CN105695936B - 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，包括腔体和设置在该腔体顶部的介质窗，在预清洗腔室内设置有基座和环绕在该基座周围的工艺组件，基座、工艺组件和介质窗共同在基座上方形成工艺子腔；腔体位于基座下方的空间用作装卸子腔，预清洗腔室还包括进气装置，该进气装置包括进气口，进气口用于自工艺组件的上方直接将工艺气体输送至工艺子腔内。本发明提供的预清洗腔室，其不仅可以缩短工艺气体的进气路径，而且还可以在通入较少工艺气体的前提下达到所需的等离子体密度，从而可以降低使用成本。

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。图2为图1的局部放大图。请一并参阅图1和图2，该预清洗腔室由腔体8和设置在该腔体8顶部的介质窗4形成。在预清洗腔室内设置有用于承载晶片2的基座1，其依次与第一匹配器11和第一射频电源12连接；介质窗4为采用绝缘材料(如陶瓷或石英)制成的拱形顶盖，在介质窗4的上方设置有线圈5，线圈5为螺线管线圈，且依次与第二匹配器3和第二射频电源6连接。而且，在预清洗腔室内，且环绕在基座1的周围设置有工艺组件7，该工艺组件7、基座1和介质窗4共同形成工艺腔41，而腔体8在基座1下方形成的空间用作装卸腔；并且，如图2所示，该工艺组件7形成迷宫结构的进气/出气通道，用以供装卸腔内的工艺气体进出工艺腔41。此外，在腔体8上还设置有进气管路9，用以将工艺气体输送至装卸腔。工艺气体的流动方向如图1中的箭头所示，工艺气体自进气管路9进入装卸腔，然后向上扩散，并经由由工艺组件7形成的迷宫结构进行匀流之后，进入工艺腔41被激发形成等离子体。反应后的工艺气体再穿过工艺组件7进入装卸腔，并由真空泵10抽出。
上述预清洗腔室在实际应用中不可避免地存在以下问题：
其一，工艺气体进入工艺腔41的路径过长，从而到达工艺腔41的时间较长，影响工艺效率。
其二，由于工艺腔41内的气压大于真空泵口附近的气压，而真空泵10在进行工艺的过程中一直处于工作状态，导致大部分工艺气体在未进入工艺腔41之前就直接被真空泵10抽走，从而需要通过进气管路9不断地补充大量工艺气体，以维持等离子保持激发状态，进而需要更多的工艺气体才能达到所需的等离子体密度，造成工艺气体的浪费。
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，其不仅可以缩短工艺气体的进气路径，而且还可以在通入较少工艺气体的前提下达到所需的等离子体密度，从而可以降低使用成本。
本发明提供了一种预清洗腔室，包括腔体和设置在该腔体顶部的介质窗，在所述预清洗腔室内设置有基座和环绕在该基座周围的工艺组件，所述基座、所述工艺组件和所述介质窗共同在所述基座上方形成工艺子腔，所述腔体位于所述基座下方的空间用作装卸子腔；所述预清洗腔室还包括进气装置，所述进气装置包括进气口，所述进气口用于自所述工艺组件的上方直接将工艺气体输送至所述工艺子腔内。
优选的，所述进气装置还包括环形匀流腔，所述环形匀流腔与所述进气口连接，且具有与所述工艺子腔连通的多个出气口，所述多个出气口沿所述工艺子腔的周向均匀分布。
优选的，所述进气装置包括：进气环，位于所述介质窗和所述腔体之间，且分别与二者密封连接；并且，在所述进气环的内周壁上形成有至少一个沿其径向贯穿的第一通孔，用作所述进气口；匀流环，位于所述进气环的内侧，且与所述进气环的内周壁共同形成环形空间，用作所述环形匀流腔；并且，在所述匀流环的顶部形成有环形匀流部，所述环形匀流部具有多个沿所述工艺子腔的周向均匀分布的第二通孔，所述第二通孔分别与所述环形空间和工艺子腔相连通，用作所述出气口。
优选的，所述进气口包括一个中央进气口，其设置在所述介质窗的中央位置处。
优选的，所述进气口包括至少两个顶部进气口，且均匀分布在所述介质窗的不同位置处。
优选的，所述预清洗腔室还包括过滤板，所述过滤板将所述工艺子腔隔离形成上子空间和下子空间，所述进气口与所述上子空间相连通；并且，在所述过滤板上分布有多个通气孔，所述通气孔分别与所述上子空间和下子空间相连通，用以在所述上子空间内形成的等离子体经过所述通气孔时，过滤所述等离子体中的离子。
优选的，所述工艺组件包括上环体和下环体，所述上环体位于所述下环体的内侧，且在所述上环体的外周壁与所述下环体的内周壁之间具有环形间隙；并且，在所述下环体的内周壁上，且位于所述上环体的下端上方设置有多个第三通孔，所述多个第三通孔沿所述工艺子腔的周向均匀分布；所述环形间隙与各个第三通孔形成用于将所述工艺子腔内的气体排入所述装卸子腔的排气口。
优选的，所述介质窗采用拱形结构或者桶状结构。
优选的，在所述介质窗的内侧环绕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；并且，所述法拉第屏蔽件在其轴向方向设有至少一个开缝。
