CN110993479B - 远程等离子体源产生装置及半导体加工设备 - Google Patents

远程等离子体源产生装置及半导体加工设备 Download PDF

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Abstract

本申请实施例提供了一种远程等离子体源产生装置及半导体加工设备。该远程等离子体源产生装置用于为工艺腔提供等离子体，包括：微波源、微波天线以及发生腔；微波源通过波导与发生腔连接，波导与发生腔通过介质窗密封连接；微波天线的第一端穿过介质窗延伸至波导内，第二端延伸进入发生腔内部，用于将微波源产生的微波导入发生腔内，微波用于在发生腔电离工艺气体以形成表面波等离子体；发生腔通过连接管与工艺腔连通，以将表面波等离子体输送至工艺腔内。本申请实施例可以提供较高的等离子体密度以及工艺气体电离率，从而提高了工艺效率以及降低了工艺成本。进一步的，本申请实施例可以有效提高工艺腔清洗及晶圆去胶等工艺的效率。

Description

远程等离子体源产生装置及半导体加工设备
技术领域
本申请涉及半导体加工技术领域，具体而言，本申请涉及一种远程等离子体源产生装置及半导体加工设备。
背景技术
目前，随着半导体工艺的发展，等离子体刻蚀或沉积作为半导体工艺中关键一步，等离子体设备已遍布各种半导体工艺中。等离子体刻蚀或沉积的工作原理为将工艺气体(如氩气Ar、氦气He、氮气N2、氢气H2、氯气Cl2、三氯化硼BCl3、八氟环丁烷C4F8、四氟甲烷CF4、六氟化硫SF6等)通入工艺腔内，通过电激励或光激励方式将工艺气体进行解离、激发或电离等，被离化的自由基或离子通过自由扩散或场加速至晶圆表面，并与晶圆相互作用进行相应的刻蚀和沉积。
在半导体工艺中，光胶作为重要的掩膜在各种工艺当中扮演着不同的角色，然而光胶在每道工艺结束后，或者在下一道工艺之前需要进行处理，例如对光胶进行表面处理或直接去除。现有技术中一般采用远程等离子源对光胶进行处理，远程等离子体源是指等离子体发生腔与工艺腔分离，等离子体中的高能离子及热电子等在进入工艺腔之前被吸收滤除，只有大量的活性自由基能够进入工艺腔并与晶圆表面物质进行反应，达到预期的工艺效果。
现有技术中一种方案为采用部分远程的方式，即部分等离子体直接在工艺腔形成，因此导致等离子体与晶圆直接接触会产生较大的等离子体诱导损伤；另一种方案虽然采用了远程等离子体源，但是其等离子体密度及电离率较低，使工艺腔的工艺效率降低，增加了工艺成本。
发明内容
本申请针对现有方式的缺点，提出一种远程等离子体源产生装置及半导体加工设备，用以解决现有技术存在容易造成等离子体诱导损伤、等离子体密度及电离率较低的技术问题。
第一个方面，本申请实施例提供了一种远程等离子体源产生装置，用于为工艺腔提供等离子体，包括：微波源、微波天线以及发生腔；所述微波源通过波导与所述发生腔连接，所述波导与所述发生腔通过介质窗密封连接；所述微波天线的第一端穿过所述介质窗延伸至所述波导内，第二端延伸进入所述发生腔内部，用于将所述微波源产生的微波导入所述发生腔内，所述微波用于在所述发生腔电离工艺气体以形成表面波等离子体；所述发生腔通过连接管与工艺腔连通，以将所述表面波等离子体输送至所述工艺腔内。
于本申请的一实施例中，还包括调节器，所述调节器与所述微波天线连接，用于调节所述发生腔内的表面波等离子体的密度。
于本申请的一实施例中，所述调节器为电容或者直流电源；所述电容的一端与所述微波天线的第一端连接，另一端接地设置；所述直流电源的一端与所述微波天线的第一端连接，另一端接地设置。
于本申请的一实施例中，所述发生腔与所述工艺腔同轴设置，且所述发生腔的直径小于所述工艺腔的直径。
于本申请的一实施例中，所述连接管的内壁设置有用于抑制所述表面波等离子体湮灭的涂层。
