CN112447474B - 一种具有可移动环的等离子体处理器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种等离子体处理器，包括：反应腔，所述反应腔内设置一个基座，所述基座上放置有一晶圆，第一源射频电源，施加第一射频周期信号到所述反应腔内，以点燃并维持等离子体；一气体喷淋头位于反应腔内与所述基座相对的上方，一偏置射频电源，用于施加第二射频周期信号到所述基座；一等离子约束环围绕所述基座，使得流过所述约束环的带电粒子被熄灭；一可移动环环绕所述气体喷淋头和基座之间的反应空间，所述可移动环在至少两个位置间移动，在等离子处理过程中，所述可移动环下降到低位；其中所述可移动环底部包括一个气体扩散腔与下方的约束环联通，所述气体扩散腔还通过位于可移动环内壁的多个通气槽与基片上方的反应空间相联通。

Description

一种具有可移动环的等离子体处理器

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器中的可移动环。

背景技术

真空处理设备广泛应用于半导体工业，其中的等离子处理设备和化学气相沉积设备是最主要的真空处理设备。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。

如图1所示为一种电容耦合等离子处理设备，包括反应腔10，反应腔内包括导电基座33，基座作为下电极连接到至少一个射频电源，其中偏置射频电源经过匹配器输出射频功率到基座33，一个源频射频电源经过匹配器输出射频功率到基座33或位于反应腔顶部的气体喷淋头22。其中源射频电源输出的高频(13、27、60MHz)射频功率用于点燃并维持反应腔内的等离子体，偏置射频电源输出低频(2MHz)射频功率的功率大小用于控制基片W上的偏置电压(Vdc)。基座33上的静电夹盘34上固定有待处理的基片W，围绕基片和静电夹盘的还包括一个边缘环32。与静电夹盘相对的反应腔上方设置有一个圆盘形的气体喷淋头22，气体喷淋头11通过供气管道与外部的反应气源20连接。基座和边缘环32的外围还包括一个约束环36用于约束等离子体，约束环中包括多个狭长的气流通道，气流通道的间隙小于2个毫米甚至小于1mm，深宽比大于10，使得带电粒子不会泄露到约束环36下方的排气空间，排气空间下方连接有抽真空用的泵，用于维持反应腔内接近真空的低压。气体喷淋头22外围与反应腔侧壁之间还包括一个可移动环140，通过一个驱动装置41可以在基片外围上下运动。可移动环140在等离子处理过程中处于较低位置，围绕基片与气体喷淋头之间的反应空间，既能保护反应腔壁，防止被等离子腐蚀，也能约束并引导反应气流。在完成处理后升起移动环以将处理后的基本从反应腔侧面开设的通道内移出反应腔。其中约束环外围还包括一隔离环36E，隔离环上端与可移动环的下端配合，在可移动环处于低位时两者的结合面互相紧密贴合，使得可移动环内侧的等离子体和腐蚀性气体无法穿过所述结合面到达反应腔体的内壁。其中在进行等离子体处理过程中反应气体从气体喷淋头22向下流出，被射频电场激励后形成等离子体，等离子体中的离子、自由基等对基片上的目标材料层进行轰击或者化学反应，形成需要的处理效果。在这些等离子处理过程中，自由基的分布决定了化学反应速度的分布。在基片边缘区域产生的自由基由于最靠近边缘的约束环和下方的排气系统，所以无法长期留存在基片边缘，刚产生就迅速的被抽走了，因此基片边缘区域的刻蚀或者反应速度明显低于中心区域，导致刻蚀均一性无法达到要求，基片边缘区域无法生产优质的芯片。其中，由于气流路径长短的区别，靠近约束环140内侧的反应气流的流量fa远大于流经约束环外侧的气流量fb。

为了降低边缘区域的排气速度，在等离子约束环140上方或下方设置挡板，可以大幅降低流速，但是处理工艺中需要确保反应气体维持足够大的流速被排出反应腔，所以简单的设置挡板的方法虽然改善边缘刻蚀速率，但是也大幅影响的基片其它区域的气流和反应速度，仍然无法获得均一的处理速度。另一方面这些挡板的设置会大幅降低流速，会在约束环外侧区域大量积累污染物，这些污染物会被气流携带或者等离子轰击后变成污染物颗粒到达基片区域，严重影响处理效果。

