一种等离子体处理装置及其气体喷淋环的制作方法与流程

1.本发明涉及半导体设备领域，具体涉及一种等离子体处理装置及其气体喷淋环的制作方法。


背景技术：

2.在半导体器件的制造过程中，等离子刻蚀是将晶圆加工成设计图案的关键工艺。在整个晶圆处理过程中，等离子体处理装置的上电极组件和真空反应腔的洁净以及反应气体、等离子体环境的均匀性对晶圆的刻蚀效果影响巨大。
3.现有的等离子体处理装置中，由于设备结构的需要，其反应气体输送通道通常由上电极组件内部的各零件之间的缝隙组成，该结构广泛应用于晶圆刻蚀尤其是晶圆边缘刻蚀(wafer edge etching)领域。通常该装置反应气体输送通道在上电极组件内部，处于晶圆上方，其出气口为上电极组件的两个零件之间的一条缝隙。但是，在实际的安装过程中，零件之间经常存在一些安装误差，整个圆周上的缝隙均匀性即反应气体输送通道的宽度均匀性无法保证一致，从而造成刻蚀不均匀的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种等离子体处理装置及其气体喷淋环的制作方法，该等离子体处理装置通过气体喷淋环将反应气体输送到真空反应腔内部，使用一个零件作为供气部件，通过机加工保证晶圆周向反应气体的输出均匀性，不会因为上电极组件的安装误差使反应气体的输送不均匀影响刻蚀效果，较大程度的提升了等离子体处理装置的使用稳定性。
5.为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
6.一种等离子体处理装置，包含：
7.真空反应腔；
8.上电极组件，位于所述真空反应腔顶部；
9.下电极组件，位于所述真空反应腔底部，所述下电极组件和所述上电极组件相对设置，所述下电极组件包含一承载面，用于承载晶圆；
10.气体喷淋环，环绕设置在所述下电极组件的外侧，所述气体喷淋环包含若干个气体供应孔，所述气体供应孔与一反应气体输送装置相连，用于将反应气体输送到所述真空反应腔内部，以在所述上电极组件和所述下电极组件之间产生等离子体。
11.可选的，所述反应气体输送装置设置在所述真空反应腔底部。
12.可选的，所述气体供应孔的出口向晶圆方向倾斜。
13.可选的，所述气体供应孔沿晶圆周向均匀或非均匀分布。
14.可选的，所述气体喷淋环由绝缘类材料制作而成。
15.可选的，所述绝缘类材料包括陶瓷或石英材料。
16.可选的，所述气体供应孔内壁和/或出口设有耐等离子体腐蚀性的镀层。
17.可选的，所述耐等离子体腐蚀性的镀层材料为特氟龙镀层或氧化钇膜层或阳极氧化铝层。
18.可选的，所述气体供应孔的出口为倒圆角结构。
19.可选的，所述倒圆角直径≥2倍气体供应孔直径。
20.可选的，所述等离子体用于对所述晶圆的边缘进行刻蚀。
21.可选的，所述上电极组件的中心设置一喷气孔，用于提供非反应气体，所述非反应气体对所述晶圆的中心区域形成一保护气幕或对所述晶圆的中心区域清洁。
22.可选的，一种所述等离子体处理装置中的气体喷淋环的制作方法，包含：
23.在气体喷淋环基材上加工若干个气体供应孔；
24.从下往上采用物理气相沉积的方式向所述气体供应孔镀耐等离子体腐蚀性的镀层；
25.从上往下采用化学气相沉积的方式向所述气体供应孔镀耐等离子体腐蚀性的镀层。
26.可选的，所述气体供应孔的出口向晶圆方向倾斜。
27.本发明与现有技术相比具有以下优点：
28.本发明提供的一种等离子体处理装置及其气体喷淋环的制作方法中，该等离子体处理装置采用气体喷淋环部件将反应气体输送到真空反应腔中，采用单独零件实现反应气体的输送，保证了晶圆周向反应气体的输出均匀性，不会因为上电极组件等的安装误差使反应气体的输送不均匀进而影响刻蚀效果，较大程度的提升了等离子体处理装置的使用稳定性；
29.进一步的，所述气体喷淋环的气体供应孔的出口向晶圆方向倾斜，反应气体气流方向为斜向的由下至上，减小了颗粒污染物在工艺过程中飘落至晶圆表面的可能性，改善了颗粒污染的问题，进一步保证了真空反应腔内的环境；
