多频脉冲等离子体处理装置及其处理方法和清洗方法与流程

本发明涉及等离子体处理领域，具体是指一种利用多频脉冲进行等离子体处理的装置及其处理方法和清洗方法。

背景技术：

等离子体处理设备，通过向真空反应腔室引入含有适当刻蚀剂或淀积源气体的反应气体，然后再对该反应腔室施加射频能量，以解离反应气体生成等离子体，用来对放置于反应腔室内的基片表面进行加工。

以进行蚀刻工艺的等离子体处理装置为例，如图1所示，包含反应腔1，其由位于顶端的顶盖4，位于底端的底壁，以及连接在顶盖4和底壁之间的侧壁构成，形成气密性的内部反应空间，并在进行等离子体刻蚀处理及清洗的过程中处于真空状态。其中，所述的顶盖4、底壁以及侧壁均由金属材料制成并接地。

在反应腔室1顶部用于引入反应气体的喷淋头3处设置第一电极，在反应腔室1底部用于承载及吸持基片的基座5处设置第二电极。在所述第二电极上施加射频功率，从而在反应腔室1内得到激发等离子体11所需的射频能量。

具体的，在所述的第二电极上施加有相隔一定频率的第一射频功率电源（HF）7和第二射频功率电源（LF）8，且该第一射频功率电源7和第二射频功率电源8通过一个匹配器连接到第二电极。其中频率较高的第一射频功率电源7，用以控制反应气体中离子解离或等离子体密度；而频率较低的第二射频功率电源8又称为偏置功率电源，用来引入偏压以控制入射到基片的离子能量及其能量分布。

所述基座5位于反应腔室1的底部，在该基座5边缘的外侧设有聚焦环10（focus ring），用于控制等离子体均一性。进一步，在该聚焦环10的外侧设有约束环6（confinement ring），用于控制反应气体的排出。该约束环6的上方还可以设置覆盖环（cover ring，图中未示），用于阻挡等离子体对约束环6的侵蚀。在所述顶盖4的下方设有移动环2（moving ring），且该移动环2沿反应腔室1的侧壁内侧设置，并延伸至约束环6的边缘外侧；该移动环2采用耐等离子体腐蚀的绝缘材料（例如石英）制成，用来约束等离子体的分布，并将反应腔室1的金属侧壁与等离子体隔开，以保护腔壁不受等离子体的侵蚀。

在工艺处理过程中，设置第一射频功率电源7和第二射频功率电源8的输出为脉冲输出是在高深宽比刻蚀中的一种常用的方式。两个射频功率电源输出被脉冲调制的射频功率用于产生等离子体11，所产生的等离子体11的密度随脉冲发生变化，其中的带电粒子（电子及离子）数量间歇性变化，从而使等离子体的刻蚀作用得到控制和缓冲。

如图2所示，频率较高的第一射频功率电源7和频率较低的第二射频功率电源8采用相同的时钟脉冲进行控制。由于在刻蚀过程中不能让等离子体11熄灭，因此必须保持任意时刻都有一定的功率馈入；所以实际使用时，第一射频功率电源7采用高低功率脉冲，而第二射频功率电源8则采用高低功率脉冲或者开关脉冲。当第一射频功率电源7和第二射频功率电源8在高电平功率输出时，等离子体11对反应腔室1内的基片进行刻蚀；当第一射频功率电源7和第二射频功率电源8在低电平功率输出时，等离子体11维持放电。

由于第一射频功率电源7和第二射频功率电源8的脉冲输出周期通常为微秒量级，其在由高功率脉冲向低功率脉冲切换的过程中，切换速度及其快速，使得等离子体11的壳层阻抗发生突变。由于进行RF匹配的匹配器是通过机械驱动其内部的可调电阻或电感来进行阻抗调节，以使其与等离子体11的壳层阻抗相匹配。因机械驱动的局限性，其调节速度最快也只能达到毫秒量级。也就是说，当第一射频功率电源7和第二射频功率电源8在脉冲切换过程中发生的等离子体11的壳层阻抗突变时，匹配器的阻抗调节速度是远远跟不上的，因此将会导致由第一射频功率电源7和第二射频功率电源8输出的射频能量无法正常通过匹配器被馈入反应腔室1内，使得等离子体11熄灭。

因此，理想的方式是将第一射频功率电源7和第二射频功率电源8的低电平输出设置为0，即两者的脉冲输出设置为开-关-开-关的状态。此时，匹配器无需进行两个状态的快速切换，可以更好的为真空反应腔提供最小的射频功率。然而，当第一射频功率电源7的低电平输出设置为0时，反应腔室1内的等离子体11将消失。但是当下一个高电平输出开始后，由于等离子体难以在瞬间被点燃，且高电平持续时间较短，导致反应腔室1内无法产生理想的等离子体条件。因此，刻蚀工艺难以正常进行。

