專利名稱：干法工藝用的大面積均勻可調(diào)永磁磁路結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及處理半導(dǎo)體的設(shè)備領(lǐng)域，特別涉及干法工藝用的永磁磁路結(jié)構(gòu)。
當(dāng)前，集成電路的發(fā)展對(duì)集成度提出了越來越高的要求。由于在工藝流程中要多次用到刻蝕技術(shù)，刻蝕的質(zhì)量對(duì)器件性能、成品率都有很大影響，所以刻蝕技術(shù)的改進(jìn)始終是工藝技術(shù)改進(jìn)的核心問題之一。
刻蝕的方式有兩種干法刻蝕、濕法刻蝕。濕法刻蝕的特點(diǎn)是刻蝕完全靠化學(xué)反應(yīng)在反應(yīng)液中實(shí)現(xiàn)。由于有橫向的鉆蝕，所以當(dāng)線寬進(jìn)一步減小時(shí)(通常是＜3μm)，根據(jù)微細(xì)圖形加工的需要，工藝上就必須采用干法刻蝕。其中反應(yīng)離子刻蝕(RIE)是利用氣體(一種或幾種)在放電時(shí)形成的等離子體來進(jìn)行刻蝕。干法刻蝕可以刻蝕各種半導(dǎo)體材料、介質(zhì)膜、金屬膜，可以獲得大的高寬比，而且操作安全、成本低、對(duì)環(huán)境污染小。從刻蝕的質(zhì)量、選擇性、方向性上來說都要優(yōu)于濕法刻蝕。另外，干法刻蝕易于生產(chǎn)過程自動(dòng)化。
由于干法刻蝕的優(yōu)點(diǎn)，使得人們不斷地進(jìn)行廣泛探索。其中，反應(yīng)離子刻蝕(RIE)已成為主要的刻蝕手段。由于離化率低，RIE的刻蝕速率較低，一般的數(shù)據(jù)為刻SiO2∶300A°/min，刻Al、Si∶1000A°/min。為了更好地開發(fā)工藝，降低生產(chǎn)成本，又發(fā)展了磁控反應(yīng)離子刻蝕(MRIE)等方法，使刻蝕速率有很大提高，并且自偏壓有明顯降低而減小了輻射損傷。
低的離化率是普通雙極放電系統(tǒng)造成的，離化率約為10-4，而磁控反應(yīng)離子刻蝕(MRIE)可利用外加磁場限制電子的運(yùn)動(dòng)來提高離化率。這種限制是靠電子運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的洛侖茲力的作用來實(shí)現(xiàn)的。另外，由于電子被約束，使得它與離子的遷移率差別減小，再加上電極電流增加，使得自偏壓減小并可避免器件的輻射損傷。由于反應(yīng)室的氣壓低，并不影響刻蝕的方向性。
國外原有技術(shù)的主要不同點(diǎn)是施加磁場的方式不同，有很多種磁路結(jié)構(gòu)被研究過，歸納起來可以分為三類①用掃描的方法
②用電磁鐵③永磁結(jié)構(gòu)這些技術(shù)存在的問題如下方法①雖可在一定區(qū)域內(nèi)形成均勻刻蝕，但是要在刻蝕機(jī)上另外加上一套機(jī)械傳動(dòng)掃描部分而且是在真空條件下工作加工復(fù)雜、易出問題。
方法②采用這種方法一般是利用電磁線圈來產(chǎn)生所需磁場，耗電且均勻性不是太好。
方法③一般采用的開路結(jié)構(gòu)磁能耗散大，磁場弱且不均勻，而閉路的不作調(diào)整也不易均勻，強(qiáng)度不易調(diào)。
在現(xiàn)有技術(shù)中尚未發(fā)現(xiàn)與本發(fā)明相似的以永磁結(jié)構(gòu)施加磁場的MRIE，但與日本專利特開昭5849142，后來取得美國專利的美國專利號(hào)4526643相近，該專利介紹了一種利用等離子體進(jìn)行刻蝕的磁控反應(yīng)離子刻蝕機(jī)，該設(shè)備利用反應(yīng)離子在反應(yīng)室中刻蝕樣品，并且在反應(yīng)室內(nèi)具有一個(gè)可嵌放樣品的陰極以及與其相對(duì)的陽極、反應(yīng)氣體和抽氣系統(tǒng)，在反應(yīng)室外裝有施加高頻電壓后便在兩電極間形成等離子體的磁控裝置，該磁控裝置是由彼此相間排列在一個(gè)封閉帶上的磁體以及使磁體沿著封閉帶移動(dòng)的裝置組成的。