CN1290399A - 在等离子体中产生激活/离子化粒子的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及在一种过程气体的等离子体中产生激活/离子化粒子的装置,包括一个用于产生电磁波的发生器,一个传输所述电磁波的同轴导体,以及至少一个等离子区,在该段内通过电磁波形成激活/离子化的粒子,本发明所述装置的特征是,等离子区在电磁波同轴导体的内导体中构成。

Description

在等离子体中产生激活/离子化粒子的装置
本发明涉及一种在等离子体中产生激活/离子化粒子的装置。
集成电路，特别是存储器芯片或微处理器是采用许多工艺步骤制成的。这些电路的制造成本是由工艺的复杂性以及物理上的加工时间确定的。高度复杂的器件经常需要数百个工艺步骤以及产品整个工艺过程需要许多天的时间。
这些工艺步骤的一部分是有针对性地在半导体表面上淀积材料或有针对性地除掉材料。这里需使用蚀刻或淀积技术，还包括掩模和掺杂技术等基础工艺，这些工艺在制造高集成度电路的工艺步骤中，经常需要在半导体材料上反复使用(参见《高集成度电路工艺》，D.Widmann，H.Mader，H.Friedrich，施普林格出版社1988年，特别是3.1.1和5.2.2-4节)。
在一个半导体表面上淀积材料的一个重要方法是所谓的化学气相淀积法，也称为CVD法(化学蒸发淀积)。其中所选择的过程气体被引导到经过加热的半导体基片上，并在基片上产生所希望的淀积层。在热的基片表面上将出现过程气体的反应，作为反应产品将产生希望的淀积层，另一方面产生出另一种反应气体，它必须从反应器中抽出。出于多种原因，不希望在化学反应过程中将半导体基片加热到很高的必要温度。所以目前经常采用的方法是，将初始反应气体激活成分解的、具有反应性的成分，并且淀积反应的分解不需要通过提高半导体基片的初始温度实现，而是通过一种等离子体或通过高能辐射实现。
为制造集成电路，仅仅将材料层淀积在半导体基片上是不够的。为产生所希望的结构，上述淀积层的一部分必须有目的地重新除掉。为此可使用一系列方法，其中最经常使用的方法是化学干蚀刻以及化学物理干蚀刻。在化学干蚀刻中，在一种气体的粒子和被蚀刻的表面的原子之间产生化学反应。在化学物理干蚀刻中，在一种气体的粒子和被蚀刻表面的原子之间产生化学反应，并通过向被蚀刻表面注入附加的离子、电子或光子得到支持。此处出于多种原因也不希望半导体基片在化学反应过程中被加热到高温。所以在化学和化学物理干蚀刻方法中，通常也要激活反应气体，形成分解的、具有反应性的组分，并且通过等离子体触发蚀刻反应。
为了实现以上所述的蚀刻工艺和淀积工艺，需要解决的问题是产生高能的并具有反应性的中性粒子，特别是蚀刻基，而且要以足够高的效率进行。这种要求的技术解决方案同时要满足防止电场和带电粒子对所处理的基片的影响的要求，而且要为蚀刻和淀积工艺创造尽可能宽的工作压力范围。
为产生具有反应性的中性粒子，通常需要使用高频放电法。这样一种系统例如显示在图4中，它来源于产品说明书《CDE-Ⅷ型微波下行蚀刻系统》，技术说明书840008号，1986年4月1日修订版2，美国TYLAN／TOKUDA公司。其中公开了一种公知的微波激活下行蚀刻系统。
