CN101543140B - 用于等离子体处理的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于等离子体处理的装置，所述装置包括：用于等离子体处理的室和至少一个用于提供射频感应场的感应线圈，所述感应线圈与所述室相邻。其还包括所述感应线圈的与射频电源连接的一个末端；所述感应器的另一个末端，该另一个末端是端部开口的；以及所述感应线圈的接地端，该接地端基本上位于所述感应线圈的中心位置。

Description

用于等离子体处理的装置和方法

[技术领域]

本发明涉及一种用于等离子体处理的装置和方法。

[背景技术]

感应耦合等离子体(ICP)源通过感应磁场产生感应等离子体，转而产生环形(漩涡)电场加速电子，以电离工艺气体和支持等离子体放电。感应等离子体通常的特征是具有中到高的等离子体(电子和/或离子)密度和低水平的射频(RF)势能波动。在感应等离子体中进行的等离子体化学工艺快速并且对半导体晶片和器件的离子伤害低。相比于电容耦合等离子体(CCP)源，设计良好的感应放电在明显更宽范围的放电条件(例如，气体压力和功率)中操作。

在本领域中已知的是，高功率(达到几千瓦)感应器携带约几十安培的数量级的高RF电流。根据欧姆定律，这样的电流产生沿着感应器分布的达到几千伏特的高RF电压，这导致感应器显示电容性质。因此，这些感应器也可以被认为是与等离子体相互作用的电容性电极。不可避免地，产生来自那些高电压感应器的寄生RF电容性电流，或该寄生RF电容性电流被辐照到放电等离子体中，从而产生等离子体电势的RF波动。RF波动对于等离子体处理特别有害，原因在于对产品晶片的电损害和在处理室中产生寄生RF电容性等离子体或RF鞘(sheath)。来自感应器的寄生电容性电流是等离子体和处理不均匀性、对处理室(例如，形成电弧)和产品晶片的几种损害、以及RF功率损耗明显增加的主要原因。

美国专利5,965,034公开了特别作为螺旋形谐振器的自平衡感应器，它可以产生由正反相RF电压构成的推挽式电压。根据RF推挽式构造，在等离子体中产生正反相电容性电流，它们基本上相互抵消，因而消除了电容问题。尽管如此，由于谐振的阻抗匹配要求，螺旋形谐振器必须适合处在激发频率的电波长(electrical wavelength)。在紧凑的低纵横比(多少有些扁平)的高密度等离子体反应器的有限空间中，难于建立有效的自谐振感应器。因此，需要开发固有的(自身)平衡的感应等离子体源，它将不需要在谐振时激发。

[发明内容]

本发明公开了一种用于等离子体处理的装置，所述装置包括：用于等离子体处理的室；至少一个用于提供射频感应场的感应器，该感应器与所述室相邻；所述感应器的与射频电源连接的一个末端；所述感应器的另一个末端，该另一个末端是端部开口的；以及所述感应器的接地端，该接地端基本上位于所述感应器的中心位置。

本发明的一个任选方面提供一种用于等离子体处理的装置，其中所述感应器相对于中心位置是电容性对称的。

本发明的另一个任选方面提供一种用于等离子体处理的装置，其中：由在一个末端和接地端之间的感应器所产生的等离子体的电容与在接地端和另一个末端之间感应器的等离子体的电容是基本上相同的。

