TW201318024A - 改進等離子均勻性和效率的電感耦合等離子裝置 - Google Patents

Abstract

一種等離子反應器，包括一個封閉殼體、一個基片支撐裝置、一個射頻功率發射裝置、一氣體噴射器、及一擋板，封閉殼體具有一個頂板，頂板構成一絕緣材料窗；基片支撐裝置在封閉殼體內位於絕緣材料窗下方；射頻功率發射裝置位於該絕緣材料窗上，以發射射頻能量到殼體內；氣體噴射器向封閉殼體內供應氣體；擋板位於封閉殼體內基片支撐裝置上方和氣體噴射器下方，以限制氣體的流動。

Description

改進等離子均勻性和效率的電感耦合等離子裝置

本發明有關一種等離子反應器，特別是有關電感耦合反應器中實現氣體均一分佈的設計。

等離子反應器或反應腔是在半導體積體電路、平板顯示器，發光二極體(LED)、太陽能電池等製造工業內公知並且廣泛應用的。在等離子腔中通常會施加一個射頻電源以產生並維持反應腔中的等離子。有許多不同的方式施加射頻功率，每個不同的設計都有不同的特性，比如效率、等離子解離、均一性等等。其中一種等離子技術是電感耦合(ICP)等離子腔。

電感耦合等離子處理腔中通常是線圈狀的一個天線用來向反應腔內發射射頻能量。為了使來自天線的射頻功率耦合到反應腔內，在天線處放置一個絕緣材料視窗。反應腔可以處理各種基片比如矽晶圓等，基片被固定在夾盤上，等離子在基片上方產生。因此天線被放置在反應器頂部上方的這樣的反應腔頂部是由絕緣材料製成或者包括一個絕緣材料視窗。

在等離子處理腔中，各種氣體被噴射到反應腔中以使得各種化學反應和/或等離子之間互相物理作用在基片上產生，並最終在基片上形成各種特徵結構，例如刻蝕、沉積等等。在許多加工流程中，一個很重要的指數是晶圓上的加工均一性。也就是一個加工流程在基片中心區域發生的作用要和在基片邊緣區域發生的作用相同或者高度相近。因而，在刻蝕過程中晶圓中心位置的刻蝕率應該與晶圓邊緣區域的相同。

一個可以有助於獲得加工均一性的參數是在反應腔內均勻分佈的處理氣體。要獲得這樣的均一性，許多反應腔設計採用氣體噴淋頭安裝在晶圓上方並均勻的噴射處理氣體。但是，如上所述，在電感耦合(ICP)反應腔頂部必須要有一個絕緣窗以使射頻功率從天線發射到反應腔中，因此ICP的結構中沒有給氣體噴淋頭留出相應的空間來實現其氣體均勻噴射的功能。

圖1顯示了現有電感耦合反應腔設計的截面圖。ICP反應腔100具有一個基本呈圓筒狀的金屬側壁105和一個絕緣頂部107，構成一個氣密的空間並被抽真空器125抽真空。一個基座110支撐一個夾盤115，夾盤115支撐待處理的基片120。來自射頻功率源145的射頻功率被施加到呈線圈狀的天線140。來自氣源150的處理氣體通過管線155被供應到反應腔內以點燃並維持等離子，使得基片120被加工。在標準電感耦合反應腔中，氣體是通過在反應腔周圍的注射器/噴口130和中間的噴口135之一或者兩者一同噴射來供應到真空容器內的。

從圖1可知，來自週邊噴口130的氣體大量被抽出了反應腔並沒有被有效的解離到達晶圓的表面。因此大量氣體從週邊噴口130噴出，可能實現對晶圓邊緣區域的處理，只有少部分能達到晶圓的中心區域，這會導致不均一性。相反地，中間噴口135噴出的大量氣體集中在晶圓中心沒有到達邊緣，也會造成不均一。

因此，業記憶體在改進電感耦合反應腔設計的需求以優化反應腔內的氣體分佈改進加工的均一性。

本發明只提供一個對本發明部分方面和特點的基本理解。其不是對本發明的廣泛概述，也不是用來特別指出本發明關鍵的要素或者勾畫發明的範圍。其唯一的目的是簡化的呈現本發明的一些概念，為後續詳細的描述本發明作一些鋪墊。

