預清洗腔室及等離子體加工設備的製作方法
2023-04-28 15:13:11 2
預清洗腔室及等離子體加工設備的製作方法
【專利摘要】本發明提供的預清洗腔室及等離子體加工設備，包括腔體、頂蓋和承載單元，頂蓋設置在腔體頂端，承載單元設置在腔體底部，用以承載晶片，並且，在腔體內的承載單元上方設置有離子過濾單元，該離子過濾單元用於在等離子體自其上方朝向所述承載單元的方向運動時，過濾等離子體中的離子。本發明提供的預清洗腔室，其可以在等離子體自其上方朝向所述承載單元的方向運動時，過濾等離子體中的離子，從而可以避免等離子體中的氫離子對Low-k材料的不良影響，進而可以提高產品性能。
【專利說明】預清洗腔室及等離子體加工設備
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體設備製造領域，涉及一種預清洗腔室及等離子體加工設備。
【背景技術】
[0002]等離子體加工設備廣泛用於當今的半導體集成電路、太陽能電池、平板顯示器等製造工藝中。產業上已經廣泛使用的等離子體加工設備有以下類型: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。這些類型的等離子體加工設備目前被應用於沉積、刻蝕以及清洗等工藝。
[0003]在進行工藝的過程中，為了提高產品的質量，在實施沉積工藝之前，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等離子體，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。
[0004]圖1為目前採用的一種預清洗腔室的結構示意圖。如圖1所示，該預清洗腔室由側壁1、底壁2和頂蓋9形成。在預清洗腔室的底部設置有用於承載晶片的基座4，其依次與第一匹配器7和第一射頻電源8連接；頂蓋9為採用絕緣材料(如陶瓷或石英)製成的拱形頂蓋，在頂蓋9的上方設置有線圈3，線圈3為螺線管線圈，且其纏繞形成的環形外徑與側壁I的外徑相對應，並且線圈3依次與第二匹配器5和第二射頻電源6連接。在進行預清洗的過程中，接通第二射頻電源6，以將腔室內的氣體激發為等離子體，同時，接通第一射頻電源8，以吸引等離子體中的離子轟擊晶片上的雜質。
[0005]在半導體製造工藝中，隨著晶片集成度提高，互連線寬和導線間距減小，電阻和寄生電容增大，會導致RC信號延遲增加，因此，通常會採用Low-k (低介電常數)材料作為層間介質，而這在進行預清洗時會出現以下問題，即:
[0006]由於等離子體中的氫離子在等離子體的鞘層電壓的驅動下會產生一定的動能，這使得當氫離子運動至晶片表面附近時，會嵌入Low-k材料中，從而導致Low-k材料劣化,進而給產品性能帶來了不良影響。
【發明內容】
[0007]本發明旨在至少解決現有技術中存在的技術問題之一，提出了一種預清洗腔室及等離子體加工設備，其可以在等離子體自其上方朝向所述承載單元的方向運動時，過濾等離子體中的離子，從而可以避免等離子體中的氫離子對Low-k材料的不良影響，進而可以提聞廣品性能。
[0008]為實現本發明的目的而提供一種預清洗腔室，包括腔體、頂蓋和承載單元，所述頂蓋設置在所述腔體頂端，所述承載單元設置在所述腔體底部，用以承載晶片，其特徵在於，在所述腔體內的所述承載單元上方設置有離子過濾單元，所述離子過濾單元用於在等離子體自其上方朝向所述承載單元的方向運動時，過濾所述等離子體中的離子。
[0009]其中，所述離子過濾單元包括一個過濾板，所述過濾板將所述腔體隔離形成上子腔體和下子腔體；並且在所述過濾板上分布有多個通氣孔，用以連通所述上子腔體和下子腔體，並且，每個所述通氣孔的最大直徑不大於等離子體的鞘層厚度的兩倍。
[0010]其中，所述離子過濾單元包括N個沿豎直方向間隔設置的過濾板，N為大於I的整數，所述過濾板將所述腔體隔離形成由上至下依次排列的上子腔體、N-1個中子腔體和下子腔體；並且在每個所述過濾板上分布有多個通氣孔，用以連通分別位於該過濾板的上方和下方且相鄰的子腔體，並且，在所有過濾板中，其中至少一個過濾板的通氣孔的最大直徑不大於等離子體的鞘層厚度的兩倍。
