TWI414211B - 用於電漿製程之包含噴頭電極及加熱器之裝置 - Google Patents

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Description

用於電漿製程之包含噴頭電極及加熱器之裝置
本發明係關於一種電漿製程裝置，其包含一噴頭電極及一加熱器。
藉由包含蝕刻、物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)、離子植入及灰化或抗蝕劑移除之技術將電漿製程裝置用於處理基板。最近，歸因於特徵尺寸之收縮及新材料之實施，需要改良電漿製程裝置以控制電漿製程之條件。
本發明提供一種電漿製程裝置，其包含一噴頭電極及一與該噴頭電極熱接觸之加熱器，其中該加熱器可運作以將該噴頭電極之至少一部分加熱至臨限溫度以上。此外，亦可在該裝置中提供一頂板以控制該噴頭電極之溫度或與該加熱器協作以維持該噴頭電極中之預定溫度。
在一實施例中，一噴頭電極總成包含：一經調適成安裝於真空腔室內部之噴頭電極；一附著至該噴頭電極之射頻(RF)分佈構件，其中該RF分佈構件包含一經調適成軸向延伸至該真空腔室之溫度控制頂壁之開口中的第一部分，且該RF分佈構件包含一橫向延伸經過該噴頭電極且提供RF路徑及熱路徑之第二部分；及一熱路徑構件，其附著至RF分佈構件且經調適成將真空腔室之頂壁與RF分佈構件之第二部分之間的熱路徑提供至該噴頭電極。在另一實施例中，RF分佈構件亦可包含將製程氣體供應至噴頭電極之至少一氣體通路。
在另一實施例中，一噴頭電極總成包含一經調適成安裝於真空腔室內部之噴頭電極；一附著至該噴頭電極之氣體分佈構件；一附著至該氣體分佈構件之熱路徑構件；及一附著至該熱路徑構件之加熱器，其中該加熱器經由該氣體分佈構件及該熱路徑構件將熱量傳輸至該噴頭電極。在另一實施例中，該氣體分佈構件可為一將RF功率分佈至噴頭電極之導電材料。
本發明亦提供一種控制電漿蝕刻之方法，其包含：將功率供應至電漿蝕刻腔室中之加熱器；藉由將熱量自加熱器傳導至噴頭電極而在電漿蝕刻腔室中將噴頭電極之至少一部分加熱至預定溫度；經由噴頭電極將製程氣體供應至電漿蝕刻腔室；及藉由將RF功率施加至噴頭電極並將製程氣體激發成電漿狀態而在電漿蝕刻腔室中蝕刻半導體基板，其中藉由一熱路徑構件使施加至加熱器之功率與施加至噴頭電極之功率彼此電隔離。
需要控制諸如電漿化學、離子能量、密度及分佈、電子溫度等之電漿參數來改變電漿製程結果。除了該等電漿參數控制之外，電漿腔室中限制電漿之表面溫度亦可用以控制電漿化學，且因此控制半導體基板（諸如晶圓）上之電漿製程結果。
電漿蝕刻製程（諸如氧化物蝕刻）中所使用之噴頭電極的溫度可大範圍地變化。當於單一晶圓電漿蝕刻腔室中蝕刻一系列晶圓時，已觀察到，射頻(RF)提供功率之噴頭電極之各種部分的溫度隨時間而改變，且歸因於RF提供功率之噴頭電極所產生之熱量，噴頭電極之中心部分較邊緣部分更熱。例如，噴頭電極之中心與邊緣之間的溫度差可為約100℃或更高。當電極以較高功率位準（例如，3,000至6,000瓦特）運行時，此溫度變化會更明顯，且可導致電漿蝕刻之不均勻性。因此，在生產運行期間，減小RF提供功率之噴頭電極之溫度變化可提供晶圓之更均勻的電漿蝕刻。此外，在生產運行期間維持RF提供功率之電極的最低溫度可改良光阻選擇性。
根據使用期間所產生之熱量引起的RF提供功率之噴頭電極的溫度波動，提供一加熱器以將RF提供功率之噴頭電極之中心及邊緣部分維持在所要溫度範圍內，例如，自中心至邊緣之溫度變化小於50℃、較佳小於25℃。藉由加熱RF提供功率之噴頭電極協同自諸如腔室之頂壁（頂板）之溫度控制構件冷卻，可在電漿製程裝置運作期間於RF提供功率之噴頭電極中提供所需之溫度分佈。根據一較佳實施例，噴頭電極之中心部分與邊緣部分之間的溫度差可維持於一有效於改良電漿製程之均勻性的範圍內，該電漿製程諸如在介電材料（諸如二氧化矽）中電漿蝕刻高縱橫比開口。
在一較佳實施例中，電漿製程裝置包含加熱器、溫度控制散熱片及噴頭電極，其中該噴頭電極係由RF提供功率。此實施例之電漿製程裝置允許藉由噴頭電極之主動加熱及主動冷卻來控制噴頭電極之溫度。
圖1展示根據第一實施例之電漿製程裝置100的橫截面圖，該裝置包含一加熱器及一上方噴頭電極溫度控制系統。在圖1中，電漿製程裝置100具有一位於真空腔室150中之加熱器700及一溫度控制器900。
如圖1中所說明，諸如電漿蝕刻腔室之真空腔室150中包含一上方噴頭電極200及一基板支撐件300，上方噴頭電極200與基板支撐件300經間隙400隔開，一基板在該間隙內得以處理。上方噴頭電極200包含一有孔或多孔平坦或非平坦表面以將反應性氣體分配於基板之曝露表面上。在上方噴頭電極200上方提供一氣體分佈構件500，其中氣體分佈構件500自真空腔室150外部之氣體供應550將製程氣體提供至上方噴頭電極200。氣體分佈構件500亦為導電的，且自真空腔室150外部之RF功率供應570將RF功率分佈至上方噴頭電極200。
又，如圖1所說明，加熱器700位於氣體分佈構件500之水平延伸部分的上方，其中加熱器700經由氣體分佈構件500及導熱絕緣體600將熱量提供至上方噴頭電極200，其中絕緣體600經提供於加熱器700與氣體分佈構件500之間。絕緣體600為導熱的電絕緣體，其功能在於使加熱器700與氣體分佈構件500電絕緣，而允許將來自加熱器700之熱量傳導至氣體分佈構件500。因此，經由氣體分佈構件500所傳輸之RF功率與供應至加熱器700之功率電隔離，而仍然允許加熱器700與上方噴頭電極200之間的熱傳導。
