CN100392792C - 应用于等离子体加工系统中的线性驱动系统 - Google Patents

Abstract

本文公开了使与加工基片相关的物体运动的一种线性驱动组件。该线性驱动组件包含第一齿轮(152)及可操作地与第一齿轮啮合的第二齿轮(154)。该线性驱动组件还包含具有第一部分(160)及第二部分(162)的定位件(158)。该第一部分在直线方向上可运动地与第二齿轮连接，而该第二部分固定在与加工基片相关的元件上。

Description

应用于等离子体加工系统中的线性驱动系统

背景技术

本发明涉及加工基片的设备和方法，该基片例如是应用于IC制造或面板(如玻璃、塑料或类似物)中的半导体基片，该面板用于平面板显示用途。更具体地说，本发明涉及使与加工基片相关的元件运动的改进方法和设备。

等离子体加工系统已存在一些时间了。这些年来，使用电感耦合的等离子源、电子回旋共振(ECR)源、电容性电源等的等离子体加工系统已不同程度地被引入和应用于加工半导体基片和显示面板。在一种典型的等离子体加工应用中，加工源气体(如蚀刻剂气体或淀积源气体)被导入加工室。然后提供能量以在加工源气体中引燃等离子体。在等离子体被引燃后，持续添加能量，这可用各种已知的方法与等离子体耦合，例如电容式、电感式、通过微波等方法。然后，等离子体被应用于加工任务，例如有选择地在基片上蚀刻或淀积一薄膜。

在淀积期间，材料被淀积在基片表面上(例如玻璃板或晶片的表面)、例如各种形式的硅、二氧化硅、氮化硅、金属等的淀积层可形成于基片的表面上。相反地，蚀刻可用于有选择地从基片表面上的预定区域中除去材料。例如，诸如通孔、接点或槽的蚀刻细部都可形成于基片层中。

在基片的加工中，工程师们致力于改善的一个最重要参数是加工均匀度。当此处应用该术语时，加工均匀度涉及跨越基片表面的均匀度、在同一加工室中加工的不同基片之间的均匀度，和在不同的加工室中加工的不同基片之间的均匀度。如果加工是高度均匀的，例如，人们期望在基片上不同点的加工率以及在生产运行中不同基片之间的加工率趋于基本相等。有两种情况都不太可能发生，即：基片的一个区域将被过份地过加工同时其它区域保持加工不足，或者一个基片将被加工成区别于另一个基片。如可理解的，加工均匀度是产率的重要决定因素，并且因此高水平的加工均匀度往往会转变成制造商的较低成本。

在许多应用中，加工均匀度难于保持，因为与加工基片相关的各种参数会出现变化。例如，晶片区域压力(WAP)，即基片表面周围的压力，在基片运动期间可产生波动，因为贴近基片的温度发生变化。如技术人员所熟知的，如一个基片的WAP较高而另一个基片的较低，各基片之间的所需加工性能往往是不均匀的。此外，如果横跨基片的一个区域的WAP较高而横跨基片的另一个区域的较低，横跨基片表面的所需加工性能往往是不均匀的。

控制WAP的一种技术是为加工室内部提供一种约束环。约束环通常被构造成在工作区域中环绕着基片，它通常在要加工的基片的上方。以这种方式，使加工更受约束地进行，并因此WAP更均匀。对于某些应用虽然这一技术工作良好，但在许多应用中希望提供更加受控的加工环境，该环境自适应地改变以适应加工单个基片期间、在一生产过程中加工多个基片期间或在不同室中加工期间WAP方面的变化。

如今，已作出某些努力来提供运动的约束环，该约束环能调节排出气体的电导并因此而调节WAP。用这种方式，可控制WAP以减小在加工期间可能发生的变化。一个具体的方法是应用凸轮系统来使约束环在上与下电极之间上下运动。在这种方法中，在其表面上具有变化平面的圆形凸轮垂直地与柱塞/弹簧机构啮合，该机构和约束环相连接。当凸轮转动时，柱塞根据凸轮表面上的不同平面而上移或下移，而结果是约束环相应地移上或移下。因此，凸轮机构能被构造成用来控制约束环与下电极之间的间隙，以便调节排出气体的电导并因此调节基片上方工作区域中的WAP。

虽然这个技术通常工作良好，一个问题是传统的凸轮方法仅能提供有限的压力控制范围、低灵敏度及低分辨率(即低精度)。例如，凸轮表面的坡度或平面被柱塞/凸轮的接触面所限制，因为如果坡度太大柱塞会卡住。结果柱塞移动的总距离受到限制，这导致压力控制的有限范围。还有，用传统的凸轮方法不能达到加工期间压力的精确变化。另外还有，柱塞/凸轮接触面可能磨损而弹簧可能丧失弹性，这两者往往会减小系统的可靠性。

加工工具的占有成本是对于制造商的重要问题中的一个，这些问题包括：例如，获得和维持系统的成本，为维持合理水平的加工性能所需的加工室清洁(工作)频率，系统元件的耐久性(寿命)等等。因此所需的加工常常是一个以这种方法在不同的占有成本与加工参数之间取得正确平衡的问题，这种方法的结果是在较低成本下的更高质量的加工。还有，由于基片上的细节变得更小而对加工的要求变得更多(例如：较小的极限尺寸，更高的纵横尺寸比，更快的产出率等)，工程师们持续地寻找新方法和设备以实现更高质量的加工，该加工导致更低的成本。

