TWI827990B - 下電極元件及等離子體處理裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明提供了一種下電極元件及所處的等離子體處理裝置，本發明通過在基座和邊緣環元件之間設置保護環來覆蓋焊接線和基座上的螺孔，同時將邊緣環元件與基座之間的間隙減小，以及在基座外側設置保護層，避免了基片和聚焦環上方的等離子體洩漏到基座與邊緣環元件之間的間隙內，防止了等離子體腐蝕基座及其附屬配件，降低了下電極元件可能出現的電弧放電的可能性，並且阻擋保護層覆蓋不足的焊接線和基座上螺孔處產生電弧的概率，有效的保證了下電極元件的使用安全。
Description
本發明涉及等離子體蝕刻技術領域，尤其涉及一種在高射頻功率下防止下電極元件產生電弧的等離子體處理技術領域。
對半導體基片或基材的微加工是一種眾所周知的技術，可以用來製造例如，半導體、平板顯示器、發光二極體(LED)、太陽能電池等。微加工製造的一個重要步驟為等離子體處理製程步驟，該製程步驟在一反應室內部進行，製程氣體被輸入至該反應室內。射頻源被電感和/或電容耦合至反應室內部來激勵製程氣體，以形成和保持等離子體。在反應室內部，暴露的基片被下電極元件支撐，並通過某種夾持力被固定在一固定的位置，以保證製程中基片的安全性及加工的高合格率。
下電極元件不僅包括固定基片的靜電夾盤和支撐靜電夾盤的基座，還包括環繞設置在基座周圍的邊緣環元件，在對基片進行製程過程中，下電極元件除了用於支撐固定基片，還用於對基片的溫度、電場分佈等進行控制。
現有技術中，基座常用的材料為鋁，而環繞基座周邊的介電環材料通常為陶瓷材料，由於二者的熱膨脹係數相差較大，為了保證基座在較大溫度範圍內工作，介電環與基座之間要設置一定空間以容納基座的熱脹冷縮。
隨著基片的加工精度越來越高，施加到反應腔內的射頻功率越來越大。高射頻功率很容易在反應腔內的狹小空間內產生電弧放電，損害基座及其周邊元件，嚴重威脅下電極元件工作的穩定性和安全性，因此，
極需一種解決方案以適應不斷提高的射頻施加功率和基片的處理均勻性要求。
為了解決上述技術問題，本發明提供一種下電極元件，用於承載待處理基片，包括：基座，所述基座包括基座本體及自基座本體向外延伸的臺階部，所述基座本體上具有焊接線；靜電夾盤，其位於所述基座的上方；以及邊緣環元件，其環繞所述基座和/或靜電夾盤設置，且與所述基座和/或靜電夾盤之間設有間隙；其中，所述間隙設有第一保護環，所述第一保護環覆蓋所述焊接線。
較佳的，所述基座的外側設有保護層。
較佳的，所述保護層為氧化鋁和/或氧化釔材料層，或者硬質陽極氧化層。
較佳的，所述臺階部上具有螺孔，所述第一保護環覆蓋至少部分螺孔的邊緣。
較佳的，所述第一保護環覆蓋所述螺孔位於所述間隙內的邊緣。
較佳的，所述間隙包括第一空隙和第二空隙，所述第一空隙位於所述第一保護環上方，所述第二空隙位於第一空隙下方，所述第二空隙的間隔大於第一空隙的間隔。
較佳的，所述第一空隙與第二空隙的之間的拐角和所述第一保護環接觸。
較佳的，還包括第二保護環，所述第二保護環設置在所述基座及靜電夾盤交界處。
較佳的，所述第二保護環至少一部分與所述基座本體和所述邊緣環元件相互抵靠。
較佳的，所述第一保護環和/或所述第二保護環與所述基座本體和/或所述邊緣環元件接觸處設置有凹槽，所述凹槽截面為弧形或框形。
較佳的，所述第一保護環和第二保護環為耐等離子體腐蝕材料。
較佳的，所述第一保護環和第二保護環為高分子材料。
較佳的，所述第一保護環和第二保護環為氟橡膠或全氟橡膠系列。
進一步的，本發明還提供了一種等離子體處理裝置，其包括真空處理腔室，所述真空處理腔室包括上述任意一種態樣所述的下電極元件。
