TW202228179A - 改善蝕刻均勻性的雙擋板裝置 - Google Patents

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Abstract

本申請公開了一種改善蝕刻均勻性的雙擋板裝置，包括均安裝在蝕刻反應腔內的第一擋板和第二擋板；第一擋板為整圓板，能在第一擋板驅動裝置的作用下，對離子源產生的離子束進行全遮擋；晶圓採用兩次蝕刻，第一次蝕刻為無擋板遮擋下的蝕刻，第二次蝕刻為採用第二擋板遮擋的蝕刻；第二擋板的結構根據蝕刻工況進行選擇，能在第二擋板驅動裝置的作用下，對第一次蝕刻時晶圓表面蝕刻速率快的區域進行遮擋，使得晶圓表面蝕刻速率保持一致。蝕刻工況包括低能工況、中能工況和高能工況。本申請通過兩塊擋板的配合蝕刻，從而提高晶圓成品的整體蝕刻均勻性，增加晶圓的利用率。

Description

改善蝕刻均勻性的雙擋板裝置
本發明是有關於離子束蝕刻領域，且特別是有關於一種改善蝕刻均勻性的雙擋板裝置。 相關申請
本申請要求於2021年1月4日提交中國專利局、申請號為202110002167.1、申請名稱為「一種改善蝕刻均勻性的雙擋板裝置」的中國專利申請的優先權，其全部內容通過引用結合在本申請中。
離子束蝕刻是利用輝光放電原理將氬氣分解為氬離子，氬離子經過陽極電場的加速對樣品表面進行物理轟擊，以達到蝕刻的作用。蝕刻過程是把氬（Ar）等惰性氣體充入離子源放電室，經電離形成電漿，通過柵極將電漿以離子束的形式傳送至目標基板，射向固體表面轟擊固體表面原子，使材料原子發生濺射，達到蝕刻目的。離子束蝕刻可廣泛用於蝕刻加工各種金屬及其合金，以及非金屬、氧化物、氮化物、碳化物、半導體、聚合物、陶瓷、紅外和超導等材料。
離子束蝕刻均勻性主要取決於離子源性能，由於射頻（Radio Frequency, RF）離子源為圓筒形，當射頻電源加載在射頻線圈上時，由於電流的集膚效應，電流主要在放電腔腔壁內流過，在集膚層內逐漸衰減，故放電腔內的電漿密度一般呈現兩邊高，中間低的趨勢。受射頻功率和工作壓力的影響，放電腔內的電漿密度分佈也會出現馬鞍形趨勢，由於電漿密度分佈不均勻，導致蝕刻速率不均，影響蝕刻均勻性。如圖1a-1c所示，當離子源在低能工況下工作時，晶圓表面蝕刻速率中間區域大於邊緣區域，隨著柵極加載電壓增加，蝕刻速率較快的區域逐漸向外移動，當在高能情況下時，蝕刻速率明顯呈現邊緣區域大於中心區域。現有晶圓在計算蝕刻均勻性時，一般是對晶圓進行切邊後計算，如何節約成本，增加晶圓的利用率是一個亟待解決的難題。
本申請各示例性實施例提供一種改善蝕刻均勻性的雙擋板裝置，該改善蝕刻均勻性的雙擋板裝置通過兩塊擋板的配合蝕刻，從而提高晶圓成品的整體蝕刻均勻性，增加晶圓的利用率。
本申請各示例性實施例提供一種改善蝕刻均勻性的雙擋板裝置，包括均安裝在蝕刻反應腔內的第一擋板和第二擋板。
第一擋板為整圓板，能在第一擋板驅動裝置的作用下，對離子源產生的離子束進行全遮擋。
晶圓採用兩次蝕刻，第一次蝕刻為無擋板遮擋下的蝕刻，第二次蝕刻為採用第二擋板遮擋的蝕刻。
第二擋板的結構根據蝕刻工況進行選擇，能在第二擋板驅動裝置的作用下，對第一次蝕刻時的晶圓的表面的蝕刻速率快的區域進行遮擋，使得晶圓表面的蝕刻速率保持一致。
在一實施例中，蝕刻工況包括低能工況、中能工況和高能工況。
在一實施例中，當蝕刻工況為低能工況時，第二擋板包括中心圓板和沿中心圓板的周向均勻佈設的多個第一扇形塊；其中，中心圓板用於遮擋晶圓表面蝕刻速率快的低能中心區域。
