用於等離子處理的共用電流迴路並聯場裝置和工藝的製作方法

2023-05-06 16:00:06

專利名稱:用於等離子處理的共用電流迴路並聯場裝置和工藝的製作方法
本發明涉及用作處理半導體片子和製造集成電路所用的氣體充電或等離子處理的設備和工藝。特別是，本發明涉及與電子電流迴路，獨立電場相連接的多部位(multi-part)陰極，獲得在低離子能量情況下高的刻蝕率。
氣體放電等離子體處理成為廣泛地應用於處理集成電路，並具有某種特徵，使其優於傳統的刻蝕技術。刻蝕是一種技術，由此技術在所形成的抗蝕劑掩膜中，一些開口是轉移到集成電路襯底的固定層裡。特別是對於精密的應用，早先的化學溼刻蝕的技術已廣泛地變得為氣體充電等離子刻蝕所替代。這種被替代的原因在於化學溼刻蝕是一種非定向(無向性)過程，刻蝕不只是垂直地進入襯底，而且在集成電路襯底的固定層裡在光敏抗蝕劑掩膜下面側面地產生不希望有的切口效應。例如，假設在光敏抗蝕開口下的襯底被刻蝕到1微米的深度，該切口在轉移剖面的每一個側面附加了1微米，對1微米寬的開口的三倍的係數，該增大量是太大，並對於當前的微米和亞微米技術是不可接收的。
與之對照，在氣體放電中使用離子等離子刻蝕是把抗蝕圖形定向(各向異性)地轉移進入襯底。結果，切口效應為零，而且無不希望有的刻蝕圖形的增大量。因為有此優點，氣體放電等離子體刻蝕工藝成為平常事，特別是在尺寸，斷面考慮，和形狀要求嚴格的地方。
在簡單的等離子刻蝕工藝中，低壓氣體流可允許進入到真空容器室內，並經受到射頻激發。射頻激發是由裝在真空容器室內的並使其與產生電場的射頻電源相接通電極給出。電子與氣體分子碰撞產生等離子體，它含有離子，大量的活性的中性的(原子團的)物質，和更多的經受放電的電子。當由該電極所產生的等離子體暴露時，半導體片子被垂直地撞擊到其表面的離子所轟擊。
在如此傳統的反應器中的高的刻蝕速率總是以必要的高功率的激發為條件的，它可是射頻功率，產生的典型離子能量為400電子伏(ev)。從微觀看來，離子以幾百電子伏的能量碰撞刻蝕表面，通過級聯碰撞，其能量擴展到很大以至於對刻蝕表面使用失效。過剩的能量由產生熱量而耗散，該熱量損壞了保護層並對襯底產生了損傷。如果要求有更高的刻蝕率問題會更加惡化。因為增加電極的功率不僅增加刻蝕速率而且也增加了入射離子的能量。這樣，常常是幾百電子伏的離子能量之間大部分是缺乏均衡。而被處理的所要求的化學激活能量典型上是少於0.2ev。
在高功率和低壓下，磁控管可用來把離子能量降低到100-200ev的範圍。採用該原理的裝置是披露在美國專利號為4，581，118，4，525，262，和4，422，896。並揭示出聯場磁控管可進一步降低離子能量從3ev到70ev的範圍。
因此，本發明的目的是為磁控管氣體放電處理提供方法和裝置，利用並聯和獨立電場。
本發明的進一步目的是為磁控管氣體放電處理提供一種方法和裝置，利用多部位陰極，圍繞陰極產生並聯獨立的電場。
本發明的進一步的目的是為磁控管氣體放電處理提供一種方法和裝置，對於高的刻蝕率當降低離子能量時增加離子流密度以減小損壞和熱的產生。
本發明的進一步目的是為磁控管氣體放電處理提供一種方法和裝置，當獨立地控制離子能量時，它能增加離子通量的密度。
本發明的進一步目的是為磁控管氣體放電處理提供一種方法和裝置，當降低離子能量時，在低壓下它能獲得高的刻蝕速率。
由本發明所實現了的這些和進一步的目的，將從詳細的描述中成為很清楚的事實。
本發明是為磁控管氣體放電處理的一種方法和裝置，其中至少形成一種電流迴路。一多部位陰極是與為產生並聯，獨立電場的電流迴路相連接的。陰極包括產生第一電場的第一部分(Portion)，形成包括離子的氣體放電，和為產生一第二個，獨立電場的第二陰極部分。由第二陰極產生的電場從氣體放電中取出離子，並也可控制其能量，他們以該能量撞擊要被處理的物件。第一和第二陰極連接到第一和第二電源。
