CN108885964A - 可调节电荷量的等离子体工艺设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及可以根据基板的物理性质相应地调节到达基板的等离子体离子等电荷量的等离子体工艺设备。等离子体工艺设备具备电荷测量器和控制部。电荷量测量器是在基板区域测量电荷量。控制部是控制施加于离子源的电源，使从电荷量测量器接收的测量电荷量收敛于基板的最佳电荷量。

Description

可调节电荷量的等离子体工艺设备
技术领域
本发明涉及等离子体工艺设备，具体是，可以根据基板的物理性质相应地调节到达基板的等离子体离子等电荷量的等离子体工艺设备。
背景技术
半导体工艺通常进行在基板上注入杂质或薄膜沉积或蚀刻表面等各种处理工艺。这些基板处理可以通过各种方式使用等离子体设备。
根据等离子体设备处理基板的过程，朝向基板的物质通常都带电荷。但带电荷的粒子继续向基板移动，则基板上会积累带同一电荷的粒子，其结果是，后到达的物质由于排斥力无法再到达基板。
为解决这些问题，注册专利1441191号提出了“利用淹没式等离子体枪的离子中和系统”，从其内容上来看，其具备使半导体晶元上积累的正电子中和的淹没式等离子体枪。淹没式等离子体枪是产生电子，相邻半导体晶圆的区域使离子束中和。注册专利1126324号提出了“具备束空间电荷中和装置的离子注入设备”。从其内容来看，其具备生成发射等离子体用热电子的等离子体簇射器。如上所述，现有技术只注重朝向基板的离子束的中和。
但每个基板的物理性质不同，因此每个基板的清洗、注入、沉积等工艺条件也不一样。就是说，某些基板是表面不带电荷才能很好地进行清洗、注入和沉积，某些基板是堆积一定量的正电荷且整体带有较弱的正电荷时才能很好地进行清洗、注入和沉积。
因此如现有技术，仅凭在基板部分使工艺物质的电荷中和，无法将基板处理得最好。
发明内容
技术课题
为解决所述现有技术上存在的问题，本发明提供一种可调节电荷量的等离子体工艺设备，该设备是，
第一、可以优化基板处理所需的电荷量条件；
第二、在具备清洗、注入、沉积等工艺设备的复合(多用途)等离子体工艺设备上也容易优化基板处理所需的电荷量条件；
第三、可以确认基板处理所需的电荷量的最佳条件，因此可以应用于测试、培训等各种用途。
技术方案
为解决这些问题，本发明的等离子体工艺设备结构可以包括工艺腔体、基板载具、离子源、电荷量测量器、控制部等。
工艺腔体的内部形成密封空间。
基板载具设在工艺腔体内并支撑基板。
离子源是在工艺腔体内由工艺气体生成等离子体离子供应给基板。
电荷量测量器是在基板区域测量电荷量。
控制部是控制施加到离子源的电源，使从电荷量测量器接收的测量电荷量收敛于基板的最佳电荷量。
本发明的可调节电荷量的等离子体工艺设备可以包括中和器。
中和器可以给工艺腔体内供应电子等。中和器可以在基板区域调节电荷量。此时，控制部可以控制施加到离子源和中和器的电源中至少一个。
本发明的可调节电荷量的等离子体工艺设备可以包括溅射器阴极。
溅射器阴极是可以在工艺腔体给基板供应沉积物质。此时控制部可以控制对所述离子源、中和器、溅射器阴极施加的电源中至少一个，使所述测量电荷量收敛于所述基板的最佳电荷量；
本发明的可调节电荷量的等离子体工艺设备中，基板是绝缘体。控制部可以利用根据基板的表面能量算出储存的最佳电荷量。
本发明的可调节电荷量的等离子体工艺设备中，离子源是End-Hall离子源。End-Hall离子源可以由磁场部、电极等构成。磁场部是可以在朝向基板的前方相离设置多个磁极，形成加速环路用开放缝。磁场部可以将侧方和后方封闭，不包括注入工艺气体的注入口。电极可以置于磁场部内部中开放缝的下端。
