CN110828273B - 等离子体设备和等离子体系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种等离子体设备和等离子体系统。所述等离子体设备包括多个子腔室，多个所述子腔室沿竖直方向堆叠设置。可提高等离子体设备所在厂房的空间利用率，提高产能，降低成本。

Description

等离子体设备和等离子体系统

技术领域

本发明涉及等离子体技术领域，更具体地，涉及一种等离子体设备和一种等离子体系统。

背景技术

传统的等离子体设备，例如电感耦合等离子体设备，一般为垂直结构，可划分为等离子体发生模块、腔室、偏置射频模块、真空模块和进气模块这几个模块。这些等离子体设备一般是“正放”在厂房地面上的。

如果在一个厂房内安置多台这样的设备，需要传输平台为这些设备分别传送晶圆。为提高产能，希望相同的厂房面积内放置尽量多的这样的设备。参见图1所示的一种设备分布布局，在尺寸为X1×Y1的厂房空间内，按照圆周形分布有四个电感耦合等离子设备21，对应一个传输平台。工作流程如下：载片埠22内的晶圆由大气机械手23传输到过渡载片台24 内，再由真空机械手26传输到某个电感耦合等离子设备21的腔室内进行工艺，工艺完成后，晶片被传送到过渡载片台25、载片埠22。至此全部工序完成。

与图1所示的圆型对接方式不同，现有技术中还有直线型对接方式，参见图2所示。8个电感耦合等离子设备29分布在真空传输腔室28两侧，由带轨道35的真空机械手34将晶圆由过渡载片台31传送到某个电感耦合等离子设备的腔室内，真空机械手34还用于将晶圆从某个电感耦合等离子体设备的腔室内取出晶圆，再传送到过渡载片台32。图2中的大气机械手33、大气传输腔27和载片埠30与图1中对应部件为相同部件。

单片晶圆的生产成本C的计算公式如下：

其中，Co0为单位面积厂房的运营成本，S为占地面积，WPH为单位时间内一个设备的成产的晶圆数量、N为腔室数量、T为上述的单位时间。在分析这个成本时，可以忽略晶片传入设备和传出设备的耗时。

无论是图1还是图2所提供的设备分布方式，为了降低成本，希望一套传输平台能挂载更多的电感耦合等离子体设备。但如果进一步增加一套传输平台对应的电感耦合等离子体设备的数量，就必须扩大传输平台的尺寸，增加机械手和和传输用腔室的成本。依据现有技术成本降低的空间非常有限。

发明内容

本发明提供一种等离子体设备和一种等离子体系统，以提高厂房空间利用率。

根据本发明的第一方面，提供一种等离子体设备，所述等离子体设备包括沿竖直方向堆叠设置的至少两个子腔室。

可选地，沿竖直方向堆叠设置的子腔室为两个，其中位于下部的子腔室为第一子腔室，位于上部的子腔室为第二子腔室。

可选地，所述第一子腔室和所述第二子腔室内分别对应设置一个等离子体发生模块，两个所述等离子体发生模块分别用于向对应所述子腔室提供激发等离子体的射频电源信号。

可选地，所述等离子体设备还包括所述第一子腔室和所述第二子腔室共用的等离子体发生模块，所述等离子体发生模块设置在所述第一子腔室和所述第二子腔室之间，且用于向所述第一子腔室和所述第二子腔室提供激发等离子体的射频电源信号。

可选地，所述等离子体设备还包括进气管路，所述进气管路包括一个共用的进气口和两个出气口，两个所述出气口分别对应所述第一子腔室和所述第二子腔室。

可选地，所述等离子体设备还包括彼此独立的第一进气管路和第二进气管路，所述第一进气管路用于向所述第一子腔室通入气体，所述第二进气管路用于向所述第二子腔室通入气体。

可选地，每个所述子腔室的工艺腔尺寸相同。

根据本发明的第二个方面，提供一种等离子体系统，包括等离子体设备和用于向所述等离子体设备传送待处理的晶圆的传输平台，所述等离子体设备为根据本发明第一方面所提供的等离子体设备。

