CN1849691A - 包括改进聚焦环的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种聚焦环组件，设置为耦合到等离子体处理系统中的衬底支架，该组件包括聚焦环，聚焦环具有用于确定聚焦环的寿命的一个或更多个磨损指示器，其中聚焦环耦合到衬底支架便于聚焦环在等离子体处理系统中的自动定心。例如，安装在衬底支架上的定心环可包括定心特征，该定心特征设置为与聚焦环的配合特征相耦合。

Description

包括改进聚焦环的方法和装置
技术领域
本发明涉及在等离子体处理系统中利用聚焦环的方法和装置，更具体地说，本发明涉及便于等离子体处理系统的改进维护的聚焦环组件。
背景技术
半导体工业中集成电路(IC)的制造通常用等离子体在真空处理系统内产生和辅助表面化学反应，以从衬底上去除材料和在衬底上沉积材料。通常，等离子体是在真空条件下的处理系统内通过用供给的处理气体将电子加热到足以维持电离碰撞的能量而形成的。而且，加热的电子可具有足以维持离解碰撞的能量，因此选择在预定条件下(例如室压力、气体流率等等)的一组特定气体，以产生大量带电物质和化学活性物质，其中所述物质适合系统中正在进行的特定处理(例如从衬底去除材料的刻蚀处理或向衬底增添材料的沉积处理)。
尽管大量带电物质(离子等等)和化学活性物质的形成对于进行等离子体处理系统对衬底表面的功能(例如材料刻蚀、材料沉积等等)是必要的，但处理室内部的其他元件表面暴露在物理和化学活性的等离子体中，最终可能受到腐蚀。处理系统中暴露元件的腐蚀可能引起等离子体处理性能的逐步降低并使系统最终完全失效。
因此，为了最小化因暴露于处理等离子体而承受的损害，可以在处理室内插入可消耗或可替换的元件，例如由硅、石英、氧化铝、碳或碳化硅制造的元件，以保护更有价值的元件表面和/或影响处理中的变化，所述更有价值的元件在频繁替换中可能导致更大的成本。此外，还希望选择最小化给处理等离子体带来的、以及可能给衬底上形成的器件带来的多余污染物、杂质等等的材料。这些可消耗或可替换的元件经常被认为是处理套件的一部分，在系统清洁过程中其经常得到维护。
发明内容
本发明描述了用于将聚焦环用于等离子体处理系统的方法和装置。
根据第一方面，围绕等离子体处理系统中衬底支架上的衬底的聚焦环组件包括定心环和聚焦环，所述定心环设置为耦合到衬底支架，所述聚焦环包括上表面、下表面以及耦合到上表面和下表面中至少一个的一个或更多个磨损指示器，其中聚焦环设置为通过将聚焦环耦合到定心环而围绕衬底定心。
根据另一方面，围绕等离子体处理系统中衬底支架上的衬底的可置换聚焦环包括设置为耦合到衬底支架的环，该环包括上表面、下表面和耦合到上表面和下表面中至少一个的一个或更多个磨损指示器，其中环设置为通过将环耦合到衬底支架而围绕衬底定心。
此外，用于对围绕等离子体处理系统中衬底支架上的衬底的聚焦环进行替换的方法，包括从等离子体处理系统去除第一聚焦环以及通过将第二聚焦环耦合到衬底支架而将第二聚焦环安装在等离子体处理系统中。所述耦合便于第二聚焦环在等离子体处理系统中的自动定心，其中第一聚焦环和第二聚焦环各包括上表面、下表面以及耦合到上表面和下表面中至少一个的一个或更多个磨损指示器。
附图说明
在附图中：
图1图示了根据本发明的实施例的等离子体处理系统的示意性框图；
图2示出了根据本发明的实施例的聚焦环的平面图；
图3示出了图2所示聚焦环的截面图；
图4A示出了图2所示聚焦环的放大截面图；
图4B示出了像图2所示聚焦环一样的聚焦环的另一放大截面图；
