CN109390197A - 预清洗腔室和半导体加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预清洗腔室和半导体加工设备。预清洗腔室包括腔体、顶盖、承载件和金属板，顶盖设置在腔体顶端，用于密封腔体，承载件设置在腔体底部，用以承载晶片，金属板水平设置在承载件和顶盖之间，且金属板上设置有贯穿其厚度的多个第一通气孔，金属板接地，以过滤等离子体中的离子，等离子体在金属板表面形成等离子体鞘层，预清洗腔室还包括绝缘保护板，绝缘保护板设置在金属板和顶盖之间，绝缘保护板上设置有贯穿其厚度的多个第二通气孔，绝缘保护板能够阻止离子在等离子体鞘层的电压的驱动下轰击金属板的表面。本发明的预清洗腔室，能够有效降低晶片表面的金属离子污染，提高清洗晶片的良率。

Description

预清洗腔室和半导体加工设备

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，具体涉及一种预清洗腔室和一种包括该预清洗腔室的半导体加工设备。

背景技术

等离子体设备广泛用于当今的半导体集成电路、太阳能电池、平板显示器等制作工艺中。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)型等。这些类型的等离子体加工设备目前被应用于物理气相沉积(PVD)，等离子体刻蚀、等离子体化学气相沉积(CVD)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Ar(氩气)、He(氦气)或H2(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。

如图1所示，为现有技术一中预清洗腔室100的结构示意图。预清洗腔室100由腔体110和顶盖120形成。在腔体110的底部设置有用于承载晶片的承载件130，其依次与第二射频匹配器153和第二射频电源154电连接，顶盖120为采用绝缘材料(如陶瓷或石英)制成的拱形顶盖，在顶盖120的外侧设置有电感线圈140，电感线圈140为螺线管线圈，且其缠绕形成的环形外径与顶盖120的侧壁的外径相对应，并且电感线圈140依次与第一射频匹配器151和第一射频电源152电连接。在进行预清洗的过程中，接通第一射频电源152，以将腔室内的气体激发为等离子体，同时，接通第二射频电源154，以吸引等离子体中的离子轰击晶片上的杂质。

在半导体制造工艺中，随着芯片集成度提高，互连线宽和导线间距减小，电阻和寄生电容增大，会导致RC信号延迟增加，因此，通常会采用Low-k(低介电常数)材料作为层间介质。

显然，利用现有技术一中的预清洗腔室100，进行预清洗时，等离子体中的离子(如氢离子)在等离子体鞘层的电压的驱动下会产生一定的动能，这使得当氢离子运动至晶片表面附近时，会嵌入Low-k材料中，从而导致Low-k材料劣化，进而给产品性能带来了不良影响。

为了减弱氢离子对Low-k材料的影响，如图2所示，为现有技术二中预清洗腔室100的结构示意图。该预清洗腔室100与现有技术一中的预清洗腔室不同的地方在于：在邻近等离子体产生区域的下方(即顶盖120的下方)，增加了金属板160，该金属板160由金属(例如铝)制作形成，且该金属板160上设置有多个贯穿其厚度的第一通气孔161。这样，当等离子体在通过金属板160上的第一通气孔161时，由于离子在第一通气孔161内的碰撞复合，达到滤除大部分离子的目的。为了进一步增加离子的过滤效率，可以将该金属板160与负直流高压电源(即吸附电源170)电连接，同时在腔体110的外侧增加了磁体192，氢离子在通过金属板160时，等离子体中的离子在受到偏转电场和磁场的作用下会发生偏移，增加了氢离子与金属板160中的第一通气孔161的碰撞复合几率，从而可以提高过滤效果。

但是，在现有技术二中的预清洗腔室100中，金属板由铝金属材料制成。在放电过程中，接地的金属板160的表面会形成等离子体鞘层，该等离子体鞘层内部存在很强的径向电场，加速等离子体中的离子(如氢离子)并轰击金属板160的表面。在高能离子的作用下，金属板160的表面会被轰击产生铝离子或铝原子，部分产生的铝离子或铝原子会通过金属板160中的第一通气孔161到达晶片的表面并附着，从而造成对晶片表面的污染，降低了产品良率。

