用于调整带电的法拉第屏蔽上的电压的方法

专利名称：用于调整带电的法拉第屏蔽上的电压的方法
技术领域：
本发明通常涉及半导体制造，更具体涉及用于调整带电的法拉第屏蔽上的电压以控制在电感耦合等离子体刻蚀反应室中等离子体性能的设备与方法。
现有技术在半导体制造中，刻蚀工艺很普遍且不断重复的执行。如本领域技术人员公知的，存在有两种刻蚀工艺，干法刻蚀与湿法刻蚀。干法刻蚀通常利用电感耦合等离子体刻蚀设备来执行。
图1显示根据现有技术的电感耦合等离子体刻蚀设备100。电感耦合等离子体刻蚀设备100包含刻蚀反应室101，其结构是由反应室壁102与反应室窗104所界定。反应室壁102通常由不锈钢所构成，然而也可以利用其他适合的材料。反应室窗104通常由石英制成，然而，也可以利用其他材料如氧化铝(Al2O3)、氮化硅(Si3N4)、氮化铝(AlN)、碳化硅(SiC)及硅(Si)。反应室窗104对反应室壁102提供了真空密封。半导体晶片(即晶片)110被固定于放置在刻蚀反应室101的底部内表面上的夹盘108上。线圈116与金属屏蔽112位于反应室窗104之上。线圈116通过绝缘垫片(未示出)固定于刻蚀反应室101上。线圈116是由导电材料所制成且至少包含完整的一匝线圈。图1中所示的线圈116包含三匝线圈。具有“×”的线圈116符号表示线圈116往页面里旋转延伸。相反的，具有“●”的线圈116符号表示线圈116往页面外旋转延伸。金属屏蔽112利用绝缘垫片114以一分离的间隔固定于线圈116之下。金属屏蔽112设置于紧邻反应室窗104之上。线圈116、金属屏蔽12、与反应室窗104被设置为基本上互相平行。此外，线圈116与金属屏蔽112经由一分接头118而电连接。
图2显示根据现有技术，电感耦合等离子体刻蚀设备100的基本操作原理。在操作当中，反应气体从气体导入口(未示出)流过刻蚀反应室101至气体排出口(未示出)。然后高频功率(即射频(RF)功率)由电源(未示出)施加至线圈116，以产生流过线圈116的RF电流。流过线圈116的RF电流在线圈116周围产生电磁场120。电磁场120在刻蚀反应室101内产生了感应电流122。感应电流122作用于反应气体从而产生了等离子体123。高频功率(即射频功率)由一电源(未示出)施加至夹盘108以对等离子体123提供定向性，使得等离子体123被往下拉到晶片110的表面上而进行刻蚀工艺。
等离子体123包含各种以正和负离子的形式存在的自由基。使用各种形式的正和负离子的化学反应来刻蚀晶片110。在刻蚀工艺中，线圈116执行与一变压器中的第一线圈类似的功能，而等离子体123执行与一变压器中的第二线圈类似的功能。
刻蚀工艺所产生的反应产物可能为挥发性或非挥发性。挥发性的反应产物伴随着使用的反应气体透过气体排出口而排出。然而，非挥发性的反应产物通常会残留于刻蚀反应室101中。非挥发性的反应产物可能会粘附至反应室壁101与反应室窗104。非挥发性的反应产物粘附至反应室窗104会干扰刻蚀工艺。沉积导电的非挥发性反应产物于反应室窗104上会电屏蔽刻蚀反应室101的内部区域，使其免受线圈116附近所产生的电磁场120的影响。因此，等离子体123将无法良好轰击，必须中断刻蚀工艺，直到从反应室窗104中除去该沉积物。此外，过多的沉积物会造成由反应室窗104落到晶片110上的颗粒，因此干扰了刻蚀工艺。因此，过多的沉积物需要更经常地清理刻蚀反应室101与反应室窗104。
非挥发性反应产物沉积于反应室窗104上的现象可通过对反应室窗104溅射等离子体以去除沉积物而缓和及避免。为了避免等离子体123中的非均匀性，此溅射应该在整个反应室窗104中以一均匀的方式进行。不均匀的沉积和/或不均匀的溅射会将漂流物引入刻蚀工艺中。漂流物可能阻止其特性是均匀的多个晶片110之间的再现性。
金属屏蔽112作为法拉第屏蔽以确保由线圈116所产生的电磁能量均匀地分散到等离子体123。由于电磁能量均匀的分散到反应室窗104邻近地区的等离子体123中，非挥发性反应产物沉积于反应室窗104上的现象会均匀的产生。同样的，由反应室窗104而来的非挥发性反应产物的溅射也会均匀的发生。在整个反应室窗104的均匀电特性的存在有利于整个刻蚀反应室101的均匀等离子体123特性的产生。然而，即使均匀的沉积非挥发性反应产物于反应室窗104上，仍将如前所述的干扰刻蚀工艺。因此，需要对反应室窗104溅射等离子体123以避免非挥发性反应产物沉积的生成。对反应室窗104溅射等离子体123必须小心地进行，以最小化或避免等离子体123的带电粒子对反应室窗104的侵蚀。
