專利名稱：用于控制等離子體體積的等離子體形成內(nèi)磁桶的方法和設(shè)備的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及用于處理諸如集成電路(IC)制造中用的半導(dǎo)體襯底或平板顯示器中用的玻璃板等襯底的方法和設(shè)備。更具體地，本發(fā)明涉及等離子體處理室內(nèi)的等離子體的控制方法。
等離子體處理系統(tǒng)已面世多年。多年以來，利用感應(yīng)耦合的等離子體源、電子回旋諧振(ECR)源、電容源等的等離子體處理系統(tǒng)已不同程度地引用到處理半導(dǎo)體襯底和玻璃板。
處理過程中，通常要用多個(gè)淀積和/或刻蝕步驟。淀積過程中，多種材料淀積到諸如玻璃或半導(dǎo)體晶片等襯底表面。例如，可在襯底表面形成諸如SiO2的淀積層。相反地，可用刻蝕選擇地，從襯底表面上的預(yù)定的區(qū)域除去材料，例如在襯底的。例如，在襯底的多個(gè)膜層中形成諸如通孔、接點(diǎn)或溝槽的刻蝕特征。
等離子體處理的一個(gè)特別方法用感應(yīng)源產(chǎn)生等離子體。圖1畫出了一個(gè)現(xiàn)有的用于等離子體處理的感應(yīng)等離子體處理反應(yīng)器100。典型的感應(yīng)等離子體反應(yīng)器包括處理室102，它具有設(shè)在介質(zhì)窗106上面的天線或感應(yīng)線圈104。通常，天線104有效地耦合到第一RF電源108。而且，處理室102內(nèi)設(shè)有氣體出口110，它設(shè)置成把例如腐蝕源氣體等氣體源材料釋放進(jìn)介質(zhì)窗106與襯底112之間的RF感應(yīng)等離子體區(qū)。襯底112引入處理室102中并設(shè)在吸盤(chuck)114上，該吸盤114通常起下電極作用，并有效地耦合到第二RF電源116。之后，氣體從處理室102底部的排氣出口122排出。
為了產(chǎn)生等離子體，處理氣體經(jīng)輸氣口110輸入處理室102。之后，用第一RF電源108給感應(yīng)線圈104供電，供給的RF能量通過介質(zhì)窗106并在處理室102內(nèi)感應(yīng)大電場。電場加速處理室內(nèi)存在的少量電子，引起電子與處理氣體的氣體分子碰撞。這些碰撞導(dǎo)致離子化和產(chǎn)生放電或等離子體118。如眾所周知的，處理氣體的中性分子經(jīng)這些強(qiáng)電場作用會失去電子，留下帶正電荷的離子。結(jié)果，在等離子體118內(nèi)包含帶正電荷的離子、帶負(fù)電荷的電子和中性的分子(和/或原子)。
一旦形成了等離子體，等離子體內(nèi)的中性氣體分子會向襯底表面移動。例如，擴(kuò)散(即，處理室內(nèi)的分子隨機(jī)運(yùn)動)可能是有助于中性氣體分子存在于襯底表面的機(jī)理之一。因此，沿襯底112的表面通常能發(fā)現(xiàn)中性物質(zhì)層(例如，中性氣體分子層)。因此，當(dāng)下電極114通電時(shí)，離子向襯底加速移動，它們在襯底與中性物質(zhì)結(jié)合，引起腐蝕反應(yīng)。
等離子體118主要停留在處理室的上部區(qū)域，例如有效區(qū)。但是，等離子體的很多部分會填滿整個(gè)處理室。等離子體通常進(jìn)入它能被維持的幾乎是處理室內(nèi)的任何地方。例如，如果在限定等離子體的磁場內(nèi)有多個(gè)結(jié)點(diǎn)，等離子體會與處理室壁120和任何地方的區(qū)域接觸。為滿足處理目的，等離子體也會和不需要用等離子體的區(qū)域接觸，例如，襯底112的下面的區(qū)域123和抽氣出口122等非工作區(qū)接觸。
如果等離子體達(dá)到處理室壁，就會造成多處刻蝕、淀積或腐蝕，導(dǎo)致處理室內(nèi)產(chǎn)生微粒污染，即，造成區(qū)域腐蝕或淀積材料剝離。因而，處理過程中要多次清潔處理室，以防止形成過多的淀積物(例如，防止在處理室壁上淀積聚合物)和刻蝕的副產(chǎn)品。清潔處理不利地降低襯底產(chǎn)量，通常生產(chǎn)率下降造成生產(chǎn)成本增加。而且，通常造成處理室部件的壽命降低。
而且，處理過程中等離子體與處理室壁的相互反應(yīng)會導(dǎo)致等離子體中的離子與處理室壁的再結(jié)合，因此，使處理室內(nèi)的等離子體的密度下降。系統(tǒng)中，襯底與RF源之間用更大的間隙，會造成更大的等離子體的相互作用，因此，造成顆粒損耗到處理室壁上。為了補(bǔ)償這些增多的顆粒損耗，就必須用更大的功率密度，以引發(fā)和保持等離子體。這種增大功率密度導(dǎo)致等離子體中更高的電子溫度，并因而導(dǎo)致襯底以及處理室的潛在損壞。
最后，處理室內(nèi)用多種源氣的不對稱吸入，更好地控制等離子體的磁限定設(shè)備有助于對等離子體構(gòu)形和補(bǔ)償這種源氣的不對稱吸入。
考慮到上述原因，要求改善控制處理室內(nèi)的等離子體的技術(shù)和設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，涉及處理襯底的等離子體處理設(shè)備。該設(shè)備包括大致為圓柱形的處理室，其內(nèi)激發(fā)和保持用于處理的等離子體。處理室至少一部分由處理室壁限定。設(shè)備還包括等離子體限定設(shè)備。等離子體限定設(shè)備包括設(shè)在處理室內(nèi)的磁矩陣。磁矩陣有相對于處理室的軸徑向?qū)ΨQ地設(shè)置的多個(gè)磁元件。多個(gè)磁元件被構(gòu)型成產(chǎn)生磁場。
