TW201508806A - 等離子體處理裝置 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種等離子體處理裝置，包括一反應腔室，所述反應腔室內設置有相互平行的上電極和下電極，下電極設置於基台內，所述基台包括一靜電夾盤，基片設置於所述靜電夾盤之上進行製程，其特徵在於，所述等離子體處理裝置還包括：環形絕緣體，其環繞所述靜電夾盤和/或所述靜電夾盤的上方區域；第一電極，其嵌設於所述環形絕緣體中；第一射頻功率源，通過第一射頻匹配器與所述下電極相連，用以提供射頻功率在所述上電極和所述下電極之間形成垂直方向的射頻電場以產生等離子體；脈衝直流電源，其連接於所述第一電極。本發明能夠改善基片製程的均一性。

Description

等離子體處理裝置

本發明係關於一種半導體製造領域，特別是關於一種一種等離子體處理裝置。

近年來，隨著半導體製造工藝的發展，對元件的集成度和性能要求越來越高，等離子體技術(Plasma Technology) 得到了極為廣泛的應用。等離子體技術通過在等離子體處理裝置的反應腔室內通入反應氣體並引入電子流，利用射頻電場使電子加速，與反應氣體發生碰撞使反應氣體發生電離而等離子體，產生的等離子體可被用於各種半導體製造工藝，例如沉積工藝(如化學氣相沉積)、刻蝕工藝(如乾法刻蝕)等。

等離子體處理工藝經常採用電容耦合型等離子體處理裝置來產生等離子體。圖1示出一種電容耦合型等離子體處理裝置的結構示意圖。如圖1所示，等離子體處理裝置的反應腔室1內平行設置有一對平板式的上電極2和下電極3，上電極配置與反應氣體噴頭中，下電極配置於靜電夾盤4中，待處理基片5放置於靜電夾盤4上。通過在平行設置的平板式下電極3中施加射頻，將上電極2接地，使得上電極2和下電極3間形成垂直方向的射頻電場，被射頻電場加速的電子與反應氣體的分子發生電離衝撞，對反應氣體電離以生成等離子體。

然而在實際應用中，使用電容耦合型的等離子體處理裝置產生的等離子體密度的均勻性並不理想。由於電容耦合的結構特性，反應腔室內中間區域和邊緣區域的電場強度存在差異，所產生的等離子體的密度具有中間區域高於邊緣區域的特徵分佈，而由於對基片進行等離子體處理的速率與該等離子體密度相關，最終會造成等離子體處理工藝不均勻的情況：例如，基片中間刻蝕或處理速率快、邊緣刻蝕或處理速率慢。這對半導體器件製造的工藝控制及成品率都有很大影響。因此，如何改善等離子體處理裝置中等離子體密度的均勻性是本領域技術人員目前急需解決的技術問題。

為解決這一問題，現有技術中的一種做法為在靜電夾盤周圍設置連接第二射頻功率源的閉合導電環，通過第二射頻電源在閉合導電環上方形成環狀的第二電場，之後再調節第二射頻功率源的參數，使得環形的第二電場與下電極上方的電場相互疊加，來改善靜電夾盤邊緣區域的電場分佈，使待處理基片的中心區域和邊緣區域的等離子體密度具有較好的一致性和均勻性。

鑑於以上所述，本發明提出了一種等離子體處理裝置。

本發明為解決習知技術之問題所採用之技術手段係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室，所述反應腔室內設置有相互平行的上電極和下電極，下電極設置於基台內，所述基台包括一靜電夾盤，基片設置於所述靜電夾盤之上進行製程，其特徵在於，所述等離子體處理裝置還包括： 環形絕緣體，其環繞所述靜電夾盤和/或所述靜電夾盤的上方區域； 第一電極，其嵌設於所述環形絕緣體中； 第一射頻功率源，通過第一射頻匹配器與所述下電極相連，用以提供射頻功率在所述上電極和所述下電極之間形成垂直方向的射頻電場以產生等離子體；以及 脈衝直流電源，其連接於所述第一電極。

進一步地，所述第一電極和所述脈衝直流電源之間還連接有一射頻濾波器。

進一步地，所述脈衝直流電源是低頻的。

進一步地，所述脈衝直流電源的頻率為100khz到350khz。

進一步地，所述反應腔室還包括聚焦環和絕緣環，所述聚焦環環繞所述基片，所述絕緣環位於所述聚焦環下方並環繞所述靜電夾盤；所述絕緣環為所述環形絕緣體，所述第一電極嵌設於所述絕緣環內。

進一步地，所述反應腔室還包括等離子體約束組件，其包含多個在垂直方向上相互堆疊並相互平行間隔設置的環，所述等離子體約束組件環繞所述靜電夾盤上方的區域；所述等離子體約束元件中的至少一個環為所述環形絕緣體。

進一步地，所述環形絕緣體的材料選自石英或陶瓷。

進一步地，所述第一電極為金屬製成的。

進一步地，所述第一電極為開口金屬環電極。

進一步地，所述開口金屬環電極為導線捲繞1圈或2圈而成。

相較於現有技術，本發明的等離子體處理裝置其有益效果在於：本發明通過在基片周圍或周圍上方設置第一電極，使反應腔室內產生垂直方向的補充電場，來補償基片邊緣區域的等離子體密度，進而使得等離子體處理工藝均勻。此外，本發明採用脈衝直流源控制方式無需匹配網路，結構簡單，系統穩定。

