TWI810825B - 一種清潔晶圓、等離子體處理裝置和處理方法 - Google Patents
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Abstract
本發明公開了一種清潔晶圓，一種等離子體處理裝置及處理方法，包括一反應腔，所述反應腔包括：進氣裝置，用於向所述反應腔輸送清潔氣體；射頻電源，用於將所述清潔氣體解離為清潔等離子體；清潔晶圓；靜電吸盤，用於承載所述清潔晶圓，清潔晶圓與靜電吸盤之間設置一支撑裝置，所述支撑裝置使得清潔晶圓背面與靜電吸盤表面之間形成一定高度，進而使得清潔晶圓邊緣區域的背面與聚焦環的上表面形成一定縫隙，避免對聚焦環上表面和聚焦環與靜電吸盤之間的縫隙造成遮擋，使得清潔等離子體能有效清除聚焦環第二上表面和縫隙內的沉積物。保證等離子體處理裝置處理晶圓的均一性，同時降低沉積物可能導致的電弧放電現象，提高設備的穩定性。
Description
本發明涉及半導體設備領域，尤其涉及一種等離子體清潔技術領域。
在半導體器件的製造過程中，等離子體蝕刻是將晶圓加工成設計圖案的關鍵製程。
在典型的等離子體蝕刻製程中，製程氣體(如CF4、O2等)在反應腔內在射頻(Radio Frequency，RF)激勵作用下形成等離子體。這些等離子體與晶圓表面發生物理轟擊作用及化學反應，從而蝕刻出具有特定結構的晶圓。
晶圓蝕刻完成後，通過移動機械手實現晶圓的取出，為保證不同批次的晶圓處理的均一性，晶圓移出反應腔後，需要對反應腔進行等離子體清潔，向反應腔內通入清潔氣體，施加射頻將上述清潔氣體激發為清潔等離子體，在電場的作用下，清潔等離子體對暴露於等離子體中的反應腔內的零部件表面進行轟擊，將前一個蝕刻步驟中可能産生的沉積物進行清潔，並通過抽真空裝置將清潔氣體及沉積物顆粒排出反應腔。
隨著製程的發展，部分蝕刻製程過程中會在零部件表面産生較厚的沉積物，在清潔步驟中，為了保證沉積物的清潔效果，需要施加較大功率的射頻信號至所述靜電吸盤，由於靜電吸盤暴露於清潔等離子體中，某些區域可
能會被清潔等離子體轟擊造成損傷，不利於等離子體處理裝置的穩定工作，因此，需要提供一種在清潔步驟中能穩定工作的等離子體處理裝置。
為了解決上述技術問題，本發明提供一種等離子體處理裝置，所述等離子體處理裝置，包括一反應腔，所述反應腔包括：進氣裝置，用於向所述反應腔輸送清潔氣體；射頻電源，用於將所述清潔氣體解離為清潔等離子體；清潔晶圓；靜電吸盤，用於承載所述清潔晶圓；所述清潔晶圓與所述靜電吸盤之間設置若干支撑裝置，所述支撑裝置與所述清潔晶圓固定連接。
可選的，所述支撑裝置為設置在所述清潔晶圓背面的若干支撑台，所述支撑台使得所述清潔晶圓與所述靜電吸盤之間形成具有第一高度的縫隙。
可選的，所述第一高度的範圍大於0小於等於5毫米。
可選的，所述支撑台與所述清潔晶圓一體製作或通過黏接方式固定連接。
可選的，所述支撑台到所述清潔晶圓圓心的距離小於所述靜電吸盤的半徑。
可選的，所述支撑台為兩個或兩個以上不連續支撑台，多個所述不連續支撑台具有相同的高度。
可選的，所述支撑台為一連續結構，以實現對所述清潔晶圓的平穩支撑。
可選的，所述清潔晶圓具有第一直徑，所述靜電吸盤具有第二直徑，所述第一直徑大於等於所述第二直徑。
可選的，所述靜電吸盤外圍設置聚焦環，所述聚焦環與所述靜電吸盤之間設置第一縫隙，所述第一縫隙的寬度大於等於0.2mm。
