CN110571120A - 一种配置清洗设备的离子源刻蚀腔室及离子束清洗方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种配置清洗设备的离子源刻蚀腔室及离子束清洗方法，属于半导体器件及芯片等的制造设备领域。该刻蚀腔室由反应腔及离子源固定腔组成；反应腔与离子源固定腔相互连通；反应腔内的中心处设有摇摆电极，离子源固定腔内设有离子源；反应腔与离子源固定腔的连通处之间设有挡板；挡板通过外部驱动旋转从而移动至离子源的发射束端；反应腔的底部与分子真空泵相互连通；所述的反应腔上设有若干个离子束发生器；离子束发生器外部充气装置及控制相连；通过离子束对刻蚀腔室内进行污染物清洗。本发明提供的配置清洗设备的离子源刻蚀腔室及离子束清洗方法，可清洗刻蚀腔室内所残留的污染物，保证了蚀刻腔室的清洁。

Description

一种配置清洗设备的离子源刻蚀腔室及离子束清洗方法

技术领域

本发明涉及一种配置清洗设备的离子源刻蚀腔室及离子束清洗方法，属于半导体器件及芯片等的制造设备领域。

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或者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。

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。离子束刻蚀的优点是方向性好，各向异性，陡直度高；分辨率高，可达到0.01µm；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）；刻蚀过程中可改变离子束入射角θ来控制图形轮廓。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。另外，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。

离子束系统在工作过程中，由离子源发散出来的离子束轰击挡板的表面，主要刻蚀材料为氧化硅时，使用石墨挡板，离子束打到挡板上会产生碳颗粒的沉积遍布反应腔室内的各个地方，包括腔室，摇摆电极底部及摇臂，挡板背面，以及离子源栅网及内部的石英筒壁上，严重污染腔室的环境，同时损伤离子源灯丝及内部石英筒，表现在开腔后腔体内表面各种可见可碰的黑色颗粒，石英筒由原本透明色变成了镜面状，时间长的沉积会造成绝缘筒破裂，离子源内部短路。同时晶圆表面溅射出来的粒子也会遍布腔体内部，造成污染。

发明内容

本发明针对上述不足提供了一种配置清洗设备的离子源刻蚀腔室及离子束清洗方法。

本发明采用如下技术方案：

本发明所述的配置清洗设备的离子源刻蚀腔室，该刻蚀腔室由反应腔及离子源固定腔组成；反应腔与离子源固定腔相互连通；反应腔内的中心处设有摇摆电极，离子源固定腔内设有离子源；反应腔与离子源固定腔的连通处之间设有挡板；挡板通过外部电机驱动旋转从而移动至离子源的发射束端；反应腔的底部与分子真空泵相互连通；所述的反应腔上设有若干个离子束发生器；离子束发生器外部充气装置及控制相连；通过离子束对刻蚀腔室内进行污染物清洗。

本发明所述的配置清洗设备的离子源刻蚀腔室，所述的离子束发生器包括屏蔽筒，绝缘筒，线圈，离子射频电源，射频匹配器；所述的屏蔽筒布置在该刻蚀腔室的反应腔外侧且与反应腔相互贯通；屏蔽筒内设有绝缘筒，绝缘筒的外侧围绕线圈；屏蔽筒及绝缘筒上设有气体接口，气体接口与外部气体流量计相互连通；气体流量计对应连通气罐；气体流量计与控制器相连；控制器控制等离子射频电源，等离子射频电源驱动射频匹配器，射频匹配器与线圈相连，射频匹配器向线圈通入射频功率。

本发明所述的配置清洗设备的离子源刻蚀腔室，所述的反应腔上的离子束发生器为若干个，若干个离子束发生器中的每个屏蔽筒内分别布置绝缘筒，绝缘筒的外侧围绕线圈；每个屏蔽筒及绝缘筒上设有气体接口，每个气体接口分别与外部气体流量计相互连通。

本发明所述的配置清洗设备的离子源刻蚀腔室，所述的若干个离子束发生器分别单独设置离子射频电源与射频匹配器，或若干个离子束发生器中相邻的离子束发生器设置一个离子射频电源与射频匹配器。

