一种具有低频射频功率分布调节功能的等离子反应器制造技术

本发明专利技术提供一种具有低频射频功率分布调节功能的等离子反应器，包括：一反应腔，反应腔内具有一导电基座，导电基座通过一个第一匹配器连接到一个低频射频电源，导电基座上包括一个静电夹盘，静电夹盘上表面用于固定待处理基片，导电基座外侧壁涂覆有至少一层耐等离子腐蚀的绝缘材料层，一个由绝缘材料制成的耦合环围绕在基座外周围，一个聚焦环设置在所述耦合环上方，所述聚焦环围绕所述静电夹盘并且在等离子处理过程中暴露于等离子体，还包括一个环形电极位于所述耦合环上方和聚焦环的下方，一导线第一端电连接到所述基座，第二端连接到所述环形电极，一可变电容串联在所述导线上。

A plasma reactor with low frequency radio frequency power distribution regulation function

The present invention provides a plasma reactor with low frequency radio frequency power distribution regulation function, which includes a reaction chamber with a conductive base connected to a low frequency radio frequency power supply through a first matcher. The conductive base includes an electrostatic chuck. The surface of the electrostatic chuck is used to fix the substrate to be processed, and the outer wall of the conductive base is coated with to. Less than one layer of plasma corrosion resistant insulating material, a coupling ring made of insulating material surrounds the periphery of the base, and a focusing ring is arranged above the coupling ring. The focusing ring surrounds the electrostatic chuck and is exposed to plasma during plasma treatment. A ring electrode is also located above the coupling ring and below the focusing ring, and a conductor is arranged below the focusing ring. One end is electrically connected to the base, the second end is connected to the ring electrode, and a variable capacitor is connected in series to the conductor.

