CN114678246A - 用于电容耦合等离子处理器阻抗特性测量的测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于电容耦合等离子体处理器的阻抗特性测量装置，其特征在于，所述阻抗特性测量装置包括：上接触板和下接触板，其中上接触板用于与电容耦合等离子处理器的气体喷淋头下表面接触，下接触板用于与所述电容耦合等离子处理器中的静电夹盘上表面接触；至少一个弹性导电部位于所述上接触板和下接触板之间，所述弹性导电部提供弹力，使得阻抗特性测量装置在进行电容耦合等离子处理器阻抗特性曲线测量时，上、下接触板的间距被压缩后分别与气体喷淋头和静电夹盘紧密接触。实现不点等离子精确测量等离子处理器阻抗特性曲线。

Description

用于电容耦合等离子处理器阻抗特性测量的测量装置和方法

技术领域

本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种应用于电容耦合等离子处理器阻抗特性测量的的测量装置和测量方法。

背景技术

等离子体处理器广泛应用于集成电路的制造工艺中，如沉积、刻蚀等。其中，电容耦合型等离子体(Capacitive Coupled Plasma，CCP)装置是等离子体处理器中的主流技术之一。

电容耦合等离子体处理器在设计制造和调试过程中需要掌握处理器的频率特性，比如对不同频率的阻抗特性，不同频率下的射频功率流动路径，即射频功率在反应腔内部的分配情况。但是获取上述频率特性成为难题，在等离子处理过程中，上下电极之间的等离子体是导电的，而且其阻抗特性受等离子体中气体浓度，气压、输入的射频功率大小等影响，需要进行大量测试才能获得足够数据构建等离子处理器的射频阻抗模型。而且每次等离子处理器内部硬件变动都会对阻抗产生影响，也就需要再次进行大量测试，所以这种大量测试来保证精度的方法不适合用于需要频繁改进的等离子处理器开发过程。而且进行这些测试需要反应腔完成组装才可以，在设计开发过程中无法预期测试结果，组装完成才发现相关参数需要调整会导致开发周期延长，成本大幅增加。另一种方法是不点燃等离子体，直接输入射频功率到反应腔中，扫描各个频率下的反应腔阻抗特性。但是不点燃等离子情况下，反应腔的阻抗和实际进行等离子处理时反应腔的阻抗差别很大。

所以业内需要开发一种新的方法或装置，实现不需要大量实验测试就能实现对等离子处理器全频段阻抗的精确测量。

发明内容

本发明提出了一种用于电容耦合等离子体处理器的阻抗特性测量装置，其特征在于，所述阻抗特性测量装置包括：接触板和下接触板，其中上接触板用于与电容耦合等离子处理器的气体喷淋头下表面接触，下接触板用于与所述电容耦合等离子处理器中的静电夹盘上表面接触；至少一个弹性导电部位于所述上接触板和下接触板之间，所述弹性导电部提供弹力和低阻抗导电路径，使得阻抗特性测量装置在进行电容耦合等离子处理器阻抗特性曲线测量时，上、下接触板的间距被压缩后分别与气体喷淋头和静电夹盘紧密接触。

其中所述上、下接触板由绝缘材料制成，且厚度为0.1-1mm，或者由半导体材料制成，且厚度为0.6-3mm，通过这样的材料和厚度选择可以模拟等离子体处理过程中出现的鞘层的阻抗，使得不点等离子状态下检测到的处理器的阻抗特性曲线的精度更高。

其中所述弹性导电部包括提供弹力的弹性支撑件和提供导电通路的导电接触装置。两者共同组合实现提供竖直方向弹力和导电通路的设计目标，而且电感较小，不影响对高频信号的阻抗测量。

进一步的，所述导电接触装置包括安装在上或下接触板的接触头和位于相对位置接触板的导电夹头，在所述上、下接触板被压缩时，所述接触头被插入所述导电夹头中形成稳定的电连接。

其中所述上、下接触板为圆盘形，包括多个弹性导电部，所述多个弹性导电部在所述上接触板和下接触板不同方位角上间隔设置，使得射频电流在多个弹性导电部之间均匀分布。进一步的，可以在多个弹性导电部上设置有电流检测装置，分别测量不同方位角上的阻抗分布，并根据阻抗分布数据对反应腔体结构或者等离子处理工艺参数进行优化。