在图4中表示出一个微波发生器1用于产生微波，微波进入空腔导体系统2。借助谐振单元4以及通过空腔导体系统2的尺寸，所产生的微波通过聚焦系统将微波能量集中在空腔导体系统2的预定位置上。未谐振的反射能量和未转换的能量必须在空心导体系统2内的某处被吸收，例如在T形件3或空心导体2的末端，大多数情况中是采用水吸收方式实现。为通过微波能量产生蚀刻基，设置了一个等离子放电管5，它布置在所产生的微波的电场方向上，并通过空心导体系统2实现。如果将合适的过程气体引入等离子放电管5的进口6，并点燃等离子体，则除了产生其他成分外，也产生被激活的中性粒子。该粒子然后通过约1米长的管道7输送到蚀刻反应-反应室8。所激活的中性粒子抵达固定在一个旋转台上的基片10的表面，并在该表面上产生所要求的蚀刻反应。反应室8通过泵9抽真空并将挥发性反应产物抽走。
为了使该装置顺利运行，所述等离子放电管采用一种几乎不吸收微波的材料制成，而且能耐受在等离子体中产生的化学腐蚀性蚀刻基。所以通常要采用金属氧化物或石英。但是这种材料在等离子区会受到还原气体如氢的强烈腐蚀，从而在所述材料表面产生导电孤岛，因此会导致微波能吸收率的增加。
这种类型的下行蚀刻系统的问题在于所产生的微波的谐振。对所产生的微波必须进行适当的谐振，从而精确地提供等离子放电的电压最大值。然而很小的误谐振会导致工艺参数的明显改变，从而造成微波发生器的过载。采用复杂的和高成本的措施，虽然能防止微波发生器的过载，但是这些措施会降低效率，此外会明显地增大整个装置的尺寸。由于装置的尺寸增大，使得该系统在半导体生产设备中集成的成本加大。如果需要更换磨损件，例如微波发生器或者离子放电管，则必须重新调谐整个装置。
尽管进行了精确地调谐，还是会有很大一部分能量无法转换，而是被反射，必须在空腔导体内用水吸收，以免微波发生器，如磁控管受到损坏。这种可支配微波能量的部分转换表明以上所述关于提供较宽的工作压力范围的要求会出现问题，尤其是对于半导体工艺而言，在低于约13帕，特别是低于1.3帕的低压范围内是有利的，而且具有优点。低压工艺例如对表面控制CVD工艺有很大作用，可避免淀积层出现不希望的淀积层特性。而且在蚀刻工艺中，高的蚀刻率以及防止微载效应经常在很低的压力下才能实现，所述微载效应是指与环境相关的局部蚀刻率。在低于13帕的压力范围内，已经会开始在等离子放电过程中出现点火困难，因为激发密度以及生成的效率有很大下降。
在文献DE3905303A1中，公开了一种上述类型的用于在过程气体等离子体中产生激活/离子化粒子的装置。其中公开的装置具有一个用于产生电磁波的发生器，一个同轴导体，在该导体内传输所述电磁波，并具有至少一个等离子区，在该段内通过电磁波形成被激发/离子化的粒子。该等离子区在文献DE3905303A1公开的装置中位于一个绝缘放电管内，该放电管至少有一部分设置在同轴微波导体的内导体里面。在所述放电管外面，在比外导体短的内导体和将外导体封闭的端盖之间的范围内产生一个电子微波场。
其他用于在过程气体等离子体中产生激活/离子化粒子的装置公开在文献DE3915477A1，DE4004560A1和DE4028525A1中。其中公开的装置也分别具有一个放电管，它设置在同轴微波导体的内导体里面，用于产生等离子体。
此外，一种用于产生大功率微波等离子体的装置公开在文献DE19608949A1中。其中的谐振器同样是一个具有内导体和外导体的同轴谐振器。等离子体是在一个等离子室内产生的，该等离子室被内导体所包围，或者其一侧被外导体所包围。
在文献DE4132558C1中还公开了一种方法和一种装置，用于通过微波能量造成的等粒子放电产生激活的中性粒子。其中有一个等离子放电管，其直径等于所产生的微波的四分之一波长，它垂直于一个空心导体系统设置。在所述空心导体系统中，通过相应的发生器产生电子微波。
此外还公知的是电磁场包围的等离子体，其回旋加速频率与微波频率谐振(ECR方法)，压力范围稳定在13×10-2帕以下。但是，即便用这种方法激发的中性粒子也无法达到足够的数量和密度。由于以下事实的缘故，这并不意外，即在改进的ECR方法中，只有30％的微波能量能够在放电中转换。
