CN104576280A - 等离子体处理腔室及其去夹持装置和方法 - Google Patents

等离子体处理腔室及其去夹持装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明第一方面提供了一种等离子体处理腔室及其去夹持装置和方法，其中，包括：一腔体；基台，其设置于腔体下方，基片放置于所述基台表面；设置于所述基台内部的若干冷却气体通道，其中通有冷却气体，所述冷却气体通道在所述基台和基片之间设置有一个喷气孔，所述冷却气体能够通过喷气孔将冷却气体喷向基片背面；若干升举顶针，其可移动地设置于基台内部，能够向上顶起基片，静电夹盘，位于所述基台的上部，其最上层设置有一绝缘层，在所述绝缘层中设置有一电极，其中，所述电极分别连接有一直流电源和一交流电源。本发明能够有效解决基片或者静电夹盘上的残余电荷问题导致的去夹持失败问题，且可以解决基片部分去夹持而产生的误判。

Description

等离子体处理腔室及其去夹持装置和方法
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腔室及其去夹持装置和方法。
背景技术
对半导体基片或衬底的微加工是一种众所周知的技术，可以用来制造例如，半导体、平板显示器、发光二极管（LED）、太阳能电池等。微加工制造的不同步骤可以包括等离子体辅助工艺（例如，等离子体增强化学气相沉积、反应离子刻蚀等），这些工艺在反应室内部进行，工艺气体被输入至该反应室内。射频源被电感和/或电容耦合至反应室内部来激励工艺气体，以形成和保持等离子体。在反应室内部，暴露的衬底被夹盘支撑，并通过某种夹持力被固定在一固定的位置。
为了满足工艺要求，不仅需要对工序处理过程进行严格地控制，还会涉及到半导体基片的装载和去夹持。半导体基片的装载和去夹持是半导体基片处理的关键步骤。
现有技术仅采用升举顶针从静电夹盘中去夹持基片的机制有可能造成基片不可逆转的损坏。众所周知，由于基片是由等离子体来加工完成的，在基片加工完成后在所述基片上尤其在基片的底面上还会存在电荷。现有技术已揭示了对基片上的电荷进行放电的程序，并且在理想状态下，对基片进行放电程序以后就可以对基片进行去夹持。然而，随着机构老化，对基片进行放电程序后基片上仍有可能存在残余电荷。
本领域技术人员应当理解，基片底面通常仍存在残余电荷，所述残余电荷导致基片因和静电夹盘之间的静电产生一个向下的吸力将所述基片吸至静电夹盘上。由于升举顶针的个数有限，其并不能均匀作用于整个基片背面。因此，在基片的某些没有升举顶针接触的部位，向下的吸力大于升举顶针向上的推力，而在基片的其他部位由于升举顶针的直接接触，升举顶针向上的推力大于向下的吸力，所述硅片会由于在局部扭曲受力而导致破损。并且，由于升举顶针的推力是一个瞬时的力，其突然作用于基片有可能会导致基片突然弹离开静电夹盘，这有可能导致基片受到所述弹力的损坏。进一步地，由于等离子体处理系统的空间受限，上述去夹持机制仅采取有限个升举顶针，在实际应用中所述有限个升举顶针中的一个或多个可能由于机构老化而抬起不完全或延迟甚至不能抬起，其可能进一步地导致基片的倾斜或抬起不完全，从而导致基片和等离子体处理基片接触而造成损坏。
因此，业内需要一种能够将基片可靠并稳定地从静电夹盘去夹持的去夹持机制，本发明正是基于此提出的。
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腔室及其去夹持装置和方法。
本发明第一方面提供了一种等离子体处理腔室，其中，包括：
一腔体；
基台，其设置于腔体下方，基片放置于所述基台表面；