图3显示根据现有技术，如何控制法拉第屏蔽电压以影响反应室窗104的特性。视图134显示通过施加一适当电压至金属屏蔽112以控制非挥发性反应产物对于反应室窗104的沉积与溅射的影响。通过将适当的电压施加到金属屏蔽112，等离子体123的入射离子128会被均匀地导向反应室窗104。入射离子128的能量与强度将防止沉积，同时将溅射的侵蚀效果最小化。视图136显示施加一过低电压至金属屏蔽112的效果。使用该过低的电压，被导向反应室窗104的入射离子130将缺乏所需的能量与强度来防止非挥发性反应产物的生成，该非挥发性反应产物通常称为沉积物124。视图138显示施加一过高电压至金属屏蔽112的效果。使用该过高的电压，被导向反应室窗104的入射离子132具有过高的能量与强度，因此造成过多的溅射。过多的溅射会造成反应室窗104的侵蚀126。该侵蚀126不仅缩短反应室窗104的使用年限，还会产生污染晶片110的粒子并将不需要的化学物质引入刻蚀工艺环境中。该不需要的化学物质存在于刻蚀工艺环境中是特别有害的，因为其会造成不良的刻蚀工艺条件的再现性。
适当的法拉第屏蔽电压依赖于所执行的特定刻蚀工艺。一些会影响该适当的电压的因素包含反应气体的种类、施加至线圈116的RF功率、将从晶片110中刻蚀的材料、及刻蚀反应室101中的工艺环境条件。许多刻蚀制法包含多个刻蚀步骤，如击穿步骤(breakthrough step)、体刻蚀步骤(bulk etch step)、与过刻蚀(over etch)步骤，其中RF功率、压力、与气体组成基本上是不同的。因此，对于一给定的刻蚀步骤，对其适当的法拉第屏蔽电压的特定设定可能不适用于其他刻蚀步骤。因此，法拉第屏蔽电压应该为可控制的，以确保反应室窗104在刻蚀工艺中没有非挥发性反应产物沉积。此外，法拉第屏蔽电压应该是容易调整的，以适应对于不同刻蚀工艺与步骤的电压要求的变化。在现有技术中，刻蚀设备已被机械性的重新配置，以获得用于特定刻蚀工艺的适当法拉第屏蔽电压。此机械性的重新配置具有较小的操作窗，且以材料的花费及造成低晶片产量的时间的角度来看是非常昂贵的。
根据上述情况，需要一设备与方法，可易于调整施加至电感耦合等离子体刻蚀设备的法拉第屏蔽的电压。

发明内容
概括来说，本发明通过提供一种可轻易调整电感耦合等离子体刻蚀设备的法拉第屏蔽上的电压的设备与方法来满足上述需求。该法拉第屏蔽电压的调整控制了对于反应室窗的等离子体的溅射，以避免及减少非挥发性反应产物的沉积。在此应了解，本发明可以多种方式来实施，包含工艺、设备、系统、装置或方法。下面说明多个本发明的实施例。
在一个实施例中，公开一种电感耦合等离子体刻蚀设备。该刻蚀设备包含一个具有反应室窗的反应室，反应室窗用以密封该反应室的上端开口。该刻蚀设备还包含一金属屏蔽，配置于该反应室窗之上且与其隔开。一线圈配置于该金属屏蔽之上且与其隔开。该线圈具有输入端、输出端、与长度。该线圈通过一导电的分接头连接至该金属屏蔽。此外，控制电路与该线圈的输入端和输出端进行通信。该控制电路被设置为供应RF功率至该线圈的输入端。该控制电路还包含一电容器，它与该线圈的输出端进行通信。该电容器被设置为可被调整，用以控制该金属屏蔽上的电压。该金属屏蔽上的电压被控制在一接近零的电压电平到一较高的电压电平的范围之间。对于一将被实施的特定刻蚀工艺所选择的工艺电压其位于所控制的金属屏蔽电压的范围内。
在另一个实施例中，公开一种电感耦合等离子体刻蚀设备的法拉第屏蔽上的电压调整方法。此方法包含将调谐电容器的电容固定到接近零操作电容，其中该调谐电容器连接到该电感耦合的等离子体刻蚀设备的线圈。此方法还包括确定该线圈上的节点的位置，其中该节点对应存在于该线圈上的RF驻波的节点。当该调谐电容器被固定到接近零操作电容时，确定该节点位置。此方法还包括将该线圈电连接至一金属屏蔽，其连接位置基本上靠近该节点的位置。该方法还包含调整该调谐电容器以得到对于刻蚀工艺适当的金属屏蔽上的电压。
在另一个实施例中，公开一种电感耦合等离子体刻蚀工艺的实施方法。该方法是基于该电感耦合等离子体刻蚀工艺是在一反应室(配置该反应室用于刻蚀晶片)中进行。该反应室在一上端开口包含一反应室窗。该反应室窗具有外表面与暴露于该反应室的内部区域的内表面。线圈与金属屏蔽均位于该反应室窗的外表面上。该金属屏蔽以一隔开的状态被配置在该线圈与该反应室窗的外表面之间。该方法包含将调谐电容器的电容固定到接近零操作电容，其中该调谐电容器连接到该线圈。该方法还包括确定该线圈上的节点的位置。该节点对应于当该调谐电容器固定到接近零操作电容时，存在于该线圈上的RF驻波的节点。该方法还包含将该线圈电连接至该金属屏蔽，其连接位置基本上靠近该节点的位置。根据此方法，调整该调谐电容器以得到对于刻蚀工艺适当的该金属屏蔽上的电压。该方法还包括执行该刻蚀工艺。
本发明有许多优点。最明显的是，在本发明中公开的用来调整电感耦合等离子体刻蚀设备的法拉第屏蔽电压的设备与方法可通过控制等离子体对于刻蚀反应室窗的溅射来避免现有技术中存在的问题。控制等离子体的溅射防止及减少了非挥发性反应产物沉积于反应室窗上。
结合附图，通过本发明的实例的描述，本发明的其他方面及优点将从下面的详细说明中变得显而易见。


