CN105161395A - 等离子体刻蚀装置及等离子体刻蚀方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种等离子刻蚀装置及等离子体刻蚀方法，通过在刻蚀腔室外的排气管道上安装样品采集通道，可以将排放气体部分收集到样品离子化腔，通过样品离子化腔将排放气体中的物质进行质量分离，从而得到待检测物质；待检测物质经加速腔加速进入样品检测设备，通过样品检测设备对待检测物质进行元素种类或元素含量检测，从而判断出刻蚀过程是否达到终点；待检测物质还可以通过样品采集通道的出口排出到排气管道内，进而被排出排气管道；因此，本发明能够在刻蚀面积很小的时候进行高精度的终点检测。

Description

等离子体刻蚀装置及等离子体刻蚀方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种等离子体刻蚀装置及利用该等离子体刻蚀装置进行的等离子体刻蚀方法。

背景技术

随着半导体器件高度集成和高度复杂化，如何精确实时控制等离子体刻蚀过程是一个巨大的挑战。在刻蚀终点检测方面，目前普遍采用的光学光谱发射法(OES)和激光干涉法(IEP)。

光学光谱发射法(OES)是目前干刻使用最广泛的终点检测方法，其原理是利用检测等离子体中反应物或生成物所发射波长光的强度变化来判断终点检测。等离子体的发光强度变化可以从工艺腔側壁上的观察孔观测。不同的物质所激发的光波波长各不相同，某特定物质光强变化反应其在等离子体中含量的变化。一般在刻蚀终点时，反应物光强增强，所刻蚀膜生成物光强减弱，通过检测这种光强的变化来检测刻蚀终点。光学光谱发射法是最常用的终点检测方法，它很容易集成在刻蚀设备上且对工艺没有影响，但这种方法仍然存在着一些不足之处：检测的光波的强度与刻蚀速率成正比，所以当刻蚀速率很慢时检测终点非常困难；当被刻蚀膜的面积很小时，所得到的OES信号强度很弱，无法完成终点检测。

激光干涉法(IEP)是通过激光光源检测透明薄膜厚度的变化，当厚度变化停止时则说明到达刻蚀终点。其原理是当激光垂直入射薄膜表面时，在透明薄膜表面被反射的光线与穿透薄膜后被下层表面反射的光线相互干涉。在薄膜厚度变化Δd满足Δd＝λ/2h(λ:激光波长，h:薄膜材料的折射率)时，可以得到干涉加强，这样每出现一个Δd变化，就会出现一个峰值。随着厚度不断变薄，就形成许多正弦波状的信号曲线。但IEP也有些限制：膜透光性要好；激光必须聚焦在被刻蚀区域且面积足够大；被激光照射的区域温度升高，影响刻蚀速率；如果刻蚀表面粗糙不平，影响信号强度；机械震动，温度变化都会影响干涉信号。

因此，针对待刻蚀面积很小的情况，上述两种终点检测方法中无论是OES光强还是IEP信号都很弱，无法检测到刻蚀终点。

发明内容

为了克服以上问题，本发明旨在提供一种等离子体刻蚀装置，以及高精度的终点检测方法，通过将排放气体进行质量分离后得到待检测物质，进一步的通过待检测物质中元素种类或元素的含量来判断刻蚀过程是否达到终点。

为了实现上述目的，本发明提供了一种等离子体刻蚀装置，包括：刻蚀腔、位于刻蚀腔体上的进气管道和排气管道、位于刻蚀腔室内的上电极、与上电极相对的下电极、以及位于下电极上的晶圆承载台，位于所述刻蚀腔室外部的所述排气管道部分具有：

样品采集通道，具有进口和出口，所述进口和所述出口均与所述排气管道相连通；

样品离子化腔，与所述样品采集通道的进口相连通，用于将通过进口进入到所述样品离子化腔的气体中的物质进行质量分离，得到待检测物质；

加速腔，与所述样品离子化腔相连通，用于对所述待检测物质加速，使所述待检测物质进入到样品检测设备；

样品检测设备，与所述加速腔相连通，并与所述样品采集通道的出口相连通，对经加速进入的所述待检测物质进行元素种类或元素含量检测，以判断刻蚀过程是否达到终点；所述样品检测设备检测完毕后，所述待检测物质通过所述样品采集通道的出口进入到所述排气管道中，从而被排出所述排气管道。

优选地，还包括控制模块和刻蚀系统通讯模块；所述控制模块与所述样品检测设备相连，所述样品检测设备将刻蚀过程达到终点的指令发送给所述控制模块，所述控制模块控制所述刻蚀系统通讯模块来向刻蚀系统发送停止刻蚀指令，所述刻蚀系统接收到停止刻蚀指令后，关闭所述进气管道。

