CN110914951A - 等离子处理装置 - Google Patents

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希奥布翰·玛丽·伍拉德
理查德·安东尼·莱昂纳
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Abstract

一种等离子体处理装置，用于使用等离子体处理衬底，包括：在其中进行处理的处理室；用于向所述处理室提供等离子体的等离子体源；在所述处理室中用于保持所述衬底的衬底底座，该衬底底座包括具有多个孔的表面。

Description

等离子处理装置
技术领域
本发明涉及一种使用等离子体处理衬底的等离子体处理装置。本发明的一个特定实施例涉及一种等离子体沉积装置，例如用于为诸如印刷电路板(PCB)的电子装置提供保形涂层。
背景技术
等离子体处理可以包括：例如等离子体沉积、等离子体表面活化、等离子体蚀刻和等离子体清洁。处理的类型取决于所产生的等离子体物质，该等离子体物质主要由所用的前体和/或进料气控制/调节。等离子体沉积是一种用于向诸如电子装置的衬底提供保形涂层的已知方法。等离子体表面活化是一种用于改变衬底的表面(例如能量)性质的已知方法。等离子蚀刻是一种用于在衬底中蚀刻图案例如来制造集成电路的已知方法。等离子清洁是一种从衬底表面去除材料的已知方法。等离子体处理装置通常包括处理室和用于在处理室内提供等离子体的等离子体源。衬底，例如PCB，被放置在室内并与等离子体相互作用，因此被处理。例如，在等离子体沉积的情况下，由等离子体形成的材料的涂层沉积在衬底上。
然而，等离子处理(例如，通过等离子沉积进行的保形涂层处理)的一个局限性在于整个衬底上的处理(例如，所形成的涂层的厚度)缺乏均匀性。例如，在等离子体沉积的情况下，涂层厚度可能根据处理室内的特定位置而发生不希望的变化。由于在单个衬底上的涂层厚度的变化，降低了涂层的质量，并且由于处理室内的不可用区域而降低了生产效率。
已知装置的另一个局限性是对于诸如气体的等离子体前体的给定输入的处理速率(例如，材料在衬底上的沉积速率)，同时保持高质量和均匀性。
发明内容
本发明的目的是至少部分地解决上述问题。
本发明的一方面提供了一种等离子体处理装置，用于使用等离子体处理衬底，包括：在其中进行处理的处理室；以及用于向所述处理室提供等离子体的等离子体源；在所述处理室中用于保持所述衬底的衬底底座，该衬底底座包括具有多个孔的表面。
可选地，所述孔的宽度可以基本上对应于在衬底底座上形成的等离子体鞘层的厚度的两倍。所述等离子体鞘层的厚度St可以通过以下关系式确定：St＝λd[qaVTe]3/4，其中λd是等离子体的德拜长度，qe是电子电荷，V是电极电压幅值，并且Te是电子温度。
可选地，所述孔可以具有至多15mm或至多10mm的宽度。
可选地，所述孔可以具有至少1mm或至少3mm的宽度。
可选地，所述孔具有8mm的宽度。
可选地，所述衬底底座中的孔是基本上圆形或基本上正方形。
可选地，这些孔基本上均匀地分布在衬底底座的表面上。
可选地，所述衬底底座的表面是基本上片状的。
可选地，所述衬底底座是接地电极或浮动电极。
可选地，该装置还可以包括至少一个RF电极，用于在处理室内提供电场。
可选地，所述RF电极包括多个孔。
附图说明
下面将参照示例性实施例和附图描述本发明的其他特征和优点，其中：
图1示意性地示出了根据本发明的等离子体处理装置；
图2示意性地示出了在图1的装置中使用的第一示例性衬底底座；
图3示意性地示出了在图1的装置中使用的第二示例性衬底底座；
图4示意性地示出了在图1的装置中使用的第三示例性衬底底座；
图5是表示对于无孔的比较性示例的保形涂层的厚度在处理室的前后方向上的变化的曲线图；
图6是表示对于无孔的比较性示例的保形涂层的厚度在处理室的左右方向上的变化的曲线图；
图7是表示对于不同类型孔的保形涂层的厚度在处理室的前后方向上的变化的曲线图；
