TWI544837B - 電漿源的設計 - Google Patents

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Description

電漿源的設計
本發明大體上關於電漿處理系統與用於控制電漿處理系統中電漿均勻性的材料及設備。
電漿處理腔室通常用在各種電子元件製造製程中，諸如蝕刻製程、化學氣相沉積(CVD)製程及其他與基材上製造電子元件相關的製程。已利用許多方法生成及/或控制電漿密度、形狀以及處理腔室中的電氣特徵，諸如一般用在習知電漿腔室中的電容式或感應式耦合RF源。例如，在電漿輔助化學氣相沉積製程期間，處理氣體透過電容式耦合噴頭導入處理腔室，該噴頭配置於由製程套組環繞的半導體基材之上。一旦電漿形成於PECVD腔室，電漿與製程氣體和基材反應以沉積期望的材料層於基材上。
習知電漿處理腔室設計中，所生成的電漿是配置在基材表面之上，該設計會引發非所求的濺鍍以及對基材表面的傷害，這是由於電漿中所形成的電子與離子和基材表面的交互作用所致。暴露至所生成的電漿的浮接及在電路上接地的部件大體上會累積淨電荷。所形成的淨電荷引發形成於電漿中的電子及/或離子轟擊基材或腔室部件的暴露表面，並且可能對基材或腔室部件的暴露表面造成傷害。因此，在一些應用中，期望形成具有足以易於與基材表面(或腔室部件表面)反應的能量之氣體自由基，以強化反應速率同時不會威力強大地轟擊基材或腔室部件表面，因為非離子化的氣體自由基不受形成於基材或部件表面上的電荷所影響。
因此，為了防止或減少電漿與基材及腔室部件之間的交互作用，已使用遠端電漿源(RPS)設計。一般的遠端電漿源設計包括電漿生成區域，該區域定位在基材所處的處理腔室的處理區域之遠端。以此方法，RPS裝置的電漿生成區域中生成的電漿大體上不會與基材表面交互作用。
然而，當前的習知RPS設計一般利用微波、電容式耦合或感應式耦合能量源，該等能量源具有狹窄的電漿生成區域，而將會引發這些裝置具有較小的期望電漿處理裕度，其限制了在習知RPS裝置的電漿生成區域中形成的氣體自由基與氣體離子的能量範圍。在一個範例中(如第1圖所示，其為美國專利號6,150,628中的第3圖)，習知RPS設計大體上包括金屬電漿腔室100之區域112、114，在該區域中，透過將能量傳遞至第一核心104與第二核心106而生成電漿。熟習此技藝者將認知到，傳遞至電漿所生成之習知RPS設計的區域的電磁能是不均勻的，且在電漿生成裝置(即線圈)所定位的區域「PR」(第1圖)中具有高度活性或「熱點」。區域112、114的所有其他部份具有「PR」區域外側微弱或不存在電源耦合，這是由於他們相對電漿感應元件(例如第一核心104、第二核心106)的距離及位置之故。如第1圖中所概略性繪示，習知RPS設計傳統上使用封閉迴圈RF源組態，其具有包裹封閉的磁通透核心周圍的繞線，該核心環繞電漿生成區域的一部分。由對應於區域「PR」的核心104、106之位置與形狀所聚集而生成的場具有相對小的區域且具有非常侷限的時間將RF能量傳送給流過習知RPS裝置的氣體。因此，具有小型電漿生成區域的習知RPS設計具有非常侷限的生成及/或控制所形成的氣體自由基及/或氣體離子之能量的能力。
為了解決能量耦合效能的問題，一般而言，RPS裝置製造者大體上會同時將負電型氣體(例如氨氣(NH3))以及正電型氣體(例如氬(Ar))流過電漿生成區域，以更易於形成且保持形成的電漿於其中。然而，在一些實例中，期望僅傳遞單一負電型氣體或單一正電型氣體以改善處理速度或電漿處理結果，因此，經常期望使電漿形成及保持於必需環境(regime)中，該必需環境具有低的電漿阻抗，諸如在電漿生成區域中的壓力低時(例如小於200 mTorr)。無法有效將電漿能量耦合處理氣體的習知RPS設計不能夠滿足當前半導體處理工業的需求。因此，需要一種RPS設計以更有效地將所傳遞的RF能量耦合處理氣體、具有更寬廣的製程裕度、並且能夠在更大範圍的電漿阻抗中運作。
同樣地，對於習知RPS設計而言，一般是利用交換式電源供應器在RPS裝置的電漿生成區域中形成電漿。在習知設計中使用交換式電源供應器為佳，因為他們不需要線路隔離的電路或者是阻抗重合網路以傳遞能量至RPS裝置的電漿生成區域。交換模式的電源供應器調節所傳遞的RF能量是藉由調整脈衝式或工作週期(duty cycle)類型的傳遞組態中的輸出電壓或電流所達成。然而，已發現到在RPS設計中使用交換式電源供應器無法有效地將所傳遞的RF能量耦合電漿。因此，需要更有效地將所傳遞的RF能量耦合透過RPS裝置傳遞的氣體。
習知RPS設計一般亦使用金屬部件包圍RPS裝置中的電漿生成區域。然而，為了防止金屬部件受到RPS賦能的氣體所攻擊，一般是沉積塗層於會暴露至電漿與高能氣體之表面上。一般而言，已使用陽極氧化的鋁塗層於鋁零件上，以防止基底鋁表面受到RPS電漿中生成的高度具能量的物料攻擊。然而，已發現到，嚴重的製程結果的漂移會發生在使用塗層於RPS裝置的電漿形成區域中時。該製程漂移可能是由RPS激發氣體透過塗層中的缺陷(諸如塗層孔隙性或裂縫)與結構金屬部件的表面交互作用所引發。塗層的問題在電漿含有氧化物料或氟化物料(其趨於攻擊多數通常使用的金屬材料)時特別嚴重。因此，需要一種RPS設計，能夠避免由於含有RPS裝置中生成的電漿的元素攻擊所造成的製程漂移及粒子形成。
同樣地，在此技術領域中需要一種用於設備與製程的技術，以更有效生成並且控制電漿均勻性，並且具有更大的處理裕度，而不至於嚴重增加處理成本與硬體成本。
本發明之實施例大體上提供耦接一處理腔室的一電漿源，其包含：一核心元件，該核心元件具有一第一端、一第二端以及一核心元件中心軸；一第一電漿塊體，其具有一個或多個表面，該等表面至少部份包圍一第一環形電漿生成區域，其中該第一環形電漿生成區域配置在環繞該核心元件的一第一部份處；以及一線圈，其配置於該核心元件之一部份之上。
本發明的實施例亦可提供耦接一處理腔室的一電漿源，其包含：一核心元件，該核心元件具有一第一端、一第二端以及一核心元件中心軸；一第一電漿塊體，其具有一個或多個表面，該等表面至少部份包圍一第一環形電漿生成區域，其中該第一環形電漿生成區域配置在環繞該核心元件的一第一部份處，並且具有大體上重合該核心元件中心軸的一中心軸；一第二電漿塊體，其具有一個或多個表面，該等表面至少部份包圍一第二環形電漿生成區域，其中該第二環形電漿生成區域配置在環繞該核心元件的一第二部份處，並且具有大體上重合該核心元件中心軸的一中心軸；以及一線圈，其配置於該核心元件之一部份之上。
本發明之實施例亦可提供一種形成高能的氣體原子的方法，其包含以下步驟：將一製程氣體流進一第一環形電漿生成區域，該第一環形電漿生成區域至少部份被一第一電漿塊體的一個或多個表面所包圍，其中該第一環形電漿生成區域配置在環繞一核心元件的一部分處；以及透過將RF功率傳遞至纏繞該核心元件的一部分的一線圈，而生成一電漿於該第一環形電漿生成區域。
另一態樣中，提供一種具有多重電漿控制裝置的電漿腔室，以供電漿處理一基材。多重電漿控制裝置的每一者包含：一電漿塊體，該電漿塊體具有一內部環、一外部環以及耦接該內部環與該外部環的一側板，以界定該內部環與該外部環之間的一電漿生成區域；一氣體入口，其穿過該外部環的一部分形成，該氣體入口連接一第一外部氣體源；一氣體出口，其穿過該外部環的一部分形成，該氣體出口與一基材所配置的該電漿腔室內的一處理區域流體連通；以及一磁通透核心，其配置於穿過該電漿塊體的每一內部環處。
本發明的實施例大體上提供一種電漿源設備，以及使用該電漿源設備的方法，其藉由使用電磁能量源而能夠生成自由基及/或氣體離子於電漿生成區域中，該區域對稱地繞磁性核心元件定位。大體而言，電漿生成區域與磁性核心的方位與形狀容許有效且均勻地將所傳遞的電磁能耦合至配置在電漿生成區域中的氣體。相信由於在此揭露的的電漿源之組態，傳遞至磁性核心的電磁能可以更有效地形成氣體自由基及/或氣體離子，提供更寬廣的形成氣體自由基及/或氣體離子的製程裕度(window)，以及形成比現在市場上可見的習知電漿源設計更大範圍的氣體自由基能量及/或離子密度。大體而言，電漿生成區域中形成的電漿中所改善的特徵能夠改善基材上或處理腔室一部分(其配置在電漿生成區域的下游)的沉積、蝕刻及/或清潔製程。
