CN110189975B - 一种离子束刻蚀腔体清洗装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离子束刻蚀腔体清洗装置，包括设置在离子束刻蚀腔体中的U形电极；离子束刻蚀腔体分别与惰性气体源和真空机组相连接；U形电极位于刻蚀电极和矩形侧壁之间，其能绕过刻蚀电极在离子束刻蚀腔体中进行180°转动；U形电极中通入高压电源；U形电极包括横向电极和两根相互平行的竖向电极；横向电极至弧形侧壁之间的距离与竖向电极至对应半圆形侧壁之间的距离相等。本发明在不影响离子束刻蚀效果和不增加离子束刻蚀机体积的前提下，通过在离子束刻蚀腔体内增加一个能转动的U形电极，实现对离子束刻蚀腔体内壁面附着物的均匀清洗。另外，采用惰性气体Ar,He,Ne作为清洗气体，不会对离子束刻蚀腔体造成腐蚀。

Description

一种离子束刻蚀腔体清洗装置

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腔体清洗装置。

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，另外还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。

然而，当反应腔体使用时间较长时，刻蚀非挥发性副产物会附着在腔体内壁上，随着刻蚀工艺进行，腔体壁沉积物不断堆积开裂会出现以下问题：

1、沉积物的堆积使得工艺过程中的腔室环境不断变化，这种变化影响到刻蚀速率及其均匀性等工艺参数，造成刻蚀工艺的漂移。

2、沉积物开裂会在反应腔室内产生大量的颗粒，使得产品的良率显著降低。

因此，为提高刻蚀的稳定性，在执行刻蚀工艺之前，通常会对反应腔体进行清洗。

常规的清洗方法为呼吸式清洗法，即向腔室充入一定的气体，再将腔室气体抽出，同时也将污染物连带抽走，如此往复达到了清洗的目的。由于腔体沉积物多为含硅化合物，在等离子体条件下，含氟气体能与沉积物中含硅化合物反应生成易挥发物，因而呼吸式清洗中的清洗气体多采用含氟气体，如CF4，NF3等。然而，由于离子束刻蚀机的腔体为不锈钢腔体，此含氟气体会对不锈钢有腐蚀性，因此不可采用。

另外，等离子刻蚀干法清洗原理是在反应腔没有晶圆的情况下，通入清洗用反应气体，在不开启下电极的同时开启上电极生成等离子体，这种等离子体同腔室表面的沉积物发生各向同性的化学刻蚀，生成易挥发性物质，通过真空系统抽出腔体，从而达到去除腔室表面沉积物的作用。然而，此种清洗方法由于以下原因不能再离子束刻蚀腔体中进行使用：

1、等离子刻蚀机具有上电极和下电极，然而离子束刻蚀机没有上电极，此方法也不可行。

2、等离子刻蚀机的腔体呈圆形，其上电极和下电极均为螺旋线圈，通过通入射频电源，使螺旋线圈电感耦合出圆形的电场，此圆形电场电离出所需清洗离子，对圆形的等离子刻蚀腔体进行均匀清洗。在离子束刻蚀机中，一方面由于离子束刻蚀腔体并非圆形，无法产生所需的圆形电场，也就无法达到均匀清洗目的；另一方面，具有螺旋线圈的上电极在离子束刻蚀腔体室外部安装的话，需要占用较大空间，使离子束刻蚀机体积庞大，占用空间大，因而不能将等离子刻蚀机中的上电极直接用于离子束刻蚀腔体的清洗。

3、等离子刻蚀中的反应气体为氯化物或氟化物，对不锈钢的离子束刻蚀腔体有腐蚀性，因此不可采用。

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腔体清洗装置，该离子束刻蚀腔体清洗装置在不影响离子束刻蚀效果和不增加离子束刻蚀机体积的前提下，通过在离子束刻蚀腔体内增加一个能转动的U形电极，实现对离子束刻蚀腔体内壁面附着物的均匀清洗。另外，采用惰性气体Ar,He,Ne作为清洗气体，不会对离子束刻蚀腔体造成腐蚀。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种离子束刻蚀腔体清洗装置，包括设置在离子束刻蚀腔体中的U形电极。