其中下接触板覆盖静电夹盘上表面超过1/2区域，更大的覆盖面积可以更接近实际等离子体的阻抗空间分布。

其中所述阻抗特性测量装置还包括一个接触环围绕在所述下接触板外围，所述接触环与电容耦合等离子处理器中的聚焦环位置对应，且所述接触环通过弹性导电部与所述上接触板连接。

本发明还提出了一种电容耦合等离子处理器，处理器中其中包括至少两个零部件暴露于所述等离子体，一个阻抗特性测量装置设置于所述两个零部件之间的间隙中，所述阻抗特性测量装置包括第一和第二接触板，所述第一和第二接触板之间包括至少一个弹性导电部，使得两个接触板分别贴合到所述两个零部件的表面，并提供导电路径。

进一步地，本发明还提供了一种电容耦合等离子处理器阻抗特性检测方法，其特征在于，包括检测步骤：打开电容耦合等离子处理器顶盖；放入权利要求1所描述的阻抗特性测量装置；关闭所述等离子处理器的顶盖，使得所述阻抗特性测量装置中的上接触板与气体喷淋头紧贴，下接触板与静电夹盘上表面紧贴；抽出所述等离子处理器中的空气；输入多个具有不同频率的射频信号到所述等离子处理器内的基座或者气体喷淋头，在等离子处理器的检测端检测反馈的射频信号，根据所述反馈的射频信号获取等离子处理器在所述多个频率下的阻抗特性。

附图说明

图1是一种等离子体处理器的结构示意图；

图2是不点燃等离子体检测到的频率特性曲线与精确测量后的特性曲线示意图；

图3a、图3b是本发明阻抗特性测量装置的初始形状和测试过程中压缩后的形状结构；

图4是本发明等离子处理器中包括阻抗特性测量装置后的结构示意图；

图5是本发明另一改进实施例的阻抗特性测量装置的结构示意图。

具体实施方式

图1示出一种电容耦合等离子体(CCP)处理器结构示意图，电容耦合等离子体刻蚀设备是一种由施加在极板上的射频电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的设备。其包括真空反应腔100，真空反应腔包括由金属材料制成的大致为圆柱形的反应腔侧壁101，反应腔侧壁上设置一开口102用于容纳基片进出。反应腔顶部包括顶盖124，顶盖124下方设置有一气体喷淋头120和一与所述气体喷淋头相对设置的基座110，所述气体喷淋头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，同时作为真空反应腔的上电极。所述基座同时作为下电极，其上方设置一静电吸盘112，所述上电极和所述下电极之间形成一反应区域。至少一射频电源150通过匹配网络152施加到所述上电极或下电极之一，在所述上电极和所述下电极之间产生射频电场，用以将反应气体解离为等离子体10，等离子体10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。真空反应腔100的下方还设置一排气泵140，用于将反应副产物排出反应腔，维持反应腔的真空环境。

静电吸盘112内部设置一静电电极113，用于产生静电吸力，以实现在工艺过程中对待处理基片W的支撑固定。静电吸盘下方设置加热装置114，用于对工艺过程中的基片温度进行控制。环绕所述基座设置聚焦环132及边缘环134，所述聚焦环和边缘环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。环绕所述边缘环设置等离子体约束环135，等离子体约束环上设有排气通道，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，将等离子体约束在上下电极之间的反应区域，避免等离子体泄露到非反应区域，造成非反应区域的部件损伤。等离子体约束环135下方设置一中接地环136，中接地环用于为等离子体约束环提供电场屏蔽；中间接地环下方设置一下接地环137，中接地环136和下接地环137保持电连接，以在反应腔内形成一射频接地回路。下接地环与基座之间设置一屏蔽环138，用于将施加到基座上的射频信号屏蔽在基座内，实现基座与下接地环的电隔离。

