用于等離子體刻蝕的聚焦環(huán)及具有其的等離子體刻蝕裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種用于等離子體刻蝕的聚焦環(huán)，包括絕緣體材料的下環(huán)、導(dǎo)體材料的中環(huán)以及上環(huán)。本發(fā)明亦提供一種包括該聚焦環(huán)的等離子體刻蝕裝置，其中，對聚焦環(huán)的加載預(yù)設(shè)電壓，該預(yù)設(shè)電壓為針對不同的等離子體放電模型，獲取刻蝕腔室中一個(gè)射頻周期內(nèi)的平均電壓的近似最大值。在等離子體刻蝕過程中，雖然上環(huán)逐漸被腐蝕掉，但由于中環(huán)限制了晶圓邊緣附近的電場分布，上環(huán)高度變化對晶圓邊緣的等離子體特性影響較小，尤其是對離子入射角度影響較小，能夠保證晶圓邊緣的刻蝕剖面的垂直度不發(fā)生較大變化。
【專利說明】用于等離子體刻蝕的聚焦環(huán)及具有其的等離子體刻蝕裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于等離子體設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及一種用于等離子體刻蝕的聚焦環(huán)及具有其的等離子體刻蝕裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，在集成電路制造工藝中，一般采用等離子體轟擊裝置進(jìn)行刻蝕。所述等離子體轟擊裝置是利用等離子轟擊原理將被轟擊材料表面的原子轟出從而達(dá)到刻蝕的目的，該裝置一般包括載片臺(tái)(同時(shí)作為下電極)和聚焦環(huán)等配件。如圖1所示，將需要進(jìn)行等離子體刻蝕加工的晶圓2’放置在載片臺(tái)I’的上表面，為了防止刻蝕過程中等離子體腐蝕載片臺(tái)I’從而縮短其使用壽命，載片臺(tái)I’小端圓柱直徑通常略小于晶圓2’的直徑，使晶圓2’完全覆蓋載片臺(tái)小端圓柱。在載片臺(tái)I’周圍環(huán)繞放置聚焦環(huán)3’，聚焦環(huán)3’內(nèi)側(cè)部分延伸到晶圓2’邊緣背面之下。引入聚焦環(huán)3’的作用是為了調(diào)節(jié)晶圓上表面空間的電場強(qiáng)度，保證晶圓邊緣區(qū)域與中心區(qū)域的刻蝕均勻性。
[0003]然而，由于聚焦環(huán)3’暴露在等離子體中，隨著等離子體刻蝕的進(jìn)行聚焦環(huán)3’將逐漸被腐蝕掉。由于聚焦環(huán)3’在刻蝕過程中高度的變化，晶圓2’邊緣的電場分布發(fā)生較大變化，使得離子入射角度嚴(yán)重偏斜于垂直方向，如圖2所示，從而造成等離子體刻蝕剖面發(fā)生偏移現(xiàn)象，最終導(dǎo)致晶圓邊緣區(qū)域的良品率大大降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決上述等離子體刻蝕晶圓過程中難以保持垂直刻蝕的技術(shù)問題。
[0005]為此，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種用于等離子體刻蝕的聚焦環(huán)。
[0006]本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提出一種具有該聚焦環(huán)的等離子體刻蝕裝置。
[0007]根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的用于等離子體刻蝕的聚焦環(huán)，包括:下環(huán)，所述下環(huán)采用耐等離子體腐蝕的絕緣體制成；中環(huán)，所述中環(huán)位于所述下環(huán)之上，采用導(dǎo)體制成；上環(huán)，所述上環(huán)位于所述中環(huán)之上，采用半導(dǎo)體或絕緣體制成。
[0008]該實(shí)施例的用于等離子體刻蝕的聚焦環(huán)，導(dǎo)體材料制成的中環(huán)可以加載電壓，可以在等離子體刻蝕腔室中起到調(diào)節(jié)并維持電場分布的作用，解決等離子體刻蝕晶圓過程中難以保持垂直刻蝕的技術(shù)問題。
[0009]另外，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于等離子體刻蝕的聚焦環(huán)還可以具有如下附加技術(shù)特征:
[0010]可選地，所述下環(huán)的材料為三氧化二鋁。
[0011]可選地，所述中環(huán)的材料為鋁。
[0012]可選地，所述上環(huán)的材料為硅、碳化硅或石英。
