CN108630511A - 下电极装置及半导体加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种下电极装置，下电极装置包括下射频电源、下匹配器和基座，基座用于承载基片，基座包括绝缘设置的多个射频电极；下射频电源的输出端与下匹配器的输入端相连；下匹配器包括与多个射频电极一一对应相连的多路输出端；下匹配器用于实现对下射频电源的特征阻抗和负载阻抗进行阻抗匹配，并在阻抗匹配的过程中使得多路输出端输出的电压按照预设分配方式输出至多个射频电极，以对每个射频电极加载相应的射频偏压。该下电极装置和半导体加工设备，提供了一种调节工艺均匀性的手段，扩大了工艺应用窗口，因此，下电极装置应用在大尺寸晶圆(大于等于300mm，甚至450mm)刻蚀设备中可以有效地提高工艺均匀性。

Description

下电极装置及半导体加工设备

技术领域

本发明属于半导体设备制造技术领域，具体涉及一种下电极装置及半导体加工设备。

背景技术

半导体刻蚀设备通常应用电感耦合等离子体原理，将射频电源提供的射频能量施加至高真空环境的反应腔室中电力高真空状态下的工艺气体，产生大量的电子、离子、激发态的原子、分子和自由基等活性粒子，该活性粒子与暴露在等离子体环境中的晶圆表面发生物理和/或化学反应，从而完成晶圆的刻蚀工艺。

工艺均匀性是大尺寸晶圆(≥300mm)刻蚀工艺的一个重要指标，其与腔室内电场均匀性、磁场均匀性、温度均匀性和气流场均匀性等因素相关。为提高工艺均匀性，目前关键的技术包括双射频源技术(上电极系统采用双线圈结构)、双温度区静电卡盘技术、双气流成技术(中心进气系统和边缘进气系统)等。

图1为典型的等离子体刻蚀设备的结构示意图，请参阅图1，该等离子体刻蚀设备采用了上述双射频源技术和双温度区静电卡盘技术。具体地，该等离子体刻蚀设备包括腔室1、上电极装置和下电极装置。其中，腔室1的顶壁为介质窗6，上电极装置包括内线圈4、外线圈5、上射频电源7和双输出匹配器8，上射频电源7通过具有电流分配功能的双输出匹配器8将能量分配输出给内线圈4和外线圈5，并穿过介质窗6耦合至腔室1内，将工艺气体激发形成等离子体9。

下电极装置包括静电卡盘2、下射频电源10和下匹配器11。其中，静电卡盘2设置在腔室1内，用于承载基片S；下射频电源10经过下匹配器11与静电卡盘2连接，将射频能量加载到静电卡盘2上实现射频偏压，给腔室内等离子体的粒子提供偏压能量，拉动粒子轰击基片S，实现刻蚀工艺。

下匹配器11的原理框图如图2所示，该下匹配器11包括射频传感器12、运算单元13、执行单元14、阻抗可调单元15，其中，射偏传感器12在射频传输线上采集射频信号并发送至运算单元13；运算单元13根据射频信号计算出当前负载阻抗和匹配点(即下射频电源10的输出阻抗)的差值，再转换为针对执行单元14的执行信号；执行单元14根据该执行信号调节阻抗可调单元15，执行单元14可以为马达，执行信号包括马达的运行方向和运行时间，阻抗可调单元15包括可变电容，通过执行单元14调剂阻抗可调单元15可实现调节下射频电源10的负载阻抗，使该负载阻抗和输出阻抗达到匹配。

双温度区静电卡盘技术是指静电卡盘2被划分为中心区域和环形边缘区域，可分别对中心区域和环形边缘区域的温度进行独立调节。静电卡盘2的结构如图3所示，请参阅图3，静电卡盘2由下至上依次层叠设置有：射频馈入柱21、基座层22、第一隔离层23、加热层24、第二隔离层25、绝缘层26。其中，射频馈入柱21插入固定在基座层22的中心位置，基座层22采用金属导电材料制成，通过射频馈入柱21与下匹配器11电连接，将下射频电源10提供的射频能量加载在基座层22上；加热层24包括相互独立的中心加热电极241和边缘加热电极242，对应加热基片S的中心区域和环形边缘区域；第一隔离层23一般采用绝缘材料将基座层22与加热层24隔离开；绝缘层26内设置有直流电极27，有正电极和负电极；第二隔离层25用于将加热层24和直流电极27隔离开；绝缘层26用于隔离等离子体和直流电极27，避免直流电极被刻蚀造成损耗或者腔室污染。

