专利名称：产生电感耦合等离子体的设备及其方法
技术领域：
本发明涉及产生干蚀刻或薄膜沉积设备中使用的电感耦合等离子体(ICP)的设备，更具体地，涉及产生适于在腔室的侧壁上形成线圈的ICP的设备和方法，以增强腔室侧壁上的磁场，从而增加腔室中的等离子体密度，并提高等离子体密度的一致性。
背景技术：
设计半导体制造程序中的蚀刻方法来通过光阻图案有选择地移除薄膜，并分类为干蚀刻方法和湿蚀刻方法。湿蚀刻方法的不利之处是，包含在舟皿中的晶片浸入充满蚀刻溶液的容器中，且敞开区域的薄膜与蚀刻溶液发生化学反应而移除。由此，获得侧面蚀刻的外形。
相反，干蚀刻方法已发展来形成精细图案，且使用蚀刻气体取代蚀刻溶液。广泛应用于半导体制造的干蚀刻方法之一是利用等离子体的等离子蚀刻技术。
由正离子、负离子和中性粒子组成的等离子体其电和热特性方面完全不同于常规条件下的气体，以致于等离子体被称为物质的第四态。就是说，等离子体包含离子化的气体，且当施加磁场或电场时，等离子体粒子是等离子体，由此在固体的表面引起化学或物理反应。
等离子体分为两类一种是低温辉光放电等离子体，温度约为几万摄氏度，密度为109至1010/立方厘米；另一种是超高温核聚变等离子体，温度超过一千万摄氏度，密度为1013至1014/立方厘米。用于半导体蚀刻或蒸发的等离子体是低电离度的低温辉光放电等离子体，包含约90％的中性气体。
现在，因为随着半导体设备集成水平的提高，对精细加工的要求是严格的，所以，干蚀刻方法逐渐被采用，它使用在半导体处理中产生高密度等离子体的等离子体设备。就是说，为得到亚微米水平的精细图案，等离子体内的平均自由路径应被加长，以获得高密度等离子体所需的各向异性的蚀刻分段表面。
此外，随着每个直径超过8英寸的大尺寸晶片的不断使用，等离子体密度的一致性的要求也在增长。尤其是，如TFT-LCD、PDP、FED等的各种类型的平面显示器的制造过程中，使用大尺寸的基板作为测试样本，这样，等离子体的高密度不但在中心，而且在腔室的边缘也保持一致是非常重要的。
高密度等离子体包括应用谐振现象的电子回旋共振(ECR)等离子体，使用螺旋或啸声波的螺旋等离子体(helicon plasma)，和使用高温与低压的电感耦合等离子体(ICP)。ECR等离子具有一个优势，它可在低压下产生高密度等离子体，同时也有一个缺点，它难以形成一致的等离子体分布。螺旋等离子体的优点是，电场和磁场的能量可被复合地激励，这样具有一致分布的高密度等离子体可被小规模地产生，但其缺点是难以希望在大区域内得到一致的分布。同时，ICP利用围绕线圈形成的磁场增加电子的碰撞可能性，由此获得高密度等离子体。
传统ICP的结构和操作原理将参考图1或2说明。
等离子体发生设备形成有包含等离子体的腔室108，且腔室108通过腔室壁与大气隔离以保持真空状态。腔室108包括供应反应气体的气体入口106、维持腔室内真空状态以及当反应完成时用于排出反应气体的的真空泵112和气体出口114。
此外，腔室108包括卡盘116，用于安装如晶片或玻璃基板的测试样本110，以及在其上面(图1)或在侧表面(图2)连接高频电源100的天线102。在天线102和腔室108之间安装有石英板104，以阻止天线102与等离子体之间的电容耦合，这样，高频电源100的能量只有通过电感耦合才能传送给等离子体。
这里所述的等离子体发生设备中，真空泵112开始是从腔室108排出空气，且产生等离子体的反应气体从气体入口106供给。然后对天线102施加高频电源100。当电源接通时，产生与由天线102形成的平面正交的且随时间变化的磁场，且变化的磁场在腔室108内产生一个感应电场。感应电场用于对腔室108内的气体粒子加速，且加速后的气体粒子发生碰撞以在其中产生离子和原子团。产生的等离子状态的离子和原子团用于测试片的蚀刻和蒸发。
