[发明专利]一种具有低频射频功率分布调节功能的等离子反应器

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及半导体加工技术领域，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。

背景技术

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（edge tilting）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。