等離子體加工設備的製作方法

2023-10-09 09:52:09

專利名稱：等離子體加工設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及等離子體加工技術領域，特別涉及一種等離子體加工設備。
背景技術：
隨著等離子體技術的不斷發展，等離子體加工設備廣泛地被應用於集成電路或光伏電池的製造工藝中。適用於刻蝕、沉積或其他工藝的等離子體加工設備的研發對於集成電路或光伏電池製造工藝的發展來說是至關重要的。 目前在集成電路或光伏電池產業中，通常採用平行板電容耦合等離子體(C即acitively Coupled Plasma,CCP)加工設備。這種設備的產生等離子體的原理非常簡單，通常情況是在其中一個電極板上加載射頻功率，另一電極板接地，CCP的產生和維持主要依靠位於兩個電極板間的射頻電場。 例如實際生產中一種平行板電容耦合型等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)設備，如圖1所示，該PECVD設備包括反應室80，反應室80外的電源10和匹配耦合裝置15，反應室80內的與電源10連接的上電極20，和反應室80內的接地電極30。所述上電極板20中具有密布的進氣孔40，反應室80的下方具有排氣口 50，待處理的襯底置於接地電極30上。 PECVD設備工作時，在適當的真空度下，工作氣體從進氣孔40導入反應室80內，工
作氣體在上電極20與接地電極30之間受電源激勵產生等離子體60，等離子體與襯底發生
反應，反應生成物沉積在襯底上生成薄膜，而反應產生的廢氣由排氣口 50排出。 但是，隨著集成電路或光伏電池產業對產率的要求不斷提高，也即，在保證刻蝕或
沉積工藝質量的前提下，相同的時間內需要生產出更多的產品。為適應這一要求，設備生產
廠商不斷增大等離子體設備的尺寸，從而在一次工藝中能夠加工更大面積的晶片，提高設
備的產率。 儘管平行板型CCP設備相對其他等離子體設備，如電子迴旋共振等離子體、感應耦合等離子體設備產生的等離子體相對比較均勻，但是隨著反應室尺寸、電極板面積的增加，尤其是電源的頻率較高時，會出現比較明顯的駐波效應和邊緣效應，此駐波效應和邊緣效應對產生的等離子體的均勻性影響較大，通常會出現電極板中心等離子體密度高，邊緣等離子體密度低的現象，進而會影響等離子體加工工藝結果的均勻性。

發明內容
本發明解決的問題是提供一種等離子體加工設備，能夠獲得均勻的等離子體分布，改善等離子體加工工藝的均勻性。 為解決上述問題，本發明提供一種等離子體加工設備，包括相對設置的第一電極板和第二電極板，匹配裝置，功率分配裝置和電源裝置；
所述第一電極板包括至少兩個相互絕緣的子電極板，
所述電源裝置通過所述匹配裝置與所述功率分配裝置連接，
所述功率分配裝置與所述第一電極板連接，用於將電源裝置的功率分配輸入到所 述各個子電極，所述功率分配裝置至少包括電容和/或電感。 所述功率分配裝置包括與所述子電極板數量相同、分別單獨連接各個子電極板的 至少兩個分配單元。 所述各個分配單元可以相同或不同，所述分配單元包括電容和/或電感。
所述電感為可調電感。
所述電容為可調電容。 所述至少兩個子電極板為第一子電極板、第二子電極板，所述功率分配裝置包括 第一 電容、第二電容，所述匹配裝置與所述第一子電極板直接連接，所述第二電容與所述第 二子電極板並聯後再與所述第一電容串聯連接到所述匹配裝置。 所述至少兩個子電極板還包括第N子電極板，所述功率分配裝置還包括第N電容、 第M電容，所述第M電容與所述第N子電極板並聯後再與所述第N電容連接組成串聯電路， 所述串聯電路再與所述第Z電極板並聯，其中，N、 M、 Z均為自然數，3， M = N+1， Z = N-l。 所述電容為可調電容。 所述至少兩個子電極板在平行於所述第二電極板的平面內並列分布、中心對稱分 布、軸對稱分布或同心嵌套式分布。 