因此，如何设计一种新型的预清洗腔室，在保证低损伤预清洗效果的前提下，有效降低金属粒子污染成为本领域亟待解决的技术问题。

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和一种包括该预清洗腔室的半导体加工设备。

为了实现上述目的，本发明的第一方面，提供一种预清洗腔室，包括腔体、顶盖、承载件和金属板，所述顶盖设置在所述腔体顶端，用于密封所述腔体，所述承载件设置在所述腔体底部，用以承载晶片，所述金属板水平设置在所述承载件和所述顶盖之间，且所述金属板上设置有贯穿其厚度的多个第一通气孔，所述金属板接地，以过滤等离子体中的离子，所述等离子体在所述金属板表面形成等离子体鞘层，所述预清洗腔室还包括绝缘保护板，所述绝缘保护板设置在所述金属板和所述顶盖之间，所述绝缘保护板上设置有贯穿其厚度的多个第二通气孔，至少一个所述第二通气孔与至少一个所述第一通气孔对应设置，所述绝缘保护板能够阻止所述离子在所述等离子体鞘层的电压的驱动下轰击所述金属板的表面。

优选地，所述多个第二通气孔和所述多个第一通气孔一一对应，且所述第一通气孔和所述第二通气孔的尺寸小于所述等离子体鞘层的厚度。

优选地，所述第一通气孔和所述第二通气孔的直径为0.2-10mm。

优选地，所述绝缘保护板的材料包括陶瓷材料。

优选地，所述绝缘保护板的厚度为10-20mm。

优选地，所述金属板的厚度为20-50mm。

优选地，所述金属板上还设置有至少一个第一定位部，所述绝缘保护板上还设置有至少一个第二定位部，所述第一定位部与所述第二定位部对应设置，且所述第一定位部设置在所述第二定位部中，以使得所述绝缘保护板处于所述金属板的预设位置。

优选地，所述第一定位部包括卡接部，所述第二定位部包括卡槽，所述卡接部设置在所述卡槽中。

优选地，所述第一定位部包括第一安装孔，所述第二定位部包括第二安装孔，所述预清洗腔室还包括定位销，所述定位销安装在所述第一安装孔和所述第二安装孔内。

本发明的第二方面，提供一种半导体加工设备，所述半导体加工设备包括前文记载的所述预清洗腔室。

本发明的预清洗腔室，在金属板的表面设置了绝缘保护板，使得等离子鞘层形成在由绝缘材料制作形成的保护板上，同时绝缘保护板有一定的厚度，可以减弱径向电场强度，削弱等离子体中的高能离子(如氢离子)的轰击动能。同时，由于绝缘保护板的防护，可以防止等离子鞘层内的离子轰击金属板的表面，进而不会产生金属离子，降低晶片表面的金属离子污染，有效提高清洗晶片的良率，提高产品性能。

本发明的半导体加工设备，采用前文记载的预清洗腔室，其在金属板的表面设置了绝缘保护板，同时，绝缘保护板有一定的厚度，可以减弱径向电场强度(也就是鞘层电压的径向电场强度)，削弱等离子体中的高能离子(如氢离子)的轰击动能。同时，由于绝缘保护板的防护，可以防止等离子鞘层内的离子轰击金属板的表面，进而不会产生金属离子，降低晶片表面的金属离子污染，有效提高清洗晶片的良率，提高产品性能。

