专利名称：用来限制等离子体的室构造的制作方法
背景技术：
本发明涉及到用来加工诸如用于集成电路制造的半导体衬底或用于平板显示器应用的玻璃平板之类的衬底的装置和方法。更确切地说，本发明涉及到用来控制等离子体反应器的加工室中的等离子体形成的改进技术。
等离子体增强工艺在以半导体为基础的产品(例如集成电路或平板显示器)的制造中的应用是众所周知的。通常，等离子体增强工艺涉及到在等离子体反应器的加工室中对衬底进行处理。在大多数等离子体反应器中，可以借助于将含有适当腐蚀剂或淀积源气体的气体馈送到加工室中，并将能量施加到这些源气体，来点燃和维持等离子体，以便分别腐蚀衬底表面上的材料层或在衬底表面上淀积材料层。举例来说，电容性等离子体反应器已经被广泛地用来加工半导体衬底和显示器平板。在电容性等离子体反应器中，当RF功率被施加到二个电极之一或二者时，就在一对平行电极之间形成电容性放电。
虽然等离子体主要停留在一对电极之间的加工区中，但部分等离子体可能充满整个工作室。等离子体通常到达它能被够保持的场所，几乎是工作室的任何地方。举例来说，等离子体可以充满诸如抽吸装置下方的加工区外面的区域。若等离子体到达这些区域，则这些区域可能随之发生腐蚀、淀积、和/或侵蚀，这可能导致加工室内部的颗粒沾污和/或可能缩短工作室或工作室部件的寿命。而且，不受限制的等离子体可能形成不均匀的等离子体，这可能导致工艺性能的变化。
因此，一直不断地致力于产生被限制在加工区的因而更为稳定的等离子体。受到限制的等离子体倾向于确保能量到放电的有效耦合，增强等离子体的均匀性，并提高等离子体的密度，所有这些都会使被加工的衬底产生更好的加工均匀性和高成品率。存在着各种各样的方法来获得受到限制的等离子体。一种方法是使用外部磁场来限制等离子体。另一种方法是使用限制环来限制等离子体。限制环通常由物理上阻挡等离子体抽吸通过的绝缘材料形成，从而限制等离子体。二种方法都被证明非常适合于等离子体加工，更确切地说是非常适合于改善工艺控制和确保可重复性。虽然这些方法工作得很好，但仍然在不断地致力于改善等离子体的限制，更确切地说是尽量减少和/或消除加工室的加工区外面区域中不希望有的等离子体形成。例如，依赖于功率、压力、以及化学性质，可能在被限制的等离子体区域外面出现比较强的电场和大量的残留离子性物质，这能够在被限制的加工区外面进一步诱导辉光放电，亦即等离子体的不受限制。
发明概述在一个实施方案中，本发明涉及到一种等离子体限制装置，用来尽量减小加工室中加工区外面区域中不希望有的等离子体的形成。此装置包括位于加工区周边附近的第一限制元件。此第一限制元件包括电接地的暴露的导电表面。此装置还包括位于加工区周边附近并与第一限制元件分隔开的第二限制元件。此第二限制元件包括构造成覆盖电接地的导电部分的暴露的绝缘表面。第一限制元件和第二限制元件被安排成明显地降低通过其间的各个等离子体形成分量(例如带电颗粒和/或电场)的作用。
在另一个实施方案中，等离子体限制装置还包括由绝缘材料形成的第三限制元件。此第三限制元件被设置在加工区周边附近并处于第一限制元件与第二限制元件之间。第三限制元件被安排成物理上将等离子体限制在加工区内部，并明显地降低通过第一限制元件与第二限制元件之间的各个等离子体形成分量的作用。
在另一个实施方案中，本发明涉及到用来加工衬底的一种等离子体反应器。此等离子体反应器包括具有工作室壁的工作室。此等离子体反应器还包括电极装置，它被构造成产生强度足以在工作室中点燃并维持加工用的等离子体的电场。此电极装置包括分隔开的第一电极和第二电极，从而在其间确定一个加工区。此等离子体反应器还包括用来防止等离子体形成在加工区外面的等离子体限制装置。此等离子体限制装置包括构造成环绕第一电极的第一环以及构造成环绕第二电极的第二环。第一环包括电接地的暴露的导电表面，而第二环包括暴露的绝缘表面，它覆盖未被暴露的接地的导电元件。此等离子体限制装置被安排成明显地降低通过第一限制环与第二限制环之间的各个等离子体形成分量的作用。
在某些实施方案中，等离子体限制装置还包括由介电媒质形成的排列在第一和第二环之间的压力控制环。此压力控制环被构造成物理上将等离子体限制在加工区中，同时允许加工气体通过其中。
在其它的实施方案中，第一环包括内环和外环。内环由介电媒质形成，并被设在第一电极与外环之间，而外环包括接地的导电表面。在其它的实施方案中，第二环包括内环和外环。内环由介电媒质形成，并被设在第二电极与外环之间，而外环包括被绝缘层覆盖的电接地的导电芯部。
附图简要说明用举例的方法而不是用限制的方法在附图中示出本发明，其中相似的标号表示相似的元件，其中
图1示出了根据本发明一个实施方案的等离子体反应器。
