一種等離子體腔室及用於物理氣相沉積的預清洗設備的製作方法

2023-08-08 00:35:36

本發明屬於半導體製造領域，具體涉及一種等離子體腔室及用於物理氣相沉積的預清洗設備。

背景技術：

等離子體技術是半導體製造工藝中被廣泛採用的技術，如沉積工藝、刻蝕工藝等。等離子體是通過在反應腔室內通入反應氣體並引入電子流，利用外加電場(直流/交流)使電子加速，與反應氣體發生碰撞而使反應氣體發生電離而產生的。

電容耦合型等離子體加工設備和電感耦合型等離子體加工設備是兩種比較典型的等離子體工藝處理設備。在生產過程中，為了能夠獨立控制等離子體的密度和等離子體中粒子的能量，相關技術人員將電感耦合與電容耦合等離子體加工設備結合，開發了一種結合型等離子體加工裝置。如圖1所示，結合型等離子體加工裝置包括真空腔室11，在真空腔室11內設置有用於固定被加工工件15的靜電卡盤12，在靜電卡盤12內嵌置平板電極13，平板電極13與偏壓射頻源14電連接。在真空腔室11的頂部設置介質窗16，在介質窗16的外側設置射頻天線17，射頻天線17與射頻源18電連接，射頻源18藉助射頻天線17將射頻能量以電感耦合的方式饋入真空腔室11，產生高密度等離子體。偏壓射頻源14產生射頻偏壓，以控制等離子體中粒子轟擊被加工工件15的能量，從而完成對被加工工件15的處理。

在實際應用中，等離子體密度在真空腔室11內分布並不均勻，中心區域到邊緣區域常存在階梯變化。另外，在等離子體設備中，通常會由於真空腔室11內電場強度存在差異，由其產生的等離子體的密度具有中間區域高於邊緣區域的分布特徵。而等離子體的處理速率與等離子體的密度密切相關，因此,被加工工件15的中間區域處理速率快、邊緣區域處理速率慢，導致等離子體加工質量下降。

技術實現要素：

本發明提供了一種等離子體腔室，在等離體體腔室內設置等離子體調節裝置,解決了現有技術中被加工工件表面的等離子體密度分布不均勻的技術問題，從而使被加工工件的邊緣和中心處理速率均勻，進而提高等離子體腔室的加工質量。

根據本發明的一方面,提供了一種等離子體腔室，包括腔體、等離子體發生器、以及設置於所述腔體內用於支撐被加工工件的基座；

還包括等離子體調節裝置，所述等離子體調節裝置設置在所述基座上方；且

當工藝時，所述等離子體調節裝置的表面形成有鞘層，等離子體中的正離子分布相對密集區域中的部分正離子被所述鞘層中的電子中和為中性粒子，從而使到達所述被加工工件表面的等離子體中的離子密度趨於均勻。

