TW201338012A - 用於等離子體處理裝置的可調節約束裝置 - Google Patents

Abstract

一種應用於等離子體處理裝置的可調節等離子約束裝置，其中，所述等離子約束裝置設置於所述製程區和排氣區之間，所述等離子約束裝置包括：電氣接地元件；導電元件，所述導電元件位於所述電氣接地元件上方，且二者相互電絕緣，所述導電元件設置有數個排氣通道；間隔元件，所述間隔元件設置於所述電氣接地元件和所述導電元件之間，其中，所述間隔元件由絕緣材料製成。本發明能夠改善等離子體製程區域的不對稱性，並進一步改善基片的製程不均一性。

Description

用於等離子體處理裝置的可調節約束裝置

本發明涉及半導體製造領域，尤其涉及一種用於等離子體處理裝置的可調節約束裝置。

等離子體處理裝置利用真空反應室的工作原理進行半導體基片和等離子平板的基片的加工。真空反應室的工作原理是在真空反應室中通入含有適當刻蝕劑或澱積源氣體的反應氣體，然後再對該真空反應室進行射頻能量輸入，以啟動反應氣體，來點燃和維持等離子體，以便分別刻蝕基片表面上的材料層或在基片表面上澱積材料層，進而對半導體基片和等離子體平板進行加工。舉例來說，電容性等離子體反應器已經被廣泛地用來加工半導體基片和顯示器平板，在電容性等離子體反應器中，當射頻功率被施加到二個電極之一或二者時，就在一對平行電極之間形成電容性放電。

等離子體是擴散性的，雖然大部分等離子體會停留在一對電極之間的處理區域中，但部分等離子體可能充滿整個工作室。舉例來說，等離子體可能充滿真空反應室下方的處理區域外面的區域。若等離子體到達這些區域，則這些區域可能隨之發生腐蝕、澱積或者侵蝕，這會造成反應室內部的顆粒玷污，進而降低等離子處理裝置的重複使用性能，並可能會縮短反應室或反應室零部件的工作壽命。如果不將等離子體約束在一定的工作區域內，帶電粒子將撞擊未被保護的區域，進而導致半導體基片表面雜質和污染。

由此，業內一般還在等離子體處理裝置中設置了約束裝置(confinement ring)，用以控制用過的反應氣體的排出並且當反應氣體中的帶電粒子通過該等離子約束裝置時將它們電中和，從而將放電基本約束在處理區域以內，以防止等離子處理裝置使用過程中可能造成的腔體污染問題。

然而，本領域技術人員應當理解，等離子體處理裝置內的等離子體製程區域會產生不均勻的現象，而製程區域的不均勻將進一步導致基片的製程不均一性，眾所周知，基片製程的不均一性是本領域需要解決的核心技術問題，本發明正是基於此提出的。

針對背景技術中的上述問題，本發明提出了一種應用於等離子體處理裝置的可調節等離子約束裝置。

本發明第一方面提供了一種應用於等離子體處理裝置的可調節等離子約束裝置，其中，所述等離子處理裝置包括等離子製程區和排氣區，所述所述等離子約束裝置位於所述等離子處理裝置的等離子製程區和排氣區之間，具有多個氣體通道使來自製程區的氣體流過所述等離子約束裝置進入排氣區時被中和，所述等離子約束裝置設置於所述製程區和排氣區之間，其中：所述等離子約束裝置包括：電氣接地元件；導電元件，所述導電元件位於所述電氣接地元件上方，且二者相互電絕緣，所述導電元件設置有數個排氣通道；間隔元件，所述間隔元件設置於所述電氣接地元件和所述導電元件之間，其中，所述間隔元件由絕緣材料製成。

進一步地，在所述導電元件的下表面設置了一層第一電氣絕緣層，在所述電氣接地元件的上表面上設置了一層第二電氣絕緣層，其中， 所述第一電氣絕緣層位於所述第二電氣絕緣層之上。

