CN110890260B - 一种动态控制气体流动模式的装置及晶圆处理方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态控制气体流动模式的装置及晶圆处理方法和设备，基于对放置于处理腔室内的晶圆进行等离子处理工艺，装置是在处理腔室内进行气体流通模式调整的气体遮挡环；该装置包含：移动环，其能分别处在第一位置或第二位置或在第一位置与第二位置之间进行匀速直线运动或变速运动，移动环在第一位置时，反应气体具有第一分布，对晶圆产生第一处理效果；该移动环在第二位置时，反应气体具有第二分布，对晶圆产生第二处理效果，在整个等离子处理工艺过程中，运动的移动环使得晶圆具有第三处理效果，第三处理效果介于第一处理效果和第二处理效果之间。本发明能够通过动态调整移动环使得对晶圆的处理工艺的控制更加精确，提高生产效率。

Description

一种动态控制气体流动模式的装置及晶圆处理方法和设备

技术领域

本发明涉及半导体领域的制造设备，特别涉及一种动态控制气体流动模式的装置及晶圆处理方法和设备。

背景技术

对硅片的蚀刻是以化学作用为主导的，蚀刻设备的处理腔室中的气体输送及流动模式对蚀刻性能会有很大影响。在蚀刻硅片的处理腔室内广泛使用的一种气体遮挡环（shadow ring），能够基于不同蚀刻工艺的特定要求来改变处理腔室内的气体流动模式。

该气体遮挡环用以实现上述气体流动及蚀刻效果调整的功能的最重要参数，是该气体遮挡环的中间开口的直径大小，以及该气体遮挡环相对于晶圆表面的高度。例如，开口直径较小的气体遮挡环更易于促使气体流向与晶圆中间区域对应的位置；而开口直径较大的气体遮挡环则易于使更多的气体流向与晶圆边缘区域对应的位置。

所述气体遮挡环通过改变处理腔室内气体流动的路径，来调整处理腔室内的化学形态（例如使自由基和/或等离子体浓度增加或减少），进而实现对晶圆上蚀刻效果的调整。例如是当气体更多地流向晶圆表面的某些区域时，晶圆上这些区域的蚀刻率就会提升。因而，可以通过设置上述的气体遮挡环来改变气体流动的路径，以抵消原先由于其他一些工艺条件限制（例如晶圆温度分布不均匀或耦合能量分布不均匀等）造成晶圆不同区域上蚀刻效果不均匀的因素，从而使晶圆表面不同区域的蚀刻效果更为均匀。

然而，上述现有结构的每一个气体遮挡环，其中间开口的直径是一个固定数值。在使用一个处理腔室（即同一套硬件设备的架构）进行不同种类的工艺处理时，这种中间开口直径固定的气体遮挡环不可能满足所有工艺制程的要求，因此就必须打开处理腔室并手动调换不同口径的气体遮挡环来适应不同要求，操作繁琐。并且，打开处理腔室时会使其与外部的大气环境连通，而要开始某项工艺处理之前就必须使处理腔室内重新恢复到真空状态或具有气体压力的状态，这样会造成工艺处理的整个时间被延长，此外对于每次启闭后处理腔室内部的工艺条件（气压、温度、耦合能量等等）是否能与之前保持一致难以确定，因此对工艺处理的效率和效果有很大影响。

且对气体遮挡环相对于晶圆表面的高度的调整仅能通过气缸调节至第一位置或第二位置，气体遮挡环位于第一位置时，气体经过固定部件，在固定部件下方、气体在气体遮挡环及晶圆上方的间隔空隙流动，使大部分气体流向晶圆边缘区域；

气体遮挡环位于第二位置时，气体经过遮挡环的固定部件的第一开口后，在固定部件及遮挡环下方、晶圆上方的间隔空隙流动，使大部分气体流向晶圆中间区域。

现有技术仅能使得气体遮挡环固定的位于上述两个位置，不能实现遮挡环实时且在上述第一位置与第二位置之间的任意一个位置进行停留，使得对晶圆的刻蚀不能达到更好的刻蚀均匀性。

发明内容

本发明目的是提供一种动态控制气体流动模式的装置及晶圆处理方法和设备，通过设置升降机执行器（lifter actuator）来控制遮挡环进行任意形式的直线运动，进而实现动态的控制处理腔室内的气体流动模式，实现对待处理硅晶圆得到更加均匀的刻蚀结果。

