TWI803032B - 等離子體處理裝置及其處理方法 - Google Patents

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Abstract

本發明公開了一種等離子體處理裝置，包括：反應腔；基台，其設置在所述反應腔中，所述基台中具有第一氣體通道；多個第一氣體供應源，所述多個第一氣體供應源與第一氣體通道連接，多個第一氣體供應源中的任一個第一氣體供應源與所述第一氣體通道之間具有閥門；第二氣體供應裝置，其設置在所述反應腔中且與所述基台相對設置。本發明還公開了一種無晶圓清洗方法。

Description

等離子體處理裝置及其處理方法
本發明涉及等離子體處理裝置及其處理方法的技術領域，特別地涉及等離子處理裝置中的下電極元件和無晶圓清洗方法。
等離子體處理裝置通常在真空反應腔中進行半導體基片的處理，例如蝕刻、沉積、離子注入等。在真空反應腔中通入含有適當蝕刻劑源氣體的反應氣體，然後再對該真空反應腔進行射頻能量輸入，以啟動反應氣體，來激發和維持等離子體，以便分別蝕刻基片表面上的材料層或在基片表面上沉積材料層，進而對半導體基片進行處理。等離子體處理裝置的反應腔在基片處理過程中往往產生很多污染，例如金屬污染或者聚合物沉積等。為了去除這些污染物，往往需要在執行一定數量的基片處理以後進行等離子體清潔處理。然而，在對等離子體處理裝置的反應腔執行清潔的過程中也會在腔室內部的局部區域產生意想不到的二次污染，從而對後續的基片製程產生影響。
一方面，本發明提供了一種等離子體處理裝置，包括：反應腔；基台，其設置在所述反應腔中，所述基台中具有第一氣體通道；多個第一氣體供應源，所述多個第一氣體供應源與第一氣體通道連接，多個第一氣體供應源中的任一個第一氣體供應源與所述第一氣體通道之間具有閥門；以及第二氣體供應裝置，其設置在所述反應腔中且與所述基台相對設置。
較佳的，所述第一氣體通道是冷卻氣體通道和/或升降銷通道。
較佳的，所述第一氣體供應源包括氦氣供應源和非氦氣氣體供應源，當處理基片時，所述第一氣體供應源是氦氣供應源，當清潔反應腔時，所述第一氣體供應源是非氦氣氣體供應源。
較佳的，所述非氦氣氣體包括下列氣體中的一種或多種：氧氣、氮氣、氬氣。
較佳的，所述等離子體處理裝置還包括控制器，用於控制多個所述閥門的開閉狀態。
較佳的，所述基台包括基座和靜電吸盤，所述第一氣體通道貫穿所述基座和所述靜電吸盤。
較佳的，所述第二氣體供應裝置是設置在所述反應腔內上部的氣體噴淋頭。
較佳的，所述第二氣體供應裝置提供以下一種或多種氣體：氟化物氣體、氧氣、氯氣。
另一方面，本發明還提供了一種用於等離子體處理裝置的處理方法，所述等離子體處理裝置包括：反應腔；基台，其設置在所述反應腔中，所述基台中具有第一氣體通道；多個第一氣體供應源，所述多個第一氣體供應源與第一氣體通道連接，多個第一氣體供應源中的任一個第一氣體供應源與所述第一氣體通道之間具有閥門，所述第一氣體供應源包括以下的一種或多種：氦氣供應源、氧氣供應源、氮氣供應源、氬氣供應源；以及第二氣體供應裝置，其設置在所述反應腔中且與所述基台相對設置； 所述方法包括：通過所述第二氣體供應裝置向反應腔內通入清潔氣體；施加射頻能量將清潔氣體激發成等離子體對反應腔的腔室內部進行清潔；在等離子體對反應腔的腔室內部進行清潔時，第一氣體通道持續提供非氦氣的供應氣體。
較佳的，所述方法包括關閉連接氦氣供應源與第一氣體通道之間的閥門，打開連接非氦氣供應源與第一氣體通道之間的閥門。
較佳的，所述第一氣體通道中提供的氣體壓強大於清潔等離子體處理裝置時的反應腔的腔室內部壓強。
較佳的，所述第一氣體通道中提供的氣體壓強為10mT-10T。
較佳的，在完成等離子體處理裝置的清潔之後，通過所述第二氣體供應裝置向反應腔內通入反應氣體；施加射頻能量將反應氣體激發成等離子體對基台上的基片進行蝕刻；在等離子體蝕刻期間，第一氣體通道持續提供氦氣。