可选地，所述传输平台包括多个用于向各所述子腔室传送晶圆的机械手。

可选地，各所述机械手固定设置在同一根沿竖直方向设置的固定轴上。

本发明的有益效果包括:

本发明提供了一种等离子体设备及等离子体系统，该等离子体设备包括沿竖直方向堆叠设置的至少两个子腔室，无论竖直方向堆叠的多个子腔室内的待处理晶圆是位于其子腔室内等离子体的上方还是下方，也就是无论竖直方向堆叠的多个子腔室是“正放的”还是“倒放的”，等离子体中的带电粒子受到的电磁场的作用力都远大于其自身的重力，因此不会影响待处理晶圆的反应效果。由于多个子腔室在竖直方向堆叠，占用相同的厂房面积的情况下，能够进行工艺反应的腔室数量扩大为现有技术的两倍或更多倍，如此，可以增大厂房的空间利用率，降低单位面积厂房的运营成本。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是现有的等离子体系统的设备分布图；

图2是现有的等离子体系统的设备分布图；

图3是本发明实施例所提供的等离子体设备的结构图；

图4是本发明另一个实施例所提供的等离子体设备的结构图；

图5是对应于图3所示等离子体设备的传输平台的结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

根据本发明的第一方面，提供一种等离子体设备，如图3和图4 所示，包括沿竖直方向堆叠设置的至少两个子腔室(例如第一子腔室 1a、第二子腔室1b)。

需要说明的是，本发明所述的多个子腔室沿竖直方向堆叠设置是指这些子腔室在安装状态下沿竖直方向堆叠设置。

在等离子体设备中，以电子或离子为例，它的重力势能大概在 10^-29到10^-26J，而它受电磁场激发的能量大概在10^-18J。因此相对于电磁力，重力对这些带电粒子的影响几乎可以忽略不计。

以图3为例，无论竖直方向堆叠的第一子腔室1a和第二子腔室 1b内部的待处理的晶圆3a、3b是位于对应的子腔室内的等离子体11a、 11b的上方还是下方，也就是无论竖直方向堆叠的第一子腔室1a、第二子腔室1b是“正放的”还是“倒放的”，等离子体11a、11b中的带电粒子受到的电磁场的作用力都远大于其自身的重力，因此这些带电粒子在电磁场的作用下无论是轰击其下方的晶圆3a还是轰击其上方的晶圆3b，重力的影响都可以忽略不计，从而不会影响待处理的晶圆3a、3b的反应效果。进一步地，由于多个子腔室在竖直方向堆叠，占用相同的厂房面积的情况下，能够进行工艺反应的腔室数量扩大为现有技术的两倍或更多倍，如此，可以增大厂房的空间利用率，降低单位面积厂房的运营成本。

需要说明的是，本发明各实施例均以在竖直方向堆叠的子腔室数量为2个为例说明，本领域技术人员可以将子腔室的数量扩展为3 个、4个等，其原理均相同。

需要说明的是，本领域技术人员为控制第一子腔室1a和第二子腔室1b内晶圆3a、3b的反应效果，还可以从其他方面控制这些子腔室内的工艺环境。以下介绍如何控制第一子腔室1a和第二子腔室1b 内的其他工艺参数，以使晶圆3a、3b达到预期的反应效果。

可选地，如图4所示，等离子体设备包括两个子腔室，两个子腔室分别为第一子腔室1a和第二子腔室1b，在第一子腔室1a和第二子腔室1b内分别对应设置一个等离子体发生模块，两个等离子体发生模块分别用于向对应子腔室提供激发等离子体的射频电源信号。

也就是两个等离子发生模块分别在对应的子腔室内激发等离子。如此，可实现第一子腔室1a、第二子腔室1b内激发的等离子体的电磁场可独立控制。

具体地，对应第一子腔室1a的等离子体发生模块包括：源射频电源8a、双输出匹配器9a、内线圈4a和外线圈5a，它们向第一子腔室1a提供射频电场，以激发等离子体；对应第二子腔室1b的等离子体发生模块包括：源射频电源8b、双输出匹配器9b、内线圈4b 和外线圈5b，它们向第二子腔室1b提供射频电场，以激发等离子体。

