TWI768273B - 一種電容耦合電漿蝕刻設備 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種電容耦合電漿蝕刻設備，下電極的導電支撐桿與驅動裝置連接，透過驅動裝置驅動導電支撐桿沿其軸向運動，同時，下電極透過可伸縮密封部與腔體底部固定，使得下電極的上表面密封至腔體的容置空間中，腔體上連接有電性連接部，透過電性連接部將腔體內的射頻電流返回至射頻匹配器的回流端。也就是說，透過可伸縮密封部將下電極固定於腔體上，當下電極被驅動裝置驅動而上下移動時，腔體並不隨之移動，腔體中的射頻回路處於穩定狀態，從而，在實現極板間距的可調的同時，兼顧射頻回路的穩定性。

Description

一種電容耦合電漿蝕刻設備
本發明涉及半導體加工設備領域，特別涉及一種電容耦合電漿蝕刻設備。
電容耦合電漿處理設備，是借助於射頻耦合放電產生電漿，進而利用電漿進行沉積、蝕刻等加工製程，其中，產生電漿的電極之間的極板間距是重要的參數，尤其是在電漿蝕刻設備中，隨著加工製程的要求不斷提高，需要在不同的極板間距下完成不同的蝕刻步驟。然而目前的電漿蝕刻設備中的極板間距是固定不可調的，而由於電極作為射頻回路中的一部分，要實現極板間距的可調，需要同時兼顧射頻回路的穩定性。
有鑑於此，本發明的目的在於提供一種電容耦合電漿蝕刻設備，以實現極板間距的可調，同時兼顧射頻回路的穩定性。
為實現上述目的，本發明有如下的技術方案：一種電容耦合電漿蝕刻設備，包括：腔體，腔體包括側壁和底壁，底壁具有開口； 設置於腔體內的上電極以及與上電極相對設置的基座，基座包括下電極，下電極固定於導電支撐桿且位於開口之上；固定於導電支撐桿下端的驅動裝置，驅動裝置驅動導電支撐桿軸向運動，驅動裝置分別電性連接至射頻匹配器的輸出端和回流端；基座透過可伸縮密封部與腔體底壁固定，使得下電極的上表面密封設置於腔體所在的容置空間內；連接於腔體的電性連接部，透過電性連接部將腔體內的射頻電流返回至回流端。
可選地，基座進一步包括固定於下電極外側的絕緣環以及固定於絕緣環外側的內導電環，電性連接部為導電條，導電條連接於腔體底壁與內導電環之間，導電條的長度對應於可伸縮密封部的伸縮量；內導電環固定於可伸縮密封部，內導電環與腔體內側的射頻返回路徑之間具有間隔；射頻電流經過導電條後，依序流經內導電環的外側和內側後，從驅動裝置返回回流端。
可選地，進一步包括接地環，接地環位於腔體底壁上，接地環與側壁之間為空腔，接地環為射頻返回路徑的一部分。
可選地，進一步包括位於空腔之上的電漿侷限環，電漿侷限環與空腔構成排氣腔，電漿侷限環包括導電元件，導電元件使得射頻電流從腔體側壁經過電漿侷限環後進入接地環。
可選地，導電條為銅條。
可選地，可伸縮密封部為密封波紋管。
可選地，下電極上設置有靜電夾盤，絕緣環環繞下電極的側壁，在絕緣環上進一步設置有環繞靜電夾盤的聚焦環。
可選地，進一步包括環繞聚焦環的邊緣環。
可選地，射頻匹配器的數量為一個或複數個，複數個射頻匹配器具有不同的頻率及功率。
可選地，進一步包括射頻濾波器，射頻濾波器電性連接於驅動裝置與射頻匹配器之間，以作為射頻電流的輸出路徑和射頻返回路徑。
本發明實施例提供的電容耦合電漿蝕刻設備，其中，下電極的導電支撐桿與驅動裝置連接，透過驅動裝置驅動導電支撐桿沿其軸向運動，同時，下電極透過可伸縮密封部與腔體底部固定，使得下電極的上表面密封至腔體的容置空間中，腔體上連接有電性連接部，透過電性連接部將腔體內的射頻電流返回至射頻匹配器的回流端。也就是說，透過可伸縮密封部將下電極固定於腔體上，當下電極被驅動裝置驅動而上下移動時，腔體並不隨之移動，腔體中的射頻回路處於穩定狀態，從而，在實現極板間距的可調的同時，兼顧射頻回路的穩定性。
10:基座
100:腔體
101:接地環
102:上電極
103:空腔
105:下電極
107:靜電夾盤
110:導電支撐桿
