专利名称：低污染、高密度等离子蚀刻腔体及其加工方法
技术领域：
本发明通常涉及半导体晶片的加工，而且更具体地涉及具有在处理过程中减少颗粒和金属污染的衬瓦材料的高密度等离子蚀刻腔体以及相关的腔体衬瓦结构。
当集成电路装置的几何尺寸以及其工作电压都连续减小时，其相关的加工生产容易受颗粒和金属杂质的污染。因此，加工具有较小尺寸的集成电路需要颗粒和金属污染级别应低于以前可以接受的级别。
通常，集成电路(表现为晶片的形式)的加工包括使用等离子蚀刻腔体，它们可以蚀刻由一个光阻材料罩限定的选定层。处理腔构造成可以承接处理气体(即蚀刻化学物质)，同时一无线电频率(RF)能施加到处理腔的一个或多个电极上。还针对具体的处理控制处理腔体中的压力。当向电极施加所需的RF能时，腔体中的处理气体受激，结果产生等离子。等离子可以进行对选定的半导体层进行所需的蚀刻。
通常，同在加工过程中蚀刻的其他薄膜相比，用于蚀刻材料例如氧化硅的处理腔体需要相对高的能量以取得所需的蚀刻结果。这种氧化硅包括例如导热生成的二氧化硅(SiO2)、TEOS,PSG,BPSG,USG,LTO等。对高能量的需求来自轰击并断开氧化硅膜的键并且促进化学反应以形成挥发性蚀刻产品。这些腔体因此被称为“高密度氧化物蚀刻腔体”，它们能够产生高等离子密度以向晶片提供高离子流并在低气压下取得高蚀刻率。
尽管高密度氧化物蚀刻腔体在蚀刻所需的晶片表面时效果很好。因此，来自蚀刻腔体内表面的材料由于离子轰击的结果根据材料的成分以及蚀刻气体的成分通过物理喷射或化学喷射被去除。
由于认识到蚀刻腔体的内表面在高密度氧化物腔体中暴露给等离子，腔体则设计成可以利用简单的衬瓦部件，如盘、环以及筒体。由于这些部件构造成可以将等离子限定在正在处理的晶片上，这些部件连续暴露并由处理等离子能量冲击。由于这种暴露，这些部件最终腐蚀或积累成聚合物，从而需要更换或完全清洗。最终，所有部件被磨损以至于不能再使用。这些部件因此称为“消耗件”。因此，如果部件的寿命很短，则消耗件的成本就很高(即部件成本/部件寿命)。
由于这些部件是消耗件，则需要具有对等离子能抗腐蚀的表面，从而减小消耗件的成本。现有技术减小消耗件成本的试图包括从氧化铝(Al2O3)和石英材料中加工这些部件。尽管这些材料可以抵抗少许等离子能，但在高密度氧化物蚀刻腔体中，等离子的高能离子轰击具有不能接受的下侧污染生产级别(例如颗粒污染和金属杂质污染)。例如，如果消耗件的表面是氧化铝(即刚玉)，当等离子轰击表面时，铝可以释放并且与位于晶片之上的等离子混合。其中一些铝会嵌入在蚀刻过程中沉积在晶片上以及消耗件表面(例如腔体衬瓦、盖等)上的有机聚合物中。当发生这种情况时，消耗件表面上的聚合物就不能在常规的现场等离子清理或“排灰”步骤中完全被清除。这样，在现场等离子清除之后就会留下一个包括C、Al、O的易碎的脆膜或涂层，因此产生大量的颗粒。沉积在正在被蚀刻的结构中的铝以及硅晶片上的薄膜会例如通过增大DRAM电池中的漏电而使随后形成的装置质量下降。
如上所述，石英也用做消耗件内表面的材料。但是，已发现由于石英的低导热性以及在用于蚀刻氧化物的高密度等离子中的高蚀刻率，石英表面成为颗粒源。另外，低导热性的石英使这些部件的表面温度控制很困难。这导致较大的温度循环以及沉积在消耗件表面上的蚀刻聚合物很脆，因此产生污染颗粒。石英消耗件的另一个缺点在于高密度氧化物蚀刻中的高蚀刻率会在石英中产生剥蚀，这会产生石英颗粒的脱落。
根据以上所述，需要一种具有消耗件的高密度等离子处理腔体，它更能抵腐蚀并有助于减小正在处理的晶片表面的污染(例如颗粒和金属杂质)。还需要用于高密度等离子应用中的消耗件，可以经受温度变化并防止消耗件的损坏。
本发明通过提供用于等离子处理腔中的温控型、低污染、高耐蚀刻的等离子限定件(即消耗件)满足以上要求。可以理解本发明可以由多种方式实施，包括一种工艺、一种设备、一个系统、一个装置或一种方法。以下描述本发明的几个创造性实施例。
在一个实施例中，公开了一种等离子处理腔，包括一用于保持一晶片的静电吸盘，并具有高抗蚀刻、不易产生污染并且可以温控的消耗件。消耗件包括一个腔体衬瓦，腔体衬瓦具有一个下支撑部以及一个围绕静电吸盘构成的壁。消耗件还包括一个衬瓦支撑结构，具有一下延伸部、一柔性壁以及一上延伸部。柔性壁构造成围绕腔体衬瓦的壁的外表面，而衬瓦支撑柔性壁与腔体衬瓦的壁隔离开。但是衬瓦支撑的下延伸部构造成与腔体衬瓦的下支撑部直接热接触。另外，一挡环是消耗件的一部分，并构造成可以与腔体衬瓦和衬瓦支撑组装并导热接触。挡环限定一个围绕静电吸盘的等离子筛。一加热器可以与衬瓦支撑导热连接，用于从衬瓦支撑向腔体衬瓦和挡环导热。还包括一个外支撑，外支撑与同腔体一顶板联结的一冷却环导热相连。因此外支撑和冷却环可以提供对一浇铸加热器以及腔体衬瓦精确的温度控制。这种精确的温度控制可以防止温漂，所以可以对第一晶片至最后一个晶片进行相同温度状况的蚀刻。