优选地，所述样品离子化腔具有磁场，所述进入到所述样品离子化腔的气体发生解离产生带电粒子，在所述磁场中解离后的不同质量的带电粒子具有不同的运动轨迹，从而不同质量的带电粒子被分离，以得到待检测的带电粒子。

优选地，所述样品离子化腔具有加速区，所述进入到所述样品离子化腔的气体中的不同质量的物质被加速后飞行的距离不同，从而不同质量的物质被分离，以得到待检测的物质。

优选地，所述样品离子化腔占所述样品采集通道的水平方向上长度的百分比大于50％。

优选地，所述样品采集通道具有竖直的出口和进口、以及与所述进口和所述出口相连通的水平输送管道，所述样品离子化腔、所述加速腔和所述样品检测设备依次排列设置于所述水平输送管道上。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种根据上述的等离子体刻蚀装置进行等离子体刻蚀的方法，其包括：

步骤01：将晶圆置于所述晶圆承载台上，开启所述进气管道、所述上电极和所述下电极，对所述晶圆进行等离子体刻蚀；

步骤02：等离子刻蚀过程中产生的排放气体进入到所述排气管道内，一部分所述排放气体通过样品采集通道的进口进入到样品采集通道，另一部分所述排放气体排出所述排气管道外；

步骤03：进入到所述样品采集通道的一部分所述排放气体进入样品离子化腔，所述样品离子化腔将所述一部分所述排放气体中的物质进行质量分离，得到待检测物质；

步骤04：所述待检测物质进入加速腔，被加速后进入到样品检测设备中；

步骤05：所述样品检测设备对所述待检测物质进行元素种类或元素含量检测，以判断刻蚀过程是否达到终点；

步骤06：所述样品检测设备检测完毕后，所述待检测物质通过所述样品采集通道的出口进入到所述排气管道中，从而被排出所述排气管道；

步骤07：若判断刻蚀过程未达到终点，则重复步骤02至步骤06，直至检判断所述刻蚀过程达到终点。

优选地，所述等离子体刻蚀装置还包括控制模块和刻蚀系统通讯模块；所述控制模块与所述样品检测设备相连；所述步骤07之后还包括：所述样品检测设备将刻蚀过程达到终点的指令发送给所述控制模块，所述控制模块控制所述刻蚀系统通讯模块来向刻蚀系统发送停止刻蚀指令，所述刻蚀系统接收到停止刻蚀指令后，关闭所述进气管道。

优选地，所述步骤03中，所述样品离子化腔具有磁场，所述进入到所述样品离子化腔的气体发生解离产生带电粒子，在所述磁场中解离后的不同质量的带电粒子具有不同的运动轨迹，从而不同质量的带电粒子被分离，以得到待检测的带电粒子。

优选地，所述步骤03中，所述样品离子化腔具有加速区，所述进入到所述样品离子化腔的气体中的不同质量的物质被加速后飞行的距离不同，从而不同质量的物质被分离，以得到待检测的物质。

本发明的等离子刻蚀装置和等离子体刻蚀方法，通过在刻蚀腔室外的排气管道上安装样品采集通道，可以将排放气体部分收集到样品离子化腔，通过样品离子化腔将排放气体中的物质进行质量分离，从而得到待检测物质；待检测物质经加速腔加速进入样品检测设备，通过样品检测设备对待检测物质进行元素种类或元素含量检测，从而判断出刻蚀过程是否达到终点；待检测物质还可以通过样品采集通道的出口排出到排气管道内，进而被排出排气管道；因此，本发明能够在刻蚀面积很小的时候进行高精度的终点检测。

附图说明

图1为本发明的一个较佳实施例的等离子体刻蚀装置的结构示意图

图2为本发明的一个较佳实施例的等离子体刻蚀方法的流程示意图

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

本发明的等离子体刻蚀装置，包括：刻蚀腔、位于刻蚀腔体上的进气管道和排气管道，位于刻蚀腔室外部的排气管道部分具有样品采集通道，样品离子化腔，加速腔以及样品检测设备，样品采集通道与样品离子化腔相连通，样品离子化腔与加速腔相连通，加速腔与样品检测设备相连通；样品采集通道具有进口和出口，进口和出口均与排气管道相连通；样品离子化腔与样品采集通道的进口相连通，用于将通过进口进入到样品离子化腔的气体中的物质进行质量分离，得到待检测物质；加速腔与样品离子化腔相连通，用于对待检测物质加速，使待检测物质进入到样品检测设备；样品检测设备与加速腔相连通，并与样品采集通道的出口相连通，对经加速进入的待检测物质进行元素种类或元素含量检测，以判断刻蚀过程是否达到终点；样品检测设备检测完毕后，待检测物质通过样品采集通道的出口进入到排气管道中，从而被排出排气管道。

