法拉第屏蔽和等離子體晶片處理的製作方法
2023-07-12 07:04:21 2
專利名稱：法拉第屏蔽和等離子體晶片處理的製作方法
技術領域：
本發明涉及在半導體處理中使用的感應耦合等離子體(ICP)源。本發明具體地可應用於高密度感應耦合等離子體(HDICP)源，其中通過由開縫澱積擋板(slotted deposition baffle)保護的介電材料感應耦合RF能量，以便激勵用於將導電材料澱積到半導體晶片上或者從半導體晶片蝕刻導電材料的等離子體。
背景技術：
感應耦合源越來越廣泛地用作在半導體製造中使用的處理系統。典型的ICP源採用天線將RF能量耦合到真空腔室中的工作或者處理氣體中，由此在該氣體中激勵等離子體。這些源進一步在天線和處理區之間採用電絕緣窗或者其它電絕緣材料隔板。所使用的窗可以在大氣和腔室的真空之間提供隔板。在美國專利No3,974,059和5,178,739中描述了較早使用的高頻線圈，該線圈用於使塗覆材料的汽化粒子離子化。
在ICP半導體處理系統中，該ICP源是與真空腔室一體的部件，該真空腔室包含用於處理半導體晶片的工作或者處理氣體。對於金屬澱積和蝕刻應用來說，必須保護介電窗或者其它電絕緣結構免受等離子體影響，以避免在該絕緣材料表面上形成導電塗層，這些導電塗層會阻止有效的RF功率傳遞到等離子體中。通過結構裝置即在等離子體和絕緣材料之間放置的澱積擋板提供該絕緣材料的表面保護。下面稱該電絕緣材料為窗。這種窗一般由例如陶瓷的介電材料形成。在美國專利No.4,431,901；4,795,879；5,231,334；5,449,433和5,534,231中描述了由開縫屏蔽製成的澱積擋板。在美國專利No5,800,688和5,948,215中使用圓柱源以及在沒有專利No.6,080,287和6,287,435中使用平板和三維天線描述了它們在離子化物理汽相澱積(iPVD)系統中的應用。
等離子體處理系統中的澱積擋板裝置或者屏蔽達到幾個目的。對於當天線放在該窗的大氣側時的介電窗來說，或者對於當天線放在真空中時的天線自身來說，這種屏蔽可以提供保護，避免它們受到等離子體輻射、汙染和濺射。在金屬澱積裝置中，這種屏蔽可以防止導電塗層澱積到介電窗的表面上。通常優選該擋板或者屏蔽裝置對於靜電場是不透明的，但是對於電磁場是透明的，使得該裝置防止RF能量從天線靜電耦合到等離子體，但是允許該能量磁性耦合，用於激勵等離子體。從耦合效率的角度來看，希望使該屏蔽上的鏡像電流最小，使得該能量在屏蔽的焦耳熱方面不浪費。
通常，對於澱積擋板或者屏蔽來說，單個的設計不能立刻完全優化所有這些方面，因此包括對這些各種各樣需求進行的許多平衡。例如，產生最小損耗和對於電磁場來說最透明的屏蔽根本沒有。另一方面，完美的靜電和粒子屏蔽將天線或者介電窗完全封閉在接地的外殼中，從而使其與等離子體環境隔離，根本不允許耦合。當使用具有複雜形狀和結構的天線而不是簡單的RF帶形式的天線時，屏蔽設計的優化甚至更困難。
由於耦合到腔室內部等離子體中的對稱(至少，方位角一致)RF功率的要求，對於澱積擋板、尤其是用於大直徑半導體晶片處理的等離子體中的澱積擋板來說，希望空間耦合效率是均勻的。非對稱等離子體趨於產生更多的汙染和等離子體源附近硬體部件的腐蝕，包括由於方位角不一致的離子流而導致產生不規則的靶濺射蝕刻速率，從而產生不均勻的蝕刻或者澱積。通常，作為要求，處理裝置的整個尺寸必須限於幾十釐米，或者對於處理設備來說至少優選保持佔用小的面積。對於使用大的部件來保持端部、邊緣或者其它不規則結構部件遠離臨界位置來說，尺寸限制不能提供足夠的空間。
例如，在接近縫隙端部的澱積擋板中已經觀察到熱點，產生局部更強的等離子體，結果，出現了靶的局部加強腐蝕。非均勻的靶腐蝕縮短了靶的壽命，由此增加了設備擁有者的成本。此外，非均勻的腐蝕速度可以在基片上澱積的膜中產生通過改變基片上澱積膜的厚度形成的橢圓或者其它不規則圖案。
澱積擋板的重要性能是其對電磁場的透射性。縫隙允許通過在天線的導體中流動的電流產生的方位角磁通量通過該擋板，其中所述天線的導體環繞垂直於該導體的平面中的導體。電場在擋板的相鄰縫隙之間的間隙中產生，這些間隙鄰接縫隙，電場的方向使得其支持磁力線從該間隙且遠離天線的ExB移動。透射係數可以高達0.8-0.9範圍內的值。然而，導電的澱積擋板會對天線-至-等離子體的耦合性能產生兩個負面影響(1)天線電流Iw的磁屏蔽，和(2)可能出現的明顯歐姆損耗。當垂直於擋板表面的磁通量增加時，這兩個影響更強。
在腔室中通過在線圈和處理區之間的澱積擋板提供的靜電屏蔽使其難以在ICP反應器中激起等離子體，尤其在低壓。在這種情況下，必須開發新的程序以便提供對於操作人員來說安全、將不會毀壞硬體並且將不會妨礙處理或者破壞待處理基片的等離子體激勵。
腔室中氣體的最初離子化需要足夠高的電壓以便從中性原子產生電子和離子。此外，為了維持等離子體，至少需要與在腔室空間內通過碰撞或者與腔室壁的碰撞損失的原子一樣多的原子必須被電離以便產生離子和電子。如果太多的電子損失了，那麼決不會形成等離子體的破壞。設計好的澱積擋板屏蔽了來自天線的大部分電場，並且使其難以通過來自天線的電場激勵等離子體。通過天線增加RF電流以便在其附近產生更強的電場可以導致天線處的高壓，該高壓在腔室的外側會產生大氣放電，因此是不安全的操作，並且具有潛在的元件毀壞。此外，腔室中的壓力越低，等離子體激勵越困難。
