CN103187234B - 一种用于等离子体处理装置的可调节约束装置 - Google Patents

Abstract

一种应用于等离子体处理装置的可调节等离子约束装置，其中，所述等离子约束装置设置于所述制程区和排气区之间，所述等离子约束装置包括：电气接地元件；导电元件，所述导电元件位于所述电气接地元件上方，且二者相互电绝缘，所述导电元件设置有若干个排气通道；间隔元件，所述间隔元件设置于所述电气接地元件和所述导电元件之间，其中，所述间隔元件由绝缘材料制成。本发明能够改善等离子体制程区域的不对称性，并进一步改善基片的制程不均一性。

Description

一种用于等离子体处理装置的可调节约束装置

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种用于等离子体处理装置的可调节约束装置。

背景技术

等离子体处理装置利用真空反应室的工作原理进行半导体基片和等离子平板的基片的加工。真空反应室的工作原理是在真空反应室中通入含有适当刻蚀剂或淀积源气体的反应气体，然后再对该真空反应室进行射频能量输入，以激活反应气体，来点燃和维持等离子体，以便分别刻蚀基片表面上的材料层或在基片表面上淀积材料层，进而对半导体基片和等离子体平板进行加工。举例来说，电容性等离子体反应器已经被广泛地用来加工半导体基片和显示器平板，在电容性等离子体反应器中，当射频功率被施加到二个电极之一或二者时，就在一对平行电极之间形成电容性放电。

等离子体是扩散性的，虽然大部分等离子体会停留在一对电极之间的处理区域中，但部分等离子体可能充满整个工作室。举例来说，等离子体可能充满真空反应室下方的处理区域外面的区域。若等离子体到达这些区域，则这些区域可能随之发生腐蚀、淀积或者侵蚀，这会造成反应室内部的颗粒玷污，进而降低等离子体处理装置的重复使用性能，并可能会缩短反应室或反应室零部件的工作寿命。如果不将等离子体约束在一定的工作区域内，带电粒子将撞击未被保护的区域，进而导致半导体基片表面杂质和污染。

由此，业内一般还在等离子体处理装置中设置了约束装置(confinementring),用以控制用过的反应气体的排出并且当反应气体中的带电粒子通过该等离子体约束装置时将它们电中和，从而将放电基本约束在处理区域以内，以防止等离子体处理装置使用过程中可能造成的腔体污染问题。

然而，本领域技术人员应当理解，等离子体处理装置内的等离子体制程区域会产生不均匀的现象，而制程区域的不均匀将进一步导致基片的制程不均一性，众所周知，基片制程的不均一性是本领域需要解决的核心技术问题，本发明正是基于此提出的。

发明内容

针对背景技术中的上述问题，本发明提出了一种应用于等离子体处理装置的可调节等离子约束装置。

本发明第一方面提供了一种应用于等离子体处理装置的可调节等离子约束装置，其中，所述等离子体处理装置包括等离子制程区和排气区，所述等离子约束装置位于所述等离子体处理装置的等离子制程区和排气区之间，具有多个气体通道使来自制程区的气体流过所述等离子约束装置进入排气区时被中和，所述等离子约束装置设置于所述制程区和排气区之间，其中：所述等离子约束装置包括：

电气接地元件；

导电元件，所述导电元件位于所述电气接地元件上方，且二者相互电绝缘,所述导电元件设置有若干个排气通道；

间隔元件，所述间隔元件设置于所述电气接地元件和所述导电元件之间，其中，所述间隔元件由绝缘材料制成。

进一步地，在所述导电元件的下表面设置了一层第一电气绝缘层，在所述电气接地元件的上表面上设置了一层第二电气绝缘层，其中，所述第一电气绝缘层位于所述第二电气绝缘层之上。

