改变磁场以控制等离子体体积的方法和设备的制作方法

专利名称：改变磁场以控制等离子体体积的方法和设备的制作方法
背景技术：
本发明涉及用于处理诸如集成电路(IC)制造中用的半导体衬底或平板显示器中用的玻璃板等衬底的方法和设备。更具体地，本发明涉及等离子体处理室内的等离子体的控制方法。
等离子体处理系统已面世多年。多年以来，利用感应耦合的等离子体源、电子回旋谐振(ECR)源、电容源等的等离子体处理系统已不同程度地引用到处理半导体衬底和玻璃板。
处理过程中，通常要用多个淀积和/或刻蚀步骤。淀积过程中，多种材料淀积到诸如玻璃或半导体晶片等衬底表面。例如，可在衬底表面形成诸如SiO2的淀积层。相反地，可用刻蚀选择地，从衬底表面上的预定的区域除去材料，例如在衬底的。例如，在衬底的多个膜层中形成诸如通孔、接点或沟槽的刻蚀特征。
等离子体处理的一个特别方法用感应源产生等离子体。图1画出了一个现有的用于等离子体处理的感应等离子体处理反应器100。典型的感应等离子体反应器包括处理室102，它具有设在介质窗106上面的天线或感应线圈104。通常，天线104有效地耦合到第一RF电源108。而且，处理室102内设有气体出口110，它设置成把例如腐蚀源气体等气体源材料释放进介质窗106与衬底112之间的RF感应等离子体区。衬底112引入处理室102中并设在吸盘(chuck)114上，该吸盘114通常起下电极作用，并有效地耦合到第二RF电源116。之后，气体从处理室102底部的排气出口122排出。
为了产生等离子体，处理气体经输气口110输入处理室102。之后，用第一RF电源108给感应线圈104供电，供给的RF能量通过介质窗106并在处理室102内感应大电场。电场加速处理室内存在的少量电子，引起电子与处理气体的气体分子碰撞。这些碰撞导致离子化和产生放电或等离子体118。如众所周知的，处理气体的中性分子经这些强电场作用会失去电子，留下带正电荷的离子。结果，在等离子体118内包含带正电荷的离子、带负电荷的电子和中性的分子(和/或原子)。
一旦形成了等离子体，等离子体内的中性气体分子会向衬底表面移动。例如，扩散(即，处理室内的分子随机运动)可能是有助于中性气体分子存在于衬底表面的机理之一。因此，沿衬底112的表面通常能发现中性物质层(例如，中性气体分子层)。因此，当下电极114通电时，离子向衬底加速移动，它们在衬底与中性物质结合，引起腐蚀反应。
等离子体118主要停留在处理室的上部区域，例如，有效区。但是，等离子体的很多部分会填满整个处理室。等离子体通常进入它能被维持的几乎是处理室内的各个地方。例如，可用磁场来减少等离子体与处理室壁120的接触。如果在界定等离子体的磁场内有多个结点，等离子体会与处理室壁120和其它地方的区域接触。等离子体也会和不需要用等离子体处理物体的区域接触，例如，衬底112的下面的区域123和气体排放口122等非有效区接触。
如果等离子体达到处理室壁的非有效区，就会造成多处刻蚀、淀积和/或腐蚀，这些可能导致处理室内的微粒污染，即，由区域腐蚀或淀积材料剥离。因而，处理过程中要多次清洁处理室，以防止形成过多的淀积物，(例如，由于在处理室壁上淀积聚合物)，和刻蚀的副产品。清洁处理不利地降低衬底产量，通常生产率下降造成生产成本增加。而且，通常造成处理室部件的寿命降低。
而且，处理过程中等离子体与处理室壁的相互作用会导致等离子体中的离子与处理室壁的再结合，因此，在处理过程室内的等离子体的密度下降。在系统中用更大的衬底与RF源之间的间隙使更大的等离子体的相互作用平均并因此造成粒子损失到处理室壁上。为了补偿这些增多的损失，就必须用更大的功率密度以引发和保持等离子体。增大功率密度导致等离子体中更高的电子温度，并继而导致衬底以及处理室的可能的损坏。
最后，处理室内用多种源气的不对称吸入，更好地控制等离子体磁限定设备有助于使等离子体成形和补偿这种不对称吸入。
考虑到上述原因，要求控制处理室内的等离子体的改进的技术和设备。

发明内容
本发明的一个实施例中，涉及处理衬底的等离子体处理设备。该设备包括在其内引发和保持用于处理的等离子体的大致为圆柱形的处理室。处理室至少由一部分处理室壁限定。设备还包括等离子体限定设备。等离子体限定设备包括围绕处理室周边设置的磁矩阵。磁矩阵有相对于处理室径向地并对称地设置的多个磁元件。多个磁元件构型成可以产生第一磁场。
磁场在处理室壁上建立交点(cusp)图形。处理室壁上的交点图形限定等离子体会损害的区域或引起清洁问题的区域。处理室壁上的交点图形移动以改善衬底处理系统的操作，减少因等离子体与壁的相互作用所引起的损害和/或清洁问题。通过移动磁矩阵或移动室壁可以实现交点图形的移动。任何元件的移动可以是连续的(即旋转或平移一个或多个磁元件或全部的或一部分的处理室壁)或者递增的(即定期移动一个或多个磁元件的位置或全部的或一部分的处理室壁)。
