CN102098862A - 一种下电极装置及应用该下电极装置的等离子体处理设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种下电极装置，包括电极主体、电极电源、环绕电极主体而设置的电极基环组以及基环电源。电极基环组至少包括自上而下依次层叠的绝缘基环和导体基环，其中，导体基环与基环电源相连接，基环电源的参数可被调节以在下电极装置上方获得均匀分布的偏压电场。本发明还提供一种等离子体处理设备，包括工艺腔室，在工艺腔室内部的下方还设置本发明提供的下电极装置，用以在工艺腔室内形成均匀的偏压电场。

Description

一种下电极装置及应用该下电极装置的等离子体处理设备

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，具体地，涉及一种下电极装置及应用该下电极装置的等离子体处理设备。

背景技术

随着科技发展，微电子产品已经被广泛地应用于社会生产和生活的各个领域。并且，随着微电子工业的不断进步，其产品更新换代的速度也在不断提高。为了避免在日益激烈的市场竞争中被淘汰，相关企业必须不断对自身的生产工艺和加工设备作出改进。

目前，在半导体器件的加工/处理过程中广泛采用诸如等离子体刻蚀等的处理技术进行半导体晶片的生产。所谓等离子体刻蚀技术指的是，使用高功率射频将工艺气体激发成含有大量电子、离子、激发态的原子、分子和自由基等活性粒子的等离子体，并利用射频偏压电场引导这些活性粒子与被刻蚀物体(例如，晶片)的表面发生各种物理和化学反应，使被刻蚀物体表面的性能和形态发生变化的工艺过程。

请参阅图1，即为一种目前常用的ICP(Inductively CoupledPlasma，电感耦合等离子体)等离子体处理设备的结构示意图。该设备包括：工艺腔室1，设置于工艺腔室1上方的上电极4和进气装置5，设置于工艺腔室1内部下方的静电卡盘2。其中，上电极4连接有上电极射频电源6，静电卡盘2连接有下电极射频电源7从而使其在工艺过程中可作为下电极的主体使用。另外，环绕所述静电卡盘2还设置有电极基环组3。

上述等离子体处理设备的工作过程如下：首先，静电卡盘2将待加工工件(例如，硅片等)吸附固定，进气装置5将工艺气体注入工艺腔室1内部；之后，上电极射频电源6所提供的射频经上电极4耦合后将工艺气体激发为等离子体状态；下电极射频电源7为静电卡盘2提供射频，以在作为下电极的静电卡盘2上表面形成均匀的鞘层电场，从而引导等离子体中的带电粒子对待加工工件的表面进行轰击以得到所需的工艺结果。

在上述工艺过程中，等离子体中的负离子在下电极上方的鞘层电场中获得准直向下的加速能量，从而对其下方的待加工工件进行轰击。其中，电极基环组3的主要作用是限定下电极边缘附近的鞘层电场的分布轮廓，并且可对工艺过程中的刻蚀速率的均匀性、工件边缘和中心刻蚀形貌的一致性等诸多参数产生非常大的影响。因此，电极基环组3的作用非常关键，其具体结构如图2A和2B所示。该电极基环组3由聚焦基环31、导体基环32和支撑基环33层叠而成。其中，聚焦基环31由石英材料制成，主要起到等离子体聚焦的作用；导体基环32采用导体材料制成，其可对下电极偏压电场的边缘进行调节；支撑基环33采用陶瓷材质，主要起到对其上方的基环进行支撑和绝缘的作用。

请参阅图3，为图1所示的等离子体处理设备中的静电卡盘2上方的电场分布示意图。如图所示，静电卡盘2上方中心区域的电场8分布较为均匀且具有较好的准直性(这里，电场准直性是指在特定区域电场的方向保持一致并且没有扭曲的特性)，但是，靠近边缘区域的电场8的强度有所下降而且出现明显的发散和偏折。这是因为，静电卡盘2周围的电极基环组3只能利用其自身的形状和物理性质对电场8的边缘进行约束，但是无法直接对电场性能进行有效控制。因此，造成静电卡盘2边缘区域的电场强度和方向均与中心区域的电场分布存在较大差别，而无法在静电卡盘2上方形成理想的均匀分布的偏压电场，并最终影响对工件边缘和中心区域进行加工的一致性和均匀性。此外，由于上述电极基环组3中的聚焦基环31长期暴露于等离子体环境中，因此会在其表面沉积一些反应副产物，而这些沉积物将可能进一步对工件造成污染而降低工艺质量。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种下电极装置，其能够产生较为均匀的偏压电场，从而提高产品质量。

