改善刻蚀对称性的等离子处理装置及调节方法

摘要

本发明公开一种改善刻蚀对称性的等离子处理装置，该装置包含等离子体反应腔，该等离子体反应腔内底部设有放置晶圆的基座，该基座与等离子体反应腔内壁之间设有限制环，限制环下设有与限制环射频耦合的接地环；接地环与限制环之间设有间隔部件；该间隔部件在限制环整体与接地环之间形成一间隔距离。本发明在限制环与接地环之间设置有间隔部件，增大限制环与接地环之间的间距距离，避免限制环与接地环之间间隙大小的轻微扰动对接触电容产生的极大影响，提高了限制环与接地环之间接触电容的稳定性，改善刻蚀对称性。

权利要求

1.一种改善刻蚀对称性的等离子处理装置，该装置包含等离子体反应腔，该等离子体反应腔内底部设有放置晶圆的基座，该基座与等离子体反应腔内壁之间设有限制环，限制环下设有与限制环射频耦合的接地环；

其特征在于，所述接地环与限制环之间设有绝缘材料制成的间隔部件；该间隔部件使限制环整体与接地环之间形成一大于等于0.2毫米的间隔距离。

2.如权利要求1所述的改善刻蚀对称性的等离子处理装置，其特征在于，所述接地环上表面设有孔槽，间隔部件固定在孔槽中，间隔部件的顶部高出接地环的上表面，并与限制环的下表面相抵，间隔部件顶部高出接地环上表面的距离即为限制环与接地环之间的间隔距离。

3.如权利要求1所述的改善刻蚀对称性的等离子处理装置，其特征在于，所述接地环与限制环之间间隔距离小于1毫米。

4.如权利要求1或2或3所述的改善刻蚀对称性的等离子处理装置，其特征在于，所述接地环与限制环之间设有三个或三个以上的间隔部件。

5.如权利要求4所述的改善刻蚀对称性的等离子处理装置，其特征在于，所述间隔部件均匀分布于地环与限制环之间的各个区域。

6.如权利要求1所述的改善刻蚀对称性的等离子处理装置，其特征在于，所述限制环上设有连通其上下面的槽口，槽口采用点状、或环状、或放射状、或齿状。

7.一种等离子处理装置调节方法，该等离子处理装置包含一个等离子体反应腔，等离子体反应腔内底部设有一个放置晶圆的基座，基座与等离子体反应腔内壁之间设有限制环，限制环下设有与限制环射频耦合的接地环；

其特征在于，该调节方法包含：

限制环与接地环之间设置绝缘材料制成的间隔部件；

增加限制环与接地环之间的间距距离，减小限制环的对地电容和电容比变化率；或者，减小限制环与接地环之间的间距距离，提高限制环的对地电容和电容比变化率；

所述限制环与接地环之间的间距距离大于等于0.2毫米。

8.如权利要求7所述的调节方法，其特征在于，调节限制环与接地环之间的间距距离小于1毫米。

9.如权利要求7或8所述的调节方法，其特征在于，在限制环与接地环之间各个区域均匀分布调节部件，分别设定各个区域的调节部件的高度，调节限制环与接地环之间各个区域的间隔距离，主动调节刻蚀对称性。

说明书

改善刻蚀对称性的等离子处理装置及调节方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种等离子刻蚀技术，具体涉及一种改善刻蚀对称性的等离子处理装置及调节方法。

背景技术

[0002] 公开号CN101568996A的中国申请，揭示了一种用于控制电容耦合等离子体处理室内气流传导的方法和装置，该装置中包含有：旁路阻塞环；基础环，基础环同心圆地围绕下电极且有形成于其中的第一组狭槽；覆盖环，设置在基础环与旁路阻塞环上，覆盖环包括形成于其中的第二组狭槽。旁路阻塞环控制第一和第二组狭槽的开闭，控制气体在第一或第二组狭槽中流动。该专利中公开了在处理室内设置环状机构，但该机构不能改善刻蚀不对称的问题。

