CN114843165A - 一种下电极组件及等离子体处理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种下电极组件及所处的等离子体处理装置，包括基座，所述基座包括基座本体及自基座本体向外延伸的台阶部，所述台阶部上设置有螺孔；介电环，其环绕所述基座本体设置于所述台阶部上，所述介电环底部开设有凹槽，所述凹槽的开口可以覆盖所述螺孔的开口；螺钉，所述螺钉的头部位于所述凹槽中；通过在基座外边缘的介电环内部开设凹槽，将固定基座的螺钉头部安置在凹槽内，以减小基座上开孔的直径，使螺孔边缘可以被介电环完全覆盖，又因为介电环为绝缘材料，可起到避免在螺孔边缘处发生电弧放电的技术效果。

Description

一种下电极组件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下电极组件及等离子体处理装置技术领域。
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特定的位置，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***的介电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，介电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电弧放电，损害基座及其***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：
基座,所述基座包括基座本体及自基座本体向外延伸的台阶部，所述台阶部上设置有螺孔；
介电环，其环绕所述基座本体设置于所述台阶部上，所述介电环底部开设有凹槽，所述凹槽的开口可以覆盖所述螺孔的开口；
螺钉，所述螺钉的头部位于所述凹槽中。
可选的，所述介电环为陶瓷材料。
可选的，所述基座外侧涂有保护层。
可选的，所述保护层为氧化铝和/或氧化钇材料层，或者硬质阳极氧化层。
可选的，所述凹槽为圆柱形，所述凹槽的内部直径大于所述螺孔的内部直径。
可选的，所述螺钉的头部下方设置有垫圈，所述垫圈为介电材料。
可选的，所述垫圈位于所述凹槽内部。
可选的，所述螺钉的头部上方设置有嵌入帽，所述嵌入帽为介电材料。
可选的，所述嵌入帽充满所述凹槽与螺钉的头部之间的空隙。
可选的，还包括所述基座与介电环之间的保护环。
可选的，所述保护环为耐等离子体腐蚀材料。
可选的，所述保护环为氟橡胶或全氟橡胶系列。
进一步的，本发明还公开了一种等离子体处理装置，其包括真空处理腔室，所述真空处理腔室内设置有如上述任意一项所述的下电极组件。
本发明的优点在于：本发明提供了一种高安全性的下电极组件及等离子体处理装置，通过在基座外边缘的介电环内部开设凹槽，将固定基座的螺钉头部安置在凹槽内，以减小基座上螺孔的直径，使螺孔边缘可以被介电环完全覆盖，又因为介电环为介电材料，阻挡了螺孔暴露在容纳热胀冷缩的空隙中，可起到避免在螺孔边缘处发生电弧放电的技术效果；在螺钉头部下方还设置有绝缘垫圈，用于隔绝螺孔上边缘和气体的接触，进一步提高击穿电压；此外，在螺钉的头部上方装配一嵌入帽，其形状可填充螺钉和凹槽之间的空隙，嵌入帽为绝缘材质，可以防止金属螺钉头部周围发生电弧放电。
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安装结构示意图；
图3示出本发明的一种实施例的局部下电极组件结构示意图；
图4示出另一种实施例的局部下电极组件结构示意图；
图5示出另一种实施例的局部下电极组件结构示意图；
图6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***设置边缘环组件20，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20设置等离子体约束环108，位于边缘环组件20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30，用于将气体供应装置中的工艺气体引入所述反应腔。一高频射频电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示出一种下电极组件安装结构的局部示意图，在该图所示的结构中，下电极组件包括：聚焦环201，环绕基座101和/或静电夹盘102和基片103设置，用于对基片103边缘区域的温度和电场分布等进行调节；聚焦环201下方设置一介电环202，介电环202用于维持聚焦环201与基座101的电位差，同时调节聚焦环201的温度。
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202通常为陶瓷材料，优选的为高导热陶瓷材料，其也可以为Al2O3材料，由于基座101和介电环202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202和基座101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电弧放电，损害基座及其***组件，严重威胁下电极组件工作的稳定性和安全性。
在介电环202和基座101之间的间隙中，基片103和基座101之间会产生电势差，射频功率越高，该电势差越大，在间隙的狭小空间中，为了不发生电弧放电，通常在基座表面镀一层保护层107。为了将基座101固定在安装板上，在台阶部1012上设置有螺孔104，同时，为了使螺钉106不阻挡边缘环20的安装，在台阶部1012上还需要再开一个直径大于螺孔104直径的孔，受空间限制，导致该孔的边缘过于接近介电环202和基座101之间的间隙，而在该孔的边缘上受工艺限制不能完全覆盖保护层107，由此即提高了在暴露的该孔边缘和基片103之间产生电弧放电的风险，电弧放电会损坏基片和基座。
图3为本发明的一个实施例示意图，本实施例中，所述基座101包括基座本体1011和自基座本体1011向外延伸的台阶部1012，在台阶部1012上设置有螺孔104，螺孔104有多个，均匀围绕基座本体设置，现仅以其中一个螺孔进行说明，通过螺钉106和螺孔104的配合将基座101固定在安装板上。环绕基座本体1011设置的介电环202，其底部具有凹槽105，用于容纳螺钉106的头部，凹槽105可以是圆柱形也可以是其他形状，在一些实施例中，凹槽105可以是围绕基座101的圆环，以容纳台阶部1012上的所有螺钉，也可以只在螺钉上方设置圆柱形凹槽。介电环202通过自身重力或外力压紧在台阶部1012上，使螺钉106的头部***凹槽105，并且凹槽105的开口覆盖螺孔104的开口，也即，螺孔104与基座间隙之间有凹槽105侧壁的阻挡，通过将螺钉106的头部安置在介电环202中，可以将保护层107覆盖不良的位置即螺孔104的边缘显著远离介电环202和基座101之间的间隙，暴露在该间隙中的基座101表面都被保护层107完全覆盖，由此便可以显著降低该间隙中发生电弧放电的风险，此外，螺孔104的边缘与基片103之间的击穿路径上还有介电环202的阻挡，所以即使提高射频功率，陶瓷材料的介电环202也可以避免螺孔104和基片103之间的电弧放电。可选的，保护层107可以为耐等离子体腐蚀材料，通常为氧化铝材料，也可以为氧化钇材料。
图4为本发明的另一个实施例示意图，本实施例中，与上述实施例的区别在于，螺钉16的头部下方设置有垫圈108，通过螺钉的旋进，垫圈108可以压紧在螺孔104的边缘，垫圈108可以位于凹槽105内，且选择绝缘材质的氟橡胶或者全氟橡胶，在基片103和螺孔104边缘之间的电弧路径上同时存在介电环202和垫圈108的阻挡，实现进一步提高击穿电压的技术效果，在一些实施例中，还可以设置保护环109，同样选择氟橡胶或者全氟橡胶材质，可以有效降低电弧放电产生的概率，提高了下电极组件的安全电压工作范围。
图5为本发明的另一个实施例示意图，本实施例中，与上述实施例的区别在于，在螺钉106的头部上方设置有嵌入帽110填充螺钉106头部和凹槽105之间的空间，因为该空间中会滞留气体，所以构成了易发生电弧的狭小空间，可以选择将凹槽105加工成与螺钉106头部形状吻合，但是对加工条件要求较高。为了加强螺钉周围的绝缘性，并且降低凹槽的加工难度，在本实施例中，凹槽105为直径大于螺孔104头部的圆柱形，嵌入帽110可以在螺钉106旋紧后，盖在其顶部，最后安装介电环202，介电环202可以借助外力与嵌入帽110很好的结合在一起，极大的排除凹槽105中的空气，也可以先行将嵌入帽110安装进凹槽，随介电环202的安装一起覆盖在螺钉106的头部，嵌入帽110可以使用绝缘材质，如陶瓷、橡胶等，来全面减少下电极组件中围绕螺孔104存在的电弧放电风险。
可选的，聚焦环201与介电环202之间设置热传导层，和/或介电环202与基座101之间设置热传导层,以提高对聚焦环201温度的传导能力。在其他实施例中，介电环202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201区别于基片103的温度独立控制。
上文所述的下电极组件还可用于如图6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。
本发明提供了一种高安全性的下电极组件，通过在基座外边缘的介电环内部开设凹槽，将固定基座的螺钉头部安置在凹槽内，以减小基座上螺孔的直径，使螺孔边缘可以被介电环完全覆盖，又因为介电环为介电材料，可起到避免在螺孔边缘处发生电弧放电的技术效果；在螺钉头部下方还设置有绝缘垫圈，用于隔绝螺孔上边缘和气体的接触，进一步提高击穿电压；此外，在螺钉的头部上方装配一嵌入帽，其形状可填充螺钉和凹槽之间的空隙，嵌入帽为绝缘材质，可以防止金属螺钉头部周围发生电弧放电。
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 (13)

