TWI611457B - 電漿處理設備、其清洗系統以及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本發明涉及一種電漿處理設備及其清洗系統和方法，在反應腔室的腔壁內側佈置移動環，並在移動環內設置電極；電極藉由切換開關與射頻電源連通，從而在由移動環限定的電漿擴散範圍的邊緣區域形成邊緣電漿；或者，電極藉由切換開關與接地電路連通，從而對反應腔室的腔壁遮罩形成在反應腔室內的射頻電場。本發明能夠增強腔室邊緣部件的清洗效果，或者實現對腔壁的射頻遮罩以改善刻蝕偏心的效果。

Description

電漿處理設備、其清洗系統以及控制方法
本發明涉及電漿處理領域，特別涉及一種電漿處理設備及其清洗系統和方法。
電漿處理設備，藉由向真空反應腔室引入含有適當刻蝕劑或澱積源氣體的反應氣體，然後再對該反應腔室施加射頻能量，以解離反應氣體生成電漿，用來對放置於反應腔室內的基片表面進行加工。
以進行蝕刻製程的電漿處理裝置為例，如第1圖所示，通常在反應腔室10頂部用於引入反應氣體的噴淋頭30處設置第一電極，在反應腔室10內的底部用於承載及吸持基片的基座50下方設置第二電極，在第一電極或第二電極上施加射頻功率，從而在反應腔室10內得到激發電漿81所需的射頻能量。
基座50位於反應腔室10的底部，在該基座50邊緣的外側設有聚焦環60(focus ring)，用於控制電漿均一性。在基座50及聚焦環60的外側設有約束環70(confinement ring)，用於控制反應氣體的排出。該約束環70上方還可以設置覆蓋環(cover ring，圖中未示出)，來阻擋電漿對約束環70的侵蝕。噴淋頭30外側設置有接地環40。在該接地環40外側設置有移動環20(moving ring)，該移動環20沿反應腔室10的腔壁內側佈置，並延伸至約束環70的邊緣外側；以絕緣材料(例如石英)製成移動環20，用來約束電漿的分佈，並將反應腔室10的金屬腔壁與電漿隔開，以保護腔壁不受電漿的侵蝕。
電漿處理過程中產生的一些聚合物，會附著在反應腔室內的各裝置上。通常在從反應腔室內取出完成處理的基片後，向反應腔室引入清洗用的蝕刻氣體並將其解離生成清洗用的電漿，用來對反應腔室的腔體及內部的各裝置進行電漿清洗，以去除附著的聚合物。
然而，由於第一電極、第二電極邊緣處的場強會受邊緣條件的影響，導致一部分電場線彎曲，造成電場邊緣部分場強不均勻，使得電漿受電場控制在反應腔室邊緣的密度較低，難以形成足夠的電漿將腔室的邊緣部件(諸如上述的移動環、約束環、覆蓋環等)清洗乾淨，殘餘的聚合物會帶來放電擊穿(arcing)影響，或形成顆粒(particle)對後續的基片處理造成潛在污染的風險。
此外，由於保護腔壁的移動環由絕緣材料(如石英)製成，無法有效遮罩射頻電場。因此，雖然該移動環本身在腔室邊緣的分佈是對稱的，但如果移動環外側的金屬腔壁不對稱(例如由於腔壁一側開設了方便機械手取放基片的通道開口)，那麼射頻分佈在移動環約束範圍內便會呈現不對稱，導致電漿的分佈不均勻，則在對基片進行製程處理時會導致刻蝕的偏心。
本發明的目的在於提供一種電漿處理設備及其清洗系統和方法，在移動環內嵌入第三電極，並使其連接射頻電源或接地，從而在反應腔室的邊緣產生電漿以增強腔室邊緣部件的清洗效果，或者實現對腔壁的射頻遮罩以改善刻蝕偏心的效果。
為了達到上述目的，本發明的第一個技術方法是提供一種電漿處理設備，其包含： 反應腔室，反應腔室內的頂部設有噴淋頭，向反應腔室內引入清洗用或製程處理用的反應氣體；反應腔室內的底部設有在製程處理時承載基片的基座；一個第一電極設置在噴淋頭，基座處設置有第二電極；其中，電漿處理設備還包含：沿反應腔室的腔壁內側佈置的移動環；移動環中設置有第三電極，第三電極藉由切換開關分別與射頻電源或接地電路連通；移動環中的第三電極藉由連通第三射頻電源形成的射頻電場，激發引入反應腔室的清洗用反應氣體，從而在由移動環限定的電漿擴散範圍的邊緣區域得到邊緣電漿。
