專利名稱：改進等離子均勻性和效率的電感耦合等離子裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及等離子反應器，特別是涉及電感耦合反應器中的氣體均一分布的設計。
背景技術：
等離子反應器或反應腔在現(xiàn)有技術中是公知的，并廣泛應用于半導體集成電路、 平板顯示器，發(fā)光二極管(LED)，太陽能電池等的制造工業(yè)內(nèi)。在等離子腔中通常會施加一個射頻電源以產(chǎn)生并維持等離子于反應腔中。其中，有許多不同的方式施加射頻功率，每個不同方式的設計都將導致不同的特性，比如效率、等離子解離、均一性等等。其中，一種設計是電感耦合(ICP)等離子腔。在電感耦合等離子處理腔中，一個通常是線圈狀的天線用于向反應腔內(nèi)發(fā)射射頻能量。為了使來自天線的射頻功率耦合到反應腔內(nèi)，在天線處放置一個絕緣材料窗口。反應腔可以處理各種基片，比如硅晶圓等，基片被固定在夾盤上，等離子在基片上方產(chǎn)生。因此， 天線被放置在反應器頂板上方，使得反應腔頂板是由絕緣材料制成或者包括一個絕緣材料窗口。在等離子處理腔中，各種氣體被注入到反應腔中，以使得離子和基片之間的化學反應和/或物理作用可被用于在所述基片上形成各種特征結構，比如刻蝕、沉積等等。在許多工藝流程中，一個很重要的指數(shù)是晶圓內(nèi)部的加工均一性。也就是，一個作用于基片中心區(qū)域的工藝流程應和作用于基片邊緣區(qū)域的工藝流程相同或者高度相近。因此，例如，當執(zhí)行工藝流程時，晶圓中心區(qū)域的刻蝕率應與晶圓邊緣區(qū)域的刻蝕率相同。一個有助于獲得較好工藝均一性的參數(shù)是在反應腔內(nèi)均勻分布的處理氣體。要獲得這樣的均一性，許多反應腔設計采用安裝在晶圓上方的氣體噴淋頭，以均勻的注入處理氣體。然而，如上所述，在電感耦合(ICP)反應腔頂板必須包括一個使射頻功率從天線發(fā)射到反應腔中的絕緣窗。因此，ICP的結構中并沒有給氣體噴淋頭留出相應的空間來實現(xiàn)其氣體均勻注入的功能。圖1示出了現(xiàn)有電感耦合反應腔設計的截面圖。ICP反應腔100包括基本呈圓筒狀的金屬側(cè)壁105和絕緣頂板107，構成可被抽真空器125抽真空的氣密空間?；?10支撐夾盤115，所述夾盤115支撐待處理的基片120。來自射頻功率源145的射頻功率被施加到呈線圈狀的天線140。來自氣源150的處理氣體通過管線155被供應到反應腔內(nèi)，以點燃并維持等離子，并由此對基片120進行加工。在標準電感耦合反應腔中，氣體通過在反應腔周圍的注入器/噴頭130和中間的噴頭135之一或者兩者一同注入來供應到真空容器內(nèi)的。從圖1可知，來自外圍噴頭130的氣體被大量抽出了 120的表面。因此，從外圍噴頭130注入的大量氣體可能實現(xiàn)對晶圓邊緣區(qū)域的處理，但是幾乎沒有能達到晶圓120的中心區(qū)域，這會導致不均一性。相反地，中心噴頭135注入的大量氣體集中在晶圓中心并沒有到達邊緣區(qū)域，也會造成不均一性。
