CN103597120B - 多频中空阴极以及安装该多频中空阴极的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明总体涉及多频中空阴极以及安装该多频中空阴极的系统，具体提供了一种在衬底的等离子体处理中用于等离子体的产生的中空阴极系统。该系统包括成型为包围内腔的导电构件，所述导电构件被形成为具有与所述内腔流体连通的工艺气体入口，且被形成为具有使所述内腔暴露于衬底处理区域的开口。该系统还包括与所述导电构件电气连通以便实现第一RF功率至所述导电构件的传送的第一射频（RF）功率源。该系统进一步包括与所述导电构件电气连通以便实现第二RF功率至所述导电构件的传送的第二RF功率源。第一和第二RF功率源就频率和振幅而言是独立可控的。

Description

多频中空阴极以及安装该多频中空阴极的系统
背景技术
常规的中空阴极必须运行在约数百毫托（mTorr）至大气压的高压下。一些常规中空阴极在约1至10托的压强下运行得最有效，且具有约数毫米（mm）的内部尺寸。为了可操作，常规中空阴极的内部腔直径应当在若干个等离子体鞘厚度的范围内。该比例在一些半导体制造工艺（如等离子体蚀刻工艺，其中需要低压）中给常规中空阴极的使用造成了问题。
更具体地，常规中空阴极需要高射频（RF）功率以在较低的气压下产生等离子体且具有相对较大的尺寸。在低频RF功率、低压、以及小中空阴极尺寸的联立条件下，常规中空阴极不能在产生薄的等离子体鞘厚度的同时产生高的等离子体密度。因此，常规中空阴极不适于用在同时需要低压和低频RF功率二者的半导体制造操作中，比如不适于用在等离子体蚀刻操作中。在这种背景下，提出了本发明。
发明内容
在一实施方式中，公开了一种在衬底的等离子体处理中用于等离子体的产生的中空阴极系统。该中空阴极系统包括成型为包围内腔的导电构件。所述导电构件被形成为具有与所述内腔流体连通的工艺气体入口。所述导电构件还被形成为具有使所述内腔暴露于衬底处理区域的开口。该中空阴极系统还包括与所述导电构件电气连通以便实现第一RF功率至所述导电构件的传送的第一射频（RF）功率源。该中空阴极系统进一步包括与所述导电构件电气连通以便实现第二RF功率至所述导电构件的传送的第二RF功率源。所述第一RF功率源和所述第二RF功率源是独立可控的，使得所述第一RF功率和所述第二RF功率就频率和振幅而言是独立可控的。
在另一实施方式中，公开了一种用于衬底的等离子体处理的方法。该方法包括使衬底暴露于衬底处理区域。该方法还包括使多个中空阴极暴露于所述衬底处理区域。在该方法中，工艺气体流过所述多个中空阴极。该方法进一步包括将多个RF功率传送给所述多个中空阴极。所述多个RF功率就频率和振幅而言是独立控制的，且包括至少两个不同的频率。所述多个RF功率中的至少一个在所述工艺气体流过所述多个中空阴极时使所述工艺气体转变为等离子体。所述等离子体中的反应性组分进入所述衬底处理区域以作用在所述衬底上。
根据下面结合附图进行的以示例方式说明本发明的详细描述，本发明的其它方面以及优点会变得更加显而易见。
附图说明
图1A根据本发明的一实施方式示出了中空阴极组件的垂直截面；
图1B根据本发明的一实施方式示出了中空阴极组件对应于图1A中所标识的A-A视图的水平截面；
图2A示出了运行在单一RF频率或在DC的给定配置和尺寸的中空阴极的等离子体密度与工艺气体压强的关系曲线；
图2B根据本发明的一实施方式示出了图1A-1B的中空阴极组件的等离子体密度与工艺气体压强的关系曲线；
图3A-3B根据本发明的一实施方式示出了由多个部件形成的中空阴极系统的导电构件；
图4A-4B根据本发明的一实施方式示出了由多个部件形成以便将内腔分割成多个内腔的中空阴极系统的导电构件；
图5根据本发明的一实施方式示出了穿过多频RF供电的中空阴极的垂直截面，其中该中空阴极的内腔其形状设置成影响工艺气体压强；
图6A根据本发明的一实施方式示出了示例性中空阴极，其中三个导电阴极板被设置且通过介电片（dielectricsheet）彼此分隔；
图6B根据本发明的一实施方式示出了作为图6A的中空阴极的变化例的示例性中空阴极，其中没有下接地板；
图6C根据本发明的一实施方式示出了作为图6A的中空阴极的变化例的示例性中空阴极，其中三个独立控制的RF功率源被用来以三个不同的频率供应RF功率给阴极板；
图6D根据本发明的一实施方式示出了示例性中空阴极，其中四个导电阴极板被设置且通过介电片彼此分隔；
图6E根据本发明的一实施方式示出了示例性中空阴极，其中单个导电阴极板被连接以接收多个RF功率频率；
图7根据本发明的一实施方式示出了在衬底的等离子体处理中用于等离子体的产生的中空阴极系统；
图8根据本发明的一实施方式示出了用于衬底的等离子体处理的系统；
图9A根据本发明的一实施方式示出了用于衬底的等离子体处理的另一系统；
图9B根据本发明的一实施方式示出了作为图9A的系统的变化例的用于衬底的等离子体处理的系统；
图10根据本发明的一实施方式示出了作为图8的系统的变化例的用于衬底的等离子体处理的系统；
图11根据本发明的一实施方式示出了作为图8的系统的变化例的用于衬底的等离子体处理的系统；和
图12根据本发明的一实施方式示出了用于衬底的等离子体处理的方法。
具体实施方式
在下面的描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。但显而易见的是，对本领域技术人员来说，本发明可在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实施。另一方面，公知的工艺操作没有被详细描述以免不必要地模糊本发明。
中空阴极等离子体源通过在中空阴极内的约束空间中创建电场而运转。该电场激发供应到该约束空间的工艺气体以使该工艺气体在该约束空间内被转变为等离子体。等离子体通过鞘与中空阴极的围绕约束空间的表面分隔。在一实施方式中，中空阴极内所创建的电场因其形状被称为鞍电场。中空阴极内的电场生成钟摆电子。钟摆电子产生在中空阴极的围绕约束空间的表面处或者在围绕等离子体的鞘中。产生在中空阴极的表面处或者鞘内的电子向鞘的对面部分加速，从而所述电子引起工艺气体中的中性成分的电离、工艺气体中的自由基种类（radicalspecies）的生成、和/或更多“快速”电子的产生。
