一种电极间距可调的离子反应腔室及电极间距调整装置

摘要

本发明涉及一种电极间距可调的等离子体反应腔室，包括腔室衬套、上盖和位于由所述腔室衬套、上盖构成的空腔内的电极，所述电极包括上电极和下电极，其特征在于，还包括电极间距调整机构，所述上电极包括气体分配部件、调整极板、和多晶硅极板，所述调整极板包括金属极板和石英套筒，优选的，所述金属极板为带底圆筒状，从下向上套装在所述气体分配部件上，其内壁与所述气体分配部件的外壁之间留有间隙；所述金属极板的上端与所述电极间距调整机构的下活塞杆固定连接。本发明提供的上下电极间距可调的等离子体反应腔室以及电极间距调整装置，可以精确的调节上下电极之间距离，且结构简单，操作方便，易于加工制造。

说明书

技术领域

本发明涉及等离子体处理设备技术领域，具体涉及一种电极间距可 调的等离子体反应腔室及电极间距调整装置。

背景技术

随着当今世界科学的不断发展进步，人们对数码高科技产品的需求 不断增加，相应的功能要求也不断的提高，功能的提高离不开集成电路 制造质量的提高，半导体制造质量很大程度上是由工艺腔室的环境所决 定。为达到产品质量的要求，其工艺过程需要纯净的制程环境，例如化 学气相沉积，物理气相沉积，蚀刻，氧化等工艺制程，为提供一个较佳 的工艺环境，制造过程都在一个封闭的腔室内进行，因此需要真空腔室 设备，真空腔室设是备贯穿整个制程的设备。

在半导体制造过程中广泛使用真空反应腔室。例如化学沉积处理和 蚀刻工艺中利用真空腔室所提供的环境保障纯净的混合制程气体进入腔 室形成等离子体，并利用真空排气系统排出废气。

当今半导体制造业所使用的设备的功能较为单一，即一种类型设备 只能进行一种工艺制程，例如美国Lam Research公司推出的多种设备中， 2300POLY仅限于蚀刻聚合物，2300metal仅限于蚀刻金属，美国Mattson 公司推ehighlights与Suprema设备蚀刻光刻胶。这些设备的上下电极间 距不可调，这样对改变工艺支撑不利，一些上下电极间距可变的机构也 不够精密且占用空间大。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电极间距可调的等离子体反 应腔室及电极间距调整装置，以解决现有技术中存在的技术问题。

根据本发明的第一方面，提供一种电极间距可调的等离子体反应腔 室，包括腔室衬套、上盖和位于由所述腔室衬套、上盖构成的空腔内的 电极，所述电极包括上电极和下电极，其特征在于，还包括电极间距调 整机构，所述上电极包括气体分配部件、调整极板、和多晶硅极板，所 述调整极板包括金属极板和石英套筒，优选的，所述金属极板为带底圆 筒状，从下向上套装在所述气体分配部件上，其内壁与所述气体分配部 件的外壁之间留有间隙；所述金属极板的上端与所述电极间距调整机构 的下活塞杆固定连接。

进一步，所述多晶硅极板固定连接在所述金属极板的下端，所述多 晶硅极板和所述金属极板之间通过销钉连接结构相连接。

进一步，所述销钉连接结构包括吊挂式螺钉和旋转锁紧销；所述吊 挂式螺钉包括螺纹部、插入部、插入端和吊挂部，所述插入部嵌入所述 螺纹部的设有螺纹的相反端，所述插入端插入所述插入部，所述吊挂部 设置在所述插入端的相反端；所述旋转锁紧销包括锁紧销主体，所述锁 紧销主体大体上为圆筒状，在所述圆筒的外壁上开设有T型槽，所述T 型槽包括纵向槽和横向槽，在所述锁紧销主体的一端设置有旋转力输入 部。

进一步，所述下电极包括硅极板、金属极板、遮挡圈和水平调节装 置，其中，所述硅极板位于最上端，与所述上电极间隔一定距离的相对 设置，所述金属极板位于所述硅极板的下侧，所述金属极板与硅极板之 间通过螺钉相连接，所述遮挡圈为圆环状，套装在所述金属极板的外侧。

进一步，所述水平调节装置位于所述金属极板的下侧，包括支撑板、 锁紧螺钉和调节螺钉，所述支撑板固定连接在所述反应腔室的衬套上， 在所述支撑板的中央设置有所述锁紧螺钉，在靠近所述支撑板的边缘位 置设置有多个所述调节螺钉，这些调节螺钉的螺杆从下向上穿过所述支 撑板，其螺杆的顶端抵靠在所述金属极板的下侧面上。

