CN104170084B - 混合式等离子体处理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混合式等离子体处理系统及其制造和操作方法。所述混合式等离子体处理系统包括用于在处理期间支撑衬底的由RF供电的下部电极以及以隔开的关系被设置在所述下部电极上方的混合式上部电极。所述混合式上部电极可以受到热控制并且包括由具有第一电阻率的第一材料形成的第一板、当中具有多个径向槽并且被设置在所述第一板上方的接地导电板。所述导电板由具有不同于所述第一电阻率的第二电阻率的第二材料形成。所述混合式上部电极还包括被设置在所述接地导电板上方的由RF供电的电感线圈。

Description

混合式等离子体处理系统
背景技术
等离子体处理系统长期以来一直被用于处理衬底(例如晶片或平板或LCD面板)以形成集成电路或其它电子产品。普遍的等离子体处理系统尤其可以包括电容耦合等离子体处理系统(CCP)或电感耦合等离子体处理系统(ICP)。
在纯电容耦合等离子体处理系统中，可以使用RF能量对一个或多个电极进行供电以电容感应等离子体，然后将所述等离子体用于处理衬底。在示例性CCP系统中，可以将衬底设置在一个电极的顶部上(所述电极还充当夹盘或工件夹持器)。然后可以使用一个或多个RF电源对衬底支撑电极进行供电。
另一个电极可以被设置在衬底上方并且可以是接地的。这两个板之间相互作用会产生电容耦合等离子体以对衬底进行处理。
电感耦合等离子体处理系统倾向于在需要较高密度等离子体时被使用。电感耦合等离子体处理腔室通常使用电感线圈来电感激发并且维持用于处理的等离子体。ICP系统和CCP系统这两者均是本领域公知的并且在这里将不进一步作详细说明。
然而，如本领域技术人员所熟知，与CCP系统相比，ICP系统提供不同范围的等离子体密度、化学过程、解离特征、离子能控制等，并且存在不同的可维护性问题和优点/缺点。本发明人在本发明中认识到，很多时候，期望在CCP腔室中具有与ICP系统有关的特征，反之亦然。这种混合式系统将提供这两者中最好的，并且还将提供控制旋钮和操作范围以及可维护性优点(诸如原位清洁)，这原先在单独利用ICP技术或单独利用CCP技术的腔室的情况下是不可能的。
本发明涉及用于建立和操作混合式等离子体处理系统的系统和方法，所述混合式等离子体处理系统组合了ICP腔室和CCP腔室这两者的特征和功能。
附图说明
通过举例的方式而非通过限制的方式在附图的图中图解本发明，并且其中相似的附图标记指代相似的元件，并且其中：
图1示出了根据本发明的一个实施方式的混合式上部电极的简化剖视图。
图2示出了根据本发明的一个实施方式的混合式上部电极的简化俯视图。
图3示出了根据本发明的一个实施方式的混合式等离子体处理系统。
具体实施方式
现在将参考如附图中所图解的本发明的几个实施方式来详细描述本发明。在以下描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的全面理解。然而，对于本领域技术人员来说将显而易见的是，可以在不存在这些具体细节中的一些或全部的情况下实施本发明。在其它情况下，未对公知的工艺步骤和/或结构进行详细描述以免不必要地使本发明不清晰。
在下文描述了各种实施方式，包括方法和技术在内。应当记住的是，本发明还可能涵盖包括上面存储有用于执行本发明技术的实施方式的计算机可读指令的计算机可读介质的制品。计算机可读介质可以包括例如半导体、磁性、光磁性、光学或其它形式的用于存储计算机可读代码的计算机可读介质。此外，本发明还可以涵盖用于实施本发明的实施方式的装置。这种装置可以包括用以执行与本发明的实施方式有关的任务的专用电路和/或可编程电路。这种装置的示例包括通用计算机和/或被适当编程时的专用计算器件，并且可以包括被适配用于与本发明的实施方式有关的各种任务的计算机/计算器件和专用电路/可编程电路的组合。
