CN101488447A - 利用现场等离子体激励对室进行清洗的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
一种用于对诸如半导体晶片、平板衬底、太阳能电池板等衬底进行处理，的衬底处理室，包括用于现场等离子体清洗的机构。室体具有至少一个设置在其侧壁上的等离子体源开口。可移动的衬底支架位于室体内，所述衬底支架处于其中衬底设置在等离子体源开口之下以对室进行现场等离子体清洗的第一位置、以及其中衬底设置在等离子体源开口之上以进行衬底处理的第二位置。等离子体能量源耦合到等离子体源开口。
Description
技术领域
本发明的领域在总体上涉及一种利用现场等离子体激励对等离子体室进行清洗的独特方法和设备。
背景技术
各种处理室，例如用于制造半导体、平板、太阳能电池板等的真空室，需要定期进行清洗。这种清洗通常采用等离子体激励来实现。在现有技术中，对于这种清洗存在两种有关的已知方法，其通常被称为：远程等离子体清洗以及现场等离子体清洗。通常，用于清洗目的的等离子体的产生不同于用于制造工艺的等离子体的产生。这种不同的一个起因是需要避免室壁和卡盘被等离子体侵蚀。因此，用于清洗操作的等离子体的设计就要求产生“软等离子体”。
一种产生用于清洗目的的“软等离子体”的公知方法是上述远程等离子体清洗系统。在远程等离子体清洗系统中，从远离需要清洗的处理空间产生等离子体，并且允许所产生的基团(radical)漂移或迁移到处理空间中以用作清洗目的。另一方面，利用现场室清洗的室仅使清洗等离子体保持在与处理等离子体不同的条件下。例如，可以减小电源，并且可以不施加偏置功率，从而避免加速等离子体中的基团。
一种需要上述定期进行清洗的处理室是化学汽相沉积(CVD)室。虽然利用了某些形式的等离子体辅助或等离子体增强CVD室，但是常规的CVD室并未将等离子体用于CVD工艺。因此，除了用于清洗目的以外，这种CVD室并不具有等离子体的产生能力。因此，常规CVD室利用远程等离子体清洗方法，例如，远程微波等离子体清洗。
现有技术中仍然存在着对等离子体室的清洗进行改进的需求。由于在从远程等离子体室转移到处理室期间反应组分的复合率高，因此远程等离子体清洗的效率低。另一方面，现有技术水平的现场等离子体清洗通常限于其中等离子体用于处理的室，即排除了诸如CVD室的室。而且，通常用于现场清洗的等离子体设备与用于衬底处理的设备相同。因此，通常为产生处理等离子体而对这种设备进行优化，而只是使清洗等离子体作为附带选择。
发明内容
以下提供本发明的发明内容以便对本发明的一些方案和特征有基本的理解。本发明内容并非是对本发明的广泛概述，而也不旨在具体确定本发明的主要或关键要素，或描述本发明的范围。其唯一的目的是以简化的形式介绍本发明的某些概念以作为下面所给出的更加详细的说明的序言。
根据本发明的方案，提供一种新颖的现场等离子体清洗方法和设备。本发明的各种实施例利用室体作为用于现场产生等离子体的谐振腔的一部分。因此，在避免反应组分复合的同时，能够提高对等离子体特性的控制。
根据本发明的方案，提供一种衬底处理室，包括：室体，所述室体具有至少一个设置在其侧壁上的等离子体源开口；位于室体内的可移动的衬底支架，所述衬底支架处于其中衬底设置在等离子体源开口之下的第一位置、以及其中衬底设置在等离子体源开口之上的第二位置；耦合到等离子体源开口的等离子体源；耦合到室体以从其中抽吸流体的真空泵；以及耦合到室体以向其中注入气体的气体源。等离子体源开口可以包括电介质窗并且其中等离子体源包括微波源。等离子体源可以包括将RF功率提供给缠绕在管状导管周围的线圈的RF能量源，所述管状导管以流体连通的方式连接到所述等离子体源开口。管状导管可以包括电介质管。管状导管可以包括具有电介质断路器的导体管。管状导管可以在彼此以180度相对的两点处连接到室体。
