TWI642078B - 電漿處理裝置及氣體通道的耐腐蝕防護方法 - Google Patents

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Abstract

本發明涉及一種電漿處理裝置及氣體通道的耐腐蝕防護方法，在向反應腔引入反應氣體的氣體通道內側設置襯套，使反應氣體在襯套內輸送；所述襯套由防止反應氣體腐蝕的材料製成；所述襯套與氣體通道的內壁接觸或存在間隙，或與氣體通道內壁上形成的表面處理保護層的內壁接觸或存在間隙，實現雙重保護。還可以環繞所述襯套上的反應氣體的出口端及/或入口端設置O型槽。本發明解決了反應腔腔蓋的表面處理保護層與基底材料的熱膨脹係數不一致帶來的問題，避免由表面處理保護層的熱微裂現象對腔蓋造成腐蝕的影響；襯套的設置避免了由於腐蝕性氣體不斷消耗造成的製程結果漂移。

Description

電漿處理裝置及氣體通道的耐腐蝕防護方法
本發明涉及蝕刻設備的耐腐蝕防護技術，特別涉及一種電漿處理裝置及氣體通道的耐腐蝕防護方法。
電漿處理裝置，通常將反應氣體引入到反應腔內生成電漿，用來對反應腔內底部基座上的半導體基板進行蝕刻等處理。
如第1圖所示，習知的電感耦合型電漿處理裝置(以下簡稱ICP裝置)中，反應腔的腔體10側壁之上設有環形的腔蓋20，並在腔蓋20之上設有介電窗30；氣體通道40的第一通道41(如第2圖所示)與腔蓋20外的氣體管道連通，還在腔蓋20內部與橫向佈置的第二通道42(如第2圖所示)連通，藉由第二通道42連通開設在腔蓋20內側側壁的開口，將反應氣體從側邊引入到反應腔內。
為了提高氣體通道40的耐腐蝕效果，通常進行表面處理，如陽極氧化製程，如第2圖所示，第一通道41及第二通道42表面形成的表面處理保護層60(陽極氧化層)可以有效地抵抗腐蝕性氣體。然而，在腔蓋20內一般配備有加熱器50，用來滿足ICP裝置的溫度控制需求。腔蓋20(即氣體通道)的基底為鋁材，其熱膨脹係數約在21.6×10E-6，而陽極氧化層的熱膨脹係數一般小於10×10E-6；高溫情況下，所述陽極氧化層與基底鋁材的熱膨脹係數不一致，再加上頻繁的熱迴圈(thermal cycle)，導致基底鋁材表面的陽極氧化層被熱破壞，產生微裂紋，進而將基底鋁材暴露。這種情況下腐蝕性氣體可以穿過陽極氧化 層的微裂紋接觸基底鋁材，會局部腐蝕基底鋁材，造成腔體10內部的金屬污染，對腐蝕性反應氣體的消耗也會引起刻蝕結果的不斷漂移。一旦氣體通道40被腐蝕嚴重，就需要直接更換新的腔蓋20，成本巨大。
為解決習知技術存在的問題，本發明提供一種電漿處理裝置及氣體通道的耐腐蝕防護方法，設置耐腐蝕的襯套，保護反應腔腔蓋內的氣體通道不被輸送的反應氣體腐蝕。
為了達到上述目的，本發明的一個技術方案是提供一種電漿處理裝置，其包括一腔體，所述腔體上端包括腔蓋，該腔蓋上方包括介電窗，所述腔體、腔蓋和介電窗圍繞形成反應腔；反應腔的腔蓋內設有氣體通道包含的一個第一通道和複數個第二通道，經過複數個所述第二通道將所述第一通道與腔蓋內側壁上的複數個導氣孔相應連通，藉由複數個導氣孔將所述氣體通道內的反應氣體導入到反應腔內，所述反應腔內設有底部基座來放置待處理的基板；所述腔蓋或者腔體設置有加熱器；所述氣體通道內設置有襯套，所述襯套由防止反應氣體腐蝕的材料製成；所述襯套包括在所述第一通道內壁設置的第一襯套部，和在複數個第二通道內壁對應設置的複數個第二襯套部，所述第一襯套部與第二襯套部互相氣密，使反應氣體藉由第一襯套部及第二襯套部內部輸送到反應腔內。