通过参考上述本发明的详细说明并配合附图，将会更容易理解本发明及其更多的优点，其中图1显示根据现有技术的电感耦合等离子体刻蚀设备；图2显示根据现有技术，电感耦合等离子体刻蚀设备的基本操作原理；图3显示根据现有技术，如何控制法拉第屏蔽电压以影响反应室窗的特性；图4显示根据本发明一实施例的电感耦合等离子体刻蚀设备；图5显示根据本发明一实施例的电感耦合等离子体刻蚀设备的电路图；图6显示根据本发明一实施例，存在线圈上的RF驻波；图7显示根据本发明一实施例，表示存在于法拉第屏蔽与接地端之间的虚拟短路的导电路径；图8显示根据本发明一实施例，法拉第屏蔽与用来固定法拉第屏蔽的元件的分解图；图9显示根据本发明一实施例，线圈与用来固定线圈的元件的分解图；图10显示根据本发明一示例性实施例的实验数据图，该实验数据图得自于法拉第屏蔽电压对于调整调谐电容器的响应；图11显示根据本发明一示例性实施例的实验数据图，该实验数据图得自于在各种示例性的等离子体条件下，法拉第屏蔽电压对于调整调谐电容器的响应；图12显示根据本发明一实施例，调整电感耦合等离子体刻蚀设备的法拉第屏蔽上的电压的方法流程图；图13显示根据本发明另一实施例，调整电感耦合等离子体刻蚀设备的法拉第屏蔽上电压的方法流程图；以及图14显示根据本发明再另一实施例，调整电感耦合等离子体刻蚀设备的法拉第屏蔽上的电压的方法流程图。
具体实施例方式
本发明公开一种调整施加至电感耦合等离子体刻蚀设备的法拉第屏蔽上的电压的设备与方法。广义的说，本发明允许一适当电压便利地且可变地施加至一法拉第屏蔽，以便控制等离子体溅射以避免及缓和会负面影响刻蚀工艺的非挥发性反应产物的沉积。用于特定刻蚀工艺或步骤的适当电压通过简单调整一调谐电容器而被施加至法拉第屏蔽。因此，本发明消除了机械性的重新配置刻蚀设备以获得用于特定刻蚀工艺的适当法拉第屏蔽电压的需要。
在接下来的叙述中，为了完全理解本发明，记载了许多具体的细节。然而，本领域技术人员应当理解的是，在没有部分或全部这些具体细节的情况下，也可实施本发明。在其他的例子中，为了避免混淆本发明，没有详细说明公知的工艺操作。
图4显示根据本发明一实施例的电感耦合等离子体刻蚀设备205。电感耦合等离子体刻蚀设备205包含刻蚀反应室101，其结构是由反应室壁102与反应室窗104所界定。反应室壁102通常由不锈钢所构成，然而也可以利用其他适合的材料。反应室窗104通常由石英所组成，然而，也可以利用其他材料如氧化铝(Al2O3)、氮化硅(Si3N4)、氮化铝(AlN)、碳化硅(SiC)、及硅(Si)。反应室窗104对反应室壁102提供了真空密封。半导体晶片(即晶片)110被固定于位于刻蚀反应室101的底部内表面的夹盘108上。RF电源240透过匹配电路242为夹盘108供电。施加至夹盘108的RF功率被用来提供等离子体123的定向性，使得等离子体123被引导至晶片110上。
再参考图4，线圈116与金属屏蔽(或法拉第屏蔽)112位于反应室窗104之上。线圈116通过绝缘垫片(未示出)被固定于刻蚀反应室101上。线圈116是由导电材料所制成且至少包含完整的一匝线圈。图4中所示的线圈116包含三匝线圈。具有“×”的线圈116符号表示线圈116往页面里旋转延伸。相反的，具有“●”的线圈116符号表示线圈116往页面外旋转延伸。法拉第屏蔽112利用绝缘垫片114以一分离的间隔被固定于线圈116的下面。
图4所示的绝缘垫片114代表一示例性结构。另一个结构可具有向径向和内部延伸以填满线圈116与法拉第屏蔽112之间的空间的绝缘垫片114。该大的绝缘垫片114结构可用来避免线圈116与法拉第屏蔽112之间的电压击穿(如电弧)。在另一个结构中，绝缘垫片114可完全包围法拉第屏蔽112的边缘。在此结构中，一靠近法拉第屏蔽112边缘并位于反应室窗104外表面与法拉第屏蔽112之间的区域可被绝缘垫片114占据。特殊绝缘垫片114结构的使用依赖于线圈116与法拉第屏蔽112之间的空间。
法拉第屏蔽112设置于紧邻反应室104之上。因为法拉第屏蔽112可电容性地耦合到反应室窗104，所以法拉第屏蔽112可与反应室窗104的外(及上)表面接触或位于反应室窗104之上。因此，法拉第屏蔽112可置于、结合、或被支撑在反应室窗104之上。图4中所示的本发明示例性的实施例显示法拉第屏蔽112被支撑在反应室窗104之上。线圈116、法拉第屏蔽112、与反应室窗104被设置为基本上互相平行。此外，线圈116与法拉第屏蔽112经由一分接头118而电连接。
RF电源212为线圈116供电。RF电源212通过导线207与电容器210进行通信。电容器210再经由导线209与电容器204进行通信。电容器204再经由导线211与线圈116的输入端201进行通信。一电压Vin由电容器204提供给输入端201。与输入端201互补，线圈还具有一输出端203。线圈116的输出端203经由导线213与一电容器206进行通信。一电压Vout由输出端203提供给电容器206。电容器206再经由导线215与接地端214进行通信。电容器208通过导线217与电容器210和电容器204进行通信，而导线217与导线209电连接。电容器208还通过导线219与电容器206和接地端214电连接，而导线219与导线215电连接。
