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TWI440405B - 電容式耦合電漿反應器 - Google Patents

電容式耦合電漿反應器 Download PDF

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TWI440405B
TWI440405B TW097115723A TW97115723A TWI440405B TW I440405 B TWI440405 B TW I440405B TW 097115723 A TW097115723 A TW 097115723A TW 97115723 A TW97115723 A TW 97115723A TW I440405 B TWI440405 B TW I440405B
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plasma reactor
capacitive coupling
capacitive
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coupled plasma
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TW097115723A
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Soon-Im Wi
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New Power Plasma Co Ltd
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Priority claimed from KR1020070106348A external-priority patent/KR100979186B1/ko
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Description

電容式耦合電漿反應器
本發明關於一種電容式耦合電漿反應器，尤其關於一種更均勻地產生大面積電漿、從而提高要處理的大面積物件(即基底/表面)的電漿處理效率的電容式耦合電漿反應器。
電漿是包括正離子和電子的高度電離氣體。電漿放電用於氣體激發，以產生包括離子、自由基、原子和分子的活性氣體。活性氣體廣泛用於各種領域。通常，活性氣體用於半導體製程，例如蝕刻、沉積、清洗、灰化等。
用於產生電漿的電漿源類型多樣。電漿源的典型實例包括使用射頻的電容式耦合電漿、電感式耦合電漿。電容式耦合電漿源的優點在於其處理生產率比其他電漿源高，因為它準確控制電容式耦合和離子的能力出色。但是，當用於電容式耦合的電極變大，以處理待處理的大基底時，電極很可能燒結、變形或損壞。在這種情況下，由於電場強度變得不均勻，所以電漿密度也不均勻，反應器內部很可能被污染。類似地，當電感線圈天線的面積較大時，電感式耦合電漿源難以產生密度均勻的電漿。
在半導體製造業，由於半導體裝置超小型化、製造半導體電路的矽片基底變大、製造液晶顯示器的玻璃基底變大、開發了新的待處理材料，所以需要更先進的電漿處理 技術。具體而言，需要改進電漿源和電漿處理技術，從而能夠出色地處理大面積基底。
因為待處理的基底變大，整個生產設備也變大，所以設備的整個面積增加。因此，導致生產成本增加。考慮到這一點，可能的話，需要將離子體反應器和電漿處理系統的設備面積最小化。具體而言，在半導體製程中，每單位面積生產率是影響最終產品價格的重要因素之一。為了提高每單位面積生產率，提出了有效地佈置生產設備結構的技術。例如，提供了一種並行處理兩個基底的電漿反應器。但是，由於大多數處理兩個基底的電漿反應器有兩個電漿源，所以實際上不能將處理設備最小化。
但是，如果將兩個或更多電漿反應器垂直地或水平地並行設置，以共用每個結構的公共部分，並使用單個電漿源並行處理兩個基底，則由於設備空間的減少和設備結構的最小化，能夠產生很多優點。
像其他工業一樣，半導體業做出了大量不懈的努力以提高生產率。為了提高生產率，需要基本上增加或改進生產設備。但是，當只是增加生產設備，會產生增加處理設備的費用，並且用於清洗室的空間設備要增加，導致高成本。
因此，本發明旨在提供一種能夠均勻地產生並保持大面積電漿的電容式耦合電漿反應器。
本發明的另一目的是提供一種藉由均勻地控制電容式耦合電極之間的電容式耦合，能夠均勻地產生高密度電漿的電容式耦合電漿反應器。
本發明的另一目的是提供一種通過均勻地控制電容式耦合電極的電流供應，能夠均勻地產生高密度電漿的電容式耦合電漿反應器。
本發明的另一目的是提供一種能夠均勻地產生易於通過大面積的高密度電漿的電容式耦合電漿反應器。
本發明的另一目的是提供一種能夠均勻地產生易於通過大面積的高密度電漿、並能夠同時處理兩個或更多個大面積基底從而獲得單位設備面積的高處理速率的電漿反應器。
根據舉例說明的實施例，本發明提供一種電容式耦合電漿反應器，包括：電漿反應器；電容式耦合電極組件，包括多個電容式耦合電極，用於在該電漿反應器內誘發電漿放電；主電源，用於提供射頻功率；以及分配電路，用於接收該主電源提供的該射頻功率，並將該射頻功率分配到該多個電容式耦合電極。
較佳地，該電容式耦合電漿反應器還可包括阻抗匹配裝置用於進行阻抗匹配，該阻抗匹配裝置形成在該主電源與該分配電路之間。
較佳地，該分配電路可包括電流平衡電路，用於控制提供給該多個電容式耦合電極的電流的平衡。
較佳地，該電流平衡電路可並行驅動該多個電容式耦 合電極，並包括電流平衡的多個變壓器。
較佳地，每個變壓器的第一側可串聯連接在接地與輸入該射頻功率的功率輸入端子之間，每個變壓器的第二側可連接為對應每個電容式耦合電極。
