CN117153653A - 一种等离子体处理设备及其升降环结构 - Google Patents

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Abstract

一种等离子体处理设备及其升降环结构，升降环结构设置在等离子体处理设备的反应腔中，通过将升降环结构射频接地，使射频场能够到达升降环结构表面，有效提高了等离子体对升降环结构表面的轰击频次，降低了聚合物在升降环结构表面沉积的概率，同时提高了干法清腔过程的清腔效率，减少了聚合物沉积。升降环结构射频接地还提高了射频接地组件和下电极的面积比，大大增加了同等功率条件下晶圆表面的鞘层电压，提高了刻蚀速率。升降环结构中设置加热器，使升降环结构具备可控加热的能力，可以很大程度地降低聚合物在升降环结构表面的沉积概率，避免聚合物剥落造成的工艺缺陷，提高产品良率。

Description

一种等离子体处理设备及其升降环结构
技术领域
本发明涉及半导体设备领域，尤其涉及一种等离子体处理设备及其升降环结构。
背景技术
如图1所示，现有的等离子体刻蚀设备中，反应腔1’内部设置下电极2’，用于放置晶圆，反应腔1’的顶部设置的气体喷淋头作为上电极3’，将反应气体输入反应腔1’中。在射频场的作用下，上电极3’和下电极2’之间产生等离子体4’，对晶圆进行刻蚀处理。反应腔1’的腔壁上设置传送门5’以传送晶圆，为了降低设置在反应腔1’上的传送门5’带来的流场不对称效应，在传送门5’和放电区域间(等离子体4’)安装升降环6’。当需要传送晶圆时，升降环6’升起，当需要对晶圆进行刻蚀工艺时，升降环6’落下。为了提高使用寿命，升降环6’使用的材料一般为石英，由于石英材质的升降环6’对地悬浮，使得射频场基本不穿过升降环6’而大多分布于上电极3’和下电极2’之间，极大地降低了刻蚀过程中的材料损耗。然而，在高深宽比的刻蚀制程中，通常需要用到高碳氟比的气体以提高对掩膜的选择比，这种高碳氟比的刻蚀剂及刻蚀后的反应副产物很容易形成成分复杂的聚合物(polymer)7’沉积在腔壁上，尤其是在温度较低的材料表面，如石英材质的升降环6’内侧。由于射频场主要集中于上电极3’和下电极2’之间，而在升降环6’表面几乎没有离子轰击，导致沉积的聚合物7’难以被干法清腔方式(dry clean)清除干净而产生了长时间的积累，最后聚合物7’容易剥落并掉落在晶圆上，造成工艺缺陷(defect)，影响产品质量。
这里的陈述仅提供与本发明有关的背景技术，而并不必然地构成现有技术。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种用于等离子体处理设备的升降环结构及等离子体处理设备，极大程度地降低了聚合物在升降环结构表面沉积的概率，避免聚合物剥落造成的工艺缺陷，提升了产品质量。
本发明提供一种用于等离子体处理设备的升降环结构，所述等离子体处理设备包含反应腔，所述升降环结构设置在所述反应腔内，所述升降环结构包含：
导电基体；
耐腐蚀涂层，其包覆在所述导电基体的表面；
射频接地组件，其一端与所述导电基体相连，另一端作为接地端接地；
升降组件，与所述导电基体相连，用于驱动所述导电基体上下移动。
所述射频接地组件为金属弹片，所述金属弹片的材料为铝或铜。
所述射频接地组件为波纹管。
所述的升降环结构还包含：加热器和加热引线，所述加热器设置在所述导电基体内，所述加热引线与所述加热器相连，所述加热引线位于所述波纹管内。
所述升降组件包含：升降杆和驱动机构，所述升降杆的一端连接所述导电基体，另一端与驱动机构相连。
所述加热器的外部包裹绝缘材料层。
所述的升降环结构还包含：多个设置在所述导电基体上的温度传感器，所述温度传感器通过温度传感器引线连接温度控制器，所述温度传感器引线位于所述波纹管内。
所述温度传感器为热电偶或光纤温度传感器。
所述的升降环结构还包含：金属垫圈，所述金属垫圈设置在所述波纹管与所述导电基体之间，所述金属垫圈还设置在所述波纹管与接地端之间，所述金属垫圈位于大气环境中。
