專利名稱：用來限制等離子體的室構造的制作方法
背景技術：
本發明涉及到用來加工諸如用于集成電路制造的半導體襯底或用于平板顯示器應用的玻璃平板之類的襯底的裝置和方法。更確切地說，本發明涉及到用來控制等離子體反應器的加工室中的等離子體形成的改進技術。
等離子體增強工藝在以半導體為基礎的產品(例如集成電路或平板顯示器)的制造中的應用是眾所周知的。通常，等離子體增強工藝涉及到在等離子體反應器的加工室中對襯底進行處理。在大多數等離子體反應器中，可以借助于將含有適當腐蝕劑或淀積源氣體的氣體饋送到加工室中，并將能量施加到這些源氣體，來點燃和維持等離子體，以便分別腐蝕襯底表面上的材料層或在襯底表面上淀積材料層。舉例來說，電容性等離子體反應器已經被廣泛地用來加工半導體襯底和顯示器平板。在電容性等離子體反應器中，當RF功率被施加到二個電極之一或二者時，就在一對平行電極之間形成電容性放電。
雖然等離子體主要停留在一對電極之間的加工區中，但部分等離子體可能充滿整個工作室。等離子體通常到達它能被夠保持的場所，幾乎是工作室的任何地方。舉例來說，等離子體可以充滿諸如抽吸裝置下方的加工區外面的區域。若等離子體到達這些區域，則這些區域可能隨之發生腐蝕、淀積、和/或侵蝕，這可能導致加工室內部的顆粒沾污和/或可能縮短工作室或工作室部件的壽命。而且，不受限制的等離子體可能形成不均勻的等離子體，這可能導致工藝性能的變化。
因此，一直不斷地致力于產生被限制在加工區的因而更為穩定的等離子體。受到限制的等離子體傾向于確保能量到放電的有效耦合，增強等離子體的均勻性，并提高等離子體的密度，所有這些都會使被加工的襯底產生更好的加工均勻性和高成品率。存在著各種各樣的方法來獲得受到限制的等離子體。一種方法是使用外部磁場來限制等離子體。另一種方法是使用限制環來限制等離子體。限制環通常由物理上阻擋等離子體抽吸通過的絕緣材料形成，從而限制等離子體。二種方法都被證明非常適合于等離子體加工，更確切地說是非常適合于改善工藝控制和確保可重復性。雖然這些方法工作得很好，但仍然在不斷地致力于改善等離子體的限制，更確切地說是盡量減少和/或消除加工室的加工區外面區域中不希望有的等離子體形成。例如，依賴于功率、壓力、以及化學性質，可能在被限制的等離子體區域外面出現比較強的電場和大量的殘留離子性物質，這能夠在被限制的加工區外面進一步誘導輝光放電，亦即等離子體的不受限制。
發明概述在一個實施方案中，本發明涉及到一種等離子體限制裝置，用來盡量減小加工室中加工區外面區域中不希望有的等離子體的形成。此裝置包括位于加工區周邊附近的第一限制元件。此第一限制元件包括電接地的暴露的導電表面。此裝置還包括位于加工區周邊附近并與第一限制元件分隔開的第二限制元件。此第二限制元件包括構造成覆蓋電接地的導電部分的暴露的絕緣表面。第一限制元件和第二限制元件被安排成明顯地降低通過其間的各個等離子體形成分量(例如帶電顆粒和/或電場)的作用。
在另一個實施方案中，等離子體限制裝置還包括由絕緣材料形成的第三限制元件。此第三限制元件被設置在加工區周邊附近并處于第一限制元件與第二限制元件之間。第三限制元件被安排成物理上將等離子體限制在加工區內部，并明顯地降低通過第一限制元件與第二限制元件之間的各個等離子體形成分量的作用。
在另一個實施方案中，本發明涉及到用來加工襯底的一種等離子體反應器。此等離子體反應器包括具有工作室壁的工作室。此等離子體反應器還包括電極裝置，它被構造成產生強度足以在工作室中點燃并維持加工用的等離子體的電場。此電極裝置包括分隔開的第一電極和第二電極，從而在其間確定一個加工區。此等離子體反應器還包括用來防止等離子體形成在加工區外面的等離子體限制裝置。此等離子體限制裝置包括構造成環繞第一電極的第一環以及構造成環繞第二電極的第二環。第一環包括電接地的暴露的導電表面，而第二環包括暴露的絕緣表面，它覆蓋未被暴露的接地的導電元件。此等離子體限制裝置被安排成明顯地降低通過第一限制環與第二限制環之間的各個等離子體形成分量的作用。
在某些實施方案中，等離子體限制裝置還包括由介電媒質形成的排列在第一和第二環之間的壓力控制環。此壓力控制環被構造成物理上將等離子體限制在加工區中，同時允許加工氣體通過其中。
在其它的實施方案中，第一環包括內環和外環。內環由介電媒質形成，并被設在第一電極與外環之間，而外環包括接地的導電表面。在其它的實施方案中，第二環包括內環和外環。內環由介電媒質形成，并被設在第二電極與外環之間，而外環包括被絕緣層覆蓋的電接地的導電芯部。
附圖簡要說明用舉例的方法而不是用限制的方法在附圖中示出本發明，其中相似的標號表示相似的元件，其中
圖1示出了根據本發明一個實施方案的等離子體反應器。
