一種射頻等離子體反應(yīng)室的制作方法
【專利摘要】一種射頻等離子體反應(yīng)室，廣泛應(yīng)用于材料表面改性及表面處理等領(lǐng)域。這種射頻等離子體反應(yīng)室包括設(shè)置在真空腔室中的上基片臺和下基片臺，上基片臺通過上支撐筒固定在密封蓋上的上基片臺固定裝置上，上基片臺采用容性耦合基片臺或感性耦合基片臺；下基片臺通過下基片臺軸向位置調(diào)節(jié)機構(gòu)固定在底板上，調(diào)整調(diào)節(jié)螺母時，移動法蘭在導(dǎo)向桿上滑動，使波紋管變形，位于波紋管內(nèi)的下支撐筒移動，改變與下支撐筒連接在一起的下基片臺與上基片臺之間的距離。該等離子體反應(yīng)器的優(yōu)點在于能夠根據(jù)不同的工藝需求，選擇不同的等離子體產(chǎn)生區(qū)的直徑、高度及放電模式，從而能夠優(yōu)化半導(dǎo)體器件加工設(shè)備的設(shè)計和制造，縮短不同工藝所需等離子體反應(yīng)器的研制周期。
【專利說明】一種射頻等罔子體反應(yīng)室
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種射頻等離子體反應(yīng)室，廣泛應(yīng)用于材料表面改性及表面處理等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]等離子體放電可以產(chǎn)生具有化學(xué)活性的物質(zhì)，所以被廣泛應(yīng)用于材料表面改性及表面處理等領(lǐng)域。對于全球制造工業(yè)來說，等離子體處理技術(shù)起著極為重要的作用，尤其是在超大規(guī)模集成電路制造工藝中，有近三分之一的工序是借助等離子體加工技術(shù)完成的，如等離子體刻蝕、等離子體薄膜沉積以及等離子體去膠等。近年來，隨著國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展，對等離子體刻蝕的要求越來越高，如線寬越來越細、層數(shù)越來越多和芯片面積越來越大。目前，國際工業(yè)上正在研制腔室直徑為450 mm的芯片生產(chǎn)工藝。而應(yīng)用在等離子體刻蝕和材料表面處理及薄膜材料生長的等離子體源主要有微波電子回旋共振(ECR)等離子體源、單頻或雙頻容性耦合等離子體源(CCP)和感性耦合等離子體源(ICP)等。
[0003]上述幾種等離子體源中，微波ECR源具有工作氣壓低、各向異性好和介質(zhì)損失低等優(yōu)點，但是由于其需要借助磁場來約束等離子體，因此很難做到大面積均勻性刻蝕的效果。而單頻或雙頻CCP及ICP做到大面積均勻性就相對容易很多。在刻蝕工藝中，其中CCP由于電子及離子能量較高主要應(yīng)用于介質(zhì)刻蝕，如SiO2的刻蝕；而ICP由于具有高密度低離子能量的特點，主要應(yīng)用于半導(dǎo)體材料以及金屬材料的刻蝕，如Si和Cu刻蝕。目前國際上主流刻蝕機的反應(yīng)室直徑是300 mm，同時正在研制更大反應(yīng)室尺寸(直徑450 mm)的刻蝕機。但是設(shè)計和加工一個固定尺寸的反應(yīng)性腔室成本太高、周期太長，而且對應(yīng)CCP和ICP來講要至少設(shè)計兩套反應(yīng)性腔室。因此本實用新型人設(shè)計了一套變直徑變高度的感性/容性混合耦合及單一耦合的等離子體源反應(yīng)室。該反應(yīng)室既可以用于產(chǎn)生容性耦合等離子，又可以產(chǎn)生感性耦合等離子體，同時又可以調(diào)整反應(yīng)室內(nèi)等離子體的面積和高度。從而能夠解決等離子體源研制周期長、成本高等難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本實用新型提供一種射頻等離子體反應(yīng)室，該反應(yīng)室能夠在不同氣壓下產(chǎn)生大面積均勻性等離子體。而且隨著選擇不同的上基片臺可以產(chǎn)生不同密度的等離子體，感性耦合基片臺可以產(chǎn)生高密度(IOll-1O12 cm_3)等離子體，容性耦合基片臺可以產(chǎn)生低密度(IO9-1Oki cm-3)等離子體。
