專利名稱：改變磁場以控制等離子體體積的方法和設備的制作方法
背景技術：
本發明涉及用于處理諸如集成電路(IC)制造中用的半導體襯底或平板顯示器中用的玻璃板等襯底的方法和設備。更具體地，本發明涉及等離子體處理室內的等離子體的控制方法。
等離子體處理系統已面世多年。多年以來，利用感應耦合的等離子體源、電子回旋諧振(ECR)源、電容源等的等離子體處理系統已不同程度地引用到處理半導體襯底和玻璃板。
處理過程中，通常要用多個淀積和/或刻蝕步驟。淀積過程中，多種材料淀積到諸如玻璃或半導體晶片等襯底表面。例如，可在襯底表面形成諸如SiO2的淀積層。相反地，可用刻蝕選擇地，從襯底表面上的預定的區域除去材料，例如在襯底的。例如，在襯底的多個膜層中形成諸如通孔、接點或溝槽的刻蝕特征。
等離子體處理的一個特別方法用感應源產生等離子體。圖1畫出了一個現有的用于等離子體處理的感應等離子體處理反應器100。典型的感應等離子體反應器包括處理室102，它具有設在介質窗106上面的天線或感應線圈104。通常，天線104有效地耦合到第一RF電源108。而且，處理室102內設有氣體出口110，它設置成把例如腐蝕源氣體等氣體源材料釋放進介質窗106與襯底112之間的RF感應等離子體區。襯底112引入處理室102中并設在吸盤(chuck)114上，該吸盤114通常起下電極作用，并有效地耦合到第二RF電源116。之后，氣體從處理室102底部的排氣出口122排出。
為了產生等離子體，處理氣體經輸氣口110輸入處理室102。之后，用第一RF電源108給感應線圈104供電，供給的RF能量通過介質窗106并在處理室102內感應大電場。電場加速處理室內存在的少量電子，引起電子與處理氣體的氣體分子碰撞。這些碰撞導致離子化和產生放電或等離子體118。如眾所周知的，處理氣體的中性分子經這些強電場作用會失去電子，留下帶正電荷的離子。結果，在等離子體118內包含帶正電荷的離子、帶負電荷的電子和中性的分子(和/或原子)。
一旦形成了等離子體，等離子體內的中性氣體分子會向襯底表面移動。例如，擴散(即，處理室內的分子隨機運動)可能是有助于中性氣體分子存在于襯底表面的機理之一。因此，沿襯底112的表面通常能發現中性物質層(例如，中性氣體分子層)。因此，當下電極114通電時，離子向襯底加速移動，它們在襯底與中性物質結合，引起腐蝕反應。
等離子體118主要停留在處理室的上部區域，例如，有效區。但是，等離子體的很多部分會填滿整個處理室。等離子體通常進入它能被維持的幾乎是處理室內的各個地方。例如，可用磁場來減少等離子體與處理室壁120的接觸。如果在界定等離子體的磁場內有多個結點，等離子體會與處理室壁120和其它地方的區域接觸。等離子體也會和不需要用等離子體處理物體的區域接觸，例如，襯底112的下面的區域123和氣體排放口122等非有效區接觸。
如果等離子體達到處理室壁的非有效區，就會造成多處刻蝕、淀積和/或腐蝕，這些可能導致處理室內的微粒污染，即，由區域腐蝕或淀積材料剝離。因而，處理過程中要多次清潔處理室，以防止形成過多的淀積物，(例如，由于在處理室壁上淀積聚合物)，和刻蝕的副產品。清潔處理不利地降低襯底產量，通常生產率下降造成生產成本增加。而且，通常造成處理室部件的壽命降低。
而且，處理過程中等離子體與處理室壁的相互作用會導致等離子體中的離子與處理室壁的再結合，因此，在處理過程室內的等離子體的密度下降。在系統中用更大的襯底與RF源之間的間隙使更大的等離子體的相互作用平均并因此造成粒子損失到處理室壁上。為了補償這些增多的損失，就必須用更大的功率密度以引發和保持等離子體。增大功率密度導致等離子體中更高的電子溫度，并繼而導致襯底以及處理室的可能的損壞。
最后，處理室內用多種源氣的不對稱吸入，更好地控制等離子體磁限定設備有助于使等離子體成形和補償這種不對稱吸入。
考慮到上述原因，要求控制處理室內的等離子體的改進的技術和設備。
發明內容
本發明的一個實施例中，涉及處理襯底的等離子體處理設備。該設備包括在其內引發和保持用于處理的等離子體的大致為圓柱形的處理室。處理室至少由一部分處理室壁限定。設備還包括等離子體限定設備。等離子體限定設備包括圍繞處理室周邊設置的磁矩陣。磁矩陣有相對于處理室徑向地并對稱地設置的多個磁元件。多個磁元件構型成可以產生第一磁場。
磁場在處理室壁上建立交點(cusp)圖形。處理室壁上的交點圖形限定等離子體會損害的區域或引起清潔問題的區域。處理室壁上的交點圖形移動以改善襯底處理系統的操作，減少因等離子體與壁的相互作用所引起的損害和/或清潔問題。通過移動磁矩陣或移動室壁可以實現交點圖形的移動。任何元件的移動可以是連續的(即旋轉或平移一個或多個磁元件或全部的或一部分的處理室壁)或者遞增的(即定期移動一個或多個磁元件的位置或全部的或一部分的處理室壁)。