第2A圖是電漿源1000的一個實施例的等角視圖，該電漿源1000耦接製程腔室1020，使得在電漿源1000中電漿控制裝置1072的電漿生成區域1118(第2B圖)內形成的氣體自由基及/或氣體離子能夠傳遞到製程腔室1020的處理區域1128(第2B圖)。在電漿生成區域1118中形成的氣體自由基及/或氣體離子隨後用於增強在製程腔室部件及/或配置於其中的基材上所執行的沉積、蝕刻及/或清潔製程。第2B圖是顯示於第2A圖中的電漿源1000的剖面視圖，該圖是將電漿源1000沿X-Y平面(第2A圖)裁切而形成，該X-Y平面通過核心元件1130的中心軸1130S。在此組態中，電漿源1000包含電漿控制裝置1072以及用於操作一個以上在此揭露的實施例之製程腔室1020。在一些電漿源組態中，由於電漿生成區域1118相對於配置在製程腔室1020的處理區域1128中的基材或腔室部件之組態及/或定位之故，帶電荷的物料(例如離子、電子)擴散出電漿生成區域1118(例如第2B圖至第2D圖中的符號A)的量較佳為僅極少量在處理期間抵達基材或腔室部件並且與基材或腔室部件交互作用。從電漿生成區域1118到處理區域1128的氣體自由基及/或氣體離子的擴散或通量亦可受到控制，這是透過調整從氣體源1124通過電漿生成區域1118的氣體原子的流量及/或處理壓力而達成。然而，在一些實例中，電漿源1000是設以使少量的帶電荷物料與配置在製程腔室1020的處理區域1128中的基材表面之間的交互作用發生，以進一步促進蝕刻或CVD類型的沉積製程。
如第2B圖中所繪示，製程腔室1020可包括腔室主體1021，其具有一面以上的腔室壁，該等壁(諸如腔室側壁1005與腔室蓋1010)可密封包圍處理區域1128。在一些組態中，基材底座1015(用於支撐基材1030)配置於鄰接形成在腔室蓋1010中的入口1011處。大體而言，入口1011與電漿源1000的電漿生成區域1118流體連通。在一些實施例中，噴頭組件1027配置在入口1011與基材底座1015之間，以提供均勻地分配在電漿生成區域1118中形成的氣體自由基及/或氣體離子，使其傳遞通過形成在噴頭組件1027中的孔洞1026而抵達基材1030的表面1031。噴頭組件1027可電接地或浮接，而孔洞1026的尺寸及密度可經選擇以調整進入處理區域1128的氣體自由基及/或氣體離子的量與均勻度。亦可設置背側氣體供應器1016以供應諸如氬或氦之類的氣體至形成於基材1030背側與基材底座1015之間的間隙(圖中未示)，以改善溫度控制的基材底座1015與基材1030之間的熱傳導。製程氣體供應器1025可用於將製程氣體供應至處理區域1128。真空泵系統1035(包含渦輪泵、粗抽泵及/或其他類似裝置)控制製程腔室1020及/或電漿源1000內的壓力。在一個範例中，處理區域1128及/或電漿生成區域1118內的壓力在處理期間是維持在真空壓力，諸如介於約0.5 mTorr至約1 Torr之間。在一些實施例中，屏蔽件1129直接或非直接架設於腔室蓋1010上，以容置電漿控制裝置1072。屏蔽件1129的頂部設有一開口(圖中未示)，該開口對應於氣體入口1120的位置。屏蔽件1129被設計成減少電漿控制裝置1072產生的場效應，且較佳為由高Mu材料製成，使得所有生成的場都維持在屏蔽件1129的內部區域中。
在本發明的一些實施例中，電漿控制裝置1072附接或架設在製程腔室1020的腔室蓋1010上，並且設以產生氣體自由基及/或離子化氣體原子並將之導入製程腔室1020的處理區域1128中。電漿控制裝置1072可與製程腔室1020中的部件以絕緣板1145間隔開並且在電氣上絕緣，該絕緣板是由介電材料(例如陶瓷材料)所製成。電漿控制裝置1072大體上含有磁性核心(或此後稱之核心元件1130)、耦接核心元件1130的源組件1038與處理區域組件1073。電漿生成區域1118大體上在核心元件1130周圍對稱分佈，該區域可由處理區域組件1073中所設的一個以上的部件所包圍。在一個實施例中，處理區域組件1073包含圓頂部份1110、電漿塊體1116、冷卻板1134以及側覆蓋件1140，該等構件包圍電漿生成區域1118。
操作電漿源1000期間，基材1030放置在製程腔室1020中的基材底座1015上以供處理。電漿源1000的電漿生成區域1118可隨後由真空泵系統1035拉至預定的壓力/真空下。一旦達成預定壓力，沉積、蝕刻或清潔氣體可經由氣體入口1120導入電漿控制裝置1072，並且從氣體擴散主體1122流過電漿生成區域1118，同時真空泵系統1035持續抽取電漿源1000，使得能夠獲得平衡處理壓力。處理壓力可透過例如節流真空系統對電漿源1000的流通而調整，或者是例如透過調整通過氣體入口1120導入電漿源1000的製程或清潔氣體的流率而調整處理壓力。一旦壓力與氣流建立，即啟動功率源。RF功率源(諸如源組件1038)在電氣上連接至線圈1132。由線圈1132生成的場在核心元件1130中感應式形成磁場，該核心元件感應式將所傳遞的能量耦合配置在電漿生成區域1118中的氣體，以將氣體激發至電漿態。在一個實施例中，在所形成的電漿中的離子密度與自由基濃度可透過調整供給至線圈1132的功率或透過調整電漿源1000中的處理壓力而增加或減少。
如第2B、2D與2E圖所示，電漿塊體1116包含一部件，該部件具有形成於其中的至少一部分的環形電漿生成區域1118。環形電漿生成區域1118大體上繞核心元件1130形成。在一個實施例中，如第2B圖所繪示，環形電漿生成區域1118具有矩形的截面。然而，電漿生成區域1118的截面形狀可為任何期望的形狀，諸如圓形、橢圓形或其他實用的形狀，並且因此本發明在此所述的範疇不意圖以矩形電漿生成區域為限。在一種組態中，電漿生成區域1118至少部份由形成於電漿塊體1116中的內壁1150、外壁1156與側壁1158(第2B圖)所包圍。在一個實施例中，電漿生成區域1118完全由電漿塊體1116的體壁1150、1156、1158及側覆蓋件1140所包圍，該側覆蓋件是使用習知緊固件(圖中未示)附接電漿塊體1116。在一個組態中，如第2E圖所示，環形電漿生成區域1118包含繞中心軸1116S形成的空間。在一種組態中，環形電漿生成區域1118的空間在忽略排出通口1126與進入通口1127區域的附加體積的情況下，其大體上等於圍繞中心軸1116S的電漿生成區域(例如矩形區段)的截面區域。在一些實施例中，環形電漿生成區域1118可相對中心軸1116S完全對稱或實質上對稱。
如第2B圖所繪示，核心元件1130大體上配置在靠近電漿塊體1116的內壁1150的鄰近表面1150A處穿過電漿塊體1116的一部分。在一態樣中，核心元件1130包含高度磁性通透度的桿或管(例如鐵氧體(ferrite)桿)，但可為其他磁性材料，其視耦合結構而定。核心元件1130藉以形成的磁性材料大體上具有以下特徵：(1)在高外加頻率(impressed frequency)下具有低核心損失密度、(2)具有高居禮溫度(Curie temperature)、以及(3)具有高度的塊材電阻率(bulk resistivity)。大體而言，核心元件1130可由任何能夠用於提供所生成的場(例如磁場)傾向流過的路徑之材料形成，該場是由RF電流流過設於源組件1038中的一個以上的線圈(例如線圈1132)所生成。在一個實施例中，核心元件1130包含含鐵氧體的元件。當在此使用「鐵氧體元件」與「鐵氧體材料」時，這些詞彙並非意欲限制此述的本發明之範疇。同樣地，在一個實施例中，核心元件1130包含一束較小的直徑的圓柱體或桿，該等圓柱體或桿對準中心軸(諸如中心軸1130S)，其重合第2B圖中所示的X軸。
