CN113808897B - 一种等离子体处理装置及其调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等离子体处理装置及其调节方法，该装置包含：真空反应腔，包括反应腔侧壁，所述反应腔侧壁设有基片传输口；下电极组件，设于所述真空反应腔内底部；等离子体约束装置，设于所述下电极组件的外围；接地环，设置于所述等离子体约束装置下方；调节装置，用于调节所述基片传输口周围所述等离子体约束装置和所述接地环之间不同相位角上的间距以改变两者之间的电容大小。其优点是：采用调节装置调节等离子体约束装置和接地环之间不同相位角上的间距以改变两者之间的电容大小，从而补偿各因素引起的刻蚀不对称，达到最优刻蚀对称性，其操作简单，小范围操作即可调整刻蚀环境的稳定性，为工作人员的日常运维提供了便利。

Description

一种等离子体处理装置及其调节方法

技术领域

本发明涉及等离子体刻蚀领域，具体涉及一种等离子体处理装置及其调节方法。

背景技术

等离子体处理装置为利用真空反应室的原理对半导体基片进行处理加工。在等离子体处理进程中，等离子体具有扩散性，充满整个真空反应腔腔室，但是在现有的等离子体处理装置中，仍然存在诸多可能引起刻蚀不对称的因素，如腔体侧壁传输基片的基片传输口，下电极组件中各种接头的非对称分布等，甚至还有些很多未知的接触面电容的变化，都会有可能导致刻蚀结果的不对称。各接头之间的非对称分布可通过重新设计调节来改善对称性以及刻蚀工艺稳定性，但是像基片传输口这种无法避免的固定不对称因素，其对电容分布的影响很难调节。

发明内容

本发明的目的在于提供一种等离子体处理装置及其调节方法，在等离子体约束装置和接地环之间设置调节装置，通过调节装置改变两者不同相位角上的间距以调节两者之间的电容大小，可以对一些刻蚀工艺实现对称性补偿，以得到最优的工艺对称性效果。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种等离子体处理装置，包括：

真空反应腔，包括反应腔侧壁，所述反应腔侧壁设有基片传输口；

下电极组件，设于所述真空反应腔内底部；

等离子体约束装置，设于所述下电极组件的外围；

接地环，设置于所述等离子体约束装置下方；

调节装置，用于调节所述基片传输口周围所述等离子体约束装置和所述接地环之间不同相位角上的间距以改变两者之间的电容大小。

可选的，所述接地环水平放置；所述等离子体约束装置的倾斜角度小于1度。

可选的，所述调节装置包含一行星齿轮结构，其具体包含：

外齿轮，所述外齿轮的上表面有高度差，所述外齿轮的上表面与所述等离子体约束装置的底部接触；

内齿轮，设置于所述等离子体约束装置与接地环之间，所述内齿轮与所述外齿轮接触并带动所述外齿轮转动；

传动轴，其顶部与所述内齿轮连接，其底部伸出所述真空反应腔。

可选的，所述外齿轮上表面包含一个凸点，以使所述外齿轮上表面有高度差。

可选的，所述外齿轮上表面至少包含三个凸点，以使所述外齿轮上表面有高度差。

可选的，三个所述凸点沿外齿轮的周向上均匀分布，其中一个所述凸点的高度高于另外两个所述凸点的高度，且另外两个所述凸点的高度相同。

可选的，所述外齿轮上表面包含连续且不同高度的凸台。

可选的，所述外齿轮的材料包括绝缘类材料。

可选的，所述传动轴伸出所述真空反应腔的部分进行刻度以记录旋转角度和旋转圈数，根据外齿轮与内齿轮的传动比，确定等离子体约束装置具体在多少度的相位角上发生倾斜。

可选的，所述传动轴和所述真空反应腔接触部位被若干个密封件所包覆。

可选的，所述接地环一端固定在所述真空反应腔的腔体侧壁。

可选的，通过固定销使等离子体约束装置与外齿轮固定在一起，所述等离子体约束装置随外齿轮一起旋转。

可选的，通过固定销将等离子体约束装置与接地环连接在一起，使等离子体约束装置不旋转，但等离子体约束装置的不同相位角因被外齿轮顶起而发生上下浮动。

可选的，一种等离子体处理装置调节等离子体刻蚀的方法，包括：

提供所述的等离子体处理装置；

将待处理基片放置在下电极组件上；

对基片进行等离子体处理；

检测到沿基片靠近基片传输口周围刻蚀速率不均衡时，通过调节装置调节所述基片传输口周围所述等离子体约束装置和所述接地环之间不同相位角上的间距以改变两者之间的电容大小，以使基片周向上的刻蚀速率均匀。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明提供的等离子体处理装置中，在等离子体约束装置和接地环之间设置有调节装置，所述调节装置能够调节所述基片传输口周围所述等离子体约束装置和所述接地环之间不同相位角上的间距以改变两者之间的电容大小，从而补偿因基片传输口引起的刻蚀不对称，达到最优刻蚀对称性。

