CN101512734B - 为基板处理调节边缘环电势的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
用于在等离子处理室内处理基板的方法。该基板设置在夹头上方且由边缘环环绕，而该边缘环与该夹头电性绝缘。该方法包括向该夹头提供RF能量，以及提供边缘环DC电压控制装置。该边缘环DC电压控制装置耦合至该边缘环，以向该边缘环提供第一电压，该边缘环电势为正电势、负电势以及接地之一。该方法进一步包括在该等离子处理室内产生等离子以处理该基板。该基板被处理，而该边缘环DC电压控制装置被配置为使得该边缘环电势在一个实施方式中小于该基板的DC电势，而在另一实施方式中大体上等于该基板的DC电势。
Description
技术领域
一般而言，本发明涉及基板制造技术，尤其是，用于离子入射角控制和/或用于聚合物控制的装置及其方法。
背景技术
在基板，例如，用于平板显示工业的半导体基板或玻璃板的处理过程中，经常使用等离子。部分基板处理中，例如，该基板被分为多个钢模(dies)或矩形区域，每一个将成为集成电路。该基板接着以一系列步骤处理，在这些步骤中，材料被选择性移除(蚀刻)和沉积。控制该晶体管栅极临界尺寸(CD)为几个纳米的级别是第一优先的，因为相对该目标栅极的每一个纳米的偏离可能直接影响这些设备的运转速度。
硬化乳液的区域接着被选择性移除，导致下层的元件被暴露出来。该基板接着被放在等离子处理室内的基板支撑结构上，该基板支撑结构包括单极或双极电极，被称为夹头或基座。接着，恰当的蚀刻气体流入该室和夹头，形成等离子，用以蚀刻该基板的暴露区域。
通常的蚀刻方法是RIE或反应性离子蚀刻。RIE结合了化学和离子处理工艺两者，以从该基板移除材料(例如，光刻胶、BARC、TiN、氧化物等等)。然而，进一步减小基板特征尺寸，以及启用更新的优化的基板材料的压力，对现有的制造技术提出了挑 战。例如，维持较大基板(例如，＞300mm)的中心至边缘的均匀性或处理结果变得越来越困难。大体而言，对于给定的特征尺寸，基板的尺寸越大，在基板上接近该边缘的设备的数量越多。同样地，对于给定的基板尺寸，该特征尺寸越小，在基板上接近该边缘的设备的数量越多。例如，通常在基板上的设备的总数量有超过20％接近该基板的周界。
由于基板的边缘效应，例如电场、等离子温度、以及来自过程化学的负载作用，该基板边缘附近的处理结果可能与该基板的剩余(中心)区域不同。例如，该等离子体鞘层的等势线可能变得中断，导致在该基板边缘周围不均匀的离子角分布。
现在参考图1，显示电容耦合的等离子处理系统的简图。一般而言，由源RF产生器110产生的源RF通常被用于产生等离子，以及通过电容耦合控制该等离子密度。在其它构造中，可使用多个RF产生器。
通常，一套恰当的气体经过入口流进上部电极102内，并随后被电离，形成等离子104，用以处理(例如，蚀刻或沉积)基板106，例如半导体基板或玻璃板的暴露区域，在静电夹头108上放置边缘环112(例如，Si等)，其也充当供电电极。某些蚀刻应用可能要求该上部电极相对于～20KHz至800KHz范围内的下部电极RF信号频率接地。其它的蚀刻应用可能要求该上部电极相对于2MHz、27MHz以及60MHz的至少一个的下部电极RF信号接地。还有其它的蚀刻应用可能要求该上部电极相对于先前提及的所有RF信号频率接地。
边缘环112通常执行许多功能，包括将基板106放置在夹头108上以及将下方的未被基板保护的元件本身屏蔽起来，使其免于被等离子的离子损坏，边缘环112可进一步放置在耦合环120(例 如，石英等)上，其通常被设置为提供从夹头108至边缘环112的电流路径。
一般而言，电场需要在该基板的整个表面上方保持大体稳定，用以保持过程一致性以及垂直蚀刻轮廓。然而，由于等离子室条件和/或构造，在夹头108和该边缘环112之间可能存在电势差。随后，该电势差可在等离子体鞘层形状上建立不均匀122，并由此不利地影响该蚀刻轮廓。
