CN103177925A

CN103177925A - 一种用于等离子体处理装置的可调节约束环

Info

Publication number: CN103177925A
Application number: CN2011104372122A
Authority: CN
Inventors: 凯文·佩尔斯; 邱达燕; 吴紫阳; 李菁; 王兆祥
Original assignee: Advanced Micro Fabrication Equipment Inc Shanghai
Current assignee: Medium and Micro Semiconductor Equipment (Shanghai) Co., Ltd.
Priority date: 2011-12-23
Filing date: 2011-12-23
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2031-12-23
Also published as: TWI505387B; TW201332042A; CN103177925B

Abstract

本发明提供了一种用于等离子体处理装置的可调节约束环，其中，所述所述约束环用于控制冗余的制程气体排出并中和冗余的带电粒子，所述约束环的下方还设置有至少一个挡板，所述挡板平行于所述约束环并与所述约束环在垂直方向上至少部分重叠，其中，所述挡板上设置有若干排出通道。本发明能够改善等离子体制程区域的不对称性，并进一步改善基片的制程不均一性。

Description

一种用于等离子体处理装置的可调节约束环

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种用于等离子体处理装置的可调节约束环。

背景技术

等离子体处理装置利用真空反应室的工作原理进行半导体基片和等离子平板的基片的加工。真空反应室的工作原理是在真空反应室中通入含有适当刻蚀剂或淀积源气体的反应气体，然后再对该真空反应室进行射频能量输入，以激活反应气体，来点燃和维持等离子体，以便分别刻蚀基片表面上的材料层或在基片表面上淀积材料层，进而对半导体基片和等离子体平板进行加工。举例来说，电容性等离子体反应器已经被广泛地用来加工半导体基片和显示器平板，在电容性等离子体反应器中，当射频功率被施加到二个电极之一或二者时，就在一对平行电极之间形成电容性放电。

等离子体是扩散性的，虽然大部分等离子体会停留在一对电极之间的处理区域中，但部分等离子体可能充满整个工作室。举例来说，等离子体可能充满真空反应室下方的处理区域外面的区域。若等离子体到达这些区域，则这些区域可能随之发生腐蚀、淀积或者侵蚀，这会造成反应室内部的颗粒玷污，进而降低等离子处理装置的重复使用性能，并可能会缩短反应室或反应室零部件的工作寿命。如果不将等离子体约束在一定的工作区域内，带电粒子将撞击未被保护的区域，进而导致半导体基片表面杂质和污染。

由此，业内一般还在等离子体处理装置中设置了约束环(confinementring)，用以控制用过的反应气体的排出并且当反应气体中的带电粒子通过该等离子体约束装置时将它们电中和，从而将放电基本约束在处理区域以内，以防止等离子处理装置使用过程中可能造成的腔体污染问题。

然而，本领域技术人员应当理解，等离子体处理装置内的等离子体制程区域会产生不均匀的现象，而制程区域的不均匀将进一步导致基片的制程不均一性，众所周知，基片制程的不均一性是本领域需要解决的核心技术问题，本发明正是基于此提出的。

发明内容

针对背景技术中的上述问题，本发明第一方面提出了一种应用于等离子体处理装置的可调节等离子约束环，其中所述等离子处理装置包括等离子制程区域和排气区域，所述所述等离子约束环位于所述等离子处理装置的等离子制程区域和排气区域之间，具有多个气体通道使来自制程区域的气体流过所述等离子约束环进入排气区域时被中和，所述约束环的下方或上方还设置有至少一个挡板，所述挡板与所述约束环在垂直方向上至少部分重叠。

