等離子體處理室部件的保護性塗層及其使用方法

2023-09-17 10:09:00

專利名稱：等離子體處理室部件的保護性塗層及其使用方法
等離子體處理室部件的保護性塗層及其使用方法背景技術
等離子體處理裝置被用於使用包括蝕刻、物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積 (CVD)、離子注入和光阻(resist)去除等技術處理襯底。等離子體處理中使用的一種類型 的等離子體處理裝置包括包含上下電極的反應室。在電極之間建立電場以將工藝氣體激 勵到等離子態以在反應室中處理襯底。發明內容
在一個實施方式中，一種塗覆射頻返回帶包括具有表面的彎曲金屬條和粘著於 該表面的柔性塗層，該塗層包含聚合物或彈性體，其中該塗層在由等離子體產生的自由 基的環境中提供耐侵蝕性並保護該金屬條免受該自由基的損害。
在第二實施方式中，提供一種等離子體處理裝置，其包含用於等離子體處理其 中的半導體襯底的真空室，以及在該真空室中使用的等離子體處理總成。該總成包含由 彈性體粘合劑和矽酮基彈性體材料粘著於第二元件的第一元件，該矽酮基彈性體材料對 由等離子體產生的自由基有改善的耐侵蝕性，該矽酮基彈性體材料圍繞該彈性體粘合劑 並將該第一元件的吻合表面密封到該第二元件的吻合表面以保護該彈性體粘合劑免受由 等離子體產生的自由基的損害。
第三實施方式提供一種在等離子體處理裝置中處理半導體襯底的方法，其中襯 底被放在等離子體處理裝置的反應室中上電極總成下方的的襯底支座上。將工藝氣體 引入該反應室並在該反應室中、在該上電極總成和該襯底之間從該工藝氣體產生等離子 體。用該等離子體處理該襯底，同時該塗覆射頻返回帶在暴露於由等離子體產生的自由 基的該室的部件間傳送射頻電力。
在又一個實施方式中，一種在等離子體處理裝置中處理半導體襯底的方法包括 將襯底放在如第二實施方式所述的等離子體處理裝置的反應室中的襯底支座上。將工藝 氣體引入該反應室，在該反應室中、在該上電極總成和該襯底之間從該工藝氣體產生等 離子體，並用該等離子體處理該襯底。在該襯底的處理過程中該矽酮基彈性體材料保護 該彈性體粘合劑免受由等離子體產生的自由基的損害。


圖1顯示了包括塗覆元件的實施方式的可調節間隙電容耦合等離子體處理室的 示意圖。
圖2是顯示在彈性體(elastomer)塗覆試樣的富含氟的等離子體中的侵蝕速率的 實驗結果的柱狀圖。
圖3是顯示在彈性體塗覆試樣的實施方式的富含氧的等離子體中的侵蝕速率的 實驗結果的柱狀圖。
圖4是顯示塗覆元件的實施方式的照片。
圖5描繪了塗覆元件的一個實施方式。
圖6顯示了真空處理室的一部分的橫截面視圖，其中矽酮基彈性體材料的一個 實施方式圍繞靜電卡持裝置的下表面和下電極的上表面之間的彈性體粘合劑。
圖7顯示了平行板等離子體裝置的晶圓邊緣區域的橫截面視圖，其中矽酮基彈 性體材料的一個實施方式圍繞上熱邊緣環的下表面和溫控熱邊緣環總成中的陶瓷中間環 的上表面之間的彈性體粘合劑。
具體實施方式
為了實現可靠的器件並獲得高成品率，在集成電路製造過程中對襯底(比如平 板顯示器和半導體晶圓)表面上的微粒汙染進行控制是必要的。處理設備，比如等離 子體處理裝置，可能是微粒汙染的來源。例如，該晶圓表面上微粒的存在可能局部幹擾 光刻和蝕刻步驟過程中的圖形轉移。其結果是，這些微粒可能為關鍵特徵(包括柵極 結構、金屬間電介質層或金屬互連線)引入缺陷，從而導致該集成電路構件的故障或失 效。
具有相對短壽命的反應器部件通常被稱為「易耗品」，例如矽電極。如果該易 耗部件的壽命很短，那麼擁有成本就很高。電介質蝕刻工具中使用的矽電極總成在大量 射頻小時(射頻電力用於產生該等離子體的過程中的時間，以小時計)後變質。易耗品 和其它部件的侵蝕在該等離子體處理室中產生微粒汙染。侵蝕可能發生在直接暴露於等 離子體的部件上，或者由於暴露於由工藝氣體的等離子體產生的高密度的自由基(比如 氟和/或氧自由基)而發生在該室的約束等離子體區域外的部件上。