为解决上述问题，本发明还提供一种等离子体处理设备，其同样可在下电极装置附近产生较为均匀的电场，并提高产品质量。

为此，本发明提供一种下电极装置，用于在等离子体处理设备的工艺腔室内形成均匀的偏压电场，该下电极装置包括电极主体、与电极主体相连接的电极电源、环绕电极主体而设置的电极基环组以及与电极基环组相连接的基环电源。其中，电极基环组至少包括自上而下依次层叠的绝缘基环和导体基环，导体基环与基环电源相连接，基环电源的参数可被调节以在下电极装置上方获得均匀分布的偏压电场。

其中，基环电源包括直流电源或射频电源。

其中，直流电源的电压范围为-1000V～100V，优选的，直流电源的电压范围为-500V～0V。

其中，射频电源的频率范围为1KHz～60MHz，射频功率范围为10W～500W；优选的，射频电源的频率范围为400KHz～13.56MHz，射频功率范围为10W～300W。

其中，电极基环组至少还包括一个支撑基环，支撑基环设置于导体基环的下方，用以支撑导体基环和绝缘基环。

其中，导体基环的材料为铝或石墨，绝缘基环和支撑基环的材料分别选自石英、陶瓷、硅和碳化硅中的一种。

其中，电极主体包括静电卡盘，电极电源包括射频电源。

另外，本发明还提供一种等离子体处理设备，包括工艺腔室，在工艺腔室内部的下方还设置有上述本发明提供的下电极装置，用以在工艺腔室内形成均匀的偏压电场。

本发明具有下述有益效果：

本发明所提供的下电极装置，由电极主体、电极电源、环绕电极主体的电极基环组以及基环电源构成。该电极基环组至少由自上而下依次层叠的绝缘基环和导体基环构成，其中，导体基环与基环电源相连接。在进行等离子体处理工艺的过程中，电极电源为电极主体提供偏压，从而在电极主体上方形成偏压电场；同时，基环电源为电极基环提供直流或射频偏压，从而使下电极装置上方的偏压电场的边缘扩大至电极基环组的边缘附近；然后通过调节基环电源的参数，使电极基环所产生的电场与电极主体所产生的电场的强度和方向都趋于一致。因此，本发明所提供的下电极装置所产生的偏压电场在中心区域和边缘区域具有较好的均匀性及准直性，从而有效改善等离子体处理工艺的均匀性。

此外，本发明提供的下电极装置，由于加载有基环电源，从而可在电极基环组的上方产生一定的偏压电场。因此，在进行等离子体处理工艺的过程中，能够引导部分等离子体中的带电粒子对电极基环组的上表面进行适当轰击，从而有效减少反应副产物在电极基环组表面的沉积，进而降低对待加工工件的污染，提高产品质量。

本发明提供的等离子体处理设备，包括工艺腔室，在工艺腔室内设置有上述本发明所提供的下电极装置用以产生偏压电场。因此，基于与上述本发明提供的下电极装置类似的理由，该等离子体处理设备所产生的偏压电场在中心和边缘区域的分布具有很好的均匀性和一致性，同时有效较少反应副产物在电极基环组表面的沉积，从而降低沉积物对产品质量的负面影响。

附图说明

图1为目前常用的等离子体处理设备的结构示意图；

图2A和2B为图1所示的下电极装置的结构示意图；

图3为图2所示的下电极装置所产生的电场分布示意图；

图4为本发明提供的下电极装置第一种具体实施例的结构示意图；

图5为本发明提供的下电极装置第二种具体实施例的结构示意图；

图6为本发明提供的等离子体处理设备第一种具体实施例的结构示意图；以及

图7为本发明提供的等离子体处理设备第二种具体实施例的结构示意图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的下电极装置及应用该下电极装置的等离子体处理设备进行详细描述。

