CN106548914B - 一种等离子体处理设备及其清洗系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种等离子体处理设备及其清洗系统和方法，在反应腔室的腔壁内侧布置移动环，并在所述移动环内设置电极；所述电极通过切换开关与射频电源连通，从而在由移动环限定的等离子体扩散范围的边缘区域形成边缘等离子体；或者，所述电极通过切换开关与接地电路连通，从而对反应腔室的腔壁屏蔽形成在反应腔室内的射频电场。本发明能够增强腔室边缘部件的清洗效果，或者实现对腔壁的射频屏蔽以改善刻蚀偏心的效果。

Description

一种等离子体处理设备及其清洗系统和方法

技术领域

本发明涉及等离子体处理领域，特别涉及一种等离子体处理设备及其清洗系统和方法。

背景技术

等离子体处理设备，通过向真空反应腔室引入含有适当刻蚀剂或淀积源气体的反应气体，然后再对该反应腔室施加射频能量，以解离反应气体生成等离子体，用来对放置于反应腔室内的基片表面进行加工。

以进行蚀刻工艺的等离子体处理装置为例，如图1所示，通常在反应腔室10顶部用于引入反应气体的喷淋头30处设置第一电极，在反应腔室10内的底部用于承载及吸持基片的基座50下方设置第二电极，在所述第一电极或第二电极上施加射频功率，从而在反应腔室10内得到激发等离子体81所需的射频能量。

所述基座50位于反应腔室10的底部，在该基座50边缘的外侧设有聚焦环60（focusring），用于控制等离子体均一性。在基座50及聚焦环60的外侧设有约束环70（confinementring），用于控制反应气体的排出。该约束环70上方还可以设置覆盖环（cover ring，图中未示出），来阻挡等离子体对约束环70的侵蚀。所述喷淋头30外侧设置有接地环40。在该接地环40外侧设置有移动环20（moving ring），该移动环20沿反应腔室10的腔壁内侧布置，并延伸至约束环70的边缘外侧；以绝缘材料（例如石英）制成所述移动环20，用来约束等离子体的分布，并将反应腔室10的金属腔壁与等离子体隔开，以保护腔壁不受等离子体的侵蚀。

等离子体处理过程中产生的一些聚合物，会附着在反应腔室内的各装置上。通常在从反应腔室内取出完成处理的基片后，向反应腔室引入清洗用的蚀刻气体并将其解离生成清洗用的等离子体，用来对反应腔室的腔体及内部的各装置进行等离子体清洗，以去除附着的聚合物。

然而，由于第一电极、第二电极边缘处的场强会受边缘条件的影响，导致一部分电场线弯曲，造成电场边缘部分场强不均匀，使得等离子体受电场控制在反应腔室边缘的密度较低，难以形成足够的等离子体将腔室的边缘部件（诸如上述的移动环、约束环、覆盖环等）清洗干净，残余的聚合物会带来放电击穿（arcing）影响，或形成颗粒（particle）对后续的基片处理造成潜在污染的风险。

此外，由于保护腔壁的移动环由绝缘材料（如石英）制成，无法有效屏蔽射频电场。因此，虽然该移动环本身在腔室边缘的分布是对称的，但如果移动环外侧的金属腔壁不对称（例如由于腔壁一侧开设了方便机械手取放基片的通道开口），那么射频分布在移动环约束范围内便会呈现不对称，导致等离子体的分布不均匀，则在对基片进行工艺处理时会导致刻蚀的偏心。

发明内容

本发明的目的在于提供一种等离子体处理设备及其清洗系统和方法，在移动环内嵌入第三电极，并使其连接射频电源或接地，从而在反应腔室的边缘产生等离子体以增强腔室边缘部件的清洗效果，或者实现对腔壁的射频屏蔽以改善刻蚀偏心的效果。