第2C圖是第2B圖中所繪示之電漿控制裝置1072的特寫剖面視圖，其大體上概略繪示本發明的一個實施例，該實施例中，透過傳遞來自源組件1038(其於核心元件1130中感應磁場(即B-場”B”))的能量使感應耦合電漿「P」形成於該電漿生成區域1118中。感應的磁場因而在電漿生成區域中產生電場，該電場用於激發配置於其中的氣體原子至激發態，而形成含有氣體自由基及/或離子的電漿。在電漿處理期間，處理氣體透過形成在電漿塊體1116的外壁1156中的進入通口1127傳遞進入電漿生成區域1118，並且受激發的氣體原子透過亦形成於電漿塊體1116的外壁1156中的排出通口1126離開電漿生成區域1118。排出通口1126因此在流通性上將電漿生成區域1118耦接製程腔室1020的處理區域1128。因此，傳遞至製程腔室1020的處理區域1128的氣體之化學物質可由製程氣體供應源1124控制，而氣體原子的能量可由氣體原子在電漿生成區域1118中的滯留時間(例如與流率呈比例)、所傳遞的RF功率、電漿生成區域1118中的氣體之組成與電漿生成區域1118的壓力所控制。
電漿處理期間，RF電流I1(第2C圖)是透過線圈1132傳遞，該線圈纏繞核心元件1130的一部分，而產生流過核心元件1130的磁場「B」，進而產生通過電漿生成區域1118(見「+」與「-」)的電場，並且引發配置於該區域中的氣體原子形成電漿「P」。在一個實施例中，傳遞到線圈1132的功率於RF頻率約400 kHz時可在約0.1瓦至約10千瓦之間變化，同時以介於0.5 sccm至約100 lpm之間的流率傳遞氣體，而壓力是維持在約1 mTorr至約500 Torr之間。應瞭解到，RF功率源所傳遞的功率之頻率不限於400 kHz左右的頻率，且可在諸如約10 kHz至超過40 MHz的期望頻率下運作，其視應用而定。在一些實例中，期望從RF功率源傳遞的RF功率是處於低於或等於約13.56 MHz的頻率。
藉由使用此述的電漿源1000組態，相信製程裕度、高能氣體原子生成效能以及氣體自由基能量範圍可較習知電漿生成裝置具有大幅度的改善。相信使用對稱地繞磁通透核心元件(例如核心元件1130)形成的被包圍的電漿生成區域1118具有許多勝於其他習知設計的優點。首先，由於核心元件1130形狀與電漿生成區域1118的對稱方位之故，在該區域中可形成具有均勻密度的電漿，如第2C圖與第2D圖中概略性繪示。對稱形成的電漿生成區域1118用於藉由在更大面積上傳遞RF能量而改善所傳遞的RF功率耦合效能，並且避免上文所述之在習知RPS設計中常發現的共通「熱點」問題所產生的效能問題。其次，由於電漿生成區域1118對核心元件1130的對稱形狀，亦排除了在習知RPS設計中所設的電漿生成區域(諸如第1圖的方形電漿生成區域，以及例如第1圖中「PR」區域的局部化小電漿耦合區域)的不同區域中所具有的非均勻場密度之共通問題。習知RPS設計中所發現的非均勻場密度可影響自由基生成效能以及非所欲的激發氣體原子與電漿生成區域表面部份的交互作用。
在本發明一些實施例中，「開放迴路」的磁場(或能夠繞磁通透核心元件1130的中心軸整整360度平均分佈的磁場)是由於線圈1132耦合核心元件1130所生成。「開放迴路」磁場因而助於電漿生成區域1118內電漿密度均勻。在一些實施例中，本發明的磁通透核心元件1130是「開放迴路」設計，該設計大體上筆直延伸通過電漿塊體1116，而非習知環形(torroidal)電漿腔室天線或RPS設計中一般所見的「封閉迴路」，在該等習知設計中纏繞或線圈區段是包裹封閉式磁通透核心(其環繞電漿生成的導管)的周圍。如上文所述，習知「封閉迴路」設計只有在封閉迴路核心元件定位的導管周圍的某些區域有較高的磁場。
第2D圖是形成於電漿塊體1116中的電漿生成區域1118的概略側剖面視圖，其中電漿「P」是由場(B-場「B」)通過電漿源1000的數個部份而形成。如第2D圖中所繪示，形成在核心元件1130中的B-場(其流入紙面，即「-」符號)，以及迴轉的B-場(其流出紙面，即「X」符號)皆均勻地環繞核心元件1130的軸線分佈(例如，在一固定的軸位置均勻地360度分佈)。熟習此技藝者將瞭解到電漿控制裝置1072相對接地腔室蓋1010的位置以及在電漿形成區域1118中形成的對稱生成場與電漿大體上維持在製程腔室1020的處理區域1128外側，但容許生成的氣體自由基以及一些氣體離子遷移進入處理區域1128，使得他們能夠與基材和製程腔室部件交互作用。在一個實施例中，期望將電漿生成區域1118定位在離基材1030一段距離處，以致電漿生成區域1118中生成的電漿不會與基材表面1031交互作用，該交互作用會趨於形成可觀的電漿電位與電漿鞘層於基材上而引發離子轟擊與損傷。
核心元件設計
第2A圖至第6B圖大體上概略繪示單一核心元件1130，其用於在封閉的電漿生成區域中形成均勻的電漿。如上文所提，在一些實施例中，核心元件1130不需為單一的單塊元件，而是可包含一系列較小的元件，將該等較小的元件束在一起以提供所生成的場(例如磁場)傾向流過的路徑，或者核心元件可形成為各種不同形狀與組態，如下文所述。
在一個實施例中，如第2A圖至第6B圖所示，核心元件1130包含棒狀元件，其配置成穿過電漿塊體1116。在此組態中，核心元件1130具有棒狀，或者筆直的長形，而非如習知設計中通常設置的環狀、方形或其他環繞電漿塊體1116的封閉形狀。核心元件的筆直棒狀大幅改善電漿生成區域1118中的離子密度(第2B圖)，因為感應式生成的場能夠散佈開來，這是由於他們不具有其傾向流過的封閉式核心元件。因此，由筆直棒狀核心元件生成的場不會限制在電漿生成區域的小區域。均等分佈的磁場因而傾向形成通過對稱形成的電漿生成區域1118的均勻電漿密度。
在一些組態中，核心元件1130是棒狀，並具有規則或繞中心軸1130S對稱的截面，諸如圓形或圓柱截面。在一個範例中，核心元件1130的截面為圓形，並且其直徑在約0.5英吋至約2英吋之間，且其長度在約3英吋與約20英吋之間。在一個範例中，核心元件1130的長度(L)對直徑(d)的比率(L/d)是在約1.5至約40之間，諸如介於約2至約10之間。儘管此述的核心元件1130為圓柱狀，應瞭解到核心元件1130的截面形狀可為非圓形或非圓柱狀，諸如方形、六邊形、矩形或任何其他期望形狀，無論規則或不規則。第2H圖繪示不同核心元件的三個截面形狀的範例，該等核心元件可用在電漿源1000中。在此範例中，核心元件1130可具有圓形截面形狀，諸如「截面I」所示，可具有管狀截面形狀，諸如「截面II」所示，或者可具有八邊形截面形狀，諸如「截面III」所示，其是相對中心軸的規則形狀。在另一範例中，核心元件1130可具有圓形截面形狀，並且具有形成於其中的一個以上的特徵結構，諸如第7B圖中所示的核心元件1721。在一個實施例中，棒狀核心元件1130具有兩端部1131A與1131B(第2B圖)，其配置在核心元件1130的相對端。因此，在筆直棒狀核心元件組態中，筆直線重合核心元件1130的中心軸1130S，且該筆直線通過該二端部1131A與1131B。
已發現到核心元件物理或電性質的改變對電漿源的效能、穩定度與可靠度具有相當大的影響。熟習此技藝者瞭解飽和通量密度與磁通透度二者隨著核心元件1130溫度增加而減少。因此，為了克服在電漿處理期間由於「渦電流(eddy current)」加熱產生的核心元件1130溫度上升的問題，大體上需要主動冷卻核心元件1130。