在一优选实施例中，包括腔体衬瓦和挡环的消耗件完全由下列材料制成或涂有一种下列材料，包括碳化硅(SiC)，氮化硅(Si3N4)碳化硼(B4C)和/或氮化硼(BN)。这样，当这些材料暴露给高密度等离子喷射能时，会产生与在晶片表面层的蚀刻过程中产生的挥发性蚀刻产品相似的挥发性产品。
在另一个实施例中，公开了一种具有消耗件的等离子蚀刻腔体。消耗件包括一个具有一下支撑部和一围绕等离子蚀刻腔体中心的圆柱形壁。一衬瓦支撑可以围绕腔体衬瓦。衬瓦支撑导热连接在腔体衬瓦的下支撑部上。衬瓦支撑环包括将衬瓦支撑分隔成多个指状物的槽。在一优选实施例中，腔体衬瓦由碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、碳化硼(B4C)以及氮化硼(BN)中的一种或多种材料制成，而且衬瓦支撑由铝材制成。
在另一个实施例中，还公开了一种使用用于一高密度等离子蚀刻腔体中的消耗件的方法。此方法包括使用一腔体衬瓦，腔体衬瓦由碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、碳化硼(B4C)以及氮化硼(BN)中的一种或多种材料制成。腔体衬瓦可以具有一个围绕腔体等离子区的壁和一下支撑部。此方法可以包括使用一个铝衬瓦支撑，它可以具有一下延伸部、一柔性壁以及一上延伸部，其中在衬瓦支撑的柔性壁和下延伸部中设有多个槽，使衬瓦支撑在高温下可以膨胀。本发明的方法还包括使用一挡环，挡环由碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、碳化硼(B4C)以及氮化硼(BN)中的一种或多种材料制成。多个槽可以设置在挡环中以限定一等离子筛。此方法可以包括由一个通过衬瓦支撑和挡环的导热路径控制腔体衬瓦。
根据本发明的一个实施例，一种等离子处理腔体包括一个腔体衬瓦和一个衬瓦支撑，衬瓦支撑包括一个构造成可以围绕腔体衬瓦一外表面的柔性壁，柔性壁与腔体衬瓦的壁隔离开。为了可选择地控制衬瓦的温度，一个加热器与衬瓦支撑导热连接，以从衬瓦支撑向腔体衬瓦传导热量。尽管对衬瓦和衬瓦支撑可以使用任何适当的材料，但优选地衬瓦支撑由柔性铝材制成而腔体衬瓦包括一陶瓷材料。
衬瓦支撑可以具有许多特征。例如，柔性壁包括将衬瓦支撑分隔成多个指状物的槽，指状物使柔性壁可以吸收热应力和/或衬瓦支撑的一下延伸部可以固定在腔体衬瓦的一下支撑部上。如果需要，一个与腔体衬瓦和衬瓦支撑热接触的挡环可以用于限定一个等离子筛，等离子筛围绕一个位于腔体中部中的静电吸盘。腔体衬瓦和/或挡环最好由碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、碳化硼(B4C)以及氮化硼(BN)中的一种或多种材料制成。
等离子处理腔体可以包括许多特征。例如，腔体衬瓦可以具有低电阻率并构造成可以提供一个接地的RF路径。如果需要，还包括一个限定在一静电吸盘上的气体分配板，气体分配板具有高电阻率和/或包括一个支撑集中环和静电吸盘的支座。气体分配板、集中环和/或支座由碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、碳化硼(B4C)以及氮化硼(BN)中的一种或多种材料制成。通过一个通过气体分配板感应耦合RF能并在腔体中产生高密度等离子的RF能源可以在腔体中产生等离子。最好RF能源包括一平面天线。腔体可以用于等离子处理半导体晶片。例如，腔体可以是一个等离子蚀刻腔体。
衬瓦具有许多特征。例如，衬瓦支撑可以包括一个与衬瓦支撑的一下延伸部导热连接的外支撑，而且外支撑可以与安装在腔体上的一水冷顶板热接触。衬瓦支撑可以包括一个上延伸部、一个柔性壁以及一个下延伸壁，其中柔性壁和下延伸部具有多个槽，槽在衬瓦支撑中限定多个指状物。为了进行温度控制，一个浇铸加热器环可以与衬瓦支撑热接触，加热器环包括一电阻加热件，可以加热衬瓦支撑而导热控制腔体衬瓦的温度。
根据本发明的另一个实施例，一种半导体晶片在一种等离子处理腔体中处理，腔体具有一个腔体衬瓦和一个衬瓦支撑，衬瓦支撑包括一个构造成围绕腔体衬瓦一外表面的柔性壁，柔性壁与腔体衬瓦的壁隔离开。其中一半导体晶片传送到腔体中而基质的一外露面由高密度等离子处理。腔体衬瓦最好是一种陶瓷材料而衬瓦支撑包括一在衬瓦支撑和腔体的一温控部件之间延伸的外支撑，外支撑的尺寸做成可以减小在处理一批半导体晶片时腔体衬瓦的温度漂移。在晶片处理过程中，在处理完预定数量的半导体晶片后陶瓷衬瓦从腔体中被取走并由另一个陶瓷衬瓦替换。此外，腔体衬瓦包括一使晶片可以进入腔体中的晶片入口。
