CN114203513A - 一种功率电极及等离子体处理设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率电极及等离子体处理设备，该功率电极的中心区域相对作为下电极的基座的距离较近，外围区域相对基座比较远，故该等离子体设备的反应室内部中间区域的等离子体密度比较高，外围区域的等离子体密度比较低，其中中间区域的等离子体对于晶圆加工起到主要作用，中间区域产生均匀等离子体的沉积区域，周边的等离子体密度小可以消除与功率电极薄膜层的影响，提高功率电极的使用寿命，进而提高等离子体设备的使用寿命和保障晶圆加工质量。

Description

一种功率电极及等离子体处理设备

技术领域

本发明涉及晶圆处理技术领域，特别涉及一种功率电极及等离子体处理设备。

背景技术

射频感应耦合等离子体放电可以产生具有化学活性的原子、分子基团及离子等，所以被广泛应用于材料表面改性及表面处理等领域。对于全球的芯片生产制造工艺来讲，等离子体处理技术起着极为重要的作用，尤其是在超大规模集成电路制造工艺中，如等离子体清洗、等离子体刻蚀、等离子体镀膜、等离子体去胶等等大多是借助等离子体加工技术来完成的。

当前技术中，等离子体处理设备通常以循环形式在晶圆的表面沉积薄膜，但是因刻蚀和射频开启期间导致反应区环境温度有较大波动，使等离子体处理设备内部的上电极表面晶格热胀冷缩，使反应物离子或者清洗气体离子反复吸收释放，影响上电极的反应物层薄膜厚度、致密性等发生变化，影响上电极的正常使用，进而影响晶圆的正常加工。

发明内容

本发明的目的为提供一种工作可靠且较容易维护的功率电极及等离子体处理设备。

本发明提供一种功率电极，用于等离子体设备，包括安装部和主体部，所述安装部用于与所述等离子体设备的反应室的腔体壁固定；所述主体部位于所述反应室的内腔，所述主体部具有使用时朝向所述等离子设备的接地电极的第一表面，所述第一表面包括中心区域和位于所述中心区域外围的外围区域，所述中心区域突出于所述外围区域。

使用时，中心区域与载物台大致同心相对设置，功率电极的中心区域在等离子体设备横截面内的投影覆盖载物台的投影，在中心区域与载物台之间形成的等离子体密度比较高，在外围区域与载物台之间形成的等离子体密度相对比较弱，简单说，该等离子体设备的反应室内部中间区域的等离子体密度比较高，外围区域的等离子体密度比较低，其中中间区域的等离子体对于晶圆加工起到主要作用，中间区域产生均匀等离子体的沉积区域，周边的等离子体密度小可以消除与功率电极薄膜层的影响，提高功率电极的使用寿命，进而提高等离子体设备的使用寿命和保障晶圆加工质量。

可选的，所述主体部具有第一凹槽和第二凹槽，所述第一凹槽位于所述第二凹槽的外围，所述第二凹槽的深度大于所述第一凹槽的深度，所述中心区域包括所述第二凹槽的底壁外表面，所述外围区域包括所述第一凹槽的底壁外表面。

可选的，所述第一凹槽的外周壁沿径向具有预定厚度，所述安装部位于所述第一凹槽的外周壁，所述安装部上设置有连接通孔。

可选的，所述第二凹槽的底壁设置有若干通气孔。

可选的，所述中心区域的直径为待加工晶圆直径的0.8至1.3倍。

可选的，所述中心区域为平面或曲面，

或者/和，所述外围区域为平面或者曲面或者斜面。

此外，本发明还提供了一种等离子体设备，包括反应室和基座，还包括上述任一项所述的功率电极，所述功率电极的中心区域与所述基座的载物台相对，并且所述功率电极的中心区域在所述等离子体设备横截面内的投影覆盖所述载物台的投影。

可选的，所述中心区域与所述载物台平行设置以形成等间距的极间距。

可选的，还包括边缘环，与所述载物台同心设置并套设于所述载物台的外围，所述边缘环与所述载物台和所述晶圆之间均具有间隙。

可选的，所述边缘环朝向功率电极的端壁的内缘区设置有凹槽，所述凹槽的底壁低于所述载物台，所述凹槽的周向侧壁能够与被加工的晶圆周向形成间隙配合，所述凹槽的底壁为平面，所述凹槽的周壁为圆柱面或者斜面。

本发明中的等离子体处理设备具有上述功率电极，故等离子体处理设备也具有功率电极的上述技术效果。

附图说明

图1为本发明一种实施例中等离子体处理设备的局部结构示意图；

图2为仅示出图1中功率电极、基座、边缘环和晶圆的相对位置的示意图；

图3为图2中A处剖视示意图；

图4本发明一种实施例中功率电极的结构示意图；

图5为图4的仰视示意图；

图6为图4的剖视的示意图；

图7为本发明一种实施例中反应室内部的等离子密度的示意图；

图8为现有技术反应室内部的等离子密度的示意图。

其中，图1至图6中附图标记与部件名称之间一一对应关系如下：

1功率电极；1-1主体部；1-2安装部；11第一表面；111中心区域；112外围区域；1a连接通孔；1b通气孔；12凹陷部；1-3第一凹槽；1-4第二凹槽；2基座；21载物台；211支撑面；3边缘环；31底壁；32周向侧壁；4晶圆；a间隙。