[0003] 公开号US2008/0314522的美国申请，揭示了一种在等离子体反应器中限制等离子体和降低流阻的设备和方法，其在等离子体反应腔中设置有一种环，该环上设有若干放射状排列的槽状结构，用于将等离子体限制在反应腔中，即为一种限制环。另外，该申请中还公开了多种限制环的结构实施例，例如齿状、曲线状、叶片状等，但是没有公开改善刻蚀对称性（业内通常也称其为“刻蚀均匀性”）的技术方案。

[0004] 专利号US7837825的美国申请，揭示了一种等离子体反应装置，其包含设置在反应装置中的一个下电极、上电极、第一限制环、第二限制环，和一个接地装置。第一限制环大体上平行于下电极和上电极，并围绕该下电极和上电极之间的第一体积。第二限制环大体上平行于下电极和上电极，并围绕该下电极和上电极之间的第二体积。该第二体积至少比该第一体积大。接地装置与下电极相邻，并且环绕下电极设置。第一、第二限制环可以被抬升或下降，以延伸至接地装置上方的区域。本专利中公开了限制环和接地装置，但是没有公开能通过限制环调节刻蚀对称性的技术方案。

[0005] 专利号US8512510的美国申请，揭示了一种等离子体处理方法，该方法包含：将反应气体输入至放置有待刻蚀基底的等离子体产生空间中；将反应气体激发至等离子体；基底通过等离子体进行等离子体处理过程；等离子体密度的空间分布和等离子体中自由基密度的空间分布，是分别由一个相对于基底的对向部进行独立控制，从而在基底的整个目标表面获得预先规定的处理状态。该专利中公开有通过反应气体激发为等离子体对晶圆进行刻蚀工艺，但是没有公开等离子体刻蚀过程中如何解决不对称性的问题。

[0006] 现有技术中存在诸多可能引起刻蚀不对称的因素，如设置在腔体侧壁的用于传输晶圆的门，下腔体各种接头的非对称分布，限制环与接地环之间的空隙大小等，甚至还有些很多未知的接触面电容的变化，都会对某些工艺的刻蚀速率对称性产生很大影响，有可能导致刻蚀结果的不对称。一方面需要尽量改善对称性以及稳定性，另一方面需要一个调节手段纠正一些目前无法完全避免的固定不对称因素。

发明内容

[0007] 本发明提供一种改善刻蚀对称性的等离子处理装置及调节方法，通过调节限制环与接地环间间隙减小电容以及电容变化率，降低间隙带来的刻蚀不稳定性，改善刻蚀对称性。

[0008] 为实现上述目的，本发明提供一种改善刻蚀对称性的等离子处理装置，该装置包含等离子体反应腔，该等离子体反应腔内底部设有放置晶圆的基座，该基座与等离子体反应腔内壁之间设有限制环，限制环下设有与限制环射频耦合的接地环；

[0009] 其特点是，上述接地环与限制环之间设有间隔部件；该间隔部件在限制环整体与接地环之间形成一间隔距离。

[0010] 上述接地环上表面设有孔槽，间隔部件固定在孔槽中，间隔部件的顶部高出接地环的上表面，并与限制环的下表面相抵，间隔部件顶部高出接地环上表面的距离即为限制环与接地环之间的间隔距离。

[0011] 上述接地环与限制环之间间隔距离的范围为：大于等于0.2毫米，且小于1毫米。

[0012] 上述接地环与限制环之间设有三个或三个以上的间隔部件。

[0013] 上述接间隔部件均匀分布于地环与限制环之间的各个区域。

[0014] 上述间隔部件采用高强度绝缘材料制成。

[0015] 上述限制环上设有连通其上下面的槽口，槽口采用点状、或环状、或放射状、或齿状。

[0016] 一种等离子处理装置调节方法，该等离子处理装置包含一个等离子体反应腔，等离子体反应腔内底部设有一个放置晶圆的基座，基座与等离子体反应腔内壁之间设有限制环，限制环下设有与限制环射频耦合的接地环；