圖2示出了根據本發明一個實施方案的圖1的等離子體反應器的剖開圖。
圖3示出了根據本發明一個實施方案的下環。
圖4示出了根據本發明一個實施方案的上環。
圖5示出了根據本發明一個實施方案的上環。
圖6示出了根據本發明一個實施方案的等離子體反應器。
圖7示出了導電上環和導電下環。
發明的詳細描述下面參照附圖所示的一些優選實施方案來詳細描述本發明。在下面的描述中，為了提供對本發明的透徹理解，提出了大量具體的細節。但顯然，對于本技術領域的熟練人員來說，本發明可以不管某些或全部細節而實施。換言之，為了不無謂地使本發明難以理解而沒有對眾所周知的工藝步驟進行詳細的描述。
已經發現，當大的帶電顆粒流和/或大的電場存在于加工室的加工區外面區域中時，可能遇到不希望有的放電。作為此處使用的術語，加工區指的是用于加工襯底的加工室區域，例如直接在襯底上方的區域。關于帶電顆粒，留在加工區的帶電顆粒可以與加工室壁碰撞，結果產生能夠點燃和/或維持等離子體的二次電子。關于電場，電場能夠加速電子，使之與加工氣體的氣體分子碰撞，其結果能夠離子化并激發等離子體。此外，帶電顆粒傾向于沿電場線運動，雜散電場線于是將更多的帶電顆粒引導到加工室加工區外面的區域中。例如，電場能夠沿向著加工室壁的方向加速帶電顆粒。這一加速和帶電顆粒與工作室壁之間隨后的碰撞，可以產生可點燃和/或維持等離子體的二次電子。
本發明因而涉及到一種用來將等離子體限制到加工室的加工區的改進了的方法和設備。更確切地說，本發明涉及到一種用來盡量減小和/或消除加工室加工區外面區域中不希望有的放電(即等離子體形成)的系統。為了便于討論，此處將加工區外面的區域稱為加工室的外區。本發明的一方面涉及到降低加工室外區中的帶電顆粒密度。例如，借助于在顆粒到達外區之前將它們吸附在表面上，或不允許顆粒通過到達外區。本發明的另一方面涉及到衰減加工室外區中的(用來形成等離子體的)電場。例如，借助于引導電場離開外區。在利用電容性放電來形成等離子體的等離子體加工系統中，本發明是特別有用的。
根據本發明的一個實施方案，提供了一種用來將等離子體限制在加工室的加工區中的等離子體限制裝置。此裝置包括第一限制元件，它被定位成向著加工區的一側并包括電接地的暴露的導電表面。此裝置還包括第二限制元件，它被定位成向著加工區側并與第一限制元件分隔開且包括覆蓋電接地的未被暴露的導電部分的暴露的絕緣表面。在某些結構中，等離子體限制裝置可以包括隔離的壓力控制環，它也被定位成向著加工區側并處在第一與第二限制元件之間。
雖然上述的裝置不局限于下面的情況，但通常認為上述的裝置借助于捕獲來自加工室加工區的帶電顆粒流并屏蔽加工室加工區外面的雜散電場部分而實現等離子體限制。例如，此裝置被構造成將電荷顆粒引導到第一限制元件的導電表面，并使顆粒通過其中滲透到地，以便降低加工區外面區域中的帶電顆粒的密度。此裝置還被構造成中和壓力控制環上的某些顆粒，以便降低加工區外面區域中的帶電顆粒的密度。而且，此裝置被構造成重新引導雜散電場通過導電表面到地，以便降低加工區外面區域中的電場。例如，電場的方向能夠被改變，致使電場不再具有延伸到加工室外區或工作室壁的視線。
下面參照圖1-7來討論本發明的各個實施方案。但本技術領域的熟練人員可容易地理解，此處對這些附圖給出的詳細描述是為了舉例的目的，本發明延伸超過了這些有限的實施方案。
圖1是根據本發明一個實施方案的等離子體反應器10的示意圖。等離子體反應器10包括加工室12，其一部分由頂板13和工作室壁14確定，且其中等離子體17被點燃和維持用來加工襯底18。襯底18表示待要加工的工件，它可以表示例如待要腐蝕或加工的半導體襯底或者待要加工成平板顯示器的玻璃平板。在大多數實施方案中，加工室12被安排成基本上為柱形，且工作室壁被安排成基本上垂直。而且，頂板13和工作室壁14通常被接地，并由鋁之類的適當材料制成。在所示實施方案中，頂板13和工作室壁14被電連接(在界面19處)并如16所示被接地。頂板13和工作室壁14還可以包括絕緣表面15，它可以由適當的介電材料形成，或在鋁頂板或工作室壁的情況下，此絕緣表面可以由陽極氧化鋁形成。但應該理解的是，上述構造不是一種限制，而是可以根據各個等離子體反應器的具體設計而變化。例如，工作室壁可以傾斜，或頂板可以被分別接地。