从上述来看，需要用于使加工基片的相关元件(即约束环)运动的改进方法和设备。

发明内容

本发明在一个实施例中涉及用于加工基片的等离子体加工系统。该等离子体加工系统包含与加工基片相关的元件。例如，该元件可能是约束环或电极。该等离子体加工系统还包含使元件在直线方向运动的齿轮驱动组件。在一些实施例中齿轮驱动组件被构造成用来使约束环运动以控制基片上方的压力。在其它的实施例中，齿轮驱动组件被构造成用来使多个元件运动。在优先实施例中，齿轮驱动组件包含第一齿轮、第二齿轮和定位件。第一齿轮被构造用来驱动第二齿轮，而第二齿轮被构造成用来使定位件在直线方向运动。定位件还被固定在元件上，使得当定位件在直线方向运动时所述元件也在直线方向运动。

本发明在另一个实施例中涉及用于加工基片的等离子体加工系统。该等离子体加工系统包含：用于在加工室内部产生电场的电极和用于在加工室内部约束等离子体的约束环。该等离子体加工系统还包含用于使约束环或电极运动的齿轮驱动组件。该齿轮驱动组件包含至少一个第一齿轮、一个第二齿轮和一个定位件。第一齿轮被构造成用于驱动第二齿轮，而第二齿轮被构造成用于在预定方向使定位件运动。定位件被固定在约束环或电极上，致使当定位件被第二齿轮作用而运动时，约束环或电极在预定方向上运动。

在一些实施例中，约束环的位置被布置成当基片被配置在加工室内加工时，在约束环与基片之间形成间隙。该间隙被构造成用于控制排出气体的传导。

在一些实施例中，第一齿轮及第二齿轮由加工室可转动地支承。还有，第二齿轮与第一齿轮可操作地啮合。另外还有，第二齿轮具有一轴线和设置在该轴线上的第一螺纹表面。此外，定位件具有第二螺纹表面，第二螺纹表面可运动地与第二齿轮的第一螺纹表面连接以提供直线方向上的运动。

在一些实施例中，齿轮驱动组件包含用于转动第一齿轮的驱动机构。该驱动机构包含马达和可转动地连接在马达上的驱动齿轮。驱动齿轮与第一齿轮可操作地啮合，其中当马达转动驱动齿轮时，驱动齿轮驱动第一齿轮转动，第一齿轮驱动第二齿轮转动，转动的第二齿轮引致定位件在直线方向上运动。

在另一个实施例中，齿轮驱动组件还包含第三齿轮和第二定位件。第一齿轮被构造成用于驱动第三齿轮。还有，第三齿轮被构造成用于使第二定位件在预定方向上运动。另外还有，第二定位件固定在约束环或电极上，致使当第二定位件在第三齿轮作用下运动时，约束环或电极在预定方向上运动。在相关的实施例中，齿轮驱动组件还包含使第二齿轮或第三齿轮与第一齿轮啮合及脱开啮合的变换齿轮，其中当第二齿轮与变换齿轮啮合时，第一定位件在预定方向上运动，并且其中当第三齿轮与变换齿轮啮合时，第二定位件在预定方向上运动。

在一些实施例中，第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮和变换齿轮由加工室可转动地支承。变换齿轮与第一齿轮可操作地啮合。第二齿轮具有一轴线和配置在该轴线上的第一螺纹表面。第一定位件具有第二螺纹表面，该第二螺纹表面可运动地与第二齿轮的第一螺纹表面连接以便提供直线方向上的运动。第三齿轮具有一轴线和配置在该轴线上的第一螺纹表面。第二定位件具有第二螺纹表面，该第二螺纹表面可运动地与第三齿轮的第一螺纹表面连接以便提供直线方向上的运动。

本发明在另一个实施例中涉及用于使与加工基片相关的物体运动的线性驱动组件。该线性驱动组件包含第一齿轮和可操作地与第一齿轮啮合的第二齿轮。该线性驱动组件还包含具有第一部分及第二部分的定位件。第一部分在直线方向上可运动地与第二齿轮连接，而第二部分固定在物体上。在一些实施例中，定位件包含具有一节距的外螺纹表面，而第二齿轮包含具有与该外螺纹表面的节距相等节距的内螺纹表面。定位件的外螺纹表面可转动地装在第二齿轮的内螺纹表面上。在其它的实施例中，定位件是直条的齿轮(例如齿条及齿轮机构)。

在一些实施例中，线性驱动组件包含用于驱动第一齿轮的马达。此外，线性驱动组件包含多个第二齿轮和多个定位件。第二齿轮与定位件绕第一齿轮的圆周对称地间隔分布。例如，当应用外齿轮时，第二齿轮绕第一齿轮的外圆周对称地间隔分布，而当应用内齿轮(例如行星齿轮)时，第二齿轮绕第一齿轮的内圆周对称地间隔分布。

线性驱动组件可应用于包括电容性耦合的、感应耦合的或ECR反应器的各种各样等离子加工系统中。在相关的实施例中，线性驱动组件可被构造成用来使约束环在等离子加工系统加工室的内部运动。此外，线性驱动组件可被构造成用来使电极在等离子体加工系统加工室的内部或外部运动。

附图说明

本发明是通过举例而不是限定的方法由附图的画面图示说明，及其中的相同标号指示类似的元件，而其中：

图1是根据本发明的一个实施例的等离子体反应器的破开的立体视图。

图2是图1的等离子体反应器的侧面剖视图。

图3是图1的等离子体反应器的俯视剖视图。

图4是描绘根据本发明的一个实施例在图1～3的等离子体反应器中加工基片的相关步骤的流程图。

图5是根据本发明的一个实施例的等离子体反应器的破开的立体视图。

图6是根据本发明的一个实施例的等离子体反应器的破开的立体视图。

图7是图6的等离子体反应器的俯视剖视图。

具体实施方式

现将参考如附图中所图示的本发明的几个优选实施例详细描述本发明。在下面说明中，为了提供对本发明的透彻理解，陈述了许多具体细节。但是，显然对于该领域的技术人员，可以不使用某些或全部的这些具体细节来实施本发明。在其它情况下，为了不必要地模糊了本发明，已熟知的加工步骤不作详细描述。

