TW202015092A - 等離子體約束元件、包含其之處理裝置及其電容控制方法 - Google Patents

Abstract

本發明公開一種等離子體約束元件及其所在的處理裝置，等離子體處理裝置包括一反應腔，反應腔內設置了用於支撐基片的靜電夾盤，等離子體約束組件位於靜電夾盤和反應腔的側壁之間，包括等離子體約束環與U型接地環；接地環包括接地遮罩環，接地遮罩環位於等離子體約束環與反應腔的側壁之間；反應腔的側壁上設有傳片門，接地遮罩環用於保護等離子體約束環與反應腔側壁之間的電場不受傳片門的影響。本發明U型接地環使等離子體約束環的電容值在極板間距調節過程中保持不變；不僅可確保極板間距調節刻蝕性能過程的一致性和穩定性，還能消除腔體傳片門對刻蝕性能的不對稱性因素，還能確保傳片門附近等離子體約束的可靠性。

Description

等離子體約束元件、包含其之處理裝置及其電容控制方法

本發明涉及等離子體刻蝕領域，特別涉及一種等離子體約束元件及包含其的處理裝置。

等離子處理裝置利用真空反應室的工作原理進行半導體基片和等離子平板的基片的加工。真空反應室的工作原理是在真空反應室中通入含有適當刻蝕劑或澱積源氣體的反應氣體，然後再對該真空反應室進行射頻能量輸入，以啟動反應氣體，來點燃和維持等離子體，以便分別刻蝕基片表面上的材料層或在基片表面上澱積材料層，進而對半導體基片和等離子平板進行加工。舉例來說，電容性等離子體反應器已經被廣泛地用來加工半導體基片和顯示器平板，在電容性等離子體反應器中，當射頻功率被施加到二個電極之一或二者時，就在一對平行電極之間形成電容性放電。

等離子體是擴散性的，雖然大部分等離子體會停留在一對電極之間的處理區域中，但部分等離子體可能充滿整個工作室。舉例來說，等離子體可能充滿真空反應室下方的處理區域外面的區域。若等離子體到達這些區域，則這些區域可能隨之發生腐蝕、澱積或者侵蝕，這會造成反應室內部的顆粒玷污，進而降低等離子處理裝置的重複使用性能，並可能會縮短反應室或反應室零部件的工作壽命。如果不將等離子體約束在一定的工作區域內，帶電粒子將撞擊未被保護的區域，進而導致半導體基片表面雜質和污染。

因此，業界一直不斷地致力於產生被約束在處理區域的因而更為穩定的等離子體。習知的一種思路是使用等離子體約束元件中的約束環來約束等離子體，等離子體約束組件位於靜電夾盤和真空反應腔的側壁之間，主要由等離子體約束環和接地環組成，等離子體約束環位於接地環的內側與真空反應腔的側壁之間。在等離子體刻蝕過程中，等離子體約束元件主要用於腔內等離子體和射頻系統的約束以及腔內氣流的調節。等離子體約束環的對地電容主要包含等離子體約束環與接地環的垂直接地環部分之間產生的電容、接地環的水平接地環的各個槽之間產生的電容以及等離子體約束環與反應腔側壁之間產生的電容。

在一種等離子體處理裝置中，處理裝置的反應腔側壁上設置傳片門用於傳輸基片，由於傳片門是設置在反應腔側壁的一側的開口，當等離子體約束元件會隨著與之連接的下極板上下移動而沿著反應腔側壁的方向上下移動的過程中，等離子體約束環與反應腔側壁之間的電場受傳片門的影響，則等離子體約束環的對地電容會出現拐點同時會造成電容分佈不對稱性（傳片門對電容的貢獻會隨著約束系統的移動而改變）：

