TWI724773B

TWI724773B - 基板處理腔室

Info

Publication number: TWI724773B
Application number: TW109103154A
Authority: TW
Inventors: 澤仁尚; 正偉楊; 俊鵬黃; 揚趙; 蘇小明; 士堯孫; 崔羿; 蘇海安華; 冬杉于; 付潑郝; 余躍
Original assignee: 美商應用材料股份有限公司
Priority date: 2019-03-07
Filing date: 2020-02-03
Publication date: 2021-04-11
Also published as: CN113966543A; TW202041708A; CN113966543B; WO2020177119A1

Abstract

本揭露係有關於用以電漿處理機板之方法與設備。在一實施例中，基板處理腔室包括第一接地片與第二接地片耦接至基板支撐件與腔室底部。第一接地片之頂端耦接至支撐連接件，且水平對齊於第一接地片之底端，第一接地片之底端耦接至第一腔室連接件。第二接地片之頂端耦接至支撐連接件，同時底端耦接至第二腔室連接件，第二腔室連接件和支撐連接件水平偏移，從而和第一接地片形成交錯的雙重格子圖案。

Description

基板處理腔室

本揭露之實施例大致有關於使用電漿(plasma)處理基板之方法與設備，基板例如是半導體基板。更具體地，本揭露之實施例係有關於用於電漿處理腔室之射頻(radio frequency；RF)接地片。

電漿輔助化學氣相沉積(plasma enhanced chemical vapor deposition；PECVD)係用於處理基板，例如半導體基板、太陽能板基板及平面顯示器基板。電漿輔助化學氣相沉積通常藉由將一或多個前驅物氣體(precursor gases)引入具有基板之真空腔室來執行，此基板設置於真空腔室中且設置於基板支撐件上。前驅物氣體通過氣體分佈板被導向處理空間，氣體分佈板典型地位於接近真空腔室之頂部。施加於氣體分佈板之射頻(radio frequency；RF)電力使前驅物氣體獲得能量(例如激發(excited))成為電漿，射頻電力係藉由一或多個射頻電源來施加於氣體分佈板。然後，激發氣體反應形成設置於基板支撐件上的基板之表面上的材料膜層。

在處理期間，基板支撐件係為射頻接地(RF grounded)以消除整個基板支撐件之任意電壓降(voltage drop)，整個基板支撐件之任意電壓降(voltage drop)會影響整個基板表面之材料膜層的沉積均勻度。此外，由於基板支撐件與腔室主體之間的高電位差，若基板支撐件未適當地射頻接地，可能發生基板支撐件與腔室主體之間的射頻電弧放電(RF arcing)。此導致粒子汙染與產量損失，以及寄生電漿(parasitic plasma)之形成。

典型地，基板支撐件藉由薄且可撓的(flexible)接地片連接至腔室主體接地，以形成射頻電流回返路徑(RF current return path)。然而，傳統的接地片配置提供具有相當大的電阻(例如阻抗(impedance))之射頻回返路徑。從而，基板支撐件與腔室主體之間仍維持顯著的電位差，導致不必要的電弧放電與寄生電漿形成於基板支撐件之邊緣。

因此，現有技術中，需要改良的具有接地片配置之基板處理設備，此基板處理設備具有降低的電阻。

在一實施例中，基板處理腔室包括腔室主體，腔室主體具有一或多個腔室壁，一或多個腔室壁部分定義出處理空間。腔室主體亦包括腔室底部，腔室底部具有第一腔室連接件與第二腔室連接件。基板支撐件設置於處理空間中，且具有耦接至基板支撐件之第一支撐連接件。基板處理腔室更包括第一接地片與第二接地片，第一接地片與第二接地片中的每一者具有第一端與第二端。第一接地片之第一端耦接至第一支撐連接件，且第一接地片之第二端耦接至第一腔室連接件。第二接地片之第一端耦接至第一支撐連接件，且第二接地片之第二端耦接至第二腔室連接件。

