TW202307907A - 等離子體處理裝置、下電極組件及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

一種等離子體處理裝置、下電極組件及其形成方法，其中，下電極組件包括：基座，用於承載待處理基片；聚焦環，環繞於所述基座的外圍；耦合環，設於所述聚焦環下方；導電層，設於所述耦合環內；導線，用於電連接所述導電層與基座，使所述基座與導電層之間等電位。所述下電極組件不易發生電弧放電。

Description

等離子體處理裝置、下電極組件及其形成方法
本發明涉及半導體領域，尤其涉及一種等離子體處理裝置、下電極組件及其形成方法。
等離子體處理裝置包括：真空反應腔；下電極組件，位於所述真空反應腔內的基座，所述下電極組件用於承載待處理基片。所述等離子體處理裝置的工作原理是在真空反應腔中通入含有適當蝕刻劑源氣體的反應氣體，然後再對該真空反應腔進行射頻能量輸入，以激勵反應氣體，來激發和維持等離子體，所述等離子體用於對待處理基片進行處理。
隨著半導體器件的集成度不斷提高，蝕刻尺寸越來越小，相應的要求所施加的功率較高，這將使得現有的下電極組件易發生電弧放電。
本發明解决的技術問題是提供一種等離子體處理裝置、下電極組件及其形成方法，以防止所述下電極組件中的基座與耦合環之間發生電弧放電。
為解决上述技術問題，本發明提供一種下電極組件，包括：基座，用於承載待處理基片；聚焦環，環繞於所述基座的外圍；耦合環，設於所述聚焦環的下方；導電層，設於所述耦合環內；導線，用於電連接所述導電層與基座，使所述基座與導電層之間等電位。
可選的，所述基座包括平臺部和位於平臺部外圍的臺階部。
可選的，所述耦合環包括第一耦合部和第二耦合部，所述第一耦合部與所述平臺部的側壁相對，所述第二耦合部與臺階部的表面相對。
可選的，所述導電層設於所述第一耦合部和第二耦合部中的至少一個內，且所述導電層被所述第一耦合部或第二耦合部包裹。
可選的，所述導電層的材料為金屬、半導體材料或碳纖維。
可選的，所述導電層的材料與所述耦合環的材料相同，且所述導電層內具有摻雜離子，所述摻雜離子與耦合環材料的離子價態不同。
可選的，所述摻雜離子為金屬離子和無機離子中的至少一種；所述金屬離子包括鎳離子或者鎂離子；所述無機離子包括：碳離子、氮離子或者矽離子。
可選的，所述導電層的材料為碳纖維時，所述導電層夾在所述耦合環內，且所述耦合環暴露出導電層的端部。
可選的，所述導電層的頂部表面到耦合環的頂部表面的距離大於100微米小於所述耦合環的厚度。
相應的，本發明還提供一種等離子體處理裝置，包括：反應腔；上述下電極組件，位於所述反應腔內。
可選的，所述等離子體處理裝置為電容耦合等離子體處理裝置，還包括：安裝基板，位於所述反應腔的頂部；氣體噴淋頭，位於所述安裝基板的下方，且與下電極組件相對設置；射頻功率源，與所述氣體噴淋頭或者基座電連接；偏置射頻功率源，與所述基座電連接。
可選的，所述等離子體處理裝置為電感耦合等離子體處理裝置，還包括：絕緣窗口，位於所述反應腔頂部；電感線圈，位於所述絕緣窗口上方；射頻功率源，與所述電感線圈電連接；偏置射頻功率源，與所述基座電連接。
可選的，所述射頻功率源的功率範圍為大於4000瓦；所述偏置射頻功率源的功率為大於30000瓦。
相應的，本發明還提供一種下電極組件的形成方法，包括：提供基座，所述基座用於承載待處理基片，所述基座的外圍設置聚焦環，所述聚焦環的下方設置耦合環；在所述耦合環內設置導電層，所述導電層通過一導線與基座電連接，使所述基座與導電層之間等電位。
可選的，所述導電層和耦合環的形成方法包括：提供第一耦合件，所述第一耦合件包括待處理面；在所述待處理面的外圍設置遮罩層；以所述遮罩層為遮罩，在所述待處理面上形成導電層；形成所述導電層之後，去除所述遮罩層；去除所述遮罩層之後，在所述待處理面的外圍和導電層的表面形成第二耦合件；所述第二耦合件和第一耦合件構成所述耦合環。
