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TW201918120A - 聚焦環、應用其之電漿設備及調整電壓之方法 - Google Patents

聚焦環、應用其之電漿設備及調整電壓之方法 Download PDF

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TW201918120A
TW201918120A TW106136972A TW106136972A TW201918120A TW 201918120 A TW201918120 A TW 201918120A TW 106136972 A TW106136972 A TW 106136972A TW 106136972 A TW106136972 A TW 106136972A TW 201918120 A TW201918120 A TW 201918120A
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劉志宏
林智仁
陳家銘
陳冠州
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Abstract

一種聚焦環、應用其之電漿設備及調整電壓之方法，該聚焦環包括一主體、複數電極與複數電源線：主體為介電材料製成，主體呈框狀圍繞設置於一載座之外圍；複數電極為金屬材料製成，複數電極一一有間隔地設置於主體內且圍繞設置於載座之外圍；每一電源線連接於一電壓電源、一控制單元及至少一電極，電壓電源藉由複數電源線將電壓輸入複數電極，由控制單元控制複數電極具有複數種電壓值。

Description

聚焦環、應用其之電漿設備及調整電壓之方法
本發明有關於一種聚焦環、應用其之電漿設備及調整電壓之方法，尤指一種可改善電漿製程中工件邊緣電場分佈之均勻性並克服電漿非對稱分佈狀況之聚焦環、應用其之電漿設備及調整電壓之方法。
請參閱圖6所示一種習知電漿設備90，在半導體元件電漿製程(例如，蝕刻或鍍膜程序)中，靜電吸附晶圓載座(ESC，Electrostatic Chuck，以下簡稱「晶圓載座」)91用以吸附固定晶圓92，並於晶圓載座91的下電極93上通入射頻電壓功率(RF)以吸引離子轟擊晶圓92之表面來達到所需製程結果。離子轟擊所產生之熱能則藉由背氦冷卻(backside He cooling)移除以維持晶圓92的表面溫度於製程條件內。
為避免晶圓載座91直接暴露於電漿而造成損壞(腐蝕性氣體及高能離子轟擊)，晶圓載座91於設計上會小於晶圓92的面積，因此，晶圓載座91上所布建之電極無法涵蓋晶圓92的邊緣及以外的區域，造成電壓電場強度分布於邊緣位置產生不連續現象，導致 該區域之離子轟擊能量及方向與其他區域不相同，使得蝕刻製程結果產生不均勻情形，稱之為邊緣效應(edge effect)。此效應會產生晶圓92邊緣不可利用之面積，造成良率及產能之損失。為減少晶圓邊緣不可利用區域，因此使用一種呈圓環形之習知聚焦環94環繞於晶圓92外圍以調整晶圓92邊緣的電場分布。
然而，在實際電漿腔室中，除了上述邊際效應之問題外，另由於腔室結構所致，例如電漿腔室設有可供晶圓92出入之通道時，電漿會朝向電漿腔室之出入通道不均勻地偏移，請參閱圖7A至圖7C所示電漿腔室不同高度斷面之電漿密度分佈狀態，其中，圖7A代表於高度約10.2公分，圖7B代表於高度約5.4公分，圖7C代表於高度約3.4公分，除了顏色深淺顯示電漿密度不均之外，於圖7B、7C由於斷面包含電漿腔室之出入通道，因此電漿偏移而產生一扇型區域。如此，使得腔室內的電漿分布非完美軸對稱，也導致晶圓92邊緣的電場分布不均。
就欲製作10x10mm的半導體，尺寸為200公厘(mm)的晶圓而言，理想狀況為可製作284顆半導體，然因電場分布不均之因素影響，一般會在晶圓邊緣造成12~28顆半導體的損失，影響半導體的生產數量。雖然相關技術領域人士提出多種不同的習知聚焦環結構，並聲稱可改善晶圓邊緣損失的狀況，例如經由改變聚焦環的材質，利用介電常數及阻抗的改變，或經由改變聚焦環的高度，以改變電場分布，但其結構複雜、調整方式困難、精確度不佳，且為整圈式的調整，無法針對晶圓周圍不同電場區域個別調整。
此外，除了上述以晶圓為說明例之電漿設備之外，對基板進行蝕刻濺鍍之電漿設備也存在相同的問題。
據此，如何能有一種可改善電漿製程中晶圓邊緣電場分佈之均勻性並克服電漿非對稱分佈狀況之『聚焦環、應用其之電漿設備及調整電壓之方法』，是相關技術領域人士亟待解決之課題。
於一實施例中，本發明提出一種聚焦環，包括：一主體，為介電材料製成，主體呈框狀圍繞設置於一載座之外圍；複數電極，為金屬材料製成，複數電極一一有間隔地設置於主體內且圍繞設置於載座之外圍；以及複數電源線，每一電源線連接於一電壓電源、一控制單元及至少一電極，電壓電源藉由複數電源線將電壓輸入複數電極，由控制單元控制複數電極具有複數種電壓值。
於另一實施例中，本發明提出一種電漿設備，包括：一處理腔室；一載座，設置於處理腔室內，用以支撐一工件；一下部電極，設置於載座內；一上部電極，設置於處理腔室內，與載座成對向配置；一聚焦環，包含：一主體，為介電材料製成，主體呈框狀圍繞設置於載座之外圍；複數電極，為金屬材料製成，複數電極一一有間隔地設置於主體內且圍繞設置於載座之外圍；複數電源線，每一電源線連接於一電壓電源、一控制單元及至少一電極，電壓電源藉由複數電源線將電壓輸入複數電極，由 控制單元控制輸入複數電極之電壓，使複數電極具有複數種電壓值。
於另一實施例中，本發明提出一種調整電壓之方法，包括：將一聚焦環設置於一電漿設備中，聚焦環包含一介電材料製成之主體、金屬材料製成之複數電極及複數電源線，主體呈框狀圍繞設置於一載座之外圍，複數電極一一有間隔地設置於主體內且圍繞設置於載座之外圍，每一電源線連接於一電壓電源、一控制單元及至少一電極，電壓電源藉由複數電源線將電壓輸入複數電極；利用一控制單元感知電漿設備內之電場的狀態，然後設定一調整值；以及由控制單元控制輸入複數電極之電壓，使複數電極具有複數種電壓值，使聚焦環的表面具有不同電壓強度之分布。
