TW202347418A - 用於等離子體處理設備的升降環結構 - Google Patents

Abstract

一種等離子體處理設備及其升降環結構，升降環結構設置在等離子體處理設備的反應腔中，通過將升降環結構射頻接地，使射頻場能夠到達升降環結構表面，有效提高了等離子體對升降環結構表面的轟擊頻率，降低了聚合物在升降環結構表面沉積的概率，同時提高了乾法清腔過程的清腔效率，減少了聚合物沉積。升降環結構射頻接地還提高了射頻接地組件和下電極的面積比，大大增加了同等功率條件下晶圓表面的鞘層電壓，提高了蝕刻速率。升降環結構中設置加熱器，使升降環結構具備可控加熱的能力，可以很大程度地降低聚合物在升降環結構表面的沉積概率，避免聚合物剝落造成的工藝缺陷，提高產品良率。

Description

用於等離子體處理設備的升降環結構

本發明涉及半導體設備領域，尤其涉及一種等離子體處理設備及其升降環結構。

如圖1所示，現有的等離子體蝕刻設備中，反應腔1’內部設置下電極2’，用於放置晶圓，反應腔1’的頂部設置的氣體噴淋頭作為上電極3’，將反應氣體輸入反應腔1’中。在射頻場的作用下，上電極3’和下電極2’之間產生等離子體4’，對晶圓進行蝕刻處理。反應腔1’的腔壁上設置傳送門5’以傳送晶圓，為了降低設置在反應腔1’上的傳送門5’帶來的流場不對稱效應，在傳送門5’和放電區域間（等離子體4’）安裝升降環6’。當需要傳送晶圓時，升降環6’升起，當需要對晶圓進行蝕刻工藝時，升降環6’落下。為了提高使用壽命，升降環6’使用的材料一般為石英，由於石英材質的升降環6’對地懸浮，使得射頻場基本不穿過升降環6’而大多分佈於上電極3’和下電極2’之間，極大地降低了蝕刻過程中的材料損耗。然而，在高深寬比的蝕刻製程中，通常需要用到高碳氟比的氣體以提高對光罩的選擇比，這種高碳氟比的蝕刻劑及蝕刻後的反應副產物很容易形成成分複雜的聚合物7’（polymer）沉積在腔壁上，尤其是在溫度較低的材料表面，如石英材質的升降環6’內側。由於射頻場主要集中於上電極3’和下電極2’之間，而在升降環6’表面幾乎沒有離子轟擊，導致沉積的聚合物7’難以被乾法清腔方式（dry clean）清除乾淨而產生了長時間的積累，最後聚合物7’容易剝落並掉落在晶圓上，造成工藝缺陷（defect），影響產品品質。

這裡的陳述僅提供與本發明有關的背景技術，而並不必然地構成現有技術。

為解決上述技術問題，本發明提供一種用於等離子體處理設備的升降環結構及等離子體處理設備，極大程度地降低了聚合物在升降環結構表面沉積的概率，避免聚合物剝落造成的工藝缺陷，提升了產品品質。

本發明提供一種用於等離子體處理設備的升降環結構，所述等離子體處理設備包含反應腔，所述升降環結構設置在所述反應腔內，所述升降環結構包含：導電基體；耐腐蝕塗層，其包覆在所述導電基體的表面；射頻接地組件，其一端與所述導電基體相連，另一端作為接地端接地；升降組件，與所述導電基體相連，用於驅動所述導電基體上下移動。

在一些實施例中，所述射頻接地組件為金屬彈片，所述金屬彈片的材料為鋁或銅。

在一些實施例中，所述射頻接地組件為波紋管。

在一些實施例中，所述的升降環結構還包含：加熱器和加熱引線，所述加熱器設置在所述導電基體內，所述加熱引線與所述加熱器相連，所述加熱引線位於所述波紋管內。

在一些實施例中，所述升降組件包含：升降桿和驅動機構，所述升降桿的一端連接所述導電基體，另一端與驅動機構相連。

在一些實施例中，所述加熱器的外部包裹絕緣材料層。

在一些實施例中，所述的升降環結構還包含：多個設置在所述導電基體上的溫度感測器，所述溫度感測器通過溫度感測器引線連接溫度控制器，所述溫度感測器引線位於所述波紋管內。