为了达到上述目的，本发明的第一个技术方案是提供一种等离子体处理设备，其包含：

反应腔室，所述反应腔室内的顶部设有喷淋头，向反应腔室内引入清洗用或工艺处理用的反应气体；

所述反应腔室内的底部设有在工艺处理时承载基片的基座；一个第一电极设置在喷淋头，所述基座处设置有第二电极；

其特征在于，所述等离子体处理设备还包含：

沿反应腔室的腔壁内侧布置的移动环；

所述移动环中设置有第三电极，所述第三电极通过切换开关分别与射频电源或接地电路连通；

所述移动环中的第三电极通过连通第三射频电源形成的射频电场，激发引入反应腔室的清洗用反应气体，从而在由移动环限定的等离子体扩散范围的边缘区域得到边缘等离子体。

优选地，所述第三电极的主体嵌入在绝缘材料制成的移动环内；

通过馈通结构设置在反应腔室外表面的法兰盘，将延伸到反应腔室边缘的第三电极连接到反应腔室外部，使该第三电极与切换开关连接。

优选地，所述第一电极或第二电极中的一个电极接地，另一个电极与第一射频电源、第二射频电源连通。

优选地，所述第三射频电源的频率在13.56MHz~60MHz范围内，功率≤1000W。

优选地，所述反应腔内进一步包含靠近等离子体扩散范围的边缘区域的以下任意一种部件或其组合：

聚焦环，位于所述基座的外侧；

约束环，位于所述聚焦环的外侧；

覆盖环，位于所述约束环的上方。

优选地，在对等离子体处理设备内的基片进行工艺处理时，所述移动环内的第三电极接地，对所述腔壁屏蔽形成在反应腔室内的射频电场。

优选地，所述移动环在所述反应腔室内对称分布；

所述第三电极在移动环的圆周上的位置，对应于移动环外侧的腔壁上的不对称部位；

所述腔壁上的不对称部位包含在腔壁上开设的供机械手取放基片的通道开口。

优选地，所述移动环内设置有一个第三电极；或者，所述移动环内设置有在移动环的圆周上均匀分布的多个第三电极。

本发明的第二个技术方案是提供一种等离子体处理设备的清洗方法，在反应腔室内形成射频电场，对反应腔室内顶部喷淋头引入的清洗用反应气体进行激发，得到清洗用的等离子体用来对反应腔室内的部件进行清洗；

其中，形成所述射频电场的过程，包含：施加第一射频电场到所述反应腔室内顶部喷淋头的第一电极和位于反应腔室内底部的基座内的第二电极之间，以产生第一等离子体，同时使设置在移动环中的第三电极与第三射频电源连通，以产生第二等离子体；

其中，所述第二等离子体围绕所述第一等离子体，且位于由移动环限定的等离子体扩散范围的边缘区域。

本发明的第三个技术方案是提供一种等离子体处理设备的控制方法，包括等离子工艺处理步骤和等离子清洁步骤，

其中在等离子处理步骤中：

在反应腔室内形成射频电场，对反应腔室内顶部喷淋头引入的反应气体进行激发，得到的等离子体用来对反应腔室内的基片进行工艺处理；

其中，形成所述射频电场的过程，包含：连接第一射频电源到反应腔室内顶部喷淋头的第一电极或者反应腔室内底部基座的第二电极，同时连接第二射频电源到所述第二电极，以及使设置在反应腔室腔壁内侧的移动环中的第三电极接地；

由在反应腔室内均匀分布的移动环，对等离子体的扩散范围进行限定，从而对反应腔室的腔壁屏蔽形成在反应腔室内的射频电场，

在等离子清洁步骤中：

从反应腔室内顶部喷淋头引入清洁气体，

使设置在反应腔室内底部基座的第二电极与第一射频电源、第二射频电源连通，以及使移动环中的第三电极与到第三射频电源连通，形成的等离子体对反应腔内部进行清洁。

与现有技术相比，本发明在反应腔室的移动环内设置有第三电极，其优点在于：

本发明所述等离子体处理设备的清洗系统及其清洗方法，在清洗时开启连通第三电极的射频电源，在腔室边缘产生等离子体，增强腔室边缘部件的清洗效果。

本发明所述等离子体处理设备及其中等离子体的控制方法，在对基片进行刻蚀等工艺处理时，将第三电极接地，起到对腔壁进行射频屏蔽的效果。当移动环是均匀分布的结构时，对不对称的腔壁进行射频屏蔽，可保持反应腔室内形成的射频电场均匀分布，而使生成的等离子体均匀分布，对基片表面进行均匀的工艺处理，以避免原先对基片刻蚀偏心的问题。

