CN116453925B - 磁控增强等离子抛光装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁控增强等离子抛光装置，涉及抛光设备技术领域。磁控增强等离子抛光装置包括真空腔体、进气管、导电管、喷头、载台和外部电源；真空腔体的顶壁上设置有进气管，进气管用于向真空腔体内通入刻蚀气体，真空腔体的底壁上设置有导电管；喷头设置在真空腔体内、且与进气管连通；载台设置在真空腔体内，载台上用于承载待抛光的基材，载台内设置有磁体；载台与导电管连接，导电管和喷头用于连接外部电源，载台与喷头之间形成具有电场的电离区，喷头喷出的刻蚀气体在电离区形成等离子；等离子在电离区内受到方向不同的磁力与电磁力。磁控增强等离子抛光装置能够高效、高质量、低成本地对基材进行抛光。

Description

磁控增强等离子抛光装置

技术领域

本发明涉及抛光设备技术领域，具体而言，涉及一种磁控增强等离子抛光装置。

背景技术

半导体产业是现代电子工业的核心，目前，90%以上的半导体器件和电路，尤其是超大规模集成电路（英文名：Ultra Large Scale Integrated circuits，简称：ULSI）都是制作在高纯度优质的单晶抛光片和外延片上。因此，制作晶圆工艺中获得表面微缺陷极小、平坦度高的晶圆尤为重要。

在现有的晶圆抛光装置中，大多采用抛光绒布对晶圆的表面进行抛光。现有的这个晶圆抛光方式至少具有以下缺陷：

1.在抛光过程需要注入研磨抛光液或水，而且需要控制抛光绒布转动，抛光绒布为耗材，还需要定期更换，造成整体成本较高；

2.抛光绒布上的抛光绒毛较粗，注入的研磨抛光液或水的密度较大，使抛光绒毛、研磨抛光液或水难以穿透到切片/研磨步骤留下的损伤层，使最终能够达到的抛光效果有限，产品质量和良率难以提高。

发明内容

本发明的目的包括提供了一种磁控增强等离子抛光装置，其能够高效、高质量、低成本地对基材进行抛光。

本发明的实施例可以这样实现：

本发明实施例提供一种磁控增强等离子抛光装置，磁控增强等离子抛光装置包括真空腔体、进气管、导电管、喷头、载台和外部电源；

真空腔体的顶壁上设置有进气管，进气管用于向真空腔体内通入刻蚀气体，真空腔体的底壁上设置有导电管；

喷头设置在真空腔体内、且与进气管连通，喷头用于喷出刻蚀气体；

载台设置在真空腔体内，载台上用于承载待抛光的基材，载台内设置有磁体；

载台与导电管连接，导电管和喷头用于连接外部电源，载台与喷头之间形成具有电场的电离区，喷头喷出的刻蚀气体在电离区形成等离子；

磁体在电离区内形成有磁场，使等离子在电离区内受到方向不同的磁力与电磁力。

本发明实施例提供的磁控增强等离子抛光装置的有益效果包括：

1.载台与喷头之间形成具有电场的电离区，刻蚀气体喷头喷出的刻蚀气体在电离区形成等离子，其中，等离子中的正离子会在电场的作用下受到垂直于载台顶面方向的电磁力，即电磁力会驱动正离子碰撞到基材的表面，基材表面的原子及二次电子被击穿，达到对基材表面进行高质量抛光的效果；

2.本实施例采用的等离子抛光原理，不需要注入研磨抛光液或水，也不需要移动或者常更换的耗材，因此，成本低；

3.本实施例采用的等离子抛光属于非接触式，它在整个过程中没有物理压力施加到基材上，实际上还能改善基材亚表面的损伤，而且采用的刻蚀气体比研磨抛光液的密度更低，且是被电磁场加速到基材表面，而不是像研磨抛光液那样喷射到基材表面，使等离子能够更深入地穿透到基材在切片或研磨步骤留下的损伤层，由等离子将以弱化学键形式附着在基材表面以及亚表面处的材料进行物理去除，这样，留下的材料的化学键结合更强，因此质量更高，有助于获得更高的器件良率及提高产量；

