CN113013009A - 一种具有射频功率分布调节功能的等离子体处理装置及调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等离子体处理装置，包括：反应腔；基座，基座上设置有静电夹盘，用于固定待处理基片，一个源射频电源连接到基座或气体喷淋头及一个偏置射频电源连接到基座；气体喷淋头，用于引入气体至反应腔内，气体喷淋头与基座之间为等离子体处理区域；聚焦环，围绕静电夹盘并且在等离子体处理过程中暴露于等离子体；环形电极，设置于聚焦环下方；导体环，环设于基座下方，并通过一导体连接部与环形电极电性连接；阻抗调节组件，设置于基座的下方；阻抗调节组件包括多个电容器及多个继电器，每一继电器分别与单个电容器电性连接以控制单个电容器的导电状态，阻抗调节组件与基座电性连接，一导体连接部电性连接阻抗调节组件与导体环。

Description

一种具有射频功率分布调节功能的等离子体处理装置及调节 方法

技术领域

本发明涉及等离子体刻蚀技术领域，尤其涉及一种具有射频功率分布调节功能的等离子体处理装置。

背景技术

在等离子体刻蚀设备中，气体喷淋头可作为上电极，基座可作为下电极，一个源射频电源连接到上电极或下电极，一个偏置射频电源连接到下电极。源射频电源输出的高频射频功率用于点燃并维持反应腔内的等离子体，偏置射频电源输出的低频射频功率用于控制形成在基片w上表面的和聚焦环上表面的鞘层厚度。

然而由于聚焦环长期保留在充满刻蚀气体的等离子体中，所以在进行一定时间的等离子体处理后，聚焦环表面材料会被腐蚀，因此聚焦环上表面的高度会随之下降，下降的高度会严重影响基片边缘区域鞘层的分布和形态，而造成基片边缘区域刻蚀速率和刻蚀方向(edge tilting)与基片中心区域的差别，降低基片加工均匀性，影响最终芯片的良率。

现有技术中，偏置射频电源输入的低频射频功率只能部分的补偿至聚焦环而抬升聚焦环上方的鞘层，因此这种补偿只能维持较短的时间。

因此，需要开发一种新的调节装置，来更有效的调节耦合至聚焦环上的射频功率，从而维持较长时间的对聚焦环被腐蚀的补偿，以此改善基片处理工艺的均匀性。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种等离子体处理装置，通过阻抗调节组件调整基片边缘区域射频功率，补偿聚焦环长期使用中的损耗带来的基片边缘倾斜刻蚀(edgetilting)。

为实现上述目的，本发明提供一种具有射频功率分布调节功能的等离子体处理装置，包括：

由多个壁围成的反应腔；

设置在反应腔下方的基座，所述基座上设置有静电夹盘，所述静电夹盘用于固定待处理基片，一个源射频电源连接到基座或气体喷淋头及一个偏置射频电源连接到基座；

设置在反应腔上方的气体喷淋头，用于引入气体至反应腔内，所述气体喷淋头与所述基座之间为等离子体处理区域；

聚焦环，围绕所述静电夹盘并且在等离子体处理过程中暴露于等离子体；

环形电极，设置于聚焦环下方。

导体环，环设于基座下方，所述导体环通过一导体连接部与所述环形电极电性连接；

阻抗调节组件，设置于基座的下方；

其中，所述阻抗调节组件包括多个电容器及多个继电器，每一继电器分别与单个电容器电性连接以控制单个电容器的导电状态，所述阻抗调节组件与所述基座电性连接，一导体连接部电性连接所述阻抗调节组件与所述导体环。

可选的，所述电容器的个数至少为2个，所述继电器的个数也至少为2个且与所述电容器的个数相等，单个继电器与单个电容器电性连接。

可选的，每个电容器的电容值可以相同也可以不相同。

可选的，所述继电器通过控制线连接于一控制器，所述控制器用以控制每一继电器的开关。

可选的，所述阻抗调节组件进一步包括一电感，所述电感与所述基座电性连接。

可选的，所述电感为一低通滤波器，以阻止源射频电源输出的高频射频功率耦合至聚焦环，而偏置射频电源输出的低频射频功率仍可被耦合至聚焦环。

可选的，所述环形电极为一耦合环，所述耦合环由铝、碳化硅等高导电性的材料制成。

可选的，所述等离子体处理装置进一步包括一由绝缘材料制成的耦合环，所述耦合环设置于所述聚焦环的下方，所述环形电极设置于所述耦合环内或设置于所述耦合环与聚焦环之间。

可选的，所述阻抗调节组件包括气体喷架，所述气体喷架设置于电容器的周侧，所述气体喷架面向电容器的壁面设有多个气嘴，所述气嘴用于向电容器所在的空间喷气，以降低电容器及其周侧环境温度。