所以，本发明的任务是，提供一种可避免或者减小已有技术缺点的装置。本发明的一个特殊任务是，提供一种装置，它在压力范围低于13帕时也具有足够高的效率，并且能够提供足够数量的激活/离子化粒子。
以上任务的解决方案体现在权利要求1所述的装置中。本发明的其他有利的实施例、结构和方案体现在从属权利要求和说明书以及附图中。
根据本发明，提供了在一种过程气体的等离子体中产生激活/离子化粒子的装置，包括一个用于产生电磁波的发生器，一个传输所述电磁波的同轴导体，以及至少一个等离子区，在该段内通过电磁波形成激活/离子化的粒子。本发明所述装置的特征是，在同轴导体的位于一个外导体和一个内导体之间的内腔室中，设置一个用于输入过程气体的进口，并且所述内腔构成等离子区。
本发明所述装置基本上不采用调谐方式，所以不必维持谐振条件，而且也不必使具有最大电压值的微波作用在等离子生成区的特定位置上。所述等离子区是本装置中的同轴导体上的一个位置，在该位置上通常是同轴导体的电介质。在该等离子区中的等离子体是一种“高损失电介质”，它在等效电路图中可用一欧姆电阻表示。
所以，电磁波能量以很高的效率被直接转换成等离子体。通过欧姆负载，电磁波得到很高的衰减，所以使装置的谐振成为多余。
换句话说，在等离子区产生的等离子放电对系统构成阻尼，使得系统具有高带宽。
因此本发明可以放弃采用复杂的调谐单元以及附加的水冷装置。本发明所述装置可实现很小的和紧凑的结构，很容易集成到现有的生产设备或实验设备中。此外本发明所述装置的维护非常简单，因此可节省维护成本。
同轴导体具有—个内导体和一个外导体。因为同轴导体的阻抗是由内导体的外径、外导体的内径以及处在内外导体之间的介质的介电常数确定的，所以匹配本装置可采用简单的方式。
所述用于产生电磁波的发生器最好是一个磁控管，从而产生电磁波发射。
本发明所述装置的优点是，外导体/内导体用金属制成，最好是铝。在等离子区使用金属可以采用简单的方式应用还原气体，例如氢。
如果过程气体对所使用的金属有腐蚀性，则优选使用具有氧化物或石英涂层的金属或者金属氧化物管或石英管。
此外，本发明所述装置的优点是，所述同轴导体的内导体/外导体被冷却。特别优选的方案是，所述同轴导体的内导体/外导体通过一个水冷却器冷却。通过冷却可使与等离子体接触的管壁控制在较低温度。这样可明显降低部件的材料磨损，降低沾染率和微粒污染。此外，在与等离子体接触的管壁上还原气体的还原作用也可大大减小。
另一个优选方案是，所述电磁波通过一个阻抗匹配变压器引入所述同轴导体。所以电磁波发生器本身不必与同轴导体相匹配，从而能提供多种发生器的选择方案。所述阻抗匹配变压器例如可包括一个空心导体和一个阻抗匹配变压器调节器锥体。
另一个优选方案是，本发明所述装置具有一个磁铁系统。通过使用磁铁系统可将过程压力降到1帕以下。优选的磁铁系统包括布置在外导体外面的若干个磁场线圈以及位于外导体外侧的磁环。其中的磁环可用极靴环代替。另一种优选方案是，具有位于内导体中的棒状极靴或棒状磁铁，它可强化局部磁场并修正磁力线。
另外，还可在所述电磁波发生器或阻抗匹配变压器和等离子区之间设置一个传输段，在该段内电磁波以基本无损的方式传输。通过使用传输段，本发明所述装置在工作中可得到额外的冗余。电磁波发生器和等离子区不必直接相邻布置，而是可以在空间上相互独立分开设置。其中特别有利的是，所述传输段是同轴导体。
