TWI717706B - 動態控制氣體流動模式的裝置及晶圓處理方法和設備 - Google Patents

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Abstract

本發明公開了一種動態控制氣體流動模式的裝置及晶圓處理方法和設備，基於對放置於處理腔室內的晶圓進行電漿處理製程，裝置是在處理腔室內進行氣體流通模式調整的氣體遮擋環；該裝置包含：移動環，其能分別處在第一位置或第二位置或在第一位置與第二位置之間進行等速直線運動或變速運動，移動環在第一位置時，反應氣體具有第一分佈，對晶圓產生第一處理效果；該移動環在第二位置時，反應氣體具有第二分佈，對晶圓產生第二處理效果，在整個電漿處理製程過程中，運動的移動環使得晶圓具有第三處理效果，第三處理效果介於第一處理效果和第二處理效果之間。本發明能夠通過動態調整移動環使得對晶圓的處理製程的控制更加精確，提高生產效率。

Description

動態控制氣體流動模式的裝置及晶圓處理方法和設備
本發明涉及半導體領域的製造設備，特別涉及一種動態控制氣體流動模式的裝置及晶圓處理方法和設備。
對矽片的蝕刻是以化學作用為主導的，蝕刻設備的處理腔室中的氣體輸送及流動模式對蝕刻性能會有很大影響。在蝕刻矽片的處理腔室內廣泛使用的一種氣體遮擋環(shadow ring)，能夠基於不同蝕刻製程的特定要求來改變處理腔室內的氣體流動模式。
該氣體遮擋環用以實現上述氣體流動及蝕刻效果調整的功能的最重要參數，是該氣體遮擋環的中間開口的直徑大小，以及該氣體遮擋環相對於晶圓表面的高度。例如，開口直徑較小的氣體遮擋環更易於促使氣體流向與晶圓中間區域對應的位置；而開口直徑較大的氣體遮擋環則易於使更多的氣體流向與晶圓邊緣區域對應的位置。
所述氣體遮擋環通過改變處理腔室內氣體流動的路徑，來調整處理腔室內的化學形態(例如使自由基和/或電漿體濃度增加或減少)，進而實現對晶圓上蝕刻效果的調整。例如是當氣體更多地流向晶圓表面的某些區域時，晶圓上這些區域的蝕刻率就會提升。因而，可以通過設置上述的氣體遮擋環來改變氣體流動的路徑，以抵消原先由於其他一些製程條件限制(例如晶圓溫度 分佈不均勻或耦合能量分佈不均勻等)造成晶圓不同區域上蝕刻效果不均勻的因素，從而使晶圓表面不同區域的蝕刻效果更為均勻。
然而，上述現有結構的每一個氣體遮擋環，其中間開口的直徑是一個固定數值。在使用一個處理腔室(即同一套硬體設備的架構)進行不同種類的製程處理時，這種中間開口直徑固定的氣體遮擋環不可能滿足所有製程的要求，因此就必須打開處理腔室並手動調換不同口徑的氣體遮擋環來適應不同要求，操作繁瑣。並且，打開處理腔室時會使其與外部的大氣環境連通，而要開始某項製程處理之前就必須使處理腔室內重新恢復到真空狀態或具有氣體壓力的狀態，這樣會造成製程處理的整個時間被延長，此外對於每次啟閉後處理腔室內部的製程條件(氣壓、溫度、耦合能量等等)是否能與之前保持一致難以確定，因此對製程處理的效率和效果有很大影響。
且對氣體遮擋環相對於晶圓表面的高度的調整僅能通過氣缸調節至第一位置或第二位置，氣體遮擋環位於第一位置時，氣體經過固定部件，在固定部件下方、氣體在氣體遮擋環及晶圓上方的間隔空隙流動，使大部分氣體流向晶圓邊緣區域；氣體遮擋環位於第二位置時，氣體經過遮擋環的固定部件的第一開口後，在固定部件及遮擋環下方、晶圓上方的間隔空隙流動，使大部分氣體流向晶圓中間區域。
