CN104746078B - 一种反应腔室及等离子体加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种反应腔室及等离子体加工设备，包括进气系统，进气系统包括中央进气通道、边缘进气通道、刻蚀气源和沉积气源，其中，中央进气通道的出气端与反应腔室相连通，中央进气通道的进气端与刻蚀气源相连通，由刻蚀气源提供的刻蚀气体经由中央进气通道输送至反应腔室的中心区域；边缘进气通道的出气端与反应腔室相连通，边缘进气通道的进气端与沉积气源相连通，由沉积气源提供的沉积气体经由边缘进气通道输送至反应腔室的边缘区域。本发明提供的反应腔室，其不仅可以在很大程度上提高深硅刻蚀工艺的刻蚀均匀性，从而可以提高工艺质量；而且可以避免刻蚀气体和沉积气体混合，从而可以避免刻蚀气体和沉积气体混合带来的不良影响。

Description

一种反应腔室及等离子体加工设备

技术领域

本发明属于微电子加工技术领域，具体涉及一种反应腔室及等离子体加工设备。

背景技术

等离子体加工设备是应用比较广泛的加工设备，主要用于对基片等的被加工工件进行镀膜、刻蚀等工艺。在刻蚀工艺中，刻蚀深度要求一般在几十微米到上百微米之间的称之为深硅刻蚀工艺，相对蚀深度要求一般小于1微米的常规刻蚀工艺，深硅刻蚀工艺需要具有更快的刻蚀速率，更高的选择比和更大的深宽比。

图1为常用的用于深硅刻蚀工艺的等离子体加工设备的结构简图。请参阅图1，等离子体加工设备包括反应腔室10。其中，反应腔室10内的底部设置有静电卡盘11，用以采用静电吸附的方式将被加工工件S吸附在静电卡盘11的上表面；在反应腔室10的顶壁上内嵌有石英窗12，并在反应腔室10的顶壁上设置有贯穿石英窗12的中央进气口13，用于向反应腔室10内输送工艺所需的气体，且在石英窗12的上方设置有与射频电源（图中未示出）电连接的感应线圈14，用以激发反应腔室10内的气体形成等离子体，以实现对位于反应腔室10内的被加工工件S完成沉积、刻蚀等工艺。

下面详细介绍采用图1所示的等离子体加工设备如何实现深硅刻蚀工艺。具体地，包括以下步骤：S1，经由中央进气口13向反应腔室10内输送沉积气体C₄F₈，打开射频电源，以使感应线圈14激发沉积气体C₄F₈形成等离子体，以实现对被加工工件完成沉积步骤；S2，经由中央进气口13向反应腔室10内输送刻蚀气体SF₆，感应线圈14激发刻蚀气体SF₆形成等离子体，以实现对被加工工件完成刻蚀步骤；S3，重复上述步骤S1和步骤S2直至完成深硅刻蚀工艺。

在实际应用中，由于沉积气体C₄F₈具有弱电负性以及刻蚀气体SF₆具有强电负性，这使得刻蚀气体SF₆激发形成的等离子体在被加工工件的中心区域分布密度低，且边缘区域分布密度高，沉积气体C₄F₈激发形成等离子体在被加工工件的中心区域分布密度高，且边缘区域分布密度低，造成被加工工件的中心区域的刻蚀速率低于边缘区域的刻蚀速率（如图2中图a所示），中心区域的沉积速率高于边缘区域的沉积速率（如图2中图b所示），并且，由于深硅刻蚀速率在沉积速率不变的情况下与刻蚀速率成正比关系；且在刻蚀速率不变的情况下与沉积速率成反比关系，因而造成被加工工件的中间区域的深硅刻蚀速率低于边缘区域的深硅刻蚀速率（如图2中图c所示），从而造成深硅刻蚀工艺的均匀性差。

为此，人们对上述等离子体加工设备进行了改进，具体地，如图3所示，改进后的等离子体加工设备与上述等离子体加工设备相比，其感应线圈14的半径较小，即，感应线圈14仅对应于反应腔室的中心区域设置，以提高感应线圈14激发刻蚀气体SF₆形成的等离子体在反应腔室10的中心区域的分布密度，从而可以提高被加工工件的中心区域的刻蚀速率（如图4中图a所示），以补偿被加工工件的中心区域的刻蚀速率与边缘区域的刻蚀速率之间的差距，进而可以提高深硅刻蚀工艺的均匀性。