[0005]本實用新型采用的技術(shù)解決方案:一種射頻等離子體反應(yīng)室，包括設(shè)置在真空腔室中的上基片臺和下基片臺，所述真空腔室采用主腔體、密封蓋和底板構(gòu)成，并固定在實驗臺架上，主腔體的周邊設(shè)有多個石英觀察窗，底板上設(shè)有金屬套筒，金屬套筒內(nèi)側(cè)的底板上設(shè)有出氣口 ；所述上基片臺通過上支撐筒固定在密封蓋上的上基片臺固定裝置上，上基片臺采用容性耦合基片臺或感性耦合基片臺；所述下基片臺通過下基片臺軸向位置調(diào)節(jié)機構(gòu)固定在底板上，下基片臺軸向位置調(diào)節(jié)機構(gòu)包括調(diào)節(jié)螺母、導(dǎo)向桿、移動法蘭和保持所述真空腔室密封的波紋管；調(diào)整調(diào)節(jié)螺母時，移動法蘭在導(dǎo)向桿上滑動，使波紋管變形，位于波紋管內(nèi)的下支撐筒移動，改變與下支撐筒連接在一起的下基片臺與上基片臺之間的距離。
[0006]所述容性耦合基片臺采用上支撐筒依次連接上座板、上頂部法蘭和上金屬外罩，在上頂部法蘭的下部設(shè)有一個帶凹坑的第一上絕緣法蘭，在第一上絕緣法蘭的凹坑內(nèi)，第一上金屬底部法蘭與帶凹坑的第二上金屬底部法蘭之間的空腔連接上冷水進管和上冷水出管，第二上金屬底部法蘭依次連接帶多個孔的第一上進氣法蘭和第二上進氣法蘭，在第二上金屬底部法蘭與第一上進氣法蘭之間的空腔連接進氣管及射頻功率傳輸線，所述上冷水進管、上冷水出管和進氣管及射頻功率傳輸線穿過第一上金屬底部法蘭、第一上絕緣法蘭和上頂部法蘭后，在位于上支撐筒的上端部位設(shè)有上固定環(huán)和上金屬蓋板。
[0007]所述感性耦合基片臺采用上支撐筒依次連接上座板、上頂部法蘭和上金屬外罩，在上頂部法蘭的下部設(shè)有一個第二上絕緣法蘭，在上金屬外罩的內(nèi)側(cè)下部位置設(shè)有一個用石英介質(zhì)耦合窗封口的支撐環(huán)，在支撐環(huán)上設(shè)有一個上進氣管，在第二上絕緣法蘭與石英介質(zhì)耦合窗之間的空腔內(nèi)設(shè)有一個兩端分別連接射頻功率傳輸線輸入端和射頻功率傳輸線輸出端的平面線圈，所述上進氣管、射頻功率傳輸線輸入端和射頻功率傳輸線輸出端穿過第二上絕緣法蘭和上頂部法蘭后，在位于上支撐筒的上端部位設(shè)有上固定環(huán)和上金屬蓋板。
[0008]所述下基片臺采用下支撐筒依次連接下座板、下頂部法蘭和下金屬外罩，在下頂部法蘭的上部設(shè)有一個帶凹坑的下絕緣法蘭，在下頂部法蘭的凹坑內(nèi)，金屬平板法蘭與帶凹坑的下底部法蘭之間的空腔連接下冷水進管和下冷水出管，下底部法蘭連接套有下絕緣管的射頻功率傳輸線；所述下冷水進管、下冷水出管和射頻功率傳輸線穿過下底部法蘭、下絕緣法蘭、下頂部法蘭和下座板后，在位于下支撐筒的下端部位設(shè)有后蓋和底部蓋子。
[0009]所述平面線圈的線圈匝數(shù)N為1-5，當(dāng)線圈匝數(shù)N大于2時，線圈匝與匝之間的間距采用等間距或不等間距。
[0010]所述金屬套筒上設(shè)有與石英觀察窗相對應(yīng)的內(nèi)觀察窗。