中空阴极内的电场也约束中空阴极的约束空间内的等离子体，从而增加约束空间中的等离子体密度。中空阴极提供用于产生高等离子密度的吸引装置，但对于压强、尺寸、和/或激励电压可具有窄范围的操作。本发明提供中空阴极以及相关的使用方法，其扩大中空阴极的操作范围以适于半导体制造中的等离子体蚀刻工艺，特别是适于在先进技术节点处，即在集成电路内的较小的临界尺寸精压（size）处的等离子体蚀刻工艺。
在本文所记载的各种实施方式中，公开了在衬底的等离子体处理中所使用的中空阴极的不同阵列。在操作过程中，工艺气体被供应给中空阴极的阵列以在所述阵列中的每一个中空阴极内产生等离子体。接着，等离子体的反应性成分从中空阴极的阵列传送到低压环境，其中衬底设置于该低压环境下，从而允许所述反应性成分接触衬底并作用于衬底。另外，在一些实施方式中，中空阴极的阵列以能使衬底的离子处理和自由基处理退耦且被独立控制的方式操作。
图1A根据本发明的一实施方式示出了中空阴极组件100的垂直截面。在该示例性实施方式中，中空阴极组件100包括导电材料的中空柱体101。中空阴极组件100还包括设置在中空柱体101的每一端的导电环103A、103B。导电环103A、103B分别通过介电环105A、105B与中空柱体101分隔。此外，在该示例性实施方式中，导电环103A、103B中的每一个被电气连接到参考接地电位107。
多个射频（RF）功率源109A、109B被连接以供应RF功率给中空柱体101。更具体地，多个RF功率源109A、109B中的每一个被连接以通过相应的匹配电路111供应RF功率给中空柱体101。匹配电路111被限定来防止/减缓RF功率从中空柱体101反射，使得RF功率通过中空柱体101传送到参考接地电位107。应当理解，虽然图1A的示例性实施方式示出了两个RF功率源109A、109B，但是其它实施方式可使用多于两个的RF功率源。
在操作过程中，工艺气体流过中空阴极组件100的内腔，如箭头113所示。此外，在操作过程中，从多个RF功率源109A、109B供应给中空柱体101的RF功率使工艺气体在中空柱体101内被转变成等离子体115。在等离子体115中，工艺气体被转变以包括电离成分和自由基种类二者，其在暴露于衬底时能够作用于衬底。应当知道，一个以上的RF功率源109A、109B被用来供应RF功率给中空阴极组件100。RF功率源109A、109B中的每一个就RF功率的频率和振幅而言是独立可控的。
等离子体115通过由多个RF功率源109A、109B供应的RF功率所产生的电场被约束在中空柱体101内。此外，鞘117围绕等离子体115限定在中空柱体101内。图1B根据本发明的一实施方式示出了中空阴极组件100对应于图1A中所标识的A-A视图的水平截面。如图1B中所示，鞘117分隔等离子体115和中空柱体101的内表面。
相较于图1A-1B的中空阴极组件100，常规中空阴极源由单个RF功率源或者由直流（DC）功率源供电，但不能两种方式并存。所以，常规中空阴极源就工艺气体压强而言的操作范围已由单一功率源和中空阴极源的特定配置/尺寸确定。
图2A示出了运行在单一RF频率或在DC的给定配置和尺寸的中空阴极的等离子体密度与工艺气体压强的关系曲线201。如图2A中所示，最佳工艺气体压强203对应于峰值等离子体密度。等离子体密度随着工艺气体压强自最佳工艺气体压强203向两侧中的任一方向移动而下降。因此，在该单一RF频率或DC，固定配置和尺寸的中空阴极需要操作在最佳工艺气体压强203周围的狭窄的工艺气体压强范围内。该狭窄的工艺气体压强范围可限制在需要更宽的操作上的工艺气体压强范围的半导体制造工艺中的有用性。
图2B根据本发明的一实施方式示出了图1A-1B的中空阴极组件100的等离子体密度与工艺气体压强的关系曲线209。曲线209包括对应于第一RF功率源109A的第一分曲线205（componentcurve）和对应于第二RF功率源109B的第二分曲线207。第一RF功率源109A在工艺气体压强范围内围绕第一最佳工艺气体压强206产生峰值等离子体密度。第二RF功率源109B在工艺气体压强范围内围绕第二最佳工艺气体压强208产生峰值等离子体密度。因为与第二RF功率源109B相关联的第二最佳工艺气体压强208大于与第一RF功率源109A相关联的第一最佳气体压强206，所以有效等离子体密度与工艺气体压强的关系曲线209显示出比单独用RF功率源109A、109B中的任一者所能达到的有效压强范围更宽的有效压强范围。
因此，应当理解，使用在适当频率的多个独立RF功率源给中空阴极供电可扩大中空阴极的操作范围，大大超过利用单个RF频率功率源或DC功率源所能达到的操作范围。其次，使用在适当频率的多个独立RF功率和适当配置的中空阴极组件可扩大中空阴极组件的有效工艺气体操作压强范围，从而能够使用中空阴极组件作为半导体制造工艺中的等离子体源。此外，对于给定的中空阴极组件配置而言，使用在不同频率的两个以上的RF功率源可大幅增加该给定中空阴极组件的有效工艺气体操作压强范围。
在一实施方式中，两个RF功率频率被供应给中空阴极组件100。在该实施方式的一个示例中，该两个RF功率频率是约2兆赫（MHz）和约60MHz。在另一实施方式中，三个RF功率频率被供应给中空阴极组件100。在该实施方式的一个示例中，该三个RF功率频率之一是在从约100千赫（kHz）延伸至约2MHz的范围内，而另外两个RF功率频率是约27MHz和约60MHz。在该实施方式中，最低的频率被用于设定中空阴极效应。还在该实施方式中，最高的频率被用于生成具有所需的鞘尺寸的初始等离子体。此外，在该实施方式中，中间的频率被用于桥接工艺状态和帮助使等离子体高效激发。这三个RF功率频率的实施方式在从约1毫托（mTorr）延伸至数百mTorr的范围内的工艺气体压强下提供用于中空阴极等离子体产生。该工艺气体压强范围的上端（数百mTorr）可被用于室清洁操作。该工艺气体压强范围的下端（约1mTorr）可被用于高级栅门（advancedgate）和触点制造操作中的等离子体蚀刻工艺。