然而，产生于腔室内的等离子状态的离子和原子团有一个缺点，它们与反应腔室的侧壁碰撞而消失，这样不可能获得高密度的、高一致性的超过预定量的等离子体。
传统上，为克服上述问题，永久磁铁200安装在反应腔室108的外壁上，在此，通过永久磁铁200形成的磁场防止腔室内的离子或电子与反应腔室的侧壁发生碰撞，由此如图3所示，以获得高密度的等离子体。
以上方法在腔室内所形成的离子或电子可保持在等离子体中。结果，在等离子体内离子和电子碰撞更频繁，增加了等离子体的密度。
然而，在所述结构有一个缺点，即永久磁铁是另外安装的，使结构复杂化，而当根据处理的特性需要调节等离子体的密度和一致性时，永久磁铁不能轻易更换，由此在尝试其它过程或研发新过程时受到许多限制。
发明内容
公开本发明的实施例是为了解决上述问题。本发明的目标是提供产生等离子体的设备，如在一个简单的结构中构造的电容耦合等离子体和电感耦合等离子体，而没有在腔室的侧壁上安装的永久磁铁，以防止等离子体中的带电粒子与腔室内侧壁发生碰撞，并产生高密度等离子体。
本发明的另一个目标是提供产生等离子体的设备，如用安装并一致地分布在腔室的侧壁上的线圈配置成电容耦合等离子体和电感耦合等离子体以使得等离子体不管在腔室内部的位置如何，其密度保持一致。
本发明的另一个目的是提供产生等离子体的设备，如用一致排列在腔室侧壁上的电感耦合线圈配置成电容耦合等离子体和电感耦合等离子体，以允许施加到电感耦合线圈的电源可以调节，因而可提高蚀刻或沉积处理的灵活性。
本发明的另一个目的是提供产生诸如电容耦合等离子体和电感耦合等离子体的等离子体设备，以配置来使位于腔室上面的天线连接到分布在腔室内侧壁的线圈，以允许二者被一单电源驱动，由此简化了机构，并产生更高密度的等离子体。
本发明的再一个目标是提供产生高密度与高一致性的如电容耦合等离子体和电感耦合等离子体的等离子体的方法。
本发明的再一个目标是提供产生等离子体的方法，如电容耦合等离子体和电感耦合等离子体，配置来调节腔室内等离子体的密度或一致性，由此，可对使用等离子体的蚀刻和沉积处理提供灵活性。
根据本发明的这些目标，提供产生电感耦合等离子体的设备，该设备包括一个高频电源；从高频电源接收高频能量的天线；包含由天线产生的电磁场而产生的等离子体的腔室；沿腔室的侧壁一致且分散分布的线圈；以及将能量提供给线圈的一个线圈电源，其中线圈产生电磁场把等离子体与腔室的侧壁分离。
根据本发明，线圈一致且分散地分布在腔室的侧壁上，线圈电源施加到线圈以产生电磁场，由此等离子体中的带电粒子被束缚而不会通过与腔室碰撞而消失，由此产生高密度等离子体。
特别是，这里有一个优点，即线圈一致且分散地延腔室的侧壁分布，使线圈的分布形状在等离子体的一致性上的影响所造成的不好后果最小化，这样可避免等离子体密度的减小和靠近腔室侧壁的非一致性，由此使等离子体密度更加一致。
为更充分理解本发明的性质和目标，结合附图参见下文中的详细说明图1是根据现有技术产生电感耦合等离子体的设备的示意性结构图；图2是根据现有技术产生电感耦合等离子体的设备的示意性结构图；图3是根据现有技术利用永久磁铁产生电感耦合等离子体的设备的示意性结构图；图4是根据本发明实施例的产生电感耦合等离子体的设备的示意性结构图；图5是表示图4中所示线圈周围形成的磁场的方向的示意图；
图6是表示根据本发明实施例的产生电感耦合等离子体的设备的示意图；图7是表示根据本发明实施例的一种形式的线圈的图示；图8是用来显示根据本发明实施例产生电感耦合等离子体的设备的示意图，该设备被线圈多次缠绕。
具体实施例方式