本發明的另一個實施例中，涉及用等離子體增強處理在處理室內處理襯底的方法。方法包括用磁矩陣在處理室壁上產生第一磁場和生成交點圖形。方法還包括在處理室內產生等離子體和把等離子體限定在至少由處理室和得到的磁場的一部分限定的體積內。方法還包括使交點圖形相對于處理室壁移動，以改善襯底處理系統的操作并減少因等離子體與處理室壁的相互作用引起的損害和/或清潔問題。
結合附圖用舉例方式描述發明，但是，實施例不限制發明，附圖中相同的數字指示類似的元件。其中圖1示出現有的用于等離子體處理的感應等離子體處理反應器；圖2示出按本發明的一個實施例的用可移動的磁矩陣的感應等離子體處理反應器；圖3A是圖2中所示設備的局部剖視圖；圖3B是圖3A中所示設備的磁元件旋轉后的示意圖；圖3C是圖3A中所示設備的磁元件旋轉后的示意圖；圖3D是本發明的另一實施例；圖4是用了分開的內處理室壁的本發明的另一實施例；圖5是可用在本發明的實施例中的電磁系統的示意圖；圖6是用在本發明的另一個實施例中的感應等離子體處理反應器的示意圖。
具體實施例方式
現在參見附圖中所示的優選實施例詳細描述本發明。為了充分理解本發明，以下的描述中描述了許多具體細節。但是，對本領域技術人員而言，本發明顯然不受這些具體細節中的部分或全部細節的限制。其他實施例中已知的處理步驟的細節不再描述以免使本發明難以理解。
本發明的一個實施例中提供用于處理襯底的等離子體處理設備。等離子體處理設備包括大致為圓柱形的由至少一部分壁限定的處理室，在處理室內引發和保持用于襯底處理的等離子體。
襯底設在等離子體處理室內的吸盤上對襯底進行等離子體處理。給輸入處理室的處理氣體施加能量并產生等離子體。等離子體將充滿整個處理室，移動到有效區域和無效區域。在有效區域和等離子體接觸，等離子體中的離子和電子加速向有效區域移動，它們在有效區域表面上與中性反應物化合，與有效區域表面上淀積的材料反應。通過給襯底加RF功率以對襯底進行處理，通常能進一步控制、增強或改善在襯底上它們的相互反應。在無效區中進行少量控制或不進行控制，有可能實現最佳的增強型等離子體反應，能產生相反的處理條件(例如，與諸如不希望產生淀積或刻蝕的處理室壁的一些區域的無保護區域進行反應)。離子、電子和中性物質與反應室內與等離子體接觸的有效和無效區域碰撞。在表面處這些離子、電子和中性物質流與表面相互反應引起腐蝕，淀積或更典型的按包括流到表面的離子流部分的組分、溫度、能量等多個參數的表面和離子流體部分的復雜平衡。在用于處理襯底的許多化學方法中，沉淀的中性物質在與等離子體撞擊接觸的表面上具有增大的沉淀速率。為了能清楚地論述，我們將考慮本發明的這些典型情況，即與等離子體接觸的有效區會增強等離子體淀積，而無效區只有少量或沒有等離子體淀積，從而淀積減少。但這并不限制發明，其他化學性能與實際情況相反，存在等離子體會導致表面腐蝕和少量的等離子體導致淀積。
按本發明的一個方案，通過向處理室內引入磁場能改進等離子體處理反應器內等離子體的限定。移動處理室壁上的磁場和生成的磁交點圖形，以減少改變或平衡等離子體向處理室無效區域的不希望的移動，換句話說由靜態交點圖形產生。更具體的說，磁矩陣，磁矩陣元件，處理室，或處理室的多個部分均能連續或遞增地移動，以控制等離子體移動到無效區域內。無效區內存在等離子體會減少處理設備的效率，引起處理室損害和/或增加清潔處理室壁的問題。因此，處理設備更有效地運行，可減少經常清潔處理室壁和減少污染。
盡管不希望受理論約束，但可以相信，例如，可以把磁場構成為影響等離子體中帶負電荷的電子或離子和帶正電荷的離子等帶電荷粒子的方向。磁場的多個區域可以配置成用作反射場(mirror field)，在該處磁力線與帶電荷粒子的移動線分量的方向大致平行，同時在該處磁力線密度和磁場強度增大并暫時俘獲等離子體(磁力線周圍的螺旋線)中的帶電荷離子和最終使它們按離開更強磁場的方向改變方向。此外，如果帶電荷離子要跨過磁場，跨過磁場力，改變帶電荷的粒子的移動方向以轉變帶電荷的粒子，或抑制跨磁場的擴散。按該方式，磁場能抑制等離子體跨越由磁場限定的區域。通常在包含等離子體方面，跨磁場抑制比反射場更有效。
為簡化對本發明的該方案的描述，圖2示出用所述可移動的磁矩陣的等離子體處理系統300的范例。圖示的等離子體處理系統300的范例作為感應耦合的等離子體反應器。但是，應注意，本發明也可用適合形成等離子體的任何等離子體反應器實施，例如，電容耦合的等離子體反應器或ECR反應器。
等離子體處理系統300包括等離子體處理室302，該室的一部分用處理室壁303限定。為了容易制造和操作簡單，處理室302最好構型為大致圓柱形，并具有大致垂直的處理室壁303。但是，應注意，本發明不限于這種處理室構形，可以用其他的處理室構形。
