CN111863578B - 一种等离子体处理设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种等离子体处理设备，导电基座周围的边缘环由多个独立的圆弧部组成，每个圆弧部包括上方暴露于等离子体的圆弧形陶瓷部和位于所述圆弧形陶瓷部下方的圆弧形导电部，多个圆弧形导电部共同构成耦合环，多个圆弧形陶瓷部共同构成聚焦环，每个圆弧部连接一个驱动部，分别驱动各圆弧部沿垂直于导电基座的方向运动。这样，可以分段进行各段边缘环的高度调节，从而，分段补偿随着刻蚀工艺进行边缘环中聚焦环的损耗，进而，精确补偿各段聚焦环的高度，提高晶片加工的均匀性。

Description

一种等离子体处理设备

技术领域

本发明涉及半导体加工设备领域，特别涉及一种等离子体处理设备。

背景技术

等离子体处理设备，是借助于射频耦合放电产生等离子体，进而利用等离子体进行沉积、刻蚀等加工工艺。

在等离子刻蚀设备中，基座作为电极连接到射频源，基座周围还设置有包围基片的聚焦环，聚焦环用于调节晶片周围的电场分布，保证晶片刻蚀的均匀性，而聚焦环的上表面暴露在等离子体环境中，随着刻蚀工艺的进行会有所消耗，这会导致晶片周围电场的变化，导致晶片边缘刻蚀方向和速率发生变化，影响晶片加工的均匀性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种等离子体处理设备，分段调节聚焦环的高度，精确补偿各段聚焦环的高度，提高晶片加工的均匀性。

为实现上述目的，本发明有如下技术方案：

一种等离子体处理设备，包括：

反应腔；

设置于所述反应腔内的导电基座，所述导电基座包括下电极及其上的静电夹盘；

环绕所述导电基座的边缘环，所述边缘环由多个独立的圆弧部组成，每个圆弧部包括上方暴露于等离子体的圆弧形陶瓷部和位于所述圆弧形陶瓷部下方的圆弧形导电部，所述多个圆弧形导电部共同构成耦合环，多个圆弧形陶瓷部共同构成聚焦环；

多个驱动部，各所述驱动部分别驱动各所述圆弧部沿垂直于所述导电基座方向运动。

可选地，所述下电极电连接至射频电源，各所述驱动部包括导电驱动轴，所述导电驱动轴的一端与所述圆弧部中的圆弧形导电部电连接，另一端经可变阻抗装置电连接至所述射频电源所在射频路径上。

可选地，还包括设置于所述边缘环下方、环绕所述导电基座的导电外接部，所述导电外接部包括下电极外延部、或者下电极外延部及下电极及电极外延部下的设备板，所述外接部与所述边缘环之间还设置有隔离环；还包括绝缘套，所述导电驱动轴设置于所述外接部中，所述绝缘套贯通所述导电外接部、所述隔离环以及所述耦合环。

可选地，所述外接部在所述射频路径上，所述可变阻抗装置电连接至所述导电外接部或所述下电极底部。

可选地，所述基座上部边缘环通过气密部密闭设置于反应腔内，所述导电外接部及可变阻抗装置设置于大气环境中。

可选地，所述可变阻抗装置包括可变电容或可变电感。

可选地，还包括控制单元，用于分别控制各驱动部的驱动高度。

可选地，各所述圆弧部呈均匀分布。

可选地，所述驱动部在所述圆弧部的中部驱动其运动。

可选地，所述反应腔顶部设置有绝缘材料窗，所述绝缘材料窗上设置有电感线圈，所述电感线圈电连接至另一射频电源。

本发明实施例提供的等离子体处理设备，导电基座周围的边缘环由多个独立的圆弧部组成，每个圆弧部包括上方暴露于等离子体的圆弧形陶瓷部和位于所述圆弧形陶瓷部下方的圆弧形导电部，多个圆弧形导电部共同构成耦合环，多个圆弧形陶瓷部共同构成聚焦环，每个圆弧部连接一个驱动部，分别驱动各圆弧部沿垂直于导电基座的方向运动。这样，可以分段进行各段边缘环的高度调节，从而，分段补偿随着刻蚀工艺进行边缘环中聚焦环的损耗，进而，精确补偿各段聚焦环的高度，提高晶片加工的均匀性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明实施例的等离子体处理设备的结构示意图；