End-Hall离子源不是从侧方和后方接收工艺气体，而是从工艺腔体内的工艺气体生成等离子体离子，将该等离子体离子通过电极和基板之间的电位差移至基板。
有益效果
根据本发明的等离子体工艺设备，其有益效果在于，可以基板区域形成符合基板的物理性质如基板表面能量的电荷量条件，从而优化利用等离子体的基板处理；
在具备清洗、注入、沉积等工艺装置的复合(多用途)等离子体工艺调和中，可以对离子源、中和器、溅射器阴极等实施选择性控制，从而优化基板处理所需的电荷量条件；
可以确认基板处理所需的电荷量的最佳条件，因此可以应用于测试、培训等用途。
附图说明
图1是图示本发明的可调节电荷量的等离子体工艺设备的第一实施例的结构图；
图2是图示本发明的可调节电荷量的等离子体工艺设备的第二实施例的结构图；
图3是本发明的可调节电荷量的等离子体工艺设备的第三实施例的结构图；
图4是图示本发明的等离子体工艺设备的第一实施例的控制电荷量的方法的流程图；
图5是图示本发明的等离子体工艺设备的第二实施例中控制电荷量的方法的流程图；
图6是图示本发明的等离子体工艺设备的第三实施例中控制电荷量的方法的流程图。
最佳实施方式
下面结合附图详述本发明。
图1是图示本发明的可调节电荷量的等离子体工艺设备的第一实施例的结构图。
如图1所示，第一实施例的等离子体工艺设备的结构包括：工艺腔体10、基板载具20、离子源30、电荷量测量器40、电源部50和控制部60等。
工艺腔体10的内部形成密封空间。工艺腔体10上根据工艺注入非反应气体或反应气体。非反应气体包括氩(Ar)、氖(Ne)、氦(He)、氙(Xe)等，反应气体包括氮(N2)、氧(O2)、甲烷(CH4)、四氟化碳(CF4)等。根据情况，可以将非反应气体和反应气体混合使用。工艺腔体10的一侧可以结合真空泵，真空泵的内部空间保持既定的工艺压力。
基板载具20可以设在工艺腔体10内。基板载具20可以支撑基板(S)。基板载具20可在工艺腔体10内固定或者移动。
离子源30是在工艺腔体10内由工艺气体生成等离子提供给基板(S)。离子源30是可以利用End-Hall离子源。End-Hall离子源可以由磁场部、电极等构成。
磁场部由磁铁、磁极、磁芯等构成，内部可以形成圆形或椭圆形的加速环路空间。磁场部形成的加速环路空间向磁极方向开放，向磁芯方向封闭。
磁铁可以置于磁极和磁芯之间。磁铁可以由永磁或电磁铁构成，例如，上端为N极，下端为S极地构成。形成一个加速环路时，两侧磁极是可以在磁铁的下端连接磁芯构成，因此磁铁只可能设在中央磁极的下部。
磁极是在基板(S)方向上以既定间隔分离设置。磁极是隔着加速环路，N极和S极被交替设置。形成一个加速环路时，中央磁极为N极，两侧磁极为S极地构成。此时中央磁极与磁铁的上端即N极耦合，两侧磁极是通过磁芯与磁铁的下端即S极磁耦合。
磁芯是通过磁铁的下端和两侧磁极磁耦合诱导磁力线。磁芯是与两侧磁极连接，使
两个磁极形成S极，减少磁铁的下端即S极的磁力对上端即N极磁力线的影响。
电极是在磁场部的内部与磁场部电气分隔设置在磁极之间的空间即加速环路空间的下部。
具有如此结构的End-Hall离子源中，给电极施加正高电压且接地磁极，则通过电极和基板载具20之间形成的电场，内部电子或等离子体电子向加速环路空间的电极侧移动。沿着加速环路高速移动的电子使加速环路内的工艺气体离子化，离子化的等离子中，正离子通过电极和基板载具20之间的电位差向基板载具20侧移动，对基板(S)起到清洗、蚀刻、表面改性等作用。
End-Hall离子源是磁场部的侧方和后方可以不包括注入工艺气体的气体注入口，可以将其封闭。此时，End-Hall离子源不是由侧方和后方被输入工艺气体，而是由工艺腔体10内的工艺气体生成等离子体离子。
