一种等离子体处理装置及其导磁组件与方法与流程

1.本发明涉及半导体加工领域，特别涉及一种等离子体处理装置及其导磁组件与方法。


背景技术：

2.目前在对半导体器件的制造过程中，通常使用电感耦合式的等离子体处理装置(icp)来产生反应气体的等离子体，对基片进行蚀刻等加工处理。
3.现有电感耦合式的等离子体发生器(icp)，往往在真空的反应腔内引入反应气体。在反应腔外周围的顶部设置有感应线圈并施加射频电源，由此产生的感应磁场会在线圈轴向感应出射频电场，从而在反应腔内产生反应气体的等离子体，对由反应腔底部静电吸盘固定的基片进行蚀刻处理。
4.为了监测反应腔内的刻蚀情况，需要在反应腔侧壁上的介电窗上设置刻蚀监测设备(iep)，且介电窗的中心区域也可设置气体输送管路，用于将反应气体注入真空反应腔内，一般地，刻蚀监测设备与气体输送管路均是由导电材料制成，而良导体会影响电磁场进入下方的反应腔室内，同时还能形成表面涡流而造成磁损耗，从而限制了进入到等离子体发生器的反应腔内的射频功率，最终影响晶圆的刻蚀效率，因此，急需研发一种将刻蚀监测设备和气体输送管路附近的电磁场引导进入反应腔室内以提高晶圆刻蚀效率的方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种等离子体处理装置及其导磁组件，导磁组件包含介电窗上的至少部分导电部件和导磁件，将导磁件设置在介电窗上的导电部件的周围，使介电窗上的线圈产生的电磁场更多地沿导磁件进入反应腔，减小输入到反应腔内的射频功率损耗，提高晶圆刻蚀效率。
6.为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
7.一种等离子体处理装置，包括：反应腔，其包括反应腔侧壁；
8.介电窗，位于所述反应腔侧壁上；线圈，位于所述介电窗上；导电部件，位于所述介电窗上；导磁件，位于所述介电窗上，且设置在至少部分所述导电部件的周围。
9.可选地，所述导电部件包括刻蚀监测设备和/或气体输送管路，所述刻蚀监测设备用于监测反应腔内的刻蚀情况，所述气体输送管路用于向反应腔内输送反应气体。
10.可选的，当所述导电部件包括刻蚀监测设备和气体输送管路时，在所述刻蚀检测设备与气体输送管路之间设置所述导磁件。
11.可选的，当所述导电部件包括刻蚀监测设备和气体输送管路时，分别设置不同的导磁件在所述刻蚀检测设备和气体输送管路的周围。
12.可选的，所述导磁件包围至少部分所述导电组件。
13.可选的，所述导磁件为一个完整的环形，所述环形的导磁件环绕设置所述导电部件周围，或者所述环形的导磁件套设在所述导电部件外侧。
14.可选的，所述导磁件的个数为至少一个，且所述至少一个导磁件环绕设置在所述导电部件周围或者所述至少一个导磁件套设在所述导电部件外侧。
15.可选的，所述导磁件的形状包括：半圆环、块状、e字形或者u字形。
16.可选的，所述导磁件与导电部件接触。
17.可选的，所述导磁件的材料为高磁导率材料，所述高磁导率材料的磁导率大于空气的磁导率。
18.可选的，所述导磁件的材料包括：铁氧体、铁、镍、钴中的一种或多种。
19.可选的，所述的等离子体处理装置还包括：基座，设于所述反应腔内底部，所述基座用于承载晶圆；所述晶圆的刻蚀效率与导磁件的磁导率呈正相关关系；所述晶圆的刻蚀效率与导磁件的体积呈正相关关系；所述导磁件与导电部件之间的距离设置在一定范围时，所述晶圆的刻蚀效率与导磁件到导电部件之间的距离大小呈负相关关系。
20.可选的，所述的等离子体处理装置还包括：射频功率源，与所述线圈电连接。
21.本发明提供了一种用于等离子体处理装置的导磁组件，所述等离子体处理装置包括反应腔，所述反应腔包括反应腔侧壁，所述反应腔侧壁上方设置介电窗，所述介电窗上设置线圈，所述导磁组件包括：导电部件，位于所述介电窗上；导磁件，位于所述介电窗上，且设置在至少部分所述导电部件的周围。
