CN1574199A - 高密度等离子体加工设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供高密度等离子体加工设备，包括加工室、反应气体注入装置、感应耦合等离子体触角、波导和环形发送管。用于支撑所需加工的物体的衬托器安装在加工室内。介电窗安装在加工室上。反应气体注入装置将反应气体注入加工室内。感应耦合等离子体(ICP)触角安装在介电窗上以便定位在介电窗的中心上，并且将来自射频电源的射频功率传输到加工室内部。波导导引微波发生器产生的微波。环形发送管安装在介电窗上以便包围感应耦合等离子体触角，并连接到波导，且通过形成在环形发送管底板中的多个切口向加工室内部辐射微波。

Description

高密度等离子体加工设备
技术领域
本发明涉及高密度等离子体加工设备，其被设计得以便改善衬底表面附近等离子体分布的均匀性。
背景技术
等离子体应用技术被广泛地用在微加工用于制造半导体装置或平板显示器面板的衬底的工艺中。换言之，等离子体被广泛地用来蚀刻用于制造半导体装置的晶片的表面或用于制造液晶显示器的衬底的表面或者用来在衬底或晶片上沉积预定的材料层。因此，发展适用于晶片蚀刻工艺或在晶片上沉积层的工艺的等离子体加工设备成为开发制造半导体装置或平板显示器面板的方法和设备的核心要素。
现有各种类型的等离子体加工设备，其中目前主要采用感应耦合等离子体(ICP)加工设备和使用微波的等离子体加工设备。
图1显示了传统ICP加工设备的示意性结构。参照图1，ICP加工设备包括其中形成有等离子体形成空间的加工室10。衬托器12安装在加工室10的内部的底面处以便支撑所需加工的衬底，例如晶片(W)。介电窗16安装在加工室10的顶部上以形成加工室10的顶表面。用于将反应气体引入加工室10中的气体入口14穿过加工室10的一个侧壁形成。多个连接到气体入口14的气体分配部分15形成在加工室10内。与真空泵19相连的真空抽气部分18穿过加工室10的底板形成。加工室10利用通过真空抽气部分18从真空泵19获得的真空而密封。用于在加工室10内产生等离子体的ICP触角安装在介电窗16上方。
RF电源被连接到ICP触角上，因此，RF电流流过ICP触角并产生磁场。由于磁场随时间变化，所以在加工室10内感应出电场。此时，反应气体通过气体分配部分15被引入到加工室10中，并且被感生电场加速的电子与反应气体碰撞时使反应气体电离。所产生的等离子体被用来在与晶片W表面化学反应的同时蚀刻晶片W表面或者在晶片W表面上沉积预定的材料层。
图2显示了使用微波的等离子体加工设备，其在美国专利申请公开第US2002/121344号中公开。图2中的等离子体加工设备包括等离子体源40和加工室30。等离子体源40包括微波发生器(未示出)、波导41和发送管42。波导41传输由微波发生器振荡的微波并具有矩形截面。发送管42具有多个用于将微波发射到加工室30中的切口43。切口43可以以各种形状形成。
加工室30包括介电窗31、支撑物32和气体入口33。介电窗31安装在加工室30的顶上，而发送管42安装在介电窗31上。用于支撑所需加工的物体(即晶片)的支撑物32安装在加工室30内并与介电窗31相对。支撑物32与电源35连接。抽气部分34穿过加工室30的底板形成并用来在加工室30内产生真空。
在具有上述结构的传统的等离子体加工设备中，晶片附近的等离子体分布不均匀。
图3A和3B显示了加工室内等离子体产生区域处等离子体分布与晶片附近等离子体分布之间的关系。如图3A所示，即使当等离子体产生区域处等离子体均匀分布时，晶片附近的等离子体分布由于扩散而变得不均匀。因而，为了在晶片附近获得等离子体的均匀分布，如图3B所示，必须在等离子体产生区域形成等离子体密度在加工室内部的周边区域附近比中心区域附近高的等离子体分布。
当如上所述等离子体的分布不均匀时，晶片W的蚀刻深度或者沉积在晶片W上的材料层的厚度和性质在晶片W的表面上变化。
特别是，当衬底更大时这种变化更严重。对于ICP加工设备，当衬底更大时，ICP触角必须制作得更大以便在加工室内保持高的等离子体密度。但是，由于施加到ICP触角上的电压随ICP触角的增大而增加，所以增大ICP触角存在限制。此外，对于使用微波的等离子体加工设备，在微波源尺寸不显著增加的情况下将微波的高功率传输到加工室内是困难的，并且均匀地将微波功率分配到加工室中也是困难的。