[0013]根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的等離子體刻蝕裝置，包括:載片臺(tái)，所述載片臺(tái)用于承托待刻蝕的晶圓；上文公開的聚焦環(huán)，所述聚焦環(huán)環(huán)繞設(shè)置在所述載片臺(tái)周圍，且所述聚焦環(huán)與所述晶圓不接觸，其中，所述中環(huán)加載有預(yù)設(shè)電壓，所述預(yù)設(shè)電壓的大小等于等離子體放電過程中的周期平均電壓的近似最大值。
[0014]該實(shí)施例的等離子體刻蝕裝置中，對聚焦環(huán)的中環(huán)加載電壓，可以調(diào)節(jié)并維持電場分布的作用，解決等離子體刻蝕晶圓過程中難以保持垂直刻蝕的技術(shù)問題。
[0015]另外，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于等離子體刻蝕的聚焦環(huán)還可以具有如下附加技術(shù)特征:
[0016]可選地，所述聚焦環(huán)的中環(huán)與下環(huán)之間的界面高于進(jìn)行等離子體刻蝕時(shí)鞘層的頂面。
[0017]可選地，所述中環(huán)的厚度為0.2-0.5mm。
[0018]本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:
[0020]圖1是傳統(tǒng)的用于等離子體刻蝕的聚焦環(huán)的裝配示意圖；
[0021]圖2是晶圓表面離子入射角度發(fā)生偏移的示意圖；
[0022]圖3是本發(fā)明實(shí)施例的聚焦環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖4是本發(fā)明實(shí)施例的等離子體刻蝕裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖5(a)是采用本發(fā)明實(shí)施例的等離子體刻蝕裝置的晶圓邊緣等電勢線分布圖(上環(huán)厚度為1.5mm)；
[0025]圖5(b)是采用本發(fā)明實(shí)施例的等離子體刻蝕裝置的晶圓邊緣等電勢線分布圖(上環(huán)厚度為0.5mm)；
[0026]圖5 (C)是采用本發(fā)明實(shí)施例的等離子體刻蝕裝置的晶圓邊緣離子入射角度分布圖；
[0027]圖6 (a)是未采用本發(fā)明實(shí)施例的等離子體刻蝕裝置的晶圓邊緣等電勢線分布圖(上環(huán)厚度為1.5mm)；
[0028]圖6 (b)是未采用本發(fā)明實(shí)施例的等離子體刻蝕裝置的晶圓邊緣等電勢線分布圖(上環(huán)厚度為0.5mm)；
[0029]圖6 (C)是未采用本發(fā)明實(shí)施例的等離子體刻蝕裝置的晶圓邊緣離子入射角度分布圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。
[0031]在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“中心”、“縱向”、“橫向”、“長度”、“寬度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底” “內(nèi)”、“外”、“順時(shí)針”、“逆時(shí)針”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。
[0032]在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術(shù)語應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。
[0033]在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接觸，或第一和第二特征通過中間媒介間接接觸。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或僅僅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或僅僅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0034]在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個(gè)實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任何的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。
