CN100385620C - 电极组件 - Google Patents

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Abstract

这里公开了一种用于加工衬底的等离子体加工系统。此等离子体加工系统包括加工室，等离子体在其中被点燃和保持以用于加工。等离子体加工系统还包括位于加工室下端处的电极(152)。电极被构型为用来在加工室中产生电场。等离子体加工系统还包括用来控制电极与等离子体之间的阻抗的元件(158)。此阻抗被设置成影响电场，以改善衬底表面上的加工均匀性。

Description

电极组件
本申请为申请日为2000年12月22日和申请号为00819264.2的分案申请。
技术领域
本发明涉及到用来加工诸如IC制造中所用的半导体衬底或平板显示器应用中所用的平板(例如玻璃、塑料等)之类的衬底的装置和方法。更确切地说，本发明涉及到能够以衬底表面上的高度加工均匀性来加工衬底的方法和装置。
背景技术
多年来，利用感应耦合的等离子体源、电子回旋共振(ECR)源、电容性源等等的等离子体加工系统，已经被不同程度地引入和应用来加工半导体衬底和显示平板。在制造这些产品的过程中，可以采用多个淀积和/或腐蚀步骤。在淀积过程中，材料被淀积到衬底表面上(例如玻璃平板或晶片的表面上)。例如，诸如各种形式的硅、二氧化硅、氮化硅、金属之类的被淀积的层，可以被制作在衬底表面上。在腐蚀过程中，材料被有选择地从衬底表面上的预定区域清除。例如，诸如通路、触点、或沟槽之类的被腐蚀的特征，可以被形成在衬底的各个层中。
参照图1，示出了常规等离子体加工系统10。为了加工衬底，衬底12被置于加工室16内的衬底支座14上，并将加工气体馈入加工室16中。并将能量馈送到加工气体，以便点燃加工室16内的等离子体18。在点燃等离子体之后，可以用以各种众所周知的例如电容、感应、微波之类的方式耦合到等离子体的额外的能量来维持等离子体。然后将此等离子体应用于加工任务，例如在衬底12上进行选择性腐蚀或淀积薄膜。在大多数情况下，在衬底表面附近形成表面电压20，以便向着衬底12加速等离子体的离子，这些离子在衬底12处可能与其它的反应剂组合，激活加工反应。表面电压与衬底支座14和等离子体18之间产生的电位结合。
但不幸的是，衬底支座14和等离子体18之间的电耦合倾向于不均匀，其结果是引起衬底12表面上的加工性能变化。特别是衬底的中心倾向于与衬底边沿被不同地加工，中心和边沿的产率从而不同。因此，衬底的边沿通常不被用来制作IC，其结果是制造成本更高。而且，对更大衬底的需求已经使改善衬底边沿处的加工均匀性变得越来越重要。
另外，如WO9914788公开环绕一半导体衬底的环或轴环，改善因为在接近周边处的离子密度过大所引起之空间非均匀性，工件可被一介电屏蔽所环绕，而该屏蔽可藉由一非介电环所覆盖，以保护该介电屏蔽与制程气体反应或被腐蚀。WO9839500公开电浆蚀刻装置，具有对于衬底表面产生电浆密度的均一化的辅助电极。特别是辅助电极设在磁场施加装置所产生的电子流的流动的至少上游侧，辅助电极包括配置于与上述电极对侧的局部电极以及调整阻抗装置。
可是，以上现有技术也没有使用额外阻抗匹配层以产生横越包括衬底中心和边沿的衬底上表面的加工均匀性。
考虑到上述情况，希望有用来提高衬底表面处加工均匀性的改进方法和装置。
发明内容
在一个实施方案中，本发明涉及到一种用来加工衬底的等离子体加工系统。此等离子体加工系统包括加工室，等离子体在其中被点燃和保持用于加工。加工室具有上端和下端。等离子体加工系统还包括位于加工室下端的电极。此电极被构型为在加工室内产生电场。等离子体加工系统还包括用来控制所述电极与所述等离子体之间的阻抗的元件，所述阻抗被设置成影响所述电场，以改善衬底表面上的加工均匀性。