在结合附图从下面的详细说明中可以更明显地看出本发明的其他方面和优点，其中附图只是示例性地示出本发明的原理。
结合附图从下面的详细描述中可以容易地理解本发明。为了便于这种描述，相同的附图标记表示相同的结构件。
图1示出本发明一个实施例的一高密度等离子蚀刻腔体；图2A至2C示出本发明一个实施例的一个挡环的细节；图3A示出本发明一个实施例的一衬瓦支撑的详细的剖视图3B示出根据本发明一个实施例在图3A中沿A-A所做的衬瓦支撑的一个侧视剖视图；图3C示出根据本发明一个实施例当衬瓦支撑经受温度应力时衬瓦支撑的柔性；图4示出根据本发明一个实施例腔体衬瓦如何装有衬瓦支撑；图5A示出本发明一个实施例组装的腔体衬瓦、衬瓦支撑和挡环的局部剖视图；图5B示出本发明一实施例的外支撑的侧视图；图6示出根据本发明一个实施例腔体衬瓦、挡环和衬瓦支撑的一个三维组装图；图7示出根据本发明一个实施例组装的腔体衬瓦、衬瓦支撑以及挡环的另一个三维组装图；而图8示出根据本发明一个实施例图1的高密度等离子蚀刻腔体的局部分解图。
本发明提供了一个或多个用于等离子腔体中的温控型低污染、高耐蚀等离子约束体(即消耗件)。在以下的说明书中，给出具体的细节以便可以完全理解本发明。但是可以理解，本领域的普通技术人员不用这些具体的细节也可以实施本发明。在其他情况中，公知的操作过程就不详细描述，以便不会不必要地使本发明变得模糊。
本发明的等离子约束体最好表现为例如腔体衬瓦、挡环、气体分散板、集中环、衬瓦支撑以及其他的非电驱动件。这些部件最好构造成可以基本无污染并耐腐蚀，并且它们最好为温控型而不会损坏这些部件。等离子约束体最好由对在晶片上加工的装置无害的元素组成的材料制成，如硅(Si)，碳(C)，氮(N)或氧(O)。以此方式，当等离子约束体由离子轰击(即由等离子喷射)时，则产生与处理气体混合的挥发性产品。这些挥发性产品则可以使用一个真空泵从腔体中排出并不会附着在晶片上引起污染。在一优选实施例中，其中等离子约束体在一个等离子蚀刻腔体中，这些部件可以抵抗蚀刻气体而且部件的寿命可以延长。
本发明的等离子约束体最好由一种或多种材料制成，如碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、碳化硼(B4C)以及氮化硼(BN)。这些材料都具有高耐腐蚀、无污染元素以及挥发性腐蚀产品的所需特性。在一个优选的实施例中，等离子约束体(也称为消耗件)由固态碳化硅(SiC)制成，因此会减少对加工的晶片的金属和/或颗粒污染。用于挡环132和衬瓦130的SiC最好为导电性，这样当它与等离子接触时则对RF电流形成良好的接地路径。高耐腐蚀的SiC可以用做一个气体分散板(“GDP”)(即图1中的120)，以允许RF能的感应耦合通过。如上所述，SiC还由等离子较慢地蚀刻，使其成为一个低成本的消耗件。
此外，由于SiC具有高纯度，可以减小由等离子化学喷射SiC产生的晶片污染。而且，通过对任何非碳化硅表面的等离子势能以及离子轰击能而使接地的SiC可以减少在腔体中喷射其他表面，SiC成分还提供了一个很稳定的等离子势能，这样在各自腔体中并从一个腔体到另一个腔体可以多次重复蚀刻结果。对于可以减小污染的高密度等离子处理的等离子约束件的情况，可以参考于1998年3月31日递交的已转让的美国专利申请No.09/050,902，题目为“用于等离子处理腔的污染控制方法和设备”。此申请在此做为参考。下面参照图1-8描述本发明的各个实施例。
图1示出本发明一个实施例的高密度等离子蚀刻腔体100。其中示出腔体外壳102包含一个半导体基质，如硅晶片104，它可以经受一个等离子蚀刻处理。在此实施例中，蚀刻操作最好是一种高密度等离子操作，它可以腐蚀形成在晶片104表面上的材料如氧化硅。通过确保腔体保持在约80mTorr之下的低压下使高密度等离子(即具有约1011-1012个离子/cm3之间密度的等离子)形成在腔体中，而且最好在约1mTorr和约40mTorr之间。通常通过在腔体底部施加一个适当的真空泵而保持腔体中的压力。
