CN104081492B - 电浆产生装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电浆产生装置，其容许在E及H操作模式之间的切换，以及也增加RF电源对电浆的耦合效率。此装置可藉由对于特定功率输出约1.25-1.65的因子来增加电浆密度。由于其高效率，因而可同时减免其冷却天线的需求。使用增加对特定体积的总表面积的新式的天线几何形状，藉以利用与RF电流相关的表面效应。在一些实施例中，具有单一循环的天线减少邻近效应。天线亦可嵌入于亚铁盐材料，藉以更进一步增进其效能。

Description

电浆产生装置

背景技术

电浆制造装置在腔室(chamber)中产生电浆，而此腔室能用以处理在处理室(processchamber)中由平台所支托的工件(workpiece)。在一些实施例中，产生电浆的腔室即为处理室。此电浆制造装置可包括掺杂(doping)系统、蚀刻(etching)系统以及沉积(deposition)系统，但并不限于此。在一些电浆制造装置中，例如离子辅助沉积(ionassisteddeposition)，提取出来自电浆的离子且接着导向工件。在电浆掺杂装置中，可将离子加速至所要求的能量，以在工件的物理结构中产生出特定程度的掺杂物深度剖面，例如半导体基板。

在一些布植机(implanter)中，可从一腔室中产生用以提取出离子的电浆，而在相异的处理室中处理工件。此类配置的一范例即为束线离子布植机(beamlineionimplanter)，且其离子源(ionsource)乃是利用感应耦合电浆(ICP，inductivelycoupledplasma)源。

参照图1，此为说明使用感应耦合(inductivecoupling)的示范性的电浆制造装置100的方块图。电浆掺杂装置100包括用来产生离子的电浆反应腔101以及用来植入半导体晶圆的处理腔室104。介电质窗(dielectricwindow)102(通常以石英、氧化铝或蓝宝石制成)用来将电力从RF产生器151耦合至工作气体(workinggas)。在电浆反应腔101的对侧，具有提取狭缝105或是具有相异几何形状的提取狭缝的数组的提取平板103用以执行离子的提取。工作气体是透过进气口106来引入至电浆反应腔101中，此进气口106对称地对着提取狭缝105分布，从而藉由此几何形状的配置来确保电浆反应腔101横截面中的均匀气流。

藉由将RF电源从RF产生器151耦合至薄饼式(pancaketype)或平面天线152来产生电浆于电浆反应腔101内。可变电浆阻抗藉由匹配网络(matchingnetwork)153而匹配50欧姆(Ω)的产生器阻抗。

可藉由以磁铁107所构成的多尖峰的磁性配置来增进电浆均匀度，磁铁107可以是永久磁铁。钢轭(steelyokes)108使电浆反应腔101外的场线密集来增强磁铁107的磁场强度。磁铁107是以交替的方式来配置，以使磁化方向交替地指向电浆反应腔101的内部及外部。以此方式，多尖峰(multicusp)的场线几何形状可避免带电粒子从壁上遗失，藉以增加电浆密度及均匀度。为了降低电浆中来自壁的喷镀(sputtering)所导致的杂质的程度，可使用喷涂(sprayed)有铝的碳化硅、石英或硅所制成的薄槽衬(thinliners)109。

根据所欲的掺杂物种类(典型上是以磷来做n型掺杂以及以硼来做p型掺杂，然而亦可使用其他的种类如砷、锗、镓、铟等)，能将含有相异掺杂微量物的进料(feedstock)气体以可变流率来藉由气体岐管(gasmanifold)111送入电浆反应腔101。气体岐管是由气体容器112、气门113以及质量流量控制器114所构成。藉由旋转泵浦116所支持的涡轮分子泵浦115来透过提取狭缝105执行抽真空。在其他实施例中乃要求独立控制电浆反应腔101中的流率及压力，因而可使用分离式的泵浦管线于电浆反应腔101。由于现在芯片上的光阻(photoresist)在植入过程期间会释放大量的氢，所以除了涡轮分子泵浦115以及旋转泵浦116之外，可使用低温泵浦117来对处理腔室104进行泵浦运作，因为低温泵浦117在抽取氢有高效率的表现。电浆反应腔101以及处理腔室104内的压力分别是藉由真空压力计(Baratrongauge)118以及巴雅-爱泊特量测计(Bayard-Alpertgauge)119来监测。