在一實施例中，基板處理腔室包括腔室主體與腔室底部，腔室主體具有一或多個腔室壁，腔室底部具有複數個腔室連接件。基板處理腔室更包括基板支撐件，基板支撐件具有耦接至基板支撐件之複數個支撐連接件，每一支撐連接件水平對齊於對應的腔室連接件。複數個第一接地片藉由對應的成對的支撐連接件與腔室連接件耦接至基板支撐件與腔室底部。複數個第二接地片藉由非對應的成對的支撐連接件與腔室連接件耦接至基板支撐件與腔室底部。

在一實施例中，基板處理腔室包括腔室主體，腔室主體具有一或多個腔室壁，一或多個腔室壁部分定義出處理空間。腔室主體亦包括腔室底部，腔室底部具有複數個腔室連接件。每一腔室連接件包括平行夾具組件。基板支撐件設置於處理空間中，且具有複數個支撐連接件。每一支撐連接件包括L型塊和夾具組件，且沿著水平面實質對齊於對應的腔室連接件。基板處理腔室更包括複數個第一接地件與複數個第二接地件，複數個第一接地件與複數個第二接地件中的每一者具有第一端與第二端。複數個第一接地件與複數個第二接地件之多個第一端耦接至支撐連接件，且複數個第一接地件與複數個第二接地件之多個第二端耦接至腔室連接件。複數個第一連接件之多個第一端與第二端係沿著水平面實質對齊。複數個第二連接件之多個第一端與第二端係沿著水平面偏移。

100:基板處理系統

101:腔室主體

102:基板處理腔室

104:氣體源

106:腔室壁

108:腔室底部

110:處理空間

112:狹縫閥

114:基板

116:蓋組件

118:基板支撐件

120:第一表面

121:第三表面

122:第二表面

124:柄

126:氣體分佈板

128:背板

130,130A~130E:接地片

131,131A~131E:接地片

132a~132e:支撐連接件

134a~134f:腔室連接件

140:氣體空間

141:氣體供應管

142:射頻電源

144:阻抗匹配電路

146:第一輸出

148:第二輸出

152:頂端

154:底端

232:主體

234:狹縫

300:部分

360:第一夾具組件

362:L型塊

364:夾具

365:曲線部

366:第一耦接機構

368:第二耦接機構

370:第二夾具組件

372:板

374:耦接機構

X,Y:軸

為了使本揭露之上述特徵可被詳細理解，參照多個實施例可對以上簡要說明之本揭露有更加具體的描述，其中一些實施例繪示於附圖中。然而，應注意的是，附圖僅為本揭露之典型實施例，因此不應被理解為對本揭露之保護範圍之侷限，且本揭露可以允許其他等效實施例。

第1圖係繪示根據本揭露之一實施例之基板處理系統的剖面圖，基板處理系統具有耦接至基板處理系統中的基板支撐件之一或多個接地片；第2圖係繪示根據本揭露之一實施例之示例性接地片的俯視圖；第3圖係繪示第1圖之基板處理腔室之一部分的剖面圖；第4A圖係繪示第1圖之基板支撐件的仰視圖；第4B圖係繪示第1圖之腔室底部的俯視圖；及第4C圖係繪示第1圖所示之腔室底部的另一俯視圖。

為了便於理解，在可能的情況下使用相同的元件符號來代表圖中共有的相同元件。可預期的是，在一實施例中揭露的元件可以有利地用於其他實施例而無需進一步描述。

本揭露係有關於用以電漿處理基板之方法與設備。在一實施例中，基板處理腔室包括耦接至基板支撐件與腔室底部之第一接地片與第二接地片。第一接地片之頂端耦接至支撐連接件，且水平對齊於第一接地片之底端，第一接地片之底端耦接至第一腔室連接件。第二接地片之頂端耦接至支撐連接件，同時第二接地片之底端耦接至第二腔室連接件，第二腔室連接件和支撐連接件水平偏移，從而和第一接地片形成交錯的雙重格子圖案(cross double lattice pattern)。

第1圖係為基板處理系統100之剖面圖，例如電漿輔助化學氣相沉積設備。基板處理系統100裝配以在液晶顯示器(LCD’s)、平面顯示器、有機發光二極體(OLED’s)或用於太陽能電池陣列之光伏打電池(photovoltaic cells)的製造期間，使用電漿處理大面積基板114。結構可包含p-n接面(p-n junctions)以形成用於光伏打電池、金屬氧化物半導體場效電晶體(metal oxide semiconductor field-effect transistors；MOSFETs)及薄膜電晶體(thin film transistors；TFTs)之二極體。