可選的，所述聚焦環包括第一上表面和第二上表面，所述第一上表面高於所述清潔晶圓的上表面，所述第二上表面低於或平於所述清潔晶圓的下表面。
可選的，所述聚焦環下方設置一插入環，所述插入環與所述靜電吸盤之間設置第二縫隙，所述第二縫隙的寬度小於等於所述第一縫隙的寬度。
可選的，所述聚焦環的下表面和所述插入環的上表面設置相互配合的臺階。
可選的，所述清潔晶圓的材料與所述支撑裝置的材料相同或不相同。
本發明還公開了一種清潔晶圓，用於在等離子體清潔製程中移入一反應腔並覆蓋所述反應腔內的靜電吸盤上表面，所述清潔晶圓背面設置至少一支撑台，所述支撑台與所述清潔晶圓一體製作或通過黏接方式固定。
本發明還公開了一種等離子體處理方法，所述方法在上文所述的等離子體處理裝置內進行，所述方法包括下列步驟：蝕刻製程結束，將蝕刻完成的晶圓移出所述反應腔；將清潔晶圓移入所述反應腔內並放置於所述靜電吸盤上方；向所述反應腔內供應清潔氣體，施加射頻功率將所述清潔氣體激發為清潔等離子體，所述清潔等離子體對所述反應腔內暴露於等離子體中的區
域以及清潔晶圓邊緣區域下方的聚焦環第二上表面和聚焦環與靜電吸盤之間的縫隙進行清潔；移出所述清潔晶圓。
與現有技術相比，本發明實施例的技術方案具有以下有益效果：
本發明在清潔步驟中採用一清潔晶圓覆蓋在靜電吸盤表面，以降低高功率的清潔等離子體對靜電吸盤上表面的損害。同時，清潔晶圓與靜電吸盤之間設置一支撑裝置，該支撑裝置使得清潔晶圓背面與靜電吸盤表面之間形成一定高度，進而使得清潔晶圓邊緣區域的背面與聚焦環的第二上表面形成一定縫隙，避免對聚焦環的第二上表面和聚焦環與靜電吸盤之間的縫隙造成遮擋，使得清潔等離子體能有效清除聚焦環第二上表面和縫隙內的沉積物。保證等離子體處理裝置處理晶圓的均一性，同時降低沉積物可能導致的電弧放電現象，提高設備的穩定性。
110:靜電吸盤
112:靜電吸附層
114:結合層
115:晶圓
116:基座
120:氣體噴淋頭
122:上接地環
124:升降環
130:聚焦環
132:第一上表面
134:第二上表面
140:覆蓋環
150:插入環
160:等離子體約束環
170:隔離環
182:保護環
185:縫隙
190:射頻電源
200:反應腔
216:支撑裝置
215,315:清潔晶圓
316:支撑台
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，下面描述中的附圖僅僅是本發明的實施例，對於本案所屬技術領域中具有通常知識者來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據提供的附圖獲得其他的附圖。
圖1示出一種等離子體處理裝置結構示意圖；圖2示出蝕刻步驟中圖1中A區域的局部放大圖；圖3示出清潔步驟中圖1中A區域的局部放大圖；圖4示出清潔步驟結束後A區域的局部放大圖；
圖5示出一種清潔晶圓、靜電吸盤以及清潔晶圓上的支撑裝置的尺寸示意圖；圖6示出另一種實施例的清潔晶圓上的支撑裝置的結構示意圖。
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，本案所屬技術領域中具有通常知識者在沒有做出創造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。