为了提取出正离子，电浆反应腔101藉由提取电源供应器121来保持在正电位，而处理腔室104可位于接地电位。高电压绝缘套122用以确保电浆反应腔101及处理腔室104之间的电性绝缘。

藉由以提取平板103所组成的三极管(三电极静电透镜)来从电浆源提取出离子束130，抑制电极131及接地电极132藉由陶瓷高电压绝缘体133来让彼此电性绝缘。在其他实施例中，四极管(四电极透镜)或五极管(五电极透镜)可用来做离子束提取。由于电浆反应腔101位于正电位，因此藉由接地电极132来将正离子从电浆反应腔101拉出。大多数所提取的离子将穿过接地电极132中的狭缝134，但有些将击中接地电极132。当此情况发生时，便产生了次电子(secondaryelectron)。为了避免次电子回流向源头，此抑制电极131乃插入于提取平板103及接地电极132之间并且藉由抑制电源供应器135而极化为负电位。透过高电压导引(highvoltagefeedthrough)136来达成抑制电源供应器135与抑制电极132间的连接。

所提取的离子束130将导向配置于平台142上的芯片143，且平台142可接地。平台142可适于来回的移动，来让整个芯片表面暴露于离子束130。

由于此乃位于离子源侧，所以整个RF系统是浮动于提取电位。天线152具有耦接至匹配网络153的输出的分支(leg)，以及位于升高的接地端的其他分支。在一些实施例中，高电压电容(未显示于图中)插入至接地分支中，以使在整个天线152的长度中有均等的电压分布。一旦施加RF电源，RF电流开始流过天线152。RF电流产生随时间而变化的磁场，且根据马克斯威尔(Maxwell)第三电动力学定律，此磁场感应(induce)天线152接邻中的电场。由于在电浆反应腔101中较低的压力导致长的平均自由路径(meanfreepath)，因此电场能将自由电子加速至特定程度的能量来与气体粒子(原子、分子)碰撞而导致离子化过程。大多数用于沉积的RF电源以及隐含的离子化过程，发生于少数德拜长度(Debyelength)的表层中的介电质窗102的邻近处中。

连续的操作可导致芯片电荷堆积，进而造成对芯片143特征的灾难性的损坏。因此，在一些实施例中，离子束130是以脉动的方式来产生。脉冲调变器161能同步地驱动提取电源供应器121以及抑制电源供应器135两者，藉以容许脉冲频率以及责任周期(dutycycle)的改变。

在一些实施例中，平面天线152可具有如图2A所示的螺旋形状，或是如图2B所示的蛇纹形状。在所有的情况中，天线152皆以导电性材料制成，如铝、铜或是镀银铜(silverplatedcopper)，其最好是管状以便进行水冷(watercooling)。在其他实施例中，整个天线152是浸在介电树脂(dielectricresin)中，从而使天线152及介电质窗102之间直接接触。

感应耦合电浆源操作乃是基于透过天线152从RF产生器151至电浆电子的能量传送。然而，在放电的初始阶段中，RF电源是电容式地耦合(E模式操作)，因此以天线152做为电容平面。在此情形中，电子透过欧姆加热(ohmicheating)又或透过随机加热而以垂直于包含天线152的平面的方向来从电场获得能量。较大的平面面积创造出较佳的电容耦合以及隐含较易达成的气体解离(gasbreakdown)。一旦电浆引燃，RF耦合逐步形成为感应耦合模式(H模式操作)，但仍剩余一些电容耦合。由于在天线152及匹配网络153中会有固有的损失，所以天线152的耦合效率(η)通常在0.6及0.8之间的范围。事实上，较高耦合效率代表较佳的电子(electron)加热，较多的离子化事件数量，以及较高电浆密度及隐含较高所提取的离子束电流。假设在匹配电容中的理想的RF匹配(例如，零反射功率)以及其损失可忽略不计，天线效率是藉由所传送至电浆(P_p)的功率量对上产生器(P_G)所传送的总功率量的比例来给定。其亦能相关于在天线(P_loss)中的功率损耗

