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TW201619414A - 預清洗腔室及電漿加工裝置 - Google Patents

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TW201619414A
TW201619414A TW104139080A TW104139080A TW201619414A TW 201619414 A TW201619414 A TW 201619414A TW 104139080 A TW104139080 A TW 104139080A TW 104139080 A TW104139080 A TW 104139080A TW 201619414 A TW201619414 A TW 201619414A
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佘清
陳鵬
趙夢欣
培軍 丁
徐奎
邊國棟
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北京北方微電子基地設備工藝研究中心有限責任公司
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Abstract

本發明提供的預清洗腔室及電漿加工裝置，包括腔體和設置在該腔體頂部的媒介窗，在預清洗腔室內設置有基座和環繞在該基座周圍的製程組件，基座、製程組件和媒介窗共同在基座上方形成製程子腔；腔體位於基座下方的空間用作裝卸子腔，預清洗腔室還包括進氣裝置，該進氣裝置包括進氣口，進氣口用於自製程組件的上方直接將製程氣體輸送至製程子腔內。本發明提供的預清洗腔室，其不僅可以縮短製程氣體的進氣路徑，而且還可以在通入較少製程氣體的前提下達到所需的電漿密度，從而可以降低使用成本。

Description

預清洗腔室及電漿加工裝置
本發明涉及半導體裝置製造領域，具體涉及一種預清洗腔室及電漿加工裝置。
電漿加工裝置廣泛用於當今的半導體積體電路、太陽能電池、平板顯示器等製造製程中。產業上已經廣泛使用的電漿加工裝置有以下類型：例如，直流放電型，電容耦合（CCP）型，電感耦合（ICP）型以及電子迴旋共振（ECR）型。這些類型的電漿加工裝置目前被應用於沉積、蝕刻以及清洗等製程。 在進行製程的過程中，為了提高產品的品質，在實施沉積製程之前，首先要對晶片進行預清洗（Preclean），以去除晶片表面的氧化物等雜質。一般的預清洗腔室的基本原理是：將通入清洗腔室內的諸如氬氣、氦氣或氫氣等的清洗氣體激發形成電漿，以對晶片進行化學反應和物理轟擊，從而可以去除晶片表面的雜質。 第1圖為目前採用的一種預清洗腔室的結構示意圖。第2圖為第1圖的局部放大圖。請一併參閱第1圖和第2圖，該預清洗腔室由腔體8和設置在該腔體8頂部的媒介窗4形成。在預清洗腔室內設置有用於承載晶片2的基座1，其經由第一匹配器11而與第一射頻電源12連接；媒介窗4為採用絕緣材料（如陶瓷或石英）製成的拱形頂蓋，在媒介窗4的上方設置有線圈5，線圈5為螺線管線圈且經由第二匹配器3而與第二射頻電源6連接。而且，在預清洗腔室內，環繞在基座1的周圍設置有製程組件7，該製程組件7、基座1和媒介窗4共同形成製程腔41，而腔體8在基座1下方形成的空間用作裝卸腔；並且，如第2圖所示，該製程組件7形成迷宮結構的進氣/出氣通道，用以供裝卸腔內的製程氣體進出製程腔41。此外，在腔體8上還設置有進氣管路9，用以將製程氣體輸送至裝卸腔。製程氣體的流動方向如第1圖中的箭頭所示，製程氣體自進氣管路9進入裝卸腔，然後向上擴散，並經由由製程組件7形成的迷宮結構進行勻流之後，進入製程腔41被激發形成電漿。反應後的製程氣體再穿過製程組件7進入裝卸腔，並由真空泵10抽出。 上述預清洗腔室在實際應用中不可避免地存在以下問題： 其一，製程氣體進入製程腔41的路徑過長，從而到達製程腔41的時間較長，影響製程效率。 其二，由於製程腔41內的氣壓大於真空泵10的抽氣口附近的氣壓，而真空泵10在進行製程的過程中一直處於工作狀態，導致大部分製程氣體在未進入製程腔41之前就直接被真空泵10抽走，從而需要經由進氣管路9不斷地補充大量製程氣體，使等離子保持激發狀態並維持所需的電漿密度，這就造成製程氣體的浪費。