在另一个实施方案中，本发明涉及到一种用来加工衬底的等离子体加工系统。此等离子体加工系统包括加工室，等离子体在其中被点燃和保持用于加工。等离子体加工系统还包括位于加工室内的电极。此电极被构型为在等离子体和电极之间产生电场。等离子体加工系统还包括位于电极上的吸盘。此吸盘被构型为在加工过程中保持衬底。电场在吸盘区域中的电极与等离子体之间具有第一阻抗。等离子体加工系统还包括位于电极上并邻近吸盘的边沿环。边沿环被构型为至少使电极屏蔽于等离子体。等离子体加工系统还包括位于边沿环和电极之间的阻抗匹配层。阻抗匹配层被构型为控制边沿环区域中的电极与等离子体之间的第二阻抗。第二阻抗被设置成基本上等于第一阻抗，使衬底表面处等离子体与电极之间的电场在衬底被置于吸盘上以便加工时基本上均匀。
在另一个实施方案中，本发明涉及到一种用来以等离子体加工衬底的衬底支座。此衬底支座包括用来在衬底上方产生电场的电极。此电极的外围大于衬底的外围。衬底支座还包括在加工过程中保持衬底的吸盘。吸盘位于电极的顶部表面上。衬底支座还包括用来使电极和吸盘屏蔽于等离子体的边沿环。边沿环位于电极上方。边沿环具有第一部分和第二部分。第一部分被构型为当衬底被吸盘保持以便加工时环绕衬底的边沿。第二部分被构型为环绕吸盘的边沿，其中第二部分在加工过程中被置于电极与衬底之间。衬底支座还包括位于边沿环与电极之间的阻抗匹配层。阻抗匹配层被构型为控制通过吸盘、边沿环和衬底的电场的阻抗。此阻抗被设置成影响电场，以便改善衬底表面上的加工均匀性。
具体地，本发明提出一种在等离子体加工期间用于支持一衬底的均匀性衬底支座，所述均匀性衬底支座设置在一个等离子体加工室内，等离子体在所述等离子体加工室中被点燃和保持以用于所述等离子体加工，所述等离子体加工室具有上端和下端，所述均匀性衬底支座包括：设于所述加工室所述下端处的电极，所述电极被构型为在所述加工室内产生电场；设于所述电极上方的吸盘，所述吸盘被构型为在所述加工过程中保持衬底；设于所述电极上方的边沿环，所述边沿环被构型为使所述电极和所述吸盘屏蔽于所述等离子体，所述边沿环具有一围绕衬底的外边沿的第一部分和邻接于吸盘的外边沿的第二部分，该第二部分被构型为在所述衬底被所述吸盘保持时设于所述电极和所述衬底之间；其特征在于，具有设于所述边沿环和所述电极之间的阻抗匹配层，所述阻抗匹配层被被结合到所述电极或所述边沿环上，所述阻抗匹配层具有影响由所述电极产生所述电场的阻抗，从而产生横越包括衬底中心和边沿的衬底上表面上的加工均匀性，所述阻抗匹配层的阻抗是由所用材料、介电常数、厚度、相对于边沿环边沿的位置和长度影响。
此外，当所述衬底被置于所述加工室内以进行加工时，所述电场在所述衬底表面与所述等离子体之间产生表面电压。
其中所述电极具有内部区域和外部区域；所述吸盘设于所述电极内部区域的上方，所述吸盘在所述电极的内部区域的上方内影响所述电极与所述等离子体之间的第一阻抗；所述边沿环设于所述电极外部区域的上方并邻近所述吸盘的一侧定位，所述边沿环影响所述电极的外部区域的上方内的所述电极和等离子体之间的所述第二阻抗；所述阻抗匹配层设于所述边沿环和所述电极之间并位于所述电极外部区域的上方，所述阻抗匹配层被配置成可改变所述第二阻抗，以改善所述衬底表面上的加工均匀性。
具体地，本发明提出一种用于在等离子体处理过程中支持衬底的支座，所述支座包括：配置成用于产生电场的电极；设于所述电极上方的吸盘，所述吸盘被配置成用于保持所述衬底；设于所述电极上方的边沿环，所述边沿环被配置成用于屏蔽所述电极和吸盘；设于所述电极和所述边沿环之间的阻抗匹配层，所述阻抗匹配层被结合到所述电极或所述边沿环；其中所述边沿环包括围绕所述衬底的外边沿的第一部分、和邻近所述吸盘外边沿且当衬底由所述吸盘所保持时被配置成位于在所述电极和衬底之间的第二部分；及所述阻抗匹配层配置有阻抗，用于所述电极与等离子体之间影响由所述电极所产生的电场，从而产生在所述衬底表面和衬底的外边沿上的加工均匀性，所述阻抗匹配层的阻抗是由所用材料、介电常数、厚度、相对于边沿环边沿的位置和长度影响。
