CN1950545B - 包括喷头电极和加热器的用于等离子处理的设备 - Google Patents

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Abstract

一种等离子处理设备(100)包括与喷头电极(200)热接触的加热器(700)，和与加热器(700)热接触以在半导体衬底处理过程中将喷头电极(200)保持在期望温度的温度控制的顶板(800)。气体分配元件(500)供应处理气体和射频(RF)功率至喷头电极(200)。

Description

包括喷头电极和加热器的用于等离子处理的设备
背景技术
等离子处理设备用于通过下列技术处理衬底，这些技术包括刻蚀工艺、物理气相沉积(PVD)，化学气相沉积(CVD)、离子注入、和灰化或保护层除去(resistremoval)。近来，由于缩小的形体尺寸和新材料的应用，要求改进等离子处理设备以控制等离子处理的条件。
发明内容
本发明提供了一种等离子处理设备，其包括喷头电极(showerheadelectrode)和与喷头电极热接触的加热器，其中加热器可操作地加热至少部分喷头电极至阈值温度以上。此外，在设备中也可提供顶板(topplate)，从而控制喷头电极的温度或与加热器配合以在喷头电极中维持预定温度。
在一个实施例中，喷头电极组件包括适于安装在真空室内部的喷头电极；连接到喷头电极的射频(RF)分布元件，其中RF分布元件包括适于轴向延伸至真空室的温度控制顶壁中开口内的第一部分，且RF分布元件包括在喷头电极上横向延伸的第二部分，并提供RF路径和热路径；和连接到RF分布元件、并适于在真空室的顶壁和RF分布元件第二部分之间提供热路径至喷头电极的热路径元件。在另一实施例中，RF分布元件也可包括至少一个用于供应处理气体至喷头电极的气体通道。
在另一实施例中，喷头电极组件包括适于安装在真空室内部的喷头电极；连接到喷头电极的气体分配元件；连接到气体分配元件的热路径元件；和连接到热路径元件的加热器，其中加热器通过气体分配元件和热路径元件将热传递至喷头电极。在另一实施例中，气体分配元件可以是导电材料，其将RF功率分配给喷头电极。
本发明也提供一种控制等离子刻蚀的方法，包括向等离子刻蚀腔室中的加热器施加功率；通过从加热器向喷头电极传导热从而将等离子刻蚀腔室中的喷头电极的至少一部分加热至预定温度；通过喷头电极向等离子刻蚀腔室供应处理气体；和通过将RF功率施加到喷头电极并激励处理气体至等离子状态，而在等离子刻蚀腔室中刻蚀半导体衬底，其中应用到加热器上的功率和应用到喷头电极上的功率彼此通过热路径元件电气隔离。
附图说明
图1、2、4和5示出喷头电极组件的优选实施例。
图3示出操作喷头电极组件的一种优选方法。
图6示出操作一个优选喷头电极实施例的温度。
图7示出喷头电极温度对示例性光刻胶刻蚀速率的影响。
图8示出喷头电极温度对使用C4F6/O2刻蚀气体的示例性光刻胶刻蚀速率的影响。
图9a-d是以80000X的放大倍率摄取的图案化光刻胶的显微照片。
图10和11示出气体分配元件的优选实施例。
图12示出组件附件的一个优选实施例。
具体实施方式
控制等离子参数、诸如等离子化学性质、离子能量、密度、和分布、电子温度等等，对改变等离子处理结果是必要的。除了这些等离子参数控制，限制等离子体的等离子腔室中的表面温度也可用来控制等离子化学，并因此控制半导体衬底、诸如晶片上的等离子处理结果。
用在等离子刻蚀工艺(诸如氧化刻蚀)中的喷头电极的温度可在很宽的范围上改变。当在单个晶片等离子刻蚀腔室中刻蚀一系列晶片时，已经观察到射频(RF)供电的喷头电极的不同部分的温度随时间改变，且喷头电极的中央部分可比边缘部分更多地被加热，这是由于由RF供电的喷头电极所产生的热。例如，喷头电极的中央和边缘之间的温差可以达到约100℃或更高。当电极工作在更高功率水平(例如3000到6000瓦)时温度变化更显著，并可能导致等离子刻蚀的不均匀性。因此，减小RF供电的喷头电极的温度变化可在生产过程中提供晶片的更一致的等离子刻蚀。此外，在生产过程中维持RF供电电极的最小温度可改善光刻胶的选择性。
考虑到由于使用过程中所生成的热而引起RF供电的喷头电极的温度的波动，提供加热器，以将RF供电的喷头电极的中央和边缘部分维持在期望的温度范围内，例如中央到边缘的温度变化小于50℃，优选小于25℃。通过加热RF供电的喷头电极，并结合来自温度控制的元件、诸如腔室的顶壁(顶板)的冷却，可在等离子处理设备工作过程中，在RF供电的喷头电极中提供期望的温度分布。按照一个优选实施例，喷头电极的中央部分和边缘部分之间的温差可维持在有效提高等离子处理均匀性的范围内，诸如在介电材料-诸如氧化硅中-等离子刻蚀高纵横比开口。
在一个优选实施例中，等离子处理设备包括加热器、温度控制的散热器(heatsink)和喷头电极，其中喷头电极是RF供电的。该实施例的等离子处理设备允许喷头电极的温度由喷头电极的主动加热和主动冷却来控制。
图1示出按照第一实施例的等离子处理设备100的横截面示图，其包括加热器和上部喷头电极温度控制系统。在图1中，等离子处理设备100配备有真空室150中的加热器700和温度控制器900。
