CN105390368A - 晶片预清洗腔室及半导体加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供的晶片预清洗腔室及半导体加工设备，包括下电极组件，该下电极组件将晶片预清洗腔室分隔成等离子体产生腔和晶片处理腔；在该等离子体产生腔内与下电极组件相对设置有上电极组件，并且在晶片处理腔内设置有用于承载晶片的承载装置，下电极组件用于在等离子体自等离子体产生腔进入晶片处理腔时，过滤等离子体中的带电粒子。本发明提供的晶片预清洗腔室，其可以过滤等离子体中的带电粒子，从而可以避免带电粒子损伤晶片上的Low-k材料，进而可以提高产品性能。

Description

晶片预清洗腔室及半导体加工设备

技术领域

本发明涉及半导体设备制造领域，涉及一种晶片预清洗腔室及半导体加工设备。

背景技术

物理气相沉积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物理气相沉积设备有以下类型：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。这些类型的物理气相沉积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。一般的晶片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为目前采用的一种晶片预清洗腔室的结构示意图。如图1所示，该晶片预清洗腔室包括由侧壁1、底壁2和顶盖9组成的用于产生等离子体的反应腔。在该反应腔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；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，以将反应腔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。

上述晶片预清洗腔室在实际应用中不可避免地存在以下问题，即：上述晶片预清洗腔室仅具有反应腔，且等离子体的产生和晶片的清洗均在该反应腔内进行，从而等离子体会在气流的作用下自其产生区域直接运动至清洗晶片的区域。然而由于芯片通常会采用Low-k(低介电常数)材料作为层间介质，该Low-k材料结构疏松、柔软，且为多孔结构，这种结构容易被直接进入清洗晶片区域内的等离子体中的带电粒子轰击破坏，导致Low-k材料的k值发生变化，从而影响Low-k材料的成分及属性，即，造成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，提出了一种晶片预清洗腔室及半导体加工设备，其可以过滤等离子体中的带电粒子，从而可以避免带电粒子损伤晶片上的Low-k材料。

为实现本发明的目的而提供一种晶片预清洗腔室，其包括下电极组件，所述下电极组件将所述晶片预清洗腔室分隔成等离子体产生腔和晶片处理腔；在所述等离子体产生腔内与所述下电极组件相对设置有上电极组件，并且在所述晶片处理腔内设置有用于承载晶片的承载装置，所述下电极组件用于在等离子体自所述等离子体产生腔进入所述晶片处理腔时，过滤所述等离子体中的带电粒子。

其中，所述下电极组件包括下电极板，所述下电极板接地，且在所述下电极板上均匀分布有多个通孔，每个通孔分别与所述等离子体产生腔和晶片处理腔连通，且每个通孔具有预设的深宽比，所述深宽比为所述通孔的轴向长度与其径向截面形状的最小宽度的比值。

优选的，所述下电极组件还包括至少一个过滤板，所述至少一个过滤板将所述晶片处理腔隔离形成沿所述晶片预清洗腔室的轴向间隔设置的至少两个子腔，所述承载单元位于最底部的子腔内；并且，每个过滤板接地，且在每个过滤板上均匀分布有多个通孔，每个通孔分别和与该过滤板相邻的两个子腔连通，且每个通孔具有预设的深宽比，所述深宽比为所述通孔的轴向长度与其径向截面形状的最小宽度的比值。

优选的，所述通孔的深宽比被设置为：至少能够过滤所述等离子体中的带电粒子。

其中，所述上电极组件包括上电极板，所述上电极板将所述晶片预清洗腔室的顶部隔离形成匀流腔，用以将流入其内的反应气体均匀化分布；在所述上电极板上均匀分布有多个出气口，每个出气口分别与所述匀流腔和所述等离子体产生腔连通。

优选的，在所述晶片预清洗腔室内，且位于所述上电极板的上方还设置有一个或多个匀流板，且所述多个匀流板沿竖直方向间隔设置，用以将所述匀流腔隔离形成至少两个匀流子腔；在每个所述匀流板上均匀分布有多个通孔，每个通孔分别和与该匀流板相邻的两个匀流子腔连通。