[0011]本實用新型的有益效果是:這種射頻等離子體反應(yīng)室包括設(shè)置在真空腔室中的上基片臺和下基片臺，上基片臺通過上支撐筒固定在密封蓋上的上基片臺固定裝置上，上基片臺采用容性耦合基片臺或感性耦合基片臺；下基片臺通過下基片臺軸向位置調(diào)節(jié)機構(gòu)固定在底板上，調(diào)整調(diào)節(jié)螺母時，移動法蘭在導(dǎo)向桿上滑動，使波紋管變形，位于波紋管內(nèi)的下支撐筒移動，改變與下支撐筒連接在一起的下基片臺與上基片臺之間的距離。該反應(yīng)室以實驗中得到的單頻或雙頻CCP放電中能夠得到低密度、大面積均勻等離子體和ICP放電中能夠得到高密度、大面積均勻等離子體為基礎(chǔ)，能夠在大范圍的氣壓(0.1-100 Pa)下產(chǎn)生不同面積不同高度的均勻等離子體，并且等離子體的密度覆蓋范圍廣(IO9-1O12 cm_3)，解決了目前射頻耦合刻蝕機研制周期長及成本高的難點，并且解決了射頻耦合等離子體應(yīng)用中面積和密度均勻性之間的矛盾。該等離子體反應(yīng)器的優(yōu)點在于能夠根據(jù)不同的工藝需求，選擇不同的等離子體產(chǎn)生區(qū)的直徑、高度及放電模式，從而能夠優(yōu)化半導(dǎo)體器件加工設(shè)備的設(shè)計和制造，縮短不同工藝所需等離子體反應(yīng)器的研制周期。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是一種射頻等離子體反應(yīng)室的結(jié)構(gòu)圖。[0013]圖2是容性耦合基片臺的結(jié)構(gòu)圖。
[0014]圖3是感性耦合基片臺的結(jié)構(gòu)圖。
[0015]圖4是下基片臺的結(jié)構(gòu)圖。
[0016]圖中:1、主腔體，2、密封蓋，2a、底板，3、上基片臺，4、上基片臺固定裝置，5、下基片臺，6、金屬套筒，6a、內(nèi)觀察窗，7、出氣口，8、石英觀察窗，9、下基片臺軸向位置調(diào)節(jié)機構(gòu)，9a、調(diào)節(jié)螺母,9b、導(dǎo)向桿,9c、波紋管,9d、移動法蘭，10、實驗臺架，11、上金屬外罩，12、第一上金屬底部法蘭，13、上絕緣墊片，14、上螺母，15、上頂部法蘭，16、第一上絕緣法蘭，17、上座板，18、上支撐筒，19、上冷水進管，20、上固定環(huán)，21、第一上絕緣環(huán)，22、第二上絕緣環(huán)，
23、上金屬蓋板，24、第三上絕緣環(huán)，25、進氣管及射頻功率傳輸線，26、第一上絕緣管，27、第四上絕緣環(huán)，28、第五上絕緣環(huán)，29、上冷水出管，30、第六上絕緣環(huán)，31、第二上金屬底部法蘭，32、第一上進氣法蘭，33、第二上進氣法蘭，34、第二上絕緣法蘭，35、上進氣管，36、第二上絕緣管，37、射頻功率傳輸線輸入端，38、射頻功率傳輸線輸出端，39、平面線圈，40、石英介質(zhì)耦合窗口，41、支撐環(huán)，42、下金屬外罩，43、下頂部法蘭，44、下絕緣法蘭，45、下座板，46、射頻功率傳輸線，47、下絕緣管，48、下冷出水管，49、后蓋，50、底部蓋子，51、第一下絕緣環(huán)，52、第二下絕緣環(huán)，53、下支撐筒，54、下冷進水管，55、下底部法蘭，56、下絕緣墊片，57、下螺母，58、金屬平板法蘭。
【具體實施方式】