本發明旨在至少解決先前技術中存在的技術問題之一，提出了一種預清洗腔室及電漿加工裝置，其不僅可以縮短製程氣體的進氣路徑，而且還可以在通入較少製程氣體的前提下達到所需的電漿密度，從而降低使用成本。 本發明提供了一種預清洗腔室，包括腔體和設置在該腔體頂部的媒介窗，在該預清洗腔室內設置有基座和環繞在該基座周圍的製程組件，該基座、該製程組件和該媒介窗共同在該基座上方形成製程子腔，該腔體位於該基座下方的空間用作裝卸子腔；該預清洗腔室還包括進氣裝置，該進氣裝置包括進氣口，該進氣口用於自該製程組件的上方直接將製程氣體輸送至該製程子腔內。 較佳的，該進氣裝置還包括環形勻流腔，該環形勻流腔與該進氣口連通，且經由多個出氣口與該製程子腔連通，該多個出氣口沿該製程子腔的周向均勻分佈。 較佳的，該進氣裝置包括：進氣環，其位於該媒介窗和該腔體之間，且分別與二者密封連接；並且，在該進氣環的內周壁上形成有至少一個沿其徑向貫穿的第一通孔，用作該進氣口；勻流環，其位於該進氣環的內側，且與該進氣環的內周壁共同形成環形空間，用作該環形勻流腔；並且，在該勻流環的頂部形成有環形勻流部，該環形勻流部具有多個沿該製程子腔的周向均勻分佈的第二通孔，該第二通孔分別與該環形空間和製程子腔相連通，用作該出氣口。 較佳的，該進氣口包括一個中央進氣口，其設置在該媒介窗的中央位置處。 較佳的，該進氣口包括至少兩個頂部進氣口，且均勻分佈在該媒介窗的不同位置處。 較佳的，該預清洗腔室還包括過濾板，該過濾板將該製程子腔隔離形成上子空間和下子空間，該進氣口與該上子空間相連通；並且，在該過濾板上分佈有多個通氣孔，該通氣孔分別與該上子空間和下子空間相連通，用以在該上子空間內形成的電漿經過該通氣孔時，過濾掉該電漿中的離子。 較佳的，該製程組件包括上環體和下環體，該上環體位於該下環體的內側，且在該上環體的外周壁與該下環體的內周壁之間具有環形間隙；並且，在該下環體的內周壁上，且位於該上環體的下端的上方設置有多個第三通孔，該多個第三通孔沿該製程子腔的周向均勻分佈；該環形間隙與各個第三通孔形成用於將該製程子腔內的氣體排入該裝卸子腔的排氣口。 較佳的，該媒介窗採用拱形結構或者桶狀結構。 較佳的，在該媒介窗的內側環繞設置有法拉第屏蔽件，該法拉第屏蔽件由金屬材料製成或者由表面鍍有導電材料的絕緣材料製成；並且，該法拉第屏蔽件在其軸向方向設有至少一個開縫。 作為另一個技術方案，本發明還提供一種電漿加工裝置，包括預清洗腔室，該預清洗腔室採用本發明提供的預清洗腔室。 本發明具有以下有益效果： 本發明提供的預清洗腔室，其通過借助進氣裝置的進氣口自製程組件的上方直接將製程氣體輸送至製程子腔內，可以縮短製程氣體的進氣路徑，縮短製程氣體到達電漿產生區域的時間，從而可以提高製程效率，而且還可以使得來自進氣口的所有製程氣體能夠全部進入製程子腔，從而可以避免先前技術中出現的部分製程氣體未進行反應而直接被抽出的情況，進而可以實現通入較少的製程氣體前提下達到較高的電漿密度，從而可以降低使用成本。 本發明提供的電漿加工裝置，其通過採用本發明提供的上述預清洗腔室，不僅可以縮短製程氣體的進氣路徑，而且還可以在通入較少製程氣體的前提下達到所需的電漿密度，從而可以降低使用成本。