进一步，所述电极间距调整机构包括凸轮圈、活塞机构、传动装置 和电动机；或者，包括凸轮圈、活塞机构、传动装置和手动转轮。

进一步，所述凸轮圈大体为圆环形，其包括多个形状相同的凸轮部， 这些凸轮部在圆周方向上均匀设置，包括上升部和下降部。

进一步，所述活塞机构与所述凸轮圈相接合，其数量与所述凸轮部 的数量相同；所述活塞机构包括活塞、上活塞杆、下活塞杆、活塞缸和 凸轮连接部，所述活塞设置在活塞缸内，在所述活塞的上端设置有上活 塞杆，所述上活塞杆的顶端设置有滚子，该滚子抵靠在凸轮部的上升部 或下降部上；在所述活塞的下端设置有所述下活塞杆。

根据本发明的第二方面，提供一种电极间距调整装置，所述电极位 于等离子体反应腔室内，包括上电极和下电极，其特征在于，所述电极 间距调节装置包括凸轮圈、活塞机构、传动装置和电动机，所述凸轮圈 大体为圆环形，其包括多个形状相同的凸轮部，这些凸轮部在圆周方向 上均匀设置，包括上升部和下降部，所述活塞机构与所述凸轮圈相接合， 其数量与所述凸轮部的数量相同；所述活塞机构包括活塞、上活塞杆、 下活塞杆、活塞缸和凸轮连接部，所述活塞设置在活塞缸内，在所述活 塞的上端设置有上活塞杆，所述上活塞杆的顶端设置有滚子，该滚子抵 靠在凸轮部的上升部或下降部上；在所述活塞的下端设置有所述下活塞 杆，所述下活塞杆与所述上电极固定连接。

进一步，所述活塞缸包括活塞缸主体、下端盖和密封结构，所述下 端盖密封的连接在所述活塞缸主体的下端，所述密封结构位于下端盖的 径向内侧，在所述下端盖和密封结构的纵向中央位置开设有供所述下活 塞杆穿过的通孔，在所述活塞的下端面和密封结构的上端面之间的下活 塞杆上套设有弹簧。

本发明提供的上下电极间距可调的等离子体反应腔室以及电极间距 调整装置，可以精确的调节上下电极之间距离，且结构简单，操作方便， 易于加工制造。由于上下电极之间的距离可调，可以通过调整上下电极 之间的距离，获得最佳膜层质量和生长速率，可以满足不同薄膜对电极 间距的要求，扩大了等离子体处理设备的应用范围。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他 目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1为本发明等离子体反应腔室的整体结构示意图；

图2为本发明等离子体反应腔室上电极中的多晶硅极板、金属极板、 石英套筒连接的分解示意图；

图3为本发明等离子体反应腔室的吊挂式螺钉的结构示意图；

图4为本发明等离子体反应腔室的旋转锁紧销的结构示意图；

图5为本发明等离子体反应腔室的活塞机构的结构示意图；

图6为本发明等离子体反应腔室的电极间距调整装置的结构示意图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中， 相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中 的各个部分没有按比例绘制。

如图1所示，本发明的等离子体反应腔室1包括腔室衬套11、上盖 12和位于由所述腔室衬套11、上盖12构成的空腔内的电极，所述上盖 12盖合在所述腔室衬套11的一端，用于封闭所述腔室衬套11的一个端 部。在所述上盖12上开设有通孔121，用于与电极间距调整机构2(后 面将会进行详细的说明)相连接。所述腔室衬套11为双层结构，包括内 侧衬套和外侧衬套，双层结构能够使腔室衬套11内的压力和温度更好的 与外界隔绝。所述上盖12与腔室衬套11之间密封连接。在所述腔室衬 套11的下端连接有抽真空系统，用于将等离子体反应所产生的废气抽出 到反应腔外部。

所述电极包括上电极13和下电极14。所述上电极13和下电极14 相对设置。所述上电极13包括气体分配部件131、调整极板132和多晶 硅极板133。

所述气体分配部件131通过螺钉134固定连接在所述上盖12的下端 面上，用于将制程气体均匀的输入电极间的反应区域，所述螺钉134的 数量有多个。在所述螺钉134周边的所述上盖12和气体分配部件131 的接触面上设置有密封圈，用于将所述螺钉134和反应腔室1隔离开。 所述气体分配部件131包括中心进气部1311和周边进气部1312，所述 中心进气部1311和周边进气部1312通过管道与外部气源相连通。

所述调整极板132包括金属极板1321和石英套筒1322。所述金属 极板1321为带底圆筒状，从下向上套装在所述气体分配部件131上，其 内壁与所述气体分配部件131的外壁之间留有间隙。所述金属极板1321 的上端与电极间距调整机构2的活塞机构22中的下活塞杆223固定连接， 随着下活塞杆223的上下移动，带动所述金属极板1321上下移动，从而 实现上电极13的上下移动，实现上下电极之间间距的调整。所述石英套 筒1322为圆筒状，套装在金属极板1321靠近下端的外壁上，用于隔离 所述金属极板1321与反应腔室1内的等离子体的接触。在所述石英套筒 1322的筒壁上开设有多个通孔1323，在所述金属极板1321靠近下端的 外壁上开设有多个与这些通孔数量相同的螺纹孔1324，在这些通孔1323 和螺纹孔1324中插入定位螺钉，从而可以对所述石英套筒1322和金属 极板1321进行周向定位。所述定位螺钉优选为陶瓷定位螺钉。

