CN211016999U

CN211016999U - 一种等离子处理系统

Info

Publication number: CN211016999U
Application number: CN201922136870.2U
Authority: CN
Inventors: 李义群
Original assignee: Changxin Memory Technologies Inc
Current assignee: Changxin Memory Technologies Inc
Priority date: 2019-12-03
Filing date: 2019-12-03
Publication date: 2020-07-14
Anticipated expiration: 2029-12-03

Abstract

本实用新型公开了一种等离子处理系统，包括：真空腔体，等离子发生部件，控制装置，以及与控制装置电连接的下部电极、第一匹配器、第二匹配器、第一射频电源、第二射频电源；所述真空腔体内设置有样品座，样品座的外围设置有至少一个超声波发生装置，超声波发生装置与控制装置电连接；所述下部电极设置在样品座处；所述第一匹配器的一端与第一射频电源连接，第一匹配器的另一端与下部电极连接；第二匹配器的一端与第二射频电源连接，第二匹配器的另一端与等离子发生部件连接。采用本实用新型提高了产品良率。

Description

一种等离子处理系统

技术领域

本实用新型涉及半导体设备技术领域，尤其涉及一种等离子处理系统。

背景技术

等离子处理系统被广泛的应用于显示器件、光电器件、分立电子器件、以及集成电路的制造工艺中，以实现对晶片的薄膜沉积、溅射以及蚀刻等工艺。如何有效的避免等离子处理工艺过程中的不利影响因素，从而提高等离子处理工艺的效果，进而提高产品的良率，是工程研发人员持续关注的重点之一。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型提出了一种等离子处理系统，提高了等离子体处理效果，提高了产品良率。

本实用新型提供了一种等离子处理系统，该系统包括：真空腔体，等离子发生部件，控制装置，以及与控制装置电连接的下部电极、第一匹配器、第二匹配器、第一射频电源、第二射频电源；

所述真空腔体内设置有样品座，样品座的外围设置有至少一个超声波发生装置，超声波发生装置与控制装置电连接；

所述下部电极设置在样品座处；

所述第一匹配器的一端与第一射频电源连接，第一匹配器的另一端与下部电极连接；

第二匹配器的一端与第二射频电源连接，第二匹配器的另一端与等离子发生部件连接。

其中，所述等离子发生部件为上部电极或螺旋线圈。

其中，还包括抽真空装置以及与抽真空装置连接的尾气处理装置。

其中，所述超声波发生装置与真空腔体的连接方式为可拆卸连接。

其中，超声波发生装置的输出功率为50-500W。

其中，超声波发生装置的输出功率密度为1-200W/cm²。

其中，超声波发生装置输出的超声波的频率控制在20-100KHz。

其中，所述控制装置还连接有检测装置，所述检测装置设置在真空腔体内；

所述检测装置，用于检测真空腔体内的附着物的量。

其中，所述超声波发生装置的一端设置有控制开关，所述控制开关与控制装置连接。

其中，还包括时钟电路单元，所述时钟电路单元的一端与控制装置连接，时钟电路单元的另一端与控制开关连接。

本实用新型的真空腔体内设置有超声波发生装置，在等离子处理工艺中超声波发生装置均匀的向晶片发射平行于晶片的超声波，有效解决了副产物在晶片上的附着的问题，提高了产品良率，为后制程打下了良好的基础。

附图说明

图1是现有技术中副产物对蚀刻图形影响的示意图。

图2是现有技术中副产物影响蚀刻图形的示例图。

图3a是本实用新型一种等离子处理系统的第一种实施例的示意图。

图3b是本实用新型第一实施例的等离子处理系统的腔室俯视图。

图4是本实用新型一种等离子处理系统的第二种实施例的示意图。

图5是本实用新型一种等离子处理系统的工作原理示意图。

101：副产物；201：副产物；202：掩膜；310、410：真空腔体；311、411：隔离板；312、412：支持台；313、413：冷却液通道；314a、414a：配管；314b、414b:配管；315、415：样品座；316、416：静电卡盘；317、417：电极；318、418：开关；319、419：DC电源；320、420：聚焦环；321、421绝缘筒；322、422：气体配管；323：上部电极；324：电极板；325、425：顶板；324a、424a：气嘴；326、426：气体混合室；325a、425a：气孔；327、427：抽气口；328、428：气体配管；330、430：开口；331、431：阀；333、433：第一匹配器；334、434：第一射频电源；336、436：第二匹配器；337、437：第二射频电源；338、438：控制装置；339、439：超声波发生装置；423：顶盖；424：上部板；450：螺旋线圈；51：副产物。

