感应耦合型等离子体处理装置

摘要

本发明公开了一种感应耦合型等离子体处理装置，包括：反应腔室，与反应腔室顶部连通的绝缘套筒，套在绝缘套筒外侧且接地的法拉第屏蔽件，以及卷绕于所述筒状本体上的第一感应耦合线圈。法拉第屏蔽件包括导电的筒状本体，上凸缘和下凸缘。筒状本体中形成多个沿其圆周分布轴向延伸的长槽，长槽的长度小于等于筒状本体的高度。上凸缘为闭合的环形结构。下凸缘为非导电或非闭合的环形结构，以在第一感应耦合线圈中通入射频电流产生交变磁场时，该下凸缘不产生感应电流。本发明能够屏蔽容性电场感应耦合同时提高磁场感应耦合。

权利要求

1.一种感应耦合型等离子体处理装置，其特征在于，包括：

反应腔室，其中设置用于载置待处理基片的基座；

与所述反应腔室顶部连通的绝缘套筒；

套在所述绝缘套筒外侧且接地的法拉第屏蔽件，其包括导电的筒状本体，与所述筒状本体上端连接的上凸缘、与所述筒状本体的下端连接的下凸缘，其中所述筒状本体中形成沿其圆周分布的多个轴向延伸的长槽且所述长槽的长度小于等于所述筒状本体的高度，所述上凸缘为闭合的环形结构；以及卷绕于所述筒状本体上的第一感应耦合线圈；

其中，所述下凸缘为非导电或非闭合的环形结构，以在所述第一感应耦合线圈中通入射频电流产生交变磁场时，所述下凸缘不产生感应电流。

2.根据权利要求1所述的感应耦合型等离子体处理装置，其特征在于，所述下凸缘为闭合的且非导电的环形结构。

3.根据权利要求2所述的感应耦合型等离子体处理装置，其特征在于，所述上凸缘为闭合的且非导电的环形结构。

4.根据权利要求1所述的感应耦合型等离子体处理装置，其特征在于，所述下凸缘为导电的且非闭合的环形结构，其中形成至少一个贯穿该下凸缘的环形结构的宽度的径向狭缝。

5.根据权利要求4所述的感应耦合型等离子体处理装置，其特征在于，所述下凸缘和上凸缘均为导电的环形结构。

6.一种感应耦合型等离子体处理装置，其特征在于，包括：

反应腔室，其中设有载置待处理基片的基座；

绝缘盖板，设于所述反应腔室的顶壁且具有与所述反应腔室连通的开口；

设于所述开口处用于固定该绝缘盖板的固定件；

垂直设置于所述绝缘盖板上通过所述开口与所述反应腔室连通的绝缘套筒；

套在所述绝缘套筒外侧且接地的法拉第屏蔽件，其包括导电的筒状本体，与所述筒状本体上端连接的上凸缘、与所述筒状本体的下端连接并位于所述固定件上的下凸缘，其中所述筒状本体中形成沿其圆周分布的多个轴向延伸的长槽且所述长槽的长度小于等于所述筒状本体的高度，所述上凸缘为闭合的环形结构；

卷绕于所述筒状本体上的第一感应耦合线圈；以及

设置于所述绝缘盖板上嵌套于所述第一感应耦合线圈之外的第二感应耦合线圈；

其中，所述下凸缘为非导电或非闭合的环形结构，所述固定件具有非导电或非闭合的环形结构，以在所述第一感应耦合线圈和第二感应耦合线圈中通入射频电流产生交变磁场时，所述下凸缘和所述固定件的非导电或非闭合的环形结构中不产生感应电流。

7.根据权利要求6所述的感应耦合型等离子体处理装置，其特征在于，所述下凸缘为闭合的且非导电的环形结构。

8.根据权利要求7所述的感应耦合型等离子体处理装置，其特征在于，所述上凸缘为闭合的且非导电的环形结构。

9.根据权利要求6所述的感应耦合型等离子体处理装置，其特征在于，所述下凸缘为导电的且非闭合的环形结构，其中形成至少一个贯穿该下凸缘的环形结构的宽度的径向狭缝。

10.根据权利要求9所述的感应耦合型等离子体处理装置，其特征在于，所述下凸缘和上凸缘均为导电的环形结构。

11.根据权利要求6所述的感应耦合型等离子体处理装置，其特征在于，所述固定件包括通过紧固件连接的上环和下环，所述上环和下环都具有凹陷以共同形成使所述绝缘盖板嵌合于其中的容纳部。

