CN103887138B - 一种刻蚀设备的边缘环 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种刻蚀设备的边缘环，将现有边缘环上表面的水平平面，改进为向下倾面结构，改变了流经气流的走向，克服了原有边缘环上表面的平面结构对气流的阻碍作用，使刻蚀生成物在腔体内沿倾面转折气流的带动下，可沿边缘环的下倾面很容易被分子泵抽吸带走，解决了刻蚀生成物在原有边缘环上表面易堆积并剥离的问题，使机台的清洗周期得到保证，提高了生产率。同时，也明显减轻了因聚合物剥离、造成对腔体的污染风险，保证了良率的达成。

Description

一种刻蚀设备的边缘环

技术领域

本发明涉及一种半导体刻蚀设备的边缘环，更具体地，涉及一种半导体刻蚀设备边缘环的可消除刻蚀生成物在其上堆积并剥离缺陷的改进结构。

背景技术

干法刻蚀被用于半导体制造工艺中先进电路的小特征尺寸的精细刻蚀，是指以反应气体为主要媒体，在射频(RF)电场的作用下形成等离子体，对半导体材料进行刻蚀，得到所需要的器件外形结构。干法刻蚀主要包括等离子体刻蚀、离子铣和反应离子刻蚀等形式，并制造出多种不同种类的刻蚀设备。

一般在各种干法刻蚀设备的反应腔体中，衬底可通过机械法或静电力作用固定在阴极上。通常衬底的平面尺寸小于阴极。为了使刻蚀时射频能量集中作用在衬底表面，并避免暴露在衬底边缘的阴极遭受等离子体轰击、造成污染及阴极的快速损耗，在暴露的阴极边缘上方、环绕衬底装有边缘环(Edge Ring)。边缘环有时又被称为聚焦环(Focus Ring)，可将等离子体汇聚在正对衬底的区域，大大提高等离子体的均匀度；同时，通过遮挡作用保护阴极免受等离子体轰击。因此，边缘环的结构设计对设备的刻蚀性能具有重要影响。

Lam Research Corporation(兰姆研究有限公司)的机型为LAM AL-PAD Metal的机台公开了一种如图1所示的边缘环。图1是现有技术的一种边缘环的结构剖视图，该边缘环在使用时水平设置在刻蚀设备腔体内的阴极上方，并遮蔽保护阴极免受等离子体轰击；边缘环具有平面结构的上、下表面1、4和竖直等高侧面5，边缘环设有环绕衬底的中心通孔3，通孔3位于边缘环上表面1的孔口设有汇聚射频能量的同心上台阶孔2，通孔3位于边缘环下表面4的孔口设有容纳衬底固定机构的同心下台阶孔12。该机台在AL-PAD(铝线刻蚀)制程中，会产生具有粘附性的刻蚀残留物。在整个制程作业中，残留物会随着气流的方向由机台下方的分子泵抽走大部分，但少数会残留在腔体中，及随气流方向粘附在边缘环上表面的边缘。边缘环上表面边缘的附着物会随着堆积逐渐变多，然后因粘附不牢固，常常产生聚合物剥离(polymer peeling)现象，造成对腔体的污染，影响了良率。而且，机台正常的清扫周期也常常达不到，影响了生产率。

