CN114664622B - 一种等离子体处理装置及调节方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种等离子体处理装置，包括移动环以及与移动环固定连接的调节环，调节环可以跟随移动环升降，不会阻挡传片通道，调节环可以改变等离子体的反应速率，改善基片边缘的刻蚀均匀性，防止污染物颗粒回流产生刻蚀不良，还包括与移动环连接的间隔环，可以调整调节环与间隔环的高度比例，来改变基片边缘等离子体的刻蚀方向，对于不同条件的刻蚀有针对性的更换调节环来达到工艺要求，对于调整刻蚀参数提供了方便。
Description
技术领域
本发明涉及等离子体刻蚀技术领域，尤其涉及一种等离子体处理设备中的等离子体调节环及等离子体调节方法。
背景技术
对半导体基片或衬底的微加工是一种众所周知的技术，可以用来制造例如，半导体、平板显示器、发光二极管(LED)、太阳能电池等。微加工制造的一个重要步骤为等离子体处理工艺步骤，该工艺步骤在一反应室内部进行，工艺气体被输入至该反应室内。射频源被电感和/或电容耦合至反应室内部来激励工艺气体，以形成和保持等离子体。基片被放置在基座上，由上方等离子体的鞘层对基片表面进行轰击。
现有技术中，受腔室内部结构设计所限，在基片边缘的刻蚀参数和基片中心区域的刻蚀参数存在差异，如刻蚀速率，刻蚀方向和刻蚀选择比等。根据不同的工艺，除了需要增加基片刻蚀的均匀性以外，还需要对刻蚀速率等参数进行控制。因此，需要提供一种等离子体设备，能在改善基片边缘的刻蚀参数基础上，还可以调控相关参数，满足刻蚀需求。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种等离子体处理装置，包括：
反应腔，其内设置有基座，用于承载待处理基片；
聚焦环，其环绕所述基座设置；
气体喷淋头，位于反应腔内与所述基座相对的上方，所述气体喷淋头与所述基座之间形成一反应空间；
等离子体约束环，围绕所述基座设置，用于将等离子体约束在所述反应空间内，同时保证反应副产物气体排出反应腔；
移动环，其环绕所述反应空间设置，所述移动环至少在高位和低位两个位置间移动；
调节环，其与所述移动环的内侧固定连接，且位于所述聚焦环上方，用于调节等离子体。
可选的，所述调节环材质为导体或半导体。
可选的，所述调节环材质为Si或SiC。
可选的，所述移动环的内侧至少部分位于所述聚焦环上方，所述移动环的外侧位于所述等离子体约束环上方，所述调节环与移动环的内侧固定连接。
可选的，所述移动环移动到所述低位时，所述调节环与所述聚焦环至少部分接触。
可选的，所述调节环上具有通气孔。
可选的，所述调节环和所述移动环形成与所述等离子体约束环相连通的气体扩散腔，所述反应空间中的反应副产物气体可以经所述通气孔进入气体扩散腔。
可选的，所述调节环与所述移动环之间通过间隔环固定连接。
可选的，所述间隔环为介电材料。
可选的，所述间隔环为石英材料。
可选的，所述间隔环和/或所述调节环与所述移动环之间可拆卸。
可选的，所述调节环的高度可以改变。
进一步的，本发明还提供了一种等离子体调节方法，使用上述任意一项的等离子体处理装置，包括如下步骤：
a)在反应前将所述移动环上升到高位；
b)在所述基座上放置基片；
c)将所述移动环下降到低位。
可选的，在步骤a)之前还包括，根据等离子体反应的条件选择对应高度的所述调节环。
本发明的优点在于：本发明提供了一种等离子体处理装置，具有与移动环固定连接的调节环，调节环可以阻挡污染物颗粒回流对基片表面刻蚀产生不良，也可以通过改变调节环的高度，来改变等离子体的反应速率，并且可以改善基片边缘相对于中心的刻蚀均匀性，还可以调整调节环与间隔环的高度比例，来改变基片边缘等离子体的刻蚀方向，对于不同条件的刻蚀有针对性的更换调节环来达到工艺要求，本发明的调节环，能够根据基片的传输进行升降，不影响传片通道，改进了刻蚀效率，对于调整刻蚀
