CN110223903A - 一种均匀对称布置且同步开合的离子源挡板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种均匀对称布置且同步开合的离子源挡板，包括n块n等分挡板，n≥2；n块n等分挡板大小形状相同，均位于同一个竖向平面内，且以离子源挡板中心点为对称中心，呈均匀对称分布；n块n等分挡板均能在对应驱动机构的作用下，以离子源挡板中心点为圆心，沿径向进行同步往返滑移；当n块n等分挡板向着离子源挡板中心点滑移并拼合后，能将离子源栅网进行完全遮挡；当n块n等分挡板向着背离离子源挡板中心点滑移时，能使离子源栅网无遮挡。本发明能使晶圆的中部和边缘均能同时均匀地接受离子束的轰击，保证挡板在完全脱离离子源栅网之前晶圆的表面接受相同的刻蚀程度，提高了晶圆成品的刻蚀均匀性。

Description

一种均匀对称布置且同步开合的离子源挡板

技术领域

本发明涉及半导体器件及芯片等制造领域，特别是一种均匀对称布置且同步开合的离子源挡板。

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4。然而，在电极2和晶圆3到达指定工艺位置之前，离子束已经开始发散，但受到普通挡板的阻拦，不会轰击到电极及晶圆表面。而当电极载片达到工艺位置时，普通挡板需要从当前阻挡位置（也即图2中的上极限位置101）慢慢落下至下极限位置100，直至离子源栅网完全暴露出来。由于普通挡板降落需要几秒钟时间，在该过程中，只有部分未被普通挡板遮住的区域发散出离子束，该部分离子束轰击晶圆表面，导致在这几秒的过程中晶圆的边缘相对于晶圆的中心区域遭受更多的离子束刻蚀，导致最终晶圆表面的刻蚀结果不均匀。

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，而提供一种均匀对称布置且同步开合的离子源挡板，该均匀对称布置且同步开合的离子源挡板能使晶圆的中部和边缘均能同时均匀地接受离子束的轰击，保证挡板在完全脱离离子源栅网之前晶圆的表面接受相同的刻蚀程度，提高了晶圆成品的刻蚀均匀性。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种均匀对称布置且同步开合的离子源挡板，离子源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；离子源挡板的中心点与晶圆中心点和离子源中心点位于同一水平直线上；晶圆能沿自身轴线旋转。

离子源挡板包括n块n等分挡板，n≥2；n块n等分挡板大小形状相同，均位于同一个竖向平面内，且以离子源挡板中心点为对称中心，呈均匀对称分布。

n块n等分挡板均能在对应驱动机构的作用下，以离子源挡板中心点为圆心，沿径向进行同步往返滑移；当n块n等分挡板向着离子源挡板中心点滑移并拼合后，能将离子源栅网进行完全遮挡；当n块n等分挡板向着背离离子源挡板中心点滑移时，能使离子源栅网无遮挡。

每个n等分挡板均具有挡板连杆、铰接滑块、连杆机构、驱动机构和滑轨；挡板连杆一端与n等分挡板相连接，另一端通过铰接滑块与连杆机构相铰接，连杆机构另一端与驱动机构相铰接，铰接滑块能沿滑轨进行往返滑移。

离子源挡板包括两块二等分挡板，分别为左二等分挡板和右二等分挡板，左二等分挡板具有左挡板连杆、左铰接滑块、左连杆机构、左驱动机构和左滑轨；右二等分挡板具有右挡板连杆、右铰接滑块、右连杆机构、右驱动机构和右滑轨；左滑轨和右滑轨位于同一直线，且呈水平状态。

离子源挡板包括四块四等分挡板，每块四等分挡块所对应的滑轨与竖直方向夹角呈45°或135°。

本发明具有如下有益效果：

当电极带着晶圆到达面向离子源栅网的位置之后，等分挡板在各自的驱动机构的带动下同时向背离离子源挡板中心分散，相邻等分挡板之间的间隙为t，只有在t范围内的离子束可以发散出来，即晶圆表面被刻蚀的区域也是范围t。同时，晶圆在电极的带动下具有绕自身轴线旋转的运动，在t范围内进行刻蚀的时候，晶圆的中部和边缘均能同时均匀地接受离子束的轰击，保证挡板在完全脱离离子源栅网之前晶圆的表面接受相同的刻蚀程度，提高了晶圆成品的刻蚀均匀性。