在一些實施例中，所述溫度感測器為熱電偶或光纖溫度感測器。

在一些實施例中，所述的升降環結構還包含：金屬墊圈，所述金屬墊圈設置在所述波紋管與所述導電基體之間，所述金屬墊圈還設置在所述波紋管與接地端之間，所述金屬墊圈位於大氣環境中。

在一些實施例中，所述的升降環結構還包含：密封圈，所述密封圈設置在所述波紋管與所述導電基體之間，所述密封圈還設置在所述波紋管與接地端之間，所述密封圈設置在所述金屬墊圈的週邊，所述密封圈位於真空環境中。

在一些實施例中，所述導電基體的頂部設有第一凹槽；所述升降組件還包含：設於所述第一凹槽內的絕緣內襯，所述絕緣內襯的頂部設有第二凹槽，所述升降桿置於所述第二凹槽內，且所述絕緣內襯將所述升降桿與導電基體之間隔離。

在一些實施例中，所述絕緣內襯採用低介電常數的剛性絕緣材料製成。

在一些實施例中，所述導電基體採用金屬材料製成。

在一些實施例中，所述耐腐蝕塗層的材料包含：氧化釔或者氟氧化釔。

在一些實施例中，在所述耐腐蝕塗層與導電基體之間還具有陽極氧化層。

本發明還提供一種等離子體處理設備，包含：反應腔，其具有腔壁和頂蓋；設置在反應腔底部的下電極；設置在反應腔頂部的上電極，所述上電極與下電極相對設置；以及所述的升降環結構，所述升降環結構環繞所述上電極，並可在垂直於頂蓋的方向上下移動。

在一些實施例中，所述射頻接地組件的接地端連接所述反應腔的頂蓋。

在一些實施例中，所述升降組件包含：密封組件，所述密封組件設置在所述升降桿與所述反應腔的頂蓋接觸的位置。

在一些實施例中，所述等離子體處理設備是電容耦合等離子體蝕刻設備。

與現有技術相比，本發明至少具有如下有益效果：

本發明提供的一種用於等離子體處理設備的升降環結構，通過將升降環結構射頻接地，使射頻場可以穿過升降環結構表面，有效提高了等離子體對升降環結構表面的轟擊頻率，降低了聚合物在升降環結構表面沉積的概率，同時提高了乾法清腔過程的清腔效率，減少了聚合物沉積。升降環結構射頻接地還提高了射頻接地組件和下電極的面積比，大大增加了同等功率條件下晶圓表面（位於功率極）的鞘層電壓，提高了蝕刻速率。

進一步地，升降環結構還包括加熱器，即具備了可控加熱導電基體的能力，使得升降環結構的溫度較高，能夠很大程度地降低聚合物在升降環結構表面的沉積概率，避免聚合物剝落造成的工藝缺陷。

以下根據圖2～圖5，具體說明本發明的較佳實施例。

如圖2所示，本發明提供一種電容耦合等離子體4蝕刻設備，該蝕刻設備的反應腔1包含腔壁102和頂蓋101，所述反應腔1的腔壁102上設置傳送門5以傳送晶圓8，所述反應腔1內部設置有下電極2，所述下電極2上放置晶圓8，所述下電極2的週邊設置等離子體約束環9，所述反應腔1頂蓋101處設置有氣體噴淋頭，所述氣體噴淋頭用於將外部氣體源中的反應氣體引入反應腔1內，所述氣體噴淋頭作為上電極3，分別在所述上電極3和下電極2上施加射頻電壓，在射頻場的作用下，上電極3和下電極2之間產生等離子體4，對晶圓8進行蝕刻處理。在所述上電極3和下電極2之間設置升降環結構6，所述升降環結構6靠近所述反應腔1的腔壁102，且所述升降環結構6可在所述上電極3和下電極2之間升降移動，當需要傳送晶圓8時，升降環結構6升起，露出傳送門5，便於晶圓8通過所述傳送門5進行傳送，當需要對已經放置在所述下電極2上的晶圓8進行蝕刻工藝時，所述升降環結構6下降，所述升降環結構6位於所述上電極3和所述等離子體約束環9之間，遮擋住所述傳送門5。