圖1示出一種等離子體處理裝置，包括一反應腔，所述反應腔內包括相對設置的上電極組件和下電極組件，上電極組件包括氣體噴淋頭120和環繞氣體噴淋頭設置的上接地環122，氣體噴淋頭用於向反應腔內輸送製程氣體或清潔氣體，同時作為真空反應腔的上電極。反應腔內還包括一升降環124，其環繞設置在上電極組件和下電極組件之間的區域，形成均勻、穩定的等離子體處理空間。圖1所示的等離子體處理裝置為電容耦合等離子體處理裝置，本發明所述的方案同樣適用於電感耦合等離子體處理裝置。
所述下電極組件包括靜電吸盤110，靜電吸盤110包括靜電吸附層112、基座116及連接所述靜電吸附層和所述基座的結合層114，所述結合層外圍環繞設置一圈保護環182(見圖2)。保護環182可以保護結合層免受等離子體的損傷，同時可以將聚焦環和插入環與靜電吸盤之間的縫隙實現分隔，減少縫隙內的電弧放電。靜電吸盤用於承載晶圓115同時作為真空反應腔的下電極，所述上電極和所述下電極之間形成一反應區域。至少一射頻電源190通過匹配網路施
加到所述上電極或下電極之一，在所述上電極和所述下電極之間産生射頻電場，用以將反應氣體解離為等離子體，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，上述活性粒子可以和待處理基片的表面發生多種物理和化學反應，使得晶圓表面的形貌發生改變，即對晶圓進行蝕刻處理。真空反應腔的下方還設置排氣裝置(圖中未示出)，用於將反應副産物排出反應腔，維持反應腔的真空環境。
靜電吸盤110外圍環繞設置邊緣環組件，邊緣環組件具體包括聚焦環130，環繞聚焦環外圍設置一覆蓋環140，聚焦環下方設置一插入環150。聚焦環130、覆蓋環140和插入環150用於調節晶圓周圍的電場或溫度分布，提高基片處理的均勻性。插入環150下方設置一隔離環170，隔離環170環繞基座116設置，用於對插入環的溫度進行控制同時對基座進行隔離。邊緣環組件還包括環繞插入環150和隔離環170設置的等離子體約束環160，等離子體約束環用於形成排氣通道，同時將等離子體約束在等離子體處理空間內。基座116材質通常為金屬材質，邊緣環組件材質通常為介電材料或半導體材料，為了避免製程過程中基座116受熱膨脹，對邊緣環組件造成擠壓，在室溫下安裝靜電吸盤110和邊緣環組件時通常要在靜電吸盤和邊緣環組件之間設置一縫隙185，見圖2，該縫隙的寬度根據基座和邊緣環組件的材質以及下電極組件可能工作的溫度等因素進行確定，通常設置為0.1mm~0.5mm之間，如大於等於0.2mm。
在對晶圓115進行正常的等離子體處理時，晶圓115移入反應腔內並置於靜電吸盤上方，在靜電吸盤的吸附下進行固定並控溫，為了實現晶圓在放置到靜電吸盤上方時的準確定位，常規晶圓的邊緣區域會設置一定位缺口，為了防止在蝕刻過程中該定位缺口將靜電吸盤的部分區域暴露，造成靜電吸盤暴露的區域被等離子體損傷，晶圓115的直徑尺寸通常大於靜電吸附層112的直徑尺寸。
圖2示出蝕刻步驟中圖1中A區域的局部放大圖，根據圖2所示，聚焦環130包括第一上表面132和第二上表面134，當晶圓115置於靜電吸盤上方時，第一上表面132的水平高度高於所述晶圓115的上表面的水平高度，第二上表面134的水平高度低於或齊平於所述晶圓115的下表面的水平高度，因此，在蝕刻製程過程中，晶圓115的邊緣區域至少部分遮蓋聚焦環的第二上表面134和聚焦環與所述靜電吸盤之間的縫隙。
