TWI596670B - 混合式電漿處理系統 - Google Patents

Description

混合式電漿處理系統

電漿處理系統長期以來被用於處理基板(例如晶圓或平板、或液晶面板)以形成積體電路或其他電子產品。常用的電漿處理系統可包括電容耦合(CCP，capacitively coupled plasma)電漿處理系統或感應耦合(ICP，inductively coupled)電漿處理系統等等。

在純粹電容耦合的電漿處理系統中，一或更多電極可由RF能量供電以電容式地感應電漿，電漿接著用於處理基板。在CCP系統之範例中，基板可置於電極其中一者之頂部(此電極亦作用如同吸盤或工件架)。支撐基板之電極可接著由一或更多RF電源供電。

另一電極可設置於基板上且可接地。此兩板之間的相互作用產生用於處理基板之電容耦合電漿。

感應耦合電漿處理系統常用於需要較高密度之電漿時。感應耦合電漿處理腔室通常使用感應線圈以感應式充能及維持用於處理之電漿。由於ICP和CCP系統在本技藝中皆為眾所周知，故將不於此進一步詳述。

然而，如熟悉本技藝者所熟知，ICP系統提供不同範圍之電漿密度、化學性質、解離特性、及離子能量控制等等，且相較於CCP系統具有不同之維護性問題及優點/缺點。本發明人理解很多時候，吾人期望CCP腔室中可具有與ICP系統相關之特色，且反之亦然。此類混合式系統可提供兩者之優點並提供控制鈕及操作範圍及維護性之優勢(如原位清洗)，這些是從前僅利用ICP技術或僅利用CCP技術之腔室所無法達成的。

本發明關於一種製造及操作混合式電漿處理系統之系統及 方法，此混合式電漿處理系統結合ICP腔室及CCP腔室之特性及功能。

本發明之一實施例關於一種具有用以處理基板之電漿處理腔室 的電漿處理系統。此電漿處理系統包含第一RF電源供應器、第二RF電源供應器、以及下部電極，用以於處理期間支撐基板，該下部電極由第一RF電源所充能。此電漿處理系統更包含混合式上部電極，以間隔開之關係設置於下部電極上方。該混合式上部電極包含第一板，由具有第一電阻之第一材料所形成，以及導電接地板，其中具有複數徑向槽。導電接地板相對於下部電極，係設置於較第一板更遠處。導電接地板由第二材料所形成，具有低於第一電阻之第二電阻。混合式上部電極更包含感應線圈，相對於下部電極，設置於較導電接地板更遠處，該感應線圈係由第二射頻電源供應器所充能。

在另一實施例中，本發明關於一種在電漿處理系統裡處理基板的 方法，該電漿處理系統具有用以處理基板之電漿處理腔室。此方法包含提供第一RF電源供應器及提供第二RF電源供應器。此方法亦包含提供下部電極以於處理期間支撐基板，下部電極由第一RF電源供應器所充能。此方法另外包含提供混合式上部電極，以間隔開之關係設置於下部電極上方。 混合式上部電極包含第一板，由具有第一電阻之第一材料所形成，第一板其中具有第一複數徑向槽。混合式上部電極亦包含導電接地板，導電板其中具有第二複數徑向槽。導電板相對於下部電極，係設置於較第一板更遠處。導電板由具有低於第一電阻之第二電阻的第二材料所形成。混合式上部電極另外包含電絕緣板，其中設置至少一通道，電絕緣板相對於下部電極，係設置於較導電接地板更遠處。混合式上部電極亦包含感應線圈，設置於電絕緣板通道中之至少一者，感應線圈係由第二RF電源供應器所充能。本方法另外包含在處理基板時，分別使用第一RF電源供應器及第二RF電源供應器其中至少一者充能至下部電極與感應線圈其中至少一者。

