CN101018884B - 包含输送工艺气体和射频功率的气体分配单元的等离子处理设备 - Google Patents

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Abstract

一种等离子处理设备，包括向喷淋头式电极输送工艺气体和射频(RF)功率的气体分配单元。气体分配单元可以包括多个气体通路，以相同或不同的流速，向喷淋头式电极后侧的一个或多个储气室，输送相同的工艺气体或不同的工艺气体。气体分配单元在半导体基片上，提供要达到的需要的工艺气体分配，该半导体基片在喷淋头式电极与支承基片的下电极之间的空隙中被处理。

Description

包含输送工艺气体和射频功率的气体分配单元的等离子处理设备
背景技术
等离子处理设备用于处理基片，所用技术包括蚀刻、物理汽相淀积(PVD)、化学汽相淀积(CVD)、离子注入、灰化或抗蚀剂去除。最近，由于降低线条尺寸和新材料的实施，需要改进等离子蚀刻设备中控制等离子处理的条件。
发明内容
提供一种等离子蚀刻设备，它包括喷淋头式电极，和与喷淋头式电极热接触的加热器，其中的加热器，能把喷淋头式电极至少一部分加热到阈值温度以上。此外，还可以在设备中提供顶板，用于控制温度或与加热器结合，把喷淋头式电极维持在预定温度上。
在一个实施例中，一种喷淋头式电极组件包括：适合安装在真空室内部的喷淋头式电极；附着于喷淋头式电极的射频(RF)分配单元，其中，该RF分配单元包括适合沿轴向伸进真空室控制温度的上壁中开孔的第一部分，且该RF分配单元还包括在喷淋头式电极上沿侧向伸延，并提供RF通道及热通道的第二部分；和热通道单元，该热通道单元附着于RF分配单元上，并适合在真空室上壁与RF分配单元第二部分之间，向喷淋头式电极提供热通道。在另一个实施例中，RF分配单元还可以包括至少一个气体通路，用于向喷淋头式电极输送工艺气体(process gas)。
在另一个实施例中，喷淋头式电极组件包括：适合安装在真空室内部的喷淋头式电极；附着于喷淋头式电极的气体分配单元；附着于气体分配单元的热通道单元；和附着于热通道单元的加热器，其中的加热器，通过气体分配单元和热通道单元，向喷淋头式电极传递热。在另一个实施例中，气体分配单元可以是向喷淋头式电极分配RF功率的导电材料。
同时提供的还有控制等离子蚀刻的方法，包括：对等离子蚀刻室中的加热器加功率；通过把热从加热器导向喷淋头式电极，在等离子蚀刻室中把喷淋头式电极至少一部分加热到预定温度；通过喷淋头式电极，向等离子蚀刻室输送工艺气体；和通过向喷淋头式电极施加RF功率并把工艺气体激励成等离子状态，在等离子蚀刻室中蚀刻半导体基片，其中，向加热器施加的功率和向喷淋头式电极施加的功率，在电上被热通道单元相互隔离。
附图说明
图1、2、4、和5，画出喷淋头式电极组件的优选实施例。
图3画出操作喷淋头式电极组件的优选方法。
图6画出操作优选的喷淋头式电极实施例时的温度。
图7画出喷淋头式电极温度对示例性光刻胶蚀刻速率的作用。
图8画出用C4F6/O2蚀刻气体时，喷淋头式电极温度对示例性光刻胶蚀刻速率的作用。
图9a-d是形成图形的光刻胶以80,000×放大率拍摄的显微照相。
图10和11画出气体分配单元的优选实施例。
图12画出子配件附件的优选实施例。
具体实施方式
控制等离子参数，诸如等离子化学性质、离子能量、密度、和分布、电子温度、等等，对改变等离子处理结果是必要的。除这些参数控制之外，约束等离子的等离子室中表面的温度，可以用来控制等离子的化学性质，从而控制半导体基片上，例如晶片上等离子处理的结果。
等离子蚀刻过程(例如氧化物蚀刻)中使用的喷淋头式电极的温度，可以在大范围上变化。当用单个晶片的等离子蚀刻室，蚀刻一系列晶片时，已经观察到，射频(RF)供电的喷淋头式电极各部分的温度随时间变化，且由于RF供电的喷淋头式电极产生的热，使喷淋头式电极中央部分变得比边缘部分更热。例如，喷淋头式电极中央与边缘之间的温度差，能够达到约100℃或更高。这种温度的变差当以更高功率(如3,000到6,000瓦)运行淀积时，更为显著，并可导致等离子蚀刻不均匀。因此，降低RF供电的喷淋头式电极温度中的变差，能够在生产运行过程中，提供晶片更均匀的等离子蚀刻。此外，在生产运行过程中，维持RF供电电极的最小温度，能够改进光刻胶的选择性。
有鉴于RF供电的喷淋头式电极的温度，由于使用过程产生的热而起伏，所以提供加热器，使RF供电的喷淋头式电极中央与边缘部分，维持在必要的温度范围内，如小于50℃，最好是，从中央到边缘的温度变差，小于25℃。通过加热RF供电的喷淋头式电极，并与温度控制单元，例如室的上壁(顶板)的冷却结合，能够在等离子处理设备的操作过程中，在RF供电的喷淋头式电极中提供理想的温度分布。按照一个优选实施例，喷淋头式电极中央部分与边缘部分之间的温度差，能够维持在有效地改进等离子处理均匀性的范围，诸如氧化硅电介质材料中等离子蚀刻的高的宽深比开孔。
在一个优选实施例中，等离子处理设备包括：加热器、温度受控散热器、和喷淋头式电极，这里的喷淋头式电极是RF供电的。本实施例的等离子处理设备，通过喷淋头式电极的主动加热和主动冷却，能实现喷淋头式电极的温度控制。
图1按照第一实施例，画出等离子处理设备100的断面视图，该设备100包括加热器和上喷淋头式电极温度控制系统。在图1中，提供的等离子处理设备100，有加热器700和温度控制器900，该加热器700位于真空室150中。
