CN108668422A - 一种等离子体产生腔室和等离子体处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种等离子体产生腔室和等离子体处理装置。该等离子体产生腔室包括介质筒和绕制在介质筒外壁的线圈，线圈用于将射频功率耦合至介质筒内，以激发介质筒内的气体产生等离子体，还包括磁性元件，磁性元件围设在线圈的远离介质筒的外侧，磁性元件能在介质筒内产生磁场，磁场的方向与介质筒的轴线夹角大于0°且小于180°。该等离子体产生腔室通过在介质筒的外围设置磁性元件，能够获得更高密度的等离子体，从而提高了晶圆表面的等离子体处理速率，并使等离子体处理速率能够达到工艺要求；而且还降低了等离子体中粒子的能量，避免了等离子体中粒子能量过高对晶圆表面造成损伤。

Description

一种等离子体产生腔室和等离子体处理装置

技术领域

本发明涉及半导体工艺技术领域，具体地，涉及一种等离子体产生腔室和等离子体处理装置。

背景技术

随着半导体工艺技术的发展，多种半导体设备广泛应用于半导体制程，等离子体刻蚀或沉积作为半导体制程中的关键一步，等离子体设备已遍布各大半导体制程产线。等离子体刻蚀或沉积其工作原理为将工艺气体通入真空腔室内，通过电激励或光激励方式将工艺气体进行解离、激发、电离等，被离化的自由基或离子通过自由扩散或场加速至晶圆表面并与晶圆材料相互作用，进行相应的刻蚀和沉积。

复杂的半导体工艺制程当中，光胶作为重要的掩膜在各道制程工序当中扮演着不同的角色，然而光胶在每道工序制成结束后或下一道制程之前往往需要进行处理，如表面处理或直接去除。传统的光胶去除往往使用化学腐蚀去除，但化学去除有时会对晶圆造成一定的损伤，而逐渐被弃用。目前，干法去除光胶逐渐取代传统酸洗方式，被广泛应用于各种半导体工艺制程当中。

为避免干法去除光胶过程当中造成对晶圆的各种损伤，干法对应的等离子体源多为远程等离子体源。所谓远程等离子体源往往指等离子体发生区与工艺反应区分离，等离子体中的高能离子，热电子等往往在进入工艺反应区之前被吸收滤除，只有需要的大量的活性自由基能够进入工艺反应区并与晶圆表面物质进行反应，达到预期的工艺效果。目前远程等离子体源可采用射频，微波等激励方式产生高密的等离子体，进行干法去除光胶。

如图1所示为现有技术一所采用的等离子体源，其工作原理为气体经进气管13和顶板14后进入上腔室15。第一电源19产生的功率经上腔室15外侧壁上的第一线圈20后激发上腔室15内的气体产生等离子体。等离子体经平板状构件16中的通孔16a后进入反应室17后与基板k发生反应进行刻蚀。第二电源18产生的功率经反应室17外侧壁上的第二线圈21后激发反应室17中的气体进一步电离产生等离子体，获得更加均匀的空间等离子体分布，使得基板k刻蚀更加均匀。

但现有技术一的反应室17外侧壁上的第二线圈21产生的等离子体与基板k直接接触会产生较大的等离子体诱导损伤；其次，现有技术一中的上腔室15外侧壁上的第一线圈20作为远程等离子体源，其产生的等离子体密度不高，对于刻蚀速率很高的工艺无法达到要求。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述技术问题，提供一种等离子体产生腔室和等离子体处理装置。该等离子体产生腔室通过在介质筒的外围设置磁性元件，能够获得更高密度的等离子体，从而提高了晶圆表面的等离子体处理速率，并使等离子体处理速率能够达到工艺要求；而且还降低了晶圆表面的等离子体中粒子的能量，避免了等离子体中粒子能量过高对晶圆表面造成损伤。

本发明提供一种等离子体产生腔室，包括介质筒和绕制在所述介质筒外壁的线圈，所述线圈用于将射频功率耦合至所述介质筒内，以激发所述介质筒内的气体产生等离子体，还包括磁性元件，所述磁性元件围设在所述线圈的外侧，所述磁性元件能在所述介质筒内产生磁场，所述磁场的方向与所述介质筒的轴线夹角大于0°且小于180°。

