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TWI859679B - 等離子體控流裝置、等離子刻蝕機及其均一性優化方法 - Google Patents

等離子體控流裝置、等離子刻蝕機及其均一性優化方法 Download PDF

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TWI859679B
TWI859679B TW111150481A TW111150481A TWI859679B TW I859679 B TWI859679 B TW I859679B TW 111150481 A TW111150481 A TW 111150481A TW 111150481 A TW111150481 A TW 111150481A TW I859679 B TWI859679 B TW I859679B
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annular body
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etching machine
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郭頌
劉小波
陳兆超
車東晨
葉聯
劉磊
陳龍保
胡冬冬
開東 許
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Abstract

本發明實施例公開了一種等離子體控流裝置、等離子刻蝕機及其均一性優化方法，等離子刻蝕機包括等離子體反應腔、晶圓支撐台和等離子體控流裝置；等離子體控流裝置包括第一環形體、第二環形體和環形連接體；第一環形體、第二環形體和環形連接體均環繞直線A設置；環形連接體位於間隔空間中並連接第一環形體和第二環形體，與第一環形體和第二環形體共同圍合形成控流腔；第一環形體靠近等離子體反應腔的進氣口，第二環形體靠近晶圓支撐台；晶圓支撐台的晶圓放置區域位於第一環形體的內孔在晶圓支撐臺上的投影區域內，也位於第二環形體的內孔在晶圓支撐臺上的投影區域內。本發明能夠提升刻蝕均一性並能夠緩解氣流直接被真空泵吸走導致浪費的問題。

Description

等離子體控流裝置、等離子刻蝕機及其均一性優化方法
本發明涉及半導體生產技術領域，特別是一種等離子體控流裝置，該等離子體控流裝置可以應用於等離子刻蝕機，可以用來優化等離子刻蝕機的刻蝕均一性。
等離子刻蝕機應用於半導體行業，其基本原理是在真空低氣壓下，感應耦合電漿(Inductively Coupled Plasma,ICP)射頻電源產生的射頻輸出到環形耦合線圈，以一定比例的混合刻蝕氣體經耦合輝光放電，產生高密度的等離子體，在下電極的射頻(Radio Frequency,RF)的作用下，這些等離子體對晶圓襯底進行轟擊，晶圓襯底繪圖區域的半導體的化學鍵被打斷，與刻蝕氣體生成揮發性物質，以氣體形式脫離基片，從真空管路被抽走。
目前，等離子刻蝕機工作過程中存在等離子體分佈不均勻，氣流分散於等離子體反應腔各處，導致部分氣流被真空泵直接抽走，產生不必要的浪費，還導致對晶圓的刻蝕均一性比較差，以金屬鋁刻蝕為例，目前市場上的金屬鋁刻蝕機均一性一般在8%以上。
因此，如何克服上述弊端，是本領域技術人員需要解決的技術問題。