在操作当中，反应气体从气体导入口(未示出)流过刻蚀反应室101至气体排出口(未示出)。然后高频功率(RF功率)由一电源(未示出)施加至线圈116，以产生流过线圈116的RF电流。流过线圈116的RF电流在线圈116周围产生一电磁场。电磁场在刻蚀反应室101内产生了感应电流。该感应电流作用于反应气体上而产生了等离子体123。等离子体123被非等离子体反应气体所组成的护套(sheath)包围。因此，高频功率(即RF功率)由电源240通过匹配电路242被施加到夹盘108以提供等离子体123的定向性，使得等离子体123被往下拉到晶片110的表面上而进行刻蚀工艺。
等离子体123包含各种以正和负离子的形式存在的自由基。各种形式的正和负离子的化学反应被用来刻蚀晶片110。在刻蚀工艺中，线圈116执行与一变压器中的第一线圈类似的功能，而等离子体123执行与一变压器中的第二线圈类似的功能。
图5显示根据本发明一实施例的电感耦合等离子体刻蚀设备205的电路图。位于RF电源212、接地端214、线圈116的输入端201、与线圈116的输出端203之间的电子元件与导线与图4所述相同。电感耦合等离子体刻蚀设备205的物理元件之间的电性关系示于图5的其余部分中。
如示，线圈116与法拉第屏蔽112经由一分接头118而电连接。线圈116与法拉第屏蔽112之间的物理间隔造成电容性的效果。具体来说，沿着输入端201与分接头118之间的线圈116的长度，电容216a存在于线圈116与法拉第屏蔽112之间。同样的，沿着输出端203与分接头118之间的线圈116的长度，电容216b存在于线圈116与法拉第屏蔽112之间。法拉第屏蔽112与反应室窗104之间的物理间隔还造成一电容性的效果，如电容器218所示。
线圈116产生电磁场，以在刻蚀反应室101内的反应气体中感应出电流。在反应气体中所感应的电流造成将被产生的等离子体123。线圈116与等离子体123以分别相似于一变压器的第一与第二线圈的方式被电耦合。因此，所示的线圈116具有电感221，且所示的等离子体123具有电感224。所示的等离子体123对于感应电流还具有电阻226。此外，等离子体123被反应气体所组成的护套包围，其有效地将带电荷的等离子体123与连接至接地端214的反应室壁102分隔开。反应气体所组成的护套具有电容222与电阻220。从反应室窗104充分地除去夹盘108，使得其电学性质不会影响线圈116与法拉第屏蔽112的电学性质。因此，夹盘108、其匹配电路242与RF电源240对于电感耦合等离子体刻蚀设备205的电性关系未示于图5中。
法拉第屏蔽112在刻蚀反应室101内的等离子体123与反应室窗104之间产生静电场。由法拉第屏蔽112所产生的静电场产生一电压，其使得等离子体123中的离子向着反应室窗104方向被加速。该加速和造成的与反应室窗104的碰撞称为溅射。溅射会使沉积于反应室窗104上的非挥发性反应产物被除去。因此，适当控制的溅射可有效避免及缓和非挥发性反应产物沉积于反应室窗104上。
施加至法拉第屏蔽112的电压控制了由法拉第屏蔽112所产生的静电场。控制施加至法拉第屏蔽112的电压使得可以控制等离子体123对反应室窗104的溅射。因此，通过仔细的控制施加至法拉第屏蔽112的电压，可以小心地控制等离子体123对反应室窗104的溅射以避免沉积，同时可将溅射的侵蚀效果最小化。为了进一步地将溅射的侵蚀效果最小化，本发明的替换性实施例可在反应室窗104内表面的邻近区域放置非导电性的保护衬垫。为了避免沉积并将溅射的侵蚀效果最小化，本发明提供一种用来仔细控制施加至法拉第屏蔽112的电压的设备与方法。
图6显示根据本发明一实施例，位于线圈116上的RF驻波。所示的线圈116输入端201对应于RF驻波的一正振幅顶端(即波峰)228。相反的，所示的线圈116输出端203对应于RF驻波的一负振幅顶端(即波谷)230。因此，节点232存在于线圈116的长度上。在节点232的位置，相对应线圈116的电压基本上接近零。若线圈116足够长，有可能具有一个以上的节点232，其中节点232之间的距离依赖于RF频率。虽然本发明的实施例显示一具有单个节点232的线圈116，但当存在多个节点时，本发明的设备与方法保持不变。
常规的传输线理论被用来确定作为有效传输线的线圈116的分布线特性。当确定线圈116的分布线特性时，将等离子体123的效果包含在内作为修改的分布阻抗。在线圈116输入端201与线圈116输出端203处，对不同的RF功率进行电压与相位测量。电压与相位的测量结合终端阻抗(即电容器206的电阻)被用来确定对应于沿着线圈116长度的RF驻波的电压的空间分布。许多方法可用来确定沿着线圈116的长度上电压的空间分布。一示例性可用来确定沿着线圈116的长度上电压空间分布的方法见于Albert J.Lamm所著的《Observations of StandingWaves on an Inductive Plasma Coil Modeled as a UniformTransmission Line》，其刊载于1997年的Journal of Vacuum Scienceand Technology A15(5)中第2615至2622页。
