TWI771770B - 防止約束環發生電弧損傷的等離子體處理器和方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種等離子體處理器，包括一等離子體反應腔，等離子體反應腔內底部設有放置晶圓的基座，環繞基座設置等離子體約束環和接地環。等離子體約束環的外圈設有一支撐部，所述支撐部與接地環之間設置一導電層，改變支撐部與接地環之間原有的點接觸方式為面接觸方式，增加等離子體約束環與接地環之間的絕緣接觸面積。通過複數個螺釘一體化固定連接等離子體約束環、所述導電層、接地環，降低了等離子體約束環與接地環原有點接觸之外區域的距離，實現增加等離子體約束環與接地環之間的電容，降低等離子體約束環和所述接地環之間的電壓差，防止低頻射頻電場下約束環被電弧擊穿。本發明還揭示了一種防止約束環發生電弧損傷的方法。

Description

防止約束環發生電弧損傷的等離子體處理器和方法

本發明涉及等離子體刻蝕的技術領域，具體涉及一種防止約束環發生電弧損傷的等離子體處理器和方法。

用於積體電路製造的等離子體處理製程中包括等離子體沉積製程和等離子體刻蝕製程。在通過等離子體處理製程加工晶圓的過程中，首先將晶圓固定放置在等離子反應腔內，晶圓上形成有圖案化的微電子層。接著通過射頻功率發射裝置發射一射頻能量到等離子體反應腔內形成射頻場；然後各種反應氣體（蝕刻氣體或沉積氣體）被注入到等離子反應腔中，在射頻場的作用下注入的反應氣體在晶圓上方被激發成等離子體狀態；最後等離子體和晶圓之間發生化學反應和/或物理作用（比如刻蝕、沉積等等）形成各種特徵結構，化學反應中形成的揮發性的反應生成物脫離被刻蝕物質表面，並被真空系統抽出腔體。

為避免反應副產物在排出反應腔時攜帶等離子體至等離子體處理區域以外的區域對該區域造成損傷，通常在承載晶圓的基座與反應腔側壁之間設置等離子體約束環，等離子體約束環下方設置一接地環，用於形成反應腔內等離子體與地之間的射頻迴路。由於等離子體中含有大量的電子、離子、激發態的原子、分子和自由基等活性粒子。為對等離子體約束環進行保護，習知技術會在約束環表面覆蓋噴塗耐等離子體腐蝕的保護塗層。隨著刻蝕製程的不斷發展，施加到基座上的射頻電源的頻率不斷減小，在等離子體反應腔中，特別是低頻等離子體反應腔中，當約束環與接地環之間的電壓差ΔU過大時，等離子約束環上表面的絕緣保護塗層容易被擊穿，且約束環與接地環之間的電壓差ΔU過大時，約束環與接地環之間易發生電弧放電現象，導致等離子體處理設備存在安全隱患。

因此，本領域極需一種能夠適應低頻射頻電源的等離子體處理裝置，能在保證刻蝕穩定性和刻蝕結果對稱性的前提下，防止約束環被電弧擊穿，同時還要能防止約束環熱量過高。

本發明的目的在於提供一種防止約束環發生電弧損傷的等離子體處理器，在等離子體反應腔內具有低頻的射頻電場時，可以有效的防止約束環發生電弧損傷，並可以兼顧等離子體刻蝕對稱性。同時本發明的等離子體處理器還能夠快速有效的帶走約束環在射頻電場中產生的熱能，防止約束環上表面塗附的絕緣材料受熱破裂。

為達到上述目的，本發明提供一種等離子體處理器，包括一等離子體反應腔，所述等離子體反應腔內底部設有放置晶圓的基座，環繞所述基座設置等離子體約束環和位於所述等離子體約束環下方的接地環，所述等離子體約束環包括等離子體約束區域和支撐所述等離子體約束區域的支撐部，所述支撐部與所述接地環之間設置一導電層，用於降低等離子體約束環和所述接地環之間的電壓差。