為使本領域的技術人員更好地理解本發明的技術方案，下面結合附圖來對本發明提供的預清洗腔室及電漿加工裝置進行詳細描述。 第3A圖為本發明第一實施例提供的預清洗腔室的剖視圖。第3B圖為第3A圖中I區域的放大圖。請一併參閱第3A圖和第3B圖，預清洗腔室100由腔體20和設置在該腔體20頂部的媒介窗21形成。在預清洗腔室100內設置有用於承載晶片23的基座22，其經由第一匹配器29而與第一射頻電源30連接；媒介窗21為採用絕緣材料（如陶瓷或石英）製成的拱形頂蓋，在媒介窗21的上方設置有線圈26，線圈26為螺線管線圈，且經由第二匹配器27而與第二射頻電源28連接。而且，在預清洗腔室100內，且環繞在基座22的周圍設置有製程組件24，在基座22處於製程位置時，該製程組件24、基座22和媒介窗21共同在基座22的上表面的上方形成製程子腔211，而腔體20和基座22共同在基座22的上表面的下方形成裝卸子腔202。 預清洗腔室100還包括進氣裝置32，該進氣裝置包括進氣口，該進氣口用於自製程組件24的上方直接將製程氣體輸送至製程子腔211內。製程氣體通常包括Ar、H2或者He等等。在進行預清洗的過程中，自該進氣口進入到製程子腔211內的製程氣體的流動方向如第3A圖中的箭頭所示，製程氣體從製程子腔211的四周向上且向中心擴散。同時接通第二射頻電源28和第一射頻電源30，以將製程子腔211內的製程氣體激發為電漿，電漿朝向位於製程子腔211底部的基座22擴散，並且電漿在由晶片23產生的射頻自偏壓的作用下被吸引轟擊晶片23上的雜質，從而實現對晶片23的預清洗。 借助進氣裝置32的進氣口將製程氣體自製程組件的24上方直接輸送至製程子腔211內，不僅可以縮短製程氣體的進氣路徑，縮短製程氣體到達電漿產生區域的時間，提高製程效率；而且還可以使得來自進氣口的所有製程氣體能夠全部進入製程子腔，從而可以避免先前技術中出現的部分製程氣體未進行反應而直接被抽出的情況，進而可以在通入較少的製程氣體情況下就獲得較高的電漿密度，從而可以減少製程氣體的使用量，降低製程成本。 下面對上述進氣裝置32的結構進行詳細描述。具體地，如第3B圖所示，進氣裝置32包括進氣環321和勻流環322。其中，進氣環321位於媒介窗21和腔體20之間，且分別與二者密封連接；並且，在進氣環321的側壁上形成有至少一個沿其徑向貫穿該側壁的第一通孔323，該第一通孔323用作上述進氣口，並與進氣管路33連接；勻流環322位於進氣環321的內側，且與進氣環321的內周壁共同形成環形空間324，該環形空間324用作用於起到勻流作用的環形勻流腔，且與上述第一通孔323連通；並且，勻流環322的具體結構如第4圖和第5圖所示，在勻流環322的頂部形成有環形勻流部，該環形勻流部具有沿製程子腔211的周向均勻分佈的多個第二通孔3221，該第二通孔3221分別與環形空間324和製程子腔211相連通，用作環形勻流腔的出氣口。而且，在勻流環322的內側還設置有沿製程子腔211的周向均勻分佈的多個安裝孔3222，用以通過安裝螺釘等緊固部件而將勻流環322與腔體20固定連接。在進行預清洗的過程中，來自氣管路33的製程氣體進入製程子腔211內的流動方向如第3B圖中的箭頭所示，製程氣體通過第一通孔323進入環形空間324並向四周擴散直至充滿環形空間324，然後通過各個第二通孔3221均勻地流入製程子腔211內。 容易理解，通過將第二通孔3221設置在環形空間324的頂部，可以使自第二通孔3221流出的製程氣體朝向製程子腔211的上部擴散，以使得製程氣體能夠在製程子腔211的上部被激發形成電漿，並朝向基座22擴散。當然，本發明並不侷限於此，在實際應用中，第二通孔3221還可以設置在環形空間324的內側，即，設置在勻流環322的豎直側壁上。事實上，只要第二通孔3221能夠位於製程組件24的上方，即可直接將製程氣體輸送至製程子腔211內，也就能達到本發明的目的。 