本发明提出一种用于在等离子体处理过程中支持衬底的支座，所述支座包括：用于在所述等离子体和所述电极之间产生电场的电极，所述电极具有内部和外部；设于所述电极的内部上方的吸盘，所述吸盘被构型为在加工过程中保持衬底，所述吸盘在所述电极的所述内部上方的区域内影响所述电极与所述等离子体之间的第一阻抗；设于所述电极的所述外部上方并邻近所述吸盘的一侧定位的边沿环，所述边沿环被构型为至少使所述电极屏蔽于所述等离子体，所述边沿环影响所述电极的外部上方区域内的所述电极和等离子体之间的所述第二阻抗；设于所述边沿环和所述电极之间并位于所述电极的外部上方的阻抗匹配层，所述阻抗匹配层的特征被配置成可调整所述第二阻抗，以改善所述衬底表面上的加工均匀性；其中所述边沿环包括围绕所述衬底的外边沿的第一部分、和邻近所述吸盘外边沿且当衬底由所述吸盘所保持时被配置成位于在所述电极和衬底之间的第二部分；及所述阻抗匹配层具有用于影响由所述电极所产生的电场的阻抗，从而产生在所述衬底表面和衬底的外边沿上的加工均匀性，所述阻抗匹配层的阻抗是由所用材料、介电常数、厚度、相对于边沿环边沿的位置和长度影响。
本发明也提出适于处理室中的阻抗匹配机构，阻抗匹配机构构置成影响在处理室中的阻抗，从而控制处理室中形成的的电场。
附图说明
通过举例的方式而不是限制的方式来描述本发明，在附图中，相似的标号表示相似的元件。其中：
图1是常规等离子体加工系统的侧面正视图。
图2是根据本发明一个实施方案的等离子体反应器的侧面正视图。
图3是根据本发明一个实施方案的均匀衬底支座的侧面正视图。
图4是根据本发明一个实施方案的均匀衬底支座的侧面正视图。
具体实施方式
在加工衬底的过程中，工艺工程师努力改进的最重要的参数之一是加工均匀性。作为此处所用的术语，加工均匀性指的是衬底表面上的整个加工的均匀性。例如，若加工是高度均匀的，则需要衬底上不同点处的加工速率倾向于基本上相等。在此情况下，衬底的一个区域不太可能被不适当地过度加工，而其它区域却仍然加工不充分。
本发明因此涉及到用来加工衬底的改进了的方法和装置。更确切地说，本发明涉及到一种能够在衬底表面上产生高度加工均匀性的衬底支座。此衬底支座被构型为降低衬底边沿附近通常出现的电和热不连续性。借助于降低这些不连续性，衬底中心和边沿之间出现的工艺变化被明显地减小了。结果，衬底的大部分能够被用来制造IC，从而提高了器件产率。
下面参照图2-4来讨论本发明的实施方案。但本领域技术人员容易理解的是，此处利用这些图给出的详细描述是为了解释的目的，本发明不局限于这些实施方案。
在一个优选实施方案中，本发明在诸如可从Lam ResearchCorporation of Fremont，CA购得的电容耦合等离子体反应器等等离子反应器中实施。虽然将示出和描述电容耦合的等离子体反应器，但应该指出的是，本发明可以在适合于形成等离子体的任何等离子体反应器中实施，例如感应耦合反应器或ECR反应器。
图2示出了根据本发明一个实施方案的等离子体反应器100。此等离子体反应器100通常包括加工室102，等离子体103在其中被点燃并保持用于加工。在加工室102内，通常设置有上电极104，它可以经由匹配网络(为简化描述而未示出)被耦合到第一RF电源106。第一RF电源通常被构型为将RF能量馈送到上电极104。在上电极中设置了气体入口108，用来将气态源材料例如腐蚀剂源气体释放到上电极104与衬底110之间的反应区中。也可以从设在加工室壁本身内的入口释放气态源材料。