具体实施方式

本文以待加工晶圆横截面为圆形为例，介绍技术方案和技术效果。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1至图8，图1为本发明一种实施例中等离子体处理设备的局部结构示意图；图2为仅示出图1中功率电极、基座、边缘环和晶圆的相对位置的示意图；图3为图2中A处剖视示意图；图4本发明一种实施例中功率电极的结构示意图；图5为图4的仰视示意图；

图6为图4的剖视的示意图；其中图中未示出剖视线；图7为本发明一种实施例中反应室内部的等离子密度的示意图；图8为现有技术反应室内部的等离子密度的示意图。

本发明提供了一种等离子体处理设备包括具有反应室101的设备本体100，反应室101的腔体壁可以由金属材料构成，例如铝、不锈钢等等，反应室101通常为圆筒形。

在反应室101的内腔101a安装有基座2，基座2具有载物台21，晶圆4放置于载物台21上，基座2通常由导电性和热传导性能较佳的材质构成，可以兼顾接地电极使用。载物台21的周向还可以设置边缘环3，边缘环3的主要作用是限定晶圆4的位置，以保证晶圆4与载物台21的同心设置，理论上，边缘环3与晶圆4非接触，保证电极间内阻抗均匀性，以及晶圆4热量不会因局部接触到边缘环3导致温度均匀性差异。

边缘环3的具体材料可以为：陶瓷等绝缘材料。

本发明提供了一种功率电极1，作为等离子体设备的上电极使用，使用时晶圆4置于基座2的载物台21，功率电极1置于反应室内部，基座2接地作为下电极，功率电极1连接外部射频电源，功率电极1与基座2之间产生强电场将气体源分子电离产生等离子体包括具有高活性化学基团，经过一系列化学和等离子反应，以在功率电极1与基座2之间形成等离子体对晶圆4进行加工处理。

本发明所提供的功率电极1包括安装部1-2和主体部1-1。其中安装部1-2用于与反应室的腔体壁固定，如图1所示，安装部1-2可以包括连接通孔1a，功率电极1通过安装于连接通孔1a内部的螺栓或者螺钉5等部件固定于反应室的腔体开口位置。

主体部1-1位于反应室的内腔，主体部1-1具有使用时朝向薄膜沉积设备的载物台21的第一表面11，即第一表面11朝向作为接地电极的基座2一侧。具体地，第一表面11包括中心区域111和位于中心区域111外围的外围区域112，中心区域111突出于外围区域112也就是说，位于反应室的内腔中的主体部1-1至少划分为两部分，一部分为中心区域111，另一部分为外围区域112，中心区域111与接地电极所处平面之间的距离比外围区域112与接地电极所处平面之间的距离小。中心区域111更靠近接地电极2。

请结合图7和图8，其中两图中横坐标表示距离反应室中心的距离，纵坐标表示等离子体密度。图7为使用本发明所述的功率电极1和基座2之间的等离子体分布密度曲线，图8为现有技术上下电极之间的等离子体分布密度曲线。

使用时，中心区域111与载物台21大致同心相对设置，功率电极1的中心区域111在等离子体设备横截面内的投影覆盖载物台21的投影，在中心区域111与载物台21之间形成的等离子体密度比较高，在外围区域112与载物台21之间形成的等离子体密度相对比较弱，简单说，该等离子体设备的反应室内部中间区域的等离子体密度比较高，外围区域112的等离子体密度比较低，其中中间区域的等离子体对于晶圆4加工起到主要作用，中间区域产生均匀等离子体的沉积区域，周边的等离子体密度小可以消除与功率电极1薄膜层的影响，提高功率电极1的使用寿命，进而提高等离子体设备的使用寿命和保障晶圆4加工质量。

请参考图4至图6，在一种具体实施例中，主体部1-1具有主体部1-1具有第一凹槽1-3和第二凹槽1-4，以功率电极1安装于等离子体设备时各部件之间的相对位置为参考，各凹槽的开口背离基座2，请参考图1，第一凹槽1-3和第二凹槽1-4的开口朝上。第一凹槽1-3位于第二凹槽1-4的外围，第二凹槽1-4的深度大于第一凹槽1-3的深度，中心区域111包括第二凹槽1-4的底壁外表面，外围区域112包括第一凹槽1-3的底壁外表面。

功率电极1可以通过机械加工工艺或者其他工艺形成不同深度的槽，该结构比较简单，功率电极1各处厚度也比较薄，相应地重量比较轻，工作性能也较好。

安装部1-2可以位于第一凹槽1-3的外周壁，第一凹槽1-3的外周壁可以在径向具有预定厚度，连接通孔1a设置于第一凹槽1-3的外周壁。安装时，第一凹槽1-3的外周壁可以至少部分密封抵靠反应室的开口端面，实现功率电极1与反应室的密封安装。