可選地，根據本發明的等離子體腔室，所述等離子體調節裝置包括多個環形件，多個所述環形件與所述基座同軸設置；且相鄰兩個所述環形件的間距大於等離子體的鞘層厚度。

可選地，根據本發明的等離子體腔室，多個所述環形件的分布密度沿所述基座的徑向由內向外逐漸降低。

可選地，根據本發明的等離子體腔室，在所述環形件的軸心位置設置擋塊。

可選地，根據本發明的等離子體腔室，多個所述環形件設置於同一平面，且相鄰兩個所述環形件之間設置有連接件。

可選地，根據本發明的等離子體腔室，所述環形件沿所述基座徑向上的截面為圓形，所述圓形的直徑範圍為1mm～50mm。

可選地，根據本發明的等離子體腔室，所述環形件和所述連接件的表面經噴砂或鍍膜處理。

可選地，根據本發明的等離子體腔室，在沿豎直方向上的至少兩個水平面內設置所述多個環形件。

可選地，根據本發明的等離子體腔室，所述等離子體調節裝置還包括固定支架；其中，

所述固定支架的一端與所述環形件固定連接，另一端與所述腔體的內壁固定連接；

所述環形件、所述連接件和所述固定支架均採用不導磁且不導電的材料製成。

可選地，根據本發明的等離子體腔室，所述等離子體調節裝置還包括一個螺杆和驅動裝置，其中，

所述螺杆的一端與所述環形件螺紋連接，另一端與所述驅動裝置連接；且

所述驅動裝置驅動所述螺杆轉動，以帶動所述環形件沿所述螺杆上下移動，從而調節所述環形件與所述基座之間的距離。

可選地，根據本發明的等離子體腔室，所述等離子體調節裝置還包括多個螺杆，且多個所述螺杆與多個所述環形件一一對應；

所述螺杆的一端與其對應的所述環形件螺紋連接，另一端與所述驅動裝置連接；且

所述驅動裝置驅動所述螺杆轉動，以帶動其對應的所述環形件沿所述螺杆上下移動，從而調節所述環形件與所述基座之間的距離。

本發明具有以下有益效果：

本發明提供的等離子體腔室，在工藝時通過等離子體調節裝置表面形成的鞘層來調節被加工工件表面的等離子體密度，即等離子體中的離子密度大的區域中的部分離子被鞘層中的電子中和為中性粒子，從而使到達被加工工件表面的等離子體中的離子密度趨於均勻，使被加工工件的邊緣和中心的處理速率均勻，進而提高等離子體腔室的加工質量。

作為本發明的一個優選實施例，等離子體調節裝置包括多個環形件，當多個環形件浸沒在等離子體中時，在環形件的表面將形成鞘層，離子在穿越鞘層時，極易與鞘層內的電子結合形成中性粒子，使高密度區的等離子體的密度降低，從而使基座表面的等離子體的密度分布更均勻。該等離子體調節裝置還具有設計靈活，等離子體穿過環形件時能量損失小，而且不改變等離子體的性質，等離子體的利用率高，提高了腔室的加工效率。此外，該等離子體調節裝置不需要改變腔體和基座的尺寸，因此不增加等離子體加工設備的成本。

本發明提供的用於物理氣相沉積的預清洗設備，採用了本發明提供的等離子體腔室，在工藝時通過等離子體調節裝置表面形成的鞘層來調節被加工工件表面的等離子體密度，即等離子體中的離子密度大的區域中的部分離子被鞘層中的電子中和為中性粒子，從而使到達被加工工件表面的等離子體中的離子密度趨於均勻，從而使被加工工件的邊緣和中心的處理速率更均勻，進而提高預清洗設備的加工質量。

附圖說明

圖1為目前使用的結合型等離子體加工設備的結構示意圖；

圖2為本發明實施例提供的等離子體腔室的結構示意圖；

圖3a為本發明實施例提供的等離子體調節裝置的結構示意圖；

圖3b為沿圖3a中a-a線的截面圖；

圖3c為本發明實施例提供的另一等離子體調節裝置的結構示意圖；

圖3d為本發明實施例提供的再一等離子體調節裝置的結構示意圖；

圖4為本發明的等離子體裝置調節等離子體密度的原理示意圖。

附圖編號：

11-真空腔室；

12-靜電卡盤；

13-平板電極；

14-偏壓射頻源；

15-被加工工件；

16-介質窗；

17-射頻天線；

18-射頻源；

31-腔體；

32-基座；

33-被加工工件；

34-電極；

35-第一功率源；

36-介質窗；

37-天線；

38-第二功率源；

39-等離子體調節裝置；

41-環形件；

42-連接件；

43-中心擋塊；

44-固定支架。

具體實施方式

為使本領域的技術人員更好地理解本發明的技術方案，下面結合附圖對本發明提供的等離子體腔室及用於物理氣相沉積的預清洗設備進行詳細描述。

根據本發明等離子體腔室的一種實施方式,提供了一種等離子體腔室，包括腔體、等離子體發生器、以及設置於腔體內用於支撐被加工工件的基座；還包括等離子體調節裝置，等離子體調節裝置設置在基座上方；且當工藝時，等離子體調節裝置的表面形成有鞘層，等離子體中的正離子分布相對密集區域中的部分正離子被鞘層中的電子中和為中性粒子，從而使到達被加工工件表面的等離子體中的離子密度趨於均勻。