根据本发明的方案，提供一种具有现场等离子体清洗能力的处理室，包括：具有侧壁的室体；设置在室体之上的喷头；耦合到室体的侧壁的等离子体能量源；可移动的衬底支架，其具有在位于等离子体能量源之上的同时使衬底以细小的间隙设置在喷头之下的较高位置、以及位于等离子体能量源之下的较低位置。等离子体能量源可以是电介质窗。等离子体能量源可以是RF能量源。等离子体能量源可以是耦合到所述侧壁的管状导管。管状导管可以是导电性的并且还包括电介质断路器。
根据本发明的方案，提供一种用于操作衬底处理室的方法，所述衬底处理室在其侧壁上具有用于进行现场室清洗的等离子体能量源，该方法包括：将衬底装载到位于室中的衬底支架上；将衬底支架升至高于等离子体能量源的水平高度；对衬底进行处理；将衬底支架降至低于等离子体能量源的水平高度；卸载衬底；激活等离子体能量源以在所述室内激发并保持等离子体以执行现场室清洗。
根据本发明的方案，提供了一种在具有可变处理腔的衬底处理室中，用于操作所述室的方法，包括：通过将可变腔设置为第一容积而将室置于第一操作模式下；对衬底进行处理；通过扩大可变腔以使其具有大于第一容积的第二容积而将室置于第二操作模式下；在其第二容积下，在可变腔内轰击并保持等离子体从而执行可变腔的现场清洗。
附图说明
结合在本申请中中并构成本申请的一部分的附图是作为本发明的实施例的例示，并且与说明书一起用于解释和说明本发明的原理。附图旨在以图解的形式来说明示例性实施例的主要特征。附图并不旨在示出实际实施例的每一个特征，也不旨在示出所示元件的相对尺寸，并且也没有按比例绘制。
图1A和1B示出根据本发明的实施例的处理室的例子，其中在图1A中设置室以进行等离子体清洗，而在图1B中设置室以进行处理；
图2A和2B示出根据本发明的实施例的处理室的另一个例子，其中在图2A中设置室以进行等离子体清洗，而在图2B中设置室以进行处理；
图3示出根据本发明的实施例的工艺；
图4A和4B示出根据本发明的实施例的处理室的另一个例子，其中在图4A中设置室以进行等离子体清洗，而在图4B中设置室被以进行处理；
图5A和5B示出根据本发明的实施例的处理室的另一个例子，其中在图5A中设置室以进行等离子体清洗，而在图5B中设置室以进行处理。
具体实施方式
本发明的各种实施例在总体上涉及等离子体室的清洗，其中激发等离子体并使其保持在现场，即保持在进行处理的同一个腔中。本文所述的各种实施例例如可以与用于制造半导体晶片、平板显示器、太阳能电池板等的各种处理室结合使用。在这些处理室中，实施例适合于例如与蚀刻、CVD、PECVD、PVD等一起使用。当然，本文所述的各种实施例和技术可以具有本文没有明确提及的其它应用。
在本发明的总体实施中，本发明的室通过可变腔具有两种操作模式。在第一操作模式中，将腔设置为用于衬底处理的第一容积，而在第二操作模式中，将腔设置为用于现场清洗的第二容积。在第一操作模式中，对衬底进行处理，并且可以使用等离子体或可以不使用等离子体。在第二操作模式中，使腔扩大并且保持等离子体以清洗室。