儘管如此，在蝕刻製程過程中，等離子體在對晶圓表面的形貌進行蝕刻的同時，也會在暴露於等離子體的零部件表面形成沉積物，其中即包括晶圓115的邊緣區域背面、聚焦環130的兩個上表面以及聚焦環與靜電吸盤之間的縫隙185，圖2中聚焦環第二上表面134和縫隙185內黑線顯示的即為被沉積物覆蓋填充的示意圖。蝕刻製程完成後，晶圓115被移動機械手移出反應腔，為了保證不同晶圓的蝕刻均一性，每次蝕刻製程結束後要在反應腔內進行等離子體清潔步驟，在等離子體清潔步驟中，靜電吸盤以及其他暴露於等離子體處理空間的表面在清潔等離子體的作用下，通過化學反應或物理轟擊實現沉積物的去除。在等離子體清潔步驟中，通常不會在靜電吸盤表面放置晶圓，以便清潔等離子體對聚焦環第二上表面134和縫隙185的沉積物進行去除。
隨著製程的發展，發明人發現有些製程會在蝕刻過程中産生較厚的沉積物，為了有效去除這些沉積物需要對下電極組件或上電極組件施加更大的射頻功率，而更大的射頻功率意味著更強的等離子體轟擊，這對暴露於等離子體中的靜電吸盤上表面會造成更加嚴重的損傷。此外，聚焦環與靜電吸盤之間的縫隙內如果存在沉積物，由於沉積物通常較為疏鬆，容易在蝕刻過程中發生電弧放電，對靜電吸盤的側邊造成損傷。
圖3示出在清潔步驟中圖1中A區域的局部放大圖，圖1所示的等離子體處理裝置可同時適用於等離子體蝕刻步驟和等離子體清潔步驟。該裝置的
反應腔內包括進氣裝置，即前文描述的氣體噴淋頭120，用於向所述反應腔輸送清潔氣體；射頻電源190，用於將所述清潔氣體解離為清潔等離子體；清潔晶圓215，具有第一直徑；靜電吸盤110，用於承載所述清潔晶圓215，靜電吸盤110與清潔晶圓215之間設有支撑裝置216，支撑裝置216使得清潔步驟中清潔晶圓的背面與靜電吸盤的上表面之間存在第一高度h，該第一高度使得清潔晶圓215的邊緣區域與聚焦環的第二上表面134之間形成一縫隙，從而允許清潔等離子體進入該縫隙以對聚焦環的第二上表面134的沉積物和聚焦環與靜電吸盤之間的縫隙185內的沉積物進行清潔。支撑裝置216的高度範圍大於0小於等於5mm。由於清潔晶圓與靜電吸盤之間的距離需要控制在等離子體鞘層的厚度範圍內，為防止清潔步驟中，清潔晶圓與靜電吸盤之間産生等離子體而對靜電吸盤表面産生損傷，因此需要設置支撑裝置的高度小於等於5mm，同時，在此高度下，可以有效避免靜電吸盤的上表面邊緣區域被高能量的離子以斜入射的方式産生損傷。
清潔步驟結束後，支撑裝置216需要與清潔晶圓一起移出反應腔，因此支撑裝置216需要與清潔晶圓固定連接，在一種實施例中，支撑裝置216與清潔晶圓215一體製作，支撑裝置的材料與清潔晶圓的材料相同，例如為矽、碳化矽和介電材料中的至少一種，在另外的實施例中，支撑裝置216可以和清潔晶圓分別製作，然後通過黏接等方式實現固定，在此實施例中，支撑裝置和清潔晶圓的材料可以相同，也可以不相同，例如支撑裝置的材料可以為陶瓷，鐵氟龍等，以不在清潔步驟中引入污染為主要考慮依據。
為了防止靜電吸盤表面存在未被清潔晶圓覆蓋的區域，本發明採用的清潔晶圓的直徑大於等於靜電吸盤的直徑，此時，當對反應腔內施加大功率的射頻電源時，能够有效清潔聚焦環第二上表面134上的沉積物以及聚焦環與
靜電吸盤之間縫隙185內的沉積物，保證等離子體處理裝置處理晶圓的均一性，同時降低清潔等離子體對靜電吸盤上表面的損害程度。