所述至少兩個子電極板的形狀可以相同也可以不同，所述子電極板為矩形、正方 形、圓形或橢圓形。 上述技術方案具有以下優點 所述等離子體加工設備中的功率分配裝置包括至少兩個分配單元、所述第一電極 板包括至少兩個子電極板，各個分配單元與對應的子電極板連接後並聯在一起，各個子電 極間彼此絕緣。此時，電源裝置通過匹配裝置連接到功率分配裝置，通過功率分配裝置電源 的功率被分配成與第一電極板的子電極數量對應的若干個部分，每一部分的功率都單獨輸 入到對應的子電極，在每個子電極板和第二電極板之間獲得獨立的電場分布，進而控制每 一個子電極下方產生的等離子體密度和強度，從而能獲得對工藝結果的調節以獲取均勻的 工藝結果。另外功率分配裝置是由一些電容和/或電感組合而成，當射頻電流流過時，電容 和電感不會像電阻一樣消耗能量，可以保證射頻功率耦合到電極的效率。


通過附圖所示，本發明的上述及其它目的、特徵和優勢將更加清晰。在全部附圖中 相同的附圖標記指示相同的部分。並未刻意按實際尺寸等比例縮放繪製附圖，重點在於示 出本發明的主旨。 圖1 一種平行板電容耦合型PECVD設備的示意圖； 圖2為實施例一中等離子體加工設備的示意圖； 圖3為圖2中第一電極板的仰視圖； 圖4為圖2中等離子體加工設備的電路原理圖； 圖5為實施例一中另一等離子體加工設備的電路原理示意圖； 圖6為實施例二中等離子體加工設備的電路原理 圖7為實施例二中另一等離子體加工設備的電路原理示意圖； 圖8為圖7中第一電極板的仰視圖； 圖9為實施例二中另一第一電極板的示意圖。
具體實施例方式
為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發明的具體實施方式
做詳細的說明。 在下面的描述中闡述了很多具體細節以便於充分理解本發明，但是本發明還可以採用其他不同於在此描述的其它方式來實施，因此本發明不受下面公開的具體實施例的限制。 其次，本發明結合示意圖進行詳細描述，在詳述本發明實施例時，為便於說明，表示裝置結構的剖面圖會不依一般比例作局部放大，而且所述示意圖只是示例，其在此不應限制本發明保護的範圍。此外，在實際製作中應包含長度、寬度及深度的三維空間尺寸。
為突出本發明的特點，附圖中沒有給出與本發明的發明點必然直接相關的部分，例如，真空獲得裝置、氣體輸入裝置等。 隨著襯底加工和處理面積的增大，目前的等離子體加工設備面臨著如大面積刻蝕或沉積的工藝均勻性的問題，隨著反應室室尺寸、電極板面積的增加，尤其是電源的頻率較高時，會出現比較明顯的駐波效應和邊緣效應，此駐波效應和邊緣效應對產生的等離子體的均勻性影響較大，通常會出現電極板中心等離子體密度高，邊緣等離子體密度低的現象，進而會影響等離子體加工工藝結果的均勻性。 基於此，本發明提供一種等離子體加工設備。所述設備具有包括至少兩個子電極板的第一電極板，通過與所述第一電極板連接的功率分配裝置將電源裝置的功率分配輸入到所述各個子電極，能夠抑制駐波效應和邊緣效應，獲得均勻的等離子體分布，提高等離子體加工工藝的均勻性。 以下以PECVD設備為例並結合附圖介紹本發明所述等離子體加工設備的具體實施方式
。 實施例一 圖2為本實施例中等離子體加工設備的結構示意圖，圖3為圖2中第一電極板的仰視圖，圖4為圖2中等離子體加工設備的電路原理圖。 如圖2所示，本實施例中的等離子體加工設備為PECVD設備，包括反應室7，位於
所述反應室7中相對設置的第一電極板3和第二電極板4，與所述第一電極板3連接的匹配
裝置8，功率分配裝置9和電源裝置1，以及真空獲得裝置、氣體輸入裝置等(圖中未示出)。 其中，所述第一電極板3包括兩個相互絕緣的子電極板31、32(見圖3); 所述電源裝置1通過所述匹配裝置8與所述功率分配裝置9連接； 所述功率分配裝置9與所述第一電極板3連接，用於將電源裝置1的功率分配輸