本发明在一个或多个实施方式中涉及一种能够以电容耦合模式、电感耦合模式或这两者同时运行的混合式等离子体处理系统。在一个或多个实施方式中，所述混合式等离子体处理系统具有包括下部电极的腔室。该下部电极由在千赫或兆赫(包括数十或数百兆赫)范围内的一个或多个RF电源，使用一个或多个RF信号供电。衬底在等离子体处理期间被设置在下部电极上。
该混合式等离子体处理系统还包括混合式上部电极，该混合式上部电极至少包括由具有第一电阻率的材料形成的第一板。优选地，该第一材料是例如高电阻率材料，诸如高电阻率(相对于低电阻率)Si或SiC。接地导电板在与第一板相比远离(更进一步离开)下部电极的方向上被设置在第一板上方。
在接地导电板上方是至少一个电感线圈，该至少一个电感线圈被配置成电感耦合等离子体以对衬底进行处理。该电感线圈通常由RF电源供电，该RF电源可以在千赫或兆赫的范围内，该范围包括数十或数百兆赫。在一个或多个实施方式中，该电感线圈被设置在形成于导电结构或导电板中的通道内部。电感线圈和/或封装电感线圈的导电结构与接地导电板相比被设置在相对于下部电极的更远处。
在一个或多个实施方式中，在第一板和/或接地导电板中形成多个径向槽。这些径向槽被设定尺寸以允许B场穿过(与径向槽相同的平面)，而在方位角方向上阻挡E场。此外，选择槽的宽度和厚度以使得循环电流在一个或多个带槽板中被减到最小。在一个或多个实施方式中，这些槽可以部分地或完全地穿过第一板和接地导电板中的一个或这两者形成。为了改进机械刚性和/或减小可维护性负担，可以将这些径向槽用与腔室中的工艺相容的合适的介电材料(不是空气)填充。在一个或多个实施方式中，石英可以是一种这样的合适的介电材料。
在一个或多个实施方式中，提供加热和电装置以在处理之前、期间和/或之后对混合式上部电极组件的温度进行热控制。在一个或多个实施方式中，可以在第一板和接地导电板中的一个或这两者中提供气体通道以形成喷头结构。在一个或多个实施方式中，可以提供多个电感线圈以使得能够对电感耦合功率进行区域控制(例如可以提供内线圈和外线圈)。这些线圈可以用相同或不同的RF频率来供电并且如果需要的话，可以被施加脉冲。
可以参考附图和以下论述更好地了解本发明的实施方式的特征和优点。
图1示出了根据本发明的一个实施方式的混合式上部电极102的简化剖视图，该混合式上部电极102包括第一板104，该第一板104通常由与所要进行的等离子体处理相容的诸如用于电介质蚀刻器的Si或SiC等高电阻材料或类似合适的材料形成。
接地导电板106与第一板104相比被设置在相对于衬底承载电极(以隔开的关系被设置于第一板104下方并且未示于图1中)的更远处。换句话说，第一板104被设置在衬底承载电极与接地导电板106之间。在图1的示例中，接地导电板106由诸如铝之类的导电材料或另一种合适的导电材料形成。接地导电板106被粘结或以其它方式连接或固定至第一板104上。以这种方式，第一板104向等离子体暴露与等离子体处理相容的材料并且防护接地导电板106免受等离子体影响以降低/消除金属污染风险。
示出了与接地导电板106和第一板104相比被设置在相对于衬底承载电极的更远处的电感线圈120。在图1的示例中，提供两个独立的电感线圈120和122以对等离子体密度提供更精细的控制，但是并非在每一种情况下都绝对地需要多个线圈。
而且在图1的示例中，这些线圈被设置在形成于电绝缘板108中的通道中，所述电绝缘板108可以由例如氮化铝(AlN)或另一种合适的材料形成。在一个或多个实施方式中，如果需要的话，可以将绝缘板108中的通道用合适的介电材料填充。替代地或另外地，这些线圈可以与电绝缘板108导热粘结和/或进行导热以便进行热控制。
示出了周边环110，该周边环110可以由例如铝形成，围绕混合式上部电极并且更确切地说，在图1的示例中，包围电绝缘板108。周边环为接地板106提供了电耦合、热耦合以及RF耦合以至少提供返回RF电流通路(例如当腔室以电容模式运行时)。
在周边环110上方是加热板112，所述加热板112与加热元件(例如流体或电加热机构)连接以对上部电极102提供热控制。在一个或多个实施方式中，周边环110可以是接地的。