$\mathrm{\η}=P_p/P_G\≅1-P_{\mathrm{loss}}/P_G---\left(1\right)$

从方程式(1)中能看出其增加电源耦合效率的方法之一是减少功率损耗(P_loss)量。

如图3所示，H模式操作具有高电浆密度(＞5x10¹⁰-1x10¹²cm^-3)、低电浆电位以及低电子温度(＜3eV)的特征，而E模式操作具有低电浆密度(＜1x10¹⁰cm^-3)、高电浆电位以及高电子温度的特征。图3中的三角形表示电浆电位(其正比于电子温度)。电浆电位值能读于右侧尺度。图3中的圆形表示电浆密度，且其值能读于左侧尺度。对于特定的应用，其有一些过程是要求以H模式来进行，而其他过程是以E模式来进行。

因此，若存在有系统，且其能容许从H模式至E模式的原位(situ)切换，而反之亦然，此将会是有帮助的。此外，当在H模式中进行时，若能具有用于增加耦合效率的系统及方法，且因而提升电浆密度，此亦将会是有帮助的。此系统亦可有利于减少对于天线的冷却需求。

发明内容

本发明提供一种电浆制造装置及方法，其容许在E及H操作模式之间的切换，以及也显著地增加RF电源对电浆的耦合效率。此装置可藉由对于特定功率输出约1.25-1.65的因子来增加电浆密度。由于其高效率，因而可同时减免其冷却天线的需求。使用增加对特定体积的总表面积的新式的天线几何形状，藉以利用与RF电流相关的表面效应。在一些实施例中，具有单一循环的天线减少邻近效应。天线亦可嵌入于亚铁盐(ferrite)材料，藉以更进一步增进其效能。

附图说明

为了对本发明有更好的理解，请参照下列附图，其中相同的组件引用相同的标号：

图1为现有技术的电浆掺杂装置的方块图；

图2A说明现有技术的螺旋型平面天线；

图2B说明现有技术的蛇型平面天线；

图3说明在E及H模式中做为电源的函数的电浆密度及电浆电位；

图4的A及图4的B为两相异天线的配置；

图5的A、图5的B及图5的C说明图4的A及图4的B中的天线所产生的磁场；

图6的A及图6的B为图4的A及图4的B中的天线所产生磁场强度的二维等位线图，数字代表以高斯为单位磁场强度；

图7为使用亚铁盐来增强电浆中的磁场的带状天线的另一实施例；以及

图8A-8B显示能选择性地操作于H或E模式中的天线的实施例。

具体实施方式

如上所述，典型上，传统的感应耦合电浆离子源产生电浆是基于透过天线从RF电源产生器至工作气体的能量传送。从天线至电浆的功率传送机制是基于马克斯威尔(Maxwell)第三电动力学定律：

$\▿\×\stackrel{\→}{E}=-\frac{\∂\stackrel{\→}{B}}{\∂t}---\left(2\right)$

感应于电浆中的电场正比于天线所产生的磁场的时间性变化，且磁场的时间性变化正比于流过天线的电流。因此，最好是可具有极小电阻的天线，因为整个天线电阻将是小的。通常，RF天线是以铜管路来建构的。铜具有非常良好的电传导性及热传导性。此外，其使用有管路以便其进行水冷的可能。管路壁为几个毫米厚，以容许弯曲以及减少电阻。然而其常常遗忘的是，不同于直流电，在RF频率范围中，电流不流过整个导体的横截面，而是透过表层的深度

$\mathrm{\δ}=\sqrt{\mathrm{\ρ}/\mathrm{\πf\μ}}---\left(3\right)$

其中ρ、f及μ分别代表电阻率、RF频率及导磁率(magneticpermeability)。对于13.56MHz，铜的表层深度(skindepth)约为18μm。然其所遵循的特性为，相较于具有大截面积但具有较小表面积的导体，具有大表面积的导体将具有较低电阻。换句话说，相较于较厚者，薄天线将具有更优越的特性。

