TWI578369B - Plasma processing device and regulating method of plasma distribution - Google Patents

Description

電漿處理裝置及電漿分佈的調節方法

本發明涉及半導體加工設備及方法，特別涉及一種電漿處理裝置及應用該處理裝置的調節電漿分佈的方法。

電漿處理裝置被廣泛應用於各種半導體製造製程，例如沉積製程(如化學氣相沉積)、蝕刻製程(如乾蝕刻)等。以電漿蝕刻製程為例，第1圖繪示習知技術的一種電感耦合電漿蝕刻裝置的結構示意圖。反應腔室10頂部具有絕緣蓋板11，反應腔室10底部設置有用於夾持待處理基板W的靜電夾盤14，進氣單元12設置於反應腔室10的側壁絕緣蓋板11下方。絕緣蓋板11上設置電感耦合線圈13，線圈通過匹配器(圖中未示)與射頻源(圖中未示)連接，通過在線圈13中通入射頻電流產生交變的磁場，進而在反應腔室10內感應出電場，將通過進氣單元11進入反應腔室10的反應氣體電離生成電漿以對待處理基板W表面進行電漿處理。

然而，在實際應用中，使用上述的電漿裝置產生的的電漿密度的均勻性並不理想，所產生的電漿的密度具有邊緣區域高於中間區域的特徵分佈。而由於對基板進行電漿處理的速率與電漿密度分佈或者原子團分佈相關，最終會造成電漿處理製程不均勻的情況：例如，基板邊緣蝕刻或處理速率快，中間區域蝕刻或處理速率慢。這就容易造成整個基板範圍內元件特徵尺寸的不 一致，對半導體元件製造的製程控制及良率都有很大影響。因此，如何改善電漿處理裝置中電漿密度的均勻性是本領域具有通常知識者目前急需解決的技術問題。

因此，需要提供一種改進的電漿處理裝置，可改善電漿分佈的均勻性。

本發明的主要目的在於克服習知技術的缺陷，提供一種能夠獲得分佈較為均勻的電漿密度及原子團密度分佈的電漿處理裝置。

為達成上述目的，本發明提供一種電漿處理裝置，其包含反應腔室及驅動單元。其中，反應腔室包含：設於所述反應腔室內、用於載置待處理基板的基座；圍繞所述基板的外周側設置的可移動的組合式遮蔽環，其包含內環及外環，所述外環的內徑大於所述內環的內徑；以及複數個叉狀連桿，其上端分為內外兩個支桿，其中外側支桿的位置對應於所述外環，內側支桿的位置對應於所述內環；其中，每一所述支桿的頂端具有一支撐部，所述外側支桿的支撐部的高度大於所述內側支桿的支撐部的高度。所述驅動單元與所述叉狀連桿的下端連接，用於驅動所述叉狀連桿在第一位置及第二位置之間垂直移動；其中當所述叉狀連桿位於所述第一位置時，所述兩個支桿的支撐部均不與所述組合式遮蔽環接觸；當所述叉狀連桿上升至所述第二位置時，所述外環抵貼所述外側支桿的支撐部、所述內環抵貼所述內側支桿的支撐部。

較佳地，所述反應腔室還包含一定位元件，所述定位元件包含分別位於所述外環及內環中、供所述外側支桿及內側支桿的支撐部插入的凹陷部。

較佳地，所述反應腔室還包含一定位元件，所述定位元件包含分別自所述外側支桿及內側支桿的支撐部向上延伸的插針，以及分別位於所述外環及內環中、相應供所述外側支桿及內側支桿的插針插入的插槽；所述支撐部不可插入其對應的插槽。

較佳地，所述插槽為貫通槽或盲槽，當所述插槽為盲槽時，可插入該盲槽的所述插針的長度小於等於所述盲槽的槽深。

較佳地，當所述叉狀連桿位於所述第一位置時，所述外環及內環相互貼合而使所述組合式遮蔽環成為一體。

較佳地，當所述叉狀連桿位於所述第一位置時，所述組合式遮蔽環由所述基座或覆蓋所述基座的絕緣環支撐。

較佳地，所述外側支桿的支撐部的高度大於所述內側支桿的支撐部的3~200mm。

較佳地，當所述叉狀連桿位於所述第二位置時，所述內環的下表面位於所述基板的上表面上方5~20mm。

較佳地，所述組合式遮蔽環及所述叉狀連桿為抗電漿材料製成或表面具有抗電漿塗層。

根據本發明的另一方面，還提供了一種應用於上述電漿處理裝置的電漿分佈的調節方法，包含：將所述叉狀連桿由所述第一位置上升至所述第二位置，以將所述外環與內環的高度差調整為所述外側支桿與內側支桿的高度差；通過所述外環調節所述反應腔室內的製程氣體及其電漿的橫向分佈以及通過所述內環調節所述基板邊緣的電漿反應速率。