衬底110被引入到加工室102中，并被置于用作吸盘和下电极的衬底支座112上。衬底支座112最好被通常构型为将RF能量馈送给衬底支座112的第二RF电源114偏置(通常也经由匹配网络)。衬底支座112的吸盘部分可以代表例如用静电力将衬底110固定到吸盘表面的ESC(静电)吸盘。但应该理解的是，也可以采用机械类型的吸盘。此外，衬底110代表待要加工的工件，可以代表例如待要腐蚀、淀积、或其它加工的半导体衬底，或待要加工成平板显示器的玻璃平板。用来抽出加工过程中形成的副产品气体的排气口116，通常也被设置在加工室102的加工室壁与吸盘112之间。在大多数实施方案中，排气口116被耦合到用来保持加工室102适当压力的泵。此外，限制环120可以被置于加工室102内上电极104与衬底支座112之间，以便将等离子体103限制在衬底110上方。
虽然衬底支座112被示出和描述为耦合到RF电源114，但可以理解的是，也可以用其它的构型为适应不同的加工室或符合能量耦合所需的其它外部因素。例如，在某些单一频率等离子体反应器中，衬底支座可以被耦合到地。
为了产生等离子体103，加工气体通常通过气体入口108被输入到加工室102中。随后，当一种或二种RF电源被施加时，大电场就通过电极104和112中的一个或二者被耦合到加工室内部。此电场对存在于加工室102内的少量电子进行激发，使它们与加工气体的气体分子碰撞。结果，气体分子失去电子并成为带正电的离子。自由电子的产生速率一旦超过其失去速率，等离子体就被点燃。等离子体然后被用于加工任务，例如在衬底110上选择性地腐蚀或淀积薄膜。在大多数情况下，在衬底表面122附近形成表面电压121，以便使等离子体103的离子向着衬底110加速，这些离子在衬底处可以与其它反应剂组合，激活加工反应。
应该指出的是，虽然详细地描述了等离子体反应器100，但本发明本身不局限于任何特定类型的衬底加工装置，而是可以适用于任何已知的衬底加工系统，包括但不局限于适合于淀积工艺的反应器和系统，包括化学气相淀积(CVD)、等离子体增强化学气相淀积(PECVD)、以及溅射之类的物理气相淀积(PVD)。而且，本发明可以被用于一些适当的已知腐蚀工艺中的任何一个，包括适合于干法腐蚀、等离子体刻蚀、反应离子刻蚀(RIE)、磁增强反应离子刻蚀(MERIE)、电子回旋共振(ECR)之类的工艺。而且，可以预见本发明可以在任何上述反应器以及其它适当的等离子体加工反应器中被应用。注意，上面所述是正确的，而不管等离子体能量是通过直流等离子体源提供，通过电容耦合的平行电极板提供，通过ECR微波等离子体源提供，还是通过感应耦合的RF源例如螺旋波、螺旋谐振器、以及RF天线(平面的或非平面的)提供。
根据本发明的一种情况，提供了一种能够在衬底表面上产生高度加工均匀性的均匀性衬底支座。确切地说，均匀性衬底支座被构型为产生均匀的电场。图3示出了根据本发明一个实施方案的均匀性衬底支座130。均匀性衬底支座130可以分别对应于图2所示的衬底支座112。
均匀性衬底支座130通常包括电极152、吸盘154、边沿环156、以及阻抗匹配层158。电极152被构型为产生强度足以通过吸盘154、边沿环156、阻抗匹配层158和衬底160耦合能量的电场。举例来说，电极152产生的能量可以被设置成在衬底表面与等离子体之间形成表面电压，用来使等离子体中的离子向着衬底加速。被耦合的能量的量通常影响用来加工衬底的等离子体的密度和能量。例如，若耦合的能量多，则离子能量倾向于高，而若耦合的能量少，则离子能量倾向于低。相应地，高的离子能量在衬底加工过程中倾向于更富侵蚀性，而低的离子能量在衬底加工过程中倾向于更缺乏侵蚀性。
而且，电极152的顶部表面被构造成基本上均匀且基本上平行于衬底160，以便提供均匀的能量分布。此外，电极152通常由诸如铝的适当的导电材料制成。电极152的外围也被构造成延伸到至少衬底160的外边沿以外。但应该指出的是，通常要小心不要使电场延伸到远超过衬底160的边沿之外，因为在此区域中有一定功率损失量。在一个实施方案中，电极152被构型为将能量耦合到衬底160边沿以外2mm。将电极延伸超过衬底边沿的一个特别的优点是，衬底边沿处的电学特性更均匀。亦即，能量的耦合在衬底边沿附近倾向于更均匀，结果，衬底表面上的加工就倾向于更均匀。