[0035]根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的用于等離子體刻蝕的聚焦環(huán)，如圖3所示，可以包括:下環(huán)31、中環(huán)32和上環(huán)31。其中，下環(huán)31采用耐等離子體腐蝕的絕緣體制成，例如三氧化二鋁等。中環(huán)32位于下環(huán)31之上，采用導(dǎo)體制成，例如鋁等。上環(huán)33位于中環(huán)32之上，采用半導(dǎo)體或絕緣體制成，例如硅、碳化硅或石英等。
[0036]該實(shí)施例的用于等離子體刻蝕的聚焦環(huán)，導(dǎo)體材料制成的中環(huán)可以加載電壓，可以在等離子體刻蝕腔室中起到調(diào)節(jié)并維持電場分布的作用，解決等離子體刻蝕晶圓過程中難以保持垂直刻蝕的技術(shù)問題。
[0037]根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的等離子體刻蝕裝置，如圖4所示，包括:載片臺(tái)I和聚焦環(huán)3。其中，載片臺(tái)I用于承托待刻蝕的晶圓2。載片臺(tái)I同時(shí)作為下電極，通過隔直電容Cl連接到射頻源。為了防止載片臺(tái)I被腐蝕，通常載片臺(tái)I為階梯圓柱狀，其小端圓柱直徑略小于晶圓2的直徑。聚焦環(huán)3環(huán)繞設(shè)置在載片臺(tái)I周圍，且聚焦環(huán)3與晶圓2不接觸。通常地，由于制造公差和熱膨脹的需要，晶圓2外緣和聚焦環(huán)3內(nèi)側(cè)之間存在寬度為c的間隙，一般C=Imm左右?？蛇x地，環(huán)繞載片臺(tái)I大端圓柱及聚焦環(huán)3周圍設(shè)置一個(gè)邊緣環(huán)4。該邊緣環(huán)4主要用于屏蔽載片臺(tái)邊緣產(chǎn)生的游離電場以及提高下極板上方的等離子體均勻性。
[0038]聚焦環(huán)3可以為上文公開的任一種聚焦環(huán)。具體地，該聚焦環(huán)3由下環(huán)31、中環(huán)32和上環(huán)33組成。下環(huán)31延伸至晶圓2邊緣背面之下，下表面坐落在載片臺(tái)I的階梯面上。三個(gè)環(huán)同心放置，且上環(huán)33、中環(huán)32與下環(huán)31上部分寬度相同，或者中環(huán)32與下環(huán)31上部分寬度相同，上環(huán)33外徑大于中環(huán)32外徑，也即上環(huán)33完全覆蓋中環(huán)32。中環(huán)32為導(dǎo)體，并連接到直流電源的陽極，直流電源的陰極經(jīng)過電容C2接地。將中環(huán)32連接到直流電源上，針對不同等離子體放電模型，獲取腔室內(nèi)主等離子體區(qū)的一個(gè)射頻周期內(nèi)的平均電壓的近似最大值，設(shè)定直流電源的額定電壓為該平均電壓的近似最大值。[0039]根據(jù)不同等離子體放電模型中晶圓2上表面的鞘層厚度，設(shè)置下環(huán)31上表面hi略高于晶圓2上表面高度，一般取下環(huán)31厚度hl=l?2mm，中環(huán)32厚度h2=0.2?0.5mm,上環(huán)33厚度h3=l.5?2.5mm。
[0040]該實(shí)施例的等離子體刻蝕裝置中，對聚焦環(huán)的中環(huán)加載電壓，可以調(diào)節(jié)并維持電場分布的作用，解決等離子體刻蝕晶圓過程中難以保持垂直刻蝕的技術(shù)問題。
[0041]為使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例說明本發(fā)明的有益效
果O
[0042]處于晶圓2上方的鞘層，是影響刻蝕的重要區(qū)域，其內(nèi)存在的強(qiáng)大電場對離子入射角度影響很大。選取上環(huán)33和下環(huán)31的材料均為石英，中環(huán)32電位被維持在0v，hl=l.3mm,h2=0.5mm,圖5 (a)和圖5 (b)分別為h3=0.5mm和h3=l.5mm時(shí)晶圓邊緣電場分布。由于中環(huán)32所處高度比鞘層厚度稍大，晶圓2邊緣區(qū)域的電勢線主要集中在中環(huán)32下方，而中環(huán)32上方只有少量電勢線存在。當(dāng)上環(huán)33高度變化時(shí)，只會(huì)影響中環(huán)32上方的少量電勢線，對中環(huán)32下方大多數(shù)電勢線分布影響甚微。由圖5 (a)和圖5 (b)可知,上環(huán)33高度由1.5mm降低到0.5mm時(shí)，中環(huán)32以下電場分布幾乎未發(fā)生變化。圖5 (c)顯示了采用本發(fā)明的技術(shù)方案時(shí)晶圓邊緣離子入射角度沿徑向的分布，實(shí)線和虛線分別為上環(huán)33高度為1.5mm和0.5mm時(shí)離子入射角度隨半徑的變化曲線。由兩圖對比可知，當(dāng)上環(huán)33高度由1.5mm降低為0.5_，采用本發(fā)明裝置時(shí)，同一位置不同時(shí)刻離子入射角度變化在1°?1.5°之間。以在晶圓徑向148mm處為例，采用本發(fā)明裝置時(shí)，上環(huán)33高度為1.5mm和0.5mm時(shí)離子入射角度分別為-5.6°和-7°，變化范圍為1.4°。