（1）電容拐點將影響極板間距對刻蝕性能調節作用的連續性問題；

（2）電容分佈不對稱性會造成刻蝕均勻性和速率不對稱性問題；

（3）另外，當等離子體約束系統移動至接近或達到傳片門附近時，極易出現傳片門位置處等離子體弱約束或無約束現象。

基於此，本發明針對以上所述局限性提出了一種新的電學性能穩定的等離子體約束系統，用以消除腔體極板移動過程中所引出的各種不穩定不對稱因素。

本發明的目的是提供一種等離子體約束元件及其所在的處理裝置，在該等離子體約束組件中的接地環設計成U型結構，即在襯套和等離子體約束環之間增加一層接地遮罩環，可使等離子體約束環的電容值在極板間距調節過程中保持不變；不僅可以確保極板間距調節刻蝕性能過程的一致性和穩定性，還能消除腔體傳片門對刻蝕性能的不對稱性因素，同時本發明還能確保傳片門附近等離子體約束的可靠性。

為了達到上述目的，本發明提供了一種用於等離子體處理裝置的等離子體約束元件，所述等離子體處理裝置包括反應腔，反應腔內設置了用於支撐基片的靜電夾盤，等離子體約束組件位於靜電夾盤和反應腔的側壁之間，反應腔的側壁上設有傳片門，等離子體約束組件能沿著反應腔的側壁方向上下移動；等離子體約束組件包括等離子體約束環與接地環，接地環設有接地遮罩環，接地遮罩環位於等離子體約束環與反應腔的側壁之間，使等離子體約束環被遮罩在接地環中，以保護等離子體約束環與反應腔的側壁之間的電場不受傳片門的影響。

較佳地，接地環還包括位於等離子體約束環下方的水平接地環和位於靜電夾盤與等離子體約束環之間的垂直接地環。

較佳地，垂直接地環與靜電夾盤周邊設置的邊緣環連接，接地遮罩環與水平接地環分別接地；垂直接地環、水平接地環和接地遮罩環為一體設置。

較佳地，接地環為U型結構。

較佳地，等離子體約束環位於垂直接地環和接地遮罩環之間，且等離子體約束環位於水平接地環上方，以使接地環包圍等離子體約束環的三面。

較佳地，接地遮罩環的上表面所在的水平方向的位置高於或等於等離子體約束環的上表面所在的水平面。

較佳地，傳片門為反應腔一側側壁上的開口，用於將晶圓在反應腔內外之間傳輸。

較佳地，反應腔的側壁和接地遮罩環之間設有內襯，內襯上設置與傳片門相匹配的開口。

較佳地，等離子體約束環和反應腔側壁之間的電場，與接地遮罩環和等離子體約束環之間的間距相匹配。

本發明還提供了一種等離子體處理裝置，包括一反應腔；反應腔內的下部設置靜電夾盤用於承載基片並設置下極板，反應腔內的上部包含一上極板，靜電夾盤與反應腔的側壁之間設有如上文所述的等離子體約束元件；靜電夾盤和其周邊設置的邊緣環能上下移動以調整等離子體處理裝置的上下極板間距，帶動等離子體約束組件沿著反應腔的側壁方向上下移動；等離子體約束組件包括等離子體約束環與接地環，接地環設有接地遮罩環，接地遮罩環位於等離子體約束環與反應腔的側壁之間，等離子體約束環被遮罩在接地環中，以保護等離子體約束環與反應腔的側壁之間的電場不受傳片門的影響。

本發明還提供了一種基於如上文所述的等離子體約束元件的等離子體處理裝置的電容控制方法，該方法包含以下過程：

提供接地環，接地環被配置為設有接地遮罩環的U型結構；

提供等離子體約束環，使其與接地環結合以配置成等離子體約束元件；等離子體約束元件與反應腔內的靜電夾盤連接；接地環包圍等離子體約束環的三面，以使等離子體約束環被遮罩在接地環之中；

