TWI839675B - 下電極組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組件及所處的等離子體處理裝置，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，所述臺階部上設置有螺孔；介電環，其環繞所述基座本體設置於所述臺階部上，所述介電環底部開設有凹槽，所述凹槽的開口可以覆蓋所述螺孔的開口；螺釘，所述螺釘的頭部位於所述凹槽中；通過在基座外邊緣的介電環內部開設凹槽，將固定基座的螺釘頭部安置在凹槽內，以減小基座上開孔的直徑，使螺孔邊緣可以被介電環完全覆蓋，又因為介電環為絕緣材料，可起到避免在螺孔邊緣處發生電弧放電的技術效果。
Description
本發明涉及等離子體蝕刻的技術領域，尤其涉及一種在高射頻功率下防止下電極組件產生電弧的下電極組件及等離子體處理裝置的技術領域。
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組件支撐，並通過某種夾持力被固定在一特定的位置，以保證製程制程中基片的安全性及加工的高合格率。
下電極組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組件，在對基片進行制程製程過程中，下電極組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，嚴重威脅下電極組件工作的穩定性和安全性，因此，亟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組件，用於承載待處理的基片，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，所述臺階部上設置有螺孔；
介電環，其環繞所述基座本體設置於所述臺階部上，所述介電環的底部開設有凹槽，所述凹槽的開口可以覆蓋所述螺孔的開口；以及
螺釘，所述螺釘的頭部位於所述凹槽中。
可選的，所述介電環為陶瓷材料。
可選的，所述基座外側塗有保護層。
可選的，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。
可選的，所述凹槽為圓柱形，所述凹槽的內部直徑大於所述螺孔的內部直徑。
可選的，所述螺釘的頭部下方設置有墊圈，所述墊圈為介電材料。
可選的，所述墊圈位於所述凹槽內部。
可選的，所述螺釘的頭部上方設置有嵌入帽，所述嵌入帽為介電材料。
可選的，所述嵌入帽充滿所述凹槽與螺釘的頭部之間的空隙。
可選的，還包括所述基座與介電環之間的保護環。
可選的，所述保護環為耐等離子體腐蝕材料。
可選的，所述保護環為氟橡膠或全氟橡膠系列。
進一步的，本發明還公開了一種等離子體處理裝置，其包括真空處理腔室，所述真空處理腔室內設置有如上所述的下電極組件。
本發明的優點在於：本發明提供了一種高安全性的下電極組件及等離子體處理裝置，通過在基座外邊緣的介電環內部開設凹槽，將固定基座的螺釘頭部安置在凹槽內，以減小基座上螺孔的直徑，使螺孔邊緣可以被介電環完全覆蓋，又因為介電環為介電材料，阻擋了螺孔暴露在容納熱脹冷縮的空隙中，可起到避免在螺孔邊緣處發生電弧放電的技術效果；在螺釘頭部下方還設置有絕緣墊圈，用於隔絕螺孔上邊緣和氣體的接觸，進一步提高擊穿電壓；此外，在螺釘的頭部上方裝配一嵌入帽，其形狀可填充螺釘和凹槽之間的空隙，嵌入帽為絕緣材質，可以防止金屬螺釘頭部周圍發生電弧放電。
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，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的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組件，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。下電極組件包括基座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內部設置直流電極，通過該直流電極連接到基座101的下方的高壓直流電源，直流電極上被施加了高壓直流電壓後使得基片103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周邊設置邊緣環組件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。環繞所述邊緣環組件20設置等離子體約束環108，位於邊緣環組件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，其中偏置射頻電源通常輸出低頻（小於2Mhz）的射頻功率，典型的為400Khz。通常施加偏置射頻訊號(bias RF power)至下電極組件，用於控制等離子體的轟擊方向。本發明公開的下電極組件可以用於如圖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，除下電極組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。一高頻射頻電源施加高頻射頻訊號至所述上電極元件或下電極組件的至少之一，以在所述上電極元件和所述下電極組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。其中高頻射頻電源輸出大於13Mhz的射頻訊號，典型的為13.56、27或60Mhz，以利於點燃等離子體。
圖2示出一種下電極組件安裝結構的局部示意圖，在該圖所示的結構中，下電極組件包括：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，較佳的為高導熱陶瓷材料，其也可以為Al
2O
3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。隨著基片103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，嚴重威脅下電極組件工作的穩定性和安全性。
在介電環202和基座101之間的間隙中，基片103和基座101之間會產生電勢差，射頻功率越高，該電勢差越大，在間隙的狹小空間中，為了不發生電弧放電，通常在基座101的表面鍍一層保護層107。為了將基座101固定在安裝板上，在臺階部1012上設置有螺孔104，同時，為了使螺釘106不阻擋邊緣環20的安裝，在臺階部1012上還需要再開一個直徑大於螺孔104直徑的孔，受空間限制，導致該孔的邊緣過於接近介電環202和基座101之間的間隙，而在該孔的邊緣上受製程限制不能完全覆蓋保護層107，由此即提高了在暴露的該孔邊緣和基片103之間產生電弧放電的風險，電弧放電會損壞基片103和基座101。