磁場在處理室內(nèi)建立控制場(“磁壁”的類型)?？刂茍隹砂搭A(yù)定的方式移動，以改善襯底處理系統(tǒng)的操作，減少因等離子體與處理系統(tǒng)的其他元件的相互作用所引起的污染和/或清潔問題。通過移動磁矩陣實(shí)現(xiàn)控制場移動。移動可以是連續(xù)的(即旋轉(zhuǎn)或平移一個(gè)或多個(gè)磁元件)，或者遞增的(即定期移動一個(gè)或多個(gè)磁元件的位置)。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，涉及用增強(qiáng)型等離子體在處理室內(nèi)處理襯底的方法。方法包括用設(shè)在處理室壁內(nèi)側(cè)的磁矩陣產(chǎn)生在處理室壁內(nèi)的磁控制場。方法還包括在處理室內(nèi)建立等離子體和把等離子體限定在至少由建立的磁控制場的一部分限定的體積內(nèi)。方法還包括移動構(gòu)成磁矩陣的一個(gè)或多個(gè)磁元件。


結(jié)合附圖用舉例方式描述發(fā)明，但是，實(shí)施例不限制發(fā)明，附圖中相同的數(shù)字指示類似的元件。其中圖1示出現(xiàn)有的用于等離子體處理的等離子體處理反應(yīng)器；圖2示出按本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的用磁矩陣的等離子體處理反應(yīng)器；圖3是沿圖2中3-3線切開的局部剖視圖；圖4是圖3所示設(shè)備有旋轉(zhuǎn)的磁元件的設(shè)備示意圖；圖5是可在本發(fā)明的實(shí)施例中使用的電磁系統(tǒng)的示意圖；圖6是本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中用的感應(yīng)等離子體處理反應(yīng)器的示意圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參見附圖中所示的優(yōu)選實(shí)施例詳細(xì)描述本發(fā)明。為了充分理解本發(fā)明，以下的描述中描述了許多具體細(xì)節(jié)。但是，對本行業(yè)技術(shù)人員而言，本發(fā)明顯然不受這些具體細(xì)節(jié)中的部分或全部細(xì)節(jié)的限制。為了使本發(fā)明清楚，其他實(shí)施例中，已知的細(xì)節(jié)不再描述。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中提供用于處理襯底的等離子體處理設(shè)備。該等離子體處理設(shè)備包括大致為圓柱形的至少由一部分壁限定的處理室，在該處理室內(nèi)引發(fā)和保持襯底處理用的等離子體。該等離子體處理設(shè)備還包括在處理室內(nèi)用磁矩陣構(gòu)成的等離子體限定設(shè)備，它產(chǎn)生磁場。該磁場建立處理室壁內(nèi)側(cè)的磁壁。本發(fā)明通過保持處理室壁內(nèi)側(cè)的磁壁能提高處理設(shè)備的性能，減少處理室壁的損壞與減少等離子體的相互反應(yīng)所引起的處理室壁的清潔問題。通過連續(xù)或遞增地移動磁矩陣的全部或部分能使磁壁均勻。
襯底設(shè)在等離子體處理室內(nèi)，同時(shí)對襯底進(jìn)行等離子體處理。給輸入處理室的處理氣體加能量并建立等離子體。等離子體將充滿整個(gè)處理室，移動到有效區(qū)域和無效區(qū)域。有效區(qū)域和等離子體接觸，等離子體中的離子和電子加速向有效區(qū)域移動，它們與有效區(qū)域表面上的中性材料結(jié)合，與在有效區(qū)域上淀積的材料反應(yīng)。通過給襯底加維持襯底處理的RF功率，通常能控制、增強(qiáng)或改善在襯底上的相互反應(yīng)。在無效區(qū)中進(jìn)行少量控制或不進(jìn)行控制，有可能實(shí)現(xiàn)最佳的增強(qiáng)型等離子體反應(yīng)，能產(chǎn)生相反的處理?xiàng)l件(例如，與諸如不希望產(chǎn)生淀積或刻蝕的處理室壁的一些區(qū)域的無保護(hù)的區(qū)域進(jìn)行反應(yīng)。離子、電子和中性物質(zhì)在反應(yīng)室內(nèi)與等離子體接觸的有效和無效區(qū)域碰撞。在表面處這些離子、電子和中性物質(zhì)流與表面相互反應(yīng)引起腐蝕、淀積，更典型的是，按包括流到表面的離子流部分的組分，溫度、能量等多個(gè)參數(shù)的表面和離子流體部分的復(fù)雜平衡。用于處理襯底的許多化學(xué)方法中，淀積的中性物質(zhì)用等離子體碰撞接觸能增加表面淀積速度。為了能清楚地論述，我們將考慮本發(fā)明的這些典型情況，即，與等離子體接觸的有效區(qū)會增強(qiáng)等離子體淀積，而無效區(qū)只有少量或沒有等離子體淀積。但這并不限制發(fā)明，其他化學(xué)方法與實(shí)際情況相反，等離子體出現(xiàn)導(dǎo)致表面腐蝕和少量的等離子體淀積。
