一种高度可调节聚焦环及等离子体刻蚀设备的制作方法

1.本实用新型涉及半导体加工设备技术领域，具体涉及一种高度可调节聚焦环及等离子体刻蚀设备。


背景技术：

2.在半导体集成电路制造工艺中，刻蚀是其中最为重要的一道工序，其中等离子体刻蚀是常用的刻蚀方式之一。
3.现有技术中，对半导体器件等进行制作时，刻蚀发生在设备的真空反应腔室50内。通常，在设备真空反应腔室50中部的基座60上设置有机械电极20，晶圆10放置在机械电极20上后，位于基座顶部的电极施加射频，使得引入处理腔室内的反应气体形成等离子体，实现对晶圆的加工处理。在置于电极表面上的晶圆外，配置有聚焦环以避免影响晶圆的工艺稳定性，特别是可避免影响晶圆边缘的工艺结果，一般称为边缘效应。
4.请参见图13，该图示出了现有一种典型等离子系统机台的装配关系示意图。图中所示，基座60外周套装有绝缘环30，聚焦环40'固定设置在绝缘环30上，即聚焦环40'相对于晶圆10上表面的高度尺寸关系固定不变。而在处理晶圆时，由于工艺需求多样化，现有聚焦环结构无法适用于不同工艺对聚焦环上表面高度位置的要求。例如但不限于，工艺要求聚焦环上表面要高于晶圆上表面的情形，工艺要求聚焦环上表面要低于晶圆上表面的情形。
5.有鉴于此，亟待针对现有聚焦环进行结构优化，以有效提高等离子体刻蚀设备的可适应性。


技术实现要素：

6.为解决上述技术问题，本实用新型提供一种高度可调节聚焦环及等离子体刻蚀设备，通过对聚焦环结构的改进优化，得以能够根据需要调节其上表面的高度，为满足不同使用工况的需要提供良好的技术保障。
7.本实用新型提供的一种高度可调节聚焦环，用于设置在位于电极外周的绝缘环上，具体包括上聚焦环和下聚焦环，所述上聚焦环和所述下聚焦环之间配置有高度调节适配副，调节所述上聚焦环相对于所述下聚焦环的高度；至少部分所述上聚焦环位于所述下聚焦环的上方，且该部分所述上聚焦环的下表面与所述下聚焦环的上表面之间配置有径向阻隔适配副，所述径向阻隔适配副配置为：在所述高度调节的行程范围内，构建聚焦环径向内外侧的气流阻隔。
8.优选地，所述上聚焦环的下表面与所述下聚焦环的上表面之间，一者上设置有环形外凸圈、另一者上设置有环形内凹槽；所述外凸圈插装在所述内凹槽内形成所述径向阻隔适配副，并配置为：在所述高度调节的行程范围内，所述外凸圈的至少部分本体位于所述内凹槽中。
9.优选地，相适配的所述环形外凸圈和所述环形内凹槽，设置为沿径向依次间隔布置的多组。
10.优选地，所述上聚焦环的径向内端侧位于所述下聚焦环的上方，所述上聚焦环的径向外端侧具有向下延伸形式的环形第一延展部；所述下聚焦环的外周表面具有外螺纹，所述第一延展部的内周表面具有内螺纹，所述外螺纹与所述内螺纹形成所述高度调节适配副。
11.优选地，所述上聚焦环的内周表面的上沿具有倒角斜面，所述倒角斜面与水平面的夹角为30
°
～60
°
。
12.优选地，所述下聚焦环的上表面低于所述电极的承载表面。
13.优选地，所述上聚焦环的径向外端侧位于所述下聚焦环的上方，所述上聚焦环的径向内端侧具有向下延伸形式的环形第二延展部；所述下聚焦环的内周表面具有内螺纹，所述第二延展部的外周表面具有外螺纹，所述内螺纹与所述外螺纹形成所述高度调节适配副。
14.优选地，所述上聚焦环和所述下聚焦环采用氧化铝陶瓷、碳化硅陶瓷、金属铝合金或塑料材质制成。
15.优选地，所述上聚焦环和所述下聚焦环采用相同材料制成，或者采用不同材料制成。
16.本实用新型还提供一种等离子体刻蚀设备，包括等离子体刻蚀腔，所述等离子体刻蚀腔中的基座上设置有用于承载待处理晶圆的电极，所述电极的外周设置有绝缘环，所述绝缘环上设置有如前所述的高度可调节聚焦环。