圖4示出清潔步驟結束後A區域的局部放大圖。由圖4可以看出，採用本發明的清潔晶圓215後，即便對反應腔200內施加較大的射頻功率進行清潔，也不會對靜電吸盤表面進行損傷，同時，由於清潔晶圓與靜電吸盤之間設置支撑裝置216，使得清潔晶圓不會對聚焦環的第二上表面134和縫隙185形成覆蓋，使得清潔等離子體更有效地對聚焦環的第二上表面134和縫隙185內的沉積物進行清除，避免了沉積物可能發生的電弧放電，保證了反應腔200內晶圓處理的一致性。
圖5示出一種清潔晶圓、靜電吸盤以及清潔晶圓上的支撑裝置的尺寸示意圖，按照圖5的示意，清潔晶圓215的直徑大於靜電吸盤110的直徑，在其他實施例中，清潔晶圓215的直徑可以等於靜電吸盤110的直徑，以實現對靜電吸盤上表面的完全覆蓋。避免高功率下的清潔等離子體損傷靜電吸盤。由於支撑裝置216要放置在靜電吸盤表面，因此，支撑裝置到所述清潔晶圓圓心的距離要小於所述靜電吸盤的半徑，以在清潔晶圓和靜電吸盤之間形成一高度h。
圖5所示的支撑裝置216為三個不連續支撑台，為了保證清潔晶圓的固定平穩，多個所述不連續支撑台具有相同的高度。可以想到，在另外的實施例中，支撑裝置216的數量可以為三個以上，此時，需要注意多個支撑台不能妨礙基座內的升降機構對清潔晶圓的升舉和機械手臂對清潔晶圓的取片，同時要實現清潔晶圓的平穩固定即可實現本發明目的。
在另外的實施例中，如圖6所示，支撑裝置可以為兩個支撑台316，為了實現清潔晶圓315的平穩固定，本實施例中的支撑台可以具有一定長度，可以想到，在另外的實施例中，支撑裝置可以為一環形、半環形或者其他形狀的連續的支撑台，此時，需要注意連續的支撑台不能妨礙基座內的升降機
構對清潔晶圓的升舉和機械手臂對清潔晶圓的取片，同時要實現清潔晶圓的平穩固定即可實現本發明目的。
根據前文所述，聚焦環130下方設置一插入環150，插入環150與所述靜電吸盤之間也設置縫隙，該縫隙的寬度與聚焦環與靜電吸盤之間的縫隙寬度相等或小於聚焦環130與靜電吸盤之間的縫隙寬度。邊緣環組件與靜電吸盤之間的縫隙是産生電弧放電的高發區域，縫隙寬度越大，對施加到反應腔內的射頻電壓承受度越低，容易産生電弧放電，因此，在滿足安裝需求和承受基座膨脹的前提下，插入環與所述靜電吸盤之間的縫隙儘量設置的較小。
此外聚焦環130的下表面和插入環150的上表面可以設置相互配合的臺階。該臺階的設置可以避免聚焦環130和插入環150之間接觸的縫隙與縫隙185實現聯通，避免縫隙185內可能發生的電弧放電貫穿進入聚焦環130和插入環150之間的縫隙，對聚焦環和插入環進行保護。
本發明採用的清潔晶圓215材質可以與常規晶圓115材質相同，可選的，所述清潔晶圓215的材料包括矽、碳化矽和介電材料中的至少一種，以不在清潔步驟中引入污染為主要考慮依據。
本發明進一步公開了一種清潔晶圓，用於在等離子體清潔製程中移入一反應腔並覆蓋所述反應腔內的靜電吸盤上表面，所述清潔晶圓背面設置至少一支撑裝置，所述支撑裝置與所述清潔晶圓一體製作或通過黏接方式固定。
本發明進一步公開了一種等離子體處理方法，所述方法包括下列步驟：蝕刻製程結束，將蝕刻完成的晶圓115移出所述反應腔；將清潔晶圓215移入所述反應腔內並放置於所述靜電吸盤上方；向所述反應腔內供應清潔氣體，施加射頻功率將所述清潔氣體激發為清潔等離子體，所述清潔等離子體對所述反應腔內暴露於等離子體中的區
域以及清潔晶圓邊緣區域下方的聚焦環第二上表面和聚焦環與靜電吸盤之間的縫隙進行清潔；移出所述清潔晶圓215。