在本實施例中，如第3B圖至第3D圖所示，製程組件24環繞在基座22的周圍，用以與基座22和媒介窗21共同在基座22上方形成製程子腔211，具體來說，基座22是可升降的，其可以上升至製程位置，以對置於其上的晶片23進行製程，或者下降至裝卸子腔202內的裝卸位置，並利用機械手進行取放片操作。當基座22位於製程位置時，晶片23利用壓環25採用機械的方式固定在基座22上，此時壓環25與晶片23上表面的邊緣區域相互接觸，從而將製程子腔211封閉。當基座22離開製程位置時，壓環25與晶片23的邊緣區域相脫離，並由製程組件24承載。 進一步說，如第3C圖所示，製程組件24包括上環體242和下環體241，其中，上環體242的側壁由其軸線所在平面剖切而得到的剖視圖呈倒“L”形；下環體241的側壁由其軸線所在平面剖切而得到的剖視圖呈釣鉤狀，亦可看作是一個正“L”和一個倒“L”拼接在一起，且正“L”的橫部筆劃的末端（最右端）與倒“L”的豎部筆劃的末端（最下端）彼此銜接。上環體242的豎直部分位於下環體241的豎直部分的內側（以下簡稱為“上環體242位於下環體241的內側”），且在上環體242的豎直部分的外周壁（以下簡稱為“上環體的外周壁”）與下環體241的豎直部分的內周壁（下環體的內周壁）之間具有環形間隙244；並且，在下環體241的內周壁上，且位於上環體242的下端的上方設置有多個第三通孔243，多個第三通孔243沿製程子腔211的周向均勻分佈，如第3D圖所示；環形間隙244與各個第三通孔243形成用於將製程子腔211內的氣體排入裝卸子腔202的排氣口。在進行預清洗的過程中，反應後的製程氣體的排氣方向如第3C圖中的箭頭所示，反應後的製程氣體依次通過環形間隙244和各個第三通孔243排入裝卸子腔202，然後再由真空泵31自腔體20底部的排氣口201抽出。容易理解，由於上述環形間隙244採用迷宮結構，這有助於提高製程子腔211內的氣流穩定性。 需要說明的是，在實際應用中，也可以省去上述環形勻流腔，而是沿製程子腔的周向均勻設置多個用作進氣口的第一通孔，並將多個第一通孔直接與製程子腔連通，用以均勻地自製程子腔的四周向中心輸送製程氣體。 還需要說明的是，在本實施例中，媒介窗21採用拱形結構，但是本發明並不侷限於此，在實際應用中，媒介窗還可以根據具體需要採用桶狀結構等的其他任意結構。另外，較佳的，還可以在媒介窗的內側環繞設置法拉第屏蔽件，該法拉第屏蔽件由金屬材料製成或者由表面鍍有導電材料的絕緣材料製成。借助法拉第屏蔽件，不僅可以屏蔽電磁場，以減小電漿對製程子腔的侵蝕，延長製程子腔的使用時間，而且易於清洗腔室，從而降低腔室的使用成本。另外，法拉第屏蔽件在其軸向方向設有至少一個開縫，即，該法拉第屏蔽件在開縫處完全斷開，為非連續的桶狀結構，以有效地阻止法拉第屏蔽件的渦流損耗和發熱。 第6圖為本發明第二實施例提供的預清洗腔室的剖視圖。請參閱第6圖，本實施例提供的預清洗腔室200與上述第一實施例相比，其區別僅在於，預清洗腔室200還包括過濾板34。具體地，過濾板34由絕緣材料製成或者由表面鍍有絕緣材料的金屬製成，絕緣材料包括陶瓷或石英等。而且，過濾板34將製程子腔211隔離形成上子空間2111和下子空間2112，進氣裝置32的進氣口與上子空間2111相連通，用以直接向該上子空間2111輸送製程氣體；並且，在過濾板34上分佈有多個通氣孔341，該通氣孔341分別與上子空間2111和下子空間2112相連通，用以在上子空間2111內形成的電漿經過通氣孔341時，過濾電漿中的離子。由於通氣孔341內的空間狹小，當電漿經過通氣孔341時，電漿中的離子與電子等帶電粒子接觸的機會大大增大，因而離子能夠容易地捕獲到電子等帶電粒子，並轉化為原子等形態，從而使得穿過通氣孔341的電漿中不會存在離子，而僅存在自由基、原子和分子等，這些自由基、原子和分子在進入下子空間2112後會繼續向下擴散，直至到達置於基座22上的晶片23表面進行蝕刻。