CN104517829B - 用于倒角蚀刻器的可调的上等离子体禁区环 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于倒角蚀刻器的可调的上等离子体禁区环。一种使用等离子体清洁半导体衬底的倒角边的倒角蚀刻器包括具有下支撑体的下电极组件，下支撑体具有圆柱形顶部。上介电组件设置在下电极组件上方，具有与下支撑体的顶部相对的圆柱形底部。可调的上等离子体禁区(PEZ)环包围介电组件的底部，其中可调的上等离子体禁区环的下表面包括从上介电组件的底部向外延伸的向上锥形外部，其中可以增大或减小上等离子体禁区环的下表面与支撑在下支撑体上的衬底的上表面之间的可调间隙的垂直高度使得可以分别径向向内或径向向外调节将要由等离子体清洁的衬底的倒角边的程度。至少一个射频(RF)功率源适于在倒角边清洁过程期间将工艺气体激励成等离子体。

Description

用于倒角蚀刻器的可调的上等离子体禁区环
技术领域
本发明涉及倒角蚀刻器，并且更具体地讲，涉及用于倒角蚀刻器的可调的上等离子体禁区(PEZ)环。
背景技术
集成电路是上面形成有图案化微电子层的半导体衬底形成的。在加工衬底时，通常采用等离子体来蚀刻沉积的衬底上的薄膜的期望部分。通常，蚀刻等离子体的密度在衬底的边缘附近较低，这可能导致多晶硅层、氮化物层、金属层等(统称为副产物层或蚀刻副产物)累积在衬底倒角边的顶面和底面上。由于连续的副产物层因几个不同的蚀刻工艺而沉积在衬底倒角边的顶面和底面上，因此，副产物层与衬底之间的粘合最终弱化并且副产物层在衬底运输期间会剥离或剥落到其他衬底上，从而污染正在加工的其他衬底。
发明内容
本发明公开了一种使用等离子体清洁半导体衬底的倒角边的倒角蚀刻器，该倒角蚀刻器包括具有下支撑体的下电极组件，所述下支撑体具有圆柱形顶部。上介电组件设置在所述下电极组件上方，具有与所述下支撑体的顶部相对的圆柱形底部。可调的上等离子体禁区(PEZ)环包围所述介电组件的底部，其中所述可调的上等离子体禁区环的下表面包括从所述上介电组件的底部向外延伸的向上锥形外部，其中可以增大或减小所述上等离子体禁区环的下表面与支撑在所述下支撑体上的衬底的上表面之间的可调间隙的垂直高度使得可以分别径向向内或径向向外调节将要由所述等离子体清洁的衬底的倒角边的程度。至少一个射频(RF)功率源适于在倒角边清洁过程期间将工艺气体激励成所述等离子体。
本文还公开了一种可调的上等离子体禁区环，所述可调的上等离子体禁区环被配置成在等离子体倒角蚀刻器中在清洁倒角边期间调节蚀刻距离，所述可调的上等离子体禁区环被配置成包围上介电组件，所述可调的上等离子体禁区环包括：下表面，包括从所述介电组件的底部向外延伸的向外锥形部。
附图说明
图1A至图1C示出了沿着300mm衬底的半径的倒角蚀刻速率的曲线图。
图2图示了根据本文公开的实施方式的等离子体倒角蚀刻器。
图3图示了根据本文公开的实施方式的等离子体倒角蚀刻器。
图4图示了根据本文公开的实施方式的等离子体倒角蚀刻器。
图5图示了根据本文公开的实施方式的等离子体倒角蚀刻器。
图6A至图6D示出了根据本文公开的实施方式的沿着300mm衬底的半径变化的倒角蚀刻速率的曲线图。
图7示出了三个可调的上等离子体禁区环的每一个的蚀刻距离变化性的曲线图。
具体实施方式
在以下描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本文所述的实施方式的透彻理解。但是，对于本领域的技术人员而言，显而易见，在没有这些具体细节的某些或全部的情况下可以实施本文所述的实施方式。在其他实例中，如果实施细节和工艺操作已经是已知的，就没有详细描述。另外，本文中使用的术语“约”指的是±10％。
本文所述的实施方式涉及可用于清洁半导体衬底的倒角边的具有倒角清洁室的倒角蚀刻器。更具体地讲，本文公开的实施方式涉及倒角蚀刻器的上电极组件，该上电极组件包括可调的上等离子体禁区(PEZ)环，该可调的上等离子体禁区可以包围设置在下支撑体(即，下电极组件)上的介电组件的底部，该下支撑体适于支撑半导体衬底。可调的上PEZ环的下表面包括从介电组件的底部向外延伸的向上锥形部。优选地，可调的上PEZ环302的下表面包括水平部分351以及从水平部分向外延伸的向上锥形部350(参照图4)。另外，可以增大或减小上PEZ环的下表面(优选为下表面的水平部分)与被支撑在下支撑体上的衬底的上表面之间的可调间隙的垂直高度使得可以分别径向向内或径向向外调节有待由等离子体清洁的衬底的倒角边的程度，从而可以改变在倒角蚀刻过程期间由倒角蚀刻器所获得的蚀刻距离。以下，术语PEZ指的是衬底的中心到衬底上不存在用于清洁倒角边的等离子体的区域的外缘的径向距离。