本发明提供一种线性驱动组件，它能够使物体运动，该物体与以高度的运动控制来加工基片相关。该线性驱动组件包含可操作地互相啮合的多个齿轮。该线性驱动组件还包含多个定位件，它们可运动地与预定的齿轮组连接并在结构上与可运动物体连接。定位件被构造成用来当预定的齿轮组转动时使该物体在直线方向上运动，在一个特定的应用中，定位件是具有外螺纹的轴，该外螺纹被构造成与预定的齿轮组的内螺纹相匹配。相应地，当预定的齿轮组转动时，这些齿轮的转动使内螺纹转动，这依次引起轴在直线方向运动。因此，齿轮及螺纹的应用提供了对物体直线运动的高度控制。例如，齿轮/螺纹机构可得到具有提高的分辨率、灵敏度及可靠性的更精确运动。

本发明在一个实施例中涉及等离子体加工系统，该系统能进行高度的加工均匀度控制。该等离子体加工系统被构造成用于加工基片并含有加工室、下电极、上电极及约束环，它们用来产生和包容用于加工任务的等离子体。

根据本发明的一个方面，线性驱动组件的直线运动被构造成用来在加工期间控制约束环与下电极之间的间隙。特别是，线性驱动组件被布置成用来使约束环在上电极与下电极之间上下运动，以调节排出气体的电导。通过调节排出气体电导，基片上方工作区域内部的压力(即WAP)可维持在加工所需的水平。因此，加工期间能以微小变化量控制压力，以提供提高的加工均匀度，这增加了基片的产出率、减少了装置故障并提高了被加工的基片的总生产率。

根据本发明的另一个方面，线性驱动组件的直线运动被构造成用来在加工期间控制上电极与基片之间的间隙。特别是，线性驱动组件被布置成用来使上电极上下运动，以调节基片上方工作区域的容积。通过调节容积，与等离子体加工相关的各种参数，例如等离子体的密度及压力，可维持在加工所需的水平。类似地，加工期间能以微小变化量控制等离子体的密度及压力，以提供提高的加工均匀度，这增加了基片的产出率、减少了装置故障并提高了被加工基片的总生产率。

根据本发明的另一个方面，线性驱动组件的直线运动被构造成用来在加工期间独立地控制约束环与下电极之间的间隙和上电极与基片之间的间隙。在这个特定的实施例中，线性驱动组件被构造成含有附加齿轮。例如，线性驱动组件还含有第二组预定齿轮和定位件。以这种方式，第一组预定齿轮及定位件被构造成用来使约束环运动而第二组预定齿轮及定位件被构造成用来使上电极运动。还含有变换齿轮以可操作地使预定齿轮与第一齿轮啮合或脱开啮合。因此因为两个间隙都受到控制，加工工程师提高了对要加工的基片周围加工条件的控制。

在一优选实施例中，本发明在一等离子体反应器中进行了实践，该反应器例如是电容性耦合的等离子体反应器，可从Lam ResearchCorporation of Fremont，CA买到它。虽然将图示和描述电容性耦合的等离子体反应器，应该指出：本发明可在任何适合于生成等离子体的等离子体反应器中进行实践，例如电感性耦合的或ECR反应器。

图1及2图示了根据本发明一个实施例的等离子体反应器100的概略图。等离子体反应器100通常含有等离子体加工室102。室102内部配置了上电极104和下电极106。上电极104配置在下电极106的上方并经配电网(为简化图示而未表示)与第一射频(RF)电源108耦合。第一RF电源108被构造成用来向上电极104供应RF能量。此外，下电极106与第二RF电源110耦合，它被构造成用来向下电极106供应RF能量。

再有，上与下电极104、106之间的间隙111通常决定加工期间工作区域的容积。因此，间隙111的尺寸能被构造成用来控制各种参数，例如压力和/或等离子体的密度。尽管不希望被理论所限制，但人们相信较小的容积可增大等离子体的密度而较大的容积可减小等离子体的密度。如技术人员已熟知的，等离子体的密度往往会影响加工的速率，例如蚀刻率。相应地，间隙可被构造成用来平衡所需的容积并进而所需的加工蚀刻率。

另外还有，一般相信间隙111在控制基片上方工作区域内部的压力方面起重要作用。作为一般规律，压力与容积成反比例，当容积减小相应于增大压力，而增大容积相应于减小压力。因此，间隙111的尺寸最好被构造成用来平衡所需容积与加工所需压力。

等离子体反应器100还包含卡盘112，它被配置在下电极106的顶部表面上。卡盘112被构造成用于在加工期间支持基片114。卡盘112可以是例如静电(ESC)卡盘，它利用静电力把基片114固定在卡盘的表面。此外，基片114是要加工的工件，它可以是例如要蚀刻的、淀积的或其它加工的半导体基片或者是要加工成平板显示器的玻璃板。

再有，在加工室内一般设置有通气口116，用于释放气态源材料例如蚀刻剂源气体进入上电极与基片之间的工作区域之中。如图2所示，通气口116配置在上电极104的内部。此外，用于排出加工期间生成的副产品气体的排气口118一般配置在加工室的室壁与下电极106之间。在图2中，排气口118与位于室102底部的泵120连接。泵120一般被安排用于维持室102内部的恰当压力。在一次实施中应用了涡轮分子泵。

