CN104342632B - 预清洗腔室及等离子体加工设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的预清洗腔室及等离子体加工设备，包括腔体、顶盖和承载单元，顶盖设置在腔体顶端，承载单元设置在腔体底部，用以承载晶片，并且，在腔体内的承载单元上方设置有离子过滤单元，该离子过滤单元用于在等离子体自其上方朝向所述承载单元的方向运动时，过滤等离子体中的离子。本发明提供的预清洗腔室，其可以在等离子体自其上方朝向所述承载单元的方向运动时，过滤等离子体中的离子，从而可以避免等离子体中的离子对Low‑k材料的不良影响，进而可以提高产品性能。

Description

预清洗腔室及等离子体加工设备
技术领域
本发明涉及半导体设备制造领域，涉及一种预清洗腔室及等离子体加工设备。
背景技术
等离子体加工设备广泛用于当今的半导体集成电路、太阳能电池、平板显示器等制造工艺中。产业上已经广泛使用的等离子体加工设备有以下类型：例如，直流放电型，电容耦合(CCP)型，电感耦合(ICP)型以及电子回旋共振(ECR)型。这些类型的等离子体加工设备目前被应用于沉积、刻蚀以及清洗等工艺。
在进行工艺的过程中，为了提高产品的质量，在实施沉积工艺之前，首先要对晶片进行预清洗(Preclean)，以去除晶片表面的氧化物等杂质。一般的预清洗腔室的基本原理是：将通入清洗腔室内的诸如氩气、氦气或氢气等的清洗气体激发形成等离子体，以对晶片进行化学反应和物理轰击，从而可以去除晶片表面的杂质。
图1为目前采用的一种预清洗腔室的结构示意图。如图1所示，该预清洗腔室由侧壁1、底壁2和顶盖9形成。在预清洗腔室的底部设置有用于承载晶片的基座4，其依次与第一匹配器7和第一射频电源8连接；顶盖9为采用绝缘材料(如陶瓷或石英)制成的拱形顶盖，在顶盖9的上方设置有线圈3，线圈3为螺线管线圈，且其缠绕形成的环形外径与侧壁1的外径相对应，并且线圈3依次与第二匹配器5和第二射频电源6连接。在进行预清洗的过程中，接通第二射频电源6，以将腔室内的气体激发为等离子体，同时，接通第一射频电源8，以吸引等离子体中的离子轰击晶片上的杂质。
在半导体制造工艺中，随着芯片集成度提高，互连线宽和导线间距减小，电阻和寄生电容增大，会导致RC信号延迟增加，因此，通常会采用Low-k(低介电常数)材料作为层间介质，而这在进行预清洗时会出现以下问题，即：
由于等离子体中的氢离子在等离子体的鞘层电压的驱动下会产生一定的动能，这使得当氢离子运动至晶片表面附近时，会嵌入Low-k材料中，从而导致Low-k材料劣化，进而给产品性能带来了不良影响。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种预清洗腔室及等离子体加工设备，其可以在等离子体自其上方朝向所述承载单元的方向运动时，过滤等离子体中的离子，从而可以避免等离子体中的氢离子对Low-k材料的不良影响，进而可以提高产品性能。
为实现本发明的目的而提供一种预清洗腔室，包括腔体、顶盖和承载单元，所述顶盖设置在所述腔体顶端，所述承载单元设置在所述腔体底部，用以承载晶片，其特征在于，在所述腔体内的所述承载单元上方设置有离子过滤单元，所述离子过滤单元用于在等离子体自其上方朝向所述承载单元的方向运动时，过滤所述等离子体中的离子，使所述等离子体中的自由基、原子和分子到达置于所述承载单元上的所述晶片的表面。
其中，所述离子过滤单元包括一个过滤板，所述过滤板将所述腔体隔离形成上子腔体和下子腔体；并且在所述过滤板上分布有多个通气孔，用以连通所述上子腔体和下子腔体，并且，每个所述通气孔的最大直径不大于等离子体的鞘层厚度的两倍。