蚀刻距离是衬底的倒角边尖端与衬底上的在给定的倒角蚀刻过程期间衬底上所沉积的薄膜被去除的半径之间长度。蚀刻距离是上PEZ环的直径和几何参数以及上PEZ环的水平下表面与上PEZ环下方的衬底的上表面之间的间隙距离(即，可调间隙的垂直高度)的函数。蚀刻距离可以经由可调的上PEZ环通过调节可调的上PEZ环的下表面的水平部分与衬底的上表面之间的间隙距离来控制(即，调节)，其中可调的上PEZ环的直径和几何尺寸是固定的。这样就可以在不需要将衬底转移到新的倒角蚀刻室，也不必要从倒角蚀刻室去除上PEZ环并使用具有满足各个后续倒角蚀刻过程所要求的期望的蚀刻距离的合适直径和几何尺寸的不同的上PEZ环来代替去除的上PEZ环的情况下调节蚀刻距离。
当上PEZ环的水平下表面的外径增大时，在倒角蚀刻过程期间暴露于等离子体的衬底的面积减少并且蚀刻距离减小。非可调的上PEZ环的半径与蚀刻距离之间的线性关系的比例为约1：1。例如，图1A示出了沿着300mm的晶片的半径(x轴)变化的计算机绘制的倒角蚀刻速率(y轴)的曲线图，其中外径不同的三个非可调的上PEZ环用于对衬底进行倒角蚀刻，并且其中每个非可调的上PEZ环的水平下表面与衬底的上表面之间的间隙的垂直高度是固定的。线条A表示水平下表面的外径为296.0mm的第一非可调的上PEZ环，线条B表示水平下表面的外径为298.0mm的第二非可调的上PEZ环，并且线条C表示水平下表面的外径为300.0mm的第三非可调的上PEZ环。如图所示，沿着每个衬底的半径变化的蚀刻速率根据每个环的水平下表面的外径的变化而变化。
另外，由于可调间隙的垂直高度增大，在倒角蚀刻过程期间等离子体可以朝着衬底的中心进一步侵蚀，并且蚀刻距离增大。这种相关性同样是线性的，但是可调间隙的垂直高度变化无法单独为许多倒角蚀刻过程提供合适的蚀刻距离范围，这些倒角蚀刻过程此前要求通过安装满足所需的蚀刻距离的不同直径的非可调的上PEZ环来获得所需的蚀刻距离。图1B示出了计算机绘制的沿着300mm的晶片的半径(x轴)变化的倒角蚀刻速率(y轴)的曲线图，其中水平下表面的外径为298.0mm的单个非可调的上PEZ环用于对衬底进行倒角蚀刻，并且其中非可调的上PEZ环的水平下表面与衬底的上表面之间的可调间隙的垂直高度是变化的。线条A表示可调间隙的垂直高度为0.60mm，线条B表示可调间隙的垂直高度为0.40mm，并且线条C表示可调间隙的垂直高度为0.20mm。如图所示，沿着衬底半径变化的蚀刻速率根据非可调的上PEZ环的水平下表面与衬底的上表面之间的可调间隙的垂直高度的变化而变化。
然而，通过使用具有包括水平部分以及从水平部分向外延伸的向上锥形部的上表面的可调的上PEZ环，通过调节上PEZ环的水平部分的下表面与衬底的上表面之间的可调间隙的垂直高度可以控制蚀刻距离，其中增大或减小可调间隙的垂直高度分别径向向内或径向向外调节在倒角蚀刻过程期间将要由等离子体清洁的倒角边的程度(即，控制蚀刻距离)。图1C示出了计算机绘制的沿着300mm的晶片的半径(x轴)变化的倒角蚀刻速率(y轴)的曲线图，其中单个可调的上PEZ环用于对衬底进行倒角蚀刻，并且其中可调的上PEZ环的水平部分的下表面与衬底的上表面之间的可调间隙的垂直高度是变化的。在图1C所示的实例中，可调的上PEZ环的下表面的向上锥形部相对于水平部分的向上锥形角度θ等于约20°。线条A表示约0.60mm的间隙，线条B表示约0.40mm的间隙，并且线条C表示约0.20mm的间隙。因此，单个可调的上PEZ环(参照以下图1C)可以通过调节可调的PEZ环的下表面的水平部分与衬底的上表面之间的可调间隙的垂直高度来重复具有各自水平下表面的外径不同的三个非可调的上PEZ环(参照图1A)的行为。这样，每当要求新的蚀刻距离时，倒角蚀刻器中的可调的上PEZ环在不需要更换上PEZ环也不需要将衬底转移到新的倒角蚀刻室中的情况下可以在单个室中执行要求不同的蚀刻距离的多个倒角蚀刻工艺。
当改变可调的上PEZ环的下表面的水平部分与衬底的上表面之间可调的间隙的垂直高度时，可调的上PEZ环的有效半径(p(g))也会根据可调的上PEZ环的下表面的向上锥形部的锥形物的角度θ的变化而变化。因此，通过可调的上PEZ环的下表面的水平部分(p)的外径、可调的上PEZ环的下表面的向上锥形部的角度θ以及可调的上PEZ环的下表面的水平部分与有待进行倒角蚀刻的衬底的上表面之间的可调间隙(g)的垂直高度之间的关系可以确定限制有待清洁的倒角边的程度的可调的上PEZ环的有效半径。通过以下给出的公式1可以确定这种关系。
公式1：p(g)＝p–g/tan(θ)
这样，作为蚀刻距离与间隙间距之间的比率的调节敏感度可以从用于非锥形的上PEZ环的约0.65:1增大到用于可调的上PEZ环(其具有等于约10°的相对于水平部分的上锥形角度θ)的约6：1，或者增大到用于可调的上PEZ环(其具有等于约20°的相对于水平部分的上锥形角度θ)的约2.2:1。通过提供具有大调节敏感度范围的可调的上PEZ环，每当要求新的蚀刻距离时，倒角蚀刻器在不需要更换上PEZ环的情况下可以在不同批次衬底上在单个室中执行要求不同的蚀刻距离的多个倒角蚀刻工艺。优选地，可调的上PEZ环的调节敏感度为约1:1至10:1。
