CN111383884B - 等离子体约束系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种等离子体约束系统及方法，等离子体约束系统设有上部环体和下部环体，各自包含多个倾斜的通道，沿径向从所在环体的内侧到外侧分布，且所述上部环体的通道与下部环体的通道具有相反的倾斜方向，使反应腔内处理区域产生的废气在经过上部环体的通道、下部环体的通道送到排气区域的过程中，带点粒子被中和，实现等离子体约束；本发明根据等离子体的分布密度来独立调整所述上部环体、下部环体各自的通道分布密度。从而在不损失气导率的前提下，有效地提升等离子体的约束性能。

Description

等离子体约束系统及方法
技术领域
本发明涉及等离子体处理领域，特别涉及一种等离子体约束系统及方法。
背景技术
图1所示为一种电容耦合式等离子体处理装置，包括一反应腔1，该反应腔1内设置有用于固定基片4的基座2、用于引入反应气体至反应腔1内的喷淋头3，所述喷淋头3与基座2之间的处理区域被反应腔1的腔壁包围；通常喷淋头3处作为上电极，基座2处作为下电极并施加有高频射频功率，将处理区域内的反应气体解离为等离子体8，到达基片4上表面的等离子体8可对基片4进行刻蚀等处理；等离子体处理装置在反应腔1下部的合适位置设有排气区域，排气区域与外部的排气泵相连接，将处理过程中用过的反应气体及副产品气体等抽出反应腔1。
为了防止等离子体8扩散到处理区域以外的其他位置，对未被保护的设备产生腐蚀，或在基片4表面产生杂质和污染，通常在处理区域与排气区域之间设置有等离子体约束系统，如图2所示，在反应腔1内壁与基座2外周围之间设置一组约束环5，通过相邻约束环5之间的空隙形成多个同圆心布置的环状槽形通道，用过的反应气体经过这些通道被排出时，反应气体中的带电粒子被中和，中性粒子得以通过，从而将放电基本约束在上下电极之间的处理区域以内，避免可能造成的腔体污染问题。所述约束环5的下方设置有接地环6，起支撑及导电接地的作用。
等离子体约束系统的环状槽形通道一般采用垂直均匀分布的结构，可以通过调整结构的高度和密度，来调整等离子体的约束性能。然而，随着3D NAND技术的不断发展，从最初的36层堆叠技术到目前最先进的128层堆叠，对等离子体刻蚀的技术要求越来越高，对射频等离子体源的功率要求也逐步提升，60M射频等离子体源的最大功率需要到3～5kW，这对等离子体的约束是一个很大的挑战，由于功率增加导致等离子浓度增加，浓度增加导致约束难度增加，因此目前所使用的等离子体约束系统已经无法满足需求。图3示出现有等离子体约束系统从内侧到外侧的距离(横坐标)，对应于等离子体约束(左侧纵坐标)和气体流通量(右侧纵坐标)的参数分布情况。如果进一步增加等离子体约束系统的高度或者密度，虽然可以提高约束性能，但是会影响到气体流通量，从而极大地限制制程的工艺窗口。气体流通量对应于气导率，若腔体的气导率降低，则气体不能迅速穿过约束环也就不能快速地被排出反应腔，导致反应腔内气压上升，这样会使部分需要低气压的工艺无法执行。
发明内容
本发明提供一种等离子体约束系统及方法，对约束环的物理结构进行了改进，可以在不损失气导率的前提下，有效地提升等离子体的约束性能。
为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供一种等离子体约束系统，位于等离子体处理装置的反应腔内，设置在反应腔的处理区域与排气区域之间，且位于固定基片的基座外周围与反应腔内壁之间；
所述等离子体约束系统设有上部环体和下部环体，各自包含多个倾斜的通道，沿径向从所在环体的内侧到外侧分布，且所述上部环体的通道与下部环体的通道具有相反的倾斜方向，使处理区域产生的废气，经过上部环体的通道、下部环体的通道送到排气区域；各环体的内侧是靠近基座外周围的一侧，各环体的外侧是靠近反应腔内壁的一侧；其中，所述上部环体和下部环体中的多个倾斜通道中，位于外侧的通道开口宽度大于位于内侧的通道开口宽度。
