CN115692149A - 等离子体处理装置及其内壁组件 - Google Patents

Abstract

一种等离子体处理装置及其内壁组件，等离子体处理装置包含反应腔、设置在反应腔内侧壁处的内壁组件，设置在反应腔内的等离子体约束环，以及设置在反应腔底部的排气装置。内壁组件包含围成一个等离子体环境处理空间的筒状部，所述筒状部的内侧壁设有若干个弧形沟槽，所述弧形沟槽由筒状部的内侧壁的上方向下延伸，等离子体约束环具有多个斜向下的排气通道。本发明使从内壁组件的内侧壁和等离子体约束环排出的气流形成涡旋结构，所述气流中的微小颗粒相互碰撞团聚成大颗粒污染物从反应腔中排出，防止颗粒污染物累积在基片表面和基片周围的零件上，保持了刻蚀环境的洁净。

Description

等离子体处理装置及其内壁组件

技术领域

本发明涉及半导体领域的装置，尤其涉及一种等离子体处理装置及其内壁组件。

背景技术

现有半导体刻蚀技术中，其腔体的内壁表面(距离等离子体鞘层数cm附近)通常是由平滑的表面构成的。在等离子体刻蚀制程中，由于没有外力作用，如果发生了微小颗粒成核(2nm及以下)，则这些微小颗粒的核心可以通过集结形成团簇，进一步生长成颗粒污染物。在这个过程中，颗粒上的负电荷不断积累，超过鞘层承受极限时则会穿过鞘层，无规则的沉积在腔体内部，形成颗粒污染物。如果掉落在待处理基片上，则会严重影响等离子体刻蚀制程的良率。

这里的陈述仅提供与本发明有关的背景技术，而并不必然地构成现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种等离子体处理装置及其内壁组件，使反应腔内的颗粒污染物聚集为大颗粒后被排出反应腔，防止颗粒污染物累积在基片表面和基片周围的零件上，保持了刻蚀环境的洁净。

为了达到上述目的，本发明提供一种内壁组件，包含：

筒状部，其围成一个处理空间，所述处理空间内用于形成等离子体环境，所述筒状部的内侧壁设有若干个弧形沟槽，所述弧形沟槽由筒状部的内侧壁的上方向下延伸。

所述筒状部的内侧壁与竖直面的角度为0°～45°。

所述相邻弧形沟槽之间的间距从顶部至底部逐渐递减。

所述弧形沟槽中心线的切线与竖直面之间的角度为5°～45°。

所述弧形沟槽的深度为1mm～10mm。

所述弧形沟槽的宽度为1mm～10mm。

相邻弧形沟槽之间的间距为1mm～10mm。

本发明还提供一种等离子体处理装置，包含：

反应腔；

所述的内壁组件，其设置在所述反应腔内，所述内壁组件内用于形成等离子体环境，所述内壁组件用于保护所述反应腔的内侧壁；

设置在反应腔底部的排气装置。

所述内壁组件接地。

所述等离子体处理装置是电感耦合等离子体刻蚀设备，所述内壁组件为设置在所述反应腔内的内衬。

所述等离子体处理装置是电容耦合等离子体刻蚀设备，所述内壁组件为设置在所述反应腔内的移动环。

所述等离子体处理装置还包含设置在所述反应腔内的等离子体约束环，所述等离子体约束环具有多个排气通道，排出的气流与水平面之间的夹角为5°～45°。

所述内壁组件的弧形结构排出的气流方向、等离子体约束环的排气通道排出的气流方向与排气装置的转子叶片的方向相同，用于使来自于所述弧形结构中的气流进入等离子体约束环的排气通道内，之后通过排气装置输出。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明通过对等离子体处理装置中，所述内壁组件的内壁设有弧形沟槽，所述弧形沟槽由筒状部内侧壁的上方向下延伸，所述弧形凹槽的形状与等离子体约束环中排气通道的形状相互匹配，且它们与排气装置的叶片方向一致，使内壁组件的内侧壁和等离子体约束环排出的气流形成涡旋场，所述气流中的微小颗粒受到涡旋场的离心作用易相互碰撞团聚成大颗粒污染物。此外，在制程中压力或气体电离等发生切换，环境突变时，微小颗粒也会迅速集结长大形成大颗粒污染物。所述大颗粒污染物跌落在所述弧形沟槽内，由于所述内壁组件带电，因此，所述内壁组件能够及时将大颗粒污染物的电荷带走，避免大颗粒污染物相互之间因带负电相互排斥而处于亚稳定状态而停留在反应腔内，从而使大颗粒污染物能够沿所述弧形沟槽的内壁导出反应腔，防止颗粒污染物累积在基片表面和基片周围的零件上，保持了刻蚀环境的洁净。