無效區(qū)內(nèi)存在等離子體會減少處理設(shè)備的效率，引起處理室污染和/或要清潔處理室的問題。因而利用本發(fā)明使處理設(shè)備更有效地工作，不用經(jīng)常清潔處理室壁和減少污染。
不希望受理論約束，它認(rèn)為，例如，可以把磁場構(gòu)成為干擾等離子體中帶負(fù)電荷的電子或離子和帶正電荷的離子的帶電荷離子的方向。磁場的多個(gè)區(qū)域可以配置成反射場，在該處磁力線與帶電荷離子的移動線分量的方向大致平行，而且磁力線密度和磁場強(qiáng)度增大，并暫時(shí)俘獲等離子體(磁力線周圍的螺旋線)中的帶電荷離子，并最終使它們按離開更強(qiáng)電場的方向多次改變方向。此外，如果帶電荷粒子要跨過磁場，跨過磁場力，改變帶電荷的離子的移動方向并轉(zhuǎn)變帶電荷的粒子，或抑制跨磁場的擴(kuò)散。按該方式，磁場能抑制等離子體跨越由磁場限定的區(qū)域。通常在包含等離子體方面跨磁場抑制比反射場更有效。
為便于對本發(fā)明的該方案的描述，圖2示出用所述內(nèi)磁矩陣的等離子體處理系統(tǒng)的范例300。圖示的等離子體處理系統(tǒng)的范例300作為感應(yīng)耦合的等離子體反應(yīng)器。但是，應(yīng)注意，本發(fā)明也可用適合形成等離子體的任何等離子體反應(yīng)器實(shí)施，例如，電容藕合的等離子體反應(yīng)器或ECR反應(yīng)器。
等離子體處理系統(tǒng)300包括等離子體處理室302，該室的一部分由處理室壁303限定，處理室302最好用大致垂直的處理室壁303構(gòu)成大致的圓柱形。但是，應(yīng)注意，本發(fā)明不限于這種處理室構(gòu)形，可以用其他的處理室構(gòu)形。
處理室302的外邊設(shè)置天線裝置304(由線圈代表)，它經(jīng)匹配網(wǎng)307耦合到第一RF電源306。第一RF電源306構(gòu)成為給天線裝置304供給0.4MHz至50MHz頻率范圍內(nèi)的RF電能。而且，天線304與襯底312之間設(shè)有耦合窗308。襯底312代表要處理的工件，它可以代表要刻蝕、淀積或要以其他方式處理的半導(dǎo)體襯底，或要加工成平板顯示器的玻璃板。例如，在待審查的專利申請No09/440418，METHODAND APPARATUS FOR PRODUCING PROCCESS RATES(Attorney DocketNoLAMIP125/P0560)，更詳細(xì)描述了典型的等離子體處理系統(tǒng)中用的天線/介質(zhì)窗裝置。該文獻(xiàn)在此引作參考。
氣體注入器310通常設(shè)在處理室302內(nèi)。最好圍繞處理室302內(nèi)圓周設(shè)置氣體注入器310，以釋放氣體源材料，例如，腐蝕源氣體被引到耦合窗308與襯底312之間的RF感應(yīng)等離子體區(qū)域?；蛘撸部梢詮膬?nèi)置于處理室壁本身的出口釋放氣體源材料，或通過設(shè)在介質(zhì)窗中的噴頭釋放氣體源材料。例如，在待審查的專利申請No09/470236，PLAMA PROCESSING SYSTIM WITH DYNAMIC GASDISTRIBUTION，(Attorney Dockt NoLAMIP123/p0557)更詳細(xì)描述了典型的等離子體處理系統(tǒng)中用的氣體分配系統(tǒng)。該文獻(xiàn)在此引作參考。
襯底312作為最主要的部件引入處理室302中并放到吸盤314上，該吸盤314構(gòu)成為在處理室302中處理期間夾緊襯底。吸盤314可以代表ESC(靜電)吸盤，它用靜電力把襯底312固定在吸盤表面。通常，吸盤314起下電極作用，并最好用第二RF電源316加偏置電壓。第二RF電源316構(gòu)成為供給0.4MHz至50MHz頻率范圍內(nèi)的RF電能。
此外，吸盤314最好形成大致為圓柱形，與處理設(shè)備軸向?qū)?zhǔn)，使吸盤和處理設(shè)備同軸對準(zhǔn)。但是，應(yīng)注意，這不是限制，吸盤的放置應(yīng)按每個(gè)等離子體處理系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)變化。吸盤314也可以構(gòu)成為在用于裝載的第一位置和沒有裝載的襯底312和用于處理襯底的第二位置(未示出)之間移動。抽氣口322設(shè)在處理室壁303與吸盤314之間，并連接到渦輪分子泵(未示出)。正如本行業(yè)技術(shù)人員所公知的，渦輪分子泵能使處理室302內(nèi)保持適當(dāng)?shù)膲毫Α?br> 而且，在半導(dǎo)體處理的情況下，例如刻蝕處理，必須嚴(yán)格控制處理室內(nèi)的參量，以保證高精度的處理結(jié)果。處理室的溫度就是一個(gè)這樣的參數(shù)。由于刻蝕精度(和制成的以半導(dǎo)體為基礎(chǔ)的器件性能)對系統(tǒng)中的溫度波動極為敏感，所以要求精確控制溫度。在待審查的專利申請No09/439675，TEMPERATUR CONTROL SYSTEM FOR PLASMAPROCESSING APPARATUS，(Attorney Docket NoLAMP124/P0558)，中更詳細(xì)描述了典型的等離子體處理系統(tǒng)中用的溫度控制系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例。該文獻(xiàn)在此引作參考。