其中，所述间隔元件设置于所述电气接地元件和所述导电元件之间的安装点，所述安装点对应于所述约束环上方的等离子体浓度小于所述约束环上方其他部分达到大于10％的区域。

可选地，所述安装点位于远离所述接地元件的一侧。

可选地，所述安装点位于所述等离子体处理装置的上电极和下电极距离较大的一侧。

可选地，所述安装点位于所述等离子体处理装置的腔体凹陷的一侧。

可选地，所述安装点位于远离等离子体处理装置的真空泵的一侧。

进一步地，所述间隔元件的面积达到至少能够部分覆盖所述第一电气绝缘层和第二电气绝缘层。

进一步地，所述间隔元件的厚度的取值范围为小于90微米。

本发明第二方面提供了一种等离子体处理装置，其中，所述等离子体处理装置包括本发明第一方面所述的可调节等离子体约束装置

本发明提供的可调节约束装置以及包括该可调节约束装置的等离子体装置能够改善制程区域不对称的问题，并进一步改善基片的制程均一性问题。

附图说明

图1是未采用本发明的等离子体处理装置的结构示意图；

图2是本发明的一个具体实施例的应用于等离子体处理装置的结构示意图；

图3是本发明的一个具体实施例的等离子体处理装置的可调节约束装置的仰视细节放大图；

图4是本发明的一个具体实施例的等离子体处理装置的可调节约束装置的细节放大图；

图5是本发明的一个具体实施例的等离子体处理装置的结构示意图；

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的具体实施方式进行说明。

本发明的发明机制是通过在处理区域中等离子体浓度较高的部分，相对应的电气接地元件和导电元件之间设置至少一个间隔元件，用以限制此处产生的鞘层(sheath)，改善等离子体处理区域的不对称性，使得此处的基片制程与基片的其他区域的均一性得到保证。

图1示出了使用本发明之前的等离子体处理装置中的制程区域，如图1所示，由于其例证性地在图示腔室的右侧直接或不直接地将约束装置接地，在该接地处附近(图示的等离子体处理装置右侧)的制程区域A被“拖起”较高，较没有接地端的该腔室的另一侧(图示的等离子体处理装置左侧)等离子体浓度较低。由此，使得图示中待处理的基片W在接地端一侧的边缘部分制程速率降低，而在另一侧的制程速率相对较高，制程所得的基片W必然会产生均一性的缺陷。

请参阅图2，图2示出了本发明的一个具体实施例的应用于等离子体处理装置的结构示意图。如图所示的等离子体处理装置1具有一个处理腔体10，处理腔体10基本上为柱形，且处理腔体侧壁基本上垂直，处理腔体10内具有相互平行设置的上电极11和下电极13。通常，在上电极11与下电极13之间的区域为处理区域B，该区域B将形成高频能量以点燃和维持等离子体。在下电极13上方放置待要加工的基片W，该基片W可以是待要刻蚀或加工的半导体基片或者待要加工成平板显示器的玻璃平板。反应气体从气体源12中被输入至处理腔体10内，一个或多个射频电源14可以被单独地施加在下电极13上或同时被分别地施加在上电极11与下电极13上，用以将射频功率输送到下电极13上或上电极11与下电极13上，从而在处理腔体10内部产生大的电场。大多数电场线被包含在上电极11和下电极13之间的处理区域A内，此电场对少量存在于处理腔体11内部的电子进行加速，使之与输入的反应气体的气体分子碰撞。这些碰撞导致反应气体的离子化和等离子体的激发，从而在处理腔体10内产生等离子体。反应气体的中性气体分子在经受这些强电场时失去了电子，留下带正电的离子。带正电的离子向着下电极13方向加速，与被处理的基片中的中性物质结合，激发基片加工，即刻蚀、淀积等。在等离子体处理装置1的合适的某个位置处设置有排气区域，排气区域与外置的排气装置(例如真空泵泵15)相连接，用以在处理过程中将用过的反应气体及副产品气体抽出处理区域B。

在一个应用场景中，由于在如图1所示的等离子体处理装置的右侧腔体附近将约束装置连接于接地端17，则等离子体制程区域A在右侧的约束装置上方被“拖起”，从空间上来讲，等离子体制程区域A呈现不对称的云状，具体地，在连接有接地端的约束装置附近，其制程区域被“托起”，而在远离接地端的约束装置附近，其制程区一直延伸至基片下方。因此，该区域处的基片区域Wa的等离子体浓度较低。相对地，在基片W水平方向上的另一侧对应区域Wb的等离子体浓度较高。