較佳地，第三電極的主體嵌入在絕緣材料製成的移動環內；藉由饋通結構設置在反應腔室外表面的法蘭盤，將延伸到反應腔室邊緣的第三電極連接到反應腔室外部，使該第三電極與切換開關連接。
較佳地，第一電極或第二電極中的一個電極接地，另一個電極與第一射頻電源、第二射頻電源連通。
較佳地，第三射頻電源的頻率在13.56MHz~60MHz範圍內，功率
Figure TWI611457BD00001
1000W。
較佳地，反應腔內進一步包含靠近電漿擴散範圍的邊緣區域的以下任意一種部件或其組合：聚焦環，位於基座的外側；約束環，位於聚焦環的外側； 覆蓋環，位於約束環的上方。
較佳地，在對電漿處理設備內的基片進行製程處理時，移動環內的第三電極接地，對腔壁遮罩形成在反應腔室內的射頻電場。
較佳地，移動環在反應腔室內對稱分佈；第三電極在移動環的圓周上的位置，對應於移動環外側的腔壁上的不對稱部位；腔壁上的不對稱部位包含在腔壁上開設的供機械手取放基片的通道開口。
較佳地，移動環內設置有一個第三電極；或者，移動環內設置有在移動環的圓周上均勻分佈的多個第三電極。
本發明的第二個技術方法是提供一種電漿處理設備的清洗方法，在反應腔室內形成射頻電場，對反應腔室內頂部噴淋頭引入的清洗用反應氣體進行激發，得到清洗用的電漿用來對反應腔室內的部件進行清洗；其中，形成射頻電場的過程，包含：施加第一射頻電場到反應腔室內頂部噴淋頭的第一電極和位於反應腔室內底部的基座內的第二電極之間，以產生第一電漿，同時使設置在移動環中的第三電極與第三射頻電源連通，以產生第二電漿；其中，第二電漿圍繞第一電漿，且位於由移動環限定的電漿擴散範圍的邊緣區域。
本發明的第三個技術方法是提供一種電漿電漿處理設備的控制方法，包括電漿製程處理步驟和電漿清潔步驟，其中在電漿處理步驟中： 在反應腔室內形成射頻電場，對反應腔室內頂部噴淋頭引入的反應氣體進行激發，得到的電漿用來對反應腔室內的基片進行製程處理；其中，形成射頻電場的過程，包含：連接第一射頻電源到反應腔室內頂部噴淋頭的第一電極或者反應腔室內底部基座的第二電極，同時連接第二射頻電源到第二電極，以及使設置在反應腔室腔壁內側的移動環中的第三電極接地；由在反應腔室內均勻分佈的移動環，對電漿的擴散範圍進行限定，從而對反應腔室的腔壁遮罩形成在反應腔室內的射頻電場，在電漿清潔步驟中：從反應腔室內頂部噴淋頭引入清潔氣體，
使設置在反應腔室內底部基座的第二電極與第一射頻電源、第二射頻電源連通，以及使移動環中的第三電極與到第三射頻電源連通，形成的電漿對反應腔內部進行清潔。
與習知技術相比，本發明在反應腔室的移動環內設置有第三電極，其優點在於： 本發明電漿處理設備的清洗系統及其清洗方法，在清洗時開啟連通第三電極的射頻電源，在腔室邊緣產生電漿，增強腔室邊緣部件的清洗效果。
本發明電漿處理設備及其中電漿的控制方法，在對基片進行刻蝕等製程處理時，將第三電極接地，起到對腔壁進行射頻遮罩的效果。當移動環是均勻分佈的結構時，對不對稱的腔壁進行射頻遮罩，可保持反應腔室內形成的射頻電場均勻分佈，而使生成的電漿均勻分佈，對基片表面進行均勻的製程處理，以避免原先對基片刻蝕偏心的問題。
本發明能夠使第三電極在連通射頻電源或接地的狀態切換，以適 應對腔室清洗或對腔壁射頻遮罩的不同情況。
10‧‧‧反應腔室
20‧‧‧移動環
30‧‧‧噴淋頭
40‧‧‧接地環
50‧‧‧基座
60‧‧‧聚焦環
70‧‧‧約束環
81‧‧‧電漿
82‧‧‧邊緣電漿
90‧‧‧第三電極
91‧‧‧絕緣體
92‧‧‧法蘭盤
93‧‧‧第三射頻電源
第1圖是習知電漿處理設備的側面剖視示意圖；第2圖是本發明中電漿處理設備在一個示例中的側面剖視示意圖；第3圖是本發明中電漿處理設備在另一個示例中的俯視示意圖。
以上僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。
以下結合圖式對本發明的具體實施方式進行說明。
如第2圖所示，本發明提供的電漿處理設備中，包含反應腔室10，其具有金屬的腔壁，在刻蝕處理及清洗的過程中通常處於真空狀態。
