CN101451237B - 具有多个等离子体反应区域的包括多个处理平台的等离子体反应室 - Google Patents
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Abstract
一种等离子体反应室包括反应室主体，于反应室主体内设置多个处理平台。每一个处理平台内设置有一个可旋转的基片支座。每一个基片支座上方设置有一个与等离子参与反应区同位的等离子体生成区，在每一个所述的同位的等离子体生成区的上方相邻地设置有一个相应的相邻等离子体生成区，并且该同位等离子体生成区与该相应的相邻等离子体生成区相连通。射频能量源与每一个相邻等离子体生成区相连接。
Description
【技术领域】
本发明涉及等离子体反应室，或者更确切地说，涉及用于制造微型芯片、LCD面板、太阳能电池等的等离子体反应室。
【背景技术】
如今，已有多种等离子体反应室用于制造各种半导体晶片、LCD面板基板、太阳能电池等。这些反应室可以根据在其等离子体所产生的位置不同而分为三类。第一类等离子体反应室的等离子体生成区与等离子参与反应区(即，晶片放置区，于其内等离子在晶片表面进行工艺处理)同位，因而称为“同位等离子体反应室”(in situ plasma chamber)，在这种反应室中，等离子体直接产生于待处理的基片之上并直接与基片接触，由于此特性，该反应室有时也被称为“直接等离子体反应室”(direct plasma chamber)。此类反应室的一个例子可以在美国专利4,123,316中的背景技术中找到。此类反应室通常运用于直接利用等离子体对基片进行处理的场合。第二类等离子体反应室的等离子体在远离反应室的外面产生，并通过一根导管将等离子体的粒子(plasma species)引入到放有待处理基片的反应室中，此种情形下，等离子体生成区远离等离子参与反应区，因而称为“远程等离子体 反应室”(remote plasma chamber)。此类反应室的例子有：公布于1993年的德国专利申请DE 19914132559和美国专利4,138,306。此类反应室通常用于利用等离子体清洗反应室的场合，但它也可以用于对基片进行处理。第三类等离子体反应室虽然也在反应室内部产生等离子体，但是在等离子体产生区和等离子参与反应区间设有分隔装置将它们相邻地分隔开。在此方式下，产生的等离子体不能与被处理的基片直接接触，但来自等离子体的粒子(species)可以通过该分隔装置上的一些通道流向被处理的基片从而参与反应，在该种设置下，等离子体产生区和等离子参与反应区为分立设置、但相邻的两个区，因而称为“相邻等离子体反应室”(quasi-remote plasmachamber)。此类反应室的例子有关国专利4,123,316和6,192,828。相邻等离子体反应室在具体实现时也可以不用分隔装置，而只是简单将等离子发生源放置到远离基片所在区域的位置即可。如美国专利4,232,057中所述。
远程等离子体辅助化学气相沉积(remote plasma-assisted chemicalvapor deposition)是远程等离子体反应室技术的一个应用。它通常可用于在较低温度下沉积产生薄膜，并能产生高品质的薄膜，如计量薄膜(stoichiometric film)，并可通过控制气相反应路径和通过选择合适的等离子体激发源来产生需要的气体粒子来保证薄膜较高的一致性。由于基片远离等离子辉光区域(plasma glow region)，等离子体对基片的损坏可以被避免。然而，由于较低的离子轰击以及自由基的衰减降低了气体的解离反应，从而导致沉积速率较低。相邻等离子体化学气相沉积可以通过增加自由基密度，例如缩短从等离子体到达晶片的路径长度从而避免自由基的衰减，来提高沉积速率同时又可保持上述优势。
另一方面，在某些情况下成膜过程中也需要用到直接等离子体，例如，当需要特殊的薄膜属性(如高压缩应力要求)时。由于直接等离子体具有强大的离子轰击效应，此类薄膜属性可以通过同位等离子体实现。此外，为了有效地对基片或沉积的薄膜表面进行等离子体处理，以提高其界面粘附性能和薄膜稳定性能从而提高大多数铜互连工艺器件的可靠性，需要用到直接等离子体，因为其具有高的自由基密度和离子密度。此外，同位等离子体在用于高含碳材料的化学气相沉积反应室清洗时具有比远程等离子体更高的效率。
从上述分析中我们看到，互相冲突的工艺处理要求导致了看起来互不兼容的反应室设计。有些工艺处理要求在远离基片的远端产生等离子体，而另一些则要求等离子体产生后能够接触基片。因此我们需要一个反应室，既具有产生相邻等离子体的能力也具有产生直接等离子体的能力。此设计不仅可以用于形成具有令人满意的特性的薄膜，也可以用于等离子体处理，从而可以提高半导体器件的可靠性和实现有效的反应室清洗。
如希望获得更加详细的相关信息，请参考以下资料：US5,648,175、US6,124,003、US6,192,828、US6,245,396、US6,892,669、US6,427,623、US6,886,491、US6,499,425、JP53-91664、JP2601127、JP11-12742、JP53-91663、JP53-91665以及JP53-91667。
【发明内容】
本发明具体实施例中的反应室既可以使用相邻等离子体也可以使用同位等离子体进行基片处理以及反应室清洗。在不同的实施例中，也可以 通过小批量方式(mini-batch approach)来增加生产能力，即每一个反应室中包括多个处理区域，从而可以同时处理多个基片。但是，需要注意的是，本发明的某些特性并不仅限于在小批量反应室中实现。本发明更进一步的实施例提供了一个“全合一”的化学气相沉积反应室(“all-in-one”CVDreactor)，它既可以采用同位等离子体或直接等离子体化学气相沉积、热化学气相沉积、相邻等离子体化学气相沉积或等离子体增强化学气相沉积方式成膜，也可以用于对基片的同位等离子体处理(plasma treatment)以及对薄膜和等离子体反应室的清洗，或以上所述操作模式的各种组合。由于具有这些扩展功能，本反应室在这里被称为“全合一化学气相沉积反应室”。本全合一反应室可以实现为单一基片反应室，也可以实现为包括多处理平台形式以进行小批量处理(mini-batch processing)。