另外，在蚀刻过程中，在该基板背面和/或围绕该基板边缘形成聚合物副产物(例如氟化聚合物，等等)并非罕见。氟化聚合物通常包括先前暴露于蚀刻化学品的光刻胶材料、或在碳氟化合物蚀刻过程中沉积的聚合物副产物。大体而言，氟化聚合物是化学式为CxHyFz的物质，其中x、z为大于0的整数，而y为大于或等于0的整数(例如，CF4、C2F6、CH2F2、C4F8、C5H8等等)。
然而，由于几个不同的蚀刻工艺，随着聚合物层连续沉积在该边缘区域，通常很强并有粘性的有机键将最终变弱并脱落或剥落，在运输过程中通常脱落或剥落至另一基板上。例如，基板通常经由通常称为暗盒(cassette)的大体干净的容器，在等离子处理系统之间成批移动。当放置在高处的基板被重新放置在该容器内时，部分聚合物层可落在下部基板上，在该处存在钢模(dies)，潜在地影响设备产率。
现在参考图2，为基板的简图，其中一系列的边缘聚合物沉积在背面平面上。如先前所述，在该蚀刻过程中，聚合物副产物(边缘聚合物)形成在基板上并非罕见。在本示例中，该聚合物副产物已经被沉积在该背面平面上，也就是说，该基板远离等离子的一侧。例如，该聚合物厚度在约70°202可为约250nm，在约45°204为270nm，以及在约0°206为约120nm。一般而言，该聚合物的厚度 越大，部分聚合物离开原位(dislodged)并落在另一基板或该夹头上的可能性就越高，潜在地影响制造产率。
发明内容
本发明在一个实施方式中，涉及用于在等离子处理室内处理基板的方法。该基板设置在夹头上方且由边缘环环绕，而该边缘环与该夹头电性绝缘。该方法包括向该夹头提供RF能量，以及提供边缘环DC控制装置。该边缘环DC电压控制装置耦合至该边缘环，以向该边缘环提法第一电压，结果使该边缘环具有相对于该基板的DC电势的边缘环电势。该方法进一步包括在该等离子处理室内产生等离子，以处理该基板。该基板被处理，而该边缘环DC电压控制装置被配置为使得该边缘环电势在一个实施方式中大于该基板的DC电势，在另一实施方式中大体等于该基板的DC电势，或者在又一实施方式中小于该基板的DC电势，以控制在该基板边缘的离子方向。
本发明的这些以及其它特征将在下文的本发明的具体实施方式部分，并结合所附的附图，进行更加详细的描述。
附图说明
下面将在随附的附图中，以示例方式，而非限定方式对本发明进行描述，且其中，相似的标号指的是相似的元件，其中：
图1显示电容耦合的等离子处理系统的简图；
图2显示基板的简图，其中一组边缘聚合物沉积在背面平面上，以及
图3A-B显示根据本发明一个实施方式，具有优化的离子角分布的电容耦合的等离子处理系统的简图。
具体实施方式
下面将参考几个优选实施方式，且结合随附的附图，对本发明进行详细描述。在下文的描述中，为了提供对本发明的彻底理解，提出了几个具体细节。对本领域普通技术人员而言，很明显，没有某些或所有这些具体细节的情况下，本发明也可实施。在另外的情况下，为了不至于不必要地模糊本发明，没有对已知的工艺步骤和/或结构进行详细描述。
不希望局限于理论，本发明人相信，通过改变基板和边缘环之间的DC电势，可以控制该离子角分布，由此优化给定等离子工艺的等离子体鞘层的等势线。以更有利的方式，通过改变边缘环的RF耦合，可以改变基板边缘周围的电场。在一个实施方式中，该夹头与该边缘环大体电性绝缘。
例如，如果该基板边缘的DC电势与该边缘环的DC电势大体相等，该离子角分布通常是均匀的。因此，在该基板和该边缘环两者上方的等离子体鞘层区域，形成一组基本垂直于该基板的离子矢量(ion vector)。
然而，如果该基板边缘的DC电势基本不同于该边缘环的DC电势，该离子角分布通常是不均匀的。因此，在该基板和该边缘环两者上方的等离子体鞘层区域，形成一组离子矢量，其易于指向该基板或从该基板指向外。
以更有利的方式，在该边缘环上的DC电势可相对于该基板被独立控制。因此，该基板的DC电势和该边缘环的DC电势之间的差可被优化，以控制基板边缘周围的等离子中的正离子的角分布。
例如，如果该边缘环的DC电压是负的，且与该基板的DC电压大体类似(例如，V基板-V边缘环≈0)，则在该基板和该边缘环两者上方的等离子体鞘层区域，角离子分布大体均匀，一组矢量基本垂直于该基板。该角分布有利于各向异性蚀刻应用，例如，蚀刻具有高纵横比的触点(contact)和沟槽。