以下结合附图1-2和具体实施例对本发明的等离子体装置以及等离子体刻蚀方法作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式、使用非精准的比例，且仅用以方便、清晰地达到辅助说明本实施例的目的。

请参阅图1，本实施例的等离子体刻蚀装置，包括：

刻蚀腔00，其可以为现有的刻蚀腔结构，这里不做限制；

进气管道1，位于刻蚀腔体的顶部，进气管道1伸入刻蚀腔室00的开口处连接有莲蓬头2，用于向晶圆7表面均匀送气；刻蚀气体3通过进气管道1和莲蓬头2进入到刻蚀腔室00中；

上电极4，位于刻蚀腔室00内顶部，围绕莲蓬头2的周围设置；

下电极6，与上电极4相对且设置于刻蚀腔室00内下方，下电极6底部连接有驱动轴8，驱动轴8穿过刻蚀腔体底部；在上电极4和下电极6之间产生等离子体5；

晶圆承载台(未示出)，用于承载晶圆7，晶圆承载台可以具有静电吸盘或加持部件来固定晶圆7；

排气管道9，位于刻蚀腔体的侧墙；

位于刻蚀腔室00外部的排气管道9部分具有：

样品采集通道，具有竖直的进口21和出口25，以及与进口21和出口25相连通的水平输送管道；进口21和出口25均与排气管道9相连通；样品离子化腔22、加速腔23和样品检测设备24依次排列设置于水平输送管道上；

样品离子化腔22，与样品采集通道的进口21相连通，用于将通过进口21进入到样品离子化腔22的排放气体中的物质进行质量分离，得到待检测物质；本实施例中，样品离子化腔22具有磁场，进入到样品离子化腔22的排放气体发生解离产生带电粒子，在所述磁场中解离后的不同质量的带电粒子具有不同的运动轨迹，从而不同质量的带电粒子被分离，以得到待检测的带电粒子；这里，对排放气体中的物质进行离子化分离，是为了得到刻蚀过程中一种或多种特征物质，比如，在氧化膜刻蚀时，特征物质为CO、CF等；不乏有刻蚀过程中的某种特征物质为零的情况，此时，得到的待检测的带电粒子不含有特征物质，后续经检测设备检测出没有该特征物质，说明刻蚀过程已经完成；也或者经离子化分离得到多种物质，该物质中具有特征物质，后续经检测设备检测出具有该特征物质，说明刻蚀过程还未完成；并且，对待检测物质的分离、加速和检测是一个连续循环的过程，经检测设备检测出某种特征物质的起始浓度，经过连续检测，直至该某种特征物质的浓度为零，说明刻蚀过程已经完成。针对待检测物质，可以预先设定需要检测的物质，然后，经离子化分离筛选出待测物质，关于离子化分离过程是本领域技术人员可以知晓的，这里不再赘述。需要说明的是，离子化腔中的离子化过程是需要连续进行的，而后续检测过程中例如采样频率是可以设定的。

在本发明的其它实施例中，样品离子化腔具有加速区，进入到样品离子化腔的气体中的不同质量的物质被加速后飞行的距离不同，从而不同质量的物质被分离，以得到待检测的物质。此时，样品离子化腔的长度应当足够长，使得所需待测物质被分理出；较佳的，样品离子化腔占样品采集通道的水平方向上长度的百分比大于50％。

加速腔23，与样品离子化腔22相连通，用于对待检测物质加速，使待检测物质进入到样品检测设备24；加速腔23的加速装置可以采用现有的技术，这里不再赘述。

质谱分析仪24，与加速腔23相连通，并与样品采集通道的出口25相连通，对经加速进入的待检测物质进行元素种类或元素含量检测，以判断刻蚀过程是否达到终点；这里，对刻蚀过程中特征物质所含元素的种类或浓度进行检测，从而判断刻蚀过程是否达到终点。

质谱分析仪检测完毕后，待检测物质通过样品采集通道的出口25进入到排气管道9中，并且被排出排气管道9。

本实施中，还包括：控制模块26和刻蚀系统通讯模块27，控制模块26与质谱分析仪24相连，质谱分析仪24将刻蚀过程达到终点的指令发送给控制模块26，控制模块26控制刻蚀系统通讯模块27来向刻蚀系统发送停止刻蚀指令，刻蚀系统接收到停止刻蚀指令后，关闭进气管道1。

