CN114664620A - 等离子体处理装置及其处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种等离子体处理装置，包括：反应腔；基台，其设置在所述反应腔中，所述基台中具有第一气体通道；多个第一气体供应源，所述多个第一气体供应源与第一气体通道连接，多个第一气体供应源中的任一个第一气体供应源与所述第一气体通道之间具有阀门；第二气体供应装置，其设置在所述反应腔中且与所述基台相对设置。本发明还公开了一种无晶圆清洗方法。
Description
技术领域
本发明涉及等离子体处理装置及其处理方法，特别地涉及等离子处理装置中的下电极组件和无晶圆清洗方法。
背景技术
等离子体处理装置通常在真空反应腔中进行半导体基片的处理，例如刻蚀、沉积、离子注入等。在真空反应腔中通入含有适当刻蚀剂源气体的反应气体，然后再对该真空反应腔进行射频能量输入，以激活反应气体，来激发和维持等离子体，以便分别刻蚀基片表面上的材料层或在基片表面上沉积材料层，进而对半导体基片进行处理。等离子体处理装置的反应腔在基片处理过程中往往产生很多污染，例如金属污染或者聚合物沉积等。为了去除这些污染物，往往需要在执行一定数量的基片处理以后进行等离子体清洁处理。然而，在对等离子体处理装置的反应腔执行清洁的过程中也会在腔室内部的局部区域产生意想不到的二次污染，从而对后续的基片制程产生影响。
发明内容
一方面，本发明提供了一种等离子体处理装置，包括：反应腔；基台，其设置在所述反应腔中，所述基台中具有第一气体通道；多个第一气体供应源，所述多个第一气体供应源与第一气体通道连接，多个第一气体供应源中的任一个第一气体供应源与所述第一气体通道之间具有阀门；第二气体供应装置，其设置在所述反应腔中且与所述基台相对设置。
可选的，所述第一气体通道是冷却气体通道和/或升降销通道。
可选的，所述第一气体供应源包括氦气供应源和非氦气气体供应源，当处理基片时，所述第一气体供应源是氦气供应源，当清洁反应腔时，所述第一气体供应源是非氦气气体供应源。
可选的，所述非氦气气体包括下列气体中的一种或多种：氧气、氮气、氩气。
可选的，所述等离子体处理装置还包括控制器，用于控制多个所述阀门的开闭状态。
可选的，所述基台包括基座和静电吸盘，所述第一气体通道贯穿所述基座和所述静电吸盘。
可选的，所述第二气体供应装置是设置在所述反应腔内上部的气体喷淋头。
可选的，所述第二气体供应装置提供以下一种或多种气体：氟化物气体、氧气、氯气。
另一方面，本发明还提供了一种用于等离子体处理装置的处理方法，所述等离子体处理装置包括：反应腔；基台，其设置在所述反应腔中，所述基台中具有第一气体通道；多个第一气体供应源，所述多个第一气体供应源与第一气体通道连接，多个第一气体供应源中的任一个第一气体供应源与所述第一气体通道之间具有阀门，所述第一气体供应源包括以下的一种或多种：氦气供应源、氧气供应源、氮气供应源、氩气供应源；第二气体供应装置，其设置在所述反应腔中且与所述基台相对设置；
所述方法包括：通过所述第二气体供应装置向反应腔内通入清洁气体；施加射频能量将清洁气体激发成等离子体对反应腔腔室内部进行清洁；在等离子体对反应腔腔室内部进行清洁时，第一气体通道持续提供非氦气的供应气体。
可选的，所述方法包括关闭连接氦气供应源与第一气体通道之间的阀门，打开连接非氦气供应源与第一气体通道之间的阀门。
可选的，所述第一气体通道中提供的气体压强大于清洁等离子体处理装置时的反应腔腔室内部压强。
可选的，所述第一气体通道中提供的气体压强为10mT-10T。
可选的，在完成等离子体处理装置的清洁之后，通过所述第二气体供应装置向反应腔内通入反应气体；施加射频能量将反应气体激发成等离子体对基台上的基片进行刻蚀；在等离子体刻蚀期间，第一气体通道持续提供氦气。
本发明增加了与半导体处理装置的基台中的气体通道连接的多个气体供应源，通过阀门的开闭可以控制供应至该气体通道的气体的种类和流量，从而在基片处理和腔室清洗过程中根据需求灵活切换供应气体。
附图说明
图1示出了根据本发明的一个实施例的处理基片时的等离子体处理装置的结构示意图。
图2示出了根据本发明的一个实施例的清洗装置时的等离子体处理装置的结构示意图。
图3示出了根据本发明的另一个实施例的清洗装置时的等离子体处理装置的结构示意图。
图4示出了根据本发明的一个实施例的等离子体处理装置的处理方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
通常，在半导体处理装置中进行无晶圆清洗处理时，会使氦气流过静电吸盘的冷却气体孔，以确保在清洗过程中没有聚合物颗粒掉入这些孔中。但是，氦气放电会导致腔室套件零件的表面退化。注入的氦原子会产生空隙，并在部件表面生成泡沫状的多孔层。氦气溶胀(swelling)/起泡(blistering)可发生在陶瓷、硅、碳化硅、钨钼和许多其他材料的表面上。改变表面性能将影响腔室内部件表面的导电性、耐蚀性、形态和其他表面性能。这种现象会导致腔室产生两个不希望的后果：
·由于表面退化而使得腔室部件的使用寿命变短
·由于起泡产生颗粒
