CN112233955A - 离子源及离子刻蚀设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离子源，包括栅栏、射频电源线圈、石英腔、气流导向结构和用于调节离子源产生的离子流密度的可调磁场装置，所述可调磁场装置包括至少三个不同轴的电磁铁，所有电磁铁均连接有调节角度的驱动装置，所有电磁铁之间相互独立，通过改变各个电磁铁的电流和倾斜角，产生不同强度和方向的磁场，它们就可以独立或者共同耦合来改变离子流的密度，进而提高整个区域的刻蚀速率均匀度。

Description

离子源及离子刻蚀设备及方法

技术领域

本发明属于半导体刻蚀技术领域，更具体的说涉及一种离子源及离子刻蚀设备及方法。

背景技术

有栅网离子源通常利用射频电源、利用感应耦合(ICP)产生氩气(Ar)等离子体；并通过加有不同电压的金属栅网加速氩气等离子体，并使之形成尽可能平行的、高能量的等离子体束流；引导该等离子体束流轰击硅基片表面，将硅基片表面物质刻蚀掉，以达到清洁硅基片表面；或者在硅基片上，加工成型各种微米、纳米结构。

在常规的栅网离子源中，感应耦合(ICP)产生的离子源，由于受线圈产生的磁场强度的非均匀性、刻蚀气体扩散的影响，产生的等离子体密度分布并不均匀，通常，这样的不均匀体现在其等离子体浓度在源中心最高，并沿该中心径向减少，这就在刻蚀过程中使得刻蚀速度在基片中心至边缘的不均匀。

加入栅网，可以部分修正此不均匀性。栅网由若干片蜂窝状孔洞的结构构成。调整空洞的大小、布局，一方面可以调节不同区域的、穿过孔洞的等离子体量，以调节在不同区域的刻蚀速率；另一方面，可以使等离子体的运行轨迹更加平行，也可以改进刻蚀速率的均匀性。但是，使用栅网也有局限性。主要在于，刻蚀过程中，产生离子源的RF电源功率、电压、工艺气体类型、气压、流量等参数并不恒久固定，而且不同的工艺也要求不同的工艺参数。因此，固定的栅网设计，并不能完全适应动态的工艺要求。

之前，也有发明注意到这个问题，并提出了一些改进设计(如，CN01681781B、CN103154310B、US10128083、US8158016、US8835869B2)。其核心在于放置一个能产生磁场的装置在离子源中心。该装置可以由永久磁铁，或者由电磁铁构成。如果由电磁铁构成，可以通过调节电磁铁的电流，改变中心磁场的大小，进而改变离子浓度的分布，尤其是离子源中心的离子浓度，实现刻蚀均匀度的改善。

但是，这样的设计也有一些问题。事实上，在实际操作中，刻蚀速率的变化并不由中心至边缘的简单的单调变化，而是可能存在复杂的变化，刻蚀速率具有多个局域峰值、低值。

这是因为，刻蚀气体在离子源中的扩散，与进气方式、气道结构，及其形成的气流密度在空间的分布有关。该气流密度并不能保证在空间的绝对恒久的均匀分布。而另一方面，由ICP而产生的电磁场，虽然理论上而言，其强度是由源中心至边缘逐渐单调减小，但是由于设计、加工的精度所限，其分布也存在偏离。进而，由该离子源离子化刻蚀气体，形成离子，再通过栅栏时，就更不可避免的进一步形成离子流分布的波动性，而形成刻蚀速率具有多个局域峰值、低值区域。

基于这样的实际情况，之前的发明所采用的放置一个能产生磁场的装置在离子源中心的方法，只能部分调节刻蚀速度的均匀性，即围绕源中心的刻蚀速率的均匀性，而缺乏对其他非中心区域调节功能。同时，一味加强对中心区域的调控，也会产生对其他紧邻区域的扰动，产生新的不均匀性。

