CN103730318B - 一种晶圆边缘保护环及减少晶圆边缘颗粒的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种晶圆边缘保护环及减少晶圆边缘颗粒的方法，所述保护环位于等离子体处理装置的反应腔内，所述保护环能够在对晶圆进行处理反应的过程中覆盖在晶圆的边缘位置，来承载包含聚合物的处理反应副产品；所述保护环能够在释放晶圆的过程中移动，并将聚集的所述聚合物带离晶圆。本发明结构简单、便于控制，能够有效减少晶圆边缘的颗粒，保证晶圆边缘芯片的质量。

Description

一种晶圆边缘保护环及减少晶圆边缘颗粒的方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域的等离子体处理装置，特别涉及一种晶圆边缘保护环及减少晶圆边缘颗粒的方法。

背景技术

目前，例如在一些用来进行蚀刻或TSV（硅通孔）工艺的等离子体处理装置中，通常在反应腔内的底部设置有处理台，用来承载放置在其上面的晶圆。在处理过程中，反应用的气体通过上电极引入到反应腔内，并在压力控制器的作用下维持在设定的压力值。射频电源（例如是13.56MHz，3000W）通过匹配网络连接至所述的处理台或上电极，用来在处理台与上电极之间形成射频场从而将反应气体激励为等离子体状态，以便于利用等离子体对晶圆进行处理。

由于射频电源的施加会产生热量，在处理台和晶圆上都会有温度升高的表现。因此，在处理台上配置有温度控制系统，其中包含有静电吸盘（ESC），冷却液的循环通道及其控制器，和氦气的气道及其气压控制装置等等。在处理过程中，为了吸持晶圆，在处理台的静电吸盘上施加有高压直流。处理台的温度是通过流过的冷却液来控制的。氦气被导入到晶圆背面与处理台之间以保证晶圆温度控制的均匀性；氦气的气压一般被控制在10托~50托（Torr）的范围内。

蚀刻等处理会产生包含聚合物的副产品。这些副产品可能是那些没有挥发或没有由排气泵从反应腔内排走的聚合物，其往往会积累在晶圆的边缘位置。究其原因，发现在处理反应完成后，通过向处理台的静电吸盘施加反向的高压直流后再关闭该高压直流，能够将晶圆释放。氦气的流量大小能够被用来检验晶圆是否成功地被释放：当晶圆没有被释放时，氦气气流被维持在原先一个较低的流量水平，因为此时晶圆与处理台之间的间距很小；而当晶圆被成功释放时，因为晶圆与处理台之间的间距增加，氦气气流会提升到另一个流量水平。

然而，正是由于晶圆释放的过程中，氦气流量在关闭了高压直流之后得到提升，使得包含聚合物的处理反应副产品被氦气气流吹送到晶圆的边缘位置形成颗粒，从而损害到位于晶圆边缘位置的芯片的质量。

发明内容

本发明的目的是提供一种晶圆边缘保护环，来防止晶圆释放过程中聚合物等副产品被氦气吹送到晶圆的边缘位置，从而减少晶圆边缘颗粒。本发明同时提供了包含这种晶圆边缘保护环的等离子体处理装置，以及相应的能够减少晶圆边缘颗粒的方法。

为了达到上述目的，本发明的第一个技术方案是提供一种用于等离子处理装置的晶圆边缘保护环，所述保护环位于等离子体处理装置的反应腔内，所述反应腔内包括处理台，晶圆设置在所述处理台上；所述保护环能够在对晶圆进行处理反应的过程中定位到第一状态，以使该保护环覆盖在晶圆的边缘位置，用来承载包含聚合物的处理反应副产品；所述保护环能够在释放晶圆前定位到第二状态，以使该保护环移动到远离晶圆的位置，从而将聚集的所述聚合物带离晶圆。