可选的，所述气体喷架内挖设有气体容积区域，所述气嘴与所述气体容积区域相连通。

可选的，所述阻抗调节组件通过一气体管道与气体装置连通，且于气体管道上设置一阀，以控制向气体容积区域内通入气体。

可选的，所述气体为干燥压缩气体。

可选的，所述阻抗调节组件包括陶瓷板，所述电容器及气体喷架固定于所述陶瓷板。

可选的，所述阻抗调节组件包括固定架，所述固定架的一端连接于陶瓷板，另一端连接于基座，以将阻抗调节组件整体固定于所述基座。

可选的，所述导体环由铜制成。

可选的，所述偏置射频电源输出的射频信号的频率小于13MHz。

可选的，所述源射频电源输出高频射频功率到所述反应腔，使得经气体喷淋头喷入反应腔的反应气体产生等离子体，所述源射频电源输出的射频信号的频率大于13MHz。

本发明还提供一种应用于上述的等离子体处理装置的射频功率分布调节方法，包括步骤：

基片刻蚀效果监测步骤：监测基片边缘区域的刻蚀效果，如果基片边缘刻蚀孔倾斜角度在预设角度范围内，则继续执行基片刻蚀效果监测步骤，如果基片边缘刻蚀孔倾斜超过预设角度，则进入阻抗调节组件调节步骤；

阻抗调节组件调节步骤：依据基片刻蚀效果监测步骤中监测的基片边缘刻蚀孔倾斜的程度，启动多个继电器中的至少一个，以使得与启动的继电器电性连接的电容器电性导通，使得被输送到基片边缘聚焦环的射频功率改变，并再次进入基片刻蚀效果监测步骤。

相较于现有技术，本发明提供的技术方案至少具有以下优点：本发明提供的阻抗调节组件包括多个电容器及多个继电器，每一继电器分别与单个电容器电性连接以控制单个电容器的导电状态，当聚焦环被损耗时，监测聚焦环的损耗程度，将所需个数的电容器电性导通，即可对聚焦环上方鞘层的厚度进行调整，使得基片边缘到聚焦环上方具有相同高度的鞘层，从而改善刻蚀均一性。且可将多个电容器选择为具有不同的电容值，更有利于通过对电容器的选择来补偿相应的聚焦环的损耗。另，阻抗调节组件上设置有气体喷架，可于气体喷架内充入冷却气体向电容器所在环境喷气而降低该环境温度，有利于电容器长期稳定的工作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为现有技术等离子体处理装置示意图；

图2为现有技术等离子体处理装置中低频射频功率分布示意图；

图3是本发明等离子体处理装置示意图；

图4是本发明等离子体处理装置中低频射频功率分布示意图；

图5是本发明阻抗调节组件示意图；

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是一个典型的电容耦合型等离子体处理装置，该等离子体处理装置包括由多个壁围成的反应腔10，反应腔10的上方设置有气体喷淋头20，用以将气体供应装置内的反应气体引入反应腔10内，以形成等离子体对基片w进行刻蚀。气体喷淋头20可作为上电极。气体喷淋头20的外周环设有隔离环30，用以将等离子体约束于隔离环30的相应壁体内。反应腔10的下方设置有用于承载基片w的基座40，基座40可作为下电极。一个源射频电源通过一个高频射频功率匹配器连接到下电极及一个偏置射频电源通过一个偏置射频功率匹配器连接到下电极。源射频电源输出高频射频功率到反应腔10，使得经气体喷淋头20喷入反应腔10的反应气体产生等离子体，源射频电源输出的高频射频信号的频率大于13MHz。偏置射频电源输出的低频射频信号的频率小于13MHz。气体喷淋头20与基座40之间为等离子体处理区域。基座40通常由铝合金进行表面阳极氧化制成，或者在铝合金表面涂覆一层绝缘的耐腐蚀材料层，以避免被反应腔10内的刻蚀气体腐蚀，造成颗粒污染等一系列问题。基座40上表面设置有一个静电夹盘41用于固定待处理基片w到静电夹盘41上表面。基座40下部外围还包括一个突出的台阶部，台阶部上设置有耦合环42，该耦合环42围绕在基座40外周围，通过对耦合环42的材料和形状尺寸的选择，改变基片w边缘区域耦合的射频能量分布。耦合环42上方设置有一个聚焦环43，其中聚焦环43围绕静电夹盘41且其内壁围绕并紧贴基片w，而且聚焦环43的上表面在等离子体处理过程中暴露于等离子体。反应腔10底部还包括一个排气装置排出气体，维持反应腔内低压。在等离子体处理过程中，源射频电源输出的高频射频功率用于点燃并维持反应腔10内的等离子体，偏置射频电源输出的低频射频功率用于控制形成在基片w上表面的和聚焦环43上表面的鞘层厚度，鞘层的厚度决定了等离子体中的离子入射到基片w的能量和方向。如果基片w边缘区域和聚焦环43的鞘层不连续分布的话会造成基片边缘区域刻蚀速率和刻蚀方向(edge tilting)与基片中心区域的差别，降低基片加工均匀性，影响最终芯片的良率。

