TWI771797B - 用於等離子體處理設備的下電極元件和等離子體處理設備 - Google Patents

用於等離子體處理設備的下電極元件和等離子體處理設備 Download PDF

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Abstract

本發明係一種用於等離子體處理設備的下電極組件和等離子體處理設備，針對冷却管道中的靜電荷累積產生放電對下電極組件造成損害的現象，對冷却管道結構做改進，將冷却管道在射頻場內外做出區分，在射頻場環境中的冷却管道採用絕緣材料製作，位於非射頻場環境中的冷却管道具有低阻導電特性。本發明解决了習知高阻冷却管道造成的靜電荷累積問題，大幅減小了靜電荷累積造成的電學損傷或其他風險。

Description

用於等離子體處理設備的下電極元件和等離子體處理設備
本發明涉及半導體設備技術領域，尤其涉及一種用於等離子體處理設備的下電極組件和等離子體處理設備。
在半導體製造技術領域，經常需要對待處理基片進行等離子體處理。所述對待處理基片進行等離子體處理的過程需要在等離子體處理設備內進行。
等離子體處理設備一般都包含真空反應腔，真空反應腔內設置有用於承載待處理基片的承載台，所述承載台通常包含基座以及設置在基座上方用於固定基片的靜電吸盤。基座連接射頻源，真空反應腔內通入反應氣體，在射頻激發下，反應氣體電離生成等離子體，對基片進行處理。在處理過程中基片會發熱，為了降低基片的熱量，通常在基座內設置冷却管道，採用循環製冷的方式來帶走靜電吸盤和基片上的熱量。基座作為射頻高壓部件，通常需要與地之間隔離，目的是隔斷射頻藉由直流通路對地的回路，導致射頻傳輸無法進入真空反應腔而直接對地短路。
由於工作在射頻環境中，所以基座中的冷却管道中的導熱媒介採用絕緣液體，但絕緣液體在流動過程中會與冷却管道中某些絕緣體摩擦從而產生靜電，靜電荷會累積到射頻高壓部件上。而射頻高壓部件通常是藉由電容方式傳導射頻，因此對於直流是處於懸浮狀態，當靜電荷累積在射頻高壓導體部 件時，此射頻高壓導體部件的電位會急劇升高，當達到某些閾值時，如1-2千伏，會藉由電弧的方式擊穿脆弱絕緣部件對地放電，導致諸如絕緣液體傳輸管道和射頻隔離磁環等器件發生損壞。
本發明提供一種用於等離子體處理設備的射頻電極和等離子體處理設備，解决了習知高阻冷却管道造成的靜電荷累積問題，大幅減小了靜電荷累積造成的電學損傷或其他風險。
為了達到上述目的，本發明提供一種用於等離子體處理設備的下電極組件，包含：基座，其設置在等離子體處理設備的真空反應腔內，所述基座中具有冷却通道；靜電吸盤，其設置在所述的基座上，靜電吸盤上承載待處理基片；接地部件，其設置在基座下方，所述接地部件和基座之間是射頻場環境，所述接地部件下方是非射頻場環境；冷却管道，其一端與所述的基座內的冷却通道連接，另一端與非射頻場環境中的冷却液儲存設備相連；在射頻場環境中的所述的冷却管道採用絕緣材料製作，位於非射頻場環境中的冷却管道具有低阻導電特性。
所述絕緣材料的直流阻抗值是10MΩ-100MΩ。
位於非射頻場環境中的冷却管道的直流阻抗值是10Ω-1kΩ。
位於非射頻場環境中的冷却管道是外側包覆有導電材料層的管道。
位於非射頻場環境中的冷却管道由金屬材料製成，在射頻場環境中的所述的冷却管道與位於非射頻場環境中的冷却管道藉由金屬連接器連接。
所述接地部件包含：接地環，其設置在等離子體處理設備的真空反應腔內，且與所述真空反應腔的底壁電連接；以及安裝板，其設置在所述真空反應腔的底壁下方，且與所述真空反應腔的底壁電連接，所述冷却管道穿過所述安裝板。
所述的下電極組件還包含：設置在基座與接地環之間的設備板，所述的冷却通道與冷却管道的連接接頭固定在設備板上。
所述的下電極組件還包含：設置在設備板和接地環之間的絕緣板，所述的絕緣板實現設備板與接地環之間的電隔離。
本發明還提供一種等離子體處理設備，包含：真空反應腔；進氣裝置，其設置在所述的真空反應腔的頂部，用於向所述的真空反應腔內提供反應氣體；所述的下電極組件。
所述的等離子體處理設備為電容耦合等離子體處理設備或者是電感耦合等離子體處理設備。
本發明針對冷却管道中的靜電荷累積產生放電對射頻電極造成損害的現象，對冷却管道結構做改進，將冷却管道在射頻場內外做出區分，位於射頻場內的冷却管道保留絕緣高阻材料製作，而位於射頻場外的冷却管道則改為低阻材料製作，或者將位於射頻場外的冷却管道的直流阻抗降低，從而解 决了習知高阻冷却管道造成的靜電荷累積問題，大幅減小了靜電荷累積造成的電學損傷或其他風險。