4.载台内安装有磁体，磁体在电离区内形成有磁场，使等离子在电离区内受到磁力，同时，等离子还受到电离区内电场施加的电磁力，电磁力的方向垂直于载台的顶面，磁力的方向随磁体的排列形状和等离子的位置改变，且磁力基本上与电磁力的方向不同，这样，磁力就会引导等离子由原本的直线运动转变为曲线运动，使得等离子在电离区内的运动路径增长，增加等离子与气体分子的碰撞次数，使得气体分子离子化的几率增大，便有更多的等离子撞击基板，可大幅提升抛光时的抛光速度。

在可选的实施方式中，磁体包括间隔交替设置的N极和S极。

在可选的实施方式中，载台的顶面上开设有多条间隔设置的凹槽，每个凹槽内装入同一极性的磁体、且相邻两条凹槽内装入的磁体的极性不同。

这样，等离子中的正离子会从N极向相邻的S极运动，再向下一个N极运动，即沿着凹槽的排列顺序逐次运动到对应的凹槽，不仅增长了正离子在电离区内的运动路径，还增加了正离子碰撞到基材上的次数。

在可选的实施方式中，凹槽为环形、直线形、波浪形中的一种或多种的组合。

这样，不同形式的凹槽，可以形成不同形式的电场，进而形成正离子不同形式的运动路径，可选择正离子运动路径长度合适、与基材碰撞次数合适的凹槽形式。

在可选的实施方式中，每个凹槽内装入的磁体包括多个依次布置在凹槽内的圆柱体磁体颗粒。

这样，每个凹槽内的磁体由多个圆柱体磁体颗粒拼接形成，不仅使磁体可以适应与任何形式的凹槽，而且拆装方便。

在可选的实施方式中，载台可带动基材相对喷头自转。

在载台自转的过程中，磁体形成的磁场也在自转，正离子受到的磁力的方向也在随之变化，正离子在方向不变的电磁力和方向变化的磁力的共同作用下，会形成螺旋式运动路径，进一步增长正离子的运动路径。

在可选的实施方式中，喷头为板状结构，喷头上开设有相互连通的进气口和多个出气口，其中，多个出气口均布在喷头的底面上。

这样，刻蚀气体可以通过喷头均匀地进入电离区，有利于在电离区内形成均匀的等离子。

在可选的实施方式中，在沿等离子中正离子的运动方向上，出气口的孔径逐渐减小。

因为在正离子的运动过程中，正离子会逐渐集中，正对正离子集中区域的出气口的孔径设计得较小，越远离集中区域的出气口的孔径设计得较大，有利于整个电离区内正离子的均匀分布，即基材均匀地接收正离子的碰撞。

在可选的实施方式中，磁控增强等离子抛光装置还包括隔挡板，隔挡板连接在载台上、且围绕电离区，隔挡板用于阻碍电离区中的刻蚀气体或等离子流出电离区。

这样，利用隔挡板减少刻蚀气体和等离子扩散出电离区，保证电离区内等离子的浓度，有利于提高基材被抛光的效率。

在可选的实施方式中，真空腔体的底壁上开设有抽气管，磁控增强等离子抛光装置还包括抽气阀门和抽气泵，抽气管通过抽气阀门连通到抽气泵。

这样，真空腔体的顶壁进气、底壁出气，保持真空腔体内及时补入刻蚀气体，维持对基材高效地抛光。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的磁控增强等离子抛光装置的结构示意图；

图2为等离子中正离子的在电离区内运动的示意图；

图3为一种磁体在载台上的布置示意图；

图4为另一种磁体在载台上的布置示意图；

图5为喷头上出气口的布置示意图。

图标：100-磁控增强等离子抛光装置；1-真空腔体；2-喷头；201-进气口；202-出气口；3-进气管；4-第一进气阀；5-过滤器；6-第二进气阀；7-质量流量阀；8-通气阀门；9-载台；91-凹槽；10-隔挡板；11-加热器；12-电容量计；13-导电管；14-射频电源；15-射频匹配器；16-抽气管；17-抽气阀门；18-抽气泵；19-磁体；191-N极；192-S极；20-正离子；21-原子；22-电子；23-磁力线；24-基材；25-外部电源。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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。

