CN104217914A - 等离子体处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种等离子体处理装置，其中，所述等离子体处理装置包括一反应腔室，所述反应腔室内设置有相互平行的上电极和下电极，下电极设置于基台内，所述基台包括一静电夹盘，基片设置于所述静电夹盘之上进行制程，其特征在于，所述等离子体处理装置还包括：环形绝缘体，其环绕所述静电夹盘和/或所述静电夹盘的上方区域；第一电极，其嵌设于所述环形绝缘体中；第一射频功率源，通过第一射频匹配器与所述下电极相连，用以提供射频功率在所述上电极和所述下电极之间形成垂直方向的射频电场以产生等离子体；脉冲直流电源，其连接于所述第一电极。本发明能够改善基片制程的均一性。

Description

等离子体处理装置

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种等离子体处理装置。

背景技术

近年来，随着半导体制造工艺的发展，对元件的集成度和性能要求越来越高，等离子体技术(Plasma Technology)得到了极为广泛的应用。等离子体技术通过在等离子体处理装置的反应腔室内通入反应气体并引入电子流，利用射频电场使电子加速，与反应气体发生碰撞使反应气体发生电离而等离子体，产生的等离子体可被用于各种半导体制造工艺，例如沉积工艺(如化学气相沉积)、刻蚀工艺(如干法刻蚀)等。

等离子体处理工艺经常采用电容耦合型等离子体处理装置来产生等离子体。图1示出一种电容耦合型等离子体处理装置的结构示意图。如图1所示，等离子体处理装置的反应腔室1内平行设置有一对平板式的上电极2和下电极3，上电极配置与反应气体喷头中，下电极配置于静电夹盘4中，待处理基片5放置于静电夹盘4上。通过在平行设置的平板式下电极3中施加射频，将上电极2接地，使得上电极2和下电极3间形成垂直方向的射频电场，被射频电场加速的电子与反应气体的分子发生电离冲撞，对反应气体电离以生成等离子体。

然而在实际应用中，使用电容耦合型的等离子体处理装置产生的等离子体密度的均匀性并不理想。由于电容耦合的结构特性，反应腔室内中间区域和边缘区域的电场强度存在差异，所产生的等离子体的密度具有中间区域高于边缘区域的特征分布，而由于对基片进行等离子体处理的速率与该等离子体密度相关，最终会造成等离子体处理工艺不均匀的情况：例如，基片中间刻蚀或处理速率快、边缘刻蚀或处理速率慢。这对半导体器件制造的工艺控制及成品率都有很大影响。因此，如何改善等离子体处理装置中等离子体密度的均匀性是本领域技术人员目前急需解决的技术问题。

为解决这一问题，现有技术中的一种做法为在静电夹盘周围设置连接第二射频功率源的闭合导电环，通过第二射频电源在闭合导电环上方形成环状的第二电场，之后再调节第二射频功率源的参数，使得环形的第二电场与下电极上方的电场相互叠加，来改善静电夹盘边缘区域的电场分布，使待处理基片的中心区域和边缘区域的等离子体密度具有较好的一致性和均匀性。

发明内容

针对背景技术中的上述问题，本发明提出了一种等离子体处理装置。

本发明提供一种等离子体处理装置，其中，所述等离子体处理装置包括一反应腔室，所述反应腔室内设置有相互平行的上电极和下电极，下电极设置于基台内，所述基台包括一静电夹盘，基片设置于所述静电夹盘之上进行制程，其特征在于，所述等离子体处理装置还包括：

环形绝缘体，其环绕所述静电夹盘和/或所述静电夹盘的上方区域；

第一电极，其嵌设于所述环形绝缘体中；

第一射频功率源，通过第一射频匹配器与所述下电极相连，用以提供射频功率在所述上电极和所述下电极之间形成垂直方向的射频电场以产生等离子体；

脉冲直流电源，其连接于所述第一电极。

进一步地，所述第一电极和所述脉冲直流电源之间还连接有一射频滤波器。

进一步地，所述脉冲直流电源是低频的。

进一步地，所述脉冲直流电源的频率为100khz到350khz。

进一步地，所述反应腔室还包括聚焦环和绝缘环，所述聚焦环环绕所述基片，所述绝缘环位于所述聚焦环下方并环绕所述静电夹盘；所述绝缘环为所述环形绝缘体，所述第一电极嵌设于所述绝缘环内。

