CN103367089B - 一种具有双外壳的等离子体处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有双外壳的等离子体处理装置，包括一腔室、平行的第一电极和第二电极，在所述腔室顶部通入有反应气体，在所述腔室中具有由射频源所激发的等离子体，其中，所述腔室包括第一腔体和第二腔体，所述第一腔体容纳有所述第一电极、所述第二电极，其中，所述第一腔体由可以通过射频能量但不能通过所述反应气体的材料制成；所述第二腔体设置于所述第一腔体***，并连接于接地端，其中，在所述第一腔体和第二腔体之间的空间内通入有辅助气体，所述辅助气体能够被所述射频源激发。本发明能够有效地提高均一性。

Description

一种具有双外壳的等离子体处理装置

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种具有双外壳的等离子体处理装置。

背景技术

半导体工艺件的边缘效应是困扰半导体产业的一个问题。所谓半导体工艺件的边缘效应是指在等离子体处理过程中，由于等离子体受电场控制，而上下两极边缘处的场强会受边缘条件的影响，总有一部分电场线弯曲，而导致电场边缘部分场强不均，进而导致该部分的等离子体浓度不均匀。在该种情况下，生产出的半导体工艺件周围也存在一圈处理不均匀的区域。这一不均匀现象在射频电场频率越高时越明显，在射频频率大于60MHZ甚至大于100Mhz时这一等离子浓度的不均匀性程度已经很难再用其它装置如位于静电夹盘边缘的聚集环来调控。

由于半导体工艺件是圆形的，因此愈外圈面积愈大，边缘部分的各个工艺环节的均一性不佳将导致成品率显著下降。在普遍采用300mm制程的今天，半导体工艺件边缘效应带来的损失更为巨大。

因此，业内需要能够简单有效地改善边缘效应，提高制程均一性。

图1示出了等离子体处理装置的结构示意图，如图1所示，该等离子体处理装置100仅提供了一个处理腔室102，其中包含有平行的上下电极109和106，待处理工艺片W设置于包含下电极106的载置台上。反应气体通过气体源103从处理腔室102的顶部进入反应腔室，反应气体能够被激发在上下电极109和106之间形成制程区域P。射频功率源104可选择性地连接于下电极106，以形成高频能量点燃和维持等离子体。约束环107，用于将制程粒子约束在制程区域P内。在等离子体处理装置100的下方连接有一个真空泵105，用于将处理过程中将用过的反应气体及副产品气体抽出制程区域。

发明内容

针对背景技术中的上述问题，本发明提出了能够改善均一性的用于等离子体处理装置的气体喷淋头。

本发明第一方面提供了一种具有双外壳的等离子体处理装置，包括一腔室、平行的第一电极和第二电极，在所述腔室顶部通入有反应气体，在所述腔室中具有由射频源所激发的等离子体，其中，所述腔室包括第一腔体和第二腔体，

所述第一腔体容纳有所述第一电极、所述第二电极，其中，所述第一腔体由可以通过射频能量但不能通过所述反应气体的材料制成；

所述第二腔体设置于所述第一腔体***，并连接于接地端，

其中，在所述第一腔体和第二腔体之间的空间内通入有辅助气体，所述辅助气体能够被所述射频源激发。

进一步地，在所述第一腔体和第二腔体之间的空间顶部设置有辅助气体源。

进一步地，在所述第一腔体和第二腔体之间的空间底部设置有干泵。

进一步地，在所述第一腔体和第二腔体之间的空间顶部设置有气压计。

进一步地，所述等离子体处理装置还包括一个控制装置，其连接于提供所述辅助气体的辅助气体源和所述气压计，并能够根据气压计输出的气压值控制所述辅助气体源对通入的辅助气体的流量进行调整。

