CN108257841B - 一种具有多区可调磁环的等离子处理装置及其处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有多区可调磁环的等离子处理装置，等离子处理装置包括一个反应腔和反应腔内的上下电极，其中一个射频电源连接到上或下电极，反应腔内部还包括一个由多个弧形导磁部件组合构成的圆环形导磁回路，所述圆环形导磁回路环绕所述上下电极之间产生等离子体的区域，且所述上下电极间产生的电容耦合电场穿过所述环形导磁回路；所述每个弧形导磁部件包括两个终端，相邻两个弧形导磁部件的终端之间包括一间隙，多个弧形导磁部件上绕制有调整线圈，所述每个调整线圈连接到一个辅助射频电源。

Description

一种具有多区可调磁环的等离子处理装置及其处理方法

技术领域

本发明涉及半导体加工技术领域，具体涉及一种具有多区磁环的等离子处理装置，用以实现对处理装置内等离子分布的调节。

背景技术

等离子处理装置被广泛应用于半导体晶圆加工处理流程中，如图1所示为典型的等离子处理装置结构图。等离子处理装置包括可以抽真空的反应腔，反应腔内底部包括基座用于支撑待处理的晶圆，基座内包括下电极10，。下电极10上方还包括一个静电夹盘，通过静电夹盘30固定待处理晶圆。与基座相对的反应腔上方包括上电极20，上电极20中还集成了反应气体进气装置，用于均匀输入反应气体到下方的晶圆。但是对于如图1所示的电容耦合型等离子处理装置(CCP)来说，由于硬件的原因一直存在等离子浓度中心到边缘的不均匀性，典型的是晶圆中心位置的等离子浓度高于晶圆边缘区域的等离子浓度浓度。

随着半导体技术的发展，对晶圆(wafer)制程中的均匀度(uniformity)和临界尺寸(critical dimension，CD)要求越来越严格，为了改善中心到边缘的等离子浓度不均衡，提出在上下电极外围设置一个导磁材料环30，导磁材料环30可以有铁氧体、坡莫合金或者硅钢等其它导磁材料制成。如图1所示，一个输出大功率的射频源12连接到下电极10，在上下电极之间形成生电容耦合电场，射频电源也可以耦合到上电极20，两者均能在上下电极间产生电容耦合电场。由于该电容耦合电场是高频交变的，所以会在围绕电场方向形成交变的感应磁场，由于导磁材料环30的存在，绝大部分感应磁场都被集中到了具有较低磁阻的导磁材料环30中，使得导磁材料环30中感应磁场的强度远高于在周围真空中的磁场强度。高强度的感应磁场进一步感应产生感应电场，感应电场与上下电极间原有存在的电容耦合电场方向相反，而且感应电场强度分布情况也是对应晶圆中心区域高于晶圆边缘区域，所以电容耦合电场和感应电场两者叠加，互相抵消后最终产生的电场的均一性明显好于未设导磁材料环30的现有技术。

然而上述结果仍然无法解决晶圆在部分方位上发生的等离子不均匀问题，比如晶圆在一个伞形区域内的等离子浓度与其它区域不同，此时通过一个完整的导磁材料环无法补充这些区域之间的等离子浓度差。

所以业内需要开发一种新的装置既能够实现对晶圆中心到边缘区域之间浓度不均衡的补偿，也能实现晶元上不同区域之间等离子浓度的微调，最终获得更均匀的处理效果。

发明内容

本发明公开一种具有多区可调磁环的等离子处理装置，所述具有多区可调磁环的等离子处理装置包括反应腔，反应腔内包括一个上电极和一个下电极，一个射频电源连接并输出射频功率到所述上下电极之间，使得上下电极之间产生电容耦合电场，并产生等离子体，所述下电极上方设置有一个静电夹盘，所述静电夹盘用于固定待处理基片，利用所述等离子体对基片进行处理，其特征在于，所述反应腔内部还包括一个由多个弧形导磁部件组合构成的圆环形导磁回路，所述导磁回路环绕所述上下电极之间产生等离子体的区域，且所述电容耦合电场穿过所述导磁回路围绕形成的空间；所述每个弧形导磁部件包括两个终端，相邻两个弧形导磁部件的终端之间包括一间隙，多个弧形导磁部件上绕制有调整线圈，所述每个调整线圈连接到至少一个辅助射频电源。

