專利名稱：用于控制等離子體體積的方法和設備的制作方法
相關案例的交叉引用本申請與以下現(xiàn)時申請的美國專利申請相關申請?zhí)朜o09/439661，名稱“IMPROVED PLASMA PROCESSINGSYSTEM AND METHOD THEREFOR”(律師案卷號NOLAM1P122/P0527)申請?zhí)朜o09/470236，名稱“PLASMA PROCESSING SYSTEM WITHDYNAMIC GAS DISTRIBUTION CONTROL”；(律師案卷號NOLAM1P123/P0557)申請?zhí)朜o09/439675，名稱“TEMPERATURE CONTROL SYSTEM FORPLASMA PROCESSING APPARATUS”；(律師案卷號NOLAM1P124/P0558)申請?zhí)朜o09/440418，名稱“METHOD AND APPARATUS FORPRODUCING UNIFROM PROCESS RATES”；(律師案卷號NOLAM1P125/P0560)申請?zhí)朜o09/440794，名稱“MATERIALS AND GAS CHEMISTRIESFOR PLASMA PROCESSING SYSTEMS”；(律師案卷號NOLAM1P128/P0561)上述每項專利申請在此作為引用包括進來。
背景技術：
本發(fā)明涉及加工用于集成電路(IC)制造中的半導體襯底或用于平板顯示器應用中的玻璃板等襯底的設備和加工方法。更具體說，本發(fā)明涉及對等離子體加工室內(nèi)等離子體的控制。
等離子體加工系統(tǒng)已出現(xiàn)了很長時間，近年來，感應耦連到等離子體源、電子回旋諧振源(ECR)、電容源等的等離子體加工系統(tǒng)已引入加工半導體襯底和玻璃板，并用于改變半導體襯底和玻璃板的加工等級。
加工中，通常用多個淀積和/或蝕刻步驟。淀積中，材料淀積在襯底表面上(如玻璃板或晶片的表面上)。例如，可在襯底表面上形成諸如SiO2的淀積層。反之，用蝕刻法在襯底表面上的預定區(qū)域有選擇地去除材料。例如，在襯底上的淀積層中形成諸如通路，接點或溝槽等蝕刻特性。
等離子體加工的一個特定方法中，用感應源產(chǎn)生等離子體。

圖1示出用于等離子體加工的現(xiàn)有的感應等離子體加工反應器100。典型的感應等離子體加工反應器包括加工室102，加工室102有設在電介質窗106上方的天線感應線圈104。通常，天線104有效地耦連到第一RF電源108。而且，在加工室102內(nèi)設置噴氣口110，用于將例如蝕刻源氣的氣態(tài)源材料釋放到電介質窗106與襯底112之間的RF感應等離子體區(qū)中。襯底112引入加工室102中并放在吸盤114上，吸盤114通常作為底電極并有效地耦連到第二RF電源116。
為了產(chǎn)生等離子體，加工氣經(jīng)噴氣口110輸入加工室102。之后，用第一RF電源108給感應線圈104施加功率(能量)。所施加的RF功率通過電介質窗106，在加工室102中感應大電場。電場加速加工室內(nèi)存在的少量電子，使它們與加工氣的氣體分子碰撞。這些碰撞引起電離和開始放電或產(chǎn)生等離子體118。正如本領域公知的，加工氣的中性氣體分子在這些強電場作用下失去電子，而留下帶正電荷的離子。結果，等離子體118中含正電荷離子、負電荷電子和中性氣體分子(和/或原子)。
一旦形成了等離子體，等離子體中的中性氣體分子有向襯底表面移動的趨勢。例如，使得中性氣體分子存在于襯底處的機理之一可能是擴散(即，在加工室內(nèi)的分子隨機移動)。因此，通常沿襯底112的表面會發(fā)現(xiàn)中性物質層(例如中性氣體分子層)。因此，當?shù)纂姌O114接通電源時，離子朝襯底加速移動與中性物質組合，進行蝕刻反應。
雖然等離子體118主要停留在加工室的上部區(qū)域(例如有效區(qū))，但是部分等離子體仍有充滿整個加工室的趨勢。等離子體通常進入加工室內(nèi)任何能持續(xù)的地方。例如，等離子體會充入襯底下諸如泵下的區(qū)域(例如無效區(qū)內(nèi))。如果等離子體到達這些區(qū)域，就會造成這些區(qū)域的刻蝕、淀積和/或腐蝕，這會導致加工室內(nèi)的因對該區(qū)域的刻蝕或淀積材料碎片剝落引起的顆粒污染。結果，使加工室部分的壽命降低。
而且，不受約束的等離子體會形成不均勻的等離子體，導致加工性能變化，即蝕刻均勻性、總蝕刻速率、蝕刻形狀、微負荷、選擇性等變化。結果，使集成電路的關鍵尺寸極難控制。此外，加工性能變化會導致半導體電路中的器件損壞，結果通常使生產(chǎn)成本更高。
控制等離子體的標準方法是在等離子體反應器內(nèi)設等離子體屏板。等離子體屏板的尺寸大致確定為可以將等離子體限定在由加工室和等離子體屏板確定的體積內(nèi)。大多數(shù)情況下，等離子體屏板還包括許多開口，以允許加工中產(chǎn)生的副產(chǎn)品氣體穿過等離子體反應器的排氣口。
參見圖1和2，等離子體屏板202與等離子體加工室100相連。等離子體屏板202通常構型為大致填滿加工室壁120的內(nèi)部周邊與靜電吸盤114的外部周邊之間形成的間隙。而且，等離子體屏板202通常包括許多穿孔204，穿孔204的尺寸應允許加工中形成的副產(chǎn)品氣體從排氣口122排出。同時，穿孔204的尺寸確定為將等離子體限定在加工室102確定的體積內(nèi)。穿孔大致形成同心圓、槽等形狀。而且，等離子體屏板通常在固定位置與加工室連接(例如用螺栓固定)。