可选地，所述上部环体的通道与下部环体的通道，具有互补的倾斜角度。
可选地，所述上部环体各通道的倾斜角度为45度，所述下部环体各通道的倾斜角度为135度或在135度附近的阈值范围内取值。
可选地，所述上部环体、下部环体各自的通道，在所在环体内沿径向不均匀分布；通道的不均匀分布，是同一环体内单个通道的宽度不同，和/或是同一环体内相邻通道之间的间距不同。
可选地，所述上部环体、下部环体各自的通道，是一些倾斜的通孔，或者是一些同圆心的环状通道，或者是一些各自从所在环体内侧到外侧延伸的槽形通道；
所述上部环体、下部环体各自包含在所述基座外周围到反应腔内壁之间同圆心分布的一组约束环，上部环体和下部环体的约束环的环壁以相反的方向倾斜，同一环体内通过相邻约束环之间的空隙构成所述环状通道；
或者，所述上部环体、下部环体各自包含一些分别从所述基座外周围延伸到反应腔内壁的倾斜隔板，同一环体内通过相邻隔板之间的空隙构成所述槽形通道。
可选地，所述上部环体的高度小于下部环体的高度。
可选地，所述上部环体和下部环体之间设有隔层；所述隔层连通上部环体各通道的出口和下部环体各通道的入口；所述隔层的高度，对应于上部环体与下部环体之间的垂直间隙的距离。
本发明的另一个技术方案是提供一种等离子体处理装置，包括一反应腔，所述反应腔内设置有基座，基座顶部通过静电夹盘来固定基片；所述基座上方设置有将反应气体引入至反应腔内的喷淋头；所述喷淋头与基座之间为处理区域，所述处理区域被反应腔的腔壁包围；所述喷淋头处作为上电极，基座处作为下电极并施加有高频射频功率，将处理区域内的反应气体解离为等离子体，通过到达基片上表面的等离子体对基片进行处理；等离子体处理装置在反应腔下部设有排气区域，所述排气区域与外部的排气泵相连接；
上述任意一种等离子体约束系统设置在处理区域与排气区域之间，且位于基座外周围与反应腔内壁之间；所述等离子体约束系统的下方设有支撑和导电接地用的接地环。
本发明的又一个技术方案是提供一种等离子体约束方法；等离子体处理装置的反应腔内，将上述任意一种等离子体约束系统设置在反应腔的处理区域与排气区域之间，且位于固定基片的基座外周围与反应腔内壁之间；
所述等离子体约束系统的上部环体和下部环体，各自包含多个倾斜的通道，沿径向从所在环体的内侧到外侧分布，且所述上部环体的通道与下部环体的通道具有相反的倾斜方向，使处理区域产生的废气在经过上部环体的通道、下部环体的通道送到排气区域的过程中，带电粒子被中和，实现等离子体约束；
其中，所述上部环体、下部环体各自的通道分布密度，与所在环体的等离子体分布密度相关：等离子体分布密度大的区域，通道的分布密度大，加强等离子体约束能力；等离子体分布密度小的区域，通道的分布密度小，提升气体流通量。
可选地，所述上部环体和下部环体之间设有可调高度的隔层，所述隔层连通上部环体各通道的出口和下部环体各通道的入口；通过调整所述隔层的高度，对上部环体与下部环体之间垂直间隙的距离实现调整，从而对约束性能和气体流通量之间的关系进一步调控；所述隔层的高度增加，使得气流阻力增加，气体流通量减少，而约束性能增强。
本发明的等离子体约束系统及方法，存在以下优点：
(1)可以有效地提高等离子体约束环的约束性能；
(2)可以确保气导率足够满足较大的工艺窗口；
(3)可以通过调节上下约束环的间距来平衡约束性能和气导率的关系。
附图说明
图1是现有等离子体约束系统在等离子体处理装置中的示意图；
图2是现有等离子体约束系统的结构示意图；
图3是现有等离子体约束系统从内侧到外侧的距离，对应于等离子体约束和气体流通量的参数分布示意图；
图4是本发明的等离子体约束系统在等离子体处理装置中的示意图；
图5是本发明所述等离子体约束系统的一个实施结构示意图；
