CN113808900B - 一种等离子体处理装置及其约束环组件与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种等离子体处理装置及其约束环组件与方法，反应腔内设置用于支撑基片的下电极组件，射频功率源将射频功率施加至下电极组件，反应腔还包括：等离子体约束环组件，环绕设置于下电极组件外围，包括等离子体约束环和接地环；接地环在等离子体约束环下方，接地环包含内环和外环，内环电接地，内环通过中间件与外环连接，内环与等离子体约束环内侧之间存在第一电容，外环与等离子体约束环外侧之间存在第二电容，第一电容大于第二电容，使得射频电流经由第一电容进入接地环的内环。本发明改变射频回路局部路径，解决等离子体约束环与接地环内环间出现的放电问题，可使用的射频功率的范围变宽；射频回路稳定，机械加工简单、方便。

Description

一种等离子体处理装置及其约束环组件与方法

技术领域

本发明涉及半导体加工领域，特别涉及一种等离子体处理装置及其约束环组件与方法。

背景技术

目前在对半导体器件的制造过程中，经常使用电容耦合式等离子体处理装置(CCP)来产生反应气体的等离子体，对基片进行蚀刻等加工处理。

现有技术中，等离子体约束环通过电容的方式与接地环之间形成射频通路，该射频路径是在接地环的外环位置处增大接触面积使得形成电容，射频电流会通过该电容导入接地环的外环，然后再流经中间辐条进入接地环的内环，这种方式适用于射频回路完好且等离子体约束环与接地环之间无显著电位差的情况。但是，出于射频回路的稳定性和机械加工难度的考虑，接地环的内环和外环无法同时保证良好的接触，一般接地环的内环与等离子体约束环之间会隔离一段距离且重叠面积很小，此时可忽略这部分电容贡献；而同时接地环的外环与等离子体约束环间形成稳定的大电容以导通射频回路。

但是随着射频腔的研发改进，在射频隔离并不良好的情况下，比如需要使用可移动式下电极组件时，此时等离子体约束环因受到射频场的影响会有显著的射频信号，电压峰峰值高达上百伏。这种情况下，等离子体约束环与接地环的内环处的缝隙位置在一定气压的情况下容易造成放电(light up)现象，实际操作中也确实明显发现了放电后产生的彩纹。再者，由于该放电问题，也会导致整个工艺上可使用的射频功率大小的范围变窄。

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约束环组件与方法，通过控制接地环的内环与等离子体约束环内侧之间的第一电容大于接地环的外环与等离子体约束环外侧之间的第二电容，以使反应腔内的射频电流经由第一电容进入接地环的内环，解决了现有技术中等离子体约束环与接地环内环间出现放电现象以及工艺中可使用的射频功率的范围变窄的问题。

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，所述等离子体处理装置包括一反应腔，所述反应腔内设置一用于支撑基片的下电极组件，一射频功率源将射频功率施加至所述下电极组件，所述反应腔还包括：

等离子体约束环组件，环绕设置于所述下电极组件外围，包括等离子体约束环和接地环；

接地环，位于所述等离子体约束环下方，所述接地环包含靠近所述下电极组件的内环和靠近所述反应腔的侧壁的外环，所述内环电接地，所述内环通过中间件与所述外环连接，所述内环与所述等离子体约束环的内侧之间存在第一电容，所述外环与所述等离子体约束环的外侧之间存在第二电容，所述第一电容大于所述第二电容以使得所述反应腔内的射频电流经由所述第一电容进入所述接地环的内环。

可选地，所述反应腔内包括一上电极组件，所述上电极组件与所述下电极组件相对设置，用以形成一反应区域。

可选地，所述内环与所述等离子体约束环的内侧底面之间的距离小于所述外环与所述等离子体约束环的外侧底面之间的距离；和/或，所述内环与所述等离子体约束环的内侧底面之间的相对面积大于所述外环与所述等离子体约束环的外侧底面之间的相对面积。

可选地，所述内环与所述等离子体约束环的内侧底面相接触，所述外环与所述等离子体约束环的外侧底面之间的距离大于0。

可选地，所述内环的顶端高于所述外环的顶端；和/或，所述等离子体约束环的内侧的底端低于所述等离子体约束环的外侧的底端。

可选地，所述内环通过螺钉与所述等离子体约束环固定连接。

可选地，内环、中间件、外环为一体制成或者为依次连接的独立部分。

可选地，内环、中间件和外环由导电材料制成。

可选地，射频功率形成的射频电流回路包含第一射频回路和第二射频回路；所述第一射频回路至少包含：射频功率从所述下电极组件，通过电容耦合到反应腔内的上电极组件，并经反应腔的侧壁至所述接地环的外环和内环实现接地；所述第二射频回路至少包含：射频功率从所述下电极组件，通过电容耦合到所述等离子体约束环，并经第一电容耦合至所述接地环的内环，实现接地。