本發明的優點在於：本發明提供了一種耐等離子體腐蝕的下電極元件及等離子體處理裝置，通過在基座的焊接線上覆蓋保護環，提高邊緣環元件與基座間隙的介電能力，同時避免泄等離子體與保護層不平整處的接觸，防止等離子體腐蝕基座及其附屬配件，降低了下電極元件可能出現的電弧放電的可能性，並且阻擋間隙下方發生電弧放電後向上的延伸，有效的保證了下電極元件的使用安全。
10:外壁
100:反應腔
101:基座
1011:基座本體
1012:臺階部
1013:焊接線
102:靜電夾盤
103:基片
104:第一保護環
1041:第二保護環
105:間隙
1051:第一空隙
1052:第二空隙
106:保護層
108:等離子體約束環
109:接地環
130:絕緣視窗
140:電感線圈
145:高頻射頻電源
20:邊緣環元件
201:聚焦環
202:介電環
30:氣體噴淋頭
為了更清楚地說明本發明實施例或習知技術中的技術方案，下面將對實施例或習知技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本發明所屬技術領域中具有通常知識者來講，在不付出進步性改變的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1示出一種電容耦合等離子體處理裝置的結構示意圖；圖2示出一種局部下電極元件結構示意圖；圖3示出另一種實施例的局部下電極元件結構示意圖；
圖4示出另一種實施例的局部下電極元件結構示意圖；圖5示出另一種實施例的局部下電極元件結構示意圖；圖6示出另一種實施例的局部下電極元件結構示意圖；圖7示出另一種實施例的局部下電極元件結構示意圖；以及圖8示出一種電感耦合等離子體處理裝置的結構示意圖。
為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本發明所屬技術領域中具有通常知識者在沒有做出具進步性改變前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
圖1示出一種電容耦合等離子體處理裝置示意圖，包括一由外壁10圍成的可抽真空的反應腔100。反應腔100用於對基片103進行處理。反應腔100的內部包括一個下電極元件，用於對基片103進行支撐的同時實現對基片103的溫度及電場等影響基片處理因素的控制。下電極元件包括基座101，用於承載靜電夾盤102，基座101內設溫度控制裝置，用於實現對上方基片103的溫度控制，靜電夾盤102，用於承載基片103，靜電夾盤102的內部設置直流電極，通過該直流電極在基片103的背面和靜電夾盤102的承載面之間產生直流吸附以實現對基片103的固定。環繞基座101和靜電夾盤102周邊設置邊緣環元件20，用於對基片103的邊緣區域的溫度和電場分佈等進行調節。環繞所述邊緣環元件20設置等離子體約束環108，位於邊緣環元件20與反應腔100的側壁之間，用於將等離子體限制在反應區域同時允許氣體通過；接地環109，位於等離子體約束環108的下方，作用是提供電場遮罩，避免等離子體洩露。偏置射頻電源，
通常施加偏置射頻訊號至下電極元件，用於控制等離子體的轟擊方向。本發明公開的下電極元件可以用於如圖1所示的電容耦合等離子體處理裝置。
在圖1所示的電容耦合等離子體處理裝置中，除下電極元件外還包括上電極元件，上電極元件包括氣體噴淋頭30，用於將氣體供應裝置中的製程氣體引入所述反應腔100。一高頻射頻功率源施加高頻射頻訊號至所述上電極元件或下電極元件的至少之一，以在所述上電極元件和所述下電極元件之間形成射頻電場，將反應腔100內的製程氣體激發為等離子體，實現等離子體對待處理的基片103的處理。
