CN110710056B - 等离子体反应器、等离子体处理工件的方法 - Google Patents

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Abstract

等离子体反应器包括腔室主体、气体分配口、工件支撑件、天线阵列、和AC功率源，腔室主体具有提供等离子体腔室的内部空间，气体分配口用于将处理气体输送到等离子体腔室，工件支撑件用于保持工件，天线阵列包括部分延伸到等离子体腔室中的多个单极天线，AC功率源用于将第一AC功率供应到多个单极天线。

Description

等离子体反应器、等离子体处理工件的方法
技术领域
本说明书涉及晶片处理系统及相关方法。
背景技术
举例而言，可以使用电磁能(诸如，RF功率或微波功率)的形式来执行工件(诸如，半导体晶片)的处理。举例而言，可以采用功率来产生等离子体，以用于执行基于等离子体的处理(诸如，等离子体增强化学气相沉积(PECVD) 或等离子体增强活性离子蚀刻(PERIE))。一些处理需要极高的等离子体离子密度以及极低的等离子体离子能量。这对于处理(诸如，类金刚石碳(DLC) 膜的沉积)确实如此，其中沉积一些类型的DLC膜所需的时间可以是几小时，这取决于所期望的厚度和等离子体离子密度。较高的等离子体密度需要较高的源功率，并且通常转化成较短的沉积时间。
微波源通常产生非常高的等离子体离子密度，同时所产生的等离子体离子能量小于其他源的等离子体离子能量(诸如，电感耦合的RF等离子体源或电容耦合的RF等离子体源)。因此，微波源是理想的。然而，微波源无法满足跨越整个工件上分布的沉积速率或蚀刻速率所需的严格均匀性。最小均匀性可以对应于小于1％的跨越300mm直径的工件的处理速率变化。
发明内容
在一个方面中，等离子体反应器包括腔室主体、气体分配口、工件支撑件、天线阵列、和AC功率源，腔室主体具有提供等离子体腔室的内部空间，气体分配口用于将处理气体输送到等离子体腔室，工件支撑件用于保持工件，天线阵列包括部分延伸到等离子体腔室中的多个单极天线，AC功率源用于将第一 AC功率供应到多个单极天线。
实施方式可包括以下特征之一或更多者。
工件支撑件可被配置成保持工件，而使得工件的前表面面向天线阵列。多个单极天线可以平行地延伸到等离子体腔室中。每一单极天线的延伸到等离子体腔室中的部分可以是圆柱形。每一单极天线的延伸到等离子体腔室中的部分可以是圆锥形。
多个单极天线可以延伸穿过腔室主体的板部分。板部分可以提供等离子体腔室的顶板。每一单极天线可包括向外延伸的凸缘，凸缘位于板部分远离等离子体腔室的远侧。板部分可以导电。多个绝缘护套中的每一护套可以围绕单极天线的延伸穿过板部分的部分，以使单极天线与板部分绝缘。每一单极天线可具有向外延伸的凸缘，凸缘位于板部分远离等离子体腔室的远侧，并且每一绝缘护套可具有向外延伸的凸缘，以将单极天线的凸缘与板部分分离。
工件支撑件可被配置成保持工件，而使得工件的前表面垂直于多个单极天线的长轴。工件支撑件可被配置成保持工件，而使得工件的前表面面向天线阵列。多个单极天线面向工件支撑件而没有中间阻挡物(intervening barrier)。
可以存在多个微波或RF透明窗口护套，且每一窗口护套可以围绕单极天线的突出到等离子体腔室中的部分。多个窗口护套包括选自陶瓷及石英的材料。
单极天线可以跨越板部分均匀地间隔开。单极天线可具有均匀的尺寸和形状。单极天线可具有不均匀的尺寸或形状。多个单极天线可被布置成六边形图案。
第一气体分配板可具有第一多个气体喷射孔口(gas injection orifice)、覆盖第一气体分配板的第一处理气体充气部(first process gas plenum)、和耦接至第一处理气体充气部的第一处理气体供应导管。多个单极天线可以延伸穿过气体分配板。多个气体喷射孔口可定位于单极天线之间的空间中。
第二气体分配板可具有耦接至第一气体分配板中的第三多个气体喷射孔口的第二多个气体喷射孔口、覆盖第二气体分配板的第二处理气体充气部、和耦接至第二处理气体充气部的第二处理气体供应导管。多个单极天线可以延伸穿过第一气体分配板和第二气体分配板。
AC功率源可被配置成将微波功率施加至多个单极天线。AC功率源被配置成将微波功率施加至多个单极天线，以在等离子体腔室中产生等离子体。 AC电源可包括多个自动调谐器，每一自动调谐器耦接至不同的单极天线。
AC功率源可被配置成在多个电源线上产生多个不同相位的AC功率，多个单极天线可以划分成多个组，并且不同组的单极天线可以耦接至不同的电源线。不同的电源线的数量可以至少为4。可以通过相邻单极天线的空间连续区域定义每一组的单极天线。在空间相邻区域中的单极天线可以耦接至以依序相邻的相位来提供AC功率的电源线。多个单极天线可以划分成N个组，并且 AC功率源被配置成在N个电源线上以相隔360/N的相位产生AC功率。N可以是4或6或8。空间连续区域可以是多个线性行(linear row)。空间连续区域可以是多个圆形扇区。
在另一方面中，一种等离子体处理工件的方法包括以下步骤：在等离子体腔室中支撑工件，将处理气体输送到等离子体腔室，以及通过将AC功率施加至天线阵列而在腔室中产生等离子体，天线阵列包括部分延伸到等离子体腔室中的多个单极天线。