入到所述兩個子電極31、32。 所述第一電極板3位於反應室7的上部，也稱為上電極；而第二電極板4通過反應室7的外殼與大地接通，也稱為接地電極。匹配裝置8，功率分配裝置9和電源裝置l通常位於反應室7的外部，真空獲得裝置使反應室7內部在等離子體加工過程中獲得並保持適當的真空度，氣體輸入裝置用於將工藝氣體輸入進反應室7中。 反應室7還具有排氣口 6，反應室7的進氣孔5分布在第一電極板3上。待加工的 襯底(圖中未示出)位於所述第二電極板4上，朝向第一電極板3。等離子體加工過程中， 工作氣體從進氣孔5導入反應室7內，工作氣體在第一電極板3與第二電極板4之間受電 源激勵產生等離子體，等離子體與襯底發生反應，反應生成物沉積在襯底上生成薄膜，而反 應產生的廢氣由排氣口 6排出。 本實施例中電源裝置1可以為射頻電源、低頻電源和高頻電源中的一種。 所述功率分配裝置包括與所述子電極板數量相同、分別單獨連接各個子電極板的
至少兩個分配單元。所述各個分配單元可以相同。 如圖3所示，所述第一電極板3包括兩個子電極板，即第一子電極板31和第二子 電極板32。如圖3所示，本實施例中，第一子電極板31為矩形框，第二子電極板32為與第 一子電極板31形狀相同的矩形，兩個子電極板的排布方式為同心嵌套式，第二子電極板32 位於第一子電極板31的空心區域內，內外兩個子電極板之間具有一定的間隙，並且相互絕緣。 如圖4所示，本實施例中，所述分配單元為電容，所述功率分配裝置9包括電容Cl 、 電容C2 ;每一個電容分別與第一電極板3的一個子電極相連，也即，所述電容C1與第一子 電極板31連接、電容C2與第二子電極板32連接；各電容與對應的子電極組成一個分配支 路，每一個分配支路之間是並聯的形式。 可見，電源裝置1輸出的功率，經由匹配裝置8進行電路阻抗匹配後輸入到功率分 配裝置9，通過功率分配裝置9中的電容Cl和電容C2對輸入功率進行分配，而後分別輸入 到第一子電極板31和第二子電極板32。 通過將電源裝置1的功率分配輸入到第一電極板3的兩個子電極板31 、32，可以使
第一電極板3的外圍和中央具有不同的電場強度分布，避免大面積電極板的電場分布的邊
緣效應和駐波效應，能夠獲得均勻的等離子體分布，改善等離子體加工的均勻性。 此外，不僅限於以上實施例中兩個子電極板和兩個分配單元的情況，也可以包括
兩個以上的分配單元和子電極板，也即，所述功率分配裝置包括至少兩個分配單元、所述第
一電極板包括至少兩個子電極板，各個分配單元與對應的子電極板連接後並聯在一起，各
個子電極間彼此絕緣。 此時，電源裝置通過匹配裝置連接到功率分配裝置，通過功率分配裝置電源的功 率被分配成與第一電極板的子電極數量對應的若干個部分，每一部分的功率都單獨輸入到 對應的子電極，在每個子電極板和第二電極板之間獲得獨立的電場分布，進而控制每一個 子電極下方產生的等離子體密度和強度，從而能獲得對工藝結果的調節以獲取均勻的工藝 結果。對於本實施例中的PECVD設備而言，能夠獲得均勻的等離子體分布，提高沉積所得薄 膜的均勻性。 優選的，以上所述的電容C1、 C2為可調電容，這樣可以通過調節連接在每一個子 電極板上的電容值，來調節加載到每個子電極的功率，從而調節每個子電極板產生的等離 子體的強度和密度，提高整個第一電極板容性耦合放電獲得的等離子體的均勻性，進而改 善等離子體加工工藝的均勻性。 此外，如圖3所示，所述兩個子極板31、32上也具有通孔5，每個子電極板上的通孔
6的大小、形狀或分布密度相同或不同。 以上實施例中，所述功率分配裝置中的分配單元均為電容，實際上，所述分配單元
也可以為電感。如圖5所示，本實施例另一等離子體加工設備的電路原理示意圖，與圖4所
示的等離子體加工設備的區別在於，所述分配單元為電感，所述功率分配裝置91包括電感
L1、電感L2 ;每一個電感分別與第一電極板的一個子電極相連，也即，所述電感L1與第一子
電極板31連接、電感L2與第二子電極板32連接；各電感與對應的子電極組成一個分配支
路，每一個分配支路之間是並聯的形式。優選的，所述電感L1、電感L2為可調電感。 這樣可以通過調節連接在每一個子電極板上的電感值，也可以調節加載到每個子