图5A图示了根据本发明的一种实施例在处理过程中磨损指示器的演变(evolution)；
图5B图示了根据本发明的另一实施例在处理过程中磨损指示器的演变；
图6示出了根据本发明的实施例的定心环的平面图；
图7示出了图5所示定心环的截面图；
图8示出了图7所示定心环的放大截面图；并且
图9示出了对围绕等离子体处理系统中的衬底的聚焦环进行替换的方法。
具体实施方式
在等离子体处理中，聚焦环可以设置为例如围绕着衬底支架上的衬底，并用于调整和/或控制衬底周围边缘局部的处理化学的特性。对于传统的等离子体处理系统，聚焦环包括例如用于氧化物刻蚀的硅环，其置于衬底支架的上面并围绕着衬底周边。
根据本发明的实施例，等离子体处理系统1示于图1，其包括等离子体处理室10、上组件20、电极板组件24、用于支撑衬底35的衬底支架30以及耦合到用于在等离子体处理室10中提供减压环境11的真空泵(未示出)的泵浦管道40。等离子体处理室10可便于在邻近衬底35的处理空间12中形成处理等离子体。等离子体处理系统1可以设置成处理任意尺寸的衬底，例如200mm衬底、300mm衬底或更大的。
在图示的实施例中，电极板组件24包括电极板26(图1)和电极28(图1)。在可替换实施例中，上组件20可包括盖子、气体注入组件和上电极阻抗匹配网络中的至少一个。电极板组件24可以耦合到RF源。在另一种可替换实施例中，上组件20包括耦合到电极板组件24的盖子，其中电极板组件24维持在与等离子体处理室10相等的电位。例如，可以将等离子体处理室10、上组件20和电极板组件24电连接到地电位。
等离子体处理室10还可以包括耦合到沉积屏蔽14的光学观察口16。光学观察口16可包括耦合到光学窗口沉积屏蔽18背面的光学窗口17，并可以设置光学窗口凸缘19，以将光学窗口17耦合到光学窗口沉积屏蔽18。可以在光学窗口凸缘19与光学窗口17之间、光学窗口17与光学窗口沉积屏蔽18之间以及光学窗口沉积屏蔽18与等离子体处理室10之间提供密封构件，例如O形环。光学观察口16可以允许监视来自处理空间12中的处理等离子体的光发射。
衬底支架30还可以包括由波纹管52围绕的垂直平移器件50，所述波纹管52耦合到衬底支架30和等离子体处理室10并设置为将垂直平移器件50与等离子体处理室10的减压环境11密封地分开。另外，波纹管屏蔽54可被耦合到衬底支架30并设置为保护波纹管52免于处理等离子体。衬底支架30还可以耦合到聚焦环60和屏蔽环62中的至少一个。此外，挡板64可以围绕衬底支架30的周边延伸。
衬底35可以由自动衬底输送系统经过槽形阀(slot valve，未示出)和室通路(未示出)输送出入等离子体处理室10，其中衬底35在衬底输送系统中由容纳在衬底支架30内的衬底提升销(未示出)支撑并由容纳在其中的器件进行机械平移。一旦从衬底输送系统接收到衬底35，就将其降低到衬底支架30的上表面。
衬底35可以由静电夹持系统固定到衬底支架30。此外，衬底支架30还可以包括冷却系统，该冷却系统包括再循环冷却剂流，其从衬底支架30接收热量并将热量传送到热交换系统(未示出)，或者在加热时传送来自热交换系统的热量。此外，气体可以由背面气体系统传递给衬底35背面，以提高衬底35与衬底支架30之间的气隙导热性。当需要衬底的温度控制于更高或更低温度时可以使用这样的系统。在其他实施例中可以包括加热元件，例如电阻加热元件或热电加热器/冷却器。