[0017] 其特点是，该调节方法包含：

[0018] 限制环与接地环之间设置间隔部件；

[0019] 增加限制环与接地环之间的间距距离，减小限制环的对地电容和电容比变化率；或者，减小限制环与接地环之间的间距距离，提高限制环的对地电容和电容比变化率。

[0020] 调节限制环与接地环之间的间距距离的范围为：大于等于0.2毫米，且小于1毫米。

[0021] 在限制环与接地环之间各个区域均匀分布调节部件，分别设定各个区域的调节部件的高度，调节限制环与接地环之间各个区域的间隔距离，主动调节刻蚀对称性。

[0022] 本发明改善刻蚀对称性的等离子处理装置及调节方法和现有技术的等离子刻蚀技术相比，其优点在于，本发明在限制环与接地环之间设置有间隔部件，增大限制环与接地环之间的间距距离，避免限制环与接地环之间间隙大小的轻微扰动对接触电容产生的极大影响，提高了限制环与接地环之间接触电容的稳定性，提高了刻蚀对称性的稳定性，改善刻蚀对称性；

[0023] 本发明通过调节分布在限制环与接地环之间各个区域的间隔部件的高度，从而调节限制环与接地环之间各个区域的间隔距离，通过对限制环与接地环之间接触电容的主动调节，实现对等离子处理装置刻蚀对称性的主动调节，改善刻蚀不对称性的问题，提高产品良率。

附图说明

[0024] 图1为本发明改善刻蚀对称性的等离子处理装置的实施例一的结构示意图；

[0025] 图2为本发明改善刻蚀对称性的等离子处理装置的实施例一的间隔装置的结构示意图；

[0026] 图3为本发明改善刻蚀对称性的等离子处理装置的实施例一的调节方法流程图；

[0027] 图4为本发明改善刻蚀对称性的等离子处理装置的实施例二的间隔装置的结构示意图。

具体实施方式

[0028] 以下结合附图，进一步说明本发明的具体实施例。

[0029] 如图1所示，公开了一种改善刻蚀对称性的等离子处理装置的实施例一，该等离子处理装置包含有等离子体反应腔101，该等离子体反应腔101的形状并非限定于圆筒状，例如也可以是角筒状。

[0030] 在等离子体反应腔101的底部设有用于放置晶圆102的基座104，基座104中可根据需要设置有用于吸附晶圆102的静电卡盘103，以及加热器或制冷剂流路等的温度调制机构等。

[0031] 在进行等离子体刻蚀时，向等离子体反应腔101提供反应气体，在等离子体反应腔101中设有对应的上电极和下电极，用于激发反应气体从而产生等离子体，使工艺过程中等离子体反应腔101内部充满有等离子体（plasma）。在实际应用中，下电极可以设置在上述基座104中。

[0032] 在基座104侧壁外设有限制环105（FEIS ring），限制环105的内圈与基座104连接，外圈连接至等离子体反应腔101的内侧壁，填充基座104与等离子体反应腔101内侧壁之间的空间，用于将等离子体限制在等离子体反应腔中，避免等离子体随排出气体从等离子体反应腔中外溢。

[0033] 限制环105上设有连通限制环105上下面的槽口，该槽口的结构和分布可以有多种实施例，例如：

[0034] 1）点状结构：若干点状结构的槽口分布设置于限制环105上，槽口的具体分布情况和形状可对应不同工艺的工艺要求进行设定。

[0035] 2）环状结构：限制环105上设置有一个或若干个环状结构的槽口；当限制环105上设置一个环状结构的槽口，该环状结构的槽口沿限制环105的环形面设置，根据不同工艺要求，该环状结构的槽口可设为与限制环105同心或非同心设置；当限制环105上设置若干个环状结构的槽口，该些环状结构的槽口沿限制环105的环形面设置，环状结构的槽口可设为与限制环105同心和/或非同心设置，调节限制环105单位面积内的槽口面积，以满足不同工艺要求。