本发明的另一个实施例中，涉及用等离子体增强处理在处理室内处理衬底的方法。方法包括用磁矩阵在处理室壁上产生第一磁场和生成交点图形。方法还包括在处理室内产生等离子体和把等离子体限定在至少由处理室和得到的磁场的一部分限定的体积内。方法还包括使交点图形相对于处理室壁移动，以改善衬底处理系统的操作并减少因等离子体与处理室壁的相互作用引起的损害和/或清洁问题。


结合附图用举例方式描述发明，但是，实施例不限制发明，附图中相同的数字指示类似的元件。其中图1示出现有的用于等离子体处理的感应等离子体处理反应器；图2示出按本发明的一个实施例的用可移动的磁矩阵的感应等离子体处理反应器；图3A是图2中所示设备的局部剖视图；图3B是图3A中所示设备的磁元件旋转后的示意图；图3C是图3A中所示设备的磁元件旋转后的示意图；图3D是本发明的另一实施例；图4是用了分开的内处理室壁的本发明的另一实施例；图5是可用在本发明的实施例中的电磁系统的示意图；图6是用在本发明的另一个实施例中的感应等离子体处理反应器的示意图。
具体实施例方式
现在参见附图中所示的优选实施例详细描述本发明。为了充分理解本发明，以下的描述中描述了许多具体细节。但是，对本领域技术人员而言，本发明显然不受这些具体细节中的部分或全部细节的限制。其他实施例中已知的处理步骤的细节不再描述以免使本发明难以理解。
本发明的一个实施例中提供用于处理衬底的等离子体处理设备。等离子体处理设备包括大致为圆柱形的由至少一部分壁限定的处理室，在处理室内引发和保持用于衬底处理的等离子体。
衬底设在等离子体处理室内的吸盘上对衬底进行等离子体处理。给输入处理室的处理气体施加能量并产生等离子体。等离子体将充满整个处理室，移动到有效区域和无效区域。在有效区域和等离子体接触，等离子体中的离子和电子加速向有效区域移动，它们在有效区域表面上与中性反应物化合，与有效区域表面上淀积的材料反应。通过给衬底加RF功率以对衬底进行处理，通常能进一步控制、增强或改善在衬底上它们的相互反应。在无效区中进行少量控制或不进行控制，有可能实现最佳的增强型等离子体反应，能产生相反的处理条件(例如，与诸如不希望产生淀积或刻蚀的处理室壁的一些区域的无保护区域进行反应)。离子、电子和中性物质与反应室内与等离子体接触的有效和无效区域碰撞。在表面处这些离子、电子和中性物质流与表面相互反应引起腐蚀，淀积或更典型的按包括流到表面的离子流部分的组分、温度、能量等多个参数的表面和离子流体部分的复杂平衡。在用于处理衬底的许多化学方法中，沉淀的中性物质在与等离子体撞击接触的表面上具有增大的沉淀速率。为了能清楚地论述，我们将考虑本发明的这些典型情况，即与等离子体接触的有效区会增强等离子体淀积，而无效区只有少量或没有等离子体淀积，从而淀积减少。但这并不限制发明，其他化学性能与实际情况相反，存在等离子体会导致表面腐蚀和少量的等离子体导致淀积。
按本发明的一个方案，通过向处理室内引入磁场能改进等离子体处理反应器内等离子体的限定。移动处理室壁上的磁场和生成的磁交点图形，以减少改变或平衡等离子体向处理室无效区域的不希望的移动，换句话说由静态交点图形产生。更具体的说，磁矩阵，磁矩阵元件，处理室，或处理室的多个部分均能连续或递增地移动，以控制等离子体移动到无效区域内。无效区内存在等离子体会减少处理设备的效率，引起处理室损害和/或增加清洁处理室壁的问题。因此，处理设备更有效地运行，可减少经常清洁处理室壁和减少污染。
尽管不希望受理论约束，但可以相信，例如，可以把磁场构成为影响等离子体中带负电荷的电子或离子和带正电荷的离子等带电荷粒子的方向。磁场的多个区域可以配置成用作反射场(mirror field)，在该处磁力线与带电荷粒子的移动线分量的方向大致平行，同时在该处磁力线密度和磁场强度增大并暂时俘获等离子体(磁力线周围的螺旋线)中的带电荷离子和最终使它们按离开更强磁场的方向改变方向。此外，如果带电荷离子要跨过磁场，跨过磁场力，改变带电荷的粒子的移动方向以转变带电荷的粒子，或抑制跨磁场的扩散。按该方式，磁场能抑制等离子体跨越由磁场限定的区域。通常在包含等离子体方面，跨磁场抑制比反射场更有效。
为简化对本发明的该方案的描述，图2示出用所述可移动的磁矩阵的等离子体处理系统300的范例。图示的等离子体处理系统300的范例作为感应耦合的等离子体反应器。但是，应注意，本发明也可用适合形成等离子体的任何等离子体反应器实施，例如，电容耦合的等离子体反应器或ECR反应器。
等离子体处理系统300包括等离子体处理室302，该室的一部分用处理室壁303限定。为了容易制造和操作简单，处理室302最好构型为大致圆柱形，并具有大致垂直的处理室壁303。但是，应注意，本发明不限于这种处理室构形，可以用其他的处理室构形。
