CN1652661A - 等离子体产生设备及等离子体处理设备 - Google Patents

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CN1652661A CNA2004100786896A CN200410078689A CN1652661A CN 1652661 A CN1652661 A CN 1652661A CN A2004100786896 A CNA2004100786896 A CN A2004100786896A CN 200410078689 A CN200410078689 A CN 200410078689A CN 1652661 A CN1652661 A CN 1652661A
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Abstract

提供了一种使用多路端部开口的空腔谐振器的微波等离子体产生设备，以及包括该微波等离子体产生设备的等离子体处理设备。该等离子处理设备包括：用于形成处理室的容器，用于支撑材料使其在处理室中被处理的支撑部件，在处理室的上部形成的介电窗，将处理气体注入处理室的气体供应部件，以及通过介电窗供应微波的包含多个谐振器的微波供应部件。

Description

等离子体产生设备及等离子体处理设备
技术领域
本发明涉及一种半导体设备，更确切地，涉及一种利用多路端部开口的空腔谐振器(multiple open-ended cavity resonator)来产生微波等离子体的设备，和一种利用多路端部开口的空腔谐振器的等离子体处理设备。
背景技术
由于相等的带正电的离子和带负电的电子，等离子体是没有宏观电荷的电离气体。等离子体在非常高的温度下并且在强电场或RF电磁场中产生。
当被直流(DC)或RF电场所激发的自由电子与气体分子碰撞并产生例如离子、基团或电子的活性品类(active species)时，通过辉光放电产生等离子体。传统上，等离子体处理包括通过在材料表面与已得到的活性品类之间的物理和/或化学相互作用来改变材料表面的特性。
如今，在半导体器件的大量生产中，大面积的晶片被加工。为了在大面积晶片上进行等离子体处理，等离子体处理设备必须能够容纳大面积的晶片以及产生密度均匀的等离子体。这样的设备在半导体器件的生产中变得越来越重要。
在等离子体产生设备中，对于利用微波的等离子体处理设备的研究如今正在进行。
图1是一台传统的等离子体处理设备10的横截面图，其使用了双向的分配器。
图1中的等离子体处理设备10是于2002年12月24日在美国专利No.6,497,783中公开的，名称为“PLASMA PROCESS APPARATUS PROVIDEDWITH MICROWAVE APPLICATOR HAVING ANNUNLAR WAVEGUIDEAND PROCESSING METHOD(拥有具备环形波导的微波加热器的等离子体处理设备和处理方法)”。等离子体处理设备10包括用于形成处理室19的容器11，用于支撑装入到处理室19中的晶片W的支持部件(holding unit)12，连接在支持部件12下面的加热器25，具有气体供应端口17a的气体供应部件17，安装在处理室19的上部以用来使处理室19和外部大气隔离的介电窗(dielectric window)14，以及形成在介电窗14上的微波供应部件13。
图2是图1所示的传统等离子体处理设备10的微波供应部件13的透视图。
参照图1和图2，微波供应部件13是由导电材料形成的谐振器，它包括：通过其使微波传播的空间13a，上和下壁13c和13g，在邻近介电窗14的下壁13c中形成的多个槽13b，侧壁13d，在上表面13g上形成的微波引导口(microwave introducing port)13e，以及通过划分成两部分，将从波导15供应的微波引导至空间13a的分配器13f。
参照图1，传统等离子体处理设备10包括具有微波振荡器例如磁电管的微波功率源6，至少两个气体供应部件，以及一抽气系统。每个气体供应部件包括气体源21，阀门22，质量流控制器(MFC)23。抽气系统包括抽气控制阀门26，切断阀门25a和真空泵24。
等离子体在传统等离子体处理设备10中的产生和处理的过程如下。
晶片W被装载到支持部件12上并被加热到预期的温度。处理室19被真空泵24抽空，等离子处理气体从气体供应部件17以不变的流速流入到处理室19。