[0036] 3）放射状结构：槽口采用条状、柳叶状等类条状结构，槽口的轴向沿限制环105的径向设置，使若干槽口呈放射状分布于限制环105上，相邻槽口之间的间距可设为等间距或不等间距，调节限制环105单位面积内的槽口面积，以满足不同工艺要求。

[0037] 4）齿状结构：一个或若干个槽口以曲线或折线结构沿限制环105的环形面分布，使槽口和限制环105呈相互啮合的齿状结构，通过齿状结构中齿牙的宽度和密度分布，可调节限制环105单位面积内的槽口面积，以满足不同工艺要求。

[0038] 可以理解，限制环105上的槽口可以采用任何结构和分布状体，只需要满足对等离子体的限制作用，以及等离子体反应腔所要进行的工艺要求即可。

[0039] 在限制环105下设有接地环106（MGR ring），接地环106与限制环105之间的接触面为绝缘接触面。限制环105处于悬浮电位，接地环106处于零电位，接地环106与限制环105之间通过射频耦合（无直流导通）的方式实现电学传导，因此接地环106与限制环105之间的传导阻抗主要由其绝缘接触面间的电容决定。

[0040] 在目前接地环106与限制环105之间间隔距离为零（或极接近于零）的面接触状态，限制环105的对地电容高达>5nf，而将接地环106与限制环105之间间隔距离增加至0.2mm甚至更高，限制环105的对地电容降至<2nf。可以看出，原设计下接地环106与限制环105之间间隔距离大小的轻微扰动（<0.2mm）都会对接触电容影响极大，而当间隔距离大于0.2mm后，间隔距离范围在<1mm内的扰动，已不会对的接触电容造成显著影响。因此，整个接地环106与限制环105之间增加适当间隔距离（0.Xmm）会对电学传导对称性的稳定性有很大帮助。

[0041] 如图2所示，本实施例一中，限制环105包含有限制环本体109，限制环本体109上设有若干与其同心的环状结构槽口110，在限制环本体109边缘处设有支撑部108。限制环105的限制环本体109与支撑部108所采用的材质相同都是在铝基材上涂覆绝缘层而形成，所涂的上绝缘层为抗等离子体腐蚀性极佳的氧化钇，下绝缘层为阳极氧化铝。支撑部108的厚度大于限制环本体109，在限制环105设置于接地环106上时，支撑部108与接地环106接触，并将限制环105架起，使限制环本体109不与接地环106接触，限制环105通过支撑部108与接地环106相接触，满足接地环106与限制环105之间的接触面为绝缘接触面。

[0042] 本发明公开了一种等离子体刻蚀工艺中调节刻蚀对称性的技术方案。具体为，在接地环106与限制环105之间设置由高强度绝缘材料制成的间隔部件107，通过该间隔部件107使限制环105整体与接地环106之间产生一间隔距离。

[0043] 本实施例一中，间隔部件107设置于接地环106上，当限制环105设置于接地环106上，支撑部108架设于间隔部件107的顶部，在限制环105与接地环106之间设置可控的间距距离，该间隔距离由间隔部件107的高度决定，间隔距离的范围为：大于等于0.2毫米，且小于1毫米。

[0044] 可以理解，通常接地环106与限制环105之间设置三个间隔部件107，即可实现接地环106与限制环105之间的接触面完整分开。因为间隔部件107使接地环106与限制环105之间的间隔距离大于0.2mm，避免了现有技术中由于接地环106与限制环105各自表面的微小凹凸变化，引起对接触电容造成极大影响。