离子束刻蚀腔体分别与惰性气体源和真空机组相连接。

离子束刻蚀腔体采用弧形侧壁、两块半圆形侧壁和矩形侧壁围合形成；刻蚀电极和U形电极均通过电极转轴与半圆形侧壁相连接；两根电极转轴均与矩形侧壁相平行且位于同一高度。

U形电极位于刻蚀电极和矩形侧壁之间的离子束刻蚀腔体中，U形电极能绕过刻蚀电极在离子束刻蚀腔体中进行180°转动。

U形电极中通入高压电源。

U形电极包括横向电极和两根相互平行的竖向电极；横向电极至弧形侧壁之间的距离与竖向电极至对应半圆形侧壁之间的距离相等。

与刻蚀电极相连接的电极转轴为刻蚀电极转轴，与U形电极相连接的电极转轴为U形电极转轴；两根竖向电极分别为长竖向电极和短竖向电极，长竖向电极的开口端与U形电极转轴相连接，长竖向电极和短竖向电极的长度之差大于刻蚀电极转轴的半径。

刻蚀电极转轴和U形电极转轴安装在同一块半圆形侧壁上。

刻蚀电极转轴和U形电极转轴安装在两块半圆形侧壁上。

U形电极转轴上设置有与U形电极重量相匹配的配重块。

刻蚀电极转轴和U形电极转轴均通过动密封机构与半圆形侧壁相连接。

本发明具有如下有益效果：

1、在不影响离子束刻蚀效果和不增加离子束刻蚀机体积的前提下，通过在离子束刻蚀腔体内增加一个能转动的U形电极，实现对离子束刻蚀腔体内壁面附着物的均匀清洗。

2、U形电极至腔体内壁等距的布设方式，能实现对离子束刻蚀腔体内壁面附着物的均匀清洗，且清洗时间极大的缩减。

3、采用惰性气体Ar,He,Ne作为清洗气体，既有效的解决了离子束刻蚀腔体内壁沉积物的问题，又防止腔体受清洗气体腐蚀。

4、能使真空腔室的清洁度和刻蚀工艺的品质和可控性，降低了时间成本。

附图说明

图1显示了本发明一种离子束刻蚀腔体清洗装置的结构示意图。

图2显示了实施例1中离子束刻蚀腔体清洗装置的A-A剖视图。

图3显示了实施例2中离子束刻蚀腔体清洗装置的A-A剖视图。

图4显示了实施例2中离子束刻蚀腔体清洗装置的结构示意图。

其中有：

1.离子束刻蚀电极腔体；

11.弧形侧壁；12.前半圆形侧壁；13.后半圆形侧壁；14.矩形侧壁；

2.刻蚀电极；21.刻蚀电极转轴；

3.U形电极；31.U形电极转轴；32.横向电极；33.长竖向电极；34.短竖向电极；

4.离子源；5.伺服电机；6.绝缘联轴器；7.转子；8.转轴；9.绝缘件；10.配重块。

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至图4所示，一种离子束刻蚀腔体清洗装置，包括设置在离子束刻蚀腔体1中的U形电极3。

离子束刻蚀腔体分别与惰性气体源和真空机组相连接。其中，惰性气体源中充填惰性气体为Ar/He/Ne等。

离子束刻蚀腔体采用弧形侧壁11、两块半圆形侧壁和矩形侧壁14围合形成。两块半圆形侧壁分别为前半圆形侧壁12和后半圆形侧壁13。

离子源4安装在矩形侧壁上。

刻蚀电极2和U形电极均通过电极转轴与半圆形侧壁相连接，两根电极转轴均与矩形侧壁相平行且位于同一高度。其中，与刻蚀电极相连接的电极转轴为刻蚀电极转轴21，与U形电极相连接的电极转轴为U形电极转轴31。