进一步，在调节过程中，所述接地环始终保持水平状态，所述等离子体约束装置始终保持一定角度的倾斜状态，只是倾斜方向相对于基片可以变化，通过调节两者不同位置处的间隙大小引起电容的变化，可以对刻蚀工艺实现对称性补偿，以得到最优的工艺对称性效果，该方法操作简单，小范围操作即可调整刻蚀环境的稳定性，为工作人员的日常运维提供了便利。

附图说明

图1为本发明的一种等离子体处理装置的结构示意图；

图2为图1中调节装置的俯视图；

图3为采用图1的等离子体处理装置调节等离子体刻蚀的方法流程图。

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。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”、“具有”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。

需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明一实施例的目的。

在等离子体处理装置中，内部构件多种多样，许多构件呈非对称性分布，在进行等离子体刻蚀时，部分构件接触或分布不均衡会导致电容分布不均衡，造成等离子体刻蚀不均匀，进而影响基片刻蚀的均匀性。

针对上述问题，本发明提供了一种等离子体处理装置，如图1所示，为本发明的一种等离子体处理装置的结构示意图，该等离子体处理装置包含：一真空反应腔100，其由反应腔腔体101(Chamber)和腔体端盖102(Lid)包围而成，所述反应腔腔体101通常由金属材料制成。所述反应腔腔体101上设有基片传输口103，该基片传输口103为反应腔腔体101的一反应腔侧壁上的开口，用于将基片在真空反应腔100内外之间传输。所述真空反应腔100内具有上电极110和下电极组件120，所述下电极组件120设置于所述真空反应腔100内底部，所述上电极110和所述下电极组件120相对设置，传入所述真空反应腔100内的基片W放置在所述下电极组件120上。所述上电极110和下电极组件120之间为等离子体环境，该等离子体环境包含大量的电子、离子、激发态的原子、分子和自由基等活性粒子，上述活性粒子可以和待处理基片W的表面发生多种物理和化学反应，使得基片W表面的形貌发生改变，即完成刻蚀过程。

实施例一

在本实施例中，所述等离子体处理装置为电容耦合型等离子体处理装置(CCP)。

如图1所示，为本实施例的一种电容耦合型等离子体处理装置，其通过真空反应腔100顶部的气体输送部件(图中未示出)向真空反应腔100内输送反应气体，由射频电源(图中未示出)向下电极组件120施加射频电源，通过电容耦合的方式在上电极110和下电极组件120之间形成等离子体环境以用于刻蚀。

该等离子体处理装置还包含等离子体约束装置130(FEIS Ring)，其设置于所述下电极组件120的外围，具体设置在下电极组件120和反应腔腔体101之间。所述等离子体约束装置130将等离子体限制在上电极110和下电极组件120之间的反应区域，避免等离子体泄漏到非反应区域，导致非反应区域的部件发生损伤。

所述等离子体约束装置130的下方设置有接地环140(MGR)，所述接地环140和所述等离子体约束装置130之间的电容影响真空反应腔100腔体内的电场分布。通常等离子体约束装置130处于悬浮电位，其与零电位的接地环140之间通过射频耦合(无直流导通)的方式实现电学传导，因此，传导阻抗主要由等离子体约束装置130和接地环140之间的绝缘接触面间的电容决定，即两者之间不同相位角上的间距分布影响着电容的分布。在本实施例中，所述接地环140的一端通过螺钉固定在所述真空反应腔100的腔体侧壁上，以使两者之间的射频回路更加稳定。

经系统研究发现，等离子体约束装置130和接地环140之间的空隙大小会对某些工艺的刻蚀速率对称性产生很大的影响，特别是在基片传输口103附近，这种不对称性尤为明显，很容易引起等离子体环境不稳定导致刻蚀不均匀。因此，该等离子体处理装置还包含调节装置150，所述调节装置150用于调节所述基片传输口103周围所述等离子体约束装置130和所述接地环140之间不同相位角上的间距以改变两者之间的电容大小，从而补偿各因素引起的刻蚀不对称，达到最优刻蚀对称性。在调节过程中，所述接地环140始终保持水平状态，所述等离子体约束装置130始终保持一定角度的倾斜状态，只是倾斜方向相对于基片W可以变化，通过调节两者不同位置处的间隙大小引起电容的变化，可以对一些刻蚀工艺(如刻蚀氧化硅或刻蚀绝缘层)实现对称性补偿，以得到最优的工艺对称性效果。为了不影响等离子体刻蚀工作，所述等离子体约束装置130的倾斜角度小于1度，即所述调节装置150调节所述等离子体约束装置130的倾斜幅度小于1度。