120:射頻匹配器
122:射頻濾波器
124:驅動裝置
130:聚焦環
132:絕緣環
134:電漿侷限環
136:內導電環
138:邊緣環
140:可伸縮密封部
160:電性連接部
1001:側壁
1002:底壁
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術說明中所需要使用的附圖做簡單地介紹，顯而易見地，下面說明中的附圖是本發明的一些實施例，對於本領域具有通常知識者而言，在不付出創造性勞動的前提下，可以進一步的根據這些附圖獲得其他的附圖。
第1圖示出了根據本發明實施例的電容耦合電漿蝕刻設備的剖面結構示意圖。
為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加顯而易見，下面結合附圖對本發明的具體實施方式做詳細的說明。
在下面的說明中闡述了很多具體細節以便於充分理解本發明，但是本發明可以進一步採用其他不同於在此說明的其它方式來實施，本領域具有通常知識者可以在不違背本發明概念的情況下做類似的延伸，因此本發明不受下面公開的具體實施例的限制。
參考第1圖所示，為本發明實施例的電容耦合電漿蝕刻設備的剖面結構示意圖。電漿蝕刻設備具有處理腔室，處理腔室為由腔體100以及其他的必要元件所圍成的密閉空間，以使得晶片可以在處理腔室的真空環境中完成蝕刻加工製程。
在腔體100內設置有上電極102以及與上電極102相對設置的基座10，基座10包括下電極105，下電極105固定於導電支撐桿110上，導電支撐桿110的下端固定於驅動裝置124，驅動裝置124驅動導電支撐桿110沿其軸向運動，驅動裝置124分別電性連接至射頻匹配器120的輸出端和回流端。同時，基座10透過可伸縮密封部140與腔體底壁1002固定，使得下電極105的上表面密封設置於腔體100所在的容置空間內，腔體100上連接有電性連接部160，透過電性連接部160將腔體內的射頻電流返回至射頻匹配器120的回流端。
在本發明中，腔體100為固定不動，下電極105透過可伸縮密封部140固定於腔體100上，當下電極105被驅動裝置124驅動而上下移動時，腔體100並不隨之移動，腔體100中的射頻回路處於穩定狀態，從而，在實現極板間距的可調的同時，兼顧射頻回路的穩定性。
其中，上電極102為設置於腔體100上部的電極，上電極102也被稱作噴淋頭，通常來說，上電極102位於處理腔室外的端面上設置有進氣口(圖中未示出)，位於處理腔室內的端面上設置有空腔103，製程氣體透過進氣口進入上電極102，並透過空腔103輸送至處理腔室內。
下電極105依序透過導電支撐桿110、驅動裝置124電性連接至射頻匹配器120的輸出端，進一步地，驅動裝置124與射頻匹配器120之間可以進一步電性連接至有射頻濾波器122，射頻匹配器120與射頻電源(圖中未示出)連接，從而將射頻功率提供至下電極105。
在部分實施例中，下電極105可以連接一個或複數個射頻匹配器120，例如可以為兩個射頻匹配器120，在連接複數個射頻匹配器120的實施例中，每個射頻匹配器120可以提供不同於其他射頻匹配器120的射頻頻率和功率，以適用於不同加工製程的需求，在這些實施例中，上電極102可以接地。在另一實施例中，下電極105可以連接一個射頻匹配器120，上電極102可以連接另一個射頻匹配器120，這兩個射頻匹配器120可以提供不同的射頻頻率和功率。
下電極105同時可以進一步作為晶片的支撐結構，在下電極105內或者下電極105之上的絕緣材料層中可以設置有溫度控制裝置(圖中未示出)，用於為晶片提供合適的溫度，溫度控制裝置可以是焦耳加熱裝置，例如，透過電阻實現溫度控制，也可以是熱傳導通道，例如透過熱傳導通道中的冷卻劑實現溫度控制，溫度控制裝置可以具有分區排列的方式，使晶片的不同區域的溫度可以分別進行控制，以實現溫度控制均勻性的目的。