优选的，所述晶片预清洗腔室还包括环形部件，所述环形部件位于所述晶片预清洗腔室的上盖和侧壁之间，所述上电极板固定在该环形部件上，且与所述环形部件和所述上盖形成所述匀流腔；所述环形部件采用绝缘材料制作，以使所述晶片预清洗腔室的上盖和侧壁之间，以及所述上电极板与所述等离子体产生腔之间电绝缘。

优选的，所述承载单元包括静电卡盘、机械卡盘或基座。

作为另一个技术方案，一种半导体加工设备，包括反应腔室和晶片预清洗腔室，所述晶片预清洗腔室采用了本发明提供的上述晶片预清洗腔室。

优选的，所述半导体加工设备包括物理气相沉积设备。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的晶片预清洗腔室，其利用下电极组件将晶片预清洗腔室分隔成等离子体产生腔和晶片处理腔，且在该等离子体产生腔内与下电极组件相对设置有上电极组件，并且在该晶片处理腔内设置有用于承载晶片的承载单元，这样，借助上电极组件和下电极组件，可以在等离子体产生腔内产生的等离子体，而且该下电极组件还用于在等离子体自等离子体产生腔进入晶片处理腔时过滤该等离子体中的带电粒子，也就是说，等离子体的产生和晶片的清洗是分别在等离子体产生腔和晶片处理腔进行的，且在等离子体产生腔内产生的等离子体无法直接进入晶片处理腔，而必须通过下电极组件的过滤之后才能进入晶片处理腔以去除晶片表面的杂质，从而可以避免带电粒子损伤晶片上的Low-k材料，进而可以提高产品性能。

本发明提供的半导体加工设备，其通过采用本发明提供的晶片预清洗腔室，可以过滤等离子体中的带电粒子，从而可以避免带电粒子损伤晶片上的Low-k材料，进而可以提高产品性能。

附图说明

图1为目前采用的一种晶片预清洗腔室的结构示意图；

图2为本发明第一实施例提供的晶片预清洗腔室的剖视图；

图3为本发明第一实施例中所采用的下电极板的俯视图；

图4为本发明第一实施例所采用的下电极板进行过滤的原理图；

图5为本发明第一实施例中所采用的上电极板的俯视图；以及

图6为本发明第二实施例提供的晶片预清洗腔室的剖视图。

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晶片预清洗腔室及半导体加工设备进行详细描述。

本发明提供的晶片预清洗腔室包括下电极组件，该下电极组件将晶片预清洗腔室分隔成等离子体产生腔和晶片处理腔；在该等离子体产生腔内与下电极组件相对设置有上电极组件，并且在该晶片处理腔内设置有用于承载晶片的承载单元。利用上电极组件和下电极组件，可以采用电容耦合的方式在等离子体产生腔内产生等离子体，这与现有技术中采用电感耦合的方式相比，不仅，受驻波效应影响较小，而且还可以在较大范围内产生分布较均匀的等离子体，从而可以提高清洗效果的均匀性。电容耦合在需要产生大面积等离子体的应用中优势更明显。

而且，下电极组件还用于在等离子体自等离子体产生腔进入晶片处理腔时，过滤等离子体中的带电粒子，而使激发态粒子进入晶片处理腔，并去除晶片表面的杂质，也就是说，等离子体的产生和晶片的清洗是分别在等离子体产生腔和晶片处理腔进行的，且在等离子体产生腔内产生的等离子体无法直接进入晶片处理腔，而必须通过下电极组件的过滤之后才能进入晶片处理腔，从而可以避免带电粒子损伤晶片上的Low-k材料，进而可以提高产品性能。上述下电极组件尤其可以将带电粒子中的正离子完全过滤，这是因为：下电极组件接地，这使得原本竖直向下运动的正离子运动方向发生偏转，并与该下电极组件复合，从而没有正离子进入晶片处理腔。

