CN112992631B - 一种下电极组件，其安装方法及等离子体处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种下电极组件，其安装方法及所处的等离子体处理装置，通过在聚焦环和介电环与基座之间设置一介电套筒，以及在介电套筒与基座之间的缝隙内设置弹性材料层，避免了基片和聚焦环上方的等离子体泄露到基座与边缘环组件之间的缝隙内，降低了下电极组件可能出现的电弧放电的可能性。受限于基座及各边缘环的尺寸限制，本发明通过先安装该介电套筒，使得在基座与边缘环组件之间的缝隙内设置弹性材料层的安装难度大大降低，有效的保证了下电极组件的使用安全。

Description

一种下电极组件，其安装方法及等离子体处理装置

技术领域

本发明涉及等离子体刻蚀技术领域，尤其涉及一种在高射频功率下防止下电极组件产生电弧的等离子体处理技术领域。

背景技术

对半导体基片或衬底的微加工是一种众所周知的技术，可以用来制造例如，半导体、平板显示器、发光二极管(LED)、太阳能电池等。微加工制造的一个重要步骤为等离子体处理工艺步骤，该工艺步骤在一反应室内部进行，工艺气体被输入至该反应室内。射频源被电感和/或电容耦合至反应室内部来激励工艺气体，以形成和保持等离子体。在反应室内部，暴露的基片被下电极组件支撑，并通过某种夹持力被固定在一固定的位置，以保证工艺制程中基片的安全性及加工的高合格率。

下电极组件不仅包括固定基片的静电夹盘和支撑静电夹盘的基座，还包括环绕设置在基座周围的边缘环组件，在对基片进行制程工艺过程中，下电极组件除了用于支撑固定基片，还用于对基片的温度、电场分布等进行控制。

现有技术中，基座常用的材料为铝，而环绕基座外围的插入环材料通常为陶瓷材料，由于二者的热膨胀系数相差较大，为了保证基座在较大温度范围内工作，插入环与基座之间要设置一定空间以容纳基座的热胀冷缩。

随着基片的加工精度越来越高，施加到反应腔内的射频功率越来越大。高射频功率很容易在反应腔内的狭小空间内产生放电，损害基座及其外围组件，严重威胁下电极组件工作的稳定性和安全性，因此，亟需一种解决方案以适应不断提高的射频施加功率和基片的处理均匀性要求。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种下电极组件，用于承载待处理基片，包括一基座，位于基座上方的静电夹盘以及环绕所述基座和静电夹盘的边缘环组件，所述边缘环组件包括：