图2示出了根据本发明实施例的边缘环的俯视透视结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在等离子体刻蚀设备中，基座作为电极连接到射频源，基座表面上设置有待加工的晶圆，偏置射频功率用来控制形成在晶圆表面和聚焦环表面上的鞘层厚度，鞘层厚度决定了等离子体重离子入射到待加工晶圆上的能量和方向。晶圆边缘区域与聚焦环的鞘层厚度分布的不连续，造成晶圆边缘区域刻蚀速率和刻蚀方向(edge tilting)与晶圆中心区域的差别，降低晶圆加工的均匀性。

聚焦环就是用于控制待加工晶圆边缘区域的鞘层厚度，同时，该聚焦环同时也是暴露于等离子体中，随着加工工艺的进行，其材料也会有损耗，这是导致聚焦环的高度发生变化，由于工艺之间的差异或者其他的原因，有时会导致不同方位处的聚焦环的损耗有所不同，使得不同方位处边缘区域的鞘层降低程度并不相同，造成不同方位处的聚焦环的高度有所不同，使得晶圆加工的均匀性更加难以控制。

基于此，本申请提出了一种等离子体处理设备，导电基座周围的边缘环由多个独立的圆弧部组成，每个圆弧部包括上方暴露于等离子体的圆弧形陶瓷部和位于所述圆弧形陶瓷部下方的圆弧形导电部，多个圆弧形导电部共同构成耦合环，多个圆弧形陶瓷部共同构成聚焦环，每个圆弧部连接一个驱动部，分别驱动各圆弧部沿垂直于导电基座的方向运动。这样，可以分段进行各段边缘环的高度调节，实现非对称调节，从而，分段补偿随着刻蚀工艺进行边缘环中聚焦环的损耗，进而，精确补偿各段聚焦环的高度，提高晶片加工的均匀性。

参考图1和图2所示，该等离子体设备包括：

反应腔10；

设置于所述反应腔10内的导电基座20，所述导电基座20包括下电极24及其上的静电夹盘22，所述下电极24电连接至射频电源72；

环绕所述导电基座20的边缘环30，所述边缘环30由多个独立的圆弧部(30-1至30-I)组成，每个圆弧部30-i包括上方暴露于等离子体的圆弧形陶瓷部32-i和位于所述圆弧形陶瓷部32-i下方的圆弧形导电部34-i，所述边缘环30包括多个圆弧形导电部(34-1至34-I)共同构成耦合环34以及其上的，多个圆弧形陶瓷部(32-1至32-I)共同构成聚焦环32；

多个驱动部52，各所述驱动部52分别驱动各所述圆弧部30-i沿垂直于所述导电基座20方向运动；其中，i从1至I，I≥2。各圆弧部30-i可以具有基本相同的弧长，例如可以是将圆环均分的弧长，也可以具有不同的弧长。在各圆弧部30-i之间，可以通过绝缘材料隔离开，该绝缘材料可以采用低介电常数的介质材料。在一些实施例中，各圆弧部30-i呈均匀分布，具有基本相同的弧长，驱动部52可以在圆弧部30-i的中部驱动其运动。

本申请的等离子处理设备，反应腔10与其他必要部件围城的密闭空间，以使得晶圆可以在反应腔的真空环境中完成刻蚀加工工艺。

反应腔10内设置有导电基座20，导电基座20包括下电极24以及设置于其上的静电夹盘(ESC，Electrostatic Chuck)22，静电夹盘22用于待处理晶圆的吸附，下电极24连接射频电源72，其可以通过射频匹配器70连接到射频电源72，导电基座20包括导电材料，作为射频功率的传输路径。

在下电极内或者下电极之上的绝缘材料层中可以设置有温度控制装置(图未示出)，用于为晶片提供合适的温度，温度控制装置可以是焦耳热装置，例如通过电阻实现温度控制，也可以热传导通道，例如通过热传导通道中的冷却剂实现温度控制，温度控制装置可以具有分区排布的方式，使得晶片不同区域温度可以分别进行控制，实现温度控制均匀性的目的。