17.针对现有技术，本实用新型另辟蹊径针对聚焦环提出了高度调节优化设计，该聚焦环采用分体式可分离设计，在其上聚焦环和下聚焦环之间配置有高度调节适配副，调节上聚焦环相对于下聚焦环的工作高度，由此可根据需要进行调节，使得上聚焦环上表面所处的高度位置满足相应的工艺要求，可提高等离子刻蚀设备的可适应性。同时，至少部分上聚焦环位于下聚焦环的上方，且该部分上聚焦环的下表面与下聚焦环的上表面之间配置有径向阻隔适配副，该径向阻隔适配副配置为：在高度调节的行程范围内，构建聚焦环径向内外侧的气流阻隔；也就是说，随上聚焦环高度位置的调节，该径向阻隔适配副始终保持对上、下聚焦环分离所形成空腔的气流阻隔，并可减小上下两部分聚焦环结构间的空腔体积；基于聚焦环径向内外侧的气流阻隔，可避免等离子在该分离空腔区域聚集。如此设置，可规避在上、下聚焦环分离所形成的空腔内出现等离子体打火，换言之可避免形成径向导电回路，进而避免出现烧坏聚焦环的可能性。与现有技术相比，应用本方案提供的高度可调节聚焦环具有下述有益技术效果：
18.首先，基于分体式上、下聚焦环的基础设计，可利用两者间的高度调节适配副进行整体高度的调节，满足不同工况的工艺要求；同时在提高设备可适应性的基础上，能够有效兼顾聚焦环的使用寿命，以及晶圆的工艺稳定性。
19.其次，在本实用新型的优选方案中，其上聚焦环的下表面与下聚焦环的上表面之间，一者上设置有环形外凸圈、另一者上设置有环形内凹槽；利用外凸圈插装在内凹槽内形成径向阻隔适配副，在高度调节的行程范围内，外凸圈的至少部分本体位于相适配的内凹槽中。这样，上聚焦环相对于下聚焦环上移时，一部分外凸圈本体脱离内凹槽，另一部分外凸圈本体置于内凹槽中，以构建对上、下聚焦环分离所形成空腔的气流阻隔；在实际应用中，当上聚焦环上移至其高度调节行程范围的最高点位置时，至少有部分外凸圈本体位于
相适配的内凹槽中，也就是说，外凸圈全程不完全脱离内凹槽，始终保持气流阻隔。具有结构简单、可靠的特点。
20.在本实用新型的另一优选方案中，相适配的环形外凸圈和环形内凹槽，设置为沿径向依次间隔布置的多组。如此设置，可根据聚焦环的实际尺寸进行选择环形外凸圈和环形内凹槽的具体数量，以进一步提升气流阻隔的可靠性。
21.再次，在本实用新型的又一优选方案中，上聚焦环的径向内端侧位于下聚焦环的上方，上聚焦环的径向外端侧具有向下延伸形式的环形第一延展部，且该第一延展部的内周表面具有内螺纹，下聚焦环的外周表面具有与其适配的外螺纹；或者，上聚焦环的径向外端侧位于下聚焦环的上方，上聚焦环的径向内端侧具有向下延伸形式的环形第二延展部，且该第二延展部的外周表面具有外螺纹，下聚焦环的内周表面具有与其适配的内螺纹。如此设置，由分别位于上、下聚焦环上的相适配的内螺纹和外螺纹形成高度调节适配副。基于此，旋动上聚焦环即可调节其相对于下聚焦环的高度位置，具有较好的可操作性。
附图说明
22.图1为实施例一所述高度可调节聚焦环的使用状态示意图；
23.图2为图1中所示高度可调节聚焦环的另一使用状态示意图；
24.图3为实施例一所述上聚焦环的立体图；
25.图4为图3中所示上聚焦环的剖视图；
26.图5为实施例一所述下聚焦环的立体图；
27.图6为图5中所示下聚焦环的剖视图；
28.图7为实施例二所述高度可调节聚焦环的使用状态示意图；
29.图8为实施例二所述上聚焦环的立体图；
30.图9为图8中所示上聚焦环的剖视图；
31.图10为实施例二所述下聚焦环的立体图；
32.图11为图10中所示下聚焦环的剖视图；
33.图12为实施例三所述高度可调节聚焦环的使用状态示意图；