在大多數實施方案中，襯底18被引入到加工室12中，并被排列在一對平行電極之間，更確切地說是底電極20與頂電極24之間。底電極20和頂電極24確定了其間的一個加工區26。如圖所示，等離子體17被垂直地限制在底電極20與頂電極24之間。底電極20可以用作吸盤，用來在加工過程中支持和保持襯底18。舉例來說，此吸盤可以是一種靜電吸盤、真空吸盤、或機械吸盤。電極20和24通常還被安排成基本上柱形形狀且與加工室12的軸11軸向對準，致使加工室12與電極20和24柱對稱。此外，電極20和24通常被構造成尺寸相似，例如，各個電極可以具有相同的直徑。但應該理解的是，電極的尺寸、形狀、以及位置可以根據各個等離子體反應器的具體設計而變化。而且，可以提供邊沿環27來改善靠近襯底邊沿處的加工的電學和機械性能，以及使底電極20屏蔽于反應劑(亦即離子轟擊)。邊沿環27被安排成環繞襯底18的邊沿并覆蓋底電極20。邊沿環27通常由諸如陶瓷、石英、塑料之類的適當介電材料形成。
通常，電極20和24被構造成將高頻能量供給到加工室12的加工區26中，以便點燃和維持等離子體17。更具體地說，在所示的實施方案中，頂電極24被耦合到如16所示接地的頂板13，而底電極20經由匹配網絡30被耦合到RF電源28。在本技術領域中，匹配網絡通常是眾所周知的，為簡潔起見，此處不再贅述。頂電極24被安排成與頂板13在電學上連續，因此，頂電極24也被接地(例如完成RF電路)。頂電極20可以由硅之類的適當導電材料形成。而且，RF電源28被構造成將RF能量供應給底電極20。在所示的實施方案中，RF電源28由第一RF電源28A和第二RF電源28B組成。第一RF電源被構造來將第一RF頻率施加到底電極20，而第二RF電源被構造成將第二RF頻率施加到底電極20。舉例來說，第一RF頻率可以約為27MHz，而第二RF頻率可以約為2MHz。如通常眾所周知的那樣，較高的頻率被用來控制等離子體的密度和入射在襯底上的離子的數量，而較低的頻率被用來控制入射在襯底上的離子的能量。而且，底電極24可以由鋁之類的適當導電材料形成。
在圖1所示的等離子體反應器中，RF頻率被在底電極20上驅動，并被電容性耦合到等離子體17。等離子體17及其包層在這些射頻頻率下周期性地振蕩，且等離子體17中的正離子被包層電壓向接地的頂電極24加速。如應該理解的那樣，供應到底電極20的驅動RF電流應該與頂電極24上的等離子體離子電流加上從加工區26泄露出來的任何離子流平衡。在電路方面，這里RF電流的連續性。在理想情況下，RF電流進入底電極20，通過等離子體17到頂電極24，然后行進通過頂板13到工作室14，最后終止于地16，從而完成一個行程。
因此，根據本發明的另一方面，提供了通過所希望的RF回路的良好電傳導以增強等離子體限制。良好的電通路有助于驅動RF頻率，因而有助于將RF有效地耦合到等離子體。更具體地說，良好的電通路傾向于將更多的離子流吸引到頂電極，其結果是降低了到諸如被限制區域即加工區26外面的其它不希望路徑的離子流。等離子體因此而被更好地限制。
在一個實施方案中，頂電極24由低電阻率材料形成，以便改善通過RF回路的電傳導。舉例來說，頂電極可以由電阻率(體電阻率)約為10-0.01Ωcm的適當半導體(例如硅)形成。
在另一個實施方案中，良好的電接觸被形成在頂板13與工作室壁14之間(界面19)，以便改善通過RF回路的電傳導。在此實施方案中，借助于在界面19處，亦即在頂板13與工作室壁14之間引入RF墊圈21，形成了良好的電接觸。RF墊圈21被構造成柔性導體。柔性意味著RF墊圈21取頂板13和工作室壁14在界面19處的形狀。在一種構造中，RF墊圈21的剖面形狀取螺旋形狀(相似于薄圓彈簧)。螺旋形使RF墊圈21能夠在頂板13與工作室壁14之間被壓縮，以便將二者連接到一起。當被壓縮時，各個螺旋接觸相鄰的表面，使RF墊圈21成為一個提供頂板13與工作室壁14之間電通路的整體導電元件。RF墊圈通常由不銹鋼之類的適當導電材料形成。
雖然示出了底電極，并被示為耦合到一對RF電源，但應該理解的是，為了適應不同的加工室或為了適應能量耦合所需的其它外部因素，可以采用其它的構造。例如，可以采用單一頻率等離子體反應器或一個RF電源耦合到底電極而另一個耦合到頂電極的雙頻率等離子體反應器。
此外，通常提供氣體注入口(未示出)，用來將單一氣態源材料或多種氣態源材料的混合物釋放到加工室12中，更確切地說是釋放到頂電極24與底電極20之間的加工區26中。舉例來說，氣體注入口可以建立到加工室本身的壁中，或通過頂電極中的噴頭裝置。還提供了排氣口34，用來排出加工過程中形成的廢氣。如圖所示，排氣口34位于加工室12的外區36中，并被排列在工作室壁14與底電極20之間。排氣口34通常被耦合到位于工作室12外面的用來保持加工室12內部適當的壓力的渦輪分子泵(未示出)。而且，雖然排氣口被示為排列在工作室壁與底電極之間，但排氣口的實際位置可以根據各個等離子體加工系統的具體設計而變化。例如，也可以從建立到工作室壁中的排氣口來實現氣體排除。包括氣體注入口和排氣口的氣體系統，在本技術領域中是眾所周知的，為簡潔起見，此處不再贅述。