为了实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：

本发明第一个技术方案为一种动态控制腔室内气体流动模式的装置，基于通过进气口引入到处理腔室的气体对放置于该处理腔室内的晶圆进行等离子处理工艺，其中进气口位于处理腔室侧壁上方，处理腔室顶部包括一个顶盖，顶盖上方包括射频线圈连接到射频电源， 所述装置是在处理腔室内进行气体流通模式调整的气体遮挡环；所述气体遮挡环，包含：

移动环，其能分别处在第一位置或第二位置或在所述第一位置与第二位置之间进行匀速直线运动或变速运动，所述移动环在第一位置时，反应气体具有第一分布，对晶圆产生第一处理效果；该移动环在所述第二位置时，反应气体具有第二分布，对晶圆产生第二处理效果。在整个等离子处理工艺过程中，所述运动的移动环使得晶圆具有第三处理效果，所述第三处理效果介于所述第一处理效果和第二处理效果之间。

优选地，所述移动环的开口的直径等于或大于晶圆的直径，使晶圆嵌套在第一位置的移动环中。

优选地，所述装置进一步包含若干带有线性执行器的调节杆，其连接所述移动环并驱使移动环在第一位置和第二位置之间进行匀速直线运动或变速运动。

优选地，所述移动环在靠近第一位置时和靠近第二位置时的运动速度不同，使得移动环靠近第一位置的时间长度大于靠近第二位置的时间长度，所述第三处理效果与第一处理效果的差小于第三处理效果与第二处理效果的差。

本发明第二个技术方案为一种晶圆处理设备，包含：处理腔室；设置在所述处理腔室侧壁上部的进气口，利用经所述进气口引入至所述处理腔室内的气体对晶圆进行处理；设置在所述处理腔室内底部的基座，该基座顶部设置有静电夹盘在工艺处理过程中对放置在上面的晶圆进行夹持；以及，设置在所述处理腔室内用来进行气体流通模式调整的气体遮挡环；所述气体遮挡环，进一步包含：移动环，其能分别处在第一位置或第二位置或在所述第一位置与第二位置之间进行匀速直线运动或变速运动，所述移动环在第一位置时，在移动环表面及晶圆上方的间隔空隙流动，使大部分气体流向晶圆边缘区域；该移动环在所述第一位置与第二位置之间任意一位置包括第二位置时，气体在所述移动环下方、晶圆上方的间隔空隙流动，使大部分气体流向晶圆中间区域。

优选地，所述装置进一步包含若干带有线性执行器的调节杆，其连接所述移动环并驱使移动环在第一位置和第二位置之间进行匀速直线运动或变速运动。

本发明第三个技术方案为一种晶圆处理方法， 在处理腔室内设置如上文所述的气体遮挡环；所述移动环在所述第一位置与第二位置之间进行匀速直线运动或变速运动，所述移动环在第一位置时，在移动环表面及晶圆上方的间隔空隙流动，使大部分气体流向晶圆边缘区域，所述晶圆边缘区域的刻蚀速率高于晶圆中间区域的刻蚀速率；该移动环在所述第一位置与第二位置之间任意一位置包括第二位置时，气体在所述移动环下方、晶圆上方的间隔空隙流动，使大部分气体流向晶圆中间区域，所述晶圆边缘区域的刻蚀速率低于晶圆中间区域的刻蚀速率。

优选地，所述移动环从第二位置移动到第一位置后，再次从第一位置移动到第二位置，重复上述过程，直至晶圆刻蚀结束。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明的遮挡环是可移动的且高度是可以设定的。对于不同的工艺或相同工艺中的不同步骤可以对遮挡环设定不同的高度，动态调整气体流动模式，进而使得在晶圆表面处的等离子的形态和自由基的状态得到动态调整。对遮挡环的动态调整使得对于不同的工艺调整处适合产生满足精确控制需求的晶圆。通过可以在程序中设置参数实现自动化控制，满足精确控制需求，且相对于更换硬件，生产率会更高。

附图说明

图1和图2分别是本发明一实施例中遮挡环在两个不同位置的示意图；

图3~图5分别是本发明移动环在第一位置和第二位置之间以不同的移动速率进行移动的示意图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

本发明提供一种装置，通过改变处理腔室内的气体流动模式，来调整处理腔室内的化学形态；将其应用到对晶圆（或基片、衬底片等）进行蚀刻的设备时，实现对晶圆蚀刻效果的调整。本发明中同样提供了利用该装置进行的晶圆处理方法和晶圆处理设备。

本发明提供一种高度可动态调整的气体遮挡环，能够改变气体从进气口到晶圆表面区域附近的气体流动模式。为适应相同或不同工艺处理的要求，本发明对气体遮挡环的高度所实行的调整都可以在具有气体压力的处理腔室内完成，期间无需打开处理腔室。

