CN106328472A - 等离子体产生装置和半导体加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种等离子体产生装置，所述等离子体产生装置包括介质窗、环绕所述介质窗设置的感应线圈和阻抗匹配装置，其中，所述等离子体产生装置还包括设置在所述介质窗和所述感应线圈之间的法拉第屏蔽件。本发明还提供一种半导体加工设备。在本发明所提供的等离子体产生装置中，感应线圈表面的电流传输将不会再受到等离子体状态扰动的影响，因此，本发明所提供的等离子体产生装置在工作时不会产生等离子体灭辉以及阻抗匹配装置重新匹配等现象，从而可以快速实现等离子体阻抗的匹配，进而更加容易控制博世刻蚀工艺过程中半导体基片的刻蚀形貌，提高博世工艺的可重复性。

Description

等离子体产生装置和半导体加工设备

技术领域

本发明涉及半导体加工设备领域，具体地，涉及一种等离子体产生装置和一种包括该等离子体产生装置的半导体加工设备。

背景技术

目前，通常采用深硅刻蚀工艺在基片上形成具有较大深宽比的沟槽。常用的一种深硅刻蚀工艺为博世(Bosch)工艺，博世工艺包括交替进行的刻蚀工艺和沉积工艺。

在博世工艺过程中，为了控制侧壁的粗糙度，往往需要快速切换刻蚀气体与沉积气体，并且，刻蚀工艺过程中的功率、气压等参数也与沉积工艺过程使用的功率、气压等参数不同。在上述因素的影响下，工艺腔室内的等离子体阻抗往往会发生较大的变化。

图1中所示的是现有技术中的等离子体产生装置的等效电路图。本领域技术人员应当理解的是，对于电感耦合等离子体源(ICP)，射频功率通过感应线圈A将射频能量传输至腔室。根据法拉第电磁感应定律，感应线圈中的交变电流产生交变磁场，交变磁场通过介质窗401在腔室内产生交变电场。通入真空腔室的气体在交变电场的作用下被击穿形成等离子体B。其中，等离子体B与感应线圈A之间存在容性耦合，即，可将感应线圈A与等离子体B之间等效成为串联电容C，使线圈传输的射频电流相位发生变化。

为了缩短刻蚀工艺过程中阻抗匹配时间，传统的应对措施是采用自动匹配器。电流相位的变化使得自动匹配器被动调整阻抗变化。自动匹配器可以提高匹配器驱动电容位置的电机速度，缩短等离子体阻抗匹配的时间。但是在刻蚀气体与沉积气体等离子体阻抗差异较大的情况下，电机驱动的速度远小于等离子体阻抗变化的速度，因此将产生较高的反射功率(如图2所示)，从而导致了传输至等离子体的功率降低，并导致感应耦合等离子体源重新发生容性耦合向感性耦合过程转换的过程(E-H模式跃变)。在这种情况下，极易产生等离子体灭辉、匹配器重新匹配等现象。该过程使得深硅刻蚀的形貌及粗糙度控制难度提高，同时造成工艺的可重复性降低。

因此，如何快速进行等离子体阻抗匹配成为本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种等离子体产生装置和一种包括该等离子体产生装置的半导体加工设备，所述等离子体产生装置可以快速进行等离子体阻抗匹配。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供一种等离子体产生装置，所述等离子体产生装置包括介质窗和环绕所述介质窗设置的感应线圈，其中，所述等离子体产生装置还包括设置在所述介质窗和所述感应线圈之间的法拉第屏蔽件。