如图1和图2结合所示，图2是图1的俯视图，在本实施例中，所述调节装置150包含一行星齿轮结构，其结构简单，易于制作，所述调节装置150具体包含：外齿轮151、内齿轮152和传动轴153(Drive shaft)。

具体地，所述外齿轮151的上表面有高度差，所述外齿轮151的上表面与所述等离子体约束装置130的底部接触。所述内齿轮152设置于所述等离子体约束装置130与接地环140之间，所述内齿轮152与所述外齿轮151接触并带动所述外齿轮151转动。所述传动轴153的顶部与所述内齿轮152连接，其底部伸出所述真空反应腔100，转动传动轴153即可带动与之连接的内齿轮152旋转，进而带动外齿轮151转动。

在本实施例中，所述等离子体约束装置130和所述外齿轮151通过若干个固定销固定在一起，所述等离子体约束装置130随外齿轮151一起旋转。外齿轮151上表面具有高度差，初始状态下，与之连接的等离子体约束装置130具有一定的倾斜角度。在需要调节时，通过旋转传动轴153带动内齿轮152旋转，进而使内齿轮152带动外齿轮151转动，从而使与外齿轮151连接的等离子体约束装置130的倾斜角度发生变化(即向不同方向倾斜)，改变等离子体约束装置130和接地环140之间不同相位角上的间距，以调节两者之间的电容分布，补偿其他因素引起的刻蚀不对称，从而优化刻蚀的工艺对称性。

所述外齿轮151上表面至少包含三个凸点，以使所述外齿轮151的上表面有高度差。在本实施例中，所述外齿轮151上表面包含三个凸点，为第一凸点P1、第二凸点P2和第三凸点P3，三个凸点沿外齿轮151的圆周方向上均匀分布，以使外齿轮151结构更加稳定，便于电容调节，当然各凸点也可不均匀分布。其中，所述第一凸点P1的高度高于所述第二凸点P2和所述第三凸点P3的高度，可选的，所述第二凸点P2和所述第三凸点P3的高度相同，三个凸点支撑等离子体约束装置130，使其具有一定的倾斜角度。需要调节时，外齿轮151发生转动，其第一凸点P1的位置也随之变化，与所述外齿轮151连接的等离子体约束装置130的倾斜角度也随之变化。

通常来说，基片传输口103对电容分布的均匀性影响较大，因此，可将外齿轮151的最高凸点设置于基片传输口103一侧或设置于基片传输口103对面，以便更快更方便地调节所述等离子体约束装置130的倾斜角度，改变所述等离子体约束装置130和所述接地环140之间不同相位角上的间距，以调节两者之间电容分布的均衡性。

另外，所述外齿轮151由绝缘类材料所制备，例如尼龙材料或聚缩醛材料。因等离子体约束装置130与接地环140之间通过射频耦合的方式实现电学传导，因此绝缘类材料制备的外齿轮151位于两者之间并不会影响两者之间的电场分布，另外，绝缘类材料也不会磨损真空反应腔100腔体内的其他零部件。所述内齿轮152可由绝缘类材料或金属材料制备，可选的，所述内齿轮152由不锈钢所制备。

通常情况下真空反应腔100的侧壁或底部都会留有若干个备用孔，在本实施例中，所述传动轴153穿过备用孔伸出真空反应腔100，无需额外打孔改变真空反应腔100的结构，减少了人力和物力的损耗。所述传动轴153和所述真空反应腔100(备用孔)接触部位被若干个密封件154所包覆以保证气密性。可选的，所述密封件为O型圈，其可保证该部位的密封性，不会使外界空气影响真空反应腔100内的气体环境。

所述传动轴153伸出所述真空反应腔100的部分进行刻度以记录旋转角度和旋转圈数，根据外齿轮151与内齿轮152的传动比，确定等离子体约束装置130具体在多少度的相位角上发生倾斜。