在本發明的實施例中，下電極105連接射頻源，作為射頻功率的輸出端，上電極102和腔體100可以接地，腔體100、或者腔體100以及與腔體100電性連接的其他一些元件可以作為射頻功率的返回路徑，具體的，如第1圖中的虛線所示，射頻功率從射頻匹配器120輸出端輸出，依序經過射頻濾波器122、驅動裝置124和導電支撐桿110之後，進入下電極105，製程氣體透過上電極102通入腔體100內之後，在射頻功率作用下，在上電極102與下電極105之間的空間，也就是下電極105之上的空間產生電漿，射頻電流透過電漿經過腔體100內 的返回路徑返回至射頻匹配器120的回路端，根據不同的腔體結構以及設計需要，返回路徑可以具有不同的設置。
射頻匹配器120與射頻源連接，用於輸出需要的射頻功率，其具有輸出端以及回路端，輸出端用於輸出射頻功率，回流端用於接收返回的射頻功率。射頻濾波器122與射頻匹配器120連接，射頻濾波器122用於過濾干擾頻率的訊號，射頻濾波器122電性連接至驅動裝置124，驅動裝置124向導電支撐桿110的軸向驅動力，這些裝置可以透過導電的外殼或者其他附屬元件以實現電性連接，從而可以作為射頻電流的輸出路徑以及返回路徑。
電漿蝕刻設備中的處理腔室為由腔體100以及其他的必要元件圍成的密閉空間，以使得晶片可以在處理腔室的真空環境中完成蝕刻加工製程。在本發明中，在腔體100的頂部會設置上電極102，上電極102可以設置於腔體100內部，透過其他的元件，如上蓋板等結構，以實現腔體100頂部的密封，上電極102可以進一步內嵌於腔體100頂部，在此，上電極102的設置僅為例示性實施例，本發明對於上電極102的設置方式以及腔體100頂部的密封並不做限定。
在本發明的實施例中，腔體100包括側壁1001以及底壁1002，下電極105位於開口之上，使得導電支撐桿110在開口位置能夠上下移動。在基座10與底壁1002之間固定連接有可伸縮密封部140，可伸縮密封部140為絕緣材料，例如可以為密封波紋管，即用於密封作用的波紋管，可伸縮密封部140用於將下電極105的上表面密封設置於腔體100所在的容置空間內，同時，可伸縮密封部140沿導電支撐桿110的軸向伸縮，也就是說，與導電支撐桿110具有相同的移動方向，此處下電極105的上表面即朝向上電極102的表面。這樣，在當導電支撐桿110被驅動上下移動時，可伸縮密封部140將與下電極一同伸縮，同時，透過可伸縮密封部140將下電極105密封至腔體100內。可以理解的是，可伸縮密封部140可以直接或間接與下電極105固定，當基座10中進一步設置有其他元件 時，可伸縮密封部140可以與其他元件配合，從而實現腔體100的底部的密封，使得下電極105朝向上電極102的表面位於密閉腔室內。
在本發明的實施例中，腔體100上進一步設置有電性連接部160，電性連接部160用於將腔體100內的射頻電流返回至射頻匹配器120的回流端，也就是說，電性連接部160作為射頻電流的返回路徑的一部分，在具體的應用中，電性連接部160可以連接於腔體100所在容置空間之外，例如可以連接於腔體底壁1002的外側，以避免電性連接部160對射頻電流產生干擾，此外，電性連接部160可以直接或間接連接至射頻匹配器120，以使得射頻電流得以返回至匹配器回流端。
在部分實施例中，基座10進一步包括在下電極105的外側固定的絕緣環132，以及在絕緣環132的外側固定的內導電環136，內導電環136外側為腔體100的內側的射頻返回路徑，內導電環136透過可伸縮密封部140固定於腔體底壁1002，電性連接部160連接於腔體底壁1002與內導電環136之間，電性連接部160的長度對應於可伸縮密封部140的伸縮量，內導電環136與腔體100內側的射頻返回路徑之間具有間隔。這樣，如第1圖中的虛線所示，來自於腔體100返回路徑的射頻電流經過電性連接部160後，依序流經內導電環136的外側和內側後，從驅動裝置124返回至射頻匹配器120的回流端。