如在图1所示，真空室150，例如等离子蚀刻室，其内包括上喷淋头式电极200和基片支承300，上喷淋头式电极200和基片支承300被空隙400分开，基片在在空隙400内被处理。上喷淋头式电极200包括已穿孔或多孔的平面或非平面表面，用于把反应物气体分散在基片的暴露表面上。在上喷淋头式电极200之上，提供气体分配单元500，这里的气体分配单元500从真空室150之外的气体源550，向上喷淋头式电极200输送工艺气体。气体分配单元500还是导电的，并把RF功率从真空室150之外的RF功率源，分配给上喷淋头式电极200。
还有，如在图1中所示，加热器700放在气体分配单元500水平伸延部分之上，这里，加热器700通过气体分配单元500和导热的绝缘体600，向上喷淋头式电极200提供热，这里，绝缘体600设在加热器700和气体分配单元500之间。绝缘体600是导热的电绝缘体，作用是使加热器700与气体分配单元500在电上绝缘，同时使热从加热器700传导到气体分配单元500。这样，通过气体分配单元500传递的RF功率，在电上与送至加热器700的功率隔离，同时仍然让热在加热器700与上喷淋头式电极200之间传导。
为了控制上喷淋头式电极200的温度，提供温度控制器900，该温度控制器900使用任何合适温度监控配置，例如至少一个温度传感器950，测量上喷淋头式电极200的温度(T)。温度传感器950可以包括光纤温度感测元件，放在上喷淋头式电极200后侧附近，或者，温度传感器950可以通过热传导与上喷淋头式电极200连接。例如，如在图1中所示，温度传感器950被置于紧邻上喷淋头式电极200边缘部分。温度控制器900可以根据温度传感器950提供的、表示上喷淋头式电极200温度T的数据/信号，确定上喷淋头式电极200的温度是否必须增加到预定的温度(Tp)。如果T小于Tp，温度控制器900可以启动功率源250，向加热器700提供功率，从而增加加热器700的温度，加热器700接着使上喷淋头式电极200的温度增加。
加热器700可以由交流电流(AC)或直流电流(DC)功率源250供电，如上所述，这里的AC或DC功率源250，受温度控制器900控制。
还有，如在图1中所示，加热器700由温度控制顶板800支承，温度控制顶板800形成该室的真空密封上壁。顶板800在电上接地，并可以设有流体控制设备850，该流体控制设备850也受温度控制器900控制，并可以包括温度深冷器，使流过顶板800的流体冷却。另外，顶板800可以不用流体控制设备850，按连续或不连续的方式冷却。例如，可以让水连续地流过顶板800，不用流体控制设备850。
如果使用温度控制器900，顶板的温度能够按需要调节。例如，如果T大于Tp，温度控制器900可以使流体控制设备850让冷却流体流过顶板800，以冷却加热器700，然后，如在下面所述，加热器700作为上喷淋头式电极200的散热器，从而冷却上喷淋头式电极200。但是，通过顶板800的流体可以连续地循环，而流体的温度可以可供选择地升高或下降，和/或根据温度控制器900的指令，增加或降低流体的流速。
此外，如在图1中所示，上部的电绝缘体630可以用于使顶板800与气体分配单元500在电上绝缘。同样，包围上喷淋头式电极200及气体分配单元500侧面的电绝缘体620、640，被用于使上喷淋头式电极200与加热器700在电上绝缘。
基片支承300包括下电极和在其上表面的可供选择的静电吸盘(ESC)，该基片支承300的上表面，在该设备100中与上喷淋头式电极200相对。相应地，接受等离子处理的基片，可以用或不用机械方法或静电方法夹紧在基片支承300的上表面。
在第二个实施例中，如图2所示，设备100可以采纳气体分配单元500而不用加热器700，这里的气体分配单元500，在设备100内可以与等离子蚀刻室的其他部分是RF绝缘的。在本实施例中，气体分配单元500能够用绝缘体600实现RF绝缘，和/或当需要让RF穿透气体分配单元500时，用其他绝缘单元来实现RF绝缘。
还是在第二实施例中，气体分配单元500包括板505和沿轴向伸延的单元508，这里的轴向伸延单元508包括RF连接，用于接纳与RF功率源570电连接的电缆。这样，单元508用于把RF功率源570的RF功率，分配到板505，然后通过板505与上喷淋头式电极200之间的接触点，送至上喷淋头式电极200。例如，板505可以包括多个环形凸块，与上喷淋头式电极200的后侧接触。
轴向伸延单元508另外的作用，是把气体源550来的工艺气体，分配到板505与上喷淋头式电极200之间的一个或多个储气室(plenum)。这样，RF功率与工艺气体两者，通过气体分配单元500，输送到上喷淋头式电极200。通过气体分配单元500输送RF功率，能够更均匀地把RF功率输送到上喷淋头式电极200之上，以便降低上喷淋头式电极200暴露表面上从中央到边缘的温度变差。还有，通过单元500输送工艺气体，能够以需要的流速向室中一个或多个区运送工艺气体。
在图3中，画出操作第三优选实施例设备100的优选方法。如在图3中所示，该方法以把晶片插入支承300的步骤1100开始。下一步，在步骤1200中，上喷淋头式电极200中的温度传感器950，测量上喷淋头式电极200的温度。
