CN104733275B - 等离子体工艺设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种等离子体工艺设备，包括腔室、上电极、下电极、绝缘环与金属环；所述绝缘环围绕在工艺过程中置于所述下电极的上表面上的基片与所述下电极的周围；所述金属环围绕在所述绝缘环的周围，所述金属环接地，达到减弱工艺过程中边缘效应的影响。

Description

等离子体工艺设备

技术领域

本发明涉及半导体设备制造领域，特别是涉及一种利用等离子体进行刻蚀的工艺设备。

背景技术

现有技术中，等离子体设备被广泛的应用与集成电路制造领域中。在半导体芯片制程中，各种导电层、介质层、半导体膜层材料的生长，去除都要用到等离子体工艺。

各种薄膜的生长过程一般利用物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，PVD）、等离子体化学气相沉积（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD）工艺。

在薄膜层的去除中一般会用到等离子体刻蚀工艺（Plasma etch），刻蚀工艺如果细分的话，可分为单纯的离子刻蚀和化学刻蚀。离子刻蚀主要指重离子在电场的加速下，轰击基底上的薄膜达到去除的目的。化学刻蚀是化学气体在等离子体的作用下离化分解，并与基底上的薄膜发生化学反应，达到去除薄膜的目的。

等离子体的产生一般有两种，一种是采用电感耦合放电的模式产生的等离子体（Inductive Couple Plasma，ICP）；一种是电容耦合等离子体（Captive Couple Plasma，CCP）。有时候，两种放电模式也可以结合在一起使用，例如在典型的刻蚀系统中，采用ICP系统作为等离子体源（SRF），产生高密度等离子体，采用CCP的偏压等离子体系统（BRF），控制等离子体的轰击的方向。

请参阅图1所示，其为现有技术的等离子体工艺设备的示意图，在刻蚀系统100中，腔室101与介质窗102共同构成等离子体的反应腔，其中腔室101上预留进气口103与排气口104，利用射频电源105驱动平面型天线106将射频能量通过电感耦合方式馈入到腔室101内，产生等离子体。偏压射频电源108通过平板型基座107，以电容耦合方式将能量到耦合到腔室101内，以产生射频偏压，控制等离子体的方向。

刻蚀工艺过程中，等离子体中的离子在偏压电场的加速下，不断的轰击基片109，从而产生刻蚀作用。有时，为了达到某种刻蚀效果，在等离子体中加入各种化学性气体，从而加速刻蚀反应进程，控制刻蚀形貌。

在刻蚀系统100中，射频偏压电源所连接的基座107一般都为平板结构，因此在刻蚀过程中，边缘的刻蚀速率偏快，会影响整个基片109的刻蚀均匀性，称为边缘效应。因为边缘处的电场发生畸变，从而使得边缘的电场强度变大，从而使得离子轰击能量加大，从而影响整体的刻蚀速率。边缘效应在各种具有电容耦合放电模式的等离子体设备中都有体现，比如PVD、PECVD等。

在生产中为了避免边缘效应造成的影响，一般会将基片109的边缘作废，从而去除边缘效应的影响。这样操作并不利于产量的提升，而且也会造成浪费，所以对于边缘效应的处理，也显得尤为重要，尤其是在大规模的生产中。

请参阅图2所示，其为现有技术的使用绝缘环的等离子体工艺设备的示意图，一般构成如图所示，等离子体工艺设备200由腔室201、上电极202、下电极207与绝缘环208。

在腔室201上留有进气口203和排气口204，保证了等离子体工艺进行的真空及反应环境。在现有PVD、PECVD、Etch等等离子体工艺设备中，上电极202为等离子体源，等离子体源的构成可以是ICP源、微波等离子体源、CCP源，也可以是接地的平板电极等。下电极207以电容耦合放电模式存在，且作为偏压电极使用，并对应于上电极202。

产生射频偏压的下电极207由射频电源205通过匹配网络206相连接，射频电源205将射频能量通过下电极207耦合到腔室201中，并产生一个指向平板电极的下电极207的负偏压，电场方向Ebias与下电极207的上表面垂直，并指向下电极207的电极表面。

请参阅图3所示，其为图2中绝缘环位置的局部示意图，基片209、下电极207及绝缘环208的相对位置如图3所示，为了解决边缘效应的问题，一般是调节下电极207的外周壁上台阶的长度L和H，和基片209边缘距绝缘环208的距离d来实现。