在另一方面中，等离子体反应器包括腔室主体、处理气体分配系统、工件支撑件、和天线阵列，腔室主体具有提供等离子体腔室的内部空间，处理气体分配系统用于将处理气体输送到等离子体腔室，工件支撑件用于保持工件，天线阵列包括多个单极天线。处理气体分配系统包括具有第一多个气体喷射孔口的第一气体分配板、覆盖气体分配板的第一处理气体充气部、和耦接至第一处理气体充气部的第一处理气体供应导管。多个单极天线延伸穿过第一气体分配板，并部分进入等离子体腔室。
实施方式可包括以下特征之一或更多者。
多个气体喷射孔口可定位于第一气体分配板的分离单极天线的部分中。处理气体分配系统可包括气体充气部板(gas plenum plate)，气体充气部板具有在面向第一气体分配板的表面上的凹部(recess)，而凹部提供充气部。多个单极天线可以延伸穿过气体充气部板。多个单极天线可以延伸穿过气体充气部板的凹部之间的未凹陷区域。每一单极天线可以由凹部的相应部分围绕。
第二气体分配板可具有多个通路(passage)，多个通路耦接至第一气体分配板中的第二多个气体喷射孔口。第二处理气体充气部可以覆盖第二气体分配板，并且第二处理气体供应导管可以耦接至第二处理气体充气部。多个单极天线可以延伸穿过第一气体分配板和第二气体分配板。
多个单极天线可被布置成六边形图案。多个气体喷射孔口可被布置成六边形图案。多个单极天线可以平行地延伸到等离子体腔室中。AC功率源可被配置成将微波或RF功率施加至多个单极天线，以在等离子体腔室中产生等离子体。
在另一方面中，等离子体反应器包括腔室主体、栅格过滤器(grid filter)、气体分配口、工件支撑件、天线阵列、和AC功率源，腔室主体具有提供等离子体腔室的内部空间，栅格过滤器延伸跨越内部空间，并将等离子体腔室分成上部腔室和下部腔室，气体分配口用于将处理气体输送到上部腔室，工件支撑件用于在下部腔室中保持工件，天线阵列包括部分延伸到上部腔室中的多个单极天线，AC功率源用于将第一AC功率供应到多个单极天线。
实施方式可包括以下特征之一或更多者。
多个单极天线可以平行地延伸到上部腔室中。多个单极天线可以垂直于栅格过滤器延伸。工件支撑件可被配置成平行于栅格过滤器而保持工件。栅格过滤器可定位于多个单极天线与工件支撑件之间。AC功率源被配置成将微波功率施加至多个单极天线，以在上部腔室中产生等离子体。
第二处理气体分配系统可以将第二处理气体输送到下部腔室。栅格过滤器可包括具有第一多个气体喷射孔口的气体分配板和覆盖气体分配板的气体充气部板。在气体充气部板的底表面的凹部可以提供充气部，以用于将第二处理气体流动到气体喷射孔口。栅格过滤器可具有穿过气体充气部板和气体分配板的多个孔隙，以用于将等离子体或电子从上部腔室流动到下部腔室。
在另一方面中，等离子体反应器包括腔室主体、气体分配口、工件支撑件、天线阵列、和AC功率源，腔室主体具有提供等离子体腔室的内部空间，气体分配口用于将处理气体输送到等离子体腔室，工件支撑件用于保持工件，天线阵列包括部分延伸到等离子体腔室中的多个单极天线，AC功率源用于将第一 AC功率供应到多个单极天线。多个单极天线被划分成多个组的单极天线，并且AC功率源被配置成在多个电源线上产生多个不同相位的AC功率，并且不同组的单极天线耦接至不同的电源线。
实施方式可包括以下特征之一或更多者。
可以通过相邻单极天线的空间连续区域定义每一组的单极天线。在空间相邻区域中的单极天线耦接至以依序相邻的相位来提供AC功率的电源线。空间连续区域可以是多个线性行。空间连续区域可以是围绕中心轴成角度布置的多个扇区。
多个单极天线可以划分成N个组，并且AC功率源被配置成在N个电源线上以相隔360/N的相位产生AC功率。组可以形成多个线性行，并且线性行可以具有相等的宽度。组可以形成围绕中心轴成角度布置的多个扇区，并且多个扇区可以围绕中心轴呈现对向相等的角度。多个扇区可以是圆形扇区或三角形扇区。
AC功率源可被配置成将共同相移施加至N个电源线上的相位。AC功率源可被配置成随着时间的推移而线性增加相移。AC功率源可被配置成使得在各个电源线上的相位具有1至1000Hz之间的相移频率。
AC功率源被配置成将微波或RF功率施加至多个单极天线，以在等离子体腔室中产生等离子体。AC电源包括多个自动调谐器，每一自动调谐器耦接至不同的单极天线。反应器可包括补充单极天线。补充单极天线可定位于阵列的中心。中心单极天线可以利用单相信号(one-phased signal)驱动。
在另一方面中，一种等离子体处理工件的方法包括以下步骤：在等离子体腔室中支撑工件，将处理气体输送到等离子体腔室，和通过在多个电源线上产生多个不同相位的AC功率，并将来自电源线的多个不同相位的AC功率施加至部分延伸到等离子体腔室中的各个不同组的单极天线，而在腔室中产生等离子体。
前述的优点可包括但不限于下文及本文其他地方所描述的。根据某些方面的等离子体反应器可以提供改善的处理均匀性(例如，材料层在基板上的沉积或蚀刻的改善的均匀性)。等离子体反应器能够更有效地使用离子或基质 (radicle)进行处理，因此能够提供改善的处理速度(例如，沉积速率或蚀刻速率)，并因此提高产量。等离子体反应器能够具有更好的温度控制，而因此提供更稳定的处理。
本说明书中所描述的主题的一个或更多个实施方式的细节在附图与以下描述中阐述。从描述、附图、及权利要求中，将使其他潜在的特征、方面、及优点变得显而易见。