所述多晶硅极板133固定连接在所述金属极板1321的下端。所述多 晶硅极板133与所述金属极板1321之间通过多个校准销进行周向定位。 所述多晶硅极板133和所述金属极板1321通过销钉连接结构15相连接。 如图2-4所示，所述销钉连接结构15包括吊挂式螺钉151和旋转锁紧销 152。所述吊挂式螺钉151包括螺纹部1511、插入部1512、插入端1513 和吊挂部1514。所述插入部1512嵌入所述螺纹部1353的设有螺纹的相 反端，所述插入端1355插入所述插入部1512，所述插入端1513和插入 部1512之间优选的为燕尾槽连接方式。所述吊挂部1514与所述插入端 1512一体形成，设置在所述插入端1513相反的一端，用于吊挂在所述 旋转锁紧销152上，从而将所述多晶硅极板133固定到所述金属极板 1321的下端。所述旋转锁紧销152包括锁紧销主体1521，所述锁紧销主 体1521大体上为圆筒状，在所述圆筒的外壁上开设有T型槽1522，所 述T型槽1522包括纵向槽1523和横向槽1524。在所述锁紧销主体1521 的一端设置有旋转力输入部1525，用于与外部旋转力输入装置，例如螺 丝刀，进行配合，从而使得所述旋转锁紧销152能够在所述外部旋转力 输入装置的带动下转动。优选的，所述旋转力输入部1525为四面或者六 面凹槽(图中示出的为六面凹槽)。在所述金属极板1321靠近下端的外 壁上与所述盲孔1324等高的位置还开设有供所述旋转锁紧销152插入的 盲孔1326，优选的，这些盲孔1326的数量大于所述通孔1323的数量。 在所述多晶硅极板133的上表面上设置有与所述盲孔1326数量相同的螺 纹孔1331，这些螺纹孔1331用于与所述吊挂式螺钉151的螺纹部1511 相连接。

所述金属极板1321、多晶硅极板133和石英套筒1322之间的连接 过程为：

步骤一：首先将多个吊挂式螺钉151的螺纹部1511拧入所述多晶硅 极板133上的螺纹孔1331内；

将石英套筒1322装配到金属极板1321的外壁上；

旋转石英套筒1322，使得石英套筒1322上的通孔1323与金属极板 1321外壁上开设的盲孔1324对准；通过外部旋转输入装置，例如螺丝 刀，与所述旋转力输入部1522的配合，将旋转锁紧销152插入金属极板 1321外壁上开设的盲孔1324内；在旋转锁紧销152插入的同时，旋转 所述旋转锁紧销152，使得所述吊挂式螺钉151的吊挂部1514插入所述 T型槽1522的纵向槽1523内，随着旋转锁紧销152的进一步插入，所 述吊挂部1514到达所述T型槽1522的横向槽1524所在的位置，此时， 旋转所述旋转锁紧销152，使得所述吊挂部1514插入到所述T型槽1522 的横向槽1524内；完成所述多晶硅极板133和金属极板1321之间的连 接；

转动所述石英套筒1322，使得所述石英套筒1322上的通孔1323与 金属极板1321外壁上开设的螺纹孔1324对准，在通孔1323和螺纹孔 1324中插入所述定位螺钉，完成所述石英套筒1322和金属极板1321之 间的连接。

如图1所示，所述下电极14包括硅极板141、金属极板142、遮挡 圈143和水平调节装置144。其中，硅极板141位于最上端，与所述上 电极13的多晶硅极板133间隔一定距离的相对设置。所述金属极板142 位于所述硅极板141的下侧，与腔室外部的射频电源电连接。所述金属 极板142与硅极板141之间通过螺钉相连接。所述遮挡圈143为石英材 质、圆环状，套装在所述金属极板142的外侧，用于隔离金属极板142 和金属螺钉与等离子体的接触。所述遮挡圈143与所述金属极板142之 间可以通过陶瓷螺钉等方式进行连接。