其中，所述間隔元件設置於所述電氣接地元件和所述導電元件之間的安裝點，所述安裝點對應於所述約束環上方的等離子體濃度小於所述約束環上方其他部分達到大於10%的區域。

可選地，所述安裝點位於遠離所述接地元件的一側。

可選地，所述安裝點位於所述等離子體處理裝置的上電極和下電極距離較大的一側。

可選地，所述安裝點位於所述等離子體處理裝置的腔體凹陷的一側。

可選地，所述安裝點位於遠離等離子體處理裝置的真空泵的一側。

進一步地，所述間隔元件的面積達到至少能夠部分覆蓋所述第一電氣絕緣層和第二電氣絕緣層。

進一步地，所述間隔元件的厚度的取值範圍為小於90微米。

本發明第二方面提供了一種等離子體處理裝置，其中，所述等離子體處理裝置包括本發明第一方面所述的可調節等離子約束裝置。

本發明提供的可調節約束裝置以及包括該可調節約束裝置的等離子體裝置能夠改善製程區域不對稱的問題，並進一步改善基片的製程均一性問題。

1‧‧‧等離子體處理裝置

10‧‧‧處理腔體

11‧‧‧上電極

11’‧‧‧上電極

12‧‧‧氣體源

13‧‧‧下電極

14‧‧‧射頻電源

15‧‧‧真空泵

16‧‧‧導電元件

16a‧‧‧電氣絕緣層

17‧‧‧接地端

18‧‧‧電氣接地元件

18a‧‧‧電氣絕緣層

19‧‧‧間隔元件

A‧‧‧區域

B‧‧‧製程區

d1‧‧‧距離

d2‧‧‧距離

P‧‧‧排氣區

W‧‧‧基片

Wa‧‧‧區域

Wb‧‧‧區域

Wc‧‧‧邊緣部分

Wd‧‧‧邊緣部分

圖1是習知的等離子體處理裝置的結構示意圖；圖2是本發明的一個具體實施例的應用於等離子體處理裝置的結構示意圖；圖3是本發明的一個具體實施例的等離子體處理裝置的可調節約束裝置的仰視細節放大圖； 圖4是本發明的一個具體實施例的等離子體處理裝置的可調節約束裝置的細節放大圖；圖5是本發明的一個具體實施例的等離子體處理裝置的結構示意圖。

以下結合附圖，對本發明的具體實施方式進行說明。

本發明的發明機制是通過在處理區域中等離子體濃度較低的部分，相對應的電器接地元件和導電元件之間設置至少一個間隔元件，用以限制此處產生的鞘層(sheath)，改善等離子體處理區域的不對稱性，使得此處的基片製程與基片的其他區域的均一性得到保證。

圖1示出了使用本發明之前的等離子體處理裝置中的製程區域，如圖1所示，由於其例證性地在圖示腔室的右側直接或不直接地將約束裝置接地，在該接地處附近(圖示的等離子體處理裝置右側)的製程區域A被「拖起」較高，較沒有接地端的該腔室的另一側(圖示的等離子體處理裝置左側)等離子體濃度較低。由此，使得圖示中待處理的基片W在接地端一側的邊緣部分製程速率降低，而在另一側的製程速率相對較高，製程所得的基片W必然會產生均一性的缺陷。

請參閱圖2，圖2示出了本發明的一個具體實施例的應用於等離子體處理裝置的結構示意圖。如圖所示的等離子體處理裝置1具有一個處理腔體10，處理腔體10基本上為柱形，且處理腔體側壁基本上垂直，處理腔體10內具有相互平行設置的上電極11和下電極13。通常，在上電極11與下電極13之間的區域為處理區域B，該區域B將形成高頻能量以點燃和維持等離子體。在下電極13上方放置待要加工的基片W，該基片W可以是待要刻蝕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。反應氣體從氣體源12中被輸入至處理腔體10內，一個或多個射頻電源14可以被單獨地施加在下電極13上或同時被分別地施加在上電極11與 下電極13上，用以將射頻功率輸送到下電極13上或上電極11與下電極13上，從而在處理腔體10內部產生大的電場。大多數電場線被包含在上電極11和下電極13之間的處理區域A內，此電場對少量存在於處理腔體11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10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13方向加速，與被處理的基片中的中性物質結合，激發基片加工，即刻蝕、澱積等。在等離子體處理裝置1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15)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處理區域B。

在一個應用場景中，由於在如圖1所示的等離子體處理裝置的右側腔體附近將約束裝置連接於接地端17，則等離子體製程區域A在右側的約束裝置上方被「拖起」，從空間上來講，等離子體製程區域A呈現不對稱的雲狀，具體地，在連接有接地端的約束裝置附近，其製程區域被「托起」，而在遠離接地端的約束裝置附近，其製程區一直延伸至基片下方。因此，該區域處的基片區域Wa的等離子體濃度較低。相對地，在基片W水準方向上的另一側對應區域Wb的等離子體濃度較高。