举例来说，为了生成等离子体，加工气体通过通气口116输入加工室内。然后电能被供向电极104及106而在上及下电极104及106之间产生大的电场。如技术上已熟知的，加工气体的中性气体分子在受到这些强电场作用时失去了电子，而留下正电荷的离子。结果，正电荷离子、负电荷电子及中性气体分子被容纳在等离子体内部。此外，一般在基片的上方直接产生一屏蔽电压，该电压导致离子加速朝基片运动，由此它们和与中性物质相合，启动了加工反应。

为进一步图示该过程，图4表示了涉及在等离子体反应器(例如等离子体反应器100)中加工基片的相关操作的流程图。在加工前，已完成传统的预加工操作，该操作可能包括基片的出入。示范性加工一般采取5个步骤。第一步201涉及使加工室泵至所需的压力。第二步202涉及使加工气体流入加工室并使压力稳定。一旦压力是稳定的，第三步204是在加工气体中引燃等离子体。在引燃等离子体之后，第四步206是使等离子体在加工室内部稳定至特定压力。在加工室压力稳定之后，第五步208是加工基片。

回头参考图1及2，等离子体加工反应器100还包含约束环130，它通常被构造成用来把等离子体约束在基片114上方的区域。如图2所示，约束环130的第一部分位于上电极104外圆周的周围，而第二部分的位置环绕上电极104与下电极106之间的间隙111以封闭基片114上方的至少一部分工作区域。约束环130也对称地配置在基片114圆周的周围以产生更均匀的加工。

如所图示的，间隙132一般在约束环130的底部边缘134与下电极106之间形成。通常间隙132被提供用来控制排出气体的传导，同时把等离子体基本约束在由上电极104与约束环130所构成的容积中。最好是约束环130的底部边缘与下电极106的顶部表面均匀地分开(例如平行地)，使得在基片114表面处气体的均匀分布得以维持。

间隙132的尺寸通常决定加工期间排出气体从工作区域排除的速率。尽管不希望被理论所限制，但人们相信太小的间隙会阻碍气体的流动，这会导致非均匀的蚀刻率和沿基片圆周的颗粒污染。还有，人们相信太大的间隙不会使等离子体被恰当地约束在合适的容积内，这也会导致非均匀的蚀刻率(例如非均匀的等离子体)。另外还有，通常相信间隙在控制基片上方工作区域内部的压力方面起重要的作用。这就是说，压力与排气率成反比例，当传导减少时对应的是压力增大，而传导增加对应压力减小。因此，间隙的尺寸最好被构造成用来平衡所需的传导与所需的压力。

图1及图2也图示了根据本发明一个实施例的线性驱动组件150，组件150被构造成用于使约束环130在上电极104与下电极106之间运动。通过在加工期间约束环130的上下运动，蚀刻剂源气体脱离等离子体加工室102的传导可增加或减少，以使压力保持在加工所需的压力范围内。例如，可调节压力以适应基片运转期间发生的温度波动，由此维持各基片间的均匀度。再有，线性驱动组件150可被构造成用来使约束环上下运动，以利于基片114的进出。

线性驱动组件150通常含有第一齿轮152及多个第二齿轮154。第一齿轮152及多个第二齿轮154两者都由加工室102的盖156可转动地支承。再有，多个第二齿轮154可操作地与第一齿轮152啮合。线性驱动组件150还包含多个定位件158，每个具有第一部分160及第二部分162。每个定位件158彼此平行。每个第一部分160可运动地连接在一个第二齿轮154上以允许定位件158在直线方向166运动。每个第二部分162固定于约束环130上。如图1所示，直线方向166垂直于由基片114的顶部表面所生成的平面。此外，密封件175通常设置在定位件158与盖156之间以密封接触面来消除泄漏。

再有，线性驱动组件含有马达161和安装在马达161上的驱动齿轮163，技术人员熟知马达，因此此处为简明起见将不予讨论。驱动齿轮163可操作地与第一齿轮152啮合，并被构造成当马达被启动时用于驱动第一齿轮152。实质上，马达161驱动驱动齿轮163，驱动齿轮163驱动第一齿轮152，第一齿轮152驱动多个第二齿轮154，而多个第二齿轮154使相应的定位件158在直线方向166运动，结果这使约束环130在上电极104与下电极106之间的直线方向166上运动。

定位件158沿直线路径运动的方向通常由第二齿轮154的转动方向决定。例如，线性驱动组件150可被构造成：当第二齿轮154顺时针转动时使定位件158向上运动，而当第二齿轮154逆时针转动时使定位件向下运动。

参考图2，多个定位件158以螺纹与多个第二齿轮154连接。这就是说，定位件158与第二齿轮154装配有螺纹，当第二齿轮154转动时螺纹使定位件158在直线方向上运动。第二齿轮154通常包含螺母部分170，螺母部分170具有(内)螺纹表面，而定位件158通常包含具有外螺纹表面的螺纹部分172。每个定位件158的外螺纹表面被构造成与相应的第二齿轮154的内螺纹表面相配合。相应地，当第二齿轮154转动时，定位件158的螺纹部分172穿越转动的第二齿轮154的螺母部分170。螺纹的一个特殊优点是它们稳定地啮合并因此可达到非常精确的运动。

再有，定位件/第二齿轮机构通常这样安排：使得当螺母部分170转动了一转时，定位件158移动一个整螺纹。如技术人员已熟知的，沿螺杆长度测量的相邻螺纹上对应点之间的距离通常称为节距。因此，当螺母部分170转动一转时，定位件158就移动一个节距的距离。例如，如果螺杆螺纹被切制成每英寸32个螺纹，则第二齿轮(例如螺母部分170)的一转使定位件158移动1/32英寸。如可理解的，螺纹的切制可被安排成提供提高的分辨率。这就是说，每英寸较多的螺纹数会使定位件158得到较小的移动增量，这依次获得更细微的压力调节。例如，具有每英寸约10至约40个螺纹的螺纹件工作良好。然而应当指出这不是界限，并且每英寸的螺纹数量可根据每个加工室的具体结构而变化。