但等離子體屏板有一些缺點。通常，設在加工室內(nèi)的構件在加工期間會造成襯底污染。其原因是，該構件的某些部位或表面吸附的蝕刻副產(chǎn)品和淀積物碎屑會附著到襯底上，造成顆粒污染。顆粒污染會產(chǎn)生不希望有的和/或預想不到的結果。例如，襯底表面上的顆粒會使襯底上要刻蝕的部分中斷。按此方式，不能正確地形成溝槽，這會導致器件損壞，因此降低了合格率。而且，在加工中要隨時清潔等離子體屏板。以防止過多地累積淀積物和刻蝕副產(chǎn)物。清潔的缺點是降低了襯底的制造量，通常由于生產(chǎn)率的降低提高了生產(chǎn)成本。
此外，等離子體屏板減小了副產(chǎn)品氣體的通道。例如，等離子體屏板通常使副產(chǎn)品氣體通道減小30％至60％。這會導致設計中對泵的要求提高。即，為了有效除去副產(chǎn)品氣體和保持減小的通道內(nèi)的所需加工室壓力，需要更大的渦輪分子泵。
而且，在加工期間穿孔會阻塞，這就進一步減小了通道。通道減小對泵系統(tǒng)正常功能的發(fā)揮造成負面影響，即減小了流通。這會導致加工變化、縮短泵的壽命，進一步降低生產(chǎn)效率，加大成本。而且，等離子屏板也是消耗部件，因為等離子體屏板與等離子體接觸，等離子體中的反應物要撞擊等離子體屏板。
此外，正常安裝中，等離子體屏板用螺栓連接到加工室，通常會限制不會造成斷裂的可用材料的種類。而且很難保證等離子體屏板與加工室之間的電接觸和熱接觸。
考慮到所述的缺點，需要提供控制加工室內(nèi)的等離子體體積的改進方法和設備。
發(fā)明概述本發(fā)明的一個實施例中涉及加工襯底用的等離子體加工設備。設備包括大致為圓柱形的加工室，在該等離子體加工室內(nèi)點燃并保持用于加工的等離子體。設備還包括等離子體限定裝置。等離子體限定裝置包括圍繞加工室周邊設置的外磁性桶形裝置。外磁性桶形裝置有多個相對加工室的軸線放射狀地并對稱地設置的第一磁元件。多個第一磁元件構型為可以產(chǎn)生第一磁場。
等離子體限定裝置還包括設在加工室內(nèi)的內(nèi)磁性桶形裝置，它的直徑小于外磁性桶形裝置的直徑。內(nèi)磁性桶形裝置有許多相對加工室的軸線放射狀地并對稱地設置的第二磁元件。多個第二磁元件構型為產(chǎn)生第二磁場。等離子體限定裝置構型為可采用第一和第二磁場在外磁性桶形裝置與內(nèi)磁性桶形裝置之間產(chǎn)生等離子體限定磁場，允許加工產(chǎn)生的副產(chǎn)物氣體通過，而把等離子體大致限定在至少由大致是圓柱形的加工室和等離子體限定磁場確定的體積內(nèi)。
本發(fā)明另一實施例涉及等離子體體積的控制方法，在加工室內(nèi)用等離子體增強工藝來加工襯底。該方法包括用第一磁元件在加工室內(nèi)產(chǎn)生第一磁場。該方法還包括用第二磁元件在加工室內(nèi)產(chǎn)生第二磁場。該方法還包括第一和第二磁場的組合在第一和第二磁元件之間產(chǎn)生合成磁場。該方法還包括在加工室內(nèi)產(chǎn)生等離子體，并把等離子體限定在至少利用部分加工室和合成磁場確定的體積內(nèi)。
本發(fā)明另一實施例涉及等離子體限定裝置，它用于控制等離子體體積，并在加工室內(nèi)用等離子體增強工藝來加工襯底。等離子體限定裝置包括許多具有第一磁元件的第一磁性桶形裝置。第一磁元件構型為在加工室內(nèi)產(chǎn)生第一磁場。等離子體限定裝置還包括具有許多第二磁元件的第二磁性桶形裝置。第二磁元件構型為在加工室內(nèi)產(chǎn)生第二磁場。
第二磁場構型為與第一磁場組合，以便在第一與第二磁性桶形裝置之間產(chǎn)生合成磁場。合成磁場構型為允許加工產(chǎn)生的副產(chǎn)物氣體通過，而把等離子體大致限定在至少由加工室和合成磁場確定的體積內(nèi)。
附圖簡述圖1示出用于等離子體加工的現(xiàn)有技術的感應等離子體加工反應器；圖2是圖1所示的現(xiàn)有感應等離子體加工反應器的頂視圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的具有等離子體限定裝置的典型的等離子體加工系統(tǒng)示意圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的具有等離子體限定裝置的典型的等離子體加工系統(tǒng)的斷開側視圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的具有等離子體限定裝置的等離子體加工反應器的頂視圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的具有等離子體限定裝置的等離子體加工反應器的斷開的頂視圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的有較大外磁性桶形裝置的典型的等離子體加工系統(tǒng)的示意圖，較大外磁性桶形裝置的第一磁元件從加工室的頂部伸到加工室的底部；圖8A是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的用等離子體限定裝置和等離子體屏板的典型等離子體加工系統(tǒng)的示意圖；圖8B是圖8A所示的根據(jù)本發(fā)明一個實施例的等離子體屏板和固定器組件的放在側視圖；圖9是按本發(fā)明一個實施例的包括等離子體屏板的圖7所示等離子體加工設備的示意圖。
優(yōu)選實施例的詳細描述現(xiàn)在參照附圖所示的本發(fā)明的優(yōu)選實施例詳細說明本發(fā)明。以下的說明中，陳述了許多具體的細節(jié)，以便充分理解本發(fā)明。顯然，對本領域技術人員而言，沒有這些具體細節(jié)也能實施本發(fā)明。其它例中，為了不造成本發(fā)明的不必要的不清楚，不再描述公知的工藝步驟。
