CN116779409A - 用于等离子蚀刻的限定环 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于等离子蚀刻的限定环，包括约束环，所述约束环包括上壁、侧壁与下壁，所述上壁呈环形，所述侧壁沿上壁的外缘垂直延伸，所述下壁设置在侧壁的下缘，呈环形；气槽设置在上壁和/或下壁上。调节环，所述调节环运动设置在所述上壁和/或所述下壁外侧。该用于等离子蚀刻的限定环通过设置具有气槽的约束环并配合可运动设置的调节环实现了对限定环的有效通气截面的改变，运动部件少，其驱动方式简单，易于控制实现。

Description

用于等离子蚀刻的限定环

技术领域

本发明涉及等离子蚀刻设备技术领域，具体涉及一种用于等离子蚀刻的限定环。

背景技术

随着通信从4G向5G发展，智能手机等电子产业越来越发达，人们对芯片的要求也越来越高，半导体制程工艺也从24纳米向7纳米，5纳米发展，以进一步提高芯片的性能及容量。这要求更高的功率及更复杂的工艺，对晶圆的蚀刻制程提出了更高的要求。相应地，为了确保芯片的稳定性，等离子工序所需的部件要求也越来越高。为了提高半导体蚀刻工序中等离子的活性，提高蚀刻效率以达到更高的生产效率及合格率，现有技术可以利用氧气等气体来改善蚀刻效率，然而随着前述制程的提高，该方法已经渐渐无法满足要求，所以需要使用其他方法来改善蚀刻工序。

在等离子蚀刻过程中，为了提高蚀刻效率，可以提高等离子体密度。然而在等离子蚀刻过程中，等离子体与晶圆反应所产生的挥发性基团在腔室内保留会污染内部环境，进而影响晶圆蚀刻质量。换言之，在蚀刻过程中，同时需要不断抽出腔室内的反应气体，保证等离子体的密度与纯度。气体抽出的速度会影响腔室负压水平，进而影响蚀刻效果。另一方面，腔室的壁面在等离子体的长期作用下还会发生程度不断加深的腐蚀，导致在晶圆制备循环中，腔室的体积会缓慢扩大，进而导致在相同条件下内部等离子体密度的降低，进而影响蚀刻效率与蚀刻效果。

对此，如图1所示，诸如公告号为“CN1322539C”的名为用于等离子体限定的晶片区域压力控制设备、方法及装置的发明专利等现有技术已经公开了采用多片叠置的限位环，通过改变限位环叠片E1间的出气间隙E2来改变限位环的排气速度的方案。然而由于多片限位环叠片的高度需要分别调节，这一方案会导致间隙调整机构复杂度增加，控制难度也随之增加。