进一步地，所述挡板设置于所述约束环下方的安装点，所述安装点对应于所述约束环上方的等离子体浓度小于所述约束环上方其他部分达到大于10％的区域。

可选地，所述等离子约束环包括一个接地点与具有接地点位的导体相连接，其中所述安装点设置于远离所述接地点。

可选地，所述安装点设置于所述等离子体处理装置的上电极和下电极距离较大的一侧。

可选地，所述安装点设置于所述等离子体处理装置的腔体凹陷的一侧。

可选地，所述挡板设置于远离等离子体处理装置的真空泵的一侧且电浮地。

进一步地，所述挡板上包括面积大于30％的通气区域。

进一步地，所述挡板能够在水平方向或垂直方向上相对于所述约束环移动。

进一步地，所述约束环移动的驱动方式包括采用电机装置、液压装置、气压装置来驱动。

进一步地，所述挡板具有一弧形截面，使挡板表面到所述等离子约束环具有不同距离。

进一步地，所述挡板面积大于9CM²。

本发明第二方面提出了一种等离子体处理装置，其中，所述等离子体处理装置包括本发明第一方面所述的约束环。

本发明提供的约束环以及包括该约束环的等离子体装置能够改善制程区域不对称的问题，并进一步改善基片的制程均一性问题。

附图说明

图1是未采用本发明的等离子体处理装置的结构示意图；

图2是本发明的一个具体实施例的等离子体处理装置的结构示意图；

图3是本发明的一个具体实施例的等离子体处理装置的约束环及挡板的仰视细节放大图；

图4(a)是本发明的一个具体实施例的等离子体处理装置的挡板的细节放大图；

图4(b)是本发明的一个具体实施例的等离子体处理装置的挡板的细节放大图；

图5是本发明的一个具体实施例的等离子体处理装置的结构示意图；

图6是本发明的一个具体实施例的等离子体处理装置的约束环及可移动挡板的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的具体实施方式进行说明。

本发明的发明机制是通过在处理区域中等离子体浓度较低的部分，相对应的约束环下方设置至少一个挡板，用以限制此处等离子体流出腔体的流速，改善等离子体处理区域的不对成性，使得此处的基片制程与基片的其他区域的均一性得到保证。图1示出了使用本发明之前的等离子体处理装置中的制程区域，如图1所示，由于其例证性地在图示腔室的右侧直接或不直接地将约束环接地，在该接地处附近(图示的等离子体处理装置左侧)的制程区域A被“拖起”较高，较没有接地端的该腔室的另一侧(图示的等离子体处理装置右侧)等离子体浓度较低。由此，使得图示中待处理的基片W在接地端一侧的边缘部分制程速率降低，而在另一侧的制程速率相对较高，制程所得的基片W必然会产生均一性的缺陷。

请参阅图2，图2为运用本发明等离子体约束装置的等离子体处理装置的结构示意图。如图所示的等离子体处理装置1具有一个处理腔体10，处理腔体10基本上为柱形，且处理腔体侧壁基本上垂直，处理腔体10内具有相互平行设置的上电极11和下电极13。通常，在上电极11与下电极13之间的区域为处理区域B，该区域B将形成高频能量以点燃和维持等离子体。在下电极13上方放置待要加工的基片W，该基片W可以是待要刻蚀或加工的半导体基片或者待要加工成平板显示器的玻璃平板。反应气体从气体源12中被输入至处理腔体10内，一个或多个射频电源14可以被单独地施加在下电极13上或同时被分别地施加在上电极11与下电极13上，用以将射频功率输送到下电极13上或上电极11与下电极13上，从而在处理腔体10内部产生大的电场。大多数电场线被包含在上电极11和下电极13之间的处理区域A内，此电场对少量存在于处理腔体11内部的电子进行加速，使之与输入的反应气体的气体分子碰撞。这些碰撞导致反应气体的离子化和等离子体的激发，从而在处理腔体10内产生等离子体。反应气体的中性气体分子在经受这些强电场时失去了电子，留下带正电的离子。带正电的离子向着下电极13方向加速，与被处理的基片中的中性物质结合，激发基片加工，即刻蚀、淀积等。在等离子体处理装置1的合适的某个位置处设置有排气区域域，排气区域域与外置的排气装置(例如真空泵泵15)相连接，用以在处理过程中将用过的反应气体及副产品气体抽出处理区域B。