為解決上述技術問題，本發明提供一種等離子體控流裝置，所述等離子體控流裝置包括第一環形體、第二環形體和環形連接體；所述第一環形體、第二環形體和環形連接體均環繞直線A設置；所述第一環形體和第二環形體沿所述直線A相互間隔，之間形成間隔空間；所述環形連接體位於所述間隔空間中並連接所述第一環形體和第二環形體，與所述第一環形體和第二環形體共同圍合形成控流腔；所述第一環形體的內孔形成供等離子體進入所述控流腔的進流口，所述環形連接體設有供等離子體流出所述控流腔的出流口。
等離子體控流裝置的一種實施方式，所述所述第二環形體的外周尺寸小於所述第一環形體的外周尺寸。
等離子體控流裝置的一種實施方式，所述第一環形體和所述第二環形體均為板狀結構。
等離子體控流裝置的一種實施方式，所述環形連接體包括多個連接柱，各所述連接柱環繞所述直線A依次間隔佈置，相鄰所述連接柱之間形成所述出流口。
本發明還提供一種等離子刻蝕機，所述等離子刻蝕機包括等離子體反應腔、晶圓支撐台和上述任一項所述的等離子體控流裝置；所述晶圓支撐台位於所述等離子體反應腔的進氣口和排氣口之間，所述等離子體控流裝置位於所述等離子體反應腔的進氣口和所述晶圓支撐台之間，所述等離子體控流裝置的第一環形體靠近所述等離子體反應腔的進氣口，第二環形體靠近所述晶圓支撐台；所述晶圓支撐台的晶圓放置區域位於所述第一環形體的內孔在所述晶圓支撐臺上的投影區域內，也位於所述第二環形體的內孔在所述晶圓支撐臺上的投影區域內。
等離子刻蝕機的一種實施方式，所述第一環形體的外周以及所述第二環形體的外周與所述等離子體反應腔的腔體側壁或者所述等離子體反應腔的內襯側壁之間有間隙。
等離子刻蝕機的一種實施方式，所述等離子刻蝕機還包括偏壓電極和偏壓電極罩，所述偏壓電極罩固定在所述等離子體反應腔內部並罩住所述偏壓電極，所述第二環形體支撐固定於所述偏壓電極罩或者支撐固定於所述等離子體反應腔的內襯。
等離子刻蝕機的一種實施方式，所述等離子刻蝕機還包括導流罩、壓力控制閥和真空泵，所述導流罩的入口與所述等離子體反應腔的排氣口連通，所述導流罩的出口與所述壓力控制閥連通，所述壓力控制閥與所述真空泵連通。
等離子刻蝕機的一種實施方式，所述等離子刻蝕機還包括固定在所述等離子體反應腔外的屏蔽罩，所述屏蔽罩和所述等離子體反應腔圍合形成屏蔽腔室；所述等離子刻蝕機還包括設置在所述屏蔽腔室內的耦合線圈、設置在所述屏蔽腔室內並位於所述耦合線圈和所述等離子體反應腔的進氣口之間的陶瓷介質窗、穿設於所述陶瓷介質窗用於向所述等離子體反應腔內部噴入工藝氣體的噴嘴。
本發明還提供一種等離子刻蝕機的均一性優化方法，通過調整等離子體控流裝置的第一環形體的內孔尺寸，和/或，調整等離子體控流裝置的第二環形體的外周尺寸，和/或，調整等離子體控流裝置的環形連接體的高度尺寸，來優化等離子刻蝕機的刻蝕均一性。
本發明中，等離子刻蝕機工作時，氣流先自進氣口進入等離子體反應腔內部，由於第一環形體靠近等離子體反應腔的進氣口佈置，所以絕大部分氣流自第一環形體的內孔進入控流腔內部，由於晶圓支撐台的晶圓放置區域位於第一環形體的內孔在晶圓支撐臺上的投影區域內和第二環形體的內孔在晶圓支撐臺上的投影區域內，所以第一環形體的內孔能將氣流更密集地集中在正對晶圓的區域，被集中起來的氣流中的等離子體能集中落到晶圓上，高密度地對晶圓進行刻蝕，同時在控流腔的腔壁的阻擋作用下，等離子體會在晶圓上停留較長時間，從而能充分地參與刻蝕，因此能夠提升刻蝕均一性並能夠 緩解氣流直接被真空泵吸走導致浪費的問題。
101:第一環形體
102:第二環形體
103a:連接柱
103b:出流口
103:環形連接體
200:等離子體反應腔
201a:排氣口
201b:筒形支撐部
201:腔體
202a:進氣口
202:腔蓋
203:內襯
301:晶圓支撐台
302:晶圓
303:晶圓聚焦環