圖3示出本發明的一個具體實施例的等離子體處理裝置的可調節約束裝置的仰視細節放大圖。參照圖3結合圖2，根據本發明的一個具體實施例。本發明第一方面提供了一種應用於等離子體處理裝置的可調節等離子約束裝置，其中，所述等離子處理裝置1包括等離子製程區B和排氣區P，所述所述等離子約束裝置位於所述等離子處理裝置1的等離子製程區B和排氣區P之間，具有多個氣體通道使來自製程區的氣體流過所述等離子約束裝置1進入排氣區P時被中和，所述等離子約束裝置1設置於 所述製程區B和排氣區P之間，其中，所述等離子約束裝置包括：電氣接地元件18，所述電氣接地元件18可以抑制射頻能量發射到達所述等離子體處理裝置1的排氣區域P。

導電元件16，所述導電元件16位於所述電氣接地元件18上方，且二者相互電絕緣，所述導電元件16設置有數個排氣通道，以利於所述處理區域B裏的用過的反應氣體及副產品氣體通過此通道。其中，等離子體內包括帶電粒子及中性粒子，所述通道的大小被設置成當等離子體內的帶電粒子通過所述通道時可以使帶電粒子被中和，同時允許中性粒子通過。其中，導電元件16示例性地包括一體形成的導電支撐環及數個導電同心環。

其中，為了實現所述導電元件16與電氣接地元件18二者相互電絕緣，可以在導電元件16與電氣接地元件18的接觸面之間分別設置至少一層一電氣絕緣層(insulative layer)16a/18a。所述電氣絕緣層16a/18a與電氣接地元件18或導電元件16的至少一部分呈至少部分或全部覆蓋關係，以使導電元件16與電氣接地元件18相互之間電絕緣。所述電氣絕緣層可以為單層絕緣層，也可為用不同工藝或同種工藝形成的多層絕緣層，以實現更佳的絕緣效果。其中，電氣絕緣層18a設置在電氣接地元件18的上表面之上，第二電氣絕緣層16a設置在導電元件16上的的下表面。

其中，本發明提供的等離子約束裝置是電浮地(electrically floated from the ground)的。具體地，導電元件16與電氣接地元件18都是由導電材料形成，而在兩者之間還設置有電氣絕緣層16a/18a。因此，導電元件16、電氣接地元件18和電氣絕緣層16a/18a之間形成了一個等效電容，其中，所述等效電容的上下電極分別由導電元件16和電氣接地元件18充當，其中的電介質由電氣絕緣層16a/18a充當。其中，所述電氣接地元件18還進一步地連接於接地端17，所述接地端17的電位為0。則導電元件 16的位於等離子體和接地端的電位之間，被電浮地。

在本實施例中，等離子約束裝置還包括間隔元件19，所述間隔元件19設置於所述電氣接地元件18和所述導電元件16之間，其中，所述間隔元件19由絕緣材料製成。則，根據電容的基本公式：C=εS/4πkd，其中，ε為介電常數，d為距離。

參見圖3，由於間隔元件19嵌入電氣接地元件18和所述導電元件16之間，使得「上電極」導電元件16和「下電極」電氣接地元件18的距離變大。根據電容公式，距離d和電容值C成反比，則等效電容值C變小。再根據電容阻抗公式：Xc=1/ωc

可知，等效電容值變小，則容抗變大，則殼層就越厚。鞘層能夠對帶電離子提供一個向上的力。鞘層的存在時會阻止等離子向下移動，也就是等離子被托起。因此，等離子體濃度被降低，製程速率被進一步降低。

因此，參見圖4，當製程區域的等離子體濃度不對稱時，在等離子體濃度較高/製程速率較高區域附近的約束裝置中的電氣接地元18和導電元件16之間設置間隔元件19，可以改善製程區域不均勻，並進一步改善基片的製程均一性問題。需要說明的是，間隔元件19的個數可以根據具體製程進行調整，而不應限定於某一固定數值。

進一步地，所述間隔元件設置於所述電氣接地元件和所述導電元件之間的安裝點，所述安裝點對應於所述約束環上方的等離子體濃度小於所述約束環上方其他部分達到大於10%的區域。

