一种等离子体腔室及用于物理气相沉积的预清洗设备的制作方法

本发明属于半导体制造领域，具体涉及一种等离子体腔室及用于物理气相沉积的预清洗设备。

背景技术：

等离子体技术是半导体制造工艺中被广泛采用的技术，如沉积工艺、刻蚀工艺等。等离子体是通过在反应腔室内通入反应气体并引入电子流，利用外加电场(直流/交流)使电子加速，与反应气体发生碰撞而使反应气体发生电离而产生的。

电容耦合型等离子体加工设备和电感耦合型等离子体加工设备是两种比较典型的等离子体工艺处理设备。在生产过程中，为了能够独立控制等离子体的密度和等离子体中粒子的能量，相关技术人员将电感耦合与电容耦合等离子体加工设备结合，开发了一种结合型等离子体加工装置。如图1所示，结合型等离子体加工装置包括真空腔室11，在真空腔室11内设置有用于固定被加工工件15的静电卡盘12，在静电卡盘12内嵌置平板电极13，平板电极13与偏压射频源14电连接。在真空腔室11的顶部设置介质窗16，在介质窗16的外侧设置射频天线17，射频天线17与射频源18电连接，射频源18借助射频天线17将射频能量以电感耦合的方式馈入真空腔室11，产生高密度等离子体。偏压射频源14产生射频偏压，以控制等离子体中粒子轰击被加工工件15的能量，从而完成对被加工工件15的处理。

在实际应用中，等离子体密度在真空腔室11内分布并不均匀，中心区域到边缘区域常存在阶梯变化。另外，在等离子体设备中，通常会由于真空腔室11内电场强度存在差异，由其产生的等离子体的密度具有中间区域高于边缘区域的分布特征。而等离子体的处理速率与等离子体的密度密切相关，因此,被加工工件15的中间区域处理速率快、边缘区域处理速率慢，导致等离子体加工质量下降。

技术实现要素：

本发明提供了一种等离子体腔室，在等离体体腔室内设置等离子体调节装置,解决了现有技术中被加工工件表面的等离子体密度分布不均匀的技术问题，从而使被加工工件的边缘和中心处理速率均匀，进而提高等离子体腔室的加工质量。

根据本发明的一方面,提供了一种等离子体腔室，包括腔体、等离子体发生器、以及设置于所述腔体内用于支撑被加工工件的基座；

还包括等离子体调节装置，所述等离子体调节装置设置在所述基座上方；且

当工艺时，所述等离子体调节装置的表面形成有鞘层，等离子体中的正离子分布相对密集区域中的部分正离子被所述鞘层中的电子中和为中性粒子，从而使到达所述被加工工件表面的等离子体中的离子密度趋于均匀。