第7A圖是電漿源1000的一個實施例的側剖面視圖，其具有溫度控制核心元件1130。第7B圖是根據本發明之實施例的核心元件1130之側剖面視圖。在一個實施例中，電漿源1000包含核心元件1130與熱交換組件1710。在一個實施例中，操作電漿源1000期間，溫度控制熱交換流體從熱交換組件1710傳遞通過一部分的核心元件1130，並且隨後回到熱交換組件1710。大體而言，熱交換組件1710包含習知流體熱交換裝置，諸如流體循環冷卻器。大體而言，熱交換流體具有高電阻率以及良好的熱傳特性，諸如去離子水。在一個實施例中，如第7A圖所示，核心元件1130大體上包含磁通透核心元件1721，其封閉在外殼1711內。在此組態中，由熱交換組件1710傳遞的熱交換流體流於外殼1711內，並且流過磁通透核心元件1721以及流於其周圍，以將於其中形成的生成熱移除。磁通透核心元件1721大體上包含高磁通透度的材料，諸如鐵氧體桿，如先前與第2B圖至第2G圖一併論及。
一個實施例中，外殼1711經調整尺寸以使得熱交換流體得以通過間隙1723(第7B圖)內，該間隙形成於核心元件1721的外表面與外殼1711的內表面之間。核心元件1721可含有中央通道1722及/或複數個特徵結構1724(諸如溝槽)，其形成於核心元件的表面中。中央通道1722及/或複數個特徵結構1724大體上設以接收流動的熱交換流體，以改善流動流體與核心元件1721之間的熱傳。在一個組態中，核心元件1721在外殼1711與電漿塊體1116內受到支撐特徵結構(圖中未示)支撐與對準排列，該等支撐特徵結構接合形成於核心元件中的特徵結構，諸如中央通道1722或特徵結構1724。在一些組態中，流體流動分佈特徵結構(諸如多孔板，圖中未示)可配置在進入通口1711B及/或排出通口1711C處，以協助促進在核心元件1721周圍與穿過該核心元件的熱交換流體的均勻流動。
參考第7B圖，在一個實施例中，形成外殼1711以使外殼1711的外表面1711A在熱交換流體傳遞通過外殼1711的內部區域1725時不會嚴重偏斜。在此組態中，外殼1711是由剛性介電材料形成，諸如氧化鋁(Al2O3)、石英、氮化鋁、複合材料或其他適合的材料。在替代性實施例中，形成外殼1711使得外殼1711的外表面1711A在熱交換流體傳遞通過內部區域1725時會偏斜，以致外表面1711A可能擴張而得以使電漿塊體1116的內表面1150A的一部份與外殼1711的外表面1711A之間產生接觸。在電漿塊體1116的內表面1150A與外殼1711的外表面1711A之間產生的接觸使得電漿生成區域1118中生成的熱得以傳送到流過外殼1711的熱交換流體。在此組態中，外殼1711是由可撓的介電材料形成，諸如塑膠材料、纖維浸漬樹脂材料、彈性材料、複合材料或其他適合的彈性且具有期望熱傳導性的材料。
在電漿源1000的一個實施例中(其於下文進一步討論)，致動器1047以及系統控制器1001用於調整及諧調核心元件1130(其可包括外殼1711與核心元件1721)相對電漿生成區域1118的位置，進而改善對配置於其中的氣體的RF耦合。在一個組態中，傳遞能量至線圈1132的電源供應器中的感測器(其附接功率傳遞電路的另一區域，或者是與電漿生成區域1118連通)用於反饋資訊(該資訊是關於電漿生成區域1118中生成的電漿之狀態)給系統控制器1001，以致耦合電漿的能量能夠透過系統控制器1001調整。由感測器測量到並且返回系統控制器1001的資訊可包括反射功率量、腔室阻抗、電漿密度、電漿的光發射、或其他關於電漿生成區域1118中形成的電漿之狀態的資訊。
電漿塊體
為了避免上文所述之習知環狀或RPS設計中所見的材料相容性問題，電漿塊體1116是由不會與電漿形成區域1118中形成的氣體自由基或離子反應、或不會與反應性製程氣體反應的材料形成。大體而言，電漿塊體1116形成呈繞核心元件1130對稱的形狀，並且包含不會受到電漿化學物質大量攻擊並且具有高度導熱性以將電漿生成的熱傳送到熱交換裝置的材料。在一個實施例中，電漿塊體1116包含形成呈期望對稱形狀的高度導熱性介電材料。包含固體介電材料的電漿塊體1116具有許多勝於習知設計的優點，因為其避免塗層缺陷以及習知RPS設計中一般所見的可能性傷害問題。大體上難以透過將內表面上具有塗層的兩個半片接合而產生完全封閉的電漿處理區域，因為難以確保兩半片間接合處的表面塗層會在形成製程期間維持不受傷害。使用固體介電材料亦消除絕緣塊體(例如第1圖中的元件符號108、110)的需求性，該等塊體一般是配置在習知含金屬電漿封閉區域的幾個部份之間，以消除含金屬區域中渦電流的形成。在一個實施例中，電漿塊體1116是由氧化鋁(Al2O3)、氮化鋁(AlN)、氧化鈹(BeO)、氮化硼(BN)、石英或其他類似材料所製成。在一個範例中，電漿塊體1116由約2英吋厚(第2B圖中的X方向)的氮化鋁材料製成。在一個實施例中，內壁1150的內表面1150A之直徑可介於約2英吋至約5英吋之間，外壁1156的內表面之直徑可介於約5英吋至約10英吋之間，而電漿塊體1116的周長範圍可在約10英吋至約30英吋之間，其視應用而定。
往回參考第2B圖，為了努力進一步確保電漿塊體1116與相關部件在處理期間維持冷卻，冷卻板1134大體上附接電漿塊體的側壁1158。冷卻板1134因此適於將處理期間生成的熱移除，而防止任何密封或連接的部件在處理期間受損害。在一個實施例中，冷卻板1134具有實質上圓形的冷卻通道1138嵌於其中，以接收及循環冷卻介質，諸如從熱交換源1139傳遞的水。儘管第2A圖中僅顯示一個冷卻板與通道1134、1138，在本發明的一個實施例中，第二冷卻板1146(第2B圖)以及類似的冷卻通道可排置在冷卻通道1133之側壁1158的相對側，其附接側覆蓋件1140。在一個實施例中，藉由使用熱交換源1139，將溫度控制冷卻介質傳遞至冷卻劑入口1143(第2A圖)，並且從冷卻劑出口1144(第2A圖)返回，該冷卻劑出口形成於第一與第二冷卻板1134、1146中。
電漿形成與功率傳遞
如上文所記敘，核心元件1130大體上提供所生成的場(例如磁場)傾向流過的路徑以在電漿生成區域1118中產生電漿，該所生成的場是由RF電流流過設於源組件1038中的一個以上的線圈(例如線圈1132)所產生。在一個組態中，線圈1132包裹環繞核心元件1130的外部，以感應式將線圈耦合核心元件1130。在一個實施例中，線圈1132包含多圈導電材料，諸如銅帶或銅線，其連接至源組件1038。在一個範例中，線圈1132包含介於一圈到20圈之間的線圈，諸如介於三圈至五圈之間。
源組件1038可使用一個以上的動態阻抗匹配元件以有效傳遞RF功率到線圈1132。在一個組態中，源組件1038可使用頻率調諧元件、阻抗匹配網路調諧或具有前向功率伺服(forward power servoing)的頻率調諧，以減少反射的功率，並且有效將RF能量傳遞至線圈1132與電漿生成區域1118。在一個實施例中，源組件1038包含阻抗匹配元件1037以及RF功率源1039。RF功率源1039可在電漿控制裝置1072外部，電氣上透過阻抗匹配元件1037耦接線圈1132並且提供RF能量給線圈1132。
在電漿源1000的一個實施例中，可進一步設置第二RF功率源組件1042以將RF功率傳遞至使用點燃促進電極的電漿生成區域1118的一部份，使得電漿能在其中更易點燃。在一個實施例中，第二RF功率源組件1042包含阻抗匹配元件1041以及RF功率源1043。RF功率源1043可位於電漿控制裝置1072外部，其電氣耦接點燃促進電極，諸如第一冷卻板1134及/或第二冷卻板1146(第2B圖)，以將傳遞至電極的能量電容式耦合配置在電漿生成區域1118中的氣體原子。在一個範例中，如第2B圖所示，RF功率源1043是設以提供RF偏壓給第二冷卻板1146(諸如介於約200 V(伏特)至約10 kV之間)而點燃電漿生成區域1118中的電漿。第一冷卻板1134與第二冷卻板1146可由導電材料(例如金屬)形成，其配置在相鄰電漿生成區域1118處並且與之平行。至少一部分的核心元件1130可通過環形第一冷卻板1134與第二冷卻板1146的中心。在一種組態中，第一與第二冷卻板1134、1146每一者具有徑向的切割線或裂隙(例如第2A圖中的元件符號1146A)，其在處理期間抑制核心元件1130生成的場所導致的環形元件中的渦電流形成。隔離板1145大體上配置在電漿控制裝置1072與腔室蓋1010之間，其得以使用具大表面積的點燃促進電極，該大表面積是RF熱點以供在電漿點燃與處理期間改善電容式耦合配置在電漿生成區域1118中的氣體。隔離板1145防止電極透過處理腔室1020中的接地部件造成短路而接地。