本发明是通过以下技术方法实现的：
本发明提供一种等离子体反应室，包括：反应室主体，于其内设置有多个处理平台；多个可旋转的基片支座，每一个所述基片支座对应设置于每一个所述处理平台中；多个与等离子参与反应区同位的等离子体生成区，每一个所述与等离子参与反应区同位的等离子体生成区位于每一个所述基片支座的上方；多个相邻等离子体生成区，每一个所述相邻等离子体生成区位于每一个相应的与等离子参与反应区同位的等离子体生成区的上方，并与该相应的与等离子参与反应区同位的等离子体生成区相连通；以及射频能量源，与每一个所述相邻等离子体生成区相连接。
本发明还提供一种等离子体反应室，包括：反应室主体；可旋转的基片支座，其设置于所述反应室主体内；第一气体传递分布装置；第二气体 传递分布装置，其与所述第一气体传递分布装置相互间隔开，并且与所述第一气体传递分布装置和所述反应室主体相互电绝缘，其中在第一气体传递分布装置与第二气体传递分布装置之间构成一相邻等离子体生成区，在第二气体传递分布装置和基片支座之间构成一与等离子参与反应区同位的等离子体生成区，所述第一气体传递分布装置将一第一处理气体输送至该相邻等离子体生成区，所述第二气体传递分布装置将一第二处理气体输送至该与等离子参与反应区同位的等离子体生成区，所述第二气体传递分布装置还将来自相邻等离子体生成区的等离子体粒子输送至与等离子参与反应区同位的等离子体生成区；射频源，其与所述第一气体传递分布装置相连接；以及切换装置，用于将第二气体传递分布装置选择性地连接至射频源或接地。
本发明进一步提供一种等离子体反应室，包括：反应室主体，于其内设置有多个处理平台；多个可旋转的基片支座，每一个所述基片支座对应设置于每一个所述处理平台中；多个第一气体传递分布装置，每一个第一气体传递分布装置对应设置于一相应的处理平台中；多个第二气体传递分布装置，每一个第二气体传递分布装置对应设置于一相应的处理区域内并与一对应的第一气体传递分布装置间隔分开，并且与该对应的第一气体传递分布装置以及反应室主体相互电绝缘，其中：在每一相应的处理区域内，在第一气体传递分布装置与第二气体传递分布装置之间构成一相邻等离子体生成区，在第二气体传递分布装置和基片支座之间构成一与等离子参与反应区同位的等离子体生成区，第一气体传递分布装置将第一处理气体输送至相邻等离子体生成区，而第二气体传递分布装置将第二处理气体输 送至与等离子参与反应区同位的等离子体生成区，第二气体传递分布装置还将来自相邻等离子体生成区的等离子体粒子输送至与等离子参与反应区同位的等离子体生成区；射频源，其与所述多个第一气体传递分布装置相连接；以及切换装置，用于将第二气体传递分布装置选择性地连接至射频源或接地。
本发明再进一步提供一种等离子体反应室，包括：反应室主体；可旋转的基片支座，其设置于所述反应室主体内；第一气体传递分布装置；第二气体传递分布装置，其与所述第一气体传递分布装置相互间隔开，并且与所述第一气体传递分布装置和所述反应室主体相互电绝缘，其中在第一气体传递分布装置与第二气体传递分布装置之间构成一相邻等离子体生成区，在第二气体传递分布装置和基片支座之间构成一与等离子参与反应区同位的等离子体生成区，所述第一气体传递分布装置将一第一处理气体输送至该相邻等离子体生成区，所述第二气体传递分布装置将一第二处理气体输送至该与等离子参与反应区同位的等离子体生成区，所述第二气体传递分布装置还将来自相邻等离子体生成区的等离子体粒子输送至与等离子参与反应区同位的等离子体生成区；第一射频源，其与所述第一气体传递分布装置相连接；以及第二射频源，其与所述第二气体传递分布装置相连接。
【附图说明】
本说明书中包含的附图，作为本说明书的一部分，示出了本发明的实施方式，并与说明书一起用于解释和描述本发明的原理和实施。附图旨在 以一种概略的方式描绘所述实施例的主要特征。附图的目的并不在于描述实际实施方式的每一详细特征，也不在于描绘所述元件的真正尺寸，并且元件不是按比例绘制。
图1根据本发明的一个实施例示出了一个具有两个反应室的系统。
图2是根据本发明的一个实施例得出的反应室剖面透视图，其中反应室顶盖位于打开位置。
图3A示出了根据本发明的一个实施例构成的一个处理平台。
图3B示出了图3A中的反应室工作于相邻等离子体生成模式的情形。
图3C示出了图3A中的反应室工作于同位或直接等离子体生成模式的情形。
图4A示出了根据本发明的一个实施例构成的另一个处理平台。
图4B示出了图4A中的反应室工作于相邻等离子体生成模式的情形。
图4C示出了图4A中的反应室工作于同位或直接等离子体生成模式的情形。
图5A和5B示出了根据本发明的一个实施例构成的再一个处理平台。
图5C和5D描述了图5A和5B中处理平台的两个变形的实现形式。
图6示出了根据本发明的一个实施例实现的一个传递分布板的范例。
【具体实施方式】
本发明的各个实施例涉及用于处理各种基片，如半导体晶片、太阳能电池晶片、LCD基片之类的等离子体反应室。此处描述的各个实施例可以与传统的自动化处理平台(conventional automated processing platforms) 联合使用。此处描述的各个实施例可以被用于，如热化学气相沉积(thermal chemical vapor deposition)、等离子体增强化学气相沉积(plasma enhanced CVD)、同位等离子体基片处理(in-situ plasmatreatment)等。在给出的实施例中，每一个反应室具有四个处理平台，可以同时进行相同的工艺处理；然而，需要指出的是，反应室也可以具有两个、三个或其它数目的处理平台。由于处理平台的数量比较少，所以此处称之为“小批量”系统(“mini-batch”system)。