22.可选的，所述导电部件包括刻蚀监测设备和/或气体输送管路，所述刻蚀监测设备用于监测反应腔内的刻蚀情况，所述气体输送管路用于向反应腔内输送反应气体。
23.本发明进一步提供了一种等离子体处理装置的工作方法，包括：提供上文所述等离子体处理装置；提供射频功率源；使所述射频功率源与所述线圈电连接，所述线圈产生的电磁场沿导磁件进入反应腔。
24.可选的，将射频功率源开启，将偏置射频电压施加到基座上，所述偏置射频功率源关闭；或者，将射频功率源开启，将偏置射频电压施加到基座上，所述偏置射频功率源开启。
25.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明将导磁件设置在介电窗上导电部件的周围，使介电窗上的线圈产生的电磁场能够沿导磁件进入反应腔，减小输入到反应腔内的射频功率损耗，提高晶圆刻蚀效率。
附图说明
26.图1为本发明实施例一的等离子体处理装置示意图；
27.图2为本发明实施例一的用于等离子体处理装置的导磁件示意图；
28.图3a为本发明实施例一中等离子体处理装置的射频功率源开启、偏置射频功率源关闭且采用多个完整环形的导磁件环绕包围导电部件时的基座上各位置处的晶圆的刻蚀效率示意图；
29.图3b为本发明实施例一中等离子体处理装置的射频功率源开启、偏置射频功率源关闭且采用多个半圆环形的导磁件环绕包围导电部件时的基座上各位置处的晶圆的刻蚀效率示意图；
30.图4a为本发明实施例一中等离子体处理装置的射频功率源开启、偏置射频功率源开启且采用多个完整环形的导磁件环绕包围导电部件时的基座上各位置处的晶圆的刻蚀效率示意图；
31.图4b本发明实施例一中等离子体处理装置的射频功率源开启、偏置射频功率源开启且采用多个半圆环形的导磁件环绕包围导电部件时的基座上各位置处的晶圆的刻蚀效率示意图；
32.图5a为本发明实施例一的聚合物刻蚀时采用多个完整环形的导磁件环绕包围导电部件时的基座上各位置处的晶圆的刻蚀效率示意图；
33.图5b为本发明实施例一的聚合物刻蚀时多个半圆环形的导磁件环绕包围导电部件时的基座上各位置处的晶圆的刻蚀效率示意图；
34.图6为本发明实施例二的等离子体处理装置示意图。
具体实施方式
35.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.如图1所示，本发明提供一种电感耦合式等离子体处理装置icp，其是一种将射频电源的能量经由电感线圈，以磁场耦合的形式进入反应腔内部，从而产生等离子体并用于刻蚀的设备。电感耦合型等离子体反应装置包括反应腔100，反应腔100包括由金属材料制成的大致为圆柱形的反应腔侧壁101，反应腔侧壁上设置一开口102用于容纳晶圆进出。反应腔侧壁101上方设置一介电窗117，介电窗117上方设置多个线圈115。反应腔内部设置一内衬120，用以保护反应腔内壁不被等离子体腐蚀，反应腔侧壁靠近绝缘窗口的一端设置气体注入口103，在其他实施例中也可在介电窗117的中心区域设置气体输送管路111，用于将反应气体注入反应腔100内。
37.射频功率源118通过射频匹配网络116将射频电压施加到线圈115上，射频功率源118的射频功率驱动线圈115产生较强的电磁场(高频交变磁场)，并在线圈115轴向感应出射频电场，从而使反应腔内的反应气体被电离产生等离子体。示例地，气体输送管路111由导电材料制成，如不锈钢等。
38.在反应腔100的下游位置设置基座110，基座110上设置静电吸盘112，静电吸盘112内部设置静电电极113，用于产生静电吸力，以实现在工艺过程中对待处理晶圆w的支撑固定。等离子体中含有大量的电子、离子、激发态的原子、分子和自由基等活性粒子，上述活性粒子可以和待处理晶圆的表面发生多种物理和化学反应，使得晶圆表面的形貌发生改变，即完成刻蚀过程。偏置射频功率源150通过射频匹配网络152将偏置射频电压施加到基座110上，用于控制等离子体中带电粒子的轰击方向。反应腔100的下方还设置一排气泵140，用于将反应副产物排出反应腔，维持反应腔的环境。所述介电窗117的中心区域还设置刻蚀监测设备119，用于监测反应腔内的晶圆w的刻蚀情况。示例地，刻蚀监测设备119由导电材料制成，如不锈钢等。