[0045] 为实现主动调节刻蚀对称性，在接地环106与限制环105之间分布若干间隔部件107，间隔部件107的数量大于3，若干间隔部件107分别均匀分布于接地环106与限制环105之间的各个区域。通过对位于接地环106与限制环105之间各个区域的间隔部件107的高度进行分别设置，实现对刻蚀对称性进行调节。

[0046] 提高某间隔部件107的高度，增大该间隔部件107所在区域接地环106与限制环105之间的间距，该区域限制环105的对地电容降低；相对的，降低间隔部件107的高度，减小该间隔部件107所在区域接地环106与限制环105之间的间距，该区域限制环105的对地电容提高。

[0047] 如图3并结合图2所示，为适用于上述等离子处理装置实施例一的调节方法，该调节方法具体包含以下步骤：

[0048] S1、对需要进行刻蚀对称性调节的等离子处理装置进行刻蚀对称性分布的采集和分析，得出限制环105对地电容和电容比变化率需要调节的高低分布，及对应限制环105与接地环106之间需要调节的间隔距离分布。

[0049] S2、限制环105与接地环106之间的各个区域均匀分布间隔部件107，将限制环105与接地环106之间的整体距离设定在大于等于0.2毫米，且小于1毫米的范围中，避免限制环105与接地环106之间的整体距离小于0.2毫米时，轻微距离扰动对限制环105对地电容产生剧烈影响的问题，提高限制环105对地电容调节的稳定性。

[0050] S3、根据等离子处理装置刻蚀对称性分布情况，若干间隔部件107分别设定高度，以设定间隔部件107各自所在区域限制环105与接地环106之间的间隔距离，以调节等离子处理装置刻蚀对称性，具体为：

[0051] 根据等离子处理装置刻蚀对称性分布情况，判断限制环105各个区域中对地电容和电容比变化率需要调节增大或减小的分布情况，通过各个区域所在的间隔部件107，分别对各个区域进行调节。间隔部件107调节限制环105与接地环106之间的间距距离的范围为：大于等于0.2毫米，且小于1毫米。

[0052] S3具体包含以下步骤：

[0053] S3.1、判断是否完成限制环105上所有区域的间隔距离调整，若是则跳转到步骤3.5，若否，则跳转到步骤3.2。

[0054] S3.2、判断限制环105某一个区域对地电容和电容比变化率需要调节增大或减小，若是需要增大，则跳转到步骤S3.3，若是需要减小，则跳转到步骤S3.4。

[0055] S3.3、需要增大限制环105该区域对地电容和电容比变化率，则需要减小该区域限制环105与接地环106之间的间隔距离，即设定减小该区域间隔部件107的高度，跳转步骤S3.1，对限制环105的每个区域依次进行对地电容和电容比变化率的调节。

[0056] S3.4、需要减小限制环105该区域对地电容和电容比变化率，则需要增大该区域限制环105与接地环106之间的间隔距离，即设定增大该区域间隔部件107的高度，跳转步骤S3.1，对限制环105的每个区域依次进行对地电容和电容比变化率的调节。

[0057] S3.5、限制环105对地电容和电容比变化率的调节完成。

[0058] 本发明还公开了一种改善刻蚀对称性的等离子处理装置的实施例二，该等离子处理装置包含有等离子体反应腔，该等离子体反应腔的形状并非限定于圆筒状，例如也可以是角筒状。

[0059] 在等离子体反应腔的底部设有用于放置晶圆的基座，基座中可根据需要设置有用于吸附晶圆的静电卡盘，以及加热器或制冷剂流路等的温度调制机构等。

[0060] 在进行等离子体刻蚀时，向等离子体反应腔提供反应气体，在等离子体反应腔中设有对应的上电极和下电极，用于激发反应气体从而产生等离子体，使工艺过程中等离子体反应腔内部充满有等离子体。在实际应用中，下电极可以设置在上述基座中。

[0061] 在基座侧壁外设有限制环，限制环的内圈与基座连接，外圈连接至等离子体反应腔的内侧壁，填充基座与等离子体反应腔内侧壁之间的空间，用于将等离子体限制在等离子体反应腔中，避免等离子体随排出气体从等离子体反应腔中外溢。

