一种电容耦合等离子体刻蚀机

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种电容耦合等离子体刻蚀机。

背景技术

目前在对半导体器件进行刻蚀的过程中，通常将晶圆放置在下电极的上表面，在下电极顶部的上电极中施加上射频，在下电极中施加下射频，使得引入处理腔室内的反应气体形成等离子体，晶圆在工艺过程中被等离子体在表面进行物理和化学反应，刻蚀出需要的样貌形状，同时副产物在这个过程中不断析出，大部分副产物会被真空泵抽走，但仍然有部分副产物沉积在设备腔体的内部，包括腔体内壁以及上电极底部，如果不及时清理这些沉积物，经过长时间的工艺后，腔室内部的工艺环境会发生变化，导致晶圆刻蚀的均匀性不一致，影响设备的稳定性。因此，需要在一段时间的工艺之后，对工艺腔室内部进行清洗，在腔室内部通入清洗用的气体，通过连接上下电极的射频电源，在腔室内形成清洗等离子体与腔室内壁和进气盘上的沉积副产物反应，达到干法清洗的作用。

在现有的刻蚀机中，由于腔室清洗用的射频源与工艺用射频源为同一部件，上下电极的面积是一定的，且一般下电极的面积小于上电极也就是进气盘的面积，因此在清洗工艺时，等离子体大部分会轰击下电极表面，造成下电极表面的损伤，影响设备的使用寿命，同时上电极进气盘的清洗效果不佳。

发明内容

本发明的目的是提供一种电容耦合等离子体刻蚀机，增强上电极底部的清洗效果，减小对下电极表面的损伤，延长本发明电容耦合等离子体刻蚀机的使用寿命。

为解决上述技术问题，本发明提供一种电容耦合等离子体刻蚀机，包括真空反应腔室、上电极和下电极，所述上电极和所述下电极均位于所述真空反应腔室内部，并且二者相对设置，所述下电极具有放置晶圆的平台，所述上电极与上射频连接，所述下电极与下射频连接，

所述上电极包括中心进气盘和边缘进气盘，所述中心进气盘与所述上射频连接，所述边缘进气盘为环状结构，并套装所述中心进气盘，所述边缘进气盘与所述中心进气盘之间通过导电线圈接触，实现电连接，

还包括驱动单元，所述驱动单元与所述边缘进气盘连接，所述驱动单元能够带动所述边缘进气盘移动，以使所述边缘进气盘与所述中心进气盘脱离接触，解除电连接。

本发明电容耦合等离子体刻蚀机，对上电极的结构进行改进，具体将上电极设置为中心进气盘和边缘进气盘的分体组合结构，在晶圆的刻蚀过程中，电容耦合等离子体刻蚀机处于第一位置，中心进气盘和边缘进气盘通过导电线圈接触，实现电连接，即中心进气盘和边缘进气盘均与上射频连接，反应气体同时自中心进气盘和边缘进气盘进入真空反应腔室内部，在此过程中反应气体被电离形成等离子体，与晶圆反应进行刻蚀，保证中心与边缘反应气体分布的均匀性，进而保证晶圆刻精度；而在清洗过程中，电容耦合等离子体刻蚀机处于第二位置，驱动单元控制边缘进气盘与中心进气盘脱离接触，解除电连接，即仅中心进气盘与上射频连接，清洗气体自中心进气盘进入真空反应腔室内部被电离形成等离子体，由于此时上电极的面积明显减小，上电极和下电极之间的面积差明显减小，清洗气体形成的等离子体不再聚集在下电极附近，相反会朝着上部中心进气盘和边缘进气盘的方向聚集，增强中心进气盘和边缘进气盘底部的清洗效果，同时减少下电极处的等离子体密度，减小对下电极表面的损伤。

由此可见，本发明电容耦合等离子体刻蚀机中，上电极的面积不再是固定大小，而是可以根据刻蚀状态和清洗状态的不同进行切换，既能增强上电极底部的清洗效果，又减小对下电极表面的损伤，延长本发明电容耦合等离子体刻蚀机的使用寿命。