在反應腔室10的頂部設有噴淋頭30將蝕刻處理的反應氣體引入反應腔室10內；該噴淋頭30處設置的第一電極接地；在噴淋頭30外側設置有接地環40。在反應腔室10內的底部設有基座50，用來對放置在該基座50上的基片進行承載及吸持。藉由反應腔室10內形成的射頻電場，將反應腔室10內的反應氣體解離形成電漿，對基片表面進行蝕刻等製程處理。
基座50處設置有第二電極，施加有相隔一定頻率的第一射頻電源和第二射頻電源，其中頻率較高的第一射頻電源(如60MHz)，用以控制反應氣體中離子解離或電漿密度；頻率較低的第二射頻電源(如2MHz)用來引入偏壓以控制入射到基片的離子能量和能量分佈。
位於反應腔室10底部的基座50上，在該基座50邊緣的外側設有聚焦環60(focus ring)，用於控制電漿均一性。在基座50及聚焦環60的外側設有約束環70(confinement ring)，用於控制反應氣體的排出；該約束環70上方還可以設置覆蓋環(cover ring，圖中未示出)，來阻擋電漿對約束環70的侵蝕。
在接地環40外側設置有移動環20(moving ring)，該移動環20沿反應腔室10的腔壁內側佈置，並向下延伸至約束環70的邊緣外側；以絕緣材料(例如石英)製成移動環20，用來對電漿在反應腔室10內的擴散範圍進行限定，並藉由移動環20將電漿與金屬的腔壁相互隔開，以保護腔壁不受電漿的侵蝕。
在移動環20內設置有金屬的電極，作為第三電極90。第三電極90的主體嵌入在移動環20內，且至少在伸出到移動環20外的電極部分的外麵包覆了陶瓷等絕緣材料製成的絕緣體91，並藉由該絕緣體91使第三電極90延伸到反應腔室10的邊緣(例如但不限於延伸到反應腔室10的頂部)，再藉由饋通結構(feed through)設置於反應腔室10外表面的法蘭盤92，將第三電極90連接到反應腔室10外部。
在反應腔室10外部，藉由一個切換開關切換，使第三電極90與一個第三射頻電源93或與一個接地電路分別連接。當反應腔室10內在對基片進行刻蝕製程時，使第三電極90與接地電路連通，此時，接地的第三電極90起到射頻遮罩的作用：即，基於該第三電極90及原先佈置的第一電極、第二電極及 施加的第一射頻電源、第二射頻電源的共同作用形成射頻電場，藉由接地的第三電極90使移動環20整體等電勢，實現對移動環20外側腔壁遮罩射頻電場的功能。由於移動環20在反應腔室10腔壁的內側對稱分佈，因此形成的射頻電場也是均勻分佈的，由該射頻電場激發生成的電漿也能夠均勻分佈在基片表面，從而避免了原先不對稱分佈的腔壁導致對基片刻蝕偏心的問題。
當處理完的基片被取走，在反應腔室10內進行電漿清洗時，使第三電極90與第三射頻電源93連通，從而在腔室10的邊緣區域(主要是在移動環20限定的電漿擴散範圍的邊緣區域)增加射頻電場的強度和分佈，以便在該邊緣區域產生更多的電漿(稱為邊緣電漿82)。藉由邊緣電漿82對移動環20、覆蓋環、約束環70等靠近邊緣區域的部件進行清洗，從而避免聚合物堆積在這些部件上。同時，該反應腔室10內的其他部件，仍可以藉由主要由第一電極、第二電極及施加的第一射頻電源、第二射頻電源形成的射頻電場所生成的電漿81來清洗。
較佳的示例中，第三射頻電源93的頻率在13.56MHz~60MHz範圍內，功率
Figure TWI611457BD00002
1000W。不同的示例中，該第三射頻電源93與第一射頻電源可以是不同的射頻電源；或者兩者是同一個射頻電源，藉由不同的線路分別連通到第二電極和第三電極90。該第三射頻電源93可以藉由一個匹配箱(match box)連接到第三電極90；第一射頻電源、第二射頻電源藉由其他的一個或多個匹配箱連接到第二電極。
移動環20內嵌入的第三電極90的數量至少為一個。可以使第三電極90在移動環20周向上的位置對應於移動環20外側腔壁上的不對稱部位；腔壁的不對稱部位例如是供機械手從反應腔室10內抓取基片所開設的通道開口。