然而，采用上述的等离子体加工设备在实际应用中不可避免地存在以下问题：

其一，虽然通过对应于反应腔室的中心区域设置感应线圈14可以提高由刻蚀气体SF₆形成的等离子体在反应腔室10的中心区域的分布密度，但是，与此同时，由沉积气体C₄F₈形成的等离子体在反应腔室10的中心区域的分布密度也会相应地提高（如图4中图b所示），导致被加工工件的中心区域的沉积速率更高，从而造成被加工工件的中心区域的沉积速率与被加工工件的边缘区域的沉积速率之间的差距加大，进而使得被加工工件的中间区域的深硅刻蚀速率与边缘区域的深硅刻蚀速率之间仍然存在很大差距（如图4中图c所示），从而采用上述方法改善深硅刻蚀工艺均匀性的效果不明显。

其二，由于沉积气体C₄F₈和刻蚀气体SF₆均经由中央进气口13输送至反应腔室，在上述步骤S1完成之后中央进气口13内往往残留有沉积气体C₄F₈，这使得在进行后续的刻蚀步骤时，刻蚀气体SF₆会与中央进气口13中残留的沉积气体C₄F₈混合之后进入反应腔室，而残留的沉积气体C₄F₈往往会带来侧壁钻蚀效应（如图5中图a所示）和底部长草效应（如图5中图b所示），从而造成深硅刻蚀工艺的工艺质量降低。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题，提供了一种反应腔室及等离子体加工设备，其不仅可以在很大程度上提高深硅刻蚀工艺的刻蚀均匀性，从而可以提高工艺质量；而且可以避免刻蚀气体和沉积气体混合，从而可以避免刻蚀气体和沉积气体混合带来的不良影响。

本发明提供一种反应腔室，包括进气系统，所述进气系统包括中央进气通道、边缘进气通道、刻蚀气源和沉积气源，其中所述中央进气通道的出气端与所述反应腔室相连通，所述中央进气通道的进气端与所述刻蚀气源相连通，由所述刻蚀气源提供的刻蚀气体经由所述中央进气通道输送至所述反应腔室的中心区域；所述边缘进气通道的出气端与所述反应腔室相连通，所述边缘进气通道的进气端与所述沉积气源相连通，由所述沉积气源提供的沉积气体经由所述边缘进气通道输送至所述反应腔室的边缘区域。

其中，所述中央进气通道的出气端设置在所述反应腔室顶壁的中心区域，并且，所述边缘进气通道的出气端设置在所述反应腔室的侧壁上。

其中，所述边缘进气通道的数量为多个，多个所述边缘进气通道沿所述反应腔室的周向间隔且均匀设置。

其中，所述边缘进气通道为贯穿所述反应腔室的侧壁的通孔，且靠近所述反应腔室的顶壁位置，并且所述通孔的中心线与所述被加工工件的表面平行，或者，所述通孔的中心线朝向所述反应腔室的顶壁。

其中，在所述反应腔室的顶壁上内嵌有采用非导电材料制成的介质窗，并且在所述介质窗的上方还设置感应线圈和射频电源，所述感应线圈与射频电源电连接，用以将所述反应腔室内的沉积气体或刻蚀气体激发形成等离子体。

其中，所述感应线圈对应于所述反应腔室的中心区域设置。

其中，所述感应线圈为螺旋缠绕的平面线圈。

其中，所述刻蚀气体包括SF₆。

其中，所述沉积气体包括C₄F₈。

本发明还提供一种等离子体加工设备，包括反应腔室，所述反应腔室采用本发明提供的上述反应腔室。

本发明具有下述有益效果：

本发明提供的反应腔室，其通过边缘进气通道向反应腔室的边缘区域输送沉积气体，以使得沉积气体形成的等离子体在反应腔室的边缘区域的分布密度高于中间区域的分布密度，这使得被加工工件边缘区域的沉积速率高于中心区域的沉积速率，并且，通过中央进气通道向反应腔室的中心区域输送刻蚀气体，刻蚀气体在反应腔室的边缘区域分布密度高于中心区域的分布密度，使得被加工工件的边缘区域的刻蚀速率高于中心区域的刻蚀速率，因而可以在很大程度上减小被加工工件的中心区域的深硅刻蚀速率和边缘区域的深硅刻蚀速率之间的差距，从而可以在很大程度上提高深硅刻蚀工艺的均匀性，进而可以提高工艺质量；而且，借助中央进气通道和边缘进气通道分别输送刻蚀气体和沉积气体，可以避免二者共用同一个进气通道，从而可以避免刻蚀气体和沉积气体混合，进而可以避免刻蚀气体和沉积气体混合带来的不良影响。