因此，業(yè)內(nèi)需要一種改進電感耦合反應腔設計，可以優(yōu)化反應腔內(nèi)的氣體分布以改進加工工藝的均一性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容只提供一個對本發(fā)明部分方面和特點的基本理解。其不是對本發(fā)明的廣泛概述，也不是用于特別指出本發(fā)明的關鍵要素或者示意發(fā)明的范圍。其唯一的目的是簡化的呈現(xiàn)本發(fā)明的一些概念，為后續(xù)詳細的描述本發(fā)明作鋪墊。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種等離子反應器，其包括封閉殼體，絕緣窗，設置在絕緣窗上方的射頻天線，多個氣體注入器(gas injectors)向所述封閉殼體內(nèi)供氣，設置于所述封閉殼體內(nèi)的擋板，其用于限制或引導從氣體注入器中的氣體流動。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一個電感耦合等離子反應器，其中，包括封閉殼體，其中所述封閉殼體頂板的至少一部分構成一個絕緣材料窗?；窝b置設置于所述封閉殼體內(nèi)和所述絕緣材料窗的下方。射頻功率發(fā)射裝置設置于所述絕緣材料窗上，以發(fā)射射頻功率并使其穿過所述絕緣材料窗到封閉殼體內(nèi)。多個氣體注入器均勻分布在所述基片支撐裝置上方，以提供處理氣體到所述封閉殼體內(nèi)。設置于封閉殼體內(nèi)的環(huán)形擋板，其位于所述基片支撐裝置上方和多個氣體注入器下方，以引導處理氣體流動。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，所述擋板可由由導體或絕緣材料制成。比如擋板可由陽極化的鋁，陶瓷，石英等制成。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，擋板可為帶中心開口的環(huán)形平板。所述擋板也可包括分布在中心開口周圍的次級開口。所述擋板可以包括從所述中心開口處開始延伸的延伸部。所述延伸部可以是圓筒形的也可以是圓錐形的，等等。所述擋板可集成進一個射頻天線。所述擋板可以是在絕緣材料中集成該射頻天線，擋板的一面也可以是導體材料制成的使得絕緣窗上的射頻功率發(fā)射裝置或者射頻天線產(chǎn)生的射頻能量無法穿過該導體層。所述擋板可以在所述基片支撐裝置上方垂直上下移動，因而得以改變與基片之間的間隙。根據(jù)本發(fā)明的再一個方面，提供了一種在基片上制造半導體器件的方法，包括放置基片于等離子反應器中的基片支撐裝置上，其中等離子反應器包括封閉殼體，其包括圓柱形的側(cè)壁和頂板，其頂板的至少一部分構成一絕緣材料窗，位于所述絕緣材料窗上方的射頻發(fā)射器，其用于發(fā)射射頻功率并使其穿過所述絕緣材料窗到達所述封閉殼體內(nèi)，多個在基片上方均勻分布的氣體注入器；在封閉殼體內(nèi)放置環(huán)形擋板，以使得所述擋板位于基片支撐裝置上方和多個氣體注入器的下方，從而在所述擋板和所述基片之間直接形成一個間隙；往氣體注入器提供反應氣體；施加射頻功率到射頻發(fā)射器。


附圖作為本發(fā)明說明書的一部分，例證了本發(fā)明的實施例，并與說明書一起解釋和說明本發(fā)明的原理。附圖用圖解的方式來解釋舉例實施例的主要特征。附圖不是用于描述實際實施例所有特征也不用于說明圖中元素間的相對尺寸，也不是按比例繪出。圖1是現(xiàn)有技術的電感耦合反應腔的截面圖；圖2是本發(fā)明實施例的電感耦合反應腔的截面圖；圖3是本發(fā)明第二實施例的電感耦合反應腔的截面圖4是本發(fā)明第三實施例電感耦合反應腔的截面圖；圖5是本發(fā)明第四實施例電感耦合反應腔的截面圖；圖6是本發(fā)明第五實施例電感耦合反應腔的截面圖。其中，相同或相似的附圖標記表示相同或相似的裝置(模塊)。