处理室302的外边设置天线装置304(用线圈代表)，其经匹配网络307耦合到第一RF电源306。第一RF电源306构成为给天线装置304供给0.4MHz至50MHz频率范围内的RF电能。而且，天线304与衬底312之间设有耦合窗308。衬底312代表要处理的工件，它可以代表要被刻蚀、淀积或要以其他方式处理的半导体衬底，或要加工成平板显示器的玻璃板。例如，在待决的专利申请09/440418，METHODAND APPARATUS FOR PRODUCING PROCCESS RATES(律师案卷号NoLAM1P125/P0560)，更详细描述了典型的等离子体处理系统中用的天线/耦合窗装置。该文献在此引作参考。
气体注入器310通常设在处理室302内。最好围绕处理室302内圆周设置气体注入器310并安排成释放气体源材料，例如，腐蚀源气体，到耦合窗308与衬底312之间的RF感应等离子体区域。或者，也可以从处理室壁本身的置于壁内的出口释放气体源材料，或设在耦合窗中的喷头释放气体源材料。例如，在待决的专利申请No09/470236，PLAMA PROCESSING SYSTIM WITH DYNAMIC GAS DISTRIBUTI0N，(律师案卷号NoLAMIP123/P0557)更详细描述了典型的等离子体处理系统中用的气体分配系统。该文献在此引作参考。
多数情况下，衬底312引入处理室302中并放到吸盘314上，该吸盘314构型为在处理期间在处理室302中固定衬底。吸盘314可以代表，例如，ESC(静电)吸盘，它用静电力把衬底312固定在吸盘表面。通常，吸盘314起下电极作用，并最好用第二RF电源316加偏置电压。第二RF电源316构成为供给0.4MHz至50MHz频率范围内的RF电能。
此外，吸盘314最好形成大致为圆柱形，与处理设备轴向对准，这样吸盘和处理设备是圆柱对称的。但是，应注意，这不是限制，吸盘的放置应按每个等离子体处理系统的具体设计变化。吸盘314也可以构成为在用于装载和卸载衬底312的第一位置(未示出)和用于处理衬底的第二位置(未表示)之间移动。排气口322设在处理室壁303与吸盘314之间并连接到涡轮分子泵(未表示)。正如本领域技术人员所公知的，涡轮分子泵能使处理室302内保持适当的压力。
而且，在半导体处理的情况中，例如刻蚀处理，必须严格控制处理室内的参量，以保证处理结果的高精度。处理室的温度就是一个这样的参数。由于刻蚀精度(和得到的基于半导体的器件性能)对系统中元件的温度波动极为敏感，所以要求精确控制温度。在待决的专利申请No09/439675，TEMPERATURE CONTROL SYSTEM FOR PLASMAPROCESSING APPARATUS，(律师案卷号NoLAMP124/P0558)，中更详细描述了典型的等离子体处理系统中用的温度控制系统的一个实例。该文献在此引作参考。
此外，在等离子体整个的处理中实现严格控制的一个重要的考虑是用于等离子体处理室的材料，例如用于诸如处理室壁的内表面的材料。另一个重要考虑是用于处理衬底气体的化学性能。可能用于举例的等离子体处理系统的材料与气体二者化学性能的一个例子已在待决的专利申请No09/440794，MATERIALS AND GAS CHEMISTERIES FORPLASMA PROCESSING SYSTEMS，(律师案卷号NOLAMIP128/P0561-1)中更详细描述。该文献在此引作参考。
处理气体经气体注入器310引入处理室302以建立等离子体。之后，用第一RF电源306给天线304供电，在处理室302内产生大电场。电场加速处理室内存在的少量电子，使它们与处理气体的气体分子碰撞。这些碰撞引起离子化，引起气体放电或产生等离子体320。正如领域公知的，处理气体的中性气体分子经这些强电场作用后失去电子，留下带正电荷的离子。结果，等离子体320中包含带正电荷的离子、带负电荷的电子和中性的气体分子。
一旦形成了等离子体，等离子体中的中性气体分子就会向衬底表面移动。例如，有助于在衬底存在中性气体分子的一个机理是扩散，(即，在处理室内分子的随机运动。因此，通常能在衬底表面发现中性物质层(例如，中性气体分子)。因此，当下电极314被加电时，离子向衬底加速移动，它们在衬底与中性物质结合，激发衬底处理，即刻蚀、淀积和/或其它。
