TW201406215A - 具有對稱流腔室之對稱電感式耦合電漿源 - Google Patents

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TW201406215A
TW201406215A TW102118522A TW102118522A TW201406215A TW 201406215 A TW201406215 A TW 201406215A TW 102118522 A TW102118522 A TW 102118522A TW 102118522 A TW102118522 A TW 102118522A TW 201406215 A TW201406215 A TW 201406215A
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TW102118522A
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Andrew Nguyen
Kenneth S Collins
Kartik Ramaswamy
Shahid Rauf
James D Carducci
Douglas A Buchberger
Ankur Agarwal
Jason A Kenney
Leonid Dorf
Ajit Balakrishna
Richard Fovell
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Applied Materials Inc
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    • C23F—NON-MECHANICAL REMOVAL OF METALLIC MATERIAL FROM SURFACE; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL; MULTI-STEP PROCESSES FOR SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL INVOLVING AT LEAST ONE PROCESS PROVIDED FOR IN CLASS C23 AND AT LEAST ONE PROCESS COVERED BY SUBCLASS C21D OR C22F OR CLASS C25
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Abstract

一種電漿反應器具有架空的多線圈感應電漿源及對稱腔室排氣，該電漿源具有對稱射頻饋電，該腔室排氣具有複數個支柱穿過排氣區域提供出入口至所局限的工作件支座。可包括用於自處理區域遮蔽支柱之空間效應的柵格。

Description

具有對稱流腔室之對稱電感式耦合電漿源 相關專利申請案之交叉引用
本申請案主張由Andrew Nguyen等人於2012年11月1日申請之標題為「SYMMETRICAL INDUCTIVELY COUPLED PLASMA SOURCE WITH SYMMETRICAL FLOW CHAMBER」之美國專利申請案第13/666,224號之優先權；主張由Andrew Nguyen等人於2012年11月1日申請之標題為「INDUCTIVELY COUPLED PLASMA SOURCE WITH PLURAL TOP COILS OVER A CEILING AND AN INDEPENDENT SIDE COIL」之美國專利申請案第13/666,245號之優先權；以及主張由Andrew Nguyen等人於2012年11月1日申請之標題為「INDUCTIVELY COUPLED PLASMA SOURCE WITH MULTIPLE DIELECTRIC WINDOWS AND WINDOW-SUPPORTING STRUCTURE」之美國專利申請案第13/666,280號之優先權。上述所有申請案主張由Andrew Nguyen等人於2012年7月20日申請之標題為「SYMMETRICAL MULTIPLE COAXIAL ICP SOURCE AND SYMMETRICAL FLOW CHAMBER」之美國臨時申請案第 61/673,937號之權益。
本發明之實施例大體而言係關於一種用於處理工作件之電漿處理反應器腔室，在該腔室內藉由射頻功率之電感耦合產生電漿以處理腔室內部的氣體。
電子裝置(諸如積體電路、平板顯示器及類似者)係藉由一系列製程來製造，在該等製程內於基板上沉積薄膜層及將薄膜層蝕刻成所欲圖案。製程步驟可包括電漿增強反應式離子蝕刻(reactive ion etching；RIE)、電漿增強化學氣相沉積(chemical vapor deposition；CVD)、電漿增強物理氣相沉積(physical vapor deposition；PVD)。
跨越基板整個表面的蝕刻速率或沉積速率之均勻分佈對於成功的製造係必不可少的。由於基板尺寸不斷增加及裝置幾何形狀不斷縮小，此均勻性越來越難以達成。詳言之，電感耦合電漿源可在腔室頂板上方具有兩個同心排列的線圈天線，以便可藉由調整傳遞至不同線圈天線的不同射頻功率位準來最佳化蝕刻速率分佈之均勻性。隨著工作件直徑及腔室直徑增加，發明者已發現此方法並不夠用，因為較大尺寸增加了獲得所需製程均勻性之難度。諸如腔室設計不對稱性、溫度分佈不均勻性及氣體分佈控制之製程不均勻性的各種源頭變得更加重要。