电荷量测量仪40可以测量工艺腔体10内的尤其是基板(S)区域的电荷量。电荷量测量仪40可以利用法拉第杯(Faraday Cup)。法拉第杯上方有开口，侧方和后方可以是封闭的形状。离子或电子注入到法拉第杯并积累后生成电流，通过该电流值可以测量离子束或电子束的电荷量。
法拉第杯可以以各种形态实现。例如，法拉第杯可以由杯部和驱动部构成。需要测量电荷量时，驱动部可以将杯部移至基板(S)侧。杯部可以捕集被照射到基板(S)的离子或电子。
法拉第杯也可以由杯部、束偏转器等构成。该杯部中央可以具备使离子束通过的贯通部。贯通部通过隔板与内部空间分离，上部可以具备弯曲的离子束被入射的入口。束偏转器是设在杯部的上侧，需要测量电荷量时，可以将离子束引向杯部的入口方向。
电源部50可以离子源30、电荷量测量器40供电。电源部50可以给离子源30的电极施加Plus DC高电压。电源部50可以根据捕集离子从正电压和负电压中选择施加给电荷量测量器40。就是说，电源部50是电荷量测量器40捕集电子或负离子时施加正直流电压，电荷量测量器40捕集正离子时施加负直流电压。包括离子源30的第一实施例是，由离子源30释放的离子束的极性为正，故电荷量测量仪40上可以施加负直流电压。
控制部60可以控制离子源30如输入到离子源30电极的电压，使从电荷量测量仪40接收的测量电荷量被收敛到基板(S)的最佳电荷量。
基板(S)的最佳电荷量可以根据基板(S)的物理性质如表面能量来决定。基板(S)的最佳电荷量可以通过实验得出，这些最佳电荷量可以与基板(S)种类匹配数据库化。基板(S)的最佳电荷量也可以根据工艺环境变化，而且进行工艺之前可以找出基板(S)的最佳电荷量加以应用。基板(S)的最佳电荷量是，基板(S)为绝缘体比导体更重要。基板(S)为绝缘体时，束离子堆积到基板(S)的表面，引发基板(S)表面的极性，基板(S)为导体时，到达基板(S)的电荷放电，不会引发基板(S)表面的极性。
导体基板是也可以不需考虑基板(S)的最佳电荷量。但基板(S)为导体时，由于向基板(S)移动的束离子的集结，导体基板(S)表面可能会出现极性。而且即便是导体基板，也可以控制测量电荷量接近最佳电荷量。
控制部60可以给电荷量测量仪40施加负直流电压。控制部60可以从电荷量测量仪40接收测量电荷量。
控制部60从电荷量测量仪40接收测量电荷量的同时可以调节施加到离子源30电极的正直流电压。控制部60将接收的测量电荷量与储存的最佳电荷量比较，确认时点一致的离子源30施加电压。控制部60将确认的离子源30的施加电压设定成工艺条件，使对基板(S)执行清洗、蚀刻、表面改性等工艺。
具体实施方式
图2是图示本发明的可调节电荷量的等离子体工艺设备的第二实施例的结构图。
如图2所示，第二实施例的等离子体工艺设备是第一实施例之外还可以包括中和器70构成。
中和器70可以给工艺腔体10内尤其离子源30和基板之间供应电子。中和器70是可以减少由离子源30释放出并移动到基板(S)的等离子体离子的正电荷量。
中和器70可以将灯丝连接电源构成。灯丝是可以使用钨、镍等。灯丝上可以添加氧化铝、氧化硅、氧化钾等，由此防止灯丝在高温下变形。灯丝输入电源并被加热以后可以释放出热电子。热电子从中和器70上射出与从离子源30释放的正离子结合，其结果，正离子转成中性或缓解的正离子并移至基板(S)。
控制部60可以控制施加到离子源30和中和器70中的电源中的至少一个，使从电荷量测量器40接收的测量电荷量被收敛到基板(S)的最佳电荷量。