另一種組態中，RF功率源1043電氣上耦接電極1142(第2B圖)，該電極嵌在側覆蓋件1140內，以電容式將傳遞至電極1142的能量耦合配置在電漿生成區域1118中的氣體原子。電極1142可為導電環狀板(例如金屬)，該板具有表面1142A，配置於鄰接電漿生成區域1118且與之平行處。至少一部分的核心元件1130可通過環形電極1142的中心。在一種組態中，環形電極1142透過介電材料與電漿生成區域1118中形成的電漿分開並且實體上隔離，且亦可含有徑向的切割線或裂隙，其在處理期間抑制核心元件1130生成的場所導致的環形元件中的渦電流形成。
在替代性實施例中，可透過使用調諧電容器1036達成阻抗匹配，該電容器附接纏繞在核心元件1130周圍的線圈1132。調諧電容器1036的電容經選擇以用由RF功率源1039傳遞的能量之頻率共振線圈1132。一個實施例中，動態阻抗匹配與調諧電容器1036組態一併使用。在此實例中，傳遞至電漿源1000的RF能量比使用交換式電源供應器的習知功率傳遞方案更有效地傳遞至電漿生成區域，因為所傳遞的能量不需要使用工作週期(即隨時間所分配的脈衝式開/關電源)以控制功率至形成電漿的處理氣體之間的傳遞。功率至電漿間非間歇式的傳遞改善電漿生成製程的效能，並且改善調整傳遞至電漿的功率層級之能力。
如第2F圖所繪示，一些組態中，源組件1038可包含一系列固定的電子元件，其由RF功率源1039所驅動以形成電漿生成區域1118中的電漿。在功率傳遞線路中使用固定的電子元件相較於使用主動RF匹配是有益的，因為能夠減少源組件1038與電漿源1000的複雜度。在一個實施例中，如第2F圖所示，電容器1033在一端接地，而在另一端透過視情況任選的調諧電容器1036耦接RF功率源1039。RF功率源1039以及視情況任選的調諧電容器1036亦耦接饋送線路1034與點燃線路1044。在此組態中，單一RF功率源1039能夠使用耦接點燃促進電極的點燃線路1044在電漿生成區域1118中形成電漿，同時亦透過使用饋送線路1034在電漿生成區域1118中維持電漿。饋送線路1034耦接線圈1132，該線圈概略性顯示如第2F圖中的感應式線圈類型元件。在此實例中，不需要第二RF功率源組件1042，這是因為增加點燃線路1044連接點燃促進電極(諸如第一冷卻板1134、第二冷卻板1146及/或電極1142)之故。在一個範例中，電容器1033與調諧電容器1036經選擇以使所形成的RF線路得以在接近共振下執行，且在一個範例中，每一者可包含0.5至300奈法拉(nano-Farad)的電容。為了避免反射的功率問題，可在頻率調諧模式使用RF功率源1039以有效傳遞功率給線圈1132與電漿生成區域1118。
為了進一步改善所傳遞的RF能量從源組件1038到電漿生成區域1118的耦合，致動器1047以及系統控制器1001用於相對於電漿生成區域1118調整及調諧核心元件1130的位置，以改善RF耦合配置於其中的氣體。已發現到藉由相對於電漿生成區域1118調整核心元件1130的位置，可調整電特徵與耦合效能。因此在一個實施例中，於電漿源1000的初始設定期間，可相對電漿生成區域1118調整核心元件1130的位置以使功率耦合最大化，然後將核心元件1130固定在此位置。
或者，藉由使用致動器1047與系統控制器1001，可相對於電漿生成區域1118，在製程腔室1020中執行的一個或多個基材處理順序期間調整核心元件1130的位置。在一個組態中，致動器1047為伺服馬達或者步進馬達，其能夠藉由使用耦接致動器的感測器(例如馬達編碼器)、能夠偵測所傳遞的向前及反射的RF功率變化之感測器、以及系統控制器1001而調整、控制(以封閉迴圈式)、及/或最佳化核心元件1130在+X方向或-X方向上的位置(第2F圖)。在一個實施例中，系統控制器1001大體上適於控制所有電漿源1000內所含的部件。系統控制器1001大體上是設計成助於控制及自動化此述的電漿處理技術，並且一般可包括中央處理單元(CPU，圖中未示)、記憶體(圖中未示)以及支援電路(或I/O，圖中未示)。CPU可為電腦處理器任何型式之一，該等電腦處理器用於工業環境中，以控制各種製程與硬體(例如馬達、電源供應器、腔室硬體)並且監視製程(例如基材溫度、氣體流率、傳遞至核心元件的能量之量值、核心元件之位置)。記憶體(圖中未示)連接至CPU，且其可為一種或多種可讀取的記憶體，諸如隨機存取記憶體(RAM)、唯讀記憶體(ROM)、快閃記憶體、軟碟機、硬碟機或其他形式的本地端或遠端數位儲存裝置。可將軟體指令與資料編碼與儲存於記憶體內以指示CPU。支援電路(圖中未示)亦連接CPU以用習知方式支援處理器。支援電路可包括習知高速緩衝存儲器、電源供應器、時脈電路、輸入/輸出電路與次系統等。系統控制器可讀的程式(或電腦指令)確定何種任務可在電漿源與基材上執行。
第2B圖僅繪示定位在環狀電漿源外側的單一感應線圈1132，然而此組態不欲限制本發明之範疇，因為線圈1132的數目與位置可視應用或期望的電漿離子密度而改變。在一些實施例中，如第2G圖中所示，線圈1132可纏繞核心元件1130的外部於任一端處、於核心元件1130的中心部(例如第5圖中的1132B或1132D)，或均等地從一端包裹核心元件1130至另一端。在一個實施例中，如第2G圖所示，倘若使用多重線圈，每一線圈1132F、1132G可個別連接個別的RF功率源，諸如源組件1038與1058。源組件1058可包含RF功率源1059及/或阻抗匹配元件1057。傳遞至每一RF線圈1132F、1132G的RF功率訊號之每一者的相位與功率層級可彼此相對調整或設置，而改善電漿生成區域1118中的電漿均勻性及/或改善RF功率耦合。
電漿均勻度調整
如第2D圖所概略繪示，由於傳遞RF能量所形成的通過核心元件之磁場強度於徑向上的差異之故，形成於電漿生成區域1118中的電漿在接近內壁1150處相較於電漿塊體1116的外壁1156處具有較高的電漿密度。因此，為了進一步改善電漿耦合及/或使電漿生成區域1118內的電漿均勻度更加均勻，可使用各種電漿調整技術。
電漿源1000的一個實施例中，如第3圖所示，一個以上的場塑形元件(諸如永久磁體1152)定位在電漿生成區域1118周圍，以調整電漿均勻性。第3圖是根據本發明一個實施例的電漿塊體1116部份等角剖面視圖。第3圖中，磁性核心元件1130(以虛線代表)、冷卻板1134與側覆蓋件1140均為簡明起見而省略。電漿控制裝置1072的一個實施例中，多重永久磁體1152嵌在電漿塊體1116的內壁1150的周邊，以調整電漿生成區域1118中形成的電漿。在一態樣中，電漿塊體1116的內壁1150設有複數個開口1154，這些開口是設以於其中納置永久磁體1152。永久磁體1152大體上是以對稱樣式間隔開，並且以交替磁極之方式排列，即交替的北極「N」與南極「S」。環繞在內壁1150周圍定位的永久磁體1152趨於推動在電漿生成區域1118中形成的電漿朝圓形區域中間或外壁1156遠離電漿塊體1116的內壁1150。使用場塑形元件因而使形成於內壁1150與外壁1156之間通過電漿生成區域1118的電漿密度更加均勻。場塑形元件可包含永久磁體、電磁體或其他能夠塑形電漿生成區域1118中形成的生成場與電漿的類似元件。