102‧‧‧混合式上部電極

104‧‧‧第一板

106‧‧‧導電接地板

108‧‧‧電絕緣板

110‧‧‧週圍環

112‧‧‧加熱板

120‧‧‧感應線圈

122‧‧‧感應線圈

202‧‧‧徑向槽

204‧‧‧徑向槽

206‧‧‧徑向槽

302‧‧‧混合式電漿處理系統

304‧‧‧基板承載下部電極

306‧‧‧RF電源供應器

310‧‧‧返回RF電流

322‧‧‧頂部板

324‧‧‧腔室側壁

328‧‧‧RF電源供應器

330‧‧‧RF匹配

340‧‧‧氣體入口

342‧‧‧氣體入口

346‧‧‧冷卻板

348‧‧‧冷卻通道

350‧‧‧熱阻氣門

本發明係藉由例示而非限制之方式顯示於隨附圖式中之圖 形，且其中相似的參考數字表示相似的元件，且其中：圖1呈現根據本發明實施例的混合式上部電極之簡化的橫剖面圖。

圖2呈現根據本發明實施例的混合式上部電極之簡化的俯視圖。

圖3呈現根據本發明實施例的混合式電漿處理系統。

本發明現將參照如隨附圖式中呈現之其若干較佳實施方式加以詳述。在以下敘述中，提出許多具體細節以提供對本發明之深入了解。然而對熟悉本技藝者將顯而易見，本發明可在缺少這些具體細節的部份或所有者的情況下實施。在其它情況下，已為人所熟知之程序步驟以及/或是結構將不再詳述，以不非必要地妨礙本發明。

以下將描述各種實施例，包括方法及技術。應謹記本發明亦可涵蓋包含電腦可讀取媒體之製品，此電腦可讀取媒體儲存了實施本發明技術之實施例的電腦可讀取指令。電腦可讀取媒體可包含例如半導體、磁性、光磁、光學、或其他形式之用以儲存電腦可讀取碼的電腦可讀取媒體。此外，本發明亦可涵蓋用以實施本發明實施例的設備。此設備可包括專用及/或可程式化之電路，以實施與本發明之實施例相關的任務。此設備之範例包含通用電腦及/或適當程式化之專用計算裝置，且可包括適用於和本發明之實施例相關之各種任務的電腦/計算裝置及專用/可程式化之電路之組合。

在一或更多實施例中，本發明係關於一種混合式電漿處理系統，此系統可在電容耦合模式及感應耦合模式下執行、或同時以兩種模式執行。在一或更多實施例中，此混合式電漿處理系統具有包含上部電極之腔室。下部電極係由一或更多在kHz或MHZ範圍內之RF電源，包括數十或數百MHz、使用一或更多RF信號所充能。基板在電漿處理期間係設置於下部電極上。

混合式電漿處理系統更包含混合式上部電極，該混合式上部電極包含至少一個由具有第一電阻之材料所形成的第一板。較佳地，第一 材料係為高電阻材料，例如高電阻(而非低電阻)之Si或SiC。導電接地板係設置於第一板上，其係位於相較於第一板，與下部電極之遠端(更遠)處。

導電接地板上為至少一感應線圈，其係用以感應耦合電漿以 處理基板。感應線圈通常由RF電源供應器所供電，此可在kHz或MHz之範圍內，包括數十或數百MHz。在一或更多實施例中，感應線圈係設置於形成於導電結構或板之通道內。感應線圈及/或包封感應線圈之導電結構相較於導電接地板，係設置於較下部電極更遠處。

在一或更多實施例中，複數徑向槽係形成於第一板及/或導 電接地板中。此等徑向槽之尺寸設定為可使B-場穿透其中(與徑向槽相同之平面)，同時阻擋方位角方向之E-場穿透。此外，槽的寬度及厚度係選擇以使在槽板內之循環電流最小化。在一或更多實施例中，槽可部分或完全形成穿過第一板和導電接地板之其中任一者或兩者。為了提高機械剛性及/或降低維護性之負擔，徑向槽可用與腔室中之處理相容之適當(除空氣以外)的介電材料填充。在一或更多實施例中，石英可為此適合的介電材料之一。