发明内容

针对现有的限位环排气速度调整机构复杂，控制难度大的技术问题，本发明提供一种用于等离子蚀刻的限定环。

本发明的技术方案提供一种用于等离子蚀刻的限定环，包括

约束环，所述约束环包括上壁、侧壁与下壁，所述上壁呈环形，所述侧壁沿上壁的外缘向下垂直延伸，所述下壁设置在侧壁的下缘，呈环形；气槽设置在上壁和/或下壁上；

调节环，所述调节环运动设置在所述上壁和/或所述下壁外侧；

通过所述调节环与所述约束环的相对位置变化补偿所述约束环所限定的等离子区域的体积变化，从而维持所述等离子区域内的等离子体密度。

优选地，所述气槽呈沿约束环周向延伸一定长度的扇形槽、或者径向延伸的腰形槽或者圆形槽孔。

优选地，所述气槽为锥形槽，且所述气槽的内表面截面面积小于外表面截面面积。

优选地，所述气槽在所述上壁和/或所述下壁上沿周向均匀分布。

优选地，所述气槽分别在上壁和/或下壁上的面积占比不小于50％。

优选地，所述调节环开设有辅气槽，调节环绕中心受控地转动。

优选地，所述调节环设置成相对于上壁和/或下壁做远离或者接近移动以改变气流通道的间隙。

优选地，所述约束环与调节环应当选用电阻率介于0-5Ohm·Cm之间的或大于100Ohm·Cm的材料。

优选地，所述约束环与调节环的材料为硅、碳化碳、石英晶体、氧化铝或者氮化硼。

本发明的用于等离子蚀刻的限定环通过设置具有气槽的约束环并配合可运动设置的调节环实现了对限定环的有效通气截面的改变，运动部件少，其驱动方式简单，易于控制实现。同时约束环相应的成型有C形的空心区域，使得等离子腔的空间能够向晶圆的边缘以外扩展，从而提升晶圆的蚀刻均匀性。

附图说明

图1为本发明的现有技术的示意图；

图2为本发明的限定环1的结构示意图；

图3为本发明的用于等离子蚀刻的限定环的安装示意图；

图4为本发明的用于等离子蚀刻的限定环的实施例的示意图；

图5为图4中实施例的局部示意图；

图6为发明的用于等离子蚀刻的限定环的另一实施例的示意图；

图7为发明的用于等离子蚀刻的限定环的气槽114的结构示意图；

图8为发明的用于等离子蚀刻的限定环的另一实施例的调节环12的结构示意图。

图中，

E1:限位环叠片E2:出气间隙W:晶圆1:限定环2:上极板3:下极板4:聚焦环5:等离子腔11:约束环12:调节环111:上壁112:侧壁113:下壁114:气槽115:辅气槽121:调整凸起

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明，在本说明书中，附图尺寸比例并不代表实际尺寸比例，其只用于体现各部件之间的相对位置关系与连接关系，名称相同或标号相同的部件代表相似或相同的结构，且仅限于示意的目的。

本发明提供一种能够简化调整机构的用于等离子蚀刻的限定环。图2是该用于等离子蚀刻的限定环的结构示意图。其包括一具有C形截面的约束环11，约束环11包括一环形的上壁111，沿上壁111的外缘垂直向下延伸有侧壁112，在侧壁112的下缘具有环形的下壁113。下壁113上分布有气槽114。在约束环11的下壁113下方设置有调节环12，调节环12能够相对于下壁113运动而改变其与气槽114之间的相对位置，藉由相对位置的变化而改变出流速度。上壁111上同样可以设置有气槽114，因此在上壁111上方也可以设置调节环12以实现在上壁111上气槽114内气流速度的控制。在上壁111与下壁113外侧设置调节环12的两种方案是等价的，也可以同时设置，后续对下壁113的结构说明也就同样地可以适用于上壁111。

图3是用于等离子蚀刻的限定环的安装示意图。限定环1的上壁111的内缘设置有上极板2，下壁113的内缘处设置有下极板3，下极板3上具有用于放置固定晶圆W的平台，在平台周围，晶圆W的边缘处设置有一圈聚焦环4。约束环11、上极板2、下极板3、以及聚焦环4限定了等离子腔5。从上极板2上开设的通道中注入反应气体，在由RF、电容或者电感等外加的电场耦合下，反应气体在等离子腔5内由自由电子碰撞，其中的小部分气体分子的电子脱离形成电子与离子，使反应气体在等离子腔5内呈等离子态。离子受电场力作用下轰击晶圆的暴露部分进而形成晶圆表面特定的微观形貌。由于等离子体的运动垂直于晶圆表面，因此可以获得比较垂直的沟道侧壁，获得具有高沟深比的沟道。同时进一步在用于等离子蚀刻的限定环的下极板3、上极板2方向施加RF电源可以加速等离子体运动，从而加深沟道的沟深比。

一般情况下，由于等离子腔5的容积有限，在其边缘与其中心相比，等离子体的分布不均匀，边缘处等离子体密度较低，因此在蚀刻过程中，会造成边缘处蚀刻得到的沟道深度不及在晶圆中央所形成的沟道，即晶圆的蚀刻不均匀。但约束环11具有C形空腔，将等离子腔5向晶圆W的周向扩展，使得晶圆W的实际区域大于晶圆的实际面积，在晶圆W的周围形成了一道环形过渡区，因此提高了在晶圆上方的等离子体的均匀性，能够提升晶圆刻蚀时的一致性。约束环11与调节环12的具体的制造材料可以选用硅、碳化硅、石英晶体、氧化铝以及氮化硼等材料，一般的这些材料的电导率在0-5Ohm·Cm之间以及大于100Ohm·Cm范围内