设置于所述基台内部的若干冷却气体通道，其中通有冷却气体，所述冷却气体通道在所述基台和基片之间设置有一个喷气孔，所述冷却气体能够通过喷气孔将冷却气体喷向基片背面；
若干升举顶针，其可移动地设置于基台内部，能够向上顶起基片，
静电夹盘，位于所述基台的上部，其最上层设置有一绝缘层，在所述绝缘层中设置有一电极，
其中，所述电极分别连接有一直流电源和一交流电源。
进一步地，在所述基台下方还设置有一冷却气体供应装置，所述冷却气体供应装置连接于所述冷却气体通道，用于向所述冷却气体通道供应冷却气体。
进一步地，所述冷却气体包括氦气。
进一步地，在所述基台下方还设置有一提升装置，其连接于升举顶针，并提升所述升举顶针使得所述升举装置接触于所述基片背面，从而带动所述基片向上移动。
进一步地，所述提升装置包括气泵等。
进一步地，所述电极连接有一电源装置。
进一步地，所述电源装置包括并联的双震开关和直流电源，其中，所述双震开关通过一控制信号触发。
进一步地，所述电源装置包括一控制开关、直流电源、交流电源，其中所述控制开关的输出端连接于所述电极，两个输入端分别连接所述直流电源和交流电源。
本发明第二方面提供了一种用于等离子体处理腔室的基片去夹持方法，其中，所述等离子体处理腔室包括本发明第一方面所述的等离子体处理腔室，其中，所述去夹持方法包括如下步骤：
在基片的主制程阶段结束以后，向等离子体处理腔室的基台中的电极施加反向直流电压；
然后，向所述电极施加交变电压，在上述过程中，持续对所述基片背面供应冷却气体；
接着，当冷却气体漏率持续第一时间不小于预定阈值，则判定基片已经去夹持。
进一步地，所述反向直流电压的取值范围为200V～300V，施加反向直流电压的持续时间为3s～5s。
进一步地，所述交变电压为150v。
进一步地，所述交变电压施加的频率为0.1hz～1hz。
进一步地，所述冷却气体是氦气。
本发明提供的等离子体处理腔室及其去夹持装置和方法能够有效解决基片或者静电夹盘上的残余电荷问题导致的去夹持失败问题，且可以解决基片部分去夹持而产生的误判。
附图说明
图1a是采用直流电源为等离子体处理装置去夹持的原理示意图；
图1b是采用直流电源为等离子体处理装置去夹持的直流电源电压、氦气压力及其流量示意图；
图2是根据本发明一个具体实施例的等离子体处理腔室的结构示意图；
图3是根据本发明一个具体实施例的等离子体处理腔室的升举顶针的结构示意图；
图4是根据本发明一个具体实施例的等离子体处理腔室的升举顶针的结构示意图；
图5是根据本发明一个具体实施例的采用直流电源为等离子体处理装置去夹持的直流电源电压、氦气压力及其流量示意图；
图6是根据本发明一个具体实施例的等离子体处理腔室的控制电路结构示意图；
图7是根据本发明一个具体实施例的等离子体处理腔室的控制电路结构示意图。
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。
本发明所述的实施方式提供改进的去夹持过程，其采用升降顶针来减少在去夹持过程中损坏半导体基片的可能性。要指出的是，“半导体基片”、“晶圆”和“基片”这些词在随后的说明中将可能被经常互换使用，在本发明中，它们都指在处理反应室内被加工的基片，基片不限于基片、衬底、基片、大面积平板基板等。为了方便说明，本专利在实施方式说明和图示中将主要以“基片”为例来作示例性说明。
图1a是采用直流电源为等离子体处理装置去夹持的原理示意图。如图1a所示，在等离子体处理装置100中，静电夹盘(未示出)在制程过程中利用静电力固定或夹持住基片W。一直流电极105与一高电压直流电源109相连接，在静电夹盘和基片W之间产生极性相反的静电荷，由此产生静电夹持力。进一步地，反应气体从气体源102通过气体喷淋头103进入腔室101，直流电极105设置于基台106顶部的绝缘层104中。反应气体通过腔室101内电场的激发产生等离子体从而对基片W进行制程，制程冗余由真空泵108抽离腔室。附图标记112指示的是静电夹盘，静电夹盘112设置于基台顶部。
