CN103811263A - 等离子体约束装置及具有其的等离子体处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种等离子体约束装置，包括：约束环，约束环包括多个同心圆环，多个同心圆环之间的缝隙形成约束通道，约束环的高度大于等离子体的平均自由程，约束通道用于抑制等离子体通过；第一约束片，第一约束片设置在约束环的顶部，以封闭约束通道，第一约束片上形成有多个约束通孔；以及第二约束片，第二约束片沿约束环的轴向可旋转地设置在第一约束片之上，第二约束片上形成有多个约束通孔。根据本发明实施例的等离子体约束装置具有结构简单，维修成本低且可以有效抑制等离子体扩散的优点。本发明还提出了一种等离子体处理装置。

Description

等离子体约束装置及具有其的等离子体处理装置

技术领域

本发明设计微电子技术领域，特别涉及一种等离子体约束装置及具有其的等离子体处理装置。

背景技术

在刻蚀的腔室内，在射频电流作用下气体可以转换成为等离子体。等离子体中活跃的化学基团，会对衬底表面不受光刻胶保护的区域进行刻蚀。一般情况下，反应结束后的副产品气体会阻碍刻蚀的进行，导致后续进入腔室的反应刻蚀气体浪费，因此需要使用分子泵尽快将其抽走。但是，等离子体也会跟随抽气扩散到加工区域以外的反应腔室区域，并对反应室壁造成刻蚀与沉积，紧接着产生内部颗粒玷污导致衬底表面污染，同时缩短反应腔室的工作寿命。

工业界一般使用约束环来约束等离子体，加工过程中将等离子体锁在腔室容积（chamber volume）内，同时允许呈电中性的反应副产物被抽走。研究表明，约束环是腔室中调整等离子体片上均匀性最重要的结构，而片上均匀性一直是工业界追求的目标。

如申请号为US5534751公开了具有等离子体约束功能的装置，该装置的圆环采用绝缘材料，通过上下紧密排列来抑制等离子体扩散。大部分带电粒子在穿过间隙时会碰到壁面之后停止运动，但是依然不能完全隔绝带电粒子的扩散；材料采用诸如石英等绝缘脆性材料，容易破损，所以加工、安装和维修都相对困难。

如申请号为CN101150909公开了另外一种等离子体约束装置，该装置对约束环有较大改进，同心圆环导电材料并且圆环采用直径增加的同心圆环，可以将同心圆环加工为统一的零件，大大减小了安装维修的难度。但是由于约束环间的间隙固定，流导较小，若需要获得较大流导，则需要大量增加同心圆环的环数，使得腔室直径大大增加，体积没有得到有效利用。

如申请号为CN201514924U通过对同心圆环间隙做出调整，扩大了流导，但是由于靠外侧的同心圆环间隙过大容易造成带电离子扩散，不是一种稳定的方式。

如申请号为CN101441983公开了的等离子体约束装置，该装置为筒状多层结构，筒状结构上布置有通孔，可以通过多层的约束环旋转调整流导。这种结构比较简单，加工容易，片上均匀性好。但是专利要求圆筒结构表面进行阳极氧化，由于筒壁接触面积较大，要求制造精度和安装精度都要非常高，使得旋转中表面容易磨损，容易诱发等离子体局部放电。同时反应副产物通过通孔时，容易凝聚为不易清理的反应聚合物，多层结构容易聚合物容易填充筒状结构壁面缝隙，导致清洗聚合物不充分。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种等离子体约束装置。该等离子体约束装置具有结构简单，维修成本低且可以有效抑制等离子体扩散的优点。

本发明的另一目的在于提出一种等离子体处理装置。

为了实现上述目的，本发明第一方面的实施例提供了一种等离子体约束装置，包括：约束环，所述约束环包括多个同心圆环，所述多个同心圆环之间的缝隙形成约束通道，所述约束环的高度大于等离子体的平均自由程，所述约束通道用于抑制所述等离子体通过；第一约束片，所述第一约束片设置在所述约束环的顶部，以封闭所述约束通道，所述第一约束片上形成有多个约束通孔；以及第二约束片，所述第二约束片沿所述约束环的轴向可旋转地设置在所述第一约束片之上，所述第二约束片上形成有多个所述约束通孔。