或者，在一些示例中，設置有多個第三電極90(如第3圖所示設置有三個第三電極90)，這些第三電極90在移動環20的圓周上均勻分佈，或者這些第三電極90在移動環20圓周上的位置與腔壁的多個不對稱部分相對應。這些第三電極90的切換開關聯動，使其統一切換到與第三射頻電源93連通或與接地電路連通的狀態。這些第三電極90可以連接到同一個第三射頻電源或者連接到不同的多個第三射頻電源。
本發明的一種電漿處理設備的清洗方法，在反應腔室內形成射頻電場，對反應腔室內頂部噴淋頭引入的清洗用反應氣體進行激發，得到清洗用的電漿用來對反應腔室內的部件進行清洗； 其中，形成射頻電場的過程，包含：施加第一射頻電場到反應腔室內頂部噴淋頭的第一電極和位於反應腔室內底部的基座內的第二電極之間，以產生第一電漿，同時使設置在移動環中的第三電極與第三射頻電源連通，以產生第二電漿；其中，第二電漿圍繞第一電漿，且位於由移動環限定的電漿擴散範圍的邊緣區域。
本發明的一種電漿處理設備的控制方法，包括電漿製程處理步驟和電漿清潔步驟；其中在電漿處理步驟中：在反應腔室內形成射頻電場，對反應腔室內頂部噴淋頭引入的反應氣體進行激發，得到的電漿用來對反應腔室內的基片進行製程處理； 其中，形成射頻電場的過程，包含：連接第一射頻源到反應腔室內頂部噴淋頭的第一電極或者反應腔室內底部基座的第二電極，同時連接第二射頻電源到第二電極，以及使設置在反應腔室腔壁內側的移動環中的第三電極接地；由在反應腔室內均勻分佈的移動環，對電漿的擴散範圍進行限定，從而對反應腔室的腔壁遮罩形成在反應腔室內的射頻電場； 在電漿清潔步驟中：從反應腔室內頂部噴淋頭引入清潔氣體，使設置在反應腔室內底部基座的第二電極與第一射頻電源、第二射頻電源連通，以及使移動環中的第三電極與到第三射頻電源連通，形成的電漿對反應腔內部進行清潔。
根據上文描述，可以獲知在原有電漿處理設備的基礎上，僅增設移動環內的第三電極及第三射頻電源，並控制第三射頻電源與之連通或不與之連通，能夠構成一種電漿處理設備的清洗系統及其清洗方法。在清洗時開啟第三射頻電源，在腔室邊緣產生電漿，增強腔室邊緣部件的清洗效果；不連通第三射頻電源則實行原有電漿處理設備的清洗方式。
根據上文描述，還可以獲知在原有電漿設備的基礎上，僅增設移動環內的第三電極，並控制其接地或不接地，能夠構建一種電漿處理設備及其中電漿的控制方法。在對基片進行刻蝕等製程處理時，將第三電極接地，起到對腔壁進行射頻遮罩的效果。當移動環是均勻分佈的結構時，對不對稱的腔壁進行射頻遮罩，可保持反應腔室內形成的射頻電場均勻分佈，而使生成的電漿均勻分佈，對基片表面進行均勻的製程處理，以避免原先對基片刻蝕偏心的問題。
本發明提供的電漿處理設備及其中電漿的控制方法，能夠使第三電極在連通射頻電源或接地的狀態切換，以適應對腔室清洗或對腔壁射頻遮罩的不同情況。
儘管本發明的內容已經藉由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。
10‧‧‧反應腔室
20‧‧‧移動環
30‧‧‧噴淋頭
40‧‧‧接地環
50‧‧‧基座
60‧‧‧聚焦環
70‧‧‧約束環
81‧‧‧電漿體
82‧‧‧邊緣電漿體
90‧‧‧第三電極
91‧‧‧絕緣體
92‧‧‧法蘭盤
93‧‧‧第三射頻電源

Claims (9)

  1. 一種電漿處理設備，包含：一反應腔室，該反應腔室內的頂部設有一噴淋頭，向該反應腔室內引入清洗用或製程處理用的反應氣體；其中，該反應腔室內的底部設有在製程處理時承載基片的一基座，一第一電極設置在該噴淋頭，該基座處設置有一第二電極；其中，該電漿處理設備進一步包含：一移動環，沿反應腔室的一腔壁內側佈置；其中，該移動環中，一第三電極藉由一切換開關分別與射頻電源或接地電路連通；其中，該移動環中的該第三電極藉由連通一第三射頻電源形成的射頻電場，激發引入該反應腔室的清洗用反應氣體，從而在由該移動環限定的電漿擴散範圍的邊緣區域得到一邊緣電漿；其中，該第三電極的主體嵌入在絕緣材料製成的該移動環內，藉由饋通結構設置在該反應腔室外表面的法蘭盤，將延伸到該反應腔室邊緣的該第三電極連接到該反應腔室外部，使該第三電極與該切換開關連接。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電漿處理設備，其中，該第一電極或該第二電極中的一電極接地，另一電極與一第一射頻電源、一第二射頻電源連通。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電漿處理設備，其中，該第三射頻電源的頻率在13.56MHz~60MHz範圍內，功率