可選的，所述導電層的形成製程為電化學製程，所述電化學製程包括：在所述待處理面刷銀漿並烘烤，形成銀層；所述銀層作為電極，電鍍形成所述導電層。
可選的，所述導電層的形成製程為濺射製程。
可選的，所述導電層的形成製程為製程，所述離子注入製程所注入的摻雜離子與耦合環材料的離子不同；所述離子注入製程所注入的摻雜離子與耦合環材料的離子不同。
可選的，所述導電層的材料為碳纖維；所述導電層和耦合環的方法包括：提供第一耦合件，所述第一耦合件包括待處理面；在所述待處理面形成導電層；在所述導電層的表面形成第二耦合件。
與現有技術相比，本發明實施例的技術方案具有以下有益效果：
本發明技術方案提供的等離子體處理裝置中，為了允許耦合環和基座之間的熱脹冷縮，所述耦合環與基座之間具有間隙。儘管所述耦合環與基座之間具有間隙，但是所述耦合環內設有導電層，且所述導電層通過導線與基座電連接，使得基座的電位與導電層的電位相等，那麽，所述基座與耦合環之間的電位差轉移至導電層與導電層上方耦合環之間的電位差。由於導電層上方耦合環內無間隙且耐擊穿性能較好，因此，所述導電層與導電層上方的耦合環之間不易發生放電。而所述導電層下方的耦合環與基座之間雖然存在間隙，但是兩者之間因為等電位，因此，所述耦合環與基座之間也不易發生電弧放電。
正如上述先前技術所述，現有耦合環與基座之間易發生電弧放電，為解决所述技術問題，本發明技術方案提供一種等離子體處理裝置、下電極組件及其形成方法，所述等離子體處理裝置能够降低耦合環與基座之間不易發生電弧放電。
為使本發明的上述目的、特徵和有益效果能够更為明顯易懂，下面結合附圖對本發明的具體實施例做詳細的說明。
圖1是本發明一種等離子體處理裝置的結構示意圖。
請參考圖1，等離子體處理裝置1包括：反應腔100；基座101，位於所述反應腔100內；靜電夾盤102，位於所述基座101上方，用於吸附待處理基片W；絕緣窗口107，位於所述反應腔100的頂部；電感線圈108，位於所述絕緣窗口107的上方。
在本實施例中，所述等離子體處理裝置1為電感耦合型等離子體反應裝置（ICP），所述等離子體處理裝置1還包括：射頻功率源109，射頻功率源109通過一射頻匹配網路將射頻電壓施加到電感線圈108上；偏置射頻功率源110，與所述基座101電連接。反應腔100側壁靠近絕緣窗口107的一端設置氣體注入口（圖中未示出），在其他實施例中也可以在絕緣窗口107的中心區域設置氣體注入口，氣體注入口用於將反應氣體注入反應腔100內，射頻功率源109的射頻功率驅動電感線圈108産生較強的高頻交變磁場，使得反應腔100內低壓的反應氣體被電離産生等離子體。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W的表面發生多種物理和化學反應，使得待處理基片W的表面的形貌發生改變，即完成蝕刻過程。其中，所述偏置射頻功率源110通過一射頻匹配網路將偏置射頻電壓施加到基座上，用於控制等離子體中帶電粒子的轟擊方向。
另外，所述等離子體處理裝置1還包括：設備板105，包圍所述基座101，所述設備板105包括底部平板和由底部平板兩端向上延伸的延伸板，所述底部平板位於所述基座101的下方，所述延伸板位於所述耦合環104的下方。所述延伸板內由控溫通道，用於對聚焦環103進行控溫。
圖2是本發明另一種等離子體處理裝置的結構示意圖。
請參考圖2，等離子體處理裝置2包括：反應腔200；基座201，位於所述反應腔200的底部；靜電夾盤202，位於所述基座201的上方，用於吸附待處理基片W；安裝基板206，位於所述反應腔200的頂部；氣體噴淋頭207，位於所述安裝基板206的下方，與基座201相對設置；氣體源205，與所述氣體噴淋頭207連通，用於向反應腔200內輸送反應氣體。