图1示出了根据本发明的一个实施例给出的具有两个反应室108和110的系统100。在此实施例中，系统100用于完成对半导体基片的化学气相沉积。尽管此例中只显示了两个反应室，该具体实施例也可以采用三个反应室或采用其他设置使得系统可以包括三个以上的反应室。示意性地，图中每一个反应室108和110分别具有四个处理平台108a-108d和110a-110d。中央传输室115设有至少一个机械手臂120，它可以将晶片移入或移出每一个处理平台。每一个反应室内设置有可以沿如箭头所示方向旋转的定位臂(indexing arm)150，其可以在不同处理平台之间旋转或停止定位于每一个处理平台的正上方，从而可以将待处理的基片装载于处理平台的上方或从处理平台上卸载至定位臂150上。机械手臂120可以配合定位臂150将基片装入或移出反应室。机械手臂120通过传统的真空锁125和130接收和运输基片，真空锁125和130与传统的小型环境135相连接在一起。在小型环境135中，基片被装载到标准的晶片盒或晶片传送盒(frontopening unified pod，FOUP)140a-140c或从里面卸载出来。
容易理解，每一个反应室108、110和传送室115均具有顶盖，但均未在图中显示出来，目的是为了显示这些部件的内部细节。传送室115可以采用传统顶盖，因此此处将不对其进行讨论和显示。然而反应室108和110的顶盖是经过独特设计的，将在下面对其结合图示作说明。
请参阅图2，它示出了根据本发明的一个实施例给出的顶盖(lid)10位于开放位置时的反应室20。反应室20包括一个反应室基座40，它至少部分由主体41定义。主体41具有一个上部表面42以及一个相对的下部表面43。多个处理平台44设置于上部表面42并可以在各个处理平台内处理各自单独的基片，这将在下文中进行描述。另外，容易理解，主体41具有一个外围边界45，它可以具有各种外形并具有多种斜角。如图1中所示的配置中，三个反应室20可以围绕设置于具有五边形外形的传送室23。然而，需要说明的一点是，在本发明的其它形式中，传送室23可以具有其它外形，如六边形，这样传送室23周边可以设置四个半导体反应室20。
反应室基座40设置有多个轴孔50用于容纳基片支座315的轴312(图3A)，轴312大体上位于每一个处理平台44的中心位置。围绕每一个轴孔50设置有多个用于容纳顶针的顶针轴孔52，以与基座或基片支座315一起作用实现基片的放置与卸载。在基座40之上设置有弓形排气通道55，用于将位于反应室20的内腔21中的反应气体在处理完基片之后排出，排气通道55与导管63相连接，导管63与真空泵62相连接。需要注意的是，尽管图2示出了一种具体的排气实现结构，本发明也可以采用其它排气方案。例如，在图3A中的处理平台中，排气通过处理平台的底部来完成，并且位于每一个基片支座之下。因而，对于本发明，任何针对基片处理设计的 排气结构都是可以采用的。然而，此处描述的以及本专利其它实施例描述的一个特征是采用单个真空泵完成一个反应室中所有处理平台的排气操作。这可以在每一个处理平台中产生均匀的工艺处理压力，从而可以在所有处理平台中同时进行相同的工艺操作-即此处所指的小批量处理。
反应室顶盖10包括主体101，主体101具有顶部或外部表面102以及相对的底部或内部表面103。如图中所示，反应室顶盖100的底部或内部表面设置有一个空腔104，空腔104内安装有数个气体传递分布组件105。气体传递分布组件105和装载在其上的部件结构将在后面详细介绍单个处理平台44时进行描述。当反应室顶盖100置于关闭位置时，它可以提供对反应室内部提供充分的密封，从而形成单独的处理平台(容后详述)。需要理解的是，单独的气体传递分布组件105相对于单个处理平台44是同轴排列的。另外还需要注意的是，每一个气体传递分布组件105设置有一组小型细孔107，用于允许反应气体源被送入单个处理平台44。
图3A示出了根据本发明的一个实施例构造的一个处理平台300。该处理平台可以用于单基片反应室(single-substrate processing chamber)，也可以作为图1和图2中所示批量系统中的一个处理平台(one station in abatch system)实现。在图3A中，处理平台300由室壁(或，反应室主体)320、室底板325构成，并具有连接至真空泵的开口330以及一个顶部组件(top assembly)335。顶部组件355，对应于图2中所示的气体传递分布组件(showerhead assembly)105，包括导电性容器(conductivecontainer)345、导电性气体传递分布板(conductive block plate)355、以及导电性喷淋板(conductive showerhead plate)340，所有这些部件相互 绝缘并和室壁320也相互绝缘。导电性容器345通常作为第一气体传递分布装置或第一气体传递分布装置，用来将处理气体输送入气体箱1(图示中为气箱1)所表示的空间中，它是一个相邻等离子体发生部分。传递分布板355以及喷淋板340共同作用为第二气体传递分布装置或第二气体传递分布装置，它具有两个功能：将处理气体输送至成膜空间305以及将等离子体粒子(plasma species)及自由基(radicals)从气体箱1传送至成膜空间305。因而，气体传递分布组件105包括两个气体传递分布装置，其中，第一气体传递分布装置负责将第一处理气体引入相邻等离子体生成区域，第二气体传递分布装置负责将第二处理气体以及等离子体粒子从相邻等离子体生成区输送入与等离子参与反应区同位的等离子体生成区。在下文中，根据需要，第一气体传递分布装置将被称为导电性容器345，而第二气体传递分布装置将根据其在不同实施例中的构成被称为传递分布板355和喷淋板340等。需要说明的是，本发明中的导电性气体传递分布板355和导电性喷淋板340也可以被制造成一整块部件。相邻等离子体生成区也被称为气体箱1，而同位等离子体产生区也被称为成膜空间305。
