等离子体处理装置的制作方法

本发明涉及一种等离子体处理装置。本发明还涉及一种相关的等离子体处理方法。

背景技术：

许多工业应用涉及等离子体的使用，以产生活性物质(例如离子、电子、原子、分子和自由基)来满足处理要求。经常，需要以较高的功率密度进行操作来提高反应速度。在半导体或平板处理中更常使用的等离子体源的类型之一是电感耦合等离子体(icp)反应器。通常，将rf功率施加到在外部布置的天线、线圈或带，结果使得能量通过介电性容器或窗感应性地耦合到处理腔中。将合适的气体或气态混合物以相对低的压力引入处理腔中并产生气体排放。图1a和图1b示出了现有技术icp设计的示例。图1a和图1b均示出了具有介电性圆柱本体的处理腔10、rf馈送点12,14和调谐电容器20。图1a示出了在外部围绕腔10的介电性部分布置的两匝icp线圈16。图1b示出了在外部围绕腔10的介电性区域布置的单匝icp线圈。由于传统的介电材料的相对弱的导热性，从这种类型的系统去除热量可能成为问题。使用具有提高的热特性的更先进的介电材料是可能的。先进的介电材料的示例是aln。然而，这些先进的材料是昂贵的，此外，它们产生了设计限制，这些设计限制会限制它们在许多应用中的使用。

技术实现要素：

本发明在其实施例中的至少一些实施例中解决上面提到的问题和需求。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于对基底进行等离子体处理的等离子体处理装置，等离子体处理装置包括：

腔，包括一个或多个壁，其中，腔的壁的一部分是由含金属的材料形成且构造成用作电感耦合等离子体源的初级绕组的电极结构；以及

电信号供应设备，用于供应电信号，所述电信号驱动电极结构作为电感耦合等离子体源的初级绕组，以将电感耦合等离子体保持在腔内。

金属电极结构具有相对容易冷却的优点。这能够在不需要使用由诸如aln的特殊材料形成的热稳健的介电性腔壁的情况下，实现高功率操作、高压力操作和高热负荷中的至少一个。

电极结构可以是单匝结构。

电极结构可以是围绕腔的外周形成单匝的单个不连续带。

可选地，电极结构可包括多个间隔开的带段(bandsegment)。带段可围绕腔的外周形成单匝。带段可被腔壁中的由介电材料形成的多个部分间隔开。

带段可并联连接到电信号供应设备。这减小了必须施加到每个段以用于操作设备的电压的幅值。这帮助抑制电极结构的馈送点附近的电耦合。

可使用任何合适数量的带段。在一些实施例中，电极结构包括两个到六个带段。

带段可以以它们的中点接地。这可帮助最小化溅射或与施加的电压相关的其它不期望的影响。

电极结构的下部区域可包括防止在所述下部区域中形成初级电流的一个或多个不连续部。不连续部可以是在电极结构中形成的槽。不连续部可填充有介电材料。

在电极结构包括多个间隔开的带段的实施例中，电极阵列中的每个带段的下部区域可包括不连续部。

不连续部可用于破坏初级电流的路径。这迫使电流只在电极结构的上部区域中循环。结果，等离子体可被限制到电极结构的上部区域。金属电极结构相对容易冷却。这避免了对装置的其他区域的不期望的加热，如果等离子体延伸到电极结构之外，则可能会导致这种不期望的加热。

电极结构可以是线圈。线圈可以是单匝结构。

含金属的材料可以是诸如铝的金属。

通常，电极结构与腔的内部直接通信。这减少了任何变压作用漏电感，其原因是初级绕组(电极结构)与次级绕组(电感耦合等离子体)直接相邻。这引起更高效的耦合。进一步的优点在于，能够在更宽范围的功率和压力条件下利用等离子体进行操作。通常，电极结构穿过至少一个腔壁而从该腔壁的外表面延伸到该腔壁的内表面。

腔可包括顶部部分、本体部分和下部部分。电极结构可位于本体部分中。本体部分通常可以是圆柱形的。本体部分可包括上段、中段和下段。电极结构可位于中段中。上段和下段可由介电材料形成。

所述装置可包括基底支撑件。基底支撑件支撑作为被所述装置处理的等离子体的基底。基底支撑件可布置在腔内。可选地，基底支撑件可布置在其他腔内。所述装置还可包括用于将基底装载在基底支撑件上的装载机构。

基底支撑件可构造成容纳诸如半导体晶圆的平坦基底或平板基底。

通常，腔壁的不是由电极结构构成的其余部分是由一种或多种介电材料形成的。可使用任何合适的介电材料，例如陶瓷、氧化铝或石英。

所述装置还可包括用于冷却电极结构的冷却系统。冷却系统可包括在电极结构中形成的通道，以允许冷却液流经所述电极结构。这是以非常简单的方式实现电极结构的明显冷却的极其方便的方法。