較佳地，該多個變壓器的第二側各可包括接地的中心突出部，每個第二側的一端輸出正電壓，另一端輸出負電壓，其中該正電壓被提供給該多個電容式耦合電極的正電壓電極，該負電壓被提供給該多個電容式耦合電極的負電壓電極。
較佳地，該電流平衡電路可包括電壓位準控制電路，該電壓位準控制電路能夠改變電流平衡控制範圍。
較佳地，該電流平衡電路可包括補償電路，用於補償漏功率。
較佳地，該電流平衡電路可包括保護電路，用於防止過量電壓產生的損害。
較佳地，該多個電容式耦合電極可包括導電區和絕緣區。
較佳地，該電容式耦合電極組件可包括絕緣層，該絕緣層形成在該電容式耦合電極之間。
較佳地，該電容式耦合電極組件可包括電極安裝板，該電容式耦合電極安裝在該電極安裝板上。
較佳地，該電極安裝板可包括多個氣體注入孔和氣體供應單元，以通過該氣體注入孔向該電漿反應器內供應氣體。
較佳地，該電漿反應器可包括支撐座，待處理的基底放置在該支撐座上，並且該支撐座可被偏壓或者不被偏壓。
較佳地，該支撐座可由單一頻率功率源偏壓，或者由兩個或更多個不同頻率功率源偏壓。
較佳地，該支撐座可包括靜電夾具。
較佳地，該支撐座可包括加熱器。
較佳地，該多個電容式耦合電極包括多個正電壓電極和多個負電壓電極，該正電壓電極和該負電壓電極可具有從相互交替的直線陣列結構、矩陣式陣列結構、相互交替的螺旋陣列結構以及相互交替的同心陣列結構中選擇的一或更多陣列結構。
較佳地，該正電壓電極和該負電壓電極可具有從柵欄式結構、平板式結構、突出式結構、圓柱式結構、環形結構、螺旋結構以及直線結構中選擇的一或更多結構。
根據另一舉例說明的實施例，本發明提供一種電容式耦合電漿反應器，包括：第一電漿反應器；第二電漿反應器；第一電容式耦合電極組件，包括多個電容式耦合電極，用於在該第一電漿反應器內誘發電漿放電；第二電容式耦合電極元件，包括多個電容式耦合電極，用於在該第二電漿反應器內誘發電漿放電；主電源，用於提供射頻功率；以及分配電路，用於接收該主電源提供的該射頻功率，並將該射頻功率分配到該第一、第二電容式耦合電極元件的該多個電容式耦合電極。
較佳地，該電容式耦合電漿反應器還可包括阻抗匹配裝置用於執行阻抗匹配，該阻抗匹配裝置形成在該主電源與該分配電路之間。
較佳地，該分配電路可包括電流平衡電路，用於控制提供給該第一、第二電容式耦合電極元件的該多個電容式耦合電極的電流的平衡。
較佳地，該電流平衡電路可並行驅動該第一、第二電容式耦合電極元件的該多個電容式耦合電極，並包括電流平衡的多個變壓器。
較佳地，每個變壓器的第一側可串聯連接在接地與輸入該射頻的功率輸入端子之間，每個變壓器的第二側可連接為對應該第一、第二電容式耦合電極元件的每個電容式耦合電極。
較佳地，該多個變壓器的第二側各可包括接地的中心突出部，每個第二側的一端輸出正電壓，另一端輸出負電壓，其中該正電壓被提供給該多個電容式耦合電極的正電壓電極，該負電壓被提供給該多個電容式耦合電極的負電壓電極。
較佳地，該電流平衡電路可包括電壓位準控制電路，該電壓位準控制電路能夠改變電流平衡控制範圍。
較佳地，該電流平衡電路可包括補償電路，用於補償漏功率。
較佳地，該電流平衡電路可包括保護電路，用於防止過量電壓產生的損害。
較佳地，該多個電容式耦合電極可包括導電區和絕緣區。
較佳地，每個該第一、第二電容式耦合電極元件可包括絕緣層，該絕緣層形成在該電容式耦合電極之間。
較佳地，每個該第一、第二電容式耦合電極元件可包括電極安裝板，該多個電容式耦合電極安裝在該電極安裝板上。
較佳地，每個該第一、第二電容式耦合電極元件的該電極安裝板可包括多個氣體注入孔和氣體供應單元，以通過該氣體注入孔向該第一、第二電漿反應器內供應氣體。
較佳地，該氣體供應單元可包括多個氣體供應管道。
較佳地，每個氣體供應管道可包括控制閥，用於獨立地控制氣體供應流量。
較佳地，該第一、第二電漿反應器可包括支撐座，待處理的基底放置在該支撐座上，該支撐座可被偏壓或者不被偏壓。
較佳地，該支撐座可由單一頻率功率源偏壓，或者由兩個或更多個不同頻率功率源偏壓。
較佳地，該支撐座可包括靜電夾具。
較佳地，該支撐座可包括加熱器。
較佳地，該多個電容式耦合電極包括多個正電壓電極和多個負電壓電極，該正電壓電極和該負電壓電極可具有從相互交替的直線陣列結構、矩陣式陣列結構、相互交替的螺旋陣列結構以及相互交替的同心陣列結構中選擇的一 或更多陣列結構。
較佳地，該正電壓電極和該負電壓電極可具有從柵欄式結構、平板式結構、突出式結構、圓柱式結構、環形結構、螺旋結構以及直線結構中選擇的一或更多結構。
下面參照附圖更詳細地描述本發明，附圖中示出本發明的較佳實施例。但是，本發明可實施為許多不同形式，不應認為是限制於在此提出的舉例說明的實施例。此外，提供這些實施例使得公開的內容詳盡、完整，能夠將本發明的範圍全部傳達給本領域技術人員。附圖中為了清楚起見，可將元件的形狀誇大。整個說明書中相同的代號表示相似的元件。對於現有技術中公知的功能和結構，在本發明的詳細說明書中不做進一步討論，以避免不必要地造成本發明的要點不清楚。
舉例說明的實施例1
圖1是顯示根據本發明第一舉例說明的實施例的電漿反應器的剖視圖。
參照圖1，根據本發明較佳實施例的電容式耦合電漿反應器包括：電漿反應器10、氣體供應單元20、以及電容式耦合電極組件30。電漿反應器10內包括支撐座12，待處理的基底13放在支撐座12上。電漿反應器10上形成有電容式耦合電極組件30。電容式耦合電極元件30上 形成有氣體供應單元20，氣體供應單元20通過電容式耦合電極元件30中形成的氣孔32向電漿反應器10內供應氣體，該氣體由氣體供應源(未示出)提供。主電源40產生的射頻功率通過阻抗匹配裝置41和分配電路50供應給包括在電容式耦合電極元件30中的多個電容式耦合電極31和33，從而在電漿反應器10內誘發電容式耦合電漿。利用電漿反應器10內產生的電漿在待處理的基底13上進行電漿處理。