另外，在等离子体处理的过程中所产生的一些聚合物，会附着在反应腔室1内的各个装置上。通常在从反应腔室1内取出完成处理的基片后，需要向反应腔室1引入清洗用的蚀刻气体并将其解离生成清洗用的等离子体，用来对反应腔室1的腔体及内部的各个装置进行等离子体清洗，以去除附着的聚合物，从而保持反应腔室1的稳定。

然而，由于第一电极、第二电极边缘处的场强会受边缘条件的影响，导致一部分电场线弯曲，造成电场边缘部分场强不均匀，使得等离子体受电场控制在反应腔室1边缘的密度较低，难以形成足够的等离子体将腔室的边缘部件（诸如上述的移动环、约束环、覆盖环等）清洗干净，残余的沉积聚合物会带来放电击穿（arcing）影响，或形成颗粒（particle）对后续的基片处理造成潜在污染的风险。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种多频脉冲等离子体处理装置及其处理方法和清洗方法，在位于反应腔室边缘区域处形成边缘等离子体，为同步开关脉冲放电提供稳定的电荷，防止基片上方的主等离子体熄灭；并且能更有效的清洗到反应腔室内的各个部件，提高腔体稳定性。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种多频脉冲等离子体处理装置，包含：反应腔室；所述的反应腔室内的顶部设有喷淋头，向反应腔室内引入工艺处理用或清洗用的反应气体；该喷淋头处设置有第一电极；所述的反应腔室内的底部设有在工艺处理时承载基片的基座；该基座处设置有第二电极，且该第二电极和第一电极之间上施加有第一射频功率电源和第二射频功率电源，所形成的射频电场激发引入反应腔室的工艺处理用或清洗用的反应气体，在基座和喷淋头之间形成主等离子体；移动环，其沿反应腔室的侧壁内侧设置；该移动环内垂直设置有第三电极，该第三电极上施加有采用连续射频功率持续供电的第三射频功率电源，所形成的射频电场激发引入反应腔室的工艺处理用或清洗用的反应气体，在反应腔室的由移动环限定的边缘区域形成边缘等离子体。

所述的第三射频功率电源的频率≥13.56MHz，功率在300W～500W的范围内。

所述的第三电极沿移动环的圆周方向设置，呈环状。

所述的第三电极与放置在基座上的基片之间具有10～20cm的间隔，使得主等离子体与边缘等离子体之间不发生重叠。

所述的第一射频功率电源和第二射频功率电源的功率≥800W。

所述的第一射频功率电源和第二射频功率电源中的至少一个采用脉冲调制的射频功率，该脉冲调制的射频功率是高低功率脉冲，或是开关脉冲。

所述的反应腔室由位于顶端的顶盖，位于底端的底壁，以及连接在顶盖和底壁之间的侧壁构成；其中，所述的顶盖、底壁以及侧壁均由金属材料制成并接地。

所述反应腔室内进一步包含：聚焦环，位于所述基座边缘的外侧；约束环，位于所述聚焦环的外侧；覆盖环，位于所述约束环的上方。

本发明还提供一种多频脉冲等离子体处理装置的处理方法，包含：施加第一射频功率电源和第二射频功率电源至反应腔室内底部基座处的第二电极，对反应腔室内顶部喷淋头引入的工艺处理用反应气体进行激发，在基座与喷淋头之间形成主等离子体，以对反应腔室内的基片进行刻蚀处理；同时施加连续射频功率的第三射频功率电源至移动环内的第三电极，对反应腔室内顶部喷淋头引入的工艺处理用反应气体进行激发，在反应腔室的由移动环限定的边缘区域处形成边缘等离子体，以提供主等离子体放电所需的电荷，使主等离子体始终存在。

所述的第三射频功率电源的频率≥13.56MHz，功率在300W～500W的范围内。

所述的第三电极垂直植入由绝缘材料制成的移动环内；且所述的第三电极沿移动环的圆周方向设置，呈环状。

所述的第三电极与放置在基座上的基片之间具有10～20cm的间隔，使得主等离子体与边缘等离子体之间不发生重叠。

本发明还提供一种多频脉冲等离子体处理装置的清洗方法，包含：施加第一射频功率电源和第二射频功率电源至反应腔室内底部基座处的第二电极，对反应腔室内顶部喷淋头引入的清洗用反应气体进行激发，在基座与喷淋头之间形成主等离子体，以对反应腔室内的部件进行清洗；同时施加连续射频功率的第三射频功率电源至移动环内的第三电极，对反应腔室内顶部喷淋头引入的清洗用反应气体进行激发，在反应腔室的由移动环限定的边缘区域处形成边缘等离子体，以对反应腔室内的位于边缘位置的部件进行清洗。