一個實施例中，本發(fā)明提供用于加工襯底的等離子體加工設備。等離子體加工設備包括大致是圓柱形的加工室，在加工室內(nèi)等離子體被點火并保持以便用于加工襯底。等離子體加工設備還包括由外磁性桶形裝置和內(nèi)磁性桶形裝置構成的等離子體限定裝置，外磁性桶形裝置產(chǎn)生第一磁場，內(nèi)磁性桶形裝置產(chǎn)生第二磁場。用第一和第二磁場在外磁性桶形裝置與內(nèi)磁性桶形裝置之間產(chǎn)生等離子體限定磁場，它允許加工產(chǎn)生的副產(chǎn)物氣體通過，并把等離子體大致限定在至少由大致定圓柱形的加工室和等離子體限定磁場確定的體積內(nèi)。
當襯底放在等離子體加工室內(nèi)的吸盤上，開始進行等離子體加工。給輸入到等離子體室的加工氣施加功率從而產(chǎn)生等離子體。等離子體向有效區(qū)和無效區(qū)移動，趨于充滿整個加工室。在有效區(qū)中，等離子體的離子朝襯底加速移動，它們在襯底表面與淀積在襯底表面上的材料反應，與中心反應物結合，以加工襯底。在無效區(qū)內(nèi)，通常會產(chǎn)生負面的加工條件，例如產(chǎn)生不均勻的等離子體密度，或與加工室的無保護區(qū)反應，即與排氣口碰撞。
按本發(fā)明的一個方面，通過引入加工室內(nèi)的磁場，能改善對等離子體加工反應器內(nèi)的等離子體的限定。磁場構型為可以防止等離子體移到加工室的無效區(qū)。更具體地說，設置磁場，迫使等離子體離開無效區(qū)而集中到加工室的有效區(qū)附近的區(qū)域。結果，使等離子體大致限定到加工室的預定區(qū)域(例如有效區(qū))。
不希望受理論約束，相信將磁場構型為可以影響帶電顆粒(例如等離子體中的負電荷電子和正電荷離子)的方向。磁場可布置成起鏡像場(mirror field)作用，它能瞬時俘獲等離子體中的帶電荷顆粒(沿場線的盤旋)，并最終沿離開磁場的方向重新確定它們的方向。換句話說，如果帶電荷顆粒要跨越磁場，它會受磁場干擾而旋轉或反射開。按此方式，磁場抑制了等離子體跨越磁場限定區(qū)的移動。
在一個優(yōu)選實施例中，把外磁性桶形裝置和內(nèi)磁性桶形裝置引入等離子體系統(tǒng)建立所述的磁場或等離子體限定磁場。磁性桶形裝置建立的磁場覆蓋內(nèi)外磁性桶形裝置之間的區(qū)域。如上所述，磁場構型為可以防止等離子體移動到加工室內(nèi)的無效區(qū)，并可以把等離子體大致限定在至少由加工室和等離子體限定磁場確定的體積內(nèi)。最好把外磁性桶形裝置設在加工室周圍，內(nèi)磁性桶形裝置設在加工室周邊內(nèi)。但是，實際的位置可按每個等離子體加工系統(tǒng)的具體設計變化。
而且，最好把外磁性桶形裝置構型為具有多個第一磁元件，內(nèi)磁性桶形裝置最好構型為具有多個第二磁元件，第一和第二磁元件均相對于加工室的軸放射狀地和對稱地設置并構型為可以產(chǎn)生磁場。第一和第二磁元件產(chǎn)生的磁場的組合生成合成磁場(例如，等離子體限定磁場)，以允許加工產(chǎn)生的副產(chǎn)物氣體通過，同時把等離子體大致限定在至少是由加工室和等離子體限定磁場確定的空間內(nèi)。更具體地說，把等離子體限定磁場構型為允許中性顆粒通過而阻擋帶電荷顆粒。
為容易描述本發(fā)明的該方案，圖3和圖4示出了采用所述磁性桶形裝置的典型等離子體加工系統(tǒng)300的示意圖。典型的等離子體加工系統(tǒng)300以電感性耦連的等離子體反應器示出，但是，要注意，本發(fā)明可以采用能形成等離體的任何等離子體反應器的形式應用，例如，電容性耦連的等離子體反應器或ECR反應器。
等離子體加工系統(tǒng)300包括等離子體加工室302，等離子體加工室的一部分由加工室壁303確定。為了容易制造和便于操作，等離子體加工室302最好構型為具有大致垂直的室壁303的大致是圓柱形狀。但是，應注意，本發(fā)明不限于此，可采用各種構形的加工室。
在室302外部設有天線裝置304(用線圈表示)，天線裝置304經(jīng)匹配網(wǎng)絡(為簡化圖示，圖3中未示出)耦連到第一RF電源306。第一RF電源306構型為給天線裝置304供給頻率范圍為0.4MHz至50MHz的RF能量。而且，在天線304與襯底312之間設電介質窗308。襯底312代表要被加工的工件，它例如可以要被刻蝕、淀積或要進行其它加工的半導體襯底，或者是要被加工成平板顯示器的玻璃板。例如，在與本申請同時申請的，在此引作參考的發(fā)明名稱為“METHOD ANDAPPARATUS FOR PRODUCING UNIFORM PROCESS RATES”(律師案卷號為NOLAM1PD125/P0560)的待審查專利申請中，對用在典型的等離子體加工系統(tǒng)中的天線/電介質窗有更詳細的描述。
加工室302內(nèi)通常設有氣體噴嘴310，氣體噴嘴最好沿加工室302的內(nèi)周邊設置，以便把氣體源材料(例如，蝕刻源氣)釋放進電介質窗308與襯底312之間的RF感應等離子體區(qū)中?；蛘?，氣體源材料從構建在加工室自身的壁中的口或經(jīng)過設在電介質窗中的噴頭釋放。例如，在與本申請同時申請的在此引作參考的發(fā)明名稱為“PLASMAPROCESSING SYSTEM WITH DYNAMIC GAS DISTRIBUTIDN CONTROL”(律師案卷號NOLAM1P0123/P0557)的待審查專利申請中，對可用于典型的等離子體加工系統(tǒng)中的氣體分配系統(tǒng)有更詳細描述。
