TWI825422B - 離子源擋片、離子刻蝕機及其使用方法 - Google Patents

離子源擋片、離子刻蝕機及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本發明提出了一種離子源擋片、離子刻蝕機及其使用方法，該離子源擋片包括擋片本體；擋片本體為一中空結構；擋片本體的內壁上固定對稱設置的擋片；擋片朝擋片本體的中心方向延伸；沿擋片本體的內壁朝擋片本體中心的方向，擋片形成的遮擋區域由大變小；離子刻蝕機包括放電室、反應室和離子源擋片，離子源擋片卡設在放電室的內壁上；等離子體依次經過離子源擋片和離子源柵組件。本發明的離子刻蝕機通過增設一離子源擋片，等離子體經離子源擋片進行遮擋後，自放電室的邊緣區域至放電室的中心區域，等離子體的數量逐漸增多，從而補償了屏柵上外小孔大於內小孔的結構設計，保證了等離子體穿過屏柵形成的等離子束的均勻性。

Description

離子源擋片、離子刻蝕機及其使用方法
本發明屬於機械加工設備領域，尤其涉及一種離子源擋片、離子刻蝕機及其使用方法。
離子源是離子束刻蝕的關鍵部件，離子源的優劣直接影響刻蝕性能。離子束刻蝕的具體過程為：射頻離子源中，例如Ar、O2 的等離子化氣體通過一個專門設計的氣體均壓絕緣器進入石英放電室，通過RF線圈發起的高頻波而歷起，使等離子化氣體中的電子與正離子混合形成等離子體，經過柵組件將等離子體以離子束的形式傳送至目標基板，對目標基板（晶圓）的表面進行刻蝕。其中，離子源柵組件一般由屏柵、加速柵及減速柵組成（有些無減速柵），採用三柵系統，使得離子源在低能流下表現更優，束流發散角相對小，且能減少來自柵極的污染。屏柵作為放電室中的陽極可以吸收放電電子，構成放電回路，起到調焦作用；加速柵可以抽出正離子，減速柵可以有效的調整離子分佈。
現有技術中，氣體在放電室內電離時，等離子體密度自中心區域沿徑向朝邊緣區域不斷減小，為保證目標基板的刻蝕均勻性，屏柵上的小孔大小自中心區域沿徑向朝邊緣區域需逐漸增加，以保證離子源刻蝕均勻性，見圖1（a）~1（c），其中，r1~r4（座標X）為屏柵上小孔所在區域到屏柵中心的距離；φ1 ~φ4 （座標Y）為柵上小孔直徑；邊緣區刻蝕速度較快，使得目標基板整體刻蝕不均勻，見圖2（a）~2（b），目標基板邊緣區刻蝕速度最快。
本發明的目的在於提供一種離子源擋片、離子刻蝕機及其使用方法，離子刻蝕機通過增設一離子源擋片，放電室內產生的等離子體依次進過離子源擋片、屏柵和加速柵，等離子體經離子源擋片進行遮擋後，自放電室的邊緣區域至放電室的中心區域，等離子體的數量逐漸增多，相對於放電室的中心區域，放電室的邊緣區域處的等離子體密度降低，從而補償了屏柵上外小孔大於內小孔的結構設計，保證了等離子體穿過屏柵形成的等離子束的均勻性。為實現上述目的，本發明採用如下技術方案： 本發明提出了一種離子源擋片，包括擋片本體；所述擋片本體為一中空結構；所述擋片本體的內壁上固定對稱設置的擋片；所述擋片朝所述擋片本體的中心方向延伸；沿所述擋片本體的內壁朝所述擋片本體中心的方向，所述擋片形成的遮擋區域由大變小。
優選地，擋片本體為一環形。
優選地，所述擋片的內段為一多邊形或圓形。
優選地，所述擋片為一扇形。
優選地，所述扇形所對應的扇形圓心角為3°~15°。
優選地，所述擋片的材料為石英材料或陶瓷材料。
