专利名称：产生中性粒子束的装置及方法
技术领域：
本发明涉及集成电路、微电子机械系统(MEMS)、太阳能等薄膜及体材料表面工艺的微细加工技术领域，特别涉及一种产生中性粒子束的装置及方法。
背景技术：
产品集成度高、精细化、高效率、低成本，一直是集成电路等微细加工制造业发展的直接动力。自1970年以来，器件制造首先开始使用等离子体工艺，这使得等离子体工艺技术成为大规模集成电路(LSI)等工业领域微细加工的关键技术。目前，刻蚀、离子注入、 清洗、沉积等等离子体工艺技术，广泛地应用在超大规模集成电路的制造工艺中。等离子体工艺技术，主要用于Si02、SixNy等介质薄膜、Si、GaAs等半导体薄膜和Al、Cu等金属薄膜的微细加工，该技术是唯一能有效的精确控制各种材料尺寸到亚微米级尺寸大小，且具有极高重复性的工艺技术。然而，随着器件特征尺寸的缩小，在亚微米级尺寸以下的微细加工中，等离子体工艺技术，须要解决加工材料和器件损伤的课题。特别是刻蚀工艺存在一系列的问题。等离子体刻蚀工艺，须要解决高均勻性、高选择比和深宽比的同时，满足高刻蚀率、较低损伤的要求，在此过程中，容易产生静电损伤、离子轰击损伤、紫外光和X光子造成的辐照损伤、电子阴影效应等主要问题。等离子体损伤等问题，会影响刻蚀精度及器件性能，造成原子位移、非定域晶格、 悬空键，以及阈值电压漂移、跨导退化、结漏电增加等现象。这些问题随着器件特征尺寸的减小变得愈加突出，特别是在IOnm以下的精确刻蚀极为困难。因此，集成电路的精细化对工艺与设备提出了更高的要求，而传统的等离子体工艺设备，难以满足进一步精细化加工的要求。中性粒子工艺技术是一种可以解决微细加工中材料与器件损伤等问题的方法。该技术采用生成中性粒子束的方法，很好解决了等离子体刻蚀中静电损伤，减弱了辐照损伤等问题，提高了工艺精度和器件性能，满足集成电路制造不断精细化的要求。图1，2分别示出一中性粒子工艺系统。该系统在一定真空条件下，工艺气体从进气口 111进入反应室102上部后，在平面螺旋型射频线圈122上加载射频功率，使工艺气体在射频电源121的激发下，在反应室102上部产生等离子体。在等离子体气氛中产生有离子、游离基、分子、原子等。离子通过直流偏压1 加速，通过中性化网板123上的小孔后获得能量并实现离子中性化。当网板123上加有电压时，反应腔内离子会在电场的作用下加速向网板运动，在运动中获得能量。当离子运动到网板的小孔中时，会与孔壁发生碰撞， 进行电中和，形成中性粒子束132。中性粒子束对放在载片台103上的芯片104进行处理， 实现刻蚀等工艺。中性粒子束刻蚀时，离子须要较高的电场强度加速后中性化，从而获得刻蚀所需要的高能量。在这种结构中，正离子向下网板运动的时候，不能使负离子向下网板运动；使负离子向下网板运动的时候，不能使正离子向下网板运动。即，不能同时对正离子和负离子中性化。然而在一些工艺中必须采用按一定比例混合气体，几种不同的粒子同时作用才能满足工艺要求。但不同种类的气体放电产生的离存在形式不同。例如，当采用CF4、 Ar/02的混合气体放电时，CF4、Ar离子主要以正离子的形式存在，而0氧离子则主要以负离子的形式存在。这种会导致CF4、Ar离子和0氧离子不会同时被中性化，不能满足特定的刻蚀工艺。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种使正、负离子等不同粒子都能实现中性化的产生中性粒子束的装置及方法。根据本发明的一个方面，提供一种产生中性粒子束的装置，包括反应腔体、放置芯片的载片台、等离子源、上网板，所述上网板、等离子源和所述载片台设置在所述反应腔体内部，所述上网板设置在所述等离子源上方，所述等离子源和所述载片台之间依次设置有中网板、绝缘板及下网板；所述上网板和所述下网板分别连接一直流偏压，所述中网板接地。进一步地，所述中网板、绝缘板及下网板的厚度为0. l_500mm。进一步地，所述中网板、绝缘板及下网板的厚度为10 mm。进一步地，所述中网板、绝缘板及下网板的网孔的直径为0. l_50mm。进一步地，所述中网板、绝缘板及下网板的网孔的直径为0. l-3mm 进一步地，所述中网板、绝缘板及下网板的网孔间距为0-10mm。进一步地，所述中网板、绝缘板及下网板的网孔间距为0. l-5mm
进一步地，所述中网板、绝缘板及下网板的网孔的形状包括圆柱形、六角形、菱形、矩形。根据本发明的另一个方面，提供一种产生中性粒子束的方法，包括
