一种等离子处理装置

摘要

本发明提供一种等离子处理装置，等离子处理装置包括一个反应腔和反应腔内的上下电极，一个射频电源通过一根射频电缆连接并输出基波射频功率到所述下电极，使得上下电极之间产生电容耦合电场，并产生等离子体，所述下电极上方设置有一个静电夹盘，所述静电夹盘用于固定待处理基片，利用所述等离子体对基片进行处理。所述反应腔底壁下方包括一电接地的屏蔽板，所述屏蔽板围绕所述射频电缆，一介电材料环设置于射频电缆与屏蔽板之间。

权利要求

1.一种等离子处理装置，所述等离子处理装置包括反应腔，反应腔是由顶盖、侧壁和底壁围绕构成的气密腔体，反应腔内包括一个上电极和一个下电极，一个射频电源通过匹配器和一根射频电缆连接并输出基波射频功率到所述下电极，使得上下电极之间产生电容耦合电场并产生等离子体，所述下电极上方设置有一个静电夹盘，所述静电夹盘用于固定待处理基片，利用所述等离子体对基片进行处理，其特征在于，所述反应腔底壁下方包括一电接地的屏蔽板，所述屏蔽板围绕所述射频电缆，一介电材料环设置于射频电缆与屏蔽板之间，所述介电材料环与屏蔽板之间具有环形空间，所述介电材料环可上下移动，使所述介电材料环与屏蔽板之间的相对面积可调，所述屏蔽板包括一下端面，所述介电材料环的上端高于所述屏蔽板的下端面，且所述介电材料环的下端低于所述屏蔽板的下端面，所述屏蔽板与所述匹配器之间具有间隙，使所述介电材料环可上下移动。

2.如权利要求1所述的等离子处理装置，其特征在于，所述介电材料环包括一个空腔，空腔内填充有液面高度可调的介电液。

3.如权利要求1所述的等离子处理装置，其特征在于，所述介电材料环的介电材料的相对介电常数大于1.1。

4.如权利要求3所述的等离子处理装置，其特征在于，所述介电材料环的介电材料的介电常数大于1.5。

5.如权利要求4所述的等离子处理装置，其特征在于，所述介电材料环由特氟龙或者陶瓷材料制成。

6.如权利要求1所述的等离子处理装置，其特征在于，所述介电材料环包括第一子介电材料环和第二子介电材料环，所述第一子介电材料环可以相对第二子介电材料环上下移动。

7.如权利要求1所述的等离子处理装置，其特征在于，所述介电材料环在不同方位角上具有不同厚度，使得所述射频电缆到不同方位角具有不同的等效电容。

8.如权利要求1所述的等离子处理装置，其特征在于，所述介电材料环使得射频电源输出的基波射频功率流入反应腔，同时反应腔内产生的谐波射频功率穿过所述介电材料环进入接地的屏蔽板。

说明书

一种等离子处理装置

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体加工技术领域，具体涉及一种等离子处理装置，在等离子反应腔下方具有一个介质环以减少谐波射频功率的干扰。

背景技术

[0002] 等离子处理装置被广泛应用于半导体晶圆加工处理流程中，如图1所示为典型的等离子处理装置结构图。等离子处理装置包括可以抽真空的反应腔 30，反应腔包括顶盖和
侧壁30a以及底壁30b，还包括从底壁向下延伸的屏蔽板30c，整个反应腔都由金属制成且接
地，实现对射频电磁场的屏蔽。反应腔内底部包括基座用于支撑待处理的晶圆，基座内包括
下电极10。下电极10上方还包括一个静电夹盘，通过静电夹盘固定待处理晶圆。与基座相对
的反应腔上方包括上电极20，上电极20中还集成了反应气体进气装置，用于均匀输入反应
气体到下方的晶圆。至少一个射频电源通过匹配器和一根射频电缆连接到下电极10。通常
为了点燃并维持等离子浓度需要射频电源52 输入高频(大于13MHz)射频功率到下电极10，
为了控制入射到基片上表面的离子能量还需要通过射频电源54输入低频射频(小于等于
2Mhz)功率到下电极10。所以射频电缆上同时有高频和低频两种射频功率通过，最终流入下
电极10。对于如图1所示的电容耦合型等离子处理装置(CCP)来说，上电极20和下电极10之
间存在等效的一个电容C1，同时射频电缆本身具有寄生电感L0，射频电缆与屏蔽板30c之间
也存在电容耦合，所以也存在等效电容C2。这些电容和电感的参数共同决定了从匹配器输
出端到反应腔各个电极和反应腔各个侧壁的电场分布以及整个反应腔的频率特性。