【技术实现步骤摘要】
一种具有低频射频功率分布调节功能的等离子反应器
本专利技术涉及半导体加工
，具体涉及一种具有低频射频功率分布调节功能的等离子反应器。
技术介绍
半导体芯片被日益广泛的应用到各种电子设备中，其中半导体芯片加工过程需要用到大量等离子处理器，这些处理器会对待处理的基片进行等离子刻蚀、化学气相沉积等工艺。图1a是一个典型的用于等离子刻蚀的处理器，该处理器包括反应腔10，反应腔顶部包括一个绝缘材料窗，绝缘材料窗上方设置有电感线圈7，电感线圈7通过一个射频匹配器8连接到一个高频（13MHz及以上）射频电源6，还包括至少一个反应气体源11经过阀门95和气体喷头90将反应气体送入反应腔中，以形成等离子体对基片进行刻蚀。反应腔10内部下方包括一个基座20，基座通过一个偏置射频功率匹配器连接到一个偏置射频源4，其中偏置射频源输出的低频射频频率一般低于2MHz。反应腔10底部还包括一个排气装置排出气体，维持反应腔内低压，一个阀门3通过调节阀门开度调节内部气压大小。基座20通常由铝合金进行表面阳极氧化制成，或者在铝合金表面涂覆一层绝缘的耐腐蚀材料层，以避免被反应腔内的刻蚀气体腐蚀，造成颗粒污染等一系列问题。基座上表面设置有一个静电夹盘21用于固定基片22到静电夹盘上表面。基座下部外围还包括一个突出的台阶部，台阶部上设置有耦合环25，通过对耦合环125的材料和形状尺寸的选择，改变基片边缘区域耦合的射频能量分布。耦合环25上方设置有一个聚焦环23，其中聚焦环23内壁围绕并紧贴基片22，而且聚焦环23的上表面暴露到上方的等离子体。在等离子处理过程中偏置射频功率被用来控制形成在基片上表面的和聚焦环上表面的鞘层厚度，鞘层的厚度决定了等离子体中的离子入射到基片的能量和方向。如果基片边缘区域和聚焦环的鞘层不连续分布的话会造成基片边缘区域刻蚀速率和刻蚀方向（edgetilting）与基片中心区域的差别，降低基片加工均匀性，影响最终芯片的良率。由于聚焦环23是长期保留在充满刻蚀气体的等离子体中的，所以在进行一定长度的等离子处理后聚焦环23表面材料必然会被腐蚀，因此聚焦环上表面的高度会随之下降，下降的高度会严重影响基片边缘区域鞘层的分布和形态，为了抵消这种长期工作中产生的等离子处理效果漂移，需要设计对应的补偿机构或方法。部分现有技术中将耦合环25或者聚焦环内部设为环形空腔，将绝缘液体通入这个空腔中，通过调节绝缘液体的量或者成分来改变偏置射频功率分布到聚焦环上方的功率大小，从而补偿聚焦环高度变化代理的处理效果漂移。这种方法需要在反应腔内设置绝缘液供应管路，零部件内部还需要保持气密的情况下设置空腔，介电液位的高度也很难测量，所以在工程应用中使得部件结构更复杂成本更高，而且很难对电场分布进行精确的微量调整。还有部分现有技术在反应腔内设置机械驱动装置，驱动耦合环25或者聚焦环23可以微量上下运动，以改变基片边缘区域的电场分布，但是这种方法由于存在运动部件会带来颗粒污染的问题，而且运动的耦合环25和聚焦环23的精确定位也是很大的问题，1mm以下的位置偏移都会导致基片上处理效果的不均匀分布。上述两种现有技术中的调节方法不仅存在各自的问题，而且还存在一个最严重的缺陷，上述调节方法对耦合到聚焦环23的低频射频功率的影响很小，也就是必须进行大幅度的调节才能有效改善功率分配。如图1b所示，输入的低频射频功率P0经过基座20与基片22之间的等效电容C11耦合P1’功率到基片，同时经过基座20到耦合环25和聚焦环23的等效电容C12耦合P2’到聚焦环25。其中C12的值非常小，而且很难调节，所以P2’会远小于P1’且功率比例很难调。为了增加C12可以选择铝、碳化硅等高导电性的材料制造耦合环25，但是这种选择一种材料来补偿的方法只能补偿一段时间，无法动态的补偿由于聚焦环损耗带来的处理效果漂移。所以业内需要开发一种新的调节装置，来微量精密调节低频射频功率在基片中心和基片边缘区域的射频功率分布，从而改善基片处理工艺的均匀性。最佳的，该调节装置需要结构简单、成本低廉，能够应用于各种等离子处理装置。
技术实现思路
本专利技术提供了一种等离子反应器，能够简单有效的调整基片边缘区域射频功率，补偿聚焦环长期使用中的损耗带来的基片边缘倾斜刻蚀（edgetilting）。本专利技术公开一种具有低频射频功率分布调节装置的等离子反应器，包括：一反应腔，反应腔内具有一导电基座，导电基座通过一个第一匹配器连接到一个低频射频电源，导电基座上包括一个静电夹盘，静电夹盘上表面用于固定待处理基片，导电基座外侧壁包括至少一层耐等离子腐蚀的绝缘材料层，一个由绝缘材料制成的耦合环围绕在基座外周围，一个聚焦环设置在所述耦合环上方，所述聚焦环围绕所述静电夹盘并且在等离子处理过程中暴露于等离子体，还包括一个环形电极位于所述耦合环上方和聚焦环的下方，一导线第一端电连接到所述基座，第二端连接到所述环形电极，一可变电容串联在所述导线上。其中所述低频射频电源输出的射频信号的频率小于13MHz，较佳地低频射频源输出的射频信号的频率小于2Mhz。所述反应器还包括一个进气装置和一个高频射频电源，高频射频电源输出高频射频功率到所述反应腔，使得通入反应腔的反应气体产生等离子体，其中高频射频电源输出的射频信号的频率大于13MHz。本专利技术可以应用于电容耦合等离子反应腔（CCP），CCP反应腔顶部包括一个上电极，反应气体通过所述上电极被送入反应腔，所述高频射频电源连接到所述基座或者上电极。本专利技术也可以应用于ICP等离子反应腔，ICP反应腔顶部包括一个绝缘材料窗，一个电感线圈位于所述绝缘材料窗上方，所述高频射频电源通过一个第二匹配器向所述电感输送射频功率。本专利技术的可变电容设置在所述基座下方，较佳地，所述反应腔底部包括一个气密隔板，可变电容位于所述气密隔板下方的大气环境中。所述反应腔壁由接地金属组成，所述接地金属包围形成电场屏蔽空间，所述可变电容位于所述电场屏蔽空间内。其中所述导电基座外侧壁的耐等离子腐蚀的绝缘材料层由氧化铝或者氧化钇制成，耦合环由氧化硅或氧化铝制成。本专利技术中等离子反应器的导电连接部也可以包括多根分支导线，每根分支导线在聚焦环下方均匀分布，且多根分支导线的一端连接到所述环形电极另一端连接到共用的可变电容。或者多根分支导线在聚焦环下方均匀分布，且多根分支导线的第一端连接到环形电极，另一端连接到基座，每根分支导线上串联有各自的可变电容。进一步的，所述环形电极由多个弧形导电片组成，每个弧形导电片之间包括间隙或者隔离部件，使得每个弧形导电片互相电隔离，所述多根导线第一端分别连接到所述多个弧形导电片。从而实现对整个基片边缘环形区域的鞘层厚度进行分区独立调整。附图说明图1a为现有技术等离子处理器示意图；图1b为现有技术等离子处理器中低频射频功率分布示意图；图2a是本专利技术等离子处理器示意图；图2b是本专利技术等离子处理器中低频射频功率分布示意图；图3是本专利技术等离子处理器另一实施例的示意图；图4是本专利技术等离子处理器第三实施例的示意图；图5是本专利技术等离子处理器第四实施例的示意图。具体实施方式以下结合附图2，进一步说明本专利技术的具体实施例。经过专利技术人研究发现，当高频的射频功率被输入基座120时射频功率能够轻易的耦合到聚焦环处，因为对于高频信号来说基本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有低频射频功率分布调节功能的等离子反应器，包括：一反应腔，反应腔内具有一导电基座，导电基座通过一个第一匹配器连接到一个低频射频电源，导电基座上包括一个静电夹盘，静电夹盘上表面用于固定待处理基片，一个耦合环围绕在导电基座外周围，一个聚焦环设置在所述耦合环上方，所述聚焦环围绕所述静电夹盘并且在等离子处理过程中暴露于等离子体，还包括一个环形电极位于所述耦合环上方，一导电连接部，所述导电连接部包括至少一根导线，所述导线的第一端电连接到所述导电基座或者电连接到与所述导电基座电耦合的一导电部，所述导线的第二端电连接到所述环形电极，一可变阻抗装置串联在所述导线上。