所述基座連接一偏置射頻電源，所述偏置射頻電源輸出的射頻頻率小於等於1MHz。

較佳的，所述導電層為柔性導電薄片。

所述接地環與所述導電層之間電接觸，所述支撐部與所述導電層接觸的區域設有一絕緣層。

較佳的，所述等離子體約束環的上表面塗覆有耐等離子體腐蝕的保護塗層，下表面塗覆有絕緣材質形成的所述絕緣層。

較佳的，所述導電層為鋁鍍石墨材質。

所述支撐部和所述接地環之間設置有複數個固定裝置，通過所述固定裝置實現所述等離子體約束環、所述導電層和所述接地環的緊密接觸。

較佳的，所述複數個固定裝置均勻分佈在所述支撐部與接地環之間。

較佳的，所述固定裝置為設置在所述等離子體約束環內部的螺釘，所述螺釘與等離子體不發生接觸。

較佳的，所述螺釘頂部噴塗有耐等離子體腐蝕的保護塗層。

所述等離子體反應腔內設置一上電極，所述上電極與所述基座相對設置，所述上電極接地。

本發明還揭示了一種防止約束環發生電弧損傷的方法，採用一防止約束環發生電弧損傷的等離子體處理器實現的，該等離子體處理器包括一等離子體反應腔，所述等離子體反應腔內底部設有放置晶圓的基座，所述基座連接一射頻頻率小於等於1MHz的偏置射頻電源，環繞所述基座設置等離子體約束環和位於所述等離子體約束環的下方的接地環，所述等離子體約束環包括等離子體約束區域和支撐所述等離子體約束區域的支撐部，所述支撐部設置在等離子體約束環的外周。所述防止約束環發生電弧損傷的方法包含步驟： S1、在等離子體約束環外表面塗覆耐等離子體腐蝕的保護塗層，在等離子體約束環的下表面塗覆絕緣材質形成的一絕緣層； S2、在等離子體約束環的支撐部與接地環之間設置一柔性導電薄片作為導電層，改變所述支撐部與接地環之間原有的點接觸方式為面接觸方式，增加等離子體約束環與接地環之間的絕緣接觸面積； S3、通過複數個螺釘一體化固定連接等離子體約束環、所述導電層、接地環，降低了等離子體約束環與接地環原有點接觸之外區域的距離，實現增加等離子體約束環與接地環之間的電容，降低等離子體約束環和所述接地環之間的電壓差。

所述步驟S2中，所述螺釘設置在等離子體約束環內部，不自等離子體約束環伸出；螺釘頂部噴塗有耐等離子體腐蝕的保護塗層。

與習知技術相比，本發明結構簡單，易於實現。無需額外的計算和測量，即可實現在等離子體反應腔內具有低頻的射頻電場時，可以有效的防止約束環發生電弧損傷，並可以兼顧等離子體刻蝕對稱性。同時本發明的等離子體處理器還能夠快速有效的帶走等離子體約束環在射頻電場中產生的熱能，防止等離子體約束環上表面塗覆的絕緣材料受熱破裂。

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，所屬技術領域中具有通常知識者在沒有做出進步性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

本發明公開了一種防止約束環發生電弧損傷的等離子體處理器。圖1為本發明的實施例一中該等離子體處理器100的結構示意圖。該等離子處理器100包含有等離子體反應腔，所述等離子體反應腔包括由金屬材料製成的大致為圓柱形的反應腔側壁170。在等離子體反應腔的底部設有用於放置晶圓102的基座120，基座120中設置有用於吸附晶圓102的靜電卡盤115。等離子體反應腔內設置一氣體噴淋頭150，所述氣體噴淋頭150與一氣體供應裝置10相連，用於在進行等離子體刻蝕時，向等離子體反應腔提供反應氣體。所述氣體噴淋頭150位於所述基座120的上方，並與基座120相對。在等離子體反應腔中設有對應的上電極和下電極，用於激發反應氣體從而產生等離子體160，使製程過程中等離子體反應腔內部充滿有等離子體160（plasma）。等離子體反應腔的下方還設置一排氣泵125，用於將反應副產物排出等離子體反應腔內。