请参阅图4，为本发明所提供的下电极装置的第一种具体实施例的结构示意图。如图所示，该下电极装置包括电极主体2和环绕电极主体2而设置的电极基环组3。其中，电极主体2连接有电极电源7，用以为电极主体2上方提供一定的偏压，从而在电极主体2的上方形成偏压电场，本实施例中，电极主体2为静电卡盘，电极电源7采用射频电源。电极基环组3由自上而下依次层叠的绝缘基环31、导体基环32以及支撑基环33构成。

具体地，绝缘基环31位于电极基环组3的最上端，用以对下电极装置上方的等离子体进行聚焦，其可以采用石英、陶瓷、硅和碳化硅等绝缘材料中的任意一种制成，本实施例中，绝缘基环31采用石英材料制成。

导体基环32采用诸如铝或石墨等的导体材料制成，并且该导体基环32还连接有基环电源9，用以在电极基环组3上方形成一定的偏压电场，从而改善电极主体2边缘区域的电场性能，使本发明提供的下电极装置上方的偏压电场8’具有较好的均匀性和一致性。

如图4所示，在基环电源9施加电压之前，下电极装置所形成的偏压电场与图3所示的电场8大致相仿，该电场8范围仅限于电极主体2的上方，并且电场8边缘附近的电场强度和准直度均与中心区域存在较大差异。而当基环电源9向导体基环32施加电压后，使导体基环32带有一定的偏压，进而在电极基环组3上方形成环状的偏压电场。然后，通过调节基环电源9的参数(例如，电压、频率和功率等)来调节上述环形的偏压电场的电场性能，使其与电极主体2上方的电场相互叠加而形成新的偏压电场8’，这一新的偏压电场8’的边缘由电极主体2的边缘扩大至电极基环组3的边缘附近。这样，电极主体2边缘的电场已经不再是偏压电场8’的边缘，因而该处的电场具有与下电极装置的中心区域同样的电场性能。在实际应用时，由于待加工工件的尺寸与电极主体2的尺寸大致相等，因此，在待加工工件的中心和边缘区域的电场强度和准直度都具有很好的一致性和均匀性，从而可有效地提高产品加工质量。

本实施方式中，上述基环电源9采用一个直流电源，该直流电源的电压例如可以在-1000V～100V的范围内进行调节，在实际应用中，该直流电源的电压的优选范围在-500V～0V之间。

需要指出的是，导体基环32与电极主体2和工艺腔室之间均保持电绝缘。在实际应用中，为了使导体基环32和电极主体2之间绝缘，例如可以在导体基环32和/或电极主体2相对应的表面涂布绝缘涂层，或者使二者之间保持一定的绝缘间隙；对于导体基环32和工艺腔室之间的绝缘，本实施例中是通过支撑基环33来实现的。

支撑基环33主要起到支撑导体基环32和聚焦基环31的作用，同时保证导体基环32与等离子体处理设备的工艺腔室之间保持绝缘。因此，支撑基环33采用绝缘材料制成，在实际应用中，其可以采用与聚焦基环31类似或相同的材料，本实施例中，支撑基环33所采用的材料为陶瓷。需要指出的是，为实现支撑基环33的功能可以采用多种具体的技术手段，例如，该支撑基环33可以采用多个由绝缘材料制成的子支撑基环层叠而成；也可以在工艺腔室的底部设置一个绝缘凸台而对上方的导体基环32和聚焦基环31进行支撑和绝缘；或者，还可以在导体基环32下方设置具有一定厚度的绝缘层来代替支撑基环33，这种结构同样可起到绝缘及支撑的作用；总之，只要不脱离本发明的精神和实质，都应视为本发明所保护的范围。

