CN106920729B - 一种均匀刻蚀基片的等离子体处理装置及方法 - Google Patents

一种均匀刻蚀基片的等离子体处理装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种均匀刻蚀基片的等离子体处理装置及其处理方法，包括一等离子体处理腔，所述等离子体处理腔内设置一基座，用于支撑基片，环绕所述基片设置一聚焦环，通过施加射频信号在聚焦环表面产生至少可叠加的两个自偏压，当聚焦环厚度随着等离子体轰击腐蚀变薄时，调节某一自偏压的相位，使两个自偏压存在相位差，从而改变叠加后的自偏压之和，实现对基片边缘区域等离子体分布的调节。

Description

一种均匀刻蚀基片的等离子体处理装置及方法
技术领域
本发明涉及半导体加工技术领域，具体涉及一种可以均匀调节基片边缘区域等离子体分布的技术领域。
背景技术
在等离子体处理装置内，为了保证基片中心区域和边缘区域的电场线分布均匀，通常需要环绕所述基片设置一聚焦环，聚焦环可以将基片上方的等离子体的分布边缘延展到聚焦环的外侧壁缘，展宽了基片表面上等离子体的密度分布曲线。使基片表面上边缘区域等离子体的密度分布趋向平缓，基片中心区域和边缘区域的等离子体分布更加均匀，进而实现基片刻蚀的均匀性。
聚焦环是一个对基片的边缘蚀刻率有重要影响的部件。聚焦环的形状、结构、位置材料均对基片边缘区域的电场分布，温度分布产生重要影响。现有技术采用硅或者碳化硅作为基材制作聚焦环，随着刻蚀工艺时间的延长，聚焦环表面也会被等离子体刻蚀消耗掉。聚焦环表面高度降低，其上方的等离子体鞘层下移，基片边缘区域刻蚀工艺发生变化，导致基片中心区域和边缘区域刻蚀速率不均匀。
为此，需要提供一种改善聚焦环随着被等离子体刻蚀高度降低对边缘刻蚀工艺影响的技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种均匀刻蚀基片的等离子体处理装置，包括一等离子体处理腔，所述等离子体处理腔内设置一基座，用于支撑基片，环绕所述基片设置一聚焦环，
第一射频电路，连接一射频信号发生器，将第一射频信号施加到所述基座上；所述第一射频信号通过所述基座在所述聚焦环表面产生第一自偏压；
第二射频电路，包括一相位调节器，用于将第二射频信号施加到所述聚焦环上，所述第二射频电路在所述聚焦环表面产生第二自偏压；
所述第一射频信号的频率为第二射频信号频率的偶数倍或偶数倍的倒数；
所述相位调节器用于调节所述第二射频信号相位，并在所述第一自偏压和所述第二自偏压之间产生相位差，所述相位差的大小决定了所述第一自偏压和第二自偏压叠加后的自偏压的大小。
进一步的，所述第二射频电路连接所述射频信号发生器，所述第二射频电路的相位调节器与所述射频信号发生器之间连接一偶数倍频器或偶数分频器。
进一步的，所述第二射频电路连接另一射频信号发生器，所述另一射频信号发生器的输出信号频率为所述第一射频信号频率的偶数倍或偶数倍的倒数。
进一步的，所述第一射频电路包括一功率放大器及一射频匹配网络，所述功率放大器连接所述射频信号发生器。
进一步的，所述第二射频电路还包括一第二功率放大器和第二射频匹配网络，设置于所述相位调节器后端。
进一步的，所述第二射频电路在调节相位调节器的过程中，所述第二射频信号的功率和电压不变。
进一步的，本发明还公开了一种均匀刻蚀基片的等离子体处理装置，包括一等离子体处理腔，所述等离子体处理腔内设置一基座，用于支撑基片，环绕所述基片设置一聚焦环，
第一射频电路，连接第一射频信号发生器，将第一射频信号施加到所述基座上；
第二射频电路，连接第二射频信号发生器，包括至少第一调节支路和第二调节支路，所述第一调节支路将所述第二射频信号施加到所述聚焦环上；所述第二调节支路通过一频率调节器和一相位调节器后将所述第二射频信号施加到所述聚焦环上；