进一步地，所述反应腔室还包括等离子体约束组件，其包含多个在垂直方向上相互堆叠并相互平行间隔设置的环，所述等离子体约束组件环绕所述静电夹盘上方的区域；所述等离子体约束组件中的至少一个环为所述环形绝缘体。

进一步地，所述环形绝缘体的材料选自石英或陶瓷。

进一步地，所述第一电极为金属制成的。

进一步地，所述第一电极为开口金属环电极。

进一步地，所述开口金属环电极为导线卷绕1圈或2圈而成。

相较于现有技术，本发明的等离子体处理装置其有益效果在于：本发明通过在基片周围或周围上方设置第一电极，使反应腔室内产生垂直方向的补充电场，来补偿基片边缘区域的等离子体密度，进而使得等离子体处理工艺均匀。此外，本发明采用脉冲直流源控制方式无需匹配网络，结构简单，系统稳定。

附图说明

图1是现有技术的等离子体处理装置的结构示意图；

图2是根据本发明一个具体实施例的等离子体处理装置的结构示意图；

图3是根据本发明另一具体实施例的等离子体处理装置的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的具体实施方式进行说明。

应该理解，本发明中的等离子体处理装置可以为等离子体刻蚀、等离子体物理汽相沉积、等离子体化学汽相沉积、等离子体表面清洗等装置，等离子体处理装置仅仅是示例性的，其可以包括更少或更多的组成元件，或该组成元件的安排可能与图中所示相同或不同。

请参见图2，其所示为本实施例等离子体处理腔室的结构示意图。等离子体处理装置包括反应腔室10，其中引入有反应气体；反应腔室10的顶部设置有反应气体喷头，反应气体喷头包含平板式的上电极21，该上电极21接地；反应腔室10底部设置有用于夹持基片30的静电夹盘11，该基片30可以是待要刻蚀或加工的半导体基片或者待要加工成平板显示器的玻璃平板。静电夹盘11中设置有与上电极21平行的平板式的下电极22。下电极22通过第一射频匹配器41与第一射频源40连接。第一射频源40施加在下电极22上，使得上电极21和下电极22之间形成垂直方向的射频电场，被射频电场加速的电子与反应气体的分子发生电离冲撞，对反应气体电离以生成等离子体。为了改善等离子体密度分布，本发明在静电夹盘11周围或周围上方设置第一电极,其典型地为开口金属环电极23。为避免开口金属环电极23暴露在等离子体环境中，将开口金属环电极23嵌设于环形绝缘体。环形绝缘体的材料例如是陶瓷或石英等绝缘材料。环形绝缘体可环绕在静电夹盘11或静电夹盘11上方区域或环绕在静电夹盘11及其上方区域。静电夹盘11与开口金属环电极23为同圆心设置。进一步地，开口金属环电极23由导线卷绕而成，较佳地，开口金属环电极为卷绕1圈或2圈。开口金属环电极23中通有低频直流脉冲，低频直流脉冲由施加于金属环的脉冲直流电源42产生。脉冲直流电源42会使得基片边缘区域产生一个竖直方向的额外电场，该电场能够对基片边缘区域的电场强度进行补充，从而提高基片边缘区域的刻蚀速率，使得基片中间区域和边缘区域的刻蚀速率的差别在可接受的范围之内，因此能够改善基片的均一性。

反应腔室内还包括聚焦环12和绝缘环13。聚焦环12设于待处理的基片30周围，用以在基片30的周围提供一个相对封闭的环境，约束等离子体以改善基片30面上的等离子体的均一性。绝缘环13位于聚焦环下方，其环绕于静电夹盘11，可起到固定和支撑聚焦环12的作用。绝缘环13可采用陶瓷或石英等绝缘材料形成。在本实施例中，将绝缘环13作为环形绝缘体，开口金属环电极23水平嵌设与绝缘环13中，由此可在静电夹盘的边缘区域形成水平方向的感应电场，从而能够补偿基片边缘区域的等离子体密度。

