CN112103163A - 下电极装置及相关等离子体系统 - Google Patents

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Abstract

一种应用于等离子体系统的下电极装置。所述等离子体系统具有下部电极、环绕所述下部电极设置的环形电极以及耦接至所述下部电极的射频源。所述下电极装置包括电场供应电路，所述电场供应电路的一端耦接至所述环形电极，所述电场供应电路的另一端选择性地耦接至所述射频源或所述接地端，当所述等离子体起辉后，所述电场供应电路用于选择性地将所述环形电极耦接至所述接地端或所述射频源，来调节所述工作件边缘上方的电场分布，进而调节工作件(如晶圆)边缘等离子体鞘层的弯曲情况，最终有效解决工作件边缘工艺结果倾斜的问题。

Description

下电极装置及相关等离子体系统
技术领域
本发明是有关于一种装置，详细来说，是有关于一种下电极装置及相关等离子体系统。
背景技术
当工作件(如晶圆)在进行等离子体工艺加工时，工作件(如晶圆)的工艺成效主要取决于芯片特定区域上方的等离子体成分。由于在有限尺寸上造成的电学的不均匀性，工作件(如晶圆)边缘上方的电场分布不同于工作件(如晶圆)中心上方的电场方分布，导致工作件边缘等离子鞘层发生弯曲，进而使得工作件(如晶圆)边缘的工艺结果发生倾斜。该倾斜的工艺结果会导致工作件(如晶圆)的性能不如设计时所设想，严重会导致工作件(如晶圆)边缘区域变的无法使用，增加了器件的制造成本。
发明内容
本发明公开一种下电极装置及相关等离子体系统来解决背景技术中的问题，如工作件(如晶圆)边缘的工艺结果发生倾斜的问题。
依据本发明的一实施例，揭露一种应用于等离子体系统的下电极装置，包括下部电极、环绕所述下部电极设置的环形电极以及耦接至所述下部电极的射频源。所述下电极装置还包括电场供应电路，所述电场供应电路的一端耦接至所述环形电极，所述电场供应电路的另一端选择性地耦接至所述射频源或所述接地端，当所述等离子体起辉后，所述电场供应电路用于选择性地将所述环形电极耦接至所述接地端或所述射频源，来调节置于所述下部电极上的工作件边缘的电场分布。
依据本发明的一实施例，揭露一种等离子体系统。所述等离子体系统用于施加等离子体于工作件。所述等离子体系统包括:腔室，以及置于所述腔室内的下电极装置，其中所述工作件置于所述下部电极上。所述环形电极环绕所述下部电极设置。所述射频源耦接至所述下部电极，并用于提供射频功率至所述工作件，使所述工作件上方具有电场吸引所述等离子体；所述下电极装置包括电场供应电路，所述电场供应电路的一端耦接至所述环形电极，所述电场供应电路的另一端选择性地耦接至所述射频源或所述接地端，当所述等离子体起辉后，所述电场供应电路用于选择性地将所述环形电极耦接至所述接地端或所述射频源，来调节所述工作件边缘的电场分布。
通过本发明所揭露的下电极装置以及相关等离子体系统可以调节工作件边缘的偏置电压，藉此有效地调节工作件(如晶圆)边缘的电场分布，从而可以调节工作件(如晶圆)边缘等离子体鞘层的弯曲情况，进而控制鞘层内用于进行等离子体工艺的离子入射轨迹，最终有效解决工作件边缘工艺结果倾斜的问题。
附图说明
图1是依据本发明一实施例之等离子体系统的示意图。
图2A至2C是依据本发明一实施例之电极装置的侧视图。
图3是依据本发明一实施例之电场供应电路的示意图。
图4A至4B是依据本发明一实施例之控制电路的示意图。
图5是依据本发明一实施例之开关电路的示意图。
图6是依据本发明一实施例之电场供应电路的操作示意图。
图7是依据本发明另一实施例之电场供应电路的操作示意图。
图8是依据本发明一实施例之电极装置与接线方式的示意图。