上述等离子体刻蚀设备中，上电极装置采用双射频源技术，可通过调节向内线圈4和外线圈5各自分配的射频能量来调节刻蚀工艺均匀性的效果；采用双温度区的静电卡盘，由于等离子体中的离子、电子、中性粒子在不同温度下发生物理和化学反应的速度不同，即表现为工艺的刻蚀速率不同，因此，可通过调节不同区域温度来调节刻蚀工艺均匀性的效果。

然而，在实际应用中，随着晶圆尺寸的不断增大，例如，增大至300mm以上，尤其是在450mm时，采用上述方式且在下电极功能单一的情况下，仅通过调节温度很难达到刻蚀均匀性的指标(一般为4％)。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题，提供了一种下电极装置及半导体加工设备，提供了一种调节工艺均匀性的手段，更有效地实现工艺均匀性的调节，从而扩大了工艺应用窗口，因此，下电极装置应用在大尺寸晶圆(大于等于300mm，甚至450mm)刻蚀设备中可以有效地提高工艺均匀性。

为解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种下电极装置，包括下射频电源、下匹配器和基座，所述基座用于承载基片，所述基座包括绝缘设置的多个射频电极；所述下射频电源的输出端与所述下匹配器的输入端相连；所述下匹配器包括与多个所述射频电极一一对应相连的多路输出端；所述下匹配器用于实现对所述下射频电源的特征阻抗和负载阻抗进行阻抗匹配，并在阻抗匹配的过程中使得多路输出端输出的电压按照预设分配方式输出至多个所述射频电极，以对每个所述射频电极加载相应的射频偏压。

优选地，所述基座包括中心射频电极和环形射频电极；所述环形射频电极与所述中心射频电极同层设置，所述环形射频电极套置在所述中心射频电极的外侧，且二者之间存在预设间隙。

优选地，所述环形射频电极的数量为多个；多个所述环形射频电极同层设置，且在径向上依次套置，并且相邻两个所述环形射频电极在径向上存在预设间隙。

优选地，在所述中心射频电极的中心设置有射频馈入柱；所述射频馈入柱，用于将所述中心射频电极和相应的所述下匹配器的一路输出端相连。

优选地，在所述环形射频电极的周向上设置多个间隔分布的射频馈入柱；每个所述射频馈入柱，用于将所述环形射频电极和相应的所述下匹配器的一路输出端相连。

优选地，每个所述环形射频电极在其周向间隔且均匀分布的多个位置分别通过射频馈入柱与所述下匹配器电连接。

优选地，所述下匹配器包括射频传感器、控制单元、执行单元、阻抗可调单元和电压分配单元；所述射频传感器，用于在射频传输线上采集射频信号并发送至所述控制单元；所述控制单元，用于根据所述射频信号计算出当前负载阻抗和所述下射频电源的输出阻抗的差值，并根据该差值获得所述执行单元的执行信号；所述执行单元，用于根据所述执行信号调节所述阻抗可调单元；所述电压分配单元包括电压传感器和可调负载；所述电压传感器用于检测多路输出端的输出电压信号并发送给控制单元；所述控制单元，还用于根据所述电压传感器检测到的电压信号来调节所述可调负载，以实现将所述阻抗可调单元输出的电压信号按照预设分配方式分配给所述多路输出端。

优选地，所述电压分配单元，其包括一端与所述阻抗可调单元的输出端相连，另一端作为输出端的多条支路，每条所述支路上设置有所述电压传感器和所述可调负载；所述电压传感器用于检测所在支路上的电压信号并发送至所述控制单元；所述控制单元根据多个所述电压传感器检测到的电压信号来调节多个所述可调负载，以实现将所述阻抗可调单元输出的电压信号按照预设分配方式分配给所述多路输出端。

优选地，所述电压分配单元，包括自所述阻抗可调单元的输出端依次串接的多个由所述可调负载和所述电压传感器串接组成的单元，每个所述单元的输出节点作为一个输出端；所述电压传感器用于检测所在电路上的电压信号并发送至所述控制单元；所述控制单元根据多个所述电压传感器检测到的所述电压信号来调节多个所述可调负载，以实现将所述阻抗可调单元输出的电压信号按照预设分配方式分配给所述多路输出端。