图3示出了本发明所提供的种等离子体处理装置另一实施例的结构示意图，其示出了上述实施例的变形里，本实施例与上述实施例的不同点在于，本实施例中的反应腔室包含等离子体约束组件14，其包含多个垂直方向上相互堆叠并相互平行间隔设置的环14a，这些环14a环绕静电夹盘上方区域，也即是上电极21和下电极22之间的区域，该区域可认为是等离子体形成、对基片30作处理的反应区域P。相邻环14a之间具有缝隙，在对基片30作等离子体处理时，处理过的反应气体可以通过缝隙被排出反应区域P，而等离子体却能被约束在此反应区域P内。环14a可以由各种抗等离子体腐蚀的材料制成，例如，石英或陶瓷。为了同时利用本发明的设计，等离子体约束组件14中至少一个环或多个环14a可以设计为前述的嵌设有开口金属环电极23的环形绝缘体，其中开口金属环电极23通有射频电流。与实施例1中的作用原理类似，开口金属环电极23由导线卷绕而成，较佳为卷绕1圈或2圈，其中流通的射频电流产生交变的磁场并进一步产生沿金属环圆周、水平方向的补偿电场。该补偿电场补偿了开口金属环电极23附近，也即是反应区域P边缘区域的电场强度，使得反应区域P边缘区域的等离子体密度增加，从而提升了基片30上方不同位置等离子体密度分布的均匀性。开口金属环电极23中的低频直流脉冲同样是由施加在其上的脉冲直流电源42产生。

进一步地，所述第一电极23和所述脉冲直流电源42之间还连接有一射频滤波器43。射频滤波器43用于防止第一射频源40的射频能量漏到脉冲直流电源42，从而产生串扰。

进一步地，所述脉冲直流电源42是低频的。典型地，所述脉冲直流电源42的频率为100khz到350khz。

进一步地，所述反应腔室还包括聚焦环12和绝缘环13，所述聚焦环12环绕所述基片30，所述绝缘环13位于所述聚焦环12下方并环绕所述静电夹盘11；所述绝缘环13为所述环形绝缘体，所述第一电极嵌设于所述绝缘环内。所述环形绝缘体的材料选自石英或陶瓷。

综上所述，本发明的等离子体处理装置，通过在环绕基片或基片上方区域设置通有脉冲直流电流的开口金属环电极，在反应腔室内的边缘区域生成垂直方向的感应电场，从而补偿原有的上下电极之间的射频电场在反应腔室内中心区域及边缘区域分布不均匀的影响，使对应的基片中心区域及边缘区域的等离子体密度均匀分布，进而使等离子体对基片的处理更均匀。

此外，本发明利用直流脉冲源调制晶圆边缘壳层厚度。相比较于以射频功率源调制壳层，优势在于：射频功率源必须配备相应的自动匹配网络，结构复杂，造价昂贵，稳定性难以控制。脉冲直流源控制方式无需匹配网络，结构简单，系统稳定。

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)

1.一种等离子体处理装置，其中，所述等离子体处理装置包括一反应腔室，所述反应腔室内设置有相互平行的上电极和下电极，下电极设置于基台内，所述基台包括一静电夹盘，基片设置于所述静电夹盘之上进行制程，其特征在于，所述等离子体处理装置还包括：

环形绝缘体，其环绕所述静电夹盘和/或所述静电夹盘的上方区域；

第一电极，其嵌设于所述环形绝缘体中；

第一射频功率源，通过第一射频匹配器与所述下电极相连，用以提供射频功率在所述上电极和所述下电极之间形成垂直方向的射频电场以产生等离子体；

脉冲直流电源，其连接于所述第一电极。

2.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述第一电极和所述脉冲直流电源之间还连接有一射频滤波器。

3.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述脉冲直流电源是低频的。

4.根据权利要求3所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述脉冲直流电源的频率为100khz到350khz。

5.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述反应腔室还包括聚焦环和绝缘环，所述聚焦环环绕所述基片，所述绝缘环位于所述聚焦环下方并环绕所述静电夹盘；所述绝缘环为所述环形绝缘体，所述第一电极嵌设于所述绝缘环内。

6.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述反应腔室还包括等离子体约束组件，其包含多个在垂直方向上相互堆叠并相互平行间隔设置的环，所述等离子体约束组件环绕所述静电夹盘上方的区域；所述等离子体约束组件中的至少一个环为所述环形绝缘体。

7.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述环形绝缘体的材料选自石英或陶瓷。

8.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述第一电极为金属制成的。

9.根据权利要求8所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述第一电极为开口金属环电极。

10.根据权利要求9所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述开口金属环电极为导线卷绕1圈或2圈而成。