[0003] 现有技术中射频电源52输出的射频频率一般是30MHz或者60Mhz，下面以60MHz为例来说明现有技术存在的问题。当60MHz高功率射频功率被送入反应腔内下电极时，由于上
下电极之间的阻抗是等离子体，等离子的阻抗是会随着气压、等离子浓度和分布变化等因
素瞬间突变的，属于非线性阻抗，所以加载到上下电极之间的60MHz射频功率会产生大量的
谐波，其中二次谐波也就是120MHz的谐波成分最大，其功率占反应腔内射频总功率的 10‑
30％，对反应腔内等离子处理效果的干扰也最大。现有技术无法有效去除这些谐波的干扰，
所以也很难获得均匀的等离子处理效果。

[0004] 所以业内需要开发一种新的装置既能够实现基波频率(2MHz、60MHz) 的顺利流向上下电极之间的等离子处理空间，同时要将产生的二次谐波分离并流入接地端。

发明内容

[0005] 本发明公开一种等离子处理装置，所述等离子处理装置包括反应腔，反应腔是由侧壁和底壁围绕构成的气密腔体，反应腔内包括一个上电极和一个下电极，一个射频电源
通过一根射频电缆连接并输出基波射频功率到所述下电极，使得上下电极之间产生电容耦
合电场并产生等离子体，所述下电极上方设置有一个静电夹盘，所述静电夹盘用于固定待
处理基片，利用所述等离子体对基片进行处理，其特征在于，所述反应腔底壁下方包括一电
接地的屏蔽板，所述屏蔽板围绕所述射频电缆，一介电材料环设置于射频电缆与屏蔽板之
间。通过设置介电环来改变射频电缆到屏蔽板之间的电容值，使得射频电源输出的基波射
频功率流入反应腔，同时反应腔内产生的谐波射频功率穿过所述介电材料环进入接地的屏
蔽板。

[0006] 其中所述介电材料环可上下移动，以调节射频电缆到屏蔽板之间的电容值。屏蔽板包括一下端面，所述介电材料环的上端高于所述屏蔽板的下端面。所述介电材料环可以
包括一个空腔，空腔内填充有液面高度可调的介电液，通过调节液位高度来调节射频电缆
到屏蔽板之间的电容值。

[0007] 所述介电材料环的介电材料的相对介电常数大于1.1，最佳的介电材料的介电常数大于1.5，越大的介电常数可以更大幅度的改变电容值，调节幅度越大。所述介电材料环
可以选择由特氟龙或者陶瓷材料制成。

[0008] 进一步的，介电材料环包括第一子介电材料环和第二子介电材料环，所述第一子介电材料环可以相对第二子介电材料环上下移动。或者介电材料环在不同方位角上具有不
同厚度，使得所述射频电缆到不同方位角具有不同的等效电容，这样可以进一步补偿方位
角上的射频电场分布不均匀性。

附图说明

[0009] 图1为现有技术等离子处理装置示意图；

[0010] 图2为本发明等离子处理装置示意图；

[0011] 图3是本发明等离子处理装置中不同频率射频功率流动方向示意图；

[0012] 图4是本发明等离子处理装置与现有技术的阻抗频率特性对比；

[0013] 图5是本发明等离子处理装置与现有技术在不同部位的刻蚀速率对比；

[0014] 图6a、6b本发明等离子处理装置第二实施例；

[0015] 图7是本发明介质环的另一个实施例顶视图。

具体实施方式

[0016] 以下结合附图2，进一步说明本发明的具体实施例。

[0017] 本发明公开了一种具有可调频率特性的等离子处理装置，等离子处理装置内基本的硬件结构与图1所示的现有技术相同，均包含有等离子体反应腔，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20和下电极
10，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(plasma)。其主要区别在于本发明在底壁30b之下屏蔽板30c之内，围绕射频电缆电缆
的空间内设置了一个介电材料环40。现有技术没有这个环，所以射频电缆周围都是大气环
境，大气的介电常数接近真空环境，也就是相对介电常数非常接近是1。所以射频电缆到屏
蔽板30c之间的等效电容C2是个常数，因此整个反应腔也具有恒定的频率特性。由于大量射
频谐波的存在，现有反应腔为了保证基频有效传导设计的频率特性无法兼顾导走这些谐波
功率。由于这些谐波功率在反应腔内的干扰，所以基片上的等离子分布存在很大的不均匀
性。本发明中的介电环40可以由相对介电常数大于1的材料制成，比如特氟龙、氧化铝、氮化
铝等，这样设置在围绕射频电缆的空间内能够显著增大等效电容C2的值。介电环40可以是
一个中心带通孔的圆柱体，中心通孔使得射频电缆能够穿过该通孔。通过机械驱动部件可
以使得介电环40上下移动，其中介电环 40具有一个上端面a和下端面c，其中只有在屏蔽板
30c的下端面(图2中 b线)上方的介电环部分才会对等效电容C2造成影响，以下部分没有影
响。所以通过驱动介电环40的上下移动，可以使得等效电容C2从最小的初始值逐渐增加到
最大。其中介电环40围绕的射频电缆具有第二电感L2，顶部未被介电环围绕的部分具有第
一电感L1。所以本发明最后的等效电路为如图3 所示，包括了L2、L1、C1和可变电容C2。由于
C2容值可以调节，所以可以调节图3所示等效电路的频率特性。根据需要可以使得2MHz、
60MHz等基频顺利的流向C1回到接地端，而高频的谐波功率从C2直接被导到接地端，避免谐
波对电场分布的干扰。