如圖3所示，在本發明的一個實施例中，所述升降環結構6包含導電基體601，利用升降組件實現所述導電基體601的上下升降運動，且所述導電基體601通過射頻接地組件接地。在本實施例中，所述導電基體601採用相對較輕的金屬材料製成，如鋁等，以提高其升降過程中的穩定性。將所述導電基體601射頻接地後，在升降環結構6與功率極（下電極2）之間會形成電場，吸引等離子體中的離子遷移轟擊方向，可以增強離子對導電基體601表面的轟擊，降低工藝過程中聚合物的附著概率，同時可以提高乾法清腔過程的清腔效率，以進一步減少聚合物沉積。所述導電基體601具有氧化表面602，所述氧化表面602包含陽極氧化層和位於所述陽極氧化層之上的耐腐蝕塗層，所述陽極氧化層採用陽極氧化的方式達到直流隔絕的目的，以防止等離子體4對地電弧放電，在陽極氧化層上再沉積一層耐腐蝕塗層，從而抵抗離子轟擊以提高使用壽命。在本實施例中，在鋁材質的導電基體601表面使用硬質陽極氧化（hard anodized）方式形成幾十微米到幾百微米厚的高密度氧化鋁層，在氧化鋁層的表面再用物理氣相沉積（PVD）或者等離子體噴塗（plasma spray）的方式沉積一層幾十微米厚的氧化釔層，作為耐腐蝕塗層，這樣形成的氧化表面602可以隔絕直流，同時對於射頻來說阻抗幾乎可以忽略，因而可以在導電基體601表面形成等離子體鞘層，增強導電基體601表面的離子轟擊，減少聚合物沉積，提高晶圓表面蝕刻速率。所述升降組件包含升降桿603和驅動機構（圖中未顯示），所述升降桿603的一端連接所述導電基體601，另一端穿過反應腔1的頂蓋101與驅動機構相連，用於驅動所述導電基體601沿垂直於晶圓8表面的方向上下移動。在所述升降桿603與所述反應腔1的頂蓋101接觸的位置處設置有密封組件619，以確保升降桿603運動過程中反應腔1中的密封性良好。所述升降組件還包含設置在所述導電基體601的頂部的第一凹槽604內的絕緣內襯605，所述絕緣內襯605的頂部設有第二凹槽606，所述升降桿603置於所述第二凹槽606內，可通過側向螺栓連接等方式將所述導電基體601、升降桿603和絕緣內襯605固定連接。所述絕緣內襯605採用低介電常數的剛性絕緣材料製成，以實現所述升降桿603與導電基體601之間的直流隔離和射頻隔絕，防止射頻沿絕緣內襯605和升降桿603匯出反應腔1外，即，能夠防止射頻洩露。本實施例中，所述射頻接地組件採用材料為鋁或銅的金屬彈片607，所述金屬彈片607的一端與所述導電基體601相連，另一端作為接地端連接至所述反應腔1的頂蓋101，以實現導電基體601接地的目的。金屬彈片607的彈性模量越大，剛性越強，越不容易發生變形，在隨著升降環結構6的升降擠壓過程中越容易發生斷裂，而金屬彈片607的彈性模量越小，剛性越弱，越容易發生變形，在變形後越不容易恢復原狀，所以在本實施例中，所述金屬彈片607具有較為適中的彈性模量，以防止多次升降形變產生不可逆性。