基板處理系統100裝配以於大面積基板114上沉積多種材料，包含但不限於介電材料、半導電材料(semiconductive materials)與絕緣材料。例如，介電與半導電材料可包含多晶矽(polycrystalline silicon)、磊晶矽(epitaxial silicon)、非晶矽(amorphous silicon)、微晶矽(microcrystalline silicon)、矽鍺(silicon germanium)、二氧化矽(silicon dioxide)、氮氧化矽(silicon oxynitride)、氮化矽(silicon nitride)及其組合或其衍生物。電漿處理系統100更裝配以接收氣體於其中，包含但不限於前驅物氣體、沖洗氣體(purge gases)與載體氣體。例如，電漿處理系統可接收多種氣體種類，如氫(hydrogen)、氧(oxygen)、氮(nitrogen)、氬(argon)、氦(helium)、矽烷(silane)及其組合或其衍生物。

基板處理系統100包括基板處理腔室102，基板處理腔室102耦接至氣體源104。基板處理腔室102包括腔室壁106與腔室底部108(統稱為腔室主體101)，腔室壁106與腔室底部108部分定義出處理空間110。通常藉由腔室壁106中的狹縫閥 112來進入處理空間110，狹縫閥112使基板114得以進入與退出處理空間110。腔室壁106與腔室底部108通常由單一塊鋁(aluminum)、鋁合金(aluminum alloy)或其他適合用於基板處理之材料製成。在一些實施例中，腔室壁106與腔室底部108被保護阻障材料塗佈以降低腐蝕之影響。例如，腔室壁106與腔室底部108可被陶瓷材料、金屬氧化材料或包含稀土之材料所塗佈。

腔室壁106支撐蓋組件116。氣體分佈板126懸掛於基板處理腔室102之背板128，背板128耦接至蓋組件116。氣體空間140形成於氣體分佈板126與背板128之間。氣體源104透過氣體供應管141連接氣體空間140。氣體供應管141、背板128與氣體分佈板126通常由導電材料形成，且彼此電連通。在一些實施例中，氣體分佈板126與背板128由單一塊材料製成。氣體分佈板126通常是穿孔的以使處理氣體均勻地分佈於處理空間110中。

基板支撐件118設置於基板處理腔室102內，以大致平行的方式相對於氣體分佈板126。在處理期間，基板支撐件118支撐基板114。通常，基板支撐件118由導電材料製成，例如鋁，且基板支撐件118包括至少一溫度控制裝置，溫度控制裝置可控地加熱或冷卻基板支撐件118，以在處理期間使基板114維持於預定溫度。

基板支撐件118具有第一表面120與第二表面122。第一表面120相對於第二表面122。第三表面121垂直於第一表面120與第二表面122，第三表面121連接第一表面120與第二表面122。第一表面120支撐基板114。第二表面122具有耦接至第二表面122之柄124。柄124使基板支撐件118連接至致動器(未繪示)，致動器使基板支撐件118移動於升高的處理位置(如圖所示)與下降位置之間，下降位置使基板得以移入與移出基板處理腔室102。柄124亦提供基板支撐件118與基板處理系統100之其他元件之間的用於電線與熱電偶線之管道。

射頻電源142通常用於在氣體分佈板126與基板支撐件118之間產生電漿。在一些實施例中，射頻電源142透過阻抗匹配電路144之第一輸出146耦接至氣體分佈板126。阻抗匹配電路144之第二輸出148另外電耦接至腔室主體101。

一或多個接地片130與一或多個接地片131於每一接地片130、131之頂端152電連接至基板支撐件118，且於每一接地片130、131之底端154電連接至腔室底部108。在一些實施例中，接地片130、131於頂端152電連接至基板支撐件118之第二表面122。基板處理腔室102可包括任意合適數量之接地片130、131，用以使基板支撐件118連接至腔室底部108接地，以形成基板支撐件118與腔室底部108之間的射頻電流回返路徑。例如，可使用一接地片、二接地片、三接地片、四接地片、五接地片或更多。接地片130、131裝配以在處理期間縮短用於射頻電流之路徑，且使基板支撐件118之邊緣附近的電弧放電降到最低。