参数提供了方便。
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，下面描述中的附图仅仅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他的附图。
图1示出一种等离子体处理装置的结构示意图；
图2示出一种等离子体处理装置的结构示意图；
图3示出一种等离子体处理装置的结构示意图；
图4示出一种调节环及间隔环示意图；
图5示出一种调节环示意图；
图6A-6B示出对刻蚀方向调整的原理图。
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。
图1示出一种电容耦合等离子体处理装置示意图，包括一由外壁10围成的可抽真空的反应腔100。反应腔100用于对基片进行处理。反应腔内部包括一个气体喷淋头110，用于充当电容耦合等离子体处理装置的上电极，同时导入反应气体，还包括一基座120，用于对基片进行支撑的同时实现对基片温度及电场等影响基片处理因素的控制。基座120包括承载静电夹盘ESC，基座120内设温度控制装置，用于实现对上方基片的温度控制，静电夹盘用于承载基片，静电夹盘内部设置直流电极，通过该直流电极在基片背面和静电夹盘承载面之间产生直流吸附以实现对基片的固定。环绕基座120外围设置聚焦环121，用于对基片边缘区域的温度和电场分布等进行调节。环绕所述聚焦环121设置等离子体约束环130，位于基座120与反应腔的侧壁之间，用于将等离子体限制在反应区域同时允许气体通过；接地环，位于等离子体约束环下方，作用是提供电场屏蔽，避免等离子体泄露。偏置射频电源，通常施加偏置射频信号至基座120，用于控制等离子体的轰击方向。
反应腔100的侧壁为金属材质，通常为铝，虽然侧壁内侧覆盖有抗腐蚀的氧化钇涂层，但是长时间被等离子体轰击还是会被腐蚀，产生污染颗粒，为了保护侧壁，设置有移动环140。气体喷淋头110与基座120相对设置形成一反应空间150，移动环140即环绕该反应空间设置，但是，在基片刻蚀前后需要通过反应腔100的侧壁上的传片口101进行基片的传输，若移动环140在传输路径上则会阻挡传片，所以移动环140被设计成可以在高位和低位两个位置移动，当上升到高位时，可以让出传输通道，供基片传送，当下降到低位时，可以保护反应腔100的侧壁不受等离子体腐蚀。在本发明中，移动环140上设置有调节环141，其为导体材质，可以为覆盖了氧化钇涂层的金属，也可以为半导体，在一些实施例中，选择Si或者SiC材料，SiC材料能有更长久的使用寿命。该调节环141位于聚焦环121上方，根据调节环的位置和长度不同，其可以分别被视作上电极或聚焦环的延伸。根据如下等离子体轰击速率和电极面积的关系公式：
GR＝SA/SC
其中，GR为轰击速率，SA为上电极的有效面积，SC为下电极的有效面积。若调节环141不与聚焦环接触，且距离气体喷淋头110较近或部分接触，则调节环141内侧的面积可以视为SA的一部分，也即增大了上电极的有效面积，由此可以提高了整体的反应速度，并且，根据具体工艺条件的需求，还可以对调节环141的高度进行改变，以增大或减小SA的值，进一步调节整体的反应速率。