本發明增加了與半導體處理裝置的基台中的氣體通道連接的多個氣體供應源，通過閥門的開閉可以控制供應至該氣體通道的氣體的種類和流量，從而在基片處理和腔室清洗過程中根據需求靈活切換供應氣體。
為使本發明的內容更加清楚易懂，以下結合說明書附圖，對本發明的內容作進一步說明。當然本發明並不局限於該具體實施例，本發明所屬技術領域中具有通常知識者所熟知的一般替換也涵蓋在本發明的保護範圍內。
通常，在半導體處理裝置中進行無晶圓清洗處理時，會使氦氣流過靜電吸盤的冷卻氣體孔，以確保在清洗過程中沒有聚合物顆粒掉入這些孔中。但是，氦氣放電會導致腔室套件零件的表面退化。注入的氦原子會產生空隙，並在部件表面生成泡沫狀的多孔層。氦氣溶脹（swelling）/起泡（blistering）可發生在陶瓷、矽、碳化矽、鎢鉬和許多其他材料的表面上。改變表面性能將影響腔室內部件表面的導電性、耐蝕性、形態和其他表面性能。這種現象會導致腔室產生兩個不希望的後果： •由於表面退化而使得腔室部件的使用壽命變短； •由於起泡產生顆粒。
通常，在拋光的鏡面表面上會觀察到溶脹/起泡，而不是在粗糙的加工表面上。因此，如果使用氦氣進行無晶圓清洗，則鏡面拋光的腔室部件（例如，靜電吸盤、氣體噴淋頭等）面臨縮短壽命的較大風險。
下文以電容耦合型等離子體蝕刻裝置為例進行說明，本發明所屬技術領域中具有通常知識者應該理解，本發明不限於此，還適用於各種等離子體處理裝置，例如電感耦合型等離子蝕刻裝置、電子迴旋共振型等離子蝕刻裝置、化學氣相沉積裝置等。
圖1示出了處理基片時的等離子體處理裝置的結構示意圖，特別地，該等離子體處理裝置為等離子體蝕刻裝置100。等離子體蝕刻裝置100具有一個處理腔體，處理腔體基本上為圓柱形，且處理腔體側壁101基本上垂直，處理腔體內具有相互平行設置的基台102和氣體供應裝置。在該實施例中，該氣體供應裝置為氣體噴淋頭103。通常，在基台102與氣體噴淋頭103之間的區域為等離子體處理區域P，基台102和氣體噴淋頭103作為上下電極被饋入高頻能量以點燃和維持等離子體。在基台102上方放置待要加工的基片W，該基片W可以是待要蝕刻或加工的半導體基片或者待要加工成平板顯示器的玻璃平板。其中，所述基台102用於夾持基片W。反應氣體從氣體源105中被輸入至處理腔體內的氣體噴淋頭103。在一個實施例中，該反應氣體可以是氟化物氣體、氧氣和氯氣中的一種或多種氣體。一個或多個射頻電源104可以被單獨地施加在基台102上或同時被分別地施加在基台102與氣體噴淋頭103上，用以將射頻功率輸送到這些部件上，從而在處理腔體內部產生大的電場。大多數電場線被包含在基台102與氣體噴淋頭103之間的處理區域P內，此電場對少量存在於處理腔體內部的電子進行加速，使之與輸入的反應氣體的氣體分子碰撞。這些碰撞導致反應氣體的離子化和等離子體的激發，從而在處理腔體內產生等離子體。反應氣體的中性氣體分子在經受這些強電場時失去了電子，留下帶正電的離子。帶正電的離子向著下電極方向加速，與被處理的基片中的中性物質結合，進行基片加工，如蝕刻、沉積等。在等離子體蝕刻腔室的合適的某個位置處設置有排氣區域，排氣區域與外置的排氣裝置（例如真空泵106）相連接，用以在處理過程中將用過的反應氣體及副產品氣體抽出腔室。其中，等離子體約束環108用於將等離子體約束於處理區域P內。處理腔體側壁101連接接地端。
如圖1所示，在該實施例中，等離子體蝕刻裝置100還包括氣體通道107，所述氣體通道107設置於基台102之中。其中，所述氣體通道107的長度足夠貫通整個基台102，並且氣體通道107在靠近基片W的一端具有一噴氣口，該噴氣口能夠對著其上放置的基片W的背面吹氣。在該實施例中，氣體通道107是基台102中的冷卻氣體通道。在其他實施例中，氣體通道107是基台102中的升降銷孔通道。在該實施例中，基台102包括由金屬製成的基座、介質材料製成的靜電吸盤以及黏合兩者的結合層。氣體通道107貫穿所述基座、靜電吸盤和結合層。在其他實施例中，基台102具有其他結構，例如僅具有金屬製成的基座和靜電吸盤，該靜電吸盤通過噴塗技術黏合在基座上表面上。