图1A和1B示出根据本发明的实施例的处理室的例子，其中在图1A中设置室以进行等离子体清洗，而在图1B中设置室以进行处理。处理室100可以例如为用于在衬底105上制造高纯度薄固件的CVD室；然而，如上所述，根据该实施例，其他室也可以采用现场清洗。通过装载锁定器110将衬底105装载到室中，并且将其放置在衬底支架上，例如卡盘115。一旦将衬底105放置在卡盘115上，就将卡盘升至处理位置，如图1B所示。泵135用于抽空室100，而波纹管130或者其他装置可以用于使卡盘115移动而不会破坏真空环境。处理位置将衬底放置在装载锁定器115的上方以及电介质窗120的上方。然后，将来自气体源125的前体气体(precursor gas)引入到室中以将所需要的层沉积在衬底105上。
众所周知的是，在CVD处理期间，将薄膜沉积在衬底上，并且附带地也将其沉积在室壁上。需要除去室壁上的沉积物，否则它可能剥落并且污染后面的晶片。因此，在降低卡盘115并从室中移走晶片105之后，可以密封装载锁定器110并且进行现场等离子体清洗工艺。根据本实施例，可以将惰性和反应性气体，例如Ar、He、NF3(或者任何含氟气体)等，引入到处于低压环境下(例如，低于10Torr)的室中。然后，通过电介质窗120将来自微波源122的微波能量引入到室中，从而在室中轰击并保持等离子体。取决于需求和设计，微波能量可以采取不同的值，例如频率为2.45GHz，功率范围是100W-10kW。
图2A和2B示出根据本发明的实施例的处理室的另一个例子，其中在图2A中设置室以进行等离子体清洗，而在图2B中设置室以进行处理。除了是2xx系列之外，图2A和2B中与图1A和1B中类似的元件用相同的附图标记来表示。
在图2B中，将卡盘升至处理位置，并且处理过程与图1B的实施例几乎一样。另一方面，在图2A中，降低卡盘以进行等离子体清洗操作。如同图1A和1B的实施例，在图2A中执行现场等离子体清洗。然而，在本实施例中不是采用微波能量，而是将RF能量感应地耦合到与室连接的导管240中。如图2A所示，导管240连接到室200，与可变腔202形成闭路流体连通。在该例中，导管240在彼此以180度相对的两点处连接到室200。导管240可以由电介质材料制成，或者可以由导电材料制成，在这种情况下其可以包括电介质断路器(dielectric break)245。通过线圈255将RF能量从RF源250感应地耦合到导管240中。因此，在包括室的可变空腔202和导管240的闭路流体路径中激发等离子体。
图3示出根据本发明的实施例的工艺。可以在根据本发明的实施例构造的任何一个处理室中实施图3所示的工艺。在步骤300中，将衬底装载到衬底支架上并且密封装载锁定器。可以使室保持在真空或低压环境下。在步骤305中，将卡盘升至其处理位置，并且在步骤310中处理衬底。如上所述，处理衬底可以包括蚀刻、沉积、退火等。一旦处理完成，就在步骤315处将卡盘降至其衬底卸载位置，并且在步骤320处卸载衬底。
在步骤325处判定是否需要清洗循环。也就是说，在某些条件下，可以在每一次处理循环之后执行清洗循环。然而，在其它的情形下，在T时间之后，可以通过观测工艺结果等，在每n次处理循环之后执行清洗。如果不需要进行清洗，则该工艺进行到步骤300。否则，在步骤330处通过引入清洗气体例如惰性气体和活性气体的混合气体来开始清洗循环。
在这点上应该注意的是，卡盘也可以移动到不同的位置。也就是说，卡盘的清洗位置可以不同于卡盘的衬底卸载位置。值得注意的是，对于衬底卸载卡盘需要清洗装载锁定器。另一方面，对于清洗循环卡盘必须清洗等离子体能量源，例如电介质窗、导管240的开口等。为了简明起见，在图3所示的例子中，假定衬底卸载位置与室清洗位置相同。