根据本发明实施例的等离子体约束装置，约束环的多个同心圆环之间的缝隙形成约束通道，并且约束环的高度大于等离子体的平均自由程（即约束环的上下方向的约束通道的高度大于等离子体的平均自由程），从而约束通道可以有效抑制等离子体扩散。另外，第二约束片可沿约束环的轴向可旋转地设置在第一约束片之上，因此，第一约束片和第二约束片上的约束通孔的开口大小可以进行调整，这样，可以对等离子体分布轮廓进行调整，进而改善等离子体的片上均匀性。该装置还可以对流导率的调整，使得反应副产物能够快速地排出反应腔，提升反应副产物的排放速率。此外，该等离子体约束装置具有结构简单、维修方便且成本低的优点。

另外，根据本发明上述实施例的等离子体约束装置还可以具有如下附加的技术特征：

在一些示例中，所述约束环和所述第二约束片可导电，所述第一约束片绝缘。

在一些示例中，所述第二约束片由表面喷涂有碳化硅的铝制成，所述第一约束片由石英制成。

在一些示例中，所述约束通孔为大致长圆形。

在一些示例中，所述约束通孔的宽度在所述约束环的径向沿从外向内的方向逐渐减小。

在一些示例中，每个所述约束通孔包括多个子约束通孔，所述多个子约束通孔在所述约束环的径向沿从外向内的方向排列。

在一些示例中，所述多个子约束通孔为大致长圆形，所述多个子约束通孔的长度在所述约束环的径向沿从外向内的方向逐渐减小。

在一些示例中，所述多个子约束通孔为圆形，靠近所述约束环的外周壁的子约束通孔的半径向靠近所述约束环的内周壁的子约束通孔的半径逐渐减小。

在一些示例中，所述多个约束通孔在所述第一约束片上的开域的面积之和与所述第一约束片的面积之比为[40%，80%]，所述多个约束通孔在所述第二约束片上的开域的面积之和与所述第二约束片的面积之比为[40%，80%]。

本发明第二方面的实施例提供了一种等离子体处理装置，包括：反应腔；设置在所述反应腔内的上电极和下电极；排气装置，所述排气装置包括围绕所述反应腔设置的多个排气孔；如上述第一方面实施例所述的等离子体约束装置，所述等离子体约束装置围绕所述反应腔且设置在靠近所述多个排气孔处，以便所述排气孔排出的气体经过所述等离子体约束装置排放至外界。

根据本发明实施例的等离子体处理装置，约束环的多个同心圆环之间的缝隙形成约束通道，并且约束环的高度大于等离子体的平均自由程（即约束环的上下方向的约束通道的高度大于等离子体的平均自由程），从而约束通道可以有效抑制等离子体扩散。另外，第二约束片可沿约束环的轴向可旋转地设置在第一约束片之上，因此，第一约束片和第二约束片上的约束通孔的开口大小可以进行调整，这样，可以对等离子体分布轮廓进行调整，进而改善等离子体的片上均匀性。该装置还可以对流导率的调整，使得反应副产物能够快速地排出反应腔，提升反应副产物的排放速率。此外，该等离子体处理装置具有结构简单、维修方便且成本低的优点。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的等离子体约束装置的爆炸图；

图2是根据本发明一个实施例的等离子体约束装置的示意图；

图3是根据本发明另一个实施例的等离子体约束装置的示意图；

图4是根据本发明再一个实施例的等离子体约束装置的示意图；以及

图5是根据本发明一个实施例的等离子体处理装置的结构图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

以下结合附图描述根据本发明实施例的等离子体约束装置及具有其的等离子体处理装置。

图1是根据本发明一个实施例的等离子体约束装置的示意图。如图1所示，根据本发明一个实施例的等离子体约束装置，包括：约束环100、第一约束片200和第二约束片300。