聚焦环，环绕所述基片和静电夹盘设置；

介电套筒，环绕所述基座设置，所述介电套筒与所述基座之间设有一缝隙；

介电环，位于所述聚焦环下方，环绕所述介电套筒设置；

保护环，位于所述聚焦环与所述静电夹盘之间，所述保护环为耐等离子体腐蚀材料。

可选的，所述缝隙内设有弹性材料层。

可选的，所述基座与所述静电夹盘的连接面外围环绕设置一环形凹陷槽，所述保护环位于所述凹陷槽内。

可选的，所述保护环的径向宽度大于所述环形凹陷槽的凹陷深度，以填充所述聚焦环与所述静电夹盘之间的缝隙。

可选的，所述保护环为高分子材料。

可选的，所述保护环为硬质橡胶或环氧基树脂。

可选的，所述保护环下方设置一下保护环，所述下保护环与所述弹性材料层的材质相同。

可选的，所述下保护环和所述弹性材料层材质为硅胶。

可选的，所述介电套筒上设置第一台阶，所述第一台阶用于承载所述下保护环。

可选的，所述介电套筒上设置第二台阶，所述第二台阶用于承载所述介电环。

可选的，所述聚焦环的一部分环绕所述介电套筒。

进一步的，本发明还公开了一种等离子体处理装置，包括一真空反应腔，所述真空反应腔内设置一下电极组件，所述下电极组件包括上文所述的特征。

可选的，所述真空反应腔内还包括一上电极组件，所述上电极组件包括向所述真空反应腔内输送工艺气体的气体喷淋头。

可选的，所述真空反应腔上方设置一绝缘窗口，所述绝缘窗口上方设置一电感线圈。

进一步的，本发明还公开了一种下电极组件的安装方法，包括下列步骤：

提供一带有静电夹盘的基座；

将一介电套筒套设在基座的外围，所述介电套筒与所述基座之间设置一定缝隙；

向所述缝隙注入弹性材料层，该弹性材料层实现对所述缝隙的填充；

将所述基座及介电套筒放入反应腔内；

在所述缝隙靠近静电夹盘的一端设置一保护环，所述保护环用于遮挡聚焦环与静电夹盘之间的缝隙；

将所述介电环和聚焦环依次套设在所述介电套筒的外围。

本发明的优点在于：本发明提供了一种耐等离子体腐蚀的下电极组件及其安装方法，通过在聚焦环和介电环与基座之间设置一介电套筒，以及在介电套筒与基座之间的缝隙内设置弹性材料层，避免了基片和聚焦环上方的等离子体泄露到基座与边缘环组件之间的缝隙内，降低了下电极组件可能出现的电弧放电的可能性。受限于基座及各边缘环的尺寸限制，本发明通过先安装该介电套筒，使得在基座与边缘环组件之间的缝隙内设置弹性材料层的安装难度大大降低，解决了现有技术中插入环和聚焦环安装在基座周围后聚焦环与静电夹盘之间缝隙太小无法设置弹性材料层的难题。有效的保证了下电极组件的使用安全。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出一种电容耦合等离子体处理装置的结构示意图；

图2示出一种局部下电极组件结构示意图；

图3示出一种电感耦合等离子体处理装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示出一种电容耦合等离子体处理装置示意图，包括一由外壁10围成的可抽真空的反应腔100。反应腔100用于对基片103进行处理。反应腔内部包括一个下电极组件，用于对基片进行支撑的同时实现对基片温度及电场等影响基片处理因素的控制。下电极组件包括基座101，用于承载静电夹盘102，基座101内设温度控制装置，用于实现对上方基片的温度控制，静电夹盘102，用于承载基片103，静电夹盘内部设置直流电极，通过该直流电极在基片背面和静电夹盘承载面之间产生直流吸附以实现对基片的固定。环绕基座和静电夹盘外围设置边缘环组件50，用于对基片边缘区域的温度和电场分布等进行调节。环绕所述边缘环组件50设置等离子体约束环108，位于边缘环50与反应腔侧壁之间，用于将等离子体限制在反应区域同时允许气体通过；接地环109，位于等离子体约束环下方，作用是提供电场屏蔽，避免等离子体泄露。偏置射频电源，通常施加偏置射频信号至下电极组件，用于控制等离子体的轰击方向。本发明公开的下电极组件可以用于如图1所示的电容耦合等离子体处理装置。

在图1所示的电容耦合等离子体处理装置中，除下电极组件外还包括上电极组件，上电极组件包括气体喷淋头60，用于将气体供应装置中的工艺气体引入所述反应腔。一高频射频功率源施加高频射频信号至所述上电极组件或下电极组件的至少之一，以在所述上电极组件和所述下电极组件之间形成射频电场，将反应腔内的工艺气体激发为等离子体，实现等离子体对待处理基片的处理。

图2示出一种局部下电极组件结构示意图，在该图所示的结构中，下电极组件包括：聚焦环104，环绕基片和静电夹盘设置，用于对基片边缘区域的温度和电场分布等进行调节；聚焦环下方设置一介电环105，介电环用于维持聚焦环与基座的电位差，同时调节聚焦环的温度。介电环105和基座之间设置一介电套筒120，该介电套筒的材质与介电环的材质相同或具有近似的热膨胀系数，因此，当下电极组件受热时，介电套筒120与介电环105具有近似的热膨胀幅度。在本发明的实施例中，介电套筒120至少部分的位于聚焦环104与基座101之间，以保证导电的基座与聚焦环之间的电隔离。

本发明中，基座101的材质通常为导电的金属材质，如铝，而环绕基座的介电环105通常为陶瓷材料，由于基座101和介电环105的热膨胀系数不同，为避免部件受热发生挤压，因此在安装时需要在介电环和基座之间设置一定的间隙。随着基片的加工精度越来越高，施加到反应腔内的射频功率越来越大。高射频功率很容易在反应腔内的狭小空间内产生放电，损害基座及其外围组件，严重威胁下电极组件工作的稳定性和安全性。