图7显示根据本发明一实施例，表示一存在于法拉第屏蔽112与接地端214之间的虚拟短路233的导电路径。为了要使虚拟短路23存在，分接头118应该在基本靠近沿着线圈116长度的RF驻波的节点232的位置将法拉第屏蔽112电连接至线圈116。通过将分接头118置于节点232，电容器206沿着一导电路径与RF驻波共振，该导电路径经由线圈116与分接头118而限定在电容器206与法拉第屏蔽112之间。因为电容器206与RF驻波共振，所以电容器206呈现低电阻。因此，在法拉第屏蔽112与接地端214之间并经由电容器206的导电路径形成虚拟短路233。
通过配置分接头118使得在节点232的位置连接至线圈116，电容器206可作为调谐电容器。改变调谐电容器的电容将可改变线圈116的输入端201与输出端203的电压Vin及Vout。任何Vin或Vout的改变会使得位于沿着线圈116长度的RF驻波上的节点232的位置改变。因为分接头118的位置完全固定，所以节点232位置的改变会造成分接头118不再位于节点232的位置。因此，通过改变调谐电容器的电容，存在于法拉第屏蔽112与接地端214之间的虚拟短路233将不再存在，且法拉第屏蔽112上的电压由零开始上升。
本发明利用与改变调谐电容器的电容相对应的改变节点232的位置的优点。具体来说，改变调谐电容器(即电容器206)的电容(即调整)以移动节点232的位置，使得法拉第屏蔽112的电压相应的改变。随着节点232的位置远离分接头118的位置，法拉第屏蔽112上的电压也随之上升。在一优选实施例中，调谐电容器为一可变电容器，其电容可被改变以控制法拉第屏蔽112的电压。随着调谐电容器的电容从数值处(在该数值处，节点232位置对应于分接头118位置)增加或减少，法拉第屏蔽112上的电压也随之上升。因此，为了将可以增加法拉第屏蔽112上电压的范围最大化，当节点232位置被确定且分接头118连接至节点232的位置时，调谐电容器基本上应该被设定为接近其最小电容值。通过此结构，调谐电容器的电容可增加一较大范围，并且法拉第屏蔽112电压可相应的增加一较大范围。在一优选实施例中，调谐电容器的电容范围是从20pF到500pF。在本发明的一示例性实施例中，通过在45pF到90pF的范围间调整调谐电容器，法拉第屏蔽112电压可在约0V到约1200V之间进行调整。法拉第屏蔽112电压对于调整调谐电容器的特定响应依赖于特定刻蚀工艺与等离子体123的条件。在一个大范围内调整法拉第屏蔽112电压的能力对应于一个较大的可能性，该较大的可能性是可获得适当的电压以满足特定刻蚀工艺的需要。
图8显示根据本发明一实施例，法拉第屏蔽112与用来固定法拉第屏蔽112的元件的分解图。法拉第屏蔽112被多个螺栓302固定于连接框312的下部，连接框312被设置有多个连接垫片314。每一个连接垫片314被螺栓310固定于连接框的上部。连接框312、连接垫片314、螺栓310、与多个螺栓302可由任何适当绝缘材料所形成。多个径向槽300形成于法拉第屏蔽112中。多个径向槽300可防止径向电流在导电的法拉第屏蔽112中流动，其中径向电流是由线圈116上所流动的电流感应而来。这些是必须的，因为法拉第屏蔽112上所流动的电流会将线圈116与刻蚀反应室101彼此电屏蔽。考虑到多个径向槽300，为了要保持法拉第屏蔽112的形状，外部环304、内部环306、与中心圆盘308通过多个螺栓302被固定到连接框312。外部环304、内部环306、与中心圆盘308可由任何适当绝缘材料形成。法拉第屏蔽112的可替换实施例可被用来与本发明结合，只要将法拉第屏蔽112配置成作用相似即可。
图9显示根据本发明一实施例，线圈116与用来固定线圈116的元件的分解图。如之前图8所示，连接框312与连接垫片314配置于法拉第屏蔽112与线圈116之间。每一个交叉型线圈固定板326的四端通过螺栓331固定于支持弹簧机壳330。每一个交叉型线圈固定板326的四端还通过螺栓328固定于连接框312的连接垫片314。线圈116通过多个螺栓336(为了图面清楚仅显示一个)固定于交叉型线圈固定板326的下部。在此结构中，线圈116以一基本上平行的方式与法拉第屏蔽112隔开。
分接头118在一基本上靠近节点232的位置连接至线圈116。就电性而言，节点232为单个点。因此，不需要很精确地将分接头安置于节点232的位置。然而，当分接头118在一基本上靠近节点232的位置连接至线圈116时，节点232可通过调整调谐电容器而被移动，以得到前述的虚拟短路。根据上述考虑，如箭头354所示，分接头118插入在线圈116与法拉第屏蔽112之间。在图9所示的实施例中，分接头118通过螺栓352固定至线圈116，且通过螺栓353固定至法拉第屏蔽112。在可替换的实施例中，分接头118可以其他方式固定至线圈116和法拉第屏蔽112上，使得每一结合都是导电且固定的(如融化金属焊接、电焊等)。此外，分接头118可由任何导电材料所形成。分接头118是线圈116与法拉第屏蔽112之间唯一的导电连接。在一优选实施例中，分接头118通过跨过尽可能最短的直线距离将线圈116连接至法拉第屏蔽112。在其他实施例中，分接头118可为任意形状，其通过跨过尽可能最短的直线距离之外的距离将线圈116连接至法拉第屏蔽112。