在各种实施方式中，供应给中空阴极的多个RF功率频率可被分成（bininto）五个范围。该五个范围中的每一个是DC。该五个范围中的第二个被称为低范围，且从数百kHz延伸至约5kHz。该五个范围中的第三个被称为中间范围，且从约5kHz延伸至约13MHz。该五个范围中的第四个被称为高范围，且从约13MHz延伸至约40MHz。该五个范围中的第五个被称为甚高范围，且从约40MHz延伸至100MHz以上。应当理解，用不同RF功率频率组合操作中空阴极可能需要不同的匹配电路设计、不同的RF返回电流路径条件、且使用不同的电极间介电材料厚度。
再参考图1A-1B，应当理解，中空阴极组件100和多个RF功率源109A、109B以及它们各自的匹配电路111的组合代表了在衬底的等离子体处理中用于等离子体产生的中空阴极系统。特别地，中空柱体101代表成型（shape）为包围内腔119的导电构件101。导电构件101被形成为具有与内腔119流体连通的工艺气体入口121。此外，导电构件101被形成为具有使内腔119暴露于衬底处理区域的开口123。
RF功率源109A代表与导电构件101电气连通以便实现第一RF功率至导电构件101的传送的第一RF功率源109A。RF功率源109B代表与导电构件101电气连通以便实现第二RF功率至导电构件101的传送的第二RF功率源109A。第一和第二RF功率源109A、109B是独立可控的，使得第一和第二RF功率就频率和振幅而言是独立可控的。
进一步参考图1A-1B，导电环103A代表形成来包围工艺气体入口121的第一电气接地构件103A。此外，介电环105A代表形成来包围工艺气体入口121的第一介电垫片（dielectricspacer）105A。第一介电垫片105A被设置在第一电气接地构件103A和导电构件101之间。类似地，导电环103B代表形成来包围使内腔119暴露于衬底处理区域的开口123的第二电气接地构件103B。此外，介电环105B代表形成来包围使内腔119暴露于衬底处理区域的开口123的第二介电垫片105B。第二介电垫片105B被设置在第二电气接地构件103B和导电构件101之间。
匹配电路111包括连接在第一RF功率源109A和导电构件101之间的第一匹配电路。第一匹配电路被限定来防止第一RF功率从导电构件101反射。此外，匹配电路111包括连接在第二RF功率源109B和导电构件101之间的第二匹配电路。第二匹配电路被限定来防止第二RF功率从导电构件101反射。在各种实施方式中，图1A-1B的中空阴极系统可包括与导电构件101电气连通以便实现额外的相应RF功率至导电构件101的传送的一或多个额外的RF功率源。所述额外的RF功率源就频率和振幅而言是独立可控的。
虽然在图1A-1B的示例性实施方式中，中空柱体101代表导电构件，但应当理解，在其它实施方式中，中空阴极系统的导电构件可具有不同的形状。图3A-3B根据本发明的一实施方式示出了中空阴极系统的由多个部件形成的导电构件300。导电构件300包括彼此同中心设置的中央实心柱体301和外部中空柱体303。中央实心柱体301和外部中空柱体303被设定尺寸使得内腔305被形成在中央实心柱体301和外部中空柱体303之间。
如图3B中所示，工艺气体流过与内腔305流体连通的工艺气体入口307，如箭头309所示。此外，导电构件300被形成为具有使内腔305暴露于衬底处理区域的开口311。等离子体在导电构件300的内腔305中产生，使得等离子体的反应性组分（reactivespecies）和离子可从内腔305移动经过开口311进入衬底处理区域中，如箭头313所示。
在一实施方式中，第一RF功率源109A通过适当的匹配电路111与中央实心柱体301电气连通。此外，在该实施方式中，第二RF功率源109B通过适当的匹配电路111与外部中空柱体303电气连通。在另一实施方式中，第一和第二RF功率源109A、109B二者都通过各自的且适当的匹配电路111与中央实心柱体301和外部中空柱体303中的每一个电气连通。
图4A-4B根据本发明的一实施方式示出了中空阴极系统的由多个部件形成以便将内腔分割成多个内腔405A、405B的导电构件400。该导电构件包括以彼此同中心且间隔开的方式设置的中央中空柱体401和外部中空柱体403。第一内腔405A被形成在中央中空柱体401内。第二内腔405B被形成在中央中空柱体401和外部中空柱体403之间。
如图4B中所示，工艺气体流过与第一内腔405A流体连通的第一工艺气体入口407A，如箭头409A所示。此外，工艺气体流过与第二内腔405B流体连通的第二工艺气体入口407B，如箭头409B所示。导电构件400进一步限定为具有使第一内腔405A暴露于衬底处理区域的开口411A。此外，导电构件400被限定为具有使第二内腔405B暴露于衬底处理区域的开口411B。等离子体在导电构件400的内腔405A、405B中产生，使得等离子体的反应性组分和离子可从内腔405A、405B移动经过它们各自的开口411A、411B进入衬底处理区域中，如箭头413A、413B所示。
在一实施方式中，第一RF功率源109A通过适当的匹配电路111与中央中空柱体401电气连通。此外，在该实施方式中，第二RF功率源109B通过适当的匹配电路111与外部中空柱体403电气连通。在另一实施方式中，第一和第二RF功率源109A、109B二者都通过适当的匹配电路111与中央中空柱体401电气连通。此外，在该实施方式中，第二RF功率源109B通过适当的匹配电路111与外部中空柱体403电气连通。在又一实施方式中，第一和第二RF功率源109A、109B二者都与中央中空柱体401和外部中空柱体403中的每一个电气连通。