本發明還提出了一種離子刻蝕機，基於所述的離子源擋片，包括放電室和反應室； 所述反應室包括連接腔體和與所述連接腔體連通的反應腔體； 所述放電室位於所述連接腔體內並連通所述反應腔體； 所述連接腔體內設置一將等離子體聚焦以形成等離子束的離子源柵組件；所述離子源柵組件靠近放電室連通反應腔體的一側； 所述離子源柵組件包括一屏柵；所述屏柵上開設內小孔和外小孔；所述內小孔的直徑小於所述外小孔的直徑； 所述離子源擋片卡設在所述放電室的內壁上；所述等離子體依次經過所述離子源擋片和所述離子源柵組件。
優選地，所述離子源擋片和所述離子源柵組件之間的距離大於3mm。
發明還提出了一種離子刻蝕機的使用方法，基於所述的離子刻蝕機，包括以下步驟： （1）將所述離子源擋片卡設在所述放電室靠近所述離子源柵組件的一側； （2）所述放電室內產生所述等離子體； （3）所述等離子體經所述離子源擋片進行遮擋後，自所述放電室的邊緣區域至所述放電室的中心區域，所述等離子體的數量逐漸增多； （4）所述等離子體射入所述離子源柵組件的屏柵內，之後依次穿過所述屏柵形成等離子束，所述等離子束穿過柵組件的加速柵並射入所述反應腔體內。
與現有技術相比，本發明的優點為： （1）沿擋片本體的內壁指向擋片本體中心的方向，擋片形成的遮擋區域逐漸變小，因此擋片本體邊緣區阻擋的等離子體多於擋片本體中心區域阻擋的等離子體，等離子體經擋片進行遮擋後，在該擋片的作用下，自放電室的邊緣區域至放電室的中心區域，等離子體的數量逐漸增多，即相對於放電室的中心區域，放電室的邊緣區域的等離子體密度降低。 （2）離子刻蝕機通過增設一離子源擋片，放電室內產生的等離子體依次進過離子源擋片、屏柵和加速柵，等離子體經離子源擋片進行遮擋後，自放電室的邊緣區域至放電室的中心區域，等離子體的數量逐漸增多，相對於放電室的中心區域，放電室的邊緣區域處的等離子體密度降低，從而補償了屏柵上外小孔大於內小孔的結構設計，等離子體經屏柵和加速柵後形成趨於均勻分佈的等離子束，即保證了等離子體穿過離子源柵組件形成的等離子束的均勻性。
下面將結合示意圖對本發明進行更詳細的描述，其中表示了本發明的優選實施例，應該理解本領域技術人員可以修改在此描述的本發明，而仍然實現本發明的有利效果。因此，下列描述應當被理解為對於本領域技術人員的廣泛知道，而並不作為對本發明的限制。
如圖3（a）所示，一種離子源擋片1，包括擋片本體11；擋片本體11為一中空結構；擋片本體11的內壁上固定對稱設置的擋片12，擋片12朝擋片本體11的中心方向延伸；沿擋片本體11的內壁朝擋片本體11中心的方向，擋片12形成的遮擋區域逐漸變小。優選地，擋片本體11為一環形。擋片12也可以是中間大，兩端小的結構。
在本實施例中，擋片12呈水平設置，擋片12形成的遮擋區域是指擋片12的寬度區域遮擋的部分。擋片12寬度從邊緣區域向中心區域線性減小，因此邊緣區域阻擋的等離子體多於中心區域阻擋的等離子體。其中，有本領域技術人員可以知曉的是，擋片本體11、擋片12、放電室2三個構件所對應的邊緣區域相同，三個構件所對應的中心區域也相同。
在本實施例中，擋片12為一扇形。根據邊緣區域和中心區域刻蝕速度的差異，扇形所對應的扇形圓心角為3°~15°。當邊緣區域的刻蝕速度微高於中心區域時，扇形所對應的中心角可以選擇3度，當邊緣區域的刻蝕速度明顯高於中心區域時，扇形所對應的圓心角應逐漸增加，以滿足刻蝕均勻性需求。
優選地，為便於加工，擋片本體11和擋片12的厚度應選擇3 mm~6 mm之間，相鄰擋片12之間的擋片本體11部分的圓周長8 mm~15 mm。擋片12的材料為石英材料或陶瓷材料。