具體參見圖3所示的本實施方式的一種等離子體腔室，包括腔體31，在腔體31的頂部設置介質窗36，在介質窗36的上方設置射頻天線37，射頻天線37與第二功率源38電連接。射頻天線37將第二功率源38產生的能量以電感耦合的方式饋入腔體31，從而在腔體31內產生高密度等離子體。在腔體31的底部設置基座32，基座32用於支撐固定被加工工件33，在基座32內嵌置有電極34，電極34與第一功率源35電連接。第一功率源35在電極34上產生偏壓，用以控制轟擊被加工工件33的離子的能量。在腔體31內設置等離子體調節裝置39，等離子體調節裝置39設置於基座32與介質窗36之間，用於調節腔體31內的等離子體的密度分布，尤其用於調節到達基座32表面的等離子體的密度分布。當工藝時，在等離子體調節裝置39的表面形成有鞘層(下文詳細描述)，等離子體中的離子密度大的區域中的部分離子被鞘層中的電子中和為中性粒子，從而使到達被加工工件表面的等離子體中的離子密度趨於均勻。

根據本發明等離子體腔室的一種實施方式，等離子體調節裝置包括多個環形件，多個環形件與基座同軸設置；且相鄰兩個環形件的間距大於等離子體的鞘層厚度。

具體參閱圖2、圖3a和圖3b示出的本實施方式中的實施例，等離子體調節裝置39包括六個環形件41，六個環形件41與基座32同軸設置，且相鄰兩個環形件的間距大於等離子體的鞘層厚度。

當等離子體調節裝置懸浮於等離子體中時，由於等離子體中電子和離子做熱運動，而電子的質量又遠遠小於離子的質量，因此電子會迅速到達環形件41的表面，並在環形件41的表面形成一個小的局域電場，該局域電場會使離子加速向環形件41的表面運動，同時排斥電子，當動態穩定後會在環形件41的表面形成鞘層。如圖4所示，表示電子，「⊕」表示離子，虛線的下側為鞘層，虛線的上側為等離子體。離子在穿越鞘層併到達環形件41表面的過程中極易與電子結合轉變為中性粒子，換言之，懸浮在等離子體中的環形件41相當於增加了帶電離子的複合表面，從而改變了環形件41下方等離子體的密度分布，即改善了基座32表面的等離子體的密度分布。且相鄰兩個環形件的間距大於等離子體的鞘層厚度，在改變等離子體到達基座上的待加工工件上的等離子體密度均勻性的同時，又保證有足夠的等離子體到達待加工工件的表面。

根據本發明等離子體腔室的的一種實施方式，多個環形件的分布密度沿基座的徑向由內向外逐漸降低。這樣可以解決中心區域等離子體密度大，邊緣區域等離子體密度小時，存在的等離子體密度不均勻的問題，從而使被加工工件表面的等離子體密度分布均勻。