圖2示出一種局部下電極元件結構示意圖，在該圖所示的結構中，下電極元件包括：聚焦環201，環繞基座101和/或靜電夾盤102和基片103設置，用於對基片103的邊緣區域的溫度和電場分佈等進行調節；聚焦環201的下方設置一介電環202，介電環202用於維持聚焦環201與基座101的電位差，同時調節聚焦環201的溫度。
基座101的材質通常為導電的金屬材質，如鋁，而環繞基座101的介電環202通常為陶瓷材料，較佳地的為高導熱陶瓷材料，其也可以為Al2O3材料，由於基座101和介電環202的熱膨脹係數不同，為避免部件受熱發生擠壓，因此在安裝時需要在介電環202和基座101之間設置一定的間隙105。隨著基片的加工精度越來越高，施加到反應腔100內的射頻功率越來越大。高射頻功率很容易在反應腔100內的狹小空間內產生電弧放電，損害基座101及其周邊元件，嚴重威脅下電極元件工作的穩定性和安全性。在基座101的製作過程中，為了在基座101的內部加工出管道，用於控溫或者容納升降銷，需要將基座101分為幾部分進行加工，加工後再焊接到一起，焊接線1013會暴露在間隙105中，由於微觀形貌或者材料等與非焊接處的差異，會導致焊接線1013處成為薄弱點，從而，焊接線1013處更容易成為電弧的一個端點，此外，如圖2基座101的臺階部
1012上虛線所示，為了固定基座101所用的螺孔，其螺孔邊緣因存在尖端也容易發生電弧，即使在基座101的外表面覆蓋一層保護層用來阻斷金屬基座的裸露，在以上兩處，即焊接線1013和螺孔處也會存在暴露的情形，尤其對於螺孔處，因製程限制，很難覆蓋有效的保護層，因此當偏置電壓升高時會最先產生電弧放電。一種改善的方法是利用帕邢定律：
根據帕邢定律，氣體中兩個電極之間的擊穿電壓是壓力和間隙長度的函數，其中V b 是擊穿電壓，A和B是與氣體有關的常數，p是氣體壓力，d是間隙距離，γ se 是二次電子發射係數。可以通過降低p或d的大小來提高擊穿電壓，進而降低等離子體發生電弧的幾率，本發明所利用的原理之一即是通過縮小d來達到的。
圖2為本發明的一個實施例示意圖，本實施例中，所述基座101包括基座本體1011和自基座本體1011向外延伸的臺階部1012，通過介電環202自身的重力，或者外部施加的壓力可以實現將介電環202安置在基座101的臺階部1012上，進而與基座本體1011之間形成間隙105，用來容納部件的熱脹冷縮。其中，在間隙105中設有第一保護環104，用於覆蓋焊接線1013。擊穿產生的電弧的兩端分別來自於基片103與基座101暴露的金屬處，例如未被保護的焊接線處，或者其他未被保護層覆蓋的金屬棱角處，所以該電弧不光損壞基座101還會破壞基片103。第一保護環104縮小了間隙距離d，而且第一保護環104與焊接線1013的接觸，也會提高基片103與焊接線1013之間的介電係數，若想在基片103與焊接線1013之間產生電弧，除了要擊穿間隙內的氣體，還要擊穿第一保護環104，在一些實施例中，第一保護環104選擇的是氟橡膠或全氟橡膠，既能起到耐等離子體腐蝕的技術效果，又能提供足夠高的介電功能，當進行等離子
蝕刻過程時，第一保護環104會受熱膨脹與介電環202接觸，阻斷了等離子體進入間隙105的底部與螺孔接觸的通道，也即降低了基片103與螺孔邊緣發生電弧的可能性。較佳的，所述基座101的外側設有保護層106，其為耐等離子體腐蝕材料，通常為氧化鋁材料，也可以為氧化釔材料，其可以提高擊穿電壓，防止在等離子體的低壓和基座的高壓之間的電弧放電，進一步提高了下電極元件的使用安全，因製程限制，螺孔邊緣不易覆蓋保護層，或者保護層品質低於其他區域，而焊接線處因為本身為薄弱點，即使覆蓋了保護層，在同樣條件下，也會更易於擊穿。
