CN109755089B - 等离子体腔室及半导体加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种等离子体腔室，包括腔体、保护筒、基座、卡环和壳体，腔体内还设有壳体；在等离子体腔室进行反应加工时，所述壳体的内表面和所述保护筒的内表面围成第一空间，所述基座和所述卡环位于所述第一空间内；所述基座能够施加射频功率；所述腔体的内表面、所述壳体的外表面和所述保护筒的外表面之间形成第二空间；所述壳体接地，用以对所述第二空间屏蔽来自所述基座和所述卡环上施加的射频功率。本发明还提供半导体加工设备，可以保证位于基座下方的较大空间不会发生起辉，从而可以获得稳定的工艺结果。

Description

等离子体腔室及半导体加工设备

技术领域

本发明属于半导体加工设备技术领域，具体涉及一种等离子体腔室及半导体加工设备。

背景技术

等离子体设备被广泛用于当今的半导体、太阳能电池、平板显示等制作工艺中。等离子体设备的类型目前有：直流放电等离子体类型、电容耦合等离子体(CCP)类型、电感耦合等离子体(ICP)类型以及电子回旋共振等离子体(ECR)等类型。目前，等离子体被广泛应用于物理气相沉积(PVD)、等离子体刻蚀以及等离子体化学气相沉积(PECVD)中。

PVD的主要原理是：在阴极(即靶)上施加负电压，当真空室体内达到适当的环境(或条件)进行起辉辉光放电产生等离子体，等离子体中的带正电的气体原子(离子)受到带负电的靶表面的吸引，对负电位的靶撞击，使得靶上的原子从靶表面崩射出来并沉积在基片上，从而形成了一层非常薄的、原子依次排列的膜层。

图1为现有PVD腔室的结构示意图，请参阅图1，该PVD腔室包括腔体1、保护筒2、基座3、卡环4、基座保护罩5。其中，基座3位于腔体1内，用于承载基片；保护筒2的下端位于腔体1内，且形成有朝向筒内部延伸的环形悬臂21，该环形悬臂与基座3的侧壁之间有一定间隙；卡环4的内环部分叠压位于基座3上的基片S的边缘区域，外环部分叠压在环形悬臂上，环形悬臂21和卡环4的位置关系如图2所示，在环形悬臂21上设置有朝向卡环4设置的环形挡墙，卡环4的下表面设置有两个朝向环形悬臂21设置的环形挡墙，环形悬臂21上的环形挡墙在卡环4的两个环形挡墙之间对卡环4支撑，环形悬臂21和卡环4之间的环形壁会形成“迷宫结构”，图2中箭头表示工艺气体在迷宫结构中的传输路径，从图2可知，构成该“迷宫结构”的环形壁可将较多的等离子体阻挡，因而可很好地避免基座3上部空间和下部空间导通，也就很好地降低起辉现象发生的可能性；在保护筒3的上端设置有靶材6，在工艺时，靶材6上施加负电压，腔体内充工艺气体，通过起辉形成等离子体轰击靶材6，将靶材6上的原子崩射出来并沉积在晶片上，从而完成镀膜工艺。为了更好的控制靶材6上的原子的运动轨迹，使其尽可能的竖直运动，可在基座3上施加一个射频偏压RF，基座保护罩5的作用除了承托基座3之外，还会通过接地的方式屏蔽RF，避免基座3下方的下部空间起辉。

在实际应用中，采用上述PVD腔室在实际应用中会存在以下问题：虽然基座保护罩5能够在一定程度上避免下部空间起辉，但是，偶尔还会出现下部空间起辉。

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，提出了一种等离子体腔室和半导体加工设备，可以保证位于基座下方的较大空间不会发生起辉，从而可以获得稳定的工艺结果。

为解决上述问题之一，本发明提供了一种等离子体腔室，包括腔体、保护筒、基座及卡环，所述腔体内还设有壳体；在所述等离子体腔室进行反应加工时，所述壳体的内表面和所述保护筒的内表面围成第一空间，所述基座和所述卡环位于所述第一空间内；所述基座能够施加射频功率；所述腔体的内表面、所述壳体的外表面和所述保护筒的外表面之间形成第二空间；所述壳体接地，用以对所述第二空间屏蔽来自所述基座和所述卡环上施加的射频功率。