12.根据权利要求11所述的感应耦合型等离子体处理装置，其特征在于，所述上环为闭合的且非导电的环形结构。

13.根据权利要求12所述的感应耦合型等离子体处理装置，其特征在于，所述下环为闭合的且非导电的环形结构。

14.根据权利要求12所述的感应耦合型等离子体处理装置，其特征在于，所述下环为导电的且非闭合的环形结构，其中形成至少一个贯穿该下环宽度的径向狭缝。

15.根据权利要求6所述的感应耦合型等离子体处理装置，其特征在于，所述第一感应耦合线圈和所述第二感应耦合线圈通过功率分配器与同一射频功率源相连。

说明书

感应耦合型等离子体处理装置

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体加工设备，特别涉及一种感应耦合型等离子体处理装置。

背景技术

[0002] 当前，感应耦合型等离子体处理装置作为在半导体晶片上执行成膜、刻蚀等多种工艺的装置，广泛应用于半导体器件制造的技术领域中。现有技术的感应耦合型等离子体处理装置包括真空处理腔室，其底部设有承载待处理基片的基座，顶部具有绝缘盖板。绝缘盖板上垂直设置与处理腔室连通的陶瓷套筒，工艺气体可从陶瓷套筒顶部输入工艺腔室。陶瓷套筒外侧缠绕感应耦合线圈，感应耦合线圈通过匹配器与射频源连接。射频源向感应耦合线圈提供射频电流，使得线圈产生交变磁场，以将工艺气体激发为等离子体。

[0003] 虽然线圈产生的磁场是感应耦合的，但施加在线圈上的高的峰到峰射频功率同样会将部分的电容性电场能量耦合至反应腔室内，而这一电场能量会加速等离子体带电粒子造成对绝缘盖板及绝缘套筒的轰击和损伤。为改善这一问题，现有技术中在绝缘套筒与感应耦合线圈之间还设有法拉第屏蔽件，用于屏蔽电场耦合。如图1所示，法拉第屏蔽件为导电筒状结构，具有多个裂隙，通过将法拉第屏蔽件接地可使得电容性电场难以传入真空处理腔室，从而避免等离子体中的带电粒子被加速而轰击并损伤绝缘盖板及绝缘套筒。

[0004] 然而，当感应耦合线圈通入射频电流产生交变磁场时，现有的法拉第屏蔽件中也会产生感应电流，该感应电流进而又产生反向的磁场，削弱了线圈所产生的交变磁场的强度，使得作用在线圈上的射频功率的电磁感应耦合的效率非常低。

[0005] 因此，需要提供一种等离子体处理装置以改善上述缺陷。

发明内容

[0006] 本发明的主要目的在于克服现有技术的缺陷，以提高感应耦合等离子体处理装置中射频功率的电磁感应耦合的效率同时阻止电场感应耦合。

[0007] 为达成上述目的，本发明提供一种感应耦合型等离子体处理装置，包括：反应腔室，其中设置用于载置待处理基片的基座；与所述反应腔室顶部连通的绝缘套筒；套在所述绝缘套筒外侧且接地的法拉第屏蔽件，其包括导电的筒状本体，与所述筒状本体上端连接的上凸缘、与所述筒状本体的下端连接的下凸缘，其中所述筒状本体中形成沿其圆周分布的多个轴向延伸的长槽且所述长槽的长度小于等于所述筒状本体的高度，所述上凸缘为闭合的环形结构；以及卷绕于所述筒状本体上的第一感应耦合线圈。其中，所述下凸缘为非导电或非闭合的环形结构，以在所述第一感应耦合线圈中通入射频电流产生交变磁场时，所述下凸缘不产生感应电流。