多數(shù)情況下，襯底312引入加工室302并放在吸盤314上，吸盤被構型為在加工過程中能固定襯底。吸盤314可以是ESC(靜電)吸盤，它用靜電力把襯底312固定到吸盤表面。通常，吸盤314用作底電極，并最好用第二RF電源316施加偏壓。第二RF電源316構型為可以供給頻率范圍為0.4MHz至50MHz的RF能量。
此外，吸盤314最好設置成大致是圓柱形，并與加工室302的軸向對準，使得加工室和吸盤呈圓柱形對稱。但是，要注意，吸盤不限于這些，可根據(jù)每個加工系統(tǒng)的具體結構改變吸盤位置。吸盤314也可以構型為在用于加載和卸除襯底312的第一位置(未示出)與加工襯底的第二位置(未示出)之間移動。
再參見圖3和4，在加工室壁303與吸盤314之間設排氣口320。但是，要注意，排氣口的實際位置可根據(jù)每個等離子體加工系統(tǒng)的具體結構變化。排氣口320最好構型為能排出加工期間產(chǎn)生的副產(chǎn)物氣體。而且，排氣口320耦連到渦流分子泵(未示出)，渦流泵通常放在加工室302外。正如本行業(yè)技術人員公知的，渦流分子泵使加工室302內(nèi)保持合適的壓力。
而且在半導體加工中，例如蝕刻加工，要嚴格控制加工室內(nèi)的許多參數(shù)，以保持高容限結果。加工室的溫度是一個這樣的參數(shù)。由于蝕刻容限(和制成的半導體器件的性能)對系統(tǒng)中元件的溫度波動很敏感，所以要精確控制溫度。與本申請同日申請的在此引作參考的，發(fā)明名稱為“TEMPERATURE CONTROL SYSTEM FOR PLASMA PROCESSINGAPPARATUS”；(律師案卷號為NoLAM1P0124/P0558)的待審查專利申請中更詳細描述了可用在典型的等離子體加工系統(tǒng)中進行溫度控制的溫度控制系統(tǒng)的一個實例。
此外，對等離子體加工實現(xiàn)嚴格控制的另一個重要考慮是用于等離子體加工室的材料，例如，用于諸如加工室壁的內(nèi)表面的材料。還有一個重要考慮是用于加工襯底的氣體化學。與本申請同日申請的在此引作參考的發(fā)明名稱為“MATERIALS AND GAS CHEMISTRIES FORPLASMA PROCESS ING SYSTEMS”，(律師案卷號為NoLAM1P0128/P0561-1)的待審查專利申請中，更詳細描述了可用于典型的等離子體加工系統(tǒng)中的材料和氣體化學的實例。
加工氣體經(jīng)氣體噴嘴310輸入加工室302，以產(chǎn)生等離子體。之后，用第一RF電源306給天線304供給功率，在加工室302內(nèi)產(chǎn)生大電場。電場加速加工室內(nèi)存在的少量電子，使它們與加工氣的氣體分子碰撞。這些碰撞引起電離，并開始放電或產(chǎn)生等離子體320。正如本行業(yè)公知的，加工氣的中性氣體分子經(jīng)這些強電場作用而失去電子，留下帶正電荷的離子。結果，在加工室320內(nèi)含有帶正電荷的離子、帶負電荷的電子和中性氣體分子。
一旦形成了等離子體，加工室內(nèi)的中性氣體分子會朝襯底表面移動。例如，使得襯底上出現(xiàn)的中性氣體分子的一個機理可能是擴散(即加工室內(nèi)的分子隨意移動)。因此，沿襯底112的表面通常會發(fā)現(xiàn)中性物質層(例如，中性氣體分子)。因此，在給底電極314供電時，離子朝襯底加速移動，與中性物質撞擊，進行襯底加工，即蝕刻、淀積等。
圖3和4中還展示出等離子體限定裝置，它包括外磁性桶形裝置352和內(nèi)磁性桶形裝置354。如上所述，外磁性桶形裝置352和內(nèi)磁性桶形裝置354被構型為可以產(chǎn)生關聯(lián)的多個磁場，這些磁場組合形成等離子體限定磁場356。在一個優(yōu)選實施例中，等離子體限定磁場356最好位于加工室壁303與吸盤314之間。以該方式，等離子體被防止進入排氣口318，因而把等離子體320大致限定在加工室302內(nèi)。但是，要注意，加工室內(nèi)的等離子體限定磁場的實際位置應根據(jù)每個等離子體加工系統(tǒng)的具體結構變化。
盡管圖3和4示出了在同一平面中的外磁性桶形裝置352和內(nèi)磁性桶形裝置354，但應了解，它們可以是偏置的。只需要部分外磁性桶形裝置352和部分內(nèi)磁性桶形裝置354在同一平面內(nèi)。如果沒有重疊，那么，等離子體限定磁場不能有效地限定等離子體。
參見圖4，等離子體限定磁場356設置成大致平行于襯底314并位于襯底314的頂表面確定的平面下。內(nèi)和外磁性桶形裝置最好設在襯底下0.25英寸與1.5英寸之間的位置。但是，要注意，內(nèi)和外磁性桶形裝置可設在加工室內(nèi)的任何地方，只要它們不產(chǎn)生貼近襯底的磁場即可。例如，等離子體限定裝置可設在襯底上方，以把等離子體限定在更小的區(qū)域，或將等離子體引導到加工室中特定的區(qū)域，很像均勻的環(huán)。而且，等離子體限定磁場不限于平行襯底，可以設在其它位置，例如與由襯底限定的平面成一定角度。
最好不要等離子體屏板，因為等離子體屏板通常會增大顆粒污染，增大可消耗件的成本，增加清潔步驟，減小氣流導通。而且，由于等離子體限定在特定的體積內(nèi)，能得到更均勻的等離子體密度，其中可以實現(xiàn)更均勻的蝕刻，即襯底的中心和邊緣具有大致相同的加工速率。