图2示出具有按本发明的磁矩阵700的等离子体处理系统300。图3A是按图2所示本发明实施例中3-3线切开的局部剖视图。磁矩阵700包括多个垂直的磁元件702，它们大致从处理室302的项部跨到处理室302的底部。磁矩阵700包括多个垂直的磁元件702，它们相对于处理室302的垂直室轴302A径向对称设置。在优选实施例中，每个磁元件702的横截面通常为矩形，是具有多个纵向实轴的细长杆。重要的轴是图中所示的磁轴702P。每个磁元件有用磁轴702m连接的用北极(N)和南极(S)确定的磁方位。在优选实施例中，磁轴702m沿矩形横截面的长轴。在优选实施例中，在每个磁元件702中的沿细长杆702P的实轴与磁轴702m相互垂直。更优选的是，磁元件702沿处理室的周边轴向定位，它的任意极点(例如N或S)指向处理室302的室轴302A，如图3A所示，即磁轴702m大致在处理室的径向。更优选的是，每个磁元件702的实轴702P大致平行于处理室302的室轴302A。邻近磁元件的磁力线集拢处(即磁元件的南端或北端)形成交点708A。而且，磁元件702沿处理室周围空间偏置，以在每个磁元件702之间形成间隔，间隔的尺寸大致等于矩形横截面的长度。要知道，间隔的大小可按每个等离子体处理系统的具体设计变化。
第一磁元件702的总数量最好等于32，以用于足够处理300mm长衬底的处理室。但是，每个处理室的磁元件的实际数量可按每个等离子体处理系统的具体设计改变。通常，磁元件的数量应足够大，以保证有足够强的等离子体限定磁场来有效限定等离子体。磁元件的数量太少，会在等离子体限定磁场中产生低点，这将造成允许等离子体进一步进入不希望的区域。但是，磁元件的数量太多可降低密度增加，因为，沿磁力线的交点处的损失通常最大。
最好是，但不是必须是，磁元件702被构型为尺寸大约相同和磁通量大约相同的永磁铁。但不限于相同的尺寸和相同的磁通量，有些结构中要求有不同尺寸和不同磁通量的磁元件。例如，50至1500高斯的磁通量适合产生有抑制等离子体移动的足够强度的等离子体限定磁场。影响必需的磁通量和磁铁尺寸的一些因素是气体的化学性能、电功率、等离子体的密度等。永磁铁最好用足够强的永磁材料构成，例如磁性材料系列NdFeB(钕铁硼)或SmCo(钴酸钐)中的一种制成，在一些小的处理室中也可以用AlNiCo(铝、镍、钴和铁)或者陶瓷也可很好地工作。
大多数情况下，还要求磁元件702的磁通量强度必须很高，以能远离磁铁产生显著的磁场强度。如果选择的磁通量太小，会在等离子体限定磁场中产生更大的低场区，因此，等离子体限定磁场不能有效抑制等离子体扩散。因此，最好使磁场最大。最好等离子体限定磁场的磁场强度能有效防止等离子体穿过等离子体限定磁场。更具体地说，等离子体限定磁场的磁通量范围应在15至1500高斯，在50至1250高斯更好，在750至1000高斯最好。
而且，为了能更好使用磁元件产生的磁能，磁元件与处理室之间的距离应最小。即，磁元件越靠近处理室，处理室内产生的磁场强度越大。如果距离大，要达到要求的磁场则需要更大的磁铁。距离范围最好在1/16至1英寸。要知道，距离可按磁元件与处理室之间用的具体材料改变。还需要设间隙以允许磁铁移动。
关于使用的磁场，在衬底附近的磁场最好为零或接近零。衬底表面附近的磁通量会对处理均匀性造成负面影响。因此，等离子体限定装置产生的磁场最好构成为在衬底上产生大致为零的磁场。而且，在排气口322附近最好用一个或多个附加的磁限制矩阵，以进一步增强对处理室302内的等离子体限定。在待决的专利申请NO09/439759，METHOD AND APPARATUS FOR CONTROLLING THE VOLUME OFA PLASMA，(律师案卷号NoLAMlP129/P0561)中更详细描述了排气口限定磁矩阵装置的一个实例。该文献在此引作参考。
按本发明的另一方面，还能设置多个磁通量板，以控制等离子体限定装置的磁元件产生的任何偶然的磁场。磁通量板构型为短路不需要磁场的区域中的磁场，例如，通常突出在磁元件的不用的一边的磁场。而且，磁通量板能改变一些磁场的方向，因而能使更强的磁场引导到需要的区域中。最好是磁通量板使衬底区域中的磁场强度达到最小。因而磁元件能更靠近衬底放置。而且，能实现衬底表面附近的磁场为零或接近零。
注意，尽管优选实施例想要使产生的磁场有限定等离子体的足够的强度，而不用把等离子体屏栅引入处理室，但是，本发明可与一个或多个等离子体屏栅一起用，以增加对等离子体的限定。例如，磁场可用作限定等离子体的第一装置，等离子体屏栅(通常是泵出口322中的穿孔栅)可用做等离子体的第二限定装置。
处理室壁303最好用基本上能抗等离子体环境的非磁性材料制造。例如，可以用SiC，SiN，石英，阳极化铝，氮化硼，碳化硼等构成处理室壁303。
磁矩阵700和磁元件702通过在处理室壁303附近产生室壁磁场704，迫使等离子体密度梯度的实际数量在离开衬底的室壁附近集聚。按该方式，随着等离子体的密度梯度跨衬底312的变化为最小，而进一步增强了均匀性。与许多等离子体处理系统相比，经改进的等离子体处理系统的处理均匀性能达到最大程度。在待决的专利申请NO09/439661，名称为IMPROVED PLASMA PROCESSING SYSTEM ANDMETHODS THEREFOR，(律师案卷号NoLAMlP/P0527)更详细描述了靠近耦合窗和天线的磁矩阵装置的实例，该文献在此引作参考。