處理室302的外邊設置天線裝置304(用線圈代表)，其經匹配網絡307耦合到第一RF電源306。第一RF電源306構成為給天線裝置304供給0.4MHz至50MHz頻率范圍內的RF電能。而且，天線304與襯底312之間設有耦合窗308。襯底312代表要處理的工件，它可以代表要被刻蝕、淀積或要以其他方式處理的半導體襯底，或要加工成平板顯示器的玻璃板。例如，在待決的專利申請09/440418，METHODAND APPARATUS FOR PRODUCING PROCCESS RATES(律師案卷號NoLAM1P125/P0560)，更詳細描述了典型的等離子體處理系統中用的天線/耦合窗裝置。該文獻在此引作參考。
氣體注入器310通常設在處理室302內。最好圍繞處理室302內圓周設置氣體注入器310并安排成釋放氣體源材料，例如，腐蝕源氣體，到耦合窗308與襯底312之間的RF感應等離子體區域。或者，也可以從處理室壁本身的置于壁內的出口釋放氣體源材料，或設在耦合窗中的噴頭釋放氣體源材料。例如，在待決的專利申請No09/470236，PLAMA PROCESSING SYSTIM WITH DYNAMIC GAS DISTRIBUTI0N，(律師案卷號NoLAMIP123/P0557)更詳細描述了典型的等離子體處理系統中用的氣體分配系統。該文獻在此引作參考。
多數情況下，襯底312引入處理室302中并放到吸盤314上，該吸盤314構型為在處理期間在處理室302中固定襯底。吸盤314可以代表，例如，ESC(靜電)吸盤，它用靜電力把襯底312固定在吸盤表面。通常，吸盤314起下電極作用，并最好用第二RF電源316加偏置電壓。第二RF電源316構成為供給0.4MHz至50MHz頻率范圍內的RF電能。
此外，吸盤314最好形成大致為圓柱形，與處理設備軸向對準，這樣吸盤和處理設備是圓柱對稱的。但是，應注意，這不是限制，吸盤的放置應按每個等離子體處理系統的具體設計變化。吸盤314也可以構成為在用于裝載和卸載襯底312的第一位置(未示出)和用于處理襯底的第二位置(未表示)之間移動。排氣口322設在處理室壁303與吸盤314之間并連接到渦輪分子泵(未表示)。正如本領域技術人員所公知的，渦輪分子泵能使處理室302內保持適當的壓力。
而且，在半導體處理的情況中，例如刻蝕處理，必須嚴格控制處理室內的參量，以保證處理結果的高精度。處理室的溫度就是一個這樣的參數。由于刻蝕精度(和得到的基于半導體的器件性能)對系統中元件的溫度波動極為敏感，所以要求精確控制溫度。在待決的專利申請No09/439675，TEMPERATURE CONTROL SYSTEM FOR PLASMAPROCESSING APPARATUS，(律師案卷號NoLAMP124/P0558)，中更詳細描述了典型的等離子體處理系統中用的溫度控制系統的一個實例。該文獻在此引作參考。
此外，在等離子體整個的處理中實現嚴格控制的一個重要的考慮是用于等離子體處理室的材料，例如用于諸如處理室壁的內表面的材料。另一個重要考慮是用于處理襯底氣體的化學性能。可能用于舉例的等離子體處理系統的材料與氣體二者化學性能的一個例子已在待決的專利申請No09/440794，MATERIALS AND GAS CHEMISTERIES FORPLASMA PROCESSING SYSTEMS，(律師案卷號NOLAMIP128/P0561-1)中更詳細描述。該文獻在此引作參考。
處理氣體經氣體注入器310引入處理室302以建立等離子體。之后，用第一RF電源306給天線304供電，在處理室302內產生大電場。電場加速處理室內存在的少量電子，使它們與處理氣體的氣體分子碰撞。這些碰撞引起離子化，引起氣體放電或產生等離子體320。正如領域公知的，處理氣體的中性氣體分子經這些強電場作用后失去電子，留下帶正電荷的離子。結果，等離子體320中包含帶正電荷的離子、帶負電荷的電子和中性的氣體分子。
一旦形成了等離子體，等離子體中的中性氣體分子就會向襯底表面移動。例如，有助于在襯底存在中性氣體分子的一個機理是擴散，(即，在處理室內分子的隨機運動。因此，通常能在襯底表面發現中性物質層(例如，中性氣體分子)。因此，當下電極314被加電時，離子向襯底加速移動，它們在襯底與中性物質結合，激發襯底處理，即刻蝕、淀積和/或其它。