可选地，所述边缘进气盘与所述中心进气盘电连接时，所述边缘进气盘与所述下电极之间的距离可调。

可选地，所述中心进气盘的外周壁与所述边缘进气盘的内周壁中，一者设置有环形容纳槽，所述导电线圈安装于所述环形容纳槽内，并与另一者接触。

可选地，所述边缘进气盘包括边缘进气盘本体，所述边缘进气盘本体的内壁包括配合部和导流部，所述配合部与所述中心进气盘的周壁相配合，沿远离所述配合部的方向，所述导流部的直径渐扩，

所述边缘进气盘本体设置有环形进气道，以及多个进气支路，所述环形进气道与反应气体源连通，多个所述进气支路沿所述边缘进气盘本体的周向均匀分布，所述进气支路一端与所述环形进气道连通，另一端延伸至所述导流部。

可选地，所述边缘进气盘还包括绝缘部件，所述绝缘部件包括绝缘环，所述绝缘环套装所述中心进气盘，所述绝缘环固定于所述边缘进气盘本体的上侧壁，或固定于腔盖内侧壁与所述边缘进气盘本体对应的位置。

可选地，所述绝缘环固定于所述边缘进气盘本体的上侧壁，所述绝缘部件还包括至少一个导气筒，所述腔盖设置有至少一个导向部，所述导气筒的外端对应穿过所述导向部，并与所述反应气体源连通，内端与所述环形进气道连通，所述导气筒与所述导向部周向密封连接。

可选地，所述环形进气道设置于所述边缘进气盘本体的上侧壁，还包括两个密封圈，分别安装于所述环形进气道的内圈和外圈。

可选地，所述中心进气盘包括连接座、中心进气盘本体和匀气盘，所述连接座固定于所述真空反应腔室的腔盖，并通过绝缘层隔离开，所述连接座与所述上射频连接，所述连接座设置有进气孔，并通过所述进气孔与反应气体源和清洁气体源连通，

所述中心进气盘本体为盆状结构，其开口端与所述连接座的内侧壁固定，底壁设置有出气孔，所述匀气盘安装于所述固定座的内侧壁，并覆盖所述进气孔，所述匀气盘设置有匀气孔，反应气体经所述匀气孔进入所述中心进气盘本体内部。

可选地，所述驱动单元包括驱动机构和绝缘过渡轴，所述驱动机构固定于所述真空反应腔室的外部，所述驱动机构具有输出轴，所述输出轴由外到内穿过所述真空反应腔室的底壁，并与所述绝缘过渡轴轴向连接，所述输出轴与所述底壁周向密封连接，所述绝缘过渡轴与所述边缘进气盘连接。

可选地，所述驱动单元还包括波纹管，所述波纹管套装所述输出轴，所述波纹管的外端具有连接法兰，所述连接法兰与所述底壁外侧固定连接，并周向密封，所述波纹管的内端为闭合端，并与所述输出轴内端固定于一体，所述波纹管的内端与所述绝缘过渡轴固定连接。

附图说明

图1为本发明所提供电容耦合等离子体刻蚀机一种具体实施例在第一位置的结构示意图；

图2为图1电容耦合等离子体刻蚀机在第二位置的结构示意图；

图3为图1电容耦合等离子体刻蚀机在第三位置的结构示意图；

图4为图1电容耦合等离子体刻蚀机中边缘进气环本体的结构示意图；

图5为图1电容耦合等离子体刻蚀机中绝缘部件的结构示意图；

图6为图5绝缘部件另一角度的结构示意图；

图7为图5绝缘部件的剖视图；

图8为图1电容耦合等离子体刻蚀机的驱动单元中输出轴和波纹管的结构示意图；

图9为图8的剖视图；

其中，图1-图9中的附图标记说明如下：

1-真空反应腔室；11-腔盖；11a-导向部；2-下电极；31-中心进气盘；311-连接座；311a-进气孔；312-中心进气盘本体；313-匀气盘；32-边缘进气盘；321-边缘进气盘本体；321a-配合部；321b-导流部；321c-环形进气道；321d-进气支路；a-环形容纳槽；322-绝缘部件；3221-绝缘环；3222-导气筒；b-环形安装槽；33-导电线圈；41-驱动机构；411-输出轴；42-绝缘过渡轴；43-波纹管；51-第一进气管路；52-第二进气管路；