所述第一调节支路的输入信号在所述聚焦环表面产生第一自偏压；所述第二射频电路的输入信号在所述聚焦环表面产生第二自偏压，
所述相位调节器用于调节产生所述第二自偏压的射频输入信号相位，并在所述第一自偏压和所述第二自偏压之间产生相位差，所述相位差的大小决定了所述第一自偏压和第二自偏压叠加后的自偏压的大小；
所述第一射频信号频率和所述第二射频信号频率彼此不为偶数倍。
进一步的，所述频率调节器为偶数倍频器，产生第二自偏压的射频信号频率为产生第一自偏压射频信号频率的偶数倍。
进一步的，所述频率调节器为偶数分频器，产生第一自偏压的射频信号频率为产生第二自偏压射频信号频率的偶数倍。
进一步的，所述第二射频电路还包括一功率放大器和一射频匹配网络，位于所述相位调节器后端。
进一步的，所述第二射频电路在调节相位调节器的过程中，不改变所述第二射频信号的功率和电压。
进一步的，本发明还公开了一种均匀调节等离子体分布的方法，所述方法在一等离子体处理腔内进行，所述等离子体处理腔内设置一基座，用于支撑基片，环绕所述基片设置一聚焦环，所述方法包括下列步骤：
通过第一射频电路向所述基座施加第一射频信号，所述射频信号通过所述基座在所述聚焦环表面产生第一自偏压；
通过第二射频电路向所述聚焦环施加第二射频信号，所述射频信号在所述聚焦环表面产生第二自偏压；所述第二射频信号为所述第一射频信号的偶数倍或偶数倍的倒数；
所述第二射频电路包括一相位调节器，调节第二射频信号施加到所述聚焦环上的相位，当所述聚焦环为新部件时，相位调节器调节所述第一射频信号和第二射频信号的相位差为0，此时，第一自偏压和第二自偏压叠加后自偏压不变；
当所述聚焦环经过一段时间的等离子体轰击，厚度变薄时，相位调节器逐渐调节第二射频信号的相位，使得第一射频信号和第二射频信号的相位差增大，此时，所述第一自偏压和第二自偏压叠加后自偏压逐渐变大，以补偿所述聚焦环厚度减小对等离子体分布造成的影响。
进一步的，所述第二射频电路包括一偶数倍频器或偶数分频器，所述第一射频电路和所述第二射频电路连接同一射频信号发生器。
本发明的优点在于：通过在聚焦环表面生成至少两个自偏压，并保证至少一个自偏压相位可调节，通过在两个自偏压之间形成一相位差，使得叠加后的两个自偏压之和大小可调，当聚焦环的厚度变薄影响等离子体分布后，通过逐渐大两个自偏压的相位差，使得聚焦环表面的自偏压变大，提高聚焦环上方的等离子体鞘层厚度，保证基片边缘区域和中心区域的刻蚀均匀性，本发明可以有效调节基片表面的等离子体分布，大大延长聚焦环的使用寿命，节省了成本。
附图说明
图1示出一种设置聚焦环的等离子体处理装置的结构示意图；
图2示出一种聚焦环厚度减薄时的等离子体处理装置的结构示意图；
图3示出一种实施例的等离子体处理装置的结构示意图；
图4A-4B示出聚焦环表面两个自偏压的相位差为零时曲线及叠加后的曲线示意图；
图5A-5B示出聚焦环表面两个自偏压的相位差为90度时曲线及叠加后的曲线示意图；
图6示出另一种实施例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，对本发明的技术方案进行详细阐述。
图1示出一种等离子体处理装置的结构示意图，如图所示，等离子体处理装置包括一个处理腔室100，处理腔室100基本上为柱形，包括一竖直设置的反应腔侧壁102，处理腔室100内具有相互平行设置的上电极140和下电极150。上电极140上连接反应气体源50，反应气体源50内的气体通过上电极140均匀注入反应腔室内部；通过对上电极或下电极上施加射频功率，可以在上电极140和下电极150之间形成高射频能量场，形成点燃和维持等离子体的处理区域P，在该处理区域P内可以将反应气体解离成工艺所需的等离子体。下电极150又称为基座150，用于支撑并夹持基片10，保证基片10在等离子体工艺过程中保持与基座的相对固定，该基片10可以是待要刻蚀或加工的半导体基片或者待要加工成平板显示器的玻璃平板。