如图3A所示，限定磁场704的磁力线706A会聚生成的密度建立多个结点或交点708A，形成关于处理室壁303的交点图形。
由于磁场能抑制带电荷的离子跨磁场扩散，所以，磁场通常能抑制带电荷的离子向大致垂直等离子体移动到处理室壁的移动线的磁场704的部分710A的离子渗透。抑制跨磁场扩散，有助于控制在诸如向处理室壁303的点710A处的等离子体。磁场的大致平行于等离子体移动到处理室壁303的移动线的点是交点708A。此处的磁力线变得更密。该磁力线密度的增加引起也反射等离子体的磁镜作用，但它不能抑制等离子体跨磁场。磁场能增加电子和离子的有效平均自由行程，以改善等离子体的引发和提高功耗效率。引发等离子体只需较低的功率密度。尽管描述了覆盖处理室302中特定的区域和深度时磁矩阵700产生的磁场704，但应了解，等离子体控制场的位置是可以改变的。例如，可按一种常规技术选择磁场强度，以满足有关处理衬底其他性能规范。
按本发明的一个实施例，多个磁元件702在一个元件接一个元件的基础上进行操作，以改变磁矩阵700产生的磁场。以下将描述处理室302内产生的磁场位移的另一方法。
如上所述，磁元件702的磁轴702m相对处理室302径向延伸。如图3所示，优选实施例中的磁元件的极也可以是可变的极取向。即，每个连续的磁元件702向内指的极变换到N-S-N-S-N-S-N-S，以建立磁场704。
可用任何合适的装置709使磁元件702进行物理旋转，包括手动旋转和用机械装置旋转，例如，能适当容纳磁元件702的磁场的传送带或链条系统。正如以下看到的，本行业的技术人员将会发现，用电磁铁可改变磁场的移动路径。
当单个磁元件旋转时，磁场704移动并变化。根据磁元件的原始取向和旋转方向，能引起磁场704中的不同波动。因此，能实现交点图形的不同位移。图3A-3C示出磁元件702按各种旋转图形相对于它们的实轴702P旋转的效果。
有图3A所示结构的第一实施例中，磁元件702围绕处理室的圆周按交替的径向磁轴取向。如箭头712A所示，每个其它的磁元件702按顺时针方向相对于它的实轴702p旋转。其余的磁元件702按反时针方向旋转。图3B示出磁元件702旋转90°后的另一磁场704B。磁元件从图3A所示的位置转动到图3B所示的位置的过程中，磁场的交点从磁元件702的中心附近移动到磁元件702的侧边附近的位置。这就使位于处理室壁303上的大多数等离子体沉积从磁元件702中心附近的区域移动到磁元件702侧边附近的区域。转动另一90°后，磁元件再位于与图3A所示位置相似的位置，在此，尽管磁元件已转动了180°，磁元件702再次建立了与它的起始结构等效的磁场704A。磁场的交点从磁元件702的侧边附近移动到磁元件702的中心附近的位置，这引起淀积在处理室壁303上的大多数等离子体从磁元件702附近的处理室壁303的区域移动到磁元件702的中心附近的区域。磁元件702连续旋转直到回到图3A所示的它们的原始位置为止，完成一次循环。磁元件702可继续经另一个循环直到等离子体衰减为止。
在还是有图3A所示结构的第二实施例中，磁元件702最初还是按交替的径向极取向。如箭头712B所示，但是，每个磁元件702按顺时针方向相对于它的实轴702p旋转。图3C示出磁元件702旋转90°后的变化的磁场704C。相邻的磁元件702有彼此面对的N极和S极，在该点，磁轴702m水平取向。磁元件从图3A所示的位置转动到图3C所示的位置的过程中，磁场的交点从磁元件702的中心附近的位置移动到相邻磁元件702之间的位置。这引起淀积在处理室壁303上的大多数等离子体从磁元件702中心附近区域移动到相邻磁元件702之间的区域。转动另一90°后，磁元件再位于与图3A所示位置相似的位置，在此，尽管磁元件已转动了180°，磁元件702再次建立了与它的起始结构等效的磁场704A。磁场的交点从相邻磁元件702之间的区域移动到磁元件702的中心附近的区域。磁元件702连续旋转直到回到图3A所示的它们的原始位置为止，完成一次循环。磁元件702可继续经另一个循环或许多循环直到等离子体熄灭为止。