01-晶圆；02-上射频。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

本文中所述“第一”、“第二”等词，仅是为了便于描述结构和/或功能相同或者相类似的两个以上的结构或者部件，并不表示对于顺序和/或重要性的某种特殊限定。

本文中，“上”、“下”方位均以图1视角为例，靠近页面上方为“上”，靠近页面下方为“下”。

请参考图1-图2，图1为本发明所提供电容耦合等离子体刻蚀机一种具体实施例在第一位置的结构示意图；图2为图1电容耦合等离子体刻蚀机在第二位置的结构示意图。

本发明提供一种电容耦合等离子体刻蚀机，包括真空反应腔室1、上电极和下电极2，上电极和下电极2均位于真空反应腔室1内部，并且上电极和下电极2相对设置，下电极2具有放置晶圆01的平台，上电极与上射频02连接，下电极2与下射频连接；

其中，上电极包括中心进气盘31和边缘进气盘32，中心进气盘31与上射频02连接，边缘进气盘32为环状结构，并套装中心进气盘31，边缘进气盘32与中心进气盘31之间通过导电线圈33接触，实现电连接，

还包括驱动单元，驱动单元与边缘进气盘32连接，驱动单元能够带动边缘进气盘32移动，以使边缘进气盘32与中心进气盘31脱离接触，解除电连接。

本发明电容耦合等离子体刻蚀机，对上电极的结构进行改进，具体将上电极设置为中心进气盘31和边缘进气盘32的分体组合结构，在晶圆01的刻蚀过程中，电容耦合等离子体刻蚀机处于图1所示的第一位置，中心进气盘31和边缘进气盘32通过导电线圈33接触，实现电连接，即中心进气盘31和边缘进气盘32均与上射频02连接，反应气体同时自中心进气盘31和边缘进气盘32进入真空反应腔室1内部，在此过程中反应气体被电离形成等离子体，与晶圆01反应进行刻蚀，保证中心与边缘反应气体分布的均匀性，进而保证晶圆01的刻蚀精度；而在清洗过程中，电容耦合等离子体刻蚀机处于图2所示的第二位置，驱动单元控制边缘进气盘32与中心进气盘31脱离接触，解除电连接，即仅中心进气盘31与上射频02连接，清洗气体自中心进气盘31进入真空反应腔室1内部被电离形成等离子体，由于此时上电极的面积明显减小，上电极和下电极2之间的面积差明显减小，清洗气体形成的等离子体不再聚集在下电极2附近，相反会朝着上部中心进气盘31和边缘进气盘32的方向聚集，增强中心进气盘31和边缘进气盘32底部的清洗效果，同时减少下电极2处的等离子体密度，减小对下电极2表面的损伤。

由此可见，本发明电容耦合等离子体刻蚀机中，上电极的面积不再是固定大小，而是可以根据刻蚀状态和清洗状态的不同进行切换，既保证刻蚀精度，又能增强上电极底部的清洗效果，减小对下电极2表面的损伤，延长本发明电容耦合等离子体刻蚀机的使用寿命。

请参考图1-图4，图3为图1电容耦合等离子体刻蚀机在第三位置的结构示意图，图4为图1电容耦合等离子体刻蚀机中边缘进气环本体的结构示意图。

本发明中，导电线圈33设置于中心进气盘31的外周壁与边缘进气盘32的内周壁之间，具体地，边缘进气盘32的内周壁设置有环形容纳槽a，导电线圈33安装于该环形容纳槽a内部，并与中心进气盘31的外周壁接触，实现电连接。