在一或更多實施例中，提供加熱及電氣配置，以在處理前、 處理期間及/或處理後熱控制混合式上部電極組件之溫度。在一或更多實施例中，可在第一板和導電接地板之其中一者或兩者內提供氣體通道，以形成噴淋頭結構。在一或更多實施例中，可提供多個感應線圈以進行感應耦合功率之區域控制(例如，可提供內部線圈及外部線圈)。線圈可由相同或不同的RF頻率充能且需要時可進行脈衝。

本發明實施例之特點及優點可參照以下之圖式及討論加以深入理解。

圖1呈現根據本發明實施例的混合式上部電極102之簡化橫剖面圖，包含第一板104，其係通常由例如Si或SiC之高電阻材料形成，以做為介電蝕刻器或與將進行之電漿處理相容之類似的適當材料。

導電接地板106相對於基板承載電極(以間隔開之關係設置於第一板104之下方且未顯示於圖1)，係設置於較第一板104更遠處。換言之，第一板104係設置於基板承載電極及導電接地板106之間。在圖1 之範例中，導電接地板106由導電材料形成，例如鋁或另一種適合之導電材料。導電接地板106與第一板104接合或以其它方式連接或固定至第一板104。以此方式，第一板104呈現給電漿一種與電漿處理相容的材料並將導電接地板106自電漿遮蔽，以減少/消除金屬污染之風險。

感應線圈120相對於基板承載電極，顯示為設置於比導電接 地板106與第一板104更遠處。在圖1之範例中，提供兩個獨立的感應線圈120及122以給予對電漿密度之更細密的控制，但並非在每個情況下皆需要多個線圈。

同樣於圖1之範例中，線圈係設置在形成於電絕緣板108 內之通道中，該電絕緣板可由如氮化鋁(AlN)或其他適合之材料製成。在一或更多實施例中若有需要，絕緣板中的通道108可用適當之介電材料填充。可替換地或附加地，可使線圈與電絕緣板108接合及/或使之導熱至電絕緣板108以促進熱控制。

可由例如鋁所形成之週圍環110顯示為環繞混合式上部電 極，且更具體地在圖1之範例中，圍起電絕緣板108。週圍環提供接地板106之電、熱、及RF耦合，以至少提供RF電流之返迴路徑(例如，當腔室以電容性模式進行操作時)。

週圍環110上方為加熱板112，此加熱板與加熱元件(例如， 流體或電氣加熱機構)耦合以針對上部電極102提供熱控制。在一或更多實施例中週圍環110可接地。

圖2呈現根據本發明實施例的混合式上部電極102之簡化的 俯視圖。線圈120及122顯示為設置於如前所述之形成在電絕緣層108中之通道內。絕緣層108下方為導電接地板106及第一板104，兩者皆設置徑向槽，徑向槽至少部分或全部形成穿過導電板106與第一板104其中至少一者、每一者，或兩者。

徑向槽(202、204、206等)係較佳地對稱地設置及配置或 設定尺寸以使磁場(B-場)穿透其中，但於截面處夠窄以阻檔方位角方向之E-場穿透。槽係從中心至邊緣之方向以放射狀朝外，且至少部分地(且在某些情況下為全部地)從板的中心跨越至邊緣。另外，槽的寬度及厚度係選擇以使在槽板的循環電流最小化。在一或更多實施例中，此等導電接 地板中之槽可全部或部分與Si板中之槽對準。以此方式，當此等線圈由RF能量充能時，便可促進從線圈120及/或122至電漿之感應耦合。

在一或更多實施例中，用於將處理氣體注入介於上部及下部 電極之間的電漿產生區域之氣體通道形成於第一板104及/或導電板106內，但與電漿遮蔽以防止電漿形成於氣體空間內。在一或更多實施例中，氣體空間槽可形成於導電之頂部板和底部板之間。因此，來自電漿或TCP線圈的場無法穿透進入圍繞氣體空間槽的導電材料內。如此便可以預防電漿形成於氣體空間槽內。

