CN106683969B - 一种等离子处理装置运行方法 - Google Patents

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Abstract

一种等离子处理装置运行方法，所述等离子处理装置包括：反应腔，位于反应腔内下方的基座，一个射频电源连接到所述基座内的电极，一个基片固定装置设置于所述基座上，基片固定在所述基片固定装置上方，一个聚焦环围绕所述基片固定装置且位于所述电极上方，一个加热电源通过一个可控开关连接到加热装置，所述运行方法包括：交替进行的刻蚀步骤和清洁步骤，刻蚀步骤中执行刻蚀工艺：断开可控开关通入刻蚀气体，施加具有第一功率的射频功率到所述反应腔；清洁步骤中，移除刻蚀完成的基片，通入含氧的清洁气体，施加具有第二功率的射频功率到所述反应腔，导通所述可控开关使得加热电路对聚焦环加热；其中第一功率大于第二功率。

Description

一种等离子处理装置运行方法
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种等离子处理器及其运行方法。
背景技术
如图1所示，传统等离子处理装置包括一个反应腔100，反应腔内包括一个基座10，基座内包括下电极。基座上方包括静电夹盘21，待处理的基片20设置在静电夹盘上。一个射频电源通过一个匹配器连接到基座10内的下电极。基座外侧周围包括排气通道以维持等离子处理装置内的低气压。反应腔顶部与基座相对的还包括一个进气装置，如气体喷淋头11通过阀门连接到气体源200，气体喷淋头同时还作为上电极与基座内的下电极电容耦合，使得射频电源施到下电极的电场耦合到上电极11，通入上下电极之间的反应气体被射频电场电离形成等离子体对基片20进行等离子处理。等离子处理装置也可以是电感耦合型（ICP）的，此时反应腔顶盖由绝缘材料制成，顶盖上方还包括电感线圈连接到射频电源，进气装置不作为上电极与基座内电极耦合。反应腔100一般是由导体如铝制成，而且电连接到接地端，所以施加到下电极的射频电场除了会耦合到上电极也会耦合到反应腔侧壁。为了调节射频电场耦合到不同导体之间的能量分布，同时也调节电场方向，需要在待处理基片20的外围设置一个聚焦环22围绕待处理基片20。聚焦环22下方还可以设置一个绝缘环24，使得聚焦环22与下方电极互相绝缘，该绝缘环也同时围绕静电夹盘21。聚焦环22上表面包括第一部分22a位于基片20的外周缘下方，一个22c高于基片下表面，一个倾斜的过渡面22b位于22a和22c之间。通过聚焦环22的材料选择可以改善射频电场的分布，同时该绝缘环24还需要能够耐受等离子的长期腐蚀，所以聚焦环通常选用SiC、Al2O3等陶瓷材料。在进行等离子刻蚀过程中，通常需要通入大量的侧壁保护气体以保护刻蚀形成的通孔的侧壁，最终获得垂直的侧壁形貌。这些侧壁保护气体通常是氟碳化合物或者氟碳氢类化合物，如CF4、C4F8等。在等离子处理过程中由于等离子体会垂直向下轰击基片20和聚焦环22的上表面，所以侧壁保护气体不会形成聚合物积累在基片20的上表面和聚焦环22的上表面22c。但是同时会在一些部位如基片20外周缘下表面、聚焦环22b表面形成聚合物，这些聚合物堆积后脱离形成的颗粒会变为等离子反应腔内的污染物。一些需要进行高深宽比（深宽比大于20）通孔刻蚀的应用场合，如深孔硅刻蚀（TSV）或者VNAND刻蚀中会采用高浓度的侧壁保护气体，同时刻蚀工艺的执行时间很长可以达到10分钟以上甚至达到20分钟，所以这些聚合物积累会非常严重。
通常在等离子刻蚀完成后会移除基片20，随后进行无基片清洁步骤WAC(wafer-less auto clean)，但是在聚合物积累很厚的情况下要完全清除这些聚合物现有技术只有两个选择：一是延长清洁步骤的时间或者改变清洁步骤中的气体成分或气压，但是这会进一步的加速静电夹盘21和聚焦环的损耗，缩短部件的使用寿命，同时还降低了等离子刻蚀器的基片处理量；也可以选择在等离子刻蚀过程中升高聚焦环的温度，这样可以减少在聚焦环22上的聚合物积累，但是会在基片20外周缘的下表面形成更多的聚合物，同样污染基片，所以得不偿失。而且在等离子处理过程中通过电源向射频环境中的聚焦环22供电，会导致射频功率沿着供电线路泄露，严重的会烧毁加热用的供电电路，也增加了聚焦环22与绝缘环24上产生放电现象发生并损坏反应腔内部件或基片的可能性。所以业内需要设计一种新的能够实现对聚焦环上的聚合物进行清洁的方法或装置，同时还能保证整个等离子处理器的基片处理量并且不增加成本。
发明内容