一種電漿反應器包括蓋組件、側壁及界定處理區 域之工作件支座。在側壁及/或蓋組件之外部側面上安置與側壁同軸的複數個線圈天線，且各別射頻電源經由各別電流分配器供電至該等線圈天線。電漿反應器之腔室主體包括界定抽空區域之腔室主體壁及腔室主體底板、在與處理區域及與抽空區域密封隔開的中央空間內圍束工作件支座柱之安全殼壁，以及在腔室主體底板內且相對於側壁位於中心之真空泵埠。複數個排氣通道在處理區域與抽空區域之間軸向延伸。複數個中空出入支柱徑向延伸穿過腔室主體至中央區域。
實施例可進一步包括關於腔室主體固定且耦接至工作件支座之提升機構，該工作件支座在軸向係可移動的。實施例亦可包括各別實用接線延伸穿過複數個中空出入支柱之各別支柱。在實施例中，關於對稱軸對稱地分佈複數個排氣通道及在複數個中空出入支柱之間定位該等排氣通道。
實施例可進一步包括自腔室主體壁徑向延伸至安全殼壁之腔室主體襯墊，該腔室主體襯墊部分包含安置於處理區域與複數個出入支柱之間的氣流柵格。氣流柵格可為細長開口的環形陣列，每一開口呈徑向延伸。在實施例中，腔室主體襯墊係導電的。
在一些實施例中，電流分配器之各者包含與側壁同軸之導電表面，該導電表面具有(a)耦接至複數個射頻電源之各別射頻電源的接收部分及(b)耦接至複數個線圈天線之各別線圈天線的第一圓形邊緣。進一步，同心線圈天線之各者包括繞對稱軸螺旋纏繞之複數個導體，複數個導體之各者具 有供電端及接地端，電流分配器之第一圓形邊緣在間隔分離位置沿第一圓形邊緣連接至各別線圈天線之供電端。可均勻分佈間隔分離位置。
電漿反應器可進一步包括射頻饋電桿組件，該射頻饋電桿組件耦接至射頻電源之各別電源且關於側壁之對稱軸均勻地排列，以及連接至各別電流分配器之接收部分。
10‧‧‧電漿反應器
20‧‧‧反應器上部分
30‧‧‧反應器下部分
100‧‧‧處理腔室
101‧‧‧處理區域
105‧‧‧側壁
106‧‧‧介電側窗/圓柱形介電窗口
106'‧‧‧溫度感測器
107‧‧‧腔室襯墊
107-1‧‧‧上圓柱段
107-2‧‧‧下環形柵格
110‧‧‧蓋組件
112‧‧‧碟形介電窗口
112'‧‧‧溫度感測器
112a‧‧‧碟形介電窗口外緣
115‧‧‧工作件支座
120‧‧‧基座
121‧‧‧工作件支座表面
122‧‧‧工作件
125‧‧‧柱
130‧‧‧電極
132‧‧‧電纜
140‧‧‧內層線圈天線
140-1‧‧‧導體線
140-2‧‧‧導體線
140-3‧‧‧導體線
140-4‧‧‧導體線
142‧‧‧倒置金屬碗
144‧‧‧圓形底部邊緣
146‧‧‧蓋
148‧‧‧射頻饋電桿
149‧‧‧內部接地遮罩
150‧‧‧中間線圈天線
150-1‧‧‧導體線
150-2‧‧‧導體線
150-3‧‧‧導體線
150-4‧‧‧導體線
152‧‧‧圓柱形金屬套管
154‧‧‧圓形底部邊緣
156‧‧‧圓形頂部邊緣
158‧‧‧軸向射頻饋電桿
159‧‧‧中間接地遮罩
159-1‧‧‧環
159a‧‧‧導電腳
159c‧‧‧導電腳
160‧‧‧外層/側面線圈天線
160-1‧‧‧導體線
160-2‧‧‧導體線
160-3‧‧‧導體線
160-4‧‧‧導體線
160-5‧‧‧導體線
160-6‧‧‧導體線
160-7‧‧‧導體線
160-8‧‧‧導體線
161-1‧‧‧軸向導體
161-5‧‧‧軸向導體
162‧‧‧倒置金屬碗
164‧‧‧圓形底部邊緣
166‧‧‧圓形頂部邊緣
168‧‧‧軸向射頻饋電桿
170‧‧‧外部腔室壁
171‧‧‧絕緣體
172‧‧‧徑向射頻饋電桿
174‧‧‧軸向饋電桿
176‧‧‧徑向射頻饋電桿
178‧‧‧軸向饋電桿
180‧‧‧射頻匹配
182‧‧‧射頻匹配
184‧‧‧接地板
200‧‧‧氣體板
202‧‧‧環形物
202a‧‧‧頂部內緣
202b‧‧‧底部外緣
204‧‧‧開口
220‧‧‧加熱器層
222‧‧‧外部環形物
224‧‧‧徑向指
226‧‧‧孔
229‧‧‧電加熱器/電阻元件
230‧‧‧法拉第遮罩層
231‧‧‧電加熱器/加熱器層
232‧‧‧上圓柱形環
234‧‧‧下圓柱形環
236‧‧‧軸向腳
238‧‧‧間隙
300‧‧‧頂板氣體注射器
302‧‧‧中央氣體施配器
302-1‧‧‧軸向內部環形通道
304‧‧‧中間氣體擴散
304-1‧‧‧中間環形通道
310‧‧‧周邊/側面氣體注射器
312‧‧‧氣體埠
320‧‧‧環形氣流板
321a‧‧‧氣體輸入埠
321b‧‧‧氣體輸入埠
321c‧‧‧氣體輸入埠
322‧‧‧彈簧板
330‧‧‧遞迴氣流路徑
331‧‧‧半圓形氣流路徑/通道
332‧‧‧弓狀氣流路徑
334‧‧‧弓狀氣流路徑
336‧‧‧弓狀氣流路徑
340‧‧‧徑向氣流接線
342‧‧‧徑向氣流接線
344‧‧‧徑向氣流接線
346‧‧‧徑向氣流接線
350‧‧‧氣流轂
352‧‧‧進氣埠
353‧‧‧半圓形氣流通道
354‧‧‧進氣埠
355‧‧‧半圓形氣流通道
356‧‧‧進氣埠
357‧‧‧半圓形氣流通道
358‧‧‧進氣埠
360‧‧‧分流氣體分佈接線
362‧‧‧分流氣體分佈接線
366‧‧‧內部分佈通道
370‧‧‧分流氣體分佈接線
372‧‧‧分流氣體分佈接線
374‧‧‧中間分佈通道
390‧‧‧冷卻通道
390a‧‧‧圓形供應通道
390b‧‧‧圓形返回通道
392a‧‧‧外部冷卻劑埠
392b‧‧‧外部冷卻劑埠
400‧‧‧下腔室主體
405‧‧‧下腔室主體側壁
406‧‧‧上腔室主體側壁