電極的功率，從而調節每個子電極板產生的等離子體的強度和密度，提高整個第一電極板
容性耦合放電獲得的等離子體的均勻性，進而改善等離子體加工工藝的均勻性。 並不僅限於此，所述分配單元也可以既包括電容又包括電感，而且各個分配單元
可以相同或也可以不同，本領域內技術人員根據本發明的基本思想可以獲得的其他分配單
元的電路組成也能夠實現本發明的目的，也在本發明的保護範圍之內。 以上實施例中給出的第一電極板包括兩個子電極板，實際並不限於此，也可以具有兩個以上子電極板，相應的，所述功率分配裝置中的分配單元也為兩個以上。
下面結合附圖詳細介紹所述等離子體加工設備的另一實施例。
實施例二 圖6為本實施例中等離子體加工設備的電路原理圖。 如圖6所示，該等離子體加工設備與實施例一基本相似，所述第一電極板包括第一子電極板31、第二子電極板32，區別在於，所述功率分配裝置92包括第一電容C1、第二電容C2，所述匹配裝置8與所述第一子電極板31直接連接，所述第二電容C2與所述第二子電極板32並聯後再與所述第一電容Cl串聯連接到所述匹配裝置8。 相當於第一電容C1與第二子電極板32和第二電容C2的並聯支路連接組成串聯電路A，該串聯電路A再與所述第一子電極板31並聯。 此外，本實施例中另一等離子體加工設備的電路原理圖如圖7所示，所述第一電極板包括三個子電極板，即第一子電極板31'、第二子電極板32'和第三子電極板33'，所述功率分配裝置9'包括第一電容C1、第二電容C2、第三電容C3和第四電容C4，與圖6所示的設備相比，第一電極板增加一個子電極板，相應的，功率分配裝置9'增加所述第三電容C3和第四電容C4，所述第四電容C4與所述第三子電極板並聯後再與所述第三電容C3連接組成串聯電路B，所述串聯電路B再與所述第二電極板32'並聯。 以此類推，所述至少兩個子電極板還包括第N子電極板，所述功率分配裝置還包括第N電容、第M電容，所述第M電容與所述第N子電極板並聯後再與所述第N電容連接組成串聯電路，所述串聯電路再與所述第Z電極板並聯，其中，N、M、Z均為自然數，N^ 3，M =N+l， Z = N-l。可見，每個子電極板都對應一個該子電極板和兩個電容組成的混聯電路。
優選的，以上實施例中的所述電容為可調電容，可以通過調節電容(例如C1、 C2、C3、C4等)的電容值，來調節加載到每個子電極的功率，從而進一步改善容性耦合放電產生等離子體的均勻性，提高等離子體加工工藝的均勻性。以上所述的電容也可以用電感替代，也可以用電感和電容的組合替代。 關於本實施例中所述的第一子電極板31'、第二子電極板32'和第三子電極板
733'，可以為圓形嵌套式，例如，參照圖8所示，三個同心的圓形子電極板相互嵌套設置，按 照半徑的大小放射狀排列，半徑最小的圓形子電極板位於中央位置，通孔的分布密度由內 到外逐漸增大。 另外，所述至少兩個子電極板不僅限於以上幾個實施例中的形狀，可以為矩形、正 方形、圓形、橢圓形或其組合，或者其他基於本發明的思想所作的等同替代和明顯變型。
所述至少兩個子電極板的排布也不僅限於以上幾個實施例中的方式，可以為並列 分布、中心對稱分布、軸對稱分布或同心嵌套式分布，或者其他基於本發明的思想所作的等 同替代和明顯變型。例如，圖9所示，四個矩形的子電極板並列分布，各個子電極板之間具 有間隙並且彼此絕緣，當然功率配置裝置中具有與四個子電極板分別對應的分配單元。
各個子電極板上的通孔在三個子電極板上的分布密度可以相同，也可以不同，優 選的，中間的子電極板上的通孔分布相對較疏，外圍的子電極板的通孔分布較密。各個電極 板上通孔的孔徑和形狀可以相同，也可以不同。總之，通孔的形狀、孔徑大小及分布密度與 各個子電源的輸入功率的選擇有關，可以通過有限次的試驗獲得。 此外，所述各個子電極板還可以分別連接不同的氣體輸入通路，分別控制各個子 電極板流出的氣體流量，調整工作氣體在襯底上方的氣場分布，進而調整等離子體的分布， 進一步提高等離子體加工的均勻性。 上面僅給出PECVD設備的示例，實際上，所述功率分配裝置連接至少兩個子電極 板的結構，也可以適用於其他等離子體加工設備，例如刻蝕設備等。 以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明作任何形式上的限制。