图9是依据本发明另一实施例之等离子体系统的示意图。
具体实施方式
以下揭示内容提供了多种实施方式或例示，其能用以实现本揭示内容的不同特征。下文所述之组件与配置的具体例子系用以简化本揭示内容。当可想见，这些叙述仅为例示，其本意并非用于限制本揭示内容。举例来说，在下文的描述中，将一第一特征形成于一第二特征上或之上，可能包括某些实施例其中所述的第一与第二特征彼此直接接触；且也可能包括某些实施例其中还有额外的组件形成于上述第一与第二特征之间，而使得第一与第二特征可能没有直接接触。此外，本揭示内容可能会在多个实施例中重复使用组件符号和/或标号。此种重复使用乃是基于简洁与清楚的目的，且其本身不代表所讨论的不同实施例和/或组态之间的关系。
再者，在此处使用空间上相对的词汇，譬如「之下」、「下方」、「低于」、「之上」、「上方」及与其相似者，可能是为了方便说明图中所绘示的一组件或特征相对于另一或多个组件或特征之间的关系。这些空间上相对的词汇其本意除了图中所绘示的方位之外，还涵盖了装置在使用或操作中所处的多种不同方位。可能将所述设备放置于其他方位(如，旋转90度或处于其他方位)，而这些空间上相对的描述词汇就应该做相应的解释。
虽然用以界定本申请较广范围的数值范围与参数皆是约略的数值，此处已尽可能精确地呈现具体实施例中的相关数值。然而，任何数值本质上不可避免地含有因个别测试方法所致的标准偏差。在此处，「约」通常系指实际数值在一特定数值或范围的正负10％、5％、1％或0.5％之内。或者是，「约」一词代表实际数值落在平均值的可接受标准误差之内，视本申请所属技术领域中具有通常知识者的考虑而定。当可理解，除了实验例之外，或除非另有明确的说明，此处所用的所有范围、数量、数值与百分比(例如用以描述材料用量、时间长短、温度、操作条件、数量比例及其他相似者)均经过「约」的修饰。因此，除非另有相反的说明，本说明书与附随申请专利范围所揭示的数值参数皆为约略的数值，且可视需求而更动。至少应将这些数值参数理解为所指出的有效位数与套用一般进位法所得到的数值。在此处，将数值范围表示成由一端点至另一端点或介于二端点之间；除非另有说明，此处所述的数值范围皆包括端点。
在以等离子体对工作件(如晶圆)进行加工时，例如，以等离子体对工作件(如晶圆)进行刻蚀时，工作件(如晶圆)的工艺成效主要取决于工作件(如晶圆)特定区域上方的等离子体成分。由于在有限尺寸上造成的电学的不连续性，工作件(如晶圆)边缘上方的电场分布不同于工作件(如晶圆)中心上方的电场分布。同时，由于从放置工作件(如晶圆)的下部电极表面到工作件(如晶圆)边缘接地或者下部电极周围悬浮的边缘环的高度变化，工作件(如晶圆)边缘将产生电压梯度，导致工作件(如晶圆)的边缘等离子体鞘层发生弯曲，进而使得工作件(如晶圆)边缘的刻蚀轮廓朝向边缘倾斜。
本发明所揭露的下电极装置以及相关等离子体系统可以调节置于所述下部电极上的工作件边缘的偏置电压，藉此有效地调节工作件(如晶圆)边缘上方的电场分布，从而调节工作件(如晶圆)边缘等离子体鞘层的弯曲情况，进而控制鞘层内用于进行等离子体工艺的离子入射轨迹，最终有效解决工作件边缘工艺结果倾斜的问题。
图1是依据本发明一实施例之等离子体系统1的示意图。在本实施例中，等离子体系统1用以对工作件(如晶圆)进行加工，举例来说，等离子体系统1可以是一种刻蚀装置，用以对工作件(如晶圆)进行刻蚀。等离子体系统1包括腔室10、置于腔室10中的下部电极11、射频源12、偏置电路13、下电极装置以及电极装置20。工作件(如晶圆)置于下部电极11之上以进行加工。射频源12用于通过偏置电路13提供射频功率至下部电极11，所述射频功率在下部电极产生偏置电压。所述偏置电压在工作件(如晶圆)的上方形成电场，使得腔室10内的反应气体等离子化后，受到所述电场的引导来对工作件(如晶圆)轰击来完成加工。偏置电路13用于匹配射频源12后方的阻抗，使得所述射频功率有最大的耦合效率。