基板支撐件118包括耦接至基板支撐件118之一或多個支撐連接件132。在一些實施例中，一或多個支撐連接件耦接至基板支撐件118之第二表面。第一、第二、第三、第四及第五支撐連接件132a-132e已分別繪示於第1圖。然而，其他數量之支撐連接件亦是可預期的。腔室底部108包括一或更多個腔室連接件134。第一、第二、第三、第四、第五及第六腔室連接件134a-134f已分別繪示。然而，其他數量之腔室連接件亦是可預期的。

如第1圖所示，每一支撐連接件132與一對應的腔室連接件134成對。例如，第一支撐連接件132a和第一腔室連接件134a成對，第二支撐連接件132b和第二腔室連接件134b成對等等。在一些實施例中，每一支撐連接件132沿著水平面(X)實質對齊於對應之腔室連接件134。在另一示例中，第一支撐連接件132a與第一腔室連接件134a彼此水平偏移。支撐連接件132與腔室連接件134可包含任意合適的附接結構，包含但不限於夾具、螺絲、銷(pins)、扣環(clasps)、肘節(toggles)或諸如此類。

最後的腔室連接件134f設置於一或多個腔室連接件134之末端位置，例如相鄰於基板支撐件118之轉角下方之點的位置。在一些實施例中，腔室連接件134f不具有對應的支撐連接件132，且從而提供接地片131E末端連接。腔室連接件134f可為通過腔室底部108中的設置孔(未繪示)設置之具有螺絲的夾具。其他實施例，例如銷、扣環、肘節或諸如此類亦是可預期的。

根據第1圖所示之實施例，每一接地片130(五個接地片標示為130A-130E)於頂端152透過支撐連接件132耦接至基板支撐件118，且於底端154透過對應的腔室連接件134耦接至腔室底部108。例如，第一接地片130A之頂端152耦接至第一支撐連接件132a，且第一接地片130A之底端154耦接至第一腔室連接件134a；第二接地片130B之頂端152耦接至第二支撐連接件132b，且第二接地片130B之底端154耦接至第二腔室連接件134b等等，直到到達腔室連接件134f。腔室連接件134f保持未耦接至任意接地片130。從而，每一接地片130之頂端152與底端154實質水平對齊。

每一接地片131(五個接地片標示為131A-131E)亦於頂端152透過支撐連接件132耦接至基板支撐件118。然而，不同於接地片130，每一接地片131於一支撐連接件132耦接至基板支撐件118，但接地片131不耦接至對應於各自連接之支撐連接件132的腔室連接件134。反而，接地片131穿過且耦接至非對應與隨後的腔室連接件134，以使每一接地片131之底端154和頂端152水平偏移或未對齊。此接地片131之配置和接地片130形成交錯的雙重格子圖案，其中每一對接地片130、131於分開的腔室連接件134耦接至腔室底部108，一對接地片130、131係指於單一支撐連接件132耦接至基板支撐件118的接地片130、131，且反之亦然。例如，接地片131A於頂端152耦接至支撐連接件132a，且於底端154耦接至腔室連接件134b，接地片131B於頂端152耦接至支撐連接件132b，且於底端154耦接至腔室連接件134c等等。在此裝配中，相較於每一接地片130之頂端152與底端154，每一接地片131之頂端152與底端154沿著(X)軸更加水平偏移。

儘管上述實施例預期接地片131之頂端152與底端154偏移一腔室連接件之位置，接地片131之底端154沿著(X)軸水平偏移任意合適距離亦是可預期的，例如，偏移二或更多的腔室連接件之位置、或偏移少於一腔室連接件之位置。

第2圖係為根據示例性接地片130、131的俯視圖。接地片130、131之主體232大致為具有頂端152與底端154之薄、可撓的鋁材料長方形片，具有位於主體232中且介於頂端152與底端154之間的狹縫234。在一示例中，接地片130、131進一步製成具有一或多個折疊部(未繪示)位於頂端152與底端154之間。在另一示例中，當基板支撐件118於起始位置(home position)與處理位置之間上升與下降，一或多個折疊部可形成於處理期間，從而使接地片130、131彎曲且形成一或多個折疊部。第2圖係繪示適合用於此處描述之處理系統的接地片130、131之一示例。接地片130、131大致可為有利於基板處理之任意合適的尺寸、形狀與材料。