可选地，射频功率形成的射频电流回路还包含第三射频回路；所述第三射频回路至少包含：射频功率从所述下电极组件，通过电容耦合到反应腔内的等离子体约束环，并依次经过接地环的外环、中间件和内环，实现接地。

可选地，所述第二射频回路的射频电流大于所述第三射频回路的射频电流。

可选地，所述下电极组件包含可移动式的极板结构。

本发明还提供了一种用于等离子体处理装置的等离子体约束环组件，包括等离子体约束环和位于所述等离子体约束环下方的接地环，所述接地环包括一内环、一外环和连接所述内环和外环的中间件，所述内环与所述等离子体约束环的内侧底面相对设置，形成第一电容，所述外环与所述等离子体约束环的外侧底面相对设置，形成第二电容，所述第一电容大于所述第二电容。

可选地，所述内环的顶端高于所述外环的顶端。

可选地，所述等离子体约束环的内侧的底面低于所述等离子体约束环的外侧的底面。

可选地，所述内环与所述等离子体约束环的内侧底面之间的相对面积大于所述外环与所述等离子体约束环的外侧底面之间的相对面积。

本发明进一步地提供了一种用于等离子体处理装置的接地环，所述接地环包括一内环、一外环和若干连接所述内环和外环的中间件，所述内环的顶端高于所述外环的顶端和/或所述内环的顶端表面积大于所述外环的顶端表面积。

本发明又提供了一种等离子体处理装置的工作方法，包括：

提供如上文所述的等离子体处理装置；

提供射频功率源，射频功率源将射频功率施加至所述等离子体处理装置的反应腔内的下电极组件，所述下电极组件用于支撑基片；

提供等离子体约束环组件，使其环绕设置于所述下电极组件外围，所述等离子体约束环组件包括等离子体约束环和接地环，所述接地环位于所述等离子体约束环下方；

所述接地环的内环与所述等离子体约束环的内侧之间存在第一电容，所述接地环的外环与所述等离子体约束环的外侧之间存在第二电容，控制所述第一电容大于所述第二电容，以使得所述反应腔内的射频电流经由所述第一电容进入所述接地环的内环。

可选地，射频功率形成的射频电流回路包含第一射频回路和第二射频回路；所述第一射频回路至少包含：射频功率从所述下电极组件，通过电容耦合到反应腔内的上电极组件，并经反应腔的侧壁至所述接地环的外环和内环实现接地；所述第二射频回路至少包含：射频功率从所述下电极组件，通过电容耦合到所述等离子体约束环，并经第一电容耦合至所述接地环的内环，实现接地。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：(1)本发明通过控制接地环的内环与等离子体约束环内侧之间的第一电容大于接地环的外环与等离子体约束环外侧之间的第二电容，使反应腔内的射频电流大部分经由第一电容进入接地环的内环，改变射频回路的局部路径，解决了等离子体约束环与接地环内环间出现的放电问题，且工艺中可使用的射频功率的范围也相对变宽；(2)本发明等离子体处理装置的反应腔内的射频回路稳定，装置的机械加工简单、方便，特别适用等离子体处理装置中下电极组件可上下移动的情况。

附图说明

图1为本发明的等离子体处理装置示意图；

图2-图3为本发明的等离子体约束组件的结构示意图；

图4为本发明的等离子体处理装置的射频回路示意图；

图5为本发明一个示例中的基座上各位置的基片刻蚀效率示意图。

具体实施方式

通过阅读参照图1～图5所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的特征、目的和优点将会变得更明显。参见示出本发明实施例的图1～图2，下文将更详细的描述本发明。然而，本发明可以由许多不同形式实现，并且不应解释为受到在此提出的实施例的限制。

如图1所示，本发明提供了一种电容耦合式等离子体处理装置CCP，由施加在下电极组件上的射频功率源通过电容耦合的方式在反应腔内产生等离子体并用于刻蚀。等离子体处理装置包含反应腔100，反应腔100包括由金属材料制成的大致为圆柱形的反应腔侧壁101，反应腔侧壁101上设置一开口102用于容纳基片进出。