為了進一步描述本發(fā)明的特征和它們比現(xiàn)有技術好的優(yōu)點，圖5和6是按本發(fā)明一個方案的具有等離子體限定裝置的等離子體加工反應器300的頂視圖。如上所述，等離子體限定裝置350包括外磁性桶形裝置352和內(nèi)磁性桶形裝置354。外磁性桶形裝置352最好圍繞加工室302的周邊設置。在一個實施例中，外磁性桶形裝置352最好設在加工室壁303的外邊。但是要注意，外磁性桶形裝置也可以設在加工室壁內(nèi)以及加工室內(nèi)等。
而且，內(nèi)磁性桶形裝置354設在加工室303周邊內(nèi)。內(nèi)磁性桶形裝置354的直徑最好小于外磁性桶形裝置352的直徑。一個實施例中，內(nèi)磁性桶形裝置354設在吸盤314內(nèi)。但是，要注意，這不是限制，內(nèi)磁性桶形裝置也可以設在加工室內(nèi)的任何位置。例如，內(nèi)磁性桶形裝置設在吸盤上方的均勻環(huán)內(nèi)。
參見圖5和6，外磁性桶形裝置352包括多個相對加工室302的軸線362放射狀地并對稱地設置的第一磁元件360。第一磁元件360最好相對加工室周邊軸向取向，使得它們的尖點(例如N或S點)指向軸線362。正如本領域技術人員所公知的，尖點在磁元件的磁力線組集中在一起的區(qū)域上，即磁元件的北極端或南極端。而且，第一磁元件360沿加工室周邊空間偏置，使得在每個第一磁元件360之間設有間距364。要知道，間距大小應隨每個等離子體加工系統(tǒng)的具體結構變化。
還是如圖5和6所示，內(nèi)磁性桶形裝置354包括相對加工室302的軸線放射狀地并對稱地設置的多個第二磁元件。與第一磁元件360極相似，第二磁元件366也相對吸盤周邊軸向取向，使得它們的尖點(例如N或S點)指向軸線362。而且，第二磁元件366沿吸盤周邊空間偏置，在每個第二磁元件366之間設有間隔368。還應知道，間距大小應隨每個等離子體加工系統(tǒng)的具體結構變化。
而且，第一磁元件360的總數(shù)最好等于第二磁元件366的總數(shù)，使得每個第一磁元件對應每個第二磁元件。在一種實施方式中，第一磁元件總數(shù)約為32。但是每個加工室的磁元件實際數(shù)會隨每個等離子體加工系統(tǒng)的具體結構變化。通常磁元件數(shù)量應足夠多，以保證有可以有效限定等離子體的足夠大的等離子體限定磁場。具有很少的磁元件會在等離子體限定磁場中產(chǎn)生低點，它會使等離子體進入不希望的區(qū)域。但是，由于通常在沿磁力線在尖點處損失最高，太多的磁元件會造成密度增強受損。
在一個優(yōu)選實施例中，第一磁元件366的尖點與對應的第二磁元件360的尖點軸向對準，并有指向同一方向的磁化矢量。正如本行業(yè)技術人員公知的，磁元件的磁化矢量確定磁極(例如N/S)的方向。而且，第一磁元件和相應的第二磁元件的磁化矢量沿加工室軸線的方向最好交替(例如，N/S，S/N，N/S，S/N等)。
最好但不是必須，把第一和第二磁元件均構型為尺寸相同和產(chǎn)生相同磁通量的永磁鐵。但是，不限于大小相同和磁通量相同，某些結構中可能需要磁元件有不同的磁通量和不同的尺寸。例如，約50至1500高斯的磁通量適合于產(chǎn)生等離子體限定磁場369，該磁場有足夠抑制等離子體移動的強度。影響磁通量和磁鐵尺寸的其它因素有氣體化學、功率、等離子體密度等等。永磁鐵最好用強磁永磁鐵材料制造，例如用NdFeB或SmCo族磁性材料制造。某些小加工室中，也可用AlNiCo或陶瓷材料。
盡管可以用永磁鐵制造等離子體限定裝置，但也可以用電磁鐵制造等離子體限定裝置。電磁鐵的優(yōu)點是能控制磁通量，因而能更好進行工藝控制。但是，用電磁鐵使系統(tǒng)制造復雜，因而不實用。
參見圖6，第一磁元件360被構型成可以產(chǎn)生第一磁場370，第二磁元件366被構型成可以產(chǎn)生第二磁場372。最好是部分第一磁場370與部分第二磁場372重疊。更具體地說，磁元件構型為使部分磁力線結合，以增大得到的環(huán)形間隙中的磁場強度。而且，磁元件最好構型為使軸向取向的磁元件360、366之間的磁力線連接。兩個磁場分量370、372和連接磁力線376的吸引產(chǎn)生了要求的等離子體限定磁場369。磁場370、372在加工室壁303與吸盤314之間的環(huán)形間隙或排氣口兩側相互吸引，以提供覆蓋環(huán)形間隙的足夠強的等離子體限定磁場369。盡管等離子體限定磁場已覆蓋吸盤與加工室壁之間的區(qū)域，但應了解，等離子體限定磁場的布局可以變化，例如，磁場可用于排斥來自加工室任何預定區(qū)域的等離子體。
大多數(shù)情況下，磁元件有高的磁場強度，以便從磁鐵發(fā)出大的磁場強度并影響相連的磁場的布局。如果選擇太小的磁通量，等離子體限定磁場中的弱磁場區(qū)會更大，因此，等離子體限定磁場不能有效限定等離子體。因此，最好使磁場的重疊達到最大，并為了使弱磁場區(qū)最小而使磁場相連。最好結合第一和第二磁場，或者等離子體限定磁場的磁性組合場強能有效防止等離子體穿過等離子體限定磁場。更具體地說，等離子體限定磁場的磁通量范圍應在約15至1500高斯。在約50至1000高斯較好，在100至800高斯更好。
通常，第一壁380設在第一磁元件360與加工室302之間，第二壁382設在第二磁元件366與加工室302之間。第一壁380可以是例如加工室壁303，第二壁382可以是例如吸盤314的一部分。壁(例如，加工室壁和吸盤的一部分)最好用大致抗等離子體環(huán)境的非磁性材料構成。例如，可用SiC、SiN、石英、陽極氧化鋁、氮化硼、碳化硼等構成壁。