优选地，所述壳体为一端封闭一端开口的套筒件；所述壳体的开口朝向所述保护筒的底部设置。

优选地，所述壳体与所述基座的底部固定，能随所述基座升降而升降；所述壳体的内侧壁与所述保护筒的外侧壁之间存在预设间隙，所述预设间隙用于阻挡等离子体进入所述第二空间且保证所述壳体顺利在所述保护筒的侧壁外侧随着所述基座升降。

优选地，所述基座包括基座本体和基座保护罩，所述基座保护罩包围所述基座本体的下表面和侧壁；所述基座保护罩接地；所述壳体与所述基座保护罩固定连接。

优选地，所述保护筒的下端部形成有朝向所述保护筒的中心延伸的环形悬臂；所述卡环的内环部分叠压在位于所述基座上基片的边缘区域，外环部分叠压在所述环形悬臂上。

优选地，所述卡环的下表面形成有至少两个第一环形挡墙；所述环形悬臂的上表面形成有至少两个第二环形挡墙；所述第一环形挡墙和所述第二环形挡墙在所述卡环叠压在所述环形悬臂上时二者交替排列。

优选地，所述保护筒的下部位于所述腔体内，所述保护筒的上端贯穿所述腔体的顶壁位于所述腔体的外部。

优选地，所述保护筒的上端面所在位置作为靶材位，用于安装靶材；所述靶材位于所述第一空间的顶部。

作为另外一个技术方案，本发明还提供一种半导体加工设备，包括等离子体腔室，所述等离子体腔室采用上述提供的等离子体腔室。

优选地，所述等离子体腔室为磁控溅射沉积腔室。

本发明具有以下有益效果：

本发明中，借助壳体在腔体内将腔室分为第一空间和第二空间，其中，第一空间由壳体的内表面和保护筒的内表面限制形成，第二空间由腔体的内表面、壳体的外表面和保护筒的外表面限制形成，并且，由于借助壳体接地，可以对第二空间屏蔽来自所述基座和所述卡环上施加的射频功率，因此，可以保证位于壳体下方的较大的第二空间不会发生起辉，即，基座下方的较大空间不会发生起辉，从而可以获得稳定的工艺结果。

附图说明

图1为现有PVD腔室的结构示意图；

图2为图1中环形悬臂和卡环之间的位置关系局部放大示意图；

图3为本发明实施例提供的等离子体腔室的结构示意图；

图4为基座上升至工艺位置时环形悬臂、基座、壳体和卡环的位置关系局部放大图；

图5为基座上升至工艺位置时环形悬臂、基座、壳体和卡环的另一种位置关系局部放大图。

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，下面结合附图来对本发明提供的等离子体腔室及半导体加工设备进行详细描述。

在描述本发明实施例提供的等离子体腔室及半导体加工设备之前，先分析现有技术中偶尔还会出现下部空间起辉问题的原因：

基座上施加射频功率后，由于基片、卡环与基座相接触，因此，卡环和基片也均会带有射频功率，而基座保护罩仅屏蔽了基座上的射频功率，卡环的位于环形悬臂和基座之间的部分暴露在下部空间内，也就会使卡环上的射频功率耦合在下部空间内，从而会导致腔室的下部空间发生起辉。

图3为本发明实施例提供的等离子体腔室的结构示意图，请参阅图3，本发明实施例提供的等离子体腔室包括腔体10、保护筒20、基座30、卡环40和壳体50，在等离子体腔室进行反应加工时，基座30载着基片上升到工艺位置，从而使得壳体50的内表面和保护筒20的内表面围成第一空间，基座30和卡环40位于第一空间内，基座30用于承载基片，卡环40用于叠压住基片的边缘区域；基座30上能够施加射频功率；腔体10的内表面、壳体50的外表面和保护筒20的外表面之间形成第二空间；壳体50接地，用以对第二空间屏蔽来自基座30和卡环40上施加的射频功率。

本发明实施例提供的等离子体腔室，借助壳体50在腔体10内将腔室分为第一空间(包括子空间60和90)和第二空间70，其中，第一空间由壳体50的内表面和保护筒20的内表面限制形成，第二空间70由腔体10的内表面、壳体50的外表面和保护筒20的外表面限制形成，并且，由于借助壳体50接地，可以对第二空间屏蔽来自基座30和卡环40上施加的射频功率，因此，可以保证位于壳体50下方较大的第二空间70不会发生起辉，即，基座下方的较大空间不会发生起辉，从而可以获得稳定的工艺结果。