[0017]圖1示出了一種射頻等離子體反應(yīng)室的結(jié)構(gòu)圖。圖中，射頻等離子體反應(yīng)室包括設(shè)置在真空腔室中的上基片臺3和下基片臺5，真空腔室采用主腔體1、密封蓋2和底板2a構(gòu)成，并固定在實驗臺架10上，主腔體I的周邊設(shè)有4個石英觀察窗8，底板2a上設(shè)有金屬套筒6，金屬套筒6上設(shè)有與石英觀察窗8相對應(yīng)的內(nèi)觀察窗6a。金屬套筒6內(nèi)側(cè)的底板2a上設(shè)有出氣口 7。上基片臺3通過上支撐筒18固定在密封蓋2上的上基片臺固定裝置4上，上基片臺3采用容性耦合基片臺或感性耦合基片臺。下基片臺5通過下基片臺軸向位置調(diào)節(jié)機構(gòu)9固定在底板2a上，下基片臺軸向位置調(diào)節(jié)機構(gòu)9包括調(diào)節(jié)螺母9a、導(dǎo)向桿％、移動法蘭9d和保持所述真空腔室密封的波紋管9c。調(diào)整調(diào)節(jié)螺母9a時，移動法蘭9d在導(dǎo)向桿9b上滑動，使波紋管9c變形，位于波紋管9c內(nèi)的下支撐筒53移動，改變與下支撐筒53連接在一起的下基片臺5與上基片臺3之間的距離。
[0018]圖2示出了容性耦合基片臺的結(jié)構(gòu)圖。容性耦合基片臺采用上支撐筒18依次連接上座板17、上頂部法蘭15和上金屬外罩11，在上頂部法蘭15的下部設(shè)有一個帶凹坑的第一上絕緣法蘭16,在第一上絕緣法蘭16的凹坑內(nèi)，第一上金屬底部法蘭12與帶凹坑的第二上金屬底部法蘭31之間的空腔連接上冷水進管19和上冷水出管29,第二上金屬底部法蘭31依次連接帶多個孔的第一上進氣法蘭32和第二上進氣法蘭33，在第二上金屬底部法蘭31與第一上進氣法蘭32之間的空腔連接進氣管及射頻功率傳輸線25，所述上冷水進管19、上冷水出管29和進氣管及射頻功率傳輸線25穿過第一上金屬底部法蘭12、第一上絕緣法蘭16和上頂部法蘭15后，在位于上支撐筒18的上端部位設(shè)有上固定環(huán)20和上金屬蓋板23。
[0019]圖3示出了感性耦合基片臺的結(jié)構(gòu)圖。感性耦合基片臺采用上支撐筒18依次連接上座板17、上頂部法蘭15和上金屬外罩11，在上頂部法蘭15的下部設(shè)有一個第二上絕緣法蘭34，在上金屬外罩11的內(nèi)側(cè)下部位置設(shè)有一個用石英介質(zhì)耦合窗40封口的支撐環(huán)41，在支撐環(huán)41上設(shè)有一個上進氣管35，在第二上絕緣法蘭34與石英介質(zhì)耦合窗40之間的空腔內(nèi)設(shè)有一個兩端分別連接射頻功率傳輸線輸入端37和射頻功率傳輸線輸出端38的平面線圈39，平面線圈39的線圈匝數(shù)N為1-5，當(dāng)線圈匝數(shù)N大于2時，線圈匝與匝之間的間距采用等間距或不等間距。上進氣管35、射頻功率傳輸線輸入端37和射頻功率傳輸線輸出端38穿過第二上絕緣法蘭34和上頂部法蘭15后，在位于上支撐筒18的上端部位設(shè)有上固定環(huán)20和上金屬蓋板23。
[0020]圖4示出了下基片臺的結(jié)構(gòu)圖。下基片臺5采用下支撐筒53依次連接下座板45、下頂部法蘭43和下金屬外罩42，在下頂部法蘭43的上部設(shè)有一個帶凹坑的下絕緣法蘭44，在下頂部法蘭43的凹坑內(nèi)，金屬平板法蘭58與帶凹坑的下底部法蘭55之間的空腔連接下冷水進管54和下冷水出管48，下底部法蘭55連接套有下絕緣管47的射頻功率傳輸線46 ;所述下冷水進管54、下冷水出管48和射頻功率傳輸線46穿過下底部法蘭55、下絕緣法蘭44、下頂部法蘭43和下座板45后，在位于下支撐筒53的下端部位設(shè)有后蓋50和底部蓋子50。
[0021]采用上述的技術(shù)方案，上基片臺3和下基片臺5有大、中、小直徑之分，大直徑為500-800mm,中直徑為300-500mm，小直徑為100-300mm ;金屬套筒6:大直徑為400-600mm，小直徑為200-400mm。該射頻等離子體反應(yīng)室【具體實施方式】有多種方案。
