CN113130282A - 一种等离子体约束结构及其制造方法、等离子体处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种等离子体约束结构及其制造方法、等离子体处理装置，其中等离子体约束结构可以包括接地环和在接地环上设置的约束环，接地环和与约束环之间形成有绝缘层，接地环中形成有多个第一通道，约束环中形成有多个第二通道，第一通道和第二通道连通，第一通道和第二通道不在同一条直线上，在约束环上形成有等离子体时，等离子体可以通过第二通道进入约束环，通过约束环可以对其上的等离子体进行约束，由于第一通道和第二通道不在同一条直线上，第一通道和第二通道作为等离子体通道时，其通道的长度有所增大，等离子体与第一通道和第二通道的侧壁接触的可能性也较高，因此提高了对等离子体的约束能力。

Description

一种等离子体约束结构及其制造方法、等离子体处理装置

技术领域

本发明涉及半导体器件及其制造领域，特别涉及一种等离子体约束结构及其制造方法、等离子体处理装置。

背景技术

等离子体处理装置利用真空反应室的工作原理进行半导体基片和等离子体平板的基片的加工。真空反应室的工作原理是在真空反应室中通入含有适当刻蚀剂或淀积气体的反应气体，然后再对该真空反应室进行射频能量输入，以激活反应气体，来点燃和维持等离子体，以便分别刻蚀基片表面上的材料层或在基片表面淀积材料层，进而对半导体基片和等离子体平板进行加工。

等离子体是扩散性的，虽然大部分等离子体会停留在一对电极之间的处理区域中，但等离子体同时也充满整个工作室，如果不将等离子体约束在一定的工作区域内，带电粒子将撞击未被保护的区域，进而导致半导体基片表面形成杂质导致污染。

因此，可以在等离子体处理装置中设置约束环(confinement ring)，用以控制用过的反应气体的排出并且当反应气体中的带电粒子通过该约束环时，可以将它们电中和，从而将放电基本约束在约束环之上的处理区域以内，以防止等离子体处理装置中可能造成的腔体污染问题。

然而，在射频功率越来越高的变化过程中，对约束环的约束能力要求也越来越高，目前的约束结构并不能满足对等离子体的约束的需求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种等离子体约束结构及其制造方法、等离子体处理装置，提高等离子体约束结构的约束能力。

为实现上述目的，本发明有如下技术方案：

本发明实施例提供了一种等离子体约束结构，其特征在于，包括：

接地环，所述接地环形成有多个第一通道；

在所述接地环上设置的约束环，所述约束环中形成有多个第二通道，所述约束环和所述接地环之间形成有绝缘层；所述第一通道和所述第二通道连通，所述第一通道和所述第二通道不在同一条直线上；在所述约束环上形成有等离子体时，所述等离子体通过所述第二通道进入所述约束环。

可选的，所述约束环的下表面或所述接地环的上表面形成有第一沉孔，所述第一通道和所述第二通道通过所述第一沉孔连通。

可选的，所述接地环包括多个层叠的接地部件，所述接地部件中形成有多个接地通孔构成所述第一通道，相邻的接地部件中的接地通孔不在同一条直线上。

可选的，所述接地环包括层叠的第一部件和第二部件，所述第一部件和所述第二部件中形成有多个接地通孔构成所述第一通道，所述第一部件设置于所述第二部件的上方，所述第一部件中的接地通孔与所述第二部件中的接地通孔不在同一条直线上，与所述第二通道不在同一条直线上。

可选的，所述第一部件的下表面形成有第二沉孔，所述第一部件中的多个接地通孔与所述第二部件中的多个接地通孔通过所述第二沉孔连通。

可选的，所述约束环包括多个层叠的约束部件，所述约束部件中形成有多个约束通孔构成所述第二通道，相邻的约束部件中的约束通孔不在同一条直线上。

可选的，所述接地环还包围所述约束环的外壁。

可选的，所述第一通道和所述第二通道方向不同，和/或，所述第二通道的下方开口与所述第一通道的上方开口不正对。

本发明实施例还提供了一种等离子体约束结构的制造方法，包括：

提供接地环，所述接地环形成有多个第一通道；

在所述接地环上设置约束环，所述约束环中形成有多个第二通道，所述约束环和所述接地环之间形成有绝缘层；所述第一通道和所述第二通道连通，所述第一通道和所述第二通道不在同一条直线上；在所述约束环上形成有等离子体时，所述等离子体通过所述第一通道进入所述约束环。