410‧‧‧下腔室主體底板
410a‧‧‧真空泵開口
411‧‧‧抽空區域
415‧‧‧安全殼壁
417‧‧‧可撓性波紋管
419‧‧‧中央空間
420‧‧‧徑向支柱
421‧‧‧徑向出入通道
430‧‧‧軸向排氣通道
440‧‧‧真空泵
450‧‧‧提升致動器
500‧‧‧下氣室壁
502‧‧‧下氣室
504‧‧‧排氣風扇
506‧‧‧開口
600‧‧‧開口
606‧‧‧中央壁
608‧‧‧返回腔室側壁
609‧‧‧篩段
610‧‧‧氣室板
612‧‧‧返回腔室
614‧‧‧開口
650‧‧‧上氣室
655‧‧‧頂板
660‧‧‧上氣室側壁
665‧‧‧進氣風扇
667‧‧‧開口
670‧‧‧氣流板
680‧‧‧進氣埠
740-1‧‧‧射頻產生器
740-2‧‧‧射頻產生器
740-3‧‧‧射頻產生器
742-1‧‧‧射頻阻抗匹配網路
742-2‧‧‧射頻阻抗匹配網路
742-3‧‧‧射頻阻抗匹配網路
750-1‧‧‧射頻產生器
750-2‧‧‧射頻產生器
800‧‧‧可程式化控制器
802‧‧‧控制器輸入
804‧‧‧控制器輸入
806‧‧‧控制器輸出
808‧‧‧控制器輸出
810‧‧‧控制器輸出
812‧‧‧控制器輸出
814‧‧‧控制器輸出
816‧‧‧使用者輸入
818‧‧‧使用者輸入
因此，為使可詳細理解所獲得的本發明之示範性實施例之方式，可參照實施例獲得上文簡要概述之本發明之更特定描述，一些實施例圖示於隨附圖式中。應瞭解，為了不模糊本發明，本文並未論述某些熟知的製程。
第1圖係本發明實施例之電漿反應器之剖視圖。
第1A圖係第1圖中反應器之上截段之放大視圖。
第1B圖係第1圖中反應器之下截段之放大視圖。
第2圖圖示第1圖中反應器之內部區域感應射頻功率施用器。
第3圖圖示第1圖中反應器之中間或中部區域感應射頻功率施用器。
第4圖圖示第1圖中反應器之外部區域感應射頻功率施用器。
第5圖圖示用於第3圖中射頻功率施用器之導電射頻功率饋線。
第6圖圖示用於第4圖中射頻功率施用器之導電射頻功率饋線。
第7圖係第1圖中反應器之蓋組件的一部分之橫剖面視圖。
第8圖係覆蓋第7圖中蓋組件之碟形介電視窗的加熱器層之平面圖。
第9圖係與第7圖中蓋組件一起描述之覆蓋圓柱形介電視窗的加熱器層之正投影圖。
第10圖係第7圖中蓋組件之平面圖。
第11A圖係對應於第10圖描述在蓋組件之氣流板內的氣流通道之平面圖。
第11B圖係第7圖及第11A圖中氣流板反面之視圖。
第12圖係對應於第10圖及描述至中心轂的氣流路徑之平面圖。
第12A圖係對應於第12圖中一部分描述第8圖中加熱器層一部分內的氣流導管之外殼之正投影圖。
第12B圖係對應於第12A圖之剖面正視圖。
第13圖係第1圖中反應器之中央氣體施配器之放大剖視圖。
第14圖係第13圖中中央氣體施配器之平面圖。
第15圖係第14圖中沿接線15-15獲取之橫剖面圖。
第16圖係第14圖中沿接線16-16獲取之橫剖面圖。
第17圖係第1B圖中沿接線17-17獲取之橫剖面 圖。
第18圖係第1B圖中沿接線18-18獲取之橫剖面圖。
第19圖係對應於第1A圖及描述冷卻氣流路徑之視圖。
第20A圖及第20B圖係用於第1A圖中射頻功率施用器之射頻電源的替代實施例之方塊圖。
第21圖係控制第1圖中反應器的控制系統之方塊圖。
為了促進理解，在可能的情況下，相同元件符號已用於代表諸圖共用之相同元件。應涵蓋，一個實施例之元件及特徵可有利地併入其他實施例而無需贅述。然而，應注意，隨附圖式僅圖示出本發明之示範性實施例，且因此該等圖式不欲視為本發明範疇之限制，因為本發明可允許其他同等有效之實施例。
在第1圖中描述之電漿反應器10包括在第1A圖之放大視圖中描述之上部分20及在第1B圖之放大視圖中描述之下部分30。參看第1圖、第1A圖及第1B圖，電漿反應器10包括具有側壁105及蓋組件110之電漿處理腔室100。側壁105具有諸如圓筒之軸向對稱形狀。側壁105包括軸向對稱(例如，圓柱形)介電側窗106及可由金屬形成之腔室襯墊107。腔室100內部的工作件支座115包括：具有工作件支座表面121之基座120，該工作件支座表面面向用於固持工 作件122的蓋組件110；及支撐基座120之柱125。由蓋組件110、基座120及側壁105來圍束腔室100之處理區域101。基座120可包括絕緣內部電極130。可視情況經由延伸穿過柱125的電纜132供應靜電卡盤(electrostatic chucking；ESC)電壓及/或射頻電漿偏壓功率至內部電極130。可耦接電纜132至射頻偏壓電源(諸如射頻阻抗匹配網路及/或射頻功率產生器)，從而射頻偏壓供電至電極130。可作為可係剛性(或可撓性)之同軸傳輸線或作為可撓性同軸電纜提供電纜132。
藉由一組線圈天線將電漿源功率電感耦合入處理區域101內，該組線圈天線包括內層線圈天線140、中間線圈天線150及外層或側面線圈天線160，相對於彼此同心地安置所有線圈天線且該等線圈天線與側壁105之對稱軸同軸。蓋組件110包括碟形介電窗口112，內層線圈天線140及中間線圈天線150經由該介電窗口將射頻電漿源功率電感耦合入處理區域101內。碟形介電視窗112與側壁105同軸且具有平行於工作件支座表面121之平面的圓碟平面。側面線圈天線160經由圓柱形介電側窗106將射頻電漿源功率電感耦合入處理區域101內。