此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

请参考图1（图1中箭头表示刻蚀气体的流向），本实施例提供了一种磁控增强等离子抛光装置100，其主要构思是在利用等离子对基材24进行抛光，并增加磁场使等离子的运动方向改变、运动路径增长，提高气体离子化几率，增加撞击基板的等离子数量，提高抛光效率和质量。其中，待抛光的基材24可以是碳化硅籽晶。

具体的，磁控增强等离子抛光装置100包括真空腔体1、喷头2、进气管3、进气组件、载台9、导电管13、外部电源25、抽气管16、抽气阀门17和抽气泵18。

进气管3设置在真空腔体1的顶壁上，进气管3连接到进气组件，进气组件包括依次连通的第一进气阀4、过滤器5、第二进气阀6和进气支路，其中，进气支路可以是多条，可以分别通入不同类型的刻蚀气体，本实施例中可以采用的刻蚀气体可以是O₂、CF₄等。其中，进气支路包括质量流量阀7以及连接在质量流量阀7两端的通气阀门8，通过控制质量流量阀7就可以控制进气支路的气体通入量。

喷头2设置在真空腔体1内、且与进气管3连通，喷头2用于喷出刻蚀气体。真空腔体1的底壁上设置有导电管13。载台9设置在真空腔体1内、且位于导电管13的顶部，载台9上用于承载待抛光的基材24，载台9的顶面上开设有凹槽91，凹槽91内设置有磁体19。

载台9与导电管13连接，导电管13连接到外部电源25，其中，载台9与真空腔体1的侧壁电连接，真空腔体1接地处理，外部电源25包括射频电源14和射频匹配器15，导电管13、射频匹配器15和射频电源14依次连接，射频电源14接地处理，射频电源14的功率可以是1200W、频率为13.56MHz。这样，电离装置结构形式简单、控制方便。

抽气管16设置在真空腔体1的底壁上，抽气管16通过抽气阀门17连通到抽气泵18。这样，真空腔体1的顶壁进气、底壁出气，保持真空腔体1内及时补入刻蚀气体，维持对基材24高效地抛光。

请查阅图1和图2，本实施例提供的磁控增强等离子抛光装置100的工作原理：

载台9与喷头2之间形成具有电场的电离区，刻蚀气体喷头2喷出的刻蚀气体在电离区形成等离子，其中，等离子中的正离子20会在电场的作用下受到垂直于载台9顶面方向的电磁力。

磁体19在电离区内形成有磁场，使等离子在电离区内受到磁力，其中，载台9上的磁体19包括间隔交替设置的N极191和S极192，等离子中的正离子20会从N极191向相邻的S极192运动，再向下一个N极191运动。

等离子中正离子20在电离区内受到磁力（与图2中A所示，磁力的方向与磁力线23相切），同时，正离子20还受到电离区内电场施加的电磁力（与图2中B所示），电磁力的方向垂直于载台9的顶面，磁力的方向随磁体19的排列形状和正离子20的位置改变，且磁力基本上与电磁力的方向不同，这样，磁力就会引导等离子由原本的直线运动转变为曲线运动，使得正离子20在电离区内的运动路径增长，增加正离子20与气体分子的碰撞次数，使得气体分子离子化的几率增大，便有更多的正离子20撞击基板，可大幅提升抛光时的抛光速度。

当然，电离区内的不带电原子21会自由扩散，带负电的电子22会向喷头2的方向移动。

等离子中的正离子20碰撞到基材24的表面，基材24表面的原子21及二次电子22被击穿，达到对基材24表面进行高质量抛光的效果；而且不需要注入研磨抛光液或水，也不需要移动或者常更换的耗材，因此，成本低。等离子抛光还属于非接触式，它在整个过程中没有物理压力施加到基材24上，实际上还能改善基材24亚表面的损伤，而且采用的刻蚀气体比研磨抛光液的密度更低，且是被电磁场加速到基材24表面，而不是像研磨抛光液那样喷射到基材24表面，使等离子能够更深入地穿透到基材24在切片或研磨步骤留下的损伤层，由等离子将以弱化学键形式附着在基材24表面以及亚表面处的材料进行物理去除，这样，留下的材料的化学键结合更强，因此质量更高，有助于获得更高的器件良率及提高产量。