在一个应用场景中，由于在如图1所示的等离子体处理装置的右侧腔体附近将约束环16连接于接地端17，则等离子体制程区域A在右侧的约束环16上方被“拖起”，从空间上来讲，等离子体制程区域A呈现不对称的云状，具体地，在连接有接地端的约束环附近，其制程区域被“托起”，而在远离接地端的约束环附近，其制程区一直延伸至基片下方。因此，该区域处的基片区域Wa的等离子体浓度较低。相对地，在基片W水平方向上的另一侧对应区域Wb的等离子体浓度较高。

需要说明的是，虽然图示的约束环16直接连接于接地端17，但是本领域技术人员应当理解，所述约束环16可选择性地间接地连接于接地端17，例如，通过一种连接组件(未图示)连接于所述接地端17。

图3示出本发明的一个具体实施例的等离子体处理装置的约束环及挡板的仰视细节放大图。参照图3结合图2，根据本发明的一个具体实施例，所述约束环16的下方还设置有至少一个挡板18，所述挡板18平行于所述约束环16并与所述约束环16在垂直方向上至少部分重叠。其中，所述挡板上设置有若干排出通道。

进一步地，所述挡板的面积取值范围为大于3cm*3cm＝9cm²，其面积至少能覆盖超过一个气体穿孔或排气通槽的一部分。。所述约束环的材料包括绝缘材料如石英、氧化铝或导体铝涂覆有耐腐蚀材料，只要能保证电位是浮动的就可以。

需要说明的是，不论所述挡板的面积或宽度如何取值，其数值范围应以约束环的宽度和设置位置为标准来调整，以使得所述挡板适用于所述约束环。

其中，所述挡板上开设有通槽或穿孔以形成所述排出通道。根据本发明的一个具体实施例，如图4(a)所示，所述挡板18上开设了若干个通槽18a。根据上述实施例的一个变化例，如图(b)所示，所述挡板18上开设了若干个穿孔18b。

进一步地，所述通槽，宽度取值范围为大于5mm，其长度可以根据气体流量分布自由选择，所述穿孔的面积取值范围为大于1cm²，以能够让足够量的气体通过为宜。

需要说明的是，上述排出通道应当以所想要达到的约束环上方的等离子体浓度为标准进行设置。具体地，当需要在该区域内增加等离子体浓度，即可在区域内设置排出通道。应当理解，作为排出通道通槽或穿孔等的尺寸面积等回对等离子体浓度产生定量的影响，因此可以通过上述尺寸的设置具体控制等离子体浓度。

前文已述及，由于各种因素所述约束环上方的等离子体浓度存在差异，本发明所提供的挡板应设置于约束环下方，确切地，应对应于约束环上方的等离子体浓度较低的区域设置于所述约束环下方。

进一步地，所述挡板设置于所述约束环下方的安装点。

本领域技术人员应当理解，等离子体处理装置内的等离子体制程区域产生不均匀的现象，其成因是多种多样的。

例如，参照图1和图2，约束环有时还设置有一个连接于接地端接地元件17，可以抑制射频能量发射到达所述等离子体处理装置的排气区域域。然而，由于在约束环中连接于接地端的一端电场比较而言较约束环的其他区域强，导致等离子体浓度也受到一定程度的降低，因此使得靠近约束环区域的制程区域A(参见图1)不对称。从空间上来讲，等离子体制程区域A呈现不对称的云状，具体地，在连接有接地端的约束环附近，其制程区域A被“托起”，而在远离接地端的约束环附近，其制程区一直延伸至基片下方。由此，使远离接地端的约束环附近的基片制程速率较高，而连接有接地端的约束环附近区域的基片W制程速率较低，导致制程后的基片W出现了均一性缺陷。气体原因如气流分布不均或者单边进出阀门(slit valve)等硬件的不对称都会造成等离子不对称分布。

