用于处理工件的等离子体反应装置的制作方法

本发明涉及微电子技术领域，具体地，涉及一种用于处理工件的等离子体反应装置。

背景技术

随着半导体技术的发展，微电子器件的特征尺寸不断减小，这使得人们对等离子体刻蚀速率均匀性、关键尺寸控制等指标要求越来越高。而且，由于微电子器件的特征尺寸的减小，微电子器件对因等离子体导致的晶片表面损伤也更加敏感。

基于等离子体的产生是通过电子作为能量传递的媒介，因此从根本上讲，因等离子体导致的晶片表面损伤通常可以通过降低电子温度和提高电子密度分布的均匀性来实现。

现有的等离子体加工设备所采用的等离子体源是利用感应线圈形成的磁场激发工艺腔内的工艺气体形成等离子体。具体地，通过使用射频电源向感应线圈加载脉冲射频功率，来产生上述磁场。该射频电源的频率一般为13.56mhz。

为了降低电子温度，避免产生晶片表面损伤，可以通过调节脉冲频率和占空比，来降低单位时间内的平均电子温度，但是，在脉冲功率开启时，由于等离子体启辉时要进行气体击穿过程，此时电子温度较高，很容易瞬间对晶片表面造成损伤。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种用于处理工件的等离子体反应装置，其可以降低电子温度，从而可以解决因电子温度过高引起的晶片表面损伤的问题。

为实现本发明的目的而提供一种用于处理工件的等离子体反应装置，包括电子束产生腔、过滤装置和工艺腔，其中，

所述电子束产生腔位于所述工艺腔的外部，且通过所述过滤装置与所述工艺腔相连通，并且所述电子束产生腔包括电感耦合等离子体源，所述电感耦合等离子体源用于产生第一等离子体；

所述过滤装置用于使所述第一等离子体在经过所述过滤装置进入所述工艺腔时，形成电子束；所述电子束用于激励所述工艺腔内的工艺气体产生第二等离子体，所述第二等离子体用于处理工件。

优选的，所述电感耦合等离子体源包括感应线圈、第一匹配器和第一射频电源，所述电子束产生腔还包括介质筒和第一进气装置，其中，

所述介质筒设置在所述工艺腔的外侧，且具有与所述工艺腔相连通的开口；

所述第一进气装置用于向所述介质筒内输送不与所述工艺气体反应的第一气体；

所述感应线圈环绕在所述介质筒的筒壁周围，且所述感应线圈的轴线水平设置；

所述第一射频电源通过所述第一匹配器与所述感应线圈电连接，用于激励所述第一气体产生所述第一等离子体。

优选的，所述第一气体包括惰性气体或者氮气。

优选的，所述过滤装置包括电极板和第一直流电源，其中，

所述电极板设置在所述电子束产生腔与所述工艺腔的连通处，并且在所述电极板上设置有多个通孔，所述多个通孔相对于所述连通处的径向截面均匀分布，且每个通孔的直径小于所述第一等离子体的鞘层厚度的2倍；所述第一直流电源与所述电极板电连接，用于向所述电极板加载直流正偏压

优选的，所述直流正偏压的取值范围在500～3000v。

优选的，所述电极板所采用的材料包括钼或者钨。

优选的，还包括电子收集装置，所述电子收集装置设置在所述工艺腔的腔室壁上，且位于所述电子束产生腔的对侧，用于收集所述电子束中运动至所述电子收集装置处的电子。

优选的所述电子收集装置包括金属件、电阻元件和介质隔离件，其中，

所述金属件设置在所述工艺腔的腔室壁中，且贯穿该腔室壁的厚度，并通过位于所述工艺腔之外的所述电阻元件电接地；

所述介质隔离件设置在所述金属件与所述工艺腔的所述腔室壁之间，用以对二者电绝缘。

优选的，所述金属件所采用的材料包括钼或者钨。

优选的，所述介质隔离件所采用的材料包括陶瓷或石英。

优选的，所述电阻元件的电阻值的取值范围在100～1000ω。

优选的，还包括约束装置，所述约束装置用于约束所述电子束的运动方向，使之沿水平方向运动。

优选的，所述约束装置包括第一电磁线圈、第二电磁线圈和第二直流电源，其中，

所述第一电磁线圈位于所述工艺腔的外部，且环绕在所述电子束产生腔与所述工艺腔的连通处的外围，所述第二电磁线圈位于所述工艺腔的外部，且环绕在所述电子收集装置的外围，所述第一电磁线圈和所述第二电磁线圈均用于产生能够约束所述电子束的运动方向的磁场，使之沿水平方向运动；

