CN117524825A - 一种下电极组件及等离子体处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种下电极组件及等离子体处理装置，所述下电极组件包含位于静电夹盘的静电图形化电极，以及射频图形化电极，所述静电图形化电极包含多个用于吸附基片的直流电极单元，所述射频图形化电极包含多个用于射频控制基片上方的等离子体的射频电极单元，每个射频电极单元的上方对应至少一个静电图形化电极。本发明中射频电流通过射频电极单元耦合到与所述射频电极单元对应的直流电极单元上，而后再耦合到上电极，通过控制输入到每个射频电极单元上的射频电流强度，可调节射频电极单元上方对应的等离子体的鞘层厚度，进而调节该等离子的轰击方向或强度，实现射频电场的局部精确调整和动态控制。

Description

一种下电极组件及等离子体处理装置

技术领域

本发明涉及半导体器件及其制造领域，尤其涉及一种下电极组件及其等离子体处理装置。

背景技术

生产集成电路等半导体器件、有源无源电子元器件，甚至是一些工业产品，需要多种积成减成以及辅助工艺，诸如沉积、蚀刻、离子注入等等，用到多种工艺装置。在摩尔定律的驱动下元器件精密度逐年革新，这很大程度归功于新技术新方法不断引入，其中等离子这一干法工艺技术扮演着举足轻重的角色，逐渐成为半导体工艺核心技术之一。

在等离子体处理装置中，反应腔室内配置一对平行电极板(上电极和下电极)，射频功率源将高频施加在下(或上)电极上，通常施加在下电极上，射频电流从下电极耦合到上电极上，再通过反应腔体接地形成射频回路，在电极间形成高频电场，利用该高频电场将工艺气体激发为等离子体。下电极上还施加有偏置功率源，用于控制等离子体的鞘层厚度和直流偏压。这些等离子体在偏置功率源的电场作用后与基片表面发生物理轰击作用及化学反应，从而对基片表面进行处理，例如对基片表面进行清洗或刻蚀。

由于等离子体大致为椭球形，基片中央区域上方的等离子体较强(分布较密集)，基片边缘区域上方的等离子体较弱(分布较稀疏)，这使得基片中央区域刻蚀速率较快、边缘区域刻蚀速率较慢，出现刻蚀不均匀问题。而且，等离子体基本覆盖整个基片，难以对基片进行局部处理。

发明内容

本发明提出了一种下电极组件及等离子体处理装置，将下电极中的静电图形化电极及射频图形化电极分别划分为若干个直流电极单元及射频电极单元，射频电流通过射频电极单元耦合到与所述射频电极单元对应的直流电极单元上，而后再耦合到上电极，通过控制输入到每个射频电极单元上的电流强度，可调节射频电极单元上方对应的等离子体的鞘层厚度及直流偏压大小，进而调节该等离子的轰击方向及强度，实现射频电场的局部精确调整和动态控制。

为了达到上述目的，本发明提出了一种下电极组件，用于处理基片，包含：

基座；

位于所述基座上的静电卡盘，用于承载所述基片，所述静电卡盘包含静电图形化电极，所述静电图形化电极包含多个直流电极单元，用于吸附所述基片；

位于所述基座与所述静电卡盘之间的射频图形化电极，所述射频图形化电极包含多个射频电极单元，用于射频控制所述基片上方等离子体的产生或能量分布。

可选地，所述静电卡盘上方具有多个基片处理区，同一所述基片处理区下方对应至少一个所述直流电极单元和至少一个所述射频电极单元；同一所述基片处理区对应的所述直流电极单元的数量大于等于所述射频电极单元的数量。

可选地，所述射频图形化电极与所述基座之间具有绝缘层。

可选地，相邻的两个所述射频电极单元间设有射频阻隔件，以阻隔所述射频电极单元间的射频横向耦合。

可选地，所述静电图形化电极连接有静电阻抗网络，所述静电阻抗网络包含多个静电阻抗单元，所述静电阻抗单元与所述直流电极单元连接，用于调节输入到所述直流电极单元上的电压信号。