此外，等離子體處理中實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格控制的一個(gè)重要要求是用于等離子體處理室的材料，例如用于諸如處理室壁的內(nèi)表面的材料。另一個(gè)重要要求是用于處理襯底的氣體的化學(xué)性能。已在待決的專利申請No09/440794，MATERALS AND GAS CHEMISTERIES，F(xiàn)OR PLADMA，PROCESSING SYSTEMS，(Attorney Docket NOLAMIP128/P0561-1)，中更詳細(xì)描述了材料和氣體的化學(xué)性能的實(shí)例，PLASMAPROCESSINGAPPARATUS，(Attorney Docket NoLAMP124/P0558)，中更詳細(xì)描述了典型的等離子體處理系統(tǒng)中用的溫度控制系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例。該文獻(xiàn)在此引作參考。
處理氣體經(jīng)氣體注入器310被引入處理室30，為了建立等離子體。之后，用第一R，F(xiàn)電源306給天線304供電，并在處理室302內(nèi)產(chǎn)生大電場。該電場加速處理室內(nèi)存在的少量電子，使它們與處理氣體的氣體分子碰撞。這些碰撞導(dǎo)致放電或等離子體320的離子化或激發(fā)。正如本行業(yè)公知的，處理氣體的中性氣體分子，經(jīng)這些強(qiáng)電場作用后失去電子，留下帶正電荷的離子。結(jié)果，等離子體中包含帶正電荷的離子，帶負(fù)電荷的電子和中性的氣體分子。
一旦形成了等離子體，等離子體中的中性氣體分子就會向襯底表面移動。例如，有助于在襯底存在中性氣體分子的一個(gè)機(jī)理是擴(kuò)散，即在處理室內(nèi)分子隨機(jī)運(yùn)動。因此，通常能在襯底表面發(fā)現(xiàn)中性物質(zhì)層(例如中性氣體分子層)。因此，當(dāng)下電極314通電時(shí)，離子向襯底加速移動，在那里它們與中性物質(zhì)化合，激活襯底處理，即刻蝕、淀積等。吸盤314與構(gòu)成處理室302的第一端的耦合窗308隔開。通常在耦合窗308與吸盤314之間引發(fā)和保持等離子體。
圖2示出有按本發(fā)明的磁矩陣700的等離子體處理系統(tǒng)300。圖3是沿圖2中3-3線切開的局部剖視圖。磁矩陣700包括多個(gè)垂直的磁元件702，它們大致從處理室302的頂部貫穿到處理室302的底部，因此幾乎全部磁元件都位于襯底312上面，如圖所示，壁303的徑向的里面是磁矩陣700，包括許多磁元件702，該磁元件產(chǎn)生磁場。磁元件702垂直設(shè)置在處理室302與吸盤314之間，如圖所示。磁元件702相對于處理室302的垂直室軸302A徑向?qū)ΨQ設(shè)置，最好在處理室302的周圍軸向取向。優(yōu)選實(shí)施例中，每個(gè)磁元件702的橫截面通常為矩形，是具有多個(gè)縱向?qū)嵼S的細(xì)長桿。重要的軸是圖中所示的702P。每個(gè)磁元件有用磁軸702m連接的用北極(N)和南極(S)確定的磁取向。在優(yōu)選實(shí)施例中，磁軸702m是沿矩形橫截面的長軸。在優(yōu)選實(shí)施例中，沿細(xì)長桿702P的實(shí)軸和磁軸702m在每個(gè)磁元件702中相互垂直。更優(yōu)選的是，磁元件702沿處理室的周邊軸向取向，它的極點(diǎn)，例如N或S，指向處理室302的室軸302A，如圖3所示，即，磁軸702m大致按處理室的徑向。更優(yōu)選的是，每個(gè)磁元件702的實(shí)軸702P大致平行于處理室302的室軸302A。磁力線組在一起處形成鄰近磁元件的交點(diǎn)(cusp)708，即，磁元件的南端或北端。而且，磁元件702沿處理室周圍空間位移，以在每個(gè)磁元件702之間形成大致等于矩形橫截面的長度的間隔。要知道，間隔的大小可按每個(gè)處理系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)變化。最好是，磁元件702被設(shè)在吸盤314與介質(zhì)窗308之間的通常引發(fā)與保持等離子體的區(qū)域周圍，在此，磁元件702和實(shí)軸702P沿等離子體區(qū)延伸，該區(qū)域基本上從吸盤314延伸到介質(zhì)窗308，如圖2和3所示。
在處理室302內(nèi)設(shè)置用于產(chǎn)生磁控制場(“磁壁”的類型)的磁鐵來增強(qiáng)磁場限定裝置的性能。確定磁場704的磁力線706的會聚和聚集建立多個(gè)結(jié)點(diǎn)或交點(diǎn)708。
