CN105990085B - 等离子体刻蚀设备、聚焦环及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等离子体刻蚀设备、聚焦环及其制作方法，本发明在聚焦环的环状主体内部设置一电阻率较小的内置环，整体上降低了聚焦环的电阻率，使得基座在聚焦环上表面耦合的射频功率增强，故集中在基片边缘及侧面的电势强度相对变弱，使得基片上表面边缘及侧壁的电势场与基片中心区域的电势场均衡，调节了基片表面电场分布的均匀性。采用本发明的技术方案可以大大降低研发制作低电阻率聚焦环的成本和周期，同时设置内置环的形状不同可以调节基片上方不同的电场分布。

Description

等离子体刻蚀设备、聚焦环及其制作方法

技术领域

本发明涉及半导体制造设备及其内部器件，尤其涉及一种等离子体处理过程中调节电场均匀分布的部件及其制作方法。

背景技术

利用反应气体处理基片的设备，如等离子体刻蚀设备中，反应气体在反应腔内解离成等离子体对基片进行工艺处理，随着基片的尺寸逐渐变大，处理工艺的精度要求不断提高，基片处理的均匀程度成为衡量一台等离子体刻蚀设备合格与否的关键参数。

等离子体刻蚀设备根据解离反应气体的方式不同分为电感耦合等离子体刻蚀设备和电容耦合等离子体刻蚀设备，电容耦合等离子体刻蚀设备通过将射频功率施加到一对大致平行的上下电极，以在上下电极之间形成均匀的电场。通常作为上电极的部件为输送反应气体进入反应腔的气体分布板，作为下电极的部件为支撑基片的基座。等离子体刻蚀反应室内的工作原理是气体分布板向真空反应室中通入反应气体，反应气体在所述上电极和所述下电极之间的电场的作用下被点燃成为等离子体，上下电极间的电场同时用于维持等离子体，并决定等离子体的分布状态。

在等离子体刻蚀设备内，施加到基座上的射频功率产生的高频电场分布为中间强度较大分布较均匀，外边强度较小分布不均匀，由于电场的分布不均匀导致等离子分布也是中间浓度高边缘浓度低。为此，现有技术考虑环绕基座外围设置一聚焦环。参见图1，图1中的纵坐标表示等离子体密度，横坐标表示晶圆的水平方向坐标，其中的虚线表示设有聚焦环时的等离子体浓度分布，实线表示未设聚焦环时等离子体浓度分布，因此，根据图1可知不设置聚焦环时会导致等离子体对基片进行刻蚀工艺时，基片表面的等离子体密度分布呈中央多、边缘少的分布曲线，使基片表面的等离子体密度分布的均匀度较差，无法满足较高制程要求的基片蚀刻工艺。当聚焦环套设在基片外侧，将等离子体的分布边缘延展到聚焦环的外侧壁缘，增大了等离子体的分布范围，展宽了基片表面上等离子体的密度分布曲线。使基片表面上等离子体的密度分布趋向平缓，基片表面上的等离子体密度分布更加均匀化。

由于聚焦环在真空反应室内会直接接触等离子体，因此，需要采用耐等离子体腐蚀的材料，通常聚焦环是通过气相沉积的方法将化学反应生成的碳化硅沉积成一定的形状，然后根据具体使用条件，将呈一定形状的碳化硅进行机械加工生成聚焦环。这个过程中，参与气相沉积的原材料配比是经过多次实验后固定的，因此制作出的碳化硅聚焦环的属性，如电阻率等参数也是固定的。但是对等离子体刻蚀设备来说，固定的电阻率对不同的刻蚀设备并不总是适用，当需要较低电阻率的聚焦环或较高电阻率的聚焦环时，由于需要改变参与气相沉积的原材料配比，需要重新进行多次实验重新确定原材料配比，周期长，耗费高。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于等离子体刻蚀设备的聚焦环，所述聚焦环环绕设置在基片的外侧，所述聚焦环和所述基片一起置于等离子体刻蚀设备基座上方；所述聚焦环包括一环状主体和一设置在环状主体内部的内置环，所述内置环的电阻率低于所述环状主体的电阻率。