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处于中间位置时的示意图。

图4显示了现有技术中普通挡板处于中间位置时离子束的发射示意图。

图5显示了本发明实施例1中二等分挡板完全打开时的结构示意图。

图6显示了本发明实施例1中二等分挡板完全闭合时的结构示意图。

图7显示了本发明实施例1中二等分挡板部分打开时的结构示意图。

图8显示了本发明实施例1中二等分挡板部分打开时的晶圆刻蚀示意图。

图9显示了本发明实施例2中四等分挡板完全闭合时的结构示意图。

图10显示了本发明实施例2中四等分挡板部分打开时的结构示意图。

图11显示了本发明实施例3中离子源挡板为三等分挡板时的结构示意图。

图12显示了本发明实施例4中离子源挡板为八等分挡板时的结构示意图。

图13显示了本发明实施例5中离子源挡板为十六等分挡板时的结构示意图。

图14显示了本发明实施例1中二等分挡板完全闭合时的从腔室顶部向下的剖面视角图。

图15显示了现有技术中使用普通挡板后工艺结果图形。

图16显示了使用了本发明实施例1中二等分挡板后工艺结果图形。

其中有：

1.刻蚀反应腔体；2.电极；3.晶圆；4.普通挡板；5.挡板驱动装置；6.离子源；7. 离子源栅网；8.外部固定罩；9.绝缘筒；

100.下极限位置；101.上极限位置；110.中间位置；

120.左二等分挡板；

121.左滑轨；122.左驱动机构；123.左连杆机构；124.左铰接滑块；125.左挡板连杆；

130.右二等分挡板；

131.右滑轨；132.右驱动机构；133.右连杆机构；134.右铰接滑块；135.右挡板连杆；

140.左上四等分挡板；141.左上滑轨；

150.左下四等分挡板；151.左下滑轨；

160.右下四等分挡板；161.右下滑轨；

170.右上四等分挡板；171.右上滑轨；

50.离子束发射方向；500.离子束未遮挡区域；501.晶圆边缘区域。

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。

一种均匀对称布置且同步开合的离子源挡板，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，将晶圆放置于电极上之后，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。

离子源挡板的中心点与晶圆中心点和离子源中心点位于同一水平直线上。

晶圆放置在电极2上，且能沿自身轴线旋转，晶圆转速0~300rpm，转速可调。

电极位于刻蚀反应腔体中部，呈L型，其连接至刻蚀反应腔体外部，通过电机或其他驱动机构使得电极可绕连接关节轴线旋转，除了绕连接关节轴线的公转外，载片台还可以绕自身轴线的自传，由安装在载片台底部的小回转电机驱动。根据工艺要求，在进行刻蚀工艺时，将电极设置成一个角度位置，开启离子源释放离子束，对放置在电极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离子源栅网7。

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4。在电极2和晶圆3到达指定工艺位置之前，普通挡板在挡板驱动装置5的作用下从图2中的下极限位置100转动至上极限位置101。此时，虽然离子束已经开始发散，但受到普通挡板的阻拦，不会轰击到电极及晶圆表面。

然而，当电极达到工艺位置时且稳定后，普通挡板需要从当前阻挡位置（也即图2中的上极限位置101）经中间位置110后慢慢落下至下极限位置100，直至离子源栅网完全暴露出来，对晶圆进行刻蚀。刻蚀完成之后关闭离子束，电极回到初始位置，机械手取出晶圆。

由于普通挡板降落需要几秒钟时间，普通挡板降落时间一般在2s左右，由于普通挡板质量较大，参照图2所示，普通挡板重心位于前端遮挡部接近中心位置，转矩较大，为避免普通挡板因速度过快造成的损坏，因而，普通挡板降落速度不能降落过快。