如上所述，传统等离子体加工设备因为前述的问题而无法恰当地处理工艺条件的变化，并且因此无法提供高的等离子体密度和等离子体的均匀分布。特别是，随着近来面向晶片变大的趋势，传统等离子体加工设备更加难以保持晶片附近等离子体分布的均匀性。这使得半导体装置的质量或成品率明显恶化。因此，在等离子体加工设备的开发中必须首先考虑在晶片变大的同时即改善晶片加工工艺的均匀性又保持高的等离子体密度。
发明内容
本发明提供高密度等离子体加工设备，其可以通过包括独立控制的感应耦合等离子体源和微波源来改善大晶片表面附近等离子体分布的均匀性。
高密度等离子体加工设备包括：加工室，其中安装有用于支撑所需加工的物体的衬托器并且在其上安装有介电窗；反应气体注入装置，其将反应气体注入到加工室中；感应耦合等离子体触角，其安装在介电窗上以便位于介电窗的中心上，并且将来自RF电源的射频(RF)功率传输到加工室内；波导，其导引微波发生器产生的微波；以及环形发送管，其安装介电窗上以便包围ICP触角，并与波导相连，且通过多个形成在环形发送管的底板中的切口向加工室内辐射微波。
通过ICP触角传输到加工室内中心区域的RF功率可以相对通过切口被提供给加工室内周边区域的微波功率被独立地加以控制。
高密度等离子体加工设备还可以包括安装在加工室外部周线处并在加工室内形成磁场的磁体，使得提供给加工室周边区域的微波可以在等离子体的共同作用下产生电子回旋共振(ECR)。
磁体可以沿加工室的外部周线以预定的间隔设置。磁体可以被安装成可以上或下移动。磁体可以是电磁铁或永磁体。
衬托器可以被安装成可以上或下移动。此外，衬托器可以利用静电力吸引所需加工的物体。
反应气体注入装置可以包括安装在加工室侧壁中的环形注入器或者安装在介电窗中心处的莲蓬式喷嘴。或者，反应气体注入装置可以包括安装在加工室侧壁内的环形注入器和安装在介电窗中心的莲蓬式喷嘴。
附图说明
通过参考附图详细地描述本发明的示例性的实施例，本发明的上述和其它特征和优点将变得更加明显，其中：
图1显示传统感应耦合等离子体(ICP)加工设备的示意性结构；
图2显示使用微波的传统等离子体加工设备的示意性结构；
图3A和3B显示在加工室内等离子体产生区域的等离子体分布与晶片附近等离子体分布之间的关系；
图4为显示根据本发明第一实施例的高密度等离子体加工设备的结构的垂直剖视图；
图5为图4中的高密度等离子体加工设备的俯视图；以及
图6为显示根据本发明第二实施例的高密度等离子体加工设备的结构的垂直剖视图。
具体实施方式
现在将参考附图更加全面地描述本发明，其中示出了本发明的优选实施例。通过本发明的实施例是为了对本领域的技术人员更全面地解释本发明。在附图中，相同的附图标记表示相同的元件。
图4和图5分别为显示根据本发明第一实施例的高密度等离子体加工设备结构的垂直剖视图和平面图。请参考图4和图5，本发明的高密度等离子体加工设备为进行晶片微加工的半导体加工设备，例如通过使用等离子体蚀刻用于半导体装置的硅晶片(W)表面的工艺或者通过使用等离子体在硅晶片W的表面上沉积材料层的工艺。
高密度等离子体加工设备包括其中形成等离子体形成空间的加工室110。加工室110内部保持真空状态。为了实现其，连接到真空泵119的真空抽气部分118穿过加工室110的底板形成。
用于支撑晶片W的衬托器112安装在加工室110中。采用静电力将晶片W附着到其上的静电卡盘(chuck)可以用作衬托器112。衬托器112与电源114连接，电源114给衬托器112提供偏置电压使得从加工室110内产生的等离子体释放(slip out)出来的离子以足够高的能量与晶片W的表面碰撞。优选地，衬托器112被安装成能够上下移动。因而，等离子体密度和等离子体分布的均匀性可以很容易地加以控制并适于应对宽范围的工艺参数。换言之，通过上下移动衬托器112，被支撑的晶片W由此可以被定位在可以实现均匀等离子体分布的位置。
窗口116，其由介电材料制成以便传输射频(RF)功率和微波功率，被安装在加工室110的顶上以形成加工室110的顶表面。介电窗116将加工室110的内部与其外部的空气隔开。
