一種均勻刻蝕基片的等離子體處理裝置及方法與流程

2023-06-17 15:55:06

本發明涉及半導體加工技術領域，具體涉及一種可以均勻調節基片邊緣區域等離子體分布的技術領域。

背景技術：

在等離子體處理裝置內，為了保證基片中心區域和邊緣區域的電場線分布均勻，通常需要環繞所述基片設置一聚焦環，聚焦環可以將基片上方的等離子體的分布邊緣延展到聚焦環的外側壁緣，展寬了基片表面上等離子體的密度分布曲線。使基片表面上邊緣區域等離子體的密度分布趨向平緩，基片中心區域和邊緣區域的等離子體分布更加均勻，進而實現基片刻蝕的均勻性。

聚焦環是一個對基片的邊緣蝕刻率有重要影響的部件。聚焦環的形狀、結構、位置材料均對基片邊緣區域的電場分布，溫度分布產生重要影響。現有技術採用矽或者碳化矽作為基材製作聚焦環，隨著刻蝕工藝時間的延長，聚焦環表面也會被等離子體刻蝕消耗掉。聚焦環表面高度降低，其上方的等離子體鞘層下移，基片邊緣區域刻蝕工藝發生變化，導致基片中心區域和邊緣區域刻蝕速率不均勻。

為此，需要提供一種改善聚焦環隨著被等離子體刻蝕高度降低對邊緣刻蝕工藝影響的技術。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種均勻刻蝕基片的等離子體處理裝置，包括一等離子體處理腔，所述等離子體處理腔內設置一基座，用於支撐基片，環繞所述基片設置一聚焦環，

第一射頻電路，連接一射頻信號發生器，將第一射頻信號施加到所述基座上；所述第一射頻信號通過所述基座在所述聚焦環表面產生第一自偏壓；

第二射頻電路，包括一相位調節器，用於將第二射頻信號施加到所述聚焦環上，所述第二射頻電路在所述聚焦環表面產生第二自偏壓；

所述第一射頻信號的頻率為第二射頻信號頻率的偶數倍或偶數倍的倒數；

所述相位調節器用於調節所述第二射頻信號相位，並在所述第一自偏壓和所述第二自偏壓之間產生相位差，所述相位差的大小決定了所述第一自偏壓和第二自偏壓疊加後的自偏壓的大小。

進一步的，所述第二射頻電路連接所述射頻信號發生器，所述第二射頻電路的相位調節器與所述射頻信號發生器之間連接一偶數倍頻器或偶數分頻器。

進一步的，所述第二射頻電路連接另一射頻信號發生器，所述另一射頻信號發生器的輸出信號頻率為所述第一射頻信號頻率的偶數倍或偶數倍的倒數。

進一步的，所述第一射頻電路包括一功率放大器及一射頻匹配網絡，所述功率放大器連接所述射頻信號發生器。

進一步的，所述第二射頻電路還包括一第二功率放大器和第二射頻匹配網絡，設置於所述相位調節器後端。

進一步的，所述第二射頻電路在調節相位調節器的過程中，所述第二射頻信號的功率和電壓不變。

進一步的，本發明還公開了一種均勻刻蝕基片的等離子體處理裝置，包括一等離子體處理腔，所述等離子體處理腔內設置一基座，用於支撐基片，環繞所述基片設置一聚焦環，

第一射頻電路，連接第一射頻信號發生器，將第一射頻信號施加到所述基座上；

第二射頻電路，連接第二射頻信號發生器，包括至少第一調節支路和第二調節支路，所述第一調節支路將所述第二射頻信號施加到所述聚焦環上；所述第二調節支路通過一頻率調節器和一相位調節器後將所述第二射頻信號施加到所述聚焦環上；

所述第一調節支路的輸入信號在所述聚焦環表面產生第一自偏壓；所述第二射頻電路的輸入信號在所述聚焦環表面產生第二自偏壓，

所述相位調節器用於調節產生所述第二自偏壓的射頻輸入信號相位，並在所述第一自偏壓和所述第二自偏壓之間產生相位差，所述相位差的大小決定了所述第一自偏壓和第二自偏壓疊加後的自偏壓的大小；

