CN109950121B - 一种通电离子源挡板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通电离子源挡板，包括金属挡板、高压电源、配重块和挡板旋转驱动装置；金属挡板同轴设置在离子源和晶圆之间的蚀刻腔体内，金属挡板面积大于离子源的离子束出口面积；金属挡板和高压电源电连接，金属挡板表面具有正电荷；配重块设置在金属挡板底部，邻近配重块的金属挡板与挡板旋转驱动装置相连接，并在挡板旋转驱动装置的驱动作用下，进行旋转转动；离子源包括射频、加速电场和中和器。本发明不仅可以阻挡不必要的离子束流对晶圆的损坏，而且使得挡板不受离子束的轰击产生不必要的颗粒，污染真空环境，使其更换周期极大限度的延长。同时，挡板材料可以使用普通金属，极大的降低了成本。

Description

一种通电离子源挡板

技术领域

本发明涉及半导体器件及芯片等制造领域，特别是一种通电离子源挡板。

背景技术

随着半导体器件的发展，晶片图形精度越来越高，常规的湿法腐蚀由于难以避免的横向钻蚀，已经不能满足高精度细线条图形刻蚀的要求，于是逐步发展了一系列干法刻蚀技术。应用比较普遍的有等离子刻蚀、反应离子刻蚀、二极溅射刻蚀、离子束刻蚀。等离子刻蚀和反应离子刻蚀都离不开反应气体，刻蚀不同材料需要不同的反应气体及组分，需要不同的激励方式和激励条件。反应气体一般是氯化物或氟化物，还有的材料很难找到合适的反应气体，如Pt，往往采用纯物理作用的二极溅射刻蚀或者离子束刻蚀。

离子束刻蚀是由一个离子源提供离子，离子能量低密度大，对基片损伤小，刻蚀速率快。由于离子束刻蚀对材料无选择性，特别适用于一些对化学研磨、电介研磨难以减薄的材料的减薄。另外，离子束刻蚀是各向异性腐蚀，所以图形转移精度高，细线条的线宽损失小，离子束刻蚀只使用氩气即可，不需要反应气体，工艺安全，对环境污染小，运转成本低，尤其适于采用化学方法难以刻蚀的材料及精密的超薄膜刻蚀。

离子束刻蚀机是一种高真空刻蚀设备，其采用物理刻蚀方式，利用专门的离子源产生离子束，经过加速的离子束可对任何材料实现各向异性刻蚀。材料基片用于刻蚀时，材料基片表面有一层掩膜材料，其上有已经光刻好的图形，材料基片上要去除部分的掩膜材料已去除，离子束将未被掩膜材料遮挡的部分轰击掉。离子束刻蚀机主要用于（Au）、铂（Pt）、NiCr 合金、铜（Cu）等金属薄膜进行干法刻蚀。

离子源从起辉放电到引出稳定的离子束流需要一段时间，在此段时间内，须在离子源与材料基片之间设置挡板，将不稳定的离子束流挡住，直至离子束稳定后再打开挡板开始刻蚀工艺，当刻蚀工艺结束后，离子束不能立刻截止，此时挡板将剩余离子束流挡住，从而保证刻蚀工艺的可控性。目前现有的离子束刻蚀机设备具有如下不足：

1.所采用的挡板以石墨和MO材料为主，两种材料成本高昂。

2.现有技术均会导致离子束流直接轰击挡板，一方面难免会在真空腔室中产生颗粒，这些颗粒在半导体生产中是影响非常巨大的；另一方面挡板成为易耗品，加上本身材料成本的高昂，使得整体机台成本进一步提高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种通电离子源挡板，该通电离子源挡板不仅可以阻挡不必要的离子束流对晶圆的损坏，而且使得挡板不受离子束的轰击产生不必要的颗粒，污染真空环境，使其更换周期极大限度的延长。同时，挡板材料可以使用普通金属，极大的降低了成本。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种通电离子源挡板，包括金属挡板、高压电源、配重块和挡板旋转驱动装置。

金属挡板同轴设置在离子源和晶圆之间的蚀刻腔体内，金属挡板面积大于离子源的离子束出口面积。

金属挡板和高压电源电连接，金属挡板表面具有正电荷。

配重块设置在金属挡板底部，邻近配重块的金属挡板与挡板旋转驱动装置相连接，并在挡板旋转驱动装置的驱动作用下，进行旋转转动。

离子源包括射频、加速电场和中和器。

蚀刻过程为：金属挡板转动，离开离子源的离子束出口，离子源尾部通惰性气体，经过射频后电离出正离子，正离子通过加速电场加速并与中和器释放的电子中和成不带电荷的离子束进行蚀刻。

蚀刻前，金属挡板转动并完全遮挡离子源的离子束出口，金属挡板连通高压电源，表面带正电荷；同时，中和器关闭，当正离子接近金属挡板表面时，由于电磁斥力，正离子被相斥并由真空泵抽走。