请参阅图2，本实施例的采用上述等离子体刻蚀装置进行等离子体刻蚀的方法，包括：

步骤01：将晶圆置于晶圆承载台上，开启进气管道、上电极和下电极，对晶圆进行等离子体刻蚀；

具体的，可以通过机械手将晶圆从片盒中取出后夹持到晶圆承载台上，晶圆承载台通过静电吸附或夹持部件将晶圆固定；等离子体刻蚀过程可以采用现有技术，这是本领域技术人员可以知晓的，这里不再赘述。

步骤02：等离子刻蚀过程中产生的排放气体进入到排气管道内，一部分排放气体通过样品采集通道的进口进入到样品采集通道，另一部分排放气体排出排气管道外；

具体的，等离子体刻蚀过程中的排放气体进入排气管道之后，一部分排放气体沿着排气管道排出，另一部分排放气体进入样品采集通道。

步骤03：进入到样品采集通道的一部分排放气体进入样品离子化腔，样品离子化腔将一部分排放气体中的物质进行质量分离，得到待检测物质；

具体的，样品离子化腔具有磁场，进入到样品离子化腔的气体发生解离产生带电粒子，在磁场中解离后的不同质量的带电粒子具有不同的运动轨迹，从而不同质量的带电粒子被分离，以得到待检测的带电粒子；本发明的其它实施例中，样品离子化腔具有加速区，进入到样品离子化腔的气体中的不同质量的物质被加速后飞行的距离不同，从而不同质量的物质被分离，以得到待检测的物质。离子化腔中的离子化过程是需要连续进行的，而后续检测过程中例如采样频率是可以设定的。

步骤04：待检测物质进入加速腔，被加速后进入到样品检测设备中；

具体的，待检测物质进入到加速腔并且具有一个初始速度，加速腔使待检测物质加速后进入到样品检测设备中，例如，待检测物质可以沿水平方向进入加速腔中并且被加速进入样品检测设备中；对待检测物质的加速可以采用电场或磁场，这是本领域技术人员可以知晓的，这里不再赘述。

步骤05：样品检测设备对待检测物质进行元素种类或元素含量检测，以判断刻蚀过程是否达到终点；

具体的，这里样品检测设备为质谱分析仪，质谱分析仪的工作原理是本领域技术人员可以知晓的，这里不再赘述。通过质谱分析仪可以将刻蚀过程中的特征物质所含元素的浓度或种类检测出来，从而判断刻蚀过程是否达到终点。

步骤06：样品检测设备检测完毕后，待检测物质通过样品采集通道的出口进入到排气管道中，从而被排出排气管道；

具体的，由于排气管道与样品采集通道的出口相连通，经检测后的待检测物质可以通过排气管道排出；

步骤07：若判断刻蚀过程未达到终点，则重复步骤02至步骤06，直至检判断所述刻蚀过程达到终点。

具体的，对排放气体的收集、离子化、加速和检测是一个连续的过程，并且，排放气体进入到样品采集通道是一个持续的过程，那么，对排放气体的离子化过程、加速过程和检测过程是一直不停的进行的，检测过程中由于设备的原因，会存在一定的扫描间隔。

由于上述实施例中等离子体刻蚀装置还包括控制模块和刻蚀系统通讯模块，控制模块与样品检测设备相连；因此，本实施例中，在步骤07之后还包括：样品检测设备将刻蚀过程达到终点的指令发送给控制模块，控制模块控制刻蚀系统通讯模块来向刻蚀系统发送停止刻蚀指令，刻蚀系统接收到停止刻蚀指令后，关闭进气管道。

综上所述，本发明的等离子刻蚀装置和等离子体刻蚀方法，通过在刻蚀腔室外的排气管道上安装样品采集通道，可以将排放气体部分收集到样品离子化腔，通过样品离子化腔将排放气体中的物质进行质量分离，从而得到待检测物质；待检测物质经加速腔加速进入样品检测设备，通过样品检测设备对待检测物质进行元素种类或元素含量检测，从而判断出刻蚀过程是否达到终点；待检测物质还可以通过样品采集通道的出口排出到排气管道内，进而被排出排气管道；因此，本发明能够在刻蚀面积很小的时候进行高精度的终点检测。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (10)

1.一种等离子体刻蚀装置，包括：刻蚀腔、位于刻蚀腔体上的进气管道和排气管道、位于刻蚀腔室内的上电极、与上电极相对的下电极、以及位于下电极上的晶圆承载台，其特征在于，位于所述刻蚀腔室外部的所述排气管道部分具有：

