CN101552182A - 一种用于半导体制造工艺中的边缘环机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于半导体制造工艺中的边缘环机构，包括固定晶片的静电卡盘，静电卡盘的下方设有下电极基座，在所述静电卡盘的周围设置有边缘环，所述边缘环与所述静电卡盘之间设有间隙，在所述下电极基座上开有气体通道，并且在所述边缘环上设有连通所述间隙和所述气体通道的气体流通通道。本发明可以有效地改善晶圆(晶片)背底的颗粒污染问题；并且，可以有效控制工艺进行过程中边缘环的温度；另外，本发明加工简单，方便进行安装和维护。

Description

一种用于半导体制造工艺中的边缘环机构

技术领域

本发明涉及一种边缘环机构，特别是涉及一种用于半导体制造工艺中的边缘环机构。

背景技术

对于半导体制造而言，刻蚀步骤与光刻步骤共同决定了半导体最终的关键尺寸。刻蚀装置的种类较多，根据原理不同，主要包括活性离子刻蚀机(RIE)、磁场强化活性离子刻蚀机(MERIE)、感应耦合电浆刻蚀机(ICP)、电子回旋共振式电浆刻蚀机(ECR)等等离子体刻蚀反应器。图1所示的一种平行板等离子体刻蚀装置，气体由进气口101经过气体分配装置进入反应室102，在常温下这些气体是稳定的，但在射频电源103产生的高频电场作用下它们产生辉光放电，形成等离子体。等离子体在电场或电磁场作用下与被固定在阴极上的晶圆104发生反应，实现干法等离子刻蚀。

晶圆104可以通过机械法或静电力作用固定在阴极105表面，但由于机械固定法容易损伤晶圆、效率低，目前的等离子反应装置大多采用静电法固定晶圆104，并将固定晶圆104的装置命名为静电卡盘ESC(Electronic-static clamp)。如图1所示，通常晶圆104上表面积小于支撑它的阴极105上表面积，这就会带来两个问题：(1)射频(RF)能量不能集中工作在晶圆表面；(2)晶圆边缘暴露的阴极区易遭受等离子体轰击，造成污染，并且阴极快速损耗。为此，边缘环(Edge Ring)又被称为聚焦环(Focus Ring)被设计在阴极边缘，主要作用是使RF电流集中流向晶圆表面，同时保护阴极免受等离子体轰击。因此，边缘环的设计对设备的刻蚀性影响很大。

颗粒污染是半导体刻蚀过程中经常遇到的问题。如图2a和2b所示，由于装配和不同材料热膨胀系数的差异，在晶圆边缘与边缘环之间仍然存在一定间隙。刻蚀过程中，等离子体会通过这些间隙进入晶圆背底，并与边缘环或者晶圆反应形成聚合物沉积在背底上；另外，晶圆表面刻蚀产生的气体挥发物也可能扩散进入该间隙，沉积在晶圆背底，形成污染并最终破坏芯片性能。

此外，在工艺反复进行过程中，边缘环的温度会不断升高，造成晶圆边缘与中心、不同晶圆之间的刻蚀速率出现差异，从而引起严重的刻蚀不均匀性。

因此，为了改善晶圆背底的颗粒污染问题，除了优化工艺步骤，边缘环的设计十分关键；而且为了保证同一片晶圆以及不同晶圆之间的刻蚀均匀性，边缘环的温度控制也是十分重要的问题。因而本发明涉及一种边缘环，尤其可以改善晶圆背底污染的边缘环，而且该边缘环能进行温度控制。

美国专利5,998,932中描述了一种边缘环结构如图2b所示，边缘环302由石英或者Si制成，包括302(a)和302(b)两部分，302(a)主要起到聚焦等离子体、调节边缘壳层以及保护ESC的作用，302(b)的作用是保护下电极。该发明在原有技术(图2a)基础上，增加了接地限制环304，如图2b所示，限制环304在边缘环302的下方，可由径向304(a)和纵向304(b)两部分组成，均由导体材料制成。由于导体环整体电势相同，故它的存在会改变下电极到等离子体之间的等电位分布，即电场分布，特别是晶圆边缘与边缘环之间的电场分布，从而防止等离子体进入该间隙，造成腐蚀和颗粒污染。所以该技术方案的缺陷在于：