图2示出了根据本发明的一个实施方式的混合式上部电极102的简化俯视图。示出了如先前所述被设置在形成于电绝缘层108中的通道内部的线圈120和122。在绝缘层108下方是接地导电板106和第一板104，这两者都设有径向槽，这些径向槽至少部分地或完全地穿过接地导电板106和第一板104中的至少一个、每一个或这两者形成。
这些径向槽(202、204、206等)优选地对称布置并且被配置或设定尺寸以允许磁场(B场)穿过，但横截面足够狭窄以在方位角方向上阻挡电场(E场)。这些槽从中心朝向边缘径向定向并且至少部分地(并且在一些情况下，完全地)从板的中心跨越到边缘。此外，选择槽的宽度和厚度以使得循环电流在带槽板中被减到最小。在一个或多个实施方式中，接地导电板中的这些槽可以与Si板中的槽完全或部分地对齐。以这种方式，当使用RF能量给线圈120和/或122供电时，促使由这些线圈与等离子体电感耦合。
在一个或多个实施方式中，用于将工艺气体注入到上部电极与下部电极之间的等离子体产生区域中的气体通道形成于第一板104和/或导电板106内部，但是被防护以免受等离子体影响从而防止在充气室内部形成等离子体。在一个或多个实施方式中，充气槽可以形成于导电顶部板与底部板之间。因此，来自等离子体或来自TCP线圈的场不能穿透围绕充气槽的导电材料内部。以这种方式，防止在充气槽内部形成等离子体。
第一板104优选地由高电阻率材料制成以便提高B场的穿透率。导电板(诸如导电Si板)可能会不合期望地阻挡来自线圈的B场穿透并且吸收较多的来自线圈的呈循环电流形式的RF功率，这还会导致发热问题。使用高电阻率板(诸如高电阻率Si或SiC)，实现了处理相容性，同时提供了足够大的RF透入深度以允许B场穿透它的厚度。使用高电阻率材料还减少了RF与来自底部电极的电容RF功率耦合，这可以减少跨越电阻材料的离子能量，从而降低蚀刻速率。
在一个或多个实施方式中，由低电阻率材料(诸如低电阻率Si)制成的分段(扇区化)楔形件可以连接至接地导电板106。这些楔形件的接缝可以是联结的，从而不存在等离子体朝向楔形件后面的接地导电板106的视线。为了避免Si扇区之间在接缝处出现任何拱起，可以使用绝缘填料(例如石英)。
图3示出了根据本发明的一个实施方式的混合式等离子体处理系统302，所述混合式等离子体处理系统302包括下部衬底承载电极304，所述下部衬底承载电极304被示为由RF电源306供电。在图3的示例中，RF电源306提供3种不同的RF频率(2MHz、27MHz以及60MHz)，但是并非在每一种情况下都绝对需要多种RF频率。示出了被设置在衬底承载电极304上方的第一板104。在第一板104上方是接地导电板106。示出了被设置在形成于电绝缘板108中的对应通道中的电感线圈120和122。在图3的示例中，电感线圈120和122由RF电源328，经由RF匹配330来供电。
提供气体入口340和342以将工艺气体供应至形成于第一板104和接地导电板106中的一个或这两者中的气体通道中以将工艺气体注入到上部电极与下部电极之间的等离子体区域中。示出了围绕电绝缘板108的周边环110。
如可以在图3中看到的那样，返回RF电流310至少横贯第一板104、接地导电板106、加热板112、顶板322、以及腔室侧壁324以返回至接地。上部电极组件或下部电极组件中的一个可以移动以便插入晶片并且在处理期间控制等离子体间隙。
提供当中具有多个冷却通道348的冷却板346以便对上部电极进行热控制。在图3的示例中，冷却板346是接地的并且可以使用一个或多个热扼流器350与加热板112热隔离。
在实践中，可以以CCP模式(例如在给下部电极304供电并且关闭电感线圈的情况下)、ICP模式(例如在关闭下部电极304并且给电感线圈供电的情况下)、或混合模式(其中给下部电极304和电感线圈这两者均供电)操作等离子体处理系统302。在一个或多个实施方式中，如果需要的话，还可以使用RF电源给上部电极供电，以使得在CCP模式或混合模式中给上部电极和下部电极这两者均供电。