可选的，所述内置环的材料为石墨、氮化铝、氧化铝中的一种或几种的混合物。

可选的，所述内置环的材料为掺杂电阻率低于碳化硅电阻率材料的碳化硅。

可选的，所述内置环的形状为环形平板状。

可选的，所述聚焦环的环状主体包括两大致平行的上表面及连接两上表面的倾斜面，所述内置环包括一与至少一上表面平行的环状平板部分和与所述倾斜面大致平行的倾斜环状部分。

可选的，所述内置环包括与两个上表面平行的环状平板部分和连接所述环状平板部分的倾斜环状部分。

可选的，所述聚焦环包括一下表面，所述内置环距离所述下表面的距离大于0.5mm。

进一步的，本发明还公开了一种制作聚焦环的方法，所述方法包括下列步骤：制作一具有较低电阻率的内置环，将所述内置环放置在一化学气相沉积装置中，通入反应气体至所述化学气相沉积装置，使得所述内置环表面沉积一定厚度的碳化硅材料，加工所述碳化硅材料为所需聚焦环的形状，所述内置环距离所述聚焦环底面的距离大于0.5mm。

可选的，所述的内置环材料为石墨、氮化铝、氧化铝及掺杂电阻率低于碳化硅电阻率材料的碳化硅。

进一步的，本发明还公开了一种等离子体刻蚀设备，包括一支撑基片的基座，环绕所述基片外围设置一聚焦环，所述聚焦环包括一环状主体和一设置在环状主体内部的内置环，所述内置环的电阻率低于所述环状主体的电阻率。

本发明的优点在于：在聚焦环的环状主体内部设置一电阻率较小的内置环，整体上降低了聚焦环的的电阻率，使得基座在聚焦环上表面耦合的射频功率增强，故集中在基片边缘及侧面的电势强度相对变弱，使得基片上表面边缘及侧壁的电势场与基片中心区域的电势场均衡，调节了基片表面电场分布的均匀性。采用本发明的技术方案可以大大降低研发制作低电阻率聚焦环的成本和周期，同时设置内置环的形状不同可以调节基片上方不同的电场分布。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施方式所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1示出设置和不设置聚焦环时的等离子体浓度分布示意图；

图2示出采用高电阻率聚焦环时基片上方电场分布示意图；

图3示出一种实施例的聚焦环结构示意图；

图4示出采用本发明所述聚焦环时基片上方电场分布示意图；

图5示出另一种实施例的聚焦环结构示意图；

图6示出另一种实施例的聚焦环结构示意图。

具体实施方式

图2示出采用高电阻率聚焦环时基片上方电场分布示意图，图2显示了聚焦环所在的等离子体刻蚀设备的部分部件及其相对位置关系，与本发明技术方案无直接关联的部件在此不作描述。

在图2所示的等离子体刻蚀设备中，聚焦环150环绕基片130外侧设置，聚焦环150与基片130一起置于基座120上方。基座120连接射频电源140，射频电源140在基座120及基座120上方的上电极(图中未示出)之间形成电场分布，如图2箭头所示。现有技术中，聚焦环通常为碳化硅材料通过化学气相沉积工艺制作完成，而参与制作聚焦环150的原材料配比是经过多次实验后固定的，因此制作出的碳化硅聚焦环的电阻率等参数也是固定的。然而，固定电阻率的聚焦环并不总能适应于所有刻蚀机台和刻蚀工艺，例如，如果将一个具有高电阻率的碳化硅聚焦环150环绕设置在基片130外围，由于高电阻率材料通常具有较高的介电常数，因此，基座120在具有高电阻率的碳化硅聚焦环150表面耦合的射频功率减弱，导致基片130上表面边缘及侧壁的电势场变强，造成基片边缘刻蚀速率过快。

现有技术中聚焦环通常是通过气相沉积的方法将碳化硅沉积成一定的形状，并对其进行机械加工制作成所需的聚焦环。但是对等离子体刻蚀设备来说，固定的电阻率对不同的刻蚀设备并不总是适用，当需要较低电阻率的聚焦环或较高电阻率的聚焦环时，由于需要改变参与气相沉积的原材料配比，需要重新进行多次实验重新确定原材料配比，周期长，耗费高，因此制作聚焦环的供应商往往不同意制作，使得需要采用较低电阻率聚焦环的刻蚀机台或刻蚀工艺使用受到约束。