401:偏壓電極
402:偏壓電極罩
403:偏壓射頻電源
404:偏壓匹配網路
501:導流罩
502:壓力控制閥
503:真空泵
600:屏蔽罩
701:耦合線圈
702:激發源射頻電源
703:激發源匹配網路
800:陶瓷介質窗
901:噴嘴
902:氣源
A:直線
圖1為本發明提供的等離子刻蝕機一種實施例的剖視圖；
圖2為圖1中部分結構的立體剖面圖；
圖3為等離子刻蝕機採用等離子體控流裝置前後的氣流分佈對比圖。
以往的等離子刻蝕機工作過程中存在等離子體分佈不均勻，氣流分散於等離子體反應腔各處，導致部分氣流被真空泵直接抽走，產生不必要的浪費，還導致對晶圓的刻蝕均一性比較差，以金屬鋁刻蝕為例，目前市場上的金屬鋁刻蝕機均一性一般在8%以上。
為此，本發明提供一種等離子體控流裝置，該等離子體控流裝置可以應用於等離子刻蝕機，能使等離子刻蝕機的刻蝕均一性得以提升而且同等刻蝕條件下所用的氣流量減少。另外，本發明還提供一種採用該等離子體控流裝置的等離子刻蝕機以及等離子刻蝕機的均一性優化方法。
為了使本技術領域的技術人員更好地理解本發明的技術方案，下面結合圖式和具體實施例對本發明提供的等離子體控流裝置、等離子刻蝕機和等離子刻蝕機的均一性優化方法作進一步的詳細說明。
如圖1，該等離子刻蝕機包括等離子體反應腔200、用於支撐晶圓302的晶圓支撐台301和等離子體控流裝置。等離子體反應腔200具有腔體201和腔蓋202，腔體201的底壁設有排氣口201a，腔蓋202設有進氣口202a。
晶圓支撐台301固定在等離子體反應腔200內部。晶圓支撐台301的晶圓放置區域位於等離子體反應腔200的進氣口202a和排氣口201a之間。
等離子體控流裝置固定在等離子體反應腔200內部。等離子體控流裝置位於等離子體反應腔200的進氣口202a和晶圓支撐台301的晶圓放置區域之間。
等離子體控流裝置包括第一環形體101、第二環形體102和環形連接體103。第一環形體101、第二環形體102和環形連接體103均環繞直線A設置。第一環形體101和第二環形體102沿直線A相互間隔，之間形成間隔空間。第一環形體101和第二環形體102可以採用板狀結構，以方便佈置。
環形連接體103位於第一環形體101和第二環形體102之間的間隔空間中並連接第一環形體101和第二環形體102。環形連接體103與第一環形體101和第二環形體102共同圍合形成控流腔。
第一環形體101的內孔形成供等離子體進入控流腔的進流口。環形連接體103設有供等離子體流出控流腔的出流口103b，結合圖2理解，圖2中，環形連接體103為分體結構，包括多個連接柱103a，各連接柱103a環繞直線A依次間隔佈置，相鄰連接柱103a之間形成所述出流口103b，當然，環形連接體103也可以設置成一體結構。
第一環形體101靠近等離子體反應腔200的進氣口202a，第二環形體102靠近晶圓支撐台301。晶圓支撐台301的晶圓放置區域位於第一環形體101的內孔在晶圓支撐台301上的投影區域內，也位於第二環形體102的內孔在晶圓支撐台301上的投影區域內。
等離子刻蝕機工作時，氣流先自進氣口202a進入等離子體反應腔200內部，由於第一環形體101靠近等離子體反應腔200的進氣口202a佈置，所以絕大部分氣流自第一環形體101的內孔進入控流腔內部，氣流中的等離子體穿過第二環形體102的內孔落到晶圓上，對晶圓進行刻蝕，然後這部分氣流經環形連接體103的出流口 103b排出控流腔，然後自等離子體反應腔200的排氣口201a排出。