為了控制上方噴頭電極200之溫度，提供一溫度控制器900，其使用任何適當之溫度監控配置（諸如至少一溫度感應器950）以量測上方噴頭電極200的溫度(T)。溫度感應器950可包含一位於上方噴頭電極200之背側附近之光纖溫度感應元件，或溫度感應器950可熱連接至上方噴頭電極200。例如，如圖1所說明，溫度感應器950位於上方噴頭電極200之邊緣部分附近。基於上方噴頭電極200之由溫度感應器950所提供之代表溫度T的資料/訊號，溫度控制器900可用於判定上方噴頭電極200之溫度是否必須增加至預定溫度(Tp)。若T小於Tp，則溫度控制器900可運作以啟動功率供應250，該功率供應將功率提供至加熱器700，從而增加了加熱器700之溫度，該加熱器又增加了上方噴頭電極200之溫度。
可藉由交流(AC)或直流(DC)功率供應250向加熱器700提供功率，其中AC或DC功率供應250係由溫度控制器900所控制，如上文所提及。
又，如圖1中所說明，加熱器700係藉由溫度控制頂板800而得以支撐，該頂板形成腔室之真空密封上壁。頂板800電性接地且可具有流體控制裝置850，該裝置亦係由溫度控制器900所控制，且可包含一溫度冷卻器以冷卻穿過頂板800之流體。或者，在沒有流體控制裝置850之情況下，可以連續或不連續方式來冷卻頂板800。例如，可使水連續地穿過頂板800而無需使用流體控制裝置850。
若使用溫度控制器900，則可視需要調整頂板之溫度。例如，若T大於Tp，則溫度控制器900可使得流體控制裝置850使冷卻流體流過頂板800以冷卻加熱器700，然後該加熱器充當上方噴頭電極200之散熱片且因此冷卻上方噴頭電極200，如下文所論述。然而，可使通過頂板800之流體連續地循環，且可視情況升高或降低流體之溫度，及/或可基於來自溫度控制器900之指令而增加或減少流體之流動速率。
此外，如圖1中所說明，上方電絕緣體630用於使頂板800與氣體分佈構件500電絕緣。又，環繞上方噴頭電極200及氣體分佈構件500之橫向電絕緣體620、640用於使上方噴頭電極200與加熱器700電絕緣。
基板支撐件300包含一下方電極及一位於其上表面上之可選靜電夾盤(ESC)，該上表面與裝置100中之上方噴頭電極200相對。因此，經受電漿製程之基板可藉由或不藉由機械地或靜電地夾持於基板支撐件300之上表面上來支撐。
在第二實施例中，裝置100可供入氣體分佈構件500而無加熱器700，其中在裝置100內氣體分佈構件500可與電漿蝕刻腔室之其它部分經RF絕緣。在此實施例中，視需要可使用絕緣體600及/或其它絕緣構件使氣體分佈構件500經RF絕緣以允許RF穿透過氣體分佈構件500。
亦在第二實施例中，氣體分佈構件500包含一板505及一軸向延伸構件508，其中軸向延伸構件508包含一RF連接以容納一電連接至RF功率供應570之電纜。因此，構件508用於將來自RF功率供應570之RF功率分佈至板505，然後經由板505與上方噴頭電極200之間的接觸點分佈至上方噴頭電極200。例如，板505可包含與上方噴頭電極200之背側相接觸之複數個環形突出物。
此外，軸向延伸構件508之功能係將來自氣體供應550之製程氣體分佈至板505與上方噴頭電極200之間的一或多個壓力室(plenum)。同樣，RF功率與製程氣體皆經由氣體分佈構件500而供應至上方噴頭電極200。藉由經由氣體分佈構件500供應RF功率，可於上方噴頭電極200上更均勻地供應RF功率，以便減小越過上方噴頭電極200之曝露表面之自中心至邊緣之溫度變化。又，藉由經由構件500供應製程氣體，可能以所要之流動速率將製程氣體輸送至腔室中之一或多個區域。
在圖3中，其說明一運作第三較佳實施例之裝置100之較佳方法。如圖3所示，該方法自將晶圓插入至支撐件300上之步驟1100開始。然後，在步驟1200中，上方噴頭電極200中之溫度感應器950量測上方噴頭電極200之溫度。
然後，在步驟1300中，溫度控制器900比較量測溫度(T)與預定溫度範圍(Tp)，其中該預定溫度範圍對應於上方噴頭電極200之所要溫度。若T小於Tp，則在步驟1320中將功率提供至加熱器，以將上方噴頭電極200加熱一預定量，然後重複步驟1200以判定供應至加熱器700之功率量是否適當。若T大於Tp，則在步驟1340中使冷卻流體穿過頂板，並重複步驟1200以判定穿過頂板800之冷卻流體的量是否適當。若T大約等於Tp，則在步驟1400中處理晶圓，並在步驟1600中判定另一晶圓是否待處理之前，在步驟1500中移除晶圓。若沒有其它晶圓待處理，則在步驟1700中結束程序，但是若另一晶圓待處理，則重複該程序並在步驟1100中插入晶圓。
應注意，溫度控制器可為任何類型之資訊處理器，諸如獨立式電腦或內部邏輯開關。
又，應注意，所提供之功率及冷卻流體的量視情況而變化，此視製程及運作條件而定。例如，若T比Tp小得多，則與若T略小於Tp相比，可在步驟1320處將更多功率提供至加熱器700。