射頻系統在反應腔內產生將反應氣體解離為等離子體的電場，等離子體約束組件在等離子體刻蝕過程中約束反應腔內的等離子體和射頻系統，並調節反應腔內的氣流；

靜電夾盤和其周邊設置的邊緣環移動以調整等離子體處理裝置的上下極板間距時，等離子體約束組件沿著反應腔的側壁方向上下移動，等離子體約束環被遮罩，使得其與反應腔的側壁之間的電場不受傳片門的影響，等離子體約束環的對地電容基本保持不變。

與現有技術相比，本發明的有益效果為：本發明通過等離子體約束元件可將等離子體約束在一定的工作區域內，防止半導體基片表面雜質和污染，可以實現產生被約束在處理區域的更為穩定的等離子體。本發明的等離子體約束元件中的U型結構接地環，使等離子體約束環被完全遮罩在接地環之中，從而使等離子體約束環的電容值在極板間距調節過程中保持不變。本發明的等離子體約束元件不僅可以確保極板間距調節刻蝕性能過程的一致性和穩定性，還能消除腔體傳片門對刻蝕性能的不對稱性因素，同時還能確保傳片門附近等離子體約束的可靠性。

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的圖式，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域具有通常知識者在沒有做出進步性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

需要說明的是，在本文中，術語｢包括｣、 ｢包含｣、｢具有｣或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者終端設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者終端設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句｢包括……｣或｢包含……｣限定的要素，並不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者終端設備中還存在另外的要素。

圖1所示為本發明的一種等離子體處理裝置的結構示意圖，等離子體處理裝置包括真空反應腔100， 真空反應腔100包括由金屬材料製成的大致為圓柱形的反應腔側壁。反應腔側壁上方設置氣體噴淋裝置150，氣體噴淋裝置與氣體供應裝置160相連。 氣體供應裝置160中的反應氣體經過氣體噴淋裝置150進入真空反應腔100。

真空反應腔100的下方設置支撐靜電夾盤115的基座110，靜電夾盤115上用於放置待處理基片120。真空反應腔100的側壁上設有傳片門2，即該傳片門2為反應腔100一側側壁上的開口，用於將晶圓在反應腔100內外之間傳輸。本發明的靜電夾盤115包含下極板，氣體噴淋裝置150還作為上極板，兩者之間的距離為極板間距。

射頻功率源145的射頻功率施加到基座110，在真空反應腔100內產生將反應氣體解離為等離子體的電場，等離子體160中含有大量的電子、離子、激發態的原子、分子和自由基等活性粒子，上述活性粒子可以和待處理基片120的表面發生多種物理和化學反應， 使得基片表面的形貌發生改變，即完成刻蝕過程。 真空反應腔100的下方還設置排氣泵125，用於將反應副產物排出真空反應腔100。

本發明針對極板間距可調腔體的等離子體約束和調節系統提出了一種新的電學性能穩定的用於等離子體處理裝置的等離子體約束元件。

如圖1和圖2結合所示，本發明的等離子體處理裝置設置有等離子體約束元件，該等離子體約束元件位於靜電夾盤115和真空反應腔100的側壁之間，並與靜電夾盤115周邊設置的邊緣環連接；隨著靜電夾盤115和邊緣環一起上下移動，等離子體處理裝置的極板間距變化。等離子體約束組件會隨著靜電夾盤115邊緣環的移動而沿著反應腔側壁的方向上下移動。其中，靜電夾盤115先移至傳片門2以下位置時，進行晶圓的傳入，再將靜電夾盤115向上移動至傳片門2上方的合適的位置。

本發明的等離子體約束組件包括等離子體約束環6與接地環4。接地環4包括：位於等離子體約束環6下方的水平接地環、位於靜電夾盤115與等離子體約束環6之間的垂直接地環和位於等離子體約束環6與反應腔的側壁之間的接地遮罩環101。