可选地，所述静电阻抗单元的数量等于或小于所述直流电极单元的数量。

可选地，所述静电阻抗单元还连接有静电功能电路，所述静电功能电路用于调节所述静电阻抗单元的阻抗。

可选地，所述静电阻抗单元包含但不限于电阻、电感中的一种或多种。

可选地，所述射频图形化电极连接有射频阻抗网络，所述射频阻抗网络包含多个与所述射频电极单元一一对应连接的射频阻抗单元，用于调节输入到所述射频电极单元上的射频信号。

可选地，所述射频阻抗单元包含但不限于电阻、电感、电容中的一种或几种。

可选地，所述射频阻抗单元还连接有射频功能电路，所述射频功能电路用于调节所述射频阻抗单元的阻抗。

本发明还提出了一种等离子体处理装置，包含：

反应腔，所述反应腔内设有上述的下电极组件；

电压发生器，所述电压发生器与所述静电阻抗网络连接，用于向所述静电图形化电极输送电压信号；

射频发生器，所述射频发生器与所述射频阻抗网络连接，用于向所述射频图形化电极输送射频信号。

可选地，所述激励发生器为直流高压源。

可选地，所述激励源包含至少一个射频源。

可选地，所述射频源为偏置射频功率源。

可选地，所述射频源为源射频功率源。

可选地，所述等离子体处理装置还包含：控制器，所述控制器用于发送调节信号至静电功能电路及射频功能电路，所述静电功能电路及所述射频功能电路根据所述调节信号调节静电阻抗单元或射频阻抗单元。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明中静电图形化电极及射频图形化电极分别包含多个直流电极单元及多个射频电极单元，射频电流通过射频电极单元耦合到与所述射频电极单元对应的直流电极单元上，而后再耦合到上电极，通过控制输入到每个射频电极单元上的射频电流强度，可调节射频电极单元上方对应的等离子体的鞘层厚度，进而调节该等离子的轰击方向或强度，实现射频电场的局部精确调整和动态控制；(2)本发明包含多个直流电极单元，通过控制每个直流电极单元的充电速度，可控制吸附基片的方向和顺序，避免基片整个静电图形化电极一起吸附基片时导致的基片移位。

附图说明

图1为本实施例中等离体子处理装置的结构示意图。

图2为本实施例中下电极组件的结构示意图。

图3为本实施例中从基座端向静电卡盘端望去的射频图形化电极与静电图形化电极的仰视图。

图4为本实施例中射频图形化电极的电路连接示意图。

图5为本实施例中静电图形化电极的电路连接示意图。

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。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”、“具有”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。

需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明一实施例的目的。

图1示例性的示出一种等离子体处理装置的结构示意图。等离子体处理装置包含反应腔2，所述反应腔2用于对基片进行处理。所述反应腔2内包含相对设置的上电极组件1和下电极组件4，上、下电极组件之间形成处理区域。一个或多个高频功率源(包括源射频功率源与偏置射频功率源)可以被单独地施加在下电极组件4或同时被施加在上电极组件1与下电极组件4上，在处理区域内形成高频电场。本实施例中，高频功率源施加在下电极组件4上。该高频电场对少量存在于处理区域内的电子进行加速，使之与反应腔2内工艺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基本覆盖整个基片的等离子体。

图2示出一种下电极组件的结构示意图。在该图所示的结构中，下电极组件4包含：基座11，用于承载静电卡盘8。所述基座11的材质通常为导电的金属材质，如铝，当高频功率源连接到基座11上时，基座11可视为一个等势体。本实施例中，所述基座11连接有源射频功率源5，用于激发产生等离子体。其他实施例中，所述基座11连接偏置射频功率源，用于控制等离子体的能量分布。所述静电卡盘8用于吸附固定基片3，其中设有方形虚线框圈出的静电图形化电极12，所述静电图形化电极12包含多个直流电极单元15。所述直流电极单元15施加正的直流电压时，直流电极单元15产生的电场会导致静电卡盘8上方的基片3极化，为了中和基片产生的电荷，在基片的表面产生负电位，不同极性的电位之间产生的库仑力可以使基片3吸附于静电卡盘8上。所述静电卡盘8可采用陶瓷结构。