具體實施例如圖3a所示，由於等離子體腔室內中心區域密度大，邊緣區域面密度小的特點，將六個環形件41的分布密度沿基座32的徑向由內向外逐漸降低。

根據本發明等離子體腔室的一種實施方式，在環形件的軸心位置設置擋塊。

在實際應用中，如果靠近腔體31的中心區域的等離子體的密度相對越大，通過調節環形件41之間的間距無法滿足要求時，優選在腔體31的中心區域設置中心擋塊43，即等離子體調節裝置還包括中心擋塊43，其設置在環形件41的軸心位置，中心擋塊43通過連接件42與尺寸最小的環形件41固定連接，從而使中心擋塊43和環形件41形成一體。中心擋塊43在腔體31的徑向方向上的尺寸根據等離子體的密度設定，若等離子體的密度越大，則中心擋塊43在腔體31徑向方向上的尺寸越大，反之，中心擋塊43在腔體31徑向方向上的尺寸越小。中心擋塊43與尺寸最小的環形件41之間的間距也可以根據等離子體的密度分布進行調節，若等離子體的密度越大，中心擋塊43與尺寸最小的環形件41之間的間距越小；反之，中心擋塊43與尺寸最小的環形件41之間的間距越大。

根據本發明等離子體腔室的一種實施方式，多個環形件設置於同一平面，且相鄰兩個環形件之間設置有連接件。

在本實施方式中的一種具體的等離子體腔室，六個環形件41設置在同一平面，且相鄰的兩個環形件41由連接件42固定連接，連接件42將環形件41連接為一整體。連接件42的設置位置任意，如本實施例的六個環形件41，從內側向外側計數，用於連接第一環形件和第二環形件的連接件、用於連接第三環形件和第四環形件的連接件以及用於連接第五環形件和第六環形件的連接件是在圖3a所示的橫向方向設置，用於連接第二環形件和第三環形件的連接件以及用於連接第四環形件和第五環形件的連接件是在圖3a中所示的縱向方向設置。雖然連接件42的設置位置可以任意設定，但優選連接件42分散設置，以減小其對等離子體的密度分布的影響，使等離子體的密度分布更均勻。根據本發明等離子體腔室的一種實施方式，環形件沿基座徑向上的截面為圓形，圓形的直徑範圍為1mm～50mm。

如圖3a和3b所示，環形件41在沿基座徑向方向(即基座的徑向方向)的截面形狀為圓形，圓形的直徑d的取值範圍為1mm＜d＜50mm，圓形的直徑d可根據實際情況調節，當需要調節的等離子體的密度較大時，環形件41的徑d可以調整為較大，反之，需要調節的等離子體密度的密度較小時，圓形的直徑d可以調整為較小，但是最小範圍要大於1mm，以保證大於鞘層的厚度，從而使有足夠的等離子體到達基座上方。

另外，對於構成等離子體調節裝置的每一環形件41而言，在其徑向方向的截面尺寸可以根據不同工藝時等離子體的密度分布的特徵進行調整，如可以將每一環形件41在其徑向方向的截面尺寸設置為均相同，或者均不相同，或者部分相同，部分不同。

除環形件41在其徑向方向的截面的尺寸可以根據等離子體的密度分布進行調整外，相鄰的環形件41之間的間距也可以根據等離子體的密度分布進行調整。在等離子體相對密度較大的區域，相鄰的兩個環形件41的間距越小，反之，間距較大。換言之，等離子體的密度越大，設置的環形件41越密。具體地，若腔體31中心區域的等離子體密度大於邊緣區域的等離子體密度，那麼設置於中心區域的環形件41的間距小於設置於邊緣區域的環形件41的間距，即d1＜d2＜d3＜d4＜d5，換言之，環形件41越靠近等離子體調節裝置的中間位置密度分布越大。反之，若腔體31中心區域的等離子體密度小於邊緣區域的等離子體密度，那麼設置於中心區域的環形件41的間距大於設置於邊緣區域的環形件41的間距，即d1＞d2＞d3＞d4＞d5，換言之，環形件41越靠近等離子體調節裝置的邊緣位置越密。但需注意的是，相鄰的兩個環形件41的間距要大於在環形件41表面形成的鞘層的厚度，否則，等離子體無法穿越環形件41。