优选地，所述磁性元件包括多个，多个所述磁性元件彼此相互间隔地围设在所述线圈的外侧。

优选地，多个所述磁性元件围绕所述线圈一圈或多圈，且多圈所述磁性元件沿所述线圈的轴向依次等间隔排布。

优选地，每圈所述磁性元件中，任意相邻的两个所述磁性元件之间的间距相等。

优选地，每圈所述磁性元件中，任意相邻的两个所述磁性元件的极性相反。

优选地，所述磁性元件的形状为条状或块状。

优选地，所述介质筒包括多个，每个所述介质筒内用于相应通入不同气体；每个所述介质筒外壁均绕制有所述线圈，且每个所述介质筒上的所述线圈的外侧均围设有所述磁性元件。

优选地，多个所述介质筒的出口连通。

优选地，所述介质筒的材质为石英或陶瓷。

本发明还提供一种等离子体处理装置，包括等离子体反应腔室，还包括上述等离子体产生腔室；

所述等离子体产生腔室设置于所述等离子体反应腔室上方，且所述等离子体产生腔室与所述等离子体反应腔室之间通过匀流板连通，所述等离子体产生腔室内产生的等离子体能通过所述匀流板进入所述等离子体反应腔室，以对置于所述等离子体反应腔室内的晶圆表面进行处理。

本发明的有益效果：本发明所提供的等离子体产生腔室，通过在介质筒的外围设置磁性元件，磁性元件产生的磁场能够约束介质筒内等离子体中的电子、离子在介质筒内做回旋运动，从而加大了等离子体中粒子间的碰撞，进而不仅能够获得更高密度的等离子体，提高了晶圆表面的等离子体处理速率，并使等离子体处理速率能够达到工艺要求；而且还降低了晶圆表面的等离子体中粒子的能量，避免了等离子体中粒子能量过高对晶圆表面造成损伤。

本发明所提供的等离子体处理装置，通过采用上述等离子体产生腔室，使其能够获得更高密度的等离子体，提高了晶圆表面的等离子体处理速率，并使等离子体处理速率能够达到工艺要求；而且还降低了晶圆表面的等离子体中粒子的能量，避免了等离子体中粒子能量过高对晶圆表面造成损伤。

附图说明

图1为现有技术中等离子体源的结构剖视图；

图2为本发明实施例1中等离子体产生腔室的结构剖视图；

图3为图2中等离子体产生腔室中磁性元件在介质筒内产生磁场的俯视示意图；

图4为本发明实施例2中等离子体产生腔室的结构剖视图；

图5为本发明实施例3中等离子体产生腔室的结构剖视图；

图6为图5中等离子体产生腔室沿AA剖切线的结构剖视图；

图7为本发明实施例4中一种等离子体处理装置的结构剖视图；

图8为本发明实施例4中另一种等离子体处理装置的结构剖视图。

其中的附图标记说明：

1.介质筒；2.线圈；3.磁性元件；4.上射频电源；5.第一匹配器；6.等离子体反应腔室；7.等离子体产生腔室；8.匀流板；9.晶圆；10.下射频电源；11.第二匹配器；12.下电极；13.进气管；14.顶板；15.上腔室；16.平板状构件；16a.通孔；17.反应室；18.第二电源；19.第一电源；k.基板；20.第一线圈；21.第二线圈。

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，下面结合附图和具体实施方式对本发明所提供的一种等离子体产生腔室和等离子体处理装置作进一步详细描述。

实施例1：

本实施例提供一种等离子体产生腔室，如图2和图3所示，包括介质筒1和绕制在介质筒1外壁的线圈2，线圈2用于将射频功率耦合至介质筒1内，以激发介质筒1内的气体产生等离子体，还包括磁性元件3，磁性元件3围设在线圈2的外侧，磁性元件3能在介质筒1内产生磁场，磁场的方向与介质筒的轴线夹角大于0°且小于180°。

其中，上射频电源4产生的射频功率经第一匹配器5后通过线圈2将射频功率耦合至介质筒1，从而激发通入介质筒1内的气体产生等离子体。本实施例中，磁性元件3产生的磁场能够约束介质筒1内等离子体中的电子、离子在介质筒1内做回旋运动，从而加大了等离子体中粒子间的碰撞，进而不仅能够获得更高密度的等离子体，提高了晶圆表面的等离子体处理速率，并使等离子体处理速率能够达到工艺要求；而且还降低了晶圆表面的等离子体中粒子的能量，避免了等离子体中粒子能量过高对晶圆表面造成损伤。