本发明实施例还提供了一种等离子体处理设备，包括：

位于真空反应腔内底部的静电吸盘，用于承载待处理晶圆；

所述的等离子体约束结构。

本发明实施例提供了一种等离子体约束结构及其制造方法、等离子体处理装置，其中等离子体约束结构可以包括接地环和在接地环上设置的约束环，约束环和接地环之间形成有绝缘层，接地环中形成有多个第一通道，约束环中形成有多个第二通道，第一通道和第二通道连通，第一通道和第二通道不在同一条直线上，在约束环上形成有等离子体时，等离子体可以通过第二通道进入约束环，通过约束环可以对其上的等离子体进行约束，由于第一通道和第二通道不在同一条直线上，第一通道和第二通道作为等离子体通道时，其通道的长度有所增大，等离子体与第一通道和第二通道的侧壁接触的可能性也较高，因此提高了对等离子体的约束能力。

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它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种等离子体处理设备的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种等离子体约束结构的示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种等离子体约束结构的示意图；

图4为本发明实施例提供的又一种等离子体约束结构的示意图。

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它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。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

正如背景技术中的描述，在等离子体处理装置中设置约束环，约束环可设置在静电吸盘的外围，用以控制用过的反应气体的排出并且当反应气体中的带电粒子通过该约束环时，可以将它们电中和，从而将放电基本约束在约束环之上的处理区域以内，防止带电粒子撞击未被保护的区域，而在等离子体处理装置中造成腔体污染问题。

然而，在射频功率越来越高的变化过程中，等离子体的浓度越来越高，对约束环的约束能力要求也越来越高，这是由于随着射频功率的提高，需要约束环中的通道有越来越大的深宽比，以符合德拜系数，使等离子体在进入约束环的通道中后能够猝灭(Plasmaquenching)，从而减少带电粒子通过约束环的通道的可能性。

目前，约束环中的通道是单一方向的，这样更长的通道意味着约束环的更大的体积，实际上，约束环的体积受到等离子体处理装置的限制，不能随着射频功率的增大而增大。

基于以上技术问题，本发明实施例提供了一种等离子体约束结构及其制造方法、等离子体处理装置，其中等离子体约束结构可以包括接地环和在接地环上设置的约束环，约束环和接地环之间形成有绝缘层，接地环中形成有多个第一通道，约束环中形成有多个第二通道，第一通道和第二通道连通，第一通道和第二通道不在同一条直线上，在约束环上形成有等离子体时，等离子体可以通过第二通道进入约束环，通过约束环可以对其上的等离子体进行约束，由于第一通道和第二通道不在同一条直线上，第一通道和第二通道作为等离子体通道时，其通道的长度有所增大，等离子体与第一通道和第二通道的侧壁接触的可能性也较高，因此提高了对等离子体的约束能力。

为了更好的理解本发明的技术方案和技术效果，以下将结合附图对具体的实施例进行详细的描述。

参考图1所示，为本发明实施例提供的一种等离子体处理设备的示意图，包括：静电吸盘100、等离子体约束结构500。

静电吸盘100用于固定晶圆200，可以包括基座和圆盘结构，其中基座为金属材质，例如铝、不锈钢等，基座作为下电极发挥作用，圆盘结构用于固定晶圆200，圆盘结构可以是陶瓷结构，圆盘结构中设置有静电电极板，为静电电极板施加正的直流电压时，静电电极板产生的电场会导致固定在圆盘结构上的晶圆200极化，为了中和该晶圆200产生的电荷，在晶圆200的表面产生负电位，不同极性的电位之间产生的库仑力可以使晶圆200吸附于圆盘结构上。

在利用等离子体300对晶圆200进行处理时，等离子体300形成于静电吸盘100和上电极400之间，即形成于晶圆200的上方，从而对晶圆200进行处理。然而等离子体300是扩散的，虽然大部分等离子体300会停留在上电极400和下电极100之间的处理区域中，但等离子体300也同时充满整个工作室，如果不将等离子体300约束在一定的工作区域内，带电粒子会撞击未被保护的区域，在工作室内部形成不必要的工作物质，进而导致晶圆200表面形成杂质导致污染。

因此，可以在静电吸盘100外围设置等离子体约束结构500，从而避免带电的等离子体对等离子体约束结构500下方的区域进行作用。等离子体约束结构500可以是围绕静电吸盘100的环状结构，当然，在等离子体约束结构500和静电吸盘100之间还可以形成有聚焦环和覆盖环等(图未示出)，在此不做详细说明。