本发明的一个任选方面提供一种用于等离子体处理的装置，其中所述感应器相对于中心位置是几何对称的。

本发明的一个任选方面提供一种用于等离子体处理的装置，其中所述感应器是圆柱形螺旋线圈(螺旋线)。

本发明的另一个任选方面提供一种用于等离子体处理的装置，其中所述感应器是游丝形线圈(flat spiral coil)。

本发明的一个任选方面提供一种用于等离子体处理的装置，其中所述室是圆顶状的，并且所述感应器是圆顶状的螺旋线圈。

本发明的另一个任选方面提供一种用于等离子体处理的装置，其中提供多个所述感应器。

本发明的一个任选方面提供一种用于等离子体处理的装置，其中所述室包括由电介质或半导体材料制成的平顶。

本发明的另一个任选方面提供一种用于等离子体处理的装置，其中所述平顶具有至少一对的内环形槽和外环形槽，所述外环形槽与所述内环形槽共轴并且相邻。

本发明的一个任选方面提供一种用于等离子体处理的装置，其中每一个所述感应器都插入在每一个外环形槽中。

本发明的另一个任选方面提供一种用于等离子体处理的装置，其中每一个射频电源都由每一个分开的独立控制的RF发生器提供。

本发明的另一个任选方面提供一种用于等离子体处理的装置，其中在所述内槽的上底部上穿透多个气体进口，用于给内槽提供工艺气体。

本发明的一个任选方面提供一种用于等离子体处理的装置，其中每一个射频电源都通过具有功率分配器的单一RF发生器提供。

本发明的另一个任选方面提供一种用于等离子体处理的装置，所述装置包括：用于等离子体处理的圆柱形室；用于将工艺气体引入到所述圆柱形室内的气体进口；至少一个用于提供射频感应场的感应线圈，所述感应线圈是圆柱形螺旋体，并且毗连地包围所述圆柱形室的一部分；所述感应线圈的与射频电源连接的末端；所述感应线圈的另一个末端，所述另一个末端是端部开口的；以及所述感应线圈的接地端，所述接地端位于所述感应线圈的几何中心位置。

本发明公开了一种用于等离子体处理的方法，所述方法包括通过这样的装置产生等离子体，以及在所述室中通过使用所述等离子体处理工件，所述这样的装置包括：用于等离子体处理的室；至少一个用于提供射频感应场的感应器，该感应器与所述室相邻；所述感应器的与射频电源连接的一个末端；所述感应器的另一个末端，该另一个末端是端部开口的；以及所述感应器的接地端，该接地端基本上位于所述感应器的中心位置。

从下面的优选非限制性示例实施方案的详细描述，结合附图和后附权利要求书，本发明的这些和其它特征、方面和优点对于本领域的技术人员将是明显的。

[附图说明]

应当理解，使用附图的目的只是为了示例性说明而不是限定本发明的范围。在整个公开内容中，措辞“示例性”被专有地用于指“用作实例、举例或说明的作用”。被描述作为“示例性”的任何实施方案不一定被认为相对于其它实施方案是优选的或有利的。

关于附图，在所有附图中，相同的附图标记表示相应的部件。

[图1]

图1是根据第一实施方案的用于等离子体处理的装置的示例性横截面图；

[图2]

图2是感应线圈和感应室的示例性侧视图；

[图3]

图3是感应线圈和感应室的示例性顶视图；

[图4]

图4是装配有游丝形感应线圈的用于等离子体处理的装置的示例性透视图；

[图5]

图5是装配有圆顶状感应线圈的用于等离子体处理的装置的示例性横截面图；

[图6]

图6是具有凹槽的平顶的示例性横截面透视图；

[图7]

图7是多个感应线圈的示例性电路图；

[图8]

图8是多个感应线圈的示例性电路图；以及

[图9]

图9是显示稳定ICP放电的电压范围的示例性曲线图。

[具体实施方式]

下面结合附图进行的详细描述意图是作为本发明的当前优选实施方案的描述，而不是表示可以构造和/或利用本发明的唯一形式。

(a)第一实施方案

图1是根据本发明的等离子体处理装置的简化横截面图的示例性说明。等离子体处理装置100包括与处理室104连接的感应室101，因此可以将工艺气体从气体进口108提供给工件106。处理室104装配有底座105，所述底座105是温度稳定化的衬托器或静电卡盘(ESC)，并且与受控的偏压RF电源107连接。

图2是感应室101和感应线圈102(图1中所示)的侧视图的示例性说明。在该图中，感应室101具有示例性的圆柱形构造。应当指出，感应室101可以是其它形状或几何结构的构造，其几个非限制性实例包括平顶、截棱锥、矩形等。取决于所述等离子体处理应用，选择所述室构造以在底座105上方产生均匀实体密度，从而为处理的均匀性提供高密度的实体(即，蚀刻剂物种)。感应室101由电介质或半导体材料比如石英、陶瓷、硅或其它合适材料制成。所述室101和104还包括带有聚焦环、盖(未显示)和其它元件的工艺配套部件(未显示)。