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为现有技术一中预清洗腔室的结构示意图；

图2为现有技术二中预清洗腔室的结构示意图；

图3为本发明中预清洗腔室的结构示意图；

图4为本发明中预清洗腔室中的绝缘保护板的结构示意图；

图5为本发明中预清洗腔室中的金属板与绝缘保护板的剖视图。

附图标记说明

100：预清洗腔室；

110：腔体；

120：顶盖；

130：承载件；

140：电感线圈；

151：第一射频匹配器；

152：第一射频电源；

153：第二射频匹配器；

154：第二射频电源；

160：金属板；

161：第一通气孔；

162：第一定位部；

162a：第一安装孔；

170：吸附电源；

180：绝缘保护板；

181：第二通气孔；

182：第二定位部；

182a：第二安装孔；

191：定位销；

192：磁体。

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。

如图3、图4和图5所示，本发明的第一方面，涉及一种预清洗腔室100。该预清洗腔室100主要可以包括腔体110、顶盖120、承载件130、电感线圈140、第一射频匹配器151、第一射频电源152、第二射频匹配器153和第二射频电源154。其中，该顶盖120设置在腔体110顶端，也就是说，顶盖120盖设在所述腔体110顶部，以与腔体110共同围成密封空间。腔体110可以呈柱状，顶盖120可以呈圆筒状，也可以是穹顶状，本实施例中采用穹顶状的顶盖120，且该顶盖120采用绝缘材料制作形成，例如陶瓷材料或石英材料等。当然，腔体110和顶盖120也可以呈其他形状。

如图3所示，上述承载件130设置在腔体110的底部，用以承载晶片(图中并未示出)，电感线圈140在顶盖120的侧壁外侧环绕设置，并且电感线圈140的匝数可以为一匝或多匝，且多匝线圈的直径可以相同，或者由上而下依次增大。电感线圈140的形状可以采用螺线管状或圆锥状。该电感线圈140通过第一射频匹配器151与第一射频电源152电连接。第一射频电源152用于向电感线圈140提供射频能量，以激发腔体110内部形成等离子体，该第一射频电源152的频率可以包括400kHz、2MHz、13.56MHz、40MHz、60MHz和100MHz中的一者或多者，当然，该第一射频电源152的频率也可以为其他取值。

如图3所示，上述承载件130通过第二射频匹配器153与第二射频电源154电连接，第二射频电源154用于向承载件130上的晶片提供射频自偏压，以吸引所产生的等离子体轰击晶片表面，完成对晶片的清洗。对于第二射频电源154的具体频率并没有作出限定，例如，该第二射频电源151的频率可以包括400kHz、2MHz、13.56MHz、40MHz、60MHz和100MHz中的一者或多者，当然，还可以根据实际需要确定频率取值。

如图3所示，其中，上述预清洗腔室100还包括金属板160。该金属板160可以呈圆盘状，当然，金属板160也可以采取其他的形状。金属板160可以采用铝材料所制作形成，当然，也可以采用其他的金属材料所制作形成。金属板160水平设置在承载件130和顶盖120之间，且金属板160上设置有贯穿其厚度的多个第一通气孔161，金属板160接地，以过滤等离子体中的离子，该等离子体在金属板160的表面形成等离子体鞘层。

也就是说，金属板160将腔体110分割成上下两个腔体，上腔体用于产生等离子体，上腔体所产生的等离子体中的呈电中性的自由基、原子和中子等粒子通过第一通气孔161进入到下腔体，并对下腔体中的晶片进行清洗。而等离子体中的带电粒子，例如，氢离子，则由于金属板160接地，会对进入到第一通气孔161的氢离子产生吸附作用，因此，可以使得氢离子附着在第一通气孔161的内表面上，从而起到过滤离子的目的，进而能够有效保护晶片中的Low-k材料，提高产品性能。

如图3所示，其中，上述预清洗腔室100还包括绝缘保护板180，该绝缘保护板180设置在金属板160和顶盖120之间。相应地，该绝缘保护板180上设置有贯穿其厚度的多个第二通气孔181，该绝缘保护板180能够阻止离子在等离子体鞘层的电压的驱动下轰击金属板160的表面。