在本實施例提供的等離子體調節裝置中，環形件41在其徑向方向的截面形狀圓形，但本發明並不局限於此，環形件41在其徑向方向的截面形狀也可以採用其他形狀。在一個變型實施中，如圖3c所示，環形件41在其徑向方向的截面形狀為方形，同樣可以達到調節等離子體的密度分布的目的。

根據本發明的等離子體腔室的一種實施方式，環形件和連接件的表面經噴砂或鍍膜處理，以減少等離子體調節裝置在工藝過程中產生顆粒，從而減少等離子體調節裝置對等離子體工藝的影響。

根據本發明的等離子體腔室的一種實施方式，在沿豎直方向上的至少兩個水平面內設置多個環形件。

在圖3b和圖3c所示的等離子體調節裝置中，六個環形件41均設置於同一水平面，但本發明並不局限於此，環形件41也可以設置在不同的水平面，即在沿豎直方向上的至少兩個水平面內設置多個環形件。如圖3d所示，靠近腔體中心區域的環形件更靠近腔體的頂部，靠近腔體邊緣區域的環形件更靠近基座。當然，使用者也可以根據腔體內等離子體的密度分布的具體情況使靠近腔體中心區域的環形件更靠近基座，使靠近腔體邊緣區域的環形件更靠近腔體的頂部。

需要說明的是，雖然本實施例提供的等離子體調節裝置39設置了六個環形件41，但等離子體調節裝置39並不僅限於六個環形件41。實際上，環形件41的數量可以根據等離子體的密度分布情況設置兩個以上的任意數量，通常等離子體的密度越大，環形件41的數量越多。

根據本發明的等離子體腔室的一種實施方式，等離子體調節裝置還包括固定支架；其中，固定支架的一端與環形件固定連接，另一端與腔體的內壁固定連接；環形件、連接件和固定支架均採用不導磁且不導電的材料製成。

等離子體調節裝置39通過固定支架44固定於腔體31的內壁，並使等離子體調節裝置39浸沒在等離子體中。優選將等離子體調節裝置39離基座32的距離大於與體31的頂端的距離，這樣當等離子體穿過等離子體調節裝置39後，有一個重新分布的空間和時間，既可改善等離子體的密度分布，又可以避免在被加工工件33的表面留下等離子體調節裝置39的印記。

本實施例等離子體調節裝置39採用但不限於三個固定支架44固定，固定支架44的一端與最外側的環形件41(尺寸最大的環形件)固定連接，另一端固定於腔體31的內壁。而且，固定支架44採用不導電且不導磁的材料製成，如採用石英或陶瓷製成，以使等離子體調節裝置39懸浮於等離子體中。當等離子體採用固定支架，將環形件固定在腔體內壁上時，必須採用不導電和不導磁材料。採用不導磁材料防止了渦流的產生，防止環形件發熱；採用不導電材料，防止在環形件表面的電荷被導出。另外，當固定支架只固定最外圈環形件，或者固定其中的某個環形件時，適用於多個環形件中設置有連接件，將多個環形件連接為一個整體的情況。不難理解，本實施例通過固定支架44使得等離子體調節裝置39與基座32之間的距離h固定不變。

根據本發明的等離子體腔室的一種實施方式，等離子體調節裝置還包括一個螺杆和驅動裝置，其中，螺杆的一端與環形件螺紋連接，另一端與驅動裝置連接；且驅動裝置驅動螺杆轉動，以帶動環形件沿螺杆上下移動，從而調節環形件與基座之間的距離。

作為本發明的一中實施方式，等離子體加工設備包括位置調節裝置(圖中未示出)，位置調節裝置與等離子體調節裝置39連接，位置調節裝置可根據實際工藝特點調節等離子體調節裝置39與基座32之間距離h，從而調節腔體31內等離子體的密度分布。位置調節裝置包括螺杆和驅動裝置(例如絲杆調節)，螺杆的一端與環形件螺紋連接，另一端與驅動裝置連接，且驅動裝置驅動螺杆轉動，以帶動環形件沿螺杆上下移動，從而調節環形件與基座之間的距離。