該發(fā)明的核心在于許多磁極間隙沿著封閉環(huán)的方向移動(dòng)，從而使樣品表面上持續(xù)地保持均勻的高密度等離子區(qū)。用這種設(shè)備實(shí)現(xiàn)了快速刻蝕，而且均勻性好。但是這種設(shè)備存在著缺點(diǎn)，主要是它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，從而使刻蝕裝置加工困難。因?yàn)檎麄€(gè)磁控裝置處于反應(yīng)室下面，為此要單獨(dú)加工成一個(gè)腔體，從而使機(jī)器體積增大;為避免磁鐵與陰極之間形成放電，此腔體還要被抽成高真空;又由于是利用掃描，所以還要有傳動(dòng)裝置穿過腔體與外界相連，傳動(dòng)又在真空下操作，使機(jī)器的可靠性降低，加工變得復(fù)雜，設(shè)備維修也很不便。
本發(fā)明的目的在于提供一種在反應(yīng)離子刻蝕機(jī)上施加磁場以實(shí)現(xiàn)磁控反應(yīng)離子刻蝕的永磁磁路結(jié)構(gòu)，所說的磁路結(jié)構(gòu)采用永磁材料直接構(gòu)成磁場，使刻蝕機(jī)加工大為簡化和小型化。
本發(fā)明目的是這樣達(dá)到的在電極兩側(cè)以多塊永磁磁鐵作相對(duì)的極板構(gòu)成磁場，在各該極板內(nèi)側(cè)加上軟鐵板，并在兩側(cè)加上調(diào)整用的角鐵，以非正八角形或弧形軟鐵使以上二極板構(gòu)成回路，從而本發(fā)明目的應(yīng)完全達(dá)到了。
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明附

圖1是本發(fā)明磁路結(jié)構(gòu)示意圖;
附圖2-4是軟鐵回路框水平部分72分別為105、80、及60毫米時(shí)的磁場強(qiáng)度分布實(shí)測圖;
附圖5是軟鐵回路水平部分72長為105毫米;單側(cè)磁鐵單元為54塊并由角鐵8調(diào)整后的磁場強(qiáng)度分布實(shí)測圖;
附圖6是本發(fā)明磁控反應(yīng)離子刻蝕曲線;
附圖7是一般反應(yīng)離子刻蝕曲線。
本發(fā)明磁路結(jié)構(gòu)見附圖1，其中，外部大圓表示圓柱反應(yīng)室1，同心小圓表示陰極2，被刻蝕的硅片試樣3放在陰極2上。根據(jù)電子在相互垂直的電場和磁場的共同作用下的受力情況，一般要求所產(chǎn)生磁場的磁力線要與陰極極板平面平行。在本發(fā)明中采用在電極旁兩個(gè)相對(duì)平行的極板4來構(gòu)成磁場，該極板由多數(shù)永磁磁鐵單元5排列而成。為了提高磁性，選用釹鐵硼永磁合金作為磁鐵單元5。由于釹鐵硼永磁合金不易作成大塊，因此，以許多小塊磁鐵單元5排列起來作為極板磁鐵，在永磁磁鐵5的前方加上軟鐵板6，用來消除磁鐵5之間的不均勻性，極板4或軟鐵板6的長度L比每排小塊永磁磁鐵稍長。為了減小磁能在空間的耗散，將整個(gè)結(jié)構(gòu)作成回路7，該回路由不易飽和的高導(dǎo)磁材料例如電工純鐵做成，該回路由一對(duì)軟鐵回路縱長部分71，一對(duì)軟鐵回路水平部分72和二對(duì)軟鐵回路的斜角部分73組成，整個(gè)回路構(gòu)成一個(gè)拉長的非正八角形。從圖可見軟鐵回路縱長部分71呈梯形，其上底分別朝外，下底與永磁磁鐵5相靠，兩端分別與上下斜角部分73以斜邊相接;軟鐵回路水平部分72呈長方形，其兩端分別與左右斜角部分73相接;軟鐵回路斜角部分73呈平行四邊形狀，處于非正八角形的四角，其兩端分別與該回路的縱長部分71和水平部分72相連，而2條軟鐵回路縱長部分71的內(nèi)側(cè)分別與極極4的成排永磁磁鐵5相接，從而使磁場形成回路。