在一實施例中，相鄰兩個第一扇形塊之間形成第一扇形間隙，在半徑r處，第一扇形塊的弧長為L1，第一扇形間隙的弧長為L2，其中，L1＜L2。
在一實施例中，第二擋塊還包括同心套設在中心圓板外周的第一連接環，多個第一扇形塊沿周向均勻設置在中心圓板和第一連接環之間。
在一實施例中，當蝕刻工況為中能工況時，第二擋板包括第二連接環和多個第二扇形塊；多個第二扇形塊沿周向均勻佈設在第二連接環的內側，每塊第二扇形塊直接或通過連接筋與第二連接環的內壁面相連接；相鄰兩塊第二扇形塊之間形成第二扇形間隙。
在一實施例中，在半徑r處，第二扇形塊的弧長為L3，第二扇形間隙的弧長為L4，其中L3＞L4。
在一實施例中，每個第二扇形塊的拐角均為圓弧倒角。
在一實施例中，當蝕刻工況為高能工況時，第二擋板為第一圓環板。
在一實施例中，當蝕刻工況為高能工況時，第二擋板包括第二圓環板和沿第二圓環板周向均勻佈設的倒扇形間隙，倒扇形間隙的弧長大端朝向第二圓環板的圓形空腔。
本申請具有如下有益效果：本申請利用第一擋板進行一次蝕刻，根據蝕刻工況的不同，選擇不同結構的第二擋板，利用第二擋板進行二次蝕刻，從而有效提高晶圓成品的整體蝕刻均勻性，增加晶圓的利用率。
下面將結合本申請實施例中的附圖，對本申請實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。下面描述中的附圖僅僅是本申請的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。以下所描述的實施例是本申請一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本申請中的實施例，本領域技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本申請保護的範圍。
應當理解，本申請的說明書和申請專利範圍中使用的術語「包括」和「包含」指示所描述特徵、整體、步驟、操作、元件和/或組件的存在，但並不排除一個或多個其它特徵、整體、步驟、操作、元件、組件和/或其集合的存在或添加。
本申請的描述中，需要理解的是，術語「左側」、「右側」、「上部」、「下部」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本申請和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，「第一」、「第二」等並不表示零部件的重要程度，因此不能理解為對本申請的限制。本實施例中採用的具體尺寸只是為了舉例說明技術方案，並不限制本申請的保護範圍。
本申請中所述的「連接」的含義可以是部件之間的直接連接也可以是部件間通過其它部件的間接連接。為了便於簡要的表述，除非另有定義，本申請中當一元件被描述為「連接」另一個元件是指該一元件與該另一元件為電連接。
如圖2至圖5所示，本申請各示例性實施例提出了一種改善蝕刻均勻性的雙擋板裝置，包括均安裝在蝕刻反應腔8內的第一擋板1和第二擋板2。
如圖6所示，第一擋板為整圓板，能在第一擋板驅動裝置61和第一擋板限位裝置71的作用下，對離子源產生的離子束進行全遮擋。
本申請中，晶圓採用兩次蝕刻，一次蝕刻為無擋板遮擋下的蝕刻，二次蝕刻為採用第二擋板遮擋的蝕刻。
當一次蝕刻後，蝕刻均勻性滿足要求時，結束蝕刻。若不滿足製程要求，則需進行二次蝕刻。