在一实施例中，天线建构为薄带状的形状，此形状可大约为1英寸宽乘以1/8英寸厚(例如，1”x1/8”)。如图4的A及图4的B所示，带状天线实质上可包括两具有半圆形端的平行部。在一些实施例中，半圆形端中之其一可具有中断处(discontinuity)，藉以造出天线的两分支，如最佳代表的图8B所示。天线可以导电材料所建构，像是铜或镀银铜。宽带状的形状使介电质窗400暴露于大表面积，而此为整个体积中的显著部分。此形状可给与较低的天线电阻，而其亦代表较高的电流以及低消耗功率(低热)。图4的A及图4的B所示为藉由OPERA软件对两天线所执行的仿真。各天线包括单个循环以及相同的外表面积，且负载有相同的电流量。图4的A的带状天线410具有平薄剖面，而图4的B的方形天线420具有方形剖面。各天线410、420配置以倚靠介电质窗400。在两者的模拟中，将20微米设为两者相同的RF表层深度。

图5的A显示此仿真结果。此图显示磁场强度，且其为距离天线的距离(在Z方向上)的函数。在图5的A中，假设天线配置于Z＝0(例如，倚靠图4的A及图4的B的介电质窗400)，并藉由移动到电浆源来量测磁场。线430显示对于带状天线410的磁场，而线431显示对于方形天线420的磁场。图5的A中的仿真显示在Z方向上距离天线约1.5”-2”处(由于其对应于电浆表层深度，所以其为大多数的能量分布(powerdeposition)所发生的位置)，平天线410所产生的磁场感应值大约为方形剖面天线420所产生的场的对应值的两倍。

图5的B及图5的C显示对于距离天线的相异距离的磁场强度的分布(沿着Y轴)。虚线表示对应于方形天线420的磁场。实线表示带状天线410所产生的磁场。为了清楚地来说明，图5的B仅显示带状天线410所产生的磁场。线440是Z距离为0英寸的磁场，而线441表示距离带状天线1英寸的磁场，以及线442表示距离带状天线2英寸的磁场。所显示的带状天线410的位置，指示出带状天线410的循环内的磁场为最强，且远离天线而逐渐衰减。请注意到的是，根据线442，在Z距离为2英寸的天线的中心(例如，Y＝0)的磁场为5高斯。图5的C仅显示方形天线420所产生的磁场强度。为了清楚地来做比较，其尺度的强度相同于图5的B所示。线443是Z距离为0英寸的磁场，而线444表示距离方形天线1英寸的磁场，以及线445表示距离方形天线2英寸的磁场。所显示的方形天线420的位置，指示出方形天线420的循环内的磁场为最强，并远离天线而逐渐衰减。请注意到的是，根据线445，磁场在Z距离为2英寸的天线的中心(例如，Y＝0)的磁场约为2.5高斯。换句话说，对于相同的RF电源值以及空间位置，带状天线410所提供的磁场强度大约为方形天线420所提供的磁场强度的两倍。

图6的A及图6的B分别为显示方形带状天线420及带状天线410所产生的磁场的二维等位线图。等位线标有数字，且此数字表示以高斯为单位的磁场强度。在包含于天线循环内的区域中，相较于图6的A，图6的B显示出更大的场强度。请注意到的是，两天线是施加相同的功率，因此，其表示在图6的B中达成了较大的效率及耦合。

因此，带状天线设计显著地增加所产生磁场的强度。如上所述，这是因为天线仅在表层深度负载电流。因此，对深于表层深度来增加厚度是没有帮助的。此外，对接邻RF介电质窗400的电流量负载材料进行优化可能是重要的。举例来说，具有内径的铜管，且此内径负载有电流但不接触于介电质窗。此外，管的形状亦表示其外部图实际上是少部分接触于介电质窗。藉由带状形状的安排，天线实际上所接触于介电质窗的量可达到最大化。此外，藉由将其配置为带状来让宽度远大于厚度，其电流负载材料的比例能加以优化。带状的厚度是藉由相关于表层深度的材料电阻率以及频率来设定。对于2MHz的驱动频率以及铜而言，其表层深度大约为46微米，而对于较高的频率，其表层深度会较小。对于90％的薄化并取其2×(表层深度)而言，将导致近似200微米的厚度。然而，除非嵌入于介电质装填(potting)，否则此薄结构将不会有足够的机械强度来支撑宽天线。因此，对于必要的特定机械强度，其表层深度/带状厚度的比值的最佳值可大约为0.05-0.1。