為了產生等離子體17，加工氣體通常從氣體注入口或多個注入口(未示出)被輸入到加工區26中。然后用RF電源28將功率饋送到底電極20，從而在加工室12內部產生大電場(用電場線95圖示)。大多數電場線被包含在底電極20與頂電極22之間，雖然有一些電場線可能雜散在這一范圍之外。此電場對少量存在于加工室12內部的電子進行加速，使之與加工氣體的氣體分子碰撞。這些碰撞導致離子化和等離子體17的激發。如本技術領域中眾所周知的那樣，加工氣體的中性氣體分子在經受這些強電場時失去了電子，留下帶正電的離子。結果，帶正電的離子、帶負電的電子、以及中性氣體分子被包含在加工室12內部。在加工過程中，離子通常被向著襯底加速，它們在襯底處與中性物質結合，激發襯底加工，亦即腐蝕、淀積等。大多數帶電物質(例如離子和電子)被包含在加工區26內部以促進襯底加工，雖然有些帶電物質可能雜散在這一區域外面(例如通過抽吸通道37)。
根據本發明的一個實施方案，在等離子體反應器10的工作過程中，借助于提供限制系統50，產生在電極20與24之間的等離子體放電被基本上限制在加工區26。為便于討論，圖2示出了根據此實施方案的等離子體反應器10的剖開圖，以便提供對限制系統50及其功能的更近距離的觀察。此限制系統50包括壓力控制環52(或限制環)以及包括上環53和下環54的限制裝置51。在所示實施方案中，限制系統50被排列在位于加工區26側面的抽吸通道37中。限制系統50被構造成將等離子體17限制到加工室12的加工區26，并用來盡量減小和/或消除加工室12外區36中不希望有的等離子體形成。在大多數情況下，壓力控制環52被構造成物理上限制等離子體17，并用來中和雜散在加工區26外面的部分帶電顆粒。此外，限制裝置51被構造成捕獲(中和)雜散在加工區26外面的部分帶電顆粒，并用來衰減雜散在加工區26外面的電場線。而且，限制裝置51可以被構造成至少部分地物理上限制等離子體17。
壓力控制環52是一個安排成環繞加工區26和控制等離子體17中的氣體壓力的環形環。壓力控制環52通常被排列在確定電極20表面的平面與確定電極24表面的平面之間，更確切地說是被排列在鄰近加工區26的抽吸通道37中。如圖所示，壓力控制環52物理上阻塞了部分抽吸通道37，因而能夠限制等離子體17徑向偏離加工區26(例如限制)。更具體地說，壓力控制環52具有暴露于加工區26的內表面56以及暴露于外區36的外表面58。壓力控制環52還具有與上環分隔開的上表面57以及與下環53分隔開的下表面59。因此，壓力控制環52被排列在上環54與下環53之間。此外，壓力控制環52通常由絕緣材料制成，并可以是單個環或幾個環。
而且，壓力控制環52通常包括多個從內表面56延伸到外表面58的通道60。通道60的尺寸被確定為允許(在加工過程中形成的)副產品氣體或廢氣通過而基本上將等離子體限制到加工區26。此外，通道60被構造成基本上中和從加工區26流出的(在等離子體中產生的)帶電顆粒。更具體地說，各個通道尺寸適當地配置成，使帶電顆粒在各個通道中必須行進的距離明顯地大于帶電顆粒的平均自由程，致使大多數出來的顆粒與通道壁至少有一次碰撞。這些碰撞傾向于中和顆粒的電荷。因此降低了加工區外面的放電傾向。
如應該理解的那樣，壓力控制環52的寬度(從57到59)和厚度(從56到58)能夠被調整，以便增強等離子體的限制。例如，由于大的寬度和大的厚度限制了氣體抽吸傳導并延長了帶電物質和基團通過的停留時間，因而提高了電荷交換和中和的機會，故具有比較大的寬度和厚度的壓力控制環通常導致更好的等離子體限制。確切地說，較寬的壓力控制環為帶電物質的交換和中和以及為基團的猝滅提供了更大的表面積，而具有比較大的厚度的壓力控制環還減小了從被限制的等離子體區域到外面的直線位置間隙，從而減小了直接電擊穿的機會。
在一種構造中，壓力控制環包括由諸如高質量熔融氧化硅或石英之類的適當介電材料制成的多個環形環的疊層。當被裝配時，各個環行環被也可以由諸如石英之類的適當介電材料制成的分隔物(未示出)分隔開。這些分隔物可以是墊圈或環形環的隆起區域。可以將螺釘穿過各個環和墊圈，以便形成堅固的結構。此外，壓力控制環可以借助于將其連接到加工室的某些部分例如上環而被直接支持或間接支持。相鄰環之間的間隙形成不同的平行周邊通道或縫隙。此縫隙大致環繞壓力控制環的整個周邊延伸，僅僅被分隔物中斷。在此處列為參考的共同授予Lenz等人的美國專利No.5534751中，可以找到上述這種壓力控制環的例子。此外，壓力控制環可以被安排成在第一與第二位置之間移動，以便影響襯底表面上的壓力。這可以進一步增強等離子體反應器的加工性能。在此處也列為參考的共同授予Lenz等人的美國專利No.6019060中，可以找到這種移動壓力控制環的例子。