圖3為本發明的另一個實施例示意圖，本實施例中，與上述實施例的區別在於，間隙105分為兩部分即第一空隙1501和第二空隙1502，第一空隙1501位於第一保護環104上方，第二空隙1502位於第一空隙1501下方，其中第二空隙1502的間距大於第一空隙1501。如圖3所示的實施例，第二空隙1502由介電環202位於間隙105一側底部凹進去形成，第二空隙1502能為第一保護環104提供更多的空間，一方面，該空間可以讓第一保護環104覆蓋更多的螺孔邊緣，進一步降低在螺孔邊緣處發生電弧的概率，另一方面，第二空隙1502為第一保護環104提供膨脹空間，當進行蝕刻過程時，第一保護環104既能充滿第二空隙1502，又不至於膨脹過度損壞第一保護環104。同時，當第一保護環104受熱向上膨脹時，與介電環202凹陷處的頂端接觸，相當於將間隙105進行了分割，減小了氣體擴散的空間，從而可以有效降低電弧放電產生的概率，提高了下電極元件的安全電壓工作範圍。
圖4為本發明的另一個實施例示意圖，本實施例中，與上述實施例的區別在於，第二空隙1502由基座本體1011位於間隙105的一側底部凹進去形成，第二空隙1502能為第一保護環104提供更多的空間，當進行蝕刻過程時，第一保護環104既能充滿第二空隙1502，又不至於膨脹
過度損壞介電環202。同時，通過凹陷，第一保護環104能與焊接線1013更好的接觸，起到更嚴密的覆蓋效果。
圖5為本發明的另一個實施例示意圖，本實施例中，與上述實施例的區別在於，第二空隙1502由基座本體1011和介電環202位於間隙105的一側底部同時凹進去形成，此種設計可以兼顧圖3和圖4實施例的技術效果，即避免膨脹時損壞下電極元件，與焊接線1013和基座101的臺階部1012上螺孔邊緣都能更好的覆蓋，實現更好的避免電弧效果。
圖6為本發明的另一個實施例示意圖，本實施例中，與上述實施例的區別在於，第二空隙1502由介電環202位於間隙105的一側底部凹進去形成，第二空隙1502與第一空隙1501之間的拐角與第一保護環104的頂部接觸，這樣在第一保護環104充分膨脹填滿凹陷部之前，可以隔絕等離子體進入介電環202與第一保護環104的空間，若等離子體進入該區域，結合臺階部1012上的螺孔邊緣，會更容易發生點火放電。
圖7為本發明的另一個實施例示意圖，本實施例中，與上述實施例的區別在於，還包括第二保護環1041，所述第二保護環1041環繞所述基座101與所述靜電夾盤102周邊，至少部分的與所述介電環202相互抵靠。其可以防止等離子體轟擊靜電夾盤102與基座101之間的連接層處，連接層多為矽膠材質，易被等離子體腐蝕，如果被腐蝕則會導致內部氣體洩漏或者基片103的表面溫度不均勻等問題，也可以進一步防止等離子體進入間隙105中，從而降低電弧放電產生的可能性。同時，所述第二保護環1041位於基座101與聚焦環201之間，使得基座101與聚焦環201之間電隔離，此外，第二保護環1041用於阻止等離子經聚焦環201與基座101或靜電夾盤102之間的縫隙進入間隙105，增強了在間隙105中避免電弧的能力，同時降低了基座101上保護層106被等離子體腐蝕的可能。
較佳的，聚焦環201與介電環202之間設置熱傳導層，和/或介電環202與基座101之間設置熱傳導層，以提高對聚焦環201的溫度的傳導
能力。在其他實施例中，介電環202也可以設置在其他能夠獨立控溫的支撐部件上方，以實現對聚焦環201區別於基片103的溫度獨立控制。