圖1是本發明的磁控管氣體放電處理裝置的前透視圖，它包含有設置在真空室裡的多部位陰極。
圖2是顯示在圖1中多部位陰極的前透視圖。
圖3是顯示在圖1中多部位陰極的部件分解圖。
圖4實際上是沿圖2中4-4線所切取的多部位陰極的橫斷面剖視圖。
圖5為多部位陰極提供電源的電路草圖。
圖6是多部位陰極的另一種方案實施例，圖7是圖6中另一種方案實施例的工作草圖。
圖1是本發明裝有多部位陰極的氣體放電或等離子體處理裝置的前透視圖。一個常規的氣體密封容器室1顯示在慮假線內。它包括一個連接到低壓組分的氣源的入口孔2。未示出的出口孔連接到真空泵以抽取來自室內的氣體。一個或更多的診斷口或進出門3也包含在其中。一多部位陰極裝配體5被設置在室裡。雖然可以採用其他實施例，但在圖示所說明的實施例中陰極裝配體在機械上是剛性的，是支撐在室內的一對有間距的側面框架6上，但是與之電絕緣，以使氣體可圍繞其移動。一半導體片子7或其他要被處理的物體被支撐或安置在陰極裝配體的頂端。
參看圖2-4，陰極裝配體5分別分割成第一(下面)和第二(上面)陰極部分11，10，他們互相是電緣絕的。兩個陰極部分一般是平面的和平行的，而且是由諸如鋁這類導電材料做的。他們可以鍍一層絕緣材料，例如氧化鋁，Al2O3，每一個部分的相對端部分可以是園弧的，所以裝好後，對電子流體運動他們給出空氣動力的光滑表面，如圖中箭頭12所示。一支撐塊13連接到每一陰極的側面。典型地它是由聚四氟乙烯(Teflon)材料做成並提供機械支撐和電絕緣。
為了更多的片子和電極的冷卻，每一陰極部分的內表面10A，11A可以包含一個在其上形成的園環狀的或蛇形的冷卻溝道14，15，它們實際覆蓋住全部的陰極的內表面。為了連接到未示出的冷卻系統，冷卻溝道通過支撐塊13連接到各自的入口和出口管子16、17。
第一和第二陰極部分被隔開，因此每一部分可形成一個與另一個相互獨立的電場。當由介電體隔離後，被夾在陰極之間的材料，例如說，可以是介電體或導電體和介電材料的層狀結合體，諸如若干片聚四氟乙烯材料20，鋁21和聚四氟乙烯材料22。陰極部分和介電材料的這種裝配體是以傳統的方式固定在一起，它是利用電絕緣的固定器使其通過一對準孔24延伸的。在第一和第二陰極部分之間的間距必要時或希望時可以變化，以使兩個陰極部分的電去耦合最為適宜。同樣，陰極部分的形狀和尺寸可像下面所描述的那樣也是可以變化的，作為另一種選擇，陰極部分可通過未被填充的空間所隔離而該空間是由在室內的氣體所佔有的。然而，陰極部分可通過相等的距離或少於等離子體的兩個暗空間所隔開的。
第一個陰極部分連接到第一個電源27和第二個陰極部分可連接到第二個電源26。另一方面，可以使用單一的電源，如圖5所示，所提供的每一陰極部分可以獨立地工作或控制。在圖5中，單一電源30連接則與之並聯的可變電容器31，以及串聯電感32和第2個可變電容器33，它端連接在電路點34。第一個或下部陰極部分11連接到電路點34，而第二個或上部陰極部分10通過串聯電感37和可變電容器34連接到電路點34。當必要或有要求時，電源可提供射頻電源，低頻電源，直流電源或脈衝直流電源。為幫助在上部和下部陰極部分之間維持適當的電性關係，可以採用一平衡或其他形式的電路網絡。