第3圖係為第1圖之基板處理腔室102之一部分300的剖面圖。根據第3圖所示之實施例，基板處理腔室102更包括第一夾具組件360與第二夾具組件370，第一夾具組件360可包括L型塊狀夾具。第一夾具組件360與第二夾具組件370通常由鋁材料形成。第一夾具組件360與第二夾具組件370以實質平行方向相對於彼此設置。一或多個接地片130、131(各繪示兩個)通過第一夾具組件360耦接至基板支撐件118，且通過第二夾具組件370耦接至腔室底部108。在一實施例中，一或多個接地片130、131通過設置於腔室底部108之第一夾具組件360耦接至腔室底部108。然而，可使用任意合適的耦接或夾合機構之組合。

第一夾具組件360包括L型塊362與夾具364。在一實施例中，L型塊362透過第一耦接機構366耦接至基板支撐件118。例如，第一耦接機構366係為螺絲或螺栓；然而，第一耦接機構366大致可為任意合適的耦接機構。夾具364透過第二耦接機構368耦接至L型塊362。例如，第二耦接機構368係為螺絲或螺栓；然而，第二耦接機構368大致可為任意合適的耦接機構。在一實施例中，夾具364與L型塊362透過單一耦接機構耦接至基板支撐件118，例如，單一螺絲或單一螺栓。L型塊362與夾具364裝配以使接地片130、131之頂端152固持於其間。在一示例中，接地片130、131之頂端152通過第二耦接機構368耦接至第一夾具組件360。夾具364更具有由放射曲線(radial curve)定義之曲線部365，當基板支撐部118於起始位置與處理位置之間上升與下降，曲線部365用以順應接地片130、131之折疊。

平行夾具組件大致包含平面的板372與耦接機構374。板372可為用以使接地片130、131耦接至腔室底部108之任意合適的形狀，例如長方形或圓形。板372透過耦接機構374耦接至腔室底部108。例如，耦接機構374係為螺絲；然而，耦接機構374大致為任意合適的耦接機構。

第4A圖係為基板支撐件118的仰視圖，基板支撐件118具有一或多個支撐連接件132耦接至基板支撐件118。根據第4A圖所示之實施例，基板支撐件118包括五個支撐連接件132a-132e，五個支撐連接件132a-132e沿著基板支撐件118之每一邊以線性的方式耦接至第二表面122。用於處理之支撐連接件132之數量取決於所需的接地片130、131之數量。每一支撐連接件132使單一接地片130與單一接地片131於頂端152耦接至基板支撐件118。例如，若沿著基板支撐件118之每一邊緣使用三個接地片131與三個接地片132，然後會有十二個支撐連接件132被使用(沿著每一邊緣使用三個)。此外，支撐連接件132a耦接至接地片130A與131A、支撐連接件132b耦接至接地片130B與131B、支撐連接件132c耦接至接地片130C與131C等等。

第4B圖係為第1圖中的腔室底部108的俯視圖。第4B圖係以虛像表示基板支撐件118相較於腔室壁106之位置。如圖所示，腔室底部108包括五個腔室連接件134a-134e線性地設置於基板支撐件118的每一邊緣下，每一腔室連接件134對應於第4A圖繪示之單一支撐連接件132。此外，當以順時鐘方向檢視基板支撐件118的每一邊緣，第六腔室連接件134f設置於每一排腔室連接件134之末端位置。每一末端腔室連接件134e於一位置耦接至腔室底部，此位置相鄰於基板支撐件118之轉角下方的一點。

用於處理之腔室連接件134之數量取決於所需的接地片131之數量。每一腔室連接件134使單一接地片131於底端154耦接至腔室底部108。耦接至每一腔室連接件134之接地片131亦頂端152耦接至前面的支撐連接件132，以使每一接地片131之頂端152與底端154水平偏移。例如，如第1圖所示，腔室連接件134b耦接至接地片131A，腔室連接件134c耦接至接地片131B等等。此外，每一腔室連接件134a-134e耦接至單一接地片130。例如，腔室連接件134a耦接至第一接地片130A、腔室連接件134b耦接至接地片130B、腔室連接件134c耦接至第一接地片130C等等。然而，末端腔室連接件134f未耦接至接地片130。