在一些實例中，不使用場塑形元件，而是將線圈纏繞至少一部分的電漿塊體1116，使得透過將電流流過此纏繞線圈1432而生成的場會重新分配形成於電漿生成區域1118中的電漿。第4圖是電漿控制裝置1072的側剖面視圖，其概略性繪示根據本發明的一個實施例的纏繞線圈組態。在此實施例中，一個以上的線圈1432以期望的圈數包裹電漿塊體1116。在一個實施例中，線圈1432纏繞於電漿塊體1116所有部份，諸如以360度纏繞電漿塊體1116的內壁1150、側壁1158與外壁1156與側覆蓋件1140，以在透過功率源1433使電流通過線圈1432時均勻分配形成於電漿生成區域1118中的電漿。在一個實施例中，DC功率傳遞至線圈1432以感應式耦合電漿生成區域1118中生成的電漿並且重新分配之。更詳言之，由電流通過線圈1432而產生的磁場大體上具有在接近側壁1150中心處最強的磁通量密度，其傾向將電漿拉離內壁1150邊緣，並且將電漿朝電漿生成區域1118的中間重新分配，如箭號所指。通過線圈1432的電流傳遞因而傾向使電漿生成區域1118中的電漿密度更均勻。在一個實施例中，感應線圈1432用於點燃由使用能夠傳遞RF能量的功率源1433所形成於電漿生成區域1118中的電漿。倘若使用超過一個線圈1432，每一線圈1432可使用相同的功率與頻率驅動，或者每一線圈1432可於不同功率及/或頻率下獨立驅動。
應考量到線圈1432可於任何期望位置包裹於內壁1150與外壁1156周圍，或以期望間隔均等地包裹內壁1150與外壁1156周圍。在一個實施例中，線圈1432包裹於核心元件1130外部周圍並且鄰接冷卻板1134。在一個態樣中，線圈1432排置在冷卻板1134與支撐元件1135之間。支撐元件1135耦接冷卻板1134的一側，且可包括一個以上的支撐板(例如第2B圖中所示的支撐板1136、1137)以固定延伸支撐板1136與1137的核心元件1130。在一個組態中，如第4圖所繪示，線圈1432顯示為同相纏繞，即流過線圈1432的電流感應電漿以在電漿生成區域1118周圍以相同方向流動。或者，線圈1432可彼此異相纏繞。
在電漿源1000的一些組態中，接觸電漿塊體1116的電漿生成區域1118的僅有的內表面可由電絕緣體製成，諸如不會與電漿化學物質反應的融合的氧化矽或陶瓷。因此，在一些組態中，電漿塊體可主要由金屬製成，諸如塗佈介電質的鋁、陽極氧化鋁或不鏽鋼。在電漿塊體1116的幾個部份(諸如內壁1150、側壁1158及/或外壁1156)由導電材料(例如金屬)製成的組態中，需要設置絕緣間隔物(圖中未示)或介電質裂隙以破壞或抑制渦電流，該渦電流大體上流於壁1150、1156、1158中，這是由於將電流傳遞至線圈1432而生成場所致。添加介於導電壁之間的絕緣間隔物大體上使電漿源1000組件更加複雜且耗費成本，同時也使其更難在真空密閉的組態中組裝。因此，倘若內壁1150或外壁1156及側壁1158是由絕緣或非導電材料製成時，可省略絕緣間隔物。
氣體傳遞硬體
如上文所記敘，電漿處理期間，處理氣體從氣體供應器1124透過電漿塊體1116的進入通口1127(第2B圖)傳遞進入電漿生成區域1118，而受到激發的氣體原子透過亦形成於電漿塊體1116中的排出通口1126離開電漿生成區域1118。在一個實施例中，電漿控制裝置1072的圓頂部份1110用於將處理氣體傳遞至電漿塊體1116的進入通口1127以及形成於其中的電漿生成區域1118。在一個實施例中，圓頂部份1110大體上包括氣體入口1120與氣體擴散器主體1122。氣體擴散器主體1122大體上延伸通過電漿塊體1116的外壁1156中的進入通口1127。氣體入口1120連接外部氣體源(例如製程氣體供應器1124)以將製程氣體或清潔氣體導入電漿控制裝置1072。在一個實施例中，圓頂部份1110包含氣體分配充氣部1123，該充氣部形成於氣體擴散器主體1122內，並且用於重新分配及控制氣體傳遞通過形成於氣體擴散器主體1122中形成的孔洞1121而進入電漿生成區域1118。電漿塊體1116的外壁1156設有氣體/電漿進入通口1126，該進入通口引導至電漿源1000中的處理區域1128。因此，氣體分配充氣部1123與電漿生成區域1118流體連通。
製程氣體或清潔氣體可包括含氧或含氮氣體，諸如NH3、N2O、NO、NO2、O2，或含氟氣體，諸如F2、NF3、NH4F、CF4、C3F8、SF6、或C2F5H，以及其組合，以及視情況任選的載氣，諸如氬氣、氦氣或氮氣。在一態樣中，製程氣體基本上包含氬氣(Ar)。另一態樣中，製程氣體基本上包含氨氣(NH3)。另一態樣中，將氨氣(NH3)與三氟化氮(NF3)氣體導入電漿控制裝置1072，以生成NH4F電漿，該電漿隨後可用於移除放置在電漿源1000中的基材上的原生氧化物。應考量到，視應用而定可使用其他處理前驅物氣體，諸如TSA、矽烷、TEOS或其他實用的前驅物氣體。可以介於約100 sccm至約1000 sccm之間的流率提供前驅物氣體。可以介於約100 sccm至約1000 sccm之間的流率提供前驅物氣體。處理期間，電漿源1000中處理區域1128的壓力可維持於約100 mTorr至約20 Torr之間。在一個範例中，腔室壓力維持在約100 mTorr至約1.25 Torr之間。
參考第4圖，複數個氣體開口或孔洞1121可以一種以上的角度1121A相對於氣體擴散器主體1122的中心軸1121B形成，因而使得製程氣體或清潔氣體得以用切線方式傳遞進入電漿生成區域1118，以形成環形渦旋式流態，而非引發流入氣體在進入電漿生成區域1118後沖擊內壁1150的內表面。在一個範例中，相對電漿生成區域1118徑向(如第4圖中所示的中心軸1121B)呈一角度而形成的孔洞1121對分(bisect)氣體擴散器主體1122並且延伸通過核心元件中心軸1130S。在一個實施例中，預定角度範圍可從約20度至約70度，諸如約45度。複數孔洞的每一開口可具有期望寬度與長度，其視應用而定。氣體擴散器主體1122可含有期望數目的開口，例如約10個以上的開口，諸如約20個以上的開口。
多重電漿源組態
在一些處理組態中，可使用並聯的多重電漿源，使得具有類似或不同組成的製程氣體能傳遞至每一電漿源，而提供具有變化的混合物比率及/或能量的高能氣體原子予以製程腔室1020的處理區域1128。第5圖繪示簡化的根據本發明之實施例之電漿腔室之剖面視圖，該電漿腔室具有兩個電漿控制裝置1072A、1072B，該等電漿控制裝置耦接製程腔室1020的腔室蓋1010。為便於說明，已省略電漿腔室部件，然而，應考量到製程腔室1020含有所有與第2B圖所示的製程腔室相同的部件，不同處是該腔室適於納置兩個電漿控制裝置1072A、1072B。在此實施例中，兩個電漿控制裝置1072A、1072B附接或架設在製程腔室1020的腔室蓋1010上，以產生氣體自由基及/或離子化氣體，並且使之通過噴頭組件1027導入下游的製程腔室1020。兩個電漿控制裝置1072A、1072B平行排列，並且共享通用的核心元件1130，該核心元件是穿過電漿塊體1016A、1016B的內壁1150A、1150B配置。此組態中的核心元件1130大體上是類似上述的部件，除了其可需要一些增加的長度以使其服務電漿控制裝置1072A與1072B二者。在本發明一些實施例中，兩個以上的電漿生成區域(例如電漿生成區域1118A與1118B)全形成在諸如電漿塊體1016A的單一電漿塊體(圖中未示)中，以減少複製的部件的數目並且改善將兩個以上電漿生成區域對準核心元件1130的能力。