在具有開縫屏蔽的ICP等離子體源中，增加屏蔽中縫隙之一的開口可以改善激勵，但是在避免介電窗汙染的情況下是不實際的。在具有靶的系統中，能夠通過施加給靶的DC功率觸發等離子體。然而，由於在供電電極處的高壓峰值，會以非常大的電壓擺動方式引起不穩定的擺動，這種情況會持續直到實現或者超過閾值電壓，從而對待處理晶片產生顯著損害，在這一點將會出現到等離子體的全面過渡。
發明內容
本發明的目的是排除ICP處理系統中的等離子體中的方位角不均勻性，尤其是消除靶的局部腐蝕，並且通過排除這種方位角等離子體不均勻性在ICP-iPVD系統中的基片上提供更均勻的澱積。
本發明的另一個目的是優化ICP處理系統中澱積擋板的傳遞功能，以便提供通過該擋板傳遞到等離子體中的RF功率的更均勻分布。
本發明的再一個目的是提高窗免受塗層汙染的保護。
本發明的再一個目的是在低壓和低功率條件下提供等離子體激勵和安全激勵程序。
根據本發明的原理，ICP反應器中澱積擋板的縫隙配置有在不限制通過該擋板的感應耦合效率的情況下提高通過該擋板耦合到等離子體中的功率分布均勻性的部件或者元件。
根據本發明的其它原理，ICP反應器中澱積擋板的縫隙配置有限制該縫隙中等離子體形成和限制材料從該縫隙發射並且發射到受該擋板保護的介電窗上的部件。
根據本發明的進一步的原理，在縫隙的面對腔室側或者在除了縫隙的面對擋板的窗側的擋板的等離子體側，利用不同的部件和幾何形狀構建ICP反應器中的澱積擋板，在本發明的某些實施例中，通過跨越該擋板縫隙的導電橋，擋板縫隙的端部效果均勻地分布在該擋板的表面上。優選，這些橋設置在擋板的腔室側，也就是面向等離子體的側，使它們對擋板對磁場的透過率的限制作用最小。可以選擇的是，或者此外，通過增加縫隙的數量提供對RF增加的透過率。在增加縫隙數量中，可以選擇縫隙數量和結構，使得線圈-擋板RF電路的諧振頻率接近於給該線圈提供功率的RF能量源的諧振頻率。
通過在澱積擋板的等離子體側放置橋，部分消除了擋板窗側的返回電流路徑，避免直接被天線看到，使橋和天線之間的幹擾最小。此外，橋增強了屏蔽的中心部分的RF接地，增強了窗對來自平行於縫隙方向的粒子的屏蔽，並且在垂直於縫隙的方向建立了熱通道。此外，橋有助於壓制澱積擋板的等離子體側的RF磁場。此外，橋的圖案位於並且分布在澱積擋板的平面上，給等離子體狀態具有均勻的影響。
此外，通過設計縫隙數量在接近並聯LRC電路的諧振構建天線和澱積擋板。在這樣的條件下，將最大的RF功率澱積到等離子體中。
根據本發明其它的實施例，通過從等離子體給窗提供沒有視線通路的縫隙、並且利用防止等離子體在縫隙中形成並且從該縫隙濺射澱積到該窗上而使由等離子體產物和金屬原子對介電窗的塗覆最小。這在不減小縫隙對來自線圈的磁場的透過率的情況下實現。優選，在縫隙中設置刀片或者其它結構，以將氣體原子的平均自由路徑減小到小於該縫隙的臨界尺寸。以使為擋板上的感應電流提供增加的通路最小的方式將這種結構連接到擋板本體。
除了縫隙中的結構之外的刀片或者其它等離子體位於介電窗附近的縫隙部分內。然而，與擋板本體的刀片接點設置成朝向擋板的等離子體側，以避免提供感應電流路徑或者影響天線的阻抗。這些結構優選是窄板條或者薄片形式的薄刀片，具有大約1mm或者更小的厚度，並且將其放置在其接近於介電窗側的縫隙內。
來自天線的RF磁場不直接受薄刀片和它們的向擋板等離子體側設置的接點的影響，因為它們的作用部分被澱積擋板自身屏蔽了。澱積擋板平面中的刀片接點平面圖案對等離子體的狀態提供了均勻的影響。
根據本發明的某些實施例，在耦合到天線的低RF功率和在靶處僅幾瓦例如0-20瓦的DC功率水平激勵並且維持等離子體。具體地說，利用在65毫乇4-5瓦和在20毫乇9-10瓦的DC功率進行等離子體激勵。對於H-E轉變來說，ICP功率也剛好施加在「反向閾值」功率以上。對於在從20-100毫乇範圍內的壓力來說，H-E轉變的反向閾值一般小於大約300W。據此，當使用例如在其一端可以表現出5kV的峰值-對-峰值電壓的真空調諧天線時，可以將該ICP功率設置為在激勵之前為300W或者更高，但是優選不大於500-600W。
DC和ICP功率的協同作用在非常低的功率和電壓水平激勵和維持等離子體。激勵之後，可以將ICP和DC功率設定到處理工作水平，或者可以切斷DC功率，僅通過ICP功率維持等離子體。
圖1是iPVD裝置的剖切透視圖，說明現有技術的部件；圖1A是圖1所示裝置的橫截面的示意透視圖，示出了瞬時的RF場和電流矢量；