在制程完成后，基片需要从夹盘上被移除或“去夹持”(de-chucked)。为了实现去夹持，高压直流电源109被关闭。但是，由于残余电荷往往趋向于停留在整个基片W背面或部分基片W背面，在位于静电夹盘上的升举顶针顶起基片时，衬底往往不能从静电夹盘上分开，并且会被碎成多片或产生其他损坏。
在现有技术中，工程师试图用不同的方法促成实现去夹持，例如通过对直流电极105施加反向极性的放电电压和/或给残余电荷提供一个出口。
图1b是采用直流电源为等离子体处理装置去夹持的直流电源电压、氦气压力及其流量示意图。图1b从上到下分别示出了三个坐标轴，其横坐标皆表示时间，纵坐标从上到下分别表示：直流电源104的电压值及其正负方向（HV），氦气气压值（He pressure），氦气流量值(He flow)。
参见图1a和图1b，本领域技术人员应当理解，在等离子体刻蚀工艺中，基片W是通过一个高压直流电源105产生的静电吸引力固定在静电夹盘上的。通常，当基片W被传送至反应腔内设置的静电夹盘表面以后，如图1b所示的t10时刻，在制程工艺开始的最初步骤之一是加一个低功率的射频信号，在腔体内产生等离子体从而产生电回路，然后给埋在静电夹盘陶瓷层内的电极105加一个足够大的直流高压，使得静电夹盘表面和基片W表面有静电力产生。当该静电力达到稳定后的t11时刻，再在基片W背面施加一定压力的氦气作为冷却气体。氦气的背压大小由制程工艺的需求决定，而使基片W吸附于静电夹盘表面的直流高压的大小则由氦气的背压决定。在制程工艺进行的整个过程中，施加于电极105上的直流高压一直保持，以抗衡由氦气背压给基片W带来的向上的压力。在制程工艺结束前的t12时刻，将氦气背压及施加于静电夹盘的直流高压同时降低，再将施加于静电夹盘112中电极105的直流高压反向，以使残留在静电夹盘表面或基片W（主要指表面材料为介质的基片）表面的电荷得以释放。在此后的t13时刻，将直流电压降为0，等待残余静电力的彻底释放。判定参与静电力是否彻底释放的标准是氦气漏率连续数秒不小于一定值。例如，如附图1b所示，从t14到t15时刻氦气连续超过一定阈值，则认为基片W已经去夹持，此后腔室外部的机械手则得到指令进入腔室预将基片W从静电夹盘之上移除出腔室外。
然而，在上述去夹持过程中，如果所施加的反向直流电压不够高或者时间过短，会使静电夹盘表面或基片W表面的介质层的残余电荷难以释放完全从而导致去夹持附时间变长甚至难以去夹持。如果所施加的反向直流电压过高或时间过长，则会使基片W被反向吸住，同样会造成去夹持附时间变长或难以去夹持。随着静电夹盘使用时间的增加，其表面会发生老化，即粗糙度、表面材料的成分、结构等特性发生改变，从而导致其电性变化。通常，这种变化会导致制程工艺主制程步骤结束后残余电荷的释放过程会随其使用历史的不同而不同。因此，不同的制程工艺中的主制程步骤不同、静电夹盘的使用历史不同都会造成去夹持附步骤中反向电压的大小及时间的设定难以最优化。
基于此，本发明提出了一种改进的基片去夹持机制。需要说明的是，下文将结合等离子体处理腔室（典型地为刻蚀机台）对本发明的基片去夹持机制进行说明。但是，本领域技术人员应当理解，本发明也适用于化学气相沉积机台等一切需要夹持和去夹持基片的设备。