1、晶圆边缘与边缘环之间的间隙形状复杂，改变电场分布难以屏蔽所有轰击性离子；

2、只能屏蔽部分离子，但不能阻止中性粒子扩散进入晶圆边缘与边缘环的间隙。

另一种现有技术的方案如美国专利7,244,336种描述了另一种与本发明相似的边缘环结构，如图3a和3b。图3a中晶圆12的边缘环通常由20和30两部分组成，20可以由Si、石英或SiC制成，30主要由石英制成。由于Si的高纯度、与刻蚀材料的高刻蚀选择比，常被用于制作边缘环20。但在工艺反复进行过程中，边缘环20的温度不断升高，严重影响工艺重复性。为此，该发明在图3a基础上，在边缘环底部增加了陶瓷高导热环，如图3b所示，边缘环120分布在晶圆边缘，由Si制成，130为陶瓷高导热环，可以将边缘环120的热量不断导走，从而保持边缘环120在比较恒定的温度范围内进行工艺，保证工艺重复性。但该技术方案的缺陷在于：

1、陶瓷材料的引入带来了边缘环(Si、石英)与陶瓷热膨胀系数匹配的问题，以及增加边缘环的磨损；

2、晶圆边缘与边缘环以及陶瓷高导热环之间的间隙容易带来颗粒污染。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，克服上述现有技术的缺陷而提供一种用于半导体制造工艺中的边缘环机构，该机构一方面能够改善晶圆背底的颗粒污染问题，一方面有利于控制工艺进行过程中边缘环的温度均匀性，并且结构简单，可实施性大。

为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：

本发明的一种用于半导体制造工艺中的边缘环机构，包括固定晶片的静电卡盘，静电卡盘的下方设有下电极基座，在所述静电卡盘的周围设置有边缘环，所述边缘环与所述静电卡盘之间设有间隙，在所述下电极基座上开有气体通道，并且在所述边缘环上设有连通所述间隙和所述气体通道的气体流通通道。

优选地，所述气体流通通道包括所述边缘环下部开有的气体流通槽和所述边缘环与静电卡盘相邻的侧面上开有的气体通孔。进一步，所述气体流通槽的深度与所述边缘环的水平厚度之比为1/3～2/3。

优选地，所述边缘环包括至少部分截面为倒L型的外环组件和截面为矩形的内环组件。并且，所述外环组件包括硅，或碳化硅或石英材料，所述内环组件包括表面阳极氧化或者喷涂氧化钇的铝质材料。进一步，所述外环组件和内环组件之间配合形成气体通孔，其中所述气体通孔为所述内环组件上沿开设的凹槽。或者，所述气体通孔位于所述内环组件的环壁内部。并且，且优选地，所述气体通孔至少部分倾斜向上延伸。

优选地，所述气体流通槽中还设有耐等离子体的聚合物环。所述聚合物环的组成材料为聚酰亚胺，或硫化聚苯醚，或聚四氟乙烯，或它们的组合物。

本发明的技术方案带来的有益效果包括：1、可以有效地改善晶圆(晶片)背底的颗粒污染问题；2、可以有效控制工艺进行过程中边缘环的温度；3、加工简单，方便进行安装和维护。