吸盘154被连接到电极152的上表面，并包括陶瓷层(例如Al2O3)，此陶瓷层被构型为当衬底160被置于均匀性衬底支座130上以便加工时接收衬底160的背面。通常，吸盘154基本上平行于衬底160。吸盘154可以表示例如用静电力将衬底160固定到吸盘表面的ESC(静电)吸盘。在其整个内容此处列为参考的授予Kubly等人的美国专利No.5793192中，更详细地描述了可以用于均匀性衬底支座130的ESC吸盘构造的例子。在大多数实施方案中，吸盘154的周边小于衬底160的周边，使吸盘154在衬底160被置于均匀性衬底支座上以便加工时，被衬底160完全覆盖。在一个特定的实施方法中，吸盘154的外边沿终止于离衬底160外边沿大约2mm的位置。也可以是，吸盘154的外围可以被构造成延伸超过衬底160的外围。
在某些等离子体反应器(例如大功率反应器)中，由于来自等离子体的磨损，亦即离子轰击，故靠近衬底160的表面可能被破坏，因而在电极上方设置边沿环156，以便将电极152和吸盘154屏蔽于等离子体103。在大多数实施方案中，边沿环156被构造成消耗性零件，在过度磨损之后就被替换。为了有效地屏蔽电极152和吸盘154，边沿环156通常具有围绕衬底160外边沿的第一部分162以及围绕吸盘154外边沿的第二部分164。第二部分164通常邻近吸盘154的外边沿，并位于电极152与衬底160之间。如图所示，当衬底160被置于均匀性吸盘130上以便加工时，第二部分164被衬底160覆盖。在一种实施方法中，边沿环的第二部分在衬底下方延伸大约2mm。
而且，边沿环156的外边沿被构造成延伸到至少电极152的外边沿。但通常最好使边沿环156的长度(在底部表面上测量的)较小，以便减少加工衬底160所需的功率。举例来说，2mm到大约15mm的长度就很好。相似于延伸的电极，边沿环有利地提供了延伸到衬底边沿以外的耦合区域，衬底上的电学特性因而倾向于更均匀。而且，边沿环156的顶部表面(例如第一部分162)被设置成稍低于衬底顶部表面或与衬底顶部表面同样高，使吸盘和边沿环共同形成凹陷部分，用来接纳衬底以便加工。但应该指出的是，可以根据各个等离子体加工系统的具体设计而改变边沿环顶部表面的高度(例如，可以延伸到衬底以上或可以倾斜)。
而且，边沿环156可以被电浮置或被电耦合到DC地(亦即不必是RF地)。此外，边沿环通常由诸如硅、氧化硅、氮化硅、碳化硅、石英之类的适当的介电材料组成。举例来说，由硅，更确切地说是由单晶硅组成的边沿环就很好用。
均匀性衬底支座130还包括位于边沿环156与电极152之间的阻抗匹配层158。阻抗匹配层158最好被构型为控制衬底表面上由电极152产生的电场的阻抗。更确切地说，阻抗匹配层158被构型为改变产生在衬底160边沿附近的电场的阻抗。借助于改变阻抗，在衬底表面上就产生更均匀的能量耦合。结果，可以得到加工均匀性，使衬底中心处的加工速率基本上等于衬底边沿处的加工速率。因此，衬底的边沿可以被用来制作IC，从而提高了产率。在某些情况下，本发明使最边缘的3mm衬底能够得到应用。
如图3所示，阻抗匹配层158被夹在边沿环156与电极152之间。在一个实施方案中，阻抗匹配层158被连接到电极152的上表面。在另一个实施方案中，阻抗匹配层158被连接到边沿环156的下表面。在二个实施方案中，都可以用任何适当的方式来构成阻抗匹配层158与相应的表面之间的连接。但在优选实施方案中，阻抗匹配层被结合在相应的表面上(例如边沿环或电极)，以便产生更好的热结合和电结合。举例来说，诸如硅橡胶之类的结合工艺就很好用。
而且，为了有效地控制电极与等离子体之间的阻抗，所用材料的厚度和类型是重要的因素。通常，阻抗匹配层的厚度可以约为0.10-10mm，且阻抗匹配层可以由诸如介质、半导体、或导电材料之类的适当材料组成。举例来说，诸如硅、氧化硅、氮化硅、碳化硅、石英、铝、阳极氧化铝之类的材料以及氧化铝之类的铝陶瓷就很好用。
