CN112863983B - 用于等离子体处理设备的下电极组件和等离子体处理设备 - Google Patents

Abstract

一种用于等离子体处理设备的下电极组件和等离子体处理设备，在下电极组件的射频高压导体部件和地之间串联一个射频电阻结构，其一端与射频高压导体部件连接，另一端接地，射频电阻结构的直流电阻小于等于100MΩ，射频阻抗大于等于100KΩ。本发明通过在射频高压部件和接地之间增加射频电阻结构，尽管所述绝缘液体在流动过程中产生静电，但是所述射频电阻结构的射频阻抗较大，使得射频难以通过射频电阻结构接地，同时，所述射频电阻结构的直流电阻较小，使得所产生的静电能够通过射频电阻导入地，因此，有利于防止所述静电累积造成的高压击穿损伤。

Description

用于等离子体处理设备的下电极组件和等离子体处理设备

技术领域

本发明涉及半导体设备技术领域，尤其涉及一种用于等离子体处理设备的下电极组件和等离子体处理设备。

背景技术

在半导体制造技术领域，经常需要对待处理基片进行等离子体处理。所述对待处理基片进行等离子体处理的过程需要在等离子体处理设备内进行。

等离子体处理设备一般都包含真空反应腔，真空反应腔内设置有用于承载待处理基片的承载台，所述承载台通常包含基座以及设置在基座上方用于固定基片的静电吸盘。基座下方设置有射频高压导体部件，射频高压导体部件连接射频源，真空反应腔内通入反应气体，在射频激励下，反应气体电离生成等离子体，对基片进行处理。在处理过程中基片会发热，为了降低基片的热量，通常在基座内设置冷却管道，采用循环制冷的方式来带走静电吸盘和基片上的热量。由于工作在射频环境中，所以基座中的冷却管道中的导热媒介采用绝缘液体，但绝缘液体在流动过程中会与冷却管道中某些绝缘体摩擦从而产生静电，静电荷会累积到射频高压导体部件上。而射频高压导体部件通常是通过电容方式传导射频，因此对于直流是处于悬浮状态，当静电荷累积在射频高压导体部件时，此射频高压导体部件的电位会急剧升高，当达到某些阈值时，如1-2千伏，会通过电弧的方式击穿脆弱绝缘部件对地放电，导致诸如绝缘液体传输管道和射频隔离磁环等器件发生损坏。

发明内容

本发明提供一种用于等离子体处理设备的下电极组件和等离子体处理设备，能够有效消除静电累积造成的高压击穿损伤，解决了现有高阻冷却管道造成的静电荷累积问题。

为了达到上述目的，本发明提供一种用于等离子体处理设备的下电极组件，包含：

基座，其设置在等离子体处理设备的真空反应腔内；

静电吸盘，其设置在所述的基座上，静电吸盘上承载待处理基片；

冷却管道，其设置在所述的基座内，所述的冷却管道的两端引出真空反应腔后与冷却液储存设备相连；

射频高压导体部件，设置于基座下方；

射频电阻结构，其一端与射频高压导体部件连接，另一端接地，所述的射频电阻结构的直流电阻小于等于100MΩ，射频阻抗大于等于100KΩ。

所述的射频高压导体部件包含：设备板、与设备板连接的射频杆以及与射频杆连接的匹配器。

在本发明的一个实施例中，所述的射频电阻结构的一端连接设备板，另一端接地。

在本发明的另一个实施例中，所述的射频电阻结构位于匹配器内，所述的射频电阻结构的一端与射频杆连接，另一端与匹配器的外壳相连。

在本发明的另一个实施例中，所述的下电极组件还包含：包围射频杆的隔离块，所述射频电阻结构位于所述隔离块内，所述射频电阻结构位于匹配器外，一端与射频杆连接，另一端接地。

在本发明的一个实施例中，所述的射频电阻结构仅包含射频电阻。

在本发明的另一个实施例中，所述的射频电阻结构包含串联的一个射频电阻和一个非射频电阻，所述的射频电阻的阻值为100KΩ～10MΩ，所述的非射频电阻的阻值为10MΩ～100MΩ。