高压电源的电压不高于加速电场中的最低电压。

高压电源的电压等于加速电场中的最低电压。

金属挡板的材质为316L不锈钢或硬化阳极处理的铝合金。

挡板旋转驱动装置通过动密封机构与蚀刻腔体的腔盖密封连接。

动密封机构为磁流体密封装置，磁流体密封装置包括从外至内同轴套设的定子和转子，挡板旋转驱动装置为伺服电机；定子与腔盖紧固连接，转子中转轴的一端伸入到蚀刻腔体内部与金属挡板相连接，转子中转轴的另一端通过联轴器与蚀刻腔体外部的伺服电机相连接。

定子和转子之间设置密封槽，在密封槽中放置密封圈。

本发明具有如下有益效果：

1、能够阻挡不必要的离子束流对晶圆的损坏。

2、使得挡板不受离子束的轰击产生不必要的颗粒，污染真空环境，使其更换周期极大限度的延长。

3、挡板材料可以使用普通金属，极大的降低了成本。

附图说明

图1显示了含有本发明一种通电离子源挡板的刻蚀系统示意图。

图2显示了挡板离开离子源后蚀刻时的示意图。

图3显示了本发明一种通电离子源挡板遮挡时的示意图。

图4显示了本发明一种通电离子源挡板的示意图。

其中有：

1.蚀刻腔体；2.蚀刻电极；3.晶圆；4.金属挡板；41.磁流体固定孔；42.配重块固定孔；43.正电荷；5.配重块；6.定子；7.转子；8.联轴器；9.伺服电机；10.离子源；11.中和器；12.射频；13.加速电场；14.正离子；15.电子；16.离子。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种通电离子源挡板，包括金属挡板4、高压电源HV、配重块5和挡板旋转驱动装置。

金属挡板同轴设置在离子源10和晶圆3之间的蚀刻腔体1内，金属挡板面积大于离子源10的离子束出口面积。

蚀刻腔体为真空腔室，外接有真空泵。

晶圆安装在蚀刻电极2上，能沿自身轴线旋转。

金属挡板的材质可以为316L不锈钢或硬化阳极处理的铝合金等普通金属，不需使用以石墨和MO材料为主的高昂材料，从而降低了成本。

金属挡板和高压电源电连接，金属挡板表面具有正电荷43。

如图4所示，金属挡板的摆杆底部设置有磁流体固定孔41和配重块固定孔42，磁流体固定孔位于配重块固定孔上方。其中，配重块优选通过螺栓固定在配重块固定孔处，挡板旋转驱动装置直接或间接安装在磁流体固定孔处。

金属挡板在挡板旋转驱动装置的驱动作用下，进行旋转转动；挡板旋转驱动装置优选为伺服电机9。

挡板旋转驱动装置通过动密封机构与蚀刻腔体的腔盖密封连接。

动密封机构优选为磁流体密封装置，磁流体密封装置包括从外至内同轴套设的定子6和转子7；定子优选通过螺栓与腔盖紧固连接，转子中转轴的一端伸入到蚀刻腔体内部与金属挡板相连接，转子中转轴的另一端优选通过联轴器8与蚀刻腔体外部的伺服电机相连接。

定子和转子之间优选设置密封槽，在密封槽中放置密封圈，从而保证真空腔体内部不会漏气。磁流体密封技术是在磁性流体的基础上发展而来的，当磁流体注入磁场（也即本发明的定子和转子之间）的间隙时，它可以充满整个间隙，形成一种“液体的O型密封圈”。磁流体密封装置的功能是把旋转运动传递到密封容器（本发明中的蚀刻腔体）内，本发明中采用磁流体密封装置可将刻蚀腔体与腔盖更为紧密地连接，保证真空腔室内部的高真空环境。

金属挡板4通过伺服电机9带动转子7同步转动，由于金属挡板重心偏离轴心，导致转动过程中磁流体密封装置承受过大的偏心弯矩，容易使磁流体密封装置损坏，且转动不流畅。本发明在金属挡板4尾部配有配重块5同步转动。转子7同金属挡板4和配重块5一起转动时，即处于转子7的中心轴线上，使得磁流体密封装置在转动时只承受伺服电机9输出的扭矩，而不承受径向的力，转动平稳，从而能够使得延长使用寿命。

离子源包括射频12、加速电场13和中和器11。高压电源的电压不高于加速电场中的最低电压，优选与加速电场中的最低电压保持一致。

开始刻蚀工艺时，如图2所示，离子源10尾部通惰性气体，如氩气，经过射频12后电离出正离子14，正离子14通过加速电场13加速并与中和器11释放的电子15中和成不带电荷的离子16，此离子16快速轰击晶圆3表面，达到刻蚀晶圆3的目的，金属挡板4处于图2所示位置，让出离子束流通道，使离子束流无阻碍的刻蚀晶圆3。