磁元件702的總數(shù)量最好等于32，以使處理室足夠大以處理300mm的襯底。但是，每個(gè)處理室的磁元件的實(shí)際數(shù)量可按每個(gè)處理系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)改變。通常，磁元件的數(shù)量應(yīng)足夠大，以保證有足夠強(qiáng)的等離子體限定磁場來有效限定等離子體。磁元件的數(shù)量太少會在等離子體限定磁場中產(chǎn)生低點(diǎn)，這將造成允許等離子體還會進(jìn)入不希望的區(qū)域。但是，磁元件的數(shù)量太多有損密度增加，因?yàn)檠卮帕€的交點(diǎn)處的損失通常最大。正如本行業(yè)技術(shù)人員所公知的，在磁力線組在一起處形成鄰近磁元件的交點(diǎn)708，即，磁元件的南端或北端。每個(gè)磁元件702最好有較小的橫截面，為1/2至1英寸的數(shù)量級，在交點(diǎn)有磁通量問在100至1000高斯數(shù)量級的大功率。以下將會更詳細(xì)解釋，磁元件702(和使用的涂層或套筒)較小的橫截面積會減少等離子體控制系統(tǒng)的表面積，這可能在處理過程中潛在地受等離子體影響。
最好是，但不是必需是，磁元件702要構(gòu)成為尺寸相同和磁通量相同的永磁鐵。但不限于相同的尺寸和相同的磁通量，有些結(jié)構(gòu)中要求有不同尺寸和不同磁通量的磁元件。例如，50至1500高斯的磁通量適合產(chǎn)生有抑制等離子體移動的足夠強(qiáng)度的等離子體限定磁場。影響必需的磁通量和磁鐵尺寸的一些因素是氣體的化學(xué)性能、電功率、等離子體的密度等。永磁鐵最好用有足夠強(qiáng)的永磁材料構(gòu)成，例如磁性材料系列NdFeB(釹鐵硼)或SmCo(鈷酸釤)中的一種制成，在一些小的處理室中用AlNiCo(鋁、鎳、鈷和鐵)也可很好地工作。
除選擇制造磁元件702的材料外，每個(gè)磁元件702最好也可涂覆或包含適當(dāng)?shù)牟牧希允勾判圆牧吓c等離子體本身隔絕。必須用保護(hù)材料以隔絕磁元件702，而且，容易清潔和更換。優(yōu)選實(shí)施例中，用SiC套703包封磁元件702。每個(gè)磁元件702也可涂SiC，或者，用SiC板粘接到磁鐵上。但是用SiC套703可按需要加到磁性材料上，也允許磁元件702在SiC套703中移動。而且，用SiC套703允許用冷卻流體或其他專用的方式對磁元件702進(jìn)行溫度控制。
盡管用永磁鐵構(gòu)成等離子體限定裝置，但也可以用電磁鐵構(gòu)成等離子體限定裝置。電磁鐵具有能控制磁通量的優(yōu)點(diǎn)，因此能實(shí)現(xiàn)更好的處理控制。但是，電磁鐵可以使系統(tǒng)的可制造性復(fù)雜，因此可能不實(shí)際。正如以下要詳細(xì)描述的，電磁鐵可按需要容易移動磁場。
大多數(shù)情況下，還要求磁元件702有高的磁通量，以能遠(yuǎn)離磁鐵產(chǎn)生顯著的磁場強(qiáng)度。如果選擇的磁通量太小，會在等離子體限定磁場中產(chǎn)生更大的低場區(qū)，因此，減小了磁場的控制效率。因此，最好等離子體限定磁場是最大磁場，它的磁場強(qiáng)度能有效防止等離子體穿過等離子體限定磁場。更具體地說等離子體限定磁場的磁通量范圍應(yīng)在約15至1500高斯，在大約50至1250高斯更好，在大約750至1000高斯最好。
在優(yōu)選實(shí)施例中，通常忽略淀積在處理室壁303上的材料。但是，為減少損壞或需要清潔的頻率可以在處理室壁303與磁矩陣700之間用可淀積的內(nèi)襯。這種內(nèi)襯可在預(yù)定的處理周期數(shù)量中使用，之后，設(shè)置和更換新的內(nèi)襯，因此，能避免清潔處理室壁303。處理中，襯套(或有涂層的磁元件702)將在處理中作為屏蔽套出現(xiàn)，能用常規(guī)的處理室清潔方法清潔。而且，由于磁元件702的受影響的表面積大致小于常規(guī)處理室中的處理室壁，因而，減少了清潔。關(guān)于使用的磁場，在襯底附近的磁場最好為零或接近零?？拷r底表明的磁通量對處理的均勻性有負(fù)面。因而，在襯底上面的控制磁場最好構(gòu)成為產(chǎn)生大致為零的磁場。而且，在抽氣出口322附近最好用一個(gè)或多個(gè)附加的磁限制矩陣，以進(jìn)一步增強(qiáng)對處理室302內(nèi)的等離子體限定。在待審查的專利申請NO09/439759，METHOD AND APPARATUS FOR CONTROLLINGTHE VOLUME OF A PLASMA，(Attorney Docket NoLAM1P129/P0561)，中更詳細(xì)描述了抽氣出口限定磁矩陣裝置的一個(gè)實(shí)例。該文獻(xiàn)在此引作參考。
按本發(fā)明的另一方案，還能設(shè)置多個(gè)磁通量板以控制等離子體限定裝置的磁元件產(chǎn)生的任何隨機(jī)磁場。磁通量板構(gòu)成為短路不要的區(qū)域中的磁場，例如，通常突出在磁元件的不用的一邊的磁場。而且，磁通量板能改變一些磁場的方向，因而能使更強(qiáng)的磁場引導(dǎo)到需要的區(qū)域中。最好是磁通量板使襯底區(qū)域中的磁場強(qiáng)度達(dá)到最小。結(jié)果磁元件能更靠近襯底放置。因而，能實(shí)現(xiàn)襯底表面附近的磁場為零或接近零。