本发明所述的配置清洗设备的离子源刻蚀腔室，所述的线圈外部的屏蔽筒完全遮蔽线圈；线圈由铜材制成，线圈的表面经过为镀金或镀银处理；

所述的线圈由一根线材呈螺旋式上升状方式进行缠绕；或由根线圈进行交替缠绕且首尾相接耦合而成。

本发明所述的配置清洗设备的离子源刻蚀腔室，所述的线圈与外侧屏蔽筒之间设有一定间距。

本发明所述的配置清洗设备的离子源刻蚀腔室的离子束清洗方法，步骤如下：

步骤一、当离子束刻蚀系统进行完刻蚀工艺之后，关闭离子源，取出工艺片；

步骤二、在摇摆电极的载片端面放置衬底；

步骤三、往反应腔内充入气体，并保持稳定的腔压；

步骤四、开启单个或多个离子束发生器，通入射频功率形成稳定的电磁场；

步骤五、气体在电磁场作用下被电离，形成活性气体原子，活性气体原子沿着路径进入反应腔室内部并且迅速蔓延，带走所有暴露的碳基颗粒及其他污染物；

步骤六、关闭单个或多个离子束发生器，停止气体通入，取出衬底片；清洗结束。

本发明所述的配置清洗设备的离子源刻蚀腔室的离子束清洗方法，采用多个离子束发生器进行清洗时，每个离子束发生器的工作时间相同。

本发明所述的配置清洗设备的离子源刻蚀腔室的离子束清洗方法，采用多个离子束发生器进行清洗时，可分别控制每个离子束发生器的工作时间，多个离子束发生器的工作时间非一致。

本发明所述的配置清洗设备的离子源刻蚀腔室的离子束清洗方法，采用多个离子束发生器进行清洗时，每个采用多个离子束发生器之间为跳跃式启动模式，或多个离子束发生器采用间隔式启动模式。

有益效果

本发明提供的配置清洗设备的离子源刻蚀腔室及离子束清洗方法，可清洗刻蚀腔室内所残留的污染物，保证了蚀刻腔室的清洁。

本发明提供的配置清洗设备的离子源刻蚀腔室，屏蔽筒位于线圈的外部且包裹住所有的可能暴露的线圈，同时有与线圈之间间隔一些距离，使得接地屏蔽筒不会影响线圈的电场效果，线圈也不会影响屏蔽筒的接地屏蔽效果，保证可能的操作人员的人身安全。

本发明提供的配置清洗设备的离子源刻蚀腔室及离子束清洗方法，通过绝缘筒内部形成稳定的电磁场，清洗气体在电磁场作用下被电离，形成活性气体原子，活性气体原子沿着路径进入反应腔室内部并且迅速蔓延，带走所有暴露的碳基颗粒及其他污染物，从而实现清洗效果。

附图说明

图1是本发明的现有结构示意图；

图2是本发明的改进后的结构示意图；

图3是本发明的多离子束发生器的结构示意图；

图4是本发明的清洗方法流程示意图。

图中1是反应腔，2是分子泵，3是摇摆电极，4是是晶片，5是离子源，6是离子源固定腔，7是挡板，8是电机，9是机械手进出口，101是绝缘筒，102是线圈，103是屏蔽筒，104是原子路径，100是离子束发生器以，200是离子束发生器二，300是离子束发生器三，400是离子束发生器四。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图2所示：一种配置清洗设备的离子源刻蚀腔室，该刻蚀腔室由反应腔1及离子源固定腔6组成；反应腔1与离子源固定腔6相互连通；反应腔1内的中心处设有摇摆电极3，离子源固定腔内设有离子源5；反应腔1与离子源固定腔的连通处之间设有挡板7；挡板7通过外部电机驱动旋转从而移动至离子源5的发射束端；反应腔1的底部与分子真空泵2相互连通；反应腔1上设有若干个离子束发生器；离子束发生器外部充气装置及控制相连；通过离子束对刻蚀腔室内进行污染物清洗。

离子束刻蚀系统包括离子束刻蚀反应腔体，可旋转的刻蚀载片台，可产生离子束的离子源，固定离子源的外部固定罩，挡板及挡板驱动装置。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，该开孔可供机械手承载晶圆进入反应腔室，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，使得反应腔室内部成为密闭真空状态。刻蚀载片台位于反应腔室中部，连接部呈L型，其顶部连接至反应腔室外部，通过电机或其他驱动机构使得刻蚀载片台可绕顶部连接关节轴线旋转；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。挡板及其驱动装置设置在反应腔室的侧壁上，挡板位于反应腔室内部，驱动装置设置在反应腔室的外部，且挡板上端的遮挡平面平行于离子源栅网，挡板可在驱动装置如电机或气缸的作用下沿着驱动轴线进行旋转，在载片台及晶圆尚未到达设定位置之前挡板挡在离子源栅格及载片台之间，对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；当载片台及晶圆到达设定刻蚀位置之后，驱动装置带动挡板向下旋转离开离子源栅网口，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。离子束刻蚀系统的工作流程为挡板在外部驱动机构的带动下达到初始位置，即可以完全遮挡住离子源栅网的位置，开启离子源，发射具有能量的离子束；电极载片绕着公转轴线旋转至设定位置，晶圆面向离子源栅网或是与其成一定角度，之后电极载片开始绕着自身轴线匀速旋转，待电极稳定后，挡板开始下落，直至离子源栅网完全暴露，对晶圆进行刻蚀。刻蚀完成之后关闭离子束，电极载片回到初始位置，机械手取出晶圆。