本發明的一個方面是，一個等離子反應器包括一個封閉殼體，一個絕緣窗，一個射頻天線設置在絕緣窗上方，多個氣體噴射器向封閉殼體內供氣，一個擋板位於封閉殼體被以限制或引導從氣體噴射器中流程的氣體。

本發明的一個方面是，提供一個電感耦合等離子反應器，具有一個封閉殼體，一個絕緣材料窗，一個設置於絕緣材料窗上方的射頻天線，多個用於向所述封閉殼體內提供氣體的氣體噴射器，一個設置於殼體中用於對氣體噴射器出來的氣體進行壓縮和/或改變方向的擋板。

根據如上所述的等離子反應器，其中，包括一個殼體，其至少部分頂板構成絕緣材料窗。一個基片支撐裝置放置在封閉殼體內絕緣材料窗的下方。一個射頻功率發射器放置在絕緣材料窗上以發射射頻功率穿過絕緣材料窗到封閉殼體內。多個氣體噴射器均勻分佈在基片支撐裝置上方以提供處理氣體到封閉殼體內。一個環形擋板安裝在封閉殼體內位於基片支撐裝置上方和多個氣體噴射器下方以引導流動的處理氣體流動方向。

本發明的另一個方面是，擋板可以是由導體或絕緣材料製成，例如擋板可以是由陽極化的鋁，陶瓷，石英等。

本發明的另一個方面是，擋板可以是中心帶開口的環形平板。擋板也可以具有次級開口分佈在中心開口周圍。擋板可以包括從中心開口處開始延伸的延伸部。延伸部可以是圓筒形的也可以是圓錐形的。擋板中可以集成一個射頻天線。擋板可以在基片支撐裝置上方垂直上下移動，以改變擋板與基片直接的間隙大小。

本發明的再一個方面是，一種在基片上生成半導體器件的方法，包括放置基片到等離子反應器中的在基片支撐裝置上，其中等離子反應器包括一個封閉殼體具有一個圓柱形的側壁和一個頂板，頂板的至少一部分構成一絕緣材料窗，一個射頻發射器位於絕緣材料窗上方以發射射頻功率穿過絕緣材料窗到封閉殼體內，多個氣體噴射器在基片上方均勻分佈；放置一個環形擋板在封閉殼體內使擋板位於基片支撐裝置上方和多個氣體噴射器的下方，在擋板和基片直接形成一個間隙；往氣體噴射器提供反應氣體；施加射頻功率到射頻發射器。

本發明電感耦合等離子體腔的實施例改進了均一性，特別是氣體分佈的均勻性。本反應腔中添加了預設裝置使噴口中流出的氣體被重新引導流動方向以改進反應腔中的氣體分佈。

參考圖2，本發明的一個實施例將會被詳細描述。圖2說明了本發明一個實施例的等離子處理裝置200。除了以2XX為開頭編號外，圖2中顯示的要素與圖1中顯示的對應的要素具有相同的編號。由於反應腔裝置200僅僅是示例性的，200裝置實際上也可以包括更少或額外的部件，部件的排列也可以有所不同於圖2中所示的。

圖2顯示了本發明第一實施例的ICP反應腔的截面圖，圖中實現了氣體受控流動的特點。ICP反應腔200具有一個金屬側壁205和一個絕緣頂板207，構成一個外殼包圍氣密的真空空間，並且由抽真空泵225抽真空。絕緣頂板207僅作為示例，其他的頂板樣式也可以採用，例如穹頂形狀的，金屬頂板帶有絕緣材料視窗等等。基座210支撐一個夾盤215，夾盤支撐一個待處理的基片220。偏置功率被施加到夾盤215上，但是由於與本發明主題無關在圖2中沒有示出。射頻電源245的射頻功率被施加到天線240，該天線基本是線圈形的。

處理氣體從氣源250經過管線被供應到反應腔點燃並維持等離子，並對基片進行加工。在本實施例中，通過週邊氣體噴頭230氣體被供應到真空空間中，但是額外的氣體也可以選擇性的從中間噴頭235注入反應腔。如果230和235兩個氣體噴頭同時供氣，兩者的氣體流量可以是獨立控制的。任何這些用來噴射氣體的機構可以被稱為等離子氣體噴射器。在圖2中，擋板270，位於反應腔中以限制和/或引導來自氣體噴口230的氣體流動。如圖所示，在這個實施例中是中間帶孔或開口的盤形擋板。擋板位於氣體噴口下方但是在基片所在位置上方。這樣，氣體在向下流向基片前被限制並進一步流向反應腔中間，如圖中虛線箭頭所示。