因此业内需要研发一种新的等离子体处理器，以改善等离子处理器边缘的气流速度或气压分布，同时保持处理工艺所需要的气流速度。

发明内容

为了改善等离子处理器中基座边缘区域的气流和自由基浓度分布，本发明提供一种等离子体处理器，包括：反应腔，由反应腔壁围绕而成，所述反应腔内设置一个基座，所述基座用于承载晶圆；源射频电源，用于施加第一射频周期信号到所述反应腔内，以点燃并维持等离子体；偏置射频电源，用于施加第二射频周期信号到所述基座；气体喷淋头，位于反应腔内与所述基座相对的上方，所述气体喷淋头与所述基座之间形成一反应空间；等离子约束环，围绕所述基座设置，用于将所述等离子体约束在所述反应空间内，同时保证反应副产物气体排出反应腔；可移动环，环绕所述反应空间设置，所述可移动环在至少高位和低位两个位置间移动，在等离子处理过程中，所述可移动环下降到低位；其中所述可移动环包括气体扩散腔和通气槽，所述气体扩散腔与所述等离子体约束环气体联通，所述通气槽用于实现所述反应空间与所述气体扩散腔的气体联通。其中所述等离子体约束环包括一隔离环，所述隔离环靠近反应腔壁设置，所述可移动环还包括一外壁位于所述气体扩散腔靠近反应腔壁的一侧，所述可移动环的外壁底部与所述隔离环上表面配合，以防止气体扩散腔中的等离子到达反应腔壁。

进一步地，可移动环包括一内壁，所述通气槽为贯穿所述内壁的气体通道，所述通气槽可容许气体与等离子体通过。所述等离子体约束环包括靠近基座的内侧排气区域和靠近反应腔壁的外侧排气区域，所述外侧排气区域与所述气体扩散腔气体联通。可移动环的内壁与所述等离子体约束环的内侧排气区域形成第一气流通道；所述通气槽、气体扩散腔与所述等离子体约束环的外侧排气区域形成第二气流通道。使得更多气流经过第二气流通道被排出反应腔。

可选地，所述等离子体约束环内侧排气区域上方设置一环形盖板，所述环形盖板上设置有多个开口，所述反应气体经过所述多个开口向下进入约束环内侧区域。环形盖板上的多个开口均匀分布，且多个开口的开口截面积可调。所述可移动环的内壁底部与所述环形盖板之间包括一间隙，所述间隙小于1mm。

可选地，基座外围还可以包括一遮挡环，所述等离子体约束环位于所述遮挡环与反应腔壁之间。

所述基片外围环绕设置有聚焦环，所述可移动环处于低位时，所述通气槽下沿的高度高于所述基片上表面或者所述聚焦环上表面。所述通气槽的口径大于等于3mm，以使得等离子体和自由基自由通过通气槽。可选地，所述可移动环处于低位时，所述通气槽呈倾斜向上设置，外侧口高度高于内侧口高度，使得气流向上抬升，进一步改善第二气流通道中的气流路径。

