CN104752141A - 一种等离子体处理装置及其运行方法 - Google Patents

Abstract

一种等离子体处理装置，包括:反应腔，反应腔内包括一个基座，基座上设置有静电夹盘，待处理基片设置在所述静电夹盘上；一调节环围绕在所述静电夹盘外围，其中所述调节环包括一个固定环和一个位于固定环上方的移动环，其中：固定环围绕所述静电夹盘或基座，固定环上表面包括一个支持面，支持面上包括一个凹槽，所述移动环包括紧贴静电夹盘并位于待处理基片边缘下方的第一部分，所述第一部分具有第一高度的上表面，一个具有第二高度上表面的第二部分位于所述第一部分外围，所述移动环的第二部分下表面包括一个突出部与下方固定环上的凹槽位置匹配，一个驱动装置驱动所述移动环的第二部分在较低的第一位置和较高的第二位置间上下移动，其中在移动到第二位置时所述突出部下端仍然位于凹槽中。

Description

一种等离子体处理装置及其运行方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种应用于等离子体处理装置的调节环。 

背景技术

用于集成电路的制造的半导体处理工艺包括化学气相沉积工艺、和等离子体刻蚀工艺等，典型的如硅或绝缘材料氧化硅的刻蚀需要用到等离子刻蚀设备。如图1所示的等离子刻蚀设备，等离子刻蚀设备包括一个反应腔100，反应腔底部包括基座22，基座上连接有射频电源。基座上设置有静电夹盘21用于固定静电夹盘上方放置的待处理基片20。静电夹盘外围还包括一个均一性调节环，通过对调节环材料、形状甚至厚度的设计可以改善基片20边缘区域相对中性区域的处理均匀性。反应腔内与基片相对的顶部包括一个气体分布装置如气体喷淋头11，气体喷淋头连接到一个外部气源110。在等离子刻蚀中调节环的设计对基片处理效果起非常重要的作用，比如调节环材料选择不同，特别是导电特性的不同会导致馈入基座22中的射频功率分配到基片中心区域和边缘区域的比例不同，进一步的等离子分布也会不同；基片20边缘下表面与调节环10最内侧形成的间隙大小可以影响基片边缘背面区域聚合物沉积的量，同时也会影响基片20边缘区域的温度分布，也间接影响等离子处理效果；调节环厚度，特别是上表面高度会大幅影响反应气体的流向，比如调节环10的上表面高于待处理基片高度时反应气体沿基片表面向四周扩散，形成平流气体遇到调节环时，气流会被隆起的调节环抬升，反之如果调节环较低时气流也会下降，这些不同情况都会引起基片表面的气体分布不同。所以调节环10的设计综合影响了等离子处理中的等离子浓度分布、温度分布、气流分布等多种因素。 

在现有等离子处理腔中调节环10会被通入反应腔的反应气体腐蚀，所以调节环20中暴露于上方等离子体的上表面随着时间推移会慢慢变低，这样就会导致上述等离子浓度分布、温度分布、气流分布等因素也会随着时间变化 慢慢变化，这些因素的变化会导致等离子处理效果随时间偏移，经过长时间调试获得的处理参数隔段时间其处理效果会逐渐恶化。要彻底恢复原始状态需要更换原有形状的调节环，但是这样做不仅部件成本高昂，而且每次更换部件都需要非常繁复的验证和调试步骤来保证更换新部件后反应腔内的各项指标与更换前相同，时间成本也非常大。为了解决这一问题现有技术KR20080023569中采用了可整体升降的调节环，在需要提高调节环上表面时驱动机构会抬升调节环的位置以匹配不同的处理参数。但是这种方式确不可避免的带来很多问题：在升到较高位置时调节环底部表面和下方部件上表面之间产生很宽的空隙，由于调节幅度的需要，这个空隙高度往往大于1mm，所以基片边缘的等离子体可以沿着缝隙进入该空隙，或者反应气体流入该空隙后会被射频电场点燃形成等离子体，这些底部形成的等离子体不仅会腐蚀周围部件还会形成污染物颗粒影响处理效果。同时在调节环逐渐抬升过程中，调节环底部表面与下方接触面脱离时会由于电场分布急剧变化而产生放电（arcing）这不仅会损耗部件而且会严重影响基片处理效果，需要避免。 