具体地，在本实施例中，如图3所示，优选地，壳体50为一端封闭一端开口的套筒件；壳体50的开口朝向保护筒20的底部设置，这样，可以尽可能地保证第一空间和第二空间隔离。

其中，保护筒20的下端形成有朝向保护筒的中心延伸的环形悬臂201；卡环40的内环部分叠压在位于基座30上基片S的边缘区域，外环部分叠压在环形悬臂201上，所谓内环部分是指靠近环心且沿卡环40周向的环形区域；所谓外环部分是指远离环心且沿卡环40周向的环形区域。可以理解，卡环40、环形悬臂201和基座30将第一空间划分为上下两个子空间60和90，子空间90作为工艺空间，子空间60相对于子空间90而言很小，通过牺牲该较小的子空间60保护较大的第二空间70，来防止卡环40和基座30上的射频功率耦合至第二空间70内。

优选地，基座30包括基座本体301和基座保护罩302；其中，基座保护罩302包围基座本体301的下表面和侧壁；基座保护罩302接地，用以屏蔽带有射频功率的基座本体301，壳体50与基座保护罩302固定连接，即通过基座保护罩302接地。借助接地的基座保护罩302屏蔽基座本体301，增强屏蔽基座30的效果，因而降低子空间60发生起辉的可能性，从而可以进一步保证工艺的稳定。

请参阅图4，基座30能够升降，壳体与基座的底部固定，能够随基座30升降而升降；壳体50的内侧壁与保护筒20的外侧壁之间存在预设间隙，预设间隙用于阻挡等离子体进入第二空间70且保证壳体顺利在保护筒20的侧壁外侧随着基座30升降，在此说明的是，该预设间隙应在满足壳体50可随基座30上升的前提下越小越好，以减少工艺气体自该预设间隙泄漏至第二空间70，保证第二空间70不会发生起辉现象。

图4中箭头表示气体流窜到第二空间70的运动路径，从图4可知：在基座30位于工艺位置时，壳体50的侧壁阻挡工艺气体流动，此时，即使卡环40和环形悬臂201相叠压位置处未形成“迷宫结构”，仍然可以避免气体流窜至第二空间70中，避免第二空间70内发生起辉现象。

优选地，如图4所示，在卡环40的下表面形成有第一环形挡墙401；在环形悬臂201的上表面形成有第二环形挡墙2011；第一环形挡墙401和第二环形挡墙2011在卡环40叠压在环形悬臂201上时二者交替排列，这种情况下，在基座30上升带动卡环40上升至工艺位置(如图3所示)时，第一环形挡墙401和第二环形挡墙2011形成“迷宫结构”，以避免较多的气体扩散至子腔室60中，降低子腔室60中发生起辉现象的可能性。

另外，本实施例中，在基座30上升将卡环40顶起的同时壳体50也沿着保护筒20的外侧壁同时上升，这样，虽然卡环40和环形悬臂20二者形成的“迷宫结构”的效果会降低，但是壳体50的内侧壁和保护筒20的外侧壁会具有一定的“迷宫结构”的效果，能够补偿卡环40和环形悬臂20二者形成的“迷宫结构”的效果的降低，这与现有技术工艺位置的高度受限相比，基座30上升的工艺位置可以设置的更高，故，增大了工艺窗口。

进一步优选地，第一环形挡墙401的数量为至少两个(图4中为2个)；第二环形挡墙2011的数量相对第一环形挡墙401的数量多或少一个(图4中为1个)；所有的第一环形挡墙401和所有的所述第二环形挡墙2011在卡环40叠压在环形悬臂2011上时二者交替排列，即，自图4中的左至右分别为：第一环形挡墙401、第二环形挡墙2011、第一环形挡墙401、第二环形挡墙2011、如此循环；或者，第二环形挡墙2011、第一环形挡墙401、第二环形挡墙2011、第一环形挡墙401、如此循环。

具体地，如图4所示，第一环形挡墙401的数量为2个，第二环形挡墙2011的数量为1个；如图5所示，第一环形挡墙401的数量为3个，第二环形挡墙2011的数量为2个。