電漿反應器10包括反應器體11和支撐座12，待處理的基底13放在支撐座12上。反應器體11可由金屬材料製成，例如鋁、不銹鋼或銅。反應器體11可由被包覆的金屬製成，例如陽極處理的鋁或鍍鎳鋁。反應器體11可由難熔金屬製成。或者，反應器體11可完全地或部分地由電絕緣材料製成，例如石英或陶瓷。如上所述，反應器體11可用適於執行所需電漿處理的任何材料製造。根據待處理的基底13，反應器體11可具有適於均勻產生電漿的結構，例如圓形結構、方形結構或任何其他形狀的結構。
待處理的基底13的實例可包括晶圓基底、玻璃基底、塑膠基底等等，用於製造各種裝置，例如半導體裝置、顯示器裝置、太陽能電池等等。電漿反應器10連接到真空泵8。在本發明的舉例說明的實施例中，電漿反應器10以低於大氣壓的低壓對待處理的基底進行電漿處理。但是，根據本發明的電容式耦合電漿反應器可用作在大氣壓下 對待處理的基底進行電漿處理的大氣壓電漿處理系統。
圖2是反應器10上部的部分剖視圖，示出設置在電容式耦合電極安裝板34上的氣體供應單元20。
參照圖2，氣體供應單元20設置在電容式耦合電極組件30上。氣體供應單元20包括氣體入口21、一個或多個氣體分配板22、以及多個氣體注入埠23，該氣體入口21連接到氣體供應源(未示出)。多個氣體注入埠23各被連接以對應於電極安裝板34的多個氣體注入孔32。通過氣體入口21輸入的氣體由一個或多個氣體分配板22均勻分配，並通過多個氣體注入埠23以及各對應於多個氣體注入埠23的多個氣體注入孔32均勻地注入電漿反應器10內。氣體供應單元20可包括兩個或更多分離的氣體供應通道(未示出)，以分離地將不同的氣體供應到電漿反應器10內，從而提高電漿處理的均勻性。
圖3是顯示電容式耦合電極組件30的立體圖，圖4是顯示電容式耦合電極31和33的剖視圖。
參照圖3，電容式耦合電極組件30包括多個電容式耦合電極31和33，以誘發電漿反應器10內電容式耦合電漿的放電。電容式耦合電極31和33安裝在電極安裝板34上。電極安裝板34可安裝為覆蓋反應器體11的頂板。電容式耦合電極31和33的結構是：成直線地設置在反應器體11頂部的每個正電壓電極33和每個負電壓電極31平行地交替排列。多個電容式耦合電極31和33具有直線的柵欄式結構，其中電容式耦合電極31和33從電極安裝板 34向下突出。多個電容式耦合電極31和33可包括傳導區71和絕緣區70，該絕緣區70覆蓋傳導區71的外表面，如圖4所示。多個電容式耦合電極31和33可僅僅包括傳導區71。每個電容式耦合電極31和33的形狀和陣列結構可被多樣地修改，如下所述。
電極安裝板34包括多個氣體注入孔32。氣體注入孔32形成為在電容式耦合電極31與33之間分隔開預定距離。電極安裝板34可由金屬材料、非金屬材料或者它們的混合物構成。如果電極安裝板34由金屬材料構成，則在電容式耦合電極31與33之間具有電絕緣結構。電極安裝板34安裝為形成反應器體11的頂板，但是可以沿著反應器體11的側壁安裝，以提高電漿處理效率。另外，電極安裝板34可以同時安裝在頂板和側壁。電極安裝板34可包括冷卻通道(未示出)或加熱通道(未示出)，以適當地控制溫度。
圖5至圖11是電容式耦合電極組件的剖視圖，顯示電容式耦合電極的不同修改。
如圖5所示，電容式耦合電極31和33可以是柵欄式結構，其中每個電容式耦合電極的截面為“T”形結構。在這種結構中，每個電容式耦合電極安裝的方式是，頭部固定在電極安裝板34上，或上側朝下。如圖6所示，電容式耦合電極31和33的截面可以是寬度窄的平板式結構。如圖7或圖8所示，電容式耦合電極31和33的截面可以是三角形結構或倒三角形結構。另外，如圖9至圖11 所示，電容式耦合電極31和33的截面可以是圓柱桿形結構、水平方向更寬的橢圓結構或垂直方向更寬的橢圓結構。如上所述，電容式耦合電極31和33可具有其截面結構為圓形、橢圓形或多邊形的各種結構。
圖12至圖22是電容式耦合電極組件的底部平面圖，顯示電容式耦合電極的平面結構和平面陣列結構的不同修改。
如圖12所示，形成多個電容式耦合電極31和33的正電壓電極33和負電壓電極31排列為相互交替。多個氣體注入孔32可設置在每個正電壓電極33和每個負電壓電極31之間。如圖13或圖14所示，每個正電壓電極33以預定長度分成多個部分，每個負電壓電極31也以預定長度分成多個部分。正電壓電極33的分開的部分排列在同一行(或列)中，負電壓電極31的分開的部分也排列在同一行(或列)中。一個行(或列)中的正電壓電極33的分開的部分排列為與一個行(或列)中的負電壓電極31的分開的部分交替(如圖13所示)，或者排列為矩陣形式(如圖14所示)。如圖15或圖16所示，電容式耦合電極31和33可形成為多個方形或圓形平板式的區域電極。如圖17所示，電容式耦合電極31和33可形成為圓柱形狀的柱式結構。如圖18至圖22所示，電容式耦合電極31、33可形成為平板式螺旋結構或同心圓圈結構，其中，電容式耦合電極相互交替。在這些結構中，多個電容式耦合電極31、33可僅僅包括一個正電壓電極33和一個負電 壓電極31。
如上所述，多個電容式耦合電極31、33可具有從柵欄式結構、平板式結構、突出式結構、圓柱式結構、同心圓圈或環形結構、螺旋結構以及直線結構中選擇的一或更多結構。此外，正電壓電極33和負電壓電極31可具有從各種陣列結構中選擇的一或更多陣列結構，例如相互交替的直線陣列結構、矩陣式陣列結構、相互交替的螺旋陣列結構以及相互交替的同心陣列結構。在電容式耦合電極31與33之間可形成絕緣層(未顯示)。
再次參照圖1，支撐待處理的基底的支撐座12包括在電漿反應器10內。基底支撐座12連接到偏壓電源42、43，並且被偏壓。例如，提供不同射頻功率的兩個偏壓電源42、43藉由阻抗匹配裝置44電連接到基底支撐座12，從而使基底支撐座12被偏壓。基底支撐座12的雙偏壓結構使其易於在電漿反應器10內產生電漿，並更好地改善電漿離子能量的控制，從而改善處理生產率。基底支撐座12可修改為單一偏壓結構。支撐座12可修改為零電動勢結構，不提供偏壓功率。此外，基底支撐座12可包括靜電夾具。基底支撐座12還可包括加熱器。