图9还显示一直线圈构件318，其横跨于交叉型线圈固定板326上部且通过螺栓332固定于线圈116上。弯曲线圈构件322配置于靠近线圈116中央且位于交叉型线圈固定板326的下部，并且通过螺栓334固定至直线圈构件318。输入端338通过螺栓340固定至弯曲线圈构件322的末端。输出端342通过螺栓344固定于相对于输入端338的线圈116的末端。线圈116的其他实施例可被用来与本发明相结合，只要将线圈116配置成作用相似即可。
图10显示根据本发明一示例性实施例的实验数据图，该实验数据图得自于法拉第屏蔽112电压对于调整调谐电容器的响应。曲线402显示一实例，氧等离子体123在压力5mT且RF功率在1000W的情况下，法拉第屏蔽112上产生的电压的范围。在此实例中，随着调谐电容器由约60pF调整至约80pF，法拉第屏蔽112电压由基本上非常接近0V改变至约1200V。当调谐电容器的电容设定为非常接近61pF时可得到节点232。需注意，图10中的曲线是基于有限数量的实际法拉第屏蔽112电压测量而得到。因此，如图10所示，根据实际测量数据所拟合的曲线在节点232不会完全到达0V的电平。然而，如前所述，调整调谐电容器可用来将节点232安置于分接头118的位置，使得相对应的法拉第屏蔽112电压基本上趋近0V。因此，在电容值61pF附近精确的调整调谐电容器可以定位准确的节点位置。
图11显示根据本发明一示例性实施例的实验数据图，其得自于在各种示例性等离子体123情况下，法拉第屏蔽112电压对于调整调谐电容器的响应。图11显示在各种氧等离子体123的条件下，产生于法拉第屏蔽112上的电压的范围。曲线402对应于氧等离子体123在压力5mT且RF功率在1000W的情况，如之前图10所示。曲线404对应于氧等离子体123在压力80mT且RF功率在300W的情况。曲线406对应于氧等离子体123在压力80mT且RF功率在100W的情况。当调谐电容器的电容设定为接近61pF时可得到节点232。需注意，节点232位置与等离子体123的条件无关。此节点232位置对等离子体123条件的独立性允许通过使用调谐电容器来调整法拉第屏蔽112电压，而不需要重新安置分接头118的位置或重新配置电感耦合等离子体刻蚀设备100。图11的例子是基于利用氧气为反应气体。然而，通过利用其他的适当的反应气体，本发明的基本原理与功能保持不变。如图10，需注意，图11中的曲线是基于有限数量的实际法拉第屏蔽112电压测量而得到的。因此，如图11所示，根据实际测量数据所拟合的曲线在节点232不会完全到达0V的电平。然而，如前所述，调整调谐电容器可用来将节点232安置于分接头118的位置，以便相对应的法拉第屏蔽112电压基本上趋近0V。因此，在电容值61pF附近精确地调整调谐电容器可定位精确的节点位置。
图12显示根据本发明一实施例，调整电感耦合等离子体刻蚀设备100的法拉第屏蔽112的电压的方法流程图。在此方法中，步骤600包含将调谐电容器的电容固定至接近零操作电容。此方法的步骤602需要确定存在于线圈116上的RF驻波的节点232位置。在调谐电容器固定于接近零操作电容时执行步骤602。步骤604需要分接头118在一基本上接近由步骤602所确定的RF驻波节点232的位置处，将线圈116电连接至法拉第屏蔽112。步骤606要求对于一特定刻蚀工艺调整调谐电容器以得到所需的法拉第屏蔽112电压。步骤608包含执行该特定刻蚀工艺。
图13显示根据本发明另一实施例，调整电感耦合等离子体刻蚀设备100的法拉第屏蔽112电压的方法流程图。在此方法中，步骤620包含将调谐电容器的电容固定至接近零操作电容。步骤622需要确定存在于线圈116上的RF驻波的节点232的位置。在调谐电容器固定于接近零操作电容时，执行步骤622。步骤624要求分接头118在一基本上接近由步骤622所确定的RF驻波节点232的位置处，将线圈116电连接至法拉第屏蔽112。步骤626需要准备好电感耦合等离子体刻蚀设备100来用于多个刻蚀工艺步骤的第一刻蚀步骤。步骤628要求对于多个刻蚀工艺步骤的目前刻蚀步骤调整调谐电容器，以得到所需的法拉第屏蔽112电压。步骤630包含执行该目前刻蚀步骤。确定步骤632判断目前刻蚀步骤是否为多个刻蚀工艺步骤的最终步骤。如果目前刻蚀步骤不是最终步骤，此方法通过执行步骤634继续进行，其中多个刻蚀工艺步骤的下一个刻蚀步骤变成目前刻蚀步骤。然后此方法继续进行步骤628，其中对于目前刻蚀步骤来讲调整可调电容器以得到所需的法拉第屏蔽112电压。关于确定步骤632，如果目前刻蚀步骤为最终步骤，则终止多个刻蚀工艺步骤。