所述的第三射频功率电源的频率≥13.56MHz，功率在300W～500W的范围内。

所述的第三电极沿移动环的圆周方向设置，呈环状。

所述的第三电极与放置在基座上的基片之间具有10～20cm的间隔，使得主等离子体与边缘等离子体之间不发生重叠。

本发明提供的多频脉冲等离子体处理装置及其处理方法和清洗方法，具有以下优点和有益效果：

1、通过第三射频功率电源向位于移动环内的第三电极施加连续射频功率，以较低的功率在反应腔室的边缘区域处形成且始终存在的边缘等离子体；当第一射频功率电源或第二射频功率电源在脉冲由高到低切换时，边缘等离子体将提供主等离子体放电所需的电荷，因此可避免主等离子体熄灭，克服了同步开关脉冲放电稳定性问题，保证等离子体处理工艺的正常稳定进行。

2、移动环内的第三电极与放置在基座上的基片之间设置10～20cm左右的间隔，从而使得边缘等离子体与主等离子体之间不会产生重叠，有效避免两个等离子体的壳层阻抗彼此影响。

3、在对反应腔室进行清洗的过程中，通过第三射频功率电源能够清洗到移动环等位于反应腔室边缘位置的部件，全面有效的清除沉积聚合物，使得反应腔室的稳定性得到提高。

附图说明

图1是现有技术中的等离子体处理装置的结构示意图；

图2是现有技术中的高频和低频射频功率电源的脉冲控制示意图；

图3是本发明中的多频脉冲等离子体处理装置的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。

如图3所示，本发明提供的多频脉冲等离子体处理装置中，包含反应腔室1，其由位于顶端的顶盖4，位于底端的底壁，以及连接在顶盖4和底壁之间的侧壁构成，形成气密性的内部反应空间，并在进行等离子体刻蚀处理及清洗的过程中处于真空状态。其中，所述的顶盖4、底壁以及侧壁均由金属材料制成并接地。

在反应腔室1的顶部（顶盖4的下方）设有喷淋头3，用于将进行蚀刻处理的反应气体引入反应腔室1内；该喷淋头3处设置的第一电极接地。在反应腔室1内的底部设有基座5，用来对放置在该基座5上的基片进行承载及吸持。通过反应腔室1内形成的射频电场，将反应腔室1内的反应气体解离，并在基座5与喷淋头3之间的区域形成主等离子体11，对基片表面进行蚀刻等工艺处理。

所述基座5处设置有第二电极，该第二电极上施加有相隔一定频率的第一射频功率电源（HF）7和第二射频功率电源（LF）8，且该第一射频功率电源7和第二射频功率电源8通过一个匹配器连接到第二电极。其中频率较高的第一射频功率电源7（如 60MHz），用以控制反应气体中离子解离或等离子体密度；而频率较低的第二射频功率电源8（如 2MHz）又称为偏置功率电源，用来引入偏压以控制入射到基片的离子能量及其能量分布。

在本发明的另一个实施例中，所述的第一射频功率源7也可以连接到第一电极，此时第一电极不接地，该第一射频功率能够通过电容耦合传递到下方的第二电极，同样能实现本发明目的。

所述的第一射频功率电源7和第二射频功率电源8的功率≥800W。

所述的第一射频功率电源7和第二射频功率电源8中的至少一个采用脉冲调制的射频功率，该脉冲调制的射频功率可以是高低功率脉冲，也可以是开关脉冲。

也就是说，在本发明的一个优选实施例中，所述的第一射频功率电源7采用脉冲调制的射频功率，其可以是高低功率脉冲，也可以是开关脉冲；所述的第二射频功率电源8采用连续射频功率。

在本发明的另一个优选实施例中，所述的第二射频功率电源8采用脉冲调制的射频功率，其可以是高低功率脉冲，也可以是开关脉冲；所述的第一射频功率电源7采用连续射频功率。

在本发明的又一个优选实施例中，所述的第一射频功率电源7和第二射频功率电源8均采用相同时钟脉冲调制的射频功率；即，第一射频功率电源7和第二射频功率电源8均采用同步高低功率脉冲；或者第一射频功率电源7和第二射频功率电源8均采用同步开关脉冲；或者第一射频功率电源7采用高低功率脉冲，第二频功率电源8采用与其同步的开关脉冲；或者第一射频功率电源7采用开关脉冲，第二频功率电源8采用与其同步的高低功率脉冲。

在所述的基座5边缘的外侧设有聚焦环10（focus ring），用于控制等离子体的均一性。在聚焦环10的外侧设有约束环6（confinement ring），用于控制反应气体的排出；该约束环6上方还可以设置覆盖环（cover ring，图中未示），来阻挡等离子体对约束环6的侵蚀。