參看第1A圖及第2圖，在一個實施例中，內層線圈天線140包括四個導體線140-1至140-4，每一者沿180度弧長繞恆定半徑螺旋纏繞，該等內層線圈天線的末端以均勻間隔90度的區間交錯(亦即，沿圓周方向偏移)，如第2圖所描述。藉由以倒置金屬碗142形式呈現的射頻電流分配器提供射頻功率到導體線140-1至140-4之均勻及對稱分佈， 該倒置金屬碗具有接觸每一導體線140-1至140-4之頂端的圓形底部邊緣144及連接至內部射頻饋電桿148的蓋146。藉由至內部接地遮罩149(第1A圖)的連接將四個導體線140-1至140-4之底端接地，該內部接地遮罩以與線圈天線140同軸的圓柱形金屬套管形式呈現且位於內層線圈天線140與中間線圈天線150之間。內部接地遮罩149提供自四個導體線140-1至140-4的接地電流之均勻及對稱分佈，且藉由抑制內層線圈天線140與中間線圈天線150之間的互感進一步提供內層線圈天線140與中間線圈天線150之間的射頻遮罩或隔絕。此舉增強了內層線圈天線140及中間線圈天線150的獨立控制。
參看第1A圖及第3圖，在一個實施例中，中間線圈天線150包括四個導體線150-1至150-4，每一者沿180度弧長繞恆定半徑螺旋纏繞，該等中間線圈天線的末端以均勻隔開90度的間隔交錯，如第3圖所描述。藉由以圓柱形金屬套管152形式呈現的射頻電流分配器提供射頻功率到導體線150-1至150-4之均勻及對稱分佈，該圓柱形金屬套管具有接觸每一導體線150-1至150-4之頂端的圓形底部邊緣154及連接至四個軸向射頻饋電桿158之環形陣列的圓形頂部邊緣156。藉由第5圖中描述之導體結構將射頻功率送至射頻饋電桿158，隨後將在此說明書中描述該操作。
再參看第1A圖，藉由至中間接地遮罩159的連接將四個導體線150-1至150-4之底端接地。中間接地遮罩159可以圓筒形式呈現。然而，在第1A圖虛線所描述之一個 實施例中，中間接地遮罩159之頂部係與線圈天線150同軸的金屬環159-1。四個導電腳159a至159d(在第1A圖中僅可見四個導電腳中的腳159a及腳159c)自環159-1向下軸向延伸及具有接觸四個導體150-1至150-4之底端的底端。中間接地遮罩159提供自四個導體線150-1至150-4的接地電流之均勻及對稱分佈。
參看第1A圖及第4圖，在碟形介電窗口112之平面下安置側面線圈天線160且該側面線圈天線環繞圓柱形介電側窗106。在一個實施例中，側面線圈天線160包括八個導體線160-1至160-8，每一者沿90度之弧長繞恆定半徑螺旋纏繞，該等側面線圈天線的末端以均勻隔開45度的間隔交錯，如第4圖所描述。藉由以倒置金屬碗162(第1A圖)形式呈現的射頻電流分配器提供射頻功率到導體線160-1至160-8之均勻及對稱分佈，該倒置金屬碗具有附接於各別軸向導體161-1至161-8(在第1A圖中僅可見軸向導體161-1及軸向導體161-5)的圓形底部邊緣164，該等軸向導體分別接觸導體線160-1至160-8之頂端。倒置金屬碗162進一步具有連接至八個均勻間隔的軸向射頻饋電桿168之圓形陣列的圓形頂部邊緣166。圓柱形外部腔室壁170環繞側面線圈天線160且接地。藉由至外部腔室壁170的連接將八個導體線160-1至160-8之底端接地。儘管所描述之實施例包括分別藉由接地遮罩149、接地遮罩159及外部腔室壁170將線圈天線140、線圈天線150及線圈天線160直接連接至接地，但是至接地的該連接可能不需要直接連接，且取而代之的是，至接地的 該連接例如可經由諸如電容器之元件達成。
參看第5圖，與中間線圈天線150相關聯的四個軸向射頻饋電桿158延伸到連接至共用軸向饋電桿174的四個徑向射頻饋電桿172。參看第6圖，與側面線圈天線160相關聯的八個軸向射頻饋電桿168延伸到連接至共用軸向饋電桿178的八個徑向射頻饋電桿176。軸向射頻饋電桿148、共用軸向饋電桿174及共用軸向饋電桿178耦接射頻功率至各別線圈天線140、線圈天線150及線圈天線160。可自共用射頻源或自諸如射頻匹配(射頻阻抗匹配網路)180及182之不同射頻源供應電力。如以下參考第20B圖將描述，可使用具有雙輸出的射頻阻抗匹配網路以便利用第一射頻產生器驅動線圈天線中之兩者，而第二射頻產生器及第二射頻阻抗匹配網路驅動第三線圈天線。或者，如以下參考第20A圖將描述，三個射頻產生器可經由三個各別射頻阻抗匹配網路個別地驅動三個線圈天線。在又一實施例中，單一射頻功率產生器可經由具有三個輸出的射頻阻抗匹配網路驅動全部三個線圈天線。在前述實施例之一些實施中，可個別地調整應用於不同線圈天線的射頻功率位元準以便控制電漿離子密度之徑向分佈。儘管所描述之實施例包括三個線圈天線140、線圈天線150及線圈天線160，但是其他實施例可僅包括三個所描述線圈天線140、線圈天線150及線圈天線160中的一或兩者。
如第1A圖、第5圖及第6圖所描述，僅軸向射頻饋電桿148對稱位於側壁105之對稱軸處，而軸向饋電桿174及軸向饋電桿178位於偏離中心處。此特徵係不對稱的。 相對於側壁105之對稱軸對稱地排列軸向射頻饋電桿148、軸向射頻饋電桿158及軸向射頻饋電桿168。大體平行於工作件支座面121的大體碟形導電接地板184含有開口，軸向射頻饋電桿148、軸向射頻饋電桿158及軸向射頻饋電桿168延伸穿過該等開口。接地板184在上部區域與下部區域之間提供分隔，該上部區域含有非對稱排列的軸向饋電桿174及軸向射頻饋電桿178(及對稱定位的射頻饋電桿148之上部分)，該下部區域僅含有諸如軸向射頻饋電桿148、軸向射頻饋電桿158及軸向射頻饋電桿168之對稱特徵。射頻饋電桿148、射頻饋電桿158及射頻饋電桿168與接地板184電氣絕緣。接地板184電磁遮罩處理區域101，避免接地板184上方不對稱特徵之效應及亦防止在工作件122之電漿處理中的歪斜效應。