为了满足晶圆4加工需求，功率电极1还加工有通气孔1b，外部气源自通气孔1b向反应室的内腔通气，在一种示例中，通气孔可以设置于第二凹槽1-4的底壁。

当然，功率电极1的形状不局限于上文描述，功率电极1还可以仅具有第二凹槽，即仅具有一个凹陷部12，如图2所示。

本发明中功率电极1的中心区域111的直径可以为待加工晶圆4直径的0.8至1.3倍。也就是说，本发明中功率电极1中心区域111的大小可以根据待加工晶圆4的大小而定，通常功率电极1的中心区域111能够覆盖待加工晶圆4以满足晶圆4加工需求。当前常用晶圆4直径大致范围10cm至50cm，相应地，功率电极1的中心区域111的直径大致范围为8cm至65cm，中心区域111可以为8cm至65cm任意数值。

当然，中心区域111的数值不局限于本文上述描述。

上述各实施例中，中心区域111可以为平面，也可以为曲面。外围区域112可以包括平面或者曲面或者斜面等等。图中示出了中心区域111和外围区域112均为平面的具体实施方式。中心区域111与载物台21平行设置以形成等间距的极间距。

在功率电极1和基座2之间还可以设置抽气环，抽气环的周向设置有若干抽气孔，在外部抽气设备的动力作用下，功率电极1和基座2之间的气体可以自抽气环的抽气孔被抽取至外部，有利于调节反应室内部的压力分布，满足工艺需求。

如上文所述，边缘环3与载物台21同心设置并套设于载物台21的外围，边缘环3与载物台21和晶圆4之间均具有间隙a。其中，边缘环3朝向功率电极1的端壁的内缘区设置有凹槽，凹槽的底壁31低于载物台21，凹槽的周向侧壁32能够与被加工的晶圆4周向形成间隙配合，凹槽的底壁为平面，凹槽的周壁为圆柱面或者斜面。

通过设置边缘环3靠近功率电极1的内缘区的形状可以改善反应室内腔等离子体的分布，尤其晶圆4边缘位置的等离子体分布，以提高晶圆4的加工质量。

本发明中的等离子体处理设备具有上述功率电极，故等离子体处理设备也具有功率电极的上述技术效果。

等离子体处理设备的其他结构请参考现有技术，本文不做赘述。

以上对本发明所提供的一种功率电极及等离子体处理设备进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种功率电极，用于等离子体设备，其特征在于，包括安装部和主体部，所述安装部用于与所述等离子体设备的反应室的腔体壁固定；所述主体部位于所述反应室的内腔，所述主体部具有使用时朝向所述等离子设备的接地电极的第一表面，所述第一表面包括中心区域和位于所述中心区域外围的外围区域，所述中心区域突出于所述外围区域。

2.如权利要求1所述的功率电极，其特征在于，所述主体部具有第一凹槽和第二凹槽，所述第一凹槽位于所述第二凹槽的外围，所述第二凹槽的深度大于所述第一凹槽的深度，所述中心区域包括所述第二凹槽的底壁外表面，所述外围区域包括所述第一凹槽的底壁外表面。

3.如权利要求2所述的功率电极，其特征在于，所述第一凹槽的外周壁沿径向具有预定厚度，所述安装部位于所述第一凹槽的外周壁，所述安装部上设置有连接通孔。

4.如权利要求2所述的功率电极，其特征在于，所述第二凹槽的底壁设置有若干通气孔。

5.如权利要求1至4任一项所述的功率电极，其特征在于，所述中心区域的直径为待加工晶圆直径的0.8至1.3倍。

6.如权利要求1至4任一项所述的功率电极，其特征在于，所述中心区域为平面或曲面；

或者/和，所述外围区域为平面或者曲面或者斜面。

7.一种等离子体设备，包括反应室和基座，其特征在于，还包括权利要求1至6任一项所述的功率电极，所述功率电极的中心区域与所述基座的载物台相对，并且所述功率电极的中心区域在所述等离子体设备横截面内的投影覆盖所述载物台的投影。

8.如权利要求7所述的等离子体设备，其特征在于，所述中心区域与所述载物台平行设置以形成等间距的极间距。

9.如权利要求7所述的等离子体设备，其特征在于，还包括边缘环，与所述载物台同心设置并套设于所述载物台的外围，所述边缘环与所述载物台和所述晶圆之间均具有间隙。

10.如权利要求9所述的等离子体设备，其特征在于，所述边缘环朝向功率电极的端壁的内缘区设置有凹槽，所述凹槽的底壁低于所述载物台，所述凹槽的周向侧壁能够与被加工的晶圆周向形成间隙配合，所述凹槽的底壁为平面，所述凹槽的周壁为圆柱面或者斜面。

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