CN107154332A - 一种等离子体处理装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种等离子体处理装置及在等离子体处理装置内处理基片的方法。所述等离子体处理装置包括一反应腔，所述反应腔内设置一上电极及一下电极，本发明在所述下电极外围环绕设置一中空绝缘环，并在所述中空绝缘环内设置一射频线圈，通过在清洁工艺中向射频线圈施加射频功率可以提高边缘区域清洁气体的解离程度，进而提高边缘区域清洁等离子体的浓度；高浓度的清洁等离子体有利于保证边缘区域部件的清洁效果。在刻蚀工艺中，通过设置射频线圈接地可以有效的避免施加到下电极上的射频功率在射频线圈上产生放电。

Description

一种等离子体处理装置及方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种等离子处理装置内部清洁的技术领域。

背景技术

等离子体反应装置广泛应用于集成电路的制造工艺中，如沉积、刻蚀等。其中，常用的等离子体刻蚀反应装置包括电容耦合型等离子体反应装置CCP和电感耦合型等离子体装置ICP，等离子体反应装置的原理主要是使用射频功率将输入反应装置中的反应气体解离成等离子体，利用该等离子体对放置于其内部的基片进行等离子体刻蚀处理，不同基片的刻蚀工艺需要不同的反应气体，同时也会产生不同的反应副产物，某些反应副产物彼此之间发生反应，沉积在反应腔内部侧壁或者其他部件上，对后续反应工艺造成影响。

为了保证每片基片的工艺环境稳定，当一片基片刻蚀工艺完成并移出反应腔后，需要对反应腔内部进行清洁，以除去上一片基片刻蚀工艺中反应副产物的沉积。对反应腔内部的清洁工艺通常为，向反应腔内通入清洁气体，对反应腔施加射频功率，将清洁气体解离为清洁等离子体，利用清洁等离子体对反应腔内的侧壁及内部部件进行清洁。在清洁工艺中，清洁等离子体的浓度分布是影响反应腔内清洁程度的重要因素。在电容耦合型等离子体反应装置中，由于清洁等离子体的产生方式为通过上电极和下电极之间的电场产生，由于上电极和下电极之间的电场线分布的不均匀，导致边缘区域产生的等离子体浓度低于中心区域产生的等离子体浓度，因此导致反应腔边缘区域的部件清洁效果不佳，降低了设备的清洁效率，且难以保证每片基片的工艺环境一致。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种等离子体处理装置，包括一反应腔，所述反应腔内设置一上电极以及一下电极，所述下电极上方设置一用以支撑固定基片的静电夹盘，所述静电夹盘外围环绕设置一中空绝缘环，所述中空绝缘环内设置一射频线圈，所述射频线圈在清洁工艺中与一射频电源相连通，在刻蚀工艺中接地。

进一步的，所述中空绝缘环为石英材料，所述中空绝缘环的底部与反应腔内区域保持联通。

优选的，所述射频线圈包括一开口或所述射频线圈上设置一段绝缘材料。

优选的，所述射频线圈与一升降驱动装置相连，所述升降驱动装置控制所述射频线圈在所述中空绝缘环内上下移动。

优选的，所述升降驱动装置包括至少两根升降杆以及与所述升降杆连接的控制部件。

优选的，所述射频线圈上设置接地结构，所述射频线圈位置降下时所述接地结构接地。

优选的，所述接地结构为设置在所述射频线圈上的凹陷部或凸起部。

优选的，所述反应腔内设置反应腔底壁，所述反应腔底壁上与所述射频线圈的接地结构对应处设置与接地结构相配合的凸起部或凹陷部，所述接地结构降下时，所述射频线圈上的凹陷部或凸起部与所述反应腔底壁上的凸起部或凹陷部相互嵌合，实现所述射频线圈的接地。

优选的，所述中空绝缘环内设置一接地元件，所述接地元件在所述中空绝缘环内上下位置可调。

优选的，所述接地元件上升到一定位置时与所述射频线圈接触，实现所述射频线圈接地。

优选的，所述接地元件为接地的可升降触杆。

进一步的，本发明还公开了一种等离子体处理装置内处理基片的方法，所述方法在一反应腔内进行，所述反应腔内设置一上电极以及一下电极，所述下电极上方设置一用以支撑固定待处理基片的静电夹盘，所述静电夹盘包括一中空绝缘环，所述中空绝缘环内设置一射频线圈，所述方法包括下列步骤：

刻蚀步骤，将一待处理基片移入反应腔内，向反应腔内通入刻蚀气体，将至少一射频功率施加到所述下电极上，将所述刻蚀气体解离为刻蚀等离子体，实现对待处理基片的刻蚀工艺，在刻蚀步骤中，所述射频线圈接地；