由于聚焦环43是长期保留在充满刻蚀气体的等离子体中的，所以在进行一定时间的等离子体处理后，聚焦环43表面材料必然会被腐蚀，因此聚焦环43上表面的高度会随之下降，下降的高度会严重影响基片w边缘区域鞘层的分布和形态，为了抵消这种长期工作中产生的等离子处理效果漂移，需要设计对应的补偿机构或方法。部分现有技术中在反应腔内设置机械驱动装置，驱动耦合环42或者聚焦环43可以微量上下运动，以改变基片w边缘区域的电场分布，但是这种方法由于存在运动部件会带来颗粒污染的问题，而且运动的耦合环42和聚焦环43的精确定位也是很大的问题，1mm以下的位置偏移都会导致基片w上处理效果的不均匀分布。

上述调节方法不仅存在问题，而且还存在一个最严重的缺陷，上述调节方法对耦合到聚焦环43的低频射频功率的影响很小，也就是必须进行大幅度的调节才能有效改善功率分配。如图2所示，输入的低频射频功率P0经过基座40与基片w之间的等效电容C11耦合P1’功率到基片w，同时经过基座40到耦合环42和聚焦环43之间的等效电容C12耦合P2’功率到聚焦环43。其中C12的值非常小，而且很难调节，所以P2’会远小于P1’且功率比例很难调。为了增加C12可以选择铝、碳化硅等高导电性的材料制造耦合环42，但是这种选择一种材料来补偿的方法只能补偿一段时间，无法动态的补偿由于聚焦环43损耗带来的处理效果漂移。

以下结合附图3至附图5，进一步说明本发明的具体实施例。

经过发明人研究发现，当高频的射频功率被输入基座时射频功率能够轻易的耦合到聚焦环处，因为对于高频信号来说基座表面很薄(几十微米)，绝缘耐腐蚀层和耦合环阻抗很小。但是对于低频射频信号来说，较低的频率导致同样的绝缘耐腐蚀层和耦合环形成很大的阻抗，这一阻抗导致只有很少的低频射频能量能耦合到聚焦环，即使采用各种手段调节耦合环与聚焦环的介电常数、位置，最终可调的范围仍然有限。因为基座侧壁的绝缘耐腐蚀层必不可少，而且耦合环通常选择绝缘材料，如氧化铝或者氧化硅材料制成，所以在现有硬件结构下无法将低频射频功率可调的分配到基片边缘的聚焦环上。其中耦合环也可以选择高导电材料制成，但是这种耦合环只能在短时间内取得较好的刻蚀效果，时间一长仍然无法补偿聚焦环损耗带来的处理效果漂移。而且高导电性的耦合环除了影响低频射频功率的分布也会同时影响高频射频功率的分布，也就影响了等离子体浓度的分布，所以为了聚焦环上方鞘层厚度的调整反而造成等离子体浓度分布不均匀，也无法改善整体的等离子体处理效果。聚焦环通常是由石英、氧化铝等绝缘材料或者碳化硅、硅等半导体材料制成，以避免等离子体处理过程中产生的颗粒污染基片，同时提供足够的导电性。