图2是根据本发明一个具体实施例的等离子体处理腔室的结构示意图。等离子体处理腔室200具有一个处理腔体201，处理腔体201基本上为柱形，且处理腔体侧壁基本上垂直，处理腔体201内具有相互平行设置的上电极（未示出，设置于气体喷淋头203中）和下电极（未示出，设置于基台206中）。反应气体从气体源202经过管道输送到腔体201上部连接的气体喷淋头203。通常，在上电极与下电极之间的区域为处理区域，该区域将形成高频能量以激发反应气体，产生和维持等离子体。在静电夹盘上方放置待要加工的基片W，该基片W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。其中，所述静电夹盘用于夹持基片W。反应气体从气体源202中被输入至处理腔体201内，一个或多个射频电源可以被单独地施加在下电极上或同时被分别地施加在上电极与下电极上，用以将射频功率输送到下电极上或上电极与下电极上，从而在处理腔体102内部产生大的电场。大多数电场线被包含在上电极和下电极之间的处理区域内，此电场对少量存在于处理腔体201内部的电子进行加速，使之与输入的反应气体的气体分子碰撞。这些碰撞导致反应气体的离子化和等离子体的激发，从而在处理腔体201内产生等离子体。反应气体的中性气体分子在经受这些强电场时失去了电子，留下带正电的离子。带正电的离子向着下电极方向加速，与被处理的基片中的中性物质结合，激发基片加工，即刻蚀、淀积等。在等离子体处理腔室200的合适的某个位置处设置有排气区域，排气区域与外置的排气装置（例如真空泵泵208）相连接，用以在处理过程中将用过的反应气体及副产品气体抽出腔室。
其中，如图2所示，等离子体处理腔室200还包括设置于所述基台206内部的若干冷却气体通道207，其中通有冷却气体，冷却气体通道207在所述基台206和基片W之间设置有一个喷气孔207a，所述冷却气体能够通过喷气孔207a将冷却气体喷向基片W背面。
如图3和图4所示，所述等离子体处理腔室200还包括若干升举顶针，其可移动地设置于基台206内部，其能够穿过基台206顶部静电夹盘212顶层的绝缘层204，并且进一步提升至基片W背面，进而向上顶起基片W。在本实施例中，等离子体处理腔室200设置了三个升举顶针，分别为第一升举顶针213a、第二升举顶针213b以及第三升举顶针213c。需要说明的是，本实施例的升举顶针个数并不视为对本发明的限制，升举顶针的数目可以以实际操作中的需要进行设定。
其中，所述静电夹盘212位于所述基台206的上部，其最上层设置有一绝缘层204，在所述绝缘层中设置有一电极205，其中，所述电极205分别连接有一直流电源和一交流电源。其中，如图2所示，所述直流电源和交流电源设置于电源装置209中，下文相关部分会对电源装置209的各种连接结构进行详细说明。
进一步地，在所述基台206下方还设置有一冷却气体供应装置210，所述冷却气体供应装置210通过至少两个连接通道连接于所述冷却气体通道。其中，两个连接通道分别用于往冷却气体供应装置210回收冷却气体，以及向冷却气体通道供应冷却气体，从而实现冷却气体供应装置210向所述冷却气体通道循环供应冷却气体。典型地，在本实施例中，所述冷却气体包括氦气。
进一步地，在所述基台206下方还设置有一提升装置214，其连接于第一升举顶针213a、第二升举顶针213b以及第三升举顶针213c，并提升所述第一升举顶针213a、第二升举顶针213b以及第三升举顶针213c使得所述升举装置接触于所述基片W背面，从而带动所述基片W向上移动。典型地，在本实施例中，所述提升装置214包括气泵等。
需要说明的是，不论是冷却气体供应装置还是提升装置在现有技术中均已有成熟的技术支持，为简明起见，在此不再赘述。
进一步地，所述等离子体处理腔室200还设置有一控制装置211，其分别连接于电源装置209和冷却气体供应装置210以及提升装置214，从而控制直流电源和交流电源的施加，冷却气体的供应以及升举顶针的提升。