圖1B是類似於圖1A的圖，說明了處於澱積擋板中心的這種矢量；圖1C是類似於圖1B的圖，說明了位於澱積擋板的縫隙端部的這種矢量；圖2A是在不具有澱積擋板的情況下圖1所示裝置的腔室中的RF功率密度分布的三維圖；圖2B是在具有澱積擋板的情況下圖1所述裝置的腔室中的RF功率密度分布的三維圖；圖3A是表示根據本發明一個實施例的澱積擋板的窗側的透視圖；圖3B是表示圖3A的澱積擋板的腔室側的透視圖；圖3C是在線3C-3C截取的穿過圖3B的澱積擋板的剖視圖；圖4A是表示圖3A-D的澱積擋板的腔室側的底視圖，示出了一個縫隙圖案；圖4B是類似於圖4A的底視圖，示出了具有另一縫隙圖案的澱積擋板；圖4C是類似於圖4A和4B的底視圖，示出了具有另一縫隙圖案的澱積擋板；圖5A是穿過圖1所示裝置的源的橫截面電磁能量密度圖；圖5B是穿過根據本發明的源的一個實施例、類似於圖5A的橫截面電磁能量密度圖；圖5C是穿過根據本發明的源的另一個實施例、類似於圖5B的截面電磁能量密度圖；圖5D是在具有圖5A的源的裝置的腔室中、類似於圖2B的功率密度分布的三維圖；圖5E是在具有圖5B的源的裝置的腔室中、類似於圖5D的功率密度分布的三維圖；圖5F是在具有圖5C的源的裝置的腔室中、類似於圖5D和5E的功率密度分布的三維圖；圖6A是表示圖5B的澱積擋板的腔室側的底視圖；圖6B是表示圖6A的澱積擋板的窗側的頂視圖；圖6C是圖6A和6B的澱積擋板的斷續頂視圖；圖6D是沿著圖6C的6D-6D線截取的圖6A-6C的澱積擋板的斷續透視圖；圖6E是圖6A-6D的澱積擋板的部分的斷續透視圖；圖7A是顯示對於各種等離子體激勵條件來說峰值電壓作為ICP功率的函數的圖；圖7B是顯示DC功率作為ICP功率和壓力的函數的三維圖；圖7C是根據本發明的某些原理在PVD系統中的DC和ICP等離子體激勵功率的圖；圖7D是根據本發明的某些原理在PVD系統中DC和ICP等離子體激勵功率的圖。
具體實施例方式
結合如圖1所示的美國專利No.6,287,435中公開的iPVD裝置10描述本發明。該裝置10包括由腔室壁14界定並且其中在面向上的基片支撐件13上支撐有用於處理的半導體晶片12的真空腔室11。離子化的濺射材料源15位於腔室11的頂部，並且包括具有RF能量源20的截頭圓錐體磁控管濺射靶16，所述RF能量源20位於靶16中央的開口17中。源20包括與RF電源的輸出以及匹配網絡22連接的RF線圈或者天線21。線圈21位於腔室11外部的大氣18中，在介電窗23之後，介電窗形成腔室11的壁14的一部分，腔室使在腔室11內部維持在真空的處理氣體與腔室11外部的大氣隔離。
在所示的實施例中，在窗23內部的是導電材料的澱積擋板30，它具有穿過其中的多個平行的直線縫隙31。優選，該擋板30是金屬。在每對相鄰縫隙31之間的擋板30呈細長板條32的形式。線圈21具有多個平行導體區段24，這些導體區段24位於接近於窗23外側的位置，並且通過返回段25互連，如此構成使得在區段24中的電流Ia在相同的方向流動，並且產生在腔室11中激勵高密度等離子體40的磁場Ba(圖1A)。擋板30中的縫隙31位於垂直於線圈21的區段24的平面內。磁場Ba的磁力線位於這些平面中。這些磁力線經過縫隙31並在與擋板30相鄰的腔室11中的一定量氣體周圍形成環，從而將來自線圈的RF能量耦合到腔室11內的氣體中，以便維持在氣體中已經激起的等離子體40。該等離子體表現為處理氣體的帶電粒子的等離子體流41，該電流與來自線圈的電場相反。
在擋板30中感應的反磁性電流Is在擋板表面產生使得到的磁力線Ba彎曲的磁通量分量Bs。磁力線Bs在擋板30的天線側進入縫隙31，並且在擋板30的相反側或者腔室側離開，如圖1B所示。這些電流Is在縫隙31的端部33更強，以便壓制磁力線到縫隙31中，如圖1C所示。離開縫隙31的腔室側的磁通量的擴展在端部33的區域中的擋板30的腔室側產生相反方向的表面電流，這些表面電流有助於局部等離子體加熱。該邊緣效應在與澱積擋板30的固體部分相對的擋板30的縫隙區域的邊界處起著重要的作用。
根據本發明的某些方面，有利地使用該邊緣效應，以便影響在澱積擋板裝置30的任何其它部分內耦合到等離子體40的功率的整個分布。縫隙31的端部33相對於線圈31的導體24的位置影響線圈21的返回電流路徑和阻抗。
在縫隙處擋板30的厚度尺寸在擋板30的RF磁場透射度方面也起一定的作用。例如，較大的屏蔽30的厚度可有助於導致對歐姆損耗的主要貢獻和透過擋板30的RF磁場的增大屏蔽的電流。由於對於擋板30中的任意縫隙圖案來說缺乏總的方案，因此不同的天線形狀和不同的縫隙厚度、模擬實驗和分析可以提高任何屏蔽或者擋板設計的最佳性能。本發明的總的原則可以應用於這些用於改進這種設計的分析。
結合圖1的離子化PVD源來描述本發明的原則，但是本發明具有對於其它ICP源的使用來說通用的實用性。
在ICP源中，為了等離子體產物和金屬原子塗覆介電窗23，屏蔽30的縫隙31一般配置有縫隙結構，該縫隙結構不存在從等離子體到窗的視線路徑。例如，這種縫隙可以是山形或者具有一些其它適當形狀，以便實現上述結構。為了簡單起見，在圖1A中示意性地示出了矩形橫截面。
在如圖1-1C所示的源中，在不具有澱積擋板30的情況下，如圖2A所示，產生了剛好在窗23內側的等離子體40中的功率密度分布42。然而，在具有澱積擋板30的情況下，在與澱積擋板30的腔室側相鄰的窗23內側產生如圖2B所示的功率密度分布42a。分布42a具有與擋板30的縫隙31的端部33相鄰的尖峰43，其幅度甚至可以比鄰近澱積擋板30的中心44高。這種擋板30使功率密度分布42通過下式變成分布42aP等離子體(X，Y，Z)＝K擋板(X，Y，Z)×P天線(X，Y，Z)係數K擋板(X，Y，Z)表示歐姆損耗、縫隙幾何形狀和對EM場的邊緣效應的影響。它代表等離子體源的方位角的不對稱性。緊挨縫隙31的端部33的熱點局部產生更強的等離子體。這會導致靶的腐蝕加強，縮短靶的壽命，由此增加設備擁有者的費用。此外，這種非均勻的腐蝕速度可以在基片上澱積的膜上由於基片上澱積膜厚度的改變而產生橢圓圖案。