所述第一射頻信號頻率和所述第二射頻信號頻率彼此不為偶數倍。

進一步的，所述頻率調節器為偶數倍頻器，產生第二自偏壓的射頻信號頻率為產生第一自偏壓射頻信號頻率的偶數倍。

進一步的，所述頻率調節器為偶數分頻器，產生第一自偏壓的射頻信號頻率為產生第二自偏壓射頻信號頻率的偶數倍。

進一步的，所述第二射頻電路還包括一功率放大器和一射頻匹配網絡，位於所述相位調節器後端。

進一步的，所述第二射頻電路在調節相位調節器的過程中，不改變所述第二射頻信號的功率和電壓。

進一步的，本發明還公開了一種均勻調節等離子體分布的方法，所述方法在一等離子體處理腔內進行，所述等離子體處理腔內設置一基座，用於支撐基片，環繞所述基片設置一聚焦環，所述方法包括下列步驟：

通過第一射頻電路向所述基座施加第一射頻信號，所述射頻信號通過所述基座在所述聚焦環表面產生第一自偏壓；

通過第二射頻電路向所述聚焦環施加第二射頻信號，所述射頻信號在所述聚焦環表面產生第二自偏壓；所述第二射頻信號為所述第一射頻信號的偶數倍或偶數倍的倒數；

所述第二射頻電路包括一相位調節器，調節第二射頻信號施加到所述聚焦環上的相位，當所述聚焦環為新部件時，相位調節器調節所述第一射頻信號和第二射頻信號的相位差為0，此時，第一自偏壓和第二自偏壓疊加後自偏壓不變；

當所述聚焦環經過一段時間的等離子體轟擊，厚度變薄時，相位調節器逐漸調節第二射頻信號的相位，使得第一射頻信號和第二射頻信號的相位差增大，此時，所述第一自偏壓和第二自偏壓疊加後自偏壓逐漸變大，以補償所述聚焦環厚度減小對等離子體分布造成的影響。

進一步的，所述第二射頻電路包括一偶數倍頻器或偶數分頻器，所述第一射頻電路和所述第二射頻電路連接同一射頻信號發生器。

本發明的優點在於：通過在聚焦環表面生成至少兩個自偏壓，並保證至少一個自偏壓相位可調節，通過在兩個自偏壓之間形成一相位差，使得疊加後的兩個自偏壓之和大小可調，當聚焦環的厚度變薄影響等離子體分布後，通過逐漸大兩個自偏壓的相位差，使得聚焦環表面的自偏壓變大，提高聚焦環上方的等離子體鞘層厚度，保證基片邊緣區域和中心區域的刻蝕均勻性，本發明可以有效調節基片表面的等離子體分布，大大延長聚焦環的使用壽命，節省了成本。

附圖說明

圖1示出一種設置聚焦環的等離子體處理裝置的結構示意圖；

圖2示出一種聚焦環厚度減薄時的等離子體處理裝置的結構示意圖；

圖3示出一種實施例的等離子體處理裝置的結構示意圖；

圖4a-4b示出聚焦環表面兩個自偏壓的相位差為零時曲線及疊加後的曲線示意圖；

圖5a-5b示出聚焦環表面兩個自偏壓的相位差為90度時曲線及疊加後的曲線示意圖；

圖6示出另一種實施例的等離子體處理裝置的結構示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖，對本發明的技術方案進行詳細闡述。

圖1示出一種等離子體處理裝置的結構示意圖，如圖所示，等離子體處理裝置包括一個處理腔室100，處理腔室100基本上為柱形，包括一豎直設置的反應腔側壁102，處理腔室100內具有相互平行設置的上電極140和下電極150。上電極140上連接反應氣體源50，反應氣體源50內的氣體通過上電極140均勻注入反應腔室內部；通過對上電極或下電極上施加射頻功率，可以在上電極140和下電極150之間形成高射頻能量場，形成點燃和維持等離子體的處理區域p，在該處理區域p內可以將反應氣體解離成工藝所需的等離子體。下電極150又稱為基座150，用於支撐並夾持基片10，保證基片10在等離子體工藝過程中保持與基座的相對固定，該基片10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。