根據本發明的等離子體腔室一種實施方式，等離子體調節裝置還包括多個螺杆，且多個螺杆與多個環形件一一對應；螺杆的一端與其對應的環形件螺紋連接，另一端與驅動裝置連接；且驅動裝置驅動螺杆轉動，以帶動其對應的環形件沿螺杆上下移動，從而調節環形件與基座之間的距離。該實施方式適用於多個環形件之間沒有連接件的方式，可以通過設置多個螺杆，每個螺杆控制一個環形件，可以控制其分別上下移動。

在本實施例中，等離子體調節裝置39採用不導磁的材料製成，為了避免在等離子體調節裝置39內產生渦流，等離子體調節裝置39優選採用不導電且不導磁的材料製成，如採用石英或陶瓷製成，即環形件41和連接件42均採用石英或陶瓷製成。

還需要說明的是，上述實施例提供的等離子體加工設備僅設置了一個等離子體調節裝置，但本發明並不局限於此，等離子體加工設備還可以兩個或更多個等離子體調節裝置。使用時，根據腔體內實際等離子體的密度分布情況，將多個等離子體調節裝置在腔體的軸向方向間隔設置。不難理解，每個等離子體調節裝置中環形件的形狀、數量、間距可以相同，也可以不同，只要能夠使腔體內等離子體的密度分布滿足需求即可。

如圖2所示，在本實施例中，射頻天線37和第二功率源38構成了產生等離子體的等離子體發生器，即等離子體發生器為電感耦合等離子體發生器，然而本發明並不局限於此。實際上，本實施例提供的等離子體加工設備中，等離子體發生器可以為電感耦合等離子體發生器、電容耦合等離子體發生器和電磁迴旋共振等離子體發生器中的一種或幾種組合。另外，第一功率源和第二功率源可以採用直流源、交流源、射頻源或微波源。

在上述實施例提供等離子體腔室中，在工藝時通過等離子體調節裝置表面形成的鞘層來調節被加工工件表面的等離子體密度，即等離子體中的離子密度大的區域中的部分離子被鞘層中的電子中和為中性粒子，從而使到達被加工工件表面的等離子體中的離子密度趨於均勻，從而使被加工工件的邊緣和中心的處理速率均勻，進而提高等離子體腔室的加工質量。

等離子體調節裝置是由多個環形件按尺寸大小依次套置，當等離子體調節裝置浸沒在等離子體中時，在環形件的表面將形成鞘層，離子在穿越鞘層時，極易與鞘層內的電子結合形成中性粒子，即環形件增加了等離子體中帶電離子的複合表面，從而降低高密度區的等離子體密度，進而使基座上方的等離子體的密度分布更均勻。本發明的環形件尺寸小，設計靈活，等離子體穿過環形件時能量損失小，等離子體的利用率高，而且不會導致被加工工件表面的等離子體的活力降低，提高了腔室的加工效率。使用時，該等離子體調節裝置並不對等離子體進行分區，不改變等離子體的性質。此外，該等離子體調節裝置不需要改變腔體和基座的尺寸，不增加等離子體加工設備的成本。

另外，本發明還提供一種用於物理氣相沉積的預清洗設備，包括等離子體腔室，該等離子體腔室採用了本發明上述實施例提供的等離子體腔室。

本發明實施例提供的用於物理氣相沉積的預清洗設備，採用了本發明提供的等離子體腔室，在工藝時通過等離子體調節裝置表面形成的鞘層來調節被加工工件表面的等離子體密度，即等離子體中的離子密度大的區域中的部分離子被鞘層中的電子中和為中性粒子，從而使到達被加工工件表面的等離子體中的離子密度趨於均勻，從而使被加工工件的邊緣和中心的處理速率更均勻，進而提高預清洗設備的加工質量。

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，然而本發明並不局限於此。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。