而且，磁元件與加工室之間的距離應最小化，以能更好利用磁元件產(chǎn)生的磁能。即，磁元件越靠近加工室，在加工室內(nèi)產(chǎn)生的磁場強度越大。如果距離大則需用更大的磁鐵來得到所需的磁場。距離最好在1/16英寸至1英寸之間。應了解，距離可根據(jù)磁元件與加工室之間所用的具體材料而變化。
關于所用的磁場，通常在貼近襯底處的磁場強度為0或接近0。襯底表面附近的磁通量會對加工均勻性有負面影響。因此，由等離子體限定裝置產(chǎn)生的磁場最好構型為在襯底上方產(chǎn)生大致為0的磁場。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，設置多個磁通量板以控制由等離子體限定裝置的第一和第二磁元件產(chǎn)生的雜散磁場。磁通量板被構型為在不需要磁場(例如，在磁元件的不使用側凸出的磁場)的區(qū)域中將磁場短路。而且，磁通量板能改變某些磁場的方向，因而使更強的磁場處在要求的區(qū)域內(nèi)。磁通量板最好使襯底區(qū)域內(nèi)的磁場強度最小。結果，磁元件能放在更接近襯底的位置。而且，可以實現(xiàn)貼近襯底表面的磁場為0或接近0。
再參見圖4，等離子體限定裝置350包括用于控制雜散磁場的多個磁通量板。一個實施例中，內(nèi)磁通量板400連續(xù)設在內(nèi)磁性桶形裝置354的內(nèi)周邊和頂周邊周圍，即設在最接近襯底一側上。內(nèi)磁通量板400最好設置成能阻擋指向襯底312的雜散磁場以及改變這些雜散磁場的方向。內(nèi)磁通量板400最好包括第一元件402和第二元件404。第一元件402沿內(nèi)磁性桶形裝置354的頂表面設置，第二元件沿內(nèi)磁性桶形裝置354的內(nèi)周邊設置。而且，內(nèi)磁通量板400最好設在貼近內(nèi)磁性桶形裝置354的位置。內(nèi)磁通量板400與內(nèi)磁性桶形裝置354緊密接觸更好。該裝置的最大優(yōu)點是使磁場朝向圓環(huán)區(qū)域改變方向。
應了解，不限于這些位置，第一和第二元件可設置在其它位置，只要能大致防止貼近襯底處形成雜散磁場即可。而且，內(nèi)磁通量板不限于有兩個元件，它可以構型為單個元件或者有多個元件。
在另一實施例中，外磁通量板406連續(xù)設置在外磁性桶形裝置352的外周邊周圍，以使磁場方向改變成指向加工室中，其有助于限定等離子體空間，即能有效利用磁鐵。此外，外磁通量板能阻止外磁場干擾對設計的影響。而且，外側磁通量板406最好位于貼近外磁性桶形裝置352處。外磁通量板406與外磁性桶形裝置352緊密接觸更好(其原因與前面所述的關于內(nèi)磁通量板的相同)。
通常，用能吸收(例如，短路)雜散磁場的材料制造磁通量板。例如，可用高導磁率(μ)材料制造磁通量板。在一個實施例中，用冷軋鋼制造磁通量板。另一實施例中，用鐵制造磁通量板。
有利的是，內(nèi)磁通量板能使第二磁元件處在更接近襯底處，而不會在襯底表面附近產(chǎn)生磁場。以此方式，等離子體限定磁場也可設在更接近襯底處，從而能更好地限定等離子體。此外，通過把磁元件放在更接近襯底處，更多的排氣口會被覆蓋。
而且，應了解，內(nèi)磁性桶形裝置離襯底有一個較好的距離時，不需要內(nèi)磁通量板。這些情況下，內(nèi)磁性桶形裝置的頂表面與襯底底表面之間的距離大約是第一磁元件的尺寸，或者是第一磁元件之間的間隔的大小，應是兩者之中的較小者。如果磁鐵小，磁力線會在磁鐵上閉合。如果間隔小，磁力線將在下一個磁鐵上閉合。任何情況下，磁力線都不會在貼近襯底處閉合。例如，不用磁通量板的磁鐵與襯底之間的距離應為1至2英寸。
盡管圖3和4示出的外磁性桶形裝置包括只跨過加工室部分高度上的多個磁元件，但這不是必須的。例如圖7展示的是圖3示出的帶有更大的外磁性桶形裝置700的等離子體加工系統(tǒng)300。更大的外磁性桶形裝置包括從加工室302的頂伸過加工室302的底的多個更長的磁元件702。更大的外磁性桶形裝置700與現(xiàn)有技術的外磁性桶形裝置比有更多優(yōu)點。即，更長的磁元件構型為可以產(chǎn)生貼近加工室壁303的加工室壁磁場704，使等離子體密度梯度的主要部分集中在離開襯底的加工室壁附近。以該方式，隨著襯底312上等離子體密度梯度變化減至最小來進一步增加均勻性。與等離子體限定磁場356組合，在改進的等離子體加工系統(tǒng)中加工均勻性被提高到比許多等離子體加工系統(tǒng)中可能實現(xiàn)的加工均勻性更高的等級。在與本申請同日申請的在此引作參考的發(fā)明名稱為“IMPROVED PLASMA PROCESSING SYSTEM ANDMETHODS THEREFOR”(律師案卷號No.LAM1P0122/P0527)的待審查專利申請中，更詳細描述了這種磁性桶形裝置的實例。
如上所述，與現(xiàn)有技術相比本發(fā)明有很多優(yōu)點。例如，本發(fā)明提供了一種構型為限定等離子體的磁場，但它允許加工中產(chǎn)生的副產(chǎn)物氣體通過。而且，磁場能大致防止等離子體移到加工室內(nèi)的無效區(qū)。更重要的是，等離子體能被控制為加工室中的特定體積和特定位置。以此方式，能得到更均勻的等離子體密度，從而可以形成更均勻的加工，即，在蝕刻過程中使襯底的中心區(qū)和邊緣區(qū)有大致相同的蝕刻速率。而且，有利的是，本發(fā)明可以在加工室內(nèi)不貼近襯底表面處產(chǎn)生磁場。結果，使襯底表面的加工條件更穩(wěn)定。