其中，垂直接地環的一側與靜電夾盤115周邊設置的邊緣環連接，接地遮罩環101與水平接地環均為接地的部件，水平接地環設有若干個用於排氣所需的槽。接地遮罩環101是一種反L型結構，垂直接地環、水平接地環和接地遮罩環101為一體設置，使得接地環4整體形成U型結構。

反應腔側壁和接地遮罩環101之間設置有內襯3，內襯3用於保護等離子體處理裝置的真空反應腔壁，內襯3與接地遮罩環101之間存在一定的間距。內襯3的材質可以是石英等絕緣材料。內襯3上設置有與傳片門2相匹配的開口，用於晶圓的傳輸。

本發明的接地遮罩環101靠近等離子體約束環6的一側與等離子體約束環6之間存在一定的間隙。接地遮罩環101的上表面所在的水平方向的位置高於或等於等離子體約束環6的上表面所在的水平面，等離子體約束環6被包在U型結構的接地環4內。此時等離子體約束環6被完全遮罩在U型結構的接地環4之中，所以本發明的接地遮罩環101用於保護等離子體約束環6與反應腔側壁之間的電場不受傳片門2的影響。

具體地，等離子體約束環6的對地電容為C1+C2+C3，其中電容C1是等離子體約束環6與垂直接地環之間產生的電容，電容C2是等離子體約束環6與水平接地環之間產生的電容，電容C3是等離子體約束環6與接地遮罩環101之間產生的電容，則電容C3僅僅由等離子體約束環6和接地遮罩環101之間的間距來決定，而與傳片門2的相對位置無關。

根據電容大小原理可知，電容與兩者之間的相對面積成正比，與距離成反比，此時由於等離子體約束環6與接地遮罩環101之間的相對位置不變，且相對面積不變，所以等離子體約束環6的對地電容（C1+C2+C3）基本不隨著等離子體約束環6與傳片門2的相對位置的變化而變化。

示例地，本發明的接地遮罩環也可以是能保證等離子體約束環被完全遮罩在接地環之中的其他形狀，以保證等離子體約束環的對地電容與傳片門無關即可，本發明實施例對此不做限制。

如圖3所示給出了在有接地遮罩環的等離子體約束組件與無接地遮罩環的等離子體約束元件情況下的電容值隨著極板間距調節的變化結果。其中，曲線Q1表示無接地遮罩環的等離子體約束元件情況下的電容值隨著極板間距調節的變化曲線，曲線Q2表示有接地遮罩環的等離子體約束元件情況下的電容值隨著極板間距調節的變化曲線。

當靜電夾盤向下移動時，等離子體處理裝置的極板間距逐漸增大，由圖3中的曲線Q1可知，等離子體約束環的對地電容值隨著該極板間距的增大而逐漸變小直至最小值後，再隨著極板間距的增大而逐漸增大，出現電容拐點。所以當未安裝接地遮罩環時，此時的傳片門效應非常明顯，且在傳片門附近電容下降約7%，並且出現電容拐點，而電容拐點將會影響極板間距對刻蝕性能調節作用的連續性；當等離子體約束組件在移動過程中，由於傳片門的存在導致等離子體約束環與反應腔側壁之間的距離和相對面積變化，則等離子體約束環與反應腔側壁之間的電容會不斷變化，造成等離子體約束環的對地電容分佈不對稱性，電容分佈不對稱性會造成刻蝕均勻性和速率不對稱性。

當靜電夾盤向下移動時，等離子體處理裝置的極板間距逐漸增大，由圖3中的曲線Q2可知，等離子體約束環的對地電容值隨著極板間距的增大基本保持不變，電容整體波動小於0.5%，當安裝有接地遮罩環時，此時的傳片門效應被完全消除。所以，本發明的等離子體約束元件中的U型結構接地環，使等離子體約束環被完全遮罩在接地環之中。當等離子約束元件在移動過程中，由於等離子體約束環與接地遮罩環之間的相對位置不變，且相對面積不變，等離子體約束環與接地遮罩環之間的電容基本不變，則等離子體約束環的對地電容不會出現拐點，也不存在電容拐點影響極板間距對刻蝕性能調節作用的連續性的問題，同時，電容整體波動較小，電容分佈較為對稱，使得刻蝕更加均勻且速率較為對稱，同時還能確保傳片門附近等離子體約束的可靠性。