另外，由于金属板160接地，因此，在金属板160的表面会形成等离子体鞘层，也就是说，在该区域内，等离子鞘层内存在很强的径向电场，也就是产生所谓的鞘层电压。但是，由于本实施例结构的预清洗腔室100，在金属板160的表面设置了绝缘保护板180，该绝缘保护板180具有一定的厚度，因此，其可以减弱径向电场强度，削弱等离子体中的高能离子(如氢离子)的轰击动能。同时，由于绝缘保护板180的防护，可以防止等离子体鞘层内的离子轰击金属板160的表面，进而不会产生金属离子，降低晶片表面的金属离子污染，有效提高清洗晶片的良率，提高产品性能。

需要说明的是，上述金属板160可以仅仅设置一个，还可以自腔体110的顶部向下依次间隔设置多个金属板160，相应地，可以在每一个金属板160的表面设置有上述的绝缘保护板180，这样，能够进一步地提高晶片清洗良率，提高产品性能。

进一步需要说明的是，对于上述第一通气孔161和第二通气孔181的具体结构以及形状并没有作出限定，例如，第一通气孔161和第二通气孔181均可以为直通孔，当然，该第一通气孔161和第二通气孔181还可以为锥形孔，该锥形孔的直径可以由上而下逐渐递减或逐渐增大，当然，该第一通气孔161和第二通气孔181还可以为阶梯孔，该阶梯孔在其轴向截面上的形状可以采用“上粗下细”、“上细下粗”、“两端细中间粗”或者“两端粗中间细”等的任意形状。

应当理解的是，上述金属板160和绝缘保护板180之间可以存在间隙，此时，等离子体可以从第二通气孔181进入到该间隙内，并从该间隙进入到第一通气孔161内，也就是说，绝缘保护板180上的第二通气孔181可以不用与金属板160上的第一通气孔161对应。当然，绝缘保护板180也可以直接放置在金属板160上，也就是说，绝缘保护板180和金属板160之间贴合，此时，应当至少有一个第二通气孔182与至少一个第一通气孔161对应，以便等离子体经过第二通气孔182和与该第二通气孔182对应的第一通气孔161进入到腔体110底部，对晶片进行清洗。

仍需要说明的是，上述第一通气孔161可以在金属板160的表面上呈均匀分布或者不均匀分布(例如，按照晶片上内外圈的工艺结果来调节第一通气孔161的分布)。相应地，第二通气孔181也可以采取在绝缘保护板180上均匀分布，也可以根据工艺结果不均匀分布。

优选地，上述绝缘保护板180与金属板160贴合，也就是说，绝缘保护板180直接放置在金属板160上，与金属板160之间无间隙，上述多个第二通气孔181与多个第一通气孔161一一对应。该第一通气孔161和第二通气孔181的尺寸小于等离子体鞘层的厚度。这样，等离子中的离子便难以通过该第一通气孔161和第二通气孔181向腔体110底部的承载件130上的晶片扩散。即便有少量的离子进入到第一通气孔161内，由于该金属板160接地，因此，可以使得进入到第一通气孔161内的离子与第一通气孔161发生碰撞，从而可以使得离子附着在第一通气孔161的表面，进而可以过滤掉该部分离子，有效提高晶片清洗良率，提高产品性能。

优选地，为了进一步地有效过滤掉等离子体中的离子，提高晶片清洗良率，以提高产品性能，上述第一通气孔161和第二通气孔181的直径可以为0.2mm，也可以为10mm，当然，该第一通气孔161和第二通气孔181也可以为0.2-10mm之间的任意一个取值。

优选地，上述绝缘保护板180的材料包括陶瓷材料。也就是说，该绝缘保护板180由陶瓷材料所制作形成，当然，该绝缘保护板180也可以采用其他绝缘材料所制作形成。

需要说明的是，上述绝缘保护板180与金属板160可以相互独立设置，也可以为一体的结构，例如，绝缘保护板180也可以通过在金属板160的上表面喷涂绝缘材料(例如，陶瓷材料)，以在金属板160的表面形成一整层的绝缘保护材料，同样可以实现保护金属板160的表面不被离子轰击，提高晶片清洗良率，提高产品性能。

