一种清洁晶圆、等离子体处理装置和处理方法与流程

1.本发明涉及半导体设备领域，尤其涉及一种等离子体清洁技术领域。


背景技术：

2.在半导体器件的制造过程中，等离子体刻蚀是将晶圆加工成设计图案的关键工艺。
3.在典型的等离子体刻蚀工艺中，工艺气体(如cf4、o2等)在反应腔内在射频(radio frequency，rf)激励作用下形成等离子体。这些等离子体与晶圆表面发生物理轰击作用及化学反应，从而刻蚀出具有特定结构的晶圆。
4.晶圆刻蚀完成后，通过移动机械手实现晶圆的取出，为保证不同批次的晶圆处理的均一性，晶圆移出反应腔后，需要对反应腔进行等离子体清洁，向反应腔内通入清洁气体，施加射频将上述清洁气体激发为清洁等离子体，在电场的作用下，清洁等离子体对暴露于等离子体中的反应腔内的零部件表面进行轰击，将前一个刻蚀步骤中可能产生的沉积物进行清洁，并通过抽真空装置将清洁气体及沉积物颗粒排出反应腔。
5.随着工艺的发展，部分刻蚀工艺过程中会在零部件表面产生较厚的沉积物，在清洁步骤中，为了保证沉积物的清洁效果，需要施加较大功率的射频信号至所述静电吸盘，由于静电吸盘暴露于清洁等离子体中，某些区域可能会被清洁等离子体轰击造成损伤，不利于等离子体处理装置的稳定工作，因此，需要提供一种在清洁步骤中能稳定工作的等离子体处理装置。


技术实现要素：

6.为了解决上述技术问题，本发明提供一种等离子体处理装置，所述等离子体处理装置，包括一反应腔，所述反应腔包括：
7.进气装置，用于向所述反应腔输送清洁气体；
8.射频电源，用于将所述清洁气体解离为清洁等离子体；
9.清洁晶圆；
10.静电吸盘，用于承载所述清洁晶圆；
11.所述清洁晶圆与所述静电吸盘之间设置若干支撑装置，所述支撑装置与所述清洁晶圆固定连接。
12.可选的，所述支撑装置为设置在所述清洁晶圆背面的若干支撑台，所述支撑台使得所述清洁晶圆与所述静电吸盘之间形成具有第一高度的缝隙。
13.可选的，所述第一高度的范围大于0小于等于5毫米。
14.可选的，所述支撑台与所述清洁晶圆一体制作或通过粘接方式固定连接。
15.可选的，所述支撑台到所述清洁晶圆圆心的距离小于所述静电吸盘的半径。
16.可选的，所述支撑台为两个或两个以上不连续支撑台，多个所述不连续支撑台具有相同的高度。
17.可选的，所述支撑台为一连续结构，以实现对所述清洁晶圆的平稳支撑。
18.可选的，所述清洁晶圆具有第一直径，所述静电吸盘具有第二直径，所述第一直径大于等于所述第二直径。
19.可选的，所述静电吸盘外围设置聚焦环，所述聚焦环与所述静电吸盘之间设置第一缝隙，所述第一缝隙的宽度大于等于0.2mm。
20.可选的，所述聚焦环包括第一上表面和第二上表面，所述第一上表面高于所述清洁晶圆的上表面，所述第二上表面低于或平于所述清洁晶圆的下表面。
21.可选的，所述聚焦环下方设置一插入环，所述插入环与所述静电吸盘之间设置第二缝隙，所述第二缝隙的宽度小于等于所述第一缝隙的宽度。
22.可选的，所述聚焦环的下表面和所述插入环的上表面设置相互配合的台阶。
23.可选的，所述清洁晶圆的材料与所述支撑装置的材料相同或不相同。
24.本发明还公开了一种清洁晶圆，用于在等离子体清洁工艺中移入一反应腔并覆盖所述反应腔内的静电吸盘上表面，所述清洁晶圆背面设置至少一支撑台，所述支撑台与所述清洁晶圆一体制作或通过粘接方式固定。
25.本发明还公开了一种等离子体处理方法，所述方法在上文所述的等离子体处理装置内进行，所述方法包括下列步骤：
26.刻蚀工艺结束，将刻蚀完成的晶圆移出所述反应腔；
27.将清洁晶圆移入所述反应腔内并放置于所述静电吸盘上方；
28.向所述反应腔内供应清洁气体，施加射频功率将所述清洁气体激发为清洁等离子体，所述清洁等离子体对所述反应腔内暴露于等离子体中的区域以及清洁晶圆边缘区域下方的聚焦环第二上表面和聚焦环与静电吸盘之间的缝隙进行清洁；
29.移出所述清洁晶圆。
30.与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：