上文所述的下電極元件還可用於如圖8所示的電感耦合等離子體等離子體處理裝置內，在該實施例中，下電極元件具有如上文所述的結構，此處不再贅述，除此之外，反應腔上方設置一絕緣視窗130，絕緣視窗130上方設置電感線圈140，一高頻射頻電源145施加射頻訊號至電感線圈140，電感線圈140產生交變的磁場，在反應腔內感應出交變電場，實現對進入反應腔內的製程氣體的等離子體解離。在本實施例中，製程氣體可以從反應腔側壁注入反應腔，也可以在絕緣視窗上設置氣體注入口以容納製程氣體進入。偏置射頻電源通過一偏置射頻匹配施加到下電極元件，用於控制等離子體的能量分佈。
本發明提供了一種耐等離子體腐蝕的下電極元件及等離子體處理裝置，通過在基座的焊接線上覆蓋保護環，提高邊緣環元件與基座間隙的介電能力，同時避免泄等離子體與保護層不平整處的接觸，防止等離子體腐蝕基座及其附屬配件，降低了下電極元件可能出現的電弧放電的可能性，並且阻擋間隙下方發生電弧放電後向上的延伸，有效的保證了下電極元件的使用安全。
本發明公開的下電極元件不限於應用於上述兩種實施例的等離子體處理裝置，在其他等離子體處理裝置中也可以適用，此處不再贅述。
儘管本發明的內容已經通過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。在本發明所屬技術領域中具有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:外壁
100:反應腔
101:基座
102:靜電夾盤
103:基片
108:等離子體約束環
109:接地環
20:邊緣環元件
30:氣體噴淋頭
Claims (14)
- 一種下電極元件，用於承載待處理的一基片，其中，包括：一基座，該基座包括一基座本體及自該基座本體向外延伸的一臺階部，該基座本體上具有一焊接線；一靜電夾盤，其位於該基座的上方；以及一邊緣環元件，其環繞該基座和/或該靜電夾盤設置，且與該基座和/或該靜電夾盤之間設有一間隙；其中，該間隙設有一第一保護環，該第一保護環覆蓋該焊接線。
- 如請求項1所述的下電極元件，其中，該基座的外側設有一保護層。
- 如請求項2所述的下電極元件，其中，該保護層為氧化鋁和/或氧化釔材料層，或者硬質陽極氧化層。
- 如請求項1所述的下電極元件，其中，該臺階部上具有一螺孔，該第一保護環覆蓋至少部分該螺孔的邊緣。
- 如請求項4所述的下電極元件，其中，該第一保護環覆蓋該螺孔位於該間隙內的邊緣。
- 如請求項1所述的下電極元件，其中，該間隙包括一第一空隙和一第二空隙，該第一空隙位於該第一保護環的上方，該第二空隙位於該第一空隙的下方，該第二空隙的間隔大於該第一空隙的間隔。
- 如請求項6所述的下電極元件，其中，該第一空隙與該第二空隙的之間的拐角和該第一保護環接觸。
- 如請求項1所述的下電極元件，其中，還包括一第二保護環，該第二保護環設置在該基座及該靜電夾盤交界處。
- 如請求項8所述的下電極元件，其中，該第二保護環至少一部分與該基座本體和該邊緣環元件相互抵靠。
- 如請求項8所述的下電極元件，其中，該第一保護環和/或該第 二保護環與該基座本體和/或該邊緣環元件接觸處設置有一凹槽，該凹槽截面為弧形或框形。
- 如請求項8所述的下電極元件，其中，該第一保護環和該第二保護環為耐等離子體腐蝕材料。
- 如請求項8所述的下電極元件，其中，該第一保護環和該第二保護環為高分子材料。
- 如請求項8所述的下電極元件，其中，該第一保護環和該第二保護環為氟橡膠或全氟橡膠系列。
- 一種等離子體處理裝置，其包括一真空處理腔室，其中，該真空處理腔室包括如請求項1至13任意一項所述的下電極元件。
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