通常，在抛光的镜面表面上会观察到溶胀/起泡，而不是在粗糙的加工表面上。因此，如果使用氦气进行无晶圆清洗，则镜面抛光的腔室部件(例如，静电吸盘、气体喷淋头等)面临缩短寿命的较大风险。
下文以电容耦合型等离子体刻蚀装置为例进行说明，本领域技术人员应该理解，本发明不限于此，还适用于各种等离子体处理装置，例如电感耦合型等离子刻蚀装置、电子回旋共振型等离子刻蚀装置、化学气相沉积装置等。
图1示出了处理基片时的等离子体处理装置的结构示意图，特别地，该等离子体处理装置为等离子体刻蚀装置100。等离子体刻蚀装置100具有一个处理腔体，处理腔体基本上为圆柱形，且处理腔体侧壁101基本上垂直，处理腔体内具有相互平行设置的基台102和气体供应装置。在该实施例中，该气体供应装置为气体喷淋头103。通常，在基台102与气体喷淋头103之间的区域为等离子体处理区域P，基台102和气体喷淋头103作为上下电极被馈入高频能量以点燃和维持等离子体。在基台102上方放置待要加工的基片W，该基片W可以是待要刻蚀或加工的半导体基片或者待要加工成平板显示器的玻璃平板。其中，所述基台102用于夹持基片W。反应气体从气体源105中被输入至处理腔体内的气体喷淋头103。在一个实施例中，该反应气体可以是氟化物气体、氧气和氯气中的一种或多种气体。一个或多个射频电源104可以被单独地施加在基台102上或同时被分别地施加在基台102与气体喷淋头103上，用以将射频功率输送到这些部件上，从而在处理腔体内部产生大的电场。大多数电场线被包含在基台102与气体喷淋头103之间的处理区域P内，此电场对少量存在于处理腔体内部的电子进行加速，使之与输入的反应气体的气体分子碰撞。这些碰撞导致反应气体的离子化和等离子体的激发，从而在处理腔体内产生等离子体。反应气体的中性气体分子在经受这些强电场时失去了电子，留下带正电的离子。带正电的离子向着下电极方向加速，与被处理的基片中的中性物质结合，进行基片加工，如刻蚀、沉积等。在等离子体刻蚀腔室的合适的某个位置处设置有排气区域，排气区域与外置的排气装置(例如真空泵106)相连接，用以在处理过程中将用过的反应气体及副产品气体抽出腔室。其中，等离子体约束环108用于将等离子体约束于处理区域P内。腔室侧壁101连接接地端。
如图1所示，在该实施例中，等离子体刻蚀装置100还包括气体通道107，所述气体通道107设置于基台102之中。其中，所述气体通道107的长度足够贯通整个基台102，并且气体通道107在靠近基片W的一端具有一喷气口，该喷气口能够对着其上放置的基片W背面吹气。在该实施例中，气体通道107是基台中的冷却气体通道。在其他实施例中，气体通道107是基台中的升降销孔通道。在该实施例中，基台102包括由金属制成的基座、介质材料制成的静电吸盘以及粘合两者的结合层。气体通道107贯穿所述基座、静电吸盘和结合层。在其他实施例中，基台102具有其他结构，例如仅具有金属制成的基座和静电吸盘，该静电吸盘通过喷涂技术粘合在基座上表面上。或者，基台102仅具有支持基片W的金属基座。所述气体通道107连接有多个气体供应源，用于向气体通道107提供冷却气体或者常温气体。气体供应源还连接到一控制装置，用于控制多个气体供应源向气体通道107供应气体。在该实施例中，多个气体供应源是氦气供应源201和氧气供应源202；控制装置是气体阀门211、212。具体地，阀门211设置在气体通道107与氦气供应源201之间，用于控制氦气的流量。阀门212设置在气体通道107与氧气供应源202之间，用于控制氧气的流量。在基片处理(刻蚀或沉积等)时，打开阀门211，关闭阀门212，使得冷却的氦气经气体通道107吹向基片W背面，持续地冷却处理中的基片W。
图2示出了清洗装置时的等离子体处理装置的结构示意图。在清洗装置时，移除基片进行无晶圆清洗操作。此时，打开阀门212，关闭阀门211使得氧气流入气体通道107中。在一个实施例中，可以执行如下的清洗处理。
气体源105将SF6、Cl2和O2通过气体喷淋头103供应至反应腔腔体内。SF6、Cl2和O2三种气体的流速分别是100-180s.c.c.m、15-40s.c.c.m、15-60s.c.c.m。然后，对基台102施加800W的射频功率，使得上述气体激发为等离子体并且维持反应腔腔体压强约为10-15mTorr，持续时间约70秒。
氧气供应源202经阀门212供应氧气至气体通道107且该氧气压强略大于腔室的压强，例如为20mT。这能防止等离子体进入或清洗腔体时产生的颗粒物落入基台102中的气体通道107。
图3示出了根据另一个实施例中的在清洗装置时的等离子体处理装置的结构示意图。此实施例中的等离子体处理装置与图2中的区别在于其具有四个气体供应源，分别是氦气供应源201、氧气供应源201、氮气供应源203和氩气供应源。它们各自通过一阀门211、212、213、214与气体通道107连接。在一个实施例中，当处理基片时，打开阀门211、关闭阀门212-214，使得氦气通过气体通道107进入基片背面；当清洗装置时，打开阀门203，关闭阀门211、212和214，使得氮气通过气体通道107进入反应腔腔体内。氮气所起的作用与氧气类似，其能防止在陶瓷、硅、碳化硅、和其他材料的表面上发生溶胀或起泡，并且气体通道107中的略大于反应腔腔室压强的氦气压强能防止清洗时脱落的颗粒物进入气体通道107中。在另一个实施例中，还能在气体通道107中通入氩气(打开阀门214，关闭阀门211-213)。在又一个实施例中，可以在气体通道107中通入两种气体的混合气体。例如，打开阀门212、213，关闭阀门211、214，能够通入氧气和氮气的混合气体。