如图1所示，真空室150、诸如等离子刻蚀腔室包括上部喷头电极200和其中的衬底支座300，上部喷头电极200和衬底支座300被在其中处理衬底的间隙400分开。上部喷头电极200包括穿孔的或多孔的平面或非平面表面，以在衬底的暴露表面上分配反应气体(reactantgas)。在上部喷头电极200之上，提供有气体分配元件500，其中气体分配元件500从真空室150外部的气体供应源550供应处理气体至上部喷头电极200。气体分配元件500也是导电的，并将来自真空室150外部的RF功率源570的RF功率分配到上部喷头电极200。
而且，如图1所示，加热器700位于气体分配元件500的水平延伸部分之上，其中加热器700通过气体分配元件500和导热绝缘体(或热路径元件)600为上部喷头电极200提供热，其中绝缘体600设置于加热器700和气体分配元件500之间。绝缘体600是导热的电绝缘体，其用来电绝缘加热器700和气体分配元件500，同时允许来自加热器700的热传导至气体分配元件500。因此，通过气体分配元件500传输的RF功率与供应至加热器700的功率是电绝缘的，同时仍允许加热器700和上部喷头电极200之间的热传导。
为了控制上部喷头电极200的温度，提供温度控制器900，其使用任何合适的温度监视结构，诸如至少一个温度传感器950，以测量上部喷头电极200的温度(T)。温度传感器950可包括靠近上部喷头电极200背侧的光纤温度感测元件，或者温度传感器950可热连接至上部喷头电极200。例如，如图1所示，温度传感器950位于上部喷头电极200的边缘部分附近。温度控制器900可用于基于由温度传感器950所提供的表示上部喷头电极200的温度T的数据/信号确定上部喷头电极200的温度是否必须增加至预定温度(Tp)。如果T小于Tp，则温度控制器900可操作地激活电源550，该电源550提供功率至加热器700，因此增加加热器700的温度，这又增加上部喷头电极200的温度。
加热器700可以由交流(AC)或直流(DC)电源250供电，其中AC或DC功率源250由温度控制器900控制，如上所述。
而且，如图1所示，加热器700由形成腔室的真空密封上壁的温度控制的顶板800支撑。顶板800电气接地，并可被提供有流体控制设备850，其也由温度控制器900控制，并可包括致冷器以冷却流过顶板800的流体。可替换地，顶板800可以连续或不连续的方式冷却，而无需流体控制设备850。例如，无需使用流体控制设备850，水可连续行经顶板800。
如果使用温度控制器900，则顶板的温度可按需要调整。例如，如果T大于Tp，温度控制器900可导致流体控制设备850以将冷却流体流过顶板800，从而冷却加热器700，其于是用作上部喷头电极200的散热器，并因此冷却上部喷头电极200，如下面所述。然而，流经顶板800的流体可连续循环，且基于来自温度控制器900的指令，流体温度可任意升高或降低和/或流体的流速可增加或减小。
此外，如图1所示，上部电气绝缘体630用来电绝缘顶板800和气体分配元件500。而且，围绕上部喷头电极200和气体分配元件500的横向电气绝缘体620、640被用来电气绝缘上部喷头电极200和加热器700。
衬底支座300包括与设备100中上部喷头电极200相对的下电极和位于其上表面的可选的静电吸盘(ESC)。因此，在被机械地或静电地夹持在衬底支座300的上表面上的情况下或在不被机械地或静电地夹持在衬底支座300的上表面上的情况下，经等离子处理的衬底可以被支持。
在第二实施例中，如图2所示，设备100可包括气体分配元件500(由轴向延伸元件508和板505构成)，而没有加热器700，其中气体分配元件500可在设备100中与等离子刻蚀腔室中其它部件RF隔离。在该实施例中，气体分配元件500可利用绝缘体600和/或其它希望的绝缘元件进行RF绝缘，从而允许RF穿过气体分配元件500。
而且，在第二实施例中，气体分配元件500被表示为板505和轴向延伸元件508的组合，其中轴向延伸元件508包括RF连接，以接收电连接到RF功率源570的缆线。因此，轴向延伸元件508被用来分配来自RF功率源570的RF功率至板505，然后通过板505和上部喷头电极200之间的触点到达上部喷头电极200。例如，板505可包括多个与上部喷头电极200的背面或面向面接触的环形凸起(或触点，如下面所述)。
此外，轴向延伸元件508还用来分配来自气体供应源550的处理气体至板505和上部喷头电极200之间的一个或多个充气室(plenum)。这样，RF功率和处理气体通过气体分配元件500供应至上部喷头电极200。通过经气体分配元件500供应RF功率，RF功率可更均匀地在上部喷头电极200上被供应，以便减小上部喷头电极200的暴露表面上中央到边缘的温度变化。而且，通过经元件500供应处理气体，可以以期望的流速输送处理气体至腔室中的一个或多个区域。
图3中示出了第三优选实施例的操作设备100的一种优选方法。如图3所示，方法从将晶片插入到支座300上的步骤1100开始。然后，在步骤1200，上部喷头电极200中的温度传感器950测量上部喷头电极200的温度。