开始刻蚀工艺时，如图2所示，离子源10尾部通惰性气体，如氩气，经过射频12后电离出正离子14，正离子14通过加速电场13加速并与中和器11释放的电子15中和成不带电荷的离子16，此离子16快速轰击晶圆3表面，达到刻蚀晶圆3的目的，此处中和器11释放的电子15数量可以调节，也就是轰击晶圆3表面的离子16数量受中和器11调节，剩余未被中和的正离子14由于加速电场的负极存在，会运动一段距离后受负极电磁力作用折回并被负电极中和，最终被真空泵抽走。金属挡板4处于图2所示位置，让出离子束流通道，使离子束流无阻碍的刻蚀晶圆3。

离子源从起辉放电到引出稳定的离子束流需要一段时间，在此段时间内，金属挡板4通过伺服电机9转动到离子源与晶圆3之间，如图3所示，将不稳定的离子束流挡住，以防止不必要的离子束损坏晶圆3，直至离子束稳定后再打开金属挡板4开始刻蚀工艺；同样，当刻蚀工艺结束后，离子束不能立刻截止，此时金属挡板4通过伺服电机9转动到离子源与晶圆3之间，如图3所示，将剩余离子束流挡住，从而保证刻蚀工艺的可控性。然而此过程虽然保护了晶圆3，但是金属挡板4在离子束的轰击下会产生颗粒，这些颗粒在半导体生产中是影响非常巨大的，污染真空腔体，影响后续刻蚀工艺，为了解决上述问题，本发明将金属挡板4通上高压电源，其带有正电荷，并同时关闭中和器11，当正离子束流接近金属挡板4表面时，由于电磁斥力，该正离子束流将被相斥并由真空泵抽走，此电压应与加速电场13中最低电压保持一致，这样既保证了正离子14被有效斥开，又可以保证正离子14不会因为有过高的加速度反向轰击离子源10，这样不仅起到了保护晶圆3不被离子束损坏的作用，又使得金属挡板不受离子束的轰击产生不必要的颗粒，污染真空环境，使其更换周期极大限度的延长，同时由于金属挡板无需承受离子束轰击，其材料可以为普通金属如316L不锈钢、硬化阳极处理的铝合金，降低了成本。该金属挡板4的一种机械结构简图如图4所示，金属挡板区域成圆形，面积大于离子源出口面积，这样可以有效阻挡几乎全部的离子束，根部为磁流体固定和配重块固定，结构简单，便于加工和使用。

本发明的一种离子源金属挡板，不仅可以阻挡离子束流对晶圆的损坏，而且使得金属挡板不受离子束的轰击产生不必要的颗粒，污染真空环境，使其更换周期极大限度的延长，同时其材料可以为普通金属，降低了成本，保证了真空腔室的清洁度和刻蚀工艺的品质和可控性。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种通电离子源挡板，其特征在于：包括金属挡板、高压电源、配重块和挡板旋转驱动装置；

金属挡板同轴设置在离子源和晶圆之间的蚀刻腔体内，金属挡板面积大于离子源的离子束出口面积；

金属挡板和高压电源电连接，金属挡板表面具有正电荷；

配重块设置在金属挡板底部，邻近配重块的金属挡板与挡板旋转驱动装置相连接，并在挡板旋转驱动装置的驱动作用下，进行旋转转动；挡板旋转驱动装置通过动密封机构与蚀刻腔体的腔盖密封连接；动密封机构为磁流体密封装置；

离子源包括射频、加速电场和中和器；

蚀刻过程为：金属挡板转动，离开离子源的离子束出口，离子源尾部通惰性气体，经过射频后电离出正离子，正离子通过加速电场加速并与中和器释放的电子中和成不带电荷的离子束进行蚀刻；

蚀刻前，金属挡板转动并完全遮挡离子源的离子束出口，金属挡板连通高压电源，表面带正电荷；同时，中和器关闭，当正离子接近金属挡板表面时，由于电磁斥力，正离子被相斥并由真空泵抽走。

2.根据权利要求1所述的通电离子源挡板，其特征在于：高压电源的电压不高于加速电场中的最低电压。

3.根据权利要求2所述的通电离子源挡板，其特征在于：高压电源的电压等于加速电场中的最低电压。

4.根据权利要求1所述的通电离子源挡板，其特征在于：金属挡板的材质为316L不锈钢或硬化阳极处理的铝合金。

5.根据权利要求1所述的通电离子源挡板，其特征在于：磁流体密封装置包括从外至内同轴套设的定子和转子，挡板旋转驱动装置为伺服电机；定子与腔盖紧固连接，转子中转轴的一端伸入到蚀刻腔体内部与金属挡板相连接，转子中转轴的另一端通过联轴器与蚀刻腔体外部的伺服电机相连接。

6.根据权利要求5所述的通电离子源挡板，其特征在于：定子和转子之间设置密封槽，在密封槽中放置密封圈。

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