當晶圓需要蝕刻時，離子源5內產生電漿並以離子束的形式轟擊晶圓3，如圖3所示，當晶圓3尚未到達製程位置時，為避免離子束對晶圓3和電極4的傷害，第一擋板1在第一擋板驅動裝置61和第一擋板限位裝置71的作用下，對離子源5產生的離子束進行遮擋。如圖4所示，當晶圓3到達製程位置時，第一擋板1落下，離子束對晶圓3表面進行蝕刻，直至第一製程完成，此時，由於離子源5產生的離子束不均勻造成整個晶圓3蝕刻的不均勻，需要進行第二製程對不均勻的區域進行二次蝕刻。
如圖5所示，第二擋板2在第二擋板驅動裝置6和第二擋板限位裝置7的作用下，對離子源5產生的離子束進行局部遮擋（即對一次蝕刻時晶圓表面蝕刻速率快的區域進行遮擋），對第一製程（一次蝕刻）過程中蝕刻速率較慢的區域進行短時間的蝕刻，直至整個晶圓的均勻性滿足要求。
為避免蝕刻反應腔室污染，第一擋板1與第二擋板2的材質優選為石墨或鉬等。
為保證晶圓3未到達製程位置時，第一擋板1可以完全遮蔽離子束，第一擋板1可以為一整體圓狀結構，且其直徑至少比離子源5內柵格（Grid）組件束流口徑大30%以上，同時，應保證第一擋板1落下時可以不遮擋離子束。
第二擋板的結構根據蝕刻工況進行選擇。
上述實施例中的蝕刻工況包括低能工況（Beamvoltage束電壓＜300V）、中能工況（300V＜Beamvoltage＜600V）和高能工況(Beamvoltage＞600V)。
當製程條件在低能條件下（low beam voltage低束電壓）時，如圖1a所示，當第一製程完成後，晶圓表面的蝕刻速率為低能中心區域31a大於低能邊緣區31b，且沿著徑向蝕刻速率逐漸降低。
如圖7a和圖7b所示，在進行第二製程時，第二擋板2對低能中心區域31a進行遮擋，以避免離子束對晶圓3的低能中心區域31a的過度蝕刻，對於低能邊緣區31b，第二擋板遮擋區域應由內向外逐漸減小。
在如圖7a所示的實施例中，第二擋板包括中心圓板21a和沿中心圓板周向均勻佈設的多個第一扇形塊21b。
其中，中心圓板用於遮擋晶圓表面蝕刻速率快的低能中心區域31a，故而，中心圓板的面積為低能中心區域31a面積的4/5~1（考慮發散角）。
相鄰兩個第一扇形塊21b之間形成第一扇形間隙21c。
在本實施例中，第一扇形塊21b可以為三塊。
假設在半徑r處，第一扇形塊的弧長為L1，第一扇形間隙的弧長為L2，且L1＜L2。
第二擋板的最大外徑（即第一扇形塊的外徑）優選為晶片外徑的1.5倍以上。
在如圖7b所示的實施例中，第二擋板包括中心圓板21a、多個第一扇形塊21b和第一連接環21d。
在本實施例中，第一扇形塊21b可以為三塊，但也可以為其他數量。
第一連接環21d同心設在中心圓板21a外周，中心圓板的面積與低能中心區域31a的面積優選相同。
多個第一扇形塊沿周向均勻設置在中心圓板和第一連接環之間。
當製程條件在中能條件(medium beam voltage中束電壓)下時，如圖1b所示，第一製程結束後，晶圓3表面的蝕刻速率為中能中心區域32a和中能邊緣區域32c均較低，而中能中間區域32b的蝕刻速率較高。因此，在中能製程條件下，第二擋板2應對中能中心區域32a和中能邊緣區域32c進行二次蝕刻，擋板可選擇圖7c和圖7d所示的兩種優選樣式。
在如圖7c所示的實施例中，第二擋板包括第二連接環22a和多個第二扇形塊22b。
第二連接環的內徑優選大於中能邊緣區域32c的外徑，避免對中能邊緣區域32c的遮擋。
在本實施例中，第二扇形塊22b可以為三塊。第二扇形塊沿周向均勻佈設在第二連接環的內側，每塊第二扇形塊與第二連接環的內壁面一體設置；相鄰兩塊第二扇形塊之間形成第二扇形間隙22c。