本发明提供的等离子体加工设备，其采用本发明提供的反应腔室，不仅可以在很大程度上提高深硅刻蚀工艺的均匀性，从而可以提高工艺质量；而且可以避免刻蚀气体和沉积气体混合，从而可以避免刻蚀气体和沉积气体混合带来的不良影响。

附图说明

图1为常用的用于深硅刻蚀工艺的等离子体加工设备的结构简图；

图2为图1中沿被加工工件径向上不同位置处的刻蚀速率、沉积速率和深硅刻蚀速率的曲线图；

图3为现有的用于深硅刻蚀工艺的等离子体加工设备的结构简图；

图4为图3中沿被加工工件径向上不同位置处的刻蚀速率、沉积速率和深硅刻蚀速率的曲线图；

图5为侧壁钻蚀效应图和底部长草效应图；

图6为本发明第一实施例提供的反应腔室的结构简图；

图7为图6中沿被加工工件径向上不同位置处的刻蚀速率、沉积速率和深硅刻蚀速率的曲线图；以及

图8为本发明第二实施例提供的反应腔室的结构简图。

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，下面结合附图对本发明提供的一种反应腔室及等离子体加工设备进行详细描述。

图6为本发明第一实施例提供的反应腔室的结构简图。图7为图6中沿被加工工件径向上不同位置处的刻蚀速率、沉积速率和深硅刻蚀速率的曲线图。请一并参阅图6和图7，本实施例提供的反应腔室20包括进气系统，进气系统包括中央进气通道21、边缘进气通道22、刻蚀气源和沉积气源，其中，中央进气通道21的出气端21b与反应腔室20相连通，中央进气通道21的进气端21a与刻蚀气源相连通，由刻蚀气源提供的刻蚀气体经由中央进气通道21输送至反应腔室20的中心区域，刻蚀气体包括SF₆；边缘进气通道22的出气端22b与反应腔室20相连通，边缘进气通道22的进气端22a与沉积气源相连通，由沉积气源提供的沉积气体经由边缘进气通道22输送至反应腔室20的边缘区域，沉积气体包括C₄F₈。在本实施例中，中央进气通道21的出气端21b设置在反应腔室20顶壁的中心区域，并且，边缘进气通道22的出气端22b设置在反应腔室20的侧壁上，如图6所示，中央进气通道21为贯穿反应腔室20顶壁上内嵌的介质窗23的通孔；边缘进气通道22为贯穿反应腔室20侧壁的通孔，且靠近反应腔室20的顶壁位置，并且通孔的中心线与被加工工件S的表面平行。容易理解，由于通孔的中心线与被加工工件S的表面平行，这与通孔的中心线朝向被加工工件相比，沉积气体从通孔输送至反应腔室20内需要经过一定扩散路径才会与被加工工件S发生反应，沉积气体可以在反应腔室20内充分扩散，因而可以提高沉积气体在反应腔室20分布的均匀性，从而可以进一步提高深硅刻蚀工艺的均匀性。在实际应用中，该通孔的中心线朝向反应腔室20的顶壁，基于上述原因同样可以进一步提高深硅刻蚀工艺的均匀性。