基于这一发现，本发明提出了如图3所示的一种新的等离子体处理装置，其基本结构与图1所示的技术相同。图3示出了于基座140的下方环设有一导体环144，导体环144通过一导电连接部与一由铝、碳化硅等高导电性的材料制成的耦合环142电性连接，导体环144可以由铜等导电材料制成；一阻抗调节组件150设置于基座140的下方且与基座140电性连接；一导电连接部电性连接阻抗调节组件150及导体环144。通过调节阻抗调节组件150来调节输送到聚焦环143的低频射频功率。本申请中，将由铝、碳化硅等高导电性的材料制成的耦合环142当作环形电极，而由一导电连接部连接导体环144与耦合环142而电性导通，当然在其他实施例中，也可以设置由绝缘材料制成的耦合环，然后单独设置一环形电极，将该环形电极设置于耦合环内或者将环形电极设置于耦合环与聚焦环之间，并通过一导电连接部连接导体环144与环形电极而实现导体环144与环形电极的电性导通。优选的，导电连接部为一导线。

结合图5所示，阻抗调节组件150包括多个电容器151及多个继电器152，每一继电器152分别与单个电容器151电性连接以控制单个电容器151的导电状态。本申请中，电容器151及继电器152的个数相等，且均至少为2个，优选的，设置三个电容器151及三个继电器152。单个继电器152与单个电容器151电性连接，以单独控制每一电容器151的电路导通。每个电容器151的电容值可以相同也可以不相同。阻抗调节组件150还包括电感153，电感153电性连接于基座140，所述电感153为一低通滤波器，可阻止源射频电源输出的高频射频功率耦合至聚焦环，而偏置射频电源输出的低频射频功率仍可被耦合至聚焦环。一气体喷架154，设置于多个电容器151的周侧，气体喷架154面向电容器151的壁面设有多个气嘴155，气体喷架154内挖设有气体容积区域156，气嘴155与气体容积区域156相连通，气嘴155用于向电容器151所在的空间喷气，以降低电容器151及其周侧环境温度。一陶瓷板157，用于电容器151及气体喷架154固定于其上，且具有良好的耐高温性能。一固定架158的一端连接于陶瓷板157以及另一端连接于基座140，以将阻抗调节组件150整体固定于所述基座140。

阻抗调节组件150的多个继电器152通过一控制线连接于一控制器，该控制器可单独控制每一个继电器152的开关，以将多个电容器151中的部分电容器151电路导通或者电路关闭，以调节输送到聚焦环143的低频射频功率。

阻抗调节组件150的气体喷架154通过一气体管道与气体装置M连通，且于气体管道上设置一阀，以控制向气体容积区域156内通入冷却气体。所述气体为干燥压缩气体，可被输送至电容器151周边环境区域，以降低电容器151及其周边环境温度。

如图4所示为本发明的等效电路图和射频功率分布图，本发明中耦合到基片w的等效电容C21仍然很大，所以主要功率能够耦合到基片w，基座140经过侧壁耐腐蚀绝缘层和耦合环142到聚焦环143的等效电容C22亦然很小，无法传输较大功率的射频功率。阻抗调节组件150不是通过传统的耦合的方式传递射频功率，而是通过直接电连接的方式将基座140中的射频功率直接引导到了聚焦环143，所以绕过了严重影响低频射频功率耦合的阻抗。其中阻抗调节组件150中可以根据需要自行选择不同容值的电容器151进行组合，且可通过继电器152来选择性地将所需要容值的电容器151于电路上进行电性导通，所以本发明的阻抗调节组件150通过简单的将所需容值的电容器151电路导通就可以有效的调节输送到聚焦环143的低频射频功率。当反应腔处于初始状态时，多个电容器151均未被电性导通，在等离子体处理过程中，可对基片w刻蚀效果进行监测，重点监测基片边缘区域的刻蚀效果是否与中心区域的刻蚀效果不同，如果基片边缘刻蚀孔倾斜角度在预设角度范围内，则继续执行基片刻蚀效果监测步骤，如果基片边缘刻蚀孔倾斜超过预设角度，则对阻抗调节组件150进行调整。依据基片刻蚀效果监测中监测的基片边缘刻蚀孔倾斜的程度，通过控制器将多个继电器152中的至少一个开启，以使得与启动的继电器152电性连接的某一个或某些所需电容值的电容器151电性导通，随即更多低频射频功率被输送到基片边缘的聚焦环143，基片边缘聚焦环143的低频射频功率改变，进而抬高聚焦环143处的鞘层，使得基片边缘到聚焦环143上方具有相同高度的鞘层，改善刻蚀均一性。继续监测基片处理的效果，直到处理效果的均一性再次偏移超出预设的阀值，根据监测到的数据再次调整被电性导通的电容器151的数值，以电性导通相应的容值来补偿聚焦环143的损耗。这样本发明就可以在长期不更换聚焦环143的情况下，只需要改变电性导通的电容器151的数值即可长期保持等离子体刻蚀效果的稳定。