在一实施方式中，第一内腔405A的第一工艺气体入口407A与第一工艺气体源流体连通，而第二内腔405B的第二工艺气体入口407B与第二工艺气体源流体连通。在该实施方式的一种版本中，第一和第二内腔405A、405B二者的工艺气体入口407A、407B都与共同的工艺气体源流体连通。在该实施方式的另一版本中，第一和第二工艺气体源就工艺气体种类、工艺气体压强、工艺气体流率、工艺气体温度、或其任意组合而言是独立可控的。
在图4A-4B的实施方式中，暴露于内腔405A、405B中压强较高的工艺气体的中央中空柱体和外部中空柱体401、403中的至少一者被连接到至少两个独立可控的RF功率源109A、109B中的频率较低的一个。此外，在该实施方式中，暴露于内腔405A、405B中压强较低的工艺气体的中央中空柱体和外部中空柱体401、403中的至少一者被连接到至少两个独立可控的RF功率源109A、109B中的频率较高的一个。
图5根据本发明的一实施方式示出了穿过多频RF供电的中空阴极500的垂直截面，其中中空阴极500的内腔505形状设置成影响工艺气体压强。在图5的示例性实施方式中，中空阴极500包括相对于穿过中空阴极500的工艺气体流路径（如箭头509所示）以顺序方式设置的第一导电构件501和第二导电构件503。第一和第二导电构件501、503通过介电材料504彼此分隔。内腔505延伸穿过第一导电构件501的一部分尺寸较小以在当中维持较高的工艺气体压强。然而，内腔505延伸穿过第二导电构件503的一部分具有扩张形状（diffuser-shaped）从而降低当中的工艺气体压强。
因为较高的工艺气体压强需要频率较低的RF功率以产生最佳等离子体密度，反之亦然，所以内腔505的具有较小尺寸部分的第一导电构件501可被连接到RF功率源109A、109B中频率较低的一个。内腔505的具有扩张形状部分的第二导电构件503可以以互补方式被连接到RF功率源109A、109B中频率较高的一个。
图6A-6D示出了多频RF供电的中空阴极600A-600D的实施例，其中导电构件相对于工艺气体流路径（如箭头609所示）以顺序方式设置。在各种实施方式中，中空阴极600A-600D包括通过介电片603彼此分隔的多个导电阴极板601的堆。孔穿过导电阴极板601和介电片603的堆被形成，从而形成中空阴极600A-600D的内腔，工艺气体流过该内腔，如箭头609所示。应当理解，图6A-6D中的每一个示出了穿过形成在导电阴极板601和介电片603的相应堆内的多个中空阴极中的一个的垂直截面。
在图6A-6D的示例性实施方式中，多个阴极板601中的每一个通过适当的匹配电路111被连接以从至少两个独立可控的RF功率源109A、109B中的一或多个接收RF功率。中空阴极600A-600D的内腔605A-605D内的工艺气体被从阴极板601发射的RF功率转变为等离子体。
图6A根据本发明的一实施方式示出了示例性中空阴极600A，其中三个导电阴极板601被设置且通过介电片603彼此分隔。在图6A中，两个独立控制的RF功率源109A、109B用于以两个不同的频率F1、F2供应RF功率给阴极板601，例如，以低频F1和高频F2，反之亦然。图6A的实施方式还包括上接地板650A和下接地板650B从而为发射自阴极板601的RF功率提供返回路径。接地板650A、650B通过介电片603和其相邻阴极板601分隔。此外，接地板650A、650B具有形成在其中的孔以匹配阴极板601和介电片603内所形成的孔。
应当理解，并非所有的实施方式都需要包括上接地板和下接地板650A、650B。例如，等离子体处理室内围绕中空阴极的其它结构可提供合适的RF功率返回路径。举例来说，图6B根据本发明的一实施方式示出了作为图6A的中空阴极600A的变化例的示例性中空阴极600B，其中没有下接地板650B。图6C根据本发明的一实施方式示出了作为图6A的中空阴极600A的变化例的示例性中空阴极600C，其中三个独立受控的RF功率源109A、109B、109C被用来以三个不同的频率F1、F2、F3供应RF功率给阴极板601，即以低频F1、以中频F3和以高频F2供应RF功率给阴极板601。
图6D根据本发明的一实施方式示出了示例性中空阴极600D，其中四个导电阴极板601被设置且通过介电片603彼此分隔。在图6D中，三个独立受控的RF功率源109A、109B、109C被用来以三个不同的频率F1、F2、F3供应RF功率给阴极板601，即以低频F1、以中频F3和以高频F2供应RF功率给阴极板601。应当理解，图6A-6D的中空阴极配置以示例方式提供，且不表示可行中空阴极配置的穷尽集合。在其它实施方式中，中空阴极可以以与图6A-6D中所描绘的这些方式类似的方式形成，但可包括不同数量的阴极板601，可使用不同数量的RF功率频率，且可使用或不使用上接地板和/或下接地板650A、650B。
另外，在一些实施方式中，多个RF功率频率可被施加给单个阴极板601。例如，在包括多个阴极板601的中空阴极中，多个阴极板601中的一或多个可被单独（individually）连接以接收多个RF功率频率。图6E根据本发明的一实施方式示出了示例性中空阴极600E，其中单个导电阴极板601被连接以接收多个RF功率频率F1、F2等。图6E还示出了阴极板601如何能够被限定为包括具有形状设定的内腔605E以影响工艺气体流和/或压强。应当理解，在图6A-6E的示例性实施方式中，穿过阴极板601形成的孔可以以许多不同的方法进行限定以沿着穿过该中空阴极的工艺气体流路径影响工艺气体流率和/或压强变化。
图7根据本发明的一实施方式示出了在衬底的等离子体处理中用于等离子体的产生的中空阴极系统700。该中空阴极系统包括以层叠方式堆叠的多个导电板701、750A、750B。中空阴极系统700还包括设置在多个导电板701、750A、750B中相邻放置的每一对之间的介电片703。若干孔707被形成为延伸穿过多个导电板701、750A、750B和设置在其间的介电片703。每一个孔707形成中空阴极的内腔。更具体地，每一个孔707穿过RF供电的导电板701的部分形成中空阴极的内腔。