在本发明的一个实施例中，所述的下电极组件还包含：射频功率源，与所述匹配器连接。

在本发明的一个实施例中，所述静电吸盘为可控温静电吸盘时，所述的下电极组件还包含：与所述可控温静电吸盘连接的交流源；位于所述交流源与可控温静电吸盘之间的射频滤波器；位于所述射频滤波器内的射频隔离磁环。

在本发明的一个实施例中，所述的下电极组件还包含：位于所述设备板下方的绝缘环；所述绝缘环的材料为抗静电材料，作为射频电阻。

本发明还提供一种等离子体处理设备，包含：

真空反应腔；

进气装置，其设置在所述的真空反应腔的顶部，用于向所述的真空反应腔内提供反应气体；

所述的下电极组件。

所述的等离子体处理设备为电容耦合等离子体处理设备或者是电感耦合等离子体处理设备。与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

本发明的下电极组件中，通过在射频高压部件和接地之间增加射频电阻结构，尽管所述绝缘液体在流动过程中产生静电，但是所述射频电阻结构的射频阻抗较大，使得射频难以通过射频电阻结构接地，同时，所述射频电阻结构的直流电阻较小，使得所产生的静电能够通过射频电阻导入地，因此，有利于防止所述静电累积造成的高压击穿损伤。

附图说明

图1是本发明提供的一种包含下电极组件的等离子体处理设备的结构示意图；

图2是本发明的一个实施例中的下电极组件连接射频电阻结构的示意图；

图3是本发明的另一个实施例中的下电极组件连接射频电阻结构的示意图；

图4是本发明的又一个实施例中的下电极组件连接射频电阻结构的示意图；

图5是本发明的再一个实施例中的下电极组件连接射频电阻结构的示意图。

具体实施方式

以下根据图1～图5，具体说明本发明的实施例。

图1是本发明提供的一种包含下电极组件的等离子体处理设备的结构示意图。

如图1所示，等离子体处理设备包含真空反应腔1，真空反应腔1内设置有基座2，基座2上设置有静电吸盘3，静电吸盘3上用于承载待处理基片W。基座2内设置有冷却管道4，冷却管道4的两端引出真空反应腔1，与冷却液储存设备(图中未示出)相连，冷却管道4内循环流动绝缘液体，通过热交换带走基座2和静电吸盘3上的热量。基座2下部设置有射频高压导体部件，所述的射频高压导体部件包含：设备板5、与设备板5连接的射频杆14，以及与射频杆14连接的匹配器9。所述设备板5设置在基座2下部，冷却管道4两端的连接接头固定在设备板5上。真空反应腔1内还设置有接地环6，该接地环6包围基座2和设备板5，能够将真空反应腔内的耦合射频电流导入地，接地环6同时起气密作用，接地环6之内为真空环境，充满射频场，接地环6之外是大气环境。接地环6和设备板5之间设置有绝缘环7，绝缘环7实现设备板5与接地环6之间的电隔离。真空反应腔1顶部设置有进气装置8，用于向真空反应腔1内提供反应气体。

在本实施例中，所述的等离子体处理设备为电容耦合等离子体处理设备(CCP)，所述的进气装置8作为上电极，所述的基座2作为下电极，射频功率源连接所述上电极或下电极。所述的射频功率源产生的射频信号通过上电极与下电极形成的电容将反应气体转化为等离子体。偏置功率源10通过匹配器9连接设备板5，使得等离子体向基座2表面均匀分布，有利于等离子体向待处理基片W表面运动，对待处理基片W进行处理。

在其他实施例中，所述等离子体处理设备为电感耦合等离子体处理设备(ICP)，所述的真空反应腔1的顶部开设绝缘窗口，绝缘窗口上设置有电感线圈，所述的电感线圈与射频功率源连接，使得反应气体转化为等离子体，偏置功率源10通过匹配器9连接设备板5，使得等离子体向基座2表面运动，有利于等离子体对待处理基片W进行处理。

在其他实施例中，当静电吸盘为可控温静电吸盘时，静电吸盘还连接交流源，交流源与可控温静电吸盘之间设置射频滤波器，射频滤波器内设置有射频隔离磁环。射频高压部件与地之间通常是隔离的，即，射频高压部件与地之间是直流绝缘的，目的是隔断射频通过直流通路对地的回路，导致射频传输无法进入真空反应腔而直接对地短路。通常射频高压部件与真空反应腔的侧壁之间也保持比较大的距离，使其电容值很小，射频电流主要通过上下极板的主电容到地，从而使其通过等离子体。