31.本发明在清洁步骤中采用一清洁晶圆覆盖在静电吸盘表面，以降低高功率的清洁等离子体对静电吸盘上表面的损害。同时，清洁晶圆与静电吸盘之间设置一支撑装置，该支撑装置使得清洁晶圆背面与静电吸盘表面之间形成一定高度，进而使得清洁晶圆边缘区域的背面与聚焦环的第二上表面形成一定缝隙，避免对聚焦环的第二上表面和聚焦环与静电吸盘之间的缝隙造成遮挡，使得清洁等离子体能有效清除聚焦环第二上表面和缝隙内的沉积物。保证等离子体处理装置处理晶圆的均一性，同时降低沉积物可能导致的电弧放电现象，提高设备的稳定性。
附图说明
32.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
33.图1示出一种等离子体处理装置结构示意图；
34.图2示出刻蚀步骤中图1中a区域的局部放大图；
35.图3示出清洁步骤中图1中a区域的局部放大图；
36.图4示出清洁步骤结束后a区域的局部放大图；
37.图5示出一种清洁晶圆、静电吸盘以及清洁晶圆上的支撑装置的尺寸示意图；
38.图6示出另一种实施例的清洁晶圆上的支撑装置的结构示意图。
具体实施方式
39.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，所描述的实施例仅仅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。
40.图1示出一种等离子体处理装置，包括一反应腔，所述反应腔内包括相对设置的上电极组件和下电极组件，上电极组件包括气体喷淋头120和环绕气体喷淋头设置的上接地环122，气体喷淋头用于向反应腔内输送工艺气体或清洁气体，同时作为真空反应腔的上电极。反应腔内还包括一升降环124，其环绕设置在上电极组件和下电极组件之间的区域，形成均匀、稳定的等离子体处理空间。图1所示的等离子体处理装置为电容耦合等离子体处理装置，本发明所述的方案同样适用于电感耦合等离子体处理装置。
41.所述下电极组件包括静电吸盘110，静电吸盘110包括静电吸附层112、基座116及连接所述静电吸附层和所述基座的结合层114，所述结合层外围环绕设置一圈保护环182(见图2)。保护环182可以保护结合层免受等离子体的损伤，同时可以将聚焦环和插入环与静电吸盘之间的缝隙实现分隔，减少缝隙内的电弧放电。静电吸盘用于承载晶圆115同时作为真空反应腔的下电极，所述上电极和所述下电极之间形成一反应区域。至少一射频电源190通过匹配网络施加到所述上电极或下电极之一，在所述上电极和所述下电极之间产生射频电场，用以将反应气体解离为等离子体，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基片的表面发生多种物理和化学反应，使得晶圆表面的形貌发生改变，即对晶圆进行刻蚀处理。真空反应腔的下方还设置排气装置(图中未示出)，用于将反应副产物排出反应腔，维持反应腔的真空环境。
42.静电吸盘110外围环绕设置边缘环组件，边缘环组件具体包括聚焦环130，环绕聚焦环外围设置一覆盖环140，聚焦环下方设置一插入环150。聚焦环130、覆盖环140和插入环150用于调节晶圆周围的电场或温度分布，提高基片处理的均匀性。插入环150下方设置一隔离环170，隔离环170环绕基座116设置，用于对插入环的温度进行控制同时对基座进行隔离。边缘环组件还包括环绕插入环150和隔离环170设置的等离子体约束环160，等离子体约束环用于形成排气通道，同时将等离子体约束在等离子体处理空间内。基座116材质通常为金属材质，边缘环组件材质通常为介电材料或半导体材料，为了避免工艺过程中基座116受热膨胀，对边缘环组件造成挤压，在室温下安装静电吸盘110和边缘环组件时通常要在静电吸盘和边缘环组件之间设置一缝隙185，见图2，该缝隙的宽度根据基座和边缘环组件的材质以及下电极组件可能工作的温度等因素进行确定，通常设置为0.1mm-0.5mm之间，如大于等于0.2mm。