34.图13为现有一种典型等离子系统机台的装配关系示意图。
35.图中：
36.晶圆10、电极20、绝缘环30、延展部31、聚焦环40、上聚焦环41、第一延展部411、内螺纹4111、第二延展部411'、外螺纹4111'、外凸圈412、外凸圈412'、倒角斜面413、下聚焦环42、外螺纹421、内螺纹421'、内凹槽422、内凹槽422'；
37.高度调节适配副a；径向阻隔适配副b；
38.真空反应腔室50、基座60、聚焦环40'。
具体实施方式
39.为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
40.不失一般性，本实施方式以图中所示的电极作为描述基础，其置于等离子刻蚀设备的真空反应腔室中。如图所示，待处理晶圆10设置在电极20上表面上，该电极20的外周设
置有绝缘环30，该绝缘环30具有径向向内延伸形成的延展部31，并在电极20与绝缘环30之间形成环形安装空间，以将聚焦环40设置在该延展部31上。由此，使得置于电极20上的晶圆10处于良好的工艺环境。应当理解，该真空反应腔室的具体结构形式及其实际具体应用，对于本技术请求保护的技术方案并未构成实质性限制。
41.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“水平”和“高度”指示的方位或位置关系，是以附图所示使用状态为基准定义的；术语“径向”内”和“外”指示的方位或位置关系，是以聚焦环结构的回转中心为基准定义的，这里，接近中心的一侧为“侧”、远离中心的另一侧为“外”。可以理解的是，上述方位词的使用仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。
42.实施例一
43.请参见图1，该图为本实施例所述高度可调节聚焦环的使用状态示意图。为了清楚示出本实施例与现有技术的区别和联系，对于具有相同功能的构成和结构，以同一标记在图中进行示明。
44.如图所示，该高度可调节聚焦环40为分体式结构，具体包括上聚焦环41和下聚焦环42，且两者之间配置有高度调节适配副a，以调节上聚焦环41相对于下聚焦环42的高度，也即，通过该高度调节适配副a调整上聚焦环41的工作高度，以此使得上聚焦环41上表面所处的高度位置满足不同的工艺要求。请一并参见图2，该图为上聚焦环41调高后的一种使用状态示意图。
45.在具体应用中，对于工艺上要求聚焦环40上表面高于晶圆10上表面的情形，则该高度可调节聚焦环40可以为图1所示的使用状态，请参见图1中高度尺寸标记h1；例如但不限于，适用于等离子体镀膜工艺中。对于工艺上要求聚焦环40上表面低于晶圆10上表面的情形，则该高度可调节聚焦环40可以为图2所示的使用状态，请参见图2中高度尺寸标记h2，例如但不限于，适用于等离子刻蚀工艺中。
46.当然，基于该高度调节适配副a的设置，除调整上聚焦环41上表面高于或低于晶圆10上表面外，还可以调节至上聚焦环41的上表面与晶圆10上表面齐平的使用状态。
47.本实施例中，上聚焦环41的径向内端侧位于下聚焦环42的上方，也即，位于上聚焦环41径向内端侧的本体部分，在高度方向与下聚焦环42叠合。同时，在上聚焦环41的径向外端侧具有向下延伸形式的环形延展部411，且该第一延展部411的内周表面具有内螺纹4111，请一并参见图3和图4，其中，图3为本实施例所述上聚焦环的立体图，图4为图3中所示上聚焦环的剖视图。相应地，下聚焦环42的外周表面具有外螺纹421，请一并参见图5和图6，其中，图5为本实施例所述下聚焦环的立体图，图6为图5中所示下聚焦环的剖视图。
