CN116614930A - 一种等离子体发生装置、晶圆处理设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种等离子体发生装置，包括：通道，所述通道包含上游区和下游区，通道的两端分别设置有进气口和排气口，所述进气口用于通入工艺气体，所述排气口用于将工艺气体排出，所述上游区靠近所述进气口，所述下游区靠近所述排气口；磁芯，用于将通入所述通道内的所述工艺气体形成等离子体，其中至少一磁芯环绕上游区设置，以及至少一磁芯环绕下游区设置；所述磁芯在上游区产生的磁通小于在下游区产生的磁通，在磁通影响下，使得上游区和下游区的等离子体分布均匀。本发明提出的等离子体发生装置产生的等离子体浓度均匀且稳定。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，具体涉及一种等离子体发生装置、晶圆处理设备。
背景技术
等离子体在半导体制造领域具有很广的应用，等离子体的产生受到多种条件影响，比如射频放电、磁场、容纳等离子体的通道等。
在远程等离子体发生装置中，其通道中的气体温度、气体成分、电离率和等离子体阻抗沿通道路径不是恒定的，且分布不均匀，进而导致沿该通道的等离子体分布不均匀。一方面会造成不同位置对通道内壁侵蚀度不一致，降低通道使用寿命；另一方面会造成进入工艺腔内的等离子体的不稳定性。
为了半导体工艺的稳定性，迫切需要提高等离子体的稳定性，以及降低等离子体对通道的腐蚀。
发明内容
为了达到上述目的，本发明提出了一种等离子体发生装置，包括：通道，所述通道包含上游区和下游区，通道的两端分别设置有进气口和排气口，所述进气口用于通入工艺气体，所述排气口用于将工艺气体排出，所述上游区靠近所述进气口，所述下游区靠近所述排气口；
磁芯，用于将通入所述通道内的所述工艺气体形成等离子体，其中至少一磁芯环绕上游区设置，以及至少一磁芯环绕下游区设置；
所述磁芯在上游区产生的磁通小于在下游区产生的磁通，在磁通影响下，使得上游区和下游区的等离子体分布均匀。
进一步地，所述通道为六边形，所述工艺气体从所述进气口进入所述通道后，被分成两路，两路工艺气体所经通道的路径相同。
进一步地，所述磁芯沿通道的轴向间隔设置。
进一步地，设置在所述上游区的所述磁芯的截面直径大于设置在所述下游区的所述磁芯的截面直径。
进一步地，沿所述上游区至下游区方向所述磁芯的截面直径依次递减，使得沿上游区至下游区方向磁芯在通道附近产生的磁通依次递增。
进一步地，所述上游区的磁芯的线圈的匝数小于下游区的磁芯的线圈的匝数。
进一步地，沿上游区至下游区方向所述磁芯的线圈的匝数依次递增，使得沿上游区至下游区方向磁芯在通道附近产生的磁通依次递增。
进一步地，所述通道还包含：上连接部和下连接部，所述进气口设置在上连接部的顶部，所述排气口设置在下连接部的底部。
进一步地，所述上连接部与上游区连接，所述下连接部与下游区连接。
进一步地，所述上连接部和下连接部均为“Y”形，六边形的所述通道的各拐角处为平滑倒角。
进一步地，所述上连接部的“Y”形的夹角大于所述下连接部的“Y”形的夹角。
进一步地，等离子体发生装置还包括驱动部件，所述驱动部件用于驱动位于下游区的所述磁芯沿着所述通道的轴向运动。
进一步地，所述磁芯还包括辅助磁芯，所述辅助磁芯环绕所述排气口设置。
进一步地，与每个所述磁芯和/或辅助磁芯的线圈连接的射频电源均为独立控制的。
进一步地，所述通道设置在金属块内部，所述金属块包括上金属块和下金属块，所述上游区设置在上金属块内部，所述下游区设置在下金属块内部。
本发明还提出一种晶圆处理设备，包括所述的等离子体发生装置。
本发明提出的等离子体发生装置的优势在于：
1、在上、下游区，磁芯的截面直径、磁芯的线圈匝数、间隔的变化，使产生的等离子体浓度均匀，产生的等离子体稳定。
2、驱动部件的设置，可以调节磁场分布，从而控制通道内工艺气体的电离程度，进而控制通道内等离子体的均匀性。
3、上连接部的“Y”形的夹角大，可以让工艺气体更快的分散，下连接部的“Y”形夹角小，可以减小等离子体侵蚀损坏下连接部的拐角处的程度。
附图说明
图1为本发明的晶圆处理设备的结构示意图；
图2为本发明等离子体发生装置实施例一的剖视图；
图3为本发明等离子体发生装置实施例二的剖视图；
