TW202201468A - 等離子體處理裝置及其約束環元件、接地環與工作方法 - Google Patents

Abstract

本發明公開一種等離子體處理裝置及其約束環元件、接地環與工作方法，反應腔內設置用於支撐基片的下電極元件，射頻功率源將射頻功率施加至下電極元件，反應腔還包括：等離子體約束環元件，環繞設置於下電極元件周邊，包括等離子體約束環和接地環；接地環在等離子體約束環下方，接地環包含內環和外環，內環電接地，內環通過中介軟體與外環連接，內環與等離子體約束環內側之間存在第一電容，外環與等離子體約束環外側之間存在第二電容，第一電容大於第二電容，使得射頻電流經由第一電容進入接地環的內環。本發明改變射頻回路局部路徑，解決等離子體約束環與接地環內環間出現的放電問題，可使用的射頻功率的範圍變寬；射頻回路穩定，機械加工簡單、方便。

Description

等離子體處理裝置及其約束環元件、接地環與工作方法

本發明涉及半導體加工的技術領域，特別涉及一種等離子體處理裝置及其約束環元件、接地環與工作方法。

目前在對半導體元件的製造過程中，經常使用電容耦合式等離子體處理裝置（CCP）來產生反應氣體的等離子體，對基片進行蝕刻等加工處理。

習知技術中，等離子體約束環通過電容的方式與接地環之間形成射頻通路，該射頻路徑是在接地環的外環位置處增大接觸面積使得形成電容，射頻電流會通過該電容導入接地環的外環，然後再流經中間輻條進入接地環的內環，這種方式適用於射頻回路完好且等離子體約束環與接地環之間無顯著電位差的情況。但是，出於射頻回路的穩定性和機械加工難度的考慮，接地環的內環和外環無法同時保證良好的接觸，一般接地環的內環與等離子體約束環之間會隔離一段距離且重疊面積很小，此時可忽略這部分電容貢獻；而同時接地環的外環與等離子體約束環間形成穩定的大電容以導通射頻回路。

但是隨著射頻腔的研發改進，在射頻隔離並不良好的情況下，比如需要使用可移動式下電極元件時，此時等離子體約束環因受到射頻場的影響會有顯著的射頻信號，電壓峰峰值高達上百伏。這種情況下，等離子體約束環與接地環的內環處的縫隙位置在一定氣壓的情況下容易造成放電（light up）現象，實際操作中也確實明顯發現了放電後產生的彩紋。再者，由於該放電問題，也會導致整個製程上可使用的射頻功率大小的範圍變窄。

本發明的目的在於提供一種等離子體處理裝置及其約束環元件、接地環與工作方法，通過控制接地環的內環與等離子體約束環內側之間的第一電容大於接地環的外環與等離子體約束環外側之間的第二電容，以使反應腔內的射頻電流經由第一電容進入接地環的內環，解決了現有技術中等離子體約束環與接地環內環間出現放電現象以及製程中可使用的射頻功率的範圍變窄的問題。

為了達到上述目的，本發明通過以下技術方案實現： 一種等離子體處理裝置，所述等離子體處理裝置包括一反應腔，所述反應腔內設置一用於支撐基片的下電極元件，一射頻功率源將射頻功率施加至所述下電極元件，所述反應腔還包括： 等離子體約束環元件，環繞設置於所述下電極元件周邊，包括等離子體約束環和接地環； 接地環，位於所述等離子體約束環下方，所述接地環包含靠近所述下電極元件的內環和靠近所述反應腔的側壁的外環，所述內環電接地，所述內環通過中介軟體與所述外環連接，所述內環與所述等離子體約束環的內側之間存在第一電容，所述外環與所述等離子體約束環的外側之間存在第二電容，所述第一電容大於所述第二電容以使得所述反應腔內的射頻電流經由所述第一電容進入所述接地環的內環。