[0011]其中，所述通氣孔相對於所述過濾板所在的平面均勻分布。
[0012]其中，所述通氣孔根據晶片表面的各個區域之間的工藝偏差非均勻分布。
[0013]其中，根據工藝速率設定所述通氣孔的分布密度。
[0014]其中，每個所述通氣孔包括直通孔、錐形孔或者階梯孔。
[0015]優選地，每個所述通氣孔為直通孔，並且所述直通孔的直徑範圍在0.2?20mm。
[0016]優選地，每個所述通氣孔為錐形孔或階梯孔，並且所述錐形孔或階梯孔的最大直徑不大於20mm,且最小直徑不小於0.2mm。
[0017]其中，所述過濾板由絕緣材料製成或者由表面鍍有絕緣材料的金屬製成。
[0018]其中，所述過濾板的厚度範圍在2?50mm。
[0019]其中，在所述承載單元內設置有加熱裝置，用以加熱晶片。
[0020]其中，所述承載單元包括靜電卡盤，用以採用靜電引力的方式固定晶片；所述加熱裝置內置在所述靜電卡盤中。
[0021]其中，在所述腔體的內表面上設置有保護層，所述保護層採用絕緣材料製作。
[0022]其中，在所述腔體的側壁內側設置有內襯，所述內襯由絕緣材料製成或者由表面鍍有絕緣材料的金屬製成。
[0023]其中，所述頂蓋採用拱形結構，並且所述頂蓋由絕緣材料製成。
[0024]其中，所述頂蓋採用桶狀結構，並且所述頂蓋由絕緣材料製成。
[0025]其中，在所述桶狀頂蓋的側壁內側設置有法拉第屏蔽件，所述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。
[0026]其中，所述法拉第屏蔽件在其軸向方向設有至少一個開縫。
[0027]其中，所述預清洗腔室還包括電感線圈和與之依次電連接的射頻匹配器及射頻電源，其中，所述電感線圈在所述頂蓋的側壁外側環繞設置，並且所述電感線圈的匝數為一匝或多匝，且多匝線圈的直徑相同，或者由上而下依次增大；所述射頻電源用於向所述電感線圈輸出射頻功率。
[0028]優選地，所述射頻電源的頻率包括400KHz、2MHz、13.56MHz、40MHz、60MHz或10MHz。
[0029]作為另一個技術方案，本發明還提供一種等離子體加工設備，包括預清洗腔室，該預清洗腔室採用了本發明提供的上述預清洗腔室。
[0030]本發明具有以下有益效果:
[0031]本發明提供的預清洗腔室，其通過在腔體內的承載單元上方設置離子過濾單元，可以在進行預清洗的過程中，在等離子體自其上方朝向承載單元的方向運動時，過濾等離子體中的離子，而僅使自由基、原子和分子到達置於承載單元上的晶片表面，從而可以避免等離子體中的氫離子對晶片上作為層間介質的Low-k材料的不良影響，進而可以提高產品性能。而且，由於經過離子過濾單元的等離子體中沒有離子，因而其僅依靠粒子擴散即可到達晶片表面，而無需再對晶片加載偏壓，從而可以省去偏壓電源和匹配器等的偏壓裝置，進而可以降低生產成本。
[0032]本發明提供的等離子體加工設備，其通過採用本發明提供的預清洗腔室，可以避免等離子體中的氫離子對晶片上作為層間介質的Low-k材料的不良影響，進而可以提高產品性能。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0033]圖1為目前採用的一種預清洗腔室的結構示意圖；
[0034]圖2A為本發明第一實施例提供的一種預清洗腔室的結構示意圖；
[0035]圖2B為圖2A中過濾板的俯視圖；
[0036]圖2C為圖2A中過濾板的一個通氣孔的軸向剖視圖；
[0037]圖3為本發明第一實施例提供的另一種預清洗腔室的結構示意圖；
[0038]圖4為本發明第二實施例提供的預清洗腔室的結構示意圖；以及
[0039]圖5為圖4中法拉第屏蔽件的徑向截面圖。
【具體實施方式】
[0040]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等離子體加工設備進行詳細描述。