圖4說明第三實施例。在圖4中，除了第一實施例之組件外，其說明具有背襯構件220（諸如黏結至電極200之石墨板彈性體）之上方噴頭電極200，其中氣體分佈構件500附著至背襯構件220（例如，構件500可藉由螺栓或其它扣件而緊固至構件220）。例如，可提供背襯構件220以增強電極200之結構支撐，且該構件可藉由接觸螺栓225而附著至氣體分佈構件500，如下文所論述。此外，除了上文所提及之上方及橫向電絕緣體630、640之外，在軸向延伸構件508之外部橫向區域及加熱器700與頂板800之內部橫向區域上提供電絕緣的第二絕緣體650。
在第三實施例中，背襯構件220藉由彈性體黏結而較佳附著至上方噴頭電極200之背側（例如，參看共同讓渡之美國專利第6,194,322 B1號及第6,073,577號，其全文以引用之方式倂入本文中）。構件220包含氣體通路226，該等氣體通路與上方噴頭電極200中之氣體通路206對準以將氣流提供至間隙400中。頂板800形成裝置100之可移除且真空密封之頂壁且具有散熱片之功能，該散熱片與加熱器700協作以控制上方噴頭電極200之溫度。
背襯構件220較佳係由以下一材料製成：該材料與用於處理電漿製程腔室中之半導體基板之製程氣體在化學性質上相容，具有與電極材料之熱膨脹係數嚴密匹配之熱膨脹係數，及/或為導電及導熱性。可用於製造背襯構件220之較佳材料包含（但不限於）石墨及碳化矽(SiC)。
第三實施例之特徵亦在於環繞電極200之接地電極250。此外部電極構件250用於較大晶圓製程，諸如300 mm之晶圓，且外部電極構件250亦具有背襯環260及電性接地環270，該接地環位於外部電極構件250上鄰接於絕緣體600及橫向電極絕緣體640。可在共同讓渡之美國專利申請案第10/645,665號中發現此電極配置之另外細節，該案之主旨以引用之方式倂入本文中。若須要，則腔室可包含環繞間隙400之電漿限制配置，可在共同讓渡之美國專利第6,602,381 B1號及美國專利第5,534,751號中發現其細節，該等專利之全文以引用之方式倂入本文中。
此外，如係圖4之放大部分的圖5所說明，背襯構件220與氣體分佈構件500之間的接觸點520經展示為自氣體分佈構件500向上方噴頭電極200及背襯構件220突起之突起部分。圖5之橫截面中將接觸點520說明為自氣體分佈構件500突起之同心環。然而，接觸點520可為連續或不連續環、間隔之個別點或能夠在其中傳輸RF功率並傳導熱量之任何其它形狀的構件。若使用連續接觸點環，則可於該等環中提供通道，以允許形成於該等環與噴頭電極之背側之間的壓力室之間的氣體連通。另一方面，若無需交叉連通，則可省去該等通道，且因此接觸點環之一側上的氣體意欲與該等環之另一側上的氣體隔離。例如，如圖4所說明，在氣體分佈構件500與上方噴頭電極200之間提供三個同心環。
氣體分佈構件500之每一接觸點520視所要之RF量及導熱性而可具有一接觸面積、以及自氣體分佈構件500將氣體供應至上方噴頭電極200所要之面積。例如，如圖5所說明，氣體分佈構件500與背襯構件220之間的壓力室允許其間之氣體通路，而接觸點520允許RF及導熱性。
較佳地，由氣體分佈構件500與上方噴頭電極200之間的接觸點520所提供之接觸面積大約為氣體分佈構件500之總表面積的0.1%至99.9%，例如1%至5%、5%至15%、15%至30%、30%至45%、45%至60%、60%至75%、75%至90%或90%至99.9%。
在例示性實施例中，接觸點520經提供為四個整體形成之連續環，每一環之寬度為0.5英吋。在此實施例中，在具有約12.2"之外徑的氣體分佈構件500上，第一環具有約2.5"之內徑及3"之外徑，第二環具有約5"之內徑及5.5"之外徑，第三環具有約8"之內徑及8.5"之外徑，且第四環具有約11"之內徑及11.5"之外徑，其中上方噴頭電極200具有大約相同於氣體分佈構件500之直徑的直徑。在此實施例中，接觸面積為氣體分佈構件500之總面積的15%至20%。
此外，上方噴頭電極200可具有任何所要尺寸或組態之少數氣體出口或許多氣體出口，此視反應器及/或其中進行之製程而定，其中間隙400可為任何所要之間距，例如，1"至10"、2"至5"或3"至6"。例如，若間隙較大（例如，約6 cm或更大），則可在上方噴頭電極200之中心處提供僅僅少數氣體出口，而在氣體分佈構件500與上方噴頭電極200之間提供高的接觸面積，例如90%以上（諸如約99%）。
此外，亦說明接觸螺栓225，其中接觸螺栓225將上方噴頭電極200及背襯構件220緊固至氣體分佈構件500，其中氣體分佈構件500支撐背襯構件220及上方噴頭電極200。例如，可將穿過構件500之接觸螺栓225擰至構件220中之螺紋孔中。
除了使用加熱器700、頂板800、溫度感應器950、功率供應及溫度控制器900之外，亦可藉由控制加熱器700與頂板800之間的溫度傳導來進一步控制電極200之溫度。
例如，如圖5中所說明，加熱器700可包含形成熱阻流(thermal choke)750之突出物，或裝置100可包含與加熱器700隔開之熱阻流750，該等熱阻流較佳為阻流環。熱阻流750以任一方式抵抗熱量流動，並抑制加熱器700與頂板800之間的熱傳導，其中為了控制熱量流動，可調整熱阻流750之尺寸及材料。例如，若需要較少之熱量流動，則熱阻流750可較窄或可由導熱較小之材料製成。
