TWI797646B - 等離子體處理裝置及其絕緣窗元件 - Google Patents

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Abstract

本發明揭露一種等離子體處理裝置及其絕緣窗元件，其中，所述等離子體處理裝置包括：真空反應腔，其內底部設有基座，所述基座用於承載待處理基片；頂蓋，位於所述真空反應腔的頂部，所述頂蓋具有複數個貫穿頂蓋的開口；絕緣窗槽，位於所述開口內，其底部向真空反應腔內凸出，所述絕緣窗槽內具有氣體輸送管道，所述氣體輸送管道通過絕緣窗槽的底部向真空反應腔內輸送反應氣體；線圈，位於所述絕緣窗槽內；射頻功率源，通過匹配器與線圈連接。所述等離子體處理裝置中等離子體的濃度分佈可調，且能夠防止線圈的溫度過高。

Description

等離子體處理裝置及其絕緣窗元件
本發明涉及半導體的技術領域，尤其涉及一種等離子體處理裝置及其絕緣窗元件。
等離子體處理裝置廣泛應用於積體電路的製造製程中，如沉積、蝕刻等。其中，電感耦合型等離子體（Inductively Coupled Plasma，ICP）裝置是等離子體處理裝置中的主流技術之一，其原理主要是使用射頻功率驅動電感耦合線圈產生較強的高頻交變磁場，使得低壓的反應氣體被電離產生等離子體。等離子體中含有大量的電子、離子、激發態的原子、分子和自由基等活性粒子，所述活性粒子可以和待處理晶圓的表面發生多種物理和化學反應，使得待處理基片的形貌發生改變，即完成蝕刻過程。
現有的電感耦合型等離子體裝置通常包括：反應腔；絕緣窗口，位於所述反應腔頂部；線圈，位於所述絕緣窗口上。其中，所述線圈通常為平面螺旋結構，其中心區域所激發的磁場強度較弱，而週邊區域所激發的磁場強度較強，使得反應腔內中心區域的等離子體密度較低，週邊區域的等離子體密度較高，並且，中心區域與邊緣區域的等離子體濃度難以調節。
本發明解決的技術問題是提供一種等離子體處理裝置及其絕緣窗元件，使待處理基片上方不同區域的等離子體密度能夠可調，並能防止線圈的溫度過高。
為解決上述技術問題，本發明提供一種等離子體處理裝置，包括：真空反應腔，其內底部設有基座，所述基座用於承載待處理基片；頂蓋，位於所述真空反應腔的底部，所述頂蓋具有複數個貫穿頂蓋的開口；絕緣窗槽，位於所述開口內，其底部向真空反應腔內凸出，所述絕緣窗槽內具有氣體輸送管道，所述氣體輸送管道通過絕緣窗槽的底部向真空反應腔內輸送反應氣體；線圈，位於所述絕緣窗槽內；以及射頻功率源，通過匹配器與線圈連接。
較佳的，所述線圈環繞所述氣體輸送管道或者所述線圈不環繞所述氣體輸送管道。
較佳的，所述線圈的底部到基座的表面具有第一距離，所述頂蓋的底部到基座的表面具有第二距離，所述第二距離大於第一距離。
較佳的，所述絕緣窗槽的側壁和底壁的厚度為：1毫米～5毫米。
較佳的，所述頂蓋的材料包括：介質材料或者金屬材料。
較佳的，所述金屬材料包括：不銹鋼或者陽極氧化鋁。
較佳的，每個線圈都具有與其連接的射頻功率源和匹配器。
較佳的，部分所述絕緣窗槽內設有氣體輸送管道。
較佳的，所有的所述絕緣窗槽內設有氣體輸送管道。
較佳的，所述氣體輸送管道上均設置有控制閥。
較佳的，還包括：設於所述絕緣窗槽內的磁芯，所述磁芯表面設有螺旋型凹槽，所述螺旋型凹槽用於容納所述線圈。
較佳的，所述射頻功率源的頻率為：100KHz～3MHz。
較佳的，所述射頻功率源和匹配器集成在一起。
較佳的，所述絕緣窗槽包括槽沿和槽體，所述槽沿承載於頂蓋上，所述槽體置於所述開口內，且所述槽體內用於容納線圈和氣體輸送管道。