[0041]圖2A為本發明第一實施例提供的一種預清洗腔室的結構示意圖。請參閱圖2A，預清洗腔室包括腔體21、頂蓋22、承載單元23、電感線圈25、射頻匹配器26和射頻電源27。其中，頂蓋22設置在腔體21頂端，且採用拱形結構，並且頂蓋22由絕緣材料製成，絕緣材料包括陶瓷或石英等；承載單元23設置在腔體21底部，用以承載晶片；電感線圈25在頂蓋22的側壁外側環繞設置，且通過射頻匹配器26與射頻電源27電連接；射頻電源27用於向電感線圈25輸出射頻功率，以激發腔體21內的反應氣體形成等離子體，射頻電源27的頻率包括 400ΚΗζ、2ΜΗζ、13.56ΜΗζ、40ΜΗζ、60ΜΗζ 或 100MHz。
[0042]而且，在腔體21內的承載單元23上方設置有離子過濾單元，離子過濾單元用於在等離子體自其上方朝向承載單元的方向運動時，過濾等離子體中的離子。下面對離子過濾單元的結構和功能進行詳細描述。具體地，在本實施例中，離子過濾單元包括一個過濾板24，其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，且過濾板24的厚度範圍在2?50mm。而且，過濾板24將腔體21隔離形成上子腔體211和下子腔體212，承載單元23位於下子腔體212內，優選地，過濾板24與承載單元23的豎直間距為20mm以上。
[0043]在過濾板24上分布有多個通氣孔241，用以連通上子腔體211和下子腔體212，並且，多個通氣孔241可以相對於過濾板24所在平面均勻分布，如圖2B所示，在實際應用中，也可以根據晶片表面的各個區域之間的工藝偏差適當調整通氣孔241的局部分布密度，以改變對應於晶片表面的各個區域的等離子體的密度，從而可以提高工藝均勻性。另外，還可以根據工藝速率設定通氣孔241的整體分布密度，即:當工藝要求的工藝速率較高時，適當增大通氣孔241的分布密度，以使等離子體能夠快速通過通氣孔241 ;當工藝要求的工藝速率較低時，則可以適當減小通氣孔241的分布密度。
[0044]在本實施例中，每個通氣孔241為直通孔，且直徑不大於等離子體的鞘層厚度的兩倍，優選地，直通孔的直徑範圍在0.2?20_。所謂等離子體鞘層，是指在腔室中的等離子體的邊界與腔室壁之間形成的非電中性區域。在進行預清洗的過程中，射頻電源27向電感線圈25輸出射頻功率，以在上子腔體211內形成等離子體，並朝向承載單元23擴散。當等離子體經過過濾板24的通氣孔241時，由於每個通氣孔241的最大直徑不大於等離子體的鞘層厚度的兩倍，這使得等離子體中的離子會因通氣孔241內的空間狹小而轉化為原子等形態，從而穿過通氣孔241的等離子體中不會存在離子，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腔體212後會繼續向下擴散，直至到達置於承載單元23上的晶片表面進行刻蝕。因此，藉助過濾板24，可以起到「過濾」等離子體中的離子的作用，從而可以避免等離子體中的氫離子對晶片上作為層間介質的Low-k材料的不良影響，進而可以提聞廣品性能。
[0045]在本實施例中，在腔體21的側壁內側設置有內襯28，內襯28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。藉助內襯28，不僅可以保護腔體21的側壁不被等離子體刻蝕，從而可以提高腔體21的使用壽命和可維護性，而且還可以調節等離子體中的自由基的活性。在實際應用中，也可以在腔體21的內表面上設置採用絕緣材料製作保護層，例如，可以對腔體21的內表面進行氧化處理。
[0046]在本實施例中，承載單元23包括靜電卡盤，用以採用靜電引力的方式固定晶片，並且，在靜電卡盤內設置有加熱裝置29，用以加熱晶片。藉助加熱裝置29，可以提高等離子體與晶片表面反應的活性，從而可以提高工藝速率。優選地，加熱裝置29的加熱溫度在100?500°C，加熱時間為5?60s。在實際應用中，承載單元也可以是用於承載晶片的基座，且在該基座內設置加熱裝置29。