在處理腔室內部還包括環繞基座150設置的絕緣環154，絕緣環154上方設置聚焦環152。本實施例中，在基座150上施加至少一射頻功率源101，射頻功率源101通過射頻匹配網絡114施加到基座150上，用於在等離子體處理裝置內部點燃並維持等離子體，聚焦環152的材質通常為半導體材料，基座150的材質通常為導體，在二者之間設置絕緣環154的作用為實現基座150與聚焦環152的隔離，避免基座150與聚焦環152的電場發生串擾。

聚焦環152的作用在於調節等離子體的分布，通過在基片10的周圍環繞設置一聚焦環，相當於向外擴大了基片10的半徑，使得聚焦環上方產生和基片上方相同條件的等離子體，有效的將基片10上方的等離子體分布邊緣延展到聚焦環的外側壁緣，增大了等離子體的分布範圍，展寬了基片表面上等離子體的密度分布曲線。使基片表面上等離子體的密度分布趨向平緩，基片表面上的等離子體密度分布更加均勻化，有利於保證邊緣區域和中心區域刻蝕工藝的均勻性。

當工藝開始後，向基座150上施加射頻功率，在處理區域p內點燃等離子體，此時，射頻功率源會在基片表面和聚焦環表面感應形成自偏壓，由於反應氣體解離成的等離子體中既包括帶正電的離子也包括電子，當基片和聚焦環表面存在一個負偏壓時，等離子體中的正電離子受負偏壓形成的電場影響會在基片表面和聚焦環表面堆積成一定厚度的等離子體鞘層。該等離子體鞘層的厚度及形狀分布是影響等離子體對基片進行均勻處理的重要參數。基片表面及聚焦環表面的自偏壓受施加到下電極上的射頻功率源101的輸出大小決定，當施加到下電極上的射頻功率大小不變時，下電極表面感應出的自偏壓大小不變。

在圖1所示的等離子體處理裝置中，聚焦環152為全新部件，其形狀被設計製作為能夠提供與基片表面自偏壓相等的自偏壓，因此，基片表面的等離子體鞘層厚度與聚焦環表面的等離子體鞘層厚度相同且高度一致。具體在圖1中，由於等離子體處理區域p的下邊緣處的正電離子受等離子體鞘層的排斥，當基片表面的等離子體鞘層厚度與聚焦環表面的等離子體鞘層厚度相同且高度一致時，等離子體處理區域p的下邊緣大致位於同一平面內。此時，上電極140與下電極150之間的電場方向大致垂直與基片表面，此時，在電場作用下，等離子體中的電子豎直轟擊基片的中心區域和邊緣區域，使得基片中心區域和邊緣區域的刻蝕結果均勻一致，整個基片都能得到垂直度較好的刻蝕形貌。

然而，由於聚焦環152通常為矽或者碳化矽材料，在等離子體刻蝕過程中，聚焦環表面會被等離子體侵蝕消磨，使得聚焦環上表面位置降低，整體厚度減薄，如圖2所示，此時，由於射頻功率源101施加給基座150上的電源功率不變，基片表面和聚焦環表面產生的自偏壓大小不變，隨著聚焦環厚度變薄，其上表面位置下降，聚焦環152上方的等離子體鞘層位置下移，造成基片邊緣區域的電場發生傾斜，等離子體中的電子在轟擊基片的邊緣區域時方向傾斜，使得得到的基片邊緣區域和中心區域的刻蝕圖案形貌不同，影響基片刻蝕的產品合格率。由於聚焦環的製作費用較高，製作周期較長，經常替換不僅會提高基片加工的成本，還會造成材料的浪費，因此不可能一有磨損即進行替換。

為了解決上述問題，本發明提供一種技術方案，可以在聚焦環被腐蝕，厚度減薄時，通過提高聚焦環上方的負偏壓增加等離子體的鞘層厚度，將原本下降的等離子體分布重新託起，實現基片上方和聚焦環上方的等離子體鞘層在同一平面內，基片邊緣區域電場的方向豎直向下，從而避免在基片邊緣刻蝕結果不達標的問題。