由于等离子体鞘层的厚度一般小于10mm，为了进一步地降低等离子鞘层中的径向电场强度，也即降低鞘层电压，避免等离子体鞘层中的离子对金属板160的表面造成轰击。优选地，上述绝缘保护板180的厚度至少应当大于或等于10mm。例如，绝缘保护板180的厚度可以为10mm，也可以为20mm，当然，也可以为两者之间的任意一个数值。

优选地，上述金属板160的厚度为20-50mm。相应地，第一通气孔161的长度也为20-50mm，处于该厚度范围内的金属板160，能够利用第一通气孔161的狭小且细长的路径，增大进入到第一通气孔161内的离子与该第一通气孔161的内壁相碰撞的几率，从而可以使得更多的离子附着在第一通气孔161的表面，实现过滤掉等离子体中的离子的目的，进而可以提高晶片清洗良率，提高产品性能。

另外，为了进一步提高离子过滤效率，如图3所示，上述金属板160还可以与吸附电源170电连接，该吸附电源170可以包括负性直流高压电源或交流高压电源。

吸附电源170采用负性直流高压电源或交流高压电源，这样，可以在金属板160上形成电场，可以使得离子在该电场的驱动下发生偏移，从而能够增大离子与金属板160上的第一通气孔161发生碰撞的几率，进而可以使得与第一通气孔161发生碰撞的离子附着在第一通气孔161的内壁表面，达到过滤等离子体中的离子的目的。提高晶片的清洗良率，提高产品性能。

优选地，如图4和图5所示，上述金属板160上还设置有至少一个第一定位部162，绝缘保护板180上还设置有至少一个第二定位部182，第一定位部162与第二定位部182对应设置，且第一定位部162设置在第二定位部182中，以使得绝缘保护板180处于金属板160的预设位置。

本实施例结构的预清洗腔室100，由于金属板160上设置有多个第一通气孔161，绝缘保护板180上设置有多个第二通气孔181，为了提高过滤离子的效率，应当使得每个第一通气孔161均与第二通气孔181相互对应。因此，为了使得第一通气孔161与第二通气孔181相互对应，可以在金属板160上设置上述的第一定位部162，绝缘保护板180上设置第二定位部182，也就是说，在将金属板160和绝缘保护板180进行组装时，可以以第一定位部162和第二定位部182为定位基准，进行装配，从而可以使得第一通气孔161和第二通气孔181恰好相互对应，进而能够提高过滤离子效率，提高晶片清洗良率，提高产品性能。

优选地，上述第一定位部162包括卡接部(图中并未示出)，第二定位部182包括卡槽(图中并未示出)，卡接部设置在卡槽中。

本实施例结构的预清洗腔室100，通过设置卡接部和卡槽，以实现定位的目的，结构简单，同时，还便于组装和拆卸，提高经济效益。

当然，如图5所示，上述第一定位部162可以包括第一安装孔162a，第二定位部182包括第二安装孔182a。上述预清洗腔室100还包括定位销191，定位销191安装在第一安装孔162a和第二安装孔182a内。

需要说明的是，对于第一定位部162和第二定位部182的具体数量以及具体位置并没有作出限定，优选地，可以在金属板160的边缘位置的上表面，沿其周向均匀设置三个第一定位部162，也就是说，每相邻两个的第一定位部162之间的夹角为120°。相应地，绝缘保护板180的与金属板160的相对应的位置处也设置有第二定位部182。当然，也可以采取其他数量的定位结构。

应当理解的是，除了上述列举的两种定位方式，还可以采用其他的定位结构，在此不一一列举。

优选地，为了进一步提高离子过滤效率，如图3所示，在腔体110的侧壁外侧，且位于金属板160的上方和/或下方并靠近金属板160的位置处设置有磁体192，并且磁体192沿腔体110的周向设置。