接着，功率从微波功率源6经由波导15被施加到微波供应部件13。从微波供应部件13供应的微波在被分配器13f分成两部分之后，传播到空间13a中。被分开的微波在空间13a里通过相互干扰形成了驻波。
微波在多个槽13b处被加强，并经由多个槽13b和介电窗14传播进入处理室19。供应到处理室19的微波的电场使电子加速，从而在等离子体处理室19的上部产生高密度的等离子体。在处理室19中的处理气体接着被高密度的等离子体激发，从而处理装载到支持部件12上的晶片W。
图3A和3B分别表示了当使用传统等离子体处理设备10进行淀积工艺时，通过从微波供应部件13的多个槽13b辐射的微波形成的等离子体的图案，以及对应于槽13b的腐蚀图案。
参照图3A和3B，传统等离子体处理设备10具有一附加部件，其含有在微波供应部件13的下部和介电窗14之间的多个槽A以改善等离子体B的密度均匀性。然而，该含有多个槽A的附加器件导致了介电窗14的腐蚀，从而产生不需要的微粒。当使用传统等离子体处理设备进行蚀刻工艺过程中的淀积时，这些从介电窗14的腐蚀中产生的不需要的微粒会变成淀积或被蚀刻的薄膜中的杂质。
发明内容
本发明提供了一种能在待处理材料的附近形成高密度和均匀的等离子源的微波等离子体产生设备，以及一种等离子体处理设备。
本发明还提供了一种能使功率损失最小化并避免介电窗腐蚀的微波等离子体产生设备，以及一种等离子体处理设备。
根据本发明的一个方面，提供了一种等离子体处理设备，包括：用于形成处理室的容器，用于支撑将在处理室里被处理的材料的支撑部件，在处理室的上部形成的介电窗，将处理气体注入处理室的气体供应部件，以及用于通过介电窗供应微波的包括多个端部开口的空腔谐振器的微波供应部件。
根据本发明的另一个方面，提供了一种微波供应部件，包括：用于产生微波的微波功率源，多个波导，用于将由微波功率源产生的微波分配到多个波导的耦合器，以及多个端部开口的空腔谐振器。
根据本发明的另一个方面，当使用具有微波供应部件并包括处理室和多个端部开口的空腔谐振器的等离子体处理设备来处理在处理室中的材料时，通过分别控制供应到多个端部开口的空腔谐振器上的功率，能够保持材料上的均匀的等离子密度。
附图说明
通过参考附图对本发明示例性实施例的详细描述，本发明的上述及其他特征和优点将会变得更加显而易见，附图中：
图1是传统等离子体处理设备的横截面图；
图2是图1中所示的传统等离子体处理设备的微波供应部件的透视图；
图3A和图3B分别表示了当使用图1所示的传统等离子体处理设备进行淀积工艺时，通过从微波供应部件的多个槽辐射的微波形成的等离子体的图案，以及对应于槽的腐蚀图案；
图4是根据本发明一实施例的等离子体处理设备的剖面透视图；
图5是图4的等离子体处理设备的微波供应部件的横截面图；
图6是图4的等离子体处理设备中等离子体的密度相对于距介电板的距离的曲线图；
图7是在图4的等离子体处理设备的处理室中，由单一谐振器所形成的驻波的示意图；以及
图8是在图4的等离子体处理设备的处理室中，由多个谐振器中的每一个所产生的等离子密度峰值的曲线图。
具体实施方式
现将参考附图更加充分地描述本发明，附图中表示了本发明的优选实施例。在所有的图中，相同的附图标记表示相同的元件。
图4是根据本发明一实施例的等离子体处理设备的剖面透视图。
如图4所示，根据本发明一实施例的等离子体处理设备100包括：用于形成处理室109的容器111，用于支撑在处理室109中的基板例如晶片的支撑部件102，包含第一气体进口107a的第一气体供应部件107，包含第二气体进口117a的第二气体供应部件117，与处理室109的上部结合并将处理室109与外部大气隔离的介电窗104，以及在介电窗104上形成的微波供应部件130。
图5是图4的等离子体处理设备100的微波供应部件130的横截面图。
微波供应部件130包括：微波功率源132，耦合器134，包含上部气体进口108a的上部气体供应部件108，冷却水进口136a，冷却水出口136b，1-nth波导1031-103n，以及1-nth谐振器1131-113n。
微波供应部件130的微波功率源132包括微波发生器，例如磁电管。通过耦合器134，并经过1-nth波导1031-103n中的每一个，由微波功率源132产生的微波被供应到1-nth谐振器1131-113n。
作为多路端部开口的空腔谐振器的一部分，根据本发明的1-nth谐振器1131-113n具有开口端，在此处谐振器连接到1-nth波导1031-103n以及介电窗104。因此，通过微波在介电窗104的整个表面上均匀的分布，处理室109中的等离子体分布也变得均匀。