其中多个弧形导磁部由铁氧体材料或坡莫合金制成。相邻两个弧形导磁部件的终端之间的间隙大于1cm小于12cm，所述弧形导磁部件数大于3小于12。

多个弧形导磁部件位于一个围绕上下电极之间等离子处理区的一个移动环中，所述移动环能够上下移动，所述移动环内侧壁涂覆有耐等离子腐蚀层。

所述辅助射频电源通过一个控制电路连接到所述调整线圈，所述控制电路能够控制所述辅助射频电源输出射频功率的功率大小或相位。以选择性的补偿不同弧形导磁部对应区域的等离子浓度。

本发明还揭露了一种多区可调磁环的等离子处理装置的控制方法，所述控制方法包括：射频电源向所述上下电极输出射频功率，点燃等离子体对基片进行处理；检测装置检测并记录基片表面等离子浓度分布数据；根据所述等离子浓度分布数据判断需要进行等离子浓度补偿的补偿区域；控制补偿区域对应的辅助射频电源向补偿区域对应的调整线圈输出射频功率，最终在补偿区域对应的导磁弧形部件中形成调整磁场，所述调整磁场在补偿区域感应产生的电场能够补偿等离子浓度的不均匀性。当所述补偿区域的等离子浓度低于其它区域时，所述辅助射频电源输出第一相位的射频功率到对应的调整线圈，所述补偿区域的等离子浓度高于其它区域时，所述辅助射频电源输出第二相位的射频功率到对应的调整线圈。

其中所述调整磁场包括第一部分磁通沿所述圆环形导磁回路(M1)分布，还包括第二部分磁通沿着调整导磁回路(M2)分布，所述调整导磁回路包括：补尝区域对应的导磁弧形部件、所述导磁弧形部件的第一终端穿过基片上方反应区域到达第二终端的磁通路。所述第二部分磁通大于等于所述第一部分的磁通，所以大部分磁场能量被施加到补偿区域，而不是整个反应区域。

附图说明

图1为现有技术等离子处理装置示意图；

图2为本发明具有多区可调导磁环的等离子处理装置示意图。

具体实施方式

以下结合附图2，进一步说明本发明的具体实施例。

本发明公开了一种多区可调导磁环的等离子处理装置，等离子处理装置内基本的硬件结构与图1所示的现有技术相同，均包含有等离子体反应腔，在进行等离子体刻蚀时，向等离子体反应腔提供反应气体，在等离子体反应腔中设有对应的上电极和下电极，用于激发反应气体从而产生等离子体，使工艺过程中等离子体反应腔内部充满有等离子体(plasma)。其主要区别在于本发明的导磁环30并不构成完成的导磁回路，而是被分隔为多个弧形导磁部件30a～30d，这些弧形导磁部件共同围绕构成一个具有多个开口的圆环形导磁回路M1。每个弧形导磁部件与相邻的弧形导磁部件之间的间隙大小均可以根据需要优化设计。同时在这些弧形导磁部件30a～30d上均绕设有各自对应的调整线圈32a～32d，这些线圈均连接到一个可控的辅助射频电源，和一个控制电路使得流入到每个调整线圈32a～32d的射频电流大小和相位可以调节。由于这些间隙的存在，穿过多个弧形导磁部件30a～30d截面的磁力线并不都在圆环形导磁回路M1内，还会有部分磁力线泄露到两个间隙之间的晶圆上方空间中，形成磁回路M2。

