TWI721578B

TWI721578B - 快速更換產線之模組化電漿反應腔室結構

Info

Publication number: TWI721578B
Application number: TW108135218A
Authority: TW
Inventors: 林志隆; 蔡兆哲; 陳俊龍
Original assignee: 聚昌科技股份有限公司
Priority date: 2019-09-27
Filing date: 2019-09-27
Publication date: 2021-03-11
Also published as: TW202113906A

Abstract

本發明提供一種快速更換產線之模組化電漿反應腔室結構，其包括：主電漿反應腔體，其具有第一反應腔室，其頂部具有通孔部；以及置換件，密封結合於通孔部，又置換件為蓋板或結合式電漿反應腔體，其具有第二反應腔室；當使用蓋板為置換件，則以第一反應腔室進行電漿蝕刻反應；當使用結合式電漿反應腔體為置換件，則以第一反應腔室及第二反應腔室共同進行電漿蝕刻反應。藉由本發明之實施，可以對不同的製程，快速切換腔體，因此可以提升產線靈活度及有效降低成本。

Description

快速更換產線之模組化電漿反應腔室結構

本發明為一種快速更換產線之模組化電漿反應腔室結構，特別係用於半導體、光電產業、電子功率元件其蝕刻製程之快速更換產線之模組化電漿反應腔室結構。

在半導體積體電路製造方面，舉凡不同材料薄膜的成長、化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition,CVD)、物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition,PVD)、蝕刻、離子佈植、光阻剝除、或製程反應室的乾式清洗…等，皆普遍可由電漿技術達成。

尤其是在蝕刻製程中，電漿密度的分佈與控制，更是影響蝕刻速率及蝕刻均勻性的關鍵。以往的蝕刻機，不同的製程要求往往需要使用不同設計的蝕刻反應腔室，例如需要大於5微米/分鐘(>5um/min)的高蝕刻率的製程，假若將蝕刻反應腔室的直徑縮小，將可產生高濃度電漿，因此可以很容易達到高蝕刻率。

但是也因為蝕刻率很快，對於一些例如厚度在500埃(Å)之薄膜製程，可容許變異範圍之製程視窗(process window)很小，因此無法量產。此時，為了能夠量產，就需要不同的反應腔體設計，使薄膜製程可以在較低電漿濃度區間作製程微調，此時又需使用蝕刻反應腔室直徑很大空間，因此不同的製程通常會使用不同的蝕刻腔體來進行蝕刻，彼此不能混運作，僅僅具有單一蝕刻反應腔室，顯然無法在高蝕刻速率下又同時兼顧到蝕刻的均勻性。

如圖1所示，在習知製程中，要達成高蝕刻率或較佳蝕刻均勻性，往往需要使要使用不同的機台例如10部A機台為高蝕刻率機台，又10部B機台為較低蝕刻率但較佳蝕刻均勻性之機台。通常在半導體晶圓製造區也就是無塵室(fab)，因為製程需求不同，一種機台只會跑相類以的製程。因此在採買機台時，為了因應產能的配置，通常必需將不同製程所需要的機台數量購足，以確保能達到預定的產能，如此將造成機台數量的大幅膨脹。

又在真實的狀況下，晶圓(wafer)在經過每一個站點的順序及製程時間長短不一，常常會造成前製程機台堆貨，後面製程機台卻在閒置。又等到後面製程出現跑貨高峰時，但前製程機台又出現閒置的情形，這些都是同一個機台無法進行製程彈性切換所造成。

以上種種現象，都會造成機台在廠區的配置、維護、及操作…等成本的增加，因此如何能設計出，可以透過快速更換反應腔室的機台，進而能夠彈性切換的跑不同需求的製程，同時也因為利用反應腔室的更換，達成隨著產能需求，不需要為了每一種製程就配置一批機台，以上的種種問題，已成為機台設計上，非常重要的課題。

本發明為一種快速更換產線之模組化電漿反應腔室結構，其主要係要解決如何針對不同蝕刻製程，可快速切換腔體，提升產線換線靈活度及有效降低成本等問題。

本發明提供一種快速更換產線之模組化電漿反應腔室結構，其包括：一主電漿反應腔體，其具有一第一反應腔室，又主電漿反應腔體於第一反應腔室頂部，具有一通孔部；以及一置換件，密封結合於通孔部，又置換件為一蓋板或一結合式電漿反應腔體，結合式電漿反應腔體具有一第二反應腔室且於第二反應腔室之底部形成有一連通口部；當使用蓋板為置換件，則模組化電漿反應腔室結構，係以第一反應腔室進行電漿蝕刻反應；當使用合式電漿反應腔體為置換件，則連通口部與通孔部相連通，且模組化電漿反應腔室結構係以第一反應腔室及第二反應腔室共同進行電漿蝕刻反應。