圖2示出具有按本發明的磁矩陣700的等離子體處理系統300。圖3A是按圖2所示本發明實施例中3-3線切開的局部剖視圖。磁矩陣700包括多個垂直的磁元件702，它們大致從處理室302的項部跨到處理室302的底部。磁矩陣700包括多個垂直的磁元件702，它們相對于處理室302的垂直室軸302A徑向對稱設置。在優選實施例中，每個磁元件702的橫截面通常為矩形，是具有多個縱向實軸的細長桿。重要的軸是圖中所示的磁軸702P。每個磁元件有用磁軸702m連接的用北極(N)和南極(S)確定的磁方位。在優選實施例中，磁軸702m沿矩形橫截面的長軸。在優選實施例中，在每個磁元件702中的沿細長桿702P的實軸與磁軸702m相互垂直。更優選的是，磁元件702沿處理室的周邊軸向定位，它的任意極點(例如N或S)指向處理室302的室軸302A，如圖3A所示，即磁軸702m大致在處理室的徑向。更優選的是，每個磁元件702的實軸702P大致平行于處理室302的室軸302A。鄰近磁元件的磁力線集攏處(即磁元件的南端或北端)形成交點708A。而且，磁元件702沿處理室周圍空間偏置，以在每個磁元件702之間形成間隔，間隔的尺寸大致等于矩形橫截面的長度。要知道，間隔的大小可按每個等離子體處理系統的具體設計變化。
第一磁元件702的總數量最好等于32，以用于足夠處理300mm長襯底的處理室。但是，每個處理室的磁元件的實際數量可按每個等離子體處理系統的具體設計改變。通常，磁元件的數量應足夠大，以保證有足夠強的等離子體限定磁場來有效限定等離子體。磁元件的數量太少，會在等離子體限定磁場中產生低點，這將造成允許等離子體進一步進入不希望的區域。但是，磁元件的數量太多可降低密度增加，因為，沿磁力線的交點處的損失通常最大。
最好是，但不是必須是，磁元件702被構型為尺寸大約相同和磁通量大約相同的永磁鐵。但不限于相同的尺寸和相同的磁通量，有些結構中要求有不同尺寸和不同磁通量的磁元件。例如，50至1500高斯的磁通量適合產生有抑制等離子體移動的足夠強度的等離子體限定磁場。影響必需的磁通量和磁鐵尺寸的一些因素是氣體的化學性能、電功率、等離子體的密度等。永磁鐵最好用足夠強的永磁材料構成，例如磁性材料系列NdFeB(釹鐵硼)或SmCo(鈷酸釤)中的一種制成，在一些小的處理室中也可以用AlNiCo(鋁、鎳、鈷和鐵)或者陶瓷也可很好地工作。
大多數情況下，還要求磁元件702的磁通量強度必須很高，以能遠離磁鐵產生顯著的磁場強度。如果選擇的磁通量太小，會在等離子體限定磁場中產生更大的低場區，因此，等離子體限定磁場不能有效抑制等離子體擴散。因此，最好使磁場最大。最好等離子體限定磁場的磁場強度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15至1500高斯，在50至1250高斯更好，在750至1000高斯最好。
而且，為了能更好使用磁元件產生的磁能，磁元件與處理室之間的距離應最小。即，磁元件越靠近處理室，處理室內產生的磁場強度越大。如果距離大，要達到要求的磁場則需要更大的磁鐵。距離范圍最好在1/16至1英寸。要知道，距離可按磁元件與處理室之間用的具體材料改變。還需要設間隙以允許磁鐵移動。
關于使用的磁場，在襯底附近的磁場最好為零或接近零。襯底表面附近的磁通量會對處理均勻性造成負面影響。因此，等離子體限定裝置產生的磁場最好構成為在襯底上產生大致為零的磁場。而且，在排氣口322附近最好用一個或多個附加的磁限制矩陣，以進一步增強對處理室302內的等離子體限定。在待決的專利申請NO09/439759，METHOD AND APPARATUS FOR CONTROLLING THE VOLUME OFA PLASMA，(律師案卷號NoLAMlP129/P0561)中更詳細描述了排氣口限定磁矩陣裝置的一個實例。該文獻在此引作參考。
按本發明的另一方面，還能設置多個磁通量板，以控制等離子體限定裝置的磁元件產生的任何偶然的磁場。磁通量板構型為短路不需要磁場的區域中的磁場，例如，通常突出在磁元件的不用的一邊的磁場。而且，磁通量板能改變一些磁場的方向，因而能使更強的磁場引導到需要的區域中。最好是磁通量板使襯底區域中的磁場強度達到最小。因而磁元件能更靠近襯底放置。而且，能實現襯底表面附近的磁場為零或接近零。
注意，盡管優選實施例想要使產生的磁場有限定等離子體的足夠的強度，而不用把等離子體屏柵引入處理室，但是，本發明可與一個或多個等離子體屏柵一起用，以增加對等離子體的限定。例如，磁場可用作限定等離子體的第一裝置，等離子體屏柵(通常是泵出口322中的穿孔柵)可用做等離子體的第二限定裝置。
處理室壁303最好用基本上能抗等離子體環境的非磁性材料制造。例如，可以用SiC，SiN，石英，陽極化鋁，氮化硼，碳化硼等構成處理室壁303。
磁矩陣700和磁元件702通過在處理室壁303附近產生室壁磁場704，迫使等離子體密度梯度的實際數量在離開襯底的室壁附近集聚。按該方式，隨著等離子體的密度梯度跨襯底312的變化為最小，而進一步增強了均勻性。與許多等離子體處理系統相比，經改進的等離子體處理系統的處理均勻性能達到最大程度。在待決的專利申請NO09/439661，名稱為IMPROVED PLASMA PROCESSING SYSTEM ANDMETHODS THEREFOR，(律師案卷號NoLAMlP/P0527)更詳細描述了靠近耦合窗和天線的磁矩陣裝置的實例，該文獻在此引作參考。