在中空阴极系统700中，至少两个独立可控的RF功率源109A、109B被电气连接到导电板701。至少两个独立可控的RF功率源109A、109B中的每一个就RF功率的频率和振幅而言是独立可控的。在图7的示例性实施方式中，中空阴极系统700包括上接地板750A、被连接以从至少两个独立可控的RF功率源109A、109B中的每一个接收RF功率的中央阴极板701、以及下接地板750B。应当理解，在其它实施方式中，中空阴极系统700可包括多个RF供电的导电板，比如参考图6A-6D所描述的。此外，在其它实施方式中，中空阴极系统700可包括仅仅上接地板750A，仅仅下接地板750B，或者上接地板和下接地板750A、750B都没有。
当被布置在等离子体处理系统中时，若干孔707中的每一个孔的第一端与工艺气体源流体连通。而且，该若干孔707中的每一个孔的第二端与衬底处理区域流体连通。以这种方式，工艺气体流过孔707，如箭头709所示。当工艺气体流过孔707时，在每个孔707内，自中央阴极板701发射的RF功率使工艺气体转变成等离子体710。应当理解，孔707内的工艺气体的压强可适于在对应于不到全部的所述至少两个独立可控的RF功率源109A、109B的RF功率频率范围内的等离子体产生。然而，只要RF功率源109A、109B中的至少一个操作在适于在所供应的工艺气体压强下产生等离子体的频率，其它RF功率频率便可用来影响等离子体特征，即影响等离子体中的离子和/或自由基的产生。
图8根据本发明的一实施方式示出了用于衬底的等离子体处理的系统800。系统800包括由环绕壁801A、顶板801B和底板801C形成的室801。在各种实施方式中，室壁801A、顶板801B和底板801C可由不同的材料（比如，举例来说，不锈钢或铝）形成，只要室801的材料在结构上能够承受它们在等离子体处理过程中遇到的压差和温度，且与等离子体处理环境化学兼容。
系统800还包括设置在室801内的衬底支撑件803。衬底支撑件803被限定来在衬底上执行等离子体处理操作的过程中使衬底802保持在其上。在图8的实施方式中，衬底支撑件803受附着到室801的壁801A的悬臂支撑。但是，在其它实施方式中，衬底支撑件803可被附着到室801的底板801C或被附着到设置在室801内的另一构件。在各种实施方式中，衬底支撑件803可由不同的材料（比如，举例来说，不锈钢、铝、或者陶瓷）形成，只要衬底支撑件803的材料在结构上能够承受其在等离子体处理过程中所遇到的压差和温度，且与等离子体处理环境化学兼容。
在一实施方式中，衬底支撑件803包括偏置电极807，偏置电极807用于产生电场以吸引离子朝向衬底支撑件803从而朝向保持在衬底支撑件803上的衬底802。此外，在一实施方式中，衬底支撑件803包括若干冷却通道809，在等离子体处理操作期间，冷却流体可流过冷却通道809以维持衬底802的温度控制。此外，在一实施方式中，衬底支撑件803可包括限定来相对于衬底支撑件803抬升或降下衬底802的若干升降销811。在一实施方式中，门组件813被设置在室壁801A内以使衬底802能插入室801和使衬底802能从室801移出。另外，在一实施方式中，衬底支撑件803被限定为静电卡盘，其配备来在等离子体处理操作的过程中产生用于将衬底802牢牢保持在衬底支撑件803上的静电场。
系统800进一步包括中空阴极组件815，中空阴极组件815被设置在室801内、在衬底支撑件803上方且与衬底支撑件803间隔开，以便在衬底802被放置在衬底支撑件803上时，放置在衬底802上方且与衬底802间隔开。衬底处理区域817存在于中空阴极组件815和衬底支撑件803之间，以便当衬底802被放置在衬底支撑件803上时，存在于衬底802上方。在一实施方式中，在中空阴极组件815和衬底支撑件803之间的垂直测量的垂直距离（即，工艺间隙）是在从约1厘米（cm）延伸至约10cm的范围内。在一实施方式中，在中空阴极组件815和衬底支撑件803之间的垂直测量的垂直距离是约5cm。此外，在一实施方式中，衬底支撑件803相对于中空阴极组件815的垂直位置（反之亦然）在等离子体处理操作的执行过程中或者在等离子体处理操作之间是可调整的。
系统800进一步包括与中空阴极组件815流体连通的工艺气体源819，以供应工艺气体给中空阴极组件815。在图8的示例性实施方式中，工艺气体充气室821被形成在室801内、中空阴极组件815上方。工艺气体充气室821与工艺气体源819以及中空阴极组件815内的多个中空阴极823中的每一个均流体连通。工艺气体充气室821被形成来以大体上均匀的方式将工艺气体分配到中空阴极组件815内的多个中空阴极823中的每一个。
系统800还包括与中空阴极组件815电气连通的多个RF功率源109A、109B。多个RF功率源109A、109B中的每一个就RF功率的频率和振幅而言是独立可控的。此外，RF功率从RF功率源109A、109B中的每一个通过各自的匹配电路111传送以确保足够的穿过中空阴极组件815的RF功率传送。在系统800的操作过程中，多个RF功率分别从多个RF功率源109A、109B传送给中空阴极组件815。工艺气体在中空阴极组件815的多个中空阴极823中的每一个内被转变为等离子体。等离子体中的反应性组分825从中空阴极组件815移动到衬底支撑件803上方的衬底处理区域817，即当衬底802被放置在衬底支撑件803上时，移动到衬底802上。
在一实施方式中，当工艺气体从中空阴极组件815进入衬底处理区域817时，用过的工艺气体流过外围通气孔827（peripheralvent），并被排气泵831通过排气口829抽出。在一实施方式中，节流设备833被提供来控制来自衬底处理区域817的用过的工艺气体的流率。在一实施方式中，节流设备833被限定为可朝向外围通气孔827和远离外围通气孔827移动（如箭头835所示）的环形结构。