本發明的基於上述等離子體約束元件的等離子體處理裝置在等離子體刻蝕過程中實現的控制方法，包含以下過程：

提供接地環4，接地環4被配置為設有接地遮罩環101的U型結構；

提供等離子體約束環6，使其與接地環4結合以配置成等離子體約束元件，等離子體約束元件與反應腔內的靜電夾盤115連接；接地環4包圍等離子體約束環6的三面，以使等離子體約束環被遮罩在接地環4之中；

射頻系統在反應腔內產生將反應氣體解離為等離子體的電場，等離子體約束組件在等離子體刻蝕過程中約束反應腔內的等離子體和射頻系統，並調節反應腔內的氣流；

靜電夾盤115上下移動以調整等離子體處理裝置的上下極板間距時，等離子體約束組件沿著反應腔的側壁方向上下移動，等離子體約束環6被遮罩，使得其與反應腔的側壁之間的電場不受傳片門的影響，等離子體約束環6的對地電容基本保持不變。

綜上所述，本發明的等離子體處理裝置通過等離子體約束元件，可將等離子體約束在一定的工作區域內，可以防止半導體基片表面雜質和污染，可以實現產生被約束在處理區域的更為穩定的等離子體。本發明通過等離子體約束環來約束等離子體，在等離子體刻蝕過程中用於腔內等離子體和射頻系統的約束以及腔內氣流的調節。本發明的等離子體約束元件中的U型結構接地環，使等離子體約束環被完全遮罩在接地環之中，從而使等離子體約束環的電容值在極板間距調節過程中保持不變。本發明的等離子體約束元件不僅可以確保極板間距調節刻蝕性能過程的一致性和穩定性，還能消除腔體傳片門對刻蝕性能的不對稱性因素，同時還能確保傳片門附近等離子體約束的可靠性。

儘管本發明的內容已經通過上述較佳實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容後，對於本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護範圍應由所附的申請專利範圍來限定。

2:傳片門 3:內襯 4:接地環 6:等離子體約束環 100:真空反應腔 101:接地遮罩環 110:基座 115:支撐靜電夾盤 120:待處理基片 125:排氣泵 145:射頻功率源 150:氣體噴淋裝置 160:氣體供應裝置 C1、C2、C3:電容為 Q1、 Q2:曲線

為了更清楚地說明本發明實施例或習知技術中的技術方案，下面將對實施例或習知技術描述中所需要使用的圖式進行簡單介紹，顯而易見的，下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對於本領域具有通常知識者來講，在不付出進步性勞動性的前提下，還可以根據這些圖式獲得其他的附圖。

圖1係繪示本發明基於有接地遮罩環的等離子體約束元件的等離子體處理裝置示意圖。

圖2係繪示本發明的有接地遮罩環的等離子體約束組件示意圖。

圖3係繪示本發明在有接地遮罩環的等離子體約束組件與無接地遮罩環的等離子體約束元件情況下的電容值隨著極板間距調節的變化的比較示意圖。

2:傳片門

3:內襯

4:接地環

6:等離子體約束環

100:真空反應腔

101:接地遮罩環

115:支撐靜電夾盤

C1、C2、C3:電容

Claims (11)