附图说明

图1为现有技术中平行板等离子体刻蚀装置的示意图；

图2a为美国专利5,998,932中引用的现有技术的结构示意图；

图2b为美国专利5,998,932中的结构示意图；

图3a为美国专利7,244,336中引用的现有技术的结构示意图；

图3b为美国专利7,244,336中的结构示意图；

图4a为本发明一种实施例的结构示意图；

图4b为图4a的局部放大图；

图5为本发明边缘环结构一种实施例的结构示意图；

图6a为本发明又一种实施例的结构示意图；

图6b为图6a的局部放大图；

图7a～图7c为本发明边缘环结构的另一种实施例的结构示意图；

图8a～图8d为本发明边缘环结构横截面的各种实施例的示意图；

图9a～图9d为本发明设有聚合物环的边缘环结构横截面的各种实施例的示意图；

图10a～图10d为本发明气体通孔横截面的各种实施例的示意图。

具体实施方式

参见图4a～图6b，其中示出本发明一种用于半导体制造工艺中的边缘环机构的优选实施例，包括固定晶片1的静电卡盘41，静电卡盘41的下方设有下电极基座42，在所述静电卡盘4的周围设置有边缘环2，所述边缘环2与所述静电卡盘4之间设有间隙24，该间隙24既可以用于防止边缘环2与晶片1之间由于热膨胀系数的差异而可能造成的损坏，也可以作为一段气体流通通道，该气体流通通道优选为温度调节气体流通通道；在所述下电极基座42上开有气体通道21，并且在所述边缘环2上设有连通所述间隙24和所述气体通道21的气体流通通道，优选为温度调节气体流通通道。该温度调节气体流通通道内可以通入各种用于温度调节的气体，通常地，在半导体制造工艺中，通入氦气对边缘环2及晶片1的外围进行温度调节。优选地，所述气体流通通道包括所述边缘环2下部开有的气体流通槽22和所述边缘环2与静电卡盘4相邻的侧面上开有的气体通孔23，其中，所述气体流通槽22为边缘环2下部开设的环形槽结构(如图5所示)，并且，该气体流通槽22连同在下电极基座42上开设的气体通道21以及气体通孔23、间隙24一起构成了所述的气体流通通道，更优选地，所述的气体流通通道为温度调节气体流通通道，通过可调节温度的气体的流动，使得本发明具有充分地控温作用和功能。并且，优选地所述气体流通槽22的深度与所述边缘环2的水平厚度之比为1/3～2/3，这样，既可以对边缘环2进行充分温控，又可以适当避免因等离子体不断的腐蚀消耗而使边缘环2过早漏损。同时，优选地，如图5所示，柱状的气体通孔23沿边缘环2的圆周均匀分布，从而可以更好的解决晶片1背底的颗粒污染问题，同时保证边缘环2的温度均匀性。

参见4b、图6b以及图8a～图8d，所述边缘环2包括至少部分截面为倒L型的外环组件201和截面为矩形的内环组件202。并且，该边缘环2的截面形状可以根据能量耦合的需要而改变成多种形状的多边形或其组合，并且气体通孔23的位置也可以位于气体流通槽22的底部或者中部。具体地，如图7a～图7c所示，所述外环组件201和内环组件202之间配合形成气体通孔23，其中所述气体通孔23为所述内环组件202上沿开设的凹槽。当外环组件201和内环组件202之间相互适配安装后，所述内环组件202上沿开设的凹槽便会与内环组件201之间配合形成气体通孔23，此时，该气体通孔23的位置位于气体流通槽22的底部，该底部为槽状部件的底部，并未边缘环2的底部，在本实施例中，气体通孔23位于边缘环2中部或中部附近的位置。在本实施例中，所述的边缘环2由201和202两个组件构成，它们的材料可以相同，为硅(Si)，或者碳化硅(SiC)、石英，也可以不同，根据不同的工艺在Si、SiC、石英之间进行组合，其中内环组件202甚至可以由表面阳极氧化或者喷涂氧化钇(Y₂O₃)的金属铝(Al)材料制成。

所述气体通孔23的另一种优选实施例为位于所述内环组件202的环壁内部，如图5所示。此时气体通孔23的位置位于气体流通槽22的中部。在本实施例中，所述的边缘环2材料可以是硅(Si)，或者碳化硅(SiC)、或石英。