本发明的实施方式还涵盖了制造根据本文中的教导内容所建构的混合式等离子体处理系统的方法。本领域技术人员应当了解，可以提供部件并且将这些部件连接在一起以形成所公开的混合式等离子体处理系统或其变化形式。此外，本发明的实施方式还涵盖了使用根据本文的教导内容所建构的混合式等离子体处理系统处理衬底的方法。鉴于本公开，本领域技术人员将能够以CCP模式、ICP模式、或混合模式操作所公开的混合式等离子体处理系统来处理衬底。
如可以从上述内容所了解的那样，本发明的实施方式涉及一种混合式等离子体处理系统，该混合式等离子体处理系统可以以CCP模式、ICP模式或混合CCP/ICP模式运行。以这种方式，多步骤程序不必需要将衬底在腔室之间移动就能够使用CCP腔室和/或ICP腔室所特有的条件对该衬底进行处理。能够以混合模式进行处理开辟了另外的工艺窗口，并且提供了原先在仅以CCP模式或仅以ICP模式运行的腔室的情况下不可实现的另外的工艺控制旋钮和可维护性优点(诸如原位腔室壁调整或腔室清洁)。
虽然已经根据若干个优选的实施方式描述了本发明，但是存在落入本发明的范围内的改动方案、置换方案以及等同方案。虽然本文提供了各种示例，但是意图是这些示例是说明性的而非限制本发明。而且，发明名称和发明内容是为了方便起见而提供于本文中并且不应当被用于解释本文权利要求书的范围。此外，摘要是以高度缩略形式书写的并且为了方便起见而提供于本文中，并且因此不应当被用于解释或限制表示于权利要求书中的总体发明。如果在本文使用术语“组”，那么这个术语旨在具有其通常理解的数学含义，包括零个、一个或多于一个构件。还应当指出的是，存在实施本发明的方法和装置的多种替代性方式。因此，意图是，随后的所附权利要求书被解释为包括落入本发明的真正精神和范围内的所有这些改动方案、置换方案以及等同方案。

Claims (25)

1.一种等离子体处理系统，所述等离子体处理系统具有用于处理衬底的等离子体处理腔室，所述等离子体处理系统包括：
第一RF电源；
第二RF电源；
用于在所述处理期间支撑所述衬底的下部电极，所述下部电极由所述第一RF电源供电；
混合式上部电极，所述混合式上部电极以隔开的关系被设置在所述下部电极上方并且包括
由具有第一电阻率的第一材料形成的第一板，
当中具有多个径向槽的接地导电板，所述导电板与所述第一板相比被设置在相对于所述下部电极的更远处，所述导电板由具有低于所述第一电阻率的第二电阻率的第二材料形成，
与所述接地导电板相比被设置在相对于所述下部电极的更远处的电感线圈，所述电感线圈由所述第二RF电源供电；
其中所述第一板包括具有接缝的多个楔形件，所述接缝被配置成阻挡从所述腔室中产生的等离子体到所述接地导电板的视线。
2.如权利要求1所述的等离子体处理系统，其中所述第一板当中具有另外的多个径向槽。
3.如权利要求2所述的等离子体处理系统，其中所述另外的多个径向槽填充有不同于空气的介电材料。
4.如权利要求1所述的等离子体处理系统，其中所述第一RF电源被配置成在所述处理期间向所述下部电极同时提供多种RF频率。
5.如权利要求1所述的等离子体处理系统，所述等离子体处理系统还包括当中设置有至少一个通道的电绝缘板，所述电感线圈被设置在所述至少一个通道内。
6.如权利要求5所述的等离子体处理系统，其中所述电绝缘板至少包含AlN。
7.如权利要求1所述的等离子体处理系统，所述等离子体处理系统还包括与所述电感线圈相比被设置在相对于所述下部电极的更远处的加热板。
8.如权利要求1所述的等离子体处理系统，所述等离子体处理系统还包括与所述电感线圈相比被设置在相对于所述下部电极的更远处的冷却板。
9.如权利要求1所述的等离子体处理系统，其中所述第一材料包括高电阻率Si或SiC中的至少一种。
10.如权利要求1所述的等离子体处理系统，其中所述第二材料包括铝。
11.如权利要求1所述的等离子体处理系统，其中所述多个径向槽至少部分地填充有不同于空气的介电材料。
