CN106920726A - 等离子体处理装置及其清洗方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种等离子体处理装置，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洁气体；所述喷淋头处设置有第一电极；所述的反应腔室内的底部设有基座；所述基座处设置有第二电极；移动环，其沿反应腔室的侧壁内侧设置；所述移动环内设置有第三电极，该第三电极上施加有高压电源，在该第三电极的附近区域形成局部DBD等离子体，以对位于第三电极附近的部件，包括移动环的表面进行局部增强的等离子体清洗。本发明还涉及等离子体处理装置的清洗方法。本发明针对移动环进行局部增强的DBD等离子体清洗，完全清除其上沉积的聚合物，有效提高反应腔室的稳定性。

Description

等离子体处理装置及其清洗方法

技术领域

本发明涉及一种等离子体处理装置及其清洗方法，具体是指一种能有效清洗移动环的等离子体处理装置及其清洗方法，属于等离子体处理领域。

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。

在等离子体的处理过程中所产生的一些聚合物（polymers），会附着在反应腔室内的各个装置上。因此，通常在从反应腔室内取出完成处理的基片后，需要对反应腔室内部进行清洗以去除沉积下来的聚合物。

如图1所示，为现有技术中的等离子体处理装置的结构示意图，包含反应腔室1，其由位于顶端的顶盖，位于底端的底壁，以及连接在顶盖和底壁之间的侧壁构成，形成气密性的内部反应空间，并在进行清洗的过程中处于真空状态。其中，所述的顶盖、底壁以及侧壁均由金属材料制成并接地。

在反应腔室1顶部用于引入清洁气体的喷淋头4处设置第一电极，在反应腔室1底部用于承载及吸持基片的基座6处设置第二电极。在所述第二电极上施加射频功率电源9，其通过一个匹配器连接到第二电极，从而在反应腔室1内得到激发等离子体15所需的射频能量。

所述基座6位于反应腔室1的底部，在该基座6边缘的外侧设有绝缘环8。在该绝缘环8的上方设置有聚焦环7，用于控制等离子体均一性。进一步，在该绝缘环8的外侧设有约束环3，用于控制反应气体的排出。该约束环3的上方还可以设置覆盖环，用于阻挡等离子体对约束环3的侵蚀。在所述顶盖的下方设有移动环2，且该移动环2沿反应腔室1的侧壁内侧设置，并由喷淋头4的边缘外侧延伸至约束环3的边缘外侧。该移动环2采用耐等离子体腐蚀的绝缘材料（例如石英）制成，用来约束等离子体的分布，隔离等离子体的传输，以将反应腔室1的金属侧壁与等离子体隔开，从而保护反应腔室1的腔壁不受等离子体的侵蚀，并减少等离子体的边缘损失。

当对反应腔室1内部进行清洗时，需要通过喷淋头4向反应腔室1引入清洁气体（例如氧气O₂、三氟化氮气体NF₃等），维持一定的流量和电压，并通过射频功率电源9将其解离生成清洗用的等离子体15，用来对反应腔室1的腔体及内部的各个装置进行等离子体清洗，以去除附着的聚合物，从而保持反应腔室1的稳定。

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15受电场控制在反应腔室1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。

并且，由于移动环2所具有的高阻抗特性，使得在进行等离子体清洗的过程中，其表面附近所形成的等离子体的密度较低，导致清洗效果不佳，造成其表面聚合物的逐渐累积。而随着移动环2表面附着的残余沉积聚合物的逐渐增多，会引起反应腔室1内的物理和化学特性的改变，例如会带来放电击穿（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，从而导致等离子体刻蚀结果出现偏离。

发明内容

本发明的目的在于提供一种等离子体处理装置及其清洗方法，针对移动环进行局部增强的DBD等离子体清洗，完全清除其上沉积的聚合物，有效提高反应腔室的稳定性。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种等离子体处理装置，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洁气体；所述喷淋头处设置有第一电极；所述的反应腔室内的底部设有基座；所述基座处设置有第二电极；移动环，其沿反应腔室的侧壁内侧设置；所述移动环内设置有第三电极，该第三电极上施加有高压电源，在该第三电极的附近区域形成局部DBD等离子体，以对位于第三电极附近的部件，包括移动环的表面进行局部增强的等离子体清洗。

