用于高气体流速处理的环形等离子体室的制作方法

专利名称：用于高气体流速处理的环形等离子体室的制作方法
用于高气体流速处理的环形等离子体室背景可将等离子体放电用于激活气体，从而产生包含离子、自由基、原子和分子的活化 气体。活化气体用于很多工业和科学应用，这包括处理诸如半导体晶片之类的固体材料、粉 末和气体气体。等离子体的参数以及等离子体暴露于被处理材料的条件根据应用广泛地变 化。例如，一些应用要求使用具有低动能(即，几个电子伏特)的离子，因为被处理材 料对损伤敏感。诸如各向异性蚀刻或平面化电介质沉积之类的其它应用要求使用具有高动 能的离子。诸如活性离子束蚀刻之类的又一些其它应用要求精确控制离子能量。一些应用要求被处理材料直接暴露于高密度等离子体。一种这样的应用是产生离 子激活的化学反应。其它这样的应用包括将材料蚀刻成高纵横比结构和将材料沉积到高纵 横比结构上。其它应用要求包含原子和活化分子的中性活化气体，同时被处理材料与等离 子体相屏蔽，因为该材料对离子导致的损伤敏感或者因为该处理具有高选择性要求。各种等离子体源能够以多种方式生成等离子体，包括DC放电、射频(RF)放电和微 波放电。DC放电是通过在气体中的两电极之间施加电位来实现的。RF放电通过将来自电源 的能量静电耦合或感应耦合到等离子体来实现的。平行板通常用于将能量静电耦合到等离 子体。感应线圈通常用于将电流感应到等离子体。微波放电是通过使微波能量穿过微波传 送窗口直接耦合到包含气体的放电室来实现的。微波放电可用于支持宽范围的放电条件， 包括高度电离的电子回旋共振(ECR)等离子体。与微波或其它类型的RF等离子体源相比，环形等离子体源具有低电场、低等离子 体室腐蚀、紧凑、成本效益方面的优势。环形等离子体源以低电场工作并且本质上去除了电 流-终止电极和相关联的阴极电位降。较低的等离子体室腐蚀允许环形等离子体源以高于 其它类型等离子体源的功率密度工作。此外，高磁导率磁芯的使用将电磁能量有效地耦合 到等离子体，从而使得环形等离子体源能够以相对低的RF频率工作同时降低电源成本。环 形等离子体源已被用于产生包括氟、氧、氢、氮等化学反应原子气体，用于处理半导体晶片、 平板显示器和各种材料。概述现有的环形等离子体源都不能以高于24标准升每分钟(slm)的NF3流速操作。 对于高功率、高气体流速等离子体源的需求在不断增加，从而增加等离子体处理的生产量， 尤其是在平板显示器和太阳能面板的制造中。这些应用所需的气体流速可以是几十至几百 Slm0在如此高的流速下，流体力学和气流模式强烈影响气体_等离子体相互作用或工艺气 体的离解率以及等离子体的稳定性。已经开发出用于控制气流以改进等离子体稳定性并增加气体-等离子体相互作 用的技术。然而，在现有的等离子体源设计中，工艺气体或者通过单个气体注入孔或者通过 位于等离子体通道的小区域中的多个孔引入等离子体通道，由此在气体注入点附近形成高 等离子体阻抗。局部气体集中和高流速导致流动不稳定性并限制能够通过等离子体源处理 的气体的量。
本文所述的实施例提供一种用于降低等离子体通道中的局部高等离子体阻抗和 气流不稳定性的装置和方法。该装置由与活性气体源一起使用的等离子体室构成，它包括形成环形等离子体通 道的至少四段，每一段具有一横截面积；以及在一段上形成的出口，所述出口的横截面积大 于其它段的横截面积，以容纳由于入口气体被等离子体离解引起的增加的气流。该等离子 体室还包括用于接收工艺气体的入口以及用于在环形等离子体通道的宽阔区域上引入工 艺气体以降低局部高等离子体阻抗和气流不稳定性的压力通风室(plenum)。在一个实施例 中，压力通风室经由多个孔沿与出口相对的等离子体通道段引入工艺气体，以在等离子体 通道中提供螺旋状气旋。