一种等离子体源系统及其使用方法与流程

1.本技术涉及等离子体刻蚀技术领域，尤其涉及一种等离子体源系统及其使用方法。


背景技术：

2.目前，在典型的等离子体刻蚀工艺中，不同的工艺气体组合在射频环境中经过射频激励作用形成等离子体，形成的等离子体在刻蚀腔体上下电极电场作用下与晶圆表面发生物理轰击和化学反应，完成对晶圆表面设计图案和关键工艺的处理过程。通常情况下，由于腔体抽气路径的原因，或多或少地存在晶圆边缘等离子体密度较弱的情况，或可解释为由抽气作用引起等离子体活性反应基团浓度以及离子密度在晶圆上表面呈现出从中心到边缘逐渐降低的趋势，这种梯度趋势通常会引起晶圆表面刻蚀速率呈现中间高、边缘低的分布，存在刻蚀速率分布不均匀的问题。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本技术实施例提供一种等离子体源系统及其使用方法，至少部分解决现有技术中存在的晶圆边缘刻蚀速率不均匀的问题。
4.第一方面，本技术实施例提供一种等离子体源系统，包括：
5.反应腔主体；
6.位于所述反应腔主体上方的感性耦合射频单元，所述感性耦合射频单元用于产生进入所述反应腔主体参加反应的等离子体；
7.所述反应腔主体内设有支撑平台和位置可调的腔体保护环，所述支撑平台用于放置晶圆，所述腔体保护环环绕所述反应腔主体的内壁进行设置且位于所述支撑平台的周围，所述腔体保护环沿圆周方向设有多个磁性件，所述磁性件用于调节所述晶圆边缘的等离子体密度。
8.根据本技术实施例的一种具体实现方式，所述腔体保护环的底部连接有移动执行器，所述移动执行器带动所述腔体保护环进行上下移动。
9.根据本技术实施例的一种具体实现方式，所述移动执行器为多线程气缸或伺服电机。
10.根据本技术实施例的一种具体实现方式，所述腔体保护环沿周向设置为分段式结构，每段腔体保护环的位置可单独调整。
11.根据本技术实施例的一种具体实现方式，所述磁性件在腔体保护环上的设置方式为通过真空焊接密封的方式封入所述腔体保护环内部，或者被安装至所述腔体保护环的外壁上。
12.根据本技术实施例的一种具体实现方式，所述感性耦合射频单元包括：
13.屏蔽罩；
14.位于所述屏蔽罩内部的反应室介质管；
15.位于所述屏蔽罩内部且分布于所述反应室介质管侧部的天线系统，所述天线系统用于在所述反应室介质管内部产生等离子体，所述等离子体用于通过所述反应室介质管进入所述支撑平台和所述反应室介质管之间；
16.射频电源；以及
17.射频匹配器，所述射频匹配器的一端与所述射频电源连接，所述射频匹配器的另一端与所述天线系统的一端连接，所述天线系统的另一端接地。
18.根据本技术实施例的一种具体实现方式，所述感性耦合射频单元还包括：位于所述反应室介质管顶部的进气管，所述进气管用于通入刻蚀晶圆的刻蚀气体至所述反应室介质管中。
19.根据本技术实施例的一种具体实现方式，所述等离子体源系统还包括冷却装置，所述冷却装置位于所述屏蔽罩的顶部，所述冷却装置用于对所述射频天线和所述反应室介质管进行冷却。
20.根据本技术实施例的一种具体实现方式，所述腔体保护环的材料为铝合金或陶瓷，所述铝合金表面设有硬质阳极氧化保护层或氧化钇保护层。
21.第二方面，本技术实施例还提供一种如上述第一方面任一实施例所述的等离子体源系统的使用方法，所述方法包括：
22.调整所述腔体保护环的位置，将晶圆传入至所述反应腔主体中；
23.根据晶圆边缘等离子体的密度需求调整所述腔体保护环的位置以及所述磁性件的个数，所述感性耦合射频单元产生等离子体，所述等离子体进入所述反应腔主体中以对所述晶圆进行刻蚀；
24.刻蚀结束后，再次调整所述腔体保护环的位置，将晶圆传出所述反应腔主体。
25.有益效果
26.本技术实施例中的等离子体源系统及其使用方法，通过在反应腔主体内设置位置可调的磁性腔体保护环，可在靠近晶圆边缘位置处诱导出一个平行于腔体保护环(或晶圆边缘)的角向电场e，晶圆边缘等离子体经角向电场e的作用密度得到增强，从而达到补偿晶圆边缘刻蚀速率不均匀的效果，并且通过调整磁性件的位置对晶圆边缘等离子体增强的效应进行强度调节，从而满足不同工艺制程的调节需求。腔体保护环还可实现对反应腔主体内壁的隔离保护，阻碍制程副产物沉积到腔体内壁，起到可快速维护的作用。
附图说明
27.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
28.图1为根据本发明一实施例的等离子体源系统的结构图；
29.图2为现有技术的晶圆刻蚀速率空间分布图；
30.图3为根据本发明一实施例的腔体保护环结构图；
31.图4为根据本发明一实施例的腔体保护环结构图；
32.图5为根据本发明一实施例的等离子体源系统的使用方法流程图。