其中，所述离子过滤单元包括N个沿竖直方向间隔设置的过滤板，N为大于1的整数，所述过滤板将所述腔体隔离形成由上至下依次排列的上子腔体、N-1个中子腔体和下子腔体；并且在每个所述过滤板上分布有多个通气孔，用以连通分别位于该过滤板的上方和下方且相邻的子腔体，并且，在所有过滤板中，其中至少一个过滤板的通气孔的最大直径不大于等离子体的鞘层厚度的两倍。
其中，所述通气孔相对于所述过滤板所在的平面均匀分布。
其中，所述通气孔根据晶片表面的各个区域之间的工艺偏差非 均匀分布。
其中，根据工艺速率设定所述通气孔的分布密度。
其中，每个所述通气孔包括直通孔、锥形孔或者阶梯孔。
优选地，每个所述通气孔为直通孔，并且所述直通孔的直径范围在0.2～20mm。
优选地，每个所述通气孔为锥形孔或阶梯孔，并且所述锥形孔或阶梯孔的最大直径不大于20mm，且最小直径不小于0.2mm。
其中，所述过滤板由绝缘材料制成或者由表面镀有绝缘材料的金属制成。
其中，所述过滤板的厚度范围在2～50mm。
其中，在所述承载单元内设置有加热装置，用以加热晶片。
其中，所述承载单元包括静电卡盘，用以采用静电引力的方式固定晶片；所述加热装置内置在所述静电卡盘中。
其中，在所述腔体的内表面上设置有保护层，所述保护层采用绝缘材料制作。
其中，在所述腔体的侧壁内侧设置有内衬，所述内衬由绝缘材料制成或者由表面镀有绝缘材料的金属制成。
其中，所述顶盖采用拱形结构，并且所述顶盖由绝缘材料制成。
其中，所述顶盖采用桶状结构，并且所述顶盖由绝缘材料制成。
其中，在所述桶状顶盖的侧壁内侧设置有法拉第屏蔽件，所述法拉第屏蔽件由金属材料制成或者由表面镀有导电材料的绝缘材料制成。
其中，所述法拉第屏蔽件在其轴向方向设有至少一个开缝。
其中，所述预清洗腔室还包括电感线圈和与之依次电连接的射频匹配器及射频电源，其中，所述电感线圈在所述顶盖的侧壁外侧环绕设置，并且所述电感线圈的匝数为一匝或多匝，且多匝线圈的直径相同，或者由上而下依次增大；所述射频电源用于向所述电感线圈输出射频功率。
优选地，所述射频电源的频率包括400KHz、2MHz、13.56MHz、40MHz、60MHz或100MHz。
作为另一个技术方案，本发明还提供一种等离子体加工设备，包括预清洗腔室，该预清洗腔室采用了本发明提供的上述预清洗腔室。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的预清洗腔室，其通过在腔体内的承载单元上方设置离子过滤单元，可以在进行预清洗的过程中，在等离子体自其上方朝向承载单元的方向运动时，过滤等离子体中的离子，而仅使自由基、原子和分子到达置于承载单元上的晶片表面，从而可以避免等离子体中的离子对晶片上作为层间介质的Low-k材料的不良影响，进而可以提高产品性能。而且，由于经过离子过滤单元的等离子体中没有离子，因而其仅依靠粒子扩散即可到达晶片表面，而无需再对晶片加载偏压，从而可以省去偏压电源和匹配器等的偏压装置，进而可以降低生产成本。
本发明提供的等离子体加工设备，其通过采用本发明提供的预清洗腔室，可以避免等离子体中的离子对晶片上作为层间介质的Low-k材料的不良影响，进而可以提高产品性能。
附图说明
图1为目前采用的一种预清洗腔室的结构示意图；
图2A为本发明第一实施例提供的一种预清洗腔室的结构示意图；
图2B为图2A中过滤板的俯视图；
图2C为图2A中过滤板的一个通气孔的轴向剖视图；
图3为本发明第一实施例提供的另一种预清洗腔室的结构示意图；
图4为本发明第二实施例提供的预清洗腔室的结构示意图；以及
图5为图4中法拉第屏蔽件的径向截面图。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明提供的预清洗腔室及等离子体加工设备进行详细描述。