另一种有利的方案是，在所述等离子区内设置一个监控等离子体的传感器系统。例如，若在等离子体点火时出现故障，则该故障可被传感器系统检测到，并将发生器关闭。这样可防止发生器被反射的微波损坏。
下面对照附图对本发明作进一步的说明。
图1表示本发明所述装置的第一个实施例的示意图；
图2表示本发明所述装置的第二个实施例的示意图；
图3表示本发明所述装置的第三个实施例的示意图；
图4表示已有技术中的产生激活离子装置的示意图。
图1表示的是本发明所述装置的第一个实施例的示意图。其中标号11表示一个用于产生电磁波的发生器。在本实施例中，所述发生器11是一个能产生微波的磁控管。微波经一个耦合电极13耦合到空心导体12中。在位于耦合电极13对面的空心导体12的端头旁边设置了一个阻抗匹配变压器锥体15，其作用是将微波引导到一个同轴导体30。所述空心导体12以及阻抗匹配变压器锥体15的作用相当于一个阻抗匹配变压器装置，使微波尽可能无反射地进入同轴导体30。
所述同轴导体30包括外导体18和内导体19，在两者之间构成处在同轴导体30的内腔31中的等离子区20。过程气体经入口17进入同轴导体30的内腔31。为防止过程气体进入空心导体12，设置了一个密封件16，它将空心导体12和内腔31隔开。所述等离子区20以及等离子体的密度是通过内导体19的长度确定的。
所述等离子区20的长度以及等离子体25的密度需要满足不同的要求，所以所述内导体19采用可移动方式布置。所述同轴导体30的阻抗是由内导体19的外径、外导体18的内径以及处在内外导体之间的介质的介电常数确定的。因为所述同轴导体30的阻抗和内导体19的长度无关，所以改变等离子区20的长度时，无需改变同轴导体30的阻抗。
在等离子区20内由于过程气体与微波的交互作用，导致出现等离子放电，从而产生激活/离子化粒子。所述激活／离子化粒子离开了等离子区20后，经出口32进入一个反应腔(图中未画出)，在该腔内所述激活/离子化粒子进行下一步的反应。
本发明所述装置根据应用目的可有不同的设计，例如离开等离子区20的基本上是激活粒子，没有离子化粒子。这种方式的重要性在于，激活的粒子可用于蚀刻和淀积工艺。所以可避免被处理的基片受到离子化粒子的作用。
外导体18和内导体19可用金属制造，最好用铝。在等离子区内使用金属可通过简单的方式利用还原气体，如氢。
如果过程气体对所使用的金属有腐蚀性，则优选使用具有氧化物或石英涂层的金属或者金属氧化物管或石英管。本发明所述装置的优点是，同轴导体30可用水冷却。为此在阻抗匹配变压器锥体15上设置了一个用于内导体19的进水口14。外导体18同样用水冷却。本发明所述装置可采用水冷的原因是，水不会衰减微波能量，尽管水是平行于等离子区20流动的。通过水冷可使部件的磨损和由此而产生的沾染率和微粒污染大大减小。此外，还原气体对与等离子体接触的管壁的还原作用也可大大减小。同时可改善激活/离子化粒子的生成。
图2表示本发明所述装置的第二个实施例的示意图。其中和图1相同的部件采用相同的标号。
为扩展本发明所述装置的应用范围，在图2所述的实施例中，设置了一个磁铁系统40。该磁铁系统40包括一个磁场线圈42和布置在外导体18外侧与等离子区20高度相当的磁环43。其中的磁环43可用极靴环代替。此外还具有位于内导体19中的棒状极靴或棒状磁铁44，它可强化局部磁场并修正磁力线。
该措施可将过程压力降低到1帕以下。电磁线圈和永久磁铁的组合可降低磁铁系统的能耗，同时提高效率。
图3表示本发明所述装置的第三个实施例的示意图。其中和图1相同的部件也采用相同的标号。
在图3所述的实施例中，本发明所述装置的特征是，在所述空心导体12和等离子区20之间增设一个传输段50，该传输段将微波从空心导体传输到等离子区20。所述传输段50同样是同轴导体。