所述的高压电源的输出电压的幅值为100V～20kV，频率为1kHz～50kHz。

所述的第三电极沿移动环的圆周方向设置，呈环状。

所述的第三电极的截面形状与移动环面向反应腔室内部的表面形状相匹配。

所述的第三电极与高压电源之间，还通过电路连接设置高压继电器，控制高压电源是否施加至第三电极。

所述的第三电极与高压继电器之间，还通过电路连接设置低通滤波器，其通过高压同轴电缆与所述的第三电极连接。

所述的第一电极接地，第二电极上施加射频功率电源，在基座和喷淋头之间形成主等离子体，对反应腔室内的部件进行清洗。

所述的反应腔室由位于顶端的顶盖，位于底端的底壁，以及连接在顶盖和底壁之间的侧壁构成；其中，所述的顶盖、底壁以及侧壁均由金属材料制成并接地。

所述的反应腔室内进一步包含：绝缘环，位于所述基座边缘的外侧；聚焦环，位于所述绝缘环的上方；约束环，位于所述绝缘环的外侧；覆盖环，位于所述约束环的上方。

本发明还提供一种等离子体清洗方法，在晶圆刻蚀结束并移出反应腔室后进行，清洗整个反应腔室内的部件，包含：第一步骤，施加射频功率电源至反应腔室内底部基座处的第二电极，对反应腔室内顶部喷淋头引入的清洁气体进行激发，在基座与喷淋头之间形成主等离子体，以对反应腔室内的部件进行清洗；第二步骤，施加高压电源至移动环内的第三电极，对反应腔室内顶部喷淋头引入的清洁气体进行激发，在第三电极的附近区域形成局部DBD等离子体，以对位于第三电极附近的部件，包括移动环的表面进行局部增强的等离子体清洗；所述第一步骤和第二步骤同时进行或者单独进行。

所述的高压电源的输出电压的幅值为100V～20kV，频率为1kHz～50kHz。

所述的第三电极沿移动环的圆周方向设置，呈环状。

所述的第三电极的截面形状与移动环面向反应腔室内部的表面形状相匹配。

所述的第三电极与高压电源之间，还通过电路连接设置高压继电器，通过接通该高压继电器，施加高压电源至第三电极。

所述的第三电极与高压继电器之间，还通过电路连接设置低通滤波器，其通过高压同轴电缆与所述的第三电极连接。

本发明提供的等离子体处理装置及其清洗方法，具有以下优点和有益效果：

1、通过对埋设在移动环内的第三电极施加高压电源，以在第三电极附近区域形成局部DBD等离子体，对位于第三电极附近的部件，尤其是移动环达到局部增强的清洗效果。

2、由于所形成的局部DBD等离子体会产生大量化学活性粒子或基团，因此其对第三电极附近的部件，尤其是移动环的表面进行的是化学清洗，并且对各部件表面的损伤较小。

3、可单独用于对第三电极附近的部件，尤其是移动环进行局部增强的DBD等离子体清洗，也可结合现有的射频等离子体清洗技术同时对整个反应腔室内部进行清洗。

附图说明

图1是现有技术中的等离子体处理装置的结构示意图；

图2是本发明中的等离子体处理装置的结构示意图。

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，在本发明提供的等离子体处理装置中，包含反应腔室1，其由位于顶端的顶盖，位于底端的底壁，以及连接在顶盖和底壁之间的侧壁构成，形成气密性的内部反应空间，并在进行等离子体清洗的过程中处于真空状态。其中，所述的顶盖、底壁以及侧壁均由金属材料制成并接地。

在反应腔室1的顶部（顶盖的下方）设有喷淋头4，用于将进行清洗的清洁气体（例如氧气O₂、三氟化氮气体NF₃等）引入反应腔室1内，并维持一定的流量；该喷淋头4处设置有第一电极并且接地。在反应腔室1内的底部设有承载及吸持基片的基座6，该基座6处设置有第二电极，该第二电极上施加有射频功率电源9，其通过一个匹配器连接到第二电极。所述的射频功率电源9在反应腔室1内形成射频电场，将反应腔室1内的清洁气体解离，并在基座6与喷淋头4之间的区域形成清洗用的主等离子体5，对反应腔室1内的各个部件进行清洗，以去除表面附着的聚合物，从而保持反应腔室1的稳定。

在所述的基座6边缘的外侧设有绝缘环8（Insulator Ring）。在所述的绝缘环8的上方设置有聚焦环7（Focus Ring），用于控制等离子体的均一性。在所述的绝缘环8的外侧设有约束环3（Confinement Ring），用于控制清洁气体的排出。该约束环3的上方还可以设置覆盖环（Cover Ring，图中未示），用于阻挡等离子体对约束环3的侵蚀。

在所述顶盖的下方设有移动环2（Moving Ring），且该移动环2沿反应腔室1的侧壁内侧设置，并由喷淋头4的边缘外侧向下延伸至约束环3的外侧边缘。所述的移动环2采用耐等离子体腐蚀的绝缘材料（例如石英）制成，用来约束等离子体的分布，隔离等离子体的传输，以将反应腔室1的金属侧壁与等离子体隔开，从而保护反应腔室1的腔壁不受等离子体的侵蚀，并减少等离子体的边缘损失。