或者，基台102僅具有支援基片W的金屬基座。所述氣體通道107連接有多個氣體供應源，用於向氣體通道107提供冷卻氣體或者常溫氣體。氣體供應源還連接到一控制裝置，用於控制多個氣體供應源向氣體通道107供應氣體。在該實施例中，多個氣體供應源是氦氣供應源201和氧氣供應源202；控制裝置是閥門211、212，其可為氣體閥門。具體地，閥門211設置在氣體通道107與氦氣供應源201之間，用於控制氦氣的流量。閥門212設置在氣體通道107與氧氣供應源202之間，用於控制氧氣的流量。在基片處理（蝕刻或沉積等）時，打開閥門211，關閉閥門212，使得冷卻的氦氣經氣體通道107吹向基片W的背面，持續地冷卻處理中的基片W。
圖2示出了清洗裝置時的等離子體處理裝置的結構示意圖。在清洗裝置時，移除基片進行無晶圓清洗操作。此時，打開閥門212，關閉閥門211使得氧氣流入氣體通道107中。在一個實施例中，可以執行如下的清洗處理。
氣體源105將SF 6、Cl 2和O 2通過氣體噴淋頭103供應至反應腔腔體內。SF 6、Cl 2和O 2三種氣體的流速分別是100-180 s.c.c.m、15-40 s.c.c.m、15-60 s.c.c.m。然後，對基台102施加800W的射頻功率，使得上述氣體激發為等離子體並且維持反應腔腔體壓強約為10-15mTorr，持續時間約70秒。
氧氣供應源202經閥門212供應氧氣至氣體通道107且該氧氣壓強略大於腔室的壓強，例如為20mT。這能防止等離子體進入或清洗腔體時產生的顆粒物落入基台102中的氣體通道107。
圖3示出了根據另一個實施例中的在清洗裝置時的等離子體處理裝置的結構示意圖。此實施例中的等離子體處理裝置與圖2中的區別在於其具有四個氣體供應源，分別是氦氣供應源201、氧氣供應源202、氮氣供應源203和氬氣供應源204。它們各自通過一閥門211、212、213、214與氣體通道107連接。在一個實施例中，當處理基片時，打開閥門211、關閉閥門212、213、214，使得氦氣通過氣體通道107進入基片背面；當清洗裝置時，打開閥門203，關閉閥門211、212和214，使得氮氣通過氣體通道107進入反應腔腔體內。氮氣所起的作用與氧氣類似，其能防止在陶瓷、矽、碳化矽、和其他材料的表面上發生溶脹或起泡，並且氣體通道107中的略大於反應腔腔室壓強的氦氣壓強能防止清洗時脫落的顆粒物進入氣體通道107中。在另一個實施例中，還能在氣體通道107中通入氬氣（打開閥門214，關閉閥門211、212、213）。在又一個實施例中，可以在氣體通道107中通入兩種氣體的混合氣體。例如，打開閥門212、213，關閉閥門211、214，能夠通入氧氣和氮氣的混合氣體。
本發明還提供了一種等離子體處理裝置的處理方法。如圖4所示，在步驟S101中，通過氣體供應源105向反應腔內通入清潔氣體，該清潔氣體包括氟化物氣體、氧氣、氯氣中的一種或多種。在步驟S102中，施加射頻能量將清潔氣體激發成等離子體，從而對反應腔腔室內部進行清潔。在S103中，在等離子體對反應腔腔室內部進行清潔時，基台102中的氣體通道107持續提供非氦氣的供應氣體。例如，該供應氣體是氧氣、氮氣或氬氣中的一種或多種。該供應氣體的壓強大於反應腔腔室內部進行清潔時的腔室壓強。可選地，如S104，在清潔完成後，進行基片蝕刻操作。此時，氣體供應源105向反應腔內通入反應氣體，施加射頻能量將該反應氣體激發成等離子體，在蝕刻期間，氣體通道107持續提供氦氣。
雖然本發明已以較佳實施例揭示如上，然所述諸多實施例僅為了便於說明而舉例而已，並非用以限定本發明，本發明所屬技術領域中具有通常知識者在不脫離本發明精神和範圍的前提下可作若干的改動與潤飾，本發明所主張的保護範圍應以申請專利範圍所述為原則。
100:等離子體蝕刻裝置 101:處理腔體側壁 102:基台 103:氣體噴淋頭 104:射頻電源 105:氣體源 106:真空泵 107:氣體通道 108:等離子體約束環 201:氦氣供應源 202:氧氣供應源 203:氮氣供應源 204:氬氣供應源 211,212,213,214:閥門 P:等離子體處理區域 W:基片 S101～S104:步驟