由於晶圓支撐台301的晶圓放置區域位於第一環形體101的內孔在晶圓支撐台301上的投影區域內和第二環形體102的內孔在晶圓支撐台301上的投影區域內，所以第一環形體101的內孔能將氣流更密集地集中在正對晶圓的區域，被集中起來的氣流中的等離子體能集中落到晶圓上，高密度地對晶圓進行刻蝕，同時在控流腔的腔壁的阻擋作用下，等離子體會在晶圓上停留較長時間，從而能充分地參與刻蝕，因此能夠提升刻蝕均一性並能夠緩解氣流直接被泵吸走導致浪費的問題。
如圖3，圖3為等離子刻蝕機採用等離子體控流裝置前後的氣流分佈對比圖。從圖中可以看出，採用上述等離子體控流裝置後，氣流分佈更集中，氣流能更集中地流向晶圓。
具體的，第一環形體101的外周以及第二環形體102的外周與等離子體反應腔200的腔體201側壁或者等離子體反應腔200的內襯203側壁之間有間隙。也就是說，當等離子體反應腔不設內襯203時，間隙形成在第一環形體101的外周和第二環形體102的外周與等離子體反應腔200的腔體201側壁之間，當等離子體反應腔200設有內襯203時，間隙形成在第一環形體101的外周和第二環形體102的外周與等離子體反應腔200的內襯203側壁之間。
圖式實施例中，等離子體反應腔200設有內襯203，內襯203嵌裝在等離子體反應腔200的腔體201內部，內襯203的底壁將等離子體反應腔200的腔體201內部分隔成上下兩個腔室，上腔室和下腔室通過內襯203底壁上的通孔(圖中未展示出來)連通。
讓第一環形體101的外周以及第二環形體102的外周與等離子體反應腔200的腔體201側壁或者等離子體反應腔200的內襯203側壁之間有間隙，刻蝕過程中顆粒可以自該間隙落下，能避免顆粒堆積，更利於提升刻蝕均一性。
具體的，第二環形體102的外周尺寸小於第一環形體101的外周尺寸，這樣設置，當氣流自環形連接體103的出流口103b流出後，能順暢地通過第一環形體101與等離子體反應腔200的腔體201側壁或者等離子體反應腔200的內襯203側壁之間的間隙流向排氣口201a，使得排氣阻力較小，排氣順暢，從而更利於提升刻蝕均一性。
具體的，採用上述等離子體控流裝置的等離子刻蝕機在不同工藝條件下，可以通過調整第一環形體101的內孔尺寸，和/或，調整第二環形體102的外周尺寸，和/或，調整環形連接體103的高度尺寸(即沿直線A的尺寸)，來優化等離子刻蝕機的均一性。
調整第一環形體101的內孔尺寸，可以改變等離子體控流裝置對氣流的聚集程度。調整第二環形體102的外周尺寸，可以改變氣流在等離子體控流裝置的控流腔中的停留時長。調整環形連接體103的高度尺寸，可以改變氣流自控流腔嚮往排出的速度。聚集程度、停留時長和氣流排出速度均能對刻蝕均一性產生影響。
繼續參考圖1。該等離子刻蝕機還包括偏壓電極401、偏壓電極罩402、偏壓射頻電源403、偏壓匹配網路404。偏壓電極401、偏壓匹配網路404和偏壓射頻電源403通過導線依次連接，由偏壓電極401提供刻蝕所需的偏壓。
圖式實施例中，等離子體反應腔200的腔體201底壁的中部向腔內隆起形成筒形支撐部201b，偏壓電極401支撐於筒形支撐部201b，導線自筒形支撐部201b內部穿過後與外部的偏壓射頻電源403和偏壓匹配網路404連接。筒形支撐部201b一方面起到支撐作用，另一方面起到導流作用，導引氣流流向腔體201底壁上的排氣口201a。
偏壓電極罩402固定在等離子體反應腔200內部並罩住偏壓電極401。圖式實施例中，第二環形體102支撐固定於偏壓電 極罩402，具體的，第二環形體102的中部向控流腔內隆起形成隆起部，從而在第二環形體102遠離第一環形體101的一側表面對應形成凹槽，通過該凹槽固套在偏壓電極罩402的頂部。設置隆起部，既便於第二環形體102與偏壓電極罩402的固定，同時隆起部能起到擋流作用，利於延長等離子體在晶圓上的停留時長。在其他實施例中，第二環形體102也可以支撐固定於等離子體反應腔的內襯203。