多個電容式耦合電極31、33通過經由阻抗匹配裝置41和分配電路50接收主電源40產生的射頻功率而被驅動，從而在電漿反應器10內誘發電容式耦合電漿。主電源40可利用能夠控制輸出功率的射頻發生器形成，不需要任何單獨的阻抗匹配裝置。分配電路50將主電源40提供的 射頻功率分配到要被並行驅動的多個電容式耦合電極31、33。較佳地，分配電路50包括電流平衡電路，使得提供給多個電容式耦合電極31、33的電流在每個電極中自動平衡。通過多個電容式耦合電極31、33，根據本發明的電容式耦合電漿反應器能夠均勻地產生大面積電漿。此外，由於在並行驅動多個電容式耦合電極中自動進行電流平衡，所以更均勻地產生並維持大面積電漿。
圖23示出包括電流平衡電路的分配電路的實例。
參照圖23，分配電路50包括多個變壓器52，變壓器52並行驅動多個電容式耦合電極31、33，並執行電流的平衡。每個變壓器52的第一側串聯連接在接地與輸入射頻的功率輸入端子之間。每個變壓器52的第二側的一端被連接以對應多個電容式耦合電極31、33，每個變壓器52的第二側的另一端共同接地。變壓器52相等地劃分功率輸入端子與接地之間的電壓，並將多個劃分後的電壓輸出到多個電容式耦合電極31、33之中的對應的正電壓電極33。多個電容式耦合電極31、33之中的負電壓電極31共同接地。
由於流向每個變壓器52的第一側的電流相同，所以供應給每個正電壓電極33的功率相同。當多個電容式耦合電極31、33之中的任何阻抗改變，從而改變電流的大小時，多個變壓器52全部相互作用，執行電流平衡。因此，提供給多個電容式耦合電極31、33的電流被連續、自動地控制為彼此相同。在多個變壓器52中，第一側與 第二側的繞組比基本上設定為1：1，但也可以不同。
上述電流平衡電路50可包括保護電路(未示出)，以防止變壓器52的任何過量電壓。當對應的變壓器電開路時，保護電路防止任一變壓器的過量電壓增加。較佳地，具有這種功能的保護電路可通過將變阻器連接到每個變壓器52的第一側的兩端來實現，或者通過利用例如齊納二極體的正電壓二極體來實現。電流平衡電路50還可包括例如補償電容器51的補償電路，以補償每個變壓器52中的漏電流。
圖24至圖26示出分配電路的不同修改。
參照圖24，在修改後的電流平衡電路50中，多個變壓器52的第二側各包括接地的中心突出部，使得每個第二部分的一端輸出正電壓，而另一端輸出負電壓。正電壓被提供給多個電容式耦合電極的正電壓電極33，而負電壓被提供給多個電容式耦合電極的負電壓電極31。
參照圖25和圖26，另一種修改後的電流平衡電路可包括電壓位準控制電路60，電壓位準控制電路60能夠改變電流平衡控制範圍。電壓位準控制電路60包括：線圈61，包括多個突出部；以及多個突出部的開關電路62，用於將多個突出部中的任一個接地。電壓位準控制電路60將取決於多個突出部的開關電路62的開關位置而改變的電壓位準施加到電流平衡電路50。通過電壓位準控制電路60確定的電壓位準，電流平衡電路50改變電流平衡控制範圍。
舉例說明的實施例2
圖27為顯示根據本發明第二舉例說明的實施例的電漿反應器的剖視圖。
參照圖27，根據本發明較佳實施例的電容式耦合電漿反應器包括：並行形成的第一、第二電漿反應器110和115；以及第一、第二電容式耦合電極元件130和135，分別在第一、第二電漿反應器110和115內誘發電漿放電。氣體供應單元120設置在第一、第二電容式耦合電極元件130和135之間。在第一、第二電漿反應器110和115中，容置待處理的基底113和118的支撐座112和117設置在一個側壁上，該側壁與第一、第二電容式耦合電極元件130和135相對。氣體供應單元120形成在第一、第二電容式耦合電極元件130和135之間，並通過第一、第二電容式耦合電極元件130和135的氣體注入孔132和137，將氣體供應源(未示出)提供的氣體供應到第一、第二電漿反應器110和115內。通過阻抗匹配裝置141和分配電路150，主電源140產生的射頻功率被提供給包括在第一、第二電容式耦合電極元件130和135中的多個電容式耦合電極131、133、136和138，從而在第一、第二電漿反應器110和115內誘發電容式耦合電漿。通過第一、第二電漿反應器110和115內產生的電漿進行待處理的基底113和118的電漿處理。
第一、第二電漿反應器110和115各包括反應器體 111和116以及支撐座112和117，待處理的基底113和118放在支撐座112和117上。反應器體111和116可由金屬材料製成，例如鋁、不誘鋼或銅。反應器體111和116可由被包覆的金屬製成，例如陽極處理的鋁或鍍鎳鋁。反應器體111和116可由難熔金屬製成。或者，反應器體111和116可完全地或部分地由電絕緣材料製成，例如石英或陶瓷。如上所述，反應器體111和116可用適於進行所需電漿處理的任何材料製造。根據待處理的基底113和118，反應器體111和116可具有適於均勻產生電漿的結構，例如圓形結構、方形結構或任何其他形狀的結構。
待處理的基底113和118的實例可包括晶圓基底、玻璃基底、塑膠基底等等，用於製造各種裝置，例如半導體裝置、顯示器裝置、太陽能電池等等。第一、第二電漿反應器110和115連接到真空泵(未示出)。通過使用單個真空泵，第一、第二電漿反應器110和115可具有共同的抽真空結構，或者通過使用分離的真空泵，第一、第二電漿反應器110和115可具有它們各自的抽真空結構。在本發明的此實施例中，第一、第二電漿反應器110和115以低於大氣壓的低壓分別對待處理的基底113和118進行電漿處理。但是，根據本發明的電容式耦合電漿反應器可用作在大氣壓下對待處理的基底進行電漿處理的大氣壓電漿處理系統。
圖28是示出電容式耦合電極組件130和135以及氣體供應單元120的立體圖。