較佳地，所述反應腔內包括一上電極元件，所述上電極元件與所述下電極元件相對設置，用以形成一反應區域。

較佳地，所述內環與所述等離子體約束環的內側底面之間的距離小於所述外環與所述等離子體約束環的外側底面之間的距離；和/或，所述內環與所述等離子體約束環的內側底面之間的相對面積大於所述外環與所述等離子體約束環的外側底面之間的相對面積。

較佳地，所述內環與所述等離子體約束環的內側底面相接觸，所述外環與所述等離子體約束環的外側底面之間的距離大於0。

較佳地，所述內環的頂端高於所述外環的頂端；和/或，所述等離子體約束環的內側的底端低於所述等離子體約束環的外側的底端。

較佳地，所述內環通過螺釘與所述等離子體約束環固定連接。

較佳地，內環、中介軟體、外環為一體製成或者為依次連接的獨立部分。

較佳地，內環、中介軟體和外環由導電材料製成。

較佳地，射頻功率形成的射頻電流回路包含第一射頻回路和第二射頻回路；所述第一射頻回路至少包含：射頻功率從所述下電極元件，通過電容耦合到反應腔內的上電極元件，並經反應腔的側壁至所述接地環的外環和內環實現接地；所述第二射頻回路至少包含：射頻功率從所述下電極元件，通過電容耦合到所述等離子體約束環，並經第一電容耦合至所述接地環的內環，實現接地。

較佳地，射頻功率形成的射頻電流回路還包含第三射頻回路；所述第三射頻回路至少包含：射頻功率從所述下電極元件，通過電容耦合到反應腔內的等離子體約束環，並依次經過接地環的外環、中介軟體和內環，實現接地。

較佳地，所述第二射頻回路的射頻電流大於所述第三射頻回路的射頻電流。

較佳地，所述下電極元件包含可移動式的極板結構。

本發明還提供了一種用於等離子體處理裝置的等離子體約束環元件，包括等離子體約束環和位於所述等離子體約束環下方的接地環，所述接地環包括一內環、一外環和連接所述內環和外環的中介軟體，所述內環與所述等離子體約束環的內側底面相對設置，形成第一電容，所述外環與所述等離子體約束環的外側底面相對設置，形成第二電容，所述第一電容大於所述第二電容。

較佳地，所述內環的頂端高於所述外環的頂端。

較佳地，所述等離子體約束環的內側的底面低於所述等離子體約束環的外側的底面。

較佳地，所述內環與所述等離子體約束環的內側底面之間的相對面積大於所述外環與所述等離子體約束環的外側底面之間的相對面積。

本發明進一步地提供了一種用於等離子體處理裝置的接地環，所述接地環包括一內環、一外環和複數個連接所述內環和外環的中介軟體，所述內環的頂端高於所述外環的頂端和/或所述內環的頂端表面積大於所述外環的頂端表面積。

本發明又提供了一種等離子體處理裝置的工作方法，包括： 提供如上文所述的等離子體處理裝置； 提供射頻功率源，射頻功率源將射頻功率施加至所述等離子體處理裝置的反應腔內的下電極元件，所述下電極元件用於支撐基片； 提供等離子體約束環元件，使其環繞設置於所述下電極元件周邊，所述等離子體約束環元件包括等離子體約束環和接地環，所述接地環位於所述等離子體約束環下方； 所述接地環的內環與所述等離子體約束環的內側之間存在第一電容，所述接地環的外環與所述等離子體約束環的外側之間存在第二電容，控制所述第一電容大於所述第二電容，以使得所述反應腔內的射頻電流經由所述第一電容進入所述接地環的內環。

較佳地，射頻功率形成的射頻電流回路包含第一射頻回路和第二射頻回路；所述第一射頻回路至少包含：射頻功率從所述下電極元件，通過電容耦合到反應腔內的上電極元件，並經反應腔的側壁至所述接地環的外環和內環實現接地；所述第二射頻回路至少包含：射頻功率從所述下電極元件，通過電容耦合到所述等離子體約束環，並經第一電容耦合至所述接地環的內環，實現接地。