本发明能够使第三电极在连通射频电源或接地的状态切换，以适应对腔室清洗或对腔壁射频屏蔽的不同情况。

附图说明

图1是现有等离子体处理设备的侧面剖视示意图；

图2是本发明中等离子体处理设备在一个示例中的侧面剖视示意图；

图3是本发明中等离子体处理设备在另一个示例中的俯视示意图。

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。

如图2所示，本发明提供的等离子体处理设备中，包含反应腔室10，其具有金属的腔壁，在刻蚀处理及清洗的过程中通常处于真空状态。

在反应腔室10的顶部设有喷淋头30将蚀刻处理的反应气体引入反应腔室10内；该喷淋头30处设置的第一电极接地；在所述喷淋头30外侧设置有接地环40。在反应腔室10内的底部设有基座50，用来对放置在该基座50上的基片进行承载及吸持。通过反应腔室10内形成的射频电场，将反应腔室10内的反应气体解离形成等离子体，对基片表面进行蚀刻等工艺处理。

所述基座50处设置有第二电极，施加有相隔一定频率的第一射频电源和第二射频电源，其中频率较高的第一射频电源（如 60MHz），用以控制反应气体中离子解离或等离子体密度；频率较低的第二射频电源（如 2MHz）用来引入偏压以控制入射到基片的离子能量和能量分布。

位于反应腔室10底部的所述基座50上，在该基座50边缘的外侧设有聚焦环60（focus ring），用于控制等离子体均一性。在基座50及聚焦环60的外侧设有约束环70（confinement ring），用于控制反应气体的排出；该约束环70上方还可以设置覆盖环（cover ring，图中未示出），来阻挡等离子体对约束环70的侵蚀。

在所述接地环40外侧设置有移动环20（moving ring），该移动环20沿反应腔室10的腔壁内侧布置，并向下延伸至约束环70的边缘外侧；以绝缘材料（例如石英）制成所述移动环20，用来对等离子体在反应腔室10内的扩散范围进行限定，并通过移动环20将等离子体与金属的腔壁相互隔开，以保护腔壁不受等离子体的侵蚀。

在移动环20内设置有金属的电极，作为第三电极90。第三电极90的主体嵌入在移动环20内，且至少在伸出到移动环20外的电极部分的外面包覆了陶瓷等绝缘材料制成的绝缘体91，并通过该绝缘体91使第三电极90延伸到反应腔室10的边缘（例如但不限于延伸到反应腔室10的顶部），再通过馈通结构（feed through）设置于反应腔室10外表面的法兰盘92，将第三电极90连接到反应腔室10外部。

在反应腔室10外部，通过一个切换开关切换，使第三电极90与一个第三射频电源93或与一个接地电路分别连接。当反应腔室10内在对基片进行刻蚀工艺时，使第三电极90与接地电路连通，此时，接地的第三电极90起到射频屏蔽的作用：即，基于该第三电极90及原先布置的第一电极、第二电极及施加的第一射频电源、第二射频电源的共同作用形成射频电场，通过接地的第三电极90使移动环20整体等电势，实现对移动环20外侧腔壁屏蔽射频电场的功能。由于所述移动环20在反应腔室10腔壁的内侧对称分布，因此形成的射频电场也是均匀分布的，由该射频电场激发生成的等离子体也能够均匀分布在基片表面，从而避免了原先不对称分布的腔壁导致对基片刻蚀偏心的问题。

当处理完的基片被取走，在反应腔室10内进行等离子体清洗时，使第三电极90与第三射频电源93连通，从而在腔室10的边缘区域（主要是在移动环20限定的等离子体扩散范围的边缘区域）增加射频电场的强度和分布，以便在该边缘区域产生更多的等离子体（称为边缘等离子体82）。通过边缘等离子体82对移动环20、覆盖环、约束环70等靠近边缘区域的部件进行清洗，从而避免聚合物堆积在这些部件上。同时，该反应腔室10内的其他部件，仍可以通过主要由第一电极、第二电极及施加的第一射频电源、第二射频电源形成的射频电场所生成的等离子体81来清洗。