圖3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，在臺階部1012上設置有螺孔104，螺孔104有多個，均勻圍繞基座本體1011設置，現僅以其中一個螺孔進行說明，通過螺釘106和螺孔104的配合將基座101固定在安裝板上。環繞基座本體1011設置的介電環202，其底部具有凹槽105，用於容納螺釘106的頭部，凹槽105可以是圓柱形也可以是其他形狀，在一些實施例中，凹槽105可以是圍繞基座101的圓環，以容納臺階部1012上的所有螺釘，也可以只在螺釘上方設置圓柱形凹槽。介電環202通過自身重力或外力壓緊在臺階部1012上，使螺釘106的頭部插入凹槽105，並且凹槽105的開口覆蓋螺孔104的開口，也即，螺孔104與基座101間隙之間有凹槽105側壁的阻擋，通過將螺釘106的頭部安置在介電環202中，可以將保護層107覆蓋不良的位置即螺孔104的邊緣顯著遠離介電環202和基座101之間的間隙，暴露在該間隙中的基座101表面都被保護層107完全覆蓋，由此便可以顯著降低該間隙中發生電弧放電的風險，此外，螺孔104的邊緣與基片103之間的擊穿路徑上還有介電環202的阻擋，所以即使提高射頻功率，陶瓷材料的介電環202也可以避免螺孔104和基片103之間的電弧放電。可選的，保護層107可以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。
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，螺釘16的頭部下方設置有墊圈108，通過螺釘的旋進，墊圈108可以壓緊在螺孔104的邊緣，墊圈108可以位於凹槽105內，且選擇絕緣材質的氟橡膠或者全氟橡膠，在基片103和螺孔104邊緣之間的電弧路徑上同時存在介電環202和墊圈108的阻擋，實現進一步提高擊穿電壓的技術效果，在一些實施例中，還可以設置保護環（接地環）109，同樣選擇氟橡膠或者全氟橡膠材質，可以有效降低電弧放電產生的概率，提高了下電極組件的安全電壓工作範圍。
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，在螺釘106的頭部上方設置有嵌入帽110填充螺釘106的頭部和凹槽105之間的空間，因為該空間中會滯留氣體，所以構成了易發生電弧的狹小空間，可以選擇將凹槽105加工成與螺釘106的頭部形狀吻合，但是對加工條件要求較高。為了加強螺釘周圍的絕緣性，並且降低凹槽的加工難度，在本實施例中，凹槽105為直徑大於螺孔104頭部的圓柱形，嵌入帽110可以在螺釘106旋緊後，蓋在其頂部，最後安裝介電環202，介電環202可以借助外力與嵌入帽110很好的結合在一起，極大的排除凹槽105中的空氣，也可以先行將嵌入帽110安裝進凹槽，隨介電環202的安裝一起覆蓋在螺釘106的頭部，嵌入帽110可以使用絕緣材質，如陶瓷、橡膠等，來全面減少下電極組件中圍繞螺孔104存在的電弧放電風險。
可選的，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。
上文所述的下電極組件還可用於如圖6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，下電極組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100內感應出交變電場，實現對進入反應腔100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100的側壁120注入反應腔100，也可以在絕緣視窗130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組件，用於控制等離子體的能量分佈。
本發明提供了一種高安全性的下電極組件，通過在基座外邊緣的介電環內部開設凹槽，將固定基座的螺釘頭部安置在凹槽內，以減小基座上螺孔的直徑，使螺孔邊緣可以被介電環完全覆蓋，又因為介電環為介電材料，可起到避免在螺孔邊緣處發生電弧放電的技術效果；在螺釘頭部下方還設置有絕緣墊圈，用於隔絕螺孔上邊緣和氣體的接觸，進一步提高擊穿電壓；此外，在螺釘的頭部上方裝配一嵌入帽，其形狀可填充螺釘和凹槽之間的空隙，嵌入帽為絕緣材質，可以防止金屬螺釘頭部周圍發生電弧放電。
本發明公開的下電極組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
1011:基座本體
1012:臺階部
102:靜電夾盤
103:基片
104:螺孔
105:凹槽
106:螺釘
107:保護層
108:等離子體約束環
109:接地環
110:嵌入帽
120:反應腔的側壁
130:絕緣視窗
140:電感線圈
145:高頻射頻電源
20:邊緣環組件
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現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有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，對於所屬技術領域中具有通常知識者來講，在不付出具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組件安裝結構示意圖；
圖3示出本發明的一種實施例的局部下電極組件結構示意圖；
圖4示出另一種實施例的局部下電極組件結構示意圖；
圖5示出另一種實施例的局部下電極組件結構示意圖；以及
圖6示出一種電感耦合等離子體處理裝置的結構示意圖。
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:邊緣環組件
30:氣體噴淋頭
Claims (12)
- 一種下電極組件，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，該臺階部上設置有一螺孔；一介電環，其環繞該基座本體設置於該臺階部上，該介電環的底部開設有一凹槽，該凹槽的開口可以覆蓋該螺孔的開口；以及一螺釘，該螺釘的頭部位於該凹槽中；該螺釘的頭部上方設置有一嵌入帽，該嵌入帽為介電材料。
- 如請求項1所述的下電極組件，其中，該介電環為陶瓷材料。
- 如請求項1所述的下電級組件，其中，該基座的外側塗有一保護層。
- 如請求項3所述的下電極組件，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所述的下電極組件，其中，該凹槽為圓柱形，該凹槽的內部直徑大於該螺孔的內部直徑。
- 如請求項1所述的下電極組件，其中，該螺釘的頭部下方設置有一墊圈，該墊圈為介電材料。
- 如請求項6所述的下電極組件，其中，該墊圈位於該凹槽內部。
- 如請求項1所述的下電極組件，其中，該嵌入帽充滿該凹槽與該螺釘的頭部之間的空隙。
- 如請求項1所述的下電極組件，其中，還包括該基座與該介 電環之間的一保護環。
- 如請求項9所述的下電極組件，其中，該保護環為耐等離子體腐蝕材料。
- 如請求項10所述的下電極組件，其中，該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，該真空處理腔室內設置有如請求項1至11中任意一項所述的下電極組件。
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| US6079356A (en) | 1997-12-02 | 2000-06-27 | Applied Materials, Inc. | Reactor optimized for chemical vapor deposition of titanium |
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