在一实施例中，带状天线可提供大平表面来接邻介电质窗，以藉由将天线的厚度最小化来使电流负载能力优化。

如上所述，一重要的考虑在于接邻介电质窗的天线所负载的电流。由于仅少部分天线是实际上最近于介电质窗，因此大直径管状天线可能是低效的。藉此，为了使功率传送最大化，使接邻窗的有效电流负载截面(在垂直于窗的平面中)比上天线的总截面的比例最大化将是有利的。换句话说，有效电流负载截面可定义为接触于介电质窗的天线宽度乘以表层深度。从此比例可以看出，圆形截面的天线将达到极低的比例，而平天线将达到较高许多的比例。当有效电流负载截面比上总截面的比例接近于1时，将达到理想最佳功率传送。然而，藉由大约46微米的表层深度是无法达到理想最佳功率传送的。因此，在一实施例中，使用超过大约0.001的比例，而在另一实施例中，使用超过大约0.01的比例，以及在另一实施例中，使用超过大约0.05的比例。在将天线嵌入于装填材料的情况中，此可不需用以支撑天线结构的机械强度。因此，带状厚度能低至大约2-3的表层深度，而此代表表层深度/带状厚度的比例大约为0.3-0.5。

为了覆盖电浆反应腔截面的大部分，并藉此容许相对均匀的能量分布，以及因而导致的均匀的电浆密度与均匀的所提取的离子束电流，通常会使用具有2-3循环的天线，如图2A所示。请注意到的是，在图2A中具有多个循环201a、201b及201c。当对此多个循环增加均匀度时，两个或更多个循环也会引起所谓的“邻近效应(proximityeffect)”。感应于天线分支(如201a)中的涡电流(eddycurrent)藉由以相同方向流过其邻近的分支(如201b)，将减少流过面向其他分支的一侧的总电流，以及增加在对面侧(非面向感应分支的一侧)的电流。就电阻而论，此效应乃视为缩减导体截面以及隐含较高的天线电阻。

减少循环数(N)亦可帮助其减少质量因子Q。由于电感尺度是相对于N²以及电阻尺度是相对于N，所以整个Q将变为更小，进而容许天线调谐(tuning)能力的宽广范围。当在功率、压力及气体种类的宽广范围中电浆匹配为必要时，此将尤其有用。

藉此，在一些实施例中，带状天线仅包括单一循环。由于供电及接地分支皆位于相同的空间位置，此将容许沿着X方向的对称性压降。此外，此将容许有害的“邻近效应”的显著减少。

对此天线所估量的电阻可低于0.05Ω。对于此低电阻，甚至是在高功率操作水平(如大于4-5kW)，天线将散出少量的热(大约5-10W)。藉此，在一些实施例中，将不再需要对天线进行主动冷却。然而，在其他实施例中，像是在极高功率水平(如＞10kW)，可将冷却托架安装至带状天线，藉以消除多余的热。

在另一实施例中，如图7所示，带状天线410可嵌入于亚铁盐材料480。介电质窗400上的带状天线410可装于装填材料470中。装填材料470用以使天线410绝缘于亚铁盐材料480。在此配置中，磁场线471定向以相反于电浆(否则将损失电浆)，且亚铁盐材料480将捕获磁场线471并使其改向往电浆，从而容许较高的能量分布效率。亚铁盐材料480可以是如M61或M67的材料，且具有低于10^-4的耗损因子以及至少20的相对导磁率。亚铁盐材料480应依照天线的形状而安装于介电质窗400上。装填材料470可以是如陶式化学(DowChemical)公司的3-6751热黏剂(thermaladhesive)材料，且可具有高介电质强度(＞10kV/mm)、低介电质损失(＜1×10^-4)以及无气泡硬化(bubblefreehardening)。