清洁步骤，移出刻蚀完成的基片，向反应腔内通入清洁气体，分别向所述射频线圈和所述下电极施加射频功率，将清洁气体解离为清洁等离子体，实现对反应腔内的清洁步骤。

优选的，将所述射频线圈与一升降驱动装置连接，在刻蚀步骤中，所述升降驱动装置驱动所述射频线圈位置下降，所述射频线圈与反应腔内一接地元器件接触即实现所述射频线圈的接地。

优选的，将反应腔内一接地元器件与一升降驱动装置连接，在刻蚀步骤中，所述升降驱动装置驱动所述接地元器件位置上升，所述接地元器件与所述射频线圈接触，实现所述射频线圈的接地。

优选的，将所述射频线圈与一升降驱动装置连接，在所述清洁步骤中，所述升降驱动装置驱动所述射频线圈位置在所述中空绝缘环顶部及射频线圈尚未与反应腔内任何接地元器件接触的位置之间移动。

本发明的优点为：本发明在所述下电极外围环绕设置一中空绝缘环，并在所述中空绝缘环内设置一射频线圈，通过在清洁工艺中向射频线圈施加射频功率可以提高边缘区域清洁气体的解离程度，进而提高边缘区域清洁等离子体的浓度；高浓度的清洁等离子体有利于保证边缘区域部件的清洁效果。在刻蚀工艺中，通过设置射频线圈接地可以有效的避免施加到下电极上的射频功率在射频线圈上产生放电。

附图说明

图1示出本发明所述一种等离子体处理装置结构示意图；

图2示出一种中空绝缘环垂直剖面结构示意图；

图3示出射频线圈及其升降驱动装置的立体结构示意图；

图4示出射频线圈的结构示意图。

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。本发明公开的技术适用于多种等离子体处理装置，尤其适用于电容耦合等离子体处理装置。

图1示出本发明所述方法适用的一种离子体处理装置结构示意图。本实施例中，所述等离子体处理装置为电容耦合型等离子体处理装置，电容耦合型等离子体处理装置包括反应腔100，反应腔包括由金属材料制成的大致为圆柱形的反应腔侧壁101及反应腔底壁102，反应腔侧壁101与反应腔底壁102及反应腔上壁围成一可被抽真空的反应腔结构，在反应腔内部上方位置设置一上电极110，上电极110同时作为向反应腔内提供工艺气体的气体喷淋头，一气体供应装置112将工艺气体通过气体喷淋头均匀输送到反应腔内。对应上电极110下方设置一下电极120，一射频功率源121与下电极120连接，并在需要时将射频功率施加到下电极上，以在上电极110和下电极120之间形成射频电场，输送到反应腔内的工艺气体在射频电场的作用下进行解离，形成用于刻蚀工艺或清洁工艺的等离子体20。下电极120上方设置一静电夹盘130，静电夹盘用于在刻蚀工艺中支撑固定基片10。等离子体20中含有大量的电子、离子、激发态的原子、分子和自由基等活性粒子，上述活性粒子可以和待处理基片的表面发生多种物理和化学反应，使得基片表面的形貌发生改变，完成工艺过程。在反应腔下方通常设置一排气装置150，用于对反应腔抽真空并将工艺制程中的副产物排出反应腔内。

刻蚀工艺开始前，先将基片10通过机械手（图中未示出）移入反应腔并放置在静电夹盘上，静电夹盘内部设置的直流电极30产生一静电吸力，将基片夹持在静电夹盘的表面。刻蚀工艺开始后，气体供应装置112通过气体喷淋头110向反应腔内提供刻蚀反应气体，射频功率源121向下电极提供射频功率，在具体实施时，施加到下电极上的射频功率源的数目大于等于一个，且射频功率源与下电极之间还设置射频匹配网络等匹配装置，由于此特征不属于本发明要强调的发明点，为了描述简洁，本发明示例性的将一个射频功率源施加到下电极120上。本实施例中，将上电极110接地，当在下电极上施加射频功率源时，上电极与下电极之间形成一射频电场，经上电极110进入反应腔的刻蚀气体在射频电场内解离形成刻蚀等离子体，刻蚀等离子体按照工艺要求完成对基片10的刻蚀工艺。

刻蚀工艺中，刻蚀等离子体除了对基片进行作用完成刻蚀要求外，未解离的刻蚀气体及未参与反应的刻蚀等离子体还会在反应腔内裸露在外的部件及侧壁上进行沉积反应，生成聚合物沉积，这些聚合物会在后续工艺过程中发生脱落，生成颗粒污染物。因此，在两片基片的刻蚀工艺之间，需要增加一步清洁步骤，以保证每片基片的工艺环境一致。