图2示出了可以实施本文公开的实施方式的用于清洁衬底218的倒角边的衬底蚀刻系统或倒角边200的示意性横截面图。示例性倒角蚀刻器的细节详见于共同转让的美国专利No.7,943,007和No.7,858,898以及美国公开申请No.2011/0206833，这些文献通过引用的方式全部并入本文中。倒角蚀刻器200具有大致，但不限于，轴对称形状，为了简单起见，图2仅示出了侧面横截面图的一半。在实施方式中，倒角蚀刻器200可以包括：具有门或闸242的室壁202，可以通过门或闸242装载/卸载衬底218；上电极组件204；支撑体208，上电极组件204从支撑体208悬空；以及下电极组件206。支撑体208上下移动上电极组件204(在双箭头方向上)以便装载/卸载衬底218，此外，支撑体208可以上下移动上电极组件204以便在加工期间通过调节上电极组件204中包括的可调的上PEZ环302的下水平部分与衬底218的上表面之间的可调间隙(间隙间距)的垂直高度来调节倒角蚀刻距离。当然，在替代实施方式中，下电极组件206和/或下电极组件206和上电极组件204两者可以被配置成上下移动来调节上电极组件204中包括的可调的上PEZ环302的下水平部分与衬底218的上表面之间的可调间隙的垂直高度。精确驱动机构(图2中未示出)连接到支撑体208上使得可以精确地控制上电极组件204与衬底218之间的间隙间距。精确驱动机构优选地连接至被配置成控制间隙间距的控制器。
金属波纹管250在允许支撑体208具有相对于壁202的垂直运动的同时可以用于在室壁202与支撑体208之间形成真空密封。支撑体208可以具有中心气体进口(通道)212和边缘气体进口(通道)220。气体进口212、220提供有待于激励而形成等离子体的工艺气体和缓冲气体以清洁倒角边。在操作期间，等离子体形成在衬底218的倒角边的周围并且具有大致环形形状。为了防止等离子体到达衬底218的中心部分，控制介电组件216与包围上电极组件204的介电组件216的可调的上PEZ环302和衬底218的上表面之间的可调间隙的垂直高度，并且优选地通过台阶孔214从中心进口进给工艺气体。然后，气体在衬底218的径向方向上穿过上电极组件204与衬底218之间的可调间隙。每个气体进口用于提供相同的工艺气体或其他气体，例如缓冲气体和/或净化气体。经由多个孔(出口)241将等离子体/工艺气体从室空间251抽到底部空间240。在倒角清洁操作期间，室压通常在500毫托至2托的范围内，例如，真空泵243可以用于在清洁操作期间抽空底部空间240。
上电极组件204包括：上介电组件或上介电组件216；以及上金属组件210，其通过合适的紧固机构固定在支撑体208上并经由支撑体208接地。上金属组件210是由金属(例如铝)形成的，并且可以经过阳极氧化。上金属组件210可以具有一个或多个气体通道或通孔222a、222b和边缘气体充气室224，其中气体通道222a、222b连接至边缘气体进口220以便在操作期间流体连通。上介电组件216连接至上金属组件210并且是由介电材料(优选地，但不限于，陶瓷)形成的。如果需要，上介电组件216的下暴露表面可以具有Y2O3涂层。尽管上介电组件216被图示为具有单个中心孔，但是上介电组件216可以具有任何合适数量的出口，例如，出口可以布置成喷头孔图案(如有需要)。
上介电组件216可以包括用于测量上和下电组件204、206之间的垂直间隙的间隙传感器274。从间隙传感器274(参照图3)输出的信号经由合适的电路被传送到控制器380，该控制器380被配置成控制精确驱动机构来调节垂直间隙。原位间隙传感器可以是任何合适的传感器，例如，激光传感器、电感传感器、电容传感器、声学传感器或线性可变差动变压(LVDT)传感器。在替代实施方式中，间隙传感器可以位于室壁202内亦或外，具体取决于传感器的类型。
下电极组件206可以包括：带电电极，其具有上部226a和下部226b，并且可操作以充当真空卡盘从而在清洁操作期间将衬底218固定就位；升降销230，其用于上下移动衬底218；销操作单元232；底部介电环，其具有上部238a和下部238b。在替代实施方式中，下电极组件206可以包括静电卡盘(ESC)，静电卡盘(ESC)用于在清洁操作期间将衬底固定就位。以下，术语“带电电极”指的是上部和下部226a、226b之一或两者。类似地，术语底部介电环指的是上部和下部238a、238b之一或两者。带电电极连接至射频(RF)电源270以在清洁操作期间接收射频功率。
升降销230在圆筒形孔或通道231内垂直移动并且通过位于带电电极中的销操作单元232在上位置与下位置之间移动。销操作单元可以包括每个升降销周围的壳体，以维持销周围的真空密封环境。销操作单元232可以包括任何合适的升降销机构，例如，机械臂233(例如，具有延伸到每个壳体中并连接至每个销的区段的水平臂)和臂致动装置(图2中未示出)。为了简单起见，图2中仅示出了机械臂的区段的顶端部分。尽管可用三个或四个升降销使例如300mm或450mm衬底的衬底升降，但是在倒角蚀刻器200中可以使用任意合适数量的销230。另外，任何合适的机构，例如，升降器波纹管，可以用作销操作单元232。