优选地，所述法拉第屏蔽件包括筒状本体，所述筒状本体上形成有沿所述筒状本体的厚度方向贯穿所述筒状本体的槽。

优选地，所述筒状本体由形成有所述槽的板状件绕所述介质窗的中心轴线折弯而成，且所述板状件的两端之间形成有间隙。

优选地，多个所述槽的面积之和占所述板状件总面积的30％～40％。

优选地，所述法拉第屏蔽件还包括至少一个固定件，所述固定件设置在所述筒状本体的上端或下端，且所述固定件用于将所述法拉第屏蔽件固定在预定位置。

优选地，所述固定件由导体制成，且所述固定件接地。

优选地，所述法拉第屏蔽件与所述感应线圈之间形成有间隙。

优选地，所述法拉第屏蔽件与所述感应线圈之间的间隙为25～50mm。

优选地，所述等离子体产生装置包括功率供给模块，所述功率供给模块包括具有扫频功能的射频电源和匹配器，所述匹配器连接在所述射频电源和所述感应线圈的电流输入端之间。

作为本发明的另一个方面，提供一种半导体加工设备，所述半导体加工设备包括等离子体产生装置，其中，所述等离子体产生装置为本发明所提供的上述等离子体产生装置。

在本发明所提供的等离子体产生设备中，在法拉第屏蔽件的作用下，等离子体产生腔内等离子体与感应线圈之间产生的容性耦合电容被屏蔽，感应线圈与法拉第屏蔽件之间产生的感应耦合电容为激发工艺气体产生等离子体的有效电容。由于等离子体产生腔内等离子体与感应线圈之间产生的容性耦合部分被屏蔽，所以，等离子体产生腔内工艺气体变化而导致的容性耦合电容的变化不会影响到感应耦合电容。

由此可知，在本发明所提供的等离子体产生装置中，感应线圈表面的电流传输将不会再受到等立体状态扰动的影响，因此，本发明所提供的等离子体产生装置在工作时不会产生等离子体灭辉以及阻抗匹配装置重新匹配等现象，从而可以快速实现等离子体阻抗的匹配，进而更加容易控制博世刻蚀工艺过程中半导体基片的刻蚀形貌，提高博世工艺的可重复性。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是现有技术中的等离子体产生装置的等效电路图；

图2是博世工艺中，刻蚀工艺和沉积工艺切换过程中射频源入射功率与反射功率的变化；

图3是本发明所提供的等离子体产生装置的等效电路图；

图4是包括本发明所提供的等离子体产生装置的半导体加工设备的结构示意图；

图5是图4中所示的等离子体产生装置的法拉第屏蔽结构的立体结构示意图；

图6是图4中所示的等离子体产生装置的线圈的立体结构示意图；

图7是法拉第屏蔽件对匹配器电容位置的影响；

图8是法拉第屏蔽结构、自动匹配和扫频三种功能结合实现射频源功率稳定输出的示意图。

附图标记说明

101：气体供给系统 102：气体扩散装置

201：功率供给模块 202：上感应线圈

203：下感应线圈 204：法拉第屏蔽件

401：介质窗 501：工艺腔室

601：基片 701：聚焦环

801：偏压电源系统 802：静电卡盘

204a：筒状本体 204b：槽

204c：固定件 A：感应线圈

B：等离子体 C1：容性耦合电容

C2：感应耦合电容

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

作为本发明的一个方面，提供一种等离子体产生装置，如图3和图4中所示，所述等离子体产生装置包括介质窗401、环绕该介质窗401设置的感应线圈A和阻抗匹配装置，其中，所述等离子体产生装置还包括设置在介质窗401和感应线圈A之间的法拉第屏蔽件204。

容易理解的是，介质窗401围成的空间为等离子体产生腔，在进行半导体加工工艺时，向所述等离子体产生腔内通入工艺气体。

当本发明所提供的等离子体产生装置运行时，将法拉第屏蔽件204接地设置。在本发明中所提供的等离子体产生装置中，通过感应线圈A产生射频电磁场之后，经过法拉第屏蔽件204传输至等离子体产生腔内，激发等离子体产生腔的工艺气体，从而产生等离子体。如图3中所示，在法拉第屏蔽件204的作用下，等离子体产生腔内等离子体B与感应线圈A之间产生的容性耦合电容C1被屏蔽，感应线圈A与法拉第屏蔽件204之间产生的感应耦合电容C2为激发工艺气体产生等离子体的有效电容。由于等离子体产生腔内等离子体B与感应线圈A之间产生的容性耦合部分C1被屏蔽，所以，等离子体产生腔内工艺气体变化而导致的容性耦合电容C1的变化不会影响到感应耦合电容C2。

由此可知，在本发明所提供的等离子体产生装置中，感应线圈A表面的电流传输将不会再受到等离子体状态扰动的影响，所以，本发明所提供的等离子体产生装置在工作时不会产生等离子体灭辉以及阻抗匹配装置重新匹配等现象，从而可以快速实现等离子体阻抗的匹配，进而更加容易控制博世刻蚀工艺过程中半导体基片的刻蚀形貌，提高博世工艺的可重复性。

在本发明所提供的等离子体产生装置中，所述阻抗匹配装置可以为自动匹配器。

在本发明中，对法拉第屏蔽件204的具体结构并不做限定，只要该法拉第屏蔽件204能够导电导磁即可。例如，可以利用金属材料制成法拉第屏蔽件204。

作为本发明的一种具体实施方式，如图5所示，法拉第屏蔽件204可以包括筒状本体204a，该筒状本体204a上形成有沿该筒状本体204a的厚度方向贯穿筒状本体204a的槽204b。

