專利名稱：一種用于半導(dǎo)體制造工藝中的邊緣環(huán)機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種邊緣環(huán)機(jī)構(gòu)，特別是涉及一種用于半導(dǎo)體制造工藝 中的邊緣環(huán)機(jī)構(gòu)。
背景技術(shù)：
對(duì)于半導(dǎo)體制造而言，刻蝕步驟與光刻步驟共同決定了半導(dǎo)體最終 的關(guān)鍵尺寸?？涛g裝置的種類較多，根據(jù)原理不同，主要包括活性離子
刻蝕機(jī)(RIE)、磁場強(qiáng)化活性離子刻蝕機(jī)(MERIE)、感應(yīng)耦合電漿刻蝕 機(jī)(ICP)、電子回旋共振式電漿刻蝕機(jī)(ECR)等等離子體刻蝕反應(yīng)器。 圖1所示的一種平行板等離子體刻蝕裝置，氣體由進(jìn)氣口 101經(jīng)過氣體 分配裝置進(jìn)入反應(yīng)室102，在常溫下這些氣體是穩(wěn)定的，但在射頻電源 103產(chǎn)生的高頻電場作用下它們產(chǎn)生輝光;^文電，形成等離子體。等離子體 在電場或電磁場作用下與被固定在陰極上的晶圓104發(fā)生反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)干 法等離子刻蝕。
晶圓104可以通過機(jī)械法或靜電力作用固定在陰極105表面，但由 于機(jī)械固定法容易損傷晶圓、效率低，目前的等離子反應(yīng)裝置大多采用 靜電法固定晶圓104，并將固定晶圓104的裝置命名為靜電卡盤ESC (Electronic—static clamp )。如圖1所示，通常晶圓104上表面積小 于支撐它的陰極IO5上表面積，這就會(huì)帶來兩個(gè)問題(1)射頻(RF) 能量不能集中工作在晶圓表面；(2)晶圓邊緣暴露的陰極區(qū)易遭受等離 子體轟擊，造成污染，并且陰極快速損耗。為此，邊緣環(huán)(Edge Ring) 又被稱為聚焦環(huán)(Focus Ring)被設(shè)計(jì)在陰極邊緣，主要作用是使RF電 流集中流向晶圓表面，同時(shí)保護(hù)陰極免受等離子體轟擊。因此，邊緣環(huán) 的設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)備的刻蝕性影響很大。
顆粒污染是半導(dǎo)體刻蝕過程中經(jīng)常遇到的問題。如圖2a和2b所示，由于裝配和不同材料熱膨脹系數(shù)的差異，在晶圓邊緣與邊緣環(huán)之間仍然 存在一定間隙?？涛g過程中，等離子體會(huì)通過這些間隙進(jìn)入晶圓背底，
并與邊緣環(huán)或者晶圓反應(yīng)形成聚合物沉積在背底上；另外，晶圓表面刻 蝕產(chǎn)生的氣體揮發(fā)物也可能擴(kuò)散進(jìn)入該間隙，沉積在晶圓背底，形成污 染并最終破壞芯片性能。
此外，在工藝反復(fù)進(jìn)行過程中，邊緣環(huán)的溫度會(huì)不斷升高，造成晶 圓邊緣與中心、不同晶圓之間的刻蝕速率出現(xiàn)差異，從而引起嚴(yán)重的刻 蝕不均勻性。
因此，為了改善晶圓背底的顆粒污染問題，除了優(yōu)化工藝步驟，邊 緣環(huán)的設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵；而且為了保證同 一片晶圓以及不同晶圓之間的刻 蝕均勻性，邊緣環(huán)的溫度控制也是十分重要的問題。因而本發(fā)明涉及一 種邊緣環(huán)，尤其可以改善晶圓背底污染的邊緣環(huán)，而且該邊緣環(huán)能進(jìn)行 溫度控制。
美國專利5,998,932中描述了一種邊緣環(huán)結(jié)構(gòu)如圖2b所示，邊緣環(huán) 302由石英或者Si制成，包括302 (a)和302 (b)兩部分，302 (a)主 要起到聚焦等離子體、調(diào)節(jié)邊緣殼層以及保護(hù)ESC的作用，302 (b)的 作用是保護(hù)下電極。該發(fā)明在原有技術(shù)(圖2a)基礎(chǔ)上，增加了接地限 制環(huán)304,如圖2b所示，限制環(huán)304在邊緣環(huán)302的下方，可由徑向304 (a)和縱向304 (b)兩部分組成，均由導(dǎo)體材料制成。由于導(dǎo)體環(huán)整體 電勢相同，故它的存在會(huì)改變下電極到等離子體之間的等電位分布，即 電場分布，特別是晶圓邊緣與邊緣環(huán)之間的電場分布，從而防止等離子 體進(jìn)入該間隙，造成腐蝕和顆粒污染。所以該技術(shù)方案的缺陷在于