晶片104支撑在一个静电吸盘106上。一个下部电极108位于静电吸盘106之下，它包含一个后侧冷却环110，用于控制静电吸盘106的温度。静电吸盘106由一个支座112和一个围绕晶片104的集中环114限定。在本发明一个实施例中，支座112和集中环114最好由从以下一组中选出的材料构成，包括(a)碳化硅(SiC),(b)氮化硅(Si3N4),(c)碳化硼(B4C)，或(d)氮化硼(BN)。在一个优选实施例中，选用Si3N4做为支座112和集中环114的材料。
根据一个实施例，一个绝缘铝环116位于铝支座118和下部电极108以及碳化硅支座112之间。腔体衬瓦130最好是一个可以连在一挡环132上的圆柱形衬瓦。挡环132通常包括一个内环132a，它与腔体衬瓦130有良好的电接触和良好的热接触。挡环132还具有一排整体齿132b，对此将参照图2A至2C详细描述。
一个气体分散板(GDP)120位于晶片104之上，它起一个将腐蚀气体化学物质释放到处理腔体中的喷头的作用。一个陶瓷窗口122位于气体分散板120之上。一个RF线圈装置120(即一个RF天线)位于陶瓷窗口122之上，用于将一个顶部RF能供入反应器腔体100中。RF线圈120最好由一个在RF线圈120中心集成的冷却通道冷却。在此简化示意图中，一个气体供给口126用于将处理气体供入限定在陶瓷窗口122和气体分配板120之间的通道中。关于处理腔体的更多资料可以参考TCP 9100TM等离子蚀刻反应器，它从加州Fremont的LAM研究公司中可以获得。
一个RF阻抗匹配系统127构造成可以安装在处理腔体之上并与RF线圈122适当接触，以控制功率的传递以及其他反应器控制参数。如上所述，陶瓷窗口122设计成可以与安装在顶板124中的气体分配板接触。顶板124限定大气压力和高密度蚀刻腔室100中的所需真空状况的一个接口。本领域普通技术人员可以理解，通过在腔体外壳102、顶板124、GDP120、陶瓷窗口122以及RF匹配系统127之间设置适当数量的O形圈而形成所需的压力接口。
在高密度等离子蚀刻腔体100中还设有一个衬瓦支撑134，以便向腔体衬瓦130和挡环132精确控制和传递所需的温度。在此实施例中，衬瓦支撑134由铝制成，以有利于其柔性和改进其导热性。衬瓦支撑134包括一上延伸部134a、一柔性壁134b、一下延伸部134c以及一衬瓦支撑延伸部134d。下延伸部134c安装成与腔体衬瓦130和挡环132直接导热接触。在此实施例中，柔性壁134b略微与腔体衬瓦130隔开。加热器140可以安装成与衬瓦支撑134的上延伸部134a直接导热接触。为了对加热器140供能并对其进行控制，一个能量连接件142连在加热器能源129上。因此衬瓦支撑适当定位以控制传递给腔体衬瓦130和挡环132的所需温度而不会损坏(很脆弱的)腔体衬瓦130或挡环132。
还示出一个外支撑131，它导热地连接在衬瓦支撑134的下延伸部134c上。外支撑还导热连接在顶板124上，它设计成可以承接一冷却环121。从以下参照图5A和5B的详细描述中可知，外支撑131用于在晶片处理操作(即蚀刻)中精确控制腔体衬瓦130的位置。由外支撑131和冷却环121提供的精确的温度控制可以有利于帮助防止腔体衬瓦温度的逐渐上升(由于等离子能)快于衬瓦能向其周围辐射热量的速度。
如上所述，腔体衬瓦130和挡环132最好由纯碳化硅材料制成。另外，气体分配板120、集中环114以及支座112也由一种纯氮化硅或碳化硅材料制成，或至少镀有碳化硅。以此方式，基本上所有限定高密度等离子的表面都为纯碳化硅或涂有碳化硅。推而广之，可以使用其他只包含对在正在处理的晶片上的装置无害的元素的材料，例如硅(Si)、碳(C)、氮(N)或氧，它们与蚀刻气体形成易挥发的蚀刻产品。以此方式，当限定等离子的内表面被轰击时，产生的挥发性产品与从腔体中排出的多余的蚀刻气体(使用一个真空泵等)混合。由于当等离子轰击腔体的内表面(即消耗体)时产生的产品易挥发，这些产品既不会落在晶片表面上引起污染，也不会埋嵌在沉积在消耗件中的聚合物中。
图2A至2C示出本发明一个实施例的挡环132的细节。如图1中所示，挡环132起一个气体和副产品通过至连在腔体102底部上的一真空泵的等离子筛的作用。如图所示，挡环132具有一排帮助维护在腔体102顶部半侧中的等离子的齿132b，其中(消耗件的)碳化硅表面将等离子基本限制在晶片104之上。挡环132还具有一个内环132a，用于与腔体衬瓦130良好地导热接触。
图2B是一对齿132b的三维图。通常，由空间132c提供的开口区构造成保持50％-70％的开口区，以便从腔体102泵出的气体和副产品充分通过。为了形成每个空间132c，如图2C中所示，固态的碳化硅材料(或镀有SiC的材料)必须进行加工以保持至少1.5或更大的适当的幅形比。在此优选结构中，空间132c的宽度最好为约0.13英寸，而高度约为0.28英寸。因此这些优选尺寸提供了一个约2.0的幅形比。