附图说明
图1为根据第一实施方式的等离子体反应器的示意性截面侧视图。
图2为图1的等离子体反应器的顶板的示意性底视图。
图3为根据第二实施方式的等离子体腔室的示意性截面侧视图。
图4为图1的一部分的放大视图。
图5为图4中的部分的不同实施方式的示例。
图6为根据第一实施方式的天线阵列的示意性顶视图。
图7为根据第二实施方式的天线阵列的示意性顶视图。
图8为根据第三实施方式的天线阵列的示意性顶视图。
具体实施方式
可以在等离子体反应器中进行工件(诸如，半导体晶片)的处理。举例而言，可以采用电磁能量(诸如，RF功率或微波(MW)功率)以在腔室中产生等离子体，以执行基于等离子体的处理(例如，等离子体增强化学气相沉积 (PECVD)或等离子体增强活性离子蚀刻(PERIE))。一些处理(例如，类金刚石碳(DLC)膜的沉积)需要具有高等离子体离子密度和低等离子体离子能量。较高的等离子体密度需要较高的源功率，并且通常导致较短的沉积时间。
微波源的优点在于：这种源可以产生非常高的等离子体离子密度，同时所产生的等离子体离子能量小于其他源的等离子体离子能量(例如，电感耦合的 RF等离子体源或电容耦合的RF等离子体源)。微波等离子体源的另一优点为能够在宽范围的腔室压力下产生等离子体，通常从高于大气压到10-6托 (Torr)或以下。这使得微波等离子体处理能够用于非常广泛的处理应用。
然而，许多微波源无法满足半导体处理的严格均匀性要求。最小均匀性可以对应于小于1％的跨越300mm直径的工件的处理速率变化。在微波经过波导中的狭槽传播到腔室的系统中，天线可能具有反映微波发射的波型(wave pattern)和狭槽布局的周期性功率沉积图案，而使得处理速率分布不均匀。这阻止了获得所期望的跨越工件的处理速率均匀性。减少均匀性问题的一种技术是在等离子体腔室中使用旋转天线。不幸的是，这项技术可能有各种挫折，诸如微波通过天线旋转的同步带狭槽(timing belt slot)泄漏，以及由于天线旋转导致的微波自动调谐困难。此外，从基板的中心到边缘的气体分布可能并不均匀。
然而，微波功率可以通过单极天线阵列输送到腔室。微波通过天线传播到腔室中。这可以缓解产生周期性功率沉积图案的天线中的狭槽的问题。此外，可以通过例如将不同相位的功率施加至天线组而得到均匀性的显著改善，由此模仿旋转源。
对于处理速率的另一限制为可以输送到处理腔室而不会损坏气体板或栅格过滤器或导致气体板或栅格过滤器过热的微波功率的量。传统气体板提供腔室的真空边界，因此可能承受显著的机械应力，而使得气体板容易过热而损坏。这种气体板只能承受较低的微波功率水平。因此，一些处理(例如，DLC沉积处理)可能需要数小时才能达到所期望的DLC膜厚度。这一问题可以通过提供围绕突出到等离子体腔室中的每一单极天线的窗口护套来解决，而降低机械应力的危险，并且可以增加能够施加的功率。
参照图1，等离子体反应器10包括腔室主体101，腔室主体101具有例如圆柱形的侧壁102，以封闭腔室100。侧壁102由对于微波不透明的材料形成，以将微波限制在腔室内。侧壁可以是导电材料(例如，金属)。
可以通过栅格过滤器112将腔室100区分成上部腔室100a和下部腔室 100b。因为在没有施加偏压的情况下没有实质电场，所以下部腔室100b为漂移空间(drift space)。侧壁102可包括围绕上部腔室100a的上部侧壁102a 和围绕下部腔室100b的下部侧壁102b。
顶板104可以由导电材料形成，并覆盖在上部腔室100a上。可以通过喷头118提供顶板104。
反应器10进一步包括连接至AC功率源110的单极天线116的阵列108， AC功率源110被配置成以微波或RF频率产生功率。单极天线阵列108包括部分延伸到上部腔室100a中的多个单极天线116。天线116由导电材料(例如，铜或铝)形成，或由涂布高导电层的另一金属形成。在一些实施方式中，天线116平行地突出到上部腔室100a中。天线116可以突出穿过腔室主体101 的顶板104。每一天线116的底表面可以面向栅格过滤器112。
在一些实施方式中，天线116的底表面为共面(例如，天线116以相同的量突出到腔室100中)。或者，一些天线116(例如，阵列108的中心的天线) 的底表面可以相对于其他天线凹陷。在这种情况下，阵列108的边缘处的天线116比阵列108的中心处的天线116更进一步突出到腔室100中。
天线阵列108可以分成天线组(例如，具有相等数量天线的组)。这允许将不同相位的不同功率提供到天线阵列108内的天线116的不同组。
在一个示例中，天线阵列108的周边形成六边形配置(参见图6)。这允许将阵列区分成六个三角形组，每一者具有相等数量的天线(参见图7)。周边亦可以配置成其他形状(例如，正方形、五边形、七边形、或八边形)。这些形状亦可以划分成每一者覆盖三角形形状区段的组(例如，四个、五个、七个、或八个组)。
可以在阵列108中以实质均匀的间隔设置天线。在阵列108内，可以利用六边形或矩形图案设置天线(参见图2)。阵列中的天线的节距可以是约1/2至2 英寸。天线116的截面可具有均匀的尺寸和形状(例如，天线可具有圆形截面)。或者，一些天线可具有不同的截面尺寸(例如，中心处的天线可以具有更大的直径)。天线116的突出到腔室中的部分116c的长度L可大于宽度W(参见图4)。