U形电极位于刻蚀电极和矩形侧壁之间的离子束刻蚀腔体中，U形电极能绕过刻蚀电极在离子束刻蚀腔体中进行180°转动。

U形电极中通入高压电源。

U形电极包括横向电极32和两根相互平行的竖向电极；两根竖向电极分别为长竖向电极33和短竖向电极34，长竖向电极的开口端与U形电极转轴相连接，长竖向电极和短竖向电极的长度之差大于刻蚀电极转轴的半径。

U形电极的安装方式，有如下两种优选实施例。

实施例1

刻蚀电极转轴和U形电极转轴安装在两块半圆形侧壁上。如图2所示，U形电极转轴安装在前半圆形侧壁上，刻蚀电极转轴安装在后半圆形侧壁上。

刻蚀电极转轴伸入离子束刻蚀腔体中的长度短，U形电极的开口端朝向刻蚀电极，短竖向电极位于刻蚀电极转轴的上方，避免U形电极旋转时，对刻蚀电极转轴的干涉。

横向电极至弧形侧壁之间的距离与竖向电极至对应半圆形侧壁之间的距离相等。在实施例1中，横向电极至弧形侧壁之间的距离、长竖向电极至前半圆形侧壁、短竖向电极至后半圆形侧壁三者之间的距离相等，保证各个面清洗的均匀性和一致性，为后续工艺的均匀性和一致性提供了条件。另外，U形电极转轴至矩形侧壁之间的距离优选横向电极至弧形侧壁之间的距离相等，实现对矩形侧壁附着物的均匀清洗。

实施例2

刻蚀电极转轴和U形电极转轴安装在同一块半圆形侧壁上。如如3和如图4所示，刻蚀电极转轴和U形电极转轴安装在后半圆形侧壁上。

短竖向电极位于刻蚀电极转轴的上方，避免U形电极旋转时，对刻蚀电极转轴的干涉。长竖向电极靠近前半圆形侧壁，刻蚀电极转轴伸入离子束刻蚀腔体中并与长竖向电极相连接，故而刻蚀电极转轴伸入离子束刻蚀腔体中的长度长。刻蚀电极转轴与U形电极形成具有一个开口的“口”字形。

在实施例2中，横向电极至弧形侧壁之间的距离、长竖向电极至前半圆形侧壁、短竖向电极至后半圆形侧壁三者之间的距离相等。

进一步，U形电极转轴上设置有与U形电极重量相匹配的配重块10。

刻蚀电极转轴和U形电极转轴均通过动密封机构与半圆形侧壁相连接。

上述动密封机构是磁流体密封装置。具体来说，该磁流体密封装置包括定子8和转子7，将定子8通过螺栓紧固在半圆形侧壁上，在定子8和转子7之间可设置密封槽，在密封槽中放置密封圈，从而保证真空腔体（也即离子束刻蚀腔体）内部不会漏气。转子7（也即U形电极转轴或刻蚀电极转轴）的一端伸入到离子束刻蚀腔体内部，另一端与离子束刻蚀腔体外部通过绝缘联轴器6与伺服电机5连接，磁流体填充在定子和转子之间。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内，本发明中采用磁流体密封装置能保证离子束刻蚀腔室内部的高真空环境。U形电极3尾端（也即长竖向电极开口端）与转子7（U形电极转轴）相连，并通过伺服电机5带动旋转180度。由于U形电极3需要通高压电源，所以磁流体与离子束刻蚀腔体和伺服电机5之间需要绝缘，U形电极3与转子7之间需要电性相通，磁流体与离子束刻蚀腔体之间绝缘采用绝缘件9隔离，其材料可以使用AL₂O₃，绝缘件9与离子束刻蚀腔体和定子8之间均采用密封圈密封，定子8与离子束刻蚀腔体之间连接采用塑料螺丝紧固。转子7与伺服电机5之间绝缘需采用绝缘联轴器6连接，U形电极3与转子7之间连接需采用导电材料配重块10连接。