样品采集通道，具有进口和出口，所述进口和所述出口均与所述排气管道相连通；

样品离子化腔，与所述样品采集通道的进口相连通，用于将通过进口进入到所述样品离子化腔的气体中的物质进行质量分离，得到待检测物质；

加速腔，与所述样品离子化腔相连通，用于对所述待检测物质加速，使所述待检测物质进入到样品检测设备；

样品检测设备，与所述加速腔相连通，并与所述样品采集通道的出口相连通，对经加速进入的所述待检测物质进行元素种类或元素含量检测，以判断刻蚀过程是否达到终点；所述样品检测设备检测完毕后，所述待检测物质通过所述样品采集通道的出口进入到所述排气管道中，从而被排出所述排气管道。

2.根据权利要求1所述的等离子体刻蚀装置，其特征在于，还包括控制模块和刻蚀系统通讯模块；所述控制模块与所述样品检测设备相连，所述样品检测设备将刻蚀过程达到终点的指令发送给所述控制模块，所述控制模块控制所述刻蚀系统通讯模块来向刻蚀系统发送停止刻蚀指令，所述刻蚀系统接收到停止刻蚀指令后，关闭所述进气管道。

3.根据权利要求1所述的等离子体刻蚀装置，其特征在于，所述样品离子化腔具有磁场，所述进入到所述样品离子化腔的气体发生解离产生带电粒子，在所述磁场中解离后的不同质量的带电粒子具有不同的运动轨迹，从而不同质量的带电粒子被分离，以得到待检测的带电粒子。

4.根据权利要求1所述的等离子体刻蚀装置，其特征在于，所述样品离子化腔具有加速区，所述进入到所述样品离子化腔的气体中的不同质量的物质被加速后飞行的距离不同，从而不同质量的物质被分离，以得到待检测的物质。

5.根据权利要求4所述的等离子体刻蚀装置，其特征在于，所述样品离子化腔占所述样品采集通道的水平方向上长度的百分比大于50％。

6.根据权利要求1所述的等离子体刻蚀装置，其特征在于，所述样品采集通道具有竖直的出口和进口、以及与所述进口和所述出口相连通的水平输送管道，所述样品离子化腔、所述加速腔和所述样品检测设备依次排列设置于所述水平输送管道上。

7.一种根据权利要求1所述的等离子体刻蚀装置进行等离子体刻蚀的方法，其特征在于，包括：

步骤01：将晶圆置于所述晶圆承载台上，开启所述进气管道、所述上电极和所述下电极，对所述晶圆进行等离子体刻蚀；

步骤02：等离子刻蚀过程中产生的排放气体进入到所述排气管道内，一部分所述排放气体通过样品采集通道的进口进入到样品采集通道，另一部分所述排放气体排出所述排气管道外；

步骤03：进入到所述样品采集通道的一部分所述排放气体进入样品离子化腔，所述样品离子化腔将所述一部分所述排放气体中的物质进行质量分离，得到待检测物质；

步骤04：所述待检测物质进入加速腔，被加速后进入到样品检测设备中；

步骤05：所述样品检测设备对所述待检测物质进行元素种类或元素含量检测，以判断刻蚀过程是否达到终点；

步骤06：所述样品检测设备检测完毕后，所述待检测物质通过所述样品采集通道的出口进入到所述排气管道中，从而被排出所述排气管道；

步骤07：若判断刻蚀过程未达到终点，则重复步骤02至步骤06，直至检判断所述刻蚀过程达到终点。

8.根据权利要求8所述的等离子体刻蚀的方法，其特征在于，所述等离子体刻蚀装置还包括控制模块和刻蚀系统通讯模块；所述控制模块与所述样品检测设备相连；所述步骤07之后还包括：所述样品检测设备将刻蚀过程达到终点的指令发送给所述控制模块，所述控制模块控制所述刻蚀系统通讯模块来向刻蚀系统发送停止刻蚀指令，所述刻蚀系统接收到停止刻蚀指令后，关闭所述进气管道。

9.根据权利要求8所述的等离子体刻蚀的方法，其特征在于，所述步骤03中，所述样品离子化腔具有磁场，所述进入到所述样品离子化腔的气体发生解离产生带电粒子，在所述磁场中解离后的不同质量的带电粒子具有不同的运动轨迹，从而不同质量的带电粒子被分离，以得到待检测的带电粒子。

10.根据权利要求8所述的等离子体刻蚀的方法，其特征在于，所述步骤03中，所述样品离子化腔具有加速区，所述进入到所述样品离子化腔的气体中的不同质量的物质被加速后飞行的距离不同，从而不同质量的物质被分离，以得到待检测的物质。