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为现有技术电容耦合等离子体处理设备的结构示意图；

图2为本发明电容耦合等离子体处理器结构示意图；

图3a、3b为本发明电容耦合等离子体处理器中可移动环内壁侧视图；

图4a为本发明电容耦合等离子体处理器第二实施例结构示意图；

图4b为本发明第二实施例中盖板的顶视图；

图5为本发明第三实施例的电容耦合等离子体处理器结构示意图。

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。

本发明提出了一种优化的可移动环设计，以解决基片W边缘气流流速过快的问题。如图2所示，本发明的可移动环40底部包括一个气体扩散腔49，气体扩散腔49将移动环40底部的内壁40a和外壁40b分隔开，其中内壁40a上还开设有大量通气槽48。如图3a所示为移动环40的内壁的侧视图，即从反应空间望向移动环内壁的视图，从图中可见内壁40a底部包括多个通气槽48a-48c，这些槽呈长条形的通气槽提供了足够大面积的气流通路使得大量气体通过它们进入气体扩散腔49，在气体扩散腔49中气流与气体扩散腔的外壁互相撞击后转向，向下经过下方的约束环36的外围区域形成外围气流fb。部分反应气体经过移动环内壁40a下端与基座外缘之间的空隙向下经过约束环内侧气流通道向下形成内侧气流fa。采用本发明提出的带有通气槽48和气体扩散腔49的移动环后，由于移动环内壁40a的阻挡，经过内侧向下流动的气流fa显著减小，经过外侧的气流fb显著增加，在整体气流基本不减小的情况下使得更多的气流经过约束环外侧区域，而且由于移动环内壁的阻挡，内侧区域的气流的流速会明显的下降，基片边缘区域反应气体被抽走的速度下降，从而增加了基片边缘区域具有活性的自由基的浓度。

由于本发明可移动环40在低位时的内壁40a面向有大量等离子体的反应区域，所以不会形成聚合物积累，通气槽48可口径很大，其中通气槽48开口上下壁的间距D可以达到3mm以上，最佳的需要大于5mm，从而使得等离子能够顺利通过进入气体扩散腔49，由于等离子体的存在，气体扩散腔49内也不会积累大量聚合物。约束环36的外侧区域由于等离子浓度很低，而且温度也低，容易积累聚合物，这些聚合物会形成污染物颗粒扩散，由于上方气体扩散腔49的存在，这些污染物被气体扩散腔顶部和内壁40a、外壁40b约束住，无法向基片区域移动，直到被气流带走向下经过约束环被排出反应腔。同时约束环30内侧上端暴露于高浓度的等离子体也不容易积累聚合物形成污染物源，所以采用本发明的移动环不仅能改善约束环的气流分布，还能同时避免约束环边缘区域污染物向基片扩散。为了增加进入气体扩散腔49的气流量，可以设置上下多层的通气槽48，进一步增加fb。经过约束环外侧排出的气流由于路径长，需要流到气体扩散腔49内才会转折向下，所以流速远小于经过约束环内侧的气流，整体的平均流速也会一定程度的降低。

本发明中的通气槽也可以是如图3b所示，位于位于可移动环内壁底部的多个齿状突起482，向下突出部分阻挡气流横向流入气体扩散腔，突出部分之间的空槽481可以允许部分反应气体流入气体扩散腔49。其中突起482和空槽481的分布可以是均匀的也可以是不均匀分布的，不均匀分布的空槽481可以补偿由于其它硬件原因导致的气流分布不均。空槽481形状可以是图3b所示的方形的，也可以是三角形或者梯形等任意形状的，只要能部分阻挡反应气流，引导部分反应气体进入气体扩散腔49的结构均适用于本发明。

如图4a所示为本发明第二实施例，与第一实施例的主要区别在于，设置了一个环形的盖板35，覆盖在约束环内侧区域上方，盖板35上开设有多个沿圆周均匀分布的开口38，以使得气体流过。其中开口38可以是如图4b所示的沿径向排布的长气槽，也可以是沿圆周设置的多个环形气槽。或者可以是上下相叠的两个均开设有开口的两个子盖板，通过旋转两个子板之间的相对位置，可以使得气流通路的截面积改变。如上子盖板的开口与下子盖板的开口完全对齐时，气流通路的截面最大；上子盖板的开口与下载盖板的开口大部分错开时，气流通路的截面减小。其中盖板35上的开口38可以沿圆周方向均匀分布也可以不均匀分布，以补偿其它硬件(如不对称设置的排气通道)导致的气流分布不均匀性。通过环形盖板的设置可以进一步减小流经约束环内侧的气流量，使更多的气流经过移动环40的通气槽48、气体扩散腔49、约束环外侧区域向下流动。通过盖板35的设置进一步增加fb的流量，同时减小fa的流量，而且通过选择或者替换具有不同开口面积的盖板35还可以调节流量fa与fb之间的比例。而且随着fb流量的增加，约束环外侧区域上方产生的聚合物颗粒也会被更大的气流向下吹走，所以积累的污染物会更少，有利于防止污染物扩散到基片处理区域。其中边缘环32上方还包括一聚焦环31，其中聚焦环上表面的高度大于基片上表面的高度，此时反应气流从基本边缘流过聚焦环31会发生抬升，此时可移动环40上的多个通气槽高度的设计需要与聚焦环高度相配合。移动环40内壁底部与盖板35上表面之间包括一个间隙，该间隙越小则更少的气流会从内壁底部泄露到内部外侧的扩散腔中，优化气流分布，但是该间隙也不能太小，使得内部底部在工作温度变化范围内膨胀与下方盖板碰撞，产生颗粒污染物。所以该间隙需要大于零小于1mm。