所述装置可包括具有电极结构的单个腔，或者所述装置可包括多个腔。

在多个腔的情况下，所述装置可包括具有电极结构的第一腔和一个或多个其他腔，第一腔用作等离子体源，在一个或多个其他腔中发生等离子体处理。

所述装置可构造成用于等离子体处理的离子和自由基中的一个或两个的源。

电信号供应设备可供应驱动电极结构的rf电信号。

额外的电信号可被施加到电极结构以在最初撞击等离子体。额外的电信号可以是rf、ac或dc电信号。可使用辅助电信号供应设备来施加额外的电信号。额外的电信号可施加在源和地之间。在电极结构包括多个间隔开的带段的实施例中，可使用交替极性的额外的电信号给相邻的带段供电。

rf电信号可通过高通滤波耦合。

根据本发明的第二方面，提供了一种对基底进行等离子体处理的方法，方法包括以下步骤：

提供根据本发明的第一方面的装置；以及

给电极结构供应电信号，以驱动电极结构作为电感耦合等离子体源的初级绕组，从而将电感耦合等离子体保持在腔内，腔用于执行等离子体处理。

可执行等离子体处理以处理布置在所述装置中的基底。所述装置可包括基底支撑件。在这些实施例中，所述方法可包括将基底装载在基底支撑件上的步骤。然而，存在基底支撑件并不是必需的，并且基底可以以不同的方式布置在腔中。等离子体处理可形成基底上的特征或涂层。

基底可以是半导体基底。半导体基底可以是半导体晶圆，例如硅晶圆。

等离子体处理可以是半导体处理技术。基底可以是适合于以这种方式处理的任何基底。半导体处理技术可处理已经存在于基底上的半导体特征，或者半导体处理技术可将新的特征沉积在基底上。半导体处理技术可以是蚀刻技术或沉积技术，例如等离子体增强化学气相沉积(pe-cvd)。沉积技术可用于沉积微米或亚微米厚度的膜。

基底可以是平板，例如lcd平板。

基底可由金属形成或具有待处理的由金属形成的表面。等离子体处理可在基底上形成涂层。涂层可以是氮化物涂层。

基底可以是工具部件。

等离子体处理可以是腔清洁处理。

等离子体处理可使用在等离子体中产生的离子和自由基中的一个或两个。

所述装置可包括多个腔。所述装置可包括第一腔和一个或多个其他腔，所述第一腔具有点电极结构，用作等离子体源，在一个或多个其他腔中发生等离子体处理。第一腔可提供自由基的源。等离子体处理可以是基于自由基的等离子体处理。自由基可以是f、n、o或任何其它合适的自由基物质。等离子体处理可以是其他腔的清洁或布置在其他腔中的基底的处理。布置在其他腔中的基底的处理可包括cvd处理。cvd处理可以是cvd外延。

虽然上面描述了本发明，但是本发明延伸到上面阐述的或下面的描述、附图和权利要求中的特征的任何发明组合。例如，与本发明的第一方面相关地描述的任何特征也可与本发明的第二方面组合地公开，反之亦然。

附图说明

现在将参照附图描述根据本发明的装置和方法的实施例，在附图中：

图1示出了(a)两匝和(b)单匝现有技术的icp处理装置；

图2是本发明的装置的第一实施例的剖视图；

图3是与rf源连接的、图1的腔的一部分的透视图；

图4示出了(a)带段布置的上透视图和(b)本发明的装置的第二实施例的上透视图；

图5示出了与图4(a)的带段布置的电连接；

图6示出了电极结构的进一步的实施例；

图7示出了本发明的装置的第三实施例；以及

图8示出了本发明的装置的第四实施例。

具体实施方式

图2示出了本发明的等离子体处理装置的第一实施例，总体上以100描述。装置100包括腔102，腔102具有设置在腔102的顶部部分102a中的合适的气体入口104。腔102进一步包括通常是圆柱形的本体102b。本体102b包括上介电部分102c、下介电部分102d以及布置在上介电部分102c和下介电部分102d之间的电极结构102e。本体部分102b还包括基础段102f，基础段102f具有晶圆装载槽106和泵送口108，泵送口108可连接到合适的泵送布置，例如通向涡轮分子泵的真空管线。腔102的内部容纳压盘110，诸如晶圆的基底可装载在压盘110上。如图1所示的压盘110位于降低的位置以用于接收基底。压盘110随后在等离子体处理开始之前升高到抬高的位置。压盘110可以是任何合适的形式，例如静电吸盘。如预期的，可使用基底的其它形式的夹持，例如机械夹持。如本领域中公知的，对于一些等离子体处理操作，可期望给压盘110施加电偏压信号，例如rf偏置信号。可使用已知的装置来加热压盘。