如圖3（a）所示，擋片12的數量為6；如圖3（b）所示，在其他實施例中，擋片12的數量為2。
如圖3（c）~（d），在其他實施例中，擋片12的內段分別為多邊形、圓形。從製程效果方面，當刻蝕較快的區域位於半徑r1~r4之間時，如圖1（b）所示，需要降低中心區域的等離子體密度，以保證整個刻蝕過程中等離子體分佈均勻，那麼，擋片12的形狀還可以為平行四邊形或橢圓形等中間大、外端小的形狀。
以平行四邊形為例，當刻蝕區域在半徑r2~r3之間的刻蝕速度明顯大於其他區域時，則需要降低該區域的等離子體密度，那麼，擋片12在半徑r2~r3之間應遮蔽更多的等離子體。根據刻蝕速率的差異性，平行四邊形形成的擋片12大小可根據製程測試結構進行改變。
本實施例中還提出了一種離子刻蝕機，如圖4（a）~4（c）所示，基於前述離子源擋片1，在現有離子刻蝕機的基礎上，增設一離子源擋片1，以形成改進後的離子刻蝕機，該改進的離子刻蝕機主要包括放電室2、反應室3和離子源擋片1三大部分，具體結構如下： 反應室3包括連接腔體31和與連接腔體31連通的反應腔體32；放電室2位於連接腔體31內並連通反應腔體32。
連接腔體31靠近內設置一將等離子體聚焦以形成等離子束的離子源柵組件4；離子源柵組件4靠近放電室2連通反應腔體32的一側。
離子源柵組件4包括一屏柵41；屏柵41上開設內小孔和外小孔411；內小孔的直徑小於外小孔411的直徑；該離子源柵組件4為現有技術，該離子源柵組件4中的屏柵41與圖1（a）中的屏柵41結構相同。
離子源擋片1卡設在放電室2的內壁上；等離子體依次經過離子源擋片1和離子源柵組件4。
在本實施例中，離子源擋片1和離子源柵組件4之間的距離大於零即可。
由於屏柵41上從中心到邊緣的小孔孔徑大小呈分段函數式增加，如圖1（b）所示，假設變化為N段，在製程中，根據邊緣刻蝕速度快的區域，如圖5所示，擋片1的內徑φ優選為R/N~(N-1)*R/N（R為放電室2的內徑）之間，當邊緣速度明顯優於其他區域時，扇形內徑應為(N-1)*R/N，避免扇形擋片12遮擋面積較大，影響中心區域刻蝕速度；當邊緣刻蝕速度較快的區域不斷增加時，扇形的離子源擋片1的內徑應不斷減小以增加遮擋面積。其中，扇形的離子源的樣式可以為單段或多段，其中多段式的可以避免多次加工，同時可以根據實驗數據隨時調整扇形擋片12的長度，如圖3（e）所示，在其他實施例中，離子源為多段結構。
為對放電室2邊緣區域等離子體的密度進行有效調整，使得到達目標基板5的邊緣區域與中心區域的等離子體密度分佈均勻，離子源擋片1的擋片12數量可以優先選擇為2~20個，針對離子刻蝕機不同刻蝕速度，離子源擋片1、每個離子源擋片1中的擋片12的數量設置參照以下工況： （1）當目標基板5的邊緣區域的刻蝕速度相比目標基板5的中心區域變化較小時，可單獨設置只有2個擋片12的一個離子源擋片1進行安裝；如圖3（b）所示； （2）隨著目標基板5的邊緣區域與目標基板5的心區域刻蝕速率的差異增加，擋片12的數量可以逐漸增加，直至6個，如圖3（a）、圖4（d）所示； （3）當目標基板5的邊緣區域與目標基板5的中心區域的刻蝕速率差異性繼續增加時，離子源擋片1可成組安裝。若目標基板5的邊緣區域的刻蝕速度明顯高於目標基板5的中心區域的刻蝕速度時，單個離子源擋片1無法滿足需求時，則需要採用兩個或者更多的離子源擋片1安裝，用於保證目標基板5刻蝕的均勻性，如圖4（e）所示。
