CN102800547B - 可调制的聚焦环和利用该聚焦环调节等离子处理器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调制的聚焦环，该聚焦环设为环形结构，其环绕套设在晶圆外侧壁，该聚焦环和晶圆一起设置在基座的顶面上；该聚焦环还连接有温度调节装置；该聚焦环中掺杂有阻抗调节材料，该阻抗调节材料的阻抗随温度变化而改变。本发明的聚焦环连接有温度调节装置，同时在聚焦环中掺杂有导电体或非导电体的阻抗调节材料，通过温度调节装置调节聚焦环的温度，利用阻抗调节材料其阻抗随温度变化的特性，使聚焦环的阻抗随着温度变化而变化，调节聚焦环的阻抗，从而调整晶圆边缘和聚焦环上等离子体的密度分布，实现打在晶圆表面上等离子体的密度分布均匀化，提高晶圆刻蚀的工艺质量。

Description

可调制的聚焦环和利用该聚焦环调节等离子处理器的方法

技术领域

本发明涉及一种半导体领域中用于晶圆加工的聚焦环和等离子处理器调节方法，具体涉及一种可调制的聚焦环和利用该聚焦环调节等离子处理器的方法。

背景技术

目前，在晶圆1（wafer）的生产流程中需采用等离子体5对晶圆进行刻蚀工艺，如图1所示，晶圆1进行刻蚀工艺时，将晶圆1固定支撑在基座2上，并在晶圆1的侧边外环绕套设有聚焦环3（focus ring），在对晶圆1进行刻蚀时，在晶圆1上方分布用于刻蚀晶圆1的反应气体。基座2发射电磁波，将反应气体内的粒子转化为等离子体5，并通过电场将等离子体5对晶圆1进行刻蚀。聚焦环3采用石英或硅材质制成，其套设在晶圆1的外圈，增加了晶圆1的表面积，用于保护暴露在晶圆1覆盖区域外的基座2。

将反应气体分布在晶圆1上方，基座2连接高频，输出高频电场，将反应气体内的粒子转化为等离子体5，同时基座2接通有低频电场，在晶圆1上方的区域内产生低频电场，通过低频电场对等离子体5作用，将等离子体5打在晶圆1表面上，对晶圆1进行刻蚀。

在对晶圆1进行刻蚀工艺的装置内，基座2发射的高频电场，该高频电场的分布为中间强度较大分布较均匀，外边强度较小分布不均匀由于场强的不均匀导致等离子分布也是中间高边缘低。结合图1，参见图2，附图2中的纵坐标表示等离子体密度，横坐标表示晶圆的水平方向坐标，其中的虚线表示设有聚焦环时的等离子体浓度分布，实线表示未设聚焦环是等离子体浓度分布，因此，参照附图，可知现有技术的机制将会导致在等离子体5对晶圆1进行刻蚀工艺时，晶圆1表面的等离子体5密度分布呈中央多、边缘少的分布曲线，使晶圆1表面的等离子体5密度分布的均匀度较差，无法满足较高制程要求的晶圆1蚀刻工艺。当聚焦环3套设在晶圆1外侧，将等离子体5的分布边缘延展到聚焦环3的外侧壁缘，增大了等离子体5的分布范围，展宽了晶圆1表面上等离子体5的密度分布曲线。使晶圆1表面上等离子体5的密度分布趋向平缓，晶圆1表面上的等离子体5密度分布更加均匀化。即使添加了聚焦环以调节高频电场的分布，进而调节等离子浓度分布也无法实现最佳化，因为一个等离子处理腔通常会采用不同的工艺加工不同的晶圆，专门为一个加工工艺而设计的聚焦环不一定适用于其它加工工艺。

因此，业内需要一种可控性更强效果更好的刻蚀均匀度（etch uniformity）控制机制，本发明正是基于此提出的。

发明内容

本发明提供能够了一种可调制的聚焦环和利用该聚焦环调节等离子处理器的方法，通过控制聚焦环的温度来调节射频耦合（RF coupling），从而，能够提高刻蚀的均匀度，同时，还能延长聚焦环的使用时间。

为实现上述目的，本发明提供一种可调制的聚焦环，该聚焦环设为环形结构，其环绕套设在晶圆外侧壁，该聚焦环和晶圆一起设置在基座的顶面上；

其特点是，该聚焦环还连接有温度调节装置；

上述的聚焦环中掺杂有阻抗调节材料。

上述的温度调节装置采用冷却器或电阻丝。

上述的阻抗调节材料采用导体或半导体；该阻抗调节材料的阻抗随温度变化。

上述的聚焦环的顶部与晶圆的顶部高度一致。

上述的聚焦环的底部与基座的顶部相贴合。

一种等离子处理器调节方法，

其中该等离子处理器包括：一个基座，其中基座上方包括固定晶圆的平台，一个半导体聚焦环围绕晶圆固定平台，该聚焦环包括一个温度调节装置，基座中包括一个电极连接到一个射频电源；