约束环11上开设气槽114是用于反应气体的排出，维持等离子腔5内的负压并将等离子体与晶圆反应后的中性挥发气体抽出，进而保证等离子腔5内的真空度与等离子体密度。实际制程中，较为关键的是对抽气速率的控制，通过外接的涡轮泵改变抽气速率的影响是有限的，往往受制于实际的流道大小而存在瓶颈。因此需要具有对限定环1的气槽开度的调整能力，调节环12可以实现这一目的。调节环12与下壁113之间的相对位置变化可以改变气流通道的有效面积进而达成调控气流速度的目的。同样的，调节环12也可以设置在上壁111上方，通过其与上壁111的相对位置变化来改变气流通道的有效面积实现气流速度调控进而补偿约束环11内的等离子腔5的体积变化而维持等离子腔5中等离子密度的稳定。

图4是约束环11的一个实施例。图5是该实施例的局部示意图。气槽114优选是沿约束环11的径向开设的近腰形孔，其两边距可以保证相等形成标准的腰形孔，可以可以呈一角度延伸，一般其两边交于下壁113中心而呈一扇形角，由于气槽114的周向数量很多，数量大约150-300之间，因此气槽114的两边夹角在1-2度左右，目视并不明显。气槽114沿下壁113的周向在下壁113上均匀分布，保证下壁113周向各处的气体流出基本一致，从而有利于维持等离子腔5中气体在各处的均匀性。

一般地，调节环12首先可以开设有辅气槽115，调节环12绕中心受控地转动，于转动到不同位置，改变辅气槽115与气槽114重叠部分的表同面积，进而实现对抽气速度的改变。这一方式通常要求气槽无法在下壁113或者上壁111上密布，因此需要预留足够的间距来遮挡辅气槽115，具体的设计取决于设计要求。为此，优选地，将调节环12设置成相对于上壁111或者侧壁112做远离或者接近移动以改变气流通道的间隙。该间隙实际上成为了通道的有效截面，因此实现了对抽气速度的改变。

气槽114除了可以设置为上述腰形槽外，也可以设置为圆形槽孔或者其他异形槽的形式，一般要求气槽114在上壁111或者下壁113上均占比50％以上，以保证约束环11具有足够的出流面积。调节环12在下壁113下方沿约束环11的轴向移动设置，在调节环12与上壁111之间相对移动时，调节环12与下壁113之间的间隙改变，该间隙同时也是气槽114中气流的流出的通道。因此气体流出的速度除了取决于气槽114的面积，还取决于间隙的大小，因此可以通过移动调节环12的位置改变调节环12与下壁113间的间隙实现对抽气速度的控制。

图6为约束环11的另一实施例的示意图。调节环12上是可选的开设有辅气槽115，辅气槽115与气槽114之间的位置是错开的。调节环12与下壁113之间可以被配置为绕约束环11的中心轴转动，在辅气槽115与气槽114之间可以在调节环12转动的过程中部分重合，在重合部分形成贯通的气流通道。可以通过控制调节环12的转动角度实现对气流通道的有效面积的改变实现气流通道的面积，从而改变抽气速度。辅气槽115与气槽114均优选选择沿周向延伸适当长度的扇形槽，方便通过调节环12的转角实现速度控制。调节环12通过运动改变自气槽114流出气体的气流通道的有效截面大小。