上述刻蚀残留物粘附在边缘环上表面边缘的发生机理，可通过图2来说明。图2是现有技术的刻蚀机台腔体中气流走向示意图。如图所示，边缘环6水平设置在刻蚀设备腔体7内的阴极13上方，腔体7中的气流在机台下方分子泵(图略)的抽吸作用下，形成沿图中箭头方向的气流走向。气流在边缘环6上表面处形成近似水平的走向，然后在越过边缘环上表面边缘后改向向下被吸走。由于气流走向的特点，气流在边缘环上表面边缘部位的水平带动力相对较弱；而现有技术的边缘环上表面为平面，与其侧面形成直角，气流要克服在此平面部位的摩擦阻力带走气流中携带的刻蚀残留物，本身需要较大的带动力。这两个因素使得气流中携带的刻蚀残留物容易受重力作用落在边缘环上表面的边缘部位，并由于在此部位气流的带动力小而逐渐堆积。再加上刻蚀残留物本身又具有粘附性，更加强了残留物的粘附作用，以致在边缘环上表面的边缘部位越积越多，最后因粘附不牢固，产生聚合物剥离，造成对腔体的污染。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种可消除刻蚀生成物在边缘环上表面的边缘部位堆积并剥离缺陷的边缘环改进结构，通过将边缘环上表面的水平平面改进为向所述侧面方向的向下倾面结构，减小了刻蚀生成物与边缘环上表面之间摩擦力的阻碍，降低了现有边缘环边缘的结构对刻蚀生成物的阻挡作用，使刻蚀生成物在腔体内沿倾面转折气流的带动力作用下，就可沿边缘环的下倾面易于被带走，解决了刻蚀生成物在现有边缘环上表面易堆积并剥离的问题，从而提高了机台生产周期和产品的良率。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种刻蚀设备的边缘环，水平设置在所述刻蚀设备腔体内的阴极上方并遮蔽所述阴极免受等离子体轰击，所述边缘环具有上、下表面和竖直等高侧面，所述边缘环设有环绕衬底的中心通孔，所述通孔位于所述边缘环上表面的孔口设有汇聚射频能量的同心上台阶孔，所述通孔位于所述边缘环下表面的孔口设有容纳衬底固定机构的同心下台阶孔；所述刻蚀设备下方设有分子泵，所述腔体内的气流形成自所述腔体上方向下、由所述边缘环上表面中心向外、并沿所述边缘环的轮廓从所述侧面与所述腔体之间的间隙向下的流向，并通过所述分子泵排出；所述边缘环的上表面具有向所述侧面方向的向下倾面，所述倾面引导所述腔体内流经的气流，沿所述倾面向下方转折，并从所述边缘环侧面与所述腔体之间的间隙向下通过所述分子泵排出；其中，所述倾面包括外弧面，所述外弧面起于所述边缘环的所述同心上台阶孔孔口，并与所述边缘环的所述侧面相切，所述外弧面的最高点位于所述同心上台阶孔的孔口处。

向下倾面的新结构设计，减小了刻蚀生成物与边缘环的上表面之间的压力，使刻蚀生成物可依靠本身的重力，并在处于此位置的腔体内向下转折气流带动力作用下，易于克服摩擦阻力，沿边缘环的下倾面被带走，使刻蚀生成物不易在此部位堆积，因而延缓了刻蚀生成物堆积的时间。这样的设计优势，使机台的清扫周期得到保证，提高了生产率。同时，也明显减轻了因聚合物剥离、造成对腔体的污染风险，保证了良率的达成。外弧面结构设计，除具有与斜面类似的避免刻蚀生成物堆积作用外，还具有使刻蚀生成物在接近边缘环侧面时，利用弧面在此处的下拐陡度，易于脱离边缘环表面

进一步地，所述外弧面为椭圆面或抛物面，所述椭圆面的椭圆形长轴或所述抛物面的抛物线对称轴与水平面平行，所述外弧面与所述侧面的相切点位于所述边缘环的水平中心线位置之上，以保证边缘环侧面的厚度，避免削弱边缘环对阴极的保护作用。

一种刻蚀设备的边缘环，水平设置在所述刻蚀设备腔体内的阴极上方并遮蔽所述阴极，所述边缘环具有上、下表面和竖直等高侧面，所述边缘环设有环绕衬底的中心通孔，所述通孔位于所述边缘环上表面的孔口设有汇聚射频能量的同心上台阶孔，所述通孔位于所述边缘环下表面的孔口设有容纳衬底固定机构的同心下台阶孔，其特征在于，所述刻蚀设备下方设有分子泵，所述腔体内的气流形成自所述腔体上方向下、由所述边缘环上表面中心向外、并沿所述边缘环的轮廓从所述侧面与所述腔体之间的间隙向下的流向，并通过所述分子泵排出；所述边缘环的上表面具有向所述侧面方向的向下倾面，所述倾面引导所述腔体内流经的气流，沿所述倾面向下方转折，并从所述边缘环侧面与所述腔体之间的间隙向下通过所述分子泵排出；其中，所述倾面为斜面。斜面结构设计减小了刻蚀生成物与边缘环的上表面之间的压力，并可使刻蚀生成物在与边缘环上表面之间摩擦力分力不变的情况下，形成一定的重力加速作用，在气流带动力的作用下，快速脱离边缘环的上表面。