在筒状本体204a上形成槽204b之后，可以减少涡流的作用。涡流的作用减小之后，可以减少法拉第屏蔽件的发热量，从而可以避免法拉第屏蔽件自身的变形。

为了便于制造和安装，筒状本体204a由形成有槽204b的板状件绕介质窗401的中心轴线折弯而成，且所述板状件的两端之间形成有间隙。由于板状件的两端之间形成有间隙，从而可以进一步减少涡流的作用。

为了使得所述法拉第屏蔽件204具有较好的屏蔽效果，优选地，多个槽204c的面积之和占所述板状件总面积的30％～40％。

为了固定法拉第屏蔽件204的位置，优选地，法拉第屏蔽件204还可以包括至少一个固定件204c，该固定件204c设置在筒状本体204a的上端或下端，且固定件204c用于将法拉第屏蔽件204固定在预定位置。可以利用固定件204c将法拉第屏蔽件204固定在介质窗上，或者，可以利用固定件204c将法拉第屏蔽件204与其他位置固定的结构相连。

如上文中所述，法拉第屏蔽件204是接地的，在本发明中，可以将筒状本体204a直接接地。作为本发明的一种优选实施方式，可以利用导体材料制成固定件204c，并将固定件204c接地，通过固定件204c的接地可以使得法拉第屏蔽件204接地。

作为本发明的一种优选实施方式，法拉第屏蔽件204与感应线圈A之间形成有间隙。设置所述间隙之后，可以防止法拉第屏蔽件204高温变形导致与感应线圈A之间距离过近，从而可以避免与感应线圈A之间产生间隙放电。此外，设置所述间隙还可以提高法拉第屏蔽件204的散热性能。

为了使得所述等离子体产生装置具有紧凑的结构，同时保证法拉第屏蔽件204与感应线圈A之间的间隙足以防止感应线圈A与法拉第屏蔽件204之间发生间隙放电，优选地，法拉第屏蔽件204与感应线圈A之间的间隙为25～50mm。

为了进一步防止法拉第屏蔽件204变形，本发明所提供的等离子体产生装置还可以包括用于冷却法拉第屏蔽件的冷却机构。

在本发明中，对感应线圈A的具体结构也没有特殊的限制。如图6中所示，所述感应线圈包括上感应线圈202和下感应线圈203，所述上感应线圈与所述下感应线圈串联。如图中所示，上线圈202和下线圈203通过导电连接件串联，并且，上感应线圈202与下感应线圈203共用一个电流输入端a，并且共用一个电流输出端b。将感应线圈A设置为包括上感应线圈202和下感应线圈203的优点至少有以下两点：一、可以是功率的输出更加均匀，有效防止线圈发热；二、工艺气体经过上感应线圈202离化后，可以被下感应线圈203进一步离化，从而可以提高等离子化的程度。

通常，所述等离子体产生装置包括功率供给模块201。在本发明中，所述等离子体源功率供给模块可以包括具有扫频功能的射频电源、匹配器和传输线。所述射频电源的功能在于为感应线圈A提供电流，匹配器连接在所述射频电源和感应线圈的电流输入端之间。在这种实施方式中，射频电源和匹配器均用作阻抗匹配装置。

具有扫频功能的射频电源一般以标准频率为中心，进行小范围的调节频率(在±5％的范围内调节)，如13.56MHz扫频电源，扫频频率范围为从12.882MHz到14.238MHz。在这个范围内的频率调节只能适应阻抗变化较小的等离子体放电过程。如上文中所述，由于所述等离子体产生装置的法拉第屏蔽件204屏蔽了等离子体B与感应线圈A之间的容性耦合电容C1，因此，减小了匹配器中电容位置的变化，通过扫频电源在小范围内的调整可以进一步提高阻抗匹配的速度，进一步消除等离子体灭辉现象消失的可能性。