所述的升降环结构还包含：密封圈，所述密封圈设置在所述波纹管与所述导电基体之间，所述密封圈还设置在所述波纹管与接地端之间，所述密封圈设置在所述金属垫圈的外围，所述密封圈位于真空环境中。
所述导电基体的顶部设有第一凹槽；所述升降组件还包含：设于所述第一凹槽内的绝缘内衬，所述绝缘内衬的顶部设有第二凹槽，所述升降杆置于所述第二凹槽内，且所述绝缘内衬将所述升降杆与导电基体之间隔离。
所述绝缘内衬采用低介电常数的刚性绝缘材料制成。
所述导电基体采用金属材料制成。
所述耐腐蚀涂层的材料包含：氧化钇或者氟氧化钇。
在所述耐腐蚀涂层与导电基体之间还具有阳极氧化层。
本发明还提供一种等离子体处理设备，包含：
反应腔，其具有腔壁和顶盖；
设置在反应腔底部的下电极；
设置在反应腔顶部的上电极，所述上电极与下电极相对设置；
以及所述的升降环结构，所述升降环结构环绕所述上电极，并可在垂直于顶盖的方向上下移动。。
所述射频接地组件的接地端连接所述反应腔的顶盖。
所述升降组件包含：密封组件，所述密封组件设置在所述升降杆与所述反应腔的顶盖接触的位置。
所述等离子体处理设备是电容耦合等离子体刻蚀设备。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：
本发明提供的一种用于等离子体处理设备的升降环结构，通过将升降环结构射频接地，使射频场可以穿过升降环结构表面，有效提高了等离子体对升降环结构表面的轰击频次，降低了聚合物在升降环结构表面沉积的概率，同时提高了干法清腔过程的清腔效率，减少了聚合物沉积。升降环结构射频接地还提高了射频接地组件和下电极的面积比，大大增加了同等功率条件下晶圆表面(位于功率极)的鞘层电压，提高了刻蚀速率。
进一步地，升降环结构还包括加热器，即具备了可控加热导电基体的能力，使得升降环结构的温度较高，能够很大程度地降低聚合物在升降环结构表面的沉积概率，避免聚合物剥落造成的工艺缺陷。
附图说明
图1是一种等离子体刻蚀设备的结构示意图。
图2是本发明提供的一种电容耦合等离子体刻蚀设备的结构示意图。
图3是本发明一个实施例中的升降环结构的剖面示意图。
图4是本发明另一个实施例中的升降环结构的剖面示意图。
图5是图4的俯视图。
具体实施方式
以下根据图2～图5，具体说明本发明的较佳实施例。
如图2所示，本发明提供一种电容耦合等离子体刻蚀设备，该刻蚀设备的反应腔1包含腔壁102和顶盖101，所述反应腔1的腔壁102上设置传送门5以传送晶圆8，所述反应腔1内部设置有下电极2，所述下电极2上放置晶圆8，所述下电极2的外围设置等离子体约束环9，所述反应腔顶盖101处设置有气体喷淋头3，所述气体喷淋头3用于将外部气体源中的反应气体引入反应腔1内，所述气体喷淋头3作为上电极3，分别在所述上电极2和下电极3上施加射频电压，在射频场的作用下，上电极3和下电极2之间产生等离子体4，对晶圆8进行刻蚀处理。在所述上电极2和下电极3之间设置升降环结构6，所述升降环结构6靠近所述反应腔1的腔壁102，且所述升降环结构6可在所述上电极3和下电极2之间升降移动，当需要传送晶圆8时，升降环结构6升起，露出传送门5，便于晶圆8通过所述传送门5进行传送，当需要对已经放置在所述下电极2上的晶圆8进行刻蚀工艺时，所述升降环结构6下降，所述升降环结构6位于所述上电极3和所述等离子体约束环9之间，遮挡住所述传送门5。