由於從澱積擋板30除去縫隙31的端部既非簡單也非實際，因此本發明的方案是通過有意在澱積擋板表面上建立邊緣效應，從而在該擋板上分配該邊緣效應。此外，通過在面向等離子體40的擋板30的一側建立該效應，使該方法的負面影響最小。這通過將各個板條與金屬橋在某些位置連接到一起來實現，由此沿著縫隙31在各個點模擬縫隙31的「準端部」。
通常，那些慣常使用RF場的人將避免在縫隙上引入橋，以避免磁性屏蔽線圈和降低來自線圈的RF磁場向等離子體的傳播，從而降低進入等離子體的澱積功率密度，產生減小的等離子體密度。在使用非常短的縫隙和太多橋的極端情況下，例如，可以生成簡單的穿孔EM屏蔽，這將阻礙從線圈到等離子體的所有磁性耦合。本發明採取幾個步驟來克服該不期望的結果。
本發明採取的步驟提供了澱積擋板30a，該澱積擋板30a對於來自線圈的RF磁場具有增加的透過性，並且例如，如所說明的，以不顯著增加跨越縫隙的返回電流的方式提供橋34，如圖3A-3D所示。
通過提供增加的縫隙數部分增加了透過澱積擋板裝置的RF磁場。圖1-1C的現有技術源20的擋板30具有十三(13)個縫隙31。在擋板30a中，來自線圈的RF磁場通過數目增加、例如十六(16)的縫隙穿透澱積擋板裝置，如圖3A所示。這種穿透幾乎與縫隙31a的數目成比例，當縫隙的數目從13改變到16時，增加24％，當縫隙數目從13增加到20時，增加43％。給定相同的功率密度，縫隙數目的增加導致到等離子體中的總的澱積功率的增加，或者，替代的是，降低經過線圈的電流，以便將相同的功率澱積到等離子體中。這樣允許饋線中RF功率更好的再分配，包括與網絡和電纜等匹配，從而降低損耗。從這一點來看，可以將擋板透射係數限定為在澱積擋板腔室側的平均RF電磁能量與隨著縫隙數量增加的、在擋板輸入天線側的值之比。由於縫隙寬度的減小增加了澱積擋板的歐姆損耗，因此縫隙31a的寬度保持與縫隙31相同。
橋34的位置和延伸可以影響來自天線21的功率耦合到等離子體40中。圖3B所示跨越澱積擋板30a的山形縫隙31a的橋34避免穿過擋板30a的功率耦合的降低。例如，如圖3C和3D所示，將橋34限定到澱積擋板30a的腔室側上的縫隙31a的部分，從而通過避免擋板30a的線圈側的通路限制返回電流通路。結果，天線21沒有從線圈直接「看」位於屏蔽30a的相反側上的橋34，避免橋34和天線21之間的大的潛在幹擾。擋板30a的腔室側上的橋34遠離21，幾乎比擋板30a的厚度的1/2更遠，它們與天線21幾乎沒有幹擾。
橋34提供增強的屏蔽中央部分的RF接地。降低擋板結構的電感，可以提高並且將不會有損於該擋板的性能。橋34還增強了窗對來自平行於縫隙31a方向的粒子的屏蔽，該橋在垂直於縫隙31a的方向建立了熱通道，由此提供在垂直於縫隙方向的熱流動、提高的輻射熱流動和更有效的擋板冷卻。
據此，來自天線的RF磁場沒有直接受到在屏蔽30a的腔室側的縫隙31a中添加橋34的影響。它們的影響部分地被屏蔽30a的頂部非橋結構屏蔽。此外，橋34影響澱積擋板30a腔室側上RF磁場的壓制，形成增加的RF場幅度的局部點。此外，澱積擋板30a的平面中的平面橋圖案提供了對等離子體的均勻影響，抵消了對系統來說固有的其它非均勻性。有限的元件模擬和分析將有助於優化橋34的放置。在圖4A-4C中分別示出了具有各自的縫隙變化31a、31b和31c的澱積擋板31a、31b和31c的三個例子。
基於模擬，可以進一步示出，作為並聯的LRC電路處理天線和擋板，天線21和澱積擋板的諧振頻率受縫隙31a的數量和其它的擋板幾何形狀的影響。例如，將縫隙的數量從13增加到16和添加橋，將這種電路的諧振頻率從19MHz降低到15MHz，非常接近於激勵頻率(13.56MHz)。通過進一步進行類似的調整，可以進一步將諧振頻率降低到13.56MHz，由此經過該屏蔽的RF電感耦合應最大，可以將最大的RF功率從線圈耦合到等離子體。
而且，在圖5A中可以看出，為了消除由等離子體產物和來自等離子體的金屬原子產生的介電窗的塗層，一般構成該縫隙31，使得從等離子體經過擋板30到窗23上不可得到視線路徑。例如，設置山形或者其它適當形狀的縫隙31，這種縫隙一般具有幾毫米的寬度W，例如，3-6mm。但是即使沒有視線路徑，在20毫乇和以上的壓力下，一定量的金屬蒸汽可以穿過澱積擋板的縫隙並且汙染介電窗。
已經發現，例如，如果氣體壓力使得氣體原子的平均自由路徑小於縫隙寬度，那麼可以在縫隙31內產生和維持等離子體。結果，可以將RF功率耦合到縫隙31中，以便在縫隙31中產生雜散等離子體，引起塗層材料的澱積35，該澱積被迂迴的縫隙路徑壁阻擋，以便從縫隙31重新濺射到擋板30的窗側，如箭頭36所示，這樣汙染介電窗23。此外，縫隙31內這種雜散等離子體43的產生增加了澱積擋板30內轉換為損耗的RF功率的比例，由此局部增加溫度。