    Figure TWI611457BC00001
    1000W。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之電漿處理設備，其中，該反應腔室內進一步包含靠近電漿擴散範圍的邊緣區域的以下任意一種元件或其組合：一聚焦環，位於該基座的外側；一約束環，位於該聚焦環的外側；一覆蓋環，位於該約束環的上方。
  5. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之電漿處理設備，其中，在對該電漿處理設備內的基片進行製程處理時，該移動環內的該第三電極接地，對該腔壁遮罩形成在該反應腔室內的射頻電場。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之電漿處理設備，其中，該移動環在該反應腔室內對稱分佈；該第三電極在該移動環的圓周上的位置，對應於該移動環外側的該腔壁上的不對稱部位；該腔壁上的不對稱部位包含在該腔壁上開設的供機械手取放基片的通道開口。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之電漿處理設備，其中，該移動環內設置有一個該第三電極；或者，該移動環內設置有在該移動環的圓周上均勻分佈的複數個該第三電極。
  8. 一種電漿處理設備的清洗方法，其包含以下步驟，在一反應腔室內形成一射頻電場，對該反應腔室內頂部一噴淋頭引入的清洗用反應氣體進行激發，得到清洗用的電漿用來對該反應腔室內的元件進行清洗； 其中，形成該射頻電場的過程，包含：施加一第一射頻電場到該反應腔室內頂部該噴淋頭的一第一電極和位於該反應腔室內底部的基座內的一第二電極之間，以產生一第一電漿，同時使設置在一移動環中的一第三電極與一第三射頻電源連通，以產生一第二電漿；其中，該第二電漿圍繞該第一電漿，且位於由該移動環限定的電漿擴散範圍的邊緣區域，該第三電極的主體嵌入在絕緣材料製成的該移動環內，藉由饋通結構設置在該反應腔室外表面的法蘭盤，將延伸到該反應腔室邊緣的該第三電極連接到該反應腔室外部，使該第三電極與切換開關連接。
  9. 一種電漿處理設備的控制方法，其包括一電漿製程處理步驟和一電漿清潔步驟，其中在該電漿處理步驟中：在一反應腔室內形成一射頻電場，對該反應腔室內頂部一噴淋頭引入的反應氣體進行激發，得到的一電漿用來對該反應腔室內的基片進行製程處理；其中，形成該射頻電場的過程，包含：連接一第一射頻電源到該反應腔室內頂部該噴淋頭的一第一電極或者該反應腔室內底部基座的一第二電極，同時連接一第二射頻電源到該第二電極，以及使設置在該反應腔室的腔壁內側的一移動環中的一第三電極接地；以及由在該反應腔室內均勻分佈的該移動環，對電漿的擴散範圍進行限定，從而對該反應腔室的腔壁遮罩形成在該反應腔室內的射頻電場； 在該電漿清潔步驟中：從該反應腔室內頂部該噴淋頭引入清潔氣體，使設置在該反應腔室內底部基座的該第二電極與該第一射頻電源、該第二射頻電源連通，以及使該移動環中的該第三電極與到一第三射頻電源連通，形成的電漿對該反應腔室內部進行清潔；其中，該第三電極的主體嵌入在絕緣材料製成的該移動環內；藉由饋通結構設置在該反應腔室外表面的法蘭盤，將延伸到該反應腔室邊緣的該第三電極連接到該反應腔室外部，使該第三電極與切換開關連接。
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