另外，本发明还提供了一种采用上述等离子体处理装置调节等离子体刻蚀的方法，如图3所示，该方法包括：提供所述的等离子体处理装置；将待处理基片W放置在下电极组件120上；对基片W进行等离子体处理；检测到沿基片W靠近基片传输口103周围刻蚀速率不均衡时，通过调节装置150调节所述基片传输口103周围所述等离子体约束装置130和所述接地环140之间不同相位角上的间距以改变两者之间的电容大小，以使基片W周向上的刻蚀速率均匀。该方法操作简便，小范围操作即可调节刻蚀环境的稳定性，为工作人员的日常运维提供了便利。

实施例二

基于实施例一中的等离子体处理装置的结构特性，本实施例对调节装置150的结构做出了一些改变，主要针对调节装置150的外齿轮151部分做出改变。

在本实施例中，所述外齿轮151的上表面有高度差，所述外齿轮151的上表面与所述等离子体约束装置130的底部接触，具体地，所述外齿轮151的上表面包含一个凸点，以使所述外齿轮151上表面有高度差。内齿轮152和传动轴153部分与实施例一相同，所述内齿轮152设置于所述等离子体约束装置130与接地环140之间，所述内齿轮152与所述外齿轮151接触并带动所述外齿轮151转动；所述传动轴153的顶部与所述内齿轮152连接，其底部伸出所述真空反应腔100。在需要调节时，转动传动轴153以带动内齿轮152转动，进而带动外齿轮151和与之连接的等离子体约束装置130旋转，调节等离子体约束装置130和接地环140之间不同相位角上的间距，以调节两者之间电容分布的均衡性。

在本实施例中，所述外齿轮151只有一个凸点，其结构更为简单，加工也更为方便。本实施例的其它结构部分及各组件作用方式都与实施例一中的相同，在此不再加以赘述。

实施例三

基于实施例一中的等离子体处理装置的结构特性，本实施例对调节装置150的结构做出了一些改变，主要针对调节装置150的外齿轮151部分做出改变。

在本实施例中，所述外齿轮151的上表面有高度差，所述外齿轮151的上表面与所述等离子体约束装置130的底部接触，具体地，所述外齿轮151的上表面包含连续且不同高度的凸台(高度轮廓线是某种曲线的凸台)，以使所述外齿轮151上表面有高度差。内齿轮152和传动轴153部分与实施例一相同，所述内齿轮152设置于所述等离子体约束装置130与接地环140之间，所述内齿轮152与所述外齿轮151接触并带动所述外齿轮151转动；所述传动轴153的顶部与所述内齿轮152连接，其底部伸出所述真空反应腔100。在需要调节时，转动传动轴153以带动内齿轮152转动，进而带动外齿轮151和与之连接的等离子体约束装置130旋转，调节等离子体约束装置130和接地环140之间不同相位角上的间距，以调节两者之间电容分布的均衡性。

在本实施例中，所述外齿轮151的上表面不是独立的点，而是连续且不同高度的凸台，其形状结构更加多样化，均可以实现对等离子体约束装置130倾斜角度的调节。本实施例的其它结构部分及各组件作用方式都与实施例一中的相同，在此不再加以赘述。

实施例四

基于实施例一中的等离子体处理装置的结构特性，本实施例对调节装置150、等离子体约束装置130和接地环140做出了一些改变，主要针对三者之间的连接关系做出改变。

在本实施例中，所述调节装置150包含外齿轮151、内齿轮152和传动轴153，所述等离子体约束装置130置于所述外齿轮151上但是其与所述外齿轮151之间仅接触不连接，所述等离子体约束装置130和接地环140通过浮动的固定销连接在一起(固定销一端与等离子体约束装置130或接地环140固定连接，另一端插入接地环140或等离子体约束装置130上开设的孔中)，使等离子体约束装置130和接地环140之间相互卡住不旋转，外齿轮151转动，与之接触的等离子体约束装置130的不同相位角因被外齿轮151顶起而发生上下浮动。在本实施例中，需尽量减小外齿轮151和等离子体约束装置130之间接触面的摩擦系数，例如减小接触面的粗糙度或在接触面上做润滑涂层，使得驱动力矩不需要太大。本实施例的其它结构部分及各组件作用方式都与实施例一中的相同，在此不再加以赘述。

综上所述，本发明的等离子体处理装置及其调节方法中，该等离子体处理装置设置有调节装置150、等离子体约束装置130、接地环140等结构，该调节装置150包含外齿轮151、内齿轮152和传动轴153，所述外齿轮151的上表面有高度差，所述外齿轮151的上表面与所述等离子体约束装置130的底部接触；所述内齿轮152设置于所述等离子体约束装置130与接地环140之间，所述内齿轮152与所述外齿轮151接触并带动所述外齿轮151转动；所述传动轴153的顶部与所述内齿轮152连接，其底部伸出所述真空反应腔100，转动传动轴153即可带动与之连接的内齿轮152旋转，进而带动外齿轮151转动。