其中，约束环100包括多个同心圆环（如图1所示），多个同心圆环之间的缝隙形成约束通道110，约束环100的高度d大于等离子体的平均自由程，约束通道110用于抑制等离子体通过。第一约束片200设置在约束环100的顶部，以封闭约束通道110，第一约束片200上形成有多个约束通孔210。第二约束片300沿约束环100的轴向（即通过约束环100的圆心且与约束环100的半径方向垂直的方向）可旋转地设置在第一约束片200之上，第二约束片300上形成有多个约束通孔210。

作为一个具体的示例，约束环100和第二约束片300可导电，第一约束片200绝缘。例如：第二约束片300由表面喷涂有碳化硅SiC的铝制成，第一约束片200由石英制成。其中，约束环100接浮地，可将带电粒子的电荷中和。而第二约束片300接地，可避免游移电场形成新的射频源，再次产生等离子体。

在本发明的具体示例中，约束通孔210可以有多种结构。其中，约束通孔210的一种结构如图2所示。

具体而言，如图2所示，每个约束通孔210为大致长圆形，其中，长圆形指例如大体上类似于跑道形状。

再次结合图2，每个约束通孔210的宽度在约束环100的径向（即约束环的半径方向）沿从外向内的方向（即由约束环100的外周壁140向内周壁150的方向）逐渐减小。

具体地说，将第二约束片300接地。第一约束片200采用绝缘材料，可以是石英或者掺杂硼元素或者氮元素的硅半导体材料，也可以是进行阳极氧化后的铝。第一约束片200起固定作用。约束环100的多个同心圆环之间的缝隙形成槽（即约束通道110），以抑制等离子体通过。如图2所示，约束通孔210的两端都是圆弧（即类似于跑道），圆弧顶端到第一约束片200（和第二约束片300）边缘不少于3mm。约束通孔210的两条直线的延长线均通过约束环100的圆心，从而使得靠近圆心的宽度小，而远离圆心的宽度大，从而使得外部等离子体浓度较低区域获得更大的流导，既能满足等离子体约束，又能尽量多地提供流导。

此外，多个约束通孔210在第一约束片200上的开域的面积之和与第一约束片200的面积之比为[40%，80%]，多个约束通孔210在第二约束片300上的开域的面积之和与第二约束片300的面积之比为[40%，80%]。第二约束片300的材料优选喷涂SiC的铝，或者SiC，并且电接地。第二约束片300接地的意义在于，沿反应腔的导体壁面传输的射频电流以及电极附近的游移电场（杂散电场）最终可以通过接地的第二约束片300导入大地，避免射频进入反应腔室以外的其他区域，造成二次放电形成新的等离子体而造成侵蚀和玷污。

在本发明的另一个示例中，如图3所示，每个约束通道210包括多个子约束通孔211。多个子约束通孔211在约束环100的径向沿从外向内的方向排列。并且，从图2中可以看出，多个子约束通孔211为大致长圆形，多个子约束通孔211的长度在约束环100的径向沿从外向内的方向逐渐减小，即靠近外周壁140的子约束通孔211的长度大于靠近内周壁150的子约束通孔211的长度。如图3所示，示出了每个约束通道130包括3个子约束通道131。但是可以理解的是，每个约束通道210可包括并不限于3个子约束通孔211，例如4个、5个。

也就是说，每个约束通道210包括多条沿约束环100的径向布置的槽道（即多个子约束通孔211）。槽道开口的长度按照槽道中心的半径比例开口，以保持内侧流导低，外侧流导高。开域比例大于40%并低于80%，并且第二约束片300接地。