藉由本發明之實施，至少可以達成下列之進步功效：一、可快速切換腔體；二、可提升產線換線靈活度及提升產能；三、可有效降低設備成本及廠區空間；以及四、可有效節省維護及操作成本。

為了使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易的理解本發明相關之目的及優點，因此將在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點。

100:快速更換產線之模組化電漿反應腔室結構

10:主電漿反應腔體

110:第一反應腔室

120:通孔部

130:第一高頻線圈

20:置換件

210:蓋板

220:結合式電漿反應腔體

221:第二反應腔室

222:連通口部

223:第二高頻線圈

30:密封環

401:第一固定件

402:第二固定件

403:第三固定件

404:第一內部結合件

405:第二內部結合件

50:螺絲

B100:B機台設置區域

R1:第一電漿區

R2:第二電漿區

PR10:第一電漿分佈圖

PR20:第二電漿分佈圖

region I:第一反應區域

region II:第二反應區域

[圖1]為習知A、B兩種特性設備之廠區配置圖；[圖2]為快速更換產線之模組化電漿反應腔室結構之立體實施例圖；[圖3]為單獨第一反應腔室之剖視實施例圖；[圖4]為第一反應腔室及第二反應腔室連通運作之剖視實施例圖；[圖5A]為第一反應腔室之電漿密度分佈實施例圖；[圖5B]為圖5A在不同磁場功率下之電漿密度特性曲線實施例圖；[圖6A]為第一及二反應腔室連通之電漿密度分佈實施例圖；[圖6B]為圖6A在不同磁場功率下之電漿密度特性曲線實施例圖；[圖7]為各反應腔室不同高頻功率對應下之電漿濃度特性實施例圖；以及[圖8]為使用本發明設備之廠區配置圖。

如圖2所示，本實施例為一種快速更換產線之模組化電漿反應腔室結構100，其包括：一主電漿反應腔體10；以及一置換件20。藉由置換件20的選擇，可以達到快速完成生產線換線的目標。

主電漿反應腔體10，例如是一可以完成蝕刻製程之電漿反應腔體，主電漿反應腔體10具有一第一反應腔室110，又主電漿反應腔體10於第一反應腔室110頂部，具有一通孔部120，且週邊設有第一高頻線圈130。

置換件20，密封結合於通孔部120，又置換件20依照所生產之產品，可以選擇一蓋板210或者選擇一結合式電漿反應腔體220作為置換件20。其中結合式電漿反應腔體220，同樣也例如可以是用以完成蝕刻製程之電漿反應腔體，因此結合式電漿反應腔體220具有一第二反應腔室221且於第二反應腔室221之底部形成有一連通口部222；同樣的，結合式電漿反應腔體220也可以為一圓柱體結構，且週邊設有第二高頻線圈223。

如圖3所示，當例如要進行甲產品生產時，此時只需要以第一反應腔室110進行電漿蝕刻反應，因此可以選擇使用蓋板210作為置換件20，則此時通孔部120被蓋板210所封閉，所以模組化電漿反應腔室結構100，只會以第一反應腔室110進行電漿蝕刻反應；又為了增加蓋板210與主電漿反應腔體10結合時的密封效果，因此通孔部120與蓋板210間可以設有至少一密封環30。

如圖4所示，又例如要進行乙產品生產時，此時需要以第一反應腔室110及第二反應腔室221共同進行電漿蝕刻反應，因此可以選擇使用結合式電漿反應腔體220作為置換件20，則此時連通口部222與通孔部120相連通，因此模組化電漿反應腔室結構可以達成以第一反應腔室110及第二反應腔室221共同進行電漿蝕刻反應。

為了能有效的使結合式電漿反應腔體220與主電漿反應腔體10進行結合，因此結合式電漿反應腔體220之外緣延伸有一第一固定件401，又藉由與一第二固定件402、一第三固定件403、一第一內部結合件404、及一第二內部結合件405…等，彼此以螺絲50相互鎖固及相互疊壓結合，最後使結合式電漿反應腔體220與主電漿反應腔體10進行結合。