所以业界需要一种新的设计，该设计既能灵活设置调节环各项参数而且能防止等离子体流入调节环缝隙，也能防止放电现象产生的新的调节环。 

发明内容

本发明解决的问题是提供一种等离子处理装置，能够补尝因调节环被损耗而造成的等离子处理效果偏移，同时防止等离子进入部件之间产生的缝隙以及放电现象的发生。为解决上述问题，发明人提供了一种一种等离子体处理装置，包括：反应腔，反应腔内包括一个基座，基座上设置有静电夹盘，待处理基片设置在所述静电夹盘上；一调节环围绕在所述静电夹盘外围，其中所述调节环包括一个固定环和一个位于固定环上方的移动环，其中：固定环围绕所述静电夹盘或基座，固定环上表面包括一个支持面，支持面上包括一个凹槽，所述移动环的底面与所述固定环的支持面匹配，所述移动环包括紧贴静电夹盘并位于待处理基片边缘下方的第一部分，所述第一部分具有第一高度的上表面，一个具有第二高度上表面的第二部分位于所述第一部分外围，所述移动环的第二部分下表面包括一个突出部与 下方固定环上的凹槽位置匹配，一个驱动装置驱动所述移动环的第二部分在较低的第一位置和较高的第二位置间上下移动，其中在移动到第二位置时所述突出部下端仍然位于凹槽中。移动环移动到第二位置时移动环下表面和固定环支持面之间存在间隙。 

其中移动环的突出部和凹槽具有垂直的侧壁，且在移动到第二位置时所述突出部侧壁与凹槽内侧壁的间距小于1mm，这样能够保证在升降过程中等离子不会泄露，也能够防止移动环的电势突变产生放电。 

移动环的第一部分和第二部分可以同步升降，其中第一部分也可以固定在下方的固定环上使第一部分与基片下表面具有稳定的间距。 

第一部分和第二部分之间还包括过渡部分，过渡部分的上表面在第一高度和第二高度之间逐渐变化。 

调节环由石英或者碳化硅或者氧化铝制成以实现对电场分布的调节。 

所述驱动装置包括一个驱动杆穿过所述固定环连接到移动环，所述驱动杆下端连接到一个用于使驱动杆上下可控移动的电机或者气缸。 

本发明还提供了一种所述等离子体处理装置的运行方法，其特征在于，多次完成对所述待处理基片的等离子处理后，所述驱动装置驱动所述移动环的第二部分上升，使移动环第二部分的上表面相对基片表面具有固定的高度差。这样就能保证等离子处理效果的长期稳定。 

附图说明

图1是现有技术半导体处理装置的结构示意图； 

图2a是本发明调节环在第一位置时的截面图； 

图2b是本发明调节环在第二位置时的截面图； 

图3是本发明调节环第二实施例的截面图。 

具体实施方式

请参考图2a，2b理解本发明方案，图2a所示为图1中A处的放大结构图，本发明调节环10包括位于底部的第一固定环102和围绕在第一固定环102外侧的第二固定环103。还包括一个暴露到反应腔内等离子体的顶部可移动环101，可移动环围绕在围绕静电夹盘或基座的侧壁，可移动环包括靠近静电夹盘的第一部分具有较小的第一厚度，保证基片20下表面和移动环上表面具有足够的间隙。可移动环101在远离静电夹盘处的具有较大的第二厚度第二部分，其上表面直接暴露于上方的等离子体。可移动环在靠近和远离静电夹盘的两端之间还包括一个过渡部分，其厚度在第一厚度和第二厚度之间逐渐向外侧升高。其中第一固定环102内还包括一个卡槽，上方的可移动环下表面相应位置处延伸出一个突出部104伸入所述卡槽。可移动环固定到一个驱动装置105，驱动装置可以驱动可移动环上下运动，图2a为可移动环位于最低位置时的截面图。如图2b所示驱动装置105使可移动环101上升时其底面脱离了下方固定环102、103的上表面，但是突出部104仍然有部分处于凹槽中，突出部的侧壁与凹槽内壁接触或者紧贴，确保不会有等离子泄露进入由于移动环抬升而形成的空间内。第一部分内侧面与静电夹盘侧壁紧贴（间距小于1mm）也能保证等离子体不会泄露。突出部104不会完全脱离凹槽可以确保101与下方102始终保持接触这样两者之间的电势不会突变也就不会产生放电现象（arcing）。图2中的凹槽为侧面截面，实际凹槽在平面上为圆环状围绕整个静电夹盘分布，或者也可以是多个互相分离的小凹槽，这些小凹槽一起构成移动环11和固定环102之间的本发明咬合结构。 

在部分应用场合，位于基片投影下方的调节环高度要求固定，以确保温度分布的稳定，所以最靠近静电夹盘的调节环不能随驱动机构同步移动。本发明提出了第二实施例，如图2b所示，本发明调节环10中的移动环101被分割成内侧的固定调节环的101a和位于外侧的可移动调节环101b。第二实施例中101b在位于最低位置时与图2a所示的结构相同，在101b向上升时，突出部104靠近静电夹盘的内侧侧壁紧贴固定调节环101a外侧侧壁，这些紧贴的垂直侧壁的宽度会使进入该缝隙的等离子碰撞侧壁后熄灭无法近一步向下泄露。 