图2示出了根据本发明一个实施方案的图1的等离子体反应器的剖开图。
图3示出了根据本发明一个实施方案的下环。
图4示出了根据本发明一个实施方案的上环。
图5示出了根据本发明一个实施方案的上环。
图6示出了根据本发明一个实施方案的等离子体反应器。
图7示出了导电上环和导电下环。
发明的详细描述下面参照附图所示的一些优选实施方案来详细描述本发明。在下面的描述中，为了提供对本发明的透彻理解，提出了大量具体的细节。但显然，对于本技术领域的熟练人员来说，本发明可以不管某些或全部细节而实施。换言之，为了不无谓地使本发明难以理解而没有对众所周知的工艺步骤进行详细的描述。
已经发现，当大的带电颗粒流和/或大的电场存在于加工室的加工区外面区域中时，可能遇到不希望有的放电。作为此处使用的术语，加工区指的是用于加工衬底的加工室区域，例如直接在衬底上方的区域。关于带电颗粒，留在加工区的带电颗粒可以与加工室壁碰撞，结果产生能够点燃和/或维持等离子体的二次电子。关于电场，电场能够加速电子，使之与加工气体的气体分子碰撞，其结果能够离子化并激发等离子体。此外，带电颗粒倾向于沿电场线运动，杂散电场线于是将更多的带电颗粒引导到加工室加工区外面的区域中。例如，电场能够沿向着加工室壁的方向加速带电颗粒。这一加速和带电颗粒与工作室壁之间随后的碰撞，可以产生可点燃和/或维持等离子体的二次电子。
本发明因而涉及到一种用来将等离子体限制到加工室的加工区的改进了的方法和设备。更确切地说，本发明涉及到一种用来尽量减小和/或消除加工室加工区外面区域中不希望有的放电(即等离子体形成)的系统。为了便于讨论，此处将加工区外面的区域称为加工室的外区。本发明的一方面涉及到降低加工室外区中的带电颗粒密度。例如，借助于在颗粒到达外区之前将它们吸附在表面上，或不允许颗粒通过到达外区。本发明的另一方面涉及到衰减加工室外区中的(用来形成等离子体的)电场。例如，借助于引导电场离开外区。在利用电容性放电来形成等离子体的等离子体加工系统中，本发明是特别有用的。
根据本发明的一个实施方案，提供了一种用来将等离子体限制在加工室的加工区中的等离子体限制装置。此装置包括第一限制元件，它被定位成向着加工区的一侧并包括电接地的暴露的导电表面。此装置还包括第二限制元件，它被定位成向着加工区侧并与第一限制元件分隔开且包括覆盖电接地的未被暴露的导电部分的暴露的绝缘表面。在某些结构中，等离子体限制装置可以包括隔离的压力控制环，它也被定位成向着加工区侧并处在第一与第二限制元件之间。
虽然上述的装置不局限于下面的情况，但通常认为上述的装置借助于捕获来自加工室加工区的带电颗粒流并屏蔽加工室加工区外面的杂散电场部分而实现等离子体限制。例如，此装置被构造成将电荷颗粒引导到第一限制元件的导电表面，并使颗粒通过其中渗透到地，以便降低加工区外面区域中的带电颗粒的密度。此装置还被构造成中和压力控制环上的某些颗粒，以便降低加工区外面区域中的带电颗粒的密度。而且，此装置被构造成重新引导杂散电场通过导电表面到地，以便降低加工区外面区域中的电场。例如，电场的方向能够被改变，致使电场不再具有延伸到加工室外区或工作室壁的视线。
下面参照图1-7来讨论本发明的各个实施方案。但本技术领域的熟练人员可容易地理解，此处对这些附图给出的详细描述是为了举例的目的，本发明延伸超过了这些有限的实施方案。
图1是根据本发明一个实施方案的等离子体反应器10的示意图。等离子体反应器10包括加工室12，其一部分由顶板13和工作室壁14确定，且其中等离子体17被点燃和维持用来加工衬底18。衬底18表示待要加工的工件，它可以表示例如待要腐蚀或加工的半导体衬底或者待要加工成平板显示器的玻璃平板。在大多数实施方案中，加工室12被安排成基本上为柱形，且工作室壁被安排成基本上垂直。而且，顶板13和工作室壁14通常被接地，并由铝之类的适当材料制成。在所示实施方案中，顶板13和工作室壁14被电连接(在界面19处)并如16所示被接地。顶板13和工作室壁14还可以包括绝缘表面15，它可以由适当的介电材料形成，或在铝顶板或工作室壁的情况下，此绝缘表面可以由阳极氧化铝形成。但应该理解的是，上述构造不是一种限制，而是可以根据各个等离子体反应器的具体设计而变化。例如，工作室壁可以倾斜，或顶板可以被分别接地。