相应于室101的形状，感应线圈102构成毗连地包围所述感应室101的形状均匀的圆柱形螺旋线圈，其非限制性实例可以包括任何感应器，比如线圈、天线、传输线等。感应线圈102具有与RF电源103连接的末端102a以及作为开口末端的另一个末端102b。此外，感应线圈102具有接地端102c，所述接地端102c的位置基本上在感应线圈102长度的中心，接地端102c的高度居于末端102a和102b的高度的中间。

图3是感应线圈102的顶视图的示例性说明，所述感应线圈102包括末端102a和102b和接地端102c。如图所示，末端102a和102b相对于包括接地端102c和感应线圈102中心轴的平面对称布置。因此，下部绕组W1的长度基本上等于上部绕组W2的长度。此外，下部绕组W1的线匝的数量和直径基本上等于上部绕组W2的线匝的数量和直径。换言之，接地端102c位于感应线圈102的中心，使得感应线圈102相对于接地端102c几何对称。然而，并不要求接地端102c是精确的中心，而是在一定变化的情况下基本上位于中心，因为感应室101可以在电感应和电容行为方面具有变化。

当给感应线圈102提供RF功率时，产生磁场。磁场转而产生环形(涡旋)电场加速电子，这使得工艺气体电离并且支持等离子体放电。感应线圈102产生近似相等的相(P1)和反相(P2)整体(integral)电容电势(即，电压)。由于感应线圈102的上部和下部具有共用感应场，因此末端102b产生与在相反末端102a的RF电压相等并且相反的电压。

备选地，感应线圈102可以被认为是由两个基本上相同的线圈构成的线圈。一个线圈(下部绕组W1)携带在等离子体放电中产生环形感应电场的高感应电流，而另一个线圈(上部绕组W2)基本上起着由第一线圈(下部绕组W1)产生的电容性电流的电容补偿器的作用。

下部绕组W1和上部绕组W2由于相对于接地端102c成几何对称的事实，因此它们基本上彼此平衡。因此，实际上消除了整体的寄生电容性电流感应器-等离子体-接地，产生平衡的感应器-等离子体电容性相互作用。这种电容性平衡是由感应器-等离子体电容性相互作用的整体电容性电压对称的程度决定的。对称性越高，在下部和上部绕组上的电压的相称性(commensuration)越好，并且达到在感应器-等离子体的净电容性电流最小化的情况下的更好的电容性平衡。电容性平衡的感应等离子体源尤其有利于半导体等离子体处理。

在处理室104中，装备有与可控偏压RF电源107连接的底座105的情况下，电容性平衡的感应等离子体源产生高压鞘，由此将正离子加速到工件106上。初始工艺气体进入到感应室101中，并且进行电离和解离。在底座105上的工件106由粒子进行处理，所述粒子中的至少一种由通过电容性平衡的感应等离子体源产生的放电等离子体供给。

RF电源107可以独立地控制在底座105上的RF偏压功率，以调节等离子体-表面相互作用的速率和特性，并且从而调节等离子体处理的结果。因此，发生去耦等离子体处理。工艺工程师可以在放电功率、气压、流速等方面的条件或配方的最宽范围内建立和控制半导体制造工艺。去耦等离子体处理实现了低-、中-和高-密度等离子体气体放电方法。

上述工艺的几种典型应用的非限制性实例可以包括金属、电介质、半导体等的蚀刻；表面改性比如氮化、氧化、等离子体注入；以及使用等离子体增强的化学气相沉积(CVD)的各种薄膜的沉积。上述工艺的几种典型应用的其它非限制性实例可以包括玻璃或塑料基底和/或其改进体的制造，它们使用上述等离子体源和工艺。因此，本发明并不限于半导体处理，而是预期可被应用于其它示例性处理，比如掩模制造，光学、微电子机械(MEMS技术)、医疗和其它器件的处理。特别是，类似于所公开的本实施方案的圆柱形等离子体源可以在很多情况下使用，用于等离子体蚀刻/CVD或下游(流水线下端(down-flow)或远程)应用，比如抗蚀剂灰化(剥离)以移除在选择性曝光中硬化的抗蚀剂。