下面结合图7详细描述本实施例提供的反应腔室如何实现提高深硅刻蚀工艺的均匀性。具体地，在图7中图a、图b和图c的横轴表示沿被加工工件S径向上不同位置，中点表示被加工工件S的中心位置；在图7中图a的竖轴表示刻蚀速率，实线为采用本实施例提供的反应腔室的刻蚀速率曲线，其与采用图1所示的反应腔室的刻蚀速率曲线相同，可以看出：被加工工件S的边缘区域的刻蚀速率高于中心区域的刻蚀速率；在图7中图b的竖轴表示沉积速率，虚线为采用图1所示的反应腔室的沉积速率曲线，可以看出：被加工工件S边缘区域的沉积速率低于中心区域的沉积速率，实线为采用在本实施例提供的反应腔室的沉积速率曲线，可以看出：被加工工件S边缘区域的沉积速率高于中心区域的沉积速率；在图7中图c的竖轴表示深硅刻蚀速率，虚线为采用图1所示的反应腔室的深硅刻蚀速率曲线，可以看出：被加工工件S的边缘区域的深硅刻蚀速率高于中心区域的深硅刻蚀速率，且二者的之间的差距很大，实线为采用本实施例提供的反应腔室的深硅刻蚀速率曲线，可以看出：被加工工件S的边缘区域的深硅刻蚀速率高于中心区域的深硅刻蚀速率，且二者的之间的差距很小；

通过边缘进气通道22向反应腔室20的边缘区域输送沉积气体，以使沉积气体形成的等离子体在反应腔室20的边缘区域的分布密度高于中间区域的分布密度，这使得被加工工件S边缘区域的沉积速率高于中心区域的沉积速率（如图7中图b实线所示），并且，通过中央进气通道21向反应腔室20的中心区域输送刻蚀气体，刻蚀气体在反应腔室20的边缘区域分布密度高于中心区域的分布密度，使得被加工工件S的边缘区域的刻蚀速率高于中心区域的刻蚀速率（如图7中图a实线所示），因而可以在很大程度上减小被加工工件S的中间区域的深硅刻蚀速率和边缘区域的深硅刻蚀速率之间的差异（如图7中图c实线所示），从而可以在很大程度上提高深硅刻蚀工艺的均匀性，进而可以提高工艺质量；而且，借助中央进气通道和边缘进气通道分别输送刻蚀气体和沉积气体，可以避免二者共用同一个进气通道，从而可以避免刻蚀气体和沉积气体混合，进而可以避免刻蚀气体和沉积气体混合带来的不良影响（如图5所示的侧壁钻蚀效应和底部长草效应）。

优选地，边缘进气通道22的数量为多个，多个边缘进气通道22沿反应腔室20的周向间隔且均匀设置，沉积气体经由多个边缘进气通道22可以输送至反应腔室20的边缘区域的不同位置，这可以提高刻蚀气体在反应腔室20的边缘区域内分布的均匀性，从而可以进一步提高深硅刻蚀工艺的均匀性。在实际应用中，边缘进气通道的数量也可以为一个，这与现有技术相比，可以在一定程度上提高被加工工件S的边缘区域的沉积速率，从而可以提高深硅刻蚀工艺的均匀性。

在本实施例中，内嵌在反应腔室20的顶壁上的介质窗23采用非导电材料制成，非导电材料包括石英，并且在介质窗23的上方还设置感应线圈24和射频电源25，感应线圈24与射频电源25电连接，用以将反应腔室20内的沉积气体或刻蚀气体激发形成等离子体，感应线圈24为螺旋缠绕的平面线圈。在实际应用中，也可以采用其他方式将反应腔室20内的刻蚀气体和沉积气体激发形成等离子体，在此不一一列举。容易理解，中央进气通道21的出气端21b靠近感应线圈24，以及边缘进气通道22的出气端22b靠近反应腔室20的顶壁位置，这有助于感应线圈24激发刻蚀气体和沉积气体形成等离子体，从而可以提高射频电源的利用率。

下面详细描述采用本实施例提供的反应腔室20如何实现深硅刻蚀工艺。具体地，中央进气通道21和边缘进气通道22的初始工作状态均为关闭状态，包括以下步骤：

S10，打开各个边缘进气通道22，使得沉积气源提供的沉积气体经由该各个边缘进气通输22送至反应腔室20内，并打开与感应线圈24电连接的射频电源25，以使感应线圈24激发沉积气体形成等离子体，以实现对被加工工件S完成沉积步骤；

S20，关闭各个边缘进气通道22并打开中央进气通道21，使得刻蚀气源提供的刻蚀气体经该中央进气通道21输送至反应腔室20内，并借助感应线圈24激发刻蚀气体形成等离子体，以实现对被加工工件S完成刻蚀步骤；