衬底218可以安装在可配置的下PEZ环260上。在实施方式中，带电电极的顶面、衬底218的底面和可配置的下PEZ环260的内周边形成与例如真空泵236之类的真空源流体连通的封闭的真空区凹陷部(真空区)219，真空泵236用于在加工期间支撑衬底218，然而在替代实施方式中，ESC可以用于将衬底218通过静电方式夹持在下电极组件206的上表面上。用于升降销230的圆筒形孔或通路也作为气体通道使用，真空泵236在操作期间通过这些孔或通路抽空真空区219。带电电极包括充气室234以减小真空区219中的临时压力波动，并且在使用多个销的情况下，为圆筒形孔提供均匀的抽吸率。
衬底218的顶面上是此前通过一系列工艺形成的集成电路。通过使用可以给衬底218传递热能的等离子体、在衬底218上形成热应力并且从而使衬底弓弯，可以执行这种工艺中的一个或多个。在倒角清洁操作期间，通过利用衬底218的顶面与底面之间的压差可以减小衬底弓弯。在操作期间，连接至充气室234的真空泵236使真空区219中的压力维持在真空条件下。通过调节上介电组件216与衬底218的上表面之间的间隙间距，可以在不改变工艺气体的整体流速的情况下改变间隙中的气压。可替代地，当预定的倒角蚀刻过程需要预定的间隙间距时，通过改变工艺气体的整体流速可以改变间隙中的气压。因此，通过控制间隙中的气压，可以改变衬底218的顶面与底面之间的压差，从而可以控制施加在衬底218上的弯曲力。
底部介电环是由例如包括Al2O3的陶瓷之类的介电材料形成的，并且使带电电极与室壁202电气绝缘。底部介电环的下部238b可以具有形成在其上表面的内周边上的台阶(凸缘)252，从而与带电电极的下边缘上的凹陷部匹配。下部238b可以具有形成在其外周边的台阶(凸缘)254，从而与底部介电环的上部238a上的台阶表面匹配。台阶(凸缘)254、252使底部介电环与带电电极对齐。台阶(凸缘)254还沿其表面形成曲折间隙以消除带电电极与室壁202之间的直视线，从而减小带电电极与室壁202之间的二次等离子体撞击的可能性。
图3示出了图2中的区域A的放大示意图。如图所示，上电极组件204包括三个同心定位环：可调的上PEZ环302；上电极环308，其包围可调的上PEZ环302；和外部上介电环310，其包围上电极环308。可调的上PEZ环302与上电极环308之间的间隙304可以形成连接至气体通道222b的曲折的气体通道。曲折的间隙304防止气体通道222b直接暴露于等离子体，从而防止在边缘气体通道222b内形成二次等离子体或等离子体点燃。这种二次等离子体会侵蚀边缘气体通道222b的内壁并且导致需要频繁更换上金属组件210以及引入侵蚀的材料到衬底218上。
可调的上PEZ环302可以具有形成在其内表面上的凸缘302a，其中内表面上的凸缘302a与上介电组件216的凸缘330啮合，从而抵靠金属组件210夹持环302。可调的上PEZ环302由于等离子体侵蚀也会需要比上电极组件204的其他零件更频繁地更换并且被视为消耗组件。通常，工艺气体可以包括含氧气体，例如氧气O2。也可以添加少量的，例如但不限于约<10％的含氟气体，例如，CF4、SF6或C2F6来清洁倒角边。包括这些反应气体的等离子体会侵蚀可调的上PEZ环302，从而需要周期性更换可调的上PEZ环302。为了在更换期间容易接触到可调的上PEZ环302，可调的上PEZ环302可以通过上介电组件216固定就位并且可以在从室壁202不去除上电极组件204的情况下进行更换。例如，去除板216还可以允许将可调的上PEZ环302更换为具有相同或不同直径和几何尺寸的不同环。
可调的上PEZ环302防止等离子体直接侵蚀上介电组件216。可调的上PEZ环302是由导电的材料、半导体材料或介电材料形成的，例如完全由三氧化二铝(Al2O3)、氮化铝(AIN)、氧化硅(SiO2)、碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、硅(Si)、氧化钇(Y2O3)或其他材料形成的环，或者它可以是由金属、陶瓷或聚合物组成的涂有例如Si、SiC或Y2O3之类的导电材料或介电材料、陶瓷材料(优选为Al2O3)、或例如CVD SiC(适当掺杂以提供高电阻率)之类的纯材料的复合环以减少在操作期间对衬底218的污染。为了减小耗材成本(CoC)，可调的上PEZ环302优选地具有小而简单的横截面。可调的上PEZ环302可以是由具有高电阻(优选地，但不限于，约105欧姆-厘米)的材料形成的。由于带电电极与上电极环308之间的电气连接受到可调的上PEZ环302的电气性能的影响，所以可以通过改变可调的上PEZ环302的材料、位置和/或配置来控制倒角边附近的等离子体特性。