通过调节以上三个参数，可以实现对边缘电场的调节，从而减弱边缘效应。一般在设计中d值将由等离子体密度、等离子体鞘层厚度、离子的德拜长度等因素确定。但这种方式在边缘电场改善方面，效果有限，使得边缘处电场依然较强，使得工艺的均匀性相对较差。

本发明致力于提供一种改善边缘电场的方法，以期减小边缘效应产生的影响。

发明内容

基于此，有必要提供一种改善边缘电场的等离子体工艺设备。

本发明的一种等离子体工艺设备，包括腔室、上电极、下电极、绝缘环与金属环；

所述绝缘环围绕在工艺过程中置于所述下电极的上表面上的基片与所述下电极的周围；

所述金属环围绕在所述绝缘环的周围，所述金属环接地。

作为一种可实施方式，在所述绝缘环的外周壁的上部设置台阶；

所述金属环放置在所述台阶上。

作为一种可实施方式，所述的等离子体工艺设备还包括支撑架，所述支撑架将所述金属环定位在所述绝缘环的周围；

所述绝缘环与所述金属环处于同一平面上。

作为一种可实施方式，所述支撑架为绝缘材料；

基片、所述下电极与所述绝缘环置于所述支撑架上。

作为一种可实施方式，所述金属环通过金属线接地。

作为一种可实施方式，所述金属线直接接地，或者所述金属线与所述腔室相连，所述腔室接地。

作为一种可实施方式，所述支撑架为金属材料。

作为一种可实施方式，所述支撑架接地。

作为一种可实施方式，所述金属线的数量为多条。

作为一种可实施方式，所述金属线与所述腔室相连，所述腔室多点接地。

与现有技术比较本发明的有益效果在于：本发明中的接地的金属环改变电场的分布，减弱边缘处偏压强度，从而减弱工艺过程中边缘效应的影响，实现加工工艺的均匀性，避免基片边缘损失。

附图说明

图1为现有技术的等离子体工艺设备的示意图；

图2为现有技术的使用绝缘环的等离子体工艺设备的示意图；

图3为图2中绝缘环位置的局部示意图；

图4为本发明的等离子体工艺设备的实施例一的示意图；

图5为图4中绝缘环和金属环位置的局部示意图；

图6为本发明的等离子体工艺设备的实施例一（不含上电极）的俯视示意图；

图7为增加接地的金属环后基片改善边缘效应的效果对比图；

图8为本发明的等离子体工艺设备的实施例二的示意图；

图9为本发明的等离子体工艺设备的实施例三的示意图。

具体实施方式

为了解决边缘效应对基片均匀性产生影响的问题，提出了一种等离子体工艺设备来实现加工工艺的均匀性。

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

请参阅图4所示，其为本发明的等离子体工艺设备的实施例一的示意图，等离子体工艺设备400包括腔室401、上电极402、下电极407、绝缘环408与金属环411。

工艺开始时，基片409置于下电极407的上表面上。绝缘环408围绕在工艺过程中置于下电极407的上表面上的基片409与下电极407的周围。

金属环411围绕在绝缘环408的周围，金属环411接地。通过这种方式，改变腔室401内基片409边缘的电场分布，减小边缘效应，提高了产生射频偏压的下电极407表面电场分布的均匀性。

在腔室401上留有进气口403和排气口404，保证了等离子体工艺进行的真空及反应环境。下电极407对应上电极402，上电极402作为等离子体源，等离子体源的构成可以是ICP源、微波等离子体源、CCP源，也可以是接地的平板电极等。

产生射频偏压的下电极407由射频电源405通过匹配网络406相连接，射频电源405将射频能量通过下电极407耦合到腔室401中，并产生一个指向平板电极的下电极407的负偏压，电场方向E’bias与下电极407的上表面垂直，并指向下电极407的电极表面。

本发明改变基座边缘电场分布的方法，在绝缘环408的周围增加一个接地的金属环形结构，来改变电场的分布，并且减弱工艺过程中边缘效应的影响。

请参阅图5所示，其为图4中绝缘环和金属环位置的局部示意图，在绝缘环408的外周壁的上部设置台阶；金属环411放置在台阶上。

请参阅图6所示，其为本发明的等离子体工艺设备的实施例一（不含上电极）的俯视示意图，金属环411通过金属线412接地。金属线412直接接地，或者金属线412与腔室401相连，腔室401接地。