上述等离子处理器调节方法包括：

向基座中的电极供应射频能量以产生第一分布等离子体，聚焦环工作在第一温度；

控制温度调节装置使半导体聚集环工作在第二温度，产生第二分布的等离子体，

其中第一温度和第二温度的差大于50°C。

上述的半导体聚焦环的电阻随温度变化。

上述的半导体聚焦环第一温度和第二温度的差大于65°C。

温度调节装置调节聚焦环的温度，聚焦环内阻抗调节材料的温度随着聚焦环的温度变化而改变，随着温度的改变，阻抗调节材料的阻抗也随着其自身温度变化，阻抗调节材料阻抗的变化改变聚焦环的阻抗，基座发射的电场受聚焦环的阻抗变化的影响，电场对聚焦环和晶圆上方的等离子体的电场作用也产生变化。温度调节装置根据上述过程，对晶圆和聚焦环上等离子体的密度分布进行调制，使晶圆和聚焦环上等离子体的密度分布更趋向均匀化。

本发明一种可调制的聚焦环和现有技术的聚焦环相比，其优点在于，本发明的聚焦环连接有温度调节装置，同时在聚焦环中掺杂有导电体或非导电体的阻抗调节材料，通过温度调节装置调节聚焦环的温度，利用阻抗调节材料其阻抗随温度变化的特性，使得聚焦环的阻抗随着温度变化而变化，以调节聚焦环的阻抗，调节射频耦合（RF coupling），从而调整晶圆边缘和聚焦环上等离子体的密度分布，使打在晶圆表面上等离子体的密度分布均匀化，从而能够提高刻蚀的均匀度，提高晶圆刻蚀的工艺质量。同时，还能延长聚焦环的使用时间。

附图说明

图1为现有技术中晶圆刻蚀工艺的装置结构示意图；

图2为现有技术中晶圆表面的等离子体密度分布示意图；

图3为根据本发明的一个具体实施例的可调制的聚焦环的结构示意图；

图4为根据本发明的一个具体实施例的可调制的聚焦环的聚焦环与温度调节装置的设置示意图；

图5为根据本发明的一个具体实施例的可调制的聚焦环的聚焦环与温度调节装置的另一种设置实施例的示意图；

图6为根据本发明的一个具体实施例的可调制的聚焦环的一种实施例的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图，说明本发明的具体实施方式。

晶圆1的生产流程中包含有对晶圆1进行刻蚀的工艺。在进行刻蚀工艺前，将晶圆1平稳地固定在基座2上，并在晶圆1的外侧套设有聚焦环3。进行刻蚀工艺时，在晶圆1和聚焦环3上方的分布反应气体，基座2向反应气体发射电场，利用基座2发射的电场电离反应气体，使反应气体中产生等离子体5，并通过电场驱动等离子体5打向晶圆1，对晶圆1进行刻蚀。

如图3所示，本发明公开了一种可调制的聚焦环，以下说明了该可调制的聚焦环的一种实施例。

该可调制的聚焦环设置在一种等离子处理器上，其中该等离子处理器包括：一个基座1，其中基座1上方包括固定晶圆的平台21，一个半导体的聚焦环3围绕晶圆固定平台21，该聚焦环包3括一个温度调节装置4，基座1中包括一个电极连接到一个射频电源。

聚焦环3设为环形结构，其采用半导体（semi-conductive）材料制成，比如SiC和Si等。该聚焦环3环绕套设在晶圆1的外侧壁外，同时，聚焦环3与晶圆1一起平稳固定在基座2的顶面上。其中晶圆1的半径小于基座2顶面的半径。聚焦环3的内径与晶圆1的半径相适配，使聚焦环3环绕在晶圆1外。同时聚焦环3的外径大于或至少等于基座2顶面的半径，保证完全遮蔽基座2表面，保护基座2不受等离子体5的蚀刻，避免基座2损耗。聚焦环外径也可以小于基座2的半径，在聚焦环3之外再配置一边缘环覆盖其余部分的基座，甚至伸出基座边缘。边缘环可以与聚焦环材料不同，比如可以是绝缘材料的石英制成。