本發明所採用的具體實施例，將藉由以下之實施例及附 呈圖式作進一步之說明。

以下結合附圖，對本發明的具體實施方式進行說明。

應該理解，本發明中的等離子體處理裝置可以為等離子 體刻蝕、等離子體物理汽相沉積、等離子體化學汽相沉積、等離子體表面清洗等裝置，等離子體處理裝置僅僅是示例性的，其可以包括更少或更多的組成元件，或該組成元件的安排可能與圖中所示相同或不同。

請參見圖2，其所示為本實施例等離子體處理腔室的結 構示意圖。等離子體處理裝置包括反應腔室10，其中引入有反應氣體；反應腔室10的頂部設置有反應氣體噴頭，反應氣體噴頭包含平板式的上電極21，該上電極21接地；反應腔室10底部設置有用於夾持基片30的靜電夾盤11，該基片30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。靜電夾盤11中設置有與上電極21平行的平板式的下電極22。下電極22通過第一射頻匹配器41與第一射頻源40連接。第一射頻源40施加在下電極22上，使得上電極21和下電極22之間形成垂直方向的射頻電場，被射頻電場加速的電子與反應氣體的分子發生電離衝撞，對反應氣體電離以生成等離子體。為了改善等離子體密度分佈，本發明在靜電夾盤11周圍或周圍上方設置第一電極,其典型地為開口金屬環電極23。為避免開口金屬環電極23暴露在等離子體環境中，將開口金屬環電極23嵌設於環形絕緣體。環形絕緣體的材料例如是陶瓷或石英等絕緣材料。環形絕緣體可環繞在靜電夾盤11或靜電夾盤11上方區域或環繞在靜電夾盤11及其上方區域。靜電夾盤11與開口金屬環電極23為同圓心設置。進一步地，開口金屬環電極23由導線捲繞而成，較佳地，開口金屬環電極為捲繞1圈或2圈。開口金屬環電極23中通有低頻直流脈衝，低頻直流脈衝由施加於金屬環的脈衝直流電源42產生。脈衝直流電源42會使得基片邊緣區域產生一個豎直方向的額外電場，該電場能夠對基片邊緣區域的電場強度進行補充，從而提高基片邊緣區域的刻蝕速率，使得基片中間區域和邊緣區域的刻蝕速率的差別在可接受的範圍之內，因此能夠改善基片的均一性。

反應腔室內還包括聚焦環12和絕緣環13。聚焦環12設 於待處理的基片30周圍，用以在基片30的周圍提供一個相對封閉的環境，約束等離子體以改善基片30面上的等離子體的均一性。絕緣環13位於聚焦環下方，其環繞於靜電夾盤11，可起到固定和支撐聚焦環12的作用。絕緣環13可採用陶瓷或石英等絕緣材料形成。在本實施例中，將絕緣環13作為環形絕緣體，開口金屬環電極23水準嵌設與絕緣環13中，由此可在靜電夾盤的邊緣區域形成水準方向的感應電場，從而能夠補償基片邊緣區域的等離子體密度。

圖3示出了本發明所提供的種等離子體處理裝置另一實 施例的結構示意圖，其示出了上述實施例的變形裡，本實施例與上述實施例的不同點在於，本實施例中的反應腔室包含等離子體約束組件14，其包含多個垂直方向上相互堆疊並相互平行間隔設置的環14a，這些環14a環繞靜電夾盤上方區域，也即是上電極21和下電極22之間的區域，該區域可認為是等離子體形成、對基片30作處理的反應區域P。相鄰環14a之間具有縫隙，在對基片30作等離子體處理時，處理過的反應氣體可以通過縫隙被排出反應區域P，而等離子體卻能被約束在此反應區域P內。環14a可以由各種抗等離子體腐蝕的材料製成，例如，石英或陶瓷。為了同時利用本發明的設計，等離子體約束元件14中至少一個環或多個環14a可以設計為前述的嵌設有開口金屬環電極23的環形絕緣體，其中開口金屬環電極23通有射頻電流。與實施例1中的作用原理類似，開口金屬環電極23由導線捲繞而成，較佳為捲繞1圈或2圈，其中流通的射頻電流產生交變的磁場並進一步產生沿金屬環圓周、水準方向的補償電場。該補償電場補償了開口金屬環電極23附近，也即是反應區域P邊緣區域的電場強度，使得反應區域P邊緣區域的等離子體密度增加，從而提升了基片30上方不同位置等離子體密度分佈的均勻性。開口金屬環電極23中的低頻直流脈衝同樣是由施加在其上的脈衝直流電源42產生。

進一步地，所述第一電極23和所述脈衝直流電源42之 間還連接有一射頻濾波器43。射頻濾波器43用於防止第一射頻源40的射頻能量漏到脈衝直流電源42，從而產生串擾。