[0008] 优选地，所述下凸缘为闭合的且非导电的环形结构。

[0009] 优选地，所述上凸缘为闭合的且非导电的环形结构。

[0010] 优选地，所述下凸缘为导电的且非闭合的环形结构，其中形成至少一个贯穿该下凸缘的环形宽度的径向狭缝。

[0011] 优选地，所述下凸缘和上凸缘均为导电的环形结构。

[0012] 本发明还提供了另一种感应耦合型等离子体处理装置，包括：反应腔室，其中设有载置待处理基片的基座；绝缘盖板，设于所述反应腔室的顶壁且具有与所述反应腔室连通的开口；设于所述开口处用于固定该绝缘盖板的固定件；垂直设置于所述绝缘盖板上通过所述开口与所述反应腔室连通的绝缘套筒；套在所述绝缘套筒外侧且接地的法拉第屏蔽件，其包括导电的筒状本体，与所述筒状本体上端连接的上凸缘、与所述筒状本体的下端连接并位于所述环形固定件上的下凸缘，其中所述筒状本体中形成沿其圆周分布的多个轴向延伸的长槽且所述长槽的长度小于等于所述筒状本体的高度，所述上凸缘为闭合的环形结构；卷绕于所述筒状本体上的第一感应耦合线圈；以及设置于所述绝缘盖板上嵌套于所述第一感应耦合线圈之外的第二感应耦合线圈。其中，所述下凸缘为非导电或非闭合的环形结构，和/或所述固定件具有非导电或非闭合的环形结构，以在所述第一感应耦合线圈和第二感应耦合线圈中通入射频电流产生交变磁场时，所述非导电闭合的环形结构中不产生感应电流。

[0013] 优选地，所述下凸缘为闭合的且非导电的环形结构。

[0014] 优选地，所述上凸缘为闭合的且非导电的环形结构。

[0015] 优选地，所述下凸缘为导电的且非闭合的环形结构，其中形成至少一个贯穿该下凸缘的环形宽度的径向狭缝。

[0016] 优选地，所述下凸缘和上凸缘均为导电的环形结构。

[0017] 优选地，所述固定件包括通过紧固件连接的上环和下环，所述上环和下环都具有凹陷以共同形成使所述绝缘盖板嵌合于其中的容纳部。

[0018] 优选地，所述上环为闭合的且非导电的环形结构。

[0019] 优选地，所述下环为闭合的且非导电的环形结构。

[0020] 优选地，所述下环为导电的且非闭合的环形结构，其中形成至少一个贯穿该下环宽度的径向狭缝。

[0021] 优选地，所述第一感应耦合线圈和所述第二感应耦合线圈通过功率分配器与同一射频功率源相连。

[0022] 本发明的有益效果在于通过设置法拉第屏蔽件阻断电场感应耦合，同时通过将法拉第屏蔽件的下凸缘或下凸缘下方的固定件设计为非导电或非闭合的环形结构，避免在其中产生感应电流以及由该感应电流产生反向的变化磁场，因此能够减小甚至消除感应耦合线圈的交变磁场的削弱，从而提高施加在线圈上的射频功率的电磁感应耦合。另一方面，由于上凸缘是闭合的，法拉第屏蔽件仍然形成为一个整体，不仅能够稳固套设在绝缘套筒外侧，安装和固定也更为方便。

附图说明

[0023] 图1为现有技术中法拉第屏蔽件的结构示意图；

[0024] 图2为本发明一实施例的等离子体处理装置的结构示意图；

[0025] 图3a为本发明一实施例的法拉第屏蔽件的结构示意图；

[0026] 图3b为本发明另一实施例的法拉第屏蔽件的结构示意图；

[0027] 图4为本发明另一实施例的等离子体处理装置的结构示意图。

具体实施方式

[0028] 为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

[0029] 图2显示了本发明一实施例的感性耦合型等离子体处理装置的示意图。应该理解，等离子体处理装置仅仅是示例性的，其可以包括更少或更多的组成元件，或该组成元件的安排可能与图2所示不同。

[0030] 感性耦合型等离子体处理装置包括反应腔室20，反应腔室20内部下方设有放置待处理基片的基座(ESC)21，基座21可连接射频偏置功率源(图中未示)，以便增加等离子体与基片碰撞的能量。反应腔室20底部与外置的排气装置如真空泵(图中未示)相连接，用以在处理过程中将用过的反应气体及副产品气体抽出反应腔室20。反应腔室20的顶壁上垂直设置有绝缘套筒22，绝缘套筒22通过与反应腔室20连通。绝缘套筒22的材料一般为陶瓷或石英等介电材料。绝缘套筒22顶部可设有进气口，用于引入等离子体处理所需的工艺气体，本实施例中进气口设置于绝缘套筒顶部中央。绝缘套筒22内保持与反应腔室20内相同的真空环境。绝缘套筒22外侧套设有接地的法拉第屏蔽件23。请结合参照图3a和3b，法拉第屏蔽件23包括导电的筒状本体233，上凸缘231，以及下凸缘232。其中，筒状本体233中形成沿其圆周分布的多个轴向延伸的长槽。如图3a所示，这些长槽的长度可以小于筒状本体的高度，则筒状本体233的顶端和底端沿圆周仍然是连续的；而如图3b所示，这些长槽的长度也可以等于筒状本体的高度，由此将筒状本体233切割为多根独立的支撑柱。请继续参考图3a和3b，本发明中上凸缘231与筒状本体233的上端连接，是闭合的环形结构；下凸缘232与筒状本体
233的下端连接，其为非导电闭合的环形结构。需要说明的是，本发明中所描述的“环形结构”并不特指横截面为闭合环的柱形结构，而是泛指横截面为闭合环或不闭合环的柱形结构。这里所说的不闭合环可以是仅有一个开口的开口环，也可以是具有多个开口的开口环。
对于后一种情形，环形结构实际为间隔设置的多个扇环的柱形结构。因此“非导电或非闭合的环形结构”定义为非导电的环形结构或非闭合的环形结构，例如，下凸缘可以是不导电但闭合的环形结构，也可以是不闭合的环形结构。