為了提高聚焦環上方的負偏壓，通常會想到在聚焦環上施加一調節電源，然後通過改變電源的電壓或輸出功率實現調節聚焦環上的自偏壓。然而，調節電源的功率或電壓變化會改變處理區域p內等離子體的濃度，如果對該調節電源的電壓或功率進行調節，雖然會改變聚焦環上方的自偏壓，但同時也會改變基片邊緣區域的等離子體濃度，而等離子體濃度決定了該區域的刻蝕速率，仍然無法保證基片邊緣區域和中心區域刻蝕結果的均勻性。

圖3提供了本發明一種較佳的實施方式，為了突出本發明的設計主題，在圖3所示的等離子體處理裝置中，省略了處理腔室的外壁及不直接作用於本發明所涉及方案的技術特徵。在圖3所示的等離子體處理裝置中，第一射頻電路110將第一射頻信號施加到基座150上用於產生並維持等離子體，其中第一射頻電路包括一功率放大器112和一射頻匹配網絡114。為了實現聚焦環152表面的自偏壓可調，在聚焦環152上連接第二射頻電路，用於將第二射頻信號施加到所述聚焦環上。第二射頻信號能夠在聚焦環152表面產生第一自偏壓vdc1，第一射頻信號通過基座150在聚焦環152表面產生第二自偏壓vdc2。所述第一自偏壓vdc1和第二自偏壓vdc2可以進行疊加。本發明通過設置合適的第二射頻電路120，使得第二射頻信號在聚焦環152上產生的自偏壓vdc1相位可調，進而實現兩個自偏壓疊加後的自偏壓大小可調。具體的，在本實施例中，所述第二射頻電路包括一頻率調節器122，頻率調節器122的輸出端連接一相位調節器124，相位調節器124的輸出信號通過功率放大器126和射頻匹配網絡128輸送到聚焦環152上。本實施例設置第二射頻電路和第一射頻電路連接同一射頻信號發生器111，其中，頻率調節器122可以調節第二射頻信號和第一射頻信號符合可以疊加的條件。本發明中，只有當第二射頻信號頻率為第一射頻信號頻率的偶數倍或偶數倍的倒數時，vdc1和vdc2疊加才能產生有調節作用的負偏壓，因此，本實施例選擇頻率調節器122為偶數倍頻器或偶數分頻器。

在另外的實施例中，也可以設置第二射頻電路和第一射頻電路分別連接獨立的射頻信號發生器，例如，可以選擇第二射頻信號發生器的頻率為第一射頻信號發生器的頻率的偶數倍或偶數倍的倒數，此時，可不再設置頻率調節器。

在具體工作時，將一新聚焦環152放置在絕緣環154上，等離子體處理區域內點燃並維持等離子體，對基座上的基片進行處理。此時，由於聚焦環尚未被腐蝕減薄，因此無需第二射頻電路對其上方的自偏壓進行調節。為了避免第二射頻電路120對基片邊緣區域的等離子體分布造成影響，可以通過相位調節器124將vdc1和vdc2的相位差設置為0，此時，可以得到圖4a所示的曲線，為了描述方便，本實施例選擇倍頻器122的輸出為2倍頻率。圖4b示出vdc1和vdc2兩組曲線疊加後的自偏壓曲線，由圖4b可見，疊加後的自偏壓曲線在一個周期內正偏壓和負偏壓數值相等，因此，疊加後的自偏壓並不會對聚焦環和基片上方的自偏壓產生影響。