电极装置20环绕下部电极11之上的工作件(如晶圆)设置，如图1所示，电极装置20的上表面高于下部电极11的上表面。如此一来，当机械手臂自腔室10上的传片口将工作件(如晶圆)传入时，可以较为轻易的定位下部电极11的位置并置于下部电极11之上，避免机械手臂将工作件(如晶圆)放置于下部电极11之上时，无法定位下部电极11的位置而产生偏移。在本实施例中，电极装置20是一环形电极，对应工作件(如晶圆)的形状。关于电极装置20的详细结构将于后续段落说明。
下电极装置包括电场供应电路14'，电场供应电路14'的一端耦接至电极装置20，电场供应电路14'的另一端选择性地耦接至射频源12或参考电压源15，详细来说，电场供应电路14'是通过偏置电路13耦接于射频源12。电场供应电路14'通过接线组LN连接至电极装置20。接线组LN可包含一条接线或者分别连接至电极装置20不同位置的多条接线，在图1中描绘一条接线作为范例说明。在本实施例中，参考电压源15是一接地端。当等离子体起辉后，下电极装置的电场供应电路14'用于选择性地将电极装置20耦接至所述接地端或射频源12来调节电极装置20上方的电场分布。并且通过调节电极装置20上方的电场分布来调节工作件(如晶圆)边缘上方的电场分布，以调节工作件(如晶圆)边缘等离子体鞘层的弯曲情况，进而控制鞘层内用于进行等离子体工艺的离子入射轨迹，最终有效解决工作件边缘工艺结果倾斜的问题。有关电场供应电路14'内部详细结构及功能将于后续段落中说明。需注意的是，在本发明中，「耦接」一词代表两物体间接地于物理性上接触，而「连接」一词代表两物体间直接地于物理性上接触。
通过本发明所揭露的下电极装置，详细来说是下电极装置中的电场供应电路14'，工作件(如晶圆)边缘的工艺结果也会相对垂直，避免朝工作件(如晶圆)边缘的方向倾斜。因此，可以大幅降低工作件(如晶圆)加工失败的可能。
本技术领域具有通常知识者应能理解等离子体系统1还包括其他必要装置与组件以实现对工作件(如晶圆)进行加工。举例来说，等离子体系统1包括上部射频电源、对应所述上部射频电源的匹配电路以及线圈，还另外包括用以导入反应气体的管线等，然而为求图示简洁，图1仅描绘与本发明的发明精神相关的装置与组件。
图2A至2C是依据本发明一实施例之电极装置20的侧视图。参考图2A，电极装置20包括电极21A、约束环22A及基座23A，其中电极21A与约束环22A设置于基座23A之上，且电极21A的上表面于鸟瞰方向观察时直接裸露。由于电极21A暴露于等离子体环境中，所以表面镀有抗腐蚀材料，如氧化铱等镀层，但不会影响电极21A与等离子体之间电导通。约束环22A的内径大于电极21A的外径并环绕电极21A设置，约束环22A用于固定电极21A，避免电极21A偏移。在本实施例中，约束环22A可包括绝缘材料。电极21A的宽度W大约在3至20毫米的范围，厚度T大约在1～5毫米的范围，内径R大约在151毫米～171毫米的范围。然而，上述电极21A的尺寸描述仅为本发明的范例说明，并非本发明的一限制。在图2A的实施例中，约束环22A的厚度等同于电极21A的厚度，换言之，约束环22A的上表面齐平于电极21A的上表面。本技术领域具有通常知识者应能理解，约束环22A与电极21A的高度差会影响电场的梯度分布，。因此，随着设计需求的不同，约束环22A与电极21A之间可具有不同的高度差。