可选地，如图3所示，第一子腔室1a和第二子腔室1b共用的等离子体发生模块，该等离子体发生模块设置在第一子腔室1a和第二子腔室1b之间，且用于向第一子腔室1a和第二子腔室1b提供激发等离子体的射频电源信号。

也即第一子腔室1a和第二子腔室1b一个“正放”一个“倒放”，共用的等离子体发生模块设置在二者之间。如是，有利于在第一子腔室1a和第二子腔室1b内提供相同的射频电源信号，有利于在这两个子腔室内提供相同分布的等离子体。

具体地，该等离子体发生模块包括源射频电源8c、双输出匹配器9c、内线圈4c和外线圈5c。

可选地，如图3所示，所述等离子体设备还包括进气管路10c，进气管路10c包括一个共用的进气口和两个出气口，两个所述出气口分别对应第一子腔室1a和第二子腔室1b。

如此，当向这个共用的进气口通入反应气体时，有利于实现向第一子腔室1a和第二子腔室1b内输入等量的反应气体，如是，提高两个自腔室内反应的一致性。

需要说明的是，本领域技术人员可以在第一子腔室1a的反应气体入口和第二子腔室1b的反应气体入口设置阀门，从而可选择性地将这些反应气体入口与对应的进气管路连通。从而有利于实现第一子腔室1a和第二子腔室1b内反应气体的总量的独立控制。

可选地，如图4所示，所述等离子体设备还包括彼此独立的第一进气管路10a和第二进气管路10b，第一进气管路10a用于向第一子腔室1a通入气体，第二进气管路10b用于向第二子腔室1b通入气体。

也即是通过两个独立的进气管路分别向第一子腔室1a和第二子腔室1b提供气体。由于两个进气管路是独立的，两个子腔室内的反应也即是可以实现独立控制。如此，不论是两个子腔室内进行相同性质的反应还是不同性质的反应，都能够得到实现。

可选地，如图4所示，本发明所提供的等离子体设备还包括隔离板19，隔离板19包括相对的第一板平面和第二板平面，所述第一板平面与第一子腔室1a的靠近所述第一等离子发生模块的外壁固定连接，所述第二板平面与第二子腔室1b的靠近所述第二等离子发生模块的外壁固定连接。

也就是用隔离板19将第一子腔室1a和第二子腔室1b固定连接在一起。这样有利于第一子腔室1a和第二子腔室1b的工艺条件的稳定。

可选地，每个子腔室的工艺腔尺寸相同。

以图3和图4为例，第一子腔室1a和第二子腔室1b的工艺腔尺寸相同，也就是容纳等离子体11a、11b的内部空间尺寸相同。如此，有利于实现第一子腔室1a和第二子腔室1b内工艺的一致性。

例如第一子腔室1a的介电窗6a和第二子腔室1b的介电窗6b 为完全对称结构。

可选地，如图3和图4所示，所述等离子体设备还包括多个卡盘(卡盘2a、2b)，每个卡盘对应设置在一个子腔室(第一子腔室 1a或第二子腔室1b)内，每个卡盘的承载面朝向其所在的子腔室的反应气体入口。

每个卡盘的承载面朝向其所在的子腔室的反应气体入口也即是使固定在这些卡盘上的晶圆(晶圆3a、3b)的待处理的表面朝向对应的等离子体(等离子体11a、11b)。

在以上各实施例中，通过控制其他工艺参数，均可以实现多个子腔室内工艺条件几乎相同或者均可以实现多个子腔室内工艺条件独立控制，无论哪种情况这些子腔室内可同时进行反应，从而有利于提高厂房面积的利用率，增大产能。

可选地，所述等离子体设备还包括对应多个子腔室的多个偏置射频功率模块，每个偏置射频功率模块用于为对应子腔室提供偏置射频功率；以及所述等离子体设备包括对应多个子腔室的多个真空模块，每个真空模块用于为对应子腔室抽真空。