如图4所示，在本发明的另一个实施例中，多个子约束通孔211为圆形，并且，如图4所示，靠近约束环100的外周壁140的子约束通孔211的半径向靠近约束环100的内周壁150的子约束通孔211的半径逐渐减小。如图4所示，示出了每个约束通道210包括3个子约束通孔211。但是可以理解的是，每个约束通道210可包括并不限于3个子约束通孔211，例如4个、5个。

也就是说，该约束通道210还可包括对称排列的多个圆形通孔（即多个子约束通孔211）。保证圆弧顶端到内外边缘（外周壁140和内周壁150）的距离不少于3mm的情况下，尽量多地布置圆形通孔，并且圆形通孔布局时需满足：同一条径向（即在约束环100的同一半径上）的圆孔有公切线，且公切线也要通过约束环100的圆心，以保持内侧流导低，外侧流导高。开域比例大于40%并低于80%，并且第二约束环300接地。

根据本发明实施例的等离子体约束装置，约束环的多个同心圆环之间的缝隙形成约束通道，并且约束环的高度大于等离子体的平均自由程（即约束环的上下方向的约束通道的高度大于等离子体的平均自由程），从而约束通道可以有效抑制等离子体扩散。另外，第二约束片可沿约束环的轴向可旋转地设置在第一约束片之上，因此，第一约束片和第二约束片上的约束通孔的开口大小可以进行调整，这样，可以对等离子体分布轮廓进行调整，进而改善等离子体的片上均匀性。该装置还可以对流导率的调整，使得反应副产物能够快速地排出反应腔，改善等离子体在腔内分布的均匀性，并提升反应副产物的排放速率。此外，该等离子体约束装置具有结构简单、维修方便且成本低的优点。

图5是根据本发明一个实施例的等离子体处理装置的结构图。如图5所示，并结合图1-4，根据本发明一个实施例的等离子体处理装置400，包括：反应腔410、上电极420、下电极430、排气装置440和等离子体约束装置。

其中，上电极420和下电极430设置在反应腔410内，上电极420位于下电极430的上方。排气装置440包括围绕反应腔410设置的多个排气孔441。等离子体约束装置围绕反应腔410且设置在靠近多个排气孔441处，以便排气孔441排出的气体经过等离子体约束装置排放至外界。

以下对本发明实施例的等离子体处理装置的工作原理进行详细描述。

结合图1-5所示，该等离子体处理装置400具有一个反应腔410，一般为圆柱形。反应腔410内具有平行设置的上电极420和下电极430。通常，上电极420也就是喷淋头，下电极430为静电吸盘（electro-static chuck），在上电极420和下电极430之间的区域称为腔室容积（chamber volume），该区域将形成高频能量以点燃和维持等离子体。在下电极430上方放置衬底，从衬底上可以切割出数量众多的集成电路芯片。高低射频分别施加在上电极420和下电极430上，从而在反应腔410内产生电场，此电场对反应腔410内的电子施加电场力，电子加速后于反应气体的分子碰撞，分子中的电子逸散，产生次级电子，次级电子又不断加速与新的分子碰撞，发生雪崩效应，使得腔室内反应气体等离子体化，等离子体获得激发。失去电子后的反应气体的分子剩下正电离子，向下电极430加速，与衬底中的中性物质结合，发生强烈的化学反应，使得沉积、刻蚀等半导体加工工艺得以进行。延平行于上电极420和下电极430的位置设置排气装置440，排气装置440具有排气口441，排气口441上下对称布置，开口方向分别向上和向下，并且与本发明提供的等离子体约束装置相连接，用以约束等离子体并及时将反应副产物排除反应腔410。上下两个等离子体约束装置的外围，可设置一个石英环450包围，石英可以耐等离子体腐蚀，同时石英环450上方可包括延周向均匀布置的不少于三个直线致动器460（linear actuator），使得石英环450可以平稳地沿腔室轴向上下运动。当衬底加工完毕后，打开取片窗口，同时石英环450移动，使得机械手可以将衬底取走，并放置新的衬底。