所述第二直流电源分别与所述第一电磁线圈和所述第二电磁线圈电连接，用以分别向所述第一电磁线圈和所述第二电磁线圈通入直流电。

优选的，所述磁场的强度的取值范围在0～1000g。

优选的，在所述工艺腔的腔室壁上，且位于所述电子束产生腔与所述工艺腔的连通处覆盖有保护层，用以保护所述工艺腔的腔室壁不被所述电子束腐蚀。

优选的，所述保护层所采用的材料包括钼或者钨。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的用于处理工件的等离子体反应装置，其在工艺腔的外部设置有电子束产生腔，其通过过滤装置与工艺腔相连通。并且，电子束产生腔是利用电感耦合等离子体源产生第一等离子体，由于电感耦合等离子体源无需使用金属电极放电，因此可以避免产生金属污染。过滤装置用于使第一等离子体在经过该过滤装置进入工艺腔时，形成电子束。该电子束用于激励工艺腔内的工艺气体产生第二等离子体，用于处理工件。由于电子束在进入工艺腔之后，会被工艺腔内的工艺气体冷却，这使得由电子束中的电子激励产生的第二等离子体中的电子温度较低，从而可以避免因电子温度过高引起的晶片表面损伤。

附图说明

图1为本发明第一实施例提供的用于处理工件的等离子体反应装置的局部剖视图；

图2为本发明第一实施例采用的电子束产生腔的截面图；

图3a为本发明第一实施例采用的电极板的剖视图；

图3b为本发明第一实施例采用的电极板的结构图；以及

图4为本发明第二实施例提供的用于处理工件的等离子体反应装置的剖视图。

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，下面结合附图来对本发明提供的用于处理工件的等离子体反应装置进行详细描述。

请参阅图1，本发明第一实施例提供的等离子体反应装置，用于对工件进行诸如刻蚀、沉积等的工艺处理。该等离子体反应装置包括电子束产生腔100、工艺腔200和过滤装置300，其中，电子束产生腔100位于工艺腔200的外部，且通过过滤装置300与工艺腔200相连通。在本实施例中，电子束产生腔100位于工艺腔200的腔室侧壁201(左侧侧壁)外侧，且在该腔室侧壁201上设置有贯穿该腔室侧壁201厚度的通道202，该通道202例如可以为直通孔。电子束产生腔100通过与该通道202与工艺腔200的内部相连通。

在实际应用中，工艺腔200的腔室侧壁201可以为圆柱形环体或者方形环体，在这种情况下，腔室侧壁201的外表面可能是圆弧面，或者也可能是平面，对于腔室侧壁201是方形环体的情况，电子束产生腔100可以直接对接在腔室侧壁201上，而对于腔室侧壁201是圆柱形环体的情况，可以通过安装法兰将电子束产生腔100与腔室侧壁201对接在一起。

电子束产生腔100包括电感耦合等离子体源(icp，inductivecoupledplasma)，该电感耦合等离子体源是由射频电流通过感应线圈产生高频电磁场，以激发工艺气体产生第一等离子体。这种等离子体产生方式与使用直流电极或热丝(例如钨丝)的等离子体产生方式相比，无需使用金属电极放电，从而可以避免产生金属污染。

具体地，上述电感耦合等离子体源包括介质筒101、感应线圈102、第一进气装置105、第一匹配器103和第一射频电源104，其中，介质筒101采用例如石英等的绝缘材料制作，其设置在工艺腔200的腔室侧壁201的外侧，且具有与该腔室侧壁201上的通道202相连通的开口，用以使介质筒101所限定的空间与工艺腔200的内部相连通。感应线圈102环绕在介质筒101的筒壁周围，且该感应线圈102的轴线水平设置，即与上述腔室侧壁201的通道202的水平轴线相互平行或者相互重合。如图2所示，在介质筒101的径向截面上，介质筒101的筒壁的正投影形状为矩形，感应线圈102缠绕在该介质筒101的筒壁周围，向该感应线圈102通入的电流方向如图2中的箭头所示。

第一射频电源104通过第一匹配器103与感应线圈102电连接。第一进气装置105与介质筒101所限定的空间相连通，用于向介质筒101所限定的空间内输送不与工艺腔200内的工艺气体反应的第一气体，该第一气体例如为氮气或者诸如氦气或氩气等的惰性气体。

在进行工艺时，开启第一进气装置105，以向介质筒101所限定的空间内输送上述第一气体，然后开启第一射频电源104，以通过第一匹配器103向感应线圈102加载射频功率，由该感应线圈102产生的射频能量通过介质筒101馈入其限定的空间内，并激发第一气体形成第一等离子体。