第一板104較佳地由高電阻材料製成以改善B-場穿透。導 電板(如導電Si板)阻擋來自線圈之B-場穿透之效果不佳且吸收更多來自線圈的RF功率，此RF功率為循環電流的形式，此亦產生加熱的問題。具有高電阻率板(如高電阻率Si或SiC)後，可達到處理之相容性且呈現一個足夠大的RF集膚深度以允許B-場穿透其厚度。使用高電阻率材料亦減少了RF與來自底部電極的電容RF功率耦合，此可減少離子能量穿過電阻材料，而降低蝕刻率。

在一或更多實施例中，低電阻材料(如低電阻率的矽)之分 段(分區)楔形體可附著於導電接地板106。楔形體之縫隙可互鎖以防止電漿直射至楔形體後方之導電接地板106。為了避免Si扇區之間的接縫處拱起，可使用絕緣填充材料(如石英)。

圖3呈現根據本發明實施例的混合式電漿處理系統302，包含基板承載下部電極304，其係顯示為由RF電源供應器306供給能量。在圖3之範例中，RF電源供應器306提供3組獨立之RF頻率(2、27、及60MHz)，雖然並非在每個情況下絕對需要數個RF頻率。第一板104係顯示為設置於基板承載電極304上方。第一板104之上方為導電接地板106。感應線圈120及122係顯示為設置於形成於電絕緣板108之各自的通道內。在圖3之範例中，感應線圈120及122係由通過RF匹配330之RF電源328供給能量。

提供氣體入口340及342以將處理氣體提供給形成在第一板104和導電接地板106其中一者或兩者之氣體通道，以將處理氣體注入至介於上部及下部電極之間的電漿區域中。週圍環110顯示為環繞電絕緣板108。

如圖3所示，返回RF電流310穿過至少第一板104、導電 接地板106、加熱板112、頂部板322、和腔室側壁324以返回地面。可移動上部電極或下部電極組件其中一者以利晶圓插入並在處理期間控制電漿空隙。

提供其中具有數個冷卻通道348之冷卻板346以促進上部電 極之熱控制。在圖3之範例中，冷卻板346係接地且可使用一或更多熱阻氣門350與加熱板112熱隔離。

實務上，電漿處理系統302可於CCP模式下操作(例如， 當下部電極304充能且感應線圈關閉時)、於ICP模式下操作(例如，當下部電極304關閉且感應線圈充能時)、或在混合模式下操作，其中下部電極304和感應線圈兩者皆充能。在一或更多實施例中，如果需要的話，上部電極亦可由RF電源充能，使在CCP模式或混合模式中的上部和下部電極皆充能。

本發明之實施例亦包含依照本說明書中之教導所構成之混 合式電漿處理系統的製造方法。熟悉本技藝者將理解，可提供元件並將之互相連接以形成所揭露之混合式電漿處理系統或其變化。此外，本發明之實施例亦包含使用依照本說明書中之教導所構成之混合式電漿處理系統處理基板之方法。熟悉本技藝者將可在CCP模式、ICP模式、或混合模式下操作所揭露之混合式電漿處理系統，以處理此揭露之基板。

由前述內容可理解，本發明之實施例關於可在CCP、ICP 或CCP/ICP之混合模式下操作的混合式電漿處理系統。以此方式，多步驟之配方便無需要求將基板自腔室之間移動，以在具有CCP腔室及/或ICP腔室之條件下進行處理。能夠於混合模式下進行處理，開啟了額外的處理窗口並提供額外的處理控制鈕及可維護性的優點(例如原地腔室壁調節或腔室清洗)，這些是從前使用僅於CCP模式或僅於ICP模式下操作之腔室無法達成的。

本發明雖已透過數個較佳實施例加以說明，但仍有許多落於 本發明範疇內之替換、修改及各種置換均等物。雖然在此提供各種範例，但關於本發明之此等範例應為說明性而非限制性。此外，在此提供之標題及摘要係為便利之目的且不應被用以解釋為請求項之範圍。此外，摘要係 以高度簡化之形式撰寫且係以便利之目的提供，因此不應被用來解釋或限制呈現於請求項之整體發明。若用語「組」係使用於本文中，則欲使該用語具有其通常所為理解之數學上的意義，以包含零、一、或一個以上之成員。亦應注意有許多實施本發明之方法及設備的替代性方式。因此欲使以下隨附請求項解釋為包含所有落於本發明之真正精神及範疇內的此等替換、修改及各種置換均等物。