于本申请的一实施例中，所述涂层由高介电常数材料制成。
于本申请的一实施例中，所述发生腔上设置有第一进气口及第二进气口，所述第一进气口及第二进气口分别用于向所述发生腔内通入不同类型工艺气体。
于本申请的一实施例中，所述微波天线为良导体材料制成的圆柱形结构。
于本申请的一实施例中，所述波导上还设置有微波匹配器，所述微波匹配器用于调整所述波导的阻抗。
第二个方面，本申请实施例提供了一种半导体加工设备，包括工艺腔及如第一个方面提供的远程等离子体源产生装置。
本申请实施例提供的技术方案带来的有益技术效果是：
本申请实施例通过将微波天线延伸进入发生腔内，采用微波对工艺气体进行电离以获得表面波等离子体，以及发生腔通过连接管与工艺腔连接将表面波等离子体输送至工艺腔内，不仅可以提供较高的等离子体密度以及工艺气体电离率，从而提高了工艺效率以及降低了工艺成本；而且可以有效降低了等离子体的诱导损伤，从而提升了晶圆处理工艺的稳定性。进一步的，本申请实施例可以有效提高工艺腔清洗及晶圆去胶等工艺的效率。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本申请实施例提供的一种远程等离子体源产生装置的结构示意图；
图2A为本申请实施例提供的一种远程等离子体源产生装置的离子密度变化示意图；
图2B为本申请实施例提供的一种远程等离子体源产生装置的电子温度变化示意图。
具体实施方式
下面详细描述本申请，本申请的实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的部件或具有相同或类似功能的部件。此外，如果已知技术的详细描述对于示出的本申请的特征是不必要的，则将其省略。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
下面以具体地实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。
第一个方面，本申请实施例提供了一种远程等离子体源产生装置，用于为工艺腔8提供等离子体，该远程等离子体源产生装置的结构示意图如图1所示，包括：微波源1、微波天线2以及发生腔3；微波源1通过波导4与发生腔3连接，波导4与发生腔3通过介质窗6密封连接；微波天线2的第一端21穿过介质窗6延伸至波导4内，第二端22延伸进入发生腔3内部，用于将微波源1产生的微波导入发生腔3内，微波用于在发生腔3内电离工艺气体以形成表面波等离子体；发生腔3与通过连接管31工艺腔8连通，以将表面波等离子体输送至工艺腔8内。
如图1所示，微波源1可以设置于发生腔3的外侧，其主要用于产生微波并且可以通过波导4传输至发生腔3内，波导4可以通过介质窗6与发生腔3密封连接。可选地，微波源1可以产生频率为2.45GHz的微波，但是本申请实施例并不以此为限，本领域技术人员可以根据实际情况自行调整设置。微波天线2可以为金属材质例如铝、铜等良导体材料制成的杆状结构，微波天线2的第一端21可以穿过介质窗6延伸至波导4内，第一端21可以伸入与发生腔3连接的波导4内，第二端22可以伸入发生腔3内部。发生腔3可以为一中空腔室，用于容置工艺气体，微波天线2可以将微波源1产生的微波导入至发生腔内，微波可以在发生腔3内电离工艺气体，从而产生表面波等离子体。发生腔3还可以通过连接管31与工艺腔8连通，表面波等离子体可以进入工艺腔8内对晶圆进行处理。
本申请实施例通过将微波天线延伸进入发生腔内，采用微波对工艺气体进行电离以获得表面波等离子体，以及发生腔通过连接管与工艺腔连接将表面波等离子体输送至工艺腔内，不仅可以提供较高的等离子体密度以及工艺气体电离率，从而提高了工艺效率以及降低了工艺成本；而且可以有效降低了等离子体的诱导损伤，从而提升了晶圆处理工艺的稳定性。进一步的，本申请实施例可以有效提高工艺腔清洗及晶圆去胶等工艺的效率。