與習知技術相比，本發明的有益效果在於： （1）本發明通過控制接地環的內環與等離子體約束環內側之間的第一電容大於接地環的外環與等離子體約束環外側之間的第二電容，使反應腔內的射頻電流大部分經由第一電容進入接地環的內環，改變射頻回路的局部路徑，解決了等離子體約束環與接地環內環間出現的放電問題，且製程中可使用的射頻功率的範圍也相對變寬； （2）本發明等離子體處理裝置的反應腔內的射頻回路穩定，裝置的機械加工簡單、方便，特別適用等離子體處理裝置中下電極元件可上下移動的情況。

通過閱讀參照圖1～圖5所作的對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的特徵、目的和優點將會變得更明顯。參見示出本發明實施例的圖1～圖2，下文將更詳細的描述本發明。然而，本發明可以由許多不同形式實現，並且不應解釋為受到在此提出的實施例的限制。

如圖1所示，本發明提供了一種電容耦合式等離子體處理裝置CCP，由施加在下電極元件上的射頻功率源通過電容耦合的方式在反應腔內產生等離子體並用於蝕刻。等離子體處理裝置包含反應腔100，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101，反應腔側壁101上設置一開口102用於容納基片進出。

反應腔100內設置一上電極元件120和與上電極元件120相對設置的一下電極元件110，上電極元件120與一氣體供應裝置125相連，用於向真空反應腔輸送反應氣體。較佳地，上電極元件120為氣體噴淋頭。下電極元件110至少包含一基座1101和位於基座1101上方的靜電夾盤（未圖示），靜電夾盤用於支撐基片W。

如圖1和圖2所示，下電極元件110周邊環繞設置有聚焦環133及邊緣環134，聚焦環133和邊緣環134用於調節基片W周圍的電場或溫度分佈，提高基片W處理的均勻性。邊緣環134周邊還環繞設置有等離子體約束環132。本實施例中，至少一射頻功率源140通過匹配網路142將射頻功率施加到下電極元件110，並且射頻RF還通過電容耦合到反應腔100內的上電極元件120以及反應腔側壁101以及等離子體約束環132等周圍部件。上電極元件120與下電極元件110之間形成一反應區域，上電極元件120和下電極元件110之間產生射頻電場，用以將反應氣體解離為等離子體（Plasma），等離子體中含有大量的電子、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的表面發生多種物理和化學反應，使得基片W表面的形貌發生改變，即完成蝕刻過程。

等離子體約束環132上設有排氣通道，通過合理設置排氣通道的深寬比例，在實現將反應氣體排出的同時，避免將等離子體約束環132在上下電極元件之間的反應區域的等離子體洩露到非反應區域，造成非反應區域的部件損傷。

另外，由於距離基座1101上待處理基片W最近的等離子體約束環132的阻抗分佈會影響基座1101周圍的射頻電場分佈，進而影響等離子體的分佈和蝕刻效果的均一性，為了避免基座1101中的射頻電場傳播到等離子體約束環132下方，將已經恢復到中性的反應氣體再次點燃，形成二次等離子體並污染反應腔下方的內壁和排氣管道，同時等離子體約束環132上積累的大量電荷也需要導向接地端的導通管道，所以在等離子體約束環132下方設有接地環131，接地環131由導體製成並且電接地，這樣就能將射頻能量遮罩在接地環131上方，避免二次等離子體產生，同時導走等離子體約束環132上的積累電荷。

如圖2所示，接地環131包含內環201和外環202，內環201靠近下電極元件110，外環202靠近反應腔側壁101。接地環131的內環201電接地，內環201通過中介軟體203與外環202連接，內環201與等離子體約束環132的內側204之間存在第一電容C11，外環202與等離子體約束環132的外側205之間存在第二電容C21，第一電容C11大於第二電容C21，使得反應腔110內的耦合到等離子體約束環132上的射頻電流大部分會經由第一電容C11而進入接地環131的內環201，形成穩定電容導通射頻。因此，本發明的射頻電流可以避免必須要經過接地環131的外環202再流經中介軟體203到達接地環131的內環201，而是沿著等離子體約束環132下沿直接饋入到接地環131的內環201，解決了射頻引起的局部放電的問題，也使製程中可使用的射頻功率的範圍相對變寬，尤其在等離子體處理裝置中下電極元件可上下移動的情況下效果更為顯著，反應腔內的射頻回路穩定，裝置的機械加工簡單、方便。