在所述的移动环2内设置有金属制成的第三电极10，其沿移动环2的圆周方向设置，呈环状。在该第三电极10上施加高压电源13，以在靠近该第三电极10的附近区域（包括由移动环2、约束环3或覆盖环、绝缘环8、聚焦环7所限定的区域）形成局部DBD（Dielectric barrier discharge，介质阻挡放电）等离子体14。由于将所述的第三电极10设置在移动环2的内部，其外部包覆了制成移动环2的绝缘材料，从而确保第三电极10不会直接暴露在局部DBD等离子体14中。

所述的第三电极10的截面形状与移动环2面向反应腔室1内部的表面形状相匹配。

所述的高压电源13的输出电压的幅值为100V～20kV，频率为1kHz～50kHz。所述的高压电源13的输出电压的波形为任意形状。在一个优选实施例中，该高压电源13的输出电压的波形为正弦波。本发明选择在第三电极10上施加一高压电源13且该高压电源的频率不超过50kHz，原因在于，频率过高的射频功率源会使得等离子体密度较高，有持续鞘层存在，导致等离子体和位于第三电极10附近的各部件表面的相互作用包含离子的物理轰击和活性离子的化学反应，对各部件表面的物理损伤较大。而本发明选择的高压电源频率为kHz量级，产生的为非连续放电的等离子体，且等离子体密度较低，鞘层效应较弱，使等离子体和位于第三电极10附近的各部件表面的相互作用以活性粒子的化学反应为主，对各部件表面的物理损伤小。此外，本发明选用频率较低的高压电源的目的还在于：施加到第三电极10上的功率源的频率较低，对应的波长相对较长，所产生的等离子体的对称性受射频馈入点的影响较小，所以不存在等离子体圆周分布对称性不佳的问题，使得位于第三电极10附近的各部件表面清洗均匀性得以保证。

所述的反应腔室1的侧壁上还设置有用于基片移入移出的基片进出口，反应腔室1内的基片在完成等离子体刻蚀处理后，可上移移动环2，从而露出基片进出口，进而可通过机械手将基片由基片进出口处移出。然后下移移动环2，将基片进出口遮盖。此时，就可利用本发明对反应腔室1内部进行清洗。完成清洗后，再通过移开移动环2，将下一个处理过程中的待处理基片从基片进出口移入反应腔室1内。

进一步，在所述的第三电极10与高压电源13之间，还通过电路连接设置有高压继电器12，其用于控制高压电源13是否施加在第三电极10上。

在所述的第三电极10与高压继电器12之间，还通过电路连接设置有低通滤波器11，其通过高压同轴电缆与所述的第三电极10连接，对频率大于1MHz的射频电流有高阻抗，即用于滤除频率大于1MHz的射频电流。

利用本发明所提供的等离子体处理装置进行清洗工艺的方法，可单独用于清洗反应腔室1内的位于第三电极10附近的部件，尤其针对移动环2，包含：接通高压继电器12，施加高压电源13至移动环2内的第三电极10，对反应腔室1内顶部喷淋头4引入的清洁气体进行激发，在第三电极10的附近区域（包括由移动环2、约束环3或覆盖环、绝缘环8、聚焦环7所限定的区域）形成局部DBD等离子体14，以特别针对移动环2的表面进行清洗，并可同时对位于反应腔室1内第三电极10附近的其他部件进行清洗，包括约束环3或覆盖环的顶部表面，以及绝缘环8和聚焦环7的外侧表面。

由于局部DBD等离子体14是在电压相对较高，频率相对较低的高压电源13的作用下产生的，因此其寿命较短，不能维持连续放电，导致空间传播距离有限，只能在靠近第三电极10的局部小范围区域内形成等离子体。也就是说，局部DBD等离子体14只能局限于对靠近第三电极10的部件进行清洗，从而实现特别针对因具有高阻抗特性而表面更容易沉积聚合物的移动环2的局部等离子体清洗，以局部增强并明显改善现有技术中对移动环2的清洗效果。并且，所述的局部DBD等离子体14还能够同时对其他一些位于第三电极10附近的部件进行清洗，包括约束环3、覆盖环、绝缘环8以及聚焦环7等，由于这些部件位于反应腔室1的边缘区域，现有技术的清洗过程可能仍不足以完全将这些部件表面的聚合物清洗干净，因此进一步进行局部等离子体清洗，能全面有效的清除沉积聚合物，使得反应腔室1的稳定性得到有效提高。

由于局部DBD等离子体14具有非连续性的特点，因此其不能维持等离子体鞘层电压，但是却能产生大量化学活性粒子或基团，能对移动环2以及其他边缘部件的表面进行化学清洗，并且损伤较小。在高压电源13的电压幅值的取值范围内，当电压越大时，所产生的局部DBD等离子体14对移动环2以及其他边缘部件的清洗过程就会相对越快。