現有技術僅能使得氣體遮擋環固定的位於上述兩個位置，不能實現遮擋環即時且在上述第一位置與第二位置之間的任意一個位置進行停留，使得對晶圓的刻蝕不能達到更好的刻蝕均勻性。
本發明目的是提供一種動態控制氣體流動模式的裝置及晶圓處理方法和設備，通過設置升降機執行器(lifter actuator)來控制遮擋環進行任意形式的直線運動，進而實現動態的控制處理腔室內的氣體流動模式，實現對待處理矽晶圓得到更加均勻的刻蝕結果。
為了實現以上目的，本發明通過以下技術方案實現：本發明第一個技術方案為一種動態控制腔室內氣體流動模式的裝置，基於通過進氣口引入到處理腔室的氣體對放置於該處理腔室內的晶圓進行電漿處理製程，其中進氣口位於處理腔室側壁上方，處理腔室頂部包括一個頂蓋，頂蓋上方包括射頻線圈連接到射頻電源，該裝置是在處理腔室內進行氣體流通模式調整的氣體遮擋環；該氣體遮擋環，包含：移動環，其能分別處在第一位置或第二位置或在第一位置與第二位置之間進行等速直線運動或變速運動，移動環在第一位置時，反應氣體具有第一分佈，對晶圓產生第一處理效果；移動環在第二位置時，反應氣體具有第二分佈，對晶圓產生第二處理效果。在整個電漿處理製程的過程中，運動的移動環使得晶圓具有第三處理效果，第三處理效果介於第一處理效果和第二處理效果之間。
較佳地，移動環的開口的直徑等於或大於晶圓的直徑，使晶圓嵌套在第一位置的移動環中。
較佳地，該裝置進一步包含若干帶有線性執行器的調節桿，其連接移動環並驅使移動環在第一位置和第二位置之間進行等速直線運動或變速運動。
較佳地，移動環在靠近第一位置時和靠近第二位置時的運動速度不同，使得移動環靠近第一位置的時間長度大於靠近第二位置的時間長度，第三處理效果與第一處理效果的差小於第三處理效果與第二處理效果的差。
本發明的第二個技術方案為一種晶圓處理設備，其包含：處理腔室；設置在處理腔室側壁上部的進氣口，利用經由進氣口引入至處理腔室內的氣體對晶圓進行處理；設置在處理腔室內底部的基座，基座頂部設置有靜電夾盤在製程的處理過程中對放置在上面的晶圓進行夾持；以及設置在處理腔室內用來進行氣體流通模式調整的氣體遮擋環；氣體遮擋環進一步包含：移動環，其能分別處在第一位置或第二位置或在第一位置與第二位置之間進行等速直線運動或變速運動，移動環在第一位置時，在移動環表面及晶圓上方的間隔空隙流動，使大部分氣體流向晶圓邊緣區域；移動環在第一位置與第二位置之間任意一位置包括第二位置時，氣體在移動環下方、晶圓上方的間隔空隙流動，使大部分氣體流向晶圓中間區域。
較佳地，該裝置進一步包含若干帶有線性執行器的調節桿，其連接移動環並驅使移動環在第一位置和第二位置之間進行等速直線運動或變速運動。
本發明的第三個技術方案為一種晶圓處理方法，在處理腔室內設置如上文所述的氣體遮擋環；移動環在第一位置與第二位置之間進行等速直線運動或變速運動，移動環在第一位置時，在移動環表面及晶圓上方的間隔空隙流動，使大部分氣體流向晶圓邊緣區域，晶圓邊緣區域的刻蝕速率高於晶圓中間區域的刻蝕速率；移動環在第一位置與第二位置之間任意一位置包括第二位置時，氣體在移動環下方、晶圓上方的間隔空隙流動，使大部分氣體流向晶圓中間區域，晶圓邊緣區域的刻蝕速率低於晶圓中間區域的刻蝕速率。
較佳地，移動環從第二位置移動到第一位置後，再次從第一位置移動到第二位置，重複上述過程，直至晶圓刻蝕結束。