上电极环308可以连接至上金属组件210并经其接地。上电极环308不是使用例如螺栓等螺纹紧固件，而是可以优选地通过外部上介电环310的夹持力固定就位。例如，电极环308可以具有与介电环310上的凸缘310a匹配的凸缘308a。如此，可以消除可能另外源自暴露的紧固件的侵蚀的等离子体污染。上电极环308可以优选地是由例如阳极氧化铝之类的金属形成的。在一些情况下，上电极环308可以是由例如硅(单晶或多晶硅)、CVD低电阻SiC或任何合适的高纯导电材料之类的纯材料形成的。为了使使用高纯材料的成本影响最小化，可以使上电极环308的横截面尺寸最小化。尽管可以使用螺栓直通设计，但是夹持就位设计简化了上电极环308的配置，从而降低CoC并允许使用用于污染控制的的更宽范围的材料。还要指出的是，在替代实施方式中，上电极环308，并且另外位于上电极环308下方的下电极环306，可以是由石墨或各种碳基材料形成的。
外部上介电环310是由例如Al2O3之类的介电材料形成的，并且可以涂有Y2O3。外部上介电环310在其上表面包括周向间隔开的螺纹孔318以接收用于将外部上介电环310固定于上金属组件210的螺栓316。外部上介电环310包括用于将上电极环308的凸缘308a夹持到上金属组件210的凸起或台阶(凸缘)310a。要注意，每个螺栓316从上电极组件204的顶侧旋入使得螺栓不暴露于等离子体并不被侵蚀。外部上电极环310的内缘直径确定环形或环状等离子体的外径。
下电极组件206可以包括包围介电环的上部238a的下金属衬壳(衬圈)314以及三个同心定位环：可配置的下PEZ环260；下电极环306，其包围可配置的下PEZ环260；和包围下电极环306的外部下介电环312。可配置的下PEZ环260、下电极环306和下金属衬壳314可以由底部介电环(更具体地讲，底部介电环的上部238a)和衬壳314支撑。下电极环306可以通过外部下介电环312抵靠下金属衬壳314的上表面夹持，其中下金属衬壳314连接至室壁202以便接地。底部介电环的上部238a使下电极环306与带电电极的上部226a电性分离。
带电电极优选地是由例如阳极氧化铝之类的金属形成的。如果带电电极在要求高清洁度等离子体的情况下暴露于等离子体并被其侵蚀，则使用高纯度材料作为带电电极来满足结晶度要求是理想的。因为可配置的下PEZ环260被设计成保护带电电极免受等离子体的影响，所以带电电极可以是由低纯度金属或材料形成的，而不论洁净度要求如何。
可配置的下PEZ环260保护带电电极免受用于实现倒角清洁的等离子体的侵蚀。可配置的下PEZ环260可以是由导电的材料、半导体材料或介电材料形成的，例如完全由三氧化二铝(Al2O3)、氮化铝(AIN)、氧化硅(SiO2)、碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、硅(Si)、氧化钇(Y2O3)或其他材料形成的环，或者它可以是由涂有例如Si、SiC或Y2O3的导电材料或介电材料、陶瓷材料(优选为Al2O3)、或例如硅(单晶硅或多晶硅)、CVD高电阻SiC等纯材料的金属、陶瓷或聚合物组成的复合环以减少在清洁操作期间对衬底218的污染。可配置的下PEZ环260也可以是由具有高电阻(优选地，但不限于，约105欧姆-厘米)的材料形成的。由于带电电极与下电极环306之间的电气连接受到可配置的下PEZ环260的电气性能的影响，所以可以通过改变可配置的下PEZ环260的材料和/或配置来控制等离子体特性。
下电极环306可以连接至下金属衬壳314并经其接地。然而，在替代实施方式中，下电极组件206可以包括代替带电电极的下支撑体(未示出)，并且下电极环306可以经由下金属衬壳314连接至射频电源，其中上电极环308可以接地。下电极环306不是使用例如螺栓之类的螺纹紧固件，而是优选地通过外部下介电环312的夹持力固定就位。例如，下电极环306上的外凸缘306a可以与外部下介电环312上的内凸缘312a啮合，由此下电极环306抵靠衬壳314被夹持。如此，可以消除可能另外源自暴露的紧固件的侵蚀的等离子体污染。下电极环306可以优选地是由例如阳极氧化铝之类的金属形成的。在一些情况下，下电极环306可以是由例如硅(例如单晶或多晶硅)之类的高纯材料、CVD低电阻SiC或任何合适的高纯导电材料形成的。为了使使用高纯材料的成本影响最小化，可以使下电极环306的横截面尺寸最小化。使用夹持就位设计简化了下电极环306的配置，从而通过使用用于污染控制的更宽范围的材料降低CoC。
外部下介电环312是由例如Al2O3之类的介电材料形成的，并且可以涂有Y2O3。外部下介电环312包括接收用于将外部下介电环312固定于下金属衬壳314的螺栓322的一系列螺孔320。如上所述，外部下介电环312可以包括用于将下电极环306夹持到金属衬壳314的凸起或台阶(凸缘)。要注意，螺栓322从下电极组件206的底侧旋入使得螺栓322不暴露于等离子体并不被侵蚀。外部下介电环312的内缘直径确定环形或环状等离子体的外径。
在操作期间，射频功率源270提供射频功率以将通过气体进口212、214的至少一个提供的工艺气体激励成等离子体，其中以在，但不限于在，约2MHz至约60MHz之间的范围内的一个或多个频率供应射频功率。在变型中，上电极环308在下电极环206接地的同时可以连接至射频功率源，或者下电极环206可以在上电极环308接地时连接至射频功率源。