然后，在步骤1300，温度控制器900比较所测量的温度(T)和预定温度范围(Tp)，其中预定温度范围对应于上部喷头电极200的期望温度。如果T小于Tp，则在步骤1320，功率被供应至加热器，以便以预定量加热上部喷头电极200，然后重复步骤1200从而确定所供应至加热器700的量是否适当。如果T大于Tp，则在步骤1340中，冷却流体流过顶板，并重复步骤1200以确定经过顶板800的冷却流体的量是否适当。如果T与Tp大致相等，则晶片在步骤1400中被处理，并在步骤1500中移除，然后在步骤1600中确定是否要处理另一个晶片。如果没有其它晶片要被处理，则处理过程在步骤1700结束，但如果要处理另外的晶片，则重复处理过程，且晶片在步骤1100中被插入。
注意，温度控制器可以是任何类型的信息处理器，诸如独立的计算机或内部逻辑开关。
而且，要注意，所提供的功率和冷却流体的量可根据处理和操作条件按需要改变。例如，如果T小于Tp很多，则在步骤1320可提供比如果T稍小于Tp时更大的功率至加热器700。
第三实施例在图4中示出。在图4中，除了第一实施例的元件，所示的上部喷头电极200具有衬垫元件(backingmember)220(诸如粘接到电极200上的石墨片弹性体)，其中气体分配元件500被连接到衬垫元件220上(例如元件500可通过螺栓或其它扣件固定到元件220)。例如，衬垫元件220可以被提供以增强电极200的结构支撑，并可用接触螺栓(contactbolt)225连接到气体分配元件500上，如下面所述。此外，除了上面提到的上部和横向电绝缘体630、640之外，在轴向延伸元件508的外部横向区域和加热器700和顶板800的内部横向区域上提供电绝缘的辅助绝缘体650。
在第三实施例中，衬垫元件220优选地通过弹性体连接被连接到上部喷头电极200的背面(例如，参看共同转让的美国专利No.6194322B1和6073577，它们的全部内部被包括在此以供参考)。元件220包括与上部喷头电极200中气体通道206对齐的气体通道226，从而提供气流进入间隙400。顶板800形成设备100的可拆卸的真空密封顶壁，并用作散热器，其与加热器700协作来控制上部喷头电极200的温度。
衬垫元件220优选地由与用于处理等离子处理腔室中半导体衬底的处理气体化学兼容的材料制成，具有与电极材料的热膨胀系数密切匹配的热膨胀系数，和/或是导电和导热的。可用于制成衬垫元件220的优选材料包括但不限于石墨和碳化硅(SiC)。
第三实施例还以围绕上部喷头电极200的外部电极元件250为特征。该外部电极元件250被接地，并且对于较大的晶片处理、诸如300毫秒晶片是有用的。而且，外部电极元件250也配备有衬垫环260和位于外部电极元件250上靠近绝缘体600及横向电绝缘体640的电气接地环270。该电极结构的进一步细节可从共同转让的美国专利申请No.10/645665中找到，该专利的主旨由此被包含在此以供参考。如果需要，腔室可包括围绕间隙400的等离子体限制结构，其细节可在共同转让的美国专利No.6602381B1和美国专利No.5534751中找到，这两个专利的全部内容被包含在此以供参考。
进一步，如图5所示，该图是图4放大部分，衬垫元件220和气体分配元件500(气体分配元件500在图4和5中被表示为三部分元件(threepiecemember)，并且以下对其进一步解释)之间的触点520被示为从气体分配元件500朝向上部喷头电极200和衬垫元件220的隆起。图5中，触点520以横截面被示为同心环，其从气体分配元件500上突出。然而，触点520可以是连续的或不连续的环、隔开的单个点或任何其它形状的能够传输RF功率并导热的元件。如果使用连续的触点环，则可在环中提供通道，以便允许在环与喷头电极背面间所形成的充气室之间的气体交换。另一方面，如果不希望交叉交换，则通道可省略，并且因此触点环一侧上的气体与环另一侧的气体隔离。例如，如图4所示，在气体分配元件500和上部喷头电极200之间提供三个同心环。
气体分配元件500的每个触点520可具有取决于所期望的RF量和热导率的接触面积、以及用来供应来自气体分配元件500的气体至上部喷头电极200的面积。例如，如图5所示，气体分配元件500和衬垫元件220之间的充气室允许其间的气体通道，同时触点520允许RF和热导率。
优选地，由气体分配元件500和上部喷头电极200之间的触点520所提供的接触面积为气体分配元件500的总表面积的0.1％到99.9％的量级，例如1％到5％，5％到15％，15％到30％，30％到45％，45％到60％，60％到75％，75％到90％或90％到99.9％。
在一个示例性实施例中，触点520被提供为四个整体形成的连续环，其中每个环为0.5英寸宽。在该实施例中，在外径约12.2英寸的气体分配元件500上，第一环具有约2.5英寸的内径和3英寸的外径，第二环具有约5英寸的内径和5.5英寸的外径，第三环具有约8英寸的内径和8.5英寸的外径，第四环具有约11英寸的内径和11.5英寸的外径，其中上部喷头电极200具有与气体分配元件500近似相等的直径。在该实施例中，接触面积是气体分配元件500的总面积的15％到20％。