通过采用传输段50，可使本发明所述装置的运行获得额外的柔性。如果从应用条件方面考虑有利的话，电磁波发生器11和等离子区20之间可在空间上相互独立分别设置。电磁波以基本无损的方式在同轴导体内传输，而本发明所述装置的效率并不会因该措施而有所改变。
本发明所述装置具有很高的效率，可提供大量的激活/离子化粒子。作为应用实例，硅片表面的蚀刻可使用氟原子。在100帕的压力下，NF3分子以200sccm的流量进入本发明所述装置。通过在等离子区20内的等离子放电，可产生激活氟原子F*，它被注入硅片表面。从而在硅片表面上产生硅原子与激活氟原子之间的反应，进而生成挥发性SiF4。通过使用本发明所述装置，可实现5微米/分钟的蚀刻率。从该蚀刻率可得出结论，存在于NF3分子中的氟原子有80％被用于产生激活的自由氟原子。

Claims (15)

1、在一种过程气体的等离子体中产生激活/离子化粒子的装置，包括一个用于产生电磁波的发生器(11)，一个传输所述电磁波的同轴导体(30)，以及至少一个等离子区(20)，在该段内通过电磁波形成激活/离子化的粒子，本发明的特征是，在同轴导体(30)的位于一个外导体(18)和一个内导体(19)之间的内腔室(31)中，设置一个用于输入过程气体的进口(17)，并且所述内腔构成等离子区(20)。
2、如权利要求1所述的装置，其特征是，所述用于产生电磁波的发生器(11)是一个磁控管。
3、如权利要求1或2之一所述的装置，其特征是，所述同轴导体(30)的内导体(19)用金属、具有氧化物或石英涂层的金属或者金属氧化物或石英制成。
4、如权利要求1或3之一所述的装置，其特征是，所述同轴导体(30)的外导体(18)用金属、具有氧化物或石英涂层的金属或者金属氧化物或石英制成。
5、如权利要求1至4中任何一项所述的装置，其特征是，所述同轴导体(30)的内导体(19)/外导体(18)通过一个冷却器，特别是通过一个水冷却器冷却。
6、如权利要求1至5中任何一项所述的装置，其特征是，所述电磁波通过一个阻抗匹配变压器(12，15)引入所述同轴导体(30)。
7、如权利要求6所述的装置，其特征是，所述阻抗匹配变压器(12，15)包括一个空心导体(12)和一个阻抗匹配变压器调节器锥体(15)。
8、如权利要求6或7之一所述的装置，其特征是，在所述电磁波发生器(11)或阻抗匹配变压器(12，15)和等离子区(20)之间设有一个传输段(50)，在该段内电磁波以基本无损的方式传输。
9、如权利要求8所述的装置，其特征是，所述传输段(50)是由同轴导体构成的。
10、如权利要求1至9中任何一项所述的装置，其特征是，所述等离子区(20)的长度是可变的。
11、如权利要求1至10中任何—项所述的装置，其特征是，设置一个电磁铁系统(40)。
12、如权利要求11所述的装置，其特征是，所述电磁铁系统(40)至少包括一个设置在外导体(18)外部的磁场线圈(42)。
13、如权利要求11或12所述的装置，其特征是，所述电磁铁系统(40)包括设置在所述外导体(18)外部的磁环(43)/极靴环。
14、如权利要求11至13中任何一项所述的装置，其特征是，所述电磁铁系统(40)包括位于内导体(19)中的棒状极靴或棒状磁铁(44)。
15、如权利要求1至14中任何一项所述的装置，其特征是，在所述等离子区(20)内设置一个监控等离子体(25)的传感器系统。
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