圖1示出了根據本發明的一個實施例的處理基片時的等離子體處理裝置的結構示意圖。 圖2示出了根據本發明的一個實施例的清洗裝置時的等離子體處理裝置的結構示意圖。 圖3示出了根據本發明的另一個實施例的清洗裝置時的等離子體處理裝置的結構示意圖。 圖4示出了根據本發明的一個實施例的等離子體處理裝置的處理方法的流程圖。
100:等離子體蝕刻裝置
101:處理腔體側壁
102:基台
103:氣體噴淋頭
104:射頻電源
105:氣體源
106:真空泵
107:氣體通道
108:等離子體約束環
201:氦氣供應源
202:氧氣供應源
211,212:閥門
P:等離子體處理區域
W:基片

Claims (13)

  1. 一種等離子體處理裝置，包括：一反應腔；一基台，其設置在該反應腔中，該基台中具有一第一氣體通道；多個第一氣體供應源，該多個第一氣體供應源與該第一氣體通道連接，該多個第一氣體供應源中的任一個該第一氣體供應源與該第一氣體通道之間具有一閥門，該閥門能夠選擇性的接通該多個第一氣體供應源中的任意個該第一氣體供應源；以及一第二氣體供應裝置，其設置在該反應腔中且與該基台相對設置。
  2. 根據請求項1所述的等離子體處理裝置，其中，該第一氣體通道是冷卻氣體通道和/或升降銷通道。
  3. 根據請求項1所述的等離子體處理裝置，其中，該第一氣體供應源包括氦氣供應源和非氦氣氣體供應源，當處理基片時，該第一氣體供應源是氦氣供應源，當清潔該反應腔時，該第一氣體供應源是非氦氣氣體供應源。
  4. 根據請求項3所述的等離子體處理裝置，其中，該非氦氣氣體包括下列氣體中的一種或多種：氧氣、氮氣、氬氣。
  5. 根據請求項1所述的等離子體處理裝置，其中，該等離子體處理裝置還包括一控制器，用於控制多個該閥門的開閉狀態。
  6. 根據請求項1所述的等離子體處理裝置，其中，該基台包括一基座和一靜電吸盤，該第一氣體通道貫穿該基座和該靜電吸盤。
  7. 根據請求項1所述的等離子體處理裝置，其中，該第二氣體供應裝置是設置在該反應腔內上部的一氣體噴淋頭。
  8. 根據請求項1所述的等離子體處理裝置，其中，該第二氣體供應裝置提供以下一種或多種氣體：氟化物氣體、氧氣、氯氣。
  9. 一種用於等離子體處理裝置的處理方法，該等離子體處理裝置包括：一反應腔；一基台，其設置在該反應腔中，該基台中具有一第一氣體通道；多個第一氣體供應源，該多個第一氣體供應源與該第一氣體通道連接，該多個第一氣體供應源中的任一個該第一氣體供應源與該第一氣體通道之間具有一閥門，該第一氣體供應源包括以下的一種或多種：氦氣供應源、氧氣供應源、氮氣供應源、氬氣供應源；以及一第二氣體供應裝置，其設置在該反應腔中且與該基台相對設置；該方法包括下列步驟：通過該第二氣體供應裝置向該反應腔內通入清潔氣體；施加射頻能量將清潔氣體激發成等離子體對該反應腔的腔室內部進行清潔；在等離子體對該反應腔的腔室內部進行清潔時，該第一氣體通道持續提供非氦氣的供應氣體。
  10. 根據請求項9所述的處理方法，其中，該處理方法包括下列步驟：關閉連接氦氣供應源與該第一氣體通道之間的該閥門，打開連接非氦氣供應源與該第一氣體通道之間的該閥門。
  11. 根據請求項10所述的處理方法，其中，該第一氣體通道中提供的氣體壓強大於清潔該等離子體處理裝置時的該反應腔的腔室內部壓強。
  12. 根據請求項10所述的處理方法，其中，該第一氣體通道中提供的氣體壓強為10mT-10T。
  13. 根據請求項9所述的處理方法，其中，在完成該等離子體處理裝置的清潔之後，通過該第二氣體供應裝置向該反應腔內通入反應氣體；施加射頻能量將反應氣體激發成等離子體對該基台上的基片進行蝕刻；在等離子體蝕刻期間，該第一氣體通道持續提供氦氣。
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