關于下環53，下環53是一個安排成同心地環繞底電極20的環形環。在所示實施方案中，下環53被排列在底電極20與工作室壁14之間，更確切地說是鄰近底電極20的側面，以便為排氣口34提供空間。但應該指出的是，在某些情況下，借助于延伸到排氣口中，下環可以提供次要的限制(例如物理限制)，并可以包括允許氣體通過的孔或通道。通常，下環53的頂表面70確定了抽吸通道37的下通道。如圖所示，下環53的頂表面70處于與確定底電極20頂表面的平面大致相同的水平處。而且，下環53的頂表面70和側表面72被暴露于加工室12的內部。
下環53包括內側環76和外側環78。內側環76如其名稱所指位于下環53的里邊部分，因而鄰近底電極20。另一方面，外側環78位于下環53的外邊部分。通常，外側環78構造有如84所示電接地(提供RF回路)且被絕緣表面82完全或部分地環繞的導電芯部80。絕緣表面82被安排成覆蓋至少外側環78的暴露于加工室12的部分，例如頂表面70和側表面72。雖然未示出，但絕緣表面也可以覆蓋外側環78的未被暴露的部分。而且，內側環76由電絕緣的材料形成，以便將外側環78隔離于RF驅動的底電極20，并防止其間的任何電擊穿和弧光。舉例來說，內側環76可以由介質、石英、陶瓷、塑料制成，且其中可以安置氣囊。
在一個實施方案中，外側環由鋁制成，且暴露的表面，例如頂表面70和側表面72，是陽極化的鋁表面。如應該理解的那樣，陽極化表面是絕緣表面，周圍的RF因而通過陽極化層被電容性終止于鋁內(導電芯部)。由于薄的陽極化表面，故此電容通常小。外側環的這種構造有助于限制等離子體，下面將更詳細地加以討論。
關于上環54，上環54是一個安排成同心地環繞上電極24的環形環，且通常被固定到加工室12的頂板13。在所示實施方案中，上環54被排列在上電極20與工作室壁14之間，更確切地說是鄰近上電極24的側面。上環54包括上表面86、底表面88、內表面90、以及外表面92。在某些實施方案中，上環54的側表面90可以鄰近頂電極24，而在其它實施方案中(如圖所示)，可以在頂電極24與上環的內表面90之間提供空間，以便提供熱膨脹間隙。如圖所示，上環54的外表面92被構造成比下環53側表面72延伸得更遠離加工室12的軸11。通常，底表面88確定了抽吸通道37的上通道。而且，底表面88處于與確定上電極24頂表面的平面相同的的水平。但應該指出的是，這不是一種限制，而是可以改變上環的寬度(從表面86到表面88)，以相似于壓力控制環的方式來限制抽吸，以便增強等離子體的限制。舉例來說，可以沿向著下環53的方向延伸底表面88。如圖所示，上環54的底表面88和外表面92被暴露于加工室12的內部。而且，上環54的底表面88處于面對下環53的頂表面70的位置。在大多數實施方案中，底表面與頂表面彼此基本上平行，且垂直于軸11。
上環54由適當的導電材料制成并被電接地。上環54可以通過頂板13間接接地或如圖1中94所示直接接地(提供直流路徑和RF回路)。而且，上環54被安排成明顯地阻止等離子體17引起的腐蝕或明顯地有助于避免金屬沾污。舉例來說，上環54可以由裸金屬、SiC、濺射在金屬上的Si等制成。
包括下環53和上環54的限制裝置51，具有對等離子體限制有很大影響的幾種功能。一個功能主要包括基本中和了從加工區流出的帶電顆粒。這至少部分地借助于帶電物質在上環54處的滲透而實現。更具體地說，接地的底表面88起到了正離子電荷滲透或漏泄的作用，從而在逃選出被限制的加工區之前被中和。雖然不希望受理論的束縛，但通常認為在加工過程中，RF電壓在導電表面與絕緣表面之間產生了直流電位。此直流電位將帶電物質引導到下環53的絕緣頂表面70或上環54的導電底表面88。結果，出來的顆粒與頂表面70或底表面88至少發生一次碰撞。在碰撞時，產生基本從帶電顆粒清除電荷(經由地)的電流流動，結果，這就傾向于中和顆粒的電荷。例如，導電的底表面88提供了帶電物質的直流接地路徑。因此，外區中帶電物質的密度被明顯地降低。因此，降低了加工區外面放電的傾向。
在一個實施方案中，接地的導電底表面88的表面積被用來控制滲透顆粒的數量。實際上，底表面積越大，滲透帶電顆粒的作用就越大。