隨著刻蝕工藝的進行，當經過一段時間的使用後，聚焦環152在等離子體的轟擊腐蝕下厚度減薄，基片邊緣區域的電場分布均勻性改變，此時，通過相位調節器124對產生vdc1的第二射頻信號相位進行調節。當vdc1和vdc2的相位差在0°到90°之間調節時，vdc1和vdc2疊加後的vdc逐漸增大，使得聚焦環上方的等離子體鞘層厚度變大，相當於將等離子體鞘層託起到與基片表面的等離子體鞘層在同一平面內，使得處理區域內的等離子體下表面仍然在一平面內，保證基片邊緣區域的電場方向垂直於基片，保證基片邊緣區域和中心區域的刻蝕均勻性。如此，隨著聚焦環152厚度的減薄，可以逐漸增大vdc1和vdc2相位差，以提高疊加後的負偏壓大小。圖5a示出vdc1和vdc2相位相差90°時各自的曲線，圖5b示出相位相差90°的vdc1和vdc2疊加後的自偏壓曲線，由圖5b可以看出，疊加之後的vdc負偏壓大於正偏壓，因此，兩個自偏壓疊加之後的負偏壓增大，可以將位置下降的等離子體鞘層託起至與基片表面等離子體鞘層相同的位置高度。保證基片邊緣區域上方的電場分布與基片中心區域上方的電場分布一致。

在圖3所示的等離子體處理裝置中，由於輸入倍頻器122及相位調節器124中的信號不能過大，因此，將射頻功率源設置為一信號發生器111和功率放大器112，在信號發生器111輸出的信號施加到下電極之前，先通過一功率放大器112進入射頻匹配網絡114，然後施加到下電極150上，而第二射頻電路120中，信號發生器111發出的射頻信號先經過偶數倍的倍頻器或分頻器進行頻率調製，再經相位調節器124的相位調節進入一功率放大器126實現對射頻信號的放大，最後經射頻匹配網絡128施加到聚焦環152上。

在圖3所示的實施例中，由於第二射頻電路120連接到產生等離子體的信號發生器111上，而產生等離子體的信號發生器111輸出頻率相對比較固定，如60mhz等，這會限制第二射頻電路120的可調節範圍。因此，本發明圖6公開了另外一種實施例的等離子體處理裝置，與圖3類似，本實施例的圖示省略了處理腔室的外壁及不直接作用於本發明所涉及方案的技術特徵。在圖6中，信號發生器111仍然通過功率放大器112和射頻匹配網絡114施加到下電極150上，區別在於，第二射頻電路220連接第二信號發生器211。為了避免互相干擾，影響調節效果，信號發生器211和信號發生器111的輸出頻率不能互為偶數倍。在本實施例中，第二射頻電路220包括第一調節支路230和第二調節支路220，其中，第一調節支路230包括一功率放大器232和一射頻匹配網絡234，第二調節支路包括一偶數倍的倍頻器或分頻器222，一相位調節器224及功率放大器226和一射頻匹配網絡228。與上文所述的實施例原理類似，第二調節支路的倍頻器先將信號發生器211的信號頻率調節為偶數倍，再通過相位調節器224調節經過偶數倍後的輸出信號相位，使得第一調節支路和第二調節支路在聚焦環表面產生的兩個自偏壓產生一定的相位差，當聚焦環厚度減薄時，逐漸增大兩個調節支路間的相位差至90°，隨著第一調節支路和第二調節支路的相位差逐漸增大，兩個調節支路在聚焦環表面疊加後的負偏壓逐漸增大，以補償不斷減薄的聚焦環厚度對等離子體分布造成的影響。

為了保證基片邊緣區域的等離子體濃度不發生改變，本發明只對第二射頻電路的相位進行調節，不改變第一射頻信號和第二射頻信號的輸出功率和電壓。本發明示例性的描述了相位調節器可以在0-90°之間進行調節，由於射頻信號具有周期性，本領域技術人員也可以在90°-180°等其他周期內進行調節。

本發明通過在聚焦環表面生成至少兩個自偏壓，並保證至少一個自偏壓相位可調節，通過在兩個自偏壓之間形成一相位差，使得疊加後的兩個自偏壓之和大小可調，當聚焦環的厚度變薄影響等離子體分布後，通過逐漸大兩個自偏壓的相位差，使得聚焦環表面的自偏壓變大，提高聚焦環上方的等離子體鞘層厚度，保證基片邊緣區域和中心區域的刻蝕均勻性，本發明可以有效調節基片表面的等離子體分布，大大延長聚焦環的使用壽命，節省了成本。

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。