注意，盡管優(yōu)選實(shí)施例想要使產(chǎn)生的磁場有限定等離子體的足夠的強(qiáng)度，而不用把等離子體屏柵引入處理室，它可以用本發(fā)明與一個(gè)或多個(gè)等離子態(tài)屏柵增加等離子體限定。例如，磁場可用作限定等離子體的第一裝置，而等離子體屏柵和泵出口322中的穿孔柵可用做等離子體的第二限定裝置。
處理室壁303最好用基本上能抗等離子體環(huán)境的非磁性材料制造。例如，可以用SiC，SiN，石英，陽極化鋁，氮化硼，碳化硼等構(gòu)成處理室壁303。
磁矩陣700和磁元件702被構(gòu)型成通過在處理室壁303內(nèi)以磁場704的形式產(chǎn)生磁壁，迫使大多數(shù)等離子體密度梯度離開襯底聚集。按該方式，隨著在襯底312上的等離子體的密度梯度變化達(dá)到最小而進(jìn)一步增強(qiáng)了均勻性。與許多可能等離子體處理系統(tǒng)相比，經(jīng)改進(jìn)的等離子體處理系統(tǒng)的處理均勻性能達(dá)到最大程度。在待審查的專利申請NO09/439661.IMPROVED PLASMA PROCESSING SYSTEM AND METHODSTHEREFOR，(Attorney Docket NoLAM1P/P0527)。更詳細(xì)描述了靠近耦合窗和天線的磁矩陣裝置的實(shí)例，該文獻(xiàn)在此引作參考。
通常磁場能抑制帶電荷的粒子經(jīng)磁場704的部分710A滲透，該磁場大致垂直等離子體移動到處理室壁的移動線，因?yàn)榇艌鲒呌谝种茙щ娏Ｗ涌绱艌龅臄U(kuò)散，有助于控制在諸如向處理室壁303的點(diǎn)710A處的等離子體。磁場的大致平行于等離子體移動到處理室壁303的移動線的點(diǎn)是交點(diǎn)708A，此處的磁力線變的更密。該磁力線密度的增加引起也反射等離子體的磁鏡作用，但它不能像在保持等離子體中那樣有效抑制等離子體跨磁場。盡管描述了覆蓋處理室302中特定的區(qū)域和深度時(shí)磁矩陣700產(chǎn)生的磁場704，但應(yīng)了解，等離子體控制場的位置是可以改變的。例如可按一種常規(guī)技術(shù)選擇磁場強(qiáng)度，以滿足處理襯底的其他性能標(biāo)準(zhǔn)。交點(diǎn)708的存在會導(dǎo)致套筒703上淀積更多的不希望有的材料。而且，在處理過程中，等離子體與套筒材料的相互反應(yīng)會導(dǎo)致等離子體中的離子再結(jié)合，使處理室302內(nèi)的等離子體密度減少。用本發(fā)明的系統(tǒng)中，磁控制場的移動是有幫助的。待審查的專利申請，發(fā)明名稱為METHOD AND APPARATUS FOR VARYING AMAGNETIC FIELD TO CONTROL A VOLUME OF APLASMA美國專利申請?zhí)枮镹o09/536000(Attorney DocketNoLAMIP130/P0566)，中更詳細(xì)描述了非靜止的磁限制裝置的實(shí)例。該文獻(xiàn)在此引作參考。
在本發(fā)明中，各個(gè)磁元件702能在它們各自的套筒703內(nèi)轉(zhuǎn)動，以減緩靜止磁控制場的明顯負(fù)面狀態(tài)。如箭頭712所示，任何一個(gè)其他的磁元件702按順時(shí)針方向繞其實(shí)軸702P旋轉(zhuǎn)。其余的磁元件702按反時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，也如箭頭712所示。圖4示出磁元件702轉(zhuǎn)動90°后的另一個(gè)磁場。磁元件從圖3所示位置轉(zhuǎn)動到圖4所示位置的過程中，磁場704B的交點(diǎn)從708磁元件702的中心附近位置移動到磁元件702的側(cè)邊附近的位置。這引起大多數(shù)等離子體淀積從磁元件702的中心附近的區(qū)域移動到磁元件702的側(cè)邊附近的區(qū)域。磁元件轉(zhuǎn)另一90°后，再位于與圖3所示位置相似的位置中，盡管每個(gè)磁元件702已轉(zhuǎn)動了180°，其中，磁元件702使磁場704重新穩(wěn)定在與它的起始位置等效的位置。磁場的交點(diǎn)708從磁元件702的側(cè)邊附近的區(qū)域移動到磁元件702的中心。這就導(dǎo)致大多數(shù)在室壁303上等離子體的淀積從靠近磁元件702的側(cè)面位置移動到靠近磁元件702的中心位置。磁元件702連續(xù)旋轉(zhuǎn)直到它們回到圖3所示的它們的原始位置為止，完成一次循環(huán)。磁元件702連續(xù)經(jīng)過另一循環(huán)直到等離子體熄滅為止。磁元件702的周期性旋轉(zhuǎn)使交點(diǎn)周期性移動，以提供更均勻的控制。或者，套筒703旋轉(zhuǎn)，以在套筒的整個(gè)表面上均勻分布等離子體淀積。
第二“磁桶”位于處理室外(集中到內(nèi)磁矩陣700)，以輔助限定等離子體。第二磁桶的磁元件可以放在處理室壁的外周邊，以進(jìn)一步減少處理室壁303上的等離子體淀積。