第一实施例

图2为本发明第一实施例提供的预晶片处理腔室的剖视图。图3为本发明第一实施例中所采用的下电极板的俯视图。图4为本发明第一实施例所采用的下电极板进行过滤的原理图。请一并参阅图2-图4，本发明提供的晶片预清洗腔室包括下电极组件，该下电极组件包括下电极板21，下电极板21接地，且将晶片预清洗腔室隔离形成等离子体产生腔120和晶片处理腔130，并且在该下电极板21上均匀分布有多个通孔211，每个通孔211分别与等离子体产生腔120和晶片处理腔130连通，用以使等离子体均匀地进入晶片处理腔130。而且，每个通孔211具有预设的深宽比，以实现对等离子体中的带电粒子完全过滤。所谓深宽比，是指通孔211的轴向长度D(即，下电极板21的厚度，如图4所示)与其径向截面形状的最小宽度W的比值。例如，在本实施例中，通孔211为圆形直通孔，则其宽度W即为该圆形直通孔的直径。又如，若通孔211为正方形孔，则其宽度为该正方形孔的边长。再如，若通孔211为矩形孔，则其宽度为该矩形孔的最小边长。当然，在实际应用中，通孔在其径向截面上的形状包括圆形、三角形或者多边形等等，可以根据具体情况自由设定。在实际应用中，对上述通孔的深宽比的设定，需使其满足完全过滤等离子体中的带电粒子的要求，但是为了满足不同的要求，还可以对上述通孔的深宽比进行特别设定，以使其在完全过滤等离子体中的带电粒子基础上，进一步过滤等离子体中的其他成分。

优选的，可以根据通入晶片预清洗腔室内的工艺气体种类以及放电条件设定通孔211的深宽比(D/W)，以保证完全过滤经过通孔211的带电粒子。与该放电条件相关的参数包括射频电源18的功率和频率。在实际应用中，通孔211的深宽比可以进行仿真模拟实验获得，而仿真模拟实验所需的相关参数可以通过经验法、实验法等获得。

请参阅图4，本图是以氢气为例说明下电极板21过滤等离子体中的带电粒子的原理。具体地，在预清洗的过程中，当氢气进入等离子体产生腔120后，其被离化成包含有H⁺和e的带电粒子以及包含有H^*和H₂ ^*的激发态粒子。此时等离子体的电势分布曲线为图4中的虚线，即，电势E在等离子体产生腔120的中部为零，而在分别靠近上电极板31和下电极板21的边缘处为负值，且越靠近边缘该负值越大。在该电势E的作用下，带电粒子(H⁺和e)的运动方向受到影响，具体运动方向如图4中的箭头所示，其中，e朝靠近上电极板31的方向运动；与之相反的，很少的一部分H⁺会朝靠近下电极板21的方向运动，并穿越等离子体的产生区域到达下电极板21，但是由于下电极板21接地，其会影响这部分H⁺的运动，使原本竖直向下运动的H⁺发生偏转，并与该下电极板21复合，从而不会有H⁺穿过通孔211进入晶片处理腔130。此外，激发态粒子(H^*和H₂ ^*)不受电势E的约束，而可以自由运动，从而可以顺利通过下电极板21进入晶片处理腔130，然后与晶片19表面发生化学反应，以达到清除晶片19上的杂质的目的。

在本实施例中，上电极组件包括上电极板31，上电极板31依次与匹配器17和射频电源18电连接，且将晶片预清洗腔室的顶部隔离形成匀流腔110，用以将流入其内的反应气体均匀化分布，并且在上电极板31上均匀分布有多个出气口311，如图5所示，每个出气口311分别与匀流腔110和等离子体产生腔120连通，如图2所示。此外，在匀流腔110顶部的中央位置还设置有进气口15，用以向匀流腔110内输送反应气体。反应气体自进气口15进入匀流腔110之后，会在向匀流腔110四周扩散的过程中逐渐均匀化，然后自各个出气口311流入等离子体产生腔120。借助匀流腔110，可以使进入其内的反应气体能够充分向四周扩散，即，可以起到过渡的作用，从而使流入等离子体产生腔120内的反应气体分布更均匀。在射频电源18接通时，流入等离子体产生腔120内的反应气体被激发形成等离子体，等离子体通过下电极板21，并由其过滤掉该等离子体中的带电粒子，该等离子体中的激发态粒子进入晶片处理腔130，并与晶片19表面发生化学反应，从而清除晶片19上的杂质。