本发明第三实施例，以图3D所示的磁元件702开始，其中，磁元件702按恒定的径向极取向建立磁场704D。如图3D所示，恒定的极排列成行(N-N-N-N-N-N或S-S-S-S-S-S)也能用于产生不同的初始静态磁场。如箭头712C所示，每个其他磁元件702按顺时针方向旋转。其余的磁元件702按反时针方向旋转。图3C示出磁元件702旋转90°后的另一磁场704C。磁元件从图3D所示的位置转动到图3C所示的位置的过程中，磁场的交点从磁元件702的中心附近只移动到相邻磁元件702之间的位置。这就使位于处理室壁303上的大多数等离子体沉积从磁元件702中心附近的区域移动到相邻磁元件702之间的区域。转动另一90°后，磁元件702再位于与图3D所示位置相似的位置，在此，尽管磁元件702已转动了180°，磁元件702再次建立了与它的起始结构等效的磁场704B。磁场的交点只从相邻磁元件702之间的区域移动到磁元件702的中心和相邻磁元件702之间的位置，这引起淀积在处理室壁303上的大多数等离子体只从相邻磁元件702之间的区域移动到磁元件702的中心附近的区域和相邻磁元件702之间的区域。磁元件702连续旋转直到回到图3D所示的它们的原始位置为止，完成一次循环。磁元件702可继续经另一个循环直到等离子体熄灭为止。
在以图3D所示的结构开始的第四实施例中，磁元件702再按恒定的径向极取向。如箭头712D所示，但是，每个磁元件702按顺时针方向相对于它的实轴702p旋转。图3B示出磁元件702旋转90°后的改变磁场704D。在该点相邻的磁元件702有彼此面对的N极和S极。磁元件从图3D所示的位置转动到图3B所示的位置的过程中，磁场的交点从磁元件702的中心附近的位置和相邻磁元件702之间的位置移动到磁元件702侧边附近的位置。这引起淀积在处理室壁303上的大多数等离子体从磁元件702中心附近区域和相邻磁元件702之间的区域移动到磁元件702侧边附近的区域。转动另一90°后，磁元件再位于与图3D所示位置相似的位置，在此，尽管磁元件已转动了180°，磁元件702再次建立了与它的起始结构等效的磁场704B。磁场的交点从磁元件702侧边附近的区域移动到磁元件702的中心附近的区域和相邻磁元件702之间的区域。磁元件702连续旋转直到回到图3D所示的它们的原始位置为止，完成一次循环。磁元件702可继续经另一个循环直到等离子体熄灭为止。
在处理的优选实施例中，在单个等离子体处理步骤中能周期变换使用上述实施例中的一个，因此，在单个等离子体处理步骤中能使磁场的交点图形的移动在一个循环以上。更优选的是，本实施例中，在单个等离子体处理步骤中能使磁场的交点图形的移动经过10个循环以上。在处理的另一实施例中，在单个等离子体处理步骤中能使用上述实施例中的一个循环，因此，在单个等离子体处理步骤中磁场的交点图形的移动只能经过一个周期。不同处理的这些实施例中，交点图形可以连续或递增的移动因此使交点图形暂时静止。根据处理步骤适当选择变化。如上所述，例如，沿处理室壁的淀积深度和组分可随电场变化而变化，在随后的清洁步骤中它将有利于改变磁场，以增强从第一构形生成的淀积图形的清洁。
不是图3A-3D所示构形的，磁元件的其它构形也能用于本发明的实践中，只要生成的磁场有水平对称径向梯度，其中，全部磁元件的N-S磁轴702m在处理室壁303上建立多个交点图形，在处理室壁附近生成高磁场，在衬底建立低磁场即可。如实施例所示，衬底上的弱磁场和处理室壁附近的强磁场允许在衬底处的磁场强度有原始径向梯度。此外磁场原始梯度是径向的从衬底的上和下边贯穿处理室。
适当设计磁场能在衬底上形成完全对称的和中性化学性能的等离子体，因而能得到对称的处理结果。但是，随着处理要求的提高有时可能足够敏感以致由于静态磁场的周期性的细微影响在衬底处理的结果中是可见的。由于等离子体中的带电荷离子不允许磁场中的磁力线结构随时间变化很容易地会聚，因此，在旋转改变交点图形，进一步感到磁场704的平均容装功能更均匀。与交替交点接触的处理室壁的每个部分有平均值相同的离子、电子、和中性粒子流，因此产生更均匀的衬底产物。同样的能消除整个衬底上的腐蚀特性或壁特性变化。
图5画出了能用作图2-3D所示的磁元件702的电磁铁系统904。电磁铁系统904包括第一电磁铁908，第二电磁铁912和电控制器916。第一和第二电磁铁908和912每个都包括至少一个电流回路，图中为了清楚只画了一个电流回路。操纵中，电控制器916在第一电磁铁908中提供第一电流800，以建立第一磁场806，和在第二电磁铁912中提供第二电流802，以建立第二磁场804。用电控制器916随时改变第一和第二电流800和802的大小和方向，第一和第二磁场806和804合成的总和产生与图2-3D所示的磁元件702产生的旋转磁场相同的旋转磁场。本实施例表明，用是电磁铁的磁元件702能控制磁场移动。电磁铁具有控制磁通量的优点，因此，能进行更好的处理控制。但是，电磁铁使系统制造更复杂。发明的本实施例中，供给磁矩阵700的电流能控制磁场的强度和取向。当然，电磁铁磁元件702也能按与永磁铁相同的方式实际操作，以达到在磁场中要求的调制。