在本實施例中，所述等離子體處理裝置2為電容耦合等離子體反應裝置（CCP），其中，所述氣體噴淋頭207作為上電極，基座201作為下電極，所述上電極和所述下電極之間形成一反應區域。另外，所述等離子體處理裝置2還包括：射頻功率源，與所述氣體噴淋頭207或者基座201電連接；偏置射頻功率源，與所述基座201電連接，在此以所述射頻功率源和偏置射頻功率源均與基座201相連為例進行說明。
所述射頻功率源通過一匹配網路施加到所述上電極或下電極之一，在所述上電極和所述下電極之間産生射頻電場，用以將反應氣體解離為等離子體，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W的表面發生多種物理和化學反應，使得待處理基片W表面的形貌發生改變，即完成蝕刻過程。真空反應腔100的下方還設置一排氣泵（圖中未標出），用於將反應副産物排出反應腔100，以維持反應腔100的真空環境。
所述等離子體處理裝置中等離子體的密度分布與待處理基片W的蝕刻速率成正比，等離子體的密度越高蝕刻速率越高，等離子體的密度越低蝕刻速率越低。由於等離子體氣流作用，待處理基片中心區域的等離子體密度減小，待處理基片邊緣部分的等離子體密度增大，導致待處理基片表面中心區域蝕刻速率下降，邊緣部分蝕刻速率上升，導致待處理基片蝕刻速率不均勻。
為解决上述問題，以圖1為例進行示意性說明，在所述待處理基片W的外圍設置聚焦環103，相當於向外擴大了待處理基片W的半徑，使得聚焦環103上方産生和待處理基片W上方相同條件的等離子體，有效地將待處理基片W上方的等離子體分布邊緣延展到聚焦環103的外側壁，增大了等離子體的分布範圍，拓寬了待處理基片W表面上等離子體的密度分布曲線，使待處理基片W上等離子體的密度分布趨於平緩，則待處理基片W上的等離子體密度分布更加均勻化，有利於保證邊緣區域和中心區域蝕刻製程的均勻性。
在所述聚焦環103與基座101之間設置耦合環104，是為了填充所述聚焦環103與基座101之間的間隙，防止所述聚焦環103與基座101之間發生電弧放電。
另外，隨著半導體器件集成度的不斷提高，半導體器件的蝕刻尺寸越來越小，這就要求所施加的射頻功率源的功率和偏置功率源的功率較高。而施加的射頻功率源的功率和偏置功率源的功率較高，具體，所述射頻功率源的功率範圍為大於4000瓦；所述偏置射頻功率源的功率為大於30000瓦，使得基座101與耦合環104之間易發生電弧放電。本發明通過在所述耦合環104內設置導電層106，所述導電層106與基座101電連接以降低耦合環104與基座101之間發生電弧放電，如下進行詳細說明：
圖3是圖1中區域A的局部放大圖。
請參考圖1和圖3，所述基座101（請見圖1）包括平臺部101b和位於平臺部101b（請見圖3）外圍的臺階部101a（請見圖3），所述耦合環104包括第一耦合部和第二耦合部，所述第一耦合部與所述平臺部101b的側壁相對，所述第二耦合部與臺階部101a的表面相對。
所述基座101的材料為鋁合金，所述耦合環104的材料為介電材料，例如：陶瓷或者石英，具體的如：氧化鋁或者氧化釔。一方面，為了允許耦合環104和基座101的熱脹冷縮，所述耦合環104與基座101之間具有間隙；另一方面，所述耦合環104與基座101之間的配合難以做到絕對嚴密，使得所述耦合環104與基座101之間存在間隙。
另外，所述述基座101的電位與耦合環104的電位不同。儘管所述基座101與所述耦合環104之間的電位不同，但是，所述耦合環104內設置有導電層106（見圖1），且所述導電層106與基座101通過導線150電連接，使得導電層106的電位與基座101的電位相等，則所述基座101與耦合環104之間的電位差轉移至所述導電層106與導電層106上方的耦合環104頂部之間的電位差。由於所述導電層106位於所述耦合環104內，因此，儘管所述導電層106與耦合環104的頂部存在電位差，但是導電層106上方耦合環104內因無間隙且耐擊穿性能較好，因此，所述導電層106與耦合環104之間不易發生電弧放電。並且，儘管所述基座101與導電層106之間存在間隙，但是所述基座101與導電層106之間的電位差相等，因此，基座101與導電層106之間也不易發生電弧放電。