图14显示根据本发明再另一实施例，调整电感耦合等离子体刻蚀设备100的法拉第屏蔽112电压的方法流程图。在此方法中，步骤650包含将调谐电容器的电容固定至接近零操作电容。步骤652需要确定存在于线圈116上的RF驻波的节点232的位置。步骤652在调谐电容器固定于接近零操作电容时，执行步骤652。步骤654要求分接头118在基本上接近由步骤652所确定的RF驻波节点232的位置，将线圈116电连接至法拉第屏蔽112。步骤656要求电感耦合等离子体刻蚀设备100应当准备好来用于多个刻蚀工艺步骤的第一刻蚀步骤。步骤658要求对于多个刻蚀工艺步骤的目前刻蚀步骤来讲，调整调谐电容器以得到所需的法拉第屏蔽112电压。步骤660包含执行该目前刻蚀步骤。
当进行目前刻蚀步骤时，监视反应室窗104以检测非挥发性刻蚀副产物材料的沉积。许多技术可用来监视与检测非挥发性刻蚀副产物材料在反应室窗104的沉积。这样一种实例是薄膜的光学反射测量法。本发明也可利用检测法拉第屏蔽112电压的变化作为量度标准，以检测非挥发性刻蚀副产物材料的沉积。确定步骤662代表此沉积的监视。如果检测到沉积，便进行步骤668，其中增加调谐电容器的电容以提高法拉第屏蔽112电压。提高法拉第屏蔽112电压将造成等离子体123对反应室窗104溅射的增加。等离子体123对反应室窗104溅射的增加可除去所检测的沉积并避免进一步的沉积。在步骤668调整调谐电容器之中或之后，继续执行目前刻蚀步骤。
另外当进行目前刻蚀步骤时，监视反应室窗104以检测等离子体123的过度溅射。确定步骤664代表等离子体123溅射的监视。如果检测到过度溅射，便进行步骤670，其中减少调谐电容器的电容以降低法拉第屏蔽112电压。降低法拉第屏蔽112电压将造成等离子体123对反应室窗104溅射的减少。等离子体123对反应室窗104溅射的减少防止了反应室窗104材料的侵蚀。因此，防止了将不需要的反应室窗104化学物质引入刻蚀环境，并可改善反应室窗104的使用年限。在步骤670调整调谐电容器之中或之后，继续进行目前刻蚀步骤。
如确定步骤666所示，继续进行目前刻蚀步骤直到完成为止。在完成目前刻蚀步骤之后，确定步骤672判断目前刻蚀步骤是否为多个刻蚀工艺步骤的最终步骤。如果目前刻蚀步骤不是最终步骤，此方法通过执行步骤674继续进行，其中多个刻蚀工艺步骤的下一个刻蚀步骤变成目前刻蚀步骤。然后该方法继续进行步骤658，其中对于目前刻蚀步骤来讲调整调谐电容器以得到所需的法拉第屏蔽112电压。关于确定步骤672，如果目前刻蚀步骤为最终步骤，则终止多个刻蚀工艺步骤。
虽然就一些实施例说明了本发明，但本领域技术人员通过前述的说明与附图，可以对其进行修改、增加、及等效的变更。因此，任何未脱离本发明的精神与范围的这些修改、增加、及等效的变更，均应包含在本发明的范围之内。
权利要求
1.一种电感耦合等离子体刻蚀设备，包含反应室；反应室窗，用以密封该反应室的上端开口，该反应室窗具有暴露于该反应室的内部区域的内表面；金属屏蔽，配置于该反应室窗的上面；线圈，配置于该金属屏蔽的上面并且与其隔开，该线圈具有输入端、输出端与长度；导电的分接头，用以将该线圈连接至该金属屏蔽；以及控制电路，与该输入端和输出端电连接，该控制电路被设置为供应RF功率至该输入端，该控制电路包含一电容器与该输出端电连接，该电容器被设置为可被调整，用以将该金属屏蔽上的电压控制在一接近零的电压电平到一较高的电压电平的范围之间，其中选择工艺电压位于该范围内。
2.如权利要求1所述的电感耦合等离子体刻蚀设备，其中该线圈还包含RF驻波，该RF驻波具有至少一个位于该线圈的长度上的节点。
3.如权利要求2所述的电感耦合等离子体刻蚀设备，其中该导电的分接头被配置为在基本上靠近一个节点的位置将该线圈连接至该金属屏蔽。
4.如权利要求3所述的电感耦合等离子体刻蚀设备，其中该导电的分接头还被配置为横跨该线圈与该金属屏蔽之间的最短直线距离。
5.如权利要求1所述的电感耦合等离子体刻蚀设备，其中该电容器为可变电容器，其被设置为具有一操作范围，该操作范围包含位于最小电容值与最大电容值之间的电容值。
6.如权利要求5所述的电感耦合等离子体刻蚀设备，其中该可变电容器被设置为基本上接近该最小电容值，在该金属屏蔽上的相对应的控制电压基本上接近零电压电平。
7.如权利要求6所述的电感耦合等离子体刻蚀设备，其中设置该可变电容器，使得该电容成比例的相关于该金属屏蔽上的电压。
8.如权利要求5所述的电感耦合等离子体刻蚀设备，还包括电动机，该电动机被设置为与该可变电容器接合，该电动机还被设置为控制该可变电容器。
9.如权利要求1所述的电感耦合等离子体刻蚀设备，其中该电容器被用来控制该金属屏蔽上的电压，以最优地减少在该反应室窗的内表面上的溅射，同时基本上避免刻蚀副产物在该反应室窗的内表面上的沉积。