中空阴极组件815被限定在衬底支撑件803的表面的上方，衬底802被接收在衬底支撑件803上以进行等离子体处理。中空阴极组件815的多个中空阴极823被限定为暴露于衬底处理区域817。多个中空阴极823以大体上均匀的方式相对于衬底支撑件803的表面进行分布，衬底802被接收在衬底支撑件803上以进行等离子体处理。在一实施方式中，约100个中空阴极823以大体上均匀的方式相对于衬底支撑件803的表面进行分布，衬底802被接收在衬底支撑件803上以进行等离子体处理。然而，应当理解，其它实施方式可使用更多或更少的中空阴极823。在图8的示例性实施方式中，中空阴极组件815基本上等同于参考图7所描述的中空阴极系统700。但是，应当知道，中空阴极组件815的许多不同的变化例可在图8的系统800内实现，比如前面参考图1A至6E所讨论的那些。
图9A根据本发明的一实施方式示出了用于衬底的等离子体处理的另一系统900A。就室801、衬底支撑件803、外围通气孔827、节流设备833、排气口829和排气泵831而言，系统900A基本上等同于图8的系统800。但是，系统900A包括与系统800的中空阴极组件815不同的中空阴极组件901。具体而言，中空阴极组件901被形成为包括与工艺气体供给线903流体连通的工艺气体分配通道（在中空阴极组件901内部）。工艺气体供给线903流体连通地连接在工艺气体源819和中空阴极组件901之间。中空阴极组件901内的工艺气体分配通道被形成从而以大体上均匀的方式将工艺气体从工艺气体供给线903导向形成在中空阴极组件901内的多个中空阴极905中的每一个。
系统900A进一步包括形成在室801内、中空阴极组件901上方的排气室907。排气室907流体地连接到排气泵909。中空阴极组件901包括多个排气孔911，多个排气孔911被形成为从衬底处理区域817延伸完全穿过中空阴极组件901，到达排气室907。多个排气孔911以大体上均匀的方式相对于衬底支撑件803的表面进行分布，衬底802被接收在衬底支撑件803上以进行等离子体处理。此外，多个排气孔911中的每一个与多个中空阴极905和中空阴极组件901内的工艺气体分配通道隔离。应当知道，由中空阴极组件901内的多个排气孔911提供的立式泵出能力提供了对反应性组分在衬底802上的驻留时间的改进的控制，所述反应性组分在衬底802上的驻留时间是衬底上的径向位置的函数。
图9B根据本发明的一实施方式示出了作为图9A的系统900A的变化例的用于衬底的等离子体处理的系统900B。系统900B不使用外围通气孔827和下排气口829。相反，在系统900B中，在操作过程中，衬底处理区域817被流体密封在衬底支撑件803和中空阴极组件901之间，使得从衬底处理区域817的排气需要经过中空阴极组件901的排气孔911。
图10根据本发明的一实施方式示出了作为图8的系统800的变化例的用于衬底的等离子体处理的系统1000。在系统1000中，工艺气体充气室821被限定为容纳阳极板1001。更具体地，阳极板1001被设置在工艺气体充气室821内且在中空阴极组件815上方。阳极板1001电气连接到负偏置1005以便将离子从多个中空阴极823驱赶到衬底处理区域817中。此外，在一实施方式中，系统1000包括设置在中空阴极组件815和衬底处理区域817之间的阴极板1003。阴极板1003电气连接到正偏置1007以将离子从多个中空阴极823吸引到衬底处理区域817中。应当理解，不同的实施方式可包括仅仅阳极板1001，仅仅阴极板1003，或者阳极板和阴极板1001、1003二者。
图11根据本发明的一实施方式示出了作为图8的系统800的变化例的用于衬底的等离子体处理的系统1100。系统1100被限定为在系统800中的工艺气体充气室821的位置具有源等离子体区域1103。具体而言，源等离子体区域1103被形成在室801内、中空阴极组件815上方。源等离子体区域1103与工艺气体源819和中空阴极组件815内的多个中空阴极823中的每一个均流体连通。系统1100还包括线圈组件1101，其被设置来使源等离子体区域1103内的工艺气体转变为源等离子体1105。在系统1100中，室801的顶板801B被修改为包括适于将RF功率从线圈组件1101传送到源等离子体区域1103中的窗1107。在一实施方式中，窗1107由石英形成。在另一实施方式中，窗1107由陶瓷材料形成，比如碳化硅。在系统1100中，源等离子体1105以大体上均匀的方式在中空阴极组件815内的多个中空阴极823中的每一个中激励次级等离子体产生。
图12根据本发明的一实施方式示出了用于衬底的等离子体处理的方法。应当理解，图12的方法可在图8-11的等离子体处理系统800、900A、900B、1000、1100中的任一个内、利用参考图1A-11所描述的中空阴极实施方式中的任一种来实施。该方法包括用于使衬底暴露于衬底处理区域的操作1201。该方法还包括用于使多个中空阴极暴露于衬底处理区域的操作1203。在一实施方式中，多个中空阴极的数量在从约25延伸至约100的范围内。该方法还包括用于使工艺气体流过该多个中空阴极的操作1205。
在操作1207中，多个RF功率被传送给该多个中空阴极。该多个RF功率就频率和振幅而言是独立受控的，且包括至少两个不同的频率。此外，该多个RF功率中的至少一个在工艺气体流过该多个中空阴极时使工艺气体转变为等离子体。该等离子体中的反应性组分进入衬底处理区域以作用在衬底上。
在一实施方式中，该多个RF功率包括来自由2兆赫（MHz）、27MHz、60MHz和200千赫（kHz）组成的组中的两个或更多个频率。在其它实施方式中，该多个RF功率包括与低频范围、中频范围、高频范围和甚高频范围中的一或多者对应的至少两个不同的RF功率频率。低频范围从数百（100）kHz延伸至约5kHz。中频范围从约5kHz延伸至约13MHz。高频范围从约13MHz延伸至约40MHz。甚高频范围从约40MHz延伸至100MHz以上。