關(guān)于軟鐵回路71、72、73的厚度應(yīng)有一定要求，視具體情況而定，但以磁性不飽和為準(zhǔn)，本設(shè)備所用厚度為15毫米。根據(jù)磁學(xué)理論可知，在結(jié)構(gòu)中，當(dāng)磁極板4的長度L與兩磁極板4之間的距離W的比值β＝L/W越大，則在電極表面區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的磁場越均勻。但是，隨著集成電路的發(fā)展，樣品尺寸越來越大，陰極也要加大，陰極與極板之間也要有一距離，所以W值也要增加，然而，L值不能很大，這是由反應(yīng)室的尺寸所限制的，所以選取L值時(shí)，應(yīng)根據(jù)W的變化范圍盡量取大的L值，以實(shí)現(xiàn)大的β值并避免邊緣效應(yīng)。當(dāng)反應(yīng)垂直徑為280毫米和陰極直徑為60～110毫米時(shí)，L是140-165毫米，軟鐵回路水平部分72長60～110毫米;當(dāng)陰極直徑為80毫米時(shí)，L長最好為160毫米，軟鐵回路水平部分72最好為105毫米。
根據(jù)磁力線總是走最短距離這個(gè)特性可知，在此結(jié)構(gòu)中，如果產(chǎn)生磁場的不均勻性，多由組成回路的高導(dǎo)磁材料或電工純鐵軟磁回路水平部分72和斜角部分73的形狀與位置所引起的。該軟鐵回路水平部分72和斜角部分73處于磁極板4的兩端，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使該回路72和73盡量遠(yuǎn)離極板4的兩端，以減小它們對(duì)極板間磁力線的影響，完成磁控反應(yīng)離子刻蝕的功能。為此，72和73部分作成拱形，繞過極板4的兩端使其離極板4越遠(yuǎn)越好，見附圖1。本發(fā)明將72加工成長方形;將73加工成平行四邊形，這是為容易加工而選定的，其中回路的斜角部分73只起傳輸作用，而回路的水平部分72可起調(diào)整作用，改變72的長度，也就改變兩個(gè)極板4之間的距離，可改變磁場強(qiáng)度與磁場均勻性，72的長度范圍可根據(jù)反應(yīng)離子刻蝕機(jī)的電極和反應(yīng)室尺寸加以確定，如上所述，如果加工條件允許的話，上部也可采用其它形狀，例如將拱形改為弧形，只要是構(gòu)成回路，并盡量遠(yuǎn)離極板4即可。
附圖1中設(shè)于極板4上的一排永磁磁鐵是由磁鐵單元5組成的，該單元規(guī)格為1×1×1厘米左右，材料是釹鐵硼合金，其剩磁為1.22T，矯頑力為1.17T，可在溫度150℃下使用，磁鐵單元的形狀可根據(jù)需要選定，選定釹鐵硼材料的原因是它的使用溫度高。由于本發(fā)明磁鐵直接放入反應(yīng)室內(nèi)，刻蝕時(shí)放熱能引起磁鐵的退磁，所以必須選用使用溫度高的和磁能積大的磁鐵。當(dāng)然也可選用其它磁能積高的鋁鎳鈷磁鋼并加工成大塊，但采用釹鐵硼合金體積小、磁能積高，本發(fā)明選用釹鐵硼合金取得良好刻蝕效果。釹鐵硼磁鐵單元5在每個(gè)極板上的個(gè)數(shù)決定磁極板上的磁場強(qiáng)度，當(dāng)然也應(yīng)影響到陰極上方的磁場強(qiáng)度，這個(gè)數(shù)目可以根據(jù)實(shí)際需要選定，可以是幾塊，幾十塊甚至幾百塊，根據(jù)本發(fā)明所用結(jié)構(gòu)和所需磁場強(qiáng)度，每個(gè)極板上選用54塊，為選擇磁場強(qiáng)度和β值，可調(diào)整軟鐵回路水平部分72的長短，其長短應(yīng)視陰極及樣品大小而定，軟鐵回路水平部分72可從幾十到幾百毫米長，當(dāng)陰極直徑為60～110毫米，反應(yīng)室直徑為280毫米時(shí)，回路72部分為60～110毫米。