在本發明的實施例一中，所述氣體噴淋頭150作為等離子體反應腔的上電極，所述上電極接地。所述基座120作為等離子體反應腔的下電極。所述基座120連接一源射頻電源和一偏置射頻電源145。源射頻電源可以選擇性的施加到所述上電極或所述下電極，在所述上電極和所述下電極之間產生射頻電場，用以將反應氣體解離為等離子體160；偏置射頻電源145通常施加到用於支撐晶圓102的下電極。以產生一吸引等離子體中的帶電粒子向晶圓轟擊的電場，等離子體160作用於待處理晶圓102，實現對晶圓102的處理。

環繞基座120設有等離子體約束環105（FEIS ring），等離子體約束環105位於基座120與等離子體反應腔內反應腔側壁170之間，用於將反應副產物氣體排出反應區域的同時，將等離子體160限制在等離子體處理區域內，避免等離子體160隨排出氣體從等離子體反應腔中外溢。

所述等離子體約束環105為鋁材質，將其整體進行陽極氧化後，形成絕緣的陽極氧化鋁。再在等離子體約束環105上表面塗覆氧化釔，在等離子體約束環105的上表面形成耐等離子體160腐蝕的保護塗層1054。等離子體約束環105下表面的陽極氧化鋁形成一絕緣層1055。

等離子體約束環105上設有連通等離子體約束環105的上下面的槽口1053，通過所述槽口1053形成貫穿等離子體約束環105的上下表面的氣流通道，這些氣流通道的開口大小及深度經過設計可以保證基座120上方形成的等離子體160氣體在流經等離子體約束環105時，其中的離子全部熄滅，成為中性氣體向下流動。所述槽口1053可以是點狀結構、環狀結構、放射狀結構、齒狀結構。可以理解，等離子體約束環105上的槽口1053可以採用任何結構和分佈狀體，只需要滿足對等離子體160的限制作用，以及等離子體反應腔所要進行的製程要求即可。

為了避免反應腔內的射頻電場傳播到等離子體約束環105下方，將已經恢復到中性的反應氣體再次點燃，形成二次等離子體並污染等離子體反應腔下方的內壁和排氣管道，同時等離子體約束環105上積累的大量電荷也需要導向接地端的導通管道，所以在約束環105下設有接地環106（MGR ring）。接地環106由導體製成並且電接地，這樣就能將射頻能量遮罩在接地環106上方，避免二次等離子體160產生，同時導走等離子體約束環105上的積累電荷。通過等離子體約束環105的下表面塗覆的絕緣材質形成一絕緣層1055，使得接地環106與等離子體約束環105之間的接觸方式為絕緣接觸。等離子體約束環105處於懸浮電位，接地環106處於零電位，接地環106與等離子體約束環105之間通過電容耦合（無直流導通）的方式實現射頻電功率的傳輸。

如圖1、圖2所示，本發明的實施例一中，等離子體約束環105包含有等離子體約束區域1051，等離子體約束區域1051上設有複數個與其同心的環狀結構的槽口1053。在等離子體約束區域1051的外周的邊緣處設有支承所述等離子體約束區域1051的支撐部1052。作為一種實施方式，支撐部1052的厚度大於等離子體約束區域1051，以使得等離子體約束區域1051和接地環106之間形成一間隙。在等離子體約束環105設置於接地環106上時，支撐部1052與接地環106接觸，並將等離子體約束區域1051架起，使等離子體約束區域1051不與接地環106接觸。

在等離子體約束環105的支撐部1052與接地環106之間還設置有一導電層109。所述導電層109為柔性導電薄片，其為鋁鍍石墨材質。如圖3所示，所述導電層109分為上層1091、中間層1092、下層1093等三層，其中間層1092為鋁材質，導電層109的上層1091、導電層109的下層1093均為石墨材質。導電層109的上層1091與等離子體約束環105的支撐部1052相接觸，其為絕緣接觸；導電層109的下層1093與接地環106相接觸，其為電接觸。通過所述導電層109降低等離子體約束環105和所述接地環106之間的電壓差。所述接地環106與所述導電層109之間電接觸，所述支撐部1052與所述導電層109接觸的區域為絕緣接觸。

