CN107305829B - 等离子体处理装置、热电子发生器、等离子体点燃装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种等离子体处理装置、热电子发生器、等离子体点燃装置及方法，用于改善等离子体点燃。其中，所述等离子体处理装置包括：腔室，内部具有处理空间；气体入口，作为处理气体进入所述腔室的通道；热电子发生器，产生并输送热电子至腔室内；射频功率源，驱动所述热电子撞击处理气体，产生等离子体。

Description

等离子体处理装置、热电子发生器、等离子体点燃装置及方法

技术领域

本发明涉及等离子体处理装置、等离子体点燃装置与方法，以及可应用在上述装置和方法内的热电子发生器。

背景技术

通常，在半导体处理期间，等离子体刻蚀工艺被用来沿着在半导体基片上形成图案的精细的线或者在通孔或触点内移除或刻蚀材料。等离子体刻蚀工艺通常涉及将具有层叠的图案的保护层（例如光刻胶层）的半导体基片定位在处理室中。此外，在半导体处理期间，等离子体增强化学气相沉积（PECVD）工艺可以被用来沉积材料，来填充在半导体基片上形成图案的沟槽、通孔和/或触点。

例如，在等离子体刻蚀工艺中，一旦基片被定位在室内，可电离的、可离解的气体混合物可以以预先规定的流速引入室内，同时真空泵被节流以实现环境处理压力。之后，在气体粒子存在的部分在与充能电子（高速运动的电子）碰撞之后离子化时形成等离子体。此外，热电子用来将气体粒子的混合物中的一些粒子离解并且产生适合于暴露表面刻蚀化学反应的（一种或多种）反应粒子。一旦形成等离子体，基片的任何暴露的表面由等离子体刻蚀。该工艺被调整以实现最优的条件，包括期望反应物的适当浓度以及离子数，以刻蚀基片的暴露区域中的各种特征(例如，沟槽、通孔触点等)。在需要进行刻蚀的位置处的这种基片材料例如包括二氧化硅（SiO₂）、多晶硅和氮化硅。

传统地，各种技术已经被应用来将气体激发为等离子体，来在半导体装置制作期间如上所述地处理基片。特别地，电容耦合等离子体（CCP）处理系统或电感耦合等离子体（ICP）处理系统已经通常被用于等离子体激发。

将可电离的、可离解的气体混合物激发为满足工艺要求的等离子体的过程，通常也可称为等离子体点燃。等离子体的点燃时间影响工艺步骤的处理时长。另外，对于不同批次的相同基片，总是希望它们在同一工艺步骤中的等离子体点燃时间趋于相同。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种等离子体处理装置，包括：

腔室，内部具有处理空间；

气体入口，作为处理气体进入所述腔室的通道；

热电子发生器，产生并输送热电子至腔室内；

射频功率源，驱动所述热电子撞击处理气体，产生等离子体。

可选的，所述腔室包括顶壁、侧壁与底壁，所述热电子发生器的至少一部分设置在所述顶壁或侧壁或底壁内。

可选的，所述热电子发生器的至少一部分已伸入至腔室的处理空间。

可选的，所述等离子体处理装置为电感耦合等离子体处理装置。

可选的，所述等离子体处理装置为电容耦合等离子体处理装置。

可选的，所述热电子发生器包括电热丝；通过调节施加于电热丝的加热电压来控制所产生的热电子的数量。

根据本发明的另一个方面，提供一种等离子体处理装置中用于辅助等离子体点燃的热电子发生器，所述热电子发生器设置于所述等离子体处理装置，用于产生并输送热电子至所述等离子体处理装置的腔室。