1、 晶圓邊緣與邊緣環(huán)之間的間隙形狀復(fù)雜，改變電場分布難以屏蔽 所有轟擊性離子；
2、 只能屏蔽部分離子，但不能阻止中性粒子擴(kuò)散進(jìn)入晶圓邊緣與邊 緣環(huán)的間隙。
另一種現(xiàn)有技術(shù)的方案如美國專利7,244,336種描述了另一種與本發(fā) 明相似的邊緣環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖3a和3b。圖3a中晶圓12的邊緣環(huán)通常由 20和30兩部分組成，20可以由Si、石英或SiC制成，30主要由石英制成。由于Si的高純度、與刻蝕材料的高刻蝕選擇比，常^皮用于制作邊緣 環(huán)20。但在工藝反復(fù)進(jìn)行過程中，邊緣環(huán)20的溫度不斷升高，嚴(yán)重影響 工藝重復(fù)性。為此，該發(fā)明在圖3a基礎(chǔ)上，在邊緣環(huán)底部增加了陶瓷高 導(dǎo)熱環(huán)，如圖3b所示，邊緣環(huán)120分布在晶圓邊緣，由Si制成，130為 陶瓷高導(dǎo)熱環(huán)，可以將邊緣環(huán)120的熱量不斷導(dǎo)走，從而保持邊緣環(huán)120 在比較恒定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行工藝，保證工藝重復(fù)性。但該技術(shù)方案的 缺陷在于
1、陶瓷材料的引入帶來了邊緣環(huán)(Si、石英)與陶瓷熱膨脹系數(shù)匹 配的問題，以及增加邊緣環(huán)的磨損；
2 、晶圓邊緣與邊緣環(huán)以及陶資高導(dǎo)熱環(huán)之間的間隙容易帶來顆粒污染。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷而提供一 種用于半導(dǎo)體制造工藝中的邊緣環(huán)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)一方面能夠改善晶圓背 底的顆粒污染問題， 一方面有利于控制工藝進(jìn)行過程中邊緣環(huán)的溫度均 勻性，并且結(jié)構(gòu)簡單，可實(shí)施性大。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下設(shè)計(jì)方案
本發(fā)明的一種用于半導(dǎo)體制造工藝中的邊緣環(huán)機(jī)構(gòu)，包括固定晶片 的靜電卡盤，靜電卡盤的下方設(shè)有下電極基座，在所述靜電卡盤的周圍 設(shè)置有邊緣環(huán)，所述邊緣環(huán)與所述靜電卡盤之間設(shè)有間隙，在所述下電 極基座上開有氣體通道，并且在所述邊緣環(huán)上:^殳有連通所述間隙和所述 氣體通道的氣體流通通道。
優(yōu)選地，所述氣體流通通道包括所述邊緣環(huán)下部開有的氣體流通槽 和所述邊緣環(huán)與靜電卡盤相鄰的側(cè)面上開有的氣體通孔。進(jìn)一步，所述 氣體流通槽的深度與所述邊緣環(huán)的水平厚度之比為1 / 3~2 / 3 。
優(yōu)選地，所述邊緣環(huán)包括至少部分截面為倒L型的外環(huán)組件和截面 為矩形的內(nèi)環(huán)組件。并且，所述外環(huán)組件包括硅，或碳化硅或石英材料， 所述內(nèi)環(huán)組件包括表面陽極氧化或者噴涂氧化釔的鋁質(zhì)材料。進(jìn)一步，所述外環(huán)組件和內(nèi)環(huán)組件之間配合形成氣體通孔，其中所述氣體通孔為 所述內(nèi)環(huán)組件上沿開設(shè)的凹槽?；蛘撸鰵怏w通孔位于所述內(nèi)環(huán)組件 的環(huán)壁內(nèi)部。并且，且優(yōu)選地，所述氣體通孔至少部分傾斜向上延伸。
優(yōu)選地，所述氣體流通槽中還設(shè)有耐等離子體的聚合物環(huán)。所述聚 合物環(huán)的組成材料為聚酰亞胺，或硫化聚苯醚，或聚四氟乙烯，或它們 的纟且合物。