图3示出本发明的一个具体实施例的等离子体处理装置的可调节约束装置的仰视细节放大图。参照图3结合图2，根据本发明的一个具体实施例。本发明第一方面提供了一种应用于等离子体处理装置的可调节等离子约束装置，其中，所述等离子体处理装置1包括等离子制程区B和排气区P，所述等离子约束装置位于所述等离子体处理装置1的等离子制程区B和排气区P之间，具有多个气体通道使来自制程区的气体流过所述等离子约束装置1进入排气区P时被中和，所述等离子约束装置1设置于所述制程区B和排气区P之间，其中，所述等离子约束装置包括：

电气接地元件18，所述电气接地元件18可以抑制射频能量发射到达所述等离子体处理装置1的排气区域P。

导电元件16，所述导电元件16位于所述电气接地元件18上方，且二者相互电绝缘,所述导电元件16设置有若干个排气通道，以利于所述处理区域B里的用过的反应气体及副产品气体通过此通道。其中，等离子体内包括带电粒子及中性粒子，所述通道的大小被设置成当等离子体内的带电粒子通过所述通道时可以使带电粒子被中和，同时允许中性粒子通过。其中，导电元件16示例性地包括一体形成的导电支撑环及若干个导电同心环。

其中，为了实现所述导电元件16与电气接地元件18二者相互电绝缘，可以在导电元件16与电气接地元件18的接触面之间分别设置至少一层一电气绝缘层(insulativelayer)16a/18a。所述电气绝缘层16a/18a与电气接地元件18或导电元件16的至少一部分呈至少部分或全部覆盖关系，以使导电元件16与电气接地元件18相互之间电绝缘。所述电气绝缘层可以为单层绝缘层，也可为用不同工艺或同种工艺形成的多层绝缘层，以实现更佳的绝缘效果。其中，电气绝缘层18a设置在电气接地元件18的上表面之上，第二电气绝缘层16a设置在导电元件16上的的下表面。

其中，本发明提供的等离子体约束装置是电浮地(electricallyfloatedfromtheground)的。具体地，导电元件16与电气接地元件18都是由导电材料形成，而在两者之间还设置有电气绝缘层16a/18a。因此，导电元件16、电气接地元件18和电气绝缘层16a/18a之间形成了一个等效电容，其中，所述等效电容的上下电极分别由导电元件16和电气接地元件18充当，其中的电介质由电气绝缘层16a/18a充当。其中，所述电气接地元件18还进一步地连接于接地端17，所述接地端17的电位为0。则导电元件16的位于等离子体和接地端的电位之间，被电浮地。

在本实施例中，等离子体约束装置还包括间隔元件19，所述间隔元件19设置于所述电气接地元件18和所述导电元件16之间，其中，所述间隔元件19由绝缘材料制成。则，根据电容的基本公式：

C＝εS/4πkd，其中，ε为介电常数，d为距离。

参见图3，由于间隔元件19嵌入电气接地元件18和所述导电元件16之间，使得“上电极”导电元件16和“下电极”电气接地元件18的距离变大。根据电容公式，距离d和电容值C成反比，则等效电容值C变小。再根据电容阻抗公式：

Xc＝1/ωc

可知，等效电容值变小，则容抗变大，则壳层就越厚。鞘层能够对带电离子提供一个向上的力。鞘层的存在时会阻止等离子向下移动，也就是等离子被托起。因此，等离子体浓度被降低，制程速率被进一步降低。

因此，参见图4，当制程区域的等离子体浓度不对称时，在等离子体浓度较高/制程速率较高区域附近的约束装置中的电气接地元18和导电元件16之间设置间隔元件19，可以改善制程区域不均匀，并进一步改善基片的制程均一性问题。需要说明的是，间隔元件19的个数可以根据具体制程进行调整，而不应限定于某一固定数值。

进一步地，所述间隔元件设置于所述电气接地元件和所述导电元件之间的安装点，所述安装点对应于所述约束环上方的等离子体浓度小于所述约束环上方其他部分达到大于10％的区域。