在本實施例中，所述基座101（請見圖1）包括平臺部101b和位於平臺部101b（請見圖3）外圍的臺階部101a（請見圖3），所述耦合環104包括第一耦合部和第二耦合部，所述第一耦合部與所述平臺部101b的側壁相對，所述第二耦合部與臺階部101a的表面相對，所述第一耦合部內設有第一導電層106b，所述第二耦合部內設於第二導電層106a，所述導電層106包括第一導電層106b和第二導電層106a。其中，所述第一導電層106b和第二導電層106a端部可相連，也可相互分立。
在其它實施例中，僅在所述第一耦合部內設置第一導電層，或者，僅在所述第二耦合部內設置第二導電層。
在其它實施例中，所述基座為板材結構，所述基座不具有臺階，所述耦合環位於聚焦環下方，所述耦合環內設於所述導電層。
在一種實施例中，所述導電層106的材料為金屬，例如：銅或鎳。採用金屬作為導電層106的好處在於：由於所述導電層106和後續導線都是金屬，因此，焊接兩者較容易。
在另一種實施例中，所述導電層106的材料為碳纖維、半導體材料，或者石墨層。
在又一種實施例中，所述導電層的材料與耦合環的材料相同，但是，所述導電層中摻雜離子與耦合環材料中的離子價態不同，所述摻雜離子包括金屬離子和無機離子中的至少一種，所述金屬離子包括鎳離子或者鎂離子；所述無機離子包括：碳離子、氮離子或者矽離子。由於所述摻雜離子的離子價態與耦合環材料的離子價態不同，因此，所述摻雜離子使得其所在的耦合環位置具有較好的導電性能，可作為所述導電層。
所述導電層106的頂部表面到耦合環104的頂部表面的距離大於100微米小於所述耦合環104的厚度，使得所述導電層106不僅能够被耦合環104包裹，還能够使得導電層106上方覆蓋的耦合環104的厚度不至於過薄，保證所述耦合環104上方不易被擊穿。
以下對下電極組件的形成方法進行詳細說明：
圖4是本發明下電極組件形成方法的製程流程圖。
請參考圖4，步驟S1：提供基座，所述基座用於承載待處理基片，所述基座的外圍設置聚焦環，所述聚焦環下方設置耦合環；步驟S2：在所述耦合環內設置導電層，所述導電層通過一導線與基座電連接。
如下具體說明如何形成所述導電層：
圖5至圖7是本發明形成下電極組件各步驟的結構示意圖。
請參考圖5，提供第一耦合件300，所述第一耦合件300包括待處理面B；在所述待處理面B的外圍設置遮罩層301。
所述第一耦合件300的材料為介電材料，例如可以為陶瓷或者石英，具體如：氧化鋁或者氧化釔。所述第一耦合件300與後續第二耦合件構成所述耦合環。
所述遮罩層301內具有遮罩開口，所述遮罩開口暴露出所述待處理面B的中心區域，所述遮罩開口用於定義後續導電層的位置。所述遮罩層301位於所述待處理面B的外圍，使得後續形成的導電層不覆蓋於所述第一耦合件300的外圍而是位中心區域，使得所述導電層能够被完全包圍不被露出，有利於防止金屬污染。
請參考圖6，以所述遮罩層301為遮罩，形成所述導電層302。
在一種實施例中，所述導電層302的形成製程為電化學製程，所述電化學製程包括：在所述待處理面刷銀漿並烘烤，形成銀層；所述銀層作為電極，電鍍形成所述導電層。
在另一種實施例中，所述導電層302的形成製程為濺射製程，利用濺射製程在所述待處理面B的中心區域形成所述導電層302。
請參考圖7，形成所述導電層302之後，去除所述遮罩層301 ；去除所述遮罩層301之後，在所述待處理面B的外圍和導電層302的表面形成所述第二耦合件303，所述第二耦合件303包圍所述導電層302。
去除所述遮罩層301，暴露於所述待處理面B的外圍區域和導電層302的側壁，後續形成的第二耦合件303包圍所述導電層302，使所述導電層302完全被第一耦合件300和第二耦合件303包圍，有利於防止金屬污染。