【技术特征摘要】
1.一种具有低频射频功率分布调节功能的等离子反应器，包括：一反应腔，反应腔内具有一导电基座，导电基座通过一个第一匹配器连接到一个低频射频电源，导电基座上包括一个静电夹盘，静电夹盘上表面用于固定待处理基片，一个耦合环围绕在导电基座外周围，一个聚焦环设置在所述耦合环上方，所述聚焦环围绕所述静电夹盘并且在等离子处理过程中暴露于等离子体，还包括一个环形电极位于所述耦合环上方，一导电连接部，所述导电连接部包括至少一根导线，所述导线的第一端电连接到所述导电基座或者电连接到与所述导电基座电耦合的一导电部，所述导线的第二端电连接到所述环形电极，一可变阻抗装置串联在所述导线上。2.如权利要求1所述的等离子反应器，其特征在于，所述导电基座外围下方包括一台阶部，所述导电部位于所述导电基座的台阶部上方，所述耦合环由绝缘材料制成且设置在所述导电部上方，所述导电基座外侧壁包括至少一层耐等离子腐蚀的绝缘材料层。3.如权利要求1所述的等离子反应器，其特征在于，所述环形电极位于聚焦环下方。4.如权利要求1所述的等离子反应器，其特征在于，所述聚焦环由绝缘材料制成，所述环形电极埋设于聚焦环内。5.如权利要求1所述的等离子反应器，其特征在于，所述环形电极埋设于所述耦合环内上半部。6.一种具有低频射频功率分布调节功能的等离子反应器，包括：一反应腔，反应腔内具有一导电基座，导电基座通过一个第一匹配器连接到一个低频射频电源，导电基座上包括一个静电夹盘，静电夹盘上表面用于固定待处理基片，一个耦合环围绕在基座外周围，一个聚焦环设置在所述耦合环上方，所述聚焦环围绕所述静电夹盘并且在等离子处理过程中暴露于等离子体，所述聚焦环由导体或者半导体材料制成，还包括至少一根导线，所述导线的第一端电连接到所述导电基座或者电连接到与所述导电基座电耦合的一导电部，所述导线的第二端电连接到所述聚焦环，一可变阻抗装置串联在所述导线上。7.如权利要求1至6任一项所述的等离子反应器，其特征在于，所述低频射频电源输出的射频信号的频率小于13MHz。8.如权利要求7所述的等离子反应器，其特征在于，所述低频射频电源输出的射频信号的频率小于2Mhz。9.如权利要求1至6任一项所述的等离子反应器，其特征在于，所述反应器还包括一个进气装置和一个高频射频电源，高频射频电源输出高频射频功率到所述反应腔，使得通入反应腔的反应气体产生等离子体，其中高频射频电源输出的射频信号的频率大于13MHz。10.如权利要求9所述的等离子反应器，...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵馗，刘身健，倪图强，
申请(专利权)人：中微半导体设备上海有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31