基本上，擋板270可以是由金屬材料製成，如陽極化的鋁。用金屬材料來製造擋板能夠有利於限制在擋板上方的等離子，因為來自線圈的射頻能量被擋板阻擋了傳播。另一方面擋板270也可以是由絕緣材料製成，比如陶瓷或石英。在採用絕緣材料的實施例中，來自線圈的射頻(RF)能量能夠穿透擋板，這樣在擋板下方等離子體能夠維持存在(虛線部分顯示)，其與到達擋板下方氣體數量有關。

在部分場合下需要進一步限制氣體流動使得氣體有更多時間位於晶圓中心位置上方，以保證在整個晶圓上方獲得足夠的等離子解離。這一實施例的優點在圖3中得到顯示。除了編號是用3XX以外，圖3的要素與圖2中具有相同編號的要素相類似。如圖3所示，第二實施例的擋板372是盤形的外形並具有一個環形垂直方向延伸部373，基本呈一圓筒形狀。垂直延伸部與基片間構成一個間隙374，通過該間隙氣體可以流到邊緣，例如基片的週邊。間隙374的尺寸決定了基片上方氣體的流向以及流動所需時間，使得氣體被等離子解離。

在圖3所示的第二實施例中，中間環形開口直徑d的尺寸可以是與基片尺寸相同，或者大於或小於基片直徑尺寸。開口直徑尺寸取決於所需要的氣體流動限制。同時，因為垂直方向延伸部373也是與基片平面垂直的，其直徑也與環形盤的開口直徑相同。

另一方面，有時需要限制氣體從基片上方流出，有時也需要強化氣體在水準方向上向基片週邊流動。為了實現上述氣體水準方向流動的目的，圖4顯示了第三實施例。圖4的擋板475包括一個環型部和一個圓錐形延展部476，圓錐形延展部476具有一個上開口直徑d小於它的下開口直徑d’，其中下開口靠近基片。下開口的位置定義了一個間隙477，通過該間隙，氣體水準方向朝反應腔側壁流動。錐形部分的側壁與環形部之間構成夾角φ，其中該夾角φ小於90度。

有時需要讓部分氣體在到達擋板中心開口前向下流動。圖5顯示的第四實施例是對圖2所示實施例的部分修改。如圖5所示，擋板578是盤型帶有一個中心開口，類似於圖2中的擋板270。中間開口的直徑可以是與圖2中的相同或不同。額外的，一個輔助/次級開口589設置在中心開口邊，以使得部分氣體在到達中心開口前下漏。輔助開口的直徑可以是小於中心開口。輔助開口可以應用到前述任何實施例，並且可以在中心開口周圍均勻分佈。例如，圖5中標注578的變形擋板與圖3中的擋板類似，除了有輔助開口添加在中心開口周圍使得氣體在到達中心開口前下漏並擴散。

上述實施例中，擋板用來控制處理氣體流動。此外擋板也可以被動的控制等離子。整體上等離子可以通過擋板上的孔洞擴散到反應腔下部，孔越大等離子濃度越高。通過改變孔的數量和位置，等離子濃度在反應腔中的分佈也可以同時改變。擋板也可以用來主動控制等離子，如圖6顯示的實施例中所示的例子。

圖6所述實施例中，擋板680用來主動控制等離子。一個輔助天線682植入擋板680中。輔助天線可以是線圈形狀的。天線可以單圈線圈的(圖中虛線)，但也可以採用其他設計。輔助天線的電源可以採用給主天線供電的電源645(虛線箭頭所示)，或者用一個不同的射頻電源647。不管用什麼電源供電，施加到輔助天線682上的功率幅度與施加到主天線640的電源功率是相互獨立控制的。