在图1所示的图示实施例中，衬底支架30可包括电极，经过该电极将RF功率耦合到处理空间12中的处理等离子体。例如，可以通过将RF功率从RF发生器(未示出)经过阻抗匹配网络(未示出)传输到衬底支架30而使衬底支架30在RF电压上电偏压。RF偏压可用于加热电子，以形成和维持等离子体。在此结构中，系统可作为反应离子刻蚀(RIE)反应器，其中室和上气体注入电极用作接地表面。用于RF偏压的通常频率可以从约1MHz到约100MHz范围，例如约13.56MHz。用于等离子体处理的RF系统是本领域技术人员熟知的。
或者，处理空间12中的处理等离子体可以用平行板、容性耦合等离子体(CCP)源、感性耦合等离子体(ICP)源、及其任意组合以及带有或不带磁系统形成。或者，处理空间12中的处理等离子体可以用电子回旋共振(ECR)形成。在另一实施例中，处理空间12中的处理等离子体由螺旋波的产生形成。在另一实施例中，处理空间12中的处理等离子体由传播的表面波形成。
现在参考图2(俯视平面图)和图3(截面图)所示的本发明的图示实施例，聚焦环60可以形成包括上表面82、下表面84、内径向边缘86和外径向边缘88的环。聚焦环60可以由硅、石英、碳化硅、氮化硅、碳、氧化铝、蓝宝石、聚四氟乙烯和聚酰亚胺中的至少一个形成。聚焦环60可以具有从约0.5mm到约10mm范围内的厚度。或者，厚度可以在从约1到约5mm的范围内，或者厚度可以约为1mm。聚焦环60可以用例如机加工、激光切割、磨削和抛光中的至少一种来制造。
图4A和图4B提供了聚焦环60的放大截面图，其中聚焦环60包括至少一个磨损指示器90，其耦合到下表面84并设置为指示处理过程中聚焦环的消耗程度。或者，聚焦环60包括至少一个磨损指示器90，其耦合到上表面82并设置为指示处理过程中聚焦环的消耗程度。例如，图4A图示了具有恒定长度和宽度的磨损指示器90。或者，图4B图示了几个磨损指示器90、90’和90”，它们各具有不同的长度和/或不同的宽度。
现在参考图5A，当一个或更多个磨损指示器90耦合到聚焦环60的下表面84时，每个磨损指示器90要到经过这样的处理时间(例如T1-T0)才会暴露于处理环境，所述处理时间长到足以使上表面82(其暴露于处理环境)腐蚀至与磨损指示器相交的深度。一旦磨损指示器90暴露出来并可以从聚焦环60的上表面82看到，就可以安排对聚焦环60进行替换了。这种观察可以在通过光学窗口17监视聚焦环60的同时根据运行之间的对比来进行。或者，如图5B所示，当所述的一个或更多个磨损指示器90耦合到聚焦环60的上表面82时，每个磨损指示器90暴露于处理环境并从而遭到腐蚀，其中横向和纵向的腐蚀程度都随着时间t0到t1、t2、t3等等而增加。一旦磨损指示器90扩大到预定尺寸，就可以安排对聚焦环进行替换。这种观察可以在通过光学窗口17监视聚焦环60的同时根据运行之间的对比来进行。
此外，磨损指示器90可以置于聚焦环60上不同径向位置处，以便在聚焦环60的消耗中观察径向改变。或者，磨损指示器可以置于聚焦环60上不同方位角位置处，以便在聚焦环60的消耗中观察方位角改变。磨损指示器90可具有从约1到约5mm范围内的长度。或者，长度可以从约0.25mm到约1mm，或者长度可以是约0.5mm。或者，磨损指示器90可以是聚焦环60厚度从约10％到约90％比例范围内的一部分。或者，聚焦环厚度的比例可以在从约25％到约75％比例范围内，或者聚焦环厚度的比例可以是约50％。所述一个或更多个磨损指示器可以用例如机加工、刻蚀、激光铣削(laser-milling)和声波铣削(sonic-milling)中的至少一种来制造。
