TWI618140B - Inductively coupled plasma processor - Google Patents

Abstract

一種用於電感耦合電漿處理器的光學探測系統，本發明將光學探測系統集成到位於反應腔體頂部絕緣材料窗中心的氣體噴頭中，在保證氣體均勻分佈的同時，還能探測位於中心區域的蝕刻資料。藉由凹陷開口、下層鍍膜等方法保證了透明進氣片能夠長期穩定運行，傾斜的透明進氣片可以減少透明進氣片上產生的反射光對光學探測系統的干擾，保證測量資料的精確。

Description

電感耦合電漿處理器

本發明涉及半導體製造技術領域，尤其涉及一種電感耦合電漿處理器中的氣體噴頭。

電漿處理器被廣泛應用在半導體工業內，用來對待處理基板進行高精度的加工如電漿蝕刻、化學氣相沉積（CVD）等。其中電感耦合電漿處理器（ICP）因其能夠獲得高濃度的電漿而被廣泛應用在矽蝕刻領域。傳統的電感耦合電漿處理器如第1圖所示，包括一個反應腔體100，反應腔體100內下方包括基座120，基座內的電極藉由匹配器50與射頻電源40相連通。基座上包括靜電夾盤121，待處理基板122固定在靜電夾盤121上，邊緣環105圍繞靜電夾盤和基板藉由對基板邊緣區域電場、氣流或者溫度的調節改善邊緣處理效果。反應腔體頂部包括一個絕緣材料窗30，絕緣材料窗30上方包括電感線圈70，電感線圈藉由匹配器80連接到高頻射頻電源60。電感線圈產生的電磁場被送入反應腔體內形成電漿。絕緣窗中心包括一個氣體噴頭90向反應腔體內不同區域均勻的噴入反應氣體，氣體噴頭90藉由至少一個閥門連接到外部反應氣體氣源110。在電漿蝕刻過程中需要利用光學干涉的方法即時監測下方蝕刻進度，和電漿分佈狀態。但是由於反應腔體正中間被氣體噴頭佔據，光學探頭114只能設置在一側，雖然也能獲得光學資料，但是無法實現對中心區域的監測還是會導致問題的發生。由於蝕刻速率在基板表面分佈不均，所以當探頭114將光學訊號傳遞給訊號處理器112並判斷目標厚度的材料層已經完成蝕刻時，中心區域可能早已經刻過頭了，與之相反也可能是還未蝕刻完。

所以業內需要一種新的光學探測裝置，能夠探測基板中心區域的光學訊號並獲得基板中心區域的蝕刻速度參數。

本發明解決的問題是在電感耦合電漿處理器中，將光學探測裝置集成到位於反應腔體頂部中心的氣體噴頭上，本發明提供了一種電感耦合電漿處理器，包括：一反應腔體圍繞構成氣密空間，反應腔體包括：反應腔體側壁以及位於反應腔體內的一基座，基座上方包括固定有靜電夾盤用於固定待處理基板，反應腔體頂部包括一個絕緣材料窗，電感線圈設置在絕緣材料窗上方，一個氣體噴頭設置在絕緣材料窗下表面中心區域，向反應腔體內均勻的噴入反應氣體，其特徵在於所述氣體噴頭包括氣體擴散腔和位於氣體擴散腔頂部的頂蓋，所述頂蓋上包括一個反應氣體進氣口和一個光學發射和接收裝置，

所述氣體擴散腔側壁和底面包括複數個氣體通道，氣體擴散腔底面還包括一個向上凹陷的開口，開口上方包括一透明進氣片，透明進氣片上包括至少一氣體通道，所述氣體擴散腔內的氣體藉由所述透明進氣片上的氣體通道向下噴入反應腔體。其中光學發生和接收裝置發出的光線穿過所述透明進氣片向下到達基板。氣體擴散腔可以由不透明的氧化鋁製成，所述透明進氣片由氧化矽製成。

其中氣體通道的寬度小於5mm，以防止電漿進入氣體擴散腔中。

透明進氣片傾斜設置與水平面的夾角大於2度小於10度，以減少在透明進氣片上反射進入光學發射和接收裝置的光線。

透明進氣片下表面覆蓋有一層耐電漿腐蝕材料層，所述耐電漿腐蝕材料層厚度小於50um，以增加透明進氣片的耐腐蝕性能，還能足夠的光線能夠穿過。

向上凹陷的開口深度大於5mm，較佳的選用大於10mm，以保證只有少量電漿能擴散到達透明進氣片的下表面，減少腐蝕。

所述向上凹陷的開口寬度大於7mm，以保證光學發射和接收裝置的光線能夠照射到足夠的面積。

如第2圖所示為本發明氣體噴頭示意圖，本發明與第1圖所示的習知技術相比具體相類似的反應腔體基本結構，主要區別在於本發明的將習知技術光學探測裝(即第1圖之光學探頭114)置集成到位於絕緣材料窗中心的氣體噴頭90’中。本發明氣體噴頭90’包括氣體擴散腔91，氣體擴散腔上方包括頂蓋92，頂蓋頂部包括一個通孔，通孔內設置有光學發射和接收裝置93，同時頂蓋92側壁還包括一個進氣管道94，反應氣體藉由進氣管道94流入頂蓋和下方氣體擴散腔91。氣體擴散腔91側壁和底面包括複數個貫穿氣體通道96，藉由複數個氣體通道將氣體擴散腔91內的反應氣體均勻的噴射入電漿反應腔體中。由於氣體噴頭90’的周圍和下方都是電漿，通入氣體擴散腔91內的反應氣體也很容易被點燃，點燃的電漿會腐蝕氣體噴頭的擴散腔內壁，同時分解產物也會沉積在內壁和底部堵塞通道96。為了防止電漿擴散進氣體擴散腔，所有的氣體通道96的口徑需要小於5mm，這樣帶電粒子會在穿越過程中和通道側壁碰撞而熄滅。同時氣體噴頭需要採用耐電漿腐蝕的材料如氧化鋁，表面還可以塗覆更耐腐蝕的氧化釔等材料層，以改善氣體噴頭的使用壽命。這樣的氣體擴散腔側壁和底部均是不透明的無法實現光訊號的穿透。不透明的材料上開設複數個口徑小於5mm的通孔無法透過足夠的光（透光率小於20%），所以無法用於本發明的蝕刻速度探測。本發明在擴散腔底部中心設置有一個向上凹陷的開口，開口頂部包括一片透明材料製成的透明進氣片95，進氣片較薄厚度只有（1-4mm），可以由氧化矽等透光率高的材料製成。進氣片上同時開設有複數個進氣通孔，與氣體擴散腔上開設的通道96類似，用於將反應氣體噴入反應腔體，但是口徑較小，也是小於5mm。本發明進氣片95選擇高透光率的材料會同步帶來缺陷，氧化矽等材料不耐電漿腐蝕，特別是反應氣體會含氟化合物時；為了保證透明度透明進氣片95也不能太厚。本發明開口向上凹陷可以減少電漿接觸並腐蝕透明進氣片的機會，大量電漿會在向上擴散過程中熄滅，而且部分會與凹陷開口兩邊的側壁碰撞熄滅。所以開口向上的凹陷深度較佳的需要大於5mm，最佳的需要大於10mm。開口凹陷的水平方向的口徑需要大於7mm小於25mm以保證光學探測範圍以及防止電漿向上擴散腐蝕透明進氣片95。同時由於電感耦合電漿反應器的結構特點決定了電漿的分佈是：中心區域濃度低週邊區域濃度高，本發明將透明進氣片95設置在位於中心區域的進氣噴頭90’下方，本身就位於電漿濃度較低的區域，所以不易被腐蝕。為了進一步提高透明進氣片95的可靠性和使用壽命，可以將進氣片95分隔為上方的由氧化矽等透明材料製成的基板95a，以及在基板95a下方形成的一個薄層的耐電漿材料層95b，材料層95b的厚度最佳的需要小於50um以保證透明度。耐電漿材料層95b可以是藉由噴塗或者化學氣相沉積（CVD）或者物理氣相沉積（PVD）等方式在基板95a上形成耐電漿腐蝕薄層。由於材料層95b非常薄所以不會對進氣片95整體的透光率造成嚴重影響，本發明光學測量功能能夠有效實現。材料層95b可以是氧化釔或者氧化鋁等材料製成的，屬於業內常見材料，在此不再贅述。

本發明中光學發射和接收裝置93垂直向下發射參考光，依次穿過透明進氣片95下方的電漿到達待處理基板122上表面。在電漿蝕刻過程中，待處理基板上表面蝕刻形成的圖形會發生尺寸變化，所以表面的反射光也會發生相位變化。向上反射的部分參考光進入光學發射和接收裝置93後，經過訊號處理器的處理，將發射和反射的參考光比較就能檢測下方基板的蝕刻深度。但是除了下方基板122會發生反射，透明進氣片95的上下表面也會發生反射，而且反射的大量光也是回到上方的光學發生和接收裝置93，形成干擾，當干擾光的強度與下方基板反射光的強度接近甚至更強時會導致光學系統失效。為此本發明中的透明進氣片95可以是傾斜的設置在凹陷開口上的，傾斜的角度不是很大，可以是與水平方向夾角大於2度小於10度，這樣既能保證進氣片上的反射光反射向氣體擴散腔91的內壁，經多次折射後不會形成較強干擾光，也能保證上方入射的參考光中的絕大部分能夠穿過透明進氣片到達下方基板。

本發明將光學探測系統集成到氣體噴頭90’中，在保證氣體均勻分佈的同時，還能探測位於中心區域的蝕刻資料。藉由凹陷開口、下層鍍膜等方法保證了透明進氣片能夠長期穩定運行，傾斜的透明進氣片可以減少透明進氣片上產生的反射光對光學探測系統的干擾，保證測量資料的精確。

雖然本發明披露如上，但本發明並非限定於此。任何本領域技術人員，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。

40‧‧‧射頻電源
50‧‧‧匹配器
60‧‧‧高頻射頻電源
70‧‧‧電感線圈
80‧‧‧匹配器
90、90’‧‧‧噴頭
91‧‧‧氣體擴散腔
92‧‧‧頂蓋
93‧‧‧光學發射和接收裝置
94‧‧‧管道
95‧‧‧進氣片
95a、122‧‧‧基板
95b‧‧‧材料層
96‧‧‧氣體通道
100‧‧‧反應腔體
105‧‧‧邊緣環
110‧‧‧外部反應氣體氣源
112‧‧‧訊號處理器
114‧‧‧探頭
120‧‧‧基座
121‧‧‧靜電夾盤

第1圖是習知技術電漿處理器示意圖。

第2圖是本發明加氣體噴頭構示意圖。

90’‧‧‧噴頭

91‧‧‧氣體擴散腔

92‧‧‧頂蓋

93‧‧‧接收裝置

94‧‧‧管道

95a、122‧‧‧基板

95b‧‧‧材料層

96‧‧‧氣體通道

Claims (9)

1. 一種電感耦合電漿處理器，包括： 一反應腔體圍繞構成氣密空間，該反應腔體包括： 一反應腔體側壁以及位於該反應腔體內的一基座，該基座上方包括固定有一靜電夾盤用於固定待處理基板，該反應腔體頂部包括一絕緣材料窗，一電感線圈設置在該絕緣材料窗上方，一氣體噴頭設置在該絕緣材料窗下表面中心區域，向該反應腔體內均勻的噴入反應氣體； 其中該氣體噴頭包括一氣體擴散腔以及位於該氣體擴散腔頂部的一頂蓋，該頂蓋上包括一反應氣體進氣口及一光學發射和接收裝置， 該氣體擴散腔側壁和底面包括複數個氣體通道，該氣體擴散腔底面還包括一向上凹陷的開口，該開口上方包括一透明進氣片，該透明進氣片上包括至少一氣體通道，該氣體擴散腔內的氣體藉由該透明進氣片上的該氣體通道向下噴入該反應腔體。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電感耦合電漿處理器，其中該光學發射和接收裝置發出的光線穿過該透明進氣片向下到達基板。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電感耦合電漿處理器，其中該氣體通道的寬度小於5mm。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電感耦合電漿處理器，其中該透明進氣片傾斜設置與水平面的夾角大於2度小於10度。
5. 如申請專利範圍第1項所述之電感耦合電漿處理器，其中該透明進氣片下表面覆蓋有一耐電漿腐蝕材料層，該耐電漿腐蝕材料層厚度小於50um。
6. 如申請專利範圍第1項所述之電感耦合電漿處理器，其中該氣體擴散腔由不透明的氧化鋁製成，該透明進氣片由氧化矽製成。
7. 如申請專利範圍第1項所述之電感耦合電漿處理器，其中該向上凹陷的開口深度大於5mm。
8. 如申請專利範圍第7項所述之電感耦合電漿處理器，其中該向上凹陷的開口深度大於10mm。
9. 如申請專利範圍第1項所述之電感耦合電漿處理器，其中該向上凹陷的開口寬度大於7mm。