在一些实施方式中，天线突出穿过喷头118(例如，双通道喷头(dual channelshowerhead，DCSH))。喷头118可包括气体分配板120和气体充气部板122。天线116的长轴可垂直于喷头118的下表面。
用于支撑下部腔室100b中的工件124的工件支撑基座106具有工件支撑表面106a。工件支撑基座106可以例如通过线性致动器沿着轴向方向移动，以例如调整腔室100中的工件支撑基座的高度。工件支撑表面106a可以面向栅格过滤器112。天线116的长轴可垂直于支撑基座106的支撑表面106a。
在一些实施方式中，基座106包括经配置以将热施加至工件124上的一个或更多个加热元件107。当工件支撑于基座106上且前驱物气体(如果使用的话)已被引入腔室100b时，来自加热元件107的热足以让工件124退火。加热元件107可以是电阻加热元件。在加热元件107定位在(例如，嵌入)基座 106的情况下，通过与基座接触而加热工件124。加热元件107的示例包括分离的加热线圈。电线将电源(诸如，电压源)(未示出)连接至加热元件，并且可以将一个或更多个加热元件107连接至控制器。
基座106可被配置成保持工件124，而使得工件的前表面124a面向栅格过滤器112；前表面124a可以与栅格过滤器112平行。在另一个示例中，如下面进一步详细讨论的，基座106可被配置成使得工件的前表面124a面向天线阵列。
在一些实施方式中，基座106可以围绕与基座的对称轴106b重合的旋转轴机械地旋转。这种旋转能够改善工件124上的处理的等离子体均匀性。基座 106可以通过附接至基座的旋转马达(未示出)旋转。
AC功率源110连接至单极天线116。举例而言，功率源110可以经由一个或更多个同轴电缆耦接至天线阵列108。功率源110可以在30Hz至30GHz 的频率范围内操作。举例而言，功率源110可以在微波频率(例如，300MHz 至30GHz)、RF频率(例如，300kHz至30MHz)、和/或VHF频率(例如， 30MHz至300MHz)下产生功率。功率源110被配置或控制成将微波或RF功率施加至多个单极天线，以在腔室100中产生等离子体。在一些实施方式中，功率源110亦可以施加DC电压。
如下面将进一步描述的，AC功率源110可被配置成在多个电源线上产生不同相位的AC功率，并通过这些线向不同组的单极天线116供应功率。
在一些实施方式中，包括圆柱形侧壁136的导电屏蔽件134围绕上部侧壁 102a，并在顶板104上方(例如，在喷头118上方)延伸。导电屏蔽件134可以电接地。
在一些实施方式中，上部气体喷射器组件将处理气体提供到上部腔室100a 中。在一些实施方式中，上部气体喷射器组件可包括多个上部气体喷射器138，以例如从腔室100的顶板104提供气体。气体喷射器138允许进入等离子体腔室100a的均匀气体喷射。
举例而言，从气源126通过气体导管130将气体供应到一个或更多个气体分配口128。气体分配口128可耦接至气体充气部。举例而言，在气体充气部板122的下侧中的凹部122a可以提供用于来自导管130的气体流动的充气部。气体充气部板122覆盖在气体分配板120上。气体分配板120具有多个气体喷射孔口120a，多个气体喷射孔口120a延伸穿过气体分配板120，且流体地耦接至气体充气部，以将气体分配到上部腔室100a中。孔口120a与可选择的凹部122a的一部分可以提供上部气体喷射器138。
气体喷射孔口定位于单极天线116之间的空间中。举例而言，参照图2，若单极天线116被布置成六边形阵列，则气体喷射孔口120a可以类似地布置成六边形阵列(例如，每一单极天线116由六个孔口120a围绕)。类似地，气体充气部板122的底表面中的凹部122a可以是蜂窝形，其中天线116延伸穿过非凹陷部分(亦即，蜂窝的每一细胞格(cell)的中心)。
尽管图1示出了由充气部板的底部的凹部形成的充气部，但是单极天线 116的阵列108上方的容积146可以提供用于气体供应的充气部。在这种情况下，对于一些实施方式而言，省略充气部板122，而通路完全延伸穿过喷头118 (实际上为气体分配板120)，以直接连接至容积146。该容积通过盖(cover) 134封闭，并且气体将通过延伸穿过盖134的口供应。或者，充气部板122可以作为第二气体分配板，所述第二气体分配板作为充气部的凹部，以及作为耦接至第一气体分配板120中的另一多个气体喷射孔口的多个通路。在这种情况下，容积146可以提供覆盖第二气体分配板122的第二处理气体充气部，并且可以提供耦接至第二处理气体充气部的第二处理气体供应导管。这允许将两种不同的处理气体供应到腔室。单极天线116延伸穿过第一气体分配板120和第二气体分配板122二者。
回到图1，尽管示出了腔室的顶板中的喷头118，但是亦可以替代或附加地通过侧壁(例如，通过上部侧壁102a中的孔隙)供应气体。
在一些实施方式中，下部气体喷射器组件将处理气体提供到下部腔室 100b中。下部气体喷射器组件可包括多个下部气体喷射器158，以例如从腔室 100的顶板104提供气体。气体喷射器158允许进入下部腔室100b的均匀气体喷射。下部气体喷射器可以作为栅格过滤器112的一部分，代替栅格过滤器 112，或在栅格过滤器112下方。