本領域技術人員應當理解，等離子體處理裝置內的等離子體製程區域產生不均勻的現象，其成因是多種多樣的。

例如，參照圖1和圖2，約束裝置有時還設置有一個連接於 接地端接地元件17，可以抑制射頻能量發射到達所述等離子體處理裝置的排氣區域。然而，由於在約束裝置中連接於接地端的一端電場比較而言較約束裝置的其他區域強，導致等離子體濃度也受到一定程度的降低，因此使得靠近約束裝置區域的製程區域A(參見圖1)不對稱。從空間上來講，等離子體製程區域A呈現不對稱的雲狀，具體地，在連接有接地端的約束裝置附近，其製程區域A被「托起」，而在遠離接地端的約束裝置附近，其製程區一直延伸至基片下方。由此，使遠離接地端的約束裝置附近的基片製程速率較高，而連接有接地端的約束裝置附近區域的基片W製程速率較低，導致製程後的基片W出現了均一性缺陷。氣體原因如氣流分佈不均或者單邊進出閥門(slit valve)等硬體的不對稱都會造成等離子不對稱分佈。

因此，在上述應用場景中，如圖2所示，所述間隔元件19設置於所述安裝點位於遠離所述接地元件一側的約束裝置的電氣接地元件和導電元件之間。應用了本發明提供的可調節約束環，等離子體製程區域B的不對稱性得到了改善。

此外，本發明技術領域具有通常知識者應當理解，等離子體處理裝置的腔體未必是均勻的，其必然有一些不對稱。例如，假設這樣一種情況，當腔室的側壁一側稍微呈現凹陷狀，那麼，該側區域的製程區域能夠容納的等離子體較多，濃度就較高。同理，靠近該側的基片邊緣同樣會出現刻蝕速率較高的情況。

因此，為克服上述缺陷，安裝點應位於所述等離子體處理裝置的腔體凹陷的一側(未圖示)。

又如，等離子體處理裝置上電極或下電極在實際應用中不一定在一個水平面上，這在製程之前未必會察覺。參照圖5，圖示等離子體處理裝置的上電極11’朝向圖示的等離子體處理裝置右側微微傾斜，則該側部分的上電極11’和其對應的下電極13距離d1變短，同時d1必然小於其他 部分的上電極11’和其對應下電極13的距離。例如，圖示左側的上電極11’和其對應的下電極13距離d2必然大於d1。因此，由於d1距離變短，其對應的電場強度變大，等離子體加速通過所述約束裝置16流出製程區域，導致該製程區域的等離子體濃度降低。從空間上來講，等離子體製程區域A(參見圖1)呈現不對稱的雲狀，具體地，在上下電極距離最短的約束裝置附近，其製程區域A被「托起」，而在上下電極距離d2較長的約束裝置附近，其製程區一直延伸至基片下方。因此，對應的基片W尤其是基片邊緣部分Wc的製程速率降低。同理，與其對應的基片另一側邊緣部分Wd的製程速率較高。

為了補償上述基片製程的不均一性，如圖5所示，所述間隔元件19設置於所述等離子體處理裝置1的上電極11’和下電極13距離較大的一側，亦即，距離d2一側，或者說，基片邊緣Wd的一側。

再如，等離子體處理裝置真空泵的設置也會導致等離子體支撐區域的不對稱出現。具體地，在習知技術中真空泵一般不會設置於等離子體處理裝置的腔室正下方，而會如圖2所示設置於1等離子體處理裝置的一側，圖示示例性地將真空泵15設置於圖示右側。由於真空泵15用於在處理過程中將用過的反應氣體及副產品氣體抽出處理區域B，在真空泵15設置一側的等離子體濃度必然降低。從空間上來講，等離子體製程區域A(參見附圖2)呈現不對稱的雲狀，具體地，在真空泵15設置一側的約束裝置附近，其製程區域A被「托起」，而在遠離真空泵15設置的約束裝置附近，其製程區一直延伸至基片下方。因此，如圖2所示，在等離子體濃度較低的基片W部分特別是基片邊緣Wa的製程速率必然降低，而在另一側的基片W部分特別是基片邊緣Wb的製程速率較高。