具體實施例方式本發(fā)明涉及電感耦合等離子體腔的實施例改進了均一性，特別是氣體分布的均勻性。本發(fā)明實施例中的反應腔中添加了預設裝置使噴頭中流出的氣體被重新引導流動方向，以改進反應腔中的氣體分布，從而使得晶圓上的均一性得到了改善。下文將結合圖2對本發(fā)明的一個實施例進行詳細描述。圖2示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的等離子處理裝置200。除了 2XX系列附圖標記外，圖2中示出的對應于圖1中的要素具有相同的附圖標記。應當理解，其中的反應腔裝置200僅僅是示例性的，所述200裝置實際上也可以包括更少或額外的部件，部件的排列也可以不同于圖2中所示出。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的ICP反應腔的截面圖，其執(zhí)行了氣體受控流動的特點。ICP反應腔200包括金屬側(cè)壁205和絕緣頂板207，構成一個氣密的真空封閉殼體，并且由抽真空泵225抽真空。所述絕緣頂板207僅作為示例，也可以采用其它的頂板樣式，比如穹頂形狀的，帶有絕緣材料窗口的金屬頂板等?；?10支撐夾盤215，所述夾盤上放置著待處理的基片220。偏置功率被施加到所述夾盤215上，但是由于與揭露的本發(fā)明實施例無關，在圖2中未示出。所述射頻電源245的射頻功率被施加到天線M0，該天線基本是線圈狀的。處理氣體從氣源250經(jīng)過管線225被供應到反應腔內(nèi)，以點燃并維持等離子，從而對基片220進行加工。在本實施例中，氣體通過外圍注入器或噴頭230被供應到真空空間中，但是額外的氣體也可以選擇性的從中心噴頭235注入反應腔。如果氣體從注入器230 和噴頭235同時供應，每個的氣體流量都可獨立控制。任何這些用于注入氣體的設置可稱為等離子氣體注入器。在圖2中，擋板270設置于反應腔中以限制和/或引導散發(fā)自氣體噴頭230的氣體流動。根據(jù)附圖標記所示，在上述實施例中擋板基本是中間帶孔或開口的圓盤形。所述擋板位于氣體噴頭下方但是在基片所在位置上方。這樣，氣體在向下流向基片前被限制為進一步流向反應腔中間，如圖中虛線箭頭所示。通常地，所述擋板270可由金屬材料制成，如陽極化的鋁。用金屬材料來制造擋板能夠有利于限制所述擋板上方的等離子，因為來自線圈的射頻能量被所述擋板阻擋了傳播。另一方面，所述擋板270也可以是由絕緣材料制成，比如陶瓷或石英。在采用絕緣檔板的實施例中，來自線圈的射頻(RF)能量能夠穿過所述擋板，使得等離子體能夠被維持在所述擋板下方(虛線部分顯示)，其依賴于到達所述擋板下方的氣體量。在部分應用場景下，需要進一步限制氣體流動使得氣體有更多時間位于晶圓中心位置上方，以保證在整個晶圓上方獲得足夠的等離子解離。得益于上述應用的實施例在圖3 中示出。除了編號為3XX系列的附圖標記外，圖3與圖2中相同的要素具有相同的附圖標記。如圖3及圖3中附圖標記所示，本實施例的擋板372具有圓盤形的外形并具有一個環(huán)形垂直方向延伸部373，基本呈一圓筒形狀。垂直延伸部與基片間構成一個間隙374，通過該間隙氣體可以流到邊緣，比如流向腔體內(nèi)超過基片外圍的區(qū)域。所述間隙374的尺寸確定了基片上方氣體的流動以及氣體流過所述基片所需的時間，以使得氣體被等離子解離。在圖3所示的實施例中，環(huán)形開口的直徑d的尺寸可與基片直徑相同，或者大于或小于所述基片直徑。所述環(huán)形開口的直徑取決于所需的氣體流動限制。