另外，一些设备要求蚀刻特征(例如，高纵横比的触点、孔或沟槽)呈现特定的方向，从而使，例如，特定的蚀刻特征能够与另一个下层特征接触。例如，如果垂直孔蚀刻要求使该孔与下层特征接触，偏离蚀刻垂直状态可能导致该孔达不到目标下层特征，由此产生有缺陷的设备并影响产率。对于这些应用，关键要求是精确控制基板边缘的离子方向以获得适当的蚀刻方向。
相反，如果边缘环的DC电压比该基板的DC电压正性更大(负性更小)(例如，V基板-V边缘环＜0)，该角离子分布基本上不均匀，具有往往指向该基板边缘的一组矢量。该角分布可能有利于边缘聚合物的移除。与湿式清洁工艺不同，本发明允许在全干(例如，工艺，等)下的边缘聚合物移除，以最少的废水(effluent)流过各种真空相容材料(例如，硅，金属，玻璃，陶瓷等)。例如，常见的干式蚀刻工艺包括离子辅助蚀刻，或溅射，其中离子被用于使材料离开该基板(例如，氧化物等)。通常在等离子中的离子通过轰击该基板的表面增强化学工艺，且随后使表面上原子的化学键断裂，以使其更易于与该化学工艺的分子反应。
现在参考图3A-B，根据本发明的实施方式，显示具有优化的离子角分布的电容耦合等离子处理室的一组简图。图3A显示电容耦合的等离子处理系统的简图，其中该边缘环的DC电势基本上大于该基板的DC电势。一般而言，由源RF产生器110产生的源RF通常用于产生等离子以及通过电容耦合控制该等离子密度。如前述及，一些蚀刻应用可能要求该上部电极相对于～20KHz到800KHz范围内 的下部电极频率RF信号接地。其它蚀刻应用可能要求该上部电极相对于2MHz、27MHz及60MHz的至少一个的RF信号接地。还有其它应用可能要求该上部电极相对于先前述及的所有RF信号频率接地。
通常，一组适当的气体通过入口流入上部电极102，随后被电离形成等离子104，以处理(例如蚀刻或沉积)基板106，例如半导体基板或玻璃板的暴露区域，在静电夹头108上放置边缘环112(例如，Si等)，其也充当供电电极。
边缘环112通常实现多种功能，包括放置基板106在夹头108上，以及防护未被该基板本身保护的下层元件免于被该等离子的离子损害，边缘环112可以进一步放在耦合环120(例如，石英等)上，其一般被配置为提供夹头108至边缘环112的电流路径。一般而言，以更有利的方式，可配置的DC电源316可以通过RF滤波器314耦合至边缘环112。
RF滤波器314通常被用于减少不必要的谐波RF能量，而不会引起DC电源316的损失。在一个实施方式中，RF滤波器314包括开关模组，其允许选择正或负的电流极性，以及接地路径。在一个实施方式中，该RF滤波器314包括真空继电器。谐波在等离子放电中产生，且被该RF滤波器保持免于返回至该DC电源。在本案中，由于DC电源316获得(source)正电压，在典型的等离子工艺中，该边缘环的DC电势基本大于基板的DC电势。因此，该角离子分布图基本上不均匀，具有往往指向较低电势区域，例如该基板边缘的一组矢量。该应用非常有利于聚合物从基板边缘移除，如前所述。
现在参考图3B，显示电容耦合等离子处理系统的简图，其中该边缘环的DC电势基本类似于该基板的DC电势(例如，V基板-V边缘环≈0)。一般来说，在处理过程中，基板上的DC电势相对于地面往往是负的，因此，当该边缘环被耦合为接收负电势(相对于 地面)时，该边缘环的DC电势和该基板的DC电势大体相等。因此，角离子分布基本是均匀的，具有一组矢量，该矢量在该基板和该边缘环两者上方的等离子体鞘层区域基本垂直于该基板。如前所述，该垂直的角分布可能对各向异性蚀刻应用有利，例如蚀刻具有高纵横比的触点和沟槽。
例如，耦合该DC电源的接地端子，也是可能的，在这种情况下，该边缘环可能具有比该基本的DC电势(在一个实施方式中，在处理过程中，通常是负的)更高的电势(接地)。在这种情况下，该角离子分布也可能趋向该基板边缘，尽管比当该边缘环被耦合为从该DC电源的正极端子接收电压(如图3A的情况)时程度较轻。
在一个实施方式中，可提供反馈电路以控制该基板的DC电压(在各种处理步骤和处理子步骤过程中，其可能变化)。该基板的被控制的DC电压在适当的控制电路中可被用作反馈信号，以控制该DC电压被传递至该边缘环，由此使得该离子方向得以维持，即使该基板的DC电压改变。