参考图2B，电极装置20包括电极21B、约束环22B及基座23B，其中电极21B、约束环22B及基座23B与图2A的对应组件大致相似，差异仅在于约束环22B的厚度少于电极21B的厚度，换言之，约束环22B的上表面低于电极21B的上表面。参考图2C，电极装置20包括电极21C、约束环22C及基座23C，其中电极21C、约束环22C及基座23C与图2A的对应组件大致相似，差异仅在于约束环22C的厚度多于电极21C的厚度，换言之，约束环22C的上表面高于电极21C的上表面。在本发明的某些实施例中，电极装置20可以不包括约束环，仅利用电极来协助机械手臂定位下部电极11的位置，以便将工作件(如晶圆)准确的放置于下部电极11之上。
图3是依据本发明一实施例之电场供应电路14'的示意图。电场供应电路14'包括控制电路31及开关电路32。控制电路31通过接线组LN连接至电极装置20，详细来说，控制电路31通过接线组LN连接至电极装置20中的电极(如电极21A、21B及21C)。控制电路31用于在电极装置20的电极上产生偏置电压，所述偏置电压用于调节电极装置20上方的电场分布，以调节工作件(如晶圆)边缘等离子体鞘层的弯曲情况，进而控制鞘层内用于进行等离子体工艺的离子入射轨迹，最终有效解决工作件边缘工艺结果倾斜的问题。开关电路32的一端耦接至参考电压源15如接地端，而另一端通过偏置电路13耦接至射频源12。开关电路32用于选择性地将控制电路31连接至参考电压源15如接地端或通过偏置电路13耦接至射频源12。
图4A和4B是依据本发明一实施例之控制电路31的示意图。详细来说，控制电路31通过提供可变阻抗来调节电极装置20上方的电场分布，以调节工作件(如晶圆)边缘等离子体鞘层的弯曲情况。参考图4A与4B，控制电路31包括串联连接的可变电感L和可变电容C。在图4A的实施例中，可变电感L的一端通过接线组LN连接至电极装置20的电极，另一端连接至可变电容C的一端，可变电容C的另一端连接至开关电路32。在本实施例中，可变电感L的电感值大约在0.01～0.1uH的范围，而可变电容C的电容值大约在0～500pF的范围。然而在本实施例中，可变电感L的电感值以及可变电容C的电容值仅为一范例说明，并非本发明的一限制。
本领域具有通常知识者应能轻易理解，串联连接的电感和电容组成调谐电路，然而，调谐电路的连接并不限制于图4A中的连接方式。参考图4B，在图4B的实施例中，大致类似于图4A的实施例，差异仅在于可变电感L和可变电容C的连接方式。详细来说，图4B中的可变电容C的一端通过接线组LN连接至电极装置20中的电极(如电极21A、21B及21C)，另一端连接至可变电感L的一端，可变电感L的另一端连接至开关电路32。
图5是依据本发明一实施例之开关电路32的示意图。开关电路32包括双控开关SW，双控开关SW耦接于参考电压源15如接地端、控制电路31和射频源12之间，详细来说，双控开关SW是通过偏置电路13耦接至射频源12。双控开关SW可以选择性地切换，使得控制电路31连接至参考电压源15如接地端或者通过偏置电路13耦接至射频源12。
图6是依据本发明一实施例之电场供应电路14'的操作示意图。以图4A所示的控制电路31为例，在本实施例中，双控开关SW切换至接地端，使得控制电路31中的可变电感L和可变电容C可以直接连接至接地端。如此一来，等离子体系统1的上部射频源(图未示)与接地端形成一通路，因此，上部射频源(图未示)所产生的射频功率通过电极装置20及接线组LN传递至接地端。所述射频功率在电极装置20中的电极上产生偏置电压，且所述偏置电压在电极装置20的上方形成电场。腔室10中的等离子体受到电极装置20上方的电场所导引，以调节工作件(如晶圆)边缘等离子体鞘层的弯曲情况，进而控制鞘层内用于进行等离子体工艺的离子入射轨迹，最终有效解决工作件边缘工艺结果倾斜的问题。本领域具有通常知识者能应轻易理解，藉由调整控制电路31中的可变电感L的电感值或可变电容C的电容值可以改变电极装置20中电极(如电极21A、21B及21C)之上的偏置电压的大小，举例来说电极上的偏置电压随可变电容C的电容值增大而增大。