在大多数实施方案中，衬底18被引入到加工室12中，并被排列在一对平行电极之间，更确切地说是底电极20与顶电极24之间。底电极20和顶电极24确定了其间的一个加工区26。如图所示，等离子体17被垂直地限制在底电极20与顶电极24之间。底电极20可以用作吸盘，用来在加工过程中支持和保持衬底18。举例来说，此吸盘可以是一种静电吸盘、真空吸盘、或机械吸盘。电极20和24通常还被安排成基本上柱形形状且与加工室12的轴11轴向对准，致使加工室12与电极20和24柱对称。此外，电极20和24通常被构造成尺寸相似，例如，各个电极可以具有相同的直径。但应该理解的是，电极的尺寸、形状、以及位置可以根据各个等离子体反应器的具体设计而变化。而且，可以提供边沿环27来改善靠近衬底边沿处的加工的电学和机械性能，以及使底电极20屏蔽于反应剂(亦即离子轰击)。边沿环27被安排成环绕衬底18的边沿并覆盖底电极20。边沿环27通常由诸如陶瓷、石英、塑料之类的适当介电材料形成。
通常，电极20和24被构造成将高频能量供给到加工室12的加工区26中，以便点燃和维持等离子体17。更具体地说，在所示的实施方案中，顶电极24被耦合到如16所示接地的顶板13，而底电极20经由匹配网络30被耦合到RF电源28。在本技术领域中，匹配网络通常是众所周知的，为简洁起见，此处不再赘述。顶电极24被安排成与顶板13在电学上连续，因此，顶电极24也被接地(例如完成RF电路)。顶电极20可以由硅之类的适当导电材料形成。而且，RF电源28被构造成将RF能量供应给底电极20。在所示的实施方案中，RF电源28由第一RF电源28A和第二RF电源28B组成。第一RF电源被构造来将第一RF频率施加到底电极20，而第二RF电源被构造成将第二RF频率施加到底电极20。举例来说，第一RF频率可以约为27MHz，而第二RF频率可以约为2MHz。如通常众所周知的那样，较高的频率被用来控制等离子体的密度和入射在衬底上的离子的数量，而较低的频率被用来控制入射在衬底上的离子的能量。而且，底电极24可以由铝之类的适当导电材料形成。
在图1所示的等离子体反应器中，RF频率被在底电极20上驱动，并被电容性耦合到等离子体17。等离子体17及其包层在这些射频频率下周期性地振荡，且等离子体17中的正离子被包层电压向接地的顶电极24加速。如应该理解的那样，供应到底电极20的驱动RF电流应该与顶电极24上的等离子体离子电流加上从加工区26泄露出来的任何离子流平衡。在电路方面，这里RF电流的连续性。在理想情况下，RF电流进入底电极20，通过等离子体17到顶电极24，然后行进通过顶板13到工作室14，最后终止于地16，从而完成一个行程。
因此，根据本发明的另一方面，提供了通过所希望的RF回路的良好电传导以增强等离子体限制。良好的电通路有助于驱动RF频率，因而有助于将RF有效地耦合到等离子体。更具体地说，良好的电通路倾向于将更多的离子流吸引到顶电极，其结果是降低了到诸如被限制区域即加工区26外面的其它不希望路径的离子流。等离子体因此而被更好地限制。
在一个实施方案中，顶电极24由低电阻率材料形成，以便改善通过RF回路的电传导。举例来说，顶电极可以由电阻率(体电阻率)约为10-0.01Ωcm的适当半导体(例如硅)形成。
在另一个实施方案中，良好的电接触被形成在顶板13与工作室壁14之间(界面19)，以便改善通过RF回路的电传导。在此实施方案中，借助于在界面19处，亦即在顶板13与工作室壁14之间引入RF垫圈21，形成了良好的电接触。RF垫圈21被构造成柔性导体。柔性意味着RF垫圈21取顶板13和工作室壁14在界面19处的形状。在一种构造中，RF垫圈21的剖面形状取螺旋形状(相似于薄圆弹簧)。螺旋形使RF垫圈21能够在顶板13与工作室壁14之间被压缩，以便将二者连接到一起。当被压缩时，各个螺旋接触相邻的表面，使RF垫圈21成为一个提供顶板13与工作室壁14之间电通路的整体导电元件。RF垫圈通常由不锈钢之类的适当导电材料形成。
虽然示出了底电极，并被示为耦合到一对RF电源，但应该理解的是，为了适应不同的加工室或为了适应能量耦合所需的其它外部因素，可以采用其它的构造。例如，可以采用单一频率等离子体反应器或一个RF电源耦合到底电极而另一个耦合到顶电极的双频率等离子体反应器。
此外，通常提供气体注入口(未示出)，用来将单一气态源材料或多种气态源材料的混合物释放到加工室12中，更确切地说是释放到顶电极24与底电极20之间的加工区26中。举例来说，气体注入口可以建立到加工室本身的壁中，或通过顶电极中的喷头装置。还提供了排气口34，用来排出加工过程中形成的废气。如图所示，排气口34位于加工室12的外区36中，并被排列在工作室壁14与底电极20之间。排气口34通常被耦合到位于工作室12外面的用来保持加工室12内部适当的压力的涡轮分子泵(未示出)。而且，虽然排气口被示为排列在工作室壁与底电极之间，但排气口的实际位置可以根据各个等离子体加工系统的具体设计而变化。例如，也可以从建立到工作室壁中的排气口来实现气体排除。包括气体注入口和排气口的气体系统，在本技术领域中是众所周知的，为简洁起见，此处不再赘述。