104‧‧‧第一板

106‧‧‧導電接地板

108‧‧‧電絕緣板

110‧‧‧週圍環

112‧‧‧加熱板

120‧‧‧感應線圈

122‧‧‧感應線圈

302‧‧‧混合式電漿處理系統

304‧‧‧基板承載下部電極

306‧‧‧RF電源供應器

310‧‧‧返回RF電流

322‧‧‧頂部板

324‧‧‧腔室側壁

328‧‧‧RF電源供應器

330‧‧‧RF匹配

340‧‧‧氣體入口

342‧‧‧氣體入口

346‧‧‧冷卻板

348‧‧‧冷卻通道

350‧‧‧熱阻氣門

Claims (26)

1. 一種具有用以處理基板之電漿處理腔室的電漿處理系統，包含：第一RF電源供應器；第二RF電源供應器；下部電極，用以於該處理期間支撐該基板，該下部電極係由該第一RF電源供應器所充能；混合式上部電極，其係以間隔開之關係設置於該下部電極上方，包含：第一板，由具有第一電阻之第一材料所形成，導電接地板，其中具有複數徑向槽，該導電接地板相對於該下部電極，係設置於較該第一板更遠處，該導電接地板係由具有低於該第一電阻之第二電阻的第二材料所形成，感應線圈，相對於該下部電極，係設置於較該導電接地板更遠處，該感應線圈係由該第二RF電源供應器所充能；及週圍環，環繞該混合式上部電極。
2. 如申請專利範圍第1項之具有用以處理基板之電漿處理腔室的電漿處理系統，其中該第一板其中具有另一複數徑向槽。
3. 如申請專利範圍第2項之具有用以處理基板之電漿處理腔室的電漿處理系統，其中該另一複數徑向槽係以空氣以外之介電材料填充。
4. 如申請專利範圍第1項之具有用以處理基板之電漿處理腔室的電漿處理系統，其中該第一RF電源供應器用以於該處理期間同時提供多組RF頻率至該下部電極。
5. 如申請專利範圍第1項之具有用以處理基板之電漿處理腔室的電漿處理系統，更包含電絕緣板，其中具有至少一通道，該感應線圈係置於該該至少一通道內。
6. 如申請專利範圍第5項之具有用以處理基板之電漿處理腔室的電漿處理系統，其中該電絕緣板包含至少AlN。
7. 如申請專利範圍第1項之具有用以處理基板之電漿處理腔室的電漿處理系統，更包含加熱板，相對於該下部電極，設置於較該感應線圈更遠處。
8. 如申請專利範圍第1項之具有用以處理基板之電漿處理腔室的電漿處 理系統，更包含冷卻板，相對於該下部電極，設置於較該感應線圈更遠處。
9. 如申請專利範圍第1項之具有用以處理基板之電漿處理腔室的電漿處理系統，其中該第一材料包含高電阻Si或SiC其中至少一者。
10. 如申請專利範圍第1項之具有用以處理基板之電漿處理腔室的電漿處理系統，其中該第二材料包含鋁。
11. 如申請專利範圍第1項之具有用以處理基板之電漿處理腔室的電漿處理系統，其中該複數徑向槽至少部份由空氣以外之介電材料所填充。
12. 如申請專利範圍第1項之具有用以處理基板之電漿處理腔室的電漿處理系統，其中該混合式上部電極更包含另一感應線圈，該另一感應線圈相對於該下部電極，係設置於較該導電接地板更遠處，該另一感應線圈相較於該感應線圈，係設置於該下部電極之不同空間區域之上。
13. 如申請專利範圍第1項之具有用以處理基板之電漿處理腔室的電漿處理系統，其中該複數徑向槽之每一者的寬度係設定為允許磁場穿透該導電接地板，同時阻擋方位角方向之電場穿透。