本领域技术人员应当理解，等离子体处理装置内的等离子体制程区域产生不均匀的现象，其成因是多种多样的。

例如，参照图1和图2，约束装置有时还设置有一个连接于接地端接地元件17，可以抑制射频能量发射到达所述等离子体处理装置的排气区域。然而，由于在约束装置中连接于接地端的一端电场比较而言较约束装置的其他区域强，导致等离子体浓度也受到一定程度的降低，因此使得靠近约束装置区域的制程区域A(参见图1)不对称。从空间上来讲，等离子体制程区域A呈现不对称的云状，具体地，在连接有接地端的约束装置附近，其制程区域A被“托起”，而在远离接地端的约束装置附近，其制程区一直延伸至基片下方。由此，使远离接地端的约束装置附近的基片制程速率较高，而连接有接地端的约束装置附近区域的基片W制程速率较低，导致制程后的基片W出现了均一性缺陷。气体原因如气流分布不均或者单边进出阀门(slitvalve)等硬件的不对称都会造成等离子不对称分布。

因此，在上述应用场景中，如图2所示，所述间隔元件19设置于所述安装点位于远离所述接地元件一侧的约束装置的电气接地元件和导电元件之间。应用了本发明提供的可调节约束环，等离子体制程区域B的不对称性得到了改善。

此外，本领域技术人员应当理解，等离子体处理装置的腔体未必是均匀的，其必然有一些不对称。例如，假设这样一种情况，当腔室的侧壁一侧稍微呈现凹陷状，那么，该侧区域的制程区域能够容纳的等离子体较多，浓度就较高。同理，靠近该侧的基片边缘同样会出现刻蚀速率较高的情况。

因此，为克服上述缺陷，安装点应位于所述等离子体处理装置的腔体凹陷的一侧(未图示)。

又如，等离子体处理装置上电极或下电极在实际应用中不一定在一个水平面上，这在制程之前未必会擦觉。参照图5，图示等离子体处理装置的上电极11’朝向图示的等离子体处理装置右侧微微倾斜，则该侧部分的上电极11’和其对应的下电极13距离d1变短，同时d1必然小于其他部分的上电极11’和其对应下电极13的距离。例如，图示左侧的上电极11’和其对应的下电极13距离d2必然大于d1。因此，由于d1距离变短，其对应的电场强度变大，等离子体加速通过所述约束装置16流出制程区域，导致该制程区域的等离子体浓度降低。从空间上来讲，等离子体制程区域A(参见图1)呈现不对称的云状，具体地，在上下电极距离最短的约束装置附近，其制程区域A被“托起”，而在上下电极距离d2较长的约束装置附近，其制程区一直延伸至基片下方。因此，对应的基片W尤其是基片边缘部分Wc的制程速率降低。同理，与其对应的基片另一侧边缘部分Wd的制程速率较高。

为了补偿上述基片制程的不均一性，如图5所示，所述间隔元件19设置于所述等离子体处理装置1的上电极11’和下电极13距离较大的一侧，也即，距离d2一侧，或者说，基片边缘Wd的一侧。

再如，等离子体处理装置真空泵的设置也会导致等离子体支撑区域的不对称出现。具体地，在现有技术中真空泵一般不会设置于等离子体处理装置的腔室正下方，而会如图2所示设置于1等离子体处理装置的一侧，图示示例性地将真空泵15设置于图示右侧。由于真空泵15用于在处理过程中将用过的反应气体及副产品气体抽出处理区域B，在真空泵15设置一侧的等离子体浓度必然降低。从空间上来讲，等离子体制程区域A(参见附图2)呈现不对称的云状，具体地，在真空泵15设置一侧的约束装置附近，其制程区域A被“托起”，而在远离真空泵15设置的约束装置附近，其制程区一直延伸至基片下方。因此，如图2所示，在等离子体浓度较低的基片W部分特别是基片边缘Wa的制程速率必然降低，而在另一侧的基片W部分特别是基片边缘Wb的制程速率较高。