因此，借助過濾板34，可以起到“過濾”電漿中的離子的作用，從而可以避免電漿中的離子對晶片23上的材料產生不良影響，進而可以提高產品性能。在實際應用中，可以採用實驗的方式設計通氣孔341的尺寸，只要其能夠實現對離子的過濾作用即可。 另外，多個通氣孔341可以相對於過濾板34所在平面均勻分佈，或者，也可以根據晶片23的表面的各個區域之間的製程偏差適當調整通氣孔341的局部分佈密度，以改變對應於晶片23的表面的各個區域的電漿的密度，從而可以提高製程均勻性。 需要說明的是，在本實施例中，過濾板34的數量為一個，但是本發明並不侷限於此，在實際應用中，過濾板的數量還可以為兩個或三個以上，且沿豎直方向間隔排列，以起到對電漿進行多次過濾和勻氣的作用。容易理解，位於最頂層的過濾板上方的子空間即為電漿產生區域，進氣裝置的進氣口應朝向該子空間直接輸送製程氣體。 第7圖為本發明第三實施例提供的預清洗腔室的剖視圖。請參閱第7圖，本實施例提供的預清洗腔室300與上述第一、第二實施例相比，其區別僅在於：進氣裝置相對於製程子腔的位置不同。具體地，進氣裝置32’的進氣口包括一個中央進氣口212，其設置在媒介窗21’的中央位置處，並與進氣管路33連接，用以自製程子腔211的頂部中心位置直接進氣，這種進氣方式不僅可以使氣流更順暢，而且獲得的製程效果更穩定。 需要說明的是，在實際應用中，進氣裝置的進氣口也可以包括至少兩個頂部進氣口，且均勻分佈在媒介窗的不同位置處。借助多個頂部進氣口分別自製程子腔211頂部的不同位置同時進氣，可以實現分區進氣，從而可以提高製程子腔211內的氣體分佈均勻性。 還需要說明的是，在上述各個實施例中，基座22包括靜電卡盤或者機械卡盤，用以承載晶片23。而且，基座22還可以根據具體需要設置加熱器，用以控制晶片23的溫度。 作為另一個技術方案，本發明實施例還提供一種電漿加工裝置，包括預清洗腔室，該預清洗腔室可採用本發明上述任一實施例提供的預清洗腔室。 本發明實施例提供的電漿加工裝置，其通過採用本發明上述任一實施例提供的上述預清洗腔室，不僅可以縮短製程氣體的進氣路徑，而且還可以在通入較少製程氣體的情況下就能獲得所需的電漿密度，從而可以減少製程氣體的使用量，降低製程成本。 可以理解的是，以上實施方式僅僅是為了說明本發明的原理而採用的示例性實施方式，然而本發明並不侷限於此。對於本領域內的普通技術人員而言，在不脫離本發明的精神和實質的情況下，可以做出各種變型和改進，這些變型和改進也視為本發明的保護範圍。
1、22‧‧‧基座
2、23‧‧‧晶片
3、11、27、29‧‧‧匹配器
4、21、21’‧‧‧媒介窗
5、26‧‧‧線圈
6、12、28、30‧‧‧射頻電源
7、24‧‧‧製程組件
8、20‧‧‧腔體
9、33‧‧‧進氣管路
10、31‧‧‧真空泵
25‧‧‧壓環
32、32’‧‧‧進氣裝置
34‧‧‧過濾板
41‧‧‧製程腔
100、200、300‧‧‧預清洗腔室
201‧‧‧排氣口
202‧‧‧裝卸子腔
211‧‧‧製程子腔
212‧‧‧中央進氣口
241‧‧‧下環體
242‧‧‧上環體
243、323、3221‧‧‧通孔
244‧‧‧環形間隙
321‧‧‧進氣環
322‧‧‧勻流環
324‧‧‧環形空間
341‧‧‧通氣孔
2111‧‧‧上子空間
2112‧‧‧下子空間
3222‧‧‧安裝孔
I‧‧‧區域
第1圖為目前採用的一種預清洗腔室的結構示意圖； 第2圖為第1圖的局部放大圖； 第3A圖為本發明第一實施例提供的預清洗腔室的剖視圖； 第3B圖為第3A圖中I區域的放大圖； 第3C圖為本發明實施例所採用的製程組件的局部剖視圖； 第3D圖為本發明實施例所採用的製程組件的下環體的剖視圖； 第4圖為本發明實施例所採用的勻流環的俯視圖； 第5圖為本發明實施例所採用的勻流環的剖視圖； 第6圖為本發明第二實施例提供的預清洗腔室的剖視圖；以及 第7圖為本發明第三實施例提供的預清洗腔室的剖視圖。