在T1时段内，加载射频，在上网板加负电压，中网板偏压为0，下网板偏压为0，使负离子中性化；在T2时段内，射频功率为0，在下网板加负电压，中网板偏压为0，上网板偏压为 0，使正离子中性化；所述T1、T2为0 0. Is。根据本发明的另一个方面，提供一种产生中性粒子束的方法包括
在Tl时段内，加载射频，在上网板加正电压，中网板偏压为0，下网板偏压为0，使负离子中性化；
在T2时段内，射频功率为0，在下网板加负电压，中网板偏压为0，上网板偏压为0，使正离子中性化；所述Tl、T2*0 0.1s。根据本发明提供的产生中性粒子束的装置及方法采用上中下多层网板结构，当工艺气体进入反应腔内，脉冲射频激励条件下产生等离子体，在一个周期内，分时段在网板结构上加载相应的直流偏压，可以控制电场方向，加速粒子运动，从而使正、负离子等不同粒子都能实现中性化，并产生对芯片的刻蚀作用，提高了离子的中性化效率，保证了混合气体中的不同种离子都会产生相应的刻蚀作用，适应了不同气体组合，以满足不同刻蚀工艺的要求。
图1是现有中性粒子工艺系统的结构示意图；图2是现有另一中性粒子工艺系统的结构示意图； 图3是本发明实施例提供的产生中性粒子束的装置的结构示意图； 图4是本发明实施例提供的负偏压DC1、DC2及平面螺旋型射频线圈122所加的射频时序的示意本发明目的、功能及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施例方式如图3所示，本发明实施例提供的产生中性粒子束的装置包括反应腔体102、进气口 111、射频电源121、平面螺旋型射频线圈122、法拉第屏蔽栅126、等离子源131、排气口 112、载片台103、芯片104、上网板127、中网板223a、绝缘板223b及下网板223c。上网板 127设置在等离子源131上方。等离子源131和载片台103之间依次设置有中网板223a、绝缘板223b及下网板223c。上网板127接有直流偏压DCl。中网板223a接地。下网板223c 加有直流偏压DC2。中网板223a、绝缘板22 及下网板223c贯穿有圆柱形、六角形、菱形或其他形状的小孔。中网板223a、绝缘板22 及下网板223c的厚度为0. l_500mm。优选的， 中网板223a、绝缘板223b及下网板223c的厚度为10mm。中网板223a、绝缘板223b及下网板223c的网孔的直径为0. 1 50mm。优选的，中网板223a、绝缘板223b及下网板223c的网孔的直径为0. l-3mm。中网板223a、绝缘板223b及下网板223c的网孔间距为0-10mm。 优选的，中网板223a、绝缘板223b及下网板223c的网孔间距为0. l_5mm。上网板127、中网板223a以及下网板223c的材料可采用如石墨、碳纤维或碳化硅等低溅射率的材料。绝缘板22 材料选择聚四氟。下面对产生中性粒子束的装置产生中性粒子束的方法进行说明。工艺气体从进气口 111进入反应腔体102后，在加载有脉冲射频功率的平面螺旋型射频线圈122的激发下在反应腔体102产生等离子体131。在Tl时段内，平面螺旋型射频线圈122加载射频电源121的功率，上网板127加有负偏压DC1(来自直流偏压12 ),中网板偏压为0，下网板的偏压为0，电场方向朝上。等离子体存在双极电场，负离子被束缚在等离子体内部；而正离子向等离子体的边界运动，与电子因复合作用密度迅速下降，双极电场的强度和电子能量也迅速下降。负离子密度下降较慢，甚至在Tl时段的前段内会有所增加。负离子在电场的加速下，向网板小孔中运动，与孔壁发生碰撞而中性化，生成中性粒子束132后到达芯片104，实现刻蚀工艺。在T2时段内，平面螺旋型射频线圈122加载的射频电源121的功率是0，下网板 223c加负偏压DC2(来自直流偏压124b)，中网板223a偏压为0，上网板127的偏压为0，电场方向朝下。此时，正离子在电场的加速下，向网板小孔中运动，与孔壁发生碰撞而中性化， 生成中性粒子后到达芯片，实现刻蚀工艺。同理，也可以通过Tl时段内在下网板223c加正电压，中网板223a偏压为0，上网板127偏压为0，使负离子中性化；T2时段内在上网板127加正电压，中网板223a偏压为0， 下网板223c偏压为0，使正离子中性化。DCl和DC2及平面螺旋型射频线圈122所加的射频时序如图4所示。