根据本发明的实施例，聚焦环60可以通过将聚焦环上的配合特征与衬底支架上的定心特征耦合而被自动在衬底支架定心。例如，聚焦环60上的配合特征包括外径向边缘86上的配合表面87(见图3)。此外，衬底支架上的定心特征可包括耦合到衬底支架的定心环。图6示出定心环100的平面图，图7示出定心环100的截面图，图8示出定心环100的放大截面图。定心环100可包括凸缘区域110和唇部112，其中唇部112还包括定心表面120。定心表面120可以包括例如如图6、7和8所示的径向表面，其中将聚焦环60耦合到定心环100时在配合表面87与定心表面120之间提供径向位置的间隙配合。
仍然参考图6到8，定心环100还可以包括用于将定心环100耦合到衬底支架的两个或更多定位特征130，例如两个孔。定心环100可以置于衬底支架上面。或者，定心环100可以用压紧环和扣件中的至少一个机械地夹持到衬底支架。或者，定心环100可以用静电夹持(ESC)系统电夹持到衬底支架。
定心环100可以由铝、镀膜的铝、硅、石英、碳化硅、氮化硅、碳、氧化铝、蓝宝石、聚四氟乙烯和聚酰亚胺中的至少一个制造。对于镀膜的铝，镀膜可以便于例如当定心环100暴露于例如等离子体的苛刻处理环境时提供抗腐蚀表面。在制造过程中，一个或更多表面可以进行阳极化处理，一个或更多表面可以具有喷涂的镀膜，一个或更多表面也可以受到等离子体电解氧化。镀膜可以包括例如第III族元素和镧系元素中的至少一个。镀膜可以包括Al2O3、氧化钇(Y2O3)、Sc2O3、Sc2F3、YF3、La2O3、CeO2、Eu2O3和DyO3中的至少一个。对铝元件进行阳极化处理和喷涂镀膜的方法是表面材料处理领域技术人员熟知的。
现在参考图9，其描述了对等离子体处理系统中围绕着衬底支架上的衬底的聚焦环进行替换的方法。此方法包括从210开始的流程图200，其从等离子体处理系统去除第一聚焦环，其中聚焦环包括上表面、下表面以及耦合到上表面和下表面中至少一个的一个或更多个磨损指示器。去除第一聚焦环可以包括例如将等离子体处理系统排放到大气环境并打开等离子体处理室以处理其内部，接着将聚焦环从衬底支架上拆开。将聚焦环从衬底支架上拆开可以包括例如将聚焦环抬起到离开衬底支架，或者将聚焦环从衬底支架上松开然后将聚焦环抬起离开衬底支架。
在220中，通过将第二聚焦环耦合到衬底支架而将第二聚焦环安装到等离子体处理系统中，其中耦合便于第二聚焦环在等离子体处理室中的自动定心。第二聚焦环可包括再磨光后的第一聚焦环，也可以是新制造的具有上表面、下表面和耦合到所述上表面和所述下表面中至少一个的一个或更多个磨损指示器的聚焦环。第二聚焦环在等离子体处理系统中的自动定心可以如上所述通过在聚焦环的外径向边缘上提供配合表面并将配合表面耦合到安装在衬底支架上的定心环唇部区域上的定心表面而实现。或者，第二聚焦环在等离子体处理系统中的自动定心可以通过提供两个或更多的安装在聚焦环的接触表面上的销钉并将聚焦环上的销钉耦合到定心环的接收表面上的两个或更多接收孔而实现。或者，两个或更多个销钉可以位于定心环上，而两个或更多的支撑孔可以位于聚焦环上。
尽管上面只详细说明了此发明的某些示例性实施例，但本领域技术人员容易理解，可以在示例性实施例中进行许多修改而实质上不脱离此发明的新颖内容和优点。因此，所有这些修改都应当包括在本发明的范围内。
此PCT申请基于2003年11月12日提交的美国非临时专利申请No.10/705,221并要求其优先权，其全部内容通过引用而结合于此。