較佳地，所述第一襯套部外壁與氣體通道的第一通道內壁之間存在間隙。
較佳地，製成所述第一襯套部的材料選自Al2O3、Y2O3、AlN、哈氏合金之一。
較佳地，所述氣體通道的內壁包括表面處理保護層，所述表面處理保護層是陽極氧化層；所述氣體通道的基底由鋁製成。
較佳地，製成所述襯套的材料是以下的任意一種：特氟龍、聚醚醯亞胺、聚醚醚酮，所述襯套外壁與氣體通道內壁接觸。
較佳地，所述腔蓋內設有O型圈，其環繞著所述襯套上對應反應氣體出口端及/或入口端的部位，或環繞著所述襯套上對應氣體通道管段交接的部位。
較佳地，所述氣體通道包含相連通的複數個管段，所述襯套包含複數個襯套元件，各個襯套元件分別設置於結構相匹配的管段內，組裝這些襯套元件得到所述襯套。
本發明的另一個技術方案是提供一種氣體通道的耐腐蝕防護方法，其中在向反應腔導入反應氣體的氣體通道內側設置襯套，使反應氣體在襯套內輸送；所述襯套由防止反應氣體腐蝕的材料製成。
所述襯套外壁與氣體通道的內壁接觸或存在間隙，或者所述襯套外壁與表面處理保護層的內壁接觸或存在間隙；位於氣體通道的內壁上的所述表面處理保護層，由防止反應氣體腐蝕氣體通道內壁的材料製成。
所述反應腔內設有底部基座來放置待處理的基板；所述反應腔包括一腔體，所述腔體上端包括腔蓋，該腔蓋上方包括介電窗，所述腔體、腔蓋和介電窗圍繞形成反應腔；所述腔蓋或腔體內設置有根據熱迴圈指令開啟或關閉的加熱器。
較佳地，將O型圈設置在環繞所述襯套上對應反應氣體出口端及/或入口端的部位，或環繞所述襯套上對應氣體通道管段交接的部位。
較佳地，所述表面處理保護層是陽極氧化層；所述氣體通道的基底由鋁製成；製成襯套的防止反應氣體腐蝕的材料，是以下的任意一種：特氟龍、聚醚醯亞胺、聚醚醚酮、Al2O3、Y2O3、AlN、哈氏合金。
與現有技術相比，本發明提供的電漿處理裝置及氣體通道的耐腐蝕防護方法，解決了反應腔腔蓋的表面處理保護層與基底材料的熱膨脹係數不 一致帶來的問題，避免由表面處理保護層的熱微裂現象對腔蓋造成腐蝕的影響；襯套的設置避免了由於腐蝕性氣體不斷消耗造成的製程結果漂移。在表面處理保護層基礎上設置襯套，實現雙重保護。
10‧‧‧腔體
20‧‧‧腔蓋
30‧‧‧介電窗
40‧‧‧氣體通道
41‧‧‧第一通道
42‧‧‧第二通道
50‧‧‧加熱器
60‧‧‧表面處理保護層
70‧‧‧襯套
71‧‧‧第一襯套部
72‧‧‧第二襯套部
80‧‧‧O型圈
第1圖是電漿處理裝置中側邊進氣的反應腔的結構示意圖。
第2圖是習知技術中氣體通道設置表面處理保護層的示意圖。
第3圖是本發明中氣體通道設置襯套的示意圖。
第4圖是本發明中氣體通道設置表面處理保護層及襯套的示意圖。
第5圖是本發明中設置O型圈的示意圖。
配合參見第1圖、第3圖所示，本發明示出一種電漿處理裝置，例如是電感耦合型電漿處理裝置(以下簡稱ICP裝置)。其中，在反應腔的腔體10側壁之上設有環形的腔蓋20，並在腔蓋20之上設有介電窗30，用以佈置連接射頻功率的感應線圈等。腔蓋20內設有氣體通道40將反應氣體從外部引入到反應腔內，電離形成反應氣體的電漿，用來對腔內底部基座上承載的半導體基板進行蝕刻等處理。
本示例中，在與腔蓋20中心徑向距離相同的環形位置開設氣體通道40的第一通道41(如第2圖所示)；第一通道41與腔蓋20外的氣體管道連通，還在腔蓋20內部與橫向佈置的第二通道42(如第2圖所示)連通；第二通道42在腔蓋20內側側壁設置開口，例如是在腔蓋20內側側壁上環向均勻排列的一組導氣孔，或者是一個整體的環形導氣槽等，將氣體通道40輸送的反應氣體 從側邊導入到反應腔內。然而，本發明對於氣體通道以其他形式設置，或者使反應氣體從其他位置進入反應腔不做限制。