过滤装置300用于使上述第一等离子体在经过过滤装置300进入工艺腔200时，形成电子束s，该电子束s用于激励工艺腔200内的工艺气体产生第二等离子体，该第二等离子体用于处理工件，例如刻蚀工件表面。在本实施例中，过滤装置300包括电极板301和第一直流电源302，其中，电极板301设置在电子束产生腔100与工艺腔200的连通处，即电子束产生腔100的开口与腔室侧壁201的通道202之间。如图3b所示，电极板301在介质筒101的径向截面上的正投影形状可以为与上述介质筒101的正投影形状相对应的矩形，并且电极板301的板体封闭介质筒201的上述开口。

优选的，电极板301所采用的材料为诸如钼或者钨等的熔点较高的金属材料，该金属材料能够克服因电子束的能量密度较高而被电子束腐蚀的问题，从而可以避免产生金属污染。

第一直流电源302与上述电极板301电连接，用于向电极板301加载直流正偏压。在等离子体中，电子的质量小、速度高，而离子的质量大，速度低。基于此，该直流正偏压主要影响离子的运动方向，使之偏转，而无法通过通孔302，但是该直流正偏压对电子的运动方向影响较小，从而电子可以顺利通过通孔302，形成电子束s。优选的，直流正偏压的取值范围在500～3000v，以保证电子的运动速度满足要求。

另外，通过设定不同的介质筒101的径向截面的面积以及各个通孔302的径向截面的面积，可以获得不同的工艺腔200内产生的第一等离子体的密度分布，以提高第一等离子体的密度分布均匀性。

优选的，在腔室侧壁201的通道202的内壁上覆盖有保护层(图中未示出)，用以保护工艺腔200的腔室侧壁201不被电子束s腐蚀。该保护层可以采用诸如钼或者钨等的熔点较高的金属材料，该金属材料能够克服因电子束的能量密度较高而被电子束腐蚀的问题，从而可以避免产生金属污染。在实际应用中，电子束产生腔100与工艺腔200还可以采用其他任意方式相连通，而并不局限于在工艺腔200的腔室侧壁201上设置通道202，针对不同的连通方式，上述保护层只要能够覆盖在位于电子束产生腔100与工艺腔200的连通处的工艺腔200的腔室壁上，以达到保护该腔室壁不被电子束s腐蚀的目的即可。

综上所述，上述电子束s在进入工艺腔200之后，会与工艺腔200内的工艺气体发生碰撞，以将工艺气体离化产生第二等离子体。该工艺腔200没有采用磁场激发机制产生第二等离子体，而电子束s在进入工艺腔200之后，会被工艺腔200内的工艺气体冷却，这使得由电子束s中的电子激励产生的第二等离子体中的电子温度较低，从而可以避免因电子温度过高引起的晶片表面损伤。

需要说明的是，在本实施例中，电子束产生腔100位于工艺腔200的腔室侧壁201外侧，但是本发明并不局限于此，在实际应用中，电子束产生腔100也可以根据具体需要位于工艺腔200之外的其他任意位置。

请参阅图4，本发明第二实施例提供的等离子体反应装置是在上述第一实施例的基础上进行的改进。具体地，该等离子体反应装置还包括电子收集装置，该电子收集装置设置在工艺腔200的腔室侧壁201上，且位于上述电子束产生腔100的对侧，用以收集电子束s中运动至该电子收集装置的电子。

具体地，电子收集装置包括金属件401、电阻元件402和介质隔离件403，其中，金属件401设置在工艺腔200的腔室侧壁201中，且位于上述电子束产生腔100的对侧，且该金属件401贯穿该腔室侧壁201的厚度，并通过位于工艺腔200之外的电阻元件402电接地，从而为运动至金属件401的电子提供了接地路径。优选的，金属件401所采用的材料可以包括诸如钼或者钨等的熔点较高的金属材料，该金属材料能够克服因电子束的能量密度较高而被电子束腐蚀的问题，从而可以避免产生金属污染。

电阻元件402用于起到限流保护的作用。优选的，该电阻元件402的电阻值的取值范围在100～1000ω。介质隔离件403设置在金属件401与工艺腔200的腔室侧壁201之间，用以对二者电绝缘。该介质隔离件403所采用的材料包括陶瓷或石英等的绝缘材料。

需要说明的是，上述金属件401相对于位于其对侧的工艺腔200的通道202的高度、上述金属件401与该通道202相对的端面形状和尺寸可以根据电子束s的运动方向和电子束s的截面尺寸等参数来设定，以保证能够接收到电子束。例如，金属件401与通道202相对的端面形状和尺寸可以与该通道202的径向截面形状和尺寸相对应。