为了产生等离子体17，加工气体通常从气体注入口或多个注入口(未示出)被输入到加工区26中。然后用RF电源28将功率馈送到底电极20，从而在加工室12内部产生大电场(用电场线95图示)。大多数电场线被包含在底电极20与顶电极22之间，虽然有一些电场线可能杂散在这一范围之外。此电场对少量存在于加工室12内部的电子进行加速，使之与加工气体的气体分子碰撞。这些碰撞导致离子化和等离子体17的激发。如本技术领域中众所周知的那样，加工气体的中性气体分子在经受这些强电场时失去了电子，留下带正电的离子。结果，带正电的离子、带负电的电子、以及中性气体分子被包含在加工室12内部。在加工过程中，离子通常被向着衬底加速，它们在衬底处与中性物质结合，激发衬底加工，亦即腐蚀、淀积等。大多数带电物质(例如离子和电子)被包含在加工区26内部以促进衬底加工，虽然有些带电物质可能杂散在这一区域外面(例如通过抽吸通道37)。
根据本发明的一个实施方案，在等离子体反应器10的工作过程中，借助于提供限制系统50，产生在电极20与24之间的等离子体放电被基本上限制在加工区26。为便于讨论，图2示出了根据此实施方案的等离子体反应器10的剖开图，以便提供对限制系统50及其功能的更近距离的观察。此限制系统50包括压力控制环52(或限制环)以及包括上环53和下环54的限制装置51。在所示实施方案中，限制系统50被排列在位于加工区26侧面的抽吸通道37中。限制系统50被构造成将等离子体17限制到加工室12的加工区26，并用来尽量减小和/或消除加工室12外区36中不希望有的等离子体形成。在大多数情况下，压力控制环52被构造成物理上限制等离子体17，并用来中和杂散在加工区26外面的部分带电颗粒。此外，限制装置51被构造成捕获(中和)杂散在加工区26外面的部分带电颗粒，并用来衰减杂散在加工区26外面的电场线。而且，限制装置51可以被构造成至少部分地物理上限制等离子体17。
压力控制环52是一个安排成环绕加工区26和控制等离子体17中的气体压力的环形环。压力控制环52通常被排列在确定电极20表面的平面与确定电极24表面的平面之间，更确切地说是被排列在邻近加工区26的抽吸通道37中。如图所示，压力控制环52物理上阻塞了部分抽吸通道37，因而能够限制等离子体17径向偏离加工区26(例如限制)。更具体地说，压力控制环52具有暴露于加工区26的内表面56以及暴露于外区36的外表面58。压力控制环52还具有与上环分隔开的上表面57以及与下环53分隔开的下表面59。因此，压力控制环52被排列在上环54与下环53之间。此外，压力控制环52通常由绝缘材料制成，并可以是单个环或几个环。
而且，压力控制环52通常包括多个从内表面56延伸到外表面58的通道60。通道60的尺寸被确定为允许(在加工过程中形成的)副产品气体或废气通过而基本上将等离子体限制到加工区26。此外，通道60被构造成基本上中和从加工区26流出的(在等离子体中产生的)带电颗粒。更具体地说，各个通道尺寸适当地配置成，使带电颗粒在各个通道中必须行进的距离明显地大于带电颗粒的平均自由程，致使大多数出来的颗粒与通道壁至少有一次碰撞。这些碰撞倾向于中和颗粒的电荷。因此降低了加工区外面的放电倾向。
如应该理解的那样，压力控制环52的宽度(从57到59)和厚度(从56到58)能够被调整，以便增强等离子体的限制。例如，由于大的宽度和大的厚度限制了气体抽吸传导并延长了带电物质和基团通过的停留时间，因而提高了电荷交换和中和的机会，故具有比较大的宽度和厚度的压力控制环通常导致更好的等离子体限制。确切地说，较宽的压力控制环为带电物质的交换和中和以及为基团的猝灭提供了更大的表面积，而具有比较大的厚度的压力控制环还减小了从被限制的等离子体区域到外面的直线位置间隙，从而减小了直接电击穿的机会。
在一种构造中，压力控制环包括由诸如高质量熔融氧化硅或石英之类的适当介电材料制成的多个环形环的叠层。当被装配时，各个环行环被也可以由诸如石英之类的适当介电材料制成的分隔物(未示出)分隔开。这些分隔物可以是垫圈或环形环的隆起区域。可以将螺钉穿过各个环和垫圈，以便形成坚固的结构。此外，压力控制环可以借助于将其连接到加工室的某些部分例如上环而被直接支持或间接支持。相邻环之间的间隙形成不同的平行周边通道或缝隙。此缝隙大致环绕压力控制环的整个周边延伸，仅仅被分隔物中断。在此处列为参考的共同授予Lenz等人的美国专利No.5534751中，可以找到上述这种压力控制环的例子。此外，压力控制环可以被安排成在第一与第二位置之间移动，以便影响衬底表面上的压力。这可以进一步增强等离子体反应器的加工性能。在此处也列为参考的共同授予Lenz等人的美国专利No.6019060中，可以找到这种移动压力控制环的例子。