在此200mm晶片腔体实施例中，挡环132的内径(ID)约为10.75英寸，这样在图1所示的支座112之间形成约1/16英寸的间隙。但是，取决于正在处理的晶片的尺寸内径(ID)当然可以更大。例如，对于一个300mm的晶片，内径可以约为14英寸这么大。
在一变化的实施例中，挡环132可以加工成齿132b由一排孔或槽代替。当加工一排孔或槽代替齿132b时，仍然希望保持一个在约50％-70％之间的开口区(即通路)。挡环132还具有多个螺纹孔150，它们设计成围绕内环132a。如图1中所示，螺纹孔150构造成可以承接一适当的螺栓，以相互连接挡环132至腔体衬瓦130和衬瓦支撑134。可以使用其他的紧固件如夹具，以提供必要的接触力进行充分的热传递。
图3A示出本发明一个实施例的衬瓦支撑134的一个更详细的剖视图。如上所述，衬瓦支撑134具有一个柔性壁134b，当加热器140施加所需的热量时柔性壁可以响应于可能产生的热变形弯曲。最好柔性壁134b是圆柱形并切入多个指状物。如上所述，衬瓦支撑最好由铝材制成，因为铝具有良好的导热性，并且当加热器140施加所需的温度时还可以提供很好的柔性。由于下延伸部134c由螺栓固定在腔体衬瓦130和挡环132上，下延伸部134c将保持到位，而在一导热界面141连在加热器140上的上延伸部134a可以如图3C所示向外弯曲。
最好使用数量适当的螺栓144将加热器140安装到上延伸部134a上，以确保导热界面141总是保持围绕上延伸部134a。在一优选实施例中，螺栓144可以保持加热器140以约1,000磅/英寸2的压力与上延伸部134a接触。
当高密度等离子蚀刻腔体100处理一个8英寸的晶片时(即200mm的晶片)，衬瓦支撑134可以具有一个约141/2英寸的内径。柔性壁134b的厚度170可以在约1/16英寸和约3/32英寸之间。对处理温度约300℃最好使用1/16英寸的尺寸，而对具有高达约1000℃的处理温度的腔体使用3/32英寸的尺寸。
根据腔体高度下延伸部134c和上延伸部134a之间的间隔176最好设置成约21/2英寸。但是间隔176越大，衬瓦支撑134中的热阻力越大。因此，间隔176尽可能短，这样衬瓦支撑的铝材在越过300℃以及以上时不会应力太大。上延伸部134a优选的厚度172最好设置成约9/16英寸，而下延伸部134c的优选厚度约为5/8英寸。
图3B示出根据本发明一个实施例的图3A中沿A-A所做的衬瓦支撑134的一个侧剖视图。为了便于衬瓦支撑134的弯曲，在衬瓦支撑134的侧面中形成槽152，以限定多个指状物。槽152通过柔性壁134b并通过下延伸部134c竖直延伸。因为衬瓦支撑134最好为一个圆柱形部件，槽152之间的间隔必须构造成在柔性壁134b中可以保持适当水平的柔性。因此，槽152之间的间隔最好设置成约为15°。但是，根据衬瓦支撑134和所需程度的柔性，槽152之间的实际间隔可以变化和改变。而且图中示出螺纹孔150，形成在下延伸部134c中。
为了示出由衬瓦支撑134提供的柔性，图3C示出从一Y轴(相对于一水平X轴)向外延伸以取得一个间隔133的衬瓦支撑。在某些场合下，间隔可以为1/16英寸或更大。因此，衬瓦支撑134可以承受设置在衬瓦支撑134的铝材上的热应力，同时隔绝柔性小的腔体衬瓦130和挡环132免受温度变形应力。
图4示出根据本发明一个实施例腔体衬瓦130如何与衬瓦支撑134组装。在此实施例中，当腔体衬瓦130由碳化硅制成时，可以为供能的电极108(底部电极)提供一个接地的高集成度RF返回路径。本领域的普通技术人员公知的是，在处理腔体中提供一个高集成度的RF接地路径带来极好的处理重复性的优点。此外，接地的SiC可以通过减小等离子势能以及任何非硅碳化物表面上的离子轰击能而减小在腔体中其他表面的喷射。
另外，用于腔体衬瓦130的材料如SiC的电阻率可以变化很大。例如，可以针对具体的应用调整SiC的电阻率。当用于腔体衬瓦130和挡环132时，SiC调整成可以提供低电阻率，可以便于用于RF能的良好的接地导电路径。另一方面，当部件必须具有通过它感应耦合的RF能以减少在部件中的能量耗散时，就必须具有高电阻率。
如图所示，螺栓孔150构造成可以在下支撑部通过腔体衬瓦130并进入衬瓦支撑134中。通常，使用适当数量的螺栓相互连接腔体衬瓦130和衬瓦支撑134，这样可以保持良好导热界面156。这样，通过衬瓦支撑134传导的热量可以导热地连通到腔体衬瓦130和挡环132上。