图7为图4的实施例中气槽114的截面示意图。气槽114可以制成锥形槽，即如图所示其侧壁是倾斜成锥面的，于是使得内侧截面积成比例的小于外侧截面积。当等离子体从气槽114流出时，其中的带电粒子与气槽114的侧壁碰撞会使得气槽114的表面发生腐蚀，而腐蚀速度是从气槽114的内部向外降低的，即带电粒子会首先作用于气槽114的内部一侧，被湮灭后，由于剩下的能接触到气槽114外侧出口的粒子很少，气槽114的内部入口处的腐蚀速度会快于气槽114的外部出口处，因此将气槽114的内部入口处的截面制造时预留腐蚀的余量可以延长气槽114的使用时间，延缓气槽114的更换。

通过调节环12与下壁113或者是调节环12与上壁111的距离控制来改变调节环12与下壁113或者气槽114之间的出气间隙并试图以此改变由出气间隙与气槽114所形成的气流通道对气体流出的阻力而使等离子腔5内的负压维持在要求的水平内当然是可行的。但是实际应用中为了维持等离子腔5内的压力稳定而调整调节环12的位置的控制过程却不容易维持稳定。在调节环12的控制算法中会根据等离子腔5内的负压水平或者由此对应的等离子体其他特征，比如相应的起辉后的光谱特性等输入来控制调节环12的移动。控制过程一般在典型PID算法的基础上优化实现。然而实际生产中该算法在不同状态下的收敛时间区别较大，影响对等离子腔5的状态调控，甚至是影响设备的制程稳定性。经分析，气体的流动阻力主要由气槽114以及出气间隙确定。在间隙较小时，阻力主要由出气间隙确定，在间隙较大时，阻力主要由气槽114确定，而气槽114的截面积固定。因此间隙稍大，对气体的速度控制就不明显了。即使是在间隙较小时，出气间隙的影响仍然比较显著时，由于间隙变化与气阻之间的非线性，在不同的状态下采用同一套控制算法与控制参数，调整后达到稳态的时间波动较大。对此本用于等离子蚀刻的限定环还在以上基础上做了进一步的改进，改进后的调节环12与下壁113的局部剖面示意图如图8所示。调节环12对应于上的气槽114设置有深入气槽114内的调整凸起121，调整凸起121对应地深入至气槽114，调整凸起121如图所示具有顶部小根部大的截面，因此在控制调节环12远离下壁113时，调整凸起121在气槽114内沿轴线位移，从而改变由调整凸起121与下壁113所限定的最小出流面积，进而调整出气阻力实现负压水平的调控。调整凸起121的优点在于将实际起作用的主要的控制部分转移到调整凸起121上，避免了前述由于出气间隙的调整与气体阻力之间的非线性而导致的在不同状态下控制过程不一致等问题。调整凸起121为了与下壁113，尤其是下壁113的下表面之间所形成的气流通道的面积在移动过程中能有比较好的线性，可以按一定截面曲线设计以保证出流的有效截面大体上线性变化，具体的以调整凸起121的某一截面的特征尺寸记为r，截面距顶端的距离为h，那么为了保证有效截面的近似线性变化，两者间的关系为r＝k√h+c，其中，k、c为系数，比如c＝0,k＝√H/W(H、W分别为气槽114的深度与底面的特征尺寸)。调整凸起121应当不高于气槽114的上顶面，以免深入等离子腔5中后影响等离子腔5内等离子体的均匀性。

具体设计可以将下壁113与侧壁112设置成可拆卸连接的。由于在抽气过程中，等离子体同时会使得气槽部分产生缓慢腐蚀，因此在进行一段时间的蚀刻后，下壁113上的气槽会逐渐扩大，因此在一段时间后就需要更换新的下壁113。由于下壁113与侧壁112之间是可拆卸连接的，当需要更换下壁113时只需卸下下壁113做单独的更换，可以保留侧壁112与上壁111继续使用。更换单个下壁113与更换整个约束环11的降本效果是明显的。其降本主要体现在两个方面：一是相比整体的约束环11使用整块的原料通过减材加工制成，下壁113所使用的原料可以明显的减少，而且考虑到大块的高纯的料锭的获取难度，约束环11所使用的料锭的价格相较于两者原料的体积比值是大幅度地高于下壁113的；二是单独更换下壁113意味着可以只需要加工下壁113，基本上不需要加工约束环11的C形空腔部分，因此也能节省一部分加工成本。