关于下环53，下环53是一个安排成同心地环绕底电极20的环形环。在所示实施方案中，下环53被排列在底电极20与工作室壁14之间，更确切地说是邻近底电极20的侧面，以便为排气口34提供空间。但应该指出的是，在某些情况下，借助于延伸到排气口中，下环可以提供次要的限制(例如物理限制)，并可以包括允许气体通过的孔或通道。通常，下环53的顶表面70确定了抽吸通道37的下通道。如图所示，下环53的顶表面70处于与确定底电极20顶表面的平面大致相同的水平处。而且，下环53的顶表面70和侧表面72被暴露于加工室12的内部。
下环53包括内侧环76和外侧环78。内侧环76如其名称所指位于下环53的里边部分，因而邻近底电极20。另一方面，外侧环78位于下环53的外边部分。通常，外侧环78构造有如84所示电接地(提供RF回路)且被绝缘表面82完全或部分地环绕的导电芯部80。绝缘表面82被安排成覆盖至少外侧环78的暴露于加工室12的部分，例如顶表面70和侧表面72。虽然未示出，但绝缘表面也可以覆盖外侧环78的未被暴露的部分。而且，内侧环76由电绝缘的材料形成，以便将外侧环78隔离于RF驱动的底电极20，并防止其间的任何电击穿和弧光。举例来说，内侧环76可以由介质、石英、陶瓷、塑料制成，且其中可以安置气囊。
在一个实施方案中，外侧环由铝制成，且暴露的表面，例如顶表面70和侧表面72，是阳极化的铝表面。如应该理解的那样，阳极化表面是绝缘表面，周围的RF因而通过阳极化层被电容性终止于铝内(导电芯部)。由于薄的阳极化表面，故此电容通常小。外侧环的这种构造有助于限制等离子体，下面将更详细地加以讨论。
关于上环54，上环54是一个安排成同心地环绕上电极24的环形环，且通常被固定到加工室12的顶板13。在所示实施方案中，上环54被排列在上电极20与工作室壁14之间，更确切地说是邻近上电极24的侧面。上环54包括上表面86、底表面88、内表面90、以及外表面92。在某些实施方案中，上环54的侧表面90可以邻近顶电极24，而在其它实施方案中(如图所示)，可以在顶电极24与上环的内表面90之间提供空间，以便提供热膨胀间隙。如图所示，上环54的外表面92被构造成比下环53侧表面72延伸得更远离加工室12的轴11。通常，底表面88确定了抽吸通道37的上通道。而且，底表面88处于与确定上电极24顶表面的平面相同的的水平。但应该指出的是，这不是一种限制，而是可以改变上环的宽度(从表面86到表面88)，以相似于压力控制环的方式来限制抽吸，以便增强等离子体的限制。举例来说，可以沿向着下环53的方向延伸底表面88。如图所示，上环54的底表面88和外表面92被暴露于加工室12的内部。而且，上环54的底表面88处于面对下环53的顶表面70的位置。在大多数实施方案中，底表面与顶表面彼此基本上平行，且垂直于轴11。
上环54由适当的导电材料制成并被电接地。上环54可以通过顶板13间接接地或如图1中94所示直接接地(提供直流路径和RF回路)。而且，上环54被安排成明显地阻止等离子体17引起的腐蚀或明显地有助于避免金属沾污。举例来说，上环54可以由裸金属、SiC、溅射在金属上的Si等制成。
包括下环53和上环54的限制装置51，具有对等离子体限制有很大影响的几种功能。一个功能主要包括基本中和了从加工区流出的带电颗粒。这至少部分地借助于带电物质在上环54处的渗透而实现。更具体地说，接地的底表面88起到了正离子电荷渗透或漏泄的作用，从而在逃选出被限制的加工区之前被中和。虽然不希望受理论的束缚，但通常认为在加工过程中，RF电压在导电表面与绝缘表面之间产生了直流电位。此直流电位将带电物质引导到下环53的绝缘顶表面70或上环54的导电底表面88。结果，出来的颗粒与顶表面70或底表面88至少发生一次碰撞。在碰撞时，产生基本从带电颗粒清除电荷(经由地)的电流流动，结果，这就倾向于中和颗粒的电荷。例如，导电的底表面88提供了带电物质的直流接地路径。因此，外区中带电物质的密度被明显地降低。因此，降低了加工区外面放电的倾向。
在一个实施方案中，接地的导电底表面88的表面积被用来控制渗透颗粒的数量。实际上，底表面积越大，渗透带电颗粒的作用就越大。