图5是根据本发明一个具体实施例的采用直流电源为等离子体处理装置去夹持的直流电源电压、氦气压力及其流量示意图。图5从上到下分别示出了三个坐标轴，其横坐标皆表示时间，纵坐标从上到下分别表示：直流电源205的电压值及其正负方向（Hv），氦气气压值(HePressure)，氦气流量值(He flow)。在等离子体刻蚀工艺中，基片W是通过一个高压直流电源205产生的静电吸引力固定在静电夹盘上的。通常，当基片W被传送至反应腔内设置的静电夹盘表面以后，如图5所示的t02时刻，在制程工艺开始的最初步骤之一是加一个低功率的射频信号，在腔体内产生等离子体从而产生电回路，然后给埋在静电夹盘陶瓷层内的电极205加一个足够大的直流高压，使得静电夹盘表面和基片W表面有静电力产生。当该静电力达到稳定后的t12时刻，再在基片W背面施加一定压力的氦气作为冷却气体。氦气的背压大小由制程工艺的需求决定，而使基片W吸附于静电夹盘表面的直流高压的大小则由氦气的背压决定。在制程工艺进行的整个过程中，施加于静电夹盘电极205上的直流高压一直保持，以抗衡由氦气背压给基片W带来的向上的压力。在制程工艺结束前的t22时刻，将氦气背压及施加于静电夹盘的直流高压同时降低，再将施加于电极205的直流高压反向，以使残留在静电夹盘表面或基片W（主要指表面材料为介质的基片）表面的电荷得以释放。
然后，如图5所示，本发明提供了一种将基片从静电夹盘表面去夹持的机制。具体地，在主刻蚀步骤结束后的去夹持步骤中只施加很短时间的反向直流电压，即如图所示的t22到t23阶段。在之后的t23到t26阶段施加一个小幅的交变电压，这样小幅的交变电压相当于对基片W施加一定频率的震荡力度，逐渐将残留于静电夹盘表面或基片W表面的电荷逐渐释放至0电位，直至判定去夹持成功。至于判定去夹持成功依然参考氦气漏率连续数秒不小于一定值。例如，如附图5所示，从t24到t25时刻氦气连续超过一定阈值，则认为基片W已经去夹持，此后腔室外部的机械手则得到指令进入腔室预将基片W从静电夹盘之上移除出腔室外。
按照本发明的去夹持机制，不论施加的反向直流电压是不够还是过度，静电夹盘表面的残余电荷都会随时间而减少以致被彻底中和掉，从而最终达到去夹持的目的。除此以外，本发明提供的去夹持机制还可以避免现有技术中由于基片W部分去夹持而产生的误判。
图6是根据本发明一个具体实施例的等离子体处理腔室的控制电路结构示意图。如图所示，所述控制电路209包括并联的双震开关2091和直流电源2092，其中，所述双震开关2091通过一控制信号a触发。其中，当双震开关2091的开关在图6所示位置时候是提供直流电压给电极205的。而当需施加交流电压给电极205时，双震开关2091通过直流电压2092改变大小和方向以及双震开关2091的开关摆动来实现。具体地，如图6所示的电源装置到底施加直流电压还是交流电压是由控制信号a来决定的。双震开关的结构和功能在现有技术中已有成熟的技术支持，为简明起见，不再赘述。
图7是根据本发明一个具体实施例的等离子体处理腔室的控制电路结构示意图，所述电源装置209包括一控制开关2093、直流电源2094、交流电源2095，其中所述控制开关2093的输出端连接于所述电极205，其两个输入端分别连接所述直流电源2094和交流电源2095。本发明通过控制开关2093连接输出端的不同来实现直流电压和交流电压的互相切换。
本发明第二方面提供了一种用于等离子体处理腔室200的基片去夹持方法，其中，所述去夹持方法包括如下步骤：
在基片W的主制程阶段结束以后，向等离子体处理腔室200的基台206中的电极205施加反向直流电压；
然后，向所述电极205施加交变电压，在上述过程中，持续对所述基片W背面供应冷却气体；
