TWI777218B - 具有可移動環的電漿處理器 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種電漿處理器，包含：反應腔，反應腔內設置一個基座，基座上放置有基板；第一源射頻電源，施加第一射頻週期訊號到反應腔內，以點燃並維持電漿；氣體噴淋頭，位於反應腔內與基座相對的上方；偏置射頻電源，用於施加第二射頻週期訊號到基座；電漿約束環，圍繞基座使得流過電漿約束環的帶電粒子被熄滅；可移動環，環繞氣體噴淋頭與基座之間的反應空間，可移動環在至少兩個位置間移動，在電漿處理過程中，可移動環下降到低位；其中可移動環底部包含氣體擴散腔與下方的電漿約束環連通，氣體擴散腔還透過位於可移動環的內壁的複數個通氣槽與基板上方的反應空間相連通。

Description

具有可移動環的電漿處理器

本發明係關於半導體加工設備領域，特別涉及一種電漿處理器中的可移動環。

真空處理設備廣泛應用於半導體工業，其中的電漿處理設備及化學氣相沉積設備是最主要的真空處理設備。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。

如圖1所示為一種電容耦合電漿處理設備，包含反應腔10，反應腔內包含導電基座33，基座作為下電極連接到至少一個射頻電源，其中偏置射頻電源經過匹配器輸出射頻功率到基座33，一個源頻射頻電源經過匹配器輸出射頻功率到基座33或位於反應腔頂部的氣體噴淋頭22。其中源射頻電源輸出的高頻（13、27、60MHz）射頻功率用於點燃並維持反應腔內的電漿，偏置射頻電源輸出低頻（2MHz）射頻功率的功率大小用於控制基板W上的偏置電壓（Vdc）。基座33上的靜電夾盤34上固定有待處理的基板W，圍繞基板及靜電夾盤的還包含一個邊緣環32。與靜電夾盤相對的反應腔上方設置有一個圓盤形的氣體噴淋頭22，氣體噴淋頭11透過供氣管道與外部的反應氣源20連接。基座及邊緣環32的外圍還包含一個電漿約束環36用於約束電漿，電漿約束環中包含複數個狹長的氣流通道，氣流通道的間隙小於2個毫米甚至小於1mm，深寬比大於10，使得帶電粒子不會洩露到電漿約束環36下方的排氣空間，排氣空間下方連接有抽真空用的泵，用於維持反應腔內接近真空的低壓。氣體噴淋頭22外圍與反應腔側壁之間還包含一個可移動環140，透過一個驅動裝置41可以在基板外圍上下運動。可移動環140在電漿處理過程中處於較低位置，圍繞基板與氣體噴淋頭之間的反應空間，既能保護反應腔壁，防止被電漿腐蝕，也能約束並引導反應氣流。在完成處理後升起可移動環以將處理後的基板從反應腔側面開設的通道內移出反應腔。其中電漿約束環外圍還包含隔離環36E，隔離環上端與可移動環的下端配合，在可移動環處於低位時兩者的結合面互相緊密貼合，使得可移動環內側的電漿及腐蝕性氣體無法穿過結合面到達反應腔體的內壁。其中在進行電漿處理過程中反應氣體從氣體噴淋頭22向下流出，被射頻電場激勵後形成電漿，電漿中的離子、自由基等對基板上的目標材料層進行轟擊或者化學反應，形成需要的處理效果。在這些電漿處理過程中，自由基的分佈決定了化學反應速度的分佈。在基板邊緣區域產生的自由基由於最靠近邊緣的電漿約束環及下方的排氣系統，所以無法長期留存在基板邊緣，剛產生就迅速的被抽走了，因此基板邊緣區域的蝕刻或者反應速度明顯低於中心區域，導致蝕刻均一性無法達到要求，基板邊緣區域無法生產良好的晶片。其中，由於氣流路徑長短的區別，靠近電漿約束環140內側的反應氣流fa的流量遠大於流經電漿約束環外側的氣流fb的流量。

為了降低邊緣區域的排氣速度，在電漿約束環140上方或下方設置擋板，可以大幅降低流速，但是處理製程中需要確保反應氣體維持足夠大的流速被排出反應腔，所以簡單的設置擋板的方法雖然改善邊緣蝕刻速率，但是也大幅影響的基板其它區域的氣流及反應速度，仍然無法獲得均一的處理速度。另一方面這些擋板的設置會大幅降低流速，會在電漿約束環外側區域大量積累污染物，這些污染物會被氣流攜帶或者電漿轟擊後變成污染物顆粒到達基板區域，嚴重影響處理效果。