另一個功能包括屏蔽周圍RF(或雜散電場線)以降低被限制加工區26外面的電場強度。借助于將本來可能向外徑向發散到被限制加工區26外面的驅動RF的電磁場吸引到上環和下環的導電元件，亦即導電芯部和導電的底表面，實現了這一功能。如圖2所示，部分發散或雜散電場(由電場線96圖示)經由下環53的外側環78以及經由上環54，從外區36被清除。為便于討論，用96A來表示被外側環78清除的電場線96，并用96B表示被上環54清除的電場線。入射在上環上的電場線96B由于暴露的導電表面而傾向于垂直，而入射在外側環上的電場線96A由于絕緣的頂表面而傾向于成一定角度。雜散電場線96A通過絕緣的頂表面70耦合到導電芯部80，且通過導電芯部80行進到地84。此外，雜散電場線96B行進到導電的底表面88，且通過導電的底表面88到地94。如應該理解的那樣，導電底表面和絕緣的導電芯部提供了RF回路。因此，外區中的雜散電場被上環和下環的外側環二者明顯地降低。因此，降低了加工區外面放電的傾向。
而且，帶電顆粒傾向于沿著電場線96A和96B，從而由于外區中電場的降低，也降低了此區域中的帶電顆粒密度。而且，帶電顆粒傾向于被電場96B引導到上環54的導電底表面，結果就中和了帶電顆粒，特別是離子物質。帶電顆粒還傾向于被引導到壓力控制環52的表面，結果就中和了某些帶電顆粒。因此，降低了加工區外面的放電傾向。
在一個實施方案中，底表面88的表面積以及頂表面70的表面積被用來控制被屏蔽的電場線的數量。實際上，表面積越大，屏蔽電場的效果就越大。
在可選實施方案中，如圖3所示，下環53可以包括第一環112、第二環114、第三環116、以及頂環118。在此圖中，根據上述有關內側環76和外側環78的本發明教導來產生各個環。亦即，第一環112對應于內側環76，第二環114對應于導電芯部80，第三環對應于側表面72，而頂環118對應于頂表面70。因此，第一環112、第三環116、以及頂環118由適當的絕緣材料形成，而第二環114由適當的導電材料形成。第二環114還如84所示被電接地。在另一個實施方案中，第一環112、第三環116、以及頂環118可以表示一個整體形成的結構，使第二環埋置于其中。在另一個實施方案中，第一環112、第三環116、以及頂環118可以表示一個組合結構，其中各個環由不同的介電材料形成。在再一個實施方案中，頂環可以是邊沿環27的延伸。
在一種構造中，下環包括具有包圍底電極的第一部分和第二部分的環形介電體以及包含管狀部分和向內突出部分的導電芯部。管狀部分基本上環繞并屏蔽環形介電體的下部，而向內突出部分被埋置在環形介電體本身之中。在此處列為參考的共同授予Lenz的美國專利No.5998932中，可以找到上述那樣的下環的例子。
在另一個可選實施方案中，如圖4所示，上環54可以被分成二個環，即內上環100和外上環102。內上環100如其名稱所指，位于上環54的里面部分，因而接近上電極(此圖中未示出)。另一方面，外上環102位于上環54的外面部分。內上環100由介電材料形成，而外上環102由適當的導電材料形成，并如94所示被電接地。內上環100被構造成降低由濺射在直接暴露于被限制的等離子體(圖1和2所示的等離子體17)的上環54內邊沿上的等離子體所產生的顆粒。但外上環102根據上面有關單片上電極所述的本發明教導來產生。亦即，殘留的離子在逃逸到被限制的加工區外面之前，仍然在接地的外上環102的導電表面上被中和，且電場仍然被接地的導電外上環102屏蔽。
在另一個可選實施方案中，如圖5所示，上環54可以包括頂層106和底層108。頂層106被排列在上環54的上部，因而鄰近頂板(圖中未示出)。底層108被排列在上環54的底部，因而被暴露于加工室12的內部。頂層106可以由任何適當的導電或絕緣材料形成。另一方面，如94所示被電接地的底層108，由適當的導電材料形成。在此實施方案中，根據上面有關單片上電極所述的本發明教導來產生底層108。亦即，殘留的離子在逃逸到被限制的加工區外面之前，仍然在接地的底層108的導電表面上被中和，且電場仍然被接地的底層108屏蔽。在一種實現中，底層108可以被濺射到頂層106上。由于不存在多少電流，故此濺射層能夠是非常薄的導電材料層。
根據本發明的另一個實施方案，上環和下環的構造能夠反轉。亦即，上環可以具有絕緣底表面，而下環可以具有導電頂表面。參照后面的圖可以更好地理解此實施方案的特點。圖6示出了圖1等離子體反應器10的相關部分，它包括加工室12、頂板13、工作室壁14、底電極20、上電極24、以及壓力控制環52。圖6還示出了限制裝置200，它包括具有內側環206和外側環208的上環202和下環204。內側環206可以分別對應于圖1所示的內側環76。另一方面，外側環208包括暴露于加工室12內部的頂表面210。在此實施方案中，外側環208，更確切地說是外側環的頂表面210，由適當的導電材料制成，并如84所示被接地。舉例來說，外側環208即頂表面可以由裸金屬、SiC、或濺射在金屬上的Si制成。此外，外側環208可以包括也被暴露于加工室12內部的側表面214。在某些構造中，側表面214由適當的導電材料制成，而在其它的構造中，側表面214由適當的絕緣材料制成。為便于討論，外側環208的尺寸、形狀、以及位置可以分別對應于圖1所示的外側環78。關于上環202，上環202包括也被暴露于加工室12內部的底表面216。如圖所示，底表面216面對著頂表面210。在此實施方案中，上環202，更確切地說是底表面216，由適當的絕緣材料制成。舉例來說，上環202可以由電介質、陶瓷、塑料等制成。像外側環那樣，上環202的尺寸、形狀、以及位置可以分別對應于圖1所示的上側環54。