参考图4，在根据本发明一实施例的等离子体处理设备100中，上部气体供应部件108有两个功能。第一个功能是提供清洁气体，其用于在对装载到支撑部件102的基板上的薄膜进行淀积或蚀刻之后，清洁处理室109。例如，在淀积SiO2薄膜之后，供应C2F6气体以用来清洁处理室109。另一个功能是机械性支撑介电窗104的中心部分。
通过机械性支撑介电窗104的中心部分，能够以减小的机械应力支撑大且相对薄的介电窗104。
为了使供应给基板的处理气体均匀分布，等离子源外罩(plasma sourcehousing)107f包括了第一气体供应部件107，该第一气体供应部件107包括第一气体进口107a，其用于以预定的角度向基板的表面喷射处理气体。包含第二气体进口117a的第二气体供应部件117位于等离子源外罩107f的下方并被构造得能提供在所有方位角中气体流量的均匀分布。经过每个上述气体进口的气体流量能够被单独地控制。因此，供应给基板的处理气体的分布能够变得均匀。
采用用于冷却介电窗104的直接冷却系统。即冷却水通过冷却水进口136a进入，直接接触介电窗104，并在介电窗104的径向方向上降低一温度梯度后，通过冷却水出口136b排放到外部。
图4中所示的等离子体处理设备100采用了一对共轴型谐振器，即第一及第二谐振器1131和1132，其用来激发处理室109中的微波等离子体。第二谐振器1132位于介电窗104的边缘附近。第二谐振器1132是一底部端部开口的空腔谐振器，其用于在处理室109的边缘附近产生非常高密度的等离子体。
由微波功率源132产生的微波功率通过耦合器134进入到第一和第二波导1031和1032。进入到第一和第二波导1031和1032的每一微波经由连接到每个波导1031和1032的锥形波导部件1051和1052，进入到每个第一和第二谐振器1131和1132。
由微波功率源132产生并进入到第一及第二谐振器1131和1132的一定量的微波功率能够被包含在第一和第二波导1031和1032中的第一和第二组合探测器112a和112b所控制。
通过控制进入第一谐振器1131的微波，能控制处理室109中心部分处的微波等离子密度。例如，改变传输到第二波导1032的微波功率的比率，能控制处理室109中径向方向上的等离子体的均匀性。
图4中所示的等离子体处理设备100使用了微波等离子发生装置，该装置由第一及第二谐振器1131和1132组成。然而，根据本发明可选择实施例的等离子体处理设备可以使用由任意数目的谐振器组成的微波等离子发生装置。
在根据本发明另一实施例的等离子体处理设备中，使用了应用n个谐振器的微波等离子发生装置，可以通过控制耦合器134以控制进入每个谐振器的微波功率的比率，来控制处理室109中临近介电窗104的等离子体的均匀性。
尽管未显示，但每个波导中使用单独的微波功率源，能够控制等离子体的均匀性。
第一及第二可移动凸缘115a和115b用于使每个波导与相应的微波功率源相匹配。
第一波导1031可以相对于处理室109的轴转动，而第二波导1032可以被构建得相对于第一波导1031转动。因此，微波等离子发生装置可以很容易的与等离子体处理设备相结合。
支撑部件102位于处理室109的下面，其可以上下移动从而将装载到支撑部件102上的基板放置在使等离子体的均匀性最佳的水平面处。
根据本发明，多个微波波导是共轴的，且相邻的微波波导共享一个壁。
图6是在图4的等离子体处理设备中，等离子密度相对于从介电窗104朝向安装在支撑部件102上的晶片基板W的距离的曲线图。
参考图6，d2代表在基板W的径向方向上等离子体的最佳均匀性，d1和d3代表不理想的等离子体分布。因为通过调节介电窗104和晶片基板W之间的距离，能使晶片基板W位于等离子体的最佳分布区域，所以并不需要在处理室109的整个体积中产生均匀的等离子体以获得基板W上的均匀流量。控制由处理室109中的多个谐振器1131到113n所产生的各个等离子密度峰值就足够了。
图7是在处理室109中由单一谐振器形成的驻波的示意图。
参考图7，驻波的峰值出现在对应谐振器中心线的位置。驻波的幅度表示微波功率的大小，并且处理室109中的等离子密度根据微波功率而变化。
图8是由处理室109中多个谐振器1131到113n中的每一个所产生的等离子密度峰值的曲线图。为了简化，省略了冷却水进口136a和冷却水出口136b。