本实施例一中，金属环411通过多条金属线412连接至腔室401，并提供多点接地，以满足射频的要求。金属线412的数量不限于四条。

实际应用中，可根据工艺的要求对金属环411及金属线412的表面进行必要的表面处理，或者利用内衬等进行遮挡。

请参阅图7所示，其为增加接地的金属环后基片改善边缘效应的效果对比图，利用接地的金属环411改变边缘电场的分布，可以达到减弱边缘处偏压强度的目的，使得边缘效应进一步弱化，基片409表面的受到偏压场的均匀性进一步提高。

本实施例一中利用300mm的基片作为处理与观察对象，将图2中现有技术与增加接地环之后的场强进行HFSS模拟对比，增加接地的金属环411之后，基片409的中间区域场强基本不变（半径75mm范围），靠近边缘处的偏压产生的场强，确实有弱化的趋势（半径75mm～145mm区间），使得基片409的表面受到的电场强度的均匀性较未增加接地的金属环411之前有很大改观。因此，本发明对于基片409边缘效应具有显著的效果，可以改善下电极407边缘区域的电场分布。

作为一种可实施方式，等离子体工艺设备100还包括支撑架413，支撑架413将金属环411定位在绝缘环408的周围，基片409围在绝缘环408的中间，绝缘环408与金属环411处于同一平面上。

接地的金属环411在腔室401内的连接与放置方式一般有两种方式，一种是通过与电极外的绝缘环408相结合，并通过金属线412与地相接，或者与腔室401相连，直接接地，但实际的设计应用中并不限于此两种方式。

请参阅图8所示，其为本发明的等离子体工艺设备的实施例二的示意图，支撑架413为绝缘材料，基片409、下电极407与绝缘环408置于支撑架413上。

此时，金属环411也置于支撑架413上。金属环411通过金属线412接地。金属线412直接接地，或者金属线412与腔室401相连，腔室401接地。

作为一种可实施方式，金属线412的数量为多条。

作为一种可实施方式，金属线412与腔室401相连，腔室401多点接地。

请参阅图9所示，其为本发明的等离子体工艺设备的实施例三的示意图，支撑架413为金属材料，金属环411置于支撑架413上。支撑架413接地，支撑架413可以直接接地，或者与腔室401相连，腔室401接地。

本发明在电容耦合放电时，可以改善平面型基板边缘处场强的分布，可以通过增加接地的金属环，减小边缘效应造成的基片边缘损失。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种等离子体工艺设备，包括腔室、上电极与下电极，其特征在于，还包括绝缘环与金属环；

所述绝缘环围绕在工艺过程中置于所述下电极的上表面上的基片与所述下电极的周围；

所述金属环围绕在所述绝缘环的周围，所述金属环接地，用于改变所述基片边缘的电场分布。

2.根据权利要求1所述的等离子体工艺设备，其特征在于，在所述绝缘环的外周壁的上部设置台阶；

所述金属环放置在所述台阶上。

3.根据权利要求1所述的等离子体工艺设备，其特征在于，还包括支撑架，所述支撑架将所述金属环定位在所述绝缘环的周围；

所述绝缘环与所述金属环处于同一平面上。

4.根据权利要求3所述的等离子体工艺设备，其特征在于，所述支撑架为绝缘材料；

基片、所述下电极与所述绝缘环置于所述支撑架上。

5.根据权利要求2或4所述的等离子体工艺设备，其特征在于，所述金属环通过金属线接地。

6.根据权利要求5所述的等离子体工艺设备，其特征在于，所述金属线直接接地，或者所述金属线与所述腔室相连，所述腔室接地。

7.根据权利要求3所述的等离子体工艺设备，其特征在于，所述支撑架为金属材料。

8.根据权利要求7所述的等离子体工艺设备，其特征在于，所述支撑架接地。

9.根据权利要求6所述的等离子体工艺设备，其特征在于，所述金属线的数量为多条。

10.根据权利要求6所述的等离子体工艺设备，其特征在于，所述金属线与所述腔室相连，所述腔室多点接地。