[0047]需要說明的是，在本實施例中，每個通氣孔241為直通孔，但是本發明並不局限於此，在實際應用中，如圖2C所示，為單個通氣孔的剖面圖。通氣孔也可以為錐形孔，且該錐形孔的直徑可以由上而下逐漸增大或減小；通氣孔還可以為階梯孔，且該階梯孔在其軸向截面上的形狀可以採用「上粗下細」、「上細下粗」、「兩端細中間粗」或者「兩端粗中間細」等的任意形狀。優選地，上述錐形孔或階梯孔的最大直徑不大於20mm，且最小直徑不小於0.2_。當然，還可以採用其他任意結構的通孔作為通氣孔，只要其能夠過濾等離子體中的離子即可。
[0048]還需要說明的是，在本實施例中，離子過濾單元包括一個過濾板24，但是本發明並不局限於此，在實際應用中，如圖3所示，離子過濾單元還可以包括N個沿豎直方向間隔設置的過濾板24，N為大於I的整數，過濾板24將腔體21隔離形成由上至下依次排列的上子腔體211、N-1個中子腔體213和下子腔體212，優選地，位於最下層的過濾板24與承載單元23的豎直間距為20mm以上。而且，在每個過濾板24上分布有多個通氣孔241，用以連通分別位於該過濾板24的上方和下方且相鄰的子腔體，並且，在所有過濾板24中，其中至少一個過濾板24的通氣孔241的最大直徑不大於等離子體的鞘層厚度的兩倍。在採用多個過濾板24時，可以在保證能夠過濾等離子體中的離子的前提下，適當減小各個過濾板24的厚度。
[0049]進一步需要說明的是，在實際應用中，過濾板可以採用下述方法固定在腔體中，即:可以在腔體的內側壁上的相應的位置處設置凸緣，過濾板下表面的邊緣區域採用搭接或螺紋連接的方式與凸緣的上表面固定連接。
[0050]進一步需要說明的是，在實際應用中，電感線圈的匝數可以為一匝或多匝，且可以根據等離子體在上子腔室211內的分布情況，使多匝線圈的直徑相同，或者由上而下依次增大。
[0051]圖4為本發明第二實施例提供的預清洗腔室的結構示意圖。請參閱圖4，本實施例與上述第一實施例相比，其主要區別在於:預清洗腔室的頂蓋結構不同。除此之外，第二實施例的其它結構與第一實施例相同，這裡不再贅述。
[0052]下面對本實施例提供的預清洗腔室的頂蓋進行詳細描述。具體地，頂蓋30採用具有上蓋301的桶狀結構，並且頂蓋30由絕緣材料製成，絕緣材料包括陶瓷或石英等。桶狀結構的頂蓋30與拱形結構的頂蓋相比，更易於加工，從而可以降低頂蓋的加工成本，進而可以降低預清洗腔室的製造和使用成本。
[0053]而且，在桶狀頂蓋30的側壁內側設置有法拉第屏蔽件31，法拉第屏蔽件31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，絕緣材料包括陶瓷或石英等。藉助法拉第屏蔽件31，不僅可以屏蔽電磁場，以減小等離子體對上子腔室211的侵蝕，延長上子腔室211的使用時間，而且易於清洗腔室，從而降低腔室的使用成本。容易理解，為了保證法拉第屏蔽件31處於懸浮電位，應保證其高度小於頂蓋30的側壁高度，且使其上、下兩端不與上蓋301和腔體21接觸。
[0054]優選地，法拉第屏蔽件31在其軸向方向至少設有一個開縫311，如圖5所示，在開縫311位置法拉第屏蔽件31完全斷開，即，法拉第屏蔽件31為非連續的桶狀結構，以有效地阻止法拉第屏蔽件31的渦流損耗和發熱。
[0055]作為另一個技術方案，本發明還提供一種等離子體加工設備，包括預清洗腔室，該預清洗腔室採用了本發明上述各個實施例提供的預清洗腔室。
[0056]本發明實施例提供的等離子體加工設備，其通過採用本發明上述各個實施例提供的預清洗腔室，可以避免等離子體中的氫離子對晶片上作為層間介質的Low-k材料的不良影響，進而可以提高產品性能。
[0057]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。
【權利要求】
1.一種預清洗腔室，包括腔體、頂蓋和承載單元，所述頂蓋設置在所述腔體頂端，所述承載單元設置在所述腔體底部，用以承載晶片，其特徵在於，在所述腔體內的所述承載單元上方設置有離子過濾單元，所述離子過濾單元用於在等離子體自其上方朝向所述承載單元的方向運動時，過濾所述等離子體中的離子。