20‧‧‧腔體
21‧‧‧媒介窗
22‧‧‧基座
23‧‧‧晶片
24‧‧‧製程組件
25‧‧‧壓環
32‧‧‧進氣裝置
33‧‧‧進氣管路
211‧‧‧製程子腔
241‧‧‧下環體
242‧‧‧上環體
243、323‧‧‧通孔
244‧‧‧環形間隙
321‧‧‧進氣環
322‧‧‧勻流環
324‧‧‧環形空間
I‧‧‧區域

Claims (10)

  1. 一種預清洗腔室，包括腔體和設置在該腔體頂部的媒介窗，在該預清洗腔室內設置有基座和環繞在該基座周圍的製程組件，該基座、該製程組件和該媒介窗共同在該基座上方形成製程子腔，該腔體位於該基座下方的空間用作裝卸子腔；該預清洗腔室還包括進氣裝置，該進氣裝置包括進氣口，其特徵在於， 該進氣口用於自該製程組件的上方直接將製程氣體輸送至該製程子腔內。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的預清洗腔室，其特徵在於，該進氣裝置還包括環形勻流腔， 該環形勻流腔與該進氣口連通，且經由多個出氣口與該製程子腔連通，該多個出氣口沿該製程子腔的周向均勻分佈。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的預清洗腔室，其特徵在於，該進氣裝置包括： 進氣環，其位於該媒介窗和該腔體之間，且分別與二者密封連接；並且，在該進氣環的內周壁上形成有至少一個沿其徑向貫穿的第一通孔，用作該進氣口； 勻流環，其位於該進氣環的內側，且與該進氣環的內周壁共同形成環形空間，用作該環形勻流腔；並且，在該勻流環的頂部形成有環形勻流部，該環形勻流部具有多個沿該製程子腔的周向均勻分佈的第二通孔，該第二通孔分別與該環形空間和製程子腔相連通，用作該出氣口。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的預清洗腔室，其特徵在於，該進氣口包括一個中央進氣口，其設置在該媒介窗的中央位置處。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的預清洗腔室，其特徵在於，該進氣口包括至少兩個頂部進氣口，且均勻分佈在該媒介窗的不同位置處。
  6. 如申請專利範圍第1項至第5項任意一項所述的預清洗腔室，其特徵在於，該預清洗腔室還包括過濾板，該過濾板將該製程子腔隔離形成上子空間和下子空間，該進氣口與該上子空間相連通；並且， 在該過濾板上分佈有多個通氣孔，該通氣孔分別與該上子空間和下子空間相連通，用以在該上子空間內形成的電漿經過該通氣孔時，過濾掉該電漿中的離子。
  7. 如申請專利範圍第1項至第5項任意一項所述的預清洗腔室，其特徵在於，該製程組件包括上環體和下環體，該上環體位於該下環體的內側，且在該上環體的外周壁與該下環體的內周壁之間具有環形間隙；並且， 在該下環體的內周壁上，且位於該上環體的下端的上方設置有多個第三通孔，該多個第三通孔沿該製程子腔的周向均勻分佈；該環形間隙與各個第三通孔形成用於將該製程子腔內的氣體排入該裝卸子腔的排氣口。
  8. 如申請專利範圍第1項至第5項任意一項所述的預清洗腔室，其特徵在於，該媒介窗採用拱形結構或者桶狀結構。
  9. 如申請專利範圍第1項至第5項任意一項所述的預清洗腔室，其特徵在於，在該媒介窗的內側環繞設置有法拉第屏蔽件，該法拉第屏蔽件由金屬材料製成或者由表面鍍有導電材料的絕緣材料製成；並且， 該法拉第屏蔽件在其軸向方向設有至少一個開縫。
  10. 一種電漿加工裝置，包括預清洗腔室，其特徵在於，該預清洗腔室採用申請專利範圍第1項至第9項任意一項所述預清洗腔室。
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