在一个实施例中，孔可基本上与所述等离子体通道的内表面相切，且使该孔成一 定角度或定向成在所述等离子体通道中以形成螺旋状气旋。孔可相对于等离子体通道段的 轴向成30度至90度的角，并且相对于等离子体通道段的轴的垂直方向成45度至90度的 角。在一个实施例中，在气体注入期间引入两个单独但相干的气旋以改进气体-等离子体 相互作用并维持流动稳定性。在一个实施例中，等离子体室还包括用于发起等离子体放电的至少一个激发装 置。该激发装置可位于压力通风室和与出口相对的段之间，穿过管区从等离子体通道凹入， 且包括帮助等离子体的激发的在管区中的放气孔。在一个实施例中，等离子体通道的垂直段和出口之间的过渡角可大于95度。过渡 角的范围可以介于100度至180度之间，从而使流动紊流最小化。在一个实施例中，可使等离子体通道平滑，以防止流动紊流、压力增加或等离子体 与所述等离子体通道壁的相互作用。等离子体通道的NF3流动能力至少为30slm。一种用于将工艺气体引入等离子体室的缓冲器可包括用于接收工艺气体的入口 以及用于在等离子体通道的宽阔区域上引入所述工艺气体以降低等离子体通道中的局部 高等离子体阻抗和气流不稳定性的压力通风室。压力通风室可限定多个孔，用于在等离子 体通道中提供螺旋状气旋。孔可基本上与等离子体通道的内表面相切，且使该孔成一定角 度或定向成在所述等离子体通道中以形成螺旋状气旋。孔相对于等离子体通道段的轴向可 成30度至90度的角，并且相对于等离子体通道段的轴的垂直方向可成45度至90度的角。 一种用于将工艺气体引入等离子体室的方法包括在等离子体通道的宽阔区域上引入工艺 气体以及在等离子体通道中形成螺旋状气旋，以降低等离子体通道中的局部高等离子体阻 抗和气流不稳定性。该方法还包括在气体引入期间提供至少两个单独但相干的气旋以改进 气体_等离子体相互作用并维持流动稳定性。该方法还包括在出口位置输出气体，出口位 置的横截面积大于等离子体通道的横截面积，以防止出口位置附近的流动紊流。一种与活性气体源一起使用的等离子体室，包括用于形成环形等离子体通道的 至少四段的装置，每一段具有一横截面积；以及用于在一段上形成出口的装置，所述出口的 横截面积大于其它段的横截面积。该等离子体室还包括用于接收工艺气体的装置；以及 用于在与出口相对的段的宽阔区域上引入工艺气体以降低局部高等离子体阻抗和气流不 稳定性的装置，其中与出口相对的段限定多个孔以在等离子体通道中提供螺旋状气旋。本文所述的实施例提供优于现有技术的以下优点。等离子体源可生成用于蚀刻、 薄膜沉积和腔室清洁的高速活化气体。等离子体源可用于减少有害的或不合需要的气体。等离子体源扩展了环形等离子体源的操作能力从而使用户能够实现较高处理量和较低处 理成本。等离子体源能够以高气体流速工作并实现高的气体激发率和离解率。该等离子体 源可将环形等离子体源的NF3流动能力扩展至30slm或更高。


上述内容以及其它对象、特征和优点将从以下对如附图中所示的实施例更具体的 描述中明了，其中在各附图中相似的附图标记贯穿不同视图始终指代相同的部分。附图不 一定是按比例的，相反，重点放在了示出实施例的原理上。图1是用于产生活化气体的环形低场等离子体源的图示；
图2示出涡流气体混合装置的实施例；图3示出环形等离子体室的实施例的横截面图；图4示出等离子体源的操作数据，示出在高达45slm(标准升每分钟)的NF3流速 和100托的压力下的操作；图5A示出气体压力通风室的俯视图；图5B示出气体压力通风室的另一个实施例的俯视图；图5C示出图5A或图5B的气体压力通风室的横截面图；图6A示出等离子体通道的内部气体容积的一侧；图6B示出等离子体通道中相对于沿图6A的垂直方向流动的气体的螺旋状气旋；图6C示出等离子体通道中相对于沿图6A的水平方向流动的气体的螺旋状气旋；图7A示出气体出口的实施例的仰视图；图7B示出图7A的气体出口的横截面图；图8A示出基于气体出口处120slm的总流速计算出的等离子体源中的压降；图8B示出基于气体出口处120slm的总流速的等离子体源中的气体流速分布图；图9A示出用于环形等离子体源的冷却结构200 ；以及图9B示出图9A的冷却结构的横截面图。