30.进一步的，所述气体供应孔内壁和出口设有耐等离子体腐蚀性的镀层，增加了气体喷淋环的使用寿命，在等离子体处理装置投入应用后不需要经常更换气体喷淋环，避免占用等离子体处理装置的工作机时；
31.进一步的，所述气体供应孔的出口为倒圆角结构，其减小了反应气体从气体供应孔出口流出时对气体供应孔出口处侧壁的冲击性，改善了反应气体的流动性，避免产生多余的颗粒污染物，保证刻蚀环境的清洁，以达到最优的刻蚀效果。
附图说明
32.为了更清楚地说明本发明技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：
33.图1为本发明的一种等离子体处理装置；
34.图2为本发明的气体喷淋环示意图；
35.图3为图2中气体喷淋环的a-a截面示意图；
36.图4为图3中气体喷淋环的b区域放大示意图。
具体实施方式
37.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”、“具有”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括
……”
或“包含
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。
39.需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明一实施例的目的。
40.如图1所示，为本发明的一种等离子体处理装置，该等离子体处理装置包含：一真空反应腔100，其由反应腔腔体101和腔体端盖102包围而成，所述反应腔腔体101上设置一晶圆传输口103，该晶圆传输口103用于实现晶圆在真空反应腔100内外之间传输。所述真空反应腔100内包含一下电极组件110，其设置于所述真空反应腔100内底部，所述下电极组件110设置有承载面，传入所述真空反应腔100内的待处理晶圆w放置在所述承载面上。所述真空反应腔100内还包含与所述下电极组件110相对设置的上电极组件120，所述上电极组件120位于所述真空反应腔100顶部，至少一射频电源(图中未示出)通过匹配网络施加到所述下电极组件110和上电极组件120的至少之一，以将反应气体解离为等离子体，使所述上电极组件120和所述下电极组件110边缘区域之间产生等离子体，所述等离子体用于对所述晶圆w的边缘进行刻蚀。具体地，所述等离子体中含有大量的电子、离子、激发态的原子、分子和自由基等活性粒子，上述活性粒子可以和待处理晶圆w的表面发生多种物理和/或化学反应，使得待处理晶圆w边缘的形貌发生改变，从而完成对待处理晶圆w边缘的处理。一真空泵设置于所述真空反应腔100的底部以便将反应产生的气体废弃物排出。
41.在本实施例中，所述等离子体处理装置适用于晶圆w边缘刻蚀领域。在晶圆w经等离子体刻蚀加工出设计图案的过程中，晶圆w外边缘区域及背面的外边缘区域会堆积一些多余膜层，如多晶硅层、氮化物层、金属层等，而这些多余膜层可能会对后续工艺和设备造成污染，因此需要通过斜边刻蚀工艺将其去除。在边缘刻蚀工艺过程中，所述反应气体通常包含含f、cl等的刻蚀气体和o2等清洁气体以及其他的辅助刻蚀气体，以便进行边缘刻蚀工艺。
42.如图1所示，所述上电极组件120包含绝缘隔离部121和上电极环122。所述绝缘隔离部121设置于所述可移动上电极组件120的底部，与晶圆w中心区域相对设置，所述绝缘隔离部121既可以是层结构，也可以是体结构。所述上电极环122环绕设置于所述绝缘隔离部121的外侧，所述上电极环122与晶圆w边缘区域相对设置。所述下电极组件110包含下电极环111。所述下电极环111环绕设置于晶圆w边缘区域的下方(所述下电极环111也可与晶圆w下表面持平)，所述下电极环111和所述上电极环122相对设置。在工艺过程中，所述上电极环122和所述下电极环111之间产生等离子体以进行晶圆w边缘刻蚀。