具体实施方式

以下将通过实施例来详细说明本申请的实施方式，借此对本申请如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

在等离子处理过程中，往往会产生一些副产物，这些副产物将会对等离子处理过程产生一些不利影响。例如，在等离子蚀刻工艺中，一些副产物将会附着在蚀刻区的表面、或者蚀刻图形的侧壁上。附着在蚀刻区表面的副产物将形成一层盖层(capping)，该盖层在严重情况下将会使得蚀刻工艺不能够正常进行；而附着在蚀刻图形侧壁的副产物将会对蚀刻离子的运动方向、能量等产生作用，将使得蚀刻图形呈现如图1所示的中部鼓起(bowing)、顶部变窄(necking)、底部上宽下窄(bottomCD或BCD)等非正常形态，甚至会阻止蚀刻进行。因为，副产物过厚(如图号101所示)，将会终止蚀刻，如图2a所示；副产物太薄(如图号201所示)，将会出现过蚀刻，如图2b所示；副产物位于掩膜202侧壁的顶部，将会导致蚀刻图形呈现中间侧壁弯曲，底部则接近正常的形状，如2c所示；副产物位于掩膜侧壁的底部，将会导致蚀刻图形呈现球形状，如图2d所示。如何有效避免等离子处理工艺过程中的副产物对等离子处理过程的不利影响，对提高等离子体处理效果以及产品良率有着较大帮助。

本实用新型实施例提供的等离子处理系统基于以下技术构思。首先，利用共振原理，使得附着的副产物发生震荡，从而脱落。然后，再利用抽真空装置将脱落的副产物从等离子处理室内抽出。上述等离子处理系统够有效排出等离子处理过程产生的副产物，避免了副产物对等离子处理过程造成不利影响，进而有效提高等离子体处理效果以及产品良率。

下面对本实用新型的第一实施例进行详细说明，需要指出的是，在本实施例中，等离子发生部件为上部电极。

图3a是本实用新型一种等离子体处理系统的第一种实施例的示意图。等离子处理系统包括真空腔体310。真空腔体310由不锈钢、铝等材料形成，其形状可为正方体形、长方体形、以及大致圆筒形。从等离子体分布均匀性以及后述微波便于清除副产物的角度来讲，该真空腔体310优选为大致圆筒形。当真空腔体310由铝材料形成时，真空腔体310的内壁优选被阳极氧化技术处理。此外，从安全的角度来讲，真空腔体310接地。

在真空腔体310的底部上设置有石英、蓝宝石等陶瓷材料制造的绝缘隔离板311。在隔离板311上设置有支持台312。支持台312可为方形、长方形、以及大致圆柱形状。从等离子体分布均匀性以及后述微波便于清除副产物的角度来讲，该支持台312优选为大致圆柱形。在支持台312的内部形成有冷却液通道313。冷却液通道313围绕支持台312的中心轴以螺旋状盘旋延伸。放置在真空腔体310外部的冷却液供应容器经由配管314a对冷却液通道313供给冷却液。同时，供给到冷却液通道313的冷却液经由配管314b流出冷却液通道313，并经过冷却装置冷却，重新回收到冷却液供应容器。冷却液可以为冷却水等。此外，冷却液的温度由温度调节单元根据需要来控制，由此被处理物W的温度被调节。

在该支持台312上设置有样品座315。样品座315由铝等导电性的材料形成，构成下部电极。另外，该下部电极也可以不是集成在样品座上，而是单独的部件，具体的安装位置可以安装在样品座处或距离样品座较近的位置，在样品座315上设置有静电卡盘316。静电卡盘316是内埋有电极317的绝缘板结构。静电卡盘316内部的电极317经由开关318与DC电源319电连接。静电卡盘316利用DC电源319的电压产生静电力，利用静电力将被处理物W保持在该静电卡盘316上。其中，被处理物W可以为等待蚀刻处理的晶片。在静电卡盘316的周围且样品座315上配置有聚焦环320。此外，由石英等绝缘材料制备的绝缘筒321围绕在样品座315和支持台312的外周。在等离子体处理系统中，氦气、氮气等热传导气体经由气体配管328被供给到静电卡盘316的上表面与被处理物W的背面之间。

在真空腔体310的顶部设置有上部电极323。上部电极323具有电极板324和顶板325。在电极板324上形成有多个出气嘴324a。电极板324例如由Si、SiC等硅类的材料形成。顶板325是支承电极板324的可拆卸部件，其由不锈钢、或者表面被阳极氧化处理后的铝形成。