图4为本发明等离子体发生装置实施例三的剖视图；
图5为本发明等离子体发生装置实施例四的剖视图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的一种等离子体发生装置、晶圆处理设备作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。
如图1所示，为本发明提出了一种晶圆处理设备，图1中的晶圆处理设备以预清洁设备为例。该设备包括腔体105和远程等离子体源123，所述远程等离子体源123与腔体105连接，其用于连接工艺气体122，将工艺气体122电离为等离子体后向腔体105输送；所述等离子体源123设置在所述腔体105的顶部，与腔体105之间设置有盖部102、第一气体分配板131、第二气体分配板133，电离后的工艺气体122通过第一气体分配板131、第二气体分配板133进入所述腔体105内，腔体105的侧壁还设置有一路进气管路121；所述腔体105的内部设置有用于放置晶圆的基座104，以及环绕基座104设置的衬套111，所述衬套111用于将工艺气体122均匀地分布在晶圆表面；腔体105的底部设置有升降装置109，位于所述升降装置109的顶部设置所述基座104，通过升降装置109改变基座104的高度，使基座104下降，晶圆在销110的支撑下，基座104与晶圆分离，以便机械手拿取晶圆。反应后的工艺气体122通过设置在腔体105侧壁的废气口107排出腔体外。具体地，腔体105的内侧壁与衬套111外侧壁之间形成互相连通的第一通道113以及第二通道112，所述第一通道113与衬套111的内部连通，第二通道112与所述废气口107连通，反应后的工艺气体122依次进入第一通道113、第二通道112形成废气106，最后所述废气106通过废气口107排出腔体105外。
所述远程等离子体源123包括等离子体发生装置，通过所述等离子体发生装置将所述工艺气体122电离为等离子体，该等离子发生装置可用于多种晶圆处理设备，不限于图1所示的预清洁设备，还可以是刻蚀设备、PECVD、PEALD等。
请参阅图2至图5，该等离子体发生装置包括：通道1、磁芯2，所述通道1包含上游区11和下游区12，通道1的两端分别设置有进气口3和排气口4，所述进气口3用于通入工艺气体122，所述排气口4用于将工艺气体排出，具体的，将电离后的工艺气体122输送到腔体105；所述上游区11靠近所述进气口3，所述下游区12靠近所述排气口4；所述磁芯2用于将通入所述通道1内的所述工艺气体122电离为等离子体，其中至少一磁芯2环绕上游区11设置，以及至少一磁芯2环绕下游区12设置；所述磁芯2在上游区11产生的磁通小于在下游区12产生的磁通，在磁通影响下，使得上游区11和下游区12的等离子体分布均匀。
所述磁芯2包含磁体和线圈，所述磁芯2为环体，其中，所述磁体为环形，所述线圈环绕在环形的磁体上；所述线圈与电源连接，通过电源给予磁芯2产生感应能量使通道1内的工艺气体122电离，形成等离子体。上游区11靠近进气口3，若在相同的磁通的作用下，上游区11的等离子体浓度比下游区12的等离子体浓度大。为了使通道1内等离子体浓度分布均匀，须减少上游区11的气体电离程度，本发明提出通过改变磁通的方式改变通道1内的等离子体分布，从而使等离体分布更均匀，下述提供了多个实施例以阐述本发明的技术方案。可选的，所述电源为射频(RF)电源。
请参阅图2，为本发明实施例一的等离子体发生装置的剖视图，本例中位于每个通道1的轴向设置有两个磁芯2，设置在所述上游区11的所述磁芯2在周向所在平面的截面直径大于设置在所述下游区12的所述磁芯2在周向所在平面的截面直径，即上游区11的磁芯2离通道1的距离更远，由于磁场强度与距离的负相关性，在相同规格的通道1前提下，上游区11的磁通更低，从而降低了上游区11的气体电离程度，未电离的工艺气体在磁通更大的下游区12会产生更强烈的气体电离，故而弥补了下游区12等离子体浓度低的问题。本例中，通过在通道的上游区11与下游区12之间形成正梯度的磁通，使得等离子体均匀分布在通道中，提高了通道内等离子体的均匀性。