43.在对晶圆115进行正常的等离子体处理时，晶圆115移入反应腔内并置于静电吸盘上方，在静电吸盘的吸附下进行固定并控温，为了实现晶圆在放置到静电吸盘上方时的准确定位，常规晶圆的边缘区域会设置一定位缺口，为了防止在刻蚀过程中该定位缺口将静
电吸盘的部分区域暴露，造成静电吸盘暴露的区域被等离子体损伤，晶圆115的直径尺寸通常大于静电吸附层112的直径尺寸。
44.图2示出刻蚀步骤中图1中a区域的局部放大图，根据图2所示，聚焦环130包括第一上表面132和第二上表面134，当晶圆115置于静电吸盘上方时，第一上表面132的水平高度高于所述晶圆115的上表面的水平高度，第二上表面134的水平高度低于或齐平于所述晶圆115的下表面的水平高度，因此，在刻蚀工艺过程中，晶圆115的边缘区域至少部分遮盖聚焦环的第二上表面134和聚焦环与所述静电吸盘之间的缝隙。
45.尽管如此，在刻蚀工艺过程中，等离子体在对晶圆表面的形貌进行刻蚀的同时，也会在暴露于等离子体的零部件表面形成沉积物，其中即包括晶圆115的边缘区域背面、聚焦环130的两个上表面以及聚焦环与静电吸盘之间的缝隙185，图2中聚焦环第二上表面134和缝隙185内黑线显示的即为被沉积物覆盖填充的示意图。刻蚀工艺完成后，晶圆115被移动机械手移出反应腔，为了保证不同晶圆的刻蚀均一性，每次刻蚀工艺结束后要在反应腔内进行等离子体清洁步骤，在等离子体清洁步骤中，静电吸盘以及其他暴露于等离子体处理空间的表面在清洁等离子体的作用下，通过化学反应或物理轰击实现沉积物的去除。在等离子体清洁步骤中，通常不会在静电吸盘表面放置晶圆，以便清洁等离子体对聚焦环第二上表面134和缝隙185的沉积物进行去除。
46.随着工艺的发展，发明人发现有些工艺会在刻蚀过程中产生较厚的沉积物，为了有效去除这些沉积物需要对下电极组件或上电极组件施加更大的射频功率，而更大的射频功率意味着更强的等离子体轰击，这对暴露于等离子体中的静电吸盘上表面会造成更加严重的损伤。此外，聚焦环与静电吸盘之间的缝隙内如果存在沉积物，由于沉积物通常较为疏松，容易在刻蚀过程中发生电弧放电，对静电吸盘的侧边造成损伤。
47.图3示出在清洁步骤中图1中a区域的局部放大图，图1所示的等离子体处理装置可同时适用于等离子体刻蚀步骤和等离子体清洁步骤。该装置的反应腔内包括进气装置，即前文描述的气体喷淋头120，用于向所述反应腔输送清洁气体；射频电源190，用于将所述清洁气体解离为清洁等离子体；清洁晶圆215，具有第一直径；静电吸盘110，用于承载所述清洁晶圆215，静电吸盘110与清洁晶圆215之间设有支撑装置216，支撑装置216使得清洁步骤中清洁晶圆的背面与静电吸盘的上表面之间存在第一高度h，该第一高度使得清洁晶圆215的边缘区域与聚焦环的第二上表面134之间形成一缝隙，从而允许清洁等离子体进入该缝隙以对聚焦环的第二上表面134的沉积物和聚焦环与静电吸盘之间的缝隙185内的沉积物进行清洁。支撑装置216的高度范围大于0小于等于5mm。由于清洁晶圆与静电吸盘之间的距离需要控制在等离子体鞘层的厚度范围内，为防止清洁步骤中，清洁晶圆与静电吸盘之间产生等离子体而对静电吸盘表面产生损伤，因此需要设置支撑装置的高度小于等于5mm，同时，在此高度下，可以有效避免静电吸盘的上表面边缘区域被高能量的离子以斜入射的方式产生损伤。
48.清洁步骤结束后，支撑装置216需要与清洁晶圆一起移出反应腔，因此支撑装置216需要与清洁晶圆固定连接，在一种实施例中个，支撑装置216与清洁晶圆215一体制作，支撑装置的材料与清洁晶圆的材料相同，例如为硅、碳化硅和介电材料中的至少一种，在另外的实施例中，支撑装置216可以和清洁晶圆分别制作，然后通过粘接等方式实现固定，在此实施例中，支撑装置和清洁晶圆的材料可以相同，也可以不相同，例如支撑装置的材料可
以为陶瓷，特氟龙等，以不在清洁步骤中引入污染为主要考虑依据。