較佳的，所述槽沿與頂蓋之間通過密封裝置實現密封。
較佳的，所述絕緣窗槽在頂蓋上呈同心圓分佈或者不規則分佈。
較佳的，所述絕緣窗槽伸進所述真空反應腔的尺寸可調。
相應的，本發明還提供一種用於等離子體處理裝置的絕緣窗元件，所述頂蓋具有複數個貫穿頂蓋的開口，所述絕緣窗元件位於所述開口內，所述絕緣窗元件包括：絕緣窗槽，其內設有氣體輸送管道，所述氣體輸送管道通過絕緣窗槽底部輸出反應氣體；以及線圈，位於所述絕緣窗槽內。
較佳的，所述線圈環繞所述氣體輸送管道或者所述線圈不環繞所述氣體輸送管道。
較佳的，所述絕緣窗槽的厚度為：1毫米～5毫米。
較佳的，還包括：設於所述絕緣窗槽內的磁芯，所述磁芯表面設有螺旋型凹槽，所述螺旋型凹槽用於容納所述線圈。
與習知技術相比，本發明實施例的技術方案具有以下有益效果： 本發明技術方案提供的等離子體處理裝置中，所述頂蓋具有複數個貫穿頂蓋的開口，每個所述開口用於容納絕緣窗槽，所述絕緣窗槽內線圈，所述線圈通過匹配器與射頻功率源連接，可根據實際情況通過調節所述射頻功率源的大小來調節所述線圈對應區域等離子體的濃度。所述線圈還包圍所述氣體輸送管道，可以根據實際情況通過控制所述氣體輸送管道裡面的反應氣體的通斷來調節所述線圈對應區域等離子體的濃度。儘管所述線圈在工作的過程中易產生熱量，但是，所述絕緣窗槽內還設有氣體輸送管道，所述線圈包圍所述氣體輸送管道，而從外界輸送進氣體輸送管道內的反應氣體溫度較低，較低溫度的所述反應氣體在通過所述氣體輸送管道時易帶走所述線圈產生的熱量，因此，有利於對線圈進行降溫，防止所述線圈的溫度過高。並且，所述反應氣體對線圈進行降溫的過程中，無需額外借助於其它冷卻裝置，使得等離子體處理裝置較簡單。
進一步，所述絕緣窗槽在頂蓋上呈同心圓分佈，當到頂蓋中心相等的圓周上出現等離子體濃度分佈不均勻時，可通過調節該圓周上射頻功率源的大小，以解決不同相位角上的不對稱性。
進一步，所述氣體輸送管道上設有控制閥，通過控制閥控制進入相應線圈的反應氣體的多少，從而控制該區域等離子體濃度分佈。
本發明技術方案提供一種等離子體處理裝置，包括：頂蓋，位於所述真空反應腔的頂部，所述頂蓋具有複數個貫穿頂蓋的開口；絕緣窗槽，位於所述開口內，其底部向真空反應腔內凸出，所述絕緣窗槽內具有氣體輸送管道，所述氣體輸送管道通過絕緣窗槽的底部向真空反應腔內輸送反應氣體；線圈，位於所述絕緣窗槽內，且環繞所述氣體輸送管道；以及射頻功率源，通過匹配器與線圈連接。所述等離子體處理裝置使真空反應腔內的等離子體密度能夠可調，並能防止線圈的溫度過高。
為使本發明的上述目的、特徵和有益效果能夠更為明顯易懂，下面結合附圖對本發明的具體實施例做詳細的說明。
圖1是本發明一種等離子體處理裝置的結構示意圖；圖2是圖1中區域A的放大結構示意圖；以及圖3是圖1的俯視圖。
請參考圖1至圖3，等離子體處理裝置10包括：真空反應腔100，其內底部設有基座101，所述基座101用於承載待處理基片W；頂蓋102，位於所述真空反應腔100的頂部，所述頂蓋102具有複數個貫穿頂蓋102的開口；絕緣窗槽103，位於所述開口內，其底部向真空反應腔100內凸出，所述絕緣窗槽103內具有氣體輸送管道104，所述氣體輸送管道104通過絕緣窗槽103的底部向真空反應腔100內輸送反應氣體；線圈105，位於所述絕緣窗槽103內；射頻功率源109（見圖3中），通過匹配器與線圈105連接。在本實施例中，不再是在真空反應腔100頂部設置一個大線圈，而是在頂蓋102上設置複數個開口，每個開口內用於容納一絕緣窗槽103，所述絕緣窗槽103內容納一個小線圈105，圖3所示實施例中，每個小線圈105通過匹配器與射頻功率源109相連，在其他實施例中，也可以多個線圈通過一個匹配器與射頻功率源相連。