48.具体地，下聚焦环42上的外螺纹421与上聚焦环41上的内螺纹4111形成高度调节适配副a。这样，当需要根据具体工艺调整上聚焦环41的工作高度时，旋动上聚焦环41，即可调节其相对于下聚焦环42的高度。操作简单，且维护方便。
49.需要说明的是，高度调节适配副a还可以采用其他不同的结构形式实现，例如但不限于，采用气动执行件或者形状记忆合金作为基础结构，只要实现调节上、下聚焦环高度位置的功能需要。
50.其中，上聚焦环41的径向内端侧的下表面与下聚焦环42的上表面之间配置有径向
阻隔适配副b，该径向阻隔适配副b配置为：在高度调节的行程范围内，构建聚焦环径向内外侧的气流阻隔；也就是说，随上聚焦环42高度位置的调整，上、下聚焦环分离将形成图2所示的空腔l，该径向阻隔适配副b始终保持对该空腔l的气流阻隔，限制图2中两个箭头所示位置处的等离子导通，从而避免形成导电回路。这样，基于对聚焦环径向内外侧的气流阻隔，可减小上下两部分聚焦环之间的空腔体积，避免等离子在该分离空腔区域形成聚集，从而能够规避出现等离子体打火导致烧坏聚焦环的可能性。
51.本实施例中，上聚焦环41的下表面设置有环形外凸圈412，相应地，下聚焦环42的上表面设置有环形内凹槽422。上聚焦环41与下聚焦环42组装后，该外凸圈412插装在内凹槽422内形成该径向阻隔适配副b，并配置为：在高度调节的行程范围内，外凸圈412的至少部分本体位于内凹槽422中。这里的“高度调节的行程范围”是指，上聚焦环41相对于下聚焦环42的最低高度位置至最高高度位置之间的物理距离。
52.这样，上聚焦环41相对于下聚焦环42上移时，一部分外凸圈412本体脱离内凹槽422，另一部分外凸圈412本体置于内凹槽422中，以构建对上、下聚焦环分离所形成空腔l的气流阻隔；在实际应用中，当上聚焦环41继续上移，至其高度调节行程范围的最高点位置时，至少还有部分外凸圈412本体位于相适配的内凹槽422中。也就是说，该外凸圈412全程不完全脱离内凹槽422，始终保持气流阻隔。
53.作为优选，外凸圈412与内凹槽422相邻适配表面之间的径向间隙小于3mm。图中所示，内凹槽422的径向截面形状为矩形，外凸圈412的径向截面形状也呈与其相适配的矩形。应当理解，两者截面形状非局限于图中所示优选示意，具体可根据不同设备总体设计要求进行选择，例如但不限于，内凹槽422的径向截面的槽底部呈内凹弧状，只要满足构建径向阻隔适配副b的功能需要，均在本技术请求保护的范围内。
54.当然，构建径向阻隔适配副b的外凸圈和内凹槽也可以反向设置(图中未示出)，也即，环形外凸圈设置在下聚焦环的上表面上，环形内凹槽设置在上聚焦环的下表面上，同样可以达成上述阻隔的作用。
55.为了防止晶圆10无法下落至电极20的上表面，影响晶圆2的工艺效果。作为优选，该下聚焦环42的上表面低于20电极的承载表面，以避免下聚焦环42形成干涉。这样，晶圆10得以准确落在电极20的上表面，两者可直接接触，能够确保晶圆2的工艺效果。具体来说，下聚焦环42的上表面低于20电极的承载表面0.01mm～0.5mm即可。
56.该高度可调节聚焦环40组装在绝缘环30上后，下聚焦环42的中心通孔的内径与相对位置处的电极20外径相适配，以便其可包覆在电极20的外周。同时，上聚焦环41的中心通孔的内径略大于待处理晶圆10的外径，即可保证晶圆10经由其中心通孔下落至电极20上表面，并可形成对该晶圆10的径向限位。
