CN103811260B - 一种等离子反应器及其处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种等离子反应器及其处理方法。上述等离子反应器包括上下相对的电极，其中上电极周围围绕有一个点燃电极，上电极和点燃电极在面向反应腔内处理空间的一面均镀有一层绝缘材料层。在通入反应气体到等离子处理所需气压后点燃电极上连接到高压电源，产生微等离子。随后微等离子体扩散到整个反应内处理空间，反应器进入等离子处理阶段。

Description

一种等离子反应器及其处理方法

技术领域

本发明涉及等离子体处理领域，尤其涉及一种等离子反应器点燃等离子体的结构和方法。

背景技术

半导体制造技术领域中，广泛应用等离子来对半导体晶圆或基片进行加工。等离子源包括多个种类，最常用的有电容耦合型CCP(capacitivelycoupledplasma)sources和电感耦合型ICP(inductivelycoupledplasma)sources。电容耦合型的等离子源相对其它类型具有很多优点，平板形的几何形状与待处理的晶圆对应，所以施加到晶圆上方的电场具有很高的均一性，所以能够获得更高均一性的刻蚀或沉积效果。电容耦合型等离子体反应器包括一个反应腔，反应腔围绕的密闭空间内下方具有一个基座，基座内包括一个下电极，待加工的晶圆固定在下电极上方。与基座相对的是一个上电极，在上下电极之间施加高频（27、60Mhz等）射频能量以产生等离子体，在下电极施加低频（如2Mhz）射频能量以控制等离子入射到晶圆上的能量。这些等离子反应器都在通入反应气体后，先点燃等离子才能进行后续的等离子处理。现有的点燃步骤需要1-2秒的视角来产生等离子体。要点燃等离子，气体情况如气压需要与后续的等离子处理步骤中不同。在点燃多频等离子，一定量的低频射频（如2Mhz）功率（典型的>100W）被经常用到。用这样低频的射频能量点燃等离子时会在晶圆表面产生较高的电势。因此这些点燃步骤后在晶圆上造成不希望出现的损害。要预防这样的损害，就要选择更低的点燃功率和点燃时的气压，而这样做会造成点燃失败。

由于等离子点燃和等离子处理步骤的气压不同，所以在点燃后还需要一个转换步骤转入正式的等离子处理步骤。所以传统的点燃方法也影响等离子处理的时间。

所以业内需要一种更好的等离子点燃方法来点燃等离子体，这种方法需要能稳定地点燃反应器内的气体，还要不会对晶圆造成损害而且能快速的向后续的等离子处理步骤切换。

发明内容

本发明的目的是提供一种等离子反应器及其点燃方法。所述反应器包括：一个反应腔，反应腔内包括一个基座,基座内包括一个下电极，与基座相对的一个上电极，上电极外周围围绕有一个绝缘材料环其特征在于：所述上电极和绝缘材料环的下表面镀有一层绝缘材料层，一个点燃电极植入所述绝缘材料环，所述点燃电极通过一个可控开关连接选择性的连接到一个高压电源。

点燃电极所施加的高压电源输出电压大于500V小于10000V。电极下方的绝缘材料层厚度大于10微米小于5毫米。所述点燃电极与上电极之间距离大于1毫米小于10毫米。本发明第二实施例，所述绝缘材料环内还包括一个第二点燃电极，且连接到接地端，所述点燃电极和第二点燃电极之间的距离小于10毫米。

本发明第三实施例，所述反应器还包括一个环状点燃电极位于上电极下方环绕上下电极间的处理空间，所述环状点燃电极到上电极的距离小于到基座上方晶圆的距离，且所述点燃电极表面镀有绝缘材料层。

一种等离子反应器，所述反应器包括：一个反应腔，反应腔内包括一个基座基座内包括一个下电极，与基座相对的一个上电极，上电极外周围围绕有一个绝缘材料环其特征在于：所述上电极的下表面镀有一层绝缘材料层，包括一个环状点燃电极位于上电极下方并环绕上下电极间的处理空间，所述环状点燃电极到上电极的距离小于到基座上方晶圆的距离，且所述点燃电极表面镀有绝缘材料层，所述点燃电极通过一个可控开关连接选择性的连接到一个高压电源，其特征在于所述高压电源输出电压大于500V小于10000V。