所述支撐部1052和所述接地環106之間還設置有複數個固定裝置，通過所述固定裝置實現所述等離子體約束環105、所述導電層109和所述接地環106的緊密接觸，通過壓緊等離子體約束環105和接地環106之間的導電層109中的石墨進行良好的熱傳導。較佳的，所述固定裝置為設置在所述等離子體約束環105內部的螺釘108。如圖4所示，所述螺釘108均勻分佈在所述支撐部1052與接地環106之間的導電層109上。所述螺釘108與等離子體160不發生接觸。螺釘108的上端位於等離子體約束環105內不自等離子體約束環105頂部伸出；螺釘108的下端位於接地環106內不自接地環106伸出。螺釘108的頂部噴塗有絕緣材質，防止螺釘108被等離子反應腔內的等離子體160轟擊。所述螺釘108為金屬材質，其具有良好的熱傳導性，將等離子體約束環105產生的熱能傳導至接地環106，有效的防止等離子體約束環105上表面的塗層因過熱而膨脹破裂。

由於機械加工不可能製作出完全平整的表面，接地環106與等離子體約束環105的支撐部的各自表面均存在微小凹凸，習知技術中當等離子體約束環105直接放置在接地環106上時，使得等離子體約束環105與接地環106之間為點接觸的方式。接地環106與等離子體約束環105之間點接觸以外的區域具有一定的間隔距離。等離子體約束環105與接地環106之間存在一個電壓差。當施加到反應腔內的射頻功率發射裝置產生射頻的角頻率越小時，該電壓差越大。當電壓差大於一定值時，對等離子體約束環105發生電弧作用，造成等離子體約束環105電弧損傷。當射頻的角頻率小於1MHz，尤其是小於等於400KHz時，等離子體約束環105電弧損傷的概率很高。另一方面，當接地環106與等離子體約束環105之間的間隔距離越大時，等離子體約束環105與接地環106之間的電壓差越大。

在具有低頻射頻電場的等離子腔體中，接地環106與等離子體約束環105之間的電壓差

，其中Z為射頻電場中等離子體約束環105到接地環106的阻抗，ω是射頻的角頻率，C是等離子體約束環105與接地環106絕緣接觸面間的電容。如圖5所示，ΔU的值隨著ω的減小而增大，在ω的值較小，即等離子體反應腔內的射頻電場為低頻時（例如ω小於等於400KHz時），ΔU會出現陡增。當ΔU達到一個電壓值U₁ 時，等離子體約束環105就會發生電弧損傷，造成擊穿。在射頻的角頻率不變的情況下，通過增加

可以降低等離子體約束環105與接地環106之間的電壓差ΔU，防止等離子體約束環105發生電弧損傷。已知

，其中ɛ為等離子體約束環105與接地環106之間介質的介電常數，S為接地環106與等離子體約束環105的相對面積，d為接地環106與等離子體約束環105之間的距離，ɛ為固定值。接地環106與等離子體約束環105的相對面積S固定，通過減少接地環106與等離子體約束環105之間的距離d，可實現增大等離子體約束環105與接地環106絕緣接觸面間的電容C，達到減少接地環106與等離子體約束環105之間的電壓差ΔU的目的。

本發明中在等離子體約束環105與接地環106之間設置一導電層109，由於所述導電層109採用鋁鍍石墨材質，由於石墨材料質地較軟，一個較小的外力即可使得石墨形變。所述螺釘108使得接地環106、導電層109、等離子體約束環105之間緊密接觸，導電層109塗覆的石墨產生的形變填補接地環106與等離子體約束環105之間的微小凹凸，實現等離子體約束環105的支撐部1052與接地環106之間的絕緣點接觸方式為絕緣面接觸方式，增加等離子體約束環105與接地環106之間的絕緣接觸面積；進一步的，通過所述絕緣面接觸方式，降低了等離子體約束環105與接地環106之間原來點接觸之外區域的距離。從而實現減少原來點接觸之外區域的電壓差，防止等離子體約束環105發生電弧損傷，此外，由於石墨具有良好的熱傳導性，可以實現等離子體約束環105與接地環106之間良好的熱傳導。