為了使第一電容C11大於第二電容C21，本發明將內環201與等離子體約束環132的內側204底面之間的第一距離小於外環202與等離子體約束環132的外側205底面之間的第二距離，和/或，將內環201與等離子體約束環132的內側204底面之間的第一相對面積大於外環202與等離子體約束環132的外側205底面之間的第二相對面積。

本實施例中，內環201與等離子體約束環132的內側204底面相接觸，以儘量減少內環201與等離子體約束環132的內側204底面之間的第一距離，並且外環202與等離子體約束環132的外側205底面之間的距離大於0，控制第一距離小於第二距離，以保證第一電容C11大於第二電容C21。

如圖1-圖3結合所示，本發明的射頻功率形成的射頻電流回路包含第一射頻回路Loop1、第二射頻回路Loop2和第三射頻回路Loop3。所述第一射頻回路Loop1也稱主路徑。所述第二射頻回路Loop2和所述第三射頻回路Loop3稱局部路徑，一般地，主路徑的射頻電流大於局部路徑的射頻電流。

如圖1和圖4結合所示，該第一射頻回路Loop1包含：射頻功率從下電極元件110，通過電容耦合到反應腔內的上電極元件120，並經反應腔側壁101至接地環131的外環202和內環201實現接地。

如圖2和圖4結合所示，第二射頻回路Loop2包含：射頻功率從下電極元件110，通過電容耦合到等離子體約束環132，並經第一電容耦合至接地環131的內環201，直接實現接地。如圖3所示，第三射頻回路Loop3包含：射頻功率從下電極元件110，通過電容耦合到反應腔100內的等離子體約束環132，並依次經過接地環131的外環202、中介軟體203和內環201，實現接地。

示例地，本發明的局部路徑中的大部分射頻電流沿著等離子體約束環132下沿直接饋入到接地環131的內環201，則第二射頻回路Loop2的射頻電流大於第三射頻回路Loop3的射頻電流。

如圖4所示，在第一射頻回路Loop1中，C1和R1分別表示該射頻回路Loop1中的等離子體的等效電容和等效電阻，L1是指等離子體約束環132本身的等效電感；在第二射頻回路Loop2中，C2和R2分別表示該射頻回路Loop2中的等離子體的等效電容和等效電阻，C3是指內環201與等離子體約束環132的內側204之間的第一電容C11。與之相比的是，傳統方案中的射頻回路因必須要經過接地環的外環再流經中間輻條再到達接地環的內環，使得在傳統方案涉及的第二射頻回路中還存在與電容C3串聯的另外的等效電感，該另外的等效電感即是接地環的外環和接地環的內環之間存在的電感。因此，本發明的第二射頻回路要比傳統方案中的第二射頻回路要更加通暢，並且形成了更加穩定的電容導通射頻，相比現有技術具有顯著的進步。

圖5為本發明的一個實施例中基座上各位置的基片蝕刻效率（歸一化後）示意圖。由此可知，與習知技術相比，採用本發明的方法可以提高基片邊緣的等離子體分佈和蝕刻效率，本發明的等離子體分佈的均一性和基片蝕刻效果的均一性更高，基片的邊緣的蝕刻效果更接近於基片中心區域，尤其是在裝置的反應腔內的等離子體濃度較高時效果更為顯著。

較佳地，本發明的內環201通過螺釘與等離子體約束環132固定連接。

示例地，將內環201的頂端設成高於外環202的頂端，和/或，將等離子體約束環132的內側204的底端設成低於等離子體約束環132的外側205的底端，使得內環201與等離子體約束環132的內側204底面之間的第一距離小於外環202與等離子體約束環132的外側205底面之間的第二距離，則第一電容C11大於第二電容C21。