如图5所示为本发明第三实施例，与第二实施例的区域在于，盖板被一整个遮挡环37替换，约束环36位于遮挡环37外围，反应气体无法从遮挡环37向下流动，必须经过可移动环40中的通气槽48、气体扩散腔49再向下经过约束环36被排出，使得fb远大于fa。其中遮挡环37可以采用与可移动环40类似的陶瓷材料制成，能耐受等离子体腐蚀，同时不会产生对基片的污染物，典型的可以是石英。

通过上述实施例1-3描述的等离子处理器结构，可以使得更多反应气体从基片向外围流动过程中越过边缘环上表面之后不是迅速向下流过约束环进入下方低压区域(fa)，而是有很大一部分或者全部反应气体经过由通气槽48、气体扩散腔49构成的气流通路再向下经过约束环的外侧区域，最后到达下方低压区域，形成第二气流(fb)。由于大量反应气体需要经过更长的路径才能到达约束环下方，基片边缘区域到通气槽48的压力差很小，大部分压力差都出现气体扩散腔和预设环外侧区域，所以基片边缘区域的流动速度下降，所以自由基等活性物质能够在到达基片边缘区域的基片表面后能够充分反应后才被抽走，最终实现了基片表面反应速率的均一分布。现有技术中第二气流(fb)流过约束环上产生的聚合物，本发明中由于第二气流的流量远大于现有技术，所以这些聚合物在微颗粒状态就被大流量的气流带走了，不会积累形成大片的污染物。即使积累产生了大片污染物也会由于移动环49在上方的遮挡不会向上扩散进入基片处理区域，所以本发明也能减少污染物对基片的污染。

所述通气槽除了需要提供较大的开口(上下沿间距大于等于3mm)以使得大量反应气体通过以外，经过发明人研究发现，通气槽开口的下沿高度(图2中H标示)需要大于等于基片的高度，这种通气槽位置使得气流经过基片向外侧水平流动并到达通气槽时，会被通气槽开口抬升变为向上的气流进入气体扩散腔39，随后经过与气体扩散腔内壁的多次碰撞后才调头向下进入约束环36，所以整个气流经过多次的抬升、转折拉长了流动距离，可移动环内侧可以保持在较高的气压，基片边缘区域更多的自由基参与反应，实现更高的刻蚀均匀性。当通气槽开口不是一个平行的槽，而是一个斜向上的槽，也就是靠近基片的内侧开口低于靠近气体扩散腔的外侧开口时，由于通气槽本身倾斜的导气通道，可以使得通气槽可以等于或略低于所述基片的高度。围绕基片的边缘环32和聚焦环31等各种功能性套件的上表面高度可以设计成高于所述基片上表面的高度，此时从基片向外流动的气流会首先被聚焦环31抬升，然后以水平方向向外流动，为了达到增加流动距离的目的，通气槽48的开口的下沿H可以高于聚焦环31的上表面高度。同样的，当通气槽倾斜向上时，通气槽靠近基片的进气口下沿的高度可以等于或略低于聚焦环31的高度。