该方法可进一步包括用于控制工艺气体的压强的操作。在一实施方式中，工艺气体的压强使得能够通过多个RF功率中的一些RF功率形成等离子体且不能通过该多个RF功率中的其它RF功率形成等离子体。在一实施方式中，工艺气体的压强被控制在从约1毫托（mTorr）延伸至约500mTorr的范围内。该方法还可包括用于设置工艺间隙距离的操作，该工艺间隙距离如在衬底和多个中空阴极之间垂直测得的、在从约1cm延伸至约10cm的范围内的距离。
应当知道，多个RF功率频率/振幅结合本文所记载的中空阴极实施方式的同时使用可有利地提供优先控制在等离子体中产生不同类型的反应性组分的能力。例如，在上述低频范围内的RF功率的施加可被用于促进自由基在等离子体中的产生。其次，包括适当振幅的低频和高频的组合的多个RF功率的施加可被用于在等离子体中产生适于特定等离子体处理操作的离子和自由基的特定混合物。
鉴于上述情况，图12的方法可包括用于控制多个RF功率中的第一组一或多个RF功率的频率和振幅的操作以便促进第一类型的反应性组分在等离子体中的产生。该方法还可包括用于控制多个RF功率中的第二组一或多个RF功率的频率和振幅的操作以便促进第二类型的反应性组分在等离子体中的产生。在一实施方式中，第一类型的反应性组分是离子，而第二类型的反应性组分是自由基。在该实施方式中，第一组一或多个RF功率的频率低于第二组一或多个RF功率的频率。例如，在一实施方式中，第一组一或多个RF功率的频率可在上述低频范围内，而第二组一或多个RF功率的频率可在上述高频范围内。
本文公开了许多能使中空阴极系统在适于半导体制造工艺（如等离子体蚀刻工艺）使用的较低工艺气体压强下使用的多频RF供电的中空阴极的实施方式。本文所公开的中空阴极结构可在高频（例如，60MHz）和低频（例如，2MHz或更低）下被驱动，以在中空阴极内在低压下提供持久的等离子体，同时也产生足够高的等离子体密度。在这种情况下，高频RF功率分量可触发和激励等离子体，同时低频RF分量可提供相对于中空阴极内腔尺寸的减小的等离子体鞘尺寸。在这种情况下，中空阴极的鞍形场可平行于中空阴极电极的平面。
如本文所讨论的，在一实施方式中，两或更多个RF功率频率可被用于驱动中空阴极组件内的共用电极。在另一实施方式中，高频RF供电的电极可被夹在低频RF供电的电极之间，使得低频RF供电的电极进行同相操作时，鞍形场沿着中空阴极内腔的轴存在。
一些中空阴极在操作过程中可能需要较高的工艺气体压强。在这种情况下，在一实施方式中，中空阴极阵列可被嵌在同相驱动或异相驱动的低频RF供电的电极之间。在该实施方式中，低频RF供电的电极在较低压强的衬底处理区域上方提供高压环境。当被同相驱动且靠近中空阴极阵列时，低频RF供电的电极于其间且沿着中空阴极阵列内的中空阴极的轴产生鞍形场。当被异相驱动时，即在推挽式的关系中，低频RF供电的电极在中空阴极阵列面向瞬时阳极（instantaneousanode）的一侧上产生鞍形场。这种异相配置可被用来将离子和电子插入低压衬底处理区域中。
在一实施方式中，中空阴极被配置为包括具有足够低的电导率的夹断点以在数百sccm（标准立方厘米）的流率下维持约数百mTorr的压降（pressuredrop）。该实施方式的中空阴极实现了结合低压衬底处理区域的高压中空阴极阵列操作。在该实施方式中，中空阴极的高压侧（即，在夹断点之上）被用于创建高压中空阴极。此外，中空阴极的低压侧（即，在夹断点之下）可与静电透镜结合，以从中空阴极等离子体提取离子或电子。
应当理解，许多不同配置的RF供电的电极可在本文所公开的多频RF供电的中空阴极内被实现。例如，如本文中参考图6A-7所公开的，中空阴极可以以被介电片分隔的导电板层的形式进行组装，其中孔阵列穿过介电片和导电板形成。此外，如图3A-4B的实施例中所公开的，中空阴极的电极可被同中心地限定，使得一个电极在另一电极的孔内。此外，如图4A-4B的实施例中所示，中空阴极的电极可形成用于工艺气体流的环形。
另外，中空阴极可包括本文未明确示出的其它形状，或者引导偏离中空阴极的电极表面的工艺气体的流。在一些实施方式中，中空阴极可以以单胞间（unitcell）阵列的形式设置，其中具有不同频率组合的电极被设置为彼此紧邻。此外，在一些实施方式中，比如参考图3A-3B所描述的，中空阴极的不同区域可被设置使得外区由第一组RF功率频率供电，同时内区由第二组RF功率频率供电，其中第一和第二组RF功率频率是不同的。
虽然已经以若干实施方式的形式对本发明进行了描述，但要知道的是，本领域技术人员在阅读前面的的说明书和附图的基础上会想到本发明的各种变化方式、替代方式、置换方式和等同方式。本发明包括落在本发明的真实精神和范围内的所有这样的变化方式、替代方式、置换方式和等同方式。

Claims (17)

1.一种在衬底的等离子体处理中用于等离子体的产生的中空阴极系统，其包括：
第一导电构件和第二导电构件，所述第一导电构件和第二导电构件相对于穿过所述中空阴极系统的工艺气体流路径以顺序方式设置，所述第一导电构件和第二导电构件通过介电材料彼此分隔，所述工艺气体流路径延伸穿过形成在所述第一导电构件和第二导电构件以及所述介电材料内的内腔，其中所述内腔延伸穿过所述第一导电构件的一部分的尺寸比所述内腔延伸穿过所述第二导电构件的另一部分的尺寸小，所述内腔延伸穿过所述第一导电构件的较小尺寸的一部分配置成在当中维持较高的气体压强，所述内腔延伸穿过所述第二导电构件的一部分配置成具有扩张形状从而降低当中的气体压强，其中所述第一导电构件被形成为具有在所述内腔的入口的工艺气体入口，且其中所述第二导电构件具有使所述内腔暴露于衬底处理区域的出口；
第一射频(RF)功率源，其与所述第一导电构件电气连通以便实现处于第一频率的第一RF功率至所述第一导电构件的传送；以及
第二RF功率源，其与所述第二导电构件电气连通以便实现处于第二频率的第二RF功率至所述第二导电构件的传送，
其中，基于所述内腔在所述第二导电构件内的部分与所述内腔在所述第一导电构件内的部分之间的体积差，所述第二频率高于所述第一频率，
其中所述第一RF功率源和所述第二RF功率源是能独立可控的，使得所述第一RF功率和所述第二RF功率就频率和振幅而言是独立可控的。