可选地，根据本发明的等离子体腔室，所述等离子体调节装置包括多个环形件，多个所述环形件与所述基座同轴设置；且相邻两个所述环形件的间距大于等离子体的鞘层厚度。

可选地，根据本发明的等离子体腔室，多个所述环形件的分布密度沿所述基座的径向由内向外逐渐降低。

可选地，根据本发明的等离子体腔室，在所述环形件的轴心位置设置挡块。

可选地，根据本发明的等离子体腔室，多个所述环形件设置于同一平面，且相邻两个所述环形件之间设置有连接件。

可选地，根据本发明的等离子体腔室，所述环形件沿所述基座径向上的截面为圆形，所述圆形的直径范围为1mm～50mm。

可选地，根据本发明的等离子体腔室，所述环形件和所述连接件的表面经喷砂或镀膜处理。

可选地，根据本发明的等离子体腔室，在沿竖直方向上的至少两个水平面内设置所述多个环形件。

可选地，根据本发明的等离子体腔室，所述等离子体调节装置还包括固定支架；其中，

所述固定支架的一端与所述环形件固定连接，另一端与所述腔体的内壁固定连接；

所述环形件、所述连接件和所述固定支架均采用不导磁且不导电的材料制成。

可选地，根据本发明的等离子体腔室，所述等离子体调节装置还包括一个螺杆和驱动装置，其中，

所述螺杆的一端与所述环形件螺纹连接，另一端与所述驱动装置连接；且

所述驱动装置驱动所述螺杆转动，以带动所述环形件沿所述螺杆上下移动，从而调节所述环形件与所述基座之间的距离。

可选地，根据本发明的等离子体腔室，所述等离子体调节装置还包括多个螺杆，且多个所述螺杆与多个所述环形件一一对应；

所述螺杆的一端与其对应的所述环形件螺纹连接，另一端与所述驱动装置连接；且

所述驱动装置驱动所述螺杆转动，以带动其对应的所述环形件沿所述螺杆上下移动，从而调节所述环形件与所述基座之间的距离。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的等离子体腔室，在工艺时通过等离子体调节装置表面形成的鞘层来调节被加工工件表面的等离子体密度，即等离子体中的离子密度大的区域中的部分离子被鞘层中的电子中和为中性粒子，从而使到达被加工工件表面的等离子体中的离子密度趋于均匀，使被加工工件的边缘和中心的处理速率均匀，进而提高等离子体腔室的加工质量。

作为本发明的一个优选实施例，等离子体调节装置包括多个环形件，当多个环形件浸没在等离子体中时，在环形件的表面将形成鞘层，离子在穿越鞘层时，极易与鞘层内的电子结合形成中性粒子，使高密度区的等离子体的密度降低，从而使基座表面的等离子体的密度分布更均匀。该等离子体调节装置还具有设计灵活，等离子体穿过环形件时能量损失小，而且不改变等离子体的性质，等离子体的利用率高，提高了腔室的加工效率。此外，该等离子体调节装置不需要改变腔体和基座的尺寸，因此不增加等离子体加工设备的成本。

本发明提供的用于物理气相沉积的预清洗设备，采用了本发明提供的等离子体腔室，在工艺时通过等离子体调节装置表面形成的鞘层来调节被加工工件表面的等离子体密度，即等离子体中的离子密度大的区域中的部分离子被鞘层中的电子中和为中性粒子，从而使到达被加工工件表面的等离子体中的离子密度趋于均匀，从而使被加工工件的边缘和中心的处理速率更均匀，进而提高预清洗设备的加工质量。

附图说明

图1为目前使用的结合型等离子体加工设备的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的等离子体腔室的结构示意图；

图3a为本发明实施例提供的等离子体调节装置的结构示意图；

图3b为沿图3a中a-a线的截面图；

图3c为本发明实施例提供的另一等离子体调节装置的结构示意图；

图3d为本发明实施例提供的再一等离子体调节装置的结构示意图；

图4为本发明的等离子体装置调节等离子体密度的原理示意图。

附图编号：

11-真空腔室；

12-静电卡盘；

13-平板电极；

14-偏压射频源；

15-被加工工件；

16-介质窗；

17-射频天线；

18-射频源；

31-腔体；

32-基座；

33-被加工工件；

34-电极；

35-第一功率源；

36-介质窗；

37-天线；

38-第二功率源；

39-等离子体调节装置；

41-环形件；

42-连接件；

43-中心挡块；

44-固定支架。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的等离子体腔室及用于物理气相沉积的预清洗设备进行详细描述。

根据本发明等离子体腔室的一种实施方式,提供了一种等离子体腔室，包括腔体、等离子体发生器、以及设置于腔体内用于支撑被加工工件的基座；还包括等离子体调节装置，等离子体调节装置设置在基座上方；且当工艺时，等离子体调节装置的表面形成有鞘层，等离子体中的正离子分布相对密集区域中的部分正离子被鞘层中的电子中和为中性粒子，从而使到达被加工工件表面的等离子体中的离子密度趋于均匀。

具体参见图3所示的本实施方式的一种等离子体腔室，包括腔体31，在腔体31的顶部设置介质窗36，在介质窗36的上方设置射频天线37，射频天线37与第二功率源38电连接。射频天线37将第二功率源38产生的能量以电感耦合的方式馈入腔体31，从而在腔体31内产生高密度等离子体。在腔体31的底部设置基座32，基座32用于支撑固定被加工工件33，在基座32内嵌置有电极34，电极34与第一功率源35电连接。第一功率源35在电极34上产生偏压，用以控制轰击被加工工件33的离子的能量。在腔体31内设置等离子体调节装置39，等离子体调节装置39设置于基座32与介质窗36之间，用于调节腔体31内的等离子体的密度分布，尤其用于调节到达基座32表面的等离子体的密度分布。当工艺时，在等离子体调节装置39的表面形成有鞘层(下文详细描述)，等离子体中的离子密度大的区域中的部分离子被鞘层中的电子中和为中性粒子，从而使到达被加工工件表面的等离子体中的离子密度趋于均匀。