下一步，在步骤1300中，温度控制器900把测量的温度(T)与预定温度范围(Tp)比较，这里的预定温度范围，对应于上喷淋头式电极200需要的温度。如果T小于Tp，则在步骤1320向加热器提供功率，以便使上喷淋头式电极200加热预定的量，然后重复步骤1200，确定向加热器700输送的功率量是否合适。如果T大于Tp，则在步骤1340中，使冷却流体流过顶板，然后重复步骤1200，确定流过顶板800的冷却流体量是否合适。如果T大致与Tp相同，则在步骤1400中处理晶片，然后在步骤1600确定是否有另一晶片等待处理之前，在步骤1500移出晶片。如果没有另一晶片等待处理，过程在步骤1700结束，但如果有另一晶片等待处理，则重复该过程并在步骤1100中把晶片插入。
应当指出，温度控制器可以是任何类型的信息处理器，诸如可独立应用的计算机或内部逻辑开关。
还应当指出，提供的功率量和冷却流体量，可以按需要改变，取决于过程及操作条件。例如，如果T比Tp小得多，则在步骤1320向加热器提供的功率，可以比T略小于Tp时提供的功率更多。
第三实施例画在图4。在图4中，除去第一实施例的部件外，图示的上喷淋头式电极200还设有支撑单元220(例如粘合于电极200上的石墨板高弹体)，这里的气体分配单元500附着于支撑单元220(例如，单元500可以用螺栓或其他扣件，与单元220扣紧)。举例说，可以用支撑单元220增强电极200的结构性支承，并能附着于有啮合螺栓的气体分配单元500上，下面还要讨论。此外，除上述上部及侧面电绝缘体630、640之外，还有电绝缘的辅助绝缘体650，设在轴向伸延单元508的外侧区和加热器700与顶板800的内侧区。
在第三实施例中，支撑单元220最好用高弹体接合，附着于上喷淋头式电极200的后侧(例如，见共同转让的美国专利U.S.Patent Nos.6,194,322 B1和6,073,577，这些专利这里全文引用，供参考)。单元220包括与上喷淋头式电极200中气体通路206对准的气体通路226，以便使气体流进空隙400。顶板800形成可更换并真空密封的设备100的上壁，同时起散热器的作用，该顶板800与加热器700结合，控制上喷淋头式电极200的温度。
支撑单元220最好由化学上与工艺气体相容的材料制成，该工艺气体在等离子处理室中用于处理半导体基片；支撑单元220的热膨胀系数，最好与电极材料密切匹配；和/或支撑单元220是导电和导热的。能用于制作支撑单元220的优选材料，包括，但不限于，石墨和碳化硅(SiC)。
第三实施例还以包围电极200的接地电极250为特征。该外部电极单元250对更大的晶片处理，如300mm晶片的处理，是有用的，且外部电极单元250还紧邻绝缘体600和侧面电绝缘体640，在外部电极单元250上设有支撑环260及电接地环270。这种电极配置的细节，可以在共同转让的美国专利申请U.S.Patent Application No.10/645,665中找到，这里引用该专利的主要内容，供参考。在需要时，该室可以包括包围空隙400的等离子约束配置，其细节可在共同转让的美国专利U.S.Patent No.6,602,381 B1和U.S.Patent No.5,534,751中找到，这里全文引用这些专利，供参考。
还有，如在图5中所示，该图是图4的放大部分，图上画出支撑单元220与气体分配单元500之间的接触点520，是从气体分配单元500向着上喷淋头式电极200和支撑单元220的隆起。画出的接触点520在图5中的断面，是从气体分配单元500凸出的同心环。但是，接触点520可以是连续的或不连续的环，分开的个别点或任何其他形状的能传输RF功率并使热从中传导的单元。如果用连续的接触点环，可以在环内提供孔道，供气体在环与喷淋头式电极后侧之间形成的储气室间流通。相反，如果不需要交叉流通，从而在接触点环一侧的气体要与环另一侧的气体隔离，则可以省去孔道。例如，如在图4中所示，三个同心环设在气体分配单元500与上喷淋头式电极200之间。
气体分配单元500的每一接触点520，可以有依赖于需要的RF量和热传导性的接触面积，以及从气体分配单元500把气体输送到上喷淋头式电极200需要的面积。例如，如在图5中所示，气体分配单元500与支撑单元220之间的储气室，能使其间容纳气体通路，同时接触点520有利于RF和热传导性。
最好是，接触点520在气体分配单元500与上喷淋头式电极200之间提供的接触面积，占气体分配单元500总表面面积的0.1％到99.9％的量级，例如1到5％、5到15％、15到30％、30到45％、45到60％、60到75％、75到90％、或90到99.9％。
在一个示例性实施例中，接触点520是作为四个整体形成的连续环提供的，每一个为0.5英寸宽。在该实施例中，在外直径为12.2″的气体分配单元500上，第一环的内直径约2.5″，外直径为3″，第二环的内直径约5″，外直径为5.5″，第三环的内直径约8″，外直径为8.5″，第四环的内直径约11″，外直径为11.5″，这里的上喷淋头式电极200，与气体分配单元500有大致相同的直径。在本实施例中，接触面积的范围，从气体分配单元500总面积的15到20％。
此外，上喷淋头式电极200可以有少量气体出口，或任何需要的尺寸或结构的许多气体出口，取决于反应器和/或在其中实施的过程，这里的空隙40可以有任何需要的间隔，例如1″到10″、2″到5″、或3″到6″。举例说，如果空隙大，例如约6cm或更大，可以只在上喷淋头式电极200中央提供少量气体出口，而在气体分配单元500与上喷淋头式电极200之间提供高的接触面积，例如在90％以上，诸如99％。