例如在图3中，对应第一子腔室1a的偏置射频功率模块包括偏置射频电源12a、偏置射频匹配器13a和射频馈入电机14a。它们用于在第一子腔室1a内产生偏置射频电场，将带电粒子拉向晶圆3a。对应第二子腔室1b的偏置射频功率模块包括偏置射频电源12b、偏置射频匹配器13b和射频馈入电机14b。它们用于在第二子腔室1b 内产生偏置射频电场，将带电粒子拉向晶圆3b。

由于两个偏置射频功率模块可独立控制，一方面可实现第一子腔室1a和第二子腔室1b内的偏置射频电场的独立控制，另一方面也可以实现第一子腔室1a和第二子腔室1b内具有相同的偏置射频电场。

又例如在图4中，对应第一子腔室1a的真空模块包括摆阀16a、分子泵17a。分子泵17a通过排气口18a排气。对应第二子腔室1b 的真空模块包括摆阀16b、分子泵17b。分子泵17b通过排气口18b 排气。

如此可实现对第一子腔室1a和第二子腔室1b的抽真空以及抽废气的独立控制。

可选地，在图3和图4中，第一子腔室1a和第二子腔室1b的工艺腔尺寸相同，第一子腔室1a和第二子腔室1b的偏置射频功率模块性能相同，第一子腔室1a和第二子腔室1b的真空模块性能相同。

如此有利于实现第一子腔室1a和第二子腔室1b内形成相同的偏置射频电磁场以及相同的真空环境，进而有利于二者的工艺条件的一致性。

在以上各实施例的基础上，作为一个最优选的例子，第一子腔室1a和第二子腔室1b的偏置射频功率模块性能相同(或者为相同型号)、第一子腔室1a和第二子腔室1b的真空模块性能相同(或者为相同型号)、第一子腔室1a和第二子腔室1b的工艺腔尺寸相同、第一子腔室1a和第二子腔室1b的等离子体发生模块性能相同(或者为相同型号)。在实际应用中，第一子腔室1a和第二子腔室1b的进气模块向二者通入相同量的反应气体，以及控制其他工艺参数相同(例如卡盘2a、2b的温度相同、通入的反应气体流量相同、第一子腔室 1a和第二子腔室1b的真空压力相同)，可实现第一子腔室1a和第二子腔室1b内电磁场对称分布、二者内温度场相同、流场相同，压力场相同。在二者温度场相同、流场相同，压力场相同的情况下，等离子体中非带电粒子受到的作用力也基本是相同的。在这种情况下，第一子腔室1a和第二子腔室1b的工艺参数一致性更加提高，可以实现第一子腔室1a和第二子腔室1b同时进行相同的工艺过程，制造相同的产品。从而进一步提升单位厂房面积的产出。

根据本发明的第二方面，提供一种等离子体系统，参加图5所示，包括等离子体设备和向所述等离子体设备传送待处理晶圆的传输平台，所述等离子体设备为根据本发明第一方面所提供的等离子体设备。

由于该等离子体系统中的等离子体设备内设置有叠置的多个子腔室，一套传输平台可挂载的子腔室数量变为原来的两倍或多倍。采用本发明的等离子设备，在其他因子不变的情况下，一套传输平台可挂载的工艺腔室数量扩大了一倍或多倍，从而产能可以提升一倍或多倍，即整个等离子体系统的产能和单位面积产能都得到了提高。

可选地，该传输平台包括多个用于向各子腔室传送晶圆的机械手。例如真空机械手22a、真空机械手22b，每个机械手(真空机械手22a、真空机械手22b)分别用于向对应的子腔室(第一子腔室1a、第二子腔室1b)传送晶圆(晶圆3a、晶圆3b)。

每个机械手(真空机械手22a、真空机械手22b)可同步作业，这样可以同时向第一子腔室1a、第二子腔室1b取放晶圆3a、3b。第一子腔室1a、第二子腔室1b同步进行生产，提高生产效率。