本發明與現有技術相比具有以下優點： 本發明的遮擋環是可移動的且高度是可以設定的。對於不同的製程或相同製程中的不同步驟可以對遮擋環設定不同的高度，動態調整氣體流動模式，進而使得在晶圓表面處的電漿的形態和自由基的狀態得到動態調整。對遮擋環的動態調整使得對於不同的製程調整處適合產生滿足精確控制需求的晶圓。通過可以在程式中設置參數實現自動化控制，滿足精確控制需求，且相對於更換硬體，生產率會更高。
10:處理腔室
20:移動環
30:調節桿
50:線性執行器
60:真空泵
70:晶圓
80:進氣口
圖1和圖2分別是本發明一實施例中遮擋環在兩個不同位置的示意圖；圖3~圖5分別是本發明移動環在第一位置和第二位置之間以不同的移動速率進行移動的示意圖。
以下結合所附圖式，透過詳細說明一個較佳的具體實施例，對本發明做進一步闡述。
本發明提供一種裝置，通過改變處理腔室內的氣體流動模式，來調整處理腔室內的化學形態；將其應用到對晶圓(或基片、基板等)進行蝕刻的設備時，實現對晶圓蝕刻效果的調整。本發明中同樣提供了利用該裝置進行的晶圓處理方法和晶圓處理設備。
本發明提供一種高度可動態調整的氣體遮擋環，能夠改變氣體從進氣口到晶圓表面區域附近的氣體流動模式。為適應相同或不同製程處理的要求，本發明對氣體遮擋環的高度所實行的調整都可以在具有氣體壓力的處理腔室內完成，期間無需打開處理腔室。
如圖1所示，本發明所述的氣體遮擋環包含一個可移動部件，其主體是一個移動環20，該移動環20下方設置有帶有線性執行器50的調節桿30(該調節桿可設置為多個)，用來驅使該移動環20上升或下降。移動環20的中間設有開口，本實施例中，該開口的直徑等於或大於晶圓70的直徑。其中線性執行器50可以是步進電機或者電機驅動的螺桿等，只要能夠驅動移動環在上下兩個位置之間連續移動，並且可以精確控制移動環所處高度，均屬於本發明的線性執行器。
移動環20下降至第一位置時環繞在晶圓70的周邊，使該晶圓70能夠嵌套在移動環20中。此時，第一位置的移動環20是位於晶圓承載機構上，該晶圓承載機構通常是處理腔室10內底部一個基座上設置的靜電夾盤(或稱ESC)，其在製程處理過程中對放在上面的晶圓70進行夾持。
移動環20在第一位置時，反應氣體具有第一分佈，對晶圓產生第一處理效果。
反應氣體的第一分佈具體如下：氣體經進氣口80引入處理腔室10內以後，沿移動環20的上表面，橫向流動至晶圓70上方表面。即，引入的氣體經過移動環20的上表面後，在移動環20及晶圓70上方的間隔空隙流動，進而更多地流向晶圓邊緣區域，甚至流向遠離晶圓70的地方，此時該晶圓70邊緣區域的電漿體和自由基的濃度高，使得該晶圓70邊緣區域的刻蝕速率高於該晶圓70中間區域的刻蝕速率。
如圖2所示，移動環20上升至第二位置時，此時移動環20的上表面低於進氣口80且高於晶圓表面，反應氣體具有第二分佈，對晶圓產生第二處理效果。反應氣體的第二分佈具體如下所述：從進氣口80引入的氣體是沿移動環20的上表面，橫向流動至移動環20的開口，並通過該開口輸送至下方對應的晶圓70表面，即，引入的氣體經過移動環20的開口後，在移動環20下方、晶圓 70上方的間隔空隙流動，進而更多地流向晶圓中間區域，此時該晶圓70中間區域的電漿體和自由基的濃度高，使得該晶圓70中間區域的刻蝕速率高於該晶圓70邊緣區域的刻蝕速率。
本案通過調整使移動環20在第一位置與第二位置之間進行等速直線運動或變速運動，使得移動環20與晶圓70之間形成供氣體流通的不同路徑，實現對氣體流動模式的動態控制。即，在整個電漿處理製程過程中，運動的移動環20使得晶圓70具有第三處理效果，第三處理效果介於所述第一處理效果和第二處理效果之間。