另一優(yōu)點是不需要等離子體屏板，因為等離子體屏板通常會增加顆粒污染，增大可消耗零部件的成本，增加清潔步驟，減小氣流傳導。因此，本發(fā)明增大了加工室的總傳導，因而擴大了加工窗，即擴大了泵速、氣流和壓力。而且不損失傳導，允許加工系統(tǒng)在低壓下工作，和采用更小的泵。而且，在襯底表面周圍產(chǎn)生對稱氣流，它能產(chǎn)生更均勻的加工速率。而且本發(fā)明對于等離子體加工系統(tǒng)的使用壽命是價格較低的。
注意，雖然優(yōu)選實施例認為，不將等離子體屏板引入加工室，所產(chǎn)生的磁場就有足夠的強度以限定等離子體。但也可以用本發(fā)明和等離子體屏板一起增強等離子體限定。例如，磁場用作限定等離子體的第一裝置，等離子體屏板可用作限定等離子體的第二裝置。
而且，如果要使磁鐵設計不太復雜或花費不太高，并可承受傳導損失，可根據(jù)本發(fā)明的另一方案提出改進的等離子體屏板。參見圖8A和8B，不要直接栓接等離子體屏板802/803，等離子體屏板可以粘接到合適材料制成的固定器804/806(諸如鋁)上。因而，把蝕刻速率低且更脆弱的機械強度(即，低張力和高脆性)的實際等離子體屏板材料固定到這些更堅固的固定器。能用作等離子體屏板802/803的材料包括Si和SiC。粘接材料808用適當真空的適宜材料(例如，粘結劑)制成具有良好電熱接觸性。而且，等離子體屏板802/803可連接到單個或多個加工室中的加工室壁303或吸盤314。
除了在等離子體屏板的特殊材料選擇上具有靈活性外，對固定器的設計更要靈活以便能形成可重復的電和熱連接，從而在重新組裝時能提供可重復的系統(tǒng)性能。例如，包括RF密封墊和栓接表面的復雜形狀可以設計成具有一定強度，并用比SiC或Si性能價格比更高的鋁制成。另一個優(yōu)點是，通過提供經(jīng)固定器返回到RF匹配系統(tǒng)中的RF接地的低阻抗路徑，能可靠地控制從底電極(例如吸盤314)返回的RF返回電流。從而減小了經(jīng)過裝置中有問題的接地回流路徑的環(huán)流。另一優(yōu)點是，屏板材料能分成更小的、生產(chǎn)成本效益更好的規(guī)格，并能通過固定器連接。如果需要等離子體屏板的多個部分可以移動以便能使加載和卸載襯底312，這也是有好處的。由于需要面對著等離子體的反應器內(nèi)表是完全純的材料，而金屬固定器的存在會引起真空完整性和污染方面的顧慮，所以本發(fā)明在將純材料的屏板(例如SiC或Si)設在不希望直接用螺栓固定的的位置方面允許有更大的靈活性。
而且，所述的等離子體屏板和固定器組件或與以上就圖7說明的方案結合使用。參見圖9，等離子體屏板802/803可用上述的處在磁鐵元件702端部上方的固定器804/806安裝。如前所述，等離子體屏板802/803更容易實施時，用磁場704沿加工室壁確定等離子體體積會導致困難。如圖所示，磁元件702端部的雜散磁力線900能穿過加工室902下的屏板。這能增強等離子體催毀等離子體屏板并伸到加工室902下面的能力。等離子體屏板的孔可做得足夠小，以防止出現(xiàn)這種情況，但是，好有傳導損失。或者，等離子體屏板放在離雜散場很遠處。但這會增大加工室的面積，某些情況下這與限定等離子體積的磁鐵裝置帶來的優(yōu)點沖突。
在本發(fā)明特別優(yōu)選實施例中，等離子體屏板802/803可放在磁鐵結構的高處，在該處的磁力線906處在等離子體屏板802/803的平面內(nèi)而不是與其相切。該結構中，交叉場擴散減小，磁性限定將在位置上抑制等離子體穿過屏板擴散。等離子體屏板中可設更大的孔以增加傳導。
已用幾個優(yōu)選實施例描述了發(fā)明，但在本發(fā)明范圍內(nèi)還會有許多改變，替換和等效方案。應注意，還有許多實施本發(fā)明的方法和設備的可選方式。所以后面所附權利要求書應被解釋為包括所有落入本發(fā)明真正思想和范圍的改變、替換和等效方案。
權利要求
1.一種用于加工襯底的等離子體加工設備，包括大致為圓柱形的加工室，在該加工室內(nèi)等離子體被點燃和保持以進行所述的加工；等離子體限定裝置，它包括圍繞所述加工室周邊設置的外磁性桶形裝置，所述外磁性桶形裝置具有相對于所述加工室的軸線放射狀地并且對稱地設置的多個第一磁元件，所述多個第一磁元件構型為可以產(chǎn)生第一磁場；設在所述加工室內(nèi)且具有比所述外磁性桶形裝置直徑小的直徑的內(nèi)磁性桶形裝置，所述內(nèi)磁性桶形裝置具有相對所述加工室的軸線放射狀地并且對稱地設置的多個第二磁元件，所述多個第二磁元件構型為可以產(chǎn)生第二磁場。所述等離子體限定裝置被構型為采用所述第一和第二磁場在所述外磁性桶形裝置和所述內(nèi)磁性桶形裝置之間產(chǎn)生等離子體限定磁場，使得由所述加工產(chǎn)生的副產(chǎn)物氣體可以通過，而把所述等離子體大致限定在至少由所述大致為圓柱形加工室和由所述等離子體限定磁場所確定的體積內(nèi)。
2.如權利要求1所述的等離子體加工設備，其特征在于，所述第一磁場的一部分與所述第二磁場一部分組合，所述的組合產(chǎn)生了所述等離子體限定磁場，所述等離子體限定磁場的強度能有效防止等離子體通過所述等離子體限定磁場。
3.如權利要求1所述的等離子體加工設備，其特征在于，由所述第一磁場和第二磁場產(chǎn)生的所述等離子體限定磁場具有的組合磁通量范圍是約50至1000高斯。
4.如權利要求1所述的等離子體加工設備，其特征在于，當所述襯底被放在所述加工室內(nèi)以進行加工時，所述等離子體限定裝置在靠近所述襯底表面處不產(chǎn)生磁場。
5.如權利要求1所述的等離子體加工設備，其特征在于，所述第一磁元件沿所述加工室的軸線空間上偏置，且所述第二磁元件沿所述加工室的軸線空間上偏置。