圖1顯示了等離子體處理裝置的可調節間隙的電容耦合等離子體(CCP)處理室 200的一個示例性實施方式。室200允許對上電極總成225的上電極224的下表面和在下 電極總成215上支撐的襯底214的上表面之間的電極間隙232進行精確的控制。在晶圓 的多步處理過程中，該間隙的高度可以改變一次或更多次以使晶圓處理條件最佳。
室200包含室外殼202 ；安裝到室外殼202的天花板228的上電極總成225 ；安 裝到室外殼202的地板205的下電極總成215，該下電極總成215與該上電極總成225的 下表面間隔開且基本上平行；圍繞上電極總成225和下電極總成215之間的間隙232的 約束環總成206 ；上室壁204 ；以及封住(enclose)上電極總成225的頂部部分的室頂部 230。上電極總成225包含上電極224 ；以及一個或更多擋板226，擋板2 包括用於將 工藝氣體分發到上電極2M和下電極總成215之間限定的間隙232中的氣體通道。為了 簡明，圖中顯示上電極總成225具有三個構件。然而，上電極總成225可以包括其它構 件。室外殼202有門(未示)，襯底214通過該門被卸載/裝載到室200中。例如，襯 底214可以通過裝載鎖(load lock)進入該室，如同在共同受讓的美國專利6,899,109中描 述的，通過參考將該專利的內容全部併入本文。
在一些示例性實施方式中，上電極總成225能夠在上下方向上調節(圖1中的箭 頭A和A')以調節上下電極總成225/215之間的間隙232。上總成升高致動器256升 高或降低上電極總成225。在該圖示中，從室天花板2 豎直延伸的環形延長部229以可 調節方式沿著上室壁204的柱形孔203定位。可以使用密封裝置(未示)在229/203間 提供真空密封，同時允許上電極總成225相對於上室壁204和下電極總成215移動。上 柔性塗覆元件248電氣耦合上電極總成225和上室壁204。上柔性塗覆元件248包含導電並且柔性的金屬條(圖4中的23 ，該柔性金屬條塗覆有粘著於金屬條233的外表面的柔 性塗層(圖4中的23 。柔性塗層235通過阻止由工藝氣體的等離子體產生的該金屬條 與活性物質(自由基)接觸而保護該金屬條免於由於等離子體自由基而變質。
在一個實施方式中，柔性塗覆元件M8的基底構件是由鈹銅(BeCu)組成的射 頻帶。然而，也可以使用其它柔性的、導電的材料。在一個實施方式中，柔性塗層235 是由彈性體或聚合物組成的。優選地，柔性塗層235是不包括導電填料微粒(比如&、 SiC、Al或類似的微粒)的交聯矽氧烷(矽酮橡膠)。上柔性塗覆元件248在上電極總成 225和上室壁204之間提供導電返迴路徑以允許電極總成225在室200內豎直移動。該 帶包括兩個由彎曲部分連接的平坦末端。該彎曲部分適應上電極總成225相對於上室壁 204的移動。根據比如室的尺寸等因素，多個O、4、6、8或10個)射頻返回帶可以被 布置在圍繞電極總成225的環形間隔開的位置。
為了簡明，圖1中只顯示了一個連接到氣體源234的氣體管線236。更多氣體 管線可以被耦合於上電極總成225，而氣體可以通過上室壁204的其它部分和/或室頂部 230被供應。
在其它示例性實施方式中，下電極總成215可上下移動(圖1中的箭頭B和B') 以調整間隙232，而上電極總成225可以是固定的或可移動的。圖1描繪了連接到軸沈0 的下總成升降致動器258，軸260延伸穿過室外殼202的地板(下壁)205到達支撐下電極 總成215的下導電元件沈4。根據圖1中描繪的實施方式，波紋管(bellow) 262形成密封 裝置的一部分以在軸260和室外殼202的地板205之間提供真空密封，同時允許當軸260 被下總成升降致動器258升高或降低時下電極總成215相對於上室壁204和上電極總成 225移動。如果需要的話，下電極總成215可以由其他裝置升高或降低。例如，在共同 待定的美國專利申請公開2008/0171444中披露了一種可調節間隙的電容耦合等離子體處 理室的另一個實施方式，其中該處理室通過懸臂梁升高和降低下電極總成215，該專利申 請公開的內容通過參考全部併入本文。