可选的，所述热电子发生器包括：

内部具有空隙的壳体；

电热丝，位于所述壳体内，并在通电加热后产生热电子；

电场，驱动所产生的热电子透过壳体进入所述腔室。

可选的，所述空隙处于真空状态。

可选的，所述壳体与腔室相接的部位的至少一部分以电子可透过材料制成，热电子正是透过该部分进入腔室。

可选的，所述电子可透过材料为玻璃、石英或蓝宝石。

根据本发明的又一个方面，提供一种等离子体点燃装置，包括：

腔室；

如前所述的热电子发生器；

射频功率源。

可选的，还包括位于腔室内并相对设置的第一、二电极，所述射频功率源施加于所述第一电极或所述第二电极。

可选的，还包括设置在腔室外的线圈，所述射频功率源施加于所述线圈。

根据本发明的再一个方面，提供一种等离子体点燃方法，包括：

通入处理气体至腔室内；

利用热电子发生器产生并输送热电子至腔室内；

通过射频功率源驱动所述热电子撞击所述处理气体，点燃等离子体。

附图说明

图1是依据本发明一个实施例等离子体点燃装置的结构示意图；

图2是本发明等离子体点燃方法或等离子体处理方法的一个实施例的流程示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例及附图，对本发明装置及方法进行说明。需强调的是，这里仅是示例型的阐述，不排除有其它利用本发明的实施方式。

现有的理论通常认为，腔室内所产生的等离子体的浓度与分布状况主要由射频功率源〈不同类型的等离子体处理装置通常采用不同的射频功率源。以电容耦合等离子体处理装置为例，可选用的射频功率源的频率通常可达60MHz，并且通常施加在上电极或下电极。再比如电感耦合等离子体处理装置，其可选用的射频功率源的频率可在13.56MHz，并通常施加在顶部绝缘窗上方的线圈上。〉和处理气体的分布决定。当气体分布不可调或难以调节时，要改善等离子体点燃状况（比如，减少点燃时间或增大等离子体浓度），通常唯有调节射频功率源一途。一般而言，射频功率源输出功率越高，等离子体的浓度也越高。大量的实践也表明，上述规律或者说理论在多数情况下成立。但也有少数例子不符上述规律。比如，有时同一设备在不同地点（比如，在设备的生产商所在地与购买该设备的芯片制造商所在地）运行同一工艺菜单，所测得的等离子体点燃时间竟相差甚远。

发明人致力于解决上述问题。发明人发现，现有理论的推论之所以与实际结果存在偏差，其原因在于，其对影响等离子体点燃效果的因素的认识尚不全面或者说存在遗漏。现有理论通常认为，施加的射频功率源会促使腔室内的处理气体产生微量的带电粒子（这些最早出现或存在的带电粒子通常被称为初始带电粒子）。这些带电粒子（主要是电子）在射频功率源所产生的电场的加速作用下不断撞击周围的气体分子使得其电离产生更多的带电粒子和等离子体，最终引发整个腔室内等离子体点燃。然而，发明人的研究表明，上述初始带电粒子并非射频功率源作用的结果，而是由宇宙射线或地表放射性元素衰变产生。设备所处的地理位置以及设备周围的重金属材料可影响腔室内初始带电粒子的数量，进而影响等离子的点燃时间，甚或令其难以点燃。当初始带电粒子数量大体恒定，相同浓度的处理气体被施加相同的射频功率源，自然可获得恒定的等离子体点燃效果（包括点燃时间、所获得等离子体的浓度等）；增大射频功率源功率，通常自然可借由提高带电粒子撞击能量和频率而改善等离子体点燃效果。但是，当由于环境改变而导致腔室内初始带电粒子过少时，即便大幅提高射频功率源的功率也难以点燃等离子体，或点燃时间过长。这成功解释了上述现象（同一设备在不同地点点燃效果不同）。

基于发明人的上述新理论，发明人提出了一种增设了热电子发生器的新型等离子体处理装置或等离子体点燃装置，其可利用热电子发生器对腔室内的初始带电粒子的数量进行控制，从而获得更稳定或更优异的等离子体点燃效果。大量的实验也证明了：当人工（比如，利用热电子发生器）引入的初始带电粒子的数量远大于（比如，当其是后者数量的两倍时）自然环境所提供的初始带电粒子的数量时，周遭环境的改变已几乎不能对等离子体的点燃效果造成影响。这极大程度地保证了等离子体点燃的稳定性。另外，在不能或不方便进一步提高射频功率源功率的工作环境中，可通过人工增加腔室内初始带电粒子（主要是电子）的数量来提高点燃速度。

