TWI777045B - 極板間距可調容性耦合等離子體處理系統及其方法 - Google Patents

Abstract

本發明公開了一種極板間距可調容性耦合等離子體處理系統及其方法，所述系統包含：上電極、下電極、橋聯環、外環導軌、接地環、傳片門；下電極通過橋聯環連接到外環導軌構成下電極系統；外環導軌沿著刻蝕腔體內壁上下移動，且在某一特定位置上設置接地環，使外環導軌固定在所述接地環完成接地狀態，此時外環導軌把傳片門完全阻擋和遮罩。所述系統克服傳統技術方案當中存在的無法規避傳片門而導致的刻蝕製程不對稱問題及刻蝕製程所需極板間距較大時傳片門處等離子體無效約束等缺陷。

Description

極板間距可調容性耦合等離子體處理系統及其方法

等離子體刻蝕、等離子體約束系統。

傳統電容耦合等離子體刻蝕機的極板間距無法即時線上調控，這極大限制了刻蝕機的製程範圍和對不同製程的相容性。極板間距可調等離子體刻蝕機的基本思路在於或通過固定下電極調節上電極，或通過固定上電極調節下電極來實現極板間距的調控。以後者為例，結合附圖說明了通過下電極(Lower Cathode)移動實現極板間距調節過程：

如附圖1，將下電極2移動至傳片門(Slit door)5以下，完成晶圓3傳入過程；此時極板間距為h1。

如附圖2，將下電極2上移至製程所需位置，完成刻蝕製程；此時極板間距為h2。

將下電極2重新下移至極板間距為h1的位置，如附圖1，完成晶圓3傳出過程。

上述操作過程的一個基本邏輯思路在於通過簡單的下電極移動實現極板間距的大範圍調節。在下電極2移動過程中，為了確保RF路徑的暢通以及等離子體約束系統對等離子體約束的可靠性，需要使用由多個低阻抗金屬導體構成的橋聯環4(如銅或鋁的導線材質)將環繞下電極2的等離子體約束系統11與腔體連接起來。等離子約束系統11中包括導體，最終下電極2經過等離 子約束系統中的導體和橋聯環連接到反應腔側壁的接地處，這一個通路中只有橋聯環4的長度受到下電極上下運動幅度的限制無法縮短，最終導致這個通路上的電感很大，高頻射頻功率流通的阻抗也很大。橋聯環4的阻抗大小決定了整個腔體RF回路的暢通性，從而影響等離子體的約束效果。顯而易見，當下電極2移動範圍增加時，相應地，橋聯環4長度和阻抗均要增加，從而減弱等離子體的約束效果。典型地，較大長度的橋聯環4對等離子體源頻率(60MHz)具有更大的阻抗，因此更多的是影響60MHz等離子體的約束能力。

另外，上述操作過程還有兩個比較大的缺陷。一是它無法規避傳片門(Slit door)5，腔體不對稱因素所造成的刻蝕製程不對稱問題；二是當刻蝕製程所需極板間距較大時，等離子約束系統11到傳片門5之間無法形成有效回路，等離子體無效約束問題變得非常明顯。基於此，本發明針對以上所述提出了一種極板間距可調容性耦合等離子體刻蝕系統及其方法。

本發明針對極板間距可調刻蝕機制提出了一種極板間距可調容性耦合等離子體處理系統，克服傳統技術方案當中存在的無法規避傳片門而導致的刻蝕製程不對稱問題及刻蝕製程所需極板間距較大時傳片門處等離子體無效約束等缺陷。

為了達到上述目的，本發明通過以下技術方案實現：

提供一種極板間距可調容性耦合等離子體處理系統，其系統包含：腔體、上電極、下電極、橋聯環、外環導軌、傳片門、接地環；所述上電極在腔體內的上部，下電極在腔體內下部承載晶圓的基座中； 所述外環導軌沿腔壁上下移動；所述下電極在腔體內上下移動；所述下電極與外環導軌之間設有橋聯環；腔壁的一側開設有傳片門，使所述晶圓通過傳片門傳入腔體並放置到移動至第一位置的下電極處，或通過傳片門將晶圓從第一位置的下電極處傳送到腔體外；所述下電極移動到第二位置時，所述外環導軌向上移動到一個與接地環實現電連接的接地位置，使得下電極通過所述橋聯環、外環導軌、接地環實現接地；所述下電極移動到高於所述第二位置的第三位置時到達製程處理所需的位置，且下電極在第二位置與第三位置之間移動期間，所述外環導軌保持與接地環的電連接的接地位置。