如圖3A所示，限定磁場704的磁力線706A會聚生成的密度建立多個結點或交點708A，形成關于處理室壁303的交點圖形。
由于磁場能抑制帶電荷的離子跨磁場擴散，所以，磁場通常能抑制帶電荷的離子向大致垂直等離子體移動到處理室壁的移動線的磁場704的部分710A的離子滲透。抑制跨磁場擴散，有助于控制在諸如向處理室壁303的點710A處的等離子體。磁場的大致平行于等離子體移動到處理室壁303的移動線的點是交點708A。此處的磁力線變得更密。該磁力線密度的增加引起也反射等離子體的磁鏡作用，但它不能抑制等離子體跨磁場。磁場能增加電子和離子的有效平均自由行程，以改善等離子體的引發和提高功耗效率。引發等離子體只需較低的功率密度。盡管描述了覆蓋處理室302中特定的區域和深度時磁矩陣700產生的磁場704，但應了解，等離子體控制場的位置是可以改變的。例如，可按一種常規技術選擇磁場強度，以滿足有關處理襯底其他性能規范。
按本發明的一個實施例，多個磁元件702在一個元件接一個元件的基礎上進行操作，以改變磁矩陣700產生的磁場。以下將描述處理室302內產生的磁場位移的另一方法。
如上所述，磁元件702的磁軸702m相對處理室302徑向延伸。如圖3所示，優選實施例中的磁元件的極也可以是可變的極取向。即，每個連續的磁元件702向內指的極變換到N-S-N-S-N-S-N-S，以建立磁場704。
可用任何合適的裝置709使磁元件702進行物理旋轉，包括手動旋轉和用機械裝置旋轉，例如，能適當容納磁元件702的磁場的傳送帶或鏈條系統。正如以下看到的，本行業的技術人員將會發現，用電磁鐵可改變磁場的移動路徑。
當單個磁元件旋轉時，磁場704移動并變化。根據磁元件的原始取向和旋轉方向，能引起磁場704中的不同波動。因此，能實現交點圖形的不同位移。圖3A-3C示出磁元件702按各種旋轉圖形相對于它們的實軸702P旋轉的效果。
有圖3A所示結構的第一實施例中，磁元件702圍繞處理室的圓周按交替的徑向磁軸取向。如箭頭712A所示，每個其它的磁元件702按順時針方向相對于它的實軸702p旋轉。其余的磁元件702按反時針方向旋轉。圖3B示出磁元件702旋轉90°后的另一磁場704B。磁元件從圖3A所示的位置轉動到圖3B所示的位置的過程中，磁場的交點從磁元件702的中心附近移動到磁元件702的側邊附近的位置。這就使位于處理室壁303上的大多數等離子體沉積從磁元件702中心附近的區域移動到磁元件702側邊附近的區域。轉動另一90°后，磁元件再位于與圖3A所示位置相似的位置，在此，盡管磁元件已轉動了180°，磁元件702再次建立了與它的起始結構等效的磁場704A。磁場的交點從磁元件702的側邊附近移動到磁元件702的中心附近的位置，這引起淀積在處理室壁303上的大多數等離子體從磁元件702附近的處理室壁303的區域移動到磁元件702的中心附近的區域。磁元件702連續旋轉直到回到圖3A所示的它們的原始位置為止，完成一次循環。磁元件702可繼續經另一個循環直到等離子體衰減為止。
在還是有圖3A所示結構的第二實施例中，磁元件702最初還是按交替的徑向極取向。如箭頭712B所示，但是，每個磁元件702按順時針方向相對于它的實軸702p旋轉。圖3C示出磁元件702旋轉90°后的變化的磁場704C。相鄰的磁元件702有彼此面對的N極和S極，在該點，磁軸702m水平取向。磁元件從圖3A所示的位置轉動到圖3C所示的位置的過程中，磁場的交點從磁元件702的中心附近的位置移動到相鄰磁元件702之間的位置。這引起淀積在處理室壁303上的大多數等離子體從磁元件702中心附近區域移動到相鄰磁元件702之間的區域。轉動另一90°后，磁元件再位于與圖3A所示位置相似的位置，在此，盡管磁元件已轉動了180°，磁元件702再次建立了與它的起始結構等效的磁場704A。磁場的交點從相鄰磁元件702之間的區域移動到磁元件702的中心附近的區域。磁元件702連續旋轉直到回到圖3A所示的它們的原始位置為止，完成一次循環。磁元件702可繼續經另一個循環或許多循環直到等離子體熄滅為止。
本發明第三實施例，以圖3D所示的磁元件702開始，其中，磁元件702按恒定的徑向極取向建立磁場704D。如圖3D所示，恒定的極排列成行(N-N-N-N-N-N或S-S-S-S-S-S)也能用于產生不同的初始靜態磁場。如箭頭712C所示，每個其他磁元件702按順時針方向旋轉。其余的磁元件702按反時針方向旋轉。圖3C示出磁元件702旋轉90°后的另一磁場704C。磁元件從圖3D所示的位置轉動到圖3C所示的位置的過程中，磁場的交點從磁元件702的中心附近只移動到相鄰磁元件702之間的位置。這就使位于處理室壁303上的大多數等離子體沉積從磁元件702中心附近的區域移動到相鄰磁元件702之間的區域。轉動另一90°后，磁元件702再位于與圖3D所示位置相似的位置，在此，盡管磁元件702已轉動了180°，磁元件702再次建立了與它的起始結構等效的磁場704B。磁場的交點只從相鄰磁元件702之間的區域移動到磁元件702的中心和相鄰磁元件702之間的位置，這引起淀積在處理室壁303上的大多數等離子體只從相鄰磁元件702之間的區域移動到磁元件702的中心附近的區域和相鄰磁元件702之間的區域。磁元件702連續旋轉直到回到圖3D所示的它們的原始位置為止，完成一次循環。磁元件702可繼續經另一個循環直到等離子體熄滅為止。