用于将反应气体注入到加工室110内的气体入口122穿过加工室110的侧壁形成。具有多个气体分配部分126的环形注入器124安装在加工室110的侧壁的内表面上。通过气体入口122引入到加工室110中的反应气体通过气体分配部分126被分配到整个加工室110内。
感应耦合等离子体(ICP)触角130安装在加工室110顶上，更具体地，安装在介电窗116的顶表面上，并且将RF功率传输到加工室110内以便使在加工室内流动的反应气体电离以产生等离子体。RF电源132与ICP触角130相连。ICP触角被设置成与加工室110内部的中心区域相对。
如图5所示ICP触角130为具有多个同心圆的线圈。或者，ICP触角130可以为螺旋线圈或者绕制成任何已知形状的线圈等。换言之，ICP触角130可以具有各种形状。
根据本发明第一实施例的等离子体加工设备包括用于利用微波产生等离子体的微波源。微波源由微波发生器140、波导142和发送管146构成。发送管146具有包围ICP触角130的环形并安装在介电窗116上，以便与加工室110内部的周边区域相对。多个切口148形成在发送管146的底板上。微波通过切口148引入到加工室110内。微波由微波发生器140产生并通过连接微波发生器140和发送器146的波导142传输到发送管146。如图5所示，环行器143和调谐器144安装在传输微波的波导142上。优选地，波导142具有矩形截面。但是，波导142可以具有各种形状的截面。
发送管146也可以具有各种形状的截面。但是，优选地，发送管146具有矩形截面，如图5所示。如图5所示，切口148穿过发送管146的底板形成，以便被设置在发送管146的周向。此外，切口148可以具有适于辐射微波的各种形状并且可以以各种方式设置。
如上所述，根据本发明第一实施例的等离子体加工设备包括ICP触角130和微波源。由于ICP触角130与加工室110内部的中心区域相对设置，所以利用ICP触角130提供的RF功率产生的感应耦合等离子体被以高密度分布在加工室110内部的中心区域。由于ICP触角1300尺寸小以及等离子体造成的屏蔽，通过ICP触角130形成的RF电磁场在加工室110侧壁附加迅速变弱。但是，由于发送管146设置成与加工室110内部的周边区域相对，所以通过发送管146的切口148提供的微波功率产生的等离子体分布在加工室110内部的周边区域上。因此，可以增加加工室110内部周边区域内产生的等离子体的密度。
由于RF与微波频率显著不同，所以两个等离子体源可以被独立地加以控制。换言之，微波频率大致处于从1到50GHz范围内，典型地为2.45GHz，而RF典型地为13.56MHz。因而，RF和微波频率具有不同的频带并且因此不会相互影响。因此，通过ICP触角130传输到加工室110内部的中心区域的RF功率可以相对通过发送管146的切口148提供给加工室110内部的周边区域的微波功率独立地加以控制。因此，可以控制加工室110内产生的等离子体的分布。这意味着可以改善晶片W附近等离子体分布的均匀性。
根据本发明第一实施例的等离子体加工设备可以包括多个磁体150以便在加工室110中形成磁场。优选地，磁体150安装在加工室110的外部圆周处。可以使用永磁体或电磁铁作为每个磁体150。磁体150可以以预定间隔设置在加工室110的外部圆周处。如果微波发生器140具有2.45GHz的频率，磁体150形成的磁场具有大约875高斯的强度。
磁体150在加工室110内形成磁场，使得提供给加工室110内部的周边区域的微波可以在加工室110内部的周边区域附近产生的等离子体的共同作用下产生电子回旋共振(ECR)。分布有高密度ICP的ICP区域形成在加工室110内部的中心区域内，而ECR区域形成在加工室110内部的周边区域内。
ECR表示当在磁场中电子的回旋旋转频率与施加到电子上的微波频率相同时所产生的共振。众所公知，当产生这种共振时，电子吸收来自所施加的微波的能量的效率得以改善。公知的是，特别地，随着加工室110内部压力降低，电子的能量吸收效率增加。因而，即使在大约10至20毫乇的低压下由于ECR等离子体吸收的微波功率的效率可以被改善。因此，可以增加加工室110内部的周边区域内产生的等离子体的密度。这意味着可以很容易地获得图3所示的“M形”等离子体分布。
