CN1288725C - 等离子加工装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种能够限制等离子而不存在等离子密度不均匀和电功率损失的实用的等离子加工装置。此装置包括等离子屏蔽罩，其包围了等离子发生区以防止等离子扩散。该屏蔽罩具有至少一个开口。此装置包括用于防止等离子通过等离子屏蔽罩的开口而扩散出去的防扩散电极。等离子屏蔽罩上的暴露在等离子中的表面由绝缘体制成。防扩散电极处于朝向开口扩散的电子或者已经从等离子中通过开口扩散出去的电子将流入其自身中的位置处。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于在衬底上进行等离子加工的装置。
背景技术
在衬底上进行等离子加工广泛地用于例如半导体器件和液晶显示器的制造等领域中。例如，在于衬底上形成微电路时，采用衬底上的抗蚀图案作为掩模来进行等离子蚀刻。在制备导电膜或绝缘膜时，已经采用了等离子增强的化学气相沉积(CVD)方法，其利用了等离子中的气相反应。用于这一工艺的装置通过加工腔中的射频放电或直流偶极放电来产生等离子，并在加工腔内的衬底上进行等离子加工。
要求等离子加工装置能提高等离子的密度，以通过缩短加工时间来提高生产率。为了提高等离子的密度，将等离子限制在某一区域内以防止等离子扩散是有效的。
采用放电屏蔽罩是限制等离子的一种方式。放电屏蔽罩是围绕在等离子发生区周围的接地的金属件。由于在放电屏蔽罩之外未施加电场，因此等离子就被限制在屏蔽罩内。然而放电屏蔽罩存在这样的问题，即等离子的密度分布缺乏均匀性，这是因为等离子的带电粒子流入到屏蔽罩内，使得屏蔽罩附近的等离子密度降低。另外，如果经屏蔽罩流到地面的电流对此加工的等离子产生不起作用的话，这就意味着存在能量损失，即电功率的效率降低。
作为一种限制等离子而不会导致等离子的密度缺乏均匀性和存在电功率损失的方法，已经知道可以用绝缘层来覆盖暴露在等离子中的屏蔽罩表面。众所周知，当覆盖了接地金属体的表面绝缘层与等离子相接触时，该层的表面就具有所谓的绝缘电位，其有时也称为浮动电位。由于与离子相比电子具有很高的迁移性，因此绝缘电位是负的，处于几伏到几十伏的范围内。由于基本上没有带电粒子流入处于绝缘电位的表面，因此就不会降低等离子的密度，并且不存在电功率损失。
然而，用屏蔽罩完全地包围等离子发生区是不切实际的。在几乎所有的情况下，需要在屏蔽罩上开设一个开口。例如，在需抽吸等离子发生区的情况下需要一个开口，气体可从中引入到等离子发生区中，或者将衬底传输到等离子附近的位置处。在这种情况下，即使屏蔽罩表面由绝缘体制成以将等离子限制在其内部，等离子也会容易地通过此开口而进行偶极扩散。具体地说，高迁移性的电子最先通过此开口而扩散。然后，离子随电子之后扩散以保持电中和性。结果，等离子通过此开口扩散到外部。因此，实际上很难限制等离子而不存在等离子密度不均匀和电功率损失。
发明内容
本发明力图解决上述问题，并提供一种能够限制等离子且不存在等离子密度不均匀和电功率损失的实用的等离子加工装置。
具体地说，本发明的等离子加工装置包括：加工腔；与设于所述加工腔的一个壁上的抽真空孔相连的抽吸管线；与设于所述加工腔的一个壁上的气体引入孔相连的气体引入管线，用于将气体引入到所述加工腔内的等离子发生区中；等离子发生器，用于通过对所述引入气体施加能量来在所述等离子发生区处产生等离子；设于所述加工腔内的衬底支架，其包括用于固定将被等离子加工的衬底的表面；等离子屏蔽罩，其包围了等离子发生区以防止等离子扩散。该屏蔽罩具有至少一个开口。该装置包括用于防止等离子通过等离子屏蔽罩的开口而扩散出去的防扩散电极。等离子屏蔽罩上的暴露在等离子中的表面由绝缘体制成。所述防扩散电极定位为，当所述等离子发生区位于在前侧时处于所述屏蔽罩的表面所位于的后侧的位置处，或处于电子从等离子发生区扩散的路径处；及所述防扩散电极被接地或通过电源施加一负直流电压。