先前技術：
90‧‧‧習知電漿設備
91‧‧‧靜電吸附晶圓載座
92‧‧‧晶圓
93‧‧‧下電極
94‧‧‧習知聚焦環
本發明：
10、10A、10B、10C‧‧‧聚焦環
11、11A、11B、11C‧‧‧主體
12、12A、12B、12C‧‧‧電極
13、13A、13B、13C‧‧‧電源線
14‧‧‧電壓電源
15‧‧‧控制單元
20‧‧‧載座
20A‧‧‧圓形載座
20B‧‧‧方形載座
21‧‧‧下部電極
30‧‧‧工件
30A‧‧‧圓形工件
30B‧‧‧方形工件
40‧‧‧處理腔室
50‧‧‧上部電極
100‧‧‧電漿設備
500‧‧‧調整電壓之方法之流程
502~506‧‧‧步驟
圖1為本發明之聚焦環實施例套設於載座外圍之剖面結構示意圖。
圖2為根據圖1之聚焦環之一實施例之俯視結構示意圖。
圖3為根據圖1之聚焦環另一實施例之俯視結構示意圖。
圖4為本發明之電漿設備之結構示意圖。
圖5為本發明之調整電壓之方法之流程圖。
圖6為習知電漿設備之部分結構示意圖。
圖7A至7C為電漿腔室不同高度斷面之電漿密度分佈狀態圖。
請參閱圖1所示實施例，本發明所提供之聚焦環10，包括一主體11、複數電極12與複數電源線13。
主體11為介電材料製成，例如可採用陶瓷，主體11呈框狀圍繞設置於一載座20之外圍。載座20用以承載一工件30，例如，載座20可採用靜電吸附工件30。
請參閱圖2及圖3所示，依圖1所示聚焦環10之實施例剖面結構，可衍生出圖2所示具有圓形框狀之主體11A之聚焦環10A，或可為圖3所示具有方形框狀之主體11B之聚焦環10B。換言之，本發明之聚焦環之主體的形狀不限，圖2所示聚焦環10A，主體11A圍繞設置於圓形載座20A之外圍，可適用於圓形工件30A(例如晶圓)加工；至於圖3所示聚焦環10B，主體11B圍繞設置於方形載座20B之外圍，可適用於方形工件30B(例如基板)加工。
請參閱圖1所示，複數電極12為金屬材料製成，一一有間隔地設置於主體11內且圍繞設置於載座20之外圍。電極12之形狀、尺寸及數量不限，視實際所需而設計。例如，圖1顯示電極12成薄片狀；圖2的主體11A呈圓形框狀，電極12A呈扇形；圖3的主體11B呈方形框狀，電極12B呈矩形。但本發明之複數電極的形狀不限，例如，在圖2中的電極12A亦可呈矩形。
每一電源線13連接於一電壓電源14、一控制單元15及至少一電極12。於本實施例中，如圖1所示，電源線13是由主體11之底部進入主體11後與電極12連接，如此，有利於聚焦環10之拆裝。。電壓電源14可為射頻(RF)電壓電源或直流(DC)電壓電源。
電壓電源14藉由電源線13將電壓輸入電極12，由控制單元15控制複數電極12具有複數種電壓值。例如，請參閱圖2所示，若每一電極12A連接一條電源線13A，則可控制各電極12A分別具有不同的電壓；請參閱圖3所示，若將相鄰或不相鄰的複數個電 極12B連接於同一條電源線12B，則可將複數電極12B分成許多組，同一組的電極12B具有相同的電壓，而不同組的電極12B分別具有不同的電壓，視實際所需而設計，不限於上述方式。
請參閱圖4所示，本發明提供之一種電漿設備100，其包括一處理腔室40，於處理腔室40內設有一載座20用以支撐一工件30，載座20可採用靜電吸附工件30，工件30可為晶圓或基板；於載座20內設有一下部電極21以電性連接於一射頻(RF)功率源；於處理腔室40內設有一上部電極50與載座20之下部電極21成對向配置。本發明所提供之電漿設備100之特徵即在於載座20之外圍圍繞設有一聚焦環10C，其包含一主體11C、複數電極12C及複數電源線13C。主體11C為介電材料製成，主體11C呈框狀圍繞設置於載座20之外圍；複數電極12C為金屬材料製成，複數電極12C一一有間隔地設置於主體11C內且圍繞設置於載座20之外圍；每一電源線13C連接於一電壓電源14、一控制單元15及至少一電極12C，電壓電源14藉由電源線13C將電壓輸入電極12C，由控制單元15控制輸入電極12C之電壓，使複數電極12C具有複數種電壓值。
本實施例之聚焦環10C亦可以圖1~3任一種聚焦環10、10A、10B取代之。
於本實施例中，電源線13C是由載座20之底部進入載座20後，再穿過主體11C與電極12C連接。每一電源線13C於本體11C與載座20之相鄰處為可分離地電性連接，如此，亦有利於聚焦環10C之拆裝。必須說明的是，本發明之電源線之走線方式不限於圖1或圖4所示，以不致於暴露於電漿中為佳，以避免受電漿侵蝕。
由於電漿設備100具有本發明所提供之聚焦環10，因此可根據處理腔室40內之電場分布調整電極12具有不同電壓，使聚焦環10的表面具有不同電壓強度之分布。
請參閱圖4及圖5所示，應用本發明所提供之聚焦環，可提供一種調整電壓之方法之流程500，其包括以下步驟：步驟502：將一聚焦環10設置於一電漿設備100中；步驟504：利用控制單元15感知電漿設備100內之電場的狀態，然後設定一調整值；以及步驟506：由控制單元15控制輸入複數電極12之電壓，使複數電極12具有複數種電壓值，使聚焦環10的表面具有不同電壓強度之分布。
綜上所述，本發明所提供之一種聚焦環、應用其之電漿設備及調整電壓之方法，該聚焦環具有一介電材料所製成之主體，於主體內設有金屬材料製成之複數電極，該複數電極藉由複數電源線連結一電壓電源供應器及一控制單元，將聚焦環設置於電漿設備之工件載座之外圍，藉由調整所通入電極之電壓大小，來改變工件邊緣之電漿鞘層分布，使得工件邊緣與中心區域之電場分布一致，以獲得均勻之電漿製程結果。
惟以上所述之具體實施例，僅係用於例釋本發明之特點及功效，而非用於限定本發明之可實施範疇，於未脫離本發明上揭之精神與技術範疇下，任何運用本發明所揭示內容而完成之等效改變及修飾，均仍應為下述之申請專利範圍所涵蓋。