在处理腔室内部还包括环绕基座150设置的绝缘环154，绝缘环154上方设置聚焦环152。本实施例中，在基座150上施加至少一射频功率源101，射频功率源101通过射频匹配网络114施加到基座150上，用于在等离子体处理装置内部点燃并维持等离子体，聚焦环152的材质通常为半导体材料，基座150的材质通常为导体，在二者之间设置绝缘环154的作用为实现基座150与聚焦环152的隔离，避免基座150与聚焦环152的电场发生串扰。
聚焦环152的作用在于调节等离子体的分布，通过在基片10的周围环绕设置一聚焦环，相当于向外扩大了基片10的半径，使得聚焦环上方产生和基片上方相同条件的等离子体，有效的将基片10上方的等离子体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，有利于保证边缘区域和中心区域刻蚀工艺的均匀性。
当工艺开始后，向基座150上施加射频功率，在处理区域P内点燃等离子体，此时，射频功率源会在基片表面和聚焦环表面感应形成自偏压，由于反应气体解离成的等离子体中既包括带正电的离子也包括电子，当基片和聚焦环表面存在一个负偏压时，等离子体中的正电离子受负偏压形成的电场影响会在基片表面和聚焦环表面堆积成一定厚度的等离子体鞘层。该等离子体鞘层的厚度及形状分布是影响等离子体对基片进行均匀处理的重要参数。基片表面及聚焦环表面的自偏压受施加到下电极上的射频功率源101的输出大小决定，当施加到下电极上的射频功率大小不变时，下电极表面感应出的自偏压大小不变。
在图1所示的等离子体处理装置中，聚焦环152为全新部件，其形状被设计制作为能够提供与基片表面自偏压相等的自偏压，因此，基片表面的等离子体鞘层厚度与聚焦环表面的等离子体鞘层厚度相同且高度一致。具体在图1中，由于等离子体处理区域P的下边缘处的正电离子受等离子体鞘层的排斥，当基片表面的等离子体鞘层厚度与聚焦环表面的等离子体鞘层厚度相同且高度一致时，等离子体处理区域P的下边缘大致位于同一平面内。此时，上电极140与下电极150之间的电场方向大致垂直与基片表面，此时，在电场作用下，等离子体中的电子竖直轰击基片的中心区域和边缘区域，使得基片中心区域和边缘区域的刻蚀结果均匀一致，整个基片都能得到垂直度较好的刻蚀形貌。
然而，由于聚焦环152通常为硅或者碳化硅材料，在等离子体刻蚀过程中，聚焦环表面会被等离子体侵蚀消磨，使得聚焦环上表面位置降低，整体厚度减薄，如图2所示，此时，由于射频功率源101施加给基座150上的电源功率不变，基片表面和聚焦环表面产生的自偏压大小不变，随着聚焦环厚度变薄，其上表面位置下降，聚焦环152上方的等离子体鞘层位置下移，造成基片边缘区域的电场发生倾斜，等离子体中的电子在轰击基片的边缘区域时方向倾斜，使得得到的基片边缘区域和中心区域的刻蚀图案形貌不同，影响基片刻蚀的产品合格率。由于聚焦环的制作费用较高，制作周期较长，经常替换不仅会提高基片加工的成本，还会造成材料的浪费，因此不可能一有磨损即进行替换。
为了解决上述问题，本发明提供一种技术方案，可以在聚焦环被腐蚀，厚度减薄时，通过提高聚焦环上方的负偏压增加等离子体的鞘层厚度，将原本下降的等离子体分布重新托起，实现基片上方和聚焦环上方的等离子体鞘层在同一平面内，基片边缘区域电场的方向竖直向下，从而避免在基片边缘刻蚀结果不达标的问题。