另一示例中，內環201的頂端表面積大於外環202的頂端表面積，以使內環201與等離子體約束環132的內側204底面之間的第一相對面積大於外環202與等離子體約束環132的外側205底面之間的第二相對面積，從而使第一電容C11大於第二電容C21。

如圖2所示，中介軟體203為一中間輻條，所述內環201、中介軟體203和外環203均由導電材料製成。內環201、中介軟體203、外環202可以是一體製成的，也可以是依次連接的獨立部分，本發明對此不做限制。

綜上所述，本發明通過改變等離子約束環的內外圈對應的電容大小，改變了射頻回路的局部路徑，解決了射頻引起的局部放電問題以及製程中的可使用的射頻功率大小的範圍變窄的問題，等離子體裝置的反應腔內的射頻回路穩定，裝置的機械加工簡單、方便。

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。在所屬技術領域中具有通常知識者閱讀了上述內容後，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。

100:反應腔 101:反應腔側壁 102:開口 110:下電極元件 1101:基座 120:上電極元件 125:氣體供應裝置 131:接地環 132:等離子體約束環 133:聚焦環 134:邊緣環 140:射頻功率源 142:匹配網路 201:內環 202:外環 203:中介軟體 204:等離子體約束環的內側 205:等離子體約束環的外側 C11:第一電容 C21:第二電容 RF:射頻 Loop1:第一射頻回路 Loop2:第二射頻回路 Loop3:第三射頻回路 W:基片

圖1為本發明的等離子體處理裝置示意圖； 圖2-圖3為本發明的等離子體約束元件的結構示意圖； 圖4為本發明的等離子體處理裝置的射頻回路示意圖； 圖5為本發明一個示例中的基座上各位置的基片蝕刻效率示意圖。

100:反應腔

101:反應腔側壁

102:開口

110:下電極元件

1101:基座

120:上電極元件

125:氣體供應裝置

131:接地環

132:等離子體約束環

133:聚焦環

134:邊緣環

140:射頻功率源

142:匹配網路

RF:射頻

Loop1:第一射頻回路

Loop2:第二射頻回路

W:基片

Claims (19)