因此業內需要研發一種新的電漿處理器，以改善電漿處理器邊緣的氣流速度或氣壓分佈，同時保持處理製程所需要的氣流速度。

為了改善電漿處理器中基座邊緣區域的氣流及自由基濃度分佈，本發明提供一種電漿處理器，包含：反應腔，由反應腔壁圍繞而成，反應腔內設置一個基座，基座用於承載基板；源射頻電源，用於施加第一射頻週期訊號到反應腔內，以點燃並維持電漿；偏置射頻電源，用於施加第二射頻週期訊號到基座；氣體噴淋頭，位於反應腔內與基座相對的上方，氣體噴淋頭與基座之間形成反應空間；電漿約束環，圍繞基座設置，用於將電漿約束在反應空間內，同時保證反應副產物氣體排出反應腔；可移動環，環繞反應空間設置，可移動環在至少高位及低位兩個位置間移動，在電漿處理過程中，可移動環下降到低位；其中可移動環包含氣體擴散腔及通氣槽，氣體擴散腔與電漿約束環氣體連通，通氣槽用於實現反應空間與氣體擴散腔的氣體連通。其中電漿約束環包含隔離環，隔離環靠近反應腔壁設置，可移動環還包含外壁，位於氣體擴散腔靠近反應腔壁的一側，可移動環的外壁底部與隔離環的上表面配合，以防止氣體擴散腔中的電漿到達反應腔壁。

進一步地，可移動環包含內壁，通氣槽為貫穿內壁的氣體通道，通氣槽可容許氣體與電漿通過。電漿約束環包含靠近基座的內側排氣區域及靠近反應腔壁的外側排氣區域，外側排氣區域與氣體擴散腔氣體連通。可移動環的內壁與電漿約束環的內側排氣區域形成第一氣流通道；通氣槽、氣體擴散腔與電漿約束環的外側排氣區域形成第二氣流通道。使得更多氣流經過第二氣流通道被排出反應腔。

較佳地，電漿約束環內側排氣區域上方設置環形蓋板，環形蓋板上設置有複數個開口，反應氣體經過複數個開口向下進入電漿約束環的內側排氣區域。環形蓋板上的複數個開口均勻分佈，且複數個開口的開口截面積可調。可移動環的內壁底部與環形蓋板之間包含一間隙，間隙小於1mm。

較佳地，基座外圍還可以包含遮擋環，電漿約束環位於所遮擋環與反應腔壁之間。

基板外圍環繞設置有聚焦環，可移動環處於低位時，通氣槽下沿的高度高於基板的上表面或者聚焦環的上表面。通氣槽的口徑大於等於3mm，以使得電漿及自由基自由通過通氣槽。較佳地，可移動環處於低位時，通氣槽呈傾斜向上設置，外側口高度高於內側口高度，使得氣流向上抬升，進一步改善第二氣流通道中的氣流路徑。

為使本發明的上述目的、特徵及優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發明的具體實施方式做詳細的說明。

在下述中闡述了很多具體細節以便於充分理解本發明，但是本發明還可以採用其他不同於在此描述的其它方式來實施，所屬技術領域中具有通常知識者可以在不違背本發明內涵的情況下做類似推廣，因此本發明不受下面揭露之具體實施例的限制。

本發明提出了一種最佳化的可移動環設計，以解決基板W邊緣氣流流速過快的問題。如圖2所示，本發明的可移動環40底部包含一個氣體擴散腔49，氣體擴散腔49將可移動環40底部的內壁40a與外壁40b分隔開，其中內壁40a上還開設有大量通氣槽48。如圖3A所示為可移動環40的內壁的側視圖，即從反應空間望向可移動環的內壁的視圖，從圖中可見內壁40a底部包含複數個通氣槽48a-48c，這些槽呈長條形的通氣槽提供了足夠大面積的氣流通路使得大量氣體通過它們進入氣體擴散腔49，在氣體擴散腔49中氣流與氣體擴散腔的外壁互相撞擊後轉向，向下經過下方的電漿約束環36的外圍區域形成外圍氣流fb。部分反應氣體經過可移動環的內壁40a下端與基座外緣之間的空隙向下經過電漿約束環內側氣流通道向下形成內側氣流fa。採用本發明提出的帶有通氣槽48及氣體擴散腔49的可移動環後，由於可移動環的內壁40a的阻擋，經過內側向下流動的氣流fa顯著減小，經過外側的氣流fb顯著增加，在整體氣流基本不減小的情況下使得更多的氣流經過電漿約束環外側區域，而且由於可移動環的內壁的阻擋，內側排氣區域的氣流的流速會明顯的下降，基板邊緣區域反應氣體被抽走的速度下降，從而增加了基板邊緣區域具有活性的自由基的濃度。