如圖5B所示，通過提供具有修改的縫隙結構31d實現雜散等離子體43的消除。縫隙31d每個都包含在擋板30d的介電窗側上的縫隙31d內的刀片37。與擋板30d的導電材料一體形成的刀片37相對於天線21的導體24的定位可以在擋板30d中形成返回電流通路，並且影響線圈21的阻抗。通過使刀片37較薄，例如放置在接近於介電窗23的縫隙31d內、具有與擋板30d的本體的最小連接、為具有大約1mm或者更小厚度的窄板條或者薄片的形式，使這種返迴路徑最小。RF磁場B充分地穿透具有刀片37的縫隙31d。
具體地說，將刀片37放置在如圖5B所示的山形縫隙31d的窗側支路中。刀片37增強了窗23對來自雜散等離子體43的粒子的物理屏蔽。刀片37連接到澱積擋板30d的本體的堅固部分，使浸入澱積擋板30d的底部或者中間的刀片連接點38遠離天線21、更接近於擋板30d的等離子體側。因此天線21在任何有效角度都「看不見」這些處於擋板30d的底部/中部的刀片連接38，從而避免刀片連接38和天線21之間的幹擾。刀片37連接到澱積擋板30d的本體，這樣通過經過刀片連接38建立的熱通道冷卻它們。刀片連接38在垂直於縫隙31d的方向上。這樣，刀片連接38的位置僅為擋板30d的線圈側的電流提供弱的返回電流路徑。
刀片37不限於僅用於山形縫隙，而是可以如上所述類似的方式配置到其它縫隙類型中。此外，可以將向縫隙31添加刀片37的理念與圖3A-3D和4A-4C的橋34結合，以便實現這種結構的優點。
來自天線21的RF磁場不直接受刀片37的影響，其中這些刀片很薄，並且它們的連接38放置在屏蔽結構的腔室側，它們的效果部分被澱積擋板30d自身的本體屏蔽。刀片連接38還位於澱積擋板自身的平面內，這樣提供均勻條件的等離子體。通過導電模擬對於具體的系統來說可以優化刀片37的圖案。下面描述幾種刀片圖案的例子，但是對於各種應用來說，可能的圖案並不限於所示的這些。
例如，圖5A示出了通過圖1裝置的、具有規則的山形縫隙31的澱積擋板30傳輸的RF能量的平均電磁能量密度圖案45a。圖5B示出了經過擋板30d傳輸的能量的能量密度圖案45b，該擋板30d具有包括在其窗側的刀片37的山形縫隙31d。圖5C示出了經過擋板30e傳輸的能量的進一步能量密度圖案45c，該擋板30e具有類似於縫隙31d、但是具有增加的寬度的縫隙31e。由於刀片37的存在稍微減小了耦合到擋板30d中的等離子體中的平均RF電磁能量，這通過擋板30e中的縫隙31e寬度的相對增加補償。
圖5D-5F分別示出了經過澱積擋板結構30(不具有刀片)、30d(在縫隙30d中具有刀片37)和30e(具有刀片37並且具有增加了寬度的縫隙31e)之後等離子體中的RF功率密度分布45a-45c的三維圖。使用模擬軟體產生這些分布45a-45c，並且示出，在縫隙31內添加刀片37沒有顯著修改所述分布。同樣，基於模擬各個連接38之間的平均距離超過3.3cm-6.7cm的範圍，澱積到等離子體中的總功率基本上不受刀片連接38或者每單位長度的刀片連接38的數量影響。澱積到等離子體中的平均EM能量不隨著刀片連接38的數量而改變。然而，對應於縫隙31d的體積減小，縫隙31d內的電磁能量適當增加，從而增加了RF磁場的壓制，導致歐姆損耗的可測量和不顯著增加。表現出澱積功率的相對傳輸係數稍微降低，但是等離子體中的電磁能量與總體積中的能量的總比例在測量時沒有改變。
圖6A-6D詳細示出了將刀片37結合到擋板30d的一個實施例中。圖6A示出了擋板30d的腔室側，其中14個縫隙31d具有如縫隙31那樣的相同的總體外觀。圖6B示出了相同擋板30d的窗側，其中在縫隙31d中可以看到刀片37。注意，連接點38包括在刀片37a的相對縱端處的連接38a，該刀片37a延伸縫隙31d的較短縫隙的整個長度；僅在刀片37b的一端處的連接38b，該刀片37b僅延伸在其端部的縫隙31d的較長縫隙的長度的大約三分之一；和在刀片37c一端處的連接38c，該刀片37c延伸在其中間附近的縫隙31d的較長縫隙的長度的大約三分之一。圖6C和6D示出了在斷斷續續的底視圖和透視圖中在縫隙31d中的刀片37的結構。
圖6E示出了刀片37結合到擋板30d中的替代優選方式，其中每個刀片37或者刀片區段的連接點38d為沿著一個側邊緣將刀片37結合到縫隙31d的與擋板30d的腔室側相鄰部分的壁上的小橫截面柱。此外，可以將圖6B的連接38c和圖6E的連接38d結合到一起並且用來將相同或者不同的刀片連接到澱積擋板的本體。
具有刀片37的縫隙31d提供與不具有刀片的山形縫隙31可比的電感耦合效率，或者與縫隙31的初始效率的95％內的電感耦合效率。差別可以通過將更多的縫隙31d添加到澱積擋板30d中來補償。總之，可以由刀片連接38的位置適當地影響腔室中的RF功率密度分布，但是刀片連接38不顯著影響傳輸到等離子體中的電磁能量的總功率。刀片連接38的均勻分布和通過使用單個連接避免封閉環僅降低了刀片連接38對功率密度分布的影響。不期望刀片37的定向本質上影響到等離子體中的耦合效率或者功率密度分布。
在不管是山形還是其它形狀的縫隙中採用刀片，都具有消除或者使縫隙內和介電窗附近存在的等離子體最少的優點，從而消除或者基本上減少在縫隙內和介電窗的濺射。減少來自該雜散等離子體的濺射減少了粒子汙染的添加。刀片增強了窗對來自等離子體的粒子的屏蔽。此外，所提出的這種刀片的連接方式提供了刀片和它們的連接與RF天線的低幹擾。