为了进一步讨论本发明的特点，图3图示了等离子体反应器100的线性驱动组件的俯视视图。如已提到的，线性驱动组件150含有第一齿轮152、多个第二齿轮154、定位件158及驱动齿轮163。多个第二齿轮154及驱动齿轮163通常绕第一齿轮152的圆周配置。多半是多个第二齿轮154的运动彼此同步。这就是说，运动的方向(例如顺时针或逆时针)以及运动的量(例如转过的齿的数量)是相同的。

尽管已显示和描述了应用外直齿齿轮的线性驱动组件，但应理解也可应用其它的齿轮形状以适应不同的加工室或适应为获得直线运动所需的其它外部因素。例如，内齿轮(例如行星齿轮)也可良好地工作。如果应用内齿轮，多个第二齿轮及驱动齿轮将绕第一齿轮的内圆周配置。

如图3所示，线性驱动组件150包含三个第二齿轮154和三个定位件158。如技术人员已熟知的，三个点构成一平面，而因此最好具有三个定位件使约束环运动。三个定位件158被构造成垂直于约束环130的重心地使其运动，由此使约束环130保持平衡及水平。如所示，每个第二齿轮/定位件机构都是绕第一齿轮152对称地布置，并且每个定位件158都是轴向地定位于对应的第二齿轮154的中心上。应该指出本发明不局限于三个定位件，而可应用任何数量的定位件，这些定位件适于使约束环移动同时保持使它平衡。

如该领域技术人员已熟知，为使所有的齿轮良好地啮合，即没有滑动地转动，各齿轮必须被构造成具有相似的齿，这些齿约有相同尺寸。另外，一般提供齿轮间的小间隙用于啮合的齿轮间更平稳的和更安静的运动。齿轮组件的一个特别优点是这些齿轮稳定地啮合在一起并因此一般没有爬行或滑动，因而可获得非常精确的运动。

决定线性驱动组件的灵敏度及分辨率的一个重要因素是合适的齿轮尺寸(例如齿)的选择。通常相信齿数越多分辨率越高。这就是说，齿数越多，定位件移动距离的增量变化越小，而因此压力的变化越小。实质上每一个齿轮具有X个齿的分辨率。为了进一步详细说明，齿的数量可以描述为齿轮的各部分。例如，如果第二齿轮具有10个齿，则第二齿轮可分解为10个部分。这些部分对应于第二齿轮的运动增量。如果只有一个齿转过去了，则第二齿轮只转动了一个部分，并因此第二齿轮只转动了1/10转。由于第二齿轮与定位件之间的连接，定位件相应地只移动了1/10节距。如果节距是1/32英寸，则定位件将移动1/320英寸。例如，具有约10至约48齿之间的第二齿轮工作良好。但是，应当指出，这不是界限，第二齿轮上的齿数可根据每个加工室的特定结构而变化。

齿轮可由例如金属及塑料的任何合适材料制成，并可用任何已知的工艺来制造，例如铸造、锻造、挤压、注塑等。然而，如果齿轮或加工室的盖遇到热膨胀(例如，如果温度高)，它们可能需要用具有基本相同的热膨胀系数的材料来制作，使得它们将以大约相同的膨胀率膨胀。如果热膨胀小，这通常就不是要素，因为齿轮之间的间隙通常比热膨胀量大。再有，也可在齿轮之间使用润滑剂或油以减小热膨胀效应以及减小相配齿轮之间的磨损。

如已提及的，齿轮由加工室的盖可转动地支承。在一个实施例中，应用了可使齿轮自由转动的轴承齿轮。如图3所示，第一齿轮152被构造成如一具有内圆周的同心环，该内圆周与一组轴承180连接。更具体地说，轴承组180配置在第一齿轮152的内圆周与盖156的部分182之间。因此，盖156的部分182可用作通气口、传感器、压力计等的通路。轴承齿轮是熟知的，并且为简明起见将不作任何更详细的讨论。再有，第二齿轮牢固地装在加工室的盖上。在一次实施中，使用了推力轴承把第二齿轮固定在加工室的盖上。

线性驱动组件(例如150)通常是闭环控制系统的一部分，它被构造用来减小加工室内部的压力波动。例如，等离子体加工设备可被构造成含有：压力传感器，用于测量基片上方工作区域内部的压力；和控制器或中央CPU，用于监控测得的压力。线性驱动组件的马达及压力传感器两者可操作地耦合于控制器。压力传感器被构造用来产生压力的电信号，该信号对应于测得的压力。控制器被构造用来接收来自压力传感器的压力的电信号并发送相应的电控制信号至马达，该电控制信号至少是部分基于接收到的信号。再有，马达被构造用来接收和实现由控制器发出的电控制信号。该电控制信号一般涉及马达的特定方向及位置方面的增量改变。压力传感器、控制器及马达都是技术上熟知的，因此将不详细描述。

根据本发明的另一个实施例，线性驱动组件的直线运动被构造成用来控制上电极与基片之间的间隙。在这个特定的实施例中，定位件被固定在上电极上，而不是在约束环上。相应地，线性驱动组件被安排用来使上电极上、下运动以调节基片上方工作区域的容积。通过调节容积，与等离子体加工相关的各种参数，例如等离子体密度及压力可维持在加工所需的水平。