在以上各項(xiàng)都確定的條件下，要用角鐵或由軟鐵棒排成的角狀結(jié)構(gòu)8(見附圖1)來調(diào)整磁場的均勻性，角鐵8設(shè)于二個(gè)極板4的兩端和軟鐵板6的內(nèi)側(cè)，角鐵8的作用是將從磁鐵邊緣處向外發(fā)散的磁力線向里壓縮，從而使中心區(qū)域的磁場強(qiáng)度趨于均勻，角鐵8的兩個(gè)角的邊長根據(jù)實(shí)測磁場強(qiáng)度來確定，也可在角鐵8上再具體用附加的軟鐵條進(jìn)行精細(xì)調(diào)整。
使用時(shí)，根據(jù)電極反應(yīng)室的尺寸，可先由每個(gè)極板上磁鐵單元5的數(shù)目及軟鐵回路水平部分72的長短來確定中心處的強(qiáng)度值，爾后再調(diào)整角鐵8獲得均勻磁場，將均勻性調(diào)整完畢后，即可將其放入反應(yīng)室中，如附圖1，磁路的高度也可根據(jù)反應(yīng)室的高度及電極高度作相應(yīng)選擇，一般應(yīng)使陰極在磁路高度中間，以便使磁場更均勻。
本發(fā)明大面積均勻可調(diào)永磁磁路結(jié)構(gòu)的實(shí)際測量調(diào)整實(shí)施例如下實(shí)施例1附圖2中單側(cè)磁鐵單元5的塊數(shù)為54塊，軟鐵回路水平部分72的長度為105毫米，在不加角鐵時(shí)，在試樣直徑為50毫米及76毫米區(qū)域內(nèi)所分布的磁場強(qiáng)度，其均勻性分別為4.5%和9.8%。
實(shí)施例2附圖3是另一磁場強(qiáng)度實(shí)測分布圖，在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上，改變軟鐵回路水平部分72的長度，使之縮短為80毫米，這時(shí)，磁場強(qiáng)度增加，均勻性進(jìn)一步改善，在試樣直徑為50毫米和76毫米區(qū)域分別為3.2%和7.7%。
實(shí)施例3附圖4是另一磁場強(qiáng)度實(shí)測分布圖，在實(shí)施例1、2的基礎(chǔ)上，繼續(xù)改變軟鐵回路水平部分72的長度，使之縮短為58毫米，則磁場強(qiáng)度進(jìn)一步加強(qiáng)，均勻性亦有改善，在試樣直徑為50毫米區(qū)域?yàn)?%。
根據(jù)本發(fā)明所用反應(yīng)離子刻蝕機(jī)的電極為80毫米及反應(yīng)室的尺寸為280毫米，確定7.2的長度為105毫米，單側(cè)磁鐵單元5選用54塊，加上角角度8作均勻性調(diào)整，獲得了實(shí)際刻蝕用的均勻磁場，測試結(jié)果如附圖5，其均勻性為在試樣直徑為50毫米區(qū)域是1.2%;76毫米區(qū)域是2.3%，滿足刻蝕要求，對(duì)于更大尺寸的電極結(jié)構(gòu)及反應(yīng)室，只要按照極板長度L＝160毫米、軟鐵水平回路部分72為105毫米的比例增加磁路結(jié)構(gòu)尺寸，即可獲得相同均勻性。
刻蝕實(shí)驗(yàn)如下1.磁場對(duì)刻蝕率的增加以及降低自偏壓作用的試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)條件是電極76毫米，氣體為CHF3，流量為20SCCM，真空度是1×10-2托，磁控反應(yīng)離子刻蝕曲線示于附圖6，為了比較起見將相同條件下但不是磁控的反應(yīng)離子刻蝕曲線示于附圖7，其中，△代表刻蝕速率，●代表自偏壓，可見刻蝕速率提高10倍左右，而自偏壓有明顯下降，自偏壓在高功率時(shí)由約600V下降至約200V，有效地減小了輻射損傷，由于所用RF功率源不帶匹配箱，因此，實(shí)際刻蝕用功率小于曲線上功率的讀數(shù)。