另一个功能包括屏蔽周围RF(或杂散电场线)以降低被限制加工区26外面的电场强度。借助于将本来可能向外径向发散到被限制加工区26外面的驱动RF的电磁场吸引到上环和下环的导电元件，亦即导电芯部和导电的底表面，实现了这一功能。如图2所示，部分发散或杂散电场(由电场线96图示)经由下环53的外侧环78以及经由上环54，从外区36被清除。为便于讨论，用96A来表示被外侧环78清除的电场线96，并用96B表示被上环54清除的电场线。入射在上环上的电场线96B由于暴露的导电表面而倾向于垂直，而入射在外侧环上的电场线96A由于绝缘的顶表面而倾向于成一定角度。杂散电场线96A通过绝缘的顶表面70耦合到导电芯部80，且通过导电芯部80行进到地84。此外，杂散电场线96B行进到导电的底表面88，且通过导电的底表面88到地94。如应该理解的那样，导电底表面和绝缘的导电芯部提供了RF回路。因此，外区中的杂散电场被上环和下环的外侧环二者明显地降低。因此，降低了加工区外面放电的倾向。
而且，带电颗粒倾向于沿着电场线96A和96B，从而由于外区中电场的降低，也降低了此区域中的带电颗粒密度。而且，带电颗粒倾向于被电场96B引导到上环54的导电底表面，结果就中和了带电颗粒，特别是离子物质。带电颗粒还倾向于被引导到压力控制环52的表面，结果就中和了某些带电颗粒。因此，降低了加工区外面的放电倾向。
在一个实施方案中，底表面88的表面积以及顶表面70的表面积被用来控制被屏蔽的电场线的数量。实际上，表面积越大，屏蔽电场的效果就越大。
在可选实施方案中，如图3所示，下环53可以包括第一环112、第二环114、第三环116、以及顶环118。在此图中，根据上述有关内侧环76和外侧环78的本发明教导来产生各个环。亦即，第一环112对应于内侧环76，第二环114对应于导电芯部80，第三环对应于侧表面72，而顶环118对应于顶表面70。因此，第一环112、第三环116、以及顶环118由适当的绝缘材料形成，而第二环114由适当的导电材料形成。第二环114还如84所示被电接地。在另一个实施方案中，第一环112、第三环116、以及顶环118可以表示一个整体形成的结构，使第二环埋置于其中。在另一个实施方案中，第一环112、第三环116、以及顶环118可以表示一个组合结构，其中各个环由不同的介电材料形成。在再一个实施方案中，顶环可以是边沿环27的延伸。
在一种构造中，下环包括具有包围底电极的第一部分和第二部分的环形介电体以及包含管状部分和向内突出部分的导电芯部。管状部分基本上环绕并屏蔽环形介电体的下部，而向内突出部分被埋置在环形介电体本身之中。在此处列为参考的共同授予Lenz的美国专利No.5998932中，可以找到上述那样的下环的例子。
在另一个可选实施方案中，如图4所示，上环54可以被分成二个环，即内上环100和外上环102。内上环100如其名称所指，位于上环54的里面部分，因而接近上电极(此图中未示出)。另一方面，外上环102位于上环54的外面部分。内上环100由介电材料形成，而外上环102由适当的导电材料形成，并如94所示被电接地。内上环100被构造成降低由溅射在直接暴露于被限制的等离子体(图1和2所示的等离子体17)的上环54内边沿上的等离子体所产生的颗粒。但外上环102根据上面有关单片上电极所述的本发明教导来产生。亦即，残留的离子在逃逸到被限制的加工区外面之前，仍然在接地的外上环102的导电表面上被中和，且电场仍然被接地的导电外上环102屏蔽。
在另一个可选实施方案中，如图5所示，上环54可以包括顶层106和底层108。顶层106被排列在上环54的上部，因而邻近顶板(图中未示出)。底层108被排列在上环54的底部，因而被暴露于加工室12的内部。顶层106可以由任何适当的导电或绝缘材料形成。另一方面，如94所示被电接地的底层108，由适当的导电材料形成。在此实施方案中，根据上面有关单片上电极所述的本发明教导来产生底层108。亦即，残留的离子在逃逸到被限制的加工区外面之前，仍然在接地的底层108的导电表面上被中和，且电场仍然被接地的底层108屏蔽。在一种实现中，底层108可以被溅射到顶层106上。由于不存在多少电流，故此溅射层能够是非常薄的导电材料层。
根据本发明的另一个实施方案，上环和下环的构造能够反转。亦即，上环可以具有绝缘底表面，而下环可以具有导电顶表面。参照后面的图可以更好地理解此实施方案的特点。图6示出了图1等离子体反应器10的相关部分，它包括加工室12、顶板13、工作室壁14、底电极20、上电极24、以及压力控制环52。图6还示出了限制装置200，它包括具有内侧环206和外侧环208的上环202和下环204。内侧环206可以分别对应于图1所示的内侧环76。另一方面，外侧环208包括暴露于加工室12内部的顶表面210。在此实施方案中，外侧环208，更确切地说是外侧环的顶表面210，由适当的导电材料制成，并如84所示被接地。举例来说，外侧环208即顶表面可以由裸金属、SiC、或溅射在金属上的Si制成。此外，外侧环208可以包括也被暴露于加工室12内部的侧表面214。在某些构造中，侧表面214由适当的导电材料制成，而在其它的构造中，侧表面214由适当的绝缘材料制成。为便于讨论，外侧环208的尺寸、形状、以及位置可以分别对应于图1所示的外侧环78。关于上环202，上环202包括也被暴露于加工室12内部的底表面216。如图所示，底表面216面对着顶表面210。在此实施方案中，上环202，更确切地说是底表面216，由适当的绝缘材料制成。举例来说，上环202可以由电介质、陶瓷、塑料等制成。像外侧环那样，上环202的尺寸、形状、以及位置可以分别对应于图1所示的上侧环54。