为了提高聚焦环上方的负偏压，通常会想到在聚焦环上施加一调节电源，然后通过改变电源的电压或输出功率实现调节聚焦环上的自偏压。然而，调节电源的功率或电压变化会改变处理区域P内等离子体的浓度，如果对该调节电源的电压或功率进行调节，虽然会改变聚焦环上方的自偏压，但同时也会改变基片边缘区域的等离子体浓度，而等离子体浓度决定了该区域的刻蚀速率，仍然无法保证基片边缘区域和中心区域刻蚀结果的均匀性。
图3提供了本发明一种较佳的实施方式，为了突出本发明的设计主题，在图3所示的等离子体处理装置中，省略了处理腔室的外壁及不直接作用于本发明所涉及方案的技术特征。在图3所示的等离子体处理装置中，第一射频电路110将第一射频信号施加到基座150上用于产生并维持等离子体，其中第一射频电路包括一功率放大器112和一射频匹配网络114。为了实现聚焦环152表面的自偏压可调，在聚焦环152上连接第二射频电路，用于将第二射频信号施加到所述聚焦环上。第二射频信号能够在聚焦环152表面产生第一自偏压Vdc1，第一射频信号通过基座150在聚焦环152表面产生第二自偏压Vdc2。所述第一自偏压Vdc1和第二自偏压Vdc2可以进行叠加。本发明通过设置合适的第二射频电路120，使得第二射频信号在聚焦环152上产生的自偏压Vdc1相位可调，进而实现两个自偏压叠加后的自偏压大小可调。具体的，在本实施例中，所述第二射频电路包括一频率调节器122，频率调节器122的输出端连接一相位调节器124，相位调节器124的输出信号通过功率放大器126和射频匹配网络128输送到聚焦环152上。本实施例设置第二射频电路和第一射频电路连接同一射频信号发生器111，其中，频率调节器122可以调节第二射频信号和第一射频信号符合可以叠加的条件。本发明中，只有当第二射频信号频率为第一射频信号频率的偶数倍或偶数倍的倒数时，Vdc1和Vdc2叠加才能产生有调节作用的负偏压，因此，本实施例选择频率调节器122为偶数倍频器或偶数分频器。
在另外的实施例中，也可以设置第二射频电路和第一射频电路分别连接独立的射频信号发生器，例如，可以选择第二射频信号发生器的频率为第一射频信号发生器的频率的偶数倍或偶数倍的倒数，此时，可不再设置频率调节器。
在具体工作时，将一新聚焦环152放置在绝缘环154上，等离子体处理区域内点燃并维持等离子体，对基座上的基片进行处理。此时，由于聚焦环尚未被腐蚀减薄，因此无需第二射频电路对其上方的自偏压进行调节。为了避免第二射频电路120对基片边缘区域的等离子体分布造成影响，可以通过相位调节器124将Vdc1和Vdc2的相位差设置为0，此时，可以得到图4A所示的曲线，为了描述方便，本实施例选择倍频器122的输出为2倍频率。图4B示出Vdc1和Vdc2两组曲线叠加后的自偏压曲线，由图4B可见，叠加后的自偏压曲线在一个周期内正偏压和负偏压数值相等，因此，叠加后的自偏压并不会对聚焦环和基片上方的自偏压产生影响。
随着刻蚀工艺的进行，当经过一段时间的使用后，聚焦环152在等离子体的轰击腐蚀下厚度减薄，基片边缘区域的电场分布均匀性改变，此时，通过相位调节器124对产生Vdc1的第二射频信号相位进行调节。当Vdc1和Vdc2的相位差在0°到90°之间调节时，Vdc1和Vdc2叠加后的Vdc逐渐增大，使得聚焦环上方的等离子体鞘层厚度变大，相当于将等离子体鞘层托起到与基片表面的等离子体鞘层在同一平面内，使得处理区域内的等离子体下表面仍然在一平面内，保证基片边缘区域的电场方向垂直于基片，保证基片边缘区域和中心区域的刻蚀均匀性。如此，随着聚焦环152厚度的减薄，可以逐渐增大Vdc1和Vdc2相位差，以提高叠加后的负偏压大小。图5A示出Vdc1和Vdc2相位相差90°时各自的曲线，图5B示出相位相差90°的Vdc1和Vdc2叠加后的自偏压曲线，由图5B可以看出，叠加之后的Vdc负偏压大于正偏压，因此，两个自偏压叠加之后的负偏压增大，可以将位置下降的等离子体鞘层托起至与基片表面等离子体鞘层相同的位置高度。保证基片边缘区域上方的电场分布与基片中心区域上方的电场分布一致。