[0031] 请继续参考图2，筒状本体233的外侧卷绕感应耦合线圈24，该感应耦合线圈24可通过匹配器(图中未示)与射频功率源(图中未示)连接，射频功率源提供射频电流至感应耦合线圈24而使线圈24产生交变磁场，该交变磁场产生感应电场，从而将反应腔室内的工艺气体激发成等离子体。由于法拉第屏蔽件23设于绝缘套筒和线圈24之间并接地，可以起到屏蔽电容性电场，减小电场耦合的作用，从而降低等离子体对绝缘套筒的轰击。另一方面，由于下凸缘232为非导电闭合的环形结构，其本身不闭合或者不导电，所以当感应耦合线圈中通入射频电流产生交变磁场时，下凸缘232中不会产生感应电流，也就不会由该感应电流产生与交变磁场反向的磁场而削弱该交变磁场，因此提高了磁场感应耦合的效率。

[0032] 图3a为本发明一实施例的法拉第屏蔽件的示意图。如图所示，下凸缘232是闭合的且非导电的环形结构，下凸缘232的材料优选为聚醚酰亚胺(Ultem)或聚酰亚胺(Vespel)，通过下凸缘的材料的变化抑制交变磁场的削弱。较佳的，闭合的上凸缘231也为非导电的环形结构，则在上凸缘231中也不会产生感应电流，进一步阻止线圈产生的交变磁场被削弱。筒状本体233优选为金属材料制成，以提高整个法拉第屏蔽件的支撑性能。需要注意的是，当筒状本体233被长度与其高度相同的多个长槽分割为多根导电支撑柱时，这些导电支撑柱均需接地以实现容性电场感应屏蔽。

[0033] 图3b为本发明另一实施例的法拉第屏蔽件的示意图。如图所示，下凸缘232是导电的，且非闭合的环形结构，其中形成至少一个贯穿下凸缘232环形的宽度的径向狭缝232a。本实施例中，径向狭缝232a为多个。由此，虽然下凸缘232是导电的，如由金属材料制成，但由于其被径向狭缝232a分割为多个不连续的扇环，无法形成闭合回路，也就不会产生感应电流而削弱线圈的交变磁场。在本实施例中，整个法拉第屏蔽件均可为导电材料如金属制成。

[0034] 由以上可知，通过将法拉第屏蔽件的下凸缘232设计为非导电或非闭合的环形结构，可以提高电磁感应耦合的效率，同时将上凸缘231保持闭合结构使得法拉第屏蔽件仍然形成为一个整体，稳定性和安装便利性更佳。

[0035] 图4显示了本发明另一实施例的感性耦合型等离子体处理装置的示意图。如图所示，反应腔室40顶壁上设有绝缘盖板45，绝缘盖板45通常为陶瓷介电材料，具有与反应腔室连通的开口。反应腔室40内部下方设有放置待处理基片的基座(ESC)41。反应腔室40底部与外置的排气装置如真空泵(图中未示)相连接，用以在处理过程中将用过的反应气体及副产品气体抽出反应腔室40。绝缘盖板45上垂直设置有绝缘套筒42，绝缘套筒42通过绝缘盖板45和反应腔室顶壁的开口与反应腔室40连通。绝缘套筒42的材料一般为陶瓷或石英等介电材料。绝缘套筒42顶部可设有进气口，用于引入等离子体处理所需的工艺气体，本实施例中进气口设置于绝缘套筒顶部中央。绝缘套筒42内保持与反应腔室40内相同的真空环境。绝缘套筒42外侧套设有接地的法拉第屏蔽件43。法拉第屏蔽件43包括筒状本体，闭合环形结构的上凸缘，以及非闭合导电的环形结构的下凸缘32。感应耦合线圈44卷绕于法拉第屏蔽件的筒状本体的外侧，该感应耦合线圈44可通过匹配器(图中未示)与射频功率源(图中未示)连接，射频功率源提供射频电流至感应耦合线圈44而使线圈44产生交变磁场，该交变磁场产生感应电场，从而将反应腔室内的工艺气体激发成等离子体。由于法拉第屏蔽件43设于绝缘套筒42和线圈44之间并接地，可以起到屏蔽电容性电场，减小电场耦合的作用，从而降低等离子体对绝缘套筒的轰击。另一方面，在绝缘盖板45上设置第二电感耦合线圈46，第二电感耦合线圈46嵌套在第一电感耦合线圈44之外，其可通过匹配器(图中未示)与射频功率源(图中未示)连接，较佳的，该匹配器与射频功率源与第一电感耦合线圈45所配套连接的相同，匹配器中具有功率分配器将来自同一射频功率源的射频功率分配至两个电感耦合线圈，这样不会造成两个线圈的互相耦合。在绝缘盖板45下方的处理腔室侧壁上也可设置工艺气体输入口(图中未示)，通过向第二电感耦合线圈46通入射频电流在绝缘盖板45下方将反应腔侧壁的气体输入口所导入的工艺气体激发为等离子体。在等离子体工艺过程中，第一电感耦合线圈44和第二电感耦合线圈46同时作用，可以形成两个区域的等离子体，既可以提供所需的等离子体的密度，又可以调节等离子体均匀性。