43.如图1、图2和图3结合所示，为本实施例中的一种处理晶圆w边缘的等离子体处理装置，其包含气体喷淋环140。所述气体喷淋环140环绕设置于所述下电极组件110的外侧，所述气体喷淋环140包含若干个气体供应孔141，所述气体供应孔141与一反应气体输送装置150相连，用于将反应气体输送到所述真空反应腔100内部，以在所述上电极组件120和所述下电极组件110之间产生等离子体。在本发明中，采用气体喷淋环140作为供气部件输送反应气体，单独的气体喷淋环140通过机加工可保证其管路均匀性，缓解了圆周方向上输送反应气体出气不均匀的问题，进而保证气体输送的均匀性，以保证晶圆w边缘刻蚀的效果。
44.在本实施例中，所述气体喷淋环140由绝缘类材料制作而成，绝缘类材料制备的气体喷淋环140在工艺过程中不会干扰等离子体环境，不会在等离子体或射频影响下发生点火等现象。可选的，所述绝缘类材料包括陶瓷或石英材料。在本实施例中，所述气体喷淋环140采用陶瓷材料制备，其原材料通过烧结制作，价格低廉材料易得。
45.所述气体供应孔141内壁和出口设有耐等离子体腐蚀性的镀层。可选的，所述耐等离子体腐蚀性的镀层材料为特氟龙镀层或氧化钇膜层或阳极氧化铝层。在等离子体刻蚀工艺过程中，所述耐等离子体腐蚀性的镀层可减小气体喷淋环140经受的物理轰击或化学反应作用的影响，减小其表面结构发生损伤的可能性。另外，耐等离子体腐蚀性的镀层也避免了等离子体和输送的反应气体对气体喷淋环140的气体供应孔141内壁和出口的表面结构形成破坏，避免其表面有本体成分析出，脱离表面形成固体颗粒物污染晶圆w，影响晶圆w边缘刻蚀效果。因此，气体喷淋环140的耐等离子体腐蚀性的镀层材料进一步增加了气体喷淋环140的使用寿命，降低了等离子体处理装置的损耗成本，在等离子体处理装置投入应用后不需要经常更换气体喷淋环140，避免占用等离子体处理装置的工作机时。
46.在本实施例中，所述反应气体输送装置150设置在所述真空反应腔100底部，所述气体喷淋环140环绕设置于所述下电极组件110的外侧，反应气体的输送无需借助上电极组件120。上电极组件120中各零件的拼合是否无安装误差不影响反应气体输送的均匀性，提高了等离子体处理装置的稳定性。另外，所述气体喷淋环140和所述反应气体输送装置150处于真空反应腔100底部可避免颗粒污染物从上至下注入真空反应腔100内部，降低了颗粒污染的可能性，有助于确保晶圆w刻蚀的环境。
47.进一步的，如图4所示，所述气体喷淋环140的气体供应孔141的出口向晶圆w方向倾斜，其反应气体气流方向为斜向的由下至上。在本实施例中，所述气体供应孔141的出口位于晶圆的下方，其具体位于晶圆w和真空泵之间。即使气体喷淋环140长期在等离子体环境中表面结构遭受破坏，造成表面析出微小颗粒物，因反应气体气流方向为由下至上，即使有微小颗粒物的存在，从斜向的气体供应孔141内由下至上输送也较为困难，因此该斜向结构减小了微小颗粒在工艺过程中飘落至晶圆w表面的可能性，改善了颗粒污染的问题，进一步保证真空反应腔100内的环境，提高了晶圆w边缘刻蚀效果。另外，因气体供应孔141的出口位于晶圆w和真空泵之间，若有少数颗粒物输出气体供应孔141，真空泵也能很容易将颗粒物排出真空反应腔100。当然，所述气体供应孔140的出口位置不仅限于此，在另一实施例中，所述气体供应孔141的出口靠近晶圆的边缘。
48.可选的，所述气体供应孔141沿晶圆w周向均匀或非均匀分布。在本实施例中，所述气体供应孔141沿晶圆w周向均匀分布，反应气体均匀地由气体喷淋环140的气体供应孔141注入真空反应腔100内进而均匀分布在晶圆w边缘区域，以便上电极组件120和下电极组件