优选地，所述第一腔体和第二腔体之间的空间内的气压值的取值范围为0～100torr。

优选地，所述第一腔体和第二腔体之间空间的垂直距离的取值范围为4mm～5cm。

优选地，所述第一腔体的材料包括陶瓷、石英。

优选地，所述辅助气体包括氮气、氩气、空气。

本发明第二方面提供了一种改善等离子体处理装置均一度的方法，其中，所述等离子体处理装置为本发明第一方面所述的等离子体处理装置，其中，所述方法包括如下步骤：

利用所述辅助气体源往所述第一腔体和第二腔体之间的空间内通入辅助气体；

利用所述气压计测得通入了所述辅助气体的所述第一腔体和第二腔体之间的空间的气压值，并将所述气压值输出于所述控制装置；

所述控制装置根据所述气压值对辅助气体源进行控制，并参照预设辅助气体气压值的取值范围对辅助气体源输入的辅助气体的流量进行控制。

进一步地，所述预设辅助气体气压值的取值范围为50～100torr。

本发明提供的气体喷淋头及包括该气体喷淋头的等离子体处理装置能够简单有效地改善边缘效应，提高制程均一性。

附图说明

图1是单腔体等离子体处理装置的结构示意图；

图2是根据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是单腔体等离子体处理装置的发明效果示意图；

图4是根据本发明的一个具体实施例的等离子体处理装置的发明效果示意图。

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。

请参阅图2，图1是根据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。如图所示的等离子体处理装置200具有一个第一腔体202，第一腔体202基本上为柱形，且其腔体侧壁基本上垂直，第一腔体202内具有相互平行设置的上电极209和下电极206。通常，在上电极209与下电极206之间的区域为制程区域P，该区域将由连接于所述下电极206的射频功率源204形成高频能量以点燃和维持等离子体。在下电极206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。反应气体从第一气体源203中被输入至处理腔体202内，一个或多个射频电源204可以被单独地施加在下电极206上或同时被分别地施加在上电极209与下电极206上，用以将射频功率输送到下电极206上或上电极209与下电极206上(该应用场景未图示)，从而在第一腔体202内部产生大的电场。大多数电场线被包含在上电极209和下电极206之间的制程区域P内，此电场对少量存在于第一腔体202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，从而在第一腔体202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206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中设置了约束环207,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制程区域P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。在等离子体处理装置200的下方还设置有排气区域域，排气区域域与外置的排气装置相连接，用以在处理过程中将用过的反应气体及副产品气体抽出制程区域。其中，所述排气装置特别地为一真空泵205。其中，所述第一腔体202由可以通过射频能量但不能通过所述反应气体的材料制成。

进一步地，所述等离子体处理装置200还包括一第二腔体201，所述第二腔体201设置于所述第一腔体202***，并连接于接地端208。在等离子体处理装置200顶部的第一腔体202和第二腔体201之间区域内还设置有一个辅助气体源，能够在所述第一腔体202和第二腔体201之间的空间S内通入有辅助气体，所述辅助气体能够被所述射频源204激发以产生等离子体。

对比于如图1所示的单腔等离子体处理装置100，其将腔室侧壁102连接于接地端108，因此可以将腔室侧壁102的电位看做是0。因此，在上电极109和下电极106之间的电场分布大体上呈现上下方向，也即电场线是竖直向下的，而由于腔室侧壁102的电位是0，电场线在待处理工艺片W边缘部分会向所述腔室侧壁102倾斜，因此造成等离子体浓度在工艺片W边缘区域不均匀，生产出的半导体工艺片周围也存在一圈处理不均匀的区域。

然而，本发明通过双外壳等离子体处理装置200的配置，能够有效地改善边缘效应，极大地改善制程均一性。参照图2，由于等离子体处理装置200的第一腔体202并未连接任何接地端，而是将第二腔体201连接于接地端208(可以看做第二腔体201的电位为0)，并且在第一腔体202和第二腔体201之间的区域S内通入有辅助气体并将所述辅助气体激发产生额外的等离子体，而等离子体是导电的，因此射频能量能够通过第一腔体202穿透到第二腔体201。同样在基片W的边缘区域，虽然电场分布也受到影响，但是由于从该基片W的边缘区域到0电位的第二腔体101之间的距离较长，其电场线弯曲程度相对于前述的单腔等离子体处理装置而言有所缓解。此外，由于第一腔体202是由可以通过射频能量但不能通过所述反应气体的材料制成，反应气体被限制于第一腔体202内部，因此制程反应不会受到任何影响。而额外激发的等离子体单独用于将射频能量导通于第二腔体201。

图3和图4分别是单腔体等离子体处理装置和根据本发明的一个具体实施例的等离子体处理装置的发明效果示意图。其中，竖坐标代表电场强度，横坐标代表水平方向，其中，d1和d2代表基片的两个边缘，d1和d2之间的距离定义了基片的宽度，d3和d4限制了单腔体等离子体处理装置腔体的宽度和双外壳等离子体处理装置的第一腔体的宽度(假设单腔体等离子体处理装置腔体的宽度和双外壳等离子体处理装置的第一腔体的宽度一致)，d5和d6限制了双外壳等离子体处理装置的第二腔体的宽度。对比图3和图4可知，应用单腔体等离子体处理装置，其在d1和d2附近的等离子体浓度较低，导致其曲线较为陡峭。而应用本发明提供的双外壳等离子体处理装置对d1和d2附近的等离子体浓度有所提高，并且d3和d4附近的等离子体浓度也保有一定数值，而直至d5和d6才趋于0。由此可知，本发明讲等离子体浓度分布的水平区域进行扩展，从而使得基片边缘附近区域的等离子体浓度有所提高，改善了边缘效应，提高了制程均一性。