因此，需要一个不仅可以调试离子源中心的离子浓度，而且可以调节整个区域的离子浓度的磁控方式和装置，以灵活、实时、全面调节离子源整体产生的离子浓度，以提高刻蚀速率的均匀性。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种通过改变各个电磁铁的电流和倾斜角，产生不同强度和方向的磁场，它们就可以独立或者共同耦合来改变离子流的密度，进而提高整个区域的刻蚀速率均匀度。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种离子源，包括栅栏、射频电源线圈、石英腔、气流导向结构和用于调节离子源产生的离子流密度的可调磁场装置，所述可调磁场装置包括至少三个不同轴的电磁铁，所有电磁铁均连接有调节角度的驱动装置，所有电磁铁之间相互独立。

进一步的所述可调磁场装置包括支撑架，所有电磁铁布置于支撑架上，所述驱动装置连接支撑架和电磁铁。

进一步的所述支撑架包括上撑板和下撑板，所述上撑板和下撑板上对应电磁铁处均开设有安装口，且所述下撑板对应安装口处设置有支撑环，电磁铁搭载于支撑环上，上撑板的安装口大于电磁铁的外径。

进一步的所述驱动装置包括弹簧片和第一调节螺钉，弹簧片置于上撑板的安装口处挤压电磁铁的圆周面，所述上撑板对应弹簧片的相对侧设置有连通安装口与外界的第一螺纹孔，第一调节螺钉穿入第一螺纹孔挤压电磁铁的圆周面。

进一步的所述下撑板对应支撑环处开设有第二螺纹孔，所述第二螺纹孔内穿设有第二调节螺钉，第二调节螺钉挤压电磁铁的底面。

进一步的所述安装口在支撑架沿圆周均匀分布，且上撑板的安装口为腰型，其长度方向沿上撑板的径向延伸。

进一步的所述电磁铁包括线圈架和线圈，线圈处于线圈架内，线圈外接电源。

一种离子刻蚀设备，包括基片台和旋转装置，基片台连接旋转装置，还包括上述的离子源，离子源的等离子体束流朝向基片台。

一种离子刻蚀方法，包括如下步骤：

S1、确定离子源的工艺参数；

S1.1、设立一个离子源的初始工艺参数，工艺参数包括电磁铁的电流及倾斜角；

S1.2、上载待刻蚀的薄膜材料的基片至基片台上；

S1.3、离子源及旋转装置均启动运行，刻蚀基片；

S1.4、下载基片，并对基片进行测量，计算刻蚀速率分布图、标准方差；

S1.5、判断刻蚀速率是否满足要求，若满足要求则结束确定过程，若不满足要求，则调整离子源的工艺参数重新开始刻蚀至满足要求；

S2、以满足要求的离子源的工艺参数进行基片的刻蚀。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明中可调磁场装置具有至少三个非同轴的、倾斜角可变的、独立操控的电磁铁，被放置于离子源腔体中。通过改变各个电磁铁的电流和倾斜角，产生不同强度和方向的磁场，它们就可以独立或者共同耦合来改变离子流的密度，进而提高整个区域的刻蚀速率均匀度。

附图说明

图1为本发明中可调磁场装置的立体结构示意图；

图2为本发明中可调磁场装置的俯视图；

图3为图2中A-A处的剖面视图；

图4为本发明中可调磁场装置的立体结构示意图(第一调节螺钉拔出时)；

图5为本发明中离子源的爆炸视图；

图6为本发明离子刻蚀设备的结构示意图；

图7为本发明离子刻蚀方法的流程图；

图8为本发明中采用SiO2薄膜为刻蚀材料各个位置刻蚀速率的示意图。

附图标记：11、上撑板；12、下撑板；122、支撑环；13、安装口；15、第一螺纹孔；2、电磁铁；21、线圈架；22、线圈；3、弹簧片；4、第二调节螺钉；5、第一调节螺钉；6、栅栏；7、射频电源线圈；8、石英腔；9、气流导向结构；10、可调磁场装置；11、基片。