在上述实施例的启示下，还可做出如下的改进，如图3所示，在上游区11与下游区12之间设置多个磁芯2，可选为三个，并设置沿所述上游区11至下游区12方向所述磁芯2在周向所在平面的截面直径依次递减，使得磁芯2产生的磁通沿上游区11至下游区12方向依次递增，从而形成更平滑的磁通分布，进一步优化了通道内的等离子体分布。
可选的，设置所述上游区11的磁芯2的线圈的匝数小于下游区12的磁芯2的线圈的匝数。在相同的射频电源前提下，线圈匝数越少，磁场强度越低，从而使得磁芯2在上游区11产生的磁通小于在下游区12产生的磁通。
可选的，在上游区11与下游区12之间设置多个磁芯2，可选为三个；设置沿上游区11至下游区12方向所述磁芯2的线圈的匝数依次递增，使得沿上游区11至下游区12方向磁芯2在通道附近产生的磁通依次递增。
需要说明的是，在上述实施例的启示下，本领域的技术人员还可做出其他种种改进，只要其不脱离本发明的宗旨，在通道内设置磁通梯度以改善通道内等离子体分布的技术方案均应在本发明的教导下。
例如，请参阅图3，所述通道1设置为六边形，所述工艺气体122从所述进气口3进入所述通道1后，被分成两路，两路工艺气体122所经通道的路径相同。即两路通道呈镜像对称设置，工艺气体经过两路通道的距离和所处的磁场环境相同，两路通道内的等离子体分布基本一致。如图3所示，是本发明等离子体发生装置的剖视图，为了控制磁通对等离子体的影响，所述磁芯2沿所述通道1的轴向间隔设置，每个通道1上设置有至少三个磁芯2，上游区11的磁芯2的间隔大于下游区12的磁芯2间隔，即间隔d1大于间隔d2，从而使得下游区12的磁通大于上游区11的磁通。
可选的，磁芯2还可沿着所述通道的轴向移动以改变磁场分布。具体地，请参阅图4和图5，等离子体发生装置还包括驱动部件6，所述驱动部件6用于驱动位于下游区12或非上游区的所述磁芯2沿着所述通道1的轴向运动。驱动部件6包括连接杆、丝杆和电机，所述连接杆与磁芯2连接，丝杆一端与连接杆连接，丝杆的另一端与电机连接，驱动部件6用于驱动磁芯2上下移动，通过调整磁芯2之间的间距，控制各处磁通的大小，以保证等离子体均匀。如图4所示，每侧通道1上设置有两个磁芯2，下游区的磁芯2与所述驱动部件6连接；或者如图5所示，每侧通道上设置有三个磁芯2，中间磁芯2与所述驱动部件6连接，可选的，根据需要，位于最下游区的磁芯2与所述驱动部件6连接。通过驱动部件6控制磁芯2向下游区11移动，以增强下游区11的等离子体浓度。或者按照工艺要求，控制磁芯2在合适的通道位置处以改变磁场分布，从而控制通道内工艺气体的电离程度，进而控制通道内等离子体的均匀性。在一些改进例中，还能配合控制磁芯2的截面直径以及线圈匝数来改变磁通。
可选的，如图2至图5所示，由于通道1底部气体浓度低，等离子体在排气口4处的浓度低于其他部位，因此在排气口4处还设置了辅助磁芯5，其目的是为了进一步增强气体在排气口4处的电离，增大等离子体浓度。
可选的，与每个所述磁芯2和辅助磁芯5上的线圈连接的电源均可独立控制，通过改变电源的电学特性来控制每个磁芯2或者辅助磁芯5产生的磁通，从而控制通道各处的磁通。
本发明还考虑到等离子对通道1内壁的侵蚀，在通道1的结构上进行了优化。如图2至图5所示，所述通道1还包含：上连接部13和下连接部14，所述进气口3设置在上连接部13的顶部，所述排气口4设置在下连接部14的底部，所述上连接部与上游区连接，所述下连接部与下游区连接。上连接部13或者下连接部13的各拐角处均为平滑倒角，这样设置可以缓解等离子体对拐角处的侵蚀。由于通道1设置为六边形，因此通道1中的每个拐角均大于90°，这样可以进一步缓解拐角的侵蚀。
进一步地，所述上连接部13和下连接部14均为“Y”形，所述上连接部13的“Y”形的夹角∠a大于所述下连接部14的“Y”形的夹角∠b，即∠a大于∠b。上连接部的“Y”形的夹角大，可以让工艺气体122更快的分散，下连接部的“Y”形夹角小，可以防止等离子体侵蚀损坏下连接部14的拐角处。可选的，所述夹角∠a大小为110°-130°，所述夹角∠b大小为110°-125°。