在此优选实施例中，衬瓦支撑134最好与腔体衬瓦130隔开一个间距154。间距154最好设置成约1/16英寸。通常需要这种间隔，因为衬瓦支撑134构造成可以弯曲，如参照图3C所述。对一个200mm的晶片，腔体衬瓦130的直径179约14英寸。腔体衬瓦130的厚度最好在此实施例中在约0.1英寸和约0.3英寸之间，更好地约为0.2英寸。此优选腔体衬瓦的高度177可以在约3英寸和约12英寸之间，最好约5英寸。
还示出一个外支撑131，它导热地连在衬瓦支撑134的下延伸部134c上。最好外支撑与柔性壁134b隔开，这样它可以基本不受阻碍地弯曲。外支撑131的外侧具有一个带有一表面123′的上延伸壁，表面123′构造成可以与顶板124进行良好的热接触。以此方式，在图5A中详细示出的冷却环121可以用于控制腔体衬瓦130和腔体内区的温度。因此，通过加热器140和冷却环121的联合即时控制，腔体衬瓦130的温度可以从没有等离子的状况至承受等离子的状况保持在小于±10℃中。这样，蚀刻的第一晶片可以以与最后一个蚀刻的晶片相同的腔体衬瓦130温度蚀刻，变化在±10℃内。
图5A示出根据本发明一个实施例组装的腔体衬瓦130、衬瓦支撑134以及挡环132的局部剖视图。如图中所示，腔体衬瓦130和衬瓦支撑134组装成可以如上所述取得良好的导热界面156。
如上所述，外支撑131通过多个螺栓135导热连接到下延伸部134c上。在一个最优选的实施例中，外支撑131具有一个柔性壁131a，柔性壁将导热连接到顶板124上。在图5B中还示出外支撑131的一个侧视图，以示出由多个槽131c隔开的多个指状物131d如何帮助向柔性壁131a提供必要的柔性。顶板124还构造成可以在顶板124的一个顶边上承接冷却环121。当然，可以使用用于向顶板124施加冷却环121或其它类型的冷却系统的其它结构。
在此实施例中，加热器140和冷却环121的联合使用可以在很窄的温度范围中精确进行温度控制。例如，腔体衬瓦130通常在高温下工作，如200℃或更高，而热量主要通过辐射损失到周围环境中。当产生等离子时，等离子通过离子轰击将更多热量排入腔体衬瓦130中。腔体衬瓦130的温度缓慢增加，因为通常它不能象从等离子获取热量那样快地通过辐射将此热量传递给其周围环境。这样，与冷却环121导热连接的外支撑131可以避免腔体衬瓦温度的骤降。在此实施例中，从衬瓦支撑134至外支撑131的热量损失可以通过调整外支撑131的横截面和长度而固定。因此这种调整可以用于控制从衬瓦支撑134到温控顶板124的热量损失路径。
如图所示，腔体衬瓦130还可以提供与挡环132良好的导热界面157。为了取得此良好的传导界面，挡环132、腔体衬瓦130以及衬瓦支撑134使用多个螺栓150′安装在一起。最好，螺栓150′通过一个与挡环132的内环132a直接接触的间隔圈131b、一隔片131a′以及腔体衬瓦130安装。
间隔圈131b和隔片131a′最好由铝制成，并提供一个良好的表面用于向螺栓150′和挡环132的脆表面以及腔体衬瓦130施加压力。即，由于挡环132最好是陶瓷，用螺栓直接向挡环施加太大的压力会使挡环或腔体衬瓦130破裂。一旦螺栓150′围绕腔体安装，腔体衬瓦、挡环以及衬瓦支撑(即消耗件)可以方便地用于图1的高密度等离子蚀刻腔体100中。当用于其中时，这些部件称为消耗件，但是当碳化硅(或其他在此所述的变化的材料)用做限定高密度等离子的部件时，这些部件具有较长的寿命，因此成为低成本的消耗件。
当需要更换时，这些部件必须由替换件快速更换(即使用一种快捷洁净的工具)。因为衬瓦支撑134没有设计成与高密度等离子接触，它不会象腔体衬瓦130和挡环132那样很快地磨损。这样，衬瓦支撑134可以从磨损的消耗件上取下(可以离线清洁并重新使用或抛弃)，然后使用替换的消耗件。当腔体用于小批量生产时，能够快速替换这些消耗件则可以减少清洗腔体的平均时间。
图6示出根据本发明一个实施例腔体衬瓦130、挡环132以及衬瓦支撑134的一个三维组装图。如图所示，衬瓦支撑134的上延伸部134a的顶面具有多个可以承接加热器140的螺纹孔。沿衬瓦支撑134的壁设有多个限定指状物的槽152，指状物构造成可以响应于温度变化而弯曲。一晶片入口160形成在腔体衬瓦130的壁中，以使晶片可以进出腔体100。通常，最好使用一个机器人臂将晶片放入腔体中，机器人臂必须局部安装在入口160中，并在静电吸盘106上释放晶片一次。因此，入口160应该足够大，以承接晶片和机器人臂，但还应足够小以不会干扰晶片上的等离子构形。如图7所示，一个带有表现为口160形状的槽的插体连在衬瓦外侧。同其他消耗件一样，插体可以由SiC、Si3N4、B4C和/或BN构成。