如图2所示，在过去使用的采用表面波等离子体的等离子体发生设备公开在Smullin and Chorney(1958)与Trivelpiece and Gould(1959)。Moisan and Zakrzewski(1991)利用该设备在天线频率为1MHz至10GHz产生等离子体。这些发明人利用一个与本发明的侧面线圈相似形状的线圈来产生等离子体。然而，因为这些设备对此是不适合的，所以在此所述的等离子体发生设备并不用在半导体加工中。
原因在于当等离子体发生设备用于通过表面波等离子体产生等离子体时，L/R比率[R(腔室半径)与L(侧壁的垂直长度)的比率]应足够大，以使能量被等离子体适当吸收(参见Libermann的13章，Principlesof plasma discharges and materials and processing(等离子电荷、材料和加工的原理))，且这样腔室应是很长的使得等离子体发生设备十分庞大。
为对比起见，本发明中的大的L/R比率并不必要，由此消除了上述问题，因为本发明的主要目标不是为侧面线圈施加电源和在腔室内产生等离子体。本发明的主要目标是通过侧面线圈形成一个位于侧壁的磁场，利用磁场防止腔室内形成的等离子态的电子和离子与腔室的侧壁发生碰撞而消失，由此提高等离子体的密度和一致性。
此外，当低频直流电DC或AC用作施加到线圈的电源时，反射能源没有引起任何问题，因为侧面线圈产生的电抗(ωL)较小，且与施加到腔室内上部线圈的电源也没有发生耦合的问题。
也就是说，在本发明中，通过施加高频电源的腔室内的上部天线产生等离子体，而腔室内产生的等离子体的一致性由腔室内的侧面线圈来调节。尤其，随着晶片尺寸变大，等离子体的一致性得到更多的关注和重视，这样本发明在这方面可带来十分有用的结果。
同时，磁场强度与距导体，如线圈的距离成反比降低，这样，带电粒子的方法极大地限制在靠近线圈的腔室侧壁上。但是，带电粒子相对容易地与没有放置线圈的腔室侧壁相碰撞而消失。结果，等离子体的密度相对于这些位置没有一致形成。为了防止以上问题，线圈缠绕成矩形、圆形、三角形或正弦波形样式，以增强线圈周围的受到削弱的磁场强度，这样不论位置如何，可形成一致强度的等离子体。
然后，参考图4和5，详细描述本发明的构造和操作。图4与图1的构造相同，除了有电源300和线圈302，这样省略掉同样构造的说明，只描述电源300和和线圈302。
由高频电源100和天线102在腔室108内的产生的等离子体通过扩散与腔室108的侧壁碰撞。然而，当对线圈302施加电源时，形成如图5所示的磁场，且具有正和负电倾向的等离子体内的带电粒子受磁场的影响而与腔室108的侧壁隔离。尤其是，当电流流过没有放置线圈302的域400，以对应施加的按图5中指出的方向的电源，因为域400的磁场由于加入由作为线圈302的一部分的导体(A)和另一个导体(B)所产生的磁场而增强，所以即使远离线圈302，其磁场的强度也没有被削弱。由于在此提到的原因，腔室内的等离子体可维持高密度和高一致性。
此外，在本发明中，可以调节施加到线圈的电源强度和频率，这样，等离子体的强度和一致性可相对于使用等离子体的蚀刻或沉积处理特点而调节。由于等离子体的强度和一致性的可调节性，本发明的优点在于可容易地达到新处理的设计，而不用考虑处理腔室的配置。尤其是，这一优点可具有用永久磁铁的传统技术不能体现出来的特殊效果。
同时，根据本发明产生电感耦合等离子体的设备，可以通过使用图6所示的相同电源100驱动线圈302和天线102以在其构造上进一步简化。
然而，在这种情况下，施加到天线102的电源100应该由高频电源构成。这是因为天线102不能连接到DC电源。因此，同样的高频电源应施加到天线102。换句话说，如果天线102和线圈302由分离的电源来驱动，施加到线圈302的电源可以是AC或DC，但当线圈302由相同电源驱动时，线圈302只能使用AC电源。