优选的示例中，所述第三射频电源93的频率在13.56MHz~60MHz范围内，功率≤1000W。不同的示例中，该第三射频电源93与第一射频电源可以是不同的射频电源；或者两者是同一个射频电源，通过不同的线路分别连通到第二电极和第三电极90。该第三射频电源93可以通过一个匹配网络（match box）连接到第三电极90；第一射频电源、第二射频电源通过其他的一个或多个匹配网络连接到第二电极。

移动环20内嵌入的第三电极90的数量至少为一个。可以使第三电极90在移动环20周向上的位置对应于移动环20外侧腔壁上的不对称部位；腔壁的不对称部位例如是供机械手从反应腔室10内抓取基片所开设的通道开口。

或者，在一些示例中，设置有多个第三电极90（如图3所示设置有三个第三电极90），这些第三电极90在移动环20的圆周上均匀分布，或者这些第三电极90在移动环20圆周上的位置与腔壁的多个不对称部分相对应。这些第三电极90的切换开关联动，使其统一切换到与第三射频电源93连通或与接地电路连通的状态。这些第三电极90可以连接到同一个第三射频电源或者连接到不同的多个第三射频电源。

本发明的一种等离子体处理设备的清洗方法，在反应腔室内形成射频电场，对反应腔室内顶部喷淋头引入的清洗用反应气体进行激发，得到清洗用的等离子体用来对反应腔室内的部件进行清洗；

其中，形成所述射频电场的过程，包含：施加第一射频电场到所述反应腔室内顶部喷淋头的第一电极和位于反应腔室内底部的基座内的第二电极之间，以产生第一等离子体，同时使设置在移动环中的第三电极与第三射频电源连通，以产生第二等离子体；其中，所述第二等离子体围绕所述第一等离子体，且位于由移动环限定的等离子体扩散范围的边缘区域。

本发明的一种等离子体处理设备的控制方法，包括等离子工艺处理步骤和等离子清洁步骤；其中在等离子处理步骤中：在反应腔室内形成射频电场，对反应腔室内顶部喷淋头引入的反应气体进行激发，得到的等离子体用来对反应腔室内的基片进行工艺处理；

其中，形成所述射频电场的过程，包含：连接第一射频源到反应腔室内顶部喷淋头的第一电极或者反应腔室内底部基座的第二电极，同时连接第二射频电源到所述第二电极，以及使设置在反应腔室腔壁内侧的移动环中的第三电极接地；由在反应腔室内均匀分布的移动环，对等离子体的扩散范围进行限定，从而对反应腔室的腔壁屏蔽形成在反应腔室内的射频电场；

在等离子清洁步骤中：从反应腔室内顶部喷淋头引入清洁气体，使设置在反应腔室内底部基座的第二电极与第一射频电源、第二射频电源连通，以及使移动环中的第三电极与到第三射频电源连通，形成的等离子体对反应腔内部进行清洁。

根据上文描述，可以获知在原有等离子体处理设备的基础上，仅增设移动环内的第三电极及第三射频电源，并控制第三射频电源与之连通或不与之连通，能够构成一种等离子体处理设备的清洗系统及其清洗方法。在清洗时开启第三射频电源，在腔室边缘产生等离子体，增强腔室边缘部件的清洗效果；不连通第三射频电源则实行原有等离子体处理设备的清洗方式。

根据上文描述，还可以获知在原有等离子体设备的基础上，仅增设移动环内的第三电极，并控制其接地或不接地，能够构建一种等离子体处理设备及其中等离子体的控制方法。在对基片进行刻蚀等工艺处理时，将第三电极接地，起到对腔壁进行射频屏蔽的效果。当移动环是均匀分布的结构时，对不对称的腔壁进行射频屏蔽，可保持反应腔室内形成的射频电场均匀分布，而使生成的等离子体均匀分布，对基片表面进行均匀的工艺处理，以避免原先对基片刻蚀偏心的问题。

本发明提供的等离子体处理设备及其中等离子体的控制方法，能够使第三电极在连通射频电源或接地的状态切换，以适应对腔室清洗或对腔壁射频屏蔽的不同情况。

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。

Claims (9)