在圖3實施例中，不同線圈105的控制相互獨立，因此，可根據實際需要調節所述線圈105對應的射頻功率源109的大小。具體的，當需要所述線圈105下方等離子體的濃度較高時，可增大所述線圈105對應的射頻功率源109的功率，相反地，當需要所述線圈105下方等離子體的濃度較低時，可減小所述線圈105對應的射頻功率源109的功率，從而使所述真空反應腔100內等離子體濃度的分佈可調以滿足不同的製程需要。例如：可通過調節各個線圈105所連接的射頻功率源109的大小，實現待處理基片W邊緣區域與中心區域等離子體濃度分佈的差異較小，從而提高待處理基片W邊緣區域與中心區域蝕刻速率的一致性。
在本實施例中，所述絕緣窗槽103向真空反應腔100內凸出，且所述線圈105的底部到基座101的表面具有第一距離，所述頂蓋102的底部到基座101的表面具有第二距離，所述第二距離大於第一距離，使得所述線圈105產生的電磁場被頂蓋102吸收的較少，那麼進入真空反應腔100內的電磁場能量較高，使得當射頻功率源109以相同的功率輸出時，所產生的等離子體較多，有利於提高蝕刻速率，或者說，為了達到同樣的等離子體濃度，僅需要射頻功率源109輸出較小的功率即可，此時線圈105產生的熱量也較少。
在一種實施例中，所述絕緣窗槽103在頂蓋102上呈同心圓分佈，如圖3中所示。這樣設計的意義在於：當到所述頂蓋102中心相同的圓周上出現等離子濃度的不均勻性時，可通過調整該圓周上線圈105所連接的射頻功率源109的大小，以實現該圓周上等離子體濃度分佈較均勻，有利於改善不同相位角上的不對稱性。
在另一種實施例中，所述絕緣窗槽103在頂蓋102上呈方形矩陣分佈。
在其他實施例中，複數個所述絕緣窗槽在頂蓋上的排列方式不局限於矩陣排列，可以為其它排列方式，複數個所述絕緣窗槽在頂蓋上的排列方式也可以為不規則分佈。
在本實施例中，所述絕緣窗槽103在基座101上的投影為圓形，所述圓形的直徑為15毫米～30毫米。由於絕緣窗槽103的內表面的面積相對於整個頂蓋102的頂部表面的面積較小，根據壓力計算公式F= △P ×S，其中，△P為真空反應腔100內外的壓力差，S為絕緣窗槽103的內表面，可知：絕緣窗槽103承受的壓力F較小，因此，絕緣窗槽103的厚度無需做的很厚就能承受得住真空反應腔100內外的壓力差。具體的，所述絕緣窗槽103的厚度為：1毫米～5毫米。並且，所述絕緣窗槽103的厚度較薄，使得絕緣窗槽103內表面與外表面的溫差較小，使所述絕緣窗槽103不易發生開裂。
另外，由於所述絕緣窗槽103的厚度較薄，使得射頻功率源109通過線圈105產生電磁場穿過絕緣窗槽103的過程損耗的較少，那麼進入真空反應腔100內的電磁場能量較多，使得當射頻功率源109以相同的功率輸出時，所產生的等離子體較多，有利於提高蝕刻速率，或者說，為了達到同樣的等離子體濃度，僅需要射頻功率源109輸出較小的功率即可，此時線圈105產生的熱量也較少。
並且，在本實施例中，還包括：設於所述絕緣窗槽103內的磁芯108，所述磁芯108表面設有螺旋型凹槽，所述螺旋型凹槽用於容納所述線圈105。
在其他實施例中，可以不設置所述磁芯；或者，設有磁芯，但是所述磁芯表面不具有螺旋型凹槽，所述線圈直接纏繞於所述磁芯上。
在本實施例中，所述磁芯108能夠增強線圈產生的電磁場強度，使得穿過絕緣窗槽103進入真空反應腔100內的電磁場更多，使得當射頻功率源109以相同的功率輸出時，所產生的等離子體更多，有利於進一步提高蝕刻速率，或者說，為了達到同樣的等離子體濃度，僅需要射頻功率源109輸出更小的功率即可，此時線圈105產生的熱量也更少。