如图3和图4所示，当普通挡板下落至中间位置110时，普通挡板4仍然遮挡住离子源栅网的下部，上部未被遮挡的离子束区域，也即离子束未遮挡区域500，会首先刻蚀晶圆边缘区域501，因晶圆同时绕着自身轴线旋转，导致晶圆整个边缘均提前接受到离子束刻蚀，最终导致晶圆中部区域相较于边缘刻蚀较少，影响了刻蚀的均匀性。

如图15所示，为使用一块普通挡板时得到的工艺结果图形，由图可以看出，使用一块普通挡板时晶圆表面刻蚀结果呈现不均匀的态势。其中，刻蚀的不均匀程度是通过刻蚀完成之后测量晶圆表面的程度来表现的。

本发明中，采用均匀对称布置且同步开合的离子源挡板后，能有效解决上述问题。

如图5至13所示，离子源挡板包括n块n等分挡板，n≥2；n块n等分挡板大小形状相同，均位于同一个竖向平面内，且以离子源挡板中心点为对称中心，呈均匀对称分布。

n块n等分挡板均能在对应驱动机构的作用下，以离子源挡板中心点为圆心，沿径向进行同步往返滑移；当n块n等分挡板向着离子源挡板中心点滑移并拼合后，能将离子源栅网进行完全遮挡；当n块n等分挡板向着背离离子源挡板中心点滑移时，能使离子源栅网无遮挡。

每个n等分挡板均具有挡板连杆、铰接滑块、连杆机构、驱动机构和滑轨；挡板连杆一端与n等分挡板相连接，另一端通过铰接滑块与连杆机构相铰接，连杆机构另一端与驱动机构相铰接，铰接滑块能沿滑轨进行往返滑移。

下面以几种优选实施例进行详细说明。

实施例1 n=2

如图5至图8所示，离子源挡板包括两块二等分挡板，分别为左二等分挡板120和右二等分挡板130。

左二等分挡板具有左挡板连杆125、左铰接滑块124、左连杆机构123、左驱动机构122和左滑轨121。左二等分挡板120遮挡部呈半圆状，连接部通过左连杆机构123连接至左驱动机构122，且左驱动机构122可绕轴线旋转，带动左二等分挡板120沿着左滑轨121方向移动。

右二等分挡板具有右挡板连杆135、右铰接滑块134、右连杆机构133、右驱动机构132和右滑轨131。右二等分挡板130遮挡部呈半圆状，连接部通过右连杆机构133连接至右驱动机构132，且右驱动机构132可绕轴线旋转，带动右二等分挡板130沿着右滑轨131方向移动。

左滑轨和右滑轨位于同一直线，且呈水平状态。

左驱动机构122和右驱动机构132的旋转通过控制实现同步反向旋转，带动左二等分挡板120和右二等分挡板130也同步反向移动，两者同时向离子源挡板中心点聚集或同时向远离方向分开。如图14所示，当左二等分挡板120和右二等分挡板130闭合时，两者的接触面为相互重叠的台阶面，该种方式可以使得两块挡板贴合时可以完全阻隔离子束，不会泄露。

图5所示为左二等分挡板120和右二等分挡板130分离、完全将离子源栅网暴露在电极表面的位置示意图，处于该位置时，离子束全部应用于晶圆表面，为离子束刻蚀进行工艺时的正常位置。

图6所示为左二等分挡板120和右二等分挡板130贴合、完全覆盖住离子源栅网的位置示意图，处于该位置时，离子源栅网完全被覆盖住，为进行离子束刻蚀之前的保护位置。

系统工作时，离子束从离子源栅网表面反射，此时左二等分挡板120和右二等分挡板130贴合，挡住离子束，如图6所示。当电极2带着晶圆3到达面向离子源栅网的位置之后，左二等分挡板120和右二等分挡板130在各自的驱动机构的带动下同时向两边沿水平方向分散，两块二等分挡板之间的间隙为t，如图7所示，只有在t范围内的离子束可以发散出来，即晶圆3表面被刻蚀的区域也是范围t，如图8所示，同时晶圆3在电极2的带动下具有绕自身轴线旋转的运动，在宽度t内进行刻蚀的时候，晶圆3的中部和边缘均能同时均匀地接受离子束的轰击，保证挡板在完全脱离离子源栅网之前晶圆3的表面接受相同的刻蚀程度，提高了晶圆成品的刻蚀均匀性。