此外，还画出啮合螺栓225，这里的啮合螺栓225把上喷淋头式电极200与支撑单元220固定于气体分配单元500上，这里，气体分配单元500支承支撑单元220与上喷淋头式电极200。举例说，穿过单元500的啮合螺栓225，可以旋进单元220中的螺纹孔。
除使用加热器700、顶板800、温度传感器950、功率源及温度控制器900外，还通过控制温度在加热器700与顶板800之间的传导，可以进一步控制电极200的温度。
例如，如在图5中所示，加热器700可以包括形成热阻塞板(choke)750的凸块，或者，设备100可以包括与加热器700分离的热阻塞板750，该阻塞板最好是阻塞环。两种形式中任一形式的热阻塞板750，在加热器700与顶板800之间，提供对抗热流的阻力和防止热传导，这里，为了控制热流，可以调整热阻塞板750的大小和材料。例如，热阻塞板750可以更窄，或如果需要热流时，可以用较低热传导的材料制成。
最好是，热阻塞板750按一定尺寸制造，以控制热的传导率，这里，热阻塞板750与加热器700之间的接触面积，可以占加热器700面积的1％到100％的范围，例如1到5％、5到15％、15到30％、30到45％、45到60％、60到75％、75到90％、或90到100％。
在一个示例性实施例中，接触点520是作为三个分立的连续环提供的，每一个为1英寸宽。在该实施例中，在内直径为3″，外直径为16.7″的加热器700上，第一环的内直径为3″，外直径为4″，第二环的内直径为10.5″，外直径为11.5″，第三环的内直径约15.6″，外直径为16.6″。在本实施例中，热阻塞板750与加热器700之间的接触面积范围，占加热器700总面积的20到25％。
热阻塞板750可以由任何材料制成，但最好由热传导性与或比加热器700和/或顶板800使用的材料相同或更低的材料制成。例如，热阻塞板750可以由铝或不锈钢制成，但在加热器700和顶板800由铝或铝合金制成的情形下，最好由不锈钢制成，不锈钢有更低的热传导性。
还有，在热阻塞板750与加热器700成一整体的情形下，加热器700可以附着于有扣件的顶板800上，该扣件通过顶板800中加大尺寸的开孔(未画出)伸延，并进入热阻塞板750表面有螺纹的开孔。在热阻塞板750是与加热器700分开的构件的情形下，热阻塞板750可以如上面指出那样附着于顶板800上，而穿过热阻塞板750中开孔的辅助螺栓，可以旋进加热器700中有螺纹的开孔。
当附着的螺栓没有在顶板外侧密封的情形下，附着于热阻塞板、加热器、和喷淋头式组件的点，可以限于已真空密封的面积。举例说，如在图5中所示，这种已用O型环95真空密封的面积，可以设在加热器700与顶板800之间。O型环也可以放在各种部件之间。例如，可以用O型环在顶板800与加热器700之间、加热器700与绝缘体600之间、绝缘体600与气体分配板500之间、和/或加热器700与电接地环270之间，建立真空密封面积。
还有，如上所述，上喷淋头式电极200最好是RF供电的。但是，上喷淋头式电极200(和下电极)可以电接地或提供功率的，这里的功率最好由射频(RF)或直流(DC)功率源提供。对等离子处理，最好一个电极是由两种或更多种频率(例如2MHz和27MHz)的RF功率，提供RF功率，而另一个电极接地。例如见共同转让的美国专利U.S.Patent No.6,391,787，这里引用其全部公开的内容，供参考。
在第四实施例中，控制上喷淋头式电极的温度，使有图形的光刻胶(PR)的开孔中的条纹最小，这些开孔用于蚀刻诸如氧化硅层中的线条，举例说，诸如高宽深比触点(HARC)的线条。蚀刻窄线条中引起的一个问题是，可能在上面覆盖的PR侧壁上出现条纹。条纹是垂直地不规则伸延的，导致粗糙的PR侧壁。因为PR是用作蚀刻掩模的，这种不规则性被转印到下面的层。对下面的层，诸如氧化硅层中的条纹，造成难以把材料，诸如金属填充进已蚀刻的线条中，从而引入与不规则形状的线条有关的可靠性和性能方面的问题。为此，需要提供一种对光刻胶有选择性的、不会产生蚀刻停顿的、和降低条纹出现的氧化蚀刻过程。
可以把上喷淋头式电极的温度维持在已升高的温度上，使PR的蚀刻速率最小，从而使PR的损耗和PR中的条纹度最小。例如，如在图7中所示，通过使用与上喷淋头式电极200组合的加热器700，使示例性上喷淋头式电极的温度，从约75℃增加到约225℃，导致PR上聚合物的淀积和聚合物构成，亦即PR的蚀刻速率，从约20
Figure G05813782120070510D000111
/分钟降低到约负的540
Figure G05813782120070510D000112
/分钟，这里负的蚀刻速率对应于PR上聚合物的淀积和聚合物构成。
这种情况进一步演示在图8中，图上画出示例性上喷淋头式电极温度对相应的PR蚀刻速率的作用。在图8中，通过有图形的PR中的开孔，输送在氧化硅层中蚀刻线条的C4F6/O2蚀刻气体，这里的上喷淋头式电极的温度范围，从约20℃到80℃，且喷淋头的温度是在其边缘区测量的。在图8中表明，PR的蚀刻速率，从以20℃使用喷淋头式电极的约250
Figure G05813782120070510D000113
/分钟，降低至负的蚀刻速率(即聚合物构成)，自从以80℃使用喷淋头式电极后，蚀刻速率变成负1000
Figure G05813782120070510D000114
/分钟。