附图说明
图1是作为本发明第一实施例的等离子加工装置的示意性正面剖视图。
图2显示了在短至几十分钟的范围内所观测到的自偏压电压的交变。
图3显示了在高达200小时的较长范围内所观测到的自偏压电压的交变。
图4显示了设于图1所示装置中的防扩散电极的示意性剖视图。
图5显示了防扩散电极的位置。
图6是第二实施例的等离子加工装置的示意性正面剖视图。
具体实施方式
下面将介绍本发明的优选实施例。图1是作为本发明第一实施例的等离子加工装置的示意性正面剖视图。图1所示的装置用于等离子蚀刻。
具体地说，该装置包括加工腔1，在其中在衬底9上进行等离子蚀刻。加工腔1为气密式真空腔。加工腔1是电接地的。在加工腔1上气密式地连接了传输腔5，在它们之间设有闸阀10。在传输腔5中设有自动传输装置51。在传输腔5上连接了负载锁定腔(未示出)，在它们之间设有另一闸阀(未示出)。衬底9可经传输腔5从外部大气传送到加工腔1中，并在加工后返回到外部大气中。
在加工腔1的底壁上设有抽真空孔102。抽吸管线11与抽真空孔102相连。抽吸管线11能够将加工腔1抽吸到处于10-6到10-7托范围内的所需真空压力。抽吸管线11包括真空泵，例如涡轮分子泵或扩散泵。在抽吸管线11上设有抽吸速度控制器(未示出)。
在加工腔1的顶壁上设有气体引入孔103。加工气体引入管线2与气体引入孔103相连，用于将加工气体引入到加工腔1中。在此实施例中，加工气体引入管线2能够引入四氟化碳(CF4)、氩气和氧气的气体。加工气体引入管线2包括分别存储有这些气体的储气瓶(未示出)、阀22，以及设置在将储气瓶和加工腔1相连的各供给管上的质量流量控制器23。
该装置包括等离子发生器，其通过对所引入的加工气体施加能量来在等离子发生区处产生等离子P。等离子发生器包括对电极31和用于为对电极31施加电压的等离子电源32，从而可产生等离子P。在此实施例中，对电极31通常用于气体引入的路径。对电极31具有中空结构，在其底部设有气体流出孔310。气体可被引入到对电极31的内部，然后经气体流出孔310向下流出。
该装置包括衬底支架4，其用于将衬底9固定在可由所产生的等离子对衬底9进行加工的位置处。对电极31朝向加工腔1内的衬底支架4。衬底支架4为阶梯状部件。衬底9固定在衬底支架4的顶面上。该表面在下文中称为“固定面”。衬底支架4包括金属主体41和固定在主体41上的介质块42。衬底支架4平行地朝向对电极，构成了所谓的平行板式结构。
在此实施例中的等离子电源32的输出功率为2千瓦，频率为60兆赫。由等离子电源32施加在对电极31上的射频电压在对电极31和衬底支架4之间引发射频放电，因而激励所引入的气体以等离子状态移动。等离子电源32与对电极相连，中间设有匹配元件321。
该装置包括温度控制器，用于在冷却时控制衬底9的温度。该温度控制器包括冷却器43。冷却器43使冷却剂在衬底支架4内通过空腔40而循环。冷却器43包括用于将冷却剂引入到空腔内的冷却剂引入管431、用于将冷却剂从空腔40中排出的冷却剂排放管432，以及用于再冷却冷却剂并将其输送回空腔40的循环器433。
为了提高冷却器43的温度控制的效率和精度，该装置包括热交换气体引入管线5，其可将热交换气体引入到衬底9和衬底支架4的界面中。衬底9和衬底支架4的表面并不完全平整，而是有微小的不平。因此，在界面处形成了许多微小的空间。在这些空间中因真空压力而使得热交换的效果不好。考虑到这一点，引入热交换气体如氦气以增大界面处的压力，因而提高了热交换的效率。衬底支架的表面具有下凹部分420，用于在衬底9的背面提供较大的加压区域。热交换气体被引入到下凹部分420中。