参考图2所示，为本发明实施例提供的一种等离子体约束结构的示意图，图2为图1右侧部分的等离子体约束结构500的示意图，即在静电吸盘右侧的等离子体约束结构500，等离子体约束结构500可以包括约束环520和接地环(grounding ring)510，其中约束环520设置于接地环510之上，接地环510和约束环520之间形成有绝缘层530，接地环510中形成有多个第一通道511，约束环520中设置有多个第二通道521，第一通道511和第二通道521连通，第一通道511和第二通道521不在同一条直线上。

由于约束环521设置于静电吸盘的外围，在利用等离子体对静电吸盘上的晶圆进行处理时，约束环521上方也形成有等离子体，这些等离子体可以通过第二通道521进而约束环520，在与第二通道521的侧壁撞击后猝灭(Plasma quenching)，从而被电中和，未被电中和的等离子体在进入接地环510的第一通道511后，可以与第一通道511的侧壁撞击后被接地环510电中和。也就是说，等离子体在进入约束环520后，会沿着第二通道521以及与第二通道521连通的第一通道511流动，在从接地环510流出时通常是不带电的，不会对接地环510下的其他部件造成损伤，也不会造成晶圆的污染。

此外，第一通道511和第二通道521不在同一条直线上，可以分为两种情况，第一：第一通道511和第二通道521的方向不同，第二通道521的出口与第一通道511的入口可以正对也可以不正对，这样第二通道521中流出的气体较容易与第一通道511的侧壁碰撞；第二：第一通道511和第二通道521的方向相同，但是第二通道521的出口与第一通道511的入口不正对，即第一通道511的上方开口和第二通道的下方开口不正对，这样从第二通道521中流出的气体会与接地环510的上表面碰撞，或者经过接地环510和约束环520之间的缝隙流向第一通道511。

由于第一通道511和第二通道521不在同一条直线上，则第一通道511和第二通道521不能是正对的相同方向的通道，例如不能都是竖直方向的通道，约束环520和接地环510的尺寸不变的情况下，不是正对的相同方向的通道相比于现有技术中竖直方向的通道具有更长的路径，当然，为了实现一样长的路径所需要的等离子体约束部件的体积也相对较小一些。而更长的路径可以增大等离子体与约束环520或接地环510的侧壁撞击的几率，在一定程度上提高了对等离子体的约束效果。第一通道511和第二通道521的截面积决定气体在流通量，第一通道511和第二通道521的设计在一定程度上还会影响等离子体处理设备中的气流。

具体实施时，第一通道511的出口和第二通道521的入口可以不是正对的，在约束环520的下表面可以形成第一沉孔522，第一通道511和第二通道521通过第一沉孔522连通，这样气体在通过第二通道521后，可以在第一沉孔522处汇合从而进入第一通道511，这样可以利于第一通道511和第二通道521的气流量。接地环510的下表面也可以设置有第三沉孔512，用于使第一通道511连接其他部件，例如抽气装置等。

第一通道511可以是纵向贯穿接地环510的多个通孔，通孔可以是圆形，也可以是其他形状，通孔的截面积根据实际情况而定，通孔的长度根据接地环510的厚度以及通孔的实际贯穿方向确定。第二通道521可以是纵向贯穿约束环520的多个通孔，通孔可以是圆形，也可以是其他形状，通孔的截面积可以根据实际情况而定，通孔的长度根据接地环510的厚度以及通孔的实际贯穿方向确定。

其中，约束环520可以是导体材料，例如可以是铝，贯穿约束环520的多个通孔可以是均匀分布的，也可以是不均匀分布的，接地环510可以是导体材料，并与地线连接，用于进一步提高等离子体约束结构的性能，接地环510的材料也可以是铝。

参考图2所示，第二通道521的方向为竖直方向，即第二通道521在竖直方向上贯穿约束环520，第一通道511的方向与第二方向成一定角度，具体的，第一通道511与接地环510的表面呈θ角，即第一通道511在θ角方向上贯穿接地环510，θ角不为90°时，第一通道511的长度大于接地环510的厚度，在一定程度上增大了通道长度，等离子体的运动方向可以参考带箭头虚线指示方向。其中，θ角可以根据实际情况而定，θ角可以的定义方式也可以根据实际情况而定。

在本发明实施例中，接地环510可以包括多个层叠的接地部件，接地部件中可形成多个接地通孔从而构成第一通道511，为了进一步增大第一通道511的长度，可以将相邻的接地部件中的接地通孔设置为不同的方向。