还需要说明的是，电子束产生腔100也可以根据具体需要位于工艺腔200之外的其他任意位置，而电子收集装置位于任意位置的电子束产生腔100的对侧。

在本实施例中，等离子体反应装置还包括约束装置，该约束装置用于约束电子束s的运动方向，使之沿水平方向运动，即，电子束s沿平行于工件表面的方向运动。具体地，约束装置包括第一电磁线圈501、第二电磁线圈502和第二直流电源(图中未示出)，其中，第一电磁线圈501位于工艺腔200的外部，且环绕在电子束产生腔100与工艺腔200的连通处的外围，即，靠近通道202的位置处。第二电磁线圈502位于工艺腔200的外部，且环绕在上述电子收集装置的外围。

上述第一电磁线圈501和第二电磁线圈502的轴线均平行设置，即与通道202的轴线相互平行。上述第一电磁线圈501和第二电磁线圈502的安装方式可以为：在工艺腔200的腔室侧壁201上分别形成有两个环形台阶，上述第一电磁线圈501和第二电磁线圈502分别缠绕在这两个环形台阶上。

第二直流电源与上述第一电磁线圈501和第二电磁线圈502电连接，用以分别向第一电磁线圈501和第二电磁线圈502通入直流电，使第一电磁线圈501和第二电磁线圈502均产生能够约束电子束s的运动方向的磁场，该磁场能够将电子束s约束在指定的空间尺度内，实现电子束s沿水平方向运动。优选的，上述磁场的强度的取值范围在0～1000g。

在实际应用中，上述第一电磁线圈501和第二电磁线圈502可以共用一个第二直流电源，或者二者也可以各自与一个第二直流电源电连接。

需要说明的是，在实际应用中，也可以采用永磁体代替上述电磁线圈，该永磁体同样能够产生约束电子束的运动方向的磁场，使之沿水平方向运动。

在本实施例中，在工艺腔200内设置有用于承载工件的基座203，该基座203优选为静电卡盘。另外，等离子体反应装置还包括第二射频电源213、第二匹配器212和第二进气装置，其中，第二射频电源213通过第二匹配器212与基座203电连接，用以向基座203加载射频负偏压，以吸引工艺腔200内形成的第二等离子体朝向置于基座203上的工件表面运动。

第二进气装置用于向工艺腔200内通入工艺气体。在本实施例中，该第二进气装置包括匀流腔206、进气通道205和工艺气源204，其中，匀流腔206设置在工艺腔200的顶部，且包括腔体2061和位于该腔体2061底部的匀流板2062，腔体2061和匀流板2062构成封闭的匀流空间208；并且，在匀流板2062中设置有多个通气孔207，多个通气孔207分别与匀流空间208和工艺腔200的内部相连通，并且多个通气孔207相对于匀流板2062所在平面均匀分布。进气通道205分别与匀流腔206和工艺气源204连接；工艺气源204通过进气通道205向上述匀流空间208提供工艺气体。进入匀流空间208的工艺气体朝向匀流空间208的两侧边缘扩散，并通过各个通气孔207流入工艺腔200的内部，从而起到了匀流的作用，进而有利于提高工艺气体的分布均匀性。

在本实施例中，第二射频电源213通过第二匹配器212与基座203电连接的方式具体为：在基座203的底部设置有介质隔离件210，用以支撑基座203，且将基座203与工艺腔200的腔室底壁209电绝缘；并且，在介质隔离件210中设置有沿竖直方向贯穿的第一通孔；与之相对应的，在工艺腔200的腔室底壁209中设置有贯穿其厚度的第二通孔；等离子体加工设备还包括电极211，该电极211的下端与第二匹配器212电连接，电极211的上端竖直向上依次穿过上述第二通孔和第一通孔，并与基座203电连接。在实际应用中，在上述第二通孔中，且位于电极211与上述腔室底壁209之间设置有绝缘部件，用以密封该第二通孔，并使电极211与腔室底壁209电绝缘。

优选的，等离子体反应装置还包括保护罩107，该保护罩107罩设在上述等离子体源的外部，用以避免射频泄漏。

在实际应用中，电子束产生腔100与工艺腔200的连通处，即，工艺腔200的腔室侧壁201的通道202与基座203的上表面之间的垂直距离一般在10～40mm，以保证工艺腔200内的等离子体产生区域满足要求。

综上所述，本发明提供的用于处理工件的等离子体反应装置，其在工艺腔的外部设置有电子束产生腔，其通过过滤装置与工艺腔相连通。并且，电子束产生腔是利用电感耦合等离子体源产生第一等离子体，由于电感耦合等离子体源无需使用金属电极放电，因此可以避免产生金属污染。过滤装置用于使第一等离子体在经过该过滤装置进入工艺腔时，形成电子束。该电子束用于激励工艺腔内的工艺气体产生第二等离子体，用于处理工件。由于电子束在进入工艺腔之后，会被工艺腔内的工艺气体冷却，这使得由电子束中的电子激励产生的第二等离子体中的电子温度较低，从而可以避免因电子温度过高引起的晶片表面损伤。

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。