图8是表示对于不同类型孔的保形涂层的厚度在处理室的左右方向上的变化的曲线图。
具体实施方式
如图1所示，在本发明的一实施例中，用于使用等离子体处理衬底的等离子体处理装置1通常包括处理室2(在其中进行处理)和等离子体源3、4、5，用于向处理室2提供等离子体6。等离子体处理装置1可以是，例如等离子体沉积装置、等离子体表面活化装置、等离子体蚀刻装置或等离子体清洁装置。
等离子体源3、4、5可以包括能量源5。能量源5可以包括被配置为将诸如气体的一种或多种输入材料转换成等离子体6的任何合适的设备。能源5可以包括加热器、射频(RF)发生器和/或微波发生器。由等离子体源3、4、5提供给处理室2的等离子体6可以包括电离的和中性的气体、离子、电子、原子、自由基和/或其他等离子体产生的中性物质。
等离子体源3、4、5可以包括第一电极3，其可以放置在处理室2之内或之外。能量源5可以连接到第一电极3。第一电极3的形状不受限制，例如，其可以是平板或螺旋形。等离子体源3、4、5可以包括处理室2之内的第二电极4。能量源可以连接到第二电极3。第二电极3的形状不受限制，例如，其可以是平板或螺旋形。第二电极4可替代地是电浮动或电接地的电极。
等离子体处理装置1还可以包括真空***(未示出)。真空***被配置为向处理室提供真空。通常，将处理室2抽空至10-3至10mbar范围的压力。然后一种或多种输入材料，例如气体，通常被输入，例如，以受控的流速注入处理室2。等离子体源3、4、5产生稳定的气体等离子体6。
然后可以引入一种或多种前体化合物，例如作为气体和/或蒸气进入处理室2中的等离子体阶段6。或者，可先引入前体化合物，然后再产生稳定的气体等离子体6。当引入等离子体阶段6中时，前体化合物通常被分解(和/或电离)以在等离子体6中产生一定范围的活性物质(即自由基)。这些活性物质处理衬底。例如，在等离子体沉积装置的情况下，活性物质沉积在衬底8的暴露表面上并在衬底8的暴露表面上形成层。
在等离子体沉积装置的情况下，所沉积材料的确切性质和成分通常取决于以下一个或多个条件：(i)选择的等离子体气体；(ii)使用的特定前体化合物；(iii)前体化合物的量(可以由前体化合物的压力、流速和注气方式的组合决定)；(iv)前体化合物的比例；(v)前体化合物的顺序；(vi)等离子体压力；(vii)等离子体驱动频率；(viii)功率脉冲和脉冲宽度定时；(ix)涂层时间；(x)等离子体功率(包括峰值和/或平均等离子体功率)；(xi)腔室电极布置；和/或(xii)进入组件的准备。上述因素也影响其他类型的等离子体处理。
通常，电源5的驱动频率是1kHz至4GHz。通常，等离子体功率密度为0.001至50W/cm2，优选0.01W/cm2至0.02W/cm2，例如约0.0175W/cm2。通常，质量流率为5至1000sccm，优选5至20sccm，例如约10sccm。通常，操作压力为0.1至1000Pa(0.001至10mbar)，优选为1至100Pa(0.01至1mbar)，例如约70Pa(0.7mbar)。通常，涂层时间为10秒至＞60分钟，例如10秒至60分钟。
使用更大的处理室2可以轻松扩大等离子体处理的规模。然而，如技术人员将理解的，优选条件将取决于处理室2的尺寸和几何形状。因此，取决于正使用的特定处理室2，技术人员修改操作条件可能是有益的。
等离子体处理装置可以包括在处理室2内的用于保持衬底8的衬底底座7。在某些情况下，衬底底座7可以是电极，例如电浮动或电接地的电极，或者可以被直流电压偏置。在一些实施例中，衬底底座7还可以用作上述第二电极4。换句话说，第二电极4可以被配置为保持衬底8。衬底底座7的表面可以优选地是大致片状的，例如，平板电极。衬底底座7可具有约6至10mm的厚度。衬底底座7可以由金属或导电金属合金形成，例如铝。
第一电极3和/或第二电极4可以在接地配置和AC驱动配置之间选择性地切换，如图1所示。衬底底座可以在接地配置、AC驱动配置和DC驱动配置之间选择性地切换，如图1所示。处理室2可以接地。