1:真空反應腔
2:基座
3:靜電吸盤
4:冷却通道
5:設備板
6:接地環
7:絕緣板
8:進氣裝置
9:射頻匹配器
10:偏置功率源
11,42,43:冷却管道
12:安裝板
41:導電材料層
44:金屬連接器
R:直流阻抗等效值
W:待處理基片
第1圖是本發明提供的一種包含射頻電極的等離子體處理設備的結構示意圖。
第2圖是不同材料的冷却通道的直流阻抗值與靜電荷累積產生的電壓最大值的比較表。
第3圖是本發明的一個實施例中的冷却管道的結構示意圖。
第4圖是第3圖的等效電阻圖。
第5圖是本發明的另一個實施例中的冷却管道的結構示意圖。
第6圖是第5圖的等效電阻圖。
以下根據第1圖~第6圖，具體說明本發明的較佳實施例。
第1圖是本發明的一個實施例中提供的一種包含射頻電極的等離子體處理設備的結構示意圖。
如第1圖所示，等離子體處理設備包含真空反應腔1，真空反應腔1內設置有基座2，基座2上設置有靜電吸盤3，靜電吸盤3上用於承載待處理基片W。基座2內設置有冷却通道4，冷却通道4的兩端分別與兩根冷却管道11連接，冷却管道11引出真空反應腔1，與冷却液儲存設備(圖中未示出)相連，冷却通道4內循環流動絕緣液體，藉由熱交換帶走基座2和靜電吸盤3上的熱量。基座2下部設置有設備板5，冷却通道4與冷却管道11的連接接頭固定在設備板5上。真 空反應腔1內還設置有接地環6，該接地環6位於設備板5與真空反應腔1底壁之間且與底壁電連接，能夠將真空反應腔1內的耦合射頻電流導入地，接地環6同時起氣密作用，接地環6、設備板5和真空反應腔1的腔壁構成真空環境，接地環6之外是大氣環境。接地環6和設備板5之間設置有絕緣板7，絕緣板7實現設備板5與接地環6之間的電隔離。在真空反應腔1的底壁下方設置有安裝板(mounting plate)12，其與真空反應腔1的底壁電連接。該安裝板12和接地環6、真空反應腔1的底壁一起構成接地回路。如第1圖所示，安裝板12與絕緣板7之間是射頻場環境，而安裝板12下方是非射頻場環境。安裝板12由金屬材料製成，例如鋁合金。冷却管道11穿過安裝板12後接地。
真空反應腔1頂部設置有進氣裝置8，用於向真空反應腔1內提供反應氣體。
在本實施例中，所述的等離子體處理設備為電容耦合等離子體處理設備(CCP)，所述的進氣裝置8作為上電極，所述的基座2作為下電極，射頻功率源連接所述上電極或下電極。所述的射頻功率源產生的射頻信號藉由上電極與下電極形成的電容將反應氣體轉化為等離子體。偏置功率源10藉由射頻匹配器9連接基座2，使得等離子體向基座2表面均勻分布，有利於等離子體向待處理基片W表面運動，對待處理基片W進行處理。
在其他實施例中，所述的等離子體處理設備為電感耦合等離子體處理設備(ICP)，所述的真空反應腔1的頂部開設絕緣窗口，絕緣窗口上設置有電感線圈，所述的電感線圈與射頻功率源連接，使得反應氣體轉化為等離子體，偏置功率源10藉由射頻匹配器9連接基座2，使得等離子體向基座2表面運動，有利於等離子體對待處理基片W進行處理。
基座2作為射頻高壓部件，與地之間通常是隔離的，即，射頻高壓部件與地之間是直流絕緣的，目的是隔斷射頻藉由直流通路對地的回路，導 致射頻傳輸無法進入真空反應腔1而直接對地短路。通常射頻高壓部件與真空反應腔1的側壁之間也保持比較大的距離，使其電容值很小，射頻電流儘量藉由上下極板的主電容到地，從而使其藉由等離子體。
冷却通道和冷却管道中的絕緣液體在流動過程中會產生靜電荷累積，實驗上已發現這種靜電荷會在對地絕緣的射頻高壓部件上累積。冷却通道和冷却管道通常採用射頻絕緣材料製造，例如：鐵氟龍，尼龍，橡膠等，製成的冷却通道和冷却管道本身具有較高直流阻抗，通常情况下可以認為該冷却通道和冷却管道對於射頻是完全絕緣的，但對於直流來說，不同的直流阻抗會影響到靜電荷累積所能達到的電壓最大值，直流阻抗越高，靜電荷累積的電壓最大值越大，能擊穿絕緣材料的可能性也越高，風險越大，相反地，直流阻抗越低，靜電荷累積的電壓最大值越小，能擊穿絕緣材料的可能性也越低，風險越小。如第2圖所示，是不同材料的冷却通道和冷却管道的直流阻抗與靜電荷累積產生的電壓最大值的比較表，從表中可以看出，在同樣的射頻電壓(1KV)和同樣的累積時間(5分鐘)下，不同直流阻抗的材料會因為靜電荷累積而產生不同的電壓最大值。鐵氟龍材料製成的冷却通道和冷却管道的直流阻抗超過11GΩ，5分鐘時間累積的電壓最大值達到了1000V，尼龍材料製成的冷却通道和冷却管道的直流阻抗也超過11GΩ，5分鐘時間累積的電壓最大值稍小，達到了250V，橡膠材料製成的冷却通道和冷却管道的直流阻抗比上述兩種材料的直流阻抗小，只有20MΩ，相對應地，5分鐘時間累積的電壓最大值下降為33V。可以看出，冷却通道和冷却管道的直流阻抗越小，靜電荷累積的電壓最大值越小。