图3示出本发明提供的一种聚焦环结构示意图，所述聚焦环包括两大致平行的上表面1501和1502，以及连接上表面1501和1502的一倾斜面1503，聚焦环还包括一下表面1504，通过该下表面1504实现将聚焦环与基座120或基座120上方其他支撑部件的支撑接触。本发明中聚焦环包括一环状主体152和一设置在环状主体内部的内置环151，环状主体152的材料通常为碳化硅，可以通过气相沉积工艺生成，内置环151的材料可以为石墨、氮化铝、氧化铝等低电阻率材料中的一种或几种的混合物，或者掺杂有低电阻率材料的碳化硅材料；内置环151可以通过机械切割或其他方式制作。本实施例聚焦环的设计精髓在于，在环状主体152内部设置一电阻率较小的内置环151，由于内置环151的低电阻率特性，会使本发明聚焦环的电阻率相对于具有纯碳化硅的聚焦环的电阻率要低，从整体上降低了聚焦环的电阻率，且由于直接选取电阻率较小的材料制作一内置环，避免了重新进行多次实验重新确定制作聚焦环的原材料配比，节约了成本。

图4示出采用本发明所述聚焦环的等离子体刻蚀设备基片上方的电场分布示意图。由图4可知，设置较低电阻率的内置环151后，聚焦环由于整体的电阻率降低，基座120在聚焦环上表面耦合的射频功率增强，故集中在基片130边缘及侧面的电势强度相对变弱，使得基片130上表面边缘及侧壁的电势场与基片中心区域的电势场均衡，调节了基片表面电场分布的均匀性。

在图3所述的实施例中，内置环151的形状较佳的为环形平板状结构，其大致平行于聚焦环的上表面和下表面，且距离所述下表面的距离大于0.5mm。在图5所示的实施例中，内置环包括一与上表面1501大致平行的环状平板1511和与倾斜面1503大致平行的倾斜环状板1512，该本实施例的内置环可以在制作时通过机械切割或模具压制成该特定形状。在图6所示的实施例中，内置环151倾斜环状板1512另一端连接一与上表面1502大致平行的环状平板1513。上述实施例中内置环的形状略有不同，以便根据具体应用环境实现不同的电场分布。

进一步的，本发明公开了一种制作聚焦环的方法，所述方法包括下列步骤：

制作一具有较低电阻率的内置环，所述内置环的材料可以为石墨、氮化铝、氧化铝中的一种或几种的混合物或者掺杂有低电阻率材料的碳化硅材料；

将所述内置环放置在一化学气相沉积装置中，通入反应气体至所述化学气相沉积装置，使得所述内置环表面沉积一定厚度的碳化硅材料；

加工所述碳化硅材料为所需聚焦环的形状。

本发明虽然以较佳实施方式公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种用于电容耦合等离子体刻蚀设备的聚焦环，所述聚焦环环绕设置在基片的外侧，所述聚焦环和所述基片一起置于等离子体刻蚀设备基座上方；其特征在于：所述聚焦环包括一环状主体和一设置在环状主体内部的内置环，所述环状主体环由碳化硅制成，所述内置环的电阻率低于所述环状主体的电阻率，所述聚焦环的环状主体包括两大致平行的上表面及连接两上表面的倾斜面，所述内置环包括与两个上表面平行的环状平板部分和连接所述环状平板部分的倾斜环状部分。

2.根据权利要求1所述的聚焦环，其特征在于：所述内置环的材料为石墨、氮化铝、氧化铝中的一种或几种的混合物。

3.根据权利要求1所述的聚焦环，其特征在于：所述内置环的材料为掺杂电阻率低于碳化硅电阻率材料的碳化硅。

4.根据权利要求1所述的聚焦环，其特征在于：所述内置环的形状为环形平板状。

5.根据权利要求1所述的聚焦环，其特征在于：所述聚焦环包括一下表面，所述内置环距离所述下表面的距离大于0.5mm。

6.一种电容耦合等离子体刻蚀设备，其特征在于：包括一支撑基片的基座，环绕所述基片外围设置一如权利要求1-5中任一项所述的聚焦环。

7.一种制作聚焦环的方法，其特征在于：制作一具有电阻率低于碳化硅电阻率的内置环，将所述内置环放置在一化学气相沉积装置中，通入反应气体至所述化学气相沉积装置，使得所述内置环表面沉积一定厚度的碳化硅材料，加工所述碳化硅材料为所需聚焦环的形状，所述内置环距离所述聚焦环底面的距离大于0.5mm。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述的内置环材料为石墨、氮化铝、氧化铝及掺杂电阻率低于碳化硅电阻率材料的碳化硅。