產生磁場的裝置既可放在容器室的外，也可放置在其內以使成形和容納等離子迴路。例如，電磁或永磁的磁極S，N設置在兩部分陰極的相反的兩側，並一般形成平行於陰極外部表面的磁場。以及同樣，平行於由陰極支撐的片子7或其他要被處理的物體的表面。參看圖2，北極和南極磁片在片子上面建立一磁場B，它是從北到南。當等離子體工作時，從加電源陰極所形成的偏置電壓產生一電場E，它是垂直地向下延伸進入上部的陰極表面。電場和磁場的結合在總的方向V形成了電子漂移速度，V方向是平行於陰極表面的。因為電子可完全地圍繞著陰極表面運動，形成了一大的電子電流迴路或帶12。該迴路一般與陰極一樣的寬度，而且在陰極的周圍建立起高的離子密度和大的電子電流。磁場也限制了電子到陰極的遷移，結果陰極的負自偏壓的量值是小的。
在工作時，本發明的下陰極部分是由高功率射頻發生器加偏置的。作為電極電源它產生一電場，形成氣體放電和電流迴路，一般情況如圖4中12A所示。電子注入該電流迴路，建立起高的離子密度而圍繞著整個陰極形成一個帶。這樣，離子佔據了上部的或支撐陰極部分10的片子上面空間。
上部陰極部分10是與下部陰極部分電絕緣的，可以獨立接電源，離子可以在予定的電壓下從電流迴路12A中被取出。上部陰極部分和電流迴路12A之間的電壓差可為低的，典型地是小於20伏。
從電子電流迴路由上部陰極部分取出離子進到片子所使用的能量常用典型的是大大地低於電源的能量。例如，在一個射頻功率是900瓦施加到下部陰極部分的例子中，即相當於功率密度為2.0瓦/平方釐米，所具有的偏置源為負130伏。以最小的功率施加到上部陰極部分以致它是以漂移電位被偏置，那就是說，相對於等離子體放電是在一個稍稍負的電壓情況的。在所設想的情況下，漂移電位引出的離子能量近似為20ev而在兩個陰極部分的離子電流都是相同的，在上部的或片子的陰極部分的功率密度計算出是為0.27瓦/每平方釐米。在這些條件下，進行了一聚合物材料的氧刻蝕。實驗是用三層光抗蝕層得到的，三層中的第一層是正抗蝕層，以通常有的方式形成圖形。中間層是一具有從Futurrex公司的聚合物IC-1 200的專有的矽(該公司是在40-50Clinton Sfreet Newton New Jersey 07860)。通過該聚合物用主要為(brief)SF6的等離子刻蝕，去除一抗蝕的圖形。底層是一厚的平面化的有機聚合物PC-1 1500D，它也是從Fufurrex公司買來的，而且正是這種材料經受了高速率的磁控管刻蝕。在大約是相同的功率密度(0.27瓦/每釐米平方)，但用更低的離子能量(約為20ev，或約為1/30標準反應離子刻蝕能量)，在底部層材料的刻蝕率約為傳統的反應離子刻蝕裝置所用速率的18倍。即便它是沒有固定到上部陰極的水冷卻上，在處理時，片子也還是保持著涼的。除此外，刻蝕斷面是各向異性，靠近中間層僅有非常的小掩模上的切口。
圖6示出了本發明的另一種具體實施例。多部陰極包括第一和第二陰極部分，而每一部分可以是由並聯的片段組成。
該實施例的磁體結構如圖6所示。一個一般的矩形的外片段40確定了一中心設有開口體40A，及另一個一般矩形內片段41是作為輔助體中心設有開口布設在其中。兩者中每一個上表面40B，41B一般是共一平面的。這兩個第一陰極片段形成相反的磁極N，S，具有包括磁貫穿的裝置42諸如支擦該片段的平板，以及空氣間隙。表示磁通量線的箭頭43示出了空氣間隙。
第一陰極部分可包括有多於一個片段，例如在圖6中有2個片段51。第二陰極部分也可以包括多於1個片段，每一個是與第一陰極部分分離開，因此，如希望的話，每一個可產生一獨立於第一陰極部分電場的電場，這是互通的。在此實施例中，第二陰極部分包括單個的平板44，是與第一陰極部分分離開的，而布設在最接近的空氣間隙43。每一部分的每一片段可以接通到分離開的電源45上。該電源是包括用在陰極部分一起作為供給功率的。換句話說，單一電源可被用於陰極部分或通過電路網絡被連接起來，正如早先已描述的那樣。
要被處理的片子或物件支撐或設置在上部或第二陰極部分44的一個或更多的上表面。