S30，重复上述步骤S10和步骤S20直至完成深硅刻蚀工艺。

此外，在本实施例中，在反应腔室20内还设置有用于承载被加工工件S的卡盘26，其中卡盘26可以采用静电吸附的方式将被加工工件S固定在卡盘26的上表面上，也可以采用机械固定的方式将被加工工件S固定在卡盘26的上表面。并且，用于放置被加工工件S的工艺位设置在反应腔室20的水平截面的中心位置，可以理解为，被加工工件S的中心区域位于反应腔室20的中心区域，被加工工件S的边缘区域相对其中心区域位于反应腔室20的边缘区域。

图8为本发明第二实施例提供的反应腔室的结构简图。请参阅图8，本实施例提供的反应腔室20与上述第一实施例提供的反应相比，同样包括进气系统，由于进气系统的结构和功能在上述第一实施例中已有了详细的描述，在此不再赘述。

下面仅对本实施例提供的反应腔室20与上述第一实施例提供的反应腔室20的不同点进行详细描述。具体地，在本实施例中，感应线圈24对应于反应腔室20的中心区域设置，以提高感应线圈24激发刻蚀气体形成的等离子体在反应腔室的中心区域的分布密度，可以提高被加工工件S的中心区域的刻蚀速率，因而可以补偿被加工工件S的中心区域的刻蚀速率与边缘区域的刻蚀速率之间的差距，并且还可以提高被加工工件S的中心区域沉积速率，并在上述第一实施例中被加工工件S的中心区域的沉积速率小于边缘区域的沉积速率的前提下，可以补偿被加工工件的边缘区域的沉积速率与中心区域的沉积速率之间的差距，从而可以进一步提高深硅刻蚀工艺的均匀性。

作为另一技术方案，本发明还提供一种等离子体加工设备，包括反应腔室20，其中，反应腔室20采用第一实施例和第二实施例提供的上述反应腔室20。

本实施例提供的等离子体加工设备，其采用第一实施例和第二实施例提供的上述反应腔室20，不仅可以在很大程度上提高深硅刻蚀工艺的均匀性，从而可以提高工艺质量；而且可以避免刻蚀气体和沉积气体混合，从而可以避免刻蚀气体和沉积气体混合带来的不良影响。

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，在不脱离本发明的原理和实质的情况下，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 (10)

1.一种反应腔室，包括进气系统，其特征在于，所述进气系统包括中央进气通道、边缘进气通道、刻蚀气源和沉积气源，其中

所述中央进气通道的出气端与所述反应腔室相连通，所述中央进气通道的进气端与所述刻蚀气源相连通，由所述刻蚀气源提供的刻蚀气体经由所述中央进气通道输送至所述反应腔室的中心区域；

所述边缘进气通道的出气端与所述反应腔室相连通，所述边缘进气通道的进气端与所述沉积气源相连通，由所述沉积气源提供的沉积气体经由所述边缘进气通道输送至所述反应腔室的边缘区域，以避免刻蚀气体和沉积气体共用同一个进气通道。

2.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，所述中央进气通道的出气端设置在所述反应腔室顶壁的中心区域，并且，所述边缘进气通道的出气端设置在所述反应腔室的侧壁上。

3.根据权利要求2所述的反应腔室，其特征在于，所述边缘进气通道的数量为多个，多个所述边缘进气通道沿所述反应腔室的周向间隔且均匀设置。

4.根据权利要求2所述的反应腔室，其特征在于，所述边缘进气通道为贯穿所述反应腔室的侧壁的通孔，且靠近所述反应腔室的顶壁位置，并且

所述通孔的中心线与被加工工件的表面平行，或者，所述通孔的中心线朝向所述反应腔室的顶壁。

5.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，在所述反应腔室的顶壁上内嵌有采用非导电材料制成的介质窗，并且在所述介质窗的上方还设置感应线圈和射频电源，所述感应线圈与射频电源电连接，用以将所述反应腔室内的沉积气体或刻蚀气体激发形成等离子体。

6.根据权利要求5所述的反应腔室，其特征在于，所述感应线圈对应于所述反应腔室的中心区域设置。

7.根据权利要求5所述的反应腔室，其特征在于，所述感应线圈为螺旋缠绕的平面线圈。

8.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，所述刻蚀气体包括SF₆。

9.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，所述沉积气体包括C₄F₈。

10.一种等离子体加工设备，包括反应腔室，其特征在于，所述反应腔室采用权利要求1-9任意一项所述的反应腔室。