1. 一種用於等離子體處理裝置的等離子體約束元件，該等離子體處理裝置包括一反應腔，該反應腔內設置用於支撐一基片的一靜電夾盤，該等離子體約束元件位於該靜電夾盤和該反應腔的一側壁之間，該反應腔的該側壁上設有一傳片門，該等離子體約束組件能沿著該反應腔的該側壁方向上下移動；該等離子體約束組件包括一等離子體約束環與一接地環，該接地環設有一接地遮罩環，該接地遮罩環位於該等離子體約束環與該反應腔的該側壁之間，使該等離子體約束環被遮罩在該接地環中，以保護該等離子體約束環與該反應腔的該側壁之間的電場不受該傳片門的影響。
2. 如請求項1所述的等離子體約束元件，其中該接地環進一步包括位於該等離子體約束環下方的一水平接地環和位於該靜電夾盤與該等離子體約束環之間的一垂直接地環。
3. 如請求項2所述的等離子體約束元件，其中該垂直接地環與該靜電夾盤周邊設置的一邊緣環連接，該接地遮罩環與該水平接地環分別接地；該垂直接地環、該水平接地環和該接地遮罩環為一體設置。
4. 如請求項1至3項中任一項所述的等離子體約束元件，其中該接地環為一U型結構。
5. 如請求項2至3項中任一項所述的等離子體約束元件，其中該等離子體約束環位於該垂直接地環和該接地遮罩環之間，且該等離子體約束環位於該水平接地環上方，以使該接地環包圍該等離子體約束環的三面。
6. 如請求項1所述的等離子體約束元件，其中該接地遮罩環的上表面所在的水平方向的位置高於或等於該等離子體約束環的上表面所在的水平面。
7. 如請求項1所述的等離子體約束元件，其中該傳片門為該反應腔一側側壁上的一開口，用於將一晶圓在該反應腔內外之間傳輸。
8. 如請求項1所述的等離子體約束元件，其中該反應腔的側壁和該接地遮罩環之間設有一內襯，該內襯上設置與該傳片門相匹配的一開口。
9. 如請求項1所述的等離子體約束元件，其中該等離子體約束環和該反應腔的側壁之間的電場，與該接地遮罩環和該等離子體約束環之間的間距相匹配。
10. 一種等離子體處理裝置，包括一反應腔；該反應腔內的一下部設置有一靜電夾盤用於承載一基片並設置有一下極板，該反應腔內的一上部包含一上極板，其中該靜電夾盤與該反應腔的一側壁之間設有如請求項1至9項中任一項所述的等離子體約束組件；該靜電夾盤和其周邊設置的一邊緣環能上下移動以調整該等離子體處理裝置的該上下極板的間距，帶動該等離子體約束組件沿著該反應腔的該側壁方向上下移動；該等離子體約束組件包括一等離子體約束環與一接地環，該接地環設有一接地遮罩環，該接地遮罩環位於該等離子體約束環與該反應腔的該側壁之間，該等離子體約束環被遮罩在該接地環中，以保護該等離子體約束環與該反應腔的該側壁之間的電場不受該傳片門的影響。
11. 一種基於如請求項1至10項中任一項所述的等離子體約束元件的等離子體處理裝置的電容控制方法，該方法包含以下過程： 提供一接地環，該接地環被配置為設有一接地遮罩環的一U型結構； 提供一等離子體約束環，使其與該接地環結合以配置成該等離子體約束元件；該等離子體約束元件與該反應腔內的一靜電夾盤周邊設置的一邊緣環連接；該接地環包圍該等離子體約束環的三面，以使該等離子體約束環被遮罩在該接地環之中； 以一射頻系統在該反應腔內產生將一反應氣體解離為一等離子體的電場，該等離子體約束組件在一等離子體刻蝕過程中約束該反應腔內的該等離子體和該射頻系統，並調節該反應腔內的氣流； 當該靜電夾盤和其周邊設置的該邊緣環移動以調整該等離子體處理裝置的一上極板以及一下極板的間距時，該等離子體約束組件沿著該反應腔的一側壁方向上下移動，該等離子體約束環被遮罩，使得其與該反應腔的該側壁之間的電場不受一傳片門的影響，該等離子體約束環的對地電容基本保持不變。

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