在本實施例中，內導電環136透過電性連接部160連接到腔體100上，使得內導電環136與腔體100為相等電勢，透過內導電環136將下電極105與其外側的射頻返回路徑中的射頻場隔離開，在下電極105的移動中，內導電環136會隨著下電極105一同上下移動，下電極105移動中避免下電極105的射頻場會對周圍的射頻返回路徑的射頻場產生影響，進一步避免移動過程中下電極105的射頻場引起射頻回路的不穩定，以實現極板間距的可調的同時，兼顧射頻回路的穩定性。
在本實施例中，絕緣環132與下電極105固定，內導電環136固定於絕緣環132，進而透過可伸縮密封部140固定於腔體底壁1002上，使得下電極105的上表面密閉設置於腔體100所在的容置空間內，如第1圖所示，腔體100下部的密閉空間由腔體的側壁1001、底壁1002、可伸縮密封部140的內壁以及內導電環136的側壁圍成，使得下電極105的上表面置於腔體100內，而上電極102的下表面以及導電支撐桿110置於腔體100密閉環境之外，腔體100內將提供真空環境用於蝕刻製程的進行。
絕緣環132由絕緣材料製成，例如可以為陶瓷材料，將下電極105與內導電環136電性隔離。
內導電環136為導電材料，透過電性連接部160連接到腔體底壁1002，電性連接部160的長度對應於可伸縮密封部140的伸縮量，電性連接部160可以為可撓性的導電材料，例如可以為金屬銅，電性連接部160的長度具有一定的餘量，在可伸縮密封部140上下伸縮時，仍可以保持內導電環136與腔體100之間良好的電性連接狀態。
內導電環136外側為腔體100內側的射頻返回路徑，射頻返回路徑用於射頻功率的返回，射頻返回路徑可以是腔體側壁1001來提供，也可以由腔體100內的其他元件來提供。在本實施例中，在腔體100內進一步設置有接地環101，接地環101為導電材料，為射頻返回路徑的一部分，位於內導電環136的外側，其與內導電環136之間具有間隙，內導電環136用於屏蔽下電極105與接地環101之間的射頻干擾。接地環101與腔體100構成空腔103，空腔103可以用於形成排氣腔，空腔103上可以設置電漿侷限環134，透過電漿侷限環134與接地環101、以及腔體100來構成排氣腔，同時，電漿侷限環134包括有導電元件。其中，接地環101為導電的隔離壁，一方面能夠作為射頻返回路徑，另一方面在橫向隔離出排氣腔的空間；電漿侷限環134為透氣結構，使得腔體100內多餘的電漿熄滅 並使得廢氣能進入排氣腔中，通常地，排氣腔進一步設置有氣泵，以透過氣泵將腔室內的廢氣排除。
在本實施例中，如第1圖所示，射頻電流從腔體側壁1001經過電漿侷限環134之後，進入接地環101，這樣，利用腔室內的排氣腔以及電漿侷限環134這些必要元件以實現射頻電流的返回路徑，可以有效縮短射頻電流的返回路徑。在具體的例示性實施例中，電漿侷限環134為疊層結構，由下至上包括下導電層和上電介質材料層，如第1圖中的虛線所示，從腔體側壁1001的射頻電流沿電漿侷限環134的下層導電進入接地環101。
接地環101連接在底壁1002上，電性連接部160也設置於底壁1002上，這樣，如第1圖中的虛線所示，射頻電流從底壁1002經過電性連接部160後，依序流經內導電環136的外側和內側後，從腔體底壁1002返回射頻匹配器120的回流端。
在下電極105上可以進一步設置有靜電夾盤(ESC，Electrostatic Chuck)107，用於晶片的吸附，靜電夾盤107可以設置於絕緣材料層中，絕緣材料可以是是，例如，陶瓷材料。如第1圖所示，下電極105的中心區域高於邊緣區域，中心區域用於晶片的支撐，具有與晶片基本相同的形狀和大小，靜電夾盤107設置於中心區域之上，絕緣環132環繞邊緣區域以及下電極105的邊緣、下電極105的下部區域，並延伸至可伸縮密封部140的外側。