所述腔蓋20內，設置有實現溫度調控的加熱器50。考慮到氣體通道40的表面處理保護層60(如陽極氧化層，於第2圖所示)的熱膨脹係數，難以和基底鋁材熱膨脹係數一致，在不均勻加熱、熱迴圈頻繁發生等情況下，不可避免地會由於熱膨脹係數不一致造成表面處理保護層的熱微裂，進而腐蝕性氣體可以穿過表面處理保護層60的微裂紋接觸基底鋁材，使零件失效。而如果氣體通道40表面不做表面處理，直接裸露，會引起更嚴重的腐蝕結果。
鑒於此，本發明在腔蓋20內的氣體通道40中設置襯套70，這種襯套70被直接安放在氣體通道40的第一通道41及第二通道42中，不會由於熱膨脹係數與腔蓋20基底鋁材的不同而造成熱裂。為了抵抗腐蝕性氣體，襯套70的材料為耐蝕性材料，如Teflon(特氟龍)，ULTEM(聚醚醯亞胺)，PEEK(聚醚醚酮)，Al2O3，Y2O3，AlN等非金屬材料，或哈氏合金等耐蝕合金的金屬材料等。
在不同的示例中，根據氣體通道的不同結構，襯套可以由一個整體部件構成，也可以由複數個元件組裝而成；各元件分別置於氣體通道中形狀、尺寸與該元件均相互匹配的管段後，將元件相應連接且連通，並對元件間的介面處進行密封處理防止腐蝕性氣體漏出。
本例中，所述襯套70包含第一襯套部71和複數個第二襯套部72，分別與氣體通道40的第一通道41和複數個第二通道42相匹配。這些第二通道42在腔蓋20內沿徑向呈放射狀佈置，並在腔蓋20內側壁形成複數個導氣孔，複數個第二襯套部72相應安裝到這些第二通道42內；第一襯套部71大致為環形槽狀結構，其藉由腔蓋20頂部的開口安裝到第一通道41內，第一襯套部71與第二襯套部72藉由粘結、焊接、設置緊固件等各種方式相互連接，使第一襯套部71內側壁開設的介面與各個第二襯套部72相應連通且氣密。
在如第4圖所示的另一些示例中，腔蓋20的氣體通道40內同時具有表面處理保護層60(如陽極氧化層)及上述襯套70，使所述襯套70位於表面處理保護層60的內側，腐蝕性反應氣體在襯套70內輸送，形成雙重保護。
所述襯套70與氣體通道40/表面處理保護層60的內壁之間，可以相互接觸或存在間隙，該間隙使得襯套70和氣體通道40內壁在溫度變化中不會發生互相擠壓，避免在襯套70上形成材料微裂縫。一些示例中，特氟龍、聚醚醯亞胺、聚醚醚酮等材質較軟的襯套70可以與氣體通道40/表面處理保護層60內壁接觸，Al2O3、Y2O3、AlN、哈氏合金等材質較硬的襯套70則一般留有間隙。另一些示例中，使第一襯套部71與第一通道41或其表面處理保護層60內壁存在間隙。
如第5圖所示，還可以為上述任意一種示例結構的襯套70的反應氣體出口端及/或入口端附近配置有O型圈80來加強密封效果。例如，在腔蓋20或襯套70上對應氣體通道40輸入口(本例中分別環繞第一通道41頂部內側和外側)的位置，開設凹槽並佈置O型圈80，防止因腔蓋20與介電窗30等部件連接不嚴密、外部氣體管道破損等，導致反應氣體漏出並對氣體通道40輸入口附近腐蝕；例如，在腔蓋20或襯套70上對應氣體通道40輸出口(本例中分別環繞第二通道42的導氣孔處)開設凹槽並佈置O型圈80，防止反應氣體未及時從輸出口向反應腔內其他區域擴散，而對氣體通道40輸出口附近腐蝕。又例如，還可以在襯套70外側對應第一通道41與第二通道42交接的位置設置O型圈，等等。