具体实施方式

参照图1至图7对本发明的实施例做进一步说明。

在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”，“横向(X)”、“纵向(Y)”、“竖向(Z)”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙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、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。

此外，如有术语“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隐含指明技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”特征可以明示或者隐含包括一个或者多个该特征，在本发明描述中，“数个”、“若干”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

一种离子源，包括栅栏6、射频电源线圈7、石英腔8、气流导向结构9和用于调节离子源产生的离子流密度的可调磁场装置10，所述可调磁场装置10包括至少三个不同轴的电磁铁2，所有电磁铁2均连接有调节角度的驱动装置，所有电磁铁2之间相互独立。

如图5所示，气流导向结构9，引进刻蚀气体，如氩气，并使其均匀分布于真空石英腔8体中；射频(RF)电源线圈22链接射频电源，并由其提供能量，使真空石英腔8体中的气体离子化，栅栏6通常由3～5片结构完全相同、相互绝缘、并连接不同电压的金属片构成，可调磁场装置10也位于石英腔8体内。

离子流在具有不同电场的栅栏6加速下，通过栅栏6，形成近似平行的、具有高能量的等离子束流。

如图1-4所示，本实施例中以可调磁场装置10中具有三个电磁铁2为例。

所述可调磁场装置10包括支撑架，支撑架整体呈圆柱状，具体的所述支撑架包括上撑板11和下撑板12，相应的上撑板11和下撑板12分别呈圆盘状，上撑板11和下撑板12之间通过一个或多个支撑柱或其他结构进行固定即可，所述上撑板11和下撑板12上对应电磁铁2处均开设有安装口13，且所述下撑板12对应安装口13处设置有支撑环122，电磁铁2搭载于支撑环122上，上撑板11的安装口13大于电磁铁2的外径，也就是在上撑板11和下撑板12上分别开设三个安装口13，每个电磁铁2均由上撑板11的安装口13向下伸至下撑板12的安装口13处并搭载于支撑环122上。

如图2所示，在本实施例中上撑板11和下撑板12的安装口13均沿圆周均匀分布，且上撑板11的安装口13为腰型，其长度方向沿上撑板11的径向延伸，腰型安装口13以使得电磁铁2的上部分能够沿着上撑板11的径向移动，即改变其轴线与支撑架轴线的夹角(电磁铁2的倾斜角)。

本实施例优选的所述驱动装置包括弹簧片3和第一调节螺钉5，弹簧片3置于上撑板11的安装口13处挤压电磁铁2的圆周面，所述上撑板11对应弹簧片3的相对侧设置有连通安装口13与外界的第一螺纹孔15，第一调节螺钉5穿入第一螺纹孔15挤压电磁铁2的圆周面，具体的弹簧片3具有三个，三个弹簧片3固定于上撑板11的中心处，并分别延伸至三个安装口13内，三个弹簧片3对电磁铁2的弹力挤压方向优选的朝向电磁铁2的轴向；其中每个安装口13处对应第一螺纹孔15和第一调节螺钉5优选的分别具有两个，两个第一调节螺钉5和弹簧片3的连线构成三角形，此三角形为锐角三角形，以保证电磁铁2对应上撑板11处能够保持稳定，通过调节两个第一调节螺钉5即可推动电磁铁2在上撑板11的安装口13内移动，以改变其倾斜角。

当然第一调节螺钉5和第一螺纹孔15的组合也可以采用电动式结构，如采用电动推杆来推动电磁铁2的运动。

本实施例优选的所述下撑板12对应支撑环122处开设有第二螺纹孔，所述第二螺纹孔内穿设有第二调节螺钉4，第二调节螺钉4挤压电磁铁2的底面，电磁铁2通常为倾斜式的，其底面一侧与支撑环122贴合，另一侧则搭在第二调节螺钉4上，以保持电磁铁2的稳定。