如图2所示的本发明的另一实施例，本实施例与上述实施例的区别在于，调节环141距离气体喷淋头110较远，且与聚焦环121至少部分接触，则调节环141可以视为SC的一部分，也即增大了下电极的有效面积，由此可以降低整体的反应速度。除此之外，该实施例还解决了反应均匀性的技术问题。在反应空间150中的反应副产物气体通过反应腔底部的抽气装置经等离子体约束环130排出腔外，但是基片上方不同位置，气体的排出速度是不相同的，靠近基片边缘的气体会更快的排出，导致等离子体在基片边缘的刻蚀还未完全即被排出。在本实施例中，所述移动环140朝向反应时等离子体的一侧为内侧，背向反应时等离子体的一侧为外侧，其内侧至少部分位于聚焦环121上方，外侧位于等离子体约束环上方，调节环141与移动环140位于聚焦环121上方的内侧固定连接，此时，移动环140的内壁与调节环141的外壁形成一气体扩散腔160，调节环141上开设有通气孔1411，气体扩散腔160通过通气孔1411和反应空间150相连。当刻蚀进行时，因移动环140下降到低位使调节环141底端与聚焦环121接触，反应气体会被调节环141阻挡而只能通过通气孔1411排出，与反应气体直接从等离子体约束环130排出相比，可以让反应气体在基片边缘停留足够的反应时间，由此可以让基片边缘的等离子体反应更加充分，使基片不同位置的反应更加均匀。另外，反应气体的副产物经通气孔141排出后进入气体扩散腔160，因通气孔1411相对于等离子体约束环130的排气面积要小得多，所以气体扩散腔160内的压强要小于反应空间150中的压强，这样不容易产生逆流，也即避免了调节环141外部的污染物颗粒进入反应空间150影响基片表面刻蚀进程。在一些实施例中，如图4所示，通气孔1411可以位于调节环141中部，也可以如图5所示，位于调节环141的底部。
如图3所示为本发明的另一个实施例示意图，本实施例与上述实施例的区别在于，调节环141通过间隔环1412与移动环140固定连接，间隔环的材质选择介电材料，在一些实施例中可以选择石英，间隔环1412进一步隔离了调节环141和上电极的距离，使调节环141的内侧面积用于增大SC。通过调节间隔环1412与调节环141的高度比例，可以达到调整反应速度的目的，如在移动环140的一端距离聚焦环121高度一定的情况下，通过减小间隔环1412的高度，而增加调节环141的高度，进而调整SC的有效面积，适用不同的刻蚀进程。在一些实施例中，调整调节环141的一种方法是，调节环141与间隔环1412可以从移动环140上拆卸，根据不同的刻蚀工艺需求，更换不同高度比例的调节环141。
本发明的调节环141还可以调整基片边缘的刻蚀方向。如图6A所示，反应气体受射频电场激发成等离子体，等离子体形状轮廓接近椭球形，等离子体内部带电粒子受电场影响快速移动，在等离子体外侧形成鞘层，鞘层中的带电粒子受偏压射频电场的作用而对位于静电夹盘上的基片进行刻蚀，聚焦环121采用Si或SiC材质，可以作用于等离子体的射频电场分布，将等离子体的形状会聚成椭球形，但是因生产效率要求，单次刻蚀基片尺寸要尽量大些，导致基片靠近聚焦环121的边缘受到等离子体的粒子刻蚀方向会产生偏移，如图6A箭头所示，例如工艺要求刻蚀一竖直孔，则在边缘可能会出现向内侧偏移的斜孔，如果是浅孔影响较小，对于深孔，将产生工艺缺陷，尤其在现在关键尺寸越来越小，半导体器件越来越立体，都导致需要在刻蚀时精度控制更高，即使是深孔也要保证准直度。当采用本发明的技术方案时，调节环141底部与聚焦环121接触，调节环141选择Si或SiC材料制成，可以视为聚焦环121向上的延伸，也即会通过改变等离子体所处的射频电场，对等离子体的形貌产生影响，具体如图6B所示，如图中调节环141的高度，因调节环141和聚焦环121的接触，使二者处于等电位，当聚焦环121施加的低频射频吸引等离子体中的电子附着时，调节环141位于等离子体的一侧也会吸引电子附着在表面，因等离子体的鞘层也带负电，所以调节环141的表面会对等离子体的鞘层产生排斥作用，也即可以使等离子体底部的形貌产生形变，将等离子体边缘带电粒子的轰击方向调整为向外倾斜，进而将等离子体的底部尽量拉平，通过改变调节环141的高度，可以让轰击到基片边缘的带电粒子沿着竖直方向。根据本发明的调节环141，可以先确定具体反应条件，用试验基片刻蚀后调整对应的调节环141高度，建立不同条件与调节环141的对应关系，以在之后的刻蚀进程中，更换对应的调节环141，提高刻蚀均一性。