再有，图9a-d是显微照相，表明上喷淋头式电极温度对条纹作用的各个例子(图9a是70℃，图9b是90℃，图9c是105℃，和图9d是130℃)，这些条纹是在蚀刻过程中引起的。在图9a中，是例子中的最低温度70℃，与例子中的次最低温度90℃的图9b比较，围绕PR中开孔的周边的条纹，在更高喷淋头式电极温度下降低了。这一点在图9c和9d中再次被证明，这两个图逐渐地继续使温度分别增加到105℃和130℃，同时也表明，由于上喷淋头式电极温度的增加，围绕PR中开孔周边的条纹降低了。
这样，有升高的温度的上喷淋头式电极，能够在等离子蚀刻过程中，导致PR中形成的条纹缩减。
A.加热器
加热器700可以包括任何类型的主动加热器。最好是，加热器700包括有至少一块隔热元件的金属板，这里的隔热元件使板加热，对上喷淋头式电极200提供均匀的加热。虽然任何加热器配置都可以使用，但隔热元件与热传导板组合使用是优选的，这里的板最好由金属材料制成，诸如铝、铝合金等等，板最好通过机械加工，形成与上喷淋头式电极200相容的形状。例如，加热器700可以在铸铝合金板中包括至少一块隔热元件。
按照一个优选实施例，当温度控制器900操纵功率源250向加热器700传输功率时，加热器700提供热，这里的温度控制器，能够通过控制功率源250，改变加热器的循环时间和加热状态。例如，加热器700可以用约高达7000瓦，以10或12秒的脉冲周期提供功率，使跨越上喷淋头式电极200的温度维持在阈值温度，例如80℃到200℃，比如100℃到120℃、120℃到140℃、140℃到160℃、或160℃到180℃。
加热器700最好与顶板800以预定的热界面性质实现热接触(即，加热器间接地接触顶板，或者，可以把热传导材料置于加热器和顶板之间)。这些热界面性质能使加热器700与顶板800组合，控制上喷淋头式电极200中的温度。应当指出，加热器700还可以作为热通道的一部分使用，用于按需要从上喷淋头式电极200排出热，这里的加热器700接着能够通过顶板800冷却。加热器700也可以附着于有扣件的顶板800，该扣件可以通过顶板800中的开孔(未画出)，从室的外侧伸延，以便使顶板800支承加热器700。
加热器700也可以在等离子处理基片过程中启动，就是说，当上喷淋头式电极200和下电极之间正在产生等离子时启动。例如，在等离子处理利用相对低电平的功率产生等离子的操作过程中，可以启动加热器700，以维持上喷淋头式电极200温度在需要的温度范围内。在利用相对高功率电平的其他等离子处理操作过程中，诸如电介质材料蚀刻过程中，上喷淋头式电极200的温度，在持续运行间可能仍然足够高，使加热器700无需为防止上喷淋头式电极200落到最小或阈值温度以下而启动。
在等离子处理设备中，由于对上喷淋头式电极200提供的RF功率而产生的热，可以使上喷淋头式电极200不用加热器而改变温度。在优选的等离子材料设备中，可以使用加热器700与顶板800的组合，把上喷淋头式电极200维持在预定温度以上的阈值温度，如在80℃或以上、在100℃或以上、或甚至在150℃或以上，取决于等离子处理的要求及上喷淋头式电极200产生的热量。最好是，在整个初始晶片生产性运行的处理过程中，使用加热器700与顶板800的组合，以达到并维持上喷淋头式电极200的阈值温度，或在生产性运行中对每一被处理晶片，维持阈值喷淋头式电极温度，其中，一批晶片在室中被逐个处理。
为了使加热器700与顶板800之间相对表面因不同热膨胀而产生的磨损最小，可以在加热器700与顶板800相对表面之间提供润滑材料700。另外，可以在热阻塞板750与加热器700相对表面之间，和热阻塞板750与顶板800相对表面之间提供润滑材料。例如，如在图5中所示，一层润滑材料760可以放在加热器700上表面与顶板800下表面之间。最好是，润滑材料的位置，放在由O型环密封圈定义的真空密封圈的大气一侧。
润滑材料760最好有低度的接触阻力，以便使相对表面之间运动产生的磨损最小。此外，润滑材料760最好有足够的热传导性，为从加热器700到顶板800和/或热阻塞板750，提供充分的热传递。应当指出，润滑材料760也可以在别的部件表面上使用，诸如在加热器700与绝缘体600相对表面之间、和/或在气体分配板500与上喷淋头式电极200之间。
能够提供这些性能的优选材料，是石墨材料，诸如“GRAFOIL”，它可从Cleveland，Ohio的UCAR Carbon Co.，Inc.购得。润滑材料760最好是有推荐厚度约0.01英寸到约0.06英寸的密封垫，厚度约0.03英寸更好。润滑材料760最好是环状密封垫，夹持在部件表面形成的环形凹槽中，举例说，例如在加热器700与热阻塞板750之间，和/或在热阻塞板750与顶板800之间。
加热器700包括加热元件，加热元件最好是金属加热元件，或有耐热材料置于聚合物材料相对层之间的叠层板。例如，金属加热元件可以是在铸造金属加热器中的加热元件，或在加热器中形成的孔道中的加热元件。另外，如果使用叠层板加热元件，叠层板应能耐受加热器700达到的高达200℃的温度。应当指出，如果使用叠层板加热元件，绝缘体600可以选作叠层板加热元件中的叠层板材料，起电绝缘体的作用。一种可以用在叠层板中的示例性聚合物材料，是以商标Kapton
Figure G05813782120070510D000141
出售的聚酰亚胺，可从E.I.Du Pont de Nemours andCompany购得。