根据本发明等离子体腔室的一种实施方式，等离子体调节装置包括多个环形件，多个环形件与基座同轴设置；且相邻两个环形件的间距大于等离子体的鞘层厚度。

具体参阅图2、图3a和图3b示出的本实施方式中的实施例，等离子体调节装置39包括六个环形件41，六个环形件41与基座32同轴设置，且相邻两个环形件的间距大于等离子体的鞘层厚度。

当等离子体调节装置悬浮于等离子体中时，由于等离子体中电子和离子做热运动，而电子的质量又远远小于离子的质量，因此电子会迅速到达环形件41的表面，并在环形件41的表面形成一个小的局域电场，该局域电场会使离子加速向环形件41的表面运动，同时排斥电子，当动态稳定后会在环形件41的表面形成鞘层。如图4所示，表示电子，“⊕”表示离子，虚线的下侧为鞘层，虚线的上侧为等离子体。离子在穿越鞘层并到达环形件41表面的过程中极易与电子结合转变为中性粒子，换言之，悬浮在等离子体中的环形件41相当于增加了带电离子的复合表面，从而改变了环形件41下方等离子体的密度分布，即改善了基座32表面的等离子体的密度分布。且相邻两个环形件的间距大于等离子体的鞘层厚度，在改变等离子体到达基座上的待加工工件上的等离子体密度均匀性的同时，又保证有足够的等离子体到达待加工工件的表面。

根据本发明等离子体腔室的的一种实施方式，多个环形件的分布密度沿基座的径向由内向外逐渐降低。这样可以解决中心区域等离子体密度大，边缘区域等离子体密度小时，存在的等离子体密度不均匀的问题，从而使被加工工件表面的等离子体密度分布均匀。

具体实施例如图3a所示，由于等离子体腔室内中心区域密度大，边缘区域面密度小的特点，将六个环形件41的分布密度沿基座32的径向由内向外逐渐降低。

根据本发明等离子体腔室的一种实施方式，在环形件的轴心位置设置挡块。

在实际应用中，如果靠近腔体31的中心区域的等离子体的密度相对越大，通过调节环形件41之间的间距无法满足要求时，优选在腔体31的中心区域设置中心挡块43，即等离子体调节装置还包括中心挡块43，其设置在环形件41的轴心位置，中心挡块43通过连接件42与尺寸最小的环形件41固定连接，从而使中心挡块43和环形件41形成一体。中心挡块43在腔体31的径向方向上的尺寸根据等离子体的密度设定，若等离子体的密度越大，则中心挡块43在腔体31径向方向上的尺寸越大，反之，中心挡块43在腔体31径向方向上的尺寸越小。中心挡块43与尺寸最小的环形件41之间的间距也可以根据等离子体的密度分布进行调节，若等离子体的密度越大，中心挡块43与尺寸最小的环形件41之间的间距越小；反之，中心挡块43与尺寸最小的环形件41之间的间距越大。

根据本发明等离子体腔室的一种实施方式，多个环形件设置于同一平面，且相邻两个环形件之间设置有连接件。

在本实施方式中的一种具体的等离子体腔室，六个环形件41设置在同一平面，且相邻的两个环形件41由连接件42固定连接，连接件42将环形件41连接为一整体。连接件42的设置位置任意，如本实施例的六个环形件41，从内侧向外侧计数，用于连接第一环形件和第二环形件的连接件、用于连接第三环形件和第四环形件的连接件以及用于连接第五环形件和第六环形件的连接件是在图3a所示的横向方向设置，用于连接第二环形件和第三环形件的连接件以及用于连接第四环形件和第五环形件的连接件是在图3a中所示的纵向方向设置。虽然连接件42的设置位置可以任意设定，但优选连接件42分散设置，以减小其对等离子体的密度分布的影响，使等离子体的密度分布更均匀。根据本发明等离子体腔室的一种实施方式，环形件沿基座径向上的截面为圆形，圆形的直径范围为1mm～50mm。

如图3a和3b所示，环形件41在沿基座径向方向(即基座的径向方向)的截面形状为圆形，圆形的直径d的取值范围为1mm＜d＜50mm，圆形的直径d可根据实际情况调节，当需要调节的等离子体的密度较大时，环形件41的径d可以调整为较大，反之，需要调节的等离子体密度的密度较小时，圆形的直径d可以调整为较小，但是最小范围要大于1mm，以保证大于鞘层的厚度，从而使有足够的等离子体到达基座上方。