以相似于图1限制装置51的方式，图6的限制装置200能够大幅度改善等离子体限制。例如，由于接地的顶表面210被直接暴露于加工室12内部，故在此表面的顶部形成了清楚地确定的包层，并跨越此包层建立了电压，从而能够进一步将正离子引导到表面。因此，接地的顶表面起到了正离子的电荷渗透或漏泄的作用，从而在逃逸出被限制区域之前被中和。因此，由于泄露到外面的正离子被大幅度减少，故等离子体限制得到了明显改善。此外，导电的顶表面210有效地屏蔽了周围RF(即杂散电场线)，从而降低了被限制的加工区26外面的电场强度。再次借助于将本来可能向外径向发散到被限制加工区26外面的驱动RF的电磁场吸引到下环的导电元件，亦即导电的顶表面，实现了这一点。
如上所述，导电顶表面(例如外侧环)与绝缘底表面(例如上环)的组合，或导电底表面(例如上环)与绝缘顶表面(例如外侧环)的组合，能够大幅度改善等离子体限制。然而，遗憾的是，导电顶表面(例如外侧环)与导电底表面(例如上环)的组合对等离子体限制能够有不利的影响。为便于讨论，图7示出了一种限制装置300，它包括具有导电顶表面210的下环208和具有导电底表面88的上环54。如图所示，在上环54的外边沿与下环208的外边沿之间存在着接近视线的路径。电子或负离子302可以被捕获在形成于上环54的导电底表面88和下环208的导电顶表面210上的包层所确定的势阱中。与空心阴极效应相似，这些被捕获的负粒子302在势阱中往返振荡。结果，通过其它离子和中性粒子(未示出)与被捕获的负粒子302的碰撞，能够诱发辉光放电。因此，介质上环与具有导电表面的外侧环的组合，或导电上环与具有介质顶表面的外侧环的组合，被实现来改善等离子体限制。
上述方案已经被广泛地检验并被实验证实有效。在诸如可从Fremont，CA的Lam Research公司获得的电容性耦合Exelan等离子体反应器之类的双频率电容性放电反应器中，已经实现了Langmuir探针和E场探针，以便分别测量被限制加工区外面的离子流和电场。这些测量证实了加工区外面区域中的电场和离子流比现有技术中的明显地更低。
如从上面可见，本发明提供了超越现有技术的大量优点。不同的实施方案或实现可以具有下列各个优点中的一个或多个。本发明的一个优点包括将等离子体限制到加工室的加工区，同时允许来自加工的副产品气体通过。本发明的另一优点包括尽量减小和/或消除不想要的等离子体在加工室加工区外面的区域中形成。因此，等离子体能够被控制到加工室内部的特定体积和特定位置，确保了更为有效的能量耦合，提高了等离子体的均匀性，并提高了等离子体的密度，所有这些都导致被加工衬底上更好的加工均匀性和高成品率。
虽然就几个优选实施方案已经描述了本发明，但在本发明的范围内存在着各种改变、置换、和等效物。还应该指出的是，存在着许多可选的实现本发明的方法和设备的方式。例如，虽然就用来加工衬底的电容性耦合等离子体反应器已经描述和示出了限制装置，但应该指出的是，其它的等离子体系统也能够应用此限制装置的技术和方法。例如，预计此限制装置能够被用于感应耦合或微波等离子体反应器。因此认为下列所附权利要求书被解释为包括本发明构思与范围内的所有这些改变、置换和等效物。
权利要求
1.一种等离子体限制装置，用来尽量减小加工室的加工区外面的区域中不希望有的等离子体的形成，该装置包含第一限制元件，它位于加工区周边附近，且包括电接地的暴露的导电表面；以及第二限制元件，它位于加工区周边附近，且包括构造成覆盖电接地的导电部分的暴露的绝缘表面，该第二限制元件与第一限制元件分隔开，其中，第一限制元件和第二限制元件相当大地降低通过其间的各个等离子体形成分量。
2.如权利要求1所述的等离子体限制装置，还包括第三限制元件，它由绝缘材料形成，且被设在加工区周边附近并处在第一限制元件与第二限制元件之间，该第三限制元件被安排成物理上限制加工区内部的等离子体并相当大地降低通过第一限制元件与第二限制元件之间的多个等离子体形成分量的作用。