根據上述實施例，擋板680是由絕緣材料製成，線圈植入該絕緣材料。例如擋板680可以是由燒結的陶瓷材料製成，其中金屬線圈植入陶瓷材料。這樣來自輔助線圈的功率可以施加到擋板上方和下方的等離子。另一方面，擋板680也可以是一面由絕緣材料製成，另一面由導體材料製成，這樣射頻功率只能施加到擋板的其中一面的空間。例如擋板680的上層是導體材料製成，來自輔助線圈的射頻功率只會施加到擋板下方的等離子中。這樣的設計可以在圖6的第二標註部分看到，其中線圈植入陶瓷盤685，線圈中產生的射頻能量可以施加到擋板下方的等離子，但是導體盤683覆蓋在陶瓷盤685上方，這樣射頻能量無法發送到擋板上方的空間。此外這樣的設計結構也會阻擋主線圈產生的射頻能量傳播到擋板680下方。這樣一來採用這種設計時主天線640的射頻能量可以被調整(如頻率，功率)以控制擋板680上方的等離子，同時輔助天線的能量可以調整來控制擋板下方的等離子。

前述任何實施例都可以作近一步改進，使擋板可以根據需要可移動。這一設計在圖6中已經顯示出。圖6中步進電機690通過齒條和齒輪之類機構耦合到擋板680，例如架子和齒輪的設置，這樣步進電機690能夠垂直驅動擋板使其可以上下移動，同時使擋板680和基片620直接的間隙可以被調整。

應該理解本發明提到的處理流程和技術並不限於提到的特定裝置，也可以是實現實現本發明的多個部件的組合。進一步，各種類型的通用設備也可以在本發明技術中被採用。本發明描述了多個特殊的實施例，這些實施例都在各個方面說明了本發明的內容而不是對本發明內容的限制。業內人士能夠領會除了本發明所舉例子還有很多不同的組合可以適用本發明。

此外，對應業內人士而言通過對本發明說明書的思考和對本發明的實踐可以明顯的想到其他實現方式。所描述的多個實施例中各個方面和/或部件可以被單獨採用或者組合採用。需要強調的是說明書和實施例僅作為舉例，本發明實際的範圍和思路通過下面的權利要求來定義。

100．．．反應腔

105．．．金屬側壁

107．．．絕緣頂部

110．．．基座

115．．．夾盤

120．．．基片

125．．．抽真空器

130．．．噴口

135．．．噴口

140．．．天線

145．．．射頻功率源

150．．．氣源

155．．．管線

200．．．等離子處理裝置

205．．．金屬側壁

207．．．絕緣頂板

210．．．基座

215．．．夾盤

220．．．基片

225．．．抽真空泵

230．．．噴頭

235．．．噴頭

240．．．天線

245．．．射頻電源

250．．．氣源

270．．．擋板

372．．．擋板

373．．．延伸部

374．．．間隙

475．．．擋板

476．．．延展部

477．．．間隙

578．．．擋板

589．．．開口

620．．．基片

640．．．主天線

645．．．電源

647．．．射頻電源

680．．．擋板

682．．．輔助天線

683．．．導體盤

685．．．陶瓷盤

690．．．步進電機

d、d’．．．直徑

φ．．．夾角

附圖作為本發明說明書的一部分，例證了本發明的實施例，並與說明書一起詳細描述一起解釋和說明本發明的原理。附圖用圖解的方式來解釋舉例實施例的主要特徵。附圖並不是用來描述實際實施例所有特徵也不說明圖中元素間的相對尺寸，也並不是按比例繪出。

圖1是現有電感耦合反應腔的截面圖；

圖2是本發明實施例的電感耦合反應腔的截面圖；

圖3是本發明第二實施例的電感耦合反應腔的截面圖；

圖4是本發明第三實施例電感耦合反應腔的截面圖；

圖5是本發明第四實施例電感耦合反應腔的截面圖；

圖6是本發明第五實施例電感耦合反應腔的截面圖。

其中，相同或相似的附圖標記表示相同或相似的裝置(模組)。

200．．．等離子處理裝置

205．．．金屬側壁

207．．．絕緣頂板

210．．．基座

215．．．夾盤

220．．．基片

225．．．抽真空泵

230．．．噴頭

235．．．噴頭

240．．．天線

245．．．射頻電源

250．．．氣源

270．．．擋板

Claims (21)