腔的本体部分102b以及上介电段102c、下介电段102d和电极结构102e中的每一个通常是圆柱形的。上介电段102c和下介电段102d由诸如陶瓷或石英的合适的介电材料形成。电极结构102e由诸如铝的合适的含金属的材料形成。

图3是包括上介电段102c、下介电段102d和电极结构102e的堆的透视图。为了描述简化的目的，在图3中未示出装置100的其它元件。图3还示出了与电极结构102e的电连接。更具体地说，电极结构102e通过馈送点132,134与rf电源130电连接。电容器136跨接在馈送点132,134上。电容器136将电极结构102e调谐到由rf电源130提供的驱动频率。由rf电源130提供的rf电信号的频率可以是13.56mhz、2mhz或任何其它方便的频率。可使用频率调谐以在一定范围的功率和压力条件下提供匹配。可使用pi或l网络或变压器实现匹配。可以看到的是，电极结构102e是不连续带的形式，该不连续带构成了腔本身的一部分，还构成了用于在腔102内部生成电感耦合等离子体的icp等离子体源的单匝结构。有技能的读者将领会的是，单匝电极结构102e不能完全围绕腔的本体部分的外周延伸。作为替代，提供将电极结构的一个周向端部与另一周向端部分开的介电性断开部138。介电性断开部可由任何方便的介电材料制成。通常，介电性断开部由与形成上介电段102c和下介电段102d所用的介电材料相同的介电材料制成。通常，电极结构围绕腔102的圆周的大部分延伸。例如，电极结构可围绕腔的外周的320°或更大的角度延伸，介电性断开部可围绕腔的外周的40°或更小的角度延伸。

将领会的是，在图2和图3中描述的装置使用的icp与上面与图1相关地描述的类型的现有技术icp源存在根本的区别。具体地，本发明的icp源使用腔壁本身作为icp源的初级绕组。因此，初级绕组与腔内的电感耦合等离子体本身直接相邻。这可引起更高效的耦合和更宽的功率/压力操作状态。以高功率、高压力和/或高热负荷操作也是可行的。

可以通过使用可短暂地施加在源和地之间的额外的rf、ac或dc电势，来帮助等离子体的最初撞击。在腔中使用更低的气体压力以便于等离子体的启动，也是可行的。一旦等离子体被撞击，则可以使用更高的操作压力来处理基底。图4a和图4b示出了本发明的第二实施例。图4a示出了作为可用作icp源的一部分的另一单匝结构的圆柱形电极结构140。单匝电极结构140包括多个间隔开的带段140a，140b，140c，140d。相邻的带段由相对薄的介电性断开部142分开。介电性断开部可由诸如陶瓷或石英的介电材料形成。然而，相对厚的粘合剂层可用于提供足够的隔离并维持电极结构的结构完整性。每个带段具有形成于其中的孔144，从而允许电连接到达rf源。另外，每个带段包括孔146，从而允许与供应冷却液的冷却系统连接。带段还包括允许冷却液在带段内循环的内部通道(未示出)。图4b示出了图4a的介于上介电段148和下介电段150之间的带电极结构140。将领会的是，图4b中示出的三部分圆柱形结构类似于图3中示出的布置。图4b中示出的结构可用作图2中示出的类型的腔的一部分。图4b中还示出了rf馈送线152和跨接在与相邻的带段相关的rf馈送线上的调谐电容器154。图4b中还示出了水冷却连接156。水冷却连接与图4a中示出的孔146操作地连接。

图5示出了可用于利用来自rf电源(未示出)的rf功率经由馈送点158,159来驱动图4中示出的带段的电路。带段140a-140d与跨接在相邻带段上的调谐电容器154并联连接。并联连接的n个段的使用将施加的电压减小了n倍。这在抑制介电性断开部和馈送点附近的电耦合方面可能是有利的。然而，也可以驱动串联的带段。如果通过电容器调谐具有一个介电性断开部的单匝，则对于包括n个带段的结构而言，每个介电质是通过cn调谐的。在图4和图5中示出的布置中，n是4。n的其它值是可行的。在高的n值的情况下，阻抗可小于50欧姆。在这种情况下，可能需要来自典型发电机的逐步降低。在四个部段的布置中，施加的电压类似于在给单匝腔壁供电时使用的电压。在这些实施例中，阻抗可适度地接近50欧姆，从而允许更高效的匹配。高的循环电流仅流经壁和调谐电容器。