如图1所示，电浆反应腔乃位于虚性(升高)电气接地，且此虚性电气接地为提取电源供应器121所产生的输出电位。藉由从RF产生器151施加RF电源而发展于天线152上的RF电压乃高于此电位。因此，为了如同离子源电浆反应腔101般的操作，应将气体岐管111及天线152电性绝缘于接地端(GND)。

在一些实施例中，具有能操作于E模式或H模式两者的天线152将会是有帮助的。如图8A所示，当欲工作于H模式时，从匹配网络153的热线(hotwire)(图8A中标示RF的粗线)馈入天线152的一分支154，而其他分支155位于虚接地(标示VGND的细线，此为提取电源供应器121的输出直流电位)。可遥控的开关156能将其他分支155与虚接地(提取电源供应器121电位)连接或断开。如图8A所示，当分支155位于虚电位时，天线152工作于感应耦合电浆模式。如图8B所示，在另一模式中，当分支155电性短路于供电分支154时，系统工作于电容耦合电浆(CCP)模式。在此情况下，遥控开关156能将“接地”分支155从提取电源供应器121断开，并将其电性连接至其他分支154。在此方式下，天线152乃做为供电电极以及腔室内壁乃做为接地电极。

在一些实施例中，是利用控制器(未显示于图中)来启动开关156。在一些实施例中，在操作期间控制器可从H模式切换至E模式，且反之亦然。换句话说，当产生电浆时，电浆产生模式可改变。可利用此原位的改变，举例来说，在电浆引燃阶段，则其一模式可以是优选，而一旦电浆操作于高功率水平时，则其另一模式可以是优选。虽然上述是使用带状天线来做为说明性的范例，然而本发明的揭示并不限于此实施例。如上所述，任何具有两端的天线，且其一端电性连接至RF电源来源，而另一端电性连接至至少具有两位置的开关，皆可使用于此。

虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明。更确切地说，除了在此本文所描述的内容，其他各种不同的实施例及对所揭示内容的修改，对于所属技术领域中具有通常知识的人而言，从前述内容和附图中都将是显而易见的。藉此，此类其他实施例以及修改都将落入所揭示内容的范围之内。更进一步，虽然在全文中所揭示内容乃描述在特定环境中出自特定目的的特定实现，然而所属技术领域中具有通常知识的人将能认可本发明的实用性并不限于此，且所揭示内容可有益于任何数量的环境中出自任何数量的目的的实现。相对应地，所载的权利要求应鉴于充分的广度以及上述所揭示内容的精神来加以解释。

Claims (9)

1.一种电浆产生装置，其特征在于包括：

腔室，具有介电质窗，

带状天线，接邻所述介电质窗，所述带状天线由材料所建构，所述带状天线具有厚度、宽度与截面积，所述宽度是所述带状天线接触所述介电质窗的宽度；以及

电源供应器，操作于频率以及通信于所述带状天线，

其中，所述材料与所述频率决定出表层深度，所述表层深度在所述带状天线中负载大部分的电流，以及其中所述表层深度与所述宽度的乘积大于0.001乘以所述带状天线的所述截面积。

2.根据权利要求1所述的电浆产生装置，其中所述乘积大于0.01乘以所述截面积。

3.根据权利要求1所述的电浆产生装置，其中所述乘积大于0.05乘以所述截面积。

4.根据权利要求1所述的电浆产生装置，更进一步包括亚铁盐材料，围绕所述带状天线。

5.根据权利要求4所述的电浆产生装置，更进一步包括装填材料，配置于所述带状天线以及所述亚铁盐材料之间。

6.根据权利要求1所述的电浆产生装置，其中所述带状天线包括两平行部以及两半圆形端。

7.根据权利要求6所述的电浆产生装置，其中所述半圆形端的其中之一包括中断处，藉以产生所述带状天线的两分支。

8.根据权利要求7所述的电浆产生装置，其中所述分支中的第一分支通信于所述电源供应器，以及所述分支中的第二分支通信于开关，其中于所述开关的第一位置所述第一分支与所述第二分支电性连接，以及其中于所述开关的第二位置所述第二分支电性连接至相异于所述第一分支的电位。

9.根据权利要求8所述的电浆产生装置，其中当产生电浆时，所述开关启动于所述第一位置以及所述第二位置之间。