1.一种等离子体处理设备，包含：

反应腔室，所述反应腔室内的顶部设有喷淋头，向反应腔室内引入清洗用或工艺处理用的反应气体；

所述反应腔室内的底部设有在工艺处理时承载基片的基座；一个第一电极设置在喷淋头，所述基座处设置有第二电极；

其特征在于，所述等离子体处理设备还包含：

沿反应腔室的腔壁内侧布置的移动环；

所述移动环中设置有第三电极，所述第三电极通过切换开关分别与射频电源或接地电路连通；

所述移动环中的第三电极通过连通第三射频电源形成的射频电场，激发引入反应腔室的清洗用反应气体，从而在由移动环限定的等离子体扩散范围的边缘区域得到边缘等离子体；

在对等离子体处理设备内的基片进行工艺处理时，所述移动环内的第三电极接地，对所述腔壁屏蔽形成在反应腔室内的射频电场。

2.如权利要求1所述的等离子体处理设备，其特征在于，

所述第三电极的主体嵌入在绝缘材料制成的移动环内；

通过馈通结构设置在反应腔室外表面的法兰盘，将延伸到反应腔室边缘的第三电极连接到反应腔室外部，使该第三电极与切换开关连接。

3.如权利要求1所述的等离子体处理设备，其特征在于，

所述第一电极或第二电极中的一个电极接地，另一个电极与第一射频电源、第二射频电源连通。

4.如权利要求1所述的等离子体处理设备，其特征在于，

所述第三射频电源的频率在13.56MHz~60MHz范围内，功率≤1000W。

5.如权利要求1所述的等离子体处理设备，其特征在于，

所述反应腔内进一步包含靠近等离子体扩散范围的边缘区域的以下任意一种部件或其组合：

聚焦环，位于所述基座的外侧；

约束环，位于所述聚焦环的外侧；

覆盖环，位于所述约束环的上方。

6.如权利要求1所述的等离子体处理设备，其特征在于，

所述移动环在所述反应腔室内对称分布；

所述第三电极在移动环的圆周上的位置，对应于移动环外侧的腔壁上的不对称部位；

所述腔壁上的不对称部位包含在腔壁上开设的供机械手取放基片的通道开口。

7.如权利要求1所述的等离子体处理设备，其特征在于，

所述移动环内设置有一个第三电极；或者，所述移动环内设置有在移动环的圆周上均匀分布的多个第三电极。

8.一种等离子体处理设备的清洗方法，其特征在于，

在反应腔室内形成射频电场，对反应腔室内顶部喷淋头引入的清洗用反应气体进行激发，得到清洗用的等离子体用来对反应腔室内的部件进行清洗；

其中，形成所述射频电场的过程，包含：施加第一射频电场到所述反应腔室内顶部喷淋头的第一电极和位于反应腔室内底部的基座内的第二电极之间，以产生第一等离子体，同时使设置在移动环中的第三电极与第三射频电源连通，以产生第二等离子体；

其中，所述第二等离子体围绕所述第一等离子体，且位于由移动环限定的等离子体扩散范围的边缘区域；

在对等离子体处理设备内的基片进行工艺处理时，所述移动环内的第三电极接地，对腔壁屏蔽形成在反应腔室内的射频电场。

9.一种等离子体处理设备的控制方法，其特征在于，包括等离子工艺处理步骤和等离子清洁步骤，

其中在等离子处理步骤中：

在反应腔室内形成射频电场，对反应腔室内顶部喷淋头引入的反应气体进行激发，得到的等离子体用来对反应腔室内的基片进行工艺处理；

其中，形成所述射频电场的过程，包含：连接第一射频源到反应腔室内顶部喷淋头的第一电极或者反应腔室内底部基座的第二电极，同时连接第二射频电源到所述第二电极，以及使设置在反应腔室腔壁内侧的移动环中的第三电极接地；

由在反应腔室内均匀分布的移动环，对等离子体的扩散范围进行限定，从而对反应腔室的腔壁屏蔽形成在反应腔室内的射频电场，

在等离子清洁步骤中：

从反应腔室内顶部喷淋头引入清洁气体，

使设置在反应腔室内底部基座的第二电极与第一射频电源、第二射频电源连通，以及使移动环中的第三电极与到第三射频电源连通，形成的等离子体对反应腔内部进行清洁。