附图说明

图1是本发明一个实施例中一种电感耦合等离子体处理装置的结构示意图。

图2是内壁组件的结构示意图。

图3是弧形沟槽的结构示意图。

图4是本发明一个实施例中的等离子体约束环的结构示意图。

图5是图4的局部剖视图。

图6是本发明另一个实施例中的等离子体约束环的结构示意图。

图7是本发明另一个实施例中一种电容耦合等离子体处理装置的结构示意图。

具体实施方式

以下根据图1～图7，具体说明本发明的较佳实施例。

等离子体蚀刻工艺在集成电路制造领域发挥了关键作用。最新的5nm半导体制程中等离子体刻蚀工艺步骤数占总比已提升至17％以上。先进刻蚀制程工艺的功率和步骤的大幅提升，要求等离子体刻蚀腔室内产生更少的微颗粒污染，进一步保障刻蚀设备工艺的良率。目前，在5nm/3nm以及以下制程，对颗粒污染的要求已经严苛到，在整个部件的生命周期内，45nm以下的颗粒污染物小于10颗，并且贴地率(zero rate，即45nm的颗粒0颗的概率)大于70％以上。

对半导体刻蚀制程的研究发现，这些微小的颗粒污染物主要具有以下特征：1、颗粒主要集中在等离子体鞘层附近；2、颗粒主要带负电，其表面电位的大小可以是电子温度的数倍；3、颗粒的形成过程主要分成成核(2nm以下)和生长(10nm及以上)两个阶段：最初是通过负离子或中性团簇集结而导致的气态成核阶段，接着是由团簇凝结(2nm～10nm)而导致的高速生长阶段，然后中性离化碎片在其表面不断沉积而导致颗粒继续生长(10nm及以上)，并且颗粒上的负电荷量不断增加。这些发现对于如何控制刻蚀腔体内微小颗粒的数量具有重要的指导意义，即如何降低等离子体鞘层附近带电微小颗粒的数量，以降低微小颗粒污染物对等离子体刻蚀制程的影响，进一步提高先进等离子体刻蚀水平，具有重要的应用价值。

本发明中，引入涡旋离心作用，通过对等离子处理设备的内壁组件的内表面进行一定的处理形成涡旋结构，使得成核的颗粒沿着一定的涡旋方向运动，通过涡旋的离心挤压作用使得颗粒之间相互碰撞，合并逐渐长大，并通过涡旋的定向运动，将形成的较大的颗粒污染物引出刻蚀腔体，降低颗粒污染物对刻蚀环境的影响，保持刻蚀腔体的洁净环境。

如图1所示，在本发明的一个实施例中，提供一种电感耦合等离子体处理装置，其具有一个反应腔10，所述反应腔10包括由金属材料制成的大致为圆柱形的反应腔侧壁11，反应腔侧壁11上设置一开口(图中未显示)用于容纳基片进出。反应腔侧壁11上方设置一绝缘窗口12，绝缘窗口12上方设置电感耦合线圈13，射频功率源(图中未显示)通过射频匹配网络(图中未显示)将射频电压施加到电感耦合线圈13上，射频功率源的射频功率驱动电感耦合线圈13产生较强的高频交变磁场，使得反应腔内低压的反应气体被电离产生等离子体。反应腔10内部设置一内衬14，用以保护反应腔10内壁不被等离子体腐蚀。反应腔侧壁11靠近绝缘窗口12的一端设置气体注入口(图中未显示)，用于将反应气体注入真空反应腔10内。在真空反应腔10内设置一基座15，基座15上设置静电吸盘16，用于产生静电吸力，以实现在工艺过程中对待处理基片W的支撑固定。等离子体中含有大量的电子、离子、激发态的原子、分子和自由基等活性粒子，上述活性粒子可以和待处理基片W的表面发生多种物理和化学反应，使得待处理基片W表面的形貌发生改变，即完成刻蚀过程。一偏置射频功率源(图中未显示)通过射频匹配网络(图中未显示)将偏置射频电压施加到基座15上，用于控制等离子体中带电粒子的轰击方向。真空反应腔10的下方还设置一排气装置17，所述排气装置17中具有排气泵(图中未显示)，用于将反应副产物排出真空反应腔，维持反应腔的真空环境。电感耦合等离子体处理装置还包含一个固定设置的等离子体约束环18，该等离子体约束环18环绕设置在基座15的外围与反应腔侧壁11之间，通过等离子体约束环18熄灭等离子体中的带电粒子，防止污染等离子体约束环18下方的反应腔内壁和排气管道。等离子体约束环18上具有多个贯穿等离子体约束环上下表面的排气通道19，这些排气通道19的开口大小及深度经过设计可以保证基座上方形成的等离子体气体在流经等离子体约束环时，其中的等离子全部熄灭，成为中性气体向下流动。