加热器700可以有一个或多个加热元件，排列成任何合适的图形，该图形是为跨越上喷淋头式电极200的均匀加热提供的。例如，加热器700可以有规则或不规则的耐加热线路，诸如“之”字形、S形、或同心图形。
B.顶板
顶板800最好与加热器700组合工作，以控制上喷淋头式电极200的温度，这里借助穿过加热器700的热通道，可以用顶板800来冷却加热器700和/或上喷淋头式电极200。顶板800最好由铝或铝合金制成，尽管任何热传导材料也可以使用。在安装时，喷淋头式组件最好在室内盖住顶板800的下侧。
顶板800包括一个或多个流体通路，温度控制流体可以通过这些通路循环。温度控制流体最好是热传递流体(液体或气体)，诸如，举例说，去离子水。此外，顶板800最好起电接地的作用，同时也起散热器的作用，对设备100、加热器700、和/或上喷淋头式电极200来说，散热器作用可能是需要的。
C.温度传感器
设备100可以包括一个或多个温度传感器950，例如热电偶或光纤装置，用于监控上喷淋头式电极200的温度。在一个优选实施例中，温度传感器950被温度控制器900监控，后者控制从功率源250到加热器700的功率，和/或作为监控温度的一种功能，控制来自流体控制850的流体通过顶板800的流量。因此，温度传感器950向温度控制器900提供的数据，能使温度控制器900启动功率源250或流体控制850，以连续或间歇方式，分别向加热器700和/或上喷淋头式电极200输送功率或冷却流体，以便使上喷淋头式电极200加热、冷却、或维持在或围绕预定温度或温度范围。作为主动加热和/或冷却的结果，可以防止上喷淋头式电极200下降至预设最小温度或阈值温度以下，或增加至预设最大温度以上，也可以使上喷淋头式电极200保持在或围绕在预定温度上。
D.气体分配单元
如上所述，设备100还可以包括气体分配单元500，位于上喷淋头式电极200之上，并与上喷淋头式电极200实现流体流通。最好是，通过与气体分配单元500组合地使用上喷淋头式电极200，工艺气体被传输至待处理基片上的一个或多个气体分配区。此外，气体分配单元500可以用于把气体分配至上喷淋头式电极200后侧，无需用隔板来控制气流。例如见共同转让的美国专利U.S.Patent No.6,508,913，该专利公开一种气体分配系统，用于处理半导体基片，该系统包括多个气体源和气体输送线路，把混合气体传递到室中各区，这里引用其全部公开的内容，供参考。
气体分配单元500的优选实施例，在图10画出，其中的气体分配单元500包括：沿轴向或沿侧向伸延的圆形金属板505，和沿轴向伸延的圆柱形轴套508，该两者最好用铝制造并在接触面积170上共轴对准，以便向轴向伸延的轴套508提供的气体，能够通过金属板505到达喷淋头式电极200后侧一个或多个储气室。轴套508和板505能够由单件材料或多件材料形成，该多件材料被粘合或机械上紧固在一起。如在图4中所示，轴向伸延的轴套508和金属板505，可以是一件材料。另外，板505可以包括粘合或机械上紧固在一起的两块重叠的板，例如，另一块金属板106可以附着于板505的下表面，其间有气体孔道，以便通过板106中的出口，把工艺气体送进金属板106及电极200之间的储气室，如在图4中所示。另外，轴向伸延的轴套508和分开的金属板505，可以包括气体分配板500，如图1和2所示。
还有，如在图2和5中所示，气体分配单元500可以用于把RF功率从RF功率源570传递到上喷淋头式电极200，例如来自RF发生器的RF功率，可以经附着于与轴套508上RF输入连接的电缆输送，这样，RF功率可以通过轴向伸延的轴套508、金属板505、并跨越上喷淋头式电极200输送。
在一个优选实施例中，金属板505包括通过它的体积的交叉钻孔，以便形成环形分配管道151、与管道151实现流体流通的沿径向伸延的气体通路160、和与通路160实现流体流通的沿轴向伸延的气体出口115、122、125。例如见图10和11。类似地，轴向伸延的轴套508，也最好通过它的体积钻孔，形成一个或多个轴向伸延的气体给气孔110、120，如图10中所示。用气体给气孔110、120，管道151，气体通路160和出口115、122、125，气体分配单元500可以向在上喷淋头式电极200后侧的一个或多个储气室，提供气体分配，这里的气体通路160通过管道151，与轴向伸延轴套508中一个或多个气体给气孔110、120连接，如图10中所示。这样，不同的工艺气体化学组分和/或流速，能够加于跨越待处理基片的一个或多个区。
在一个实施例中，能够不用隔板而实现气体流量分配，例如，设备100可以包含控制点128，控制从气体源550到出口115、122、125的气体流量。这些控制点128，最好是尾部收缩板，该尾部收缩板能控制流过控制点128的气体量，从而控制流过出口115、122、125的气体量，如在图10中所示。
最好是，气体分配单元500包括与上喷淋头式电极200接触的一个或多个气体密封圈或阻挡物，以便通过气体通路，引导气体进入上喷淋头式电极200后侧一个或多个储气室。例如，如图10中所示，金属板505下侧与上喷淋头式电极200后侧之间的O型环阻挡物180，可以用于建立金属板505与上喷淋头式电极200之间的储气室，如中央储气室190和外部储气室195。
气体源550可以向上喷淋头式电极200后侧各个储气室，提供一种或多种独立的气体或气体混合物。例如，可以按不同流速，向内部的和外部的储气室输送相同工艺气体，和/或输送不同的气体或气体混合物，以便在半导体基片处理过程获得空隙400中需要的工艺气体分配。