如第5圖所繪示，線圈1132A可纏繞核心元件1130的外部。線圈1132A的圈數可變化，其範圍在約1圈至10圈之間。在一些實例中，線圈1132A可具有10圈以上的圈數。線圈1132A可沿核心元件1130排列在不同位置。在一個實施例中，線圈1132A可包含分佈在不同位置的多重線圈。在一個實施例中，線圈是以任一種下列方式分佈：(1)在線圈位置1132A與1132E；(2)在線圈位置1132B與1132D；(3)僅在線圈位置1132C；(4)在線圈位置1132A與1132C，或者是1132C與1132E；以及(5)在線圈位置1132A、1132B、1132C、1132D、與1132E，其取決於應用或電漿離子密度的需求而定。亦應考量到，當使用多重線圈時，線圈可個別連接個別的RF功率源組件(例如第2G圖中的1038、1058)。傳遞至每一RF線圈的RF功率訊號可相對彼此調整或設置，以達成期望的電漿均勻度、氣體自由基能量或電漿離子分佈。類似地，隨製程條件(例如功率、壓力、氣體流率、氣體組成)改變、電漿控制裝置定位的方式、電漿中基材的位置及/或電漿控制裝置的固有物理特性而可改變所生成的電漿之均勻度。在一個實施例中，為了進一步改善將所傳遞的RF能量與兩個電漿控制裝置1072A、1072B的電漿生成區域1118A、1118B的耦合，致動器1047與系統控制器1001用於調整及調諧核心元件1130相對於電漿生成區域1118A、1118B的位置，以改善RF與配置於其中的氣體之耦合。在一些組態中，核心元件1130相對於第一電漿控制裝置1072A的位置受到控制，而核心元件1130相對於第二電漿控制裝置1072B的位置是次要的(即為附屬件)。
在一個態樣中，電漿控制裝置1072A、1072B的氣體入口1110A、1110B可個別連接相同的或不同的外部氣體源(圖中未示)，以提供不同的製程氣體或清潔氣體給電漿控制裝置1072A、1072B，其視應用而定。雙電漿控制裝置組態能夠快速切換不同電漿，其可有利於某些諸如使用遠端電漿源以用於沉積或清潔必須環境的PEALD(電漿增強ALD)或CVD之應用。雙電漿控制裝置組態亦實用於容許同時從不相容的氣體(其無法如期望般在單一電漿控制裝置中受到激發)傳遞高能氣體物料。
第6A與第6B圖是繪示根據本發明一個實施例之具有三個電漿控制裝置(例如元件符號1072C、1072D與1072E)的電漿源1000之剖面視圖的概略圖式，該等電漿控制裝置耦接核心元件(例如，元件符號1130A、1130B)。為便於說明，已省略製程腔室1020部件，在第6A圖與第6B圖中僅概略性繪示電漿控制裝置1072C、1072D與1072E與磁通透核心元件1130A、1130B。然而，該等部件之每一者可包括如上文一併與第2A至2G圖及第5圖所述之硬體部件。在一個範例中，第6A圖或第6B圖中所示的電漿控制裝置1072C、1072D與1072E之各者含有所有如上文一併與第2B圖所述之相同部件。類似於第5圖，三個電漿控制裝置1072C、1072D與1072E平行排列並且共享通用的核心元件1130A、1130B，該等核心元件穿過電漿塊體(圖中未示)的內部環配置，並且延伸穿過電漿控制裝置1072C、1072D與1072E的每一者之相對側。
在一個組態中，線圈1132纏繞核心元件1130A(第6A圖)或1130B(第6B圖)之外部。類似地，視應用與電漿離子之需求而定，線圈的圈數與位置可以連同第5圖中所論及之類似方式調整。在每一電漿控制裝置1072C、1072D及1072E之每一者中所設的氣體入口(圖中未示)可個別連接相同或不同的外部氣體源(圖中未示)，因而能夠快速切換製程氣體以形成具有相同或不同組成的電漿，而形成期望的氣體自由基或氣體離子，其如前文所述。
在電漿源1000的一個實施例中，三個電漿控制裝置1072C、1072D與1072E共享通用的核心元件(例如元件符號1130A或1130B)，該核心元件在不同的核心元件部份具有不同的直徑。例如，在第6A圖中，延伸通過第一電漿控制裝置1072A(即最左邊或最外面之該者)的核心元件1130A的直徑可大於延伸通過第二與第三電漿控制裝置1072D與1072E之核心元件1130A之區域。或者，如第6B圖所示，延伸通過第二電漿控制裝置1072D(即中間的電漿控制裝置)的核心元件1130B之直徑可小於延伸通過第一與第三電漿控制裝置1072C與1072E之核心元件1130B之部份的直徑。因為核心元件的外表面與電漿生成區域之間的距離會影響所生成的RF場對電漿的電漿耦合效能，故改變相對於類似設置的電漿塊體之核心元件的直徑會使得每一電漿源中耦合效能與電漿密度有所不同。在每一電漿控制裝置1072C、1072D及1072E中所設的電漿生成區域各者中生成的不同電漿特性是由於核心元件直徑差、或電漿塊體中形成的電漿生成區域之形狀或直徑所致，每一電漿控制裝置1072C、1072D、1072E中的電漿性質可最佳化，以用於傳遞至每一電漿控制裝置的特定類型之製程氣體或製程氣體混合物。取決於核心元件的直徑或核心元件外表面與電漿生成區域之間的相對距離，不同的能量可耦合進入電漿空腔。
在每一電漿生成區域中產生的不同電漿特性是由於電漿控制裝置1072C、1072D及1072E中的硬體組態、氣體組成及/或氣體流率差異所造成，該不同的電漿特性能因此用於生成具有不同特徵的氣體自由基及/或氣體離子並且將之透過腔室蓋1010中的開口1011C、1011D與1011E傳遞至製程腔室1020的製程區域1128。
前述者是導向本發明的實施例，在不背離本發明基本範疇的情況下，可設計本發明之其他與進一步的實施例，而本發明之範疇由隨後的申請專利範圍所決定。
100．．．電漿腔室
104、106．．．核心
112、114．．．區域
PR．．．區域
1000．．．電漿源
1001．．．系統控制器
1005．．．腔室側壁
1010．．．腔室蓋
1011．．．入口
1011C-E．．．開口
1015．．．基材底座
1016．．．背側氣體供應器
1016A-B．．．電漿塊體
1020．．．製程腔室
1021．．．腔室主體
1025．．．製程氣體供應器
1026．．．孔洞
1027．．．噴頭組件
1030．．．基材
1031．．．基材表面
1033．．．電容器
1034．．．饋送線路
1035．．．真空泵系統
1037．．．匹配元件
1038．．．源組件
1039．．．RF功率源
1041．．．匹配元件
1042．．．RF功率源組件
1043．．．RF功率源
1044．．．點燃線路
1047．．．致動器
1072．．．電漿控制裝置
1072A-E．．．電漿控制裝置
1073．．．處理區域組件
1110．．．圓頂部份
1110A-B．．．電漿生成區域
1116．．．電漿塊體
1116S．．．中心軸
1118．．．電漿生成區域
1120．．．氣體入口
1121．．．孔洞
1121A．．．角
1121B．．．中心軸
1122．．．氣體擴散主體
1123．．．氣體分配充氣部
1124．．．製程氣體供應器
1126．．．排出通口
1127．．．進入通口
1128．．．處理區域
1129．．．屏蔽件
1130．．．核心元件
1130A-B．．．核心元件
1130S．．．中心軸
1131A-B．．．兩端
1132．．．線圈
1132A、1132B、1132D．．．線圈
1132C、1132E．．．位置
1132F-G．．．線圈
1134．．．冷卻板
1135．．．支撐元件
1136、1137．．．支撐板
1138．．．冷卻通道
1139．．．熱交換源
1140．．．側覆蓋件
1143．．．電極
1143．．．冷卻劑入口
1144．．．冷卻劑出口
1145．．．絕緣板
1146．．．冷卻板
1150．．．內壁
1150A．．．內壁
1152．．．永久磁體
1154．．．開口
1154B．．．內壁
1156．．．外壁
1158．．．側壁
1432．．．線圈
1433．．．功率源
1710．．．熱交換組件
1711．．．外殼
1711A．．．外表面
1711B．．．進入通口
1711C．．．排出通口
1721．．．核心元件
1722．．．中央通道
1723．．．間隙
1724．．．特徵結構
1725．．．內部區域
B．．．場
P．．．電漿