为易于讨论本发明的这个方面，图5显示等离子体反应器100含有线性驱动组件700，它被构造用于使上电极104在加工室102内部运动。在这个图中，线性驱动组件700是根据按照图1～4在上面陈述的本发明的教导生产的，并因此将仅是简要地描述。

线性驱动组件700通常含有第一齿轮702和多个第二个齿轮704。第一齿轮702及多个第二齿轮704两者都由加工室102的盖156转动地支承。再有，多个第二齿轮704可操作地与第一齿轮702啮合。线性驱动组件700还包含具有第一部分710及第二部分712的多个定位件706。第一部分710在直线方向166可运动地与第二齿轮704连接，而第二部分712固定于上电极104。如所示，直线方向166垂直于由基片114的顶部表面生成的平面。再有，定位件706以螺纹与第二齿轮704连接。如先前已提及的，定位件706与第二齿轮704装备有螺纹，当第一齿轮702转动时，该螺纹使定位件706在直线方向166运动。

再有，线性驱动组件700包含马达161及驱动齿轮163，驱动齿轮163安装在马达161上。驱动齿轮163可操作地与第一齿轮702啮合，并被构造成当马达161被启动时用于驱动第一齿轮702。实质上，马达161驱动驱动齿轮163，驱动齿轮163驱动第一齿轮702，第一齿轮702驱动多个第二齿轮704，而多个第二齿轮704使对应的定位件706在直线方向166运动，结果这使上电极104在直线方向166上移动。

虽然已表示和描述的线性驱动组件使约束环或上电极运动，应理解的是也可使其它的元件运动以适应不同的加工。例如，可应用线性驱动组件使下电极运动。再有，应该指出：本发明不局限于使元件在加工室内部运动。例如，可应用线性驱动组件使配置在加工室外部的天线或电极运动。如果使用了这种形式的系统，线性驱动组件通常连接在等离子体反应器的框架上，而不是如所示连接于加工室的盖上。此外，应该懂得线性驱动组件不局限于使一个元件运动而可用于使多个元件运动。例如，线性驱动组件可被安排使多个约束环运动或使例如约束环与上电极的元件组合运动。

根据本发明的另一个实施例，线性驱动组件的直线运动被构造成用来使约束环及上电极两者运动。以这种方式，可达到提高对与加工相关的各种参数的控制。例如，使约束环及上电极运动可改变基片上方工作区域内部的压力及等离子体密度。因此，可使这些物体中的任何一个运动以维持基片(对基片)间的均匀度。

为易于讨论本发明的这个方面，图6及7表示了含有线性驱动组件800的等离子体反应器100，组件800被构造成用于使加工室102内部的多个物体运动。在这个图中，线性驱动组件800是根据按照图1～5陈述于上面的本发明的教导生产的。因此，线性驱动组件800被构造成用于使约束环130在上及下电极104及106之间运动并用于使上电极104在加工室102内部运动(两者具有提高的运动控制水平)，以控制与加工相关的各种参数。

线性驱动组件800通常包含第一齿轮802及多个第二齿轮804。第一齿轮802及多个第二齿轮804都由加工室102的盖156可转动地支承。再有，多个第二齿轮804可操作地与第一齿轮802啮合。线性驱动组件800还含有多个第三齿轮806和多个第四齿轮808，两者可转动地和牢固地由加工室102所支承。第一组定位件810可运动地与第三组齿轮806连接而第二组定位件812可运动地与第四组齿轮808连接。两组定位件810及812在直线方向166上可运动地连接。如图所示，直线方向166垂直于由基片114的顶部表面生成的平面。另外，第一组定位件810安装于约束环130上，而第二组定位件812安装于上电极102上。

此外，第二齿轮804可运动地与加工室102连接并被构造成用于与第三齿轮806及第四齿轮808啮合或脱开啮合。尤其是，第二齿轮704在加工室102的盖上具有至少两个位置。第一位置(如图示)引致第二齿轮804可操作地与第三齿轮806啮合，而第二位置引致第二齿轮804可操作地与第四齿轮808啮合。在一个实施例中，第二齿轮804被构造成在配置于盖156上的槽中的这些位置之间滑动。在这个实施例中，还提供了离合器使第二齿轮在这些位置之间运动，以使第二齿轮与第三及第四齿轮连接(啮合)及脱开。在一次实施中，该离合器被构造成封闭环加工的一部分，它自动地啮合第二齿轮804及脱开啮合。离合器在技术上是熟知的，并因此为简明起见将不详细描述。

此外，线性驱动组件含有马达161及安装在马达161上的驱动齿轮163。驱动齿轮163可操作地与第一齿轮802啮合，并被构造成当马达161被启动时用于驱动第一齿轮702。当第二齿轮804与第三齿轮806啮合时，马达161驱动驱动齿轮163，驱动齿轮163驱动第一齿轮802，第一齿轮802驱动多个第二齿轮804，而多个第二齿轮804驱动多个第三齿轮806，该第三齿轮相应地使对应的定位件810在直线方向166运动，结果这使约束环130在直线方向166上在上电极104与下电极106之间运动。当第二齿轮804与第四齿轮808啮合时，马达161驱动驱动齿轮163，驱动齿轮163驱动第一齿轮802，第一齿轮802驱动多个第二齿轮804，而多个第二齿轮804驱动多个第四齿轮808，第四齿轮808相应地使对应的定位件812在直线方向166上运动，结果这使上电极102在直线方向166运动。

为了进一步详细说明，第一组定位件810以螺纹与第三齿轮806连接，而第二组定位件812以螺纹与第四齿轮808连接。如先前已指出的，定位件与对应的齿轮装备有螺纹，当对应的齿轮转动时螺纹使定位件在直线方向运动。