在本實施例中，設置所述磁芯108，所述射頻功率源109的頻率為100KHz～3MHz，即：所述射頻功率源109的功率較小，就能達到較好的蝕刻均勻性和較快的蝕刻速率，電耗較低，有利於節約成本，且線圈105因工作產生的熱量較少，有利於提高等離子體處理裝置的使用安全性。
並且，所述磁芯108的外表面設置所述螺旋型凹槽用於容納線圈105，使得絕緣窗槽103內的結構較緊湊。
所述絕緣窗槽103的材料為介質材料，例如：陶瓷或者石英。採用介質材料作為所述絕緣窗槽103的材料，使得射頻功率源109通過線圈105產生的電磁場能夠穿過絕緣窗槽103進入真空反應腔100內。
所述絕緣窗槽103底部向真空反應腔100內凸出，使所述絕緣窗槽103底部位於頂蓋102下方，則電感耦合效應較強，而電容耦合效應較弱，因此，有利於提高電磁場的傳遞效率，即：進入真空反應腔100內的電磁場較多，那麼產生的等離子體濃度較多。
所述絕緣窗槽103包括槽沿103a和槽體103b，所述槽沿103a承載於頂蓋102上，所述槽體103b置於所述開口內，且所述槽體103b內用於容納線圈105和氣體輸送管道104。所述槽沿103a與頂蓋102之間通過密封裝置實現兩者之間的密封。
在本實施例中，所述絕緣窗槽103伸進所述真空反應腔100的尺寸可調，且在調節所述絕緣窗槽103伸進所述真空反應腔100的尺寸時，能夠確保所述絕緣窗槽103與頂蓋102之間的密封，以確保所述真空反應腔100內的真空環境。
在本實施例中，所述絕緣窗槽103的側壁垂直於其底部。在其他實施例中，所述絕緣窗槽的側壁與其底部的夾角還可以為其它值。
在本實施例中，所述絕緣窗槽103的中心線垂直於基座101的頂部表面。在其他實施例中，所述絕緣窗槽的中心線與基座101的頂部表面不垂直。
所述頂蓋102在所述等離子體處理裝置中僅用於密封真空反應腔100，而無需使電磁場能夠穿過，因此，所述頂蓋102需要能夠承受真空反應腔100內外的壓力差。在一種實施例中，所述頂蓋102的材料為介質材料，當選用介質材料作為頂蓋102的材料時，所述介質材料需要做的較厚，才能承受住真空反應腔100內外的壓力差。在另一種實施例中，所述頂蓋102的材料為金屬材料，例如：不銹鋼或者陽極氧化鋁。選擇金屬材料作為頂蓋102的意義在於：金屬質地較硬，其承受因真空反應腔100內外壓力差的能力較強，因此，當選用金屬材料作為頂蓋102的材料時，所述金屬材料無需做的較厚就能承受真空反應腔100內外的壓力差。
在本實施例中，每個所述絕緣窗槽103內還設有氣體輸送管道104，使得通過氣體輸送管道104進入真空反應腔100內的反應氣體分佈較均勻，那麼所形成的等離子體的濃度分佈較均勻，因此，有利於提高待處理基片W邊緣區域與中心區域蝕刻速率的一致性。
另外，在本實施例中，所述氣體輸送管道104被線圈105包圍，所述氣體輸送管道104包括氣體入口104a和氣體出口104b，所述氣體入口104a與反應氣體源連接，所述氣體出口104b朝向真空反應腔100內，用於向真空反應腔100內輸送反應氣體。而進入所述氣體入口104a的反應氣體溫度較低，所述反應氣體在通過氣體輸送管道104的過程中易對線圈105進行降溫，而無需借助於其他冷卻裝置，有利於簡化等離子體處理裝置。所述反應氣體對線圈105進行降溫，防止線圈105的溫度過高，有利於提高線圈105的使用壽命和安全性。