此外，根据反应器和/或其中执行的工艺，上部喷头电极200可具有任何期望尺寸或构型的几个气体出口或许多气体出口，其中间隙400可以是任何期望的间隔，例如1英寸到10英寸，2英寸到5英寸或3英寸到6英寸。例如，如果间隙大，例如约6厘米或更大，则在上部喷头电极200的中央只可提供几个气体出口，同时在气体分配元件500和上部喷头电极200之间提供高接触面积，例如超过90％，诸如约99％。
此外，还示出了接触螺栓225，其中接触螺栓225将上部喷头电极200和衬垫元件220固定到气体分配元件500，其中气体分配元件500支撑衬垫元件220和上部喷头电极200。例如，穿过元件500的接触螺栓225可被拧入到元件220的带螺纹的孔中。
除了使用加热器700、顶板800、温度传感器950、功率源和温度控制器900之外，电极200的温度可通过控制加热器900和顶板800之间的温度传导而被进一步控制。
例如，如图5所示，加热器700可包括形成热阻塞块750的凸起，或设备100可包括与加热器700分开的热阻塞块750，其优选是阻塞环。这两种形式的热阻塞块750都提供热流阻抗并抑制加热器700和顶板800之间的热传导，其中为了控制热流，热阻塞块750的尺寸和材料可调整。例如，热阻塞块750可以较窄，或如果期望较小的热流，则可以由较小热传导的材料制成。
优选地，确定热阻塞块750的尺寸，以控制热导率，其中热阻塞块750和加热器700之间的接触面积可从加热器面积的1％到100％，例如1％到5％，5％到15％，15％到30％，30％到45％，45％到60％，60％到75％，75％到90％，或90％到100％。
在一个示例性实施例中，热阻塞块750被提供作为三个离散的连续环，其中每个环1英寸宽。在该实施例中，在具有3英寸内径和16.7英寸外径的加热器700上，第一环具有3英寸的内径和4英寸的外径，第二环具有10.5英寸的内径和11.5英寸的外径，而第三环具有约15.6英寸的内径和16.6英寸的外径。在该实施例中，热阻塞块750和加热器700之间的接触面积在加热器700总面积的20％到25％的范围之间。
热阻塞块750可由任何材料制成，但优选由与用于加热器700和/或顶板800的材料相同或更低的热导率的材料制成。例如，热阻塞块750可以由铝或不锈钢制成，但在加热器700和顶板800由铝或铝合金制成的情形中，优选由具有更低热导率的不锈钢制成。
而且，加热器700可用扣件连接到顶板800，其中在热阻塞块750与加热器700是一体的情形中，扣件可延伸穿过顶板800中的尺寸过大的开口(未示出)并进入热阻塞块750表面中有螺纹的开口。在热阻塞块750相对于加热器700是独立元件的情形中，如上面所示，热阻塞块750可连接到顶板800上，并且穿过热阻塞块750中开口的附加螺栓可拧入加热器700中有螺纹的开口中。
在连接螺栓不被密封在顶板外侧上的情形中，连接至热阻塞块、加热器和喷头组件的点可被限制到真空密封区域。例如，如图5所示，这样的真空密封区域可通过O形圈95提供于加热器700和顶板800之间。O形圈也可以位于不同元件之间。例如，O形圈95可以用来在顶板800和加热器700之间、加热器700和绝缘体600之间、绝缘体600和气体分配元件500之间、和/或加热器700和电接地环270之间产生真空密封区域。
而且，如上所述，上部喷头电极200优选是RF供电的。然而，上部喷头电极200(和下电极)可电接地或供电，其中功率优选由射频(RF)或直流(DC)电源提供。优选对于等离子处理，一个电极是用RF功率在两个或更多频率(例如2MHz和27MHz)RF供电的，而另一电极接地。例如，参看共同转让的美国专利No.6391787，其全部内容包括在此以供参考。
在第四实施例中，上部喷头电极的温度被控制，从而使图案化光刻胶(PR)中开口中所形成的条纹(striation)最小化，其被用于诸如氧化硅的层中的刻蚀特征，例如诸如高纵横比触点(HARC)的特征。在刻蚀窄特征中所引起的一个问题是条纹可能出现在重叠的PR侧壁上。条纹是垂直延伸的不规则形状，这导致粗糙的PR侧壁。因为PR在刻蚀中被用作掩膜，所以这样的不规则性被转移到下面的层中。下面层、诸如氧化硅中的条纹使得很难将材料、诸如金属填充到刻蚀后的特征中，并可能对不规则形状的特征引入可靠性和性能问题。因为这些原因，希望提供氧化刻蚀处理，其对光刻胶是选择性、不产生刻蚀停止、并减小条纹的出现。
上部喷头电极的温度可以维持在提升后的温度，从而最小化PR的刻蚀速率，因而最小化PR损失和PR中条纹的程度。例如，如图7所示，通过与上部喷头电极200结合使用加热器700，示例性上部喷头电极的温度从约75℃增加至约225℃就导致PR上聚合物沉积和聚合物积累，即PR的刻蚀速率从约20/min减小到约-540/min，其中负刻蚀速率对应于PR上聚合物的沉积和聚合物的积累。