所述调节装置150能够调节所述基片传输口103周围所述等离子体约束装置130和所述接地环140之间不同相位角上的间距以改变两者之间的电容大小，从而补偿因基片传输口引起的刻蚀不对称，达到最优刻蚀对称性。在调节过程中，所述接地环140始终保持水平状态，所述等离子体约束装置130始终保持一定角度的倾斜状态，只是倾斜方向相对于基片W可以变化，通过调节两者不同位置处的间隙大小引起电容的变化，可以对刻蚀工艺实现对称性补偿，以得到最优的工艺对称性效果。

需要注意的是，本发明中的调节装置150既适用于电容耦合型等离子体处理装置，也适用于电感耦合型等离子体处理装置，即本发明的等离子体处理装置既可为电容耦合型等离子体处理装置，也可为电感耦合型等离子体处理装置。

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 (14)

1.一种等离子体处理装置，其特征在于，包括：

真空反应腔，包括反应腔侧壁，所述反应腔侧壁设有基片传输口；

下电极组件，设于所述真空反应腔内底部；

等离子体约束装置，倾斜设于所述下电极组件的外围；

接地环，设置于所述等离子体约束装置下方；

调节装置，通过改变所述等离子体约束装置的倾斜方向调节所述基片传输口周围所述等离子体约束装置和所述接地环之间不同相位角上的间距以改变两者之间的电容大小。

2.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，

所述接地环水平放置；所述等离子体约束装置的倾斜角度小于1度。

3.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述调节装置包含一行星齿轮结构，其具体包含：

外齿轮，所述外齿轮的上表面有高度差，所述外齿轮的上表面与所述等离子体约束装置的底部接触；

内齿轮，设置于所述等离子体约束装置与接地环之间，所述内齿轮与所述外齿轮接触并带动所述外齿轮转动；

传动轴，其顶部与所述内齿轮连接，其底部伸出所述真空反应腔。

4.如权利要求3所述的等离子体处理装置，其特征在于，

所述外齿轮上表面包含一个凸点，以使所述外齿轮上表面有高度差。

5.如权利要求3所述的等离子体处理装置，其特征在于，

所述外齿轮上表面至少包含三个凸点，以使所述外齿轮上表面有高度差。

6.如权利要求5所述的等离子体处理装置，其特征在于，

三个所述凸点沿外齿轮的周向上均匀分布，其中一个所述凸点的高度高于另外两个所述凸点的高度，且另外两个所述凸点的高度相同。

7.如权利要求3所述的等离子体处理装置，其特征在于，

所述外齿轮上表面包含连续且不同高度的凸台。

8.如权利要求3所述的等离子体处理装置，其特征在于，

所述外齿轮的材料包括绝缘类材料。

9.如权利要求3所述的等离子体处理装置，其特征在于，

所述传动轴伸出所述真空反应腔的部分进行刻度以记录旋转角度和旋转圈数，根据外齿轮与内齿轮的传动比，确定等离子体约束装置具体在多少度的相位角上发生倾斜。

10.如权利要求3所述的等离子体处理装置，其特征在于，

所述传动轴和所述真空反应腔接触部位被若干个密封件所包覆。

11.如权利要求3所述的等离子体处理装置，其特征在于，

所述接地环一端固定在所述真空反应腔的腔体侧壁。

12.如权利要求11所述的等离子体处理装置，其特征在于，

通过固定销使等离子体约束装置与外齿轮固定在一起，所述等离子体约束装置随外齿轮一起旋转。

13.如权利要求11所述的等离子体处理装置，其特征在于，

通过固定销将等离子体约束装置与接地环连接在一起，使等离子体约束装置不旋转，但等离子体约束装置的不同相位角因被外齿轮顶起而发生上下浮动。

14.一种等离子体处理装置调节等离子体刻蚀的方法，其特征在于，包括：

提供如权利要求1至权利要求13任一项所述的等离子体处理装置；

将待处理基片放置在下电极组件上；

对基片进行等离子体处理；

检测到沿基片靠近基片传输口周围刻蚀速率不均衡时，通过调节装置调节所述基片传输口周围所述等离子体约束装置和所述接地环之间不同相位角上的间距以改变两者之间的电容大小，以使基片周向上的刻蚀速率均匀。