举例而言，下部气体喷射器组件可以类似于上部气体喷射器组件。更具体地，栅格过滤器112可包括气体分配板150和气体充气部板152。在气体充气部板152的下侧中的凹部152a可以提供用于来自导管130而经过第二分配口 148的气体流动的充气部。气体分配板150具有多个气体喷射孔口150a，多个气体喷射孔口150a延伸穿过气体分配板150，且流体地耦接至气体充气部，以将气体分配到下部腔室100b中。
再次，尽管示出了栅格过滤器112中的气体喷射孔口150a，但是亦可以替代或附加地通过侧壁(诸如，通过下部侧壁102b中的孔隙)供应气体。
在这样的实施方式中，进入上部腔室100a和下部腔室100b的气体种类和气体流率(flow rate)被独立地控制。在一个示例中，将惰性气体供应到上部腔室100a中，并将处理气体供应到下部腔室100b中。可以控制惰性气体流率，而实质上防止气体从下部腔室100b传入或扩散到上部腔室100a中，以提供上部腔室100a的实质化学隔离。气体输送系统可包括排放系统140(例如，包括真空泵)，以从上部腔室100a排放前驱物气体，由此使腔室100减压。
在一些实施方式中，AC功率源110包括多个自动调谐器，每一自动调谐器耦接至不同的单极天线116。来自RF产生器110的RF功率的水平为高度可控制的。这可以允许通过来自RF功率产生器的RF功率实质上控制(增强) 上部腔室100a中的等离子体密度。因此，能够减少沉积材料中的晶格缺陷或空隙的形成。
在一些实施方式中，栅格过滤器112为平坦的盘(disk)形。栅格过滤器可以延伸穿过腔室100。栅格过滤器112形成为具有多个开口112-1的阵列。开口112-1可以跨越栅格过滤器112而均匀地间隔开。可以选择栅格过滤器112 的轴向厚度T和多个开口112-1的直径d，以促进通过栅格过滤器112的高能量定向束电子的流动，同时阻止通过栅格过滤器112的非束(低能量)电子和等离子体离子的流动。
下部腔室100b中的等离子体可具有与上部腔室100a中的等离子体不同的特性。栅格过滤器112可以作为过滤器，以使上部腔室100a与下部腔室100b 彼此实质上电隔离。在一些实施方式中，栅格过滤器112由导电或半导电材料形成。举例而言，栅格过滤器112可以是金属(诸如，铝)。栅格过滤器112 可以连接至接地，或者可以电性浮动。根据基板是接地还是RF热，栅格过滤器112可以是RF热或接地。在一些实施方式中，栅格过滤器112由非导电材料形成。在一些实施方式中，栅格过滤器112涂布有处理兼容材料(诸如，硅、碳、硅碳化合物、或氧化硅化合物)或氧化物材料(例如，氧化铝、氧化钇、或氧化锆)。
现在参照图3，单腔室等离子体反应器10包括含有工件支撑件106的等离子体腔室100。通常，除了以下所描述的之外，图3的反应器与图1的反应器相同。举例而言，等离子体反应器可以使用相同的单极天线阵列。
与图1所示的实施方式不同，图3中所示的等离子体反应器并未区分为上部腔室与下部腔室；而没有延伸跨越腔室的栅格过滤器。因此，反应器仅具有单一腔室100。所以单极天线阵列108将在与工件支撑件相同的腔室中产生等离子体。腔室100由侧壁102包围，侧壁102由微波不透明材料(诸如，金属) 形成。在一些实施方式中，侧壁102包括透明窗口，或者是透明材料(诸如，介电材料)。
在该示例中，气体喷射器组件包括多个气体喷射器138，而直接将气体分配到工件124所在的等离子体腔室100中。从气源126通过气体导管130供应气体。一个或更多个气体分配口128耦接至气体充气部，气体充气部由气体充气部板122的下侧中的凹部122a所提供。气体充气部板122覆盖在气体分配板120上。气体分配板120具有多个气体喷射孔口120a，多个气体喷射孔口 120a延伸穿过气体分配板120，且流体地耦接至气体充气部。孔口120a(可选择地与凹部122a的一部分一起)可以提供气体喷射器138，以将气体分配到腔室100中。气体喷射孔口定位于单极天线116之间的空间中。
AC功率源110提供单极天线阵列108所需的MW频率。单极天线116平行地延伸到等离子体腔室100中。这种配置的潜在优点在于：能够将高密度等离子体提供到需要高能量的处理(诸如，DLC沉积)，并且能够增加等离子体效率和晶片温度。
现在参照图4，双通道喷头118包括气体充气部122和气体分配板120。在一个示例中，喷头由例如铝制成。在一些实施方式中，喷头包括在底表面上具有穿孔的盘形板，以提供用于在第二平行平坦表面(诸如，栅格过滤器或工件)之上均匀地分配反应气体的孔口120a。在一些实施方式中，孔口提供具有窄通路120b的喷嘴，以在喷头118的底表面处从充气部通向喇叭形喷嘴 120c。
此外，喷头118包括从顶表面延伸到底表面的孔口118a，每一孔口的尺寸适于保持单独的单极天线116。可以选择孔口118a之间的间隔，以考虑功率和电流而有效地最大化喷头118中的天线116的数量。举例而言，天线116 之间的间隔可以使得相邻天线116靠近但不接触(例如，间隔小于10mm)。天线116不应该太靠近以致可能发生短路。举例而言，相邻天线116可以间隔大于2mm。