通過線圈澱積擋板與腔室的靜電屏蔽使得等離子體激勵困難。利用耦合到天線的極低的RF功率(例如大約300瓦)和靶處大約幾瓦(例如在65毫乇和20毫乇分別至少4W和9W)的低功率激勵和維持所述裝置中的等離子體。在沒有靶的蝕刻系統和其它系統，可以使用分離的電極例如擋板自身代替用於等離子體激勵的靶。例如，對於iPVD，自然使用靶作為電極，其中激勵所需的DC僅包括設定功率。在例如蝕刻的其它系統中，需要提供其它的電極，例如小的平坦電極或者用於等離子體觸發的導線-圓柱形電極(wire-cylindrical electrode)。如果不接地，或者如果當其低功率DC偏置時可以使其與地短期分離，可以使用擋板自身。例如在蝕刻機中，可以使用經常設置用於改善蝕刻非均勻性的所謂的「聚焦環」。對於這樣的電極來說，要求應是(1)由低濺射生產率材料構成，以便不由電極材料汙染處理腔室(例如Pt、Ni、Mo、W、Ta)，(2)耐高溫，(3)由其表面提供好的電子發射，和(4)配置在不直接暴露於最熱等離子體的位置，例如部分壁、部分內屏蔽或者澱積擋板。
對於等離子體激勵來說，除了低DC功率水平之外，同時在剛好在H-E轉換的「反閾值」功率水平之上對天線施加ICP功率。單單這樣的DC功率不足以在這樣低的功率水平下維持等離子體。這樣的低DC功率水平提供了非常少量的具有足夠的能量以通過離子化中性原子和產生二次電子和離子來觸發等離子體的單個電子。然而，這些二次電子沒有獲得足夠的能量來產生其它的離子化作用，這對於維持等離子體來說是必須的。單單ICP功率在「反閾值」水平不足以激勵該等離子體。
H-E轉換是典型的感應放電，它表現出兩種工作模式(1)已知為H模式的真正的感應放電，和(2)已知為E模式的弱電容放電。H-E(或E-H)轉換是從感應耦合到電容耦合(反之亦然)的轉變。當逐漸增加ICPFR功率時，在低功率水平，僅有天線對等離子體的電容耦合(E模式)，並且通過由天線產生的電場激勵該等離子體；天線的RF磁場(H)低，並且不會感應足以維持該等離子體的等離子體內部電場。等離子體密度被視為低密度(Ne～109-1010cm-3)，並且通過涉及作為電容性電極的天線表面的電場(E，靜電機制)產生。隨著增加RF功率，因為天線由於線圈電感而導致在H靜電機制下產生強的RF磁場，在等離子體內部引發強的電場，因此放電突然從低密度電容模式移向高密度感應模式。該電場不涉及天線的任何表面，但是強得足以產生Ne～1011-1012cm-3範圍內的等離子體密度。試驗表表明，當線圈電流(RF功率)增加時，這些模式之間的轉變是清楚的，並且由等離子體密度具有大的增加和當H模式出現時出現光發射來標誌。通常，對於向上轉換(E-H)和向下轉換(H-E)來說，從低密度跳到高密度(反之亦然)所需要的RF功率水平或多或少不同，形成H-E轉換的磁滯現象。因此，在ICP系統中，在低的RF功率水平，大部分能量流經電容耦合，天線的電感不起作用，在高的RF功率水平，天線的電感起著至關重要的作用，並且大部分能量流經感應耦合機制，感應耦合比電容耦合更有效，例如，產生了高密度等離子體。在中間的RF功率水平，存在兩種機制，通常在磁滯曲線內。
H-E轉換的「反向」閾值是磁滯曲線上的反向H-E轉換閾值。在具有作為靜電屏蔽工作的澱積擋板的系統中，僅在磁滯曲線上的正向E-H轉換之上的區中激勵真正的感應等離子體(H模式)，並且該感應等離子體將在磁滯曲線上的反向H-E轉換之下的區中消失。
對於在20毫乇至100毫乇範圍內的壓力來說，H-E轉換的「反向閾值」小於300W。這意味著在激勵之前ICP功率至少應設定為300W，但不高於會引起真空調諧天線以在其一端表現出5kV或者更高的峰值-至-峰值電壓的功率。對於所示的天線來說，該上限在500-600W附近，如圖7A所示。
對於等離子體激勵來說希望300瓦的ICP功率的原因是在該系統中維持低電壓並且避免損害，或者通過提供較軟的激勵，減少例如在窗的大氣側飛弧的可能性。對於DC電壓來說，大氣側飛弧出現在大約3.5kV/mm。當使用RF代替DC時，該限制通常降低，並且取決於許多因素。對於等離子體激勵來說，可以安全地使用500-600瓦的ICP功率，但是在1kW，大氣飛弧的可能性更高。因此，功率應小於1kW，優選不大於500-600W，尤其對於例如20毫乇以下的低壓工作來說。在20毫乇以上的壓力下可以安全地使用500-600W的ICP功率，在低的DC功率，對於有效的ICP激勵來說，10毫乇優選是安全的低壓限制。在300瓦ICP功率以下，或者不會很好地激勵等離子體，或者等離子體不能維持在「真正的感應模式」。使用靶處高達25-30瓦的DC功率值，高達600瓦的較高ICP功率有助於激勵感應等離子體。但是不應僅在靶處通過較高DC功率激勵和維持該等離子體，因為這樣在缺乏特殊的電子控制的情況下會產生電壓尖峰，在Lantsman美國專利No.6,190,512中描述的，該尖峰會對設備產生損害和產生腔室及基片被濺射材料汙染。在低的DC和ICP功率，對於有效的ICP激勵來說，10毫乇是可能的極限。
