CN110047724B - 一种离子束刻蚀用双层挡板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离子束刻蚀用双层挡板，设置在位于离子源与晶圆之间的刻蚀反应腔体内，用于阻挡离子源射向晶圆的离子束；双层挡板包括平行并列设置且能同步转动的前挡板和后挡板，其中，前挡板邻近离子源的栅格网，后挡板邻近晶圆；前挡板和后挡板的面积均大于格栅网的面积；前挡板上设置有若干个贯通的溅射网孔。前挡板上溅射网孔的Z向纵截面为长条形、圆形、正方形、三角形、椭圆形、多边形或同心环形中的一种或组合。本发明采用两层挡板的设计，能减少所有可能会溅射进离子源内部的导电材料，保护了离子源不受伤害。

Description

一种离子束刻蚀用双层挡板

技术领域

本发明涉及半导体器件及芯片等制造领域，特别是一种离子束刻蚀用双层挡板。

背景技术

在半导体器件及芯片等的制造工艺中，刻蚀工艺是众多工艺中最频繁被采用和出现的。IC制造的刻蚀工艺中，会部分或者全部刻蚀，从而去除掉芯片上的某些材料。在所有的刻蚀工艺中，等离子体刻蚀以及离子束刻蚀（IBE）工艺越来越重要，尤其是随着芯片集成度提高，关键尺寸缩小，高选择比以及精确的图形转移等工艺需求的提高，更突显了等离子体刻蚀和离子束刻蚀的优点。

随着芯片关键结构从平面转向3D结构（例如：逻辑器件中的FinFET结构）和先进存储器结构（例如：磁存储器（MRAM）和阻变存储器（ReRAM），因而，对刻蚀工艺要求的精确度、重复性及工艺质量的要求，也越来越高。

离子束刻蚀是利用具有一定能量的离子轰击材料表面，使材料原子发生溅射，从而达到刻蚀目的。把Ar，Kr或Xe之类的惰性气体充入离子源放电室并使其电离形成等离子体，然后由栅极将离子呈束状引出并加速，具有一定能量的离子束进入工作室，射向固体表面撞击固体表面原子，使材料原子发生溅射，达到刻蚀目的，属纯物理过程。离子束刻蚀具有如下方向的优点：

1、方向性好，各向异性，陡直度高；分辨率高，可达到0.01µm。

2、不受刻蚀材料限制（金属和化合物，无机物和有机物，绝缘体和半导体即可）。

3、刻蚀过程中可改变离子束入射角θ来控制图形轮廓。

4、由于离子束刻蚀对材料无选择性，对于那些无法或者难以通过化学研磨、电介研磨难以减薄的材料，可以通过离子束来进行减薄。

5、由于离子束能逐层剥离原子层，所以具有的微分析样品能力，并且可以用来进行精密加工。

如图1所示，在离子束刻蚀系统中，为了防止晶圆3在尚未到达工艺位置时，离子束对晶圆和电极的伤害，因而通常会在离子源与晶圆之间设置一个普通挡板140。然而，由于普通挡板距离离子源6较近，如图3所示，当离子束以一定速度到达普通挡板表面时，会有部分离子束被普通挡板反射，也即沿着图3中的普通挡板离子束溅射方向51，从而进入离子源内部及其栅格网7的表面，并在两者表面发生沉积，造成离子源内部的绝缘部件及格栅网表面累积导电物质，产生接地效果，使两个部件发生打火、短路以及机械损坏。

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，而提供一种离子束刻蚀用双层挡板，该离子束刻蚀用双层挡板采用两层挡板的设计，能减少所有可能会溅射进离子源内部的导电材料，保护了离子源不受伤害。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种离子束刻蚀用双层挡板，双层挡板设置在位于离子源与晶圆之间的刻蚀反应腔体内，用于阻挡离子源射向晶圆的离子束；双层挡板包括平行并列设置且能同步转动的前挡板和后挡板，其中，前挡板邻近离子源的栅格网，后挡板邻近晶圆；前挡板和后挡板的面积均大于格栅网的面积。