因此，在上述应用场景中，如图2所示，所述挡板18设置于远离所述接地元件17连接于所述约束环16的连接部分。使用了本发明提供的挡板，等离子体制程区域B的不对称性得到了改善。

此外，其他造成制程区域不均匀的原因还包括等离子体处理装置的腔体未必是均匀的，其必然有一些不对称。例如，假设这样一种情况，当腔室的侧壁一侧稍微呈现凹陷状，那么，该侧区域的制程区域能够容纳的等离子体较多，浓度就较高。同理，靠近该侧的基片边缘同样会出现刻蚀速率较高的情况。

因此，为克服上述缺陷，所述挡板应设置于所述等离子体处理装置的腔体凹陷的一侧(未图示)。

又如，等离子体处理装置上电极或下电极在实际应用中不一定在一个水平面上，这在制程之前未必会擦觉。参照图5，图示等离子体处理装置的上电极11’朝向图示的等离子体处理装置右侧微微倾斜，则该侧部分的上电极11’和其对应的下电极13距离d1变短，同时d1必然小于其他部分的上电极11’和其对应下电极13的距离。例如，图示左侧的上电极11’和其对应的下电极13距离d2必然大于d1。因此，由于d1距离变短，其对应的电场强度变大，等离子体加速通过所述约束环16流出制程区域，导致该制程区域的等离子体浓度降低。从空间上来讲，等离子体制程区域A(参见图1)呈现不对称的云状，具体地，在上下电极距离最短的约束环附近，其制程区域A被“托起”，而在上下电极距离d2较长的约束环附近，其制程区一直延伸至基片下方。因此，对应的基片W尤其是基片边缘部分Wc的制程速率降低。同理，与其对应的基片另一侧边缘部分Wd的制程速率较高。

为了补偿上述基片制程的不均一性，如图5所示，所述挡板18设置于所述等离子体处理装置的上电极11’和下电极13距离较大的一侧，也即，距离d2一侧，或者说，基片边缘Wd的一侧。

再如，等离子体处理装置真空泵的设置也会导致等离子体支撑区域的不对称出现。具体地，在现有技术中真空泵一般不会设置于等离子体处理装置的腔室正下方，而会如图2所示设置于1等离子体处理装置的一侧，图示示例性地将真空泵15设置于图示右侧。由于真空泵15用于在处理过程中将用过的反应气体及副产品气体抽出处理区域B，在真空泵15设置一侧的等离子体浓度必然降低。从空间上来讲，等离子体制程区域A(参见附图2)呈现不对称的云状，具体地，在真空泵15设置一侧的约束环附近，其制程区域A被“托起”，而在远离真空泵15设置的约束环附近，其制程区一直延伸至基片下方。因此，如图2所示，在等离子体浓度较低的基片W部分特别是基片边缘Wa的制程速率必然降低，而在另一侧的基片W部分特别是基片边缘Wb的制程速率较高。

因此，所述挡板18应设置于远离等离子体处理装置1的真空泵15的一侧，以补偿制程的不均一性。在挡板18是电浮地状态时，挡板18上少数穿过约束环的电子或离子会在上面积累形成和基片表面一样的鞘层(sheath)，鞘层能够对带电离子提供一个向上的力。所以远离抽气端口排气区域原有等离子浓度偏高的区域在有带鞘层的挡板18存在时会阻止等离子向下移动，也就是等离子分布在有挡板的地方被托起。等离子刻蚀中除了等离子其它自由基(radical)也会对反应速度造成影响，如果挡板18将气流阻挡程度过大会造成新的刻蚀率分布不均衡因素。所以为了不影响挡板区域的气流分布所以该挡板是带通气孔的，该挡板表面大部分面积要包含孔/槽，整个表面包括通气区域面积大于30％。如图2所示，使用了本发明提供的挡板，等离子体制程区域B的不对称性得到了改善。由于真空抽气泵是造成抽气量不对称分布的主要因素，在靠近抽气泵的区域抽气量相对较大，也可以用挡板在抽气泵对应的等离子约束环对应上方或下方阻挡一部分气流，最终使得在整个等离子约束环上流过的气流量相近。此时挡板的主要作用是阻挡气流通过，所以此时的挡板就要求基本不含通气孔/槽，或者只还有少数面积可以让气流通过。整个表面的通气区域面积少于30％，甚至完全不通气。其材料优先导电材料然后通过导体接地，以防止产生鞘层防碍等离子向下扩散。