相較于習知技術，本發明的有益效果在於通過叉狀連桿的升降調節組合式遮蔽環中內環與外環的高度差，以分別利用外環調整製程氣體及其電漿的分佈而利用內環調整基板邊緣的電漿反應速率，最終使得基板表面電漿處理速率均勻。

10、20‧‧‧反應腔室

11、21‧‧‧絕緣蓋板

12、22‧‧‧進氣單元

13、23‧‧‧線圈

14‧‧‧靜電夾盤

24‧‧‧基座

25‧‧‧組合式遮蔽環

251‧‧‧內環

252‧‧‧外環

26‧‧‧叉狀連桿

261、262‧‧‧支桿

271、272‧‧‧插針

281、282‧‧‧插槽

30‧‧‧驅動單元

W‧‧‧基板

第1圖為習知技術的電漿處理裝置的結構示意圖；第2a圖為本發明一實施例的當叉狀連桿位於第一位置時電漿處理裝置的結構示意圖；第2b圖為本發明一實施例的當叉狀連桿位於第二位置時電漿處理裝置的結構示意圖；第3圖為本發明一實施例的電漿處理裝置中叉狀連桿及組合式遮蔽環的連接示意圖。

為使本發明的內容更加清楚易懂，以下結合說明書附圖，對本發明的內容作進一步說明。當然本發明並不局限於該具體實施例，本領域內的技術人員所熟知的一般替換也涵蓋在本發明的保護範圍內。

第2a圖及第2b圖是根據本發明一實施例的電漿處理裝置的結構示意圖。應該理解，本發明中的電漿處理裝置可以為電漿蝕刻、電漿物理汽相沉積、電漿化學汽相沉積、電漿表面清洗等裝置，電漿處理裝置僅僅是示例性 的，其可以包含更少或更多的組成元件，或該組成元件的安排可能與圖中所示相同或不同。

如圖所示，反應腔室20上方具有絕緣蓋板21，絕緣蓋板21通常為陶瓷介電材料。反應腔室20側壁靠近頂部處設有用於向反應腔室20內部輸入製程氣體的進氣單元22。反應腔室20底部設置有用於載置待處理基板W的基座24。在絕緣蓋板21的外側上方配置電感耦合線圈23，通過未圖示的射頻源向線圈23提供射頻電流在反應腔室20內感應出電場，以此對由進氣單元22引入到腔室內的製程氣體進行電離並產生電漿。此外，本實施例中，進氣單元22是形成在反應腔室20的側壁靠近絕緣蓋板處，但在其他實施例中其也可以是形成于絕緣蓋板中。反應腔室20內還設置有可移動的組合式遮蔽環25及複數個叉狀連桿26。組合式遮蔽環25圍繞基板W的外周側設置，包含內環251及外環252，外環252的內徑要大於內環251的內徑。外環252及內環251的內徑可以根據製程需要設計為均大於基板直徑、均小於基板直徑或外環252內徑大於基板直徑而內環251內徑小於基板直徑。由於組合式遮蔽環25在等離子處理過程中始終暴露於處理環境內，較佳採用抗電漿材料製成或具有抗電漿塗層，且以不易在腔室中產生污染為佳，抗電漿材料可以是導電材料如鋁，或介電材料如陶瓷或石英。本發明中所述的叉狀連桿26指的是上端分為兩個支桿、下端合併為一個支桿的形狀結構的連桿。本實施例中，叉狀連桿26的上端為內外兩個支桿261、262，其中外側支桿262的位置對應於外環252，內側支桿261的位置對應於內環251。每一個支桿的頂端都具有一個能夠支撐對應的外環或內環的支撐部，在本實施例中，支桿為柱形，支撐部即為柱形支桿的頂部水平面，在其他實施例中，支桿的截面形狀可以是T字形，那麼具有較大的頂部水平面作為支撐部。需要注意的 是，外側支桿的支撐部的高度要大於內側支桿的支撐部的高度，一般來說，兩者的高度差為3~200mm。驅動單元30與叉狀連桿26的下端連接，用於驅動叉狀連桿在第一位置及第二位置之間垂直移動。