如图4所示，每一单极天线116可具有突出到腔室100a中的圆柱形轴 116a。然而，不同形状和长度的单极天线可以适用于沉积或蚀刻处理期间的不同目的和应用。举例而言，如图5所示，单极天线的突出到腔室100a中的部分216a可具有圆锥形状。回到图4，天线116可具有向外突出的凸缘或肩部 116b。凸缘或肩部116可以是从轴116a侧向延伸的圆形突出部。凸缘或肩部116定位于喷头118上方。孔口118a允许单极天线116的肩部116b位于喷头 118的顶表面上，同时允许轴116a突出到喷头118之外而进入等离子体腔室 100中。这可以将天线116的底部的垂直位置固定在腔室100内。
由于在处理期间施加高电压，因此单极天线116可以达到升高的温度(例如，30℃至400℃)。可以通过天线的支撑件中的通道(未示出)(例如，气体分配板120中的通道)提供温度控制。通道承载冷却剂，以吸收来自天线 116及周围部件的多余热量。位于腔室外部的热交换器可用于从冷却剂移除热量。
每一单极天线116部分地被绝缘体介电护套(insulator dielectric sheath)152围绕。更具体地，护套152可以至少紧密地覆盖天线116延伸到腔室110 中的部分116c。护套亦可以覆盖整个轴116a(例如，延伸穿过气体分配器120 和充气部122的整个部分以及延伸到腔室100a中的部分)。护套152对于由单极天线产生的辐射是透明的(例如，护套152可以是微波或RF透明窗口护套)。
护套152可包括围绕单极天线116的轴116a的圆柱形区段152a和覆盖单极天线116的底部的底板152b。护套152亦可包括从圆柱形区段152的顶部延伸的向外突出的凸缘或肩部152c。该凸缘或肩部152c将单极天线116的凸缘116b与喷头118的顶表面分开。圆锥形单极天线216被圆锥形护套252围绕(参见图5)。
窗口护套152可由电绝缘材料(诸如，陶瓷、氧化铝、或石英)形成。护套152能够将天线116与气体分配板120和气体充气部板122电隔离，并且能够保护导体免受腔室100a中的环境的影响。护套亦可以防止处理的污染(例如，溅射离开天线116的金属)。
参照图6和图7，如上所述，AC功率源110可被配置成将多个不同的相对相位的功率供应到不同组的单极天线116。为了提供不同的组，单极天线116 可以单独地或以组地进行相位控制。功率源110可包括单一信号源306，将其输出分开然后进行相移(例如，利用模拟电路)。或者，功率源110可包括多个功率源(例如，多个数字信号产生器306)，以产生不同相位的多个信号。
通常，在阵列108划分成N个组的情况下，AC电源可以产生N个不同相位的功率(例如，N个相位相隔360/N度)。AC电源可被配置成在N个供应线上产生相隔360/N的相位的AC功率。天线116可以分成不同数量的组 308/408(诸如，4个、5个、或更多个组)。每一组的天线可以占据天线阵列的空间连续区域。
图6示出了具有布置为线性行的组的阵列的示例。更具体地，图6示出了线性相位阵列的示例。阵列可以分成N个组308。可以通过天线116的不同行 308提供组(例如，每一区域可以覆盖跨越阵列的大致线性条带)。N个导体线304可用于将电源110连接至天线116的N个组，以将不同相位提供到天线的每一组。图6示出了以六边形配置布置的单极天线阵列108，但这并非必需。
图7示出了具有围绕中心轴成角度间隔开的组的阵列的示例。举例而言，每一区域可以覆盖一圆形扇区；若N个区域的大小相等，则弧度将为360/N 度。在所示示例中，天线116划分成六个不同的组408。每一组408耦接至不同的导体线404，从而将不同相位提供到天线的每一组。组可以是阵列上的面积相等的三角形区域。
在空间上彼此相邻的区域可被提供来自多个不同相位的依序相邻相位的功率。举例而言，在图7中，存在六个区域410，并且施加至两个相邻区域(例如，区域410-1和410-2)的信号相隔60°。举例而言，可以将0°、60°、 120°、180°、240°、及300°的相对相位的功率施加至区域410-1、410-2、 410-3、410-4、410-5、及410-6。
作为另一示例，在图6中，存在N个区域310，并且施加至两个相邻区域 310-1和310-2的信号相隔N/360°。举例而言，可以将0°、(1/N)*360°、... 及(N-1/N)*360°的相对相位的功率施加至区域310-1、310-2、...及310-N。尽管在这些示例中，相位以相等的间隔分开，但这并非必需。
可以利用不同配置使用用于控制单极天线116的极性相位阵列或线性相位阵列。举例而言，如图7所示，极性相位阵列可以通过数字信号产生器406 使用六相位功率控制配置，而以60的增量向天线116的组发送不同的信号。与具有旋转天线类似，这增加了等离子体的均匀性。在另一示例中，如图6 所示，可以使用数字信号产生器306而将线性相位阵列用于n相位功率控制配置。这允许天线频率的高度可控制性，并因此允许更均匀的等离子体。
将施加至不同天线组的功率进行相移能够增加等离子体沉积的均匀性。实际上，尽管旋转速率极高，此方法在等离子体沉积处理期间模仿机械旋转的旋转天线。相移频率(亦即，给定区域返回到相同相位偏移的频率)可以设置于 1至1000Hz之间。