为了进一步提高冷却器43的温度控制的效率和精度，该装置包括静电吸盘(ESC)6。ESC 6包括设置在介质块42中的吸力电极61以及与吸力电极61相连的吸力电源62。由吸力电源62施加在吸力电极61上的电压使介质块42介电式地极化，并在固定面上诱发静电荷。结果，衬底9被静电式地吸在固定面上。设置了滤波电路63来防止射频波传播到吸力电源62中。
在衬底支架4上连接了偏压电源44，用于从等离子中抽取离子并使它们入射到衬底9上。偏压电源44是射频电源，其输出功率为2千瓦，频率为1.6兆赫。在从偏压电源44到衬底支架4的路径上设有匹配元件441。当射频电压在产生了等离子的状态下由偏压电源44施加在衬底支架4上时，就通过射频波和等离子的相互作用为衬底9提供了自偏压电压。该自偏压电压是负向地偏压衬底9的电压。该自偏压电压从等离子中抽取离子并用离子轰击衬底9，从而提高了蚀刻效率或改善了蚀刻性能。
在衬底支架4上设置了围绕着衬底9的校正环45。校正环45用于保护介质块42的表面并防止在衬底9的周边处产生加工不均匀。设置了绝缘件46以使衬底支架4与保持在地电位的加工腔1绝缘。绝缘支架4气密式地安装在加工腔1的底部，中间设有绝缘件46。另一绝缘件47覆盖在衬底支架4的侧面。
此实施例的一个特征点在于将等离子限制在等离子发生区内的结构。这一点将如下详细地介绍。
如所述，等离子发生区位于相互面对的衬底支架4和对电极31之间。设置了一对围绕着此等离子发生区的等离子屏蔽罩71，72。一个屏蔽罩71主要用于限制等离子。此屏蔽罩71在下文中称为“主罩”。另一屏蔽罩72同时用作将加工腔1的内部分隔开的隔板。此屏蔽罩72在下文中称为“隔罩”。
主罩71整体上为圆柱形。衬底支架4和对电极31是盘形或同样为圆柱形。它们相互间同轴。衬底9固定在与它们同轴的位置。主罩71在其上部处安装在加工腔1的顶壁上。主罩71的上部以气密的方式穿过顶壁，并且电接地。
主罩71同时用作对电极31的支架。主罩71包括向内突出的凸缘部分，对电极31即固定于此。绝缘件33围绕在对电极31的周围，使得对电极31与主罩71绝缘。主罩71的底部处于比衬底支架4的固定面稍低的位置。换句话说，衬底支架4的上部插入到主罩71中。
隔罩72是管形的，例如截面为圆柱形或多边形，并且与主罩71同轴。隔罩72与包含对电极31和衬底支架4的加工腔1的顶壁和底壁相连。隔罩72在其下部处设有抽真空孔720。在隔罩的外部为抽真空室100。在抽真空室100处，加工腔1包括主阀101。抽吸管线11通过抽真空孔720和抽真空室100来抽吸隔罩72的内部空间。隔罩72包括一个用于进出衬底9的开口(未示出)。
主罩71和隔罩72的表面由绝缘体制成。具体地说，屏蔽罩71，72的主体由金属如铝制成，并涂覆有绝缘体如防蚀铝。这可以防止会引起等离子不均匀和能量损失的带电粒子的流入。
此实施例的装置包括用于防止等离子扩散的电极8。电极8在下文中称为“防扩散电极”，它是可聚集朝向屏蔽罩71，72的开口扩散的电子或已经通过屏蔽罩71，72的开口扩散出去的电子的电极。如所述，表面为绝缘体、即处于绝缘电位下的等离子屏蔽罩能够防止等离子的密度不均匀和能量损失。然而，如果屏蔽罩具有开口，等离子就很容易产生通过此开口的偶极扩散。在此实施例中，主罩71的底部开口和隔罩72的抽真空孔720即对应于此开口。
从发明人的研究中发现，通过在等离子可能从中扩散的开口附近设置导体能够防止等离子扩散。具体地说，发明人研究了在主罩71的底端去除了绝缘涂层且金属主体暴露出来的结构。暴露出来的金属主体与用于接地的金属元件(在下文中称为“接地元件”)相连。然后发现，这样可以防止等离子通过隔罩72的抽真空孔720而扩散。可以认识到这一点的实验结果显示于图1到3中。