較佳地，熱阻流750經尺寸化以控制導熱性，其中熱阻流750與加熱器700之間的接觸面積可在加熱器面積之1%至100%的範圍內，例如，1%至5%、5%至15%、15%至30%、30%至45%、45%至60%、60%至75%、75%至90%或90%至100%。
在一例示性實施例中，熱阻流750經提供為三個離散的連續環，每一環之寬度為1英吋。在此實施例中，在具有3"之內徑及16.7"之外徑的加熱器700上，第一環具有3"之內徑及4"之外徑，第二環具有10.5"之內徑及11.5"之外徑，且第三環具有約15.6"之內徑及16.6"之外徑。在此實施例中，熱阻流750與加熱器700之間的接觸面積在加熱器700之總面積的20%至25%範圍內。
熱阻流750可由任何材料製成，但較佳係由具有較用於加熱器700及/或頂板800之材料之導熱性相同或較低的導熱性之材料製成。例如，熱阻流750可由鋁或不銹鋼製成，但是在加熱器700及頂板800係由鋁或鋁合金製成之情況下，該等熱阻流較佳係由具有較低導熱性之不銹鋼製成。
又，加熱器700可藉由扣件而附著至頂板800，在熱阻流750與加熱器700為整體之情況下，該等扣件可延伸穿過頂板800中之過大尺寸的開口（未圖示），並延伸至熱阻流750之表面之螺紋開口中。在熱阻流750為來自加熱器700之分離件之情況下，如上文所指示，熱阻流750可附著至頂板800，且可將穿過熱阻流750中之開口的額外螺栓擰至加熱器700中之螺紋開口中。
在附著螺栓未密封於頂板外部之情況下，可將附著至熱阻流、加熱器及噴頭總成之附著點限制至真空密封區域。例如，如圖5所說明，可藉由O形環95於加熱器700與頂板800之間提供此等真空密封區域。O形環亦可位於各種組件之間。例如，O形環95可用以在頂板800與加熱器700之間、在加熱器700與絕緣體600之間、在絕緣體600與氣體分佈板500之間、及/或在加熱器700與電性接地環270之間創建真空密封區域。
又，如上文所提及，上方噴頭電極200較佳係由RF提供功率。然而，上方噴頭電極200（及下方電極）可經電性接地或提供功率，其中較佳藉由射頻(RF)或直流(DC)電源提供功率。較佳地，對於電漿製程而言，以兩種或兩種以上的頻率（例如，2 MHz及27 MHz）藉由RF功率對一電極提供RF功率而將另一電極接地。例如，參看共同讓渡之美國專利第6,391,787號，其全部揭示內容以引用之方式倂入本文中。
在第四實施例中，控制上方噴頭電極之溫度以使形成於圖案化光阻(PR)之開口中的條紋最小化，該等圖案化光阻用於在諸如二氧化矽之層中蝕刻特徵，例如，諸如高縱橫比接觸(HARC)之特徵。窄特徵之蝕刻中存在之一問題在於可能在上覆PR側壁上出現條紋。該等條紋為垂直延伸的不規則物，其導致粗糙的PR側壁。因為PR用作蝕刻中之光罩，所以此等不規則物經轉印至下伏層。下伏層（諸如二氧化矽）中之條紋使得難以將材料（諸如金屬）填充至蝕刻特徵中，且可由於不規則形狀之特徵而引入可靠性及效能問題。由於該等原因，因此需要提供對光阻具有選擇性、不會產生蝕刻終止且會減少條紋出現之氧化物蝕刻製程。
上方噴頭電極之溫度可維持於高溫以使PR之蝕刻速率最小化，因此使PR損耗及PR中之條紋程度最小化。例如，如圖7所示，藉由使用加熱器700並結合上方噴頭電極200，例示性上方噴頭電極之溫度自約75℃至約225℃之增加會導致聚合物之沉積及PR上之聚合物累積，意即，PR之蝕刻速率自約20/min減小至約－540/min，其中負蝕刻速率對應於聚合物之沉積及PR上之聚合物累積。
此於圖8中得以進一步說明，其描繪例示性上方噴頭電極溫度對相應PR蝕刻速率之影響。在圖8中，C4 F6 /O2 蝕刻氣體係經由圖案化PR之開口而供應給二氧化矽層中之蝕刻特徵，其中上方噴頭電極具有20℃至80℃範圍內之溫度及於其邊緣區域處所量測之噴頭溫度。在圖8中，展示到PR蝕刻速率自使用20℃之噴頭電極時的約250/min減少至負蝕刻速率（意即，聚合物累積），因為使用80℃之噴頭電極時蝕刻速率變為－1000/min。
另外，圖9a－d為說明上方電極溫度（圖9a中為70℃、圖9b中為90℃、圖9c中為105℃、且圖9d中為130℃）對蝕刻期間所引起之條紋的影響之實例的顯微照片。在圖9a中，其中圖9a與圖9b相比在此實例中為最低溫度70℃，圖9b在此實例中為第二最低溫度90℃，PR中開口圓周周圍之條紋在較高噴頭電極溫度時減少。此於圖9c及圖9d中得以進一步說明，該等圖在溫度上分別逐漸地繼續增加至105℃與130℃，且亦展示PR中開口圓周周圍之條紋因噴頭電極溫度增加而減少。
因此，具有高溫之上方噴頭電極可在電漿蝕刻期間導致形成於PR中之條紋減少。
A.加熱器加熱器700可包含任何類型之主動加熱器。較佳地，加熱器700包含一具有至少一電阻加熱元件之金屬板，其中該電阻加熱元件加熱該板以對上方噴頭電極200提供均勻熱量。雖然可使用任何加熱器組態，但是較佳的是使用電阻加熱元件並結合導熱板，其中該板較佳係由金屬材料（諸如鋁、鋁合金或其類似物）製成，該金屬材料較佳經機械加工為一與上方噴頭電極200相容之形狀。例如，加熱器700可在鑄造鋁合金板中包含至少一電阻加熱元件。
根據一較佳實施例，當溫度控制器900運作功率供應250以將功率輸送至加熱器700時，加熱器700提供熱量，其中該溫度控制器可藉由控制功率供應250來改變加熱器循環時間及加熱狀態。例如，可藉由10或12秒之脈衝循環對加熱器700提供高達約7000瓦特之功率，以越過上方噴頭電極200維持（例如）80℃至200℃之臨限溫度，例如，100℃至120℃、120℃至140℃、140℃至160℃、或160℃至180℃。