第4C圖係為第1圖中的腔室底部108的另一俯視圖，其描繪基板支撐件118之第一表面120。基板支撐件118設置於腔室連接件134a-134e上方，從而使腔室連接件134a-134e無法被看到。然而，每一條腔室連接件134之末端腔室連接件134f恰好設置於基板支撐件118之邊緣外部，且從而可被看到。接地片131E耦接至每一末端腔室連接件134f。

雖然第1、3、4A、4B與4C圖繪示沿著基板支撐件118之每一邊安裝各五個接地片130、131的實施例，使用上述之交錯的雙重格子裝配之其他接地片數量、位置與配置是可預期的。在一些實施例中，接地片130、131可耦接至基板支撐件118之一、二或三個邊。例如，每一接地片130、131中的一或更多者安裝於基板支撐件118與腔室底部108之一邊，例如最接近具有狹縫閥112之腔室壁106的一邊。在另一示例中，每一接地片130、131中的一或更多者安裝於基板支撐件118與腔室底部108之兩相對邊。在一些實施例中，接地片130、131安裝於基板支撐件118之一或多個轉角。例如，每一接地片130、131中的一或更多者安裝於基板支撐件118之一轉角。

在傳統電漿處理腔室之操作中，基板支撐件提供供應給氣體分佈板與基板支撐件自身之射頻電力的回返路徑，造成基板支撐件與腔室主體之周圍內表面之間的電位差。此電位差無意中引起基板支撐件與周圍表面之間的電弧放電，周圍表面例如是腔室壁。電位差的量值，及從而基板支撐件與腔室壁之間的電弧放電之量，係部分取決於基板支撐件之電阻與尺寸。電弧放電係為有害的，且導致粒子汙染、膜沉積偏差、基板損傷、腔室元件損傷、產量損失與系統停工期。

使用耦接至基板支撐件與腔室主體之接地片以提供供應給基板支撐件或氣體分佈板之射頻電力的替代射頻回返路徑，從而使基板支撐件與腔室主體之間的電弧放電之可能性降低。然而，傳統的接地片裝配仍沿著其意圖產生之替代射頻回返路徑提供顯著的電阻與阻抗，從而在基板支撐件與腔室主體之間形成足夠的電位差以在其間引起電弧放電。

藉由使接地片配置為如第1-4C圖所示之交錯雙重裝配，由接地片提供的替代射頻回返路徑之阻抗顯著地降低，從而提升接地片之射頻接地效率(grounding efficiency)。例如，接地片之射頻接地效率可提升100%或多於100%。此提升的接地效率使基板支撐件與腔室主體之間的電位差降低，轉而消除或減弱其間的電弧放電，且降低其有害作用(deleterious effects)。

使用接地片之交錯雙重裝配的另一個好處是，減少寄生電漿的產生。在膜沉積於基板上的期間，產生的電漿通常會洩漏至腔室的其他部分而成為寄生電漿，從而在各種腔室元件上形成不需要的膜，例如在腔室壁、腔室底部、基板支撐件與複數個接地片上。典型地，寄生電漿之形成發生於基板支撐件或氣體分佈板之外邊緣與周圍腔室壁之間，或者發生於基板支撐件之下。寄生電漿係為有害的，因為這類電漿對沉積於基板上的薄膜之電漿均勻度有負面影響，且可使腔室元件之腐蝕加速，例如接地片本身。在處理期間，降低或消除寄生電漿之形成從而延長接地片130以及其他腔室元件之使用壽命。

此外，改良的處理腔室之射頻接地效率使得實際負載功率效率(real load power efficiency)增加。從而，用來進行電漿輔助化學氣相沉積之電量降低，同時維持相當的膜品質。例如，處理系統之整體能量消耗可降低高達25%或多於25%，例如約15%，而不會犧牲膜品質。

儘管前述已指向本揭露之多個實施例，但在不脫離本揭露之基本範圍的情況下，當可衍生本揭露之其他與更多的實施例，且本揭露之範圍由後附之申請專利範圍所界定。