本实施例所述的介电套筒120设置于介电环105和基座101之间，材质可选择为陶瓷材料，由于介电套筒120和介电环105彼此之间具有相同或近似的热膨胀系数，因此两个部件之间可以设置非常小的间隙或者不设置间隙，又因为介电套筒120和介电环105属于两个独立部件，能够较好的释放受热产生的应力，因此，介电套筒120与基座之间的间隙也可以相应减小。根据电弧放电原理，相同气压和施加电场的前提下，气体扩散空间越大，越容易产生电弧放电，因此，通过减小介电套筒120和基座之间的间隙，可以有效降低电弧放电产生的概率，提高下电极组件的安全电压工作范围。

介电套筒通常为基座制作完成后套设在基座外围，为了保证介电套筒顺利套设在基座外围，同时也为基座和介电套筒的热胀冷缩预留一定空间，介电套筒120与基座101之间需要设置一定缝隙113。聚焦环104环绕基片103和静电夹盘102外围设置，考虑到安装的精确度和聚焦环与静电夹盘之间的热膨胀幅度差异，聚焦环与静电夹盘之间也需要设置一定的缝隙。反应腔中的气体或等离子体沿着该缝隙向下扩散，当施加到基座上的射频电压过大时，基座与边缘环组件之间的缝隙会产生电弧放电现象，造成下电极组件的损伤，因此需要对其进行处理。

本发明在静电夹盘102与聚焦环104之间设置一耐等离子体腐蚀的保护环111，所述保护环可以为耐等离子体腐蚀的橡胶等材质，静电夹盘102的边缘区域或静电夹盘与基座101交界面的边缘区域设置一环形容纳槽，以实现对保护环111的容纳和定位，可选的，保护环111在径向上的宽度大于环形容纳槽的径向深度，以实现对聚焦环与静电夹盘之间缝隙的填充。

除此之外，为了进一步减小边缘环组件与基座之间发生电弧放电的概率，在将介电套筒120套设在基座外围后，可以在介电套筒120与基座之间缝隙内设置弹性材料层113。弹性材料层113可以与保护环为同一种材料，并且一体制作。考虑到弹性材料层的质地较软，耐等离子体腐蚀的能力稍弱，为了提高保护环111的使用寿命，选择弹性材料层113和保护环111可以为不同材料，保护环和弹性材料层的材料可选的为高分子材料，保护环可选的如硬质橡胶等材料。或者，如图3所示，保护环111下方设置下保护环112,可选的，下保护环112具有与弹性材料层113相同的材质，可以一体制成，也可以分别制成后依次装入介电套筒与基座之间的缝隙和聚焦环与基座之间的缝隙内。

保护环111可以有效填充在聚焦环与静电夹盘和基座之间的缝隙内，避免其上方的等离子体对静电夹盘102和基座101之间的粘结层(图中未示出)造成腐蚀，同时组织等离子体进入下方缝隙，降低电弧放电的产生。

介电套筒120与基座之间设置的弹性材料层113能够缓解不同材料之间热膨胀幅度不同造成的挤压，同时避免基座与边缘环组件之间存在缝隙导致可能出现的电弧放电问题，提高施加到基座上的射频电压的工作范围。进而适应更高精度的基片处理。

介电套筒可以设置在基座侧别的突出部上，也可以设置在其他支撑装置上方，本发明不对此展开叙述，介电套筒上分别设置台阶121和台阶122，台阶121用于支撑下保护环112，台阶122用于承载介电环105，当介电环105坐落于台阶122上时，通过介电环自身的重力或者外部施加的压力可以实现介电环与台阶122的紧密接触，避免进人聚焦环104与介电套筒之间缝隙的气体向下扩散，进而杜绝可能产生的电弧放电问题。

可选的，聚焦环104与介电环105之间设置热传导层106，和/或介电环105与基座之间设置热传导层107,以提高对聚焦环温度的传导能力。在其他实施例中，介电环也可以设置在其他能够独立控温的支撑部件上方，以实现对聚焦环区别于基片的温度独立控制。

可选的，本发明还提供了一种安装下电极组件的方法，包括下列步骤：

提供一带有静电夹盘102的基座101；

将介电套筒120套设在基座101的外围，介电套筒120与基座101之间存在一定缝隙；

向所述缝隙注入弹性材料层，该弹性材料层实现对所述缝隙的填充；

将所述基座及介电套筒放入反应腔内；

在所述缝隙靠近静电夹盘的一端设置一保护环，所述保护环用于遮挡聚焦环与静电夹盘之间的缝隙；

将所述介电环105和聚焦环104依次套设在所述介电套筒120的外围。

上文所述的下电极组件还可用于如图3所示的电感耦合等离子体等离子体处理装置内，在该实施例中，下电极组件具有如上文所述的结构，此处不再赘述，除此之外，反应腔上方设置一绝缘窗口130，绝缘窗口上方设置电感线圈140，一高频射频电源145施加射频信号至电感线圈140，电感线圈140产生交变的磁场，在反应腔内感应出交变电场，实现对进入反应腔内的工艺气体的等离子体解离。在本实施例中，工艺气体可以从反应腔侧壁注入反应腔，也可以在绝缘窗口上设置气体注入口以容纳工艺气体进入。偏置射频电源通过一偏置射频匹配施加到下电极组件，用于控制等离子体的能量分布。