每個第二扇形塊的拐角處均優選設置圓弧倒角，從而使得每個第二扇形塊的內弧和外弧基本相當，從而擴大第二扇形間隙的外弧的弧長，從而能儘量減少對中能邊緣區域32c的遮擋，便於二次蝕刻。
假設在半徑r處，第二扇形塊的弧長為L3，第二扇形間隙的弧長為L4，則L3＞L4。
第二扇形塊22b的內徑優選與中能中間區域32b的內徑相對應，用於最大程度對中能中間區域32b的離子束進行遮擋。
第二扇形塊22b內的圓心空腔，優選與中能中心區域32a面積相對應，從而對中能中心區域32a進行二次蝕刻。
在如圖7d所示的實施例中，第二擋板包括第二連接環22a和多個第二扇形塊22b。
在本實施例中，第二扇形塊22b優選為三塊。第二扇形塊沿周向均勻佈設在第二連接環的內側，每塊第二扇形塊均優選通過一個細條形的連接筋22d與第二連接環的內壁面相連接。
連接筋的徑向位置優選與中能邊緣區域32c相對應，徑向長度優選與中能邊緣區域32c相同。連接筋的軸向長度盡可能小，從而使得連接筋所在的環縫空隙儘量大，對中能邊緣區域32c進行二次蝕刻的離子束最大，蝕刻效果好。
相鄰兩塊第二扇形塊之間形成第二扇形間隙22c。第二扇形間隙以及第二扇形塊22b內圓心空腔的設置方式，參照上述實施例。
當製程條件在高能條件(high beam voltage)下時，如圖1c所示，第一製程結束後，晶圓3表面的蝕刻速率為高能邊緣區域33b最快，由高能邊緣區域向高能中心區域33a逐漸降低。因此，第二擋板2可選擇圖7e和圖7f所示樣式，對中心區域進行二次蝕刻。
如圖7e所示，第二擋板包括第二圓環板23b和沿第二圓環板周向均勻佈設的倒扇形間隙23c，倒扇形間隙的弧長大端朝向第二圓環板的圓形空腔。
在如圖7f所示的實施例中，第二擋板為第一圓環板。
在進行第二製程時，除單獨利用第二擋板2外，本申請還可根據情況將第一擋板1和第二擋板2組合工作，以滿足蝕刻均勻性要求。利用兩個擋板進行遮擋，可以針對更多情況進行蝕刻，以滿足整體蝕刻均勻性需求。
如圖8a所示，當邊緣區蝕刻速率較慢時，在進行第二製程時，可以由第一擋板1單獨作用，對其他區域的電漿密度進行遮擋，僅對邊緣進行蝕刻，以滿足整體蝕刻均勻性。
如圖8b所示，當邊緣和中心區域的蝕刻速率較快，中間出現一環狀區域蝕刻速率較慢時，可以利用兩個擋板，對環狀區域進行二次蝕刻（見圖中陰影區）。
本申請利用第二擋板2進行二次蝕刻，可以提高晶圓成品的整體蝕刻均勻性，增加晶圓的利用率。
以上詳細描述了本申請的優選實施方式，但是，本申請並不限於上述實施方式中的具體細節，在本申請的技術構思範圍內，可以對本申請的技術方案進行多種等同變換，這些等同變換均屬於本申請的保護範圍。
1:第一擋板 2:第二擋板 21a:中心圓板 21b:第一扇形塊 21c:第一扇形間隙 21d:第一連接環 22a:第二連接環 22b:第二扇形塊 22c:第二扇形間隙 22d:連接筋 23a:第一圓環板 23b:第二圓環板 23c:倒扇形間隙 3:晶圓 31a:低能中心區域 31b:低能邊緣區域 32a:中能中心區域 32b:中能中間區域 32c:中能邊緣區域 33a:高能中心區域 33b:高能邊緣區域 4:電極 5:離子源 6:第二擋板驅動裝置 61:第一擋板驅動裝置 7:第二擋板限位裝置 71:第一擋板限位裝置 8:蝕刻反應腔