因此，所述間隔元件19應設置於遠離等離子體處理裝置1的真空泵15的一側，以補償製程的不均一性。

進一步地，所述間隔元件的面積達到至少能夠部分覆蓋所述第一電氣絕緣層和第二電氣絕緣層。間隔原件也可以是帶缺口的環形，只要能獲得不對稱分佈的絕緣材料放置在電氣接地元件18和用於等離子約束的導電元件16之間就能補嘗由於上述各種原因而產生的等離子分佈不對稱。所以間隔原件可以是在整個等離子約束環中，不對稱的任何形狀。間隔原件也可以選擇具有不同阻抗特性的材料來調節不同的等離子分佈不均勻情況。

進一步地，所述間隔元件的厚度的取值範圍為小於90微米，甚至毫米量級。

本發明還提供了一種等離子體處理裝置，其中，所述等離子體處理裝置包括本發明第一方面提供的可調節等離子約束裝置。

需要說明的是，不論所述擋板的面積或寬度如何取值，其數值範圍應以約束裝置的寬度和設置位置為標準來調整，以使得所述擋板適用於所述約束裝置。

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。在本發明技術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。

10‧‧‧處理腔體

13‧‧‧下電極

16‧‧‧導電元件

16a‧‧‧電氣絕緣層

18‧‧‧電氣接地元件

18a‧‧‧電氣絕緣層

19‧‧‧間隔元件

Claims (11)

1. 一種應用於等離子體處理裝置的可調節等離子約束裝置，其中，所述等離子處理裝置包括等離子製程區和排氣區，所述等離子約束裝置位於所述等離子處理裝置的等離子製程區和排氣區之間，具有多個氣體通道使來自所述製程區的氣體流過所述等離子約束裝置進入所述排氣區時被中和，其中所述等離子約束裝置包括：電氣接地元件；導電元件，所述導電元件位於所述電氣接地元件上方，且二者相互電絕緣，所述導電元件設置有數個氣體通道；間隔元件，所述間隔元件設置於所述電氣接地元件和所述導電元件之間，其中，所述間隔元件由絕緣材料製成。
2. 如請求項1所述之可調節等離子約束裝置，其中在所述導電元件的下表面設置了一層第一電氣絕緣層，在所述電氣接地元件的上表面上設置了一層第二電氣絕緣層，其中，所述第一電氣絕緣層位於所述第二電氣絕緣層之上。
3. 如請求項2所述之可調節等離子約束裝置，其中所述間隔元件設置於所述電氣接地元件和所述導電元件之間的安裝點，所述安裝點對應於所述約束環上方的等離子體濃度小於所述約束環上方其他部分達到大於10%的區域。
4. 如請求項3所述之可調節等離子約束裝置，其中所述安裝點位於遠離所述電氣接地元件的一側。
5. 如請求項3所述之可調節等離子約束裝置，其中所述安裝點位於所述等離子體處理裝置的上電極和下電極距離較大的一側。
6. 如請求項3所述之可調節等離子約束裝置，其中所述安裝點 位於所述等離子體處理裝置的腔體凹陷的一側。
7. 如請求項3所述之可調節等離子約束裝置，其中所述安裝點位於遠離所述等離子體處理裝置的真空泵的一側。
8. 如請求項3所述之可調節等離子約束裝置，其中所述間隔元件的面積達到至少能夠部分覆蓋所述第一電氣絕緣層和第二電氣絕緣層。
9. 如請求項8所述之可調節等離子約束裝置，其中所述間隔元件的厚度的取值範圍小於90微米。
10. 一種等離子體處理裝置，其中所述等離子體處理裝置包括如請求項1至9中任一項所述之可調節等離子約束裝置。
11. 一種應用於等離子體處理裝置的可調節等離子約束裝置，其中，所述等離子處理裝置包括等離子製程區和排氣區，所述等離子約束裝置位於所述等離子處理裝置的等離子製程區和排氣區之間，具有多個氣體通道使來自所述製程區的氣體流過所述等離子約束裝置進入所述排氣區時被中和，其中所述等離子約束裝置包括：電氣接地元件；導電元件，所述導電元件位於所述電氣接地元件上方，且二者相互電絕緣，所述導電元件設置有數個氣體通道；在所述電氣接地元件和所述導電元件之間對應空間中，部分空間存在由絕緣材料製成的所述間隔元件，使所述電氣接地元件和導電元件之間產生高電容耦合區和低電容耦合區，其中所述高電容耦合區中所述電氣接地元件和導電元件之間具有更強的等效電容。