由於本發明可移動環40在低位時的內壁40a面向有大量電漿的反應區域，所以不會形成聚合物積累，通氣槽48可口徑很大，其中通氣槽48開口上下壁的間距D可以達到3mm以上，最佳地需要大於5mm，從而使得電漿能夠順利通過進入氣體擴散腔49，由於電漿的存在，氣體擴散腔49內也不會積累大量聚合物。電漿約束環36的外側區域由於電漿濃度很低，而且溫度也低，容易積累聚合物，這些聚合物會形成污染物顆粒擴散，由於上方氣體擴散腔49的存在，這些污染物被氣體擴散腔頂部及內壁40a、外壁40b約束住，無法向基板區域移動，直到被氣流帶走向下經過電漿約束環被排出反應腔。同時電漿約束環30內側上端暴露於高濃度的電漿也不容易積累聚合物形成污染物源，所以採用本發明的可移動環不僅能改善電漿約束環的氣流分佈，還能同時避免電漿約束環邊緣區域污染物向基板擴散。為了增加進入氣體擴散腔49的氣流量，可以設置上下多層的通氣槽48，進一步增加氣流fb。經過電漿約束環外側排出的氣流由於路徑長，需要流到氣體擴散腔49內才會轉折向下，所以流速遠小於經過電漿約束環內側的氣流，整體的平均流速也會一定程度的降低。

本發明中的通氣槽也可以是如圖3B所示，位於可移動環的內壁底部的複數個齒狀突起482，向下突出部分阻擋氣流橫向流入氣體擴散腔，突出部分之間的空槽481可以允許部分反應氣體流入氣體擴散腔49。其中突起482及空槽481的分佈可以是均勻的也可以是不均勻分佈的，不均勻分佈的空槽481可以補償由於其它硬體原因導致的氣流分佈不均。空槽481形狀可以是圖3B所示的方形的，也可以是三角形或者梯形等任意形狀的，只要能部分阻擋反應氣流，引導部分反應氣體進入氣體擴散腔49的結構均適用於本發明。

如圖4A所示為本發明第二實施例，與第一實施例的主要區別在於，設置了一個環形的蓋板35，覆蓋在電漿約束環的內側排氣區域上方，蓋板35上開設有複數個沿圓周均勻分佈的開口38，以使得氣體流過。其中開口38可以是如圖4B所示的沿徑向排布的長氣槽，也可以是沿圓周設置的複數個環形氣槽。或者可以是上下相疊的兩個均開設有開口的兩個子蓋板，透過旋轉兩個子板之間的相對位置，可以使得氣流通路的截面積改變。如上子蓋板的開口與下子蓋板的開口完全對齊時，氣流通路的截面最大；上子蓋板的開口與下載蓋板的開口大部分錯開時，氣流通路的截面減小。其中蓋板35上的開口38可以沿圓周方向均勻分佈也可以不均勻分佈，以補償其它硬體（如不對稱設置的排氣通道）導致的氣流分佈不均勻性。透過環形蓋板的設置可以進一步減小流經電漿約束環內側的氣流量，使更多的氣流經過可移動環40的通氣槽48、氣體擴散腔49、電漿約束環外側區域向下流動。透過蓋板35的設置進一步增加氣流fb的流量，同時減小氣流fa的流量，而且透過選擇或者替換具有不同開口面積的蓋板35還可以調節氣流fa與氣流fb之間的比例。而且隨著氣流fb流量的增加，電漿約束環外側區域上方產生的聚合物顆粒也會被更大的氣流向下吹走，所以積累的污染物會更少，有利於防止污染物擴散到基板處理區域。其中邊緣環32上方還包含聚焦環31，其中聚焦環的上表面的高度大於基板的上表面的高度，此時反應氣流從基板邊緣流過聚焦環31會發生抬升，此時可移動環40上的複數個通氣槽高度的設計需要與聚焦環高度相配合。可移動環40內壁底部與蓋板35的上表面之間包含一個間隙，間隙越小則更少的氣流會從內壁底部洩露到內部外側的擴散腔中，最佳化氣流分佈，但是間隙也不能太小，使得內部底部在工作溫度變化範圍內膨脹與下方蓋板碰撞，產生顆粒污染物。所以間隙需要大於零小於1mm。