本實施例中又提出了一種離子刻蝕機的使用方法，基於前述離子刻蝕機，包括以下步驟： （1）將離子源擋片1卡設在放電室2靠近離子源柵組件4的一側； （2）放電室2內產生等離子體； （3）等離子體經離子源擋片1進行遮擋後，自放電室2的邊緣區域至放電室2的中心區域，等離子體的數量逐漸增多； （4）等離子體射入離子源柵組件4的屏柵41內，之後依次穿過屏柵41形成等離子束，等離子束穿過柵組件的加速柵42並射入反應腔體32內。
上述僅為本發明的優選實施例而已，並不對本發明起到任何限制作用。任何所屬技術領域的技術人員，在不脫離本發明的技術方案的範圍內，對本發明揭露的技術方案和技術內容做任何形式的等同替換或修改等變動，均屬未脫離本發明的技術方案的內容，仍屬於本發明的保護範圍之內。
1:離子源擋片 11:擋片本體 12:擋片 2:放電室 3:反應室 31:連接腔體 32:反應腔體 4:離子源柵組件 41:屏柵 42:加速柵 411:外小孔 5:目標基板
圖1（a）為現有技術中屏柵的俯視圖； 圖1（b）為圖1（a）中屏柵上內小孔的局部示意圖； 圖1（c）為圖1（a）中屏柵上內小孔、外小孔的直徑變化示意圖； 圖2（a）~（b）為現有技術中目標基板的刻蝕速率分佈圖； 圖3（a）為本發明實施例一的離子源擋片的結構圖； 圖3（b）~（e）為本發明其他實施例的離子源擋片的結構圖； 圖4（a）為本發明實施例一的離子刻蝕機的示意圖； 圖4（b）為圖4（a）的局部示意圖； 圖4（c）為圖4（b）的側視圖； 圖4（d）~圖4（e）為發明其他實施例的離子刻蝕機中，離子源擋片的安裝示意圖； 圖5為本發明實施例一的離子源擋片的內徑示意圖。
1:離子源擋片
11:擋片本體
12:擋片

Claims (5)

  1. 一種離子源擋片，其特徵在於，包括擋片本體；所述擋片本體為一中空結構；所述擋片本體的內壁上固定對稱設置的擋片；所述擋片朝所述擋片本體的中心方向延伸；沿所述擋片本體的內壁朝所述擋片本體中心的方向，所述擋片的內段形成的遮擋區域由小變大再變小，且所述擋片的所述內段為一多邊形或圓形，所述擋片的所述內段連接在所述擋片本體上，所述擋片本體為一環形。
  2. 如請求項1所述的離子源擋片，其中，所述擋片的材料為石英材料或陶瓷材料。
  3. 一種離子刻蝕機，基於請求項1~2之任一項所述的離子源擋片，包括放電室和反應室；所述反應室包括連接腔體和與所述連接腔體連通的反應腔體；所述放電室位於所述連接腔體內並連通所述反應腔體；所述連接腔體內設置一將等離子體聚焦以形成等離子束的離子源柵組件；所述離子源柵組件靠近放電室連通反應腔體的一側；所述離子源柵組件包括一屏柵；所述屏柵上開設內小孔和外小孔；所述內小孔的直徑小於所述外小孔的直徑；其特徵在於，所述離子源擋片卡設在所述放電室的內壁上；所述等離子體依次經過所述離子源擋片和所述離子源柵組件。
  4. 如請求項3所述的離子刻蝕機，其中，所述離子源擋片和所述離子源柵組件之間的距離大於零。
  5. 一種離子刻蝕機的使用方法，基於請求項3所述的離子刻蝕機，其特徵在於，包括以下步驟：(1)將所述離子源擋片卡設在所述放電室靠近所述離子源柵組件的一側；(2)所述放電室內產生所述等離子體；(3)所述等離子體經所述離子源擋片進行遮擋後，自所述放電室的邊緣區域至所述放電室的中心區域，所述等離子體的數量逐漸增多；(4)所述等離子體射入所述離子源柵組件的屏柵內，之後依次穿過所述屏柵形成等離子束，所述等離子束穿過柵組件的加速柵並射入所述反應腔體內。
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