如圖3所示，優(yōu)選實(shí)施例中的磁元件也可以交替極取向。即每個(gè)連續(xù)的磁元件702向內(nèi)指的極交替。N-S-N-S-N-S-N-S以建立磁場704。除圖3和圖4所示的結(jié)構(gòu)外，本發(fā)明的實(shí)踐中也可以用其它的磁元件取向，只要生成的磁場有方位角對稱的徑向梯度即可，即N-S磁軸702m都不按同一方向?qū)?zhǔn)，但是，取代建立多個(gè)交點(diǎn)圖形并使襯底處的磁場最小。磁元件旋轉(zhuǎn)過程中最好是有時(shí)全部磁軸702m都平行于它們所處的半徑。例如，構(gòu)成的徑向極直線(N-N-N-N-N-N或S-S-S-S-S-S)也能用于產(chǎn)生不同的初始靜態(tài)磁場。這些磁取向中的每一個(gè)產(chǎn)生不同的控制磁場，本行業(yè)的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以按具體應(yīng)用選擇最合適的結(jié)構(gòu)。
如上所述，本發(fā)明具有許多現(xiàn)有技術(shù)所沒有的優(yōu)點(diǎn)。例如，本發(fā)明提供了限定等離子體的更接近的磁控制場。此外，本發(fā)明有對等離子體的幾乎全部的磁控制。因此減少了對處理室壁的磨損和劃傷和頻繁清潔處理室壁。因此，磁場能更有效地防止等離子體移動到處理室的無效區(qū)。更重要的是等離子體能更好地被控制到特定的體積和處理室內(nèi)特定的區(qū)域內(nèi)，同時(shí)，增加抽氣傳導(dǎo)率以改善供給的源氣流可操作的系統(tǒng)的壓力范圍。磁場對處理室內(nèi)的中性分布沒有大的影響，可選擇外壁303以獲得最佳的中性均勻性。同時(shí)能單獨(dú)選擇控制等離子體均勻性的磁桶。按該方式，獲得更均勻的等離子體密度和中性密度。結(jié)果，能進(jìn)行更均勻的處理，即，在刻蝕過程中襯底的中心和邊緣有相同的刻蝕速度，而不需要頻繁清潔和/或維修處理室。
圖5示出可用作圖2-4中的磁元件702的電磁系統(tǒng)904。該電磁系統(tǒng)904包括第一電磁鐵908，第二電磁鐵912和電控制器916。第一電磁鐵908和第二電磁鐵912每個(gè)至少包括一個(gè)電流回路，為了顯示清楚團(tuán)中只畫了一個(gè)電流回路。操作中，電控制器916在第一電磁鐵908中提供第一電流800，以建立第一磁場806；在第二電磁鐵912中提供第二電流802，以建立第二磁場804。用電控制器916隨時(shí)改變第一和第二電流800和802的大小和方向，生成的第一和第二磁場806，804之和產(chǎn)生與圖2-4中用磁元件702產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相同的旋轉(zhuǎn)磁場。本實(shí)施例表明，用是電磁鐵的磁元件702能控制磁場移動。電磁鐵有控制磁通量的優(yōu)點(diǎn)，因此能達(dá)到更好的處理控制。但是，電磁鐵使系統(tǒng)的制造更復(fù)雜。按本實(shí)施例供給磁矩陣700的電流能控制磁場的強(qiáng)度和取向。當(dāng)然，電磁的磁元件702也能按與永磁鐵相同的方式進(jìn)行實(shí)際操作，以在磁場中進(jìn)行所需的調(diào)制。
圖6示出本發(fā)明的另一實(shí)施例。在圖6中處理室502的壁503包圍多個(gè)環(huán)形磁元件550，其中，每個(gè)環(huán)形磁元件550包圍處理室壁503的周邊。多個(gè)環(huán)形磁元件550的極交替，一些環(huán)形磁元件551的北極在環(huán)的里邊，南極在環(huán)的外邊；一些環(huán)形磁元件552的北極在環(huán)的外邊，南極在環(huán)的里邊。磁通量板556構(gòu)成包圍環(huán)形磁元件550的多個(gè)部份。襯底512放在吸盤514上。RF電源506給天線裝置504供電，它給腐蝕氣體通電，以形成等離子體520。沿吸盤與處理室的第一端之間的等離子體區(qū)設(shè)置多個(gè)磁元件550，以建立圖示的有交點(diǎn)圖形的磁場560。本實(shí)施例中的交點(diǎn)圖形不是主要平行于室軸，而是大致垂直于室軸。本實(shí)施例中，如箭頭580所示，磁通量板556徑向位移。磁通量板556的位移引起磁場560位移。
已用幾個(gè)優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，在本發(fā)明范圍內(nèi)還有一些替換、變更和等效物。注意，還有許多實(shí)施本發(fā)明方法和設(shè)備的其他方式。這些替換、變更和等效物均落入后附的權(quán)利要求書界定的發(fā)明構(gòu)思和發(fā)明范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于處理襯底的等離子體處理設(shè)備，包括處理室，包括確定處理室的一部分的室壁；和用于在處理室內(nèi)引發(fā)和保持用于所述處理的等離子體的裝置；等離子體限定裝置，包括具有設(shè)在所述處理室內(nèi)的多個(gè)磁元件的等離子體限定裝置，所述多個(gè)磁元件被構(gòu)型成產(chǎn)生磁場。