如圖5所示為本發明第三實施例，與第二實施例的區域在於，蓋板被一整個遮擋環37替換，電漿約束環36位於遮擋環37外圍，反應氣體無法從遮擋環37向下流動，必須經過可移動環40中的通氣槽48、氣體擴散腔49再向下經過電漿約束環36被排出，使得氣流fb遠大於氣流fa。其中遮擋環37可以採用與可移動環40類似的陶瓷材料製成，能耐受電漿腐蝕，同時不會產生對基板的污染物，典型的可以是石英。

透過上述實施例1-3描述的電漿處理器結構，可以使得更多反應氣體從基板向外圍流動過程中越過邊緣環的上表面之後不是迅速向下流過電漿約束環進入下方低壓區域（fa），而是有很大一部分或者全部反應氣體經過由通氣槽48、氣體擴散腔49構成的氣流通路再向下經過電漿約束環的外側區域，最後到達下方低壓區域，形成第二氣流（fb）。由於大量反應氣體需要經過更長的路徑才能到達電漿約束環下方，基板邊緣區域到通氣槽48的壓力差很小，大部分壓力差都出現氣體擴散腔及預設環外側區域，所以基板邊緣區域的流動速度下降，所以自由基等活性物質能夠在到達基板邊緣區域的基板表面後能夠充分反應後才被抽走，最終實現了基板表面反應速率的均一分佈。先前技術中第二氣流（fb）流過電漿約束環上產生的聚合物，本發明中由於第二氣流的流量遠大於先前技術，所以這些聚合物在微顆粒狀態就被大流量的氣流帶走了，不會積累形成大片的污染物。即使積累產生了大片污染物也會由於可移動環49在上方的遮擋不會向上擴散進入基板處理區域，所以本發明也能減少污染物對基板的污染。

通氣槽除了需要提供較大的開口（上下沿間距大於等於3mm）以使得大量反應氣體通過以外，經過發明人研究發現，通氣槽開口的下沿高度（圖2中H標示）需要大於等於基板的高度，這種通氣槽位置使得氣流經過基板向外側水平流動並到達通氣槽時，會被通氣槽開口抬升變為向上的氣流進入氣體擴散腔39，隨後經過與氣體擴散腔內壁的多次碰撞後才調頭向下進入電漿約束環36，所以整個氣流經過多次的抬升、轉折拉長了流動距離，可移動環內側可以保持在較高的氣壓，基板邊緣區域更多的自由基參與反應，實現更高的蝕刻均勻性。當通氣槽開口不是一個平行的槽，而是一個斜向上的槽，也就是靠近基板的內側開口低於靠近氣體擴散腔的外側開口時，由於通氣槽本身傾斜的導氣通道，可以使得通氣槽可以等於或略低於基板的高度。圍繞基板的邊緣環32及聚焦環31等各種功能性套件的上表面的高度可以設計成高於基板的上表面的高度，此時從基板向外流動的氣流會首先被聚焦環31抬升，然後以水平方向向外流動，為了達到增加流動距離的目的，通氣槽48的開口的下沿H可以高於聚焦環31的上表面的高度。同樣的，當通氣槽傾斜向上時，通氣槽靠近基板的進氣口下沿的高度可以等於或略低於聚焦環31的高度。

本發明透過在可移動環底部設置一個氣體擴散腔，氣體擴散腔透過複數個通氣槽與可移動環內側的反應空間氣體連通，使得大量反應氣體經過通氣槽-氣體擴散腔-電漿約束環這一氣流通道被排出反應空間。這一設計同時達到了複數個目的，基板邊緣氣流流速降低改善了基板處理均一性、電漿約束環外側區域的污染物被可移動環遮擋，防止污染基板。進一步地透過圍繞基座的環形蓋板35的設置可以調節流過電漿約束環內側及外側氣流的流量比例，使得電漿處理腔能夠適應不同處理製程的需要。

本發明中的可移動環可以是一個整體的桶狀部件，也可以是由複數個互相分隔的弧狀壁共同組成，每個弧狀壁可以透過各自的驅動裝置41獨立驅動上下運動。每個弧狀壁上的通氣槽具有不同的高度使得反應空間中的氣流經過每個弧狀壁時的氣流路徑不同，所以透過調節各個弧狀壁的高度可以調節反應氣體在不同方位角上的氣流分佈。

上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。任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明技術方案範圍情況下，都可利用上述揭露之方法及技術內容對本發明技術方案做出許多可能的變動及修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，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、等同變化及修飾，均仍屬於本發明技術方案保護的範圍內。