下面以弧形导磁部件32d对应的晶圆区域等离子浓度低于周围其它几个扇形区域为例来说明本发明的作用过程。由于圆环形导磁回路M1的磁阻仍然远低于周围真空环境，所以感应磁场仍然会沿着圆环形导磁回路M1分布，但是对通过调整线圈32d产生的磁场来说其分布状况就会明显不同，射频功率被施加到线圈32d后在弧形导磁部件30d中产生射频磁场，由于多个间隙的存在，流过回路M1的磁阻是4个间隙的真空磁阻再加上3个弧形导磁部的磁阻，而经过磁回路M2的磁阻就是两个间隙之间距离上的真空磁阻。所以对于线圈32d产生的磁场来说流过两个回路M1、M2的磁场强度分布与比例取决于上述两个磁阻的大小比例。而真空磁阻远大于弧形导磁部件中的磁阻，所以最终决定流过两个回路的磁力线的比例取决于4个间隙的大小与弧形导磁部两个端点之间的距离大小。当间隙较大而弧形部件两个端点的距离较小时，经过磁回路M2磁场强度甚至会大于经过磁回路M1的磁场强度。所以可以通过设计不同的弧形导磁部件30的分隔数，比如分隔为8个时每个弧形导磁部件两端的距离会只要图2所述实施例的一半左右，同时每个弧形导磁部件之间的间隙数也相应增加为8个，在间隙距离大小不变的情况下，8个间隙的距离可能会远大于一个弧形导磁部件两端的距离，这种情况下就能使得流过回路M2的磁场占主导地位。

本发明可以通过调整流过磁回路M2的调整磁场的大小或方向调整感应产生的感应电场的大小和方向，最终实现调整弧形导磁部件30d对应区域的等离子浓度或电场分布。

所以本发明中各个弧形导磁部件的大小和间隙的大小比例决定了调整线圈32所述产生的磁场能量的分布情况，再叠加上电容耦合电场本身在导磁回路M1中形成的感应磁场，既能够补偿晶圆上中心区域与边缘区域的等离子分布不均(磁回路M1)，也能够补偿部分方位角上等离子浓度不均(磁回路M2)。

由于本发明应用于半导体晶圆处理，所以晶圆尺寸是固定的，比如直径300或450mm的圆形，因此弧形导磁部件30a～30d的形成的圆环形磁回路的尺寸也是基本固定的，比晶圆直径略大。导磁部件之间的间隙可以选择1cm-12cm，相应的弧形导磁部件的个数也可以选择12个-3个。

本发明多个导磁弧形部件可以设置在一个可上下移动的移动环内，移动环由绝缘材料制成，呈圆桶状围绕上下电极之间的等离子产生区域。绝缘环面向等离子产生区域的内壁还需要涂覆耐等离子腐蚀的材料层。调整线圈也埋设在移动环内，多个射频导线连接到外部的一个或多个辅助射频电源。通过移动环的上下移动可以选择性的改善上下电极间不同高度的电磁场分布，从而补偿等离子分布的不均匀性。

在等离子处理过程中可以先点燃反应腔内的等离子体对晶圆进行处理，通过一个或多个探头直接检测晶圆上等离子浓度的分布，根据获得的等离子分布数据选择一个需要进行补偿的区域。也可以等当前等离子处理工艺完成后对基片上等离子处理结果进行检测，通过检测可以推导得知实际处理过程中的等离子浓度分布差异。检测出不同区域的等离子浓度分布差异之后就可以确定需要补偿的区域，进一步地，可以选择与所述补偿区域对应的一个辅助射频电源输出射频功率到对应的调整线圈上。调整线圈产生的射频磁场一部分沿M1回路形成第一磁场，一部分沿M2回路形成第二磁场。当需要补充的区域的等离子浓度是高于其它几个扇形区域时，可以选择施加第一相位的射频功率，第一相位的射频功率与射频电源12产生的射频功率相位相反，这样调整线圈中产生的磁场也与电容耦合电场中感应产生的感应磁场方向相反，所以通过M2回路的磁场感应出的电场方向也与原始的电容耦合电场方向相反，所以最终会减小补偿区域的等离子密度。同样的原理当补充区域内等离子密度低于周围其它扇形区时，施加与射频电源12输出射频功率相同相位的射频功率到调整线圈，这样可以增强补充区域内的等离子体密度，最终获得均一的等离子体密度。辅助射频电源的输出功率相位也可以有其它选择，但是基本原理相同，都能一定程度上增强或者削弱原有电容耦合电场所以都能够实现对补偿区域内等离子浓度的调整。