具体实施时，参考图3和图4所示，为本发明实施例提供的等离子体约束结构的示意图，可以令接地环510包括层叠的第一部件5101和第二部件5102，第一部件5101和第二部件5102中形成有多个接地通孔构成第一通道511，第一部件5101设置于第二部件5102的上方，第一部件5101中的接地通孔的方向第二部件5102中的接地通孔的方向不同，与第二通道521的方向也不同。这样等离子体在进入第一通道511后，会在进入第一部件5101时改变一次方向，在进入第二部件5102时再改变一次方向，从而提供电中和的几率，同时约束环520和接地环510的整体通道较长，从另一个角度提高了电中和的几率。

在第一部件5101中的接地通孔和第二部件5102中的接地通孔可以不是正对的，在第一部件5101的下表面可以形成有第二沉孔513，第一部件5101中的接地通孔和第二部件5102中的接地通孔可以通过第二沉孔513连通。第二部件5102的下表面可以形成有第三沉孔512，用于将第二部件5102中的接地通孔与其他部件连接。

参考图3所示，第二部件5102中的接地通孔在竖直方向上贯穿第二部件5102，第一部件5101中的接地通孔在θ角方向上贯穿第一部件5101，约束环520中的第一通道511在竖直方向上贯穿约束环520，这样实现相邻的部件中的通道方向不相同，等离子体的运动方向可以参考带箭头虚线的方向。参考图4所示，约束环520中的第一通道511可以在θ角方向上贯穿约束环520，第一部件5101中的接地通孔可以在竖直方向上贯穿第一部件5101，第二部件5102中的接地通孔可以在α角方向上贯穿第二部件5102，这样可以实现部件中的通道方向各不相同，等离子体的运动方向可以参考带箭头虚线的方向。

当然，在申请实施例中，还可以将约束环520设置为多个层叠的约束部件，在约束部件中形成有多个约束通孔构成第二通道521，相邻的约束部件中的约束通孔不在同一条直线上。多个层叠的约束部件可以参考多个层叠的接地部件的说明。

约束环520中的第一通道511的截面尺径可以小于晶圆上的等离子体鞘层(plasmasheath)厚度，从而确保上电极和下电极之间的等离子体无法落入约束环520的第一通道511中，而仅有扩散后的等离子体可以进入第一通道511而猝灭。

实际操作中，对于高频等离子体的约束结果，例如对60M等离子体的约束，通常由等离子体鞘层厚度和约束环520结合结构共同决定，需要约束环520的第一通道511长度较大，第一通道511的截面尺径小于等离子体鞘层厚度，才能实现对等离子体的有效约束。

而对于低频等离子体，例如2M等离子体，其频率特性决定了等离子体具有较大的鞘层厚度，因此鞘层厚度并不是制约等离子体约束的关键。事实上，由于物理轰击作用的要求，低频等离子体往往需要加载非常高的射频功率。此时约束环520上存在较高的对地电压Vpp，而约束环520与接地的接地环510接触后，二者之间会产生电弧(light-up)现象，导致低频等离子体约束的失败。

发明人研究发现，增大约束环520和接地环510之间的正对面积，并在约束环520和接地环510之间设置绝缘层，可以有效防止电弧现象的产生，绝缘层可以是氧化铝、氧化钇等。这是因为，约束环520上的对地电压ΔV由约束环520的对地容抗Z和对地电容C决定，其中，

ΔV＝I*Z；

其中，I表示约束环520和接地环510之间的电流，f为射频信号的频率，ε为约束环520和接地环510之间的绝缘层材料的介电常数，S为约束环520和接地环510之间的正对面积，d为约束环520和接地环510之间的间距。

也就是说，若想降低对地电压ΔV，需要降低容抗Z(2M)，则可以增大对地电容C，也就是需要增大正对面积S，减少间距d，同时增大介电常数ε。

基于此，可以延伸接地环510至约束环520的外侧，与约束环520远离静电吸盘的一侧接触，在约束环520和接地环510之间还可以形成有绝缘层，以提供较大的介电常数ε，而约束环520的侧壁与接地环510连接，从而使二者之间具有较大的正对面积，通过设置约束环520和接地环510的形状，也可以使二者之间具有较小的距离，这样可以得到约束环520较大的对地电容，从而具有较小的对地电压，减少约束环520和接地环510之间的电弧现象，增强第低频等离子体的约束，同时减少电弧现象对约束环520和接地环510的破坏，减少约束环520和接地环510的起拱问题。