如图3所示，在本发明的一个实施例中，所述升降环结构6包含导电基体601，利用升降组件实现所述导电基体601的上下升降运动，且所述导电基体601通过射频接地组件接地。在本实施例中，所述导电基体601采用相对较轻的金属材料制成，如铝等，以提高其升降过程中的稳定性。将所述导电基体601射频接地后，在升降环结构6与功率极(下电极2)之间会形成电场，吸引等离子体中的离子迁移轰击方向，可以增强离子对导电基体601表面的轰击，降低工艺过程中聚合物的附着概率，同时可以提高干法清腔过程的清腔效率，以进一步减少聚合物沉积。所述导电基体601具有氧化表面602，所述氧化表面602包含阳极氧化层和位于所述阳极氧化层之上的耐腐蚀涂层，所述阳极氧化层采用阳极氧化的方式达到直流隔绝的目的，以防止等离子体对地电弧放电，在阳极氧化层上再沉积一层耐腐蚀涂层，从而抵抗离子轰击以提高使用寿命。在本实施例中，在铝材质的导电基体601表面使用硬质阳极氧化(hard anodized)方式形成几十到几百微米厚的高密度氧化铝层，在氧化铝层的表面再用物理气相沉积(PVD)或者等离子体喷涂(plasma spray)的方式沉积一层几十微米厚的氧化钇层，作为耐腐蚀涂层，这样形成的氧化表面602可以隔绝直流，同时对于射频来说阻抗几乎可以忽略，因而可以在导电基体601表面形成等离子体鞘层，增强导电基体601表面的离子轰击，减少聚合物沉积，提高晶圆表面刻蚀速率。所述升降组件包含升降杆603和驱动机构(图中未显示)，所述升降杆603的一端连接所述导电基体601，另一端穿过反应腔的顶盖与驱动机构相连，用于驱动所述导电基体601沿垂直于晶圆8表面的方向上下移动。在所述升降杆603与所述反应腔的顶盖接触的位置处设置有密封组件619，以确保升降杆603运动过程中反应腔中的密封性良好。所述升降组件还包含设置在所述导电基体601的顶部的第一凹槽604内的绝缘内衬605，所述绝缘内衬605的顶部设有第二凹槽606，所述升降杆603置于所述第二凹槽606内，可通过侧向螺栓连接等方式将所述导电基体601、升降杆603和绝缘内衬605固定连接。所述绝缘内衬605采用低介电常数的刚性绝缘材料制成，以实现所述升降杆603与导电基体601之间的直流隔离和射频隔绝，防止射频沿绝缘内衬605和升降杆603导出反应腔外，即，能够防止射频泄露。本实施例中，所述射频接地组件采用材料为铝或铜的金属弹片607，所述金属弹片607的一端与所述导电基体601相连，另一端作为接地端连接至所述反应腔的顶盖，以实现导电基体601接地的目的。金属弹片的弹性模量越大，刚性越强，越不容易发生变形，在随着升降环结构的升降挤压过程中越容易发生断裂，而金属弹片的弹性模量越小，刚性越弱，越容易发生变形，在变形后越不容易恢复原状，所以在本实施例中，所述金属弹片具有较为适中的弹性模量，以防止多次升降形变产生不可逆性。
在本实施例中，升降环结构采用射频接地的金属材料，且表面带氧化层，增强了等离子体对其表面的轰击，降低了工艺过程中聚合物的附着概率，同时提高了干法清腔过程的清腔效率，减少了聚合物沉积，增加了接地极(射频接地组件)对射频功率馈入极(下电极)的比例，提高了刻蚀速率。
如图4和图5所示，在本发明的另一个实施例中，在图3的升降环结构的基础上，所述升降环结构6上还设置有加热组件，以提高导电基体601的温度，从而降低聚合物在导电基体601上的沉积概率。所述加热组件包含设置在所述导电基体601内部的加热器608和与加热器608电连接的加热引线610，在本实施例中，所述加热器608可以采用压铸加热环，如铸铝加热环等，根据所述导电基体601的形状和尺寸，可以在同一水平面上设置多个呈同心轴分布的加热环，还可以在竖直方向上设置多层加热环，从而使得所述导电基体601可以被均匀加热。所述加热器608可以与所述导电基体601一体压铸成型，也可以是分体安装。所述加热器608的外部包裹绝缘材料层611，从而使所述加热器608与所述导电基体601形成直流隔绝。所述加热器608的接线柱617设置在所述导电基体601的顶部，加热引线610从所述接线柱617引出，通过反应腔的顶盖101上的通孔连接至外部的加热电源(图中未显示)，所述加热电源为所述加热器608提供电能，实现对所述导电基体601的加热。