冷却管道中的绝缘液体在流动过程中会产生静电荷累积，实验上已发现这种静电荷会在对地绝缘的射频高压部件上累积，静电荷累积的电压最大值越大，能击穿绝缘材料的可能性也越高，风险越大。

为了解决下电极组件上的静电荷累积问题，可以在射频高压部件上直接串联一个射频电阻结构，射频电阻结构应用于射频环境，能够阻挡射频的传递，且能够防止发热。

所述射频电阻结构的直流电阻较小，使其对地直流电阻小于等于百兆的水平，使得所产生的静电能够通过射频电阻导入地，可有效消除静电累积造成的高压击穿损伤。同时，这个串联的射频电阻结构还需要满足高射频阻抗的特性，使射频难以通过该回路直接接地。

在本发明的一个实施例中，设备板5是下电极组件中的一个金属部件，通过将其与地之间串联一个直流高阻的射频电阻结构就可以释放静电，所述射频电阻结构的射频阻抗较大，使得射频难以通过射频电阻结构接地，同时，所述射频电阻结构的直流电阻较小，使得所产生的静电能够通过射频电阻结构导入地，能达到消除静电累积电荷的效果。如图2所示，在设备板5和地串联一个射频电阻11，根据实验数据，这个射频电阻11的直流电阻应当小于100MΩ，同时这个射频电阻11应当是一个高阻抗的器件，其射频阻抗应当在100KΩ以上，以防止射频通过这一回路直接接地，将射频电阻11直接串联在设备板和地之间，可以持续有效防静电累积。

将射频电阻结构接地，为了实现接地，可以将射频电阻结构接反应腔侧壁，还可以将射频电阻结构接接地环，如图1所示，所述的接地环6设置在真空反应腔1内，该接地环6包围基座2和设备板5，能够将真空反应腔内的耦合射频电流导入地。

采用示波器对本发明进行实测，在设备板和地之间未串联射频电阻结构时，检测到下电极组件的射频高压部件上的静电荷累积的最大电压约达到了2800V，在设备板和地之间串联了100MΩ射频电阻结构后，静电荷累积产生的电压曲线突变消失，基线无显著升高(<10V)。可见本发明可有效消除静电累积造成的高压击穿损伤。将射频电阻结构直接串联在设备板和地之间，可以持续有效防静电累积。

为了减少对真空反应腔的整体性的破坏，在本发明的另一个实施例中，可以将射频电阻结构设置在匹配器中，如图3所示，所述的匹配器9的一端连接射频源10，另一端通过射频杆14连接设备板5。如图3所示，将一个射频电阻12位于匹配器9内，所述的射频电阻12的一端连接射频杆14，另一端连接匹配器9的外壳，通过匹配器外壳接地，这个射频电阻12的直流电阻同样应当小于100MΩ，使得所产生的静电能够通过射频电阻导入地，且射频阻抗在100KΩ以上，使得射频难以通过射频电阻接地。

另外，将射频电阻结构设置在匹配器中，有利于安装维护方便，只需将匹配器单独拆下维护即可，不需要破坏真空反应腔以及拆解各种真空反应腔内的部件。

在本发明的另一个实施例中，还可以将射频电阻结构设置于匹配器外，且一端与射频杆连接，另一端接地，如图4所示，将射频电阻13设置在隔离块17中，可以最大限度地降低静电放电弧。所述的射频电阻13的一端连接射频杆14，另一端接地，该射频电阻13可以采用抗静电材料，比如ESD(静电放电)塑料，或者该射频电阻13还可以采用导电杂质陶瓷材料。

在本发明的另一个实施例中，如图1所示，射频杆14的一端连接设备板5，另一端穿过绝缘环7、接地环16和真空反应腔1，连接匹配器9，可以看出，绝缘环7既接触射频杆14，又接触地，因此可以直接将绝缘环7改造为射频电阻，通过将绝缘环7的材料替换为抗静电材料(比如ESD塑料)，或导电杂质陶瓷材料，从而使绝缘环7作为射频电阻，实现射频高压部件的接地，释放静电。