[0022]方案1:采用大直徑的容性耦合基片臺和大直徑的下基片臺5，可以形成大面積的高度可調(diào)的容性等離子體，密度在IO9-1Oki cm_3;該方案還可以形成雙頻CCP (上基片臺3和下基片臺5分別連接不用的射頻功率源)和單頻CCP (上基片臺3連接射頻功率源，下基片臺5接地)。
[0023]方案2:采用大直徑的容性耦合基片臺和中或小直徑的下基片臺5，可以形成非對稱面積的容性等離子體，該等離子體在下基片臺5上形成較高的自偏壓，使得在轟擊到下基片臺5的離子能量比方案I更高。本方案同樣可以和方案I中所述形成單頻或雙頻CCP。
[0024]方案3:采用小直徑的容性耦合基片臺和小直徑的下基片臺5，然后采用小直徑的套筒，可以形成小面積的高度可調(diào)的容性等離子體。
[0025]方案4:采用大直徑的感性耦合基片臺和大直徑的下基片臺5，可以形成大面積高度可調(diào)的感性等離子體(即ICP)，密度在IOll-1O12 cm_3 ;如果本方案中，感性耦合基片臺連接射頻功率源，而下基片臺5連接公共地，那么產(chǎn)生的等離子體就是感性耦合等離子體。另外:本方案還可以形成感性/容性混合耦合等離子體，形成方式是感性耦合基片臺連接射頻功率源，同時下基片臺5連接第二臺射頻功率源，即兩臺射頻功率源分別給感性耦合基片臺和下基片臺5施加功率，同時調(diào)制等離子體的產(chǎn)生和輸運。這種調(diào)制相比于下基片臺5接地能夠提高離子轟擊下基片臺5的離子能量和離子通量。第三:在本方案中如果感性耦合基片臺連接脈沖調(diào)制的射頻功率源，就可以在本方案所述的腔室中產(chǎn)生脈沖調(diào)制的感性耦合等離子體。
[0026]方案5:采用中(或小)直徑的感性耦合基片臺和中(或)小直徑的下基片臺5，以及采用大(或小)直徑的套筒，能夠形成中等(或者小)面積的感性耦合等離子體。
[0027]總之，本實用新型可以產(chǎn)生大、中、小不同面積的高度可調(diào)的容性、感性單一耦合及混合耦合的等離子體。
【權(quán)利要求】
1.一種射頻等離子體反應(yīng)室，包括設(shè)置在真空腔室中的上基片臺(3 )和下基片臺(5 )，其特征在于:所述真空腔室采用主腔體(1)、密封蓋(2)和底板(2a)構(gòu)成，并固定在實驗臺架(10)上，主腔體(1)的周邊設(shè)有多個石英觀察窗(8)，底板(2a)上設(shè)有金屬套筒(6)，金屬套筒(6)內(nèi)側(cè)的底板(2a)上設(shè)有出氣口(7);所述上基片臺(3)通過上支撐筒(18)固定在密封蓋(2 )上的上基片臺固定裝置(4 )上，上基片臺(3 )采用容性耦合基片臺或感性耦合基片臺；所述下基片臺(5)通過下基片臺軸向位置調(diào)節(jié)機構(gòu)(9)固定在底板(2a)上，下基片臺軸向位置調(diào)節(jié)機構(gòu)(9)包括調(diào)節(jié)螺母(9a)、導(dǎo)向桿(％)、移動法蘭(9d)和保持所述真空腔室密封的波紋管(9c);調(diào) 整調(diào)節(jié)螺母(9a)時，移動法蘭(9d)在導(dǎo)向桿(9b)上滑動，使波紋管(9c)變形，位于波紋管(9c)內(nèi)的下支撐筒(53)移動，改變與下支撐筒(53)連接在一起的下基片臺(5)與上基片臺(3)之間的距離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種射頻等離子體反應(yīng)室，其特征在于:所述容性耦合基片臺采用上支撐筒(18)依次連接上座板(17)、上頂部法蘭(15)和上金屬外罩(11)，在上頂部法蘭(15)的下部設(shè)有一個帶凹坑的第一上絕緣法蘭(16)，在第一上絕