优选地，所述保护环的内径等于或略小于晶圆的直径。

优选地，所述反应腔外设置有驱动器，能够通过从所述反应腔底部向上穿入到该反应腔内的若干连杆，连接及支撑所述保护环并使该保护环在第一状态和第二状态之间上升或下降；

或者，所述驱动器能够通过从所述反应腔顶部向下穿入到该反应腔内的若干连杆，连接及悬挂所述保护环并使该保护环在第一状态和第二状态之间上升或下降。

优选地，所述保护环在第一状态时，该保护环的底面与晶圆的顶面之间存在有第一间隙，第一间隙在竖直方向的距离为0.1mm~2mm。

优选地，所述保护环在第二状态时，该保护环的底面与晶圆的顶面之间存在有第二间隙，所述第二间隙高于抓取晶圆的机械手，以便于通过机械手对晶圆进行拿取更换。

优选地，所述第二间隙在竖直方向的距离为10mm~20mm。

优选地，所述保护环是一个完整的环状结构；

或者所述保护环是由在第一状态时聚拢而在第二状态时水平方向散开的多个圆弧段组合形成的环状结构。

本发明的第二个技术方案是提供一种等离子体处理装置，设置有上述的任意一种晶圆边缘保护环；

所述等离子体处理装置设置有反应腔，所述反应腔内的底部设有处理台，该处理台上设有静电吸盘能够在施加有直流电压时对放置于该处理台上的晶圆进行吸持固定，而在关闭或施加反向的直流电压时释放晶圆；

在所述反应腔内形成有射频场，该射频场能够将引入到所述反应腔内的反应气体激励为等离子体状态，以便于利用等离子体对晶圆进行相应的反应处理；所述等离子体处理装置是电容耦合式时，所述射频场是使射频电源经由匹配网络施加在所述反应腔内顶部的上电极或所述处理台上而形成在所述上电极与处理台之间；所述等离子体处理装置是电感耦合式时，所述射频场是使射频电源经由匹配网络施加在围绕着反应腔外壁或反应腔顶部的感应线圈上而形成在所述感应线圈的轴向；

所述反应腔外设置有驱动器，能够通过穿入到反应腔内的若干连杆来连接所述保护环，从而控制所述保护环覆盖在晶圆的边缘位置以承载包含聚合物的处理反应副产品，或控制所述保护环在释放晶圆前移动到远离晶圆的位置来将聚集的聚合物带离晶圆。

优选地，所述处理台内设有冷却液的循环通道，以及将氦气导送到晶圆背面与处理台顶面之间的气体通道，通过冷却液及氦气来实现处理台及晶圆的均匀冷却。

优选地，在所述反应腔的底部环绕处理台的边缘设置有排气通道，使用排气泵能够将反应腔内的等离子体经由这些排气通道抽出。

本发明的第三个技术方案是提供一种减少晶圆边缘颗粒的方法，通过在等离子体装置中设置上述任意一种晶圆边缘保护环来实现，所述方法包含以下过程：

将保护环覆盖于晶圆的边缘位置上；

在对晶圆进行处理反应的过程中，使所述保护环定位至第一状态，使包含聚合物的处理反应副产品聚集在该保护环上；

当处理反应结束释放晶圆时，使保护环移动至第二状态，并将聚集的聚合物带离晶圆；

当保护环位于第二状态时，能够将处理完成的晶圆取走并更换新的晶圆。

与现有技术相比，本发明所述晶圆边缘保护环及减少晶圆边缘颗粒的方法，结构简单、便于控制，能够以位于晶圆边缘的保护环来承载聚集的聚合物等副产品，并在晶圆释放时使保护环上升来带离这些聚合物，从而有效减少晶圆边缘的颗粒，保证晶圆边缘芯片的质量。

附图说明

图1是本发明所述在等离子体处理装置中设置晶圆边缘保护环在第一实施例中的结构示意图；

图2是本发明所述晶圆边缘保护环第一种结构的俯视示意图；

图3是本发明所述在等离子体处理装置中设置晶圆边缘保护环在第二实施例中的结构示意图；

图4是本发明所述晶圆边缘保护环第二种结构的俯视示意图。

具体实施方式

实施例1

配合参见图1、图2所示，本发明的第一实施例中提供一种晶圆边缘保护环（以下或简称为保护环70），其位于等离子体处理装置的反应腔10内。该保护环70覆盖在晶圆60的边缘位置。