本发明还提供了一种等离子体处理装置的处理方法。如图4所示，在步骤S101中，通过气体供应源105向反应腔内通入清洁气体，该清洁气体包括氟化物气体、氧气、氯气中的一种或多种。在步骤S102中，施加射频能量将清洁气体激发成等离子体，从而对反应腔腔室内部进行清洁。在S103中，在等离子体对反应腔腔室内部进行清洁时，基台102中的气体通道107持续提供非氦气的供应气体。例如，该供应气体是氧气、氮气或氩气中的一种或多种。该供应气体的压强大于反应腔腔室内部进行清洁时的腔室压强。可选地，在清洁完成后，进行基片刻蚀操作。此时，气体供应源105向反应腔内通入反应气体，施加射频能量将该反应气体激发成等离子体，在刻蚀期间，气体通道107持续提供氦气。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述诸多实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的改动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。
Claims (13)
1.一种等离子体处理装置，包括：
反应腔；
基台，其设置在所述反应腔中，所述基台中具有第一气体通道；
多个第一气体供应源，所述多个第一气体供应源与第一气体通道连接，多个第一气体供应源中的任一个第一气体供应源与所述第一气体通道之间具有阀门；
第二气体供应装置，其设置在所述反应腔中且与所述基台相对设置。
2.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述第一气体通道是冷却气体通道和/或升降销通道。
3.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述第一气体供应源包括氦气供应源和非氦气气体供应源，当处理基片时，所述第一气体供应源是氦气供应源，当清洁反应腔时，所述第一气体供应源是非氦气气体供应源。
4.根据权利要求3所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述非氦气气体包括下列气体中的一种或多种：氧气、氮气、氩气。
5.根据权利要求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还包括控制器，用于控制多个所述阀门的开闭状态。
6.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述基台包括基座和静电吸盘，所述第一气体通道贯穿所述基座和所述静电吸盘。
7.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述第二气体供应装置是设置在所述反应腔内上部的气体喷淋头。
8.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述第二气体供应装置提供以下一种或多种气体：氟化物气体、氧气、氯气。
9.一种用于等离子体处理装置的处理方法，所述等离子体处理装置包括：
反应腔；
基台，其设置在所述反应腔中，所述基台中具有第一气体通道；
多个第一气体供应源，所述多个第一气体供应源与第一气体通道连接，多个第一气体供应源中的任一个第一气体供应源与所述第一气体通道之间具有阀门，所述第一气体供应源包括以下的一种或多种：氦气供应源、氧气供应源、氮气供应源、氩气供应源；
第二气体供应装置，其设置在所述反应腔中且与所述基台相对设置；
所述方法包括：通过所述第二气体供应装置向反应腔内通入清洁气体；施加射频能量将清洁气体激发成等离子体对反应腔腔室内部进行清洁；在等离子体对反应腔腔室内部进行清洁时，第一气体通道持续提供非氦气的供应气体。
10.根据权利要求9所述的处理方法，其特征在于，所述方法包括关闭连接氦气供应源与第一气体通道之间的阀门，打开连接非氦气供应源与第一气体通道之间的阀门。
11.根据权利要求10所述的处理方法，其特征在于，所述第一气体通道中提供的气体压强大于清洁等离子体处理装置时的反应腔腔室内部压强。
12.根据权利要求10所述的处理方法，其特征在于，所述第一气体通道中提供的气体压强为10mT-10T。
13.根据权利要求9所述的处理方法，其特征在于，在完成等离子体处理装置的清洁之后，通过所述第二气体供应装置向反应腔内通入反应气体；施加射频能量将反应气体激发成等离子体对基台上的基片进行刻蚀；在等离子体刻蚀期间，第一气体通道持续提供氦气。
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