33.图中：1、支撑平台；2、晶圆；3、等离子体；4、反应腔介质管；5、天线系统；6、屏蔽罩；
7、进气管；8、冷却风扇；9、反应腔主体；10、射频匹配器；11、射频电源；12、腔体保护环；13、移动执行器；14、磁性件；15、抽气口；16、晶圆传送口。
具体实施方式
34.下面结合附图对本技术实施例进行详细描述。
35.以下通过特定的具体实例说明本技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本技术的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。本技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本技术的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
36.要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本技术，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
37.还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本技术的基本构想，图式中仅显示与本技术中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
38.另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
39.第一方面，本技术实施例提供了一种等离子体源系统，下面参照图进行详细描述。
40.参照图1，等离子体源包括：反应腔主体9和位于反应腔主体9上方的感性耦合射频单元，感性耦合射频单元用于产生进入反应腔主体9参加反应的等离子体3。
41.具体的，反应腔主体9内设有支撑平台1和位置可调的腔体保护环12，支撑平台1用于放置晶圆2，反应腔主体9的侧壁上设有晶圆传送口16，用于晶圆2的传入和传出；反应腔主体9的下侧还设有抽气口15，用于将腔体内的气体抽出。腔体保护环12环绕反应腔主体9的内壁进行设置且位于支撑平台1的周围，腔体保护环12沿圆周方向设有多个磁性件14，磁性件14用于调节晶圆2边缘的等离子体3密度。在本实施例中，磁性件14环绕晶圆2的周围进行设置，磁性件14间的磁场h在腔体保护环12内侧靠近晶圆2边缘的位置会诱导出一个平行于腔体保护环12(或晶圆2边缘)的角向电场e，晶圆2边缘的等离子体3经角向电场e的作用密度得到增强，从而达到补偿晶圆2边缘刻蚀速率不均匀的效果。
42.在一个优选的实施例中，腔体保护环12的底部连接有移动执行器13，移动执行器13带动腔体保护环12进行上下移动，以适应晶圆2传入或者传出反应腔主体9，以及当晶圆2在不同反应阶段时，通过移动执行器13带动腔体保护环12上下移动，从而调整磁性件14相
对于晶圆2的位置，进而调节晶圆2边缘的等离子体3密度。
43.优选的，移动执行器13为多线程气缸或伺服电机。
44.在一个实施例中，参照图3，腔体保护环12可以设置为一体式结构，磁性件14均匀的设置在腔体保护环12的侧壁内，此种设置方式中，均匀设置的磁性件14产生的角向电场e是均匀的，因此适用于晶圆2边缘的等离子体3的密度比较均一的情况。
45.为了更好的适应刻蚀过程中晶圆2周围的等离子体3的密度不对称性，将腔体保护环12沿圆周方向设置为分段式结构，即将腔体保护环12设置为多个相接的圆弧段，参照图4，将腔体保护环12均分为4个圆弧段，每段腔体保护环12的位置可单独调整。在每段腔体保护环12上设置的磁性件14的个数可根据实际需求进行调整，磁性件14可均布在每段腔体保护环12上，或者每段腔体保护环12上的磁性件14的个数不同。
46.在一个实施例中，圆弧段的个数大于等于3个。
47.在一个实施例中，磁性件14在腔体保护环12上的设置方式为通过真空焊接密封的方式封入腔体保护环12内部，或者被安装至腔体保护环12的外壁上。
48.在一个实施例中，腔体保护环12的材料为铝合金或陶瓷等介质材料，铝合金表面设有硬质阳极氧化保护层或氧化钇保护层，对铝合金进行保护。
49.下面对感性耦合射频单元进行具体描述，感性耦合射频单元包括屏蔽罩6和位于屏蔽罩6内部的反应室介质管4；还包括位于屏蔽罩6内部且分布于反应室介质管4侧部的天线系统5，天线系统5用于在反应室介质管4内部产生等离子体3，等离子体3用于通过反应室介质管4进入支撑平台1和反应室介质管4之间。
50.感性耦合射频单元还包括位于屏蔽罩6外侧的射频电源11，以及射频匹配器10，射频匹配器10的一端与射频电源11连接，射频匹配器10的另一端与天线系统5的一端连接，天线系统5的另一端接地。