藉由參照一些繪示於附加圖式中實施例，可獲得如上文所簡短總結的本發明之更特定的描述，如此可得到詳細瞭解本發明之前述特徵的方法。然而，應注意，附加圖式僅繪示本發明之典型實施例，且因此不欲視為其範疇之限制，因本發明可允許其他同等有效之實施例。
第1圖繪示習知遠端電漿源裝置的剖面視圖。
第2A圖是根據本發明一個實施例的耦接處理腔室的電漿源之等角視圖。
第2B圖是根據本發明一個實施例的第2A圖中所繪示之電漿源的側剖面視圖。
第2C圖是根據本發明一個實施例的第2A圖中所繪示之電漿塊體的側剖面視圖。
第2D圖是根據本發明一個實施例的電漿塊體的側剖面視圖。
第2E圖是根據本發明一個實施例的電漿塊體之等角視圖。
第2F圖是根據本發明一個實施例之源組件的側剖面視圖，該源組件用於在電漿源的電漿生成區域中形成電漿。
第2G圖是根據本發明一個實施例的電漿源之側剖面視圖，該電漿源具有兩個以上線圈，該等線圈纏繞核心元件。
第2H圖繪示根據本發明一個實施例之可用在電漿源中的核心元件的剖面形狀的三個範例。
第3圖是根據本發明一個實施例的電漿塊體等角剖面視圖。
第4圖是根據本發明一個實施例之電漿控制裝置的側剖面視圖，該裝置的線圈纏繞於該電漿生成區域的至少一部分。
第5圖繪示根據本發明一個實施例之具有耦接製程腔室的兩個電漿控制裝置的電漿腔室之概略剖面視圖。
第6A圖與第6B圖是根據本發明之另一實施例的電漿腔室的概略剖面視圖，該電漿腔室具有至少三個耦接製程腔室的電漿控制裝置。
第7A圖是根據本發明另一實施例的電漿腔室之側剖面視圖，該電漿腔室具有溫度控制核心元件。
第7B圖是根據本發明另一實施例的第7A圖中所示的溫度控制核心元件部份的側剖面視圖。
1000．．．電漿源
1010．．．腔室蓋
1037．．．匹配元件
1038．．．源組件
1039．．．RF功率源
1072．．．電漿控制裝置
1073．．．處理區域組件
1110．．．圓頂部份
1116．．．電漿塊體
1123．．．氣體分配充氣部
1124．．．製程氣體供應器
1130．．．核心元件
1132．．．線圈
1134．．．冷卻板
1138．．．冷卻通道
1139．．．熱交換源
1140．．．側覆蓋件
1143．．．冷卻劑入口
1144．．．冷卻劑出口
1146．．．冷卻板

Claims (20)

  1. 一種耦接一處理腔室的電漿源，其包含：一核心元件，其具有一第一端、一第二端以及一核心元件中心軸；一第一電漿塊體，其具有一個或多個表面，該一個或多個表面至少部份包圍一第一環形電漿生成區域，其中該核心元件係延伸通過該第一電漿塊體的兩個相對側且該第一環形電漿生成區域配置成完全地環繞該核心元件的一第一部份之一周邊，且其中該核心元件具有一總直徑係小於該第一電漿塊體的一內徑；以及一線圈，其配置於該核心元件之一部份之上。
  2. 如請求項第1項所述之電漿源，其進一步包含：該處理腔室之一壁，其具有：一第一入口，其與該第一環形電漿生成區域流體連通；以及一第二入口，其與一第二環形電漿生成區域流體連通，該第二環形電漿生成區域配置成完全地環繞該核心元件的一第二部份之一周邊，其中該第一入口與該第二入口二者皆與該處理腔室的一處理區域流體連通。
  3. 如請求項第2項所述之電漿源，其中該核心元件的該第一部份具有一第一直徑，而該核心元件的該第二部份具有一第二直徑，其中該第一直徑有別於該第二直徑。
  4. 如請求項第1項所述之電漿源，其進一步包含：一外殼，其具有一入口與一出口，其中該核心元件配置在該外殼的一內部區域內；以及一熱交換組件，其設以引發一溫度控制流體流過該外殼的該入口、該內部區域以及該出口。
  5. 如請求項第1項所述之電漿源，其進一步包含：一致動器，其設以相對該第一環形電漿生成區域移動該核心元件。
  6. 如請求項第1項所述之電漿源，其中該第一電漿塊體包含一材料，該材料選自由氧化鋁(Al2O3)、氮化鋁(AlN)、氧化鈹(BeO)與氮化硼(BN)所構成之群組。
  7. 如請求項第1項所述之電漿源，其中該線圈於該第一端或於一中間位置配置在該核心元件之一部份上方，該中間位置是配置於該第一端與該第二端之間。
  8. 如請求項第1項所述之電漿源，其進一步包含：複數個永久磁體，該等磁體配置在該核心元件 與該第一環形電漿生成區域之間。
  9. 如請求項第1項所述之電漿源，其進一步包含：一RF功率源，其耦接該線圈；以及一電漿重新分配線圈，其配置在該第一環形電漿生成區域之至少一部分周圍，並且耦接一DC功率源。
  10. 如請求項第1項所述之電漿源，其中該核心元件具棒狀。
  11. 如請求項第1項所述之電漿源，其進一步包含：一電極，其配置在鄰接該第一環形電漿生成區域處；以及一第一功率源，其在電氣上耦接該線圈與該電極。
  12. 一種耦接一處理腔室的電漿源，其包含：一核心元件，其包含一第一端、一第二端以及一核心元件中心軸；一第一電漿塊體，其具有一個或多個表面，該一個或多個表面至少部份包圍一第一環形電漿生成區域，其中該第一環形電漿生成區域配置成完全地環繞該核心元件的一第一部份之一周邊，並且具有大體上重合該核心元件中心軸的一中心軸，且該 核心元件係延伸通過該第一電漿塊體的兩個相對側；一第二電漿塊體，其具有一個或多個表面，該一個或多個表面至少部份包圍一第二環形電漿生成區域，其中該第二環形電漿生成區域配置成完全地環繞該核心元件的一第二部份之一周邊，並且具有大體上重合該核心元件中心軸的一中心軸，且該核心元件係延伸通過該第二電漿塊體的兩個相對側，且其中該核心元件具有一總直徑係小於該第一電漿塊體和該第二電漿塊體的一內徑；以及一線圈，其配置於該核心元件之一部份之上。
  13. 如請求項第12項所述之電漿源，其進一步包含：一冷卻板，其耦接該第一電漿塊體的一表面。
  14. 如請求項第12項所述之電漿源，其進一步包含：一第一氣體出口，其形成於該第一電漿塊體中，其中該第一氣體出口設以接收在該第一環形電漿生成區域中形成的氣體自由基，並且傳遞該等氣體自由基至該處理腔室的一處理區域；以及一第二氣體出口，其形成於該第二電漿塊體中，其中該第二氣體出口設以接收在該第二環形電漿生成區域中形成的氣體自由基，並且傳遞該等氣體自由基至該處理腔室的該處理區域。
  15. 如請求項第12項所述之電漿源，其進一步包含：一外殼，其具有一入口與一出口，其中該核心元件配置在該外殼的一內部區域內；以及一熱交換組件，其設以引發一溫度控制流體流過該外殼的該入口、該內部區域以及該出口。
  16. 如請求項第12項所述之電漿源，其進一步包含：一致動器，其設以相對該第一環形電漿生成區域移動該核心元件；以及一系統控制器，其設以自動調整該核心元件相對於該第一環形電漿生成區域的位置。
  17. 如請求項第12項所述之電漿源，其中該第一電漿塊體與該第二電漿塊體每一者包含一材料，該材料選自由氧化鋁(Al2O3)、氮化鋁(AlN)、氧化鈹(BeO)與氮化硼(BN)所構成之群組。
  18. 如請求項第12項所述之電漿源，其中該線圈於該第一端或於一中間位置配置在該核心元件之一部份上方，該中間位置是配置於該第一端與該第二端之間。
  19. 如請求項第12項所述之電漿源，其進一步包含：一RF功率源，其耦接配置在該核心元件之一部份上方的該線圈；以及一電漿重新分配線圈，其配置在該第一環形電 漿生成區域之至少一部分周圍，並且耦接一DC功率源。
  20. 一種形成高能的氣體原子的方法，其包含以下步驟：將一製程氣體流進一第一環形電漿生成區域，該第一環形電漿生成區域至少部份被一第一電漿塊體的一個或多個表面所包圍，其中該第一環形電漿生成區域配置成完全地環繞一核心元件的一部分之一周邊，該核心元件係延伸通過該第一電漿塊體的兩個相對側，且其中該核心元件具有一總直徑係小於該第一電漿塊體的一內徑；以及透過將RF功率傳遞至纏繞該核心元件的一部分的一線圈，而生成一電漿於該第一環形電漿生成區域中。
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