图6是本发明所述等离子体约束系统的另一个实施结构示意图；
图7是本发明的等离子体约束系统从内侧到外侧的距离，对应于等离子体约束和气体流通量的参数分布示意图；
图8是等离子体约束系统形成环状通道的俯视图；
图9是等离子体约束系统形成圆形通孔的俯视图；
图10等离子体约束系统形成槽形通道的俯视图。
具体实施方式
本发明的一种等离子体处理装置，以图4所示的一种电容耦合式等离子体处理装置为例，包括一反应腔10，所述反应腔10内设置有基座20，基座20顶部通过静电夹盘来固定基片40；基座20上方设置有将反应气体引入至反应腔10内的进气装置，如喷淋头30；所述喷淋头30与基座20之间为处理区域，所述处理区域被反应腔10的腔壁包围；所述喷淋头30处作为上电极，基座20处作为下电极并施加有高频射频功率，将处理区域内的反应气体解离为等离子体80，通过到达基片40上表面的等离子体80对基片40进行刻蚀等处理；等离子体处理装置在反应腔10下部设有排气区域90，所述排气区域90与外部的排气泵91相连接。
本发明的等离子体约束系统设置在处理区域与排气区域90之间，且位于基座外周围与反应腔内壁之间。所述等离子体约束系统的下方设有接地环60(MGR，middle groundring)起到支撑和导电接地的作用，所述接地环60包含多根放射状的支撑部，支撑部之间的空间可以供气体流通。
图6所示的实施例中，等离子体约束系统设有上部环体51和下部环体52，各自包含多个倾斜的通道，沿径向从所在环体的内侧到外侧分布，且上部环体51的通道与下部环体52的通道具有相反的倾斜方向。废气(例如有用过的反应气体、副产品气体等)在经过上部环体51的通道、下部环体52的通道到达排气区域90的过程中，带电粒子被中和，从而将放电基本约束在处理区域，实现等离子体约束。
优选的示例中，上部环体51的通道与下部环体52的通道，具有互补的倾斜角度。例如，上部环体51各通道的倾斜角度为45度，下部环体52各通道的倾斜角度为135度(或在135度附近有一定的可选范围)，这样废气中的气体分子和离子在拐角处通过一个90度垂直的弯道，可以大大增加电子或者离子在高速运动过程中与通道侧壁碰撞的概率，有利于减小带电粒子的动能，帮助熄灭离子，从而起到加强等离子体约束的效果。或者，在其他的示例中，上部环体51各通道与下部环体52各通道的倾斜角度也可以不是互补的。
图6所示的实施例中，根据等离子体的分布，可以使上部环体51包含沿径向不均匀分布的通道512、513，下部环体52包含沿径向不均匀分布的通道522、523，(与之相比，图5的实施例中，上部环体51、下部环体52各自的通道511、521则是在所在环体内沿径向均匀分布的)。通道的不均匀分布，可以是同一环体内单个通道的宽度不同，和/或是同一环体内相邻通道之间的间距不同。
图6的实施例中，是在等离子体分布密度较大的区域，将上部环体51、下部环体52各自通道的分布密度增大；而在等离子体分布密度较小的区域，将上部环体51、下部环体52各自通道的分布密度减小，从而可以在增加等离子体约束功能的前提下，进一步改善气导率。
一般在等离子体约束系统上，等离子体分布密度是从靠近基座20的内侧到靠近反应腔壁的外侧相应减小的。因而，在优选的示例中，上部环体51、下部环体52各自的通道，在所在环体的内侧分布密集，(通过设计单个通道的宽度和/或相邻通道的间距等)以适当地增加约束效果；而在所在环体的外侧分布稀疏，(通过设计单个通道的宽度和/或相邻通道的间距等)以适当地增大气体流通量。
在上部环体51、下部环体52各自具有内侧相对密集，外侧相对稀疏的通道排布前提下，各环体对其内部通道的稀疏分布程度则可以自由调整。例如，同一环体内侧到外侧的通道分布密度可以逐渐减小。又例如，同一环体沿径向从内侧到外侧划分有多个同圆心的调整区域，更靠近内侧的调整区域的通道分布密度更大，更靠近反应腔壁的调整区域的通道分布密度更小，而每个调整区域中的通道分布密度一致(比如图6中大致划分了两个调整区域，内侧区域的通道512、522宽度较小，外侧区域的通道513、523宽度较大)。