另外，对于构成等离子体调节装置的每一环形件41而言，在其径向方向的截面尺寸可以根据不同工艺时等离子体的密度分布的特征进行调整，如可以将每一环形件41在其径向方向的截面尺寸设置为均相同，或者均不相同，或者部分相同，部分不同。

除环形件41在其径向方向的截面的尺寸可以根据等离子体的密度分布进行调整外，相邻的环形件41之间的间距也可以根据等离子体的密度分布进行调整。在等离子体相对密度较大的区域，相邻的两个环形件41的间距越小，反之，间距较大。换言之，等离子体的密度越大，设置的环形件41越密。具体地，若腔体31中心区域的等离子体密度大于边缘区域的等离子体密度，那么设置于中心区域的环形件41的间距小于设置于边缘区域的环形件41的间距，即d1＜d2＜d3＜d4＜d5，换言之，环形件41越靠近等离子体调节装置的中间位置密度分布越大。反之，若腔体31中心区域的等离子体密度小于边缘区域的等离子体密度，那么设置于中心区域的环形件41的间距大于设置于边缘区域的环形件41的间距，即d1＞d2＞d3＞d4＞d5，换言之，环形件41越靠近等离子体调节装置的边缘位置越密。但需注意的是，相邻的两个环形件41的间距要大于在环形件41表面形成的鞘层的厚度，否则，等离子体无法穿越环形件41。

在本实施例提供的等离子体调节装置中，环形件41在其径向方向的截面形状圆形，但本发明并不局限于此，环形件41在其径向方向的截面形状也可以采用其他形状。在一个变型实施中，如图3c所示，环形件41在其径向方向的截面形状为方形，同样可以达到调节等离子体的密度分布的目的。

根据本发明的等离子体腔室的一种实施方式，环形件和连接件的表面经喷砂或镀膜处理，以减少等离子体调节装置在工艺过程中产生颗粒，从而减少等离子体调节装置对等离子体工艺的影响。

根据本发明的等离子体腔室的一种实施方式，在沿竖直方向上的至少两个水平面内设置多个环形件。

在图3b和图3c所示的等离子体调节装置中，六个环形件41均设置于同一水平面，但本发明并不局限于此，环形件41也可以设置在不同的水平面，即在沿竖直方向上的至少两个水平面内设置多个环形件。如图3d所示，靠近腔体中心区域的环形件更靠近腔体的顶部，靠近腔体边缘区域的环形件更靠近基座。当然，使用者也可以根据腔体内等离子体的密度分布的具体情况使靠近腔体中心区域的环形件更靠近基座，使靠近腔体边缘区域的环形件更靠近腔体的顶部。

需要说明的是，虽然本实施例提供的等离子体调节装置39设置了六个环形件41，但等离子体调节装置39并不仅限于六个环形件41。实际上，环形件41的数量可以根据等离子体的密度分布情况设置两个以上的任意数量，通常等离子体的密度越大，环形件41的数量越多。

根据本发明的等离子体腔室的一种实施方式，等离子体调节装置还包括固定支架；其中，固定支架的一端与环形件固定连接，另一端与腔体的内壁固定连接；环形件、连接件和固定支架均采用不导磁且不导电的材料制成。

等离子体调节装置39通过固定支架44固定于腔体31的内壁，并使等离子体调节装置39浸没在等离子体中。优选将等离子体调节装置39离基座32的距离大于与体31的顶端的距离，这样当等离子体穿过等离子体调节装置39后，有一个重新分布的空间和时间，既可改善等离子体的密度分布，又可以避免在被加工工件33的表面留下等离子体调节装置39的印记。

本实施例等离子体调节装置39采用但不限于三个固定支架44固定，固定支架44的一端与最外侧的环形件41(尺寸最大的环形件)固定连接，另一端固定于腔体31的内壁。而且，固定支架44采用不导电且不导磁的材料制成，如采用石英或陶瓷制成，以使等离子体调节装置39悬浮于等离子体中。当等离子体采用固定支架，将环形件固定在腔体内壁上时，必须采用不导电和不导磁材料。采用不导磁材料防止了涡流的产生，防止环形件发热；采用不导电材料，防止在环形件表面的电荷被导出。另外，当固定支架只固定最外圈环形件，或者固定其中的某个环形件时，适用于多个环形件中设置有连接件，将多个环形件连接为一个整体的情况。不难理解，本实施例通过固定支架44使得等离子体调节装置39与基座32之间的距离h固定不变。