如上面提到的，可以通过使用短暂地施加在源和地之间的额外的rf、ac或dc电势来帮助撞击等离子体。在具有多个段的电极结构的情况下，能够使用用于撞击等离子体的交替极性的额外的电源给相邻的段供电。带段可使它们的中点接地，以最小化溅射或与施加的电压相关的其它不期望的效果。段的选择性接地还可用于帮助撞击等离子体。

等离子体是使用图4和图5中示出的装置产生的。电极结构的大致尺寸是直径约为70mm，高为30mm、具有6.35mm厚的铝带段壁(id约57mm)。介电段148,150由od约70mm、高约50mm的石英形成。环氧树脂用于将这些组件接合在一起，以提供真空密封和隔离。典型处理条件是使用1.3kw的rf(在13.65mhz)，约3slpm的n2，10托的压力。将领会的是，这些条件和配置仅仅是代表性的，许多其它变化是可行的。已经意识到，在许多典型的操作条件下，在腔中形成的等离子体被吹到下游(即，朝着基底支撑件和泵送口吹送)。这导致在电极结构的下游边缘形成等离子体。与上介电段相比，这随后可更大地对下介电段热加压。图6示出了总体上以160描述的电极结构的进一步的实施例，该电极结构可减少下介电段的这种不需要的热负荷。电极结构160包括由介电性断开部162分开的四个带段160a-160d。每个带段具有不连续部，该不连续部形成在该带段的下部，即每个带段的最接近泵送口的区域。如图6所示，不连续部164可以是更长的纵向延伸的槽，但是其它布置是可行的。不连续部可填充有介电材料，但是作为替代，在不连续部中可以不设置材料。不连续部用于破坏经过带段的初级电流的路径。这导致初级电流只在带段的上部中循环。这可导致等离子体仅仅被限制到带段的上部区域，使得在使用时，与等离子体相关的高热负荷的区域保持在主要是金属的电极结构内部。这是有利的，其原因是金属电极结构容易冷却，例如使用基于冷却液的系统冷却。

电极结构可通过任何方便的方式，例如通过粘合剂、凸缘、o形环或其它方式，连接到上介电段和下介电段。基本上，能够提供使用先进沉积技术形成的单一结构。

能够提供本发明的包括多个腔的装置。图7示出了总体上以170描述的、本发明的等离子体处理装置的第三实施例。该装置包括第一腔172和第二腔174。第一腔172包括根据上面阐述的原理的电极结构，电极结构构造成用作电感耦合等离子体源的初级绕组。第一腔172用作等离子体源以用于给第二腔174供应自由基。第一腔172通过隔离阀176与第二腔174通信。第二腔174包括泵送口178、压盘180和喷头布置182。压盘180支撑晶圆184。喷头182将合适的处理气体引入第二腔174中。处理气体是通过包括隔离阀188的气体供应系统186来供应的。装置170可用作pe-cvd工具。图7中示出的布置对于清洁第二腔174尤其有用。如果通过电驱动喷头182或压盘180而在腔174本身中提供等离子体，则会发生离子轰击，通常离子轰击将在一段时间内使腔的部件磨损。通过提供图7中示出的两个腔的布置，能够使第一腔172给第二腔174供应自由基物质，但不存在到达第二腔174的离子的明显的聚集。以这种方式，可提供快速的低损坏的清洁。在清洁处理期间在腔中可以不存在晶圆184。在二氧化硅或氮化硅清洁的情况下，可使用氟自由基，但是其它自由基的供应是可行的。

图8示出了总体上以190描述的、本发明的等离子体处理装置的第四实施例。装置190是包括第一腔192和第二腔194的另一多腔布置。类似于图7中示出的布置，第一腔192包括构造成用作电感耦合等离子体源的初级绕组的电极结构。第一腔用作通过隔离阀196给第二腔194供应自由基的等离子体源。第二腔194包括泵送口198。在图8中示出的实施例中，诸如工具部件的部件200适当地布置在第二腔194中。由第一腔192供应的自由基用于以期望的方式修改部件200的表面。例如，部件200可以是金属钻头，该金属钻头被等离子体处理以提供氮化物涂层。再次，有利的是，第一腔192可提供自由基的源，使得在不存在任何明显的离子轰击的情况下可发生等离子体处理。可使用任何合适的自由基物质，例如氮或氧自由基。在不需要离子轰击的情况下，可以使用图8中示出的装置190来提供其它形式的基于自由基的等离子体处理。例如，这种类型的装置可用于外延cvd。离子(其趋向于完全定向)是不需要的，其原因是它们可导致生长的晶体的位错和缺陷。进一步的优点是可降低外延cvd处理的温度。