在以圖3D所示的結構開始的第四實施例中，磁元件702再按恒定的徑向極取向。如箭頭712D所示，但是，每個磁元件702按順時針方向相對于它的實軸702p旋轉。圖3B示出磁元件702旋轉90°后的改變磁場704D。在該點相鄰的磁元件702有彼此面對的N極和S極。磁元件從圖3D所示的位置轉動到圖3B所示的位置的過程中，磁場的交點從磁元件702的中心附近的位置和相鄰磁元件702之間的位置移動到磁元件702側邊附近的位置。這引起淀積在處理室壁303上的大多數等離子體從磁元件702中心附近區域和相鄰磁元件702之間的區域移動到磁元件702側邊附近的區域。轉動另一90°后，磁元件再位于與圖3D所示位置相似的位置，在此，盡管磁元件已轉動了180°，磁元件702再次建立了與它的起始結構等效的磁場704B。磁場的交點從磁元件702側邊附近的區域移動到磁元件702的中心附近的區域和相鄰磁元件702之間的區域。磁元件702連續旋轉直到回到圖3D所示的它們的原始位置為止，完成一次循環。磁元件702可繼續經另一個循環直到等離子體熄滅為止。
在處理的優選實施例中，在單個等離子體處理步驟中能周期變換使用上述實施例中的一個，因此，在單個等離子體處理步驟中能使磁場的交點圖形的移動在一個循環以上。更優選的是，本實施例中，在單個等離子體處理步驟中能使磁場的交點圖形的移動經過10個循環以上。在處理的另一實施例中，在單個等離子體處理步驟中能使用上述實施例中的一個循環，因此，在單個等離子體處理步驟中磁場的交點圖形的移動只能經過一個周期。不同處理的這些實施例中，交點圖形可以連續或遞增的移動因此使交點圖形暫時靜止。根據處理步驟適當選擇變化。如上所述，例如，沿處理室壁的淀積深度和組分可隨電場變化而變化，在隨后的清潔步驟中它將有利于改變磁場，以增強從第一構形生成的淀積圖形的清潔。
不是圖3A-3D所示構形的，磁元件的其它構形也能用于本發明的實踐中，只要生成的磁場有水平對稱徑向梯度，其中，全部磁元件的N-S磁軸702m在處理室壁303上建立多個交點圖形，在處理室壁附近生成高磁場，在襯底建立低磁場即可。如實施例所示，襯底上的弱磁場和處理室壁附近的強磁場允許在襯底處的磁場強度有原始徑向梯度。此外磁場原始梯度是徑向的從襯底的上和下邊貫穿處理室。
適當設計磁場能在襯底上形成完全對稱的和中性化學性能的等離子體，因而能得到對稱的處理結果。但是，隨著處理要求的提高有時可能足夠敏感以致由于靜態磁場的周期性的細微影響在襯底處理的結果中是可見的。由于等離子體中的帶電荷離子不允許磁場中的磁力線結構隨時間變化很容易地會聚，因此，在旋轉改變交點圖形，進一步感到磁場704的平均容裝功能更均勻。與交替交點接觸的處理室壁的每個部分有平均值相同的離子、電子、和中性粒子流，因此產生更均勻的襯底產物。同樣的能消除整個襯底上的腐蝕特性或壁特性變化。
圖5畫出了能用作圖2-3D所示的磁元件702的電磁鐵系統904。電磁鐵系統904包括第一電磁鐵908，第二電磁鐵912和電控制器916。第一和第二電磁鐵908和912每個都包括至少一個電流回路，圖中為了清楚只畫了一個電流回路。操縱中，電控制器916在第一電磁鐵908中提供第一電流800，以建立第一磁場806，和在第二電磁鐵912中提供第二電流802，以建立第二磁場804。用電控制器916隨時改變第一和第二電流800和802的大小和方向，第一和第二磁場806和804合成的總和產生與圖2-3D所示的磁元件702產生的旋轉磁場相同的旋轉磁場。本實施例表明，用是電磁鐵的磁元件702能控制磁場移動。電磁鐵具有控制磁通量的優點，因此，能進行更好的處理控制。但是，電磁鐵使系統制造更復雜。發明的本實施例中，供給磁矩陣700的電流能控制磁場的強度和取向。當然，電磁鐵磁元件702也能按與永磁鐵相同的方式實際操作，以達到在磁場中要求的調制。