为了实现对所述导电基体601的均匀加热和温度调节，分别在所述导电基体601内部的不同位置设置多个温度传感器612，温度传感器引线613连接所述温度传感器612，所述温度传感器引线613通过反应腔的顶盖101上的通孔连接至外部的温度控制器(图中未显示)，本实施例中，所述温度传感器612为热电偶或光纤温度传感器，所述温度传感器612将探测到的温度信号通过温度传感器引线613反馈至温度控制器，温度控制器根据温度信号调节所述加热电源供应给所述加热器608的加热功率，从而调节所述导电基体601的温度，以保证所述导电基体601的温度均衡。由于所述加热引线610和所述温度传感器引线613的功率传导和信号传输易受反应腔中射频场的干扰，因此在本实施例中改为使用波纹管609作为射频接地组件，所述波纹管609通常采用金属材质，如不锈钢等，所述波纹管609的一端通过紧固件616固定连接至所述导电基体601的顶部，所述波纹管609的另一端通过紧固件616固定连接至所述反应腔的顶盖101，所述波纹管609完整地包覆住所述反应腔顶盖101上的通孔，从而将所述升降杆603、所述加热引线610和所述温度传感器引线613全部设置在所述波纹管609内。所述波纹管609除了可以满足所述导电基体601的升降需求，还实现了所述导电基体601的射频接地，更重要地，是对所述加热引线610和所述温度传感器引线613形成射频隔绝，防止射频外漏及干扰直流加热输出和温控信号。在所述升降杆603运动过程中，为了确保所述反应腔中的密封性良好，在所述波纹管609的两端分别设置有密封圈615，即，将所述密封圈615设置在所述波纹管609与所述导电基体601之间，同时将所述密封圈615设置在所述波纹管609与所述反应腔的顶盖101之间，所述密封圈615隔绝了反应腔中的真空环境和波纹管609内部的大气环境，确保所述反应腔顶盖101上的通孔被良好地密封，保证了反应腔的气密性。为了确保所述波纹管609的射频接地和射频隔绝功能，在所述波纹管609的两端分别设置有金属垫圈614，即，将所述金属垫圈614设置在所述波纹管609与所述导电基体601之间，同时将所述金属垫圈614设置在所述波纹管609与所述反应腔的顶盖101之间，所述金属垫圈614设置在所述密封圈615的内侧，则所述金属垫圈614位于波纹管609内部的大气环境中，所述金属垫圈614使所述波纹管609更紧密地接触所述导电基体601和反应腔的顶盖101，增强了波纹管609的射频接地功能，同时也增强了波纹管609的射频隔绝功能。
本实施例中，除了通过将升降环结构射频接地来降低聚合物的附着概率，还通过设置加热器来提升升降环结构的温度，从而可以很大程度地降低聚合物在升降环结构表面的沉积，避免聚合物剥落造成的工艺缺陷。
本发明提供的一种用于等离子体处理设备的升降环结构，通过将升降环结构射频接地，使射频场可以穿过升降环结构表面，有效提高了等离子体对升降环结构表面的轰击频次，降低了聚合物在升降环结构表面沉积的概率，同时提高了干法清腔过程的清腔效率，减少了聚合物沉积。升降环结构射频接地还提高了接地极(射频接地组件)和功率极(下电极)的面积比，大大增加了同等功率条件下晶圆表面(位于功率极)的鞘层电压，提高了刻蚀速率。另外，升降环结构具备了可控加热的能力，可以很大程度地降低聚合物在升降环结构表面的沉积概率，避免聚合物剥落造成的工艺缺陷。
相应的，本发明还提供一种包括上述升降环结构的等离子体处理装置，包含：
反应腔，其具有腔壁和顶盖；
设置在反应腔底部的下电极；
设置在反应腔顶部的上电极，所述上电极与下电极相对设置；
所述升降环结构环绕所述上电极，并可在垂直于顶盖的方向上下移动。
所述射频接地组件的接地端连接所述反应腔的顶盖。
所述升降组件包含：密封组件，所述密封组件设置在所述升降杆与所述反应腔的顶盖接触的位置。
所述等离子体处理设备是电容耦合等离子体刻蚀设备。
通过将升降环结构射频接地，使射频场可以穿过升降环结构表面，有效提高了等离子体对升降环结构表面的轰击频次，降低了聚合物在升降环结构表面沉积的概率，同时提高了干法清腔过程的清腔效率，减少了聚合物沉积。升降环结构射频接地还提高了射频接地组件和下电极的面积比，大大增加了同等功率条件下晶圆表面(位于功率极)的鞘层电压，提高了刻蚀速率。