如图1所示，本发明的衬底底座7的表面具有形成于其中的多个孔7A。发明人发现，在其中形成有孔的衬底底座7，在衬底底座7中提供通孔，具有处理衬底的令人惊讶的技术效果。可以认为，达到该技术效果的机理是由于等离子体7从衬底底座的一侧向另一侧的流量增加。
图2和3示出了示例性衬底底座7，其中孔7A的横截面是圆形的。如图2所示，孔7A可以布置成正方形网格配置，例如，其中孔7A布置在紧密排列的正方形的中心处。替代地，如图3所示，孔7A可以布置成六边形网格配置，例如，其中孔7A布置在紧密排列的六边形的中心。
图4示出了示例性衬底底座7，其中孔7A是正方形的。如图4所示，孔7A布置成正方形网格配置。孔之间的衬底底座7材料的尺寸在正方形孔7A的每一边上可以相同。
还可以提供具有其他横截面形状并以其他构造布置的孔，例如，椭圆、矩形或三角形的孔。但是，优选地，孔7A可以基本均匀地分布在衬底底座7的表面上。在某些情况下，例如在同时处理衬底的两个相反面的双面处理中，衬底可以位于衬底底座的切口部分中(与孔7A不同)，使得衬底的两面都暴露于等离子体中。在这种情况下，孔7A基本均匀地分布在衬底底座7的表面上是指衬底底座7的表面围绕切口部分(即，围绕衬底)。
可以选择孔的宽度，以便基本对应于由等离子体室2中的等离子体6在衬底底座7上形成的等离子体鞘层的厚度。术语“宽度”在此用于表示孔的横截面的尺寸，尤其是孔7A的横截面的内切圆的直径。因此，在圆形孔7A的情况下，它是圆形的直径，在方形孔7A的情况下，它是正方形的一个边的长度。
衬底底座7中的孔通过提供等离子体物质从衬底底座7的一侧移动到另一侧的通路来影响等离子体动力学。这可以提高处理室2中等离子体物质的均匀分布。但是，令人惊奇的是，对于给定的等离子体，孔的大小是选择性和能够通过孔7A的物质数量的决定因素。适当的孔宽度的选择也是控制孔7A内的电弧/起火的重要因素。起火和电弧直接影响涂层的均匀性和质量。
优选的孔宽度可以基于形成在衬底底座7上的等离子体鞘层的厚度来确定。如果假设无碰撞等离子体简化计算，则等离子体鞘层的厚度St具有以下关系式(1)其中λd是等离子体的德拜长度，qe是电子电荷，V是电极电压幅值(这与等离子体鞘层的电压成正比)，并且Te是电子温度。参见Yu.P.Raizer,Gas Discharge Physics,Springer-Verlag,1997；和Yu.P.Raizer,M.N,Schneider,N.A.Yatsenko,Radio-frequency capacitive discharge,CRC Press London,1995。
St＝λd[qeVTe]3/4…(1)
等离子体鞘层是薄的带电(通常带正电)的层，其围绕着暴露于等离子体的任何表面。通常由于电子和离子动力学的差异而产生等离子体鞘层。与相对重的离子相比，由于相对“轻”的电子的初始高磁通，暴露于等离子体的表面通常带负电。结果，正物质被吸引到该表面，并且负电荷被排斥，从而形成厚的正电荷层或鞘层。鞘层屏蔽了与等离子体接触的任何表面的影响，并且鞘层的厚度取决于以上关系式(1)中所述的参数。在等离子体鞘层(和预鞘层)中，电子和离子竞争，而中性粒子则很容易移动穿过鞘层。在移动穿过鞘层时，中性粒子甚至可能被电离。
理论上，鞘层厚度的计算非常且尤其涉及碰撞等离子体，例如通常用于等离子体沉积的那些。通过假设无碰撞鞘层简化了上述关系式(1)。
如果孔7A的宽度使得在孔7A的相对内表面上形成的鞘层重叠，换句话说，如果孔7A的宽度小于鞘层厚度的两倍，则更可能产生电弧/起火。因此，优选地，孔7A的宽度小于鞘层厚度的两倍。
另一方面，如果孔7A的宽度使得形成在孔7A的相对内表面上的鞘层被充分间隔开，换句话说，如果孔7A的宽度远大于(例如，10％或以上)鞘层厚度的两倍，那么离子、电子和中性粒子会很容易传导。由于等离子体物质的这种不受控制的运动，在加工均匀性上发现较少的改进。