如图7所示，线圈可形成为各种形式，如矩形、圆形、三角形或正弦波形。这些形状的线圈可带来如图5所示的域400内的磁场增强效果的同样效果，且线圈绕线的尺寸和数量可由处理条件、腔室的大小等决定。图8显示根据处理条件或腔室尺寸的多次缠绕的线圈。
尽管本发明是由优选实施例来描述的，本发明可在不偏离其基本特性的精神的条件下，体现为多种其它的形式，且因为本领域技术人员将认识到在所附权利要求的精神和范围内的显著改进，所以这些实施例是说明性的，而不是限制性的。
本发明这样布置线圈以允许在域400内相互增强其磁场，而替代现有技术中使用的永久磁铁。结果，可以省掉用于在传统设备中产生电感耦合等离子体的永久磁铁，而由线圈提高等离子体的密度和一致性。
此外，形成在线圈周围的磁场可随着施加到线圈的电源300的强度和频率的变化而改变，这样，蚀刻或沉积设备处理条件的变化导致的等离子体的变化可以容易地处理，且提高了蚀刻或沉积处理的灵活性。
应指出的是放置在用于产生电感耦合等离子体的传统设备内的腔室上面的线圈和侧壁的线圈可以连接为联合的并制成一个线圈，这样简化了等离子体发生设备的结构。
权利要求
1.一种产生等离子体的设备，该设备包括一个高频电源；从所述高频电源接收高频能量的一个天线；包含由所述天线制造的电磁场而产生的等离子体的一个腔室；沿所述腔室的侧壁一致且分散排列的一个线圈；给所述线圈提供电能的线圈电源，其中所述线圈产生电磁场用于从所述腔室的侧壁分隔所述等离子体，防止在所述腔室内产生的等离子体与所述腔室的侧壁发生反应。
2.如权利要求1的所述设备，其中所述线圈可沿所述腔室的侧壁缠绕成矩形、圆形、三角形或正弦波形，以增强所述线圈之间的磁场。
3.如权利要求1或2的所述设备，其中所述线圈电源是DC或AC电源，且其强度和频率可根据使用所述等离子体的蚀刻或沉积处理中的处理特性而调节。
4.如权利要求1或2的所述设备，其中所述线圈在所述腔室外壁上缠绕至少超过一次。
5.如权利要求1或2的所述设备，其中所述天线和所述线圈由相同电源驱动。
6.一种产生等离子体的方法，该方法包括步骤激励真空泵以排出所述腔室内的气体，使所述腔室成为真空；将反应气体供应到气体入口；对位于所述腔室上面的天线施加高频电源，以在所述腔室内产生等离子体；以及对沿所述腔室的侧壁分散且一致排列的所述线圈施加线圈电源，以允许所述等离子体与所述腔室的侧壁隔离。
7.如权利要求6的所述方法，其中所述线圈电源是DC或AC电源，且其强度和频率可根据使用所述等离子体的蚀刻或沉积处理的处理特点而调节。
8.如权利要求6或7的所述方法，其中所述天线和所述线圈由相同电源驱动。
全文摘要
产生电感耦合等离子体的设备及其方法，其中线圈一致且分散地排列在一个腔室的侧壁上，替代在现有设备中的安装在腔室的一个外壁上的永久磁铁，这样放置线圈以允许线圈形成的磁场在线圈的中心部分互相增强，这样腔室内产生的带电粒子相对腔室的侧壁有效分隔，由此可以产生高密度和高一致性的等离子体。施加到线圈的电源的强度和频率可以调节使得能够根据使用等离子体的蚀刻或沉积处理中所需的处理特性，调整腔室内产生的等离子体的密度和一致性，这样，为使用等离子体的处理提供了灵活性，且新方法的设计可不受处理腔室配置的限制。由于省掉了永久磁铁，本发明在结构上进行了简化，因此极大地降低了制造成本。
文档编号H01J37/32GK1630936SQ03803544
公开日2005年6月22日 申请日期2003年2月7日 优先权日2002年2月8日
发明者权光虎, 沈载琦 申请人:权光虎