所述保护环70的内径M等于或略小于晶圆60的直径N：例如，若晶圆60直径是200mm的，所述保护环70的内径可以为196mm~200mm；若晶圆60直径是300mm的，所述保护环70的内径可以为294mm~300mm。

在反应腔10的大气侧设置有驱动器71（例如是包含电机、气缸等设备）。驱动器71能够通过穿入到反应腔10内的若干连杆72来连接所述保护环70，从而控制所述保护环70上升或下降。例如，至少设置有均匀分布的三个连杆72，来平稳地驱动所述保护环70。

当保护环70下降到第一状态时（图1中以实线表示），保护环70的底面与晶圆60（边缘位置）的顶面之间存在有第一间隙A，第一间隙A在竖直方向大约有0.1mm~2mm的距离。当保护环70上升到第二状态时（图1中以虚线表示），保护环70的底面与晶圆60（边缘位置）的顶面之间的距离增大为第二间隙B，该第二间隙B足够用来进行晶圆60的拿取更换等操作，且该第二间隙B高于抓取晶圆60的机械手。优选地，将第二间隙B的竖直距离设计为10mm~20mm是比较合理的。

本发明中提供了配置上述晶圆边缘保护环70的等离子体处理装置，例如是进行蚀刻或TSV工艺处理的装置。图1所示为一种电容耦合式（CCP）的等离子体处理装置，其设有一个反应腔10，该反应腔10内的顶部具有上电极20，反应用的气体能够经由上电极20内设置的通道输送到反应腔10内。反应腔10内的底部具有处理台30，该处理台30上设有静电吸盘能够在施加有直流电压时对放置于该处理台30上的晶圆60进行吸持固定；处理台30内设有冷却液的循环通道，还设有将氦气（例如以10托~50托的气压）导送到晶圆60背面与处理台30顶面之间的气体通道，用来实现处理台30及晶圆60的均匀冷却。射频电源40（例如13.56MHz，3000W）经由匹配网络41施加至上电极20或处理台30上，用来在处理台30与上电极20之间形成能够将反应气体激励为等离子体状态的射频场，以便于利用等离子体50对晶圆60进行相应的工艺处理。在反应腔10的底部环绕处理台30的边缘设置有排气通道，使用排气泵80能够将反应腔10内的等离子体50等经由这些排气通道抽出。

所述的保护环70即按照上文描述的方式覆盖于晶圆60的边缘位置，不再赘述。该反应腔10内的气压由气体导入时和排气时的气压控制状态来决定，该反应腔10外部为大气压环境。保护环70的驱动器71即位于大气压侧，例如本实施例中的驱动器71是位于反应腔10底部的下方，使多个连杆72从下至上穿入反应腔10内而与保护环70连接对其进行支撑，从而能够驱使该保护环70进行上升或下降运动。

实施例2

如图3所示，本发明在第二实施例中提供的保护环70，其特点在于该保护环70的驱动器71位于等离子体处理器反应腔10顶部的上方，处于大气压侧。多个连杆72自上而下地穿入到反应腔10内连接保护环70，将该保护环70悬吊在晶圆60上方并覆盖晶圆60的边缘位置。在驱动器71的作用下，能够使保护环70下降到第一状态，使保护环70的底面与晶圆60（边缘位置）的顶面之间存在有第一间隙A；还能够使保护环70拉升至第二状态（图3中以虚线表示），使保护环70的底面与晶圆60（边缘位置）的顶面之间的距离增大为第二间隙B，以便于通过机械手进行晶圆60的拿取更换等操作。本实施例中比方优选的保护环尺寸、第一间隙A和第二间隙B、连杆数量等都可以参照前述实施例。