12.如权利要求1所述的等离子体处理系统，其中所述混合式上部电极还包括与所述接地导电板相比被设置在相对于所述下部电极的更远处的另一个电感线圈，所述另一个电感线圈与所述电感线圈相比被设置在所述下部电极的不同空间区域上方。
13.如权利要求1所述的等离子体处理系统，其中所述多个径向槽中的每一个的宽度被设定尺寸以允许B场穿透所述接地导电板，而在方位角方向上阻挡E场穿透。
14.一种具有用于处理衬底的等离子体处理腔室的等离子体处理系统，所述等离子体处理系统包括：
第一RF电源；
第二RF电源；
用于在所述处理期间支撑所述衬底的下部电极，所述下部电极由所述第一RF电源供电；
混合式上部电极，所述混合式上部电极以隔开的关系被设置在所述下部电极上方并且包括
由具有第一电阻率的第一材料形成的第一板，
当中具有第一多个径向槽的接地导电板，所述导电板与所述第一板相比被设置在相对于所述下部电极的更远处，所述导电板由具有不同于所述第一电阻率的第二电阻率的第二材料形成，当中设置有至少一个通道的电绝缘板，所述电绝缘板与所述接地导电板相比被设置在相对于所述下部电极的更远处，
被设置在所述电绝缘板的所述至少一个通道内的电感线圈，所述电感线圈由所述第二RF电源供电；
其中所述第一板包括具有接缝的多个楔形件，所述接缝被配置成阻挡从所述腔室中产生的等离子体到所述接地导电板的视线。
15.如权利要求14所述的等离子体处理系统，其中所述第一多个径向槽填充有不同于空气的介电材料。
16.如权利要求14所述的等离子体处理系统，其中所述第一RF电源被配置成在所述处理期间向所述下部电极同时提供多种RF频率。
17.如权利要求14所述的等离子体处理系统，其中所述电绝缘板至少包含AlN。
18.如权利要求14所述的等离子体处理系统，其中所述第一材料包括高电阻率Si或SiC中的至少一种。
19.如权利要求14所述的等离子体处理系统，其中所述混合式上部电极还包括与所述接地导电板相比被设置在相对于所述下部电极的更远处的另一个电感线圈，所述另一个电感线圈与所述电感线圈相比被设置在所述下部电极的不同空间区域上方。
20.一种用于在等离子体处理系统中处理衬底的方法，所述等离子体处理系统具有用于处理衬底的等离子体处理腔室，所述方法包括：
提供第一RF电源；
提供第二RF电源；
提供用于在所述处理期间支撑所述衬底的下部电极，所述下部电极由所述第一RF电源供电；
提供混合式上部电极，所述混合式上部电极以隔开的关系被设置在所述下部电极上方并且包括
由具有第一电阻率的第一材料形成的第一板，所述第一板当中具有第一多个径向槽，
当中具有第二多个径向槽的接地导电板，所述导电板与所述第一板相比被设置在相对于所述下部电极的更远处，所述导电板由具有低于所述第一电阻率的第二电阻率的第二材料形成，
当中设置有至少一个通道的电绝缘板，所述电绝缘板与所述接地导电板相比被设置在相对于所述下部电极的更远处，
被设置在所述电绝缘板的所述至少一个通道内的电感线圈，所述电感线圈由所述第二RF电源供电；以及
在分别使用所述第一RF电源和所述第二RF电源中的至少一个给所述下部电极和所述电感线圈中的至少一个供电时处理所述衬底；
其中所述第一板包括具有接缝的多个楔形件，所述接缝被配置成阻挡从所述腔室中产生的等离子体到所述接地导电板的视线。
21.如权利要求20所述的方法，其中所述第一多个径向槽和所述第二多个径向槽填充有不同于空气的介电材料。
22.如权利要求20所述的方法，其中所述第一RF电源被配置成在所述处理期间向所述下部电极同时提供多种RF频率。
23.如权利要求20所述的方法，其中所述电绝缘板至少包含AlN。
24.如权利要求20所述的方法，其中所述第一材料包括高电阻率Si或SiC中的至少一种。
25.如权利要求20所述的方法，其中在对所述衬底进行所述处理期间，使用所述第一RF电源和所述第二RF电源给所述下部电极和所述电感线圈这两者供电。
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