要注意的是，图2中的实施方式具有中心气体进口和边缘气体进口。然而，可以改变气体进口的数量以获得对衬底和/或倒角边附近的所需的气体分布。另外，上介电组件可以具有任意合适数量及布置的气体进气口。
图4图示了设置在下电极组件206上方的上电极组件204的实施方式，其中上电极组件204包括介电组件216、包围介电组件216的可调的上PEZ环302以及包围可调的上PEZ环302的上电极环308。可调的上PEZ环302的下表面优选地具有水平部分351以及包围水平部分351的向上锥形部350，其中向上锥形部350根据锥形物的角度θ和可调的上PEZ环302的水平部分351与支撑在下电极组件206上的衬底218的上表面之间的间隙间距以及可调的上PEZ环302的下表面的水平部分351的外径来限制将要由等离子体清洁的倒角边的程度。优选地，向上锥形部350是圆锥形的，其中向上锥形部350的向上锥形角度θ相对于水平部分为约5°至50°，并且更优选为相对于水平部分约10°至30°，例如向上锥形角度为约10°，向上锥形角度为约20°，或者向上锥形角度为约30°。通过为向上锥形部350选择所需的锥形角度，通过调节间隙间距可以改变在倒角蚀刻过程期间由倒角蚀刻器获得的蚀刻距离。在优选实施方式中，可调的上PEZ环302的下表面的水平部分351与介电组件216的下表面共面或基本上共面。在另一个优选实施方式中，上锥形角度θ的斜率为定值。在另一个优选实施方式中，可调的上PEZ环302的向上锥形外部与可调的上PEZ环302的下表面的水平部分之间的边缘是圆边。
在如图5所示的替代实施方式中，可调的上PEZ环302和上介电组件216可以是整体件。
图6A至图6D图示了上PEZ环302的下表面的向上锥形部350的向上锥形角度θ与在上PEZ环302的下表面的水平部分351和衬底218的上表面之间的间隙间距之间的关系。图6A示出了针对非锥形上PEZ环的沿着300mm衬底的半径变化的蚀刻速率，该非锥形上PEZ环的水平下表面的外径为296.5mm。线条A表示约0.3mm的间隙间距的蚀刻速率，线条B表示约0.6mm的间隙间距的蚀刻速率。间隙间距的变化导致非锥形上PEZ环的蚀刻距离约0.20mm的变化性。图6B示出了针对根据本文公开的实施方式的锥形上PEZ环的沿着300mm衬底的半径变化的蚀刻速率，其中锥形上PEZ环的外径为304mm。如图6B所示，锥形上PEZ环具有等于约20°的相对于水平部分的向上锥形角度θ，并且下表面的水平部分的外径为295.6mm。线条A表示约0.15mm的间隙间距的蚀刻速率，线条B表示约0.6mm的间隙间距的蚀刻速率。间隙间距的变化导致蚀刻距离约1.1mm的变化。图6C还示出了针对根据本文公开的实施方式的锥形上PEZ环的沿着300mm衬底的半径变化的蚀刻速率，其中锥形上PEZ环的外径为304mm。如图6C所示，锥形上PEZ环具有等于约30°的相对于水平部分的向上锥形角度θ，并且下表面的水平部分的外径为295.6mm。线条A表示约0.3mm的间隙间距的蚀刻速率，线条B表示约0.6mm的间隙间距的蚀刻速率。间隙间距的变化导致蚀刻距离约0.44mm的变化。图6D示出了针对根据本文公开的实施方式的锥形上PEZ环的沿着300mm衬底的半径变化的蚀刻速率，其中锥形上PEZ环的外径为304mm。如图6D所示，锥形上PEZ环具有等于约45°的相对于水平部分的向上锥形角度θ，并且下表面的水平部分的外径为298.5mm。线条A表示约0.3mm的间隙间距的蚀刻速率，线条B表示约0.6mm的间隙间距的蚀刻速率。间隙间距的变化导致蚀刻距离约0.26mm的变化。
另外，为了在覆盖所需的蚀刻距离范围中获得更大控制，可以选择可调的上PEZ环的下表面的水平部分351的外径来覆盖对各种尺寸的半导体衬底(例如，直径为200mm、300mm或450mm的衬底)的任意给定的一系列倒角蚀刻工艺中所需的蚀刻距离要求的范围。例如，在一系列倒角蚀刻过程中，可能需要6个非锥形上PEZ环配置来涵盖约0.3mm至2.3mm的蚀刻距离。然而，如图7的曲线图所示，这个范围可以用小到三个可调的上PEZ环来覆盖，其中第一可调的上PEZ环(A)的下表面的水平部分的外径可以比第二可调的上PEZ环(B)的大，并且其中第二可调的上PEZ环(B)的下表面的水平部分的外径可以比第三可调的上PEZ环(C)的大。例如，第一可调的上PEZ环(A)可以被配置成从倒角边顶点朝着衬底中心调节蚀刻距离约2mm至3mm，第二可调的上PEZ环(B)可以被配置成从倒角边顶点朝着衬底中心调节蚀刻距离约1mm至2mm，并且第三可调的上PEZ环(C)可以被配置成从倒角边顶点朝着衬底中心调节蚀刻距离约0mm至1mm，其中通过调节可调的上PEZ环的下表面的水平部分与衬底的上表面之间的可调间隙的垂直高度来调节每个对应的环的蚀刻距离。