雖然本發明披露如上，但本發明並非限定於此。任何本領域技術人員，在不脫離。本發明的精神和範圍內，均可作各種更動與修改，因此本發明的保護範圍應當以申請專利範圍所限定的範圍為準。
110:靜電吸盤
315:清潔晶圓
316:支撑台
Claims (15)
- 一種等離子體處理裝置，包括一反應腔，其中：該反應腔包括：一進氣裝置，用於向該反應腔輸送一清潔氣體；一射頻電源，用於將該清潔氣體解離為一清潔等離子體；一清潔晶圓；一靜電吸盤，用於承載該清潔晶圓，該清潔晶圓用於避免清潔等離子體損傷該靜電吸盤；該清潔晶圓與該靜電吸盤之間設置若干支撑裝置，該若干支撑裝置與該清潔晶圓固定連接。
- 如請求項1所述的等離子體處理裝置，其中，該若干支撑裝置為設置在該清潔晶圓背面的若干支撑台，該若干支撑台使得該清潔晶圓與該靜電吸盤之間形成具有一第一高度的縫隙。
- 如請求項2所述的等離子體處理裝置，其中，該第一高度的範圍大於0小於等於5毫米。
- 如請求項2所述的等離子體處理裝置，其中，該若干支撑台與該清潔晶圓一體製作或通過黏接方式固定連接。
- 如請求項2所述的等離子體處理裝置，其中，該若干支撑台到該清潔晶圓的圓心距離小於該靜電吸盤的半徑。
- 如請求項2所述的等離子體處理裝置，其中，該若干支撑台為兩個或兩個以上不連續支撑台，多個該不連續支撑台具有相同的高度。
- 如請求項2所述的等離子體處理裝置，其中，該若干支撑台為一連續結構，以實現對該清潔晶圓的平穩支撑。
- 如請求項1所述的等離子體處理裝置，其中，該清潔晶圓具有一第一直徑，該靜電吸盤具有一第二直徑，該第一直徑大於等於該第二直徑。
- 如請求項1所述的等離子體處理裝置，其中：該靜電吸盤外圍設置一聚焦環，該聚焦環與該靜電吸盤之間設置一第一縫隙，該第一縫隙的寬度大於等於0.2mm。
- 如請求項9所述的等離子體處理裝置，其中：該聚焦環包括一第一上表面和一第二上表面，該第一上表面高於該清潔晶圓的上表面，該第二上表面低於或平於該清潔晶圓的下表面。
- 如請求項9所述的等離子體處理裝置，其中：該聚焦環下方設置一插入環，該插入環與該靜電吸盤之間設置一第二縫隙，該第二縫隙的寬度小於等於該第一縫隙的寬度。
- 如請求項11所述的等離子體處理裝置，其中：該聚焦環的下表面和該插入環的上表面設置相互配合的臺階。
- 如請求項1所述的等離子體處理裝置，其中：該清潔晶圓與該若干支撑裝置的材料為相同或不相同。
- 一種清潔晶圓，用於在等離子體清潔製程中移入一反應腔並覆蓋所述反應腔內的靜電吸盤上表面，其中，該清潔晶圓背面設置至少一支撑台，該至少一支撑台與該清潔晶圓一體製作或通過黏接方式固定。
- 一種等離子體處理方法，其中：該方法在如請求項1~13任一項所述的等離子體處理裝置內進行，該方法包括下列步驟：蝕刻製程結束，將蝕刻完成的晶圓移出該反應腔；將一清潔晶圓移入該反應腔內並放置於該靜電吸盤上方； 向該反應腔內供應清潔氣體，施加射頻功率將該清潔氣體激發為一清潔等離子體，該清潔等離子體對該反應腔內暴露於等離子體中的區域以及清潔晶圓邊緣區域下方的聚焦環第二上表面和聚焦環與靜電吸盤之間的縫隙進行清潔；移出該清潔晶圓。
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Patent Citations (1)
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