继续如图2所示，所述基座11与所述静电卡盘8之间还设有椭圆形虚线框圈出的射频图形化电极9，所述射频图形化电极9与所述基座11之间设置一绝缘层10。所述射频图形化电极9包含有多个射频电极单元14，所述射频电极单元14的上方对应至少一个所述直流电极单元15。

当源射频功率源5连接至所述射频电极单元14上时，因为基片3和射频电极单元14之间还设置有直流电极单元15，所以射频电流会先耦合到与所述射频电极单元14对应的所述直流电极单元15上，再作用到所述反应区域的等离子体鞘层上，由此，根据射频图形化电极和静电图形化电极的分布，所述处理区域可以被划分为与之对应的若干个基片处理区。同一基片处理区下方对应至少一个直流电极单元15和至少一个射频电极单元14，且同一基片处理区内对应的直流电极单元15的数量大于等于射频电极单元14的数量。通过控制每个射频电极单元上的射频电流的大小，可分别控制不同基片处理区内等离子体的能量分布，实现射频电场的局部精确调整和动态控制。如果同一基片处理区内对应的直流电极单元的数量小于射频电极单元的数量，即出现多块射频电极单元对应一块直流电极单元的情况，会导致多块射频电极单元上不同的射频电流耦合到同一块直流电极单元上后再作用到处理区域，造成多个射频信号在同一块直流电极单元上的混合，会弱化对基片处理区的精确调整效果。所述射频电极单元14间可发生横向耦合，为防止射频串扰，相邻的两个射频电极单元14间设置射频阻隔件13。

本实施例中，所述射频图形化电极9包含五个射频电极单元，如图3中实线部分所示，分别为：位于所述射频图形化电极9中心的第一射频电极单元1401，以及与所述第一射频电极单元1401同心且呈扇形的第二射频电极单元1402、第三射频电极单元1403、第四射频电极单元1404及第五射频电极单元1405，相邻的两个射频电极单元间设置射频阻隔件13。本实施例中，每个射频电极单元上方对应一个直流电极单元，即静电图形化电极同样包含五个直流电极单元。由于静电图形化电极12与射频图形化电极9重合，因此采用虚线部分表示静电图形化电极，其附图标记用括号内表示。如图3中虚线部分所示，所述静电图形化电极12包含：位于所述静电图形化电极12中心的第一直流电极单元1501，以及四个与所述第一直流电极单元1501同心且呈扇形的第二直流电极单元1502。

继续如图1所示，所述等离子体处理装置还包括位于所述反应腔2外部的射频发生器6、电压发生器7以及控制器(图中未示出)。所述控制器用于发送调节信号。

所述射频发生器6用于为所述射频图形化电极9中的多个射频电极单元14输送射频信号。所述射频发生器6包含至少一个射频源，为多个射频电极单元14输送大小相同或不同的射频信号。所述射频源为源射频功率源或偏置射频功率源。本实施例中，所述射频源为偏置射频功率源。其他实施例中，所述射频源为源射频功率源。即，所述基座上连接的高频功率源与所述射频电极图形化电极上连接的高频功率源不同。

为了减少射频源的数量，所述射频发生器6通过射频阻抗网络与射频图形化电极9电路连接。所述射频阻抗网络可位于所述反应腔2内，也可位于所述反应腔2外，本发明不做限制。

所述射频阻抗网络包含多个射频阻抗单元，多个所述射频阻抗单元分别与所述射频图形化电极9中的多个射频电极单元14一一对应连接。所述射频阻抗单元还连接有射频功能电路，所述射频功能电路与所述控制器连接，用于根据所述控制器发出的调节信号调节所述射频阻抗单元的阻抗值。通过调节所述射频阻抗单元的阻抗值，可以调节输入到每个射频电极单元14上的射频信号的大小，进而调节与射频电极单元14对应的基片处理区内的等离子体的能量分布，实现射频电场的局部精确调整和动态控制。

所述射频阻抗单元包含但不限于电阻、电容、电感中的一种或多种。本实施例中，所述射频阻抗单元包含电阻，射频功能电路调节所述射频阻抗单元的电阻值，即可调节射频电极单元14对射频信号的响应，进而调整该射频电极单元14对应的基片处理区内的等离子体的轰击强度。