在本實施例中，升降環結構6採用射頻接地的金屬材料，且表面帶氧化層，增強了等離子體4對其表面的轟擊，降低了工藝過程中聚合物的附著概率，同時提高了乾法清腔過程的清腔效率，減少了聚合物沉積，增加了接地極（射頻接地組件）對射頻功率饋入極（下電極2）的比例，提高了蝕刻速率。

如圖4和圖5所示，在本發明的另一個實施例中，在圖3的升降環結構的基礎上，所述升降環結構6上還設置有加熱組件，以提高導電基體601的溫度，從而降低聚合物在導電基體601上的沉積概率。所述加熱組件包含設置在所述導電基體601內部的加熱器608和與加熱器608電連接的加熱引線610，在本實施例中，所述加熱器608可以採用壓鑄加熱環，如鑄鋁加熱環等，根據所述導電基體601的形狀和尺寸，可以在同一水平面上設置多個呈同心軸分佈的加熱環，還可以在豎直方向上設置多層加熱環，從而使得所述導電基體601可以被均勻加熱。所述加熱器608可以與所述導電基體601一體壓鑄成型，也可以是分體安裝。所述加熱器608的外部包裹絕緣材料層611，從而使所述加熱器608與所述導電基體601形成直流隔絕。所述加熱器608的接線柱617設置在所述導電基體601的頂部，加熱引線610從所述接線柱617引出，通過反應腔1的頂蓋101上的通孔連接至外部的加熱電源（圖中未顯示），所述加熱電源為所述加熱器608提供電能，實現對所述導電基體601的加熱。為了實現對所述導電基體601的均勻加熱和溫度調節，分別在所述導電基體601內部的不同位置設置多個溫度感測器612，溫度感測器引線613連接所述溫度感測器612，所述溫度感測器引線613通過反應腔1的頂蓋101上的通孔連接至外部的溫度控制器（圖中未顯示），本實施例中，所述溫度感測器612為熱電偶或光纖溫度感測器，所述溫度感測器612將探測到的溫度信號通過溫度感測器引線613回饋至溫度控制器，溫度控制器根據溫度信號調節所述加熱電源供應給所述加熱器608的加熱功率，從而調節所述導電基體601的溫度，以保證所述導電基體601的溫度均衡。由於所述加熱引線610和所述溫度感測器引線613的功率傳導和信號傳輸易受反應腔1中射頻場的干擾，因此在本實施例中改為使用波紋管609作為射頻接地組件，所述波紋管609通常採用金屬材質，如不銹鋼等，所述波紋管609的一端通過緊固件616固定連接至所述導電基體601的頂部，所述波紋管609的另一端通過緊固件616固定連接至所述反應腔1的頂蓋101，所述波紋管609完整地包覆住所述反應腔1頂蓋101上的通孔，從而將所述升降桿603、所述加熱引線610和所述溫度感測器引線613全部設置在所述波紋管609內。所述波紋管609除了可以滿足所述導電基體601的升降需求，還實現了所述導電基體601的射頻接地，更重要地，是對所述加熱引線610和所述溫度感測器引線613形成射頻隔絕，防止射頻外漏及干擾直流加熱輸出和溫控信號。在所述升降桿603運動過程中，為了確保所述反應腔1中的密封性良好，在所述波紋管609的兩端分別設置有密封圈615，即，將所述密封圈615設置在所述波紋管609與所述導電基體601之間，同時將所述密封圈615設置在所述波紋管609與所述反應腔1的頂蓋101之間，所述密封圈615隔絕了反應腔1中的真空環境和波紋管609內部的大氣環境，確保所述反應腔1頂蓋101上的通孔被良好地密封，保證了反應腔1的氣密性。為了確保所述波紋管609的射頻接地和射頻隔絕功能，在所述波紋管609的兩端分別設置有金屬墊圈614，即，將所述金屬墊圈614設置在所述波紋管609與所述導電基體601之間，同時將所述金屬墊圈614設置在所述波紋管609與所述反應腔1的頂蓋101之間，所述金屬墊圈614設置在所述密封圈615的內側，則所述金屬墊圈614位於波紋管609內部的大氣環境中，所述金屬墊圈614使所述波紋管609更緊密地接觸所述導電基體601和反應腔1的頂蓋101，增強了波紋管609的射頻接地功能，同時也增強了波紋管609的射頻隔絕功能。