在顶板325的内部形成有气体混合室326。此外，在顶板325上形成有多个气孔325a。气孔325a从气体混合室326延伸，并与电极板324上的出气嘴324a连通。气体混合室326经由气体配管322与气体供给系统(未图示)连接。气体供给系统通常包括多组气体源、质量流控制器和阀门。多个气体源经由各自对应的质量流控制器和阀门与气体配管322连接。气体供给系统以调节后的流量将来自多个气体源之中选择的气体源的气体供给到气体混合室326。导入到气体混合室326的气体从气嘴324a喷出到等离子处理空间。

在样品座315与真空腔体310的侧壁之间和支持台312与真空腔体310的侧壁之间，形成有俯视时环状的空间，该空间的底部与真空腔体310的抽气口327连通。与抽气口327连通的抽气管(未图示)与真空腔体310的底部连接。该抽气管与抽真空装置(未图示)连接，同时抽真空装置和尾气处理装置(未图示)连接。抽真空装置由涡轮分子泵和干泵组成。抽真空装置将真空腔体310的内部空间抽成所需的压力。此外，在真空腔体310的侧壁形成有用于被处理物W搬入和搬出的开口330。在真空腔体310的侧壁安装有用于打开和关闭开口330的阀331。

样品座315通过导线经由第一匹配器333与第一射频电源334连接，上部电极323通过导线经由第二匹配器336与第二射频电源337连接。第一射频电源334输出的射频电压用于对轰击被处理物W的离子进行控制，而第二射频电源337输出的射频电压则用于生成等离子体。同时，为了便于后续分析，将第一射频电源334输出的能够促进离子轰击被处理物W的电平称为高电平(RF ON)，而不能促进离子轰击被处理物W的电平称为低电平(RF OFF)。高电平和低电平具体的数值由所属技术领域的技术人员根据实际情况来确定，例如高电平可以选择小于零，低电平可以选择等于零。

此外，等离子体处理系统还包括控制装置338。控制装置338包括一个以上的微型计算机，根据存储于外部存储器或者内部存储器的软件，控制等离子体处理系统的各部分。此外，控制装置338与包括键盘等输入装置、液晶显示器等显示装置的人机接口用的操作面板、和存储各种程序、方案以及设定值等各种数据的外部存储装置等连接。

在真空腔体310上，且静电卡盘316附近设置有超声波发生装置339。为了便于说明超声波发生装置的配置，将图3a等离子处理系统真空腔体310内部的俯视画成图3b所示。如图3b所示，超声波发生装置339均匀的安装于真空腔体310四周。出于便于安装、保养以及维修的目的，超声波发生装置339优选以可拆卸的方式安装于真空腔体310四周。图3b中以4个超声波发生装置339为例，基于对副产物清除是否完全以及清除无死角的目的，超声波发生装置339的数量可选择为3个以上，例如5个、6个等。

上述等离子体处理系统使用时。首先，阀331打开，被处理物W经由开口330被送入真空腔体310内。被送入真空腔体310内的被处理物W载置于静电卡盘316上。同时，对静电卡盘316的电极317施加来自DC电源319的直流电压，被处理物W被保持于静电卡盘316上。其次，抽真空装置将真空腔体310抽成规定真空度。接着，将蚀刻等所需要的气体从气体供给系统通过气体配管322导入真空腔体310内，并将真空腔体310的压力调节成规定的压力。然后，对上部电极323供给来自第二射频电源337的高频电压，使得供给到真空腔体310内的蚀刻气体被形成在样品座315与上部电极323之间的高频电场激励生成等离子。同时，对样品座315供给来自第一射频电源334的射频电压，在该射频电压的作用下，等离子的基团和/或者离子将对被处理物W进行蚀刻等等离子处理。

图4是实施上述等离子体处理系统的第二实施例的示意图。本实施例与第一实施例不同的是等离子发生部件为螺旋线圈。其中等离子体处理系统包括真空腔体410。其形状可为正方体形、长方体形、以及大致圆筒形。从等离子体分布均匀性以及后述微波便于清除副产物的角度来讲，该真空腔体410优选为大致圆筒形。在真空腔体410的底部上设置有石英、蓝宝石等陶瓷材料制造的绝缘隔离板411。在绝缘隔离板411上设置有支持台412。支持台412可为方形、长方形、以及大致圆柱形状。从等离子体分布均匀性以及后述微波便于清除副产物的角度来讲，该支持台412优选为大致圆柱形。在真空腔体410外部，具有环绕真空腔体410的螺旋线圈450。在支持台412的内部形成有冷却液通道413。冷却液通道413围绕支持台412的中心轴以螺旋状盘旋延伸。放置在真空腔体410外部的冷却液供应容器经由配管414a对该冷却液通道413供给冷却液。同时，供给到冷却液通道413的冷却液经由配管414b流出冷却液通道413，并经过冷却装置冷却，重新被回收到冷却液供应容器。冷却液可以为冷却水等。此外，冷却液的温度由温度调节单元根据需要来控制，由此被处理物W的温度被调节。