优选地，磁体150被安装成能够上下移动。由于ECR区域的位置随磁体150的垂直运动而移动，所以等离子体密度和等离子体分布的均匀性可以很容易地加以控制并适于应对宽范围的工艺参数。
图6为显示根据本发明第二实施例的高密度等离子体加工设备结构的垂直剖视图。图6中的高密度等离子体加工设备具有与图4中的高密度等离子体加工设备相同的结构，除了包括莲蓬式喷嘴224作为反应气体注入装置。因而，图6的与图4的高密度等离子体加工设备结构相同的结构将不再赘述。
请参考图6，莲蓬式喷嘴224安装在介电窗116的中心以便将反应气体引入加工室110中。多个气体分配部分226形成在莲蓬式喷嘴224上以便将反应气体分配到加工室110内部的所有部分。如上所述，安装莲蓬式喷嘴224使得反应气体从加工室110的顶部向下注入到加工室110中。
反应气体注入装置可以由安装在加工室110侧壁上的环形注入器124和安装在介电窗116中心的莲蓬式喷嘴224构成。在这种情况下，反应气体注入装置有助于反应气体的控制，使得其可以在加工室110内更均匀地流向晶片W。
如上所述，根据本发明的高密度等离子体加工设备具有以下效果。首先，同时使用独立控制的ICP触角和微波源有助于等离子体密度和等离子体分布均匀性的控制。因而，大晶片，例如直径不小于300mm(12英寸)的晶片，可以被均匀地加工。
第二，由于微波和等离子体共同造成的ECR的使用，微波功率被等离子体吸收的效率可以被改善，并且等离子体密度和等离子体分布的均匀性可以在宽压力范围内加以控制。
第三，通过使用环形注入器和莲蓬式喷嘴反应气体被均匀地分布在加工室内，并且衬托器和磁体被安装成能够上下移动。因而，等离子体密度和等离子体分布的均匀性可以很容易地加以控制并适于应对宽范围的工艺参数。
虽然已经通过参考本发明的示例性实施例具体显示和描述了本发明，本领域的普通技术人员可以理解的是，在不脱离所附权利要求书限定的本发明的精神和范围的情况下可以做出各种形式和细节上的变化。

Claims (15)

1一种高密度等离子体加工设备，包括：
加工室，其中安装有用于支撑所需加工的物体的衬托器，并且介电窗安装在加工室上；
反应气体注入装置，其将反应气体注入到加工室中；
感应耦合等离子体触角，其安装在介电窗上以便定位在介电窗的中心上，并且将来自射频电源的射频功率传输到加工室内部；
波导，其导引微波发生器产生的微波；以及
环形发送管，其安装在介电窗上以便包围感应耦合等离子体触角，并连接到波导，且通过形成在环形发送管底板中的多个切口向加工室内部辐射微波。
2.如权利要求1所述的高密度等离子体加工设备，其中通过感应耦合等离子体触角传输到加工室内部的中心区域的射频功率相对通过切口提供给加工室内部的周边区域的微波功率独立地加以控制。
3.如权利要求1所述的高密度等离子体加工设备，还包括安装在加工室外部圆周处并在加工室内形成磁场的磁体，使得提供给加工室的周边区域的微波可以在等离子体的共同作用下产生电子回旋共振(ECR)。
4.如权利要求3所述的高密度等离子体加工设备，其中磁体以预定间隔沿加工室的外部圆周设置。
5.如权利要求3所述的高密度等离子体加工设备，其中磁体被安装成能够上下移动。
6.如权利要求3所述的高密度等离子体加工设备，其中磁体为电磁铁。
7.如权利要求3所述的高密度等离子体加工设备，其中磁体为永磁体。
8.如权利要求1所述的高密度等离子体加工设备，其中衬托器被安装成能够上下移动。
9.如权利要求1所述的高密度等离子体加工设备，其中衬托器利用静电力吸引所需加工的物体。
10.如权利要求1所述的高密度等离子体加工设备，其中反应气体注入装置包括安装在加工室侧壁中的环形注入器。
11.如权利要求1所述的高密度等离子体加工设备，其中反应气体注入装置包括安装在介电窗中心处的莲蓬式喷嘴。
12.如权利要求1所述的高密度等离子体加工设备，其中反应气体注入装置包括安装在加工室侧壁中的环形注入器和安装在介电窗中心处的莲蓬式喷嘴。
13.如权利要求1所述的高密度等离子体加工设备，其中环行器和调谐器安装在波导上。
14.如权利要求1所述的高密度等离子体加工设备，其中发送管具有矩形截面。
15.如权利要求1所述的高密度等离子体加工设备，其中切口沿发送管的周线设置。
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