上述电容耦合等离子体处理器在设计制造和调试过程中需要掌握处理器的频率特性，比如对不同频率的阻抗特性，不同频率下的射频功率流动路径，即射频功率在反应腔内部的分配情况。但是获取上述频率特性成为难题，在等离子处理过程中，上下电极之间的等离子体是导电的，而且其阻抗特性受等离子体中气体浓度，气压、输入的射频功率大小等影响，需要进行大量测试才能获得足够数据构建等离子处理器的射频阻抗模型。而且每次等离子处理器内部硬件变动都会对阻抗产生影响，也就需要再次进行大量测试，所以这种大量测试来保证精度的方法不适合用于需要频繁改进的等离子处理器开发过程。而且进行这些测试需要反应腔完成组装才可以，在设计开发过程中无法预期测试结果，组装完成才发现相关参数需要调整会会导致开发周期延长，成本大幅增加。另一种方法是不点燃等离子体，直接输入射频功率到反应腔中，扫描各个频率下的反应腔阻抗特性。但是不点燃等离子情况下，反应腔的阻抗和实际进行等离子处理时反应腔的阻抗差别很大。如图2所示，其中图形20为不点等离子情况下直接获得的等离子处理器的阻抗特性曲线，图形21是经过大量测试后获得的较精确的等离子处理器的阻抗特性曲线。从两张图中可以明显看出两者波形虽然类似，但是直接检测的阻抗峰值与精确的阻抗峰值相差了约2MHz。除此之外，直接检测的方法还无法检测到低频和直流的信号，因为上下电极之间存在厘米级的间隙，低频的耦合能力弱，无法跨越这个距离耦合到对面电极。所以这种直接检测方法不仅测量精度很差，而且低频信号完全无法获取。

发明人研究发现，目前测量等离子体反应腔内阻抗特性的方法包括在点燃等离子体的条件下多次测量和不点燃等离子体，直接输入射频功率到反应腔中，扫描各个频率下的反应腔阻抗特性。如图2所示，其中图形20为不点等离子情况下直接获得的等离子处理器的阻抗特性曲线，图形21是经过大量测试后获得的较精确的等离子处理器的阻抗特性曲线。从两张图中可以明显看出两者波形虽然类似，但是直接检测的阻抗峰值与精确的阻抗峰值相差了约2MHz。除此之外，直接检测的方法还无法检测到低频和直流的信号，因为上下电极之间存在厘米级的间隙，低频的耦合能力弱，无法跨越这个距离耦合到对面电极。所以这种直接检测方法不仅测量精度很差，而且低频信号完全无法获取。

根据现有技术检测方法出现的问题，发明人提出了一种新的阻抗特性测量装置，放置于电容耦合等离子处理腔中的静电夹盘上，实现上电极与下电极之间的射频连接，同时能够模拟不同频率下等离子体的阻抗，实现不点等离子情况下的频率特性曲线精确测量。本发明提出的阻抗特性测量装置200的具体结构如图3a和3b所示，包括一下接触板202和一上接触板201，两个接触板之间包括弹性支撑件213，弹性支撑件典型的可以是弹簧或者其它金属弹性片提供上下方向的弹力。其中弹性支撑件213最佳的是由导体制造，实现两个支撑板之间的导电连接。由于在点燃等离子体进行工艺处理过程中，等离子体10与基片W之间和气体喷淋头120之间均包括一层鞘层，在鞘层内电子被排斥，所以实际反应腔内的等离子体是由上下两层的绝缘鞘层和两个鞘层之间的等离子体导体组成。为了模拟这样的阻抗结构，接触板201、202可以选择绝缘材料如特氟龙等，但是厚度最佳需要较小，典型的需要小于0.1mm～1mm，这样才能保证来自基座110或者静电电极113的低频或者直流信号能够耦合到气体喷淋头120。或者接触板201、202也可以是硅或者碳化硅等半导体材料制成，但是由半导体材料制成的接触板厚度需要达到1-3mm才能模拟鞘层的阻抗。

由于等离子体中还包括电感值，所以本发明中阻抗特性测量装置200需要一定数量的电感值。但是如前述实施例描述的，利用多个弹簧同时实现导电和弹性支撑的功能需要弹簧具有较大截面积才能实现高导电性，但是弹簧截面积越大则电感就会越大，过大的电感会影响高频段的阻抗特性曲线检测精度。无法通过一个导电的弹簧同时满足导电特性、电感特性和弹性支撑三个设计要求。所以发明人提出了另一种变形实施例，弹性支撑件213的尺寸和材料只被设计用于提供弹力和电感值，导电能力由导电接触装置提供，其中导电接触装置包括接触头211，接触头211包括向外鼓出的侧壁。与导电接触头211相对的为导电夹头212，导电夹头212包括至少两片夹片，使得接触头211被压入两个夹片时能实现良好导电性能。其中导电夹头212和接触头可以选择铜或银等高导电材料制成，以保证足够的导电性能。