本实施例中，基座2设为圆柱形，在其顶面的中央部分上设有圆柱形的平台21，晶圆1固定在该圆柱形的平台21上。平台21通常是静电夹盘能够使晶圆固定在基座2上。聚焦环3的底部与基座2顶面上的边在该基座2中还设有连通基座2上下表面的通孔，该通孔与基座2上表面相对应的出口设置在基座2上表面的边缘，该出口与聚焦环3设置的位置相对应。

聚焦环3的外径大于或至少等于基座2顶部的半径。使得晶圆1和聚焦环3将基座2完全覆盖在晶圆1和聚焦环3底面下。当对晶圆1进行刻蚀时，等离子体5完全被晶圆1和聚焦环3阻挡和吸收，而不会打在基座2上，保护基座2的顶面，延长基座2的使用寿命。

该聚焦环3中由半导体材料制成，所述半导体材料的电阻率(electric resistivity)会随其自身温度变化而变化，该导体或半导体采用阻抗与温度成正比的导体或半导体，或者采用阻抗与温度成反比的导体或半导体。因此，可以通过通过调节温度可改变阻抗调节材料的阻抗，阻抗调节材料的阻抗的变化导致聚焦环3阻抗变化，从而能够通过控制聚焦环3的温度来调节射频耦合。因此，能够优化刻蚀均匀度，以及延长聚焦环3的寿命。。

平滑的平面结构便于等离子体5的密度分布保持连续性，使等离子体5的密度分布达到工艺要求。本发明中聚焦环3的顶部高度与晶圆1的顶部高度设为相同高度，使聚焦环3的顶面和晶圆1的顶面设置在同一水平面上，使聚焦环3和晶圆1的顶面上的等离子体5具有平滑的密度分布。聚焦环的高度也可以略高于或低于晶圆平面可以调节晶圆表面的气流分布，与本发明可变电阻的聚焦环相配合实现很好的调节作用。

基座2连接有高频电源和低频源，使基座2可在其周围产生高频电场和低频电场。基座2产生的高频电场对反应气体进行电离，从反应气体中电离出等离子体5。同时，基座2产生低频电场，通过低频电场对反应气体中电离出来的等离子体5施加电场力，控制等离子体5的运动方向，使等离子体5打在聚焦环3和晶圆1上。

示例性地，聚焦环3连接有温度调节装置4，该温度调节装置4可采用冷却器（cooling）或电阻丝。

冷却器（cooling）包含制冷装置，以及与制冷装置连接的冷却管。当温度调节装置4采用冷却器（cooling）时，冷却器（cooling）的制冷装置设置在基座2的下方，基座2中设有连通其上下表面的通孔，冷却管穿过基座2的通孔由基座2的下表面通至基座2的上表面，并且该冷却管与聚焦环3的下部相接触，如图4所示，紧密贴合聚焦环3的外表面。制冷装置通过冷却管对聚焦环3进行温度控制。

当温度调节装置4采用电阻丝时，电阻丝的两端设置在基座2的下表面下，并两端连接电源。同时基座2中设有连通其上下表面的通孔，电阻丝通过该通孔将其一部分的电阻丝设置在基座2的上表面上方，该部分电阻丝中的一段电阻丝紧密贴合在聚焦环3底部的外表面，如图4所示。电阻丝通电后产生热量，通过与聚焦环3紧密贴合的一段电阻丝对聚焦环3进行热传导，调节聚焦环3的温度。

以下结合一个变化例，说明温度调节装置4与聚焦环3的另一种连接方式式。

本实施例中，基座2设为圆柱形，在其顶面的中央部分上设有圆柱形的平台21，晶圆1固定在该圆柱形的平台21上，在该基座2中设有连通基座2上下表面的通孔。温度调节装置4包含分别设置在基座2上下表面的部分，该分别设置在基座2上下表面的部分通过基座2的通孔实现连接。

如图5所示，温度调节装置4可采用冷却器（cooling）或电阻丝。

冷却器（cooling）包含制冷装置，以及与制冷装置连接的冷却管。当温度调节装置4采用冷却器（cooling）时，冷却器（cooling）的制冷装置设置在基座2的下方，基座2中设有连通其上下表面的通孔，冷却管穿过基座2的通孔由基座2的下表面通至基座2的上表面。该冷却管的部分管道串设在聚焦环3中，与聚焦环3的内部紧密接触。制冷装置通过冷却管对聚焦环3进行温度控制。