上部环体51、下部环体52的调整区域的数量、各调整区域所对应的径向位置等，可以相同，也可以不同；上部环体51与下部环体52在同一径向位置的通道分布密度可以相同，也可以不同；上部环体51各通道的出口与下部环体52各通道的入口，可以是相对应的，也可以是错开的；上部环体51与下部环体52在通道数量、单个通道的宽度、相邻通道的间距等方面，可以相同，也可以不同，都能够根据具体的应用情况调整，本发明对此不做限定。
不同的示例中，上部环体51、下部环体52各自的通道，可以是一些圆形(或其他任意形状)的倾斜的通孔502(见图9)。或者，可以在基座外周围到反应腔内壁之间设置同圆心分布的一组约束环501，通过相邻约束环501之间的空隙构成一些同圆心的环状通道(见图8)；约束环的宽度和间距调整，对应于环状通道的间距和宽度调整；可以使更靠近环体内侧的约束环分布更密集，以适应等离子体分布情况。又或者，还可以设置一些各自从基座外周围延伸到反应腔内壁的倾斜隔板503，各隔板截面为条形或扇形或其他任意形状，通过相邻隔板503之间的空隙构成从内侧延伸到外侧的槽形通道(见图10)；隔板的宽度和间隔距离调整，对应于槽形通道的间距和宽度调整；可以对径向划分的多个调整区域分别设置相应的隔板分布密度，使更靠近环体内侧的调整区域的隔板分布更密集，以适应等离子体分布情况。或者，还可以由相邻隔板之间的空隙构成扇形通道，则各隔板与其相邻隔板在更靠近环体内侧的部位的分布更密集，以适应等离子体分布情况。
所述上部环体51、下部环体52的高度h1、h2一般在几个厘米，两者可以相同，也可以不同。由于等离子体约束系统上方的等离子体浓度更高，因而，优选地，可以使上部环体51的高度h1小于下部环体52的高度h2。
此外，可以在上部环体51和下部环体52之间设有隔层53，所述隔层53连通上部环体51各通道的出口和下部环体52各通道的入口。通过调整所述隔层53的高度，即对上部环体51与下部环体52之间垂直间隙的距离s实现调整，可以对约束性能和气导率之间的关系进一步调控，从而实现既满足工艺窗口，又具有较强约束性能的双重目的。
一般而言，单个通道越窄，则约束效果越好，但是气体流通量越小；上部环体51各通道的出口与下部环体52各通道的入口的相对位置越是错开，则约束效果越好，但是气体流通量也越小。上部环体51和下部环体52之间隔层53的高度增加，会使得气流阻力增加，气体流通量减少，但是约束效果会好。相比各环体内对通道宽度或间距的调整而言，对隔层53高度的调整更容易实现，是本发明对等离子体约束效果调整的一种有效手段。
配合参见图3、图7所示，分别给出了现有技术和本发明的等离子体约束系统，对等离子体约束性能和气导率影响的一个预期效果。横坐标对应于等离子体约束系统内侧到外侧的这段距离，左、右两侧的纵坐标分别表示约束系统对等离子约束和气体流通量的参数分布。与图3相比，图7的参数分布，说明应用本发明的等离子体约束系统后，气体流通量在约束系统的外侧区域得到了大幅的提升。
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)

1.一种等离子体约束系统，位于等离子体处理装置的反应腔内，设置在反应腔的处理区域与排气区域之间，且位于固定基片的基座外周围与反应腔内壁之间，其特征在于，
所述等离子体约束系统设有上部环体和下部环体，各自包含多个倾斜的通道，沿径向从所在环体的内侧到外侧分布，且所述上部环体的通道与下部环体的通道具有相反的倾斜方向，使处理区域产生的废气，经过上部环体的通道、下部环体的通道送到排气区域；各环体的内侧是靠近基座外周围的一侧，各环体的外侧是靠近反应腔内壁的一侧；