57.另外，如图4所示，上聚焦环41内周表面的上沿具有倒角斜面413，以利于调节晶圆10边缘区域的气流方向，这样，待处理晶圆10边缘部分刻蚀速率不会或大或小，可有效提高晶圆10边缘处理的均匀性。作为优选，该倒角斜面413与水平面的夹角α为30
°
～60
°
。
58.此外，上聚焦环41和下聚焦环42可采用氧化铝陶瓷、碳化硅陶瓷、金属铝合金或塑料材质制成。其中，上聚焦环41和下聚焦环42可采用相同材料制成，或者采用不同材料制成。
59.实施例二
60.与实施例一相比，本方案的区别在于：相适配的环形外凸圈412'和环形内凹槽422'，设置为沿径向依次间隔布置的三组。请参见图7，该图为本方案所述高度可调节聚焦环的使用状态示意图。为了清楚示出本方案与实施例一的区别和联系，对于具有相同功能的构成和结构，以同一标记在图中进行示明。
61.本实施例中，径向阻隔适配副b由三组相适配的外凸圈412'和内凹槽422'形成。由此，可进一步增加阻断等离子体回路的可靠性，避免等离子体点火。
62.三个外凸圈412'间隔设置在上聚焦环41的下表面，请一并参见图8和图9，其中，图8为本实施例所述上聚焦环的立体图，图9为图8中所示上聚焦环的剖视图。相应地，三个内凹槽422'间隔设置在下聚焦环的上表面，请一并参见图10和图11，其中，图10为本实施例所述下聚焦环的立体图，图11为图10中所示下聚焦环的剖视图。
63.可以理解的是，相适配的环形外凸圈412'和环形内凹槽422'非局限于图中所示的三组，还可根据聚焦环的实际尺寸进行选择环形外凸圈和环形内凹槽的具体数量，以进一步提升气流阻隔的可靠性。
64.另外，多组相适配的外凸圈412'和内凹槽422'的径向尺寸，可完全相同或者不同。该高度可调节聚焦环40的其他功能构成和结构与实施例一相同，在此不再赘述。
65.实施例三
66.上述实施例一和实施例二中，上聚焦环41上用于形成高度调节适配副a的结构，设置在径向外端侧具有向下延伸形式的环形第一延展部上。
67.与实施例一相比，本方案的区别在于：上聚焦环41上用于形成高度调节适配副a的结构，设置在径向内端侧具有向下延伸形式的环形第二延展部411'上。请参见图12，该图为本实施例所述高度可调节聚焦环的使用状态示意图。为了清楚示出本方案与实施例一的区别和联系，对于具有相同功能的构成和结构，以同一标记在图中进行示明。
68.本方案中，上聚焦环41的径向外端侧位于下聚焦环42的上方，该上聚焦环41的径向内端侧具有向下延伸形式的环形第二延展部411'，且第二延展部411'的外周表面具有外螺纹4111'；相应地，下聚焦环42的内周表面具有内螺纹421'。通过上聚焦环41上的外螺纹4111'与下聚焦环42上的内螺纹421'，形成该高度调节适配副a。
69.具体来说，当需要根据具体工艺调整上聚焦环41的工作高度时，旋动上聚焦环41，同样可调节其相对于下聚焦环42的高度。该高度可调节聚焦环40的其他功能构成和结构与实施例一相同，在此不再赘述。
70.除前述高度可调节聚焦环外，本实施方式还提供一种等离子体刻蚀设备，包括等离子体刻蚀腔，该等离子体刻蚀腔中设置有用于承载待处理晶圆的电极，电极的外周设置有绝缘环，且绝缘环上设置有如前所述的聚焦环。该等离子体刻蚀设备的主体构成可参见图13所示。应当理解，等离子体刻蚀腔、设置在基座上的电极及绝缘环非本技术核心发明点所在，且本领域技术人员能够基于现有技术实现，故本文不再赘述。
71.需要说明的是，本实施方式提供的上述实施例，并非局限于图中所示形状的分体式结构，只要核心构思与本方案一致均在本技术请求保护的范围内。
72.以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。