为了排出反应腔中的颗粒污染物，保持刻蚀环境的洁净，本实施例中对内衬14和等离子体约束环18的结构做相应改进。

如图2所示，在一个实施例中，所述电感耦合等离子体处理装置中的内衬14作为一内壁组件，所述内衬14包含承载部24和筒状部20，所述承载部24由筒状部20的顶部向外延伸形成，所述承载部24承载于所述反应腔侧壁11顶部，该筒状部20围成的处理空间内用于等离子体环境，所述筒状部20的内侧壁与竖直面的角度为0°～45°(如图1所示)，在此，所述筒状部20的内侧壁与竖直面的角度包括端点值，当所述筒状部20的内侧壁与竖直面的角度为0°时，所述筒状部20顶部至底部的厚度不变。当所述筒状部20的内侧壁与竖直面的角度大于0°小于等于45°时，所述筒状部20的厚度由顶部至底部逐渐增厚。所述筒状部20的内侧壁设有若干个弧形沟槽21，所述弧形沟槽21由筒状部内侧壁的顶部延伸至其底部，所述弧形沟槽21中心线的切线与竖直面之间的角度为0°～45°，所述弧形沟槽21排出气流的方向与所述排气装置17中的抽气泵的叶片螺旋方向一致。如图3所示，所述弧形沟槽21的深度D1为1mm～10mm，所述弧形沟槽21的宽度D2为1mm～10mm，相邻弧形沟槽21之间的间距D3为1mm～10mm，相邻弧形沟槽21之间的间距从顶部至底部逐渐递减。

在本实施例中，通过在内衬14的内侧壁上设置弧形沟槽，弧形沟槽排出的气流形成涡旋场，集中在等离子体鞘层附近的微小的颗粒污染物在涡旋场的离心作用下，相互碰撞团聚成大颗粒污染物。且所述筒状部20的厚度由顶部至底部逐渐增厚，使弧形沟槽的回转半径逐渐减小，使得颗粒污染物受到的离心作用越来越大，大大增加微小颗粒之间的碰撞概率，使得这些颗粒污染物在内衬14的内侧壁表面附近就迅速集结长大，形成尺寸较大的颗粒污染物，这些较大的颗粒污染物跌落在所述弧形沟槽内，由于所述内衬14接地，颗粒污染物所携带的电荷能够迅速的被内衬14带走，能够避免颗粒污染物相互之间因带负电相互排斥而处于亚稳定状态而停留在反应腔内，这样这些大的颗粒污染物能够沿着弧形沟槽被导出。

进一步，对等离子体约束环18上的排气通道19的结构做改进，使流经其中气流也形成涡旋。如图4所示，在一个实施例中，所述排气通道19为多个开孔形式，当所述开孔为圆孔时，所述开孔的直径为1mm～10mm，最外侧的开孔与所述等离子体约束环18的边缘的距离为1mm～10mm。如图5所示，所述开孔形式的排气通道19为斜向下设计的，从所述排气通道19内排出的气流呈螺旋状，所述排气通道19排出气流方向与水平面之间的角度为5°～45°，且所述排气通道19排出气流方向与等离子体处理装置中的排气装置中的抽气泵的叶片的螺旋方向一致。如图6所示，在另一个实施例中，所述排气通道19为开槽形式，所述开槽呈放射状排列，所述开槽的宽度为1mm～10mm，所述开槽的外侧壁与所述等离子体约束环18的边缘的距离为1mm～10mm。所述开槽形式的排气通道19斜向下设置，使所述排气通道19排出的气流与水平面的螺旋角度为5°～45°，所述排气通道19排出的气流方向与等离子体处理装置中的排气装置中的抽气泵的叶片螺旋方向一致。

在本实施例中，所述内衬14的弧形沟槽排出气流方向、等离子体约束环18的排气通道19排出气流方向和排气装置17的叶片螺旋方向一致，有利于形成连续的涡旋场，使成形的大尺寸颗粒污染物依次沿弧形沟槽、排气通道和抽气泵被排出反应腔，防止颗粒污染物累积在基片表面和基片周围的零件上，保持了刻蚀环境的洁净。