DC功率和ICP功率的協同作用在非常低的功率和電壓條件下引起等離子體激勵並且維持。激勵之後，ICP和DC功率都可以設置到處理工作水平，或者DC功率可以切斷，僅通過ICP功率維持等離子體。在對於iPVD來說的等離子體處理系統中，在氬氣中激勵和維持等離子體所需的功率水平的例子示於在圖7B中繪製的試驗數據中，其中箭頭表示在兩種不同的壓力下激勵和維持DC功率水平等離子體。
最小的DC功率水平的經驗評估大約通過下式給出，在氬氣的20-100毫乇壓力範圍內該式是適用的 該式僅是近似式，因為當靶材料改變、使用不同的工作氣體或者修改硬體元件時，可以要求不同的功率水平，但是這裡討論的原理保持不變。
激勵和等離子體維持程序示於圖7C中存在靶的PVD系統和圖7D中不使用靶的蝕刻系統或者等離子體清潔處理。圖7C中的順序用於等離子體激勵和後來的離子化PVD處理，而圖7D中的順序用於低功率激勵和後來的僅以ICP為基礎的處理。該程序的詳細描述示於表1。
表1-激勵程序
本領域技術人員應理解，本發明的申請是變化的，在例示的實施例中描述了本發明，在不離開本發明原理的情況下可以進行添加和修改。
權利要求
1.一種澱積擋板，用於保護等離子體處理腔室中的介電窗，同時有助於將RF能量從窗外側的線圈通過窗和澱積擋板感應耦合到該腔室內的等離子體中，所述澱積擋板包括具有窗側和等離子體側的導電本體；本體具有在其兩側之間延伸穿過的多個縫隙；縫隙具有由本體的表面限定的壁，並且構成為對於在腔室中從本體的等離子體側到本體的窗側移動的粒子來說阻擋穿過本體的視線路徑；多個縫隙分別具有位於其中的結構部件，結構部件大體上僅在本體的所述兩側之一上固定到本體上；以及結構部件具有分布在擋板上的與本體的接點，以便在不限制經過擋板的感應耦合效率的情況下提高通過擋板耦合到等離子體中的功率分布的均勻性。
2.權利要求1的擋板，其特徵在於縫隙具有山形橫截面。
3.權利要求1的擋板，其特徵在於部件是將本體的等離子體側上的縫隙的相對壁相互電連該的導電橋，從而中斷本體的等離子體側的縫隙。
4.權利要求1的擋板，其特徵在於部件是與本體的窗側上的縫隙壁隔開的導電細長刀片，部件平行於縫隙定向，並且在縫隙的壁之一處連接到本體，而不跨越縫隙電連接相對壁。
5.權利要求4、24的擋板，其特徵在於部件是與縫隙的壁隔開的導電細長刀片，部件平行於縫隙定向並且在本體的等離子體側上的縫隙的壁之一處與本體連接。
6.權利要求1的擋板，其特徵在於部件是與縫隙的壁隔開的導電細長刀片，部件平行於縫隙定向並且在本體的等離子體側上的縫隙的壁之一處與本體連接。
7.一種用於將RF能量感應耦合到等離子體處理腔室內的等離子體處理空間中的感應耦合等離子體源，包括在等離子體處理腔室壁中的介電窗；在窗的外部並且連接到RF功率源的線圈；在等離子體處理空間和窗之間、位於等離子體處理腔室內並且接近介電窗且與其隔開的澱積擋板，該擋板具有本體，本體具有延伸穿過的多個縫隙；該縫隙構成為，使得對於從等離子體處理空間向窗移動的粒子來說，界定縫隙的本體的表面阻擋穿過本體的視線路徑；和多個縫隙分別具有位於其中的結構部件，結構部件在向著等離子體處理空間一側固定到本體上。
8.權利要求7的源，其特徵在於部件與本體的接點分布在擋板上，以便提高通過擋板耦合到等離子體中的功率分布的均勻性，而不限制通過擋板的感應耦合效率。
9.權利要求7的源，其特徵在於縫隙具有山形橫截面。
10.權利要求7的源，其特徵在於部件是中斷本體向著等離子體處理空間側上的縫隙的橋。
11.權利要求7的源，其特徵在於部件是懸掛在縫隙中、與界定擋板向著窗側上的縫隙的本體表面隔開且平行的細長刀片。
12.權利要求7的源，其特徵在於部件是懸掛在縫隙中、與界定縫隙的本體表面隔開且平行、並且連接到縫隙表面之一的細長刀片，而不跨越縫隙電連接相對表面。
13.權利要求7的源，其特徵在於部件是懸掛在縫隙中、與界定縫隙的本體表面隔開且平行、並且連接到擋板向著等離子體處理空間側上的縫隙表面之一的細長刀片。
14.權利要求7的源，其特徵在於擋板和線圈形成RF電路，RF電路具有近似在RF源的頻率的諧振頻率。
15.一種等離子體處理裝置，包括真空腔室、位於腔室內的基片支撐件和權利要求7的感應耦合等離子體源。
16.權利要求15的裝置，其特徵在於，進一步包括控制器，控制器被編程以根據等離子體激勵方法控制該裝置在等離子體處理空間內激勵等離子體，等離子體激勵方法包括步驟用至少300瓦、但小於600瓦的RF功率給線圈供能；隨後，在幾秒的周期內給耦合到等離子體處理空間的電極從0瓦到高達不大於大約20瓦的水平斜升DC功率，從而在處理空間內激勵等離子體；一旦激勵等離子體，將RF功率和DC功率修正到基片處理參數；維持基片處理參數同時處理基片；和在等離子體處理空間中處理基片。
17.權利要求15的裝置，其特徵在於該腔室內具有形成所述電極的濺射靶，DC功率的修正包括在濺射功率水平給靶設定DC功率。
18.權利要求15的裝置，其特徵在於DC功率的斜升包括將該功率斜升到根據一種關係隨著腔室中的壓力反向改變的水平，該關係為當壓力大約為65毫乇時產生大約5瓦、以及當壓力大約為20毫乇時產生大約10瓦。