39.实施例一：
40.如图1-图2结合所示，本实施例中的导磁组件包含导磁件121和刻蚀监测设备119，所述刻蚀监测设备119的至少一部分被导磁件121包围，用于对刻蚀监测设备119进行电磁场屏蔽，使得介电窗上的线圈115产生的电磁场更多地沿导磁件121进入反应腔，减小输入
到反应腔内的射频功率损耗，从而提高晶圆w的刻蚀效率。其中，导磁件121采用高磁导率材料制成，所述高磁导率材料的磁导率至少大于空气的磁导率，使线圈115产生的电磁场更多地沿导磁件121进入反应腔。
41.一般地，高磁导率的材料大多具有高电阻率，即本实施例的导磁件121由高磁导率、高电阻率制成。进一步地，导磁件121的材料与射频功率源工作频率相适配，例如导磁件121在射频功率源工作频率(例如13.56mhz)下的损耗比较小。
42.优选地，导磁件121由铁氧体制成，其导磁率是空气的导磁率的20-40倍，因而可使大部分的磁力线流经导磁件121并由该导磁件121高磁导率的结构布置，来调整磁力线的路径分布，从而对该磁力线的方向、形状、密度等进行控制。
43.本实施例一中的导磁件121不仅限于上述铁氧体，也可以是包含铁、镍、钴中一种或多种的材料或者是其他合适的高磁导率材料，只要该导磁件中的高磁导率材料能满足让大部分的磁力线流经导磁件并进入反应腔以使晶圆刻蚀效率提高即可，本发明对此不做限制。其中，晶圆的刻蚀效率与导磁件121的磁导率大小呈正相关关系，即导磁件121的磁导率越大，则晶圆的刻蚀效率越大。
44.一个示例中，导磁件121为一个完整环形的导磁件，该完整环形的导磁件套设在刻蚀监测设备119外侧，所述完整环形的导磁件的轴向沿图中的竖向方向，或者，这一个完整环形的导磁件也可设置在刻蚀监测设备119周围，此时环形的导磁件的轴向沿图中的水平方向，本发明对此不做限制。
45.另一个示例中，导磁件121包含多个完整环，多个完整环形的导磁件环绕设置在刻蚀监测设备119周围，所述环形的导磁件的轴向沿图中的水平方向；或者，这些完整环形的导磁件也可套设在刻蚀监测设备119外侧，完整环形的导磁件的轴向沿图中的竖向方向，本发明对此不做限制。
46.如图3b、图4b和图5b所示为本发明刻蚀监测设备119被多个完整环形的导磁件环绕包围时的基座上各位置处的晶圆的刻蚀效率与现有技术中基座上各位置处的晶圆的刻蚀效率的比较示意图；由图可知，采用本示例的多个完整环形的导磁件来对导电的刻蚀监测设备119进行电磁场屏蔽，可使介电窗上的线圈产生的电磁场更多地沿导磁件121进入反应腔，提升了晶圆的刻蚀效率。
47.可选地，导磁件121包含多个半圆环形的导磁件，半圆环形的导磁件环绕设置在刻蚀监测设备119周围，所述半圆环形的导磁件的轴向沿图中的水平方向。如图3a、图4a和图5a所示均为本发明刻蚀监测设备119被多个半圆环形的导磁件环绕包围时的基座上各位置处的晶圆的刻蚀效率与现有技术中基座上各位置处的晶圆的刻蚀效率的比较示意图；由图可知，采用本示例的多个半圆环形的导磁件来对导电的刻蚀监测设备119进行电磁场屏蔽，使得介电窗上的线圈产生的电磁场更多地沿导磁件121进入反应腔，提升了晶圆的刻蚀效率。结合图3a与图4a、图5a与图3b以及图4b与图5b可知，当分别采用相同数目和直径大小的完整环形导磁件和半圆环形导磁件对刻蚀监测设备119进行电磁场屏蔽时，前者效果优于后者，即前者对晶圆的刻蚀效率的提升更为显著，因为完整环形导磁件的体积更大，对刻蚀监测设备119覆盖或包围的面积更大，电磁场屏蔽效果更好。
48.可选地，导磁件121与刻蚀监测设备119接触，或者导磁件121设置在刻蚀监测设备119附近但不与刻蚀监测设备119接触，这两种方式均能实现晶圆刻蚀效率提高的效果，而