E.绝缘体
本设备还可以包括绝缘体600，它最好是热传导但电绝缘的，更为可取的是陶瓷的，诸如氮化铝或氮化硼。该绝缘体600对帮助把加于上喷淋头式电极200的RF功率，与其他功率源及与其他功率源关联的如加热器700等其他导电部件隔离，是有用的。因此，绝缘体600能使加热器700在电上被隔离，但置于与上喷淋头式电极200热接触的位置，使上喷淋头式电极200能够被加热，但降低加热器的AC或DC功率与上喷淋头式电极200的RF功率之间的电干扰。
绝缘体600的大小最好基本上充满气体分配单元500与加热器700之间区域，但也可以形成包括第二部分620的形状，该第二部分620用于使气体分配单元500的外边缘区绝缘。然而，绝缘体600的形状，最好能使加热器700及诸如顶板800等其他导电部件，与加于上喷淋头式电极200的RF功率及关联的导电RF输送通路绝缘，导电通路例如是气体分配单元500。
此外，绝缘体600的大小最好能对预定的功率电平，提供预定的电绝缘度。例如，设在2300 ExelanTM等离子室中的绝缘体层600，可以按厚度在0.2到1.0英寸之间的尺寸制造，较可取是在0.3到0.8英寸之间，如0.5到约0.75英寸。
F.子配件
为了在结构上支承设备100的部件，采用机械扣件把部件夹持在彼此相对的准确位置。最好用金属螺栓作为机械扣件，这里的螺栓用于固定设备100内每一部件。最好是，用两个分开的子配件来简化设备100的部件，也有利于设备100内部件的维护及更换。
为了形成第一子配件，用穿过气体分配单元500进入喷淋头式电极200后侧有螺纹的开孔，或有螺纹的镶嵌件的螺栓，把上喷淋头式电极200附着于气体分配单元500上，该喷淋头式电极200又被穿过绝缘体600，进入气体分配单元500后侧有螺纹的开孔，或有螺纹的镶嵌件的螺栓，附着于绝缘体600上。为了形成第二子配件，热阻塞板750用穿过顶板800进入热阻塞板750后侧有螺纹的开孔，或有螺纹的镶嵌件的螺栓，栓接在顶板800上，然后顶板800用进入加热器700后侧有螺纹的开孔，或有螺纹的镶嵌件的螺栓，栓接在加热器700上。之后，用穿过顶板800和加热器700，进入绝缘体600后侧有螺纹的开孔，或有螺纹的镶嵌件的螺栓，把第一子配件附着于第二子配件。一般说，第二子配件准备比第一子配件使用更长的周期，就是说，第一子配件能够更换，而第二子配件仍然留在设备中。
此外，如上所述，最好在设备100中各个部件相对表面之间的真空可密封区，提供润滑材料，使磨损最小。
最好是，如在图12中所示，第一子配件1000包括螺栓225和螺栓930，螺栓225用于把上喷淋头式电极200紧固在气体分配单元500中，螺栓930用于把气体分配单元500紧固在绝缘体600中。还有，第二子配件1100最好包括螺栓940和螺栓910，螺栓940把顶板800紧固在热阻塞板750中，螺栓910把顶板800紧固在加热器700中。另外，在把热阻塞板750栓接于顶板800之前，可以用螺栓950把热阻塞板750栓接在加热器700上。
在一个优选实施例中，如在图12中所示，子配件1000、1100各部分，包括位于该各部分下表面梯形开孔中的扣件900，可使螺栓从上面覆盖部分，穿过对准孔并旋进扣件。这种扣件的细节，在共同转让的美国专利申请U.S.Patent Application Serial No.10/623,540中提供，这里引用其全部主题内容，供参考。
虽然本发明已经参考具体的实施例详细说明，但显而易见，本领域熟练人员可以作出各种改变和修改，并采用其等效的内容，却不偏离附于后面的权利要求书的范围。

Claims (38)

1.一种喷淋头式电极组件，包括：
喷淋头式电极，适合安装在真空室内部温度受控上壁下方并由射频(RF)能量提供动力；
附于喷淋头式电极的RF分配单元，其中，该RF分配单元包含适合沿轴向伸进真空室的该温度受控上壁的开孔中的第一部分，该RF分配单元还包含在喷淋头式电极上沿侧向伸延的第二部分，以提供到达喷淋头式电极上多个接触点的RF路径，其中该多个接触点提供了在该第二部分的下表面和该喷淋头式电极的后表面之间轴向延伸的侧向间隔的热通道，且其中该RF分配单元包括第一和第二轴向延伸气体通路，该气体通路能够向该喷淋头式电极的后侧和该RF分配单元之间的分散的中央和环形储气室输送工艺气体，其中该第一轴向延伸气体通路适合将第一气体源与该中央储气室连接，而该第二轴向延伸气体通路适合将第二气体源与围绕该中央储气室的该环形储气室连接；和
热通道单元，附于RF分配单元上，并适合在真空室的上壁与RF分配单元的第二部分之间，向喷淋头式电极提供至少一部分热通道；
其中该温度受控上壁连同该热通道单元适合将该喷淋头式电极的温度维持在预先设定的温度范围内。
2.按照权利要求1的喷淋头式电极组件，其中的热通道单元包括导热的电绝缘体。
3.按照权利要求2的喷淋头式电极组件，其中的热通道单元包括氮化物材料。
4.按照权利要求2的喷淋头式电极组件，其中的热通道单元包括氮化铝板或氮化硼板。
5.按照权利要求1的喷淋头式电极组件，还包括加热器，该加热器形成真空室的温度受控上壁与喷淋头式电极之间热通道的至少一部分。
6.按照权利要求5的喷淋头式电极组件，其中该组件还包括一个或多个包围RF分配单元与喷淋头式电极的电绝缘单元。
7.按照权利要求5的喷淋头式电极组件，其中的加热器与喷淋头式电极，都连接到温度控制器。