清洁工艺发生在将基片移出反应腔以后，此时，气体供应装置112向上电极110内输送清洁气体，经兼做气体喷淋头的上电极110将清洁气体均匀输送到反应腔内，同时，射频功率源121施加符合清洁工艺要求的射频功率至下电极120，实现将清洁气体解离为清洁等离子体的步骤。清洁工艺中，清洁等离子体的浓度分布是影响清洁效果的重要因素。在电容耦合等离子体处理装置中，等离子体浓度的分布规律是中心区域高于边缘区域，因此电容耦合等离子体处理装置的反应腔中心区域的清洁效果优于边缘区域的清洁效果。然而，在反应腔的边缘区域设有包括石英覆盖环140以及反应腔侧壁101等多个部件，若上述部件清洁效果不佳，会导致整体反应腔的清洁效果大打折扣。

为了调整反应腔内清洁等离子体的浓度分布均匀，本发明设置一种技术方案，在等离子体浓度较低的区域增加一射频电极，通过施加射频功率使得清洁工艺中该射频电极额外产生等离子体，以实现清洁等离子体的均匀分布。

图2示出一种中空绝缘环垂直剖面结构示意图，在图示结构中，中空绝缘环132环绕设置在静电夹盘130外边缘，位于石英覆盖环140下方，其底部设置开口，使得中空绝缘环内部空间与反应腔内区域保持联通。本实施例中，中空绝缘环选择石英材料，通过在一整体石英材料上切割或者通过其他方式制作获得。中空绝缘环的内部空间与反应腔内真空区域相连通，可以保证排气装置150在对反应腔内抽真空时一起对中空绝缘环的内部空间抽真空，避免中空绝缘环内气体滞留导致内部放电，对反应腔结构造成破坏。在中空绝缘环132内部设置一射频线圈135，射频线圈135连接一射频功率源122，在清洁步骤中，射频功率源121向下电极120施加射频功率，在反应腔内形成中心区域浓度高边缘区域浓度低的清洁等离子体分布此时，同时，射频功率源122向射频线圈135上施加射频功率，射频线圈135对其上方的清洁气体进行解离，以提高静电夹盘边缘区域的清洁等离子体浓度。确保反应腔内清洁等离子体浓度分布均匀。清洁工艺结束后，反应腔内移入待处理基片10并放置于静电夹盘上方，此时，上电极110输送刻蚀工艺气体至静电夹盘上方。为了避免射频线圈135对刻蚀工艺气体进行解离，改变反应腔内刻蚀工艺的均匀性，在刻蚀工艺中，停止向射频线圈施加射频功率，进一步的，为了避免施加到下电极上的射频功率在射频线圈135上产生放电，在刻蚀工艺中将射频线圈135接地。

射频线圈接地的方式有多种，一种可行的实施方式为通过射频线圈135在中空绝缘环内的位置变化实现其与射频电源连接或是与地连接。具体的，将射频线圈与一升降驱动装置131连接，通过升降驱动装置131驱动射频线圈在中空绝缘环内上升或下降，在清洁工艺步骤中，升降驱动装置131驱动射频线圈位置上升到靠近中空绝缘环上方的位置，此时射频功率源122对射频线圈施加射频功率，使得射频线圈解离清洁气体；在刻蚀工艺步骤中，升降驱动装置131驱动射频线圈位置下降，在射频线圈135上设置一接地结构133，当射频线圈的位置降下时，射频线圈上的接地结构133与反应腔内某一接地元器件接触使得射频线圈接地。避免射频线圈在中空绝缘环内放电。升降驱动装置131包括至少一个升降杆1311以及与升降杆相连的控制装置1312，为了保证射频线圈的平稳移动，升降驱动装置131包括两个或两个以上的升降杆。由于射频线圈不能为闭合线圈，因此，通过在射频线圈135上设置一段开口或者在射频线圈的某一个位置设置一段绝缘材料，实现射频线圈的正常工作。在图3示出的实施例中，射频线圈135上设置一段开口135a，开口135a的两侧分别设置一升降杆1311及与升降杆相连的1312，在射频线圈135的另外区域平均设置两个升降杆1311及与升降杆相连的1312，以保证射频线圈的平稳移动。

图4示出一种射频线圈的结构示意图，在图4所示的实施例中，接地结构133为设置在射频线圈底部的至少一个凹陷部，对应的，在反应腔内接地元器件的上表面对应设置凸起部，当射频线圈135降下时，射频线圈的凹陷部与接地元器件的凸起部嵌合接触，使得射频线圈接地。可变通的，射频线圈135的接地结构133也可以设置为至少一个凸起部，而在反应腔内接地元器件的上表面对应设置凹陷部，当射频线圈135降下时，射频线圈的凸起部与接地元器件的凹进部嵌合接触，也使得射频线圈接地。本发明的接地元器件可以为反应腔底壁，由于反应腔底壁始终接地，且在反应腔底壁上设置一凸起部或凹陷部结构简单，易于制作。