[0036] 由于绝缘盖板45通常为易碎的陶瓷介电材料制成，需要采用固定件确保其稳定设置于反应腔室40的顶壁上。本实施例中，在绝缘盖板45的开口处设有固定件47。固定件47同时也可起到支撑绝缘套筒42和法拉第屏蔽件43的作用。由于固定件47和法拉第屏蔽件的下凸缘均同时邻近第一和第二感应耦合线圈，因此为减小固定件和下凸缘对这两个线圈所产生磁场的削弱作用，将下凸缘设计为非导电或非闭合的环形结构，和/或将固定件设计为具有非导电或非闭合的环形结构。与上述实施例相同，这里所述的“非导电或非闭合的环形结构”定义为非导电的环形结构或非闭合的环形结构，“环形结构”定义为包括闭合环和开口环的柱形结构。

[0037] 本实施例的法拉第屏蔽件的下凸缘可以是闭合的、非导电的环形结构，或导电的、非闭合的环形结构。法拉第屏蔽结构与上述实施例相同，在此不另加赘述。其中当下凸缘为闭合的、非导电的环形结构时，闭合的上凸缘即使为导电的闭环结构，由于其距离第二感应耦合线圈46的距离较远，对两个线圈所产生的交变磁场的削弱作用也有限。

[0038] 请继续参照图4，固定件47包括上环47a和下环47b，上环和下环通过紧固件如销钉连接。反应腔室的顶壁具有较低部分和较高部分，下环47b的底面支撑在顶壁的较低部分，绝缘盖板的底面则与腔室顶壁的较高部分接触。上环和下环都具有凹陷部，这两个环的凹陷部共同形成可以使绝缘盖板45嵌合于其中的容纳部，从而能够将绝缘盖板45稳定设置于腔室顶壁上。此外，下环47b的内径小于上环47a的内径，绝缘套筒42支撑在下环47b上，同时绝缘套筒42外后面与上环47a的内周面间距至少1mm的间隔以防止绝缘套筒因膨胀或挤压而材料破裂。法拉第屏蔽件43的下凸缘支撑在上环47a上。较佳的，在下环47b与绝缘盖板45底面的接触面上设有密封圈，如特氟龙环，在上环47a与绝缘盖板45顶面的接触面上也设有密封圈，如O形环，以防止绝缘盖板45的材料破裂。由于上环47a更为接近第一和第二感应耦合线圈，本实施例中将上环47a设计为非导电的环形结构，如由聚醚酰亚胺(Ultem)或聚酰亚胺(Vespel)制成，使其中不因第一和第二感应耦合线圈的交变磁场而产生感应电流。另一方面，下环47b则设计为非导电或非闭合的环形结构，例如，其可以是闭合的、非导电的环形结构，如由陶瓷材料制成；也可以是导电的、非闭合的环形结构。当下环47b为导电的、非闭合的环形结构时，其中形成至少一个贯穿该下环宽度的径向狭缝。通过上述的下环结构能够进一步防止对交变磁场的削弱作用。

[0039] 通过以上法拉第屏蔽件和固定件的设计，使得法拉第屏蔽件和/或固定件具有阻止产生感应电流以及与交变磁场反向的变化磁场的特性，提高了磁场感应耦合的效率。

[0040] 虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述诸多实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。