图8的实施方式类似于图7的实施方式，但包括位于单极天线116的阵列 108的中心处的附加中心天线420。中心天线420可以比其他天线116大(例如，在平行于阵列108和支撑表面106a的平面上的较大直径)。可以利用单相位信号(例如，由数字信号产生器所产生)驱动中心天线420。中心天线116 的优点为提供功率调整，以用于处理中的中心到边缘的均匀性调谐。
作为上述相移的替代或附加，可以利用脉冲方式将功率施加至天线。举例而言，可以利用1至1000Hz的速率以脉冲方式施加功率。脉冲可以具有5％至95％的占空比(dutycycle)(例如，25％至75％)。在占空比的给定接通时间(on-time)内，可以施加RF或微波频率(例如，300kHz至30GHz)的功率。
在一些实施方式中，等离子体反应器可用于PECVD处理中的膜的沉积。在这样的处理中，所沉积的层可具有一些空的原子晶格位置。随着附加层的沉积，附加层覆盖空的晶格位置，因此在所沉积的材料的结晶结构中形成空隙。这种空隙为晶格缺陷，并且损害所沉积材料的品质。微波源(诸如，图1的实施方式所采用的)产生具有非常低的离子能量的等离子体，因此不会干扰所沉积材料的晶格结构(包括晶格缺陷)。这种微波源可具有2.45GHz的频率，而产生具有可忽略的离子能量水平的等离子体。
通常，微波的频率没有那么准确，并且具有约±2％的波动。因为微波的频率具有波动，所以微波路径的反射率可能显著改变，导致供应到天线的微波的电功率的改变以及等离子体密度的改变。因此，为了根据反射波的电功率来控制等离子体密度，需要精确地监控微波的频率，以补偿由于频率波动所引起的反射波的电功率的改变。
尽管本文件包括许多具体的实施方式细节，但这些不应被解释为对于任何发明或可能要求保护的范围的限制，而是作为对于特定发明的特定实施方式的具体特征的描述。在单独的实施方式的上下文中的本文件所描述的某些特征亦可以在单一实施方式中组合而实现。相反地，在单一实施方式的上下文中所描述的各种特征亦可以在多个实施方式中单独或以任何合适的子组合来实现。此外，尽管上述特征可以描述为以某些组合起作用并且甚至最初即如此请求保护，但是在一些情况下可以从组合中去除来自所请求保护的组合的一个或更多个特征，而所请求保护的组合可涉及子组合或子组合的变型。
已经描述了许多实施方式。然而，应理解，可以进行各种修改。
因此，其他实施方式在权利要求的范围内。

Claims (27)

1.一种等离子体反应器，包括：
腔室主体，所述腔室主体具有提供等离子体腔室的内部空间；
气体分配口，所述气体分配口用于将处理气体输送到所述等离子体腔室；
工件支撑件，所述工件支撑件用于保持工件；
天线阵列，所述天线阵列包括部分延伸到所述等离子体腔室中的多个单极天线，其中所述多个单极天线延伸穿过所述腔室主体的板部分并且穿过所述板部分延伸到所述等离子体腔室中，所述板部分提供所述等离子体腔室的顶板，其中所述多个单极天线中的每一单极天线被绝缘护套围绕，所述绝缘护套从所述腔室主体的所述板部分延伸至所述单极天线的尖端以覆盖包括所述单极天线的所述尖端的端部；和
AC功率源，所述AC功率源用于将第一AC功率供应到所述多个单极天线。
2.如权利要求1所述的等离子体反应器，其中所述多个单极天线平行地延伸到所述等离子体腔室中。
3.如权利要求1所述的等离子体反应器，其中所述多个单极天线中的至少一个单极天线包括延伸到所述等离子体腔室中的锥形端部，并且其中所述锥形端部为圆锥形。
4.如权利要求1所述的等离子体反应器，其中所述板部分为导电的，并且所述绝缘护套被配置为使所述单极天线与所述板部分绝缘。
5.如权利要求1所述的等离子体反应器，其中所述多个单极天线穿过所述板部分延伸到所述腔室中的相等距离，或者其中所述多个单极天线的至少一些比所述多个单极天线的其他单极天线进一步延伸到腔室中。
6.如权利要求1所述的等离子体反应器，其中所述单极天线跨越所述板部分均匀地间隔开。
7.如权利要求1-6中任一项所述的等离子体反应器，包括多个微波或RF透明窗口护套，每一窗口护套围绕单极天线的突出到所述等离子体腔室中的一部分。
8.如权利要求1-6中任一项所述的等离子体反应器，其中所述工件支撑件被配置成保持所述工件，使得所述工件的前表面面向所述天线阵列并且使得所述工件的前表面垂直于所述多个单极天线的长轴。
9.如权利要求8所述的等离子体反应器，其中所述多个单极天线面向所述工件支撑件而没有中间阻挡物。
10.如权利要求1-6中任一项所述的等离子体反应器，其中所述AC功率源被配置成将微波功率施加至所述多个单极天线，以在所述等离子体腔室中产生等离子体。
11.一种等离子体处理工件的方法，包括以下步骤：
在等离子体腔室中支撑工件；
将处理气体输送到所述等离子体腔室；和
通过将AC功率施加至天线阵列而在所述腔室中产生等离子体，所述天线阵列包括部分延伸到所述等离子体腔室中的多个单极天线，其中所述多个单极天线延伸穿过所述腔室主体的板部分并且穿过所述板部分延伸到所述等离子体腔室中，所述板部分提供所述等离子体腔室的顶板，其中所述多个单极天线中的每一单极天线被绝缘护套围绕，所述绝缘护套从腔室主体的所述板部分延伸至所述单极天线的尖端以覆盖包括所述单极天线的所述尖端的端部，并且其中所述多个单极天线中的至少一个单极天线包括延伸到所述等离子体腔室中的锥形端部。
12.一种等离子体反应器，包括：