進一步地，在絕緣環132上進一步設置有環繞靜電夾盤107的聚焦環(focus ring)130，聚焦環130用於防止電弧放電，在具體的例示性實施例中，如第1圖所示，聚焦環130靠近靜電夾盤107的內壁的上部為擴口的斜切面，聚焦環130靠近靜電夾盤107的外緣為凹陷區，凹陷區可以用於放置邊緣環(edge ring)138。
以上所述僅是本發明的較佳實施方式，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本發明。任何本領域具有通常知識者，在不脫離本發明的技術方案範圍的情況下，都可利用上述說明的方法和技術內容對本發明的技術方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等效變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發明的技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所做的任何的簡單修改、等效變化及修飾，均仍屬本發明的申請專利範圍所保護的範圍內。
10:基座
100:腔體
101:接地環
102:上電極
103:空腔
105:下電極
107:靜電夾盤
110:導電支撐桿
120:射頻匹配器
122:射頻濾波器
124:驅動裝置
130:聚焦環
132:絕緣環
134:電漿侷限環
136:內導電環
138:邊緣環
140:可伸縮密封部
160:電性連接部
1001:側壁
1002:底壁

Claims (7)

  1. 一種電容耦合電漿蝕刻設備，包括：一腔體，該腔體包括一側壁和一底壁，該底壁具有一開口；設置於該腔體內的一上電極以及與該上電極相對設置的一基座，該基座包括一下電極，該下電極固定於一導電支撐桿且位於該開口之上；固定於該導電支撐桿下端的一驅動裝置，該驅動裝置驅動該導電支撐桿軸向運動，該驅動裝置分別電性連接至一射頻匹配器的一輸出端和一回流端；該基座透過一可伸縮密封部與該腔體的該底壁固定，使得該下電極的上表面密封設置於該腔體所在的容置空間內；連接於該腔體的一電性連接部，該電性連接部位於該容置空間外，透過該電性連接部將該腔體內的射頻電流返回至該回流端；其中該基座進一步包括固定於該下電極外側的一絕緣環以及固定於該絕緣環外側的一內導電環，該電性連接部為一導電條，該導電條連接於該腔體的該底壁與該內導電環之間，該導電條的長度對應於該可伸縮密封部的伸縮量；該內導電環固定於該可伸縮密封部，該內導電環與該腔體的內側的一射頻返回路徑具有間隔；射頻電流經過該導電條後，依序流經該內導電環的外側和內側後，從該驅動裝置返回該回流端；其進一步包括一接地環，該接地環位於該腔體的該底壁上，該接地環與該側壁之間為一空腔，該接地環為該射頻返回路徑的一部分； 其進一步包括位於該空腔之上的一電漿侷限環，該電漿侷限環與該空腔構成排氣腔，該電漿侷限環包括一導電元件，該導電元件使得射頻電流從該腔體的該側壁經過該電漿侷限環後進入該接地環。
  2. 如請求項1所述的設備，其中該導電條為銅條。
  3. 如請求項1所述的設備，其中該可伸縮密封部為密封波紋管。
  4. 如請求項1所述的設備，其中該下電極上設置有一靜電夾盤，一絕緣環環繞該下電極的側面，在該絕緣環上進一步設置有環繞該靜電夾盤的一聚焦環。
  5. 如請求項4所述的設備，其中進一步包括環繞該聚焦環的一邊緣環。
  6. 如請求項1所述的設備，其包括一個或複數個射頻匹配器，該複數個射頻匹配器具有不同的頻率及功率。
  7. 如請求項1所述的設備，其進一步包括一射頻濾波器，該射頻濾波器電性連接於該驅動裝置與該射頻匹配器之間，以作為射頻電流的一輸出路徑和一射頻返回路徑。
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