8.按照权利要求5的喷淋头式电极组件，还包括面对上壁的加热器表面上的热阻塞板。
9.按照权利要求5的喷淋头式电极组件，其中的加热器包括金属体及隔热元件。
10.按照权利要求5的喷淋头式电极组件，其中的加热器包括置于聚合物材料相对着的层之间的隔热材料。
11.按照权利要求5的喷淋头式电极组件，其中的加热器包括交流或直流供电的加热元件。
12.按照权利要求5的喷淋头式电极组件，还包括多个热阻塞板，这些热阻塞板在加热器和温度受控上壁之间，提供至少一部分热通道。
13.按照权利要求5的喷淋头式电极组件，其中的热通道单元，与加热器及RF分配单元接触。
14.按照权利要求1的喷淋头式电极组件，其中的RF分配单元，包括圆形金属板和与该板共轴的沿轴向伸延的轴套，其中沿轴向伸延的轴套包括该第一和第二轴向伸延的气体通路，向金属板中一个或多个轴向伸延的气体通路输送工艺气体，该金属板与面对喷淋头式电极后侧的一个或多个气体出口连通。
15.按照权利要求14的喷淋头式电极组件，其中该第一轴向伸延气体通路，向中心管道输送工艺气体，该中心管道与该金属板中第一组轴向伸延的气体通路连通。
16.按照权利要求1的喷淋头式电极组件，其中，在RF分配单元与喷淋头式电极之间，至少一个气体密封把中央储气室与环形储气室隔离。
17.按照权利要求1的喷淋头式电极组件，其中的RF分配单元，包括RF功率输入连接。
18.按照权利要求1的喷淋头式电极组件，其中的喷淋头式电极，由单个RF功率源供电。
19.按照权利要求1的喷淋头式电极组件，其中的喷淋头式电极，包括在其一侧有气体出口的硅电极板和在其相反侧的高弹体，该高弹体粘合到与RF分配单元接触的支撑板。
20.按照权利要求1的喷淋头式电极组件，其中该接触点包括从该RF分配单元的该第二部分延伸的连续或不连续的环。
21.按照权利要求1的喷淋头式电极组件，其中该第一轴向延伸气体通路与以第一流速流动的第一气体混合物流动连通，该第二轴向延伸气体通路与第二气体混合物流动连通，该第二气体混合物与该第一气体混合物相同，但以不同于该第一流速的流速输送。
22.一种真空室，包括权利要求5的喷淋头式电极组件，还包括：
温度控制器；
功率源，响应温度控制器，向加热器输送功率；
流体控制器，响应温度控制器，向温度受控上壁输送流体；和
温度传感器装置，测量喷淋头式电极一部分或多部分的温度，并向温度控制器输送信息。
23.按照权利要求22的真空室，其中真空室的上壁是在电上接地的。
24.一种控制等离子蚀刻的方法，包括：
通过权利要求1的喷淋头式电极组件，向等离子蚀刻室输送工艺气体，工艺气体流进喷淋头式电极与支承半导体基片的下电极之间的空隙；和
在等离子蚀刻室，依靠把RF功率加到喷淋头式电极并把工艺气体激励成等离子状态，对半导体基片进行蚀刻，其中的RF功率和工艺气体，由RF分配单元输送到喷淋头式电极，该RF分配单元在电上与等离子蚀刻室其他部分隔离。
25.按照权利要求24的方法，还包括对喷淋头式电极以至少80℃的温度加热。
26.按照权利要求25的方法，其中喷淋头式电极的加热，包括加热并保持至少一部分喷淋头式电极在至少100℃的温度。
27.按照权利要求25的方法，其中喷淋头式电极的加热，包括加热并保持至少一部分喷淋头式电极在至少150℃的温度。
28.按照权利要求25的方法，其中喷淋头式电极的加热，出现在半导体基片蚀刻之前。
29.按照权利要求24的方法，其中的蚀刻包括，在半导体基片上的氧化层中蚀刻开孔，该开孔由形成图形的光刻胶定义。
30.按照权利要求25的方法，其中的工艺气体包括碳氟化合物和/或氢化碳氟化合物气体，而喷淋头式电极的加热，通过控制工艺气体氟的径向密度，降低半导体基片上光刻胶的条纹。
31.按照权利要求24的方法，其中的蚀刻，在氧化硅层中形成高宽深比的接触开孔。
32.按照权利要求24的方法，还包括对喷淋头式电极的冷却，借助热传导，沿从喷淋头式电极到该RF分配单元、该热通道单元、加热器、一个或多个热阻塞板伸延的热通道，然后进入该上壁，进行冷却。
33.按照权利要求24的方法，其中向喷淋头式电极施加的功率，包括从等离子蚀刻室外部的RF源，通过RF分配单元，又通过RF分配单元与喷淋头式电极之间的该多个接触点，向位于RF分配单元上的RF输入端，输送RF功率。
34.按照权利要求24的方法，其中气体的输送，包括把气体从RF分配单元，输送到喷淋头式电极后侧的该储气室。
35.按照权利要求24的方法，其中气体的输送，包括把第一气体混合物通过该中央储气室输送到基片及喷淋头式电极之间空隙的中央区和把第二气体混合物通过该环形储气室输送到包围中央区空隙中的环形区，该第二气体混合物不同于第一气体混合物，或者，该第二气体混合物与第一气体混合物相同，但以不同于第一气体混合物的流速输送。
36.按照权利要求24的方法，包括在等离子蚀刻室中逐个晶片的批量蚀刻，在晶片的批量处理过程中，使喷淋头式电极保持在基本一致的温度。
37.按照权利要求25的方法，其中喷淋头式电极的加热，包括加热喷淋头式电极的中央部分和边缘部分，使喷淋头式电极的中央部分和边缘部分之间的温度差别，小于50℃.
38.按照权利要求25的方法，其中喷淋头式电极的加热，包括加热喷淋头式电极的中央部分和边缘部分，使喷淋头式电极的中央部分和边缘部分之间的温度差别，小于25℃。
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