本發(fā)明的技術(shù)方案帶來的有益效果包括1、可以有效地改善晶圓(晶 片)背底的顆粒污染問題；2、可以有效控制工藝進(jìn)行過程中邊緣環(huán)的溫 度；3、加工簡單，方便進(jìn)行安裝和維護(hù)。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)中平行板等離子體刻蝕裝置的示意圖2a為美國專利5， 998， 932中引用的現(xiàn)有^支術(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖2b為美國專利5， 998, 932中的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖3a為美國專利7,244, 336中引用的現(xiàn)有^^支術(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖3b為美國專利7，244， 336中的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖4a為本發(fā)明一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖4b為圖4a的局部放大圖5為本發(fā)明邊緣環(huán)結(jié)構(gòu) 一 種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6a為本發(fā)明又一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6b為圖6a的局部放大圖7a 圖7c為本發(fā)明邊緣環(huán)結(jié)構(gòu)的另 一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖8a 圖8d為本發(fā)明邊緣環(huán)結(jié)構(gòu)橫截面的各種實(shí)施例的示意圖； 圖9 a~圖9 d為本發(fā)明設(shè)有聚合物環(huán)的邊緣環(huán)結(jié)構(gòu)橫截面的各種實(shí)施 例的示意圖10a~圖10d為本發(fā)明氣體通孔橫截面的各種實(shí)施例的示意圖。
具體實(shí)施例方式
參見圖4a~圖6b,其中示出本發(fā)明一種用于半導(dǎo)體制造工藝中的邊緣環(huán)機(jī)構(gòu)的優(yōu)選實(shí)施例，包括固定晶片1的靜電卡盤41，靜電卡盤41 的下方設(shè)有下電極基座42，在所述靜電卡盤4的周圍設(shè)置有邊緣環(huán)2， 所述邊緣環(huán)2與所述靜電卡盤4之間設(shè)有間隙24,該間隙24既可以用于 防止邊緣環(huán)2與晶片1之間由于熱膨脹系數(shù)的差異而可能造成的損壞， 也可以作為 一段氣體流通通道，該氣體流通通道優(yōu)選為溫度調(diào)節(jié)氣體流 通通道；在所述下電極基座42上開有氣體通道21，并且在所述邊緣環(huán)2 上i殳有連通所述間隙24和所述氣體通道21的氣體流通通道，優(yōu)選為溫 度調(diào)節(jié)氣體流通通道。該溫度調(diào)節(jié)氣體流通通道內(nèi)可以通入各種用于溫 度調(diào)節(jié)的氣體，通常地，在半導(dǎo)體制造工藝中，通入氦氣對(duì)邊緣環(huán)2及 晶片1的外圍進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。優(yōu)選地，所述氣體流通通道包括所述邊緣 環(huán)2下部開有的氣體流通槽22和所述邊緣環(huán)2與靜電卡盤4相鄰的側(cè)面 上開有的氣體通孔23，其中，所述氣體流通槽22為邊緣環(huán)2下部開設(shè)的 環(huán)形槽結(jié)構(gòu)(如圖5所示)，并且，該氣體流通槽22連同在下電才及基座 42上開設(shè)的氣體通道21以及氣體通孔23、間隙24 —起構(gòu)成了所述的氣 體流通通道，更優(yōu)選地，所述的氣體流通通道為溫度調(diào)節(jié)氣體流通通道， 通過可調(diào)節(jié)溫度的氣體的流動(dòng)，使得本發(fā)明具有充分地控溫作用和功能。 并且，優(yōu)選地所述氣體流通槽22的深度與所述邊緣環(huán)2的水平厚度之比 為1/3-2/3,這樣，既可以對(duì)邊緣環(huán)2進(jìn)行充分溫控，又可以適當(dāng)避免因 等離子體不斷的腐蝕消耗而使邊緣環(huán)2過早漏損。同時(shí)，優(yōu)選地，如圖5 所示，柱狀的氣體通孔23沿邊緣環(huán)2的圓周均勻分布，從而可以更好的 解決晶片l背底的顆粒污染問題，同時(shí)保證邊緣環(huán)2的溫度均勻性。