在本实施例中，晶片预清洗腔室由上盖11、侧壁12和底板13构成，其中，环形部件14设置在上盖11和侧壁12之间，且采用绝缘材料制作，以使上盖11和侧壁12电绝缘。而且，上电极板31固定在该环形部件14上，并与晶片预清洗腔室的上盖11和环形部件14共同形成匀流腔110；并且，环形部件14使上电极板31与等离子体产生腔120电绝缘，从而实现在射频电源18接通时，上电极板31的电位悬浮。

优选的，在晶片预清洗腔室内，且位于上电极板31的上方还设置有一个或多个匀流板(图中未示出)，且多个匀流板沿竖直方向间隔设置，用以将匀流腔120隔离形成至少两个匀流子腔；在每个匀流板上均匀分布有多个通孔，每个通孔分别和与该匀流板相邻的两个匀流子腔连通。反应气体由上而下依次通过各个匀流子腔，最终自上电极板31上的各个出气口311流入等离子体产生腔120。借助至少两个匀流子腔，可以实现对反应气体进行多次匀流，从而可以进一步提高在等离子体产生腔120内的反应气体的分布均匀性。

在本实施例中，在晶片处理腔130内设置有承载单元41，用于承载晶片19，该承载单元41包括静电卡盘、机械卡盘或基座；并且，在晶片处理腔130的底部设置有排气口16，用以排出晶片处理腔130内的废气(即，反应后的气体以及未反应的剩余气体)。当射频电源18接通时，其通过匹配器17向上电极板31加载射频功率，从而在上电极板31与下电极板21之间，即，在等离子体产生腔120内形成等离子体，等离子体经由各个通孔211进入晶片处理腔130，并在经过通过211的过程中，等离子体中的带电粒子被完全过滤，从而仅有激发态粒子能够进入晶片处理腔130，并去除晶片19上的杂质。

第二实施例

图6为本发明第二实施例提供的晶片预清洗腔室的剖视图。请参阅图6，本实施例提供的晶片预清洗腔室与上述第一实施例相比，其区别在于：下电极组件除了包括一个下电极板21之外，还包括一个过滤板22，该过滤板22接地，且将晶片处理腔隔离形成两个子腔(131，132)，并且在过滤板22上均匀分布有多个通孔221，每个通孔221分别与两个子腔(131，132)连通，承载单元41位于最底部的子腔132内。

该过滤板22的结构与上述下电极板21的结构相同，且二者具有相同的过滤效果。通过增设过滤板22，可以在下电极板21对等离子体过滤之后，对该等离子体进行二次过滤，从而可以进一步保证过滤效果。除此之外，由于通孔221均匀分布在过滤板22上，因而可以实现对等离子体多次均匀化的效果，从而可以使进入晶片处理腔内的等离子体分布均匀，进而实现均匀地去除晶片表面上的杂质。

需要说明的是，在本实施例中，过滤板22的数量为一个，但是本发明并不局限于此，在实际应用中，过滤板的数量还可以为两个以上，两个以上的过滤板沿晶片预清洗腔室的轴向(即，沿垂直于晶片表面的方向)间隔设置，以将晶片处理腔隔离形成更多的子腔；并且，在每个过滤板上均匀分布有多个通孔，每个通孔分别和与该过滤板相邻的两个子腔连通。容易理解，过滤板的数量越多，等离子体被过滤的次数越多，同时被均匀化的次数也越多，从而实现等离子体在最终进入承载单元所在的最底部的子腔内时，其带电粒子被完全过滤，同时进入该子腔内的激发态粒子分布均匀。

作为另一个技术方案，本发明实施例还提供半导体加工设备，包括反应腔室和晶片预清洗腔室。其中，晶片预清洗腔室采用了本发明实施例提供的上述晶片预清洗腔室，用以在利用反应腔室实施沉积工艺之前，对晶片进行预清洗，以去除晶片表面的氧化物等杂质。该晶片预清洗腔室采用本发明实施例提供的上述晶片预清洗腔室。