在图3所示的等离子体处理装置中，由于输入倍频器122及相位调节器124中的信号不能过大，因此，将射频功率源设置为一信号发生器111和功率放大器112，在信号发生器111输出的信号施加到下电极之前，先通过一功率放大器112进入射频匹配网络114，然后施加到下电极150上，而第二射频电路120中，信号发生器111发出的射频信号先经过偶数倍的倍频器或分频器进行频率调制，再经相位调节器124的相位调节进入一功率放大器126实现对射频信号的放大，最后经射频匹配网络128施加到聚焦环152上。
在图3所示的实施例中，由于第二射频电路120连接到产生等离子体的信号发生器111上，而产生等离子体的信号发生器111输出频率相对比较固定，如60MHZ等，这会限制第二射频电路120的可调节范围。因此，本发明图6公开了另外一种实施例的等离子体处理装置，与图3类似，本实施例的图示省略了处理腔室的外壁及不直接作用于本发明所涉及方案的技术特征。在图6中，信号发生器111仍然通过功率放大器112和射频匹配网络114施加到下电极150上，区别在于，第二射频电路220连接第二信号发生器211。为了避免互相干扰，影响调节效果，信号发生器211和信号发生器111的输出频率不能互为偶数倍。在本实施例中，第二射频电路220包括第一调节支路230和第二调节支路220，其中，第一调节支路230包括一功率放大器232和一射频匹配网络234，第二调节支路包括一偶数倍的倍频器或分频器222，一相位调节器224及功率放大器226和一射频匹配网络228。与上文所述的实施例原理类似，第二调节支路的倍频器先将信号发生器211的信号频率调节为偶数倍，再通过相位调节器224调节经过偶数倍后的输出信号相位，使得第一调节支路和第二调节支路在聚焦环表面产生的两个自偏压产生一定的相位差，当聚焦环厚度减薄时，逐渐增大两个调节支路间的相位差至90°，随着第一调节支路和第二调节支路的相位差逐渐增大，两个调节支路在聚焦环表面叠加后的负偏压逐渐增大，以补偿不断减薄的聚焦环厚度对等离子体分布造成的影响。
为了保证基片边缘区域的等离子体浓度不发生改变，本发明只对第二射频电路的相位进行调节，不改变第一射频信号和第二射频信号的输出功率和电压。本发明示例性的描述了相位调节器可以在0-90°之间进行调节，由于射频信号具有周期性，本领域技术人员也可以在90°-180°等其他周期内进行调节。
本发明通过在聚焦环表面生成至少两个自偏压，并保证至少一个自偏压相位可调节，通过在两个自偏压之间形成一相位差，使得叠加后的两个自偏压之和大小可调，当聚焦环的厚度变薄影响等离子体分布后，通过逐渐大两个自偏压的相位差，使得聚焦环表面的自偏压变大，提高聚焦环上方的等离子体鞘层厚度，保证基片边缘区域和中心区域的刻蚀均匀性，本发明可以有效调节基片表面的等离子体分布，大大延长聚焦环的使用寿命，节省了成本。
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 (10)

1.一种均匀刻蚀基片的等离子体处理装置，包括一等离子体处理腔，所述等离子体处理腔内设置一基座，用于支撑基片，环绕所述基片设置一聚焦环，其特征在于：
第一射频电路，连接一射频信号发生器，将第一射频信号施加到所述基座上；所述第一射频信号通过所述基座在所述聚焦环表面产生第一自偏压；
第二射频电路，包括一相位调节器，用于将第二射频信号施加到所述聚焦环上，所述第二射频电路在所述聚焦环表面产生第二自偏压；
所述第二射频电路连接所述射频信号发生器，所述第二射频电路的相位调节器与所述射频信号发生器之间连接一偶数倍频器或偶数分频器，