加熱器700較佳以預定熱介面特性與頂板800熱接觸（意即，該加熱器間接地接觸該頂板，或可在該加熱器與該頂板之間插入一或多個熱傳導材料）。該等熱介面特性允許加熱器700結合頂板800來控制上方噴頭電極200中之溫度。應注意，該加熱器視需要亦可用作熱路徑之一部分以自上方噴頭電極200移除熱量，其中加熱器700又可藉由頂板800來冷卻。加熱器700亦可藉由可自腔室外部延伸經過頂板800中之開口（未圖示）之扣件而附著至頂板800，以便使頂板800支撐加熱器700。
在基板之電漿製程期間，意即，當電漿於上方噴頭電極200與下方電極之間被產生時，亦可啟動加熱器700。例如，在利用相對低之施加功率位準以產生電漿之電漿製程運作期間，可啟動加熱器700以將上方噴頭電極200之溫度維持於所要溫度範圍內。在利用相對高的功率位準之其它電漿製程運作（諸如介電材料蝕刻製程）期間，上方噴頭電極200之溫度可於連續運行之間保持足夠高，使得加熱器700無需經啟動來防止上方噴頭電極200之溫度降至最小或臨限溫度以下。
電漿製程裝置中由RF提供功率之上方噴頭電極200所產生之熱量可使上方噴頭電極200之溫度改變而無需使用加熱器。加熱器700與頂板800之組合可用於較佳電漿製程裝置中，以將上方噴頭電極200之臨限溫度維持於一預定溫度以上，例如，在約80℃或以上、在約100℃或以上、或甚至是在約150℃或以上，此視電漿製程需求及由上方噴頭電極200所產生之熱量而定。較佳地，加熱器700與頂板800之組合可用以在生產運行之初始晶圓的整個處理中達成並維持上方噴頭電極200之臨限溫度，或對在生產運行期間所處理之每一晶圓維持一臨限噴頭電極溫度，其中在腔室中逐個地處理一批晶圓。
為了使加熱器700與頂板800之間的相對表面之因差異熱膨脹而造成之磨損最小化，可在加熱器700與頂板800之相對表面之間提供潤滑材料760。或者，該潤滑材料可經提供於熱阻流750與加熱器700之間的相對表面之間、及熱阻流750與頂板800之間的相對表面之間。例如，如圖5所說明，一層潤滑材料760可置放於加熱器700之上表面與頂板800之下表面之間。較佳地，該潤滑材料之位置位於由O形環密封件所界定之真空密封件的大氣側。
潤滑材料760較佳具有低水平之接觸抗性以使由相對表面間之移動所引起之磨損最小化。此外，潤滑材料760較佳具有足夠之導熱性以提供自加熱器700至頂板800及/或熱阻流750之足夠的傳熱。應注意，潤滑材料760亦可用於其它組件表面上，諸如用於加熱器700與絕緣體600之相對表面之間、及/或氣體分佈板500與上方噴頭電極200之間。
提供該等特性之較佳材料為石墨材料，諸如"GRAFOIL"，其可購自UCAR Carbon Co., Inc., Cleveland, Ohio。潤滑材料760較佳為一具有較佳約0.01英吋至約0.06英吋且更佳約0.03英吋之厚度的密封墊。潤滑材料760較佳為一固持於一形成於組件表面上之環形凹槽中之環狀密封墊，該組件諸如（例如）在加熱器700與熱阻流750之間、及/或在熱阻流750與頂板800之間。
加熱器700包含一加熱元件，其可較佳為一金屬加熱元件或一層壓板(laminate)，該層壓板具有一安置於聚合材料相對層之間的耐熱材料。例如，金屬加熱元件可為一位於鑄造金屬加熱器箱中之加熱元件、或一位於形成於加熱器中之通道中之加熱元件。或者，若使用層壓板加熱元件，則層壓板應能夠經受由加熱器700所達到之高達200℃之運作溫度。應注意，若使用層壓板加熱元件，則絕緣體600為可選的，因為該層壓板加熱元件中之層壓板材料可充當介電絕緣體。一可用於層壓板中之例示性聚合材料為以商標Kapton7出售之聚醯亞胺，其可購自E.I. du Pont de Nemours and Company。
加熱器700可具有以任何合適圖案配置之一或多個加熱元件，該圖案在上方噴頭電極200上提供熱均勻之加熱。例如，加熱器700可具有耐熱管線之規則或不規則圖案，諸如鋸齒形(zig－zag)、蜿蜒蛇形(serpentine)或同心形圖案。
B.頂板頂板800較佳結合加熱器700而運作以控制上方噴頭電極200之溫度，其中頂板800可用於藉由穿過加熱器700之熱路徑來冷卻加熱器700及/或上方噴頭電極200。雖然可使用任何導熱材料，但是頂板800可較佳由鋁或鋁合金製成。當安裝時，噴頭總成較佳覆蓋腔室內部之頂板800的下側。
頂板800包含一或多個流動通路，經由該等通路可使溫度控制流體循環。該溫度控制流體較佳為傳熱流體（液體或氣體），諸如（例如）去離子水。此外，對於裝置100、加熱器700及/或上方噴頭電極200而言，頂板800較佳具有電接地以及散熱片之功能，此可能係所要的。
C.溫度感應器裝置100可包含一或多個溫度感應器950（諸如熱電偶或光纖配置）以監控上方噴頭電極200之溫度。在較佳實施例中，藉由溫度控制器900監控該（該等）溫度感應器950，該溫度控制器控制自功率供應250至加熱器700之功率、及/或控制自流體控制850經由頂板800之作為監控溫度之函數的流體流動。因此，由溫度感應器950提供至溫度控制器900之資料允許溫度控制器900啟動功率供應250或流體控制850，而以連續或間歇方式將功率或冷卻流體分別供應至加熱器700及/或頂板800，以便加熱、冷卻或維持上方噴頭電極200處於或大約處於一預定溫度或溫度範圍。由於主動加熱及/或冷卻，可防止上方噴頭電極200之溫度降至預設最小溫度或臨限溫度以下或增加至預設最大溫度以上，或可將其保持處於或大約處於一預定溫度。