图1是依据本发明一个实施例等离子体点燃装置的结构示意图。所述点燃装置可以是一个单纯的等离子体产生装置，用于产生等离子体并将其传输至另外的后续装置；也可以是一个更复杂的系统（如等离子体刻蚀装置、等离子体沉积装置等相类似的等离子体处理装置），即其既包括等离子体产生装置，还集成有其它部件，如刻蚀台，这样，所产生的等离子体可直接流淌至处于同一腔室内的刻蚀台，直接对固定在刻蚀台表面的基片进行刻蚀加工。如图1，等离子体点燃装置包括由多个壁（如侧壁22、顶壁24与底壁26）围合而成的腔室2，腔室2的内部设置有处理空间20。腔室2可被抽真空。除气体入口、排气口等必要的通道外，腔室的其它部分在处理过程中保持密闭、与外界隔离。气体入口（未图示）作为处理气体进入腔室的通道，可与外部的气源（未图示）相连，用于在处理过程中持续向腔室供应处理气体。排气口（未图示）与外部的泵相连，用于将处理过程中产生的等离子体或废气（假如所产生的等离子体直接在腔室内被用于加工半导体基片而产生废弃气体的话）排出腔室，也用于对腔室内的气压进行控制。

所述等离子体点燃装置设置有热电子发生器4，产生并输送热电子至腔室2内。需要改善等离子体点燃效果时，可开启所述热电子发生器4，产生并输出预定数量的热电子至腔室2。假如为完全消除环境对点燃时间的影响，可设定该热电子发生器所产生的热电子数量是常态环境中自然可产生的电子数目的两倍或更多。假如只是为缩短点燃时间，则不必对热电子发生器所产生的热电子数量进行严格控制。

所述热电子发生器4可设置在腔室2的处理空间20内，为防止等离子体的腐蚀，该热电子发生器外露的壳体可以耐等离子体腐蚀材料（如玻璃、石英、蓝宝石等）制作。热电子发生器4的至少一部分也可设置在腔室的壁（如顶壁24、侧壁22、底壁26）内。为保证所产生的热电子能更好地进入腔室2，热电子发生器4的至少一部分（尤其是该热电子发生器用来发射热电子的一端）已伸入至腔室2的处理空间20。

这里所用的热电子发生器4可以是常规的利用电热丝通电发热来产生热电子的装置。为保证热电子可持续自电热丝逸出，可施加电场作用于热电子，使热电子稳定地输送至腔室。如图1，本实施例中的热电子发生器4包括：

内部具有空隙的壳体42；

电热丝44，位于所述壳体42内，并在通电加热后产生热电子；

电场，驱动所产生的热电子透过壳体42进入所述腔室2。

所述壳体42通常可以绝缘材料制成。壳体42内部的空隙被抽成真空状态，这样，电热丝44所产生的热电子在穿过上述空隙的过程中，就不会发生与气体分子的撞击，进而不会有不必要粒子和等离子体的产生。即，可防止热电子发生器内产生等离子体。

电热丝44的材料可以是钨丝或其他耐高温材料，在被通电加热为红热状态时，可激发出热电子。

提供电场的元件可以是高压正电极461、负电极463，如图1中所示，热电子在高压正负电极间的电场作用下被加速，穿过透电子窗48高速进入腔室2内。透电子窗48可以是壳体42下表面的一部分，其制作材质可以是玻璃、石英、蓝宝石等。

通过调节施加于电热丝44两端的加热电压可控制产生的热电子的数量。通过调节施加于高压正负电极461、463之间的电压可控制热电子的能量。施加在高压正负电极461、463之间的电压可以是几百到几万伏特。并可根据实际需求作调整。