控制部60是从电荷量测量器46接收测量电荷量的同时可以调节施加到离子源30的电压或者施加到中和器70的电压。控制部60可以将离子源30的施加电压和中和器70的施加电压全部调节，但只调节中和器70的施加电源会更容易。
控制部60将接收的测量电荷量和储存的最佳电荷量比较，在一致的时点确认离子源30的施加电压和中和器70的施加电压。控制部60确认后可以将离子源30的施加电压和中和器70的施加电压设定为工艺条件。
第二实施例的其余结构与第一实施例的对应结构相同，故以第一实施例的相关说明来替代其余结构的说明。
图3是图示本发明的可调节电荷量的等离子体工艺设备的第三实施例的结构图。
如图3所示，第三实施例的等离子体工艺设备的结构是除第二实施例以外还可以包括溅射阴极80。
溅射器80是设在工艺腔体10内，将沉积物质供应给基板(S)。溅射工艺是，给工艺腔体10注入氩(Ar)气体，在溅射器80的阴极(Cathode)侧设置材料物质即平板型或圆筒型目标物质以后，给阳极(Anode)侧即基板载具20接地。阴极侧施加负高电压以后，氩被离子化成为等离子体状态，离子化的氩粒子(Ar+)是通过电压差被加速与阴极侧的目标物质起冲突。此时目标物质被射出，向基板载具20侧移动并堆积在基板(S)上，进而在基板(S)上形成薄膜。向基板(S)移动的目标物质是也有不带电荷的个别粒子，但总体上带有负电荷。目标物质是通过扩散或电位差，由溅射器80向基板(S)移动。
控制部60可以控制离子源30、中和器70、溅射器80阴极的施加电压中至少一个，使从电荷量测量器40接收的测量电荷量收敛于最佳电荷量。
控制部60由电荷量测量器40接收测量电荷量的同时可以调节对离子源30的电极、中和器70、溅射器80的阴极施加的电压。控制部60可以对施加到离子源30、中和器70、溅射器80阴极的电压全部实施调节，但只调节中和器70的施加电压会更容易。
控制部60对接收的测量电荷量和储存的最佳电荷量比较后，在一致的时点克腑施加到离子源30、中和器70、溅射器80阴极的电压。控制部60可以将确认的离子源30的施加电压、中和器70的施加电压、溅射器80阴极的施加电压设定为工艺条件。
第三实施例的其余结构与第一、二实施例的对应结构相同，故由第一、二实施例相关说明来替代其余结构的说明。
此外，等离子体工艺设备的结构除第一实施例之外还可以包括溅射器阴极即离子源和溅射器阴极构成。
图4是图示本发明的等离子体工艺设备的第一实施例中电荷量控制方法的流程图。
控制部60将每个基板(S)固有的最佳电荷量即符合基板(S)表面能量等物理性质的最佳电荷量数据库化后存到存储器。控制部60是由外部输入基板(S)的种类以后，从存储器提取与该基板(S)对应的最佳电荷量。(S11)
控制部60可以给电荷量测量器40施加负直流电压。而且电荷量测量器40可以轻松捕集由离子源30释放的正极性的等离子体离子。控制部60可以接收由电荷量测量器40测量的电荷量。(S12)
控制部60调节施加到离子源30电极的正直流电压的同时监测电荷量测量器40的测量电荷量。控制部60在测量电荷量与最佳电荷量一致的时点，停止对施加到离子源30的电压的调节。(S13)
控制部60可以将停止电压调节的时点的离子源30的施加电压设定为工艺条件。(S14)
然后控制部60可以执行对基板(S)的清洗、蚀刻、表面改性等工艺。(S15)
图5是图示本发明的等离子体工艺设备的第二实施例中电荷量控制方法的流程图。
图5的电荷量控制方法是与图4的方法不同，控制部60可以调节离子源30的施加电压，或者调节中和器70的施加电压，或者将离子源30和中和器70的施加电压全部调节，使从电荷量测量器40接收的测量电荷量收敛于基板(S)的最佳电荷量。但为了方便控制，可以只调节中和器70的施加电压。