衬瓦支撑134通常还包括也形成在腔体衬瓦130中的通孔162。通孔162可以包括用于在处理过程中检测腔体中压力以及光学检测一个具体处理过程终点的孔。而且示出孔161的细节，孔161用于承接向下将加热器140保持在衬瓦支撑134的上延伸部134a上的螺栓144。
图7示出另一个组装的腔体衬瓦130、衬瓦支撑134以及挡环132的三维图。在此图中详细示出用于向静电吸盘106传送晶片的开口160。还示出挡环132的齿132b。因此齿132b延伸接近支座112，以过滤如图1所示来自腔体下部的等离子。
图8示出根据本发明一个实施例的图1的高密度等离子蚀刻腔体100的局部分解图。图中示出用于挡环132、腔体衬瓦130以及衬瓦支撑134的组件中的间隔圈131b。此立体图还示出加热器140是如何施加到衬瓦支撑134的上延伸部134a上的。如图所示，加热器140最好是一个浇铸的加热器。当然其他类型的加热系统也可以工作。当加热器140适当安装时，可以形成与衬瓦支撑134良好的热接触。
图中还示出能量连接件142，它穿过顶板124中的一个孔124a。顶板124可以承接气体分配板120。气体分配板120具有通道120a，通道可以将由气体供给口126提供的处理气体导入腔体100中。尽管在此例子中未示出，但陶瓷窗口122可以降低到气体分配板120上。
在本发明一个优选实施例中，高密度等离子蚀刻腔体100可以蚀刻氧化硅材料，例如导热生成的二氧化硅(SiO2)、TEOS、PSG、BPSG、USG、LTO等，同时减少产生不想要的污染物。只为了优选的目的，为了在腔体100中取得高密度等离子状况，腔体中的压力最好保持在80mTorr下，而且RF线圈128(即顶部电极)最好设置在约2500瓦和约400瓦之间，并且最好约1,500瓦。底部电极108最好保持在约2500瓦和约700瓦之间，而且最好约为1,000瓦。在通常的高密度氧化物蚀刻处理中，处理气体例如CHF3、C2HF5和/或C2F6被导入腔体中以产生所需的蚀刻特性。
如前所述，可以用做等离子约束件(即消耗件，包括腔体衬瓦130、挡环132、GDP120、集中环114以及支座112)的材料通常对在晶片104之上的层无损害。即，当消耗件由等离子性轰击(即喷射)时来自蚀刻晶片104表面的挥发性蚀刻产品与产生的挥发性产品相性。结果有利的是，这些由离子轰击消耗件产生的挥发性产品可以加入到正常的挥发性蚀刻产品中。
因此这样便于通过使用连接到腔体上的一个真空泵从腔体100的内区中去除这些组合的挥发性产品。由于来自消耗件的挥发性产品可以迅速从晶片处理区中去除，基本上很少有颗粒和金属污染物会干扰在晶片104表面上加工的装置。尽管结合几个优选的实施例对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员可以理解，通过阅读以前的说明书和研究附图可以进行不同的变化、增加、修改和替换。因此，尽管针对减少半导体晶片的污染提供了具体的细节，但这些优点也可以应用到平板显示基质等上。此外，尽管用于消耗件的优选的材料是纯碳化硅(SiC)，但材料也可以是镀有SiC的材料如镀有SiC的石墨，或主要是SiC，其中加有10～20％的Si，以在反应物粘结的SiC中填充空洞。而且如上所述，消耗件还可以由例如氮化硅(Si3N4)、碳化硼(B4C)以及氮化硼(BN)制成。这些材料都具有高抗腐蚀、无污染元素以及挥发性蚀刻产品的特性。
因此本发明包括所有落入本发明权利要求范围中的这些变化、增加、修改和替换。
权利要求
1．一种等离子处理腔体，具有一个腔体衬瓦和一个衬瓦支撑，衬瓦支撑包括一个构造成围绕腔体衬瓦一外表面的柔性壁，柔性壁与腔体衬瓦的壁隔离开。
2．如权利要求1所述的等离子处理腔体，其特征在于，还包括一个加热器，与衬瓦支撑导热连接以从衬瓦支撑向腔体衬瓦传导热量。
3．如权利要求1所述的等离子处理腔体，其特征在于，衬瓦支撑由柔性铝材制成而腔体衬瓦包括一种陶瓷材料。
4．如权利要求3所述的等离子处理腔体，其特征在于，柔性壁包括将衬瓦支撑分隔成多个指状物的槽，指状物使柔性壁可以吸收热应力。
5．如权利要求4所述的等离子处理腔体，其特征在于，衬瓦支撑的一下延伸部固定在腔体衬瓦的一下支撑部上。
6．如权利要求1所述的等离子处理腔体，其特征在于，还包括一个与腔体衬瓦和衬瓦支撑热接触的挡环，挡环限定一个等离子筛，等离子筛围绕一个位于腔体中部中的静电吸盘。