參照圖28，氣體供應單元120設置在第一、第二電容式耦合電極元件130和135之間。氣體供應單元120包括連接到氣體供應源(未示出)的多個氣體供應管道121。每個氣體供應管道121獨立地包括控制閥124以控制氣體供應流量。多個氣體供應管道121可配置為使得其氣體供應流量無區別地受控。或者，多個氣體供應管道121可配置為使得其氣體供應流量全體地或個別地受控。
每個氣體供應管道121包括多個氣體注入埠122和123，多個氣體注入埠122和123連接到電極安裝板134和139的多個對應的氣體注入孔132和137。氣體供應源提供的氣體通過多個氣體供應管道121均勻地分配，並通過多個氣體注入埠122、123以及與氣體注入埠122、123對應的的多個氣體注入孔132、137均勻地注入第一、第二電漿反應器110和115內。多個氣體供應管道121可配置為包括分為兩組的氣體供應通道。多個氣體供應管道121可配置為單獨地供應不同的氣體，從而提高電漿處理的均勻性。
第一、第二電容式耦合電極元件130和135包括多個電容式耦合電極131、133、136和138，以在第一、第二電漿反應器110和115內誘發電容式耦合電漿的放電。多個電容式耦合電極131、133、136和138分別安裝在電極安裝板134和139上。電極安裝板134和139設置為與第一、第二電漿反應器110和115的支撐座112和117相對。多個電容式耦合電極131、133、136和138水平地或垂 直地排列，以安裝在電極安裝板134和139上。多個電容式耦合電極131、133、136和138具有的結構是：多個正電壓電極133、138平行排列，與多個負電壓電極131、136交替。多個電容式耦合電極131和133具有直線的柵欄式結構，在該結構中，它們從電極安裝板134突出。如圖29所示，多個電容式耦合電極131、133、136和138可由導電區171以及覆蓋導電區171外表面的絕緣區170形成。或者，多個電容式耦合電極131、133、136和138可只包括導電區171。電容式耦合電極131、133、136和138的形狀和陣列結構可被多樣地修改，如下所述。
電極安裝板134包括多個氣體注入孔132，電極安裝板139包括多個氣體注入孔137。氣體注入孔132設置在多個電容式耦合電極131和133之間，從而相互分隔開預定距離，氣體注入孔137設置在多個電容式耦合電極136和138之間，從而相互分隔開預定距離。每個電極安裝板134和139可由金屬材料、非金屬材料或者它們的混合物構成。當電極安裝板134和139由金屬材料構成時，各電絕緣結構形成在電容式耦合電極131與133之間和電容式耦合電極136與138之間。每個電極安裝板134和139安裝為形成每個反應器體111和116的一個側壁，但是也可以沿著每個反應器體111和116的頂板和底部的兩側的壁表面安裝，以提高電漿處理效率。每個電極安裝板134和139可沿著每個反應器體111和116的一個側壁和每個反應器體111和116的頂板和底部的兩側的壁表面安裝。每 個電極安裝板134和139可包括冷卻通道(未示出)或加熱通道(未示出)，以適當地控制溫度。
圖30至圖36是電容式耦合電極組件的剖視圖，顯示電容式耦合電極的各種修改實例。
如圖30所示，每個電容式耦合電極131、133、136和138可具有柵欄式結構，其截面可為“T”形結構。在這種結構中，每個電容式耦合電極安裝的方式可以是，頭部固定在電極安裝板134上，或上側朝下。如圖31所示，每個電容式耦合電極131、133、136和138的截面可以是寬度窄的平板式結構。如圖32或圖33所示，每個電容式耦合電極131、133、136和138的截面可以是三角形結構或倒三角形結構。或者，如圖34至圖36所示，每個電容式耦合電極131、133、136和138的截面可以是圓柱杆形結構、水平方向更寬的橢圓結構或垂直方向更寬的橢圓結構。如上所述，電容式耦合電極131、133、136和138的截面可以是各種形狀，例如圓形、橢圓形或多邊形。
圖37至圖47是電容式耦合電極組件的底部平面圖，示出電容式耦合電極的平面結構和平面陣列結構的不同修改。
如圖37所示，形成多個電容式耦合電極131、133、136和138的多個正電壓電極133、138以及多個負電壓電極131、136交替排列。多個氣體注入孔132可設置在多個電容式耦合電極131和133之間，多個氣體注入孔137可設置在多個電容式耦合電極136和138之間。
如圖38或圖39所示，每個正電壓電極133、138以預定長度分成多個部分，每個負電壓電極131、136也以預定長度分成多個部分。每個正電壓電極133、138的分開的部分排列在同一行(或列)中，每個負電壓電極131、136的分開的部分也排列在同一行(或列)中。一個行(或列)中的每個正電壓電極133、138的分開的部分排列為與一個行(或列)中的每個負電壓電極131、136的分開的部分交替(如圖38所示)，或者排列為矩陣形式(如圖39所示)。如圖40或圖41所示，電容式耦合電極131、133、136和138可形成為多個方形或圓形平板式區域電極。如圖42所示，電容式耦合電極131、133、136和138可形成為如圓柱形狀的柱式結構。如圖43至圖48所示，電容式耦合電極131、133、136和138可形成為平板式螺旋結構或同心圓圈結構，其中，電容式耦合電極131、133相互交替，而電容式耦合電極136、138相互交替。在這些結構中，多個電容式耦合電極131、133可僅僅包括一個正電壓電極133和一個負電壓電極131，而多個電容式耦合電極136、138可僅僅包括一個正電壓電極138和一個負電壓電極136。
如上所述，多個電容式耦合電極131、133、136和138可具有從柵欄式結構、平板式結構、突出式結構、圓柱式結構、同心圓圈或環形結構、螺旋結構以及直線結構中選擇的一或更多結構。此外，多個正電壓電極133和多個負電壓電極131可具有從各種陣列結構中選擇的一或更 多陣列結構，例如相互交替的直線陣列結構、矩陣式陣列結構、相互交替的螺旋陣列結構以及相互交替的同心陣列結構。以同樣的方式，多個正電壓電極138和多個負電壓電極136可具有從各種陣列結構中選擇的一或更多陣列結構，例如相互交替的直線陣列結構、矩陣式陣列結構、相互交替的螺旋陣列結構以及相互交替的同心陣列結構。在電容式耦合電極131與133之間以及在電容式耦合電極136與138之間可形成絕緣層(未示出)。