图2A为本发明第一实施例提供的一种预清洗腔室的结构示意图。请参阅图2A，预清洗腔室包括腔体21、顶盖22、承载单元23、电感线圈25、射频匹配器26和射频电源27。其中，顶盖22设置在腔体21顶端，且采用拱形结构，并且顶盖22由绝缘材料制成，绝缘材料包括陶瓷或石英等；承载单元23设置在腔体21底部，用以承载晶片；电感线圈25在顶盖22的侧壁外侧环绕设置，且通过射频匹配器26与射频电源27电连接；射频电源27用于向电感线圈25输出射频功率，以激发腔体21内的反应气体形成等离子体，射频电源27的频率包括400KHz、2MHz、13.56MHz、40MHz、60MHz或100MHz。
而且，在腔体21内的承载单元23上方设置有离子过滤单元，离子过滤单元用于在等离子体自其上方朝向承载单元的方向运动时，过滤等离子体中的离子。下面对离子过滤单元的结构和功能进行详细描述。具体地，在本实施例中，离子过滤单元包括一个过滤板24，其由绝缘材料制成或者由表面镀有绝缘材料的金属制成，绝缘材料包括陶瓷或石英等，且过滤板24的厚度范围在2～50mm。而且，过滤板24将腔体21隔离形成上子腔体211和下子腔体212，承载单元23位于下子腔体212内，优选地，过滤板24与承载单元23的竖直间距为20mm以上。
在过滤板24上分布有多个通气孔241，用以连通上子腔体211和下子腔体212，并且，多个通气孔241可以相对于过滤板24所在平面均匀分布，如图2B所示，在实际应用中，也可以根据晶片表面的各个区域之间的工艺偏差适当调整通气孔241的局部分布密度，以改变对应于晶片表面的各个区域的等离子体的密度，从而可以提高工艺均匀性。另外，还可以根据工艺速率设定通气孔241的整体分布密度，即：当工艺要求的工艺速率较高时，适当增大通气孔241的分布密度，以使等离子体能够快速通过通气孔241；当工艺要求的工艺速率较低时，则可以适当减小通气孔241的分布密度。
在本实施例中，每个通气孔241为直通孔，且直径不大于等离子体的鞘层厚度的两倍，优选地，直通孔的直径范围在0.2～20mm。所谓等离子体鞘层，是指在腔室中的等离子体的边界与腔室壁之间形成的非电中性区域。在进行预清洗的过程中，射频电源27向电感线圈25输出射频功率，以在上子腔体211内形成等离子体，并朝向承载单元23扩散。当等离子体经过过滤板24的通气孔241时，由于每个通气孔241的最大直径不大于等离子体的鞘层厚度的两倍，这使得等离子体中的离子会因通气孔241内的空间狭小而转化为原子等形态，从而穿过通气孔241的等离子体中不会存在离子，而仅存在自由基、原子和分子等，这些自由基、原子和分子在进入下子腔体212后会继续向下扩散，直至到达置于承载单元23上的晶片表面进行刻蚀。因此，借助过滤板24，可以起到“过滤”等离子体中的离子的作用，从而可以避免等离子体中的离子对晶片上作为层间介质的Low-k材料的不良影响，进而可以提高产品性能。
在本实施例中，在腔体21的侧壁内侧设置有内衬28，内衬28由绝缘材料制成或者由表面镀有绝缘材料的金属制成，绝缘材料包括陶瓷或石英等。借助内衬28，不仅可以保护腔体21的侧壁不被等离子体刻蚀，从而可以提高腔体21的使用寿命和可维护性，而且还可以调节等离子体中的自由基的活性。在实际应用中，也可以在腔体21的内表面上设置采用绝缘材料制作保护层，例如，可以对腔体21的内表面进行氧化处理。
在本实施例中，承载单元23包括静电卡盘，用以采用静电引力的方式固定晶片，并且，在静电卡盘内设置有加热装置29，用以加热晶片。借助加热装置29，可以提高等离子体与晶片表面反应的活性，从而可以提高工艺速率。优选地，加热装置29的加热温度在100～500℃，加热时间为5～60s。在实际应用中，承载单元也可以是用于承载晶片的基座，且在该基座内设置加热装置29。