進一步地，所述脈衝直流電源42是低頻的。典型地，所 述脈衝直流電源42的頻率為100khz到350khz。

進一步地，所述反應腔室還包括聚焦環12和絕緣環13， 所述聚焦環12環繞所述基片30，所述絕緣環13位於所述聚焦環12下方並環繞所述靜電夾盤11；所述絕緣環13為所述環形絕緣體，所述第一電極嵌設於所述絕緣環內。所述環形絕緣體的材料選自石英或陶瓷。

綜上所述，本發明的等離子體處理裝置，通過在環繞基 片或基片上方區域設置通有脈衝直流電流的開口金屬環電極，在反應腔室內的邊緣區域生成垂直方向的感應電場，從而補償原有的上下電極之間的射頻電場在反應腔室內中心區域及邊緣區域分佈不均勻的影響，使對應的基片中心區域及邊緣區域的等離子體密度均勻分佈，進而使等離子體對基片的處理更均勻。

此外，本發明利用直流脈衝源調製晶圓邊緣殼層厚度。 相比較於以射頻功率源調製殼層，優勢在於：射頻功率源必須配備相應的自動匹配網路，結構複雜，造價昂貴，穩定性難以控制。脈衝直流源控制方式無需匹配網路，結構簡單，系統穩定。

儘管本發明的內容已經通過上述優選實施例作了詳細介 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。在本領域技術人員閱讀了上述內容後，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權利要求來限定。

以上之敘述僅為本發明之較佳實施例說明，凡精於此項 技藝者當可依據上述之說明而作其它種種之改良，惟這些改變仍屬於本發明之發明精神及以下所界定之專利範圍中。

〔習知〕
10‧‧‧反應腔室
11‧‧‧靜電夾盤
12‧‧‧聚焦環
13‧‧‧絕緣環
14‧‧‧離子體約束組件
14a‧‧‧環
21‧‧‧上電極
22‧‧‧下電極
23‧‧‧開口金屬環電極
30‧‧‧基片
40‧‧‧第一射頻源
41‧‧‧第一射頻匹配器
42‧‧‧脈衝直流電源
43‧‧‧射頻濾波器
P‧‧‧反應區域
RD
〔習知〕
1‧‧‧反應腔室
2‧‧‧上電極
3‧‧‧下電極
4‧‧‧靜電夾盤
5‧‧‧基片

圖1是現有技術的等離子體處理裝置的結構示意圖； 圖2是根據本發明一個具體實施例的等離子體處理裝置的結構示意圖； 圖3是根據本發明另一具體實施例的等離子體處理裝置的結構示意圖。

10‧‧‧反應腔室

11‧‧‧靜電夾盤

12‧‧‧聚焦環

13‧‧‧絕緣環

21‧‧‧上電極

22‧‧‧下電極

23‧‧‧開口金屬環電極

30‧‧‧基片

40‧‧‧第一射頻源

41‧‧‧第一射頻匹配器

42‧‧‧脈衝直流電源

43‧‧‧射頻濾波器

Claims (10)

1. 一種等離子體處理裝置，包括一反應腔室，所述反應腔室內設 置有相互平行的上電極和下電極，下電極設置於基台內，所述基台包括一靜電夾盤，基片設置於所述靜電夾盤之上進行製程，其特徵在於，所述等離子體處理裝置還包括： 環形絕緣體，其環繞所述靜電夾盤和/或所述靜電夾盤的上方區域； 第一電極，其嵌設於所述環形絕緣體中； 第一射頻功率源，通過第一射頻匹配器與所述下電極相連，用以提供射頻功率在所述上電極和所述下電極之間形成垂直方向的射頻電場以產生等離子體；以及 脈衝直流電源，其連接於所述第一電極。
2. 如請求項1所述的等離子體處理裝置，其中所述第一電極和所 述脈衝直流電源之間還連接有一射頻濾波器。
3. 如請求項1所述的等離子體處理裝置，其中所述脈衝直流電源 是低頻的。
4. 如請求項3所述的等離子體處理裝置，其中所述脈衝直流電源 的頻率為100khz到350khz。
5. 如請求項1所述的等離子體處理裝置，其中所述反應腔室還包 括聚焦環和絕緣環，所述聚焦環環繞所述基片，所述絕緣環位於所述聚焦環下方並環繞所述靜電夾盤；所述絕緣環為所述環形絕緣體，所述第一電極嵌設於所述絕緣環內。
6. 如請求項1所述的等離子體處理裝置，其中所述反應腔室還包 括等離子體約束組件，其包含多個在垂直方向上相互堆疊並相互平行間隔設置的環，所述等離子體約束組件環繞所述靜電夾盤上方的區域；所述等離子體約束元件中的至少一個環為所述環形絕緣體。
7. 如請求項1所述的等離子體處理裝置，其中所述環形絕緣體的 材料選自石英或陶瓷。
8. 如請求項1所述的等離子體處理裝置，其中所述第一電極為金 屬製成的。
9. 如請求項8所述的等離子體處理裝置，其中所述第一電極為開 口金屬環電極。
10. 如請求項9所述的等離子體處理裝置，其中所述開口金屬環電 極為導線捲繞1圈或2圈而成。