參看第1圖及第7圖，碟形介電視窗112之直徑小於外部腔室壁170之直徑。藉由環形頂部氣體板200(隨後在此說明書中描述)在視窗緣周處支撐視窗112，該環形頂部氣體板跨越外部腔室壁170與視窗112之間的間隙，同時維持視窗112下方的空間不含原本抑制射頻功率電感耦合入處理區域101之結構。碟形介電視窗112之直徑不會因此限制腔室直徑。內層線圈天線140及中間線圈天線150(與碟形介電視窗112共同延伸)可控制直徑小於工作件或晶圓122之彼直徑的中間區域內的電漿離子密度分佈。藉由側面線圈天線160經由圓柱形介電視窗106來調控外部區域內的電漿密度。此舉提供對跨越整個晶圓的電漿離子密度分佈的控制，且不需要碟形介電視窗112之直徑伴隨的增大。
參考以上所述，環形頂部氣體板200支撐碟形介電視窗112及跨越外部腔室壁170與碟形介電視窗112之緣周之間的間隙或距離。頂部氣體板200包括環繞開口204的環形物202。環形物202之頂部內緣202a位於介電視窗112之外緣112a下且支撐外緣112a，以及環繞開口204。環形物202之底部外緣202b靜置於外部腔室壁170上。開口204面向碟形介電視窗112。(外層線圈天線160之)軸向導體161-1至161-8延伸穿過頂部氣體板200中的各別絕緣體171。
加熱碟形介電視窗112及圓柱形介電側窗106且獨立於彼此控制該兩者的各別溫度。藉由此說明書中隨後將描述之風扇系統冷卻及藉由現描述之獨立加熱器元件加熱，而獨立加熱及冷卻碟形介電視窗112及圓柱形側窗106。第1A圖、第7圖及第8圖中描述之平面加熱器層220覆蓋於碟形介電視窗112上。加熱器層220係碟形法拉第遮罩形式，具有外部環形物222及自外部環形物222向內部徑向延伸的複數個徑向指224，藉由均勻間隔的孔226使得徑向指224彼此分隔。徑向指224之間隔(界定孔226之寬度)足以容許穿過加熱器層220的射頻功率之電感耦合。加熱器層220係關於側壁105之軸對稱。儘管可使用任何適宜數目的徑向指，但在圖示實例中有24個徑向指224。藉由加熱器層220內的內部電阻元件229(第7圖)電加熱加熱器層220。
在圓柱形介電窗口106與外層線圈天線160之間安置第1A圖及第9圖中描述之圓柱形法拉第遮罩層230，且圓柱形法拉第遮罩層230環繞圓柱形介電側窗106。圓柱形法 拉第遮罩層230具有上圓柱形環232與下圓柱形環234及複數個軸向腳236，該等軸向腳在上圓柱形環232與下圓柱形環234之間軸向延伸且藉由均勻間隔的間隙238分隔。可藉由在法拉第遮罩層230內或與法拉第遮罩層230接觸的內部元件(諸如第1A圖及第7圖所示之加熱器層231)電氣地加熱圓柱形法拉第遮罩層230。
藉由中央雙區域頂板氣體注射器300(第1A圖)及周邊(側面)氣體注射器310(第7圖)之環形陣列將製程氣體注入處理區域101。頂板氣體注射器300位於碟形介電窗口112之中央。在接近側壁106的頂部氣體板200上支撐周邊氣體注射器310。
參看第7圖、第10圖及第11A圖，蓋組件110包括環形氣流板320。藉由如第7圖所示之彈簧板322在氣流板320上固持加熱器層或法拉第遮罩220。氣流板320具有三個氣體輸入埠321a、321b、321c(第10圖)。氣流板320提供自輸入埠321a至雙區域頂板氣體注射器300之第一區域的遞迴氣流路徑，自輸入埠321b至雙區域氣體注射器300之其他區域的遞迴氣流路徑，以及自氣體輸入埠321c至側面氣體注射器310的遞迴氣流路徑。經由第11B圖之底視圖中可見的氣流板320之底表面內的各別氣體埠312供給側面氣體注射器310。遞迴氣流路徑提供均勻分佈的氣流路徑長度至不同的氣體注射區域。亦可藉由遞迴氣流路徑增強氣體分佈之均勻性控制。
參看第11A圖，氣流板320內的第一組或第一級 遞迴氣流路徑330經由氣體埠312將氣體供給至側面氣體注射器310。第一組遞迴氣流路徑330包括半圓形氣流路徑或通道331。耦接氣體注射埠321c至半圓形氣流通道331之中點。氣流路徑331延伸約半圓及在路徑331末端處供給一對弓狀氣流路徑332之中點，弓狀氣流路徑332之每一者延伸四分之一圓，接著弓狀氣流路徑332在路徑332的各別末端處供給四個弓狀氣流路徑334之中點，該四個弓狀氣流路徑334之每一者延伸約八分之一圓。四個弓狀氣流路徑334在該等路徑334末端處供給八個弓狀氣流路徑336之中點，八個弓狀氣流路徑336之每一者延伸約十六分之一圓。氣流路徑336之末端供給用於氣流的氣體埠312至側面氣體注射器310。
參看第12圖，在覆蓋於碟形介電窗口112上的一對相對的徑向氣流接線340、徑向氣流接線342中向雙區域氣體注射器300之一個區域輸送氣流。在覆蓋於碟形介電視窗112上的第二對相對的徑向氣流接線344、徑向氣流接線346中對雙區域氣體注射器300之其他區域輸送氣流，且與第一對徑向氣流接線340、徑向氣流接線342成直角安置第二對相對的徑向氣流接線344、徑向氣流接線346。藉由軸向耦接至雙區域氣體注射器300的氣流轂350提供自四個徑向氣流接線340、342、344、346至雙區域氣體注射器300的連接。
再參看第11A圖，半圓形氣流通道353提供自氣體輸入埠321b至第一對徑向氣流接線340、徑向氣流接線342之外部末端的氣流之均勻分佈。四分之一圓形氣流通道357自輸入埠321b至半圓形氣流通道353之中點提供氣流。半圓 形氣流通道355自氣體輸入埠321a至第二對徑向氣流接線344、徑向氣流接線346之外部末端提供均勻氣流。