本发明的另一实施例中，多个单独的磁元件702相互保持物理的和磁的取向，但是被移动而不作为相对于处理室302和处理室壁303一个单元。用于移动磁矩阵700的装置709也可以是任何合适的手动装置或机械设备。磁元件702的起始位置与图3A-3D(最好是图3A或3B)所示的磁元件702位置相同，既可以是交替的径向极取向，或者是不变的径向极取向。不是每个磁元件702分别旋转，磁矩阵700绕处理室302的轴302A旋转。磁矩阵700的这种旋转将导致由磁矩阵700施加在壁303上的交点图形相对处理室壁303相同的旋转。当磁元件702单独旋转时，磁场(704A或704B)的磁力线不相互改变。而代之以磁场整体移动。相对处理室02的轴302A进行完全旋转或用等于磁场周期的适当部分进行部分旋转。
而且，作为一个单元的整个磁矩阵700的旋转在处理室302内产生比用静态磁矩阵产生更均匀的磁场。处理室壁303上没有单个区域或区域受到比其它地方更多或更少的影响。而且，磁场对反射和扩散的抑制性能与等离子体中的带电粒子更一致。除了能减少对处理室壁的损害和清洁问题之外，增强处理室302内的等离子体的限定(减少对室壁的损耗)，还允许处理过程中用更低的功率水平保持等离子体，或者延长处理室302的长度，用相同的功率能得到与早先的处理系统相比，更大的平均自由行程，能更好地碰撞衬底。
在本发明的另一实施例中，磁元件702能单独径向移动，如图3A中箭头750所示。磁元件702在径向对称地移动，它先减弱，之后，增强磁桶。磁场中的这种变化建立更均匀的磁场，在处理室壁上引起更均匀的淀积。此外，磁铁径向移动增大或减少磁限定效率并因此能改变等离子体的径向扩散形状。
在本发明的另一实施例中，磁矩阵700可以保持静止位置，处理室壁303可以全部或部分移动或旋转。考虑到转动整个处理室303的复杂性，它可移动整个处理室303，可使用内室的壁305。如图4所示，内处理室的壁305，而不是外处理室的壁303，将是等离子体接触的处理室的元件。而且，可按需要，用适当的装置309移动处理室的内壁305。可选择形成衬套的合适的(或者是可淀积的)材料作为处理室的内壁305。
图6示出本发明的另一个实施例。在图6中处理室502的壁503由多个环形磁元件550包围，其中，每个环形磁元件550包围处理室壁503的周围。环形磁元件550交替，因此一些环形磁元件的磁北极在环的内部，它们的磁南极在环的外部，另一些环形磁元件的磁北极在环的外部，它们的磁南极在环的内部。磁通量板556形成放在环形磁元件550周围的部件。衬底512放在吸盘514上。RF电源给天线装置504供电，它给腐蚀气体供能，以形成等离子体520。如图示的，磁元件550建立带交点图形的磁场560。本实施例中交点图形主要不平行于处理室轴。但大致垂直于处理室轴。本发明的另一个实施例中，环形磁元件的磁极可按指向邻近的多个轴方向交替(与图3C类似)，或按指向径向方向不交替(与图3d类似)。本发明的该实施例中，用箭头580指示磁通量板556的径向移动。磁通量板556的移动引起磁场560移动。本实施例中，在等离子体处理步骤中，磁通量板556可移动到靠近磁元件550，以在等离子体处理中增大处理室壁503的磁场，之后，再从磁元件550移动以在清洁步骤中减少处理室壁503附近的磁场。
上述的全部实施例公开了用多个磁铁在处理室壁上产生多个交点图形，和相对于处理室壁改变多个交点图形的方法和设备。经过一个时间周期使交点图形回到原始位置。通过移动多个单独的磁铁，或多个磁铁作为磁铁组移动，通过改变电磁铁中的电流，移动磁通量板，或使处理室壁相对磁铁移动可产生变化的图形。移动处理室壁可以是移动整个处理室壁或移动形成为外处理室壁的内衬的内处理室壁。
从上述内容看到，与现有技术相比，本发明有许多优点。例如，本发明提供的限定等离子体的磁场的均匀性更好。因而，磁场能更有效地防止等离子体移动到处理室的无效区。更重要的是，等离子体能更好地控制到规定的体积和处理室内规定的区域内。按此方式，能获得更均匀的等离子体密度，结果，能产生更均匀的处理，即，腐蚀过程中衬底的边缘和中心有大致相同的腐蚀速度。此外，磁场移动改变交点相对处理室壁的位置。这就允许等离子体穿过交点沿处理室壁延伸，允许更均匀地清洁处理室壁。此外，离开交点区域的室壁部分会接受中性粒子涂层。通过移动磁场，带电的粒子涂层会加到中性粒子涂层上，这使处理室壁更容易清洁。而且，根据不同的处理条件用磁铁的不同移动能调节等离子体的均匀性。通过改变磁场还能调节处理室内的离子和电子的平均自由行程。这能改善等离子体的化学性能并能用作清洁处理室壁或处理衬底的碰撞处理的参数。
尽管已用几个优选实施例描述了本发明，在本发明范围内还有一些替换，变更和等效物。注意，还有许多实施本发明方法和设备的其他方式。这些替换，变更和等效物均落入后附的权利要求书界定的发明精神和发明范围内。
权利要求
1.用于处理衬底的等离子体处理设备，包括处理室，它至少部分地通过室壁限定，在该处理室内引发和保持用于所述处理的等离子体；围绕所述处理室周边设置的具有多个磁元件的磁矩阵，所述多个磁元件构型为可产生磁场，在所述室壁上建立多个交点图形；和一个用于相对所述室壁改变所述交点图形的装置，该室壁在多个磁元件与处理室之间连接。