電阻公式：R=ρ L/S，其中，ρ為電阻材料的電阻率，L為電阻的導線長度，S為電阻導線橫截面積。根據電阻公式可知，如果想減少直流阻抗值，可以採用電阻率較小的材料來製作冷却通道和冷却管道，減少冷却通道和冷却管道的長度也可以降低直流阻抗值。金屬的電阻率較小，合金的電阻率較大， 非金屬和一些金屬氧化物更大，而絕緣體的電阻率極大，鍺、矽、硒、氧化銅、硼等半導體材料的電阻率比絕緣體小而比金屬大。
在一個實施例中，仍然使用習知的冷却通道和冷却管道材料，在保證冷却能力的基礎上，儘量減小冷却通道和冷却管道的長度，比如，可以減少冷却通道在基座內的環繞次數。
單純減少冷却通道和冷却管道的長度，對於直流阻抗值的下降的影響不是特別明顯，尤其是為了保證良好的熱傳導效果，並不能將基座內的冷却通道的排布數量進行大幅度的削減，此時就需要從減小冷却管道的電阻率的方面入手。
在另一個實施例中，冷却管道仍然使用射頻絕緣材料製作，因此會具有較高的直流阻抗，但是僅僅保留射頻場中的冷却管道的高阻材料，而將射頻場外的冷却管道處理成直流低阻的結構。如第3圖所示，安裝板12上方是射頻場環境，而安裝板12下方是非射頻場環境，冷却管道11穿過安裝板12，從射頻場環境進入非射頻場環境。冷却管道11採用絕緣高阻材料製作，位於射頻場環境之外的冷却管道之外包覆有導電材料層41，從安裝板12外側直至連接到冷却液儲存設備之間的這段冷却管道的外側全部被所述的導電材料層41包覆。如第4圖所示，在本實施例中，冷却管道11採用橡膠材料，則位於射頻場環境內的冷却管道11的直流阻抗等效值大約為10MΩ，而位於射頻場環境外的冷却管道的直流阻抗等效值大約只有10Ω。在射頻場環境外將高阻冷却管道的外皮包覆一層導電材料，比如金屬材料，使習知冷却管道的直流電阻只保留射頻場環境中的那部分，這樣可以將直流阻抗大大降低，從而使射頻高壓部件上的靜電荷累積直流壓差大大降低。
在另一個實施例中，將冷却管道11處理為兩段式，射頻場環境中的冷却管道保留高阻材料，而射頻場環境外的冷却管道替換成低阻材料。如第5 圖所示，安裝板12上方是射頻場環境，而安裝板12下方是非射頻場環境，冷却管道穿過安裝板12，從射頻場環境進入非射頻場環境。位於射頻場環境中的冷却管道42與位於非射頻場環境中的冷却管道43藉由金屬連接器44連接，所述的金屬連接器44固定設置在安裝板12中。位於射頻場環境之內的冷却管道42採用絕緣高阻材料製作，即位於金屬連接器44上部的冷却管道42全部採用絕緣高阻材料製作，位於射頻場環境之外的冷却管道43採用低阻材料製作，即位於金屬連接器44下部的冷却管道43全部採用低阻材料製作。如第6圖所示，在本實施例中，位於射頻場環境之內的冷却管道42採用橡膠材料，直流阻抗等效值大約為10MΩ，而位於射頻場環境外的冷却管道43採用低阻材料，直流阻抗等效值大約為1KΩ。在另一個實施例中，位於射頻場環境外的冷却管道43採用金屬材料，直流阻抗等效值大約小於10Ω。將習知的冷却管道處理成兩段式，射頻場環境中的冷却管道保留高阻材料，而將射頻場環境外的冷却管道替換成低阻材料甚至金屬材料，從而實現減小直流阻抗的功能。
本發明針對冷却管道中的靜電荷累積產生放電對射頻電極造成損害的現象，對冷却管道結構做改進，將冷却管道在射頻場內外做出區分，位於射頻場內的冷却管道保留絕緣高阻材料製作，而位於射頻場外的冷却管道則改為低阻材料製作，或者將位於射頻場外的冷却管道的直流阻抗降低，從而解决了習知高阻冷却管道造成的靜電荷累積問題，大幅減小了靜電荷累積造成的電學損傷或其他風險。
儘管本發明的內容已經藉由上述優選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。
11:冷却管道
12:安裝板
41:導電材料層