在步骤335处，接通等离子体源以在室中轰击并保持等离子体。在步骤340处检查清洗循环是否已经结束。这可以通过例如采用计时器或者通过对从室中排出的物质进行分析来实现。例如，当使用气体源(如NF3)来产生氟基团以便从室中清除硅沉积物时，可以监测排出的气体中是否存在SiF4。只要在排出的气体中存在SiF4，就可以通过继续引入气体并保持等离子体(步骤330和335)而继续进行清洗。不存在SiF4则意味着清洗结束，并且工艺进行到步骤345，其中等离子体消失。最理想地，在返回到步骤300以装载下一个衬底之前，腔可以被抽吸一段额外的时间。
图4A和4B示出根据本发明的实施例的处理室的另一个例子，其中在图4A中设置室以进行等离子体清洗，而在图4B中设置室以进行处理。除了是4xx系列之外，图4A和4B中与图1A和1B中类似的元件用相同的附图标记来表示。图4A和4B是室的三维模型的局部剖面图。在这个特定的例子中，室通常用于CVD；然而，也可以使用其他室。
如图4A所示，本实施例的CVD室400具有室体460，该室体460具有其中可以对衬底进行处理的内腔。如被放置在衬底支架415上那样，衬底从装载锁定器开口410进行装载和卸载。在图4A中示出衬底支架处于其较低的位置，这允许进行衬底装载和卸载，也允许进行室的等离子体清洗操作。喷头450提供处理气体和等离子体清洗气体。在该例中，将等离子体源开口420设置在室体460的侧壁上。这里，等离子体源开口使得能够将微波能量耦合到腔中从而轰击并保持等离子体以进行室的清洗操作。
在图4B中，衬底支架415处于较高的位置，该位置用于对衬底进行处理。值得注意的是，当衬底支架415处于处理位置时，间隙455变窄，并且衬底没有阻碍，即位于等离子体源开口420(在图4B中看不见，因为其被衬底支架415挡住了)的水平高度之上。
图5A和5B示出根据本发明的实施例的处理室的另一个例子，其中在图5A中设置室以进行等离子体清洗，而在图5B中设置室以进行处理。除了是5xx系列之外，图5A和5B中与图1A和1B中类似的元件用相同的附图标记来表示。
图5A和5B中的室包括两个等离子体源，用于衬底的等离子体处理的电容性RF耦合以及用于现场清洗的微波源。对于衬底505的等离子体处理，来自RF源560的RF能量耦合在嵌入在衬底支架515中的导电电极565和室的内顶板上的导电电极570之间。这里，导电电极570显示为接地，而导电电极565显示为连接到RF源560的高放射性一侧，但是应当理解的是反过来也同样适用。而且，尽管仅示出一个RF源，然而在本领域中所公知的是可以耦合一个以上的RF源，从而将一个以上的RF频率耦合到室中。如在本领域中所公知的那样，导电电极570可以形成用于将气体从气源525注入到室中的喷头的一部分。
当图5A和图5B中的室用于等离子体处理时，其可以例如用于执行衬底上的蚀刻。众所周知的是，等离子体物质的驻留时间是蚀刻工艺质量方面的一个重要因素，这导致对抽吸，即室的流导性有更高的要求。因此，在图5A和5B所示的室中，使衬底支架515的直径小于室壁502的直径。因而，这种结构可以在衬底支架515的边缘与室壁502之间留出大量的空间以用来提高流导性。另一方面，如果空间是开放的，那么为处理而保持的等离子体可以移动到衬底支架505的下方。为了防止这种情况，使挡板575处于用于衬底处理的水平高度上，如图5B所示。当衬底支架上升以进行处理，即升至图5B所示的位置时，衬底支架515与挡板575处于相同的水平高度上，从而为等离子体提供一个闭合的空间。然而，挡板575包括小尺寸的孔，将其设计成能够进行气体抽吸，但看起来对于等离子体而言是阻挡物。
另一方面，当设置衬底支架以进行现场清洗，即将衬底支架定位在图5A所示的位置时，可以切断RF源560，而可以接通微波源522以激发用于对室进行现场清洗的等离子体。