如第12圖、第12A圖及第12B圖所描述，可將覆蓋於碟形介電窗口112上的四個徑向氣流接線340、342、344、346之各者圍入加熱器層220的徑向指224之各別徑向指中。
如以上參看第1圖及第12圖之所述，氣流轂350提供四個徑向氣流接線340、342、344、346與雙區域氣體注射器300之間的耦合。第13圖中描述雙區域氣體注射器300之一個實例。第13圖之雙區域氣體注射器300包括具有軸向內部環形通道302-1之中央氣體施配器302及具有傾斜中間環形通道304-1之中間氣體施配器304，軸向內部環形通道302-1軸向地延伸且將氣體擴散至徑向內部區域A，傾斜中間環形通道304-1將氣體擴散至徑向外部區域B。現將參看第13圖、第14A圖、第14B圖、第15圖及第16圖描述氣流轂350。轂350具有四個進氣埠352、354、356及358，該等進氣埠經定向彼此成直角及可連接至如虛線所示的四個徑向氣流接線340、342、344、346。進氣埠352及進氣埠354分別供給各別的分流氣體分佈接線對360、362，該等接線對360、362終止於沿圓形內部分佈通道366的四個等間隔點，通道366與雙區域氣體注射器300之軸向內部環形通道302-1對準。進氣埠356及進氣埠358分別供給各別的分流氣體分佈接線對370、372，該等接線對370、372終止於沿圓形中間分佈通道374的四個等間隔點，通道374與雙區域氣體注射器300之軸 向中間環形通道304-1對準。
再參看第11B圖之底視圖，在一個實施例中，可在氣流板320內提供可選冷卻通道390，該冷卻通道以形成連續路徑的圓形供應通道390a及圓形返回通道390b的形式呈現。外部冷卻劑埠392a及外部冷卻劑埠392b提供供應通道390a及返回通道390b之連接至外部冷卻劑源(第11B圖中未圖示)。可視情況在外部腔室主體壁170內提供內部冷卻劑通道及經由冷卻劑輸入埠供給該內部冷卻劑通道。
參看第1圖及第1B圖，在包括圓柱形下腔室主體側壁405及下腔室主體底板410之下腔室主體400內圍起腔室襯墊107。下腔室主體側壁405及下腔室主體底板410圍起抽空區域411。腔室襯墊107包括以倒置截圓錐形式呈現的上圓柱段107-1及下環形柵格107-2。在底板410中的真空泵開口410a內安置真空泵440且相對於側壁105之對稱軸居中放置該真空泵。與工作件支座115同軸的安全殼壁415及在基座120與安全殼壁415之間延伸的可撓性波紋管417將工作件支座115圍入內部中央空間419。中央空間419與真空泵440抽空的體積隔絕，該體積包括抽空區域411及處理區域101。參看第1B圖、第17圖及第18圖，存在界定徑向出入通道421的三個中空徑向支柱420，該等中空徑向支柱隔開120度間隔，延伸穿過腔室主體側壁405及提供出入口至中央空間419。在三個徑向支柱420之間界定三個軸向排氣通道430。經由徑向出入通道421中不同的通道可提供不同的實用性，例如包括連接至電極130的射頻功率電纜132、在工作件 支座115內連接至加熱器元件的加熱器電壓供應線、連接至電極130的靜電卡盤電壓供應線、冷卻劑供應線及在工作件支座表面121內用於背面氦氣通道的氦供應線。相對於腔室主體固定工作件支座提升致動器450及該提升致動器軸向地移動工作件支座115。可使用工作件支座提升致動器450以改變工作件122與蓋組件110之間的距離。改變此距離改變了電漿離子密度之分佈。可使用提升致動器之移動以改良跨越工作件122之表面的製程(例如，蝕刻)速率分佈之均勻性。可藉由使用者(例如)經由可程式化控制器控制提升致動器450。
包括真空泵開口410a及軸向排氣通道430的軸向居中排氣組件在處理跨越工作件122的分佈中避免不對稱性或歪斜。環形柵格107-2遮蔽處理區域101，避免徑向支柱420之不連續性或影響。具有接地板184下射頻電流流動之對稱分佈的軸向居中排氣元件之組合最小化貫穿的歪斜影響及增強處理區域101內的製程均勻性。
第19圖描述穿過第1A圖之上截段20的冷卻氣流。參看第1A圖及第19圖，腔室主體側壁406環繞蓋組件110。在腔室主體側壁406之頂部邊緣與接地板184之周圍邊緣之間安裝例如以截圓錐形式呈現的下氣室壁500以圍起下氣室502。在下氣室壁500中的各別開口506內安裝排氣風扇504之環形陣列。
接地板184具有中央開口600，該中央開口與內部接地遮罩149共同延伸。圓柱形氣室中央壁606與中央開 口600共同延伸。氣室板610覆蓋於氣室中央壁606上。在返回腔室側壁608、氣室板610、接地板184及中央壁606之間圍起返回腔室612。返回腔室側壁608包括氣流篩段609。穿過接地板184的開口614容許下氣室502與返回腔室612之間的氣流。
藉由以截圓錐形式呈現的上氣室側壁660在頂板655與氣室板610之間圍起上氣室650。在上氣室側壁660中的各別開口667處安裝複數個進氣風扇665。
進氣風扇吸取空氣進入上氣室650，氣流向下流動穿過由中央壁606、接地板開口600及中間接地遮罩149形成的中央開口。覆蓋於碟形介電窗口112上的環形氣流板670圍束了板670與窗口112之間的氣流。舉例而言，此空氣可流過第8圖中法拉第遮罩220之孔226。或者(或此外)，可將空氣圍束於氣流板670與窗口112之間的間隙內。穿過圓柱形遮罩149的向下氣流經由板670之中央開口進入孔226內的空間且在碟形介電視窗112上方向外徑向流動，並進入下氣室502。空氣自下氣室502逸入返回腔室612，又可經由返回腔室側壁608之篩段609自該返回腔室排出。因此，進氣風扇665對碟形介電視窗112提供冷卻。