較佳地，所述下電極在腔體內上下移動時，所述上電極的位置固定。

較佳地，所述下電極在第二位置與第三位置之間移動期間，所述橋聯環產生形變。

較佳地，移動到接地位置的所述外環導軌足以將傳片門完全遮蓋。

較佳地，所述外環導軌的接地位置是外環導軌沿腔壁移動的上限位置。

較佳地，所述外環導軌在接地位置處與設置在腔壁上的接地環電性接觸。

較佳地，所述外環導軌通過其上部設置的墊圈與接地環電性接觸。

較佳地，所述下電極處於第一位置時，所述下電極、外環導軌及橋聯環分別位於傳片門以下的位置，使晶圓得以傳入或傳出腔體。

一種極板間距可調容性耦合等離子體處理方法，其步驟包含：S1、將下電極和外環導軌移動至傳片門以下，將晶圓傳入腔體並放置到下電極處；S2、移動下電極和外環導軌，直至外環導軌到達接地位置，並通過外環導軌將所述傳片門完全遮擋；S3、移動下電極直至到達製程處理所需位置，並使外環導軌在其接地位置保持不動；通過向下電極或上電極之一施加射頻源功率，將引入到腔體內的反應氣體激發形成等離子體，對晶圓進行製程處理。

較佳地，對晶圓完成製程處理之後，進一步包含以下過程：S4、移動下電極，使下電極回到步驟S2時的位置，並在下電極移動期間使外環導軌在其接地位置保持不動；S5、移動下電極和外環導軌，使下電極和外環導軌回到步驟S1時的位置，通過傳片門進行晶圓傳出操作。

較佳地，外環導軌在其接地位置與腔壁上的接地環電性接觸。

較佳地，步驟S1時上電極和下電極的間距為h1，步驟S2時上電極和下電極的間距為h2，步驟S3時上電極和下電極的間距為h3，其中h1>h2>h3。

較佳地，射頻源功率的頻率大於等於60MHz。

一種極板間距可調容性耦合等離子體處理系統，其系統包含：腔體、上電極、下電極、橋聯環、外環導軌、傳片門和接地環；所述上電極在腔體內的上部，下電極在腔體內下部承載晶圓的基座中；所述外環導軌沿腔壁上下移動；所述下電極在腔體內上下移動；所述下電極與外環導軌之間設有橋聯環；第一驅動裝置驅動所述下電極在第一位置和第二位置之間移動，第二驅動裝置驅動所述外環導軌在第三位置和第四位置之間移動，其中下電極的移動範圍大於所述外環導軌的移動範圍；腔壁的一側開設有傳片門，使所述晶圓通過傳片門傳入腔體並放置到移動至第一位置的下電極處，或通過傳片門將晶圓從第一位置的下電極處傳送到腔體外；所述外環導軌從第三位置向上移動到第四位置時，與接地環實現電連接，使得下電極通過所述橋聯環、外環導軌、接地環實現接地；所述下電極進一步向上移動且外環導軌停留在第四位置時，所述橋聯環變形延展，保持外環導軌與下電極的電連接。

較佳地，所述外環導軌在第四位置時完全遮擋所述傳片門。

本發明針對極板間距可調刻蝕機制提出了一種極板間距可調容性耦合等離子體刻蝕系統及其方法。該系統及其方法具有以下優點：

通過外環導軌的靈活移動接地過程，可以最大程度縮減橋聯環的長度，增強刻蝕系統對60MHz等高頻等離子體的約束能力； 接地的外環導軌可同時用於傳片門的有效遮擋和遮罩，從而消除刻蝕機傳片門所引入的諸多問題，例如刻蝕過程不對稱性、等離子體漏約束以及聚合物(Polymer)沉積帶來的顆粒污染(Particle)問題。

1:上電極

11:等離子約束系統

2:下電極

3:晶圓

4:橋聯環

5:傳片門

6:外環導軌

7:墊圈

8:接地環

圖1為傳統極板間距可調電容耦合等離子體處理機的示意圖；圖2為傳統極板間距可調電容耦合等離子體處理機的實現極板間距調節過程示意圖；圖3為一種極板間距可調容性耦合等離子體處理方法的流程圖；圖4為一種極板間距可調容性耦合等離子體處理系統的完成晶圓傳入操作示意圖；圖5為一種極板間距可調容性耦合等離子體處理系統的外環導軌通過墊圈完成接地的示意圖；圖6為一種極板間距可調容性耦合等離子體處理系統的下電極系統上移至製程所需位置的示意圖。

以下結合附圖，通過詳細說明一個較佳的具體實施案例，對本發明做進一步闡述。

如附圖4所示，本發明針對極板間距可調刻蝕機制提出了一種極板間距可調容性耦合等離子體處理系統及其方法，所述系統包含：刻蝕腔體、上電極1、下電極2、橋聯環4、外環導軌6、傳片門5、接地環8、墊圈7。