49.为了防止静电吸盘表面存在未被清洁晶圆覆盖的区域，本发明采用的清洁晶圆的直径大于等于静电吸盘的直径，此时，当对反应腔内施加大功率的射频电源时，能够有效清洁聚焦环第二上表面134上的沉积物以及聚焦环与静电吸盘之间缝隙185内的沉积物，保证等离子体处理装置处理晶圆的均一性，同时降低清洁等离子体对静电吸盘上表面的损害程度。
50.图4示出清洁步骤结束后a区域的局部放大图。由图4可以看出，采用本发明的清洁晶圆215后，即便对反应腔内施加较大的射频功率进行清洁，也不会对静电吸盘表面进行损伤，同时，由于清洁晶圆与静电吸盘之间设置支撑装置216，使得清洁晶圆不会对聚焦环的第二上表面134和缝隙185形成覆盖，使得清洁等离子体更有效地对聚焦环的第二上表面134和缝隙185内的沉积物进行清除，避免了沉积物可能发生的电弧放电，保证了反应腔内晶圆处理的一致性。
51.图5示出一种清洁晶圆、静电吸盘以及清洁晶圆上的支撑装置的尺寸示意图，按照图5的示意，清洁晶圆215的直径大于静电吸盘110的直径，在其他实施例中，清洁晶圆215的直径可以等于静电吸盘110的直径，以实现对静电吸盘上表面的完全覆盖。避免高功率下的清洁等离子体损伤静电吸盘。由于支撑装置216要放置在静电吸盘表面，因此，支撑装置到所述清洁晶圆圆心的距离要小于所述静电吸盘的半径，以在清洁晶圆和静电吸盘之间形成一高度h。
52.图5所示的支撑装置216为三个不连续支撑台，为了保证清洁晶圆的固定平稳，多个所述不连续支撑台具有相同的高度。可以想到，在另外的实施例中，支撑装置216的数量可以为三个以上，此时，需要注意多个支撑台不能妨碍基座内的升降机构对清洁晶圆的升举和机械手臂对清洁晶圆的取片，同时要实现清洁晶圆的平稳固定即可实现本发明目的。
53.在另外的实施例中，如图6所示，支撑装置可以为两个支撑台316，为了实现清洁晶圆315的平稳固定，本实施例中的支撑台可以具有一定长度，可以想到，在另外的实施例中，支撑装置可以为一环形、半环形或者其他形状的连续的支撑台，此时，需要注意连续的支撑台不能妨碍基座内的升降机构对清洁晶圆的升举和机械手臂对清洁晶圆的取片，同时要实现清洁晶圆的平稳固定即可实现本发明目的。
54.根据前文所述，聚焦环130下方设置一插入环150，插入环与所述静电吸盘之间也设置缝隙，该缝隙的宽度与聚焦环与静电吸盘之间的缝隙宽度相等或小于聚焦环与静电吸盘之间的缝隙宽度。边缘环组件与静电吸盘之间的缝隙是产生电弧放电的高发区域，缝隙宽度越大，对施加到反应腔内的射频电压承受度越低，容易产生电弧放电，因此，在满足安装需求和承受基座膨胀的前提下，插入环与所述静电吸盘之间的缝隙尽量设置的较小。
55.此外聚焦环130的下表面和插入环150的上表面可以设置相互配合的台阶。该台阶的设置可以避免聚焦环和插入环之间接触的缝隙与缝隙185实现联通，避免缝隙185内可能发生的电弧放电贯穿进入聚焦环和插入环之间的缝隙，对聚焦环和插入环进行保护。
56.本发明采用的清洁晶圆215材质可以与常规晶圆115材质相同，可选的，所述清洁晶圆的材料包括硅、碳化硅和介电材料中的至少一种，以不在清洁步骤中引入污染为主要考虑依据。
57.本发明进一步公开了一种清洁晶圆，用于在等离子体清洁工艺中移入一反应腔并
覆盖所述反应腔内的静电吸盘上表面，所述清洁晶圆背面设置至少一支撑装置，所述支撑装置与所述清洁晶圆一体制作或通过粘接方式固定。
58.本发明进一步公开了一种等离子体处理方法，所述方法包括下列步骤：
59.刻蚀工艺结束，将刻蚀完成的晶圆115移出所述反应腔；
60.将清洁晶圆215移入所述反应腔内并放置于所述静电吸盘上方；
61.向所述反应腔内供应清洁气体，施加射频功率将所述清洁气体激发为清洁等离子体，所述清洁等离子体对所述反应腔内暴露于等离子体中的区域以及清洁晶圆边缘区域下方的聚焦环第二上表面和聚焦环与静电吸盘之间的缝隙进行清洁；
62.移出所述清洁晶圆215。
63.虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离。本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。