需要说明的是，本申请实施例并不限定微波源1的类型及微波的频率，例如微波源1可以采用一磁控管来产生微波，微波频率也可以采用其它频率。因此本申请实施例并不以此为限，本领域技术人员可以根据实际情况自行调整设置。
于本申请的一实施例中，如图1所示，微波天线2沿发生腔3的轴向延伸布置，且微波天线2的轴向尺寸小于发生腔3的轴向尺寸。微波天线2延伸进入发生腔3的轴向尺寸，可以小于发生腔3的整体轴向尺寸，例如微波天线2可以伸入发生腔3一半以上的长度。采用该设计，可以使得微波天线2上形成更大面积的表面波，从而可以进一步提高在工艺气体电离率，进而还可以进一步提高等离子体的密度。需要说明的是，本申请实施例并不限定微波天线2的具体长度以及伸入发生腔3内的具体长度。因此本申请实施例并不以此为限，本领域技术人员可以根据实际情况自行调整设置。
于本申请的一实施例中，远程等离子体源产生装置还包括调节器5，调节器5与微波天线2连接，用于调节发生腔3内的表面波等离子体的密度。如图1所示，调节器5可以设置于发生腔3的外侧，其可以与微波天线2连接，可以通过微波天线2来调节发生腔3内的表面波等离子体的密度。采用上述设计，实现了对表面波等离子体的离子密度及电子温度的调节，从而可以实现了本申请实施例可以输出不同密度的表面波等离子体，进而提高了本申请实施例适用性。
需要说明的是，本申请实施例并不限定调节器5的具体实施方式，例如在一些其它实施例中，调节器5可以通过调整工艺气体的流量实现对表面波等离子体密度的调节。因此本申请实施例并不以此为限，本领域技术人员可以根据实际情况自行调整设置。
于本申请的一实施例中，调节器5通过向微波天线2施加不同的负偏压，以调节表面波等离子体的密度。可选地，调节器5包括：电容或者直流电源；电容的一端与微波天线2的第一端21连接，另一端接地设置；或者，直流电源的一端与微波天线2的第一端21连接，另一端接地设置。
如图1至图2B所示，调节器5可以向微波天线2施加不同的负偏压，以实现对表面波等离子体的密度进行调节。具体来说，调节器5具体是可以是简单的如图1中所示的通过电容接地的被动调节形式，即将电容的一端与微波天线2的第一端21连接，电容的另一端可以接地设置；调节器5也可以采用负偏压直流电源的主动调节形式，即将直流电源的一端与微波天线2的第一端21连接，直流电源的另一端可以接地设置。本申请实施例并不以此为限，本领域技术人员可以根据实际情况自行调整设置。
图2A及图2B为微波天线2伸入发生腔3长度变化，以及不同负偏压下表面波等离子体中的离子密度及电子温度的变化图。如图2A及图2B所示，调节器5通过改变微波天线2上的负偏压，即可以改变等离子体的离子密度及电子温度。例如当负偏压由-100V增加至-300V时，表面波等离子体中离子密度及电子温度随之增加，另外如图2A及图2B中横坐标表示的轴向位置，其具体可以是微波天线2伸入发生腔3的长度的变化。由于微波天线表面负偏压的存在，可以影响微波天线表面波等离子体的电离效率，从而实现了无需改变发生腔的压力即可调节表面波等离子体中离子密度及电子温度，进而为本申请实施例提供了一种调节离子密度及电子温度的方式，从而使得本申请实施例的应用范围更加广泛，并且使用更加方便。
需要说明的是，本申请实施例并不限定负偏压的具体数值，例如在一些其它实施例中，负偏压也可以根据不同的工艺进行对应调整。因此本申请实施例并不以此为限，本领域技术人员可以根据实际情况自行调整设置。