反应腔100内设置一上电极组件120和与上电极组件120相对设置的一下电极组件110，上电极组件120与一气体供应装置125相连，用于向真空反应腔输送反应气体。可选地，上电极组件120为气体喷淋头。下电极组件110至少包含一基座1101和位于基座1101上方的静电夹盘(未图示)，静电夹盘用于支撑基片W。

如图1和图2所示，下电极组件110外围环绕设置有聚焦环133及边缘环134，聚焦环133和边缘环134用于调节基片周围的电场或温度分布，提高基片处理的均匀性。边缘环134外围还环绕设置有等离子体约束环132。本实施例中，至少一射频功率源140通过匹配网络142将射频功率施加到下电极组件110，并且射频RF还通过电容耦合到反应腔内的上电极组件120以及反应腔侧壁以及等离子体约束环132等周围部件。上电极组件120与下电极组件110之间形成一反应区域，上电极组件和下电极组件之间产生射频电场，用以将反应气体解离为等离子体(Plasma)，等离子体中含有大量的电子、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的表面发生多种物理和化学反应，使得基片表面的形貌发生改变，即完成刻蚀过程。

等离子体约束环132上设有排气通道，通过合理设置排气通道的深宽比例，在实现将反应气体排出的同时，避免将等离子体约束环132在上下电极组件之间的反应区域的等离子体泄露到非反应区域，造成非反应区域的部件损伤。

另外，由于距离基座1101上待处理基片W最近的等离子体约束环132的阻抗分布会影响基座1101周围的射频电场分布，进而影响等离子体的分布和刻蚀效果的均一性，为了避免基座中的射频电场传播到等离子体约束环132下方，将已经恢复到中性的反应气体再次点燃，形成二次等离子体并污染反应腔下方的内壁和排气管道，同时等离子体约束环132上积累的大量电荷也需要导向接地端的导通渠道，所以在等离子体约束环132下方设有接地环131，接地环131由导体制成并且电接地，这样就能将射频能量屏蔽在接地环上方，避免二次等离子体产生，同时导走等离子体约束环132上的积累电荷。

如图2所示，接地环131包含内环201和外环202，内环201靠近下电极组件110，外环202靠近反应腔侧壁101。接地环131的内环201电接地，内环201通过中间件203与外环202连接，内环201与等离子体约束环132的内侧204之间存在第一电容C11，外环202与等离子体约束环132的外侧205之间存在第二电容C21，第一电容C11大于第二电容C21，使得反应腔内的耦合到等离子体约束环上的射频电流大部分会经由第一电容C11而进入接地环131的内环201，形成稳定电容导通射频。因此，本发明的射频电流可以避免必须要经过接地环的外环再流经中间件203到达接地环的内环，而是沿着等离子体约束环下沿直接馈入到接地环的内环，解决了射频引起的局部放电的问题，也使工艺中可使用的射频功率的范围相对变宽，尤其在等离子体处理装置中下电极组件可上下移动的情况下效果更为显著，反应腔内的射频回路稳定，装置的机械加工简单、方便。

为了使第一电容C11大于第二电容C21，本发明将内环201与等离子体约束环132的内侧204底面之间的第一距离小于外环202与等离子体约束环132的外侧205底面之间的第二距离，和/或，将内环201与等离子体约束环132的内侧204底面之间的第一相对面积大于外环202与等离子体约束环132的外侧205底面之间的第二相对面积。

本实施例中，内环201与等离子体约束环132的内侧204底面相接触，以尽量减少内环201与等离子体约束环132的内侧204底面之间的第一距离，并且外环202与等离子体约束环132的外侧205底面之间的距离大于0，控制第一距离小于第二距离，以保证第一电容C11大于第二电容C21。

如图1-图3结合所示，本发明的射频功率形成的射频电流回路包含第一射频回路Loop1、第二射频回路Loop2和第三射频回路Loop3。所述第一射频回路Loop1也称主路径。所述第二射频回路Loop2和所述第三射频回路Loop3称局部路径，一般地，主路径的射频电流大于局部路径的射频电流。

如图1和图4结合所示，该第一射频回路Loop1包含：射频功率从下电极组件110，通过电容耦合到反应腔内的上电极组件120，并经反应腔侧壁101至接地环131的外环202和内环201实现接地。