阻抗匹配层的长度(或覆盖量)也是有效地控制电极与等离子体之间的阻抗的一个重要因素。在一个实施方案中，阻抗匹配层的长度等于边沿环(例如边沿环底部表面上)的长度。在另一个实施方案中，阻抗匹配层的长度小于边沿环的长度。在此特定的实施方案中，较小的阻抗匹配层可以向着边沿环内周边、边沿环的外周边、或边沿环的中间定位。举例来说，阻抗匹配层可以被设置成仅处在衬底区域中的边沿环与电极之间。
能够达到的能量耦合程度，通常是等离子体与电极之间单位面积的总阻抗的一个因素。如本领域技术人员众所周知的那样，阻抗通常被定义为阻挡电荷或电流流过电路的一种度量。在具有高和低阻抗的衬底区的衬底上，以及对衬底上一个给定的功率，通常相信在衬底的低阻抗区中，被耦合的能量倾向于高，而在衬底的高阻抗区中，被耦合的能量倾向于低。因此，能量的均匀耦合高度依赖于均匀性衬底支座的阻抗。
通常，单位面积的总阻抗是衬底单位面积阻抗、吸盘单位面积阻抗、边沿环单位面积阻抗、阻抗匹配层单位面积阻抗、以及其间出现的任何间隙或界面的单位面积阻抗的函数。但不幸的是，通过吸盘和衬底在衬底中心产生的阻抗通常不同于吸盘、边沿环和衬底在衬底边沿产生的阻抗，这是由于在衬底边沿处上述各个部分之间存在着空气间隙和界面，且吸盘和边沿环的材料不同。结果，衬底边沿处的能量耦合通常不同于衬底中心处的能量耦合(例如不均匀)。
在一个优选实施方案中，阻抗匹配层被设置成调整衬底边沿处的阻抗(例如表面电压)，使衬底边沿处的阻抗等于衬底中心处的阻抗。以这种方式，衬底表面上的能量耦合更为均匀，从而能够达到加工均匀性。
在一个实施方案中，边沿环的厚度和阻抗匹配层的厚度被优化，以达到所希望的耦合效果。例如，边沿环厚度的减小/增加和阻抗匹配层厚度的增加/减小，可以减小/增加衬底边沿处的阻抗。在另一种实施方法中，阻抗匹配层的材料性质(例如介电常数)可以被设置成使衬底边沿处的阻抗与衬底中心处的阻抗相匹配。例如，介电常数数值的减小/增加可以减小/增加衬底边沿处的阻抗。在另一种实施方法中，阻抗匹配层的长度和位置可以被优化，以达到所希望的耦合效果。例如，较小/较大的阻抗匹配层长度可以减小/增加衬底边沿处的阻抗。此外，阻抗匹配层相对于边沿环边沿的位置也可以减小/增加衬底边沿处的阻抗。
因此，阻抗匹配层的厚度以及边沿环的厚度、阻抗匹配层的材料性质、以及阻抗匹配层的长度和位置，能够被用来使衬底边沿处的阻抗与衬底中心处的阻抗相匹配。
在一个特定的实施方案中，边沿环第二部分(例如延伸在衬底下方的部分)的厚度约为1mm，且阻抗匹配层的厚度约为1mm。而且，边沿环与吸盘的陶瓷层具有相同的介电常数，而阻抗匹配层的介电常数大于边沿环的介电常数。在此例子中，介电常数较大，以便补偿存在于吸盘陶瓷部分边沿处的环氧树脂(例如增加的阻抗)。环氧树脂通常被用来使吸盘免受局部电场(例如电弧)影响。
虽然衬底支座已经被描述为产生均匀的电场，但可以理解的是，衬底支座也可以被构型为产生不均匀的电场以补偿诸如不均匀等离子体密度之类的其它加工不均匀性。如所述，阻抗量通常影响被耦合的能量数量，且被耦合的能量的量通常影响用来加工衬底的等离子体的密度和能量。因此，借助于有目的地设计能够使电极产生的电场发生变化的衬底支座，可以改善整个系统的加工均匀性。在一个特定的实施方案中，阻抗匹配层被设置成改变衬底支座的阻抗，以便在衬底表面上提供电场变化。
除了电耦合之外，衬底与吸盘之间的热接触以及电极与边沿环之间的热接触，通常足以耗散加工过程中产生的热。如本领域技术人员众所周知的那样，衬底加工(例如离子轰击)倾向于提高衬底和围绕衬底的邻近表面的温度。当温度上升时，在衬底上就形成倾向于产生晶片区压力和气体流速变化的局部温度差。这些变化因而产生等离子体密度高和低的局部区域，这倾向于影响加工均匀性(例如加工速率)。
而且，衬底的温度可能上升到不可接受的水平。