图6示出了本发明的一个具体实施例的等离子体处理装置的约束环及可移动挡板的结构示意图，如图6所示，根据本发明的一个变化例，所述挡板18’能够在水平方向上相对于所述约束环移动，其具体的移动方向按照图示的箭头方向进行。同时挡板也可以在上下方向运动，因为上下方向运动也能够影响气流的分布以及电场的分布的改变。

需要说明的是，上述的约束环的移动所需动力所采用的驱动方式在现有技术中已有成熟技术支持。为简明起见，此处不再赘述。

需要说明的是，所述约束环移动的驱动方式在现有技术中已有成熟的技术支持，为简明期间，此处不再赘述。

本发明挡板除了安装在等离子约束装环下方可运动部件上也可以安装等离子约束环上方，其实施方式和上文所提及的将挡板设置于等离子约束环下方的应用场景相同，为简明起见，在此不再赘述。

本发明还提供了一种等离子体处理装置，其中，所述等离子体处理装置包括前文所述的约束环。

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

1.一种应用于等离子体处理装置的可调节等离子约束环，其中所述等离子处理装置包括等离子制程区域和排气区域，所述所述等离子约束环位于所述等离子处理装置的等离子制程区域和排气区域之间，具有多个气体通道使来自制程区域的气体流过所述等离子约束环进入排气区域时被中和，其特征在于：所述约束环的下方或上方还设置有至少一个挡板，所述挡板与所述约束环在垂直方向上至少部分重叠。

2.根据权利要求1所述的可调节等离子约束环，其特征在于，所述挡板设置于所述约束环下方的安装点，所述安装点对应于所述约束环上方的等离子体浓度小于所述约束环上方其他部分达到大于10％的区域。。

3.根据权利要求2所述的可调节等离子约束环，其特征在于，所述等离子约束环包括一个接地点与具有接地点位的导体相连接，其中所述安装点设置于远离所述接地点。

4.根据权利要求2所述的可调节等离子约束环，其特征在于，所述安装点设置于所述等离子体处理装置的上电极和下电极距离较大的一侧。

5.根据权利要求2所述的可调节等离子约束环，其特征在于，所述安装点设置于所述等离子体处理装置的腔体凹陷的一侧。

6.根据权利要求2所述的可调节等离子约束环，其特征在于，所述挡板设置于远离等离子体处理装置的真空泵的一侧且电浮地。

7.根据权利要求6所述的可调节等离子约束环，其特征在于，所述挡板上包括面积大于30％的通气区域。

8.根据权利要求2所述的可调节等离子约束环，其特征在于，所述挡板能够在水平方向或垂直方向上相对于所述约束环移动。

9.根据权利要求8所述的可调节等离子约束环，其特征在于，所述约束环移动的驱动方式包括采用电机装置、液压装置、气压装置来驱动。

10.根据权利要求2所述的可调节等离子约束环，其特征在于，所述挡板具有一弧形截面，使挡板表面到所述等离子约束环具有不同距离。

11.根据权利要求2所述的可调节等离子约束环，其特征在于，所述挡板面积大于9CM²。

12.一种等离子体处理装置，其特征在于，所述等离子体处理装置包括权利要求1至11任一项所述的约束环。