本发明解决的问题是在高深宽比等离子刻蚀步骤后在不增加清洁时间的前提下有效去除沉积在聚焦环上的聚合物。本发明提供了一种等离子处理装置运行方法，所述等离子处理装置包括：反应腔，位于反应腔顶部的反应气体进气装置，位于反应腔内下方用于固定基片的基座，一个射频电源连接到所述基座内的电极，一个基片固定装置设置于所述基座上，基片固定在所述基片固定装置上方，一个聚焦环围绕所述基片固定装置且位于所述电极上方，一个加热电源通过一个可控开关连接到加热装置，所述运行方法包括：交替进行的刻蚀步骤和清洁步骤，刻蚀步骤中执行刻蚀工艺：断开所述可控开关使得加热电路与反应腔内电隔离，通入包含氟碳化合物的刻蚀气体，施加具有第一功率的射频功率到所述反应腔内以形成等离子体对基片进行刻蚀；清洁步骤中，移除刻蚀完成的基片并执行清洁工艺：通入含氧的清洁气体，施加具有第二功率的射频功率到所述反应腔内形成等离子体对反应腔内部进行清洁，导通所述可控开关使得加热电路对聚焦环加热；其中第一功率大于第二功率。
其中刻蚀步骤中包括多次执行的刻蚀工艺，所述刻蚀工艺为深孔刻蚀，其中通孔的深宽比大于20，刻蚀工艺执行时间大于10分钟。
本发明的加热装置为电阻丝，位于聚焦环底部或植入聚焦环内部，还可以包括一个滤波器与所述可控开关串联位于加热电源和加热装置之间，
其中滤波器能够滤除所述施加到反应腔内的具有第二功率的射频功率。
本发明中第一功率大于5千瓦，第二功率小于2千瓦，同过本发明加热装置的设置可以选择性的连接加热电源到聚焦环中的电阻丝，从而避免高功率阶段对加热电源和反应腔的损坏。
本发明清洁步骤中，加热装置使得聚焦环温度大于70度，较佳的聚焦环温度再70-90度之间。
优选地，在于清洁步骤完成后断开所述可控开关，使聚焦环冷却后执行刻蚀工艺。
附图说明
图1是现有技术等离子处理装置的整体结构示意图；
图2是本发明等离子处理装置整体结构示意图。
具体实施方式
如图2所示为本发明等离子处理装置结构示意图，本发明与图1所示的现有技术相比具体相类似的等离子处理装置结构，主要区别在于本发明设置了一个聚焦环加温电路，该聚焦环加温电路包括一个加热电源34一端连接到地，另一端通过一个可控开关32连接到一个滤波电路30。滤波电路连接到位于聚焦环22下表面或者聚焦环内部的加热电阻丝。
在本发明等离子处理装置运行中，首先执行等离子刻蚀步骤，在等离子刻蚀中射频功率源向下电极输出高功率的射频功率，实现对基片20的刻蚀，同时包括氟碳化合物在内的侧壁保护气体通过进气装置被通入反应腔100。由于要进行深孔的刻蚀，所以输入到下电极的射频功率非常高，可以达到几千瓦甚至几十千瓦，这样才能保证入射的离子具有足够的动能垂直轰击到刻蚀孔的底部。在等离子刻蚀步骤中断开可控开关32使得加热电源34与聚焦环中的加热电阻丝电隔离。滤波电路30被设计以阻挡后续清洁步骤或者等离子刻蚀步骤中等离子反应腔内的射频功率，这些射频功率包括施加到上下电极间的高频源射频功率如13.56MHZ、27Mhz、60Mhz，也可以是施加到基座内下电极的偏置射频功率如2Mhz的射频源，还可以是这些射频功率在反应腔内等离子阻抗下形成的谐波。由于这些射频频率成分非常复杂，滤波电路在参数设计中只能保证对主要频率能量的滤除，无法滤除所有射频功率。由于在深孔刻蚀工艺中施加的射频功率特别大，所以即使是部分射频功率泄露也会严重影响加热电源34，而且导电通路的存在还使得导电通路经过的周围容易发生放电（arcing）损坏元器件。
在一次或多次的刻蚀步骤完成后，需要将刻蚀后的基片移除出反应腔，然后就进入了清洁步骤，在清洁步骤中通入清洁气体，清洁气体主要成分为氧气，也可以添加少量CF4以加快反应速度。在通入清洁气体同时施加射频功率到反应腔内形成等离子体，此时射频功率只需要维持足够浓度的等离子以促进清洁气体与沉积物的反应，所以施加到反应腔内的射频功率远远低于刻蚀步骤中的射频功率，典型的清洁步骤中射频功率输入为0.5-2KW。在清洁气体进行反应以清洁聚焦环和其它容易沉积污染物的部位同时，闭合可控开关32使得加热电源34输出加热电功率到上方的加热电阻丝使得聚焦环22的温度迅速升高。由于清洁步骤中本身反应腔中射频功率较低，滤波器30能够滤除大部分射频功率，少量泄露的射频功率也不会对加热电源造成严重影响，而且用于加热的导电通路上由于电压和功率都很低所以不会发生放电（arcing）损坏器件。聚焦环在清洁步骤中被加热到足够温度如70-90度之后，积累在聚焦环上表面22b处的沉积物会随着附着系数的降低而开裂脱落，现有的清洁工艺就能在不增加清洁时间长度的情况下快速完成对这些沉积物的清除。在完成清洁步骤后停止向聚焦环输出加热功率，聚焦环22能够迅速冷却达到与静电夹盘相近的温度，以便进入下一个等离子刻蚀步骤中放入待处理基片进行刻蚀。
本发明加热电源可以输出直流、交流、微波等任何用于加热聚焦环的电功率。
本发明通过添加聚焦环加热电路，在进行深孔刻蚀过程中断开该加热电路避免了射频功率泄露和放电现象的发生，在随后进行的清洁步骤中联通加热电路到聚焦环，使得聚焦环温度升高大于静电夹盘的温度，温度升高后积累在聚焦环上的沉积物能够从聚焦环上剥落加速清洁步骤的进程。在不带来任何其它技术缺点的情况下可以用原有的清洁工艺快速完成对反应腔内壁基座、静电夹盘、聚焦环的清洁。
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 (10)