14. 一種具有用以處理基板之電漿處理腔室的電漿處理系統，包含：第一RF電源供應器；第二RF電源供應器；下部電極，用以於該處理期間支撐該基板，該下部電極係由該第一RF電源供應器所充能；混合式上部電極，其係以間隔開之關係設置於該下部電極上方，包含：第一板，由具有第一電阻之第一材料所形成，導電接地板，其中具有第一複數徑向槽，該導電接地板係相對於該下部電極，係設置於較該第一板更遠處，該導電接地板係由具有不同於該第一電阻之第二電阻的第二材料所形成，電絕緣板，具有至少一通道設置其中，該電絕緣板相對於該下部電極，係設置於較該導電接地板更遠處，感應線圈，設置於該電絕緣板之該至少一通道內，該感應線圈係由該第二RF電源供應器所充能；及週圍環，環繞該混合式上部電極。
15. 如申請專利範圍第14項之具有用以處理基板之電漿處理腔室的電漿處理系統，其中該第一複數徑向槽係以空氣以外之介電材料填充。
16. 如申請專利範圍第14項之具有用以處理基板之電漿處理腔室的電漿處理系統，其中該第一RF電源供應器用以於該處理期間同時提供多組RF頻率至該下部電極。
17. 如申請專利範圍第14項之具有用以處理基板之電漿處理腔室的電漿處理系統，其中該電絕緣板包含至少AlN。
18. 如申請專利範圍第14項之具有用以處理基板之電漿處理腔室的電漿處理系統，其中該第一材料係包含高電阻Si或SiC其中至少一者。
19. 如申請專利範圍第14項之具有用以處理基板之電漿處理腔室的電漿處理系統，其中該混合式上部電極更包含另一感應線圈，該另一感應線圈相對於該下部電極，係設置於較該導電接地板更遠處，該另一感應線圈相較於該感應線圈，係設置於該下部電極之不同的空間區域之上。
20. 如申請專利範圍第14項之具有用以處理基板之電漿處理腔室的電漿處理系統，其中該第一板包含具有縫隙之複數楔形體，該等楔形體用以防止從該腔室內產生之電漿可直射至該導電接地板。
21. 一種處理基板的方法，該方法用於在具有用以處理基板之電漿處理腔室的電漿處理系統，包含：提供第一RF電源供應器；提供第二RF電源供應器；提供用於在該處理期間支撐該基板之下部電極，該下部電極係由該第一RF電源供應器所充能；提供混合式上部電極，其係以間隔開之關係設置於該下部電極上方，包含：第一板，由具有第一電阻之第一材料所形成，該第一板其中具有第一複數徑向槽，導電接地板，其中具有第二複數徑向槽，該導電板相對該下部電極，係設置於較該第一板更遠處，該導電板係由具有低於該第一電阻之第二電阻的第二材料所形成，電絕緣板，具有至少一通道設置於其中，該電絕緣板相對於該下部 電極，係設置於較該導電接地板更遠處，感應線圈，設置於該電絕緣板之該至少一通道內，該感應線圈係由該第二RF電源供應器所充能；提供週圍環，其環繞該混合式上部電極；以及處理該基板，同時分別使用該第一RF電源供應器及該第二RF電源供應器其中至少一者充能給該下部電極及該感應線圈其中至少一者。
22. 如申請專利範圍21之處理基板的方法，其中該第一及第二複數徑向槽係以空氣以外之介電材料填充。
23. 如申請專利範圍21之處理基板的方法，其中該第一RF電源供應器用以於該處理期間同時提供多組RF頻率至該下部電極。
24. 如申請專利範圍21之處理基板的方法，其中該電絕緣板包含至少AlN。
25. 如申請專利範圍第21之處理基板的方法，其中該第一材料係包含高電阻Si或SiC其中至少一者。
26. 如申請專利範圍第21之處理基板的方法，其中該下部電極及該感應線圈兩者皆於該基板之處理期間，使用該第一RF電源供應器及該第二RF電源供應器充能。