在本实施例中所述电磁铁2包括线圈架21和线圈22，线圈22处于线圈架21内，线圈22外接电源，外接电源给线圈22通电，以产生磁场，每个线圈22独立的外接电源，即每个电磁铁2实现独立的电流控制，使三个电磁铁2独立或组合产生不同强度的磁场。

一种离子刻蚀设备，包括基片11台和旋转装置，基片11台连接旋转装置，还包括上述的离子源，离子源的等离子体束流朝向基片11台，如图5和图6所示，离子流在具有不同电场的栅栏6加速下，通过栅栏6，形成近似平行的、具有高能量的等离子体束流，通常，基片11被置放于基片11台上。基片11台通过旋转装置旋转，以协助提高刻蚀速率的均匀性，等离子体流束不停撞击基片11，将基片11上的材料轰击而出，形成刻蚀。

如图7所示，一种离子刻蚀方法，包括如下步骤：

S1、确定离子源的工艺参数；

S1.1、设立一个离子源的初始工艺参数，工艺参数包括电磁铁2的电流及倾斜角；

S1.2、上载待刻蚀的薄膜材料的基片11至基片11台上；

S1.3、离子源及旋转装置均启动运行，刻蚀基片11；

S1.4、下载基片11，并对基片11进行测量，计算刻蚀速率分布图、标准方差；

S1.5、判断刻蚀速率是否满足要求，若满足要求则结束确定过程，若不满足要求，则调整离子源的工艺参数重新开始刻蚀至满足要求；

S2、以满足要求的离子源的工艺参数进行基片11的刻蚀。

本实施例中以SiO2薄膜为刻蚀材料，如表一所示，其为本申请离子刻蚀方法展示的五个实施例工艺参数及其对应的刻蚀速度的均匀性Std％。

系列1为不采用任何磁铁装置，即EM0＝0的结果；在系列1中，由于没有采用任何磁场调节，刻蚀速率与基片中心至边缘距离存在复杂的变化关系，存在多个均匀峰值、谷值，正如图四所阐明的。其刻蚀速率的均匀性表征参数标准均方差σ仅为3.05％。

系列2为仅仅采用之前发明的同轴磁铁装置获得的实验结果。可以看出，在系列2中，采用了之前发明的与离子源同轴的电磁铁，加通160mA的电流，产生磁场。由图8可以看出，该磁场将离子源中心点(0mm处)的刻蚀速率调节与其他处的速率相近，进而减小刻蚀速率的σ至1.14％，提高了刻蚀的均匀性。但是，尽管均匀性有所提高，在紧靠中心点处(～25mm处)存在刻蚀速率的局域谷值，及～100mm处的平缓的峰值区域，该电磁铁产生的磁场并不能很好地进行调控。

在系列3中，采用本发明的3个非同轴电磁铁装置，将

电磁铁1的电流设置为EM1＝50mA，倾斜角设为a1＝5度；

电磁铁2的电流设置为EM2＝100mA，倾斜角设为a2＝10度；

电磁铁3的电流设置为EM3＝100mA，倾斜角设为a3＝10度；

由于电磁铁1的倾斜角较小，其产生的磁场可以更好地调节紧靠中心点处(～25mm)的离子浓度，使其浓度增加，并提高其刻蚀速率；同时，电磁铁2、3保持较大的倾斜角，保持其对中心处离子浓度的调节。这样，3个磁铁的共同作用，使得刻蚀速率的均匀性提高，σ为0.96％。

在系列4中，进一步调节各个电磁铁的电流大小和倾斜角角度，

电磁铁1的电流设置为EM1＝100mA，倾斜角设为a1＝5度；

电磁铁2的电流设置为EM2＝80mA，倾斜角设为a2＝10度；

电磁铁3的电流设置为EM3＝80mA，倾斜角设为a3＝10度；

继续保持磁铁2、3较大的倾斜角，维护其对中心处离子浓度的调节；同时，增加电磁铁1的电流强度至100mA，增强其对离子浓度的调节作用，使～25mm处的刻蚀速率进一步增加，从而提高整个区域的刻蚀速率的均匀性提高，σ为0.85％。