由于卡环40和环形悬臂201二者形成的“迷宫结构”较复杂，能够很好地避免气体流窜至位于下方的子腔室60中，从而在很大程度上降低了子腔室60发生起辉的可能性。

在实际应用中，基于上述相似的理由，也可以：第二环形挡墙2011的数量为至少两个；第一环形挡墙401的数量相对第二环形挡墙2011的数量多或少一个；所有的第一环形挡墙401和所有的第二环形挡墙2011在卡环40叠压在环形悬臂201上时二者交替排列。

在本实施例中，保护筒20的上端贯穿腔体1的顶壁位于腔体的外部。保护筒20的上端面所在位置作为靶材位，用于安装靶材80；靶材80、保护筒20的内壁、卡环40和基座30的上表面形成工艺空间90。

需要在此说明的是，虽然在本实施例中壳体50通过与基座保护罩402固定进行接地以及得以支撑，但是，本发明并不局限于此，在实际应用中，只要保证壳体50接地以及被支撑即可。

实施例2

本发明实施例还提供半导体加工设备，包括等离子体腔室，所述等离子体腔室采用上述实施例1提供的等离子体腔室。

半导体加工设备还可以但不限于：装卸载腔室和传输腔室，装卸载腔室用于放置未完成工艺或者已完成工艺的基片；传输腔室用于在装卸载腔室和等离子体腔室之间传输基片。

所述等离子腔室包括但不限于：物理气相沉积腔室、化学气相沉积腔室以及刻蚀腔室。

本发明实施例半导体加工设备，由于采用本发明上述实施例1提供的等离子体腔室，因此，可以提高工艺的稳定性。

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)

1.一种等离子体腔室，包括腔体、保护筒、基座及卡环，其特征在于，所述腔体内还设有壳体；在所述等离子体腔室进行反应加工时，所述壳体的内表面和所述保护筒的内表面围成第一空间，所述基座和所述卡环位于所述第一空间内；所述基座能够施加射频功率；所述腔体的内表面、所述壳体的外表面和所述保护筒的外表面之间形成第二空间；所述壳体接地，用以对所述第二空间屏蔽来自所述基座和所述卡环上施加的射频功率。

2.根据权利要求1所述的等离子体腔室，其特征在于，所述壳体为一端封闭一端开口的套筒件；

所述壳体的开口朝向所述保护筒的底部设置。

3.根据权利要求1或2所述的等离子体腔室，其特征在于，

所述壳体与所述基座的底部固定，能随所述基座升降而升降；

所述壳体的内侧壁与所述保护筒的外侧壁之间存在预设间隙，所述预设间隙用于阻挡等离子体进入所述第二空间且保证所述壳体顺利在所述保护筒的侧壁外侧随着所述基座升降。

4.根据权利要求3所述的等离子体腔室，其特征在于，所述基座包括基座本体和基座保护罩，所述基座保护罩包围所述基座本体的下表面和侧壁；所述基座保护罩接地；所述壳体与所述基座保护罩固定连接。

5.根据权利要求3所述的等离子体腔室，其特征在于，所述保护筒的下端部形成有朝向所述保护筒的中心延伸的环形悬臂；

所述卡环的内环部分叠压在位于所述基座上基片的边缘区域，外环部分叠压在所述环形悬臂上。

6.根据权利要求5所述的等离子体腔室，其特征在于，所述卡环的下表面形成有至少两个第一环形挡墙；

所述环形悬臂的上表面形成有至少两个第二环形挡墙；

所述第一环形挡墙和所述第二环形挡墙在所述卡环叠压在所述环形悬臂上时二者交替排列。

7.根据权利要求1所述的等离子体腔室，其特征在于，所述保护筒的下部位于所述腔体内，所述保护筒的上端贯穿所述腔体的顶壁位于所述腔体的外部。

8.根据权利要求1所述的等离子体腔室，其特征在于，所述保护筒的上端面所在位置作为靶材位，用于安装靶材；所述靶材位于所述第一空间的顶部。

9.一种半导体加工设备，包括等离子体腔室，其特征在于，所述等离子体腔室采用权利要求1-8任意一项所述的等离子体腔室。

10.根据权利要求9所述的半导体加工设备，其特征在于，所述等离子体腔室为磁控溅射沉积腔室。

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