在一个实施方式中，可由RF电源(例如，与传递RF能量至该下部电极的RF电源不同的RF电源)提供该边缘环的DC电压。因此，相对于该基板的DC电势的该边缘环的DC电压控制是此处揭示的各种实施方式的技术要点(thrust)，以及提供/维持该DC电压至该边缘环的实际边缘环DC电压控制装置可能根据不同实现方法而不同。
尽管本发明已经就几个优选实施例进行了描述，仍有很多变形、置换、以及等同方式落入本发明范围内。同样应当注意，仍有很多实施本发明的方法和装置的替代方式。尽管此处提供了各种示例，这些示例的本意是用于描述而非用于限制本发明。进一步，为方便起见，此处提供摘要，该摘要不应当被用于解释或限制整个 发明，本发明由权利要求表述。因此，随附的权利要求的本意是解释为包括所有这些落入本发明范围内的变形、置换和等同方式。例如，尽管本发明已经结合Lam Research的等离子处理系统(例如，ExelanTM、ExelanTM HP、ExelanTM HPT、2300TM、VersysTM Star等)进行了描述，其它等离子处理系统也可使用(例如，电容耦合、电感耦合，等)。本发明也可与各种直径的基板一起使用(例如200mm、300mm、LCD等)。而且，如此处所用的术语“组”包括该组的一个或多个指定元件。例如，一组“X”指的是一个或多个“X”。
本发明的优点包括大体控制该基板边缘周围的离子角分布。另外的优点包括在原位剥离工艺(in situ strip process)中清洁斜面聚合物、优化该等离子工艺、以及提高基板产率。
尽管已经揭示了示例性的实施例及最佳实施方式，可对所揭示的实施例进行修订和变形，而保持由权利要求所定义的本发明的主题和精髓。
Claims (30)
1.一种用于在等离子处理室中处理基板的方法，所述基板设置在夹头上方，且由边缘环环绕，所述边缘环与所述夹头电性绝缘，所述方法包括：
向所述夹头提供RF能量；
将边缘环DC电压控制装置耦合至所述边缘环，以向所述边缘环提供第一电压，结果使所述边缘环具有边缘环电势；
在所述等离子处理室内产生等离子以处理所述基板；以及
调节所述边缘环DC电压控制装置使得所述等离子具有非均匀的角向离子分布曲线以处理所述基板的边缘，其中所述调节使得所述边缘环电势高于所述基板的DC电势。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述边缘环DC电压控制装置包括RF滤波装置以及DC电源，所述RF滤波装置设置为介于所述边缘环和所述DC电源之间。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述RF滤波装置被配置为减弱到达所述DC电源的不必要的谐波RF能量。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述RF能量具有从20KHz至800KHz范围内的RF频率。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述RF能量具有一组RF频率，其包括2MHz、27MHz及60MHz的至少一个。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述等离子处理室代表电容耦合等离子处理室。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述等离子处理室代表电感耦合等离子处理室。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述边缘环DC电压控制装置包括RF电源。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述边缘环DC电压控制装置包括DC电源。
10.根据权利要求1所述的方法，进一步包括配置为监控所述基板的所述DC电势的反馈电路，由此当所述基板的所述DC电势改变时，所述基板的所述DC电势被用作反馈信号以改变所述第一电压。