在所述顶盖4的下方设有移动环2（moving ring），且该移动环2沿反应腔室1的侧壁内侧设置，并向下延伸至约束环6的外侧边缘。所述的移动环2采用耐等离子腐蚀的绝缘材料（例如石英）制成，用来对等离子体在反应腔室1内的扩散范围进行限定，并通过该移动环2将等离子体与反应腔室1的金属侧壁相互隔开，以保护其不受等离子体的侵蚀。

在所述的移动环2内垂直设置有金属制成的第三电极21，其沿移动环2的圆周方向设置，呈环状。在该第三电极21上施加第三射频功率电源（F1）9，其采用连续射频功率持续供电，以在由移动环2、约束环6、顶盖4和喷淋头3限定的反应腔室1的边缘区域处形成边缘等离子体12。所述的第三射频功率电源9的频率≥13.56MHz，功率在300W～500W的范围内。

所述的移动环2内的第三电极21与放置在基座5上的基片之间具有10～20cm的间隔，以使所形成的边缘等离子体12与主等离子体11之间不会重叠。

所述的反应腔1的侧壁上还设置有用于基片移入移出的基片进出口，反应腔1内的基片在完成等离子体处理后，可下移移动环2，从而露出基片进出口，进而可将基片由基片进出口处移出。下一个处理过程中的待处理基片也可紧接着从基片进出口移入反应腔1内。基片移入后，可上移移动环2，将基片进出口遮盖。

利用本发明所提供的多频脉冲等离子体处理装置进行刻蚀工艺的方法，包含：施加第一射频功率电源7和第二射频功率电源8至反应腔室1内底部基座5处的第二电极，对反应腔室1内顶部喷淋头3引入的工艺处理用反应气体进行激发，在基座5与喷淋头3之间形成主等离子体11，以对反应腔室1内的基片进行刻蚀处理；同时施加连续射频功率的第三射频功率电源9至移动环2内的第三电极21，对反应腔室1内顶部喷淋头3引入的工艺处理用反应气体进行激发，在由移动环2、约束环6和顶盖4限定的反应腔室1的边缘区域处形成边缘等离子体12，以提供主等离子体11放电所需的电荷，使主等离子体11始终存在。

在对基片进行等离子体处理的过程中，频率较高的第一射频功率电源7和频率较低的第二射频功率电源8通过位于基座5处的第二电极向反应腔室1内馈入射频能量，从而在第一电极和第二电极之间形成主等离子体11，用以对基片表面进行刻蚀处理。在此过程中，第三射频功率电源9向位于移动环2内的第三电极21上施加连续射频功率，以较低的功率在由移动环2、约束环6和顶盖4限定的反应腔室1的边缘区域处形成且始终存在边缘等离子体12。在这种情况下，因为边缘等离子体12始终存在，其带电粒子（电子及离子）会向主等离子体11的区域运动扩散，当第一射频功率电源7或第二射频功率电源8在脉冲由高到低切换时，边缘等离子体12将提供主等离子体11放电所需的电荷，因此将不会发生主等离子体11熄灭的情况，使得反应腔室1内用于进行刻蚀工艺的主等离子体11也始终存在，克服了同步开关脉冲放电稳定性问题，保证等离子体刻蚀工艺的正常稳定进行。

并且，在第三射频功率电源9向第三电极21上施加连续射频功率的基础上，频率较高的第一射频功率电源7和频率较低的第二射频功率电源8中，只需要至少一个采用脉冲调制的射频功率即可，并且该脉冲调制的射频功率可以是高低功率脉冲，也可以是开关脉冲，将没有更多的限定。

另外，由于移动环2设置在反应腔室1的边缘位置，因此其内部的第三电极与放置在基座5上的基片之间具有较远距离的间隔，一般为10～20cm左右，从而使得边缘等离子体12与主等离子体11之间不会产生重叠，避免两个等离子体的壳层阻抗彼此影响。

利用本发明所提供的多频脉冲等离子体处理装置进行清洗工艺的方法，包含：施加第一射频功率电源7和第二射频功率电源8至反应腔室1内底部基座5处的第二电极，对反应腔室1内顶部喷淋头3引入的清洗用反应气体进行激发，在基座5与喷淋头3之间形成主等离子体11，以对反应腔室1内的部件进行清洗；同时施加连续射频功率的第三射频功率电源9至移动环2内的第三电极21，对反应腔室1内顶部喷淋头3引入的清洗用反应气体进行激发，在由移动环2、约束环6和顶盖4限定的反应腔室1的边缘区域处形成边缘等离子体12，以对反应腔室1内的位于边缘位置的部件（包括移动环2、约束环6、覆盖环以及顶盖4等）进行清洗。

在对反应腔室1进行清洗的过程中，通过第三射频功率电源9能够清洗到移动环2等位于边缘位置的部件，全面有效的清除沉积聚合物，使得反应腔室1的稳定性得到提高。

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。