參見4b、圖6b以及圖8a 圖8d,所述邊緣環(huán)2包括至少部分截面為 倒L型的外環(huán)組件201和截面為矩形的內(nèi)環(huán)組件202。并且，該邊纟彖環(huán)2 的截面形狀可以根據(jù)能量耦合的需要而改變成多種形狀的多邊形或其組 合，并且氣體通孔23的位置也可以位于氣體流通槽22的底部或者中部。 具體地，如圖7a 圖7c所示，所述外環(huán)組件201和內(nèi)環(huán)組件202之間配 合形成氣體通孔23,其中所述氣體通孔23為所述內(nèi)環(huán)組件202上沿開設(shè) 的凹槽。當(dāng)外環(huán)組件201和內(nèi)環(huán)組件202之間相互適配安裝后，所述內(nèi) 環(huán)組件202上沿開設(shè)的凹槽便會(huì)與內(nèi)環(huán)組件201之間配合形成氣體通孔23,此時(shí)，該氣體通孔23的位置位于氣體流通槽22的底部，該底部為 槽狀部件的底部，并未邊緣環(huán)2的底部，在本實(shí)施例中，氣體通孔23位 于邊緣環(huán)2中部或中部附近的位置。在本實(shí)施例中，所述的邊緣環(huán)2由 201和202兩個(gè)組件構(gòu)成，它們的材料可以相同，為硅(Si),或者碳化 硅(SiC)、石英，也可以不同，根據(jù)不同的工藝在Si、 SiC、石英之間進(jìn) 行組合，其中內(nèi)環(huán)組件202甚至可以由表面陽極氧化或者噴涂氧化釔 (Y203)的金屬鋁(Al)材料制成。
所述氣體通孔23的另一種優(yōu)選實(shí)施例為位于所述內(nèi)環(huán)組件202的環(huán) 壁內(nèi)部，如圖5所示。此時(shí)氣體通孔23的位置位于氣體流通槽22的中 部。在本實(shí)施例中，所述的邊緣環(huán)2材料可以是硅(Si ),或者碳化硅(SiC)、 或石英。
優(yōu)選地，在所述氣體通孔23的上述兩種實(shí)施例中，氣體通孔23至 少部分傾斜向上延伸，如圖10a 圖10d所示，并呈柱狀通孔或向上延伸 內(nèi)徑逐漸變大的通孔。此種結(jié)構(gòu)有利于保證盡可能多的氣體經(jīng)過間隙24 而吹到晶片1的背底。且所述外環(huán)組件201包括硅，或碳化硅或石英材 料，所述內(nèi)環(huán)組件202包括表面陽極氧化或者噴涂氧化釔的鋁質(zhì)材料。
在本發(fā)明中，為了防止等離子體進(jìn)入后對(duì)氣體流通槽22造成嚴(yán)重腐 蝕，可在氣體流通槽22內(nèi)再設(shè)計(jì)一種耐等離子體的聚合物環(huán)203,由基座 流出的氣體經(jīng)過聚合物環(huán)203與邊緣環(huán)2之間的間隙進(jìn)入水平的氣體通孔 23,最后吹到晶片l的背底。聚合物環(huán)203的形狀可根據(jù)氣體流通槽22的 形狀來決定，如圖9a 圖9d所示。耐等離子體的聚合物材料可以是聚酰亞 胺(Polyimide)、或硫化聚苯醚(Polyphenylene Sulfide )、或聚四氟 乙烯(Teflon)或它們的組合物等。
在具體的工藝進(jìn)行過程中，設(shè)定壓力、溫度、流量的氦氣氣流向如 箭頭所示，先通過氣體通道21進(jìn)入邊緣環(huán)2上氣體流通槽22的環(huán)狀槽結(jié) 構(gòu)，再流經(jīng)柱狀氣體通孔23吹入間隙24,氣體沿間隙24吹到晶片1背底上， 最后從晶片l邊緣流出，與其他氣體產(chǎn)物一起被抽走。為了防止邊緣環(huán)2 與基座之間有氦氣泄露，還可以在它們的接觸面上設(shè)計(jì)密封槽和放置密 封墊。顯而易見，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，可以用本發(fā)明的一種用于半導(dǎo) 體制造工藝中的邊緣環(huán)機(jī)構(gòu)，構(gòu)成各種類型的邊緣環(huán)或聚焦環(huán)機(jī)構(gòu)。