前挡板上设置有若干个贯通的溅射网孔。

假设沿前挡板厚度方向的纵截面为Y向纵截面，沿垂直于厚度方面的纵截面为Z向纵截面，则前挡板上溅射网孔的Z向纵截面为长条形、圆形、正方形、三角形、椭圆形、多边形或同心环形中的一种或组合。

假设溅射网孔朝向格栅网的Z向纵截面面积为a，溅射网孔朝向后挡板的Z向纵截面面积为b，溅射网孔中间部位的Z向纵截面面积为c，则a、b和c值不相等。

溅射网孔的Y向纵截面为梯形。

a＞c＞b。

溅射网孔的Y向纵截面为哑铃型，a＞c，b＞c。

本发明具有如下有益效果：

两层挡板的设计，几乎减少了所有可能会溅射进离子源内部的导电材料，保护了离子源不受伤害。离子束走向为：离子束从离子源沿着离子束发射方向打到前挡板表面后，被前挡板遮住的离子束轰击到溅射网孔的斜面上，前挡板上被溅射下来的材料会沿着前挡板离子束溅射方向发散至离子源的格栅网以外的地方，减少了诸多溅射到格栅网及绝缘筒内的导电材料，降低了离子源的损伤几率；未被前挡板遮挡住的离子束经前挡板上的溅射网孔穿过，也即沿溅射网孔离子束穿射方向到达距离前挡板后方不远处的后挡板，后挡板形状与相似，上部遮挡部为一块完整的圆盘，离子束轰击后挡板的表面，溅射下来的材料沿后挡板离子束溅射方向被反射到前挡板的背面，实现了预遮挡效果。

附图说明

图1显示了现有技术中离子束刻蚀系统的工作原理图。

图2显示了现有技术中普通挡板工作时的上下极限位置示意图。

图3显示了现有技术中普通挡板工作时的挡板溅射示意图。

图4显示了本发明中离子束刻蚀用双层挡板工作时的挡板溅射示意图。

图5显示了前挡板中溅射网孔的Z向纵截面为长条形时的示意图。

图6显示了前挡板中溅射网孔的Y向纵截面为梯形时的另一种实施例图。

图7显示了前挡板中溅射网孔的Y向纵截面为哑铃形时的示意图。

图8显示了前挡板中溅射网孔的Z向纵截面为圆形时的示意图。

图9显示了前挡板中溅射网孔的Z向纵截面为正方形时的示意图。

图10显示了前挡板中溅射网孔的Z向纵截面为同心圆环时的示意图。

其中有：

1.刻蚀反应腔体；2.刻蚀载片台；3.晶圆；

4.双层挡板；100.前挡板；101.溅射网孔；120.上极限位置；130.下极限位置；140.普通挡板；150.后挡板；

5.挡板驱动装置；

50.离子束发射方向；51.普通挡板离子束溅射方向；52.溅射网孔离子束穿射方向；53.后挡板离子束溅射方向；70.前挡板离子束溅射方向；

6.离子源；7.格栅网；8.外部固定罩；9.绝缘筒。

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4所示，一种离子束刻蚀用双层挡板，设置在位于离子源6与晶圆3之间的刻蚀反应腔体1内，用于阻挡离子源射向晶圆的离子束。

刻蚀反应腔体为一个具有中空特征的多面体结构，在一个侧边上开有矩形孔，该矩形孔的尺寸符合半导体Semi S2认证的标准，根据该系统适用的晶圆来调整该矩形孔的标准尺寸，该矩形孔可供机械手承载晶圆进入刻蚀反应腔体，将晶圆放置于刻蚀载片台上之后，机械手从该矩形孔中退出，关闭外部安装的门阀，使得刻蚀反应腔室体内部成为密闭真空状态。