在一系列倒角蚀刻工艺中，可能优选的是蚀刻距离在某些工艺之间发生变化，使得可以去除衬底上的层的所需部分，或者可替代地，可以在倒角边上形成钝化层。使用可调的上PEZ环可以使得能通过调节可调的上PEZ环的下表面的水平部分与衬底的上表面之间的垂直高度来获得变化的蚀刻距离。例如，可调的上PEZ环与衬底的上表面之间的可调间隙的垂直高度可以被设置成大间隙设置以允许在衬底的倒角边上沉积钝化层，钝化层可以使用小间隙设置经过切边步骤，然后可以用标准间隙设置来执行倒角清洁，并且可以使用大间隙设置利用氧气等离子体来去除钝化层。在共同转让的美国公开专利申请No.2011/0146703中可以找出倒角蚀刻半导体衬底的方法和倒角蚀刻器的示例性实施方式，其中倒角蚀刻器在衬底的倒角边上沉积钝化层。在后续的倒角蚀刻工艺之前，可以减小可调间隙的垂直高度使得随后可以去除此前沉积的钝化层的边缘部分，从而暴露下伏的薄膜层和/或在前一个蚀刻或沉积工艺期间形成的附着在衬底的倒角边上的蚀刻副产物。通过去除钝化层的外部允许钝化层的剩余部分充当屏障，从而在后续倒角边清洁过程期间保护衬底的表面形貌。然后，在后续的倒角蚀刻工艺之前，可调间隙的垂直高度可以增大到第三预定高度，其中随后可以去除此前沉积的薄膜或蚀刻副产物。在已经去除薄膜或蚀刻副产物之后，可调间隙的垂直高度可以被设置成下一个预定高度，其中O2气体随后可用于剥离剩余的钝化层。
另外，非临时性计算机的机器可读介质可以包括用于控制倒角蚀刻器的程序指令。用于控制加工操作的计算机程序代码可以编写成任何常规的计算机可读的编程语言，例如，汇编语言、C、C++、Pascal、Fortran等。由处理器执行编译后的目标代码或脚本以执行程序中指定的任务。
控制系统参数涉及例如加工步骤的计时、工艺气体和惰性气体的流速和温度、衬底的温度、室的压力、间隙间距和特定工艺的其他参数。这些参数通过配方的形式提供给使用者，并且可以利用用户界面来输入。
用于监测过程的信号可以通过控制系统的模拟和/或数字输入连接件来提供。用于控制过程的信号可以输出到设备的模拟和数字输出连接件。
系统软件可以被设计或配置成许多不同的方式。例如，可以编写多种室部件的子程序或控制对象以控制进行倒角边清洁工艺所需的室部件的操作。实现该目的的程序或程序段的实例包括加工步骤的衬底计时代码、前体和惰性气体的流速和温度代码、室的压力控制代码以及用于间隙间距的代码。
本领域的普通技术人员会理解的是，本发明在不脱离其精神和本质特征的情况下可以以其他具体形式实施。因此，当前公开的实施方式在所有方面被认为是说明性的，而不是限制性的。本发明的范围由所附权利要求书限定，而不是由前述描述了限定，并且涵盖在本发明的等同形式的含义和范围内的所有变化旨在包含在本发明中。

Claims (24)

1.一种倒角蚀刻器，半导体衬底的倒角边在所述倒角蚀刻器中进行等离子体清洁，所述倒角蚀刻器包括：
下电极组件，其包括具有圆柱形顶部的下支撑体；
上介电组件，其设置在所述下电极组件上方，具有与所述下支撑体的顶部相对的圆柱形底部；
可调的上等离子体禁区(PEZ)环，其包围所述上介电组件的底部，其中所述可调的上等离子体禁区环的下表面包括以5°±10％至50°±10％的向上锥形角度从所述上介电组件的所述底部向外并且向上延伸的向上锥形外部，其中所述可调的上等离子体禁区环的所述下表面包括水平部分，其中所述向上锥形外部从所述可调的上等离子体禁区环的所述下表面的所述水平部分向外并且向上延伸；
其中能够增大或减小所述上等离子体禁区环的所述下表面的所述水平部分与支撑在所述下支撑体上的所述衬底的上表面之间的可调间隙的垂直高度，使得能够分别径向向内或径向向外调节将要由所述等离子体清洁的所述衬底的倒角边的程度；以及
至少一个射频(RF)功率源，其适于在倒角边清洁过程期间将工艺气体激励成所述等离子体。
2.根据权利要求1所述的倒角蚀刻器，其中所述可调的上等离子体禁区环和所述上介电组件是整体件。
3.根据权利要求1所述的倒角蚀刻器，其中：
(a)所述向上锥形外部与所述水平部分之间的边缘是圆边；或者
(b)所述可调的上等离子体禁区环的所述向上锥形外部是锥形的，其相对于所述水平部分的所述向上锥形角度为10°±10％至30°±10％。
4.根据权利要求3所述的倒角蚀刻器，其中所述可调的上等离子体禁区环的所述向上锥形外部是锥形的，其相对于所述水平部分的所述向上锥形角度为10°±10％、20°±10％或30°±10％。
5.根据权利要求3或4所述的倒角蚀刻器，其中，以下中的至少一项：
(a)所述可调的上等离子体禁区环的所述下表面的所述水平部分与所述上介电组件的所述底部的下表面共面；并且/或者
(b)所述水平部分具有比有待清洁的所述倒角边的外径小的外径，并且所述向上锥形外部具有比有待清洁的所述倒角边的外径大的外径。
6.根据权利要求1所述的倒角蚀刻器，其包括：
(a)控制器，其被配置成控制由所述倒角蚀刻器执行的过程；
(b)非临时性计算机的机器可读介质，其包括用于控制所述倒角蚀刻器的程序指令；和/或
(c)驱动机构，其用于控制所述可调间隙的所述垂直高度。
7.根据权利要求1所述的倒角蚀刻器，其中：
(a)所述可调的上等离子体禁区环是由选自由导电材料、半导体材料和介电材料组成的组中的材料形成的；