这进一步在图8中示出，其中示出示例性上部喷头电极温度对相应PR刻蚀速率的影响。在图8中，供应C4F6/O2刻蚀气体，用于通过图案化PR中的开口在氧化硅层中刻蚀特征，其中上部喷头电极具有范围从20℃到80℃的温度，且喷头温度在其边缘区域测量。图8示出了PR刻蚀速率从利用20℃的喷头电极的约250/min减小到负刻蚀速率(即聚合物积累)，因为刻蚀速率变成利用80℃的喷头电极的负1000
Figure G05813774720070628D000114
/min。
进一步，图9a-d是显微照片，其示出上电极温度对刻蚀过程中所引起的条纹的影响的例子(图9a中70℃，图9b中90℃，图9c中105℃，和图9d中130℃)。相比较于作为例子中次最低温度90℃的图9b，在作为例子中最低温度70℃的图9a中，绕PR中开口周边的条纹在更高的喷头电极温度时被减少。这进一步在图9c和图9d中示出，其中温度分别逐步持续增加到105℃和130℃，并且也示出绕PR中开口周边的条纹的减少，这是由于增加的上部喷头电极的温度。
因此，温度提升的上部喷头电极可导致等离子刻蚀过程中在PR中所形成的条纹的减少。
A.加热器
加热器700可包括任何类型的有源加热器。优选地，加热器700包括至少具有一个电阻加热元件的金属片，其中电阻加热元件加热金属片以提供对上部喷头电极200的均匀加热。虽然可使用任何加热器配置，但是电阻加热元件结合热导片是优选的，其中片优选由金属材料制成，诸如铝、铝合金等，其优选被加工成与上部喷头电极200兼容的形状。例如，加热器700可在铸造铝合金片中包括至少一个电阻加热元件。
按照一个优选实施例，当温度控制器900操作功率源250以输送功率至加热器700时，加热器700提供热，其中温度控制器可通过控制功率源250而改变加热器周期时间和加热状态。例如，加热器700可以以10或12秒脉冲周期用高达约7000瓦被供电，以在上部喷头电极200上维持例如80℃到200℃的阈值温度，例如，100℃到120℃，120℃到140℃，140℃到160℃，或160℃到180℃。
加热器700优选以预定的热界面特性(thermalinterfaceproperty)与顶板800热接触(即，加热器直接接触顶板，或者一个或更多热导材料可插置在加热器和顶板之间)。这些热界面特性允许加热器700结合顶板800控制上部喷头电极200的温度。注意，加热器也可用作热路径的部件，从而按需要从上部喷头电极200除去热。其中加热器700又可以被顶板800冷却。加热器700也可以用扣件连接到顶板800上，其中扣件可从腔室外部延伸穿过顶板800中的开口(未示出)，以便顶板800支撑加热器700。
加热器700也可在衬底的等离子处理期间被激活，即，在等离子体正在上部喷头电极200和下电极之间被产生时。例如，在利用相对低电平的应用功率产生等离子体的等离子处理操作过程中，加热器700可被激活，以将上部喷头电极200的温度维持在期望的温度范围内。在利用相对高的频率电平的其它等离子处理操作过程中，诸如介电材料刻蚀处理，上部喷头电极200温度可在连续运行之间保持足够高，使得加热器700不需要被激活，以防止上部喷头电极200降到最低或阈值温度以下。
等离子处理设备中由RF供电的上部喷头电极200所生成的热可导致上部喷头电极200在不使用加热器时改变温度。加热器700和顶板800的结合可用在一个优选等离子处理设备中，以维持上部喷头电极200阈值温度在预定温度以上，例如在80℃或其以上，在100℃或其以上，或甚至在约150℃或其以上，这取决于等离子处理要求和由上部喷头电极200所生成的热量。优选地，加热器700和顶板800的结合可用来在生成过程的初始晶片的整个处理过程中实现和维持上部喷头电极200的阈值温度，或为生产过程中所处理的每个晶片维持阈值喷头电极温度，其中一批晶片在腔室中被逐个处理。
为了最小化加热器700和顶板800之间相对表面由于差分热膨胀所导致的磨损，可在加热器700和顶板800的相对表面之间提供润滑材料760。可替换地，润滑材料760可提供于热阻塞块750和加热器700的相对表面之间，以及热阻塞块750和顶板800的相对表面之间。例如，如图5所示，润滑材料760的层可设置在加热器700的上表面和顶板800的下表面之间。优选地，润滑材料的位置在由O形圈密封件所限定的真空密封的大气侧。
润滑材料760优选具有低水平的接触阻力，以便最小化由相对表面之间的移动所引起的磨损。此外，润滑材料760优选具有足够的热导率，从而提供从加热器700到顶板800和/或热阻塞块750的足够的热转移。注意，润滑材料760也可用在其它元件表面上，诸如在加热器700和绝缘体600的相对表面之间，和/或气体分配元件500和上部喷头电极200之间。
提供这些特性的优选材料是石墨材料，诸如“GRAFOIL”，其可从俄亥俄州的Cleveland的UCARCarbon公司购得。润滑材料760优选是垫圈，其优选具有约0.01英寸到约0.06英寸、更优选为约0.03英寸的厚度。润滑材料760优选是保持在元件表面上所形成的环形凹槽中的环形垫圈，诸如例如在加热器700和热阻塞块750之间，和/或热阻塞块750和顶板800之间。