所述等离子体点燃装置还设置有射频功率源（未图示），用于驱动热电子撞击处理气体。热电子的撞击可促使处理气体分子解离出电子、正性带电粒子，解离出的电子同样可在射频功率源的作用下高速撞击处理气体分子，从而形成工艺需要的等离子体，实现等离子体点燃。

点燃等离子体的方式既可是电感耦合式，也可是电容耦合式。对于电感耦合等离子体点燃装置或等离子体处理装置，其还包括设置在腔室外的线圈，射频功率源通常施加于所述线圈上，所使用的频率通常可为13.56MHz。对于电容耦合等离子体点燃装置或等离子体处理装置，其还包括位于腔室内并相对设置的第一、二电极，射频功率源施加于所述第一电极或所述第二电极上，所使用的频率可高达60MHz。

图2所示是本发明等离子体点燃方法或等离子体处理方法的一个实施例的流程示意图。如图2，该方法包括：

通入处理气体至腔室内；

利用热电子发生器产生并输送热电子至腔室内；

通过射频功率源驱动所述热电子撞击所述处理气体，点燃等离子体。

上述方法既可利用本发明前面所述的设备来实施，也可利用其它已有的设备和部件来实现，这里不作限制。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (15)

1.一种等离子体处理装置，包括：

腔室，内部具有处理空间，用于对基片进行等离子体处理；

气体入口，作为处理气体进入所述腔室的通道；

热电子发生器，用于提供数量是自然环境中电子数目的两倍或更多的热电子至所述腔室内，以获得更稳定或更优异的等离子体点燃效果；

射频功率源，驱动所述热电子撞击处理气体，产生等离子体。

2.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其中，所述腔室包括顶壁、侧壁与底壁，所述热电子发生器的至少一部分设置在所述顶壁或侧壁或底壁内。

3.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其中，所述热电子发生器的至少一部分已伸入至腔室的处理空间。

4.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其中，所述等离子体处理装置为电感耦合等离子体处理装置。

5.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其中，所述等离子体处理装置为电容耦合等离子体处理装置。

6.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其中，所述热电子发生器包括电热丝；通过调节施加于电热丝的加热电压来控制所产生的热电子的数量。

7.一种等离子体处理装置中用于辅助等离子体点燃的热电子发生器，所述热电子发生器设置于所述等离子体处理装置，用于产生并输送数量是自然环境中电子数目的两倍或更多的热电子至所述等离子体处理装置的腔室，以获得更稳定或更优异的等离子体点燃效果。

8.如权利要求7所述的热电子发生器，其中，所述热电子发生器包括：

内部具有空隙的壳体；

电热丝，位于所述壳体内，并在通电加热后产生热电子；

电场，驱动所产生的热电子透过壳体进入所述腔室。

9.如权利要求8所述的热电子发生器，其中，所述空隙处于真空状态。

10.如权利要求8所述的热电子发生器，其中，所述壳体与腔室相接的部位的至少一部分以电子可透过材料制成，热电子正是透过该部分进入腔室。

11.如权利要求10所述的热电子发生器，其中，所述电子可透过材料为玻璃、石英或蓝宝石。

12.一种等离子体点燃装置，包括：

腔室；

如权利要求7至11任一项所述的热电子发生器；

射频功率源。

13.如权利要求12所述的等离子体点燃装置，还包括位于腔室内并相对设置的第一、二电极，所述射频功率源施加于所述第一电极或所述第二电极。

14.如权利要求12所述的等离子体点燃装置，还包括设置在腔室外的线圈，所述射频功率源施加于所述线圈。

15.一种等离子体点燃方法，包括：

通入处理气体至腔室内；

利用热电子发生器产生并输送数量是自然环境中电子数目的两倍或更多的热电子至腔室内，以获得更稳定或更优异的等离子体点燃效果；

通过射频功率源驱动所述热电子撞击所述处理气体，点燃等离子体。