U形电极3的机械结构呈U型，旋转中心轴为O，O也为离子束刻蚀腔体圆弧形外壁的中心轴，这样的结构可以在绕O轴旋转的过程中既躲过了刻蚀电极，又与离子束刻蚀腔体各个面保持相面对且等距关系，而且不影响工艺时刻蚀电极2的旋转，也不阻碍离子源与刻蚀电极之间的通道。U形电极3通过伺服电机5带动转子7同步转动，由于U形电极3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U形电极3尾部与转子7相连采用配重块10同步转动。此配重块10不仅起到将转子7和U形电极3电性相连，由于其偏心的机械结构设计，也起到配重的作用。转子7同U形电极3和配重块10一起转动时，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5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。

在开始清洗时，离子束刻蚀处于真空状态，U形电极3通高压电源，形成高压电极；由于离子束刻蚀腔体接地（也即弧形侧壁、半圆形侧壁和矩形侧壁均接地），形成地电极，因而电离发生在U形电极和腔体侧壁之间，二者之间存在很大压差，此时从侧面的进气路通入惰性气体Ar/He/Ne，惰性气体原子在弧形侧壁、半圆形侧壁和矩形侧壁之间被电离成电子和带正电的离子，由于腔体内壁接地，正离子受电场力作用而轰击腔体内壁。由于U形电极距离弧形侧壁、半圆形侧壁和矩形侧壁等距，所以在电极与弧形侧壁、半圆形侧壁和矩形侧壁之间电离出的正离子浓度相同，保证了清洗的均匀性和一致性。

腔体内壁上的沉积物被离子轰击脱落，由刻蚀系统正下方的真空机组抽走，U形电极3由伺服电机5的带动下绕O轴匀速缓慢旋转180度，对离子束刻蚀腔体的各个面进行离子轰击清洗，此过程持续时间短暂仅需几分钟，极大的节约了清洗工艺的时间，节约了时间成本，由于U形电极3与离子束刻蚀腔体各个面等距且匀速旋转，所以清洗的均匀性一致，为后续工艺均匀性和一致性提供条件。

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)

1.一种离子束刻蚀腔体清洗装置，其特征在于：包括设置在离子束刻蚀腔体中的U形电极；

离子束刻蚀腔体分别与惰性气体源和真空机组相连接；

离子束刻蚀腔体采用弧形侧壁、两块半圆形侧壁和矩形侧壁围合形成；刻蚀电极和U形电极均通过电极转轴与半圆形侧壁相连接；两根电极转轴均与矩形侧壁相平行且位于同一高度；

U形电极位于刻蚀电极和矩形侧壁之间的离子束刻蚀腔体中，U形电极能绕过刻蚀电极在离子束刻蚀腔体中进行180°转动；

U形电极中通入高压电源；

U形电极包括横向电极和两根相互平行的竖向电极；横向电极至弧形侧壁之间的距离与竖向电极至对应半圆形侧壁之间的距离相等。

2.根据权利要求1所述的离子束刻蚀腔体清洗装置，其特征在于：与刻蚀电极相连接的电极转轴为刻蚀电极转轴，与U形电极相连接的电极转轴为U形电极转轴；两根竖向电极分别为长竖向电极和短竖向电极，长竖向电极位于U形电极开口处的一端与U形电极转轴相连接，长竖向电极和短竖向电极的长度之差大于刻蚀电极转轴的半径。

3.根据权利要求2所述的离子束刻蚀腔体清洗装置，其特征在于：刻蚀电极转轴和U形电极转轴安装在同一块半圆形侧壁上。

4.根据权利要求2所述的离子束刻蚀腔体清洗装置，其特征在于：刻蚀电极转轴和U形电极转轴安装在不同的两块半圆形侧壁上。

5.根据权利要求2所述的离子束刻蚀腔体清洗装置，其特征在于：U形电极转轴上设置有与U形电极重量相匹配的配重块。

6.根据权利要求2所述的离子束刻蚀腔体清洗装置，其特征在于：刻蚀电极转轴和U形电极转轴均通过动密封机构与半圆形侧壁相连接。

Images