如图1所示，本发明所述的气体遮挡环包含一个可移动部件，其主体是一个移动环20，该移动环20下方设置有带有线性执行器50的调节杆30（该调节杆可设置多个），用来驱使该移动环20上升或下降。所述移动环20的中间设有开口，本例中该开口的直径等于或大于晶圆70的直径。其中线性执行器50可以是步进电机或者电机驱动的螺杆等，只要能够驱动移动环在上下两个位置之间连续移动，并且可以精确控制移动环所处高度，均属于本发明的现象执行器。

所述移动环20下降至第一位置时环绕在晶圆70的周边，使该晶圆70能够嵌套在移动环20中。此时，第一位置的移动环20是位于晶圆承载机构上，该晶圆承载机构通常是处理腔室10内底部一个基座上设置的静电夹盘（或称ESC），其在工艺处理过程中对放在上面的晶圆70进行夹持。

所述移动环在第一位置时，反应气体具有第一分布，对晶圆产生第一处理效果；

所述反应气体的第一分布具体如下：气体经进气口80引入处理腔室10内以后，沿移动环20的上表面，横向流动至晶圆70上方表面。即，引入的气体经过移动环20的上表面后，在移动环20及晶圆70上方的间隔空隙流动，进而更多地流向晶圆边缘区域，甚至流向远离晶圆70的地方，此时该晶圆70边缘区域的等离子体和自由基的浓度高，使得该晶圆70边缘区域的刻蚀速率高于该晶圆70中间区域的刻蚀速率。

如图2所示，移动环20上升至第二位置时，此时移动环20的上表面低于进气口80且高于晶圆表面，反应气体具有第二分布，对晶圆产生第二处理效果。所述反应气体的第二分布具体如下所述：从进气口80引入的气体是沿移动环20的上表面，横向流动至移动环20的开口，并通过该开口输送至下方对应的晶圆50表面，即，引入的气体经过移动环20的开口后，在移动环20下方、晶圆50上方的间隔空隙流动，进而更多地流向晶圆中间区域，此时该晶圆70中间区域的等离子体和自由基的浓度高，使得该晶圆70中间区域的刻蚀速率高于该晶圆70边缘区域的刻蚀速率。

本申请通过调整使移动环在上述第一位置与第二位置之间进行匀速直线运动或变速运动，使得移动环与晶圆之间形成供气体流通的不同路径，实现对气体流动模式的动态控制。即，在整个等离子处理工艺过程中，所述运动的移动环使得晶圆具有第三处理效果，所述第三处理效果介于所述第一处理效果和第二处理效果之间。

优选地，所述移动环在靠近第一位置时和靠近第二位置时的运动速度不同，使得移动环靠近第一位置的时间长度大于靠近第二位置的时间长度，所述第三处理效果与第一处理效果的差小于第三处理效果与第二处理效果的差。

图3~5中的横轴代表移动环的移动时间t，纵轴代表移动环所处的位置高度H，其中图中P1表示移动环处于第一位置时的高度，图中P2表示移动环处于第二位置时的高度。

如图3所示，调节移动环，使得移动环在靠近第一位置时的移动速度慢，靠近第二位置时移动速度快，对晶圆的最终的处理效果更接近移动环停留在第一位置时得到的晶圆的处理效果。

如图4所示，移动环在第一位置和二位置之间匀速移动，最终的处理效果为两端（第一位置、第二位置）处理效果的平均值；

如图5所示，调节移动环，使得移动环在靠近第一位置时移动速度快，靠近二位置时移动速度慢，最终的处理效果更接近移动环停留在二位置的处理效果。

所述移动环20在第一位置与第二位置之间调整时，所述处理腔室处于关闭状态，从而在该处理腔室内保持为通过引入气体而形成的压力状态，或保持为通过设置在处理腔室10外部的真空泵60排走气体而形成的真空状态。

本发明的装置也可以被应用到除蚀刻以外的其他晶圆处理设备，来调整其中的气体流动模式以形成不同的晶圆处理效果。本发明可以直接在密闭的真空处理腔室内自动完成，不需要打开处理腔室手动更换气体遮挡环产生的问题。

对移动环的控制可以根据对晶圆处理的相同或不同的工艺要求，对移动环的高度调整进行编程，以便对不同或相同的工艺的蚀刻均匀性进行更加精准的控制。现有技术中的气体遮挡环长期固定在一个位置，除了无法适应不同等离子处理工艺的要求外，还会存在一些附带问题，比如等离子和反应气体浓度分布不均会造成电荷和污染物在晶圆上不同区域的积累量也不同。本发明通过移动环连续的上下移动使得这些电荷和污染物的积累也能达到均匀，所以本发明不仅能够通过调节移动环的上下运动选择不同的加权平均处理效果，如刻蚀速率均匀性，还能同时改善由于固定的气体遮挡环带来的电荷和污染物积累不均的问题。