在表1所示的条件下进行实验。
表1 可防止扩散的实验的条件(SCCM指“标准立方厘米/分钟”)
| 引入气体的流量(SCCM) | C4H8 | 22.5 |
| Ar | 500 | |
| O2 | 10 | |
| 等离子电源 | 60兆赫，1.6千瓦 | |
| 偏压电源 | 1.6兆赫，1.8千瓦 | |
| 吸力电源 | +100伏(直流) | |
| 下凹部分420处的压力 | 30托 | |
制备两个隔罩并在此实验中交替地使用。它们的不同之处在于抽真空孔的大小。一个孔的直径为1.5毫米，另一个孔为2.0毫米。由于加工腔内的压力是变化的，因此可证实等离子是否被限制在隔罩内。另外，为了研究抽吸特性如何依赖于抽真空孔的大小，因此在抽吸速度保持恒定的条件下测量衬底附近位置处的极限压力。
表2 依赖于抽真空孔的大小的抽吸特性
| 抽真空孔的直径 | 衬底附近的压力 | 能够限制等离子的范围 | |
| 未设接地元件 | 1.5毫米 | 25毫托～ | ～50毫托 |
| 2.0毫米 | 16毫托～ | ～30毫托 | |
| 设有接地元件 | 1.5毫米 | 25毫托～ | ～100毫托 |
| 2.0毫米 | 16毫托～ | ～100毫托 |
如表2所示，在未设接地元件时，即在采用被绝缘体完全地覆盖住的主罩71时，能够限制等离子的范围在抽真空孔720的直径为1.5毫米时不超过50毫托(mTorr)，而衬底9附近处的极限压力只有25毫托。在抽真空孔720的直径为2.0毫米时，能够限制等离子的范围进一步限制在30毫托或更小，而衬底附近处的极限压力降低到16毫托。一般地说，当压力增大时，平均自由行程缩短，同时等离子屏蔽罩的宽度变窄，使得离子与中性分子发生碰撞的可能性增大。因此，等离子趋向于通过开口容易地扩散出去，这样就不可能限制等离子。
在设有接地元件时，能够限制等离子的范围在抽真空孔720的直径为1.5毫米时增大到100毫托或更大。即使在抽真空孔720的直径为2.0毫米时，能够限制等离子的范围也增大到100毫托或更大。这一结果清楚地表明，接地元件能够扩大能够进行限制的范围。
在上述实验中，测量出现于对电极31处的自偏压电压(Vdc)的瞬态交变以观测等离子的状态。自偏压电压为直流电压，其在射频电压通过电容施加到导体上时出现于等离子附近的导体表面处。由于电子的高迁移性，当负的直流电压叠加到射频波上时，导体表面处的电位改变。这一负的直流电压为“自偏压电压”。图2显示了在短至几十分钟的范围内所观测到的自偏压电压的交变。图3显示了在高达200小时的较长范围内所观测到的自偏压电压的交变。
如图2所示，当设有接地元件时自偏压电压在约-360伏处是稳定的。相反，在未设接地元件时，可以频繁地观测到自偏压电压的脉动式快速增加。发明人观察到，在自偏压电压的脉动式增加时在抽吸室100中存在发光闪烁。因此，可以认为脉动式增加是由等离子瞬时扩散到抽吸室100中所引起的。
如图3所示，在设有接地元件时，自偏压电压在高达200小时的操作时间内是稳定的。然而，在未设接地元件时，自偏压电压会在较短的操作时间内逐渐地降低，然后在约20小时的操作时间之后稳定在约-260伏处。这一现象的原因大概是等离子通过抽真空孔720的泄漏，即扩散。具体地说，这大概是由于与等离子扩散相伴的薄膜沉积所引起的。一般地说，等离子加工常常伴随有薄膜沉积。例如在采用碳氟气体的等离子蚀刻中，通过等离子中的气体分解所产生的物质种类而在加工腔的内表面上沉积碳聚合薄膜。在整体操作时间较短时，虽然薄膜沉积在其上，然而抽真空孔720足够宽以使等离子能从中扩散。然而，当整体操作时间延长时，抽真空孔720因薄膜沉积而变窄。结果，等离子经抽真空孔720的扩散停止，使得自偏压电压稳定。在未设有图3所示的接地元件时的结果大概解释了这一现象。