如此，导电线圈33在中心进气盘31的外周壁与边缘进气盘32的内周壁之间被压紧，从而实现边缘进气环32也可以有效连接至上射频02。此外，如图1与图3所示，边缘进气盘32能够在预设距离内移动，在此过程中，导电线圈33始终处于压紧状态，如此，实现边缘进气盘32与下电极2之间的距离可调，适用于对边缘进气有不同高度要求的各种工艺，改善刻蚀均匀性，提高本发明电容耦合等离子体刻蚀机的适用范围，实用性更强。

其中，导电线圈33可以采用软铍铜材质制成，便于压缩。可以理解，实际应用中，导电线圈33不仅可以安装于边缘进气盘32的内周壁，安装于中心进气盘31的外周壁也是可行的，此时，中心进气盘31的外周壁设置环形容纳槽a，导线线圈33安装于该环形容纳槽a内部，并与边缘进气盘32的内周壁接触。本实施例中，导电线圈33的数量为一个，实际应用中，导电线圈33的数量不做限制，如还可以为两个以上，此时，导电线圈33还可以部分安装于边缘进气盘32的内周壁，部分安装于中心进气盘31的外周壁。

此外，实际应用中，导电线圈33不仅可以设置于中心进气盘31的外周壁与边缘进气盘32的内周壁之间，设置于边缘进气盘32的上端壁与中心进气盘31的下端壁之间也是可行的，如边缘进气盘32的上端壁设置环形容纳槽，导电线圈33安装于该环形容纳槽内，且导电线圈33有多匝，使得导电线圈33能够沿轴向伸缩；在晶圆01的刻蚀过程中，边缘进气盘32的上端壁与中心进气盘31的下端壁通过导电线圈33接触实现电连接，此时，导电线圈33受挤压而轴向收缩；边缘进气盘32向下移动预设距离时，导电线圈33沿轴向逐渐伸展，但导电线圈33上端仍与中心进气盘31的下端壁接触实现电连接，当边缘进气盘32向下移动的距离超出最大可移动距离后，边缘进气盘32与中心进气盘31脱离接触，解除电连接。

请继续参考图4，本发明中，边缘进气盘32包括边缘进气盘本体321，边缘进气盘本体321的内壁包括配合部321a和导流部321b，配合部321a位于导流部321b的上侧，配合部321a用于与中心进气盘31的周壁相配合，本实施例中，导电线圈33便设置于配合部321a的区域，沿远离配合部321a的方向，导流部321b的直径渐扩，边缘进气盘本体321设置有环形进气道321c，以及多个进气支路321d，环形进气道321c与反应气体源连通，多个进气支路321d沿边缘进气盘本体321的周向均匀分布，进气支路321d一端与环形进气道321c连通，另一端延伸至导流部321b。

如此，在晶圆01的刻蚀过程中，反应气体能够自环形进气道321c进入各进气支路321d，然后通过各进气支路321d进入导流部321b内部，即进入真空反应腔室1内部，由于各进气支路321d沿边缘进气盘本体321的周向均匀分布，因此，可以保证边缘反应气体沿周向均匀分布，保证刻蚀产品精度。可以理解，实际应用中，进气支路321d的数量不做限制，但在保证结构强度和加工效率的前提下，进气支路321d的数量越多，反应气体分布越均匀。

请结合图1理解，本发明中，在晶圆01的刻蚀过程中，反应气体同时自中心进气盘31和边缘进气盘32进入真空反应腔室1内部，被电离形成等离子体，此时，上射频面积为S1+S2，其中，S1为中心进气盘31底壁的面积，S2为边缘进气盘32中导流部321b周壁的面积；而在清洗过程中，清洗气体仅通过中心进气盘31进入真空反应腔室1内部，被电离形成等离子体，此时，上射频面积仅为S1，即中心进气盘31底壁的面积。由此可见，清洗过程中上射频面积与刻蚀过程中上射频面积相比大幅度减少。