应当理解的是，本文所述的工艺和方法并非固有地与任何特定的设备相关，并且可以通过任何适当的部件组合来实施。此外，可以根据本文所述的教导使用各种类型的通用装置。还可以证明制造专用设备来执行本文所述的方法步骤是有利的。已经对于具体例子对本发明进行了说明，这些例子旨在所有方面都是示例性的而非限制性的。本领域技术人员会认识到硬件、软件以及固件的多种不同组合将适用于实施本发明。例如，可以利用各种编程或脚本语言，例如汇编语言、C/C++、perl、shell、PHP、Java、HFSS、CST、EEKO等，来实现所述软件。
已经对于具体例子对本发明进行了说明，这些例子旨在所有方面都是示例性的而非限制性的。本领域技术人员会认识到硬件、软件以及固件的多种不同组合将适合于实施本发明。此外，通过考虑对本文所公开的本发明的说明和实施，本发明的其他实施方式对于本领域技术人员而言是显而易见的。旨在将所述说明和例子仅视为是示例性的，本发明的真正范围和精神由所附的权利要求书指示。
Claims (13)
1、一种衬底处理室，包括：
室体，所述室体具有设置在其侧壁上的至少一个等离子体源开口；
位于所述室体内的可移动的衬底支架，所述衬底支架处于其中衬底设置在所述等离子体源开口之下的第一位置、以及其中所述衬底设置在所述等离子体源开口之上的第二位置；
耦合到所述等离子体源开口的等离子体源；
耦合到所述室体以从其中抽吸流体的真空泵；
耦合到所述室体以向其中注入气体的气体源。
2、根据权利要求1所述的处理室，其中所述等离子体源开口包括电介质窗，并且其中所述等离子体源包括微波源。
3、根据权利要求1所述的处理室，其中所述等离子体源包括将RF功率提供给缠绕在管状导管周围的线圈的RF能量源，所述管状导管以流体连通的方式连接到所述等离子体源开口。
4、根据权利要求3所述的处理室，其中所述管状导管包括电介质管。
5、根据权利要求3所述的处理室，其中所述管状导管包括具有电介质断路器的导体管。
6、根据权利要求1所述的处理室，其中所述管状导管在彼此以180度相对的两点处连接到所述室体。
7、一种具有现场等离子体清洗能力的处理室，包括：
具有侧壁的室体；
设置在所述室体之上的喷头；
耦合到所述室体的所述侧壁的等离子体能量源；
可移动的衬底支架，其具有在位于所述等离子体能量源之上的同时使衬底以细小的间隙设置在所述喷头之下的较高位置、以及位于所述等离子体能量源之下的较低位置。
8、根据权利要求7所述的处理室，其中所述等离子体能量源是电介质窗。
9、根据权利要求7所述的处理室，其中所述等离子体能量源是RF能量源。
10、根据权利要求7所述的处理室，其中所述等离子体能量源是耦合到所述侧壁的管状导管。
11、根据权利要求10所述的处理室，其中所述管状导管是导电性的并且还包括电介质断路器。
12、一种用于操作衬底处理室的方法，所述衬底处理室在其侧壁上具有用于进行现场室清洗的等离子体能量源，该方法包括：
将衬底装载到位于所述室中的衬底支架上；
将所述衬底支架升至高于所述等离子体能量源的水平高度；
对所述衬底进行处理；
将所述衬底支架降至低于所述等离子体能量源的水平高度；
卸载所述衬底；
激活所述等离子体能量源以在所述室内激发并保持等离子体以执行现场室清洗。
13、一种在具有可变处理腔的衬底处理室中，用于操作所述室的方法，包括：
通过将所述可变腔设置为第一容积而将所述室置于第一操作模式下；
对衬底进行处理；
通过扩大所述可变腔以使其具有大于所述第一容积的第二容积而将所述室置于第二操作模式下；
在其第二容积下，在所述可变腔内轰击并保持等离子体从而执行所述可变腔的现场清洗。
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