同樣的，為了增加結合式電漿反應腔體220與主電漿反應腔體10結合時的密封效果，因此結合式電漿反應腔體220與通孔部120間亦可設有至少一密封環30。

為了更方便瞭解不同反應腔室所產生的效果，因此以具體之模擬效果說明如下：如圖5A及圖5B所示，當例如單獨使用直徑為28公厘(mm)之第一反應腔室110進行電漿蝕刻反應時，其在不同磁場功率，例如所有time=0.001s，又topRFin=500、600、700-1,000…等操作條件下(其中time表示是電漿穩定時間，其單位s為秒，又topRFin表示是高頻入功率RF Power Input，其單位為瓦W)，由每一特性曲線觀之，其電漿密度分佈均具有一致性，也就是中央電漿密度高，且距離中央愈遠處，其電漿密度將逐步遞減之特性，但整體而言，由第一電漿分佈圖PR10觀之，水平呈現較為均勻之分佈特性，因此單獨使用第一反應腔室110進行電漿蝕刻反應，可以使一般製程，得到更佳的蝕刻均勻性。

又如6A及圖6B所示，當例如使用直徑為28公厘(mm)之第一反應腔室110又結合第二反應腔室221共同進行電漿蝕刻反應時，其在與上述不同磁場功率操作條件下，由每一特性曲線觀之，電漿密度分佈同樣具有一致性，也就是中央電漿密度高，且距離中央愈遠處，但整體而言，由第二電漿分佈圖PR20觀之，中央局部呈現較為高密度之分佈特性，因此使用第二反應腔室221進行電漿蝕刻反應，將可以產生較高的蝕刻速率。

但特別的是，第一反應腔室110結合第二反應腔室221共同進行電漿蝕刻反應時，第二反應腔室221之第二電漿區R2，其電漿密度特性曲線之斜率較大，因此表示第二電漿區R2電漿密度增高；又第一反應腔室110之第一電漿區R1，其電漿密度特性曲線之斜率變得較小，因此表示整個第一反應腔室110，其第一電漿區R1在同一平面的電漿密度變得更為均勻。

利用上述之特性，使用第一反應腔室110結合第二反應腔室221共同進行電漿蝕刻反應時，形成一火山狀的電漿區，可以滿足某些特殊產品的生產需求，例如藉由第二電漿區R2具有高電漿密度之特性，因而在高蝕刻速率會有較佳的表現，又配合第一電漿區R1具有較低電漿密度，且可彈性調整蝕刻速率均勻性之特性，因此使第一反應腔室110結合第二反應腔室221共同進行電漿蝕刻反應，能符合特殊產品在製程上的需求。

上述之第一反應腔室110之直徑係大於第二反應腔室221之直徑。又第一反應腔室110之直徑除以第二反應腔室221之直徑，係可以例如大於等於3。

如圖7所示，在實際實施時，第一反應區域(region I)為第一反應腔室110進行半邊模擬所產生的特性圖，其中橫軸為第一高頻線圈130的功率，又緃軸為第一反應腔室110內產生的電漿濃度，如圖所示，可看出第一反應腔室110之電漿濃度可以保持在相對低的準位(~3e17)，而且對於第一高頻線圈130功率的增加也較不敏感，如此對於一般製程或是要準確度控制蝕刻量的製程，例如閘級蝕刻(gate etch)，通常可以使用此類設計。

而第二反應區域(region II)為利用第二反應腔室221進行半邊模擬所產生的特性圖，其中橫軸為第二高頻線圈223的功率，又緃軸為第二反應腔室221內產生的電漿濃度，又如圖所示，第二反應腔室221很容易產生高電漿濃度(1.2e18 1/m^3)，如此高電漿濃度，可以讓蝕刻氣體解離更多進而產生高蝕刻率，例如可應用於深度矽蝕刻(deep Si etch)或是光阻去除(PR strip)等蝕刻深度深或厚度高的製程，都需要很高的蝕刻率(ER~1-10um per minutes)，通常都可以使用類似的設計。

如圖8所示，依照上述圖7的相關說明，可以清楚的知道，不同的反應需求，腔體設計也不同，習知需要配置不同的機台，但相較於圖1，當使用本實施例之快速更換產線之模組化電漿反應腔室結構100進行整廠配置時，已經可以將兩種腔體整合在同一機台上，也就是可以利用蓋板210或結合式電漿反應腔體220進行不同製程的切換使用，因此可以達成將上述第一反應區域(region I)及第二反應區域(region II)之特性，整合在同一個機台上實踐，並且可以隨著製程的需求，快速的完成產線的調整或更換，如此可以使機台在廠區的配置、維護、及操作…等成本，幾乎只剩下圖1規模的一半，此外原本B機台設置區域B100也將被空出，因此可以再加利用。

惟上述各實施例係用以說明本發明之特點，其目的在使熟習該技術者能瞭解本發明之內容並據以實施，而非限定本創作之專利範圍，故凡其他未脫離本發明所揭示之精神而完成之等效修飾或修改，仍應包含在以下所述之申請專利範圍中。