本发明还提供了一种等离子体的调节方法，在一些实施例中，可以通过试验，在不同反应条件下，应用不同高度的调节环141，选出能达到最好刻蚀效果的调节环141建立对应关系，在反应之前，根据不同反应条件，选择适合的调节环141与移动环140组装在一起，包括步骤：将带有移动环140升高到高位后放入基片在基座120的ESC上，最后将移动环140下降到低位后开始激发等离子体进行刻蚀。根据不同的反应需求，如对刻蚀速率的改善，或者边缘刻蚀形状的改善，选择不同的调节环141可以改善刻蚀效果。
最后，本发明的调节环141与移动环140固定，在反应前后需要传输基片时，调节环141可以跟随移动环140一同升降，不阻挡机械臂对基片的取放。
本发明公开的移动环上的调节环不限于应用于上述实施例的等离子体处理装置，在其他等离子体处理装置中也可以适用，此处不再赘述。
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：
反应腔，其内设置有基座，用于承载待处理基片；
聚焦环，其环绕所述基座设置；
气体喷淋头，位于反应腔内与所述基座相对的上方，所述气体喷淋头与所述基座之间形成一反应空间；
等离子体约束环，围绕所述基座设置，用于将等离子体约束在所述反应空间内，同时保证反应副产物气体排出反应腔；
移动环，其环绕所述反应空间设置，所述移动环至少在高位和低位两个位置间移动；
调节环，其与所述移动环的内侧固定连接，且位于所述聚焦环的上方，所述调节环在竖直方向的投影与所述聚焦环至少部分重叠，用于调节等离子体；以及，
所述移动环的内壁与调节环的外壁围成一气体扩散腔，所述反应空间内的副产物气体经所述气体扩散腔从等离子体约束环排出反应腔。
2.如权利要求1所述的处理装置，其特征在于，所述调节环材质为导体或半导体。
3.如权利要求2所述的处理装置，其特征在于，所述调节环材质为Si或SiC。
4.如权利要求1所述的处理装置，其特征在于，所述移动环的内侧至少部分位于所述聚焦环上方，所述移动环的外侧位于所述等离子体约束环上方，所述调节环与移动环的内侧固定连接。
5.如权利要求4所述的处理装置，其特征在于，所述移动环移动到所述低位时，所述调节环与所述聚焦环至少部分接触。
6.如权利要求5所述的处理装置，其特征在于，所述调节环上具有通气孔。
7.如权利要求6所述的处理装置，其特征在于，所述气体扩散腔与所述等离子体约束环相连通，所述反应空间中的反应副产物气体可以经所述通气孔进入气体扩散腔。
8.如权利要求1所述的处理装置，其特征在于，所述调节环与所述移动环之间通过间隔环固定连接。
9.如权利要求8所述的处理装置，其特征在于，所述间隔环为介电材料。
10.如权利要求9所述的处理装置，其特征在于，所述间隔环为石英材料。
11.如权利要求10所述的处理装置，其特征在于，所述间隔环和/或所述调节环与所述移动环之间可拆卸。
12.如权利要求1所述的处理装置，其特征在于，所述调节环的高度可以改变。
13.一种等离子体调节方法，其特征在于，使用权利要求1-12任意一项的等离子体处理装置，包括如下步骤：
a)在反应前将所述移动环上升到高位；
b)在所述基座上放置基片；
c)将所述移动环下降到低位。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，在步骤a)之前还包括，根据等离子体反应的条件选择对应高度的所述调节环。
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