Claims (9)

  1. 一種聚焦環，包括：一主體，為介電材料製成，該主體呈框狀圍繞設置於一載座之外圍；複數電極，為金屬材料製成，該複數電極一一有間隔地設置於該主體內且圍繞設置於該載座之外圍；以及複數電源線，每一該電源線連接於一電壓電源、一控制單元及至少一該電極，該電壓電源藉由該複數電源線將電壓輸入該複數電極，由該控制單元控制該複數電極具有複數種電壓值。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之聚焦環，其中該主體呈圓形框狀。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之聚焦環，其中該主體呈方形框狀。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之聚焦環，其中該電壓電源為射頻(RF)電壓電源或直流(DC)電壓電源。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之聚焦環，其中每一該電源線是由該主體之底部進入該主體後與至少一該電極連接。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之聚焦環，其中每一該電源線是由該載座之底部進入該載座後，再穿過該主體與至少一該電極連接。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之聚焦環，其中每一該電源線於該本體與該載座之相鄰處為可分離地電性連接。
  8. 一種電漿設備，包括：一處理腔室；一載座，設置於該處理腔室內，用以支撐一工件；一下部電極，設置於該載座內； 一上部電極，設置於該處理腔室內，與該載座成對向配置；一聚焦環，包含：一主體，為介電材料製成，該主體呈框狀圍繞設置於該載座之外圍；複數電極，為金屬材料製成，該複數電極一一有間隔地設置於該主體內且圍繞設置於該載座之外圍；複數電源線，每一該電源線連接於一電壓電源、一控制單元及至少一該電極，該電壓電源藉由該複數電源線將電壓輸入該複數電極，由該控制單元控制輸入該複數電極之電壓，使該複數電極具有複數種電壓值。
  9. 一種調整電壓之方法，包括：將一聚焦環設置於一電漿設備中，該聚焦環包含一介電材料製成之主體、金屬材料製成之複數電極及複數電源線，該主體呈框狀圍繞設置於一載座之外圍，該複數電極一一有間隔地設置於該主體內且圍繞設置於該載座之外圍，每一該電源線連接於一電壓電源、一控制單元及至少一該電極，該電壓電源藉由該複數電源線將電壓輸入該複數電極；利用該控制單元感知該電漿設備內之電場的狀態，然後設定一調整值；以及由該控制單元控制輸入該複數電極之電壓，使該複數電極具有複數種電壓值，使該聚焦環的表面具有不同電壓強度之分布。
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