需要说明的是，在本发明的实施例中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述实施例，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
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)

1.一种用于等离子体处理设备的升降环结构，所述等离子体处理设备包含反应腔，所述升降环结构设置在所述反应腔内，其特征在于，所述升降环结构包含：
导电基体；
耐腐蚀涂层，其包覆在所述导电基体的表面；
射频接地组件，其一端与所述导电基体相连，另一端作为接地端接地；
升降组件，与所述导电基体相连，用于驱动所述导电基体上下移动。
2.如权利要求1所述的升降环结构，其特征在于，所述射频接地组件为金属弹片，所述金属弹片的材料为铝或铜。
3.如权利要求1所述的升降环结构，其特征在于，所述射频接地组件为波纹管。
4.如权利要求3所述的升降环结构，其特征在于，还包含：加热器和与加热器电连接的加热引线，所述加热器设置在所述导电基体内，所述加热引线位于所述波纹管内。
5.如权利要求1所述的升降环结构，其特征在于，所述升降组件包含：升降杆和驱动机构，所述升降杆的一端连接所述导电基体，另一端与驱动机构相连。
6.如权利要求4所述的升降环结构，其特征在于，所述加热器的外部包裹绝缘材料层。
7.如权利要求4所述的升降环结构，其特征在于，还包含：多个设置在所述导电基体上的温度传感器，所述温度传感器通过温度传感器引线连接温度控制器，所述温度传感器引线位于所述波纹管内。
8.如权利要求7所述的升降环结构，其特征在于，所述温度传感器为热电偶或光纤温度传感器。
9.如权利要求3所述的升降环结构，其特征在于，还包含：金属垫圈，所述金属垫圈设置在所述波纹管与所述导电基体之间，所述金属垫圈还设置在所述波纹管与接地端之间，所述金属垫圈位于大气环境中。
10.如权利要求9所述的升降环结构，其特征在于，还包含：密封圈，所述密封圈设置在所述波纹管与所述导电基体之间，所述密封圈还设置在所述波纹管与接地端之间，所述密封圈设置在所述金属垫圈的外围，所述密封圈位于真空环境中。
11.如权利要求5所述的升降环结构，其特征在于，所述导电基体的顶部设有第一凹槽；所述升降组件还包含：设于所述第一凹槽内的绝缘内衬，所述绝缘内衬的顶部设有第二凹槽，所述升降杆置于所述第二凹槽内，且所述绝缘内衬将所述升降杆与导电基体之间隔离。
12.如权利要求11所述的升降环结构，其特征在于，所述绝缘内衬采用低介电常数的刚性绝缘材料制成。
13.如权利要求1所述的升降环结构，其特征在于，所述导电基体采用金属材料制成。
14.如权利要求1所述的升降环结构，其特征在于，所述耐腐蚀涂层的材料包含：氧化钇或者氟氧化钇。
15.如权利要求14所述的升降环结构，其特征在于，在所述耐腐蚀涂层与导电基体之间还具有阳极氧化层。
16.一种等离子体处理设备，其特征在于，包含：
反应腔，其具有腔壁和顶盖；
设置在反应腔底部的下电极；
设置在反应腔顶部的上电极，所述上电极与下电极相对设置；
以及如权利要求1-15中任意一项所述的升降环结构，所述升降环结构环绕所述上电极，并可在垂直于顶盖的方向上下移动。
17.如权利要求16所述的等离子体处理设备，其特征在于，所述射频接地组件的接地端连接所述反应腔的顶盖。
18.如权利要求16所述的等离子体处理设备，其特征在于，所述升降组件包含：密封组件，所述密封组件设置在所述升降杆与所述反应腔的顶盖接触的位置。
19.如权利要求16所述的等离子体处理设备，其特征在于，所述等离子体处理设备是电容耦合等离子体刻蚀设备。
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