前者的效果比后者更为显著，因为在导磁件121与刻蚀监测设备119之间的距离不超出一定数值范围时，持有一定体积的导磁件121设置在刻蚀监测设备119附近时，该导磁件121与刻蚀监测设备119之间的距离越小(导磁件121与刻蚀监测设备119接触时视为导磁件121与刻蚀监测设备119之间的距离为零)，则对刻蚀监测设备119的电磁场屏蔽作用越明显，使得晶圆的刻蚀效率提升的幅度更大，晶圆的刻蚀效率越高，即此时晶圆的刻蚀效率与导磁件121到刻蚀监测设备119之间的距离大小呈负相关关系。而且，晶圆的刻蚀效率与导磁件121的体积大小呈正相关关系，即导磁件121的体积越大，对刻蚀监测设备119的电磁场屏蔽作用越明显，晶圆的刻蚀效率提升的幅度更大，晶圆的刻蚀效率越高。
49.本实施例中的电感耦合式等离子体处理装置icp可以工作在不同环境下，例如：(1)射频功率源118开启，用于将偏置射频电压施加到基座上，偏置射频功率源(未图示)关闭，如图3a和图3b所示；(2)射频功率源118开启，且用于将偏置射频电压施加到基座上，偏置射频功率源开启，如图4a与图4b所示的离子溅射刻蚀以及如图5a与图5b所示的聚合物刻蚀。本发明实用性强，可以根据实际的功能需求进行调整，适用范围广，整个设备加工方便，制作成本低。
50.实施例二：
51.本发明不仅限于上述实施例一中刻蚀监测设备119的至少一部分被导磁件121包围住的情况，同样还适用于气体输送管路111的至少一部分被导磁件121a包围，即本实施例中的导磁组件包含导磁件121a和气体输送管路111，如图6所示，此时导磁件121a是用于气体输送管路111的电磁场屏蔽作用，则介电窗上的线圈产生的电磁场更多地沿导磁件121进入反应腔，减小输入到反应腔内的射频功率损耗，从而提高晶圆w的刻蚀效率。
52.本实施例二中有关导磁件121a的具体结构和导磁件121对气体输送管路111的电磁场屏蔽的工艺等与实施例一相同，在此不做赘述。
53.值得说明的是，无论是实施例一还是实施例二，本发明不仅限于导磁件包围住至少部分的刻蚀监测设备119和/或气体输送管路111，只要是导磁件设置在刻蚀监测设备119和/或气体输送管路111的周围均可，可接触刻蚀监测设备119和/或气体输送管路111，也可不接触刻蚀监测设备119和/或气体输送管路111；例如，作为实施例一或实施例二的一种变形，如下：当导电部件包括刻蚀监测设备119和气体输送管路111时，在刻蚀检测设备119与气体输送管路111之间设置导磁件，此时，该导磁件对刻蚀监测设备119和气体输送管路111均有电磁场屏蔽作用，同样能够使介电窗上的线圈产生的电磁场更多地沿导磁件进入反应腔，提高了晶圆w的刻蚀效率。另一个变形方式，如下：当导电部件包括刻蚀监测设备119和气体输送管路111时，可以分别设置对应的一个导磁件在刻蚀检测设备119和气体输送管路111的周围。而且，本发明不仅限于导磁件设置在刻蚀监测设备119和/或气体输送管路111的周围，还适用于导磁件设置在反应腔外的其他一切有可能影响射频功率损耗的导电部件的周围，本发明对此不做限制。
54.另外，本发明的导磁件除了是上述的完整环形的导磁件和半圆环形的导磁件，还可以是块状、e字形、u字形、杯形、套筒形等任意形状，本发明对此不做限制，也不在此进行穷举，只要导磁件设置在刻蚀监测设备的至少一部分的周围，实现对刻蚀监测设备的电磁场屏蔽作用，使线圈产生的电磁场更多地沿导磁件进入反应腔即可。
55.综上所述，本发明将导磁件与介电窗上的刻蚀监测设备/气体输送管路进行接触
或设置在其周围，使介电窗上的线圈产生的电磁场更多地沿导磁件进入反应腔，减小输入到反应腔内的射频功率损耗，提高晶圆刻蚀效率；本发明导磁件的适用范围广，结构简单，整个设备加工方便，制作成本低。
56.尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。