10.如权利要求1所述的电感耦合等离子体刻蚀设备，其中该控制电路还包括第二电容器，与该线圈的输入端电连接；第三电容器，与该第二电容器电连接，该第三电容器用来接收RF功率；第四电容器，与该第一电容器、第二电容器和第三电容器电连接；以及接地端，与该第一电容器和第四电容器电连接。
11.如权利要求1所述的电感耦合等离子体刻蚀设备，还包括配置于该线圈与该金属屏蔽之间的空间中的绝缘材料。
12.如权利要求1所述的电感耦合等离子体刻蚀设备，还包括一保护衬垫，基本上配置于靠近该反应室窗的内表面。
13.一种用于调整电感耦合等离子体刻蚀设备的法拉第屏蔽上的电压的方法，包含固定调谐电容器的电容至接近零操作电容，该调谐电容器连接到该电感耦合等离子体刻蚀设备的线圈；确定在该线圈上的节点的位置，该节点对应于当该调谐电容器固定至接近零操作电容时存在于该线圈上的RF驻波的节点；将该线圈电连接至金属屏蔽，其连接位置基本上靠近该节点的位置；以及调整该调谐电容器以得到在该金属屏蔽上的所需电压，该金属屏蔽上的所需电压适合于刻蚀工艺。
14.一种用于调整如权利要求13所述的电感耦合等离子体刻蚀设备的法拉第屏蔽上的电压的方法，其中调整该调谐电容器是通过控制电动机来执行的，该电动机与该调谐电容器相接合。
15.一种用于调整如权利要求13所述的电感耦合等离子体刻蚀设备的法拉第屏蔽上的电压的方法，还包括监视该刻蚀工艺以确定该金属屏蔽上的电压的合适性，该监视包含检测刻蚀副产物沉积的存在；以及调整该调谐电容器以维持该金属屏蔽上的适当电压，该金属屏蔽上的适当电压防止刻蚀副产物的沉积。
16.一种用于调整如权利要求13所述的电感耦合等离子体刻蚀设备的法拉第屏蔽上的电压的方法，还包括监视该刻蚀工艺以确定该金属屏蔽上的电压的合适性，该电压的合适性是基于刻蚀工艺的要求；以及调整该调谐电容器以维持该金属屏蔽上的适当电压，该金属屏蔽上的适当电压可充分满足刻蚀工艺的要求。
17.一种用于调整如权利要求13所述的电感耦合等离子体刻蚀设备的法拉第屏蔽上的电压的方法，其中该电感耦合等离子体刻蚀设备包括用以刻蚀晶片的反应室，该反应室在上端开口包含反应室窗，该反应室窗具有外表面与暴露于该反应室的内部区域的内表面，位于该反应室窗的外表面上的线圈，以及位于该反应室窗的外表面上的金属屏蔽，该金属屏蔽以隔开的状态被放置在该线圈与该反应室窗的外表面之间。
18.一种用于调整如权利要求17所述的电感耦合等离子体刻蚀设备的法拉第屏蔽上的电压的方法，其中该方法还包括执行多个刻蚀工艺步骤，该多个刻蚀工艺步骤的每一个步骤可能需要不同的金属屏蔽上的电压；以及在刻蚀工艺步骤之间调整该调谐电容器以得到该金属屏蔽上的所需电压，该所需电压适合于接下来的刻蚀工艺步骤。
19.一种用于调整如权利要求18所述的电感耦合等离子体刻蚀设备的法拉第屏蔽上的电压的方法，其中执行多个刻蚀工艺步骤，并且在刻蚀工艺步骤之间根据预定制法来自动调整该调谐电容器。
20.一种用于调整如权利要求19所述的电感耦合等离子体刻蚀设备的法拉第屏蔽上的电压的方法，还包括监视该反应室窗的内表面以检测刻蚀副产物材料的沉积，该监视是在该多个刻蚀工艺步骤的每一个步骤中执行的；以及自动控制该调谐电容器以控制该金属屏蔽上的电压，该金属屏蔽上的控制电压防止刻蚀副产物材料更进一步沉积于该反应室窗的内表面上。
21.一种用于调整如权利要求20所述的电感耦合等离子体刻蚀设备的法拉第屏蔽上的电压的方法，还包括监视该反应室窗的内表面以对溅射进行检测，该监视是在该多个刻蚀工艺步骤的每一个步骤中执行的；以及自动控制该调谐电容器以控制该金属屏蔽上的电压，该金属屏蔽上的控制电压防止该反应室窗的内表面上的更进一步的溅射。
22.一种用于调整如权利要求17所述的电感耦合等离子体刻蚀设备的法拉第屏蔽上的电压的方法，还包括执行刻蚀工艺；监视该反应室窗的内表面以检测刻蚀副产物材料的沉积，该监视是在刻蚀工艺期间执行的；以及自动控制该调谐电容器以控制该金属屏蔽上的电压，该金属屏蔽上的控制电压防止刻蚀副产物材料更进一步沉积于该反应室窗的内表面上。
23.一种用于调整如权利要求17所述的电感耦合等离子体刻蚀设备的法拉第屏蔽上的电压的方法，还包括执行刻蚀工艺；监视该反应室窗的内表面以对溅射进行检测，该监视是在刻蚀工艺步骤期间执行的；以及自动控制该调谐电容器以控制该金属屏蔽上的电压，该金属屏蔽上的控制电压防止该反应室窗的内表面上的更进一步溅射。
全文摘要
提供一种用来调整施加在电感耦合等离子体刻蚀设备的法拉第屏蔽上的电压的设备与方法。一适当电压被便利地且可变地施加至法拉第屏蔽上，以便可以控制等离子体的溅射，以避免及减少非挥发性反应产物的沉积，该非挥发性反应产物会负面影响刻蚀工艺。通过简单调整调谐电容器，将用于特定刻蚀工艺或步骤的适当电压施加至法拉第屏蔽。因此不需要机械性的重新配置刻蚀设备来调整法拉第屏蔽电压。
文档编号C23F1/00GK1672237SQ03818433
公开日2005年9月21日 申请日期2003年7月23日 优先权日2002年7月31日
发明者S·P·罗霍卡尔, A·库蒂, A·D·拜利三世 申请人:兰姆研究有限公司