其中，所述上部环体、下部环体各自的通道分布密度，与所在环体的等离子体分布密度相关：等离子体分布密度大的区域，通道的分布密度大；等离子体分布密度小的区域，通道的分布密度小；所述上部环体和下部环体中的多个倾斜通道中，位于外侧的通道开口宽度大于位于内侧的通道开口宽度。
2.如权利要求1所述等离子体约束系统，其特征在于，
所述上部环体的通道与下部环体的通道，具有互补的倾斜角度。
3.如权利要求2所述等离子体约束系统，其特征在于，
所述上部环体各通道的倾斜角度为45度，所述下部环体各通道的倾斜角度为135度或在135度附近的阈值范围内取值。
4.如权利要求1所述等离子体约束系统，其特征在于，
所述上部环体、下部环体各自的通道，在所在环体内沿径向不均匀分布；通道的不均匀分布，是同一环体内单个通道的宽度不同，和/或是同一环体内相邻通道之间的间距不同。
5.如权利要求1所述等离子体约束系统，其特征在于，
所述上部环体、下部环体各自的通道，是一些倾斜的通孔，或者是一些同圆心的环状通道，或者是一些各自从所在环体内侧到外侧延伸的槽形通道；所述上部环体、下部环体各自包含在所述基座外周围到反应腔内壁之间同圆心分布的一组约束环，上部环体和下部环体的约束环的环壁以相反的方向倾斜，同一环体内通过相邻约束环之间的空隙构成所述环状通道；
或者，所述上部环体、下部环体各自包含一些分别从所述基座外周围延伸到反应腔内壁的倾斜隔板，同一环体内通过相邻隔板之间的空隙构成所述槽形通道。
6.如权利要求1所述等离子体约束系统，其特征在于，
所述上部环体的高度小于下部环体的高度。
7.如权利要求1所述等离子体约束系统，其特征在于，
所述上部环体和下部环体之间设有隔层；所述隔层连通上部环体各通道的出口和下部环体各通道的入口；所述隔层的高度，对应于上部环体与下部环体之间的垂直间隙的距离。
8.一种等离子体处理装置，包括一反应腔，所述反应腔内设置有基座，基座顶部通过静电夹盘来固定基片；所述基座上方设置有将反应气体引入至反应腔内的喷淋头；所述喷淋头与基座之间为处理区域，所述处理区域被反应腔的腔壁包围；所述喷淋头处作为上电极，基座处作为下电极并施加有高频射频功率，将处理区域内的反应气体解离为等离子体，通过到达基片上表面的等离子体对基片进行处理；等离子体处理装置在反应腔下部设有排气区域，所述排气区域与外部的排气泵相连接；
其特征在于，权利要求1-7中任意一项所述的等离子体约束系统设置在处理区域与排气区域之间，且位于基座外周围与反应腔内壁之间；所述等离子体约束系统的下方设有支撑和导电接地用的接地环。
9.一种等离子体约束方法，其特征在于，
等离子体处理装置的反应腔内，将权利要求1-7中任意一项所述的等离子体约束系统设置在反应腔的处理区域与排气区域之间，且位于固定基片的基座外周围与反应腔内壁之间；
所述等离子体约束系统的上部环体和下部环体，各自包含多个倾斜的通道，沿径向从所在环体的内侧到外侧分布，且所述上部环体的通道与下部环体的通道具有相反的倾斜方向，使处理区域产生的废气在经过上部环体的通道、下部环体的通道送到排气区域的过程中，带电粒子被中和，实现等离子体约束；
其中，所述上部环体、下部环体各自的通道分布密度，与所在环体的等离子体分布密度相关：等离子体分布密度大的区域，通道的分布密度大，加强等离子体约束能力；等离子体分布密度小的区域，通道的分布密度小，提升气体流通量。
10.如权利要求9所述等离子体约束方法，其特征在于，
所述上部环体和下部环体之间设有可调高度的隔层，所述隔层连通上部环体各通道的出口和下部环体各通道的入口；通过调整所述隔层的高度，对上部环体与下部环体之间垂直间隙的距离实现调整，从而对约束性能和气体流通量之间的关系进一步调控；所述隔层的高度增加，使得气流阻力增加，气体流通量减少，而约束性能增强。
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