优选地，在所述气体通孔23的上述两种实施例中，气体通孔23至少部分倾斜向上延伸，如图10a～图10d所示，并呈柱状通孔或向上延伸内径逐渐变大的通孔。此种结构有利于保证尽可能多的气体经过间隙24而吹到晶片1的背底。且所述外环组件201包括硅，或碳化硅或石英材料，所述内环组件202包括表面阳极氧化或者喷涂氧化钇的铝质材料。

在本发明中，为了防止等离子体进入后对气体流通槽22造成严重腐蚀，可在气体流通槽22内再设计一种耐等离子体的聚合物环203，由基座流出的气体经过聚合物环203与边缘环2之间的间隙进入水平的气体通孔23，最后吹到晶片1的背底。聚合物环203的形状可根据气体流通槽22的形状来决定，如图9a～图9d所示。耐等离子体的聚合物材料可以是聚酰亚胺(Polyimide)、或硫化聚苯醚(Polyphenylene Sulfide)、或聚四氟乙烯(Teflon)或它们的组合物等。

在具体的工艺进行过程中，设定压力、温度、流量的氦气气流向如箭头所示，先通过气体通道21进入边缘环2上气体流通槽22的环状槽结构，再流经柱状气体通孔23吹入间隙24，气体沿间隙24吹到晶片1背底上，最后从晶片1边缘流出，与其他气体产物一起被抽走。为了防止边缘环2与基座之间有氦气泄露，还可以在它们的接触面上设计密封槽和放置密封垫。

显而易见，本领域的普通技术人员，可以用本发明的一种用于半导体制造工艺中的边缘环机构，构成各种类型的边缘环或聚焦环机构。

上述实施例仅供说明本发明之用，而并非是对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明范围的情况下，还可以作出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也应属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由各权利要求限定。

Claims (10)

1、一种用于半导体制造工艺中的边缘环机构，包括固定晶片(1)的静电卡盘(41)，静电卡盘(41)的下方设有下电极基座(42)，在所述静电卡盘(4)的周围设置有边缘环(2)，其特征在于：所述边缘环(2)与所述静电卡盘(4)之间设有间隙(24)，在所述下电极基座(42)上开有气体通道(21)，并且在所述边缘环(2)上设有连通所述间隙(24)和所述气体通道(21)的气体流通通道。

2、根据权利要求1所述的边缘环机构，其特征在于：所述气体流通通道包括所述边缘环下部开有的气体流通槽(22)和所述边缘环(2)与静电卡盘(4)相邻的侧面上开有的气体通孔(23)。

3、根据权利要求2所述的边缘环机构，其特征在于：所述气体流通槽(22)的深度与所述边缘环(2)的水平厚度之比为1/3～2/3。

4、根据权利要求2所述的边缘环机构，其特征在于：所述边缘环(2)包括至少部分截面为倒L型的外环组件(201)和截面为矩形的内环组件(202)。

5、根据权利要求4所述的边缘环机构，其特征在于：所述外环组件(201)包括硅，或碳化硅或石英材料，所述内环组件(202)包括表面阳极氧化或者喷涂氧化钇的铝质材料。

6、根据权利要求5所述的边缘环机构，其特征在于：所述外环组件(201)和内环组件(202)之间配合形成气体通孔(23)，其中所述气体通孔(23)为所述内环组件(202)上沿开设的凹槽。

7、根据权利要求5所述的边缘环机构，其特征在于：所述气体通孔(23)位于所述内环组件(202)的环壁内部。

8、根据权利要求6或7所述的边缘环机构，其特征在于：所述气体通孔(23)至少部分倾斜向上延伸。

9、根据权利要求1所述的边缘环机构，其特征在于：所述气体流通槽(22)中还设有耐等离子体的聚合物环(203)。

10、根据权利要求9所述的边缘环机构，其特征在于：所述聚合物环(203)的组成材料为聚酰亚胺，或硫化聚苯醚，或聚四氟乙烯，或它们的组合物。

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