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，所述预清洗腔室采用本发明提供的预清洗腔室。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的预清洗腔室，其通过借助进气装置的进气口自工艺组件的上方直接将工艺气体输送至工艺子腔内，可以缩短工艺气体的进气路径，缩短工艺气体到达等离子体产生区域的时间，从而可以提高工艺效率，而且还可以使得来自进气口的所有工艺气体能够全部进入工艺子腔，从而可以避免现有技术中出现的部分工艺气体未进行反应而直接被抽出的情况，进而可以实现通入较少的工艺气体前提下达到较高的等离子体密度，从而可以降低使用成本。
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上述预清洗腔室，不仅可以缩短工艺气体的进气路径，而且还可以在通入较少工艺气体的前提下达到所需的等离子体密度，从而可以降低使用成本。
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2为图1的局部放大图；
图3A为本发明第一实施例提供的预清洗腔室的剖视图；
图3B为图3A中I区域的放大图；
图3C为本发明实施例所采用的工艺组件的局部剖视图；
图3D为本发明实施例所采用的工艺组件的下环体的剖视图；
图4为本发明实施例所采用的匀流环的俯视图；
图5为本发明实施例所采用的匀流环的剖视图；
图6为本发明第二实施例提供的预清洗腔室的剖视图；以及
图7为本发明第三实施例提供的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预清洗腔室及等离子体加工设备进行详细描述。
图3A为本发明第一实施例提供的预清洗腔室的剖视图。图3B为图3A中I区域的放大图。请一并参阅图3A和图3B，预清洗腔室100由腔体20和设置在该腔体20顶部的介质窗21形成。在预清洗腔室100内设置有用于承载晶片23的基座22，其依次与第一匹配器29和第一射频电源30连接；介质窗21为采用绝缘材料(如陶瓷或石英)制成的拱形顶盖，在介质窗21的上方设置有线圈26，线圈26为螺线管线圈，且依次与第二匹配器27和第二射频电源28连接。而且，在预清洗腔室100内，且环绕在基座22的周围设置有工艺组件24，该工艺组件24、基座22和介质窗21共同在基座22上方形成工艺子腔211，而腔体20在基座22下方的空间用作装卸子腔202。
预清洗腔室100还包括进气装置32，该进气装置包括进气口，该进气口用于自工艺组件24的上方直接将工艺气体输送至工艺子腔211内。工艺气体通常包括Ar、H2或者He等等。在进行预清洗的过程中，自该进气口流出的工艺气体的进气方向如图3A中的箭头所示，工艺气体从工艺子腔211的四周向上且向中心扩散。同时接通第二射频电源28和第一射频电源30，以将工艺子腔211内的工艺气体激发为等离子体，等离子体朝向位于工艺子腔211底部的基座22扩散，并且等离子体在由晶片23产生的射频自偏压的作用下被吸引轰击晶片23上的杂质，从而实现对晶片23的预清洗工艺。
通过借助进气装置32的进气口自工艺组件的24上方直接将工艺气体输送至工艺子腔211内，可以缩短工艺气体的进气路径，缩短工艺气体到达等离子体产生区域的时间，从而可以提高工艺效率，而且还可以使得来自进气口的所有工艺气体能够全部进入工艺子腔，从而可以避免现有技术中出现的部分工艺气体未进行反应而直接被抽出的情况，进而可以实现通入较少的工艺气体前提下达到较高的等离子体密度，从而可以降低使用成本。
下面对上述进气装置23的结构进行详细描述。具体地，如图3B所示，进气装置23包括进气环321和匀流环322。其中，进气环321位于介质窗21和腔体20之间，且分别与二者密封连接；并且，在进气环321的内周壁上形成有至少一个沿其径向贯穿的第一通孔323，该第一通孔323用作上述进气口，并与进气管路33连接；匀流环322位于进气环321的内侧，且与进气环321的内周壁共同形成环形空间324，该环形空间324用作用于起到匀流作用的环形匀流腔，且与上述第一通孔323连接；并且，匀流环322的具体结构如图4和图5所示，在匀流环322的顶部形成有环形匀流部，该环形匀流部具有多个沿工艺子腔211的周向均匀分布的第二通孔3221，该第二通孔3221分别与环形空间324和工艺子腔211相连通，用作环形匀流腔的出气口。而且，在匀流环322的内侧还设置有沿工艺子腔211的周向均匀分布的多个安装孔3222，用以通过安装螺钉与腔体20固定连接。在进行预清洗的过程中，自进气管路33流出的工艺气体的进气方向如图3B中的箭头所示，工艺气体通过第一通孔323进入环形空间324并向四周扩散直至充满环形空间324，然后自各个第二通孔3221均匀地流入工艺子腔211内。