由于射频电阻的价格比较昂贵，阻值越高，价格越贵，为了降低成本，考虑是否可以用直流电阻替代射频电阻。但是同样是100MΩ的阻值，直流电阻的发热情况不容乐观，很难满足在射频场内基本无发热的限制条件。如图5所示，利用一个电阻组合来替代图2中的射频电阻11以及图3中的射频电阻12，该电阻组合包含与射频高压导体部件连接的射频电阻14和两端分别与射频电阻14和地连接的直流电阻15；所述的射频电阻14的阻值为100KΩ～10MΩ，所述的直流电阻15的阻值为10MΩ～100MΩ。由于所述射频电阻14与射频高压导体部件连接，使得射频大部分被所述射频电阻14阻挡，那么到达直流电阻15的射频较少，即：射频难以通过射频电阻接地。同时，由于到达直流电阻15的射频较少，因此，直流电阻15不易发热，且由于直流电阻15的电阻较小，使得所产生的静电能够通过射频电阻导入地。

本发明在下电极组件的射频高压部件上串接射频电阻对地，通过射频电阻释放静电，从而有效消除静电累积造成的高压击穿损伤，解决了现有高阻冷却管道造成的静电荷累积问题。

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 (11)

1.一种用于等离子体处理设备的下电极组件，其特征在于，包含：

基座，其设置在等离子体处理设备的真空反应腔内；

静电吸盘，其设置在所述的基座上，静电吸盘用于承载待处理基片；

冷却管道，其设置在所述的基座内，所述的冷却管道的两端引出真空反应腔后与冷却液储存设备相连，所述冷却液储存设备内存储绝缘液体；

射频高压导体部件，所述射频高压导体部件包含：位于所述基座下方的设备板、与设备板连接的射频杆以及与射频杆连接的匹配器，所述冷却管道两端的连接接头固定在所述设备板上；

射频电阻结构，其一端与射频高压导体部件连接，另一端接地，所述射频电阻结构的直流电阻小于等于100MΩ，射频阻抗大于等于100KΩ。

2.如权利要求1所述的用于等离子体处理设备的下电极组件，其特征在于，所述射频电阻结构的一端连接设备板，另一端接地。

3.如权利要求1所述的用于等离子体处理设备的下电极组件，其特征在于，所述射频电阻结构位于匹配器内，所述的射频电阻结构的一端与射频杆连接，另一端与匹配器的外壳相连。

4.如权利要求1所述的用于等离子体处理设备的下电极组件，其特征在于，所述的下电极组件还包含：包围射频杆的隔离块，所述射频电阻结构位于所述隔离块内，所述射频电阻结构位于匹配器外，一端与射频杆连接，另一端接地。

5.如权利要求1所述的用于等离子体处理设备的下电极组件，其特征在于，所述射频电阻结构仅包含射频电阻。

6.如权利要求1所述的用于等离子体处理设备的下电极组件，其特征在于，所述的射频电阻结构包含与射频高压导体部件连接的射频电阻和两端分别与射频电阻和地连接的直流电阻；所述射频电阻的阻值为100KΩ～

10MΩ，所述直流电阻的阻值为10MΩ～100MΩ。

7.如权利要求1所述的用于等离子体处理设备的下电极组件，其特征在于，所述的下电极组件还包含：射频功率源，与所述匹配器连接。

8.如权利要求1所述的用于等离子体处理设备的下电极组件，其特征在于，所述静电吸盘为可控温静电吸盘时，所述的下电极组件还包含：与所述可控温静电吸盘连接的交流源；位于所述交流源与可控温静电吸盘之间的射频滤波器；位于所述射频滤波器内的射频隔离磁环。

9.如权利要求1所述的用于等离子体处理设备的下电极组件，其特征在于，所述的下电极组件还包含：位于所述设备板下方的绝缘环；所述绝缘环的材料为抗静电材料，作为射频电阻。

10.一种等离子体处理设备，其特征在于，包含：

真空反应腔；

进气装置，其设置在所述的真空反应腔的顶部，用于向所述的真空反应腔内提供反应气体；

如权利要求1-9中任意一项所述的下电极组件。

11.如权利要求10所述的等离子体处理设备，其特征在于，所述的等离子体处理设备为电容耦合等离子体处理设备或者是电感耦合等离子体处理设备。