所述偶数倍频器或偶数分频器调节所述第一射频信号的频率为第二射频信号频率的偶数倍或偶数倍的倒数；所述相位调节器用于调节所述第二射频信号相位，并在所述第一自偏压和所述第二自偏压之间产生相位差，所述相位差的大小决定了所述第一自偏压和第二自偏压叠加后的自偏压的大小。
2.如权利要求1所述的处理装置，其特征在于：所述第二射频电路连接另一射频信号发生器，所述另一射频信号发生器的输出信号频率为所述第一射频信号频率的偶数倍或偶数倍的倒数。
3.如权利要求1所述的处理装置，其特征在于：所述第一射频电路包括一功率放大器及一射频匹配网络，所述功率放大器连接所述射频信号发生器。
4.如权利要求1所述的处理装置，其特征在于：所述第二射频电路还包括一第二功率放大器和第二射频匹配网络，设置于所述相位调节器后端。
5.如权利要求1所述的处理装置，其特征在于：所述第二射频电路在调节相位调节器的过程中，所述第二射频信号的功率和电压不变。
6.一种均匀刻蚀基片的等离子体处理装置，包括一等离子体处理腔，所述等离子体处理腔内设置一基座，用于支撑基片，环绕所述基片设置一聚焦环，其特征在于：
第一射频电路，连接第一射频信号发生器，将第一射频信号施加到所述基座上；
第二射频电路，连接第二射频信号发生器，包括至少第一调节支路和第二调节支路，所述第一调节支路将所述第二射频信号施加到所述聚焦环上；所述第二调节支路通过一频率调节器和一相位调节器后将所述第二射频信号施加到所述聚焦环上；所述第一调节支路的输入信号在所述聚焦环表面产生第一自偏压；所述第二射频电路的输入信号在所述聚焦环表面产生第二自偏压，
所述频率调节器为偶数倍频器，产生第二自偏压的射频信号频率为产生第一自偏压射频信号频率的偶数倍;所述相位调节器用于调节产生所述第二自偏压的射频输入信号相位，并在所述第一自偏压和所述第二自偏压之间产生相位差，所述相位差的大小决定了所述第一自偏压和第二自偏压叠加后的自偏压的大小；
所述第一射频信号频率和所述第二射频信号频率彼此不为偶数倍。
7.如权利要求6所述的处理装置，其特征在于：所述频率调节器为偶数分频器，产生第一自偏压的射频信号频率为产生第二自偏压射频信号频率的偶数倍。
8.如权利要求6所述的处理装置，其特征在于：所述第二射频电路还包括一功率放大器和一射频匹配网络，位于所述相位调节器后端。
9.如权利要求6所述的处理装置，其特征在于：所述第二射频电路在调节相位调节器的过程中，不改变所述第二射频信号的功率和电压。
10.一种均匀调节等离子体分布的方法，所述方法在一等离子体处理腔内进行，所述等离子体处理腔内设置一基座，用于支撑基片，环绕所述基片设置一聚焦环，其特征在于：所述方法包括下列步骤：
通过第一射频电路向所述基座施加第一射频信号，所述射频信号通过所述基座在所述聚焦环表面产生第一自偏压；
通过第二射频电路向所述聚焦环施加第二射频信号，所述射频信号在所述聚焦环表面产生第二自偏压；所述第二射频信号为所述第一射频信号的偶数倍或偶数倍的倒数；
所述第二射频电路包括一相位调节器，调节第二射频信号施加到所述聚焦环上的相位，当所述聚焦环为新部件时，相位调节器调节所述第一射频信号和第二射频信号的相位差为0，此时，第一自偏压和第二自偏压叠加后自偏压不变；
当所述聚焦环经过一段时间的等离子体轰击，厚度变薄时，相位调节器逐渐调节第二射频信号的相位，使得第一射频信号和第二射频信号的相位差增大，此时，所述第一自偏压和第二自偏压叠加后自偏压逐渐变大，以补偿所述聚焦环厚度减小对等离子体分布造成的影响；
所述第二射频电路包括一偶数倍频器或偶数分频器，所述第一射频电路和所述第二射频电路连接同一射频信号发生器。
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