如图2所示：在反应腔体1的侧壁上安装与之相通的离子束发生器一100，该离子束发生器的主体包括有绝缘筒101，围绕在绝缘筒101外壁的线圈102，以及外部屏蔽筒103。绝缘筒101外形朝向反应腔体1内壁开口的中空圆筒状，材质为石英或陶瓷等；线圈102为截面为圆形或者是方形的螺旋式，缠绕在绝缘筒101的外壁上，呈现螺旋式上升的样式，同时线圈102与外部射频匹配器连接，通过射频电源的控制，在线圈102上通入射频功率，使得在通电之后可以在绝缘筒101的内部空间产生电磁场，为通入的清洗气体发生电离做准备；线圈102的材质为铜，表面处理可以是清洗干净或者是表面镀金或银等，增加线圈产生的电磁场的效果；线圈的样式并不仅限于此，除了可以是一根线圈缠绕而成的样式，还可以是两个或者是多个小线圈交替缠绕或者是首尾相接耦合而成。屏蔽筒103位于线圈102的外部，且包裹住所有的可能暴露的线圈，同时有与线圈102之间间隔一些距离，使得接地屏蔽筒不会影响线圈的电场效果，线圈也不会影响屏蔽筒的接地屏蔽效果，保证可能的操作人员的人身安全；屏蔽筒103安装在反应腔体1的外部，且与反应腔室1真空密封连接，保证腔室内部及屏蔽筒之间形成真空密闭空间。通入离子束发生器100的反应气体可以是SF6，N2O， NF3，CO，CO2，CF4，O2，Ar气等，或者是几种气体的组合，但气体的种类并不限于所列的气体的组合，每种通入的气体均采用流量计精确的控制进入远程等离子体源内部的流量，以获得最佳的清洗效果。

如图3所示,该结构为安装了4个离子束发生器一100，离子束发生器二200，离子束发生器三300和离子束发生器四400，每个离子束发生器均包括内层绝缘筒，线圈和外屏蔽筒，且均与反应腔室内部相通，且各个离子束发生器内部通入的气体可以相同，也可以不相同，可以是SF6，N2O，NF3，CO，CO2，CF4，O2，Ar气等，或者每个通入的气体是几种气体的组合，但气体的种类并不限于所列的气体的组合，每种通入的气体均采用流量计精确的控制进入离子束发生器内部的流量，以获得最佳的清洗效果。各个离子束发生器的工作时间可以相同也可以不相同，可以在启动一个离子束发生器一段时间之后再启动剩余的发生器，或者是各个离子束发生器跳跃式启动，根据清洗结果的测试来决定多个离子束发生器的工作模式。离子束发生器可以单独配置各自的控制电源和匹配器，每个离子束发生器可以实现独立控制，也可以所有离子束发生器均共用同一套射频电源及匹配器，所有离子束发生器同时开启同时停止，或者是相邻几个离子束发生器共用一套射频电源及匹配器，另外一些离子束发生器共用另一套射频电源及匹配器，控制方式不固定，可以是好多种方式的组合，图4所示为其中一种控制方式的示意。该种配置多个离子束发生器的清洗方法可以实现更加全面的清洗效果，对于腔室内部的被污染的部件的清洗效果更加均匀高效。

如图4所示：该种清洗方法工作步骤为当离子束刻蚀系统进行完刻蚀工艺之后，关闭离子源5，取出工艺片，腔体内部暴露的位置都被碳基元素等污染。开始清洗时，机械手运送衬底片放在载片电极3上，以保护电极不受损坏，在离子束发生器内通入稳定的气体流，待腔压稳定后，启动射频电源，将线圈102上通入射频功率，使得绝缘筒101内部形成稳定的电磁场，清洗气体在电磁场作用下被电离，形成活性气体原子，活性气体原子沿着路径104进入反应腔室1内部并且迅速蔓延，带走所有暴露的碳基颗粒及其他污染物，从而实现清洗效果，之后关闭射频电源，停止清洗气体通入，取出衬底片，该种清洗方式可以实现独立控制，操作控制简单方便。