接着，当冷却气体漏率持续第一时间不小于预定阈值，则判定基片已经去夹持。
进一步地，所述反向直流电压的取值范围为200V～300V，施加反向直流电压的持续时间为3s～5s。
进一步地，所述交变电压为150v。
进一步地，所述交变电压施加的频率为0.1hz～1hz。需要说明的是交变电压的频率应在1～50Hz之间，其周期应大于静电夹盘介质层（即基台206最上层设置的绝缘层204）的电荷极化的弛豫时间，否则残留在静电夹盘介质表面的电荷来不及响应，无法实现去夹持。
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。此外，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求；“包括”一词不排除其它权利要求或说明书中未列出的装置或步骤；“第一”、“第二”等词语仅用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (13)

1.一种等离子体处理腔室，其中，包括：
一腔体；
基台，其设置于腔体下方，基片放置于所述基台表面；
设置于所述基台内部的若干冷却气体通道，其中通有冷却气体，所述冷却气体通道在所述基台和基片之间设置有一个喷气孔，所述冷却气体能够通过喷气孔将冷却气体喷向基片背面；
若干升举顶针，其可移动地设置于基台内部，能够向上顶起基片，
静电夹盘，位于所述基台的上部，其最上层设置有一绝缘层，在所述绝缘层中设置有一电极，
其中，所述电极分别连接有一直流电源和一交流电源。
2.根据权利要求1所述的等离子体处理腔室，其特征在于，在所述基台下方还设置有一冷却气体供应装置，所述冷却气体供应装置连接于所述冷却气体通道，用于向所述冷却气体通道供应冷却气体。
3.根据权利要求2所述的等离子体处理腔室，其特征在于，所述冷却气体包括氦气。
4.根据权利要求1所述的等离子体处理腔室，其特征在于，在所述基台下方还设置有一提升装置，其连接于升举顶针，并提升所述升举顶针使得所述升举装置接触于所述基片背面，从而带动所述基片向上移动。
5.根据权利要求4所述的等离子体处理腔室，其特征在于，所述提升装置包括气泵等。
6.根据权利要求1所述的等离子体处理腔室，其特征在于，所述电极连接有一电源装置。
7.根据权利要求6所述的等离子体处理腔室，其特征在于，所述电源装置包括并联的双震开关和直流电源，其中，所述双震开关通过一控制信号触发。
8.根据权利要求6所述的等离子体处理腔室，其特征在于，所述电源装置包括一控制开关、直流电源、交流电源，其中所述控制开关的输出端连接于所述电极，两个输入端分别连接所述直流电源和交流电源。
9.一种用于等离子体处理腔室的基片去夹持方法，其中，所述等离子体处理腔室包括权利要求1至8任一项所述的等离子体处理腔室，其中，所述去夹持方法包括如下步骤：
在基片的主制程阶段结束以后，向等离子体处理腔室的基台中的电极施加反向直流电压；
然后，向所述电极施加交变电压，在上述过程中，持续对所述基片背面供应冷却气体；
接着，当冷却气体漏率持续第一时间不小于预定阈值，则判定基片已经去夹持。
10.根据权利要求9所述的去夹持方法，其特征在于，所述反向直流电压的取值范围为200V～300V，施加反向直流电压的持续时间为3s～5s。
11.根据权利要求9所述的去夹持方法，其特征在于，所述交变电压为150v。
12.根据权利要求9所述的去夹持方法，其特征在于，所述交变电压施加的频率为0.1hz～1hz。
13.根据根据权利要求9所述的去夹持方法，其特征在于，所述冷却气体是氦气。
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