本實施例中，除了通過將升降環結構6射頻接地來降低聚合物的附著概率，還通過設置加熱器608來提升升降環結構6的溫度，從而可以很大程度地降低聚合物在升降環結構6表面的沉積，避免聚合物剝落造成的工藝缺陷。

本發明提供的一種用於等離子體4處理設備的升降環結構6，通過將升降環結構6射頻接地，使射頻場可以穿過升降環結構6表面，有效提高了等離子體4對升降環結構6表面的轟擊頻率，降低了聚合物在升降環結構6表面沉積的概率，同時提高了乾法清腔過程的清腔效率，減少了聚合物沉積。升降環結構6射頻接地還提高了接地極（射頻接地組件）和功率極（下電極2）的面積比，大大增加了同等功率條件下晶圓8表面（位於功率極）的鞘層電壓，提高了蝕刻速率。另外，升降環結構6具備了可控加熱的能力，可以很大程度地降低聚合物在升降環結構6表面的沉積概率，避免聚合物剝落造成的工藝缺陷。

相應的，本發明還提供一種包括上述升降環結構6的等離子體4處理裝置，包含： 反應腔1，其具有腔壁102和頂蓋101； 設置在反應腔1底部的下電極2； 設置在反應腔1頂部的上電極3，所述上電極3與下電極2相對設置； 所述升降環結構6環繞所述上電極3，並可在垂直於頂蓋101的方向上下移動。

所述射頻接地組件的接地端連接所述反應腔1的頂蓋101。

所述升降組件包含：密封組件，所述密封組件設置在所述升降桿603與所述反應腔1的頂蓋101接觸的位置。

所述等離子體4處理設備是電容耦合等離子體4蝕刻設備。

通過將升降環結構6射頻接地，使射頻場可以穿過升降環結構6表面，有效提高了等離子體4對升降環結構6表面的轟擊頻率，降低了聚合物在升降環結構6表面沉積的概率，同時提高了乾法清腔過程的清腔效率，減少了聚合物沉積。升降環結構6射頻接地還提高了射頻接地組件和下電極2的面積比，大大增加了同等功率條件下晶圓表面（位於功率極）的鞘層電壓，提高了蝕刻速率。

需要說明的是，在本發明的實施例中，術語“中心”、“縱向”、“橫向”、“長度”、“寬度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“後”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”“內”、“外”、“順時針”、“逆時針”、“軸向”、“徑向”、“周向”等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述實施例，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語“第一”、“第二”、“第三”僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

在本發明中，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通或兩個元件的相互作用關係。對於本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

儘管本發明的內容已經通過上述優選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。

1’:反應腔 2’:下電極 3’:上電極 4’:等離子體 5’:傳送門 6’:升降環 7’:聚合物 1:反應腔 101:頂蓋 102:腔壁 2:下電極 3:上電極 4:等離子體 5:傳送門 6:升降環結構 601:導電基體 602:氧化表面 603:升降桿 604:第一凹槽 605:絕緣內襯 606:第二凹槽 607:金屬彈片 608:加熱器 609:波紋管 610:加熱引線 611:絕緣材料層 612:溫度感測器 613:溫度感測器引線 614:金屬墊圈 615:密封圈 616:緊固件 617:接線柱 619:密封組件 8:晶圓 9:等離子體約束環

圖1是先前技術的一種等離子體蝕刻設備的結構示意圖。

圖2是本發明提供的一種電容耦合等離子體蝕刻設備的結構示意圖。

圖3是本發明一個實施例中的升降環結構的剖面示意圖。

圖4是本發明另一個實施例中的升降環結構的剖面示意圖。

圖5是圖4的俯視圖。

101:頂蓋

601:導電基體

602:氧化表面

603:升降桿

605:絕緣內襯

608:加熱器

609:波紋管

610:加熱引線

611:絕緣材料層

612:溫度感測器

613:溫度感測器引線

614:金屬墊圈

615:密封圈

616:緊固件

617:接線柱

Claims (19)