需要说明的是，在本实施例中，每个通气孔241为直通孔，但是本发明并不局限于此，在实际应用中，如图2C所示，为单个通气孔的剖面图。通气孔也可以为锥形孔，且该锥形孔的直径可以由上而 下逐渐增大或减小；通气孔还可以为阶梯孔，且该阶梯孔在其轴向截面上的形状可以采用“上粗下细”、“上细下粗”、“两端细中间粗”或者“两端粗中间细”等的任意形状。优选地，上述锥形孔或阶梯孔的最大直径不大于20mm，且最小直径不小于0.2mm。当然，还可以采用其他任意结构的通孔作为通气孔，只要其能够过滤等离子体中的离子即可。
还需要说明的是，在本实施例中，离子过滤单元包括一个过滤板24，但是本发明并不局限于此，在实际应用中，如图3所示，离子过滤单元还可以包括N个沿竖直方向间隔设置的过滤板24，N为大于1的整数，过滤板24将腔体21隔离形成由上至下依次排列的上子腔体211、N-1个中子腔体213和下子腔体212，优选地，位于最下层的过滤板24与承载单元23的竖直间距为20mm以上。而且，在每个过滤板24上分布有多个通气孔241，用以连通分别位于该过滤板24的上方和下方且相邻的子腔体，并且，在所有过滤板24中，其中至少一个过滤板24的通气孔241的最大直径不大于等离子体的鞘层厚度的两倍。在采用多个过滤板24时，可以在保证能够过滤等离子体中的离子的前提下，适当减小各个过滤板24的厚度。
进一步需要说明的是，在实际应用中，过滤板可以采用下述方法固定在腔体中，即：可以在腔体的内侧壁上的相应的位置处设置凸缘，过滤板下表面的边缘区域采用搭接或螺纹连接的方式与凸缘的上表面固定连接。
进一步需要说明的是，在实际应用中，电感线圈的匝数可以为一匝或多匝，且可以根据等离子体在上子腔室211内的分布情况，使多匝线圈的直径相同，或者由上而下依次增大。
图4为本发明第二实施例提供的预清洗腔室的结构示意图。请参阅图4，本实施例与上述第一实施例相比，其主要区别在于：预清洗腔室的顶盖结构不同。除此之外，第二实施例的其它结构与第一实施例相同，这里不再赘述。
下面对本实施例提供的预清洗腔室的顶盖进行详细描述。具体地，顶盖30采用具有上盖301的桶状结构，并且顶盖30由绝缘材料 制成，绝缘材料包括陶瓷或石英等。桶状结构的顶盖30与拱形结构的顶盖相比，更易于加工，从而可以降低顶盖的加工成本，进而可以降低预清洗腔室的制造和使用成本。
而且，在桶状顶盖30的侧壁内侧设置有法拉第屏蔽件31，法拉第屏蔽件31由金属材料制成或者由表面镀有导电材料的绝缘材料制成，绝缘材料包括陶瓷或石英等。借助法拉第屏蔽件31，不仅可以屏蔽电磁场，以减小等离子体对上子腔室211的侵蚀，延长上子腔室211的使用时间，而且易于清洗腔室，从而降低腔室的使用成本。容易理解，为了保证法拉第屏蔽件31处于悬浮电位，应保证其高度小于顶盖30的侧壁高度，且使其上、下两端不与上盖301和腔体21接触。
优选地，法拉第屏蔽件31在其轴向方向至少设有一个开缝311，如图5所示，在开缝311位置法拉第屏蔽件31完全断开，即，法拉第屏蔽件31为非连续的桶状结构，以有效地阻止法拉第屏蔽件31的涡流损耗和发热。
作为另一个技术方案，本发明还提供一种等离子体加工设备，包括预清洗腔室，该预清洗腔室采用了本发明上述各个实施例提供的预清洗腔室。
本发明实施例提供的等离子体加工设备，其通过采用本发明上述各个实施例提供的预清洗腔室，可以避免等离子体中的离子对晶片上作为层间介质的Low-k材料的不良影响，进而可以提高产品性能。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (21)

1.一种预清洗腔室，包括腔体、顶盖和承载单元，所述顶盖设置在所述腔体顶端，所述承载单元设置在所述腔体底部，用以承载晶片，其特征在于，在所述腔体内的所述承载单元上方设置有离子过滤单元，所述离子过滤单元用于在等离子体自其上方朝向所述承载单元的方向运动时，过滤所述等离子体中的离子，使所述等离子体中的自由基、原子和分子到达置于所述承载单元上的所述晶片的表面；