本实施例中，磁性元件3包括多个，多个磁性元件3彼此相互间隔地围设在线圈2的外侧。如此设置，便于磁性元件3相互之间在介质筒1内形成与介质筒1的轴线夹角大于0°且小于180°的磁场方向的磁场，从而使介质筒1内等离子体中的电子、离子在该磁场的作用下相互碰撞，不仅能降低等离子体中粒子的能量，而且能提高等离子体的密度，进而不仅避免了晶圆表面的等离子体中粒子能量过高对晶圆表面造成损伤，而且提高了晶圆表面的等离子体处理速率。

其中，多个磁性元件3围绕线圈2一圈或多圈，且多圈磁性元件3沿线圈2的轴向依次等间隔排布。本实施例中，多个磁性元件3围绕介质筒1多圈。多圈磁性元件3的设置，能在介质筒1内沿其轴线的方向上形成均匀分布的、且与介质筒1的轴线夹角大于0°且小于180°的磁场方向的磁场，从而使介质筒1内沿其轴线方向上的等离子体空间区域中的等离子体密度进一步提高，同时该等离子体空间区域中的等离子体能量进一步降低，且沿介质筒1轴线方向上的等离子体密度和等离子体能量都更加均匀，从而能够提高对晶圆表面的处理效果，如对晶圆表面光胶的干刻去除效果。

本实施例中，每圈磁性元件3中，任意相邻的两个磁性元件3之间的间距相等。如此设置，能使每圈磁性元件3中任意相邻两个之间在介质筒1内产生的磁场密度基本一致，从而使每圈磁性元件3在介质筒1内产生的磁场都更加均匀，进而使等离子体在介质筒1内磁场作用下发生相互碰撞后的等离子体密度更加均匀，提高了对晶圆表面的处理效果。

本实施例中，每圈磁性元件3中，任意相邻的两个磁性元件3的极性相反。如此设置，能使任意相邻两个磁性元件3之间均形成闭合的磁场，同时还能使不相邻的任意两个极性相反的磁性元件3之间也形成闭合的磁场，从而使每圈磁性元件3都能在介质筒1内的相应区域形成较高密度的磁场，进而使介质筒1内对应分布在该区域的等离子体能够在磁场作用下回旋运动并相互碰撞，最终提高了介质筒1内的等离子体密度并降低了等离子体的能量。

本实施例中，磁性元件3的形状为块状。介质筒1的材质为石英或陶瓷等。

实施例2：

本实施例提供一种等离子体产生腔室，与实施例1不同的是，如图4所示，多个磁性元件3围绕介质筒1一圈，且磁性元件3的形状为条状，每个磁性元件3的长度方向均沿介质筒1的轴向。

如此设置，只要在介质筒1的外围设置一圈磁性元件3，就能在介质筒1内沿其轴线形成均匀分布的、且与介质筒1的轴线夹角大于0°且小于180°的磁场方向的磁场，从而使介质筒1内沿其轴线方向上的等离子体空间区域中的等离子体密度进一步提高，同时该等离子体空间区域中的等离子体能量进一步降低，且沿介质筒1轴线方向上的等离子体密度和等离子体能量都更加均匀，从而能够提高对晶圆表面的处理效果，如对晶圆表面光胶的干刻去除效果。

本实施例中等离子体产生腔室的其他结构及设置与实施例1中相同，此处不再赘述。

实施例3：

本实施例提供一种等离子体产生腔室，与实施例1-2不同的是，如图5和图6所示，介质筒1包括多个，每个介质筒1内用于相应通入不同气体；每个介质筒1外壁均绕制有线圈2，且每个介质筒1上的线圈2的外侧均围设有磁性元件3。

即结构与实施例1或2中完全相同的等离子体产生腔室中的介质筒1设置有多个，每个介质筒1外围线圈2及磁性元件3的结构设置均与实施例1或2中相同。

其中，多个介质筒1的出口连通。即多个介质筒1中的等离子体在到达晶圆表面之前在介质筒1的出口处汇合，如此能够进一步提高等离子体的密度。

通过设置多个外侧围设有线圈2和磁性元件3的介质筒1，能够获得多个高密度的等离子体发生源，从而获得更高密度的等离子体，进而提高晶圆表面的等离子体处理效果。

需要说明的是，因为由不同气体所激发形成的等离子体会对介质筒1造成不同的刻蚀损伤，所以通过采用多个介质筒1，且多个介质筒1的材质不同，将不同的气体分别通入不同材质的介质筒1中，即使不同的气体在不同的介质筒1中分别被激发形成等离子体，选择对某种材质的介质筒1刻蚀损伤最小的气体通入该介质筒1中，并在该介质筒1中激发形成等离子体，从而能够减小或避免气体对介质筒1造成的刻蚀损伤，进而提高了介质筒1的寿命。