如图2和图4结合所示，第二射频回路Loop2包含：射频功率从下电极组件110，通过电容耦合到等离子体约束环132，并经第一电容耦合至接地环131的内环201，直接实现接地。如图3所示，第三射频回路Loop3包含：射频功率从下电极组件110，通过电容耦合到反应腔内的等离子体约束环132，并依次经过接地环131的外环202、中间件203和内环201，实现接地。

示例地，本发明的局部路径中的大部分射频电流沿着等离子体约束环下沿直接馈入到接地环的内环，则第二射频回路Loop2的射频电流大于第三射频回路Loop3的射频电流。

如图4所示，在第一射频回路Loop1中，C1和R1分别表示该射频回路Loop1中的等离子体的等效电容和等效电阻，L1是指等离子体约束环132本身的等效电感；在第二射频回路Loop2中，C2和R2分别表示该射频回路Loop2中的等离子体的等效电容和等效电阻，C3是指内环201与等离子体约束环132的内侧204之间的第一电容C11。与之相比的是，传统方案中的射频回路因必须要经过接地环的外环再流经中间辐条再到达接地环的内环，使得在传统方案涉及的第二射频回路中还存在与电容C3串联的另外的等效电感，该另外的等效电感即是接地环的外环和接地环的内环之间存在的电感。因此，本发明的第二射频回路要比传统方案中的第二射频回路要更加通畅，并且形成了更加稳定的电容导通射频，相比现有技术具有显著的进步。

图5为本发明的一个实施例中基座上各位置的基片刻蚀效率(归一化后)示意图。由此可知，与现有技术相比，采用本发明的方法可以提高基片边缘的等离子体分布和刻蚀效率，本发明的等离子体分布的均一性和基片刻蚀效果的均一性更高，基片的边缘的刻蚀效果更接近于基片中心区域，尤其是在装置的反应腔内的等离子体浓度较高时效果更为显著。

可选地，本发明的内环201通过螺钉与等离子体约束环132固定连接。

示例地，将内环201的顶端设成高于外环202的顶端，和/或，将等离子体约束环132的内侧204的底端设成低于等离子体约束环132的外侧205的底端，使得内环201与等离子体约束环132的内侧204底面之间的第一距离小于外环202与等离子体约束环132的外侧205底面之间的第二距离，则第一电容C11大于第二电容C21。

另一示例中，内环201的顶端表面积大于外环202的顶端表面积，以使内环201与等离子体约束环132的内侧204底面之间的第一相对面积大于外环202与等离子体约束环132的外侧205底面之间的第二相对面积，从而使第一电容C11大于第二电容C21。

如图2所示，中间件203为一中间辐条，所述内环201、中间件203和外环203均由导电材料制成。内环201、中间件203、外环202可以是一体制成的，也可以是依次连接的独立部分，本发明对此不做限制。

综上所述，本发明通过改变等离子约束环的内外圈对应的电容大小，改变了射频回路的局部路径，解决了射频引起的局部放电问题以及工艺中的可使用的射频功率大小的范围变窄的问题，等离子体装置的反应腔内的射频回路稳定，装置的机械加工简单、方便。

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 (19)

1.一种等离子体处理装置，所述等离子体处理装置包括一反应腔，所述反应腔内设置一用于支撑基片的下电极组件，一射频功率源将射频功率施加至所述下电极组件，其特征在于，所述反应腔还包括：

等离子体约束环组件，环绕设置于所述下电极组件外围，包括等离子体约束环和接地环；

接地环，位于所述等离子体约束环下方，所述接地环包含靠近所述下电极组件的内环和靠近所述反应腔的侧壁的外环，所述内环电接地，所述内环通过中间件与所述外环连接，所述内环与所述等离子体约束环的内侧之间存在第一电容，所述外环与所述等离子体约束环的外侧之间存在第二电容，所述第一电容大于所述第二电容以使得所述反应腔内的射频电流经由所述第一电容进入所述接地环的内环。