1. 一種等離子反應器，包括：一個封閉殼體，具有一個頂板，該頂板構成一絕緣材料窗；一個基片支撐裝置，在封閉殼體內位於絕緣材料窗下方；一個射頻功率發射裝置，位於該絕緣材料窗上，以發射射頻能量到殼體內；一氣體噴射器，向封閉殼體內供應氣體；一擋板，位於封閉殼體內基片支撐裝置上方和氣體噴射器下方，以限制氣體的流動。
2. 如申請專利範圍第1項所述之等離子反應器，其中該氣體噴射器包括多個均勻分佈在封閉殼體週邊的噴口，擋板限制氣體的流動方向以引導氣體向封閉殼體中心流動。
3. 如申請專利範圍第2項所述之等離子反應器，其中該擋板包括一個帶有中間開口的圓盤。
4. 如申請專利範圍第3項所述之等離子反應器，其中該擋板更包括一個垂直方向的延展部從中心開口處延伸。
5. 如申請專利範圍第4項所述之等離子反應器，其中該延展部包括一錐形部。
6. 如申請專利範圍第1項所述之等離子反應器，其中該擋板包括絕緣材料。
7. 如申請專利範圍第6項所述之等離子反應器，其中該絕緣材料選自陶瓷和石英。
8. 如申請專利範圍第3項所述之等離子反應器，其中該擋板更包括一個輔助開口均勻分佈在中心開口周圍。
9. 如申請專利範圍第1項所述之等離子反應器，其中該擋板包括導體材料。
10. 如申請專利範圍第1項所述之等離子反應器，其中該擋板是垂直可移動的。
11. 如申請專利範圍第2項所述之等離子反應器，其中該氣體噴射器包括一個中心噴頭位於頂板中央。
12. 一種等離子反應器，包括：一個封閉殼體，具有一個圓柱形側壁和一個頂板，其中至少頂板的一部分是絕緣材料窗；一個基片支撐裝置，位於封閉殼體內絕緣材料窗下方；一個射頻電源，設置在絕緣材料窗上方以使射頻功率穿過絕緣材料窗進入封閉殼體；多個氣體噴射器，均勻分佈在基片支撐裝置上方提供處理氣體到封閉殼體中；以及一個圓環形的擋板，位於封閉殼體內基片支撐裝置上方和多個氣體噴射器的下方以引導處理氣體流動。
13. 如申請專利範圍第12項所述之等離子反應器，其中該擋板包括陽極化的鋁，陶瓷，石英之一。
14. 如申請專利範圍第12項所述之等離子反應器，其中該擋板包括一具有中心開口的平面盤以及一個從中心開口向下延伸到基片支撐裝置的延伸部，並在該擋板和基片之間形成一間隙。
15. 如申請專利範圍第14項所述之等離子反應器，其中該延伸部包括是圓柱形的或者圓錐形的。
16. 如申請專利範圍第14項所述之等離子反應器，其中該間隙是可變的。
17. 一種製造半導體基片的方法，包括：放置基片到等離子反應器中的基片支撐裝置上，其中等離子反應器包括一個封閉殼體，該殼體包括一圓柱形側壁和頂板，其中頂板的至少一部分構成絕緣材料窗，一個射頻發射器放置在絕緣材料窗上方以發射射頻功率穿過絕緣材料窗進入封閉殼體，多個氣體噴射器在基片上方均勻分佈；放置一環形擋板到封閉殼體使擋板位於基片支撐裝置上方和該多個氣體噴射器下方並且定義了一個到基片的間隙；供應處理氣體到氣體噴射器，以及施加射頻能量到射頻發射器。
18. 如申請專利範圍第17項所述之製造半導體基片的方法，其中該間隙是可變的。
19. 一種等離子反應器，包括：一封閉殼體，其包括頂板，該頂板構成一絕緣材料窗；一基片支撐裝置，設置於該封閉殼體內的絕緣材料窗下方；一射頻功率發射裝置，設置於該絕緣材料窗上方，以發射射頻能量到該封閉殼體內；一氣體注入器，用於向該封閉殼體內供應處理氣體，一擋板，設置於該封閉殼體內以及該基片支撐裝置上方和該氣體注入器下方，以限制處理氣體的流動，該擋板包括嵌入其中的次級射頻天線。
20. 如申請專利範圍第19項所述之等離子反應器，其中該擋板包括嵌入次級射頻天線的絕緣盤，還包括一設置於擋板的其中一面的導體盤，以阻擋射頻能量穿過該導體盤。
21. 如申請專利範圍第19項所述之等離子反應器，其中施加到射頻功率發射裝置和該輔助射頻天線的電源功率是相互獨立控制的。