以相似于圖1限制裝置51的方式，圖6的限制裝置200能夠大幅度改善等離子體限制。例如，由于接地的頂表面210被直接暴露于加工室12內部，故在此表面的頂部形成了清楚地確定的包層，并跨越此包層建立了電壓，從而能夠進一步將正離子引導到表面。因此，接地的頂表面起到了正離子的電荷滲透或漏泄的作用，從而在逃逸出被限制區域之前被中和。因此，由于泄露到外面的正離子被大幅度減少，故等離子體限制得到了明顯改善。此外，導電的頂表面210有效地屏蔽了周圍RF(即雜散電場線)，從而降低了被限制的加工區26外面的電場強度。再次借助于將本來可能向外徑向發散到被限制加工區26外面的驅動RF的電磁場吸引到下環的導電元件，亦即導電的頂表面，實現了這一點。
如上所述，導電頂表面(例如外側環)與絕緣底表面(例如上環)的組合，或導電底表面(例如上環)與絕緣頂表面(例如外側環)的組合，能夠大幅度改善等離子體限制。然而，遺憾的是，導電頂表面(例如外側環)與導電底表面(例如上環)的組合對等離子體限制能夠有不利的影響。為便于討論，圖7示出了一種限制裝置300，它包括具有導電頂表面210的下環208和具有導電底表面88的上環54。如圖所示，在上環54的外邊沿與下環208的外邊沿之間存在著接近視線的路徑。電子或負離子302可以被捕獲在形成于上環54的導電底表面88和下環208的導電頂表面210上的包層所確定的勢阱中。與空心陰極效應相似，這些被捕獲的負粒子302在勢阱中往返振蕩。結果，通過其它離子和中性粒子(未示出)與被捕獲的負粒子302的碰撞，能夠誘發輝光放電。因此，介質上環與具有導電表面的外側環的組合，或導電上環與具有介質頂表面的外側環的組合，被實現來改善等離子體限制。
上述方案已經被廣泛地檢驗并被實驗證實有效。在諸如可從Fremont，CA的Lam Research公司獲得的電容性耦合Exelan等離子體反應器之類的雙頻率電容性放電反應器中，已經實現了Langmuir探針和E場探針，以便分別測量被限制加工區外面的離子流和電場。這些測量證實了加工區外面區域中的電場和離子流比現有技術中的明顯地更低。
如從上面可見，本發明提供了超越現有技術的大量優點。不同的實施方案或實現可以具有下列各個優點中的一個或多個。本發明的一個優點包括將等離子體限制到加工室的加工區，同時允許來自加工的副產品氣體通過。本發明的另一優點包括盡量減小和/或消除不想要的等離子體在加工室加工區外面的區域中形成。因此，等離子體能夠被控制到加工室內部的特定體積和特定位置，確保了更為有效的能量耦合，提高了等離子體的均勻性，并提高了等離子體的密度，所有這些都導致被加工襯底上更好的加工均勻性和高成品率。
雖然就幾個優選實施方案已經描述了本發明，但在本發明的范圍內存在著各種改變、置換、和等效物。還應該指出的是，存在著許多可選的實現本發明的方法和設備的方式。例如，雖然就用來加工襯底的電容性耦合等離子體反應器已經描述和示出了限制裝置，但應該指出的是，其它的等離子體系統也能夠應用此限制裝置的技術和方法。例如，預計此限制裝置能夠被用于感應耦合或微波等離子體反應器。因此認為下列所附權利要求書被解釋為包括本發明構思與范圍內的所有這些改變、置換和等效物。
權利要求
1.一種等離子體限制裝置，用來盡量減小加工室的加工區外面的區域中不希望有的等離子體的形成，該裝置包含第一限制元件，它位于加工區周邊附近，且包括電接地的暴露的導電表面；以及第二限制元件，它位于加工區周邊附近，且包括構造成覆蓋電接地的導電部分的暴露的絕緣表面，該第二限制元件與第一限制元件分隔開，其中，第一限制元件和第二限制元件相當大地降低通過其間的各個等離子體形成分量。
2.如權利要求1所述的等離子體限制裝置，還包括第三限制元件，它由絕緣材料形成，且被設在加工區周邊附近并處在第一限制元件與第二限制元件之間，該第三限制元件被安排成物理上限制加工區內部的等離子體并相當大地降低通過第一限制元件與第二限制元件之間的多個等離子體形成分量的作用。