本發明的另一實施例中，多個單獨的磁元件702相互保持物理的和磁的取向，但是被移動而不作為相對于處理室302和處理室壁303一個單元。用于移動磁矩陣700的裝置709也可以是任何合適的手動裝置或機械設備。磁元件702的起始位置與圖3A-3D(最好是圖3A或3B)所示的磁元件702位置相同，既可以是交替的徑向極取向，或者是不變的徑向極取向。不是每個磁元件702分別旋轉，磁矩陣700繞處理室302的軸302A旋轉。磁矩陣700的這種旋轉將導致由磁矩陣700施加在壁303上的交點圖形相對處理室壁303相同的旋轉。當磁元件702單獨旋轉時，磁場(704A或704B)的磁力線不相互改變。而代之以磁場整體移動。相對處理室02的軸302A進行完全旋轉或用等于磁場周期的適當部分進行部分旋轉。
而且，作為一個單元的整個磁矩陣700的旋轉在處理室302內產生比用靜態磁矩陣產生更均勻的磁場。處理室壁303上沒有單個區域或區域受到比其它地方更多或更少的影響。而且，磁場對反射和擴散的抑制性能與等離子體中的帶電粒子更一致。除了能減少對處理室壁的損害和清潔問題之外，增強處理室302內的等離子體的限定(減少對室壁的損耗)，還允許處理過程中用更低的功率水平保持等離子體，或者延長處理室302的長度，用相同的功率能得到與早先的處理系統相比，更大的平均自由行程，能更好地碰撞襯底。
在本發明的另一實施例中，磁元件702能單獨徑向移動，如圖3A中箭頭750所示。磁元件702在徑向對稱地移動，它先減弱，之后，增強磁桶。磁場中的這種變化建立更均勻的磁場，在處理室壁上引起更均勻的淀積。此外，磁鐵徑向移動增大或減少磁限定效率并因此能改變等離子體的徑向擴散形狀。
在本發明的另一實施例中，磁矩陣700可以保持靜止位置，處理室壁303可以全部或部分移動或旋轉。考慮到轉動整個處理室303的復雜性，它可移動整個處理室303，可使用內室的壁305。如圖4所示，內處理室的壁305，而不是外處理室的壁303，將是等離子體接觸的處理室的元件。而且，可按需要，用適當的裝置309移動處理室的內壁305。可選擇形成襯套的合適的(或者是可淀積的)材料作為處理室的內壁305。
圖6示出本發明的另一個實施例。在圖6中處理室502的壁503由多個環形磁元件550包圍，其中，每個環形磁元件550包圍處理室壁503的周圍。環形磁元件550交替，因此一些環形磁元件的磁北極在環的內部，它們的磁南極在環的外部，另一些環形磁元件的磁北極在環的外部，它們的磁南極在環的內部。磁通量板556形成放在環形磁元件550周圍的部件。襯底512放在吸盤514上。RF電源給天線裝置504供電，它給腐蝕氣體供能，以形成等離子體520。如圖示的，磁元件550建立帶交點圖形的磁場560。本實施例中交點圖形主要不平行于處理室軸。但大致垂直于處理室軸。本發明的另一個實施例中，環形磁元件的磁極可按指向鄰近的多個軸方向交替(與圖3C類似)，或按指向徑向方向不交替(與圖3d類似)。本發明的該實施例中，用箭頭580指示磁通量板556的徑向移動。磁通量板556的移動引起磁場560移動。本實施例中，在等離子體處理步驟中，磁通量板556可移動到靠近磁元件550，以在等離子體處理中增大處理室壁503的磁場，之后，再從磁元件550移動以在清潔步驟中減少處理室壁503附近的磁場。
上述的全部實施例公開了用多個磁鐵在處理室壁上產生多個交點圖形，和相對于處理室壁改變多個交點圖形的方法和設備。經過一個時間周期使交點圖形回到原始位置。通過移動多個單獨的磁鐵，或多個磁鐵作為磁鐵組移動，通過改變電磁鐵中的電流，移動磁通量板，或使處理室壁相對磁鐵移動可產生變化的圖形。移動處理室壁可以是移動整個處理室壁或移動形成為外處理室壁的內襯的內處理室壁。
從上述內容看到，與現有技術相比，本發明有許多優點。例如，本發明提供的限定等離子體的磁場的均勻性更好。因而，磁場能更有效地防止等離子體移動到處理室的無效區。更重要的是，等離子體能更好地控制到規定的體積和處理室內規定的區域內。按此方式，能獲得更均勻的等離子體密度，結果，能產生更均勻的處理，即，腐蝕過程中襯底的邊緣和中心有大致相同的腐蝕速度。此外，磁場移動改變交點相對處理室壁的位置。這就允許等離子體穿過交點沿處理室壁延伸，允許更均勻地清潔處理室壁。此外，離開交點區域的室壁部分會接受中性粒子涂層。通過移動磁場，帶電的粒子涂層會加到中性粒子涂層上，這使處理室壁更容易清潔。而且，根據不同的處理條件用磁鐵的不同移動能調節等離子體的均勻性。通過改變磁場還能調節處理室內的離子和電子的平均自由行程。這能改善等離子體的化學性能并能用作清潔處理室壁或處理襯底的碰撞處理的參數。
盡管已用幾個優選實施例描述了本發明，在本發明范圍內還有一些替換，變更和等效物。注意，還有許多實施本發明方法和設備的其他方式。這些替換，變更和等效物均落入后附的權利要求書界定的發明精神和發明范圍內。
權利要求
1.用于處理襯底的等離子體處理設備，包括處理室，它至少部分地通過室壁限定，在該處理室內引發和保持用于所述處理的等離子體；圍繞所述處理室周邊設置的具有多個磁元件的磁矩陣，所述多個磁元件構型為可產生磁場，在所述室壁上建立多個交點圖形；和一個用于相對所述室壁改變所述交點圖形的裝置，該室壁在多個磁元件與處理室之間連接。