在支持台412上设置有样品座415。样品座415由铝等导电性的材料形成，构成下部电极。在样品座415上设置有静电卡盘416。静电卡盘416是内埋有电极417的绝缘板结构。静电卡盘416内部的电极417经由开关418与DC电源419电连接。静电卡盘416利用DC电源419的电压产生静电力，利用静电力将被处理物W保持在静电卡盘416上。其中，被处理物W可以为等待蚀刻处理的晶片。在静电卡盘316的周围且样品座315上配置有聚焦环420。此外，由石英等绝缘材料制备的绝缘筒421围绕在样品座415和支持台412的外周。在等离子体处理系统中，氦气、氮气等热传导气体经由气体配管428被供给到静电卡盘416的上表面与被处理物W的背面之间。

在真空腔体410的顶部设置有顶盖423。顶盖423具有上部板424和顶板425。在上部板424上形成有多个出气嘴424a。上部板424例如由Si、SiC等硅类的材料形成。顶板425是支承上部板424的可拆卸的部件。在顶板425的内部形成有气体混合室426。此外，在顶板425上形成有多个气孔425a。气孔425a从气体混合室426延伸，并与出气嘴424a连通。气体混合室426经由气体配管422与气体供给系统(未图示)连接。气体供给系统通常包括多组气体源、质量流控制器和阀门。多个气体源经由各自对应的质量流控制器和阀门与气体配管422连接。气体供给系统构成为以调节后的流量将来自多个气体源之中选择的气体源的气体供给到气体混合室426。导入到气体混合室426的气体从气嘴424a喷出到等离子处理空间。

在样品座415与真空腔体410的侧壁之间和支持台412与真空腔体410的侧壁之间，形成有俯视时环状的空间，该空间的底部与真空腔体410的抽气口427连通。与抽气口427连通的抽气管(未图示)与真空腔体410的底部连接。该抽气管与抽真空装置(未图示)连接，同时抽真空装置和尾气处理装置(未图示)连接。抽真空装置由涡轮分子泵和干泵组成。抽真空装置将真空腔体410抽成所需的压力。此外，在真空腔体410的侧壁形成有用于搬出和搬入被处理物W的开口430。在真空腔体410的侧壁安装有用于打开和关闭开口430的阀431。

样品座415通过导线经由第一匹配器433与第一射频电源434连接，螺旋线圈450通过导线经由第二匹配器436与第二射频电源437连接。第一射频电源434输出的射频电压用于对轰击被处理物W的离子进行控制，而第二射频电源437输出的射频电压则用于生成等离子体。同样，为了便于后续分析，将第一射频电源334输出的能够促进离子轰击被处理物W的电平称为高电平(RF ON)，而不能促进离子轰击被处理物W的电平称为低电平(RF OFF)。高电平和低电平具体的数值由所属技术领域的技术人员根据实际情况来确定，例如高电平可以选择小于零，低电平可以选择等于零。

此外，等离子体处理系统包括控制装置438。控制装置438包括一个以上的微型计算机，根据存储于外部存储器或者内部存储器的软件，控制等离子体处理系统的各部分。此外，控制装置438与包括键盘等输入装置、液晶显示器等显示装置的人机接口用的操作面板、和存储各种程序、方案以及设定值等各种数据的外部存储装置等连接。

在真空腔体410上，且静电卡盘416附近设置有超声波发生装置439。为了便于说明超声波发生装置的配置。超声波发生装置439均匀的安装于真空腔体410四周。出于便于安装、保养以及维修的目的，超声波发生装置439优选以可拆卸的方式安装于真空腔体410四周。基于对副产物清除是否完全以及清除无死角的目的，超声波发生装置439的数量可选择为3个以上，例如5个、6个等。