当温度调节装置4采用电阻丝时，电阻丝的两端设置在基座2的下表面下，并连接电源，同时基座2中设有连通其上下表面的通孔，电阻丝通过该通孔将其一部分的电阻丝设置在基座2的上表面上方，该部分电阻丝中的一段电阻丝设置在聚焦环3内，电阻丝与聚焦环3内部紧密接触。电阻丝通电后产生热量，通过设置在聚焦环3中与聚焦环3接触的一段电阻丝，电阻丝对聚焦环3进行热传导，调节聚焦环3的温度。

以下说明本发明一种可调制的聚焦环的另一种实施方式。

如图6所示，聚焦环3设为环形结构，其采用与晶圆1接近的材料制成。该聚焦环3环绕套设在晶圆1的外侧壁外。晶圆1的半径小于基座2顶面的半径，聚焦环3的内径与晶圆1的半径相适配。

本实施例中，基座2设为圆柱形，在其顶面的中央部分上设有圆柱形的平台21，晶圆1稳固放置在该圆柱形的平台21上。聚焦环3套设在晶圆1的外侧壁外，聚焦环3的底部与基座2顶面上的边缘部分紧密贴合，该顶面上的边缘部分指基座2顶面上未设有圆柱形平台21的部分。

聚焦环3中掺杂有阻抗调节材料，该阻抗调节材料采用导体或半导体，使本发明中的聚焦环3的阻抗随其温度变化改变。

聚焦环3的顶部高度与晶圆1的顶部高度设为相同高度，使聚焦环3的顶面和晶圆1的顶面设置在同一水平面上，使聚焦环3和晶圆1的顶面上的等离子体5具有平滑的密度分布。

基座2连接有高频电场和低频电场，使基座2可在其周围产生高频电场和低频电场。基座产生高频电场，对反应气体进行电离，从反应气体中电离出等离子体5。同时，基座2产生低频电场，通过低频电场对反应气体中电离出来的等离子体5施加电场力，控制等离子体5的运动方向，使等离子体5打向聚焦环3和晶圆1。

聚焦环3连接有温度调节装置4，该温度调节装置4可采用冷却器（cooling）或电阻丝。

冷却器（cooling）包含制冷装置，以及与制冷装置连接的冷却管。当温度调节装置4采用冷却器（cooling）时，冷却器（cooling）的制冷装置设置在基座2的下方，冷却管由基座2的侧边，从基座2的下方通至基座2的上方。冷却管与聚焦环3的侧边相接触，如图4所示，紧密贴合聚焦环3的外表面。制冷装置通过冷却管对聚焦环3进行温度控制。

当温度调节装置4采用电阻丝时，电阻丝的两端设置在基座2的下表面下，并两端连接电源。电阻丝由基座2的侧边通向基座2的上表面上方，该电阻丝贴合在聚焦环3的侧面，如图4所示，紧密贴合聚焦环3的外表面。电阻丝通电后产生热量，通过与聚焦环3紧密贴合的一段电阻丝对聚焦环3进行热传导，调节聚焦环3的温度。

同样，温度调节装置4与聚焦环3的连接方式还可以采用另一种实施方式。

如图5所示，温度调节装置4可采用冷却器（cooling）或电阻丝。

冷却器（cooling）包含制冷装置，以及与制冷装置连接的冷却管。当温度调节装置4采用冷却器（cooling）时，冷却器（cooling）的制冷装置设置在基座2的下方，冷却管通过基座2的侧边由基座2的下方连通至基座2的上方。该冷却管的部分管道串设在聚焦环3内部，与聚焦环3的内部紧密接触。制冷装置通过冷却管对聚焦环3进行温度控制。

当温度调节装置4采用电阻丝时，电阻丝的两端设置在基座2的下方，其两端连接电源。电阻丝通过基座2的侧边由基座2的下方连通至基座2的上方，该电阻丝中的一段串设在聚焦环3内部，该段电阻丝与聚焦环3内部紧密接触。电阻丝通电后产生热量，通过设置在聚焦环3中与聚焦环3接触的一段电阻丝，对聚焦环3进行热传导，调节聚焦环3的温度。

通过上述温度控制装置4实现对聚集环3温度的调节，可以使聚集环3的温度可以在室温（10-20°C）到上百度如200°C之间可调。足够大的温度可调空间可以获得更大聚集环阻抗可调范围。所以要实现本发明通过调节聚焦环3温度范围来调节阻抗分布进而获得不同的电场分布的功能温度范围必须足够大，温度调节范围要超过50°C才能有效的改变等离子体5浓度分布。进一步的大于65°C度或者100°C的温差才能获得较佳的等离子分布改变。现有技术也有聚焦环3的温度调节装置4，但是其目的主要是控制温度在一个稳定的范围内，比如在100°C±20°C以防止温度范围变化太大影响整体反应调试，或者温度太高反应气体中的氟碳化合物在靠近晶圆1的聚焦环3处解离，然后在晶圆1侧面和背面重新结合成聚合物形成对晶圆1的污染。