无论如何，自偏压电压的这种波动意味着等离子的不稳定，这降低了加工的可重复性。设有接地元件的情况就不存在这一问题，其具有较高的加工可重复性的稳定性能。接地元件的这一优点可防止等离子扩散，并使等离子因通过接地元件形成放电电路而稳定下来。停留在主罩71的由绝缘体制成的表面上的电子可能会流入到接地元件中，从这里到达地面。因此，即使在电子在主罩71的表面上过多地储集时，它们也不会朝向隔罩72溢出。结果，可以防止等离子通过隔罩72上的抽真空孔720而扩散。
考虑到上述现象，此实施例的装置包括防扩散电极8，其对应于接地元件。图4显示了设于图1所示装置中的防扩散电极8的示意性剖视图。在此实施例中，防扩散电极8设于主罩71的底部处。防扩散电极8为圆环形，且直径与主罩71相等。防扩散电极8通过容易拆卸的方式如拧紧、夹紧等方式安装在主罩71上。
如图4所示，主罩71包括金属主体711和覆盖在主体711上的绝缘层712。绝缘层712例如由防蚀铝处理来提供。此绝缘层并不覆盖主罩71的底端，防扩散电极8使该底端短路。防扩散电极8接地，这是因为主罩71、更准确地说是主体711接地。
防扩散电极8的位置对等离子加工的效率和均匀性来说是很重要的。如所述，防扩散电极8是电子流入的端口。因此，如果它靠近对电极31和衬底支架4之间的空间即等离子发生区，那么它就会更大程度地影响等离子的分布。如果许多电子经防扩散电极8流入到地面，那么在此空间的周边处的等离子密度就会下降得很多。另外，很多输入功率浪费在从防扩散电极8到地面的电路上。周边处的等离子密度下降使得等离子加工不均匀。浪费输入功率意味着等离子加工的效率不足。作为解决这些问题的方法，防扩散电极8最好位于这样的位置，其距对电极31的距离比衬底支架4的固定面到对电极31的距离更长。从图1中可以理解，该装置可满足这一位置要求。
防扩散电极用于防止等离子通过等离子屏蔽罩的开口而扩散。因此，重要的是，朝向此开口扩散的电子或已通过此开口扩散出的电子可流入到防扩散电极中。这一点将采用图5来说明。图5显示了防扩散电极的位置。
在图5中，开口70与产生等离子P的区域间隔开。如图5(1)所示，防扩散电极8可处于电子从等离子发生区扩散到开口70的路径上。另外，如图5(2)所示，电极8可处于开口70的逸出端的附近。在这种情况下，由于电子无法扩散得离开口70较远，因而能防止等离子P的扩散。另外，如图5(3)所示，电极8可设于开口70内，例如处于开口70的边缘上。
如所述，此实施例中的等离子加工伴随有碳聚合物薄膜的沉积。然而，不会有碳聚合物薄膜沉积在隔罩72上，尤其是沉积在抽真空孔720的边缘上。如果在抽真空孔720的边缘上沉积有厚膜，就会产生与狭窄有关的问题，即导电率下降。此实施例同样不存在这一问题。根据例如压力和输入功率等参数，蚀刻有时会占主导地位，而不是薄膜沉积占主导地位。即使在这种情况下，隔罩72也不会受到蚀刻的作用，这是因为等离子到隔罩上的扩散被阻止。
此实施例中的防扩散电极8由碳制成。这是考虑到防扩散电极8即使在受到等离子蚀刻时也不应产生任何污染物。此实施例的装置采用氟化碳气体进行等离子蚀刻。因此，从被蚀刻的电极8上释放出的碳不会有太大关系。或者，防扩散电极8可由硅制成。在衬底9由硅制成的情况下，硅制电极8将不会成为污染物的来源。防扩散电极8应容易地拆卸的原因是，由于在重复进行加工时电极会消耗，因而需要对它进行更换。