19.一種在ICP處理裝置中激勵等離子體的方法，該ICP處理裝置具有等離子體處理腔室、在腔室外部並用於將RF能量耦合到等離子體處理腔室內的等離子體處理空間中的RF線圈、和耦合到等離子體處理空間的DC電極，所述方法包括利用至少300瓦、但小於600瓦的RF功率給線圈供能；隨後，在幾秒的周期內從0瓦到高達不大於大約20瓦的水平給電極斜升DC功率，從而在處理空間內激勵等離子體；一旦激勵等離子體，將RF功率和DC功率修正到基片處理參數；維持基片處理參數，同時處理基片；和在等離子體處理空間中處理基片。
20.權利要求19的方法，其特徵在於斜升DC功率包括將功率斜升到根據一種關係隨著腔室中的壓力反向改變的水平，該關係為當壓力大約為65毫乇時產生大約5瓦，當壓力大約為20毫乇時產生大約10瓦。
21.一種澱積擋板，用於保護等離子體處理腔室中的介電窗，同時有助於將RF能量從窗外側的線圈通過窗和澱積擋板感應耦合到該腔室內的等離子體中，所述澱積擋板包括具有窗側和等離子體側的導電本體；本體具有在其兩側之間延伸穿過的多個縫隙；縫隙具有由本體的表面限定的壁，並且構成為對於在腔室中從本體的等離子體側到本體的窗側移動的粒子來說阻擋穿過本體的視線路徑；多個縫隙分別具有位於其中的結構部件，結構部件大體上僅在本體的所述兩側之一上固定到本體上；以及結構部件具有分布在擋板上的與本體的接點，以便在大體上不限制經過擋板的感應耦合效率的情況下提高通過擋板耦合到等離子體中的功率分布的均勻性。
22.權利要求21的擋板，其特徵在於當沿著平行於縫隙長度的方向看時，縫隙具有山形橫截面。
23.權利要求21的擋板，其特徵在於部件是將本體的等離子體側上的縫隙的相對壁相互電連該的導電橋，從而中斷本體的等離子體側的縫隙。
24.權利要求21的擋板，其特徵在於部件是與本體的窗側上的縫隙壁隔開的導電細長刀片，部件平行於縫隙定向，並且在縫隙的壁之一處連接到本體，而不跨越縫隙電連接相對壁。
25.一種用於將RF能量感應耦合到等離子體處理腔室中的等離子體處理空間的感應耦合等離子體源，包括在等離子體處理腔室壁中的介電窗；在窗外部並且連接到RF功率源的線圈；和如權利要求21所述的澱積擋板。
26.權利要求25的源，其特徵在於部件與本體的接點分布在擋板上，以便提高通過擋板耦合到等離子體中的功率分布的均勻性，而不限制通過擋板的感應耦合效率。
27.權利要求25的源，其特徵在於當沿著平行於縫隙長度的方向看時，縫隙具有山形橫截面。
28.權利要求25的源，其特徵在於部件為中斷本體向著等離子體處理空間側上的縫隙的橋。
29.權利要求25的源，其特徵在於部件是懸掛在縫隙中、並且與界定擋板向著窗側上的縫隙的本體表面平行且隔開的細長刀片。
30.權利要求25的源，其特徵在於部件是懸掛在縫隙中、與界定縫隙的本體表面平行且隔開、並且連接到縫隙的一個表面的細長刀片，而不跨越該縫隙電連接相對表面。
31.權利要求25的源，其特徵在於部件是懸掛在縫隙中、與界定縫隙的本體表面平行且隔開、並且連接到擋板向著等離子體處理空間側上的縫隙的一個表面的細長刀片。
32.權利要求25的源，其特徵在於擋板和線圈形成RF電路，RF電路具有大約在RF源的頻率的諧振頻率。
33.一種等離子體處理裝置，包括真空腔室、位於腔室內的基片支撐件和如權利要求25所述的感應耦合等離子體源。
34.權利要求33的裝置，其特徵在於，進一步包括控制器，控制器被編程以根據等離子體激勵方法控制該裝置在等離子體處理空間內激勵等離子體，等離子體激勵方法包括步驟用至少300瓦、但小於600瓦的RF功率給線圈供能；隨後，在幾秒的周期內給耦合到等離子體處理空間的電極從0瓦到高達不大於大約20瓦的水平斜升DC功率，從而在處理空間內激勵等離子體；一旦激勵等離子體，將RF功率和DC功率修正到基片處理參數；維持基片處理參數同時處理基片；和在等離子體處理空間中處理基片。
35.權利要求34的裝置，其特徵在於該腔室具有在其內形成所述電極的濺射靶，修正DC功率包括在濺射功率水平給靶設定DC功率。
36.權利要求34的裝置，其特徵在於斜升DC功率包括將功率斜升到根據一種關係隨著腔室內的壓力反向改變的水平，該關係為當壓力大約為65毫乇時產生大約5瓦，當壓力大約為20毫乇時產生大約10瓦。
全文摘要
保護介電窗免受導電澱積的澱積擋板(30)設置在高密度等離子體裝置中，它具有其中有部件(34)的縫隙(31)，可從空間上分布通過擋板傳輸的RF功率密度。部件形成跨越擋板面向等離子體側縫隙邊界、遠離線圈通過其耦合RF功率的窗的接點和電流路徑，從而使與感應耦合的幹擾最小。跨越擋板等離子體側的縫隙(31)的橋提高通過擋板的磁通分布。在擋板線圈側、在縫隙中且平行於縫隙、但由擋板等離子體側的接點支撐的刀片(37)減少縫隙中等離子體的形成，並防止從縫隙邊界材料再濺射。在利用澱積擋板的等離子體源中，在高達20毫乇的壓力範圍內、利用至少300瓦、但小於600瓦的RF功率和靶上或其它電極上在幾秒周期內從0瓦到不大於20瓦的斜升DC功率的組合、在低功率水平激勵等離子體。
文檔編號C23C14/34GK1647238SQ03808953
公開日2005年7月27日 申請日期2003年2月19日 優先權日2002年2月22日
發明者約瑟夫·布爾克卡 申請人:東京毅力科創株式會社