本发明还提供一种半导体加工设备，包括下电极装置，所述下电极装置采用本发明上述提供的下电极装置。

本发明具有下述有益效果：

本发明提供的下电极装置，通过预先设置分配方式即可对各个射频电极对应的基片不同区域的射频偏压进行调节，也即调节基片不同区域的刻蚀速率，从而实现调节刻蚀工艺均匀性的目的，故，本发明实施例提供下电极装置提供了一种调节工艺均匀性的手段，扩大了工艺应用窗口，因此，本发明实施例提供的下电极装置应用在大尺寸晶圆(大于等于300mm，甚至450mm)刻蚀设备中可以有效地提高工艺均匀性。

本发明提供的半导体加工设备，由于其采用本发明提供的下电极装置，因此，可以提高工艺的均匀性且扩大了工艺窗口。

附图说明

图1为典型的等离子体刻蚀设备的结构示意图；

图2为图1中下匹配器的原理框图；

图3为图1中静电卡盘的剖视图；

图4为本发明实施例提供的下电极装置的原理框图；

图5a为图4中基座包括的多个射频电极的第一种结构示意图；

图5b为图4中基座包括的多个射频电极的第二种结构示意图；

图5c为图4中基座包括的多个射频电极的第三种结构示意图；

图6为图4所示基座的剖视图；

图7为本发明实施例提供的下电极装置的下匹配器的原理框图；

图8a为图7所示的下匹配器的第一种具体电路示意图；

图8b为图7所示的下匹配器的第二种具体电路示意图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供下电极装置及半导体加工设备进行详细描述。

图4为本发明实施例提供的下电极装置的原理框图；请参阅图4，本发明实施例提供的下电极装置，包括下射频电源30、下匹配器40和基座50，基座50用于承载基片S；基座50包括绝缘设置的多个射频电极51，例如，如图5a所示，基座包括绝缘设置的两个射频电极，分别为中心射频电极52和环形射频电极53，环形射频电极53与中心射频电极52同层设置，环形射频电极53套置在中心射频电极52的外侧，且二者之间存在预设间隙；又如图5b所示，基座包括绝缘设置的三个射频电极，分别为中心射频电极52和两个环形射频电极53；再如图5c所示，基座包括绝缘设置的四个射频电极，分别为中心射频电极52和三个环形射频电极53，图5b和图5c中，多个环形射频电极53同层设置，且在径向上依次套置，并且每相邻两个环形射频电极53在径向上存在预设间隙。

下匹配器40包括与多个射频电极一一对应相连的多路输出端，下匹配器40用于实现对下射频电源30的特征阻抗和负载阻抗进行阻抗匹配，并在阻抗匹配的过程中使得多路输出端输出的电压按照预设分配方式输出至多个所述射频电极51，以对每个射频电极51加载相应的射频偏压。

本发明实施例提供的下电极装置，通过预先设置分配方式即可对各个射频电极51对应的基片不同区域的射频偏压进行调节，也即调节基片不同区域的刻蚀速率，从而实现调节刻蚀工艺均匀性的目的，故，本发明实施例提供下电极装置提供了一种调节工艺均匀性的手段，扩大了工艺应用窗口，因此，本发明实施例提供的下电极装置应用在大尺寸晶圆(大于等于300mm，甚至450mm)刻蚀设备中可以有效地提高工艺均匀性。

可以理解，图5a中，基座包括中心射频电极52和环形射频电极53，可以实现对基片S的中心区域和边缘区域的射频偏压进行调节，即实现对基片径向上两个区域的独立调节。

如图5b和图5c所示，采用多个环形射频电极53可实现对沿基片S上径向的多个环形区域的射频偏压进行调节，可进一步地对基片径向上的更多区域进行独立调节，从而给进一步地提高工艺均匀性提供了基础。

请参阅6，图6为图4所示的基座50的剖视图，在中心射频电极52的中心设置有射频馈入柱521，射频馈入柱521用于将中心射频电极52和相应的下匹配器40的一路输出端相连。在环形射频电极53的周向上设置多个间隔分布的射频馈入柱521，每个射频馈入柱521用于将环形射频电极53和相应的下匹配器40的一路输出端相连。具体地，射频馈入柱521可以但不限于为铜柱。