1.一种等离子处理装置运行方法，所述等离子处理装置包括：反应腔，位于反应腔顶部的反应气体进气装置，位于反应腔内下方用于固定基片的基座，一个射频电源连接到所述基座内的电极，一个基片固定装置设置于所述基座上，基片固定在所述基片固定装置上方，一个聚焦环围绕所述基片固定装置且位于所述电极上方，一个加热电源通过一个可控开关连接到加热装置，
所述运行方法包括：交替进行的刻蚀步骤和清洁步骤，
刻蚀步骤中执行刻蚀工艺：断开所述可控开关使得加热电路与反应腔内电隔离，通入包含氟碳化合物的刻蚀气体，施加具有第一功率的射频功率到所述反应腔内以形成等离子体对基片进行刻蚀；
清洁步骤中，移除刻蚀完成的基片并执行清洁工艺：通入含氧的清洁气体，施加具有第二功率的射频功率到所述反应腔内形成等离子体对反应腔内部进行清洁，导通所述可控开关使得加热电路对聚焦环加热；
其中第一功率大于第二功率。
2.如权利要求1所述的运行方法，其特征在于，所述刻蚀步骤中多次执行刻蚀工艺。
3.如权利要求1所述的运行方法，其特征在于，所述刻蚀工艺为深孔刻蚀，其中通孔的深宽比大于20。
4.如权利要求3所述运行方法，其特征在于，所述刻蚀工艺执行时间大于10分钟。
5.如权利要求1所述的运行方法，其特征在于，所述加热装置为电阻丝，位于聚焦环底部或植入聚焦环内部。
6.如权利要求5所述的运行方法，其特征在于，还包括一个滤波器与所述可控开关串联位于加热电源和加热装置之间。
7.如权利要求6所述的运行方法，其特征在于，所述滤波器能够滤除施加到反应腔内的具有第二功率的射频功率。
8.如权利要求1所述的运行方法，其特征在于，所述第一功率大于5千瓦，第二功率小于2千瓦。
9.如权利要求1所述的运行方法，其特征在于，所述清洁步骤中，加热装置使得聚焦环温度大于70度。
10.如权利要求1所述的运行方法，其特征在于，清洁步骤完成后断开所述可控开关，使聚焦环冷却后执行刻蚀工艺。
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