磁控增强等离子抛光装置100还包括隔挡板10，隔挡板10连接在载台9上、且围绕电离区，隔挡板10用于阻碍电离区中的刻蚀气体或等离子流出电离区。这样，利用隔挡板10减少刻蚀气体和等离子扩散出电离区，保证电离区内等离子的浓度，有利于提高基材24被抛光的效率。

真空腔体1的侧壁上还设置有加热器11，通过控制加热器11的温度，可以间接控制真空腔体1内的温度，使真空腔体1内的温度达到刻蚀气体离子化的条件。

真空腔体1的侧壁上还设置有电容量计12，电容量计12可用于检测喷头2与载台9形成的电场的电压，使电离区中的电场强度达到刻蚀气体离子化的条件。

请查阅图3和图4，载台9的顶面上开设有多条间隔设置的凹槽91，每个凹槽91内装入同一极性的磁体19、且相邻两条凹槽91内装入的磁体19的极性不同。每个凹槽91内装入的磁体19包括多个依次布置在凹槽91内的圆柱体磁体19颗粒。这样，每个凹槽91内的磁体19由多个圆柱体磁体19颗粒拼接形成，不仅使磁体19可以适应与任何形式的凹槽91，而且拆装方便。

凹槽91为环形、直线形、波浪形中的一种或多种的组合。这样，不同形式的凹槽91，可以形成不同形式的电场，进而形成正离子20不同形式的运动路径，可选择正离子20运动路径长度合适、与基材24碰撞次数合适的凹槽91形式。

如图3所示，凹槽91为环形，多个凹槽91从外至内依次装填N极191和S极192。如图3所示，凹槽91为直线形，多个凹槽91间隔平行设置，多个凹槽91从上至下依次装填N极191和S极192。

优选地，载台9可带动基材24相对喷头2自转，可以通过在导电管13与载台9之间设置电机，以实现载台9自转。在载台9自转的过程中，磁体19形成的磁场也在自转，正离子20受到的磁力的方向也在随之变化，正离子20在方向不变的电磁力和方向变化的磁力的共同作用下，会形成螺旋式运动路径，进一步增长正离子20的运动路径。

请查阅图5，喷头2为板状结构，喷头2上开设有相互连通的进气口201和多个出气口202，其中，多个出气口202均布在喷头2的底面上。这样，刻蚀气体可以通过喷头2均匀地进入电离区，有利于在电离区内形成均匀的等离子。

优选地，在沿等离子中正离子20的运动方向上，出气口202的孔径逐渐减小，例如，如果载台9上凹槽91的开设形式选择图4所示的直线形，则喷头2上出气口202的设计形式就选择图5中的形式，图5中，出气口202的孔径从喷头2的两端到中心逐渐减小。

因为在正离子20的运动过程中，正离子20会逐渐集中，所以，正对正离子20集中区域的出气口202的孔径设计得较小，越远离集中区域的出气口202的孔径设计得较大，有利于整个电离区内正离子20的均匀分布，即基材24均匀地接收正离子20的碰撞。

本实施例提供的磁控增强等离子抛光装置100的有益效果包括：

1.载台9与喷头2之间形成具有电场的电离区，刻蚀气体喷头2喷出的刻蚀气体在电离区形成等离子，其中，等离子中的正离子20会在电场的作用下受到垂直于载台9顶面方向的电磁力，即电磁力会驱动正离子20碰撞到基材24的表面，基材24表面的原子21及二次电子22被击穿，达到对基材24表面进行高质量抛光的效果；

2.本实施例采用的等离子抛光原理，不需要注入研磨抛光液或水，也不需要移动或者常更换的耗材，因此，成本低；

3.本实施例采用的等离子抛光属于非接触式，它在整个过程中没有物理压力施加到基材24上，实际上还能改善基材24亚表面的损伤，而且采用的刻蚀气体比研磨抛光液的密度更低，且是被电磁场加速到基材24表面，而不是像研磨抛光液那样喷射到基材24表面，使等离子能够更深入地穿透到基材24在切片或研磨步骤留下的损伤层，由等离子将以弱化学键形式附着在基材24表面以及亚表面处的材料进行物理去除，这样，留下的材料的化学键结合更强，因此质量更高，有助于获得更高的器件良率及提高产量；