同時，因為垂直方向環(huán)形延伸部設置為與圓盤形基片呈直角，所述環(huán)形延伸部373的開口直徑與環(huán)形盤372 本身的開口直徑相同。另一方面，有時需要限制氣體從圓環(huán)向基片流出，但是一旦氣體向所述基片方向流動，有時也需要強化氣體在水平方向上向腔體外圍流動。一個得益于上述設置的設計由附圖4示出。在圖4中，擋板475由一個環(huán)型部和一個圓錐形延伸部476構成，所述圓錐形延伸部476具有上開口直徑d，其小于所述圓錐形延伸部476的下開口直徑d’，其中所述下開口靠近基片。設置了下開口以定義間隙477，氣體通過該間隙在水平方向朝反應腔側(cè)壁流動。錐形部分的側(cè)壁與環(huán)形部之間構成夾角Φ，其中該夾角Φ小于90度。在上述的任一實施例中，有時可能需要讓部分氣體在到達擋板中心開口前流出。 圖5示出了第四實施例是對圖2所示實施例的部分修改。如圖5所示，擋板578是帶有一個中心開口盤型結構，有些類似于圖2所示的擋板272。所述中間開口的直徑可與圖2中的相同或不同。此外，輔助/次級開口 589設置在所述中心開口邊，以使得部分氣體在到達所述中心開口前下漏。所述次級開口的直徑可小于所述中心開口的直徑。所述次級開口可以應用到前述任一實施例，并且可在中心開口周圍均勻設置。比如，圖5示出了與圖3中的擋板類似的改進的擋板陽8，除了在延伸部周圍添加了次級開口的安排，以使得氣體在到達中心開口前下漏并流向所述延伸部。 在上述實施例中，所述擋板用于控制處理氣體的流動。此外，所述擋板也可用于被動地控制等離子。通常，等離子可以通過所述擋板上的孔洞擴散到反應腔下部。所述孔洞越大，所述等離子濃度越高。通過改變所述孔洞的數(shù)量和位置，在反應腔中分布的等離子濃度也可同時改變。所述擋板也可用于主動控制所述等離子。圖6示出了上述實施例。在圖6所示的實施例中，擋板680用于主動控制等離子。如圖所示，次級天線682 嵌入所述擋板680中。所述輔助天線可為線圈狀。如圖所示，所述天線可為單圈線圈的(圖中用虛線示出)，但也可采用其它設計。所述輔助天線可以同主天線一樣采用電源645 (虛線箭頭所示)供電，或者采用一個不同的射頻電源647供電。不管采用何電源供電，施加到所述輔助天線682上的功率幅度(amplitude)是獨立于施加到主天線640的電源功率之外來控制的。根據(jù)上述實施例，所述擋板680是由絕緣材料制成，且所述線圈嵌入該絕緣材料。 比如，擋板680可以是由燒結的陶瓷材料制成，其中金屬線圈嵌入所述陶瓷材料。如此，來自次級線圈的功率可施加于擋板上方和下方的等離子。另一方面，根據(jù)另一實施例，所述擋板680也可由一面是絕緣材料另一面是導體材料制成，以使得射頻功率只能施加到擋板的其中一面。比如，所述擋板680的上層可由導體材料制成，以便來自次級線圈682的射頻功率僅施加到所述擋板下方的等離子中。這種設計可由圖6示出，其中線圈682嵌入陶瓷盤 685，使得所述線圈中產(chǎn)生的射頻能量可施加到所述擋板下方的等離子，但導體盤683設置于所述陶瓷盤685上方，使得來自所述線圈682的射頻能量無法施加于所述擋板上方。此外，這種設計結構也會阻擋主線圈640產(chǎn)生的射頻能量施加于所述擋板680下方。因此，所述主天線640的射頻能量可被調(diào)整(如頻率，功率等)以控制所述擋板680上方的等離子，同時次級天線680的射頻能量可調(diào)整來控制所述擋板下方的等離子。前述任何實施例都可作近一步改進，使擋板成為可移動的。這種設計由圖6示出。 圖6中的步進電機690通過例如齒條和齒輪之類機構耦合到擋板680，使得所述步進電機 690能夠通電并垂直地驅(qū)動所述擋板上下移動，使得所述擋板680和基片620之間的空隙可