通过使上壁111和/或下壁113设置为拆卸连接还有一方面的效果需要着重说明。即在约束环11的制备工艺上的改进。在现有的整体式约束环11上由于C形空腔两侧上壁111与下壁113之间的相互遮挡难以使用激光、水切割等方式来加工气槽，因此气槽不得不使用特制的铣刀加工，其加工效率较低，完整加工完成一片上壁111或者下壁113上的250个气槽，大约需要5-7个工作日。如果将上壁111与下壁113单独拆分出来，对其中单个产品通过激光或者电火花电极等方式进行加工，大约只需要2-3个工作日的加工周期，这还没有算上上壁111与下壁113可以同时一起加工所带来的工期的缩短。因此上壁111与下壁113对于约束环11的加工效率而言，是具有明显的提升的。

对于上壁111、下壁113两者与侧壁112之间的连接方式可以灵活设置，其首先可以是以螺纹连接的方式实现，其次本申请还可设置下壁113与调节环之间直接以螺纹连接方式连接，即在侧壁112的内侧面设置内螺纹，在下壁113的外缘设置外螺纹，通过内外螺纹的啮合实现上壁111的固定。最后侧壁112与下壁113之间还可以通过对应设置的卡合结构实现下壁113在侧壁112的固定，比如图中所示的在侧壁112的下边缘处设置的卡槽，以及在下壁113的边缘处沿径向突出的卡榫，当将下壁113安装到位后，旋转一个角度使卡榫进入卡槽中保证下壁113在侧壁112上固定。

上述内容仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于等离子蚀刻的限定环，其特征在于，包括

约束环(11)，所述约束环(11)包括上壁(111)、侧壁(112)与下壁(113)，所述上壁(111)呈环形，所述侧壁(112)沿上壁(111)的外缘向下垂直延伸，所述下壁(113)设置在侧壁(112)的下缘，呈环形；气槽(114)设置在上壁(111)和/或下壁(113)上；

调节环(12)，所述调节环(12)运动设置在所述上壁(111)和/或所述下壁(113)外侧；

通过所述调节环(12)与所述约束环(11)的相对位置变化补偿所述约束环(11)所限定的等离子区域的体积变化，从而维持所述等离子区域内的等离子体密度。

2.如权利要求1所述的用于等离子蚀刻的限定环，其特征在于，所述气槽(114)呈沿约束环(11)周向延伸一定长度的扇形槽、或者径向延伸的腰形槽或者圆形槽孔。

3.如权利要求2所述的用于等离子蚀刻的限定环，其特征在于，所述气槽(114)为锥形槽，且所述气槽(114)的内表面截面面积小于外表面截面面积。

4.如权利要求1所述的用于等离子蚀刻的限定环，其特征在于，所述气槽(114)在所述上壁(111)和/或所述下壁(113)上沿周向均匀分布。

5.如权利要求4所述的用于等离子蚀刻的限定环，其特征在于，所述气槽(114)分别在上壁(111)和/或下壁(113)上的面积占比不小于50％。

6.如权利要求1所述的用于等离子蚀刻的限定环，其特征在于，所述调节环(12)开设有辅气槽(115)，调节环(12)绕中心受控地转动。

7.如权利要求1所述的用于等离子蚀刻的限定环，其特征在于，所述调节环(12)设置成相对于上壁(111)和/或下壁(113)做远离或者接近移动以改变气流通道的间隙。

8.如权利要求1-7任一项所述的用于等离子蚀刻的限定环，其特征在于，所述约束环(11)与调节环(12)为电阻率介于0-5Ohm·Cm之间的或大于100Ohm·Cm的材料。

9.如权利要求1-7所述的用于等离子蚀刻的限定环，其特征在于，所述约束环(11)与调节环(12)的材料为硅、碳化碳、石英晶体、氧化铝或者氮化硼。