如图3a和3b所示分别为本发明导电接触装置210在未放入等离子处理腔前的状态和放入等离子处理腔，弹性支撑件被压缩后的状态。其中在对等离子处理器进行测量过程中，首先打开反应腔顶盖124，放入本发明的阻抗特性测量装置200，然后将反应腔顶盖盖住反应腔顶部实现反应腔内气密，然后将反应腔内空气抽走形成与反应过程中类似的低压环境。由于本发明提供了良好的垂直方向推力，可以使得上下接触板201、202能够很好的贴合上方的气体喷淋头120下表面和下方的静电夹盘112上表面，即使气体喷淋头和静电夹盘出现少量的倾斜或者间隙调整也能实现紧密接触，保证气体喷淋头120和静电夹盘112之间稳定的电连接。在完成阻抗特性测量装置的安装后，就可以将射频功率输入反应腔中，如基座110。为了测试等离子处理器的阻抗，输入的射频功率需要进行频率扫描，在很大频率范围内持续变化，可以采用网络分析仪等测量仪器来进行数据扫描。同时在流过等离子处理器后在接地端或者其它合适的位置检测流过的电流和幅值信号，最后通过输入信号和检测到的信号进行比较计算获得等离子处理腔在不同频率下的阻抗特性曲线。如图4为等离子处理器中安装有阻抗特性测量装置200后的结构示意图，其中至少一个弹性支撑件213和导电接触装置210共同构成一个弹性导电部，上下接触板201、202之间沿接触板的圆周间隔设置多个弹性导电部，使得流过的电流在多个弹性导电部之间均匀分布。其中接触板201、202的尺寸需要足够大，需要覆盖静电夹盘大部分面积(>1/2)，以模拟等离子体的阻抗，较佳的需要覆盖整个静电夹盘112的上表面或者向外延伸到靠近聚焦环132。由于实际等离子处理过程中聚焦环132上方也存在等离子体，所以最佳的需要接触板202能够延伸到覆盖聚焦环上表面。由于聚焦环132与静电夹盘上表面高度不同，所以需要使用独立高度的接触环202R，如图5所示为适用于同时覆盖静电夹盘和聚焦环的下接触板202和接触环202R，更大的覆盖面积可以获得更精确的等离子处理器阻抗分布曲线。其中多个弹性导电部中可以设置独立的电流检测装置，用于分别检测等离子处理器在不同方位角上的电流大小分布，也就检测到了不同方位角上不同的阻抗分布。上下电极的表面由于安装精度问题会出现平行度不够，或者反应腔体侧壁开设的用于传片的开口102均会导致射频电流在整个腔体上电流分布不均。通过本发明设置在各个弹性导电部中的电流检测装置，就可以根据检测到的电流数据量化这种射频电流不均匀情况，相应的采取各种手段精确抵消由于射频阻抗圆周方向上分布不均导致的等离子处理效果不均匀。

在进行阻抗特性曲线检测过程中也可以在静电夹盘112上设置一个实验晶圆(dummy wafer)，其材料组成与待处理晶圆相同，只是实验晶圆上没有加工形成的半导体器件。然后再将本发明提出的阻抗特性测量装置放置在实验晶圆上，后续进行不点燃等离子体的阻抗检测过程时，检测到的数据与等离子处理器在等离子工艺执行过程中的实际阻抗更接近，也就是数据更精确。由于实验晶圆的添加，本发明中的下接触板202厚度可以进一步减少，比如采用半导体材料的制成的下接触板202厚度可以降低到0.6-2mm，这样实验晶圆和下接触板的组合形成的阻抗仍然与实际进行工艺处理时的阻抗接近。

本发明中的弹性导电部除了可以是多个沿圆周方向均匀排布的实施例，也可以是一个圆环形的结构覆盖整个上/下接触板上靠边缘的环形区域，圆环形的接触头211与位于下接触板202上的圆环形的导电夹头212相匹配。在进行阻抗特性检测过程中，接触头与导电夹头212构成在圆周上均匀分布的导电通路，使得射频电流能够在整个圆周上均匀分布。

本发明等离子模拟装置200除了可以应用于基座和气体喷淋头之间，也可以应用于其它存在等离子体的狭缝中，比如静电夹盘与聚焦环之间的狭缝或者约束环135上的狭缝等，只是为了适应各种形状的狭缝，本发明等离子模拟装置的尺寸和形状需要相应修改，但是其工作原理和结构与本发明揭露的实施例相同，也属于本发明保护范围。