本发明实施例提供的半导体加工设备，其通过采用本发明实施例提供的晶片预清洗腔室，可以过滤等离子体中的带电粒子，而仅使激发态粒子进入清洗区域，从而可以避免带电粒子损伤晶片上的Low-k材料，进而可以提高产品性能。

在实际应用中，半导体加工设备例如可以采用物理气相沉积设备，用以在对晶片进行预清洗工艺之后，采用物理气相沉积的方式对晶片进行沉积工艺。

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 (10)

1.一种晶片预清洗腔室，其特征在于，包括下电极组件，所述下电极组件将所述晶片预清洗腔室分隔成等离子体产生腔和晶片处理腔；在所述等离子体产生腔内与所述下电极组件相对设置有上电极组件，并且在所述晶片处理腔内设置有用于承载晶片的承载装置，所述下电极组件用于在等离子体自所述等离子体产生腔进入所述晶片处理腔时，过滤所述等离子体中的带电粒子。

2.根据权利要求1所述的晶片预清洗腔室，其特征在于，所述下电极组件包括下电极板，所述下电极板接地，且在所述下电极板上均匀分布有多个通孔，每个通孔分别与所述等离子体产生腔和晶片处理腔连通，且每个通孔具有预设的深宽比，所述深宽比为所述通孔的轴向长度与其径向截面形状的最小宽度的比值。

3.根据权利要求2所述的晶片预清洗腔室，其特征在于，所述下电极组件还包括至少一个过滤板，所述至少一个过滤板将所述晶片处理腔隔离形成沿所述晶片预清洗腔室的轴向间隔设置的至少两个子腔，所述承载单元位于最底部的子腔内；并且，

每个过滤板接地，且在每个过滤板上均匀分布有多个通孔，每个通孔分别和与该过滤板相邻的两个子腔连通，且每个通孔具有预设的深宽比，所述深宽比为所述通孔的轴向长度与其径向截面形状的最小宽度的比值。

4.根据权利要求2或3所述的晶片预清洗腔室，其特征在于，所述通孔的深宽比被设置为：至少能够过滤所述等离子体中的带电粒子。

5.根据权利要求1所述的晶片预清洗腔室，其特征在于，所述上电极组件包括上电极板，所述上电极板将所述晶片预清洗腔室的顶部隔离形成匀流腔，用以将流入其内的反应气体均匀化分布；

在所述上电极板上均匀分布有多个出气口，每个出气口分别与所述匀流腔和所述等离子体产生腔连通。

6.根据权利要求5所述的晶片预清洗腔室，其特征在于，在所述晶片预清洗腔室内，且位于所述上电极板的上方还设置有一个或多个匀流板，且所述多个匀流板沿竖直方向间隔设置，用以将所述匀流腔隔离形成至少两个匀流子腔；

在每个所述匀流板上均匀分布有多个通孔，每个通孔分别和与该匀流板相邻的两个匀流子腔连通。

7.根据权利要求5所述的晶片预清洗腔室，其特征在于，所述晶片预清洗腔室还包括环形部件，所述环形部件位于所述晶片预清洗腔室的上盖和侧壁之间，所述上电极板固定在该环形部件上，且与所述环形部件和所述上盖形成所述匀流腔；

所述环形部件采用绝缘材料制作，以使所述晶片预清洗腔室的上盖和侧壁之间，以及所述上电极板与所述等离子体产生腔之间电绝缘。

8.根据权利要求1所述的晶片预清洗腔室，其特征在于，所述承载单元包括静电卡盘、机械卡盘或基座。

9.一种半导体加工设备，包括反应腔室和晶片预清洗腔室，其特征在于，所述晶片预清洗腔室采用权利要求1-8任一项所述晶片预清洗腔室。

10.根据权利要求9所述的半导体加工设备，其特征在于，所述半导体加工设备包括物理气相沉积设备。