成膜空间305由室壁320、底板325以及喷淋板340构成，并于其内放置基片310。基片310放置于基片支座315之上，在处理基片的过程中，基片支座315可以静止，也可以作有利于成膜均匀的各种移动。在本实施例中基片支座315是可以旋转的，如箭头A所示。需要说明的是，在本发明中的不同实施例中，可旋转的基片支座315可以带来至少两个显著的有益效果。首先，在工艺处理过程中，通过基片支座315旋转可以增强所沉积的薄膜的均匀性(uniformity)，薄膜的均匀性在现代半导体制造工艺中是相 当重要的；其次，基片支座315的旋转帮助实现反应室内多个处理平台的均匀的抽吸排气(pumping)。当反应室内含有多个处理平台且仅用一个真空泵来对所有处理平台抽吸排气的应用场合下，这种效果尤其明显。
在基片支座315中设置有接地的电极316。在本实施例中，两个射频发生器(高频射频发生器324以及低频射频发生器326)连接至一个射频匹配电路312，射频匹配电路312将射频能量连接至导电性容器345。高频射频发生器324可以工作于27MHZ、40MHZ、60MHZ等频率，而低频射频发生器326可以工作于KHZ范围或较低的MHZ范围，如2MHZ、13.56MHZ等。第一处理气体或来自气体供应源302的混合气体被输送入气体箱1(标号为380)，而第二处理气体或来自气体供应源304的混合气体被输送入气体箱2(标号为375)。从图3A我们可以看到，在本实施例中，第一和第二处理气体在到达成膜空间305之前一直没有混合，直到它们一起到达成膜空间305才混合。
图3A所示的反应室可以工作于两种不同的模式：相邻等离子模式以及同位等离子模式。在本实施例中，两种模式之间的切换是通过机械装置来实现的。第一可移动接触元件370具有两个可选位置，当其位于上部/断开位置(up/disengaged position)时，导电性容器345被绝缘块350将其与导电性气体传递分布板355电绝缘；反之，当其位于下部/连接位置(down/engaged position)时，导电性容器345与导电性气体传递分布板355之间电连接。第二可移动接触元件365具有两个可选位置：当其位于上部/断开位置时，导电性气体传递分布板355被绝缘块360将其与接地室 壁320之间电绝缘；反之，当其位于下部/连接位置时，导电性气体传递分布板355与接地室壁320之间电连接。
进一步参考图3A，当第一可移动接触元件370与第二可移动接触元件365同时位于上部/断开位置时，导电性容器345具有由射频匹配电路施加的电势，而导电性底板则是电气可浮地(floating)的。当第一可移动接触元件370位于上部/断开位置而第二可移动接触元件365位于下部/连接位置时，导电性容器345具有由射频匹配电路施加的电势，而导电性底板接地。当第一可移动接触元件370位于下部/连接位置而第二可移动接触元件365位于上部/断开位置时，导电性容器345与传递分布板355共同具有由射频匹配电路施加的电势。
图3B示出了图3A中的反应室工作于相邻等离子体生成模式下的情形。在图3B中，可移动接触元件370位于上部/断开位置，而可移动接触元件365位于下部/连接位置。第一处理气体或混合气体304被输入至导电性容器345，然后通过导电性容器345底板上的透气孔372进入气体箱1。高频射频频率或高频和低频射频频率的混合频率被施加至导电性容器345，导电性容器345工作为电极使气体箱1中产生等离子体放电。最终，在气体箱1中形成自由基、离子以及粒子。中性自由基(neutral radicals)以及气体粒子(gas species)通过传递分布板355的透气孔374以及喷淋板340上的匹配孔被输送入成膜空间305。第二处理气体304被输送入底板的内部空间，即气体箱2(图示为气箱2)，并通过位于喷淋板340上的透气孔被输入到成膜空间305。气体箱1中由第一处理气体等离子体激发产生的自由基和粒子以及第二处理气体在成膜空间305中混合，然后在基片310 上通过化学反应和聚合形成薄膜，或通过化学反应进行反应室清洗。值得注意的是，进行反应室清洗操作时有可能不需要使用第二处理气体。
图3C示出了图3A中的反应室工作于同位或直接等离子生成模式下的情形。在图3C中，可移动接触元件370位于下部/连接位置，而可移动接触元件365位于上部/断开位置。在此情况下，导电性容器345以及传递分布板355处于同一电势。高频射频频率或高频和低频混合频率被用于导电性容器345，并通过其连接至导电性气体传递分布板355。导电性气体传递分布板355连同喷淋板340一起作为成膜空间305中产生等离子体放电的电极。第一处理气体304被输入至导电性容器345，然后通过导电性容器345底板上的透气孔372传送到气体箱1，并从此处通过孔374进入成膜空间305。第二处理气体304被输送入传递分布板的内部空间，即气体箱2，并通过喷淋板340上的透气孔进入成膜空间305。由于等离子体是在成膜空间305内被激励形成的，自由基、离子以及粒子同时出现在成膜空间305中。成膜空间305中的第一和/或第二处理气体激发产生的等离子体形成的自由基和粒子通过化学反应和聚合在基片310上形成薄膜。