第2a圖所示為叉狀連桿定位于第一位置時的示意圖，此時兩個支桿261、262的支撐部均不與組合式遮蔽環25相接觸，組合式遮蔽環較佳的是由基座或覆蓋基座的絕緣環支撐而鄰近基板W，此處的“絕緣環”可以是覆蓋環(cover ring)、遮蔽環(shadow ring)、聚焦環(focus ring)、邊緣環(edge ring)等等，並不對其加以限制。如前所述，當叉狀連桿26定位于第一位置時，外環252及內環251鄰近基板，此時，外環252及內環251既可以相互貼合而使組合式遮蔽環25成為一體，也可以設置外環252內徑大於內環251外徑，內外環之間設置一定距離。設計時需注意避免聚合物在內外環間隙之間的聚積。如圖所示，本實施例中內環251的外徑與外環252的內徑相等，因此外環252的內周面與內環521的外周面彼此貼合，此時的組合式遮蔽環僅起到調節基板邊緣的電漿處理速率的作用或不起作用。此外，第2a圖中叉狀連桿26是可移動地穿設在基座24中，但對應於基座24的不同結構，叉狀連桿26也可以是可移動地穿設於環繞設置在基座周圍的絕緣環中，或暴露在腔室20內。

第2b圖所示為叉狀連桿上升至第二位置時的示意圖，此時外環252抵貼外側支桿262的支撐部、內環251則抵貼內側支桿261的支撐部，由此將外環252及內環251之間的高度差擴大為外側支桿262及內側支桿261之間的高度差。此時，內環251的上表面位於基板W的上表面上方5~20mm，起到阻擋部分電漿，從而可起到調節基板附近電漿密度、減小基板邊緣反應速率的作用。而由於外環252在外側支桿262的支撐下，高度要遠大於內環251的高度，此時外環 252用於對注入反應腔室內的製程氣體進行橫向阻擋，將製程氣體向反應腔中心區域引導，同時對製程氣體解離生成的電漿的分佈加以橫向約束，避免了製程氣體在反應腔室內未完全解離成電漿即被抽排至反應腔室外部的問題，同時降低了反應腔室邊緣區域的製程氣體及電漿分佈密度，提高了中心區域的電漿分佈密度，提高了基板W表面電漿的分佈均勻度。進一步地，製程氣體及其電漿通過外環252後向下擴散，在基板W附近再次被內環251約束，從而調節基板邊緣的製程氣體及其電漿分佈密度，最終使得基板W整個表面的反應速率均勻。此外，由於叉狀連桿26定位于第二位置時大部分暴露於電漿中，因此較佳的叉狀連桿也採用抗電漿材料製成或表面具有抗電漿材料的塗層，且以不易在腔室中產生污染為佳，抗電漿材料可以是導電材料如鋁，或介電材料如陶瓷或石英。

在第2a圖及2b所示的實施例中，內側支桿261及外側支桿262的支撐部均為其頂部水平面，為使叉狀連桿26垂直移動過程中保持外環252及內環251的穩定定位，防止滑移或抖動，較佳的在反應腔室內還設置一定位組件，用於在叉狀連桿26上升過程中，加強外側/內側支桿的支撐部對外環/內環支撐的穩定性。請繼續參考第3圖，定位元件包含分別自外側支桿262及內側支桿261的支撐部向上延伸的插針272、271，以及分別位於外環252及內環251中、相應供外側支桿及內側支桿的插針272、271插入的插槽282、281。插槽的尺寸與其對應插針的尺寸相匹配。需要注意的是，支撐部是不可插入其對應的插槽中的，如尺寸大於插槽的尺寸，從而可使內外環穿過對應的插針而卡合在對應的支撐部上。本實施例中，插槽282、281為貫通槽，插入內環插槽281的插針271的高度應小於外側支桿及內側支桿的支撐部的高度差，以避免當叉狀連桿上升至第二位置時插針271與外環發生干涉或插入到外環內影響外環的約束作用。當然插槽 281、282也可以是盲槽(即不貫通槽)，只要插針的長度小於等於對應的盲槽的深度，同樣可藉由插槽與插針的配合將內外環穩定定位在相應的支桿的支撐部上。此外，在其他實施例中，定位組件也可是分別位於外環252及內環251中、供外側支桿262及內側支桿261的支撐部插入的凹陷部，凹陷部的尺寸與對應的支撐部的尺寸相匹配。通過在叉狀連桿上升至第二位置時，支撐部嵌入到相應的凹陷部來實現內外環的穩固定位。