再有，多个第二齿轮804及驱动齿轮163通常绕第一齿轮802的圆周配置。因此，各个第二齿轮的运动彼此同步。这就是说，运动的方向(例如顺时针或逆时针)和运动的量值(例如转过的齿数)是相同的。另外还有，第三组齿轮806通常配置于接近第二齿轮804并在约束环130上方，而第四组齿轮808通常配置于接近第二齿轮804并在上电极102上方。如图所示，每个第三齿轮/定位件机构及第四齿轮/定位件机构都是围绕第一齿轮对称地分布，而每个定位件都是轴向地定位于对应齿轮的中心。

正如图1～5中所描述的线性驱动组件的情况，通过调节齿轮的齿数及定位件的节距，图6及7描述的线性驱动组件可被构造成具有高分辨率。再有，如先前已描述的，图6及7的线性驱动组件也可以是控制环系统的一部分。

如从上述可见，本发明提供了超过先有技术的许多优点。不同的实施例或实践具有一个或多个下列优点。

本发明的一个优点是线性驱动组件提供了具有高分辨率、高灵敏度及提高的可靠性的精确运动。结果是诸如约束环及上电极元件可具有较大控制范围的运动。因此，可控制诸如晶片区域压力及等离子体密度参数，以提供提高的加工均匀性(即跨越基片表面的均匀度和各基片间的均匀度)，这增加了基片的产出量，减少了装置故障和提高了所加工的基片的总生产率。

本发明的另一个优点是成本有效。例如，只应用单个马达的本发明可被构造成用于使加工室内的多个物体运动。另外，本发明减少了消耗品(例如磨损件)的数量。结果是获得及维持系统的成本降低了。本发明另一个特殊优点为控制是实时的，即在单个基片加工期间实现直线运动。

虽然本发明已通过若干优选实施例加以描述，仍会有替代物、变换物及等效物，它们都落入本发明的范围内。例如，虽然只是描述和显示了直齿齿轮，但应明白可应用其它的齿轮形状，例如螺旋齿轮、人字齿轮、蜗轮、斜齿轮、扇形齿轮，皮带和/或链条。此外，定位件/第二齿轮机构可被构造成为齿条及齿轮，它们被构造用来在直线方向上运动。另外，虽然图示和描述的只是带有驱动齿轮的马达，但应指出也可应用其它的驱动机构。例如，马达可直接耦合在第一齿轮上，或者直接耦合在带有皮带或链条的第一齿轮上。

应当指出有许多实现本发明的方法及设备的更替途径。例如，虽然描述了线性驱动组件被安排用来使约束环及上电极运动，但应理解它也可被构造成用来使其它物体运动，例如下电极。另外，直线方向也可被应用于物体在非垂直于基片方向的运动。例如，线性驱动组件可用于使物体平行于基片表面而运动。

此外，预期本发明也可应用于任何适合蚀刻或淀积的反应器。例如，本发明可应用于一些合适的及已知的淀积加工，包括：化学蒸气淀积(CVD)；等离子体增强的化学蒸气淀积(PECVD)；及物理蒸气淀积(PVD)，例如溅射。此外，本发明可应用于任何一些合适的及已知的蚀刻加工，包括那些适用于：干蚀刻、等离子体蚀刻、活性离子蚀刻(RIE)、磁性增强的活性离子蚀刻(MERIE)、电子回旋共振(ECR)等等的蚀刻加工。

因此我们的意图是下面附录的权利要求书如同包含的所有替代物、变换物及等效物一样落入本发明的实质精神及目标范围内。

Claims (25)

1.一种用于加工基片的等离子体加工系统包括：

用于将等离子约束在加工室内的约束环；以及

用于在所述基片的加工期间在垂直方向上运动所述约束环的齿轮驱动组件，所述齿轮驱动组件包含第一齿轮、第二齿轮及定位件，所述第一齿轮被构造成用于驱动所述第二齿轮，而所述第二齿轮被构造成用于使所述定位件在所述垂直方向上运动，所述定位件固定在所述约束环上，使得当所述定位件在所述垂直方向上运动时所述约束环在所述垂直方向运动。

2.如权利要求1所述的等离子体加工系统，其特征在于，所述约束环在所述垂直方向上运动以便在所述加工期间控制所述基片表面上的压力。

3.如权利要求1所述的等离子体加工系统，其特征在于，其还包括用于在加工室内部产生电场的电极。

4.如权利要求1所述的等离子体加工系统，其特征在于，约束环将等离子约束在基片的一个区域上。

5.如权利要求1所述的等离子体加工系统，其特征在于，在所述加工期间使用蚀刻掩模以便有选择地将材料从所述基片的一个表面上的预定区域中去除，或者在所述加工期间采用沉积掩模以便有选择地将材料沉积在所述基片的一个表面上的预定区域内。

6.如权利要求1所述的等离子体加工系统，其特征在于，所述约束环的轴线定向在垂直方向上。

7.如权利要求1所述的等离子体加工系统，其特征在于，当所述基片布置在所述加工室以便进行加工时，在所述约束环和所述基片限定的平面之间设置间隙，并且其中所述间隙的大小在加工期间通过在所述垂直方向上运动所述约束环进行改变，以便控制排出气体的传导性。

8.如权利要求2所述的等离子体加工系统，其特征在于，该约束环向下运动以便在加工期间增加所述基片的表面处的压力，并且其中约束环向上运动以便在加工期间降低所述基片的表面处的压力。