图3A中的装置同样可以被用于热化学气相沉积成膜过程(thermalCVD film formation)。对于此操作，导电性容器345以及传递分布板355通过将第一可移动接触元件370置于上部/断开位置而实现电隔离。传递分布板355通过将第二可移动接触元件365置于上部/断开位置以与反应室主体320断开。基片310放置于基片支座315上，并通过内置于基片支座315内的加热器318对基片310进行加热。第一处理气体302被输送入导电性容器345，然后通过位于导电性容器545底板上的透气孔372被输送入气 体箱1，然后通过传递分布板355上的透气孔374和喷淋板340最终被输送入成膜空间305。第二处理气体304被输送入传递分布板355的内部空间，即气体箱2，并通过喷淋板340上的透气孔被输送入成膜空间。然后第一处理气体和第二处理气体在成膜空间305中混合，并通过以热能(thermalenergy)作为反应能量(reaction energy)的化学反应在基片310上形成薄膜。
通过前述描述和相关附图，我们可以理解，图3A-3C中的真空反应室包括三个分隔间(compartment)。第一分隔间由导电性容器345、第一绝缘环350以及导电性气体传递分布板355组成。该分隔间用于输入及于其内扩散第一处理气体302，被称为气体箱1。第二分隔间由上述的导电性气体传递分布板355以及导电性喷淋板340构成，用于引入及于其内扩散第二处理气体，被称为气体箱2。第三分隔间由上述的导电性喷淋板340、第二绝缘换360以及导电性反应室主体320构成，被称为成膜空间305。第三分隔间包括基片支座315用于装载基片310。
导电性容器345连接至一个高频和一个低频射频功率源324和326，并且导电性容器345的底板上设置有透气孔372用于将第一处理气体从该导电性容器545扩散分布至气体箱1。在此情况下，应该理解，此处无论何时提及处理气体，均可能指一种单一气体组份或多种气体的混合物。在导电性容器345和导电性气体传递分布板355之间设置有一第一绝缘环350，因此当第一可移动接触元件位于上部/断开位置时，导电性容器345和导电性气体传递分布板355之间是通过第一绝缘环350电绝缘的。
导电性气体传递分布板355具有透气孔374以便将第一处理气体从气体箱1扩散分布至成膜空间305。传递分布板355还具有一个与气体箱1相分离的内部空间，内部空间通过喷淋板340上的孔376与成膜空间相连通，通过内部空间可以将第二处理气体引入并输送至成膜空间305。导电性喷淋板340与导电性气体传递分布板355之间是电气相连的，并共同构成了气体箱2。喷淋板340具有两组透气孔374、376，分别用于连通气体箱1和成膜空间305，以及气体箱2和成膜空间305。
在导电性气体传递分布板355和导电性反应室主体320之间设置有第二绝缘环360，因此当第二可移动接触元件365至于上部/断开位置时，导电性气体传递分布板355和导电性反应室主体320之间是电绝缘的。导电性反应室主体320和设置于基片支座315内的电极316均接地。
图4A示出了反应室400的另一个实施例，它可以被运用于图1所示的系统中。所有与图3A实施例中相似的部件均采用与图3A相似的标号，只不过在图4A中采用4xx系列编号，因而将不再对这些部件重复进行描述。在本实施例中，没有采用机械式的可移动接触元件来使导电性容器445和/或传递分布板455存在不同电势。作为替代方案，切换是通过开关480以电子方式完成的，开关480可以位于远离处理平台400的位置。可选择地，开关480也可以被集成至射频匹配电路412中。具体而言，开关480可以是机械式的切换装置、电子式的电子切换装置，或者由硬件或软件或硬件和软件的组合来实现切换功能。在图4A的实施例中，导电性容器445直接连接至射频匹配电路412，而与传递分布板445之间的电连接是由通过开关480控制的。因此，在本实施例中，导电性容器545总是由射频匹配电路 进行偏置(bias)的，而传递分布板455可以从三种位置中选择一种：由射频匹配电路偏置(biased by the rf match)、浮地(floating)、或接地(grounded)。在图4A中，传递分布板455是浮地的。
在图4B中，开关480与传递分布板455连接并使传递分布板455接地。高频功率或高频功率和低频功率混合后被施加到导电性容器545上，以便在气体箱1中产生等离子体放电，从而在气体箱1中产生自由基、离子和等离子体粒子。中性自由基和气体粒子通过传递分布板445上的入射孔474和喷淋板440上的孔478被输送入成膜空间。第二处理气体可以被输送到传递分布板的内部空间，即气体箱2，然后通过喷淋板440上的入射孔476被扩散、输送入成膜空间405。气体箱1中由第一处理气体激发所产生的自由基和粒子以及第二处理气体在成膜空间405中混合并通过化学反应、聚合在基片上形成薄膜，或通过化学反应进行反应室清洗操作。
在图4C中，开关480将导电性气体传递分布板455和导电性容器545连接在一起。高频功率或高频功率和低频功率混合后被施加到导电性容器545和传递分布板455上。在此配置下，由于导电性容器545、传递分布板455以及喷淋板440之间等电势，导电性喷淋板440工作为一个电极。等离子体放电在喷淋板440和基片支座415之间的成膜空间405进行中。第一和第二处理气体在成膜空间405中混合，然后通过化学反应和等离子体聚合在基片表面形成薄膜，或通过离子、自由基以及化学反应产生的粒子进行等离子体处理或对反应腔清洗操作。
图5A和5B示出了根据本发明的一个实施例构造的另一个处理平台。所有与图3A实施例相似的部件均采用相同的参考号码，只不过采用5xx系列编号。这些部件将不重复进行描述。
图5A和5B中的化学气相沉积真空反应室由三个分隔间构成。第一分隔间由导电性容器545、绝缘材料环550以及导电性气体传递分布板555组成，用于引入第一处理气体并将其分布、扩散输送到需要的位置，第一分隔间被称为气体箱1。第二分隔间由上述的导电性气体传递分布板555以及绝缘板542构成，用于引入第二处理气体并将其分布、扩散输送到需要位置，第二分隔间被称为气体箱2。第三分隔间由导电性喷淋板540以及导电性反应室主体520构成，用于形成薄膜，被称为成膜空间505。