具体实施例方式图1是用于产生活化气体的环形低场等离子体源10的实施例的图示。源10包括 将电磁能耦合到等离子体14的电力变压器12。电力变压器12包括高磁导率磁芯16、初级 线圈18和等离子体室20。等离子体室20使得等离子体14能形成变压器12的次级电路。 电力变压器12可包括形成附加的初级或次级电路的附加磁芯和导体线圈(未示出)。等离子体室20可由诸如铝或难熔金属之类的金属材料、诸如阳极化铝之类的涂 层材料形成，或者可由诸如石英之类的电介质材料形成。等离子体室20的一侧或多侧可暴 露于处理室22，从而使得由等离子体14生成的带电粒子与待处理的材料(未示出)直接接 触。或者，等离子体室20可与处理室22相距一定距离，从而使得活化的中性气体能流入处 理室22，同时带电粒子在气体传输期间重新结合。可将样品架23安置在处理室22中以支 承待处理材料。待处理材料可相对于等离子体的电位偏压。等离子体源10还包括开关电源50。在一个实施例中，开关电源50包括直接耦合 到包含开关半导体器件27的开关电路26的电压源24。电压源24可以是线电压源或总线
6电压源。开关半导体器件27可以是一组开关晶体管。开关电路26可以是固态开关电路。 电路26的输出28可直接耦合到变压器12的初级绕组18。环形低场等离子体源10可包括用于生成自由电荷的装置，该自由电荷提供在等 离子体室20中激发等离子体的初始电离事件。初始电离事件可以是施加到等离子体室的 短的高电压脉冲。该脉冲可具有约500-10000伏电压，且可持续约0. 1至10微秒。也可将 500-10000伏的连续高RF电压用于产生初始电离事件，并且在气体被击穿后断开该电压。 可将诸如氩之类的惰性气体加入等离子体室20以降低激发等离子体所需的电压。还可将 紫外线辐射用于在等离子体室20中生成自由电荷，该自由电荷提供在等离子体室20中激 发等离子体的初始电离事件。在一个实施例中，将高电压电脉冲施加到位于等离子体室20中的电极30。在另一 个实施例中，将短的高电压电脉冲直接施加到初级线圈18以提供初始电离事件。在另一个 实施例中，将短的高电压电脉冲施加到通过电介质电容性耦合到等离子体室20的电极32 上。在另一个实施例中，等离子体室20暴露于从光学耦合到等离子体室20的紫外线光源 34发出的紫外线辐射。紫外线辐射引起激发等离子体的初始电离事件。环形低场等离子体源10还可包括用于测量初级绕组18的电参数的电路36。初级 绕组18的电参数包括驱动初级绕组18的电流、初级绕组18两端的电压、由电压源24生成 的总线或线电压源、初级绕组18中的平均功率以及初级绕组18中的峰值功率。此外，等离子体源10可包括用于测量等离子体14的相关电参数的装置。等离子 体14的相关电参数包括等离子体电流和功率。例如，源10可包括位于等离子体室20周围 的电流探针38，用于测量变压器12的次级中流动的等离子体电流。等离子体源10还可包 括用于测量来自等离子体14的光发射的光检测器40。此外，等离子体源10可包括功率控 制电路42，该功率控制电路42从电流探针38、功率检测器40和电路26中的一个或多个接 收数据然后通过调节初级绕组18中的电流来调节等离子体中的功率。在操作中，气体被放到等离子体室20直到压力基本上达到1毫托至100托之间。 气体可包括惰性气体、活性气体或至少一种惰性气体和至少一种活性气体的混合物。包含 开关半导体器件的电路26将电流提供给初级绕组18，该初级绕组18在等离子体室20内感 应出电位。