控制部60储存最佳电荷量并检索提取与图4的步骤(S11)一致。(S21)
控制部60从电荷量测量器40接收测量电荷量与图4的步骤(S12)相同。(S22)
控制部60调节施加到离子源30电极的正直流电压和施加到中和器70的电压的同时监测电荷量测量器40的测量电荷量。控制部60在测量电荷量与最佳电荷量一致的时点，可以停止调节对离子源30及/或中和器70施加电压的调节。(S23)
控制部60可以将停止调节电压的时点的离子源30和中和器70的施加电压设定为工艺条件。(S24)
然后控制部60可以执行对基板(S)的清洗、蚀刻、表面改性等工艺。(S25)
图6是图示本发明的等离子体工艺设备的第三实施例中控制电荷量的方法的流程图。
图6的电荷量控制方法是与图4、5的方法不同，控制部60可以调节离子源30、中和器70、溅射器80阴极的施加电压中至少一个，使从电荷量测量器40接收的测量电荷量收敛于基板(S)的最佳电荷量。
控制部提取最佳电荷量并搜索提取与图4、5的步骤(S11，S21)相同。(S31)
控制部60从电荷量测量器40接收测量电荷量与图4、5的步骤(S12，S22)相同。(S32)
控制部60调节对离子源30、中和器70、溅射器80阴极施加的电压的同时监测电荷量测量器40的测量电荷量。控制部60在测量电荷量与最佳电荷量一致的时点，可以停止对离子源30、中和器70、溅射器80阴极施加电压的调节。(S33)但，只调节中和器70的施加电压的同时监测测量电荷量与最佳电荷量一致与否时，可以停止仅对中和器70的施加电压的调节。
控制部60可以将停止电压调节时点的离子源30、中和器70、溅射器80阴极的施加电压设定为工艺条件。(S34)
然后控制部60可以执行对基板(S)的沉积等工艺。(S35)
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所述的技术方案进行修改或者变形；而这些修改或者变形，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例所述技术方案的范围。
工业应用
本发明的等离子体工艺设备不仅应用于半导体工业，也可以应用于确认基板处理所需的电荷量最佳条件的测试、培训等。

Claims (3)

1.一种可调节电荷量的等离子体工艺设备，其特征在于，
作为等离子体工艺设备，包括：
工艺腔体，其内部具有密封空间；
基板载具，其在所述工艺腔体内支撑基板；
离子源，其位于所述工艺腔体内，生成正离子供应给所述基板；
中和器或溅射器阴极，其位于所述工艺腔体内，并生成负离子供应给所述基板；
电荷量测量器，其在所述基板区域测量所述正离子或负离子的电荷量；
控制部，其控制对所述离子源、中和器、溅射器阴极施加的电源中至少一个，使所述测量电荷量收敛于所述基板的最佳电荷量；
所述基板的最佳电荷量是根据所述基板的表面能量算出。
2.根据权利要求1所述的可调节电荷量的等离子体工艺设备，其特征在于，
所述基板为绝缘体。
3.根据权利要求1或2所述的可调节电荷量的等离子体工艺设备，其特征在于，所述离子源为End-Hall离子源，包括：在朝向所述基板的前方相离设置多个磁极而形成加速环路用开放缝，并封闭侧方和后方的磁场部；以及在所述磁场部的内部置于所述开放缝下端的电极；
所述End-Hall离子源不是从所述侧方和后方接收工艺气体，而是由所述工艺腔体内的工艺气体生成等离子体离子，将所述等离子体离子通过电极和所述基板之间的电位差移至所述基板。
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