因此，在一个周期内，正、负离子都能中性化，保证了按一定比例混合的不同工艺气体生成的离子，都会实现中性化刻蚀作用。但调整合适T1，T2，DC1，DC2等参数值。Tl、T2 一般为0 500微秒。优选的，T1、T2可选为50微秒。DC1，DC2的值一般为0 -600V。 可以通过调节Tl、T2，DCl、DC2而适应不同的气体组合，以满足工艺要求。本发明实施例提供的产生中性粒子束的装置及方法采用上中下多层网板结构，当工艺气体进入反应腔内，脉冲射频激励条件下产生等离子体，在一个周期内，分时段在网板结构上加载相应的直流偏压，可以控制电场方向，加速粒子运动，从而使正、负离子等不同粒子都能实现中性化，并产生对芯片的刻蚀作用，提高了离子的中性化效率，保证了混合气体中的不同种离子都会产生相应的刻蚀作用，适应了不同气体组合，以满足不同刻蚀工艺的要求。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化， 均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种产生中性粒子束的装置，包括反应腔体、放置芯片的载片台、等离子源、上网板， 所述上网板、等离子源和所述载片台设置在所述反应腔体内部，其特征在于所述上网板设置在所述等离子源上方，所述等离子源和所述载片台之间依次设置有中网板、绝缘板及下网板；所述上网板和所述下网板分别连接一直流偏压，所述中网板接地。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于 所述中网板、绝缘板及下网板的厚度为0. l-500mm。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于 所述中网板、绝缘板及下网板的厚度为10 mm。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述中网板、绝缘板及下网板的网孔的直径为0. l-50mm ；所述中网板、绝缘板及下网板的网板直径为20-5000mm。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于 所述中网板、绝缘板及下网板的网孔间距为0-10mm。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于所述中网板、绝缘板及下网板的网孔间距为0. l-5mm。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述中网板、绝缘板及下网板的网孔的形状包括圆柱形、六角形、菱形、矩形。
8.一种基于权利要求广7任一项所述的装置产生中性粒子束的方法，特征在于，包括 在T1时段内，加载射频，在上网板加负电压，中网板偏压为0，下网板偏压为0，使负离子中性化；在T2时段内，射频功率为0，在下网板加负电压，中网板偏压为0，上网板偏压为0，使正离子中性化；所述Tl、T2*0 0.1s。
9.一种基于权利要求广7任一项所述的装置产生中性粒子束的方法，特征在于，包括 在Tl时段内，加载射频，在上网板加正电压，中网板偏压为0，下网板偏压为0，使负离子中性化；在T2时段内，射频功率为0，在下网板加负电压，中网板偏压为0，上网板偏压为0，使正离子中性化；所述T1、T2为0 0. Is。
全文摘要
本发明公开了一种产生中性粒子束的装置，包括反应腔体、放置芯片的载片台、等离子源、上网板，所述上网板、等离子源和所述载片台设置在所述反应腔体内部，所述上网板设置在所述等离子源上方，所述等离子源和所述载片台之间依次设置有中网板、绝缘板及下网板；所述上网板和所述下网板分别连接一直流偏压，所述中网板接地。本发明还公开一种产生中性粒子束的方法。根据提供的产生中性粒子束的装置及方法，使正、负离子等不同粒子都能实现中性化提高了离子的中性化效率，保证了混合气体中的不同种离子都会产生相应的刻蚀作用，适应了不同气体组合，以满足不同刻蚀工艺的要求。
文档编号H05H3/00GK102290314SQ20111028806
公开日2011年12月21日 申请日期2011年9月26日 优先权日2011年9月26日
发明者夏洋, 席峰, 张庆钊, 李勇滔, 李楠 申请人:中国科学院微电子研究所