1.一种下电极组件，用于承载待处理基片，其特征在于，包括：
基座,所述基座包括基座本体及自基座本体向外延伸的台阶部，所述台阶部上设置有螺孔；
介电环，其环绕所述基座本体设置于所述台阶部上，所述介电环底部开设有凹槽，所述凹槽的开口可以覆盖所述螺孔的开口；
螺钉，所述螺钉的头部位于所述凹槽中。
2.如权利要求1所述的下电极组件，其特征在于，所述介电环为陶瓷材料。
3.如权利要求1所述的下电级组件，其特征在于，所述基座外侧涂有保护层。
4.如权利要求3所述的下电极组件，其特征在于，所述保护层为氧化铝和/或氧化钇材料层，或者硬质阳极氧化层。
5.如权利要求1所述的下电极组件，其特征在于，所述凹槽为圆柱形，所述凹槽的内部直径大于所述螺孔的内部直径。
6.如权利要求1所述的下电极组件，其特征在于，所述螺钉的头部下方设置有垫圈，所述垫圈为介电材料。
7.如权利要求6所述的下电极组件，其特征在于，所述垫圈位于所述凹槽内部。
8.如权利要求1所述的下电极组件，其特征在于，所述螺钉的头部上方设置有嵌入帽，所述嵌入帽为介电材料。
9.如权利要求8所述的下电极组件，其特征在于，所述嵌入帽充满所述凹槽与螺钉的头部之间的空隙。
10.如权利要求1所述的下电极组件，其特征在于，还包括所述基座与介电环之间的保护环。
11.如权利要求10所述的下电极组件，其特征在于，所述保护环为耐等离子体腐蚀材料。
12.如权利要求11所述的下电极组件，其特征在于，所述保护环为氟橡胶或全氟橡胶系列。
13.一种等离子体处理装置，其包括真空处理腔室，其特征在于，所述真空处理腔室内设置有如权利要求1至12任意一项所述的下电极组件。
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