(b)所述可调的上等离子体禁区环在其外表面上包括硅、碳化硅、氧化钇或三氧化二铝的涂层；并且/或者
(c)所述向上锥形外部具有比有待清洁的所述倒角边的外径大的外径。
8.根据权利要求7所述的倒角蚀刻器，其中所述可调的上等离子体禁区环是由三氧化二铝、氮化铝、氧化硅、碳化硅、氮化硅、硅、氧化钇或它们的混合物形成的。
9.根据权利要求1所述的倒角蚀刻器，其中所述可调的上等离子体禁区环是由陶瓷材料形成的。
10.根据权利要求1所述的倒角蚀刻器，其中所述上介电组件包括用于测量所述可调间隙的所述垂直高度的至少一个间隙传感器，其中所述间隙传感器是选自由电感传感器、激光传感器、电容传感器、声学传感器和线性可变差动变压(LVDT)传感器组成的组中的一种。
11.根据权利要求1所述的倒角蚀刻器，其中所述可调的上等离子体禁区环包括形成在其内表面上的凸缘。
12.根据权利要求11所述的倒角蚀刻器，其中所述可调的上等离子体禁区环的所述内表面上的所述凸缘与所述上介电组件的凸缘啮合以抵靠被配置成支撑所述上介电组件的金属组件来夹持所述可调的上等离子体禁区环。
13.一种可调的上等离子体禁区环，所述可调的上等离子体禁区环被配置成在等离子体倒角蚀刻器中清洁倒角边期间调节蚀刻距离，其中所述可调的上等离子体禁区环被配置成包围上介电组件，所述可调的上等离子体禁区环包括：下表面，其包括以5°±10％至50°±10％的向上锥形角度从所述上介电组件的底部向外并且向上延伸的向上锥形外部，以及水平部分，其中所述向上锥形外部从所述下表面的所述水平部分向外并且向上延伸。
14.根据权利要求13所述的可调的上等离子体禁区环，其中所述可调的上等离子体禁区环和所述上介电组件是整体件。
15.根据权利要求13所述的可调的上等离子体禁区环，其中：
(a)所述向上锥形外部与所述水平部分之间的边缘是圆边；或者
(b)所述可调的上等离子体禁区环的所述向上锥形外部是锥形的，其相对于所述水平部分的所述向上锥形角度为10°±10％至30°±10％。
16.根据权利要求15所述的可调的上等离子体禁区环，其中所述可调的上等离子体禁区环的向上锥形外部是锥形的，其相对于所述水平部分的所述向上锥形角度为10°±10％、20°±10％或30°±10％。
17.根据权利要求13所述的可调的上等离子体禁区环，其中：
(a)所述可调的上等离子体禁区环是由选自由导电材料、半导体材料和介电材料组成的组中的材料形成的；
(b)所述可调的上等离子体禁区环在其外表面上包括硅、碳化硅、氧化钇或三氧化二铝的涂层；
(c)所述可调的上等离子体禁区环包括形成在其内表面上的凸缘；并且/或者
(d)所述向上锥形外部具有比有待清洁的所述倒角边的外径大的外径。
18.根据权利要求17所述的可调的上等离子体禁区环，其中所述可调的上等离子体禁区环是由三氧化二铝、氮化铝、氧化硅、碳化硅、氮化硅、硅、氧化钇或它们的混合物形成的。
19.根据权利要求13所述的可调的上等离子体禁区环，其中所述可调的上等离子体禁区环是由陶瓷材料形成的。
20.根据权利要求15或16所述的可调的上等离子体禁区环，其中
(a)所述可调的上等离子体禁区环的所述下表面的所述水平部分被配置成与所述上介电组件的所述底部的下表面共面；并且/或者
(b)所述水平部分具有比有待清洁的所述倒角边的外径小的外径，并且所述向上锥形外部具有比有待清洁的所述倒角边的外径大的外径。
21.一种清洁半导体衬底的倒角边的方法，其包括：
在根据权利要求1所述的倒角蚀刻器的室中支撑所述半导体衬底；
将所述上等离子体禁区环的所述下表面的所述水平部分与支撑在所述下支撑体上的所述衬底的上表面之间的可调间隙进行调节，其中所述可调间隙的垂直高度确定将要由所述等离子体清洁的所述衬底的所述倒角边的程度；
引入工艺气体到所述室中；
激励所述工艺气体以形成等离子体；并且
使用所述等离子体清洁所述倒角边。
22.根据权利要求21所述的方法，其进一步包括：
(a)增大所述可调间隙的所述垂直高度，从而径向向内地调节将要由所述等离子体清洁的所述衬底的倒角边的程度，引入工艺气体到所述室中；激励所述工艺气体以形成等离子体，并且使用所述等离子体清洁所述倒角边；或者
(b)减小所述可调间隙的所述垂直高度从而径向向外地调节将要由所述等离子体清洁的所述衬底的倒角边的程度，引入工艺气体到所述室中；激励所述工艺气体以形成等离子体，并且使用所述等离子体清洁所述倒角边。
23.根据权利要求21所述的方法，其中在使用所述等离子体清洁所述倒角边之前，在所述衬底的所述倒角边上沉积钝化层。
24.一种在根据权利要求1所述的倒角蚀刻器中更换所述可调的上等离子体禁区环的方法，包括：从所述倒角蚀刻器的上金属组件拆卸所述上介电组件；使所述上介电组件上的凸缘从所述可调的上等离子体禁区环上的凸缘脱离，通过在所述上介电组件上安装新的可调的上等离子体禁区环并将所述上介电组件连接至所述上金属组件，从而将所述可调的上等离子体禁区环更换成所述新的可调的上等离子体禁区环。
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