並且，所述線圈105還包圍所述氣體輸送管道104，可以根據實際情況通過控制所述氣體輸送管道104裡面的反應氣體的通斷來調節所述線圈105對應區域等離子的濃度。
在其它實施例中，所述線圈不環繞所述氣體輸送管道。
所述等離子體處理裝置10還包括：內襯106，所述內襯106包括承載部和保護部，所述承載部承載於所述真空反應腔100的側壁上，所述保護部用於保護真空反應腔100的內側壁。所述內襯106內還設有邊緣進氣通道107，所述反應氣體通過分配器分為兩路，其中一路進入邊緣進氣通道107，另一路進入絕緣窗槽103內的氣體輸送管道104，所述邊緣進氣通道107和氣體輸送管道104均用於向真空反應腔100內輸送反應氣體，所述反應氣體在所述射頻功率源109驅動線圈105產生較強的高頻交變磁場的作用下被電離產生等離子體，所述等離子體用於對待處理基片W表面進行處理。
圖4是本發明另一種等離子體處理裝置的結構示意圖。
在本實施例中，所述等離子體處理裝置20的部分所述絕緣窗槽203內均設有氣體輸送管道204。
在本實施例中，部分所述絕緣窗槽203內均設有氣體輸送管道204，使得通過氣體輸送管道204進入真空反應腔200內的反應氣體分佈較均勻，那麼所形成的等離子體的濃度分佈較均勻，因此，有利於提高待處理基片W邊緣區域與中心區域蝕刻速率的一致性。
另外，由於所述氣體輸送管道204被線圈205包圍，而進入所述氣體輸送管道204的反應氣體溫度較低，所述反應氣體在通過氣體輸送管道204的過程中易對線圈205進行降溫，而無需借助於其他冷卻裝置，有利於簡化等離子體處理裝置。所述反應氣體對線圈205進行降溫，防止線圈205的溫度過高，有利於提高線圈205的使用壽命和安全性。
相應的，本發明還提供一種用於上述等離子體處理裝置的絕緣窗元件，請參考圖2，所述絕緣窗元件包括：絕緣窗槽（103a和103b），其內設有氣體輸送管道（104a和104b），所述氣體輸送管道104b通過絕緣窗槽103b底部輸出反應氣體；線圈105，位於所述絕緣窗槽（103a和103b）內，且環繞所述氣體輸送管道（104a和104b）。
所述絕緣窗元件用於上述等離子體處理裝置，所述等離子體處理裝置包括真空反應腔和位於真空反應腔頂部的頂蓋，所述頂蓋具有複數個貫穿頂蓋的開口，所述絕緣窗元件位於所述開口內。
所述絕緣窗槽（103a和103b）的材料和厚度已在前述進行說明，在此不做贅述。
所述線圈105環繞所述氣體輸送管道或者所述線圈105不環繞所述氣體輸送管道。
所述絕緣窗槽（103a和103b）內還設有磁芯108，所述磁芯108的外表面可以設置凹槽，也可以不設置凹槽，且設置所述凹槽的意義已在前述進行說明，在此不做贅述。
雖然本發明披露如上，但本發明並非限定於此。任何本領域的通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，均可作各種更動與修改，因此本發明的保護範圍應當以申請專利範圍所限定的範圍為原則。
10, 20:等離子體處理裝置 100, 200:真空反應腔 101:基座 102:頂蓋 103, 203:絕緣窗槽 103a:槽沿 103b:槽體 104, 204:氣體輸送管道 104a:氣體入口 104b:氣體出口 105, 205:線圈 106:內襯 107:邊緣進氣通道 108:磁芯 109:射頻功率源 W:基片
圖1是本發明一種等離子體處理裝置的結構示意圖； 圖2是圖1中區域A絕緣窗元件的放大結構示意圖； 圖3是圖1的俯視圖；以及 圖4是本發明另一種等離子體處理裝置的結構示意圖。
10:等離子體處理裝置
100:真空反應腔