如果需要的話，可移動下電極總成215可以通過至少一個下柔性塗覆元件M6 接地到該室的壁，元件246將外部導體環(接地環)222耦合於導電部件，比如室壁襯墊 252。下柔性塗覆元件246包含導電並且柔性的金屬條和粘著於該柔性金屬條表面的柔性 塗層，如同上面參考上柔性塗覆元件248描述的。該柔性塗層通過阻止該金屬條與由工 藝氣體的等離子體產生的活性物質(自由基)接觸而保護該金屬條免於由於等離子體自由 基而變質。下柔性塗覆元件246將外部導體環(接地環)222電氣耦合於上室壁204並為 等離子體提供短射頻返迴路徑，同時允許下電極總成215在室200內豎直移動，比如在多 步等離子體處理過程中，其中該間隙被設置為不同的高度。優選地，該金屬條是柔性導 電條，比如被聚合物塗覆的鈹銅條。
圖1進一步顯示了約束環總成206的一個實施方式，該約束環總成206用於約束 臨近襯底214的等離子體量並最小化與等離子體相互作用的表面面積。在一個實施方式 中，約束環總成206連接於升降致動器208從而約束環總成206能夠在豎直方向上(箭頭 C-C')移動，意味著約束環總成206可以相對於上下電極總成225/215和室200被手動 或自動升高或降低。該約束環總成不受特別限制，合適的約束環總成206的細節在共同 受讓的美國專利6,019,060和美國專利申請公開2006/00273 中有所描述，其內容全部通6過參考併入本文。
約束環總成206可以通過至少一個柔性塗覆元件250接地到該室的壁，該元件 250將約束環總成206電氣耦合到導電部件，比如上室壁204。圖1顯示了由水平延長部 2M支撐的導電室壁襯墊252。塗覆的柔性元件250優選地包含多個金屬條，這些金屬條 通過將約束環總成206電氣耦合到上室壁204而提供短射頻返迴路徑。塗覆的射頻返回 帶包含柔性且導電的金屬條和保護性的且柔性的塗層，如同上面參考上柔性塗覆元件248 所述的。柔性塗覆元件250可在室200內的約束環總成206的各個豎直位置上在約束環 總成206和上室壁204之間提供導電路徑。
在圖1中顯示的實施方式中，下導電元件沈4電氣連接於圍繞電介質耦合環220 的外部導體環(接地環)222，該電介質耦合環220將外部導體環222與下電極總成215電 氣絕緣。下電極總成215包括卡盤212、聚焦環總成216和下電極210。然而，下電極 總成215可以包括其他元件，比如用於升降襯底的升降銷(Iiftpin)機構、光學傳感器和用 於冷卻下電極總成215的冷卻機構(連接於下電極總成215或形成下電極總成215的一部 分)。在操作過程中，卡盤212將襯底214卡持在下電極總成215的上表面上的合適的位 置。卡盤212可能是靜電、真空或機械卡盤。
通常從通過阻抗匹配網絡238耦合於下電極210的一個或更多射頻電力供應240 向下電極210提供射頻電力。該射頻電力可以以一個或更多頻率供應，例如，2MHz、 27MHz和60MHz。該射頻電力激勵該工藝氣體以在間隙232內產生等離子體。在一些 實施方式中，上電極2M和室外殼202電氣耦合於地。在其它實施方式中，上電極224 與室外殼202絕緣並由射頻供應通過阻抗匹配網絡供應射頻電力。
上室壁204的底部耦合於真空泵單元M4以從室200排出氣體。優選地，約束 環總成206基本上終止在間隙232內形成的電場並阻止該電場穿透外部室容積沈8。
被注入間隙232的工藝氣體被激勵以產生用於處理襯底214的等離子體，穿過約 束環總成206並進入外部室容積沈8，直到由真空泵單元244排出。因為在操作過程中外 部室容積沈8中的反應器室部件可能暴露於活性工藝氣體(自由基、活性物質)，它們優 選地是由能夠抵抗工藝氣體的材料(比如不鏽鋼)形成的或具有保護性塗層。同樣地， 波紋管262優選地是由能夠抵抗工藝氣體化學物質的材料比如不鏽鋼形成的。
在一個在操作過程中射頻電力供應MO向下電極總成215供應射頻電力的實施方 式中，射頻電力供應240經由軸260將射頻能量供應到下電極210。間隙232中的工藝氣 體被輸送到下電極210的射頻電力電氣激勵以產生等離子體。