本实施例中悬吊着的保护环70，除了能够适用于前述电容耦合式（CCP）的等离子体处理装置以外，还可以适用于如图3所示的电感耦合式（ICP）的等离子体处理装置。所述电感耦合式的等离子体处理装置设有反应腔10，感应线圈90在该反应腔10外，例如是围绕着反应腔10的外壁或位于反应腔10的顶部。射频电源40经由匹配网络41连接至感应线圈90，在感应线圈90的轴向感应出射频电场，使导入到反应腔10内的反应气体形成等离子体，对晶圆60进行处理。反应腔10内的其他设备，如放置晶圆60的处理台30，排气设备、冷却设备等等都可以参照前述实施例来进行设置。保护环70即通过本实施例描述的方式，悬吊在晶圆60上方对应晶圆60边缘的位置。

对于实施例1和2来说，在对晶圆60进行处理反应的过程中，所述的保护环70下降至第一状态；此过程中，由于这些形成聚合物的气体不是挥发性的，所以会在反应区域周围沉积或吸附。本发明由于保护环70覆盖了晶圆60周围，所以包含大量聚合物的处理反应副产品将会聚集在保护环70上。当处理反应结束后，通过向处理台30的静电吸盘施加反向的高压直流后再关闭该高压直流，将晶圆60释放；晶圆60释放时，在静电减小到一定程度后晶圆背面与静电吸盘间的缝隙会瞬间增大，此时用来冷却晶圆的氦气仍然在按正常流量流动，所以随着缝隙瞬间加大，氦气也会瞬间大量吹出。现有技术中晶圆边缘的聚焦环或边缘环缝隙里积聚的聚合物会被吹到飞散在反应腔内，并落回加工完成的晶圆60上，这些落在晶圆上的聚会物严重污染了晶圆，造成晶圆成品率下降。本发明中由于大部分聚合物沉积在保护环70上，在加工完成后随着保护环70上升，聚合物也被带到远离晶圆的位置。此时即使有大量气体在晶圆背面吹出也不会造成聚合物污染物颗粒的四处飘散。本发明中，当保护环70上升到第二状态时，能够将完成的晶圆60取走并更换新的晶圆60。通过上述的方法能够有效减少晶圆60边缘的颗粒。

实施例3

本发明中还提供另一种结构的保护环，可以适用于实施例1或2。特点在于该保护环是由等分的或非等分的多个圆弧段组合而成的，驱动器通过相应的连杆控制这些圆弧段在水平方向散开或聚拢，而不是使其上下升降。可以通过竖直布置的连杆从下面支撑或从上面悬吊这些圆弧段，也可以是通过水平布置的连杆来驱动这些圆弧段。

如图4所示，例如在提供的一种保护环中，设置有两个半圆弧段70-1、70-2，两者在进行晶圆处理的过程中处于聚拢状态，以形成一个完整的覆盖在晶圆边缘位置的环状结构，来承载包含聚合物的处理反应副产品。而在进行晶圆释放时，这两个半圆弧段70-1、70-2（图4中以虚线表示）左右分离，处于散开状态；此时需要使各个半圆弧段都与晶圆的边缘相距足够远的距离，也能够有效地将处理过程中积聚在这些半圆弧段上的聚合物带离晶圆。

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 (10)

1.一种用于等离子处理装置的晶圆边缘保护环，其特征在于，所述保护环（70）位于等离子体处理装置的反应腔（10）内，所述反应腔（10）内包括处理台（30），晶圆（60）设置在所述处理台（30）上；所述保护环（70）能够在对晶圆（60）进行处理反应的过程中定位到第一状态，以使该保护环（70）覆盖在晶圆（60）的边缘位置，用来承载包含聚合物的处理反应副产品；所述保护环（70）能够在释放晶圆（60）前定位到第二状态，以使该保护环（70）移动到远离晶圆（60）的位置，从而将聚集的所述聚合物带离晶圆（60）；

所述保护环（70）在第一状态时，该保护环（70）的底面与晶圆（60）的顶面之间存在有第一间隙，第一间隙在竖直方向的距离为0.1mm~2mm。

2.如权利要求1所述的晶圆边缘保护环（70），其特征在于，

所述保护环（70）的内径等于或略小于晶圆（60）的直径；

其中，当保护环（70）的内径等于晶圆（60）的直径时，所述保护环（70）覆盖在晶圆（60）的边缘位置的外侧。

3.如权利要求1所述的晶圆边缘保护环（70），其特征在于，

所述反应腔（10）外设置有驱动器（71），能够通过从所述反应腔（10）底部向上穿入到该反应腔（10）内的若干连杆（72），连接及支撑所述保护环（70）并使该保护环（70）在第一状态和第二状态之间上升或下降；