所述水平调节装置144位于所述金属极板142的下侧，包括支撑板 1421、锁紧螺钉1422和调节螺钉1423。所述支撑板1421通过螺钉等常 规连接方式固定在所述反应腔室1的衬套11上，在所述支撑板的中央设 置有所述锁紧螺钉1422，用于将所述支撑板1421锁紧在所述金属极板 142的下侧。在靠近所述支撑板1421的边缘位置设置有多个调节螺钉 1423，这些调节螺钉1423的螺杆从下向上穿过所述支撑板，其螺杆的顶 端抵靠在所述金属极板142的下侧面上，通过调节这些调节螺钉1423 的上下位置，来调节所述金属极板142的水平状态，进而调整所述下电 极14的水平状态。优选的，所述调节螺钉1423设置有三个。

如图1、图5-6所示，在所述等离子体反应腔室1的上侧设置有电 极间距调整机构2，所述电极间距调整机构2包括凸轮圈21、活塞机构 22、传动装置23和电动机24。

如图6所示，所述凸轮圈21大体为圆环形，其包括多个形状相同的 凸轮部211，这些凸轮部211在圆周方向上均匀设置，包括上升部2111 和下降部2112。所述活塞机构22与所述凸轮圈21相接合，其数量与所 述凸轮部211的数量相同。如图5所示，所述活塞机构22包括活塞221、 上活塞杆222、下活塞杆223、活塞缸224、凸轮连接部225。

所述活塞221设置在活塞缸224内，在所述活塞221的上端设置有 所述上活塞杆222，所述上活塞杆222的顶端设置有滚子2221，该滚子 2221抵靠在凸轮部221的上升部2111或下降部2112上；在所述活塞221 的下端设置有下活塞杆223，该下活塞杆223穿过活塞缸224后向下延 伸，当将所述电极间距调整机构2连接到反应腔室1上时，所述下活塞 杆223穿过设置在反应腔室1的上盖12上的通孔121后，固定连接在所 述金属极板1321上，从而能够带动所述金属极板1321上下移动。

所述活塞缸224包括活塞缸主体2241、下端盖2242和密封结构2243， 所述下端盖2242密封的连接在活塞缸主体2241的下端，所述密封结构 2243位于下端盖2242的径向内侧，在所述下端盖2242和密封结构2243 的纵向中央位置开设有供所述下活塞杆223穿过的通孔，在密封结构 2243面向下活塞杆223和下端盖2242的内外壁上设置有密封圈，在下 端盖2242的上下端面上也设置有密封圈。在活塞221的下端面和密封结 构2242的上端面之间的下活塞杆223上套设有弹簧227，该弹簧227能 够使得在上电极13上升时所述活塞221能够自动回升，完成自动回程作 用。

在所述活塞缸224的侧壁上开设有凹槽2244，在所述凹槽2244内 设置有固定螺钉2245，通过所述固定螺钉2245将整个电极间距调整机 构2固定在反应腔室1的上盖12上。

所述凸轮连接部225设置在所述活塞缸224的上侧，包括纵连接臂 2251、横连接臂2252、侧滚轮2253和上滚轮2254。所述纵连接臂2251 的下端固定连接在所述活塞缸224的外壁上，所述横连接壁2252的一端 与所述纵连接壁2251的上端相连接，所述横连接臂2252与所述纵连接 臂2251垂直设置，在所述横连接臂2252的另外一端设置有所述上滚轮 2254，该上滚轮2254抵靠在凸轮圈21的上端面上。所述侧滚轮2253 连接在所述纵连接臂2251上，该侧滚轮2253抵靠在所述凸轮圈21的外 壁或者内壁上。通过所述上滚轮2254、侧滚轮2253和滚子2221实现对 齿轮圈21的支承和定位。

所述电动机24与所述凸轮圈21间隔一定距离设置，在所述电动机 24的输出轴和凸轮圈21之间设置有所述传动装置23，所述传动装置23 可以是带传动、齿轮传动或者链轮传动等常规传动方式，优选为齿形带 或者V带传动方式。优选的，在凸轮圈21的外壁上设置有与齿形带或 者V形带配合的凹槽(图中未示出)。

在另外一个实施例中，用手动转轮(图中未示出)代替所述电动机 24，通过传动装置23将该手动转轮的转动传递到所述凸轮圈21上，带 动所述上电极13的上下移动，从而实现对上下电极之间间距的调整。

本发明的等离子体反应腔室1的使用方式为：

首先通过水平调节装置144对下电极14的水平度进行调整，然后根 据需要调整上下电极之间的间距，具体调整方式为：

启动电动机24或者转动手动转轮，通过传动装置23带动所述凸轮 圈21转动，当凸轮圈21转动时，使得滚子2221沿着上升部2111和下 降部2112上升或者下降，从而带动活塞221、下活塞杆223上升或者下 降，进而带动上电极13的调整极板132上升或者下降，实现对上电极 13和下电极14之间间距的调整。

应当说明的是，在本文中，诸如上、下等位置关系是因为描述的方 便而限定的这些零部件之间的一种相对的位置关系，而不是对这些零部 件的一种绝对位置关系的限定。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所 作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来 说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里 无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的 变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。