优选地，每个环形射频电极53在其周向间隔且均匀分布的多个位置分别通过射频馈入柱531与下匹配器40电连接，具体地，如图6所示，环形射频电极53通过圆周方向上呈180°的两个射频馈入柱531与下匹配器40电连接，这样，可以使每个环形射频电极53周向上各个位置的射频偏压分布均匀，有利于提高工艺均匀性。具体地，射频馈入柱531可以但不限于为铜柱。

优选地，继续参阅图6，在射频电极51(具体为中心射频电极52和环形射频电极53)上还设置有第一隔离层54，在第二隔离层54上还设置有对应基片不同区域的多个加热电极，用于对应加热基片的不同区域，具体地，加热电极包括对应基片中心区域的中心加热电极55和对应基片边缘区域的环形加热电极56。由于工艺的均匀性也与基片S的温度均匀性相关，因此，可通过对基片S不同区域进行独立加热来调节工艺的均匀性，故，还可以提供一种调节工艺均匀性的手段，进一步扩大了工艺应用窗口。

由于第一隔离层54主要用于将导电的加热电极和射频电极51隔离开，因此，第一隔离层54一般采用绝缘材料制成。

进一步优选地，继续参阅图6，在加热电极(具体为中心加热电极55和环形加热电极56)上还设置有第二隔离层57；在第二隔离层57上还设置有绝缘层58，在绝缘层58内设置有直流电极59，用于采用静电吸附的方式固定位于绝缘层58上的基片S。可以理解，基座50采用静电吸附的方式固定基片S，这样与采用机械叠压基片边缘区域的固定方式相比，不仅可以避免基片S受到损伤，而且，可以提高基片可利用面积。具体地，绝缘层58可以但不限于为陶瓷层。

可以理解，借助绝缘层58可以避免等离子体与直流电极59直接接触，因此，可以避免直流电极59被刻蚀而损耗、对腔室污染。

另外，优选地，继续参阅图6，该下电极装置还包括绝缘底座60，基座50设置在绝缘底座60上，该绝缘底座60用于将接地的腔体和射频电极51隔离。绝缘底座60采用绝缘材料制成，例如，陶瓷、玻璃丝板、聚四氟乙烯、聚醚酰亚胺或聚醚醚酮等。

请参阅图7，下匹配器40包括射频传感器41、控制单元42、执行单元43、阻抗可调单元44和电压分配单元45。其中，射频传感器41用于在射频传输线上采集射频信号并发送至控制单元42；控制单元42用于根据射频信号计算出当前负载阻抗和下射频电源30的输出阻抗的差值，并根据该差值获得执行单元43的执行信号；执行单元43用于根据执行信号调节阻抗可调单元44；电压分配单元45包括电压传感器和可调负载；电压传感器用于检测多路输出端的输出电压信号并发送给控制单元；控制单元42还用于根据电压传感器检测到的电压信号来调节所述可调负载，以实现将阻抗可调单元44输出的电压信号按照预设分配方式分配给多路输出端。

为实现下匹配器40自动分配电压功能，可以采用以下两种方案：

第一种采用并联分压的方式，请参阅图8a，电压分配单元45包括一端与阻抗可调单元44的输出端相连，另一端作为输出端的多条支路，每条支路上设置有电压传感器451和可调负载；电压传感器451用于检测所在支路上的电压信号并发送至控制单元42；控制单元42根据多个电压传感器451检测到的电压信号来调节多个可调负载，以实现将阻抗可调单元44输出的电压信号按照预设分配方式分配给多路输出端。

第二种采用串联分压的方式，请参阅图8b，电压分配单元45包括自阻抗可调单元44的输出端依次串接的多个由可调负载和电压传感器451串接组成的单元，每个单元的输出节点作为一个输出端；电压传感器451用于检测所在电路上的电压信号并发送至控制单元42；控制单元42根据多个电压传感器451检测到的电压信号来调节多个可调负载，以实现将阻抗可调单元44输出的电压信号按照预设分配方式分配给所述多路输出端。

具体地，在此说明的是，图8a和图8b中，可调负载均为可调电容，但是，本发明并不局限于此，在实际应用中，可调负载还可以包括可调电感、可调电阻等，并且，并不限制其电路连接方式。

另外，在此说明的是，图8a和图8b中，阻抗可调单元44均为“L型”结构，但是，本发明并不局限于此，在实际应用中，也可以为“T型”、倒“L”型、“π型”等其他形式的阻抗可调电路。