排氣風扇504針對圓柱形介電視窗106提供冷卻。排氣風扇504經由下腔室側壁170內的進氣埠680吸取空氣及傳遞至圓柱形介電視窗106。藉由自排氣風扇504獨立地操作進氣風扇665，可獨立補償不同介電視窗106及介電視窗112上的不同熱負載，用於每一視窗之精確溫度控制。
第20A圖描述用於三個線圈天線140、150、160的射頻源之一個實施例，該射頻源具有獨立射頻產生器740-1、射頻產生器740-2、射頻產生器740-3及用於各別線圈天線140、150、160的射頻阻抗匹配網路742-1、射頻阻抗匹配網路742-2、射頻阻抗匹配網路742-3。第20B圖描述自單一射頻產生器750-1經由具有雙輸出的射頻阻抗匹配網路驅動內層線圈天線140及中間線圈天線150之實施例。雙輸出射頻阻抗匹配網路180可促進應用於內層線圈天線140及中間線圈天線150的功率位元準之差動控制。由射頻產生器750-2經由射頻阻抗匹配網路182驅動外層線圈天線160。雙輸出射頻阻抗匹配網路180充當兩個單獨的射頻電源，使得該系統中總共存在三個射頻電源。在每一上述實施例中，可在如第1A圖所描述之頂板655上安置射頻阻抗匹配網路。
第21圖描述用於控制第1圖中電漿反應器的控制系統。控制系統回應於電漿反應器內不同位置的溫度感測器，諸如在圓柱形介電窗口106處或在圓柱形介電視窗106內的溫度感測器106'及在碟形介電窗口112處或在碟形介電視窗112內的溫度感測器112'。控制系統包括例如可作為微處理器實施的可程式化控制器800。控制器800具有用於接收溫度感測器106'之輸出的輸入802及用於接收溫度感測器112'之輸出的輸入804。控制器800具有獨立指令輸出，包括調控進氣風扇665之速度的輸出806、調控排氣風扇504之速度的輸出808、調控至氣流板320內冷卻劑埠392a的冷卻劑之流動速率的輸出810、調控接近介電視窗112處電加熱器 229之功率位準的輸出812及調控在圓柱形介電視窗106處電加熱器231之功率位準的輸出814。
在一個實施例中，控制器800經程式化以回應於輸入802、輸入804調控輸出808至輸出814，以便維持視窗106、視窗112處於各別目標溫度，該等目標溫度可藉由使用者提供至控制器輸入816及輸入818。可程式化控制器800使得按回饋控制迴路方式操作，以最小化使用者輸入816與感測器輸入802之間的差異及最小化使用者輸入818與感測器輸入804之間的差異。
如上所述，各種上述實施例中的一些有利影響包括用於增強電漿分佈對稱性的射頻功率到線圈天線之對稱分佈。對線圈遮罩不對稱射頻饋電結構減小了電漿分佈中的歪斜效應。線圈天線之間的互相遮罩增強了線圈天線之獨立控制，獲得電漿密度分佈的優異控制。與對稱線圈天線結合的對稱腔室排氣提供了具有對稱電漿分佈的高密度電漿源。用於不同射頻線圈的單獨介電視窗使得不同的介電視窗能夠獨立熱控制。在處理區域處或在處理區域上方個別地支撐不同介電視窗使得腔室直徑能夠增加超過每一個別介電視窗之直徑，促進了腔室直徑的較大增長。可移動工作件支座電極與對稱線圈天線組合，允許優異地控制中央至邊緣的電漿密度分佈，使得不對稱的不均勻性分量最小化。可移動工作件支座電極與對稱線圈天線組合及進一步與對稱腔室排氣組合允許更好地控制中央至邊緣的電漿密度分佈，使得不對稱的不均勻分量最小化。
儘管上文所述係針對本發明之實施例，但是可在不脫離本發明之基本範疇的情況下設計出本發明之其他及進一步實施例，且由以下申請專利範圍決定本發明之範疇。
10‧‧‧電漿反應器
20‧‧‧反應器上部分
30‧‧‧反應器下部分
100‧‧‧處理腔室
101‧‧‧處理區域
105‧‧‧側壁
106‧‧‧介電側窗/圓柱形介電窗口
107‧‧‧腔室襯墊
110‧‧‧蓋組件
115‧‧‧工作件支座
120‧‧‧基座
121‧‧‧工作件支座表面
122‧‧‧工作件
125‧‧‧柱
140‧‧‧內層線圈天線
150‧‧‧中間線圈天線
160‧‧‧外層/側面線圈天線
230‧‧‧法拉第遮罩層
300‧‧‧頂板氣體注射器
400‧‧‧下腔室主體
405‧‧‧下腔室主體側壁
410‧‧‧下腔室主體底板
410a‧‧‧真空泵開口
419‧‧‧中央空間
440‧‧‧真空泵

Claims (20)

  1. 一種電漿反應器包含：一蓋組件、一軸向對稱側壁及界定一處理區域之一工作件支座；與該側壁同軸之至少一個線圈天線；一腔室主體，該腔室主體界定一抽空區域及與該處理區域及與該抽空區域密封隔開的一中央空間，該中央區域包圍該工作件支座的至少一部分；複數個排氣通道，該等複數個排氣通道在一軸向延伸且耦接至該處理區域及該抽空區域；以及一真空泵埠，耦接至該抽空區域且相對於該側壁居中。
  2. 如請求項1所述之電漿反應器，進一步包含複數個中空出入支柱及各別實用接線，該等支柱徑向延伸穿過該腔室主體至該中央區域，各別實用接線延伸穿過該等複數個中空出入支柱之各別支柱，其中相對於該對稱軸對稱地分佈該等複數個排氣通道及該等複數個排氣通道位於該等複數個中空出入支柱的相鄰支柱之間。
  3. 如請求項2所述之電漿反應器，進一步包含一腔室主體襯墊，該腔室主體襯墊自該腔室主體壁徑向延伸至該安全殼壁，該腔室主體襯墊包含在該處理區域與該等複數個出入支柱之間安置的一氣流柵格。
  4. 如請求項1所述之電漿反應器，其中該一個線圈天線面向該蓋組件，該電漿反應器進一步包含面向該蓋組件之一第二線圈天線及環繞該側壁之一第三線圈天線，在該處理區域之外部安置該第一線圈天線、該第二線圈天線及該第三線圈天線。