2.均勻性測試實(shí)驗(yàn)條件是氣體CHF3，流量15SCC，真空度為1×10-2托，功率為60瓦(不加匹配)，直徑76毫米的硅片，刻蝕率測試結(jié)果為在中心點(diǎn)1490A°/min;邊緣4點(diǎn)分別為1460、1380、1470、和1470A°/min，其均勻性為2%，最大偏離7.6%。重復(fù)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明76毫米硅片的均勻性小于或等于±3%?？涛g線條側(cè)墻角度為80～90°。
本發(fā)明大面積均勻可調(diào)永磁磁路結(jié)構(gòu)用于干法工藝特別是用于反應(yīng)離子刻蝕機(jī)，也可用于磁控濺射機(jī)等，采用本發(fā)明的永磁磁路時(shí)通過相應(yīng)的調(diào)整，可使硅片刻蝕區(qū)形成均勻的，強(qiáng)度可調(diào)的磁場，從而實(shí)現(xiàn)均勻的磁控反應(yīng)離子刻蝕。本發(fā)明永磁磁路結(jié)構(gòu)簡單可使反應(yīng)離子刻蝕機(jī)等制造成本降低，體積減小，提高設(shè)備精度，提高設(shè)備可靠性與易操作性，并且自偏壓明顯降低，輻射損傷小。對(duì)于更大尺寸的樣品，只要將各部分按比例放大，而無需進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。
權(quán)利要求
1.大面積均勻可調(diào)永磁磁路結(jié)構(gòu)，其特征在于在反應(yīng)室1內(nèi)的陰極2兩側(cè)設(shè)有多塊成排永磁磁鐵單元5與在該成排永磁磁鐵單元內(nèi)側(cè)所加軟鐵板6組成的極板4，在該極板4外側(cè)設(shè)有由二個(gè)軟鐵回路縱長部分71、二個(gè)軟鐵回路水平部分72以及四個(gè)軟鐵回路斜角部分73組成非正八角形或上部呈圓弧形的軟鐵回路7，在兩塊對(duì)立的軟鐵板6二端內(nèi)側(cè)分別設(shè)有角鐵或由軟鐵棒排成角狀結(jié)構(gòu)8，當(dāng)反應(yīng)室1的直徑為280毫米時(shí)，陰極直徑為60～110毫米，極板4長度為140～165毫米，軟鐵回路水平部分72的長度為60～110毫米，體積為10×10×10毫米的永磁磁鐵單元5在每個(gè)極板4上為54塊。
2.按照權(quán)利要求1所說的永磁磁路結(jié)構(gòu)，其特征在于當(dāng)反應(yīng)室1直徑為280毫米時(shí)，陰極直徑為80毫米，極板4長度為160毫米，軟鐵回路水平部分72調(diào)整到105毫米。
3.按照權(quán)利要求2所說的永磁路結(jié)構(gòu)，其特征在于軟鐵回路71、72、73的厚度為15毫米。
4.按照權(quán)利要求1所述說的永磁磁路結(jié)構(gòu)，其特征在于永磁磁鐵單元5是釹鐵硼永磁合金。
全文摘要
本發(fā)明涉及千法工藝用的大面積均勻可調(diào)永磁磁路結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提供一種磁控反應(yīng)離刻蝕機(jī)上施加磁場的永磁磁路結(jié)構(gòu)，該永磁磁路結(jié)構(gòu)設(shè)于反應(yīng)室內(nèi)直接構(gòu)成磁場，由一對(duì)包括許多永磁磁鐵單元的極板，一個(gè)軟鐵回路以及角鐵組成。通過調(diào)整可使硅片刻蝕區(qū)形成均勻的強(qiáng)度可調(diào)的磁場。本發(fā)明磁路結(jié)構(gòu)簡單，可降低設(shè)備制造成本，提高精度，提高設(shè)備可靠性和易操作性。
文檔編號(hào)H01L21/306GK1052571SQ9010981
公開日1991年6月26日 申請(qǐng)日期1990年12月19日 優(yōu)先權(quán)日1990年12月19日
發(fā)明者羅澎, 金鐘元, 韓階平, 馬俊如 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院微電子中心