刻蝕製程中，當等離子體約束環105與接地環106之間間隙小於0.2mm時，等離子體約束環105的對地電容高達＞5nf，而將接地環106與等離子體約束環105之間間隔距離增加至0.2mm甚至更高，等離子體約束環105的對地電容降至＜2nf。而當接地環106與等離子體約束環105之間間隔距離大於0.2mm後，已不會對等離子體約束環105的對地電容造成顯著影響。接地環106與等離子體約束環105之間的傳輸阻抗主要由其絕緣接觸面間的電容決定，而距離基座120上待處理晶圓102最近的等離子體約束環105的阻抗分佈會影響基座120周圍的射頻電場分佈，進而影響等離子體的分佈和刻蝕效果的均一性。為了保證等離子體刻蝕效果的均一性，通常會將等離子體約束環105與接地環106之間的距離設置為大於0.2mm。因此，為兼顧防止等離子體約束環105發生電弧損傷和保證刻蝕均勻性，較佳的，所述導電層109的厚度為0.2mm。

本發明還提供一種防止約束環105發生電弧損傷的方法，採用一防止等離子體約束環105發生電弧損傷的等離子體處理器100實現的，該等離子體處理器100包括一等離子體反應腔，所述等離子體反應腔內底部設有放置晶圓102的基座120，所述基座120連接一偏置射頻電源145，環繞所述基座120設置等離子體約束環105和位於所述等離子體約束環105下方的接地環106，所述等離子體約束環105的外周設置一支撐部1052，所述防止等離子體約束環105發生電弧損傷的方法包含步驟：

S1、在等離子體約束環105上表面塗覆耐等離子體腐蝕的保護塗層，在等離子體約束環105下表面塗覆絕緣材質形成一絕緣層；

S2、在等離子體約束環105的支撐部1052與接地環106之間設置一柔性導電薄片作為導電層109，改變所述支撐部1052與接地環106之間原有的點接觸方式為面接觸方式，增加等離子體約束環105與接地環106之間的絕緣接觸面積；較佳的，所述導電層109為鋁鍍石墨材質，導電層109的厚度較佳為0.2mm。

S3、通過複數個螺釘108一體化固定連接等離子體約束環105、所述導電層109、接地環106，降低了等離子體約束環105與接地環106原有點接觸之外區域的距離，實現增加等離子體約束環105與接地環106之間的電容，降低等離子體約束環105和所述接地環106之間的電壓差，並且將等離子體約束環105產生的熱能傳導至接地環106，有效的防止等離子體約束環105上表面的塗層因過熱而膨脹破裂。所述螺釘108設置在等離子體約束環105內部，不自等離子體約束環105伸出；螺釘108頂部噴塗有耐等離子體腐蝕的保護塗層。

與習知技術相比，本發明結構簡單，易於實現。無需額外的計算和測量，即可實現在等離子體反應腔內具有低頻的射頻電場時，可以有效的防止等離子體約束環105發生電弧損傷，並可以兼顧等離子體刻蝕對稱性。同時本發明的等離子體處理器100還能夠快速有效的帶走等離子體約束環105在射頻電場中產生的熱能，防止等離子體約束環105上表面的絕緣塗層受熱破裂。

以上所述，僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的通常知識者在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到各種等效的修改或替換，這些修改或替換都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應以申請專利範圍的保護範圍為準。

100:等離子體處理器 10:氣體供應裝置 102:晶圓 105:等離子體約束環 1051:等離子體約束區域 1052:支撐部 1053:槽口 1054:保護塗層 1055:絕緣層 106:接地環 108:螺釘 109:導電層 1091:上層 1092:中間層 1093:下層 115:靜電卡盤 120:基座 125:排氣泵 145:偏置射頻電源 150:氣體噴淋頭 160:等離子體 170:反應腔側壁