D.氣體分佈構件如上文所提及，裝置100亦可包含一位於上方噴頭電極200上方且與其形成流體連通之氣體分佈構件500。較佳地，藉由使用上方噴頭電極200並結合氣體分佈構件500，可處理經輸送至基板上方之一或多個氣體分佈區域之製程氣體。此外，氣體分佈構件500可用於將氣體分佈至上方噴頭電極200之背側而無需阻礙以控制氣流。參看（例如）共同讓渡之美國專利第6,508,913號，其揭示了一用於處理半導體基板之氣體分佈系統，該半導體基板包含用於將混合氣體輸送至腔室中之若干區域的複數個氣體供應及氣體供應管線，且該專利之全文以引用之方式倂入本文中。
圖10中說明氣體分佈構件500之一較佳實施例，其中氣體分佈構件500包含一徑向或橫向延伸之圓形金屬板505及一軸向延伸之圓柱轂(hub)508，其中兩者較佳係由鋁製成且在接觸區域170處同軸地對準，使得經提供至軸向延伸轂508之氣體可穿過金屬板505至噴頭電極200之背側處之一或多個壓力室。轂508及板505可由單件材料形成、或可由黏結或機械地緊固於一起之多件材料形成。如圖4所說明，軸向延伸轂508及金屬板505可為單件材料。或者，板505可包括黏結或機械地緊固於一起之兩個重疊板，例如，另一金屬板106可附著至板505之下表面，其間之氣體通道用於經由平板106中之出口而將製程氣體供應至金屬板106與電極200之間的一壓力室或多個壓力室中，如圖4中所說明。或者，如圖1及圖2中所說明，軸向延伸轂508及獨立金屬板505可包括氣體分佈板500。
又，如圖2及圖5中所說明，氣體分佈構件500可用於自RF功率供應570將RF功率輸送至上方噴頭電極200，例如，可藉由一附著至轂508上之RF輸入連接之電纜供應來自RF產生器之RF功率，使得可經由軸向延伸轂508、金屬板505並越過上方噴頭電極200供應RF功率。
在一較佳實施例中，金屬板505包含穿過其主體之交叉孔，以形成環形分佈管道151、與管道151形成流體連通之徑向延伸氣體通路160及與通路160形成流體連通之軸向延伸的氣體出口115、122、125。例如，參看圖10及圖11。同樣，如圖10所說明，軸向延伸轂508亦較佳穿過其主體鑽孔以形成一或多個軸向延伸之氣體饋入110、120。藉由使用氣體饋入110、120、管道151、氣體通路160及出口115、122、125，氣體分佈構件500可將氣體分佈提供至上方噴頭電極200之背側處之一或多個壓力室，其中氣體通路160經由管道151而連接至軸向延伸轂508中之一或多個氣體饋入110、120，如圖10所說明。因此，不同製程氣體化學及/或流動速率可應用於被處理之基板上的一或多個區域。
在一實施例中，可無需使用阻礙而完成氣流之分佈，例如，裝置100可含有控制點128以控制氣體自氣體供應550至出口115、122、125之流動。該等控制點128較佳為壓縮板(constrictor plate)，其可控制流經控制點128之氣體量，且因此控制流經出口115、122、125之氣體量，如圖10所說明。
較佳地，氣體分佈構件500包含與上方噴頭電極200接觸之一或多個氣體密封件或障壁，以引導氣體經由氣體通路至上方噴頭電極200之背側處之一或多個壓力室。例如，如圖10所說明，位於金屬板505之下側與上方噴頭電極200之背側之間的O形環障壁180可用於在金屬板505與上方噴頭電極200之間建立壓力室，例如，中心壓力室190及外部壓力室195。
氣體供應550可將一或多種個別氣體或氣體混合物提供至噴頭電極200之背側處之各自壓力室。例如，內部及外部壓力室可供應有不同流動速率之相同製程氣體及/或不同氣體或氣體混合物，以在半導體基板之製程期間於間隙400中達成所要之製程氣體分佈。
E.絕緣體裝置亦可包含一絕緣體600，其較佳為導熱但電絕緣的，且其更佳為陶瓷，諸如氮化鋁或氮化硼。此絕緣體600用於輔助使施加至上方噴頭電極200之RF功率與其它電源及與其它電源相關聯之其它導電部件（諸如加熱器700的導電部件）隔離。因此，絕緣體600可允許將加熱器700電隔離但是與上方噴頭電極200熱接觸地置放，使得可藉由減小加熱器之AC或DC功率與上方噴頭電極200之RF功率之間的電干擾來加熱上方噴頭電極200。
絕緣體600較佳經尺寸化以大體上填充氣體分佈構件500與加熱器700之間的區域，但是該絕緣體亦可經成型以包含一使氣體分佈構件500之外部邊緣區域電絕緣之第二部分620。然而，絕緣體600最佳經成型以使加熱器700及其它導電部件（諸如頂板800）與施加至上方噴頭電極200及其相關聯之導電RF供應路徑（諸如氣體分佈構件500）之RF功率電絕緣。
此外，絕緣體較佳經尺寸化以對預定功率位準提供預定水平之電絕緣。例如，由Lam Research Corporation（本申請案之受讓人）所製造之2300 ExelanT M 電漿腔室中所提供之絕緣體層600可經尺寸化至0.2至1.0英吋之間的厚度，更佳為0.3至0.8英吋之間的厚度，例如，0.5至約0.75英吋之間的厚度。