在本发明的另一个实施例中，请参考图7，提供一种电容耦合等离子体处理装置，其包括真空反应腔10’，真空反应腔10’包括由金属材料制成的大致为圆柱形的反应腔侧壁11’，反应腔侧壁11’上设置一开口(图中未显示)用于容纳基片进出。反应腔10内部设置一移动环23，用以保护反应腔内壁不被等离子体腐蚀。反应腔10’内设置一气体喷淋头22和一与所述气体喷淋头22相对设置的基座15’，所述气体喷淋头22与一气体供应装置(图中未显示)相连，用于向真空反应腔输送反应气体，同时作为真空反应腔的上电极。所述基座15’上方设置一静电吸盘16’，同时作为真空反应腔的下电极，所述上电极和所述下电极之间形成一反应区域。至少一射频电源(图中未显示)通过匹配网络(图中未显示)施加到所述上电极或下电极之一，在所述上电极和所述下电极之间产生射频电场，用以将反应气体解离为等离子体，等离子体中含有大量的电子、离子、激发态的原子、分子和自由基等活性粒子，上述活性粒子可以和待处理基片W’的表面发生多种物理和化学反应，使得基片表面的形貌发生改变，即完成刻蚀过程。真空反应腔10’的下方还设置一排气装置17’，所述排气装置17’中具有排气泵，用于将反应副产物排出真空反应腔，维持反应腔的真空环境。电容耦合等离子体处理装置还包含一个固定设置的等离子体约束环18’，该等离子体约束环18’环绕设置在基座15’的外围与反应腔侧壁11’之间，通过等离子体约束环18’熄灭等离子体中的带电粒子，防止污染等离子体约束环18’下方的反应腔内壁和排气管道。等离子体约束环18’上具有多个贯穿等离子体约束环上下表面的排气通道，这些排气通道的开口大小及深度经过设计可以保证基座上方形成的等离子体气体在流经等离子体约束环时，其中的离子全部熄灭，成为中性气体向下流动。

为了排出反应腔中的颗粒污染物，保持刻蚀环境的洁净，本实施例中对移动环23和等离子体约束环18’的结构做相应改进。

所述移动环23作为一内壁组件，其结构与图2所示的内衬14类似，所述移动环23也包含筒状部，该筒状部围成的处理空间内为等离子体环境，所述筒状部的内侧壁设有若干个弧形沟槽，所述弧形沟槽由筒状部内侧壁上方向下延伸，所述弧形沟槽中心线的切线与水平面的螺旋角度为5°～45°，所述弧形沟槽排出气流方向与所述排气装置中的抽气泵的叶片螺旋方向一致。所述弧形沟槽的深度为1mm～10mm，所述弧形沟槽的宽度为1mm～10mm，相邻弧形沟槽之间的间距为1mm～10mm，相邻弧形沟槽之间的间距从顶部至底部逐渐递减。

在本实施例中，通过在移动环23的内侧壁上设置弧形沟槽，使从移动环23的弧形沟槽流出的气流形成涡旋场，集中在等离子体鞘层附近的微小的颗粒污染物在涡旋场的离心作用下，相互碰撞团聚成大颗粒污染物，且弧形沟槽的回转半径逐渐减小，使得颗粒污染物受到的离心作用越来越大，大大增加微小颗粒之间的碰撞概率，使得这些颗粒污染物在移动环23的内侧壁表面附近就迅速集结长大，形成尺寸较大的颗粒污染物。所述较大的颗粒污染物跌落在弧形沟槽内，由于所述移动环23接地，所述移动环23能够导走较大的颗粒污染物的电荷，能够避免大颗粒污染物相互之间因带负电相互排斥而处于亚稳定状态而停留在反应腔内，较大的颗粒污染物沿弧形沟槽被导出。

进一步，与电感耦合等离子体处理装置中的等离子体约束环18一样，也对等离子体约束环18’上的排气通道的结构做改进，使流经其中的等离子体气流也形成涡旋。在一个实施例中，所述排气通道为多个开孔形式，所述开孔为圆孔时，所述圆孔的直径为1mm～10mm，最外侧的开孔与所述等离子体约束环18’的边缘的距离为1mm～10mm。所述开孔形式的斜向下设置，所述排气通道排出气流与水平面的螺旋角度为5°～45°，所述排气通道排出气流的方向与等离子体处理装置中的排气装置中的抽气泵的螺旋方向一致。在另一个实施例中，所述排气通道为开槽形式，所述开槽的宽度为1mm～10mm，所述开槽与所述等离子体约束环的边缘的距离为1mm～10mm。所述开槽形式的排气通道斜向下设置，所述排气通道排出的气流与水平面之间的角度为5°～45°，所述排气通道排出气流方向与等离子体处理装置中的排气装置中的抽气泵的螺旋方向一致。