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)

1.一种具有多区可调磁环的等离子处理装置，所述具有多区可调磁环的等离子处理装置包括反应腔，反应腔内包括一个上电极和一个下电极，一个射频电源连接并输出射频功率到所述上下电极之间，使得上下电极之间产生电容耦合电场，并产生等离子体，所述下电极上方设置有一个静电夹盘，所述静电夹盘用于固定待处理基片，利用所述等离子体对基片进行处理，

其特征在于，所述反应腔内部还包括一个由多个弧形导磁部件组合构成的圆环形导磁回路，所述导磁回路环绕所述上下电极之间产生等离子体的区域，且所述电容耦合电场穿过所述导磁回路围绕形成的空间；所述每个弧形导磁部件包括两个终端，相邻两个弧形导磁部件的终端之间包括一间隙，多个弧形导磁部件上绕制有调整线圈，所述每个调整线圈连接到至少一个辅助射频电源。

2.如权利要求1所述的具有多区可调磁环的等离子处理装置，其特征在于，所述多个弧形导磁部件由铁氧体材料或坡莫合金制成。

3.如权利要求1所述的具有多区可调磁环的等离子处理装置，其特征在于，所述相邻两个弧形导磁部件的终端之间的间隙大于1cm小于12cm。

4.如权利要求3所述的具有多区可调磁环的等离子处理装置，其特征在于，所述弧形导磁部件数大于3小于12。

5.如权利要求1所述的具有多区可调磁环的等离子处理装置，其特征在于，所述多个弧形导磁部件位于一个围绕上下电极之间等离子处理区的一个移动环中，所述移动环能够上下移动，所述移动环内侧壁涂覆有耐等离子腐蚀层。

6.如权利要求1所述的具有多区可调磁环的等离子处理装置，其特征在于，所述辅助射频电源通过一个控制电路连接到所述调整线圈，所述控制电路能够控制所述辅助射频电源输出射频功率的功率大小或相位。

7.一种用于如权利要求1-6中任意一项所述的具有多区可调磁环的等离子处理装置的控制方法，所述控制方法包括：

射频电源向所述上下电极输出射频功率，点燃等离子体对基片进行处理；

检测装置检测并记录基片表面等离子浓度分布数据；

根据所述等离子浓度分布数据判断需要进行等离子浓度补偿的补偿区域；

控制补偿区域对应的辅助射频电源向补偿区域对应的调整线圈输出射频功率，最终在补偿区域对应的弧形导磁部件中形成调整磁场，所述调整磁场在补偿区域感应产生的电场能够补偿等离子浓度的不均匀性，

所述调整磁场包括第一部分磁通沿所述圆环形导磁回路（M1）分布，还包括第二部分磁通沿着调整导磁回路（M2）分布，所述调整导磁回路包括：补偿区域对应的弧形导磁部件、所述弧形导磁部件的第一终端穿过基片上方反应区域到达第二终端的磁通路。

8.一种如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述补偿区域的等离子浓度低于其它区域时，所述辅助射频电源输出第一相位的射频功率到对应的调整线圈，所述补偿区域的等离子浓度高于其它区域时，所述辅助射频电源输出第二相位的射频功率到对应的调整线圈。

9.一种如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述第二部分磁通大于等于所述第一部分磁通。

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