本发明驱动装置105除了图2-图3中所示的可以固定到移动调节环101侧壁也可以固定在移动调节环底部，其支撑部穿过下方的固定环102或者103中穿设的孔洞。驱动装置105与反应腔外部的驱动电机或者气缸向连结，实现对移动调节环101位置的修正。本发明等离子处理装置在运行中可以根据不同加工工艺的需要自动调节可移动调节环101的高度，实现最佳的处理效果，也可以在运行一段时间后根据处理效果偏移的程度微量提升可移动调节环，以补偿由于调节环顶部被腐蚀产生的问题。 

本发明所述的调节环10可以由石英、碳化硅、氧化铝等陶瓷材料制成，也可以在上述材料中混入其它元素或化合物以调节其导电导热特性，或者改善调节环的坚固程度。固定环102、103与移动调节环101可以选择相同或者相近的材料，不同的材料并不影响本发明的实现。固定环102、103可以直接固定在基座向外周方向的延伸部上（图中未示出），也可以间接通过其它固定的环状部件坐落在基座向外的延伸部上。本发明中固定环102、103也可以集成为一个部件，或者为了其它目的需要分隔成更多不同的固定环，只要在移动环的突出部104对应位置处存在匹配的垂直凹槽就能实现本发明目的。本发明调节环10外周围还可以设置其他的边缘环以进一步调节电场分布，这些边缘环的内侧壁和移动环101的外侧壁互相紧贴以防止等离子移动环升起时进入移动环与下方固定环之间的间隙。移动环的下表面也可以再设置一个突出部，该突出部靠近边缘环，相应的下方的固定环103上表面也要设置一个凹槽，这样的双咬合结构能够更有效的防止放电现象产生也能防止等离子泄露如移动环与固定环之间的间隙。 

在应用本发明调节环的等离子处理装置中，可以进行多次等离子处理，然后根据调节环上表面损耗的速度相应抬升移动环101的高度，使得移动环上表面相对于静电夹盘上的基片具有固定的位置关系，从而使得气流分布长期稳定。本发明调节环由于具有可升降的上表面结构所以可以长期维持等离子处理效果的稳定，而不需要频繁的更换新的固定调节环。 

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。 

Claims (9)

1.一种等离子体处理装置，包括：

反应腔，反应腔内包括一个基座，基座上设置有静电夹盘，待处理基片设置在所述静电夹盘上；

一调节环围绕在所述静电夹盘外围，其中所述调节环包括一个固定环和一个位于固定环上方的移动环，其中：

固定环围绕所述静电夹盘或基座，固定环上表面包括一个支持面，支持面上包括一个凹槽，所述移动环的底面形状与所述固定环的支持面匹配，所述移动环包括紧贴静电夹盘并位于待处理基片边缘下方的第一部分，所述第一部分具有第一高度的上表面，一个具有第二高度上表面的第二部分位于所述第一部分外围，所述移动环的第二部分下表面包括一个突出部与下方固定环上的凹槽位置匹配，

一个驱动装置驱动所述移动环的第二部分在较低的第一位置和较高的第二位置间上下移动，其中在移动到第二位置时所述突出部下端仍然位于凹槽中。

2.如权利要求1所述等离子体处理装置，其特征在于，所述移动环的突出部和凹槽具有垂直的侧壁，且在移动到第二位置时所述突出部侧壁与凹槽内侧壁的间距小于1mm。

3.如权利要求1所述等离子体处理装置，其特征在于，所述移动环的第一部分和第二部分同步升降。

4.如权利要求1所述等离子体处理装置，其特征在于，所述移动环的第一部分固定在所述固定环上方。

5.如权利要求1所述等离子体处理装置，其特征在于，所述第一部分和第二部分之间还包括过渡部分，过渡部分的上表面在第一高度和第二高度之间逐渐变化。

6.如权利要求2所述等离子体处理装置，其特征在于，所述移动环移动到第二位置时移动环下表面和固定环支持面之间存在间隙。

7.如权利要求1所述等离子体处理装置，其特征在于，所述调节环由石英或者碳化硅或者氧化铝制成。

8.如权利要求1所述等离子体处理装置，其特征在于，所述驱动装置包括一个驱动杆穿过所述固定环连接到移动环，所述驱动杆下端连接到一个用于使驱动杆上下可控移动的电机或者气缸。

9.一种如权利要求1所述等离子体处理装置的运行方法，其特征在于，多次完成对所述待处理基片的等离子处理后，所述驱动装置驱动所述移动环的第二部分上升，使移动环第二部分的上表面相对基片表面具有固定的高度差。