本发明实施例的等离子体处理装置400的等离子体约束装置具有以下优点：

1、加工中上下两个约束环中约束片的开口（即约束通孔）尺寸可以调整（例如通过旋转第二约束片，与第一约束片形成错位，这样，约束通孔的大小发生变化），进而对反应腔内的等离子体分布轮廓进行调整，使得片上均匀性得到改善。

2、该等离子体约束装置可在相同的空间内提供1.4倍以上的流导，特别是直径较大区域能够提供相对更大的流导，使得反应副产物能更快地排出反应腔室。

3、该等离子体约束装置可使得带电粒子无法突破扩散到非加工区域内，提高了等离子体的利用率的同时也保护了非加工区域。

根据本发明实施例的等离子体处理装置，约束环的多个同心圆环之间的缝隙形成约束通道，并且约束环的高度大于等离子体的平均自由程（即约束环的上下方向的约束通道的高度大于等离子体的平均自由程），从而约束通道可以有效抑制等离子体扩散。另外，第二约束片可沿约束环的轴向可旋转地设置在第一约束片之上，因此，第一约束片和第二约束片上的约束通孔的开口大小可以进行调整，这样，可以对等离子体分布轮廓进行调整，进而改善等离子体的片上均匀性。该装置还可以对流导率的调整，使得反应副产物能够快速地排出反应腔，提升反应副产物的排放速率。此外，该等离子体处理装置具有结构简单、维修方便且成本低的优点。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。

Claims (10)

1.一种等离子体约束装置，其特征在于，包括：

约束环，所述约束环包括多个同心圆环，所述多个同心圆环之间的缝隙形成约束通道，所述约束环的高度大于等离子体的平均自由程，所述约束通道用于抑制所述等离子体通过；

第一约束片，所述第一约束片设置在所述约束环的顶部，以封闭所述约束通道，所述第一约束片上形成有多个约束通孔；以及

第二约束片，所述第二约束片沿所述约束环的轴向可旋转地设置在所述第一约束片之上，所述第二约束片上形成有多个所述约束通孔。

2.根据权利要求1所述的等离子体约束装置，其特征在于，所述约束环和所述第二约束片可导电，所述第一约束片绝缘。

3.根据权利要求2所述的等离子体约束装置，其特征在于，所述第二约束片由表面喷涂有碳化硅的铝制成，所述第一约束片由石英制成。

4.根据权利要求1-3任一项所述的等离子体约束装置，其特征在于，所述约束通孔为大致长圆形。

5.根据权利要求4所述的等离子体约束装置，其特征在于，所述约束通孔的宽度在所述约束环的径向沿从外向内的方向逐渐减小。

6.根据权利要求1-3任一项所述的等离子体约束装置，其特征在于，每个所述约束通孔包括多个子约束通孔，所述多个子约束通孔在所述约束环的径向沿从外向内的方向排列。

7.根据权利要求6所述的等离子体约束装置，其特征在于，所述多个子约束通孔为大致长圆形，所述多个子约束通孔的长度在所述约束环的径向沿从外向内的方向逐渐减小。

8.根据权利要求6所述的等离子体约束装置，其特征在于，所述多个子约束通孔为圆形，靠近所述约束环的外周壁的子约束通孔的半径向靠近所述约束环的内周壁的子约束通孔的半径逐渐减小。

9.根据权利要求1所述的等离子体约束装置，其特征在于，所述多个约束通孔在所述第一约束片上的开域的面积之和与所述第一约束片的面积之比为[40%，80%]，所述多个约束通孔在所述第二约束片上的开域的面积之和与所述第二约束片的面积之比为[40%，80%]。

10.一种等离子体处理装置，其特征在于，包括：

反应腔；

设置在所述反应腔内的上电极和下电极；

排气装置，所述排气装置包括围绕所述反应腔设置的多个排气孔；

如权利要求1-9任一项所述的等离子体约束装置，所述等离子体约束装置围绕所述反应腔且设置在靠近所述多个排气孔处，以便所述排气孔排出的气体经过所述等离子体约束装置排放至外界。

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