圖1a-1c顯示了現有技術的不同蝕刻工況下的晶圓表面蝕刻速率均勻性示意圖，其中，圖1a、圖1b和圖1c分別顯示了低能工況、中能工況和高能工況下的晶圓表面蝕刻速率均勻性示意圖。 圖2顯示了本申請一實施例的離子蝕刻系統的整體結構示意圖。 圖3顯示了本申請一實施例的晶圓未達到蝕刻位置時兩塊擋板的狀態示意圖。 圖4顯示了本申請一實施例的第一次蝕刻時兩塊擋板的狀態示意圖。 圖5顯示了本申請一實施例的第二次蝕刻時兩塊擋板的狀態示意圖。 圖6顯示了本申請一實施例的第一擋板的結構示意圖。 圖7a-7f顯示了本申請一實施例的第二擋板的結構示意圖，其中，圖7a和圖7b顯示了低能工況下第二擋板的兩種實例圖；圖7c和圖7d顯示了中能工況下第二擋板的兩種實例圖；圖7e和圖7f顯示了高能工況下第二擋板的兩種實例圖。 圖8a-8b顯示了本申請一實施例的兩塊擋板配合進行第二次蝕刻的狀態示意圖，其中，圖8a和圖8b分別顯示了兩種配合實例圖。 圖9顯示了兩塊擋板配合進行晶圓蝕刻的流程示意圖。
1:第一擋板
2:第二擋板
5:離子源
6:第二擋板驅動裝置
61:第一擋板驅動裝置
7:第二擋板限位裝置
71:第一擋板限位裝置
8:蝕刻反應腔

Claims (10)

  1. 一種改善蝕刻均勻性的雙擋板裝置，包括安裝在蝕刻反應腔內的第一擋板和第二擋板； 其中，所述第一擋板為整圓板，能在第一擋板驅動裝置的作用下，對離子源產生的離子束進行全遮擋； 晶圓採用兩次蝕刻，第一次蝕刻為無擋板遮擋下的蝕刻，第二次蝕刻為採用所述第二擋板遮擋的蝕刻； 所述第二擋板的結構根據蝕刻工況進行選擇，能在第二擋板驅動裝置的作用下，對所述第一次蝕刻時的所述晶圓的表面的蝕刻速率快的區域進行遮擋，使得所述晶圓的所述表面的所述蝕刻速率保持一致。
  2. 如請求項1所述的雙擋板裝置，其中，所述蝕刻工況包括低能工況、中能工況和高能工況。
  3. 如請求項2所述的雙擋板裝置，其中，當所述蝕刻工況為所述低能工況時，所述第二擋板包括中心圓板和沿所述中心圓板的周向均勻佈設的多個第一扇形塊，其中，所述中心圓板用於遮擋所述晶圓的所述表面的所述蝕刻速率快的低能中心區域。
  4. 如請求項3所述的雙擋板裝置，其中，相鄰兩個第一扇形塊之間形成第一扇形間隙，在半徑r處，所述第一扇形塊的弧長為L1，所述第一扇形間隙的弧長為L2，其中 L1＜L2。
  5. 如請求項3所述的雙擋板裝置，其中，所述第二擋板還包括同心套，所述同心套設在所述中心圓板的外周的第一連接環，所述多個第一扇形塊沿周向均勻設置在所述中心圓板和所述第一連接環之間。
  6. 如請求項1所述的雙擋板裝置，其中，當所述蝕刻工況為中能工況時，所述第二擋板包括第二連接環和多個第二扇形塊；所述多個第二扇形塊沿周向均勻佈設在所述第二連接環的內側，每塊所述第二扇形塊直接或通過連接筋與所述第二連接環的內壁面相連接；相鄰兩塊第二扇形塊之間形成第二扇形間隙。
  7. 如請求項6所述的雙擋板裝置，其中，在半徑r處，所述第二扇形塊的弧長為L3，所述第二扇形間隙的弧長為L4，其中L3＞L4。
  8. 如請求項6所述的雙擋板裝置，其中，每個所述第二扇形塊的拐角均為圓弧倒角。
  9. 如請求項1所述的雙擋板裝置，其中，當所述蝕刻工況為高能工況時，所述第二擋板為第一圓環板。
  10. 如請求項1所述的雙擋板裝置，其中，當所述蝕刻工況為高能工況時，所述第二擋板包括第二圓環板和沿所述第二圓環板的周向均勻佈設的倒扇形間隙，所述倒扇形間隙的弧長大的一端朝向所述第二圓環板的圓形空腔。
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