本发明通过在聚焦环和介电环与基座之间设置一介电套筒，以及在介电套筒与基座之间的缝隙内设置弹性材料层，避免了基片和聚焦环上方的等离子体泄露到基座与边缘环组件之间的缝隙内，降低了下电极组件可能出现的电弧放电的可能性。受限于基座及各边缘环的尺寸限制，本发明通过先安装该介电套筒，使得在基座与边缘环组件之间的缝隙内设置弹性材料层的安装难度大大降低，解决了现有技术中插入环和聚焦环安装在基座周围后聚焦环与静电夹盘之间缝隙太小无法设置弹性材料层的难题。有效的保证了下电极组件的使用安全。

本发明公开的下电极组件不限于应用于上述两种实施例的等离子体处理装置，在其他等离子体处理装置中也可以适用，此处不再赘述。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (14)

1.一种下电极组件，用于承载待处理基片，包括一基座，位于基座上方的静电夹盘以及环绕所述基座和静电夹盘的边缘环组件，其特征在于，所述边缘环组件包括：

聚焦环，环绕所述基片和静电夹盘设置；

介电套筒，环绕所述基座设置，所述介电套筒与所述基座之间设有一缝隙；

介电环，位于所述聚焦环下方，环绕所述介电套筒设置；

保护环，位于所述聚焦环与所述静电夹盘之间，所述保护环为耐等离子体腐蚀材料；

所述缝隙内设有弹性材料层。

2.如权利要求1所述的下电极组件，其特征在于：所述基座与所述静电夹盘的连接面外围环绕设置一环形凹陷槽，所述保护环位于所述凹陷槽内。

3.如权利要求2所述的下电极组件，其特征在于：所述保护环的径向宽度大于所述环形凹陷槽的凹陷深度，以填充所述聚焦环与所述静电夹盘之间的缝隙。

4.如权利要求1所述的下电极组件，其特征在于：所述保护环为高分子材料。

5.如权利要求1所述的下电极组件，其特征在于：所述保护环为硬质橡胶或环氧基树脂。

6.如权利要求1所述的下电极组件，其特征在于：所述保护环下方设置一下保护环，所述下保护环与所述弹性材料层的材质相同。

7.如权利要求6所述的下电极组件，其特征在于：所述下保护环和所述弹性材料层材质为硅胶。

8.如权利要求6所述的下电极组件，其特征在于：所述介电套筒上设置第一台阶，所述第一台阶用于承载所述下保护环。

9.如权利要求1所述的下电极组件，其特征在于：所述介电套筒上设置第二台阶，所述第二台阶用于承载所述介电环。

10.如权利要求1所述的下电极组件，其特征在于：所述聚焦环的一部分环绕所述介电套筒。

11.一种等离子体处理装置，包括一真空反应腔，其特征在于：所述真空反应腔内设置一下电极组件，所述下电极组件包括如权利要求1-10任一项所述的特征。

12.如权利要求11所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述真空反应腔内还包括一上电极组件，所述上电极组件包括向所述真空反应腔内输送工艺气体的气体喷淋头。

13.如权利要求11所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述真空反应腔上方设置一绝缘窗口，所述绝缘窗口上方设置一电感线圈。

14.一种下电极组件的安装方法，其特征在于：包括下列步骤：

提供一带有静电夹盘的基座；

将一介电套筒套设在基座的外围，所述介电套筒与所述基座之间设置一定缝隙；

向所述缝隙注入弹性材料层，所述弹性材料层实现对所述缝隙的填充；

将所述基座及介电套筒放入一反应腔内；

在所述缝隙靠近静电夹盘的一端设置一保护环；

将所述介电环和聚焦环依次套设在所述介电套筒的外围；

所述保护环用于遮挡聚焦环与静电夹盘之间的缝隙。