开关580将导电性容器545连接至射频匹配电路512或浮地电位。开关580也可以将导电性喷头540连接至射频匹配电路512或接地。图5A示出了使用开关580将导电性容器545连接至匹配网络512而将导电性喷头540接地的情形。此情形被运用于相邻等离子操作。图5B示出了利用开关580将导电性容器545置于浮地电位而导电性喷头540连接至射频匹配电路512的情形。此情形被运用于同位等离子体形成。
在图5A和5B的实施例中，绝缘环550位于导电性容器545和导电性气体传递分布板555之间，因此导电性容器545和导电性气体传递分布板555之间是相互电绝缘的。并且，在传递分布板555和导电性喷淋板540之间设置有绝缘板542，所以喷淋板540与传递分布板555和反应室主体520之间是电绝缘的。
图5A示出了当开关580处于相邻等离子操作模式时处理平台的状态。在此位置下，导电性容器545连接至射频匹配电路512，而喷淋板540接地。第一处理气体输入至导电性容器545，然后通过位于导电性容器545底板上的透气孔572进入气体箱1。来自射频匹配电路512的射频功率源连接至导电性容器545，并使导电性容器545作为一个电极用于在气体箱1(即，远程等离子体)中进行等离子体放电。因此，自由基、离子以及等离子体粒子产生于气体箱1。中性自由基和气体粒子通过传递分布板555上的透气孔574和喷淋板540上的透气孔578进入成膜空间。如果需要，还可以将第二处理气体输送至传递分布板545的内部空间，即气体箱2，并通过喷淋板540上的透气孔576进入成膜空间。气体箱1中的第一处理气体通过等离子激发形成的自由基和粒子以及第二处理气体在成膜空间505中混合。
图5B示出了当开关580处于同位等离子体操作模式时处理平台的状态。在此位置下，导电性容器545连接至浮地电位(floating potential)，而喷淋板540连接至射频匹配电路512。处理气体通过与图5A相同的方式输入。来自射频匹配电路512的一个射频功率源被施加于导电性喷淋板540，导电性喷淋板540作为电极用于在成膜空间505中产生等离子体放电(即直接等离子体或同位等离子体)，然后通过化学反应和聚合在基片上形成薄膜。
图5C示出了图5A和图5B中所给出的处理平台的一个变形。在图5C所给出的实施例中，处理平台可以工作于如图5A和图5B所述的相邻或同位等离子体模式下，它也可以同时工作于相邻和同位等离子体模式下。如图5C所示，开关580既可以将导电性容器545连接至浮地电位也可以将其 连接至射频匹配电路512，并可以将喷淋板545连接至射频匹配电路512或接地。并且，在图5C中，开关580可以为导电性容器545和喷淋板540提供不同的频率，例如，对于同时进行相邻和同位等离子体生成的情形，开关可以将导电性容器545连接至低频或高频射频发生器，并将喷淋板540连接至另外一个射频发生器。在此情形下，等离子体可以在气体箱1中和成膜空间505中产生。产生于气体箱1内的等离子体中的中性自由基和气体粒子通过传递分布板555上的透气孔574和喷淋板540上的透气孔578进入成膜空间505。然后它们加入在成膜空间505中产生的等离子体并与第二处理气体相混合。
在图5A-5C的实施例中，需要说明的是，当没有射频功率源连接至导电性容器545、传递分布板555或喷淋板540时，处理平台内可以不产生等离子体而仅进行热处理。例如，在图5C的实施例中，导电性容器545可以被连接至浮地电位，而喷淋板540可以被接地。然后，加热器518被启动以进行热工艺处理。此外，在前述各种运用射频配置的实施例中，也可以启动加热器518，以辅助工艺处理或清洗操作。
图5D示出了图5A和图5B中所给出的处理平台的另外一个变形。在图5D所给出的实施例中，第一气体传递分布装置或第一气体传递分布装置(即，导电性容器545)通过第一控制装置680a与第一射频源(即，高频射频发生器624a、低频射频发生器626a以及射频匹配电路612a)相连接；第二气体传递分布装置或第二气体传递分布装置(即，传递分布板555、绝缘板542以及喷淋板540)通过第二控制装置680b与第二射频源(即，高频射频发生器624b、低频射频发生器626b以及射频匹配电路612b)相 连接。第一控制装置680a可以选择性地将第一气体传递分布装置或第一气体传递分布装置与第一射频源相连接或使二者断开或使第一气体传递分布装置或第一气体传递分布装置置于浮地地位；类似地，第二控制装置680b可以选择性地将第二气体传递分布装置或第二气体传递分布装置与第二射频源相连接或使二者断开或使第二气体传递分布装置或第二气体传递分布装置置于浮地地位。通过第一控制装置680a与第二控制装置680b在不同位置的连接组合可以使处理平台选择性地工作于相邻等离子体模式、同位等离子体模式或同时工作于相邻和同位等离子体模式下。
以下是使用上述任何一个处理平台生成氮化硅薄膜的一个例子。尽管本处理范例也可以在具有单个处理平台的单个反应室中完成，此处采用小批量工艺处理方式进行。即，一个反应室具有四个处理平台，每一个处理平台根据上述的一个实施例进行构造。反应室内加载有四片基片，每一片基片被对应加载到对应的一个处理平台。然后，在四个处理平台上同步地进行生成氮化硅薄膜的工艺处理。即，在每一个处理平台里实施相同的工艺步骤，以保证每一个处理平台中都具有相同的处理条件。
首先，所有的处理平台均工作于相邻等离子体生成模式。例如，导电性容器545和传递分布板555相互之间绝缘，而导电性容器545连接至射频功率源。传递分布板555接地，即通过将其与接地的反应室主体相连，例如将第二可移动接触元件下移使其接触接地的反应室主体。