加热器700包括加热元件，其可以优选是金属加热元件或具有位于聚合物材料的相对层之间的电阻加热材料的压层。例如，金属加热元件可以是铸造金属加热器盒中的加热元件或位于加热器中所形成的通道中的加热元件。可替换地，如果使用压层加热元件，则压层应能够经受加热器700所达到的最大200℃的操作温度。注意，如果使用压层加热元件，由于压层加热元件中的压层材料可用作电绝缘体，所以绝缘体600可以是任选的。可用在压层中的示例性聚合材料是商标为
Figure G05813774720070628D000141
的聚酰亚胺(polyimide)，其可从E.I.duPontdeNemoursandcompany购得。
加热器700可具有一个或多个以任何在上部喷头电极200上提供均匀加热的合适形式设置的加热元件。例如，加热器700可具有规则或不规则图案的电阻加热线，诸如曲折的(zig-zag)、蜿蜒的、或同心的形式。
B.顶板
顶板800优选与加热器700组合工作，从而控制上部喷头电极200的温度，其中顶板800可用来经穿过加热器700的热路径冷却加热器700和/或上部喷头电极200。虽然任何热导材料都可使用，但是顶板800可优选由铝或铝合金制成。安装时，喷头组件优选覆盖腔室内顶板800的下侧。
顶板800包括一个或多个温度控制的流体可以在其中循环的流动通道。温度控制的流体优选是热转移流体(液体或气体)，诸如去离子水。此外，顶板800优选用作电气地，以及散热器，对于设备100，可用作加热器700和/或上部喷头电极200，如期望的那样。
C.温度传感器
设备100可包括一个或多个温度传感器950，诸如热电偶或光纤结构，以监视上部喷头电极200的温度。在一个优选实施例中，温度传感器950被温度控制器900监控，其中温度控制器900根据所监视的温度，控制从功率源250到加热器700的功率，和/或控制流体从流体控制850流经顶板800。因此，由温度传感器950提供至温度控制器900的数据允许功率源250或流体控制850被温度控制器900激活，从而以连续或间断的方式分别供应功率或冷却流体至加热器700和/或顶板800，以便将上部喷头电极200加热、冷却或维持在预定温度或温度范围，或预定温度或温度范围附近。作为主动加热和/或冷却的结果，可防止上部喷头电极200的温度降低到预设的最小温度或阈值温度以下，或增加至预设的最大温度以上，或可以保持在预定温度或其附近。
D.气体分配元件
如上面提到的那样，设备100也可包括位于上面的气体分配元件500，其与上部喷头电极200进行流体交换。优选地，通过结合气体分配元件500使用上部喷头电极200，处理气体可被输送到正被加工的衬底上的一个或多个气体分配区域。而且，气体分配元件500可用来分配气体至上部喷头电极200的背侧，而无需挡板来控制气流。例如，参看共同转让的美国专利No.6508913，其公开了一种用于处理半导体衬底的气体分配系统，该系统包括多个气体供应源和用于输送混合的气体至腔室中区域的气体供应线，该专利的全部内容包括在此以供参考。
一个优选实施例的气体分配元件500在图10中示出，其中气体分配元件500包括径向或横向延伸的圆形金属板505和轴向延伸的圆柱形套筒508，其中金属板505和套筒508都优选由铝制成并同轴对齐在接触区域170，从而提供到轴向延伸套筒508的气体可通过金属板505到达一个或多个在喷头电极200背侧的充气室。套筒508和板505可由单块材料形成，或由多块粘接的或机械连接到一起的材料形成。如图4所示，轴向延伸套筒508和金属板505可以是一块材料。可替换地，板505可包括两个粘接的或机械连接到一起的交叠板，例如另一金属板106可连接到板505的下表面，气体通道在它们之间以便通过板106中的出口供应处理气体至金属板106和电极200之间的充气室，如图4所示。可替换地，轴向延伸的套筒508和分开的金属板505可包括气体分配元件500，如图1和2所示。
而且，如图2和5所示，气体分配元件500可用来从RF功率源570输送RF功率至上部喷头电极200，例如来自RF发生器的RF功率可经连接到套筒508上RF输入连接的缆线被供应，从而RF功率可通过轴向延伸的套筒508、金属板505、并经过上部喷头电极200被供应。
在一个优选实施例中，金属板505包括穿过其主体的横孔(cross-bore)，以便形成环形分布导管151、与导管151流体连通的径向延伸的气体通道160和与通道160流体连通的轴向延伸的气体出口115、122、125。例如参看图10和11。相似地，轴向延伸的套筒508也优选被钻孔穿过其主体，以形成一个或多个轴向延伸的气体馈进孔110、120，如图10所示。使用气体馈进孔110、120，导管151、气体通道160和出口115、122、125，气体分配元件500可提供气体分配至上部喷头电极200背侧的一个或多个充气室，其中气体通道160通过导管151被连接到轴向延伸的套筒508中的一个或多个气体馈进孔110、120，如图10所示。因此，不同处理气体化学和/或流速可被应用至正被处理的衬底的一个或多个区域。
