂部，其他部分延伸到套筒40外緣的外側；即，該進氣板50的外環部分52接觸於套筒40頂部的內側面、頂面及外側面。套筒40的底部之下設有下支撐環30；套筒40的底部嵌入在下支撐環30，該下支撐環30的一部分位於套筒40底部之下，其他部分延伸到套筒40外緣的外側，即，該下 支撐環30接觸於套筒40底部的內側面、底面及外側面。進氣板50的外環部分52及下支撐環30，分別是實現套筒40真空密封的其中一些密封結構。

法拉第屏蔽件70設置於進氣板50的外環部分52與下支撐環30之間。一個示例中，在法拉第屏蔽件70的上凸緣71的外圍設置有上支撐環90(第1及2圖)；進氣板50的外環部分52及上支撐環90的內側設有相對的缺口，上凸緣71恰好位於缺口形成的空隙內；沿圓周分佈複數個螺釘，穿過上蓋60、進氣板50的外環部分52與上支撐環90連接，進而使法拉第屏蔽件70的上凸緣71得以固定。在另一個示例中，使螺釘穿過上蓋60、進氣板50的外環部分52直接與法拉第屏蔽件70的上凸緣71連接(第5圖)。法拉第屏蔽件70的下凸緣72設置於下支撐環30上；下支撐環30接觸於下凸緣72的底面及外側面。下支撐環30下方設置有承載板20，該承載板20設有通孔使反應腔室10與套筒40得以連通。承載板20的外徑大於下支撐環30的外徑，使得承載板20超出下支撐環30以外的部分能夠連接至反應腔室10的頂部。使螺釘穿過承載板20、下支撐環30連接至法拉第屏蔽件70的下凸緣72，使下凸緣72得以固定。

如第5圖所示，在進氣板50的外環部分52的底部內側設有倒角53；由外環部分52倒角53處的斜面、法拉第屏蔽件70上凸緣71頂部的法蘭面、介電套筒40頂部的外側面，三者配合形成的第一裝配間隙，用來設置第一密封圈101(如O型環)。較佳的倒角53角度β為52°，即倒角53處斜面與上凸緣71頂部法蘭面的夾角β為52°。第6圖中示出了一個具體示例中倒角53處的相關參數。第一密封圈101的尺寸應當與第一裝配間隙相匹配。倒角53處的斜面會對第一密封圈101的頂部(S2處)形成一定的擠壓，δ=S2/(S1+S2)=1.677/9.78=16.8%；本發明對容差經過嚴格的控制，能夠匹配第一密封圈101的壓縮及熱膨脹係數。

進氣板50的外環部分52可以由金屬材料(例如是鋁)製成，因而具有足夠的強度來進行倒角53的加工。經過試驗驗證，本發明藉由對進氣板50外環部分52進行倒角來形成第一密封圈101容納空間的方式，簡化了加工操作，能夠有效實現套筒40的真空密封，而避免原先對介電材質的套筒40開槽來放置密封圈的額外加工。套筒40上的應力得以減少，就可以使套筒40的厚度減薄(原先需要開槽時套筒40的厚度為30mm左右，本例中無需對套筒40加工則厚度可以減少到7mm左右)。厚度減薄的位置，可以用來調整套筒40外壁與線圈100的徑向距離，例如使線圈100的纏繞位置更貼近套筒40，以改善從線圈100到套筒40的射頻耦合效果。

類似地，可以在下支撐環30的頂部內側進行倒角，由下支撐環30倒角處的斜面、法拉第屏蔽件70的下凸緣72底部的法蘭面、介電套筒40底部的外側面，三者配合形成的第二裝配間隙來設置另一第二密封圈102。或者，在另一示例中，可以改為在法拉第屏蔽件70的上凸緣71及下凸緣72的內側分別倒角，即，由上凸緣71倒角處的斜面、進氣板50的外環部分52的底面、介電套筒40頂部的外側面，以及由下凸緣72倒角處的斜面、下支撐環30的頂面、介電套筒40底部的外側面，分別構成容納相應密封圈的空間。

此外，介電套筒40需要的真空密封，可以是端面密封，徑向密封或其他類型。例如是以下的任意一項或其任意組合：在上蓋60開設放置第五密封圈103的安裝槽，該安裝槽位於上蓋60與進氣板50的外環部分52的接觸面，並環繞著氣體擴散腔61；承載板20開設放置第六密封圈104的安裝槽，該安裝槽位於承載板20與下支撐環30的接觸面，環繞著套筒40與反應腔室10連通的區域； 在套筒40頂部嵌入進氣板50的外環部分52的位置設置第三密封圈105；在套筒40底部嵌入下支撐環30的位置設置第四密封圈106等。

綜上所述，本發明的感應耦合型等離子體處理裝置，在金屬結構的法拉第屏蔽件70上設置線圈100的支撐組件80，並實現對線圈100到法拉第屏蔽件70(及到套筒40)徑向距離的調整，本發明在金屬結構的進氣板50的外環部分52下支撐環30等處進行倒角，藉由倒角53位置各部件的配合來形成容納第一密封圈101的空間，以改善套筒40的真空密封性能。本發明無需對介電材質的套筒40進行額外的機械加工以減少對其產生的應力，避免套筒40斷裂。本發明更藉由控制法拉第屏蔽件70上的開口74的比例，有選擇地使射頻通過開口74耦合到內側的套筒40，實現對等離子體生成效果的控制。

儘管本發明的內容已經藉由上述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。在本發明所屬領域具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。