请参考图2、图5-图7，图5为图1电容耦合等离子体刻蚀机中绝缘部件的结构示意图；图6为图5绝缘部件另一角度的结构示意图；图7为图5绝缘部件的剖视图。

本发明中，边缘进气盘32还包括绝缘部件322，绝缘部件322包括绝缘环3221，以及至少一个导气筒3222，绝缘环3221套装中心进气盘31，并固定于边缘进气盘本体321的上侧壁，真空反应腔室1的腔盖11设置有至少一个导向部11a，导气筒3222的外端对应穿过导向部11a，并与反应气体源连通，内端与环形进气道321c连通，导气筒3222与导向部11a周向密封连接。

如上设置，首先，绝缘环3221能够将边缘进气盘本体321与腔盖11隔离开，防止设备漏电；其次，在边缘进气盘32逐渐脱离中心进气盘31的过程中，导气筒3222沿导向部11a的轴向移动，还能够起到导向的作用。

进一步地，本实施例中，环形进气道321c设置于边缘进气盘本体321的上侧壁，还包括两个密封圈，分别安装于环形进气道321c的内圈和外圈，保证密封。

可以理解，实际应用中，密封圈可以有多种安装方式，如密封圈可以安装于边缘进气盘本体321的上侧壁，此时，边缘进气盘本体321的上侧壁在环形进气道321c的内圈和外圈分别设置安装槽321e，密封圈安装于安装槽321e内，并与绝缘环3221的对应侧壁抵接，实现密封。当然，密封圈还可以安装于绝缘环3221的下侧壁，或其中一个密封圈安装于边缘进气盘本体321的上侧壁，另一个密封圈安装于绝缘环3221的下侧壁，安装方式与前述类似，在此不再赘述。

本实施例中，环形进气道321c通过导气筒3222与反应气体源连通，实际应用中，不设置导气筒3222也是可行的，如环形进气道321c设置于边缘进气盘本体321的内部，还设置连通环形进气道321c的竖直进气道，竖直进气道延伸至边缘进气盘本体321的上侧壁，进气管路(后续进行详细介绍)外端与反应气体源连通，内端穿过腔盖11，并插装于竖直进气道内部，进气管路与腔盖11周向密封连接，同时与竖直进气道周向密封连接，保证密封性，具体密封方式可以通过环形密封圈，或密封胶等，在此不做赘述。为了保证边缘进气盘32移动过程中，进气管路与边缘进气盘本体321不会脱离，进气管路伸入真空反应腔室1内部的区域可以采用伸缩管，即在边缘进气盘32向下移动过程中，进气管路可以沿轴向伸展，而边缘进气盘32向上移动过程中，进气管路可以沿轴向收缩。此外，当绝缘部件322不设置导气筒3222时，绝缘环3221不仅可以固定于边缘进气盘本体321的上侧壁，固定于腔盖11内侧壁与边缘进气盘本体321对应的位置也是可行的，同样可以实现上述绝缘作用。

请继续参考图5-图7，导气筒3222与导向部11a周向密封连接，具体到本实施例中，导气筒3222外周壁设置有环形安装槽b，还包括环形密封圈，环形密封圈安装于环形安装槽b内，并与导向部11a的内壁相抵接，保证密封。

同样地，环形密封圈不仅可以设置于导气筒3222的外周壁，还可以设置于导向部11a的内周壁，环形密封圈的数量可以为一个或多个，当环形密封圈的数量为多个时，环形密封圈还可以部分设置于导气筒3222的外周壁，部分设置于导向部11a的内周壁。

此外，本实施例中，导气筒3222的数量为四个，并沿绝缘环3221的周向均匀分布，一方面，提高进气效率；另一方面，使得反应气体均匀流动至环形进气道321c内部，随后均匀流动至各进气支路321d，使得进入真空反应腔室1内部的反应气体均匀分布，保证刻蚀精度。实际应用中，导气筒3222的数量不做限制。