儘管本發明的內容已經藉由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。在本領域技術人員閱讀了上述內容後，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。

Claims (8)

  1. 一種電漿處理裝置，包括一腔體，該腔體上端包括一腔蓋，該腔蓋上方包括一介電窗，該腔體、該腔蓋和該介電窗圍繞形成一反應腔，其中，該反應腔的該腔蓋內設有一氣體通道包含一第一通道和複數個第二通道，經過該複數個第二通道將該第一通道與該腔蓋內側壁上的複數個導氣孔相應連通，藉由該複數個導氣孔將該氣體通道內的反應氣體導入到該反應腔內，該反應腔內設有一底部基座來放置待處理的基板；該腔蓋或者該腔體設置有一加熱器；該氣體通道內設置有一襯套，該襯套由防止反應氣體腐蝕的材料製成；該襯套包括在該第一通道內壁設置的一第一襯套部，和在複數個第二通道內壁對應設置的複數個第二襯套部，該第一襯套部與該第二襯套部互相氣密，使反應氣體藉由該第一襯套部及該第二襯套部內部輸送到該反應腔內；該氣體通道的內壁包括一表面處理保護層，該表面處理保護層是陽極氧化層；該氣體通道的基底由鋁製成。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的電漿處理裝置，其中，該第一襯套部外壁與該氣體通道的該第一通道內壁之間存在間隙。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的電漿處理裝置，其中，製成該第一襯套部的材料選自Al2O3、Y2O3、AlN、哈氏合金之一。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的電漿處理裝置，其中，製成該襯套的材料是以下的任意一種：特氟龍、聚醚醯亞胺、聚醚醚酮，該襯套外壁與該氣體通道內壁接觸。
  5. 如申請專利範圍第1或2項所述的電漿處理裝置，其中，該腔蓋內設有一O型圈，其環繞著該襯套上對應反應氣體出口端及/或入口端的部位，或環繞著該襯套上對應該氣體通道管段交接的部位。
  6. 一種氣體通道的耐腐蝕防護方法，其中，在向一反應腔導入反應氣體的一氣體通道內側設置一襯套，使反應氣體在該襯套內輸送；該襯套由防止反應氣體腐蝕的材料製成；該襯套外壁與一表面處理保護層的內壁接觸或存在間隙；位於該氣體通道的內壁上的該表面處理保護層，由防止反應氣體腐蝕該氣體通道內壁的材料製成；該表面處理保護層是陽極氧化層；該氣體通道的基底由鋁製成；該反應腔內設有底部基座來放置待處理的基板；該反應腔包括一腔體，該腔體上端包括一腔蓋，該腔蓋上方包括一介電窗，該腔體、該腔蓋和該介電窗圍繞形成該反應腔；該腔蓋或該腔體內設置有根據熱迴圈指令開啟或關閉的一加熱器。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的耐腐蝕防護方法，其中，將一O型圈設置在環繞該襯套上對應反應氣體出口端及/或入口端的部位，或環繞該襯套上對應該氣體通道管段交接的部位。
  8. 如申請專利範圍第6或7項所述的耐腐蝕防護方法，其中，製成該襯套的防止反應氣體腐蝕的材料，是以下的任意一種：特氟龍、聚醚醯亞胺、聚醚醚酮、Al2O3、Y2O3、AlN、哈氏合金。
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