緣法蘭(16)的凹坑內(nèi)，第一上金屬底部法蘭(12)與帶凹坑的第二上金屬底部法蘭(31)之間的空腔連接上冷水進管(19)和上冷水出管(29)，第二上金屬底部法蘭(31)依次連接帶多個孔的第一上進氣法蘭(32)和第二上進氣法蘭(33)，在第二上金屬底部法蘭(31)與第一上進氣法蘭(32)之間的空腔連接進氣管及射頻功率傳輸線(25)，所述上冷水進管(19)、上冷水出管(29)和進氣管及射頻功率傳輸線(25)穿過第一上金屬底部法蘭(12)、第一上絕緣法蘭(16)和上頂部法蘭(15)后，在位于上支撐筒(18)的上端部位設(shè)有上固定環(huán)(20)和上金屬蓋板(23)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種射頻等離子體反應(yīng)室，其特征在于:所述感性耦合基片臺采用上支撐筒(18)依次連接上座板(17)、上頂部法蘭(15)和上金屬外罩(11)，在上頂部法蘭(15)的下部設(shè)有一個第二上絕緣法蘭(34)，在上金屬外罩(11)的內(nèi)側(cè)下部位置設(shè)有一個用石英介質(zhì)耦合窗(40 )封口的支撐環(huán)(41)，在支撐環(huán)(41)上設(shè)有一個上進氣管(35)，在第二上絕緣法蘭(34)與石英介質(zhì)耦合窗(40)之間的空腔內(nèi)設(shè)有一個兩端分別連接射頻功率傳輸線輸入端(37)和射頻功率傳輸線輸出端(38)的平面線圈(39)，所述上進氣管(35)、射頻功率傳輸線輸入端(37)和射頻功率傳輸線輸出端(38)穿過第二上絕緣法蘭(34)和上頂部法蘭(15)后，在位于上支撐筒(18)的上端部位設(shè)有上固定環(huán)(20)和上金屬蓋板(23)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種射頻等離子體反應(yīng)室，其特征在于:所述下基片臺(5)采用下支撐筒(53)依次連接下座板(45)、下頂部法蘭(43)和下金屬外罩(42)，在下頂部法蘭(43)的上部設(shè)有一個帶凹坑的下絕緣法蘭(44)，在下頂部法蘭(43)的凹坑內(nèi)，金屬平板法蘭(58)與帶凹坑的下底部法蘭(55)之間的空腔連接下冷水進管(54)和下冷水出管(48)，下底部法蘭(55)連接套有下絕緣管(47)的射頻功率傳輸線(46);所述下冷水進管(54)、下冷水出管(48)和射頻功率傳輸線(46)穿過下底部法蘭(55)、下絕緣法蘭(44)、下頂部法蘭(43)和下座板(45)后，在位于下支撐筒(53)的下端部位設(shè)有后蓋(50)和底部蓋子(50)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3中所述的一種射頻等離子體反應(yīng)室，其特征在于:所述平面線圈(39)的線圈匝數(shù)N為1-5，當(dāng)線圈匝數(shù)N大于2時，線圈匝與匝之間的間距采用等間距或不等間距。
6.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種射頻等離子體反應(yīng)室，其特征在于:所述金屬套筒(6)上設(shè)有與石英觀察窗(8)相 對應(yīng)的內(nèi)觀察窗(6a)。
【文檔編號】H01J37/32GK203800009SQ201320672720
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2013年10月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月30日
【發(fā)明者】高飛, 王友年 申請人:大連理工大學(xué)