被調(diào)整。應該理解，本發(fā)明提到的處理流程和技術并不限于提到的特定裝置，也可以是實現(xiàn)本發(fā)明的多個部件的組合。進一步地，各種類型的通用設備也可以在本發(fā)明技術中被采用。本發(fā)明描述了多個特定實施例，這些實施例都在各個方面說明了本發(fā)明的內(nèi)容，其并不是對本發(fā)明內(nèi)容的限制。本領域技術人員應當理解，除了本發(fā)明所舉例子，還有很多不同的組合可以適用本發(fā)明。此外，本領域技術人員通過對本發(fā)明說明書的理解和對本發(fā)明的實踐，能夠容易地想到其它實現(xiàn)方式。本文所描述的多個實施例中各個方面和/或部件可以被單獨采用或者組合采用。需要強調(diào)的是，說明書和實施例僅作為舉例，本發(fā)明實際的范圍和思路通過下面的權利要求來定義。
權利要求
1.一種等離子反應器，其中，包括封閉殼體，其包括頂板，所述頂板構成一絕緣材料窗； 基片支撐裝置，設置于所述封閉殼體內(nèi)的絕緣材料窗下方；射頻功率發(fā)射裝置，設置于所述絕緣材料窗上方，以發(fā)射射頻能量到所述封閉殼體內(nèi)；氣體注入器，用于向所述封閉殼體內(nèi)供應處理氣體，擋板，設置于所述封閉殼體內(nèi)以及所述基片支撐裝置上方和所述氣體注入器下方，以限制處理氣體的流動。所述擋板包括嵌入其中的次級射頻天線。
2.根據(jù)權利要求1所述的等離子反應器，其特征在于，所述擋板是一個帶有中心開口的圓盤。
3.根據(jù)權利要求2所述的等離子反應器，其特征在于，所述擋板進一步地包括一個從所述中心開口處向所述基片支撐裝置處延伸的垂直方向的延展部。
4.根據(jù)權利要求1所述的等離子反應器，其特征在于，所述擋板和所述基片支撐裝置之間的間隙的寬度是可調(diào)的。
5.根據(jù)權利要求1所述的等離子反應器，其特征在于，所述擋板由絕緣材料制成。
6.根據(jù)權利要求5所述的等離子反應器，其特征在于，所述絕緣材料包括陽極化的鋁、 陶瓷和石英的任一項。
7.根據(jù)權利要求1所述的等離子反應器，其特征在于，所述擋板包括嵌入次級射頻天線的絕緣盤，還包括一設置于擋板的其中一面的導體盤，以阻擋射頻能量穿過所述導體盤。
8.根據(jù)權利要求1所述的等離子反應器，其特征在于，施加到射頻功率發(fā)射裝置和所述輔助射頻天線的電源功率是相互獨立控制的。
全文摘要
本發(fā)明提供一種電感耦合等離子反應器，其中，包括封閉殼體，其中所述封閉殼體的至少部分頂板由絕緣材料制成的絕緣材料窗?；窝b置，設置于所述封閉殼體中的所述絕緣材料窗的下方。射頻功率發(fā)射裝置位于所述絕緣材料窗上方，以發(fā)射射頻功率穿過所述絕緣材料窗進入到所述封閉殼體中。多個氣體注入器均勻分布在所述基片支撐裝置上方，以提供處理氣體到所述封閉殼體。環(huán)形擋板，設置于所述封閉殼體內(nèi)以及所述基片支撐裝置的上方和所述多個氣體注入器的下方，以引導所述處理氣體的流動。
文檔編號H05H1/46GK102395243SQ20111031925
公開日2012年3月28日 申請日期2011年10月19日 優(yōu)先權日2011年10月19日
發(fā)明者倪圖強, 石剛, 許頌臨 申請人:中微半導體設備(上海)有限公司