本发明通过驱动移动环在不同位置之间的连续移动，可以得到加权平均厚度处理效果，因此能够使得处理腔室能够简单的调整移动速度就能适应不同的处理工艺，比如第一处理工艺中边缘刻蚀速率过快，可以使得移动环在运动到更高位置时移动速度减慢，所以在整个处理工艺中，移动环处于较高位置的时间大于处于其它位置的时间，最终的处理效果更接近移动环固定在最高点的处理效果。在同一个处理腔中需要进行第二处理工艺时，可以参考上述方法调整不同位置时的移动速度来改变最终的处理效果。

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 (8)

1.一种动态控制腔室内气体流动模式的装置，基于通过进气口引入到处理腔室的气体对放置于该处理腔室内的晶圆进行等离子处理工艺，其中进气口位于处理腔室侧壁上方，处理腔室顶部包括一个顶盖，顶盖上方包括射频线圈连接到射频电源，其特征在于，

所述装置是在处理腔室内进行气体流通模式调整的气体遮挡环；所述气体遮挡环，包含：

移动环，其能分别处在第一位置或第二位置或在所述第一位置与第二位置之间进行匀速直线运动或变速运动，所述移动环在靠近所述第一位置和所述第二位置的时间可调；所述移动环在所述第一位置时，反应气体具有第一分布，对晶圆产生第一处理效果；该移动环在所述第二位置时，反应气体具有第二分布，对晶圆产生第二处理效果，

在整个等离子处理工艺过程中，所述运动的移动环使得晶圆具有第三处理效果，所述第三处理效果介于所述第一处理效果和第二处理效果之间。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述移动环的开口的直径等于或大于晶圆的直径。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，

所述装置进一步包含若干带有线性执行器的调节杆，其连接所述移动环并驱使移动环在第一位置和第二位置之间进行匀速直线运动或变速运动。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述移动环在靠近第一位置时和靠近第二位置时的运动速度不同，使得移动环靠近第一位置的时间长度大于靠近第二位置的时间长度，所述第三处理效果与第一处理效果的差小于第三处理效果与第二处理效果的差。

5.一种晶圆处理设备，其特征在于，包含：

处理腔室；

设置在所述处理腔室侧壁上部的进气口，利用经所述进气口引入至所述处理腔室内的气体对晶圆进行处理；

设置在所述处理腔室内底部的基座，该基座顶部设置有静电夹盘在工艺处理过程中对放置在上面的晶圆进行夹持；以及，

设置在所述处理腔室内用来进行气体流通模式调整的气体遮挡环；所述气体遮挡环，进一步包含：

移动环，其能分别处在第一位置或第二位置或在所述第一位置与第二位置之间进行匀速直线运动或变速运动，所述移动环在靠近所述第一位置和所述第二位置的时间可调，所述移动环在所述第一位置时，在移动环表面及晶圆上方的间隔空隙流动，使大部分气体流向晶圆边缘区域；该移动环在所述第一位置与第二位置之间任意一位置包括第二位置时，气体在所述移动环下方、晶圆上方的间隔空隙流动，使大部分气体流向晶圆中间区域。

6.如权利要求5所述的晶圆处理设备，其特征在于，

进一步包含若干带有线性执行器的调节杆，其连接所述移动环并驱使移动环在第一位置和第二位置之间进行匀速直线运动或变速运动。

7.一种晶圆处理方法，其特征在于，

在处理腔室内设置如权利要求1～3中任意一项所述的气体遮挡环；

所述移动环在所述第一位置与第二位置之间进行匀速直线运动或变速运动，所述移动环在第一位置时，在移动环表面及晶圆上方的间隔空隙流动，使大部分气体流向晶圆边缘区域，所述晶圆边缘区域的刻蚀速率高于晶圆中间区域的刻蚀速率；该移动环在所述第一位置与第二位置之间任意一位置包括第二位置时，气体在所述移动环下方、晶圆上方的间隔空隙流动，使大部分气体流向晶圆中间区域，所述晶圆边缘区域的刻蚀速率低于晶圆中间区域的刻蚀速率。

8.如权利要求7所述的晶圆处理方法，其特征在于，

所述移动环从第二位置移动到第一位置后，再次从第一位置移动到第二位置，重复上述过程，直至晶圆刻蚀结束。

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