应当指出，自平衡感应器并不需要其它用于平衡的元件。它们自身固有的电容性构造在最宽范围的气体放电工艺条件(包括激发频率条件)下拥有高度的电容性对称。因此，根据本发明的等离子体处理装置可以是简单、廉价并且容易操作的。

(b)其它实施方案

图4是示例性说明，其显示与平顶感应室相称构造的具有平螺旋状(pancake)构造的电容性对称的感应器。感应线圈202是与平顶201c相邻的游丝形线圈。平顶201c由电介质或半导体材料制成，以允许感应线圈202通过平顶201c与等离子体放电体(plasma discharge volume)相通。

图5是用于圆顶状的室301的电容性对称的感应器的示例性说明。室301是圆顶状的(半球形)，具有相应配置的感应线圈302，所述感应线圈302是圆顶状的螺旋线圈。感应线圈302毗连地包围室301。室301由电介质或半导体材料制成，以允许感应线圈302通过室301与等离子体放电体相通。

在这个实施方案中，感应线圈202和302的形状并不是几何对称的。然而，感应线圈202和302并不是必需几何对称的，而是电容性对称的以实施本发明。感应线圈202和302具有一对与RF电源203和303连接的末端202a和302a，开口的末端202b和302b，并且具有接地端202c和302c。尽管感应线圈202和302相对于接地端202c和302c是电容性对称的，但是它们具有明显不相等的具有不同直径的外内线匝，以及因此，电感。感应线圈202和302的电容性平衡位置的设计是困难的，因为电容性电流感应器-等离子体-接地取决于一些环境因素的相互作用。因此，用实验方法检测接地端202c和302c的位置，以使净电容性电流感应器-等离子体-接地最小化。

图6是显示平顶301c的横截面透视图的示例性说明，所述平顶301c可以由例如硅、陶瓷、蓝宝石、石英或其它电介质或半导体材料制成。平顶301c具有三对内槽301d和外槽301f，内槽301d和外槽301f被配置成环形状、共轴和彼此交错相邻。有若干个穿透内槽301d的(上)底部的气体进口308，以给内槽301d提供工艺气体，同时三个感应线圈302中的每一个都插入到外槽301f的每一个内。为了实现更高的方位等离子体均匀性，可以增加感应线圈302的线匝的数量(例如，4个线匝)。

图7是显示感应线圈302的电路图的示例性说明，其中每一个感应线圈302都表示低纵横比的紧凑环形状的圆柱形感应器，该感应器具有与独立的RF电源303连接的末端302a、开口的末端302b、和接地端302c。感应线圈302相对于接地端302c几何对称。感应线圈302可以由具有独立功率控制的单独RF电源303供应电能，或备选地，感应线圈302可以从具有相应功率分配器的一个或两个RF发生器馈电，所述相应功率分配器控制在每一个线圈中的放电功率。图8是显示具有一个功率分配器309的示例性说明。功率分配器309由单一RF电源303馈电，并且将RF功率分裂(或分开)进入到三个感应线圈302中，其中每一个感应线圈302在内槽301d中产生独立的环形放电。

图9是显示采用感应线圈302的稳定ICP放电的压力范围的示例性说明。只在日本FOI公司制造的工业300-mm晶片蚀刻器的带槽顶部中使用单个平衡线圈，就产生高达约3000瓦特的RF放电。操作压力范围覆盖从1毫托至100托的5个数量级。这种放电性能证实了根据本发明的自平衡感应器的非凡优点。应当指出，在这个实验实施例中，线圈电流在整个压力范围内几乎都是恒定的(6至8A，rms)。因此，实际的放电功率在5个数量级的这样宽的工艺范围内也是几乎恒定的。没有带槽顶部的其它等离子体蚀刻器从来都没有实现这样宽的工艺范围的性能。

尽管本发明已经在语言上具体到结构特征或方法行为(act)相当详细地进行了描述，但是应当理解，在后附权利要求书中限定的发明不是必需限制到所述的具体特征或行为。而是，这些特定特征和行为是作为实施所要求保护的发明的优选形式进行公开的。因此，尽管已经描述了本发明的示例性说明实施方案，但是对于本领域的技术人员来说，可以产生各种变化和替换的实施方案。例如，感应器可以是中空的管状线圈。这样的变化和替换的实施方案都在预期之中，并且可以在不背离本发明的精神和范围的情况下进行。