在室200中，柔性塗覆元件M6/M8/250可以是射頻返回帶以在室壁襯墊252或 上室壁204和外部導體環(接地環)222、約束環總成206和/或上電極總成225之間提供 如上所述的可靠的電氣連接。在晶片處理過程中，上下電極225/215之間的間隙232可以 被調整而該射頻返回帶在這種空隙調整過程中經歷彎曲。與包含室200的上室壁204的 射頻返迴路徑相比，這些塗覆元件為該等離子體創建替代的和更短的射頻返迴路徑。例 如，外部導體環222是由導電材料形成的並被電介質耦合環220與下電極總成215電氣絕 緣。該返迴路徑是通過上電極總成225、柔性塗覆元件M8、上室壁204、柔性塗覆元件 246,外部導體環222、壁或軸沈0的罩，到達匹配網絡238。波紋管262優選地不是該 返迴路徑的一部分。該返迴路徑還可能穿過從下導電元件264延伸到地的一個或更多柔性塗覆元件(圖1中未示)；和/或穿過從地(底部壁)205延伸到軸沈0的一個或更多 柔性塗覆元件(圖1中未示)。
優選地，外部導體環222通過三到十二個柔性塗覆元件M6電氣連接於室壁襯 墊252。更優選地，八個被聚合物塗覆的射頻帶將外部導體環222電氣連接到室壁襯墊 252。
當在間隙控制以便於晶圓處理或襯底裝載/卸載過程中外部導體環222相對於上 室壁204移動時，柔性塗覆元件246能夠充分變形以適合該相對運動。柔性塗覆元件M6 優選地是由金屬合金形成的，比如半導體級鈹銅(BeCu)。優選地，該柔性塗覆元件對6 上的塗層對活性工藝氣體是有抵抗力的。柔性塗覆元件M6/M8/250的彎曲部分別由於 上室壁204或壁襯墊252和導體環222/上電極總成225/約束環總成206之間的相對運動 而被拉長或壓縮。柔性塗覆元件246/248/250可具有一個或更多彎曲部分以適合該間隙 調整。
將未被塗覆的導電柔性金屬條暴露於該室外殼202內工藝氣體和/或等離子體產 生的自由基可能因該柔性條的暴露金屬的侵蝕而產生汙染。等離子體產生的自由基還可 能因為移動穿過約束環總成206的自由基而侵蝕外部室容積沈8中的支座和構件。除了 由於該條的侵蝕帶來的微粒和/或金屬汙染之外，該真空室中未被塗覆的條可能需要比 預定的室維護更快地被更換。暴露於等離子體產生的自由基的金屬構件(比如導電柔性 條)的聚合物或彈性體塗層顯著增加了該構件的壽命並減少了該等離子體室中不想要的 微粒和/或金屬汙染。
為了測試各種塗層，將被彈性體和聚合物塗覆的試樣在等離子體室(比如等 離子體蝕亥Ij 室，如由 Lam Research Corporation (www.lamrc.com)提供的 Lam Research 2300Exelan Flex等離子體處理系統)中暴露於等離子體產生的氟自由基。這些實驗的 結果在圖2中用柱狀圖顯示，並呈現在表1中。為了測試對氧自由基的抵抗力，以類似 對於暴露於氟自由基的試樣描述的方式，將試樣上的彈性體和聚合物塗層暴露於等離子 體產生的氧自由基。在氧自由基中這些實驗的結果在圖2中作為柱狀圖顯示並呈現在表 1中。
表1.彈性體和聚合物柔性塗層在氟或氧活性物質(自由基)中的侵蝕的實驗測試 結果
權利要求
1.一種在用於半導體襯底處理的等離子體處理裝置中使用的射頻返回帶，所述射頻 返回帶包含具有表面的彎曲金屬條；以及粘著於所述表面的柔性塗層，所述塗層包含聚合物或彈性體，其中所述塗層在由等 離子體產生的自由基的環境中有更好的耐侵蝕性並保護所述金屬條免受所述自由基的損害。
2.根據權利要求1所述的射頻返回帶，其中所述塗層包含原地固化的氟化彈性體、環 氧樹脂、矽酮或其組合。
3.根據權利要求1所述的射頻返回帶，其中所述塗層包含未填充的原地固化的交聯矽氧烷。
4.根據權利要求1所述的射頻返回帶，其中所述金屬條包括由彎曲部分連接的兩個 平坦部分，所述平坦部分能夠被固定於可調節間隙的電容耦合等離子體室中的電極和室壁。
5.根據權利要求4所述的射頻返回帶，其中所述金屬條是由鈹銅材料製成的條。
6.根據權利要求4所述的射頻返回帶，其中所述電極是下電極。
7.根據權利要求1所述的射頻返回帶，其中所述自由基包含氟和/或氧。