雖然本發明已以較佳實施例披露如上，然而並非用以限定本發明。任何熟悉本領 域的技術人員，在不脫離本發明技術方案範圍情況下，都可利用上述揭示的技術內容對本 發明技術方案作出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未 脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改、 等同變化及修飾，均仍屬於本發明技術方案保護的範圍內。
權利要求
一種等離子體加工設備，其特徵在於，包括相對設置的第一電極板和第二電極板，匹配裝置，功率分配裝置和電源裝置；所述第一電極板包括至少兩個相互絕緣的子電極板，所述電源裝置通過所述匹配裝置與所述功率分配裝置連接，所述功率分配裝置與所述第一電極板連接，用於將電源裝置的功率分配輸入到所述各個子電極，所述功率分配裝置至少包括電容和/或電感。
2. 根據權利要求1所述的等離子體加工設備，其特徵在於，所述功率分配裝置包括與所述子電極板數量相同、分別單獨連接各個子電極板的至少兩個分配單元。
3. 根據權利要求2所述的等離子體加工設備，其特徵在於，所述各個分配單元可以相同或不同，所述分配單元包括電容和/或電感。
4. 根據權利要求1或3所述的等離子體加工設備，其特徵在於，所述電感為可調電感。
5. 根據權利要求1或3所述的等離子體加工設備，其特徵在於，所述電容為可調電容。
6. 根據權利要求1所述的等離子體加工設備，其特徵在於，所述至少兩個子電極板為第一子電極板、第二子電極板，所述功率分配裝置包括第一電容、第二電容，所述匹配裝置與所述第一子電極板直接連接，所述第二電容與所述第二子電極板並聯後再與所述第一電容串聯連接到所述匹配裝置。
7. 根據權利要求6所述的等離子體加工設備，其特徵在於，所述至少兩個子電極板還包括第N子電極板，所述功率分配裝置還包括第N電容、第M電容，所述第M電容與所述第N子電極板並聯後再與所述第N電容連接組成串聯電路，所述串聯電路再與所述第Z電極板並聯，其中，N、M、Z均為自然數，N > 3， M = N+l， Z = N-l。
8. 根據權利要求6或7所述的等離子體加工設備，其特徵在於，所述電容為可調電容。
9. 根據權利要求1所述的等離子體加工設備，其特徵在於，所述至少兩個子電極板在平行於所述第二電極板的平面內並列分布、中心對稱分布、軸對稱分布或同心嵌套式分布。
10. 根據權利要求1或9所述的等離子體加工設備，其特徵在於，所述至少兩個子電極板的形狀可以相同也可以不同，所述子電極板為矩形、正方形、圓形或橢圓形。
全文摘要
本發明提供一種等離子體加工設備，包括相對設置的第一電極板和第二電極板，匹配裝置，功率分配裝置和電源裝置；所述第一電極板包括至少兩個相互絕緣的子電極板，所述電源裝置通過所述匹配裝置與所述功率分配裝置連接，所述功率分配裝置與所述第一電極板連接，用於將電源裝置的功率分配輸入到所述各個子電極，所述功率分配裝置至少包括電容和/或電感。所述等離子體加工設備，通過功率分配裝置電源的功率被分配成與第一電極板的子電極數量對應的若干個部分，每一部分的功率都單獨輸入到對應的子電極，在每個子電極板和第二電極板之間獲得獨立的電場分布，從而實現對大面積襯底上方的不同區域電場強度的控制，使等離子體在整個襯底上方的分布可調，能夠提高大面積等離子體加工的均勻性。
文檔編號H05H1/46GK101754564SQ20081022471
公開日2010年6月23日 申請日期2008年12月9日 優先權日2008年12月9日
發明者韋剛 申請人:北京北方微電子基地設備工藝研究中心有限責任公司