因此，根据本发明的另一个实施方案，提供了一种热传输系统，来控制加工过程中衬底和边沿环的温度。此热传输系统通常被构型为将热传输媒质分配到衬底/吸盘界面和边沿环/电极界面。
为了便于讨论此实施方案，图4示出了位于均匀性衬底支座130内的热传输系统200。如所述，均匀性衬底支座130被构型为支持衬底160，且通常包括电极152、吸盘154、边沿环156、以及阻抗匹配层158。热传输系统200通常包括主通道202，用来将热传输媒质分配到多个吸盘通道204和多个边沿环通道206。吸盘通道204被构型为将热传输媒质分配到位于吸盘154与衬底160背面之间的第一间隙208。边沿环通道206被构型为将热传输媒质分配到位于电极152与边沿环156背面之间的第二间隙210。
在一个实施方案中，氦冷却气体在压力下(例如在一个实施方案中约为20托)被引入热传输系统，以作为用于精确控制加工过程中衬底和边沿环温度以确保均匀而可重复的加工结果的热传输媒质。在另一个实施方案中，边沿环156被用螺栓250连接到电极，以保持边沿环同时提供适当的间隔以便在第二间隙处释放热传输媒质。此外或作为变通，加热器可以被置于衬底支座内，以便提供甚至更好的温度控制。
如从上面可见，本发明提供了许多相对于现有技术的优点。举例来说，本发明能够以衬底表面上高度加工均匀性来加工衬底。特别是衬底支座提供了能够控制衬底支座阻抗的阻抗匹配层，从而能够控制由其耦合的电场。在一种构造中，阻抗匹配层被设置成使衬底支座在加工室内产生均匀的电场。结果，用来加工衬底的离子密度和离子能量更为均匀，从而能够得到均匀的加工。在另一种构造中，阻抗匹配层被设置成使衬底支座产生变化的电场，以补偿其它的不均匀性(例如不均匀的等离子体密度)。结果，能够改善加工均匀性。此外，本发明提供了一种衬底支座，它被构型为在加工过程中冷却衬底和边沿环二者，结果降低了倾向于产生加工不均匀性的温度、压力和电导起伏。因此，本发明减小了边沿废弃并提高了衬底产率。
虽然根据几个优选实施方案已经描述了本发明，但在本发明范围内具有各种的改变、变型和等效物。还应该指出的是，存在着许多实现本发明的方法和装置的不同的方式。因此认为所附的权利要求书包括了所有这些本发明范围内的改变、变型和等效物。

Claims (25)

1.一种用于在等离子体处理过程中支持衬底的支座，所述支座包括：
配置成用于产生电场的电极；
设于所述电极上方的吸盘，所述吸盘被配置成用于保持所述衬底；
设于所述电极上方的边沿环，所述边沿环被配置成用于屏蔽所述电极和吸盘；
设于所述电极和所述边沿环之间的阻抗匹配层，所述阻抗匹配层被结合到所述电极或所述边沿环；
其中所述边沿环包括围绕所述衬底的外边沿的第一部分、和邻近所述吸盘外边沿且当衬底由所述吸盘所保持时被配置成位于在所述电极和衬底之间的第二部分；及
所述阻抗匹配层提供有阻抗，用于在所述电极与所述等离子体之间影响由所述电极所产生的电场，从而产生在所述衬底表面和衬底的外边沿上的加工均匀性，所述阻抗匹配层的阻抗是由所用材料、介电常数、厚度、相对于边沿环边沿的位置和长度影响。
2.如权利要求1所述的支座，其特征在于，所述阻抗被配置成减小所述电场中的变化。
3.如权利要求1所述的支座，其特征在于，所述阻抗被配置成产生所述电场中的变化。
4.如权利要求1所述的支座，其特征在于，所述阻抗匹配层被配置成控制在所述衬底的边沿处所述电极和所述等离子体之间的阻抗。
5.如权利要求1所述的支座，其特征在于，所述阻抗匹配层被构型为当由所述吸盘保持所述衬底时部分地设置在所述电极和所述衬底之间。
6.如权利要求1所述的支座，其特征在于，所述第二部分与所述吸盘配合来限定用于接收所述衬底的下表面的区域。
7.如权利要求1所述的支座，其特征在于，所述第二部分被构型为围绕所述吸盘的外边沿，所述第一部分被构型为当所述衬底被所述吸盘保持时围绕所述衬底的外边沿，从而所述边沿环与所述吸盘配合来形成接收所述衬底以用于进行加工的凹陷部分。