应当理解，本文中使用的措辞和术语以及摘要都是为了进行描述，而不应当被认为是限制。

还应当指出，在整个公开内容中，比如左、右、前、后、顶、底、前进、后退、顺时针、反时针、上、下之类的标示，或其它类似术语，比如上部、下部、尾部、前部、垂直、水平、近端、远端等都只是为了方便目的而使用的，并不是意图暗示任何特定的固定方向或取向。相反，它们被用于反映物体的各个部分之间的相对位置和/或方向/取向。

此外，在整个公开内容(特别是在权利要求书)中所提到的″第一″、″第二″、″第三″等元件并不用于显示按顺序的或数字的限制，而是用于区别或区分组中的各个元件。

Claims (16)

1.一种用于等离子体处理的装置，所述装置包括：

用于等离子体处理的室；

至少一个用于提供射频感应场的感应器，所述感应器与所述室相邻；

所述感应器的与射频电源连接的一个末端；

所述感应器的另一个末端，所述另一个末端是端部开口的；以及

所述感应器的接地端，所述接地端基本上位于所述感应器的中心位置，其中所述感应器的中心位置是所述感应器的几何中心位置或电容对称中心位置。

2.如权利要求1中所述的用于等离子体处理的装置，其中：

所述感应器相对于所述中心位置是电容性对称的。

3.如权利要求2中所述的用于等离子体处理的装置，其中：

由所述感应器在一个末端和所述接地端之间产生的等离子体的电容与由所述感应器在所述接地端和另一个末端之间的等离子体的电容基本上相同。

4.如权利要求1中所述的用于等离子体处理的装置，其中：

所述感应器相对于所述中心位置是几何对称的。

5.如权利要求1中所述的用于等离子体处理的装置，其中：

所述感应器是圆柱形螺旋线圈。

6.如权利要求1中所述的用于等离子体处理的装置，其中：

所述感应器是游丝形线圈。

7.如权利要求1中所述的用于等离子体处理的装置，其中：

所述室是圆顶状的，并且所述感应器是圆顶状的螺旋线圈。

8.如权利要求1中所述的用于等离子体处理的装置，其中：

提供多个所述感应器。

9.如权利要求1中所述的用于等离子体处理的装置，其中：

所述室包括由电介质或半导体材料制成的平顶。

10.如权利要求9中所述的用于等离子体处理的装置，其中：

所述平顶具有至少一对的内环形槽和外环形槽，所述外环形槽与所述内环形槽共轴并且相邻。

11.如权利要求10中所述的用于等离子体处理的装置，其中：

每一个所述感应器都插入在每一个外环形槽中。

12.如权利要求8中所述的用于等离子体处理的装置，其中：

每一个所述射频电源都由每一个分开的独立控制的RF发生器提供。

13.如权利要求10中所述的用于等离子体处理的装置，其中：

在所述内槽的上底部上穿透多个气体进口，用于给所述内槽提供工艺气体。

14.如权利要求8中所述的用于等离子体处理的装置，其中：

每一个所述射频电源都由具有功率分配器的单个RF发生器提供。

15.一种用于等离子体处理的装置，所述装置包括：

用于等离子体处理的圆柱形室；

用于将工艺气体引入到所述圆柱形室内的气体进口；

至少一个用于提供射频感应场的感应线圈，所述感应线圈是圆柱形螺旋体，并且毗连地包围所述圆柱形室的一部分；

所述感应线圈的与射频电源连接的一个末端；

所述感应线圈的另一个末端，所述另一个末端是端部开口的；以及

所述感应线圈的接地端，所述接地端位于所述感应线圈的几何中心位置。

16.一种用于等离子体处理的方法，所述方法包括：

通过一种装置产生等离子体，所述装置包括：

用于等离子体处理的室：

至少一个用于提供射频感应场的感应器，所述感应器与所述室相邻；

所述感应器的与射频电源连接的一个末端；

所述感应器的另一个末端，所述另一个末端是端部开口的；

所述感应器的接地端，所述接地端基本上位于所述感应器的中心位置，其中所述感应器的中心位置是所述感应器的几何中心位置或电容对称中心位置；以及

在所述室中通过使用所述等离子体处理工件。

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