图7是依据本发明另一实施例之电场供应电路14'的操作示意图。以图4A所示的控制电路31为例，在本实施例中，双控开关SW切换至偏置电路13，使得控制电路31中的可变电感L和可变电容C通过偏置电路13耦接至射频源12。如此一来，射频源12所产生的射频功率通过偏置电路13、电场供应电路14'以及接线组LN传递至电极装置20中的电极。由于射频功率同时传递下部电极11及电极装置20中的电极并在下部电极11及电极装置20中的电极(如电极21A、21B及21C)上产生偏置电压。所述偏置电压在下部电极11及电极装置20的上方形成电场。腔室10中的等离子体受到下部电极11及电极装置20上方的电场所导引，以调节工作件(如晶圆)边缘等离子体鞘层的弯曲情况，进而控制鞘层内用于进行等离子体工艺的离子入射轨迹，最终有效解决工作件边缘工艺结果倾斜的问题。
由于电极装置20中的电极具有阻抗，所述阻抗会造成电极装置20中的电极各处的偏置电压不同。为了尽量降低电极阻抗的影响，接线组LN可包括多条接线，所述多条接线分别连接至电极装置20中的电极的不同位置。参考图8，图8是依据本发明一实施例之电极装置20以及接线位置的鸟瞰图。在图8的实施例中，接线组LN包括接线L1与L2，并且接线L1与L2所连接到的电极位置相对于电极装置20的中心呈现对称分布。如此一来，电场供应电路14'所提供至电极装置20中的电极(如电极21A、21B及21C)的偏置电压将避免受到电极的阻抗影响。电极装置20中的电极(如电极21A、21B及21C)各处上的偏置电压因此将大致一致，避免电极装置20即环形电极上不同位置产生不同的偏置电压。本技术领域具有通常知识者应能轻易理解接线组LN可以包括多于两条的接线，只要接线组LN中的多条接线连接至电极装置20的位置相对于电极装置20的中心呈现对称分布皆能使电极装置20中的电极各处上的偏置电压可以大致一致。详细说明在此省略以省篇幅。
由于接线组LN中的接线具有阻抗，连接于电场供应电路14'以及电极装置20之间的接线越长阻抗则越大，而不同的接线阻抗同样会造成电极装置20中的电极各处的偏置电压不同。为了尽量降低接线阻抗的影响，等离子体系统可包括多组电场供应电路。图9是依据本发明另一实施例之等离子体系统8的示意图。类似等离子体系统1，等离子体系统8用以对工作件(如晶圆)进行加工，举例来说，等离子体系统8可以是一种刻蚀装置，用以对工作件(如晶圆)进行刻蚀。等离子体系统8包括腔室80、置于腔室80中的下部电极81、射频源82、偏置电路83、下电极装置以及电极装置90。工作件(如晶圆)置于下部电极81之上以进行加工。射频源82用于通过偏置电路83提供射频功率至下部电极81，所述射频功率在下部电极产生偏置电压。所述偏置电压在工作件(如晶圆)的上方形成电场，使得腔室80内的反应气体等离子化后，受到所述电场的引导来对工作件(如晶圆)轰击来完成加工。偏置电路83用于匹配射频源82后方的阻抗，使得所述射频功率有最大的耦合效率。
等离子体系统8与等离子体系统1的差异在于，等离子体系统8包括两组下电极装置。两组下电极装置分别包括电场供应电路84'与电场供应电路85'，其中电场供应电路84'的一端耦接至电极装置90，电场供应电路84'的另一端选择性地耦接至射频源82或参考电压源86，详细来说，电场供应电路84'是通过偏置电路83耦接于射频源82。另一方面，电场供应电路85'的一端耦接至电极装置90，电场供应电路85'的另一端选择性地耦接至射频源82或参考电压源87，同样地，电场供应电路85'是通过偏置电路83耦接于射频源82。