2.根據權利要求1所述的預清洗腔室，其特徵在於，所述離子過濾單元包括一個過濾板，所述過濾板將所述腔體隔離形成上子腔體和下子腔體；並且 在所述過濾板上分布有多個通氣孔，用以連通所述上子腔體和下子腔體，並且，每個所述通氣孔的最大直徑不大於等離子體的鞘層厚度的兩倍。
3.根據權利要求1所述的預清洗腔室，其特徵在於，所述離子過濾單元包括N個沿豎直方向間隔設置的過濾板，N為大於I的整數，所述過濾板將所述腔體隔離形成由上至下依次排列的上子腔體、N-1個中子腔體和下子腔體；並且 在每個所述過濾板上分布有多個通氣孔，用以連通分別位於該過濾板的上方和下方且相鄰的子腔體，並且，在所有過濾板中，其中至少一個過濾板的通氣孔的最大直徑不大於等離子體的鞘層厚度的兩倍。
4.根據權利要求2或3所述的預清洗腔室，其特徵在於，所述通氣孔相對於所述過濾板所在的平面均勻分布。
5.根據權利要求2或3所述的預清洗腔室，其特徵在於，所述通氣孔根據晶片表面的各個區域之間的工藝偏差非均勻分布。
6.根據權利要求2或3所述的預清洗腔室，其特徵在於，根據工藝速率設定所述通氣孔的分布密度。
7.根據權利要求2或3所述的預清洗腔室，其特徵在於，每個所述通氣孔包括直通孔、錐形孔或者階梯孔。
8.根據權利要求2或3所述的預清洗腔室，其特徵在於，每個所述通氣孔為直通孔，並且所述直通孔的直徑範圍在0.2?20mm。
9.根據權利要求2或3所述的預清洗腔室，其特徵在於，每個所述通氣孔為錐形孔或階梯孔，並且所述錐形孔或階梯孔的最大直徑不大於20mm，且最小直徑不小於0.2mm。
10.根據權利要求2或3所述的預清洗腔室，其特徵在於，所述過濾板由絕緣材料製成或者由表面鍍有絕緣材料的金屬製成。
11.根據權利要求2或3所述的預清洗腔室，其特徵在於，所述過濾板的厚度範圍在2 ?50mmo
12.根據權利要求1所述的預清洗腔室，其特徵在於，在所述承載單元內設置有加熱裝置，用以加熱晶片。
13.根據權利要求12所述的預清洗腔室，其特徵在於，所述承載單元包括靜電卡盤，用以採用靜電引力的方式固定晶片； 所述加熱裝置內置在所述靜電卡盤中。
14.根據權利要求1所述的預清洗腔室，其特徵在於，在所述腔體的內表面上設置有保護層，所述保護層採用絕緣材料製作。
15.根據權利要求1或14所述的預清洗腔室，其特徵在於，在所述腔體的側壁內側設置有內襯，所述內襯由絕緣材料製成或者由表面鍍有絕緣材料的金屬製成。
16.根據權利要求1所述的預清洗腔室，其特徵在於，所述頂蓋採用拱形結構，並且所述頂蓋由絕緣材料製成。
17.根據權利要求1所述的預清洗腔室，其特徵在於，所述頂蓋採用桶狀結構，並且所述頂蓋由絕緣材料製成。
18.根據權利要求17所述的預清洗腔室，其特徵在於，在所述桶狀頂蓋的側壁內側設置有法拉第屏蔽件，所述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。
19.根據權利要求18所述的預清洗腔室，其特徵在於，所述法拉第屏蔽件在其軸向方向設有至少一個開縫。
20.根據權利要求17所述的預清洗腔室，其特徵在於，所述預清洗腔室還包括電感線圈和與之依次電連接的射頻匹配器及射頻電源，其中 所述電感線圈在所述頂蓋的側壁外側環繞設置，並且所述電感線圈的匝數為一匝或多匝，且多匝線圈的直徑相同，或者由上而下依次增大； 所述射頻電源用於向所述電感線圈輸出射頻功率。
21.根據權利要求20所述的預清洗腔室，其特徵在於，所述射頻電源的頻率包括400ΚΗζ、2ΜΗζ、13.56ΜΗζ、40ΜΗζ、60ΜΗζ 或 100MHz。
22.—種等離子體加工設備，包括預清洗腔室，其特徵在於，所述預清洗腔室採用權利要求1-21任一項所述預清洗腔室。
【文檔編號】C23C16/02GK104342632SQ201310341787
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2013年8月7日 優先權日:2013年8月7日
【發明者】陳鵬, 呂鈾, 丁培軍, 楊敬山, 邊國棟, 趙夢欣, 餘清, 李偉 申請人:北京北方微電子基地設備工藝研究中心有限責任公司