容易理解，通过将第二通孔3221设置在环形空间324的顶部，可以使自第二通孔3221流出的工艺气体朝向工艺子腔211的上部扩散，以使得工艺气体能够在工艺子腔211的上部被激发形成等离子体，并朝向基座22扩散。当然，本发明并不局限于此，在实际应用中，第二通孔3221还可以设置在环形空间324的内侧，即，设置在匀流环322的竖直侧壁上。事实上，只要第二通孔3221能够位于工艺组件24的上方，即可直接将工艺气体输送至工艺子腔211内，达到本发明的目的。
在本实施例中，如图3B-图3D所示，工艺组件24环绕在基座22的周围，用以与基座22和介质窗21共同在基座22上方形成工艺子腔211，具体来说，基座22是可升降的，其可以上升至工艺位置，以对置于其上的晶片23进行工艺，或者下降至装卸子腔202内的装卸位置，并利用机械手进行取放片操作。当基座22位于工艺位置时，晶片23利用压环25采用机械的方式固定在基座22上，此时压环25与晶片23上表面的边缘区域相互接触，从而使得工艺子腔211封闭。当基座22离开工艺位置时，压环25由工艺组件24承载。
进一步说，如图3C所示，工艺组件24包括上环体242和下环体241，上环体242位于下环体241的内侧，且在上环体242的外周壁与下环体241的内周壁之间具有环形间隙244；并且，在下环体241的内周壁上，且位于上环体242的下端上方设置有多个第三通孔243，多个第二通孔243沿工艺子腔211的周向均匀分布，如图3D所示；环形间隙244与各个第二通孔243形成用于将工艺子腔211内的气体排入装卸子腔202的排气口。在进行预清洗的过程中，反应后的工艺气体的排气方向如图3C中的箭头所示，反应后的工艺气体依次通过环形间隙244和各个第三通孔243排入装卸子腔202，然后再由真空泵31自腔体20底部的排气口201抽出。容易理解，由于上述环形间隙244采用迷宫结构，这有助于提高工艺子腔211内的气流稳定性。
需要说明的是，在实际应用中，也可以省去上述环形匀流腔，而仅将用于出气口的多个第一通孔直接与工艺子腔连通，并且多个第一通孔沿工艺子腔的周向均匀分布，用以均匀地子工艺子腔的四周向中心输送工艺气体。
还需要说明的是，在本实施例中，介质窗21采用拱形结构，但是本发明并不局限于此，在实际应用中，介质窗还可以根据具体需要采用桶状结构等的其他任意结构。另外，优选的，还可以在介质窗的内侧环绕设置法拉第屏蔽件，该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。借助法拉第屏蔽件，不仅可以屏蔽电磁场，以减小等离子体对工艺子腔211的侵蚀，延长工艺子腔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。另外，法拉第屏蔽件在其轴向方向设有至少一个开缝，即，该法拉第屏蔽件在开缝处完全断开，为非连续的桶状结构，以有效地阻止法拉第屏蔽件的涡流损耗和发热。
图6为本发明第二实施例提供的预清洗腔室的剖视图。请参阅图6，本实施例提供的预清洗腔室200与上述第一实施例相比，其区别仅在于，预清洗腔室200还包括过滤板34。具体地，过滤板34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。而且，过滤板34将工艺子腔211隔离形成上子空间2111和下子空间2112，进气装置32的进气口与上子空间2111相连通，用以直接向该上子空间2111输送工艺气体；并且，在过滤板34上分布有多个通气孔341，该通气孔341分别与上子空间2111和下子空间2112相连通，用以在上子空间2111内形成的等离子体经过通气孔341时，过滤等离子体中的离子。由于通气孔341内的空间狭小，当等离子体经过通气孔341时，等离子体中的离子会在通气孔241内转化为原子等形态，从而穿过通气孔341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空间2112后会继续向下扩散，直至到达置于基座22上的晶片23表面进行刻蚀。因此，借助过滤板34，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的材料产生不良影响，进而可以提高产品性能。在实际应用中，可以采用实验的方式设计通气孔341的尺寸，只要其能够实现对离子的过滤作用即可。
另外，多个通气孔241可以相对于过滤板34所在平面均匀分布，或者，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341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。