再次參照圖27，支撐每個待處理的基底113、118的每個支撐座112、117包括在第一、第二電漿反應器110、115的每一個內。基底支撐座112連接到偏壓電源142、143，並被偏壓，而基底支撐座117連接到偏壓電源145、146，並被偏壓。例如，提供不同射頻功率的兩個偏壓電源142、143通過阻抗匹配裝置144電連接到基底支撐座112，使基底支撐座112被偏壓，而提供不同射頻功率的兩個偏壓電源145、146通過阻抗匹配裝置147電連接到基底支撐座117，使基底支撐座117被偏壓。
每個基底支撐座112、117的雙偏壓結構使其易於在第一和第二電漿反應器110、115的每一個內產生電漿，並更好地改善電漿離子能量的控制，從而改善處理生產率。每個基底支撐座112、117可修改為單一偏壓結構。每個基底支撐座112、117可修改為零電動勢結構，不提供偏壓功率。此外，每個基底支撐座112、117可包括靜電夾具。每個基底支撐座112、117還可包括加熱器。
多個電容式耦合電極131、133、136和138通過經由阻抗匹配裝置141和分配電路150接收主電源140產生的射頻功率而被驅動，從而在第一、第二電漿反應器110、115內誘發電容式耦合電漿。主電源140可利用能夠控制輸出功率的射頻發生器形成，不需要任何單獨的阻抗匹配裝置。分配電路150將主電源140提供的射頻功率分配到要被並行驅動的多個電容式耦合電極131、133、136和138。較佳地，分配電路150包括電流平衡電路，使得提供給多個電容式耦合電極131、133、136和138的電流在每個電極中自動平衡。通過多個電容式耦合電極131、133、136和138，根據本發明的電容式耦合電漿反應器能夠均勻地產生大面積電漿。此外，由於在並行驅動多個電容式耦合電極中自動進行電流平衡，所以更均勻地產生並維持大面積電漿。
圖48示出包括電流平衡電路的分配電路的實施例。
參照圖48，分配電路150包括多個變壓器152，變壓器152並行驅動多個電容式耦合電極131、133、136和138，並進行電流的平衡。每個變壓器152的第一側串聯連接在接地與輸入射頻的功率輸入端子之間。每個變壓器152的第二側的一端被連接以對應多個電容式耦合電極131、133、136和138，每個變壓器152的第二側的另一端共同接地。變壓器152相等地劃分功率輸入端子與接地之間的電壓，並將許多劃分後的電壓輸出到多個電容式耦合電極131、133、136和138之中的對應的正電壓電極 133、138。多個電容式耦合電極131、133、136和138之中的負電壓電極131、136共同接地。
由於流向每個變壓器152的第一側的電流相同，所以供應給每個正電壓電極133、138的功率相同。當多個電容式耦合電極131、133、136和138之中的任何阻抗改變，從而改變電流的大小時，多個變壓器152全部相互作用，進行電流平衡。因此，提供給多個電容式耦合電極131、133、136和138的電流被連續、自動地控制為彼此相同。在多個變壓器152中，第一側與第二側的繞組比基本上設定為1：1，但也可以不同。
上述電流平衡電路150可包括保護電路(未示出)，以防止變壓器152的任何過量電壓。當對應的變壓器電開路時，保護電路防止任一變壓器152的過量電壓增加。較佳地，具有這種功能的保護電路可通過將變阻器連接到每個變壓器152的第一側的兩端來實現，或者通過利用例如齊納二極體的正電壓二極體來實現。電流平衡電路150還可包括例如補償電容器151的補償電路，以補償每個變壓器152中的漏電流。
圖49至圖54示出分配電路的不同修改。
參照圖49，在修改後的電流平衡電路150中，多個變壓器152的第二側各包括接地的中心突出部，使得每個第二部分的一端輸出正電壓，而另一端輸出負電壓。正電壓被提供給多個電容式耦合電極的正電壓電極133、138，而負電壓被提供給多個電容式耦合電極的負電壓電極131、 136。
參照圖50，另一種修改後的電流平衡電路150a可包括第一電流平衡電路150a，另一種修改後的電流平衡電路150b可包括第二電流平衡電路150b。第一、第二電流平衡電路150a、150b並聯連接到阻抗匹配裝置141。第一電流平衡電路150a配置為對應於第一電容式耦合電極組件130的多個電容式耦合電極131、133，而第二電流平衡電路150b配置為對應於第二電容式耦合電極元件135的多個電容式耦合電極136、138。
參照圖51和圖52，另一種修改後的電流平衡電路150可包括電壓位準控制電路160，電壓位準控制電路160能夠改變電流平衡控制範圍。電壓位準控制電路160包括：線圈161，包括多個突出部；以及多個突出部的開關電路162，用於將多個突出部中的任一個接地。電壓位準控制電路160將取決於多個突出部的開關電路162的開關位置而改變的電壓位準施加到電流平衡電路150。通過電壓位準控制電路160確定的電壓位準，電流平衡電路150改變電流平衡控制範圍。此外，如圖53和圖54所示，在包括第一、第二電流平衡電路150a、150b的情形下，可以以相同的方式分別包括電壓位準控制電路160a、160b。
根據本發明的電容式耦合電漿反應器，通過多個電容式耦合電極均勻地產生大面積電漿。此外，由於在並行驅動多個電容式耦合電極時電流自動地平衡，所以電容式耦合電極的電容式耦合得到均勻的控制，從而均勻地產生高 密度電漿。此外，由於使用多個電容式耦合電極，所以易於實現大面積電漿。此外，由於同時處理兩個或更多個大面積基底，所以提高了單位設備面積的基底處理速度。