上電極1在腔體內的上部，下電極2在腔內下部承載晶圓3的基座中，腔壁的一側開設傳片門5。所述下電極2通過橋聯環(Strap)4連接到外環 導軌(Slide guide)6。固定所述上電極1位置，下電極2在刻蝕腔體內上下移動，外環導軌6沿腔壁上下移動，橋聯環4隨著下電極2和外環導軌6一起移動。所述外環導軌6的上部設置墊圈7，該外環導軌6移動的上限位置設置一個接地環8，使外環導軌6通過墊圈7接觸接地環8完成接地狀態。所述外環導軌6處於上限位置並與接地環接觸時，能夠完全遮擋所述傳片門5。

下電極2有三種位置狀態。如附圖4所示，外環導軌6在傳片門5以下位置時，所述下電極2也在傳片門5以下位置，進行晶圓3傳入、傳出等操作。如附圖5所示，外環導軌6處於完全遮擋所述傳片門5的位置時，下電極2也跟著移動到下電極2頂部與外環導軌6上部齊平的位置；本例中外環導軌6與下電極2移動速度保持一致，且橋聯環4也無形變。如附圖6所示，外環導軌6完全遮蓋傳片門5後停止移動，下電極2繼續移動到製程所需位置，此時橋聯環4發生形變。

橋聯環4與下電極2通過獨立的兩套驅動機構驅動，可以同步升降也可以不同步，不同步升降時橋聯環4會發生形變，外環導軌6與下電極2之間的相對位置也會發生變化。外環導軌6是圓桶形的導體，能夠在整個反應腔內壁上下移動，使得反應腔內的氣流和電場分佈具有更好的均勻性。

具體實施方法通過下述步驟實現極板間距調節過程：

S1、將下電極和外環導軌移動至傳片門以下，進行晶圓傳入操作，本例的下電極頂部與外環導軌頂部處在一條水平線上，且極板間距為h1。

S2、移動下電極和外環導軌，直至外環導軌移動至接地環(GND ring)所在位置，使外環導軌通過墊圈(Gasket)與接地環接觸完成接地狀態， 此時極板間距為h2；該過程中，下電極與外環導軌同時以相同速率進行移動，橋聯環也無任何形變，同時接地的外環導軌實現對傳片門的阻擋和遮罩作用。

S3、將下電極上移至製程所需位置，進行刻蝕製程，此時極板間距為h3；該過程中，外環導軌停止不動，一端隨下電極上移的橋聯環被拉伸。

S4、將下電極下移至接地環，此時極板間距為h2；在此過程中，接地外環導軌保持不變。

S5、將下電極、橋聯環、外環導軌下移至傳片門以下，完成晶圓傳出操作，此時極板間距為h1；該過程中，外環導軌脫離接地環，下電極與外環導軌相對位置保持不變，橋聯環無任何形變。

本例中極板間距大小關係是h1>h2>h3。但在其他示例中，刻蝕製程需要的極板間距可能較大，為此可以在S3中將下電極往下移動，使極板間距相比S2時有所增加。

其中墊圈可以是形如彈簧的金屬導體圍成的彈性導體環，以使得接地環與外環導軌穩定電連接。

上述極板間距調節方法具有以下優點：

(1)通過外環導軌的靈活移動接地過程，橋聯環的長度取決於極板間距h2到h3的距離之差，可以最大程度縮減橋聯環的長度來減小阻抗，增強刻蝕系統對60MHz以上的高頻等離子體的約束能力。

(2)接地的外環導軌可同時用於傳片門的有效遮擋和遮罩，從而消除刻蝕機傳片門所引入的諸多問題，例如刻蝕過程不對稱性、等離子體漏約束以及聚合物(Polymer)沉積帶來的顆粒污染(Particle)問題。

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。在本領域具有通常知識者閱讀了上述內容後，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。

S1~S5:步驟

Claims (15)