本发明通过在可移动环底部设置一个气体扩散腔，气体扩散腔通过多个通气槽与移动环内侧的反应空间气体联通，使得大量反应气体经过通气槽-气体扩散腔-约束环这一气流通道被排出反应空间。这一设计同时达到了多个目的，基片边缘气流流速降低改善了基片处理均一性、约束环外侧区域的污染物被可移动环遮挡，防止污染基片。进一步的通过围绕基座的环形盖板35的设置可以调节流过约束环内侧和外侧气流的流量比例，使得等离子处理腔能够适应不同处理工艺的需要。

本发明中的移动环可以是一个整体的桶状部件，也可以是由多个互相分隔的弧状壁共同组成，每个弧状壁可以通过各自的驱动装置41独立驱动上下运动。每个弧状壁上的通气槽具有不同的高度使得反应空间中的气流经过每个弧状壁时的气流路径不同，所以通过调节各个弧状壁的高度可以调节反应气体在不同方位角上的气流分布。

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 (11)

1.一种等离子体处理器，包括：

反应腔，由反应腔壁围绕而成，所述反应腔内设置一个基座，所述基座用于承载基片；

源射频电源，用于施加第一射频周期信号到所述反应腔内，以点燃并维持等离子体；

偏置射频电源，用于施加第二射频周期信号到所述基座；

气体喷淋头，位于反应腔内与所述基座相对的上方，所述气体喷淋头与所述基座之间形成一反应空间；

等离子约束环，围绕所述基座设置，用于将所述等离子体约束在所述反应空间内，同时保证反应副产物气体排出反应腔；

可移动环，环绕所述反应空间设置，所述可移动环在至少高位和低位两个位置间移动，在等离子处理过程中，所述可移动环下降到低位；

其中所述可移动环包括气体扩散腔和通气槽，所述气体扩散腔与所述等离子体约束环气体联通，所述通气槽用于实现所述反应空间与所述气体扩散腔的气体联通；

其中所述等离子体约束环包括靠近基座的内侧排气区域和靠近反应腔壁的外侧排气区域，所述外侧排气区域与所述气体扩散腔气体联通。

2.如权利要求1所述的等离子体处理器，其特征在于，所述可移动环包括一内壁，所述通气槽为贯穿所述内壁的气体通道，所述通气槽容许气体与等离子体通过。

3.如权利要求2所述的等离子体处理器，其特征在于，所述可移动环的内壁与所述等离子体约束环的内侧排气区域形成第一气流通道；所述通气槽、气体扩散腔与所述等离子体约束环的外侧排气区域形成第二气流通道。

4.如权利要求1所述的等离子体处理器，其特征在于，所述等离子体约束环内侧排气区域上方设置一环形盖板，所述环形盖板上设置有多个开口，反应气体经过所述多个开口向下进入约束环内侧区域。

5.如权利要求4所述的等离子体处理器，其特征在于，所述环形盖板上的多个开口均匀分布，且多个开口的开口截面积可调。

6.根据权利要求4所述的等离子体处理器，其特征在于：所述可移动环的内壁底部与所述环形盖板之间包括一间隙，所述间隙小于1mm。

7.根据权利要求1所述的等离子体处理器，其特征在于，所述基座外围还包括一遮挡环，所述等离子体约束环位于所述遮挡环与反应腔壁之间。

8.如权利要求1所述的等离子体处理器，其特征在于，所述基片外围环绕设置有聚焦环，所述可移动环处于低位时，所述通气槽下沿的高度高于所述基片上表面或者所述聚焦环上表面。

9.根据权利要求1所述的等离子体处理器，其特征在于，所述等离子体约束环包括一隔离环，所述隔离环靠近反应腔壁设置，所述可移动环还包括一外壁位于所述气体扩散腔靠近反应腔壁的一侧，所述可移动环的外壁底部与所述隔离环上表面配合，以防止气体扩散腔中的等离子到达反应腔壁。

10.根据权利要求1所述的等离子体处理器，其特征在于，所述通气槽的口径大于等于3mm。

11.根据权利要求1所述的等离子体处理器，其特征在于：所述可移动环处于低位时，所述通气槽的外侧口高度高于内侧口高度，使得气流向上抬升。

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