令人惊讶地是，当孔7A的宽度基本上等于或略大于(例如，大2-10％)鞘层厚度的两倍时，电弧/起火的机率最小化，并且颗粒穿过孔的运动受到控制。在鞘层内，离子和电子竞争，并且磁通指向鞘层所覆盖的表面，而中性粒子则很容易通过。
在典型的等离子体处理装置中，孔7A可优选具有至多15mm的宽度或更优选具有至多10mm的宽度。孔7A可优选具有至少1mm的宽度或更优选具有至少3mm的宽度。例如，孔7A可具有7mm，8mm或9mm的宽度，最优选地为8mm。
图5至图8示出了使用具有电极3、4和衬底底座7的不同组合的典型等离子体沉积装置进行的实验结果。在实验中，使用光谱椭圆仪(SE)和轮廓仪测量沉积速率。使用傅立叶变换红外(FTIR)光谱仪测量材料属性如化学/键属性。使用接触角测角仪测量表面能，并使用AutoSIR测试仪在涂层PCB上进行液体浸入测试。
这些图示出了在等离子体室2中的不同位置处在衬底8上形成的材料涂层的厚度的变化。图7和图8分别示出了在室的前后方向和左右方向上的不同厚度。图7和图8中的三角形表示用于实心(无孔)RF电极3、4和实心(无孔)接地的衬底底座7的结果。圆形表示网状(正方形孔)RF电极3、4和实心(无孔)接地的衬底底座7的结果。菱形表示实心(无孔)RF电极3、4和网状(正方形孔)接地的衬底底座7的结果。正方形代表穿孔(圆形孔)RF电极3、4和网状(正方形孔)接地衬底底座7的结果。通过比较图5和图6，其示出了对比示例实心衬底的结果，表明了具有孔的衬底保持器导致提高的涂层均匀性。
除了衬底底座7中的孔7A之外，上述等离子体源的电极3、4中的一个或多个可以包括多个孔。可以提供具有上述关于衬底底座7的孔7A的形状和/或配置之一的孔。已经发现这种布置可以进一步提高涂层均匀性。

Claims (15)

1.一种等离子体处理装置，用于使用等离子体处理衬底，包括：
在其中进行处理的处理室；
用于向所述处理室提供等离子体的等离子体源；
在所述处理室中用于保持所述衬底的衬底底座，该衬底底座包括具有多个孔的表面。
2.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中，所述孔的宽度基本上对应于在所述衬底底座上形成的等离子体鞘层的厚度的两倍。
3.根据前述权利要求中任一项所述的等离子体处理装置，其中，所述孔具有至多15mm的宽度。
4.根据前述权利要求中任一项所述的等离子体处理装置，其中，所述孔具有至多10mm的宽度。
5.根据前述权利要求中任一项所述的等离子体处理装置，其中，所述孔具有至少1mm的宽度。
6.根据前述权利要求中任一项所述的等离子体处理装置，其中，所述孔具有至少3mm的宽度。
7.根据前述权利要求中任一项所述的等离子体处理装置，其中，所述孔具有8mm的宽度。
8.根据前述权利要求中任一项所述的等离子体处理装置，其中，所述衬底底座中的所述孔是基本上圆形。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的等离子体处理装置，其中，所述衬底底座中的所述孔是基本上正方形。
10.根据前述权利要求中任一项所述的等离子体处理装置，其中，所述孔基本上均匀地分布在所述衬底底座的表面上。
11.根据前述权利要求中任一项所述的等离子体处理装置，其中，所述衬底底座的表面是基本上片状的。
12.根据前述权利要求中任一项所述的等离子体处理装置，其中，所述衬底底座是接地电极。
13.根据权利要求1至11中的任一项所述的等离子体处理装置，其中，所述衬底底座是浮动电极。
14.根据前述权利要求中任一项所述的等离子体处理装置，还包括至少一个RF电极，用于在所述处理室内提供电场。
15.根据权利要求14所述的等离子体处理装置，其中，所述RF电极包括多个孔。
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