通過較佳實施例描述了本發明。但是，應理解本發明的範圍不限於所公開的實施例。相反地，本發明的範圍意欲包括落入本領域技術人員使用目前已知的技術或未來技術以及均等性的能力範圍內的各種修改型和替代裝置。因此，申請專利範圍的範圍應當符合最寬泛的解釋，以包含所有這樣的修改和類似裝置。
產業利用性
根據本發明的電容式耦合電漿反應器可非常有效地應用於電漿處理製程以形成各種薄膜，例如半導體積體電路製造、平板顯示器製造以及太陽能電池製造。具體而言，根據本發明的電容式耦合電漿反應器能夠利用多個電容式耦合電極均勻地產生大面積電漿。此外，在並行驅動多個電容式耦合電極時電流自動地平衡，使得更均勻地產生並維持大面積電漿。
8‧‧‧真空泵
10‧‧‧電漿反應器
11‧‧‧反應器體
12‧‧‧支撐座
13‧‧‧基底
20‧‧‧氣體供應單元
21‧‧‧氣體入口
22‧‧‧氣體分配板
23‧‧‧氣體注入埠
30‧‧‧電容式耦合電極組件
31‧‧‧電容式耦合電極
32‧‧‧氣孔
33‧‧‧電容式耦合電極
34‧‧‧電極安裝板
40‧‧‧主電源
41‧‧‧阻抗匹配裝置
42‧‧‧偏壓電源
43‧‧‧偏壓電源
44‧‧‧阻抗匹配裝置
50‧‧‧分配電路
51‧‧‧補償電容器
52‧‧‧變壓器
60‧‧‧電壓位準控制電路
61‧‧‧線圈
62‧‧‧開關電路
70‧‧‧絕緣區
71‧‧‧傳導區
110‧‧‧第一電漿反應器
111‧‧‧反應器體
112‧‧‧支撐座
113‧‧‧基底
115‧‧‧第二電漿反應器
116‧‧‧反應器體
117‧‧‧支撐座
118‧‧‧基底
120‧‧‧氣體供應單元
121‧‧‧氣體供應管道
122‧‧‧氣體注入埠
123‧‧‧氣體注入埠
130‧‧‧第一電容式耦合電極組件
131‧‧‧電容式耦合電極
132‧‧‧氣體注入埠
133‧‧‧電容式耦合電極
134‧‧‧電極安裝板
135‧‧‧第二電容式耦合電極組件
136‧‧‧電容式耦合電極
137‧‧‧氣體注入埠
138‧‧‧電容式耦合電極
139‧‧‧電極安裝板
140‧‧‧主電源
141‧‧‧阻抗匹配裝置
142‧‧‧偏壓電源
143‧‧‧偏壓電源
144‧‧‧阻抗匹配裝置
145‧‧‧偏壓電源
146‧‧‧偏壓電源
147‧‧‧阻抗匹配裝置
150‧‧‧分配電路
150a‧‧‧第一電流平衡電路
150b‧‧‧第二電流平衡電路
151‧‧‧補償電容器
152‧‧‧變壓器
160‧‧‧電壓位準控制電路
160a‧‧‧電壓位準控制電路
160b‧‧‧電壓位準控制電路
161‧‧‧線圈
162‧‧‧開關電路
170‧‧‧絕緣區
171‧‧‧傳導區
對於本領域技術人員來說，參照附圖對較佳實施例的詳細描述，本發明的上述和其他特點、優點將更加明顯，其中：圖1是示出根據本發明第一舉例說明的實施例的電漿 反應器的剖視圖；圖2是反應器上部的部分剖視圖，顯示設置在電容式耦合電極安裝板上的氣體供應單元；圖3是顯示電容式耦合電極組件的立體圖；圖4是顯示電容式耦合電極的剖視圖；圖5至圖11是電容式耦合電極組件的剖視圖，顯示電容式耦合電極的不同修改；圖12至圖22是電容式耦合電極組件的底部平面圖，顯示電容式耦合電極的平面結構和平面陣列結構的不同修改；圖23顯示包括電流平衡電路的分配電路的實施例；圖24至圖26顯示分配電路的不同修改；圖27是顯示根據本發明第二舉例說明的實施例的電漿反應器的剖視圖；圖28是顯示電容式耦合電極元件和氣體供應單元的立體圖；圖29是顯示電容式耦合電極的剖視圖；圖30至圖36是電容式耦合電極組件的剖視圖，顯示電容式耦合電極的不同修改實施例；圖37至圖47是電容式耦合電極組件的底部平面圖，顯示電容式耦合電極的平面結構和平面陣列結構的不同修改；圖48顯示包括電流平衡電路的分配電路的實施例；以及 圖49至圖54顯示分配電路的不同修改。
8‧‧‧真空泵
10‧‧‧電漿反應器
11‧‧‧反應器體
12‧‧‧支撐座
13‧‧‧基底
20‧‧‧氣體供應單元
21‧‧‧氣體入口
22‧‧‧氣體分配板
23‧‧‧氣體注入埠
30‧‧‧電容式耦合電極組件
31‧‧‧電容式耦合電極
32‧‧‧氣孔
33‧‧‧電容式耦合電極
34‧‧‧電極安裝板
40‧‧‧主電源
41‧‧‧阻抗匹配裝置
42‧‧‧偏壓電源
43‧‧‧偏壓電源
44‧‧‧阻抗匹配裝置
50‧‧‧分配電路

Claims (36)

  1. 一種電容式耦合電漿反應器，包括：電漿反應器；電容式耦合電極組件，包括多個電容式耦合電極，用於在該電漿反應器內誘發電漿放電；主電源，用於提供射頻功率；以及分配電路，用於接收該主電源提供的該射頻功率，並將接收的該射頻功率分配到該多個電容式耦合電極，其中，該分配電路包括電流平衡電路，用於控制提供給該多個電容式耦合電極的電流的平衡；以及其中，該電流平衡電路並行驅動該多個電容式耦合電極，並包括多個變壓器，用於執行該電流的該平衡。
  2. 如申請專利範圍第1項的電容式耦合電漿反應器，還包括：阻抗匹配裝置，設置在該主電源與該分配電路之間，用於進行阻抗匹配。
  3. 如申請專利範圍第1項的電容式耦合電漿反應器，其中，該多個變壓器具有第一側和第二側，該第一側串聯連接在接地與輸入該射頻的功率輸入端子之間，該第二側連接到該多個對應的電容式耦合電極。
  4. 如申請專利範圍第3項的電容式耦合電漿反應器，其中，該多個變壓器的該等第二側各包括接地的中心突出部，每個第二側的一端輸出正電壓，其另一端輸出負電壓，並且該正電壓被提供給該多個電容式耦合電極的正電 壓電極，該負電壓被提供給該多個電容式耦合電極的負電壓電極。
  5. 如申請專利範圍第1項的電容式耦合電漿反應器，其中，該電流平衡電路包括電壓位準控制電路，該電壓位準控制電路能夠改變電流平衡控制範圍。
  6. 如申請專利範圍第1項的電容式耦合電漿反應器，其中，該電流平衡電路包括補償電路，用於補償漏電流。
  7. 如申請專利範圍第1項的電容式耦合電漿反應器，其中，該電流平衡電路包括保護電路，用於防止過量電壓產生的任何損害。