此外，本实施例还可以调节基片处理区内的等离子体的轰击方向。如图4所示，本实施例中，所述射频发生器6包含两个偏置射频功率源，分别为第一偏置射频功率源601及第二偏置射频功率源602。其中，所述第一偏置射频功率源601经第一射频阻抗单元301、第二射频阻抗单元302分别与第一射频电极单元1401、第二射频电极单元1402连接，所述第二偏置射频功率源602经第三射频阻抗单元303与第三射频电极单元1403连接。通过调整第一射频阻抗单元301、第二射频阻抗单元302及第三射频阻抗单元303的阻抗值，使得与所述第一射频电极单元1401对应的第一基片处理区内的第一射频电场、与所述第二射频电极单元1402对应的第二级基片处理区内的第二射频电场较强，并使得与所述第三射频电极单元1403对应的第三基片处理区内的第三射频电场较弱，则第一射频电场、第二射频电场与第三射频电场在第三基片处理区内A点处产生的合电场方向会发生倾斜，因而可以控制此处等离子体的轰击方向。在其他实施例中，对于多个射频电极单元也可以使用同一个射频功率源而利用阻抗单元调整对应的射频电流。

所述电压发生器7为直流高压源，用于向所述静电图形化电极12中的多个直流电极单元15输送电压信号。当电压信号施加到所述直流电极单元15上时，所述直流电极单元15开始充电，产生库仑力吸附基片。通过控制每个直流电极单元15的电压大小，使其具有不同的充电速度，则可控制多个直流电极单元15吸附基片的先后顺序，从而分区吸附基片，避免所有直流电极单元15一起吸附基片时导致的基片移位，同时也可避免基片被吸附到静电卡盘8上时其与静电卡盘8之间有气泡残留。基片移位会降低刻蚀的精度，气泡残留容易造成基片碎裂。

为实现基片的分区吸附，所述电压发生器7通过静电阻抗网络与所述静电图形化电极12电路连接。所述静电阻抗网络可位于所述反应腔2内，也可位于所述反应腔2外，本发明不做限制。所述静电阻抗网络包含多个静电阻抗单元，多个所述静电阻抗单元可与多个所述直流电极单元15一对一连接，也可一对多连接。通过调节所述静电阻抗单元的阻抗值，可调节经由该静电阻抗单元输送到直流电极单元15上的电压信号大小，进而可以调节该直流电极单元15吸附基片的先后顺序，实现基片的分区吸附。

所述静电阻抗单元还连接有静电功能电路17，所述静电功能电路17与所述控制器连接，用于根据所述控制器发送的调节信号调节所述静电阻抗单元的阻抗值，同时，静电功能电路17还可以具有射频滤波功能，防止射频信号经直流电极单元15泄漏到直流高压源。进一步地，所述射频功能电路16与所述静电功能电路17可集成到一个PCB板上。

如图5所示，本实施例中，所述静电阻抗网络包含两个静电阻抗单元，分别为第一静电阻抗单元401和第二静电阻抗单元402。其中第一静电阻抗单元401与所述第一直流电极单元201连接，第二静电阻抗单元402分别与四个第二直流电极单元202连接。通过调整第一静电阻抗单元401及第二静电阻抗单元402的阻抗值，使得第一直流电极单元201的电压信号较大，第二直流电极单元202上的电压信号较小，从而第一直流电极单元201先吸附晶片的中央区域，而后第二直流电极单元202再吸附晶片的边缘区域。这样的一个吸附顺序可以有效排出基片3与静电卡盘8之间残留的气泡，保障基片的平整性，而且，局部吸附定位基片，可防止基片移位。

所述静电阻抗单元包含但不限于电阻、电感中的一种或多种。所述静电阻抗单元包含电阻时，所述静电功能电路17调节该静电阻抗单元的电阻值，即可调节直流电极单元15对电压信号的响应特性；所述静电阻抗单元包含电感时，可有效防止耦合到直流电极单元15上的射频电场经由电路泄露至所述反应腔2外，造成其他设备的损坏。