另外，偏壓電極罩402的頂面上還設有臺階，用於支撐和限位晶圓聚焦環303。
該等離子刻蝕機還包括導流罩501、壓力控制閥502和真空泵503，導流罩501的入口與等離子體反應腔200的排氣口201a連通，導流罩501的出口與壓力控制閥502連通，壓力控制閥502與真空泵503連通。由真空泵503提供刻蝕所需的負壓，由壓力控制閥502進行壓力調節。
該等離子刻蝕機還包括屏蔽罩600。屏蔽罩600固定在等離子體反應腔200外並罩住等離子體反應腔200的進氣口202a。屏蔽罩600和等離子體反應腔200圍合形成屏蔽腔室。
該等離子刻蝕機還包括耦合線圈701、激發源射頻電源702，激發源匹配網路703，耦合線圈701、激發源匹配網路703和激發源射頻電源702依次通過導線連接。耦合線圈701設置在屏蔽腔室內。
該等離子刻蝕機還包括陶瓷介質窗800、噴嘴901和氣源902。陶瓷介質窗800設置在屏蔽腔室內並位於耦合線圈701和等離子體反應腔200的進氣口202a之間。噴嘴901穿設於陶瓷介質窗800，並與氣源902連通，以向等離子體反應腔內部噴入工藝氣體。工藝氣體在耦合線圈701的作用下生成等離子體。
綜上，本發明的核心思想是在等離子刻蝕機的等離子體反應腔內部設置等離子體控流裝置，並且通過對等離子體控流裝置 的結構和佈置位置進行設計，達到了提升等離子刻蝕機刻蝕均一性和緩解氣流浪費的效果。
以上應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用於幫助理解本發明的方法及其核心思想。應當指出，在不脫離本發明原理的前提下，還可以對本發明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發明請求項的保護範圍內。
101:第一環形體
102:第二環形體
103:環形連接體
200:等離子體反應腔
201a:排氣口
201b:筒形支撐部
201:腔體
202a:進氣口
202:腔蓋
203:內襯
301:晶圓支撐台
302:晶圓
303:晶圓聚焦環
401:偏壓電極
402:偏壓電極罩
403:偏壓射頻電源
404:偏壓匹配網路
501:導流罩
502:壓力控制閥
503:真空泵
600:屏蔽罩
701:耦合線圈
702:激發源射頻電源
703:激發源匹配網路
800:陶瓷介質窗
901:噴嘴
902:氣源
A:直線

Claims (20)

  1. 一種等離子體控流裝置，設置在等離子刻蝕機的等離子體反應腔內部，其特徵在於，所述等離子體控流裝置包括第一環形體、第二環形體和環形連接體；所述第一環形體、第二環形體和環形連接體均環繞直線(A)設置；所述第一環形體和第二環形體沿所述直線(A)相互間隔，之間形成間隔空間；所述環形連接體位於所述間隔空間中並連接所述第一環形體和第二環形體，與所述第一環形體和第二環形體共同圍合形成控流腔；所述第一環形體的內孔形成供自所述等離子體反應腔的進氣口進入所述等離子體反應腔內部的等離子體進入所述控流腔的進流口，所述環形連接體設有供等離子體流出所述控流腔的出流口。
  2. 如請求項1所述的等離子體控流裝置，其中，所述第二環形體的外周尺寸小於所述第一環形體的外周尺寸。
  3. 如請求項1所述的等離子體控流裝置，其中，所述第一環形體和所述第二環形體均為板狀結構。
  4. 如請求項1所述的等離子體控流裝置，其中，所述環形連接體包括多個連接柱，各所述連接柱環繞所述直線(A)依次間隔佈置，相鄰所述連接柱之間形成所述出流口。