需要说明的是，在本实施例中，过滤板34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或三个以上，且沿竖直方向间隔排列，以起到对等离子体进行多次过滤和匀气的作用。容易理解，位于最顶层的过滤板上方的子空间即为等离子体产生区域，进气装置的进气口应朝向该子空间直接输送工艺气体。
图7为本发明第三实施例提供的预清洗腔室的剖视图。请参阅图7，本实施例提供的预清洗腔室300与上述第一、第二实施例相比，其区别仅在于：进气装置相对于工艺子腔的位置不同。具体地，进气装置32’的进气口包括一个中央进气口212，其设置在介质窗21’的中央位置处，并与进气管路33连接，用以自工艺子腔211的顶部中心位置直接进气，这种进气方式不仅可以使气流更顺畅，而且获得的工艺效果更稳定。
需要说明的是，在实际应用中，进气装置的进气口也可以包括至少两个顶部进气口，且均匀分布在介质窗的不同位置处。借助多个顶部进气口分别自工艺子腔211顶部的不同位置同时进气，可以实现分区进气，从而可以提高工艺子腔211内的气体分布均匀性。
还需要说明的是，在上述各个实施例中，基座22包括静电卡盘或者机械卡盘，用以承载晶片23。而且，基座22还可以根据具体需要设置加热器，用以控制晶片的温度。
作为另一个技术方案，本发明实施例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上述预清洗腔室，不仅可以缩短工艺气体的进气路径，而且还可以在通入较少工艺气体的前提下达到所需的等离子体密度，从而可以降低使用成本。
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)

1.一种预清洗腔室，包括腔体和设置在该腔体顶部的介质窗，在所述预清洗腔室内设置有基座和环绕在该基座周围的工艺组件，所述基座、所述工艺组件和所述介质窗共同在所述基座上方形成工艺子腔，所述腔体位于所述基座下方的空间用作装卸子腔；所述预清洗腔室还包括进气装置，所述进气装置包括进气口，其特征在于，
所述进气口用于自所述工艺组件的上方直接将工艺气体输送至所述工艺子腔内，所述进气装置使所述工艺气体自所述工艺子腔的四周向上且向中心扩散。
2.根据权利要求1所述的预清洗腔室，其特征在于，所述进气装置还包括环形匀流腔，
所述环形匀流腔与所述进气口连接，且具有与所述工艺子腔连通的多个出气口，所述多个出气口沿所述工艺子腔的周向均匀分布。
3.根据权利要求2所述的预清洗腔室，其特征在于，所述进气装置包括：
进气环，位于所述介质窗和所述腔体之间，且分别与二者密封连接；并且，在所述进气环的内周壁上形成有至少一个沿其径向贯穿的第一通孔，用作所述进气口；
匀流环，位于所述进气环的内侧，且与所述进气环的内周壁共同形成环形空间，用作所述环形匀流腔；并且，在所述匀流环的顶部形成有环形匀流部，所述环形匀流部具有多个沿所述工艺子腔的周向均匀分布的第二通孔，所述第二通孔分别与所述环形空间和工艺子腔相连通，用作所述出气口。
4.根据权利要求1所述的预清洗腔室，其特征在于，所述进气口包括一个中央进气口，其设置在所述介质窗的中央位置处。
5.根据权利要求1所述的预清洗腔室，其特征在于，所述进气口包括至少两个顶部进气口，且均匀分布在所述介质窗的不同位置处。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的预清洗腔室，其特征在于，所述预清洗腔室还包括过滤板，所述过滤板将所述工艺子腔隔离形成上子空间和下子空间，所述进气口与所述上子空间相连通；并且，
在所述过滤板上分布有多个通气孔，所述通气孔分别与所述上子空间和下子空间相连通，用以在所述上子空间内形成的等离子体经过所述通气孔时，过滤所述等离子体中的离子。
7.根据权利要求1-5任意一项所述的预清洗腔室，其特征在于，所述工艺组件包括上环体和下环体，所述上环体位于所述下环体的内侧，且在所述上环体的外周壁与所述下环体的内周壁之间具有环形间隙；并且，
在所述下环体的内周壁上，且位于所述上环体的下端上方设置有多个第三通孔，所述多个第三通孔沿所述工艺子腔的周向均匀分布；所述环形间隙与各个第三通孔形成用于将所述工艺子腔内的气体排入所述装卸子腔的排气口。
8.根据权利要求1-5任意一项所述的预清洗腔室，其特征在于，所述介质窗采用拱形结构或者桶状结构。
9.根据权利要求1-5任意一项所述的预清洗腔室，其特征在于，在所述介质窗的内侧环绕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；并且，
所述法拉第屏蔽件在其轴向方向设有至少一个开缝。
10.一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1-9任意一项所述预清洗腔室。
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