第一处理气体组包括有三类气体。第一类气体包括至少一种下列气体：氨(ammonia)、胺(hydrazine)、氮(nitrogen)和氢(hydrogen)。第二类气体包括至少一种下列气体：氩气(argon)、氦气(helium)和氙气(xenon)。 第三类气体由一种或多种碳氢化合物构成，它们具有共同的分子式CxHy，其中x的范围从2到4，y的范围从2到10，例如乙炔(C2H2)、乙烯(C2H4)以及乙烷(C2H6)。第一处理气体组输入至导电性容器545，然后通过导电性容器545底板上的透气孔进入气体箱1。高频功率或高频功率和低频功率混合后施加至导电性容器545，并使之作为电极以在气体箱1中产生等离子体放电，从而在气体箱1中形成自由基、离子以及粒子。中性自由基和气体粒子通过位于传递分布板和喷淋板上的透气孔从气体箱1进入成膜空间。
第二处理气体组包括两类气体。第一类气体至少由以下三类化合物中的一种构成。第一类化合物由包括Si和H的任何化合物组成。第二类化合物由包括Si、N和H的任何化合物组成。第三类化合物由包括Si、N、C和H的任何化合物构成。第二类气体至少包括下列气体中的一种：氨(ammonia)、肼(hydrazine)、氮气(nitrogen)、氢气(hydrogen)、氩气(argon)、氦气(helium)和氙气(xenon)。上述包括Si和H的化合物具有共同的化学式SixHy，其中x的范围从1到2，y的范围从4倒，例如SiH4，Si2H6。第二类包括Si、N和H的化合物具有共同的化学式(SiH3)-nNHn，其中，n的范围从0到2，例如三甲硅烷基氨(TSA，(SiH3)3N)。第三类包括Si、N、C和H的化合物具有共同的化学式(R-NH)4-nSiXn，其中，R是一个烃基(可以相同也可以不同)，X是H或卤素，并且n的范围从0到3，如Bis(TertiaryButylAmino)Silane(BTBAS，(t-C4H9NH)2SiH2)和Tetrakis(DiethylAmino)Silane(TDAS，Si(N(C2H5)2)4。上述三类化合物可以是液体形式。液体化合物需要先汽化以用于化学气相沉积。
第二处理气体组被输入传递分布板的内部空间，即气体箱2，并通过喷淋板上的透气孔被扩散输送入成膜空间。在气体箱1中由第一处理气体组等离子激发形成的自由基和粒子与第二处理气体组在成膜空间中混合，然后通过化学反应和聚合在基片表面形成氮化硅薄膜，此薄膜的含碳原子量保持在1％到20％之间。
通过上面的分析可以知道，同位等离子模式可以用于薄膜沉积、基片表面处理、沉积后的表面处理以及反应室的等离子清洗。相邻等离子模式可以用于薄膜沉积以及反应室等离子清洗。下面的例子说明了运用本发明的反应室进行工艺处理的工艺流程。相邻等离子体被激发并在基片上沉积形成薄膜。然后取出基片，利用相邻等离子体清洗反应室。可选择地，当基片移出反应室之后也可以激发同位等离子体进行反应室清洗。再者，薄膜也可以使用同位等离子体操作而沉积得到，而清洗过程则采用相邻等离子体。采用其他的工艺流程，基片的表面可以先采用同位等离子体进行表面处理，然后使用相邻等离子体进行薄膜沉积。薄膜沉积后可以利用同位等离子体进行表面处理，然后采用相邻等离子体清洗反应室。
图6示出了根据本发明的一个实施例实现的传递分布板实施例。传递分布板655的顶部具有半球形缺口654，其朝向相邻等离子体产生区域，即气体箱1。半球形缺口通向入射孔674，使得等离子体粒子向下漂移(driftdown)进入基片上部的成膜空间(未标出)。从传递分布板655的下半部分开始用于构成气体箱2。在导电性气体传递分布板的内部空间(即气体箱2)中有一个缓冲板(buffer plate)652以使第二处理气体均匀地扩散、分布。 第二处理气体被输入气体箱2，然后通过位于传递分布板654底部的透气孔676进入成膜空间。
半球形表面654在上部的直径大于孔674的直径。半球形表面正对气体箱1，用以避免气体箱1中不稳定的等离子体(unstable plasma)和弧光(arcing)，并且通过将等离子体生成空间延伸至朝向孔674的部分增加了自由基密度(radical density)。
本发明是参照具体实施方式描述的，但其所有方面都应为示意性而非限定性的。此外，通过研究本专利所揭露的发明特征和实施，熟悉本发明领域的技术人员也可以较为容易地想出其他实施方式。本专利所述实施方式的各种方面和/或元件可以在等离子体腔室技术中单独或以任意组合使用。说明书和附图中的说明的特征和实施方式应仅理解为示例性质，而本发明的真正范围和精神则是由下列如权利要求书中所定义的。
Claims (19)
1.一种等离子体反应室，包括：
反应室主体；
可旋转的基片支座，其设置于所述反应室主体内；
第一气体传递分布装置；
第二气体传递分布装置，其与所述第一气体传递分布装置相互间隔开，并且与所述第一气体传递分布装置和所述反应室主体相互电绝缘，其中在第一气体传递分布装置与第二气体传递分布装置之间构成一相邻等离子体生成区，在第二气体传递分布装置和基片支座之间构成一与等离子参与反应区同位的等离子体生成区，所述第一气体传递分布装置将一第一处理气体输送至该相邻等离子体生成区，所述第二气体传递分布装置将一第二处理气体输送至该与等离子参与反应区同位的等离子体生成区，所述第二气体传递分布装置还将来自相邻等离子体生成区的等离子体粒子输送至与等离子参与反应区同位的等离子体生成区；
第一处理气体的气体供应源，其提供所述第一处理气体，并连接于所述第一气体传递分布装置；
第二处理气体的气体供应源，其提供所述第二处理气体，并连接于所述第二气体传递分布装置；
其中，所述第一处理气体和所述第二处理气体分别沿两种反应气体路径传输并保持相互隔离，直至逸出所述第二气体传递分布装置；
射频源，其与所述第一气体传递分布装置相连接；以及
切换装置，用于将第二气体传递分布装置选择性地连接至射频源或接地.