于本申请的一实施例中，如图1所示，波导4通过介质窗6与发生腔3密封连接，微波天线2的第一端21穿过介质窗6后位于波导4内部。介质窗6具体可以采用高介电常数的材料制成，例如可以采用石英材料制成的圆柱形结构。介质窗6可以设置于设置波导4及发生腔3之间，并且微波天线2可以与介质窗6密封连接，微波可以经由介质窗6沿微波天线2进入发生腔3。采用上述设计，由于设置有介质窗可以便于微波耦合进入发生腔3，从而可以有效提高本申请实施例的等离子体密度以及对工艺气体电离率，从而提高了工艺效率以及降低了工艺成本。
微波天线2具体来说可以是一圆柱结构，其可以穿设于介质窗6内。微波天线2的第一端21可以穿过介质窗6并突出进入波导4内，第一端21进入波导4内的长度可以0至50毫米，以便于微波经过微波天线2进入发生腔3内，但是本申请实施例并不限定第一端进入波导内的具体长度，本领域技术人员可以根据实际情况自行调整设置。
需要说明的是，本申请实施例并不限定介质窗的具体实施方式，在一些其它的实施方式，介质窗可以采用其它高介电常数的材料制成的其它形状。因此本申请实施例并不以此为限，本领域技术人员可以根据实际情况自行调整设置。于本申请的一实施例中，如图1所示，发生腔3与工艺腔8同轴设置，且发生腔的直径小于工艺腔的直径。发生腔3可以设置于发生腔8的上方，两者可以同轴设置并且发生腔3的直径可以小于工艺腔8的直径。采用上述设计，由于发生腔3相较于工艺腔8直径尺寸较小，因此有效增加了发生腔3内表面波等离子体的密度，使得发生腔3内的表面波等离子体的流速较大以及湮灭较少，使得能够到达工艺腔8内的活性自由基更多，从而大幅提高晶圆处理工艺的稳定性以及有效提高工艺腔内反应副产物的去除效率。
于本申请的一实施例中，如图1所示，发生腔3通过一连接管31与工艺腔8连通设置，连接管31的内壁上设置有用于抑制表面波等离子体湮灭的涂层。可选地，涂层为高介电常数材料制成。具体来说，连接管31可以采用金属材质制成，例如可以采用不锈钢材质制成，由于设置有涂层可以在防止表面波等离子体湮灭的同时还可以节省应用成本。涂层具体可以采用高介电常数材料，例如可以采用氧化铝及石英等抗腐蚀性的材质制成，涂层可以涂覆于连接管31的内壁上。由于设置了涂层，可以有效防止表面波等离子体湮灭，从而可以提高进入工艺腔的等离子体的密度，进而可以提高工艺速率。
于本申请的一实施例中，如图1所示，发生腔3上设置有第一进气口32及第二进气口33，第一进气口32及第二进气口33分别用于向发生腔3内通入不同类型工艺气体。第一进气口32及第二进气口33可以设置于发生腔3相对的两侧，并且与在发生腔3内部连通设置。在实际应用时，第一进气口32可以通入氩气，而第二进气口33则可以通入水蒸汽。需要说明的是，本申请实施例并不限定第一进气口32及第二进气口33的具体实施方式，本领域技术人员可以根据实际情况自行调整设置。
于本申请的一实施例中，如图1所示，微波天线2为良导体材料制成的圆柱形结构。具体来说，微波天线2具体可以采用铝及铜等良导体材料制成，其具体结构可以是圆柱形结构。可选地，微波天线2的总长度可以为200毫米至500毫米，微波天线2的直径可以是10毫米至40毫米之间。微波天线2的第一端21进入波导4的长度可以为0毫米至50毫米。由于微波天线2对应于发生腔3的长度设置，因此发生腔3的内径可以是100毫米至200毫米之间，发生腔3的轴向长度可以是300毫米至60毫米之间。采用上述设计，可以使得本申请实施例可以应用于不同的处理工艺，从而可以有效提高本申请实施例的应用范围。
需要说明的是，本申请实施例并不限定微波天线2与发生腔3的具体规格，微波天线2与发生腔3规格可以根据工艺需求进行调整。因此本申请实施例并不以此为限，本领域技术人员可以根据实际情况自行调整设置。