根据法拉第感应定律，感应电位的大小取决于由磁芯产生的磁场和开关半导体 器件的操作频率。形成等离子体的电离事件可在室中发起。电离事件可以是电压脉冲施加 到室20中的电极30或施加到电容性耦合到等离子体室20的电极32。电离事件还可以是 将高电压施加到初级绕组。或者，电离事件可以是将室暴露于紫外线辐射。一旦气体被电离等离子体就形成，这完成了变压器的次级电路。等离子体的电场 基本上在1-lOOV/cm之间。如果等离子体室20中仅存在惰性气体，则等离子体14中的电 场可低至1伏特/cm。然而，如果室中存在电负性气体，则等离子体14中的电场相当高。图2示出根据现有技术的涡流气体混合板60的实施例。涡流气体混合板60包含 数个同心孔62，它们与等离子体通道(未示出)的内表面相切地排列。在操作中，涡流气体 混合板60将进气螺旋状地注入等离子体室，形成螺旋流并强制进气与等离子体14混合并 反应。然而，涡流气体混合板60在等离子体通道的特定位置引入气体，从而由于气体产生 的高阻抗而导致该位置处的腐蚀。图3示出环形等离子体室100的实施例的横截面图，用于使流动紊流和流动引起
7的等离子体不稳定性最小化并改进气体-等离子体相互作用。环形等离子体室100包括气 体入口 110、环形等离子体通道120和气体出口 130。等离子体室由多个部分以及沿等离子 体通道的多个电介质裂口 136形成。电介质裂口防止感应电流流入等离子体室，并使感应 电压均勻地分布在多个电介质裂口 136两端，从而降低等离子体通道中的峰值电场。气体入口 110包括缓冲器或气体压力通风室140，用于在宽阔区域上将气体引 入等离子体通道120以降低局部高等离子体阻抗和气流不稳定性。等离子体通道120包 括上段122、下段124和两侧段126，它们形成跑道形环形等离子体布局。多个气体注入 孔142(在图5A-5C中更好地示出)在气体注入期间生成两个单独但相干的气旋以改进气 体_等离子体相互作用并维持流动稳定性。应注意到等离子体通道120中的气流路径是 平滑的(例如，没有尖锐转角)，以防止流动紊流、压力增加或等离子体与通道壁的相互作 用。在一个实施例中，上段122包括至少一个激发装置144，用于提供形成等离子体的电离 事件。激发装置144可以从等离子体通道中凹入以减少从等离子体至电极或电介质窗口的 热量。可任选地具有将一部分入口气体注入连接激发装置144和等离子体通道120的管区 148的放气孔146，以帮助等离子体激发。放气孔146将新鲜的入口气体传送到激发装置 144并且帮助激发装置144处生成的带电粒子进入等离子体通道120。气体出口 130基本 上大于等离子体通道120的横截面积以便在气体出口 130处容纳由于工艺气体的离解而导 致的较大量的气体，并且实现从环形等离子体通道至气体出口 130的平滑过渡。图4示出等离子体源100 (图3)的操作数据，示出在高达45slm(标准升每分钟) 的NF3流速和100托的压力下的操作。如图所示，等离子体源100可在高气体流速下工作 并可实现高的气体激发率或离解率。在一个实施例中，环形等离子体源100的NF3流动能 力可以是至少30slm或更高。图5A和图5B示出气体压力通风室140 (图3)的两个实施例的俯视图，且图5C示 出气体压力通风室140的横截面图。气体压力通风室140包括多个孔142用于将工艺气体 引入等离子体通道120 (图3)。气体注入孔142在等离子体通道120中生成螺旋状气旋。 图5A的实施例在等离子体通道120的上段的两个阀中形成对称旋转模式，而图5B的实施 例形成反对称旋转模式。图6A示出等离子体通道(图3)的内部气体容积的一侧；孔142 基本上与等离子体通道120的内表面相切，并且使其成一定角度或定向成在等离子体通道 120中生成螺旋状气旋。