F.子總成(subassembly)為了在結構上支撐裝置100之組件，採用機械扣件來將該等組件相對於彼此而固持於適當之位置。金屬螺栓較佳地用作機械螺栓，其中該等螺栓用以將每一組件附著於裝置100內。較佳地，使用兩個獨立子總成來簡化裝置100之總成，以及便於組件在裝置100內之維護及替換。
為了形成第一子總成，上方噴頭電極200藉由螺栓而附著至氣體分佈構件500，該等螺栓穿過氣體分佈構件500至噴頭電極200之背側中的螺紋開口或螺紋插入物中，該氣體分佈構件又藉由螺栓而附著至絕緣體600，該等螺栓穿過絕緣體600至氣體分佈構件500之背側中的螺紋開口或螺紋插入物中。為了形成第二子總成，熱阻流750藉由螺栓而栓接至頂板800，該等螺栓穿過頂板800至熱阻流750之背側中之螺紋開口或螺紋插入物中，且頂板800藉由螺栓而栓接至加熱器700，該等螺栓係至加熱器700之背側中之螺紋開口或螺紋插入物中。然後第一子總成可藉由螺栓而附著至第二子總成，該等螺栓穿過頂板800及加熱器700至絕緣體600之背側中之螺紋開口或螺紋插入物中。通常，第二子總成較第一子總成將意欲使用較長的時期，意即，可替換該第一子總成而該第二子總成仍然位於裝置中。
此外，如上文所提及，較佳地於裝置100之各種組件的相對表面之間的真空可密封區域中提供潤滑材料以使磨損最小化。
較佳地，如圖12所說明，第一子總成1000包含將上方噴頭電極200緊固至氣體分佈構件500中之螺栓225、及用於將氣體分佈構件500緊固至絕緣體600中之螺栓930。此外，第二子總成1100較佳包含將頂板800緊固至熱阻流750之螺栓940、及將頂板800緊固至加熱器700之螺栓910。或者，在將熱阻流750栓接至頂板800之前，熱阻流750可藉由螺栓950而緊固至加熱器700。
在一較佳實施例中，如圖12所說明，子總成1000、1100之部件包含位於該等部件之下表面之階梯式開口中的扣件900，以允許螺栓自上覆部件穿過對準孔且擰進扣件中。此等扣件之細節可經提供於共同讓渡之美國專利申請案第10/623,540號，該案之整個主旨以引用之方式倂入本文中。
雖然本發明已藉由參考其特定實施例而得以詳細描述，但是熟悉此項技術者將顯而易見，在不脫離所附申請專利範圍之範疇的情況下，可做出各種變化及修改且可採用等價物。
95．．．O形環
100．．．電漿製程裝置
106．．．金屬板
110．．．氣體饋入
115．．．氣體出口
120．．．氣體饋入
122．．．氣體出口
125．．．氣體出口
128．．．控制點
150．．．真空腔室
151．．．管道
160．．．氣體通路
170．．．接觸區域
180．．．O形環障壁
190．．．中心壓力室
195．．．外部壓力室
200．．．上方噴頭電極
206．．．氣體通路
220．．．背襯構件
225．．．接觸螺栓
226．．．氣體通路
250．．．功率供應
260．．．背襯環
270．．．電性接地環
300．．．基板支撐件
400．．．間隙
500．．．氣體分佈構件
505．．．板/金屬板
508．．．軸向延伸構件/轂
520．．．接觸點
550．．．氣體供應
570．．．RF功率供應
600．．．導熱絕緣體
620．．．橫向電絕緣體
630．．．上方電絕緣體
640．．．橫向電絕緣體
650．．．第二絕緣體
700．．．加熱器
750．．．熱阻流
760．．．潤滑材料
800．．．頂板
850．．．流體控制裝置
900．．．溫度控制器/扣件
910．．．螺栓
930．．．螺栓
940．．．螺栓
950．．．溫度感應器/螺栓
1000．．．第一子總成
1100．．．第二子總成
圖1、2、4及5說明噴頭電極總成之較佳實施例。
圖3說明一運作噴頭電極總成之較佳方法。
圖6說明運作較佳噴頭電極實施例時之溫度。
圖7說明噴頭電極溫度對例示性光阻蝕刻速率之影響。
圖8說明使用C4 F6 /O2 蝕刻氣體時噴頭電極溫度對例示性光阻蝕刻速率之影響。
圖9a－d為以圖案化光阻之80,000倍放大率所拍攝之顯微照片。
圖10及11說明氣體分佈構件之較佳實施例。
圖12說明子總成附著構件(subassembly attachment)之較佳實施例。
100．．．電漿製程裝置
150．．．真空腔室
200．．．上方噴頭電極
250．．．功率供應
300．．．基板支撐件
400．．．間隙
500．．．氣體分佈構件
550．．．氣體供應
570．．．RF功率供應
600．．．導熱絕緣體
620．．．橫向電絕緣體
630．．．上方電絕緣體
640．．．橫向電絕緣體
700．．．加熱器
800．．．頂板
850．．．流體控制裝置
900．．．溫度控制器/扣件
950．．．溫度感應器/螺栓

Claims (27)

  1. 一種噴頭電極總成，其包括：一噴頭電極，其經調適成安裝於一真空腔室之內部，且將製程氣體供應至該噴頭電極與一基板支撐件之間的一其中產生電漿之間隙中；一包含一軸向延伸之圓柱轂(hub)及一橫向延伸之金屬板之氣體分佈構件，其附接至該噴頭電極，該氣體分佈構件包含一第一氣體通路，其將製程氣體供應至在該噴頭電極與該金屬板之間的一中心壓力室，及一第二氣體通路，其將製程氣體供應至在該噴頭電極與該金屬板之間的一外部壓力室；一熱路徑構件，其包含一環繞該轂之電絕緣材料板且附接至該氣體分佈構件；及一加熱器，其包含一環繞該轂之熱導材料板且附接至該熱路徑構件；其中該加熱器經由一熱路徑將熱量傳輸至該噴頭電極，該熱路徑包括該氣體分佈構件及該熱路徑構件。