在一个实施例中，因为可实现气流分布而不使用挡板，例如设备100可包含控制点128，以控制从气体供应源550至出口115、122、125的气流。这些控制点128优选是收缩板(constrictorplate)，其可控制流过控制点128、并因此流过出口115、122、125的气体量，如图10所示。
优选地，气体分配元件500包括一个或多个与上部喷头电极200接触的气体密封件或屏障，以便引导气体穿过气体通道进入上部喷头电极200背侧的一个或多个充气室。例如，如图10所示，在金属板505的下侧和上部喷头电极200背侧之间的O形屏障180可用来建立金属板505和上部喷头电极200之间的充气室，例如中央充气室190和外部充气室195。
气体供应源550可提供一个或多个单独气体或气体混合物至喷头电极200背侧的各充气室。例如，内部和外部充气室可被供应以不同流速的相同处理气体和/或不同气体或气体混合物，以在处理半导体衬底过程中在间隙400中实现期望的处理气体分配。
E.绝缘体
设备也可包括绝缘体600，其优选是热导的，但电绝缘，且更优选是陶瓷，诸如氮化铝或氮化硼。绝缘体600对帮助将应用到上部喷头电极200的RF功率与诸如加热器700的其它功率源和与其他功率源相关的导电部分隔离开有用。因此，绝缘体600可允许加热器700电绝缘，但与上部喷头电极200热接触，使得上部喷头电极200可被加热，同时减小加热器的AC或DC功率与上部喷头电极200的RF功率之间的电气干扰。
绝缘体600优选被确定尺寸，以基本填充气体分配元件500和加热器700之间的区域，但也可被构造以包括电气绝缘气体分配元件500的外部边缘区域的第二部分620。然而，绝缘体600最优选地被构造以将加热器700和其它导电部件、诸如顶板800与应用到上部喷头电极200的RF功率及与其相关导电RF供应路径、诸如气体分配元件500电绝缘。
此外，绝缘体被优选地确定尺寸，以为预定功率电平提供预定电平的电绝缘。例如，由本发明受让人、LamResearchCorporation所生产的2300ExelanTM等离子体腔室中提供的绝缘体层600可以被确定尺寸到厚度在0.2到1.0英寸、更优选为0.3到0.8英寸、例如0.5到约0.75英寸之间。
F.部件
为了结构地支撑设备100的元件，采用机械扣件来将元件相互保持在适当的位置。优选地，金属螺栓被用作机械扣件，其中螺栓被用来连接设备100中的每个元件。优选地，两个分开的部件被用来简化设备100的组件，同时便于设备100中元件的维护和更换。
为了形成第一部件，上部喷头电极200被穿过气体分配元件500进入喷头电极200的背侧中有螺纹的开口或有螺纹的插件内的螺栓连接到气体分配元件500，其又通过穿过绝缘体600进入气体分配元件500背侧的有螺纹开口或有螺纹插件连接到绝缘体600。为了形成第二部件，热阻塞块750被穿过顶板800进入热阻塞块750背侧有螺纹的开口或有螺纹的插件的螺栓连接到顶板800，且顶板800被拧入加热器700有螺纹的开口或有螺纹的插件的螺栓连接到加热器700。然后，第一部件可通过穿过顶板800和加热器700进入绝缘体600背侧有螺纹的开口或有螺纹插件的螺栓连接到第二部件。一般地，第二部件可比第一部件使用更长的时间，即，第一部件可被取代而第二部件保留在设备中。
此外，如上所述，润滑材料优选被提供在设备100的不同元件的相对表面之间的真空可密封区域中，以最小化磨损。
优选地，如图12所示，第一部件1000包括螺栓225，其将上部喷头电极200连接到气体分配元件500中；以及螺栓930，用于连接气体分配元件500至绝缘体600中。进一步，第二部件1100优选包括螺栓940，其连接顶板800到热阻塞块750；和螺栓910，其将顶板800连接到加热器700。可替换地，热阻塞块750可在将热阻塞块750连接到顶板800之前通过螺栓950被连接到加热器700。
在一个优选实施例中，如图12所示，部件1000、1100的部分包括扣件900，其位于该部分的下表面中的台阶状开口中，从而允许螺栓从重叠部分穿过对齐的孔和螺纹进入扣件。这样的扣件的细节提供于共同转让的美国专利申请No.10/623540中，该专利申请的全部内容被包含在此以供参考。
虽然已经参考特定实施例详细描述了本发明，然而，对本领域技术人员来说，显然可以不偏离权利要求做出不同的改变和修改，并可采用等效物。

Claims (26)

1.一种喷头电极组件，包括：
喷头电极，适于被安装在真空室的内部，并供应处理气体至所述喷头电极和其中包括下电极的衬底支座之间的在其中生成等离子体的间隙；
被连接到所述喷头电极的气体分配元件，包括轴向延伸的套筒和横向延伸的金属板，其中所述气体分配元件包括位于套筒内的气体馈进孔以及位于金属板内的导管和气体通道，将不同的处理气体和/或不同流速的气体供应至位于所述喷头电极和所述金属板之间的充气室，其中所述气体通道通过所述导管连接到位于所述套筒内的气体馈进孔；
导热电绝缘的绝缘体，其位于该轴向延伸套筒的一部分的周围并且被连接到所述气体分配元件；加热器，其包括结合电阻加热元件的热导片并且被连接到所述导热电绝缘的绝缘体；