3.如权利要求2所述的等离子体限制装置，其中，第三限制元件是环绕至少一部分加工区的环，该第三限制元件被构造成允许来自加工的副产品气体通过，同时相当大地将等离子体限制在加工区内部。
4.如权利要求1所述的等离子体限制装置，其中，等离子体形成分量是带电颗粒或电场。
5.如权利要求4所述的等离子体限制装置，其中，第一限制元件和第二限制元件被安排成将带电颗粒引导到暴露的导电表面，并使带电颗粒通过其中渗透到地，以便降低加工区外面的区域中的带电颗粒密度。
6.如权利要求4所述的等离子体限制装置，其中，第一限制元件和第二限制元件被安排成将电场分别吸引到接地的导电表面和接地的导电部分，以便降低加工区外面的区域中的电场强度。
7.如权利要求1所述的等离子体限制装置，其中，第一限制元件被设在加工室的上部，且其中第二限制元件被设在加工室的下部。
8.如权利要求7所述的等离子体限制装置，其中，第一限制元件是环绕上电极的环，且其中第二限制元件是环绕底电极的环，上电极和底电极被安排成产生有助于点燃和维持等离子体的电场。
9.如权利要求1所述的等离子体限制装置，其中，第一限制元件被设在加工室的下部，且其中第二限制元件被设在加工室的上部。
10.如权利要求9所述的等离子体限制装置，其中，第一限制元件是环绕底电极的环，且其中第二限制元件是环绕上电极的环，上电极和底电极被安排成产生有助于点燃和维持等离子体的电场。
11.如权利要求1所述的等离子体限制装置，其中，第二限制元件包括未被暴露的导电芯部，该芯部至少部分地被绝缘表面覆盖并被接地。
12.如权利要求11所述的等离子体限制装置，其中，未被暴露的导电芯部由铝制成，且其中暴露的绝缘表面由阳极化铝形成。
13.如权利要求1所述的等离子体限制装置，其中，第一限制元件的导电表面由导电材料形成，该导电材料在加工过程中相当大地抵抗存在于工作室内的等离子体的腐蚀或相当大地有助于避免金属沾污。
14.一种用来加工衬底的等离子体反应器，它包含具有室壁的室；电极装置，它被构造成产生强度足以在工作室中点燃并维持加工用的等离子体的电场，该装置包含第一电极以及与第一电极分隔开的第二电极，第一电极和第二电极在其间确定一个加工区；以及等离子体限制装置，用来防止等离子体形成在加工区外面，该等离子体限制装置包含构造成环绕第一电极的第一环以及构造成环绕第二电极的第二环，第一环包括电接地的暴露的导电表面，第二环包括暴露的覆盖未被暴露的接地导电元件的绝缘表面，其中，等离子体限制装置明显地降低通过第一限制环与第二限制环之间的各个等离子体形成分量的作用。
15.如权利要求14所述的等离子体限制装置，还包括由介电媒质形成的设在第一和第二环之间的压力控制环，该压力控制环被构造成物理上将等离子体限制在加工区中，同时允许加工气体通过其中。
16.如权利要求14所述的等离子体反应器，其中，第一电极和第二电极彼此平行，且其中暴露的绝缘表面与第二电极的顶表面齐平。
17.如权利要求14所述的等离子体反应器，其中，第一环被设在第一电极与室壁之间，且其中第二环被设在第二电极与室壁之间。
18.如权利要求14所述的等离子体反应器，其中，第一环包括内环和外环，其中内环由介电媒质形成，并被设在第一电极与外环之间，且其中外环包括接地的导电表面。
19.如权利要求14所述的等离子体反应器，其中，第二环包括内环和外环。其中内环由介电媒质形成，并被设在第二电极与外环之间，且其中外环包括被绝缘层覆盖的电接地的导电芯部。
20.如权利要求14所述的等离子体反应器，其中，导电元件是所述室的一部分。
21.如权利要求14所述的等离子体反应器，其中，第一环和第二环沿相对于加工室的轴沿径向延伸，且其中第一环的外边沿比第二环的外边沿延伸得更远。
全文摘要
本发明公开了一种等离子体限制装置，用来尽量减小加工室中加工区外面区域中不希望有的等离子体的形成。此等离子体限制装置包括位于加工区周边附近的第一限制元件和第二限制元件。第二限制元件与第一限制元件被分隔开。第一限制元件包括电接地的暴露的导电表面，而第二限制元件包括构造成覆盖电接地的导电部分的暴露的绝缘表面。第一限制元件和第二限制元件明显地降低了通过其间的多个等离子体形成分量的作用。等离子体限制装置还可以包括由绝缘材料形成的被设在加工区周边附近的第一限制元件与第二限制元件之间的第三限制元件。第三限制元件进一步降低了通过第一限制元件与第二限制元件之间的各个等离子体形成分量的作用。
文档编号H01J37/32GK1478291SQ01819621
公开日2004年2月25日 申请日期2001年9月25日 优先权日2000年9月28日
发明者J·J·陈, E·H·伦茨, 马昆德·斯林尼瓦桑, 斯林尼瓦桑, J J 陈, 伦茨 申请人:兰姆研究有限公司