6.如權利要求1所述的等離子體加工設備，其特征在于，所述多個第一磁元件的第一磁元件總數(shù)與所述多個第二磁元件的第二磁元件總數(shù)相等，使得每個所述第一磁元件具有一個對應的第二磁元件。
7.如權利要求6所述的等離子體加工設備，其特征在于，所述第一磁元件的尖與所述對應的第二磁元件的軸對稱地對準。
8.如權利要求7所述的等離子體加工設備，其特征在于，所述第一磁元件的磁化矢量與所述對應的第二磁元件的磁化矢量指向相同的徑向方向。
9.如權利要求8所述的等離子體加工設備，其特征在于，所述第一磁元件的磁化矢量方向關于所述加工室的軸交替。
10.如權利要求1所述的等離子體加工設備，其特征在于，所述第一和第二磁元件是永磁鐵。
11.如權利要求1所述的等離子體加工設備，其特征在于，所述等離子體限定裝置還包括多個磁通量板，所述磁通量板被構型為控制由所述第一和第二磁元件產(chǎn)生的雜散磁場。
12.如權利要求11所述的等離子體加工設備，其特征在于，所述多個磁通量板包括圍繞所述外磁性桶形裝置的外周邊連續(xù)設置的第一磁通量板，所述第一磁通量板靠近所述第一磁元件。
13.如權利要求12所述的等離子體加工設備，其特征在于，所述多個磁通量板包括圍繞所述內(nèi)磁性桶形裝置的一部分連續(xù)設置的第二磁通量板，所述第二磁通量板被構型為，在加工過程中將所述襯底放置到所述加工室內(nèi)時可以將所述雜散磁場的方向改變到離開所述襯底的方向。
14.如權利要求13所述的等離子體加工設備，其特征在于，所述第二磁通量板連續(xù)設在所述內(nèi)磁性桶形裝置的內(nèi)側上周邊周圍，所述第二磁通量板靠近所述第二磁元件。
15.如權利要求11所述的等離子體加工設備，其特征在于，所述多個磁通量板是由具有高導磁率的材料制成。
16.如權利要求15所述的等離子體加工設備，其特征在于，所述多個磁通量板由冷軋鋼制成。
17.如權利要求1所述的等離子體加工設備還包括設在所述加工室內(nèi)的等離子體屏板裝置，所述等離子體屏板裝置包括等離子體屏板和等離子體屏板支座，所述等離子體屏板支座被連接到所述加工室，所述等離子體屏板被接合到所述等離子體屏板支架。
18.如權利要求1所述的等離子體加工設備，其中所述等離子體加工設備還包括設在所述大致為圓柱形加工室的內(nèi)周邊內(nèi)的大致為圓柱形的殼，所述大致為圓柱形的殼具有比所述大致為圓柱形的加工室的內(nèi)徑小的外徑，所述大致為圓柱形的殼與所述大致為圓柱形的加工室軸向對準，所述大致為圓柱形加工室的內(nèi)周邊與所述大致為圓柱形的殼的外周邊之間確定了一個圓環(huán)形間隙，所述圓環(huán)形間隙是大致圓柱地對稱。
19.如權利要求18所述的等離子體加工設備，其特征在于，所述襯底設在所述大致為圓柱形的殼的上方。
20.如權利要求19所述的等離子體加工設備，其特征在于，所述內(nèi)磁性桶形裝置設在所述大致為圓柱形的殼內(nèi)。
21.如權利要求20所述的等離子體加工設備，其特征在于，當所述襯底放在所述加工室內(nèi)以進行加工時，所述等離子體限定磁場位于所述襯底下方。
22.如權利要求21所述的等離子體加工設備，其特征在于，所述大致為圓柱形的殼代表在加工過程中用于固定襯底的吸盤裝置。
23.如權利要求18所述的等離子體加工設備還包括設在所述加工室內(nèi)的等離子體屏板裝置，所述等離子體屏板裝置包括等離子體屏板和等離子體屏板支座，所述等離子體屏板支座連接到所述殼，所述等離子體屏板被接合到所述等離子體屏板支架上。
24.一種用于在采用等離子體增強工藝加工處理室中的襯底的過程中控制等離子體體積的方法，它包括以下步驟用第一磁元件在所述加工室內(nèi)產(chǎn)生第一磁場；用第二磁元件在所述加工室內(nèi)產(chǎn)生第二磁場；組合第一和第二磁場以便在所述第一和第二磁元件之間產(chǎn)生合成磁場；在所述加工室內(nèi)產(chǎn)生所述等離子體；將所述等離子體限定在至少由所述加工室的一部分和合成磁場確定的體積內(nèi)。
25.一種用于在采用等離子增強工藝加工處理室中的襯底的過程中控制等離子體體積的等離子體限定裝置，它包括具有多個第一磁元件的第一磁性桶形裝置，所述第一磁元件構型為用于在所述加工室內(nèi)產(chǎn)生第一磁場；具有多個第二磁元件的第二磁性桶形裝置，所述第二磁元件構型為用于在所述加工室內(nèi)產(chǎn)生第二磁場；所述第二磁場被構型為與所述第一磁場組合，以便在所述第一與第二磁性桶形裝置之間產(chǎn)生合成磁場，所述合成磁場被構型為允許所述加工產(chǎn)生的副產(chǎn)物氣體通過，而將所述等離子體大致限定在至少由所述加工室和所述合成磁場確定的體積內(nèi)。
全文摘要
這里公開的是一種用于在采用等離子體增強工藝加工處理室中的襯底的過程中控制等離子體體積的等離子體限定裝置。該裝置包括具有多個第一磁元件的第一磁性桶形裝置。第一磁元件被構型為用于在加工室內(nèi)產(chǎn)生第一磁場。該裝置還包括具有多個第二磁元件的第二磁性桶形裝置。第二磁元件被構型為用于在加工室內(nèi)產(chǎn)生第二磁場。第二磁場構型為與第一磁場組合,以便在第一與第二磁性桶形裝置之間產(chǎn)生合成磁場。該合成磁場被構型為在允許加工中產(chǎn)生的副產(chǎn)物氣體通過,而將等離子體大致限定在至少由加工室和合成磁場確定的體積內(nèi)。
文檔編號H05H1/46GK1423828SQ00818408
公開日2003年6月11日 申請日期2000年11月14日 優(yōu)先權日1999年11月15日
發(fā)明者A·D·拜利三世, A·M·舍普, N·布賴特 申請人:蘭姆研究有限公司