上述實(shí)施例僅供說明本發(fā)明之用，而并非是對(duì)本發(fā)明的限制，有關(guān) 技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，還可以作出 各種變化和變型，因此所有等同的技術(shù)方案也應(yīng)屬于本發(fā)明的范疇，本 發(fā)明的專利保護(hù)范圍應(yīng)由各權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1、一種用于半導(dǎo)體制造工藝中的邊緣環(huán)機(jī)構(gòu)，包括固定晶片(1)的靜電卡盤(41)，靜電卡盤(41)的下方設(shè)有下電極基座(42)，在所述靜電卡盤(4)的周圍設(shè)置有邊緣環(huán)(2)，其特征在于所述邊緣環(huán)(2)與所述靜電卡盤(4)之間設(shè)有間隙(24)，在所述下電極基座(42)上開有氣體通道(21)，并且在所述邊緣環(huán)(2)上設(shè)有連通所述間隙(24)和所述氣體通道(21)的氣體流通通道。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的邊緣環(huán)機(jī)構(gòu)，其特征在于所述氣體流通 通道包括所述邊緣環(huán)下部開有的氣體流通槽(22)和所述邊緣環(huán)(2)與 靜電卡盤(4)相鄰的側(cè)面上開有的氣體通孔(23)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的邊緣環(huán)機(jī)構(gòu)，其特征在于所述氣體流通 槽(22)的深度與所述邊緣環(huán)(2)的水平厚度之比為1/3-2/3。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的邊緣環(huán)機(jī)構(gòu)，其特征在于所述邊緣環(huán)(2 ) 包括至少部分截面為倒L型的外環(huán)組件(201)和截面為矩形的內(nèi)環(huán)組件 (202 )。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的邊緣環(huán)機(jī)構(gòu)，其特征在于所述外環(huán)組件 (201)包括硅，或碳化硅或石英材料，所述內(nèi)環(huán)組件(202 )包括表面陽 極氧化或者噴涂氧化釔的鋁質(zhì)材料。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的邊緣環(huán)機(jī)構(gòu)，其特征在于所述外環(huán)組件 (201)和內(nèi)環(huán)組件(202 )之間配合形成氣體通孔(23),其中所述氣體 通孔(23)為所述內(nèi)環(huán)組件(202 )上沿開設(shè)的凹槽。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的邊緣環(huán)機(jī)構(gòu)，其特征在于所述氣體通孔 (23)位于所述內(nèi)環(huán)組件(202 )的環(huán)壁內(nèi)部。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的邊緣環(huán)機(jī)構(gòu)，其特征在于所述氣體 通孔(23)至少部分傾斜向上延伸。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的邊緣環(huán)機(jī)構(gòu)，其特征在于所述氣體流通 槽(22)中還設(shè)有耐等離子體的聚合物環(huán)(203 )。
10、根據(jù)權(quán)利要求9所述的邊緣環(huán)機(jī)構(gòu)，其特征在于所述聚合物 環(huán)(203 )的組成材料為聚酰亞胺，或硫化聚苯醚，或聚四氟乙烯，或它 們的組合物。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于半導(dǎo)體制造工藝中的邊緣環(huán)機(jī)構(gòu)，包括固定晶片的靜電卡盤，靜電卡盤的下方設(shè)有下電極基座，在所述靜電卡盤的周圍設(shè)置有邊緣環(huán)，所述邊緣環(huán)與所述靜電卡盤之間設(shè)有間隙，在所述下電極基座上開有氣體通道，并且在所述邊緣環(huán)上設(shè)有連通所述間隙和所述氣體通道的氣體流通通道。本發(fā)明可以有效地改善晶圓(晶片)背底的顆粒污染問題；并且，可以有效控制工藝進(jìn)行過程中邊緣環(huán)的溫度；另外，本發(fā)明加工簡單，方便進(jìn)行安裝和維護(hù)。
文檔編號(hào)H05H1/46GK101552182SQ20081010306
公開日2009年10月7日 申請(qǐng)日期2008年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月31日
發(fā)明者徐亞偉 申請(qǐng)人:北京北方微電子基地設(shè)備工藝研究中心有限責(zé)任公司