本发明实施例提供了一种等离子体约束结构，可以包括接地环和在接地环上设置的约束环，接地环中形成有多个第一通道，约束环中形成有多个第二通道，第一通道和第二通道连通，第一通道和第二通道不在同一条直线上，在约束环上形成有等离子体时，等离子体可以通过第二通道进入约束环，通过约束环可以对其上的等离子体进行约束，由于第一通道和第二通道不在同一条直线上，第一通道和第二通道作为等离子体通道时，其通道的长度有所增大，等离子体与第一通道和第二通道的侧壁接触的可能性也较高，增加了等离子体与通道侧壁碰撞的几率，因此提高了对等离子体的约束能力。

基于以上等离子体约束结构的说明，本发明实施例还提供了一种等离子体约束结构的制造方法，包括以下步骤：

提供接地环，接地环形成有多个第一通道；

在接地环上设置约束环，约束环和接地环之间形成有绝缘层，约束环中形成有多个第二通道，第一通道和第二通道连通，第一通道和第二通道不在同一条直线上，在约束环上形成有等离子体时，等离子体通过第一通道进入约束环。

其中，所述约束环的下表面可以形成有第一沉孔，所述第一通道和所述第二通道通过所述第一沉孔连通。

可选的，所述接地环包括多个层叠的接地部件，所述接地部件中形成有多个接地通孔构成所述第一通道，相邻的接地部件中的接地通孔不在同一条直线上。

可选的，所述接地环包括层叠的第一部件和第二部件，所述第一部件和所述第二部件中形成有多个接地通孔构成所述第一通道，所述第一部件设置于所述第二部件的上方，所述第一部件中的接地通孔与所述第二部件中的接地通孔不在同一条直线上，与所述第二通道的方向也不同。

可选的，所述第一部件的下表面形成有第二沉孔，所述第一部件中的多个接地通孔与所述第二部件中的多个接地通孔通过所述第二沉孔连通。

可选的，所述约束环包括多个层叠的约束部件，所述约束部件中形成有多个约束通孔构成所述第二通道，相邻的约束部件中的约束通孔不在同一条直线上。

可选的，所述接地环还包围所述约束环的外壁。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处。

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)

1.一种等离子体约束结构，其特征在于，包括：

接地环，所述接地环形成有多个第一通道；

在所述接地环上设置的约束环，所述约束环中形成有多个第二通道，所述约束环和所述接地环之间形成有绝缘层；所述第一通道和所述第二通道连通，所述第一通道和所述第二通道不在同一条直线上；在所述约束环上形成有等离子体时，所述等离子体通过所述第二通道进入所述约束环。

2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述约束环的下表面或所述接地环的上表面形成有第一沉孔，所述第一通道和所述第二通道通过所述第一沉孔连通。

3.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述接地环包括多个层叠的接地部件，所述接地部件中形成有多个接地通孔构成所述第一通道，相邻的接地部件中的接地通孔不在同一条直线上。

4.根据权利要求3所述的结构，其特征在于，所述接地环包括层叠的第一部件和第二部件，所述第一部件和所述第二部件中形成有多个接地通孔构成所述第一通道，所述第一部件设置于所述第二部件的上方，所述第一部件中的接地通孔与所述第二部件中的接地通孔不在同一条直线上，与所述第二通道不在同一条直线上。

5.根据权利要求4所述的结构，其特征在于，所述第一部件的下表面形成有第二沉孔，所述第一部件中的多个接地通孔与所述第二部件中的多个接地通孔通过所述第二沉孔连通。

6.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述约束环包括多个层叠的约束部件，所述约束部件中形成有多个约束通孔构成所述第二通道，相邻的约束部件中的约束通孔不在同一条直线上。

7.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述接地环还包围所述约束环的外壁。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的结构，其特征在于，所述第一通道和所述第二通道方向不同，和/或，所述第二通道的下方开口与所述第一通道的上方开口不正对。

9.一种等离子体约束结构的制造方法，其特征在于，包括：

提供接地环，所述接地环形成有多个第一通道；

在所述接地环上设置约束环，所述约束环中形成有多个第二通道，所述约束环和所述接地环之间形成有绝缘层；所述第一通道和所述第二通道连通，所述第一通道和所述第二通道不在同一条直线上；在所述约束环上形成有等离子体时，所述等离子体通过所述第一通道进入所述约束环。

10.一种等离子体处理设备，其特征在于，包括：

真空反应腔；

静电吸盘，位于所述真空反应腔内底部，用于承载待处理晶圆；

如权利要求1-8任意一项所述的等离子体约束结构。

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