在本申请一些实施例中，该等离子体处理设备可以为电感耦合等离子(ICP,Inductive Coupled Plasma)刻蚀设备，其反应腔10内设置有与基座20相对设置的上电极(图未示出)，该上电极也被称作喷淋头，上电极为导电材料同时作为工艺气体的传输路径，工艺气体通过上电极进入到反应腔10内，在射频电源作用下，反应气体在电场作用下电离，在上电极和下电极之间产生等离子体，进而利用等离子体进行晶圆的加工工艺。

在本申请另一些实施例中，该等离子体处理设备可以为电容耦合等离子(CCP，Capacitively Coupled Plasma)刻蚀设备，其反应腔10的顶部设置有绝缘窗80，绝缘窗80由绝缘材料制成，绝缘材料例如为石英陶瓷材料。在绝缘窗80上设置有电感线圈82，电感线圈82可以包括内线圈和外线圈，用于产生射频电磁场，其中的磁场部分进入至反应腔内，反应气体也通入至反应腔内，在等离子体可靠点燃后，在磁场作用下，将反应气体电离而产生等离子体，进而利用等离子体进行晶圆的加工工艺。

在本申请实施例中，圆弧部的个数为I个，I为大于等于2的自然数，在图示的示例中，I为3，圆弧部的个数为3个。圆弧部30-i为双层结构，包括上层的圆弧形陶瓷部32-i以及圆弧形陶瓷部32-i之下的圆弧形导电部34-i，二者可以直接或间接固定在一起，进而，二者一同由驱动部分别驱动，实现圆弧形陶瓷部高度的分别可调。在具体的应用中，该驱动部52可以由控制单元控制其驱动高度。

其中，多个圆弧形陶瓷部(32-1至32-I)共同构成聚焦环32，该聚焦环32暴露于等离子体中，各圆弧形陶瓷部32-i的材料为陶瓷材料，例如硅或碳化硅等，基座20的上表面用于支撑待加工晶圆，聚焦环32环绕并基本贴合待加工晶圆的外缘。

每个圆弧形陶瓷部32-i下设置一个圆弧导电部34-i，多个圆弧导电部(34-1至34-I)的材料为导电材料，例如可以为铝或石墨，该个圆弧导电部(34-1至34-I)共同构成耦合环34，耦合环34环绕并基本贴合下电极的侧壁，将射频功率耦合至聚焦环32。

聚焦环32和耦合环34的各部分在各自的驱动部52驱动下，分别进行高度调节，可以实现不同方位的聚焦环的高度调节，从而，分段补偿随着刻蚀工艺进行边缘环中聚焦环的损耗，进而，精确补偿各段聚焦环的高度，提高晶片加工的均匀性。

在本申请实施例中，下电极24电连接至射频电源72，作为射频功率的传输路径，射频电源72通过射频匹配器70将射频功率传输至下电极24，根据需要，射频匹配器70的数量可以为一个或多个，例如可以为2个射频匹配器，在连接多个射频匹配器的实施例中，每个射频匹配器可以提供不同于其他射频匹配器的射频频率和功率，以适用于不同加工工艺的需求。

在这些实施例中，驱动部可以包括导电驱动轴，该导电驱动轴为导电材料，且可以沿着垂直于基座20的方向驱动圆弧部30-i运动，导电驱动轴的一端与圆弧部30-i中的圆弧形导电部34-i电连接，另一端经可变阻抗装置60电连接至射频电源72所在的射频路径上。这样，利用驱动部将不同方位的耦合环连接到射频电源所在射频路径上，通过调节可变阻抗装置60的阻值，来调节到耦合至不同方位的聚焦环上的射频功率的大小，从而，可以通过补偿聚焦环电阻改变耦合至聚焦环的射频功率的方式，进一步调节各段聚焦环的电场分布，进一步提高晶片加工的均匀性。在具体的应用中，可以通过聚焦环高度的分别调节或者各可变阻抗装置60的阻值的调节，或者二者结合的方式，实现不同段聚焦环的非对称调节。

其中，可变阻抗装置60用于实现阻抗调节的功能，例如可以为可变电容、可变电感，还可以为包括可变电感、电容或者可变电容、电感的混合电路。射频电源所在射频路径可以为传输射频功率的路径上的任一部件。