在本实施例中，参考电压源86与87为接地端。电场供应电路84'通过接线组LN1连接至电极装置90，电场供应电路85'通过接线组LN2连接至电极装置90。接线组LN1与接线组LN2分别包括一条或多条接线。接线组LN1与接线组LN2连接至电极装置90的位置相对于电极装置90的中心呈现对称分布，如此一来，将连接于电场供应电路84'以及电极装置90之间的接线组LN1的长度设计等同于连接于电场供应电路85'以及电极装置90之间的接线组LN2的长度，将可避免由于接线长度的不同所造成电极装置90各处的偏置电压的差异。电场供应电路84'与85'的结构与功能与电场供应电路14'大致相同，详细说明在此省略以省篇幅。
本技术领域具有通常知识者在阅读完上述实施例应能轻易理解等离子体系统可以包括多于两组的电场供应电路，只要每一组电场供应电路连接至电极装置的位置相对于电极装置的中心呈现对称分布并且每组接线的长度相同，皆能降低接线组阻抗的影响来使得电极装置中的电极各处上的偏置电压可以大致一致。
简单归纳本发明，本发明所揭露的电场供应电路及相关等离子体系统可以调节工作件(如晶圆)边缘的偏置电压以调节工作件(如晶圆)边缘上方的电场分布，以调节工作件(如晶圆)边缘等离子体鞘层的弯曲情况，进而控制鞘层内用于进行等离子体工艺的离子入射轨迹，最终有效解决工作件边缘工艺结果倾斜的问题。

Claims (10)

1.一种应用于等离子体系统的下电极装置，包括：下部电极、环绕所述下部电极设置的环形电极，以及耦接至所述下部电极的射频源，其特征在于，所述下电极装置还包括电场供应电路，所述电场供应电路的一端耦接至所述环形电极，所述电场供应电路的另一端选择性地耦接至所述射频源或所述接地端，当所述等离子体起辉后，所述电场供应电路用于选择性地将所述环形电极耦接至所述接地端或所述射频源，来调节置于所述下部电极上的工作件边缘的电场分布。
2.如权利要求1的下电极装置，其特征在于，所述电场供应电路包括：控制电路和开关电路；其中，
所述控制电路的一端耦接至所述环形电极，另一端耦接至所述开关电路的一端；所述控制电路用于提供可变阻抗以调节所述工作件边缘的电场分布；
所述开关电路的另一端选择性地耦接至所述射频源或所述接地端，所述开关电路用于选择性地将所述控制电路耦接至所述接地端或所述射频源。
3.如权利要求2的下电极装置，其特征在于，所述控制电路包含串联连接的可变电感及可变电容。
4.如权利要求3的下电极装置，其特征在于，所述可变电感的一端耦接至所述环型电极，而另一端耦接至所述可变电容的一端，所述可变电容的另一端耦接至所述开关电路。
5.如权利要求3的下电极装置，其特征在于，所述可变电容的一端耦接至所述环型电极，而另一端耦接至所述可变电感的一端，所述可变电感的另一端耦接至所述开关电路。
6.如权利要求2的下电极装置，其特征在于，所述控制电路通过多根导线连接所述环形电极，所述多根导线相对于所述环形电极的中心呈现对称分布。
7.如权利要求2的下电极装置，其特征在于，所述开关电路包含双控开关，所述双控开关的一端耦接至所述控制电路、所述双控开关的另一端选择性地耦接至所述射频源或所述接地端。
8.如权利要求2的下电极装置，其特征在于，所述电场供应电路包括至少两个所述控制电路；
各所述控制电路通过至少一根导线连接至所述环形电极，各所述导线相对于所述环形电极的中心呈现对称分布。
9.如权利要求1的下电极装置，其特征在于，所述环形电极的表面镀有抗腐蚀的镀层。
10.一种等离子体系统，用于施加等离子体于工作件以进行加工，其特征在于，包括：腔室，以及置于所述腔室内的如权利要求1-9任一项所述的下电极装置。
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