进一步地，所述斜面起于所述边缘环的所述同心上台阶孔孔口，并与所述边缘环的所述侧面相交。此时，所述斜面与水平面的夹角为10～30度。

进一步地，所述斜面起于所述边缘环的所述同心上台阶孔孔口与所述侧面之间的中心位置，并与所述边缘环的所述侧面相交。此时，所述斜面与水平面的夹角为30～45度。

进一步地，所述斜面的起点位于所述边缘环的所述同心上台阶孔孔口至所述边缘环的所述同心上台阶孔孔口与所述侧面之间的中心位置之间的任意一点，并与所述边缘环的所述侧面相交。刻蚀生成物主要容易堆积在边缘环靠侧面的边缘部位，所以，斜面结构的起点可以距离同心上台阶孔孔口一定位置。但是，如果斜面结构的起点超过同心上台阶孔孔口与侧面之间的中心位置，也就是斜面的水平投影长度小于斜面结构的起点至同心上台阶孔孔口的距离时，则斜面的作用就得不到最佳发挥，刻蚀生成物还会在斜面结构起点之前的边缘环上表面的平面位置附近堆积。

进一步地，所述斜面与水平面的夹角为10～45度，且所述斜面与所述侧面的交点位于所述边缘环的水平中心线位置之上，以保证边缘环侧面的厚度，避免削弱边缘环对阴极的保护作用。

从上述技术方案可以看出，本发明通过将边缘环上表面的水平平面改进为向所述侧面方向的向下倾面结构，减小了刻蚀生成物与边缘环上表面之间摩擦力的阻碍，降低了边缘环边缘的结构对刻蚀生成物的阻挡作用，使刻蚀生成物在腔体内沿倾面转折气流的带动力作用下，就可沿边缘环的下倾面被分子泵抽吸带走，解决了刻蚀生成物在边缘环上表面易堆积并剥离的问题，使机台的清扫周期得到保证，并将现有的清扫周期从20～30小时，提高到80～100小时，大大提高了生产率。同时，也明显减轻了因聚合物剥离、造成对腔体的污染风险，保证了良率的达成。

附图说明

图1是现有技术的一种边缘环的结构剖视图；

图2是现有技术的刻蚀机台腔体中气流走向示意图；

图3是本发明一种刻蚀设备的边缘环的一种具有斜面上表面的结构剖视图；

图4是本发明一种刻蚀设备的边缘环的另一种上表面具有斜面的局部结构剖视图；

图5是本发明一种刻蚀设备的边缘环的一种具有弧面上表面的局部结构剖视图；

图6是图3的本发明的边缘环在刻蚀设备使用时的腔体气流走向示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

实施例一

在本实施例中，先介绍一下现有技术的一种边缘环。

请参阅图1，图1是现有技术的一种边缘环的结构剖视图，例举了Lam ResearchCorporation(兰姆研究有限公司)的机型为LAM AL-PAD Metal的机台公开的一种边缘环。如图所示，该边缘环在使用时水平设置在刻蚀设备腔体内的阴极上方，并遮蔽保护阴极免受等离子体轰击；边缘环具有平面结构的上、下表面1、4和竖直等高侧面5，边缘环设有环绕衬底的中心通孔3，通孔3位于边缘环上表面1的孔口设有汇聚射频能量的同心上台阶孔2，通孔3位于边缘环下表面4的孔口设有容纳衬底固定机构的同心下台阶孔12。该机台在AL-PAD(铝线刻蚀)制程中，会产生具有粘附性的刻蚀残留物。在整个制程作业中，残留物会随着气流的方向由机台下方的分子泵抽走大部分，但少数会残留在腔体中，及随气流方向粘附在边缘环上表面的边缘。边缘环上表面边缘的附着物会随着堆积逐渐变多，然后因粘附不牢固，常常产生聚合物剥离(polymer peeling)现象，造成对腔体的污染，影响了良率。而且，机台正常的清扫周期也常常达不到，影响了生产率。

请参阅图2，上述刻蚀残留物粘附在边缘环上表面边缘的发生机理，可通过图2来说明。图2是刻蚀机台腔体中气流走向示意图。如图所示，边缘环6水平设置在刻蚀设备腔体7内的阴极13上方，机台腔体7中的气流在机台下方分子泵(图略)的抽吸作用下，形成沿图中箭头方向的气流走向。气流在边缘环6上表面处形成近似水平的走向，然后在到达边缘环上表面边缘后改向，朝向下方被吸走。由于气流走向的特点，气流在边缘环上表面边缘部位的水平带动力相对较弱；而现有技术的边缘环上表面为平面，与其侧面形成直角，气流要克服在此平面部位的摩擦阻力带走气流中携带的刻蚀残留物，本身需要较大的带动力。这两个因素使得气流中携带的刻蚀残留物容易受重力作用落在边缘环上表面的边缘部位，并由于在此部位气流的带动力小而逐渐堆积。再加上刻蚀残留物本身又具有粘附性，更加强了残留物的粘附作用，以致在边缘环上表面的边缘部位越积越多，最后因粘附不牢固，产生聚合物剥离，造成对腔体的污染。