于本申请的一实施例中，波导4上还设置有微波匹配器7，微波匹配器7用于调整波导4的阻抗。如图1所示，微波匹配器7可以设置于波导4上，并且位于微波源1与发生腔3之间。微波匹配器7具体可以包括环流器、定向耦合器和阻抗调节单元，其中环流器可以用于吸收反射功率，定向耦合器用以测量入射功率和反射功率，阻抗调节单元通常为三螺钉自动调谐器，用于对微波进调谐。采用上述设计，可以使得波导4前后端负载趋向一致，从而使得本申请实施例运行更加稳定可靠，进而提高了稳定性。需要说明的是，并非本申请实施例都必须包括微波匹配器7，在一些其它实施例中也可以采用其它方式对波导4的阻抗进行调节。因此本申请实施例并不以此为限，本领域技术人员可以根据实际情况自行调整设置。
基于相同的发明构思，第二个方面，本申请实施例提供了一种半导体加工设备，包括工艺腔及如第一个方面提供的远程等离子体源产生装置。
应用本申请实施例，至少能够实现如下有益效果：
本申请实施例通过将微波天线延伸进入发生腔内，采用微波对工艺气体进行电离以获得表面波等离子体，以及发生腔通过连接管与工艺腔连接将表面波等离子体输送至工艺腔内，不仅可以提供较高的等离子体密度以及工艺气体电离率，从而提高了工艺效率以及降低了工艺成本；而且可以有效降低了等离子体的诱导损伤，从而提升了晶圆处理工艺的稳定性。进一步的，本申请实施例可以有效提高工艺腔清洗及晶圆去胶等工艺的效率。
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。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，因此不能理解为对本发明的限制。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上所述仅是本申请的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种远程等离子体源产生装置，用于为工艺腔提供等离子体，其特征在于，包括：微波源、微波天线以及发生腔；
所述微波源通过波导与所述发生腔连接，所述波导与所述发生腔通过介质窗密封连接；
所述微波天线的第一端穿过所述介质窗延伸至所述波导内，第二端延伸进入所述发生腔内部，用于将所述微波源产生的微波导入所述发生腔内，所述微波用于在所述发生腔电离工艺气体以形成表面波等离子体；
所述发生腔通过连接管与工艺腔连通，以将所述表面波等离子体输送至所述工艺腔内。
2.如权利要求1所述的远程等离子体源产生装置，其特征在于，还包括调节器，所述调节器与所述微波天线连接，用于调节所述发生腔内的表面波等离子体的密度。
3.如权利要求2所述的远程等离子体源产生装置，其特征在于，所述调节器包括：电容或者直流电源；
所述电容的一端与所述微波天线的第一端连接，另一端接地设置；
所述直流电源的一端与所述微波天线的第一端连接，另一端接地设置。
4.如权利要求1所述的远程等离子体源产生装置，其特征在于，所述发生腔与所述工艺腔同轴设置，且所述发生腔的直径小于所述工艺腔的直径。
5.如权利要求1所述的远程等离子体源产生装置，其特征在于，工艺腔所述连接管的内壁设置有用于抑制所述表面波等离子体湮灭的涂层。
6.如权利要求5所述的远程等离子体源产生装置，其特征在于，所述涂层由高介电常数材料制成。
7.如权利要求1至6的任一所述的远程等离子体源产生装置，其特征在于，所述发生腔上设置有第一进气口及第二进气口，所述第一进气口及第二进气口分别用于向所述发生腔内通入不同类型工艺气体。
8.如权利要求1至6的任一所述的远程等离子体源产生装置，其特征在于，所述微波天线为良导体材料制成的圆柱形结构。
9.如权利要求1至6的任一所述的远程等离子体源产生装置，其特征在于，所述波导上还设置有微波匹配器，所述微波匹配器用于调整所述波导的阻抗。
10.一种半导体加工设备，其特征在于，包括工艺腔及如权利要求1至9的任一所述的远程等离子体源产生装置。
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