2.如權利要求1所述的設備，其中，在處理室內還包括吸盤，用于在所述的處理室內支持所述襯底。
3.如權利要求1-2所述的設備，其中，磁場有方位角對稱徑向梯度。
4.如權利要求1-3所述的設備，其中，所述多個磁元件是永磁鐵。
5.如權利要求1-3任意一項所述的設備，其中，所述磁元件是電磁鐵。
6.如權利要求1-5任意一項所述的設備，其中，所述用于改變所述交點圖形的裝置連續地改變所述室壁上的交點圖形。
7.如權利要求1-5任意一項所述的設備，其中，所述用于改變交點圖形的裝置遞增地改變所述室壁上的交點圖形。
8.如權利要求1-7任意一項所述的設備，其中，所述用于改變交點圖形的裝置包括用于移動至少一個所述磁元件的裝置。
9.如權利要求8所述的設備，其中，所述用于移動至少一個磁元件的裝置包括用于單獨移動多個所述磁元件的裝置。
10.如權利要求9所述的設備，其中，所述用于移動多個磁元件的裝置包括用于以交替圖形旋轉所述多個磁元件的裝置。
11.如權利要求9所述的設備，其中，所述用于移動多個磁元件的裝置包括用于以相同方向旋轉所述多個磁元件的裝置。
12.如權利要求8所述的設備，其中，所述用于移動至少一個磁元件的裝置包括用于相對所述處理室移動作為一個單元的所述磁矩陣的裝置。
13.如權利要求12所述的設備，其中，所述用于移動磁矩陣的裝置包括用于圍繞所述處理室旋轉所述磁矩陣的裝置。
14.如權利要求12所述的設備，其中，所述用于移動磁矩陣的裝置包括用于從所述處理室移近和移遠所述磁矩陣的裝置。
15.如權利要求1-14任意一項所述的設備，其中，所述用于改變交點圖形的裝置包括用于在所述磁場內移動所述處理室壁的至少一部分的裝置。
16.如權利要求15所述的設備，其中，所述用于移動處理室壁的至少一部分的裝置包括用于在所述磁場內旋轉所述室壁的裝置。
17.如權利要求15所述的設備，其中，所述用于移動處理室壁的至少一部分的裝置包括用于移動處理室壁的一部分的裝置，所述部分的處理室壁是形成襯套的處理室內壁。
18.如權利要求1-17任意一項所述的設備，其中，所述用于改變交點圖形的裝置包括用于在所述磁場內移動所述磁通量板的至少一部分的裝置。
19.一種用于在處理室內處理襯底時控制等離子體體積的方法，所述處理室至少部分地由室壁限定，該方法采用等離子體增強處理，包括用磁矩陣在所述處理室內產生磁場，所述磁場在所述處理室壁上建立交點圖形；在所述室壁上移動所述交點圖形；在所述處理室內的等離子體區內產生和保持等離子體；和將所述等離子體限制在由所述室壁和磁場的一部分至少部分地限定的體積內。
20.如權利要求19所述的方法，還包括將襯底安裝在所述吸盤上的步驟，使所述襯底處在所述等離子體區內。
21.如權利要求19-20任意一項所述的方法，其中，磁場具有方位角對稱的徑向梯度。
22.如權利要求19-21任意一項所述的方法，其中，產生所述磁場的步驟包括提供多個設在所述室壁周圍的磁元件的步驟，其中，所述移動交點圖形的步驟包括移動至少一個所述磁元件的步驟。
23.如權利要求22所述的方法，其中，移動至少一個所述磁元件的步驟包括以交替方向單獨旋轉多個磁元件的步驟。
24.如權利要求22所述的方法，其中，移動至少一個所述磁元件的步驟包括以相同方向單獨旋轉所述多個磁元件的步驟。
25.如權利要求22所述的方法，其中，移動至少一個所述磁元件的步驟包括移動作為單個矩陣的多個磁元件的步驟，所述矩陣繞所述處理室旋轉。
26.如權利要求19-25任意一項所述的方法，其中，移動所述交點圖形的步驟包括移動所述處理室壁的至少一部分的步驟。
27.如權利要求19-26任意一項所述的方法，其中，移動所述交點圖形的步驟包括移動所述磁通量板組件的至少一部分的步驟。
全文摘要
一種等離子體限定設備，用于當在處理室內處理襯底時用于控制等離子體體積，其包括處理室，在該處理室內引發和保持處理襯底的等離子體。該處理室至少部分地由室壁限定，還包括等離子體限定裝置。等離子體限定裝置包括圍繞處理室周邊設置的磁矩陣，其構型為可產生在處理室壁上建立交點圖形的磁場。處理室壁上的交點圖形限定等離子體可能會損害以及會產生清潔問題的區域。移動交點圖形以改善襯底處理系統的操作并減少因等離子體與室壁的相互作用引起的損害和/或清潔問題。既可通過移動磁矩陣或移動處理室壁實現交點圖形的移動。磁元件的移動可以是連續的，即旋轉一個或多個磁元件或旋轉全部或部分處理室壁，或遞增的，即周期地移動一個或多個磁元件的位置或全部或部分室壁的位置。
文檔編號H01J37/32GK1432189SQ01810248
公開日2003年7月23日 申請日期2001年3月16日 優先權日2000年3月27日
發明者A·D·拜利, D·J·赫姆克爾 申請人:蘭姆研究有限公司