10:反應腔 20:反應氣源 22:氣體噴淋頭 31:聚焦環 32:邊緣環 33:基座 34:靜電夾盤 35:蓋板 36:電漿約束環 36E:隔離環 37:遮擋環 38:開口 40,140:可移動環 40a:內壁 40b:外壁 41:驅動裝置 48,48a,48b,48c:通氣槽 481:空槽 482:突起 49:氣體擴散腔 fa,fb:氣流 W:基板

為了更清楚地說明本發明實施例或先前技術中的技術方案，下述將對實施例或先前技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下述中的附圖是本發明的一些實施例，對於所屬技術領域中具有通常知識者而言，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。 圖1為先前技術電容耦合電漿處理設備的結構示意圖； 圖2為本發明電容耦合電漿處理器結構示意圖； 圖3A、3B為本發明電容耦合電漿處理器中可移動環的內壁側視圖； 圖4A為本發明電容耦合電漿處理器第二實施例結構示意圖； 圖4B為本發明第二實施例中蓋板的頂視圖； 圖5為本發明第三實施例的電容耦合電漿處理器結構示意圖。

10:反應腔

20:反應氣源

32:邊緣環

33:基座

34:靜電夾盤

36:電漿約束環

36E:隔離環

140:可移動環

41:驅動裝置

fa,fb:氣流

W:基板

Claims (12)

1. 一種電漿處理器，其包含： 一反應腔，由一反應腔壁圍繞而成，該反應腔內設置一基座，該基座用於承載一基板； 一源射頻電源，用於施加一第一射頻週期訊號到該反應腔內，以點燃並維持電漿； 一偏置射頻電源，用於施加一第二射頻週期訊號到該基座； 一氣體噴淋頭，位於該反應腔內與該基座相對的上方，該氣體噴淋頭與該基座之間形成一反應空間； 一電漿約束環，圍繞該基座設置，用於將電漿約束在該反應空間內，並使反應副產物氣體排出該反應腔； 一可移動環，環繞該反應空間設置，該可移動環在至少高位及低位兩個位置間移動，在電漿處理過程中，該可移動環下降到低位； 其中該可移動環包含一氣體擴散腔及一通氣槽，該氣體擴散腔與該電漿約束環氣體連通，該通氣槽用於實現該反應空間與該氣體擴散腔的氣體連通。
2. 如請求項1所述之電漿處理器，其中該可移動環包含一內壁，該通氣槽為貫穿該內壁的氣體通道，該通氣槽可容許氣體與電漿通過。
3. 如請求項2所述之電漿處理器，其中該電漿約束環包含靠近該基座的一內側排氣區域及靠近該反應腔壁的一外側排氣區域，該外側排氣區域與該氣體擴散腔氣體連通。
4. 如請求項3所述之電漿處理器，其中該可移動環的該內壁與該電漿約束環的該內側排氣區域形成一第一氣流通道；該通氣槽、該氣體擴散腔與該電漿約束環的該外側排氣區域形成一第二氣流通道。
5. 如請求項3所述之電漿處理器，其中該電漿約束環的該內側排氣區域上方設置一環形蓋板，該環形蓋板上設置有複數個開口，反應氣體經過該複數個開口向下進入該電漿約束環的該內側排氣區域。
6. 如請求項5所述之電漿處理器，其中該環形蓋板上的該複數個開口均勻分佈，且該複數個開口的開口截面積係為可調的。
7. 如請求項5所述之電漿處理器，其中該可移動環的內壁底部與該環形蓋板之間包含一間隙，該間隙小於1mm。
8. 如請求項1所述之電漿處理器，其中該基座外圍還包含一遮擋環，該電漿約束環位於該遮擋環與該反應腔壁之間。
9. 如請求項1所述之電漿處理器，其中該基板外圍環繞設置有一聚焦環，該可移動環處於低位時，該通氣槽下沿的高度高於該基板的上表面或者該聚焦環的上表面。
10. 如請求項1所述之電漿處理器，其中該電漿約束環包含一隔離環，該隔離環靠近該反應腔壁設置，該可移動環還包含一外壁，位於該氣體擴散腔靠近該反應腔壁的一側，該可移動環的外壁底部與該隔離環的上表面配合，以防止該氣體擴散腔中的電漿到達該反應腔壁。
11. 如請求項1所述之電漿處理器，其中該通氣槽的口徑大於等於3mm。
12. 如請求項1所述之電漿處理器，其中該可移動環處於低位時，該通氣槽的外側口高度高於內側口高度，使得氣流向上抬升。

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