7．如权利要求6所述的等离子处理腔体，其特征在于，挡环由碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、碳化硼(B4C)以及氮化硼(BN)中的一种或多种制成。
8．如权利要求1所述的等离子处理腔体，其特征在于，腔体衬瓦由碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、碳化硼(B4C)以及氮化硼(BN)中的一种或多种制成。
9．如权利要求1所述的等离子处理腔体，其特征在于，腔体衬瓦具有低电阻率并构造成可以提供一个接地的RF路径。
10．如权利要求1所述的等离子处理腔体，其特征在于，还包括一个限定在一静电吸盘上的气体分配板，气体分配板具有高电阻率。
11．如权利要求10所述的等离子处理腔体，其特征在于，气体分配板由碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、碳化硼(B4C)以及氮化硼(BN)中的一种或多种制成。
12．如权利要求1所述的等离子处理腔体，其特征在于，还包括一个集中环和一个支撑集中环以及一个静电吸盘的支座。
13．如权利要求12所述的等离子处理腔体，其特征在于，集中环和支座由碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、碳化硼(B4C)以及氮化硼(BN)中的一种或多种制成。
14．如权利要求1所述的等离子处理腔体，其特征在于，还包括一个集中环、一个支座、和/或一个由碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、碳化硼(B4C)以及氮化硼(BN)中的一种或多种制成的气体分配板。
15．如权利要求11所述的等离子处理腔体，其特征在于，还包括一个通过气体分配板感应耦合RF能并在腔体中产生高密度等离子的RF能源。
16．如权利要求1所述的等离子处理腔体，其特征在于，RF能源包括一平面天线。
17．如权利要求1所述的等离子处理腔体，其特征在于，衬瓦支撑还包括一个与衬瓦支撑的一下延伸部导热连接的外支撑，外支撑与安装在腔体上的一水冷却顶板热接触。
18．如权利要求1所述的等离子处理腔体，其特征在于，腔体是一个等离子蚀刻腔体。
19．如权利要求1所述的等离子处理腔体，其特征在于，衬瓦支撑包括一个上延伸部、一个柔性壁以及一个下延伸壁，其中柔性壁和下延伸部具有多个槽，槽在衬瓦支撑中限定多个指状物。
20．如权利要求1所述的等离子处理腔体，其特征在于，一个浇铸加热器环与衬瓦支撑热接触，加热器环包括一可以加热衬瓦支撑而导热控制腔体衬瓦温度的电阻加热件。
21．一种用于处理如权利要求1所述的等离子处理腔体中的半导体基质的方法，其中一半导体晶片被传送到腔体中而基质的一外露面由高密度等离子处理。
22．如权利要求21所述的处理半导体基质的方法，其特征在于，腔体衬瓦是一种陶瓷材料而衬瓦支撑包括一在衬瓦支撑和腔体的一温控部件之间延伸的外支撑，外支撑的尺寸做成可以减小在处理一批半导体晶片时腔体衬瓦的温度漂移。
23．如权利要求21所述的处理半导体基质的方法，其特征在于，腔体衬瓦是一种陶瓷衬瓦，在处理完预定数量的半导体晶片后陶瓷衬瓦从腔体中被取走并由另一个陶瓷衬瓦替换。
24．如权利要求1所述的处理半导体基质的方法，其特征在于，腔体衬瓦包括一使晶片可以进入腔体中的晶片入口。
全文摘要
本发明公开了一种高密度等离子处理腔,包括一用于保持一晶片的静电吸盘以及抗蚀刻、不易产生污染并且可以温控的消耗件。消耗件包括一个腔体衬瓦,腔体衬瓦具有一个下支撑部以及一个围绕静电吸盘的壁。消耗件还包括一个衬瓦支撑结构,具有一下延伸部、一柔性壁以及一上延伸部。柔性壁构造成围绕腔体衬瓦的壁的外表面,而衬瓦支撑柔性壁与腔体衬瓦的壁隔离开。但是衬瓦支撑的下延伸部构造成与腔体衬瓦的下支撑部直接热接触。另外,一挡环是消耗件的一部分,并构造成可以与腔体衬瓦和衬瓦支撑组装并导热接触。一加热器可以与衬瓦支撑导热连接,用于从衬瓦支撑向腔体衬瓦和挡环导热。在一优选实施例中,腔体衬瓦和挡环由对正在蚀刻的晶片上的材料无害的材料制成。这样,当这些材料暴露给高密度等离子喷射能时,会产生与在晶片表面层的蚀刻过程中产生的挥发性蚀刻产品相似的挥发性产品。然后这些挥发性产品可以从腔体中被去除。
文档编号H01L21/205GK1319247SQ99811286
公开日2001年10月24日 申请日期1999年9月24日 优先权日1998年9月25日
发明者托马斯·E·维克, 罗伯特·A·马拉欣, 威廉·S·肯尼迪 申请人:兰姆研究公司