图7中所示的是法拉第屏蔽件对匹配器电容位置的影响。其中，在图7中，NFS-SF6表示无法拉第屏蔽件时，利用SF6作为刻蚀气体进行刻蚀工艺时匹配器电容的位置，由此可知，随着射频电源功率的增加，电容位置变化较大。NFS-C4F8表示无法拉第屏蔽件时，利用C4F8作为沉积工艺气体进行沉积工艺时匹配器电容的位置，由此可知，随着射频电源功率的增加，电容位置变化较大。FS-SF6表示有法拉第屏蔽件时，利用SF6作为刻蚀气体进行刻蚀工艺时匹配器电容的位置，由此可知，随着射频电源功率的增加，电容位置变化较小。NFS-C4F8表示有法拉第屏蔽件时，利用C4F8作为沉积工艺气体进行沉积工艺时匹配器电容的位置，由此可知，随着射频电源功率的增加，电容位置变化较小。

图8中示出了包括本发明优选实施方式的等离子体产生装置的半导体加工设备在进行博世工艺时，入射功率与反射功率的曲线图，如图中可知，在沉积工艺和刻蚀工艺的切换过程中，反射功率也是非常小的，近乎为零。也就是说，入射功率基本上均传导给等离子体，从而可以提高对工艺气体的等离子化程度。

作为本发明的另一个方面，提供一种半导体加工设备，如图4所示，所述半导体加工设备包括等离子体产生装置，其中，所述等离子体产生装置为本发明所提供的上述等离子体产生装置。在图4中，箭头所示的方向为进行工艺过程中气体的流动方向。

由于等离子体产生装置的稳定程度不再受等离子状态的影响，因此，所述半导体加工设备在进行博世工艺时工艺性能也比较稳定。而且，在进行博世工艺时，阻抗匹配速度较快，不容易产生等离子体灭辉现象。

容易理解的是，所述半导体加工设备还可以包括气体供给系统101和气体扩散装置102，气体供给系统提供的工艺气体通过气体扩散装置102均匀地进入所述等离子体产生腔内。所述半导体加工设备还包括工艺腔室501，所述工艺腔室501与所述等离子体产生腔相通，在等离子体产生腔内产生的等离子体进入工艺腔室501内，并对设置在工艺腔室内的基片601进行沉积或刻蚀工艺。

如图4中所示，工艺腔室501内设置有静电卡盘802和设置在静电卡盘802上的聚焦环701。通常，所述半导体加工设备还可以包括设置在工艺腔室501外的偏压电源系统801。偏压电源系统801可以包括常用频率为13.56MHz、2MHz和400KHz的电源、匹配器和传输线(一般为50欧姆同轴电缆)。具体地，电源通过传输线与匹配器相连。

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)

1.一种等离子体产生装置，所述等离子体产生装置包括介质窗、环绕所述介质窗设置的感应线圈和阻抗匹配装置，其特征在于，所述等离子体产生装置还包括设置在所述介质窗和所述感应线圈之间的法拉第屏蔽件。

2.根据权利要求1所述的等离子体产生装置，其特征在于，所述法拉第屏蔽件包括筒状本体，所述筒状本体上形成有沿所述筒状本体的厚度方向贯穿所述筒状本体的槽。

3.根据权利要求2所述的等离子体产生装置，其特征在于，所述筒状本体由形成有所述槽的板状件绕所述介质窗的中心轴线折弯而成，且所述板状件的两端之间形成有间隙。

4.根据权利要求3所述的等离子体产生装置，其特征在于，多个所述槽的面积之和占所述板状件总面积的30％～40％。

5.根据权利要求2所述的等离子体产生装置，其特征在于，所述法拉第屏蔽件还包括至少一个固定件，所述固定件设置在所述筒状本体的上端或下端，且所述固定件用于将所述法拉第屏蔽件固定在预定位置。

6.根据权利要求5所述的等离子体产生装置，其特征在于，所述固定件由导体制成，且所述固定件接地。

7.根据权利要求1至6中任意一项所述的等离子体产生装置，其特征在于，所述法拉第屏蔽件与所述感应线圈之间形成有间隙。

8.根据权利要求7所述的等离子体产生装置，其特征在于，所述法拉第屏蔽件与所述感应线圈之间的间隙为25～50nm。

9.根据权利要求1至6中任意一项所述的等离子体产生装置，其特征在于，所述等离子体产生装置包括功率供给模块，所述功率供给模块包括具有扫频功能的射频电源和匹配器，所述匹配器连接在所述射频电源和所述感应线圈的电流输入端之间，所述射频电源和所述匹配器均用作阻抗匹配装置。

10.一种半导体加工设备，所述半导体加工设备包括等离子体产生装置，其特征在于，所述等离子体产生装置为权利要求1至9中任意一项所述的等离子体产生装置。