110之间通过电容耦合形成等离子体。所述气体供应孔141沿周向均匀分布使得晶圆w边缘周向的反应气体分布均匀，有利于保证晶圆w边缘刻蚀效果。
49.进一步的，所述气体供应孔141的出口为倒圆角结构142(请见图4)。在工艺过程中，反应气体从反应气体输送装置150经气体供应孔141、气体供应孔141的出口进入真空反应腔100，倒圆角结构142减小了反应气体从气体供应孔141出口流出时对气体供应孔141出口处侧壁的冲击性，改善了反应气体的流动性，避免产生多余的颗粒污染物，保证刻蚀环境的清洁，以达到最优的刻蚀效果。进一步的，气体供应孔141出口处距离晶圆w较近，倒圆角结构142使出口的侧壁与反应气体的接触范围或频次降低，也减少了反应气体对出口侧壁腐蚀的可能性，增长了气体喷淋环140的使用寿命，不需要多次更换气体喷淋环140进而影响实验工作进程。具体地，在本实施例中，所述倒圆角直径≥2倍气体供应孔141直径。
50.另外，在本实施例中，所述上电极组件120的中心设置一喷气孔123。在边缘刻蚀工艺中，所述喷气孔123用于在工艺过程中提供非反应气体，所述非反应气体通常包含缓冲气体或清洁气体。所述缓冲气体用于在晶圆w边缘处理时保持晶圆w上方的高气压，对所述晶圆w的中心区域形成一保护气幕，以使晶圆w中心区域免受等离子体环境的刻蚀。在工艺过程中，可调节非反应气体的流速或压强以保护晶圆w中心区域不受等离子体环境的影响。所述清洁气体用于在所述真空反应腔100内无晶圆w时的真空反应腔100的清洁。
51.另外，本发明还提供了一种所述等离子体处理装置中气体喷淋环140的制作方法，该方法包含：在气体喷淋环140基材上加工若干个气体供应孔141；从下往上采用物理气相沉积pvd的方式向所述气体供应孔141镀耐等离子体腐蚀性的镀层；从上往下采用化学气相沉积cvd的方式向所述气体供应孔141镀耐等离子体腐蚀性的镀层。
52.在本实施例中，所述气体喷淋环140的基材为陶瓷基材，其原材料通过烧结制成，制做方法简单且成本较为低廉。所述耐等离子体腐蚀性的镀层为y2o3镀层，以增强所述气体喷淋环140的耐腐蚀性。另外，在本技术中，所述气体供应孔141的出口向晶圆w方向倾斜，以便实现反应气体的供应。
53.综上所述，本发明的一种等离子体处理装置及其气体喷淋环140的制作方法中，该等离子体处理装置将上电极组件120、下电极组件110、气体喷淋环140和反应气体输送装置150等结构相结合，实现了反应气体的输送，该装置将可机加工制作的单独的气体喷淋环140结构作为供气部件，通过机加工保证晶圆w周向反应气体的输出均匀性，不会因为上电极组件120的安装误差使反应气体的输送不均匀进而影响刻蚀效果，较大程度的提升了等离子体处理装置的使用稳定性。
54.进一步的，所述气体喷淋环140的气体供应孔141的出口向晶圆w方向倾斜，其反应气体气流方向为斜向的由下至上，减小了颗粒污染物在工艺过程中飘落至晶圆w表面的可能性，改善了颗粒污染的问题，进一步保证了真空反应腔100内的环境。
55.进一步的，所述气体供应孔141内壁和出口设有耐等离子体腐蚀性的镀层，增加了气体喷淋环140的使用寿命，在等离子体处理装置投入应用后不需要经常更换气体喷淋环140，避免占用等离子体处理装置的工作机时。
56.进一步的，所述气体供应孔141的出口为倒圆角结构142，其减小了反应气体从气体供应孔141出口流出时对气体供应孔141出口处侧壁的冲击性，改善了反应气体的流动性，避免产生多余的颗粒污染物，保证刻蚀环境的清洁，以达到最优的刻蚀效果。
57.需要注意的是，本发明中的气体喷淋环140既适用于电容耦合型等离子体处理装置，也适用于电感耦合型等离子体处理装置，即本发明的等离子体处理装置既可为电容耦合型等离子体处理装置，也可为电感耦合型等离子体处理装置。
58.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。