[0062] 限制环上设有连通限制环上下面的槽口，该槽口的结构和分布可以有多种实施例，如上述实施例一所述包含有：点状结构、环状结构、放射状结构、齿状结构等，可以理解，限制环上的槽口可以采用任何结构和分布状体，只需要满足对等离子体的限制作用，以及等离子体反应腔所要进行的工艺要求即可。

[0063] 在限制环下设有接地环，接地环与限制环之间的接触面为绝缘接触面。限制环处于悬浮电位，接地环处于零电位，接地环与限制环之间通过射频耦合（无直流导通）的方式实现电学传导，因此接地环与限制环之间的传导阻抗主要由其绝缘接触面间的电容决定。

[0064] 如图4所示，本实施例二中，限制环401包含有限制环本体402，限制环本体402上设有若干与其同心的环状结构槽口404，在限制环本体402边缘处设有环绕设置的支撑部403。限制环105的限制环本体109与支撑部108所采用的材质相同，都是在铝基材上涂覆绝缘层而形成，所涂的上绝缘层为抗等离子体腐蚀性极佳的氧化钇，下绝缘层为阳极氧化铝。支撑部403的厚度略大于限制环本体402，在限制环401设置于接地环405上时，支撑部403与接地环405接触，并将限制环401架起，使限制环本体402与接地环405之间留有缝隙，不直接与接地环405接触，满足接地环405与限制环401之间的接触面为绝缘接触面。

[0065] 在接地环405的上表面设置有孔槽，孔槽中嵌设有由高强度绝缘材料制成的间隔部件406，间隔部件406通过螺钉或其固定方式固定在接地环405的孔槽中。间隔部件406的顶部伸出孔槽，高于接地环405的上表面。

[0066] 当限制环401设置在接地环405上，间隔部件406顶部与限制环401的支撑部403相抵，使限制环401整体与接地环405之间产生一可控的间隔距离，间隔部406顶部高出接地环405上表面的距离即为限制环401与接地环405之间的间隔距离。间隔距离的范围为：大于等于0.2毫米，且小于1毫米。

[0067] 可以理解，通常接地环405与限制环401之间设置三个间隔部件406，即可实现接地环405与限制环401之间的接触面完整分开。

[0068] 进一步的，为实现主动调节刻蚀对称性，在接地环405上表面均匀分布孔槽，从而在接地环405与限制环401之间均匀分布若干间隔部件406，间隔部件406的数量大于3，若干间隔部件406分别均匀分布于接地环405与限制环401之间的各个区域。通过对位于接地环405与限制环401之间各个区域的间隔部件406的高度进行分别设置，实现对刻蚀对称性进行调节。

[0069] 提高某间隔部件406的高度，增大该间隔部件406所在区域接地环405与限制环401之间的间距，该区域限制环401的对地电容和电容比变化率降低；相对的，降低间隔部件406的高度，减小该间隔部件406所在区域接地环405与限制环401之间的间距，该区域限制环401的对地电容和电容比变化率提高。

[0070] 进一步的，本发明还公开了一种改善刻蚀对称性的等离子处理装置的实施例三，该等离子处理装置包含如上述实施例一和实施例二的等离子体反应腔、基座、上电极、下电极、温度调制机构、限制环和接地环。限制环和接地环之间设有间隔装置，该间隔装置设置在接地环的上表面上或设置于接地环上表面的孔槽中。实施例三特点在于，该间隔装置中设有升降机构，该升降机构采用液压驱动、或电子驱动、或气压驱动，升降机构通过外接的控制端，可自由控制升降机构的高度，从而调节升降机构所在间隔装置的高度，实现根据工艺要求，自由控制分布于限制环和接地环之间各个区域的间隔装置的高度，从而更便捷的实施刻蚀对称性的调节。

[0071] 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。