本发明还包括一种等离子反应器处理方法，所述反应器包括一个反应腔，反应腔内包括一个基座基座内包括一个下电极，与基座相对的一个上电极，上电极外周围设置有一个点燃电极，所述处理方法包括步骤：通入反应气体达到一个点燃气压，进入点燃步骤，施加一个500-10000V高压到所述点燃电极产生微等离子；施加一个射频电压到所述上电极和下电极之一，进入等离子处理步骤；其中进入等离子处理步骤时调整反应腔内的气压达到处理气压，所述处理气压小于等于所述点燃气压。施加所述高压到点燃电极的时间早于所述施加射频电压的施加t秒，且0≤t≤1。

附图说明

图1为本发明等离子反应器第一实施例整体示意图；

图2为本发明等离子反应器第一实施例局部放大图；

图3为本发明等离子反应器第一实施例上电极下视图；

图4为本发明等离子反应器第二实施例整体示意图；

图5为本发明等离子反应器第二实施例等离子约束还局部放大图；

图6为本发明等离子反应器第三实施例局部放大图；

具体实施方式

以下结合图1和2，详细说明本发明第一实施例。

如图1所示，本发明等离子反应器内包括基座1，基座1上固定有晶圆2，上电极5与基座1相对固定在反应器顶部。上电极外周包裹有绝缘材料环4，绝缘材料环4内埋设有点燃电极6，所述点燃电极6靠近面向基座的下表面。点燃电极6通过一个可控开关8电连接到一个高压电源7。所述上电极连接到一个接地端。上电极与绝缘材料环的下表面都镀有一层绝缘镀层3。所述绝缘材料环4或者绝缘镀层3可以是由SiO2、Al2O3、Y2O3或者这些材料的混合物制成。如图2所示为上电极与绝缘材料环4直接的局部放大图，图中所述镀层3覆盖绝缘材料环4和上电极的下表面且厚度大于10um小于5mm。图3所示为上电极5的下视图，如图所示，点燃电极6植入在绝缘材料环4中围绕所述上电极且距离上电极外缘很近，小于10mm，最佳的为大于1mm小于10mm。

在进行点燃等离子时，首先通入反应气体达到进行等离子处理所需要的气压。然后可控开关8导通或关段控制高压电源7施加一个高压电压到点燃电极6的时间。高压电源7输出一个几百到几千伏的高压电场，且改高压电场具有相对较低的交变频率（小于100Khz）。

在高压电源7施加高压电到所述点燃电极6时，所述点燃电极6和接地的上电极5直接产生很大的电势差，而且两者间的距离很近小于1cm，比如5mm。所以两者直接电场线穿过绝缘镀层3和反应气体，在点燃电极下方绝缘镀层3和上电极下方的绝缘层之间能够形成表面放电。在这样的放电形态下会在点燃电极6和上电极5之间会首先形成微等离子体9，随后微等离子体会快速扩展到整个反应空间。由于微等离子体9的体积很小而且贴近上电极远离下方的晶圆2所以不会对晶圆造成不希望出现的损害。而且这样的点燃方式用时很短只需要0.1-1秒，所以占用时间少而且所消耗的能量也少。而且由于该反应器已经具有进行等离子处理所需的气压，所以不需要再等待中间转换步骤即可进行等离子处理。

进行等离子处理所需要施加的高频射频电场如2Mhz、27Mhz、60Mhz等可以在点燃后施加，也可以与施加所述点燃电压同步施加射频电场，点燃等离子之后直接进行等离子处理如等离子刻蚀或等离子清洁。点燃电压的相对于射频电压的施加时间提前小于等于1秒，以最小化点火时间，提高设备加工效率。

如图4所示为本发明第二实施例，如图中所示，与本发明第一实施例基本相同，主要差别是点燃电极除了可以如第一实施例所示植入在围绕上电极的绝缘材料环4中，也可以植入在围绕上电极5的其它部件如等离子约束环中。图5示出了等离子约束环的内部结构，所述约束换具有多片约束等离子的环形薄片21，这些环形薄片通过安装柱20串联固定，其中上方的环形薄片中植入有点燃电极26，点燃电极26通过导线与所述可控开关8和高压电源7相连接。环形薄片21外层为绝缘材料薄层厚度约为xx毫米，或者原有植入的点燃电极6此时直接连接到接地端，成为接地的点燃电极。其点燃过程中与本发明第一实施例类似，只是施加高压电源后首先产生微等离子体的位置是在约束环内的点燃电极26与接地接地的电极6之间。所述点燃电极和接地电极也可以都植入在两片不同的环形薄片21之间，只要能保证两片薄片具有合适的距离也能够实现本发明的点燃效果。