可选的，如图2所示，所述通道1设置在金属块内部，所述金属块包括上金属块71和下金属块72，所述上游区11设置在上金属块71内部，所述下游区12设置在下金属块72内部；上金属块71上设置环形凹槽，用于容纳位于上游区的磁芯2，下金属块72上同样设置环形凹槽，用于容纳位于下游区的磁芯2，可选的，所述下金属块72的凹槽还设置连通下金属块72外侧的连接槽，用于容纳驱动部件的连接杆；上金属块71和下金属块72通过密封圈密封。可选的，所述金属块包括铝，所述通道1进行阳极氧化处理。将六边形的通道设置在上、下金属块内，相较于四边形的通道，容易实现机加工。
综上所述，本发明提出的等离子体发生装置产生的等离子体浓度均匀，产生的等离子体稳定，且对通道进行了结构优化，使得产生的等离子体对通道腐蚀减小。
以上所述实施例仅用以说明本说明书实施例的原则。其他的变形也可能属于本说明书的范围。因此，作为示例而非限制，本说明书实施例的替代配置可视为与本说明书的教导一致。相应地，凡是采用在通道内设置磁通梯度以改善通道内等离子体分布的技术方案，均应在本发明的教导范围内。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
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 (16)
1.一种等离子体发生装置，其特征在于，包括：
通道，所述通道包含上游区和下游区，通道的两端分别设置有进气口和排气口，所述进气口用于通入工艺气体，所述排气口用于将工艺气体排出，所述上游区靠近所述进气口，所述下游区靠近所述排气口；
磁芯，用于将通入所述通道内的所述工艺气体形成等离子体，其中至少一磁芯环绕上游区设置，以及至少一磁芯环绕下游区设置；
所述磁芯在上游区产生的磁通小于在下游区产生的磁通，在磁通影响下，使得上游区和下游区的等离子体分布均匀。
2.如权利要求1所述的等离子体发生装置，其特征在于，所述通道为六边形，所述工艺气体从所述进气口进入所述通道后，被分成两路，两路工艺气体所经通道的路径相同。
3.如权利要求2所述的等离子体发生装置，其特征在于，所述磁芯沿通道的轴向间隔设置。
4.如权利要求1所述的等离子体发生装置，其特征在于，设置在所述上游区的所述磁芯的截面直径大于设置在所述下游区的所述磁芯的截面直径。
5.如权利要求1所述的等离子体发生装置，其特征在于，沿所述上游区至下游区方向所述磁芯的截面直径依次递减，使得沿上游区至下游区方向磁芯在通道附近产生的磁通依次递增。
6.如权利要求1所述的等离子体发生装置，其特征在于，所述上游区的磁芯的线圈的匝数小于下游区的磁芯的线圈的匝数。
7.如权利要求1所述的等离子体发生装置，其特征在于，沿上游区至下游区方向所述磁芯的线圈的匝数依次递增，使得沿上游区至下游区方向磁芯在通道附近产生的磁通依次递增。
8.如权利要求1-7任一所述的等离子体发生装置，其特征在于，所述通道还包含：上连接部和下连接部，所述进气口设置在上连接部的顶部，所述排气口设置在下连接部的底部。
9.如权利要求8所述的等离子体发生装置，其特征在于，所述上连接部与上游区连接，所述下连接部与下游区连接。
10.如权利要求9所述的等离子体发生装置，其特征在于，所述上连接部和下连接部均为“Y”形，六边形的所述通道的各拐角处为平滑倒角。
11.如权利要求10所述的等离子体发生装置，其特征在于，所述上连接部的“Y”形的夹角大于所述下连接部的“Y”形的夹角。
12.如权利要求4-7任一所述的等离子体发生装置，其特征在于，等离子体发生装置还包括驱动部件，所述驱动部件用于驱动位于下游区的所述磁芯沿着所述通道的轴向运动。
13.如权利要求1所述的等离子体发生装置，其特征在于，所述磁芯还包括辅助磁芯，所述辅助磁芯环绕所述排气口设置。
14.如权利要求13所述的等离子体发生装置，其特征在于，与每个所述磁芯和/或辅助磁芯的线圈连接的射频电源均为独立控制的。
15.如权利要求1所述的等离子体发生装置，其特征在于，所述通道设置在金属块内部，所述金属块包括上金属块和下金属块，所述上游区设置在上金属块内部，所述下游区设置在下金属块内部。
16.一种晶圆处理设备，其特征在于，包括：如权利要求1至15任一项所述的等离子体发生装置。
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2023
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