  5. 如請求項4所述之電漿反應器，進一步包含複數個射頻電源及複數個電流分配器，該等電流分配器耦接於該內層線圈天線、該中間線圈天線及該外層線圈天線之各別線圈天線與該等複數個射頻電源之各別射頻電源之間，其中該等電流分配器之各者包含與該側壁同軸之一導電表面，該導電表面具有(a)耦接至該等複數個射頻電源之一各別射頻電源的一接收部分及(b)耦接至該等複數個線圈天線之該各別線圈天線的一第一圓形邊緣。
  6. 一種電漿反應器包含：一軸向對稱側壁、覆蓋於該側壁上之一頂板及一工作件支座，該側壁、該頂板及該工作件支座界定一處理區域；一內層線圈天線，安置於該頂板之一外部側面上及覆蓋於該處理區域之一第一徑向區域上；一中間線圈天線，該中間線圈天線環繞該內層線圈天線且安置於該頂板之該外部側面上及覆蓋於該處理區域之環繞該第一徑向區域的一第二徑向區域上；以及一外層線圈天線，在該頂板之一平面下及環繞該側壁。
  7. 如請求項6所述之電漿反應器，其中：該頂板包含一面向該內層線圈天線及該中間線圈天線之碟形介電窗口；以及該側壁包含面向該外層線圈天線之一圓柱形介電視窗。
  8. 如請求項7所述之電漿反應器，進一步包含一接地導電遮罩，該接地導電遮罩介於該內層線圈天線與該中間線圈天線之間且環繞該內層線圈天線及該接地導電遮罩包含與該側壁同軸之一圓柱形部分。
  9. 如請求項6所述之電漿反應器，其中該內層線圈天線、該中間線圈天線或該外層線圈天線之各者包含複數個導體段，該等複數個導體段以一螺旋形繞該側壁之一軸纏繞，該等導體段之各者具有小於一全圓之一第一弧長，該等導體段之後續段沿一軸向自彼此偏離及沿一圓周方向自彼此偏離一不超過該第一弧長的第二弧長。
  10. 如請求項8所述之電漿反應器，進一步包含：複數個射頻電源；複數個電流分配器，耦接於該內層線圈天線、該中間線圈天線及該外層線圈天線之各別線圈天線與該等複數個射頻電源之各別射頻電源之間，其中該等電流分配器之各者包含與該對稱軸同軸之一導電表面，該導電表面具有(a)一接收部 分，該接收部分耦接至該等複數個射頻電源之該各別射頻電源及(b)一第一圓形邊緣，該第一圓形邊緣耦接至該等複數個線圈天線之該各別線圈天線。
  11. 如請求項10所述之電漿反應器，其中該等線圈天線之各者包含繞該對稱軸螺旋纏繞之複數個導體，該等複數個導體之各者具有一供電端及一接地端，該等電流分配器之各者之該第一圓形邊緣在沿該第一圓形邊緣之間隔分離位置連接至該各別線圈天線之該等供電端。
  12. 如請求項11所述之電漿反應器，進一步包含各別射頻饋電組件，該等射頻饋電組件耦接至該等電流分配器之各別電流分配器之該等接收部分。
  13. 如請求項12所述之電漿反應器，其中耦接至該中間線圈天線及該外層線圈天線之每一射頻饋電組件包含：一上部分，該上部分包含一上射頻饋電桿，該上射頻饋電桿自該等射頻電源之一各別射頻電源軸向地延伸及遠離該對稱軸；複數個徑向桿，自一共用中心徑向延伸及電氣連接至該上射頻饋電桿；複數個軸向桿，在該等複數個徑向桿之各別徑向桿與該各別電流分配器之間軸向延伸，相對於該側壁之該軸對稱定位該等軸向桿。
  14. 一種電漿反應器包含：具有一對稱軸之一外殼及該外殼內之一工作件支座，該工作件支座及該外殼界定一處理區域；該外殼包含一金屬部分及一介電部分，該介電部分包含支撐於該金屬部分上的複數個介電視窗，該等介電視窗之各者圍繞該對稱軸延伸，該外殼具有大於該等介電視窗之至少一者之該直徑的一直徑；以及複數個同心線圈天線，安置於該外殼之一外部側面上，該等複數個同心線圈天線之各別線圈天線面向該等介電視窗之各別介電視窗。
  15. 如請求項14所述之電漿反應器，其中：該等介電視窗之一第一介電視窗包含一碟形介電視窗及該等介電視窗之一第二介電視窗包含一圓柱形介電視窗，該圓柱形介電視窗在該碟形介電視窗之一平面下。
  16. 如請求項15所述之電漿反應器，其中該金屬部分包含：一圓柱形腔室主體壁，該圓柱形腔室主體壁環繞該圓柱形介電窗口；一環形頂部氣體板，該板包含支撐於該腔室主體壁上之一周邊部分及穿過該環形頂部氣體板之一中央開口，其中該碟形介電視窗包含支撐於該中央開口之一邊緣上的一圓形邊 緣部分，其中該碟形介電視窗懸掛於該頂部氣體板之該中央開口上方。
  17. 如請求項16所述之電漿反應器，進一步包含在該碟形介電視窗上的一第一加熱器層及包含一徑向外層部分及自該徑向外層部分向內徑向延伸之複數個指。
  18. 如請求項17所述之電漿反應器，進一步包含：一圓柱形遮罩，該圓柱形遮罩與該對稱軸同軸且位於一對該等線圈天線之間，並面向該碟形介電視窗之一內層徑向部分；一頂部風扇氣室，該頂部風扇氣室在一中央氣流路徑內，該中央氣流路徑通過該圓柱形遮罩之一內部並延伸跨越該碟形介電視窗之一表面，及耦接至該頂部風扇氣室的複數個進氣風扇。
  19. 如請求項18所述之電漿反應器，進一步包含一環形氣流板，該環形氣流板覆蓋於該碟形介電窗口上且具有向該圓柱形遮罩之該內部開放的一中心氣流孔，及形成該中央氣流路徑之該徑向路徑的一頂部邊界。
  20. 如請求項14所述之電漿反應器，進一步包含：一射頻功率饋電組件，耦接至該等複數個同心線圈天線及包含複數個導電腳； 一接地板，該接地板徑向延伸及具有該等腳之各別腳延伸穿過之開口，該接地板在一上部區域與一下部區域之間提供一邊界，在該上部區域內該等複數個導電腳中的至少一些腳呈不對稱分佈，在該下部區域內該等各別腳相對於該對稱軸呈對稱分佈。
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