2.如权利要求1所述的设备，其中，在处理室内还包括吸盘，用于在所述的处理室内支持所述衬底。
3.如权利要求1-2所述的设备，其中，磁场有方位角对称径向梯度。
4.如权利要求1-3所述的设备，其中，所述多个磁元件是永磁铁。
5.如权利要求1-3任意一项所述的设备，其中，所述磁元件是电磁铁。
6.如权利要求1-5任意一项所述的设备，其中，所述用于改变所述交点图形的装置连续地改变所述室壁上的交点图形。
7.如权利要求1-5任意一项所述的设备，其中，所述用于改变交点图形的装置递增地改变所述室壁上的交点图形。
8.如权利要求1-7任意一项所述的设备，其中，所述用于改变交点图形的装置包括用于移动至少一个所述磁元件的装置。
9.如权利要求8所述的设备，其中，所述用于移动至少一个磁元件的装置包括用于单独移动多个所述磁元件的装置。
10.如权利要求9所述的设备，其中，所述用于移动多个磁元件的装置包括用于以交替图形旋转所述多个磁元件的装置。
11.如权利要求9所述的设备，其中，所述用于移动多个磁元件的装置包括用于以相同方向旋转所述多个磁元件的装置。
12.如权利要求8所述的设备，其中，所述用于移动至少一个磁元件的装置包括用于相对所述处理室移动作为一个单元的所述磁矩阵的装置。
13.如权利要求12所述的设备，其中，所述用于移动磁矩阵的装置包括用于围绕所述处理室旋转所述磁矩阵的装置。
14.如权利要求12所述的设备，其中，所述用于移动磁矩阵的装置包括用于从所述处理室移近和移远所述磁矩阵的装置。
15.如权利要求1-14任意一项所述的设备，其中，所述用于改变交点图形的装置包括用于在所述磁场内移动所述处理室壁的至少一部分的装置。
16.如权利要求15所述的设备，其中，所述用于移动处理室壁的至少一部分的装置包括用于在所述磁场内旋转所述室壁的装置。
17.如权利要求15所述的设备，其中，所述用于移动处理室壁的至少一部分的装置包括用于移动处理室壁的一部分的装置，所述部分的处理室壁是形成衬套的处理室内壁。
18.如权利要求1-17任意一项所述的设备，其中，所述用于改变交点图形的装置包括用于在所述磁场内移动所述磁通量板的至少一部分的装置。
19.一种用于在处理室内处理衬底时控制等离子体体积的方法，所述处理室至少部分地由室壁限定，该方法采用等离子体增强处理，包括用磁矩阵在所述处理室内产生磁场，所述磁场在所述处理室壁上建立交点图形；在所述室壁上移动所述交点图形；在所述处理室内的等离子体区内产生和保持等离子体；和将所述等离子体限制在由所述室壁和磁场的一部分至少部分地限定的体积内。
20.如权利要求19所述的方法，还包括将衬底安装在所述吸盘上的步骤，使所述衬底处在所述等离子体区内。
21.如权利要求19-20任意一项所述的方法，其中，磁场具有方位角对称的径向梯度。
22.如权利要求19-21任意一项所述的方法，其中，产生所述磁场的步骤包括提供多个设在所述室壁周围的磁元件的步骤，其中，所述移动交点图形的步骤包括移动至少一个所述磁元件的步骤。
23.如权利要求22所述的方法，其中，移动至少一个所述磁元件的步骤包括以交替方向单独旋转多个磁元件的步骤。
24.如权利要求22所述的方法，其中，移动至少一个所述磁元件的步骤包括以相同方向单独旋转所述多个磁元件的步骤。
25.如权利要求22所述的方法，其中，移动至少一个所述磁元件的步骤包括移动作为单个矩阵的多个磁元件的步骤，所述矩阵绕所述处理室旋转。
26.如权利要求19-25任意一项所述的方法，其中，移动所述交点图形的步骤包括移动所述处理室壁的至少一部分的步骤。
27.如权利要求19-26任意一项所述的方法，其中，移动所述交点图形的步骤包括移动所述磁通量板组件的至少一部分的步骤。
全文摘要
一种等离子体限定设备，用于当在处理室内处理衬底时用于控制等离子体体积，其包括处理室，在该处理室内引发和保持处理衬底的等离子体。该处理室至少部分地由室壁限定，还包括等离子体限定装置。等离子体限定装置包括围绕处理室周边设置的磁矩阵，其构型为可产生在处理室壁上建立交点图形的磁场。处理室壁上的交点图形限定等离子体可能会损害以及会产生清洁问题的区域。移动交点图形以改善衬底处理系统的操作并减少因等离子体与室壁的相互作用引起的损害和/或清洁问题。既可通过移动磁矩阵或移动处理室壁实现交点图形的移动。磁元件的移动可以是连续的，即旋转一个或多个磁元件或旋转全部或部分处理室壁，或递增的，即周期地移动一个或多个磁元件的位置或全部或部分室壁的位置。
文档编号H01J37/32GK1432189SQ01810248
公开日2003年7月23日 申请日期2001年3月16日 优先权日2000年3月27日
发明者A·D·拜利, D·J·赫姆克尔 申请人:兰姆研究有限公司