图6B示出沿等离子体通道120的侧段126的轴观看到的气体轨 道。图6C示出沿等离子体通道120的上段观看到的气体轨道。螺旋状气旋强制等离子体 至等离子体通道的中心，从而改进等离子体稳定性并减少等离子体通道120内的腐蚀。螺 旋状气旋还改进了工艺气体和等离子体之间的相互作用。孔142相对于等离子体通道120 的轴向(一般示为A)成30度至90度的角，并且相对于等离子体通道120的轴的垂直方向 (一般示为B)成45度至90度的角。注入孔142遍布在等离子体通道120的宽阔区域上， 以防止入口气体局部集中和高的局部等离子体阻抗。在气体注入期间引入两个单独但相干 的气旋以改进气体_等离子体相互作用并维持流动稳定性。孔142还与等离子体通道表面 相切地定向，以避免由入口气体将等离子体推向等离子体通道120的表面。图7A示出等离子体通道120 (图3)的气体出口 130的仰视图，且图7B示出等离 子体通道120的气体出口 130的横截面图。在一个实施例中，气体出口 130的横截面积大 于等离子体通道120的横截面积的两倍，以防止气体出口 130附近的流动紊流。在某些实
8施例中，等离子体通道120的垂直段126和气体出口 130之间的过渡角128大于95度。在 一些实施例中，过渡角128的范围可以介于100度至180度之间，从而使流动紊流最小化。图8A示出基于气体出口 130处120slm的总流速计算出的等离子体源100 (图3) 中的压降。图8B示出基于气体出口 130处120slm的总流速的等离子体源100中的气体流 速分布图。应注意到，最高压降和流速出现在等离子体通道120和气体出口 130之间的过 渡部分，从而说明具有介于100度至180度之间的过渡角以最小化流动紊流的重要性。图9A示出用于环形等离子体源100(图3)的冷却结构200。图9B示出图9A的 冷却结构200的横截面图。冷却结构在等离子体室的两侧是对称的，且在图9A和9B中仅 示出一侧。冷却结构200包括入口管202、出口管204和多个通道206。类似于等离子体室 100，冷却结构200被分成多个部分。各个冷却部分沿等离子体通道安装到各个等离子体室 部分中。电介质管连接不同的冷却部分，以允许诸如水之类的冷却剂在冷却部分之间流动。 导热垫或润滑脂用于改进从等离子体通道至冷却结构的热传导。在操作中，强制冷却剂通 过通道206以冷却环形等离子体源100。冷却等离子体源100的能力是有益的，因为它降低 了等离子体室的温度，从而保护等离子体室材料和真空密封。冷却的能力还使得等离子体 源能在高功率级别和高气体流速下工作，从而提高处理量并降低处理成本。本领域的技术人员将意识到本发明可体现为其它具体形式，而不背离本发明的精 神和本质特性。因此认为上述实施例在各方面均是说明性的而非限制本文描述的本发明。 因此，本发明的范围由所附权利要求而不是由上述描述指定，且因此在该权利要求的等价 技术方案的含义和范围内的所有变形都旨在包含于此。
权利要求
一种与活性气体源一起使用的等离子体室，包括形成环形等离子体通道的至少四段，每一段具有一横截面积；以及在一段上形成的出口，所述出口的横截面积大于其它段的横截面积。
2.如权利要求1所述的等离子体室，其特征在于，还包括用于接收所述工艺气体的入口；以及压力通风室，用于在所述等离子体通道的宽阔区域上引入所述工艺气体，以降低局部 高等离子体阻抗和气流不稳定性，其中多个孔沿所述等离子体通道分布以在等离子体通道 中提供螺旋状气旋。
3.如权利要求2所述的等离子体室，其特征在于，所述孔基本上与所述等离子体通道 的内表面相切，且使所述孔成一定角度或定向成在所述等离子体通道中形成螺旋状气旋。