3.如權利要求2所述的等離子體限制裝置，其中，第三限制元件是環繞至少一部分加工區的環，該第三限制元件被構造成允許來自加工的副產品氣體通過，同時相當大地將等離子體限制在加工區內部。
4.如權利要求1所述的等離子體限制裝置，其中，等離子體形成分量是帶電顆粒或電場。
5.如權利要求4所述的等離子體限制裝置，其中，第一限制元件和第二限制元件被安排成將帶電顆粒引導到暴露的導電表面，并使帶電顆粒通過其中滲透到地，以便降低加工區外面的區域中的帶電顆粒密度。
6.如權利要求4所述的等離子體限制裝置，其中，第一限制元件和第二限制元件被安排成將電場分別吸引到接地的導電表面和接地的導電部分，以便降低加工區外面的區域中的電場強度。
7.如權利要求1所述的等離子體限制裝置，其中，第一限制元件被設在加工室的上部，且其中第二限制元件被設在加工室的下部。
8.如權利要求7所述的等離子體限制裝置，其中，第一限制元件是環繞上電極的環，且其中第二限制元件是環繞底電極的環，上電極和底電極被安排成產生有助于點燃和維持等離子體的電場。
9.如權利要求1所述的等離子體限制裝置，其中，第一限制元件被設在加工室的下部，且其中第二限制元件被設在加工室的上部。
10.如權利要求9所述的等離子體限制裝置，其中，第一限制元件是環繞底電極的環，且其中第二限制元件是環繞上電極的環，上電極和底電極被安排成產生有助于點燃和維持等離子體的電場。
11.如權利要求1所述的等離子體限制裝置，其中，第二限制元件包括未被暴露的導電芯部，該芯部至少部分地被絕緣表面覆蓋并被接地。
12.如權利要求11所述的等離子體限制裝置，其中，未被暴露的導電芯部由鋁制成，且其中暴露的絕緣表面由陽極化鋁形成。
13.如權利要求1所述的等離子體限制裝置，其中，第一限制元件的導電表面由導電材料形成，該導電材料在加工過程中相當大地抵抗存在于工作室內的等離子體的腐蝕或相當大地有助于避免金屬沾污。
14.一種用來加工襯底的等離子體反應器，它包含具有室壁的室；電極裝置，它被構造成產生強度足以在工作室中點燃并維持加工用的等離子體的電場，該裝置包含第一電極以及與第一電極分隔開的第二電極，第一電極和第二電極在其間確定一個加工區；以及等離子體限制裝置，用來防止等離子體形成在加工區外面，該等離子體限制裝置包含構造成環繞第一電極的第一環以及構造成環繞第二電極的第二環，第一環包括電接地的暴露的導電表面，第二環包括暴露的覆蓋未被暴露的接地導電元件的絕緣表面，其中，等離子體限制裝置明顯地降低通過第一限制環與第二限制環之間的各個等離子體形成分量的作用。
15.如權利要求14所述的等離子體限制裝置，還包括由介電媒質形成的設在第一和第二環之間的壓力控制環，該壓力控制環被構造成物理上將等離子體限制在加工區中，同時允許加工氣體通過其中。
16.如權利要求14所述的等離子體反應器，其中，第一電極和第二電極彼此平行，且其中暴露的絕緣表面與第二電極的頂表面齊平。
17.如權利要求14所述的等離子體反應器，其中，第一環被設在第一電極與室壁之間，且其中第二環被設在第二電極與室壁之間。
18.如權利要求14所述的等離子體反應器，其中，第一環包括內環和外環，其中內環由介電媒質形成，并被設在第一電極與外環之間，且其中外環包括接地的導電表面。
19.如權利要求14所述的等離子體反應器，其中，第二環包括內環和外環。其中內環由介電媒質形成，并被設在第二電極與外環之間，且其中外環包括被絕緣層覆蓋的電接地的導電芯部。
20.如權利要求14所述的等離子體反應器，其中，導電元件是所述室的一部分。
21.如權利要求14所述的等離子體反應器，其中，第一環和第二環沿相對于加工室的軸沿徑向延伸，且其中第一環的外邊沿比第二環的外邊沿延伸得更遠。
全文摘要
本發明公開了一種等離子體限制裝置，用來盡量減小加工室中加工區外面區域中不希望有的等離子體的形成。此等離子體限制裝置包括位于加工區周邊附近的第一限制元件和第二限制元件。第二限制元件與第一限制元件被分隔開。第一限制元件包括電接地的暴露的導電表面，而第二限制元件包括構造成覆蓋電接地的導電部分的暴露的絕緣表面。第一限制元件和第二限制元件明顯地降低了通過其間的多個等離子體形成分量的作用。等離子體限制裝置還可以包括由絕緣材料形成的被設在加工區周邊附近的第一限制元件與第二限制元件之間的第三限制元件。第三限制元件進一步降低了通過第一限制元件與第二限制元件之間的各個等離子體形成分量的作用。
文檔編號H01J37/32GK1478291SQ01819621
公開日2004年2月25日 申請日期2001年9月25日 優先權日2000年9月28日
發明者J·J·陳, E·H·倫茨, 馬昆德·斯林尼瓦桑, 斯林尼瓦桑, J J 陳, 倫茨 申請人:蘭姆研究有限公司