本发明中的弹性导电部可以是如本发明一个实施例所述，由高导电的弹性金属直接构成，或者是本发明另一实施例的弹簧和导电接触装置组合而成，只要能够实现同时提高弹性压力和低导电阻抗的装置均能实现本发明目的。较低的阻抗可以模拟实际等离子体中鞘层和等离子体的综合阻抗。考虑到电感参数的准确性，弹性支撑件除了可以是弹簧也可以由电感值较低的其它材料构成，如有机材料如橡胶等组成，电感和导电特性由导电接触装置提供。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (11)

1.一种用于电容耦合等离子体处理器的阻抗特性测量装置，其特征在于，所述阻抗特性测量装置包括：

上接触板和下接触板，其中上接触板用于与电容耦合等离子处理器的气体喷淋头下表面接触，下接触板用于与所述电容耦合等离子处理器中的静电夹盘上表面接触；

至少一个弹性导电部位于所述上接触板和下接触板之间，所述弹性导电部提供弹力和低阻抗导电路径，使得阻抗特性测量装置在进行电容耦合等离子处理器阻抗特性曲线测量时，上、下接触板的间距被压缩后分别与气体喷淋头和静电夹盘紧密接触。

2.如权利要求1所述的阻抗特性测量装置，其特征在于，所述上、下接触板由绝缘材料制成，且厚度为0.1-1mm，或者由半导体材料制成，且厚度为0.6-3mm。

3.如权利要求1所述的阻抗特性测量装置，其特征在于，所述弹性导电部包括提供弹力的弹性支撑件和提供导电通路的导电接触装置。

4.如权利要求3所述的阻抗特性测量装置，其特征在于，所述导电接触装置包括安装在上或下接触板的接触头和位于相对位置接触板的导电夹头，在所述上、下接触板被压缩时，所述接触头被插入所述导电夹头中形成稳定的电连接。

5.如权利要求3所述的阻抗特性测量装置，其特征在于，所述上、下接触板为圆盘形，包括多个弹性导电部，所述多个弹性导电部在所述上接触板和下接触板不同方位角上间隔设置。

6.如权利要求5所述的阻抗特性测量装置，其特征在于，所述多个弹性导电部上设置有电流检测装置。

7.如权利要求1所述的阻抗特性测量装置，其特征在于，所述下接触板覆盖静电夹盘上表面超过1/2区域。

8.如权利要求1所述的阻抗特性测量装置，其特征在于，所述阻抗特性测量装置还包括一个接触环围绕在所述下接触板外围，所述接触环与电容耦合等离子处理器中的聚焦环位置对应，且所述接触环通过弹性导电部与所述上接触板连接。

9.一种电容耦合等离子处理器，所述电容耦合等离子处理器包括：

腔体，腔体内包括一基座，基座上设置有静电夹盘用于固定待处理基片；顶盖，顶盖下方设置有气体喷淋头；至少一射频电源连接到所述基座或者气体喷淋头，在气体喷淋头下方和基座上方形成等离子体用于对基片进行处理；其中包括至少两个零部件暴露于所述等离子体，一个阻抗特性测量装置设置于所述两个零部件之间的间隙中，所述阻抗特性测量装置包括第一和第二接触板，所述第一和第二接触板之间包括至少一个弹性导电部，使得两个接触板分别贴合到所述两个零部件的表面，并提供导电路径。

10.一种电容耦合等离子处理器阻抗特性检测方法，其特征在于，包括检测步骤：

打开电容耦合等离子处理器顶盖；

放入权利要求1所描述的阻抗特性测量装置；

关闭所述等离子处理器的顶盖，使得所述阻抗特性测量装置中的上接触板与气体喷淋头紧贴，下接触板与静电夹盘上表面紧贴；

抽出所述等离子处理器中的空气；

输入多个具有不同频率的射频信号到所述等离子处理器内的基座或者气体喷淋头，在等离子处理器的检测端检测反馈的射频信号，根据所述反馈的射频信号获取等离子处理器在所述多个频率下的阻抗特性。

11.一种电容耦合等离子处理器阻抗特性检测方法，其特征在于，所述方法还包括在放入阻抗特性测量装置前放置实验晶圆到静电夹盘上表面，再将所述阻抗特性测量装置放置在实验晶圆上。

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