101:基座
102:頂蓋
103:絕緣窗槽
104:氣體輸送管道
105:線圈
106:內襯
107:邊緣進氣通道
W:基片

Claims (21)

  1. 一種等離子體處理裝置，其中，包括： 一真空反應腔，其內底部設有一基座，該基座用於承載一待處理基片； 一頂蓋，位於該真空反應腔的頂部，該頂蓋具有複數個貫穿頂蓋的開口； 一絕緣窗槽，位於該開口內，其底部向該真空反應腔內凸出，該絕緣窗槽內具有一氣體輸送管道，該氣體輸送管道通過該絕緣窗槽的底部向該真空反應腔內輸送反應氣體； 一線圈，位於該絕緣窗槽內；以及 一射頻功率源，通過一匹配器與該線圈連接。
  2. 如請求項1所述的等離子體處理裝置，其中，該線圈環繞該氣體輸送管道或者該線圈不環繞該氣體輸送管道。
  3. 如請求項1所述的等離子體處理裝置，其中，該線圈的底部到該基座的表面具有一第一距離，該頂蓋的底部到該基座的表面具有一第二距離，該第二距離大於該第一距離。
  4. 如請求項1所述的等離子體處理裝置，其中，該絕緣窗槽的側壁和底壁的厚度為：1毫米～5毫米。
  5. 如請求項1所述的等離子體處理裝置，其中，該頂蓋的材料包括：介質材料或者金屬材料。
  6. 如請求項5所述的等離子體處理裝置，其中，該金屬材料包括：不銹鋼或者陽極氧化鋁。
  7. 如請求項1所述的等離子體處理裝置，其中，每個該線圈都具有與其連接的該射頻功率源和該匹配器。
  8. 如請求項1所述的等離子體處理裝置，其中，部分該絕緣窗槽內設有該氣體輸送管道。
  9. 如請求項1所述的等離子體處理裝置，其中，所有的該絕緣窗槽內設有該氣體輸送管道。
  10. 如請求項1所述的等離子體處理裝置，其中，該氣體輸送管道上均設置有一控制閥。
  11. 如請求項1所述的等離子體處理裝置，其中，還包括：設於該絕緣窗槽內的一磁芯，該磁芯表面設有一螺旋型凹槽，該螺旋型凹槽用於容納該線圈。
  12. 如請求項11所述的等離子體處理裝置，其中，該射頻功率源的頻率為：100KHz～3MHz。
  13. 如請求項1所述的等離子體處理裝置，其中，該射頻功率源和該匹配器集成在一起。
  14. 如請求項1所述的等離子體處理裝置，其中，該絕緣窗槽包括一槽沿和一槽體，該槽沿承載於該頂蓋上，該述槽體置於該開口內，且該槽體內用於容納該線圈和該氣體輸送管道。
  15. 如請求項14所述的等離子體處理裝置，其中，該槽沿與該頂蓋之間通過一密封裝置實現密封。
  16. 如請求項1所述的等離子體處理裝置，其中，該絕緣窗槽在該頂蓋上呈同心圓分佈或者不規則分佈。
  17. 如請求項1所述的等離子體處理裝置，其中，該絕緣窗槽伸進該真空反應腔的尺寸可調。
  18. 一種用於等離子體處理裝置的絕緣窗元件，該等離子體處理裝置包括一真空反應腔和位於該真空反應腔頂部的一頂蓋，該頂蓋具有複數個貫穿頂蓋的開口，該絕緣窗元件位於該開口內，其中，包括： 一絕緣窗槽，其內設有一氣體輸送管道，該氣體輸送管道通過該絕緣窗槽底部輸出反應氣體；以及 一線圈，位於該絕緣窗槽內。
  19. 如請求項18所述的絕緣窗元件，其中，該線圈環繞該氣體輸送管道或者該線圈不環繞該氣體輸送管道。
  20. 如請求項18所述的絕緣窗元件，其中，該絕緣窗槽的側壁和底壁的厚度為：1毫米～5毫米。
  21. 如請求項18所述的絕緣窗元件，其中，還包括：設於該絕緣窗槽內的一磁芯，該磁芯表面設有一螺旋型凹槽，該螺旋型凹槽用於容納該線圈。
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