利用本发明所提供的等离子体处理装置进行清洗工艺的方法，也可对整个反应腔室1内部的部件进行清洗，包含：施加射频功率电源9至反应腔室1内底部基座6处的第二电极，对反应腔室1内顶部喷淋头4引入的清洁气体进行激发，在基座6与喷淋头4之间形成主等离子体5，以对反应腔室1内的部件进行清洗；同时接通高压继电器12，施加高压电源13至移动环2内的第三电极10，对反应腔室1内顶部喷淋头4引入的清洁气体进行激发，在第三电极10的附近区域（包括由移动环2、约束环3或覆盖环、绝缘环8、聚焦环7所限定的区域）形成局部DBD等离子体14，以特别针对移动环2的表面进行清洗，并可同时对位于反应腔室1内第三电极10附近的其他部件进行清洗，包括约束环3或覆盖环的顶部表面，以及绝缘环8和聚焦环7的外侧表面。

综上所述，本发明提供的等离子体处理装置及其清洗方法，通过对埋设在移动环内的第三电极施加高压电源，以形成局部DBD等离子体，对位于第三电极附近的部件，尤其是移动环达到局部增强的清洗效果，并且对所清洗部件的表面损伤较小。所述的清洗方法可单独用于对第三电极附近的部件进行局部增强的DBD等离子体清洗，也可结合现有的射频等离子体清洗技术同时对反应腔室进行清洗。

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 (13)

1.一种等离子体处理装置，包含：

反应腔室（1）；

所述反应腔室（1）内的顶部设有喷淋头（4），向反应腔室（1）内引入清洁气体；所述喷淋头（4）处设置有第一电极；

所述反应腔室（1）内的底部设有基座（6）；所述基座（6）处设置有第二电极；

其特征在于，该等离子体处理装置还包含：

移动环（2），其沿反应腔室（1）的侧壁内侧设置；

所述移动环（2）内设置有第三电极（10），该第三电极（10）上施加有高压电源（13），在该第三电极（10）的附近区域形成局部DBD等离子体（14），以对位于第三电极（10）附近的部件，包括移动环（2）的表面进行局部增强的等离子体清洗。

2.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述的高压电源（13）的输出电压的幅值为100V～20kV，频率为1kHz～50kHz。

3.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述的第三电极（10）沿移动环（2）的圆周方向设置，呈环状。

4.如权利要求3所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述的第三电极（10）的截面形状与移动环（2）面向反应腔室（1）内部的表面形状相匹配。

5.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述的第三电极（10）与高压电源（13）之间，还通过电路连接设置高压继电器（12），控制高压电源（13）是否施加至第三电极（10）。

6.如权利要求5所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述的第三电极（10）与高压继电器（12）之间，还通过电路连接设置低通滤波器（11），其通过高压同轴电缆与所述的第三电极（10）连接。

7.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述的第一电极接地，第二电极上施加射频功率电源（9），在基座和喷淋头之间形成主等离子体（5），对反应腔室（1）内的部件进行清洗。

8.一种等离子体清洗方法，所述方法用于晶圆刻蚀结束并移出反应腔室（1）后进行，其特征在于，清洗整个反应腔室（1）内的部件，包含：

第一步骤，施加射频功率电源（9）至反应腔室（1）内底部基座（6）处的第二电极，对反应腔室（1）内顶部喷淋头（4）引入的清洁气体进行激发，在基座（6）与喷淋头（4）之间形成主等离子体（5），以对反应腔室（1）内的部件进行清洗；

第二步骤，施加高压电源（13）至移动环（2）内的第三电极（10），对反应腔室（1）内顶部喷淋头（4）引入的清洁气体进行激发，在第三电极（10）的附近区域形成局部DBD等离子体（14），以对位于第三电极（10）附近的部件，包括移动环（2）的表面进行局部增强的等离子体清洗；

所述第一步骤和第二步骤同时进行或者单独进行。

9.如权利要求8所述的等离子体清洗方法，其特征在于，所述的高压电源（13）的输出电压的幅值为100V～20kV，频率为1kHz～50kHz。

10.如权利要求8所述的等离子体清洗方法，其特征在于，所述的第三电极沿移动环的圆周方向设置，呈环状。

11.如权利要求10所述的等离子体清洗方法，其特征在于，所述的第三电极（10）的截面形状与移动环（2）面向反应腔室（1）内部的表面形状相匹配。

12.如权利要求8所述的等离子体清洗方法，其特征在于，所述的第三电极（10）与高压电源（13）之间，还通过电路连接设置高压继电器（12），通过接通该高压继电器（12），施加高压电源（13）至第三电极（10）。

13.如权利要求12所述的等离子体清洗方法，其特征在于，所述的第三电极（10）与高压继电器（12）之间，还通过电路连接设置低通滤波器（11），其通过高压同轴电缆与所述的第三电极（10）连接。