4.如权利要求2所述的等离子体室，其特征在于，所述孔在沿所述等离子体通道的轴 的方向上成30度至90度的角，且在垂直于所述等离子体通道的轴的方向上成45度至90 度的角。
5.如权利要求2所述的等离子体室，还包括沿所述等离子体通道的至少一个激发装置。
6.如权利要求5所述的等离子体室，其特征在于，所述激发装置从等离子体通道表面 凹入且包括帮助等离子体的激发的放气孔。
7.如权利要求3所述的等离子体室，其特征在于，在气体注入期间引入两个单独但相 干的气旋以改进气体_等离子体相互作用并维持流动稳定性。
8.如权利要求1所述的等离子体室，其特征在于，所述等离子体通道的垂直段和所述 出口之间的过渡角大于95度。
9.如权利要求8所述的等离子体室，其特征在于，所述过渡角的范围在100度至180度 之间，以便使流动紊流最小化。
10.如权利要求1所述的等离子体室，其特征在于，使所述等离子体通道平滑，以防止 流动紊流、压力增加或等离子体与所述等离子体通道壁的相互作用。
11.如权利要求1所述的等离子体室，其特征在于，所述等离子体室的NF3流动能力至 少为30slm。
12.一种用于将工艺气体引入等离子体室的缓冲器，包括用于接收所述工艺气体的入口；以及压力通风室，用于在所述等离子体通道的宽阔区域上引入所述工艺气体，以降低所述 等离子体通道中的局部高等离子体阻抗和气流不稳定性。
13.如权利要求12所述的缓冲器，其特征在于，所述压力通风室限定多个孔，用于在所 述等离子体通道中提供螺旋状气旋。
14.如权利要求13所述的缓冲器，其特征在于，所述孔基本上与所述等离子体通道的 内表面相切，且使所述孔成一定角度或定向成在所述等离子体通道中形成螺旋状气旋。
15.如权利要求13所述的缓冲器，其特征在于，所述孔在沿所述等离子体通道的轴的 方向上成30度至90度的角，且在垂直于所述等离子体通道的轴的方向上成45度至90度 的角。
16.一种用于将工艺气体引入等离子体室的方法，包括在等离子体通道的宽阔区域上引入所述工艺气体；以及在所述等离子体通道中形成螺旋状气旋，以降低所述等离子体通道中的局部高等离子 体阻抗和气流不稳定性。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括在气体引入期间提供至少两个单 独但相干的气旋以改进气体_等离子体相互作用并维持流动稳定性。
18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括在出口位置输出气体，所述出口位 置的横截面积大于所述等离子体通道的横截面积，以防止所述出口位置附近的流动紊流。
19.一种与活性气体源一起使用的等离子体室，包括用于形成环形等离子体通道的至少四段的装置，每一段具有一横截面积；以及 用于在一段上形成出口的装置，所述出口的横截面积大于其它段的横截面积。
20.如权利要求19所述的等离子体室，其特征在于，还包括 用于接收所述工艺气体的装置；以及用于在与所述出口相对的段的宽阔区域上引入所述工艺气体以降低局部高等离子体 阻抗和气流不稳定性的装置，其中与所述出口相对的段限定多个孔以在等离子体通道中提 供螺旋状气旋。
全文摘要
一种用于激活工艺气体的等离子体室，包括形成环形等离子体通道的至少四段，每一段具有一横截面积；以及在一段上形成的出口，该出口的横截面积大于其它段的横截面积。该等离子体室还包括用于接收工艺气体的入口；以及压力通风室，用于在与出口相对的段的宽阔区域上引入工艺气体，以降低局部高等离子体阻抗和气流不稳定性，其中与出口相对的段限定多个孔以在等离子体通道中提供螺旋状气旋。
文档编号H01J37/32GK101939812SQ200780101172
公开日2011年1月5日 申请日期2007年10月19日 优先权日2007年10月19日
发明者A·考韦, X·陈 申请人:Mks仪器股份有限公司