10‧‧‧反應腔室

100‧‧‧線圈

11‧‧‧基座

12‧‧‧基片

20‧‧‧承載板

30‧‧‧下支撐環

40‧‧‧套筒

41‧‧‧等離子體發生區域

50‧‧‧進氣板

51‧‧‧通孔

60‧‧‧上蓋

61‧‧‧氣體擴散腔

71‧‧‧上凸緣

72‧‧‧下凸緣

80‧‧‧支撐組件

90‧‧‧上支撐環

Claims (8)

1. 一種感應耦合型等離子體處理裝置，其包含：反應腔室，其設有放置待處理基片的基座；介電材料製成的套筒，其底部與該反應腔室的頂部連通；接地的法拉第屏蔽件，設有穿透其側壁的複數個開口，該法拉第屏蔽件套在該套筒的外側；感應耦合的線圈，其藉由支撐組件環繞在該法拉第屏蔽件的外側，該線圈與射頻源連接，並藉由該法拉第屏蔽件的該開口將射頻耦合到該套筒；其中，該法拉第屏蔽件是金屬的筒狀結構，其中包含：上凸緣、下凸緣及沿圓周分佈並連接在該上凸緣與該下凸緣之間的複數個支撐柱，相鄰的該支撐柱之間形成沿軸向延伸的開口供射頻耦合通過，該套筒的頂部之上設有進氣板，製程氣體經由該進氣板上的通孔輸入到該套筒內，該套筒的底部之下設有下支撐環，該套筒的頂部嵌入在該進氣板的外環部分，該套筒的底部嵌入在該下支撐環內，該法拉第屏蔽件設置在該進氣板的外環部分與該下支撐環之間，該感應耦合型等離子體處理裝置包含以下任意一種結構或其組合：該進氣板外環部分的底部內側、該套筒的頂部外側、該法拉第屏蔽件的該上凸緣頂部之間形成有第一裝配間隙，在該第一裝配間隙中設置有第一密封圈；該下支撐環的頂部內側、該套筒的底部外側、該法拉第屏蔽件的該下凸緣底部之間形成有第二裝配間隙，在該第二裝配間隙中設置有第二密封圈。
2. 如申請專利範圍第1項所述之感應耦合型等離子體處理裝置，其中該支撐組件包含複數個支撐單元，各該支撐單元具有上下排列的複數個安裝孔，該線圈環繞穿過各該支撐單元的該安裝孔，形成螺旋狀的該線圈，該複數個支撐單元分別連接在與其各自對應的該法拉第屏蔽件的該支撐柱的外側，使該線圈與該法拉第屏蔽件之間在徑向保持設定的間隔距離。
3. 如申請專利範圍第1項所述之感應耦合型等離子體處理裝置，其中在該進氣板的外環部分的底部內側設有倒角，從而在由外環部分的倒角處的斜面、該法拉第屏蔽件的該上凸緣頂部的法蘭面、該套筒頂部的外側面之間，形成容納該第一密封圈的該第一裝配間隙，或在該法拉第屏蔽件的該上凸緣的頂部內側設有倒角，從而在由該上凸緣倒角處的斜面、該進氣板的外環部分的底面、該套筒頂部的外側面之間，形成容納該第一密封圈的該第一裝配間隙。
4. 如申請專利範圍第1項所述之感應耦合型等離子體處理裝置，其中在該下支撐環的頂部內側設有倒角，從而在由該下支撐環倒角處的斜面、該法拉第屏蔽件的該下凸緣底部的法蘭面、該套筒底部的外側面之間形成容納該第二密封圈的該第二裝配間隙，或在該法拉第屏蔽件的該下凸緣的底部內側設有倒角，從而在由該下凸緣倒角處的斜面、該下支撐環的頂面、該套筒底部的外側面之間，形成容納該第二密封圈的該第二裝配間隙。
5. 如申請專利範圍第1項所述之感應耦合型等離子體處理裝置，其中該感應耦合型等離子體處理裝置包含以下任意一種結構或其組合：在該套筒頂部嵌入到該進氣板外環部分的位置設置有第三密封圈； 在該套筒底部嵌入至該下支撐環的位置設置有第四密封圈。
6. 如申請專利範圍第1項所述之感應耦合型等離子體處理裝置，其中該進氣板的上方設有上蓋，製程氣體經由該上蓋的進氣孔進入到該上蓋與該進氣板之間的氣體擴散腔，再經由該進氣板上的該通孔輸入到該套筒內，該上蓋在其接觸於該進氣板的外環部分的表面，開設有放置第五密封圈的安裝槽，該安裝槽環繞著該氣體擴散腔。
7. 如申請專利範圍第6項所述之感應耦合型等離子體處理裝置，其中藉由螺釘將該上蓋、該進氣板的外環部分與該法拉第屏蔽件的該上凸緣連接，或該法拉第屏蔽件的該上凸緣的外圍環繞設置有上支撐環，藉由該螺釘將該上蓋、該進氣板的外環部分與該上支撐環連接，將該法拉第屏蔽件的該上凸緣固定在由外環部分的底部內側及該上支撐環的頂部內側裝配形成的空隙內。
8. 如申請專利範圍第1項所述之感應耦合型等離子體處理裝置，其中該下支撐環的下方設置有承載板，該承載板設有通孔使該反應腔室與該套筒連通，藉由螺釘將該承載板、該下支撐環連接至該法拉第屏蔽件的該下凸緣連接，該承載板在其接觸於該下支撐環的表面開設有放置第六密封圈的安裝槽，該安裝槽環繞著該套筒與該反應腔室連通的區域。