8.如权利要求1所述的支座，其特征在于，所述吸盘具比所述衬底的外周边小的外周边。
9.如权利要求1所述的支座，其特征在于，所述阻抗匹配层是由介电材料形成的。
10.如权利要求1所述的支座，其特征在于，所述吸盘、边沿环和阻抗匹配层是由介电材料形成的，其中所述边沿环的介电常数等于所述吸盘的介电常数，且所述阻抗匹配层的介电常数大于所述边沿环和所述吸盘的介电常数。
11.如权利要求1所述的支座，其特征在于，由所述吸盘产生的第一阻抗与由所述边沿环产生的第二阻抗不同，其中所述阻抗匹配层被设置成调整由所述边沿环产生的第二阻抗，使得所述第二阻抗等于由所述吸盘产生的所述第一阻抗。
12.一种用于在等离子体处理过程中支持衬底的支座，所述支座包括：
用于在所述等离子体和所述电极之间产生电场的电极，所述电极具有内部和外部；
设于所述电极的内部上方的吸盘，所述吸盘被构型为在加工过程中保持衬底，所述吸盘在所述电极的所述内部上方的区域内影响所述电极与所述等离子体之间的第一阻抗；
设于所述电极的所述外部上方并邻近所述吸盘的一侧定位的边沿环，所述边沿环被构型为至少使所述电极屏蔽于所述等离子体，所述边沿环影响所述电极的外部上方区域内的所述电极和等离子体之间的所述第二阻抗；
设于所述边沿环和所述电极之间并位于所述电极的外部上方的阻抗匹配层，所述阻抗匹配层的特征被配置成可调整所述第二阻抗，以改善所述衬底表面上的加工均匀性；
其中所述边沿环包括围绕所述衬底的外边沿的第一部分、和邻近所述吸盘外边沿且当衬底由所述吸盘所保持时被配置成位于在所述电极和衬底之间的第二部分；及
所述阻抗匹配层具有用于影响由所述电极所产生的电场的阻抗，从而产生在所述衬底表面和衬底的外边沿上的加工均匀性，所述阻抗匹配层的阻抗是由所用材料、介电常数、厚度、相对于边沿环边沿的位置和长度影响。
13.如权利要求12所述的支座，其特征在于，所述吸盘是静电吸盘。
14.如权利要求12所述的支座，其特征在于，所述阻抗匹配层被结合到所述边沿环。
15.如权利要求12所述的支座，其特征在于，所述阻抗匹配层被结合到所述电极。
16.如权利要求12所述的支座，其特征在于，所述阻抗匹配层相对于所述边沿环的长度和位置被调整，以控制所述第二阻抗。
17.如权利要求12所述的支座，其特征在于，所述阻抗匹配层由具有介电常数的材料形成的，其中所述介电常数被调整以控制所述第二阻抗。
18.如权利要求12所述的支座，其特征在于，所述阻抗匹配层的厚度被调整，以控制所述第二阻抗。
19.如权利要求12所述的支座，其特征在于，当所述衬底被置于所述吸盘上以进行加工时，所述电极的外周边大于或等于所述衬底的外周边。
20.如权利要求12所述的支座，其特征在于，当所述衬底被置于所述吸盘上以进行加工时，所述电场在所述衬底的表面处产生均匀的表面电压。
21.如权利要求12所述的支座，还包括耦合到所述电极的射频电源，所述射频电源被构型为将射频能量馈送到所述电极。
22.如权利要求12所述的支座，还包括热传输系统，用来控制加工过程中所述衬底和所述边沿环的温度，所述热传输系统包括延伸通过所述电极到所述吸盘与所述衬底之间的界面的第一通道以及延伸通过所述电极到所述电极与所述边沿环之间的界面的第二通道，所述热传输系统被构型为通过所述通道提供热传输媒质。
23.如权利要求22所述的支座，其特征在于，所述热传输媒质是氦气。
24.如权利要求12所述的支座，其特征在于，阻抗匹配层被构型为使所述衬底边沿处的电极和等离子体之间的阻抗与所述衬底中心处的电极和等离子体之间的阻抗匹配。
25.如权利要求12所述的支座，其特征在于，当所述衬底设于所述吸盘上以进行加工时，所述电极的所述内部对应于所述衬底的内部，且当所述衬底设于所述吸盘上以进行加工时，所述电极的所述外部对应于所述衬底的外部。
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