8.—種等離子體處理裝置，包含真空室，其用於等離子體處理其中的半導體襯底；在所述真空室中使用的等離子體處理總成，其包含由彈性體粘合劑和矽酮基彈性體 材料粘著於第二元件的第一元件，所述矽酮基彈性體材料對由等離子體產生的自由基有 更好的耐侵蝕性，所述矽酮基彈性體材料圍繞所述彈性體粘合劑並將所述第一元件的吻 合表面密封到所述第二元件的吻合表面以保護所述彈性體粘合劑免受由等離子體產生的 自由基的損害。
9.根據權利要求8所述的等離子體處理裝置，其中所述等離子體處理總成包含圍繞位於所述真空室的下部分中的襯底支座的溫控熱邊 緣環總成；所述第一元件包含覆蓋下部環的陶瓷中間環，所述中間環經由所述下部環固定於結 合在所述襯底支座中的射頻電極；所述第二元件包含覆蓋所述中間環的上部環，其中所述上部環具有暴露於所述真空 室的內部的上表面和經由所述彈性體粘合劑粘著於所述中間環的上表面的下表面；以及 所述矽酮基彈性體材料圍繞所述彈性體粘合劑並將所述中間環的上表面密封到所述 上部環的下表面以保護所述彈性體粘合劑免受由等離子體產生的自由基的損害。
10.根據權利要求8所述的等離子體處理裝置，其中所述等離子體處理總成包含位於所述真空室的下部分中的襯底支座； 所述第一元件包含耦合於射頻(RF)電力供應的下電極總成； 所述第二元件包含位於所述下電極總成的上表面上的靜電卡持元件，所述靜電卡持 元件具有接收襯底的上表面和由所述彈性體粘合劑粘著於所述下電極總成的上表面的下 表面；以及所述矽酮基彈性體材料圍繞所述彈性體粘合劑並將所述下電極的上表面密封到所述靜電卡持元件的下表面以保護所述彈性體粘合劑免受由等離子體產生的自由基的損害。
11.根據權利要求10所述的等離子體處理裝置，其中所述矽酮基彈性體材料是O形環 形狀的。
12.根據權利要求11所述的等離子體處理裝置，其中所述O形環形狀的矽酮基彈性體 材料具有多邊形橫截面形狀。
13.—種在等離子體處理裝置中處理半導體襯底的方法，所述方法包含 將襯底放在等離子體處理裝置的反應室中上電極總成下方的襯底支座上； 將工藝氣體引入所述反應室；在所述反應室中、在所述上電極總成和所述襯底之間從所述工藝氣體產生等離子體；用所述等離子體處理所述襯底；以及經由如權利要求1所述的射頻返回帶在所述室的部件間傳送射頻電力。
14.根據權利要求13所述的方法，其中所述處理包含蝕刻所述襯底。
15.根據權利要求13所述的方法，其中所述襯底支座能夠豎直移動且所述射頻帶在所 述襯底支座和所述室的內壁之間提供電流路徑。
16.根據權利要求13所述的方法，其中所述上電極能夠豎直移動且所述射頻帶在所述 上電極和所述室的內壁之間提供電流路徑。
17.根據權利要求13所述的方法，其中所述處理包括使用包含氟自由基的等離子體的 第一步驟和使用包含氧自由基的等離子體的第二步驟。
18.—種在等離子體處理裝置中處理半導體襯底的方法，所述方法包含將襯底放在如權利要求8所述的等離子體處理裝置的反應室中的襯底支座上； 將工藝氣體引入所述反應室；在所述反應室中、在所述上電極總成和所述襯底之間從所述工藝氣體產生等離子體；用所述等離子體處理所述襯底。
19.根據權利要求18所述的方法，其中所述處理包含蝕刻所述襯底。
20.根據權利要求18所述的方法，其中所述處理包括使用包含氟自由基的等離子體的 第一步驟和使用包含氧自由基的等離子體的第二步驟。
全文摘要
一種在等離子體室中使用的柔性聚合物或彈性體塗覆的射頻返回帶，以保護該射頻帶免受等離子體產生的自由基(比如氟和氧自由基)的損害，以及一種處理半導體襯底，同時減少等離子體處理裝置中的微粒汙染的方法。該塗覆射頻帶最小化微粒的產生並比未塗覆基底構件呈現出更低的侵蝕速率。在導電的柔性基底構件上具有柔性塗層的這種塗覆元件提供了射頻地返回，其被配置為允許可調節間隙的電容耦合等離子體反應室中的一個或更多電極的移動。
文檔編號H01L21/00GK102027574SQ200980112463
公開日2011年4月20日 申請日期2009年2月6日 優先權日2008年2月8日
發明者喬恩·麥克切斯尼, 埃裡克·佩普, 拉金德爾·德辛德薩, 鮑比·卡德霍達彥 申請人:朗姆研究公司