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 (18)

1.一种具有射频功率分布调节功能的等离子体处理装置，包括：

由多个壁围成的反应腔；

设置在反应腔下方的基座，所述基座上设置有静电夹盘，所述静电夹盘用于固定待处理基片，一个源射频电源连接到基座或气体喷淋头及一个偏置射频电源连接到基座；

设置在反应腔上方的气体喷淋头，用于引入气体至反应腔内，所述气体喷淋头与所述基座之间为等离子体处理区域；

聚焦环，围绕所述静电夹盘并且在等离子体处理过程中暴露于等离子体；

环形电极，设置于聚焦环下方。

导体环，环设于基座下方，所述导体环通过一导体连接部与所述环形电极电性连接；

阻抗调节组件，设置于基座的下方；

其中，所述阻抗调节组件包括多个电容器及多个继电器，每一继电器分别与单个电容器电性连接以控制单个电容器的导电状态，所述阻抗调节组件与所述基座电性连接，一导体连接部电性连接所述阻抗调节组件与所述导体环。

2.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述电容器的个数至少为2个，所述继电器的个数也至少为2个且与所述电容器的个数相等，单个继电器与单个电容器电性连接。

3.如权利要求2所述的等离子体处理装置，其特征在于：每个电容器的电容值可以相同也可以不相同。

4.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述继电器通过控制线连接于一控制器，所述控制器用以控制每一继电器的开关。

5.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述阻抗调节组件进一步包括一电感，所述电感与所述基座电性连接。

6.如权利要求5所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述电感为一低通滤波器，以阻止源射频电源输出的高频射频功率耦合至聚焦环，而偏置射频电源输出的低频射频功率仍可被耦合至聚焦环。

7.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述环形电极为一耦合环，所述耦合环由铝、碳化硅等高导电性的材料制成。

8.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述等离子体处理装置进一步包括一由绝缘材料制成的耦合环，所述耦合环设置于所述聚焦环的下方，所述环形电极设置于所述耦合环内或设置于所述耦合环与聚焦环之间。

9.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述阻抗调节组件包括气体喷架，所述气体喷架设置于电容器的周侧，所述气体喷架面向电容器的壁面设有多个气嘴，所述气嘴用于向电容器所在的空间喷气，以降低电容器及其周侧环境温度。

10.如权利要求9所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述气体喷架内挖设有气体容积区域，所述气嘴与所述气体容积区域相连通。

11.如权利要求10所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述阻抗调节组件通过一气体管道与气体装置连通，且于气体管道上设置一阀，以控制向气体容积区域内通入气体。

12.如权利要求9至11任一项所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述气体为干燥压缩气体。

13.如权利要求9所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述阻抗调节组件包括陶瓷板，所述电容器及气体喷架固定于所述陶瓷板。

14.如权利要求13所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述阻抗调节组件包括固定架，所述固定架的一端连接于陶瓷板，另一端连接于基座，以将阻抗调节组件整体固定于所述基座。

15.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述导体环由铜制成。

16.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述偏置射频电源输出的射频信号的频率小于13MHz。

17.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述源射频电源输出高频射频功率到所述反应腔，使得经气体喷淋头喷入反应腔的反应气体产生等离子体，所述源射频电源输出的射频信号的频率大于13MHz。

18.一种应用于权利要求1-8任一项所述的等离子体处理装置的射频功率分布调节方法，包括步骤：

基片刻蚀效果监测步骤：监测基片边缘区域的刻蚀效果，如果基片边缘刻蚀孔倾斜角度在预设角度范围内，则继续执行基片刻蚀效果监测步骤，如果基片边缘刻蚀孔倾斜超过预设角度，则进入阻抗调节组件调节步骤；

阻抗调节组件调节步骤：依据基片刻蚀效果监测步骤中监测的基片边缘刻蚀孔倾斜的程度，启动多个继电器中的至少一个，以使得与启动的继电器电性连接的电容器电性导通，使得被输送到基片边缘聚焦环的射频功率改变，并再次进入基片刻蚀效果监测步骤。

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