4.载台9内安装有磁体19，磁体19在电离区内形成有磁场，使等离子在电离区内受到磁力，同时，等离子还受到电离区内电场施加的电磁力，电磁力的方向垂直于载台9的顶面，磁力的方向随磁体19的排列形状和等离子的位置改变，且磁力基本上与电磁力的方向不同，这样，磁力就会引导等离子由原本的直线运动转变为曲线运动，使得等离子在电离区内的运动路径增长，增加等离子与气体分子的碰撞次数，使得气体分子离子化的几率增大，便有更多的等离子撞击基板，可大幅提升抛光时的抛光速度；

5.载台9可带动基材24相对喷头2自转，在载台9自转的过程中，磁体19形成的磁场也在自转，正离子20受到的磁力的方向也在随之变化，正离子20在方向不变的电磁力和方向变化的磁力的共同作用下，会形成螺旋式运动路径，进一步增长正离子20的运动路径；

6.喷头2上开设的出气口202的孔径不同，有利于整个电离区内正离子20的均匀分布，即基材24均匀地接收正离子20的碰撞；

7.本装置适用范围广，比如SiC晶锭制造商可以用它来抛光SiC种子晶片的底面，为后续升华工艺做准备，目前，大多数制造商是使用CMP进行晶圆表面处理，采用本实施例提供的装置有望帮助制造商进一步改善其SiC质量，同时带来更大的经济效益。

以上，仅为本发明的具体实施方式，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以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种磁控增强等离子抛光装置，其特征在于，所述磁控增强等离子抛光装置包括真空腔体（1）、进气管（3）、导电管（13）、喷头（2）、载台（9）和外部电源（25）；

所述真空腔体（1）的顶壁上设置有进气管（3），所述进气管（3）用于向所述真空腔体（1）内通入刻蚀气体，所述真空腔体（1）的底壁上设置有导电管（13）；

所述喷头（2）设置在所述真空腔体（1）内、且与所述进气管（3）连通，所述喷头（2）用于喷出所述刻蚀气体；

所述载台（9）设置在所述真空腔体（1）内，所述载台（9）上用于承载待抛光的基材（24），所述载台（9）内设置有磁体（19）；

所述载台（9）与所述导电管（13）连接，所述导电管（13）和所述喷头（2）用于连接外部电源（25），所述载台（9）与所述喷头（2）之间形成具有电场的电离区，所述喷头（2）喷出的所述刻蚀气体在所述电离区形成等离子；

所述磁体（19）在所述电离区内形成有磁场，使所述等离子在所述电离区内受到方向不同的磁力与电磁力，所述磁体（19）包括间隔交替设置的N极（191）和S极（192），所述载台（9）的顶面上开设有多条间隔设置的凹槽（91），每个所述凹槽（91）内装入同一极性的所述磁体（19）、且相邻两条所述凹槽（91）内装入的所述磁体（19）的极性不同；

所述凹槽（91）为直线形，多个所述凹槽（91）间隔平行设置，多个所述凹槽（91）依次装填所述N极（191）和所述S极（192）；所述载台（9）可带动所述基材（24）相对所述喷头（2）自转；

所述喷头（2）为板状结构，所述喷头（2）上开设有相互连通的进气口（201）和多个出气口（202），其中，多个所述出气口（202）均布在所述喷头（2）的底面上；所述出气口（202）的孔径从所述喷头（2）的两端到中心逐渐减小。

2.根据权利要求1所述的磁控增强等离子抛光装置，其特征在于，每个所述凹槽（91）内装入的所述磁体（19）包括多个依次布置在所述凹槽（91）内的圆柱体磁体（19）颗粒。

3.根据权利要求1所述的磁控增强等离子抛光装置，其特征在于，所述磁控增强等离子抛光装置还包括隔挡板（10），所述隔挡板（10）连接在所述载台（9）上、且围绕所述电离区，所述隔挡板（10）用于阻碍所述电离区中的所述刻蚀气体或所述等离子流出所述电离区。

4.根据权利要求1所述的磁控增强等离子抛光装置，其特征在于，所述真空腔体（1）的底壁上开设有抽气管（16），所述磁控增强等离子抛光装置还包括抽气阀门（17）和抽气泵（18），所述抽气管（16）通过所述抽气阀门（17）连通到所述抽气泵（18）。