1. 一種等離子體處理裝置，該等離子體處理裝置包括一反應腔，該反應腔內設置一用於支撐基片的下電極元件，一射頻功率源將射頻功率施加至該下電極元件，其中，該反應腔還包括： 一等離子體約束環元件，環繞設置於該下電極元件周邊，包括一等離子體約束環和一接地環； 該接地環，位於該等離子體約束環下方，該接地環包含靠近該下電極元件的一內環和靠近該反應腔的側壁的一外環，該內環電接地，該內環通過一中介軟體與該外環連接，該內環與該等離子體約束環的內側之間存在一第一電容，該外環與該等離子體約束環的外側之間存在一第二電容，該第一電容大於該第二電容以使得該反應腔內的射頻電流經由該第一電容進入該接地環的該內環。
2. 如請求項1所述的等離子體處理裝置，其中， 該反應腔內包括一上電極元件，該上電極元件與該下電極元件相對設置，用以形成一反應區域。
3. 如請求項1所述的等離子體處理裝置，其中， 該內環與該等離子體約束環的內側底面之間的距離小於該外環與該等離子體約束環的外側底面之間的距離； 和/或，該內環與該等離子體約束環的內側底面之間的相對面積大於該外環與該等離子體約束環的外側底面之間的相對面積。
4. 如請求項1所述的等離子體處理裝置，其中， 該內環與該等離子體約束環的內側底面相接觸，該外環與該等離子體約束環的外側底面之間的距離大於0。
5. 如請求項4所述的等離子體處理裝置，其中， 該內環的頂端高於該外環的頂端； 和/或，該等離子體約束環的內側的底端低於該等離子體約束環的外側的底端。
6. 如請求項4所述的等離子體處理裝置，其中， 該內環通過螺釘與該等離子體約束環固定連接。
7. 如請求項1所述的等離子體處理裝置，其中， 該內環、該中介軟體、該外環為一體製成或者為依次連接的獨立部分。
8. 如請求項1或7所述的等離子體處理裝置，其中， 該內環、該中介軟體和該外環由導電材料製成。
9. 如請求項1所述的等離子體處理裝置，其中， 射頻功率形成的射頻電流回路包含一第一射頻回路和一第二射頻回路； 該第一射頻回路至少包含：射頻功率從該下電極元件，通過電容耦合到該反應腔內的一上電極元件，並經該反應腔的側壁至該接地環的該外環和該內環實現接地； 該第二射頻回路至少包含：射頻功率從該下電極元件，通過電容耦合到該等離子體約束環，並經該第一電容耦合至該接地環的該內環，實現接地。
10. 如請求項9所述的等離子體處理裝置，其中， 射頻功率形成的射頻電流回路還包含一第三射頻回路； 該第三射頻回路至少包含：射頻功率從該下電極元件，通過電容耦合到該反應腔內的該等離子體約束環，並依次經過該接地環的該外環、該中介軟體和該內環，實現接地。
11. 如請求項10所述的等離子體處理裝置，其中， 該第二射頻回路的射頻電流大於該第三射頻回路的射頻電流。
12. 如請求項1所述的等離子體處理裝置，其中， 該下電極元件包含可移動式的極板結構。
13. 一種用於等離子體處理裝置的等離子體約束環元件，包括一等離子體約束環和位於該等離子體約束環下方的一接地環，其中， 該接地環包括一內環、一外環和連接該內環和該外環的一中介軟體，該內環與該等離子體約束環的內側底面相對設置，形成一第一電容，該外環與該等離子體約束環的外側底面相對設置，形成一第二電容，該第一電容大於該第二電容。
14. 如請求項13所述的等離子體約束環元件，其中， 該內環的頂端高於該外環的頂端。
15. 如請求項13所述的等離子體約束環元件，其中， 該等離子體約束環的內側的底面低於該等離子體約束環的外側的底面。
16. 如請求項13所述的等離子體約束環元件，其中， 該內環與該等離子體約束環的內側底面之間的相對面積大於該外環與該等離子體約束環的外側底面之間的相對面積。
17. 一種用於等離子體處理裝置的接地環，其中， 該接地環包括一內環、一外環和複數個連接該內環和該外環的中介軟體，該內環的頂端高於該外環的頂端和/或該內環的頂端表面積大於該外環的頂端表面積。
18. 一種等離子體處理裝置的工作方法，其中，包括下列步驟： 提供如請求項2~13中任一項所述的一等離子體處理裝置； 提供射頻功率源，射頻功率源將射頻功率施加至該等離子體處理裝置的一反應腔內的一下電極元件，該下電極元件用於支撐一基片； 提供一等離子體約束環元件，使其環繞設置於該下電極元件周邊，該等離子體約束環元件包括一等離子體約束環和一接地環，該接地環位於該等離子體約束環下方； 該接地環的一內環與該等離子體約束環的內側之間存在一第一電容，該接地環的一外環與該等離子體約束環的外側之間存在一第二電容，控制該第一電容大於該第二電容，以使得該反應腔內的射頻電流經由該第一電容進入該接地環的該內環。
19. 如請求項18所述的工作方法，其中， 射頻功率形成的射頻電流回路包含一第一射頻回路和一第二射頻回路； 該第一射頻回路至少包含：射頻功率從該下電極元件，通過電容耦合到該反應腔內的一上電極元件，並經該反應腔的側壁至該接地環的該外環和該內環實現接地； 該第二射頻回路至少包含：射頻功率從該下電極元件，通過電容耦合到該等離子體約束環，並經該第一電容耦合至該接地環的該內環，實現接地。

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