参考图8，在处理室109的中心处的中心峰值0由第一谐振器1131形成。峰值02到0n形成在对应于第二至第n个谐振器1132-113n的中心线的位置处。由于所有的谐振器相对于处理室109的中心是对称的，所以峰值也具有方位上的对称性。因此，这些峰值的顶视图是同心圆。
排列谐振器从而使得峰值02到0n在距中心峰值0的预定距离处形成。这样，如上所述，等离子体的密度根据距处理室109中介电窗104的距离而变化，如图6所示的那样。因此，根据本发明，即使等离子密度在整个处理室109中并不均匀，仍可获得径向方向上距介电窗104预定距离处的均匀的等离子密度。
为了在对应于谐振器中心线的位置处形成峰值，每个谐振器中必须发生谐振。根据本发明的每个谐振器的谐振条件是，谐振器中心线的长度必须等于对应此谐振器的波导的微波波长的整数倍。在这里需要指出，在开口型波导中的波长与各面都具有传导壁(conductive wall)的闭合型波导中的波长是不一样的。这是因为，在开口型波导中，形成谐振器的不仅仅是构成波导的弯曲的上部环，还包括了介电窗和处理室。
尽管谐振器中的振荡频率是由从微波供应部件输入的频率决定的，在每个谐振器中被激发的模式类型还依赖于耦合装置的位置。只要耦合通过多个独立端口发生，每个输入微波将以同样的频率激发其自有的谐振模式。
改变传输到相应谐振器的微波功率的比率，能够控制在给定径向位置上的峰值幅度。如图5中所表示的，根据本发明的微波供应部件能够在距中心不同的径向距离上使用三个或更多的共轴谐振器，这对于在大的区域上实现均匀的等离子体处理非常重要。
尽管已参考本发明的示例性实施例对其进行了特别地表示和描述，但本领域普通技术人员应理解的是，可以对本发明进行形式和细节上的多种改变而不背离由以下权利要求所限定的本发明的主旨和范围。
如上所述，由于根据本发明的等离子体处理设备的结构，使用多个环形端部开口的空腔谐振器，等离子体能够在大的基板上形成均匀的分布。
另外，由于根据本发明的等离子体处理设备没有使用多个槽来通过介电窗供应微波，因此介电窗的腐蚀也能够得以避免。
另外，通过将处理气体供应到靠近介电窗的位置，处理气体得以有效的电离和分解。

Claims (16)

1.一种等离子体处理设备，包括：
一用于形成一处理室的容器；
一用于支撑材料使其在所述处理室中被处理的支撑部件；
一在所述处理室的上部形成的介电窗；
一将处理气体注入到所述处理室的气体供应部件；以及
一包含多个端部开口的空腔谐振器以通过所述介电窗供应微波的微波供应部件。
2.权利要求1的等离子体处理设备，其中所述气体供应部件包括：
一穿过所述介电窗的中心安装的上部气体供应部件；
一以一预定角度向待处理的材料表面供应处理气体的第一气体供应部件；以及
一被配置为具有径向均匀分布的气体流量的第二气体供应部件。
3.权利要求2的等离子体处理设备，其中通过每个所述气体供应部件的气体流量被独立地控制。
4.权利要求1的等离子体处理设备，其中所述多个端部开口的空腔谐振器在与所述介电窗接触的部分处打开。
5.权利要求1的等离子体处理设备，其中所述微波供应部件包括：
一用于产生微波的微波功率源；
多个波导；
一用于将由所述微波功率源产生的微波分配到所述多个波导的耦合器；以及
多个分别连接到多个波导的端部开口的空腔谐振器。
6.权利要求5的等离子体处理设备，其中通过改变传输到所述每个波导的微波功率的比率，能够改善所述处理室中径向的等离子体均匀性。
7.权利要求5的等离子体处理设备，其中每个所述波导能够相对于所述处理室的轴转动。
8.权利要求5的等离子体处理设备，其中所述多个波导被配置成共轴的。
9.权利要求5的等离子体处理设备，其中相邻的波导共享一共同的壁。
10.权利要求1的等离子体处理设备，其中所述支撑工具能够上下移动从而将装载到所述支撑工具上的基板放置到获得最佳等离子体均匀性的水平面上。
11.一种微波供应部件，包括：
一用于产生微波的微波功率源；
多个波导；
一用于将由所述微波功率源产生的微波分配到所述多个波导的耦合器：以及
多个谐振器。
12.权利要求11的微波供应部件，其中所述耦合器调节传输到每个所述波导的微波功率的比率。
13.权利要求11的微波供应部件，其中所述多个波导能够彼此相对转动。
14.权利要求11的微波供应部件，其中所述多个端部开口的空腔谐振器相对于所述波导的部分是打开的。
15.权利要求11的微波供应部件，其中所述多个波导被配置成共轴的。
16.权利要求11的微波供应部件，其中相邻的波导共享一共同的壁。
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