以下结合附图和上述结构说明本发明一种可调制的聚焦环的工作原理。

聚焦环3中掺杂阻抗调节材料，该阻抗调节材料采用半导体，该类半导体的阻抗会随其温度变化而变化。

温度调节装置4通过热传导调节聚焦环3的温度状态，使聚焦环3工作在第一温度。该聚焦环3的温度变化导致聚焦环3中掺杂的阻抗调节材料的温度改变，使得阻抗调节材料的阻抗随其温度变化而改变，由于阻抗调节材料掺杂在聚焦环3中，阻抗调节材料的阻抗改变导致聚焦环3的阻抗产生改变。实现通过温度调节装置4对聚焦环3的阻抗进行调制。

聚焦环3阻抗的改变，对基座2周围产生的高频电场和低频电场造成影响，改变高频电场内电场线的疏密程度和电场线方向，调制低频电场对反应气体中等离子体5的电场作用，从而改变打在晶圆1边缘和聚焦环3上表面上等离子体5的入射能量分布，以产生第一分布的等离子体5。

再控制温度调节装置4使半导体聚集环3工作在第二温度，以上述的流程产生第二分布的等离子体5。其中第一温度与第二温度为任意温度，其两者之间按满足上述特定的温度差。

综上所述，通过温度调节装置4对聚焦环3进行温度控制，实现对晶圆1边缘和聚焦环3上表面上的等离子体5的密度分布进行调制，通过温度调节装置4调节，将晶圆1边缘和聚焦环3上表面上的等离子体5的密度分布均匀化调制。

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 (7)

1.一种可调制的聚焦环，该聚焦环（3）设为环形结构，其环绕套设在晶圆（1）外侧壁，所述的聚焦环（3）和晶圆（1）一起设置在基座（2）的顶面上；

其特征在于，该聚焦环（3）还连接有温度调节装置（4），用于调节所述聚焦环（3）的温度；所述的温度调节装置（4）采用冷却器或电阻丝；

所述冷却器与聚焦环（3）的下部相接触，或者冷却器的部分管道设置在所述聚焦环（3）内部；

所述电阻丝的一部分紧密贴合在聚焦环（3）底部的外表面，或者电阻丝的部分设置在聚焦环（3）内，所述电阻丝两端连接电源；

所述的聚焦环（3）中掺杂有阻抗调节材料，该阻抗调节材料的阻抗随温度变化。

2.如权利要求1所述的可调制的聚焦环，其特征在于，所述的阻抗调节材料采用导体或半导体；该阻抗调节材料的阻抗随温度变化。

3.如权利要求1所述的可调制的聚焦环，其特征在于，所述的聚焦环（3）的顶部与所述的晶圆（1）的顶部高度一致。

4.如权利要求1所述的可调制的聚焦环，其特征在于，所述的聚焦环（3）的底部与所述的基座（2）的顶部相贴合。

5.一种等离子处理器调节方法，

其中所述等离子处理器包括：一个基座（2），其中基座（2）上方包括固定晶圆（1）的平台（21），一个半导体聚焦环（3）围绕晶圆固定平台（21），所述聚焦环（3）包括一个温度调节装置（4），所述的温度调节装置（4）采用冷却器或电阻丝，所述冷却器与聚焦环（3）的下部相接触，或者冷却器的部分管道设置在所述聚焦环（3）内部；所述电阻丝的一部分紧密贴合在聚焦环（3）底部的外表面，或者电阻丝的部分设置在聚焦环（3）内，所述电阻丝两端连接电源；基座（2）中包括一个电极连接到一个射频电源，

所述等离子处理器调节方法包括：

向基座（2）中的电极供应射频能量以产生第一分布等离子体（5），聚焦环（3）工作在第一温度；

控制温度调节装置（4）使半导体聚集环（3）工作在第二温度，产生第二分布的等离子体（5），

其中第一温度和第二温度的差大于50°C。

6.如权利要求5所述的等离子处理器调节方法，其特征在于，所述的半导体聚焦环（3）的电阻随温度变化。

7.如权利要求5所述的等离子处理器调节方法，其特征在于，所述的半导体聚焦环（3）第一温度和第二温度的差大于65°C。