較佳地，移動環20在靠近第一位置時和靠近第二位置時的運動速度不同，使得移動環20靠近第一位置的時間長度大於靠近第二位置的時間長度，第三處理效果與第一處理效果的差小於第三處理效果與第二處理效果的差。
圖3~圖5中的橫軸代表移動環20的移動時間t，縱軸代表移動環20所處的位置高度H，其中圖中P1表示移動環20處於第一位置時的高度，圖中P2表示移動環20處於第二位置時的高度。
如圖3所示，調節移動環20，使得移動環20在靠近第一位置時的移動速度慢，靠近第二位置時移動速度快，對晶圓70的最終的處理效果更接近移動環20停留在第一位置時得到的晶圓70的處理效果。
如圖4所示，移動環20在第一位置和二位置之間等速移動，最終的處理效果為兩端(第一位置、第二位置)處理效果的平均值；如圖5所示，調節移動環20，使得移動環20在靠近第一位置時移動速度快，靠近二位置時移動速度慢，最終的處理效果更接近移動環20停留在二位置的處理效果。
移動環20在第一位置與第二位置之間調整時，處理腔室處於關閉狀態，從而在處理腔室內保持為通過引入氣體而形成的壓力狀態，或保持為通過設置在處理腔室10外部的真空泵60排走氣體而形成的真空狀態。
本發明的裝置也可以被應用到除蝕刻以外的其他晶圓處理設備，來調整其中的氣體流動模式以形成不同的晶圓處理效果。本發明可以直接在密閉的真空處理腔室內自動完成，不需要打開處理腔室手動更換氣體遮擋環產生的問題。
對移動環20的控制可以根據對晶圓處理的相同或不同的製程要求，對移動環20的高度調整進行程式設計，以便對不同或相同的製程的蝕刻均勻性進行更加精準的控制。現有技術中的氣體遮擋環長期固定在一個位置，除了無法適應不同電漿處理製程的要求外，還會存在一些附帶問題，比如電漿和反應氣體濃度分佈不均會造成電荷和污染物在晶圓上不同區域的積累量也不同。本發明通過移動環連續的上下移動使得這些電荷和污染物的積累也能達到均勻，所以本發明不僅能夠通過調節移動環的上下運動選擇不同的加權平均處理效果，如刻蝕速率均勻性，還能同時改善由於固定的氣體遮擋環帶來的電荷和污染物積累不均的問題。
本發明通過驅動移動環在不同位置之間的連續移動，可以得到加權平均厚度處理效果，因此能夠使得處理腔室能夠簡單的調整移動速度就能適應不同的處理製程，比如第一處理製程中邊緣刻蝕速率過快，可以使得移動環在運動到更高位置時移動速度減慢，所以在整個處理製程中，移動環處於較高位置的時間大於處於其它位置的時間，最終的處理效果更接近移動環固定在最高點的處理效果。在同一個處理腔中需要進行第二處理製程時，可以參考上述方法調整不同位置時的移動速度來改變最終的處理效果。
儘管本發明的內容已經通過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:處理腔室
20:移動環
30:調節桿
50:線性執行器
60:真空泵
70:晶圓
80:進氣口

Claims (7)