或者，所述驱动器（71）能够通过从所述反应腔（10）顶部向下穿入到该反应腔（10）内的若干连杆（72），连接及悬挂所述保护环（70）并使该保护环（70）在第一状态和第二状态之间上升或下降。

4.如权利要求1或3所述的晶圆边缘保护环（70），其特征在于，

所述保护环（70）在第二状态时，该保护环（70）的底面与晶圆（60）的顶面之间存在有第二间隙，所述第二间隙高于抓取晶圆（60）的机械手，以便于通过机械手对晶圆（60）进行拿取更换。

5.如权利要求4所述的晶圆边缘保护环（70），其特征在于，

所述第二间隙在竖直方向的距离为10mm~20mm。

6.如权利要求1所述的晶圆边缘保护环（70），其特征在于，

所述保护环（70）是一个完整的环状结构；

或者所述保护环（70）是由在第一状态时聚拢而在第二状态时水平方向散开的多个圆弧段组合形成的环状结构。

7.一种等离子体处理装置，设置有如权利要求1~6中任意一项所述的晶圆（60）边缘保护环（70），其特征在于，

所述等离子体处理装置设置有反应腔（10），所述反应腔（10）内的底部设有处理台（30），该处理台（30）上设有静电吸盘能够在施加有直流电压时对放置于该处理台（30）上的晶圆（60）进行吸持固定，而在关闭或施加反向的直流电压时释放晶圆（60）；

在所述反应腔（10）内形成有射频场，该射频场能够将引入到所述反应腔（10）内的反应气体激励为等离子体状态，以便于利用等离子体（50）对晶圆（60）进行相应的反应处理；所述等离子体处理装置是电容耦合式时，所述射频场是使射频电源（40）经由匹配网络（41）施加在所述反应腔（10）内顶部的上电极（20）或所述处理台（30）上而形成在所述上电极（20）与处理台（30）之间；所述等离子体处理装置是电感耦合式时，所述射频场是使射频电源（40）经由匹配网络（41）施加在围绕着反应腔（10）外壁或反应腔（10）顶部的感应线圈（90）上而形成在所述感应线圈（90）的轴向；

所述反应腔（10）外设置有驱动器（71），能够通过穿入到反应腔（10）内的若干连杆（72）来连接所述保护环（70），从而控制所述保护环（70）覆盖在晶圆（60）的边缘位置以承载包含聚合物的处理反应副产品，或控制所述保护环（70）在释放晶圆（60）前移动到远离晶圆（60）的位置来将聚集的聚合物带离晶圆（60）。

8.如权利要求7所述的等离子体处理装置，其特征在于，

所述处理台（30）内设有冷却液的循环通道，以及将氦气导送到晶圆（60）背面与处理台（30）顶面之间的气体通道，通过冷却液及氦气来实现处理台（30）及晶圆（60）的均匀冷却。

9.如权利要求7所述的等离子体处理装置，其特征在于，

在所述反应腔（10）的底部环绕处理台（30）的边缘设置有排气通道，使用排气泵（80）能够将反应腔（10）内的等离子体（50）经由这些排气通道抽出。

10.一种减少晶圆边缘颗粒的方法，通过在等离子体装置中设置如权利要求1~6中任意一项所述的晶圆边缘保护环（70）来实现，其特征在于，所述方法包含以下过程：

将保护环（70）覆盖于晶圆（60）的边缘位置上；

在对晶圆（60）进行处理反应的过程中，使所述保护环（70）定位至第一状态，使包含聚合物的处理反应副产品聚集在该保护环（70）上；

当处理反应结束释放晶圆（60）时，使保护环（70）移动至第二状态，并将聚集的聚合物带离晶圆（60）；

当保护环（70）位于第二状态时，能够将处理完成的晶圆（60）取走并更换新的晶圆（60）。