9.如权利要求1所述的等离子体加工系统，其特征在于，所述第一齿轮可相对于所述加工室转动，其中所述第二齿轮可相对于所述加工室运动并与所述第一齿轮接触，使得在所述第一齿轮相对于加工室转动时，所述第二齿轮转动，并且其中所述定位件可相对于所述第二齿轮运动并与所述第二齿轮接触，使得在所述第二齿轮相对于加工室转动时，所述定位件垂直运动。

10.如权利要求9所述的等离子体加工系统，其特征在于，其还包括多个第二齿轮和多个定位件，所述第二齿轮和所述定位件围绕所述第一齿轮的周边相互对称隔开相同距离，当所述第一齿轮转动并且所述多个第二齿轮保持与所述第一齿轮接触时，所述多个定位件在平行于所述垂直方向上以同步方式运动。

11.一种用于加工基片的等离子体加工系统包括：

用于在加工室内部产生电场的电极；

用于把等离子体约束在所述加工室内部的约束环；以及

用于单独使所述约束环和所述电极运动以便实现所述基片加工的齿轮驱动组件，其中齿轮驱动组件包括：

第一定位件；

其中所述第一定位件固定在所述约束环上，使得在所述第一定位件在垂直方向上运动时，所述约束环在所述垂直方向上运动；

第二定位件；

其中所述第二定位件固定在所述电极上，使得在所述第二定位件在所述垂直方向上运动时，所述电极在所述垂直方向上运动；

第一齿轮；

第二齿轮

其中第二齿轮构造成在所述垂直方向上运动所述第一定位件；

第三齿轮；

其中第三齿轮构造成在所述垂直方向上运动所述第二定位件；

变换齿轮；

其中所述变换齿轮构造成通过所述第一齿轮驱动，并且其中所述变换齿轮构造成在驱动所述第二和驱动所述第三齿轮之间转换。

12.如权利要求11所述的等离子体加工系统，其特征在于，当所述基片配置在所述加工室内加工时，在所述约束环与所述基片之间设置间隙，并且其中所述间隙的大小在加工期间通过在所述垂直方向上运动所述约束环改变，间隙尺寸控制在所述约束环和所述基片之间排出气体的传导性。

13.如权利要求11所述的等离子体加工系统，其特征在于，还包括马达和驱动所述第一齿轮的驱动齿轮。

14.如权利要求11所述的等离子体加工系统，其特征在于，所述第二齿轮具有第一螺纹部分，所述第一定位件具有与第一螺纹部分节距相同的节距的第二螺纹部分，该第二螺纹部分与所述第二齿轮的所述第一螺纹部分连接以提供第一定位件在垂直方向上的运动，所述第三齿轮具有第三螺纹部分，所述第二定位件具有与所述第三螺纹部分的节距相同的节距的第四螺纹部分，该第四螺纹部分与所述第三齿轮的所述第三螺纹部分连接以提供所述第二定位件在垂直方向上的运动。

15.一种用于在半导体基片的加工操作中在加工室内使一个部件沿着垂直轴线运动的基于齿轮的线性驱动组件，所述一个部件布置在垂直于所述垂直轴线的平面内，所述一个部件实现半导体基片的加工任务，所述基于齿轮的线性驱动组件包括：

通过加工室支承并相对于加工室转动的第一齿轮；

多个通过加工室支承并相对于加工室转动的第二齿轮，多个第二齿轮可操作地与所述第一齿轮啮合并可运动接触；所述第二齿轮围绕所述第一齿轮的周边相互对称隔开相同距离；以及

多个平行于所述垂直轴线取向的定位件，每个所述定位件具有第一部分及第二部分，每个定位件的所述第一部分与所述多个第二齿轮的单个齿轮连接，所述第二部分固定于所述一个部件上，当所述第一齿轮转动并且所述多个第二齿轮保持与所述第一齿轮可运动接触时，定位件平行于垂直轴线一起上下运动。

16.如权利要求15所述的线性驱动组件，其特征在于，所述定位件包含具有一节距的外螺纹表面而所述第二齿轮含有与所述外螺纹表面的节距相等的节距的内螺纹表面，所述定位件的所述外螺纹表面可转动地装在所述第二齿轮的所述内螺纹表面上。

17.如权利要求15所述的线性驱动组件，其特征在于，所述定位件的所述第一部分是齿条。

18.如权利要求15所述的线性驱动组件还包含用于驱动所述第一齿轮的马达。

19.如权利要求15所述的线性驱动组件，其特征在于，所述线性驱动组件被应用于用来加工基片的等离子体加工系统中。

20.如权利要求15所述的线性驱动组件，其特征在于，所述部件是约束环。

21.如权利要求15所述的线性驱动组件，其特征在于，所述部件是电极。

22.一种用于加工基片的等离子体加工系统，其包括：

用于在加工室中产生电场的电极；以及

用于在所述基片的加工期间在垂直方向上运动所述电极的齿轮驱动组件，所述齿轮驱动组件包括第一齿轮、第二齿轮和定位件，所述第一齿轮被构造成用于驱动所述第二齿轮，而所述第二齿轮被构造成用于使所述定位件在所述垂直方向上运动，所述定位件固定在所述电极上，使得当所述定位件在所述垂直方向上运动时所述电极在所述垂直方向运动。

23.如权利要求22所述的等离子体加工系统，其特征在于，所述基片是半导体晶片，并且其中所述基片在所述加工期间在所述加工室内保持不动。

24.如权利要求22所述的等离子体加工系统，其特征在于，所述电极在加工期间布置在所述基片之上，并且其中所述电极连接到射频功率供应装置上，该装置为所述电极供应射频能量。

25.如权利要求22所述的等离子体加工系统，其特征在于，所述电极在加工期间布置在所述基片之下，并且其中所述电极连接到射频功率供应装置上，该装置为所述电极供应射频能量。

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