请继续参考图1，中心进气盘31包括连接座311、中心进气盘本体312和匀气盘313，连接座311固定于真空反应腔室1的腔盖11，并通过绝缘层隔离开，连接座311与上射频02连接，连接座311设置有进气孔311a，并通过进气孔311a与反应气体源和清洁气体源连通，中心进气盘本体312为盆状结构，其开口端与连接座311的内侧壁固定，底壁设置有出气孔，匀气盘313安装于固定座311的内侧壁，并覆盖进气孔311a，匀气盘313设置有匀气孔，反应气体经匀气孔进入中心进气盘本体312内部，再经出气孔进入中空反应腔室1内部，使得中部反应气体分布更加均匀，保证刻蚀精度。

其中，绝缘层可以为橡胶、塑料、尼龙等，绝缘层可以设置于连接座311，也可以设置于腔盖11的外侧壁。为了保证连接座311、中心进气盘本体312和匀气盘313均与上射频02连接，连接座311、中心进气盘本体312和匀气盘313应当采用导电材料制成，如铝合金等。

请参考图1、图8-图9，图8为图1电容耦合等离子体刻蚀机的驱动单元中输出轴和波纹管的结构示意图；图9为图8的剖视图。

本发明中，驱动单元包括驱动机构41和绝缘过渡轴42，驱动机构41固定于真空反应腔室1的外部，驱动机构41具有输出轴411，输出轴411由外到内穿过真空反应腔室1的底壁，并与过渡轴42轴向连接，输出轴411与真空反应腔室1的底壁周向密封连接，过渡轴42与边缘进气盘32连接，输出轴411沿轴向伸缩，便可以通过绝缘过渡轴42带动边缘进气盘32沿竖直方向移动。

其中，驱动机构41可以为气缸、液压缸、电缸等，以气缸为例，气缸的缸体固定于真空反应腔室1外部的固定座，推杆形成前述输出轴411；绝缘过渡轴42的材质可以为陶瓷、石英或塑料等。此外，输出轴411与过渡轴42轴向连接，可以直接连接，也可以间接连接，间接连接即通过中间部件连接，本实施例中，输出轴411与过渡轴42便为间接连接方式，后续会进行详细介绍。

其中，输出轴411与真空反应腔室1的底壁周向密封连接，具体到本实施例中，如图8-图9所示，驱动单元还包括波纹管43，波纹管43套装输出轴411，波纹管43的外端具有连接法兰，连接法兰与真空反应腔室1的底壁外侧固定连接，并通过密封圈周向密封，波纹管43的内端为闭合端，并与输出轴411内端固定于一体，波纹管43的内端与绝缘过渡轴42固定连接。

如此，当输出轴411向下移动时，输出轴411带动绝缘过渡轴42向下移动，同时，波纹管43逐渐收缩；而当输出轴411向上移动时，输出轴411带动绝缘过渡轴42向上移动，同时，波纹管43逐渐伸展。在此过程中，波纹管43内部与大气连通，外部位于真空反应腔室1内部，并始终通过连接法兰与真空反应腔室1底壁之间的密封圈实现静密封，提高密封效果。

当然，输出轴411与真空反应腔室1的底壁周向密封连接还可以通过动密封，即输出轴411与真空反应腔室1的底壁之间通过密封圈实现密封，此时，无需设置上述波纹管43。

由图9可以看出，本实施例中，输出轴411实际为分体结构，包括输出轴本体和加长轴，加长轴外端与输出轴本体轴向固定连接，加长轴内端与波纹管43的内端壁固定连接；当然，实际应用中，输出轴411为一体结构也是可行的。

此外，如图1所示，本发明中，清洁气体源通过第一进气管路51与中心进气盘31连通，反应气体源通过第二进气管路52与中心进气盘31、边缘进气盘32连通,。

以上对本发明所提供的一种电容耦合等离子体刻蚀机进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。