  1. 一種動態控制腔室內氣體流動模式的裝置，基於通過一進氣口引入到一處理腔室的氣體對放置於該處理腔室內的一晶圓進行一電漿處理製程，其中該進氣口位於該處理腔室側壁上方，該處理腔室頂部包括一個頂蓋，該頂蓋上方包括一射頻線圈連接到一射頻電源，其中該裝置是在該處理腔室內進行氣體流通模式調整的一氣體遮擋環，該氣體遮擋環，包含：一移動環，其能分別處在一第一位置或一第二位置或在該第一位置與該第二位置之間進行一變速運動，該移動環在該第一位置時，一反應氣體具有一第一分佈，對該晶圓產生一第一處理效果；該移動環在該第二位置時，該反應氣體具有一第二分佈，對該晶圓產生一第二處理效果，其中在整個該電漿處理製程的過程中，運動的該移動環使得該晶圓具有一第三處理效果，該第三處理效果介於該第一處理效果和該第二處理效果之間；其中該移動環在靠近該第一位置時和靠近該第二位置時的運動速度不同，使得該移動環靠近該第一位置的時間長度大於靠近該第二位置的時間長度，該第三處理效果與該第一處理效果的差小於該第三處理效果與該第二處理效果的差。
  2. 如請求項1所述的裝置，其中該移動環的一開口的直徑等於或大於該晶圓的直徑。
  3. 如請求項1或2所述的裝置，其中該裝置進一步包含帶有一線性執行器的一調節桿，其連接該移動環並驅使該移動環在該第一位置和該第二位置之間進行該變速運動。
  4. 一種晶圓處理設備，其包含：一處理腔室；一進氣口，其設置在該處理腔室側壁上部，利用經該進氣口引入至該處理腔室內的氣體對一晶圓進行處理；一基座，其設置在該處理腔室內底部，該基座之一頂部設置有一靜電夾盤，以在一製程處理過程中對放置於其上的該晶圓進行夾持；以及，一氣體遮擋環，其設置在該處理腔室內用來進行氣體流通模式調整；所述氣體遮擋環，進一步包含一移動環，該移動環能分別處在一第一位置或一第二位置或在該第一位置與該第二位置之間進行一變速運動，該移動環在該第一位置時，氣體在該移動環表面及該晶圓上方的間隔空隙流動，使大部分氣體流向該晶圓邊緣區域；該移動環在該第一位置與該第二位置之間任意一位置包括該第二位置時，氣體在該移動環下方、該晶圓上方的間隔空隙流動，使大部分氣體流向該晶圓中間區域；其中該移動環在靠近該第一位置時和靠近該第二位置時的運動速度不同，使得該移動環靠近該第一位置的時間長度大於靠近該第二位置的時間長度，該第三處理效果與該第一處理效果的差小於該第三處理效果與該第二處理效果的差。
  5. 如請求項4所述的晶圓處理設備，其中該裝置進一步包含帶有一線性執行器的一調節桿，其連接該移動環並驅使該移動環在該第一位置和該第二位置之間進行該變速運動。
  6. 一種晶圓處理方法，其中在一處理腔室內設置如請求項1~3中任意一項所述的該氣體遮擋環；該移動環在該第一位置與該第二位置之間 進行一變速運動，該移動環在一第一位置時，氣體在該移動環表面及一晶圓上方的間隔空隙流動，使大部分氣體流向該晶圓的邊緣區域，該晶圓的邊緣區域的刻蝕速率高於該晶圓中間區域的刻蝕速率；該移動環在該第一位置與該第二位置之間任意一位置包括該第二位置時，氣體在該移動環下方、該晶圓上方的間隔空隙流動，使大部分氣體流向該晶圓的中間區域，該晶圓的邊緣區域的刻蝕速率低於該晶圓的中間區域的刻蝕速率；其中該移動環在靠近該第一位置時和靠近該第二位置時的運動速度不同，使得該移動環靠近該第一位置的時間長度大於靠近該第二位置的時間長度，該第三處理效果與該第一處理效果的差小於該第三處理效果與該第二處理效果的差。
  7. 如請求項6所述的晶圓處理方法，其中該移動環從該第二位置移動到該第一位置後，再次從該第一位置移動到該第二位置，重複上述過程，直至該晶圓刻蝕結束。
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