圖8為本發明另一種形成下電極組件的結構示意圖。
與上述實施例相同，提供第一耦合件400，所述第一耦合件400包括待處理面；在所述待處理面的外圍形成遮罩層401。
請參考圖8，以所述遮罩層401為遮罩，採用離子注入製程在部分所述第一耦合件400內形成導電層402。
以所述遮罩層401為遮罩，向所述第一耦合件400內注入摻雜離子。所述摻雜離子包括金屬離子和無機離子中的至少一種，所述金屬離子包括鎳離子或者鎂離子；所述無機離子包括：碳離子、氮離子或者矽離子。
通過控制注入摻雜離子的能量可調節注入深度，從而决定所形成導電層402的厚度。通過離子注入製程形成所述導電層402的好處在於：採用離子注入製程形成的導電層402與第一耦合件400之間不存在界面，不會發生分層現象。
形成所述導電層402之後，還包括：去除所述遮罩層401；去除所述遮罩層401之後，在所述導電層402和第一耦合件400的外圍區域形成第二耦合件，所述第二耦合件包圍所述導電層402。所述第二耦合件包圍所述導電層402，使所述導電層402完全被第一耦合件400和第二耦合件包圍，有利於防止金屬污染。
圖9至圖11為本發明又一種形成下電極組件各步驟的結構示意圖。
請參考圖9，提供第一耦合件500，所述第一耦合件500包括待處理面C。
請參考圖10，在所述待處理面C上形成導電層501。
在本實施例中，所述導電層501的材料為碳纖維，由於碳纖維暴露在等離子體環境中不會帶來金屬污染，因此無需額外借助於遮罩層使後續第二耦合件包圍導電層501，因此，有利於簡化製程步驟，降低製程成本。
請參考圖11，在所述導電層501的表面形成第二耦合件502。
綜上，在所述耦合環內設置導電層，所述導電層通過導線與基座電連接，使得基座的電位與導電層的電位相等，那麽，所述基座與耦合環之間的電位差轉移至導電層與導電層上方耦合環之間的電位差。由於導電層上方耦合環內無間隙且耐擊穿性能較好，因此，導電層與導電層上方的耦合環之間不會發生放電，而所述導電層下方的耦合環與基座之間因為等電位，因此，所述耦合環與基座之間也不易發生電弧放電。
雖然本發明披露如上，但本發明並非限定於此。任何本案所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，均可作各種更動與修改，因此本發明的保護範圍應當以申請專利範圍所限定的範圍為準。
1,2:等離子體處理裝置 100,200:反應腔 101,201:基座 101a:臺階部 101b:平臺部 102,202:靜電夾盤 103:聚焦環 104:耦合環 105:設備板 106,302,402,501:導電層 106a:第二導電層 106b:第一導電層 107:絕緣窗口 108:電感線圈 109:射頻功率源 150:導線 205:氣體源 206:安裝基板 207:氣體噴淋頭 300,400,500:第一耦合件 301,401:遮罩層 303,502:第二耦合件 S1,S2:步驟 B,C:待處理面 W:待處理基片
圖1是本發明一種等離子體處理裝置的結構示意圖； 圖2是本發明另一種等離子體處理裝置的結構示意圖； 圖3是圖1中區域A的局部放大圖； 圖4是本發明下電極組件形成方法的製程流程圖； 圖5至圖7是本發明形成下電極組件各步驟的結構示意圖； 圖8為本發明另一種形成下電極組件的結構示意圖； 圖9至圖11為本發明又一種形成下電極組件各步驟的結構示意圖。
101a:臺階部
101b:平臺部
102:靜電夾盤
103:聚焦環
104:耦合環
105:設備板
106a:第二導電層
106b:第一導電層
150:導線
W:待處理基片

Claims (19)

  1. 一種下電極組件，其中，包括： 一基座，用於承載待處理基片； 一聚焦環，環繞於該基座的外圍； 一耦合環，設於該聚焦環的下方； 一導電層，設於該耦合環內；以及 一導線，用於電連接該導電層與該基座，使該基座與該導電層之間等電位。