該實施例的操作是與第一個實施例相同的，如圖7所示的那樣。由第一陰極部分51所產生的電場形成了氣體放電區和電流迴路50。一般情況由第一陰極部分的片段確定了上部表面和平面。特別是，電流迴路在空間形成一般是由在空氣間隙43中的磁通量所確定的。離子從電流迴路50中取出並被吸引到要被處理的物件是通過第二陰極部分44所產生的獨立電場，或者如果希望的話，是它們中的每一個。
為了實現工藝上的均勻性，在圖7中由箭頭所示的機械運動可以施加到第二陰極部分和要被處理的物件46上。
屬於本發明的許多修改和其他實施例可很容易地出現在該技術熟練的人員裡，他們會受益於在早先描述的授教中或與之相連繫的附圖中。因此，很清楚，本發明不限制於被披露的特定實施例，在此領域的那種修改和實施例打算包括在附加的權項要求的範圍之內。
權利要求
1.一磁控管氣體放電裝置包括用於在其中包含有氣體組分的易於抽氣的室；用於在易於抽氣的室中產生磁場的裝置；多部位陰極裝置，用於在上述室中形成至少一個無窮的電子電流迴路，上述多部位陰極裝置是設置於室內，並包括第一極極部分裝置，是用於形成包括離子的等離子氣體放電，並產生第一電場，它與磁場相互作用以產生無窮的電子電流迴路，第一陰極部分裝置是與第一電源接通的，和第二陰極部分裝置，與同樣的電子電流迴路相聯，用於產生第二獨立電場，與氣體放電相互作用並從氣體放電取出離子而與被進行處理的物件相碰撞，第二陰極部分裝置與第二電源相接通。
2.根據權利要求
1的裝置，其中多部位陰極裝置包括用於產生至少一個電場的裝置，該電場一般垂直於所產生的磁場。
3.根據權利要求
1的裝置，其中用於產生磁場的裝置包括用於在多部位陰極周圍形成迴路的產生磁場的裝置。
4.根據權利要求
1的裝置，其中第一和第二陰極部分裝置包括通常是平面的，導電的平板，該平板是平行被固定，相互有間隔。
5.根據權利要求
1的裝置，其中用於產生磁場的裝置包括形成磁場的磁極，通常是與要進行處理的物件的表面相平行。
6.根據權利要求
1的裝置，其中用於產生磁場的裝置包括至少一對相反極性的磁極，在第二陰極的相對著的側面互相間隔開，用於形成跨過要進行處理物件的磁場。
7.根據權利要求
1的裝置，其中第一和第二陰極部分裝置通常是平面的。
8.根據權利要求
1的裝置，其中第一和第二陰極部分裝置通常是平行的。
9.根據權利要求
1的裝置，其中第一和第二陰極部分裝置是由電介質分開的。
10.在一包括組分氣體和多部位陰極的易於抽氣的室中用磁控管氣體放電處理一物件的方法，該方法包括在易於抽氣的室中產生磁場;在室內形成包括離子的等離子氣體放電和產生第一電場，通過對多部位陰極的第一部分施加能量使其與磁場相互作用以產生一無窮的電子電流迴路;和從形成的等離子氣體放電中取出離子，向要進行處理的物件方向，用與同樣的無窮電流迴路相聯的多部位陰極的第二部分施加能量以產生與等離子氣體放電相互作用的第二獨立電場。
專利摘要
一個為磁控管氣體放電的共用電流迴路的，並聯電場的裝置和工藝。該裝置包括一個含有氣體組分的易於抽氣的室。一個與電流迴路相聯的多部位陰極產生並聯的獨立的電場。陰極包括一用於產生第一電場的第一陰極部分，該第一電場形成包括離子的氣體放電。第二陰極部分產生第二的獨立的電場。第二獨立電場從氣體放電中取出離子，也可控制取出離子的能量，使其與要處理的物件碰撞。每個陰極部分是相互電絕緣並可接通到分離的電源上。
文檔編號H01L21/3065GK87106755SQ87106755
公開日1988年6月15日 申請日期1987年10月6日
發明者史蒂芬·麥可·羅比奧, 於赫·希·霍 申請人:北卡羅來納州微電子中心導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan