TWI624895B - Plasma confinement ring, plasma processing device and substrate processing method - Google Patents

Plasma confinement ring, plasma processing device and substrate processing method Download PDF

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Abstract

本發明公開了一種可提高電漿處理全域均勻性的電漿約束環、電漿處理裝置與處理方法。其中，電漿約束環包括呈環形的壁體，壁體所環繞的空間用於約束電漿於其內，壁體包括：呈環形的內壁，由導體或半導體材料製成；呈環形的外壁，由電絕緣材料製成。

Description

電漿約束環、電漿處理裝置與基板處理方法
本發明係關於半導體加工領域，尤其是關於可提高電漿處理全域均勻性的電漿約束環、電漿處理裝置與處理方法。
目前，隨著超大型積體電路的元件特徵尺寸不斷地等比例縮小，整合度不斷地提高，對各步製程的控制及其製程結果的精確度提出了更高的要求。以蝕刻製程為例，需要基板(晶圓)各區域的蝕刻速率趨於相同，否則將導致晶片成品率不高。因而，有必要持續提高基板各區域加工的均勻性。
本發明提供一種用於電漿處理裝置的電漿約束環，其包括呈環形的壁體，所述壁體所環繞的空間用於約束電漿於其內，所述壁體包括：呈環形的內壁，由導體或半導體材料製成；呈環形的外壁，由電絕緣材料製成。
較佳地，所述內壁的材料包括矽或碳化矽。
較佳地，所述內壁的表面鍍有石墨。
較佳地，所述外壁的材料包括石英或陶瓷。
較佳地，所述內壁接地。
本發明還提供一種電漿處理裝置，包括：由多個壁圍成的反應腔；設置在反應腔內的基座，用於固定基板；設置在反應腔內的氣體噴淋頭，用於引入氣體至反應腔內，所述氣體噴淋頭與所述基座之間為電漿處理區域； 如前面所述的電漿約束環，所述電漿約束環設置在所述反應腔內，所述電漿處理區域被所述電漿約束環所環繞。
較佳地，所述電漿約束環呈空心圓柱形。
較佳地，所述電漿約束環與所述反應腔的側壁之間存在間隙。
較佳地，更包括升舉裝置，用於上下移動所述電漿約束環。
較佳地，所述升舉裝置包括與電漿約束環接觸的頂針，所述電漿約束環藉由所述頂針實現接地。
本發明另提供一種基板處理方法，包括：將基板自基板進出通道移入反應腔；移動電漿約束環並將其停留在工作位置，位於工作位置的電漿約束環遮擋所述基板進出通道，並限定電漿處理區域，所述電漿約束環包括由導體或半導體材料製成的、呈環形的內壁，以及由絕緣材料製成的、呈環形的外壁；通入反應氣體至反應腔，並將其解離為電漿，所述電漿在所述電漿處理區域對基板進行處理，在基板處理過程中，所述電漿約束環的內壁接地。
較佳地，更包括：移動電漿約束環並將其停留在傳送位置，位於傳送位置的電漿約束環曝露所述基板進出通道，以移出處理完畢的基板或移入待處理的基板至反應腔。
較佳地，所述反應腔包括頂壁、底壁與側壁，所述電漿約束環沿所述側壁在豎直方向上移動以在工作位置和傳送位置之間切換。
較佳地，所述電漿約束環與所述反應腔的側壁之間存在間隙。
較佳地，所述內壁的材料包括矽或碳化矽。
較佳地，所述外壁的材料包括石英或陶瓷。
2‧‧‧反應腔
3‧‧‧基座
4‧‧‧氣體噴淋頭
6、6’‧‧‧電漿約束環
9‧‧‧高頻射頻功率
22‧‧‧側壁
26‧‧‧進出通道
61‧‧‧內壁
63‧‧‧外壁
76‧‧‧頂針
G‧‧‧間隙
H‧‧‧出氣裝置
W‧‧‧基板
PS‧‧‧電漿處理區域
第1至3圖是一種電容耦合式電漿蝕刻裝置的示意圖。
第4與5圖是依據本發明一個實施例的電漿處理裝置的結構示意圖。
第6圖是依據本發明一個實施例的基板處理方法的流程示意圖。
為使本發明的內容更加清楚易懂，以下結合說明書圖式，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1圖所示為一種電容耦合式電漿蝕刻裝置。蝕刻裝置包括氣密的反應腔2。圍成反應腔2的各壁被接地。反應腔2內設置有用於固定基板W的基座3、用於引入蝕刻氣體至反應腔2內的氣體噴淋頭4，氣體噴淋頭4與基座3之間為電漿處理區域PS。通常氣體噴淋頭4可作為上電極，基座3可作為下電極。高頻射頻功率9施加在基座3上，用於將電漿處理區域PS內的蝕刻氣體解離為電漿與自由基。到達基板W上表面的電漿與自由基可將基板W蝕刻成預定的圖案。蝕刻所產生的蝕刻副產物與未來得及參與反應的蝕刻氣體會被泵(未圖示)抽出反應腔2。
反應腔2內還可設置有電漿約束環6，電漿約束環6用於將生成的電漿約束在其內部，也用於將反應腔2的側壁22電絕緣。這使得電漿約束環6的製作材料通常被局限於絕緣材料，如石英或陶瓷。若電漿約束環6為導電或半導電材料，則會有電弧放電等方面的隱憂。
第2圖是第1圖的俯視圖，其顯示了反應腔2與基座3的相對位置。為方便基板W進出反應腔2，反應腔2的側壁22上開設有狹槽，作為基板 W進出通道26。由於基板W進出通道26的存在，會導致基板W進出通道26所在處的側壁22的射頻接地狀態不同於側壁22的其它位置，這會進一步導致電漿在側壁22周圍分佈不均。不僅如此，由於電漿約束環6’為絕緣材質，射頻路徑為自基座3至氣體噴淋頭4，如第3圖所示。這會使得電漿被主要約束在正對基座3與氣體噴淋頭4的區域，電漿的這種分佈會造成基板W邊緣區域的蝕刻速率明顯小於基板W中央區域。
第4圖是依據本發明一個實施例的電漿處理裝置的結構示意圖，其用於提高電漿在各區域分佈的均勻性。電漿處理裝置可為電漿蝕刻裝置，比如，電容耦合式電漿蝕刻裝置。
如第4圖所示，電漿處理裝置包括由底壁(未圖示)、側壁22與頂壁(未圖示)圍成的反應腔2。圍成反應腔2的各壁被接地。反應腔2內設置有用於固定基板W的基座3(基座3設置在反應腔2底壁的上方)、用於引入蝕刻氣體至反應腔2內的氣體噴淋頭4(氣體噴淋頭4設置在反應腔2頂壁的下表面，或可將氣體噴淋頭4看作反應腔2頂壁的一部分)，氣體噴淋頭4與基座3之間為電漿處理區域PS。通常氣體噴淋頭4可作為上電極，基座3可作為下電極。高頻射頻功率9施加在基座3上，用於將電漿處理區域PS內的蝕刻氣體解離為電漿與自由基。到達基板W上表面的電漿與自由基可將基板W蝕刻成預定的圖案。蝕刻所產生的蝕刻副產物與未來得及參與反應的蝕刻氣體會被泵(未圖示)抽出反應腔2。基座3的週邊還可設置有出氣裝置H，被泵抽出的氣體會優先藉由出氣裝置H。出氣裝置H包括若干細長的通孔，組成通孔的側壁22上帶有與反應腔2內電漿電性相反的電荷，使得將被氣體攜帶的電漿在藉由通孔時被中和，從而可避免電漿進入下游的排氣管路。
為改善電漿分佈的均勻性，電漿處理裝置還包括一種新型的電漿約束環6。如第4與5圖(第5圖是電漿約束環6的俯視圖)所示，電漿約束環6包括呈環形的壁體，壁體所環繞的空間用於約束電漿於其內，壁體包括由導體或半導體材料製成的呈環形的內壁61、由電絕緣材料製成的呈環形的外壁63。在利用電漿進行處理(比如蝕刻)的過程中，導電或半導電的內壁61可被接地。
接地的內壁61加強了基板W邊緣區域的射頻耦合，使得基板W中心區域和邊緣區域的電漿分佈變得更均勻。不僅如此，由於反應腔2的側壁22被內壁61電隔離於電漿處理區域PS，使得由基板W進出通道26(如第2圖所示)所帶來的反應腔2側壁22的不對稱性對電漿分佈的影響也顯著降低，幾乎不再對處理製程起負面作用。外環63則起到電絕緣反應腔2側壁22的作用，避免側壁22與電漿約束環6之間的間隙G內產生電漿或電弧放電現象。
在本實施例中，電漿約束環6整體呈空心圓柱形。但在其它實施例中，電漿約束環6可為其它空心形狀，如，上下端寬、中間窄的環形，或其它不規則的環形。
用於製備內壁61的材料可包括矽或碳化矽等。作為內壁61的矽或碳化矽的內表面可進一步鍍一層石墨(graphite)，以減少顆粒雜質的產生。用於製備外壁63的材料可包括石英或陶瓷等。
說明一點，這裡所說的內壁61、外壁63，並不表示內壁61是電漿約束環6的最內層結構、外壁63是電漿約束環6的最外層結構。這裡所說的內與外僅在強調內壁61與外壁63之間的相對關係，即，內壁61比外壁63更靠內(即更靠近反應腔2內的電漿處理區域PS)，外壁63比內壁61更靠外(即更靠近反應腔2的側壁22)。
電漿約束環6可以是可上下移動的結構，即，電漿約束環6至少具有兩個狀態/位置：工作位置與傳送位置。位於工作位置的電漿約束環6遮擋基板W進出通道26，並環繞電漿處理區域PS。位於傳送位置的電漿約束環6曝露基板W進出通道26，以移出處理完畢的基板W或移入待處理的基板W至反應腔2。
對應的，電漿處理裝置還可包括用於上下移動電漿約束環6的升舉裝置(未圖示)。具體的，升舉裝置可包括與電漿約束環6接觸的頂針76，電漿約束環6可藉由頂針76實現接地。
第6圖是依據本發明一個實施例的基板W處理方法的流程示意圖。如第6圖所示，基板W處理方法包括： 將基板W自基板W進出通道26移入反應腔2；移動電漿約束環6並將其停留在工作位置，位於工作位置的電漿約束環6遮擋基板W進出通道26，並限定一電漿處理區域PS，電漿約束環6包括由導體或半導體材料製成的、呈環形的內壁61，以及由絕緣材料製成的、呈環形的外壁63；通入反應氣體至反應腔2，並將其解離為電漿，電漿在電漿處理區域PS對基板W進行處理，在基板W處理過程中，電漿約束環6的內壁61接地。
在一片或一批基板W處理完成後，可移動電漿約束環6並將其停留在傳送位置，位於傳送位置的電漿約束環6曝露基板W進出通道26，以移出處理完畢的基板W或移入待處理的基板W至反應腔2。
雖然本發明已以較佳實施例揭示如上，然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和範圍的前提下可作若干的更動與潤飾，本發明所主張的保護範圍應以權利要求書為準。

Claims (15)

  1. 一種用於電漿處理裝置的電漿約束環，包括：呈環形的一壁體，該壁體所環繞的空間用於約束一電漿於其內，該壁體包括：呈環形的一內壁，由導體或半導體材料製成，該內壁接地；呈環形的一外壁，由電絕緣材料製成。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電漿約束環，其中該內壁的材料包括矽或碳化矽。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之電漿約束環，其中該內壁的表面鍍有石墨。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之電漿約束環，其中該外壁的材料包括石英或陶瓷。
  5. 一種電漿處理裝置，包括：由複數個壁圍成的一反應腔；設置在該反應腔內的一基座，用於固定一基板；設置在該反應腔內的一氣體噴淋頭，用於引入氣體至該反應腔內，該氣體噴淋頭與該基座之間為電漿處理區域；如申請專利範圍第1項至第4項中之任一項所述的電漿約束環，該電漿約束環設置在該反應腔內，該電漿處理區域被該電漿約束環所環繞。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之電漿處理裝置，其中該電漿約束環呈空心圓柱形。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之電漿處理裝置，其中該電漿約束環與該反應腔的側壁之間存在一間隙。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之電漿處理裝置，其更包括一升舉裝置，用於上下移動該電漿約束環。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之電漿處理裝置，其中該升舉裝置包括與該電漿約束環接觸的一頂針，該電漿約束環藉由該頂針實現接地。
  10. 一種基板處理方法，包括：將一基板自該基板進出通道移入一反應腔；移動一電漿約束環並將其停留在工作位置，位於工作位置的該電漿約束環遮擋該基板進出通道，並限定一電漿處理區域，該電漿約束環包括由導體或半導體材料製成的、呈環形的一內壁，以及由絕緣材料製成的、呈環形的一外壁；通入反應氣體至該反應腔，並將其解離為一電漿，該電漿在該電漿處理區域對該基板進行處理，在該基板處理過程中，該電漿約束環的該內壁接地。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之基板處理方法，其更包括移動該電漿約束環並將其停留在傳送位置，位於傳送位置的該電漿約束環曝露該基板進出通道，以移出處理完畢的該基板或移入待處理的該基板至該反應腔。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之基板處理方法，其中該反應腔包括一頂壁、一底壁與一側壁，該電漿約束環沿該側壁在豎直方向上移動以在工作位置和傳送位置之間切換。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之基板處理方法，其中該電漿約束環與該反應腔的該側壁之間存在一間隙。
  14. 如申請專利範圍第10項所述之基板處理方法，其中該內壁的材料包括矽或碳化矽。
  15. 如申請專利範圍第10項所述之基板處理方法，其中該外壁的材料包括石英或陶瓷。
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