2.按權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述處理室還包括吸盤，用于在被限定于所述處理室內(nèi)的所述等離子體內(nèi)支持所述襯底，所述吸盤與所述的處理室的第一端分隔開，所述等離子體在所述處理室的第一端與所述的襯底之間的等離子體區(qū)域內(nèi)被引發(fā)和保持，所述的多個(gè)磁元件圍繞所述的等離子體區(qū)設(shè)置并沿所述的等離子體區(qū)延伸。
3.按權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中，所述多個(gè)磁元件大致從所述的處理室的第一端延伸到所述的吸盤。
4.按權(quán)利要求1-3任意一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中，所述的磁場有方位角對稱的徑向梯度。
5.按權(quán)利要求1-4任意一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中，每個(gè)磁元件具有沿等離子體區(qū)延伸的實(shí)軸。
6.按權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中，每個(gè)磁元件有大致垂直于實(shí)軸的磁軸。
7.按權(quán)利要求1-6任意一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中，所述磁元件是永磁鐵。
8.按權(quán)利要求1-6任意一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中，所述磁元件是電磁鐵。
9.按權(quán)利要求1-8任意一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中，所述磁元件單獨(dú)容納在套筒中。
10.按權(quán)利要求1-9任意一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中至少一個(gè)所述磁元件被移動，以隨時(shí)間移動所述磁場。
11.按權(quán)利要求1-10任意一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中，所述磁元件被旋轉(zhuǎn)。
12.一種用于在處理室內(nèi)處理襯底時(shí)控制等離子體體積的方法，所述處理室至少部分地由室壁限定，該方法利用等離子體增強(qiáng)處理，包括用設(shè)在所述處理室內(nèi)的磁矩陣在所述的處理室內(nèi)產(chǎn)生磁場；在所述處理室內(nèi)建立等離子體；和將所述等離子體限定在至少部分地由所述磁場限定的體積內(nèi)。
13.按權(quán)利要求12所述的方法，還包括將襯底支承在所述處理室內(nèi)的吸盤上的步驟，其中襯底與所述處理室的第一端分隔開，所述等離子體大致被限定在所述處理室第一端與所述襯底之間的等離子體區(qū)域內(nèi)，所述的磁矩陣包括多個(gè)磁元件，這些磁元件被圍繞所述處理室第一端與所述的襯底之間的等離子體區(qū)域設(shè)置并沿該等離子體區(qū)域延伸。
14.按權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述多個(gè)磁元件大致從所述處理室的第一端延伸到所述吸盤。
15.按權(quán)利要求12-14任意一項(xiàng)所述的方法，其中，所述第一磁場具有方位角對稱的徑向梯度。
16.按權(quán)利要求12-15任意一項(xiàng)所述的方法，其中，每個(gè)所述磁元件具有沿等離子體區(qū)域延伸的實(shí)軸。
17.按權(quán)利要求12-16任意一項(xiàng)所述的方法，其中，所述的磁元件是永磁鐵。
18.按權(quán)利要求12-16任意一項(xiàng)所述的方法，其中，所述磁元件是電磁鐵。
19.按權(quán)利要求12-18任意一項(xiàng)所述的方法，其中，所述磁元件單獨(dú)容納在套筒內(nèi)。
20.按權(quán)利要求12-18任意一項(xiàng)所述的方法，還包括周期性地改變所述磁場的步驟。
全文摘要
一種用于在處理室內(nèi)處理襯底時(shí)控制等離子體體積的等離子體限定設(shè)備，包括處理室，在處理室在引發(fā)和保持用于處理的等離子體。處理室至少部分地由室壁限定，并還包括等離子體限定裝置。等離子體限定裝置包括圍繞處理室內(nèi)的等離子體區(qū)設(shè)置的多個(gè)磁元件。磁矩陣具有多個(gè)磁元件，該磁元件被圍繞等離子區(qū)域設(shè)在處理室內(nèi)。磁場在處理室內(nèi)建立限定磁場，即一種“磁壁”。限定磁場可按預(yù)定方式移動，以改善襯底處理系統(tǒng)的操作，減少因等離子體與處理系統(tǒng)中的其他元件的相互作用引起的損害和/或清潔問題。通過移動磁矩陣中的磁元件實(shí)現(xiàn)限定磁場的移動。
文檔編號H01J37/32GK1432188SQ01810242
公開日2003年7月23日 申請日期2001年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月27日
發(fā)明者A·D·拜利三世 申請人:蘭姆研究有限公司