  2. 如請求項1所述的下電極組件，其中，該基座包括一平臺部和位於該平臺部外圍的一臺階部。
  3. 如請求項2所述的下電極組件，其中，該耦合環包括一第一耦合部和一第二耦合部，該第一耦合部與該平臺部的側壁相對，該第二耦合部與該臺階部的表面相對。
  4. 如請求項3所述的下電極組件，其中，該導電層設於該第一耦合部和該第二耦合部中的至少一個內，且該導電層被該第一耦合部或該第二耦合部包裹。
  5. 如請求項4所述的下電極組件，其中，該導電層的材料為金屬、半導體材料或碳纖維。
  6. 如請求項4所述的下電極組件，其中，該導電層的材料與該耦合環的材料相同，且該導電層內具有一摻雜離子，該摻雜離子與該耦合環材料的離子價態不同。
  7. 如請求項6所述的下電極組件，其中，該摻雜離子為一金屬離子和一無機離子中的至少一種；該金屬離子包括鎳離子或者鎂離子；該無機離子包括：碳離子、氮離子或者矽離子。
  8. 如請求項1所述的下電極組件，其中，該導電層的材料為碳纖維時，該導電層夾在該耦合環內，且該耦合環暴露出該導電層的端部。
  9. 如請求項1所述的下電極組件，其中，該導電層的頂部表面到該耦合環的頂部表面的距離大於100微米小於該耦合環的厚度。
  10. 一種等離子體處理裝置，其中，包括： 一反應腔； 一如請求項1至請求項9任一項所述的下電極組件，位於該反應腔內。
  11. 如請求項10所述的等離子體處理裝置，其中，該等離子體處理裝置為電容耦合等離子體處理裝置，還包括：一安裝基板，位於該反應腔的頂部；一氣體噴淋頭，位於該安裝基板的下方，且與該下電極組件相對設置；一射頻功率源，與該氣體噴淋頭或者該基座電連接；一偏置射頻功率源，與該基座電連接。
  12. 如請求項10所述的等離子體處理裝置，其中，該等離子體處理裝置為電感耦合等離子體處理裝置，還包括：一絕緣窗口，位於該反應腔頂部；一電感線圈，位於該絕緣窗口上方；一射頻功率源，與該電感線圈電連接；一偏置射頻功率源，與該基座電連接。
  13. 如請求項11或12所述的等離子體處理裝置，其中，該射頻功率源的功率範圍為大於4000瓦；該偏置射頻功率源的功率為大於30000瓦。
  14. 一種如請求項1至請求項9任一項所述的下電極組件的形成方法，其中，包括： 提供一基座，該基座用於承載待處理基片，該基座的外圍設置一聚焦環，該聚焦環的下方設置一耦合環； 在該耦合環內設置一導電層，該導電層通過一導線與該基座電連接，使該基座與該導電層之間等電位。
  15. 如請求項14所述的下電極組件的形成方法，其中，該導電層和該耦合環的形成方法包括：提供一第一耦合件，該第一耦合件包括一待處理面；在該待處理面的外圍設置一遮罩層；以該遮罩層為遮罩，在該待處理面上形成一導電層；形成該導電層之後，去除該遮罩層；去除該遮罩層之後，在該待處理面的外圍和該導電層的表面形成一第二耦合件；該第二耦合件和該第一耦合件構成該耦合環。
  16. 如請求項15所述的下電極組件的形成方法，其中，該導電層的形成製程為電化學製程，該電化學製程包括：在該待處理面刷銀漿並烘烤，形成一銀層；該銀層作為電極，電鍍形成該導電層。
  17. 如請求項15所述的下電極組件的形成方法，其中，該導電層的形成製程為濺射製程。
  18. 如請求項15所述的下電極組件的形成方法，其中，該導電層的形成製程為一離子注入製程；該離子注入製程所注入的摻雜離子與該耦合環材料的離子不同。
  19. 如請求項14所述的下電極組件的形成方法，其中，該導電層的材料為碳纖維；該導電層和該耦合環的方法包括：提供一第一耦合件，該第一耦合件包括一待處理面；在該待處理面形成一導電層；在該導電層的表面形成一第二耦合件。
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