  8. 如申請專利範圍第1項的電容式耦合電漿反應器，其中，該多個電容式耦合電極包括導電區和絕緣區。
  9. 如申請專利範圍第1項的電容式耦合電漿反應器，其中，該電容式耦合電極組件包括絕緣層，該絕緣層設置在該多個電容式耦合電極之間。
  10. 如申請專利範圍第1項的電容式耦合電漿反應器，其中，該電容式耦合電極組件包括電極安裝板，該多個電容式耦合電極安裝在該電極安裝板上。
  11. 如申請專利範圍第10項的電容式耦合電漿反應器，其中，該電極安裝板包括多個氣體注入孔和氣體供應單元，以通過該等氣體注入孔向該電漿反應器內供應氣體。
  12. 如申請專利範圍第1項的電容式耦合電漿反應器 ，其中，該電漿反應器在內部包括支撐座，並且在其上放置待處理的基底的該支撐座被偏壓或者不被偏壓。
  13. 如申請專利範圍第12項的電容式耦合電漿反應器，其中，該支撐座由單一頻率功率偏壓，或者由兩個或更多個不同頻率功率偏壓。
  14. 如申請專利範圍第12項的電容式耦合電漿反應器，其中，該支撐座包括靜電夾具。
  15. 如申請專利範圍第12項的電容式耦合電漿反應器，其中，該支撐座包括加熱器。
  16. 如申請專利範圍第1項的電容式耦合電漿反應器，其中，該多個電容式耦合電極包括多個正電壓電極和多個負電壓電極，以及，該正電壓電極和該負電壓電極具有從相互交替的直線陣列結構、矩陣式陣列結構、相互交替的螺旋陣列結構以及相互交替的同心陣列結構中選擇的一或更多陣列結構。
  17. 如申請專利範圍第16項的電容式耦合電漿反應器，其中，該正電壓電極和該負電壓電極具有從柵欄式結構、平板式結構、突出式結構、圓柱式結構、環形結構、螺旋結構以及直線結構中選擇的一或更多結構。
  18. 一種電容式耦合電漿反應器，包括：第一電漿反應器；第二電漿反應器；第一電容式耦合電極組件，包括多個電容式耦合電極，用於在該第一電漿反應器內誘發電漿放電； 第二電容式耦合電極組件，包括多個電容式耦合電極，用於在該第二電漿反應器內誘發電漿放電；主電源，用於提供射頻功率；以及分配器電路，用於接收該主電源提供的該射頻功率，並將接收的該射頻功率分配到該第一和第二電容式耦合電極元件的該多個電容式耦合電極，其中，該分配器電路包括電流平衡電路，該電流平衡電路用於控制提供給該第一和第二電容式耦合電極組件的該多個電容式耦合電極的電流的平衡；以及其中，該電流平衡電路並行驅動該第一和第二電容式耦合電極組件的該多個電容式耦合電極，並包括多個變壓器，用於執行該電流的該平衡。
  19. 如申請專利範圍第18項的電容式耦合電漿反應器，還包括：阻抗匹配裝置，設置在該主電源與該分配器電路之間，用於執行阻抗匹配。
  20. 如申請專利範圍第18項的電容式耦合電漿反應器，其中，該多個變壓器具有第一側和第二側，該第一側串聯連接在接地與輸入該射頻的功率輸入端子之間，該第二側連接到該第一和第二電容式耦合電極組件的該多個對應的電容式耦合電極。
  21. 如申請專利範圍第20項的電容式耦合電漿反應器，其中，該多個變壓器的該第二側各包括接地的中心突出部，每個第二側的一端輸出正電壓，其另一端輸出負電 壓，並且該正電壓被提供給該多個電容式耦合電極的正電壓電極，該負電壓被提供給該多個電容式耦合電極的負電壓電極。
  22. 如申請專利範圍第18項的電容式耦合電漿反應器，其中，該電流平衡電路包括電壓位準控制電路，該電壓位準控制電路能夠改變電流平衡控制範圍。
  23. 如申請專利範圍第18項的電容式耦合電漿反應器，其中，該電流平衡電路包括補償電路，用於補償漏電流。
  24. 如申請專利範圍第18項的電容式耦合電漿反應器，其中，該電流平衡電路包括保護電路，用於防止過量電壓產生的任何損害。
  25. 如申請專利範圍第18項的電容式耦合電漿反應器，其中，該多個電容式耦合電極包括導電區和絕緣區。
  26. 如申請專利範圍第18項的電容式耦合電漿反應器，其中，該第一和第二電容式耦合電極組件的每一個包括絕緣層，該絕緣層設置在該等電容式耦合電極之間。
  27. 如申請專利範圍第18項的電容式耦合電漿反應器，其中，該第一和第二電容式耦合電極組件的每一個包括電極安裝板，該多個電容式耦合電極安裝在該電極安裝板上。
  28. 如申請專利範圍第27項的電容式耦合電漿反應器，其中，該第一和第二電容式耦合電極組件的每一個的該電極安裝板包括多個氣體注入孔和氣體供應單元，以通 過該等氣體注入孔向該第一和第二電漿反應器的每一個的內部供應氣體。
  29. 如申請專利範圍第28項的電容式耦合電漿反應器，其中，該氣體供應單元包括多個氣體供應管道。
  30. 如申請專利範圍第29項的電容式耦合電漿反應器，其中，該氣體供應管道的每一個包括控制閥，該控制閥用於獨立地控制氣體供應流量。
  31. 如申請專利範圍第18項的電容式耦合電漿反應器，其中，該第一和第二電漿反應器的每一個在內部包括支撐座，並且其上放置待處理的基底的該支撐座被偏壓或者不被偏壓。
  32. 如申請專利範圍第31項的電容式耦合電漿反應器，其中，該支撐座由單一頻率功率偏壓，或者由兩個或更多個不同頻率功率偏壓。
  33. 如申請專利範圍第31項的電容式耦合電漿反應器，其中，該支撐座包括靜電夾具。
  34. 如申請專利範圍第32項的電容式耦合電漿反應器，其中，該支撐座包括加熱器。
  35. 如申請專利範圍第18項的電容式耦合電漿反應器，其中，該多個電容式耦合電極包括多個正電壓電極和多個負電壓電極，並且該正電壓電極和該負電壓電極具有從相互交替的直線陣列結構、矩陣式陣列結構、相互交替的螺旋陣列結構以及相互交替的同心陣列結構中選擇的一或更多陣列結構。
  36. 如申請專利範圍第35項的電容式耦合電漿反應器，其中，該正電壓電極和該負電壓電極具有從柵欄式結構、平板式結構、突出式結構、圓柱式結構、環形結構、螺旋結構以及直線結構中選擇的一或更多結構。
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