  2. 如請求項1之噴頭電極總成，其中該熱路徑構件包括一熱傳導電絕緣材料之環形板。
  3. 如請求項1之噴頭電極總成，其中該熱路徑構件包括一氮化物材料。
  4. 如請求項1之噴頭電極總成，其中該熱路徑構件包括氮化鋁或氮化硼。
  5. 如請求項1之噴頭電極總成，其進一步包括一環繞該噴頭 電極之一環形接地電極，該接地電極包含一朝向該間隙之曝露表面，且一電絕緣體位於該接地電極之一內部周邊與該噴頭電極之一外部周邊之間。
  6. 如請求項1之噴頭電極總成，其進一步包括：位於該加熱器之一上表面上之熱阻流；及/或位於該氣體分佈構件之下表面上及該噴頭電極上方之接觸點；及/或位於該噴頭電極之上表面與該氣體分佈構件之下表面之間的背襯構件，其中該背襯構件之下表面係與該噴頭電極之上表面接觸；及/或在該氣體分佈構件內之徑向延伸通路、環形分佈管道、出口及氣體饋入。
  7. 如請求項1之噴頭電極總成，其中若干接觸螺栓機械性地將該噴頭電極總成之若干部分鎖緊。
  8. 一種包括如請求項1之噴頭電極總成之真空腔室，其中該氣體分佈構件之轂延伸至該真空腔室之一溫度控制頂壁之一開口中，且該氣體分佈構件之橫向延伸金屬板完全延伸越過該噴頭電極。
  9. 如請求項8之包括該噴頭電極總成之真空腔室，其中該真空腔室之該溫度控制頂壁藉由穿過該加熱器、該熱路徑構件、該氣體分佈構件及該噴頭電極之另一熱路徑而自該噴頭電極吸取熱量。
  10. 如請求項8之包括該噴頭電極總成之真空腔室，其中該噴頭電極為一射頻(RF)提供功率之電極，且該氣體分佈構件 自該氣體分佈構件之轂將RF功率分佈至該氣體分佈構件之橫向延伸金屬板，且然後分佈至該噴頭電極。
  11. 如請求項10之包括該噴頭電極總成之真空腔室，其中該氣體分佈構件包含與該噴頭電極之一背側接觸的突起部分，且該突起部分形成在該氣體分佈構件與該噴頭電極之背側之間的中心壓力室及外部壓力室。
  12. 如請求項11之真空腔室，其中該氣體分佈構件與該噴頭電極之該背側上的15%至20%之截面積接觸。
  13. 一種在一包含如請求項1之噴頭電極總成的電漿蝕刻腔室中控制電漿蝕刻之方法，其包括：將功率施加至該電漿蝕刻腔室中之加熱器；藉由將熱量自該加熱器傳導至該噴頭電極而在該電漿蝕刻腔室中將該噴頭電極之至少一部分加熱至一預定溫度；經由該噴頭電極將製程氣體供應至該電漿蝕刻腔室，該製程氣體流入該噴頭電極與一底部電極之間的一間隙中，一半導體基板經支撐於該底部電極上；及藉由將RF功率施加至該噴頭電極且將該製程氣體激發成一電漿狀態而在該電漿蝕刻腔室中蝕刻一半導體基板，其中施加至該加熱器的該功率與施加至該噴頭電極的該功率係藉由一熱路徑構件而彼此電隔離。
  14. 如請求項13之方法，其中該噴頭電極之該加熱包括將該噴頭電極之至少一部分加熱並維持於至少80℃之溫度下。
  15. 如請求項13之方法，其中該噴頭電極之該加熱包括將該 噴頭電極之至少一部分加熱並維持於至少100℃之溫度下。
  16. 如請求項13之方法，其中該噴頭電極之該加熱包括將該噴頭電極之至少一部分加熱並維持於至少150℃之溫度下。
  17. 如請求項13之方法，其中該噴頭電極之該加熱係在該半導體基板之該蝕刻之前發生。
  18. 如請求項13之方法，其中該蝕刻包括在該半導體基板上之一氧化物層中蝕刻開口，該等開口係由一圖案化光阻所界定。
  19. 如請求項18之方法，其中該製程氣體包括一碳氟化合物及/或氫氟碳化合物氣體，且該噴頭電極之該加熱藉由控制該製程氣體中之氟自由基密度而減少該光阻上之條紋。
  20. 如請求項19之方法，其中該蝕刻於一二氧化矽層中形成高縱橫比接觸開口。
  21. 如請求項13之方法，其進一步包括藉由將熱量沿著一熱路徑傳導而冷卻該噴頭電極，其中該熱路徑係從該噴頭電極延伸至該電漿蝕刻腔室的一氣體分佈構件、該熱路徑構件、該加熱器、一或多個熱阻流及一頂壁。
  22. 如請求項21之方法，其中該施加功率至該噴頭電極包括自該電漿蝕刻腔室外部之一RF源經由該氣體分佈構件且經由該氣體分佈構件與該噴頭電極之間的多個接觸點而將RF功率供應至一位於該氣體分佈構件上之RF輸入。
  23. 如請求項21之方法，其中該供應氣體包括自該氣體分佈構件將氣體供應至該噴頭電極之該背側處的一或多個壓力室。
  24. 如請求項13之方法，其中該供應氣體包括將一第一氣體混合物供應至該基板與該噴頭電極之間的該間隙中之一中心區域，且將一第二氣體混合物供應至該間隙中之一環繞該中心區域的環形區域，該第二氣體混合物係不同於該第一氣體混合物，或該第二氣體混合物係與該第一氣體混合物相同但以一不同於該第一氣體混合物之流動速率的流動速率來供應。
  25. 如請求項13之方法，其包括在該電漿蝕刻腔室中逐個地蝕刻一批晶圓，在該批晶圓之製程期間，該噴頭電極係維持於一大體上均勻之溫度下。
  26. 如請求項13之方法，其中該噴頭電極之該加熱包括加熱該噴頭電極之一中心部分及一邊緣部分，使得該噴頭電極之該中心部分與該邊緣部分之間的溫度差小於50℃。
  27. 如請求項13之方法，其中該噴頭電極之該加熱包括加熱該噴頭電極之一中心部分及一邊緣部分，使得該噴頭電極之該中心部分與該邊緣部分之間的溫度差小於25℃。
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