因此，所述间隔元件19应设置于远离等离子体处理装置1的真空泵15的一侧，以补偿制程的不均一性。

进一步地，所述间隔元件的面积达到至少能够部分覆盖所述第一电气绝缘层和第二电气绝缘层。间隔原件也可以是带缺口的环形，只要能获得不对称分布的绝缘材料放置在电气接地元件18和用于等离子约束的导电元件16之间就能补尝由于上述各种原因而产生的等离子分布不对称。所以间隔原件可以是在整个等离子体约束环中，不对称的任何形状。间隔原件也可以选择具有不同阻抗特性的材料来调节不同的等离子分布不均匀情况。

进一步地，所述间隔元件的厚度的取值范围为小于90微米，甚至毫米量级。

本发明还提供了一种等离子体处理装置，其中，所述等离子体处理装置包括本发明第一方面提供的可调节等离子体约束装置。

需要说明的是，不论所述挡板的面积或宽度如何取值，其数值范围应以约束装置的宽度和设置位置为标准来调整，以使得所述挡板适用于所述约束装置。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种应用于等离子体处理装置的可调节等离子体约束装置，其中，所述等离子体处理装置包括等离子制程区和排气区，所述等离子体约束装置位于所述等离子体处理装置的等离子体制程区和排气区之间，具有多个气体通道使来自制程区的气体流过所述等离子体约束装置进入排气区时被中和，其特征在于：所述等离子体约束装置包括：

电气接地元件；

导电元件，所述导电元件位于所述电气接地元件上方，且二者相互电绝缘,所述导电元件设置有若干个气体通道；

间隔元件，所述间隔元件设置于所述电气接地元件和所述导电元件之间的安装点，所述安装点对应设置在所述等离子制程区内等离子体浓度较高的区域下方；其中，所述间隔元件由绝缘材料制成。

2.根据权利要求1所述的可调节等离子体约束装置，其特征在于，在所述导电元件的下表面设置了一层第一电气绝缘层，在所述电气接地元件的上表面上设置了一层第二电气绝缘层，其中，所述第一电气绝缘层位于所述第二电气绝缘层之上。

3.根据权利要求1所述的可调节等离子体约束装置，其特征在于，所述安装点位于远离所述接地元件的一侧。

4.根据权利要求1所述的可调节等离子体约束装置，其特征在于，所述安装点位于所述等离子体处理装置的上电极和下电极距离较大的一侧。

5.根据权利要求1所述的可调节等离子体约束装置，其特征在于，所述安装点位于所述等离子体处理装置的腔体凹陷的一侧。

6.根据权利要求1所述的可调节等离子体约束装置，其特征在于，所述安装点位于远离等离子体处理装置的真空泵的一侧。

7.根据权利要求2所述的可调节等离子体约束装置，其特征在于，所述间隔元件的面积达到至少能够部分覆盖所述第一电气绝缘层和第二电气绝缘层。

8.根据权利要求7所述的可调节等离子体约束装置，其特征在于，所述间隔元件的厚度的取值范围小于90微米。

9.一种等离子体处理装置，其特征在于，所述等离子体处理装置包括权利要求1至8任一项所述的可调节等离子体约束装置。

10.一种应用于等离子体处理装置的可调节等离子体约束装置，其中，所述等离子体处理装置包括等离子体制程区和排气区，所述等离子体约束装置位于所述等离子体处理装置的等离子制程区和排气区之间，具有多个气体通道使来自等离子体制程区的气体流过所述等离子体约束装置进入排气区时被中和，其特征在于：所述等离子体约束装置包括：

电气接地元件；

导电元件，所述导电元件位于所述电气接地元件上方，且二者相互电绝缘,所述导电元件设置有若干个气体通道；

在电气接地元件和导电元件之间对应空间中，部分空间存在由绝缘材料制成的间隔元件，使接地元件和导电元件之间产生高电容耦合区和低电容耦合区，其中高电容耦合区中电气接地元件和导电元件之间具有更强的等效电容，所述低电容耦合区位于所述等离子体制程区内等离子体浓度较高的区域下方。