等分挡板的材质可以为金属如铝合金、不锈钢、钼等，塑料及碳纤维，石墨等。

如图16所示，为使用两块挡板时得到的工艺结果图形，由图可以看出，使用两块挡板时晶圆表面刻蚀结果相对于一块普通挡板的结果更加对称。

实施例2 n=4

如图9和图10所示，离子源挡板包括四块四等分挡板，分别为左上四等分挡板140、左下四等分挡板150、右下四等分挡板160和右上四等分挡板170。四块四等分挡块所对应的滑轨分别为左上滑轨141、左下滑轨151、右下滑轨161和右上滑轨171。左上滑轨141、左下滑轨151、右下滑轨161和右上滑轨171与竖直方向夹角呈45°或135°。

图9所示为四块四等分挡板完全贴合保护电极及晶圆的状态，图10所示为四块四等分挡板在同步远离离子源挡板中心的状态，四块四等分挡板运动完全同步，相邻两块四等分挡板之间的间隙t相同，重合边沿着离子源挡板中心线对称，即一块四等分挡板的贴合边距离中心线的距离为t/2，该种四等分挡板对称式运动的设计，可以保证晶圆各个部位在四等分挡板完全脱离离子源之前接受相同的刻蚀程度，在相同运动速度的前提下，比两块分离式挡板效率提高了一倍。

实施例3 n=3

如图11所示，离子源挡板包括三块三等分挡板。

实施例4 n=8

如图12所示，离子源挡板包括八块八等分挡板。

实施例5 n=16

如图13所示，离子源挡板包括十六块十六等分挡板。

离子源挡板的等分挡板数量还可以是5块，7块，9块等，只要保证各等分挡板相对于离子源挡板中心等分，且运动速度相同即可, 在相同运动速度的前提下，等分挡板分成的份数越多，对提高成品的均匀性效果越好。

等分挡板的数量优选数量2个和4个，数量2个控制较简单，更容易实现；数量4个均匀性程度提高更好，但控制及安装较复杂，需要更多空间。

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 (4)

1.一种均匀对称布置且同步开合的离子源挡板，其特征在于：离子源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；离子源挡板的中心点与晶圆中心点和离子源中心点位于同一水平直线上；晶圆能沿自身轴线旋转；

离子源挡板包括n块n等分挡板，n≥2；n块n等分挡板大小形状相同，均位于同一个竖向平面内，且以离子源挡板中心点为对称中心，呈均匀对称分布；

n块n等分挡板均能在对应驱动机构的作用下，以离子源挡板中心点为圆心，沿径向进行同步往返滑移；当n块n等分挡板向着离子源挡板中心点滑移并拼合后，能将离子源栅网进行完全遮挡；当n块n等分挡板向着背离离子源挡板中心点滑移时，能使离子源栅网无遮挡。

2.根据权利要求1所述的均匀对称布置且同步开合的离子源挡板，其特征在于：每个n等分挡板均具有挡板连杆、铰接滑块、连杆机构、驱动机构和滑轨；挡板连杆一端与n等分挡板相连接，另一端通过铰接滑块与连杆机构相铰接，连杆机构另一端与驱动机构相铰接，铰接滑块能沿滑轨进行往返滑移。

3.根据权利要求2所述的均匀对称布置且同步开合的离子源挡板，其特征在于：离子源挡板包括两块二等分挡板，分别为左二等分挡板和右二等分挡板，左二等分挡板具有左挡板连杆、左铰接滑块、左连杆机构、左驱动机构和左滑轨；右二等分挡板具有右挡板连杆、右铰接滑块、右连杆机构、右驱动机构和右滑轨；左滑轨和右滑轨位于同一直线，且呈水平状态。

4.根据权利要求2所述的均匀对称布置且同步开合的离子源挡板，其特征在于：离子源挡板包括四块四等分挡板，每块四等分挡块所对应的滑轨与竖直方向夹角呈45°或135°。