晶圆和离子源同轴设置，晶圆放置在刻蚀载片台2上，且能沿轴线转动。

刻蚀载片台位于刻蚀反应腔体中部，呈L型，其顶部连接至刻蚀反应腔体外部，通过电机或其他驱动机构使得刻蚀载片台可绕连接关节轴线旋转，根据工艺要求，在进行刻蚀工艺时，将刻蚀载片台设置成一个角度位置，开启离子源释放离子束，对放置在刻蚀载片台之上的晶圆进行刻蚀。

离子源的外周依次同轴套装有绝缘筒9和外部固定罩8，离子源的离子束出口处设置有格栅网7。

双层挡板4包括平行并列设置且能同步转动的前挡板100和后挡板150，其中，前挡板邻近离子源的栅格网，后挡板邻近晶圆；前挡板和后挡板的面积均大于格栅网的面积。

前挡板和后挡板的同步转动优选有设置在刻蚀反应腔体侧壁上的挡板驱动装置5所驱动，挡板驱动装置为电机或气缸等。

前挡板和后挡板在转动过程中，均具有如图2所示的上极限位置120和下极限位置130，其中，上极限位置为正好将格栅网全部遮挡的位置，下极限位置优选呈水平状态。

在刻蚀载片台及晶圆尚未到达设定位置之前或离子源中离子束稳定发射前，双层挡板处于上极限位置，挡在格栅网及晶圆之间，对刻蚀载片台及晶圆进行保护，防止它们受到离子束的损伤从而影响成品质量。

当刻蚀载片台及晶圆到达设定刻蚀位置且离子源离子束稳定发射之后，挡板驱动装置带动双层挡板向下旋转离开格栅网口，并下降至下极限位置。离子源发射的离子束以一定的速度撞向晶圆表面，将晶圆表面未被覆盖的材料撞击出来，实现刻蚀效果。

目前存在的离子束刻蚀系统中的离子束挡板采用的都是平板遮挡，也即图1中的普通挡板140，相当于挡板与离子源的栅网成平行状，由于刻蚀反应腔体空间的限制，普通挡板与离子源的格栅网之间的距离比较近，如图3所示，在该系统中，普通挡板处于遮挡状态时，离子源发出的离子束经过格栅网的加速后沿着离子束发射方向50垂直射向普通挡板140的表面，普通挡板选用的通常是溅射速率很低的材质如石墨，碳纤维及钼等，离子束在碰到普通挡板4之后会出现将普通挡板材质轰击下来，诸多轰击溅射下来的挡板材料颗粒会沿着普通挡板离子束溅射方向51（也即与离子束发射方向50相反的方向）被反射回离子源内部的绝缘筒内，与绝缘筒内部材质发生反应，并在其内表面沉积，形成一层灰褐色的物质，该种物质的沉积可能会导致离子源内部能量的逐渐堆积，使得绝缘筒在使用过程中逐渐变成不透明，产生镜面反光，且绝缘筒内壁形成了导电层，长时间的累积会造成绝缘筒破裂。同时反射的材料反弹到离子源格栅网上造成导电接地，使得离子源格栅网损坏。

本发明中，双层挡板的设置，将能有效避免上述问题。

前挡板上设置有若干个贯通的溅射网孔101。

假设沿前挡板厚度方向的纵截面为Y向纵截面，沿垂直于厚度方面的纵截面为Z向纵截面，则前挡板上溅射网孔的Z向纵截面为长条形、圆形、正方形、三角形、椭圆形、多边形或同心环形中的一种或组合。

下面对溅射网孔的几种优选实施例进行说明如下。

实施例1 前挡板上溅射网孔的Z向纵截面为长条形

如图5所示，若干个长条形的溅射网孔优选相互平行。假设溅射网孔朝向格栅网的Z向纵截面面积为a，溅射网孔朝向后挡板的Z向纵截面面积为b，溅射网孔中间部位的Z向纵截面面积为c，则a、b和c值不相等。