还需要说明的是，本发明并不限制下射频电源30的输出频率，如400KHz、2MHz、13MHz、27MHz、40MHz、60MHz等及其它频率。

实施例2

作为另外一个技术方案，本发明实施例还提供一种半导体加工设备，包括下电极装置，下电极装置采用本发明上述实施例提供的下电极装置。

具体地，半导体加工设备包括ICP设备、CCP设备及其他设备。

本发明实施例提供的半导体加工设备，由于其采用本发明上述实施例提供的下电极装置，因此，可以提高工艺的均匀性且扩大了工艺窗口。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种下电极装置，包括下射频电源、下匹配器和基座，所述基座用于承载基片，其特征在于，所述基座包括绝缘设置的多个射频电极；

所述下射频电源的输出端与所述下匹配器的输入端相连；

所述下匹配器包括与多个所述射频电极一一对应相连的多路输出端；

所述下匹配器用于实现对所述下射频电源的特征阻抗和负载阻抗进行阻抗匹配，并在阻抗匹配的过程中使得多路输出端输出的电压按照预设分配方式输出至多个所述射频电极，以对每个所述射频电极加载相应的射频偏压。

2.根据权利要求1所述的下电极装置，其特征在于，所述基座包括中心射频电极和环形射频电极；

所述环形射频电极与所述中心射频电极同层设置，所述环形射频电极套置在所述中心射频电极的外侧，且二者之间存在预设间隙。

3.根据权利要求2所述的下电极装置，其特征在于，所述环形射频电极的数量为多个；

多个所述环形射频电极同层设置，且在径向上依次套置，并且相邻两个所述环形射频电极在径向上存在预设间隙。

4.根据权利要求3所述的下电极装置，其特征在于，在所述中心射频电极的中心设置有射频馈入柱；

所述射频馈入柱，用于将所述中心射频电极和相应的所述下匹配器的一路输出端相连。

5.根据权利要求3所述的下电极装置，其特征在于，在所述环形射频电极的周向上设置多个间隔分布的射频馈入柱；

每个所述射频馈入柱，用于将所述环形射频电极和相应的所述下匹配器的一路输出端相连。

6.根据权利要求5所述的下电极装置，其特征在于，每个所述环形射频电极在其周向间隔且均匀分布的多个位置分别通过射频馈入柱与所述下匹配器电连接。

7.根据权利要求1所述的下电极装置，其特征在于，所述下匹配器包括射频传感器、控制单元、执行单元、阻抗可调单元和电压分配单元；

所述射频传感器，用于在射频传输线上采集射频信号并发送至所述控制单元；

所述控制单元，用于根据所述射频信号计算出当前负载阻抗和所述下射频电源的输出阻抗的差值，并根据该差值获得所述执行单元的执行信号；

所述执行单元，用于根据所述执行信号调节所述阻抗可调单元；

所述电压分配单元包括电压传感器和可调负载；

所述电压传感器用于检测多路输出端的输出电压信号并发送给控制单元；

所述控制单元，还用于根据所述电压传感器检测到的电压信号来调节所述可调负载，以实现将所述阻抗可调单元输出的电压信号按照预设分配方式分配给所述多路输出端。

8.根据权利要求7所述的下电极装置，其特征在于，

所述电压分配单元，其包括一端与所述阻抗可调单元的输出端相连，另一端作为输出端的多条支路，每条所述支路上设置有所述电压传感器和所述可调负载；

所述电压传感器用于检测所在支路上的电压信号并发送至所述控制单元；

所述控制单元根据多个所述电压传感器检测到的电压信号来调节多个所述可调负载，以实现将所述阻抗可调单元输出的电压信号按照预设分配方式分配给所述多路输出端。

9.根据权利要求7所述的下电极装置，其特征在于，所述电压分配单元，包括自所述阻抗可调单元的输出端依次串接的多个由所述可调负载和所述电压传感器串接组成的单元，每个所述单元的输出节点作为一个输出端；

所述电压传感器用于检测所在电路上的电压信号并发送至所述控制单元；

所述控制单元根据多个所述电压传感器检测到的所述电压信号来调节多个所述可调负载，以实现将所述阻抗可调单元输出的电压信号按照预设分配方式分配给所述多路输出端。

10.一种半导体加工设备，包括下电极装置，其特征在于，所述下电极装置采用权利要求1-9任意一项所述的下电极装置。