11.一种用于在等离子处理室中减少围绕基板边缘的聚合物沉积的方法，所述基板设置在夹头上方且由边缘环环绕，所述边缘环与所述夹头电性绝缘，所述方法包括：
向所述夹头提供RF能量；
使用边缘环DC电压控制装置向所述边缘环提供第一电压，结果使所述边缘环具有边缘环电势；
在所述等离子处理室内产生等离子，以处理所述基板；以及
调节所述边缘环DC电压控制装置使得当处理所述基板时所述边缘环电势不同于所述基板的DC电势，从而使位于所述基板的所述边缘附近的离子的离子入射角偏向所述基板的所述边缘而远离所述边缘环，其中所述调节使得所述等离子具有非均匀的角向离子分布曲线。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述边缘环DC电压控制装置包括RF滤波装置和DC电源，所述RF滤波装置设置介于所述边缘环与所述DC电源之间。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述RF滤波装置被配置为减弱不必要的谐波RF能量。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述等离子处理室代表电容耦合等离子处理室。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，所述RF能量具有从20KHz至800KHz范围内的RF频率。
16.根据权利要求11所述的方法，其中，所述RF能量具有一组RF频率，其包括2MHz、27MHz和60MHz的至少一个。
17.根据权利要求11所述的方法，其中，所述等离子处理室代表电感耦合等离子处理室。
18.根据权利要求11所述的方法，其中，所述边缘环DC电压控制装置包括RF电源。
19.根据权利要求11所述的方法，其中，所述边缘环DC电压控制装置包括DC电源。
20.根据权利要求11所述的方法，进一步包括配置为监控所述基板的所述DC电势的反馈电路，由此当所述基板的所述DC电势变化时，所述基板的所述DC电势被用作反馈信号以改变所述第一电压。
21.一种用于在等离子处理室中处理基板的方法，所述基板设置在夹头上方且由边缘环环绕，所述边缘环与所述夹头电性绝缘，所述方法包括：
向所述夹头提供RF能量；
使用边缘环DC电压控制装置向所述边缘环提供第一电压，结果使所述边缘环具有边缘环电势；
在所述等离子处理室内产生等离子，以处理所述基板；以及
调节所述边缘环DC电压控制装置使得所述等离子具有非均匀的角向离子分布曲线，其中当处理所述基板时所述调节使得所述边缘环电势小于所述基板的DC电势。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述边缘环DC电压控制装置包括RF滤波装置和DC电源，所述RF滤波装置设置为介于所述边缘环和所述DC电源之间。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述RF滤波装置被配置为减弱不必要的谐波RF能量。
24.根据权利要求21所述的方法，其中，所述RF能量具有从20KHz至800KHz范围内的RF频率。
25.根据权利要求21所述的方法，其中，所述RF能量具有一组RF频率，其包括2MHz、27MHz和60MHz的至少一个。
26.根据权利要求21所述的方法，其中，所述等离子处理室代表电容耦合等离子处理室。
27.根据权利要求21所述的方法，其中，所述等离子处理室代表电感耦合等离子处理室。
28.根据权利要求21所述的方法，其中，所述边缘环DC电压控制装置包括RF电源。
29.根据权利要求21所述的方法，其中，所述边缘环DC电压控制装置包括DC电源。
30.根据权利要求21所述的方法，进一步包括配置为监控所述基板的所述DC电势的反馈电路，由此当所述基板的所述DC电势变化时，所述基板的所述DC电势被用作反馈信号以改变所述第一电压。
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