腔室主体，所述腔室主体具有提供等离子体腔室的内部空间；
处理气体分配系统，所述处理气体分配系统用于将处理气体输送到所述等离子体腔室，所述处理气体分配系统包括具有第一多个气体喷射孔口的第一气体分配板、覆盖气体分配板的第一处理气体充气部、和耦接至所述第一处理气体充气部的第一处理气体供应导管；
工件支撑件，所述工件支撑件用于保持工件；和
天线阵列，所述天线阵列包括多个单极天线，所述多个单极天线延伸穿过所述第一气体分配板，并且部分延伸到所述等离子体腔室中，其中所述多个单极天线中的每一单极天线被绝缘护套围绕，所述绝缘护套从所述第一气体分配板延伸至所述单极天线的尖端以覆盖包括所述单极天线的所述尖端的端部，并且其中所述多个单极天线中的至少一个单极天线包括延伸到所述等离子体腔室中的锥形端部。
13.如权利要求12所述的等离子体反应器，其中所述多个气体喷射孔口定位于所述第一气体分配板的分离所述单极天线的部分中。
14.如权利要求12所述的等离子体反应器，其中所述处理气体分配系统包括气体充气部板，所述气体充气部板具有在面向所述第一气体分配板的表面上的凹部，所述凹部提供所述充气部。
15.如权利要求14所述的等离子体反应器，其中所述多个单极天线延伸穿过所述气体充气部板。
16.如权利要求12-15中任一项所述的等离子体反应器，包括AC功率源，所述AC功率源被配置成将微波或RF功率施加至所述多个单极天线，以在所述等离子体腔室中产生等离子体。
17.一种等离子体反应器，包括：
腔室主体，所述腔室主体具有提供等离子体腔室的内部空间；
栅格过滤器，所述栅格过滤器延伸跨越所述内部空间，并将所述等离子体腔室分成上部腔室和下部腔室，其中所述栅格过滤器包括具有第一多个气体喷射孔口的气体分配板；
气体分配口，所述气体分配口用于将处理气体输送到所述上部腔室；
工件支撑件，所述工件支撑件用于在所述下部腔室中保持工件；
天线阵列，所述天线阵列包括部分延伸到所述上部腔室中的多个单极天线，其中所述多个单极天线延伸穿过所述腔室主体的板部分并且穿过所述板部分延伸到所述等离子体腔室中，所述板部分提供所述等离子体腔室的顶板，其中所述多个单极天线中的每一单极天线被绝缘护套围绕，所述绝缘护套从所述气体分配板延伸至所述单极天线的尖端以覆盖包括所述单极天线的所述尖端的端部；和
AC功率源，所述AC功率源用于将第一AC功率供应到所述多个单极天线。
18.如权利要求17所述的等离子体反应器，其中所述栅格过滤器进一步包括覆盖所述气体分配板的气体充气部板，在所述气体充气部板的底表面中的凹部提供充气部，以用于将第二处理气体流动到所述气体喷射孔口，且其中所述栅格过滤器包括穿过所述气体充气部板和所述气体分配板的多个孔隙，以用于将等离子体或电子从所述上部腔室流动到所述下部腔室。
19.如权利要求17或18所述的等离子体反应器，其中所述AC功率源被配置成将微波功率施加至所述多个单极天线，以在所述上部腔室中产生等离子体。
20.一种等离子体反应器，包括：
腔室主体，所述腔室主体具有提供等离子体腔室的内部空间；
气体分配口，所述气体分配口用于将处理气体输送到所述等离子体腔室；
工件支撑件，所述工件支撑件用于保持工件；
天线阵列，所述天线阵列包括部分延伸到所述等离子体腔室中的多个单极天线，其中所述多个单极天线被划分成多个组的单极天线；和
AC功率源，所述AC功率源用于将第一AC功率供应到所述多个单极天线，其中所述AC功率源被配置成在多个电源线上产生多个不同相位的AC功率，并且不同组的单极天线耦接至不同的电源线，以使得每一组的天线被提供不同相位，
其中所述AC功率源被配置成将共同相移施加至N个电源线上的相位，并且其中所述AC功率源被配置成随着时间的推移而线性增加相移。
21.如权利要求20所述的等离子体反应器，其中通过相邻单极天线的空间连续区域定义每一组的单极天线。
22.如权利要求21所述的等离子体反应器，其中在空间相邻区域中的单极天线耦接至以依序相邻的相位来提供AC功率的电源线。
23.如权利要求22所述的等离子体反应器，其中所述空间连续区域为多个线性行或者为围绕中心轴成角度布置的多个扇区。
24.如权利要求20-23中任一项所述的等离子体反应器，其中所述多个单极天线被划分成N个组，并且所述AC功率源被配置成在所述N个电源线上以相隔360/N的相位产生AC功率。
25.如权利要求20所述的等离子体反应器，其中所述AC功率源被配置成使得在各个电源线上的相位具有1至1000Hz之间的相移频率。
26.如权利要求20-23中任一项所述的等离子体反应器，其中所述AC功率源被配置成将微波或RF功率施加至所述多个单极天线，以在所述等离子体腔室中产生等离子体。
27.一种等离子体处理工件的方法，包括以下步骤：
在等离子体腔室中支撑工件；
将处理气体输送到所述等离子体腔室；和
通过在多个电源线上产生多个不同相位的AC功率，并将来自所述电源线的所述多个不同相位的所述AC功率施加至部分延伸到所述等离子体腔室中的各个不同组的单极天线，而在所述腔室中产生等离子体，以使得每一组的天线被提供不同相位，
其中所述AC功率被配置成将共同相移施加至N个电源线上的相位，并且其中所述AC功率被配置成随着时间的推移而线性增加相移。
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