综上，由于弧形沟槽排出气流的方向、等离子体约束环的排气通道排出的气流方向与抽气泵的叶片螺旋方向一致，因此，有利于形成连续的涡旋场，使成形的大尺寸颗粒污染物随气流通过抽气泵被排出反应腔，防止颗粒污染物累积在基片表面和基片周围的零件上，保持了刻蚀环境的洁净。

本发明通过对等离子体处理装置中的内壁组件的结构和等离子体约束环的结构做改进，使内壁组件的内侧壁和约束环的内部形成涡旋结构，所述涡旋结构发挥了两个主要作用：

1、离心挤压颗粒污染物，破坏颗粒的亚稳定环境。在等离子体处理装置的反应腔体内，机械结构和制程条件一定的条件下，微小颗粒的产生无法完全避免，因此这些微小颗粒一定会通过形核作用形成核心。因为微小颗粒带负电，所以相互之间通过负电场的排斥作用可以在等离子体的鞘层暂时处于亚稳定状态。当等离子制程中的压力、温度、气体电离等发生切换，环境发生突变时，这些微小颗粒的核心就会迅速集结长大，形成颗粒污染物。本发明令内壁组件的内壁表面形成一定的涡旋场，微小颗粒除了受到电场的排斥作用之外，还会受到涡旋场的离心作用，大大增加了微小颗粒之间的碰撞概率，使得这些核心在涡旋结构表面附近就迅速集结长大，形成尺寸较大的颗粒污染物，较大的颗粒污染物跌落在弧形沟槽内。

2、局部限定颗粒污染物的运动方向。所述内壁组件的内侧壁设置一定深度的弧形沟槽，由于所述内壁组件接地，因此，能够及时导走较大的颗粒污染物的电荷，较大的颗粒污染物沿着弧形沟槽的方向运动。弧形沟槽的回转半径逐渐减小，使得颗粒污染物受到的离心作用越来越大。因此，在涡旋结构的终端可以设置颗粒污染物收集装置，在强大的涡旋离心力作用下，将这些大尺寸的颗粒污染物分离出来，保持反应腔体的洁净环境。

需要说明的是，在本发明的实施例中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“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”、“轴向”、“径向”、“周向”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，仅是为了便于描述实施例，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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (13)

1.一种用于等离子体处理装置的内壁组件，其特征在于，包含：

筒状部，其围成一个处理空间，所述处理空间内用于形成等离子体环境，所述筒状部的内侧壁设有若干个弧形沟槽，所述弧形沟槽由筒状部的内侧壁的上方向下延伸。

2.如权利要求1所述的内壁组件，其特征在于，所述筒状部的内侧壁与竖直面的角度为0°～45°。

3.如权利要求1所述的内壁组件，其特征在于，所述相邻弧形沟槽之间的间距从顶部至底部逐渐递减。

4.如权利要求1所述的内壁组件，其特征在于，所述弧形沟槽中心线的切线与竖直面之间的角度为5°～45°。

5.如权利要求1所述的内壁组件，其特征在于，所述弧形沟槽的深度为1mm～10mm。

6.如权利要求1所述的内壁组件，其特征在于，所述弧形沟槽的宽度为1mm～10mm。

7.如权利要求3所述的内壁组件，其特征在于，相邻弧形沟槽之间的间距为1mm～10mm。

8.一种等离子体处理装置，其特征在于，包含：

反应腔；

如权利要求1-7中任意一项所述的内壁组件，其设置在所述反应腔内，所述内壁组件内用于形成等离子体环境，所述内壁组件用于保护所述反应腔的内侧壁；

设置在反应腔底部的排气装置。

9.如权利要求8所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述内壁组件接地。

10.如权利要求8所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述等离子体处理装置是电感耦合等离子体刻蚀设备，所述内壁组件为设置在所述反应腔内的内衬。

11.如权利要求8所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述等离子体处理装置是电容耦合等离子体刻蚀设备，所述内壁组件为设置在所述反应腔内的移动环。

12.如权利要求8所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述等离子体处理装置还包含设置在所述反应腔内的等离子体约束环，所述等离子体约束环具有多个排气通道，所述排气通道排出的气流与水平面的夹角为5°～45°。

13.如权利要求12所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述内壁组件的弧形沟槽排出的气流方向、等离子体约束环的排气通道排出的气流方向与排气装置的转子叶片的方向相同，用于使来自于所述弧形结构中的气流进入等离子体约束环的排气通道内，之后再通过排气装置输出。

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