本实施例中等离子体产生腔室的其他结构及设置与实施例1或2中相同，此处不再赘述。

实施例1-3的有益效果：实施例1-3所提供的等离子体产生腔室，通过在介质筒的外围设置磁性元件，磁性元件产生的磁场能够约束介质筒内等离子体中的电子、离子在介质筒内做回旋运动，从而加大了等离子体中粒子间的碰撞，进而不仅能够获得更高密度的等离子体，提高了晶圆表面的等离子体处理速率，并使等离子体处理速率能够达到工艺要求；而且还降低了等离子体中粒子的能量，避免了等离子体中粒子能量过高对晶圆表面造成损伤。

实施例4：

本实施例提供一种等离子体处理装置，如图7和图8所示，包括等离子体反应腔室6，还包括实施例1-3任意一个中的等离子体产生腔室7；等离子体产生腔室7设置于等离子体反应腔室6上方，且等离子体产生腔室7与等离子体反应腔室6之间通过匀流板8连通，等离子体产生腔室7内产生的等离子体能通过匀流板8进入等离子体反应腔室6，以对置于等离子体反应腔室6内的晶圆9表面进行处理。

其中，下射频电源10产生的射频功率经第二匹配器11后耦合至下电极12，从而加速到达晶圆9表面的等离子体粒子速度，对晶圆9表面进行刻蚀处理。

需要说明的是，本实施例中，等离子体产生腔室7和等离子体反应腔室6构成了一种远程等离子体源，等离子体产生腔室7和等离子体反应腔室6通过匀流板8分离，从而能够使等离子体中的高能离子、热电子在进入等离子体反应腔室6之前被吸收滤除，只有大量的活性自由基能够进入等离子体反应腔室6并与晶圆9表面的物质进行反应，从而达到预期的工艺效果，如采用该远程等离子体源对晶圆9表面的光胶进行干法去除工艺等。

通过采用实施例1-3任一中的等离子体产生腔室，使该等离子体处理装置能够获得更高密度的等离子体，提高了晶圆表面的等离子体处理速率，并使等离子体处理速率能够达到工艺要求；而且还降低了等离子体中粒子的能量，避免了等离子体中粒子能量过高对晶圆表面造成损伤。

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腔室，包括介质筒和绕制在所述介质筒外壁的线圈，所述线圈用于将射频功率耦合至所述介质筒内，以激发所述介质筒内的气体产生等离子体，其特征在于，还包括磁性元件，所述磁性元件围设在所述线圈的外侧，所述磁性元件能在所述介质筒内产生磁场，所述磁场的方向与所述介质筒的轴线夹角大于0°且小于180°。

2.根据权利要求1所述的等离子体产生腔室，其特征在于，所述磁性元件包括多个，多个所述磁性元件彼此相互间隔地围设在所述线圈的外侧。

3.根据权利要求2所述的等离子体产生腔室，其特征在于，多个所述磁性元件围绕所述线圈一圈或多圈，且多圈所述磁性元件沿所述线圈的轴向依次等间隔排布。

4.根据权利要求3所述的等离子体产生腔室，其特征在于，每圈所述磁性元件中，任意相邻的两个所述磁性元件之间的间距相等。

5.根据权利要求3所述的等离子体产生腔室，其特征在于，每圈所述磁性元件中，任意相邻的两个所述磁性元件的极性相反。

6.根据权利要求3-5任意一项所述的等离子体产生腔室，其特征在于，所述磁性元件的形状为条状或块状。

7.根据权利要求1-5任意一项所述的等离子体产生腔室，其特征在于，所述介质筒包括多个，每个所述介质筒内用于相应通入不同气体；每个所述介质筒外壁均绕制有所述线圈，且每个所述介质筒上的所述线圈的外侧均围设有所述磁性元件。

8.根据权利要求7所述的等离子体产生腔室，其特征在于，多个所述介质筒的出口连通。

9.根据权利要求1所述的等离子体产生腔室，其特征在于，所述介质筒的材质为石英或陶瓷。

10.一种等离子体处理装置，包括等离子体反应腔室，其特征在于，还包括权利要求1-9任意一项所述的等离子体产生腔室；

所述等离子体产生腔室设置于所述等离子体反应腔室上方，且所述等离子体产生腔室与所述等离子体反应腔室之间通过匀流板连通，所述等离子体产生腔室内产生的等离子体能通过所述匀流板进入所述等离子体反应腔室，以对置于所述等离子体反应腔室内的晶圆表面进行处理。