2.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，

所述反应腔内包括一上电极组件，所述上电极组件与所述下电极组件相对设置，用以形成一反应区域。

3.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，

所述内环与所述等离子体约束环的内侧底面之间的距离小于所述外环与所述等离子体约束环的外侧底面之间的距离；

和/或，所述内环与所述等离子体约束环的内侧底面之间的相对面积大于所述外环与所述等离子体约束环的外侧底面之间的相对面积。

4.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，

所述内环与所述等离子体约束环的内侧底面相接触，所述外环与所述等离子体约束环的外侧底面之间的距离大于0。

5.如权利要求4所述的等离子体处理装置，其特征在于，

所述内环的顶端高于所述外环的顶端；

和/或，所述等离子体约束环的内侧的底端低于所述等离子体约束环的外侧的底端。

6.如权利要求4所述的等离子体处理装置，其特征在于，

所述内环通过螺钉与所述等离子体约束环固定连接。

7.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，

内环、中间件、外环为一体制成或者为依次连接的独立部分。

8.如权利要求1或7所述的等离子体处理装置，其特征在于，

内环、中间件和外环由导电材料制成。

9.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，

射频功率形成的射频电流回路包含第一射频回路和第二射频回路；

所述第一射频回路至少包含：射频功率从所述下电极组件，通过电容耦合到反应腔内的上电极组件，并经反应腔的侧壁至所述接地环的外环和内环实现接地；

所述第二射频回路至少包含：射频功率从所述下电极组件，通过电容耦合到所述等离子体约束环，并经第一电容耦合至所述接地环的内环，实现接地。

10.如权利要求9所述的等离子体处理装置，其特征在于，

射频功率形成的射频电流回路还包含第三射频回路；

所述第三射频回路至少包含：射频功率从所述下电极组件，通过电容耦合到反应腔内的等离子体约束环，并依次经过接地环的外环、中间件和内环，实现接地。

11.如权利要求10所述的等离子体处理装置，其特征在于，

所述第二射频回路的射频电流大于所述第三射频回路的射频电流。

12.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，

所述下电极组件包含可移动式的极板结构。

13.一种用于等离子体处理装置的等离子体约束环组件，包括等离子体约束环和位于所述等离子体约束环下方的接地环，其特征在于，

所述接地环包括一内环、一外环和连接所述内环和外环的中间件，所述内环与所述等离子体约束环的内侧底面相对设置，形成第一电容，所述外环与所述等离子体约束环的外侧底面相对设置，形成第二电容，所述第一电容大于所述第二电容。

14.如权利要求13所述的等离子体约束环组件，其特征在于，

所述内环的顶端高于所述外环的顶端。

15.如权利要求13所述的等离子体约束环组件，其特征在于，

所述等离子体约束环的内侧的底面低于所述等离子体约束环的外侧的底面。

16.如权利要求13所述的等离子体约束环组件，其特征在于，

所述内环与所述等离子体约束环的内侧底面之间的相对面积大于所述外环与所述等离子体约束环的外侧底面之间的相对面积。

17.一种用于等离子体处理装置的接地环，所述等离子体处理装置还包括位于所述接地环上方的等离子体约束环，其特征在于，

所述接地环包括一内环、一外环和若干连接所述内环和外环的中间件，所述内环与所述等离子体约束环的内侧底面之间的距离小于所述外环与所述等离子体约束环的外侧底面之间的距离；

和/或，所述内环与所述等离子体约束环的内侧底面之间的相对面积大于所述外环与所述等离子体约束环的外侧底面之间的相对面积；

所述内环与所述等离子体约束环的内侧之间存在第一电容，所述外环与所述等离子体约束环的外侧之间存在第二电容，所述第一电容大于所述第二电容以使得等离子体处理装置的反应腔内的射频电流经由所述第一电容进入所述接地环的内环。

18.一种等离子体处理装置的工作方法，其特征在于，包括：

提供如权利要求2～13中任一项所述的等离子体处理装置；

提供射频功率源，射频功率源将射频功率施加至所述等离子体处理装置的反应腔内的下电极组件，所述下电极组件用于支撑基片；

提供等离子体约束环组件，使其环绕设置于所述下电极组件外围，所述等离子体约束环组件包括等离子体约束环和接地环，所述接地环位于所述等离子体约束环下方；

所述接地环的内环与所述等离子体约束环的内侧之间存在第一电容，所述接地环的外环与所述等离子体约束环的外侧之间存在第二电容，控制所述第一电容大于所述第二电容，以使得所述反应腔内的射频电流经由所述第一电容进入所述接地环的内环。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，

射频功率形成的射频电流回路包含第一射频回路和第二射频回路；

所述第一射频回路至少包含：射频功率从所述下电极组件，通过电容耦合到反应腔内的上电极组件，并经反应腔的侧壁至所述接地环的外环和内环实现接地；

所述第二射频回路至少包含：射频功率从所述下电极组件，通过电容耦合到所述等离子体约束环，并经第一电容耦合至所述接地环的内环，实现接地。