采用多个离子束发生器进行清洗时，可分别控制每个离子束发生器的工作时间，多个离子束发生器的工作时间非一致。

采用多个离子束发生器进行清洗时，每个采用多个离子束发生器之间为跳跃式启动模式，或多个离子束发生器采用间隔式启动模式。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种配置清洗设备的离子源刻蚀腔室，该刻蚀腔室由反应腔及离子源固定腔组成；反应腔与离子源固定腔相互连通；反应腔内的中心处设有摇摆电极，离子源固定腔内设有离子源；反应腔与离子源固定腔的连通处之间设有挡板；挡板通过外部电机驱动旋转从而移动至离子源的发射束端；反应腔的底部与分子真空泵相互连通；其特征在于：所述的反应腔上设有若干个离子束发生器；离子束发生器外部充气装置及控制相连；通过离子束对刻蚀腔室内进行污染物清洗。

2.根据权利要求1所述的配置清洗设备的离子源刻蚀腔室，其特征在于：所述的离子束发生器包括屏蔽筒，绝缘筒，线圈，离子射频电源，射频匹配器；所述的屏蔽筒布置在该刻蚀腔室的反应腔外侧且与反应腔相互贯通；屏蔽筒内设有绝缘筒，绝缘筒的外侧围绕线圈；屏蔽筒及绝缘筒上设有气体接口，气体接口与外部气体流量计相互连通；气体流量计对应连通气罐；气体流量计与控制器相连；控制器控制等离子射频电源，等离子射频电源驱动射频匹配器，射频匹配器与线圈相连，射频匹配器向线圈通入射频功率。

3.根据权利要求1所述的配置清洗设备的离子源刻蚀腔室，其特征在于：所述的反应腔上的离子束发生器为若干个，若干个离子束发生器中的每个屏蔽筒内分别布置绝缘筒，绝缘筒的外侧围绕线圈；每个屏蔽筒及绝缘筒上设有气体接口，每个气体接口分别与外部气体流量计相互连通。

4.根据权利要求3所述的配置清洗设备的离子源刻蚀腔室，其特征在于：所述的若干个离子束发生器分别单独设置离子射频电源与射频匹配器，或若干个离子束发生器中相邻的离子束发生器设置一个离子射频电源与射频匹配器。

5.根据权利要求2所述的配置清洗设备的离子源刻蚀腔室，其特征在于：所述的线圈外部的屏蔽筒完全遮蔽线圈；线圈由铜材制成，线圈的表面经过为镀金或镀银处理；

所述的线圈由一根线材呈螺旋式上升状方式进行缠绕；或由根线圈进行交替缠绕且首尾相接耦合而成。

6.根据权利要求2或5所述的配置清洗设备的离子源刻蚀腔室，其特征在于：所述的线圈与外侧屏蔽筒之间设有一定间距。

7.根据权利要求1至6任意一项所述的配置清洗设备的离子源刻蚀腔室的离子束清洗方法，其特征在于：步骤如下：

步骤一、当离子束刻蚀系统进行完刻蚀工艺之后，关闭离子源，取出工艺片；

步骤二、在摇摆电极的载片端面放置衬底；

步骤三、往反应腔内充入气体，并保持稳定的腔压；

步骤四、开启单个或多个离子束发生器，通入射频功率形成稳定的电磁场；

步骤五、气体在电磁场作用下被电离，形成活性气体原子，活性气体原子沿着路径进入反应腔室内部并且迅速蔓延，带走所有暴露的碳基颗粒及其他污染物；

步骤六、关闭单个或多个离子束发生器，停止气体通入，取出衬底片；清洗结束。

8.根据权利要求7所述的配置清洗设备的离子源刻蚀腔室的离子束清洗方法，其特征在于：采用多个离子束发生器进行清洗时，每个离子束发生器的工作时间相同。

9.根据权利要求7所述的配置清洗设备的离子源刻蚀腔室的离子束清洗方法，其特征在于：采用多个离子束发生器进行清洗时，可分别控制每个离子束发生器的工作时间，多个离子束发生器的工作时间非一致。

10.根据权利要求7所述的配置清洗设备的离子源刻蚀腔室的离子束清洗方法，其特征在于：采用多个离子束发生器进行清洗时，每个采用多个离子束发生器之间为跳跃式启动模式，或多个离子束发生器采用间隔式启动模式。