Claims (16)

1.一种围绕着等离子体处理系统中衬底支架上的衬底的聚焦环组件，包括：
定心环，所述定心环设置为耦合到所述衬底支架上；以及
聚焦环，所述聚焦环包括上表面、下表面以及耦合到所述上表面和所述下表面中至少一个上的一个或更多个磨损指示器，其中所述聚焦环设置为通过将所述聚焦环耦合到所述定心环而围绕所述衬底定心。
2.根据权利要求1所述的聚焦环组件，其中所述定心环由位于所述衬底支架上面的至少一个所述定心环耦合到所述衬底支架，所述定心环被机械地夹持到所述衬底支架，并且所述定心环被电夹持到所述衬底支架。
3.根据权利要求1所述的聚焦环组件，其中所述定心环包括定心特征，所述定心特征设置为将所述聚焦环在所述定心环上定心。
4.根据权利要求3所述的聚焦环组件，其中所述定心特征包括定心销钉、定心插座和定心边缘中的至少一个。
5.根据权利要求3所述的聚焦环组件，其中所述聚焦环包括配合特征，所述配合特征设置为与所述定心特征相耦合。
6.根据权利要求5所述的聚焦环组件，其中所述配合特征包括定心销钉、定心插座和定心边缘中的至少一个。
7.根据权利要求1所述的聚焦环组件，其中所述聚焦环由硅、石英、碳化硅、氮化硅、无定形碳、氧化铝、蓝宝石、聚酰亚胺和聚四氟乙烯中的至少一个制造。
8.根据权利要求1所述的聚焦环组件，其中所述一个或更多个磨损指示器包括孔，所述孔在所述上表面中并从所述上表面延伸到一定深度，所述深度包括所述上表面与所述下表面之间距离的一部分。
9.根据权利要求1所述的聚焦环组件，其中所述一个或更多个磨损指示器包括孔，所述孔在所述下表面中并从所述下表面延伸到一定深度，所述深度包括所述上表面与所述下表面之间距离的一部分。
10.根据权利要求8或9所述的聚焦环组件，其中对于所述一个或更多个磨损指示器中的每一个，所述深度从一个磨损指示器到另一个磨损指示器之间变化。
11.根据权利要求1所述的聚焦环组件，其中所述定心环由铝、镀膜的铝、硅、碳化硅、氮化硅、无定形碳、氧化铝、蓝宝石、聚酰亚胺和聚四氟乙烯中的至少一个制造。
12.根据权利要求11所述的聚焦环组件，其中所述定心环由镀膜的铝制造并包括表面阳极化、等离子体电解氧化镀膜和喷涂镀膜中的至少一个。
13.根据权利要求11所述的聚焦环组件，其中所述定心环由镀膜的铝制造并包括镀膜，所述镀膜具有第III族元素和镧系元素中至少一个。
14.根据权利要求11所述的聚焦环组件，其中所述定心环由镀膜的铝制造并包括镀膜，所述镀膜具有Al2O3、氧化钇(Y2O3)、Sc2O3、Sc2F3、YF3、La2O3、CeO2、Eu2O3和DyO3中的至少一个。
15.一种围绕等离子体处理系统中衬底支架上的衬底的可置换的聚焦环，包括：
设置为耦合到所述衬底支架的环，所述环包括上表面、下表面以及耦合到所述上表面和所述下表面中至少一个的一个或更多个磨损指示器，
其中所述环设置为通过将所述环耦合到所述衬底支架而围绕所述衬底定心。
16.一种用于对围绕等离子体处理系统中衬底支架上的衬底的聚焦环进行替换的方法，包括：
从所述等离子体处理系统去除第一聚焦环；以及
通过将第二聚焦环耦合到所述衬底支架而将所述第二聚焦环安装在所述等离子体处理系统中，所述耦合便于所述第二聚焦环在所述等离子体处理系统中的自动定心，
其中所述第一聚焦环和所述第二聚焦环各包括上表面、下表面以及耦合到所述上表面和所述下表面中至少一个的一个或更多个磨损指示器。
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