所述离子过滤单元包括至少一个过滤板，所述过滤板由绝缘材料制成或者由表面镀有绝缘材料的金属制成；并且
在所述过滤板上分布有多个通气孔，每个所述通气孔的最大直径不大于等离子体的鞘层厚度的两倍。
2.根据权利要求1所述的预清洗腔室，其特征在于，所述离子过滤单元包括一个过滤板，所述过滤板将所述腔体隔离形成上子腔体和下子腔体；并且
在所述过滤板上分布有多个通气孔，用以连通所述上子腔体和下子腔体，并且，每个所述通气孔的最大直径不大于等离子体的鞘层厚度的两倍。
3.根据权利要求1所述的预清洗腔室，其特征在于，所述离子过滤单元包括N个沿竖直方向间隔设置的过滤板，N为大于1的整数，所述过滤板将所述腔体隔离形成由上至下依次排列的上子腔体、N-1个中子腔体和下子腔体；并且
在每个所述过滤板上分布有多个通气孔，用以连通分别位于该过滤板的上方和下方且相邻的子腔体，并且，在所有过滤板中，其中至少一个过滤板的通气孔的最大直径不大于等离子体的鞘层厚度的两倍。
4.根据权利要求2或3所述的预清洗腔室，其特征在于，所述 通气孔相对于所述过滤板所在的平面均匀分布。
5.根据权利要求2或3所述的预清洗腔室，其特征在于，所述通气孔根据晶片表面的各个区域之间的工艺偏差非均匀分布。
6.根据权利要求2或3所述的预清洗腔室，其特征在于，根据工艺速率设定所述通气孔的分布密度。
7.根据权利要求2或3所述的预清洗腔室，其特征在于，每个所述通气孔包括直通孔、锥形孔或者阶梯孔。
8.根据权利要求2或3所述的预清洗腔室，其特征在于，每个所述通气孔为直通孔，并且所述直通孔的直径范围在0.2～20mm。
9.根据权利要求2或3所述的预清洗腔室，其特征在于，每个所述通气孔为锥形孔或阶梯孔，并且所述锥形孔或阶梯孔的最大直径不大于20mm，且最小直径不小于0.2mm。
10.根据权利要求2或3所述的预清洗腔室，其特征在于，所述过滤板的厚度范围在2～50mm。
11.根据权利要求1所述的预清洗腔室，其特征在于，在所述承载单元内设置有加热装置，用以加热晶片。
12.根据权利要求11所述的预清洗腔室，其特征在于，所述承载单元包括静电卡盘，用以采用静电引力的方式固定晶片；
所述加热装置内置在所述静电卡盘中。
13.根据权利要求1所述的预清洗腔室，其特征在于，在所述腔体的内表面上设置有保护层，所述保护层采用绝缘材料制作。
14.根据权利要求1或13所述的预清洗腔室，其特征在于，在所述腔体的侧壁内侧设置有内衬，所述内衬由绝缘材料制成或者由表面镀有绝缘材料的金属制成。
15.根据权利要求1所述的预清洗腔室，其特征在于，所述顶盖采用拱形结构，并且所述顶盖由绝缘材料制成。
16.根据权利要求1所述的预清洗腔室，其特征在于，所述顶盖采用桶状结构，并且所述顶盖由绝缘材料制成。
17.根据权利要求16所述的预清洗腔室，其特征在于，在所述桶状顶盖的侧壁内侧设置有法拉第屏蔽件，所述法拉第屏蔽件由金属材料制成或者由表面镀有导电材料的绝缘材料制成。
18.根据权利要求17所述的预清洗腔室，其特征在于，所述法拉第屏蔽件在其轴向方向设有至少一个开缝。
19.根据权利要求16所述的预清洗腔室，其特征在于，所述预清洗腔室还包括电感线圈和与之依次电连接的射频匹配器及射频电源，其中
所述电感线圈在所述顶盖的侧壁外侧环绕设置，并且所述电感线圈的匝数为一匝或多匝，且多匝线圈的直径相同，或者由上而下依次增大；
所述射频电源用于向所述电感线圈输出射频功率。
20.根据权利要求19所述的预清洗腔室，其特征在于，所述射频电源的频率包括400kHz、2MHz、13.56MHz、40MHz、60MHz或100MHz。
21.一种等离子体加工设备，包括预清洗腔室，其特征在于，所述预清洗腔室采用权利要求1-20任一项所述预清洗腔室。
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