51.在一个实施例中，反应室介质管4的侧壁倾斜且反应室介质管4的顶部横截面小于底部横截面，参照图1中的反应室介质管4的纵向截面为梯形结构；在另一个实施例中，反应室介质管4的纵向截面为矩形结构，即反应室介质管4的侧壁设置为与屏蔽罩6的顶部垂直。
52.在一个实施例中，反应室介质管4的纵向剖面形状呈梯形或者锥形。
53.在一个实施例中，感性耦合射频单元还包括：位于反应室介质管4顶部的进气管7，进气管用于通入刻蚀晶圆2的刻蚀气体至反应室介质管4中。
54.在上述实施例中，天线系统5包括射频天线，射频天线环绕反应室介质管4且具有多匝连续的线圈。
55.在一个优选实施例中，等离子体源系统还包括冷却装置，冷却装置位于屏蔽罩6的顶部，冷却装置用于对射频天线和反应室介质管4进行冷却。
56.优选的，冷却装置设置为冷却风扇8。
57.在现有的技术中，等离子体3从反应室介质管4中形成并扩散至反应腔主体9的过程中，等离子体密度存在一定的空间立体分布。通常情况下，由于腔体抽气路径的原因，或多或少地存在晶圆边缘等离子体密度较弱的情况，或可解释为由抽气作用引起等离子体活性反应基团浓度以及离子密度在晶圆上表面呈现出从中心到边缘逐渐降低的趋势。这种梯度趋势通常会引起晶圆表面刻蚀速率呈现中间高、边缘低的分布，如图2所示的刻蚀速率曲线h1。另外，不同反应制程由于气体种类、气压以及射频功率大小的差异，刻蚀速率分布曲
线中间高、边缘低的程度也会有所不同，如图2的刻蚀速率曲线h1、h2和h3所示。
58.基于这种刻蚀速率分布不均匀问题，本技术提出了一种高度可调的磁性腔体保护环结构，腔体保护环12的工作原理为：腔体保护环12上集成了若干块沿圆周分布的磁性件14。在一个实施例中，磁性件14为永磁铁，永磁铁间的磁场h在腔体保护环12结构内侧靠近晶圆2的边缘位置会诱导出一个平行于腔体保护环12(或晶圆边缘)的角向电场e；晶圆2边缘等离子体经角向电场e的作用密度得到增强，从而达到补偿晶圆2边缘刻蚀速率的效果。腔体保护环12结构可进行上下移动，目的在于对晶圆2边缘等离子体增强的效应进行强度调节，从而满足不同工艺制程的调节需求。另外，由于某些制程副产物无法被及时抽走，通常会沉积到腔体内壁，造成腔体可维护性较差的问题；腔体保护环12可实现对反应腔主体9内壁的隔离保护，阻碍制程副产物沉积到腔体内壁，起到可快速维护的作用。
59.第二方面，本技术实施例还提供一种如上述第一方面任一实施例的等离子体源系统的使用方法，方法包括：
60.调整腔体保护环12的位置，将晶圆2传入至反应腔主体9中；
61.根据晶圆2边缘等离子体的密度需求调整腔体保护环12的位置以及磁性件的个数，感性耦合射频单元产生等离子体，等离子体进入反应腔主体9中以对晶圆2进行刻蚀；
62.刻蚀结束后，再次调整腔体保护环12的位置，将晶圆2传出反应腔主体9。
63.具体的，参照图5，等离子体源系统的使用方法包括以下步骤：
64.(a)晶圆2传入：利用移动执行器13带动腔体保护环12下移，使腔体保护环12的顶部低于晶圆传送口16，将晶圆2从晶圆传送口16传入至支撑平台1上；
65.(b)反应阶段1：利用移动执行器13带动腔体保护环12上移，根据反应阶段1对晶圆2边缘的等离子体3浓度的需求，调整腔体保护环12至合适的位置，进行等离子体刻蚀；
66.(c)反应阶段2：利用移动执行器13带动腔体保护环12继续上移，根据反应阶段2对晶圆2边缘的等离子体3浓度的需求，调整腔体保护环12至合适的位置，进行等离子体刻蚀；
67.继续调整腔体保护环12的位置进行刻蚀，直至刻蚀完成；
68.(d)晶圆传出：利用移动执行器13带动腔体保护环12下移，使腔体保护环12的顶部低于晶圆传送口16，将晶圆2从晶圆传送口16传出，完成整个晶圆的刻蚀过程。
69.在上述等离子体源系统的使用方法过程中，还可调整腔体保护环12上的磁性件14个数进行调整晶圆2边缘的等离子体3浓度分布；或者将腔体保护环12设置为分段式结构，单独调整每一段腔体保护环12的位置以及其上的磁性件14个数，从而调整晶圆2边缘的等离子体3浓度分布。
70.本技术的实施例提供的等离子体源系统，通过设置位置可调的磁性腔体保护环，可在靠近晶圆的边缘位置处诱导出一个平行于腔体保护环(或晶圆边缘)的角向电场e，晶圆边缘等离子体经角向电场e的作用密度得到增强，从而达到补偿晶圆边缘刻蚀速率不均匀的效果，并且通过调整磁性件的位置对晶圆边缘等离子体增强的效应进行强度调节，从而满足不同工艺制程的调节需求。腔体保护环还可实现对反应腔主体内壁的隔离保护，阻碍制程副产物沉积到腔体内壁，起到可快速维护的作用。
71.以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围为准。