在系列5中，做进一步精细调节。

电磁铁1的电流设置为EM1＝100mA，倾斜角设为a1＝5度；

电磁铁2的电流设置为EM2＝20mA，倾斜角设为a2＝0度；

电磁铁3的电流设置为EM3＝120mA，倾斜角设为a3＝10度；

这样，由于电磁铁2的倾斜角角度为0，对中部较大区域(～50mm至～150mm处)具有调节作用，配合电磁铁1对～25mm处及电磁铁2对中心处的调节，进而进一步提高整体刻蚀速率的均匀性，达到σ为0.35％。

表一：

系列	Sub.	电压	电流	Ar	EM0	EM1	a1	EM2	a2	EM3	a3	σ
															V	mA	sccm	mA	mA	Deg	mA	Deg	mA	Deg
1	SiO2	800	550	12	0	NA	NA	NA	NA	NA	NA	3.05
													2	SiO2	800	550	12	160	NA	NA	NA	NA	NA	NA	1.14
3	SiO2	800	550	12	NA	50	5	100	10	100	10	0.96
													4	SiO2	800	550	12	NA	100	5	80	10	80	10	0.85
5	SiO2	800	550	12	NA	100	5	20	0	120	10	0.35

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种离子源，包括栅栏、射频电源线圈、石英腔、气流导向结构和用于调节离子源产生的离子流密度的可调磁场装置，其特征在于：所述可调磁场装置包括至少三个不同轴的电磁铁，所有电磁铁均连接有调节角度的驱动装置，所有电磁铁之间相互独立。

2.根据权利要求1所述的离子源，其特征在于：所述可调磁场装置包括支撑架，所有电磁铁布置于支撑架上，所述驱动装置连接支撑架和电磁铁。

3.根据权利要求2所述的离子源，其特征在于：所述支撑架包括上撑板和下撑板，所述上撑板和下撑板上对应电磁铁处均开设有安装口，且所述下撑板对应安装口处设置有支撑环，电磁铁搭载于支撑环上，上撑板的安装口大于电磁铁的外径。

4.根据权利要求3所述的离子源，其特征在于：所述驱动装置包括弹簧片和第一调节螺钉，弹簧片置于上撑板的安装口处挤压电磁铁的圆周面，所述上撑板对应弹簧片的相对侧设置有连通安装口与外界的第一螺纹孔，第一调节螺钉穿入第一螺纹孔挤压电磁铁的圆周面。

5.根据权利要求4所述的离子源，其特征在于：所述下撑板对应支撑环处开设有第二螺纹孔，所述第二螺纹孔内穿设有第二调节螺钉，第二调节螺钉挤压电磁铁的底面。

6.根据权利要求5所述的离子源，其特征在于：所述安装口在支撑架沿圆周均匀分布，且上撑板的安装口为腰型，其长度方向沿上撑板的径向延伸。

7.根据权利要求6所述的离子源，其特征在于：所述电磁铁包括线圈架和线圈，线圈处于线圈架内，线圈外接电源。

8.一种离子刻蚀设备，包括基片台和旋转装置，基片台连接旋转装置，其特征在于：还包括权利要求7所述的离子源，离子源的等离子体束流朝向基片台。

9.一种离子刻蚀方法，包括如下步骤：

S1、确定离子源的工艺参数；

S1.1、设立一个离子源的初始工艺参数，工艺参数包括电磁铁的电流及倾斜角；

S1.2、上载待刻蚀的薄膜材料的基片至基片台上；

S1.3、离子源及旋转装置均启动运行，刻蚀基片；

S1.4、下载基片，并对基片进行测量，计算刻蚀速率分布图、标准方差；

S1.5、判断刻蚀速率是否满足要求，若满足要求则结束确定过程，若不满足要求，则调整离子源的工艺参数重新开始刻蚀至满足要求；

S2、以满足要求的离子源的工艺参数进行基片的刻蚀。

Images