此时，长条形溅射网孔的Y向纵截面有如下三种优选布设方式。

布设方式一、梯形

如图4所示，长条形溅射网孔的Y向纵截面为梯形，且a＞c＞b。

离子束从离子源沿着离子束发射方向50打到前挡板100表面后，被前挡板100遮住的离子束轰击到溅射网孔的斜面上，前挡板上被溅射下来的材料会沿着前挡板离子束溅射方向70发散至离子源的格栅网以外的地方，减少了诸多溅射到格栅网及绝缘筒内的导电材料，降低了离子源的损伤几率；未被前挡板100遮挡住的离子束经前挡板100上的溅射网孔穿过，也即沿溅射网孔离子束穿射方向52到达距离前挡板100后方不远处的后挡板150，后挡板150形状与100相似，上部遮挡部为一块完整的圆盘，离子束轰击后挡板150的表面，溅射下来的材料沿后挡板离子束溅射方向53被反射到前挡板100的背面，实现了预遮挡效果，两层挡板的设计几乎减少了所有可能会溅射进离子源内部的导电材料，保护了离子源不受伤害。

前挡板距离离子源栅网的距离在可以允许的范围内越大越好，距离越大，则溅射材料掉落在栅网中的数量越少。在不影响电极运动的前提下，后挡板距离前挡板的距离也越大越好。

布设方式二、梯形

如图6所示，长条形溅射网孔的Y向纵截面为梯形，且a＜c＜b。

布设方式二，能使得穿过前挡板100到达后挡板150表面的离子束增多，减少了离子束对前挡板100的损坏。

布设方式三、哑铃型

如图7所示，溅射网孔的Y向纵截面为哑铃型，且a＞c，b＞c。

布设方式三，能兼容布设方式一和二的优点，既能实现前挡板100的材料溅射影响离子源栅网及绝缘筒的程度，又能保护前挡板100可以少受到溅射，减小更换频率。

当然作为替换，在本实施例1中，相邻两个长条形也可互成角度，a、b和c值也可相等。

实施例2

前挡板上溅射网孔的Z向纵截面为如图8所示的圆形，各个圆形的尺寸可相同也可不相同，2≤圆形直径D≤10mm。圆形溅射网孔的Y向纵截面也具有实施例1中所说的三种优选布设方式。

实施例3

前挡板上溅射网孔的Z向纵截面为如图9所示的正方形，正方形溅射网孔的Y向纵截面也具有实施例1中所说的三种优选布设方式。

实施例4

前挡板上溅射网孔的Z向纵截面为如图10所示的同心圆环，相邻两圆环的宽度不限制，2≤相邻两圆环的宽度w≤10mm。同心圆环溅射网孔的Y向纵截面也具有实施例1中所说的三种优选布设方式。

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 (5)

1.一种离子束刻蚀用双层挡板，其特征在于：双层挡板设置在位于离子源与晶圆之间的刻蚀反应腔体内，用于阻挡离子源射向晶圆的离子束；双层挡板包括平行并列设置且能同步转动的前挡板和后挡板，其中，前挡板邻近离子源的栅格网，后挡板邻近晶圆；前挡板和后挡板的面积均大于格栅网的面积；

前挡板上设置有若干个贯通的溅射网孔，后挡板为完整圆盘；

沿前挡板厚度方向的纵截面为Y向纵截面，沿垂直于厚度方面的纵截面为Z向纵截面，溅射网孔朝向格栅网的Z向纵截面面积为a，溅射网孔朝向后挡板的Z向纵截面面积为b，溅射网孔中间部位的Z向纵截面面积为c，则a和c值不相等，b和c值不相等。

2.根据权利要求1所述的离子束刻蚀用双层挡板，其特征在于：前挡板上溅射网孔的Z向纵截面为长条形、圆形、正方形、三角形、椭圆形或同心环形中的一种或其组合。

3.根据权利要求1所述的离子束刻蚀用双层挡板，其特征在于：溅射网孔的Y向纵截面为梯形。

4.根据权利要求1所述的离子束刻蚀用双层挡板，其特征在于：a＞c＞b。

5.根据权利要求1所述的离子束刻蚀用双层挡板，其特征在于：溅射网孔的Y向纵截面为哑铃型，a＞c，b＞c。

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