请参阅图5，为本发明所提供的下电极装置的第二种具体实施例的结构示意图。本实施例中的下电极装置与图4所示实施例的区别在于，本实施例中的基环电源9采用一种射频电源，该射频电源的频率范围为1KHz～60MHz，射频功率范围为10W～500W；优选的，使射频电源的频率范围为400KHz～13.56MHz，射频功率范围为10W～300W。需要指出的是，采用射频电源作为基环电源9对偏压电场的作用与直流电源基本相同，采用直流电源时，电极基环组3上方形成的是直流偏压；采用射频电源时，电极基环组3上方形成的是射频偏压；二者所形成的偏压电场8’的特性基本相同，同样具有良好的边缘和中心的一致性和均匀性，从而形成良好的工艺环境。

综上所述，本发明提供的下电极装置，包括电极主体和电极基环组。在应用该下电极装置进行等离子体处理工艺的过程中，电极基环组的导体基环加载有直流或射频偏压，从而使下电极装置上方的偏压电场的范围扩大，同时，通过调节基环电源的参数，对偏压电场的边缘的性能进行优化，使其具有与中心区域电场相一致的均匀性和准直性。因此，本发明提供的下电极装置所产生的偏压电场由中心至边缘均具有良好的电场性能，从而可有效提高等离子体加工工艺的产品质量。并且，由于本发明提供的下电极装置的电极基环组上方可产生一定的偏压电场，因此，能够引导一定的等离子体中的带电粒子对电极基环组的上表面进行适当轰击，从而有效减少反应副产物的沉积，进而降低对待加工工件的污染，提高产品质量。

作为另一种技术方案，本发明还提供一种等离子体处理设备。请一并参阅图6和图7，分别为本发明提供的等离子体处理设备第一和第二种具体实施例的结构示意图。该设备包括工艺腔室1，设置于工艺腔室1上方的上电极4和进气装置5，在工艺腔室1内部的下方还设置有上述本发明所提供的下电极装置，用以在工艺腔室1内形成均匀的偏压电场。在上述两种实施方式中，下电极装置的基环电源9分别采用直流电源和射频电源，对于基环电源的参数范围均与上述下电极装置类似，不再赘述。

本发明提供的等离子体处理设备，由于采用了上述本发明提供的下电极装置，因此，其能够在工艺腔室内形成均匀的偏压电场，并获得良好的工艺质量，同时避免反应副产物在电极基环组上表面的沉积，进而降低对工件的污染。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种下电极装置，用于在等离子体处理设备的工艺腔室内形成均匀的偏压电场，包括电极主体、与所述电极主体相连接的电极电源，其特征在于，所述下电极装置还包括环绕所述电极主体而设置的电极基环组以及与所述电极基环组相连接的基环电源，所述电极基环组至少包括自上而下依次层叠的绝缘基环和导体基环，所述导体基环与所述基环电源相连接，所述基环电源的参数可被调节以在所述下电极装置上方获得均匀分布的偏压电场。

2.根据权利要求1所述的下电极装置，其特征在于，所述基环电源包括直流电源或射频电源。

3.根据权利要求2所述的下电极装置，其特征在于，所述直流电源的电压范围为-1000V～100V。

4.根据权利要求3所述的下电极装置，其特征在于，所述直流电源的电压范围为-500V～0V。

5.根据权利要求2所述的下电极装置，其特征在于，所述射频电源的频率范围为1KHz～60MHz，射频功率范围为10W～500W。

6.根据权利要求5所述的下电极装置，其特征在于，所述射频电源的频率范围为400KHz～13.56MHz，射频功率范围为10W～300W。

7.根据权利要求1所述的下电极装置，其特征在于，所述电极基环组至少还包括一个支撑基环，所述支撑基环设置于所述导体基环的下方，用以支撑所述导体基环和绝缘基环。

8.根据权利要求1所述的下电极装置，其特征在于，所述导体基环的材料为铝或石墨。

9.根据权利要求7所述的下电极装置，其特征在于，所述绝缘基环和所述支撑基环的材料分别选自石英、陶瓷、硅和碳化硅中的一种。

10.根据权利要求1所述的下电极装置，其特征在于，所述电极主体包括静电卡盘，所述电极电源包括射频电源。

11.一种等离子体处理设备，包括工艺腔室，其特征在于，在所述工艺腔室内部的下方还设置有权利要求1-10中任意一项所述的下电极装置，用以在所述工艺腔室内形成均匀的偏压电场。

Images