為了更清楚地說明本發明技術方案，下面將對描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一個實施例，對於所屬技術領域中具有通常知識者來講，在不付出進步性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖： 圖1為本發明的實施例一中，等離子體處理器的結構示意圖； 圖2為本發明的實施例一中，等離子體約束環、導電層、接地環、螺釘連接關係示意圖； 圖3為本發明的實施例一中，導電層的剖視圖； 圖4為本發明的實施例一中，導電層、螺釘俯視圖； 圖5為約束環與接地環之間的電壓隨射頻電場的角頻率變化示意圖。

100:等離子體處理器

10:氣體供應裝置

102:晶圓

1051:等離子體約束區域

1052:支撐部

106:接地環

108:螺釘

109:導電層

115:靜電卡盤

120:基座

125:排氣泵

145:偏置射頻電源

150:氣體噴淋頭

160:等離子體

170:反應腔側壁

Claims (13)

1. 一種等離子體處理器，包括一等離子體反應腔，該等離子體反應腔內底部設有放置一晶圓的一基座，環繞該基座設置一等離子體約束環和位於該等離子體約束環的下方的一接地環，其中：該等離子體約束環包括一等離子體約束區域和支撐該等離子體約束區域的一支撐部，該支撐部與該接地環之間設置一導電層，用於降低該等離子體約束環和該接地環之間的電壓差。
2. 如請求項1所述的等離子體處理器，其中：該基座連接一偏置射頻電源，該偏置射頻電源輸出的射頻頻率小於或等於1MHz。
3. 如請求項1所述的等離子體處理器，其中：該導電層為柔性導電薄片。
4. 如請求項1所述的等離子體處理器，其中：該接地環與該導電層之間電接觸，該支撐部與該導電層接觸的區域設有一絕緣層。
5. 如請求項4所述的等離子體處理器，其中：該等離子體約束環的上表面塗覆有耐等離子體腐蝕的一保護塗層，下表面塗覆有絕緣材質形成的該絕緣層。
6. 如請求項1所述的等離子體處理器，其中：該導電層為鋁鍍石墨材質。
7. 如請求項1所述的等離子體處理器，其中：該支撐部和該接地環之間設置有複數個固定裝置，通過該複數個固定裝置實現該等離子體約束環、該導電層和該接地環的緊密接觸。
8. 如請求項7所述的等離子體處理器，其中，該複數個固定裝置均勻分佈在該支撐部與該接地環之間。
9. 如請求項7所述的等離子體處理器，其中：該複數個固定裝置為設置在該等離子體約束環內部的螺釘，該螺釘與等離子體不發生接觸。
10. 如請求項9所述的等離子體處理器，其中：該螺釘的頂部噴塗有耐等離子體腐蝕的一保護塗層。
11. 如請求項1所述的等離子體處理器，其中：該等離子體反應腔內設置一上電極，該上電極與該基座相對設置，該上電極接地。
12. 一種防止約束環發生電弧損傷的方法，採用一防止約束環發生電弧損傷的等離子體處理器實現的，該等離子體處理器包括一等離子體反應腔，該等離子體反應腔內底部設有放置一晶圓的一基座，該基座連接一偏置射頻電源，環繞該基座設置一等離子體約束環和位於該等離子體約束環下方的一接地環，該等離子體約束環的外周設置一支撐部，其中，該防止約束環發生電弧損傷的方法包含步驟：S1、在該等離子體約束環上表面塗覆耐等離子體腐蝕的一保護塗層，在該等離子體約束環的下表面塗覆絕緣材質形成一絕緣層；S2、在該等離子體約束環的該支撐部與該接地環之間設置一柔性導電薄片作為一導電層，改變該支撐部與該接地環之間原有的點接觸方式為面接觸方式，增加該等離子體約束環與該接地環之間的絕緣接觸面積；S3、通過複數個螺釘一體化固定連接該等離子體約束環、該導電層、該接地環，降低了該等離子體約束環與該接地環原有點接觸之外區域的距離，實現增加該等離子體約束環與該接地環之間的電容，降低該等離子體約束環和該接地環之間的電壓差。
13. 如請求項12所述的防止約束環發生電弧損傷的方法，其中，所述步驟S3中，該螺釘設置在該等離子體約束環的內部，不自該等離子 體約束環伸出；該螺釘的頂部噴塗有耐等離子體腐蝕的該保護塗層。

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