下面将介绍本发明的第二实施例。图6是第二实施例的等离子加工装置的示意性正面剖视图。与第一实施例相同，图6所示的装置包括加工腔1、用于抽吸加工腔1的抽吸管线11、用于将加工气体引入到加工腔1中的加工气体引入管线2、用于在加工腔1内的等离子发生区处产生等离子的等离子发生器，以及用于在加工腔1内固定衬底9的衬底支架4。
在图6所示的实施例中，防扩散电极8与等离子屏蔽罩71，72分开地提供。具体地说，电极8设置在衬底支架4的一侧。电极8是环形的，包围了衬底支架4。电极8的位置处于衬底支架4的固定面之下，其距对电极31的距离比固定面到对电极31的距离更长。
如图6所示，在电极8上连接了防扩散电源81。防扩散电源81用于对电极8施加可防止扩散的电压。在此实施例中，电源81施加约-20伏的负直流电压。当在防扩散电极8上施加一定的负直流电压时，它可用于将电子推回到等离子P中。结果，可以防止等离子的偶极扩散。如果施加了太大的负电压，它可能会吸收许多离子，这样会促进而不是防止偶极扩散。该电压最好以使得电子保留在电极2的附近并使它们比离子更大的迁移性得到补偿的方式而施加在防扩散电极8上。
在此实施例中，由于防扩散电极8与等离子屏蔽罩71，72分开地来提供，因此它就可以很高的灵活性来设计。另外，防扩散电极8可以是屏蔽罩71，72中的一部分，或者安装在屏蔽罩71，72上。这种情况具有可简化结构的优点。用于对防扩散电极8施加电压的电源81能够根据加工条件来优化扩散防止性能。
防扩散电极8可由多个片状或环形件组成，它们以相等的间隔设置在与衬底支架4同轴的圆上。并不总是要求电极8采用不会对加工造成污染的材料。在可以防止电极8被蚀刻的情况下或在电极8处于即使被蚀刻也不会出现问题的位置处的情况下，可以使用任何其它的材料。防扩散电极8可由高熔点金属如钨制成。在这种情况下，防扩散电极8可防止等离子通过用于进出衬底9的开口或主罩71的底部开口而扩散。
等离子电源32可连接在衬底支架4上以通过衬底支架4来施加用于放电的电场。可由本发明装置来进行的等离子加工可以不是所述的等离子蚀刻，而是CVD、灰化或表面处理，例如氧化或氮化。
Claims (5)
1.一种等离子加工装置，包括：
加工腔；
与设于所述加工腔的一个壁上的抽真空孔相连的抽吸管线；
与设于所述加工腔的一个壁上的气体引入孔相连的气体引入管线，用于将气体引入到所述加工腔内的等离子发生区中；
等离子发生器，用于通过对所述引入气体施加能量来在所述等离子发生区处产生等离子；
设于所述加工腔内的衬底支架，其包括用于固定将被等离子加工的衬底的表面；
等离子屏蔽罩，其围绕在所述等离子发生区的周围以防止等离子扩散，并具有至少一个开口；和
防扩散电极，用于防止等离子通过所述等离子屏蔽罩的开口而扩散；
所述等离子屏蔽罩上的暴露于等离子中的表面由绝缘体制成；
所述防扩散电极定位为，当所述等离子发生区位于在前侧时处于所述屏蔽罩的表面所位于的后侧的位置处，或处于电子从等离子发生区扩散的路径处；及
所述防扩散电极被接地或通过电源施加一负直流电压。
2.根据权利要求1所述的等离子加工装置，其特征在于，
所述等离子发生器包括与所述衬底支架相面对的相对电极；
所述等离子发生区处于所述衬底支架和所述对电极之间；和
所述防扩散电极处于距所述对电极的距离比所述衬底支架上的用于固定所述衬底的表面距所述对电极的距离更远的位置处。
3.根据权利要求1所述的等离子加工装置，其特征在于，
所述防扩散电极由不会对加工性能造成污染的材料制成。
4.根据权利要求3所述的等离子加工装置，其特征在于，
所述气体为氟化碳气体，
所述加工为等离子蚀刻，和
所述防扩散电极由碳制成。
5.根据权利要求3所述的等离子加工装置，其特征在于，
所述衬底由硅制成，和
所述防扩散电极由硅制成。
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