进一步地，在所述第一腔体202和第二腔体201之间的空间底部设置有干泵211，其用于将杂质粒子排出区域S。

进一步地，在所述第一腔体202和第二腔体201之间的空间顶部设置有气压计212。由于通入的辅助气体越多，其被激发产生的额外等离子体就越多，因此气压计212可以用于根据气压值监控额外等离子体的浓度。

进一步地，所述等离子体处理装置200还包括一个控制装置213，其连接于提供所述辅助气体的辅助气体源210和所述气压计212，并能够根据所述气压计202输出的气压值控制所述辅助气体源210对通入的辅助气体的流量进行调整，以达到预期的制程均一度。

优选地，所述第一腔体202和第二腔体201之间的空间内的气压值的取值范围为0～100torr。

优选地，所述第一腔体202和第二腔体201之间空间的垂直距离的取值范围为4mm～5cm。

优选地，所述第一腔体202的材料包括陶瓷、石英。

优选地，所述辅助气体包括氮气、氩气、空气。

本发明还提供了一种改善等离子体处理装置均一度的方法，其中，所述等离子体处理装置为前述的双外壳等离子体处理装置。其中，所述方法包括如下步骤：

首先执行步骤S1，利用所述辅助气体源210往所述第一腔体202和第二腔体201之间的空间S内通入辅助气体；

然后执行步骤S2，利用所述气压计212测得通入了所述辅助气体的所述第一腔体202和第二腔体201之间的空间的气压值，并将所述气压值输出于所述控制装置213；

最后执行步骤S3，所述控制装置213根据所述气压值对辅助气体源210进行控制，并参照预设辅助气体气压值的取值范围对辅助气体源210输入的辅助气体的流量进行控制。

进一步地，所述预设辅助气体气压值的取值范围为50～100torr。因此，当气压计212测得当前辅助气体的气压值小于该预设辅助气体气压值时，控制单元213应控制辅助气体源210加大输入空间S的辅助气体的流量，反之，控制单元213应控制辅助气体源210减小输入空间S的辅助气体的流量。辅助气体流量的调整可以利用MFC等，由于其在现有技术中有成熟的应用，为简明起见，此处不再赘述。

应当理解，本文结合CCP等离子体处理装置为例对本发明的发明机制进行了阐述。但是，本领域技术人员应当理解，本发明适用的等离子体处理装置还包括ICP等，具体地，特别地为刻蚀机台、CVD机台、MOCVD机台等。

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 (11)

1.一种具有双外壳的等离子体处理装置，包括一腔室、平行的第一电极和第二电极，在所述腔室顶部通入有反应气体，在所述腔室中具有由射频源所激发的等离子体，其中，所述腔室包括第一腔体和第二腔体，

所述第一腔体容纳有所述第一电极、所述第二电极，其中，所述第一腔体由可以通过射频能量但不能通过所述反应气体的材料制成；

所述第二腔体设置于所述第一腔体***，并连接于接地端，

其中，在所述第一腔体和第二腔体之间的空间内通入有辅助气体，所述辅助气体能够被所述射频源激发。

2.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，在所述第一腔体和第二腔体之间的空间顶部设置有辅助气体源。

3.根据权利要求2所述的等离子体处理装置，其特征在于，在所述第一腔体和第二腔体之间的空间底部设置有干泵。

4.根据权利要求3所述的等离子体处理装置，其特征在于，在所述第一腔体和第二腔体之间的空间顶部设置有气压计。

5.根据权利要求4所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述等离子体处理装置还包括一个控制装置，其连接于提供所述辅助气体的辅助气体源和所述气压计，并能够根据气压计输出的气压值控制所述辅助气体源对通入的辅助气体的流量进行调整。

6.根据权利要求5所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述第一腔体和第二腔体之间的空间内的气压值的取值范围为0～100torr。

7.根据权利要求6所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述第一腔体和第二腔体之间空间的垂直距离的取值范围为4mm～5cm。

8.根据权利要求6所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述第一腔体的材料包括陶瓷或石英。

9.根据权利要求6所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述辅助气体包括氮气、氩气、空气中的一种或几种的混合气体。

10.一种改善等离子体处理装置均一度的方法，其中，所述等离子体处理装置为权利要求5至9任一项所述的等离子体处理装置，其中，所述方法包括如下步骤：

利用所述辅助气体源往所述第一腔体和第二腔体之间的空间内通入辅助气体；

利用所述气压计测得通入了所述辅助气体的所述第一腔体和第二腔体之间的空间的气压值，并将所述气压值输出于所述控制装置；

所述控制装置根据所述气压值对辅助气体源进行控制，并参照预设辅助气体气压值的取值范围对辅助气体源输入的辅助气体的流量进行控制。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述预设辅助气体气压值的取值范围为50～100torr。