  5. 如請求項1所述的等離子體控流裝置，其中，所述環形連接體為成一體結構。
  6. 一種等離子刻蝕機，其中，包括如請求項1至5任一項所述的等離子體控流裝置。
  7. 如請求項6所述的等離子刻蝕機，其中，所述等離子刻蝕機還包括等離子體反應腔和晶圓支撐台，所述晶圓支撐台位於所述等離子體反應腔的進氣口和排氣口之間，所述等離子體控流裝置位於所述等離子體反應腔的進氣口和所述晶圓支撐台之間。
  8. 如請求項7所述的等離子刻蝕機，其中，所述等離子體控流裝置的第一環形體靠近所述進氣口，第二環形體靠近所述晶圓支撐台。
  9. 如請求項8所述的等離子刻蝕機，其中，所述晶圓支撐台的晶圓放置區域位於所述第一環形體的內孔在所述晶圓支撐台上的投影區域內，也位於所述第二環形體的內孔在所述晶圓支撐台上的投影區域內。
  10. 如請求項8所述的等離子刻蝕機，其中，所述第一環形體的外周以及所述第二環形體的外周與所述等離子體反應腔的腔體側壁或者所述等離子體反應腔的內襯側壁之間有間隙。
  11. 如請求項10所述的等離子刻蝕機，其中，所述等離子刻蝕機還包括偏壓電極和偏壓電極罩，所述偏壓電極罩固定在所述等離子體反應腔內部並罩住所述偏壓電極，所述第二環形體支撐固定於所述偏壓電極罩或者支撐固定於所述等離子體反應腔的內襯。
  12. 如請求項11所述的等離子刻蝕機，其中，所述內襯嵌裝在所述等離子體反應腔的腔體內部，所述內襯的底壁將所述等離子體反應腔的腔體內部分隔成上下兩個腔室，上腔室和下腔室通過所述內襯底壁上的通孔連通。
  13. 如請求項11所述的等離子刻蝕機，其中，所述偏壓電極罩的頂面上還設有臺階，用於支撐和限位晶圓聚焦環。
  14. 如請求項11所述的等離子刻蝕機，其中，所述等離子體反應腔的腔體底壁的中部向腔內隆起形成筒形支撐部，所述偏壓電極支撐於所述筒形支撐部，導線自所述筒形支撐部內部穿過後與外部的偏壓射頻電源和偏壓匹配網路連接。
  15. 如請求項7所述的等離子刻蝕機，其中，所述等離子體反應腔具有腔體和腔蓋，所述腔體的底壁設有排氣口，所述腔蓋設有進氣口。
  16. 如請求項11所述的等離子刻蝕機，其中，所述等離子刻蝕機還包括導流罩、壓力控制閥和真空泵，所述導流罩的入口與所述等離子體反應腔的排氣口連通，所述導流罩的出口與所述壓力控制閥連通，所述壓力控制閥與所述真空泵連通。
  17. 如請求項16所述的等離子刻蝕機，其中，所述等離子刻蝕機還包括固定在所述等離子體反應腔外的屏蔽罩，所述屏蔽罩和所述等離子體反應腔圍合形成屏蔽腔室；所述等離子刻蝕機還包括設置在所述屏蔽腔室內的耦合線圈。
  18. 如請求項17所述的等離子刻蝕機，其中，所述等離子刻蝕機還包括激發源射頻電源，激發源匹配網路，所述耦合線圈、所述激發源匹配網路和所述激發源射頻電源依次通過導線連接。
  19. 如請求項17所述的等離子刻蝕機，其中，還包括陶瓷介質窗、噴嘴和氣源，所述陶瓷介質窗設置在所述屏蔽腔室內並位於所述耦合線圈和所述等離子體反應腔的進氣口之間，所述噴嘴穿設於所述陶瓷介質窗，並與所述氣源連通，用於向所述等離子體反應腔內部噴入工藝氣體。
  20. 一種如請求項6至19任一項所述的等離子刻蝕機的均一性優化方法，其特徵在於，通過調整等離子體控流裝置的第一環形體的內孔尺寸，和/或，調整所述等離子體控流裝置的第二環形體的外周尺寸，和/或，調整所述等離子體控流裝置的環形連接體的高度尺寸，來優化所述等離子刻蝕機的刻蝕均一性。
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