根据本发明的等离子体腔室的一种实施方式，等离子体调节装置还包括一个螺杆和驱动装置，其中，螺杆的一端与环形件螺纹连接，另一端与驱动装置连接；且驱动装置驱动螺杆转动，以带动环形件沿螺杆上下移动，从而调节环形件与基座之间的距离。

作为本发明的一中实施方式，等离子体加工设备包括位置调节装置(图中未示出)，位置调节装置与等离子体调节装置39连接，位置调节装置可根据实际工艺特点调节等离子体调节装置39与基座32之间距离h，从而调节腔体31内等离子体的密度分布。位置调节装置包括螺杆和驱动装置(例如丝杆调节)，螺杆的一端与环形件螺纹连接，另一端与驱动装置连接，且驱动装置驱动螺杆转动，以带动环形件沿螺杆上下移动，从而调节环形件与基座之间的距离。

根据本发明的等离子体腔室一种实施方式，等离子体调节装置还包括多个螺杆，且多个螺杆与多个环形件一一对应；螺杆的一端与其对应的环形件螺纹连接，另一端与驱动装置连接；且驱动装置驱动螺杆转动，以带动其对应的环形件沿螺杆上下移动，从而调节环形件与基座之间的距离。该实施方式适用于多个环形件之间没有连接件的方式，可以通过设置多个螺杆，每个螺杆控制一个环形件，可以控制其分别上下移动。

在本实施例中，等离子体调节装置39采用不导磁的材料制成，为了避免在等离子体调节装置39内产生涡流，等离子体调节装置39优选采用不导电且不导磁的材料制成，如采用石英或陶瓷制成，即环形件41和连接件42均采用石英或陶瓷制成。

还需要说明的是，上述实施例提供的等离子体加工设备仅设置了一个等离子体调节装置，但本发明并不局限于此，等离子体加工设备还可以两个或更多个等离子体调节装置。使用时，根据腔体内实际等离子体的密度分布情况，将多个等离子体调节装置在腔体的轴向方向间隔设置。不难理解，每个等离子体调节装置中环形件的形状、数量、间距可以相同，也可以不同，只要能够使腔体内等离子体的密度分布满足需求即可。

如图2所示，在本实施例中，射频天线37和第二功率源38构成了产生等离子体的等离子体发生器，即等离子体发生器为电感耦合等离子体发生器，然而本发明并不局限于此。实际上，本实施例提供的等离子体加工设备中，等离子体发生器可以为电感耦合等离子体发生器、电容耦合等离子体发生器和电磁回旋共振等离子体发生器中的一种或几种组合。另外，第一功率源和第二功率源可以采用直流源、交流源、射频源或微波源。

在上述实施例提供等离子体腔室中，在工艺时通过等离子体调节装置表面形成的鞘层来调节被加工工件表面的等离子体密度，即等离子体中的离子密度大的区域中的部分离子被鞘层中的电子中和为中性粒子，从而使到达被加工工件表面的等离子体中的离子密度趋于均匀，从而使被加工工件的边缘和中心的处理速率均匀，进而提高等离子体腔室的加工质量。

等离子体调节装置是由多个环形件按尺寸大小依次套置，当等离子体调节装置浸没在等离子体中时，在环形件的表面将形成鞘层，离子在穿越鞘层时，极易与鞘层内的电子结合形成中性粒子，即环形件增加了等离子体中带电离子的复合表面，从而降低高密度区的等离子体密度，进而使基座上方的等离子体的密度分布更均匀。本发明的环形件尺寸小，设计灵活，等离子体穿过环形件时能量损失小，等离子体的利用率高，而且不会导致被加工工件表面的等离子体的活力降低，提高了腔室的加工效率。使用时，该等离子体调节装置并不对等离子体进行分区，不改变等离子体的性质。此外，该等离子体调节装置不需要改变腔体和基座的尺寸，不增加等离子体加工设备的成本。

另外，本发明还提供一种用于物理气相沉积的预清洗设备，包括等离子体腔室，该等离子体腔室采用了本发明上述实施例提供的等离子体腔室。

本发明实施例提供的用于物理气相沉积的预清洗设备，采用了本发明提供的等离子体腔室，在工艺时通过等离子体调节装置表面形成的鞘层来调节被加工工件表面的等离子体密度，即等离子体中的离子密度大的区域中的部分离子被鞘层中的电子中和为中性粒子，从而使到达被加工工件表面的等离子体中的离子密度趋于均匀，从而使被加工工件的边缘和中心的处理速率更均匀，进而提高预清洗设备的加工质量。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。