真空机械手22a、真空机械手22b也可独立受控作业，这样第一子腔室1a、第二子腔室1b可以根据实际情况独立进行生产，例如对晶圆3a、3b进行不同的作业。

以同步向第一子腔室1a、第二子腔室1b传送晶圆3a、3b为例，操作流程如下：真空机械手22a上部吸附晶圆3a，机械手22b下部吸附晶圆3b，打开隔离阀门20a、20b，真空机械手22a和真空机械手22b同时将晶圆3a、3b传入对应的子腔室内，由设置在第一子腔室1a、第二子腔室1b内的吸附三针(图5中没有示出)将晶圆3a、 3b移送到对应的卡盘2a、2b表面。随后进行反应，反应结束后真空机械手22a、22b再同时将晶圆3a、3b从对应的子腔室内取出。

可选地，各所述机械手固定设置在同一根沿竖直方向设置的固定轴210上。也即各所述机械手一端固定在同一根固定轴210上，它们的能够活动的另一端各自对着一个子腔室的开口，从而实现各自在各自对应的子腔室内取放晶圆。

采用本发明所提供的传输平台结构，也称为垂直双臂机械手结构，可实现两个或更多个子腔室同时传送晶圆，减少传输时间的损耗，提高生产效率。本领域技术人员也可以控制其中一个机械手单独对一个子腔室传送晶圆，实现各子腔室内工艺的独立控制。

真空机械手22a、22b能够同时进行水平方向的伸缩、旋转和竖直方向的升降，满足第一子腔室1a和第二子腔室1b的传输需求。

其中，真空机械手22b优选为吸盘式机械手，可以将晶圆3b吸附在该机械手的下方，待晶圆3b被传入第二子腔室1b后，由带吸盘功能的三针系统(图5中没有示出)将晶圆3b送到卡盘2b处。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种等离子体设备，其特征在于，所述等离子体设备包括沿竖直方向堆叠设置的第一子腔室和第二子腔室，其中所述第一子腔室位于下部，所述第二子腔室位于上部；所述第一子腔室和所述第二子腔室之间设有等离子体发生模块，所述第一子腔室与所述第二子腔室相对于所述等离子体发生模块上下对称设置，所述第二子腔室设有带吸盘功能的三针系统。

2.根据权利要求1所述的等离子体设备，其特征在于，所述第一子腔室和所述第二子腔室内分别对应设置一个等离子体发生模块，两个所述等离子体发生模块分别用于向对应所述子腔室提供激发等离子体的射频电源信号。

3.根据权利要求1所述的等离子体设备，其特征在于，还包括所述第一子腔室和所述第二子腔室共用的等离子体发生模块，所述等离子体发生模块设置在所述第一子腔室和所述第二子腔室之间，且用于向所述第一子腔室和所述第二子腔室提供激发等离子体的射频电源信号。

4.根据权利要求1所述的等离子体设备，其特征在于，所述等离子体设备还包括进气管路，所述进气管路包括一个共用的进气口和两个出气口，两个所述出气口分别对应所述第一子腔室和所述第二子腔室。

5.根据权利要求1所述的等离子体设备，其特征在于，所述等离子体设备还包括彼此独立的第一进气管路和第二进气管路，所述第一进气管路用于向所述第一子腔室通入气体，所述第二进气管路用于向所述第二子腔室通入气体。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的等离子体设备，其特征在于，每个所述子腔室的工艺腔尺寸相同。

7.一种等离子体系统，包括等离子体设备和用于向所述等离子体设备传送待处理的晶圆的传输平台，其特征在于，

所述等离子体设备为根据权利要求1-6任意一项所述的等离子体设备。

8.根据权利要求7所述的等离子体系统，其特征在于，所述传输平台包括多个用于向各所述子腔室传送晶圆的机械手。

9.根据权利要求8所述的等离子体系统，其特征在于，各所述机械手固定设置在同一根沿竖直方向设置的固定轴上。

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