在一些实施例中，在边缘环30的下方还设置有环绕下电极24的导电外接部40，该导电外接部40与下电极24通过接触或者其他连接部件电连接在一起，使得导电外接部40也作为射频功率的传输路径，在这些实施例中，导电驱动轴的另一端可以连接于下电极24或者导电外接部40。在一些应用中，导电外接部40可以包括下电极外延部，即下电极向径向延伸出的部分，该下电极外延部可以与下电极24为一体结构。在另一些应用中，导电外接部40可以包括下电极外延部以及下电极24及下电极外延部下的设备板46，设备板46与下电极外延部可以为一体或分体结构，设备板46包括具有导电材料的部分，设备板用于容置无需设置于反应腔室内的部件，这些部件例如可以是用于控制温度控制装置的装置等。导电外接部40与下电极24之间可以通过绝缘的隔热材料层隔离，射频功率为高频功率，使得下电极24与导电外接部40相互电耦合，实现射频功率的传输，同时将它们的热量相互隔离。

此外，导电外接部40外周上还设置有绝缘材料环42以及绝缘材料环42外周上设置的屏蔽环44，屏蔽环44为导电材料，该屏蔽环44接地，该屏蔽环44避免了射频功率的向外辐射，保证射频功率向上耦合到反应腔内。

此外，在反应腔10内壁与屏蔽环44之间还可以设置有等离子约束环12，等离子约束环12可以为叠层结构，包括下层的导电层和上层的介质材料层，且等离子约束环12为透气结构，用于将腔体内含有等离子体的气体在流经等离子约束环时熄灭其中的带电粒子，并通过其透气结构将腔室内的废气排到反应腔外，可以设置气泵，气泵通过等离子约束环12将腔室内的废气排出。

在这些实施例中，在导电外接部40与耦合环34之间，还设置有隔离环36，隔离环可以为一体结构，隔离环36为绝缘材料，以将导电外接部40与耦合环34分隔开，此外，在各导电驱动轴外还设置有绝缘套，该绝缘套贯通导电外接部40、隔离环36以及耦合环34，避免导电驱动轴与其他导电部件的接触。

此外，在这些实施例中，基座20上部及隔离环36之上的部件通过气密部密闭设置于反应腔10内，所述导电外接部40及可变阻抗装置60设置于大气环境中。气密部16可以是一个或多个部件组成，使得基座20之上的晶圆以及隔离环36、边缘环30都处于真空环境中，可变阻抗装置60处于大气环境中，可以与下电极24或导电外接部40的底部电连接。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种等离子体处理设备，其特征在于，包括：

反应腔；

设置于所述反应腔内的导电基座，所述导电基座包括下电极及其上的静电夹盘；

环绕所述导电基座的边缘环，所述边缘环由多个独立的圆弧部组成，每个圆弧部包括上方暴露于等离子体的圆弧形陶瓷部和位于所述圆弧形陶瓷部下方的圆弧形导电部，多个所述圆弧形导电部共同构成耦合环，多个所述圆弧形陶瓷部共同构成聚焦环；

多个驱动部，各所述驱动部分别驱动各所述圆弧部沿垂直于所述导电基座方向运动。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述下电极电连接至射频电源，各所述驱动部包括导电驱动轴，所述导电驱动轴的一端与所述圆弧部中的所述圆弧形导电部电连接，另一端经可变阻抗装置电连接至所述射频电源所在射频路径上。

3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，还包括设置于所述边缘环下方、环绕所述导电基座的导电外接部，所述导电外接部包括下电极外延部，或者，所述导电外接部包括下电极外延部，以及位于下电极及下电极外延部下的设备板，所述导电外接部与所述边缘环之间还设置有隔离环；还包括绝缘套，所述导电驱动轴设置于所述导电外接部中，所述绝缘套贯通所述导电外接部、所述隔离环以及所述耦合环。

4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述导电外接部在所述射频路径上，所述可变阻抗装置电连接至所述导电外接部或所述下电极底部。

5.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述导电基座上的边缘环通过气密部密闭设置于反应腔内，所述导电外接部及所述可变阻抗装置设置于大气环境中。

6.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述可变阻抗装置包括可变电容或可变电感。

7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括控制单元，用于分别控制各所述驱动部的驱动高度。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的设备，其特征在于，各所述圆弧部呈均匀分布。

9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述驱动部在所述圆弧部的中部驱动其运动。

10.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述反应腔顶部设置有绝缘材料窗，所述绝缘材料窗上设置有电感线圈，所述电感线圈电连接至另一射频电源。

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