上述等离子体处理系统使用时。首先，阀431打开，被处理物W经由开口430被送入真空腔体410内。被送入真空腔体410内的被处理物W载置于静电卡盘416上。同时，对静电卡盘416的电极417施加来自DC电源419的直流电压，被处理物W被保持于静电卡盘416上。其次，抽真空装置429将真空腔体410抽成规定真空度。接着，将蚀刻等所需要的气体从气体供给系统通过气体配管422导入真空腔体410内，并将真空腔体410内调节成规定的压力。然后，对螺旋线圈450供给来着第二射频电源437的射频电压，使得供给到真空腔体410内的蚀刻气体被高频电场激励生成等离子。同时，对样品座415供给来自第一射频电源434的射频电压，在该射频电压的作用下，等离子的基团和/或者离子将对被处理物W进行蚀刻等等离子处理。

将上述等离子体处理系统用于对晶片进行等离子蚀刻处理时，为了有效防止副产物附着在刻蚀图形的侧壁上，在第一射频电源的射频电压位于低电平时，启动超声波发生装置，向晶片发射平行于晶片的超声波。如图5a所示的附着在蚀刻图形侧壁的副产物51，将会在超声波的作用下，从侧壁脱落，然后被抽真空装置抽出真空腔体，如图5b所示。同时，为了避免超声波对等离子产生影响而影响蚀刻效果，在第一射频电源的射频电压位于高电平时，应该关闭超声波发生装置。

为了控制超声波发生装置的启动和关闭，可以在超声波发生装置的供电端增加一个控制电路断开和导通的控制开关(例如MOS开关管)。也可以在控制装置上连接一个时钟电路单元。时钟电路单元的一端与控制装置连接，另一端与控制开关连接。因此控制装置可以按照时钟电路单元的预设时间控制超声波发生装置的工作时间。提高了超声波发生装置的工作效率。

由于在刻蚀时，超声波发生装置均匀的向晶片发射平行于晶片的超声波，从而可以有效防止副产物附着在刻蚀图形的侧壁上，避免了由于副产物的影响造成刻蚀图形效果不好的现象。

由于真空腔体中空气的含量较低，超声波在真空腔体中传播时能量损失较大，需要较大的能量才能在真空腔体中正常传播。然而，超声波的能量不能过大，否则会损坏晶片本身的蚀刻图形。因此，超声波的能量选择要合适，在保证能够有效去除副产物的情况下，尽可能的选择较小的能量，超声波产生装置的输出功率优选为50-500W，功率密度优选为1-200W/cm²。另外，超声波的频率不能和晶片发生共振，否则会对晶片造成损伤。同样，超声波的频率选择要合适，在保证能够有效去除副产物的情况下，尽可能的选择远离晶片的共振频率，超声波的频率可控制在20-100KHz。

本申请还存在其它多种可实施的技术方案，在此不做一一列举，本申请权利要求中要求保护的技术方案都是可以实施的。

本申请说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知常识。

如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。

还需要说明的是，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商品或者系统不仅包括那些要素，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商品或者系统所固有的要素。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商品或者系统中还存在另外的相同要素。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述实用新型构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种等离子处理系统，其特征在于，所述系统包括：真空腔体，等离子发生部件，控制装置，以及与控制装置电连接的下部电极、第一匹配器、第二匹配器、第一射频电源、第二射频电源；

所述下部电极设置在样品座处；

2.根据权利要求1所述的等离子处理系统，其特征在于，所述等离子发生部件为上部电极或螺旋线圈。

3.根据权利要求1所述的等离子处理系统，其特征在于，还包括抽真空装置以及与抽真空装置连接的尾气处理装置。

4.根据权利要求1所述的等离子处理系统，其特征在于，所述超声波发生装置与真空腔体的连接方式为可拆卸连接。

5.根据权利要求1所述的等离子处理系统，其特征在于，超声波发生装置的输出功率为50-500W。

6.根据权利要求1所述的等离子处理系统，其特征在于，所述超声波发生装置的输出功率密度为1-200W/cm²。

7.根据权利要求1所述的等离子处理系统，其特征在于，所述超声波发生装置输出的超声波的频率控制在20-100KHz。

8.根据权利要求1所述的等离子处理系统，其特征在于，所述控制装置还连接有检测装置，所述检测装置设置在真空腔体内；

所述检测装置，用于检测真空腔体内的附着物的量。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的等离子处理系统，其特征在于，所述超声波发生装置的一端设置有控制开关，所述控制开关与控制装置连接。

10.根据权利要求9所述的等离子处理系统，其特征在于，还包括时钟电路单元，所述时钟电路单元的一端与控制装置连接，时钟电路单元的另一端与控制开关连接。