衬垫元件，其连接至该喷头电极的背侧；以及
触点，其位于该衬垫元件和该气体分配元件之间，
其中所述加热器通过包括所述气体分配元件和所述导热电绝缘的绝缘体的热路径传输热至所述喷头电极。
2.如权利要求1所述的喷头电极组件，其中所述导热电绝缘的绝缘体包括导热电绝缘材料。
3.如权利要求1所述的喷头电极组件，其中所述导热电绝缘的绝缘体包括氮化物材料。
4.如权利要求1所述的喷头电极组件，其中所述导热电绝缘的绝缘体包括氮化铝或氮化硼。
5.如权利要求1所述的喷头电极组件，进一步包括：
与该加热器为一个整体的热阻塞块。
6.如权利要求1所述的喷头电极组件，其中该喷头电极组件的各部分通过接触螺栓机械连接在一起。
7.如权利要求1所述的喷头电极，进一步包括包围所述喷头电极的环形接地电极，所述接地电极包括面对间隙的暴露表面，而电绝缘体位于接地电极内围和喷头电极外围之间。
8.一种真空室，包括权利要求1所述的喷头电极组件，其中气体分配元件的套筒延伸到所述真空室的被温度控制的顶壁中的开口中，而气体分配元件的横向延伸金属板完全在喷头电极上延伸。
9.如权利要求8所述的包括喷头电极组件的真空室，其中所述真空室的被温度控制的顶壁经穿过所述加热器、导热电绝缘的绝缘体、气体分配元件和喷头电极的热路径从喷头电极吸收热。
10.如权利要求8所述的包括喷头电极组件的真空室，其中所述喷头电极是射频（RF）供电电极，所述气体分配元件分配来自气体分配元件的套筒的RF功率至气体分配元件的横向延伸金属板，然后到达喷头电极。
11.包括如权利要求1所述的喷头电极组件的真空室，其中由所述触点提供的接触面积为所述气体分配元件的总表面积的0.1%到99.9%。
12.如权利要求11所述的真空室，其中由所述触点提供的接触面积为所述气体分配元件的总表面积的15%到30%。
13.一种控制等离子刻蚀的方法，包括：
为等离子刻蚀腔中的加热器施加功率；
通过向所述等离子刻蚀腔室中的根据权利要求1所述的喷头电极组件中的喷头电极传导来自加热器的热，加热所述喷头电极的至少一部分至预定温度；
通过供应处理气体至位于所述喷头电极和所述金属板之间的充气室通过喷头电极向所述等离子刻蚀腔室供应处理气体，所述处理气体流进喷头电极和底电极之间的间隙，其中半导体衬底被支撑于所述底电极上；和
通过施加RF功率至喷头电极、并将所述处理气体激励成等离子状态，从而刻蚀等离子刻蚀腔室中的半导体衬底，其中施加到加热器的功率和施加到喷头电极的功率通过导热电绝缘的绝缘体被彼此电隔离,
其中所述加热器包含具有至少一个电阻加热元件的金属片，其加热喷头电极；所述导热电绝缘的绝缘体包含陶瓷材料以及来自所述加热器的热通过所述导热电绝缘的绝缘体传导。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述喷头电极的加热包括加热和维持所述喷头电极的至少一部分在至少80℃的温度。
15.如权利要求13所述的方法，其中所述喷头电极的加热包括加热和维持所述喷头电极的至少一部分在至少100℃的温度。
16.如权利要求13所述的方法，其中所述喷头电极的加热包括加热和维持所述喷头电极的至少一部分在至少150℃的温度。
17.如权利要求13所述的方法，其中所述喷头电极的加热在刻蚀半导体衬底之前发生。
18.如权利要求13所述的方法，其中刻蚀包括在半导体衬底上氧化物层中刻蚀开口，其中所述开口由图案化光刻胶限定。
19.如权利要求18所述的方法，其中处理气体包括碳氟化合物和/或氢氟烃化合物气体，并且喷头电极的加热减少光刻胶上的条纹。
20.如权利要求13所述的方法，进一步包括：
通过沿热路径导热而冷却喷头电极，其中所述热路径从所述喷头电极延伸到气体分配元件、所述热路径元件、加热器，一个或多个热阻塞块和顶壁。
21.如权利要求20所述的方法，其中施加功率至喷头电极包括通过气体分配元件并通过所述气体分配元件和喷头电极之间的多个触点，供应来自等离子刻蚀腔室外部的RF源的RF功率至气体分配元件上的RF输入端。
22.如权利要求20所述的方法，其中供应气体包括供应来自气体分配元件的气体至在所述喷头电极背侧的一个或多个充气室。
23.如权利要求13所述的方法，其中供应气体包括供应第一气体混合物至所述衬底和喷头电极之间的间隙中的中央区域，并供应第二气体混合物至包围所述中央区域的间隙中的环形区域，其中所述第二气体混合物与第一气体混合物不同，或所述第二气体混合物与第一气体混合物相同，但以与第一气体混合物不同的流速供应。
24.如权利要求13所述的方法，包括在等离子刻蚀腔室中逐个刻蚀一批晶片，其中所述喷头电极在处理这批晶片的过程中被维持在基本一致的温度。
25.如权利要求13所述的方法，其中所述喷头电极的加热包括加热喷头电极的中央部分和边缘部分，使得喷头电极的中央部分和边缘部分之间的温差小于50℃。
26.如权利要求13所述的方法，其中所述喷头电极的加热包括加热喷头电极的中央部分和边缘部分，使得喷头电极的中央部分和边缘部分之间的温差小于25℃。
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