下面着重介绍一下本发明一种刻蚀设备的边缘环对现有技术的有益改进。

在本实施例中，请参阅图3，图3是本发明一种刻蚀设备的边缘环的一种具有斜面上表面的结构剖视图。如图所示，本发明的边缘环在使用时水平设置在所述刻蚀设备腔体内的阴极上方，并遮蔽保护所述阴极免受等离子体轰击。边缘环设有环绕衬底的中心通孔3，通孔3位于边缘环上表面的孔口设有汇聚射频能量的同心上台阶孔2，通孔3位于边缘环下表面4的孔口设有容纳衬底固定机构的同心下台阶孔12。边缘环上表面具有向竖直侧面5方向下倾的斜面8。斜面8起于边缘环的上台阶孔2的孔口处，并与边缘环的侧面5相交。本例中斜面8与水平面的夹角加工成10度，即可起到良好的消除刻蚀残留物在斜面形成堆积的能力。斜面8与侧面5的交点应位于边缘环的水平中心线9的位置之上，以保证边缘环侧面的厚度，避免削弱边缘环对其下方阴极的保护作用。

请参阅图6，图6是图3的本发明的边缘环在刻蚀设备使用时的腔体气流走向示意图。如图所示，具有斜面上表面的边缘环14水平设置在刻蚀设备腔体7内的阴极13上方，机台腔体7中的气流在机台下方分子泵(图略)的抽吸作用下，形成沿图中箭头方向的气流走向。与图2中显示的气流走向不同的是，本图中气流在流经边缘环14的斜面上表面处时，由水平走向发生沿斜面方向的转折走向，然后在到达边缘环侧面后，朝向下方被吸走。

在本例中，向下斜面的新结构设计，使流经此位置的腔体内气流沿斜面发生转折，减小了刻蚀生成物与边缘环的上表面之间的压力，并可使刻蚀生成物在与边缘环上表面之间摩擦力分力不变的情况下，依靠自身的重力，形成一定的重力加速作用，在沿斜面转折气流的带动力作用下，易于克服摩擦阻力，快速脱离边缘环的上表面而被刻蚀设备下方安装的分子泵抽吸带走。刻蚀生成物不易在此部位堆积，因而延缓了刻蚀生成物堆积的时间。这样的设计优势，使机台的清扫周期得到保证，提高了生产率。同时，也明显减轻了因聚合物剥离、造成对腔体的污染风险，保证了良率的达成。

实施例二

在本实施例中，请参阅图4，图4是本发明一种刻蚀设备的边缘环的另一种上表面具有斜面的局部结构剖视图。如图所示，本发明的边缘环的上表面具有向侧面5方向下倾的斜面10。斜面10的起点位于边缘环的上台阶孔2孔口与侧面5之间的水平中心位置，并与边缘环的侧面5相交。斜面长度如进一步缩短，则斜面的作用就得不到最佳发挥，刻蚀生成物还会在斜面结构起点之前的边缘环上表面的平面位置附近堆积。本例中斜面10与水平面的夹角为45度。再大的倾斜角度，会削弱此处气流在水平方向上的带动力，产生与现有技术的直角侧面类同的缺点，反而会造成斜面消除刻蚀残留物堆积能力的降低。斜面10与侧面5的交点同样应位于边缘环的水平中心线9的位置之上，以保证边缘环侧面的厚度，避免削弱边缘环对其下方阴极的保护作用。本实施例的边缘环的其他结构与实施例一一致，本例不再赘述。

实施例三

在本实施例中，请参阅图5，图5是本发明一种刻蚀设备的边缘环的一种具有弧面上表面的局部结构剖视图。如图所示，本发明的边缘环的上表面具有向侧面5方向的下倾弧面11。在本例中弧面11加工成抛物面形，弧面11起于边缘环的上台阶孔2的孔口处，并与侧面5相切，弧面11在水平面上的最高点位于上台阶孔2的孔口处。弧面11的抛物面的抛物线对称轴与水平面平行，其抛物面的抛物线顶点位于与侧面5的相切点。弧面11与侧面5的相切点应位于边缘环的水平中心线9位置之上，以保证边缘环侧面5的厚度，避免削弱边缘环对阴极的保护作用。本实施例的边缘环的其他结构与实施例一一致，本例不再赘述。