在本发明的技术方案中，在清洁工艺时，射频线圈的位置可以在中空绝缘环顶部及尚未与反应腔内任何接地元器件接触之间的位置上下移动。当射频线圈位于中空绝缘环内顶部时，射频线圈距离反应腔内清洁气体最近，此时，射频线圈辐射到的面积较小，清洁气体被解离的面积也较小，因此，对中空绝缘环上方的部件如石英覆盖环的清洁效果较好，而对更为边缘的部件，如反应腔侧壁的清洁效果则略差。控制升降驱动装置131降低射频线圈在中空绝缘环的位置，随着射频线圈位置降低，射频线圈辐射到的区域面积增大，因此，能够解离的清洁气体面积随之增大，以实现对反应腔内更为边缘区域的部件的清洁。需要注意的是，在升降射频线圈时，要避免射频线圈与接地元器件接触导致射频线圈的接地。

在另外的实施例中，也可以设置射频线圈135位置不变，通过设置一接地的可升降触杆在中空绝缘环132内的升降实现对射频线圈的接地。本实施例中接地元器件与射频线圈接地的方式可以参照上文描述。

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 (15)

1.一种等离子体处理装置，包括一反应腔，所述反应腔内设置一上电极及一下电极，所述下电极上方设置一用以支撑固定基片的静电夹盘，其特征在于：所述静电夹盘外围环绕设置一中空绝缘环，所述中空绝缘环内设置一射频线圈，所述射频线圈在清洁工艺中与一射频电源相连通，在刻蚀工艺中接地。

2.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述中空绝缘环为石英材料，所述中空绝缘环的底部与反应腔内区域保持联通。

3.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述射频线圈包括一开口或所述射频线圈上设置一段绝缘材料。

4.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述射频线圈与一升降驱动装置相连，所述升降驱动装置控制所述射频线圈在所述中空绝缘环内上下移动。

5.根据权利要求4所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述升降驱动装置包括至少两根升降杆以及与所述升降杆连接的控制部件。

6.根据权利要求4所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述射频线圈上设置接地结构，所述射频线圈位置降下时所述接地结构接地。

7.根据权利要求6所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述接地结构为设置在所述射频线圈上的凹陷部或凸起部。

8.根据权利要求6所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述反应腔内设置反应腔底壁，所述反应腔底壁上与所述射频线圈的接地结构对应处设置与接地结构相配合的凸起部或凹陷部，所述接地结构降下时，所述射频线圈上的凹陷部或凸起部与所述反应腔底壁上的凸起部或凹陷部相互嵌合，实现所述射频线圈的接地。

9.根据权利要求2所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述中空绝缘环内设置一接地元件，所述接地元件在所述中空绝缘环内上下位置可调。

10.根据权利要求9所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述接地元件上升到一定位置时与所述射频线圈接触，实现所述射频线圈接地。

11.根据权利要求8所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述接地元件为接地的可升降触杆。

12.一种等离子体处理装置内处理基片的方法，所述方法在一反应腔内进行，所述反应腔内设置一上电极以及一下电极，所述下电极上方设置一用以支撑固定待处理基片的静电夹盘，所述静电夹盘包括一中空绝缘环，所述中空绝缘环内设置一射频线圈，其特征在于：所述方法包括下列步骤：

刻蚀步骤，将一待处理基片移入反应腔内，向反应腔内通入刻蚀气体，将至少一射频功率施加到所述下电极上，将所述刻蚀气体解离为刻蚀等离子体，实现对待处理基片的刻蚀工艺，在刻蚀步骤中，所述射频线圈接地；

清洁步骤，移出刻蚀完成的基片，向反应腔内通入清洁气体，分别向所述射频线圈和所述下电极施加射频功率，将清洁气体解离为清洁等离子体，实现对反应腔内的清洁步骤。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于：将所述射频线圈与一升降驱动装置连接，在刻蚀步骤中，所述升降驱动装置驱动所述射频线圈位置下降，所述射频线圈与反应腔内一接地元器件接触即实现所述射频线圈的接地。

14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于：将反应腔内一接地元器件与一升降驱动装置连接，在刻蚀步骤中，所述升降驱动装置驱动所述接地元器件位置上升，所述接地元器件与所述射频线圈接触，实现所述射频线圈的接地。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于：将所述射频线圈与一升降驱动装置连接，在所述清洁步骤中，所述升降驱动装置驱动所述射频线圈位置在所述中空绝缘环顶部及射频线圈尚未与反应腔内任何接地元器件接触的位置之间移动。