Claims (8)

  1. 一種用於等離子體處理設備的下電極組件，其中，包含：一基座，其設置在等離子體處理設備的一真空反應腔內，該基座中具有一冷却通道；一靜電吸盤，其設置在該基座上，該靜電吸盤上承載一待處理基片；一接地部件，其設置在該基座下方，該接地部件和該基座之間是射頻場環境，該接地部件下方是非射頻場環境；一冷却管道，其一端與該基座內的該冷却通道連接，另一端與非射頻場環境中的一冷却液儲存設備相連；在射頻場環境中的該冷却管道採用一絕緣材料製作，位於非射頻場環境中的該冷却管道具有低阻導電特性；該絕緣材料的直流阻抗值是10MΩ-100MΩ；位於非射頻場環境中的該冷却管道的直流阻抗值是10Ω-1kΩ。
  2. 如請求項1所述的用於等離子體處理設備的下電極組件，其中，位於非射頻場環境中的該冷却管道是外側包覆有一導電材料層的管道。
  3. 如請求項1所述的用於等離子體處理設備的下電極組件，其中，位於非射頻場環境中的該冷却管道由一低阻材料或一金屬材料製成，在射頻場環境中的該冷却管道與位於非射頻場環境中的該冷却管道藉由一金屬連接器連接。
  4. 如請求項1所述的用於等離子體處理設備的下電極組件，其 中，該接地部件包含：一接地環，其設置在等離子體處理設備的該真空反應腔內，且與該真空反應腔的底壁電連接；以及一安裝板，其設置在該真空反應腔的底壁下方，且與該真空反應腔的底壁電連接，該冷却管道穿過該安裝板。
  5. 如請求項4所述的用於等離子體處理設備的下電極組件，其中，該下電極組件還包含：設置在該基座與該接地環之間的一設備板，該冷却通道與該冷却管道的連接接頭固定在該設備板上。
  6. 如請求項5所述的用於等離子體處理設備的下電極組件，其中，該下電極組件還包含：設置在該設備板和該接地環之間的一絕緣板，該絕緣板實現該設備板與該接地環之間的電隔離。
  7. 一種等離子體處理設備，其特徵在於，包含：一真空反應腔；一進氣裝置，其設置在該真空反應腔的頂部，用於向該真空反應腔內提供反應氣體；如請求項1至請求項6中任意一項所述的下電極組件。
  8. 如請求項7所述的等離子體處理設備，其中，該等離子體處理設備為電容耦合等離子體處理設備或者是電感耦合等離子體處理設備。
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