2.如权利要求1所述的在衬底的等离子体处理中用于等离子体的产生的中空阴极系统，其中所述第一导电构件和第二导电构件的外表面是柱体形状。
3.如权利要求1所述的在衬底的等离子体处理中用于等离子体的产生的中空阴极系统，其中所述第一导电构件是板，所述板具有穿过板形成的孔，其中所述内腔形成在所述第一导电构件内的部分是在所述板的所述孔内。
4.如权利要求1所述的在衬底的等离子体处理中用于等离子体的产生的中空阴极系统，其进一步包括：
形成来包围所述工艺气体入口的第一电气接地构件；和
形成来包围所述工艺气体入口的第二介电垫片，所述第二介电垫片设置在所述第一电气接地构件和所述第一导电构件之间。
5.如权利要求4所述的在衬底的等离子体处理中用于等离子体的产生的中空阴极系统，其进一步包括：
形成来包围使所述内腔暴露于所述衬底处理区域的所述出口的第二电气接地构件；和
形成来包围使所述内腔暴露于所述衬底处理区域的所述出口的第三介电垫片，所述第三介电垫片设置在所述第二电气接地构件和所述第二导电构件之间。
6.如权利要求1所述的在衬底的等离子体处理中用于等离子体的产生的中空阴极系统，其进一步包括：
连接在所述第一RF功率源和所述第一导电构件之间的第一匹配电路，其中所述第一匹配电路被限定来防止所述第一RF功率从所述第一导电构件反射；和
连接在所述第二RF功率源和所述第二导电构件之间的第二匹配电路，其中所述第二匹配电路被限定来防止所述第二RF功率从所述第二导电构件反射。
7.如权利要求1所述的在衬底的等离子体处理中用于等离子体的产生的中空阴极系统，其进一步包括：
与所述第一导电构件电气连通以便使额外的相应RF功率能传送至所述第一导电构件的一或多个额外的RF功率源，其中所述额外的RF功率源就频率和振幅而言是独立可控的。
8.如权利要求1所述的在衬底的等离子体处理中用于等离子体的产生的中空阴极系统，其中所述第一RF功率源被限定来产生具有2兆赫(MHz)、27MHz、60MHz、或400千赫(kHz)中的任一频率的所述第一RF功率，且其中所述第二RF功率源被限定来产生具有2MHz、27MHz、60MHz、或400kHz中的任一频率的所述第二RF功率，且其中所述第一RF功率的频率不同于所述第二RF功率的频率。
9.一种用于衬底的等离子体处理的方法，其包括：
将中空阴极系统暴露于衬底处理区域，所述中空阴极系统包括：
第一导电构件和第二导电构件，所述第一导电构件和第二导电构件相对于穿过所述中空阴极系统的工艺气体流路径以顺序方式设置，所述第一导电构件和第二导电构件通过介电材料彼此分隔，所述工艺气体流路径延伸穿过形成在所述第一导电构件和第二导电构件以及所述介电材料内的内腔，其中所述内腔延伸穿过所述第一导电构件的一部分的尺寸比所述内腔延伸穿过所述第二导电构件的另一部分的尺寸小，所述内腔延伸穿过所述第一导电构件的较小的尺寸的一部分配置成在当中维持较高的气体压强，所述内腔延伸穿过所述第二导电构件的一部分配置成具有扩张形状从而降低当中的气体压强，其中所述第一导电构件被形成为具有在所述内腔的入口的工艺气体入口，且其中所述第二导电构件具有使所述内腔暴露于所述衬底处理区域的出口，
第一射频(RF)功率源，其与所述第一导电构件电气连通以便实现处于第一频率的第一RF功率至所述第一导电构件的传送；以及
第二RF功率源，其与所述第二导电构件电气连通以便实现处于第二频率的第二RF功率至所述第二导电构件的传送，
其中，基于所述内腔在所述第二导电构件内的部分与所述内腔在所述第一导电构件内的部分之间的体积差，所述第二频率高于所述第一频率，
其中所述第一RF功率源和所述第二RF功率源是能独立可控的，使得所述第一RF功率和所述第二RF功率就频率和振幅而言是独立可控的；
使衬底暴露于所述衬底处理区域；
使工艺气体流过所述中空阴极系统；以及
将所述第一RF功率传送给所述第一导电构件；
将所述第二RF功率传送给所述第二导电构件，其中所述第一RF功率和第二RF功率中的至少一个在所述工艺气体流过所述中空阴极系统时使所述工艺气体转变为等离子体，
从而所述等离子体中的反应性组分进入所述衬底处理区域以作用在所述衬底上。
10.如权利要求9所述的用于衬底的等离子体处理的方法，其进一步包括：
控制所述工艺气体的压强，其中所述工艺气体的所述压强使得能够通过所述第一RF功率和第二RF功率中的一些RF功率形成所述等离子体且不能通过所述第一RF功率和第二RF功率中的其它RF功率形成所述等离子体。
11.如权利要求10所述的用于衬底的等离子体处理的方法，其中所述工艺气体的所述压强被控制在从1毫托(mTorr)延伸至500mTorr的范围内。
12.如权利要求9所述的用于衬底的等离子体处理的方法，其进一步包括：
设置工艺间隙距离，该工艺间隙距离是在所述衬底和所述中空阴极系统之间垂直测得的、在从1cm延伸至10cm的范围内的距离。
13.如权利要求9所述的用于衬底的等离子体处理的方法，进一步包括：
将所述中空阴极系统的多个设置为暴露于衬底处理区域，其中所述中空阴极系统的数量在从25延伸至100的范围内。
14.如权利要求9所述的用于衬底的等离子体处理的方法，其中所述第一RF功率和第二RF功率包括来自由2兆赫(MHz)、27MHz、60MHz和400千赫(kHz)组成的组中的两个或更多个频率。
15.如权利要求9所述的用于衬底的等离子体处理的方法，其进一步包括：
控制所述第一RF功率的频率和振幅以便促进第一类型的反应性组分在所述等离子体中产生。
16.如权利要求15所述的用于衬底的等离子体处理的方法，其进一步包括：
控制所述第二RF功率的频率和振幅以便促进第二类型的反应性组分在所述等离子体中产生。
17.如权利要求16所述的用于衬底的等离子体处理的方法，其中所述第一类型的反应性组分是离子，且其中所述第二类型的反应性组分是自由基，且其中所述第一RF功率的频率低于所述第二RF功率的频率。
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