本例中的弧面结构设计，除具有与斜面类似的避免刻蚀生成物堆积的作用外，还具有使刻蚀生成物在接近边缘环侧面时，利用弧面在此处的下拐陡度，易于脱离边缘环表面。

需要说明的是,上述实施例中，边缘环上表面斜面结构的斜面长度、下倾角度，存在非常多的具体组合形式；边缘环上表面弧面结构的弧面形态，也有很多的选择方式。因此，可根据机台的具体布置及实际使用状况进行确定和选择，此处不再赘述。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种刻蚀设备的边缘环，水平设置在所述刻蚀设备腔体内的阴极上方并遮蔽所述阴极，所述边缘环具有上、下表面和竖直等高侧面，所述边缘环设有环绕衬底的中心通孔，所述通孔位于所述边缘环上表面的孔口设有汇聚射频能量的同心上台阶孔，所述通孔位于所述边缘环下表面的孔口设有容纳衬底固定机构的同心下台阶孔，其特征在于，所述刻蚀设备下方设有分子泵，所述腔体内的气流形成自所述腔体上方向下、由所述边缘环上表面中心向外、并沿所述边缘环的轮廓从所述侧面与所述腔体之间的间隙向下的流向，并通过所述分子泵排出；所述边缘环的上表面具有向所述侧面方向的向下倾面，所述倾面引导所述腔体内流经的气流，沿所述倾面向下方转折，并从所述边缘环侧面与所述腔体之间的间隙向下通过所述分子泵排出；其中，所述倾面包括外弧面，所述外弧面起于所述边缘环的所述同心上台阶孔孔口，并与所述边缘环的所述侧面相切，所述外弧面的最高点位于所述同心上台阶孔的孔口处。

2.如权利要求1所述的边缘环，其特征在于，所述外弧面为椭圆面或抛物面，所述椭圆面的椭圆形长轴或所述抛物面的抛物线对称轴与水平面平行，所述外弧面与所述侧面的相切点位于所述边缘环的水平中心线位置之上。

3.一种刻蚀设备的边缘环，水平设置在所述刻蚀设备腔体内的阴极上方并遮蔽所述阴极，所述边缘环具有上、下表面和竖直等高侧面，所述边缘环设有环绕衬底的中心通孔，所述通孔位于所述边缘环上表面的孔口设有汇聚射频能量的同心上台阶孔，所述通孔位于所述边缘环下表面的孔口设有容纳衬底固定机构的同心下台阶孔，其特征在于，所述刻蚀设备下方设有分子泵，所述腔体内的气流形成自所述腔体上方向下、由所述边缘环上表面中心向外、并沿所述边缘环的轮廓从所述侧面与所述腔体之间的间隙向下的流向，并通过所述分子泵排出；所述边缘环的上表面具有向所述侧面方向的向下倾面，所述倾面引导所述腔体内流经的气流，沿所述倾面向下方转折，并从所述边缘环侧面与所述腔体之间的间隙向下通过所述分子泵排出；其中，所述倾面为斜面。

4.如权利要求3所述的边缘环，其特征在于，所述斜面起于所述边缘环的所述同心上台阶孔孔口，并与所述边缘环的所述侧面相交。

5.如权利要求3所述的边缘环，其特征在于，所述斜面起于所述边缘环的所述同心上台阶孔孔口与所述侧面之间的中心位置，并与所述边缘环的所述侧面相交。

6.如权利要求3所述的边缘环，其特征在于，所述斜面的起点位于所述边缘环的所述同心上台阶孔孔口至所述边缘环的所述同心上台阶孔孔口与所述侧面之间的中心位置之间的任意一点，并与所述边缘环的所述侧面相交。

7.如权利要求4所述的边缘环，其特征在于，所述斜面与水平面的夹角为10～30度。

8.如权利要求5所述的边缘环，其特征在于，所述斜面与水平面的夹角为30～45度。

9.如权利要求6所述的边缘环，其特征在于，所述斜面与水平面的夹角为10～45度，且所述斜面与所述侧面的交点位于所述边缘环的水平中心线位置之上。