本实施例结构的预清洗腔室100，通过在腔体110的侧壁外侧且靠近金属板160的位置处设置有磁体192，因此，可以使得等离子体中的离子，在磁场力和上述的电场力的共同作用下，产生偏移，从而可以增大离子与金属板160中的第一通气孔161的内表面发生碰撞的几率，进而可以使得更多的离子附着在第一通气孔161的表面，提高过滤离子的过滤效果，提高晶片清洗良率，提高产品性能。

当然，上述预清洗腔室100还可以包括加热装置(图中并未示出)，该加热装置设置在承载件130内，用以加热待清洗晶片，以提高清洗效率，提高产品性能。

本发明的第二方面，提供一种半导体加工设备(图中并未示出)，该半导体设备包括前文记载的预清洗腔室100。

本实施例结构的半导体加工设备，采用前文记载的预清洗腔室100，其在金属板160的表面设置了绝缘保护板180，同时，绝缘保护板180有一定的厚度，可以减弱等离子体鞘层的径向电场强度(也就是鞘层电压的径向电场强度)，削弱等离子体中的高能离子(如氢离子)的轰击动能。同时，由于绝缘保护板180的防护，可以防止等离子鞘层内的离子轰击金属板160的表面，进而不会产生金属离子，降低晶片表面的金属离子污染，有效提高清洗晶片的良率，提高产品性能。

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、顶盖、承载件和金属板，所述顶盖设置在所述腔体顶端，用于密封所述腔体，所述承载件设置在所述腔体底部，用以承载晶片，所述金属板水平设置在所述承载件和所述顶盖之间，且所述金属板上设置有贯穿其厚度的多个第一通气孔，所述金属板接地，以过滤等离子体中的离子，所述等离子体在所述金属板表面形成等离子体鞘层，其特征在于，所述预清洗腔室还包括绝缘保护板，所述绝缘保护板设置在所述金属板和所述顶盖之间，所述绝缘保护板上设置有贯穿其厚度的多个第二通气孔，所述绝缘保护板能够阻止所述离子在所述等离子体鞘层的电压的驱动下轰击所述金属板的表面。

2.根据权利要求1所述的预清洗腔室，其特征在于，所述绝缘保护板与所述金属板贴合，所述多个第二通气孔和所述多个第一通气孔一一对应，且所述第一通气孔和所述第二通气孔的尺寸小于所述等离子体鞘层的厚度。

3.根据权利要求2所述的预清洗腔室，其特征在于，所述第一通气孔和所述第二通气孔的直径为0.2-10mm。

4.根据权利要求1所述的预清洗腔室，其特征在于，所述绝缘保护板的材料包括陶瓷材料。

5.根据权利要求1所述的预清洗腔室，其特征在于，所述绝缘保护板的厚度为10-20mm。

6.根据权利要求1所述的预清洗腔室，其特征在于，所述金属板的厚度为20-50mm。

7.根据权利要求1至6任意一项所述的预清洗腔室，其特征在于，所述金属板上还设置有至少一个第一定位部，所述绝缘保护板上还设置有至少一个第二定位部，所述第一定位部与所述第二定位部对应设置，且所述第一定位部设置在所述第二定位部中，以使得所述绝缘保护板处于所述金属板的预设位置。

8.根据权利要求7所述的预清洗腔室，其特征在于，所述第一定位部包括卡接部，所述第二定位部包括卡槽，所述卡接部设置在所述卡槽中。

9.根据权利要求7所述的预清洗腔室，其特征在于，所述第一定位部包括第一安装孔，所述第二定位部包括第二安装孔，所述预清洗腔室还包括定位销，所述定位销安装在所述第一安装孔和所述第二安装孔内。

10.一种半导体加工设备，其特征在于，所述半导体加工设备包括权利要求1至9任意一项所述的预清洗腔室。