1. 一種極板間距可調容性耦合等離子體處理系統，其中，該極板間距可調容性耦合等離子體處理系統包含：一腔體、一上電極、一下電極、一橋聯環、一外環導軌、一傳片門、一接地環；該上電極在該腔體內的上部，該下電極在該腔體內下部承載一晶圓的基座中；該外環導軌沿一腔壁上下移動；該下電極在該腔體內上下移動；環繞該下電極設有等離子體約束系統，該等離子體約束系統與該外環導軌之間設有該橋聯環；該腔壁的一側開設有該傳片門，使該晶圓通過該傳片門傳入該腔體並放置到移動至一第一位置的該下電極處，或通過該傳片門將該晶圓從該第一位置的該下電極處傳送到該腔體外；該下電極移動到一第二位置時，該外環導軌向上移動到一個與該接地環實現電連接的接地位置，使得該下電極通過該橋聯環、該外環導軌、該接地環實現接地；該下電極移動到高於該第二位置的一第三位置時到達製程處理所需的位置，且該下電極在該第二位置與該第三位置之間移動期間，該外環導軌保持與該接地環的電連接的接地位置。
2. 如申請專利範圍第1項所述的極板間距可調容性耦合等離子體處理系統，其中，該下電極在該腔體內上下移動時，該上電極的位置固定。
3. 如申請專利範圍第1項所述的極板間距可調容性耦合等離子體處理系統，其中，該下電極在該第二位置與該第三位置之間移動期間，該橋聯環產生形變。
4. 如申請專利範圍第1項所述的極板間距可調容性耦合等離子體處理系統，其中，移動到接地位置的該外環導軌足以將該傳片門完全遮蓋。
5. 如申請專利範圍第4項所述的極板間距可調容性耦合等離子體處理系統，其中，該外環導軌的接地位置是該外環導軌沿該腔壁移動的上限位置。
6. 如申請專利範圍第1或4或5項所述的極板間距可調容性耦合等離子體處理系統，其中，該外環導軌在接地位置處與設置在該腔壁上的該接地環電性接觸。
7. 如申請專利範圍第6項所述的極板間距可調容性耦合等離子體處理系統，其中，該外環導軌通過其上部設置的墊圈與該接地環電性接觸。
8. 如申請專利範圍第1項所述的極板間距可調容性耦合等離子體處理系統，其中，該下電極處於該第一位置時，該下電極、該外環導軌及該橋聯環分別位於該傳片門以下的位置，使該晶圓得以傳入或傳出該腔體。
9. 一種極板間距可調容性耦合等離子體處理方法，其中，包含下列步驟： S1、將一下電極和一外環導軌移動至一傳片門以下，環繞該下電極設有等離子體約束系統，該等離子體約束系統與該外環導軌之間設有一橋聯環，將一晶圓傳入一腔體並放置到該下電極處；S2、移動該下電極和該外環導軌，直至該外環導軌到達接地位置，並通過該外環導軌將該傳片門完全遮擋；S3、移動該下電極直至到達製程處理所需位置，並使該外環導軌在其接地位置保持不動；通過向該下電極或一上電極之一施加射頻源功率，將引入到該腔體內的反應氣體激發形成等離子體，對該晶圓進行製程處理。
10. 如申請專利範圍第9項所述的一種極板間距可調容性耦合等離子體處理方法，其中，對該晶圓完成製程處理之後，進一步包含以下步驟：S4、移動該下電極，使該下電極回到步驟S2時的位置，並在該下電極移動期間使該外環導軌在其接地位置保持不動；S5、移動該下電極和該外環導軌，使該下電極和該外環導軌回到步驟S1時的位置，通過該傳片門進行該晶圓傳出操作。
11. 如申請專利範圍第9項所述的極板間距可調容性耦合等離子體處理方法，其中，該外環導軌在其接地位置與一腔壁上的一接地環電性接觸。
12. 如申請專利範圍第9或10項所述的極板間距可調容性耦合等離子體處理方法，其中，步驟S1時該上電極和該下電極的間距為h1，步 驟S2時該上電極和該下電極的間距為h2，步驟S3時該上電極和該下電極的間距為h3，其中h1>h2>h3。
13. 如申請專利範圍第9項所述的極板間距可調容性耦合等離子體處理方法，其中，射頻源功率的頻率大於等於60MHz。
14. 一種極板間距可調容性耦合等離子體處理系統，其中，該系統包含：一腔體、一上電極、一下電極、一橋聯環、一外環導軌、一傳片門和一接地環；該上電極在該腔體內的上部，該下電極在該腔體內下部承載一晶圓的基座中；該外環導軌沿一腔壁上下移動；該下電極在該腔體內上下移動；環繞該下電極設有等離子體約束系統，該等離子體約束系統與該外環導軌之間設有該橋聯環；一第一驅動裝置驅動該下電極在一第一位置和一第二位置之間移動，一第二驅動裝置驅動該外環導軌在一第三位置和一第四位置之間移動，其中該下電極的移動範圍大於該外環導軌的移動範圍；該腔壁的一側開設有該傳片門，使該晶圓通過該傳片門傳入該腔體並放置到移動至該第一位置的該下電極處，或通過該傳片門將該晶圓從該第一位置的該下電極處傳送到該腔體外；該外環導軌從該第三位置向上移動到該第四位置時，與該接地環實現電連接，使得該下電極通過該橋聯環、該外環導軌、該接地環實現接地；該下電極進一步向上移動且該外環導軌停留在該第四 位置時，該橋聯環變形延展，保持該外環導軌與該下電極的電連接。
15. 如申請專利範圍第14項所述的極板間距可調容性耦合等離子體處理系統，其中，該外環導軌在該第四位置時完全遮擋該傳片門。

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