图6显示本发明第三实施例，如图6所示接地的点燃电极除了如本发明实施例一中所示的采用上电极5外，也可以是植入所述绝缘材料环4的另一个点燃电极16。两个点燃电极之间施加有高压电源使之产生微等离子体。所以为了实现本发明也可以在上电极周围设置一过环状点燃电极，该点燃电极通过专用的固定装置或者植入现有部件中。

点燃时的气压不一定和后续处理步骤中的气压相同。因为气压和施加电压的乘积要满足一定条件（Paschen曲线）时点火才能成功，所以点火气压可能要高于处理时的气压，但是点燃时的气压相对等离子处理时的气压也只是略高，如小于处理气压的150%，这样在点燃完成后进入处理步骤时可以快速的转换。

只要是在上电极外围设置的2个距离很近（如小于1cm）的电极，两个电极与处理气体之间均存在一层绝缘材料层，至少一个电极连接到高频电源7就能构成产生微等离子的条件，一旦产生微等离子体就能迅速使整个反应气体点燃。现有技术需要施加射频电场使大范围内的气体同时点燃，所以所需要的时间和能量都较大，而且传统点燃方法产生大量的等离子在进入正式等离子处理前就会在晶圆表面积累出电势，会对晶圆造成损害。采用本发明的等离子处理装置由于产生的未等离子体体积小，且距离晶圆远所以不会对晶圆造成损害，一旦等离子扩散到整个空间则直接可以进入等离子处理阶段，减少了等离子损害的时间也提高了整体效率。

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 (11)

1.一种等离子反应器，包括：一个反应腔，反应腔内包括一个基座，基座内包括一个下电极，与基座相对的一个上电极，上电极外周围围绕有一个绝缘材料环，其特征在于：

所述上电极和绝缘材料环的下表面镀有一层绝缘材料层，一个点燃电极植入所述绝缘材料环，所述点燃电极通过一个可控开关连接选择性的连接到一个高压电源；

在点燃等离子时，点燃电极和上电极之间存在电势差，而且两者间的距离大于1毫米小于10毫米。

2.如权利要求1所述的等离子反应器，其特征在于，所述高压电源输出电压大于500V小于10000V。

3.如权利要求1所述的等离子反应器，其特征在于，所述绝缘材料层厚度大于10微米小于5毫米。

4.如权利要求1所述的等离子反应器，其特征在于，所述绝缘材料环内还包括一个第二点燃电极，且连接到接地端。

5.如权利要求4所述的等离子反应器，其特征在于，所述点燃电极和第二点燃电极之间的距离小于10毫米。

6.如权利要求1所述的等离子反应器，其特征在于，还包括一个环状点燃电极位于上电极下方环绕上下电极间的处理空间，所述环状点燃电极到上电极的距离小于到基座上方晶圆的距离，且所述点燃电极表面镀有绝缘材料层。

7.一种等离子反应器，所述反应器包括：一个反应腔，反应腔内包括一个基座，基座内包括一个下电极，与基座相对的一个上电极，上电极外周围围绕有一个绝缘材料环，其特征在于：

所述上电极的下表面镀有一层绝缘材料层，包括一个环状点燃电极位于上电极下方并环绕上下电极间的处理空间，所述环状点燃电极到上电极的距离小于到基座上方晶圆的距离，且所述点燃电极表面镀有绝缘材料层，所述点燃电极通过一个可控开关连接选择性的连接到一个高压电源；

在点燃等离子时，点燃电极和上电极之间存在电势差，而且两者间的距离小于10毫米。

8.如权利要求7所述的等离子反应器，其特征在于，所述高压电源输出电压大于500V小于10000V。

9.一种等离子反应器处理方法，所述反应器包括一个反应腔，反应腔内包括一个基座，基座内包括一个下电极，与基座相对的一个上电极，上电极外周围设置有一个点燃电极，所述处理方法包括步骤：

通入反应气体达到一个点燃气压，进入点燃步骤，施加一个500-10000V高压到所述点燃电极以在点燃电极和上电极之间形成电势差，从而在点燃电极和上电极之间产生微等离子，随后微等离子扩展到上下电极间的处理空间；

施加一个射频电压到所述上电极和下电极之一，进入等离子处理步骤。

10.如权利要求9所述的处理方法，其特征在于进入等离子处理步骤时调整反应腔内的气压达到处理气压，所述处理气压小于等于所述点燃气压。

11.如权利要求9所述的处理方法，其特征在于施加所述高压到所述点燃电极的时间早于所述施加射频电压的施加t秒，且0≤t≤1。