本发明将静电图形化电极12及射频图形化电极9分别划分为多个直流电极单元15及多个射频电极单元14，每个射频电极单元14的上方对应至少一个直流电极单元15，当射频电极单元14上连接射频信号时，射频电流先耦合到与所述射频电极单元14对应的直流电极单元15上，而后再耦合到上电极组件1上，最后经反应腔2壳体接地形成射频回路。通过控制输入到每个射频电极单元14上的射频电流强度，可调节射频电极单元14上方对应的等离子体的鞘层厚度及直流偏压大小，进而调节该等离子的轰击方向及强度，实现射频电场的局部精确调整和动态控制。此外，通过控制输入到每个直流电极单元15上的电压信号大小，可控制静电图形化电极12吸附基片的方向和顺序，避免所有直流电极单元15同时吸附时导致的基片移位问题，同时也可避免基片与静电卡盘8之间残留气泡导致的基片不平整问题。

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 (17)

1.一种下电极组件，用于处理基片，其特征在于，包含：

基座；

静电卡盘，所述静电卡盘位于所述基座上，用于承载所述基片，所述静电卡盘包含静电图形化电极，所述静电图形化电极包含多个直流电极单元，用于吸附所述基片；

射频图形化电极，其位于所述基座与所述静电卡盘之间，所述射频图形化电极包含多个射频电极单元，用于射频控制所述基片上方等离子体的产生或能量分布。

2.如权利要求1所述的下电极组件，其特征在于，所述静电卡盘上方具有多个基片处理区，同一所述基片处理区下方对应至少一个所述直流电极单元和至少一个所述射频电极单元；同一所述基片处理区对应的所述直流电极单元的数量大于等于所述射频电极单元的数量。

3.如权利要求1所述的下电极组件，其特征在于，所述射频图形化电极与所述基座之间具有绝缘层。

4.如权利要求1所述的下电极组件，其特征在于，相邻的两个所述射频电极单元间设有射频阻隔件。

5.如权利要求1所述的下电极组件，其特征在于，所述静电图形化电极连接有静电阻抗网络，所述静电阻抗网络包含多个静电阻抗单元，所述静电阻抗单元与所述直流电极单元连接，用于调节输入到所述直流电极单元上的电压信号。

6.如权利要求5所述的下电极组件，其特征在于，所述静电阻抗单元的数量等于或小于所述直流电极单元的数量。

7.如权利要求5所述的下电极组件，其特征在于，所述静电阻抗单元还连接有静电功能电路，所述静电功能电路用于调节所述静电阻抗单元的阻抗。

8.如权利要求5所述的下电极组件，其特征在于，所述静电阻抗单元包含但不限于电阻、电感中的一种或多种。

9.如权利要求1所述的下电极组件，其特征在于，所述射频图形化电极连接有射频阻抗网络，所述射频阻抗网络包含多个与所述射频电极单元一一对应连接的射频阻抗单元，用于调节输入到所述射频电极单元上的射频信号。

10.如权利要求9所述的下电极组件，其特征在于，所述射频阻抗单元包含但不限于电阻、电感、电容中的一种或几种。

11.如权利要求9所述的下电极组件，其特征在于，所述射频阻抗单元还连接有射频功能电路，所述射频功能电路用于调节所述射频阻抗单元的阻抗。

12.一种等离子体处理装置，其特征在于，包含：

反应腔，所述反应腔内设有如权利要求1-11任一项所述的下电极组件；

电压发生器，所述电压发生器与所述静电阻抗网络连接，用于向所述静电图形化电极输送电压信号；

射频发生器，所述射频发生器与所述射频阻抗网络连接，用于向所述射频图形化电极输送射频信号。

13.如权利要求12所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述电压发生器为直流高压源。

14.如权利要求12所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述射频发生器包含至少一个射频源。

15.如权利要求14所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述射频源为偏置射频功率源。

16.如权利要求14所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述射频源为源射频功率源。

17.如权利要求12所述的等离子体处理装置，其特征在于，还包含：控制器，所述控制器用于发送调节信号至静电功能电路及射频功能电路，所述静电功能电路及所述射频功能电路根据所述调节信号调节静电阻抗单元或射频阻抗单元。