1. 一種用於等離子體處理設備的升降環結構，所述等離子體處理設備包含反應腔，所述升降環結構設置在所述反應腔內，其中，所述升降環結構包含： 導電基體； 耐腐蝕塗層，其包覆在所述導電基體的表面； 射頻接地組件，其一端與所述導電基體相連，另一端作為接地端接地；以及 升降組件，與所述導電基體相連，用於驅動所述導電基體上下移動。
2. 如請求項1所述的升降環結構，其中，所述射頻接地組件為金屬彈片，所述金屬彈片的材料為鋁或銅。
3. 如請求項1所述的升降環結構，其中，所述射頻接地組件為波紋管。
4. 如請求項3所述的升降環結構，還包含：加熱器和與加熱器電連接的加熱引線，所述加熱器設置在所述導電基體內，所述加熱引線位於所述波紋管內。
5. 如請求項1所述的升降環結構，其中，所述升降組件包含：升降桿和驅動機構，所述升降桿的一端連接所述導電基體，另一端與驅動機構相連。
6. 如請求項4所述的升降環結構，其中，所述加熱器的外部包裹絕緣材料層。
7. 如請求項4所述的升降環結構，還包含：多個設置在所述導電基體上的溫度感測器，所述溫度感測器通過溫度感測器引線連接溫度控制器，所述溫度感測器引線位於所述波紋管內。
8. 如請求項7所述的升降環結構，其中，所述溫度感測器為熱電偶或光纖溫度感測器。
9. 如請求項3所述的升降環結構，還包含：金屬墊圈，所述金屬墊圈設置在所述波紋管與所述導電基體之間，所述金屬墊圈還設置在所述波紋管與接地端之間，所述金屬墊圈位於大氣環境中。
10. 如請求項9所述的升降環結構，還包含：密封圈，所述密封圈設置在所述波紋管與所述導電基體之間，所述密封圈還設置在所述波紋管與接地端之間，所述密封圈設置在所述金屬墊圈的週邊，所述密封圈位於真空環境中。
11. 如請求項5所述的升降環結構，其中，所述導電基體的頂部設有第一凹槽；所述升降組件還包含：設於所述第一凹槽內的絕緣內襯，所述絕緣內襯的頂部設有第二凹槽，所述升降桿置於所述第二凹槽內，且所述絕緣內襯將所述升降桿與導電基體之間隔離。
12. 如請求項11所述的升降環結構，其中，所述絕緣內襯採用低介電常數的剛性絕緣材料製成。
13. 如請求項1所述的升降環結構，其中，所述導電基體採用金屬材料製成。
14. 如請求項1所述的升降環結構，其中，所述耐腐蝕塗層的材料包含：氧化釔或者氟氧化釔。
15. 如請求項14所述的升降環結構，其中，在所述耐腐蝕塗層與導電基體之間還具有陽極氧化層。
16. 一種等離子體處理設備，其中，包含： 反應腔，其具有腔壁和頂蓋； 設置在反應腔底部的下電極； 設置在反應腔頂部的上電極，所述上電極與下電極相對設置；以及 如請求項1-15中任一項所述的升降環結構，所述升降環結構環繞所述上電極，並可在垂直於頂蓋的方向上下移動。
17. 如請求項16所述的等離子體處理設備，其中，所述射頻接地組件的接地端連接所述反應腔的頂蓋。
18. 如請求項16所述的等離子體處理設備，其中，所述升降組件包含：密封組件，所述密封組件設置在所述升降桿與所述反應腔的頂蓋接觸的位置。
19. 如請求項16所述的等離子體處理設備，其中，所述等離子體處理設備是電容耦合等離子體蝕刻設備。