通過上述的電漿處理裝置，可以根據製程需要對反應腔室內的的電漿分佈予以調節，具體步驟如下：

首先，將叉狀連桿由第一位置上升至第二位置，將外環與內環的高度差調整為外側支桿與內側支桿的高度差。然後通過外環來調節反應腔室內的製程氣體及其電漿的橫向分佈，通過內環調節基板邊緣的電漿反應速率。

綜上所述，本發明的電漿處理裝置，利用組合式遮蔽環及叉狀連桿的配合，可將組合式遮蔽環的內環及外環定位於不同高度，由此在電漿處理製程中以外環調整反應腔室內製程氣體及其電漿的分佈而利用內環的遮蔽進一步調整基板邊緣的電漿反應速率，使對應的基板中心區域及邊緣區域的電漿密度均勻分佈，進而使電漿對基板的處理更均勻。

雖然本發明已以較佳實施例揭示如上，然所述諸多實施例僅為了便於說明而舉例而已，並非用以限定本發明，本領域的技術人員在不脫離本發明精神及範圍的前提下可進行許多更動與潤飾，本發明所主張的保護範圍應以申請專利範圍所述為準。

20‧‧‧反應腔室

21‧‧‧絕緣蓋板

22‧‧‧進氣單元

23‧‧‧線圈

24‧‧‧基座

25‧‧‧組合式遮蔽環

251‧‧‧內環

252‧‧‧外環

26‧‧‧叉狀連桿

261、262‧‧‧支桿

30‧‧‧驅動單元

W‧‧‧基板

Claims (10)

1. 一種電漿處理裝置，包含：一反應腔室，其包含：用於載置待處理的一基板的一基座，設於該反應腔室內；可移動的一組合式遮蔽環，圍繞該基板的外周側設置，其包含一內環及一外環，該外環的內徑大於該內環的內徑；以及複數個叉狀連桿，其上端分為內外兩個支桿，其中外側支桿的位置對應於該外環，內側支桿的位置對應於該內環；其中，每一該支桿的頂端具有一支撐部，該外側支桿的該支撐部的高度大於該內側支桿的該支撐部的高度；一驅動單元，與該叉狀連桿的下端連接，用於驅動該叉狀連桿在一第一位置及一第二位置之間垂直移動，其中當該叉狀連桿位於該第一位置時，兩個該支桿的支撐部均不與該組合式遮蔽環接觸；當該叉狀連桿上升至該第二位置時，該外環抵貼該外側支桿的該支撐部、該內環抵貼該內側支桿的該支撐部。
2. 如申請專利範圍第1項所述的電漿處理裝置，其中該反應腔室還包含一定位元件，該定位元件包含分別位於該外環及該內環中、供該外側支桿及該內側支桿的該支撐部插入的凹陷部。
3. 如申請專利範圍第1項所述的電漿處理裝置，其中該反應腔室還包含一定位元件，該定位元件包含分別自該外側支桿及該內側支桿的該支撐部向上延伸的插針，以及分別位於該外環及內環中、相應供該外側支桿及該內側支桿的該插針插入的插槽；該支撐部不可插入其對應的插槽。
4. 如申請專利範圍第3項所述的電漿處理裝置，其中該插槽為貫通槽或盲槽，當該插槽為該盲槽時，可插入該盲槽的該插針的長度小於等於該盲槽的槽深。
5. 如申請專利範圍第1項所述的電漿處理裝置，其中當該叉狀連桿位於該第一位置時，該外環及該內環相互貼合而使該組合式遮蔽環成為一體。
6. 如申請專利範圍第3項所述的電漿處理裝置，其中當該叉狀連桿位於該第一位置時，該組合式遮蔽環由該基座或覆蓋該基座的絕緣環支撐。
7. 如申請專利範圍第1項所述的電漿處理裝置，其中該外側支桿的該支撐部的高度大於該內側支桿的該支撐部的高度3~200mm。
8. 如申請專利範圍第1項所述的電漿處理裝置，其中當該叉狀連桿位於該第二位置時，該內環的上表面位於該基板的上表面上方5~20mm。
9. 如申請專利範圍第1項所述的電漿處理裝置，其中該組合式遮蔽環及該叉狀連桿為抗電漿材料製成或表面具有抗電漿塗層。
10. 一種電漿分佈的調節方法，應用於如申請專利範圍第1項至第9項中任一項所述的電漿處理裝置，其包含：將該叉狀連桿由該第一位置上升至該第二位置，以將該外環與該內環的高度差調整為該外側支桿與該內側支桿的高度差； 藉由該外環調節該反應腔室內的製程氣體及其電漿的橫向分佈以及藉由該內環遮擋晶圓邊緣的電漿來調節該基板的邊緣的電漿反應速率。