[0043]作為對比，將中環(huán)32選為與上環(huán)33和下環(huán)31同樣的材料石英，也即現(xiàn)有聚焦環(huán)結(jié)構(gòu)，但并不維持中環(huán)32電位為預(yù)設(shè)電壓。其對應(yīng)的晶圓邊緣電場分布見圖6 (a)和圖6(b),當(dāng)上環(huán)33高度由1.5mm降低為0.5mm時(shí)，晶圓邊緣電場分布明顯不同。圖6 (c)顯示了未采用本發(fā)明的技術(shù)方案時(shí)晶圓邊緣離子入射角度沿徑向的分布，實(shí)線和虛線分別為上環(huán)33高度為1.5mm和0.5mm時(shí)離子入射角度隨半徑的變化曲線。當(dāng)上環(huán)33高度由1.5mm降低為0.5_，未采用本發(fā)明裝置時(shí)越靠近晶圓2邊緣處離子入射角度變化越大。以在晶圓徑向148mm處為例，未采用本發(fā)明裝置時(shí)，上環(huán)33高度為1.5mm和0.5mm時(shí)離子入射角度分別為-0.5°和-3.5°，變化范圍為3°，為采用本發(fā)明裝置的2倍多。
[0044]由上可知，采用本發(fā)明的裝置，隨著刻蝕的進(jìn)行，盡管聚焦環(huán)的上環(huán)逐漸被腐蝕掉，其高度逐漸降低，但由于中環(huán)限制了晶圓邊緣附近的電場分布，上環(huán)高度變化對晶圓邊緣的等離子體特性(尤其是離子入射角度)影響甚小，能夠保證晶圓邊緣的刻蝕剖面的垂直度不發(fā)生較大變化。因此，在等離子體刻蝕過程中，本發(fā)明的技術(shù)方案能夠保持晶圓2邊緣刻蝕剖面的垂直度，顯著提高晶圓邊緣區(qū)域的良品率。隨著刻蝕的進(jìn)行，只需要定期更換上環(huán)33即可，操作簡單，成本大大降低。
[0045]盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，可以理解的是，上述實(shí)施例是示例性的，不能理解為對本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對上述實(shí)施例進(jìn)行變化、修改、替換和變型。
【權(quán)利要求】
1.一種用于等離子體刻蝕的聚焦環(huán)，其特征在于，包括: 下環(huán)，所述下環(huán)采用耐等離子體腐蝕的絕緣體制成； 中環(huán)，所述中環(huán)位于所述下環(huán)之上，采用導(dǎo)體制成； 上環(huán)，所述上環(huán)位于所述中環(huán)之上，采用半導(dǎo)體或絕緣體制成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚焦環(huán)，其特征在于，所述下環(huán)的材料為三氧化二鋁。
3.根據(jù)權(quán)利要求1-2所述的聚焦環(huán)，其特征在于，所述中環(huán)的材料為鋁。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3所述的聚焦環(huán)，其特征在于，所述上環(huán)的材料為硅、碳化硅或石英。
5.一種等離子體刻蝕裝置，其特征在于，包括: 載片臺(tái)，所述載片臺(tái)用于承托待刻蝕的晶圓； 權(quán)利要求1-4所述的聚焦環(huán)，所述聚焦環(huán)環(huán)繞設(shè)置在所述載片臺(tái)周圍，且所述聚焦環(huán)與所述晶圓不接觸， 其中，所述中環(huán)加載有預(yù)設(shè)電壓，所述預(yù)設(shè)電壓的大小等于等離子體放電過程中的周期平均電壓的近似最大值。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的等離子體刻蝕裝置，其特征在于，所述聚焦環(huán)的中環(huán)與下環(huán)之間的界面高于進(jìn)行等離子體刻蝕時(shí)鞘層的頂面。
7.根據(jù)權(quán)利要求5-6所述的等離子體刻蝕裝置，其特征在于，所述中環(huán)的厚度為·0.2-0.5mm。
【文檔編號】H01J37/02GK103811247SQ201410053269
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年2月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月17日
【發(fā)明者】韓文彬, 馮涓, 段文睿, 田凌 申請人:清華大學(xué)