[0018] 如图3所示为频率与阻抗的曲线，其中频率特性曲线91为等效电容C2 在具有初始值也就是现有技术中不添加介电环40时的特性曲线，频率特性曲线93是电容C2具有较大值
时的频率特性曲线。从图3中可以看到在对于 2MHz和60MHz的射频信号，C2变化前后两者的
阻抗完全一样，同时对于 120MHz的谐波信号原始阻抗高达758.8欧姆，电容C2增加后阻抗
变小为 206.6欧姆。这还只是示例性的增加C2，实际上通过选择具有更高介电常数，填充更
多介电材料等手段可以进一步提高等效电容C2的值，也就是对于 120MHz的阻抗可以进一
步大幅降低到100欧姆以下。所以反应腔内产生的谐波能够被顺利的导走减小对正常基波
的干扰，等离子处理装置也就能获得均匀的等离子分布。如图5是采用本发明介电环的等离
子处理装置内不同位置处刻蚀速率曲线，其中曲线101是C2为初始值时的刻蚀速率曲线，曲
线 103是介电环上升进入屏蔽板内部空间时的曲线。从中可明显看到，曲线103 相比101不
仅刻蚀均匀性明显改善，不同区域内刻蚀速率波动幅度小，而且整体的刻蚀速率也有提升。

[0019] 本发明介电环40除了可以是图2所示的上下升降的一个圆柱体，也可以是两个或更多个圆柱体位于屏蔽板30c内部空间。如图6a、6b是第二实施例在图2所示虚线框X内的放
大图，可以看到介电环40包括两个上下叠放的环40a’和40b’，其中图6a是两个介电环40a’
和40b’紧贴在一起的状态，图6b是两个介电环互相分离的状态。两个介电环40a’和40b’在
不同位置对应产生不同的等效电路以及不同的等效电感、电容空间分布，如图6b中 40a’上
方的射频电缆具有电感L1，介电环40a’、40b’之间的射频电缆部分具有电感L3，介电环40b’
下方的电感为L2。这样射频电缆到屏蔽板30c 整体的等效电容会发生变化，所以也能够实
现对等效电容的调节。

[0020] 本发明还可以通过其它实施例实现对射频电缆到屏蔽板30c之间的等效电容的调节，比如介电环40是介电材料制成的中空壳体，壳体里面可以填充介电系数大于1的液体，
通过控制液面的高低就能调节射频电缆到屏蔽板的介电物质多少，从而改变等效电容C2。

[0021] 本发明中的介电环除了可以是圆柱形的也可以选择不对称的结构，如图 7所示，介电环40”的顶视图是一侧带有缺口的，这样整体的等效电容C2会比圆柱形介电环小，而且
射频功率流过的路径也不是均匀的，更多的谐波射频功率会流过图中介质环40”中更厚处，
较少的谐波射频功率会流过介质环较薄处，也就是图中右侧。所以这种结构还能一定程度
上补充上方等离子反应腔中不同方位上的电场分布不均匀性，最终获得均一的处理效果。
上述详细描述的多个实施例，均需要在射频电缆和接地的屏蔽板30c之间设置一个介电材
料环，使得等效电容C2足够大，最终使得基波频率的射频功率能够进入反应腔，而反应腔内
产生的谐波射频功率中的大部分(大于50％)能够很快的经过射频电缆‑介电环‑屏蔽板的
通路流走。其中介电环所占据的射频电缆与屏蔽板之间的体积的大小、位置高低、介电材料
选择都可以根据实际反应腔的具体参数相应选择，只要设置了具有较高相对介电常数(大
于1.1，最佳的大于1.5)的介电环，而且介电环材料层的厚度大于等于从射频电缆到屏蔽板
之间距离的30％均能形成足够的介电层，使得等效电容C2足够起导流谐波功率的作用。

[0022] 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。