所述第二气体传递分布装置还包括一个缓冲板，用于均匀扩散、分布第二处理气体。
2.如权利要求1所述的等离子体反应室，所述切换装置包括可移动的机械接触元件，用以选择性地将第二气体传递分布装置连接至第一气体传递分布装置或连接至反应室主体。
3.如权利要求1所述的等离子体反应室，所述切换装置包括电子式切换开关。
4.如权利要求1所述的等离子体反应室，所述第二气体传递分布装置包括一导电性喷淋板、一个连接至该导电性喷淋板的绝缘板、以及一个连接至该绝缘板的导电性气体传递分布板，其中所述传递分布板接地，所述切换装置可以选择性地将导电性喷淋板连接至射频源或接地。
5.如权利要求4所述的等离子体反应室，所述切换装置选择性地将第一气体传递分布装置连接至射频源或置于浮地电位。
6.如权利要求1所述的等离子体反应室，所述第二气体传递分布装置包括喷淋板以及与喷淋板相连接的导电性气体传递分布板，其中所述导电性气体传递分布板包括多个面向相邻等离子体生成区的半球形孔。
7.如权利要求1的等离子体反应室，还包括加热器，其设置于基片支座内。
8.如权利要求1所述的等离子体反应室，所述射频源包括高频射频源、低频射频源以及射频匹配电路。
9.一种等离子体反应室，包括：
反应室主体，于其内设置有多个处理平台；
多个可旋转的基片支座，每一个所述基片支座对应设置于每一个所述处理平台中；
多个第一气体传递分布装置，每一个第一气体传递分布装置对应设置于一相应的处理平台中；
多个第二气体传递分布装置，每一个第二气体传递分布装置对应设置于一相应的处理区域内并与一对应的第一气体传递分布装置间隔分开，并且与该对应的第一气体传递分布装置以及反应室主体相互电绝缘，其中：在每一相应的处理区域内，在第一气体传递分布装置与第二气体传递分布装置之间构成一相邻等离子体生成区，在第二气体传递分布装置和基片支座之间构成一与等离子参与反应区同位的等离子体生成区，第一气体传递分布装置将第一处理气体输送至相邻等离子体生成区，而第二气体传递分布装置将第二处理气体输送至与等离子参与反应区同位的等离子体生成区，第二气体传递分布装置还将来自相邻等离子体生成区的等离子体粒子输送至与等离子参与反应区同位的等离子体生成区；
第一处理气体的气体供应源，其提供所述第一处理气体，并连接于所述第一气体传递分布装置；
第二处理气体的气体供应源，其提供所述第二处理气体，并连接于所述第二气体传递分布装置；
其中，所述第一处理气体和所述第二处理气体分别沿两种反应气体路径传输并保持相互隔离，直至逸出所述第二气体传递分布装置；
射频源，其与所述多个第一气体传递分布装置相连接；以及
切换装置，用于将第二气体传递分布装置选择性地连接至射频源或接地.
所述第二气体传递分布装置还包括一个缓冲板，用于均匀扩散、分布第二处理气体。
10.如权利要求9所述的等离子体反应室，还包括将所有处理平台连接至同一个真空泵的排气系统。
11.如权利要求10所述的等离子体反应室，所述射频能量源包括高频射频发生器、低频射频发生器以及射频匹配电路。
12.如权利要求9所述的等离子体反应室，所述切换装置还用于控制在每一个相邻等离子体生成区和每一个与等离子参与反应区同位的等离子体生成区中激活等离子体。
13.如权利要求12所述的等离子体反应室，所述切换装置包括可移动的机械接触元件，用以选择性地将每一个第二气体传递分布装置连接至与其对应的第一气体传递分布装置或连接至反应室主体。
14.如权利要求12所述的等离子体反应室，所述切换装置包括电子式切换开关。
15.如权利要求9所述的等离子体反应室，其中每一个第二气体传递分布装置包括导电性喷淋板、与导电性喷淋板相连接的绝缘板、以及与绝缘板相连接的导电性气体传递分布板，其中所述导电性气体传递分布板接地，所述切换装置可以选择性地将导电性喷淋板连接至第一气体传递分布装置或接地。
16.如权利要求15所述的等离子体反应室，所述切换装置还选择性地将第一气体传递分布装置连接至射频源或置于浮地电位。
17.如权利要求9所述的等离子体反应室，其中每一个第二气体传递分布装置包括喷淋板以及与喷淋板相连接的导电性气体传递分布板，其中所述导电性气体传递分布板包括多个面向相邻等离子体生成区的半球形孔。
18.如权利要求9所述的等离子体反应室，所述切换装置还选择性地将第二气体传递分布装置连接至浮地电势。
19.如权利要求9所述的等离子体反应室，所述切换装置还选择性地将第二气体传递分布装置连接至浮地电势。
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